DE2344453A1

DE2344453A1 - Tintenstrahlmatrixdrucker

Info

Publication number: DE2344453A1
Application number: DE19732344453
Authority: DE
Inventors: Konrad Artur Krause
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-09-04
Publication date: 1974-03-14
Also published as: US3786517A; CA976224A; JPS4965735A; DE2344453C2; JPS5220291B2; GB1414878A; FR2198410A5; IT992696B

Description

Amtliches Aktenzeichen

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: SA 971 039

Tintenstrahlmatrixdrucker

Die Erfindung geht von einer im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art aus.

Ein Tintenstrahldrucker gemäß dem Oberbegriff ist in der USA Patentschrift 3 298 030 dargestellt.

Bekannte derartige Drucker sind für eine Verwendung als Ausgabedrucker einer Datenverarbeitungsanlage nicht geeignet, da sie in relativ kurzen Zeitintervallen überholungsbedürftig werden. Die Verwendung als Ausgabegerät einer Datenverarbeitungsanlage erfordert jedoch eine große Standzeit.

Zu der hohen Überholungsrate trägt ein Verkleben der Tintenstrahldüsen bei, wodurch Kurzschlüsse verursacht werden können. Dies wird hervorgerufen durch Elektrolyse von Metallteilchen als Ergebnis eines elektrischen Potentials über der Tinte und den die Tinte führenden Teilen. Außerdem tragen zu dem Problem Unterschiede der Charakteristiken zwischen den einzelnen Düsen und im Lauf der Zeit erfolgende Veränderungen dieser Charakteristiken bei.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Tintenstrahlmatrixdrucker zu schaffen, der eine äußerst geringe

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Störanfälligkeit aufweist und diese Eigenschaft auch über lange BetriebsZeiträume aufrechterhält.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen .

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines Tintenstrahldruckers,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen eine einzige Düse

aufweisenden Druckkopf einer anderen Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers,

Fig. 3 eine besondere Ausführung eines mehrere Düsen

aufweisenden Tintenstrahldruckers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Steuerung des Tintenstrahldruckers nach Fig. 3,

Fig. 5 Spannungsdiagramme der den Ladeelektroden zugeführten Spannung für den Druck mit den Tintenstrahldrucker nach Fig. 3, und

Fig. 6 Spannungsdiagramme für die der Ladeelektrode zu

geführte Spannung für den Druck weiterer Zeichen mit dem Tintenstrahldrucker nach Fig. 3.

Der Übertrager 10 weist mehrere voneinander beabstandete öffnungen 11 auf und besitzt eine piezoelektrische Charakteristik. An einer Seite des Übertragers sind Düsen 12 befestigt, wobei jede dieser Düsen mit je einer der genannten öffnungen 11 im Übertrager 10 ausgerichtet ist. Die TintenVorratsstation 14 liefert jeder

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öffnung 11 unter Druck Tinte, so daß von jeder Düse 12 je ein Tintenstrom 16 erzeugt wird. Der übertrager 10 wird durch die Signalquelle 24 erregt, wodurch der Übertrager 10 sich in axialer Richtung ausdehnt und zusarmenzieht und dadurch ein Vibrieren der Düsen 12 hervorruft. Als Ergebnis dieses Vibrierens zerfällt jeder Tintenstrom 16 in einzelne gleich große Tintentropfen. Der Abstand der einzelnen Tintentropfen ist in Fig. 1 zwecks besserer Erkenntlichkeit stark vergrößert gezeichnet. Der wirkliche Abstand der einzelnen Tintentropfen beträgt einige hundertstel Millimeter, so daß ein hohe Druckgeschwindigkeit erzielbar ist. Die Ladeelektrode 20 ist dem Punkt benachbart angeordnet, an dem der Tintenstrom 16 in einzelne Tropfen zerfällt und wird durch ein Signal am Dateneingang des Zeichengenerators 22 erregt. Dieses Dateneingangssignal wird zwischen die Bezugselektrode 18, die in Berührung steht, mit dem Tintenstrom und die Ladeelektrode 20 geleitet. Hierdurch erhalten die Tintentropfen eine Ladung, die abhängt von der Amplitude des der Ladeelektrode 20 zugeführten Signales. Nach dem Passieren der Ladeelektrode 2O durchqueren die geladenen Tintentropfen ein durch die Ablenkelektroden 26 erzeugtes statisches elektrisches Feld. Die geladenen für den Druck eines Zeichens erforderlichen Tropfen werden aus ihrer Bahn abgelenkt und erreichen das zu bedruckende Papier 32. Die für den Druck eines Zeichens nicht erforderlichen Tropfen werden mittels den Tintentropfen während des Passierens der Ladeelektrode 20 zugeführten Signalen Tintenauffangblenden 28 zugeführt.

