DE3202937A1

DE3202937A1 - Tintenstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE3202937A1
Application number: DE19823202937
Authority: DE
Inventors: Stuart D. Ridgefield Conn. Howkins
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1982-09-16
Anticipated expiration: 2002-01-30
Also published as: IT8219377A0; ATA30582A; FR2498988A1; GB2094233A; IT1210848B; FR2498988B1; NL8200373A; AT383779B; CA1174516A; DE3202937C2; GB2094233B; US4459601A

Description

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Zugelassen bei den deutschen und europäischen Patentbehörden

Rüggenstraße 17 · D-8000 München 19

2 ft Jan, $82

E 1758-D Ko/m

Exxon Research and Engineering Company

P.O. Box 390

Florhara Park, N.J. 079 32

USA

Tintenstrahlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Tintenstrahlvorrichtung (Tintenstrahlschreiber) , die insbesondere Tintentröpfchen zur Markierung auf einem Kopieträger aus einer Düse ausspritzen kann.

Zweckmäßigerweise wird eine Tintenstrahlgeometrie benutzt, die die Verwendung einer Vielzahl von Tintenstrahlen in dicht gepackter Anordnung erlaubt, so daß eine vernünftige Fläche eines Kopieträgers gleichzeitig bedruckt werden kann, wie dies beispielsweise für das Drucken alphanumerischer Information gilt. Es ist auch wünschenswert, dicht gepackte Anordnungen von Tintenstrahlen zu verwenden, damit eine hohe Qualität beim Drucken alphanumerischer Zeichen erzielt wird,

-ιοί wobei sich das Drucken durch hohe Geschwindigkeit oder große Druckrate auszeichnet.

Schwierigkeiten können auftreten, wenn dicht gepackte Anordnungen erzielt werden sollen, was auf die Abmessung oder das Volumen der benutzten Wandler oder Meßumformer zurückzuführen ist. Beispielsweise können dicht gepackte Anordnungen ein beträchtliches mechanisches "Übersprechen" oder Streuen zwischen Kanälen zeigen. Zusätzlich können große Ansteuerspannungen erforderlich werden, um in geeigneter Weise die Wandler der Tintenstrahlen in der Anordnung zu erregen, und dies kann ein unerwünschtes elektrisches Übersprechen hervorrufen, was insbesondere dann gilt, wenn die Strahlen dicht gepackt sind.

Gegenwärtig wird die in der US-PS 3 747 120 beschriebene Technologie mit beträchtlichen Anstrengungen verfolgt. Obwohl in dieser US-PS sowohl einen Einzelstrahl als auch eine Anordnung von Strahlen beschrieben ist, wird es allgemein als .schwierig angesehen, mit dieser Technologie dicht gepackte Anordnungen zu schaffen. Zusätzlich können solche Anordnungen eine Wandlerkonfiguration benutzen, die zu einer verteilten Druckquelle führt, welche auf ein Tintenvolumen innerhalb eines Tintenstrahles einwirkt, was unerwünscht sein kann, sofern insbesondere ein stabiler satellitenfreier Betrieb und hohe Tröpfchengeschwindigkeit bei geringen Ansteuerspannungen gewünscht wird.

Andere Schwierigkeiten, die für diese Technologie sowie andere Tintenstrahl-Technologien charakteristisch sind, umfassen: Tintenlecks, die Wandler "kurzschließen",.komplexe Resonanzen im Wandler-Befestigungsaufbau, die nachteiihaft den Strahlbetrieb beeinflussen, Hers te 1 lungs-*·

Schwierigkeiten und ünzuverlässigkeit bei der Einkoppelung von Energie aus dem Wandler in die Tinte.

Eine andere, eine dichter gepackte Anordnung erlaubende
Technologie ist in der US-PS 4 072 959 beschrieben.
Wie in dieser US-PS angegeben ist, wird eine Reihe länglicher Wandler durch Elektroden erregt, die ein Feld
quer zur Längsachse anlegen, und die Wandler sind in

einer dicht gepackten Anordnung von Tintenstrahlkanunern vorgesehen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die

Kammern beträchtlich klein sind, um eine hohe Helmholtz-Frequenz im Vergleich mit der Längsresonanzfrequenz
der einzelnen Wandler zu erzeugen. Eine solche Beziehung kann unerwünscht sein, da es schwierig ist, die
Längsresonanzfrequenz zu dämpfen. Zusätzlich hat bei

gegebener Abmessung der Kammern die genaue Steuerung der Einlasse zu den Kammern keinen Einfluß auf die Verbesserung der Beziehung zwischen der Helmholtz-Frequenz und
der Längsresonanzfrequenz des Wandlers. Auch ist in dieser US-PS jeder Wandler derart in einen gemeinsamen Be-

hälter eingetaucht, daß die Erregung eines Wandlers, der einer Kammer zugeordnet ist, ein "Übersprechen" bezüglich einer benachbarten Kammer oder benachbarten Kammern hervorrufen kann. D.h., es liegt keine Fluid- oder mechanische Trennung von Kammer zu Kammer zwischen den verschiedenen Wandlern vor oder - genauer ausgedrückt - zwischen Segmenten eines gemeinsamen Wandlers. Zusätzlich erfordert der in dieser US-PS gezeigte Aufbau eine nichtleitende
Tinte.

Dies ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Tintenstrahlvorrichtung anzugeben, die in dichten Anordnungen mit

einer beträchtlichen Anzahl von Strahlen gepackt werden kann, die weiterhin äußerst wenig Energie erfordert, bei der zudem ein "Übersprechen" zwischen Tintenstrahlen innerhalb einer Anordnung äußerst gering ist, bei der auch Tintenlecks nicht nachteilhaft den Wandler beeinflußen, bei der zudem komplexe Resonanzen im Wandler-Befestigungsaufbau vermieden werden, die nachteilhaft den Tintenstrahlbetrieb beeinflussen könnten, die einfach herstellbar ist, die zuverlässig Energie in Tinte innerhalb eines Tintenstrahls einkoppelt, mit der eine hohe Frequenz des Tintenstrahlbetriebs erzielbar ist, bei der eine Vielzahl von Tinten verwendbar ist, wie beispielsweise Tinten mit verschiedenen leitenden Eigenschaften sowie Viskositäten und Oberflächentemperaturen, die einen Tintenstrahl bei einem Betrieb mit hoher Frequenz mit Tinte von hoher Viskosität erzeugen kann und die schließlich einen Tintenstrahl liefert, der sofort ausspritzt und nicht leicht verzögert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die erfindungsgemäße Tintenstrahlvorrichtung eine Kammer mit veränderlichem Volumen, die eine Tintentröpfchen-Ausspritzdüse besitzt. Ein Wandler oder Meßumformer ist gestaltet, um sich entlang einer Achse auszudehnen und zusammenzuziehen. Eine Koppeleinrichtung zwischen der Kammer und dem Wandler dehnt die Kammer aus und zieht diese zusammen abhängig von der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung entlang der Achse des Wandlers.

