DE2560573C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tintendüsenanordnung für Tintentröpfchendrucker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Tintendüsenanordnung dieser Art (DE-OS 22 62 107) erzeugt zwar der Vorratsbehälter einen im wesentlichen konstanten Druck, ein im wesentlichen konstanter Druck im Zwischenspeicher wird dadurch aber nur erreicht, daß im Zwischenspeicher ein Luftpolster vorgesehen ist. Bei Tintentröpfchendruckern der hier interessierenden Art, nämlich solchen, die mit einer plötzlichen Volumenverminderung der einzelnen Kammern und damit sich zwangsläufig daran anschließender Volumenvergrößerung arbeiten, ist es erforderlich, daß das Tintensystem vollständig luftfrei ist und keine Kavitation auftritt. In der Tinte gelöste Gase, die während des negativen Druckimpulses austreten können, müssen deshalb entfernt werden. Das läßt sich durch Kochen der Tinte oder durch ein Unterdruckentlüftungsverfahren erreichen. Wird eine solche "entgaste" Tinte atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt, wird sie sehr schnell Gase wieder aufnehmen, um ihren ursprünglichen Gleichgewichtszustand wieder zu erlangen. Das Luftpolster im Zwischenspeicher der bekannten Tintendüsenanordnung führt deshalb zu Störungen im Betrieb des Tintentröpfchendruckers. Ferner sind bei der bekannten Tintendüsenanordnung lange Tintenleitungen zwischen dem Zwischenspeicher und den einzelnen Tintenkammern vorgesehen, um die Druck- und Saugimpulse vom Zwischenspeicher fernzuhalten. Solche langen Leitungen haben einen erheblichen Raumbedarf, so daß der Schreibkopf eines Tintentröpfchendruckers unerwünscht groß und damit schwer wird, was bei mechanisch bewegten Teilen immer unerwünscht ist.

Bei anderen bekannten Tintendüsenanordnungen für Tintentröpfchendrucker (DE-AS 22 10 512, 23 11 383) ist kein Zwischenspeicher vorgesehen, sondern die einzelnen Tintenkammern sind über Fluidik-Elemente mit Richtwirkung an eine zum Vorratsbehälter führende Leitung angeschlossen. Solange Einzeldüsen, und entsprechend einzelne Tintenkammern, mit Tinte zu versorgen sind, ist diese Anordnung der mit Zwischenspeicher zweifellos überlegen, wenn jedoch mehrere Düsen eng beieinander angeordnet werden sollen, wie das zur Erzielung eines Punktrasters bei sogenannten Matrixdruckern allgemein üblich ist, um auf wirtschaftlich brauchbare Schreibgeschwindigkeiten zu kommen, wird der Aufwand, insbesondere hinsichtlich des Raumbedarfs, unvertretbar groß.

Für alle diese bekannten Düsenanordnungen gilt, daß eine relativ starke Abhängigkeit vom Druck im Vorratsbehälter besteht, denn dieser darf zur Erzielung einer einwandfreien Arbeitsweise nur innerhalb sehr enger Grenzen liegen. Damit ergibt sich wiederum eine gewisse Lageabhängigkeit des gesamten Tintentröpfchendruckers, die selbstverständlich unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Tintendüsenanordnung der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, die eine raumsparende Bauweise auch bei einer großen Anzahl von Tintenkammern erlaubt, insbesondere auch dann, wenn mehrere Tintenkammern in einer Ebene nebeneinanderliegen, und bei der überdies die obere Grenze für den Druck im Vorratsbehälter praktisch beseitigt ist. Wenn mehrere oder sogar alle zusammengehörigen Tintenkammern in einer gemeinsamen Ebene liegen, wird einerseits die Herstellung vereinfacht und andererseits eine visuelle Beobachtung des Druckbildes unmittelbar nach dem Druck ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Aus der US-PS 30 83 689 ist es bekannt, in der Tintenleitung von einem Vorratsbehälter zum Schreibstift eines Oszillographen zur Dämpfung von Impulsen eine elastische Kammer aufzunehmen bzw. eine Wand der Tintenleitung als Membran auszuführen, um Stoßwellen oder dgl. in der Tinte zu dämpfen, die durch die schnellen Bewegungen eines Oszillographenschreibstiftes hervorgerufen werden und ohne eine solche Dämpfung zu unregelmäßigem Tintenfluß zum Schreibstift führen würden.

