EP0054999B1 - Nozzle for an ink-jet printer - Google Patents

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EP0054999B1
EP0054999B1 EP81201351A EP81201351A EP0054999B1 EP 0054999 B1 EP0054999 B1 EP 0054999B1 EP 81201351 A EP81201351 A EP 81201351A EP 81201351 A EP81201351 A EP 81201351A EP 0054999 B1 EP0054999 B1 EP 0054999B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
ink
edge
jet nozzle
drop
Prior art date
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Expired
Application number
EP81201351A
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German (de)
French (fr)
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EP0054999A1 (en
Inventor
Horst Bentin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Patentverwaltung GmbH, Philips Gloeilampenfabrieken NV, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Patentverwaltung GmbH
Publication of EP0054999A1 publication Critical patent/EP0054999A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0054999B1 publication Critical patent/EP0054999B1/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/1433—Structure of nozzle plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14475—Structure thereof only for on-demand ink jet heads characterised by nozzle shapes or number of orifices per chamber

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for inkjet mosaic printers, the sharp-edged outlet opening of which is formed by a recess surrounding the nozzle edge in a nozzle carrier as an annular projection protruding from the recess.
  • a large number of such nozzles is arranged in a nozzle carrier in such a way that the pulsed ejected ink drops form a figure, e.g. B. put together a letter.
  • Such nozzles are known from Figure 2 of DE-AS 23 62 576.
  • a trench-shaped recess is arranged around the outlet opening at a close distance, through which a concentric drop of ink drop is to be achieved.
  • the edge between the nozzle edge - and the recess acts as a resistance to wetting by the ink.
  • CH-A-363 667 is concerned with another type of ink jet printer.
  • This publication describes a tubular nozzle from which an ink jet constantly emerges during a writing process. So that a good electrostatic deflection of this beam is achieved, the tubular nozzle is brought to a narrow nozzle edge by pulling out the mouth. Because of their dimensions, such tubular nozzles are not suitable for mosaic printers. The nozzle openings to be worked into a nozzle plate cannot be pulled out like a pipe or provided with a drawn tip.
  • nozzles are not suitable for inkjet printers in which a large number of nozzles are arranged at a short distance for a matrix print in a nozzle plate and operate on the principle of “droplet-on-demand”, ie their ink drops are ejected individually from the nozzle and only hit the record carrier in free flight without external interference. Since the ink drops ejected here are larger than the inside diameter of the nozzle outlet opening, it must be chosen as small as possible. In order to achieve a good matrix print, the dimensions of the nozzles are in the order of 50 to 100 1 1m in diameter, the smaller value should be aimed for as far as possible.
  • FIG. 1 shows a nozzle outlet opening and the individual phases of the drop emission.
  • the nozzle openings are arranged flat in the surface of a nozzle plate.
  • the condition of the dry nozzle is assumed (a).
  • the still negatively curved liquid meniscus is curved positively, the entire nozzle opening being filled with liquid up to a certain height of the curvature (b).
  • the diameter of the parabolic bulge is determined by the diameter of the nozzle.
  • the geometry of this wetting varies due to surface defects, contamination and chemical effects.
  • the size of the wetting ring also depends on the frequency at which the ink droplets are ejected and will be larger the more ink drops have been ejected. Then, after several expulsions, the wetting reaches an external resistance corresponding to the above. known arrangements, this finally prevents further spreading.
  • the wetting ability of the near nozzle edge area is still approximately the same because of its dry state, the first drop will most likely still be ejected in the desired axial direction to the nozzle (i.e. ). However, the wetting edge will no longer be exactly delimited in the radial direction by the nozzle edge.
  • the ink liquid is drawn back into the nozzle and another negative liquid meniscus is formed. Residual liquid remains on the nozzle edge, which is irregularly shaped depending on the nature of the nozzle edge (e).
  • the next pulse of the drop generator then leads to a deflection of the bumped ink drop (f) because the lateral forces then acting on it are different. These forces are greater the more liquid remains on a part of the nozzle edge.
  • the nozzles of the inkjet printer must ensure reproducible, stabilizing droplet formation. Exact axial ejection of the drops must therefore be achieved.
  • the invention has for its object to form the nozzle of an inkjet printer, in which the ink drops are ejected individually for a free uninfluenced flight, so that the ink drops are ejected equally and always axially in the direction of the nozzle and that an annular and radial immediately around the nozzle edge there is uniform interfacial tension, which defines and limits the lateral wetting in a ring already after the first ink drop has been ejected.
  • the front edge of the elevation has a width of 0 to 20 11 m.
  • the outlet opening of the nozzle is expediently designed such that the protruding elevation has the cross section of an acute-angled triangle, the acute corner of which forms the edge of the nozzle.
  • a rectangular cross section can also be used, the narrow side of which must then be less than 20 11 m wide.
  • the invention has the advantage that the nozzle edge is inevitably wetted uniformly by the remaining ink, even if the ink droplet that has been repelled initially results in uneven wetting. As a result of the nozzle edge, which is generally considered to be sharp-edged, the remaining ink is distributed evenly over the entire nozzle edge immediately and before the next ink drop begins to emerge. Another advantage is that the residual ink flowing into the nozzle channel after the emission is largely reduced. As a result, the output frequency can be increased significantly.
