DE2831558A1

DE2831558A1 - Vorrichtung zur erzeugung mehrerer fluessigkeitstroepfchenstroeme

Info

Publication number: DE2831558A1
Application number: DE19782831558
Authority: DE
Inventors: Charles L Cha
Original assignee: Mead Corp
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1977-07-18
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1979-02-01
Also published as: GB2001010A; NL7806624A; GB2001010B; JPS5421844A; CA1102393A; CH630844A5; BE868552A; JPS5842831B2; SE7807891L; IL55488A; DE2831558C2; FR2397886B1; SE427915B; US4095232A; SU878211A3; IT7868694A0; NL181344C; BR7804228A; IT1108131B; FR2397886A1

Description

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen; M 1433 17.JuIi 1978

THE MEAD CORPORATION
Courthemse Plaza Northeast
Dayton, Ohio 45463, V.St.A.

Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfchenströme

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen und insbesondere auf die Erzeugung eines Feldes aus gleichmässigen Flüssigkeitströpfchen aus einer linearen Anordnung ays Flüssigkeitsstrahlen für die Verwendung in Druckgeräten, beispielsweise in Tintenstrahldruckern und dergleichen.

Die Erzeugung gleichmässiger FlUseigkeitsfäden und synchroner Tröpfchen ist besonders bei Tintenstrahldruckern von Nutzen, die mit mehreren Tintenstrahlen arbeiten. Ein Beispiel eines solchen Tintenstrahldruckers ist in der US-PS 3 739 393 beschrieben. Bei der hier zu beschreibenden Erfindung wird jedoch bei der Verwirklichung des eigentlichen Tröpfchenanregungsabschnitts des Druckers ein völlig anderer Weg beschritten. Allgemein sind in solchen Geräten Schw/Ba

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eine oder mehrere Lochreihen vorgesehen, die eine elektrisch leitende Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise eine Tinte auf Wasserbasis, aus einem unter Druck stehenden FlUssigkeitsvorratsbehälter empfangen; diese Lochreihen stoßen die Flüssigkeit dabei in Reihen aus parallelen Strömen oder Strömungsfäden aus, die so angeregt sind, daß gleichmässig große Tröpfchen erzeugt werden.

Die Tröpfchen werden bei ihrer Bildung selektiv aufgeladen, indem Ladespannungen an Ladeelektroden angelegt werden, die dicht bei den Strömungsfäden an der Stelle angebracht sind, an der sie in Tröpfchen aufbrechen. Auf diese Weise aufgeladene Tröpfchen werden von einem elektrischen Feld in einen in geeigneter Weise angebrachten Fänger abgelenkt. Nichtaufgeladene Tröpfchen durchlaufen das elektrische Feld ohne Ablenkung und setzen sich auf einer Bahn ab, die sich quer zu den Bewegungsbahnen der Tröpfchen mit relativ hohen Geschwindigkeiten bewegt . Zur Erzielung einer maximalen Druckqualität ist es wichtig, eine maximale Druckbreite zu erreichen. Damit diese maximale Druckbreite erreicht wird, dürfen in dem gesamten Feld aus Strömungsfäden nur minimale Energie Schwankungen auftreten. Diese gleichmässige Energie drückt sich in Form gleichmässiger Strömungsfadenlängen innerhalb des Feldes aus. Zu große Energie Schwankungen (Stro'mungsfadenlängenänderungen) verursachen entweder die Erzeugung von Nebentröpfchen oder ein nichtlineares Verhalten des Strömungsfadens; beide Ergebnisse sind unannehmbare Bedingungen beim Drucken.

Die Druckinformation wird auf die Tröpfchen über das Aufladen übertragen. Damit mit dem höchstmöglichen Auf-

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lösungsvermögen gedruckt wird, sollten an die Ladeelektroden die Ladesteuerspannungen mit der gleichen Frequenz angelegt,werden, mit der auch die Tröpfchen erzeugt werden. Dadurch kann jedes abgelagerte Tröpfchen eine Auflösungszell· bilden, die von den Auflösungszellen aller anderen Tröpfchen verschieden ist. Die Druckinformation kann außerdem nicht sauber auf die Tröpfchen übertragen werden, wenn nicht jede Ladeelektrode phasengleich mit der Tröpfchenerzeugung am zugehörigen Strömungsfaden aktiviert wird. Ist dies nicht der Fall, ergeben sich teilweise aufgeladene Tröpfchen, die den Fänger verfehlen und an falschen Stellen auf der Bahn auftreffen.

Tintenstrahldrucker der beschriebenen Art können also nur mit ihren maximalen Fähigkeiten betrieben werden, wenn die Tröpfchen aller Ströme synchron mit ihren zugehörigen, der Datenübertragung dienenden Ladeimpulsen erzeugt werden. Dies erfordert wiederum entweder ene Maßnahme zur zeitlichen Steuerung der Tropfenerzeugung für jeden einzelnen Strömungsfaden oder eine Steuerung der Tropfenerzeugung in der Weise, daß die Zeit oder die Phase der Tropfenerzeugung vorherbestimmt werden.

