DE2742311A1 - Fluessigkeitsstrahlmodulator - Google Patents

Description

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KARL H. WAGNER (ff GC.VORlMOHLdRASSE 5

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20. September 1977 77-V-2918

RECOGNITION EQUIPMENT INCORPORATED, Dallas, Texas 75222, V.St.A.

Flüssigkeitsstrahlmodulator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Farbtropfenerzeugungssystem und insbesondere auf einen Färb- oder Tintenmodulator mit einem halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall, der verbesserte Betriebseigenschaften über eine große Bandbreite von Hochfrequenztropfenraten hinweg aufweist.

Tinten- oder Farbmodulatoren für Tinten- oder Farbstrahldrucke wurden bislang auf eine spezielle Tropfenrate elektromechanisch abgestimmt. Jede Abweichung von der Resonanzfrequenz bewirkte dabei eine Verschlechterung des Modulatorwirkungsgrades sowie nicht tolerierbare Änderungen im Abstand zwischen Düsen und Tropfenaufbrechpunkt. Die Veränderung der Aufbrechpunktlänge beeinflußt die Tropfenladefunktion. Änderungen in der Ablenksteuerung haben eine schlechte Druckqualität zur Folge.

Bei einem Tintenstrahldruck-Transportsystem projiziert eine Tintenstrahlkanone geladene Tintentropfen, die zur Bildung eines Informationsmusters abgelenkt werden, auf eine sich bewegende Dokumentenoberfläche. Wenn sich die Transportgeschwindigkeit ändert, so ist es notwendig, eine entsprechende Änderung der Tropfenrate vorzusehen. Bei bislang verwendeten Druckersystemen waren Einstellungen der Tropfenrate ohne Rückkehr des Tintenmodulators nicht verfügbar.

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TELEFON: (OM) 288527 TELEGRAMM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: 5-22038 patw d

Ein Tropfen-ein-Befehlsmodulator weist eine Pumpe mit positiver Verdrängung auf, welche infolge eines Befehls einen Druckimpuls an eine eine Düse speisende Tintenkammer abgibt. Wenn der Druckimpuls ausreicht, um die Oberflächenspannung an der Düsenspitze zu überwinden, so wird ein Tintentropfen ausgestoßen. Tintenversorgungsleitungen bilden jedoch massive Druckleckstellen, was der Pumpwirkung entgegenwirkt, die erforderlich ist, um einen Tintentropfen durch die Düse zu drücken.

Schalenförmige oder halbkugelförmige piezoelektrische Kristalle wurden seit langem in der medizinischen und chemischen Industrie verwendet. Halbkugelförmige Kristalle wurden als konkave Strahlvorrichtungen verwendet, um Ultraschallenergie in einem Flüssigkeitsmedium zu erzeugen. In dem Buch von Rosenberg, "Source of High-Intensity Ultrasound" wurde auf den Seiten 275 und 282 (in der Ausgabe von 1969) ein schalenförmiger piezoelektrischer Wandler beschrieben, um Ultraschallchirurgie durchzuführen. Ferner wird auf den Seiten 275, 286,287 die Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers beschrieben, der zur Erzeugung von Emulsionen und Suspensionen dient und zur Intensivierung der Polymerization, Oxydation, Reduktion und feinen Dispersion. Wells beschreibt in "Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis" auf Seiten 62, 63 (in der Ausgabe von 1969) einen fokussierten Schalenwandler zur übertragung von Energie auf einen in Wasser eingetauchten Patienten.

Andere kugelförmige Strahlvorrichtungen wurden zur Lenkung von akustischer Energie unter Wasser verwendet. Eine solche Vorrichtung weist einen flachen, scheibenförmigen, piezoelektrischen Kristall auf, der an der Rückseite einer plan-konkaven Linse befestigt ist. Der Kristall sendet akustische Wellen direkt in das Linsenmaterial hinein. Die die Linsen/Flüssigkeits-Grenzfläche erreichenden Wellen werden zur akustischen Achse hin gebrochen.

Erfindungsgemäß wird ein Tintenmodulator vorgesehen, der einen halbkugelförmigen oder halbzylindrischen piezoelektrischen Wandler

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aufweist, der zur Erzeugung eines Tintenstromes dient, welcher aus gleichförmigen Tintentröpfchen besteht, und zwar über einen Tropfenfrequenzbereich hinweg, wie dies bislang unerreichbar war. Ferner werden große Änderungen in der Temperatur und dem Tintendruck verarbeitet, ohne daß unannehmbare Abweichungen des Tropfenaufbrechabstandes auftreten und daß sich die Druckqualität verschlechtert. Es wird ebenfalls ein Tropfen-ein-Befehls-Modulator vorgesehen, der einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandler aufweist, um Tintentröpfchen zu erzeugen, und zwar ohne einen Verlust an Antriebsdruck in der Tintenversorgungsleitung.

Bei der Entwicklung einiger Mehrfachdüsenformen sind komplizierte Systeme mit Mehrfachwandler-Membrankombinationen erforderlich. US-PS 3 708 798 beschreibt einen Mehrfachdüsendrucker mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlern, die an einer gleichen Vielzahl von Membranen befestigt sind, die die Tinte zu einem Satz von Düsen hin impulsförmig bewegen. US-PS 3 900 162 zeigt eine Tintenkanone, bei der eine diamantförmige Tintenkammer Mehrfachzumeßöffnungen speist, um Tröpfchen zu annähernd der gleichen Zeit und an einem nahezu gleichförmigen Abstand gegenüber den Zumeßöffnungen zu bilden. Die diamantförmige Kammer ist längs ihrer Diagonalen durch ein Vibrationsglied unterteilt und besitzt eine Vielzahl von an einer Seitedes Glieds befestigten Wandlern.

Zusammenfassung der Erfindung. Erfindungsgemäß weist ein Tintenmodulator einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall auf. Die konkaven und konvexen Oberflächen des Kristalls sind mit Elektroden versehen und der dadurch gebildete Wandler ist in eine feste Epoxyhalterung eingesetzt. Eine ringförmige Dichtung ist unmittelbar angrenzend an die ringförmige Kante des Wandlers angeordnet, und eine Düsenplatte ist abdichtend mit der Dichtung vorgesehen, um eine Tintenkammer zwischen dem Wandler und der Düsenplatte zu bilden. Das integrierte Gebilde des Modulators ist ferner durch hindurchgehende, mit Gewinde versehene Bolzen befestigt.

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Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Modulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten, stehenden akustischen Welle, die bei den höchsten der betriebsfähigen Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil erzeugt werden kann. Die Gesamt-Längsabmessungen des integrierten Modulatorgebildes sind in gleicher Weise klein. Die mechanischen Resonanzfrequenzen werden dadurch substantiell vom Betriebsfrequenzband getrennt. Infolgedessen ist der Aufbrechpunkt über den Betriebsbereich hinweg stabil. Ferner wird eine beträchtlich erhöhte Bandbreite der Betriebsfrequenzen vorgesehen, innerhalb welcher Tropfenrate, Temperatur und Tintendruckänderungen ohne Verschlechterung der Tintentropf engleichförmigkeit kompensiert werden.

