DE69212688T2

DE69212688T2 - Hochfrequenzdruckvorrichtung

Info

Publication number: DE69212688T2
Application number: DE69212688T
Authority: DE
Inventors: Yehuda Ivri
Original assignee: FLUID PROPULSION TECHN Inc
Current assignee: Aerogen Inc
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: EP0510648A3; KR920019536A; ATE141217T1; EP0510648B1; JPH06340070A; JP2004001472A; MX9201873A; JP3273259B2; BR9201487A; AR247686A1; CA2066838A1; EP0510648A2; US5164740A; CA2066838C; JP2002154203A; DE69212688D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Druckvorrichtungen im allgemeinen und auf eine mit extrem hoher Frequenz arbeitende Druckvorrichtung im besonderen, die sich besonders vorteilhaft zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken eignet.
Seit einigen Jahren gewinnen Tintenstrahldrucker immer mehr an Beliebtheit, besonders zur Verwendung bei herkömmlichen Büroanwendungen sowie auf dem Gebiet des Desk Top Publishing und des rechnergestützten Entwurfs (CAD: computer aided design). Die Beliebtheit von Tintenstrahldruckern ist einer Reihe von erheblichen Vorteilen zuzuschreiben, die sie gegenüber herkömmlicheren Punktmatrixdruckern aufweisen. Am bedeutendsten sind die äußerst hohe Druckqualität und Zuverlässigkeit, in Verbindung mit relativ niedrigem Betriebsgeräusch, niedrigen Herstellungskosten und vergleichsweise niedrigem Wartungsaufwand. Alle Tintenstrahldrucker stoßen Tintentröpfchen, deren Durchmesser üblicherweise kleiner als ungefähr 100 Mikrometer ist, auf ein Medium, wie z.B. Papier oder Klarsichtfolien, aus. Es gibt mehrere Verfahren, wie Tintentröpfchen auf Anforderung erzeugt werden können. Zwei Arten von Betätigungsorganen haben sich auf dem Markt etabliert, nämlich Drucksysteme, die piezoelektrische Wandler verwenden, und Drucksysteme, die thermoelektrische Wandler verwenden. Solche Drucker mit "Tropfen auf Anforderung" ("drop-on-demand") sind typischerweise nicht größer als herkömmliche Punktmatrixdrucker und sind im Prinzip nicht aufwendiger in der Herstellung. Die Tatsache, daß sie mit hohen Geschwindigkeiten drucken können, und dies sogar relativ leise, macht ihren Einsatz als Drucker in Büroräumen höchst attraktiv. Die verfügbaren Systeme besitzen typischerweise vier bis sechzig Düsen, und die Auflösung reicht von ungefähr 72 Tropfen pro Zoll (dpi: drops per inch) bis 400 dpi. wegen ihres niedrigen Leistungsbedarfs werden solche Tintenstrahldrucker seit einiger Zeit als tragbare (lap top) Drucker verwendet. Bis ungefähr 1984 waren die einzigen auf dem Markt erhältlichen Tintenstrahldrucker, die Tropfen auf Anforderung erzeugen konnten, piezoelektrische Drucker, bei denen an ein piezoelektrisches Element eine Spannung gelegt wird. Diese führt zu einer mechanischen Verschiebung, die z.B. in einem Tintenrohr eine Druckänderung verursacht, wodurch ein Tintentropfen gezwungen wird, auf das Druckmedium, z.B. Papier, auszutreten. In einer solchen Tintenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik umgibt eine piezoelektrische Hülse einen mit Tinte gefüllten Schlauch, der in einer Düse endet, aus welcher der Tintentropfen ausgestoßen werden soll. Ein elektrischer Impuls wird an die piezoelektrische Hülse gelegt und bewirkt, daß sich der Innenquerschnitt der Hülse zusammenzieht oder ausdehnt. Das Ergebnis ist ein örtlicher Über- oder Unterdruck, der die Tintensichel beschleunigende Druckwellen erzeugt und bewirkt, daß ein Tröpfchen aus der Düse gestoßen wird. Piezomembransysteme arbeiten nach genau demselben Prinzip wie Tintenstrahlvorrichtungen mit Piezohülse, nur daß die Druckwellen durch die Biegebewegungen einer einfachen Piezoscheibe auf einer starren Membran erzeugt werden. Noch eine andere piezoelektrische Anordnung für Tintenstrahl- Druckanwendungen besteht in Druckvorrichtungen mit Piezo- Lamellen. Eine Vielzahl von Piezo-Lamellen sind parallel zueinander angeordnet und dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen, sobald sie Spannungsimpulsen ausgesetzt werden. Auch diese Bewegung wird auf eine Tintenkammer übertragen und infolgedessen ein Tintentropfen ausgestoßen.
In jüngerer Zeit haben die piezobetätigten Vorrichtungen Konkurrenz von dampfblasenbetriebenen Systemen bekommen. Diese Systeme verwenden einen länglichen Kanal, in welchem sich ein Heizelement hinter einer Düse befindet. Sobald an das Heizelement ein kurzer Impuls gelegt wird, entsteht in der Tinte oberhalb des Elements eine kleine Dampfblase. Die Blase treibt mit großer Kraft Tinte aus der Düse und bricht dann in sich zusammen, so daß die Tintenausstoßung endet. Im Gegensatz zu Piezosystemen, bei denen die definierte Schwingung des Betätigungsorgans die Bewegung der Tinte bewirkt, beruht der Dampfblasenbetrieb allein auf Kapillarwirkung, um die Tinte in die Düse zu ziehen.
