DE2830694A1

DE2830694A1 - Tintenstrahldruckkopf und damit ausgestattete vorrichtung zur erzeugung von troepfchenstroemen

Info

Publication number: DE2830694A1
Application number: DE19782830694
Authority: DE
Inventors: Charles Li-Tran Cha; Shou L Hou
Original assignee: Mead Corp
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1977-07-18
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1979-02-01
Also published as: NL181859B; FR2397883B1; IT7868191A0; IT1108651B; DE2830694C2; NL7803759A; BE868332A; BR7804585A; NL181859C; SE7807890L; SU969179A3; GB1592819A; US4138687A; IL54455A; FR2397883A1; CA1120089A; JPS5842830B2; SE438283B; JPS5421724A; CH632451A5

Description

- 7 Patentanwälte

DIpl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. 2830694

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen; M 1426 7.JuIi 1978

THE MEAD CORPORATION
COURTHOUSE PLAZA NORTHEAST
DAYTON, Ohio 45463 V.St.A.

Tintenstrahldruckkopf und damit ausgestattete Vorrichtung zur Erzeugung von Tröpfchenströmen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen und insbesondere auf die Erzeugung mehrerer gleichmässiger Flüssigkeitsfäden und Tröpfchen für die Verwendung in Druckgeräten, beispielsweise in Tintenstrahldruckern und dergleichen.

Die Erzeugung gleichmässiger Flüssigkeitsfäden und synchroner Tröpfchen ist besonders bei Tintenstrahldruckern von Nutzen, die mit mehreren Tintenstrahlen arbeiten; ein Beispiel eines solchen Tintenstrahldruckers ist in der US-PS 3 739 393 beschrieben. Bei der hier zu beschreibenden Erfindung wird Jedoch bei der Verwirklichung des eigentlichen Tröpfchenanregungsabschnitts des Druckers ein völlig anderer Weg beschritten.Allgemein sind in solchen Geräten eine oder mehrere Lochreihen vorgesehen, Schw/Ba

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die eine elektrisch leitende Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise eine Tinte auf Was'serbasis aus einem unter Druck stehenden Flussigkeitsvorratsbehälter empfangen; diese Lochreihen stossen die Flüssigkeit dabei in Reihen aus parallelen Strömen oder Strömungs£äden aus, die so angeregt sind, daß gleichmassig große Tröpfchen in einem gleichmässigen Abstand von den Löchern erzeugt werden.

Die Tröpfchen v/erden bei ihrer Bildung selektiv aufgeladen, indem Ladespannungeri an Ladeelektroden angelegt werden, die dicht bei den Strömungsfäden an der Stelle angebracht sind,an der sie in Tröpfchen aufbrechen. Auf diese Weise aufgeladene Tröpfchen werden von einem elektrischen Feld in einen in geeigneter Weise angebrachten Fänger abgelenkt. Nichtaufgeladene Tröpfchen durchlaufen das elektrische FeMohne Ablenkung und setzen sich auf einer Bahn ab, die quer zu den Bahnen der Tröpfchen mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt wird.

Die Druckinformation wird auf die Tröpfchen über das Aufladen übertragen. Damit mit dem höchstmöglichen Auflösungsvermögen gedrucktwird, sollten an die Ladeelektroden die LadeSteuerspannungen mit der gleichen Frequenz angelegt werden, mit der auch die Tröpfchen erzeugt werden. Dadurch kann jedes abgelagerte Tröpfchen eine Auflösungszelle bilden, die von den Auflösungszellen aller anderen Tröpfchen verschieden ist. Die Druckinformation kann außerdem nicht sauber auf die Tröpfchen übertragen werden, wenn nicht jede Ladeelektrode phasengleich mit der Tröpfchenerzeugung am zugehörigen Strömurigsfaden aktiviert wird_e Ist dies nicht der Fall, ergeben sich

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teilweise aufgeladene Tröpfchen, die den Fänger verfehlen und an falschen Stellen auf der Bahn auftreffen.

Es ist daher erkennbar, daß Tintenstrahldrucker der beschriebenen Art nur mit ihren maximalen Fähigkeiten betrieben werden können, wenn die Tröpfchen aller Ströme synchron mit ihren zugehörigen, der Datenübertragung dienenden Ladeimpulsen erzeugt werden. Dies erfordert wiederum entweder eine Maßnahme zur zeitlichen Steuerung der Tropfenerzeugung für jeden einzelnen Strömungsfaden oder eine Steuerung der Tropfenerzeugung in der Weise, daß die Zeit oder die Phase der Tropfenerzeugung vorherbestimmt werden.

Vom Standpunkt der Einfachheit aus, besteht die ideale Lösung darin, Tropfenanregungsstörungen an alle Strömungsfäden mit gemeinsamer Amplitude und exakt synchron anzulegen. Wenn alle Strömungsfäden den gleichen Durchmesser, die gleiche Geschwindigkeit und die gleichen Fließeigenschaften haben, dann haben sie auch alle die gleiche Länge, so daß sie die Tröpfchen synchron erzeugen. Diese synchrone Tröpfchenerzeugung erleichtert die gewünschte Datenphasenverriegelung, da eine Zeitmessung für einen Strömungsfaden gleichbedeutend mit einerZeitmessung für alle Strömungsfäden ist.

