DE2537767B1 - Piezoelektrisches Antriebselement fuer Schreibduesen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Antriebselcment für Schreibdüsen insbesondere in Tintenmosaik-Schreibeinrichtungen, bei denen eine in einer von dem Antriebselement zylinderformig umfaßten Kompressionskammer enthaltene Schreibflüssigkeit durch piezoelektrische Einschnürung des Antriebselements tröpfchenförmig ausgestoßen wird.

Die Nutzung des Piezoeffektes zum Antrieb von Schreibdüsen ist seit längerem bekannt. So wird in der DT-OS 24 05 584 ein Impulströpfcheninjektionssystem beschrieben, bei dem ein mit Schreibflüssigkeit gefülltes Glasröhrchen von einem piezoelektrischen Wandler umgeben ist, der sich im Takte eines Generators einschnürt und dadurch ein tröpfchenweises Ausstoßen der Schreibflüssigkeit hervorruft.

Beim Einspannen derartiger Schreibröhrchen in Haltevorrichtungen, bei denen die Haltevorrichtung mit der daran befestigten Außenelektrode den gesamten elektromechanischen Wandler fest umfaßt, darf auch eine durch die Einschnürung des Wandlers hervorgerufene Veränderung des Außendurchmessers nicht zu einer Lockerung des Schreibröhrchens in der Haltevorrichtung führen. Eine derartige Lockerung würde sich automatisch in einer Verschlechterung der Schriftgüte bemerkbar machen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für Schreibdüsen zylinderförmige piezoelektrische Antriebselemente bereitzustellen, bei denen sich durch maximale Verengung des Innendurchmessers bei minimaler Änderung des Außendurchmessers möglichst hoher Druck in der Schreibflüssigkeit erzeugen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Antriebselement so dimensioniert wird, daß der Quotient aus Wandstärke und dem arithmetischen Mittel aus Innen- und Außendurchmesser der Poissonschen Zahl des verwendeten piezoelektrischen Werkstoffes entspricht.

Durch eine derartige Dimensionierung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß sich bei maximaler Verengung des Innendurchmessers des piezoelektrischen Antriebsmittels der Außendurchmesser überhaupt nicht verändert. Damit wird die gesamte Formänderung des Antriebselementes zur Druckerzeugung benutzt. Bei fester Verbindung des Antriebselements mit einer Haltevorrichtung können sich zwischen dem Antriebselement und der Haltevorrichtung keine mechanischen Spannungen bilden, die bei lang andauerndem Betrieb zu einer Lockerung der gesamten Schreibdüse in der Halterung führen würden.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beispielsweise näher bechrieben. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des zylinderförmigen piezoelektrischen Antriebselements.

Wird über eine hier nicht dargestellte Schaltungsanordnung zwischen die äußeren und inneren Mantelflächen des als piezoelektrisches Antriebselement dienenden Keramikrohres 1 ein elektrisches Feld angelegt, so hat dies eine Änderung der Wandstärke d und damit verbunden über die Querkontraktion auch eine Änderung des mittleren Umfangs 2 π · Rm und der Länge L zur Folge. Dabei wird bei isotropen Materialien die relative Änderung der Querdimension im Verhältnis zur relativen Längenänderung durch die Poisson-Zahl μ beschrieben. Sie hat einen materialabhängigen Wert von 0 bis maximal 0,5.

Legt man nun an das dargestellte Keramikrohr ein radial wirkendes Feld an, so verursacht dieses Feld in dem Keramikrohr eine mechanische Spannungar, die in radialer Richtung wirkt. Die dadurch hervorgerufene Formänderung des Keramikrohrs läßt sich nach Einnahme der Gleichgewichtslage durch folgende drei Gleichungen beschreiben: Die neuen Abmessungen sind dabei durch ' gekennzeichnet. E bedeutet das Elastizitätsmodul.

Da das Keramikrohr den tintengefüllten Hohlraum umschließt und damit eine Änderung des Innenradius Ri das Volumen des Hohlraums verändert, ist für die Erzeugung von Tintentröpfchen allein diese Änderung des Innenradius Ri von Wichtigkeit. Sie läßt sich durch folgende Gleichungen beschreiben:

Ri' = Rm' — d'/2 = Rm (ΐ — μ-=τ\ — d/2 I 1 + -^rJ,
Ri' -Ri= -?£-faRm + d/2).

Analog dazu gelten für die Änderung des Außenradius Ra des Keramikrohres folgende Gleichungen:

tH. (S)

L- (Wf

Rm' =(ΐ-μ^

Ra'-Ra= - %■ (ji Rm - d/2).

JtL

Soll nun wie vorgesehen die Schreibdüse in Kunststoffeingegossen werden, so würde sich eine Änderung des Außenradius Ra schädlich auswirken. Aus Gleichung 5 ist nun zu ersehen, daß man durch geeignete Wahl der Abmessungen des Keramikrohres eine Veränderung des Außendurchmessers 2 Ra beim Anlegen

eines elektrischen Feldes verhindern kann: Bei angenommenem unveränderlichem Außenradius Ra gilt

-d/2 =

oder umgeformt

2Rm

= μ.

Drückt man in dieser Formel den mittleren Radius Rm und die Wandstärke d durch den Innenradius Ri und den Außenradius Ra aus, so ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen der Poisson-Zahl und den Radien des Keramikrohres

Ra - Ri _

Ra + Ri~ ^μ-

Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß, wenn man das Keramikrohr so dimensioniert, daß der Quotient aus Wandstärke d und dem arithmetischen Mittel aus Innen- und Außendurchmesser 2 Ri, 2 Ra der Poissonschen Zahl μ des Keramikmaterials entspricht, sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Innen- und Außenfläche der Außendurchmesser 2 Ra nicht ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Piezoelektrisches Antriebselement für Schreibdüsen insbesondere in Tintenmosaikschreibeinrichtungen, bei denen eine in einer von dem Antriebselement zylinderformig umfaßten Kompressionskammer enthaltene Schreibflüssigkeit durch piezoelektrische Einschnürung des Antriebselements tröpfchenförmig ausgestoßen wird, da- durch gekennzeichnet, daß das Antriebselement so dimensioniert wird, daß der Quotient aus Wandstärke (d) und dem arithmetischen Mittel aus Innen- und Außendurchmesser (2 Ri, 2 Ra) der Poissonschen Zahl (μ) des verwendeten piezoelektrischen Werkstoffes entspricht.