DE2453036A1 - Tintenstrahl-drucker - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 9-73-012

Tintenstrahl-Drucker

;Die Erfindung geht von einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 an- !gegebenen Art aus,

!Es ist bekannt, die Ablenkung eines Tintenstrahls durch Steuerung von elektrostatischen oder elektromagnetischen Ablenkmitteln zu !bewerkstelligen, Ausserdem ist bereits ein aerodynamisches Verfahren zur Steuerung durch Aenderung der Anregungsenergie in Kombination mit einem transversalen Luftstrom durchgeführt wird, wie das in dem USA Patent No. 3,709,432 beschrieben ist, worin ein Fluidumstrom in eine Auffangvorrichtung abgelenkt wird, separate Tropfen jedoch weniger abgelenkt werden und-ein Zielobjekt erreichen können.

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Die elektromagnetischen und elektrostatischen Ablenkmittel erfordern zusätzlich zu den Anregungs- und Tropfenbildungsvorrichtungen weitere Ablenkmittel, die stromabwärts von der Düse langeordnet werden müssen, wie beispielsweise Magnetspulen oder ■Ablenkplatten, für die auch eine zusätzliche Stromversorgung bereitgestellt werden muss. Im übrigen können mit magnetischen !Ablenkmitteln nur relativ langsame Aenderungen des Ablenkwinkels

!erzielt werden.

I .

jDie Benutzung variabler Anregung mit einem transversalen Luft-I .

strom gemäß USA Patent Nq, 3_f709,432 verlangt einen sepa.ra,ten Kompressor und bewirkt, dass ein erheblicher Teil der Tropfen jenseits des Luftschlitzes gelangt, so dass von einer Auswahl einzelner Tropfen keine Rede sein kann. Der Tr.opfenstrom ist vielmehr entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet.

Es ist daher die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, eine Tropfen-Auswahltechnik für Tintenstrahl-Drucker anzugeben _r mit welcher es möglich ist, aufeinanderfolgenden Tropfen unterschiedliche Flugbahnen zuzuordnen, ohne dass neben der Anregung zur Bildung der Tropfen weitere Ablenkenergie aufgewendet werden muss.

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Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen .

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl-

Druckers;

Fig. 2 die Wellenform der amplitudenmodulierten Spannung,

die der Anregungselektrode zugeführt wird;

Fig_f 3a + b Schnitte durch die Tropfenbildungs-Vorrichtung;

Fig, 4 eine Frontalansicht einer Vielfach-Düsenplatte

entsprechend

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einem Schnitt entlang der Linie 4-4 in. Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Tintenstrahl-Drucker umfasst eine druckregulierte Pumpe 10, die einer Druckkammer 11 Tinte zuführt. Mit der Druckkammer .11 ist eine Vorrichtung 12 zum Bilden eines Tintenstrahls verbunden, die aus einem vorzugsweise aus Quarz hergestellten Block 13 besteht, der an die Druckkammer 11 angekittet sein kann. Der Block 13 weist eine Düse 14 auf, deren Durchmesser etwa 0, 05 mm beträgt, und die beispielsweise durch Bohren mit einem Elektronenstrahl hergestellt wird.

Die sich durch den Block 13 erstreckende Düse 14 ist etwa 1, 2 mm lang. Die Düse 14 ist über eine Oeffnung 15 mit der Druckkammer 11 verbunden. Die Pumpe 10 liefert durch die Leitungen 17 Tinte unter Druck von einem Reservoir 16 in die Druckkammer 11, wobei der Druck zwischen 1, 4 und 3,5 Bar liegt, so dass ein kontinuierlicher Strahl 18 von.Tinte aus der Düse 14 ausgestossen wird. Der Druck in der Druckkammer 11 wird durch darin unter Druck stehende Luft und einen Druckmesser 25 von der Pumpe 10 gesteuert, die über eine Leitung 26 ein Steuersignal vom Druckmesser 25 empfängt.

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In Fig. 4 sind mehrere Düsen 14 parallel zueinander angeordnet, wobei nach Art der gedruckten Schaltungen Elektroden 19 um die Ausgänge der Düsen 14 herum angeordnet sind. Die Elektroden 19 sind über Steuerleitungen 20 mit einer Steuerschaltung 21 verbunden, die eine GleicJhspan-

nung von etwa 180 Volt und eine Reihe von impulsen erzeugt (siehe Fig. 2), deren Amplitude zwischen 10 und 20 Volt liegt, so dass sich grössere Al-Impulse ergeben, die das Drucken verhindern sollen, und niedrigere A.2-Impulse,, die das Drucken bewirken sollen. Der durch die Al- und A.2-

.1
Impulse herbeigeführte Effekt verursacht eine Störung des Tintenstrahls durch Modulation der Einhüllenden der Wellenform des Tintenstrchls. Relativ hohe Spannungen veranlassen den Tintenstrahl in Tropfen aufzubre-' chen, deren Durchmesser quer zur Achse der Düse 14 relativ gross ist.