Zu den kritischen Leistungskennwerten aller herkömmlichen Tintenstrahlsysteme, die "Tropfen auf Anforderung" erzeugen, gehören die maximal erreichbare Ausstoßfrequenz sowie die Verträglichkeit der Tinte mit den Medien (Papier), dem Kanal und der Düse. Feste Tinte vermeidet alle Probleme, die mit in der Düse eintrocknender Tinte zusammenhängen. Feste Tinte auf Heißwachsbasis wird beim Kontakt mit dem Papier fest und ist wasserbeständig, bietet größtmöglichen Kontrast und - besonders wichtig - erfordert kein Spezialpapier und kann auch für Klarsichtfolien verwendet werden. Die Frequenz für Piezohülsensysteme beträgt etwa 5 kHz. Bei membranbetriebenen Piezosystemen liegt sie bei ungefähr 3 kHz.
Für Lamellen-Piezosysteme dürfte die Frequenz sogar bei 10 kHz liegen. Jedoch gibt es auf dem Markt derzeit kein System, welches das Piezo-Lamellenprinzip nutzt und zu einer Ausstoßfrequenz von 10 kHz oder zum Ausstoßen von heißschmelzender Tinte in der Lage wäre. Die Blasensysteme haben eine obere Ausstoßfrequenz von ungefähr 4 kHz. Somit beträgt die maximale Ausstoßfrequenz aller auf dem Markt befindlichen piezoelektrischen und dampfblasenbetriebenen Tintenstrahlsysteme ungefähr 5 kHz. Die Ausstoßfrequenz ist ein kritischer Parameter der Tintenstrahlsysteme, da sie bei gegebener Anzahl von Düsen bestimmt, wie schnell ein Druckzeichen gebildet werden kann; alternativ, bei Farbtintenstrahl-Druckanwendungen, bestimmt die Ausstoßfrequenz, wie schnell unterschiedliche Farbkombinationen erzeugt werden können, und ist daher entscheidend dafür, ob ein Farbtintenstrahl-Drucksystem hergestellt werden kann, das hinsichtlich der Druckgeschwindigkeit überhaupt machbar ist. Eine weitere kritische Leistungskenngröße ist die Beständigkeit gegenüber Verstopfung der Tintenkanäle, welche bei langen Tintenkanälen leicht auftreten kann.
JP-A-61 008 357 offenbart eine Druckvorrichtung mit einem bimorphen Element, das an einem Ende befestigt ist und am anderen Ende frei schwingen kann. Am freien Ende ist ein dreieckiges Teil zur Bildung von Tintenpartikeln angebracht. Sobald an das bimorphe Element eine Spannung gelegt wird, kommt das Tintenpartikel bildende Teil mit einer Tintenkammer in Berührung und nimmt dabei ein Kügelchen Tinte auf. Nachdem sich das Tintenpartikel bildende Teil um eine bestimmte Strecke von der Tintenkammer fortbewegt hat, bewirkt die Trägheit des auf dem partikelbildenden Teil befindlichen Tintenkügelchens, daß dieses sich weiter vorwärtsbewegt, während sich das freie Ende zur Tintenkammer zurückbewegt. Zusammengefaßt nimmt diese Vorrichtung mittels ihres Tintenpartikel bildenden dreieckförmigen Teils ein Tintenkügelchen auf und wirft es auf ein Aufzeichnungspapier. Der Aufbau des Tintenpartikel werfenden Teils mit dem Tintenpartikel bildenden dreieckigen Teil hat zur Folge, daß das freie Ende des bimorphen Elements ein größeres Trägheitsmoment als das tragende Ende hat.
Die vorliegende Erfindung schafft eine auf Anforderung Tropfen erzeugende Druckvorrichtung, die besonders vorteilhaft in Tintenstrahl-Druckeinrichtungen einsetzbar ist. Die wichtigste innovative Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie in der Lage ist, Tintentropfen - auch solche aus heißschmelzender Tinte - mit viel höherer Ausstoßfrequenz auszustoßen als jede der zuvor beschriebenen Tintenstrahl-Druckvorrichtungen nach dem Stand der Technik. In der Tat schafft die vorliegende Erfindung eine Tintenstrahl- Ausstoßvorrichtung, die zu Ausstoßfrequenzen von mehr als 50.000 Hz in der Lage ist. Zwar setzt auch die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform ein piezoelektrisches Element ein, verwendet es aber auf gänzlich neue und grundsätzlich andere Weise. Genauer ausgeführt ist bei der vorliegenden Erfindung ein einseitig eingespannter Balken ausgewählter Gestalt mit seinem eingespannten Ende an einem piezoelektrischen Element befestigt. Dieses Element ist dazu ausgebildet, das eingespannte Ende in Schwingung zu versetzen. Der Balken ist so geformt, daß sein Trägheitsmoment zu seinem freien Ende hin abnimmt; infolgedessen wird die Schwingungsamplitude trotz hoher Dämpfung erheblich verstärkt. Das Element wird durch ein schwingendes elektrisches Signal erregt, dessen Frequenz zumindest näherungsweise gleich einer Eigenschwingungsfrequenz des Balkens ist. Bei der hier bevorzugten Ausführungsform wird eine dritte oder