DE1813186A1

DE1813186A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildung gleichmaessiger Troepfchen in einem Fluessigkeitsstrahl

Info

Publication number: DE1813186A1
Application number: DE19681813186
Authority: DE
Inventors: Berry James Michael
Original assignee: Teletype Corp
Current assignee: AT&T Teletype Corp
Priority date: 1967-12-07
Filing date: 1968-12-06
Publication date: 1969-06-19
Also published as: DK121475B; GB1247924A; BE725070A; CH482549A; US3579245A; FR1594190A

Description

\PalöitiänwaJl · München, den fcOiDez,

DIjL-Im. &

WldcMiaymtraf β 40

Teletype Corporation, Skokie, Illinois/V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Bildung gleichmassiger Tröpfchen in einem Flüssigkeitsstrahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung

zur Bildung gleichmässiger Tröpfchen in einem Flüssigkeits-• ■·'■ *· v-

strahl, insbesondere für die Verwendung in einem elektrostatischen Strahlschreiber.

Die bekannten Nachteile mechanischer Schnelldrucker sind durch die Einführung nicht-mechanischer Schnelldrucker weitgehend überwunden worden. Hierzu gehören die elektrostatischen Strahlschreiber, die beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1 187 816 beschrieben sind. Ein solcher Strahlschreiber beruht auf der elektrostatischen Anziehung zwischen einem von einer Düse ausgehenden geladenen Tintenstrahl und eine.r Platte oder Walze, die sich hinter dem Aufzeichnungsmedium befindet, so dass die von der Düse ausgehende Tinte auf das Aufzeichnungsmedium gelangt» Das Gerät arbeitet bei

908826/1353

hohen Betriebsgeschwindigkeiten gut, aber die von der' Düse ausgehenden Tröpfchen, in die sich der Tintenstrahl auflöst·, haben keine gleichmässige Grosse und gleichmässigen Abstand, weshalb die Steuerung einzelner Tröpfchen mit Hilfe von Ablenkelektroden - ähnlich wie bei der Kathodenstrahlröhre - . sehr schwierig ist. Dies, stellt bei vielen Anwendungen keinen Nachteil dar,aber häufig ist es doch wünschenswert, die Bahn jedes einzelnen Tröpfchens genau beherrschen zu können. Um dies zu bewirken, müssen die Tröpfchen gleichmässige Grosse und gleichmässigen Abstand haben.

Es wurde festgestellt, dass eine hochfrequente "Vibration des von der Düse ausgehenden Tintenstrahles bewirkt, dass sich Tröpfchen weitgehend gleichmässiger Grosse und gleichmässigen Abstandes mit einer Frequenz bilden, die mit der Vibrationsfrequenz synchronisiert ist. Der Tintenstrahl kann elektrisch vibriert werden, indem er einem sinusförmig veränderlichen elektrischen Feld unterworfen wird. Es kann aber auch die ■ ψ Düse elektromechanisch vibriert werden, entweder mittels eines Piezokristall oder einer magnetostriktiven Anordnung. Die- elektromechanischen Anordnungen haben allerdings den Nachteil, dass die Verbindung zwischen dem Antriebssystem und der Düse oder diejenige zwischen der Düse und dem Tintenbehälter durch die hochfrequente Vibration häufig sehr rasch beschädigt oder gestört wird. Die Verwendung dieser Antriebssysteme führt zu

— 3 — -

909025/1159

einer verhältnismässig aufwendigen Konstruktion. Unabhängig davon wurde festgestellt, dass bei Anlegung eines zu starken Beschleunigungspotentials im Augenblick der Tröpfchenbildung Schwankungen in Grosse und Abstand der gebildeten Tröpfchen vorkommen können. ^v

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine weitgehend gleichmässige Tröpfchenbildung mit verhältnismässig ein&chen Mitteln zu erzielen.

Zu diesem Zweck ist das Verfahren zur Bildung gleichmässiger Tröpfchen in einem Flüssigkeitsstrahl, bei dem auf den Flüssigkeitsstrahl eine Beschleunigungskraft ausgeübt wird, erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Tropfckenbildung die Beschleunigungskraft ganz oder nahezu aufgehoben wird.

