DE2548691A1

DE2548691A1 - Schaltungsanordnung zum ansteuern von schreibduesen in tintenmosaikschreibeinrichtungen

Info

Publication number: DE2548691A1
Application number: DE19752548691
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Kern
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-10-30
Filing date: 1975-10-30
Publication date: 1977-05-12
Also published as: FR2329445A1; JPS593272B2; JPS5256928A; GB1510091A; FR2329445B1; US4161670A; DE2548691B2; SE405423B; CA1080782A; NL7611908A; IT1072871B; DE2548691C3; SE7603630L

Description

Schaltungsanordnung zum Ansteuern von Schreibdüsen in Tintenmosaiks chreibeinrich tungen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern von Schreibdüsen in Tintenmosaikschreibe'inrichtuiigon unter Verwendung von röhrenförmigen, Schrcibflüssigkeit enthaltenden Antriebselementen aus polarisierter Keramik,, deren Durchmesser sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Polarisationsspannung verengt und bei anlegen einer elektrischen Spannung entgegen der Polarisationsspannung erweitert.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 144 392 ist eine gepulste Tropfenauswerfvorrichtung bekannt, die ein röhranfcrmiges piezoelektrisches Teil enthält, das sein inneres Volumen als Antwort auf elektrische Signale ändert und dabei in den röhrenförmigen Teil enthaltene Schreibflüssigkeit ausstößt. Dieser piezoelektrische Wandler wird derart angesteuert, daß er sich unter Ruhebedingungen in einem expandierten Status befindet. Die Polarität der angelegten Spannung ist dabei umgekehrt zu der ursprünglichen Polarisierungspolarität der Piezokeramik. Zum Ausstoßen von Schreibflüssigkeit wird über eine elektronische Schalteranordnung - in diesem Fall einen Schalttransistor - die angelegte Spannung kurzgeschlossen, worauf der Piezoübertrager durch plötzliche Kontraktion reagiert und eine kleine Menge von Flüssigkeit ausstößt. Nach Ausstoßen eines Tropfens wird der Übertrager wieder mit der ursprünglichen Spannung beaufschlagt und kehrt zu einem expandierten Status zurück.

Eine derartige Ansteuerung hat nur. den Nachteil, daß mit der Piezokeramik nur ein relativ kleiner Arbeitshub erzeugt werden kann, da wegen der der ursprünglichen Polarisationsspannung ent-

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gegengesetzten dauernd anliegenden Steuerspannung sonst die Gefahr des Depolarisieren der Keramik besteht.

Werden mit dieser Ansteuerung mehrere Düsen betrieben, so nuß für jede Schreibdüse eine gesonderte Spannungsquelle vorhanden sein, wobei es sehr aufwendig ist, derart hohe Spannungen zu schalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, für piezoelektrische Antriebselemente in Tintenstrahlmosaikschreibeinrichtungen eine Ansteueranordnung bereitzustellen, mit der es möglich ist, bei möglichst kleinen Ansteuerspannungen bei optimalem Wirkungsgrad einen maximalen Hub der Piezokeramik zu erzeugen. Bsi der Verwendung von mehreren Schreibdüsen soll die Ansteuerung derart ausgelegt sein, daß ein Kurzschluß einer Düse nicht zum Ausfall der anderen Düse führt. Außerdem soll aus Sicherheitsgründen während der Schreibpausen an den Schreibdüsen keine Spannung anliegen und die zum Schreiben verwendete Spannung ungefährlich sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Einleitung des Ausstoßvorganges der Tintentröpfchen über die Schaltungsanordnung die im Ruhezustand befindlichen Antriebselemente durch Anlegen einer der Polarisationsspannung entgegengerichteten Spannung erweitert und dieser erweiterte Zustand eine .definierte Zeit aufrechterhalten und daß zum Ausstoßen des Tintentröpfchens die Antriebselemente über die Schaltungsanordnung aus einem erweiterten, in einem verengten Zustand durch Polaritätswechsel einer den erweiterten Zustand hervorrufenden Steuerspannung gebracht werden.