Zur Erzielung einer maximalen Druckqualität ist es wichtig, eine maximale Druckbreite zu erzielen. Damit diese maximale Druckbreite erreicht wird, dürfen in dem gesamten Feld aus Strömungsfäden nur minimale Energieschwankungen auftreten. Diese gleichmässige Energie drückt sich in Form gleichmässiger Strömungsfadenlängen innerhalb des Feldes aus. Zu große EnergieSchwankungen(strömungsfaden-

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längenänderungen) verursachen entweder die Erzeugung von Nebentröpfchen oder ein nichtlineares Verhalten des Strömungsfadens; beide Ergebnisse sind unannehmbare Bedingungen beim Drucken₀

In der erwähnten US-PS 3 739 393 erfolgt die Tropfenerzeugung mit Hilfe eines .Wanderwellenverfahrens. Dieses Verfahren ist sowohl hinsichtlich der maximalen Druckbreite als auch der Druckqualität eingeschränkt. Nach dieser Patentschrift laufen längs der Lochplatte mehrere Wander wellen, die die Strömungsfädeη bei ihrem Austreten anregen. Die Wellenausbreitung ist jedoch von einer Energiedämpfung begleitet, was eine stetige Verlängerung der Strömungsfäden längs des Feldes zur Folge hat. Die Änderungen der Strömungsfadenlängen werden schließlich zu groß, und die maximal ausnutzbare Druckbreite wird erreicht. Bei dieser Anordnung erzeugen die verschiedenen Strömungsfäden die Tröpfchen nicht gleichzeitig, sondern es liegt eine bekannte Phasenbeziehung zwischen ihnen vor. Die Anordnung kann in der Theorie mit einem besseren Auflösungsvermögen arbeiten, vorausgesetzt, daß jeder Datenkanal mit einer Phasenschieberschaltung ausgestattet wird, der die Phase der Schaltsteuersignale um einen Wert verschiebt, der eine Anpassung der bekannten Phasenverschiebung in der Tröpfchenerzeugung von Strömungsfaden zu Strömungsfaden ergibt. Diese Lösung erfordert eine umfangreiche Elektronik; sie ist in der Praxis schwierig zu verwirklichen, da unvorhersagbare Änderungen der Plattenwellenlänge ( und somit Phasenfehler ) vorliegen, die von ungleichmässigen Lochplattengrenzen verursacht werden. Selbst wenn eine solche Synchronisierung erreicht wird, kann die beste Druckqualität noch nicht erreicht

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werden, weil die Wanderwellenanregung eine schräg verlaufende Tröpfchenmatrix erzeugt und Tröpfchen in einer nicht horizontal verlaufenden .Reihe nicht gleichzeitig drucken. Es liegt eine lineare Zeitverzögerung längs der Reihe der Tröpfchen vor. Für jede volle Wellenlänge der BiegeSchwingungswelle in Sichtung der Längsachse der Lochplatte wird eine Zeitdifferenz von einer Periode beobachtet. Zur Verringerung der Schwierigkelten der Phasenverschiebung wurden bisher mehrere Tröpfchen zum Drucken eines einzigen Punkts benutzt. Dies geht jedoch auf Kosten der Druckgeschwindigkeit und der Druckqu.alität Es ist auch eine Erklärung dafür, warum die Druckqualität zunimmt, wenn die Druckgeschwindigkeit herabgesetzt wird.

Es ist versucht worden, die beiden aus der Wanderwellenanregung resultierenden Einschränkungen dadurch zu überwinden, daß die Flüssigkeit im Vorratsbehälter in Schwingungen versetzt wurde und die Lochplatte starr gehalten wurde. Dabei werden ein oder mehrere Wandler benutzt, die durch die Flüssigkeit mit den Löchern gekoppelt sind, so daß die Erzeugung des gleichmässigen Strömungsfadens und der synchronen Tröpfchen dadurch bewirkt wird, daß die Wellen innerhalb der Druckflüssigkeit selbst erzeugt werden. Bisher bekannte Vorrichtungen dieser Art ergaben nicht die beabsichtigten Resultate, was in erster Linie darauf zurückzuführen war, daß es nicht möglich war, die Erzeugung von Störungen durch reflektierte Wellen und dergleichen mit den Hauptwellen zu verhindern.. Dies führt zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Gleichmässigkeit der Tröpfchenerzeugung, so daß solche Systeme in der Praxis nicht durchführbar waren.

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Mit Hilfe der Erfindung werden die oben beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile bekannter Vorrichtungen beseitigt, indem eine ebene Wellen anregende Vorrichtung geschaffen wird, die nicht auf die Länge des Strömungsfadenfeldes beschränkt ist, das gleichmässig und synchron angeregt werden kann.