Vom Standpunkt der Einfachheit aus, besteht die ideale , Lösung darin, Tröpfchenanregungsstörungen an alle Strömungstfäden mit gemeinsamer Amplitude und exakt synchron anzulegen. Wenn alle Strömungsfäden den gleichen Durchmesser, die gleiche Geschwindigkeit und die gleichen Fließeigenschaften haben, dann haben sie auch alle die gleiche Länge, so daß sie die Tröpfchen synchron erzeugen. Diese synchrone Tröpfchenerzeugung erleichtert die gewünschte Datenphasenverriegelung, da eine Zeitmessung für einen Strömungsfaden gleichbedeutend mit einer Zeitmessung für alle Strömungsfäden ist.

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In der erwähnten US-PS 3 739 393 erfolgt die Tröpfchen-Erzeugung mit Hilfe eines Wanderwellenverfahrens.Dieses Verfahren ist sowohl hinsichtlich der maximalen Druckbreite als auch der Druckqualität eingeschränkt.Nach dieser Patentschrift laufen längs der Lochplatte mehrere Wanderwellen, die die Strömungsfäden bei ihrem Austreten anregen. Die Wellenausbreitung ist jedoch von einer Energiedämpfung begleitet. Dies verursacht eine stetige Verlängerung der Strömungsfäden längs des Feldes.Die Änderung der Strömungsfadenlängen werden schließlich zu groß, und die maximal ausnutzbare Druckbreite wird erreicht. Der Grund' dafür, daß das Wanderwellenverfahren auch hinsichtlich der Druckqualität eingeschränkt ist, ist darin zu sehen, daß bei diesem System die verschiedenen Strahlen die Tröpfchen nicht gleichzeitig, sondern mit einer bekannten Phasenbeziehung erzeugen.

In der Theorie kann das System zwar mit einem besseren Auflösungsvermögen arbeiten, doch muß jeder Datenkanal mit einer Phasenschieberschaltung ausgestattet sein, der die Phase der Schaltsteuersignale um einen Wert verschiebt, der eine Anpassung der bekannten Phasenverschiebung in der Tröpfchenerzeugung von Strömungsfaden zu Strömungsfaden ergibt. Diese Lösung erfordert eine umfangreiche Elektronik; sie ist in der Praxis schwierig zu verwirklichen, da unvorhersagbare Änderungen der Plattenwellenlänge ( und somit Phasenfehler ) vorliegen, die von ungleichmässigen Lochplattengrenzen 'verursacht werden. Auch wenn eine solche Synchronisierung erzielt wird, kann die beste Druckqualität noch nicht erreicht

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werden, da mit Hilfe wandernder Wellen keine quadratische Tröpfchenmatrix erzeugt werden kann. Solche Systeme arbeiteten daher bisher bei einem Viertel oder einem Fünftel der theoretischen Maximalauflösung; das bedeutet, daß die Datenfrequenz und die Tröpfchenanregungsfrequenz so eingestellt sind, daß während einer Datenperiode drei bis fünf Tröpfchen erzeugt werden. Als Ergebnis enthält eine einzige Auflösungszelle auf der zu bedruckenden Bahn drei bis fünf Tröpfchen, doch ist es nicht notwendig, eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen der Tröpfchenanregung und der Tröpfchenaufladung zu beachten.

Bei einem anderen Tröpfchenanregungsverfahren, das gleichmässige Strömungsfäden und gleichzeitige Tröpfchen in einer Strahlreihe erzeugen soll, ist in der US-PS 3 900 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine am Boden eines Tintenvorratsbehälters angebrachte Lochplatte verwendet, und die Druckschwankungen in der aus den Löchern austretenden Tinte werden von einer flexiblen Druckplatte hervorgerufen, die an einer von der Oberfläche der Lochplatte entfernten Stelle, Jedoch innerhalb des Tintenvorratsbehälters, angebracht ist.

Mit der Oberfläche der Druckplatte sind mehrere flexible piezoelektrische Wandler verklebt, so daß sie bei gleichzeitiger Aktivierung eine allgemein gleichmässige Querbiegung in der gesamten Länge der Platte erzeugen und in der Flüssigkeit über den Löchern eine gleichmässige Druckschwankung hervorrufen, die wiederum eine GIeichmässigkeit der aus den Löchern austretenden Strömungsfäden und Tröpfchen zur Folge hat. Bei einer solchen Vorrichtung müssen (Jedoch piezoelektrische Wandler in einer beträchtlichen Anzahl längs der Druckplatte angebracht werden. Dies führt in der Praxis zu verschiedenen