Bei einer anderen Ausbildungsform der Erfindung umhüllt ein festes (solides) Stützelement einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandler mit einer Mittelbohrung. Ein Tintenspeiserohr ragt durch die Mittelbohrung, wobei eine Düse in Strömungsmittelverbindung mit diesem Speiserohr vorgesehen ist. Dadurch wird die Betriebsfrequenzbandbreite beträchtlich erhöht und die Toleranz gegenüber Tintendruckänderungen wird gegenüber dem Ausführungsbeispiel mit Tintenreservoir verbessert. Darüber hinaus wird ein höherer Grad an Aufbrechabstandstabilität mit vergleichbaren Ansteuerspannungen vorgesehen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Breitband-Tintenstrahlmodulator vorgesehen, der eine Mehrfachzumeßöffnungsplatte besitzt, die zuverlässige Betriebseigenschaften über ein breites Band von Tropfenfrequenzen aufweist. Für den Betriebsbereich kann das Auftreten von Satellitentröpfchen im wesentlichen eliminiert werden, und Änderungen der Temperatur und der Tropfenraten können ohne Verschlechterung der Druckqualität kompensiert werden. Die zahlreichen Zumeßöffnungen können gewartet werden, ohne daß dadurch die Einfachheit der Konstruktion leidet oder der Wirkungsgrad des Modulators verschlechtert würde.

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Die Erfindung beschreibt einen Mehrfachzumeßoffnungs-Tintenstrahlmodulator, der einen halbzylindrischen Wandler verwendet, der zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Verrichtungen aufweist, und zwar deshalb, weil er in der Lage ist, bei jeder gegebenen Frequenz innerhalb seines Betriebsbereichs zu arbeiten und auch arbeitet, wenn die Frequenz geändert wird. Der halbzylindrische Kristall wird durch Materialien gestützt, welcne unerwünschte Resonanzen und Reflexionen sämtlicher Frequenzen innerhalb seines Betriebsbereichs dämpfen und abschwächen. Alle Ströme werden gleichzeitig moduliert. Der Betrieb bei einer sich ändernden Frequenz gestattet das Drucken auf einem Transporter oder Träger, der eine sich ändernde Geschwindigkeit besitzt, oder während des Startens und Stoppens. Es ist möglich, eine Anordnung aufzubauen, um ausgehend von einigen wenigen Tropfen bis zu einer vollen Seitenbreite von Tropfen zu drucken, und zwar mit gesonderten Ladevorrichtungen für jede Zumeßöffnung, und es können auch Balken oder Zeichen gedruckt werden, während ein gemeinsames Ablenkfeld benutzt wird. Die Kanone besitzt ein eingebautes Schnellspülsystem für schnelleres Ein- und Ausschalten; es wird mehr Leistung an das Strömungsmittel angelegt, weil ein Halbzylinder eine wesentlich größere Strahlfäche für die gleiche Frontfläche besitzt als der konventionelle flache Kristall. Die Düsenplatte kann aus irgendeinem Material bestehen, in dem Düsen ausgebildet werden können, und es ist hart und fest genug, um den an die Zumeßöffnungsflache angelegten Druck auszuhalten.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Tintenmodulator ;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Modulators der Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Frequenz/Druck-Betriebskennlinien des Tintenmodulators der Fig. 1;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Tintentropfenaufbrechabstands abhängig von der Frequenz für den Modulator der Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen soliden Fülltintenmodulators;

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Kennlinien des Tintentröpfchenaufbrechabstandes abhängig von der Betriebsfrequenz für den Modulator der Fig. 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Kennlinien der Frequenz abhängig vom Tintendruck für den Modulator der Fig. 5;

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Frequenz/Tropfenabstands-Kennlinie des Modulators der Fig. 5;

Fig. 9 einen Querschnitt eines Tropfen-ein-Befehls-Tintenmodulators gemäß der Erfindung;

Fig. 10 einen Querschnitt eines zweiten erfindungsgemäßen Tropfen-ein-Befehls-Modulators;

Fig. 11 eine Explosionsansicht der Mehrfachzumeßoffnungskanone;

Fig. 12 einen Querschnitt der zusammengebauten Kanone;

Fig. 13 ein typisches System, in dem die erfindungsgemäße Kanone verwendbar ist;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Impedanz des piezoelektrischen Kristalls abhängig von der Frequenz;

Fig. 15 die Impedanz abhängig von der Frequenz, wenn der Kristall dadurch gedämpft wird, daß man ihn wie in Fig. 2 gezeigt einbettet.

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Es seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall 10, der mit Elektroden 11 und 12 an der äußeren konvexen bzw. der inneren konkaven Oberfläche des Kristalls versehen ist. Die Elektroden sind voneinander durch die nicht leitende ringförmige Kante des Kristalls isoliert. Der Kristall 10 mit den Elektroden 11 und 12 sitzt innerhalb einer Epoxyhalterung oder eines Stützelements 13. Ein erster Ansteuerleiter 14 ist elektrisch mit Elektrode 11 verbunden und ein zweiter Ansteuerleiter 15 steht elektrisch mit Elektrode 12 in Verbindung. Der Antriebsleiter 14 erstreckt sich durch die Halterung 13 zu einer externen Spannungsquelle hin. Der Antriebsleiter 15 erstreckt sich durch eine epoxygefüllte Vertiefung oder einen Trog 10a, der in den Kristall 10 und die Elektroden eingeschnitten ist, und durch Halterung 13 zur externen Spannungsquelle. Eine Oberfläche einer Polytetrafluoräthylen-Ringdichtung 16 steht in Berührung mit der Halterung 13 und mit der ringförmigen Kante des Kristalls 10. Eine Düsenplatte 17 besitzt eine Düse 18. Die Düsenplatte 17 ist in Abdichtberührung mit der Oberfläche der Dichtung 16 entgegengesetzt zur Halterung 13 angeordnet, wodurch ein Tintenreservoir mit der Elektrode 12 gebildet wird. Kristall 10, Halterung 13, Dichtung 16 und Düsenplatte 17 werden durch Bolzen 19 mit Muttern 20 an ihrem Platz gehalten.

In der Düsenplatte 17 ist eine erste äußere Querbohrung 21 ausgebildet, die zu einer ersten inneren Querbohrung 22 führt. Die Bohrung 22 steht in Strömungsmittelverbindung mit einer ersten Längsbohrung 23 von gleichem Durchmesser. Die Bohrung 23 ist unmittelbar auf der Innenseite der Innenkante der Dichtung 16 angeordnet. Die Düsenplatte 17 weist ferner eine zweite äußere Querbohrung 24 (Fig. 2) auf, die zu einer zweiten inneren Querbohrung 25 führt. Die Bohrung 25 steht in Strömungsmittelverbindung mit einer zweiten Longitudinal- oder Längsbohrung,die in der gleichen Weise wie Bohrung 23 ausgebildet ist. Ein Rohr 26 sitzt abdichtend mittels Preßpassung in der Bohrung 21 und ein Rohr 27 sitzt ebenfalls durch Preßpassung abdichtend in Bohrung 24.