Dies wird mit Hilfe eines Kolbens erreicht, der Über dem Feld aus Löchern von dem Verteileranschluß in der Weise getragen wird, daß er im wesentlichen schwingungsmässig von dem den Vorratsbehälter bildenden Verteileranschluß entkoppelt ist. Der Kolben wird von mehreren elektroakustischen Wandlern angetrieben, die in Längsrichtung auf der oberen Fläche dieses Kolbens im Abstand voneinander befestigt sind, wobei sie mit der Flüssigkeit im Vorratsbehälter nicht in Berührung stehen. Der Kolben wird von den Wandleranordnungen getragen, die ihrerseits am Verteileranschluß in der Weise befestigt sind, daß die direkte Übertragung von Schwingungen von den Wandlern auf den Verteileranschluß auf ein Minimum verringert wird, die sonst Störungen der Anregung der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter verursachen würde. Die gesamte Vorrichtung 1st so aufgebaut, daß eine solche Anregung durch Störwellen auf ein Minimum herabgesetzt wird, die auftreten könnte, wenn die Wandler und der Kolben nicht schwingungsmässig von dem den Vorratsbehälter bildenden Verteilanschluß und von der Lochplatte entkoppelt wären.

Im Falle piezoelektrischer Wandler, die die bevorzugte Wandlerform für die Verwendung in der nach' der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung sind, werden in jeder Wandleranordnung ein Vielfach'- Paar oder gleichgeformte

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Wandler verwendet, wobei ein Wandler über dem anderen mit einer dazwischengefügten Befestigungsplatte angebracht ist , die vorzugsweise auch als eine Elektrode für die Wandler wirkt. Es ist bekannt, daß Wandler eine bestimmte Polarität besitzen, so daß aus diesem Grund die einzelnen Wandler in den Wandleranordnungen vorzugsweise so angeordnet sind, daß ihre Vorderflächen, die in Kontakt mit gegenüberliegenden Seiten der Befestigungsplatte stehen, das gleiche Potential aufweisen, während auch die Außenflächen jedes Wandlers das gleiche Potential aufweisen, das jedoch zum Potential der angrenzenden Flächen entgegengesetzt ist.

Die Verwendung von zwei gleichgeformten piezoelektrischen Wandlern, die in dieser Weise angeordnet sind, hat drei Vorteile. Der erste Vorteil ist darin zu sehen, daß die Anbringung der auf gleichem Potential liegenden Flächen in der oben beschriebenen Weise ermöglicht, die Wandler an Masse zu legen, so daß jemand, der die Wandler oder den Verteileranschluß berührt, keinen elektrischen Schlag erhält. Ein zweiter Vorteil, der bezüglich des Arbeitens der Vorrichtung von größerer Bedeutung ist, besteht darin, daß die Wandler auf die Befestigungsplatte gleiche und einander entgegengesetzte Kräfte übertragen, was im wesentlichen darauf hinausläuft, daß die Platte an einem Knotenpunkt des Wandlers befestigt ist, so daß die Möglichkeit der Schwingungsübertragung über die Befestigungsplatte auf den Verteileranschluß auf ein Minimum herabgesetzt wird. Zu einer weiteren Reduzierung von Streüschwingungen ist die Befestigungsplatte zwischen elastische Glieder eingefügt, die auch elektrische Isolatoren zum Isolieren desVerteileranschlusses gegen die Hochspannung sind. Der dritte Vorteil ist der Wirkungsgrad

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des Wandlers, der auf Grund der Verwendung des Wandlerpaars verdoppelt ist.

Wie oben erwähnt wurde, ist der Kolben im Verteileranschluß beispielsweise mittels eines O-Rings federnd umgeben, der sich um die gesamten Umfangsseitenabschnitte des Kolbens erstreckt und eine Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Verteileranschluß bildet, damit, ein-Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter verhindert wird.

Der Kolben kann aus einer relativ steifen Platte mit allgemein rechtwinkligem Querschnitt bestehen; die bevorzugte Ausführung hat im unteren Abschnitt im Querschnitt jedoch die Form eines gleichschenkligen Trapezes, das eine Energiekonzentrationsvorrichtung bildet, die sich in den Vorratsbehälter zu einer den Löchern in der Lochplatte benachbarten Stelle erstreckt.

Zur Reduzierung der Erzeugung von Biegewellen längs des Kolbens in der Weise, daß er sich wie ein tatsächlich steifer Körper verhält, sind auf seiner oberen Fläche Wandler in einem Abstand voneinander angebracht, der kleiner als eine halbe BiegeSchwingungswellenlänge im Kolben bei der maximalen Betriebsfrequenz ist.

