EP0062353A1 - Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät - Google Patents

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EP0062353A1
EP0062353A1 EP82102955A EP82102955A EP0062353A1 EP 0062353 A1 EP0062353 A1 EP 0062353A1 EP 82102955 A EP82102955 A EP 82102955A EP 82102955 A EP82102955 A EP 82102955A EP 0062353 A1 EP0062353 A1 EP 0062353A1
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EP
European Patent Office
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inlet opening
nozzles
writing
implement according
inlet
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EP82102955A
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English (en)
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Jan Bolmgren
Bertil Dr. Hoek
Kenth Dipl.-Ing. Nilsson
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Siemens AG
Siemens Elema AB
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Elema AB
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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
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14282—Structure of print heads with piezoelectric elements of cantilever type
    • 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
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    • 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 writing device working with liquid droplets for the point-by-point recording of analog courses or alphanumeric characters as well as images, whereby for writing the individual points there are nozzles arranged in rows in a common carrier with a large-area inlet opening and, relative thereto, a small, essentially point-shaped outlet opening an equal number of piezoelectric transducers lying parallel to one another are arranged in the inlet openings and the transducers are contacted such that writing fluid is ejected from the nozzle in the event of electrical voltage changes due to the piezoelectric movements generated and is applied to a recording medium arranged in front of the outlet opening of the nozzles.
  • Such a writing instrument is known from DE-OS 25 27 647.
  • the piezoelectric transducers produce a flow velocity of the ink in the region directly in front of each wall 'ler.
  • this speed would not be sufficient for an ink droplet to clear the surface of an opening in the carrier and leave it.
  • a sufficient speed can only be obtained by using nozzles as speed-transforming elements.
  • the area ratio between the inlet and outlet opening of the nozzles is decisive for the speed transformation.
  • the transformation factor is at most equal to this ratio.
  • the transformation factor is, however, in practice due to energy losses, e.g. B. reduced by turbulence of the ink flow.
  • the energy losses are influenced by the shape of the nozzles.
  • the nozzles are conical in the subject of DE-OS 25 27 647 and have a circular cross section.
  • the smaller outlet opening has a diameter of approx. 50 pm so that a suitable droplet volume is obtained.
  • the larger inlet opening has a diameter of at least 150 ⁇ m if an increase in ink flow speed by a factor of 9 is required.
  • the nozzles In order to get a clear tender, the nozzles must be placed close together. If the distance between each nozzle z. B. should be 250 microns, it is very complicated and therefore expensive to maintain the appropriate diameter of the inlet opening of the nozzles. Also the piezoelectric transducers must be very close to each other since they should cover the inlet opening of the nozzles. This is also practically difficult to do.
  • the invention has for its object to provide a writing instrument of the type mentioned, in which the inlet openings of the nozzles can be kept large in a structurally simple manner, without sacrificing the close mutual distance between the nozzles. Good hydraulic separation of the nozzles should also be provided.
  • the inlet opening has a preferably elongated cross-sectional shape which deviates from the circular shape and, with its longitudinal extent, extends essentially transversely to the direction of the row of nozzles. Because of the elongated shape of the inlet opening, the inlet surface can be kept large even when the nozzles are closely spaced from one another. Furthermore, the distance from one edge of one nozzle to the opposite edge of the adjacent nozzle is relatively large. This makes the manufacture of the carrier with the nozzles easier and cheaper. Furthermore, good hydraulic separation of the nozzles has been achieved, which allows a high writing speed.
  • the record carrier 3 shows the outer basic structure of a known writing instrument.
  • the record carrier 3 z. B. normal registration paper, drawn in the direction of arrow 4 over a spacer 5 on the side 6 of the housing 7.
  • the connecting line 8 is guided, which is provided at its free end with a plug 9 for connection to a control device, not shown, which supplies the control signals for recording the desired courses, characters or images.
