DE2439445A1

DE2439445A1 - Vorrichtung zum aufbringen von fluessigkeitstroepfchen auf eine oberflaeche

Info

Publication number: DE2439445A1
Application number: DE2439445A
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Hiromori; Akira Mizoguchi; Kiyoshi Yamamori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2439445B2; NL7410999A; GB1450340A; CA997823A; FR2240772B1; AU7228174A; US3940773A; FR2240772A1; AU472360B2; IT1019041B

Description

Dr. D. Thomsen PATENTANWALTS BÜ RO

W. Weinkauff Telefon (089) 530211

Dr.l.Ruch ««« 2439Λ45

Telex 5-24303 topat

Dr. H. Agular

PATENTANWÄLTE MDnchtn: Frankfurt/M.: Dr. rer. nat. D. Thomsen Dlpl.-lng. W. Weinkauff

■ . . Dr. rer- nat I. Rudi (Fuchahohl 71)

" Dipl.-Ing. Dr. H. Agular

8000 München 2 Kaiser-Ludwig-Platze 16. August 1974

Matsushita Electric Industrial Company, Limited Osaka, Japan

Vorrichtung zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf eine Oberfläche

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf eine Oberfläche und insbesondere eine Verbesserung eines Mechanismus zum Beschreiben von Papier mit ausgestoßener Tinte.

Die Geschwindigkeit der Aufzeichnung von Daten auf Papier in beispielsweise einer Datenverarbeitungsvorrichtung hängt u.a. von dem Funktionieren des Schreibmechanismus ab, der in vielen Fällen nur beträchtlich langsamer zu arbeiten vermag als das Datenverarbeitungssystem selbst. -

Es sind schon viele Vorschläge gemacht worden, einen mit ausreichender Geschwindigkeit mit Tinte arbeitenden Schreib-

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mechanismus, bei dem die Tinte durch Anwendung elektrischer Impulse auf das Papier aufgebracht wird derart, daß die Flüssigkeit in einer Anzahl pulsierender Strahlen ausgeworfen wird, zu entwickeln. Die Geschwindigkeit, des Schreibmechanismus wird wiederum weitgehend von dem Vermögen der Flüssigkeit, auf sich rasch wiederholende elektrische Impulse anzusprechen, bestimmt.

Aus der US-PS 3 7^7 120 ist ein mit Tinte arbeitender Schreibmechanismus bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Kristall als Mittel zur Erzeugung von Druckvariationen in der Flüssigkeit verwendet wird und der eine Innen- und eine Außenkammer zur Aufnahme der Flüssigkeit und einen Zustromkanal zwischen einem Flüssigkeitslieferbehälter und der Außenkammer aufweist. Außen- und Innenkammer sind durch einen Kanal, der dem Abgabekanal gegenüberliegt und axial in Flucht mit diesem verläuft, miteinander verbunden. Die Außenkammer ist sehr eng, so daß die Flüssigkeit von dem Zustromkanal durch Kapillarwirkung in sie eindringen kann. Der piezoelektrische Kristall ist an der Innenkammer angeordnet und so ausgebildet, daß er über elektrische Impulse, die auf ihn angewandt werden, einen variierenden Druck auf die Flüssigkeit in der Innenkammer auszuüben vermag.

Um den durch das Datenverarbeitungssystem vorgegebenen Anforderungen an die Geschwindigkeit zu entsprechen, muß der