Zur weiteren Verringerung der Erzeugung solcher Wellen sind mehrere in Querrichtung horizontal im Atostand voneinander liegende Vertikaleinschnitte wahlweise im Kolben so gebildet,daß benachbarte Einschnitte von entgegengesetzten Seiten, d.h. von der Oberseite und der Unterseite, bis zu einem Punkt jenseits der mittleren Schnittebene des

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Kolbens reichen, so daß keine Horizontalebene durch den Kolben vorhanden ist, die nicht von wenigstens einigen der Einschnitte unterbrochen ist. Diese Einschnitte wirken als Sperre für die Wellenausbreitung im Kolben, und sie begrenzen die Störwellenbewegung in Längsrichtung zum Kolben auf die Strecke zwischen benachbarten Einschnitten» Die Strecke zwischen Einschnitten ist vorzugsweise wesentlich geringer als die halbe Wellenlänge möglicher BiegeSchwingungswellen im Kolben bei der Betriebsfrequenz, so daß das Entstehen einer wesentlichen Welle mit störender Amplitude verhindert wird.

Die Länge und die Breite der Wandler sind ebenfalls vorzugsweise auf einen Wert unter der halben Biegeschwingungswellenlänge in der Wandleranordnung bei der maximalen Betriebsfrequenz begrenzt. Dies trägt ebenfalls dazu bei, den Aufbau der Störwelle in den Wandlern zu verhindern.

Die Breite der Lochplatte ist vorzugsweise beträchtlich kleiner als die halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Platte bei der maximalen Betriebsfrequenz, so daß mögliche Biegeffchwingungswellen in der Lochplatte auf Grund der Grenzfrequenz des elastischen Wellenleiters nicht vorhanden sind. Im Falle einer.Hochfrequenzanregung bei der eine praktisch nicht ausführbar schmale Lochplatte erforderlich ist, besteht eine Alternative darin, eine breitere Platte mit guter Schwingungsdämpfung längs des gesamten Plattenrandes zu benutzen.

Mit einer solchen steifen Lochplatte wird der Abstand von der unteren Flache des Kolbens zur oberen Fläche der

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Lochplatte weniger kritisch für eine Breifbandanregung (bezüglich des Frequenzbereichs ); der Abstand wird von Überlegungen bezüglich des dynamischen Verhaltens der Flüssigkeit bestimmt. Für eine schmalbandige Anregung ist es vorteilhaft, diesen Abstand gleich einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen der Flüssigkeitswellen bei der Betriebsfrequenz zu machen, so daß die Lochplatte im wesentlichen eine Knotenebene mit der Schwingungsamplitude O ist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform eines Drtickkopfs für einen Tintenstrahldrucker nach der Erfindung,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung einer Wandlervorrichtung und eines Abschnitts eines Kolbens in der Ausführungsform von Fig.1,

Fig.3 einen Schnitt des zusammengefügten Druckkopfs in der Ausführungsform von Fig.1 und

Fig.4 eine Seitenansicht des Kolbens und der daran befestigten Wandlervorrichtungen.

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Die Grundbestandteile des in Fig.1 dargestellten Druckkopfs sind mehrere Wandlervorrichtungen 10, ein Kolben 12, ein elastischer O-Ring 14, eine Wandlerhalterung 16, ein Verteileranschlußblock 18 mit einem dazwischen befindlichen abdichtenden O-Ring 20 und eine Lochplatte 22. Die Erfindung betrifft nur den Druckkopf mit den genannten Hauptbestandteilen, so daß weitere Einzelheiten der übrigen Druckvorrichtung hier nicht-erläutert werden. Für eine Beschreibung dieser Einzelheiten sei auf die US-PS 3 701 998 verwiesen.

Jede Wandlervorrichtung 10 besteht aus einer oberen Masseplatte 24, zwei piezeoelektrischen Wandlern 26 und 28, die vorzugsweise im Dickenschwingungsbetrieb arbeitende keramische Wandler sind, einer Befestigungsplatte 30 für die Wandlervorrichtungen, die auch als Elektrode für die Wandler dient, und zwischen die Wandler 26 und eingefügte Befestigungsteile 32, die auch als elektrische Isolatoren wirken. Die Wandlervorrichtung 10 wird dadurch zusammengehalten, daß sie am Kolben 12 mit Hilfe eines Bolzens 34 befestigt wird, der sich durch die Wandlervorrichtung in den Kolben erstreckt. Die Wandler 26 und und die obere Masseplatte 24 haben im wesentlichen die gleichen Abmessungen, und sie sind parallel zueinander vertikal aufeinander ausgerichtet, wie Fig.2 zeigt, wobei die Breite W im wesentlichen gleich der Breite des Kolbens 12 ist.

Die Breite W und die in Längsrichtung des Kolbens 12 gemessene Länge L sind beide vorzugsweise wesentlich kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in

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der Wandlervorrichtung bei der maximalen Betriebsfrequenz, wie oben bereits erwähnt wurde, damit die von stehenden Wellen mit merklicher Amplitude hervorgerufenen Störungen auf ein Minimum verringert werden, die die Hauptwellenausbreitung durch den Kolben beeinflussen würden. Der Ausdruck "Biegeschwingungswellen" dient hier der Benennung der Wellen, die versuchen, das Bauteil, auf das Bezug genommen wird, in einer Richtung zm biegen, die quer zur Längsrichtung in der Längenausdehnung des Wandlerfeldes verläuft.