  • nozzle front plate 1 For matrix printing by inkjet printers, in which the ink drops are ejected or ejected individually, several drop generators are bundled, the pressure channels of which are closed off by a removable nozzle front plate 1.
  • the arrangement of the nozzles 2 in this front plate 1 is determined by the vertical rasterization of the character to be printed. For a certain print quality, effective nozzle spacing of around 100 ⁇ m is required.
  • the nozzles can be arranged in several rows with staggered grid spacings.
  • the diameter d of the nozzle 2 is approximately 50 ⁇ m.
  • the length of the nozzle-effective part is a multiple of the nozzle opening, e.g. B. 3 to 4 times.
  • the nozzle 2 contains an inlet cone 5 with an opening angle of approximately 20 to 45 ° in order to be able to connect it to a liquid channel of 0.3 mm in diameter.
  • a recess is provided around the outlet opening 4 of the nozzle 2, so that the outlet opening 4 lies flat with the surface of the nozzle plate.
  • the nozzle outlet opening 4 merges into a nozzle edge 3.
  • the two edges of this annular nozzle edge 3, which are formed on the one hand with the nozzle 2 and on the other hand with the recess, are formed with sharp edges.
  • the inner diameter of the nozzle edge 3 corresponds to the nozzle diameter d and the outer diameter D of the nozzle edge is only slightly larger, so that the difference D - d is extremely small. This difference should go as far as possible, however, for manufacturing reasons, differences of up to 20 "" m are permissible.
  • FIG. 2 has a rectangular cross section 10, the small side of which forms the sharp-edged nozzle edge 3.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the nozzle edge 3 is kept small in that the cross section of this area forms an acute-angled triangle, the tip of which represents the nozzle edge 3.
  • This nozzle shape with an acute-angled triangular cross section 10a should be sought if possible.
  • the decisive factor here is the uniform and annular blocking of the lateral wetting in the immediate vicinity of the nozzle edge.
  • FIG. 4 shows individual phases of the drop emission, as occurs in the nozzle shown in FIG. 2. Since the nozzle edge is dry before the first drop emerges, phases a to d initially do not differ from phases a to d shown in FIG. However, in phase d there is already an exact wetting of the nozzle edge. After the ink drop is repelled, the ink liquid is drawn back into the nozzle by the natural vibrations of the liquid column. This process is shown in phases e and f. After completion of this reflux and before the start of the ejection of a second drop, an exactly defined wetting is left on the nozzle edge 3, which is no longer connected to the liquid in the nozzle due to the sharp edge of the outlet opening. This point in time is shown in g.
  • the ink in the nozzle channel finds an equal residual wetting on all sides at the nozzle edge. Since the nozzle edge is uniform and sharp-edged, the lateral forces emanating from the remaining wetting will be very small and the strength will be the same on all sides. Characterized an axial outline of the drop is ensured in the direction of the nozzle, as shown in i '. With such a nozzle shape, it is then insignificant whether the tearing off of the ink drop according to k is not ended centrally but in some edge region of the nozzle edge.
  • FIG. 5 shows, it is also insignificant in the case of the sharp-edged formation of the nozzle edge 3 whether the wetting of the nozzle edge 3 is uneven immediately after the ink drop has been torn off. This is exaggerated in FIG. 5 in that it is assumed here that the residual ink 9 remaining on the nozzle edge 3 is drop-shaped. Since both the inner edge and the outer edge of the nozzle edge 3 are sharp-edged and both edges practically coincide, the ink drop 9 will inevitably be distributed uniformly over the entire nozzle edge 3 without going beyond its edges. This state is shown in b.
  • FIG. 6 shows a partial section of a nozzle plate 1 with two nozzles 2 according to FIG. 2. Between the nozzles 2 there are recesses 6, in the middle of which a drain 7 is arranged for the backflow of the ink.
  • the projecting annular and sharp-edged nozzle edge 3 achieves a separation of excess ink, which can be discharged through the drainage channels 7, from the ink in the nozzles 2.
  • This can be used to clean the nozzles.
  • the nozzles are flooded, for example by pressure on the ink supply chamber. This flooding is shown in FIG. 6 a by the arrows and by the arc-shaped overvoltage over the nozzles 2.
  • the subsequent static vacuum in the nozzles 2 cleans itself in the region of the nozzle edges 3. As already stated, this is achieved by the inevitable separation of the excess ink in the recesses 6 from the ink in the nozzles 2.
  • the excess ink in the recesses 6 flow through the channels 7. This state is shown in Figure 6b.
  • the concentric recesses 6 around the nozzles 2 also prevent soiling of the large critical surface of the nozzle front plate by paper dust and dye residues.
  • the recesses 6 are designed so that the height of the annular nozzle edge 3 and the plane of the nozzle plate 1 lying outside the recess 6 are the same.
  • An essential technical property of this arrangement is the reduction of post-flow processes after the emission of a single drop, whereby a significant increase in the drop rate is possible.
  • the post-flow processes for the final resting of the meniscus are set in a defined manner, so that inks with a higher viscosity can also be used for controlled drop formation.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düse für Tintenstrahl-Mosaikdrucker, deren scharfkantig ausgebildete Austrittsöffnung durch eine den Düsenrand umgebende Ausnehmung in einem Düsenträger als eine gegenüber der Ausnehmung vorstehende ringförmige Erhebung ausgebildet ist.The invention relates to a nozzle for inkjet mosaic printers, the sharp-edged outlet opening of which is formed by a recess surrounding the nozzle edge in a nozzle carrier as an annular projection protruding from the recess.

