DE3123796C2 - Tropfenausstoßvorrichtung, insbesondere für einen Tintenstrahldrucker - Google Patents

Abstract

Es handelt sich um einen Tintenstrahldrucker vom Be darfs typ und eine Tropfenausstoßvorrichtung zur Verwendung bei einem solchen Tintenstrahldrucker. Bei der Tropfenausstoßvorrichtung wird von einem schwingenden piezoelektrischen Element (10) die Schwingung auf ein Übertragungsmedium (14) nicht-fester Konsistenz übertragen. Über das Übertragungsmedium (14) wird der Druck auf einen passiven Vibrator (13) übertragen, der in Kontakt mit der auszustoßenden Tinte steht. Der passive Vibrator (13) ist gegenüber der Auslaßöffnung (17) für die Tinte angeordnet. Der passive Vibrator (13) wird über das Übertragungsmedium (14) in Schwingungen versetzt und vermittels des durch diese Schwingungen erzeugten Druckes wird Tinte durch die Auslaßöffnung (17) ausgestoßen. Bei dieser Tropfenausstoßvorrichtung ist ein leichter Zusammenbau gewährleistet, eine gleichmäßige Ausstoßcharakteristik wird erreicht und das Problem des Einsaugens von Luft mit daraus resultierenden Fehlfunktionen beim Ausstoß von Tinte wird ausgeräumt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tropfenausstoßvorrichtung, insbesondere für einen Tintenstrahldrucker, mit einem entsprechend einem elektrischen Signal schwingenden Druckerzeuger; einer mit Tinte gefüllten Druckzelle, deren Seitenwandung (eilweise von dem Druckerzeuger und einem passiven Vibrator gebildet ist, der eine geringere Fläche hat als der Druckerzeuger; einer Tintenaussloßkammcr auf dem passiven Vibrator auf ιΐιτ Außenseite der Druckzelle mit einer die Tintenausstoßkammer nach außen abschließenden und eine Auslaßöffnung aufweisenden Frontscheibe, wobei der durch die Schwingungen des Druckerzeugers erzeugte Druck über die Tinte in der Druckzelle auf den passiven Vibrator übertragen wird und diesen in Schwingungen versetzt, welche jeweils einen Tintentropfen aus der Tintenstusstoßkammer ausstoßen und mit mindestens ei nem Tintenkanal, der die Tinte in der Druckzelle mit der Tintenschicht verbindet

Grundsätzlich haben Tintenstrahldrucker hervorragende Eigenschaften, da sie nicht mit mechanischen Im- pulsen arbeiten. Diese Eigenschaften schließen eine geringe Geräuschentwicklung, die Möglichkeit des Gebrauches von Normalpapier als Wiedergabeträger und die leichte Verwirklichbarkeit von Farbdrucken etc. ein. Die derzeit für den praktischen Gebrauch verfügbaren

is Tintenstrahldrucker sind (elektrisch) ladungsgesteuert (elektrisch) feldgesteuert, vom Bedarfstyp oder arbeiten mit einem Tintennebel. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tropfenausstoßvorrichtung vom Bedarfstyp, die insoweit vorteilhaft sind, als die nicht für den Druck benötigte Tinte nicht abgesogen werden muß, als weiter Farbdrucke leicht hergestellt werden können und als schließlich durch Änderungen der Durchmesser der Tintentropfen die Farbtönung verändert werden kann.

Nachfolgend werden Merkmale und Nachteile des Standes der Technik erläutert Üblich sind Einraumsysteme (US-PS 39 46 398) und Zweiraumsysteme (US-PS 37 47 120, DE-AS 25 59 996). bei denen der Tropfenausstoß ausschließlich von einem piezoelektrischen EIe- ment verursacht wird.

Im Einraumsystem ist nur eine einzige Tintenzeile vorgesehen, während im Zweiraumsystem die Tinicnzelle aus zwei Behältern besteht. Beiden Systemen ist gemeinsam, daß das piezoelektrische Element durch an gelegte elektrische Signale zu sinusförmigen Schwin gungen angeregt wird, daß durch diese Schwingungen der Druck in der Tintenzelle erhöht wird, so daß ein Tintenstreifen durch eine Auslaßöffnung, die Teil der Tintenzelle ist ausgestoßen wird, und daß schließlich ein Tintentropfen durch Ablösung von dem Tintenstreifen gebildet wird. Dies Ablösen von dem Tintenstreifen erfolgt aufgrund der eigenen kinetischen Energie und der eigenen Oberflächenspannung des Tintentropfens. Dieser Tintentropfen fliegt dann einem Wiedcrgabemittel entgegen, das gegenüber der Auslaßöffnung angeordnet ist

Beim Einraumsystem liegt die Ausstoßgeschwindigkeit des Tintentropfens bei 2 bis 3 kHz. Wenn man eine Wiedergabe bei hohen Geschwindigkeiten gewährlci sten will, so müssen mehrere Tropfenausstoßvorrich tungen verwendet werden, so daß, mit wachsender Anzahl, ein starkes Anwachsen der Anzahl von Einzelteilen und eine abnehmende Zuverlässigkeit unausweichlich sind. Außerdem können hier beispielsweise dadurch Schwierigkeiten auftreten, daß gesonderte Maßnahmen vorgesehen werden müssen, um eine Schwächung der Ausstoßkraft durch eine Übertragung der Druckwelle nach hinten hin zu verhindern, dorthin nämlich, wo das Einlaßsystem zur Nachfüllung von Tinte in die Tintcn zelle vorgesehen ist. Dies ist insbesondere problema tisch, wenn das piezoelektrische Element nach innen in die Tintenzellc hineingewölbt wird, um so einen Timentropfen auszustoßen.