Eine derartige Ansteuerung der Antriebselemente hat den großen Vorzug, daß damit ein sehr großer Hub bei relativ kleinen Spannungsänderungen am Keramikröhrchen erzeugt werden kann. So ist im Bereich des Nulldurchganges der Betriebsspannung die Volumenänderung des Keramikröhrchens am größten und damit auch die zu erreichende Geschwindigkeit der durch die Volumenänderungen hervorgerufenen Druckwelle in der Schreibflüssigkeit.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird außerdem eine Depolarisierung der Keramik durch überspannung nahezu ausgeschlossen, da

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im Ruhezustand der Keramik diese spannungsfrei ist, bzw. wie bei einer besonderen Ausführungsform mit einer Spannung beaufschlagt ist, die der Polarisationsspannung gleichgerichtet ist, was außerdem die Betriebssicherheit des Schreibkopfes erhöht.

Dadurch, daß das Keramikröhrchen zum Spritzen durch Anlegen einer Gegenspannung zunächst erweitert und dann durch Umpolen der Spannung verengt wird, wird außerdem die Tintenzufuhr aus einem Vorratsbehälter zu dem eigentlichen Spritzröhrchen bewerkstelligt: Beim Ausdehnen des Keramikröhrchens wird in der Tintenflüssigkeit ein Unterdruck erzeugt, durch den Tintenflüssigkeit in das Tintenröhrchen gesaugt wird. Die an der Austrittsöffnung des Tintenröhrchens, an der Grenzschicht zwischen Luft und Tintenflüssigkeit, wirkenden Kapillarkräfte verhindern, daß durch diese Austrittsöffnung Luft in die Schreibdüse dringt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jedem Antriebselement eine Spannungswandleranordnung zugeordnet, deren sekundärseitige Induktivität in Verbindung rnit der Kapazität des Antriebselements einen Schwingkreis bildet, der durch einen Widerstand und eine seriell dazu angeordnete Diode einseitig gedämpft ist. Dabei wird die Höhe der an den Antriebselementen anliegenden Steuerspannung durch Begrenzung des Primärstreuens in der Spannungswandleranordnung eingestellt.

Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erzeugt in einfacher und kostengünstiger Weise den zum Ansteuern der Keramikröhrchen erforderlichen Spannungsverlauf. Außerdem bricht die Ausgangsspannung bei Berührung auf einen ungefährlichen Wert zusammen und bei einem Kurzschluß ist durch die primärseitige Strombegrenzung keine Überlastung der Schaltung möglich. Die aus einem Widerstand und einer Diode bestehende Dämpfung wirkt einseitig und ergibt dadurch einen zum Betrieb der Keramik idealen Spannungsverlauf: Die negative Spannung stägt sehr langsam bis zum Erweitern des Röhrchens an, worauf ein schneller Übergang zur positiven Spannung zum Spritzen stattfindet und dann die Spannung langsam abklingt, bis sich das Röhrchen wieder im Ruhezustand befindet.

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Der beste Wirkungsgrad der Anordnung wird erzielt, wenn die Resonanzfrequenz des aus der Sekundärinduktivität der Spannungswandleranordnung und der Kapazität der Piezokeramik bestehenden elektrischen Schwingkreises gleich der Resonanzfrequenz der von dem Kerainikröhrchen umschlossenen Flüssigkeitssäule ist und die Dauer des primärseitigen Stromstoßes gleich der halben Periodenäauer dieser Resonanzfrequenz ist.

Werden gemäß einem Vorschlag mehrere Schreibdüsen zu einem Schreibkopf zusammengefaßt und diese Schreibdüsen über die erfindungsgemäße Anordnung angesteuert, so ist es in vorteilhafter Weise möglich/ sämtliche Schreibdüsen über nur eine Spannungsquelle/ d. h. über nur ein einfaches nichtstabilisiertes Netzgerät zu versorgen. Trotzdem führt ein Kurzschluß einer Düse durch die priraär-seitige Strombegrenzung nicht zum Ausfall des ganzen Schreibkopfes,

Ausfuhruixgsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine Schreibdüse, Figur 2 den Verlauf des Ansteuerimpulses für die erfindungs·- geinäße Schaltungsanordnung,

