DE3126351C2 - Gerät zur Bildung eines Tröpfchenstrahles - Google Patents

Abstract

Es wird eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung mit einem Düsenkopf oder Sprühkopf angegeben, der eine Druckkammer, eine Düse und Kanäle aufweist. Ein Teil der Druckkammer wird von einer dünnen Membran gebildet, die im mittleren Bereich und einem umgebenden Bereich im Abstand vom mittleren Bereich dick ausgebildet ist. Eine piezoelektrische Platte ist durch Klebung an den dicken Bereichen befestigt, um den dünnen Bereich zwischen den Vorsprüngen zu überbrücken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bildung eines Tröpfchenstrahles nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solches Gerät ist insbesondere für einen Tintenstrahl-Schreiber geeignet, bei dem sich das Volumen der Druckkammer in Abhängigkeit von elektrischen Signalen ändert und bei dem in Abhängigkeit von den Volumenänderungen Tintentröpfchen herausgesprüht werden

Der Düsenkopf eines Tröpfchenschreibers weist in der Regel eine mit einem Flüssigkeitsbehälter verbundene Druckkammer, eine mit der Druckkammer verbundene, einzelne Tröpfchen abgebende Düse sowie einen elektromechanischen Wandler, beispielsweise eine piezoelektrische Platte auf. Ein Teil der Druckkammer besitzt dabei einen biegsamen Bereich bzw. eine sogenannte Membran.

Bei einer bekannten Anordnung ist die piezoelektrische Platte mit ihrer Hauptfläche auf der Membran angeklebt (JP-OS 51-35 231). Aus der DAS-22 56 667 ist ebenfalls eine Vorrichtung für einen Spritzkopf eines Tintentröpfchen-Druckers bekannt, bei dem eine Wand der Fluidkammer von einer Abdeckplatte gebildet wird, mit welcher eine Platte aus Piezokeramik verbunden ist. Die Piezokeramik wird mit Hilfe von elektrischen Signalen über Elektroden erregt und zu SchwiLgungen

ίο veranlaßt, die auf die Abdeckplatte der Fluidkammer übertragen werden, was schließlich zum Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen führt Entsprechende Anordnungen, bei denen ebenfalls eine Biegeplatte durch einen Wandler zu Schwingungen angeregt wird sind in der OE-OS 28 35 678 und der DE-OS 28 31 558 beschrieben. Bei diesen Vorrichtungen muß die Klebeschicht zwischen der piezoelektrischen Platte und der mit der Flüssigkeit in Berührung stehenden Membran sehr gleichmäßig sein und die beiden Elemente müssen genau aufeinander abgestimmt werden, damit man die gewünschte Charakteristik der Tröpichenbildung erreicht. Da bereits kleine Abweichungen und Unregelmäßigkeiten in der Kleberschicht sowie der gegenseitigen Ausrichtung von Membran und piezoelektrischer Platte zu einer ganz veränderten Tröpfchenbildung führen kann, ist die Herstellung solcher Tröpfchenstrahl-Vorrichtungen schwierig.

Wird andererseits die Membran direkt durch den piezoelektrischen Kristall gebildet, dann darf das dafür verwendete piezokeramische Material mit der zu versprühenden Flüssigkeit, beispielsweise Tinte, nicht reagieren: weiter muß die Membran ausreichend dicht mit dem die Druckkammer bildenden Gehäuse verklebt sein. Auch in diesem Fall bietet die Verklebung große Schwierigkeiten, und zusätzlich müssen Materialeigenschaften berücksichtigt werden.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zur Bildung eines Tröpfchenstrahles so auszugestalten, daß die Eigec-chaften der Tropf chenbildung möglichst unabhängig von der gegenseitigen Stellung der Membran der Druckkammer und der an der Membran befestigten piezoelektrischen Platte sind und durch eine etwaige Ungleichmäßigkeit der Klebeschicht nicht beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird mit einem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gerät gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich

5i/ aus den Unteransprüchen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, daß die Charakteristik der Tröpfchenbildung nicht durch die Relativstellung zwischen der Membran der Druckkammer und der darauf aufgeklebten piezoelektrischen Platte beeinflußt wird. Weiterhin hat die Dicke der Klebeschicht keinen Einfluß. Gemäß der Erfindung besitzt die Membran einen dicken Zentralteil, um den herum ein dünner Bereich liegt, der wiederum von einem dicken peripheren Teil umgeben ist, dessen oberes Ende ebenso hoch ist wie das Zentralteil. Eine piezoelektrische Platte oder auch ein anderer elektromechanischer Wandler ist an dem dicken peripheren Teil der Membran befestigt und liegt an dem Zentralteil der Membran ständig an, wobei der dünne Abschnitt der Membran überbrückt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die piezoelektrische Platte auch an dem dicken Zentralteil der Membran befestigt.

