DE3147107A1

DE3147107A1 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE3147107A1
Application number: DE19813147107
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Shiojiri Koto
Original assignee: Suwa Seikosha KK; Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-11-28
Filing date: 1981-11-27
Publication date: 1982-07-01
Also published as: GB2088287B; JPS5791275A; SG7887G; JPS6145951B2; DE3147107C2; GB2088287A; HK81887A; MY8700489A; US4443807A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-druckkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das heißt einen Tintenstrahlkopf oder Tintenstrahldruckkopf des Tinte-auf-Bedarf-Typs.

Tintenstrahldruckkopfe oder -schreibköpfe (im folgenden wird vereinfachend nur noch von Druckkopf gesprochen werden) des Tinte-auf-Bedarf-Typs, die eine Druckkammer besitzen, deren Volumen durch mechanische Verformung eines piezoelektrischen Elements zum Zwecke des Aus-Stoßens flüssiger Tinte durch eine mit der Druckkammer

Ί5 in Verbindung stehende Düse verrinaert werden kann, haben verstärkt Beachtung gefunden, da die zum Druck erforderliche Energie gering ist und diese Druckköpfe mit mehreren Düsen ausgestattet werden können- Obwohl der Aufbau zum Ausstoß der Tinte relativ einfach ist, hat es bisher keine vollständige theoretische Analyse eines solchen Druckkopfes gegeben, da der Tintenausstoß unter.Übergangsbedingungen erfolgt und der Druck, die Durchflußrate bzw. der Durchsatz und ähnliches infolge der geringen Größe des Druckkopfes schwierig zu messen sind.

Bei sehr kompakten Mehrdüsen-Druckköpfen mit 24 oder mehr Düsen, wie sie bei Druckern für chinesische Zeichen erforderlich sind, sollten eine einzelne Druckkammer und das piezoelektrische Element vorzugsweise klein sein« Wegen der mangelnden theoretischen Analyse ist jedoch nicht klar gewesen, wie man die Druckkammer verkleinern kann, und es sind piezoelektrische Elemente mit einer Dicke von tp« 0,3 mm und einem Durchmesser von D«i5 m oder mehr verwendet worden. Kleine piezo-

elektrische Elemente erzeugen eine geringe Antriebsleistung und erfordern eine erhöhte Treiberspannung und wurden daher als praktisch nicht realisierbar angesehen. In der Druckschrift IEEE, Transaction on Electron Devices, ED-20 No. 1, 14 (1973) ist beispielsweise eine Anordnung beschrieben, bei der tp =0,3 und D = 5 mm ist. In einer Sammlung von Vordrucken für die 8. Nationale Konferenz der Picture Image Electronics Society, 1980 beschreiben Matsuda et al, daß ein rechteckiges piezoelektrisches Element mit tp = 0,3 mm das beste Verhältnis der mechanischen Verformung aufweist. Die Größe dieses piezoelektrischen Elements ist zu 2 mm· 15 mm angenommen, so daß ein solches piezoelektrisches Element vom Standpunkt der Größenverringe-

Ί5 rung her gesehen nicht zufriedenstellend ist. Je großer die Fläche eines piezoelektrischen Elementes, desto höher werden die Kosten eines dieses piezoelektrische Element bildenden Substrats und damit die des Druckkopfes. Ein sehr kompakter Druckkopf ist daher insofern nachteilig, als er eine Anzahl von piezoelektrischen Kiementen aufweist. Bei mehreren Düsen führt eine Vergrößerung eines piezoelektrischen Elementes zu einem größeren Abstand zwischen dem abgelegenen Ende der Düsen und der Druckkammer und damit zu einem erhöhten Strömungswiderstand des Strömungskanals. Solch ein erhöhter Strömungswiderstand erfordert seinerseits eine Vergrößerung der Fläche des piezoelektrischen Elements, damit von letzterem eine größere Antriebsleistung zur Verfügung steht, ein Nachteil aufgrund eines circulus viciosus von Größe und Antriebsleistung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf zu schaffen, der eine gerinae Größe besitzt, ohne jedoch zu seinem Betrieb eine erhöhte Treiberspannung zu benötigen.