Gemäß einem bedeutendem Merkmal der Erfindung hat eine Tintenkammer eine Helmholtz- oder Fluid-Resonanzfrequenz die größer als die Betriebsfrequenz des Tintenstrahles jedoch kleiner als die Wandler-Resonanzfrequenz entlang der Achse oder in der Richtung der Kopplung ist. Vor- ,

zugsweise ist die Helmholtz-Frequenz größer als 10 hHz, wobei eine Helmholtz-Frequenz über 25kHz, jedoch kleiner als 100 kHz, bevorzugt wird. Zusätzlich ist es wünschenswert, daß die Längsresonanzfrequenz die Helmholtz-Resonanzfrequenz um wenigstens 25 % und vorzugsweise um wenigstens 50 % überschreitet. Um eine solche Helmholtz-Frequenz zu erzielen, ist die Querschnittsdimension der Kammer senkrecht zur Achse der Tröpfchenausspritzung wenigstens 10 mal größer als die Querschnittsdimension der Düse senkrecht zur Achse der Tröpfchenausspritzung. Vorzugsweise überschreitet die Querschnittsdimension der Kammer 0,6 mm, wobei ein Bereich von 0,6 mm bis 1,3 mm bevorzugt wird, während im Vergleich hierzu die Querschnittsdimension der Düse im Bereich von 0,025 mm bis 0,075 mm liegt.

Gemäß einem weiteren bedeutenden Merkmal der Erfindung umfaßt die Kammer eine einschränkende Einlaßeinrichtung, die geeignet bemessen und gesteuert ist, damit die oben erwähnte Helmholtz-Frequenz-Beziehung gewährleistet wird. In diesem Zusammenhang hält die einschrännkende Einlaßeinrichtung die Querschnittsfläche der in die Kammern einströmenden Tinte im wesentlichen während eines Ausdehnens und Zusammenziehens entlang der Achse des Wandlers aufrecht. Infolge von Überlegungen hinsichtlich des raschen Ausspritzens liegt die einschränkende Einlaßeinrichtung vorzugsweise unmittelbar neben der Koppeleinrichtung, und das Ausdehnen und Zusammenziehen der Kammer beeinträchtigt nicht wesentlich die Querschnittsfläche der in die Kammer strömenden Tinte.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Helmholtz-Frequenz gesteuert, in dem eine Ein-

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laßbeschränkerdimension im Vergleich mit der Düsendimension derart gewählt wird, daß die parallele Massenwirkung bzw. Inertanz der Düse und des Einlaßbeschrän-

7 9 3 2 kers im Bereich von 10 bis 10 Pa/M /s liegt.

Gemäß einem anderen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung ist die Helmholtz-Frequenz kleiner als die organische Rohr- oder akkustische bzw. Schall-Resonanzfrequenz. Zu diesem Zweck ist die Gesamtlänge der Kammer in einer Richtung parallel zur Achse der Tintentröpfchen-Ausspritzung bemessen und überschreitet nicht stark die größte Querschnittsdimension der Kammer. Vorzugsweise sollte das Verhältnis nicht 5:1 überschreiten, wobei ein Verhältnis nicht größer als 2:1 bevorzugt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Helmholtz-Frequenz erzielt, indem der Wandler in die Kammer mit einer ausreichend kleinen Fläche gekoppelt wird, so daß die Differenz in den Druckimpuls-Transitzeiten von jedem Punkt in der kleinen Fläche zur Düse kleiner als 1 us ist, wobei ein Wert kleiner als 0,1 με bevorzugt wird und 0,05 με einen Optimalwert bildet. Was die Abmessungen anbelangt, so ist die gesamte akkustische oder Schallwegstreckendifferenz von jedem Punkt in einer kleinen Fläche zur Düse kleiner als 1,5 mm, wobei ein Wert

'2.5 kleiner als 0,15 mm bevorzugt wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Vielzahl von Strahlen in einer Anordnung vorgesehen, wobei jeder dem Strahl zugeordnete Wandler im wesentlichen von der Tinte getrennt und im wesentlichen in ausschließlicher Verbindung mit einer Einzelkammer ist.

Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, um ein. elektrisches Feld an den Wandler zu leqen, so daß sich der Wandler entlang seiner Achse zusammenzieht, damit sich die Kammer ausdehnt, und so daß sich der Wandler entlang der Achse ausdehnt, damit sich die Kammer zusammenzieht, wenn kein elektrisches Feld am Wandler liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer Strahlvorrichtung nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 1a eine vergrößerte Schnittdarstellung der in Fig.

dargestellten Kammer,
Fig. 2 einen Schnitt 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit des Schnittes von Fig. 1, Fig. 4 einen Schnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine Düsenplatte einer Anordnung von Tintenstrahlen der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Art, Fig. 6 eine andere Düsenplatte für eine Anordnung von

Tintenstrahlen der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten . Art,

Fig. 7 einen Schnitt einer Tintenstrahlvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung eines Pfeiles des in Fig. 7 gezeigten Schnittes,

Fig. 9 das·in den Figuren 7 und 8 gezeigte Ausführungsbeispiel in Explosionsperspektive,

Fig. 10 ein schematisches Diagramm des in Fig. 7 dargestellten Wandlers in entregtem Zustand, und

Fig. 11 ein schematisches Diagramm des Wandlers von Fig. 10 in erregtem Zustand.

In Fig. 1 hat eine Tintenstrahlvorrichtung des Bedarfsoder Impulstyps eine Kammer 10 und eine Düse oder Mündung 12, aus der Tintentröpfchen abhängig vom Zustand der Erregung eines Wandlers 14 ausgespritzt werden, der mit der Kammer 10 über einen Fuß 16 in Verbindung steht, welcher eine bewegliche Wand 18 bildet. Tinte wird in die Kammer 10 über eine Vielzahl von Einlaßöffnungen 20 gespeist, die neben der Wand und am rückwärtigen Ende der Kammer 10 gegenüber vom vorderen Ende liegen, an dem die Düse 12 vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß dehnt sich der Wandler 14 aus und zieht sich zusammen in einer Richtung mit wenigstens einer Komponenten, die sich parallel zur Richtung der Tröpfchenausspritzung durch die Düse 12 erstreckt. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 dehnt sich ein Wandler aus und zieht sich zusammen in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Achse der Tröpfchenausspritzung aus der Düse 12 ist. Es sei bemerkt, daß sich die Achse des Wandlers, entlang der sich der Wandler ausdehnt und zusammenzieht, durch die Kammer 10 von einer Stelle, die weiter, von der Düse 12 entfernt ist, bis zu einer Stelle, die näher bei der Düse 12 liegt, erstreckt.

Gemäß einem anderen wichtigen Merkmal der Erfindung ist der Wandler 14 in der Richtung der Ausdehnung und des Zusammenziehens gestreckt, und das elektrische Feld, das auf der Erregerspannung beruht, liegt quer zur Längsachse an. Dies ist insbesondere wünschenswert, da eine Verschiebung größer gemacht werden kann, indem lediglich die Länge des Wandlers 14 gesteigert wird, und eine Steigerung in der Länge des Wandlers 14 führt nicht zu irgend-

einer Abnahme in der Dichte einer Anordnung, die aus dem in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahl gebildet ist, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird. Zusätzlich können große Verschiebungen erzielt werden, ohne hohe elektrische Spannungen abzulegen, die zu einem elektrischen Übersprechen führen könnten. Jedoch ist es wünschenswert, die Länge des Wandlers 14 zu begrenzen," damit eine unerwünschte Biegebewegung eingeschränkt wird, die auftreten kann, wenn der Wandler zu lang und dünn wird, und um die geeignete Längsmodus-Resonanz gegenüber der Helmholtz-Frequenz zu erreichen, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird. Es ist auch wünschenswert, die Länge zu begrenzen, damit das Gewicht möglichst klein ist. Im allgemeinen sollte ein Gesamtlängen/Breiten (d.h. Außendurchmesser-) Verhältnis von 12:1 bei einem bevorzugten Verhältnis von 7:1 in einem zylindrischen Wandler angemessen sein, um diee unerwünschte Biegebewegung zu begrenzen und die geeignete Längsmodus-Resonanz zu erzielen. Das Verhältnis der Gesamtlänge zur radialen Wanddicke des zylindrischen Wandlers sollte nicht 60:1 überschreiten, wobei ein Verhältnis 36:1 bevorzugt wird.

