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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Tropfenerzeugungsvorrichtung zum
Erzeugen eines Stroms von Tintentropfen in einem kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldrucker und auf ein Verfahren zum Betreiben
einer Tropfenerzeugungsvorrichtung.
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Kontinuierlich
arbeitende Tintenstrahldrucker weisen herkömmlicherweise einen Druckkopf mit
einem Tinte aufnehmenden Hohlraum und eine von dem Hohlraum durch
eine Seite des Druckkopfs hindurch führende Düsenreihe auf. Die Tinte wird
mit hohem Druck (normalerweise 2 bis 3 bar) in den Hohlraum gefördert und
tritt durch die Düsen
in Form einer Reihe von Tintenstrahlen hoher Geschwindigkeit aus.
Der Druckkopf ist hoch resonant ausgebildet und wird mittels eines
oder mehrerer piezoelektrischer Wandler mit einer Resonanzfrequenz
betätigt. Die
Resonanz des Druckkopfs moduliert den Druck der Tinte bei deren
Austritt aus der Düse,
wodurch die Tintenstrahlen mit der Modulationsfrequenz sich in Ströme von Tintentropfen
auflösen.
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Ausgewählte Tintentropfen
können
elektrostatisch geladen werden, so dass sie mittels eines elektrischen
Feldes umgelenkt werden können.
Die umgelenkten Tropfen werden gesammelt, und die gesammelte Tinte
wird aufbereitet und zur Wiederverwendung zurückgeführt. Die nicht geladenen Tropfen
werden durch das elektrische Feld nicht umgelenkt und bewegen sich
daher entlang einer Geraden weiter, bis sie auf ein Druckmedium
auftreffen und so ein Bild auf dem Druckmedium drucken.
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Kontinuierlich
arbeitende Tintenstrahldrucker arbeiten sehr schnell (bis zu zehnmal
schneller als herkömmliche
DOD-Tintenstrahldrucker), sind aber sehr viel teurer als DOD-Drucker.
Deshalb werden sie hauptsächlich
dort eingesetzt, wo sehr große Druckmengen
verlangt werden: Zum Beispiel werden sie manchmal eingesetzt, um
Informationen auf sich entlang einer Produktionsstrecke bewegende
Packungen für
Nahrungsmittel oder Pharmazeutika zu drucken.
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Neben
den hohen Kosten weisen herkömmliche
kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker eine Reihe weiterer
Nachteile auf. Insbesondere sind diese Drucker sehr empfindlich
für Faktoren,
die die Resonanz des Druckkopfs beeinflussen könnten, etwa für Herstellungstoleranzen
und Montagebedingungen der Komponenten, und für Quellen akustischer Störungen im
Druckkopf, etwa Kavitation und vorhandene Luftblasen. Mängel dieser
Art können gravierende
Auswirkungen auf die Druckqualität
haben. Deshalb sind Herstellung und Wartung des Druckkopfs schwierig
und teuer, und auch die Tinte muss sorgfältig eingestellt werden.
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Die
vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten ergeben sich hauptsächlich aus
der Notwendigkeit, einen definierten Resonanztyp zu erzeugen, bei dem
die Druckmodulation an allen Düsen
gleich ist. Alle anderen Resonanztypen müssen unterdrückt werden.
Dies ist in der Praxis extrem schwer zu erreichen, da dreidimensionale
Strukturen wie herkömmliche
kontinuierlich arbeitende Druckköpfe
sehr viel mögliche
Resonanztypen mit dicht beieinander liebenden Resonanzfrequenzen
aufweisen. Daher ist es schwer, den erwünschten Resonanztyp zu erzeugen,
ohne gleichzeitig verschiedene andere unerwünschte Resonanztypen zu erzeugen.
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Um
ausschließlich
den gewünschten
Resonanztyp produzieren zu können,
erzeugen herkömmliche
kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldruckköpfe sehr scharfe Resonanzen.
Dadurch wird die Bandbreite der möglichen Steuerfrequenzen für die einzelnen
Resonanztypen verringert, und es können die gewünschten
Resonanztypen erzeugt werden, ohne gleichzeitig nahe liegende unerwünschte Resonanztypen
zu produzieren. Dies hat jedoch die unerwünschte Konsequenz, dass der
Druckkopf, wie vorstehend bereits erwähnt, sehr empfindlich für kleine Schwankungen
der Eigenschaften der Tinte oder für vorhandene Luftblasen ist.
Außerdem
ist der Druckkopf sehr teuer in der Herstellung und Wartung.
