DE3202937C2

DE3202937C2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf

Info

Publication number: DE3202937C2
Application number: DE3202937A
Authority: DE
Inventors: Stuart D Howkins
Original assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2002-01-30
Also published as: AT383779B; GB2094233B; NL8200373A; US4459601A; DE3202937A1; IT1210848B; ATA30582A; FR2498988A1; GB2094233A; CA1174516A; FR2498988B1; IT8219377A0

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlaufzeichnungs kopf, der 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 In formation gilt. Es ist auch wünschenswert, dicht gepackte Anordnungen von Tintenstrahlen zu verwenden, damit eine hohe Qualität beim Drucken alphanumerischer Zeichen erzielt wird, 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 ge eigneter Weise die Wandler der Tintenstrahlen in der An ordnung zu erregen, und dies kann ein unerwünschtes elek trisches 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 ein Einzelstrahl als auch eine Anordnung von Strahlen beschrieben ist, wird es all gemein 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 Tin tenvolumen 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", kom plexe Resonanzen im Wandler-Befestigungsaufbau, die nach teilhaft den Strahlbetrieb beeinflussen, Herstellungs schwierigkeiten und Unzuverlässigkeit bei der Einkoppe lung 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 läng licher Wandler durch Elektroden erregt, die ein Feld quer zur Längsachse anlegen, und die Wandler sind in einer dicht gepackten Anordnung von Tintenstrahlkammern vorgesehen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Kammern sehr 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 Einlässe zu den Kammern keinen Einfluß auf die Verbesse rung der Beziehung zwischen der Helmholtz-Frequenz und der Längsresonanzfrequenz des Wandlers. Auch ist in die ser 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 her vorrufen kann. D. h., es liegt keine Fluid- oder mechani sche Trennung von Kammer zu Kammer zwischen den verschie denen Wandlern vor oder - genauer ausgedrückt - zwischen Segmenten eines gemeinsamen Wandlers. Zusätzlich erfordert der in dieser US-PS gezeigte Aufbau eine nichtleitende Tinte.

In der Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, August 1972, Vol. 15, Nr. 3, Seite 909, ist ein Hochgeschwindig keitstropfengenerator offenbart, wobei eine Membran mittels ei nes piezoelektrischen Kristalls so in Schwingung versetzt wird, da an einer Düse ein Tintenausstoß erfolgt.

Die Druckschrift DE-OS 21 37 792 beschreibt einen Tintentrop fendrucker, bei dem ein elektromagnetischer Wandler an die durch eine Düse fließende Tinte Störungen einer vorgegebenen Frequenz anlegt, wobei der innere Hohlraum der Düse eine Länge aufweist, die auf Fluidresonanz bei der angestrebten Arbeits frequenz des Druckers berechnet ist.

Aus der Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Novem ber 1976, Vol. 19, Nr. 6, Seiten 2255 bis 2256 ist eine Tinten strahlvorrichtung bekannt, mit einer Kammer, die eine Tintendü se aufweist, einen in der Kammer der Düse gegenüberliegend an geordneten piezoelektrischen Wandler, der sich abhängig von ei ner angelegten Spannung in Längsrichtung zur Tintendüse hin ausdehnen und zusammenziehen kann und einer auf dem piezoelek tischen Wandler angeordneten Koppeleinrichtung.

Der Druckschrift DE-OS 25 48 928 ist ein Tintenstrahlaufzeich nungskopf zu entnehmen, der so gestaltet ist, daß ein Wandler abhängig von einem elektrischen Feld Schwingungen in ein verän derliches Tintenvolumen in einer Kammer über einen Teil der nachgiebigen Seitenwand der Kammer einkoppelt. Dabei ist die Länge der Düse des Tintenstahlaufzeichnungskopfs so gewählt, daß deren mechanische Resonanzfrequenz sehr viel höher ist als die gewünschte Betriebsfrequenz. Unter Berücksichtigung der Länge der Fluidkammer ist diese Länge weiter kurz genug ge wählt, daß ihre erste Fluidsäulenresonanz hoch genug ist, um die Betriebsfrequenz zu übersteigen.