höhere Harmonische verwendet. Aufgrund der baulichen Anordnung des einseitig eingespannten Balkens und infolge der ausgewählten Schwingungsfrequenz schwingt die Spitze des Balkens mit einer Auslenkung, die wesentlich größer als die Schwingungsamplitude des eingespannten Endes ist. So beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung die Schwingungsauslenkung oder -amplitude am eingespannten Ende zum Beispiel 0,000254 cm (ein zehntausendstel eines Zoll). Wegen der Gestalt des Balkens und aufgrund der ausgewählten Schwingungsfrequenz ist die Schwingungsamplitude an der Spitze des Balkens, d.h. an seinem freien Ende, fünfzehn- bis zwanzigmal größer als am eingespannten Ende. Das tatsächliche Verhältnis von spitzenseitger Amplitude zu einspannseitiger Amplitude ist auch eine Funktion der bauartbedingten Dämpfung des Balkens. Bei der bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung ist der Balken stark gedämpft und besteht aus Material kleiner Dichte, so daß die Amplitude der Spitze äußerst empfindlich auf Änderungen der einspannseitigen Amplitude reagiert. Die Spitze des Balkens ist mit einem Durchgangsloch versehen, das nach der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform vorzugsweise einen sich verjüngenden Querschnitt besitzt. Eine Öffnung des sich verjüngenden Durchgangslochs steht in Flüssigkeitskontakt mit einem Tintenvorratsbehälter, und die andere Öffnung des sich verjüngenden Durchgangslochs befindet sich in angemessenem Abstand von einem Aufzeichnungsmedium, z.B. Papier, auf das Tintentröpfchen aus dem Vorratsbehälter gestoßen werden sollen. Es wurde herausgefunden, daß wenn die Amplitude des freien Balkenendes, d.h. des Endes mit dem sich verjüngenden Durchgangsloch, über einem bestimmten Schwellwert liegt, der Kontakt zwischen dem sich verjüngenden Durchgangsloch und der Tinte bewirkt, daß ein Tropfen Tinte durch das Durchgangsloch hindurch beschleunigt wird und bei jeder Auslenkung der Balkenspitze zum Druckmedium ausgestoßen wird. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß durch Verringerung der Amplitude der spitzenseitigen Schwingungen unter den vorgenannten vorbestimmten Schwellwert keine Tintentröpfchen ausgestoßen werden. Somit läßt sich durch Steuerung der Schwingungsamplitude, durch Wahl von Größe und Gestalt des Durchgangslochs des Balkens sowie durch gegebene Veränderungen der Tintenparameter, wie z.B. Viskosität, Dichte und dergleichen, ohne weiteres eine Einrichtung zum gesteuerten Ausstoßen von Tintentröpfchen bei extrem hoher Frequenz und mit geringerem Kostenaufwand als bei herkömmlichen Tropfen auf Anforderung erzeugenden Tintenstrahlsystemen bereitstellen. Darüber hinaus senkt der relativ kurze Tintenweg, der bei der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung verwendet wird, die Wahrscheinlichkeit einer Tintenverstopfung und dadurch bedingten Wartung.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe einer Druckvorrichtung, die in der Lage ist, mit einer mechanischen Schwingungsfrequenz von mehr als 50.000 Hz zu arbeiten.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Tintenstrahl-Ausstoßvorrichtung zur Erzeugung von Tropfen auf Anforderung, die zu Tintentröpfchen- Ausstoßfrequenzen von über 50.000 Hz in der Lage ist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Druckelements mit einem einseitig eingespannten Träger, dessen Gestalt so gewählt ist, daß eine mechanische Schwingung der Balkenspitze durch eine mechanische Schwingung des eingespannten Balkenendes bei einer ausgewählten Eigenfrequenz angeregt werden kann.
Noch einer weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer mit hoher Frequenz arbeitenden Druckvorrichtung in Form eines einseitig eingespannten Balkens, der ein eingespanntes Ende und ein freies Ende aufweist, wobei das freie Ende ein kleineres Trägheitsmoment als das eingespannte Ende besitzt; die Vorrichtung soll eine Einrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, dem Balken an dessen eingespanntem Ende eine mechanische Schwingung aufzuprägen, wobei die Gestalt des Balkens so ausgewählt ist, daß dem freien Balkenende eine verstärkte mechanische Schwingung auferlegt wird, wodurch das freie Ende um eine Strecke ausgelenkt wird, die ausreicht, Einzeltropfen von Tinte mit gesteuerter Frequenz entsprechend der Schwingungsfrequenz des eingespannten Balkenendes auszustoßen.
Noch einer weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer kostengünstigen, leicht herzustellenden Tintenstrahl-Druckvorrichtung mit kurzen Tintenkanälen, um die Wahrscheinlichkeit von Verstopfungsproblemen zu senken.
