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Die
Erfindung betrifft kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker
und insbesondere die in kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern
verwendete Tropfenerzeugungsvorrichtung.
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Beim
kontinuierlichen Tintenstrahldruck wird unter Druck stehende Tinte
einem Verteiler zugeführt,
der die Tinte auf eine Vielzahl von in der Regel linear angeordneten Öffnungen
verteilt. Die Tinte wird aus den Öffnungen in Strahlen ausgestoßen, die sich
infolge der Oberflächenspannung
in der Tinte in Tröpfchenströme auflösen. Zur
Realisierung des Tintenstrahldrucks werden diese Tröpfchenströme wahlweise
aufgeladen. Einige dieser Tröpfchen
werden dann aus ihren normalen Flugbahnen umgelenkt. Die umgelenkten
oder nicht umgelenkten Tröpfchen
werden aufgefangen und in den Kreislauf zurückgeführt, während die anderen Tröpfchen auf
eine zu bedruckende Fläche
auftreffen können.
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US-A-4
999 647 beschreibt eine Tropfenerzeugungsvorrichtung für den Einsatz
in Tintenstrahldruckern mit langer Düsenanordnung. Die Tropfenerzeugungsvorrichtung
besteht aus einem rechteckigen Metallblock, der einen Flüssigkeitshohlraum
enthält
und an den eine mit Öffnungen
versehene Platte angeschlossen ist. Der Block schwingt im ersten Längsmodus
der Höhenrichtung.
Da die Länge
größer ist
als die Höhe,
können
querzahlinduzierte Kopplungen eine ungleichförmige Schwingung an der mit Öffnungen
versehenen Fläche
eines solchen rechteckigen Blocks erzeugen. Um die durch die querzahlinduzierte
Kopplung erzeugten Ungleichförmigkeiten
zu minimieren, wurde der Block mit von vorn nach hinten rechtwinklig
zur Richtung der Düsenanordnung
eingeschnittenen Schlitzen versehen. Diese Schlitze ergeben eine
wirksame Segmentierung der Tropfenerzeugungsvorrichtung und reduzieren
die Wirkung der querzahlinduzierten Kopplung. Die Schlitze sind
an der Ober- und Unterseite der Tropfenerzeugungsvorrichtung geschlossen,
um die Steifigkeit des Blocks zu erhalten und eine Biegung in Längsrichtung
zu verhindern.
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Diese
Konstruktion erfüllt
zwar grundsätzlich ihren
Zweck, unterliegt aber hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten
einer Reihe von Beschränkungen.
Bei einer Erhöhung
der Geschwindigkeit, mit der die Tinte durch die Tropfenerzeugungsvorrichtung strömt, muss
die Bohrung der Tropfenerzeugungsvorrichtung vergrößert werden,
um eine turbulente Strömung,
die sich nachteilig auf die Richtungsstabilität des Strahls auswirken kann,
zu vermeiden. Eine Vergrößerung der
Bohrung des Teils hat eine Reduzierung der Resonanzfrequenz des
Längsmodus
zur Folge. Die Senkung der Resonanzfrequenz reduziert die Druckgeschwindigkeit
des Druckers. Durch Reduzierung der Höhe des Blocks kann die Resonanzfrequenz
erhöht
werden. Die Möglichkeit
einer Reduzierung der Höhe
der Tropfenerzeugungsvorrichtung stößt jedoch spätestens
dann an eine Grenze, wenn die Höhe
für die
Anbringung der Schlitze nicht mehr ausreicht.
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US-A-4
188,635 beschreibt einen anders gearteten Resonanzblock zum Stimulieren
der Tintendüsenanordnungen.
Bei diesem Resonanzblock wird ein kleiner Schlitz in die Fläche eingeschnitten,
an der die mit Öffnungen
versehene Platte befestigt ist. Der Schlitz dient als Flüssigkeitsverteiler.
Damit die Steifigkeit des Körpers
nicht verloren geht, muss der Schlitz klein gehalten werden. An
der der mit Öffnungen
versehenen Fläche
gegenüberliegenden
Fläche ist
an die Tropfenerzeugungsvorrichtung ein piezoelektrischer Wandler
angeschlossen. Der piezoelektrische Wandler muss im Vergleich zur
Dicke des Blocks dünn sein.