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Schwierigkeiten beim Anbringen der Wandler; auch die Kosten der relativ hohen Anzahl von Wandlern, die zur Erzeugung einer gleichmässigen Anregung längs der Druckplatte erforderlich sind, schaffen Probleme.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß an jedem Ende der Platte ein Schlitz angebracht ist, wobei die Druckplatte im Vorratsbehälter selbst enthalten ist, so daß die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Platte vorhanden ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß ein Druckausgleidiauf beiden Seiten der Druckplatte stattfindet, so daß sie gleichmässig in beiden Richtungen gebogen wird, wenn sie vibriert und sich vorwärts und rückwärts verbiegt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß in der aus den Löchern ausströmenden Flüssigkeit Sekundärwellen erzeugt werden, da die Flüssigkeit, die sich auf beiden Selten der Druckplatte befindet, in Verbindung steht; wenn sich die Druckplatte von den Löchern aus nach außen bewegt, erzeugt sie in der Flüssigkeit auf der von den Löchern abgewandten Seite der Druckplatte einen maximalen Druck, der durch die Flüssigkeit zur Lochseite zurückübertragen'wird. Dies verursacht in den Strömungsfäden unerwünschte Störungen, die die Gleichmäs3igkeit £_er Größe der Strömung*fäden und der Tröpfchen herabsetzt und auch den Wirkungsgrad der ; Energieübertragung von der Druckplatte zu den Löchern bee inträchtigt. ·

Die zwei Schlitze können auch zwei weitere Probleme hervorrufen. Sie können erstens Reflexionen der Biegebewegung erzeugen und somit eine ungleichmässige Energieverteilung längs der Platte verursachen. Die Tatsache, daß

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sie den Druck in der Flüssigkeit entspannen, hat zweitens zurFolge, daß die von der Platte auf die FlüssigkeIt_n ausgewirkte Störung unwirksam wird.

Mit Hilfe der Erfindung werden die oben angegebenen Schwierigkeiten und Nachteile beseitigt, indem relativ gleichmässige Strömungsfaden- und Tröpfchengrößen durch Verwendung einer Druckplatte erzeugt werden, die von einer starren, nicht vibrierenden Lochplatte entfernt angebracht ist und von mehreren Anregungsorganen angeregt wird, wobei nur eine Seite der Druckplatte mit der Flüssigkeit in Kontakt steht, während auf die andere Seite die Anregungsorgane einwirken.

Eine starre Lochplatte bildet den Boden einesVorratsbehälters, der die Flüssigkeit unter Druck enthält. Die flexible Druckplatte bildet den der Lochplatte gegenüberliegenden oberen Abschnitt des Vorratsbehälter, so daß die Flüssigkeit zwischen der Lochplatte und der Druckplatte im Vorratsbehälter enthalten ist. Außerhalb des Vorratsbehälters sind mehrere, auf die Außenfläche der Druckplatte -einwirkende Anregungsorgane vorzugsweise in Form elektroakustischer Wandler angebracht, die so auf die Druckplatte einwirken,'daß Biegebewegungen der Druckplatte quer zu ihrer Längssymmetrieachse hervorgerufen werden. Die Anregungsorgane sind mit der Oberfläche der Druckplatte nicht verklebt, sondern sie berühren die Oberfläche der Platte lediglich in ihrer gesamten wirksamen Länge. Die Anregungeorgane werden gleichzeitig wiederholt «mit Hilfe elektriecher Impulse aus einem herkömmlichen Signalgenerator aktiviert.

Die Anregungsorgane sind längs der oberen Fläche der Druckplatte in einer Linie angeordnet, so daß sie symmetrisch um die Mittellängsachse der Druckplatte über den Löchern liegen und dabei im wesentlichen eine Linienberührung mit der

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oberen Fläche der Druckplatte bilden. Die Anregungsorgane sind vorzugsweise so angeordnet, daß ihre Längsachse in der gleichen Ebene wie die Längsachse der Druckplatte liegt; sie sind vorzugsweise längs der Oberfläche der Platte in gleichem Abstand angebracht. Als Alternative könnendie Anregungsorgane mit der Druckplatte nur einen punktförmigen Kontakt bilden; in diesem Fall sind sie in einer Ebene in einer Linie anzuordnen, die die Längsachse der Druckplatte enthält, so daß die Kraft gleichmässig über die gesamte Länge der Platte übertragen wird.

Die Anregungsorgane, die aus elektro-akustichen Wandlervorrichtungen bestehen, sind vorzugsweise piezoelektrische Wandler oder äquivalente Wandler, die sandwichartig zwischen einem Masseglied und einem Kraftübertragungsglied eingefügt sind. Der untere Abschnitt des Kraftübertragungsglieds kann so geformt sein, daß ein Punktkontakt, ein Linienkontakt oder eine andere Kontaktflächenform entsteht; der Linienkontakt in Richtung der Längsachse der Druckplatte wird jedoch bevorzugt, da diese Kontaktform eine gleichmässigere Biegung der Druckplatte zu erzeugen scheint.