Die vorstehend genannten Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der anschließenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungsfiguren vollständiger hervor; darin zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung, und zwar in einer Anordnung zur Verwendung als Tintenstrahl-Ausstoßvorrichtung zur Erzeugung von Tropfen auf Anforderung;
Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen einseitig eingespannten Balkens in seinem schwingenden Zustand;
Figur 3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen einseitig eingespannten Balken;
Figur 4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen einseitig eingespannten Balkens;
Figur 5 eine Untersicht des erfindungsgemäßen einseitig eingespannten Balkens;
Figur 6 eine vergrößerte Draufsicht auf den Spitzenbereich des einseitig eingespannten Balkens, und zwar auf denjenigen Bereich des Balkens, der in Figur 5 in dem Kreis gezeigt ist, welcher mit "siehe Figur 6" beschriftet ist;
Figur 7 eine geschnittene Seitenansicht der Spitze des erfindungsgemäßen einseitig eingespannten Balkens zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausbildung des Durchgangslochs;
Figur 8 eine graphische Darstellung der Schwingungscharakteristik des Balkens nach Figur 2, wobei insbesondere die Amplitude seiner dritten und vierten Harmonischen ersichtlich sind; und
Figur 9 eine graphische Darstellung zur vorliegenden Erfindung, wobei die Relativschwingung der Spitze bezüglich der Schwingung des eingespannten Endes sowie das Ausstoßniveau für Tintenstrahl-Druckanwendungen gezeigt sind.
Aus Figur 1, auf die als erste Bezug genommen wird, ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Druckvorrichtung 10 einen einseitig eingespannten Balken 12 umfaßt, der ein eingespanntes Ende 14 und ein freies Ende 16 besitzt. Das eingespannte Ende 14 des Balkens 12 ist an einem Oszillator 18 befestigt, der zum Beispiel aus piezoelektrischem Material, wie etwa dem von EDD Inc. gelieferten piezoelektrischen Werkstoff EC28, in einer monolithisch auskristallisierten Mehrschichtanordnung hergestellt sein kann. Das freie Ende 16 des Balkens 12 ist mit einem relativ flachen Spitzenteil 15 versehen, durch das ein Durchgangsloch 22 führt. Der vorn Durchgangsloch 22 durchdrungene Bereich der Spitze 15 steht mit einer Tintenquelle, z.B. einem Tintenbehälter 17, in Berührung, der Tinte 19 liefert, um eine Ausstoßung von Tintentröpfchen 20 zu bewirken.
Die Schwingungsbewegung des einseitig eingespannten Balkens 12 ist in Figur 2 dargestellt. Aus dieser Figur geht hervor, daß das eingespannte Ende 14 des Balkens 12 infolge seines engen Kontakts zum piezoelektrischen Oszillator 18 gezwungen wird, längs einer in der Ansicht nach Figur 2 vertikalen Achse zu schwingen, wobei ein Schwingungsverlauf in der graphischen Darstellung gezeigt ist, die sich im äußersten rechten Teil der Figur 2 befindet. Wie aus Figur 2 ferner ersichtlich, schwingt auch das freie Ende 16 des Balkens 12, insbesondere dessen Spitzenteil 15, mit derselben Frequenz wie das eingespannte Ende 14, aber mit viel größerer Amplitude, wie in der graphischen Darstellung im äußersten linken Teil der Figur 2 zu sehen.
Die im Vergleich zum eingespannten Balkenende erheblich größere Schwingungsamplitude des in Figur 2 gezeigten freien Balkenendes ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen. Einer ist die Gestalt des einseitig eingespannten Balkens 12, und der andere ist die Schwingungsfrequenz, die zur Erregung des piezoelektrischen Elements 18 gewählt wird. Näher ausgeführt bedeutet dies, daß der einseitig eingespannte Balken 12 so ausgebildet ist, daß sein Trägheitsmoment in Längsrichtung zum freien Ende hin abnimmt. Die Balkenanordnung läßt sich am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 3, 4 und 5 verstehen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung veranschaulichen. Aus den Figuren 3, 4 und 5 geht hervor, daß der einseitig eingespannte Balken 12 über den größten Teil seiner Länge eine rechteckige Gestalt hat, insbesondere sein als eingespanntes Ende 14 bezeichnetes Ende. In der dort gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt des eingespannten Endes 15,24 10&supmin;² cm (0,06 Zoll) breit und 11,9 10&supmin; ² cm (0,047 Zoll) hoch. Die Gesamtlänge des Balkens 12 ohne das Spitzenteil 15 beträgt 1,98 cm (0,779 Zoll). Jedoch erhöht sich die Gesamtlänge des Balkens um 0,21 cm (0,083 Zoll), nämlich um den Überstand des Spitzenteils 15 über das Ende des freien Endes 16 des Balkens 12. Die Gesamtlänge des Spitzenteils, welches das freie Ende 16 des Balkens 12 teilweise überlappt, beträgt 0,55 cm (0,215 Zoll). Das freie Ende 16 des Balkens 12 verjüngt sich in zwei Ebenen, wohingegen das Spitzenteil 15 in einer Ebene relativ flach liegt und in der anderen verjüngt ist, um sich der Verjüngung des freien Endes 16 anzuschmiegen. Gestalt und Abmessungen des Spitzenteils 15 und des freien Endes 16 des Balkens 12 sind so gewählt, daß sie ein im Vergleich zum eingespannten Ende 14 erheblich verringertes Trägheitsmoment des freien Endes 16 des Balkens 12 herbeiführen.