Obwohl in Fig. 1 nur sechs Zeichenpositionen gezeigt sind, ist es bei Ausgabedruckern von Datenverarbeitungsanlagen üblich, längere Zeilen beispielsweise bis zu 132 Zeichen zu erstellen. Jede der in Fig. 1 dargestellten Düsen ist für den Druck je zweier benachbarter Zeichen vorgesehen, indem die Tintentropfen in horizontaler Richtung entlang des zu bedruckenden Papieres abgelenkt werden. Die vertikale Dimension der Zeichen wird durch eine Bewegung des zu bedruckenden Papieres in dieser Richtung erzeugt. Alternativ kann natürlich der Druck auch dadurch erzeugt werden, daß die Ablenkung der Tintentropfen in vertikaler Richtung er-

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folgt, während das zu bedruckende Papier in horizontaler Bewegung bewegt wird. Die Tintenauffangblende 28 besitzt je eine öffnung für je ein Paar von Druckpositionen, so daß nicht benötigte Tintentropfen in die Tintenauffangblende von zwei benachbarten Düsen gelangen können. Die Ablenkelektroden bestehen aus voneinander beabständeten, jeder Seite des Tintenstromes benachbarten, elektrisch leitenden Platten. Auf diese Weise liegt jede Ablenkplatte, außer den an den Enden angeordneten, zwischen zwei benachbarten Düsen. Um eine richtige Ablenkung zu erzielen, ist die Polarität der Ablenkplatten abwechselnd unterschiedlich. Dies bedeutet, daß die Polarität der den Ladeelektroden zugeführten Spannung ebenfalls entlang der Druckzeile abwechselnd unterschiedlich sein muß.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausfuhrungsform besitzt den Verteilerkopf 36, der pro Tintendüse je einen Zuführungskanal aufweist. Der aus einem piezoelektrischen, keramischen Material bestehende elektromechanische übertrager 10 ist mit dem genannten Zuführungskanal im Verteilerkopf 36 ausgerichtet. Das Düsenrohr 38 ist an der anderen Seite des mit dem Zuführungskanal ausgerichteten Loches des piezoelektrischen Materiales angeordnet. Das Tintendrucksystem 40 liefert dem Verteilkopf 36 unter Druck stehende Tinte, so daß die Düse 38 den Tintenstrom 41 erzeugt. Beide Seiten des piezoelektrischen Materiales weisen je eine Elektrode 43 auf, die mit der Signalquelle 24 verbunden sind, um das piezoelektrische Material in mechanische Schwingungen zu versetzen, die in axialer Richtung der Düse verlaufen und so den Tintenstrom 41 in viele gleich voneinander beabstandete, gleich große Tintentropfen 45 auflösen. Die Ladeelektrode ist der Stelle benachbart, an welcher der Tintenstrom 41 in einzelne Tintentropfen 45 unterteilt wird. Eine der Ladeelektrode zugeführte, vom Zeichengenerator 50 gelieferte Spannung hängt von den Eingangssignalen auf der Leitung 42 ab. Eine Bezugselektrode, wie die geerdete Elektrode 44 ist in der Nähe des durch den Verteilerkopf 36 führenden Tintenkanales angeordnet. Der Filter 34 ist zwischen der genannten Elektrode 44 und dem durch den Verteilerkopf führenden Tintenkanal angeordnet, so daß irgendwelche aus einem elektrolithisch auf der