Diese Konstruktion weist an der mit Öffnungen versehenen Fläche Knotenlinien
auf, die parallel zur Düsenanordnung
verlaufen. Diese Konstruktion eignet sich nicht für lange
Düsenanordnungen,
weil die Strömungsanforderungen
einer langen Anordnung zur Aufrechterhaltung einer turbulenzfreien
Strömung
einen großen
Flüssigkeitshohlraum
bedingen. Die Einführung
eines großen
Flüssigkeitshohlraums
in diese Konstruktion senkt die Resonanzfrequenz erheblich, sodass
die Konstruktion in einem Hochgeschwindigkeitstintenstrahldrucker
nicht mehr verwendbar ist.
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US-A-4
827 285 beschreibt eine Tropfenerzeugungsvorrichtung anderer Art.
Die dort beschriebene Tropfenerzeugungsvorrichtung besteht aus einer
mit Öffnungen
versehenen Platte, die von zwei direkt an die mit Öffnungen
versehene Platte angeschlossenen piezoelektrischen Kristallen in
Schwingung versetzt wird. Ein Flüssigkeitsverteiler
ist direkt an die mit Öffnungen
versehene Platte angeschlossen. Durch Anregung der piezoelektrischen
Kristalle werden die Außenkanten
der mit Öffnungen
versehenen Platte verschoben, sodass sich die mit Öffnungen
versehene Platte biegt. Durch die Biegung der Platte werden die Öffnungen
in Schwingung versetzt und die Düsen
stimuliert. Dieses Konzept einer Tropfenerzeugungsvorrichtung eignet
sich nur für
kurze Düsenanordnungen,
da längere
Anordnungen größere Flüssigkeitshohlräume zur
Bewältigung
des Flüssigkeitsstroms
erfordern. Die Masse der größeren Flüssigkeitshohlräume hat
eine nachteilige Wirkung auf den Betriebsfrequenzbereich. Da die
mit Öffnungen
versehene Platte mittels der spröden
piezoelektrischen Elemente befestigt wird, ist diese Konstruktion
außerdem
immanent zerbrechlich. Hinzu kommt, dass die piezoelektrischen Elemente
sich in der Richtung parallel zur Ebene der mit Öffnungen versehenen Platte
ausdehnen können,
weil sie bei elektrischer Anregung die Schwingung in der Richtung
senkrecht zur Ebene der mit Öffnungen
versehenen Platte erzeugen. Diese Ausdehnung der Kristalle kann
mit anderen Schwingungsmodi der Tropfenerzeu gungsvorrichtung eine
Kopplung eingehen, was eine ungleichförmige Stimulierung entlang
der Düsenanordnung
zur Folge hat.
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US-A-4
245 225 beschreibt eine Tropfenerzeugungsvorrichtung, bei der ein
zylindrisches Piezoelektrikum konzentrisch in einem größeren Zylinder
angeordnet ist. Der Raum zwischen den Zylindern dient als Verteiler
für die
Tinte. Tinte kann durch Löcher
in der Wandung des äußeren Zylinders
zu den Öffnungen
fließen,
in denen die Tintenstrahlen gebildet werden. Zur Ausbildung von
Elektroden wird die Innen- und Außenfläche des piezoelektrischen Zylinders
metallisiert. Der piezoelektrische Zylinder kann mittels dieser
Elektroden elektrisch so angeregt werden, dass er sich radial ausdehnt
und zusammenzieht. Dieser radiale Schwingungsmodus erzeugt dann
eine Flüssigkeitshohlraumresonanz
in dem Raum zwischen dem Innenzylinder und dem Außenzylinder.
Die durch diese Hohlraumresonanz erzeugten Druckschwankungen bewirken
ihrerseits die Stimulierung der Tintendüsen. Wie in dem Patent erwähnt, erzeugt
die radiale Ausdehnung des Piezoelektrikums auch eine Längenänderung
in dem Piezoelektrikum aufgrund der Querzahl (Poissonsche Konstante).