Eine Vielzahl derartiger Düsen ist in einem Düsenträger so angeordnet, daß sich die gepulst ausgestoßenen Tintentropfen zu einer Figur, z. B. einem Buchstaben, zusammensetzen.A large number of such nozzles is arranged in a nozzle carrier in such a way that the pulsed ejected ink drops form a figure, e.g. B. put together a letter.

Derartige Düsen sind aus der Figur 2 der DE-AS 23 62 576 bekannt. Rings um die Austrittsöffnung ist im nahen Abstand .eine grabenförmige Ausnehmung angeordnet, durch die ein konzentrischer Tintentropfenabriß erreicht werden soll. Die Kante zwischen dem Düsenrand - und der Ausnehmung wirkt dabei als Widerstand gegen die Benetzung durch die Tinte.Such nozzles are known from Figure 2 of DE-AS 23 62 576. A trench-shaped recess is arranged around the outlet opening at a close distance, through which a concentric drop of ink drop is to be achieved. The edge between the nozzle edge - and the recess acts as a resistance to wetting by the ink.

Mit einer anderen Art von Tintenstrahldruckern beschäftigt sich die CH-A-363 667. In dieser Veröffentlichung wird eine rohrförmige Düse beschrieben, aus der während eines Schreibvorganges ständig ein Tintenstrahl austritt. Damit eine gute elektrostatische Ablenkung dieses Strahles erreicht wird, ist die rohrförmige Düse durch Ausziehen der Mündung auf einen schmalen Düsenrand gebracht. Derartige rohrförmige Düsen sind schon wegen ihrer Abmessungen für Mosaikdrucker nicht geeignet. Die in eine Düsenplatte einzuarbeitenden Düsenöffnungen lassen sich nicht wie ein Rohr spitz ausziehen, oder mit einer gezogenen Spitze versehen.CH-A-363 667 is concerned with another type of ink jet printer. This publication describes a tubular nozzle from which an ink jet constantly emerges during a writing process. So that a good electrostatic deflection of this beam is achieved, the tubular nozzle is brought to a narrow nozzle edge by pulling out the mouth. Because of their dimensions, such tubular nozzles are not suitable for mosaic printers. The nozzle openings to be worked into a nozzle plate cannot be pulled out like a pipe or provided with a drawn tip.

Aus der DE-AS-1511 379 ist es bekannt, die äußere Kante eines Strahldüsenrandes scharfkantig auszuführen. Die an diese Kante angrenzenden Flächen besitzen verschiedene Rauheit. Hierdurch sollen bei Einsatz mehrerer Düsen die Abfließeigenschaften dieser Düsen praktisch gleich gemacht werden. Der Tintenstrahl wird hier durch Schwingungen der Tinte auf eine Konstante Stärke gebracht und anschließend durch ein elektrostatisches Feld abgelenkt. Die Abmessungen der Düse sind dabei relativ groß. So beträgt die Breite des Düsenrandes ebenso wie der Durchmesser der Düse 0,1 mm.From DE-AS-1511 379 it is known to design the outer edge of a jet nozzle edge with sharp edges. The surfaces adjacent to this edge have different roughness. This is to make the outflow properties of these nozzles practically the same when using several nozzles. The ink jet is brought to a constant strength by vibrations of the ink and then deflected by an electrostatic field. The dimensions of the nozzle are relatively large. The width of the nozzle edge and the diameter of the nozzle are 0.1 mm.

Derartige Düsen sind jedoch für Tintenstrahldrucker nicht geeignet, bei denen eine Vielzahl von Düsen in geringem Abstand für einen Matrixdruck in einer Düsenplatte angeordnet ist, die nach dem Prinzip des « droplet-on-demand » arbeiten, d. h. deren Tintentropfen einzeln aus der Düse ausgestoßen werden und nur im freien Fluge ohne äußere Beeinflussung auf dem Aufzeichnungsträger auftreffen. Da die hierbei ausgestoßenen Tintentropfen größer sind als der Innendurchmesser der Düsenaustrittsöffnung, muß diese möglichst klein gewählt werden. Um einen guten Matrixdruck zu erreichen, liegen die Abmessungen der Düsen in einer Größenordnung von 50 bis 100 11m im Durchmesser, wobei der kleinere Wert möglichst angestrebt werden sollte.However, such nozzles are not suitable for inkjet printers in which a large number of nozzles are arranged at a short distance for a matrix print in a nozzle plate and operate on the principle of “droplet-on-demand”, ie their ink drops are ejected individually from the nozzle and only hit the record carrier in free flight without external interference. Since the ink drops ejected here are larger than the inside diameter of the nozzle outlet opening, it must be chosen as small as possible. In order to achieve a good matrix print, the dimensions of the nozzles are in the order of 50 to 100 1 1m in diameter, the smaller value should be aimed for as far as possible.