Die Wandler und die unmittelbar angrenzenden sandwichartig angebrachten Abschnitte der oben angegebenen oberen und unteren Glieder hafcmvorzugsweise sowohl eine Länge als auch eine Breite, die weniger als eine Hälfte der Wellenlänge der Biegeschwingungswellen im Anregungsorgan bei der Betriebsfrequenz betragen. Dies ist besonders in Richtung der Längenabmessungen parallel zur Längsachse der Druckplatte wichtig, da eine größere Abmessung als die oben definierte Abmessung eine störende Reflexionswellenbewegung im Anregungsorgan ermöglicht, die zu einem unerwünschten "Rauschen", d.h.

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zu einer Störwellenbewegung im System führt.

Auch der Abstand zwischen benachbarten Anregungsflächen, die mit der oberen Fläche der Druckplatte in Kontakt stehen, ist von Bedeutung. Der Abstand zwischen solchen benachbarten Kontaktflächen der Kraftübertragungsglieder sollte wesentlich kleiner als eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingungswellen in der Druckplatte bei der Betriebsfrequenz sein. Dies führt wiederum zu einer Reduzierung des "Rauschens", das sonst innerhalb von Bereichen der Druckplatte zwischen benachbarten Anregungsorganen auf Grund von störenden Reflexionswellenbewegungen oder auf Grund sich überlappender Wellenbewegungen aus angrenzenden oder entfernten Kraftübertragungselementen vorhanden wäre.

Vorzugsweise sind der Druckplatte auch akustische Dämpfungsglieder zugeordnet, damit das Entstehen störender stehender Wellen längs der Druckplatte reduziert oder praktisch ausgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß an jedem Ende der Druckplatte entweder innerhalb oder außerhalb des die Flüssigkeit enthaltenden Vorratsbehälters ein akustisches Dämpfungsma-feerial befestigt wird.

Der Nachteil bekannter Vorrichtungen, der sich daraus ergibt, daß auf beiden Seiten der Druckplatte eine in Verbindung stehende Flüssigkeit vorhanden ist, tritt bei der Erfindung nicht mehr auf. Dies wird dadurch erreicht, daß die Wandler außerhalb des Vorratsbehälter angebracht sind, und daß die Flüssigkeit nur auf einer Seite der Druckplatte vorhanden ist. In anderen Worten heißt das, daß die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten

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Wandler die notwendige positive Kraft dadurch erzeugen, daß eine nach unten gerichtete Verbiegung der Druckplatte hervorgerufen wird, während sie jedoch keinen unerwünschten positiven Sekundärdruck erzeugen, wenn sich die Druckplatte nach oben verbiegt, wie es der Fall wäre, wenn auf beiden Seiten der Druckplatte eine in Verbindung stehende Flüssigkeit vorhanden wäre.

Da die Wandler nicht direkt mit der Oberfläche der Druckplatte verklebt sind, treten die oben im Zusammenhang mit dem Verkleben mehrerer Wandler mit der Platte erwähnten Nachteile nicht mehr auf. Es kann insbesondere ein gleichmassigerer und einfacher zu kontrollierender Kontakt zwischen der Oberfläche derDruckplatte und der Kraftabgabefläche des Kraftübertragungsglieds aufrechterhalten werden, als es bei Verwendung eines Klebematerials der Fall wäre.

Zwei Hauptvorteile der nichtdauerhaften Verbindung, die sonst nicht möglich wären, sind die Fähigkeit zur Optimierung der Anregungsgüte und die Fähigkeit zum Austausch fehlerhafter Wandler.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform eines Abschnitts des Aufzeichnungskopfs eines Tintenstrahldruckers,

Fig.2 eine Schnittansicht der in Fig.1 dargestellten Ausführung im nichtetuseinandergezogenen Zustand,

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Fig.3 eine vergrößerte Darstellung des Anregungsorgans in der Ausführungsform von Fig.1,

Fig.4 eine schematische Seitenansicht der Druckplatte und der Anregungsorgan· der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig.5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer bevorzugten Anordnung des Kontakts zwischen den Anregungsorganen und der Druckplatte,

Die hier zu beschreibende Vorrichtung soll als Teil eines Tintenstrahldruckers benutzt werden, wie er in der US-PS 3 373 437 und in der US-PS 3 560 641 beschrieben ist. Die Teile von Tintenstrahldruckern, die nicht speziell mit der hier zu beschreibenden Erfindung im Zusammenhang stehen, werden hier nicht genauer beschrieben; hierzu kann auf die oben erwähnten Patentschriften Bezug genommen werden.

