DE2144892A1 - Gepulste tropfenauswerfvorrichtung - Google Patents
Gepulste tropfenauswerfvorrichtungInfo
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Description
PATENTANWnai
DIPL.-ING.
6 Frankfurt am λ\αΐη 70
Schnockeriliofstr. 27 - Tel. 617079
Schnockeriliofstr. 27 - Tel. 617079
2. Sept. 1971
Gzs/raU
Clevite Corporation, 1700 St. Clair Avenue, Cleveland,
Ohio 44110, USA,
Gepulste Tropfenauswerfvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die kleine Flüssigkeit smpngen, die für den Gebrauch in Geräten, wie z.B. Tintenstromdruckern
und Aufzeichnern, geeignet sind, auswirft.
Ein elektro-akustischer Übertrager ist mit einer Flüssigkeit
in einer Leitungsröhre, die in einer kleinen Mündung angrenzend an den Übertrager endet, gekoppelt. Vorzugsweise
ist die akustische Impedanz des Versorgungsteils der Leitungsröhre
groß, verglichen mit der akuebischen Impedanz der Mündung.
Die Flüssigkeit steht unter kleinem oder keinem statischen Druck. Oberflächenspannung an der Mündung verhindert einen Flüssigkeitsausfluß,
wenn der Übertrager nicht betätigt wird. Ein elektrischer Inirmls mit kurzer Anstiegszeit verursacht eine
Plötzliche VolumenMnderung an dem Übertrager, wodurch ein
akustischer Druckimpuls erzeugt wird, der eine genügende Amplitude besitzt, um die Oberflächenspannung an der Mündung
zu überwinden und eine kleine Menge von Flüssigkeit davon auszustoßen. Danach verschwindet der Impuls langsam, wobei
die Veränderungsrate des Volumen3 langsam genug ist, so daß der resultierende Druckabfall nicht ausreicht, um die Oberflächenspannung
zu überwinden. Infolgedessen fließt Flüssigkeit von dem Versorgungsteil der Leitungsröhre in den Übertrager,
um die vorher ausgeworfene Flüssigkeitsmenge zu ersetzen, ohne daß Luft durch die Mündung gezogen wird.
BAD ORiGiNAL
309833/0955
Drucker und Schreiber von verschiedener Art sind entwickelt
worden, die einen Strom von Tintentropfen verwenden. Die
Tinte wird unter statischem Druck durch eine kleine Mündung ausgestoßen. Der austretende Tintenstrom zerfällt in Tropfen,
äie/ungleiehmäßiger Größe und Abstand neigen. Es wurde gefunden,
daß tJl traschall-Titrationen von passender Frequenz,
die an eine Düse oder an einen Tintenvorrat angelegt wird, dazu neigt, den gegenwärtigen Abstand und die Größe der
Tröpfchen zu vergleichmässigen. Bei einigen Anmeldungen, wie z.B. bei Schriftzeichendruckern und Faksimijleaufzeiehnern,
ist es notwendig, steuerbar zu verhindern, daß einige der Tropfen das Aufzeichnungsmedium erreichend In dem US-Patent
'3 298 030 werden die nicht gewünschten Tröpfchen elektrostatisch
von dem Aufzeichnungsmedium in ein Tintendepot abgelenkt. Im US-Patent 3 416 153 wird ein Tintenstrom durch eine
öffnung in einem Schirm auf ein Aufzeichnungsmedium geschleudert.
Wenn die Tröpfchen nicht gewünscht werden, wird der Strom durch ein elektrisches Feld verteilt, so daß er durch
den Schirm unterbrochen wird. Diese Arten der Tröpfchenkontrolle sind verhältnismäßig kompliziert und aufwendig.
Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein System zu liefern, das eine kleine Flüssigkeitsmenge nur auf einen
elektrischen Befehl.ausstößt. Ein anderes Ziel ist ein
System, das keinen'unter Druck stehenden Flüssigkeitsvorrat
benötigt.
Ein weiteres Ziel ist ein System, das eine Flüssigkeit auf
ein elektrisches Signal ausstößt, i»obei die Menge bei jedem
Signal steuerbar ist.
