DE2949808A1

DE2949808A1 - Ink-jet printer using conductive ink - has acceleration electrode mounted clear of nozzle outlet for form convex meniscus and subsequent droplet formation

Info

Publication number: DE2949808A1
Application number: DE19792949808
Authority: DE
Inventors: Michihisa Suga; Mitsuo Tsuzuki
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-12-11
Publication date: 1980-07-10
Also published as: JPS5579175A

Abstract

The ink-jet printing device has a nozzle (101) which is filled with conductive ink, onto which a hydrostatic pressure is applied. The system ensures formation of a convex meniscus at the nozzle outlet. There is an acceleration electrode (102) clear of the nozzle outlet. Devices (104) are provided to apply an accelerating electrical field between the meniscus and electrode. A small vibratory pressure is also applied to the ink inside the nozzle at a preset frequency, so as to form droplets at this frequency. The hydrostatic pressure is typically from 20K to 30 gm/cm2.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenschreiber und allgemeinThe invention relates to an ink pen and generally

eine Vorrichtung zum Ausbilden von Flüsslgkeltstrdpfshen, die mit Hilfe des Tintenschreibers auf eine Druckfläche aufgebracht werden können; in dieser Vorrichtung werden die Flussigkeitströpfchen am Ausgangsende einer Düse gesteuert durch ein elektrisches Feld elektrostatisch herausgeschleudert.a device for the formation of liquid girdles, which with Can be applied to a printing surface using the ink pen; in this The device controls the liquid droplets at the outlet end of a nozzle electrostatically ejected by an electric field.

Beispielsweise ist in der US-PS 3 060 429 ein Verfahren zum Ausbilden von F1Ussigkeitströpfchen für Tintenschreiber bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein hydrostatischer Druck von 20 bis 30 g/cm' der Tinte in einer DUse aufgeprägt, so dab die Tinte am Austrittsende der DUse einen konvexen Meniskus bildet; zwischen der DUse und einer Beschleunigungselektrode vor der Düse wird zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes eine Beschleunigungsspannung angelegt, so daß die aus Tinte bestehenden Flüssigkeitströpfchen aus der Düse herausgeschleudert werden. Bei diesem Verfahren hängt die Wiederholfrequenz zum Bilden der Tintentröpfchen von der Stärke des elektrischen Beschleunigungsfeldes zwischen dem Meniskus und der Beschleunigungselektrode, von hydrostatischen Druck sowie von der Umgebungstemperatur ab. Um die Wiederholfrequenz zu stabilisieren, müssen daher verschiedene Kompensationseinrichtungen verwendet werden.For example, in U.S. Patent 3,060,429, there is one method of forming known of liquid droplets for ink pens. In this known method a hydrostatic pressure of 20 to 30 g / cm 'is applied to the ink in a DUse, so that the ink forms a convex meniscus at the exit end of the DUse; between the nozzle and an acceleration electrode in front of the nozzle is used to generate a electric acceleration field applied an acceleration voltage, so that the liquid droplets consisting of ink are ejected from the nozzle will. In this method, the repetition frequency for forming the ink droplets depends on the strength of the electric acceleration field between the meniscus and the acceleration electrode, hydrostatic pressure and the ambient temperature away. In order to stabilize the repetition frequency, various compensation devices must therefore be used be used.

Die Anzahl der innerhalb einer Sekunde gebildeten Tintentröpfchen (diese Anzahl kann als Tinteflfrequenz" bezeichnet werden), hängt von der Leitfähigkeit, dem ViskositAtskoeffizienten und der Oberflächenspannung der verwendeten Tinte, dem hydrostatischen Druck, dem Innen- und dem AuBendurchmesser der Düse sowie der elektrischen Beschleunigungsfeldstärke ab. Eine optimale Tintenfrequenz liegt bei etwa ã kHz, beträgt jedoch in der Praxis etwa 3 kHz. Die relativ niedrige Tintenfrequenz begrenzt die Druckgeschwindigkeit des Druckers.The number of ink droplets formed in one second (this number can be referred to as "ink frequency"), depends on the conductivity, the viscosity coefficient and the surface tension of the ink used, the hydrostatic pressure, the inside and outside diameter of the nozzle and the electric acceleration field strength. An optimal ink frequency is included approximately ã kHz, but in practice is around 3 kHz. The relative low ink frequency limits the printer's printing speed.