Aus der DE-OS 23 46 558 ist es in Verbindung mit einem Tintenstrahldrucker, der einen Strom gleich beabstandeter Tintentropfen erzeugt, die elektrisch aufgeladen und mit Ablenkelektroden in die gewünschte Richtung gelenkt werden, bekanntgeworden, den Förderpumpenantrieb in Abhängigkeit vom Druck in der Pumpenkammer zu regeln. Bei einer Tintendüsenanordnung für Tintentröpfchendrucker würde eine derartige Regelmöglichkeit einerseits einen praktisch nicht mehr vertretbaren Aufwand erfordern, da ja eine solche Regelmöglichkeit für jede einzelne Tintenkammer vorgesehen werden müßte, und andererseits zu einer extrem störanfälligen Anordnung führen, weil jeweils der Abgleich aller Tintenkammern der gesamten Anordnung für den vollen Druckbereich erfolgen müßte, eine Bedingung, die über längere Betriebszeiten hin mit Sicherheit nicht eingehalten werden kann.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Bestandteile einer Tintendüsenanordnung als Explosionszeichnung,

Fig. 2 die Aufsicht auf einen Teil der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Steuerschaltung zur Verwendung in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Tintendüsenanordnung 10 mit sieben Tintenschreibdüsen. Sieben solche Schreibeinrichtungen sind mit handelsüblichen Zeichengeneratoren kompatibel, welche eine Matrix von fünf Punkten in der Breite und sieben Punkte in der Höhe verwenden. Das System arbeitet jedoch auch unter Verwendung anderer Punktmatrizen und einer Düsenanordnung mit fünf bis sechzehn Düsen für die Vertikale der Matrix ebenfalls gut.

Fig. 2 zeigt den unteren Teil einer Düsenanordnung, die aus einer keramischen Grundplatte 11 besteht, die mit Höhlungen versehen ist, welche in diese hineingeätzt sind, um die einzelnen Druckelemente zu bilden. Die Grundplatte 11 besitzt hier sieben Düsen 12, sieben Zuführungen 13 und sieben Tintenkammern 14. Über den Tintenkammern ist im oberen Teil der Düsenanordnung nach Fig. 1 eine Deckplatte 18 angeordnet, auf der sieben piezoelektrische Kristalle 21 bis 27 angebracht sind. Die Platte 11 besitzt ferner eine eingeätzte Impulssperrkammer 16, die mit einer Tintenkammer auf der den Düsen 12 entgegengesetzten Seite in Verbindung steht. Die Impulssperrkammer 16 dient, wenn sie mit Tinte gefüllt ist, zur Absorption des nach rückwärts gerichteten Druckes der Tinte. Zum Drucken wird jeweils ein Tintentröpfchen aus der entsprechenden Düse 12 zu einem Aufzeichnungsmedium 15 hin ausgestoßen, wenn der Deckelteil 18 durch einen der Kristalle 21 bis 27 in einer der Tintenkammern 14 ausgelenkt wird, während gleichzeitig Tinte in Richtung auf die Impulssperrkammer 16 zurückgedrückt wird. Das auf diese Weise in der Tintenkammer 14 verdrängte Volumen muß notwendigerweise das Volumen eines ausgestoßenen Tintentröpfchens übersteigen.

Jedes Tröpfchen wird aus einer Düse 12 durch eine plötzliche Volumenreduktion in einer ausgewählten Kammer 14 ausgestoßen. Diese plötzliche Volumenreduktion wird durch Kontraktion des darüberliegenden Kristalls aufgrund eines elektrischen Signals erzeugt, wobei die Deckplatte 18 in die ausgewählte Kammer 14 ausgelenkt wird, so daß genügend Tinte zur Bildung eines Tröpfchens verdrängt wird. Die Auslenkung muß genügend schnell erfolgen, um eine hinreichende kinetische Energie der Flüssigkeit in der zugehörigen Düse 12 zu erteilen, um wiederum einen Teil des Tröpfchens über die Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Fluchtgeschwindigkeit ist die Minimalgeschwindigkeit, welche bewirkt, daß sich aus der Düse austretende Tintenpartikel von der Düse abtrennen und ein freies Tröpfchen bilden.

Die Fluchtgeschwindigkeit kann durch Gleichsetzung der kinetischen Energie des Tröpfchens mit der Energie erhalten werden, die erforderlich ist, um die Oberfläche des Tröpfchens zu bilden:

Dabei ist σ die Oberflächenspannungskonstante der Flüssigkeit, ρ ist die Dichte der Flüssigkeit und D der Durchmesser des Tröpfchens. Beispielsweise beträgt die Fluchtgeschwindigkeit eines Wassertröpfchens mit 0,015 cm Durchmesser 167 cm pro Sekunde.