Ib sei bemerkt, daß eine halbe Wellenlänge zwar eine wesentliche Richtlinie für die Dimensionierung der Wandlervorrichtung und auch anderer, noch anzugebender Abstände sein soll, doch ist dies keine absolute Grenze für diese Abmessungen, sondern lediglich eine Richtlinie zur Erzielung einer verringerten Störung auf Grund reflektierter Wellen. Diese Abmessungen haben einen beträchtlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad der Anordnung und auf die Qualität der Erzeugung der Strömungsfäden und der Tröpfchen, und vom praktischen Standpunkt aus ist diese Richtlinie zufriedenstellend.

DLe Wandler 26 und 28 sind relativ zueinander so angebracht, daß ihre Polaritäten entgegengesetzt sind. Das heißt in anderen Worten, daß beispielsweise die positiven Anschlußflächen an den entgegengesetzten Seiten der Befestigungsplatte 30 angebracht sind, während die negativen Anschlußflächen mit der oberen Masseplatte 24 bzw. mit der unteren Fläche des Kolbens 12 in Eingriff stehen. Diese Anordnung ergibt eine zusätzliche Sicherheit, indem verhindert wird, daß jemand, der die Wandlerwellen des Betriebs berührt, einen elektrischen Schlag erhält, weil die Wandler an Masse gelegt werden könne%9 9885/0833

Die elastischen Befestigungsteile 32 können aus irgendeinem gewünschten Material bestehen; sie müssen nur eine minimale Dicke haben, solange eine Federwirkung erzielt wird, die ausreicht, eine wesentliche Schwingungsübertragüng von der Befestigungsplatte 30 zum oberen Verteileranschluß 16 zu verhindern und als guter Isolator zu wirken. Dies dient dazu, Wellen daran zu hindern, durch den Verteileranschluß zu laufen und die Tropfenerzeugung in den Löchern zu beeinflussen.

Die mehreren oberen Masseplatten 24 sollten vorzugsweise aus einem Material mit allgemein höherer akustischer Impedanz als der Kolben hergestellt sein, damit die Kraftübertragung auf die Flüssigkeit verbessert wird.

Der Kolben 12 hat einen allgemein rechtwinkligen oberen Abs&hnitt mit halbzylindrischen Enden, jedoch ist diese genaue Form nicht wesentlich; die obere Fläche könnte beispielsweise auch vollständig rechtwinklig sein, falls dies erwünscht ist. Der untere Abschnitt des Kolbens 12 hat im Querschnitt die Form eines gleichschenkeligen Trapezes mit halbzylindrischen Endabschnitten, die so nach innen gekrümmt sind, daß eine Kegelstumpfform entsteht, wie in Fig.1 am besten zu erkennen ist. Dieser Abschnitt dient als Energiekonzentrator, der die Anregungswelle auf die Löcher in der Lochplatte 22 fokussiert, Der Kolben 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit relativ niedriger akustischer Impedanz, die an die Impedanz der Flüssigkeit relativ eng angepaßt ist, so daß an der. Grenzfläche zwischen dem Kolben und der Flüssigkeit eine minimale Reflexion auftritt. Die unteren Abschnitte

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Kolben 12 können natürlich auch eine andere Form haben; beispielsweise kann der gesamte Querschnitt des Kolbens rechtwinklig sein. Der Kolben 12 wird von einem elastisch federnden O-Ring 14 umgeben, der eine Vertikalbewegung des Kolbens 12 zuläßt, die auf die in der noch zu beschreibenden Weise erfolgende Anregung der Wandler 26 und 28 zurückzuführen ist. Der O-Ring 14 ergibt eine Abdichtung zwischen den äußeren Umfangsseitenabschnitten des Kolbens 12 und den angrenzenden Seitenabschnitten der Wände des Wandlerhalters 16, so daß ein Ausströmen der Flüssigkeit aus dem VerteileranschluB verhindert wird. Der O-Ring hat auch die Wirkung, die Übertragung von Störwellen vom Kolben zu dem Kolbenhalter 16 in der gleichen Weise zu verhindern, wie die federnden Befestigungsteile 32 die übertragung von Störwellen von der Befestigungsplatte verhindern.

Der Wandlerhalter 16 und der Verteileranschlußblock 18 sind ebenfalls durch geeignete Mittel, beispielsweise mit Hilfe von Bolzen oder durch Kleben aneinander befestigt; der abdichtende O-Ring 20 verhindert ein Ausströmen der Druckflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter zwischen den Oberflächen des Wandlerhalters und des Verteileranschlußblocks.

Im Falle einer Breitfeandanregung ist der Abstand von der unteren Fläche" des Kolbens zur oberen Fläche, der Lochplatte vom Standpunkt der Anregung aus nicht kritisch; er kann so klein sein, wie die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit zulassen. Bei einer schmalbandigen Anregung sollte der Abstand ein Vielfaches einer geradzahligen Viertelwellenlänge der Flüssigkeitsdruckwellen bei der Betriebsfrequenz §&£.&·_b D₄^s ,^e^äjirlei stet, daß die Lochplatte

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in einer Khotenebene liegt, in der die Schwingungsamplitude im wesentlichen verschwindet.