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In der Aussenoberflache der Düsenplatte 17 ist^irte^sidh'nach aus sen erweiternde und konisch ausgebildete Vertiefung 17a ausgebildet. Zentriert innerhalb der Vertiefung 17a befindet sich die Düse 18. Die Düse 18 hat Zylinderform, und zwar mit einer konischen Einlaßbohrung 18a, die zu einer Zumeßöffnung 18b hin konvergiert.

Beim hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Halterung 13 eine Fläche von einem Quadratzoll und ist 0,275 Zoll stark. Die Halterung besteht aus einem Epoxyharz, wie beispielsweise einem als Modell Nr. 2850-KT bezeichneten, wie es von der Emerson & Cuming, Inc., in Canton, Massachusetts, USA, hergestellt und verkauft wird.

Der Kristall 10 ist ein piezoelektrischer Kristall, hergestellt aus einem Keramikmaterial,mit einem niedrigen mechanischen Q und einer hohen Belastungsspannung pro Feld bei konstanter Beanspruchung, was man im allgemeinen als d₃₃~Faktor in der Technik bezeichnet. Es wurde festgestellt, daß Material mit einem mechanischen Q nicht größer als 70 und einem d_o1 nicht kleiner als 550

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χ 10 m pro Volt verwendet werden kann. Von der Vernitron Piezoelectric Division, Bedford, Ohio, USA, hergestelltes Material unter der Bezeichnung Modell PZT-5H wird bevorzugt. Dieses Material besitzt ein mechanisches Q von annähernd 65 und ein d,, von unge-

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fähr 593 χ 10 m/Volt.Die Dicke der Kristallwand beträgt annähernd 0,031 Zoll. Der Innendurchmesser des Kristalls beträgt ungefähr 0,313 Zoll. Die Elektroden 11 und 12 bestehen aus Silber und sind durch bekannte Mittel am Kristall 10 befestigt.

Die Ringdichtung 16 ist annähernd 0,005 Zoll dick, wobei der Innendurchmesser ungefähr 0,313 Zoll beträgt. Die Ringdichtung sieht nicht nur eine Flüssigkeitsdichtung vor, sondern dämpft auch die Wandlerschwingungen, die aus der ringförmigen Kante des Kristalls 10 senkrecht zur Wandlerachse austreten.

Die Düsenplatte 17 besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Länge von annähernd 0,090 Zoll. Die in der Platte 17 ausgebildete Vertiefung 17a besitzt eine öffnung von ungefähr 0,30 Zoll Durchmesser und wird durch Wände definiert, die einen eingeschlossenen

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Winkel von annähernd 100° besitzen. Die Bohrungen 21 und 24 der Platte 17 haben jeweils 0,042 Zoll Durchmesser und 0,156 Zoll Länge. Die Bohrungen 22 und 25 besitzen jeweils ungefähr 0,025 Zoll Durchmesser und 0,076 Zoll Länge. Ferner hat die Bohrung einen Durchmesser von 0,025 Zoll und eine Länge von 0,045 Zoll.

Die Rohre 26 und 27 bestehen jeweils aus rostfreiem Stahl "Gauge" 19, wie er für Rohre auf dem Gebiet der hypodermischen Spritzen verwendet wird.

Die Düse 18 ist aus einem zylindrischen Saphiredelstein von annähernd 0,031 Zoll Länge und 0,046 Zoll Durchmesser ausgebildet. Die Wände der Einlaßbohrung 18a der Düse 18 definieren einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 70° und konvergieren zur Zumeßöffnung oder Düse 18b hin, die annähernd 0,002 Zoll lang ist und 0,002 Zoll Durchmesser aufweist.

Im Betrieb fließt unter Druck stehende Tinte durch das Rohr 26 und die Bohrungen 21, 22 und 23 zum Tintenreservoir zwischen Kristall 10 und Düsenplatte 17. Anfangs wird das Rohr 27 geöffnet, um jeglichen Strömungsmittelrest,der im Tintenreservoir vorhanden sein kann, herauszuspülen. Danach wird das Rohr 27 geschlossen und Tinte tritt nur durch die Düse 18 aus. An die Leiter 14 und 15 angelegte Spannungsimpulse bewirken das Ausdehnen und Zusammenziehen des Kristalls 10 im Bereich zwischen Elektroden 11 und 12. Die Tinte innerhalb des Tintenreservoirs wird dadurch druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düse 18 in den Tintenstrom hinein übertragen. Der Strom bricht dadurch in Tröpfchen auf.

Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Tintenmodulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Welle, die erzeugt werden kann bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil. Ferner ist die Longitudinallänge des Modulators kleiner als die Wellenlänge der kürzesten,stehenden,longitudinalen, akustischen Welle, die in dem zusammengebauten Körper des Modulators erzeugt werden kann.

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Eine große Bandbreite an Tropfenratenfrequenzen wird dadurch vorgesehen, die weit genug unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenzen des Modulators liegt, um effektiv von den Effekten der beiden Resonanzfrequenzen isoliert zu werden, und der Harmonischen derselben, die während einer Druckoperation angeregt werden können. Infolgedessen ist der Tintentröpfchenaufbrechabstand im wesentlichen gleichförmig über den Betriebsbereich hinweg und die Toleranz der Modulator-zu-Tropfen-Rate, Temperatur und Tintendruck änderungen wird verbessert. Der primäre Tintentropfenpfad ist im wesentlichen frei von Satellitentropfen. Gleichförmige Tintentröpfchen werden über einen Frequenzbereich bis zu einer höchsten Betriebsfrequenz von annähernd dem 3,5-fachen der untersten Betriebsfrequenz erzeugt.

Der Kristall 10 kann als 165°-Kristall gekennzeichnet werden. Das heißt, ein Winkel von 165° wird definiert durch Radiallinien in der gleichen Ebene und ausgehend vom Krümmungsmittelpunkt zu entgegengesetztliegenden Punkten auf der ringförmigen Kante des Kristalls. In Fig. 3 repräsentieren die Kurven 28 und 29 die niedrigen bzw. hohen Druckgrenzen einer Betriebsumhüllenden für einen Tintenmodulator mit einem 165°-Kristall, der bei Tropfenfrequenzraten zwischen 20 und 90 kHz arbeitet.

Es wurde festgestellt, daß mit einer konstanten 30 Volt Kristall-Ansteuerspannung der Tintenmodulator innerhalb der durch die Kurven 28 und 29 definierten Umhüllenden betrieben werden kann, und zwar ohne die Erzeugung von Satellitentröpfchen. Ferner bleibt der Tintentröpfchenaufbrechabstand von der Düse im wesentlichen gleichförmig und die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderung ist weniger deutlich als bei bekannten Systemen.

Die Kurven 28 und 29 veranschaulichen ferner eine Toleranz gegenüber Tintendruckänderungen über ein Band von Hochfrequenztropfenraten hinweg, welches breiter ist als dies bislang erreicht wurde.