Der genaue Aufbau des Spitzenteils 15 wird am besten durch Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 deutlich. Wie aus diesen Figuren ersichtlich, ist das Spitzenteil 15 mit einem Durchgangsloch 22 versehen, das von einer abgeschrägten Wand 24 gebildet ist, die auf einer Seite des Spitzenteils 15 eine große Öffnung 26 und auf der gegenüberliegenden Seite des Spitzenteils 15 eine kleine Öffnung 28 bildet. Die Dicke des Spitzenteils 15 beträgt bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform 7,62 10&supmin;³ cm (0,003 Zoll). Der Mittelpunkt des Durchgangslochs 22 befindet sich 1,9 10&supmin;² cm (0,0075 Zoll) vom Ende des Spitzenteils 15 entfernt; das Durchgangsloch 22 ist von kreisförmiger Gestalt, wobei seine große Öffnung 26 einen Durchmesser von 1,27 10&supmin;² cm (0,005 Zoll) und seine kleine Öffnung 28 einen Durchmesser von 3,81 10&supmin;³ cm (0,0015 Zoll) besitzt.
In der bevorzugten Ausführungsform der hier dargestellten Erfindung ist der Balken 12 einschließlich des Spitzenteus 15 vorzugsweise aus einem Material niedriger Dichte, z.B. einer Magnesium-Zirkonium-Legierung, hergestellt, wobei das Spitzenteil 15 getrennt gefertigt wird, um den Herstellungsvorgang zu vereinfachen. Es versteht sich jedoch, daß weder die genaue Gestalt des Balkens 12 noch sein Werkstoff durch die Offenbarung des hier gezeigten Ausführungsbeispiels beschränkt sein sollen. Genauer ausgeführt versteht es sich, daß das Spitzenteil 15 ohne weiteres einstückig mit dem Rest des Balkens 12 ausgeführt werden kann, um eine durchgehende längliche Bauemheit zu bilden. Außerdem wäre die genaue Gestalt einer solchen kombinierten Bauemheit nicht notwendigerweise auf die hier gezeigte Gestalt beschränkt, sondern könnte praktisch jede beliebige Form annehmen, mit der die gewünschte Abnahme des Trägheitsmoments zum freien Balkenende hin erzielt wird, während ein Durchgangsloch der in Figur 7 gezeigten Art bereitgestellt wird, um in dessen großer Öffnung 26 Tintentröpfchen aufzunehmen und sie aus der kleinen Öffnung 28 des Durchgangslochs auszustoßen. Es versteht sich außerdem, daß der speziell genannte Werkstoff des einseitig eingespannten Balkens 12 nicht als Beschränkung gedacht ist und daß der Balken vielmehr aus einer großen Auswahl unterschiedlicher Werkstoffe hergestellt sein kann, die für den hier angestrebten Verwendungszweck genauso geeignet sein können. Weitere solche Materialien sind zum Beispiel Kunststoffe und Verbundwerkstoffe sowie Kombinationen von Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoffen. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das piezoelektrische Element 18 die Gestalt eines rechteckigen Blocks mit den Abmessungen 0,48 cm x 0,48 cm x 0,3175 cm (0,19 Zoll x 0,19 Zoll x 0,125 Zoll). Es versteht sich jedoch, daß die besondere Ausbildung des Oszillators 18 sowie die Verwendung des piezoelektrischen Materials im allgemeinen nicht notwendigerweise eine Beschränkung der Erfindung darstellen, da jeder beliebige geeignete Oszillator, der den Amplituden- und Frequenzanforderungen der vorliegenden Erfindung genügt, ohne weiteres anstelle des hier gezeigten Elements 18 eingesetzt werden kann.
Die Gestalt des Balkens 12, insbesondere die Abnahme des Trägheitsmoments des Balkens zwischen seinem eingespannten Ende 14 und seinem freien Ende 16, ist so gewählt, daß sie eine erhebliche Zunahme der Schwingungsamplitude zwischen dem eingespannten Ende und dem freien Ende des Balkens 12 bewirkt; es wurde herausgefunden, daß diese Wirkung bei bestimmten Schwingungsfrequenzen des Balkens 12, und zwar insbesondere bei der dritten und vierten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Balkens, eintritt. Diesbezüglich bietet Figur 8 ein computererzeugtes Diagramm der Schwingungsamplitude des freien Endes 16 des Balkens 12 als Funktion der Frequenz, unter der Annahme, daß die Schwingungsamplitude des eingespannten Endes 2,54 10&supmin;&sup4; cm (ein zehntausendstel eines Zoll) und das Dämpfungsverhältnis 1% beträgt. Aus Figur 8 ist ersichtlich, daß die