Bei den Tintenstrahlvorrichtungen der vier vorgenannten Druck schriften ist jedoch nachteilig, daß Betriebsrate und Stabili tät der Tropfenbildung im Hinblick auf das Auftreten von un kontrollierten Schwingungen des Flüssigkeitssystems und/oder Längsschwingungen des Wandlers nicht ausreichend sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anregung einer unkon trollierten Schwingung der oszillierenden Tinte in den Kammern veränderlichen Volumens mit Tintentröpfchenausspritzdüse und zugeordnetem Wandler eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes so wie niederfrequente akustische Schallresonanzen in diesen Kam mern zu vermeiden und eine stabile Tropfenbildung hoher Be triebsfrequenz des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zu errei chen.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der erfindungsgemäße Tinten strahl-Aufzeichnungskopf mindestens eine Kammer mit veränderli chem Volumen, die eine Tintentröpfchen-Ausspritzdüse aufweist, je einen der Kammer zugeordneten Wandler, der sich in Richtung seiner Längsachse, abhängig von einem elektrischen Feld, aus dehnen und zusammenziehen kann, und eine Koppeleinrichtung zwischen der Kammer und dem Wandler, um das Volumen der Kammer abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen des Wandlers zu ver ändern. Dabei ist am Eingang der Kammer eine Einlaßeinrichtung angeordnet ist, die eine Tintendurchlaßöffnung aufweist, deren freie, den Tintenfluß ermöglichende Querschnittsfläche den Tin tenfluß während des Ausdehnens und Zusammenziehens des Wandlers in einer im wesentlichen konstant bleibenden Weise einengt, so daß die Helmholtz-Frequenz der Kammer größer als die Betriebs frequenz des Strahles und kleiner als die Längsmodus- Resonanzfrequenz des Wandlers bleibt, und daß das Verhältnis der Gesamtlänge X der Kammer in einer Richtung parallel zu den ausspritzenden Tintentröpfchen zu der Querschnittsabmessung Y der Kammer nicht mehr als 5 : 1, vorzugsweise nicht mehr als 2 : 1, beträgt, wobei die Gesamtlänge X auch kleiner als die Querschnittsabmessung Y sein kann.

Gemäß einem bedeutenden 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 kHz, wobei eine Helmholtz-Frequenz über 25 kHz, jedoch kleiner als 100 kHz, bevorzugt wird. Zusätzlich ist es wünschens wert, daß die Längsresonanzfrequenz die Helmholtz-Reso nanzfrequenz 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 we nigstens 10 mal größer als die Querschnittsdimension der Düse senkrecht zur Achse der Tröpfchenausspritzung. Vor zugsweise 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 Quer schnittsdimension 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 einschränkende Ein laßeinrichtung die Querschnittsfläche der in die Kammern einströmenden Tinte im wesentlichen während eines Aus dehnens und Zusammenziehens entlang der Achse des Wand lers aufrecht. Infolge von Überlegungen hinsichtlich des raschen Ausspritzens liegt die einschränkende Ein laßeinrichtung vorzugsweise unmittelbar neben der Kop peleinrichtung, und das Ausdehnen und Zusammenziehen der Kammer beeinträchtigt nicht wesentlich die Querschnitts fläche der in die Kammer strömenden Tinte.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Helmholtz-Frequenz gesteuert, in dem eine Ein laßbeschränkerdimension im Vergleich mit der Düsendi mension derart gewählt wird, daß die parallele Massen wirkung bzw. Inertanz der Düse und des Einlaßbeschrän kers im Bereich von 10⁷ bis 10⁹ Pa . sec²/m³ liegt.

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

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Helm holtz-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 µs ist, wobei ein Wert kleiner als 0,1 µs bevorzugt wird und 0,05 µs einen Optimalwert bildet. Was die Ab messungen anbelangt, so ist die gesamte akkustische oder Schallwegstreckendifferenz von jedem Punkt in einer klei nen Fläche zur Düse kleiner als 1,5 mm, wobei ein Wert kleiner als 0,15 mm bevorzugt wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Vielzahl von Strahlen in einer Anordnung vorge sehen, 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 elek trisches Feld an den Wandler zu legen, so daß sich der Wandler entlang seiner Achse zusammenzieht, damit sich die Kammer ausdehnt, und so daß sich der Wandler ent lang der Achse ausdehnt, damit sich die Kammer zusam menzieht, wenn kein elektrisches Feld am Wandler liegt.

