DE2144892A1

DE2144892A1 - Gepulste tropfenauswerfvorrichtung

Info

Publication number: DE2144892A1
Application number: DE2144892A
Authority: DE
Inventors: Steven Istvan Zoltan
Original assignee: Clevite Corp
Current assignee: Clevite Corp
Priority date: 1970-09-09
Filing date: 1971-09-08
Publication date: 1973-08-16
Also published as: DE2144892B2; GB1337773A; AU3230071A; DE2144892C3; CA956278A; JPS5139495B1; US3683212A; FR2107409A5; AU449014B2

Description

PATENTANWnai DIPL.-ING.

6 Frankfurt am λ\αΐη 70
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

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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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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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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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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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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 -

Keramische Röhre 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

Versorgungsröhre 8

Innendurchmesser 0,41 Millimeter

Länge 12,7 Millimeter

Flüssigkeit

Tinte auf Wasserbasis mit einer Viskosität und Oberflächenspannung ähnlich der von Wasser.

Antri e"b s s chaltung Fig. 2"b

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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Zentralpuls 31

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

2H4892 Patentanspräche

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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