Die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Verteileranschluß 10, der einen Flüssigkeitsvorratsbehälter bildet, einer Lochplatte 12, einer Druckplatte sowie mehreren, von einem elektrischen Signalgenerator 18 gesteuerten Anregungsorganen 16. Der Verteileranschluß 10 ist ein relativ starrer rechtwinkliger Metallblock, der einen Flüssigkeitsvorratsbehälter 19 in Form einer länglichen Mittelöffnung enthält, die abgeschrägte Innenwände 20 und 22 aufweist, wie in Fig.2 dargestellt ist; diese Innenwände verlaufen von der Druckplatte 14 aus schräg nach unten und nach innen gegen die Lochplatte 12.

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Durch die Seite des Verteileranschlusses 10 erstreckt sich ein Flüssigkeitszuleitungsrohr 24 in den Vorratsbehälter 19, damit ein Flüssigkeitsvorrat in dem Behälter aufrechterhalten werden kann. Die Flüssigkeit wird dem Vorratsbehälter 19 mit einem vorbestimmten Druck zugeführt, so daß die Flüssigkeit den Behälter vollständig ausfüllt und im Behälter unter Druck gehalten wird.

Die Lochplatte 12 ist mit der unteren Fläche des Verteileranschlusses 10 beispielsweise mit Hilfe von Kleben oder Festklemmen der Enden und der Seiten der Lochplatte gegen den Boden des Verteileranschlusses verbunden, so daß die Lochplatte im wesentlichen starr festgehalten wird. Die Lochplatte 12 ist vorzugsweise so dick, daß sie starr ist und unter dem Einfluß von Druckschwankungen in der Flüssigkeit nicht vibriert. In der Lochplatte sind in zwei Reihen mehrere in gleichmässigem Abstand voneinander liegende Löcher 26 mit gewünschtem Durchmesser angebracht. Das Festklemmen oder Festkleben der Lochplatte 12 am Verteileranschluß 10 ist in der Weise durchgeführt, daß die Löcher 26 im wesentlichen in der Mitte des Bodens des Vorratsbehälters 19 liegen, wie Fig.2 zeigt.

An der oberen Fläche des Verteileranschlusses 10 ist die Druckplatte 14 befestigt. Die Druckplatte 14 ist relativ flexibel; die Flexibilität ist ausreichend, so daß sie sich quer zu ihrer Längsachse biegt, wenn die Anregungsorgane 16 auf sie einwirken.Sie ist an der oberen Fläche des Verteileranschlusees 10 so befestigt, daß sie starr rund um die vom oberen Ende des Vorratsbehälters 19 gebildete öffnung festgeklemmt oder festgelötet ist, so daß sich nur der Abschnitt der

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Druckplatte, der sich über der Öffnung erstreckt, unter der Einwirkung der Anregungsorgane 16 liegt.

An der oberen Fläche der Druckplatte 14 sind zwei Dämpfungsglieder 28 und 30 aus relativ elastischem Material, beispielsweise aus Polyurethan, befestigt. Die Bämpfungsglieder 28 und 30 können dadurch gebildet werden, daß eine passend gestaltete Form auf der oberen Fläche der Druckplatte 14 im nicht eingebauten Zustand angebracht wird und daß dann in diese Form geschmolzenes Polyurethan gegossen und zur Aushärtung gebracht wird.

In den Anregungsorganen 16, von denen eines in Fig.3 genau dargestellt ist, wird vorzugsweise von piezoelektrischen Wandlern Gebrauch gemacht, obgleich auch andere Arten elektroakustischer Wandler angewendet werden können. Beispielsweise können magnetostriktive, elektrodynamische oder elektrostatische Wandler benutzt werden.

Jedes Anregungsorgan 16 besteht aus einer oberen Masseplatte 31 ₉ zwei piezoelektrischen Wandlern 32 und 33 , die vorzugsweise im Dickenschwingungsbetrieb arbeitende keramische Wandler sind, einer als Halterung dienenden Befestigungsplatte 34, die auch als Elektrode für die Wandler 32 und 33 wirkt, elastischen Befestigungsgliedern 35, die auch als elektrische Isolatoren wirken, sowie einem Kraftübertragungsglied 36. Jedes Anregungsorgan 16 wird mit Hilfe eines Bolzens 37 zusammengehalten, der auch als Elektrode für die Wandler 32 und 33 wirkt, so daß ein elektrischer Strom durch die Wandler zwischen

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der Befestigungsplatte 34 und dem Bolzen 37 fliessen kann.