Das Zweiraumsystem überwindet die erläuterten

fi5 Schwierigkeiten des Einraumsysiems. Zur Teilung der Tintenzelle in einen inneren Behälter auf der Seite des piezoelektrischen Elementes und einen äußeren Behälter auf der Seite der Auslaßöffnung dient eine starre

Wand, in deren Mitte sich eine Koppelöffnung befindet, die mit der Auslaßöffnung im wesentlichen fluchtet Die minimale Auflösung für normale Wiedergabeträger sollte beispielsweise bei einem X-Y-Zeichsngerät bei sechs Linien pro mm liegen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muß der wirksame Durchmesser der Auslaßöffnung in der Größenordnung von 50 um liegen. Der innere Durchmesser der Koppelöffnung sollte in der gleichen Größenordnung liegen. Da diese beiden Bohrungen einer Größe von etwa 50 μπι wegen der Durchkopplung des Ausstoßdruckes vom piezoelektrischen Element bis zur Auslaßöffnung genau miteinander fluchten müssen, ist die Anwendung von teuren Präzisions-Fertigungstechniken unter Verwendung von Mikroskopen unausweichlich geboten. Schon eine geringe Ungenauigkeit in der Ausrichtung der beiden Bohrungen schwächt den Druck des Druckerzeugers ab und verschlechtert durch verminderte Ausstoßeffizienz das Schriftbild.

Jm übrigen besteht bei den bekannten Tropfenausstoßvorrichtungen noch das folgende Problem. Da sich das piezoelektrische Element nach dem Ausstoß eines Tintentropfens entgegengesetzt zu der Richtung zum Zeitpunkt des Ausstoßes wölbt, wird manchmal durch die Auslaßöffnung Luft eingesogen, so daß Luftblasen gebildet werden. Außerdem wird aufgrund der hohen Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Elementes in der Tinte gelöste Luft unter Luftblasenbildung abgeschieden. Diese Luftblasen nehmen die Druckwellen, die durch die Schwingungen des piezoelektrischen Elementes erzeugt werden, auf, so daß manchmal das Phänomen auftritt, daß trotz Schwingungen des piezoelektrischen Elementes Tintentropfen nicht ausgestoßen werden. Die Bildung von Luftblasen aus dem zuerst genannten Grund ist besonders bei dem Einraumsystem verbreitet. Diesem Nachteil wird durch Maßnahmen entgegengearbeitet, die eine Betonung des Strömungswiderstandes des Tinlenzuführsystems in einer Richtung beinhalten oder eine Erhöhung des Strömungswiderstandes entgegen der normalen Strömungsrichtung der Tinte. Die Bildung von Luftblasen aufgrund der zuvor zuletzt genannten Zusammenhänge wird dadurch be- oder verhindert, daß vorab schon der Anteil gelöster Luft in der Tinte durch Beifügung eines Sauerstoffabsorbers zu der Tinte verringert wird, oder daß die Tinte einer Entschäumungsbehandlung unterzogen wird (vergleiche die JA-PS 53-20 882 (1978)). Keine der beiden zuvor genannten Methoden ist wirksam, um solche Luft wieder los zu werden, die von der Tintenzelle aufgrund eines unabhängig von dem Wiedergabeverfahren auf sie aus irgendeinem Grunde ausgeübten Schlages oder mechanischen Impulses aufgenommen worden ist.

Einige der erwähnten Nachteile werden bei einer anderen bekannten Tropfenausstoßvorrichtung (DE-AS 25 07 969) dadurch behoben, daß ein passiver Vibrator verwendet wird. Als passiver Vibrator dient eine Folie, die Energieflußkanäle und tintengefüllte Kapillarkanäle luft- und flüssigkeitsdicht voneinander abtrennt. Die von den Dnjckerzeugern erzeugte Druckwelle pflanzt sich über die Energieflußkanäle fort und drückt die Folie schlagartig in die Erweiterungen der Kapillarkanäle. Die hierdurch verdrängte Flüssigkeitsmenge wird aus den Kapillaröffnungen ausgestoßen und als Tropfen auf einen Aufzeichnungsträger geschleudert. Die Anfertigung dieser Tropfenausstoßvorrichtung ist aufwendig, weil es erforderlich ist, zur Herstellung der Kapillarkanülc mit Kapillaröffnungen, Zulaufkanal und Erweiterung einen Aufbau aus mehreren Lagen zu wählen, die die jeweiligen Teile enthalten and weil die präzise gegenseitige Ausrichtung dieser Teile außerordentlich schwierig ist

