DE69002756T2 - Düse für einen farbstrahldrucker. - Google Patents
Düse für einen farbstrahldrucker.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Tintenstrahldüse für einen Tintenstrahldrucker.
- Tintenstrahldrucker haben im allgemeinen mindestens eine Tintenstrahldüse und ein Tintenzuführungssystem, das der Tintenstrahldüse Tinte unter einem geeigneten Druck zuführt. Die Tinte wird aus einer Ausflußöffnung herausgedrückt und in Form einer Reihe von gleich großen Tröpfchen auf ein Substrat, beispielsweise ein Blatt Papier, gespritzt. Beim Vorbeiwandern an einer Aufladeelektrode erhalten die Tropfen selektiv eine elektrische Ladung. Die aufgeladenen Tropfen werden unter der Einwirkung einer an die Ablenkplatten angelegten Spannung abgelenkt. Infolgedessen gelangen die Tropfen entweder auf das Substrat oder werden sie abgelenkt und uafgefangen. Die aufgefangene Tinte kann wieder zu dem Zuführungssystem zurück umgewälzt werden.
- Tintenstrahldrucker können nach zwei verschiedenen Prinzipien arbeiten, und zwar mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl oder mit bedarfsweise abgegebenen Tropfen. Beim Arbeiten mit kontinuierlichem Tintenstrahl wird zum Erzeugen eines Tintenstrahls Tinte unter hohem Druck durch eine Tintenstrahldüse gedrückt. Der Druck liegt zwischen 20 und 60 bar. Der so erzeugte Tintenstrahl wird durch eine Erregung in eine Folge von Tintentröpfchen umgewandelt, die mit hoher Geschwindigkeit auf dem Substrat aufprallen. Dabei werden pro Sekunde 100 000 bis 2 000 000 Tropfen erzeugt. Beim Arbeiten mit bedarfsweise abgegebenen Tropfen wird nicht unter hohem Druck ein Tintenstrahl erzeugt, sondern werden einzelne Tropfen erzeugt und auf das Substrat abgegeben. In diesem Verfahren wird mit einem niedrigen, in Form von Impulsen erzeugten Druck von 2 bis 10 bar gearbeitet und werden pro Sekunde 1 000 bis 30 000 Tropfen erzeugt.
- In Tintenstrahldüsen zur Abgabe eines kontinuierlichen Tintenstrahls wird die Bildung von Tropfen im allgemeinen durch einen Ultraschallschwinger angeregt, der eine hochfrequente Schwingung erzeugt. Der zur Tropfenbildung benötigte Druckimpuls hat einen Druck von 0,1% des Arbeitsdruckes, d.h. bei einem Arbeitsdruck von 30 bar einen Druck von etwa 0,03 bar. Dieser Druck ist viel niedriger als der Druck in mit bedarfsweiser Abgabe von Tropfen arbeitenden Tintenstrahldruckern, bei denen der Druck der Druckimpulsehundertmal höher ist.
- In IBM-Technical Disclosure Bulletin, Band 20, Nr. 11A vom April 1978 beschrieben J.M. Huellemeier et al. auf S. 4485 unter der Bezeichnung "Inkjet nozzle fabrication" eine Tintenstrahldüse für einen Tintenstrahldrucker mit einem aus einem im wesentlichen nichtverformbaren Werkstoff bestehenden Gehäuse, das einen Tintenzuführungskanal enthält, der an seinem Ausflußende mit einer an dem Gehäuse befestigten Stirnwand abgeschlossen ist, die mit einem Tintenausflußkanal versehen ist, der mit dem Tintenzuführungskanal fluchtet. Die bekannte Tintenstrahldüse hat kein schwingendes Element, und die Druckschrift sagt nichts über die Abmessungen des Tintenausflußkanals.
- Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Tintenstrahldüse für einen mit kontinuierlichem Tintenstrahl arbeitenden Tintenstrahldrucker.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Tintenstrahldüse für einen Tintenstrahldrucker mit einem aus einem im wesentlichen nichtverformbaren Werkstoff bestehenden Gehäuse, das einen Tintenzuführungskanal enthält, der an seinem Ausflußende mit einer an dem Gehäuse befestigten Stirnwand abgeschlossen ist, die mit einem Tintenausflußkanal versehen ist, der mit dem Tintenzuführungskanal fluchtet, wobei die Tintenstrahldüse im wesentlichen blockförmig ist, daß der Ausflußkanal einen Durchmesser zwischen 3 und 10 Mikrometern und eine dem 3- bis 30-fachen seines Durchmessers entsprechende Länge hat und daß das Gehäuse in der Nähe des Ausflußendes des Tintenzuführungskanals mit einem Ultraschallschwinger versehen ist.
