EP0128456B1

EP0128456B1 - Piezoelektrisch betriebener Schreibkopf

Info

Publication number: EP0128456B1
Application number: EP84106141A
Authority: EP
Inventors: Kenth Dipl.-Ing. Nilsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-06
Filing date: 1984-05-29
Publication date: 1988-12-07
Also published as: EP0128456A2; US4539575A; EP0128456A3; DE3320441A1; JPH0674337U; JP2548751Y2; JPS606469A; DE3475501D1

Description

Die Erfindung betrifft ein mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät gemäss dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruches 1. Ein derartiges Schreibgerät ist beispielsweise aus der DE-PS 25 27 647 bekannt. Dabei ist eine Platte mit konischen Düsen vorgesehen, an deren einer Seite stabförmige piezoelektrische Wandler liegen. Die Wandler sind als Biegeelemente ausgebildet und an beiden Enden über einen Steg verbunden. Bei der Excitation dieser stabförmigen Wandler heben diese zunächst quasi bogenförmig von der Düsenplatte ab, saugen die Tinte an und schlagen anschliessend zurück, wobei jeweils ein Tropfen durch die Düsen ausgestossen wird. Die Länge der Excitationsimpulse hängt von der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Wandler und von den Dämpfungseigenschaften des Systemes ab. Sie wird darüber hinaus wesentlich durch die Zeit bestimmt, die zum Füllen des Raumes zwischen Wandler und Düsenplatte mit Schreibflüssigkeit notwendig ist. Diese Füllzeit ist u.a. abhängig von der Viskosität und der Oberflächenspannung der Schreibflüssigkeit, die für eine elektrisch nicht leitende, nicht trocknende, nicht toxische gefärbte Schreibflüssigkeit nur begrenzt beeinflussbar sind. Gerade bei den beidseitig eingespannten Wandlern kann der Strömungswiderstand für das Auffüllen recht gross sein, so dass die Länge der Excitationspulse im wesentlichen von der Auffüllzeit abhängt.
Die JP-A-58-55253 beschreibt einen Tintenspritzkopf mit einer Tintenkammer und einem piezoelektrischen Wandler, an den in der Ansaugphase eine negative Spannung angelegt wird, die den Wandler in Bezug auf die Tintenkammer nach aussen ausbiegt und das Tintenkammervolumen vergrössert. In der Ausstossphase wird hingegen ein positiver Impuls an den Wandler angelegt, so dass derselbe in der entgegengesetzten Richtung ausgebogen wird und das Tintenkammervolumen verkleinert. In nicht erregtem, spannungslosen Zustand erstreckt sich der Wandler in einer Ebene.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schreibgerät der eingangs genannten Art die maximale Tropfenfrequenz zu erhöhen und gleichzeitig die Tropfenbildung und -geschwindigkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im nicht erregten Wandlerzustand der lineare Abstand der Verbindungspunkte der beiden Enden jeden Wandlers mit der Platte kleiner ist als die Länge des dazwischen liegenden stabförmigen Wandlers. Die Wandler liegen daher in Ruhelage zwischen den Befestigungspunkten bogenförmig über der Düsenplatte. Das hat den Vorteil, dass sich Schreibflüssigkeit im nicht erregten Wandlerzustand ständig unter den einzelnen Wandlerelementen befindet. Zum Ausstossen eines Tropfens wird eine derartige Spannung an die Kontaktierung des entsprechenden piezoelektrischen Wandlers gelegt, die eine Verkürzung des Stabes bewirkt. Der Wandler legt sich dabei plan gegen die Düsenplatte. Unmittelbar nach der Excitation kehrt der Wandler in seine gebogene Ausgangslage zurück, so dass die gesamte Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Excitationen zum Auffüllen mit Schreibflüssigkeit zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es nicht zu einer kritischen Überexcitation kommen kann, da der stabförmige Wandler nie mehr als plan werden kann. Bei einer zu grossen Spannung kann lediglich die Düsenplatte etwas beansprucht und unter Umständen die Tropfengeschwindigkeit etwas erhöht werden. Durch die Unempfindlichkeit gegenüber diesen Überexcitationen ist die Möglichkeit gegeben, alle Wandler mit Spannungsimpulsen gleicher Amplitude zu betreiben.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das schnelle Zurückkehren in die gebogene Ausgangslage unmittelbar nach der Excitation ein Abschnüren des Tropfen möglich ist. Auf diese Art und Weise wird verhindert, dass der ausgestossene Tropfen unnötig durch einen Flüssigkeitsfaden, der den Tropfen mit der Flüssigkeit in der Schreibdüse verbindet, gebremst wird, bevor der Tropfen sich davon löst. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Auftreten sog. Satellittropfen zu verhindern. Insgesamt wird dadurch eine merkliche Verbesserung des Schriftbildes ermöglicht.