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

Fig. 1 einen Schnitt eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes nach einem Ausführungsbeispiel,

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

Fig. 5 eine Düsenplatte einer Anordnung von Tintenstrah len 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 eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs des in Fig. 7 gezeigten Schnittes,

Fig. 9 das in den Fig. 7 und 8 gezeigte Ausführungs beispiel in Explosionsperspektive,

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

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

In Fig. 1 hat ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf des Bedarfs- oder Impulstyps eine Kammer 10 und eine Düse oder Mün dung 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 Einlaß öffnungen 20 gespeist, die neben der Wand 18 und am rück wärtigen Ende der Kammer 10 gegenüber vom vorderen Ende liegen, an dem die Düse 12 vorgesehen ist.

Der Wandler 14 dehnt sich aus und zieht sich zusammen in einer Richtung mit wenigstens einer Kom ponente, die sich parallel zur Richtung der Tröpfchen ausspritzung durch die Düse 12 erstreckt. Im Ausführungs beispiel 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 Wand lers, entlang der sich der Wandler ausdehnt und zusammen zieht, 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 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 Ver schiebung größer gemacht werden kann, indem lediglich die Länge des Wandlers 14 gesteigert wird, und eine Steige rung in der Länge des Wandlers 14 führt nicht zu irgend einer Abnahme in der Dichte einer Anordnung, die aus dem in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlaufzeichnungskopf gebildet ist, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird. Zusätz lich können große Verschiebungen erzielt werden, ohne hohe elektrische Spannungen anzulegen, die zu einem elektrischen Übersprechen führen könnten. Jedoch ist es wünschenswert, die Länge des Wandlers 14 zu begren zen, 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-) Verhält nis von 12 : 1 bei einem bevorzugten Verhältnis von 7 : 1 in einem zylindrischen Wandler angemessen sein, um die se unerwünschte Biegebewegung zu begrenzen und die ge eignete Längsmodus-Resonanz zu erzielen. Das Ver hältnis der Gesamtlänge zur radialen Wanddicke des zy lindrischen Wandlers sollte nicht 60 : 1 überschreiten, wobei ein Verhältnis 36 : 1 bevorzugt wird.

Gemäß einem anderen bedeutenden Merkmal ist der Wandler 14 allgemein zylindrisch gestaltet. Der Zylin der 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 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 wer den, 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 elek trische Übersprechen möglichst klein. Die Polarität der "heißen" Elektrode (im Gegensatz zu Masse) ist der art, 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 Aus dehnung abhängig von einer Entregung der heißen Elek trode. Eine Leitung 30 ist mit der ersten Elektrode 22 ver bunden. Eine leitende Oberfläche 32 ist mit der Masseelek trode 26 verbunden und erstreckt sich nach außen vom Wandler 14 weg auf der Rückseite eines geschichteten Glieds 34 eines Vergußmaterials, wie beispielsweise Silicongummi, das den Wandler 14 umgibt. Ein anderes geschichtetes Glied 54 bedeckt die leitende Oberfläche 32.

Die Verwendung des hohlen zylindrischen Wandlers 14 er laubt ein gleichmäßiges Anlegen der Ansteuersignalspan nung 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 25 V bis 200 V angelegt werden können. In insbesondere bevorzugten Aus führungsbeispielen kann die Dicke des Wandlers 14 an den Elektroden 0,10 bis 0,50 mm und vorzugsweise 0,20 bis 0,30 mm betragen, wodurch 25 bis 80 V verwendet werden können.