Bei zunehmender Länge
des Zylinders können
in Längsrichtung
des Zylinders stehende Wellen erzeugt werden. Die Rückkopplung
dieser stehenden Welle in Längsrichtung
mit der radialen Schwingung hat zur Folge, dass die radiale Schwingung
in Längsrichtung
des Zylinders oder der Tintendüsenanordnung
nicht mehr gleichförmig
ist. Außerdem
kann die Fixierung des inneren piezoelektrischen Zylinders die Schwingung
des inneren Zylinders mit dem äußeren Zylinder
koppeln. Die daraus resultierenden Schwingungen des äußeren Zylinders
können
die gewünschte
gleichförmige
Stimulierungsamplitude entlang der Tintendüsenanordnung behindern. Die
Notwendigkeit, das Piezoelektrikum mit der Tinte in Berührung zu
bringen, erzeugt darüber
hinaus Probleme hinsichtlich der Abschirmung der Elektroden und des
Piezoelektrikums gegen die Tinte. In der Summe haben alle diese
Probleme zur Folge, dass diese Konstruktion in Hochgeschwindigkeitstintenstrahldruckern nicht
verwendbar ist. Eine in US-A-4 245 227 beschriebene ähnliche
Tropfenerzeugungsvorrichtung unterscheidet sich von der vorstehend
beschriebenen Konstruktion dadurch, dass der äußere Zylinder statt des inneren
Zylinders als Piezoelektrikum dient, ist aber trotzdem von denselben
Schwierigkeiten betroffen, sodass zum Stimulieren langer Tintendüsenanordnungen
bei hohen Betriebsfrequenzen fraglos eine neue Vorrichtung benötigt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
mit einer langen Düsenanordnung
und hohen Betriebsfrequenz für
den Einsatz in einem Hochgeschwindigkeitstintenstrahldrucker zu
schaffen.
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Die
Erfindung schafft unter anderem eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker, die lange Tintendüsenanordnungen
bei hohen Betriebsfrequenzen stimulieren kann. Die Tropfenerzeugungsvorrichtung
umfasst einen Mittelabschnitt mit einem im Wesentlichen gleichförmigen Querschnitt
und zwei Endabschnitte mit anderen Querschnitten. Die Tropfenerzeugungsvorrichtung
arbeitet mit mehrnockigen radialen Biegemodi, um eine Anordnung
von Öffnungen
in Schwingung zu versetzen, wobei die Schwindungsmodi von mindestens
zwei Reihen von Wandlern erzeugt werden, die sich im Wesentlichen über die
Länge der
Tropfenerzeugungsvorrichtung erstrecken. Die Wandler sind entsprechend
einer Nockenstruktur eines radialen Betriebsbiegemodus angeordnet.
Die Erfindung kann außerdem
Endabschnitte mit Merkmalen zur Einstellung einer Resonanzfrequenz
der Endabschnitte auf die Resonanzfrequenz des Mittelabschnitts
umfassen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines hohlen Rohrs im verformten und unverformten
Zustand während
eines radialen Biegemodus;
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2 eine
als langer rechteckiger Block ausgeführte Tropfenerzeugungsvorrichtung
als bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung;
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3 die
Geometrie des Flüssigkeitshohlraums
im Innern der Tropfenerzeugungsvorrichtung;
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4 eine
erfindungsgemäß ausgelegte Endwand
eines Flüssigkeitskanals
der in 2 und 3 dargestellten Tropfenerzeugungsvorrichtung; und
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5 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Konstruktionskonzepts zum Anpassen der Resonanzfrequenz der
Endabschnitte einer Tropfenerzeugungsvorrichtung an die Mittelabschnitte
der Tropfenerzeugungsvorrichtung.
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Die
Erfindung offenbart eine Tropfenerzeugungsvorrichtung zur Verwendung
in einem Tintenstrahldrucker, die zum Stimulieren einer Düsenanordnung
mit mehrnockigen Quetschresonanzen arbeitet. Die Geometrie der Enden
der Tropfenerzeugungsvorrichtung ist so beschaffen, dass die Resonanzfrequenzen
der Endabschnitte annähernd
der Resonanzfrequenz des Mittelbereichs der Tropfenerzeugungsvorrichtung
entsprechen. Piezoelektrische Elemente sind so angeordnet, dass
sie den gewünschten
Resonanzmodus wirksam erzeugen und gleichzeitig unerwünschte Resonanzmodi
unterdrücken.
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Der
Grundgedanke der Erfindung lässt
sich am besten anhand einer Querschnittsansicht eines in 1 dargestellten
hohlen Rohrs 10 erklären.