Vorzugsweise wird die Beschleunigungskraft durch elektrostatische Anziehung zwischen den geladenen Flüssigkeitströpfchen und einem entgegengesetzt geladenen Schirm erzeugt. Die Flüssigkeit wird elektrostatisch aufgeladen und kann durch die von dem Schirm ausgeübte Anziehungskraft an der Düse abgezogen werden; stattdessen oder zusätzlich kann der Tintenstrahl auch unter Druck aus der Düse austreten. Zwischen der Düse und dem Schirm befinden sich zwei Elektroden mit geringem gegenseitigem Abstand und an beide Elektroden wird

909825/1359

_ 4 — ■

dieselbe Gleichspannung angelegt. Dann wird ein periodisch schwankendes elektrisches Feld zwischen der Düse und der ersten, zur Beschleunigung dienenden Elektrode erzeugt, um eine Vibration oder Pulsation des von der Düse ausgehenden Tuntenstrahls zu verursachen. Nachdem der pulsierende Tinten-" strahl die Beschleunigungselektrode passiert hat, löst,er sich im Bereich zwischen den beiden Elektroden in einzelne Tröpfchen auf. Da die beiden Elektroden sich nahezu oder

ihnen ganz auf dem gleichen Potential befinden, tritt zwischenikein oder nahezu kein elektrostatisches Feld auf. Infolgedessen nimmt der Tintenstrahl eine zylindrische Konfiguration an, so dass die Auflösung des Strahles in einzelne Tröpfchen zu gleichmässig gross en und gleichm'ässig verteilten Tröpfchen führt. Haben die Tröpfchen die zweite Elektrode (Zwischenelektrode) passiert, so gelangen sie unter den Einfluss einer weiteren elektrostatischen Anziehung, durch den sie beschleunigt werden, aber dies hat keinen Einfluss auf Grosse und Abstand der bereits gebildeten Tröpfchen, weshalb die genaue

Beherrschung der Ablenkung jedes einzelnen Tröpfchens möglich wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung
und·

9090267136*

Fig. 2 ein Längsschnitt der Anordnung in grösserem Massstab zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten elektrostatischen Strahlschreiber wird eine leitende Flüssigkeit (Tinte) mit konstanter Zuflussmenge von einem nicht dargestellten Behälter einer Düse 10'zugeführt_f die in einem Kapillarrohr 11 endet. Die Düse 10 und das Kohr 11 bestehen vorzugsweise einstückig aus einem elektrisch leitenden Werkstoff. Die aus dem Kapillar- ™ rohr 11 austretende Tinte wird durch elektrostatische Anziehungin Richtung auf einen Schirm 12, vor de« sich das nicht dargestellte Auf zeichnung sine J ram befindet, beschleunigt, da zwischen der Düse 10 und dem Schirm 12 eine hoiie Fotentialdifferenz herrscht.

Erfindungsgemäss sind zwei auf ganz oder nahezu gleichen Potential liegende Elektroden zwischen der Düse 10 und dem Schirm 12 vorgesehen, nämlich eine Beschleunigungselektrode (| 13 und eine Zwischenelektrode 14. Die Beschleunigungselektrode 13 ist mit der Lichtsteuerelektrode einer Kathodenstrahlröhre vergleichbar und liegt auf einem positiven Potetial relativ zum Potential der Düse 10, Dies ist durch eine Batterie 15 angedeutet. Die Gleichspannung erzeugt ein kräftiges Beschleunigungsfeld zwischen der Düse 10 und der Be-

-6-

909825/1359

schleunigungselektrode 13» so dass die aus der Düse austretende Tinte zu einem feinen, sick rasch bewegenden Strahl ausgezogen wird, solange diese Potentialdifferenz zwischen der Düse 10 und der Elektrode 13 existiert.

Die Anwendung eines kräftigen Beschleunigungsfeldes'erlaubt die Verwendung eines Kapillarrohres- 11 mit verhältnismässig grosser lichter Weite, weil der Röhrendurchmesser nicht allein den Durchmesser des Tintenstrahles bestimmt. Tritt der verhältnismässig langsam fliessende Tintenstrom mit verhältnismässig gross em Durchmesser aus dem Kapillarrohr 1.1 aus, so wird er einer starken Kraft unterworfen, die ihn kräftig · beschleunigt und dadurch zu einem sich verjüngenden, rasch bewegten Strahl auszieht. Wenn der Tintenstrahl das Loch in der Beschleunigungselektrode 13 erreicht, so hat er erheblich kleineren Durchmesser als die lichte. Weite des Kapillarrohres 11. Ein grösserer Kapillarrohrdurchmesser ist vorteilhaft, weil dann die Verstopfungsgefahr geringer ist, und die Tinte mit weit geringerem TD&berdruck dem lapillarrohr 11 zugeführt werden muss.