Gemäß einem anderen bedeutenden Merkmal der Erfindung ist der Wandler 14 allgemein zylindrisch gestaltet. Der Zylinder wird insbesondere als wünschenswert angesehen, damit das Einsetzen eines Biegens und anderer unerwünschter Schwingungsmoden möglichst gering gehalten wird. Der Zylinder wird auch bevorzugt, um ein mechanisches oder akkustisches "übersprechen" zwischen Tintenstrahlen in einer Anordnung möglichst klein zu machen.

Gemäß einem anderen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung ist der Wandler hohl entlang seiner Achse, die mit der

Dehn- und Zugachse des Wandlers 14 zusammenfällt. Dadurch kann eine Wandleransteuersignalspannung über die Dicke des Wandlers 14 zwischen einer ersten Elektrode 22 im Inneren einer zylindrischen Öffnung 24 und einer Masseelektrode 26 angelegt werden, die sich entlang des Äußeren 28 des Wandlers 14 erstreckt, um ein elektrisches Feld quer zur Achse zu erzeugen. Diese Konfiguration führt zu einem wirk-

samen elektrischen Abschirmen und macht damit das elektrische Übersprechen möglichst klein. Die Polarität der "heißen" Elektrode (im Gegensatz zu Masse) ist derart, daß das angelegte elektrische Feld in der gleichen Richtung wie die Polarisation des Wandlers verläuft. Dies führt zu einem Zusammenziehen des Wandlers abhängig von der Erregung der heißen Elektrode und zu einer Ausdehnung abhängig von einer Entregung der heißen Elektrode. Eine Leitung 30 ist mit der Elektrode 22 verbunden. Eine leitende Oberfläche 32 ist mit der Elektrode 26 verbunden und erstreckt sich nach außen vom Wandler 14 weg auf der Rückseite eines Vergußmaterials 34, wie beispielsweise Silicongummi, das den Wandler umgibt. Ein anderes geschichtetes Glied 54 bedeckt die leitende Oberfläche 32.

Die Verwendung des hohlen zylindrischen Wandlers 14 erlaubt ein gleichmäßiges Anlegen der Ansteuersignalspannung an einen relativ dünnen Teil des Wandlers 14, so daß relativ große Verschiebungen- bei kleinen Spannungen erhalten werden. Die Gleichmäßigkeit der Dicke des dünnen Teiles des Wandlers führt zu einer wesentlichen Gleichförmigkeit des sich ergebenden elektrischen Feldes. Vorzugsweise liegt die Dicke des Wandlers im Bereich von 0,1 bis 1 mm, wobei Werte vom 0,2 bis 0,6 mm bevorzugt werden, damit Wandlerspannungspegel von 25V bis 200 V

angelegt werden können. In insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Dicke des Wandlers 14 an den Elektroden 0,10 bis 0,50 nun und vorzugsweise 0,20 bis 0,30 mm betragen, wodurch 25 bis 80 V verwendet werden können.
5

Gemäß einem anderen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung bildet der die bewegliche Wand 18 erzeugende Fuß 16 einen Kolben, der in das hohle Ende des Wandlers 14 eingeführt ist. Die Fläche des Fusses 16 an der Wand 18 in Berührung mit der Wand (vergleiche Fig. 1) stimmt im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des Wandlers 14 an dessen außenseitigem Durchmesser überein. Infolge der relativ kleinen Fläche der Wand 18 wirkt diese Wand 18 als eine punktförmige Energiequelle im Vergleich mit einer verteilten Quelle, was von größter Bedeutung zum Einstellen eines stabilen, satellitenfreien und sehr schnellen Aufwurfes von Tröpfchen bei geringen Ansteuerspannungen ist. Die Gesamtfläche der Wand

18 ist kleiner als 50 mm und vorzugsweise kleiner als 2

2 mm . Die Fläche sollte so klein als möglich sein, um die höchste Packungsfähigkeit und damit die Auflösung beim Drucken von einer Anordnung zu erhalten. Auf jedem Fall ist die Differenz in der Druckimpuls-Transitzeit von jedem Punkt auf der Wand 18 zur Düse 12 kleiner als 1 us. Selbstverständlich können die kleinen Flächen bewerkstelligt werden, da die notwendige Verschiebung durch die Verlängerung des Wandlers erzielbar ist. Es sei bemerkt, daß die Gesamtfläche des Fusses 16 gegenüber der Querschnittsfläche des Wandlers 14 vergrößert werden kann, um die gewünschte abstrahlende Fläche der beweglichen Wand in Verbindung mit Tinte innerhalb der Kammer 10 zu schaffen. Zusätzlich kann die-Fläche der Wand

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18 gesteuert werden, um eine Art einer Impedanz- oder Widerstandsanpassung zwischen der Tinte und dem Wandler 14 hervorzurufen.

Es ist auch einzusehen, daß der Fuß 16 als eine Abdichtung bezüglich jeglicher Tinte wirkt, die sonst zurück in das Innere des hohlen Wandlers 14 lecken könnte, wodurch ein elektrischer Kurzschluß vermieden wird. Dadurch kann der Wandler 14 in direkter Verbindung mit der Tinte innerhalb der Kammer 10 ohne die Verwendung von jeglichem Zwischenmaterial zwischen dem Wandler 14 und der Tinte arbeiten, das nachteilhaft den Betrieb · des Strahles beeinträchtigen oder wenigstens ein Problem in der Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Tintenstrahlen in großer Abmessung hervorrufen könnte, wo Anstrengungen zu unternehmen sind, um zuverlässig das Zwischenmaterial mit dem Wandler zu verbinden.

Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wird eine wesentliche Anzahl von Einlaßöffnungen 20 um den gesamten Umfang der Kammer 10 gebildet, indem offene Kanäle 36 benutzt werden, die sich durch einen Ringsteg. 38 in einem geschichteten Glied 40 erstrecken, das einen wesentlichen Teil der Kammer 10 bildet. Die Oberfläche des Gliedes 40 neben den offenen Kanälen 36 wird durch die Oberfläche 42 eines Steges 44 auf dem geschichteten Glied 34 berührt, um so die Herstellung der Einlaßöffnungen 20 zu vervollständigen. Es sei betont, daß die geschichteten Glieder 34 und 40 stark die Herstellung oder Fertigung der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung erleichtern.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, steht ein Tintenbe-

hälter 46, der unter Umgebungsdruck gehalten ist, d.h.

nicht mit Druck beaufschlagt ist, in Verbindung mit Einlaßöffnungen 20 eines im wesentlichen konstanten Querschnittes. Jegliches Lecken zwischen dem Behälter 46 und der Kammer 10 sowie jegliches andere Lecken beispielsweise um den Fuß 16 hat keine nachteilhaften Folgen, solange das Lecken verhältnismäßig klein im Vergleich mit den Einlaßöffnungen 20 ist, da solche Leckstrecken parallel zu den Einlaßöffnungen 20 verlaufen. Demgemäß kann jeder Bezug auf Lecken, das gewöhnlich aus einer geschichteten Konstruktion austreten könnte, wie diese in Fig. 1 gezeigt ist, möglichst klein gemacht werden. Es sei auch bemerkt, daß die Lage der öffnungen 20 auf der Rückseite der Kammer 10 stark den Aufbau des Strahles in der hier beschriebenen Weise erleichert. Zusätzlieh verringert die Lage der öffnungen 20 auf der Rückseite der Kammer die Möglichkeit, daß Luftblasen nachteilhaft den Betrieb des Strahles beeinträchtigen.

Wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die geschichtete Konstruktion eine Düsenplatte 48, die durch ein anderes geschichtetes Glied 50 bedeckt ist, das eine Kegelstumpf förmige öffnung 52 neben der Düse hat. Ein weiteres geschichtete Glied 54 ist auf dem Ende des Gliedes 34 befestigt, um sich entlang der Leiterfläche 32 zu erstrecken. 25

Eine Vielzahl von Materialien kann zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten geschichteten Konstruktion verwendet wern, die stark durch die Verwendung des zylindrischen Wandler 14 erleichtert wird. Beispielsweise können die geschichteten Glieder 40, 48, 50 und 54 aus rostfreiem Stahl bestehen. Alternative Materialien umfassen Glas, ein abgewandeltes Polyphenylinoxid, das durch GE hergestellt und unter dem Handelsnamen Noryl bekannt ist, und ein glas-

gefülltes Diallylphthalat. Der Fuß 16 kann aus Kunststoff oder Keramik bestehen, der bzw. das mit dem Wandler 14 verbunden ist, welcher aus piezoelektrischem Material hergestellt sein kann.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist eine Tintenstrahlvorrichtung gezeigt, die in zahlreichen Gesichtspunkten der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung einschließlich des Wandlers 14 und der durch den Fuß 16 gebildeten Wand 18 entspricht. Jedoch besteht, die Kammer aus einem einzelnen geschichteten Glied 140. Die Kammer 10 umfaßt die Düse 12, in die die Kammer 10 spitz zuläuft. Ein geschichtetes Glied 134, durch das der Wandler 14 verläuft, bildet einen Tintenbehälter 146 zusammen mit dem Glied 140. Ein Vorsprung 148 erstreckt sich zwischen dem Glied 134 und dem Glied 140 innerhalb des Behälters 146 und dient zur Justierung und Befestigung zwischen den Gliedern 134 und 140.

Es ist sofort zu ersehen, daß die Verwendung von längliehen Wandlern, die sich in Richtung der Längsachse ausdehnen und zusammenziehen, die Herstellung einer beträchtlich dichten Anordnung von Tintenstrahlen erlaubt. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt die Düsenplatte 140a eine Vielzahl von Düsen 12, wobei strichlierte Kreise, die die Düsen 12 umgeben, den Durchmesser der Wandler 14 anzeigen, die hinter der Düsenplatte 14Oa liegen. Fig. 6 zeigt eine weitere Anordnung von Düsen 12 in der Düsenplatte 140b. Obwohl die Art des Staffeins oder Versetzens der Strahlen 112 in Fig. 6 und Fig. 5 abweicht, sind in beiden Fällen die Strahlen dicht gepackt, was äußerst wünschenswert ist, wenn ein hoch qualitatives alphanumerisches Drucken mit einer Tintenstrahlanordnung

bzw. einem Tintenstrahlfeld erzielt werden soll.

In dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 spritzt eine Kammer 200 mit £>iner Düse 202 Tintentröpfchen abhängig vom Zustand der Erregung eines Wandlers 204 für jeden Strahl in einer Anordnung aus. Der Wandler 204 dehnt sich aus und zieht sich zusammen in Richtungen, die durch in Fig. 8 gezeigte Pfeile in Längsrichtung angedeutet sind, und die Bewegung ist mit der Kammer 200 durch eine Koppeleinrichtung 206 gekoppelt, die einen Fuß 207, ein viskoelastisches Material 208 neben dem Wandler 207 und eine Membran 210 umfaßt, die in die in Fig. 7 und 8 gezeigte Stellung vorgespannt ist.

Tinte strömt in die Kammer 200 aus einem nicht mit Druck beaufschlagten Behälter 212 über eine eingeschränkte Einlaßeinrichtung, die durch eine eingeschränkte öffnung 214 vorgesehen ist. Der Einlaß 214 umfaßt eine öffnung in einer Beschränkerplatte 216, die am besten aus Fig. 9 zu ersehen ist. Erfindungsgemäß ist die Querschnittsfläche der in die Kammer durch den Einlaß 214 fließenden Tinte im wesentlichen während des Ausdehnens und Zusammenziehens des Wandlers 204 ungeachtet der Lage des Einlasses 214 unmittelbar neben der Koppeleinrichtung und dem Wandler 204 konstant. Durch Ausstatten des Einlasses 214 mit einer geeigneten Abmessung gegenüber der Düse 202 in einer Düsenplatte 218 kann die geeignete Beziehung zwischen der Massenwirkung am Einlaß 214 und der Massenwirkung an der Düse 202 aufrechterhalten werden. Diese Beziehung, die auch für die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 6 gilt, wird weiter unten näher erläutert werden.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, hat der Behälter 212, der in einer Kammerplatte 220 ausgebildet ist, eine spitz zulaufende Kante 222, die in den Einlaß 214 führt. Die in Fig. 9 gezeigt ist, wird der Behälter 212 mit einem Zulaufrohr 22 3 und einem Belüftungsrohr 252 versorgt. Um das mechanische "Übersprechen" durch die Tinte in der Kammer möglichst klein zu machen, ist der Behälter dank der Membran 210 nachgiebig, die in Verbindung mit der Tinte über eine große Öffnung 227 in der Beschränkerplatte 216 ist, welche neben einer Fläche eines Reliefs oder Aussparung 229 in der Platte 226 liegt. Um das Fluid-übersprechen möglichst klein zu machen, ist in der Anordnung von Fig. 9 jeder Strahl von der Tinte getrennt und in Verbindung mit einer Einzelkammer, wie dies auch in den Fig. 1 bis 6 gezeigt ist.

Jeder der in den Fig. 7 und 9 gezeigten Wandler 204 ist an seinen Enden geführt, wobei· Zwischenteile der Wandler 204 im wesentlichen ungelagert sind, wie dies am besten aus Fig. 7 zu ersehen ist.