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Entsprechend der Erfindung wird eine Röhre, die eine kleine
Mündung besitzt, mit Flüssigkeit von einem Vorrat versorgt. Ein elektro-akustischer Übertrager, der in der Lage iet, eine
kleine ITiissigkeitsmenge als Antwort auf ein elektrisches
Signal zu verdrängen, ist angrenzend an die Mündung mit der Flüssigkeit verdoppelt. Die Mündung ist genügend klein,wodurch
die Oberflächenspannung verhindert, daß Flüssigkeit durch die
Mündung unter Ruhbedingungen austritt. Es sind Mittel vorgesehen, um den Übertrager zu jeder Zeit, zu der es gewünscht
wird, einen elektrischen Puls zuzuführen, um Flüssigkeit von der
dung auszustofr·!} der eine Polarität besitzt, die eine Auegangsverschiebung
von Flüssigkeit von diesem Übertrager zu verursacht-
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines
Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung·
Es zeigt:
teilweise Fig. 1 ein System entsprechend der Erfindung/im Schnürt--
und teilweise als Schema,
Fig. 1a eine Modifikation des Systems der Fig. 1, Fig. 1b eine andere Modifikation des Systems von Fig. 1,
Fig. 2 eine von vielen verschiedenen Schaltkreis anordnungen,
die zum G-ebrauch dieser Erfindung passen,
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2H4892
Pig. 2a eine Modifikation der Schaltung von Pig. 2,
Pig. 2"b eine andere Modifikation der Schaltung von Pig. 2,
Pig. 3 eine andere passende Schaltungsanordnung,
Pig. 4 einen teilweisen Schnitt, der eine modifizierte - Ül)ertrager-Münduüg5-Anordnung zeigt,
Pig. 5 eine andere Übertrager-Miindung^Anordnung, und
Pig. 6 einen Querschnitt einer noch anderen Übertrager-Mündungs-Anordnung·
In Pig. 1 enthält ein bei 1 schematisch gezeigtes Reservoir,
Tinte oder andere Plüssigkeit 2. Eine Röhre, die allgemein mit 4 bezeichnet ist, steht in Verbindung mit der Plüssigkeit
in dem Reservoir und ist mit· Plüssigkeit gefüllt. Eine kleine Mündung 5 in der Leitungsröhre 4 ist für den Ausstoß von
Plüssigkeit vorgesehen, die als Tröpfchen 7 gezeigt sind.
Die Leitungsröhre 4 besteht in ihrer Länge aus einer kleinen
Bohrungsröhre 8, elektro-akustischem Übertrager 10 und
Mündungsplatte 11. Die Röhre 8 kann sich bis zu einem Reservoir
erstrecken, oder die Leitungsröhre 4 kann einen Teil 6 mit größerem Durchmesser einschließen, wie z.B. eine Plastikröhre,
die die Röhre 8 mit dem Reservoir verbindet.
Der Übertrager 10 enthält ein Ft"ck eines piezo·:
elektrischen keramischen Röhrchen 13 kleinen Durchmessers.
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2U4892 - 5 -
Der Durchmesser kann z.B. bei ungefähr 1,25 Millimetern (o,o5 inch) liegen. Die Röhre^iJ ist mit einer Elektrode 14
auf der inneren Fläche und'einer Elektrode 16 auf der äußeren
Oberfläche versehen. Die Elektroden erstrecken sich nicht, wie gezeigt, bis zu den Enden der Röhre 13f aber es können
Elektroden voller Länge,wenn gewünscht, verwendet werden.
Die Röhre 13 ist radial polarisiert.
Ein dünner Draht 17 ist um die Röhre 13 im Kontakt mit der
äußeren Elektrode 16 gewunden und mit ihr verlötet, wie "bei 19 gezeigt. Der Draht 17 dient somit ale ein elektrischer Anschluß
für den Übertrager.
Die Röhre 8, die aus jedem passenden Metall gemacht sein kann, ■wie z.B.Kupfer oder rostfreier Stahl, ist in das Ende einer
keramischen Röhre 13 mit Hilfe von leitendem Epoxyd 9 einzementiert,
die die innere Elektrode 14 kontaktiert. Daher dient die Röhre 8 als ein zweiter elektrischer Anschluß für
den Übertrager.
en ]?ür die Mündungsplatte 11 ist es beq.uem, ein/ Hhrenlager-HaTbedelstein
zu verwenden. Derartige Edelsteine sind leicht erhältlich zu niedrigen Kosten und haben exakt steuerbare Dimensionen
in einem Bereich, der für die vorliegende Verwendung passt. Die Mündung 5 kann z.B. einen Durchmesser und eine Länge in der
Größenordnung von 0,06 Millimetern haben. Der Edelstein 11 kann an das Ende des Übertragers 10 mit Hilfe von einem Epoxydkleber
12 befestigt sein.
Der Übertrager 10 arbeitet mit Hilfe rv=· tr
piezoelektrischen Effekte Wenn eine Gleichspannung zwischen
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die Elektrode angelegt wird, vergrößern oder verkleinern sich
die Länge und der Innendurchmesser der Röhre leicht, abhängig von der Polarität in Beziehung zu der Polarität der polarisierenden
Gleichspannung, die während der Herstellung verwendet wurde. Die Reaktion ist nahezu augenblicklich, sie wird nur etwas verzögert
durch Irägheitsreaktion.
