DE2648079B2

DE2648079B2 - Druckkopf für Farbstrahldrucker

Info

Publication number: DE2648079B2
Application number: DE2648079A
Authority: DE
Inventors: Kailash Chandra Los Angeles Calif. Chaudhary (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-11-17
Filing date: 1976-10-23
Publication date: 1978-10-19
Also published as: SE418911B; AR217066A1; SE7612588L; BR7607690A; AU501713B2; IT1072422B; BE847364A; CH596992A5; JPS5262024A; DE2648079A1; GB1551990A; ES453361A1; FR2331383A1; DE2648079C3; CA1087674A; AU1968976A; NL7612221A; FR2331383B1; JPS5528868B2; US4007465A

Description

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Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs beschriebene Art eines Druckkopfes für Farbstrahldrucker.

Farbstrahldrucker oder Tintenstrahldrucker sind Aufzeichnungsgeräte, beispielsweise für Meßergebnisse. In Form von Matrixdruckern können sie als Ausgabegeräte für datenverarbeitende Einrichtungen verwendet werden. Ein Farbstrahl, der aus einer oder mehreren Düsen austritt, wird in eine Folge von gleichartigen Tröpfchen aufgebrochen und gegen eine Auffangblende oder gegen ein Aufzeichnungsmedium gerichtet. Selektive Ablenkung der Farbtröpfchen auf ihrer Flugbahn veranlaßt diese, bei ihrem Auftreffen auf die Schreibunterlage dort erwünschte Druckzeichen zu bilden. Die verwendete Farbflüssigkeit kann beispielsweise magnetisierbar sein und wird durch magnetische Felder selektiv abgelenkt. In anderen Druckern dieser Art werden die Farbtröpfchen elektrostatisch aufgeladen und mit elektrischen Feldern selektiv abgelenkt. so

Um ein gutes Aussehen der Druckzeichen zu erzielen, setzt man diese gern aus möglichst vielen und sehr kleinen Farbtröpfchen zusammen. Die Abmessungen der benutzten Düse sind entsprechend gering, so daß die Gefahr der Verstopfung solcher Düsen durch Fremdkörper besteht. Um beispielsweise Farbpunkte mit einem Durchmesser geringer als 0,018 mm zu erzielen, darf die Düse nicht größer als 0,05 mm im Durchmesser sein. Es gibt sogar noch kleinere Düsen mit einem Durchmesser geringer als 0,025 mm. so

öffnungen mit solch geringem Durchmesser können leicht verstopft werden, wenn man nicht alle Fremdkörper in der Farbflüssigkeit durch Filtern sauber entfernen kann.

Es ist daher die Aufgabe der im Anspruch angegebenen Erfindung, einen Druckkopf für Farbstrahldrucker anzugeben, der verstopfte Düsen selbsttätig reinigt und die korrekte Ausbildung der Farb

strahlen beeinträchtigende Luftblasen entfernt.

Es ist zwar bekannt (DE-OS 23 55 336), einem Druckkopf Reinigungsluft zuzuführen, um Fremdstoffteilchen von Aufladungsringöffnungen fernzuhalten. Ein Reinigungszyklus der Düsen ist nicht vorgesehen. Sollte trotzdem ein Reinigungseffekt der Düsen angenommen werden, würde er um Größenordnungen niedriger als bei der Erfindung sein, da nur ein Teil der zugeführten Tinte durch die Ausgangsleitung wieder aus dem Druckkopf austritt und der übrige Teil durch die Düsen. Auch sind bei diesem bekannten Druckkopf keine Maßnahmen getroffen, die ein Strömen der Tinte längs der Düsenplatte begünstigen und den Ausstoß durch die Düsen während der Reinigungsphase erschweren.

Es ist auch bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 17, Nr. 5, Okt. 1974, Seite 1524), einen Druckkopf mit zwei Ventilen auszustatten, die durch spezielles Schalten einen kurzzeitigen Druckanstieg über den von der Tintenquelle erzeugten Druck hinaus in der Kammer vor der Düse ergeben, wodurch ein Tintenstrahl zum Zwecke der Vermeidung von das Papier und andere Komponenten des Druckers verunreinigenden Streutropfen schnell eingeschaltet wird. Eine Düsenreinigung ist hiermit nicht möglich.