Ferner beeinflußt selbst eine außerordentlich geringe, mechanische Beschädigung am Ausgangsende der Düse direkt die Stabilität der Meniskusbildung, so daß sich eine Vernebelung oder Verschmierung aufgrund der ungleichförmigen Tröpfchen geschwindigkeit und -ablenkung ergibt.Furthermore, even an extremely small influence, mechanical Damage at the outlet end of the nozzle directly affects the stability of the meniscus formation, so that there is fogging or smearing due to the non-uniform droplets speed and distraction results.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Tintentröpfchen zu bilden, mit der die Tröpfchen mit hoher Tintenfrequenz stabil ausgebildet werden können. Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet beim Einsatz als Druckkopf in einem Tintenschreiber die Bildung feinerer Buchstaben und 'muster.The invention is therefore based on the object of providing a device for Generate ink droplets to form the droplets with high ink frequency can be made stable. This task is made possible in particular by the features of the claim solved. The device according to the invention allows in use as a printhead in an ink pen, the formation of finer letters and patterns.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und Fig. 2A bis 2B, 3A bis 3D und 4 Darstellungen zur Erläuterung der ArDeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention is described below with reference to the accompanying drawing explained in more detail. 1 shows a cross section of an embodiment according to the invention and Figs. 2A to 2B, 3A to 3D and 4 are illustrations for explaining the manner of operation the device according to the invention.

In der nachstehenden Beschreibung werden zur Vereinfachung die Einrichtungen zum Ablenken der Tintentröpfchen in X- und/ oder Y-Richtung weggelassen.In the description below, the facilities are described for convenience for deflecting the ink droplets in the X and / or Y directions omitted.

Gemäß Figur 1 weist die Ausführungsform einen mit leitfähiger Tinte 103 gefüllten Flüssigkeitsbehälter 100 sowie eine mit diesem verbundene, leitfähige Düse 101 auf. Die leitfähige Tinte 103 kann beispielsweise folgende Eigenschaften aufweisen: Viskositätskoeffizient = 1,7 cP, Oberflächenspannung = 40 dyn/cm und elektrische Leitfähigkeit : 0,0015 S/cm.Referring to Figure 1, the embodiment has one with conductive ink 103 filled liquid container 100 as well as a conductive one connected to it Nozzle 101 open. The conductive ink 103 can have the following properties, for example have: viscosity coefficient = 1.7 cP, surface tension = 40 dyn / cm and electrical conductivity: 0.0015 S / cm.

Die Düse 101 weist ein Austrittsende 101 A mit 80 m Innendurchmesser auf. Im Abstand von etwa 2 mm gegenüber dem Austrittsende 101A der Düse 101 ist eine Beschleunigungselektrode 102 angeordnet. Die Tinte 103 wird aus einem Tintenreservoir 110 unter ausreichendem hydrostatischen Druck (z.B. 30 g/cm2) zugeführt, so daß die Tinte gemäß Fig. 2A einen konvexen Meniskus 201 bildet; dabei reicht der hydrostatische Druck nicht zum Herauslaufen der Tinte aus der Düse 101 aus, solange nicht außer dem hydrostatischen Druck andere Kräfte einwirken.The nozzle 101 has an outlet end 101 A with an inner diameter of 80 m on. At a distance of about 2 mm from the outlet end 101A of the nozzle 101 an accelerating electrode 102 is arranged. The ink 103 comes from an ink reservoir 110 is supplied under sufficient hydrostatic pressure (e.g. 30 g / cm2) so that the ink of Fig. 2A forms a convex meniscus 201; the hydrostatic one is sufficient Do not apply pressure to cause the ink to run out of nozzle 101 unless except other forces act on the hydrostatic pressure.

Von einer Spannungsquelle 104 wird eine Spannung von etwa 2,2 kV der leitfähigen Tinte 103 über die leitfähige Düse 101 aufgeprägt. Da die Beschleunigungselektrode 102 auf ihrem Potential gehalten wird, liegt die Spannung von 2,2 kV zwischen dem Meniskus 201 und der Beschleunigungselektrode 102, um zwischen diesen ein elektrisches Beschleunigungsfeld zu bilden; dadurch werden die Tintentröpfchen 109 aus der Düse 101 herausgeschleudert und durch die Beschleunigungselektrode 102 auf eine Druckfläche 111 aus Papier gerichtet.A voltage of approximately 2.2 kV is obtained from a voltage source 104 conductive ink 103 is impressed through the conductive nozzle 101. As the accelerating electrode 102 is held at its potential, the voltage of 2.2 kV is between the Meniscus 201 and the accelerating electrode 102 to create an electrical between them To form acceleration field; this causes the ink droplets 109 to come out of the nozzle 101 thrown out and through the acceleration electrode 102 onto a printing surface 111 directed from paper.