Wenn es gewünscht wird, eine kleine Menge von Flüssigkeit aus der Mündimg 5 auszustoßen, wird ein Spannungsimpuls von kurzer
Anstiegszeit an den Übertrager an die Anschlüsse 8. und 1? angelegt,
wobei die Polarität so ausgewählt wird, daß eine Kontraktion des Übertragers verursacht wird. Die resultierende
plötzliche Verminderung des umschlossenen Volumens verursacht, daß eine kleine Menge von Flüssigkeit von der Mündung 5 ausgestoßen
wird. Etwas Flüssigkeit wird auch durch den Druckimpuls zurück in die Röhre 8 gezwungen, aber diese Menge ist verhältnismäßig
klein, wegen der hohen akustischen Impedanz, die durch die lange und schmale Bohrung der Röhre erzeugt wird.
Der Spannungsimpuls kann verhältnismäßig langsam abklingen und der Übertrager dehnt sich daher langsam zu seinem ursprünglichen
Volumen aus. Wegen der kleinen Veränderungsrate des Volumens ■ während des Vergehens ist die damit begleitete Druckverminderung,
zu klein, um die Oberflächenspannung an der Mündung 5 zu überwinden. Infolgedessen fließt Flüssigkeit in den Übertrager von
der Röhre 8, um die Flüssigkeit zu ersetzen, die vorher ausgestoßen wurde, ohne daß Luft durch die Mündung 5 angezogen wird.
Von dem vorhergehenden kann erkannt werden, daß das System dieser Erfindung kleine Mengen von Flüssigkeit auf Befehl ausstößt.
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Das Befehlssignal ist ein Impuls mit kurzer Anstiegszeit. Mit Hilfe einer einfachen Schaltung können Befehlsimpulse zugeführt
werden, die aufeinanderfolgend kleine Flüssigkeitsmengen
entsprechend jedem gewünschten Zeitmuster ausstoßen, nur "begrenzt durch die maximale Reaktionsgeschwindigkeit des
Systems. In Pig. 1 ist eine Folge von Befehlsimpulsen "bei 22 gezeigt, die den ausgestoßenen Tröpfchen 7 entsprechen.
Ein statischer Druck auf die Flüssigkeit ist nicht notwendig. Jedoch stören kleine positive oder negative Drücke nicht Λ
C ie Wirkungsweise. Das Haupterfordernis ist lediglich, daß ein statischer Druck alleine nicht groß genug sein darf, um die
Oberflächenspannung der Flüssigkeit bei der Mündung zu überwinden.
Wenn die betätigenden elektrischen Impulse eine Energie haben, die nicht ausreicht, die Oberflächenspannung von der Mündung
zu überwinden, werden keine Tröpfchen ausgestoßen, aber unter stroboskopiechen Licht kann beobachtet werden, wie sich die
Flüssigkeit an der Mündung momentan während jedes Impulses ausbeult. Bei etwas höheren Antiebsenergiepegel werden wohlgeformte
einzelne Tropfen ausgestoßen, einer für jeden Impuls. Bei noch höherer Energie wird zusätzliche Flüssigkeit ausgestoßen
in der Form von zusätzlichen, separaten Tröpfehen, oder die Gesamtmenge der Flüssigkeit, die mit jedem Antriebsimpuls
ausgestoßen wird, kann die Form eines langen Zylinders von Flüssigkeit/abgerundeten Enden annehmen. Daher/die Menge der
ausgestoßenen Flüssigkeit für jeden Impuls steuerbar durch Einstellung der Energie der treibenden Impulse. Dies ermöglicht
die Verwendung der Erfindung in Schreibern, die mit gesteuerter Abschattung drucken, d.h.mit Grauabstufungen ohne die Notwendigkeit,
viele Tintenpunkte pro Bildelement zu erzeugen.
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Bei dem System entsprechend dieser Erfindung ist den Ausführungsformen
ein breiter Raum gegeben. Die miteinander; in Verbindung stehenden veränderlichen Ausführungsformen sind
zahlreich und es wurde bisher keine mathematische Ausführungstechnik entwickelt„Jedoch sollten die folgenden Hinweise und
Beispiele es dem Fachmann in der Elektroakustik ermöglichen, zu einer befriedigenden Ausführung zu gelangen.
TJm zu vermeiden, daß ein übermäßiger Teil von federn Übertragungsimpuls
dadurch verschwendet wird, daß Flüssigkeit von dem Übertrager zu dem Reservoir getrieben wird, ist es erstrebenswert,
eine verhältnismäßig hohe akustische Impedanz mit Blick von dem Übertrager zu dem Versorgungsteil der Leitungsröhre
zu haben, die durch eine Röhre 8 mit kleiner Bohrung in Fig. 1 geliefert wird. Dies ist jedoch kein Erfordernis.
Ausreichende Wirkung kann auch erzielt werden, ohne daß irgendeine Behinderung in der Leitungsröhre vorgesehen wird. Eine
passende Anordnung ist in Fig. 1a gezeigt.