Eine einfacher aufgebaute bekannte Tropfenausstoßvorrichtung mit passivem Vibrator (DE-OS 24 48 341) enthält außerdem Maßnahmen zur Verhinderung des Einsaugens von Luft in die Tintenkammer beim Zurückschwingen des Druckerzeugers. Zu diesem Zweck sind Tintenkanäle vorgesehen, die die mit Tmte gefüllten Hohlräume, auf beiden Seiten des passiven Vibrators miteinander verbindea Jeweils einem Ende jedes Tintenkanals steht ein Wandungsteil der Kammer gegenüber, die mit den Kanälen Dioden bilden und einen größeren Tintenfluß in Richtung Tintenreservoir verhindem sollen. Diese bekannte Tropfenausstoßvorrichtung hat üen Nachteil, daß die Schwingungen des Druckerzeugers auf dem Weg gegen den passiven Vibrator nicht verstärkt werden, so daß ein kraftvoller Ausstoß von Tintentröpfchen aus der Düse nicht erfolgt and das erzeugte Schriftbild unscharf ist Dies ist sowohl auf die Form des die Druckzelle bildenden Hohlraumes als auch auf Art und Anordnung der Tintenkanäle zurückzuführen, die eine Verteilung des durch die Schwingungen des Druckerzeugers erzeugten Druckes über den Kammerquerschnitt hervorrufen, anstatt ihn gegen den passiven Vibrator zu konzentrieren, um ihn zu starken Schwingungen zum Ausstoß präziser Tintentropfen zu befähigen.

Ausgehend von der letztgenannten Tropfenausstoßvorrichtung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach herstellbare billige Tropfenausstoßvorrichtung so zu gestalten, daß die Tintentropfen mit hoher Effizienz ausgestoßen werden, so daß sich durch gleichmäßige Ausstoßcharakteristik ein sauberes Schriftbild ergibt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnittsdurchmesser der Druckzelle an der Seite des passiven Vibrators kleiner ist als an der Seite des Druckerzeugers und daß der mindestens eint- Tintenkanal in dem passiven Vibrator ausgebildet ist.

Diese Ausbildung hat zur Folge, daß zusätzlich zu dem Druckgleichgewicht in den beiden Hohlräumen, das das Einsaugen von Luft und schwingungsbeeinträchtigende Verformungen des passiven Vibrators beim Einfüllen der Tinte verhindert, eine Erhöhung der Ausstoßeffizienz durch konzentrische Intensivierung des auf den passiven Vibrator wirkenden Druckes erreicht wird, wodurch sich eine verbesserte Ausstoßcharakteristik und ein sauberes Schriftbild ergeben. Die

so Tintentröpfchen sind kleiner als bisher, so daß die typographische Wiedergabe mit höherer Auflösung und entsprechend gesteigerter Schärfe erfolgt. Die Anbringung des Tintenkanals in dem passiven Vibrator selbst und die einfache Zusammenbaubarkeit der Tropfenausstoßvorrichtung erleichtern und verbilligen die Herstellung der Tropfenausstoßvorrichtung. In dieser Hinsicht ist auch vorteilhaft, daß eine präzise gegenseitige Ausrichtung von Teilen im Ausstoßbereich nicht notwendig ist, weil der konzentrisch gegen den passiven Vibrator treffende Druck so groß ist, daß auch dann ein effizienter Tropfenausstoß erfolgt, wenn die Auslaßöffnung in der Frontscheibe zu dem passiven Vibrator nicht präzise koaxial ausgerichtet ist. Es ist durchaus möglich, den Tintc/ikanal in dem passiven Vibrator außermittig, am äußeren Rand desselben vorzusehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ledig-

lieh Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Tropfenausstoßvorrichtung,

F i g. 2 und 3 Frontansichten von passiven Vibratoren für die Tropfenausstoßvorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 4 in einem vergrößerten Schnittbild ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Tropfenausstoßvorrichtung mit einem Tintenkanal und einer Einziehung,

F i g. 5 im Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Tropfenausstoßvorrichtung mit einem Luftabteil,

Fig.6 in schematischer Darstellung einen Tintenstrahldrucker mit einer Tropfenausstoßvorrichtung nach Fig.5,

Fig.7 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Dicke der Scheibe des passiven Vibrators und der Amplitude und

F i g, 8 (a—d) Wellenformdiagramme zur Darstellung der Ergebnisse von Experimenten zur Feststellung der oberen und unteren Grenzen der Dicke der Scheibe des passiven Vibrators.

Zunächst wird die grundlegende Konstruktion einer Tropfenausstoßvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Es ist ein Hauptkörper 19 vorgesehen, der aus rostfreiem Stahl gefertigt ist und die Form eines in Richtung der Längsachse verkürzten Zylinders hat. Der Hauptkörper 19 weist in seiner Mitte einen hornförmigen Hohlraum auf, der als Druckzelle 11 dient. Die Druckzelle 11 hat eine kleine öffnung 12 auf der Vorderseite (Tintentropfenausstoßseite) des Hauptkörpers 19 und eine große öffnung auf der Rückseite. Diese öffnungen sind beide kreisförmig ausgestaltet. Die Druckzelle 11 ist symmetrisch in bezug auf eine imaginäre Achse ausgebildet, die die Zentren der vorderen und hinteren öffnung verbindet bzw. symmetrisch in bezug auf die Mittelachse des Hauptkörpers 19. Die öffnung 12 auf der Vorderseite der Druckzelle 11 hat einen Durchmesser d der Größenordnung 2 mm, während die rückwärtige öffnung einen Durchmesser hat, der fast dem Durchmesser D des Hauptkörpers 19, das sind etwa 10 mm, entspricht Das Querschnittsprofil der HüHfläche der Druckzelle 11 ist hyperbolisch, das heißt, daß der Durchmesser von der Rückseite zur Vorderseite hin abnimmt