■ Ein Ende der Wandler 204 ist durch das Zusammenwirken des Fußes 207 mit einem Loch 224 in der Platte 226 geführt. Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, hat das Loch 224 in der Platte 226 einen etwas größeren Durchmesser als der Durchmesser des Fußes 207. Als Folge muß ein sehr geringer Kontakt zwischen dem Fuß 207 und der Wand des Loches 224. vorhanden sein, wobei die Kontaktmasse, die den Fuß 207 lokalisiert und so den Wandler 204 lagert, aus dem viskoelastischen Material 208 besteht, wie dies aus Fig. 8 zu ersehen ist. Das andere Ende des Wandlers •204 ist nachgiebig in einem Block 228 mittels eines nachgiebigen bzw. federnden oder elastischen Materials 230, wie beispielsweise Silicongummi gelagert. Das nachgie-

bige Material 230 liegt in Schlitzen 232 (vergleiche Fig. 9), um so ein Lager für das andere Ende des Wandlors 204 zu bilden. Ein elektrischer Kontakt mit dem Wandler 204 erfolgt auch auf nachgiebige Weise mittels einer nachgiebigen gedruckten Schaltung 234, die elektrisch durch eine geeignete Einrichtung, wie beispielsweise Lot 236, mit dem Wandler 204 gekoppelt ist. Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, sind leitende Muster 238 auf der gedruckten Schaltung 234 vorgesehen.

Wie in Einzelheiten in den Fig. 7 und 9 dargestellt ist, umfaßt die Platte 226 einschließlich des Loches 224 an der Basis eines Schlitzes 237, der den Wandler 204 aufnimmt, auch ein Gefäß 239 für eine Heizerzwischenlage 240 einschließlich eines Heizerelementes 242 mit Spulen 244, eine Unten-Halteplatte 246, eine der Platte 246 zugeordnete Feder 248 und eine Trägerplatte 250 die unmittelbar unter dem Heizer 240 liegt. Um die Temperatur des Hei- · zers 242 zu steuern, ist ein Thermistor 252 vorgesehen, der in den Schlitz 253 aufgenommen ist. Der gesamte Heizer 240 wird im Gefäß der Platte 226 mittels einer Deckplatte 254 gehalten.

Wie aus der Fig. 9 zu ersehen ist, wird der gesamte Aufbau der Vorrichtung einschließlich der verschiedenen Platten mittels Schrauben 256, die sich nach oben durch öffnungen 257 im Aufbau erstrecken, und mittels Schrauben 258, die sich durch öffnungen 259 nach unten erstrecken, zusammengehalten, um so die gedruckte Schaltungsplatte 234 an der Stelle auf der Platte 228 zu halten. In Fig.

nicht dargestellt, jedoch durch Strichlinien in Fig. 7 angedeutet sind Verbindungen 260 zu den gedruckten Schaltungen 238 auf der gedruckten Schaltungsplatte 234. Auch

«■ 4 -■

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sei darauf verwiesen, daß die viskoelastische Schicht 208, die in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, in Fig. 9 nicht dargestellt ist.

Gemäß einem Ziel der Erfindung ist es wünschenswert, einen Betrieb des Tintenstrahles mit sehr hoher Frequenz zu erreichen. Es hat sich gezeigt, daß eine gewünschte hohe Betriebsfrequenz zu erzielen ist, falls die Kammer des Tintenstrahles ausreichend klein ist, so daß eine hohe Helmholtz- (d.h. Flüssigkeits-) Resonanzfrequenz vorliegt, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

L + L.

η 3

(C_c . + C_d)(L_n

mit C = dem Tintenstrahlvolumen in der Kammer zugeordnete

Nachgiebigkeit oder Federwirkung, C, = der beweglichen Wand zugeordnete Nachgiebigkeit

oder Federwirkung,
2Q L = Massenwirkung der Flüssigkeit in der Düse,

L. = Massenwirkung der Flüssigkeit im Einlaßbeschränker.

Weiterhin gelten für C , L und L.:

G Zj. 1

^Cc -y-2

Dabei bedeuten V das Volumen der Kammer, ) die Dichte der Tinte und c die Schallgeschwindigkeit in der Tinte.

Außerdem gilt:

4 Pl . ■

_L _ _J η

ⁿ 3V r²

mit L = Länge der Düse und
r = Radius der Düse.

Außerdem gilt:

ΜΛ

mit k = Geometriefaktor, der durch die Querschnittsform der Beschränkerkanäle bestimmt ist, A = Querschnittsfläche eines einzelnen Beschränkerkanales,

η = Anzahl der Beschränkerkanäle, 1. = Länge eines einzelnen Beschränkerkanales.

Im allgemeinen hat es sich als wünschenswert erwiesen, eine charakteristische Helmholtz-Resonanzfrequenz zu haben, die wesentlich höher als die Rate des Tintentröpfchen-Ausspritzens ist. Vorzugsweise ist die Helmholtz-Resonanzfrequenz wenigstents doppelt so groß als die Rate des Tintentröpfchen-Ausspritzens. In Zahlenwerten ist es anzustreben, eine Helmholtz-Frequenz von wenigstens 10 kHz und kleiner als 100 kHz bei bevorzugten Werten von 25 kHz bis 50 kHz zu haben, damit so hohe Tröpfchen-Ausspritzraten nach Bedarf möglich sind.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß es im allgemeinen anzustreben ist, eine kleine Kammer zu erzielen, damit eine hohe Helmholtz-Resonanzfrequenz vorliegt, so daß eine hohe Tröpfchen-Ausspritzrate nach Bedarf erlaubt wird. Jedoch können die Ausspritztröpfchenrate und die Strahlstabilität unabhängig- von der Helmholtz-Resonanzfrequenz nachteilhaft durch unerwünscht kleine oder niedrige akkustische oder Schall-Resonanzfrequenzen der Kammer oder durch' unerwünscht kleine oder geringe Wandler-Resonanzfrequenzen entlang der, Koppelachse, d.h. der Längs- oder Längsmodus-Resonanzfrequenzen der Wandler 14 und 204, beeinträchtigt

werden. Jedoch sollte gewährleistet werden, daß die Gesamtlänge der Kammer nicht stark die größte Querschnittsdimension der Kammer überschreitet, d.h. den Durchmesser bei einer zylindrischen Kammer. Hier wird mit dem Ausdruck Gesamtlänge der Kammer die Länge parallel zur Achse der Tropf-5' chenausspritzung von der von der Düse entfernten Hinterseite der Kammer nach dem Außenraum der Düse selbst bezeichnet. Wie in Fig. 1 a dargestellt ist, wird diese Abmessung durch den Abstand X angegeben, während die größte Querschnittsdiemension mit Y bezeichnet ist.

.

Es ist im allgemeinen vorzuziehen, daß ein Geometrieverhältnis, d.h. ein Verhältnis der Länge zur Querschnittsdimension, von nicht mehr als 5:1 und vorzugsweise nicht mehr als 2:1 erzielt wird. Auch ist darauf hinzuweisen, daß die Länge X kleiner als die Querschnittsdimension Y .sein kann. Mittels dieses Geometrieverhältnisses bleibt die Schall-Resonanzfrequenz der Kammer (d.h. die organische Rohrresonanz) ausreichend hoch, so daß die Schall-Resonanzfrequenz der Kammer nicht unzulässig die Betriebsfrequenz eines stabilen Betriebs des Strahles begrenzt.

