Anordnung zum Ausstoss von Tintentröpfchen

Abstract

 Der mit Flüssigkeit gefüllte Kanal (2) weist an seinem der Austrittsöffnung (3) abgewandten Ende eine Querschnittserweiterung (4) auf, an der die von einem als Antriebselement vorgesehenen Wandler (5) ausgehenden Druckwellen vollständig unter Vorzeichenumkehr reflektiert werden. Als Ansteuerimpulse für den Wandler werden unipolare Impulse mit gleicher Anstiegs- und Abfallflanke verwendet. Der Tröpfchenausstoß wird durch die sich an der Austrittsöffnung (3) einstellenden Druckverhältnisse bewirkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Aus der DE-AS 25 48 691 ist eine Anordnung für eine Tintenmosaikschreibeinrichtung bekannt, bei der ein Ausstoß von Tintentröpfchen dadurch bewirkt wird, daß zur Einleitung eines Ausstoßvorganges ein einen Tintenkanal umfassender Piezowandler, im folgenden Wandler genannt, durch Anlegen einer der Polarisationsrichtung des Wandlers entgegengerichteten Spannung zuerst erweitert, und dann durch Polaritätswechsel der den erweiternden Zustand hervorrufenden Spannung in einen verengten Zustand übergeführt wird. Der hierzu vorgesehene Impuls ist stets ein bipolarer Impuls. Es ist aber aus Gründen eines einfachen Schaltungsaufbaues und eines reduzierten Leistungsbedarfs sehr ,erwünscht, mit einfachen Ansteuerimpulsen einen sicheren und den Anforderungen der heutigen Drucktechnik voll genügenden Tröpfchenausstoß zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang spielt es auch eine Rolle, daß die ausgestoßenen Tröpfchen so geformt sein sollen, daß sie sehr rasch nach ihrem Ausstoß Kugelgestalt annehmen, und weiterhin, daß nachfolgende Tröpfchen, auch wenn sie in dichtem zeitlichen Abstand ausgelöst werden, möglichst wenig beeinflußt werden.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, die diese Anforderungen erfüllt. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, unter Verwendung eines unipolaren Impulses und damit einfacher Schaltungen den Ausstoß von Tröpfchen zu ermöglichen, die mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden und rasch die Kugelgestalt annehmen.

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

[0005] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0006] Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß mit einem unipolaren Impuls mit gleichen Flanken, ein Tröpfchenausstoß erfolgt, wodurch eine Ve-rringerung der Ansteuerspannung, d.h. eine Reduzierung der Leistung erreichbar ist, daß weiterhin die einen Tröpfchenausstoß bewirkenden Druckphasen und damit auch die den Tröpfchenausstoß auslösenden Vorgänge exakt definiert sind, was zu einer sehr raschen Ausbildung von kugelförmigen Tröpfchen führt. Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, daß durch die exakte Ausbildung der einzelnen Druckphasen im Bereich der Austrittsöffnung des Kanals die Ergänzung der durch das ausgestoßene Tröpfchen verlorengegangenen Flüssigkeit innerhalb sehr kurzer Zeit geschieht, wobei die dafür notwendigen Vorgänge nicht durch den Einfluß von Oberflächenspanungen bewirkt wird. Auf diese Weise wird vermieden, daß kapillare Kräfte das Wiederauffüllen bewirken müssen, wodurch der Ruhezustand schneller erreicht und die Beeinflussung nachfolgender Tröpfchen erheblich reduziert wird.

[0007] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Versorgungsleitungen und Tintenzuführungen von den Vorgängen im Kanal abgekoppelt sind, ohne daß dafür aufwendige Maßnahmen erforderlich sind.

[0008] Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 als Beispiel einen Tintenkanal,

Fig. 2 in Form einiger Ablaufdiagramme den Zusammenhang zwischen einem Ansteuerungsimpuls und den, den Kanal durchlaufenden Druckwellen.