Ferner ist auch ein Tröpfchenerzeuger bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, Nr. 3, August 1972, Seite 909), der an der obersten Kammerstelle ein Entlüftungs'och aufweist. Ansonsten ist dieser Tröpfchenerzeuger völlig anders als die Erfindung ausgebildet, so daß ebenfalls eine Düsenreinigung nicht erzielbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene Darstellung eines Druckkopfes,

F i g. 2 eine Rückansicht des Hohlraumblocks des Ausführungsbeispiels der F i g. 1,

F i g. 2A eine geschnittene Seitenansicht des Hohlraumblocks der F i g. 2,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht der Deckplatte des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des zusammengesetzten Druckkopfes des ersten Ausführungsbeispiels und die Anschlußverbindungen an die FarbflUssigkeitsquelle und an die Erregerspannungsquelle für den Vibrator und

F i g. 5 eine geschnittene, schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Druckkopfes.

F i g. 1 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines Druckkopfes für Tintenstrahldrucker, der zur Erzeugung von Strahlen einer Farbflüssigkeit dient, welche in Folgen von gleichmäßigen Tröpfchen aufbrechen. Sollte diese Farbflüssigkeit für elektrostatisches Drucken dienen, dann werden diese Tröpfchen nach ihrer Erzeugung selektiv elektrostatisch aufgeladen und ihre weitere Flugbahn durch elektrische Felder so beeinflußt, daß sie entweder in eine Abflußöffnung gelenkt werden oder auf eine Schreibunterlage auftreffen, wo sie die gewünschten Druckzeichen erzeugen.

Andererseits kann diese Farbflüssigkeit eine sogenannte magnetische Tinte sein, deren selektive Ablenkung durch magnetische Felder erfolgt.

Der Druckkopf besteht unter anderem aus einem Hohlraumblock 10, einer DUsenplatte 11, einem Dichtungsring 12, einem piezoelektrischen Vibrator 13 und einer Deckplatte 14. Der Vibrator muß nicht nach dem piezoelektrischen Verfahren arbeiten, sondern er

kann auch einen magnetischen, elektromagnetischen oder akustischen Effekt ausnutzen. Dem Druckkopf zugeführte unter Druck stehende Flüssigkeit wird durch den Vibrator periodisch gestört und aus der öffnungen der Düsenplatte 11 in Form von Strahlen aufeinanderfolgender gleich großer Tröpfchen ausgestoßen. Diese öffnungen sind so klein, z. B. 0,02 mm Durchmesser, so daß bereits sehr kleine Teilchen von Fremdmaterial solche Düsenöffnungen verstopfen können. Eine solche Verstopfung kann vollständig oder auch nur teilweise sein. Eine vollständige Verstopfung verhindert den Durchfluß der Flüssigkeit und damit auch das Drucken von dieser Düse. Eine nur teilweise Verstopfung ändert die Richtung des Tintenstrahls und stört so die Arbeitsweise des Druckers.

Wenn dieses Fremdmaterial fest verkeilt oder in der Düse steckengeblieben ist, welche den Strahl ausgeben soll, dann wird diese Verstopfung als sogenannter harter Pfropfen bezeichnet. Solch ein harter Pfropfen kommt üblicherweise von relativ großen Fremdkörperteilchen, deren Größe mit den Abmessungen der Düse selbst vergleichbar ist. Solche harte Pfropfen erfordern daher eine verhältnismäßig große Kraft, um sie zu entfernen.

Wenn solches Fremdmaterial nicht fest verkeilt oder in der Düse steckengeblieben ist, kann die davon herrührende Verstopfung als sogenannter weicher Pfropfen bezeichnet werden. Weiche Pfropfen bestehen üblicherweise aus Ansammlungen oder Klumpen von kleineren Partikeln in der Düse, die deshalb leichter entfernt werden können.

Mit der Verbesserung der Filtermethoden der Farbflüssigkeit wird die relative Häufigkeit von sogenannten harten Pfropfen merklich verringert. Als wichtigeres verbleibendes Problem können daher die sogenannten weichen Pfropfen angesehen werden. Auch kann aus einem weichen Pfropfen ein harter Pfropfen dadurch werden, daß sich weiteres Fremdmaterial an dieser Stelle ansammelt oder die Farbflüssigkeit beginnt, sich in der Nähe der nicht mehr richtig durchspülten Düse zu verkrusten.