Die Elektrode 14 kann an die gleiche Batterieklemme wie die Elektrode 13 angeschlossen werden oder die Elektrode 14 kann auf einen etwas höheren positiven Potential als die Elektrode 13 gehalten werden» Demzufolge existiert nur ein sehr schwaches oder gar kein elektrisches Gleichfeld zwischen den

_7_

909025/1359

·. ■ *' ■ ■ — 7 —

. Elektroden 13 und 14, so dass die durch das Loch in der Elektrode 13 hindurchtretenden geladenen Tintenteilchen keiner merklich elektrostatischen Kraft unterworfen sind. In diesen feldfreien Raum löst sich der vom Kapillarrohr 11 ausgehende Tintenstrahl in einzelne Tröpfchen auf.

Nachdem die gebildeten Tiηtentröpfchen durch das Loch in der Zwischenelektrode" 14 hindurchgeflogen sind, werden sie je nach Wunsch horizontal und vertikal abgelenkt, und zwar mittels zweier Vertikal-Ablenkplatten 17 und zweier Horizontal-Ablenkplatten 18. An beiden Ablenkplattenpaaren liegen Gleichspannungen, die höher als das Potential der Elektrode 14 sind, so dass die Tintentröpfchen nach dem Durchfliegen durch das Loch in der Elektrode 14 weiter beschleunigt werden. Die Ablenksignale werden den betreffenden an den Ablenkelektroden liegenden Gleichspannungen überlagert, um die Tintentröpfchen.auf bestimmte Stellen des Schirmes 12 zu richten. Der Schirm 12 liegt seinerseits an einem Potential, das stärker positiv als das Grundpotatial der Horizontal-Ablenkelektroden 18 ist und beispielsweise von einer Batterie 19 geliefert wird.

Um Grosse und Abstand der gebildeten Tröpfchen genau beherr "-sehen zu können, wird vorzugsweise eine Pulsation de» auf der Düse 10 auftretenden Tintenstrahl eingeführt. Dies kann

-8-

909825/1359

durch mechanische Vibration der Düse oder durch Ueberlagerung eines periodisch wechselnden Signals über die Feldstärke zwischen der Düse 10 und der ersten Beschleunigungselektrode 13 erreicht werden. Vorzugsweise wird im letzteren Falle eine sinusförmige Wechselspannung verwendet,' die von einer in Reihe mit der Batterie 15 geschalteten WechselSpannungsquelle 20 geliefert wird. Durch die sinusförmige Feld Stärkeschwankung zwischen dem Kapillarrohr 11 und der Elektrode 13 entstehen periodische Störungen, in dem aus der Düse austretenden Tintenstrahl, Die Amplitude der Wechselspannung ist so gewählt, dass die Feldstärke zwischen Düse 10 und Elektrode 13 niemals negativ wird, d, h. das elektrische Feld kehrt seine Richtung nicht um. Der Scheitelwert der Wechselspannung darf also das Potential der Batterie 15 nicht übersteigen» Die verwendete Frequenz liegt beispielsweise zwischen 1,4 und 35 kHz. ' .

Durch die periodischen Feld stärkeschwankungen werden synchron mit den erzeugten Störungen Tröpfchen' gebildet, wobei die Auflösung des Tintenstrahls in Tröpfchen im Bereich der geringen Feldstärke zwischen den Elektroden I3 und 14 eintritt. Würde die Tröpfchenbildung in einem kräftigen Beschleunigungsfeld stattfinden, so wäre der Tintenstrahl nicht zylindrisch, sondern verjüngt. Löst sich nun ein Stück eines solchen verjüngten Strahls von demselben, so bildet, wie

9C9825/1359

.Beobachtungen ergeben haben, nicht immer das ganze Stück einen einzigen Tropfen, sondern häufig entstehen ein grosser Tropfen und ein oder mehrere kleinere Tröpfchen oder zwei oder mehr Tröpfchen gleicher Grosse aus diesem Stück. Manchmal bildet sich auch ein einziges Tröpfchen vie gewünscht. Anzahl und Grosse der gebildeten Tröpfchen können also bei ■ einem beschleunigten Strahl nicht genau vorherbestimmt werden.