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Schreibmechanismus durch Impulse, die sich mit einer Frequenz von mehr als 5 kHz, vorzugsweise 10 bis 30 kHz, wiederholen, betrieben werden. Unter diesen Umständen wurde festgestellt, daß die Flüssigkeitströpfchen nicht in. zufriedenstellender Weise ausgebracht werden, weil die Flüssigkeit bei dem bekannten Schreibmechanismus zu langsam anspricht.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine verbesserte Vorrichtung zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf eine Oberfläche, bei der die Flüssigkeit in zufriedenstellender Weise durch elektrische Impulse, die sich mit einer Geschwindigkeit bis zu einigen Cig· kHz wiederholen, ausgestoßen wird.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf eine Oberfläche mit einer Flüssigkeitsaufbringeinrichtung, die eine Kammer mit einem mit einem Flüssigkeitslieferbehälter verbundenen Zustromkanal und einem Abgabekanal, durch den die Flüssigkeit aus der Kammer in die Atmosphäre ausgestoßen wird, Mittel zur Erzeugung kurzdauernder Druckanstiege in der Flüssigkeit in der Kammer, Mittel zur Unterteilung der Kammer in einen an den Abgabekanal angrenzenden Außenkammerteil und einen Innenkammerteil,und einen den Außen- und den Innenkammerteil verbindenden Kanal in den Unterteilungsmitteln, der axial in Flucht mit dem Abgabekanal verläuft, aufweist, wobei der Zustromkanal mit dem Außenkammerteil in Verbindung steht. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine zwi-

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sehen dem Zustromkanal und dem Außenkammerteil angeordneten und mit diesen in Verbindung stehende Kammer, die als Speicher für den Außenkammerteil dient, so daß nach Abgabe von Flüssigkeit durch den Abgabekanal der Außenkammerteil durch die Flüssigkeit in dieser Zwischenkammer wieder aufgefüllt wird und die Flüssigkeit in dem Außenkammerteil auf rasche Variationen der kurzdauernden Druckerhöhungen ansprechen kann.

Das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Außenende des Abgabekanals und der Druckerzeugungseinrichtung zum Durchmesser der Innenkammer an der Druckerzeugungseinrichtung, durch die die kurzdauernden Druckerhöhungen erzeugt werden, liegt vorzugsweise zwischen 0,15 und 1,0.

In den Zeichnungen ist:

Figur 1 ein Querschnitt durch einen bekannten Schreibmechanismus mit einer unterteilten FlUssigkeitskammer und einem Flüssigkeitsbehälter;

Figur 2 ein Querschnitt durch einen Schreibmechanismus gemäß einer ersten Ausbildungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Figur 3 ein Schnitt längs der Linie III-III von Figur 2.

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Bevor die vorliegende Erfindung im einzelnen beschrieben wird, soll eine bekannte Schreibvorrichtung in vereinfachter Form beschrieben werden. Die Schreibvorrichtung 1 weist einen Außenkammerteil 2 und einen innenkammerteil 3 auf, die durch einen Kanal 4 in einer Unterteilungsplatte 12, die zwischen den Kammerteilen und 3 angeordnet ist und die Kammer in diese Kammerteile 2 und 3 unterteilt, miteinander in Verbindung stehen. Der Verbindungskanal 4 ist in der Unterteilungsplatte 12 so angeordnet, daß er einem Abgabekanal 7 am Außenende des Außenkammerteils 2, der von dem Außenkammerteil 2 in die Atmosphäre führt, direkt gegenüberliegt und axial in Flucht zu diesem verläuft. An der Wand 3¹ des Innenkammertells 3 ist .eine kreisförmige Metallplatte oder -membran 5 befestigt. Die Unterteilungsplatte 12 weist einen Zustromkanal 6, der in die Außenkammer 2 führt und über eine Leitung 9 mit einem Flüssigkeitsbehälter 8 in Verbindung steht, auf. Der Behälter 8 kann auf einem niedrigeren Niveau als der Abgabekanal 7 angeordnet sein, weil in den in den Kammerteil 2 führenden Kanälen Kapillarkräfte herrschen. Ein piezoelektrischer Kristall 10 ist in herkömmlicher Weise an der Metallmembran 5 befestigt. Leitende Drähte 11 sind mit der Metallmembran 5 einerseits und mit der Außenfläche des piezoelektrischen Kristalls 10 andererseits verbunden. Die Drähte 12 liefern die Steuerimpulse für den Kristall 10. Der Innenkammerteil 3 hat an dem Ende, das dem Außenkammerteil 2 gegenüberliegt, einen Teil 3" von vergrößertem Durchmesser, der mit der Metallmembran 5 in Kontakt steht. Die Querschnittsfläche des Abgabekanals 7 ist beträchtlich kleiner als die Quer-

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schhittsflache des Teils 3" von größerem Durchmesser.