Ί Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckkopf gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung erlaubt die Schaffung eines Mehrdüsenkopfes hohen Wirkungsgrades ohne begleitende Erhöhung des Strömungswiderstands im Strömungskanal. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß der Druckkopf gemäß der Erfindung mit geringeren Kosten hergestellt werden kann.

Obwohl es sehr schwierig ist, Druckkopfο dos Tinto-auff-Bedarf-Typs theoretisch zu analysieren, hat sich als Ergebnis der Analyse eines elektrischen Ersatzschaltbildmodells eines Druckkopfes herausgestellt, daß das piezoelektrische Element verkleinert werden kann, ohne daß dies mit Schwierigkeiten,wie einer Erhöhung der Treiberspannung,verbunden wäre,

Pie Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a und 2 elektrische Ersatzschaltbilder eines

in Fig.. 1b schematisch im Schnitt gezeigten Druckkopfes,

Fig. 3a, 3b,

4a und 4b Darstellungen zur Definition von Konstanten, die bei der Berechnung gemäß der Erfindung eingesetzt werden,

Fig. 5a und 5b grafische Darstellungen zum Vergleich

zwischen berechneten und gemessenen

3/4

3H7107

Werten gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung berechneter Treiberspannungen gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine grafische Darstellung optimaler

akustischer Kapazitäten, die gemäß der Erfindung berechnet wurden,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Durchmesser

von Tintentröpfchen, die unter der gleichen Voraussetzung wie für Fig. 7 erhalten wurden,

Fig. 9 eine grafische Darstellung der Intensitäten eines unter der gleichen Voraussetzung wie für Fig. 6 errechneten elektrischen Feldes und

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Druckkopf, bei

dem von der Erfindung Gebrauch gemacht ist.

Fig. 1a zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Druckkopfes. Hierin bezeichnen m die Trägheit, C eine akustische Kapazität und r einen akustischen Widerstand. Fig. 1b zeigt schematisch den zugehöriger Druckkopf. Darin ist 10 ein Schwingungssystem mit einem piezoelektrischen Element 11 und einer Schwingungsplatte 12, 1 ci.no Druckkammer, 2 ein Versorqungsabschnitt (Zufluß) und 3 nine Düse. Die Indizes in Fiq·. 1a beziehen sich auf die entsprochenden Bezugszahlen in Fig. 1b. So ist C- dio akustische Kapazität des Zuflusses 2, während C₃ die als akustische Kapazität betrachtete Oberflächenspannung für die Düse 3 ist. Der Index 0 bezieht sich

-] auf das Schwingungssystem 10. Im folgenden sind verwendete Größen und ihre Einheiten angegeben: Druck ψ

2 2

[N/m"'] , Volumengeschwindigkeit u [m /s] , Trägheit m [kg/m ] , akustische Kapazität C [m /N], akustischer Widerstand r [Ns/m" ]. Eine tatsächliche Berechnung der Konstanten erweist, daß die Paramter m₀, r_Q, c^/ c_ vernachlässigbar sind, was zum vereinfachten Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 führt.

Unter der Annahme, daß m₂ = km., und r„ - kr₃ ist, ergibt sich bei Anregung mit Druck in Form einer Sprungfunktion eine gedämpfte Schwingung

Y^co

^ut ⁼ ■ exp(-Dt) sinEt ..".(3)

mit dem Dämpfungsfaktor

D = r₃/2m₃ (1)

und

der Kreisfrequenz

E = V1+1/k ... (2)

und ferner

C = Cq+Cj ... (4)

Aus Gleichung (3) folgt der erfoderliche Druck als

VmAm₃C ν/ε²+D

C_Qexp [-Darctan(E/D)/El

^J5 wobei vm eine notwendige Cieschwindinkei I und. Λ die

4/5

Querschnittsfläche einer Düse sind.

Das Volumen q eines Tintentropfens kann wie folgt ausgedrückt werden

YV

(1+1/k)

TCs gilt die Definition

Tt-

Die Treiberspannung V kann durch nachstehende Gleichung ausgedrück werden

/ 2Y²C '

v=W—J—2 ...(8)

wobei Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements und K eine Konstante ist, die bei Experimenten im Bereich von 0,1 bis 0,3 lag. Die Kapazität Cp ist wie folgt definiert:

Cp = £ Sp/tp ... (9)

wobei ε die Dielektrizitätskonstante, Sp die Fläche des piezoelektrischen Elements und tp seine Dicke sind.