Gemäß einem anderen wichtigen Gesichtspunkt bildet der die bewegliche Wand 18 erzeugende Fuß 16 einen Kolben, der in das hohle Ende des Wand lers 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, satellitenfrei en und sehr schnellen Auswurfes von Tröpfchen bei gerin gen Ansteuerspannungen ist. Die Gesamtfläche der Wand 18 ist kleiner als 50 mm² und vorzugsweise kleiner als 2 mm². Die Fläche sollte so klein als möglich sein, um die höchste Packungsfähigkeit und damit die Auflösung beim Drucken von einer Anordnung zu erhalten. Auf jeden Fall ist die Differenz in der Druckimpuls-Transitzeit von jedem Punkt auf der Wand 18 zur Düse 12 kleiner als 1 µs. Selbstverständlich können die kleinen Flächen be werkstelligt werden, da die notwendige Verschiebung durch die Verlängerung des Wandlers erzielbar ist. Es sei be merkt, daß die Gesamtfläche des Fusses 16 gegenüber der Querschnittsfläche des Wandlers 14 vergrößert werden kann, um die gewünschte abstrahlende Fläche der beweg lichen Wand in Verbindung mit Tinte innerhalb der Kam mer 10 zu schaffen. Zusätzlich kann die Fläche der Wand 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 Abdich tung bezüglich jeglicher Tinte wirkt, die sonst zurück in das Innere des hohlen Wandlers 14 lecken könnte, wo durch ein elektrischer Kurzschluß vermieden wird. Da durch 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 Pro blem in der Reproduzierbarkeit 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 we sentliche 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 we sentlichen 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 Einlaßöff nungen 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 Vor richtung erleichtern.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, steht ein Tintenbe hälter 46, der unter Umgebungsdruck gehalten ist, d. h. nicht mit zusätzlichem Druck beaufschlagt ist, in Verbindung mit Ein laßöffnungen 20 eines im wesentlichen konstanten Quer schnittes. Jegliches Lecken zwischen dem Tintenbehälter 46 und der Kammer 10 sowie jegliches andere Lecken beispiels weise um den Fuß 16 hat keine nachteilhaften Folgen, so lange das Lecken verhältnismäßig klein im Vergleich mit den Einlaßöffnungen 20 ist, da solche Leckstrecken parallel zu den Einlaßöffnungen 20 verlaufen. Demgemäß kann Lecken, das gewöhnlich bei einer geschichteten Konstruktion auftreten 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 Strah les in der hier beschriebenen Weise erleichert. Zusätz lich verringert die Lage der Öffnungen 20 auf der Rück seite der Kammer die Möglichkeit, daß Luftblasen nach teilhaft den Betrieb des Strahles beeinträchtigen.

Wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die geschich tete Konstruktion eine Düsenplatte 48, die durch ein an deres geschichtetes Glied 50 bedeckt ist, das eine Kegel stumpfförmige Öffnung 52 neben der Düse hat. Ein weiteres geschichtetes Glied 54 ist auf dem Ende des geschichteten Gliedes 34 befestigt, um sich entlang der leitenden Oberfläche 32 zu erstrecken.

Eine Vielzahl von Materialien kann zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten geschichteten Konstruktion verwendet werden, die stark durch die Verwendung des zylindrischen Wand lers 14 erleichtert wird. Beispielsweise können die ge schichteten Glieder 40, 48, 50 und 54 aus rostfreiem Stahl bestehen. Alternative Materialien umfassen Glas, ein ab gewandeltes Polyphenylenoxid, das durch GE hergestellt und unter dem Handelsnamen Noryl® bekannt ist, und ein glas gefülltes Diallylphthalat. Der Fuß 16 kann aus Kunst stoff oder Keramik bestehen, der bzw. das mit dem Wand ler 14 verbunden ist, welcher aus piezoelektrischem Mate rial hergestellt sein kann.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist ein Tintenstrahl aufzeichnungskopf gezeigt, der in zahlreichen Gesichtspunkten der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung ein schließlich des Wandlers 14 und der durch den Fuß 16 ge bildeten Wand 18 entspricht. Jedoch besteht die Kammer 10 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 läng lichen Wandlern, die sich in Richtung der Längsachse ausdehnen und zusammenziehen, die Herstellung einer sehr dichten Anordnung von Tintenstrahlen erlaubt. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt die Düsenplatte 140a eine Vielzahl von Düsen 12, wobei strichlierte Krei se, die die Düsen 12 umgeben, den Durchmesser der Wand ler 14 anzeigen, die hinter der Düsenplatte 140a liegen. Fig. 6 zeigt eine weitere Anordnung von Düsen 12 in der Düsenplatte 140b. Obwohl die Art des Staffelns oder Ver setzens der Strahlen 112 in Fig. 6 und Fig. 5 abweicht, sind in beiden Fällen die Strahlen dicht gepackt, was äußerst wünschenswert ist, wenn ein hochqualitatives alphanumerisches Drucken mit einer Tintenstrahlanordnung bzw. einem Tintenstrahlfeld erzielt werden soll.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 spritzt eine Kammer 200 mit einer 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 Koppel einrichtung 206 gekoppelt, die einen Fuß 207, ein visko elastisches 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 Ein laßeinrichtung, 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. Die Querschnitts fläche der in die Kammer durch den Einlaß 214 fließen den Tinte ist im wesentlichen während des Ausdehnens und Zu sammenziehens des Wandlers 204 ungeachtet der Lage des Einlasses 214 unmittelbar neben der Koppeleinrichtung 206 und dem Wandler 204 konstant. Durch Ausstatten des Ein lasses 214 mit einer geeigneten Abmessung gegenüber der Düse 202 in einer Düsenplatte 218 kann die geeignete Be ziehung 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 sitz zu laufende Kante 222, die in den Einlaß 214 führt. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird der Behälter 212 mit einem Zu laufrohr 223 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 einer Aus sparung 229 in der Platte 226 liegt. Um das Fluid-Über sprechen 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 ge führt. 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 nach giebigen 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 Wand lers 204 zu bilden. Ein elektrischer Kontakt mit dem Wandler 204 erfolgt auch auf nachgiebige Weise mittels einer nachgiebigen gedruckten Schaltung 234, die elek trisch durch eine geeignete Einrichtung, wie beispiels weise 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 auf nimmt, auch ein Gefäß 239 für eine Heizerzwischenlage 240 einschließlich eines Heizerelementes 242 mit Spulen 244, eine Unten-Halteplatte 246, eine der Platte 246 zu geordnete Feder 248 und eine Trägerplatte 250 die unmittel bar 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 Hei zer 240 wird im Gefäß der Platte 226 mittels einer Deck platte 254 gehalten.