Wird dagegen mittels der Zwischenelektrode 14 ein ganz- oder nahezu feldfreier Raum hinter der Elektrode 13 gebildet, ™ so nimmt der Tintenstrahl in diesem Raum eine'zylindrische Konfiguration an, da die Beschleunigungskräfte fehlen. Die vorher eingeführten periodischen Störungen bewirken nun, dass der Tintenstrahl sich in gleichmässige zylindrische Abschnitte auflöst. Jeder dieser Abschnitte bildet dann einen einzigen Tropfen, so dass alle gebildeten Tröpfchen gleiche Grosse haben. Infolgedessen werden die Tröpfehen vollständig ausgebildet, bevor sie durch das Loch in der Elektrode 14 hindurchtreten, woraufhin sie in der beschriebenen | Weise durch das an den Vertikalablenkelektroden 17 auftretende Potential weiter beschleunigt werden.

Die jeweils zu verwendenden Spannungen der verschiedenen Elektroden hängen von vielen Faktoren ab, insbesondere von

-10-

909825/1359

der Tintenströmungsgeschwindigkeit der Tropfenfrequenz, den Abmessungen und dein Abstand der verschiedenen Elektroden und den physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Tinte. In allen Fällen steht aber ein ganz oder nahezu feldfreier Raum zwischen den Elektroden 13 und kräftigen Beschleunigungsfeldern einerseits zwischen der Düse 10 und der Elektrode 13 und andererseits zwischen der Elektrode 14 und dem Schirm 12 gegenüber.

Vorstehend war angenommen worden, dass die Düse im Vergleich zu den übrigen Elektroden an einem negativen Potentialliegt. Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, dass die Düse 10 auf einem positiven Potential hinsichtlich der übrigen Elektroden liegt. In diesem Falle muss nur die Tinte auf positives Potential hinsichtlich des Schirmes aufgeladen werden« . ■

Wie eingangs erwähnt, kann statt der Wechselspannung zwischen Düse 10 und Elektrode 13 eine mechanische Vibration der Düse 10 mittels eines mit der Düse verbundenen piezoelektrischen Kristalls od. dgl. verwendet werden. In diesem Falle herrscht zwischen Düse 10 und Elektrode 13 eine konstante Gleichspannung, Die Tröpfchenbildung geht in gleicher Weise wie beschrieben vor sich.

-11-

909825/13S9

1813188 - αϊ -

■Die Erfindung ist nicht nur auf Tintenstrahlschreiber anwendbar, sondern kann z, B. auch zur genauen Messung und überführung vorbestiiranter Flüssigkeitsmengen aus einem Vorratsbehälter in einen Zielbehälter dienen.

-12-

909825/1359

Claims

München, den £Β.ΟβΖ. 1968

Wfd«nmiytp*tr«Ii 41

TeL&eeias

Teletype Corporation, Skokie, Illinois/v.st.A.

Patentansprüche

πΕΤ) Verfahren zur Bildung gleichmässiger Tröpfchen in einem Flüssigkeitsstrahl, bei dem auf den Flüssigkeitsstrahl eine Beschleunigungskraft ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Tröpfchenbildung (13, 14) die Beschleunigungskraft ganz oder nahezu 'aufgehoben wird...
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Tröpfchenbildung periodische Störungen in dem Flüssigkeitsstrahl erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsstrahl eine elektrostatische Ladung erteilt wird, dass der geladene Flüssigkeitsstrahl in ein elektrostatisches Feld geleitet wird, welches die Beschleunigungskraft auf ihn ausübt, und dass der Flüssigkeitsstrahl an-

909825/1359 "²"

schliessend in eitfPganz oder nahezu feldfreien Raum gelangt, in welchem die Tröpfchenbildung stattfindet,
4, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ganz oder nahezu feldfreie Raum durch zwei Elektroden (13, 14) begrenzt wird, an denen ganz oder nahezu das gleiche Potential liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen der Flüssigkeitsstrahlquelle (lO) und der ^ ersten Elektrode (13) ein kräftiges elektrostatisches EeId herrscht und dass die periodischen Störungen durch eine Wechselspannüngsquelle (20) zwischen der ersten Elektrode und der Flüssigkeitsstrahlquelle oder durch einen mit der letzteren verbundenen mechanischen Vibrator erzeugt werden.

909825/1359

-AH-

Leerseite