Die Konstanten für ein scheibenförmiges piezoelektrisches

Element können wie folgt angegeben werden: 30

π a ·
C= ₃ _r ...(10)

₃
K Eptp +K

na²d'
C = —= . ...(11)

3U7107

r =	32^1
m =	,2 sd
-11. S

wobei Ep der Längs-Elastizitätsraodul des piezoelektrischen Elements, Ev der Elastizitätsmodul der Schwingungsplatte, K₁, K„ Konstanten, von denen bei Experimenten K₁ ungefähr 5 und K₂ im Bereich von etwa 10 bis 20 lagen, a der Radius des piezoelektrischen Elements, tp dessen Dicke, tv die Dicke der Schwingungsplatte, d' die Tiefe der Druckkammer, vs die Schallgeschwindigkeit in Tinte, f die Dichte der Tinte,η die Viskosität der Tinte, 1 die Länge des Strömungskanals, S dessen Querschnitts fläche und d der Durchmesser den Strömunqskanals sind. Beim Durchmesser d des SLrömungskannla sollte es sich im Fall eines rochtockförmicion Ouorschnitts mit den Seitenlängen b und c des Strömungskanals um einen äquivalenten Durchmesser (d « 2S/ (b+c)) handeln.

Die vorgenannten Konstanten sind in den Fig. 3a und 3b eingezeichnet.

Im folgenden werden Beispiele gegeben, die unter Verwendung der obigen Gleichungen erhalten wurden. Die Fig. 4a und 4b zeigen einen durch Ätzen aus Glas hergestellten Düsenteil eines Druckkopfes. Ein durch gestrichelte Linien 30 angedeuteter Strömungskanal, der sich von einer Druckkammer 31 zu einer Düse 32 erstreckt, wird durch den in ausgezogener Linie gezeichneten Strömungskanal angenähert, und aus den Gleichungen (12) und (13) ergibt sich folgendes:

' *" 3U7107

j i ₁ I₁ = 250μΐη,

b„ = 300μπι, c₂ = 100μΐη, 1^ = 2mm, wenn · \ = 1,8cP, f= 1.000kg/m , m₃ = 1,8 · 10⁸ kg/m⁴,

r₃ = 3,3 · 10¹² Ns/m⁵

sind.

Zur Erzielung einer größeren Genauigkeit müßte längs dem Strömungskanal integriert werden,oder m und r Ί0 winziger, durch kleinere Unterteilungen geschaffener Teile müßten addiert werden.

Fig. 5 zeigt bei (a) eine Schwingungswellenform eines piezoelektrischen Elements eines tatsächlichen Druck- -j 5 kopfes unter Verwendung von PZT und unter (b) eine errechnete Schwingungswellenform. Die Konstanten sind

17 5 wie folgt: a = 1,25mm, k =1,3, r^ = 4*10 Ns/m ,

m- = 2,5 · 10⁸ kg/m⁴, tp = tv = 0,15 mm, C₁ = 0,22 · 10~¹⁸

5 —18 5

m /N, C_Q = 3,45 · 10 m /W. Es ist darauf hinzuweisen,

2Q daß man die tatsächliche Bewegung im wesentlichen ableiten kann, obwohl zwischen den Messungen und den Rechnungen Unstimmigkeiten bestehen, etwa die, daß die gemessene Schwingungsperiode etwa i40|is und die berechnoLc.« iiohwi nqnnq.spor i.ode etwa 146us beträgt. Was die qomoii.'sono Schwinquncjswellonform (a) angeht, so wurde die Auslenkung für Perioden unter 100us nicht gemessen, da das Meßverfahren hierfür nicht geeignet war. Es soll nun eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, bei der ein piezoelektrisches Element unter Be-

3Q nutzung der vorgenannten Gleichungen verkleinert wurde.