Wie aus der Fig. 9 zu ersehen ist, wird der gesamte Auf bau der Vorrichtung einschließlich der verschiedenen Platten mittels Schrauben 256, die sich nach oben durch Öffnungen 257 im Aufbau erstrecken, und mittels Schrau ben 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. 9 nicht dargestellt, jedoch durch Strichlinien in Fig. 7 angedeutet sind Verbindungen 260 zu den gedruckten Schal tungen 238 auf der gedruckten Schaltungsplatte 234. Auch 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 er reichen. Es hat sich gezeigt, daß eine gewünschte hohe Be triebsfrequenz zu erzielen ist, falls die Kammer des Tin tenstrahles ausreichend klein ist, so daß eine hohe Helm holtz- (d. h. Flüssigkeits-) Resonanzfrequenz vorliegt, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

mit C_c = dem Tintenstrahlvolumen in der Kammer zugeordnete Nachgiebigkeit oder Federwirkung,
C_d = der beweglichen Wand zugeordnete Nachgiebigkeit oder Federwirkung,
L_n = Massenwirkung der Flüssigkeit in der Düse,
L_i = Massenwirkung der Flüssigkeit im Einlaßbeschränker.

Weiterhin gelten für C_c, L_n und L_i:

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

Außerdem gilt:

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

Außerdem gilt:

mit k = Geometriefaktor, der durch die Querschnitts form der Beschränkerkanäle bestimmt ist,
A = Querschnittsfläche eines einzelnen Beschränker kanales,
n = Anzahl der Beschränkerkanäle,
l_i = Länge eines einzelnen Beschränkerkanales.

Es hat sich als erforderlich erwiesen, eine charakteristische Helmholtz-Resonanzfrequenz zu haben, die wesentlich höher als die Rate des Tintentröpfchen-Aus spritzens ist. Vorzugsweise ist die Helmholtz-Resonanzfre quenz wenigstens doppelt so groß wie die Rate des Tin tentröpfchen-Ausspritzens. In Zahlenwerten ist es anzu streben, 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 aufzustreben ist, eine kleine Kammer zu erzielen, damit eine hohe Helmholtz-Resonanzfrequenz vorliegt, so daß eine hohe Tröpfchen-Ausspritzrate nach Bedarf erzielt 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 Gesamt länge der Kammer die größte Querschnittsdimen sion der Kammer nicht stark überschreitet, d. h. den Durchmesser bei einer zylindrischen Kammer. Hier wird mit dem Ausdruck Ge samtlänge der Kammer die Länge parallel zur Achse der Tröpf chenausspritzung von der von der Düse entfernten Hinter seite der Kammer nach dem Außenraum der Düse selbst bezeich net. Wie in Fig. 1a dargestellt ist, wird diese Abmessung durch den Abstand X angegeben, während die größte Querschnitts dimension mit Y bezeichnet ist.