  • the side 6 is the side of a carrier 10 which has a number of conical nozzles 11 arranged next to one another in such a way that the nozzle inlet opening 12 for the ink present in the housing 7 is larger than the nozzle outlet opening 13.
  • rods or transducers 14 made of piezoelectric material are present in the housing 7, which are contacted and arranged in such a way that, with appropriate electrical control, they write liquid in the form of a droplet from the nozzle 11 inject.
  • the piezo comb consisting of the transducer 14 and the comb back 15 is arranged parallel to the plane of the carrier 10.
  • the free end area of the individual transducers 14 is located in front of the individual nozzles 11 of the row of nozzles.
  • the comb back 15 is screwed with a fastening screw set 16 onto the carrier 10 receiving the row of nozzles.
  • the inlet openings 12 of the nozzles 11 which are arranged in series are arranged very closely next to one another, which makes the manufacture considerably more difficult. As a result, there is only poor hydraulic separation of the nozzles 11. It is also shown that the transducers must be attached very closely to one another in order to cover the nozzle inlet openings 12.
  • the inlet opening 17 of a nozzle 18 according to the invention has a circular shape has a different, elongated cross-sectional shape and extends with its longitudinal extension transverse to the direction of the nozzle row. It can be seen from the figure that the transverse extent of the inlet opening 17 corresponds to that of the outlet opening 19.
  • the ratio of the areas of inlet opening 17 from Aus. Step opening 19 is preferably 10: 1.
  • the inlet opening is essentially rectangular, the corners being rounded.
  • the transverse extent of the inlet opening 17 is at least a factor 1.5 smaller than the nozzle spacing in a row. Because of the inventive design of the inlet openings 17 of the nozzles, the distance from one edge to the opposite edge of an adjacent nozzle is relatively large. The entry area of the nozzles can be kept large despite the nozzle spacing being maintained. Because of the shape of the inlet opening, the distance between adjacent transducers 14 increases while the nozzle distance remains the same, which simplifies production and reduces the mechanical coupling.
  • Fig. 2- is shown in more detail that the connecting edge surface 20 between the inlet opening 17 and outlet opening 19 funnel-shaped, z. B. is exponential. Because of this shape, the energy losses, e.g. B. generated due to turbulence in the ink flow, largely avoided.
  • the angle of the funnel surface is also selected such that total reflection of a pressure wave applied to the inlet opening 17 is avoided during operation.
  • the shape of the transducer can also be the same Surfaces to be adjusted. This increases the distance between adjacent transducers, which significantly simplifies production.

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

Abstract

Bei einem mit Flüssigkeitströpfchen arbeitenden Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung von Zeichen oder Bildern sind zum Schreiben der einzelnen Punkte in einem gemeinsamen Träger reihenweise Düsen mit grossflächiger Eintritts- und relativ dazu kleiner Austrittsöffnung angeordnet, denen eine gleiche Zahl piezoelektrischer Wandler zugeordnet ist. Um bei kleinem Düsenabstand die hydraulische Trennung zwischen benachbarten Düsen zu erhöhen, ohne deren Eintrittsöffnung zu verringern, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Eintrittsöffnung (17) eine von der Kreisform abweichende, langgestreckte Querschnittsform aufweist und mit ihrer Längsausdehnung quer zur Richtung der Düsenreihe verläuft. Durch die erfindungsgemässen Düsen (18) lässt sich die Schreibgeschwindigkeit wesentlich erhöhen. Sind die Wandler der Form der Eintrittsöffnung (17) angepasst, so wird zusätzlich die mechanische Kopplung zwischen benachbarten Wandlern herabgesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoger Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wobei zum Schreiben der einzelnen Punkte reihenweise in einem gemeinsamen Träger angeordnete Düsen mit grossflächiger Eintrittsöffnung und relativ dazu kleiner, im wesentlichen punktförmiger Austrittsöffnung vorhanden sind, wobei vor den Eintrittsöffnungen eine gleiche Anzahl parallel zueinander liegende piezoelektrische Wandler angeordnet und die Kontaktierung der Wandler so vorgenommen ist, dass bei elektrischen Spannungsänderungen durch die erzeugten piezoelektrischen Bewegungen Schreibflüssigkeit aus der Düse herausgestossen und auf einen vor der Austrittsöffnung der Düsen angeordneten Aufzeichnungsträger aufgebracht wird.