Unter der Annahme daß Ki₃ äj 2 · 10 kg/m", r₃cü3 · 10 Ns/m , Vm = 5 m/s, A = 2,4 · 10~⁹ m², K = 0,2, £ = 2070, Ep = 5,9

•10¹⁰N/m², Ev = 7 -10¹⁰ N/m², K₁ = 4,4, K₃ = 11, d = 0,1mm, Vs = 1460 m/s, k = 1·, sind die Rechenergebnisse für notwendige Spannungen V über dem Radius a des pie/.op.Iekt-rischon Elements und mit dessen Dicke tp als

6/7

■ " 3U7107

•J Parameter mit tp = tv = t in Fig. 6 grafisch dargestellt.

Man erkennt aus diesen Ergebnissen, daß es einen optimalen Radius a bei einer Dicke tp des piezoelektrisehen Elements und konsbunten Oröfkm m und r des Strömungskanalsystems gibt, so daß das Drucken mit niedrigster Spannung ausgeführt werden kann und diese niedrigste Spannung unter diesen Bedingungen konstant bleibt.

Das Obige soll unter einem anderen Gesichtspunkt beschrieben werden. Bei festem C» unter konstanten Bedingungen für m und r des Strömungskanalsystems gilt C,. <£ C-, und damit C ~ C_n in Gleichung (4), während E von Gleichung (2) bei festem C_Q im wesentlichen konstant ist. Aus Gleichung (5) folgt, daß dann V konstant ist. Für ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element ergibt sich aus Gleichung (9)

Cp = £na^?*/tp . . .9·

Wenn in Gleichung (10) tp = tv ist, dann ist wegen des festen C_ a /tp konstant,und aus Gleichung (9^f) folgt auch Cp als konstant. Wenn also C_Q in Gleichung (8) fest ist und die Größen des Strömungskanalsystems fest sind, dann sind auch die anderen Größen im wesentlichen fest und die Treiberspannung V -unveränderlich.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß, wenn a /tp innerhalb eines gewissen Bereichs liegt, das piezoelektrische Element kleiner gemacht werden kann, ohne daß dies mit einem Spannungsanstieg verbunden wäre. Aus Gleichung (6) folgt, daß das Volumen σ eines Tintentropfens im wesentlichen konstant ist, wenn C. fest ist.

7/8

*" "' " ."* 3H7107

Ί Fig. 7 zeigt Werte von C_Q für r_. im Bereich von

1 · 10¹²Ns/m⁵ bis 12 · 10 Ns/m⁵ mit m = 1 · 10⁸ kg/m⁴,

8 4 8 4

2 · 10 kg/m und 3 »10 kg/m als Parameter, die die

Treiberspannung V in Gleichung (S) minimal machen und zwar unter der gleichen Voraussetzung wie bei der grafischen Darstellung in .Fig. 6 und die bei üblichen Strömungskanälen häufig vorliegen. Die Treiberspannung kann auf diese Weise dadurch minimal gehalten werden, daß man nach Bestimmung des Strömungskanalsystems -JO ein solches Schwingungssystem auswählt, das einen Wert von C₀ hat, der in Fig. 7 angegeben ist.

Fig. 8 zeigt für diesen Fall Durchmesser Di von Tintentröpfchen, die vorzugsweise im Bereich von 50μπι bis 150μΐη liegen sollten. Für ein Drucken mit hoher Dichte, wie im Fall von 24 Düsen, sind zu große Durchmesser der Tintentröpfchen ungünstig, da sie die Druckqualität verschlechtern. Unter der Voraussetzung von Di - 150μπι in Fig. 8, r * 2 · 10¹²Ns/m⁵ für In₃ = 2 · 10⁸ kg/m⁴ und

r ^ 3 · 10¹²Ns/m⁵ für In₃ = 3 · 10⁸ kg/m⁴ ist daher der

in Fig. 7 durch gestrichelte Linien angegebene Bereich vorzuziehen.

.Für Strömungskanalsysteme in dem in Fig. 7 gekennzeichneten Bereich liegt der Wert von C₀, bei dem die Treibarspnnnunq minimal wird, aufgrund der Grafik im Bereich vom

1 - 10~¹⁸ m⁵/N ^ C₀ £ 9 ' 10~¹⁷ m⁵/N ...(14)

Ein Druckkopf mit einem kleineren C„ für kleinere Tröpfchendurchmesser ist zum Drucken mit hoher Dichte günstiger.