Es ist erforderlich, daß ein Geometriever hältnis, d. h. ein Verhältnis der Länge zur Querschnitts dimension, 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 natürliche Rohrresonanz) ausreichend hoch, so daß die Schall- Resonanzfrequenz der Kammer nicht unzulässig die Betriebs frequenz 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 be nötigen, die ihrerseits zu einer Abnahme der axialen oder Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers führen würde, um so die Betriebsfrequenz des gewünschten Strahles zu begrenzen. Eine Mindest-Querschnittsdimension Y von 0,6 mm ist wünschenswert, damit die axiale oder Längs modus-Resonanzfrequenz ihren größten Wert annimmt. In dieser Hinsicht sei betont, daß die Gesamtlänge des Wandlers notwendigerweise steigt, um die erforderliche Verschie bung zu erzielen, wenn die größte Querschnittsdimension Y der Kammer verringert wird.

Wie oben erläutert wurde, ist es wünschenswert, den Wand ler in die Kammer als eine Punktquelle zu koppeln. In die ser Hinsicht wird bevorzugt, daß die Differenz in den Druckimpuls - Transitzeiten von jedem Punkt auf der Wand ler-Koppelwand kleiner als 1 µs und vorzugsweise kleiner als 0,1 µs ist, wobei 0,05 µs 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_max - d_min ver gleiche Fig. 1a) für eine gegebene hochfrequente Schall störung bestimmt werden. In dieser Hinsicht sei betont, daß es wünschenswert ist, Tintenstrahlen mit hochfrequen ten Komponenten zu betreiben, die bei wenigstens 100 kHz und vorzugsweise bei 1 MHz liegen. Wenn eine Schallge schwindigkeit von 1,5 × 10⁵cm/s gleich der Schallge schwindigkeit in Wasser und eine Hochfrequenzkomponente von 100 kHz angenommen werden, dann sollte die Differenz in der Schallweglänge oder im Abstand d_max - d_min nicht 1,5 mm überschreiten und vorzugsweise kleiner als 0,15 mm sein. Unter der Annahme einer Frequenzkomponente von 1 MHz sollte die Differenz in den Weglängen nicht 0,15 mm überschreiten. Die gleiche Differenz in den Weg längen gilt auch für das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9.

Die folgenden Beispiele von Kammern verschiedener Ab messungen oder Dimensionen sind gegeben, um die ver schiedenen Gesichtspunkte zu erläutern:

Beispiel 1

X = 2,54 mm
Y = 1,78 mm
Schallgeschwindigkeit 1,5 × 10⁵

cm/s
Hochfrequenzkomponente von 1 MHz

Beispiel 2

X = 2,54 mm
Y = 1,60 mm
Schallgeschwindigkeit 1,2 × 10⁵

cm/s
(Tinte auf Ölbasis) Hochfrequenzkomponente von 1 MHz

Beispiel 3

X = 1,27 mm
Y = 1,27 mm
Schallgeschwindigkeit 1,5 × 10 cm/s
Hochfrequenzkomponente von 1 MHz.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß die Querschnitts dimension der Kammer 10 bzw. 200 ausreichend groß, um eine genügend hohe Helmholtz-Frequenz gegenüber der Betriebsfrequenz des Strahles zu erzielen, jedoch hinreichend klein gegenüber der Schall-Resonanzfrequenz und der Längsmodus-Resonanzfrequenz 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 Tröpfchen-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 ist die Länge X (vergleiche Fig. 1a) derart kurz, daß nicht in unerwünschter Weise die Helmholtz- Frequenz in den Betriebs-Frequenzbereich verringert wird. Gleich zeitig 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-Re sonanzfrequenz 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 wenig stens 50% größer als die Helmholtz-Frequenz.

Durch Verwenden der zylindrischen Wandler 14 wird die Anzahl der Resonanzmoden der Wandler in gewünsch ter 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 be sitzen, 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 fließen den Tinte im wesentlichen konstant während des Ausdehnens und Zusammenziehens des Wandlers in Richtung der Längs achse. 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, wesentlich größer als die Gesamtänderung in der Länge des Wandlers sein, wenn sich der Wand ler ausdehnt und zusammenzieht. In diesem Zusammen hang 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 Gesamtände rung in der Länge am Wandler 204 0,05 bis 0,50 µm beträgt, wobei ein Wert kleiner als 0,24 µm bevor zugt wird. Zu diesem Zweck ist es auch von Bedeutung, daß der Einlaßbeschränker und die Düsen-Massenwirkung parallel im Bereich von 10⁷ bis 10⁹ Pa . sec²/m³ liegen.