. Figur 3 den Spannungsverlauf an der Schreibdüse und Figur 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für mehrere Schreibdüsen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus Figur 1 wird durch TTL-Impulse 1, deren zeitlicher Verlauf in Figur 2 dargestellt ist, angesteuert. Diese TTL-Impulse werden über eine Treiberstufe 2 an die für die für die Schaltungsanordnung erforderlichen Spannungsverhältnisse angepaßt. Der Treiberstufe nachgeschaltet ist eine Verstärkerstufe, bestehend aus einem Darlxngtontransistor 3, der die-Primärwicklung eines Impulstrafos 4 ansteuert. Dieser Impulstrafo 4 entkoppelt die schematisch dargestellte Schreibdüse 5 von der Verstärkerstufe. Dabei bildet die Sekundärinduktivität des Impulstransfοrmators 4 zusammen mit der Kapazität des Piezokeramikröhrchens 5 einen Schwingkreis, der einseitig durch die Serienschaltung eines Widerstandes 6 mit einer Diode 7 bedampft

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isst. Die Spannungsversorgung der gesamten Schaltungsanordnung geschieht über eine gemeinsame Spannungsquelle 8.

Im einzelnen arbeitet die Schaltungsanordnung wie folgt: Durch einen von der Treiberstufe 2 angepaßten TTL-Ircpuls 1 der Breite wird der Dariingtontransistor 3 leitend. Durch den Koll-Jctorkreis und damit die Primärwicklung des Iirpulstrafos 4 fließt Strom, der in der Sekundärwicklung des Impuls bransforir.ators 4 einen Spannungsstoß induziert, der den aus der Sekundärinduktivität des Impulstransformators 4 und der Kapazität der Piezokeramik 5 gebildeten Schwingkreis anstößt, Beim Abschalten des Stromes am Ende 11 des TTL-Impulses wird eine Spannung in entgegengesetzter Richtung induziert. Dies geschieht zum Zeitpunkt des ersten Nulldurchganges 13 der Schwingung, womit eine reine, nur wenig gedämpfte Sinusschwingung entsteht, deren Amplitude von der Änderung des Priraärstroms und dem Übersetzungsverhältnis des Trafos 4 abhängt. Wie schon vorher beschrieben, ist diese Schwingung über den Widerstand 6 und die in Serie dazu geschaltete Diode 7 einseitig gedämpft, wodurch sich ein Spannungsverlauf an der Keramik entsprechend der Figur 3 ergibt.

Die Induktivität der Sekundärwicklung des Übertragers 4 wurde nun der Keramik 5 so angepaßt, daß sich für den Schwingkreis eine Eigenfrequenz von ungefähr 10 kHz ergibt, was einer Periodendauer T des abgestimmten Schwingkreises von ungefähr 60 ,us entspricht. Zur Erzeugung des optimalen Spannungsverlaufs an der Keramik 5 wird dieser Schwingkreis, wie schon beschrieben, durch einen pri-

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raärseitigen Stromstoß der Dauer ^- aus einer Zeit von ungefähr 30 ,us entspricht, angestoßen.

Die erforderlichen Arbeitsspannungen an den einzelnen Keramiken werden in den Schaltungsanordnungen durch Begrenzen des Primärstromes des Impulstransformators 4 eingestellt. Diese Begrenzung wird über den Darlingtontransistor 3 bewerkstelligt, und zwar begrenzt eine Diode 14 die Ausgangsspannung des Treibers 2 auf den an einem Spannungsteiler 15 eingestellten Wert. Die Steuerspannung des Darlingtontransistors 3 kann damit zwischen null und ungefähr acht Volt eingestellt werden, wobei beim Anliegen der Steuer-

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spannung der Transistor 3 leitend ist. Der Emitterstrom im Transistor kann jedoch nur soweit ansteigen,, bis der Spannungsabfall am Emitterwiderstand 16 und die Basis-Emitterspannung der am Spannungsteiler eingestellten Steuerspannung entspricht. Damit läßt sich der Priinärstrom im Impulstransformator 4 zwischen null und zwei Ampere einstellen, v/as Arbeitsspannungen von null bis etwa 800 V entspricht.

Der relativ hohe Spannungsabfall am Emitterwiderstand 16 bewirkt, daß der Prirnärstrom im Impulstransformator 4 nur wenig von der Basis-Emitterspannung des Darlingbontransistors 3 abhängt. Damit bleibt die Arbeitsspannung an der Keramik 5 bei TemperaturSchwankungen ausreichend konstant.

Eine dem Kollektor-Emitterkreis parallel geschaltete Zenerdiode wirkt als "Shunt", die die beim Abschalten der Primärinduktivität des Impulstransformators 4 entstehenden Spannungsstoße abfängt und den Darlingtontransistor 3 vor Spannungsschaden schützt.