  • Ein solches Schreibgerät ist durch die DE-OS 25 27 647 bekannt. Bei einem derartigen Schreibgerät erzeugen die piezoelektrischen Wandler eine Flussgeschwindigkeit der Tinte im Bereich unmittelbar vor jedem Wand- 'ler. Diese Geschwindigkeit wäre aber nicht ausreichend, damit ein Tintentröpfchen sich von der Oberfläche einer öffnung im Träger freimacht und diese verlässt. Erst durch Verwendung von Düsen als geschwindigkeitstransformierende Elemente ergibt sich eine ausreichende Geschwindigkeit.
  • Entscheidend für die Geschwindigkeitstransformation ist das Flächenverhältnis zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung der Düsen. Der Transformationsfaktor wird maximal gleich diesem Verhältnis. Der Transformationsfaktor wird jedoch in der Praxis aufgrund von Energieverlusten, z. B. durch Turbulenz des Tintenflusses, reduziert. Die Energieverluste werden von der Form der Düsen beeinflusst.
  • Die Düsen sind beim Gegenstand der DE-OS 25 27 647 konisch ausgebildet und weisen einen kreisrunden Querschnitt auf. Die kleinere Austrittsöffnung hat einen Durchmesser von ca. 50 pm, damit ein geeignetes Tröpfchenvolumen erhalten wird. Die grössere Eintrittsöffnung weist einen Durchmesser von mindestens 150 um auf, wenn eine Geschwindigkeitserhöhung des Tintenflusses um einen Faktor 9 gefordert wird. Um einen deutlichen Ausschrieb zu erhalten, müssen die Düsen eng nebeneinander angebracht sein. Wenn der Abstand zwischen jeder Düse z. B. 250 µm betragen soll, ist es sehr kompliziert und daher auch teuer, den geeigneten Durchmesser der Eintrittsöffnung der Düsen einzuhalten. Ausserdem müssen die piezoelektrischen Wandler sehr eng aneinanderliegen, da sie die Eintrittsöffnung der Düsen abdecken sollen. Auch das ist praktisch schwer durchzuführen. Ferner ergibt das enge Nebeneinanderliegen der Düseneintrittsöffnungen eine störende hydraulische Kopplung zwischen den Düsen, weswegen die Schreibgeschwindigkeit für ein deutliches Schriftbild stark vermindert werden muss, d. h. der zeitliche Abstand zwischen dem Aktivieren zweier benachbarter Wandler muss verlängert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schreibgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Eintrittsöffnungen der Düsen in eine konstruktiv einfache Art gross gehalten werden können, ohne auf den engen gegenseitigen Abstand der Düsen zu verzichten. Ferner soll eine gute hydraulische Trennung der Düsen gegeben sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Eintrittsöffnung eine von der Kreisform abweichende, vorzugsweise langgestreckte Querschnittsform aufweist und mit ihrer'Längsausdehnung im wesentlichen quer zur Richtung der Düsenreihe verläuft. Wegen der langgestreckten Form der Eintrittsöffnung kann die Eintrittsfläche auch bei gegenseitig engem Abstand der Düsen gross gehalten werden. Ferner ist der Abstand von der einen Kante einer Düse zur gegenüberliegenden Kante der benachbarten Düse verhältnismässig gross. Damit ist die Herstellung des Trägers mit den Düsen einfacher und billiger. Ferner ist dadurch eine gute hydraulische Trennung der Düsen erzielt worden, was eine hohe Schreibgeschwindigkeit zulässt.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Draufsicht auf Eintrittsöffnungen erfindungsgemässer Düsen,
    • Fig. 2 einen Schnitt durch eine Düse gemäss Schnittlinie II-II von Fig. 1,
    • Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Schreibgerätes,
    • Fig. 4 eine Seitenansicht eines als Biegeschwinger arbeitenden piezoelektrischen Wandlers, und
    • Fig. 5 eine Draufsicht auf eine kammartig ausgebildete piezoelektrische Wandleranordnung mit zugeordneten Düsen der bekannten Art nach Fig. 4.
