DE3126351A1 - Troepfchen-sprueheinrichtung - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung, insbesondere einen Düsenkopf, der für einen Tintenstrahl-Schreiber geeignet ist, bei dem sich das Volumen der Druckkammer in Abhängigkeit von elektrischen Signalen ändert und bei dem .in Abhängigkeit von den Volumenänderungen Tintentröpfchen herausgesprüht werden..

Der Düsenkopf eines Tröpfchenshreibers weist in der Regel eine mit einem Flüssigkeitsbehälter verbundene Druckkammer, eine mit der Druckkammer verbundene, einzelne Tröpfchen abgebende Düse sowie einen elektromechanischen Wandler, beirspielsweise eine piezoelektrische Platte auf. Ein Teil der. Druckkammer besitzt dabei einen biegsamen Bereich bzw. eine sogenannte Membran.

Bei einer bekannten Anordnung besteht die Membran direkt aus dem piezoelektrischen Kristall, während bei einer anderen bekannten Anordnung die Hauptfläche der piezoelektrischen Platte auf der Membran festgeklebt ist (s. JP-OS 51-35231). Im letzteren Fall muß die Klebeschicht zwischen der piezoelektrischen Platte und der Membran sehr gleichmäßig sein und auch die beiden zu verklebenden Elemente genau aufeinander angepaßt werden, um die gewünschte Charakteristik der Tröpfchenbildung zu erreichen. Es zeigt sich somit,daß das Verkleben des piezoelektrischen Elements Schwierigkeiten bereitet. Wenn jedoch die Membran direkt durch den piezoelektrischen Kirstall gebildet wird, dann darf das betreffende Material mit der zu versprühenden Flüssigkeit, beispielsweise Tinte, nicht rea-. gieren, während die Membran ausreichend dicht mit dem die Druckkammer bildenden Gehäuse verklebt sein muß. Somit ergeben sich auch in diesem Fall Schwierigkeiten bei der Verklebung,

während zusätzlich gewisse Faktoren bei der Auslegung des Düsenkopfes berücksichtigt werden müssen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung zu schaffen, bei welcher unter. Vermeidung der.oben aufgezeigten Nachteile eine geringe Streuung der erzeugten Tröpfchen auftritt, wobei die Herstellung eines derartigen Sprühkopfes keine Schwierigkeiten bereitet und die piezoelektrische Platte weitgehend unabhängig von der Formgebung der Druckkammer ausgelegt werden kann. Dabei sollen die Eigenschaften der Tröpfchenbildung nicht direkt durch die Relativstellung zwischen der eine Druckkammer bildenden Membran und einer an der Membran angeklebten piezoelektrischen. Platte sowie die Gleichmäßigkeit der Klebeschicht beeinflusst werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die biegsame Membran in ihrem mittleren Bereich mit einem Ansatz versehen ist, an welchem der peripher aufliegende plattenförmige elektromechanische Wandler zum Angreifen gelangt. Im Rahmen der. vorliegenden Erfindung wird eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung geschaffen, bei welcher die Charakteristik der Tröpfchenbildung nicht durch die relative Position zwischen der Membran der Druckkammer und der darauf geklebten piezoelektrisehen Platte beeinflußt wird. Die Dicke der Klebeschicht hat fernerhin ebenfalls keinen Einfluß. Die die Druckkammer der Sprühdüse bildende Membran besitzt zu diesem Zweck einen dicken mittleren Bereich sowie um denselben herumliegende dünne Bereiche. Ein elektromechanischer Wandler, beispielsweise eine piezoelektrische Platte, ist dann derart aufgelegt,, daß der dünne biegsame Bereich überbrückt wird, während die Befestigung an dem dickeren mittleren Bereich sowie an dem außen vorgesehenen Randbereich erfolgt. Mit Hilfe des elektromechanischen Wandlers ergibt, sich über den dicken mittleren Bereich hinweg eine Verformung der Wandung, wobei der dünne Bereich der Wandung nicht mit dem piezoelektrischen

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Platte in Brührung steht, so daß die Befestigung der piezoelektrischen Platte keinen Einfluß auf die Tröpfchenherstellung des Düsenkopfes hat. '

Die Erfindung soll· nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht'einer Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Tröpfchen-Sprüheinrichtung;

Figur 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Figur 1;

Figur 3 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform des Düsenkopfes gemäß der Erfindung;

Figur 4 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform eines Düsenkopfes gemäß der Erfindung; 20

Fig.. 5 und 7 Draufsichten von zwei weiteren Ausführungsformen der Erfindung; und

■ Fig. 6 und 8 Schnittansichten entlang der Linien VI-VI bzw. VII-VII der Fig. 5 bzw. 7. .