Schwingungsamplitude des freien Endes des Balkens 12 bei dem angenommenen Dämpfungsverhältnis von 1% und bei einer Frequenz von ungefähr 58 kHz, entsprechend der dritten Oberschwingung oder dritten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Balkens 12, ungefähr 7,62 10&supmin;² cm (0,03 Zoll) beträgt, d.h. das 300-Fache der Schwingungsamplitude des eingespannten Endes 14. In ähnlicher Weise beträgt bei dem angenommenen Dämpfungsverhältnis von 1% die Schwingungsspitzenamplitude des freien Endes des Balkens 12 bei der vierten Oberschwingung oder vierten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Balkens 12, also bei ungefähr 68 kHz, circa 6,35 10&supmin;² cm (0,025 Zoll) oder das 250-Fache der Schwingungsamplitude des eingespannten Endes. Eine mit einem Laserinterferometer durchgeführte Messung der tatsächlichen Schwingungsamplitude des freien Endes ergibt, daß die Amplitude an der Balkenspitze tatsächlich 5,08 10&supmin;³ cm (0,002 Zoll) beträgt.
Auf der Grundlage dieser Istwert-Messung und der Tatsache, daß die Schwingungsamplitude des freien Endes umgekehrt proportional zum Dämpfungsverhältnis ist und nur vom Dämpfungsverhältnis bei Eigenfrequenzen abhängt, scheint das tatsächliche Dämpfungsverhältnis ungefähr 15 zu betragen, d.h. die mittlere bauartbedingte Dämpfung des Balkens 12 beträgt in Wirklichkeit ungefähr 15%. Diese relativ hohe Dämpfung stellt eine erwünschte Eigenschaft des Balkenaufbaus dar, da sie die Schwingungsamplitude des freien Endes hochgradig empfindlich gegenüber Änderungen der Schwingungsamplitude des eingespannten Endes macht.
Somit ist es bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wünschenswert, einen Dämpfungsfaktor von wenigstens 10 und ein Amplitudenverhältnis von ebenfalls wenigstens 10 zwischen der Schwingung am freien Ende und der Schwingung am eingespannten Ende zu haben, je nach der an den Oszillator 18 gelegten Spannung und seiner mechanischen Reaktionsfähigkeit.
Der einseitig eingespannte Balken 12 nach der vorliegenden Erfindung ist besonders für Tintenstrahl-Drucksysteme nützlich; wenn nämlich das freie Ende des Balkens mit einer Amplitude schwingt, die einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, werden aus dem Durchgangsloch 22 mit der Schwingungsfrequenz des Oszillators 18 Tintentröpfchen ausgestoßen. Daher kann die Ausstoßung von Tintentröpfchen ohne weiteres auf die in Figur 9 gezeigte Weise gesteuert werden, indem die Schwingungsamplitude des eingespannten Endes und somit die Schwingungsamplitude des freien Endes oder der Spitze so gesteuert werden, daß die Schwingungsamplitude des freien Endes entweder oberhalb oder unterhalb dieses Ausstoßschwellwerts liegt. Wie in Figur 9 gezeigt, beträgt die Schwingungsamplitude des eingespannten Endes 2,54 10&supmin;³ cm (0,0001 Zoll). Die Frequenz der Schwingung beträgt ungefähr 58.000 Hz, entsprechend der dritten Harmonischen des Balkens 12. Das Tintentröpfchen-Ausstoßniveau, d.h. das Niveau, oberhalb dessen die Schwingungsamplitude der Spitze oder des freien Endes 16 des Balkens 12 eine Ausstoßung von Tintentröpfchen aus der Spitze bewirkt, beträgt ungefähr 4,06 10&supmin;³ cm (0,0016 Zoll). Wie aus Figur 9 ersichtlich, wird die Schwingung des eingespannten Endes so eingestellt, daß die Schwingungsamplitude der Spitze sich von Zyklus zu Zyklus ändert, so daß sie bei jedem zweiten Zyklus gerade oberhalb des Ausstoßniveaus und dazwischen unterhalb des Ausstoßniveaus liegt. Der tatsächliche Ausstoßniveauschwellwert, d.h. diejenige tatsächliche Schwingungsamplitude des freien Balkenendes, die eine Ausstoßung von Tintentröpfchen zur Folge hat, hängt sowohl von den Eigenschaften der ausgewählten Tinte als auch von der Gestalt und den Abmessungen des Durchgangslochs 22 ab. Bei dem hier gezeigten bevorzugten speziellen Ausführungsbeispiel wird das in Figur 9 gezeigte Ausstoßniveau erzielt, indem von der Firma Sharp Inc. gelieferte Tinte verwendet wird, die mit der Modell-Nummer JX- 735 IFP bezeichnet ist.
