DE2349555C2

DE2349555C2 - Druckkopf für Farbflüssigkeits-Spritzdrucker und dergleichen

Info

Publication number: DE2349555C2
Application number: DE2349555A
Authority: DE
Inventors: Stig Bertil Floda Sultan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1973-10-03
Publication date: 1983-04-07
Also published as: US3988745A; DE2349555A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für Farbflüssigkeits-Spritzdrucker und dergleichen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine bekannte derartige Vorrichtung ist in der DE-OS 21 64 614 beschrieben. Es handelt sich dabei um einen sogenannten kapillaren Injektor, der zum Beispiel als ein Punkt-Matrix-Drucker benutzt werden kann. Er besteht aus einer äußeren und einer inneren Kammer, die miteinander über eine innere kapillare öffnung verbunden sind. Die innere Kammer hat eine Wand in Form einer Membran, auf die ein piezo-elektrischer Kristall wirkt, wenn an diesem eine Spannung angelegt wird. Dann krümmt sich die Membran mit Bezug auf die innere Kammer nach einwärts und verursacht darin einen Druckanstieg. Dadurch wird eine in dieser Kammer enthaltene Flüssigkeit, zum Beispiel eine Farbflüssigkeit, Tinte oder dergleichen, mit großer Geschwindigkeit aus der inneren Kammer durch eine innere Kapillare in die äußere Kammer ausgestoßen, welche eine dünne Flüssigkeitsschicht enthält, die mit einem Farbflüssigkeitsvorrat in Verbindung steht. Eine dünne Wand begrenzt die äußere Kammer nach außen gegenüber dem Material, welches mit der Farbflüssigkeit bedruckt werden soll. Genau gegenüber der Mündung der inneren Kapillare hat diese dünne Wand eine kapillare Auslaßöffnung. Der aus der inneren Kapillare ausgestoßene Tropfen bzw. Flüssigkeitspfropfen trifft auf die kapillare Auslaßöffnung wie ein Kolben. Dadurch wird die darin infolge kapillarer Kräfte zurückgehaltene Flüssigkeit ausgestoßen und in Form eines Tropfens nach außen abgegeben. Wenn die Spannung am piezo-elektrischen Kristall aufhört und die Membran in ihre Ausgangsstellung zurückgeht, entsteht in der inneren Kammer ein Unterdruck. Dieser teilt sich über die innere Kapillare auch der äußeren Kammer mit. Der Druck wird dann dadurch ausgeglichen, daß Flüssigkeit aus dem mit der äußeren Flüssigkeitsschicht in Verbindung stehenden Flüssigkeitsvorrat angesaugt wird oder die Flüssigkeitssäule in der Auslaßkapillare gegen die Wirkung der Kapillarkräfte zurückgezogen wird. Infolge der Tatsache, daß der Widerstand der Flüssigkeitsschicht in der äußeren Kammer wesentlich kleiner ist als der auf die Kapillarkräfte zurückzuführende Widerstand, strömt die zum Druckausgleich erforderliche Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsschicht nach. Die Vorrichtung arbeitet also wie eine Pumpe, indem Flüssigkeit von der äußeren Kammer angezogen wird und durch die Auslaßkapillare ausgestoßen wird.

Die bekannte Vorrichtung hat verschiedene Nachteile, nämlich:

1. Die vollständig geschlossene innere Kammer kann nur unter Zuhilfenahme eines sehr starken Vakuums, dem das ganze System ausgesetzt werden muß, mit Flüssigkeit gefüllt werden. Bei Vakuum wird dann eine Verbindung mit einem unter atmosphären Druck stehenden Flüssigkeitsvorrat hergestellt Da es nicht möglich ist, ein absolutes Vakuum zu erreichen, bleibt stets eine gewisse Menge Luft in Form eines Luftkissens in der inneren Kammer. Wenn dann die Membran betätigt wird, wird dieses Luftkissen komprimiert, mit der Folge, daß die Pumpwirkung der Vorrichtung vermindert ist. Die nachteilige Wirkung des Luftkissens ist deshalb so gravierend, weil die Volumenverringerung infolge der Bewegung der Membran so klein ist, daß sogar eine sehr geringe Menge Luft dazu führt, daß es statt des gewünschten Druckanstiegs, wie er in einem inkompressiblen Medium auftreten würde, nur zu einer Verkleinerung des Volumens des Luftkissens kommt

