DE2527647B2

DE2527647B2 - Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät

Info

Publication number: DE2527647B2
Application number: DE2527647A
Authority: DE
Inventors: Rune Dr.Med. Bromma Elmqvist (Schweden)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1980-11-20
Also published as: IT1081206B; JPS608953B2; FR2314832B1; FR2314832A1; SE7602525L; SE408285B; US4072959A; JPS524835A; DE2527647C3; DE2527647A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoge ■- Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wie es im Oberbegriff der

'■■> Ansprüche 1 oder 6 angegeben ist

Ein solches Schreibgerät ist aus der US-PS 32 11 088 bekannt In dieser Patentschrift ist auch die Frage behandelt, wie der Abstand der in einer Reihe angeordneten Düsen voneinander verringert werden kann, um eine größere Schreibdichte zu erreichen. Dazu wurde vorgeschlagen, die Eintrittsflächen der als Exponentialhörner ausgebildeten Düsen gestaffelt anzuordnen. Der Düsenabstand kann aber auch bei gestaffelter Anordnung der Düseneintrittsöffnungen nicht geringer gemacht werden, als es die körperliche Ausdehnung der einzelnen piezoelektrischen Wandler erlaubt Bei Verwendung von einzelnen klotzartigen Wandlern oder von einzelnen dicken Scheibenwandlern müssen diese zur Erzielung ausreichender Ausschläge

^J0 der Stirnflächcu der Wandler relativ großflächig gemacht werden. Daraus ergibt sich ein verhältnismäßig großer Abstand der einzelnen Düsen voneinander. Außerdem ist die Halterung der Einzelschwinger schwierig, insbesondere dann, wenn enge Düsenabstän de eingehalten werden sollen und die Wandler dazu gestaffelt anzuordnen sind.

Durch die DE-PS 22 56 667 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Druckimpulsen mit einer Druckplatte, in der eine Anzahl von Flüssigkeilskanilen angeordnet ist, bekannt. Jedem Flüssigkeitskanal ist eine Flüssigkeitskanmer zugeordnet, die durch eine einstückige Abdeckplatte, die für jede Flüssigkeitskammer eine Membran aufweist, begrenzt ist. Die Abdeckplatte ist mit einer einstückigen Piezokeramikplatte verbunden,

^v> welche im Bereich der einzelnen Flüssigkeitskammern Erhebungen für Elektroden aufweist. Hier je· also zwischen der Flüssigkeit und einem piezoelektrischen Element eine Membran angeordnet, die die Formveränderung des piezoelektrischen Elements in Form einer Membranbewegung überträgt. Die Piezokeramikplatte und die Abdeckplatte sind mit der Druckplatte veibunden. Der Querschnitt der einzelnen Elektroden für die piezoelektrischen Elemente und damit der einzelnen Piezoelemente selbst muß groß sein, damit genügend große Stoßamplituden erzeugt werden können. Dies verhindert eine enge Anordnung der Düsen nebeneinander.

Weiterhin ist aus der DE-AS 12 67 241 ein Nadeldrukker bekannt, bei dem blattförmige piezoelektrische Wandler großer Masse zum Erzeugen der Antriebsbewegung für die Schreibstifte vorgesehen sind. Die blattförmigen Wandler sind an den den Schreibstiften abgewandten Enden zusammen mit Abstands- und Isolierstücken «owie Kontaktblättchen zu einem massi-

^hr> ven Halteblock verschraubt.

Es ist Aufgabe dur vorliegenden Erfindung, bei einem mit Flüssigkeitströpfchen arbeitenden Schreibgerät, wie es im Oberbegriff der Ansprüche I oder 6 angegeben ist,

Mittel anzugeben, mit denen ausreichend große Antriebsbewegungen für das Ausstoßen der Schreibflüssigkeit erzielt werden können und bei deren Anwendung trotzdem die Möglichkeit sehr enger Anordnung der Düsen nebeneinander gegeben ist

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil vies Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die erfindungsgemäße Ausbildung bewirkt daß aufgrund der Längenausdehnung der Stäbe genügend große Stoßamplituden bei relativ geringem Querschnitt erzeugt werden können, so daß — wegen des geringen Querschnittes — eine besonders enge Anordnung der einzelnen Düsen nebeneinander ermöglicht ist Wegen der zur Verfügung stehenden großen Stoßamplituden kann auch darauf verzichtet werden, die Düsen hornförmig auszubilden, wodurch sich die relativ großen Eintrittsquerschnitte vermeiden lassen, die sonst einer engen Anordnung der Düsen nebeneinander im Wege stehen.