Es sei auch betont, daß die Gesamtabmessung des Ein laßbeschränkers eine gewisse Beziehung zur Tintenstrahl düse aufweisen muß. In diesem Zusammenhang ist es wün schenswert, daß die Mindest- oder kleinste Querschnitts abmessung des Beschränkers so gehalten wird, 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-Resonanz frequenz.

In den obigen Erläuterungen wurde betont, daß die er findungsgemäße Vorrichtung einen Tintenstrahl mit einer Helmholtz- (Fluid-) Resonanzfrequenz liefert, die klei ner als die Wandler-Längsmodus-Resonanzfrequenz ist und vorzugsweise die Hälfte dieser Frequenz beträgt. Gleich zeitig ist 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 ge dämpft zu sein, beeinträchtigt ein Schwingen oder "Klingeln" der Vorrichtung bei der Frequenz nicht nachteilhaft die Stabilität des Tropfenbildungsprozesses. Mit einer Helmholtz-Frequenz, die wesentlich kleiner als die Längsmodus-Frequenz ist, kann das Fluidsystem auch nicht auf das Längsmodus-Schwingen des Wandlers ansprechen, das dazu neigt, schwach gedämpft zu sein. Dieses schwach gedämpfte Längsmodus-Schwingen kann einen nachteilhaften Einfluß auf das Betriebsverhalten der Vorrichtung aus üben, wenn das Fluidsystem auf die Längsmodus-Frequenz ansprechen kann. Diese Situation erfordert ein äußeres Dämpfen der Wandleranordnung, wodurch oft die Ansteuer spannung gesteigert wird, was aber hier nicht der Fall ist.

Wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 sowie 7 bis 9 gezeigt ist, liegt ein elektrisches Feld senk recht 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 elek trisch mit Elektroden 260 und 262 verbunden sind. Diese Elektroden bilden eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den Wandler, so daß sich der Wand ler längs der Achse zusammenzieht, um dadurch die Kammer auszudehnen, und so daß sich der Wandler längs der Achse ausdehnt, um die Kammer zusammenzuziehen, wenn ein elek trisches Feld nicht am Wandler liegt. Dies ist insbeson dere von Bedeutung, um ein beschleunigtes Altern der Wand ler 14 und 204 und in extremen Fällen eine Depolarisie rung 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 wenig stens 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 zusam mengezogen wird.

Um das Verständnis für die Art und Weise zu vertiefen, in der das elektrische-Feld an dem 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, wo bei 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 Kon figuration oder Gestalt an. Wenn dagegen eine der Elek troden 260 mit einer positiven Spannung erregt (ver gleiche 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 der 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 erfolgt die einzige Verbindung zwischen den Wand lern 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 9 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 ge zeigte 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 Rich tung der Länge, die größer als die Querabmessung ist, über der das elektrische Feld anliegt. Zusätzlich sei betont, daß der bestimmte Wandler in einer anderen Rich tung gestreckt werden kann, die als die Tiefe bezeichnet werden könnte, und die Gesamttiefe kann größer als die Länge sein. Daraus folgt, daß die Bezeichnung "Längsrich tung " eine relative Bezeichnung ist. Auch sei betont, daß sich der Wandler zusätzlich zur Längsachse auch in anderen Richtungen ausdehnen und zusammenziehen kann, wo bei eine solche Ausdehnung und Zusammenziehung aber nicht interessiert, da diese nicht in der Koppelrich tung erfolgen. In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Koppelachse die Längsachse. Demgemäß ist einzu sehen, daß die Längsmodus-Resonanz in der Koppel richtung erfolgt und in den gezeigten Ausführungsbei spielen die Resonanzfrequenz in Richtung der Längsachse darstellt. Jedoch sind die Ausdehnung und Zusammenziehung in Richtung der Längsachse ausreichend, um die Verschie bung der Tinte möglichst groß zu machen.