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Elektrode 44 vorkommenden Prozeß resultierende Partikel gehindert werden, in den Tintenstrom einzutreten. Die eine Klemme des Zeichengenerators 50 liegt am Bezugspotential, beispielsweise an Erde, und die andere Klemme ist mit der Ladeelektrode 20 verbunden. Somit wird ein elektrischer Weg für die Aufladung der Tintentropfen 45 durch die Bezugselektrode 44 über den Filter 34, den Tintenstrom 41 und die Ladeelektrode 20 errichtet. Wenn die Ladeelektrode 20 eine positive Spannung aufweist, werden Elektronen vom Ende des Tintenstomes angezogen, so daß die Spitze des Tintenstromes negativ wird. Wenn der Tropfen gebildet wird, ist diese nagative Ladung eingefangen, so daß der Tintentropfen von den folgenden elektrostatischen Feld beeinflußbar ist. Die aufgeladenen Tintentropfen haben nämlich ein statisches elektrisches Feld zu durchqueren, das von den an die Hochspannungsquelle 46 angeschlossenen Ablenkelektroden 48 erzeugt wird. Auf diese Weise werden die das Zeichen bildenden Tintentropfen auf die richtigen Stellen des zu bedruckenden Papieres 32 abgelenkt und die anderen für den Druck eines Zeichens nicht erforderlichen Tintentropfen werden zur Tintenauffangblende 28 geleitet. Die dort aufgefangene Tinte wird hierauf gefiltert und dem Tintendrucksystem 40 wieder zugeführt.

Zusätzlich zu dem zuvor erwähnten elektrolytischen Problem treten weitere chemische Korrosionsprobleme auf, wenn einige Materialien der Tinte über eine lange Zeit hinweg ausgesetzt sind. Aus diesem Grunde besteht der Verteilerkopf 36 aus einem Kunststoff, beispielsweise Plexiglas, da dieses Material eine ausreichend mechanische Widerstandskraft aufweist und chemisch neutral ist bei einem Ausgesetztsein gegenüber Tinte über einen langen Zeitabschnitt hinweg. In einem besonderen Ausführungsbeispiel wurde in einem Drucker ein übertrager 10 aus einem piezoelekrischen keramischen Material verwendet, das für axiale Schwingungen polarisiert war. Das piezoelektrische Material wies ein Bohrung von einem Durchmesser von 0,9 Millimeter auf. Diese Bohrung wurde an beiden Seiten aufgebohrt, um sicherzustellen, daß die Elektroden 43 nicht in den Bohrungsbereich ragen, wodurch sie durch die lei-