In Figur 1a wird Flüssigkeit von einem nicht gzeigten Reservoir
»dem Übertrager 10' durch eine Plastikröhre 6' zugeführt, die
aas
über/Ende des Übertragers gesteckt ist. Die elektrische Verbindung
mit der inneren Elektrode 14 wird dadurch erreicht, daß sich die Elektrode über das Ende der keramischen Röhre 13 zu der
äußeren Oberfläche erstreckt, wie bei 14' gezeigt. Ein dünner Drahtleiter 17' ist zu der Elektrodenverlängerung 14' mit eineji
Lot 19' befestigt und dient als ein Anschluß für den Übertrager. Mit dieser Anordnung werden etwas höhere Amplituden der elektrischen
Impulse benötigt, um Flüssigkeit auszustoßen.
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Fig* 1b zeigt eine Modifikation der Konstruktion von Pig. 1a,iß
der die akustische Impedanz der Versorgungsleitung mindestens ■so hoch gemacht ist wie die Impedanz der Ausgangsmündung, wobei
der Effekt der Oberflächenspannung an der Mündung nicht berücksichtigt ist. Die Modifikation besteht darin, zu dem inneren
Ende des Übertragers 10' einen Edelstein 11' mit einer öffnung
5', die die gleichen Dimensionen wie die Ausgangsmündung 5 hat,
zu zementieren.
Obwohl die Anordnung/der Fig. 1a und 1b befriedigend aind, ist
es im allgemeinen wünschenswert, eine höhere akustische Impedanz an dem Übertragereinlaß vorzusehen. In der Konstruktion
der Pig. 1 wird dies durch die Verwendung einer kleinen Bohrungsröhre 8 erreicht. Andere Alternativen schließen einen dünnen
Schlitz, oder ein poröses Teil oder andere akustische Widerstände an dem Übertragereingang, durch den die Flüssigkeit
durchtreten muß, ein. Weiterhin kann einiger Vorteil von der Verwendung einer Röhre wie z.B. 8 in Pig. 1 gewonnen werden,
indem ein akustischer Widerstand an dem Eingangsende hinzugefügt wird, der so dimensioniert ist, daß er als ein angepaßter
akustischer Abschluß für die Röhre in ihrer Eigenschaft als Übertragungsleitung wirkt.Dies würde akustische Resonanzeffekte
in der Röhre 8 reduzieren oder ausschließen. Es wurden jedoch auch ausgezeichnete Ergebnisse ohne einen solchen Abschluß
erzielt.
Die Veränderung im Volumen innerhalb des Übertragers 10 muß, veim er gepulst wird, das Volumen der Flüssigkeit übersteigen,
das bei der Mündung 5 ausgestoßen werden soll. Die keramische Zusammensetzung und die Dimensionen der Röhre 13 und die Energie
der treibenden Impulse sind Faktoren, die verwendet werden können,
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- ίο -
um einen passenden Aufbau zu erreichen. Gute Ergebnisse wurden *
erreicht mit Übertragervolumenveränderungen, die als ungefähr
viermal das Volumen der ausgestoßenen Flüssigkeit errechnet· wurden. Pur eine mit -vollen Elektroden versehene dünnwandige
Eöhre, die nicht durch Verklammerungen an den Enden oder durch akustische Lasten beengt ist, ist der Quotient aus Volumenveränderung
über G-esamtvolumen aufgrund des piezielektrischen
Effektes ungefähr
' QiV/V) s -Jd31 E/t
(UV/V) die Volumenveränderung pro Volumeneinheit darstellt
d,^ eine piezoelektrische Spannungskonstante
E die angelegte Spannung
t die Dicke der Röhrenwandung
Es muß beachtet werden, daß die Wanddicke t in Einheiten gemessen
wird, die konsistent sind mit den Einheiten, die zum Ausdrücken der Größe d^. verwendet wurden, gewöhnlich MKS-Einheiten, Bas
negative Zeichen zeigt eine Kontraktion an, wenn die angelegte Spannung die gleiche Polarität wie die ursprüngliche polarisierende
Spannung hat.
Ein anderes Erfordernis ist, daß die Verändeomgsgeechwindigkeit
des Volumens ausreichend sein muß im Hinblick auf die akustische Impedanzbelaetung des Übertragers, um genügend Druck zu ent*-·
um Oberflächenspannung an der Mündung 5 zu überwinden.
Eine Vielfalt von einfachen Schaltkreisen kann verwendet werden, um passende Befehlsimpulse an den Übertrager zu liefern· Pig.
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zeigt ein Beispiel, in dem die Kapazität des Übertragers als Teil des pul sf or mend en Netzwerkes verwendet wird. In Fig. 2
ist der Übertrager 10 schematisch im Querschnitt gezeigt· Die eingekreistenPolaritätszeichen zeigen an, daß die keramische
Röhre, die in diesem Beispiel verwendet wurde, während der Herstellung
polarisiert wurde, mit der inneren Elektrode positiv und der äußeren Elektrode negativ. Eine G-leichspannungsversorgung
20, die zur Vereinfachung als eine Batterie gezeigt ist, hat den negativen Anschluß mit der inneren Elektrode 14 verbunden.