[0009] Der in Fig. 1 dargestellte Tintenkanal 2 weist an seinem einen Ende eine Austrittsöffnung 3 auf, deren Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des Tintenkanals klein ist. An seinem anderen Ende ist eine Querschnittserweiterung 4 vorgesehen. Die Querschnittserweiterung 4 stellt einen Reflexionsabschluß des Kanals 2 dar, an dem Druckwellen unter Vorzeichenumkehr reflektiert werden. Diese Reflexion erfolgt nahezu vollständig, s.ieht manrphysikalisch bedingten Verlusten ab. Im Beispiel ist die Querschnittserweiterung 4 durch die Einmündung in eine sog. Tintenvorsorgungskammer 6 gebildet. Diese steht, was hier nicht dargestellt ist, z.B. über einen Zuführkanal mit einem Tintenreservoir in Verbindung, das etwas tiefer liegt als die Austrittsöffnung 3 des Tintenkanals. Solange keine besonderen Einflüsse oder Einwirkungen auftreten, ist damit gewährleistet, daß im Ruhezustand ein Austreten von Tinte über die Austrittsöffnung 3 sicher vermieden wird. Der Tintenkanal 2 kann vorteilhafterweise durch eine Ausnehmung in einem Kunststoffteil 1 gebildet sein.

[0010] In Nähe der Querschnittserweiterung 4 ist der Tintenkanal 2 von einem Wandler 5 umfaßt. Dabei handelt es sich um eine_ß polarisierte Piezokeramik, die bei Ansteuerung mit entsprechend gepolten Steuerimpulsen U ihren Durchmesser verändert. Eine in Richtung der Polarisationsrichtung des Wandlers 5 an diesen angelegte Spannung führt zu einer Verengung, während ein Impuls entgegengesetzter Polarität eine Erweiterung des Wandlers bewirkt. Der Wandler besitzt Anschlüsse, die ihn über seine Elektroden mit einer Ansteuerschaltung 7 verbinden. Diese kann beispielsweise vom Zeichengenerator eines Druckers gesteuert werden, und stellt die entsprechend gepolten Steuerimpulse U zur Verfügung. Der Wandler 5 umfaßt den Tintenkanal 2 nur über einen Bereich b und ist im Abstand a von der Querschnittserweiterung 4 angeordnet.

[0011] Die durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wandlers 5 sowie die durch dessen Ansteuerung mittels unipolarer Ansteuerimpulse ausgelösten Vorgänge, d.h. also die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung, werden im folgenden auch unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

[0012] Es wird angenommen, daß ein unipolarer Ansteuerimpuls U mit gleicher Steilheit der Anstiegs- und Abfallflanke und einer, der Polarisationsrichtung des Wandlers 5 entgegengesetzt gerichteten Polarität zum Zeitpunkt t1 an den Wandler gelegt wird, und daß dieser Impuls zum Zeitpunkt t2 wieder abgeschaltet wird (Fig. 2, Zeile 1). Das hat zur Folge, daß im Tintenkanal 2 im vom Wandler 5 umfaßten Bereich durch dessen Ausweitung, bedingt durch die der Polarisationsrichtung des Wandlers entgegengesetzt gerichteten Polarität des Ansteuerimpulses U, ein negativer Teil -pa der Welle w erzeugt wird, der sich ausgehend von den Austrittsquerschnitten 8 und 9 des Wandlers 5 sowohl in Richtung zur Austrittsöffnung 3 als auch in Richtung zur Querschnittserweiterung 4 hin ausbreitet. Diese Ausbreitung erfolgt mit Schallgeschwindigkeit. Die Abschaltung des Impulses zum Zeitpunkt t2 wirkt sich in einer solchen Weise aus, daß der Wandler 5 wieder seine Ruhelage einnimmt, und daß damit der positive Teil +pa der Druckwelle w erzeugt wird, die sich ebenfalls mit Schallgeschwindigkeit in beide Richtungen im Tintenkanal 2 ausbreitet (Fig. 2, Zeile 2). Diese Druckwellen w treffen bei einer angenommenen Laufzeit lw zu den Zeitpunkten t4, t5 und t6 an der Austrittsöffnung 3 ein (Fig. 2, Zeile 3).