35■ Es gibt eine optimale Beziehung zwischen tv und tp,

8/9

3H71Q7

beispielsweise unter der Voraussetzung, daß der Zug oder die Beanspruchung des Klebstoffs zwischen dem piezoelektrischen Element und der Schwingungsplatte minimal und die Dauerhaftigkeit des Klebstoffs besonders gut ist. Falls dann die Beziehung zwischen tv und tp gemäß nachstehender Gleichung (15) ist, können gute Ergebnisse erhalten werden

tv »^
10

Wenn man in Gleichung (10) tv durch Gleichung (15) ersetzt, dann erhält man folgendes

2C K Eptp³ _/6
a = ( ^! ) ...(16)

^u

Setzt man hierin den Wert für C_Q aus Gleichung (14) mit K = 4,4, Ep = 5,9 · 10¹⁰ N/m², dann erhält man

^V 0,074 /tp ^ a ^ 0,16 >Ttp" ...(17)

Falls tp = 0,2 mm, dann ist 1mm - a ^έ 2,2mm, falls tp = 0,15mm, dann ist 0,9mm - a - 2,0mm, und falls tp = 0,1mm, dann ist 0,7mm - a - 1,6mm.

Aus diesen Ergebnissen ersieht man, daß bei einem gegebenen Strömungskanalsystem die Treiberspannung dadurch minimal gemacht werden kann, daß man ein optimales

C„ wählt, das durch a /tp und damit a /tp gegeben ist.

Der optimale Radius a eines piezoelektrischen Elements liegt für allgemeine Strömungskanalsysterne, die in Fig. 7 definiert sind, in dem durch Gleichung (17) ausgedrückten Bereich.

Zur Reduzierung des Radius a des piezoelektrischen

9/10

'" 3H7107

Elements muß dessen Dicke tp reduziert werden.

Es ist bekannt, daß die Dicke tp von PZT beispielsweise nicht geringer als etwa 0,1mm zur Gewährleistung einer ausreichenden Festigkeit für die Bearbeitung und nicht geringer als etwa 0,15mm zur Gewährleistung einer ausreichenden Festiakeit während des Zusammsnbaus betraqen sollte.,

8 4 Unter der Voraussetzung von m₃ = 2 · 10 kg/m und

r- = 3 . 10¹² Ns/m⁵ in Fig. 6 führt Fig. 7 auf C_n «

-17 5
Ί0 2,1 · 10 iß /N zur Minimalisierung der Treiber spannung und a = 0,123 Vtp aus Gleichung (16). Der Radius eines piezoelektrischen Elements für eine minimale Treiber-Spannung ist:

a = 1,5mm für tp = 0,15mm, und

a = 1,2mm für tp =0,1mm.

Die vorgenannten Werte unterscheiden sich von den. in Fig. 6 für eine minimale Treiberspannung angegebenen Werten für den Radius a, da Fig. 6 tv = tp zugrundeliegt, während in obiger Berechnung tv = 0,7 tp ist, dan K₁ = 4,4, Ep = 5,9 · 10¹⁰, K₂ = 11 und Ev = 7 · 10¹⁰ in Gleichung (15) eingesetzt wurden. Wie man erkennen kann, ergibt sich aus Gleichung (10), daß der Radius a kleiner sein kann, falls tv = 0 ist. Praktisch aber ist tv optimal, wenn es der Gleichung (15) genügt. Wenn tv ^- tp ist, gilt Gleichtung (8) nicht mehr, was zu einem Anstieg der Treiberspannung führt, da mechanische Verformungen des piezoelektrischen Elements unwirksam werden, eine Auslenkung der Schwingungsplatte zu verursachen.