Der positive Anschluß der Versorgung- 20 ist über Serienwiderstände
23 und 25 zu der äußeren Elektrode 16 verbunden. Der
Widerstand 23 hat ein/vlrhältnismäßig hohen Widerstand und der
Widerstand 25 hat einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand.
Der Transistor 26 ist als ein Schalter verwendet· Der Kollektor
32 ist mit der Verbindung zwischen den Widerständen 23 und 25 verbunden, und der Emitter 34 ist mit der negativen Seite der
Versorgung 20 verbunden. Die Konstrollimpulse 31 können zwischen
der Bais 28 und dem Emitter 34 über Anschluß? 29 zugeführt
werden.
Unter Ruhebedingungen ist der Schalter offen und die Übertragerkapazität
wird auf die Spannung der Versorgung 20 aufgeladen. Da die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt ist zu der
der ursprünglichen Polarisierungspolarität, befindet sich der Übertrager in einem expandierten Status.
Wenn ein Impuls 31 den Anschlüssen 29 zugeführt wird, schaltet
der Transistor zu einem niedrigen Wert für den Kollektor-Emitter-Widerstand während der Dauer des Impulses. Dies erlaubt der
Kapazität des Übertragers, sich schnell über den niedrigen Widerstand
25 und den Transistoreinsohaltwiderstand zu entladen.
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- -.12 -
Der Übertrager reagiert durch plötzliche Kontraktion, wobei eine kleine Menge von Flüssigkeit an der Mündung 5 ausgestoßen
wird, wie schon beschrieben·
Wenn der Impuls 31 ungefähr auf UuIl abgefallen ist, schaltet
der Transistor 26 ab und erlaubt der Übertragerkapazität, sich über die Widerstände 23 und 25 wieder auf die Spannung der Versorgung
20 aufzuladen. Wegen des höheren Wertes des Widerstandes 23 verläuft die Ladung verhältnismäßig langsam. Der Übertrager
antwortet durch langsame Ausdehnung und zieht dabei Flüssigkeit durch die Röhre 8, um die ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen,
wie schon beschrieben. Daher liefert die Schaltung als Antwort auf Steuerimpulse 31 Befehlsimpulse kurzer Anstiegszeit mit
einer verhältnismäßig langen Abfallzeit, wie bei 33 gezeigt. Für beste Resultate sollte die Abfallzeit mindestens viermal
so lang wie die Anstiegszeit sein.
.en .en
Einige Verbesserung/in der Wirkungsweise wSrd/erreieht durch
Hinzufügen einer Induktivität 36 in Serie mit dem Kollektor des Transistors, wie in Fig.2a gezeigt ist, oder in Serie mit
dem Übertrager, wie in Fig. 2b gezeigt ist.
Wird ein Übertrager, der eine Kapazität von ungefähr 5000 pF (picofarads) und eine Induktivität im Bereich von 1 bis 10 mH
(millihenry) hatte, wurden gute Resultate erzielt. Eine typische Wellenform für die Impulsspannung, die an den Übertrager engelegt
wurde, ist bei 33' gezeigt.
Ein Beispiel für eine zufriedenstellende Systemanordnung ist in folgender Tafel zusammengefasst, die sich auf die Konstruktion
der Fig. 1 bezieht: _——-—*
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- .13 -
Zusammensetzung - Bleizirkonat - Bleititanattyp mit den
•folgenden veröffentlichten nominellen Eigenschaften:
K3 3400
k·** —#388
d31 -274 x 10"12 Meter/Volt
s?., 16,5 x 10~12 Meter2/Hewton
P 7,5 x 105 Kilogramm/Meter5
Länge · 12,7 Millimeter
Innendurchmesser 0,76 Millimeter
Wanddicke 0,25 Millimeter
Mündung 5
Durchmesser 0,06 Millimeter
Länge 0,06 Millimeter
Innendurchmesser 0,41 Millimeter
Länge 12,7 Millimeter
Tinte auf Wasserbasis mit einer Viskosität und Oberflächenspannung
ähnlich der von Wasser.
Versorgung 20 50 Volt
Transistor 26 MJ 421
Widerstand 25 200 0hm
Widerstand 23 1000 0hm
Induktivität 36 2 mH (millihenry)
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Amplitude 3 mA (Milliampere)
Dauer 20 ms,- (M
Tröpfchen '
Durchmesser des Tintenflecks 0,13 Millimeter Austrittsgesehwindigkeit 1 bis 2 m/s
Wiederholungsrate "bis zu 50000/s
Zur Definition der Eigenschaften, die für das keramische
Material angegeben wurden, wird auf IEE Standards on Piezoelectric Crystals, Measurements of Piezoelectric Ceramics.
Proceedings of the IRE Vol. 49» Na. 7, July 1961 (IEEE 179-1961) verwiesen.
