DE2358815A1

DE2358815A1 - Duesenaufbau eines tintenstrahldruckers

Info

Publication number: DE2358815A1
Application number: DE2358815A
Authority: DE
Inventors: Iii William Murray Gordon
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-26
Publication date: 1974-05-30
Also published as: GB1422388A; US3823408A; CA1000341A; IT993821B; FR2208339A5; JPS5138323B2; JPS49102759A

Description

Böblingen, den 20. ltoy^mher J.ä73

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen,: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: EILJ)72 071

Düsenaufbau eines Tintenstrahldruckers

Die Erfindung geht von einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art aus.

Durch die USA Patentschrift 3 334 350 ist eine Düse bei einem Tintenstrahldrucker bekannt, auf dessen Düsenrohr eine eine Wicklung tragende Hülse aufgeschoben ist, die mit ihrem einen Ende fest mit dem Düsenrohr verbunden ist.

Durch die USA Patentschrift 3 512 172 ist ein weiterer Düsenaufbau bei einem Tintenstrahldrucker bekannt, der zwei piezoelektrische Kristalle als elektromechanische Wandler verwendet, um das Düsenrohr, in dessen Austrittsseite eine Edelsteindüse eingesetzt ist,, in mechanische Schwingungen zu versetzen.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Düsenaufbau für einen Tintenstrahldrucker zu schaffen, mittels dem nicht nur gleich große und gleich voneinander beabstandete Tintentropfen erzeugbar sind, sondern darüber hinaus die bei der Tropfenbildung entstehenden. _s unerwünschten, sogennanten Satellitentropfen weitgehend vermeidbar sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den UnteranSprüchen zu entnehmen.

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ORIGINAL INSPECTED

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die während der Tropfenbildung sich verändernde

Tropfenform bei Düsen von unterschiedlichem Düsenformat ,

Fig. 2 ein Schema eines Düsenaufbaus, der die Erfindung

enthält,

Fig. 3 ein Querschnitt durch die Edelsteindüse der

Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, und

Fig. 4 eine Seitenansicht der Edelsteindüse der Fig. 3

in verkleinertem Maßstab.

Der Übergang eines Tintenstromes in einzelne Tropfen beginnt in einem Tintenstrahldrucker, wenn der Durchmesser des von der Düse bestimmten zylinderföritiigen Tintenstrahles beginnt seinen Durchschnittswert zu verändern, weil als Ergebnis von Oberflächenspannungen innerhalb der dünnen Stellen ein höherer Druck als innerhalb der dicken Stellen erzeugt wird. Dies ergibt eine innere Bewegung der Flüssigkeit gegen die dickeren Stellen. Die dicken Stellen ziehen sich dann in Längsrichtung zusammen, ähnlich einer dünnen Stange, und trennen sich schließlich von den großen Tropfen los, wobei sie selbst einen kleinen oder sogenannten Satellitentropfen bilden. Die eben erwähnten Durchmesserveränderungen bilden naturgemäß die Tropfen. Periodische Veränderungen sind erzeugbar durch Anwendung einer periodischen Treibkraft, wie beispielsweise in der USA Patentschrift 3 596 beschrieben ist. Jedoch bilden die dünnen Regionen weiterhin die Satellitentropfen, wenn nicht geeignete Vorkehrungen getroffen werden. Diese Vorkehrungen bestehen darin, daß der Geschwindigkeitsverlauf des freien Tintenstromes und des Tropfens so gut wie möglich aneinander angepaßt werden und indem am Düseneingang für

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- 3 eine laminare Strömung gesorgt wird.

Bei Tintenstrahldruckern können diese zwei Zustände erreicht werden durch Verwendung von Düsen von einem Düsenformat

in der Größenordnung von 0,5 ;-l bis 1:1 und

durch hydraulisches Glätten sämtlicher zu der Düse führenden Flächen.und der Düse selbst. Eine Fläche kann als hydraulisch glatt angesehen werden, wenn irgendeine Hervorhebung oder Vertiefung K kleiner oder gleich ist der Dicke der Grenzschicht. Dies ist definiert durch die Beziehung K gleich oder kleiner als

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wobei ν der kinematischen Viskosität, U der Hauptgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes und N_R der Reynold¹sehen Zahl entspricht.

Wenn eine Flüssigkeitssäule eine Düse verläßt, muß ihre Geschwindigkeit sich verändern von einem Wert beim Verlassen der Düse bis zu einem Wert eines Tropfens oder etwas Ähnlichem, das näherungsweise einem Tropfen vor seiner Bildung entspricht. Dementsprechend gibt es einen Bereich von Geschwindigkeitsverläufen, in dem eine Tropfenbildung erfolgen kann.

Aus den Kurven 10a bis g, 12a bis f und 14a bis e (Fig. 1) ist ersichtlich, daß die Zeit, die vor dem Abtrennen eines Tropfens verstreicht auch bei einem voll entwickelten Verlauf langer sein sollte. Diese Kurven zeigen an, daß die Geschwindigkeit an den Kanten eines sich bildenden Tropfens kleiner ist als im Zentrum, wenn er die Düse verläßt und die Geschwindigkeit der Kanten und des Zentrums einen gemeinsamen Wert zum Zeitpunkt der Tropfenbildung erreichen. Für kleinere Düsenformate wird dieses Ergebnis früher erreicht und bei einer geringeren Entfernung von der Düse, wie aus den Kurven für Düsenformate.von >_ 3, 0,5 und 0 ersichtlich ist.