Die Wandler 32 und 33, die obere Masseplatte 31 und das Kraftübertragungsglied 36 haben im wesentlichen die gleichen Abmessungen, und sie sind vertikal übereinander parallel ausgerichtet, wie Fig.3 zeigt. Die mehreren oberen Masseplatten 31 sollten vorzugsweise aus einem Material mit allgemein höherer akustischer Impedanz als das Kraftübertragungsglied 36 bestehen, damit die Kraftübertragung aif die Druckplatte 14 verstärkt wird. Die Befestigungsplatte 34 weist mehrere Schlitze 38 auf, durch die die Anregungsorgane 16 einstellbar am Rahmen der Vorrichtung in der gewünschen Position in Längsrichtung über der Druckplatte 14 gefestigt werden können. Das Kraftübertragungsglied 36 jedes Anregungsorgans 16 kann in verschiedenartiger Weise geformt sein; in der Zeichnung ist jedoch die bevorzugte Form dargestellt, die flache parallele Stirnwände 40 und schräg verlaufende Seitenwandabschnitte 42 aufweist, die so zusammenlaufen, daß im wesentlichen ein Linienkontakt mit der oberen Fläche der Platte 14 entsteht. Es sei jedoch bemerkt, daß die Seitenwände 42 auch so schräg verlaufen können, daß an der Unterkante des Kraftübertragungsglieds 36 eine Anlagefläche und keine Linie entsteht, so daß für einen Flächenkontakt mit der Druckplatte 14 eine rechtwinklige Fläche verfügbar ist. Als weitere Alternative können auch die Stirnwände schräg nach innen zusammenlaufen, wie auch die Seitenwände 42 nach innen zusammenlaufen, so daß eine umgekehrte Pyramide entsteht, was einen Punktkontakt mit der Druckplatte 14 ergibt.

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Die elastischen Befestigungsglieder 35 können aus irgendeinem gewünschten Material bestehen; sie müssen nur eine minimale Dicke aufweisen, solange eine gewisse Elastizität vorgesehen wird, die ausreicht, eine Schwingungsübertragung von der Befeetigungsplatte 34 über den BefestigungsrahmenauXbau 45 zum Verteileranschluß 10 im wesentlichen zu verhindern, und die auch zur Erzielung einer guten Isolationawirkung ausreicht. Die Elastizität der Befestigungsglieder 35 soll Wellen daran hindern, den Verteileranschluß zu durchlaufen und die Tropfenfortpflanzung in den Löchern zu beeinflussen.

Die Wandler 32 und 33 werden durch die Mittelelektrode, d.h. die Befestigungsplatte 34 und den Bolzen 37, mit Hilfe des Signalgenerators 18 aktiviert, wobei mehrere Anregungsorgane 16 gleichzeitig und wiederholt in bekannter Weise aktiviert werden können.

Die Wandler sind nach Fig.4 in gleichmässigen Abständen in Richtung der Längssymmetrieachse der oberen Fläche der Druckplatte 14 angebracht; der Abstand zwischen den Anregungsorganen 16 hat den Wert D. Aus einem praktischen Grund ist der Abstand D ziemlich wichtig, da er vorzugsweise einen solchen Wert hat, daß er beträchtlich kleiner als eine halbe Wellenlänge der BiegeSchwingungswellen in der Druckplatte bei der Betriebsfrequenz ist. Dies ist wichtig, damit die Möglichkeit des Entstehens störender stehender Wellen zwischen benachbarten oder weiter entfernten Anregungsorganen 16 soweit wie möglich reduziert wird.

Das gleiche gilt für die Breite W Jedes der Anregungsorgane 16; diese Breite W sollte wesentlich kleiner als

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eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingungswellen im Anregungsorgan 16 bei der Betriebsfrequenz sein. Dies reduziert die Möglichkeit des Entstehens reflektierter Wellenstörungen oder Verzerrungen innerhalb des Anregungsorgans, die sonst auftreten könnten. Die Querabmessung der Anregungsorgane 16, d.h. die Abmessung in Richtung der Breite der Druckplatte 14, die nicht so kritisch wie die Breite W. ist, sollte vorzugsweise weniger als eine Hälfte der Wellenlänge der Biegeschwingungswellen innerhalb des Anregungsorgans bei der Betriebsfrequenz betragen.

Es sei bemerkt, daß der Abstand D und die Breite ¥ wesentlich näher beim Wert einer halben Wellenlänge der entsprechenden Biegeschwingungswellen liegen können, ohne daß eine beträchtliche Energieungleichmässigkeit hervorgerufen wird, die die Gleichmässigkeit der Strömungsfadenlänge beeinflussen würde. Als Riehtlinie werden Jedoch die Werte der halben Wellenlänge der Biegeschwingungswellen durch den betroffenen Körper als annehmbar angesehen.

Fig.5 zeigt die bevorzugten Orte der Kontakte 60 zwischen den Anregungsorganen 16 und der Oberseite der Druckplatte 14. Dabei wird ein Linienkontakt in Richtung der Längsachse der Druckplatte bevorzugt. Wie jedoch oben bereits erwähnt wurde, kann für bestimmte Ausführungsbeispiele auch ein Punktkontakt oder ein Kontakt über eine rechtwinklige Fläche angewendet werden, falls es erwünscht ist.