Durch die Wirkung des elektromechanischen Wandlers wird die Membran über den dicken mittleren Bereich hinweg verformt, wobei der dünne Bereich der Membran nicht mit der piezoelektrischen Platte in Berührung steht; dadurch übt die Befestigung der piezoelektrischen Platte keinen Einfluß auf die Tröpfchenbildung des Düsenkopfes aus.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tröpfchen-Sprüheinrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-Il von Fig. 1:

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform des Düsenkopfes gemäß der Erfindung;

F i g. 4 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform eines Düsenkopfes gemäß der Erfindung:

F i g. 5 und 7 Draufsichten von zwei weiteren Ausführungsformen der Erfindung; und

F i g. 6 und 8 Schnittansichten entlang der Linien Vl-VI bzw. VII-VII der F i g. 5 bzw. 7.

Gemäß F i g. 1 und 2 ist im Rahmen der voi Kegenden Erfindung ein Düsenkopf 1 vorgesehen, welcher über eine Anschlußmuffe 7 und ein Rohr 5 mit einem Tintenbehälter 3 verbunden ist Das Aufsprühen der Tintentröpfchen auf einem nicht gezeigten Aufzeichnungsmedium erfolgt in Abhängigkeit von Signalen eines elektrischen Impulsgenerators 9.

Der Düsenkopf 1 weist dabei ein Gehäuse auf. das von einer Basisplatte 11 und einem daran befestigten Deckel 13 gebildet wird, wodurch eine kreisförmige Kammer 15, eine Düse 17 sowie Kanäle 19 i-.nd 21 gebildet werden. Die Druckkammer 15 steht über Kanäle 19 mit der Düse 17 in Verbindung, während über den Kanal 21 und die Anschlußmuffe 7 eine Verbindung mit dem Tintenbehälter 3 hergestellt ist. Ein Teil 23 des Gehäuses oder der Basisplatte 11, die einen Teil der Druckkammer bLHet, ist dünn und biegsam ausgelegt, wodurch eine kreisringförmige Membran 23 gebildet ist. Die Membran 23 hat einen nach außen vorstehenden Ansatz 25 und ist von einem dicken, festen Umfangsteil 27 nach außen umgeben. Die oberen Flächen des Ansatzes 25 und des peripheren Bereiches 27 reichen bis zur selben Höhe.

Auf den beiden Elementen 25 und 27 ist eine verformbare Platte 29 festgeklebt. Diese verformbare Platte 29 besteht aus piezoelektrischen Elementen 31 und 33, die mit Hilfe einer dünnen 'eitfähigen Schicht miteinander verbunden sind und einen Durchmesser besitzen, der größer als der der Druckkammer 15 ist. Die piezoelektrische Platte 29 ist nur an dem umgebenden Umfdngsteil 27 und dem Ansatz 25 angeordnet bzw. angeklebt und über Leiter 35 mit dem elektrischen Impulsgenerator 9 verbunden und wird durch elektrische Signale in Schwingungen versetzt, so daß die Membran sich entsprechend den gestrichelten Linien in F ι g. 2 verbiegt.

Die Basisplatte 11 besitzt Ausnehmungen, welche die Düse 17, die Druckkammer 15 und die Kanäle 19 und 21 sowie die ringförmige Aussparung für die Bildung der Membran 23 bilden. Der Deckel 13 hingegen besitzt nur eine einzige Bohrung 37 zum Anschluß an den Kanal 21. Die Basisplatte Ii muß somit den meisten Bearbeitungen ausgesetzt werden, wobei die verschiedenen Aussparungen gleichzeitig durch Ätzen erzielt werden können. Es läßt sich somit e^;ne Tröpfchen-Sprüheinrichtung schaffen, welche bei guter Produktivität mit niedrigen