Es ist auch darauf hinzuweisen, daß eine bestimmte kleinste Querschnittsdimension Y vorliegt, die erreicht werden kann, ohne eine Steigerung in der Gesamtlänge des Wandlers zu benötigen, die ihrerseits zu einer Abnahme der axialen oder Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers führen würde, um ßo die Betriebsfrequenz des gewünschten Strahles zu begrenzen. Eine Mindest-Querschnittsdimension Y von 0,6 mm ist wünschenswert, damit die axiale oder Längsmodus-Resonanzfrequenz ihren größten Wert annimmt.

In dieser Hinsicht sei betont, daß die Gesamtlänge des Wandlers notwendig steigt, um die erforderliche Verschiebung zu erzielen, wenn die größte Querschnittsdimension

Y der Kammer verringert wird.

Wie oben erläutert wurde, ist es wünschenswert, den Wandler in die Kammer als eine Punktquelle zu koppeln. In dieser Hinsicht wird bevorzugt, daß die Differenz in den Druckimpuls - Transitzeiten von jedem Punkt auf der Wandler-Koppelwand kleiner als 1 us und vorzugsweise kleiner als 0,1 us ist, wobei 0,o5 us einen Optimalwert angibt. Wenn eine gegebene Tintenzusammensetzung und daher eine vorbestimmte Schallgeschwindigkeit durch die Tinte in einer Kammer angenommen wird, kann die Differenz in einer Schallweglänge oder einem Abstand d weniger d . (ver-

max mm

gleiche Fig. 1a) für eine gegebene hochfrequente Schallstörung bestimmt werden. In dieser Hinsicht sei betont, daß es wünschenswert ist, Tintenstrahlen mit hochfrequenten Komponenten zu betreiben, die bei wenigstens 100 kHz und vorzugsweise bei 1 MHz liegen. Wenn eine Schallgeschwindigkeit von 1,5 χ 10 cm/s gleich der Schallgeschwindigkeit in Wasser und eine Hochfrequenzkomponente von 100 kHz angenommen werden, dann sollte die Differenz in der Schallweglänge oder im Abstand d weniger d .

^J ^ max ^³ mxn

nicht 1,5 mm überschreiten und vorzugsweise kleiner als 0,15 mm sein. Unter der Annahme einer Frequenzkomponenten von 1 MHz sollte die Differenz in den Weglängen nicht 0,15 mm überschreiten. Die gleiche Differenz in den Weglängen gilt auch für das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9.

Die folgenden Beispiele von Kammern verschiedener Abmessungen oder Dimensionen sind gegeben, um die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung zu erläutern:

Beispiel 1:

X = 2,54 mm

Y = 1,78 mm

Schallgeschwindigkeit 1,5 χ 10 cm/s.

Hochfrequenzkomponente von 1 MHz

Beispiel 2: Beispiel 3:

X = 2,54 mm

Y= 1,60 mm

Schallgeschwindigkeit 1,2 χ 10 cm/s

(Tinte auf ölbasis) Hochfrequenzkomponente

von 1 MHz

X = 1,27 mm

Y= 1,27 mm

Schallgeschwindigkeit 1,5 χ 10 cm/s

Hochfrequenzkomponente von 1 MHz.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß die Querschnittsdimension der Kammer 10 bzw. 200 ausreichend groß, um eine genügend hohe Ilelmholtz-Frequenz gegenüber der Betriebsfrequenz des Strahles zu erzielen, jedoch hinreichend klein gegenüber der Schall-Resonanzfrequenz und der Längsmodus-Resonanfrequenz der Wandler 14 und 204 sein muß. In diesem Zusammenhang hat .es sich gezeigt, daß die Querschnittsdimension der Kammer senkrecht oder quer zur Achse des Tropfchen-Ausspritzens wenigstens 10 mal größer als die Querschnittsdimension der Düse quer zur Achse des Tröpfchen-Ausspritzens sein sollte. Was die Abmessungen anbelangt, so sollte bei einer Querschnittsdimension der Düse im Bereich von 0,025 mm bis 0,075 mm die Querschnittsdimension der Kammer 0,6 mm überschreiten vorzugsweise im Bereich von 0,6 mm bis 1,3 mm liegen.

Gemäß einem anderen bedeutenden Gesichtspunkt der Er-

findung ist die Länge X (vergleiche Fig. 1a) derart

kurz, daß nicht in unerwünschter Weise die Helmholtz-Frequenz in den Frequenzbereich verringert wird. Gleichzeitig ruft die relativ kurze Kammer eine relativ hohe
Schall-Resonanzfrequenz hervor. Die gesamte axiale Länge des Wandler ist - wie dargestellt ist - derart, daß die
Schall-Resonanzfrequenz größer als die Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers ist.

Im allgemeinen wird bevorzugt, daß die Resonanzfrequenz

entlang der Koppelachse des Wandlers, beispielsweise die Längs-Resonanzfrequenzen der Wandler, wenigstens um 25 % höher als die Helmholtz-Resonanzfrequenz ist. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz entlang der Koppelachse wenigstens 50 % größer als die Helmholtz-Frequenz.

Durch Verwenden der zylindrischen Wandler 14 wird die
• Anzahl der Resonanzmoden der Wandler in gewünschter Weise verringert. Jedoch sei betont, daß andere
Wandler benutzt werden können, die sich in Längsrichtung ausdehnen, jedoch keinen zylindrischen Querschnitt haben,' wie beispielsweise Wandler mit rechteckigem Querschnitt, die ein Verhältnis der Gesamtlänge zur Mindestbreite besitzen, das nicht 30:1 überschreitet, und die eine Dicke senkrecht zur Länge im Bereich von 0,4 bis 0,6 mm auf-

weisen, wie dies in den Fig. 7 bis 9 dargestellt ist.

Wie oben erläutert wurde, halten die Einlaßöffnungen 214 und 20 die* Querschnittsfläche der in die Kammern fließenden Tinte im wesentlichen konstant während des Ausdehnens und Zusammenziehens des Wandlers in Richtung der Längsachse. In dem Ausmaß, in dem die Membran 210 sich in die den Einlaß 214 darstellende Fläche bewegt, wie dies in
Fig. 8 dargestellt ist, muß die Querschnittsdimension der Tinte, die durch die Höhe h des Einlaßes 214 dargestellt

ist, im wesentlichen größer als die Gesamtänderung in der Länge des Wandlers sein, wenn sich der Wandler ausdehnt und zusammenzieht. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Gesamthöhe h im Bereich von 0,025 mm bis 0,075 mm liegt, wobei ein Wert kleiner als 0,05 mm bevorzugt wird, während die Gesamtänderung in der Länge am Wandler 204 0,05 bis 0,50 um beträgt, wobei ein Wert kleiner als 0,24 um bevorzugt wird. Zu diesem Zweck ist es auch von Bedeutung, daß der Einlaßbeschränker und die Düsen-Massenwirkung

7 9 3 parallel im Bereich von 10 bis 10 Pa/M /s/s liegen.

Es sei auch betont, daß die Gesamtabmessung des Einlaßbeschränkers eine gewisse Beziehung zur Tintenstrahldüse aufweisen muß. In diesem Zusammenhang ist es wünsehenswert, daß die Mindest- oder kleinste Querschnittsabmessung des Beschränkers so gehalten v/ird, daß sie kleiner als der oder gleich dem Düsendurchmesser oder der Querschnittsdimension ist. Dies gewährleistet eine Helmholtz-Frequenz größer als die Betriebsfrequenz, jedoch kleiner als die Längsmodus- oder Schall-Resonanzfrequenz.