Mit der Schaltung von Pig. 2 gibt es <eine Grenze der Spannungsversorgung
20, über der eine Depolarisation der Keramik erfolgen könnte. Die Grenze hängt von der Zusammensetzung des
Keramikmaterials und von der Wanddicke der Röhre 13 ab. Die
Pig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die nicht diese Begrenzungen hat, D aber die zusätzliche Bauteile erfordert.
In Pig. 3 ist d.er. positive Anschluß der Versorgung 20 mit
der inneren Elektrode 14 des Übertragers 10 und der negative „,
Anschluß über einen Transistorschalter 26 und einen Widerstand 25 zu der äußeren Elektrode 16 verbunden. Yfewa. der Transistor
abgeschaltet ist, erscheint keine Spannung an dem Übertrager. Wenn der Transistor angeschaltet ist, wird die Spannung der
Versorgung 20 an den Übertrager mit der gleichen Polarität angelegt, die während der Polarisation der keramischen Röhre verwendet
wurde, daher kann keine Depolarisation infolge einer
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übermäßigen Spannung stattfinden. Ein Abblockkondensator 35
verbindet die Steuerimpulse, die den Anschlüssen 29 zugeführt
werden, mit der Transistorbasis 28· Die Diode 37 erlaubt, daß die normale Ruheladung auf der Kapazität 35 wiederhergesti.lt
wird, wenn der Steuerimpuls auf Null fällt·
Unter Ruhebedingtmgen ist der Transistor 26 abgeschaltet,
und der Übertrager 10 hat daher keine Ladung· Wenn ein Steuerimpuls 31' auftritt, schaltet der transistor 26 an und die
Kapazität des Übertragers 10 legt sich schnell über den niedrigen Widerstand 25 und den Anschaltwiderstand des Transistors
auf· Dies erfordert eine niedrige Impedanz der Versorgung 20· Der Übertrager reagiert durch schnelle Kontraktion, wobei
Flüssigkeit durch die Mündung ausgestoßen wird. Während der Impuls 31' auf Null fällt, wird der Transistor 26 abgeschaltet
und die Kapazität des Übertragers entlädt sich verhältnismäßig langsam über den großen Widerstand 23. Der Übertrager antwortet
durch langsames Expandieren und Anziehen von Ersatzflüssigkeit von Röhre 8. Eine Induktivität kann in Serie mit dem Transistor
oder Übertrager geschaltet werden, wie in Pig. 2a oder 2b·
Wenn die Flüssigkeit korrodierend auf das Elektrodenmaterial der keramischen Röhre wirkt, kann die Konstruktion der Fig. 4
angewendet werden. In diesem Fall ersteckt sich die Flüssigkeit
sversorgungsröhre mit kleinem Durchmesser 38 durch die Übertragerröhre 13· Sie ist am Ende mit einer Schulter gezeigt,
die die Mündung 51 bildet. Jedoch können auch ein Uhren-Edelstein,wie
11 in Fig. 1, oder eine andere Mündungsanordnung verwendet werden. Die Übertragerröhre 13, die die Leitungsrohre
umgibt, befindet sich in Zugspannung übermittelnden Eingriff mit der Wand der Leitungsröhre mit Hilfe eines Epoxydzements
und der Übertrager ist daher mit der Flüssigkeit inn erhalb der
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Leitungsrohre gekoppelt. Diese Anordnung führt zu einer verminderten
Empfindlichkeit, wegen der Steifheit der Leitungsröhre 38, und es wird daher eine höhere Pulsenergie erfordert,
um Flüssigkeit auszustoßen, und es ist vorteilhaft, eine Schaltung gemäß Pig. 3 zu verwenden.
Es ist nicht notwendig, daß Flüssigkeit durch den Übertrager
fließt. Z.B. enthält in Fig. 5 die Leitungeröhre 42 einen
t Versorgungsteil 8' mit kleiner Bohrung, der am Ende für
die Anbringung der Mündungsplatte 11 vergrößert ist. Eine T-Erstreckung 41 ist zu einem Ende des Übertragers 10 verkoppelt.
Das andere Ende des Übertragers 10 ist durch die Kappe 43 verschlossen. Wenn ein Befehlsimpuls zugeführt wird,
kontrahiert der Übertrager plötzlich, und stößt Flüssigkeit
von dem Übertrager in die Leitung 42. Der sich ergebende akustische Druckimpuls überwindet die Oberflächenspannung
an der ■ !Bindung 5 und verursacht den Auswurf von Flüssigkeit wie z.B. den Tropfen,?.Die hohe akustische Impedanz des-Versorgungsteils 8' verzögert einen Rückfluß zum Reservoir.
Infolgedessen fließt, während sich der Übertrager langsam ausdehnt, Flüssigkeit von der Versorgungsröhre 8' in den
W Übertrager.