  • Aus Fig. 3 ist der äussere Prinzipaufbau eines bekannten Schreibgerätes ersichtlich. über die Transportrollen 1 und 2 wird der Aufzeichnungsträger 3, z. B. normales Registrierpapier, in Richtung des Pfeiles 4 über einen Abstandhalter 5 an der Seite 6 des Gehäuses 7 vorbeigezogen. In das Gehäuse 7 ist die Anschlussleitung 8 geführt, die an ihrem freien Ende mit einem Stecker 9 zum Anschluss an ein nicht dargestelltes Steuergerät versehen ist, das die Steuersignale für die Aufzeichnung der gewünschten Verläufe, Zeichen oder Bilder liefert.
  • In Fig. 4 ist dargestellt, wie die Seite 6 parallel zum Aufzeichnungsträger 3 angebracht ist. Die Seite 6 ist die Seite eines Trägers 10, der eine Anzahl in einer Reihe nebeneinander angeordnete konusförmige Düsen 11 aufweist derart, dass die Düseneintrittsöffnung 12 für die im Gehäuse 7 vorhandene Tinte grösser ist als die Düsenaustrittsöffnung 13. Ausser der Schreibflüssigkeit sind im Gehäuse 7 Stäbe oder Wandler 14 aus piezoelektrischem Material vorhanden, die derart kontaktiert und angeordnet sind, dass sie bei entsprechender elektrischer Ansteuerung Schreibflüssigkeit in Form eines Tröpfchens aus der Düse 11 spritzen.
  • Die Wandler 14, die als Zähne eines Kammes.ausgebildet sind (Fig. 5), arbeiten als Biegeschwinger. Dabei ist der aus dem Wandler 14 und dem Kammrücken 15 bestehende Piezokamm parallel zur Ebene des Trägers 10 angeordnet. Der freie Endbereich der einzelnen Wandler 14 befindet sich vor den einzelnen Düsen 11 der Düsenreihe. Der Kammrücken 15 ist mit einem Befestigungsschraubsatz 16 auf dem die Düsenreihe aufnehmenden Träger 10 angeschraubt. Bei.Anlegen von elektrischer Spannung an die Kontaktierungen eines Wandlers 14 bewegt sich dieser in die in Fig. 4 gestrichelt dargestellte Position. Bei einer Unterbrechung der angelegten Spannung schnellt er zurück in die nicht gebogene, mit durchgezogenen Linien gezeichnete Stellung und drückt dabei ein Tröpfchen Schreibflüssigkeit durch die Düse 11.
  • Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die in Reihe angebrachten Eintrittsöffnungen 12 der Düsen 11 sehr eng nebeneinander angebracht, was die Herstellung erheblich erschwert. Dadurch ist nur eine schlechte hydraulische Trennung der Düsen 11 vorhanden. Ferner ist dargestellt, dass die Wandler sehr eng aneinander angebracht werden müssen, um die Düseneintrittsöffnungen 12 zu decken.