In den obigen Erläuterungen wurde betont, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Tintenstrahl mit einer Helmholtz- (Fluid-) Resonanzfrequenz liefert, die kleiner als die Wandler-Längsmodus-Resonanzfrequenz ist und vorzugsweise die Hälfte dieser Frequenz beträgt. Gleichzeitig isx die Helmholtz-Frequenz wesentlich höher als die erforderlichen Tropfen-Folgeraten bzw. - Frequenzen, d.h. , größer als 10 kHz und vorzugsweise größer als 25 kHz. Da die Helmholtz-Frequenz dazu neigt, angemessen stark gedämpft zu sein, beeinträchtigt ein Schwingen oder "Klingeln"

der Vorrichtung bei der Frequenz nicht nachteilhaft die Stabilität des Tropfenbildungsprozesses. Auch mit einer Helmholtz-Frequenz, die wesentlich kleiner als die Längsmodus-Frequenz ist, kann das Fluidsystem nicht auf das Längsmodus-Schwingen des Wandlers ansprechen, das dazu neigt, schwach gedämpft zu sein. Dieses schwachgedämpfte Längsmodus-Schwingen kann einen nachteilhaften Einfluß auf das Betriebsverhalten der Vorrichtung ausüben, wenn das Fluidsystem auf die Längsmodus-Frequenz ansprechen kann. Diese Situation erfordert ein äußeres Dämpfen der Wandleranordnung, wodurch oft die Ansteuerspannung gesteigert wird, was aber bei der Erfindung nicht der Fall ist.

Wie in den Ausfhrungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 sowie 7 bis 9 gezeigt ist, liegt ein elektrisches Feld senkrecht oder quer zur Längsachse des Wandlers. Wie in den Fig. 1 und 4 dargestellt ist, wird dies durch Elektroden 30 und 26 erreicht, während dies in den Fig. 7 bis 9 durch gedruckte Schaltungselemente 238 erfolgt, die elektrisch mit Elektroden 260 und 262 verbunden sind. Diese Elektroden bilden eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den Wandler, so daß sich der Wandler längs der Achse zusammenzieht, um dadurch die Kammer zusammenzuziehen, und so daß sich der Wandler längs der Achse ausdehnt, um die Kammer auszudehnen, wenn ein elektrisches Feld nicht am Wandler liegt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, um ein beschleunigtes Altern der Wandler 14 und 2O4 und in extremen Fällen eine Depolarisierung zu vermeiden. D.h. falls ein elektrisches Feld quer zum Wandler anliegt, um den Wandler auszudehnen, dann neigt ein derartiges elektrisches Feld zu einer De- oder Entpolarisierung des Wandlers, so daß dieser während wenigstens einer Zeitdauer nicht in Betrieb ist. Es ist daher

von Bedeutung, daß das elektrische Feld, das quer zum Wandler einwirkt, derart anliegt, daß der Wandler zusammengezogen wird.

Um das Verständnis für die Art und Weise zu vertiefen, in der das elektrische-Feld an den Wandlern anliegt, wird im folgenden auf die Fig. 10 und 11 näher eingegangen. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, weist der Wandler 204 Elektroden oder elektrische Verbindungen 260 auf, wobei sich der Wandler 204 nach außen über die Spitze der Elektroden 260 erstreckt. Wenn eine der Elektroden 260 geerdet und die andere Elektrode nicht erregt ist, dann nimmt der Wandler 204 die in Fig. 10 gezeigte Konfiguration oder Gestalt an. Wenn dagegen eine der Elektroden 260 mit einer positiven Spannung erregt (vergleiche Fig. 11) und die andere Elektrode 260 geerdet ist, dann dehnt sich der Wandler 204 tatsächlich über seine Dicke aus und zieht sich aber in Richtung seiner Länge zusammen. Hierbei sei betont, daß das elektrische Feld, das durch Spannung erzeugt wird, die in d in Fig.

11 gezeigten Weise anliegt, die gleiche Richtung wie die Polarisation des Wandlers 204 hat. Selbstverständlich sind die Ausdehnung und Zusammenziehung in den Fig. 10 und 11 zur Verdeutlichung der Darstellung übertrieben gezeigt.

Nach einem weiteren bedeutenden Gesichtspunkt der Erfindung erfolcjt die einzige Verbindung zwischen den Wandlern 14 und 204 über die Koppeleinrichtung in die Kammer, beispielsweise über den Fuß oder die Membran. Somit sind die Wandler in Anordnungen, wie diese in Fig. 5, 6 und gezeigt sind, im wesentlichen von der Tinte isoliert oder getrennt und in ausschließlicher Verbindung mit

einer Einzelkammer oder einem Strahl. Zusätzlich wird eine Abdichtung zwischen der Kammer und den Wandlern geliefert, wie beispielsweise durch die in Fig. 9 gezeigte Membran 210, um zu verhindern, daß Tinte nach oben in und um den Wandler strömt, wie beispielsweise den Wandler 204.

Mit der Bezeichnung "gestreckt" bzw. "in Längsrichtung" sei hier angedeutet, daß die Länge größer als die Breite ist. D.h., die Längsachse erstreckt sich hier in Richtung der Länge, die größer als die Querabmessung ist, über der das elektrische Feld anliegt. Zusätzlich sei betont, daß der bestimmte Wandler in einer anderen Richtung gestreckt werden kann, die als die Tiefe bezeichnet werden könnte, und die Gesamttiefe kann größer als die Länge sein. Daraus folgt, daß die Bezeichnung "Längsrichtung " eine relative Bezeichnung ist. Auch sei betont, daß sich der Wandler zusätzlich zur Längsachse auch in anderen Richtungen ausdehnen und zusammenziehen kann, wobei eine solche Ausdehnung und Zusammenziehung aber nicht interessiert, da diese nicht in der Koppelrichtung erfolgen. In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Koppelachse die Längsachse. Demgemäß ist einzusehen, daß die Längsmodus-Resonanz in der Koppelrichtung erfolgt und in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Resonanzfrequenz in Richtung der Längsachse darstellt. Jedoch sind die Ausdehnung und Zusammenziehung in Richtung der Längsachse ausreichend, um die Verschiebung der Tinte möglichst groß zu machen.

Claims

DIEHL & KRESSIN 3202937

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Zugelassen bei den deutschen und europäischen Patentbehörden Rüggenstraße 17 · D-8000 München 19

Ή Jen. Ä

E 1758-D

Exxon Research and Engineering Company

P.O. Box 390

Florham Park, N.J. 07932

U.S.A.