Wie aus den Fig. t, 2 und 2A hervorgeht, ist in dem Hohlraumblock 10 ein erster Hohlraum 20 eingearbeitet, der fast bis an die Vorderseite 21 reicht und nur die dünne Vorderwand 24 stehenläßt. Zwei parallele Schlitze 22 und 23 erstrecken sich durch die dünne Vorderwand 24 des Hohlraumblocks bis in den Hohlraum 20. Ein anschließender zweiter, größerer Hohlraum 25 enthält den piezoelektrischen Vibrator 13. Eine Ringnut 26 unterschneidet die Fläche 27 des zweiten Hohlraums 25 und bildet so den Raum für einen Dichtungsring 12, um eine Abdichtung zwischen dem Hohlraumblock 10 und dem piezoelektrischen Vibrator 13 zu ermöglichen. Der Vibrator 13 sitzt auf der Fläche 27 des zweiten Hohlraums 25 auf und überträgt seine Schwingungen auf die Düsenplatte 11. Eingangskanäle 30 und 31 sind für die Flüssigkeit vorgesehen und stehen über Leitungen 32,33 und 34,35 mit dem Hohlraum 20 in Verbindung. Die Leitungen 33 und 35 können so hergestellt sein, daß man durch den Hohlraumblock 10 hindurch bis in den Hohlraum 20 bohrt und anschließend die ersten Abschnitte von der Außenwand bis zur Leitung 32 beziehungsweise 34 mittels eines Stopfens 36 beziehungsweise 37 verschließt. Der Hohlraumblock 10 ist mit einer Anzahl von Gewindelöchern 39 versehen, um die Deckplatte 14 anschrauben zu können.

Leitungskupplungen 42, 43 mit Dichtungsringen 44, 45 sind in die Eingangskanäle 30 beziehungsweise 31 eingeschraubt. Schläuche 46,47 sind mit Klammern 48, 49 an die Leitungskupplungen 42 und 43 angeschlossen. Diese dienen zur Zuführung von unter Druck stehender Farbflüssigkeit zum Hohlraum 20.
Die Düsenplatte 11 ist in der Fi g. 1 als dünne Platte dargestellt mit zwei Reihen 40 und 41 von kleinen Düsenöffnungen, die sich quer durch sie erstrecken. Sie kann auf verschiedene Weise hergestellt sein, z. B. aus einem kristallinen Material mit einer Membran aus einem anorganischen Stoff. Die Düsenplatte 11 ist auf

ίο dem Boden des Hohlraumes 20 so eingeklebt, daß die Reihen 40 und 41 der Düsen gerade hinter die entsprechenden Schlitze 22 und 23 zu liegen kommen.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, enthält die Deckplatte 14 einen großen Hohlraum 50 mit einer Anschlagringleiste 51, gegen welche sich die Rückseite des Vibrators 13 abstützt. Ein anschließender schmaler Hohlraum 52 mit einer Aussparung 53 ist vorgesehen, um einen Anschlußdraht 55 mit der Rückseite des piezoelektrischen Vibrators verbinden zu können. Ein schmaler Schlitz 56 dient dazu, den Anschlußdraht 55 aus dem Hohlraumblock herausführen zu können, um ihn an eine entsprechende Schaltung anzuschließen. Im zusammengebauten Zustand wird der Vibrator 13 unter leichtem Druck zwischen der Anschlagringleiste 51 der Deckplatte 14 und dem Dichtungsring 12 in der Ringnut 26 des Hohlraumblocks 10 eingeklemmt. Die Wand des Hohlraums 20 ist elektrisch leitend, so daß die elektrisch leitfähige Farbflüssigkeit geerdet werden kann. Da die Farbflüssigkeit auch die vordere Fläche des piezoelek-

JO frischen Vibrators 13 benetzt, bildet sie auch den erdseitigen Anschluß des Vibrators. Eine entsprechende Spannung am Anschlußdraht 55 führt an die rückseitige Elektrode des piezoelektrischen Vibrators 13, dessen vordere Elektrode über die Farbflüssigkeit geerdet ist,

J5 und erregt so den Vibrator. Entsprechend den Gewindelöchern 39 in dem Hohlraumblock 10 ist die Deckplatte 14 mit einer Reihe von versenkten Schraubenlöchern 58 versehen. Mit Schrauben 59 in diesen Löchern werden die einzelnen Teile zusammengehalten.

Fig. 4 gibt einen Überblick über die zusammengebauten Teile. Die Ausgangsleitung 61 einer Farbflüssigkeitsquelle 60 ist einerseits mit dem Eingangskanal 30 des Hohlraumblocks 10 und andererseits über ein

•»5 Magnetventil 62 mit dem Eingangskanal 31 verbunden, um den Hohlraum 20 mit Flüssigkeit zu versorgen.