In Fig. 4 ist der Aufbrechabstand abhängig von der Frequenz dargestellt. Die Kurven 30-32 repräsentieren die Arbeitsweise eines

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Tintenmodulators mit einem 165°-Kristall, angetrieben mit einer konstanten 30 Volt Kristall-Ansteuerspannung. Speziell veranschaulicht Kurve 30 die Änderung des Tintentropfenaufbrechabstandes gegenüber der Düse für Tropfenraten im 50 bis 88 kHz-Bereich, wo der Tintendruck auf 47 psig (engl. Pfund pro Quadratzoll, wie abgelesen) gehalten wird. Für Drücke zwischen 50 und 60 psig ändert sich der Aufbrechabstand entsprechend Kurve 30, wo dieser eine negative Neigung von ungefähr 0,002 Zoll pro kHz besitzt. Ferner folgt der Aufbrechabstand der Kurve 30, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,012 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen Tropfenraten von 60 und 73 kHz, während die Veränderung entsprechend Kurve 30 erfolgt, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,0003 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen Tropfenraten von 73 bis 90 kHz.

Die Kurve 31 veranschaulicht die Änderung des Aufbrechabstandes, wenn die Tropfenrate von 34 bis 62 kHz verändert wird. Zwischen 34 und 40 kHz folgt der Aufbrechabstand der Kurve 31, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,0025 Zoll pro kHz besitzt. Zwischen 40 und 48 kHz ändert sich jedoch der Aufbrechabstand entsprechend Kurve 31, wo diese eine positive Neigung von annähernd 0,0019 Zoll pro kHz aufweist. Der Aufbrechabstand folgt Kurve 31, wo diese eine negative Neigung von ungeführ o,oo1o4 Zoll pro kHz besitzt, bei Tropfenraten zwischen 48 und 62 kHz. Die Kurve 32 veranschaulicht die Änderung des Aufbrechabstands, wenn die Tropffenrate verändert wird von 20 bis 50 kHz bei einem konstanten Tintendruck von 20 psig. Zwischen 20 und 25 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 32, wo diese eine negative Neigung von0,004 Zoll pro kHz besitzt. Keine feststellbare Änderung des Aufbrechabstandes wird zwischen 25 und 50 kHz festgestellt.

Aus einer Betrachtung der Fig. 4 erkennt man, daß eine maximale Abweichung von ungefähr 0,04ZoIl hinsichtlich des Aufbrechabstandes zwischen 50 und 90 kHZ bei 47 psig auftritt. Ferner tritt eine maximale Abweichung von annähernd 0,015 Zoll zwischen 34 und 62 kHz bei 29 psig auf, und eine maximale Abweichung von ungefähr 0,02 Zoll ergibt sich zwischen 20 und 50 kHz bei 20 psig.

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Fig. 5 zeigt einen feststoffgefüllten (soliden) Tintenmodulator, der verbesserte Betriebseigenschaften gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 zeigt.

Ein Strömungsmittelzuführrohr 35 verläuft durch eine Mittelbohrung 36 eines halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 37. Eine ringförmige Lufttasche ist zwischen Rohr 35 und den Wänden der Bohrung 36 vorgesehen, um Rohr 35 gegenüber Radialvibrationen oder Schwingungen des Kristalls zu isolieren. Das Rohr 35 wird an seinem Platz durch eine Epoxyhalterung 38 gehalten, die an der konvexen Oberfläche des Kristalls 37 anhaftend befestigt ist. Die Konkavität des Kristalls 37 ist mit Epoxy angefüllt, in dem die Düse 39 befestigt und eingefangen ist. Eine Bohrung 40 ist vom Ende des Rohrs 35 aus vorgesehen, um einen Strömungsmittelpfad zwischen Rohr 35 und Düse 39 vorzusehen. Die Bohrung 40 ist mit dem Rohr 35 und der Düse 39 auf einer Longitudinalachse ausgerichtet, die durch den Krümmungsmittelpunkt des Kristalls verläuft.

Der Kristall 37 ist mit Elektroden 41 und 42 an den äußeren bzw. inneren konkaven Oberflächen des Kristalls versehen. Die Elektroden sind voneinander durch die nicht leitende, ringförmige Kante des Kristalls isoliert. Ein Ansteuerleiter 43 ist elektrisch mit Elektrode 41 und ein Ansteuerleiter 44 ist elektrisch mit der Elektrode 42 verbunden. Die ringförmige Kristallkante liegt gegenüber Luft frei, um die Düse 39 gegenüber radialen Kristallschwingungen zu isolieren.

Die den Modulatorkörper umfassende Epoxyhalterung 38 ist von einer Art, wie sie von der HYSOL Division der Dexter Corporation in Olean, New York, USA, hergestellt und verkauft wird, und zwar unter der Modell-Bezeichnung Nr. 1C. Die Epoxyfüllung umschließt vollständig sämtliche Modulatorteile mit der Ausnahme des äußersten ringförmigen Endes des Kristalls 37, der öffnung der Düse 39 und dem Teil des Rohrs 35, der zur Verbindung mit der Tintenversorgung freiliegt.

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Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die Halterung 38 eine andere Form als eine halbkugelförmige Form konzentrisch zum Kristall 37 aufweist, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer stehenden akustischen Welle im Modulatorkörper beträchtlich vermindert wird.

Das Stromungsmittelzuführrohr 35 besteht aus Nylon und besitzt einen Aussendurchmesser von annähernd 0,042 Zoll. Die Bohrung des Kristalls 37 hat annähernd 0,062 Zoll Durchmesser. Rohr 35 erstreckt sich über die konkave Kristalloberfläche um einen Abstand von 0,030 Zoll hinaus. Die ringförmige Lufttasche 36 ist annähernd 0,010 Zoll breit zwischen dem Rohr 35 und den Wänden der Bohrung 36. Die Düse 39 besteht aus einem zylindrischen Rubin mit einer Länge von annähernd 0,031 Zoll und einem Durchmesser von annähernd 0,046 Zoll.

Im Betrieb wird Tinte unter Druck in das Rohr 35 und die zur Düse 39 führende Bohrung 40 hineingelassen. Wenn der Kristall 37 mit einem an die Ansteuerleiter 43 und 44 angelegten Spannungsimpuls erregt wird, so wird die Tinte in der Bohrung 40 druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düse 39 hinunter in den Tintenstrom zum Tröpfchenaufbrechpunkt übertragen.

Wie beim Tintenmodulator gemäß Fig. 1 besitzt jeder Teil des solide gefüllten Modulators körperliche Abmessungen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge bei der kürzesten, stehenden, akustischen Welle, die bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie das in Rede stehende Teil erzeugt werden kann. Dadurch wird eine größere Bandbreite von Tropfenraten vorgesehen, innerhalb welcher größere Änderungen des Tintendrucks toleriert werden können als bei dem mit Flüssigkeit gefüllten Modulator der Fig. 1.

Fig. 6 zeigt den Aufbrechabstand abhängig von Frequenzbetriebskennlinien des solide gefüllten Modulators der Fig. 5.

Die Kurven 50-53 stellen den Betrieb des solide gefüllten Modulators bei einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung dar.