Darüber hinaus stellt der die stabförmigen piezoelektrischen Wandler an ihren den Düsen abgewandten Enden verbindende Steg eine einfache und mechanisch stabile Halterung dar, die eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Stäbe verhindert Der Steg bietet außerdem die Möglichkeit einer einfachen Kontaktierung aller Stäbe.

Die Anordnung der Stäbe in Längsrichtung der Düsenöffnung bringt den Vorteil mit sich, daß die gesamte Anordnung in einem einfach und leicht herstellbaren, sehr flachen Behälter untergebrach*, werden kann.

Vorteilhaft ist es, die Stäbe als Biegeschwinger auszubilden, weil dann die freien Enden der Stäbe größere Schwingungsamplituden (Stoßamplituden) ausführen, so daß mit noch geringeren Eintiittsqiierschnitten der Düsen gearbeitet werden kann als bei Verwendung von in Längsrichtung stoßenden Stäben. Dadurch wird eine noch engere Anordnung der Düsen nebeneinander ermöglicht. In der Praxis hat sich gezeigt, daß Biegeschwinger wesentlich bruchunempfindlicher sind als in Längsrichtung stoßende Stäbe, so daß eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit erreicht werden konnte.

Als besonders betriebssicher haben sich bilaminare Biegeschwinger erwiesen, bei denen Piezokeramik mit Metall kombiniert ist, das etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik besitzt

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls durch die in kennzeichnenden Teil des Anspruches 6 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die dort verwendete Halterung der Stäbe an ihren beiden Enden und die Anordnung der Düsen im Bereich der Stabmitte wird eine besonders gute mechanische Stabilität erreicht.

Das Herausarbeiten der stabiörmigen Wandler aus einem Stück kann durch Einsägen von parallelen Schlitzen in das volle Materialstück bewirkt werden.

Bei einer praktischen Ausfiihrungsform konnte ein Düsenabstand (von Mitte zu Mitte) von weniger als 0,3 mm bei einem Durchmesser der Düseneintrittsöffnung von 0.15 mm erreicht werden. Die Stablänge betrug dabei 8 mm und die höchste Tropffrequenz pro Düse 3000/sec. Bei kürzeren Stablängen können höhere Frequenzen erreicht werden.

Nachfolgend werden anhand von 9 Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig.! eine schematische Ansicht des Schreibgerätes,

F i g. 2 einen Kamm aus piezoelektrischem Material mit den zugeordneten Austrittsdüsen für Schreibflüssigkeit, teils im Schnitt, teils in Ansicht,

Fig.3 einen Schnitt gemäß Schnittlinie IH-IH von Fig.2,

Fig.4 die Seitenansicht eines als Biegeschwinger arbeitenden piezoelektrischen Stabes,