Der Eingangskanal 31 des Hohlraumblocks 10 ist mit einem weiteren Magnetventil 63 verbunden, von dem eine Eingangsleitung 73 zur Farbflüssigkeitsquelle 60

so zurückführt. Bei normaler Betriebsweise ist das Magnetventil 62 geöffnet und das Magnetventil 63 ist geschlossen. So wird Flüssigkeit zu dem Hohlraum 20 unter einem gewünschten Druck geliefert. Der Druck ist so gewählt, daß eine Anzahl von Farbstrahlen 64 aus den Düsen der Düsenplatte 11 austritt. Eine Erregerspannungsquelle 65 ist über den Anschlußdraht 55 mit dem piezoelektrischen Vibrator 13 verbunden. Dessen vordere Elektrode ist über die elektrisch leitende Flüssigkeit im Hohlraum 20 und den Hohlraumblock 10

bo durch die Erdverbindung 66 geerdet. Die Erregerspannung der Quelle 65 kann beispielsweise eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 kHz sein.

Duich diese Spannung wird der piezoelektrische Kristall des Vibrators zu Dickenschwingungen zwischen

b5 seinen Oberflächen 70 und 71 angeregt. Die Schwingungen des zwischen der Anschlagringleiste 51 der Deckplatte und dem Dichtungsring 12 in der Ringnut 26 des Hohlraumblocks 10 einee:klemmten Vibrators

werden über die Schrauben 59 und den Hohlraumblock

10 auf die dünne Vorderwand 24 übertragen. Auch werden einige Schwingungen von dem zusammengedrückten Dichtungsring 12 über den Hohlraumblock 10 auf die dünne Vorderwand 24 übertragen. Diese dünne Vorderwand 24 schwingt dann mit der Frequenz der Erregerspannung der Quelle 65 in axialer Richtung der Farbstrahlen 64. Auch werden Schwingungen direkt durch die Flüssigkeit selbst übertragen, die den Raum zwischen der Vorderseite des Vibrators und der Düsenplatte im Hohlraum 20 ausfüllt. Die Düsenplatte

11 ist an der dünnen Vorderwand 24 befestigt und führt in gleicher Weise Biegeschwingungen aus, wodurch eine Geschwindigkeitsmodulation der Farbstrahlen 64 in deren Fortschreitungsrichtung erfolgt. Da der piezoelektrische Kristall nur am Rande eingespannt ist, kann

er freie Dickenschwingungen ausführen. Seine Oberfläche 71 steht in Kontakt mit der unter Druck stehenden Farbflüssigkeit, da er die Rückseite des Hohlraumes 20 bildet. Die schwingende Oberfläche 71 verändert periodisch das Volumen des Hohlraumes 20, wodurch innerhalb des Hohlraumes eine periodische Druckstörung in der Flüssigkeit erzeugt wird.

Die Frequenz der Schwingungen und der Druckwellen ist so hoch, daß bei den kleinen Abmessungen des 2*> Druckkopfes die Geschwindigkeitsmodulation der Farbstrahlen 61 gerade dann in Phase mit der Druckmodulation der Flüssigkeit im Hohlraum 20 ist, wenn die Strahlen die Düsen in der Düsenplatte 11 verlassen. Günstige Modulation erfolgt bei einer Amplitudenspannung der Erregerspannungsquelle 65 von etwa 5,5 Volt.

Der Ausgang des normalerweise geschlossenen Magnetventils 63 ist über die Eingangsleitung 73 mit der Farbflüssigkeitsquelle 60 verbunden. Bei normalem Betrieb, wenn das Magnetventil 62 geöffnet und das Magnetventil 63 geschlossen ist, fließt Flüssigkeit von der Ausgangsleitung 61 der Farbflüssigkeitsquelle 60 zu beiden Eingangskanälen 30 und 31 des Hohlraumblocks 10. Die Eingangsleitung 73 und die Ausgangsleitung 61 -to sind entsprechend dimensioniert, um im Druckkopf den richtigen Druck in der Farbflüssigkeit einzustellen, sowohl während der Erzeugung von Farbstrahlen als auch im Selbstreinigungsbetrieb des Druckkopfes.