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Die Kurve 50 stellt die Veränderung des Tintentropfenaufbrechabstandes von der Düse dar, und zwar bei einer Veränderung der Betriebsfrequenz zwischen 55 und 127 kHz bei 64 psig. Keine unterscheidbare Änderung des Aufbrechabstandes kann unterhalb 106 kHz festgestellt werden. Zwischen 106 kHz und 127 kHz ändert sich jedoch der Aufbrechabstand gemäß Kurve 50, wo diese ihre negative Neigung von ungefähr 0,0005 Zoll pro kHz besitzt.

Die Kurve 51 zeigt Änderungen des Aufbrechabstandes bei Veränderung der Betriebsfrequenz zwischen 47 kHz und 96 kHz bei einem Tintendruck von 47 psig. Zwischen 47 kHz und 59 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 51, wo diese eine negative Neigung von 0,00038 Zoll pro kHz besitzt. Zwischen 59 und 96 kHz ändert sich der Aufbrechwiderstand entsprechend Kurve 51, wo diese eine positive Neigung von 0,0028 Zoll pro kHz aufweist.

Die Kurve 52 zeigt die Aufbrechabstandsvariation, wenn die Betriebsfrequenz zwischen 29 und 70 kHz bei einem Tintendruck von 29 psig geändert wird. Zwischen 29 und 46 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß«Kurve 52, wo diese eine positive Neigung von 0,0006 Zoll pro kHz aufweist. Der Aufbrechabstand folgt Kurve 52, wo diese eine negative Neigung von 0,0044 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen 46 und 54 kHz. Ferner ändert sich der Aufbrechwiderstand gemäß Kurve 52 dort, wo diese eine positive Neigung von 0,0012 Zoll pro kHz zwischen 54 und 70 kHz besitzt.

Die Kurve 53 veranschaulicht die Änderungen des Aufbrechabstandes, die auftreten, wenn die Betriebsfrequenz zwischen 2 3 und 51 kHz bei 20 psig verändert wird. Zwischen 2 3 und 29 kHz folgt der Aufbrechabstand der Kurve 53, wo diese eine negative Neigung von 0,003 Zoll pro kHz besitzt. Ferner ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 53, wo diese eine positive Neigung von 0,0006 Zoll pro kHz zwischen 29 und 46 kHz aufweist. Zwischen 46 und 41 kHz folgt jedoch der Aufbrechabstand der Kurve 53, wo diese eine negative Neigung von 0,002 Zoll pro kHz besitzt.

Die maximale Auslenkung oder Abweichung des Aufbrechabstandes bei einem Tintendruck von 64 psig beträgt 0,01 Zoll zwischen

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und 127 kHz. Die maximale Abweichung bei 47 psig beträgt O,O3O Zoll zwischen 47 und 96 kHz. Zwischen 29 und 70 kHz ist die maximale Abweichung O,O35 Zoll bei 29 psig.Ferner beträgt die maximale Abweichung bei 20 psig 0,02 Zoll zwischen 23 und 51 kHz.

Der solid oder voll gefüllte Modulator nimmt somit eine größere Abweichung des Tintendrucks über eine größere Bandbreite der Tropfenraten auf,als dies für den flüssigkeitsgefüllten Modulator der Fig. 1 der Fall ist.

Wo der Tintendruck und die Kristallansteuerspannung des feststoffgefüllten (solid gefüllten) Modulators dynamisch eingestellt werden kann, wenn die Frequenz zwischen 25 und 125 kHz variiert wird, wurde eine Variation des Aufbrechabstandes von weniger als - 0,020 Zoll gegenüber einer im wesentlichen linearen Norm über den gesamten Betriebsbereich hinweg beobachtet.

Ein Vergleich der Tröpfchenaufbrechabstände über die entsprechenden Betriebsbereiche der hier beschriebenen, mit Flüssigkeit und mit Feststoff angefüllten Modulatoren hinweg zeigt einen kürzeren Aufbrechabstand für den mit Feststoff angefüllten Modulator bei jeder betriebsfähigen Ansteuerspannung. Ferner ist die durchschnittliche Abweichung der Aufbrechabstände gegenüber im wesentlichen linearen Normen doppelt so groß für den mit Flüssigkeit gefüllten Modulator als für den mit Feststoff gefüllten-Modulator.

Fig. 7 zeigt Frequenz-Druck-Betriebskennlinien des mit Feststoff gefüllten Modulators der Fig. 5 bei einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung.

Zwischen einer Niederdruckgrenzkurve 6O und einer Hochdruckgrenzkurve 61 kann der Tintendruck auf irgendeine Frequenz zwischen 2O und 1OO kHz variiert werden, ohne daß Satellitentröpfchen erzeugt werden. Die untere Grenzkurve 60 tritt auf, wenn entweder die Tintentröpfchen fast tangential im Tintenstrom verlaufen oder ein Satellitenzustand auftritt. Bei der

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durch Kurve 61 dargestellten Hochdruckgrenze fangen Satellitentröpfchen an sich zu bilden.

Die Fig. 8 veranschautlicht den Tropfenabstand, abhängig von Frequenzeigenschaften des feststoffgefüllten Modulators der Fig. 5.

Innerhalb der Betriebsfrequenz-Druckumhüllenden gemäß Fig. 7 und mit einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung kann die Betriebsfrequenz des feststoffgefüllten Modulators zwischen 20 und 130 kHz verändert werden, um die Tropfenabstandsgrenzen zu bestimmen,wie sie als eine Kurve 70 und eine Line 71 in Fig. 8 dargestellt sind. Die Kurve 70 definiert die maximale Tropfenabstandsgrenze,oberhalb welcher ein Satellitenzustand auftritt. Die Vertikallinie 71 zeigt den minimalen Tropfenabstand an, der erreicht werden kann. Da der Tropfchendurchmesser annähernd 0,004 Zoll beträgt, ist der minimale Tropfenmittenabstand bei 0,001 Zoll Tropfentrennung annähernd 0,005 Zoll.

Wenn die Kristallansteuerspannung und der Tintendruck dynamisch mit einer Frequenzänderung eingestellt werden, so erzeugt der Modulator satellitenfreie Tröpfchen von 5 kHz bis oberhalb 160 kHz.

Fig. 9 veranschaulicht einen Tropfen-ein-Befehls-Tintenmodulator mit einer positiven Verdrängung, gemäß der Erfindung.

Ein Stromungsmittelspeiserohr 80 mit einer Strömungseinschränkung 80a ist abdichtend durch Preßpassung in eine Bohrung 81 einer Epoxyhalterung 82 eingesetzt. In Strömungsmittelverbindung mit der Bohrung 81 befindet sich eine Mittelbohrung 83 eines 150 bis 165 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 84. Die konkaven und konvexen Oberflächen des Kristalls 84 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 85 bzw. 86 vorzusehen. Eine zweite solide (d.h. aus einem Feststoff bestehende) Epoxyhalterung 87 ist mit einem Epoxyklebemittel an Halterung 82 klebend befestigt und in Berührung mit der konvexen Oberfläche eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezo-

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elektrischen Kristalls 88 ausgebildet. Die konvexen und konkaven Oberflächen des Kristalls 88 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 89 bzw. 90 vorzusehen.