[0013] Die sich in Richtung der Querschnittserweiterung ausbreitende Druckwelle wird an der Querschnittserweiterung 4 unter Vorzeichenumkehr reflektiert. Die dabei entstehenden reflektierten Druckwellen wr bewegen sich ebenfalls mit Schallgeschwindigkeit durch den Tintenkanal 2 in Richtung zur Austrittsöffnung 3. Dort treffen sie Del angenommener Laufzeit lw+21wr zu den Zeitpunkten t5, t6 und t7 ein (Fig. 2, Zeile 4). Der an der Austrittsöffnung 3 wirksame Druckverlauf ist dabei durch die unreflektierten Druckwellen w und durch die reflektierten Druckwellen wr bestimmt. Der zuerst eintreffende Teil der nicht reflektierten Druckwelle w (Fig. 2, Zeile 5, Phase I), bewirkt ein Zurückziehen der Tinte in die Austrittsöffnung 3 hinein. Der unmittelbar darauf folgende positive Teil der nicht reflektierten Druckwelle w wird von dem ebenfalls als positiven Teil der ankommenden reflektierten Druckwelle wr überlagert, was zu einem sehr hohen Druckanstie.g im Bereich der Austrittsdüse 3 führt (Fig. 2, Zeile 5, Phase II). Der Meniskus der Tinte wird dadurch in Richtung der Austrittsöffnung 3 hin sehr stark beschleunigt, so daß ein Tintentröpfchen bereits mit der späteren Fluggeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung auszutreten beginnt. Unmittelbar darauf tritt der negative Teil der reflektierten Druckwelle -wr ein (Fig. 2, Zeile 5, Phase III), der sich im Bereich der Austrittsöffnung 3 in Form eines Unterdrucks auswirkt. Dadurch wird die während der Phase II nach außen beschleunigte Tintenmenge eingeschnürt und das Tröpfchen wird abgetrennt. Gleichzeitig bildet sich dabei ein neuer Meniskus aus, der sich bis zur Ausgangsstellung zurückzieht. Die Ruhestellung (Fig. 2, Zeile 5, Phase IV) ist damit erreicht.

[0014] Es ist vorteilhaft, die Dauer des Ansteuerimpulses U, d.h. die Zeitdauer T zwischen dem Erweitern des Wandlers 5 und dem Rückstellen größerer oder gleicher Laufzeit einer Druckwelle durch den vom Wandler 5 umschlossenen Teil des mit Tinte gefüllten Bereichs des Tintenkanals entspricht, und daß die Zeit für das Erweitern und für das Rückstellen des Wandlers 5 selbst kurz im Vergleich zu dieser Laufzeit ist.

[0015] Weiterhin ist es vorteilhaft, die Länge b des Wandlers 5, die Impulsdauer T und den Abstand a des Wandlers von der Querschnittserweiterung 4 derart aufeinander abzustimmen, daß die durch Ansteuerung des Wandlers 5 erzeugte Druckwelle w und die an der Querschnittserweiterugn 4 unter Vorzeichenumkehr reflektierte Druckwelle wr in einem solchen Abstand im Tintenkanal 2 verlaufen, daß sich im Bereich der Austrittsöffnung 3 aufeinanderfolgend die Druckverminderung der Phase I, die Druckerhöhung der Phase II, darauf wiederum die Druckverminderung der Phase III und anschließend der Ruhezustand der Phase IV einstellt.

[0016] Die Zeitdauer für ein Wiederauffüllen der aus dem Tintenkanal 2 ausgestoßenen Tintenmenge wird bei.der Anordnung nach der Erfindung erheblich reduziert, da die für den Ausstoß benötigte- Tintenmenge bereits während der ersten Phase I weitgehend bereitgestellt wurde. Das bedeutet praktisch, daß die sog. Spritzfrequenz, d.h. die Frequenz mit der aufeinanderfolgende Tintentröpfchen ausgestoßen werden können, im wesentlichen nur durch die im Tintenkanal üblicherweise ablaufenden Nachschwingvorgänge begrenzt ist. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird dazu weiter vorgeschlagen, daß der Tintenkanal zwischen der Austrittsöffnung und dem Wandler durch eine weiche und dämpfende Kanalwand begrenzt ist. Der Kanal kann aber auch in dem Bereich, in dem er aus dem Bereich des Wandlers mit seiner harten Kanalwand austritt, etwas verengt sein, so daß sich Druckwellen weitgehend reflexionsfrei vom Wandler in den Tintenkanal hinein ausbreiten können, während sie am anderen Ende des kanals an der Querschnittserweiterung mit Vorzeichenumkehr reflektiert werden.

[0017] Gemäß weiterer Ausgestaltung ist es zur Reduzierung bzw. Eliminierung der Nachschwingvorgänge auch möglich, an dem Wandler um zweimal die Laufzeit einer Druckwelle von der Austrittsöffnung bis zur Querschnittserweiterung nach dem Beginn des Ansteuerimpulses verzögert, Kompensationsimpulse anzulegen, die durch Reflexion an der Austrittsöffnung und durch Reflexion an der Querschnittserweiterung solche' störende Druckwellen, die in den Bereich des Wandlers gelangen, weitgehend auslöschen. Derartige Kompensationsimpulse können z.B. der Ableitung des Ansteuerimpulses nach der Zeit entsprechend gebildet werden.