Auf der Rückseite des Hauptkörpers 19 bzw. am Ende der Druckzelle 11 auf der Öffnungsseite mit großem Durchmesser, ist zur Abdeckung dieser Öffnung ein unimorphes piezoelektrisches Element 10 angeordnet, das denselben Durchmesser wie der Hauptkörper 19 hat, und aus einer Metallscheibe und einer mit der Metallscheibe verklebten piezoelektrischen Keramikscheibe besteht Das piezoelektrische Element 10 wird als Druckerzeuger verwendet und schwingt in bekannter Weise in Abhängigkeit von elektrischen Signalen in Form einer Sinuswelle usw, so daß ein in die Druckzelle 11 eingefülltes Übertragungsmedium unter Druck gesetzt wird. Das in die Druckzelle 11 eingefüllte Übertragungsmedium 14 weist eine hohe Übertragungsrate für Schwingungen auf und wirkt gegenüber den Restschwingungen des piezoelektrischen Elementes 10 dämpfend. Als Übertragungsmedium 14 kommen passend auswählbare Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, Tinte, Silikonöl, Quecksilber usw. in Frage, auch viskos-elastische Materialien wie z. B. Silikonfett usw. kommen in Frage und schließlich sind auch kolloidale Mischungen von Pulvern in Flüssigkeiten, wie z. B. magnetisierbaren Flüssigkeiten usw. anwendbar.

Die Vorderseite der Druckzelle 11, d. h. die Öffnung

12 in der Druckzelle 11 mit geringerem Durchmesser, ist mit einem passiven Vibrator 13 in Form einer Scheibe verschlossen, die beispielsweise eine Metallschcibe, eine Harzscheibe, eine Gummischeibe, eine filmartige Scheibe usw. sein kann.

Aufgrund dieser Konstruktion wird der durch die Vibration des piezoelektrischen Elementes 10 erzeugte Druck vermittels des Übertragungsmediums 14 auf die dünne Scheibe des passiven Vibrators 13 übertragen und, im Ergebnis, dieser in Vibrationen gemäß diesem Druck versetzt. Der passive Vibrator überträgt den Druck auf eine Tintenschicht 16, so daß ein Tintentropfen ausgestoßen wird.

An der vorderen Umfangsfläche des Hauptkörpers 19 ist ein Stufenteil ausgebildet. An der Vorderseile des Stufenteiles wird eine Frontscheibe 15 gehalten, wobei in dem schmalen Spalt zwischen der Frontscheibe 15 und dem Hauptkörper 19 bzw. dem passiven Vibrator

13 eine Tinte enthaltende Tintenausstoßkammer 20 ausgebildet ist Über ein Kapillarröhrchen 18, das an eine Tintenzulauföffnung 21 angeschlossen ist, die in den Hauptkörper 19 zur Verbindung mit der Tintenausstoßkammer 20 gebohrt ist, wird der Tintenausstoßkammer 20 Tinte zugeführt, so daß dort eine Tintenschicht 16 ausgebildet und gehalten wird. Eine Auslaßöffnung 17 mit einem sehr kleinen Durchmesser der Größenordnung von 50 μπι ist in der Mitte der Frontscheibe 15 gegenüber dem passiven Vibrator 13 ausgebildet

Konkrete Daten einer Tropfenausstoßvorrichtung ergeben sich aus dem folgenden Beispiel. Die Durchmesser D des Hauptkörpers 19, des piezoelektrischen Elementes 10 und der Frontscheibe 15 sind sämtlich zu

10 mm gewählt der Durchmesser datt öffnung auf der Vorderseite des Hauptkörpers 19 beträgt 2 mm und die Dicke T der Tintenausstoßkammer 20, d. h. die Stärke der Tintenschicht 16, beträgt 300 μιτι. Ein piezoelektrisches Element 10 vom unimorphen Typ wurde verwendet das eine piezoelektrische Keramikscheibe auf einer Blei-Zirkon-Titanat-Basis aufwies. Als Scheibe für den passiven Vibrator 13 wurde eine 50 μπι dicke Folie aus rostfreiem Stahl benutzt Wasser als Übertragungsmedium 14 wurde in die Druckzelle 11 nach Verschließen der rückseitigen öffnung mit dem piezoelektrischen Element 10 eingelassen. Anschließend wurde die öffnung an der Vorderseite mit dem passiven Vibrator 13 verschlossen.

Mit der nach obigen Angaben konstruierten Vorrichtung wurde der angestrebte Ausstoß von Tintentropfen durch Anlegen einer Sinuswelle mit einer Frequenz von 2OkHz und einer Amplitude von 90 V erreicht Vergleicht man diese Vorrichtung rnii bekannten Vorrichtungen unter so weit wie möglich identischen Bedingungen, so haben die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeichneten Punkte einen kleineren Durchmesser als jene, die man mit bekannten Vorrichtungen erzeugt so daß die Wiedergabe eines Musters mit einer höheren Auflösung vollzogen werden kann.

Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Druckzelle 11 und die Tintenausstoßkammer 20 durch einen Tintenkanal 25 in Verbindung stehen, der in der Scheibe des passiven Vibrators 13 ausgebildet ist

Zunächst wird erläutert warum ein solcher Tintenkanal 25 vorgesehen wird. Wird die Scheibe befestigt, nachdem das Übertragungsmedium 14 in die Druckzelle

11 eingefüllt worden ist, so treten keine Probleme auf. Für die industrielle Herstellung geeigneter ist es jedoch, wenn zunächst die öffnung 12 der Druckzelle 11 durch

Befestigung der Scheibe geschlossen und dann erst das Übertragungsmedium 14 eingefüllt wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn, wie in F i g. 1 gezeigt, an der Spitze des Hauptkörpers 19 eine Öffnung ausgebildet ist, die als Füllstutzen 26 für das Übertragungsmedium 14 dient und mit dem randseitigen Teil der Druckzelle 11 in Verbindung steht. In diesem Fall wird das Übertragungsmedium 14 in die Druckzelle 11 durch diesen Füllstutzen 26 eingefüllt, während gleichzeitig Luft aus der Druckzelle 11 abgesogen wird. Anschließend wird dann der Füllstutzen 26 mit Hilfe eines Schraubverschlusses 27 und eines Dichtringes 28 verschlossen. Wenn, anders als bei der Konstruktion nach Fig. 1, ein Aufbau Verwendung findet, bei dem die Druckzelle 11 und die Tintenausstoßkammer 20 nicht in Verbindung miteinander stehen, und wenn der Schraubverschluß 27 zu weit eingeschraubt wird, dann wird die Scheibe vorwärts gedrückt und zur Seite der Auslaßöffnung hin gewölbt In diesem Fall aber kann die Scheibe nicht mit einem guten Kopplungsgrad schwingen, wenn das piezoelektrische Element 10 angesteuert von dem elektrischen Signal schwingt. Im Ergebnis kann dann ein Ausstoß von Tintentropfen nicht erfolgen. Das zuvor erläuterte Problem kann jedoch durch einen konstruktiven Aufbau beseitigt werden, bei dem die Druckzelle 11 mit der Tintenausstoßkammer 20 über den Tintenkanal 25 in der in F i g. 1 dargestelten Weise in Verbindung steht Selbst dann, wenn hier der Schraubverschluß 27 zu stark eingeschraubt wird, hat das allein den Effekt, daß ein und derselbe Druck auf beide Seiten der Scheibe ausgeübt wird und das Phänomen, daß die Scheibe sich wölbt obwohl dem piezoelektrischen Element 10 kein elektrisches Signal zugeführt wird, tritt nicht auf.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Tintenkanal 25 direkt in der Scheibe des passiven Vibrators 13 vorgesehen. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß der Tintenkanal 25 dazu in der Lage sein muß, den Tintendruck in der Druckzelle 11 und der Tintenschicht 16 gleichzuhalten, wenn keine Tinte ausgestoßen wird, daß die Existenz des Tintenkanals 25 aber die Schwingungen der Scheibe aufgrund der Schwingungen des piezoelektrischen Elementes 10 nicht wesentlich behindert. Dies ist der springende Punkt dieser Ausführung, der sie deutlich von dem aus dem Stand der Technik bekannten Zweiraumsystem unterscheidet.

In den F i g. 2 und 3 sind zwei Anordnungen des Tintenkanals 25 in der Scheibe des passiven Vibrators 13 gezeigt Der Tintenkanal 25 in Fig.2 ist eine runde öffnung an der Peripherie des tatsächlich schwingenden Teiles der Scheibe bzw. dem Rand der öffnung i2 der Druckzelle 11. Der Tintenkanal 25 in F i g. 3 besteht aus vier bogenförmigen Schlitzen, die jeweils in einem Quadranten angeordnet sind.

Der Durchiaßquerschnitt und die Stellung des Tintenkanales 25 muß vorsichtig und genau gewählt werden, damit diese Tintenkanäle 25 die Bedingungen erfüllen können, nämlich einerseits den Tintendruck auf beiden Seiten der Scheibe gleichzuhalten, wenn keine Tinte ausgestoßen wird und andererseits die Scheibe ieicht infolge der Schwingung des piezoelektrischen Elementes 10 schwingen zu lassen, ohne deren Schwingung zu beeinflussen, wenn Tinte ausgestoßen werden solL Bei dem in Fig.2 dargestellten Beispiel konnte der angestrebte Ausstoß von Tintentropfen bei einem Querschnitt des Tintenkanales 25 von 30 bis 70 μηνιπκΙ einer Dicke der Scheibe von d = 2 mm erzielt werden.

Da der wählbare Durchmesser des Tintenkanales 25 um so größer und die Schwingung der Scheibe um so weniger beeinflußt wird, je näher er an der Peripherie des im wesentlichen allein schwingenden Teiles der Scheibe angeordnet ist, sollte der Tintenkanal 25 tatsächlich vorteilhafterweise an der Peripherie des besagten Teiles in der zuvor erläuterten Weise angeordnet sein. Der Mittelbereich, der der Auslaßöffnung 17 direkt gegenüberliegt, muß ausgespart werden. Würde der Tintenkanal 25 in der Mitte der Scheibe angeordnet

ίο sein, so daß der Tintenkanal 25 und die Auslaßöffnung 17 miteinander ausgerichtet wären, so würde der über die Tinte im Inneren der Druckzelle übertragene Druck seinen Weg durch den Tintenkanal 25 und die Auslaßöffnung 17 nach außen nehmen. Dadurch würde der Tintenstreifen mit einer ähnlichen Bewegung der Tinte ausgestoßen, wie bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. In diesem Fall würde die Schwingung der Scheibe zweifelsfrei erheblich geschwächt und darüber hinaus würde, da die Scheibe des passiven Vibrators 13 nicht steif ist, die Ausstoßgeschwindigkeit des Tintenstreifens erheblich abgeschwächt, so daß die Bildung vernünftiger Tintenpunkte behindert würde. Berücksichtigt man dies und berücksichtigt man ferner die mögliche Genauigkeit und die Handhabungsmöglichkeiten bei der Befestigung der Scheibe an ihrem Platz, so kommt man dazu, den Tintenkanal 25 vorzugsweise außerhalb eines Kreises mit einem Radius anzuordnen, der der Hälfte des Radius des Kreises entspricht, der den im wesentlichen schwingenden Teil der Scheibe anzeigt (die gestrichelte Linie in den F i g. 2 und 3).