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Diese
Schwierigkeiten setzen auch der Größe und Betriebsfrequenz des
Druckkopfs praktische Grenzen. Die derzeit mit einem Standard-Druckkopf von
50 mm (2 Zoll) erzielbare maximale Betriebsfrequenz beträgt normalerweise
etwa 100 KHz, während
die maximale Länge
eines handelsüblichen Druckkopfs
in der Praxis vermutlich bei etwa 100 mm (4 Zoll) liegt. Wünschenswert
wäre jedoch
ein längerer
Druckkopf, der mit höheren
Frequenzen arbeiten kann: Dies würde
jedoch eine weiter verbesserte Ausschaltung unerwünschter
Resonanztypen erfordern, während
diese Ausschaltung bereits bei Druckköpfen herkömmlicher Abmessungen schwierig
ist.
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US 4 229 748 beschreibt
einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker mit einer biegsamen Düsenplatte
und einem Stimulator, bei dem Biegeschwingungen in der Düsenplatte
erzeugt werden. Alle Düsen
der Düsenplatten
werden jeweils mit derselben Amplitude mechanisch stimuliert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine für
den Einsatz als Druckkopf in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker
geeignete Tropfenerzeugungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines
solchen Druckers anzugeben, die zumindest einige der vorstehend
erwähnten
Nachteile mindern.
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Erfindungsgemäß wird eine
Tropfenerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von Strömen von Tintentropfen
in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker gemäß den Ansprüchen 1 bis
14 angegeben.
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Da
die Stimulatorplatte hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften
zweidimensional aufgebaut ist, hat sie sehr viel weniger mögliche Resonanztypen
als eine herkömmliche
dreidimensionale Tropfenerzeugungsvorrichtung, und die Frequenzen dieser
Resonanztypen liegen entsprechend sehr viel weiter auseinander.
Daher ist es relativ einfach, nur den erwünschten Resonanztyp zu erzeugen,
ohne gleichzeitig andere unerwünschte
Resonanztypen zu produzieren. Vorteilhafterweise erzeugt die Schwingung
der Stimulatorplatte einen Stimulationsdruck in einem Bereich der
Tinte, der direkt mit einem Bereich des biegsamen Plattenelements
in Kontakt steht, welches die Düsen
eng anliegend umgibt. Auf diese Weise ist der Weg, den die akustische
Energie durch die Tinte zurücklegt,
auf ein Minimum reduziert, wodurch auch der so erzeugte Stimulationsdruck
von den akustischen Effekten der anderen, entfernteren Grenzflächen der
Tinte entkoppelt wird. Dies ist anders als bei herkömmlichen
Tropfenerzeugungsvorrichtungen für
kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker, bei denen die Tinte
selbst eine akustisch aktive Rolle für die Resonanz des Stimulators
spielt und die damit auf Veränderungen
der Bedingungen, etwa bezüglich
der akustischen Eigenschaften aller festen Grenzflächen der
Tinte oder das gelegentliche Auftreten einer Luftblase, sehr empfindlich
reagieren.
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Dies
bedeutet, dass die neue Tropfenerzeugungsvorrichtung keine sehr
scharfe Resonanz erfordert und die Tropfenerzeugungsvorrichtung
dadurch für
Faktoren, wie die Konsistenz der Tinte oder das Vorhandensein von
Luftblasen, die im Allgemeinen sehr schwerwiegende Auswirkungen
auf die Leistung einer herkömmlichen
Tropfenerzeugungsvorrichtung haben, sehr viel weniger empfindlich
ist. Die neue Tropfenerzeugungsvorrichtung ist daher billiger und im
Betrieb zuverlässiger
und erfordert keine derart komplizierten Tintenaufbereitungseinrichtungen.
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Ein
weiterer Vorteil, der sich aus der Verwendung einer akustisch zweidimensionalen
Stimulatorplatte ergibt, besteht darin, dass der schwingende Teil
einer solchen Struktur eine sehr viel geringere Masse und Schallimpedanz
aufweisen kann als dies bei herkömmlichen
Tropfenerzeugungsvorrichtungen der Fall ist, wobei die Schallimpedanz
des schwingenden biegsamen Plattenelements jener der Betätigungseinrichtungen
vergleichbar ist. Dies bedeutet, dass die in der Stimulatorplatte
gespeicherte Schwingungsenergie kleiner ist als die in herkömmlichen
Stimulatoren für
kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker gespeicherte Schwingungsenergie
und dass je Arbeitszyklus eine größere Energie in beiden Richtungen
zwischen den Betätigungselementen
und dem schwingenden biegsamen Plattenelement übertragen werden kann. Dadurch
wird es möglich,
die Schwingung des Stimulators direkt zu steuern, indem den Betätigungselementen
entsprechende Steuersignale zugeführt werden, so dass unerwünschte Frequenztypen
aktiv unterdrückt
werden können.