Diese Erfindung ist nicht auf die Verwendung von röhrenförmigen piezoelektrischen Übertragern begrenzt. Verschiedene
Geometrien und Konstruktionen könnten angewendet werden, genauso wie verschiedene Übertragerprinzipien. Eine Veränderung
ist es, die piezoelektrische Keramikröhre 13 der Fig. 1, 4, 5 durch eine Eöhre zu ersetzen, die aus elektrostriktiven
Material gebildet ist, die wenig oder keine remanente Polarieatior
besitzt. In diesem Fall wird ein Impuls von jeder Polarität
die gleiche Volumenkontraktion verursachen, und eine Schaltung, wie sie z.B. in Fig. 3 gezeigt ist, würde benutzt werden.
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Magnetostriktive Übertrager können auch angewendet werden.
■Ein Weg dazu ist die Verwendung magnetostriktiven Materials
bei der Bildung der Röhre 38 der Fig. 4. Die Übertragerröhre ist dann ersetzt durch eine Energie zuführende Windung, die
magnetisch zu der Röhre gekoppelt ist. Um Flüssigkeit auszustoßen,
wird ein Stromimpuls von kurzer Anstiegszeit an die Windung angelegt. Danach sollte der Strom langsam zurückgehen,
so daß die Oberflächenspannung an der Mündung 5' nicht überschritten wird, während Ersatzflüssigkeit in den Übertragerteil
der Röhre 38 einfließt.
Ein anderes Beispiel ist in Fig. 6 in einer Schnittansicht einer Übertrager-Leitungsröhren-Anordnung gezeigt, die eine
dünne piezoelektrische Keramikscheibe 44 verwendet. Sie ist um die Peripherie durch kreisringförmige Dichtungen 46 und
innerhalb eines Gehäuses gehalten, das aus den Teilen 49 und
besteht. Ein ringförmiger Durchlass 51 von kleinem Querschnitt ist um die Scheibe durch die inneren Wände der Körperteile 49ι
50, Ringe 46, 47 und die offenliegende Kante der Scheibe 44
gebildet. Eine Flüssigkeita-Versorgungsröhre 8 kleiner Bohrung
ist in der Öffnung 52 im Körperteil 50 befestigt. Die öffnung
stellt eine Verbindung mit dem ringförmigen Weg 51 dar. Die Röhre 8 kann sich bis zu einem Flüssigkeitsreservoir erstrecken,
oder sie kann damit durch eine größere Röhre 6 verbunden sein. Eine zweite Öffnung 54 steht außerdem mit dem
kreisförmigen Weg 51 in Verbindung und endet an der Mündungsplatte 11. Daher wird die Leitungsröhre durch die Zuführungsröhren 6 und 3, durch öffnung 52, zwei parallele Teile des
ringförmigen Durchlasses 51, öffnung 54 und Mündungsplatte gebildet.
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Die Keramikscheibe 44, die nur au? Rand der Flüssigkeit
ausgesetzt ist, wirkt als ein elektroakustischer Übertrager, der zu der Flüssigkeit angrenzend an die Mündung 5 gekoppelt
ist. Flexible Bleidrähte 55 und 56 sind zu den Elektroden 58 und 59 der Scheibe 44 verlötet und wirken als Anschlüsse für
den Übertrager.
Wenn gewünscht wird, Flüssigkeit von der Mündung 5 auszustoßen, W wird ein Spannungsimpuls mit kurzer Anstiegszeit an die Ansohlußdrähte
55 und 56 mit einer Polarität, die entgegen der Polarisationspolarität,Iiegt, angelegt. Dies führt zu einer
plötzlichen Expansion des Durohmesβers des Übertragers 44»
wobei Flüssigkeit von dem ringförmigen Durchlass 51 verdrängt wird. Der resultierende akustische Druckimpuls stößt Flüssigkeit
von der Mündung 5 aus. Während der Puls langsam auf Null absinkt, wird Flüssigkeit in den ringförmigen Durchlass 51
von der Röhre 8 eingezogen, um die vorher ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen.
Obwohl viele verschiedene Schaltungsanordnungen konstruiert fc werden können, um den Übertrager 44 anzutreiben, ist es zweckmäßig,
eine Schaltung ähnlich der Schaltung der Fig. 2 anzuwenden. In diesem Fall ist jedoch die negative Seite der
Versorgung 20 mit der Elektrode des Übertragers 44 verbunden, die während der Polarisation negativ war. Mit dieser Polarität
hält die Ruhespannung, die an den Übertrager 44 angelegt wird, den Scheibendurchmesser in einem kontrehi'eir't.en· Zustand· Wenn
der Transistor 26 durch einen Impuls an άέη Anschluss. 29 angeschaltet
wird, entlädt sioh die Kapazität des Übertragers schnell durch den Transistor und den niedrigen Widerstand 25. Der Übertrager
reagiert durch plötzliche Ausdehnung auf den Durchmesser,
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den er vor der Verbindung mit der Spannungsversorgung 20 hatte-, und stößt !Flüssigkeit aus, wie früher beschrieben wurde,
Wenn der Befehlsimpuls auf Null fällt, lädt sich der Übertrager wieder auf die Spannung der Versorgung 20 auf und zieht
dabei den Durchmesser währenddessen wieder zusammen, wobei neue Flüssigkeit von der Röhre 8 herangezogen wird.