Um dies zu erreichen, muß der Kristall, welcher auf der Ablenkplatte 18 angebracht ist, einen Flüssigkeitsdruck erzeugen, der geeignet ist, eine Beschleunigung der Flüssigkeit in der Düse aus dem Ruhestand bis zu einer Geschwindigkeit, die oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit liegt, zu erreichen, und zwar in der Zeit, in der die Flüssigkeit sich soweit bewegt hat, daß sich eine Art Stift mit etwa dem Durchmesser eines Tröpfchens an der Mündung der Düse gebildet hat. Dieser Minimaldruck ergibt sich aus:

Dabei bezeichnet K eine dimensionslose Konstante für eine vorgegebene Geometrie der Anordnung, σ die Oberflächenspannungskonstante und D den Tröpfchendurchmesser. K besitzt üblicherweise einen Wert zwischen 4 und 40. Für ein Wassertröpfchen mit 0,015 cm Durchmesser, das von einem Kopf mit der Konstante K=10 ausgestoßen wird, besitzt der Minimaldruck einen Wert von 2,8 N/cm². Die ausgelenkte Deckplatte 18 muß auch eine Flüssigkeitsmenge verdrängen, die größer als das Volumen des auszustoßenden Tröpfchens ist, da ein Teil der durch die Druckplatte verdrängten Flüssigkeit rückwärts in die Impulssperrkammer 16 fließt.

Nach Ausstoßen eines Tröpfchens kehrt die Platte in ihre Ruhelage zurück, und der Meniskus der Flüssigkeit wird in die Mündung etwa einen Tröpfchendurchmesser weit zurückgezogen. Diese Flüssigkeit muß ersetzt werden, bevor der Drucker erneut aktiviert werden kann, um ein weiteres Tröpfchen auszustoßen, und die Kapillarwirkung der Flüssigkeit in der Mündung liefert die erforderlichen Kräfte. Wegen dieses Nachfüllvorganges wird die Maximalgeschwindigkeit, bei der Tröpfchen ausgestoßen werden können, etwa aus folgender Beziehung bestimmt:

Tröpfchenfolgen höher als 50 000 Tröpfchen pro Sekunde lassen sich bei diesem System in Abhängigkeit von dem Wert der Konstante K erzeugen, die wiederum von der Geometrie der Anordnung abhängig ist.

Die Wirkung des Kristalls auf der Deckplatte 18 ist derart, daß, wenn der Kristall in die Ruhelage zurückkehrt, ein negativer Druckimpuls erzeugt wird, der etwa gleich der Größe des positiven Druckimpulses ist. Der negative Druckimpuls kehrt die Richtung des Flüssigkeitsstromes in der Düse um, was die Abtrennung eines aus der Düse herausragenden Flüssigkeitspartikels unterstützt, der ein freies Tröpfchen bildet. Der Maximaldruck, bei dem der Kopf betrieben werden kann, bestimmt sich aus der Kavitation, d. h. dem schlagartigen Ansteigen des Unterdruckes während des entsprechenden negativen Druckimpulses. Der Kavitationseinsatz läßt sich analytisch sehr schwer ausdrücken, da dieser, abgesehen von anderen Parametern, von der Frequenz und der Viskosität abhängig ist. In der Praxis kann als obere Grenze für den Druck im Schreibkopf der Wert von 35 N pro cm² angenommen werden.

Eine Öffnung 17 für die Tintenzufuhr liegt zwischen einem Tintenvorratsbehälter 5 und einer Ventilanordnung, die nachstehend beschrieben wird. Hierzu sei wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Grundplatte 11 besitzt eine Deckplatte 18, welche über dieser angebracht ist, so daß sie die Kammern, Düsen und Zuführungen, die vorher beschrieben worden sind, umschließt. Im Gegensatz zu der Platte 11, die eingeätzte Kammern enthält, besitzt die Deckplatte 18 lediglich zwei Öffnungen: eine große Öffnung, welche die Impulssperrkammer 16 bildet, und eine Ventilöffnung 19. Jede der Platten 11 und 18 kann aus Keramikmaterial hergestellt werden. Über der Deckplatte 18 und mit dieser verbunden sind sieben piezoelektrische Kristalle 21 bis 27. Auf der Unterseite der unteren Platte 11 ist ein Röhrenflansch 28 angebracht, welcher in die Öffnung 17 (Fig. 2) paßt. Eine Röhre 6 verbindet den Tintenvorratsbehälter 5 mit dem Flansch 28.