Zusätzlich
zu den kreissymmetrischen Modi des in US-A-4 245 225 und US-A-4
245 227 verwendeten Rohrs verfügt
das Rohr 10 über
verschiedene radiale Biegemodi. Die niedrigste Ordnung dieser Modi
verfügt
an den Stellen, an denen sich das Rohr nach außen wölbt, über zwei Nocken 12 und
an den Stellen, an denen es eingedrückt wird, über zwei Bereiche 14. Modi
höherer
Ordnung verfügen über eine
steigende Anzahl von Nocken und höhere Resonanzfrequenzen. Der
Einfachheit halber wird die Erfindung im Folgenden anhand des Modus
der niedrigsten Ordnung beschrieben, wobei es sich versteht, dass
dieselben Grundsätze
auch für
die radialen Biegemodi höherer Ordnung
gelten.
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Durch
symmetrische Anordnung von zwei piezoelektrischen Elementen 18 an
den Wandungen des Rohrs 10 kann der radiale Biegemodus
der niedrigsten Ordnung wirksam erzeugt werden. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
sollte die Länge
der piezoelektrischen Elemente am Umfang kleiner sein als ein Viertel
des Rohrumfangs, um zu verhindern, dass sich die piezoelektrischen
Elemente über
die Knotenlinien des radialen Biegemodus erstrecken. Bei phasengleicher
Anregung mit der entsprechenden Frequenz erzeugen die symmetrisch
angeordneten piezoelektrischen Elemente wirksam diesen zweinockigen
radialen Biegemodus. Zur Erzeugung radialer Biegemodi anderer Ordnung
sind sie nicht sehr wirksam.
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Diesem
radialen Biegemodus niedrigster Ordnung ist eine ganze Familie von
Resonanzmodi mit unterschiedlichen Profilen in Längsrichtung des Rohrs und unterschiedlichen
Resonanzfrequenzen zugeordnet. Bei der niedrigsten Ordnung dieser
Familie von Modi erfolgt die Biegung über die gesamte Länge des
Rohrs phasengleich. Im zweiten dieser Modi biegen sich die beiden
Enden des Rohrs phasenverschoben. Bei den Modi höherer Ordnung nimmt die Anzahl
der Phasenverschiebungen über die
Länge zu.
Diese Modi kann man sich als Mehrkomponenten-Biegemodi vorstellen,
bei denen die Rohrwandung sich radial und axial biegt.
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Für die Anwendung
in einem Tintenstrahldrucker ist es wünschenswert, den Modus niedrigster Ordnung
einer Familie radialer Biegemodi zu verwenden, vorzugsweise den
Modus mit phasengleicher radialer Biegung über die gesamte Länge des Rohrs.
Das bedeutet, dass es zum Stimulieren der Tintendüsen wünschenswert
ist, radiale Biegemodi zu verwenden, die keine axiale Biegemoduskomponente
aufweisen. Durch Verwendung von zwei symmetrisch angeordneten Reihen
piezoelektrischer Elemente, die sich über die gesamte Länge des
Zylinders erstrecken und phasengleich angeregt werden, können die
radialen Biegemodi mit gleich bleibender Phase über die gesamte Länge erzeugt
und die Schwingungen der Modi mit axialen Biegemoduskomponenten
gleichzeitig unterdrückt
werden.
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Der
zweinockige radiale Biegemodus kann zwar auch mit nur einem Piezoelektrikum
erzeugt werden, die Verwendung von symmetrisch angeordneten piezoelektrischen
Elementen 18 an den Seiten des Zylinders 10 ergibt
jedoch einen wesentlich höheren
Wirkungsgrad für
die Erzeugung des gewünschten
Resonanzmodus. Außerdem
ist die Verwendung nur eines Piezoelektrikums weniger selektiv,
d.h. für
die Unterdrückung
der radialen Biegemodi höherer
Ordnung nicht so wirksam wie die beiden symmetrisch angeordneten
piezoelektrischen Elemente. Daher wird ein Zylinder mit nur einer
Reihe piezoelektrischer Elemente durch unerwünschte radiale Biegemodi mehr
gestört
als ein Zylinder mit symmetrisch angeordneten piezoelektrischen
Elementen.
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Lässt man
das Problem mit den Enden des Rohrs 10, wie zum Beispiel
die Notwendigkeit die Enden abzudichten und Mittel für die Fixierung
der Tropfenerzeugungsvorrichtung bereitzustellen usw., das mindestens
teilweise durch Verwendung der Schwalbenschwanznuten 23 für die Montage
gelöst
werden kann, zunächst außer Acht,
dann wird der Fachmann erkennen, dass die Anordnung von Öffnungen
an den Nocken des radialen Biegemodus die gewünschte Verschiebung der Öffnungen
zur Erzeugung einer Stimulation ergibt. Die Erzeugung des Modus,
bei dem die Biegung phasengleich über die gesamte Länge des
Rohrs erfolgt, ergibt dann eine relativ gleichförmige Stimulation. Lange Tintendüsenanordnungen
können
mit einem solchen Konstruktionskonzept bei Betriebsfrequenzen von
mehr als 100 kHz stimuliert werden.