2. Sowohl die innere als auch die äußere Kammer sind bei der bekannten Vorrichtung durch dünne Wände begrenzt, die sich nur sehr schwer so stabil herstellen lassen, daß sie nicht während der Druckschwankungen in den Kammern vibrieren.

Die Wandstärke wird bestimmt durch die Länge der Kapillaren, die gemäß der genannten schwedischen Patentschrift in der Größenordnung von 0,1 mm liegt. Die Kürze der Kapillaren birgt außerdem die große Gefahr in sich, daß Luft eingezogen wird.

3. Die genannten Löcher bzw. Kanäle müssen genau fluchten. Aus diesem Grunde sind die Anforderungen an die Herstellungstoleranzen sehr groß, sowohl was das Bohren der Löcher als auch was die Montage der Frontwand anbelangt.

4. Weil sowohl der Durchmesser und die Länge jeder Kapillare als auch die Stärke der äußeren Flüssigkeitsschicht in der Größenordnung von 0,1 mm liegen, ist die Herstellung der bekannten Vorrichtung kompliziert und teuer.

In der DE-PS 22 33 469 ist ein Druckkopf beschrieben, bei dem die Pumpenkammer aus zwei symmetrischen Hälften besteht, welche in Kontaktflächen zwischen zwei eng aneinanderliegenden Platten angeordnet sind. Der Auslaufkanal und der Verbindungskanal sind in einer Platte angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich leicht und billig herstellen und montieren sowie mit Sicherheit vollständig mit Flüssigkeit füllen läßt.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der

Zeichnung dargestellten Beispielen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildende Platte, welche Kristalle und Membranen trägt,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Platte nach F i g. 1 gemäß Schnittlinie H-H,

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Zwischenplatte,

Fig.4 einen Querschnitt durch die Zwischenplatte nach F i g. 3 gemäß Schnittlinie IV-IV,

Fig.5 eine Draufsicht auf eine mit Kanälen versehene Platte,

F i g. 6 einen Querschnitt durch die Platte nach F i g. 5 gemäß Schnittlinie VI-VI,

F i g. 7 einen fertig montierten Druckkopf, bestehend aus den Teilen nach Fi g. 1 bis 6 im Schnitt gemäß der Schnittlinie VH-VHin Fig. 1,

Fig.8 in einer Fig.7 entsprechenden Darstellung einen Druckkopf, bei welchem die mit Kanälen versehene Platte zusätzlich einen Farbflüssigkeits-Versorgungskanal hat,

Fig.9 eine weitere Ausführung eines Druckkopfes ähnlich F i g. 7 und 8, wobei jedoch nur die mit Kanälen versehene Platte einen Farbflüssigkeits-Versorgungskanal hat.