Entsprechend der Erfindung wird ein effektiver Ausstoß dadurch erreicht daß der für den Widerstand gegenüber dem Ausstoß eines Tintenstreifens relevante Teil durch Anbringung einer Einziehung 24 dünn gestaltet wird. Der Bereich außerhalb dieses Teiles, zumindest der Bereich außerhalb der genannten Einziehung 24, wird demgegenüber zur Vermeidung von Resonanzen dick gestaltet Auf diese Weise wird es möglich, einen sowohl stabilen als auch effektiven Ausstoß von Tintentropfen zu gewährleisten.

Der Durchmesser der Einziehung 24 auf der Seite der Scheibe des passiven Vibrators 13 sollte in der Größenordnung des Durchmessers des im wesentlichen allein schwingenden Teiles der Scheibe liegen, d. h. in der Grö-

ßenordnung des Durchmessers d der öffnung 12 in der Druckzeilen.

Da zur Einstellung der Größe der Tintentropfen im wesentlichen nur der Durchmesser der Auslaßöffnung 17 bzw. der Durchmesser der öffnung auf der Vorderseite der Frontscheibe 15 von Bedeutung ist, sollte der Durchmesser der Aüslaßöffnüng 17 unabhängig davon, ob eine Einziehung 24 vorgesehen ist oder nicht zu 40 bis 60 um gewählt werden. Darüber hinaus sollte der Kegelwinkel einer konischen Einziehung 24 im Bereich zwischen 30° und 60° gegenüber der Mittellinie der Auslaßöffnung 17 gewählt werden.

Fig.4 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles, bei dem der Tintenkanal 25 in der Scheibe des passiven Vibrators 13 ausgebildet ist

und bei dem eine Einziehung 24 um die Auslaßöffnung 17 der Frontscheibe 15 gebildet ist Die Einziehung 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem kleinen konischen Teil 24a, der in Richtung auf die Auslaßöffnung 17 zusammenläuft, und einem großen Trogteil 2Ab zusammengesetzt Der Trogteil 24fc weist hier eine ansteigende äußere Randfläche auf, deren Durchmesser sich in Richtung der Aüslaßöffnüng 17 vermindert Der Durchmesser der öffnung auf der Seite des Trogteiles 24fc mit

ίο

dem größeren Durchmesser ist etwas geringer als der Durchmesser der öffnung 12 der Druckzelle 11. Der Winkel der Oberfläche des konischen Teiles 24a gegenüber der Mittellinie der Auslaßöffnung 17 (in der Figur durch eine strichpunktierte Linie dargestellt) sollte zu 30° bis 60° gewählt werden, wie zuvor schon angegeben. Der Tintenkanal 25 in der Scheibe muß außerhalb einer Kreislinie angeordnet sein, die durch die Schnittlinie der verlängerten Fläche des konischen Teiles 24a (in der Figur durch die zweifach strichpunktierten Linien angezeigt) und der Scheibe des passiven Vibrators 13 gebildet wird. Mit dieser Konstruktion kann der geringe Tintenleckstrom, der durch den Tintenkanal 25 aufgrund des Druckes, der über das Übertragungsmedium 14 (Tinte) innerhalb der Druckzelle 11 übertragen wird, praktisch nicht den Tintenstrom stören, der durch den konischen Teil 24a aufgrund von Schwingungen der Scheibe in Richtung auf die Auslaßöffnung 17 hin fließt Mit anderen Worten beeinflußt die Tinte, die durch den Tintenkanal 25 hindurchtritt, die Schwingung der Scheibe abgesehen von dem zuvor genannten Leckstrom nicht.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten weiteren Auführungsbeispiel einer Tropfenausstoßvorrichtung 50 wird eine weitere Verbesserung der Wiedergabequalität mit Tintenpunkten dadurch erreicht, daß der Ausstoß der Tintentropfen durch die Auslaßöffnung 17 vermittels eines Luftstromes beschleunigt wird. Diese Vorrichtung weist folgende Teile auf: eine Nut 20a der Tintenausstoßkammer 20, eine konische Einziehung 24 auf der äußeren Umfangsfläche der Auslaßöffnung 17 an der Innenseite der Frontscheibe 15 und einen Tintenkanal 25 in Form einer Bohrung an der Peripherie des im wesentlichen schwingenden Teiles der Scheibe des passiven Vibrators 13. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen dadurch, daß vor der Frontscheibe 15 eine weitere Deckscheibe 40 angeordnet ist, so daß zwischen ihr und der Frontscheibe 15 ein Luftabteil 41 gebildet wird. Im Mittelteil der Deckscheibe 40 ist gegenüber der Auslaßöffnung 17 eine Durchlaßöffnung 42 für Tintentropfen vorgesehen, so daß die Luft, die dem Luftabteil 41 zugeführt wird, durch die Durchlaßöffnung 42 als eine Art Auspufföffnung nach außen gedrückt wird. Auf diese Weise werden die von der Auslaßöffnung 17 her ausgestoßenen Tintentropfen 23 mittels der ausströmenden Luft beschleunigt Zur Bildung des Luftabteiles 41 ist der äußere Rand des Hauptkörpers 19 etwas vorgezogen. Innerhalb dieses vorgezogenen Teiles ist eine Nut 41a vorgesehen, die einen Teil des Luftabteiles 41 bildet und ringförmig ausgestaltet ist In einem bestimmten Bereich dieser Nut 41a ist eine Durchtrittsöffnung auf der Rückseite des Hauptkörpers 19 ausgebildet und mit einem Luftauslaß einer Luftpumpe verbunden. Die Deckscheibe 40 ist auf der vorderen Oberfläche des zuvor genannten vorgezogenen Teiles des Hauptkörpers 19 angeordnet Die Durchlaßöffnung 42 für die Tmtentropfen ist so ausgestaltet, daß sie einen genügend großen Durchmesser im Vergleich zur Auslaßöffnung 17 hat Beide Löcher sollten mit ihren Zentren zueinander ausgerichtet sein, geringe Abweichungen sind aber zulässig.