Ferner ist ein Vibrator 107, bestehend aus einer Elektrodenplatte 105 und einem darauf befestigten piezoelektrischen Material 106 vorgesehen, um gemäß Figur 2B einen geringen Vibrationsdruck auf die Tinte 103 zu übertragen. Außerdem ist ein Signalgenerator 108 zum Zuführen eines Treibersignals zum Vibrator 107 vorgesehen.Furthermore, there is a vibrator 107 consisting of an electrode plate 105 and a piezoelectric material 106 attached thereon, in accordance with Figure 2B to transmit a low vibration pressure to the ink 103. aside from that A signal generator 108 is provided for supplying a drive signal to the vibrator 107.

Als piezoelektrisches Material 106 kann beispielsweise das unter dem Handelsnamen NEPEC N-21 von der Anmelderin hergestellte und vertriebene Material verwendet werden; die Spannung und die Frequenz des Treibersignals betragen beispielsweise 50 V bzw. 3 bis 7 kHz. Die Abmessungen der Platte 105 und des piezoelektrischen Materials 106 sind beispielsweise 10 mm Durchmesser und 0,3 mm Dicke.As the piezoelectric material 106, for example, that under the Trade name NEPEC N-21 Material manufactured and sold by the applicant be used; the voltage and the frequency of the drive signal are for example 50 V or 3 to 7 kHz. The dimensions of the plate 105 and the piezoelectric Materials 106 are, for example, 10 mm in diameter and 0.3 mm in thickness.

Wenn die Tinte 103 in der Düse 101 lediglich dem hydrostatischen Druck vom Reservoir 110 ausgesetzt ist und weder das elektrische Beschleunigungsfeld noch der kleine Vibrationsdruck anliegt, wird der Tintenmeniskus 201 am Austrittsende 101 A gemäß Figur 2A gebildet. Dem Meniskus 201 wird mit Hilfe des Vibrators 107 der kleine Vibrationsdruck gemäß Figur 2B aufgeprägt. Der kleine Vibrationsdruck wird auf einen ausreichend niedrigen Wert eingestellt, so daß sich die Größe des Meniskus 201 gemäß Figur 2C ändert, ohne daß die Tinte 103 aus der Düse abgegeben wird, wenn nicht auf die Tinte das zwischen dem Meniskus 201 und der Beschleunigungselektrode 102 erzeugte elektrische Beschleunigungsfeld einwirkt.When the ink 103 in the nozzle 101 is only the hydrostatic pressure from reservoir 110 and neither that electric accelerating field still the small vibration pressure is applied, the ink meniscus 201 becomes at the exit end 101 A formed according to Figure 2A. The meniscus 201 is closed with the aid of the vibrator 107 impressed the small vibration pressure according to Figure 2B. The little vibration pressure is set to a sufficiently low value that the size of the Meniscus 201 according to FIG. 2C changes without the ink 103 being discharged from the nozzle becomes, if not on the ink, that between the meniscus 201 and the accelerating electrode 102 generated electric acceleration field acts.

Das Anlegen des elektrischen Beschleunigungsfeldes an dem vibrierenden Meniskus 202 durch die Spannung von der Spannungsquelle 104 führt zu einem Herausziehen des Meniskus gemäß den Figuren 3A bis 3D. Die Änderung des Meniskus wird wiederholt. Wenn der kleine Vibrationsdruck sich im Maximum 1 (Figur 2B) befindet, wird der Meniskus 201 gemäß Figur 3A verlängert. Wenn danach der Vibrationsdruck gemäß 2B von A nach B abnimmt, wird der Meniskus 201 durch das elektrische Beschleunigungsfeld herausgezogen, so daß der Meniskus 201 gelnäß Figur 3B einen eingeschnürten Abschnitt 203 aufweist.The application of the electric acceleration field to the vibrating Meniscus 202 by the tension from the voltage source 104 results in pulling out of the meniscus according to FIGS. 3A to 3D. The change in the meniscus is repeated. When the small vibration pressure is at the maximum 1 (Figure 2B), the Meniscus 201 elongated according to FIG. 3A. After that, when the vibration pressure as shown in FIG. 2B decreases from A to B, the meniscus 201 is driven by the accelerating electric field pulled out so that the meniscus 201 according to Figure 3B has a constricted portion 203 has.

Während der Druckverminderung von B nach C in Fig. 2 B trennt sich der Endabschnitt 204 des Meniskus von diesem, um gemäß Fig. 3C ein Tintentröpfchen 109 zu bilden. Das Tintentröpfchen 109 wird dann durch die Beschleunigungselektrode 102 auf die Druckfläche 111 aus Papier gerichtet.During the pressure reduction from B to C in Fig. 2 B separates the end portion 204 of the meniscus thereof to form an ink droplet as shown in Fig. 3C 109 to form. The ink droplet 109 is then passed through the accelerating electrode 102 directed at the printing surface 111 made of paper.