Wenn in der nachfolgenden Beispielsbeschreibung die Ausdrücke »Oberseite« und »Unterseite« gebraucht werden, so geschieht dies nur aus Gründen der Vereinfachung der Beschreibung der Zeichnungsfiguren, ist aber keine Festlegung auf eine bestimmte Anordnung von Einzelteilen einer konkreten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 und 2 ist eine Platte 10 gezeigt, die aus Nickel, rostfreiem Stahl oder einem anderen Material besteht, welches von den gewöhnlich als Farbflüssigkeiten benutzten Stoffen nicht angegriffen wird. Die Platte 10 bildet einen Teil eines Druckkopfes. Sie ist zu diesem Zweck mit Löchern 11 versehen, deren Anzahl der Zahl der Kanäle im Druckkopf entspricht. Oft werden sieben Kanäle benutzt, mit deren Hilfe Buchstaben abgebildet werden können innerhalb einer Matrix, bestehend aus sieben zu fünf Punkten, in welcher ein Buchstabe gebildet wird, während der Kopf sich fünf Schritte bewegt. Die Löcher 11 gehen bei einem stufenförmigen Absatz 12 über in erweiterte Bohrungslöcher 13. Am Absatz 12 ist jeweils ein Pumpenglied in Form einer kreisrunden Membran 14, vorzugsweise aus demselben Material wie die Platte 10, befestigt, z. B. durch Kleben oder Löten. Auf der Oberseite jeder Membran ist ein piezo-elektrischer Kristall 15 angeordnet. Die flachen Oberflächen des Kristalls sind in bekannter Weise metallbeschichtet und bilden Elektroden, an die eine geeignete Betriebsspannung angelegt werden kann. Die untere Metallbeschichtung ist mit der Membran verbunden, und die obere Metallbeschichtung hat eine Anschlußleitung 16. Die Stärke jeder Membran 14 ist so gewählt, daß ein zylindrischer Hohlraum 17 zwischen der Membran und der Unterseite der Platte frei bleibt, welcher als Pumpenkammer 17 wirkt.

Die Platte 10 hat weiterhin Bohrungen 18 zum Zentrieren mehrerer Platten mittels nicht gezeigter Zentrierstifte. Weitere Löcher oder Bohrungen 19 sind für Schrauben bestimmt, mit deren Hilfe die verschiedenen Platten fest verbunden werden können, so daß sie einen Druckkopf bilden.

F i g. 3 und 4 zeigen eine Zwischenplatte 20 mit Durchgangsbohrungen 21, welche im montierten Zustand koaxial mit den zylindrischen Hohlräumen 17 liegen, jedoch einen wesentlich kleineren Durchmesser haben als diese. Außerdem hat die Zwischenplatte 20 Durchgangsbohrungen 22 und 23, welche den Löchern 18 und 19 in der Platte 10 entsprechen. Die Unterseite der Platte 10 ist mit einer flachen Nut versehen, die sich in einen breiten Bereich 24 und einen engen Abschnitt 25 gliedert. Der letztere ist nahe der Seitenkante 26 der Platte angeordnet und dazu bestimmt, einen Kanal zu bilden, durch welchen Farbflüssigkeit den Kapillaren

to des Druckkopfs zugeführt wird.

F i g. 5 und 6 zeigen eine mit Kanälen 28 versehene Platte 27. Das eine Ende jedes Kanals hat einen gerundeten Bereich 29. Die Rundung liegt im wesentlichen konzentrisch zum zugehörigen Bohrungsloch 21 in der Zwischenplatte 20. Von der Rundung aus erstrecken sich alle Kanäle 28 zur einen Seitenfläche 30 der Platte 27 hin und verengen sich dabei. An der Seitenfläche 30 münden sie in kapillaren Düsen 31. Die Länge der Düsen kann z. B. 0,5 mm und der Querschnitt 0,01 mm² betragen. Diese Maße können jedoch in weiten Grenzen schwanken und dem jeweiligen Einzelfall und Bedarf angepaßt werden. Die Kapillaren können z. B.

auch rechteckigen oder runden Querschnitt haben.

Auch die Platte 27 hat Bohrungen 32 und 33, welche den Bohrungen 18 und 19 in der Platte 10 entsprechen. Eine weitere Bohrung 34, an die ein Farbflüssigkeits-Versorgungsrohr 35 (Fig.6) angeschlossen ist, entspricht in ihrer Lage dem Nutbereich 24 der Platte 20.
Die vorstehend genannten Nuten und Kanäle können

μ in verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt werden. Die Zwischenplatte 20 und/oder die mit Kanälen versehene Platte 27 können zum Beispiel aus Kunststoff, Glas oder einem anderen geeigneten Material geformt sein, wobei Nuten hergestellt werden, welche die gewünschten Kanäle bilden, wenn der Druckkopf montiert ist. Die Nuten können auch in planparallele Platten eingeätzt oder eingeprägt werden.