In der Flugbahn der Tropfen des Tintenstrahls 18 ist ein "Wehr" 2z so angeordnet, dass es mit seiner höchsten Stelle 23 wenig mehr als tangential in den Pfad der durch die grösseren Al-Impulse angeregten Tropfen hineinragt. Bezüglich der durch die kleineren A2-lmpulse angeregten. Tropfen ist die höchste Stelle 23 des ^; Wehrs 22 weit entfernt. . Daher berühren nur die grösseren Tropfen die Oberfläche des Wehrs 22, die derart gestaltet ist, dass die Tropfen gemäss dem Coanda-Effekt ander

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Oberfläche haften bleiben, wie das in Fig. 3A gezeigt ist. Teile dieser Tropfenreissen wieder von der Oberfläche ab, aber ihr Pfad weicht um einen Winkel θ von der ursprünglichen Flugbahn ab, so dass sie auf * eine Wange 30 auftreffen und in eine Auffangvorrichtung 31 gelangen, von wo sie über einen Abfluss 27 und eine Rückführleitung 28 in das Reservoir 16 zurückfliessen. Mittels der Wange 30 wird dafür gesorgt, dass abgelenkte Tintentropfen nicht auf das Papier 29 auftreffen können.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von Al- und A2-Impulsen, die von der Schaltung 21 erzeugt wurden und die eine Amplitude von 10 bzw. 20 Volt aufweisen, und einer Gleichspannung von 180 Volt überlagert sind. Die grösseren Al-Impulse verursachen grössere Störungen des Tintenstrahls 18, wobei, wie Fig. 3A. zeigt, die äussere Amplitude der Einhüllenden grosser ist und das Abreissen der Tropfen vom kontinuierlichen Tintenstrom früher erfolgt, als das für die kleineren A2-Inipulse der Fall ist. In Fig. 3A. ist dargestellt, dass ein mit der Amplitude A2 geladener Tropfen gerade eben die höchste Stelle 23 des Wehrs 22 überfliegt, ohne es zu berühren oder zu streifen, und wie andere A2-Tropfen wird er die Wange 30 passieren und auf das Papier 29 auftreffen. Die Al-Tropfen verlieren jenseits der höchsten Stelle 23 des Wehrs 22 an Höhe entsprechend einer Linie,

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die mit der Flugbahn der A2-Tropfen einen Winkel Θ bildet, wobei Teile der Tropfen bis zur Winkel Θ-Linie herausgezogen werden und andere Teile an der geschwungenen Oberfläche des Wehrs 22 anhaften, wobei die Kurvenform der Oberfläche, die in den Tropfen enthaltene kinetische Energie und die Oberflächenspannung der Tropfenflüssigkeit eine Rolle spielen.

Vorzugsweise ist die höchste Stelle 23 des Wehrs 22 innerhalb eines Be-

reiches von 1 bis 4 mm, beispielsweise 2 mm, von der Düse entfernt angeordnet, wobei die höchste Stelle 23 einen Kurvenradius von 1 mm aufweist. Der Winkel θ wird zwischen' 7 und 8 gewählt. Die Geschwindigkeit des Tintenstrahls beträgt etwa 18m/sek. Der genaue Ort der höchsten Stelle 23 ist jedoch eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, der Anregung und des Strahldurchmessers, welche Grossen die Entfernung bestimmen, bei der der Strahl sich in einzelne Tropfen auflöst.

Es ist auch möglich, der Tropfenbildungs-Stufe, jenseits der Wange 30, eine elektrostatische oder magnetische Ablenkeinheit mit Rasterabtastung nachzuordnen.

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Die Tinte kann einen Elektrolyten, wie zum Beispiel Salzsäure, enthalten, obwohl die Anregung vorzugsweise durch elektrostatische Kräfte ohne Stromfluss zwischen den Elektroden 19 und dem Tintenstrahl 18 erfolgen sollte.

Die kurvenförmige Oberfläche des Wehrs 22 kann, wie beschrieben, aus Quarz oder aus Messing, Aluminium, Polytetrafluorethylen bestehen oder aus einem porösen Material, das mittels einer Pumpe in die Rückführleitung 28 eingesaugt wird, um eine Filtrierung zu bewirken.