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Die
Notwendigkeit, die Enden der rohrförmigen Tropfenerzeugungsvorrichtung
abzuschließen, damit
die Tinte nicht ausläuft,
Flüssigkeitsdurchlassöffnungen
vorzusehen und Mittel für
die Fixierung der Tropfenerzeugungsvorrichtung bereitzustellen,
kann die Gleichmäßigkeit
der Stimulierung der Tropfenerzeugungsvorrichtung beeinträchtigen.
Die Erfindung löst
dieses Problem dadurch, dass das Ende der Tropfenerzeugungsvorrichtung
mit einem Einschnitt 25 versehen wird, der eine ähnliche
Resonanzfrequenz aufweist wie die rohrförmige Mitte der Tropfenerzeugungsvorrichtung.
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Auch
wenn die verschiedenen Konzepte bis zu diesem Punkt anhand eines
zylindrischen Modells beschrieben wurden, wird der Fachmann verstehen, dass
in der Praxis auch anders gestaltete Formen verwendet werden können, wie
zum Beispiel Formen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt oder
auch Formen mit mehr als vier Seiten. Formen mit solchen Querschnitten
sollten ein Seitenverhältnis
aufweisen, dessen Wert einem Wert im Bereich von 0,5 bis 2 nahe
kommt. Grundsätzlich
sollte die Querschnittsform zu der Symmetrie der gewünschten
Form des radialen Betriebsbiegemodus passen. Wenn als Betriebsmodus
der dreinockige radiale Biegemodus gewünscht wird, könnten für die Tropfenerzeugungsvorrichtung
beispielsweise dreiseitige oder sechsseitige Querschnitte verwendet
werden. Eine Anpassung der Querschnittsform an die gewünschte Nockenform
macht es leichter, die piezoelektrischen Elemente so anzuordnen,
dass der gewünschte
Modus erzeugt werden kann. Für
eine wirksame Erzeugung der radialen Biegemodi höherer Ordnung bei gleichzeitiger
Unterdrückung
der Modi niedrigerer Ordnung sollten entsprechend der gewünschten
Nockenform drei oder mehr Reihen piezoelektrischer Elemente verwendet
werden.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung mit einem langen rechteckigen Block 27. Die
Tropfenerzeugungsvorrichtung 27 besteht hier aus einem
rechteckigen Block aus Edelstahl mit einer Länge von ca. 25,4 cm (10 Zoll),
einer Breite von ca. 1,68 cm (0,66 Zoll) und einer Höhe von ca.
1,32 cm (0,52 Zoll). Ein Flüssigkeitshohlraum 28 umfasst
ein durch maschinelle Bearbeitung hergestelltes Durchgangsloch 20,
das sich über
die gesamte Länge
des Blocks erstreckt. In die Unterseite des Blocks ist ein langer,
schmaler Schlitz 22 eingearbeitet, der mit dem Durchgangsloch
in Verbindung steht. Die Anordnung von Öffnungen an der Unterseite
der Tropfenerzeugungsvorrichtung, im Bereich 24 in 3,
ist an dem Block befestigt und über
dem Schlitz 22 zentriert.
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In 2 sind
Reihen piezoelektrischer Elemente 18 an der Vorder- und
Rückseite
des Blocks befestigt. Durch elektrische Anregung werden diese piezoelektrischen
Elemente veranlasst, sich in der z-Richtung auszudehnen und zusammenzuziehen. Infolgedessen
biegen sich die Seitenwände
der Tropfenerzeugungsvorrichtung. Der resultierende Modus entspricht
dem für
den Zylinder beschriebenen zweinockigen Quetschmodus. Da die piezoelektrischen
Elemente über
die gesamte Länge
der Tropfenerzeugungsvorrichtung an den Block angebracht sind und
das elektrische Signal gleichförmig
an alle Elemente angelegt wird, greift die Biegekraft gleichmäßig über die
gesamte Länge
der Tropfenerzeugungsvorrichtung an.