Wenn der Kristall 10 durch einen Impuls aktiviert wird, wird Flüssigkeit von dem Innenkammerteil 3 durch den Verbindungskanal 4, die FlUssigkeitsschicht in dem Außenkammerteil 2 und weiter durch den Abgabekanal 7 ausgebracht und auf eine Schreibfläche aufgebracht. Wenn der Spannungsimpuls auf Null absinkt, wird die FlUssigkeitsströmungsrichtung in dem Verbindungskanal 4 umgekehrt, so daß nunmehr Flüssigkeit durch den Außenkammerteil 2 aus dem Behälter 8 über den Zustromkanal 6 angesaugt wird. Wenn die Folge- . frequenz der Impulse erhöht wird, so nimmt die Flüssigkeitsmenge in dem Außenkammerteil 2 ab, weil dieser Außenkammerteil 2 und die Querschnittsfläche des Zustromkanals 6 gering sind, damit Kapillarkräfte für die Flüssigkeit darin erzeugt werden, und einströmende Luft verursacht eine Unterbrechung der Flüssigkeitsabgabe. Versuche haben gezeigt, daß bei einer Impulsfolgefrequenz über 5 kHz wegen der Verringerung der FlUssigkeitsmenge in dem Außenkammerteil 2 durch den Abgabekanal 7 nicht in zufriedenstellender Weise Flüssigkeit ausgebracht wird, so daß die bekannte Schreibvorrichtung nicht in zufriedenstellender Weise auf eine Impulsfolgefrequenz über 5 kHz anzusprechen vermag.

Die Figuren 2 und j5 veranschaulichen eine Ausführungsform der FlUssigkeitsaufbringvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen, wie sie in Figur 1 verwendet werden, versehen sind.

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Die Schreibvorrichtung 1 gemäß der Erfindung gleicht weitgehend der in Figur 1 gezeigten, weist aber eine mit dem Außenkammerteil 2 in Verbindung stehende Zwischenkammer 13 auf. Diese Zwischen- oder Speicherkammer 13 ist vorzugsweise in einer ringförmigen Vertiefung, die sich axial in einer von dem Außenkammerteil 2 fortweisenden Richtung bis zu einer Tiefe, die größer ist als der Abstand der einander gegenüberliegenden Wände des Außenkammer te ils 2, erstreckt, ausgebildet und steht in Verbindung mit dem Zustromkanal 6.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann beispielsweise die folgenden Abmessungen aufweisen:

a) Abstand A zwischen den einander
gegenüberliegenden Wänden des
Außenkammerteils 2 50 - 40 μ

b) Außendurchmesser B des Außenkammerteils 2 6 mm

c) Durchmesser des Abgabekanals 7 ........ 50 μ

Länge des Verbindungskanals 4 30 μ

d) Verhältnis des Abstandes L zwischen dem Außenende des Abgabekanals 7

und der Metallmembran 5 zu dem Durchmesser D¹ des Teiles 3" von größerem Durchmesser des Innenkammerteils 3 .... L/D¹ <0,15 oder

L/D¹ >1,0

e) Tiefe C der ringförmigen Vertiefung 13 2 nun

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f) Breite D der ringförmigen Vertiefung 13 ·. 1 mm

Eine Schreibvorrichtung 1 gemäß der Erfindung mit diesen Abmessungen wurde bei Anwendung einer Impulsfolgefrequenz bis zu j50 kHz in zufriedenstellender Weise aktiviert. Der Test zeigte, daß die Schreibvorrichtung über längere Zeit in zufriedenstellender Weise so arbeitete, daß Flüssigkeitströpfchen in einer Anzahl von Flüssigkeitsstrahlen mit einem Durchmesser von etwa 100 μ über den gesamten Bereich der Folgefrequenzen abgegeben wurden.