Die Lochplatte 22 hat einen relativ steifen Aufbau, so daß anders als bei Lochplatten mit Wanderwellenanregung, bei der die Lochplatte selbst vibriert, die hier verwendete Lochplatte steif bleiben soll. Die Lochplatte 22 ist durch Kleben, Löten oder Verschrauben mit einem (nicht dargestellten) Stützrahmen an der unteren Fläche des Verteileranschluse- blocks 18 befestigt, so daß sie im wesentlichen steif gehalten wird, wobei die Löcher 36 längs der.Lochplatte symmetrisch unterhalb des unteren Abschnitts des Kolbens 12 in einer Linie liegen. Damit die Lochplatte 22 im Bereich des Vorratsbehälters starr bleibt, sind die Innenseitenwände 38 und 40 des Verteileranschlußblocks 18 an ihrer Überschneidungsstelle mit der oberen Fläche der Lochplatte 22 vorzugsweise um eine Strecke voneinander getrennt, die kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlange in der Lochplatte bei der maximalen Betriebsfrequenz ist, was wiederum zur Verringerung der Ausbreitung störender Wellen in der Lochplatte beiträgt.

Nach Fig.4 soll der Abstand D zwischen benachbarten Wandlervorrichtungen ebenfalls kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlange des Kolbens 12 bei der maximalen Betriebsfrequenz sein, damit die Ausbreitung von Störwellen reduziert wird.

Im Kolben 12 sind mehrere Querschlitze 42 angebracht, die sich vollständig quer zum Kolben 12 in vertikalen Ebenen durch den Kolben erstrecken. Benachbarte Schlitze sind dabei von den gegenüberliegenden oberen und unteren Flächen

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aus in den Kolben 12 um mehr als die Hälfte der Höhe des Kolbens eingeschnitten, so daß keine horizontaleriEbenen durch den Kolben vorhanden sind,die nicht von wenigstens einigen der Schlitze 42 geschnitten werden.

Diese Schlitze tragen beträchtlich dazu bei, die seitliche Wellenausbreitung im Kolben auf ein Minimum herabzusetzen, die sonst die Gleichmässigkeit der Energieverteilung längs des Kolbens und somit längs des Strahlfeldes stören würde. Die Schlitze 42 sollten so dünn wie möglich sein, und sie sollten sich nicht soweit über die Mitte der Höhe des Kolbens hinauserstrecken, daß die Steifheit des Kolbens beeinflußt wird, da sich dieser Kolben im wesentlichen als starrer Körper verhalten soll.

Alle Wandlervorrichtungen 10 des Wandlerfeldes sind mit Hilfe von Drähten 44 und 46 an eine gemeinsame Signalerzeugungsvorrichtung 47 angeschlossen, so daß mehrere Wandler im wesentlichen mit der gleichen Frequenz angeregt werden.

Im Betrieb werden alle Wandler mit der erwünschten Frequenz angeregt, damit eine gleichmässige Folge von Tröpfchen aus den mehreren Löchern 36 erzeugt wird. Jede Wandlervorrichtung wird durch die elektrischen Impulse angeregt, die den beiden piezoelektrischen Wandlerkristallen 26 und 28 zugeführt werden. Die Wandlerkristelle 26 und 28 üben auf die Befestigungsplatte 30 gleiche Kräfte aus, die zur Folge haben, daß sich die Masseplatte 24 und der Kolben 12 in entgegen-

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gesetzten Richtungen verschieben. Die Befestigungsplatte ist im wesentlichen an einem Knotenpunkt zwischen den zwei Wandlern angebracht, an dem eine minimale Anregung der Platte erfolgt. Dies ergibt eine weitere Reduzierung der Übertragung einer Störwellenbewegung von der Befestigungsplatte auf den Wandlerhalter 16. Wenn der Kolben 12 auf Grund der kombinierten Wirkung der Wandler 26 und 28 aufwärts und abwärts bewegt wird, wirkt er so auf die Druckflüssigkeit ein, daß parallel zur Lochplatte ebene Wellen erzeugt werden, die sich durch die Flüssigkeit gegen die Lochplatte ausbreiten,, Eine entsprechende Störung wird in die aus den Löchern 36 austretenden Strahlen eingeführt, und das Anwachsen dieser Störung bewirkt entsprechend dem Rayleigh-Kriterium ein Aufbrechen der Strahlen in gleichmässige Tröpfchen.

Es ist wichtig, alle Wandler längs des Kolbens 12 gleichzeitig und mit der gleichen Amplitude anzuregen. Damit dies erzielt wird, erfolgt die Anregung des Wandlerfeldes vorzugsweise außerhalb der Resonanz, auch wenn eine Resonanzanregung wirksamer und besser erzielbar wäre. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß in der Praxis die Resonanzfrequenzen der Wandler wegen Variationen der verschiedenen physikalischen Parameter eines zusammengesetzten Wandlers geringfügig unterschiedlich sind. Sowohl die Wandleramplitude als auch die Wandlerphase hängen jedoch von der Frequenz ab. Wenn Wandler mit ähnlicher, jedoch nicht exakt gleicher Resonanzfrequenz gleichzeitig mit einer gegebenen Frequenz, beispielsweise der Resonanzfrequenz eines der Wandler, angesteuert werden, dann liefern die anderen Wandler an den Kolben 12 andere Amplituden zu verschiedenen Zeiten als der bei der Resonanz

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angesteuerte Wandler.