Die akustische Kapazität C_n kann als Verhältnis zwischen einer Volumenänderung der Druckkammer und einem Druck, dem die Druckkammer ausgesetzt ist, ange-

10/11

Ί sehen werden. Sie kann sich von dem aus Gleichung (10) folgenden Wert unterscheiden, und zwar in Abhängigkeit von der Gestaltung des Druckkopfes, der Art, in welcher das piezoelektrische Element befestigt ist, der Art, in welcher die Schwingungsplatte befestigt ist, dem Material der Schwingungsplatte und ähnlichem. Beispielsweise kann in einigen Fällen der durch

na

C_n = =- ...(1O¹)

_1Q K₁Ep(tp+K₂tv)

gegebene Wert mit Experimenten übereinstimmten. Die Experimente wurden mit K.,«* 3, K„ftJ0,4 oder 1 durchgeführt.

Wenn die Gleichung (10*) eingesetzt wird, dann kann die gleiche Begründung wie für die Gleichung (10) verwendet werden, falls tv ^tp ist.

In Fig. 6 tritt kein steiler Anstieg der Antriebsspannung mit der Dicke tp eines piezoelektrischen Elements auf, wenn der Radius a im Bereich einos zu einer minimalen Treiberspannunq führenden Werts liegt, so daß also kleinere Radien gewählt werden können. Während

_or beispielsweise in Fig. 6 der optimale Radius a für tp = 0,15mm etwa 1,75mm beträgt, kann man a = 1,2mm wählen, wenn ein Anstieg der Treiberspannung von etwa 80V auf 100V zugelassen werden kann. Ähnliches gilt für a & 0,9mm bei t^OJmm. Der Radius a kann weiter

■zn gegenüber dem oben angegebenen Wert verkleinert werden, falls tv = 0,7 tp wie bei der Anordnung, die Grundlage von Fig. 7 ist.

Es soll nun eine weitere Studie der nicke tp eines ,,- piezoelektrischen !Clements hinsichtlich ihres niedrigsten

11

Ί Werts aufgezeigt werden, da die geringstmögliche Dicke im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber derTreiberspannung zusät2rlich zur vorgenannten geringsten Dicke vom Gesichtspunkt der Festigkeit her berücksichtigt werden sollte. Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Berechnung der Intensität V/tp eines elektrischen Feldes unter der gleichen Bedingung wie im Fall von Fig. 6. Es ist allgemein bekannt/ daß die dielektrische Durchbruchsspannung für PZT von etwa 3kV/mm bis 4kV/mm

•JQ liegt, und es kann, wie aus Fig. 9 zu ersehen, mit tp = 25μ, oder tp = 50p.m verwendet werden. Daher kann der Radius a kleiner gemacht werden, wenn piezoelektrische Elemente mit einer Dicke von 25μ.πι oder 50μ,ΐη hergestellt werden können, wenn der Herstellungsprozeß

-j5 verbessert wird. Druckköpfe mit einem verringerten Radius können mit dünnen Schichten aus PZT, wie sie durch Dampfabscheidung oder Aufsprühen erzeugt werden, hergestellt werden. Da die Spannung, der ein piezoelektrisches Element standhält, im allgemeinen mit zunehmender Umgebungsfeuchtigkeit sinkt, sollten Druckköpfe unter der Voraussetzung hoher Feuchtigkeit zum Zwecke des sicheren Tintenaustosses in einem elektrischen Feld von 1kV/mm oder darunter verwendet werden. Unter dieser Voraussetzung kann die Dicke tp = 50μπι nicht eingesetzt werden, und der Radius sollte nach Fig. 9 wie folgt sein:

0,9mm - a - 1,7mm für tp = 0,1mm 0,8mm - a - '2,2mm für tp = 0,15mm, und 3Q 0,8mm ^a- 2,6mm für tp =0,2 mm.

Das Vorangehende kann wie folgt zusammengefaßt werden:

1. Für ein gegebenes Strömungskanalsystem existiert ein C_n, bei dem die Treiberspannung minimal wird.

11/12

3U7107

2.C_n ist durch a /tp bestimmt. Daher kann tn kleiner ctg· macht werden, um a zu verringern.

3. Vom Standpunkt der Spannungsfestigkeit sollte tp 25um oder größer sein. Jedoch ist tp & 0,1mm vorzuziehen, um einen schädlichen Einfluß von Feuchtigkeit auszuschalten.

4. Aus Gründen einer ausreichenden Festigkeit während der Bearbeitung und Handhabung sollte tp 0,1mm oder 0,15mm oder größer sein, um auf der sicheren Seite zu liegen, sollte tp 0,2mm oder größer soin.