Wie in Figur 1 gezeigt, haftet die Tinte 19 durch die zwischen Festkörper und Flüssigkeit herrschende Oberflächenspannung an der großen Öffnung 26 des Durchgangslochs 22. Die Tinte wird durch das sich verengende Durchgangsloch 22 hindurch beschleunigt und tröpfchenweise ausgestoßen, um in Figur 1 gezeigte Tintentröpfchen 20 zu bilden. Jedesmal wenn die Schwingungsamplitude des freien Endes 16 am Durchgangsloch des Spitzenteils 15 den Ausstoßniveau- Schwellwert übersteigt, wird ein Tintentröpfchen abgestoßen. Die Anzahl von Tintentröpfchen und der zwischen ihnen liegende Abstand sind eine Funktion der Schwingungsfrequenz, die in der bevorzugten Ausführungsform 50.000 Hz übersteigt. Es versteht sich jedoch, daß durch ausgewählte Änderungen der Form des Balkens 12 und der Eigenschaften der Tinte sowie der Gestalt und der Abmessungen des Durchgangslochs 22 die gewählte Betriebsfrequenz, die vorzugsweise eine Harmonische, z.B. die dritte oder vierte Harmonische, der Eigenschwingungsfrequenz des Balkens 12 ist, von der hier gezeigten Betriebsfrequenz abweichen kann. Trotzdem ist nun aufgrund des hier offenbarten bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich, daß durch die vorliegende Erfindung extrem hohe Frequenzen der Tintentröpfchen-Ausstoßung erzielt werden können und dadurch tatsächlich Tintentröpfchen-Ausstoßfrequenzen von mehr als 50.000 Hz ohne weiteres erreicht werden.
Es dürfte nunmehr deutlich sein, daß die vorliegende Offenbarung eine neue und hochgradig innovative Druckvorrichtung umfaßt, die in erster Linie dem Einsatz in Tintenstrahl-Drucksystemen angepaßt ist. Die Erfindung umfaßt einen einseitig eingespannten Balken mit einem eingespannten Ende und einem freien Ende, wobei das freie Ende ein niedrigeres Trägheitsmoment als das eingespannte Ende besitzt. Das eingespannte Ende ist an einem mechanischen Schwingungserzeuger befestigt, der dem eingespannten Ende eine Schwingungsbewegung ausgewählter Frequenz und Amplitude aufprägt, und ein Tintenvorrat steht mit dem freien Ende des Balkens in Flüssigkeitskontakt, um Tintentröpfchen zu liefern, die jeweils von dem freien Ende abgestoßen werden sollen, wenn dieses eine Schwingungsbewegung auf ein Druckmedium zu vollführt und die Schwingungsamplitude einen vorgegebenen Amplitudenschwellwert übersteigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung ist die ausgewählte Betriebsfrequenz wenigstens eine dritte Harmonische oder Oberschwingung der Eigenschwingungsfrequenz des Balkens. Das eingespannte Ende des Balkens wird von einem piezoelektrischen Material in Schwingung versetzt, welches entsprechend einer angelegten schwingenden elektrischen Spannung schwingt.
Aufgrund der Gestalt des Balkens und der Verwendung einer Eigenbetriebsfrequenz oder einer Harmonischen derselben ist die Schwingungsamplitude des freien Endes mindestens zehnmal größer als die Schwingungsamplitude des eingespannten Endes, wenn die mittlere bauliche Dämpfung des Balkens wenigstens 10 beträgt. Ein Dämpfungsfaktor von 10 oder mehr wird zum Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, um das freie Balkenende extrem empfindlich gegenüber Änderungen der Schwingungsamplitude des eingespannten Balkenendes zu machen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung ist die gewählte Frequenz größer als 50.000 Hz, wodurch ein Frequenzverlauf der Tintentröpfchen-Ausstoßung erzielt wird, der den gesamten dem Anmelder bekannten Stand der Technik um einen erheblichen Wert übertrifft. Eine solche hohe Ausstoßfrequenz ermöglicht es, durch Verwendung der vorliegenden Erfindung entweder die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen oder einen Farbdrucker zu schaffen, indem eine Mehrzahl der hier gezeigten Druckvorrichtungen verwendet werden, die jeweils Tintentröpfchen einer anderen Grundfarbe liefern. Bei einer solchen Farbdruckanwendung ist die Betriebsfrequenz der kombinierten Druckvorrichtungen nicht kleiner als bei einem Schwarz-Weiß-Tintenstrahlsystem nach dem Stand der Technik. Nach der bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung ist das freie Ende des Balkens mit einem Spitzenteil versehen, welches ein Durchgangsloch mit sich verengender Wandung aufweist, nämlich mit einer großen Öffnung zum Aufnehmen von Tinte und mit einer kleinen Öffnung zum Ausstoßen von Tintentröpfchen.
Fachleute des Gebiets, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, werden nun aufgrund der von der Anmelderin gegebenen Lehre verschiedene Abwandlungen und Ergänzungen erkennen, die an der Erfindung vorgenommen werden können. Zum Beispiel dienen die hier offenbarten Formen, Abmessungen und Materialien lediglich der Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform, die auf das Praxisniveau reduziert wurde. Es versteht sich jedoch, daß solche Formen, Abmessungen und Werkstoffe nicht als Beschränkung der Erfindung zu betrachten sind; die Erfindung kann ohne weiteres mit anderen Formen, Abmessungen und Werkstoffen verwirklicht werden. Dementsprechend sollen alle derartigen Abwandlungen und Ergänzungen als im Bereich der Erfindung liegend gelten, der nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt sein soll.