In Figur 1 ist eine Düsenaustrittsöffnung und die einzelnen Phasen der Tropfenemission dargestellt. Die Düsenöffnungen sind hier plan in der Oberfläche einer Düsenplatte angeordnet. Es wird von dem Zustand der trockenen Düse ausgegangen (a). Beim Anlegen einer Spannung an den zugeordneten, nicht dargestellten Tropfengenerator wird der noch negativ gewölbte Flüssigkeitsmeniskus positiv gewölbt, wobei bis zu einer bestimmten Höhe der Wölbung die gesamte Düsenöffnung mit Flüssigkeit ausgefüllt ist (b). Der Durchmesser der parabolischen Auswölbung ist durch den Durchmesser der Düse bestimmt. Ab einer bestimmten Auswölbung, die von der Struktur des inneren begrenzenden Düsenrandes als auch von der Grenzflächenspannung des Düsenmaterials abhängig ist, tritt neben der gewünschten Ausstoßrichtung (Pfeil in Düsenrichtung) auch eine lateral sich ausbreitende Benetzung der Außenfläche auf (seitliche Pfeile). Dieses ist gleichbedeutend mit einer Verbreiterung des Düsendurchmessers. Diese virtuelle Vergrößerung des Düsendurchmessers führt zu einer Verminderung der Frontgeschwindigkeit der ausgestoßenen Tintentröpfchen. Die Haftung der Flüssigkeit auf der lateralen Oberfläche führt somit zu einem Energieverlust. Die Größe des Benetzungsringes hängt von der Grenzflächenspannung, der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und von retardierenden Momenten des Druckgenerators ab. Die Geometrie dieser Benetzung variiert aufgrund von Oberflächendefekten, Verunreinigungen und chemischen Einwirkungen. Die Größe des Benetzungsringes hängt auch von der Frequenz ab, mit der die Tintentröpfchen ausgestoßen werden, und wird umso größer sein, je öfter Tintentropfen ausgestoßen worden sind. Erreicht dann nach mehreren Ausstoßungen die Benetzung einen äußeren Widerstand entsprechend den o. g. bekannten Anordnungen, so wird dadurch dann schließlich ein weiteres Ausbreiten unterbunden.FIG. 1 shows a nozzle outlet opening and the individual phases of the drop emission. The nozzle openings are arranged flat in the surface of a nozzle plate. The condition of the dry nozzle is assumed (a). When a voltage is applied to the associated drop generator, not shown, the still negatively curved liquid meniscus is curved positively, the entire nozzle opening being filled with liquid up to a certain height of the curvature (b). The diameter of the parabolic bulge is determined by the diameter of the nozzle. From a certain bulge, which is dependent on the structure of the inner border of the nozzle as well as on the interfacial tension of the nozzle material, in addition to the desired direction of ejection (arrow in the direction of the nozzle) there is also a laterally spreading wetting of the outer surface (arrows on the side). This is equivalent to a widening of the nozzle diameter. This virtual enlargement of the nozzle diameter leads to a reduction in the front speed of the ejected ink droplets. The adhesion of the liquid to the lateral surface therefore leads to a loss of energy. The size of the wetting ring depends on the interfacial tension, the flow rate of the liquid and the retarding moments of the pressure generator. The geometry of this wetting varies due to surface defects, contamination and chemical effects. The size of the wetting ring also depends on the frequency at which the ink droplets are ejected and will be larger the more ink drops have been ejected. Then, after several expulsions, the wetting reaches an external resistance corresponding to the above. known arrangements, this finally prevents further spreading.

Da bei der Tropfenemission nach Figur 1 davon ausgegangen ist, daß beim Ausstoß des ersten Tintentröpfchens das Benetzungsvermögen des nahen Düsenrandbereiches wegen seines trockenen Zustandes noch annähernd gleich ist, wird der erste Tropfen mit großer Wahrscheinlichkeit noch in der gewünschten axialen Richtung zur Düse ausgestoßen werden (d). Der Benetzungsrand wird aber bereits in radialer Richtung vom Düsenrand nicht mehr exakt begrenzt sein. Nach Abschalten der Spannung am Tropfengenerator wird die Tintenflüssigkeit wieder in die Düse zurückgezogen und ein weiterer negativer Flüssigkeitsmeniskus gebildet. Dabei bleibt auf dem Düsenrand Restflüssigkeit zurück, die je nach Beschaffenheit des Düsenrandes unregelmäßig gestaltet ist (e). Der nächste Impuls des Tropfengenerators führt dann zwangsläufig zu einer Ablenkung des ausgestoßenen Tintentropfens (f), da die dann auf ihn wirkenden lateralen Kräfte unterschiedlich sind. Diese Kräfte sind umso größer, je mehr Flüssigkeit auf einem Teilgebiet des Düsenrandes zurückbleibt.Since it has been assumed in the drop emission according to FIG. 1 that when the first ink droplet is ejected, the wetting ability of the near nozzle edge area is still approximately the same because of its dry state, the first drop will most likely still be ejected in the desired axial direction to the nozzle (i.e. ). However, the wetting edge will no longer be exactly delimited in the radial direction by the nozzle edge. After switching off the voltage at the drop generator, the ink liquid is drawn back into the nozzle and another negative liquid meniscus is formed. Residual liquid remains on the nozzle edge, which is irregularly shaped depending on the nature of the nozzle edge (e). The next pulse of the drop generator then leads to a deflection of the bumped ink drop (f) because the lateral forces then acting on it are different. These forces are greater the more liquid remains on a part of the nozzle edge.