Während der Druckzunahme von C nach D in Figur 2B wird der Meniskus gemäß Fig. 3D erneut vergrößert und verlängert. Der Prozess gemäß den Figuren 3A bis 3D wird nachfolgend wiederholt, so daß synchron mit der Anderung des Vibrationsdrucks Tintentröpfchen 109 gebildet werden.During the pressure increase from C to D in Figure 2B, the meniscus becomes according to FIG. 3D again enlarged and lengthened. The process according to Figures 3A through 3D is repeated subsequently so that in synchronism with the change in the vibration pressure Ink droplets 109 are formed.

Gemäß vorstehender Beschreibung wird erfindungsgemäß der Meniskus 201 einer Vibration ausgesetzt. Dies ermöglicht den Einsatz hochleitfähiger Tinte bei höherer Tintenfrequenz.As described above, according to the present invention, the meniscus becomes 201 subjected to vibration. This enables the use of highly conductive ink at higher ink frequency.

Wenn hochleitfähige Tinte verwendet wird, wird am Austrittsende 101A der Düse 101 gemäß Figur 4 eine Tintensäule 401 gebildet. Der Endabschnitt der Tintensäule 401 ändert sich mit dem Vibrationsdruck. Dadurch können die Tröpfchen 402 synchron mit dem Vibrationsdruck gebildet werden.If highly conductive ink is used, 101A The nozzle 101 according to FIG. 4 forms an ink column 401. The end portion of the column of ink 401 changes with the vibration pressure. This allows the droplets 402 to be synchronized are formed with the vibration pressure.

Gemäß vorstehender Beschreibung werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Tintentröpfchen mit einer Frequenz gleich der des Vibrationsdrucks gebildet, und werden dabei nicht beeinflußt durch das elektrische Beschleunigungsfeld oder die Leitfähigkeit, den Viskositätskoeffizienten, die Oberflächenspannung oder durch andere der verwendeten Tinte eigene Eigenschaften.As described above, in the device according to the invention the ink droplets are formed at a frequency equal to that of the vibratory pressure, and are not influenced by the electric acceleration field or the conductivity, the viscosity coefficient, the surface tension or by other properties peculiar to the ink used.

Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber bekannten Vorrichtungen, bei denen die Zunahme des hydrostatischen Drucks zu einer Verringerung der Tintenfrequenz und zu einer unvermeidlichen Vergrößerung der Tröpfchen führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht daher einen Druckerkopf für Tintenschreiber mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit und hoher Auflösung.This is a considerable advantage over known devices, in which the increase in hydrostatic pressure leads to a decrease in the frequency of the ink and leads to an inevitable enlargement of the droplets. The inventive Apparatus therefore enables a printer head for ink pens with a high operating speed and high resolution.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist die Treiberspannung für den Vibrator 107 auf 50 V eingestellt.In the embodiment shown in Figure 1, the drive voltage is set to 50 V for vibrator 107.

Wenn bei der verwendeten Tinte die Leitfähigkeit 107 S/an, der Viskositätskoeffizient 12 cP und die Oberflächenspannung 30 dyn/cm betragen, so wird die Treiberspannung vorzugsweise auf 60 V eingestellt. Ferner kann anstelle des piezoelektrischen Materials 106 zur Erzeugung der Vibrationen eine mechanische Vibrationsvorrichtung verwendet werden.If the conductivity of the ink used is 107 S / an, the viscosity coefficient 12 cP and the surface tension is 30 dynes / cm, the driving voltage becomes preferably set to 60V. Furthermore, instead of the piezoelectric material 106 a mechanical vibration device is used to generate the vibrations will.

Claims

n Ink pen "Priority: December 11, 1978, Japan, No. 153 979/78 Patent claim ink pen, g e k e n n n z e i c h n e t by a) one with conductive Ink-filled nozzle (101), b) a device (110) for impressing a hydrostatic Pressure on the ink, so that this at the exit end (101A) of the nozzle (101) a forms convex meniscus, c) one away from the exit end (101A) of the nozzle (101) arranged acceleration electrode (102), d) a device (104) for impressing an accelerating electric field between the meniscus (201) and the Acceleration electrode (102) and by e) a device (105 to 108) for impressing a small vibration pressure with a predetermined repetition frequency on the ink inside the nozzle (101) so that the droplets (109) with the predetermined repetition frequency are formed.