Herkömmliche
Tropfenerzeugungsvorrichtungen für
kontinuierlich arbeitende Druckköpfe
haben bei ihrer Betriebsfrequenz eine Schallimpedanz, die sehr viel größer ist
als die Schallimpedanz der piezoelektrischen Betätigungselemente, wodurch die
Resonanzsteuerung mittels eines den Betätigungselementen zugeführten elektrischen
Steuersignals sehr viel schwieriger wird.
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Schließlich haben
wir festgestellt, dass die neuartige Tropfen-Stimulatorplatte bei
höheren
Frequenzen erfolgreicher arbeiten kann als herkömmliche Tropfenerzeugungsvorrichtungen
(zum Beispiel mit Frequenzen über
150 KHz), und wir glauben, dass die Abmessung der Stimulatorplatte
und der Tropfenerzeugungsvorrichtung in Richtung der Düsenreihe
in der Praxis nach oben hin unbegrenzt ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten und die Anordnung
eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers;
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2 eine
Querschnittsansicht einer Tropfenerzeugungsvorrichtung und der Tropfenumlenkeinrichtung
eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers;
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3 eine
Unteransicht einer Form einer Stimulatorplatte für die Tropfenerzeugungsvorrichtung;
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4 eine
auseinandergezogene Seitenansicht der in 3 dargestellten
Stimulatorplatte;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer vibrierenden Membran in Form einer
schematischen Darstellung einer in der Membran erzeugten stehenden
Welle;
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6 eine Unteransicht eines zweiten Typs einer
Stimulatorplatte;
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7 eine
Unteransicht eines dritten Typs einer Stimulatorplatte;
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8 eine
Seitenansicht des dritten Typs einer Stimulatorplatte;
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9 eine
Stirnansicht des dritten Typs der Stimulatorplatte;
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10 eine
Seitenansicht eines vierten Typs einer Stimulatorplatte;
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11 eine
Stirnansicht des vierten Typs der Stimulatorplatte;
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12 eine
Seitenansicht eines fünften Typs
einer Stimulatorplatte;
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13 eine
Stirnansicht des fünften
Typs der Stimulatorplatte;
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14 eine
Unteransicht eines sechsten Typs einer Stimulatorplatte;
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15 eine
Unteransicht einer Stimulatorplatte mit verschiedenen alternativen
Ausbildungen der Betätigungselemente
und der Treiber/Fühlerelektroden;
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16 eine
perspektivische Ansicht eines zweiten Typs einer Tropfenerzeugungsvorrichtung; und
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17 eine
Stirnansicht des zweiten Typs der Tropfenerzeugungsvorrichtung.
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Gemäß 1 bis 3 druckt
ein kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker herkömmlicherweise
auf ein Druckmedium 2, das sich unterhalb einer Tropfenerzeugungsvorrichtung
(oder eines Druckkopfs) 4 in Richtung des Pfeils A bewegt.
Bei dem Druckmedium 2 kann es sich zum Beispiel um einen
Papier- oder Folienstreifen oder eine Reihe von auf einem Förderband
transportierten Waren handeln.
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In
der Unterseite der Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 ist eine
(nicht dargestellte) Düsenreihe
vorgesehen. Die Düsenreihe
erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung A.
Aus den Düsen
treten parallele Tintenstrahlen aus, die in Tintentropfenströme 6 aufbrechen.
Einige der Tropfen werden durch ein elektrisches Feld umgelenkt
und durch eine Leitung 8 einem Tintenversorgungssystem
(oder IMS) 10 zugeführt,
das die Tinte aufbereitet und dann durch eine Leitung 12 für die Wiederverwendung
zur Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 zurückführt. Die nicht umgelenkten
Tropfen 6 folgen weiterhin einer geraden Flugbahn und treffen
auf dem Druckmedium 2 auf, wodurch sie ein Druckbild 14 erzeugen,
während
sich das Druckmedium weiter bewegt. Die Betätigung der Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 wird
durch eine elektronische Steuereinheit 16 gesteuert.