[0018] Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispieles für einen einzigen Tintenkanal beschrieben. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, eine Vielzahl v.on Tintenkanälen, in der angegebenen Weise auszugestalten und anzusteuern, und diese insgesamt in einem Mehrfachdüsenkopf anzuordnen. Eine nach den Merkmalen der Erfindung ausgestalteter Tintenmosaiksc.hreiber kann dann in besonders vorteilhafter Weise im bewährten Spritzgußverfahren hergestellt werden.

Ansprüche

1. Anordnung zum Tröpfchenausstoß aus einem eine Austrittsöffnung aufweisenden mit Flüssigkeit gefüllten Kanal, wobei der Kanal über einen Teil seiner Länge von einem piezoelektrischen Wandler umfaßt ist, dessen Durchmesser sich bei Ansteuerung mittels Ansteuerimpulsen verändert, und wobei zur Einleitung eines Tröpfchenausstoßes ein der Polarisationsrichtung des Wandlers entgegengesetzt gepolter Impuls an den Wandler angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2) am seiner Austrittsöffnung (3) abgewandten Ende eine Querschnittserweiterung (4) aufweist, an der eine durch Ansteuerung des Wandlers (5) erzeugte Druckwelle (pa) unter Vorzeichenumkehr vollständig reflektiert wird (pr), und daß der Wandler (5) den Kanal (2) in Nähe der Querschnitserweiterung (4) umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Länge (b) des Wandlers (5), die Impulsdauer (T) und der Abstand (a) des Wandlers (5) von der Querschnittserweiterung (4) derart aufeinander abgestimmt sind, daß die durch Ansteuerung des Wandlers (5) erzeugte Druckwelle (pa) und die an der Querschnittserweiterung (4) unter Vorzeichenumkehr reflektierte Druckwelle (pr) in einem solchen Abstand im Kanal (2) verlaufen, daß sich im Bereich der Austrittsöffnung (3) aufeinanderfolgend zunächst eine Druckverminderung (Phase I), dann eine Druckerhöhung (Phase II), darauf wiederum eine Druckverminderung (Phase III) und anschließend der Ruhezustand (Phase IV) einstellt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler (5) mit unipolaren Impulsen mit symmetrischen Anstiegs- und Abfallflanken angesteuert wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (T) zwischen dem Erweitern des Wandlers (5) und dem Rückstellen größer oder gleich der Laufzeit einer Druckwelle durch den vom Wandler (5) umschlossenen Teil (b) des Kanals (2) ist, und daß die Zeit für das Erweitern und das Rückstellen des Wandlers selbst kurz im Vergleich zu dieser Laufzeit ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Einleitung eines Tröpfchenausstoßes (Phase I) der Ausstoß eines Tröpfchens aus der Austrittsöffnung (3) durch Abschalten des Impulses (U) geschieht (Phase II und III).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet daß der Kanal (2) aus einem elastischen Material mit Dämpfungseigenschaften gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (2) im vom Wandler (5) umfaßten Bereich einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (5) durch in Bezug auf einen Ansteuerimpuls (U) zeitlich verzögerten Kompensationsimpulsen ansteuerbar ist, daß-die Zeitverzögerung durch die 2-fache Laufzeit einer Druckwelle zwischen der Austrittsöffnung (3) und der Querschnittserweiterung (4) bestimmt ist, und daß die Kompensationsimpulse eine geringere Energie als die Ansteuerimpulse aufweisen.

9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensationsimpulse in ihrer Form der Ableitung der Ansteuerimpulse nach der Zeit entsprechen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von jeweils eine Austrittsöffnung (3) aufweisenden Kanälen (2) vorgesehen sind, die an ihren, den Austrittsöffnungen (3) abgewandten Enden mit einem gemeinsamen, vorzugsweise als Versorgungskammer ausgebildeten und mit Flüssigkeit gefüllten Bereich (6) in Verbindung stehen, wobei diese Verbindungen die Querschnittserweiterungen (4) darstellen,
daß jeder Kanal (2) in der Nähe (Abstand a) der Querschnittserweiterung (4) von einem Wandler (5) über einen Teil (b) seiner Länge umfaßt ist,
und daß jeder Wandler (5) mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, daß die Ansteuerimpulse und ggfsl Kompensationsimpulse abgibt.

Zeichnung