Weiter nimmt diese irregulare Benetzung bei höheren Tropfenbildungsraten zu, so daß die Druckgeschwindigkeit weiterhin stark vermindert ist. Die Nachfließ bzw. Rückfließvorgänge nach der Emission eines Tropfens verhindern außerdem die gewünschte frühzeitige Ruhestellung des negativen Meniskus, so daß auch bei niedrigeren Emissionsfrequenzen erheblich unzulässige Tropfengeschwindigkeitsschwankungen zu beobachten sind. Die Nachfließvorgänge sind umso ausgeprägter, je höher die Viskosität der verwendeten Tinte ist. Somit führt die nicht kontrollierbare Benetzung bei planen oder als plan anzusehenden Düsenfronten zur Verminderung der technisch erwünschten Druckqualität und Druckgeschwindigkeit.Furthermore, this irregular wetting increases with higher drop formation rates, so that the printing speed is still greatly reduced. The afterflow or backflow processes after the emission of a drop also prevent the desired early rest of the negative meniscus, so that considerably inadmissible fluctuations in drop speed can be observed even at lower emission frequencies. The post-flow processes are more pronounced the higher the viscosity of the ink used. Thus, the uncontrollable wetting of flat or to be regarded as flat nozzle fronts leads to a reduction in the technically desired print quality and print speed.

Um dem Anspruch einer sehr guten Schriftqualität gerecht zu werden, müssen die Düsen des Tintenstrahldruckers eine reproduzierbare stabilisierende Tropfenbildung gewährleisten. Es muß also eine exakte axiale Austoßung der Tropfen erreicht werden.In order to meet the requirement of very good font quality, the nozzles of the inkjet printer must ensure reproducible, stabilizing droplet formation. Exact axial ejection of the drops must therefore be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Düsen- eines Tintenstrahldruckers, bei dem die Tintentropfen für einen freien unbeeinflußten Flug einzeln ausgestoßen werden, so auszubilden, daß die Tintentropfen gleich und stets axial in Düsenrichtung ausgestoßen werden und daß unmittelbar um den Düsenrand eine ringförmige und radial gleichmäßige Grenzflächenspannung besteht, welche die laterale Benetzung bereits nach dem Ausstoß des ersten Tintentropfens ringförmig definiert und begrenzt.The invention has for its object to form the nozzle of an inkjet printer, in which the ink drops are ejected individually for a free uninfluenced flight, so that the ink drops are ejected equally and always axially in the direction of the nozzle and that an annular and radial immediately around the nozzle edge there is uniform interfacial tension, which defines and limits the lateral wetting in a ring already after the first ink drop has been ejected.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der stirnseitige Rand der Erhebung eine Breite von 0 bis 20 11m besitzt. Zweckmäßig wird die Austrittsöffnung der Düse so ausgebildet, daß die vorstehende Erhebung den Querschnitt eines spitzwinkeligen Dreieckes besitzt, dessen spitze Ecke den Düsenrand bildet. Anstelle des dreieckförmigen Querschnittes kann auch ein rechteckförmiger Querschnitt verwendet werden, dessen schmale Seite dann aber weniger als 20 11m breit sein muß.This object is achieved in that the front edge of the elevation has a width of 0 to 20 11 m. The outlet opening of the nozzle is expediently designed such that the protruding elevation has the cross section of an acute-angled triangle, the acute corner of which forms the edge of the nozzle. Instead of the triangular cross section, a rectangular cross section can also be used, the narrow side of which must then be less than 20 11 m wide.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Düsenrand von der zurückbleibenden Tinte zwangsläufig gleichmäßig benetzt wird, auch wenn durch den abgestoßenen Tintentropfen zunächst eine ungleichmäßige Benetzung vorliegt. Durch den an sich insgesamt als scharfkantig anzusehenden Düsenrand verteilt sich die verbleibende Tinte sofort und noch vor Beginn des Austrittsvorganges des nächsten Tintentropfens gleichmäßig über den gesamten Düsenrand. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Nachfließen der verbleibenden Tinte in den Düsenkanal nach der Emission weitgehend reduziert ist. Dadurch kann die Ausstoßfrequenz wesentlich erhöht werden.The invention has the advantage that the nozzle edge is inevitably wetted uniformly by the remaining ink, even if the ink droplet that has been repelled initially results in uneven wetting. As a result of the nozzle edge, which is generally considered to be sharp-edged, the remaining ink is distributed evenly over the entire nozzle edge immediately and before the next ink drop begins to emerge. Another advantage is that the residual ink flowing into the nozzle channel after the emission is largely reduced. As a result, the output frequency can be increased significantly.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :

  • Figur 1 einzelne Phasen der Tintenemission einer bekannten Düsenform,
  • Figur 2 ein Beispiel einer Düsenform nach der Erfindung,
  • Figur 3 ein weiteres Beispiel der Düsenform nach der Erfindung,
  • Figur 4 einzelne Phasen der Tintenemission der Düse nach der Erfindung,
  • Figur 5 das Verhalten der Tintenflüssigkeit auf dem Düsenrand nach Abstoßen eines Tintentropfens und
  • Figur 6 die Anordnung mehrerer Düsen nach Figur 2, die zur Reinigung der Düsen mit Tintenflüssigkeit überflutet sind.
The invention is explained in more detail below with the aid of a few exemplary embodiments. Show it :
  • FIG. 1 individual phases of the ink emission of a known nozzle shape,
  • FIG. 2 shows an example of a nozzle shape according to the invention,
  • FIG. 3 shows another example of the nozzle shape according to the invention,
  • FIG. 4 individual phases of the ink emission of the nozzle according to the invention,
  • Figure 5 shows the behavior of the ink liquid on the nozzle edge after an ink drop and
  • Figure 6 shows the arrangement of several nozzles according to Figure 2, which are flooded with ink liquid for cleaning the nozzles.

Für den Matrixdruck durch Tintenstrahldrucker, bei denen die Tintentropfen einzeln ausgestoßen bzw. ausgespritzt werden, sind mehrere Tropfengeneratoren gebündelt, deren Druckkanäle durch eine abnehmbare Düsenfrontplatte 1 abgeschlossen sind. Die Anordnung der Düsen 2 in dieser Frontplatte 1 ist durch die vertikale Rasterung des abzudruckenden Zeichens bestimmt. Für eine bestimmte Druckqualität werden effektive Düsenabstände von etwa 100 µm gefordert. Die Anordnung der Düsen kann in mehreren Reihen mit versetzten Rasterabständen erfolgen. Der Durchmesser d der Düse 2 beträgt etwa 50 µm. Die Länge des düsenwirksamen Teiles beträgt aus Sicherheitsgründen ein Mehrfaches der Düsenöffnung, z. B. das 3- bis 4- fache. Die Düse 2 enthält einen Einlaufkegel 5 mit einem Öffnungswinkel von etwa 20 bis 45°, um sie an einen Flüssigkeitskanal von 0,3 mm im Durchmesser anschließen zu können.For matrix printing by inkjet printers, in which the ink drops are ejected or ejected individually, several drop generators are bundled, the pressure channels of which are closed off by a removable nozzle front plate 1. The arrangement of the nozzles 2 in this front plate 1 is determined by the vertical rasterization of the character to be printed. For a certain print quality, effective nozzle spacing of around 100 µm is required. The nozzles can be arranged in several rows with staggered grid spacings. The diameter d of the nozzle 2 is approximately 50 μm. For safety reasons, the length of the nozzle-effective part is a multiple of the nozzle opening, e.g. B. 3 to 4 times. The nozzle 2 contains an inlet cone 5 with an opening angle of approximately 20 to 45 ° in order to be able to connect it to a liquid channel of 0.3 mm in diameter.

Um die Austrittsöffnung 4 der Düse 2 ist der Düsenplatte eine Ausnehmung vorgesehen, so daß die Austrittsöffnung 4 plan mit der Oberfläche der Düsenplatte liegt. Dies ist aus der Figur 6 ersichtlich. Die Düsenaustrittsöffnung 4 geht in einen Düsenrand 3 über. Die beiden Kanten dieses ringförmigen Düsenrandes 3, die einerseits mit der Düse 2 und andererseits mit der Ausnehmung gebildet werden, sind scharfkantig ausgebildet. Der Innendurchmesser des Düsenrandes 3 entspricht dem Düsendurchmesser d und der Außendurchmesser D des Düsenrandes ist nur geringfügig größer, so daß die Differenz D - d äußerst klein ist. Diese Differenz soll möglichst nach O gehen, jedoch sind aus Fertigungsgründen Differenzen bis 20 ""m zulässig. Die Düsenform nach figur 2 hat einen rechteckigen Querschnitt 10, dessen kleine Seite den scharfkantigen Düsenrand 3 bildet. In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Düsenrand 3 dadurch klein gehalten wird, daß der Querschnitt dieses Bereiches ein spitzwinkliges Dreieck bildet, dessen Spitze den Düsenrand 3 darstellt. Diese Düsenform mit einem spitzwinkligen dreieckigen Querschnitt 10a sollte nach Möglichkeit angestrebt werden. Entscheidend dabei ist somit die allseitig gleichmäßige und ringförmige Blockierung der lateralen Benetzung in unmittelbarer Nähe des Düsenrandes.A recess is provided around the outlet opening 4 of the nozzle 2, so that the outlet opening 4 lies flat with the surface of the nozzle plate. This can be seen from FIG. 6. The nozzle outlet opening 4 merges into a nozzle edge 3. The two edges of this annular nozzle edge 3, which are formed on the one hand with the nozzle 2 and on the other hand with the recess, are formed with sharp edges. The inner diameter of the nozzle edge 3 corresponds to the nozzle diameter d and the outer diameter D of the nozzle edge is only slightly larger, so that the difference D - d is extremely small. This difference should go as far as possible, however, for manufacturing reasons, differences of up to 20 "" m are permissible. The nozzle shape according to FIG. 2 has a rectangular cross section 10, the small side of which forms the sharp-edged nozzle edge 3. FIG. 3 shows an embodiment in which the nozzle edge 3 is kept small in that the cross section of this area forms an acute-angled triangle, the tip of which represents the nozzle edge 3. This nozzle shape with an acute-angled triangular cross section 10a should be sought if possible. The decisive factor here is the uniform and annular blocking of the lateral wetting in the immediate vicinity of the nozzle edge.