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Unterhalb
der Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 befindet sich eine Anordnung
von Tropfenumlenkvorrichtungen, wobei jeweils eine dieser Tropfenumlenkvorrichtungen
je Tintenstrahl 32 vorgesehen ist. Wie in 2 zu
erkennen ist, weist jede Tropfenerzeugungsvorrichtung ein Paar Ladeelektroden 34 auf,
die beiderseits des Tintenstrahls 32 an dem Punkt angeordnet
sind, an dem der Strahl sich in Tropfen auflöst. Die Ladeelektroden 34 sind
mit einem elektronisch gesteuerten Impulsgenerator 36 verbunden.
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Unterhalb
der Ladeelektroden 34 ist auf einer Seite des Tintenstrahls 32 eine
Umlenkelektrode 38 und auf der anderen Seite eine Tintenauffangrinne 40 vorgesehen.
Die zum Zurückführen der
nicht gebrauchten Tinte zum IMS 10 vorgesehene Tintenrückführleitung 8 ist
mit der Tintenauffangrinne 40 verbunden. Die Umlenkelektrode 38 ist
mit einer positiven Hochspannungsquelle 42 verbunden, die
Tintenauffangrinne 40 mit einer Erdung 41.
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Wird
während
des Betriebes ein negatives Impulspotential während des Aufbrechens des Tintenstrahls 32 an
die Ladeelektrode 34 angelegt, tritt im Strahl eine Ladungstrennung
auf, die dazu führt, dass
der Tropfen eine positive elektrostatische Ladung erhält. Anschließend wird
der geladene Tropfen durch ein elektrisches Feld zwischen der Auffangrinne 40 und
den Umlenkplatten 38 in die Auffangrinne 40 umgelenkt.
Wird bei der Ausbildung des Tropfens kein elektrischer Impuls an
die Ladungsplatten 34 angelegt, bleibt der Tropfen ungeladen
und gelangt entlang einer geraden Bewegungsbahn an der Umlenkelektrode 38 vorbei
auf das Druckmedium 2. Das Auftreffen von Tintentropfen
auf dem Druckmedium 2 kann daher durch das Anlegen elektrischer
Impulse an die Ladungsplatten 34 elektronisch gesteuert
werden.
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Im
Folgenden soll die Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 im einzelnen
unter Bezugnahme auf 2 bis 6 beschrieben
werden. Die Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 weist einen
quaderförmigen
hohlen Verteilerblock 60 mit vier Wandungen 62 und
einer Oberseite 64 auf. Der Verteilerblock 60 kann
zum Beispiel als Kunststoffformteil ausgebildet sein und einen hohen
Schalldämpffaktor
aufweisen. Das hohle Innere des Verteilerblocks dient als Behälter für Tinte 65,
die dem Behälter über die
Zuführleitung 12 unter
Druck aus dem IMS 10 zugeführt wird.
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Die
Unterseite der Tropfenerzeugungsvorrichtung 4 weist in
der Darstellung eine rechteckige Stimulatorplatte 66 auf,
die in einer auf den Innenflächen
der Wandungen 62 ausgebildeten Rille 67 angebracht
ist. Die Stimulatorplatte 66 weist ein rechteckiges Edelstahlsubstrat 68 mit
einer Länge
von etwa 120 mm, einer Breite von etwa 25 mm und einer Dicke von
etwa 200 Mikron auf. In der Mitte des Substrats 68 befindet
sich eine lang gestreckte rechteckige Öffnung 70 mit einer
Länge von
etwa 80 mm und einer Breite von etwa 5 mm.
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Mit
der Oberfläche
des Substrats 68 ist eine im Elektroformverfahren hergestellte
Nickelfolie 72 mit einer Dicke von etwa 50 Mikron mittels
einer Kleberschicht 73 mit dämpfenden Eigenschaften verbunden.
Der Kleber kann zum Beispiel aus einem Zweikomponenten-Epoxy-Kunststoff
oder einem wärmehärtenden
Kunststoff wie NUCRELTM (Hersteller DuPont)
bestehen.
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Der
sich frei über
die Öffnung 70 erstreckende
mittlere Teil der Folie 72 bildet eine biegsame Membran 74 mit
einer Länge
L von etwa 80 mm und einer Breite W von etwa 5 mm aus. Entlang der Längsachse
der Membran 74 erstreckt sich eine Reihe von Düsen 75 mit
einer Länge
von etwa 70 mm. Die Düsen 75 haben
einen Durchmesser von etwa 30 Mikron und sind in einem Abstand von
mindestens 40 Mikron zueinander angeordnet.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind achtzehn piezoelektrische keramische Wandler 76, die
jeweils eine Dicke von etwa 250 Mikron aufweisen, mittels Kleber
mit der Unterseite des Substrats 68 verbunden, wobei jeweils
neun Wandler an jeder Längsseite
des Substrats angeordnet sind. Die Wandler 76 können in
flachen Vertiefungen mit einer Tiefe von normalerweise 30 bis 50
Mikron in der Oberfläche
des Substrats angeordnet sein. Das Edelstahlsubstrat 68 bildet
eine obere Elektrode für die
keramischen Wandler 76 aus und ist mit einer Erdung 77 verbunden.