Um das Ansprechen der Schreibvorrichtung 1 auf die Impulsfrequenz zu verbessern, muß der Druckverlust innerhalb des Innenkammerteils 3 auf ein Minimum herabgesetzt werden, damit der von der Metallmembran 5 erzeugte Druck wirksam auf den Verbindungskanal 4 übertragen wird. Zu diesem Zweck wird die Innenfläche des Innenkammerteils 3 vorzugsweise mit einem Überzug bis zu etwa 20 μ Dicke aus Hochpolymeren, wie Siliconharz, fluorhaltigem Harz, Polyäthylen oder einer organischen Metallverbindung, die in bekannter Weise unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der in Frage stehenden Flüssigkeit, wie Deckvermögen, Verspritzen, Verdampfen oder thermische Zersetzung, gewählt werden, versehen. Durch ein solches Überzugsmaterial wird nicht nur der Druckverlust auf ein Minimum gesenkt, sondern auch eine Korrosion des Innenkammerteils 3 durch das flüssige Material verhindert und damit die

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Lebensdauer der Schreibvorrichtung erhöhl; * fllternafeiv^; wird die Schreibvorrichtung 1 beispielsweise durch Extrudieren aus einem solchen Material hergestellt, wodurch sonst möglicherweise durch die Bearbeitung erzeugte Fehler vermieden werden.

Es wurde gefunden, daß, wenn die Schreibvorrichtung 1 mit einer Impulsfolgefrequenz unter 5 kHz aktiviert wird, die Abmessungen praktisch keinen Einfluß auf den Flüssigkeitsausstoß haben, d.h. die Abmessungen für die Frequenzcharakteristik der Vorrichtung nicht kritisch sind. Wenn jedoch die Vorrichtung mit höherer Impulsfolgefrequenz in dem Bereich von 10 bis 30 kHz aktiviert wird, muß die Wahl der Abmessungsparameter in geeigneter Weise erfolgen. Wenn das Verhältnis des Abstandes (L) zwischen dem Außenende des Abgabekanals 7 und der Membran 5 zu dem Durchmesser (D¹) des Teils 3" von größerem Durchmesser an der Metallmembran 5* d.h. L/D¹, größer als 1 (unity) ist, wird aus dem Abgabekanal 7 keine Flüssigkeit ausgebracht, wenn die Impulsfolgefrequenz den Wert von 5 kHz erreicht. Wenn andererseits dieses Verhältnis kleiner als 0,15 ist und die Impulsfolgefrequenz 5 kHz beträgt, so wird der durch den Impuls erzeugte Druck zu stark, so daß der Flüssigkeitsstrom zerteilt wird und sich winzige Teilchen bilden, die in einer Anzahl von unregelmäßig in ihrer Breite fluktuierenden Strömen ausgestoßen werden. Es wurde gefunden, daß bei einem Verhältnis L/C¹ zwischen 0,15 und 1,0 einschließlich, vorzugsweise etwa 0,25, und bei einer Aktivierung der Schreibvorrichtung mit einer Frequenzfolge bis zu 30 kHz die Flüssigkeitsabgabe in stabiliserter Weise erfolgt.

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Ein anderei» Paktor, der in Rechnung gesetzt werden muß, ist das Verhältnis des Durchmessers (d.) desjenigen Teils des Innenkammerteils 3 von geringerem Durchmesser zu dem Durchmesser D¹. Bei Variieren der Impulsfolgefrequenz bis zu 30 kHz, wie oben beschrieben, arbeitet die Schreibvorrichtung 1 zufriedenstellend, wenn dieses Verhältnis zwischen 0,05 und 0,4 einschließlich liegt. Wenn das Verhältnis (d^/D¹) größer als 0,4 ist, so wird der von der Metallmembran 5 ausgeübte Druck nicht wirksam auf den Verbindungskanal 4 übertragen, so daß keine Flüssigkeit ausgebracht wird, während, wenn dieses Verhältnis kleiner als 0,05 ist, in der Flüssigkeit im Innenkammerteil 3 ein starker Druck erzeugt und der ausgebrachte Flüssigkeitsstrom zu winzigen Teilchen zerteilt wird, wie oben beschrieben. Der bevorzugte Wert dieses Verhältnisses beträgt etwa 0,15*

Ein weiterer Faktor, der die Flüssigkeitsabgabe durch die Sehreibvorrichtung beeinflußt, ist das Verhältnis des Abstandes (S) zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden des Teils 3" von größerem Durchmesser des Innenkammerteils 3 zu dem Durchmesser D¹. Das Verhältnis S/D¹ liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,05 und insbesondere bei etwa 0,025.