Die Größe der Unterschiede hängt von der Breite des Resonanzbandes ab; je schmaler das Band ist, desto größer sind die Differenzen in der Größe. Die Amplitude und die Phase werden jedoch relativ unabhängig von der Frequenz, wenn ein Wandler außerhalb der Resonanz betrieben wird; daher kann eine gleichmässigere Amplituden- und Phasenverteilung an der oberen Fläche des Kolbens erhalten werden, indem die Wandler Über oder unter ihren Resonanzfrequenzen angesteuert werden. Bei diesen Frequenzen ergibt sich eine größere Gleichmässigkeit in der abgegebenen Amplitude und der abgegebenen Phase; die Schwingungsamplituden sind zwar auf Grund des Ansteuerns der Wandler außerhalb ihrer Resonanzfrequenz beträchtlich reduziert, doch kann dies durch Anlegen einer höheren Spannung kompensiert werden. Der Vorteil, der durch eine gleichmässige synchrone Anregung der Kraft erhalten wird, ist es wert, einen solchen erhöhten Verbrauch zuzulassen.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch können im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden.

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Claims

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Patentansprüche

1. jTintenstrahl-Druckkopf für die Verwendung in einem Tintenstrahldrucker, gekennzeichnet durch eineVerteilervorrichtung (16, 18), die für eine Druckflüssigkeit einen Vorratsbehälter bildet, der in einer horizontalen Ebene in seinem Bodenabschnitt mehrere Löcher (36) aufweist, durch die die Flüssigkeit zur Bildung mehrerer Tröpfchen ausgestoßen werden kann, eine Anregungsvorrichtung (10, 12), die auf die Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter an einer von den Löchern (36) entfernten Stelle so einwirkt, daß eine kontinuierliche Folge ebener Wellen erzeugt wird, die sich durch die Flüssigkeit von einer Bodenfläche, der Anregungsvorrichtung (10, 12) aus zu den Löchern (36) bewegt, und eine Entkopplungsvorrichtung (32), die eine im wesentlichen vollständige Schwingungsentkopplung zwischen der Anregungsvorrichtung (10,12) der Verteilervorrichtung(i6, 18) mit Ausnahme der Ausbreitung der ebenen Welle in der Flüssigkeit ergibt.

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INSPECTED

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anregungsvorrichtung (10, 12) ein die

Bodenfläche bildender Kolben (12) enthalten ist, dessen obere Fläche parallel zu der Bodenfläche im Abstand von der Flüssigkeit verläuft, und daß die Anregungsvorrichtung einen Wandler (10) enthält, der auf diese obere Fläche so einwirkt, daß der Kolben (12) zu einer vertikalen Translationsbewegung zur Erzeugung der ebenen Wellen veranlaßt wird.

3. Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung eineHaltevorrichtung (32) enthält, die den Wandler (10) und den Kolben (12) an der Verteilervorrichtung (16, 18) in der Weise trägt, daß eine Schwingungsübertragung vom Wandler (10) auf die Verteilervorrichtung (16, 18) durch die Haltevorrichtung (32) im wesentlichen verhindert wird.

4. Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfchenströme, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter (16, 18) zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, eine einen Bodenabschnitt des Vorratsbehälters (16, 18) bildende Lochplatte (22) mit mehreren Löchern (36) durch die die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (16, 18) ausstossbar ist, einen über dem Vorratsbehälter (16, 18) angeordneten Kolben (12) mit einer in Kontakt mit der Flüssigkeit stehenden unteren Fläche, mehrere, auf die der unteren Fläche gegenüberliegende obere Fläche des Kolbens - (12) einwirkende, außerhalb des Vorratsbehälters (16, 18) angebrachte elektroakustische Wandler (18), die eine vertikale Translationsbewegung des Kolbens (12) verursachen, damit in der aus den Löchern (36) austretenden Flüssigkeit eine im wesentlichen gleichmässige Druckstörung hervorgerufen wird, eine Haltevorrichtung (32), die die

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To Yo^Fiö^tung nach -Anspruch S₉ dadurch gekennzeichnet, daß ^©der piezoelektrische Wandler (to) folgende Baut©il@ enthälti ©bere und uater©₉ sich gleich weit erstreckende piezoelektrische Glieder (26₉ "28) ₉ von denen flas ©"bere. (26)über dem wnteren (28,) angebracht ist, eine zwischen den beiden piezoelektrischen Gliedern (26, 28) angebrachte und an g©g©nübarliegend@n Seiten dieser Glieder sowie ma Torrstsbslialt^K⁵ (16_P 18) befestigte Bsfsstiguagsplatte (30)ρ @ia ^oa d@a ©bersn piazoelektri-■ seh©n Glied (26) gstragsa©©- Masseteil (24) und @ine Bef©stigungs"vorriehtuag (5b)_ΰ die das Masseteil (Zh)₉ die beiden pi©g®@l@ktriseh©& Glieder (2β_ΰ 28) uad die BefQstigungsplatt® ("30) ausssBMeaMlt und aa der oberen Fläche des Kolbens (12) befestigt ist, uobei dasimtere piezoelektrische Glied ("28) in Eingriff mit