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tende Tinte kurzgeschlossen werden würden. In die Aufbohrung des einen Endes wurde eine Quarzdüse mittels Klebens eingesetzt. Es stellte sich heraus, daß ein halbelastischer Kunstharzkleber hierfür geeignet ist, da er eine geeignete Wärmeausdehungscharakterisik aufweist. Für das Verbinden des piezoelektrischen Materiales mit dem aus Plexiglas bestehenden Verteilerkopf wurde ebenfalls ein Kunstharzkleber verwendet. Die Bezugselektrode 44 wurde aus nichtrostendem Stahl hergestellt und in eine mit den Tintenzuführungskanälen in Verbindung stehende öffnung des Verteilerkopfes 36 eingeschraubt. Der Filter bestand aus einer Mischung von Zellulose und neutralen Ester von Zellulose und das Vorfiltermaterial bestand aus reinem Glasfiber mit einem Acrylbinder. Es ist ersichtlich, daß diese Konstruktion einen elektrischen Stromkreis von der Bezugselektrode zur Ladeelektrode über den Tintenstrom bildet, der nur wenige Millimeter lang ist. Der Filter verhütet, daß von irgendeinem elektrolytischen Prozeß herrührende Partikel den Tintenstrom verunreinigen und somit die Aufzeichnungsgüte schädlich beeinflussen.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers enthält mehrere Tintenstrahldruckköpfe 60, von denen ein jeder für den Druck in jeweils zwei benachbarten Druckpositionen vorgesehen ist. Jeder Tintenstrahldruckkopf 60 besitzt einen durch ein piezokeramisches, für ein axiales Vibrieren polarisiertes Material 58 sich erstreckenden Tintenkanal. Die einzelnen Düsen 6 2 sind jeweils an einem Ende der öffnung eines jeden piezoelektrischen Materiales befestigt. Alternativ können die Düsen, wie in Fig. 1 gezeigt, in einer gemeinsamen Platte durch geeignet geformte Austrittsöffnungen oder von je einem Austrittsöffnungs-Edelstein für jeden Druckkopf gebildet werden. Dem gemeinsamen Verteilerkopf 72 wird Tinte aus dem Tintenreservoir 64 mittels der Pumpe 66 über den Filter 68 und den Druckregler 70 unter Druck zugeführt. Zu jedem Tintenstrahldruckkopf 60 führt im Verteilerkopf 72 je ein Kanal 74, so daß jeder Tintenstrahldruckkopf je einen Tintenstrom 76 erzeugen kann. Eine 100 kHz Oszillationsquelle ist an die Klemmen 78, 80 des piezoelektrischen Materiales

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58 angeschlossen, so daß durch die Schwingungen der Düsen 62 ein ' kontinuierlicher Strom von Tintentropfen 82 erzeugt wird. Die einzelnen Tintentropfen werden durch die Signalspannung zwischen den Ladeelektroden 84 und der Grundelektrode 65 aufgeladen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Ladeelektroden aus einer gemeinsamen Leiste aus Isolationsmaterial gebildet, in der pro Tintenstrahldruckdüse ein Schlitz vorgesehen ist, der mit leitendem Material überzogen ist, das zu einer Klemme 86 führt. Die Ladespannung wird entsprechend der digitalen Eingangssignale von einer angeschlossenen Datenverarbeitungseinheit erzeugt. In Fig. 4 sind die für die Erzeugung der Ladespannung erforderlichen Komponenten dargestellt. In Fällen, in denen für die Steuerung des Tintenstrahldruckers eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, ist der Taktgeber 93 und der Speicher 94 in dieser Anlage enthalten. Die Steuerschaltung 95 kann entweder aus Schaltungsbausteinen bestehen oder ist durch programmierte Instruktionen der angeschlossenen Anlage ersetzbar. Die Steuerschaltung 95 bildet elektrische Signale zur Steuerung der Wirkungsweise der übrigen elektrischen Schaltelemente. Die Daten vom Speicher 94 enthalten den Code für jedes zu druckende Zeichen einer Zeile. Diese codierten Daten werden dem Zeichengenerator 96 zugeführt, der als eine geeignete Decodiervorrichtung wirkt. Ein geeigneter Zeichengenerator ist ein Nurlese-Speicher, der Signale entsprechend der Punktpositionen innerhalb der gewählten Druckmatrix erzeugt. Die Daten vom Zeichengenerator werden in den Zeilenpuffer 97 übertragen, der ein Byte für jede Druckposition eines jeden Zyklus aufweist. In der gezeigten Ausführungsform werden sieben Speicherbytes für jedes zu druckende Zeichen verwendet. Die Taktgebung für die Zyklen der Druckraatrix erfolgt vom Emitter 98 aus, der auf der Welle des Formulartraktors sitzt, der das zu bedruckende Papierblatt 90 mit Hilfe des Motors 92 weiterbewegt. Die Eingangskontrolle des Puffers bildet ein Schieberegister, dessen Stufenanzahl gleich ist der Anzahl von vertikalen Positionen innerhalb der Matrix. Dem Schieberegister wird ein Signal von der Steuerschaltung 95 für jeden Zyklus zugeführt. Das Signal erregt die nächste Stufe des Schieberegisters,