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die piezoelektrischen Wandler aus einem Laminat aus piezoelektrischer Keramik und Metall bestehen, wobei die Metallschicht den Düsen zugewandt ist. Diese Metallschicht erhöht die mechanische Stabilität der einzelnen stabförmigen Wandler. Darüber hinaus bewirkt sie bei der vorliegenden Erfindung jedoch noch einen zusätzlichen Effekt. Wie bereits ausgeführt, wird zur Excitation eine derartige Spannung an die Kontaktierung des Wandlers gelegt, dass dieser sich verkürzt und damit plan gegen die Düsenplatte zu liegen kommt. Bei Wegnahme der Spannung könnte es bei allein aus Piezokeramik bestehenden Wandlern ungünstigenfalles dazu führen, dass der Wandler nicht in seine gebogene Ruhelage zurückkehrt. Durch die zusätzliche Metallschicht wird dies sicher verhindert. Bei der Excitation tritt keine aktive Längenänderung in der Metallschicht auf, so dass diese beim Anliegen des Wandlers an der Düsenplatte unter mechanischer Spannung steht, die den Wandler nach Wegnahme der elektrischen Spannung sofort wieder in die gebogene Lage zurückführt. Vorteilhafterweise kann dazu die Dicke der Metallschicht kleiner sein als die der Piezokeramik.
Um die starre Verbindung der Wandlerenden mit der Düsenplatte weiter zu vereinfachen, ist vorgesehen, dass sich die Metallschicht an beiden Enden über die Piezokeramik hinaus erstreckt und der Wandler in diesen Bereichen mit der Düsenplatte verbunden ist. Eine einfache und sichere Verbindung ergibt sich dabei durch Schweissen.
Ein einfaches Verfahren zum Anbringen der Wandler auf der Düsenplatte besteht darin, dass zunächst quer über die Düsen ein Distanzstück gelegt wird, über das die Wandlerstäbe vor dem Verbinden mit der Düsenplatte gebogen werden und dass nach dem Verbinden das Distanzstück entfernt wird. Als Distanzstück kann ein fester Faden oder Draht verwendet werden. Durch das Distanzstück ist sichergestellt, dass die Wandler in Bereich der Düse in Ruhelage alle den gleichen Abstand von der Düsenplatte haben. Selbst wenn die Länge der einzelnen Wandlerstäbe gewissen Schwankungen unterliegen sollte, wird durch dieses Verbindungsverfahren, bei dem der Abstand jedes Wandlerendes von der Düsenplatte festliegt und weiterhin die seitlichen Fixierungspunkte festliegen, bei allen Wandlern die gleiche Bogenlänge und damit gleiches eingeschlossenes Flüssigkeitsvolumen erreicht.
Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Wandler die Möglichkeit, herstellungstechnisch einfach ein robustes Schreibgerät mit praktisch beliebiger Schreibbreite herzustellen. Geht man beispielsweise davon aus, dass eine bestimmte Anzahl von stabförmigen Wandlern jeweils derart zu einem Segment zusammengefasst sind, dass die Wandler an beiden Enden über einen Steg miteinander verbunden sind, so brauchen nur eine der gewünschten Schreibbreite entsprechende Anzahl derartiger Segmente nebeneinander auf der Düsenplatte fixiert zu werden.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemässe Wandlerausbildung eine Reihe von Vorteilen auch gegenüber den bekannten Flüssigkeitsstrahlschreibern mit stabförmigen und nur einseitig eingespannten Wandlern aufweist. Bei diesen muss das Verhältnis zwischen der seitlichen Biegefestigkeit und der in Auslenkungsrichtung grösser sein, wodurch eine dünnere und damit empfindlichere Keramik notwendig ist, die eine höhere Qualität der Keramik und eine sorgfältigere Bearbeitung erforderlich macht. Ausserdem treten bei den einseitig befestigten stabförmigen Wandlern eine Reihe von Befestigungsproblemen auf, die unter Umständen eine Armierung der stabförmigen Wandler notwendig machen und darüber hinaus ganz allgemein sehr viel höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Befestigung stellen.
Weiterhin drückt der einseitig eingespannte Wandler bei der Excitation eine grosse Menge Schreibflüssigkeit zwischen dem Wandler und der Platte in Längsrichtung des Wandlers und nicht senkrecht dazu durch die Düse. Diese zusätzliche Arbeit, die der Wandler auf diese Art leistet, wird nicht ausgenutzt. Auch die Wandler gemäss der vorliegenden Erfindung drücken Schreibflüssigkeit von den beiden Befestigungspunkten in Richtung auf die Mitte des Wandlers. Diese beiden Schreibflüssigkeitswellen sind jedoch gegeneinander gerichtet und treffen in der Mitte, d.h. im Bereich der Düse zusammen, aus der sie dann letztendlich herausgedrückt werden. Das bedeutet aber, dass der erfindungsgemässe Wandler ein effektiverer «Tropfengenerator» ist als der bekannte einseitig eingespannte Wandler. Der erfindungsgemässe Flüssigkeitsstrahlschreiber hat damit einen besseren elektro-mechanischen Wirkungsgrad und kann mit einer geringeren elektrischen Spannung betrieben werden, wodurch der gesamte Energieverbrauch weiterhin abgesenkt werden kann.
Anhand von vier Figuren werden im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 im Schnitt eine Seitenansicht durch die Düsenplatte mit den erfindungsgemässen stabförmigen Wandlern,
Fig. 2 eine Variante der Wandlerbefestigung wiederum im Schnitt und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Düsenplatte gemäss Fig. 2 und
Fig. 4 eine schematische Gesamtansicht eines Schreibgerätes.