Auf der Unterseite jedes Wandlers 76 ist eine Treiberelektrode 78 ausgebildet.
Die Treiberelektroden 78 sind mit einer Gleichstrom-Treiberschaltung 80 in
der elektronischen Steuereinheit 16 parallel geschaltet.
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Im
Betrieb wird dem Behälter
Tinte unter Druck zugeführt,
so dass Tintenstrahlen aus den Düsen
ausgestoßen
werden. An die Treiberelektroden 78 wird ein Wechselpotential
einer vorgegebenen Amplitude, Phase und Frequenz angelegt, wodurch die
piezoelektrischen Wandler 76 sich in der Ebene des Substrats 68 ausdehnen
und zusammenziehen. Dadurch biegt sich das Substrat 68 um
seine Längsachse
auf und ab, so dass die Membran 74 vertikal schwingt. Dies
führt dazu,
dass die Tintenstrahlen sich in feine Tintentropfenströme auflösen.
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Dadurch
dass die Wandler mit einer Resonanzfrequenz oder nahe einer Resonanzfrequenz des
Stimulators betrieben werden, kann in der Membran 74 eine
feste räumliche
Verteilung der Bewegungsamplitude und relativen Phase (zum Bespiel eine
stehende Welle) erzeugt werden. Bei einem in 5 dargestellten
erwünschten
Resonanztyp weist die stehende Welle eine Gruppe von parallel zur Längsachse
der Membran 74 verlaufenden Knotenlinien auf. Die Schwingungsbauchlinie
der größten Amplitude
fällt im
Wesentlichen mit der Längsachse der
Membran 74 in der Linie der Düsen 75 zusammen. Dieser
Resonanztyp wird im Folgenden als Transversal-Resonanztyp bezeichnet.
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Wenn
die Membran in einem erwünschten Transversal-Resonanztyp
schwingt, schwingen die Düsen 75 in
vertikaler Richtung mit im Wesentlichen derselben Frequenz und im
Wesentlichen derselben Phase und Bewegungsamplitude. Deshalb werden
in der an die Düsen 75 angrenzenden
Tinte im Wesentlichen identische Druckmodulationen erzeugt. Zusammen
mit einem an die Tinte 65 angelegten konstanten Vorspannungsdruck
steuern diese Druckmodulationen die Ausbildung von Tintentropfen.
Somit werden identische Tropfenströme aus den Düsen 75 ausgestoßen, wobei
die Frequenz der Tropfenerzeugung gleich der Schwingungsfrequenz
der Membran 74 ist.
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Durch
die Anordnung einer Gruppe von zum Beispiel neun Wandlern auf jeder
Seite des Substrats wird sichergestellt, dass die Energie über die
gesamte Länge
der Stimulatorplatte hinweg gleichmäßig in den erwünschten
Transversal-Resonanztyp eingekoppelt wird. Unerwünschte Resonanztypen, etwa Längs-Resonanztypen
(in welchem Fall die Membran sich um eine Querachse biegt) werden
nicht direkt erzeugt und werden daher durch Energieverluste im System
gedämpft.
Die zwischen der Folie 72 und dem Substrat 68 angebrachte
Dämpfungsschicht 73 trägt zur Dämpfung solcher
unerwünschter
Schwingungen bei.
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Unerwünschte Längs-Resonanztypen
können
auch durch gegenüber
Ultraschall anisotrope Materialien verhindert werden, bei denen
die Geschwindigkeit der Bewegungswellen in Querrichtung höher ist
als in Längsrichtung.
Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Ausbildung einer Anzahl von
Querrillen 82 in der Ober- und/oder Unterseite des Substrats 68,
wie dies in 6a, 6b und 6c zu
erkennen ist, wo als Beispiel Rillen dargestellt sind, die mit einem
verlustbehafteten viskoelastischen Material, etwa PIB (Polyisobutylen)
oder einer bitumenhaltigen Verbindung gefüllt sind, welche am besten
ein Füllmaterial
etwa in Form von kleinen Glaspartikeln enthält. In 6d ist
eine laminierte Struktur, bestehend aus mit vulkanisierten Gummiverbindern
abwechselnden Edelstahlrippen, dargestellt.