- Die erfindungsgemäße Tintenstrahldüse ist robust, kompakt ausgebildet und im Gebrauch stabil. Sie erzeugt im Betrieb einen stabilen Tintenstrahl, der aus einer Folge von Tröpfchen mit reproduzierbaren Kennwerten besteht. Ferner ist die Tintenstrahldüse zuverlässig und leicht zu reinigen.
- In US-A-4228440 ist für einen Tintenstrahldrucker eine Tintenstrahldüse beschrieben, die ein Gehäuse besitzt, das einen Tintenzuführungskanal enthält, der an seinem Ausflußende mit einer Stirnwand abgeschlossen ist, die am Gehäuse befestigt und mit einem Tintenausflußkanal versehen ist, der mit dem Tintenzuführungskanal fluchtet. Die Tintenstrahldüse ist ferner mit einer Mehrzahl von Ultraschallschwingern versehen. Die Schwinger sind nicht in der Nähe des Ausflußendes des Tintenzuführungskanals angeordnet. Das Dokument enthält jedoch keine Angaben über die Abmessungen des Tintenausflußkanals.
- Bevorzugte Ausgestaltungen der Tintenstrahldüse gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
- Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigt
- Figug 1 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Tintenstrahldüse,
- Figur 2 in einer Vorderansicht die Tintenstrahldüse nach Figur 1 in Richtung des Pfeils II gesehen,
- Figur 3 in größerem Maßstab die Einzelheit III am Ausflußkanal der Tintenstrahldüse nach Figur 1 und
- Figur 4 einen Endteil einer abgeänderten Ausführungsform der Tintenstrahldüse gemäß der Erfindung.
- Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Tintenstrahldüse für einen mit kontinuierlichem Tintenstrahl arbeitenden Tintenstrahldrucker besitzt ein etwas längliches, zylindrisches Gehäuse 1, in dem ein Tintenzuführungskanal 2 konzentrisch angeordnet ist. Der Durchmesser des Tintenzuführungskanals 2 nimmt von seinem Eintrittsende 3 zum Ausflußende 4 hin stufenweise ab. Am Eintrittsende 3 ist der Tintenzuführungskanal 2 beispielsweise mit einem Innengewinde 5 ausgebildet, mit dem die Tintenstrahldüse auf eine (hier nicht gezeigte) Tintenzuführungsleitung geschraubt werden kann. Im Tintenzuführungskanal 2 stitzt passend ein Filter 6 zum Filtrieren der durch den Kanal fließenden Tinte.
- Am Ausflußende 4 ist der Tintenzuführungskanal 2 mit einer Stirnwand in Form einer gesonderten dünnen Platte 7 versehen, die am Gehäuse 1 befestigt und mit einem im Durchmesser sehr kleinen Ausflußkanal 8 versehen ist, der zu dem Tintenzuführungskanal im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist. Der Durchmesser des Tintenzuführungskanals 2 muß am Ausflußende 4 klein sein, damit die im Betrieb auf die Platte 7 wirkenden Kräfte möglichst schwach sind. Dieser Durchmesser beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1 mm. Dagenen ist der Durchmesser des Tintenzuführungskanals 2 am Ausflußende 4 ein Vielfaches des Durchmessers des Ausflußkanals 8 (siehe auch Figur 3). Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Ausflußkanals 8 zwischen 3 und 30 Mikrometern, vorzugsweise zwischen 6 und 20 Mikrometern. Der Ausflußkanal 8 muß so lang sein, daß der Tintenstrahl richtungsstabil ist. Andererseits soll der Ausflußkanal 8 möglichst kurz sein, damit hochfrequente Schwinigungen, die - wie nachstehend erörtert wird - zur Bildung von Tropfen auf die durch den Ausflußkanal fließende Tinte übertragen werden, nicht zu stark gedämpft werden, weil das die Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung beeinträchtigen würde.
- Das Gehäuse 1 der Strahldüse besteht vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl. Das Gehäuse 2 kann jedoch aus aus einem weniger korrosionsbeständigen Werkstoff hergestellt werden, wenn es auf seiner Innenwandung mit einem Überzug, beispielsweise mit einem chemisch aufgedampften Überzug, versehen ist. Der Überzug muß vollständig decken und frei sein von Löchern und muß korrosionsfest sein. Ferner darf dieser Überzug die Eigenschaften der Tinte nicht beeinflussen. Das Gehäuse könnte beispielsweise aus einem nichtquellenden plastischen Werkstoff (Kunststoff) hergestellt werden. Ferner kann man auch einen keramischen Werkstoff verwenden.