Eine periodische Störung eines zylinderförmigen Strahls eines Fluidums veranlasst diesen sich in einzelne Tropfen gleicher Grosse und gleichen Abstandes aufzulösen, wie das die Fig. 3A zeigt. Die Frequenz f der Störung, die Geschwindigkeit ν des Strahls und der Abstand λ der Tropfen stehen zueinander in der Beziehung

ν = f λ

Der Abstand L. von der Düse 14 bis zu der Stelle, wo die Tropfen abreissen, hängt von der A.mplitude a der Störung ab. Aus der sehr einfachen Theorie des Tropfenbildungprozesses ist abzuleiten, dass die Störung exponentiell mit der Zeit wächst, wobei die Wachstumsrate g von der

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Oberflächenspannung des Fluidums abhängt. Daher ergibt sich dar Tropfenbildungsabstand L angenähert zu:

worin —- der Radius des Fluidumstrahls ist. Der unstabilste Zustand des Strahls entspricht einem Tropfenabstand λ von 4-^· Strahldurchmessern. oder, unter Benutzung von Gleichung (1), einer· Frequenz der Störung von:

¹ " 4, 5D *

Bei dieser Frequenz ergibt sich, dass das Verhältnis des Durchmessers D des ungestörten Strahls zum.Durchmesser der Tropfen dgleich —ist,

— = 2 (bei optimaler Frequenz)..

Bei fester Amplitude der Störung gibt es einen Teil der konvexen Berührungskurve an den modulierten Strahl, welcher Teil bezüglich seiner Amplitude bis zum Abstand L· exponentiell anwächst, und durch Veränderung der Amplitude der Modulation kann der Tropfenbildungspunkt zwischen den Grenzen dieses exponentiellen Bereichs verschoben worden. Diese Eigenschaften eines kapillaren Strahls sind bekannt und lassen sich leicht nachweisen.

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Vo

Weniger bekannt, aber ähnlich gut nachweisbar/ ist. die Tatsache, dass, w.enn ein kapillarer Strahl oder Tropfen auf eine konvexe feste Oberfläche , wie das in Fig. 1 gezeigte Wehr 22, mit einem Auftreff-Parameter· b von weniger als einem Tropfenradius auftrifft, dann wird der Strahl oder Tropfen flach und haftet an der Oberfläche an, vorausgesetzt der Kurvenradius der Oberfläche, der Tropfendurchmesser und die Geschwindigkeit des Tropfens oder Strahls sind richtig gewählt. Im allgemeinen genügt ein Auftreff-Parameter b von etwa-^- eines Tropfendurchmessers, um den Tropfen an einer geeigneten konvexen Auftreffoberfläche anhaften zu lassen.

Das Phänomen des Anhaftens und Einfangens eines kapillaren Tropfens oder Strahls kann dazu benutzt werden, von einem mit fester Frequenz und Amplitude gestörten Strahl selektiv abgelenkte Tropfen einzufangen (Fig. 1).

Die Grosse der notwendigen Ablenkung, um auf diese Weise einen Tropfen einzufangen, beträgt etwa — dessen, was bei herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise elektrostatische Ablenkung, erforderlich war. In jenen Fällen muss der Auftreff-Parameter b einemTropfendurchmesser

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plus einem gewissen Spielraum entsprechen. ·

Erfindungsgemass gibt es zwei Möglichkeiten, kapillare Tropfen einzufangen, die keinerlei selektive Ablenkung verlangen. Die erste Möglichkeit bezieht sich auf die Frequenzmodulation und die zweite auf die Amplitudenmodulation der Störung a.

Zunächst sei auf die Möglichkeit der Frequenzmodulation eingegangen. .Wenn die Frequenz der Störung um einen Faktor 2 geändert wird, während die Geschwindigkeit konstant bleibt, verhalten sich die Durchmesser der resultierenden Tropfen im Verhältnis:

h · ■ ^d2

d₂ - O₁ = (^fF- D

0,26

Wenn d^her die Zielfläche, nämlich das Papier, bezüglich der Düse in einem Abstand grosser als der Tropfenbildungsabstand L angeordnet-ist,

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und so_;dass die kleineren (hochfrequenten) Tropfen die Zielfläche erreichen und nicht eingefangen werden, dann haben die grösseren (niederfrequenten) Tropfen einen Auftreff-Parameter b von etwa 0,13 d . Durch dieses Ver-

fahren können zwei oder mehr Tropfen hintereinander" aus dem einheitlichen Strom von Tropfen mit kleinerem. Durchmesser abgezogen werden. In diesem Fall, erfolgt das Drucken durch Auslassung von Punkten entsprechend der Ableitung einer gleich grossen Anzahl von Tropfen.