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Die
Rillen 82 erhöhen
die Biegsamkeit jener Teile in Längsrichtung.
Dadurch wird die Resonanzfrequenz für Längs-Resonanztypen verringert
und der Ausbildung dieser Resonanztypen bei normalen Betriebsfrequenzen
entgegen gewirkt.
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Die
Dicke der Stimulatorplatte im Düsenbereich
der Platte entspricht der Ungleichung:
worin t
i die
Dicke der i-ten Materialschicht in der Stimulatorplatte ist und
c
i die Geschwindigkeit in der Schicht bei
der Betriebsfrequenz, entweder von Druckwellen oder Scherwellen,
ist, die sich in der Schicht in Richtung ihrer Dicke fortsetzen.
Vorzugsweise lautet die rechte Seite der Ungleichung 1/2f. Dadurch
wird sichergestellt, dass die Vorrichtung so dünn ist, dass sie keine Bildung
von Wellen unterstützt,
welche sich in Richtung ihrer Dicke fortsetzen. In anderen Richtungen
wird jedoch keine Art von Wellenbildung behindert.
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In 7 bis 9 ist
eine dritte Art Stimulatorplatte 66 dargestellt, bei der
auf jedem Wandler 76 zwei Treiberelektroden 78a, 78b vorgesehen
sind, die jeweils sich parallel zur Düsenreihe 75 erstreckende
Metallstreifen aufweisen. Die Treiberelektroden 78a, 78b sind
auf benachbarten Schwingungsbauchlinien (siehe 14)
angeordnet und vorzugsweise zentriert und mit der Wechselstrom-Treiberschaltung 80 verbunden,
so dass sie Signale entgegengesetzter Polarität empfangen. Dies unterstützt die
Ausbildung des erwünschten
Transversal-Resonanztyps im Substrat 68, indem in diesen
Resonanztyp mehr Energie eingekoppelt wird als in andere unerwünschte Resonanztypen.
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In 10 und 11 ist
eine vierte Art Stimulatorplatte 66 dargestellt, bei der
auf beiden Seiten der Stimulatorplatte 66 piezoelektrische
Wandler 76 vorgesehen sind. Die Folie 72 ist mit
der Unterseite des Edelstahlsubstrats 68 mittels Kleber
verbunden und so schmal ausgebildet, dass sie zwischen die beiden
auf jener Fläche
angebrachten Wandlerreihen 76 passt. Die beiden Treiberelektrodengruppen
sind mit der Wechselstrom-Treiberschaltung 80 verbunden,
so dass sie Treibersignale entgegengesetzter Polarität empfangen
und die Stimulatorplatte 66 übereinstimmend steuern.
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12 und 13 zeigen
eine fünfte
Art Stimulatorplatte 66, bei der piezoelektrische Wandler 76 auf
beiden Seiten der Stimulatorplatte 66 vorgesehen sind.
Die Stimulatorplatte 66 ist sandwichartig aufgebaut und
weist zwei auf gegenüber
liegenden Seiten der Folie 72 aufgeklebte rechteckige Edelstahlsubstrate 78 auf.
Die beiden Treiberelektrodengruppen sind mit der Wechselstrom-Treiberschaltung 80 verbunden,
so dass sie Treibersignale entgegengesetzter Polarität empfangen
und die Stimulatorplatte 66 übereinstimmend steuern.
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Die
Wechselstrom-Treiberschaltung 70 kann eine Steuerung mit
oder ohne Rückführung verwenden.
Bei einer Steuerung ohne Rückführung wird
der Wandler 76 einfach mit einem Signal einer festen Frequenz
und Amplitude angesteuert. Bei Steuerung mit Rückführung dient das Feedback dazu,
Veränderungen
in den Betriebsbedingungen, etwa Temperaturschwankungen, auszugleichen.
Dies kann dadurch erzielt werden, dass man einen oder mehrere Signalgeber
auf der Stimulatorplatte vorsieht, die Spannungs-, Amplituden- und
Phasensignale als Feedback zur Steuerung des Treibersignals liefern. Alternativ
kann auch eine Steuerelektronik vorgesehen werden, die Impedanzveränderungen
hinsichtlich Größenordnung
oder Phase in der durch die Treiber-Wandler repräsentierten elektrischen Last
erfassen. In diesem Fall sind keine Signalgeber auf der Stimulatorplatte
erforderlich.