Tintenstrahlvorrichtung 15

Patentansprüche

. ,., Tintenstrahlvorrichtung mit

einer Kammer (10) eines veränderlichen Volumens, die eine Tintentröpfchen-Ausspritzdüse (12) aufweist,

gekennzeichnet durch

einen Wandler (14), der sich in Richtung einer Längsachse abhängig von einem elektrischen Feld im wesent-

lichen quer zur Längsachse ausdehnen und zusammenziehen kann,

eine Koppeleinrichtung (16) zwischen der Kammer (10) und dem Wandler (14), um die Kammer (10) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen in Richtung der Achse des Wandlers (14) auszudehnen und zusammenzuziehen, und

eine beschränkte Einlaßeinrichtung (20) in die Kammer (10), um die Querschnittsfläche der in die Kammer (10) fließenden Tinte im wesentlichen während des Ausdehnens und Zusammenziehens in Richtung der Längsachse konstant zu halten, so daß die Helmholtz-Frequenz kleiner als die Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers (14) gehalten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achse des Wandlers (14) in einer Richtung erstreckt, die wenigstens eine Komponente parallel zur Achse der Tröpfchen-Ausspritzdüse (12) hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschränkte Einlaßeinrichtung (20) unmittelbar neben der Koppeleinrichtung (16) liegt, und daß das Ausdehnen und Zusammenziehen der Kammer (10) nicht wesentlich die Querschnittsfläche beeinträchtigt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-ze lehnet, daß die Koppeleinrichtung (16) im wesentlichen den Wandler (14) von der Kammer (10) und der Einlaßeinrichtung (20) trennt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η nz e i ch η e t, daß die Koppeleinrichtung (16) im wesentlichen einen starren Fuß aufweist, der am Wandler (14) angebracht ist und die Wand der Kammer (10) bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η nz ei c h η e t, daß die Koppeleinrichtung eine Membran (210) umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Koppeleinrichtung (16) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen des Wandlers (14) auf eine Fläche begrenzt ist, die nach innen von der Einlaßeinrichtung (20) zur Ausspritzächse liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achse des Wandlers (14) in einer Richtung erstreckt, die wenigstens eine Komponente parallel zur Achse der Tröpfchen-Ausspritzdüse (12) hat.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) einen rechteckförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse hat.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse hat.
11. Tintenstrahlvorrichtung mit

einer Kammer (10) eines veränderlichen Volumens, 35

die eine Trintentröpfchen-Ausspritzdüse (12) hat, gekennzeichnet durch

einen Wandler (14), der sich in Richtung einer Längsachse abhängig von einem elektrischen Feld im wesentlichen quer zur Längsachse ausdehnt und zusammenzieht,

eine Koppeleinrichtung (16) zwischen der Kammer (10) und dem Wandler (14), um die Kammer (10) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen in Richtung der Achse des Wandlers (14) auszudehnen und zusammenzuziehen, und

eine eingeschränkte Tinteneinlaßeinrichtung (20) in die Kammer (10), um die Inertanz der : Einlaßeinrichtung (20) von 1O⁷ bis 1O⁹ Pa/M³/s/s zu halten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der eingeschränkten Einlaßeinrichtung (20) im wesentlichen konstant bleibt, wenn sich der Wandler (14) ausdehnt und zusammenzieht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wandler (14) in einer Richtung mit wenigstens einer Komponente parallel zur Achse der Tropfchen-Ausspritzdüse (12) ausdehnt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschränkte Einlaßeinrichtung (20) unmittelbar neben der Koppeleinrichtung (16) liegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achse des Wandlers (14) in

-s-

einer Richtung erstreckt, die wenigstens eine Komponente parallel zur Achse der Tröpfchen-Ausspritzdüse (12) hat.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) im wesentlichen den Wandler (14) von der Kammer (10) und der Einlaßeinrichtung (20) trennt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) einen im wesentlichen starren Fuß aufweist, der am Wandler (14) befestigt ist und eine Wand (18) der Kammer (10) bildet.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) eine Membran aufweist.
19. Tintenstrahlvorrichtung mit
20

einer Kammer (10) eines veränderlichen Volumens, die eine Tintentröpfchen-Ausspritzöffnung (12) aufweist,

gekennzeichnet durch 25

einen Wandler (14), der sich in Richtung einer Längsachse abhängig von einem elektrischen Feld im wesentlichen quer zur Längsachse ausdehnen und zusammenziehen kann,

eine Koppeleinrichtung (16) zwischen der Kammer (10) und dem Wandler (14), um die Kammer (10) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen in Richtung der Achse des Wandlers (14) auszudehnen und zusammenzuziehen, und

eine eingeschränkte Tinten-Einlaßeinrichtung (20) in die Kammer (10), die solche Abmessungen besitzt, daß die parallele Massenwirkung der Düse (12) und der einschränkenden Einlaßeinrichtung (20) eine Helmholtz-Resonanzfrequenz aufrechterhält, die größer als die Betriebsfrequenz des Strahles und kleiner als die Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers (14) jist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Abmessung der eingeschränkten Einlaßeinrichtung (20) im wesentlichen konstant bleibt, wenn sich der Wandler (14) ausdehnt und zusammenzieht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch g e k e η nzeichnet, daß sich die Achse der Wandler (14) in einer Richtung mit wenigstens einer Komponente ausdehnt, die parallel zur Achse der Tröpfchen-Ausspritzdüse (12) ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschränkte Einlaßeinrichtung (20) unmittelbar neben der Koppeleinrichtung (16) liegt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achse des Wandlers (14) in einer Richtung mit wenigstens einer Komponente erstreckt, die parallel zur Achse der Tröpfchen-Ausspritzdüse (12) 1st,
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) im wesentlichen den Wandler (14) von der Kammer (10) und der

Einlaßeinrichtung (20) trennt.
35
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) einen im wesentlichen starren Fuß aufweist, der am Wandler (14) befestigt ist und eine Wand (18) der Kammer (10) bildet.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) eine Membran aufweist.
27. Tintenstrahlvorrichtung mit mehreren Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahl aufweist:

eine Kammer (10) eines veränderlichen Volumens mit einer Tintentröpfchen-Ausspritzdüse (12),

einen Wandler (14), der sich in Richtung abhängig von einemelektrisehen Feld,im wesentlichen quer zur Längsachse ausdehnen und zusammenziehen kann, 20

eine Koppeleinrichtung(16) zwischen der Kammer (10) und dem Wandler (14), um die Kammer (10) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen in Richtung der Achse des Wandlers (14) auszudehnen und zusammenzuziehen, und

eine eingeschränkte Einlaßeinrichtung (20) in die Kammer (10) für 4ie in die Kammer (10) fließende Tinte,

wobei jeder Wandler (14) in der Anordnung im wesentlichen in ausschließlicher Verbindung mit einer einzelnen Kammer (10) steht.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) eine Abdichtung zwischen dem Wandler (14) und der Kammer (10) liefert.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) e-vn Pußglied umfaßt, das am Wandler (14) befestigt ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16) eine Membran umfaßt.
31. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch g e k e η nzeichnet, daß sich die Membran über die Anordnung im wesentlichen quer zu jeder Längsachse erstreckt.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessungen der Kammer (10) senkrecht■zur Richtung der ausspritzenden Tröpfchen wenigstens etwa mal größer als die Querschnittsabmessungen der Düse (12) in dieser Richtung sind.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die Querschnittsabmessung der Kammer (10) 0,6 mm überschreitet und vorzugsweise 0,6 bis 1,3 mm beträgt, und daß die Querschnittsabmessungen der Düse (12) zwischen 0,025mm und 0,075 mm liegen.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der Kammer (10) in einer Richtung parallel zu den ausspritzenden Tintentröpfchen verläuft und nicht wesentlich die größte Querschnittsabmessung der Kammer (10) überschreitet.