  • In Fig. 1 ist dargestellt, dass die Eintrittsöffnung 17 einer erfindungsgemässen Düse 18 eine von der Kreisform abweichende, langgestreckte Querschnittsform aufweist und mit ihrer Längsausdehnung quer zur Richtung der Düsenreihe verläuft. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Querausdehnung der Eintrittsöffnung 17 derjenigen der Austrittsöffnung 19 entspricht. Das Verhältnis der Flächen von Eintrittsöffnung 17 aus Aus- . trittsöffnung 19 beträgt vorzugsweise 10:1. Die Eintrittsöffnung ist im wesentlichen rechteckförmig, wobei die Ecken abgerundet sind. Die Querausdehnung der Eintrittsöffnung 17 ist um mindestens einen Faktor 1,5 kleiner als der Düsenabstand in einer Reihe. Wegen der erfindungsgemässen Ausbildung der Eintrittsöffnungen 17 der Düsen ist der Abstand von einer Kante zur gegenüberliegenden Kante einer benachbarten Düse verhältnismässig gross. Die Eintrittsfläche der Düsen kann aber- trotz beibehaltenem Düsenabstand gross gehalten werden. Wegen der Form der Eintrittsöffnung vergrössert sich der Abstand zwischen benachbarten Wandlern 14 bei gleichbleibendem Düsenabstand, wodurch die Herstellung vereinfacht und die mechanische Kopplung verringert wird.
  • In Fig. 2-ist näher dargestellt, dass die Verbindungsrandfläche 20 zwischen Eintrittsöffnung 17 und Austrittsöffnung 19 trichterförmig, z. B. exponentiell ist. Wegen dieser Form werden die Energieverluste, die z. B. aufgrund von Turbulenz im Tintenfluss erzeugt werden, weitgehend vermieden. Der Winkel der Trichterfläche ist ausserdem derart gewählt, dass im Betrieb Totalreflexion einer an der Eintrittsöffnung 17 applizierten Druckwelle vermieden wird.
  • Weiter kann bei den erfindungsgemässen, langgestreckten Düsen-Eintrittsöffnungen die Form der Wandler diesen Flächen angepasst sein. Dadurch vergrössert sich der Abstand zwischen benachbarten Wandlern, wodurch sich die Fertigung wesentlich vereinfacht.

Claims (8)

1. Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoger Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wobei zum Schreiben der einzelnen Punkte reihenweise in einem gemeinsamen Träger angeordnete Düsen mit grossflächiger Eintrittsöffnung und relativ dazu kleiner, im wesentlichen punktförmiger Austrittsöffnung vorhanden sind, wobei vor den Eintrittsöffnungen eine gleiche Anzahl parallel zueinander liegende piezoelektrische Wandler angeordnet und die Kontaktierung der Wandler so vorgenommen ist, dass bei elektrischen Spannungsänderungen durch die erzeugten piezoelektrischen Bewegungen Schreibflüssigkeit aus der Düse herausgestossen und auf einen vor der Austrittsöffnung der Düsen angeordneten Aufzeichnungsträger aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Eintrittsöffnung (17) eine von der Kreisform abweichende, vorzugsweise langgestreckte Querschnittsform aufweist und mit ihrer Längsausdehnung im wesentlichen quer zur Richtung der Düsenreihe verläuft.
2. Schreibgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Querausdehnung der Eintrittsöffnung (17) derjenigen der Austrittsöffnung (19) entspricht.
3. Schreibgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Verhältnis der Flächen von Eintrittsöffnung (17) zu Austrittsöffnung (19) zwischen 5:1 und 25:1, vorzugsweise etwa 10:1, beträgt.
4. Schreibgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Eintrittsöffnung (17) im wesentlichen rechteckförmig ist, wobei die Ecken vorzugsweise abgerundet sind.
5. Schreibgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Querausdehnung der Eintrittsöffnung (17) um mindestens einen Faktor 1,5 kleiner ist als der Düsenabstand in einer Reihe.
6. Schreibgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Verbindungsrandfläche (20) zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung (17, 19) trichterförmig, vorzugsweise exponentiell ist.
7. Schreibgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass der Winkel der Trichterfläche derart gewählt ist, dass im Betrieb Totalreflexion einer an der Eintrittsöffnung applizierten Druckwelle vermieden wird.
8. Schreibgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die einzelnen Wandler (14) der Form der Eintrittsfläche (17) angepasst sind.
EP82102955A 1981-04-08 1982-04-06 Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät Expired EP0062353B1 (de)

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