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Claims (19)
1. Vorrichtung zum Ausstoßen einer kleinen Menge oder einer Folge von kleinen Mengen von Flüssigkeit in einer gesteuerten
Art, gekennzeichnet durch,
ein Reservoir, das die Flüssigkeit enthält, eine leitungsröhre in Verbindung mit der Flüssigkeit in dem
) Reservoir und gefüllt mit Flüssigkeit von dem Reservoir und mit einer Ausgangsmündung,
einen elektroakustischen Übertrager verkoppelt zu der Flüssigkeit in der Leitungsröhre angrenzend zu der Mündung und angepasst
zum Verdrängen eines kleinen Volumens der Flüssigkeit als Antwort auf ein elektrisches Signal, das an den Übertrager
angelegt wird,
Mittel zum Anlegen eines elektrischen Impulses an den Übertrager immer dann, wenn Flüssigkeit von der Mündung ausgestoßen
werden soll, wobei der Impuls eine Polarität so angepasst hat, daß eine Austrittsverdrängung von Flüssigkeit von dem Übertrager
verursacht wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
ein piezoelektrischer Übertrager ist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
einen röhrenförmigen piezoelektrischen Teil enthält, der sein inneres Volumen als Antwort auf elektrische Signale
ändert, wobei das röhrenförmige Teil einen Teil dieser Leitungsrohre
bildet.
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4. System nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
ein röhrenförmiges piezoelektrisches Teil enthält t das
sein inneres Volumen als Antwort auf ein elektrisches Signal andert,uηΊ ^. 3 das röhrenförmige Teil mit einem Ende zu der
Leitungsröhre zum Austausch von Flüssigkeit verbunden ist und am anderen Ende geschlossen ist.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
ein röhrenförmiges piezoelektrisches Teil enthält, das sein inneres Volumen als Antwort auf ein elektrisches Signal
ändert,und aß das röhrenförmige Teil einen Teil von der Leitungsröhre
in zugübertragendem Eingriff damit umgibt.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
eine piezoelektrische keramische Scheibe enthält, nnr! daß
deren Hand einen Teil eines ringförmigen Teils von der Leitungsröhre
bildet.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager
ein elektrostriktiver Übertrager ist.
8. System nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übertrager
ein magnetostriktiv^ Übertrager ist.
9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Impulses Mittel für das Einstellen
der Energie dieses Impulses entsprechend der Plüssigkeitsmenge, die während dieses Impulses ausgestoßen werden
so}.!, einschließt.
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10. System nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die
Mündung ausreichend klein ist, so daß Oberflächenspannung verhindert, daß Flüssigkeit unter Ruhebedingungen ausfließt
und daß elektrische Impulse asymmetrisch sind, und eine Abklingzeit haben, die länger ist als die Anstiegszeit.
11. System nach Anspruch. 10, dadurch, gekennzeichnet, daß die
akustische Impedanz des Versorgungsteils von der leitungsröhre
von dem Übertragerende mindestens so hoch ist, wie die akustische Impedanz von der Mündung.
12. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abklingzeit von dem Impuls mindestens viermal so lang ist wie
die Anstiegszeit dieses Impulses.
13. System nach. Anapruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Übertrager ein piezoelektrischer Übertrager ist.
14. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager ein röhrenförmiges piezoelektrisches Teil enthält,
das sein inneres Volumen als Antwort auf ein elektrisches Signal verändert, unr^ß das röhrenförmige Seil
einen Teil von der Leitungsröhre bildet.
15. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager ein röhrenförmiges piezoelektrisches Teil enthält,
das sein inneres Volumen als Antwort auf ein elektrisches Signal ändert ,und ^* das röhrenförmige Teil mit
einem Ende an die Leitungeröhre zum Austausch von flüssigkeit
damit verkoppelt ist und am anderen Ende geschlossen ist.
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16. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager aus einem röhrenförmigen piezoelektrischen Teil
besteht, das sein inneres Volumen als Antwort auf ein elektrisches /inaert,und daß das röhrenförmige Teil einen Teil
von der Leitungsröhre in einer einen zugübertragenden Eingriff umgibt.
17« System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Übertrager ein magnetostriktiver Übertrager ist·*-
18. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
zum Anbringen eines elektrischen Impulses Mittel zur Einstellung der Energie des Impulses entsprechend der Menge der
flüssigkeit, die während des Impulses ausgestoßen werden soll, enthält.
19. System wie bisher beschrieben und wie in den begleitenden Zeichnungen illustriert.
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ti
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