Fig.5 die Draufsicht auf einen Piezokamm mit Stäben nach F i g. 4,

F i g. 6 eine Variante der Ausbildung des Stabes nach Fig. 4,

Fig.7 ein Kontaktiemngsbeispiel an einem Kamm der Art von F i g. 2,

Fig.8 eine Variante mit Piezo-Doppelkamm in Draufsicht,

F i g. 9 die Variante gemäß F i g. 8 in Seitenansicht

Aus Fig. 1 ist der äußere Prinzipaufbau des Gerätes ersichtlich. Ober die Transportrollen 1 und 2 wird der Aufzeichnungsträger (normales logistrierpapier) 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 — deren Längsausdehnung in F i g. 1 in horizontaler Richtung verläuft und in Fig.2 (der besseren Darstellbarkeit wegen) vertikal verlaufend gezeichnet ist — enthält in einer Reihe nebeneinander angeordnete Löcher 10, deren Durchmesser etwa C,15 mm beträgt oder noch kleiner gewählt werden kann und die als Düsen für die im Gehäuse vorhandene Schreibflüssigkeit 11 (Fig.6) dienen. Die papierseitige Öffnung der Löcher ist mit 12 und die fiüssigkeitsseitige Öffnung mit 13 bezeichnet Außer der Schreibflüssigkeit 11, die zweckmäßigerweise elektrisch nichtleitend ist, sind im Gehäuse 7 Stäbe 14 aus piezoelektrischem Material vorhanden, die derart kontaktiert und angeordnet sind, daß sie bei entsprechender elektrischer Ansteuerung Schreibflüssigkeit in Form einss Tröpfchens aus der Düse spritzen. Bei der Ausfiihrungsform nach F i g. 2 (und F i g. 3) sind die Stäbe im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet; sie sind parallel zueinander nach Art der Zinken eines Kammes angeordnet, wobei der freien Stirnseite 15 jeder Zinke 14 ein Loch 10 zugeordnet ist. Die Zuordnung ist derart gewählt, daß die Lochlängsrichtung und die Längsrichtung der jeweils zugeordneten Zinke zusammenfallen. Der Abstand der Stirnseite 15 von der flüssigkeitssei'igen Öffnung 13 des entsprechenden Loches 10 beträgt dabei wc .liger als etwa 0,1 mm. Die den Löchern abgewandten Zinkenenden gehen in den quer verlaufenden Kammrücken 16 über. Dieser Kammrücken Kann so breit ausgebildet sein, daß die elektrischen Zuleitungen zu den Kontaktierungen auf den einzelnen Zinken in herkömmlicher oder gedruckter Form auf dem Kammrücken untergebracht werden können. In F i g. 7 sind die gedruckten Zuleitungen mit 17 und die Verbindungsleitungen ZL den Kortaktflächen auf den Zinken mit 18 bezeichnet.

Die Kontaktierung der Zinken ist so vorgenommen, daß die eine, untenliegende (nicht sichtbare) Fläche des Kammes (in Fig. 7) eine gemeinsame Kontaktierungsfläche aufweist, während die gegenüberliegende (sichtbare Fläche) einzeln kontaktiert ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Kontaktseiten

einer Z.nke wird diese zu einer piezoelektrischen Bewegung (Längenänderung) angeregt, die bei der Ausführungsform nach den F i g. 2,3 und 7 Stoßamplituden zur Austreibung von Schreibflüssigkeit aus den Düsen führen. Bei den Ausführungsformen nach F i g. 4, 5,6 und 8 werden dagegen Biegeschwingungen erzeugt. Dazu ist der aus den Zinken 14 und dem Kammrücken 16 bestehende Piezokamm parallel zur Ebene der Stirnseite 6 des Gehäuses 7 angeordnet (Lage und Ausbildung des Gehäuses weichen dann entsprechend von der Darstellung nach Fig. 1 ab). Der freie Endbereich der einzelnen Stäbe (Zinken) 14 befindet sich wiederum vor den einzelnen Löchern der Lochreihe, jedoch nicht in Längsrichtung vor den Stäben, sondern quer dazu. Der Kammrürken 16 ist mit dem Befestigungsschraubsatz 19 auf der die Lochreihe aufnehmenden Gehäusestirnseite 6 angeschraubt. Bei Anlegen von elektrischer Spannung an die Kontaktierungen eines Stabes bewegt er sich in die in Fig.4 gestrichelt dargestellte Position; bei kurzer Unterbrechung der angelegten Spannung schnellt er zurück in die nichtgebogene mit durchgezogenen Linien gezeichnete Stellung und drückt dabei einen Tropfen Schreibflüssigkeit durch die Düse 10. Die verwendeten Biegeschwinger sind bilaminar ausgebildet, wobei Metall und Piezokeramik (mit etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten) kombiniert sind. In den F i g. 4 bis 6 ist der Metallteil des bilaminaren Schwingers mit 20 und der keramische Teil mit 21 bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist gemäß Fig.6 das Anbringen eines Stoßklötzchens 22 aus Metall (Rechteckquerschnitt, Kantenlänge 0,3 mm) zur Verbesserung der Stoßcharakterimik in einfacher Weise möglich. Zum Abstandsausgleich für das Klötzchen ist dann zwischen der Gehäusestirnfläche 6 und de^r Schraubbefestigung 19

ι das Abstandsstück 23 vorgesehen.