- In der gezeigten Tintenstrahldüse hat das Gehäuse 1 die Form eines etwas länglichen Zylinders. Das Gehäuse kann jedoch auch eine andere Form haben, und es kann mit einer (hier nicht gezeigten) Paßfläche zum Fluchten der Strahldüse versehen sein, und diese Paßfläche kann auf der Außenwandung des Gehäuses durch Schleifen ausgebildet werden. Beispielsweise hat das Gehäuse 1 eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 8 mm.
- Das Filter 6 besteht vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl mit einem Durchlässigkeitsgrad von 3 Mikrometern. Erforderlichenfalls kann das Filter 6 auch aus Polytetraluorethylen oder Glas bestehen.
- Die dünne Platte 7 besteht vorzugsweise aus Glas, kann aber auch aus anderen Werkstoffen jeder Art bestehen, z.B. aus Rubin, Saphir, nichtrostendem Stahl, Nickel, Platin usw. Die Platte 7 hat eine Dicke von z.B. etwa 0,1 mm.
- Wegen des kleinen Durchmessers des Tintenzuführungskanals muß die Platte 7 muß mit dem Gehäuse 1 so verbunden sein, daß die im Betrieb auf die Platte 7 ausgeübten Kräfte möglichst schwach sind. Starke Kräfte würden die Platte 7 verformen und dadurch die Richtung des Strahls verändern oder sogar zum Bruch der Platte oder zur Bildung von Rissen in ihr führen.
- In der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 ist die Platte in einer Vertiefung zentriert und am Gehäuse 1 beispielsweise mit einem duroplastischen Zweikomponentenklebstoff aus Epoxidharz befestigt. Die Klebstoffschicht muß sehr dünn sein, und die zu verleimenden Flächen des Gehäuses 1 und der Platte 7 müssen sehr eben sein. Der Klebstoff muß sehr genau dosiert werden, damit
- - kein Klebstoff in den Tintenzuführungskanal 2 eintreten und den Ausflußkanal verlegen kann,
- - die nichtverleimte und hohen Drücken beaufschlagte Fläche der Platte 7 möglichst klein ist.
- In der Ausführungsform nach Figur 4 ist die Platte mit Hilfe einer die Platte 7 aufnehmenden Kappe 9 zentriert, die derart mit einer Öffnung 10 versehen ist, daß der Ausflußkanal 8 in der Platte 7 freiliegt. Die Kappe 8 ist am Gehäuse 1 befestigt.
- Die Ausführungsform nach Figur 4 stellt hinsichtlich der Befestigung eine Alternative zu Figur 1 dar. Auch hier muß die mit dem hohen Druck beaufschlagte Fläche der Platte möglichst klein sein. Wenn die Platte 7 aus einem nichtverformbaren Werkstoff, wie Glas, besteht, kann sie nicht eingespannt werden, sondern muß sie mit Klebstoff stoffschlüssig verbunden werden. In diesem Fall muß die stoffschlüssige Verbindung dieselben Anforderungen erfüllen wie in der Ausführungsform nach Figur 1.
- In der Strahldüse nach den Figuren 1 und 2 ist das Gehäuse 1 in der Nähe der Ausflußendes 4 des Tintenzuführungskanals 2 mit einer Vertiefung 11 ausgebildet, in dem ein Ultraschallschwinger, z.B. ein piezoelektrischer Kristall 12 sitzt, der z.B. aus einem piezoelektrischen Kristall 12 besteht. Dieser Schwinger 12 versetzt den aus der Ausflußöffnung tretenden Tintenstrahl in Schwingungen. Der piezoelektrische Kristall kann z.B. ein Blei/Zirkonat/Titanat-Kristall mit einem Querschnitt von 5 mm und einer Dicke von 1 mm sein. Der piezoelektrische Kristall 12 ist mit elektrischen Anschlußdrähten 13 versehen. Zum Befestigen des piezoelektrischen Kristalls 12 am Gehäuse 1 kann ein duroplastischer Zweikomponenten-Klebstoff aus Epoxidharz dienen. Die Vertiefung 11 kann auch mit einem Füllstoff 14, z.B. Epoxidharz, gefüllt sein.
- Da das Gehäuse 1 starr ist, kann der Ultraschallschwinger 12 parallel zu dem Tintenzuführungskanal 2 angeordnet sein, wie dies in der Figur 1 gezeigt ist. Gegenüber einem den Tintenzuführungskanal umgebenden Ultraschallschwinger werden dadurch folgende Vorteile erzielt:
- - Die Klebverbindung zwischen dem Ultraschallschwinger 12 und dem Gehäuse 1 kann sehr reproduzierbar hergestellt werden, weil die stoffschlüssig miteinander zu verbindenen Flächen sehr gut aufeinandergepreßt werden können. Infolgedessen werden die Ultraschallschwingungen über die Klebverbindung im wesentlichen ungedämpft auf das Gehäuse übertragen. (Die Klebstoffschicht wirkt hier tatsächlich als Dämpfer.) Für eine gute Tropfenbildung ist eine gut reproduzierbare Klebverbindung wesentlich.