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Für die Montage
der Tropfenerzeugungsvorrichtung werden dünnwandige Edelstahlrohre (nicht dargestellt)
verwendet, die in die schwalbenschwanzförmigen Nuten 23 eingeklebt
werden, wie in 2, 3 und 4 gezeigt.
Dünnwandige
Rohre liefern erfahrungsgemäß eine ausreichende
Steifigkeit für
eine stabile Fixierung der Tropfenerzeugungsvorrichtung bei minimaler
Schwingungskopplung zwischen der Tropfenerzeugungsvorrichtung und
dem Halterahmen. Es hat sich gezeigt, dass die Schwalbenschwanznuten 23 die
Gefahr, dass sich die Montagerohre lösen, minimieren und trotzdem den
Ausbau der Rohre bei Erneuerung erleichtern.
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Der
Flüssigkeitsverteiler
umfasst ein Durchgangsloch 20, das sich über die
gesamte Länge
des Blocks erstreckt, und einen langen schmalen Flüssigkeitskanal 32,
der das Durchgangsloch mit der mit Öffnungen versehenen Fläche der
Tropfenerzeugungsvorrichtung verbindet. Der schmale Flüssigkeitskanal
endet etwa 1,3 cm (1/2'') vor jedem Ende. Wie
am besten aus 4 ersichtlich, ist die Endwand 22 des
Flüssigkeitskanals 32 abgeschrägt, um die Flüssigkeitsströmung an
beiden Enden der Tropfenerzeugungsvorrichtung zu verbessern. Tinte
wird über
Flüssigkeitsarmaturen
(nicht dargestellt) zugeführt.
Die Flüssigkeitsarmaturen
werden in zylindrische Senkungen 30 eingeklebt, wie in 3 und 4 gezeigt.
Ein Ausrichtungselement 34 zum Fixieren der mit Öffnungen
versehenen Platte über dem
Flüssigkeitshohlraum
ist ebenfalls in der Zeichnung dargestellt. Ausrichtungselemente
dieser Art wurden in US-A-4 999 647 beschrieben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist es wünschenswert,
die Endabschnitte der Tropfenerzeugungsvorrichtung so auszulegen, dass
ihre Resonanzfrequenz ungefähr
der des Mittelbereichs der Tropfenerzeugungsvorrichtung entspricht.
Zum besseren Verständnis
dieses Konzepts soll im Folgenden, nur zu Anschauungszwecken, die Reaktion
einer schmalen Querschnittsscheibe der Tropfenerzeugungsvorrichtung
auf die Biegekraft betrachtet werden. Zunächst kann diese Reaktion so untersucht
werden, als wäre
dieser Abschnitt der Tropfenerzeugungsvorrichtung unabhängig von
den anderen Abschnitten.
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Wie
der Fachmann weiß,
hängt die
Schwingungsempfindlichkeit eines solchen Abschnitts von der Beziehung
zwischen der Resonanzfrequenz der Querschnittsscheibe und der Frequenz
der erzeugenden Kraft ab. Daher erreicht die Schwingungsamplitude
einer solchen Scheibe ihren Höchstwert, wenn
die erzeugende Frequenz der Resonanzfrequenz entspricht. Wenn die
erzeugende Frequenz über
die Resonanz schwankt, verschiebt sich auch die Phase der Schwingung
relativ zur erzeugenden Kraft. Entsprechend hängt auch die Schwingungsamplitude
und Phase jeder anderen Querschnittsscheibe der Tropfenerzeugungsvorrichtung
von der Beziehung zwischen der erzeugenden Frequenz und der Resonanzfrequenz
für die
betreffende Scheibe ab.
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Über die
Länge des
Flüssigkeitshohlraumschlitzes
erzeugt der gleichförmige
Querschnitt die gewünschte
gleich bleibende Resonanzfrequenz. In der Nähe der Enden der Tropfenerzeugungsvorrichtung
muss der Flüssigkeitshohlraumschlitz
jedoch enden, damit die Tinte nicht aus den Enden der Tropfenerzeugungsvorrichtung
spritzt. Daher entspricht der Querschnitt der Tropfenerzeugungsvorrichtung an
den beiden Enden des Körpers
nicht dem Querschnitt im Mittelbereich des Körpers. Folglich entspricht
die Resonanzfrequenz des Endabschnitts der Tropfenerzeugungsvorrichtung
nicht der Resonanzfrequenz der Mittelabschnitte des Körpers. Das
Ausfüllen
des Schlitzes kann den Querschnitt versteifen, sodass sich die Resonanzfrequenz
erhöht.