Für den Fall der Verwendung von Breitbandanregungsorganen ist der Abstand von der unteren Fläche der Druckplatte

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zur oberen Fläche der Lochplatte 12 im Vorratsbehälter vom Standpunkt der Anregung aus unkritisch; er kann so klein sein, wie es die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit zulassen. Bei einer Sdbnalbandanregung sollte dieser Abstand ein Vielfaches einer ungeradzahligen Viertelwellenlänge der FlUssigkeitsdruckwelle bei der Betriebsfrequenz betragen. Dies gewährleistet, daß sich die Lochplatte bei einer Knotenebene befindet, in der die Schwingungsamplitude im wesentlichen verschwindet.

Die Lochplatte 12 ist eine relativ starre Konstruktion, was bedeutet, daß sie anders als bei einer in Vibrationen zu versetzenden, durch Wandervellen angeregten Lochplatte starr bleiben soll. Die Lochplatte 12 ist durch Kleben, Löten oder Anschrauben an einem (nicht dargestellten) Halterahmen an der unteren Fläche des Verteileranschlusses 10 befestigt, so daß sie im wesentlichen starr so festgehalten wird, daß die Löcher 26 in Längsrichtung zur Lochplatte symmetrisch unterhalb der Längslinie der Kontaktflächen zwischen den Anregungsorganen 16 und der Druckplatte 14 liegen. Zur, Unterstützung des starren Festhaltens der Lochplatte im Bereich des Vorratsbehälters liegen die Innenwände des Verteileranschlusses bei ihrer Überschneidung mit der oberen Fläche der Lochplatte vorzugsweise um weniger als eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingungswellen. in der Lochplatte bei der maximalen Betriebsfrequenz auseinander; dies dient auch wieder dazu, die Ausbreitung von Störwellen in der Lochplatte auf ein Minimum herabzusetzen.

Im Betrieb werden alle Anregungsorgane 16 mit der gewünschten Frequenz zur Erzeugung einer gleichmässigen Folge von Tröpfchen aus den Löchern 26 aktiviert. Jedes

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Anregungsorgan wird durch elektrische Impulse aktiviert, die den beiden Wandlern 32 und 33 zugeführt werden. Die Wandler 32 und 33 üben auf die Befestigungsplatte 34 gleiche Kräfte aus, die das Masseglied 31 und das Kraft-Übertragungsglied 36 veranlassen, sich in entgegengesetzten Richtungen zu verschieben.

Im Betriebszustand befindet sich die Befestigungsplatte im wesentlichen an einem Knotenpunkt zwischen den Wandlern und 33, bei dem eine minimale Anregung der Befestigungsplatte erfolgt,Die» führt zu einer weiteren Verringerung der übertragung einer Störwellenbewegung von der Befestigungsplatte auf den Rahmen 45, der sonst Störwellen auf den Verteileranschluß 10 übertragen würde.

Wenn die Anregungsorgane 16 gleichzeitig periodisch aktiviert werden, zwingen sie die Kraftübertragungsglieder 36, die Druckplatte 14 in die in Fig.2 mit gestrichelten Linien angegebenen Positionen nach oben und nach unten zu biegen. Da die untere Fläche der Druckplatte 14 mit der oberen Fläche der Flüssigkeit im Vorratsbehälter in Kontakt .steht, verursacht sie die Ausbreitung von Druckwellen durch die Flüssigkeit im Vorratsbehälter, die auf die aus den Löchern ausgestossene Flüssigkeit übertragen werden, so daß die gewünschte Gleichmässlgkeit in den Strömungsfäden und den Tröpfchen erzeugt wird.

Eine gleichzeitige und mit gleicher Amplitude erfolgende Aktivierung aller Anregungsorgane längs der Druckplatte 1st dabei wichtig. Damit dies erreicht wird, werden die Anregungsorgane vorzugsweise außerhalb der Resonanz aktiviert,

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auch wenn eine Resonanzaktivierung wirksamer ist und besser erreicht werden könnte. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Resonanzfrequenzen der Wandler wahrscheinlich geringfügig verschieden sind, da die verschiedenen physikalischen Parameter eines zusammengesetzten Wandlers variieren.

Jedoch hängen sowohl die Amplitude als auch die Phase des Wandlers von der Frequenz ab. Wenn Wandler, die eine ähnliche, Jedoch nicht exakt gleiche Resonanzfrequenz haben, gleichzeitig mit einer gegebenen Frequenz, beispielsweise der Resonanzfrequenz eines der Wandler angesteuert werden, dann liefern die anderen Wandler in der Gruppe andere Amplituden an anderen Zeitpunkten als die bei der Resonanz angesteuerten Wandler. Die Größe der Unterschiede hängt von der Breite des Resonanzbandes ab; je schmaler das Band ist, desto größer sind die Differenzen.