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der oberen Fläche des Kolbens gehalten ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (12) mehrere in Querrichtung verlaufende vertikale Schlitze (42) angebracht sind, daß benachbarte Schlitze (42) in dem Kolben abwechselnd von der oberen Fläche und von der unteren Fläche aus wenigstens bis zur Hälfte der Dicke des Kolbens (12) reichen, so daß der Kolben (12) keine Horizontalebene aufweist, die nicht von wenigstens einigen Schlitzen (42) geschnitten sind, wobei benachbarte Schlitze (42) in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingung des Kolbens (12) bei seiner höchsten Betriebsfrequenz ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) einen oberen Abschnitt mit allgemein rechtwinkligem Querschnitt und einen unteren Abschnitt mit dem Querschnitt eines gleichschenkeligen Trapezes aufweist, wobei Seitenabschnitte in Richtung zu der Lochplatte (22) schräg nach innen verlaufen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß längs der oberen Fläche des Kolbens (12) mehrere elektroakustische Wandler (10) angebracht sind, die jeweils symmetrisch um eine vertikale Längsebene durch den Kolben (12) in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge bei der maximalen Betriebsfrequenz des Kolbens (12) ist.

11* Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der unteren Fläche des Kolbens (12) und der oberen Fläche der Lochplatte (22) im wesentlichen ein Vielfaches eines ungeradzahligen Viertels der Flüssigkeitsschwingungswellenlänge bei der Betriebs-

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frequenz der Vorrichtung ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseitenwände (38, 40) des Vorratsbehälters (16, 18), die an die Lochplatte (22) angrenzen, in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Lochplatte (22) bei der maximalen Betriebsfrequenz- der Vorrichtung ist.

13. Tintenstrahl-Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilervorrichtung (16, 18) vorgesehen ist, die einen Flüssigkeitsvorratsbehälter für die kontinuierliche Zufuhr einer unter Druck stehenden Druckflüssigkeit bildet, daß an einer unteren ELäche der Verteilervorrichtung (1, 18) eine steife Lochplatte (22) befestigt ist, die einen Boden des Vorratsbehälters bildet und mehrere Löcher (36) aufweist, durch die die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter ausstoßbar ist, daß die Innenseitenwände (38, 40) der den Vorratsbehälter bildenden Verteilervorrichtung (16, 18) angrenzend an die Lochplatte (22) in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als etwa eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingungswellen in der Lochplatte (22) bei der Betriebsfrequenz des Druckkopfs ist , daß über dem Vorratsbehälter ein Kolben (12) angebracht ist, der eine mit-der Flüssigkeit in Kontakt stehende untere Fläche aufweist und eine längliche Form hat, wobei ein oberer Abschnitt des Kolbens einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt hat, während ein unterer Abschnitt einen Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Trapezes hat,dessen Seitenwände in Richtung gegen die

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Lochplatte (22) schräg nach innen und gegen die untere Fläche zusammenlaufen, die parallel zu der Lochplatte (22), liegt, daß in dem Kolben (12) mehrere Querschlitze (42) angebracht sind, wobei benachbarte Schlitze (42), die von den gegenüberliegenden oberen und unteren FlächenHes Kolbens ausgehen, wenigstens durch die Hälfte der Höhe des Kolbens (22) ragen, daß an der oberen Fläche des Kolbens (12) mehrere Wandlervorrichtungen (10) angebracht sind, daß benachbarte Wandlervorrichtungen (10) in einem Abstand voneiander liegen, der kleiner als die Hälfte der BiegeSchwingungswellenlänge des Kolbens (12) bei seiner maximalen Betriebsfrequenz ist, daß jede Wandlervorrichtung (10) auf die gesamte obere Fläche des Kolbens (12) im wesentlichen quer zur gesamten Breite des Kolbens einwirkt und in Längsrichtung des Kolbens (12) eine Abmessung hat, die kleiner als etwa die Hälfte der Biegeschwingungswellenlänge derWandlervorrichtung (10) bei der maximalen Betriebsfrequenz ist, daß elastisch federnde Haltevorrichtungen (14, 32) vorgesehen sind, die die Wandlervorrichtungen (10) und den Kolben (12) an der Verteilervorrichtung so festhalten, daß die Wandlervorrichtungen (10) und der Kolben (12) schwingungsmässig von der Verteilervorrichtung (16, 18) entkoppelt sind, und daß eine Anregungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Wandlervorrichtungen (10) wiederholt gleichzeitig so aktiviert, daß eine vertikale Translationsbewegung des Kolbens 12 verursacht wird.

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