In F i g. 6 ist eine auswechselbare Tintenpatrone 33 vorgesehen. Ein Tinte enthaltender Sack 33a ist mit der Tintenausstoßkammer 20 und der Druckzelle 11 über Kapillarröhrchen 46,47 und 18 mit einem Filter 44 und einem Kontrollventil 45 dazwischen verbunden. In ein den Sack 33a aufnehmendes Gehäuse 336 wird von einer Luftpumpe 43 her Luft gepumpt, so daß der Druck innerhalb des Gehäuses 336 etwas größer als der Atmosphärendruck ist, so daß dadurch der Sack 336 etwas zusammengepreßt wird. Die Tintenpatrone 33 ist unterhalb der Tropfenausstoßvorrichtung 50 der Anordnung in Fig.5 angeordnet. Das Kontrollventi! 45 ist so konstruiert, daß der Tintenstrom in Richtung der Tropfen -ausstoßvorrichtung 50 frei ist, daß aber ein Tintenstrom in Richtung der Tintenpatrone 33 verhindert wird. Bei dem zuvor beschriebenen Tintenstrahldrucker

to wird die Luftpumpe 43 nur während der Wiedergabezeit angetrieben. Dementsprechend hai die Tinte im Sack 33a einen geringeren Druck als die Tinte in der Tintenausstoßkammer 20 während der Abschaltzcit. da die Tintenpatrone 33 unter*¹ .'b der Tropfenausstoßvor richtung 50 angeordnet ist und das Kontrollventil 45 fehlerfrei schließt. In diesem Fall kann die zwischen der Tropfenausstoßvorrichtung 50 und dem Kontroilvcniii 45 befindliche Tinte bei geschlossenem Kontroilvcniii 45 im Gleichgewicht gehalten werden, so daß ein Eintrc ten von Luft durch die Auslaßöffnung 17 verhindert wird.

Wenn der Wiedergabevorgang bei laufender Luftpumpe 43 beginnt, wird durch Schwingungen der Scheibe des passiven Vibrators 13 die Tinte der Tintenschicht 16 durch die Auslaßöffnung 17 ausrcstoüen und dann von der Luft beschleunigt, die von der Luftpumpe 43 her zugeführt wird, in dem Luftabteil 41 anlang', l.-.ü schließlich durch die Durchlaßöffnung 42 für die Tintentropfen entladen wird. Die so beschleunigten Tinten- tropfen 23 fliegen auf einen Wiedergabeträger 31. der auf eine Trommel 32 aufgewunden ist und bilden dort Tintenpunkte. Mit zunehmendem Verbrauch der Tintenschicht 16 der Tintenausstoßkammer 20 sinkt hier der Druck unter den Tintendruck in dem Sack 33a. der ja durch die Zufuhr von Luft von der Luftpumpe 43 her erhöht worden ist Nun öffnet das Kontrollvcntil 45 und es wird Tinte nachgefüllt in die Tintenausstoßkammer 20 bis der hier vorliegende Unterdruck abgebaut ist. Auf diese Weise kann der Ausstoß von Tintentropfen fort geführt werden, ohne daß der Tintennachschub abreißt und ohne daß Luft in die Tintenschicht 16 eintritt.

Wie Untersuchungen zeigten, haben die Abmessungen der Scheibe als passiver Vibrator 13, insbesondere ihre Dicke und der wirksame Durchmesser ihres schwingfähigen Teiles, d. h. der Durchmesser der Öffnung 12 auf der Vorderseite der Druckzelle 11, einen wesentlichen Einfluß auf die Wiedergabequalität F i g. 7 zeigt die Ergebnisse tatsächlicher Messungen der Beziehung zwischen der Dicke (Abszisse) der Scheibe des passiven Vibrators 13 und der Amplitude (Ordinate) bei d — 2 mm. Die Kurve A zeigt die Hauptschwingung, während die Kurve B die Restschwingung zeigt. Aus dem Diagramm ergibt sich deutlich, daß sowohl die H&uptschwingung als auch die Restschwingung größer wird, je geringer die Dicke f der Scheibe ist und geringer, je dicker die Scheibe ist Wenn man also eine große Hauptschwingung anstrebt so ist dabei zu beachten, daß durch eine abnehmende Dicke t erzeugte große Hauptschwingungen auch zu großen Restschwingungen führen, so daß unnötigerweise Tmtentropfen aufgrund der Restschwingungen ausgestoßen werden. Dementsprechend sollte die Dicke der Scheibe sowohl eine untere als auch eine obere Grenze haben, um so eine angemessene Amplitude der Hauptschwingung zu gewahres leisten.