In Figur 4 sind einzelne Phasen der Tropfenemission dargestellt, wie sie bei der in Figur 2 dargestellten Düse auftritt. Da der Düsenrand vor dem Austritt des ersten Tropfens trocken ist, unterscheiden sich die Phasen a bis d zunächst nicht von den in Figur 1 dargestellten Phasen a bis d. Allerdings ist bei der Phase d eine exakte Benetzung des Düsenrandes bereits gegeben. Nach Abstoßen des Tintentropfens wird durch die Eigenschwingungen der Flüssigkeitssäule die Tintenflüssigkeit in die Düse zurückgezogen. Dieser Vorgang ist in den Phasen e und f dargestellt. Nach Abschluß dieses Rückflusses und vor Beginn des Ausstoßvorganges eines zweiten Tropfens ist auf dem Düsenrand 3 eine exakte definierte Benetzung zurückgeblieben, die mit der in der Düse befindlichen Flüssigkeit infolge der Scharfkantigkeit der Austrittsöffnung nicht mehr in Verbindung steht. Dieser Zeitpunkt ist in g dargestellt. Nach Beginn des Ausstoßes des weiteren Tintentropfens in der Phase h findet die im Düsenkanal befindliche Tinte am Düsenrand allseitig eine gleiche Restbenetzung. Da der Düsenrand gleichmäßig und scharfkantig ist, werden die von der Restbenetzung ausgehenden lateralen Kräfte sehr klein und in ihrer Stärke allseitig gleich sein. Dadurch wird ein axialer Abriß des Tropfens in Richtung der Düse gewährleistet, wie dies' in i dargestellt ist. Bei einer solchen Düsenform ist es dann unbedeutend, ob der Abriß des Tintentropfens gemäß k nicht zentral sondern in irgendeinem Rand-gebiet des Düsenrandes beendet wird.FIG. 4 shows individual phases of the drop emission, as occurs in the nozzle shown in FIG. 2. Since the nozzle edge is dry before the first drop emerges, phases a to d initially do not differ from phases a to d shown in FIG. However, in phase d there is already an exact wetting of the nozzle edge. After the ink drop is repelled, the ink liquid is drawn back into the nozzle by the natural vibrations of the liquid column. This process is shown in phases e and f. After completion of this reflux and before the start of the ejection of a second drop, an exactly defined wetting is left on the nozzle edge 3, which is no longer connected to the liquid in the nozzle due to the sharp edge of the outlet opening. This point in time is shown in g. After the start of the ejection of the further drop of ink in phase h, the ink in the nozzle channel finds an equal residual wetting on all sides at the nozzle edge. Since the nozzle edge is uniform and sharp-edged, the lateral forces emanating from the remaining wetting will be very small and the strength will be the same on all sides. Characterized an axial outline of the drop is ensured in the direction of the nozzle, as shown in i '. With such a nozzle shape, it is then insignificant whether the tearing off of the ink drop according to k is not ended centrally but in some edge region of the nozzle edge.

Wie Figur 5 zeigt, ist es bei der scharfkantigen Ausbildung des Düsenrandes 3 auch unbedeutend, ob direkt nach dem Abriß des Tintentropfens die Benetzung des Düsenrandes 3 ungleichmäßig ist. Dies ist in Figur 5 übertrieben dadurch dargestellt, daß hier angenommen ist, die auf dem Düsenrand 3 zurückbleibende Resttinte 9 sei tropfenförmig. Da sowohl die lnnenkante als auch die Außenkante des Düsenrandes 3 scharfkantig ist und beide Ränder praktisch zusammenfallen, wird sich der Tintentropfen 9 zwangsweise gleichmäßig über den gesamten Düsenrand 3 verteilen, ohne dabei über dessen Ränder hinauszugehen. Dieser Zustand ist in b dargestellt.As FIG. 5 shows, it is also insignificant in the case of the sharp-edged formation of the nozzle edge 3 whether the wetting of the nozzle edge 3 is uneven immediately after the ink drop has been torn off. This is exaggerated in FIG. 5 in that it is assumed here that the residual ink 9 remaining on the nozzle edge 3 is drop-shaped. Since both the inner edge and the outer edge of the nozzle edge 3 are sharp-edged and both edges practically coincide, the ink drop 9 will inevitably be distributed uniformly over the entire nozzle edge 3 without going beyond its edges. This state is shown in b.