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Obwohl eine Wirbelströmung einen relativ flachen Geschwindigkeitsverlauf aufweist, ist ein beträchtlicher Wert von Rotation vorhanden, der diesen Zustand unstabil und unerwünscht macht. Der gewünschte Zustand geht von einer niedrigen Geschwindigkeit mit laminarem Fluß in eine hohe Geschwindigkeit mit unvollständig entwickeltem, laminaren Fluß über durch die Verwendung einer scharfkantigen Austrittsöffnung 32, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Diese scharfkantige Austrittsöffnung besitzt darüber hinaus den Vorteil, eine anfangs symmetrische Unruhe in der radialen Richtung zu erzeugen und eine intensivere Kopplung der Vibrationsstruktur und der Flüssigkeit durch verringerte Dämpfung in radialer Richtung.

Die Düse 16 (Fig. 2) besitzt die Kammer 18, an deren einem Ende der Schwingwandler 20 beispielsweise ein piezoelektrischer Kristall oder ein magnetostriktiver Wandler befestigt ist. In die Kammer mündet das Zuführrohr 22, durch das Tinte mit einem Druck von 3732 g/6,45 cm² bis 37 320 g/6,45 cm² zugeführt wird. In der rechten Wand 24 der Kammer 18 befindet sich das Ansatzloch 26, dessen radiale Ringfläche 28 einen Sitz für die Edelsteindüse bildet, die durch Kitt an der Ringkante 31 oder durch Bördeln oder Rollieren dieser Kante festgehalten wird. Die Edelsteindüse 30 kann aus einem natürlichen oder künstlichen Saphir, Rubin, Diamant, Quarz oder aus Edelstahl, Keramikmaterial oder anderem nichtkorrodierendem Material bestehen und weist die Austrittöffnung 32 auf, die in einen Kegel 34 mit einer sich nach außen erweiternden Mantelfläche 36 übergeht.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß am Eingang der Austrittsöffnung dieselbe mit der Fläche 42 eine scharfe Kante 40 bildet. Die Länge L der Austrittöffnung ist im Vergleich zu ihrem Durchmesser D relativ kurz, so daß das Düsenformat -~ klein ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 1,0. Die Fläche 42 der Düse 30 ist poliert und hydraulisch glatt und flach und rechtwinklig zur Achse der Austrittsöffnung 32. Die Kante 40 ist scharf und frei von Kerben und frei von Grat, um Wirbelströmungen zu vermeiden

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und dem Tintenstrom eine symmetrische Geschwindigkeitszunahme zu verleihen von einem Wert Vl innerhalb der Kammer 18 auf einen hohen Wert V2 bei unvollständig entwickelter Laminarströmung. Die scharfkantige Austrittsöffnung hat auch den Vorteil, daß in der radialen Richtung anfangs eine symmetrische Unruhe eintritt, da der Strom am Punkt 33 die Austrittsöffnung verläßt und eine engere Kopplung zwischen dem Schwingaufbau und der Flüssigkeit entsteht durch Verminderung der Dämpfung in radialer Richtung. Die Seiten der Austrittsöffnung 32 müssen parallel sein und die Länge L sollte in der Größenordnung von -·=■ bis D für optimale Arbeitsweise sein, wobei D den Durchmeser der Austrittsöffnung darstellt. Der Kegel 34 erleichtert die Verwendung eines. Drahtes oder eines ähnlichen Gegenstandes für die Reinigung der Düse für den Fall ihres Verstopfens. Die Düse 30 besteht beispielsweise aus einem synthetischen Saphir mit einer Austrittsöffnung in der Größenordnung von 0,025 bis 0,05 mm und einer Länge L von 0,0125 bis 0,025 mm. . ,

Mit einer nach der Erfindung aufgebauten Düse wird die Anzahl von Satellitentropfen während des Tropfenbildens beträchtlich vermindert. Bei Verwendung eines kleinen Düsenformates wird die Tropfenabtrennentfernung verkürzt oder ist eine niedrigere Treibspannung verwendbar, um die gleiche Tropfenabtrennentfernung wie bei anderen Düsen zu erreichen. Demzufolge wird eine gleichförmigere Tintentropfenerzeugung erzielt mit einer geringeren Anzahl von Satellitentropfen, was eine höhere Druckqualität bedeutet.

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Claims

P AT ENTANSPRÜCHE

Düsenaufbau für einen Tintenstrahldrucker, bei dem unter' Druck stehende Tinte aus einer Düse ausgespritzt wird und durch mechanische Schwingungen der Düse in einzelne gleich große und gleich voneinander beabstandete Tropfen unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (16) eine Kammer (18) aufweist, welcher Tinte unter Druck zugeführt wird, (durch 22) die in einer Wand (24) eine Edelsteindüse (30) aufnimmt, die eine Austrittsöffnung (32) aufweist, deren Längen - Durchmesserverhältnis nicht größer als 1,0 ist und deren der Kammer (18) zugewandte Kante (40) scharfkantig ausgebildet ist.
2. Düsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Austrittsöffnung (32) und die rechtwinklig zu derselben angrenzende, der Kammer (18) zugewandte Fläche (42) hydraulisch glatt sind.
3. Düsenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Austrittsöffnung (92) an ihrer Austrittsseite ein in Richtung des Tintenstromes sich erweiternder Kegel (34) anschließt.
4. Düsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Austrittsöffnung (32) etwa O,O25 bis 0,050 mm und die Länge dieser öffnung 0,0125 bis 0,025 ram

* beträgt.
5. Düsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß die Edelsteindüse (30) in ein Ansatzloch (26) einer Wand (24) der Kammer (18) eingesetzt ist und durch Deformierung der der Ringfläche (28) des Ansatzloches (26) gegenüberliegenden Ringkante (31) festgehalten ist.
6. Düsenaufbau nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekerui-

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mm 7 mm

zeichnet, daß die Edelsteindüse (30) aus einem synthetischen Rubin oder einem Saphir besteht und hydraulisch geglättet ist.

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