Die dargestellte Schaltung der Figur 1 für eine Keramikdüse kann nun in einfacher Weise für einen Schreibkopf 18, der gemäß einem Vorschlag mehrere Schreibdüsen 5 enthält, erweitert werden. Dazu wird gemäß der Darstellung in Figur 4 jeder einzelnen Schreibdüse .eine derartige Schaltungsanordnung zugeordnet und die einzelnen Schreibdüsen in bekannter Weise ähnlich wie bei einem Mosaikdruckwerk über einen gemeinsamen Zeichengenerator 19 angesteuert.

Sämtliche Schreibdüsen können nun in vorteilhafter Weise über eine Spannungsquelle 8 versorgt werden. Durch die primärseitige Strombegrenzung in den einzelnen Spannungswandleranordnungen wird außer dem erreicht, daß bei einem Kurzschluß einer Düse nicht die ganze Anordnung ausfällt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den großen Vorzug", daß damit ein Spannungsverlauf an den Piezokeramikdüsen erzeugt werden kann, der den besten Wirkungsgrad der Keramik ausnützt, da die Volumenänderung des Keramikröhrchens 5 im Bereich des Nulldurchganges der Spannung am größten ist. Die der Polarisations-

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spannung der Keramik entgegenwirkende Spannung liegt nur kurzzeitig an; so ist ein Depolarisieren der Keramik nahezu ausgeschlossen. Außerdem ist durch das einfache Umpolen der Steuerspannung die gleiche Volumenänderung, wie beim Stand der Technik, bei nur halber Steuerspannung möglich. Die gesamte Anordnung ist berührungssicher, da die Ausgangsspannung an den
Schreibdüsen bei Berührung auf einen ungefährlichen Wert zusammenbricht und bei einem Kurzschluß bei einer einzelnen
Schreibdüse keine Überlastung der Schaltung möglich ist und
außerdem ein Ausfall einer Schreibdüse nicht zum gleichzeitigen Ausfall aller Schreibdüsen führt.

8 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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P atentan Sprüche

Schaltungsanordnung zum Ansteuern von Schreibdüsen in Tinteniriosaikschreibeinrichtungan unter Verwendung von röhrenförmigen, Schreib flüssigkeit enthaltenden Antriebselexaenten aus polarisierter Keramik/ deren Durchmesser sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Polarisationsspannung verengt und bei Anlegung einer elektrischen Spannung entgegen der Polarisationsspannung erweitert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Ausstoßvorganges der Tintentröpfchen die Schaltungsanordnung die im Ruhezustand befindlichen Antriebselemente (5) durch Anlegen einer der Polaris at ions spannung er±tgegengerichtoten Spanning erweitert und diesen erweiterten Zustand eine definierte Zeit aufrecht erhält und daß zum Ausstoßen von Tintentröpfchen die Antriebseieiren te (5) über die Schaltungsanordnung aus einem erweiterten in einen verengten Zustand durch Polaritätswechsel der den erweiterten Zustand hervorrufenden Steuerspannung gebracht werden.
2 Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, deiß die Antriebselemente (5) im Ruhezustand mit einer der Polarisationsspannung gleichgerichteten Spannung beaufschlagt v/erden.
3« Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet , daß jedem Antriebselement eine Spannur.gswandleranordnung (4) zugeordnet ist, deren sekundärseitige Induktivität in Verbindung mit der Kapazität des Äntriebselementes (5) einen Schwingkreis bildet.
4«. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (4, 5) gleich der Resonanzfrequenz der von dem Keramikröhrchen (5) umschlossenen Flüssigkeitssäule ist und daß die Dauer des primärseitigen Stromstoßes gleich der halben Periodendauer dieser Resonanzfrequenz ist.

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5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ■gekennzeichnet , daß der Schwingkreis durch einen Widerstand (6) und eine seriell dazu angeordnete Diode (7) einseitig gedämpft ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwingkreis mindestens während der Schreibpausen potentialfrei ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Höhe der an den Antriebselementen anliegenden Steuerspannung durch Begrenzung des Primärstromes in der Spannungswandleranordnung (4) einstellbar ist.
8. Anordnung nach einem der Anspräche 1 bis 7, dadurch gekennze ic h η e t , daß sämtliche Schreibdüsen (5) über eine gemeinsame Spannungsquelle (8) versorgt werden.

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