Zwischen der konkaven Oberfläche des Kristalls 84 und einer konusförmigen Vertiefung in Halterung 87 ist eine Tintenkammer 91 ausgebildet, und zwar definiert durch Krümmungsradien zwischen dem Krümmungsmittelpunkt des Kristalls 84 und äußeren Innenkanten des Kristalls. Mit der Halterung 87 und der ringförmigen Kante des Kristalls 88 ist eine Düseplatte 92 mit einer Düse 93 verbunden. Zwischen Düsenplatte 92 und der konkaven Innenoberfläche des Kristalls 88 befindet sich eine zweite Tintenkammer 94. Eine Mittelbohrung 95 des Kristalls 88 bildet einen Strömungspfad zwischen Kammern 91 und 94. Rohr 80, Bohrungen 81 und 83, Kammer 91, Bohrung 95, Kammer 94 und Düse 93 stehen in Strömungsmittel verbindung.

Der Tropfen-ein-Befehls-Modulator hat vorzugsweise Zylinderform mit einer Länge von ungefähr 0,50 Zoll und einem Durchmesser von ungefähr 0,05 Zoll. Rohr 80 ist ein Nylonrohr mit einem Aussendurchmesser von annähernd 0,045 Zoll. Bohrungen 81 und 83 haben jeweils annähernd 0,027 Zoll Durchmesser und Bohrung 95 hat einen Durchmesser von ungefähr 0,015 Zoll.

Im Betrieb wird der Kristall 84 angeregt, um den Tintendruck in der Tintenkammer 94 zu erhöhen. Der durch den Kristall 84 erzeugte Strömungsmittel-Diodenbetrieb und die Einschränkung 80a im Rohr 80 wirken gemeinsam, um im wesentlichen einen Druckabfall in der Tintenkammer 94 zu verhindern. Wenn somit der Kristall 88 während der Periode angeregt, wo der Druck in der Kammer 94 angehoben ist, so ist eine relativ kleine Versetzung des Kristalls 88 erforderlich, um einen Abfall an Düse 93 zu erzeugen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Kristall 88 bis zu 10 Mikrosekunden nach der Erregung des Kristalls 84 erregt. Ferner sind die jeden der Kristalle ansteuernden Impulse derart ge-

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formt, da3 sie Anstiegszeiten besitzen, die annähernd 1/4 der Abklingzeiten sind- Die Abklingzeiten sind größer als die Anstiegszeiten, um das Einsaugen von Luft in die Tintenkammer 94 zu verhindern.

Fig. 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Tropfen-ein-Befehls-Modulator und ferner eine Ventilleitung 100, wie dies in U.S. Patent 1 329 559 beschrieben ist.

Gemäß Fig. 10 wird die Ventilleitung 100 stromaufwärts gegenüber dem Tintenreservoir eines erfin'dungsgemäßen Tintenmodulators verwendet. Insbesondere ist ein Strömungsmittelspeiserohr 1O1 abdichtend mittels Preßsitz in eine durchgehende Längsbohrung 1O2 einer soliden Epoxyhalterung 103 eingesetzt. Auf einer ersten Sei te der Bohrung 102 befinden sich Strömungsmittelkanäle 1O4 und 105, die eine entgegenwirkende Strömungsmittelrückkopplung zur Bohrung 102 vorsehen. Auf einer entgegengesetzten Seite und versetzt gegenüber den Kanälen 104, 105 befinden sich Strömungsmittelkanäle 106 und 107, die ebenfalls eine entgegengesetzte Strömungsmittelrückkopplung zur Bohrung 102 vorsehen.

Anstoßend an und verbunden mit der Halterung 103 ist eine solide (aus Feststoff bestehende) Halterung 108 mit einer hindurchgehenden Bohrung 109 vorgesehen. Ein Strömungsmittelrohr 11O ist abdichtend durch Preßsitz in Bohrungen 102 und 109 eingesetzt. Bohrung 109 ist mit Bohrung 102 ausgerichtet und führt zu einer Mittelbohrung 111 eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 112, der im Gehäuse 108 sitzt. Die konvexen und konkaven Oberflächen des Kristalls 112 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 113 bzw. 114 vorzusehen. Mit der Halterung oder dem Gehäuse 108 und der ringförmigen Kante des Kristalls 112 ist eine Düsenplatte 115 mit einer Düse 116 verbunden. Ein Tintenreservoir 117 ist zwischen der konkaven Oberfläche der Elektrode 114 und der Düsenplatte 115 ausgebildet. Die Bohrung 102, Rohr 110, Bohrungen 109 und 111, Kammer 117 und Düse 116 stehen in Strömungsmittelverbindung.

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Im Betrieb läßt man un:er Druck stehende Tinte in das Rohr 101 und durch Bohrung 102 in die Tintenkammer 117 eintreten. Wenn der Kristall 112 angeregt ist, so steigt der Druck der Tintenkammer 117 an, um einen Tintentropfen an Düse 116 zu erzeugen. Die Stromungsmittelkanäle 104 bis 107 sind derart geformt, daß sie eine Strömungsmittelflußeinschränkung vom Rohr 110 zum Rohr 101 vorsehen. Auf diese Weise wird der Druckanstieg in Kammer 117 nicht durch die Tintenversorgungsleitung abgeleitet.

Gemäß dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein halbzylindrischer piezoelektrischer Kristall 212 in einem Epoxy-Material 213 in einer beispielsweise aus Teflonmaterial bestehenden Trägerbasis 211 eingebettet. Das Epoxy und Teflon erzeugen, wie im folgenden erläutert, eine Dämpfung und Abschwächung. Die beispielsweise aus Teflon bestehende Basis 211 besitzt eine Ausnehmung zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls. Der Kristall wird sodann in der Basis 211 eingebettet und darin durch das Epoxy 213 gehalten. Der Kristall hat auf beiden Seiten (nicht dargestellte) Kontaktzonen und es wird mit diesen durch die Kontaktdrähte 222 und 223 Kontakt hergestellt. Diese Drähte können in dem Epoxyharz eingebettet sein und durch einen Teil desselben hindurch verlaufen, um Kontakt mit dem eingebetteten Kristall herzustellen. Eine Dichtung 221 paßt unter den eingebetteten Kristall und dichtet die Tintenkammer ab, wenn die Zumeßöffnungsplatte 216 auf der Dichtung angeordnet ist. Vorderplatte 217, Zumeßöffnungsplatte 216 und Dichtung 221 werden in ihrer Position an Basis 211 durch Schrauben 218 gehalten.

Die Zumeßöffnungsplatte weist, wie gezeigt, acht Zumeßöffnungen 219 auf, wobei aber abhängig vom gewünschten Zweck und der Verwendung des Druckers auch andere Zahlen von Löchern verwendet werden können.