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14 zeigt
ein Beispiel einer Stimulatorplatte 66 mit auf der Unterseite
der Wandler 76 (der Klarheit halber ist nur ein Wandler
dargestellt) angeordneten Fühlerelektroden 90, 92.
Vorgesehen sind zwei Gruppen von Fühlerelektroden, wobei die erste Gruppe 90 aus
einem Paar lang gestreckter Elektroden besteht, die sich parallel
zur Längsachse
des Substrats erstrecken und auf einer Knotenlinie zwischen den
beiden Treiberelektroden 78a, 78b angeordnet sind.
Die erste Gruppe von Fühlerelektroden 90 ist
für Längsschwingungen
der Stimulatorplatte 66 empfindlich und für transversale
Schwingungen im Wesentlichen unempfindlich.
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Die
zweite Gruppe 92 der Fühlerelektroden besteht
aus einem Paar lang gestreckter Elektroden, die sich senkrecht zur
Längsachse
des Substrats erstrecken. Die zweite Gruppe von Fühlerelektroden 92 ist
für transversale
Schwingungen der Stimulatorplatte 66 empfindlich und für Längsschwingungen
im Wesentlichen unempfindlich.
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Die
Fühlerelektroden 90, 92 sind
elektrisch mit der elektronischen Steuereinheit 16 verbunden. Wenn
das Substrat 68 sich biegt, werden durch Spannungen in
den Wandlern 76 elektri sche Potentiale erzeugt, und diese
Potentiale werden von den Fühlerelektroden 90, 92 erfasst.
Die Fühlerelektroden 90, 92 liefern
dadurch eine Gruppe von Feedback-Signalen, die die elektronische
Steuereinheit 16 zur Überwachung
des Biegevorgangs des Substrats 68 verwenden kann.
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Werden
unerwünschte
Längs-Resonanztypen
erfasst, können
Phase und/oder Amplitude der den Treiberelektroden 68 zugeführten Treibersignale modifiziert
werden, um unerwünschten
Komponenten in der Schwingung entgegen zu wirken. Da die Schallimpedanz
der Treiber-Wandler 76 der
Schallimpedanz des Resonanzkörpers
(d.h. der Stimulatorplatte 66) vergleichbar ist, können die
Wandler die Schwingungen erheblich und direkt beeinflussen und auf
diese Weise den Resonanztyp direkt modifizieren. Bei den bekannten
Tropfenerzeugungsvorrichtungen für
Tintenstrahldrucker besteht dagegen eine sehr große Fehlanpassung
zwischen diesen Impedanzen.
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Alternativ
kann jeder Wandler zusätzlich
zur Haupt-Treiberelektrode und der Fühlerelektrode noch mit einer
Treiberelektrode für
einen zweiten Resonanztyp ausgestattet sein. Werden unerwünschte Längs-Resonanztypen
erfasst, kann die elektronische Steuereinheit ein entsprechendes
Treibersignal an die Resonanztyp-Treiberelektroden senden, um so
den unerwünschten
Komponenten der Schwingungen entgegen zu wirken. Dafür können separate oder
integrierte elektronische Steuerschaltungen vorgesehen sein. In
diesem Fall werden die den Haupt-Treiberelektroden
zugeführten
Treibersignale nicht angepasst.
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In 15 sind
verschiedene mögliche
Ausbildungsformen von Wandlern/Fühlern/Elektroden als
Beispiel dargestellt. Es versteht sich, dass jede Vorrichtung nur
aus einer kleinen Untergruppe jener möglichen Ausbildungsformen besteht,
die in einer gewählten
Anordnung auf dem Substrat angebracht werden. Mögliche Ausbildungsformen sind
zum Beispiel:
- A Ein Treiber-Wandler 100 mit
einem Fühler 102 auf
einem separaten piezoelektrischen Wandler.
- B Ein Treiber-Wandler 104 und eine Fühlerelektrode 106 auf
nur einem piezoelektrischen Wandler.
- C Ein Treiber-Wandler 100 und ein separater Fühler 108 auf
der Membran 74.
- D Eine Anordnung von Treiberelektroden 112 und Fühlerelektroden 110 auf
nur einem piezoelektrischen Wandler, mit einem separaten Fühler-Wandler 114.
- E Eine Anordnung von Treiberelektroden 116 auf nur
einem piezoelektrischen Wandler.
- F Eine Anordnung von transversalen Treiberelektroden 122,
Längsresonanz-Fühlerelektroden 120 und
Transversalresonanz-Fühlerelektroden 118 auf
nur einem piezoelektrischen Wandler.