Claims

1. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit

a) mindestens einer Kammer (10, 200) mit veränderlichem Volumen, die eine Tintentröpfchen-Ausspritzdüse (12, 202) aufweist,
b) je einem der Kammer (10, 200) zugeordneten Wandler (14, 204), der sich in Richtung seiner Längsachse, abhängig von einem elektrischen Feld, ausdehnen und zusammenziehen kann, und
c) einer Koppeleinrichtung (16, 206) zwischen der Kammer (10, 200) und dem Wandler (14, 204), um das Volumen der Kammer (10, 200) abhängig vom Ausdehnen und Zusammenziehen des Wandlers (14, 204) zu verändern,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) am Eingang der Kammer (10, 200) eine Einlaßeinrichtung (20, 214) angeordnet ist, die eine Tintendurchlaßöffnung (36) aufweist, deren freie, den Tintenfluß ermöglichende Querschnittsfläche den Tintenfluß während des Ausdehnens und Zusammenziehens des Wandlers in einer im wesentlichen konstant bleibenden Weise einengt, so daß die Helmholtz-Frequenz der Kammer (10, 200) größer als die Betriebsfrequenz des Strahles und kleiner als die Längsmodus-Resonanzfrequenz des Wandlers (14, 204) bleibt, und daß das Verhältnis der Gesamtlänge X der Kammer (10, 200) in einer Richtung parallel zu den ausspritzenden Tintentröpfchen zu der Querschnittsabmessung Y der Kammer (10, 200) nicht mehr als 5 : 1, vorzugsweise nicht mehr als 2 : 1, beträgt, wobei die Gesamtlänge X auch kleiner als die Querschnittsabmessung Y sein kann.

2. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der in die Kammer fließenden Tinte in der Weise beschränkt ist, daß die Inertanz der Einlaßeinrichtung (20, 214) im Bereich von 10⁷ bis 10⁹ Pa . sec²/m³ gehalten wird.

3. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschränkende Einlaßeinrichtung (20, 214) unmittelbar neben der Koppeleinrichtung (16, 206) liegt.

4. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (206) eine Membran (210) umfaßt, die sich über die Anordnung im wesentlichen quer zu jeder Längsachse erstreckt.

5. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (204) einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse hat.

6. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse hat.

7. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (16, 206) im wesentlichen den Wandler (14, 204) von der Kammer (10, 200) und der Einlaßeinrichtung (20, 214) trennt.

8. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessungen der Kammer (10, 200) mindestens in ihrem dem Wandler (14, 204) benachbarten Bereich senkrecht zur Richtung der ausspritzenden Tropfen wenigstens 10-mal größer als die Querschnittsabmessungen der Düse (12, 202) in dieser Richtung sind.

9. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessung der Kammer (10, 200) 0,6 mm überschreitet und vorzugsweise 0,6 bis 1,3 mm beträgt, und daß die Querschnittsabmessungen der Düse (12, 202) zwischen 0,025 mm und 0,075 mm liegen.

10. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14, 204) eine in Richtung seiner Ausdehnung und Zusammenziehung gestreckte Form aufweist.

11. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des Wandlers (14, 204) bis zum 12- fachen, vorzugsweise 7-fachen, seiner Breite beträgt.

12. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) zylindrisch, insbesondere hohlzylindrisch, ausgebildet ist.

13. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des hohlzylindrischen Wandlers (14) mindestens 1/60, vorzugsweise 1/36, seiner Länge beträgt.

14. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von parallel nebeneinanderliegenden Wandlern (14) in ein Vergußmaterial (34), beispielsweise Silicongummi, eingegossen ist.

15. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paket von Wandlern (14) in eine Schicht (34) von Vergußmaterial eingegossen ist, und daß die Kammern (10) mit den Tintentröpfchen-Ausspritzdüsen (12) und die Einlaßeinrichtungen (20) in einem an der Vergußmaterialschicht (34) anliegenden geschichteten Aufbau (40, 48, 50, 54) ausgebildet sind.

16. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der geschichtete Aufbau eine Beschränkerplatte (216) umfaßt, die mit Öffnungen ausgestattet ist, welche den Querschnitt des Tinteneintritts in die Kammern (200) beschränken.

17. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder des geschichteten Aufbaus (40, 48, 50, 54) aus rostfreiem Stahl, Glas oder Kunststoff bestehen.

18. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14, 204) sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes in Richtung seiner Längsachse zusammenzieht und in Abwesenheit eines Feldes sich in Richtung seiner Längsachse ausdehnt.

19. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Helmholtz-Frequenz der Kammer (10, 200) größer als 10 KHz ist.