Es wurde auch gefunden, daß eine Kante des Innenkammerteils 3 gegenüber dem Verbindungskanal 4 vorzugsweise abgeschrägt ist, wie in Figur 2 gezeigt, so daß der Teil des Innenkammerteils 3 von geringerem Durchmesser allmählich und kontinuierlich in den Teil 3"

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von größerem Durchmesser übergeht, so daß die Flüssigkeit gleichmäßig strömt und der von der Metallmembran 5 erzeugte Druck wirksam übertragen wird.

Durch die Erfindung wird die anwendbare Impulsfolgefrequenz durch die Ausbildung der Zwischen- oder Speicherkammer 13 und durch Einhalten der oben beschriebenen Abmessungsverhältnisse bis auf über 30 kHz erhöht.

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Claims

Patentansprüche

1. J Vorrichtung zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf eine Oberfläche mit einer Flüssigkeitsaufbringeinrichtung, die eine Kammer mit einem mit einem Flüssigkeitslieferbehälter verbundenen Zustromkanal und einem Abgabekanal, durch den die Flüssigkeit aus der Kammer in die Atmosphäre ausgestoßen wird, Mittel zur Erzeugung kurzdauernder Druckanstiege in der Flüssigkeit in der Kammer, Mittel zur Unterteilung der Kammer in einen an den Abgabekanal angrenzenden Außenkammerteil und einen Innenkammerteil und einen den Außen- und den Innenkammerteil verbindenden Kanal in den Unterteilungsmitteln, der axial in Flucht mit dem Abgabekanal verläuft, aufweist, wobei der Zustromkanal mit dem Außenkammerteil in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Zustromkanal (6) und dem Außenkammerteil (2) angeordnete und mit diesen in Verbindung stehende Kammer (13)» die als Speicher für den Außenkammerteil dient, so daß nach Abgabe von Flüssigkeit durch den Abgabekanal (7) der Außenkammerteil durch die Flüssigkeit in dieser Zwischenkammer wieder aufgefüllt wird und die Flüssigkeit in dem Außenkammerteil auf rasche Variationen der kurzdauernden Druckerhöhungen ansprechen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen- oder Speicherkammer (13) eine ringförmige Vertiefung ist, die sich axial in einer Richtung entgegen dem Außenkammerteil (2) erstreckt.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 2,.dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen Vertiefung größer ist als der Abstand
zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden des Außenkammerteils (2). ·

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkammerteil (3) einen in Kontakt mit den Druckerzeugungsmitteln (5) stehenden Teil von größerem Durchmesser und einen an den Verbindungskanal (4) angrenzenden Teil von geringerem Durchmesser aufweist, wobei das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Außenende des Abgabekanals (7) und dem
Druckerzeugungsmittel zu dem Durchmesser des Teils von größerem
Durchmesser in dem Bereich von 0,15 bis 1,0 einschließlich liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis bei etwa 0,25 liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Teils von geringerem Durchmesser zu dem Durchmesser des Teils von größerem Durchmesser zwischen 0,05 und 0,4 einschließlich liegt. -

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet, daß dieses Verhältnis bei etwa 0,15 liegt.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Wanden des Teiles von größerem Durchmesser zu dem Durchmesser des Teiles von größerem Durchmesser zwischen 0,01 und 0,05 einschließlich liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verhältnis bei etwa 0,025 liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Innenkammerteils einen Überzug aus einem hochpolymeren Material aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Teiles von geringerem Durchmesser zu dem Durchmesser des Teiles von größerem Durchmesser zwischen 0,05 und 0,4 einschließlich und das Verhältnis des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden des Teiles von größerem Durchmesser zu dem Durchmesser des Teiles von größerem Durchmesser zwischen 0,01 und 0,05 einschließlich liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkammerteil einen Überzug aus einem hochpolymeren Material aufweist.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil von größerem Durchmesser allmählich und kontinuierlich in den Teil von geringerem Durchmesser an der Übergangsstelle zwischen beiden Teilen übergeht. · .

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