Die Amplitude und die Phase werden jedoch relativ frequenzunabhängig, wenn ein Wandler außerhalb den Resonanz betrieben wird, so daß eine wesentlich gleichmässigere Phasenverteilung längs der Oberfläche der Druckplatte 14 erhalten werden kann, indem die Wandler über oder unter ihren Resonanzfrequenzen angesteuert werden. Bei diesen Frequenzen ergibt sich eine bessere Gleichmässigkelt in der abgegebenen Amplitude und Phase; die Energieverluste sind auf Grund der Ansteuerung der Wandler außerhalb der Resonanzfrequenz zwar ziemlich groß, doch kann dies durch eine vergrößerte Energiezufuhr kompensiert werden. Der sich aus der gleichmässigen und synchronen Kraft-Anlegung ergebende Vorteil rechtfertigt diesen höheren Energieverbrauch.

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Oa die Unterkanten der Kraftübertragungsglieder 36 und die obere Fläche der Druckplatte 14 miteinander in Berührung stehen und nicht dauerhaft mittels Verklebung oder dergleichen verbunden sind, was bei manchen bekannten Vorrichtungen der Fall ist, werden gewisse Vorteile erhalten. Da bei der Erzeugung von Klebstoffschichten zum Festkleben mehrerer Wandler an der Druckplatte keine Gleichmässigkeit vorhanden ist, ergibt die hier beschriebene Vorrichtung eine gleichmassigere Energieverteilung, da nur die Gleichmässigkeit der Berührungsflächen beteiligt ist. über längere Betriebszeitperioden kann entweder eine Verbindungsstelle oder ein Wandler ausfallen. Wenn der Wandler mit der Druckplatte verklebt ist, ist es äußerst schwierig und teuer, wenn nicht gar unmöglich, den Wandler auszutauschen. Die Möglichkeit, die Wandler der hier beschriebenen Vorrichtung relativ zueinander in Längsrichtung der Druckplatte zu bewegen, und die Möglichkeit zur Einstellung des Kopplungsdrucks gestattet eine Optimierung dieser relativen Positionen in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz· Diese Einstellung ist bei bekannten festgeklebten Wandlern nicht möglich.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem speziellen AusfUhrungsbeispiel beschrieben worden, doch ist für den Fachmann erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Änderungen möglich sind.

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfchenströme, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, eine einen Bodenabschnitt des Vorratsbehälters bildende Lochplatte, in der mehrere Löcher gebildet sind, durch die die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter ausgestossen werden kann, eine längliche Druckplatte, die ein dem Bodenabschnitt des Vorratsbehälters gegenüberliegendes Oberteil bildet, mehrere Druckplatten-Anregungsorgane, die mit einer Oberfläche der Druckplatte in Kontakt stehen, äie der mit der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, damit die Druckplatte quer zu ihrer Längsabmessung so gebogen wird, daß eine gleichmässige Druckstörung in der aus den Löchern austretenden Flüssigkeit verursacht wird, Halterungen zum Festhalten der Anregungsorgane über der Druckplatte und eine Anordnung zum gleichzeitigen wiederholten Aktivieren der Anregungsorgane zur Herbeiführung einer Folge von diesen Druckstörungen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anregungsorgan folgende Baueinheiten enthält: Zwei piezoelektrische Wandler, von denen jeweils einer auf einer Seite der Halterung in Eingriff mit gegenüberliegenden Flächen der Halterung angebracht ist, ein Masseglied, das an einem der Wandler auf der Seite angebracht ist, die der Halterung bezüglich der Druckplatte gegenüberliegt, und ein Kraftübertragungsglied, das auf den anderen Wandler auf der Seite einwirkt, die der Halterung gegenüberliegt, und das die obere Fläche der Druckplatte berührt.
3. Vorlichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Wandler uaddes Kraftübertragungsglieds, des Hasseglieds in Längsrichtung zur Druckplatte weniger als eine halbe Biege· Schwingungswellenlänge des Anregungsorgans bei der maximalen Betriebsfrequenz betragen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung eine zwischen den Wandlern mit diesen in Eingriff angebrachte Befestigungsplatte enthält, die eine Elektrode für die Wandler bildet, und daß die Halterung ferner federnde , elektrisch isolierende Befestigungsteile enthält, die zwischen der Befestigungsplatte und dem Vorratsbehälter so angebracht sind, daß das Anregungsorgan schwingungsmässig gegenüber dem Vorratsbehälter isoliert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsorgane der Druckplatte längs der Druckplattenoberfläche so angeordnet sind, daß sie symmetrisch zur Längsachse der Druckplatte liegen und einen Abstand voneinander haben, der weniger als eine Hälfte der Wellenlänge der Eigenschwingung der Druckplatte zwischen

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benachbarten Berührungsabschnitten der Anregungsorgane mit der Druckplatte beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Berührungsflächen der Anregungsorgane mit der Druckplatte in der die Längsachse der Oberfläche der Druckplatte enthaltenden Ebene liegen und senkrecht zu dieser Druckplattenoberfläche verlaufen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Endabschnitt der Druckplatte Dämpfungsglieder angebracht sind, die reflektierte Schwingungen von den Endabschnitten beträchtlich reduzieren.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsglieder jeweils aus einem federnden Teil bestehen, das eine der Oberflächen der Druckplatte berührt.

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