Infolgedessen entsprechen die Schwingungsamplitude und die Phase
der Schwingung an den Endabschnitten nicht den mittleren Abschnitten.
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Der
Fachmann weiß natürlich, dass
in einer typischen Tropfenerzeugungsvorrichtung die verschiedenen
Querschnittsabschnitte nicht wirklich voneinander unabhängig sind.
Unterschiede in Schwingungsamplitude und Phase werden von einem
Abschnitt zum anderen gekoppelt. Daher werden die verschiedenen
Schwingungsamplituden und Phasen der Endabschnitte in den übrigen Teil
der Tropfenerzeugungsvorrichtung gekoppelt, was die Schwingung über die
gesamte Länge
der Tropfenerzeugungsvorrichtung beeinträchtigt.
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Die
erfindungsgemäße Änderung
der Geometrie des Endabschnitts der Tropfenerzeugungsvorrichtung
bietet die Möglichkeit,
die Resonanzfrequenz des Endabschnitts so zu verschieben, dass sie der
Resonanzfrequenz des Mittelbereichs der Tropfenerzeugungsvorrichtung
entspricht. Das Ergebnis ist eine Tropfenerzeugungsvorrichtung mit
einer annehmbar gleichförmigen
Schwingungsamplitude über
die gesamte Länge
der Anordnung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberseite
der Tropfenerzeugungsvorrichtung mit Einschnitten 25 versehen.
Diese parallel zum Flüssigkeitshohlraumschlitz
verlaufenden Einschnitte beginnen etwa am Ende des Flüssigkeitshohlraumschlitzes
und erstrecken sich zu den Enden der Tropfenerzeugungsvorrichtung,
wie in 4 gezeigt. Der Einschnitt 25 wird fortschreitend
tiefer und erreicht seine volle Tiefe etwa dort, wo die Abschrägung des
Flüssigkeitshohlraumschlitzes
endet. Für
die hier beschriebene Ausführungsform
hat daher der Einschnitt eine Tiefe von 1,32 mm (0,052'') und eine Breite von 1,157 mm (0, 062'').
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Der
in der Zeichnung dargestellte Schlitz stellt eine bevorzugte Ausführungsform
dar. Der Erfindungsgedanke, nämlich
die Resonanzfrequenz des Endabschnitts der Tropfenerzeugungsvorrichtung
der Resonanzfrequenz des Mittelabschnitts anzupassen, kann jedoch
im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung auch mit anderen Einschnitten oder
Merkmalen verwirklicht werden. Eine alternative Möglichkeit
besteht zum Beispiel darin, die Enden des Flüssigkeitshohlraumschlitzes
mit Material abzudichten, das einen niedrigen Elastizitätsmodul
aufweist, wie zum Beispiel Gummi mit geringer Härte, das auf die Resonanzfrequenz
der Enden nur eine minimale Wirkung hätte.
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Das
erfindungsgemäße Konstruktionskonzept
einer Anpassung der Resonanzfrequenz der Endabschnitte der Tropfenerzeugungsvorrichtung
an die Resonanzfrequenz des Mittelbereichs ist auch auf andere Tropfenerzeugungsvorrichtungskonstruktionen,
die nicht mit radialen Biegemodi arbeiten, anwendbar. Eine solche
Konstruktion 50 ist beispielsweise in 5 dargestellt.
Die in 5 dargestellte Konstruktion hat eine Höhe von 4,8
cm (1,09''), eine Breite von
3,35 cm (1,32'') und eine Dicke
von 1,24 cm (0,49''). Der Resonanzmodus
hat primär
die Form eines Rechtecks im Längsmodus,
mit Endabschnitten 52.
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Bekanntlich
ist die Schallgeschwindigkeit entlang langer dünner Stäbe geringer als die Schallgeschwindigkeit
eines voluminösen
Festkörpers
aus dem gleichen Material. Dieser Unterschied ist auf die Querzahl
(Poissonsche Konstante) zurückzuführen. Wenn
in dem dünnen
Stab ein Abschnitt des Stabs in Axialrichtung zusammengedrückt wird,
dehnt er sich infolge der Querzahl radial aus. Wenn ein Stab mit
einer großen
radialen Abmessung oder eine andere große Probe in einer Dimension
zusammengedrückt wird,
verhindert die radiale Masse des Objekts die radiale Ausdehnung.