5. Optimale Radien sind wie folgt:

1mm ^£ a ^ 2,2mm für tp = 0,2mm, 0,9mm - a - 2,0mm für tp = 0,15mm, und 0,7mm ^a- 1,6mm für tp = 0,1mm.

6. Es kann ein kleinerer Radius a als unter 5. angegeben ausgewählt werden, wenn ein geringer Anstieg der Treiberspannung zulässig ist.

Bei der obigen Beschreibung wurde von einem piezoelektrischem Element und einer Druckkammer in Form einer Scheibe ausgegangen. Sie können aber- auch elliptisch, polygonal oder ähnlich geformt: sein, wonngleich entsprechend solchen modifizierten formen die Gleichung (10) und andere geändert werden müßten. Wenn das piezoelektrische Element die Form eines schmalen Rechtecks besitzt, ist seine Steifigkeit größer, was zu einem geringeren C„ führt, so daß das Element dünner sein oder eine größere Fläche als ein scheibenförmiges oder quadratisches piezoelektrisches Element haben sollte, eine Anordnung, die im Hinblick auf die Größe weniger vorteilhaft ist. Für ein recht-

12/13

λ eckiges piezoelektrisches Element ist ein Verhältnis zwischen Breite und Länge, das 1 12 nicht übersteigt günstig.

Fig. 10 zeigt einen Druckkopf aus Glas mit einer kleinen Druckkammer gemäß—der Erfindung. In der gezeigten Anordnung besitzt ein PZT 100 [sie] einen Radius a = 1,25mm und eine Dicke tp = 0,15mm. Der Druckkopf ist infolge einer Kombination abwechselnder scheiben-

Ί0 förmiger Druckkammern 101 mit einer geringen Größe versehen, wie dargestellt. Der Druckkopf hat Abmessungen von 22mm χ 18mm * 2mm und besitzt 24 Düsen mit 12 Düsen auf jeder Seite. Die Trägheit m und der akustische Widerstand r dor ZudußkanUle 102 und der Abflußkanäle

•J5 103, die mit der Druckkammer in Verbindung stehen, sind im wesentlichen gleich im Hiblick auf die Länge, Breite und ähnliches, um die Geschwindigkeiten des Tintenspritzens, die Durchmesser der Tintentröpfchen und ähnliches für die jeweiligen Düsen gleichzumachen.

Mit 104 ist ein Filter bezeichnet, das dazu dient, das Eindringen von Staub in den Druckkopf zu verhindern. 105 sind Furchen oder Stege, die dadurch erzeugt werden, daß gleichzeitig mit den Strömungskanälen geätzt wird, und die dazu dienen, den Tintenfluß durch

ην^ die DriK'-kknminorn gleichmäßig zu machen.

Wie durch die obige Aus führungsform evident, kann gemäß der Erfindung ein piezoelektrisches Element mit verringerter Dicke tp eine geringere Fläche aufweisen, ohne daß dies mit einem Anstieg der Treiberspannung verbunden wäre.

Obwohl in der vorangegangenen Beschreibung PZT als gegenwärtig bevorzugtes piezoelektrisches Material beschrieben wurde, können auch andere piezoelektrische

13/14

3H7107

Materialien dazu verwendet werden, Druckköpfe kleiner Größe nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung zu schaffen. In der Darstellung besteht das Schwingungssystem aus einem einzigen piezoelektrischen Element und einer einzigen SchwingungspiatLe gemäß der Erfindung. Es erscheint aber möglich, die Größe eines Druckkopfes dadurch zu verringern, daß ein Schwingungssystem aus einer Vielzahl piezoelektrischer Elemente wie eine bimorphe Zelle oder durch zwei Schwingungssysteme, die auf beiden Seiten der Druckkammer angeordnet sind, aufgebaut wird.