Die Kapillaren können entweder unmittelbar nach

einem der vorstehend genannten Verfahren hergestellt oder in den montierten Kopf gebohrt werden. Im letzteren Fall müssen die Kanäle 28 zum Beispiel ungefähr 0,5 mm vor der Seitenfläche 30 enden. Dann werden die Kapillaren von der Seitenfläche 30 aus in die Kanäle 28 gebohrt. Die dabei erforderliche Bohrgenauigkeit muß nicht sehr groß sein, wenn die Kanäle 28 tiefer und breiter gemacht werden als die Kapillaren.

F i g. 7 zeigt im Querschnitt einen Druckkopf, der aus den Einzelteilen nach F i g. 1 bis 6 zusammengesetzt ist. Die genaue relative Lage der Platten 10,20 und 27 wird bestimmt durch die Zentrierbohrungen 18,22 und 32, die mit Genauigkeit hergestellt sind. Diese Bohrungen nehmen mit genauem Sitz nicht gezeigte Zentrierstifte auf. Die Platten werden mit Hilfe von nicht gezeigten Schrauben zusammengehalten, die durch die Bohrungen 19, 23 und 33 gesteckt sind. Normalerweise sind die

. Oberflächen der Platten so genau bearbeitet, daß keine besondere Dichtung erforderlich ist. Es kann jedoch auch eine Platte aus Kunststoff bestehen, während die anderen Platten steif sind.

Während des Gebrauchs des Druckkopfs müssen alle Kanäle vollständig mit Farbflüssigkeit gefüllt sein. Die vorgeschlagene Konstruktion erlaubt, daß zu diesem Zweck die Einzelteile unter der Oberfläche einer geeigneten Flüssigkeit, zum Beispiel Glyzerin, montiert werden. Weil die Montage durch Festziehen einiger Schrauben geschieht, kann sie in einfacher Weise unter der Flüssigkeitsoberfläche stattfinden. Absorbierte Luft wird zweckmäßigerweise durch Ultraschallbehandlung

■ entfernt.

Wenn der Druckkopf in Gebrauch ist, ist er an einen Farbflüssigkeitsvorrat angeschlossen, wobei dessen Farbflüssigkeitsoberfläche zweckmäßigerweise auf niedrigerem Niveau liegt als die Düsen 31. Diese bleiben jedoch wegen der Kapillarkräfte mit Druckflüssigkeit gefüllt. Auf diese Weise wird ein unkontrolliertes Auslaufen der Kapillaren vermieden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 hat auch die mit Kanälen versehene Platte 27 einen dem Kanal 25 in der Zwischenplatte 20 entsprechenden Kanal 36. Dadurch wird die Flüssigkeitszufuhr verbessert und die Gefahr, daß Luft durch die Düsen 31 zurückgesaugt wird, verringert.

Wie F i g. 9 zeigt, können die Versorgungskanäle 28 und 36 allein in der Platte 27 angelegt sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckkopf für Fabflüssigkeitsspritzdrucker und dergl, bei denen Flüssigkeit aus einer oder mehreren Pumpenkammern zu einem oder mehreren Auslaßkanälen geleitet wird, und der aus wenigstens zwei gegenüberliegenden Platten besteht, wobei die erste Platte in Löchern oder Ausnehmungen die Pumpvorrichtung enthält, und wobei die zweite Platte, auf der zur ersten weisenden Seite mit Nuten versehen ist, die die zu den Auslaufkanälen führenden Kanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Platte (10,27) eine Zwischenplatte (20) angeordnet ist, die Löcher (21) aufweist, welche die im Durchmesser größeren Tintenkammern (17) der ersten Platte (10) mit den Nuten (28) der zweiten Platte (27) verbinden.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (20) aus Kunststoff besteht.