Die Behinderung dieser radialen Bewegung hat zur Folge, dass das
Material in der axialen Richtung steifer wirkt. Die höhere scheinbare Steifigkeit
des Stabs mit dem größeren Durchmesser oder
der voluminösen
Probe ergibt eine effektive Schallgeschwindigkeit, die höher ist
als die für
den dünnen
Stab.
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Aus ähnlichen
Gründen
ist die scheinbare Schallgeschwindigkeit in der Nähe der Wände eines Objekts
geringer als im Mittelbereich des Objekts. Im mittleren Bereich
des Objekts wird die querzahlbedingte seitliche Bewegung als Reaktion
auf eine Zusammendrückung
oder Aufweitung in einer Richtung von der Masse der umgebenden Bereiche
verhindert. In der Nähe
der Oberfläche
ermöglicht
das Fehlen von Masse in einem Teil des umgebenden Bereichs eine
querzahlbedingte seitliche Bewegung als Reaktion auf eine Zusammendrückung oder
Aufweitung in einer parallel zur Oberfläche verlaufenden Richtung. Der
scheinbare Unterschied in der Schallgeschwindigkeit für die beiden
Bereiche ist das Ergebnis des Unterschieds der seitlichen Bewegungsfähigkeit
in diesen beiden Fällen.
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Da
die Enden der Tropfenerzeugungsvorrichtung eine andere scheinbare
Schallgeschwindigkeit aufweisen als der mittlere Bereich, können die Enden
des Blocks eine geringfügig
andere Resonanzfrequenz aufweisen als der mittlere Bereich. Durch
Profilierung der Seitenwände
und die dadurch bedingte Verschiebung der Resonanzfrequenz der Endabschnitte
der Tropfenerzeugungsvorrichtung in eine größere Nähe zur Resonanzfrequenz des
Mittelbereichs der Tropfenerzeugungsvorrichtung kann die Stimulierung
der Tintendüsen
gleichförmiger
gestaltet werden.
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Wie
bereits erwähnt,
arbeitet die bevorzugte Ausführungsform
der Tropfenerzeugungsvorrichtung mit zwei symmetrisch angeordneten
Reihen von piezoelektrischen Elementen, die sich über die
gesamte Länge
der Tropfenerzeugungsvorrichtung erstrecken.
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Diese
werden so angeregt, dass sie die Seiten der Tropfenerzeugungsvorrichtung
biegen, um den radialen Biegemodus anzuregen. Dabei dehnen sich
die piezoelektrischen Elemente jedoch in Längsrichtung, parallel zur Achse
des Flüssigkeitshohlraums,
aus. Bei unsachgemäßer Bemaßung und Platzierung
der piezoelektrischen Elemente können diese über die
Länge des
Hohlraums unerwünschte axiale
Biegemodi anregen. Um dies zu vermeiden, kann für die axialen Biegemodi die
Wellenlänge
bestimmt werden, deren Resonanzfrequenzen in der Nähe der gewünschten
Betriebsfrequenz liegen. Die Länge
der piezoelektrischen Kristalle sollte dann größer sein als eine halbe Wellenlänge dieser
axialen Biegemodi und kleiner als eine Wellenlänge. Dadurch wird gewährleistet,
dass die Enden des Kristalls, an denen sich der größte Teil
der erzeugenden Kraft konzentriert, nicht zusammenwirken können, um
solche axiale Biegemodi anzuregen.
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Zur
Betätigung
der Tropfenerzeugungsvorrichtung können stattdessen auch schermodusgepolte
piezoelektrische Materialien verwendet werden. Da die Scherung eines
solchen piezoelektrischen Elements eine Längenänderung in dem Piezoelektrikum
induziert, ist die Gefahr einer Anregung axialer Biegemodi bei piezoelektrischen
Wandlern dieser Art geringer.
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Die
vorliegende Erfindung ist für
den Tintenstrahldruck verwendbar und hat den Vorteil, dass sie insbesondere
für Tintenstrahldrucker
mit langer Düsenanordnung
eine verbesserte Konstruktion für
die Tropfenerzeugungsvorrichtung liefert. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung besteht darin, dass sie lange Tintendüsenanordnungen bei hohen Betriebsfrequenzen
stimuliert.