Aus den F i g. 6 und 7 geht hervor, daß die Löcher 10 konusformig in der Weise ausgebildet sein können, daß sich der Querschnitt zur Austrittsöffnung für die Schreibflüssigkeit hin verjüngt.

in Die I- ig.8 zeigt eine Ausbildung der Stäbe, bei der die Stäbe 14a an ihren beiden Enden (in Längsrichtung der St;abe gesehen) in je einen Kammrücken 16a. 16b übergehen. Bei Spannungsänderungen an den elektrischen IContaktierungen (entsprechend Fig. 7) führen

ΙΊ die Zinken in der Mitte zwischen den beiden Kammrücken maximale Biegeschwingungsamplituden aus, so daß an dieser Stelle die Düsen 10 so angeordnet sind, daß ihre Längsrichtung senkrecht auf der Kammebene im Bereich der genannten maximalen Schwingungsamplitude liegt. Selbstverständlich ist auch bei dieser Variante die Ausbildung, Lage und Anordnung des Gehäuses 7 entsprechend abweichend von der Darstellung nach F i g. I zu gestalten.

Bei der Ausführung nach Fig. 8 ist als »freier

.'-, Endbereich der Stäbe« also der mittlere Bereich zwischen den beiden Kammstegen 16a und 166 zu verstehen (so, als ob die einzelnen Zinken in der Mitte zwischen den Karnmstegen getrennt wären). Die Längsachsen der Löcher 10 sind mit 24 und die

«ι Längsachsen der Stäbe mit 25 bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit FlOssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoger Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wobei zum Schreiben der einzelnen Punkte reihenweise angeordnete Düsen vorhanden sind, vor denen eine gleiche Anzahl parallel zueinander liegender derart kontaktierter piezoelektrischer Wandler so angeordnet ist, daß der freie Endbereich jedes piezoelektrischen Wiindlers der Eintrittsöffnung einer Düse zugeordnet ist und bei elektrischen Spannungsänderungen an der Kontaktierung durch die erzeugten piezoelektrischen Bewegungen Schreibflüssigkeit aus der Düse herausgestoßen und auf einem vor der Austrittsöffnung der Düsen angeordneten Aufzeichnungsträger aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (14) stabförmig ausgebildet und ?-3 aus einem Stück herausgearbeitet sind, daß die den Düsen abgewandten Endbereiche der nebeneinander liegenden piezoelektrischen Wandler (14) über einen Steg (16) zusammenhängen.

2. Schreibgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe mit ihren freien Stirnflächen (15) derart vor den Eintrittsc-ffnungen (13) der Düsen angeordnet sind, daß die Längsachsen der Stäbe (14) und die Längsachsen der Düsen (10) fluchten, wobei die Kontaktierung der Stäbe derart vorgenommen ist. daß Spannungsänderungen an der Kontaktierung eine Längenänderung des Stabes bewirken.

3. Schreibgerät nech Ansnich 1, dadurch gekennzeichnet, daß die S'äbe derart ausgebildet und kontaktiert sind, daß sie- bei foannungsänderungen an der Kontaktierung sich quer zu ihrer Längsausdehnung biegen (Fig.4) und daß die Stäbe derart von den ihnen zugeordneten Düsen angeordnet sind, daß ihre Biegeebene in der Längsrichtung (24) der Düsen verläuft und sich die: Längsachsen (24) der einzelnen Düsen mit den Längsachsen (23) der ihr.an zugeordneten Stäbe etwa unter einem rechten Winkel schneiden.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe aus bilaminarem Material gefertigt sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bilaminare Material aus Piezokeramik (21) und Metall (20) kombiniert ist, wobei die Keramik und das Meta!) etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

6. Mit Flüssigkeitströpfchtm arbeitendes Schreibgerät zur punktweisen Aufzeichnung analoger Verläufe oder alphanumerischer Zeichen sowie von Bildern, wobei zum Schreiben der einzelnen Punkte reihenweise angeordnete Düsen vorhanden sind, vor denen eine gleiche Anzahl parallel zueinander liegender derart kontaktierter piezoelektrischer Wandler so angeordnet ist, c'aß der Eintrittsöffnung jeder Düse ein piezoelektrischer Wandler zugeordnet ist und bei elektrischen Spannungsänderungen an der Kontaktierung durch die erzeugten piezoelektrischen Bewegungen Schreibflüssigkeit aus der Düse herausgestoßen und auf einem vor der Aiistrittsöffnung der Düsen sngeordneten Aufzeichnungsträger aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (14a,/ stabförmig ausgebildet und so aus einem Stück herausgearbeitet sind, daß dc beiden Endbereiche der nebeneinander liegenden piezoelektrischen Wandler (14a; über je einen Steg (16a, i6b) zusammenhängen.

7. Gerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (14,14a; 20,21) durch Einsägen von Schlitzen gebildet werden.