F i g. 8 zeigt einen Teil der Versuche, die zur Feststellung dieser Grenzen durchgeführt wurden. F i g. 8a zeigt dabei die Wellenform der dem piezoelektrischen EIe-

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ment 10 zugeführten Spannung. Demnach wurde in Abständen eine sinusförmige Spannung (50 μβ pro Schwingung) mit einer Amplitude von 200 V von Spitze zu Spitze angelegt. Die F i g. 8b, c und d zeigen diagrammariig die Schwingungen der Scheibe bei f = 30 μητι, 50 μιη und 80 μπι. Die Schwingungen, die an den definierten Punkten entlang der Zeitachse, die der anregenden sinusförmigen Spannung entsprechen, sind die Hauptschwingungen, während die anderen die Restschwingungen sind. Die Amplituden von Spitze zu Spit- ίο ze in den Hauptschwingungen für f = 30, 50 und 80 μιη sind 9 μιη, 3 μιη und 1,5 μιη. Da bei t = 30 μιη die Amplitude der Restschwingung die zulässige obere Grenze erreicht, gibt dieser Wert die untere Grenze (für t), während ί = 80 μιη die obere Grenze ist. da bei diesem /-Wert die Amplitude der Hauplschwingung den zulässigen Minimalwert erreicht. Nahezu die gleichen Eigenschaften ergaben sich für einen Bereich von d = 2 mm ± 1 mm. Aus diesen Versuchen ergab sich am Ende der Schluß, daß es empfehlenswert ist, den Durchmesser der Auslaßöffnung 17 zu 40 bis 60 μιη zu wählen, den Durchmesser des im wesentlichen nur schwingenden Teiles der Scheibe, der den passiven Vibraior 13 bildet, zu 1 bis 3 mm zu wählen und schließlich die Dicke der Scheibe zu 30 bis 80 μπι zu wählen.

Wie zuvor im einzelnen erläutert worden ist, ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung so aufgebaut, daß der passive Vibrator 13 durch Druckschwankungen in Schwingungen versetzt wird, die von Schwingungen eines Druckerzeugers her stammen (der Druckerzeuger kann auch ein anderer als das zuvor erläuterte piezoelektrische Element vom unimorphen Typ sein und entweder piezoelektrische Elemente des bimorphen Types oder andere schwingungsfähige Elemente auf Basis der Lorentz-Kraft aufweisen). Aufgrund dieser Schwingungen jedenfalls wird die Tinte ausgestoßen. Eine solche Konstruktion ist leicht aufzubauen und erlaubt es, eine gleichmäßige Ausstoßcharakteristik zu erzielen und die Gefahr des Einsaugens von Luft merkbar zu verringern. 40

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Tropfenausstoßvorrichtung, insbesondere für einen Tintenstrahldrucker, mit einem entsprechend einem elektrischen Signal schwingenden Druckerzeuger;

einer mit Tinte gefällten Druckzelle, deren Seitenwandung teilweise von dem Druckerzeuger und einem passiven Vibrator gebildet ist, der eine geringere Fläche hat als der Druckerzeuger; einer Tintenausstoßkammer auf dem passiven Vibrator auf der Außenseite der Druckzelle mit einer die Tintenausstoßkammer nach außen abschließenden und eine Auslaßöffnung aufweisenden Frontscheibe, wobei der durch die Schwingungen des Druckerzeugers erzeugte Druck über die Tinte in der Druckzelle auf den passiven Vibrator übertragen wird und diesen in Schwingungen versetzt, welche jeweils einen Tintentropfen aus der Tintenausstoßkammer ausstoßen und mit mindestens einem Tintenkanal, der die Tinte in der Druckzelle mit der Tintenschicht verbindet, d a -durch gekennzeichnet, daß der Querschnittsdurchmesser der Druckzelle (11) an der Seite des passiven Vibrators (13) kleiner ist als an der Seite des Druckerzeugers (10) und daß der mindestens eine Tintenkanal (25) in dem passiven Vibrator (13) ausgebildet ist

2. Tropfenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckzelle (11) hyperbolisch oder abgestuft ausgebildet ist

3. Tropfenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontscheibe (15) auf ihrer der Tintenschicht (16) zugewandten Seite um die Auslaßöffnung (17) herum eine Einziehung (24) aufweist

4. Tropfenausstoßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einziehung (24) konisch ausgebildet ist

5. Tropfenausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Öffnungsquerschnitt der Auslaßöffnung (17) zwischen 40 und 60 μηι liegt, daß der Durchmesser des im wesentlichen schwingenden Teiles des passiven Vibrators (13) zwischen 1 und 3 mm liegt und daß die Dicke des im wesentlichen schwingenden Teiles des passiven Vibrators (13) zwischen 30 und 80 μπι liegt

6. Tropfenausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tintenkanal (25) am äußeren Rand des passiven Vibrators (13) vorgesehen ist