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Bei
einer zweiten, in 16 und 17 dargestellten
Art Tropfenerzeugungsvorrichtung ist der Verteilerblock 60' schmaler ausgebildet
als bei der ersten Art, und die Seitenwandungen 62' laufen zu ihren
unteren Rändern
hin zusammen. Die Seitenwandungen 62' sind über dünne Verbindungswandungen 140 beiderseits
der Öffnung 70' mit der Oberseite
des Edelstahlsubstrats 68' verbunden,
so dass die piezoelektrischen keramischen Wandler 76' außerhalb
der Verbindungswandungen 140 liegen. Bei dieser Ausführungsform
sind zwei Gruppen von Wandlern 76' vorgesehen, wobei eine Gruppe
mit der Oberseite des Substrats 68', die andere Gruppe mit seiner
Unterseite verbunden ist.
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Die
zweite Art Tropfenerzeugungsvorrichtung kann mit einem höheren auf
die Tinte 65 im Verteilerblock 60 angelegten Vorspannungsdruck
arbeiten. Denn der Teil des Substrats 68', der die Wandler 76' trägt, liegt
außerhalb
der Verbindungswandungen 140 und wölbt sich daher nicht wesentlich,
wenn ein Vorspannungsdruck an die Tinte angelegt wird. Dies ist
wichtig, da eine übermäßige Wölbung des
Substrats dazu führen
könnte,
dass die Wandler reißen oder
sich vom Substrat lösen.
Die Verbindungspunkte der Seitenwandungen mit dem Substrat liegen ebenfalls
viel dichter beieinander als bei der ersten Art Tropfenerzeugungsvorrichtung,
wodurch die Verformung der Membran bei Ausübung von Druck auf die Tinte
in der Kammer wesentlich verringert wird.
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Die
Berührungslinien
zwischen dem Substrat und den Verbindungswandungen verlaufen im
Wesentlichen entlang von Knotenlinien der Schwindungen des Substrats.
Dies trägt
dazu bei, diese besonderen Knotenlinien im Substrat zu lokalisieren
und die vom Substrat an die Verbindungswandungen abgegebene Schallenergie
zu minimieren.
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Im
Betrieb werden die durch die Ausdehnung und das Zusammenziehen der
Wandler 76' erzeugten
Schwingungen auf die Membran 74' übertragen, was zu Schwingungen
der Düsen 75' führt.
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Infolge
dieser Schwingungen und des an die Tinte angelegten Vorspannungsdrucks
treten Tropfenströme
aus den Düsen
aus.
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Möglich sind
unterschiedliche Ausführungsformen
der vorstehend beschriebenen Tropfenerzeugungsvorrichtungen. Zum
Beispiel können
beliebig viele piezoelektrische Wandler vorgesehen sein, wobei im
Allgemeinen mehr Wandler zu einer besseren Unterdrückung unerwünschter
Resonanztypen durch die vorstehend beschriebene "aktive Dämpfung" führen.
Außerdem
können
anstelle der piezoelektrischen Wandler auch andere Arten von Wandlern
vorgesehen sein, etwa elektrostriktive oder magnetostriktive Wandler.
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Anstelle
des eigentlichen Edelstahlsubstrats 68 kann ein geeigneter
Wandler vorgesehen werden, wodurch die Schwingungsamplitude der
Stimulatorplatte 66 vergrößert werden kann.
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Die
Membran braucht auch nicht ganz rechteckig zu sein. Zum Beispiel
können
die Enden (die kürzeren
Seiten) der Membran gebogen oder winkelförmig ausgebildet sein.
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Auch
ist es möglich,
mehr als eine Düsenreihe
vorzusehen. Vorzugsweise unterliegen alle Düsen im Wesentlichen denselben
Schwingungen. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass
Düsenreihen
zu beiden Seiten einer Schwingungsbauchlinie an Positionen gleicher
Schwingungsamplitude vorgesehen werden. Zum Beispiel können parallele
Düsenreihen
zu beiden Seiten der mittleren Schwingungsbauchlinie angeordnet
werden.
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Außerdem kann
das Substrat auch vollständig
wegfallen, in welchem Fall die Betätigungselemente dann direkt
auf der biegsamen Membran befestigt werden, so dass die Tropfenerzeugungsvorrichtung
einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Die vorstehend beschriebene dreiteilige
Struktur kann sogar als Abwandlung einer solchen zweiteiligen Struktur betrachtet
werden.
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Die
Tropfenerzeugungsvorrichtung eignet sich auch für andere Anwendungen, nicht
nur für
den Einsatz als Druckkopf in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker.