Gemäß Fig. 1 und 2 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sprühkopf 1 vorgesehen, welcher über eine Anschlußmuffe 7 und ein Rohr 5 mit einem Tintenbehälter 3 verbunden ist.. Das Aufsprühen, der Tintentröpfchen auf einem nicht gezeigten Aufzeichnungsmedium erfolgt in Abhängigkeit von Signalen eines elektrischen Impulsgenerators 9.

Der Düsenkopf 1 weist dabei ein Gehäuse auf, das von einer Basisplatte 11 und einem daran befestigten Deckel 13 gebildet wird, wodurch eine kreisförmige Kammer 15, eine Düse 17

sowie Kanäle 19 und 21 gebildet werden. Die Druckkammer 15 steht über Kanäle 19 mit der Düse 17 in Verbindung, während über den Kanal 21 und die Anschlußmuffe 7 eine Verbindung mit dem Tintenbehälter 3 hergestellt ist. Ein Teil 23 des Gehäuses oder der Basisplatte 11, die einen Teil der Druckkammer bildet, ist dünn und biegsam ausgelegt, wodurch eine .kreisringförmige Membran 23 gebildet ist. Die Membran 23 hat einen nach außen vorstehenden Ansatz 25 und ist von einem dicken, festen Umfangsteil 27 nach außen umgeben. Die oberen Flächen des Ansatzes 25 und des peripheren Bereiches 27 reichen bis zur selben Höhe.

Auf den beiden Elementen 25 und 27 ist eine ablenkbare Platte 29 festgeklebt. Diese ablenkbare Platte 29 besteht aus piezoelektrischen Elementen 31 und 33, die mit Hilfe einer dünnen leitfähigen Schicht miteinander verbunden sind und einen Durchmesser besitzen, der größer als der der Druckkammer 15 ist. Die piezoelektrische Platte 29 ist nur an dem umgebenden Umfangsteil 27 und dem Ansatz 25 angeordnet bzw. angeklebt und.über Leiter 35 mit dem elektrischen Impulsgenerator 9 verbunden und wird entsprechend den gestrichelten Linien in Fig. 2 durch elektrische Signale in Schwingungen versetzt.

Die Basisplatte 11 besitzt Ausnehmungen, welche die Düse 17, die Druckkammer 15 und die Kanäle 19 und 21 sowie die ringförmige Aussparung für die Bildung der Membran 23 bilden. Der Deckel 13 hingegen besitzt nur eine einzige Bohrung 37 zwo. Anschluß an den Kanal 21. Die Basisplatte 11 muß somit.den meisten Bearbeitungen ausgesetzt werden, wobei die verschiedenen Aussparungen gleichzeitig durch Ätzen erzielt werden können. Es läßt sich somit eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung schaffen, welche bei guter Produktivität mit niedrigen Kosten herstellbar ist. Die zweckmäßigerweise aus Bimorph hergestellte piezoelektrische Platte 29 wird mit Hilfe von elektrischen Signalen des Impulsgenerators 9 konisch in die

Druckkammer 15 hineingedrückt, wodurch sich eine gestrichelt angedeutete Verformung ergibt. Das Volumen der Druckkammer 15 wird somit sehr schnell verringert', so daß der Innendruck entsprechend ansteigt, wodurch aus der Düse 17 Tröpfchen herausgesprüht werden. Sobald jedoch das elektrische Signal an der piezoelektrischen Platte 29 verschwindet, · kehren die piezoelektrische Platte 29 und die Membran 23 in ihren Ausgangszustand zurück, so daß die Druckkammer 15 expandiert. Gleichzeitig mit dieser Expansion fließt Tinte aus dem Tintenbehälter 3 durch den Kanal 19 in die Druckkammer 15, wodurch die Düse 1.7 kurzzeitig geleert wird. Anschließend wird· dann die Düse 17 erneut aufgrund der Kapillarwirkung mit Tinte gefüllt. Es ergibt sich somit, daß die aus der Düse 17 ver-. sprühte Tinte in ihrer Gesamtheit von dem Tintenbehälter 3 geliefert wird.

Die piezoelektrische Platte 29 und die Membran 23. sind nur im peripheren und mittleren Bereich miteinander verbunden.. Selbst wenn die Klebeschichten zwischen der Membran 23 und der piezoelektrischen Platte 29 nicht gleichmäßig sind, wird die Charakteristik der Tröpfchenerzeugung nicht erheblich von^tden Klebeschichten beeinflußt, da die Ungleichmäßigkeit der Klebeschichten die Deformation der piezoelektrischen Platte 29 sowie die Deformation der Membran 23 nicht direkt beeinflußt.