In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Hälfte eines zylindrischen Kristalls verwendet. Der Kristall war beispielsweise von der Firma Vernitron, Piezoelectric Division of Bedford, Ohio, U.S.A, hergestellt und ist unter der Bezeichnung PZT-5H-Typenmaterial im Handel. Dieses Material hat ein mechanisches Q von

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annähernd 6 5 und einen "Belastung pro Feld bei konstanter Be-

-12 anspruchung-Faktor" (D₃₃) von 593 χ 10 m/V. Es wurde die

Hälfte eines Zylinders mit einem halben Zoll Durchmesser und einem halben Zoll Länge verwendet. Die Wandstärke betrug 1/32 Zoll.

Die Zumeßöffnungsplatte hatte 8 Zumeßöffnungen. Es kann eine Platte mit soviel Zumeßöffnungen wie gewünscht verwendet werden und die Löcher können dicht nebeneinander angeordnet werden, solange nur die Tintentröpfchen sich im Flug nicht gegeneinander stören. Die Platte kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen.

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf die zusammengebaute Kanone, bei welcher die Basis 211 den Kristall 212 darinnen eingebettet und an seinem Platz gehalten durch das Epoxy 213 aufweist. Rohre 214 und 215 werden verwendet, um der Kanone Tinte zuzuführen und um den Hohlraum zu spülen. Die Dichtung 221 sitzt auf der Oberseite der Basis 211 und über den Enden des Zylincers 212, um die Tintenkammer längs der Kanten desselben abzudichten.

Im Betrieb fließt unter Druck stehende Tinte durch die Rchre 214 und die Zumeßöffnungen 219. Anfangs wird das Rohr 21E geöffnet, um jeglichen löslichen Rest, der im Tintenraum vorhanden sein kann, herauszuspülen. Sodann wird das Rohr 215 verschlossen und Tinte tritt nur durch die Düsenzumeßcffnung 219 cus. Spannungsimpulse werden an die Leiter 222 und 223 (in Fio. 12 nicht gezeigt) angelegt, um die Ausdehnung und Zusammenziehung des Kristalls 212 zwischen den Elektroden hervorzurufen. Dadurch wird die Tinte innerhalb des Reservoirs druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düsen 219 den Tintenstrom hinab übertragen, was das Aufbrechen des Tintenstroms in Tröpfchen mit der modulierten Rate zur Folge hat.

Die körperlichen Abmessungen des Kristalls sind kleiner als eine halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden, akustischen Welle, die bei den höchstenTropfenraten erzeugt wird. Die

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Epoxyverkittung oder -einbettung und der Teflonträger dämpfen und schwächen unerwünschte Resonanzen und Reflexionen, welche Änderungen im Wirkungsgrad mit Änderungen in der Frequenz hervorrufen. Die Impedanz des Kristalls abhängig von der Frequenz ist in Fig. 14 für den Fall dargestellt, daß der Kristall alleine getestet wird. Fig. 15 ist eine Darstellung der Kristallimpedanz für den Fall, daß der Kristall gedämpft wird durch Einbetten in Epoxy in der Teflonbasis. Eine große Bandbreite von Tropfenratenfrequenzen wird dadurch vorgesehen, die weit genug unterhalb irgendeiner ungedämpften mechanischen Resonanzfrequenz des Modulators liegt, um in wirkungsvoller Weise von den Effekten sowohl der Resonanzfrequenz als auch Harmonischen derselben getrennt zu sein, die während eines Druckvorgangs angeregt werden könnten.Infolgedessen ist der Tintentropfenaufbrechabstand im wesentlichen über den Betriebsbereich hinweg gleichförmig und die Toleranz des Modulators gegenüber Tropfenrate und Temperatur wird verbessert.

Zur Veranschaulichung der Verwendung der Kanone ist ein typisches System in Fig. 13 dargestellt. Bei diesem System treibt der Kristallantrieb, der über den Frequenzbetriebsbereich hinweg variabel sein kann, den piezoelektrischen Kristal', an. Über 214 zugeführte Tinte tritt durch die Zumeßöffnungen aus und wird durch eine Ladungsanordnung 310 geleitet, welche jedes Tröpfchen veranlaßt, eine elektrische Ladung aufzunehmen. Die Tröpfchen können individuell durch Ladungsverstärker 305 geladen werden, wobei ein Ladungsverstärker pro Strom vorgesehen ist. Alternativ ist es möglich, die Tröpfchen in sämtlichen Strömen gleichzeitig mit einer einzigen Ladeanordnung aufzuladen. Nach dem Hindurchtritt durch die Ladeanordnung 310 laufen die Tröpfchen zwischen Ablenkplatten 311 zu einer Fangvorrichtung 312. Wenn kein Dokument 313 sich vor der Tintenkanone befindet, so werden die Tröpfchen normalerweise in die Fangvorrichtung 312 geleitet, wo die Tinte zurück zu einer Tintenreservoir- und Pumpen-Anordnung 314 läuft, um so in das System wieder zurückgeführt zu werden. Immer dann, wenn ein Dokument 313 bedruckt werden soll, so werden die Tintentröpfchen elektrisch geladen und die Ablenkplatten 311 bewirken, daß die Tintentröpfchen aus der Fangvorrichtung 312 heraus auf das Dokument

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geleitet werden. Zur Kompensation von Variationen der Strömungsmittelparameter ist eine Phasensteuerung 315 vorgesehen, welche die Ladung auf der Fangvorrichtung 312 infolge der darauf befindlichen geladenen Tintentröpfchen feststellt. Eine Phasensteuer'ing 315 in Verbindung mit der Steuerelektronik 316 steuert den Kristallantrieb 317 und die Ladung, die auf jedes der Tröpfchen aufgebracht wird. Ein Steuersystem der hier gezeigten Art ist im U.S. Patent 3 596 276 beschrieben. Da Mehrfachtintenströme in die Fangvorrichtung geleitet werden, müßte das Phasensteuersystem sequentiell die Phase jedes Tintenstromes feststellen, um die Kompensation für jeden Tintenstrom unabhängig von den anderen Strömen vorzusehen.

Abwandlungen der beschriebenen Erfindung liegen im Rahmen der fachmännischen Fähigkeiten.

Die Erfindung sieht zusammenfassend einen Modulator zur Erzeugung von gleichförmigen Flüssigkeitströpfchen über eine große Bandbreite von Tropfenraten hinweg vor. Die konkaven und konvexen Oberflächen eines halbkugelförmigen oder halbzylindrischen piezoelektrischen Kristalls werden mit Elektroden versehen und der dadurch gebildete Wandler sitzt innerhalb einer konkaven Vertiefung und ist mit der Wand dieser Vertiefung verbunden, und zwar in der Stirnseite einer festen Epoxykristallhalterung. Unmittelbar angrenzend an die ringförmige Kante des Wandlers ist eine Ringdichtung angeordnet, und eine Düseplatte ist abdichtend bezüglich der Ringdichtung angeordnet, um eine Flüssigkeitskammer zwischen Platte und Wandler zu bilden. Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Modulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Welle, die bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie das in Rede stehende Material hergestellt werden kann. Die Bandbreite der Betriebsfrequenzen kann erweitert werden, die Toleranz gegenüber Tintendruckveränderungen kann erhöht werden und es ergibt sich ein stabilerer Tröpfchenaufbrechabstand gegenüber der Düsenplatte durch Umhüllung des halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandlers in einer soliden

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Epoxykristallhalterung und dadurch/ daß man eine Flüssigkeitsspeisebohrung vorsieht, die durch die Mitte des Wandlers zu einer Düse verläuft. Der halbkugelförmige piezoelektrische Wandler kann auch in Tropfen-ein-Befehls-Modulatoren zur Erzeugung von gleichförmigen Flüssigkeitströpfchen in singulärer Weise eingebettet sein.