Obwohl bei der obigen Ausführungsform das Drucken durch eine Verringerung des Volumens der Druckkammer ausgeführt wird, ist der Vorschlag gemacht worden, das Volumen der Druckkammer bei Anlegen eines Drucksignals zu vergrößern und den Druck dann nach Wiederherstellung des Volumens der Druckkammer unter Ausnutzung der Bewegung des Schwingungssystems oder der Flüssigkeit auszuführen. Mit solch einer vorgeschlagenen Anordnung ist es möglich, die Treiberspannung weniger als die zu verringern, die zu einem durch direkte Volumenverringerung bewirkten Tintenaustoß, wie oben beschrieben, erforderlich ist. Diese Anwendung führt wegen der Verringerung der Treiberspannung zu einem Radius a, der geringer als der oben erwähnte optimale Wert ist.

Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Schwingungssystem ausgewählt, das bei einem Strömungskanalsystem dazu geeignet ist, die Antriebsspannung zu verringern, wodiirch ein piezoelektrisches Element dünner gemacht werden kann und damit in der Fläche reduziert werden kann, so daß die Gesamtfläche eines Druckkopfes verringert werden kann und der Abstand

14/15

■" "" 3U7107

Ί von den Düsen zu den Druckkammern verringert werden kann, um hierdurch die Impedanz der Strömungskanäle zu .senken, und dadurch ferner die Treüberspannung zu verringern. Die vorliegende Erfindung ist auch inso fern vorteilhaft, als das piezoelektrische Element und damit der Druckkopf eine geringe Größe aufweisen, der Druckkopf mit geringeren Kosten hergestellt werden kann und ein Motor zum Bewegen des kleinen Druckkopfes klein sein kann und kostengünstig hergestellt werden kann. Der Druckkopf der vorliegenden Erfindung besitzt ein weites Einsatzfeld wie etwa bei Seriendruckern mit kompakten Mehrfachköpfen, verschiedenen Drucken, bei Plottern (Zeichengeräten), Faksimilegeräten usw.

Leerseite

Claims

•"V7 : 3Η7107 ο. * β BLUMBACH · wi°SER . ^E^GEN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 TgI-gramme Palonlcoiis'ili Patenlconsult Sortnenbergor Slrafle 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-1847Ί/ Tologramme IMliMiki- Shinshu Seiki Kabushiki Kaisha 81/8795 und IlO/mü Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha Tintenstrahldruckkopf Patentan Sprüche

1.) Tintenstrahlkopf, umfassend eine Druckkammer (1),

t dieser in Verbindung stehende Kanäle (2, 3; 102, 103) zum Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen, eine Schwingungsplatte (12), die wenigstens einen Teil einer Wand der Druckkammer bildet, und ein piezoelektrisches Element (11), das mit der Schwingungsplatte zusammenarbeitet, um das Volumen der Druckkammer zu ändern, dadurch gekennzeichnet , daß die akustische Kapazität des aus dem piezoelektrischen Element (11) und der Schwingungsplatte (12) zusammengesetzten Schwingungssystems

— 17 5
9 " 10 m /N oder weniger beträgt.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das piezoelektrische Element eine Dicke von 0,2 mm oder weniger und eino Fläche von 1,5 · 10 m^z oder weniger besitzt.

3. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 2, dadurch g e -

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. ■ P. Bergen Prof. Dr. Jur. Dipl.-Ing., Pal.-Ass., Pal.-Anw. bis 1979 ■ G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

g NACHGEREICHT j

■j kennzeichnet , daß das piezoelektrische Element die Form einer Scheibe besitzt.

4. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 2, dadurch q e kennzeichnet , daß das piezoelektrische Element im wesentlichen die Form einer Rechteckplatte besitzt.

^lj. TinI (Mii-.l-.raHlkopC nach Anspruch 3, dadurch g e •JO kennzeichnet , daß 0,1 mm - tp - 0,15 mm ist, wobei tp die Dicke des piezoelektrischen Elements ist, und daß für den Radius a des piezoelektrischen Elements gilt a - 1,5 mm.

6. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl von piezoelektrischen Elementen auf derselben Schwingungsplatte angebracht ist.

2Q

7. TLnl-on;;l:rahlkopf nach einem der vorhergehenden Ani'.prfirihi», dadurch q ο kennzeichnet , daß ti ϊ ο akusl. i .si-lui Kapax it-.HL C einen solchen Wort aufweist, daß die Treiberspannung

K Cp

annähernd minimal wird, wobei Y der Druck, K eine Konstante und Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements sind.