Aus der Fig. 4 ist der äussere Prinzipaufbau des Schreibgerätes ersichtlich. Über die Transportrollen 1 und 2 wird der Aufzeichnungsträger (normales Registrierpapier) 3 in Richtung des Pfeiles 4 über den Abstandshalter 5 an der Stirnseite 6 des Gehäuses 7 vorbeigezogen. In das Gehäuse 7 ist die Anschlussleitung 8 geführt, die an ihrem freien Ende mit einem Stecker 9 versehen ist zum Anschluss an ein entsprechendes Steuergerät, das die Steuersignale für die Aufzeichnung der gewünschten Verläufe, Zeichen oder Bilder liefert. Die Stirnseite 6 des Gehäuses 7 enthält die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Düsenplatte, wobei die in einer Reihe angeordneten Düsen quer zur Papiertransportvorrichtung, nach Möglichkeit über die gesamte Papierbreite angeordnet sind. Ebenso ist es auch denkbar, eine oder mehrere in Papiertransportrichtung liegende Düsenreihen nebeneinander anzuordnen und diese wie bei einem Printer quer zur Papiertransportrichtung zu verschieben.
Fig. 1 zeigt nun einen Schnitt durch eine Düsenplatte 10 mit den erfindungsgemässen stabförmigen Wandlern 11. Die Düsenplatte 10 enthält konisch verlaufende Düsen 12. Über jeder Düse ist ein Wandler 11 angeordnet. Gemäss Fig. 1 besteht der Wandler aus bilaminarem Material aus piezoelektrischer Keramik 13 und Metall 14, z.B. Nikkel. Die Dicke der Nickelschicht 14 ist dabei wesentlich geringer als die Dicke des piezoelektrischen Materiales. Ausserdem erstreckt sich die Nickelschicht 14 über die Enden der piezoelektrischen Schicht 13 hinaus. In diesen überragenden Bereichen ist die Nickelschicht durch Schweissen starr mit der Düsenplatte 10 verbunden.
Wie dieser Figur zu entnehmen ist, ist der Wandler dabei etwa bogenförmig gewölbt. Der Abstand zwischen den Verbindungspunkten kann beispielsweise 5 mm betragen. Der maximale Abstand des Wandlers 11 von der Düsenplatte 10 soll beispielsweise 30 J.1m betragen. Die notwendige Länge des Wandlers im nicht erregten Zustand braucht daher nur geringfügig grösser zu sein als der Abstand zwischen den Einspannpunkten. Bei dem gewählten Beispiel beträgt die Länge des Wandlers zwischen den Einspannpunkten ca. 5.001 mm.
Auf die Darstellung der Kontaktierung des Wandlers ist in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet worden. Wird jedoch an die Kontaktierung eine Spannung angelegt, so verkürzt sich der Wandler und geht in die gestrichelt eingezeichnete gestreckte Lage über. Dabei wird die sich zwischen Wandler 11 und Düsenplatte 10 befindende Schreibflüssigkeit durch die Düse 12 ausgestossen.
Fig. 2 zeigt ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel. Der einzige Unterschied besteht in der Verbindung der Wandlerenden mit der Düsenplatte. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Düsenplatte 20 mit einer Nut 21 versehen, in die die Enden der gebogenen Wandler 22 eingreifen. Die Länge der Metallschicht ist dabei gleich der des piezoelektrischen Materiales. Über eine Klammer 27, 28 und Schrauben 29 werden die Wandlerenden in die Nut 21 gepresst. In Fig. 2 ist gleichzeitig angedeutet, wie die Wandler an der Düsenplatte 20 befestigt werden. Dazu ist ein steifer Faden 23 als Distanzstück vorgesehen, der senkrecht zu den Wandlern quer über die Düsenplatte genau im Bereich der Düsen gespannt wird. Die Wandlerelemente werden dann über diesen Faden 23 gelegt und die Enden in Richtung auf die Düsenplatte 20 abgebogen und mit der Düsenplatte verbunden. Anschliessend wird der Faden 23 seitlich herausgezogen. Damit ist sichergestellt, dass sämtliche Wandler 22 in Ruhelage den gleichen Mittenabstand von der Düse haben.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht einer Düsenplatte mit Wandlern gemäss Fig. 2. Wie man dieser Figur entnehmen kann, sind die Wandler 22 an ihren beiden Enden jeweils über einen Steg 25 bzw. 26 miteinander verbunden. Das vereinfacht die Herstellung eines derartigen Wandlersegmentes mit einer Vielzahl parallel liegender Wandler erheblich. Aus einem scheibenförmigen Laminat werden durch Einsägen von gleichlangen Schlitzen die genau parallel zueinander liegenden stabförmigen Wandler 22 erzeugt. Nachdem die Wandler in gebogenem Zustand mit ihren Endstegen 25, 26 in die Nut 21 eingelegt sind, werden sie mittels zweier Klammern 27 bzw. 28, die in diesem Ausführungsbeispiel mit vier Schrauben 29 an der Düsenplatte befestigt werden, in dieser Lage fixiert.
Im Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 3 ist nur ein Segment mit einer relativ geringen Anzahl von Düsen und darüber liegenden Wandlern dargestellt. Durch Aneinandersetzen derartiger Segmente kann die Schreibbreite auf ein gewünschtes Mass eingestellt werden.