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Claims (18)

1. Flüssigkeitsstrahlmodulator zur Erzeugung von im wesentlichen gleichförmigen Tröpfchen über eine große Bandbreite von Tropfenraten hinweg, gekennzeichnet durch

a) einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandler,

b) eine Halterung (13, 38,....) mit einer halbkugelförmigen Vertiefung in einer Stirnfläche zur Unterbringung des Wandlers,

c) einer Anordnung mit einem Düsenglied (18, 39,...) in Dichtbeziehung mit dem Wandler und mit einer Düsenzumeßöffnung (18b, ...) auf der Achse des Wandlers zum Ausstoßen von Flüssigkeit und

d) eine Anordnung zur Bildung eines Strömungsmittelkanals zur Lieferung von unter Druck stehender Flüssigkeit an die Zumeßöffnung unter dem Einfluß von Druckimpulsen erzeugt durch die periodische Anregung des Wandlers.

2. Modulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abdichtglied (16, ·..) angeordnet angrenzend an die ringförmige Kante des Wandlers zu Bildung einer Flüssigkeitsdichtung.

3. Modulator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinale Länge des Modulators kleiner ist als die Wellenlänge der kürzesten stehenden longitudinalen akustischen Welle, die in dem zusammengebauten Körper des Modulators erzeugt werden kann.

4. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Modulators kleiner sind als die halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Welle, die bei der höchsten Betriebstropfenfrequenzrate in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Komponententeil erzeugt werden kann.

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5. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler folgendes aufweist:

a) einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall,

b) eine erste Elektrode (11, 41, ...) befestigt an der konvexen Aussenoberflache des Kristalls, und

c) eine zweite Elektrode (12, 42,...) elektrisch isoliert von der ersten Elektrode und befestigt an der inneren konkaven Oberfläche des Kristalls.

6. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein mechanisches Q von nicht mehr als 70 aufweist, und daß die Größe d₃₃ nicht kleiner ist als 550 χ 10~¹² m/Volt.

7. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Kante des Kristalls gegenüber Luft freiliegt.

8. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler halbzylindrisch ausgebildet ist, und daß das Düsenglied Mehrfachzumeßöffnungen darinnen aufweist.

9. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der halbzylindrische Wandler longitudinale und halbumfangsmäßige Längen besitzt, die kleiner sind als eine halbe Wellenlänge bei der höchsten Tropfenrate.

10. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der halbzylindrische Wandler innere und äußere Oberflächen besitzt, deren jede einen Metallüberzug darauf aufweist, mit dem elektrischer Kontakt hergestellt ist.

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11. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler innerhalb der Ausnehmung des Traggebildes durch ein Epoxymaterial und die Düsenplatte gehalten ist.

12. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß elektrischer Kontakt mit den konkaven und konvexen Oberflächen des Wandlers hergestellt ist, und daß der Wandler mechanisch durch das Anlegen periodischer elektrischer Impulse an die Kontakte in Vibrationen gebracht wird.

13. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall (10), der in einer Epoxyhalterung

(13) sitzt, und daß eine Oberfläche einer Ringdichtung (16) in Berührung mit der Halterung (13) und der ringförmigen Kante des Kristalls (10) steht, und daß eine Düsenplatte (17) in Abdichtberührung mit der Oberfläche der Dichtung (16) steht und ein Tintenreservoir mit einer Elektrode (12) bildet, wobei in Düsenplatte (17) Bohrungen (21, 22, 23, 24 und 25) ausgebildet sind (Fig. 1, 2).

14. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein durch eine Mittelbohrung

(36) eines halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls (37) verlaufendes Strömungsmittelspeiserohr (35), zwischen welchem und den Wänden der Bohrung (36) eine ringförmige Lufttasche gebildet ist, um Rohr (35) gegenüber Radialschwingungen des Kristalls zu isolieren, und wobei das Rohr (35) durch eine Epoxyhalterung (38) gehalten ist, die an der konvexen Oberfläche des Kristalls (37) befestigt ist, und wobei der konkave Raum des Kristalls (37) mit Epoxy gefüllt ist, in dem eine Düse (39) befestigt sowie eine Bohrung (40) ausgebildet ist, die vom Ende des Rohres (35) verläuft, um einen Strömungsmittelpfad zwischen Rohr (35) und Düse (39) vorzusehen, wobei die Bohrung (40) mit Rohr (35) und Düse (39) auf einer Longitudinalachse ausgerichtet ist, die durch den Krümmungsmittelpunkt des Kristalls verläuft (Fig. 5).

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15. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Strömungsmittelspeiserohr (80) mit einer Strömungseinschränkung (80a), die abdichtend durch Preßpassung in einer Bohrung (81) einer Epoxyhalterung (82) sitzt, wobei eine Mittelbohrung (83) eines 150 bis 165 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls (84) in Strömungsmittelverbindung mit Bohrung (81) steht und eine zweite solide Epoxyhalterung (87) an Halterung (82) festgeklebt ist und in Berührung mit der konvexen Oberfläche eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls (88) ausgebildet ist, wobei eine Tintenkammer (91) zwischen der konkaven Oberfläche des Kristalls (84) einer konusförmigen Vertiefung in Halterung (87) ausgebildet ist, und wobei schließlich eine Düsenplatte (92) mit der Halterung (87) und der ringförmigen Kante des Kristalls (88) verbunden ist, während zwischen Düsenplatte (92) und der konkaven Innenoberfläche des Kristalls (88) eine zweite Tintenkammer (94) gebildet ist, und wobei schließlich die Mittelbohrung (95) des Kristalls (88) einen Strömungsmittelpfad zwischen den Kammern (91 und 94) bildet (Fig.9).

16. Modulator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (88) bis zu 10 Mikrosekunden nach dem Kristall (84) erregt wird.

17. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die beschriebene Ventilleitung (100) mit Kanälen (104, 105, 106, 107) in einer Halterung (103), die mit einer festen Halterung (108) verbunden ist, die eine hindurchgehende Bohrung (109) aufweist, die mit einer Bohrung (102) ausgerichtet ist und zu einer Mittelbohrung (112) eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls (112) führt, der in der genannten Halterung (108) sitzt, und wobei mit der Halterung (108) und der ringförmigen Kante des Kristalls (112) eine Düsenplatte (115) verbunden ist, so daß ein Tintenreservoir (117) gebildet wird (Fig. 10).

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18. Modulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen halbzylindrischen piezoelektrischen Kristall (212) eingebettet in Epoxymaterial (213) in einer Trägerbasis (211), sowie einer Dichtung (221) über dem eingebetteten Kristall,sowie einer Zumeßöffnungsplatte (216) und einer Frontplatte (217) (Fig. 11).

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