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so daß alle Bytes der Daten dem Puffer 99 für diesen Zyklus zu einem Digitalanalogkonverter 99 parallel übertragen werden, von denen je einer für jede Druckposition vorgesehen ist. Die analoge Ausgangsschaltung wird verwendet für das Halten der Spannung an der Klemme 86 der Ladeelektrode 84 für eine vorherbestimmte Zeit, wie in den Fign. 5 und 6 dargestellt ist.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Matrix ist eine 5 mal 7 Matrix. Das bedeutet, daß ein Zeichen durch Auswahl eines oder mehrerer von 5 Tropfen für jede horizontale Matrixposition auf dem Blatt 90 gebildet wird, indem ein horizontaler Zyklus zu jeder der sieben vertikalen Positionen entsprechend dem vertikalen Papiervorschub mittels des Motors 92 erfolgt. Die Ladeelektrodenspannung für den Zyklus in den Druckspalten 81, 83 (Fig. 3) ist in Fig. veranschaulicht. Diese der Ladeelektrode 84 zugeführte Spannung erzeugt den siebenten Zyklus. Der ober Pegel V ist die Ladung, die notwendig ist, um Tintentropfen zur Tintenauffangblende 56 zu richten, während die folgenden Spannungsstufen die Tinte zu benachbarten horizontalen Positionen entlang der Druckzeile richten, um den letzten Zyklus des Zeichens in der Druckspalte 81 zu drucken. Die Spannung kehrt zur Tintenauffangblendenspannung zurück, um den Bereich zwischen den Zeichen und den folgenden Spannungspegeln zu überdecken, zwecks Vervollständigung des letzten Zyklus für das Zeichen in der Druckspalte 83.

Die aufgeladenen Tropfen passieren das zwischen den Ablenkplatten 71, 73 bestehende statische elektrische Feld, das mittels der Hochspannungsquelle 79 erzeugt wird. Die positive Klemme der Hochspannungsquelle 79 ist mit der Stange 75 und jeder mit derselben fest verbundenen Ablenkelektrodenplatte verbunden. Die negative Klemme der Hochspannungsquelle 79 ist mit der Stange 77 und jeder mit derselben fest verbundenen Elektrodenplatte 73 verbunden. Diese Anordnung ruft hervor, daß den benachbarten Tintenstrahldruckköpfen abwechselnd eine unterschiedliche Spannungspolarität zugeführt wird. Beispielsweise drucken benachbarte Druckköpfe in Fig. 3 die gleichen Daten, jedoch ist die Spannung an den Lade-

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elektroden unterschiedlich wie in Fign. 5 und 6 dargestellt ist. Diese Differenz ist leicht auf eine einzige Zeitbasis anpaßbar, wenn die Zeichenfelder in dem Nurlese-Speicher aufgebaut werden. Dies ist ein Vorteil aus der Sicht des mechanischen Aufbaus, da bei dieser Anordnung eine Tintenauffangblende vier Druckpositionen bedient. Diese Konstruktion erfordert ein ge<ringeres Vakuum von der Vakuumquelle 88, um sicherzustellen, daß die Tinte sich in der Tintenauffangblende nicht ansammelt, sondern in das Tintenreservoir zurückkehrt. Die Ablenkplatten sind so montiert, daß elektrische Kurzschlüsse verhindert werden, wenn sich Tinte um diese Platten herum ansammelt. Zusätzlich wird das elektrolytische Problem gelöst, da im Tintenweg zwischen den Filtern 67 und 68 sich kein Metall befindet.