Auf der Oberseite der Anordnung ist an der Ventilöffnung 19 eine Ventildichtung 29 angebracht. Oberhalb der Deckplatte 18 befindet sich an den zwei Öffnungen 16 und 19 eine Membran 31. Die Membran 31 besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Material. Die Membran 31 bildet die obere Wand der Impulssperrkammer 16. Über der Membran 31 ist ein vorzugsweise aus Stahl hergestellter Rahmen 32 für den Druckregler angebracht. Der Rahmen 32 besitzt üblicherweise eine im wesentlichen der Membran 31 entsprechende Gestalt, da beide die Kammer 16 ebenso wie die Ventilöffnung 19 überdecken. Der Rahmen 32 besitzt eine ausgestanzte Öffnung, die auf die Öffnung 19 in der Platte 11 paßt, und einen weiteren u-förmigen Einschnitt, der eine lange Zunge 33 bildet. Die Zunge 33 ist durch Nachobenfalten der beiden Seiten geformt, um ein U-Profil mit einem langen Angriffsarm zu schaffen. Die Bewegung der Zunge 33 wird durch einen Riegel 34 begrenzt, der mit dem Rahmen 32 verbunden ist. An der Basis der Zunge 33 sind zwei Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 angebracht, von denen einer zur Messung der Dehnung an dem Punkt dient, an dem die Zunge 33 mit dem üblichen Teil des Rahmens 32 verbunden ist, während der zweite Dehnungsmeßstreifen als Bezugsmeßeinrichtung vorgesehen ist. Wie noch erläutert wird, erfassen die Dehnungsmeßstreifen den Druck in der Impulssperrkammer 16. Wenn die Tinte in die Impulssperrkammer 16 unter größerem Druck hineinfließt, wird die Membran 31 und die darüberliegende Zunge 33 angehoben. Hebt sich die Zunge 33, so bildet diese eine größere Spannung in dem Dehnungsmeßstreifen 36, die durch Vergleich mit dem Bezugsstreifen 37 zur elektrischen Anzeige des Druckes innerhalb der Impulssperrkammer 16 dient.

Zeigt der Dehnungsmeßstreifen 37 eine Dehnung entsprechend einer Druckänderung, so erzeugt er ein elektrisches Signal, welches, wie noch näher nachstehend erläutert wird, die Öffnung eines Sperrventils in Abhängigkeit vom gemessenen Druck bewirkt. Das Sperrventil regelt den Tintenfluß durch die Öffnung 19. Das Sperrventil besteht aus einem Pfropfen 38, der durch einen Ventilsitz 39, die Membran 31 und eine Dichtung 29 gehalten wird. Hebt sich der Pfropfen 38 von der Öffnung 19, so wird der Durchfluß der Tinte durch die Öffnung 19 in die Impulssperrkammer 16 unter der Membran 31 freigegeben.

Der Steuerpfropfen 38 wird durch den Ventilsitz 39 geführt. Der Ventilsitz 39 besteht aus einer vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigten Druckplatte, die direkt auf der Deckplatte 18 befestigt ist. Mit dem Ventilsitz 39 ist ein piezoelektrischer Kristall 41 verbunden, der durch die Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 elektrisch mittels einer Schaltung, die in Fig. 3 dargestellt ist, gesteuert wird. Ermittelt der Dehnungsmeßstreifen 36 eine Änderung der Dehnung wegen eines Anhebens oder Senkens der Zunge 33, so liefert dieser ein elektrisches Signal an die Schaltung, die wiederum ein entsprechendes Zusammenziehen oder Ausdehnen des piezoelektrischen Kristalls 41 in Abhängigkeit von der Dehnung hervorruft, wodurch das Sperrventil geöffnet oder geschlossen wird.

Die Einstellschraube 40 dient zur Einstellung des Ventilsitzes 39, so daß kein Tintenfluß durch die Öffnung 19 stattfindet, wenn keine Spannung an dem Kristall 41 liegt.