Kosten herstellbar ist. Die zweckmäßigerweise aus Bimorph hergestellte piezoelektrische Piatte 29 wird mit Hilfe von elektrischen Signalen des Impulsgenerators 9 konisch in die Druckkammer 15 hineingedrückt, wodurch sich eine gestrichelt angedeutete Verformung ergibt. Das Volumen der Druckkammer 15 wird somit sehr schnell verringert, so daß der Innendruck entsprechend ansteigt, wodurch aus der Düse 17 Tröpfchen ausgestoßen werden. Sobald jedoch das elektrische Signal an der piezoelektrischen Platte 29 verschwindet, kehren die piezoelektrische Platte 29 und die Membran 23 in ihren Ausgangszustand zurück, so daß die Druckkammer 15 expandiert. Gleichzeitig mit dieser Expansion fließt Tinte aus dem Tintenbehälter 3 durch den Kanal 19 in die Druckkammer 15, wodurch die Düse 17 kurzzeitig geleert wird. Anschließend wird dann die Düse 17 erneut aufgrund der Kapillarwirkung mit Tinte gefüllt. Es ergibt sich somit, daß die aus der Düse 17 versprühte Tinte in ihrer Gesamtheit von dem Tintenbehälter 3 geliefert wird.

Die piezoelektrische Platte 29 ur.' die Membran 23 sind nur im peripheren und minieren üe-eich miteinander verbunden. Selbst wenn die Klebeschichten zwischen der Membran 23 und der piezoelektrischen Platte 29 nicht gleichmäßig sind, wird die Charakteristik der Tröpfe¹· enerzeugung nicht erheblich von den Klebeschichten beeinflußt, da die Ungleichmäßigkeit der Klebeschichten die Deformation der piezoelektrischen Platte 29 sowie die Deformation der Membran 23 nicht direkt beeinflußt Die Volumenänderung innerhalb der Druckkammer 15 wird durch die Kombination der Größe der Verformung und der Kraft der piezoelektrischen Platte 29 und die Steifigkeit und die Größe der Membran 23 festgelegt, während die Auslegung oder Form der Druckkammer und die Form und Größe der piezoelektrischen Platte keinen wesentlichen Einfluß haben, so wie dies bei Düsenköpfen bekannter Bauweise der Fall ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt somit eine relativ große Freiheit in der Konstruktiv-nsauslegung, wobei die piezoelektrische Platte und die Membran 23 im wesentlichen unabhängig voneinander hinsicntlich Form. Größe usw. ausgelegt werden können.

Eine abgewandelte Ausführungsform eines Düsenkopfes gemäß der Erfindung ist in F i g. 3 gezeigt. In diesem Fall sind die innerhalb eines Gehäuses 43 angeordnete Druckkammer 41 und ihre Membran 42 kreisförmig ausgelegt. Die Membran 42 besitzt im mittleren Bereich einen Ansatz 45. während nach außen hin ein dicker peripherer Bereich vorgesehen ist. Die aus Bimorph bestehende piezoelektrische Platte 47 ist hingegen rechteckig ausgelegt und durch Verkleben an dem mittleren Ansatz 45 und dem peripheren Bereich an dem Gehäuse 43 befestigt. Bei dieser Auslegung ergibt «•ine !Deformation der piezoelektrischen Platte 47 eine entsprechende Verformung der Membran 42 durch den Ansatz 45. Daduri.!i ergibt sich eine Voluni.-inveräntlerung innerhalb der Druckkammer 41. so daß aus eine·' Düse 49 in entsprechender Weise ein Tröpfchenstrahl erzeugt wird. Die gewünschte Volumenveränderung der Druckkammer 41 ergibt sich dabei durch die Kraft der piezoelektrischen Platte 47 und die Deformation und Steifigkeit der Membran 42. Es erweist sis;h dabei jedoch nicht als notwendig, die Membran 42 und die piezoelektrische Platte 47 formmäßig entsprechend aneinander anzupassen (vgl. F i g. 3).

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Düsenkopf 50 mit mehreren Düsen vorgesehen ist. Dieser Düsenkopf 50 weist eine Viel-

zahl von elliptisch ausgelegten Druckkammern 51 sowie eine Vielzahl von rechteckig ausgelegten piezoelektrischen Platten 53 auf, die durch Verklebung an den mittleren Ansätzen 55 befestigt sind und die peripheren Bereiche 56 umgeben. Die Druckkammern 51 sind dabei 5 parallel zueinander angeordnet und mit entsprechenden Düsen 57 verbunden. Entsprechende Kanäle 58 führen zu den einzelnen Druckkammern 51 und über einen Kanal 59 zu einem nicht dargestellten Tintenbehälter.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fi g. 5 und 6 gezeigt, in diesem Fall ist eine Basisplatte 60 vorgesehen, welche eine Druckkammer 61 und eine Membran 62 bildet. Die Membran 62 ist mit einem mittleren Ansatz 63 sowie einem Ringansatz 64 versehen, wobei letzterer den mittleren Ansatz 63 im Abstand umgibt. Der Ringansatz 64 liegt dabei innerhalb der dicken und peripheren Wandung 66. Der mittlere Ansät/ 63 und der Ringansatz 64 besitzen obere Flächen in