Das bevorzugte Verfahren zum Einfangen einer beliebigen Anzahl von Tropfen aus einem gleichförmigen Tropfenstrahl benutzt die Modulation der Amplitude der Störung des Strahls. Dieses Verfahren des Einfangens von Tropfen ohne selektive Ablenkung ist das folgende: Es werden zunächst zwei Amplitudengrössen der Störung gewählt. Jeder Grosse entspricht ein Tropfenbildungs-Abstand, nämlich L und L . Im Abstand L < L < L von der Düse wird ein konvexes Hindernis angeordnet, so dass bei der kleineren Amplitude ein kontinuierlicher Teil des Strahls das" Hindernis knapp berührt oder einen leicht negativen Auftreff-Parameter hat, wie das in Fig. 3B gezeigt ist. Bei grösserer Amplitude der Störung liegt der Tropfenbildungspunkt zwischen der Düse und dem Hindernis, wie in Fig. 3A gezeigt. Da das Verhältnis von Tropfendurchmesser zu Strahl-

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durchmesser bei der optimalen Frequenz etwa 2 beträgt, kann durch geeigntete Anordnung des Hindernisses ein Unterschied in den Auftreff-Parametern von etwa einem Tropfenradius erzielt werden.

ι Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens liegen auf der Hand: Es werden kein elektrostatisches Feld, keine Elektroden oder andere Ablenkvorrichtungen benötigt. Die Flugweite von der Düse bis zum Papier kann auf etwa 8 mm reduziert werden, so dass praktisch alle aerodynamischen Fehler eliminiert werden. Elektronische Schaltuxigen werden nur für den Tropfenbildungs-Generator benötigt. Die einzige, für dieses Verfahren wichtige Materialeigenschaft des FLuidums ist seine Oberflächenspannung, und sogar diese muss nicht innerhalb enger Grenzen gehalten werden.

In einem Tintenstrahl-Drucker mit mehreren parallelen Düsen sind nach dem beschriebenen Prinzip entsprechend viele, separat adressierbare Tropfengeneratoren erforderlich, so dass die Amplitude jeder Störung separatgesteuert werden kann. - .

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Tintenstrahl-Drucker mit wenigstens einer Düse zum Bilden wenigstens eines Tintenstrahls, gekennzeichnet durch elektrische Mittel (19, 21) zum Auflösen des Strahls (18) in diskrete Tropfen durch Anlegen einer modulierten Spannung an die genannten Mittel (19, 21), und durch eine Tropfen-Ablenkfläche (22, 23), die in der Nähe des Strahls (18) stromabwärts von der Düse (14) angeordnet und zum Abfangen und Ablenken der innerhalb eines modulationsbestimmten Abstandes (L., L₂) von der Düse (14) vom Strahl (18) abgetrennten Tropfen ausgebildet ist.

   2, Tintenstrahl-Drucker nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (22) eine gekrümmte Oberfläche aufweist, deren Scheitel (23) quer zur Richtung des Strahls

   (18) und in der Nähe des Tropfenbildungspunktes angeordnet ist,

   3, Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_f dass die Mittel (19, 21) zum Auflösen des Strahls (18) in diskrete Tropfen eine die Düse (14) umgebende Elektrode

   (19) umfassen, die mit einer Quelle (21) einer modulierbaren Spannung verbunden ist.

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   4. Tintenstrahl-Drucker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- ,^; net, dass die der Elektrode (19) zugeführte Spannung : frequenzmoduliert ist, derart, dass bei konstanter Strahlgeschwindigkeit und konstanter Amplitude der Spannung bei einer ersten Frequenz Tropfen mit einem ersten Durchmesser gebildet werden, die über die stromabwärts vom Tropfenbildungspunkt angeordnete Ablenkfläche (22) gerade noch berührungslos hinüberfliegen, und dass bei einer zweiten, niedrigeren Frequenz Tropfen mit einem zweiten, grösseren Durchmesser gebildet werden, die die Ablenkfläche (22) berühren und von ihr eingefangen werden,

   5, Tintenstrahl-Drucker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Elektrode (19) zugeführte Spannung amplitudenmoduliert ist, derart, dass bei konstanter Strahlgeschwindigkeit und konstanter Frequenz der Spannung bei einer ersten Amplitude (A1) die Tropfenbildung in einem ersten Abstand (L₁) von der Düse (14) erfolgt und dass bei einer zweiten, kleineren Amplitude (A2) die Tropfenbildung in einem zweiten, grösseren Abstand (L₂) von der Düse (14) erfolgt und dass die Ablenkfläche (22) in einem Abstand (L) gemäss der Beziehung L₁ < L < L₂ angeordnet ist, so dass nur die mit der grösseren Amplitude (A1) erzeugten Tropfen die Ablenkfläche (22) berühren und von ihr eingefangen werden.

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