Die Volumenveränderung innerhalb der Druckkammer 15 wird durch die Kombination der Größe der Verformung und der Kraft der piezoelektrischen Platte 29 und die Steifigkeit und die Größe der Membran 23 festgelegt, während die Auslegung oder Form der Druckkammer und die Form und Größe der piezoelektrischen Platte keinen wesentlichen Einfluß haben, so wie dies bei Düsenköpfen bekannter Bauweise der Fall ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt somit eine relativ große Freiheit in der Konstruktionsauslegung, wobei die piezoelektrische Platte und die Membran 23 im wesentlichen unabhängig voneinander hinsichtlich Form, Größe usw. ausgelegt werden können.

Eine abgewandelte Ausführungsform eines Düsenkopfes gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. In diesem Fall sind die innerhalb eines Gehäuses 43 angeordnete Druckkammer 41 und ihre Membran 42 kreisförmig ausgelegt. Die Membran 42 be- . sitzt im mittleren Bereich einen Ansatz 45, während nach außen hin ein dicker peripherer Bereich vorgesehen ist. Die aus Bimorph bestehende piezoelektrische Platte 47 ist hingegen rechteckig ausgelegt und durch Verkleben an dem mittleren Ansatz 45 und dem peripheren Bereich an dem Gehäuse 43 befestigt. Bei dieser Auslegung ergibt eine Deformation der piezoelektrischen Platte 47 eine entsprechende Verformung der Membran 42 durch den Ansatz 45. Dadurch ergibt sich eine Volumenveränderung innerhalb der Druckkammer 41, so daß aus einer Düse 49 in entsprechender Weise ein Tröpfchenstrahl erzeugt wird. Die gewünschte Volumenveränderung der Druckkammer 41 ergibt sich dabei durch die Kraft der piezoelektrischen Platte 47 und die Deformation und Steifigkeit der Membran 42. Es erweist sich dabei jedoch nicht als notwendig, die Membran 42 und dia piezoelektrische Platte formmäßig entsprechend aneinander anzupassen (vgl. Fig. 3).

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei • welcher ein Düsenkopf 50 mit mehreren Düsen vorgesehen ist. Dieser Düsenkopf 50 weist eine Vielzahl von elliptisch ausgelegten Druckkammern 51 sowie eine Vielzahl von rechteckig ausgelegten piezoelektrischen Platten 53 auf, die durch Verklebung an den mittleren Ansätzen 55 befestigt sind und die peripheren Bereiche 56 umgeben. Die Druckkammern 51 sind dabei parallel zueinander angeordnet und mit entsprechenden Düsen 57- verbunden. Entsprechende Kanäle 58 führen zu den einzelnen Druckkammern 51 und über einen Kanal 59 zu einem nicht dargestellten Tintenbehälter.·

Eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung ist in den Fig. und 6 gezeigt. In diesem Fall ist eine Basisplatte 60 vorgesehen, welche eine Druckkammer 61 und eine Membran 62 bil-

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det. Die Membran 62 ist mit einem mittleren Ansatz 63 sowie einem Ringansatz 64 versehen, wobei letzterer den mittleren Ansatz.63 im Abstand umgibt. Der Ringansatz 64 liegt dabei innerhalb der dicken und peripheren Wandung 66. Der

.5 mittlere Ansatz 63 und der Ringansatz 64 besitzen obere Flächen in derselben Ebene. Die Membran 62 und die piezoelektrische Platte 65.sind in diesem Fall kreisförmig ausgebildet. Letztere ist an den Ansätzen 63 und 64 festgelegt. Da in diesem Fall zwischen der peripheren Wandung 66 und dem ringförmigen Ansatz 64 ein dünner Bereich vorgesehen ist, wird eine Verringerung der Deformation der piezoelektrischen Platte 65 verhindert. Die Enden der piezoelektrischen Platte 65 sind nämlich in diesem Fall elastisch an dem ringförmigen Ansatz 64 befestigt, so daß die Dformation relativ groß wird.

Diese Ausführungsform ist somit für Düsenköpfe besonders geeignet, bei welchen die piezoelektrische Platte 65 eine große Deformationskraft besitzt, die auftretenden Deformationen jedoch gering sind.

Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Gegensatz zur Ausführungsform von Fig. 5 und die piezoelektrische Platte 71 im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann somit eine Tropf— chen-Sprüheinrichtung geschaffen werden,, bei welcher eine Versetzung der. piezoelektrischen Platte gegenüber der Druckkammer sowie eine ungleichmäßige Verklebung die Erzeugung der von dem Düsenkopf angegebenen Tröpfchen nicht direkt · beeinflussen. Fernerhin muß die Form der piezoelektrischen Platte nicht unbedingt die gleiche wie die der Druckkammer sein. Es ergibt sich somit eine Tröpfchen-Sprüheinrichtung, beispielsweise für einen Tröpfchenschreiber, bei welcher die Auslegung und die Verklebung des Sprühkopfes relativ einfach durchführbar sind und bei der eine geringere Streuung der Charakteristik der Tröpfchenerzeugung zustandekommt. Die Herstellungskosten eines derartigen Sprühkopfes sind fernerhin relativ gering.

R.T/Πσ

Claims (1)

1. SCHIFF v.FÜNER STREHl' * SCHÜBEL-HOPF EBBlNGH AUS FINGK

   MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 01 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

   HITACHI, LTD. . . 3. Juli 1981

   HITACHI KOKI CO., LTD.

   DEA-25 516

   Tropf chen-Sprüh.einrichtung PATENTANSPRÜCHE

   1. Tröpfchen-Sprüheinrichtung, mit einem Gehäuse, das eine Druckkammer bildet, gekennzeichnet'durch eine Düseneinrichtung, die mit der Druckkammer in Verbindung steht, um Tröpfchen durch diese zu versprühen, durch eine Membran in dem Gehäuse, die einen Teil der Druckkammer bildet und die .einen dicken mittleren Bereich im Zen-' trum sowie einen den dicken mittleren Bereich umgebenden dünnen Bereich aufweist,
   durch einen elektromechanischen Wandler, der auf dem Gehäuse, den dünnen Bereich überbrückend angeordnet und an der Membran am dicken mittleren Bereich befestigt ist, um die Membran in Abhängigkeit von elektrischen Signalen zu verformen, durch einen Flüssigkeitsbehälter, der mit der Druckkammer in Verbindung steht und zur Speicherung einer Flüssigkeit ausgelegt ist, und

   durch einen Generator zur Erzeugung von elektrischen Signalen,

   der elektrisch an den elektromechanischen Wandler angeschlossen ist.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -. zeichnet, daß die Membran einen dicken äußeren Bereich im Abstand von dem mittleren Bereich aufweist und daß der elektromechanische Wandler an beiden dicken Bereichen befestigt ist. .

   3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der dicke äußere Bereich ringförmig ausgebildet ist und daß ein dünner äußerer Bereich zwischen dem dicken äußeren Bereich und einem anderen Teil des Gehäuses als der Membran ausgebildet ist, so daß der dicke äußere Bereich auslenkbar ist.

   4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ," daß der elektromechanische Wandler mittels einer Klebung an der Membran befestigt ist.

   .5. Tröpfchen-Sprüheinrichtung, gekennzeichnet durch

   eine Basisplatte, die mit Aussparungen für eine Druckkammer,-Durchführungen für eine Flüssigkeit und einer Düse versehen 5. ist, die mit der Druckkammer über eine der'Durchführungen in Verbindung steht, wobei eine auslenkbare Membran vorgesehen ist, welche eine Druckkammer bildet und mit einem mittleren ■

   ■ Vorsprung im Zentrum.auf der der Druckkammer gegenüberliegenden Seite und einem dünnen Bereich versehen ist, der den mittleren

   Vorsprung umgibt; . .

   eine piezoelektrische Platte, die auf der Basisplatte angeordnet und an dieser befestigt ist, um den dünnen Bereich der Membran zu überbrüöken;
   einen Deckel, der an der Basisplatte befestigt ist, so daß die Druckkammer, die Düse und die Durchführungen oder Kanäle gebildet werden;

   einen Flüssigkeitsbehälter, der an die Druckkammer angeschlossen ist, und
   einen elektrischen Impulsgenerator, der elektrisch an die piezoelektrische Platte angeschlossen ist.

   6. Einrichtung.nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran mit einem ringförmigen Vorsprung versehen ist, der auslenkbar ist, und daß die piezoelektrische Platte an dem ringförmigen Vorsprung und dem mittleren Vorsprung befestigt ist.

   7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte mit Aussparungen zur Bildung einer Vielzahl von Druckkammern, Membranen und .Düsen versehen ist, und daß eine Vielzahl von piezoelektrischen.

   Platten an der Basisplatte befestigt ist, so daß jede der Membranen in Abhängigkeit von elektrischen Signalen vom elektrischen Impulsgenerator verformbar ist.

   8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet , daß die Membran kreisförmig und die piezoelektrische Platte rechteckig ausgebildet sind.

   9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran elliptisch und die piezoelektrische Platte rechteckig geformt sind.