Wenn ein sogenannter weicher Pfropfen eine oder mehrere Düsen verstopft, werden die Magnetventile 62 und 63 umgeschaltet. Wenn jetzt das Magnetventil 62 geschlossen ist und das Magnetventil 63 geöffnet, dann fließt die Farbflüssigkeit von der Farbflüssigkeitsquelle 60 von der Ausgangsleitung 61 zum Eingangskanal 30 ><> und durch die Leitung 33 des Hohlraumblocks 10 hinein, strömt längs der Düsenplatte 11, und verläßt das Gehäuse über die Leitung 35 und den Eingangskanal 31 in Gegenrichtung zu der Eingangsleitung 73 der Farbflüssigkeitsquelle. Die Flüssigkeitsströmung längs der Düsenplatte 11 lockert und entfernt weiche Pfropfen aus den öffnungen der Düsen. Das entfernte Fremdmaterial wird durch die Flüssigkeit über die Leitung 35 zur Farbflüssigkeitsquelle 60 mitgenommen. Es ist zweckmäßig, die Erregerspannungsquelle 65 während des Selbstreinigungsbetriebes auszuschalten. Der Druck innerhalb des Hohlraums wird herabgesetzt, weil der vermehrte Ausfluß von Flüssigkeit durch die Leitung 35 wesentlich größer ist, als der Fluß durch alle Düsen zusammen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes ist in der Fi g. 5 dargestellt. Dieser Druckkopf hat nur eine einzelne Düse 80. Diese ist mittels einer Düsentragplatte 81 an dem Körper 82 des Druckkopfes befestigt. Ein piezoelektrischer Vibrator 83 ist an einer Stützplatte 84 angebracht und kann mittels der Anschlußleitung 85 an eine Erregerspannungsquelle angeschlossen werden. Ein Dichtungsring 86 verschließt den Hohlraum, der durch die Form des Körpers 82 gebildet wird. Durch eine Quelle wird Flüssigkeit zu den Leitungen 87 und 88 geliefert, um einen an der Düse 80 austretenden Farbstrahl zu erzeugen. Die Farbflüssigkeit wird periodisch gestört durch den piezoelektrischen Vibrator, um den Farbstrahl zu veranlassen, in eine Folge von gleichartigen Tröpfchen aufzubrechen.

Sollte die Düse 80 völlig oder auch nur teilweise durch einen weichen Pfropfen verstopft werden, dann wird die Strömungsrichtung der Leitung 88 umgekehrt, so wie es bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.4 oben beschrieben ist.

Dadurch wird die Strömung von der Leitung 87 veranlaßt, längs der Düse 80 zu fließen und über die Leitung 88 auszutreten, wodurch die Verstopfung aufgelöst und entfernt wird.

Bei beiden Ausführungsbeispielen befindet sich die Einmündung der umkehrbaren Leitung 35 beziehungsweise 88 an dem höchsten Punkt des Hohlraumes. Die Selbstreinigungseinrichtung kann daher auch gebraucht werden, eventuelle Luftblasen über diese Leitungen aus dem Druckkopf zu entfernen. Kompressibles Gas wie Luftblasen stört nämlich den Betrieb des Druckkopfes erheblich, weil seine Anwesenheit die Druckmodulation der inkompressiblen Farbflüssigkeit verhindert. Wenn die umkehrbare Leitung nicht am höchsten Punkt des Hohlraumes einmündet, kann eine Luftblase nur in weniger wirksamer Weise dadurch entfernt werden, daß man während des Selbstr^nigungsbetriebes die in der Richtung umgekehrte Flüssigkeit sehr schnell den Hohlraum durchströmen läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Druckkopf für Farbstrahldrucker, mit mindestens einer Düse zum Ausstoßen eines durch einen Vibrator in eine Folge von gleichartigen Tröpfchen aufgebrochenen Farbstrahls, mit einer Kammer, in deren einen Wandung die Düse angeordnet ist und mit zwei an möglichst weit voneinander entfernten Stellen in die Kammer einmündenden, mit einer FarbflUssigkeitsquelle verbundenen Farbflüssigkeitsleitungen, von denen die erste Leitung als ständige Zuführungsleitung von unter Druck stehender Farbflüssigkeit dient, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung (31 bzw. 88) am höchsten Punkt der Kammer (20) in dieselbe einmündet und durch zwei Ventile (62, 63) während des Schreibbetriebes mit der Ausgangsleitung (61) der FarbflUssigkeitsquelle (60) und während einer Reinigungsphase mit der Eingangsleitung (73) der FarbflUssigkeitsquelle (60) verbindbar ist, daß die beiden Farbflüssigkeitsleitungen (30,31 bzw. 87, 88) derart in die Kammer (20) einmünden, daß sich während der Reinigungsphase eine Tintenströmung längs der Düsenplatte (11 bzw. 80) einstellt, und daß in der Reinigungsphase der Vibrator (13 bzw. 83) abgeschaltet ist.