- - Im dem Ultraschallschwinger muß kein Loch verhanden sein, wie dies bei einer mit dem Tintenzuführungskanal koaxialen Anordnung der Fall ist.
- Die erfindungsgemäße Tintendüse hat folgende Vorteile:
- - Sie ist kompakt und kurz;
- - sie ist robust, was bei ihrer Manipulation und Reinigung vorteilhaft ist;
- - sie kann relativ billig hergestellt werden;
- - sie ist einem sehr hohen Druck (z.B. von 120 bar) gewachsen;
- - die Vorderseite kann leicht poliert werden, was für die Reinigung vorteilhaft ist und besonders bei Verwendung einer Glasplatte die Benetzbarkeit verbessert;
- - bei Verwendung eines Metallgehäuses ist die Tinte gegen elektrostatische Felder (die das Aufladen stören würden) ausgezeichnet abgeschirmt;
- - da nichtrostender Stahl (oder ein anderer Werkstoff aus dem das Gehäuse hergestellt werden kann) leicht verformbar ist, kann die Form (Paßflächen) leicht abgeändert werden und können auch Ausführungsformen mit sehr kleinen Abmessungen leicht hergestellt werden;
- - hinsichtlich seines zeitlichen Verhaltens ist der Tintenstrahl sehr richtungsbeständig; nach seiner Einstellung braucht er nicht nachgerichtet zu werden;
- - die mechanische Stabilität ist sehr gut:
- - wen Tinte ausgetrocknet ist, kann sie dank der Form des Tintenzuführungskanals sehr leicht entfernt werden.
- Insgesamt hat die Ausbildung der erfindungsgemäßen Strahldüse den großen Vorteil, daß bei einer Erregung des Ultraschallschwingers durch gegebene elektrische Schwingungen die Anzahl der pro Sekunde erzeugten Topfen bei verschiedenen Strahldüsen innerhalb von sehr engen Toleranzen bleibt.
Claims (9)
1. Tintenstrahldüse für einen Tintenstrahldrucker mit
einem aus einem im wesentlichen nichtveformbaren
Werkstoff bestehenden Gehäuse (1), das einen
Tintenzuführungskanal (2) enthält, der an seinem Ausflußende
(4) mit einer an dem Gehäuse (1) befestigten Stirnwand
(7) abgeschlossen ist, die mit einem Tintenausflußkanal
(8) versehen ist, der mit dem Tintenzuführungskanal
fluchtet, dadurch gekennzeichnet, dass die
Tintenstrahldüse im wesentlichen blockförmig ist, dass der
Ausflußkanal (8) einen Durchmesser zwischen 3 und 30
Mikrometern (um) und eine dem 3- bis 30-fachen seines
Durchmessers entsprechende Länge hat und dass das Gehäuse (1)
in der Nähe des Ausflußendes (4) des
Tintenzuführungskanals (2) mit einem Ultraschallschwinger (12) versehen
ist.
2. Tintenstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Ausflußkanals
(8) zwischen 6 und 20 Mikrometern (um) und das Verhältnis
der Länge zum Durchmesser des Ausflußkanals (8) zwischen
4 und 20 beträgt.
3. Tintenstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Durchmesser des
Tintenzuführungsknals (2) am Ausflußende (4) zwischen 0,2 und 1 mm
beträgt.
4. Titenstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus Metall,
vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, besteht.
5. Tintenstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stirnwand des
Tintenzuführungskanals (2) durch eine gesonderte, dünne Platte (7)
gebildet wird, die am Ausflußende (4) des
Tintenzuführungskanals (2) am Gehäuse (1) befestigt ist.
6. Tintenstrahldüse nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Platte (7) mit Klebstoff mit dem
Gehäuse stoffschlüssig verbunden ist.
7. Tintenstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ultraschallschwinger (12) zunächst
dem Tintenzuführungskanal (2) parallel zu ihm angeordnet
ist.
8. Tintenstrahldüse nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ultraschallschwinger (12) in einer
Vertiefung des Gehäuses (1) mit Klebstoff befestigt ist.
9. Tintenstrahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit einer
Paßfläcche zum Ausrichten der Tintenstrahldüse versehen ist.
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