Fig. 3 zeigt die Schaltung der Druckregeleinrichtung. Die Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 sind in Reihe mit einer 5-Volt-Gleichspannungsquelle geschaltet, und an ihrem Verbindungspunkt ist die eine Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 30 angeschlossen. Ein einstellbarer Widerstand 20 in Serie mit einem Festwiderstand 35 ist den Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 und der 5-Volt-Gleichspannungsquelle parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände 20 und 35 ist mit der anderen Eingangsklemme des Differenzverstärkers 30 verbunden. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 30 wird dem Kristall 41 zugeführt und entspricht der Differenz der Eingangssignale an der Verstärkerschaltung 30. Der veränderbare Widerstand 20 ist derart bemessen, daß seine Einstellung den Abgleich des Systems für den normalen Ruhedruck gestattet, der in der Impulssperrkammer 16 gemessen werden kann (Fig. 1). Üblicherweise wird ein leichter negativer Druck innerhalb der Impulssperrkammer 16 bevorzugt, um einen nach Innen gerichteten Meniskus in jeder der Düsen zu erzielen. Es ist jedoch jeder Druck zulässig, solange die Tinte in den Düsen bleibt und nicht aus den Düsen heraustropft. Ist der Widerstand 20 auf die gewünschte Einstellung gebracht, so wird der Dehnungsmeßstreifen 36 auf die Messung der Dehnung infolge der Auslenkung der Membran 31 eingestellt. Das Ausgangssignal der Druckregelschaltung gemäß Fig. 3 liegt am piezoelektrischen Kristall 41, welcher den Ventilsitz 39 zum Öffnen und Schließen des Kugelventils 38 gegen die Ventildichtung 29 veranlaßt.

Die sieben Kristalle 21 bis 27 sind jeweils mit der Oberseite der Deckplatte 18 verbunden und zu ihren zugehörigen Kammern innerhalb der Platte 11 der Anordnung ausgerichtet. Die Kristalle 21 bis 27 sind mit einer gedruckten Schaltungsplatte 42 über entsprechende Leiter (nicht dargestellt) elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise sind Leitungen von der Platte 42 zu den Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 sowie zu dem piezoelektrischen Kristall 41 zur Steuerung des Systems geführt. Die gedruckte Schaltungsplatte 42 ist mit einem vierzehnadrigen Flachbandkabel 43 an eine gedruckte Widerstandsschaltung 44 angeschlossen und darauf an einen Stecker 46 mit vierzehn Stiften. Die ganze in Fig. 1 dargestellte Teilezusammenstellung bildet eine Druckkopfanordnung mit einer Batterie von sieben Tintendüsen.

Claims (3)

1. Tintendüsenanordnung für Tintentröpfchendrucker, bestehend aus einem Gehäuse (11, 18), das eine Anzahl Tintenkammern (14) und je eine zugehörige Düse (12) aufweist, Einrichtungen (21 . . . 27) zur plötzlichen Volumenverminderung der einzelnen Kammern (14) aufgrund eines Signals, und einer Tintenversorgungseinrichtung, die einen Vorratsbehälter (5), eine Leitung (6) und einen Zwischenspeicher aufweist, an den die einzelnen Tintenkammern (14) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher als zur Dämpfung von Stoßwellen an sich bekannte, luftfreie Impulssperrkammer (16) im Gehäuse ausgebildet ist und dadurch zur Absorption des nach rückwärts gerichteten Druckes der Tinte dient, und daß eine Druckmeßeinrichtung, bestehend aus einer Membran (31), die sich über eine Öffnung (17, 19) erstreckt, die durch das Gehäuse (11, 18) in die Impulssperrkammer (16) führt, einer Zunge (33), die auf der Membran (31) derart schwenkbar angeordnet ist, daß sie Bewegungen der Membran (31) folgt, und auf die Bewegung der Zunge (33) ansprechenden Einrichtungen (36, 37), die Meß-Signale abgeben, zur Messung des Druckes in der Impulssperrkammer (16) und ein auf diese Meß-Signale ansprechendes Ventil (19, 29, 38, 39, 41) vorgesehen sind, das in der Leitung (6) vom Vorratsbehälter (5) zur Impulssperrkammer (16) liegt.

2. Tintendüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Bewegung der Zunge (33) ansprechenden Einrichtungen (36, 37) aus Dehungsmeßstreifen bestehen.

3. Tintendüsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (39) des Ventils in der Leitung (6) vom Vorratsbehälter (5) zur Impulssperrkammer (16) mittels einer Schraube (40) einstellbar ist, so daß kein Tintenfluß durch die Öffnung (19) stattfindet.