Claims

1. Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoger Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wobei zum Schreiben der einzelnen Punkte in einer Platte reihenweise angeordnete Düsen vorhanden sind, die sich durch die Platte erstrecken und über deren Eintrittsöffnungen an der einen Plattenseite parallel zueinander liegende, derart kontaktierte stabförmige, an beiden Enden starr an der Plattenseite befestigte piezoelektrische Wandler angeordnet sind, dass bei elektrischen Spannungsänderungen an der Kontaktierung durch die erzeugte piezoelektrische Bewegung Schreibflüssigkeit aus der Düse herausgestossen und auf einen vor der Austrittsöffnung der Düsen angeordneten Aufzeichnungsträger aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im nicht erregten Wandlerzustand der lineare Abstand der Verbindungspunkte der beiden Enden jeden Wandlers (11; 22) mit der Platte (10; 20) kleiner ist als die Länge des dazwischen liegenden stabförmigen Wandlers (11; 22).

2. Schreibgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (11) aus einem Laminat aus Piezokeramik (13) und Metall (14) bestehen, wobei die Metallschicht (14) den Düsen (12) zugewandt ist.

3. Schreibgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallschicht (14) kleiner ist als die der Piezokeramik (13).

4. Schreibgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Metallschicht (14) an beiden Enden über die Piezokeramik (13) hinaus erstreckt und der Wandler (11) in diesen Bereichen starr mit der Platte (10) verbunden ist.

5. Verfahren zum Verbinden der Wandler mit der Düsenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass quer über die Düsen (24) ein Distanzstück (23) gelegt wird, über das die Wandlerstäbe (22) vor dem Verbinden mit der Platte (20) gebogen werden und dass das Distanzstück (23) anschliessend entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Distanzstück (23) ein fester Faden oder Draht verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerenden durch Schweissen mit der Platte verbunden werden.