Claims

1. Ausstoßvorrichtung für Tintendrucksysteme des Typs, der Tropfen auf Anforderung erzeugt und in Richtung zu einem Druckmedium ausstößt, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen einseitig eingespannten Balken (12), der ein eingespanntes Ende (14) und ein freies Ende (16) aufweist, wobei das freie Ende ein geringeres Trägheitsmoment als das eingespannte Ende aufweist, das eingespannte Ende (14) an einem Oszillator (18) befestigt ist, der auf das eingespannte Ende (14) eine Oszillationsbewegung mit einer ausgewählten Frequenz und einer ausgewählten Amplitude überträgt, das freie Ende (16) frei ist, in Reaktion auf die Oszillationsbewegung des eingespannten Endes (14) zu schwingen, das freie Ende (16) ein Durchgangsloch (24; aufweist, das eine erste und eine zweite Öffnung (26, 28) aufweist, wobei die erste Öffnung (26) größer als die zweite Öffnung (28) ist; und

eine Tintenzuführung (17) im Flüssigkeits/Festkörper- Oberflächenspannungskontakt mit der ersten Öffnung (26) des Durchgangslochs (24) am freien Ende (16) des Balkens (12), wobei aus der zweiten Öffnung (28) des Durchgangslochs (24) auf jede auf das Druckmedium zu gerichtete Schwingung des freien Endes (16) des Balkens (12) hin, die eine vorbestimmte Schwellenamplitude überschreitet, Tropfen ausgestoßen werden.

2. Ausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Durchgangsloch (24) sich verjüngend ausgebildet ist, das Durchgangsloch das Fluid aufnimmt und Fluidtropfen bei einer von der gewählten Frequenz abhängigen Rate ausstößt.

3. Ausstoßvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die ausgewählte Frequenz im wesentlichen eine Eigenfrequenz des Balkens ist.

4. Ausstoßvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ausgewählte Frequenz im wesentlichen die dritte Harmonische der Eigenfrequenz des Balkens ist.

5. Ausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Oszillator (18) ein piezoelektrisches Material aufweist, das in Reaktion auf eine angelegte oszillierende elektrische Spannung schwingt.

6. Ausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Balken (14) derart ausgebildet ist, daß ein Verhältnis von mindestens 10 zwischen der Schwingungsamplitude des freien Endes und der Schwingungsamplitude des eingespannten Endes vorgesehen ist, wenn das durchschnittliche strukturelle Dämpfungsverhältnis des Balkens mindestens 10% beträgt und die ausgewählte Frequenz im wesentlichen einer Harmonischen der Eigenfrequenz des Balkens entspricht.

7. Ausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ausgewählte Frequenz höher als 10 kHz, und vorzugsweise mindestens 50 kHz ist.

8. Ausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Fläche der ersten Öffnung des Durchgangslochs mindestens zweimal so groß ist wie die Fläche der zweiten Öffnung.

9. Ausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Balken (14) eine stark dämpfende Legierung aufweist.

10. Verfahren zum Ausstoßen von Tintentropfen, das die folgenden Schritte aufweist:

a. Vorsehen eines einseitig eingespannten Balkens mit einem eingespannten Ende und einem freien Ende, wobei das freie Ende darin ein Durchgangsloch aufweist, dieses Durchgangsloch eine erste und eine zweite Öffnung aufweist, die erste Öffnung größer als die zweite Öffnung ist und das freie Ende ein geringeres Trägheitsmoment als das eingespannte Ende aufweist;

b. Oszillieren des eingespannten Endes des Balkens mit einer Eigenfrequenz;

c. Zulassen, daß das freie Ende des Balkens in Reaktion auf die Oszillation des eingespannten Endes schwingt; und

d. Zuführen von Tintenflüssigkeit in Flüssigkeits/Festkörper-Oberflächenspannungskontakt mit der ersten Öffnung des Durchgangsloches zum Ausstoßen eines Tropfens aus der zweiten Öffnung des Durchgangsloches auf jede Schwingung des freien Endes des Balkens hin.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Eigenfrequenz mindestens 50 kHz ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Eigenfrequenz zumindest im wesentlichen die dritte Harmonische der Eigenfrequenz der Schwingung des Balkens ist.