Hf»rsplhr»n Fhpnp Πίι* Mpmhrnn fiO nnH Hin η>Ρ7Γ**»!*»ΐΜι·ι. --■- -.,.-. . — — ——...__r.._............

sehe Platte 65 sind in diesem Fall kreisförmig ausgebildet. Letztere ist an den Ansätzen 63 und 64 festgelegt. Da in diesem Fall zwischen der peripheren Wandung 66 und dem ringförmigen Ansatz 64 ein dünner Bereich vorgesehen ist, wird eine Verringerung der Deformation der piezoelektrischen Platte 65 verhindert. Die Fnden der piezoelektrischen Platte 65 sind nämlich in diesem Fall elastisch an dem ringförmigen Ansatz 64 befestigt, so daß die Deformation relativ groß wird.

F i g. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Gegensatz zur Ausführungsform von Fig. j und 6 die piezoelektrische Platte 71 im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann somit ein Tröpfchen-Ausstoßkopf geschaffen werden, bei welchem eine Versetzung der piezoelektrischen Platte gegenüber der Druckkammer sowie eine ungleichmäßige Verklebung die Erzeugung der von dem Düsenkopf abgegebenen Tröpfchen nicht direkt beeinflussen. Fernerhin muß die Form der piezoelektrischen Platte nicht unbedingt die gleiche wie die der Druckkammer sein. Es ergibt sich somit ein Tröpfchen-Ausstoßkopf, beispielsweise für einen Tröpfchenschreiber, bei welcher die Auslegung und die Verklebung des Tröpfchen-Ausstoßkopfes relativ einfach durchführbar sind und bei der eine geringere Streuung der Charakteristik der Tropfchenerzeugung zustandekommt. Die Herstellungskosten eines derartigen Tröpfchen-Ausstoßkopfes sind fernerhin relativ gering.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

55

65

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Bildung eines Tröpfchen-Strahles mit einem eine Druckkammer (15, 41, 51, 61) bildenden Gehäuse(ll,13;43),

einer Dösenvorrichtung (17, 49, 50, 57), die mit der Druckkammer in Verbindung steht und durch die Tröpfchen ausgestoßen werden,

einer Membran (23, 42, 54, 62), die in dem Gehäuse angeordnet ist und die Druckkammer zu einem Teil abgrenzt,

einem elektromechanischen Wandler (29,47, 53, 65, 71), der auf dem Gehäuse angeordnet ist, um nach Maßgabe von elektrischen Signalen die Membran

(2..42,54,62) zu deformieren,

einem Flüssigkeitsbehälter (3), der mit der Druckkammer in Verbindung steht und in dem Flüssigkeit gespeichert ist. und mit

einem GeL.. rator (9) zur Erzeugung elektrischer Signale, der elektrisch an den elfkiromagnetischen Wandler angeschlossen ist. dadurch gekennzeichnet,

daß die Membran (23, 42, 54, 62) in einem Bauelement (11, 43, 50, 60) des Gehäuses ausgebildet ist und ein dickes Zentralteil (25,45,55,63) sowie einen diesen umgebenden dünnen Abschnitt aufweist, der wiederum von einem dicken peripheren Teil (27,64) umgeben ist. dessen oberes Ende die gleiche Höhe aufweisi wie das Zentralteil,

und daß der 'ektromechanische Wandler (29,47,53, 65, 71) als verformbare piezoelektrische Platte ausgebildet ist, die an dein dicken peripheren Teil (27, 64) der Membran befestigt ist und an dem Zentralteil

(2..45,55,63) der Membran stä.idig anliegt und den dünnen Abschnitt der Membran überbrückt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler auch (29, 47, 53, 65, 71) am dicken Zentralteil (25, 45, 55, 63) befestigt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dicke periphere Teil (27, 64) der Membran ringförmig ist, und daß ein dünner äußerer Abschnitt (66) zwischen dem dicken peripheren Teil (64) und einem von der Membran verschiedenen Gehäuseteil (60) derart gebildet ist, daß der dicke periphere Teil der Membran (64) durch den elektromechanischen Wandler verschwenkbar ist (F i g. 6,8).