Anstatt der Ausführung nach Fig. 3 ist es auch möglich, einen mehrdüsigen Drucker aus den Einzeldüsen ähnlich der Fig. 2 zu bilden. Dies hat den Vorteil, daß die einzelnen Düsen austauschbar und justierbar sind. Eine geeignete Konstruktion sieht eine kugelige Oberfläche auf den der Düse zugewandten Ende des Verteilerkopfes vor, so daß die ausgetauschte Düse auf einfache Art justierbar ist und dann in dieser Stellung durch geeignete Schrauben feststellbar ist. Außerdem ist der Düsenaufbau nach Fig. 3, wenn gewünscht, mit Schrauben ausführbar, so daß die Düsen zum Zwecke ihrer Reinigung und der des Verteilerkopfes entfernbar sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Tintens trahlmatrixdrucker mit einer mit einer Tintendruckquelle verbundenen Düse, die durch einen mittels Taktsi— gnalen gesteuerten, aus einem piezoelektrischen Wandler bestehenden Schwingungserzeuger in mechanische Schwingungen versetzt wird für die Erzeugung eines Stromes·von Tintentropfen, mit einer Ladeelektrode für die entsprechend der zu druckenden Information durch Ladesignale erfolgende elektrische Aufladung der einzelnen Tintentropfen, mit einer Ablenkelektrode, durch deren erzeugtes elektrisches Feld die geladenen Tintentropfen entsprechend ihrer Ladung auf den Aufzeichnungsträger abgelenkt werden und mit einer Tintenauf fangblende zur Aufnahme der für den Druckvorgang nicht benötigten Tintentropfen,

dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (10) aus einer polarisierten, keramischen Platte besteht, an deren beiden Seiten je eine Elektrodenplatte (43) aufgebracht ist, daß jede^ Elektrodenplatte eine mit dem Tintenkanal in der Keramikplatte ausgerichtete Bohrung aufweisi», die einen größeren Durchmesser als der Tintenkanal aufweist, und daß durch eine der Keramikplatten (43) hindurch das Düsenmundstück (38) bis in das keramische Material ragt.

2, Tintenstrahlmatrixdrucker mit mehreren Tintenstrahldruck— köpfen, der Düsenöffnungen in einer parallel zur Druckzeile verlaufenden Reihe angeordnet sind nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (12 bzw. 62) je zwei benachbarten Druckspalten zugeordnet ist, und daß benachbarte Ablenkelektrodenplatten (26 bzvj. 71, 73) jeweils eine unterschiedliche Polarität aufweisen.

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3. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder zweiten Ablenkelektrodenplatte (26 bzw. 71, 73) je eine Tintenauffangblende (28 bzw. 56) ausgerichtet ist.

4. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrodenplatte eines jeden piezoelektrischen Wandlers (58) auf einen Verteilerkopf (72) für die Tinte aufgesetzt ist, der aus Kunststoff besteht und je einen Tintenkanal pro Düse (62) aufweist, und daß in den sämtliche Tintenkanäle verbindenden Kanal eine Bezugselektrode (65) eingeschraubt ist, die für das elektrische Aufladen der Tintentropfen (82) mit dem aus der Ladeelektrode (84) und dem Tintenstrom gebildeten elektrischen Weg in Reihe liegt.

5. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeelektroden (84) Schlitze in einer sämtlichen Düsen (62) gemeinsamen Leiste aus Isoliermaterial bilden, von denen ein jeder einen metallischen zu je einer Klemme (86) ausgebildeten überzug aufweist.

6. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (65) aus nichtrostendem Stahl besteht und daß in der Aufnahmebohrung für die Bezugselektrode eine Filterscheibe (67) aus Isoliermaterial eingesetzt ist.

7. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterscheibe (67) aus einer Mischung von Zellulose und neutralem Ester von Zellulose besteht und mit einem Vorfiltermaterial aus reinem Glasfiber und einem Acry!binder ausgestattet ist.

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