In Figur 6 ist ein Teilausschnitt einer Düsenplatte 1 mit zwei Düsen 2 nach der Figur 2 dargestellt. Zwischen den Düsen 2 befinden sich Ausnehmungen 6, in deren Mitte jeweils ein Abfluß 7 für den Rückfluß der Tinte angeordnet ist.FIG. 6 shows a partial section of a nozzle plate 1 with two nozzles 2 according to FIG. 2. Between the nozzles 2 there are recesses 6, in the middle of which a drain 7 is arranged for the backflow of the ink.

Durch den vorspringenden ringförmigen und scharfkantigen Düsenrand 3 wird eine Trennung von Überschußtinte, die durch die Abflußkanäle 7 abgeführt werden kann, von der in den Düsen 2 befindlichen Tinte erreicht. Dies kann zur Reinigung der Düsen ausgenutzt werden. Hierzu werden die Düsen, beispielsweise durch Druck auf die Tintenvorratskammer, überflutet. Diese Überflutung ist in Figur 6a durch die Pfeile und durch die bogenförmige Überspannung über die Düsen 2 dargestellt. Durch den anschließenden statischen Unterdruck in den Düsen 2 reinigt sich diese im Bereich der Düsenränder 3 selbst. Wie bereits ausgeführt, wird dies durch die zwangsläufige Trennung der Überschußtinte in den Ausnehmungen 6 von der Tinte in den Düsen 2 erreicht. Die Überschußtinte in den Ausnehmungen 6 fließen durch die Kanäle 7 ab. Dieser Zustand ist in Figur 6b dargestellt.The projecting annular and sharp-edged nozzle edge 3 achieves a separation of excess ink, which can be discharged through the drainage channels 7, from the ink in the nozzles 2. This can be used to clean the nozzles. For this purpose, the nozzles are flooded, for example by pressure on the ink supply chamber. This flooding is shown in FIG. 6 a by the arrows and by the arc-shaped overvoltage over the nozzles 2. The subsequent static vacuum in the nozzles 2 cleans itself in the region of the nozzle edges 3. As already stated, this is achieved by the inevitable separation of the excess ink in the recesses 6 from the ink in the nozzles 2. The excess ink in the recesses 6 flow through the channels 7. This state is shown in Figure 6b.

Die konzentrischen Ausnehmungen 6 um die Düsen 2 herum verhindern außerdem noch die Verschmutzung der großflächigen kritischen Oberfläche der Düsenfrontplatte durch Papierstaub und Farbstoffreste. Die Ausnehmungen 6 sind so gestaltet, daß die Höhe des ringförmigen Düsenrandes 3 und die außerhalb der Ausnehmung 6 liegenden Ebene der Düsenplatte 1 gleich ist.The concentric recesses 6 around the nozzles 2 also prevent soiling of the large critical surface of the nozzle front plate by paper dust and dye residues. The recesses 6 are designed so that the height of the annular nozzle edge 3 and the plane of the nozzle plate 1 lying outside the recess 6 are the same.

Eine wesentliche technische Eigenschaft dieser Anordnung ist die Reduzierung von Nachfließvorgängen nach der Emission eines einzelnen Tropfens, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Tropfenrate möglich ist. Durch die Begrenzung der Benetzung 8 werden die Nachfließvorgänge zur endgültigen Meniskusruhestellung definiert eingestellt, so daß auch Tinten mit höherer Viskosität zur kontrollierten Tropfenbildung verwendet werden können.An essential technical property of this arrangement is the reduction of post-flow processes after the emission of a single drop, whereby a significant increase in the drop rate is possible. By limiting the wetting 8, the post-flow processes for the final resting of the meniscus are set in a defined manner, so that inks with a higher viscosity can also be used for controlled drop formation.

Claims (4)

1. A jet nozzle for ink jet mosaic printers whose sharp-edged discharge orifice is formed by a recess in a jet nozzle carrier, which recess encloses the jet nozzle brim which is formed as a ring-shaped raised portion which projects with respect to the recess, characterized in that the brim of the raised portion at the side of the end face has a width of from 0 to 20 µm.
2. A jet nozzle as claimed in Claim 1, characterized in that the cross-section of the projecting raised- portion is shaped as an acute-angled triangle whose apex forms the jet nozzle brim.
3. A jet nozzle as claimed in Claims 1 and 2, characterized in that the brim of the raised portion consists of a material which is easily wettable and that the other parts of the jet nozzle carrier consists of a material which is far from easily wettable.
4. A jet nozzle as claimed in Claims 1 to 3, characterized in that the jet nozzle orifice has a diameter of approximately 50 wm.
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