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Verfahren zum Betätigen von piezoelektrisch betriebenen
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Druckelementen in Schreibköpfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betätigen von piezoelektrisch betriebenen Druckelementen in Schreibköpfen für
Fern- oder Datenschreibmaschinen, bei denen stabförmige, mit Elektroden versehene
Antriebselemente elastisch an einer ortsfesten Masse anliegen und sich nach Beaufschlagen
der Elektroden mit durch eine Ansteueranordnung hervorgerufsaa elektrischen Spannungsimpulsen
als Ganzes von der ortsfesten Masse abstoßen und infolge ihrer Massenträgheit auf
einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck hervorrufen unter VeriYendung einer den
Aufprall des piezoelektrischen Antriebselements elektrisch registrierenden Meßschaltung.
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Aus der Dt,PS 23 44 065 ist eine Anordnung zum Betätigen von punkterzeugenden
Druckelementen in einem Mosaikdruckkopf bekannt. Bei dieser Anordnung wird das von
einem piezoelektrischen Wandler beschleunigte, wn der Abdruckstellung in die Ausgangslage
zurückkehrende, punkterzeugende Druckelement von dem durch entsprechende Ansteuerung
sich verkürzenden piezoelektrischen Wandler abgefangen. Das Auftreffen des punkterzeugenden
Druckelements auf den piezoelektrischen Wandler wird über eine Meßschaltung registriert
und damit der piezoelektrische Wandler angesteuert.
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Außerdem ist aus der amerikanischen Patentschrift 3,473,466 eine piezoelektrisch
betriebene Druckvorrichtung bekannt, bei der das piezoelektrische Wandlerelement
elastisch an einer ortsfesten Rastwand anliegt und sich nach Beaufschlagen der Elektroden
mit durch eine Ansteueranordnung hervorgerufene Spannungsimpulse als Ganzes von
der ortsfesten Masse abstößt und infolge seiner Massenträgheit auf einem Aufzeichnungsträger
einen Abdruck dadurch hervorruft, daß es den Aufzeichnungsträger gegen eine Typenwalze
drückt.
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Piezoelektrisch betriebene Druckelemente haben allgemein den Nachteil,
daß die mit ihnen zu erzielende Abdruckkraft relativ gering ist und stark von der
Masse des Druckelementes abhängt. Vergrößert man zB. die Masse des Druckelements,
um die Andruckkraft zu erhöhen, so verringert sich damit zwangsläufig die (Flug-)Geschwindigkeit
und damit die Druckfrequenz.
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Die Größe und die geometrischen Ausmaße der verwendeten Druckelemente
werden bei der Anordnung der Druckelemente innerhalb von Mosaikdruckköpfen außerdem
durch die Druckteilung beschränkt.
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Bei allen vorstehend genannten Druckverfahren, bei denen entweder
die Abdruckorgane in freiem Flug gegen die Abdruckstelle geschleudert werden oder
aber sich das Druckelement selber von einer ortsfesten Masse anstößt, besteht eine
wesentliche Schwierigkeit darin, die Druckelemente möglichst schnell wieder in ihre
Ausgangslage prellfrei zurückzufuhren. Irgendwelche während des Druckvorganges ablaufende
Schwingungen oder Prellungen würden unvermittelt zu einer Verlängerung der einzelnen
Druckphase führen und damit die gesamte Schreibgeschwindigkeit herabsetzen. Um derartigen
Prellvorgängen zu begegnen, ist deshalb eine
besonders exakte Ansteuerung
der einzelnen Druckelemente notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betätigen von piezoelektrisch
betriebenen Druckelementen bereitzustellen, das es möglich macht, piezoelektrisch
betriebene Druckelemente exakt anzusteuern und damit eine hohe Druckgeschwindigkeit
bei gleicezeitiger hoher Abdruckkraft zu erzielen Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß über die Ansteueranordnung nach einem dem Quotienten aus der
Länge des Antriebselements und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der durch den Aufprall
auf den Aufzeichnungsträger in dem Antriebselement induzierten Stoßwelle entsprechenden
Laufzeit der Stoßwelle durch das Antriebselement ein erneuter elektrischer Spannungsimpuls
ausgelöst wird, der das Antriebselement in Rückkehrrichtung beschleunigt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsfprm der Erfindung wird
bei der Rückkehr des Antriebselements in die Ausgangslage über die Ansteueranordnung
nach einem der Laufzeit der Stoßwelle durch das Antriebselement entsprechenden Zeit
raum nach den ersten von der Meßschaltung registrierten Berührungskontakten mit
der ortsfesten Masse ein der Polarität des elektrischen Antriebsimpulses entgegengerichteter,
die mechanische Spannung im Druckelement kompensierender, elektrischer Spannungsimpuls
ausgelöst. Während der Flugphase des Antriebselements bis zur Rückkehr in die Ausgangslage
wird das Antriebselement dabei über die Ansteueranordnung im verlängerten Zustand
gehalten.
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Bei einer Betätigung der piezoelektrisch betriebenen Druckelemente
in Schreibköpfen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei maximaler
Andruckkraft des Druckelements
am Aufzeichnungsträger eine außerordentlich
hohe Schreibgeschwindigkeit erzielt. Irgendwelche die Druckfrequenz verringernde
Prellvorgänge innerhalb des Druckelements werden vollständig ausgeschaltet.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines piezoelektrisch betriebenen Druckelements
während der verschiedenen Verfahrensschritte und Figur 2 eine Darstellung des Spannungsverlaufs
an den piezoelektrisch betriebenen Druckelementen während der einzelnen Verfahrensschritte.
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Ein piezoelektrisches Antriebselement E für einen hier nicht dargestellten
Mosaikdruckkopf ist als Lamelle mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet und wird
über zwei Ansteuerelektroden angesteuert. Die Ansteuerung selber erfolgt dabei über
eine Schaltungsanordnung entsprechend der Schältungsanordnung aus der Dt PS 23 44
065, die eine zeitgenaue Ansteuerung der Elektroden durch Anlegen eines elektrischen
Feldes ermöglicht.
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Im folgenden wird anhand der Figuren 1 und 2 der zeitllche Ablauf
eines Abdruckes mit Hilfe des piezoelektrischen Antriebselementes und des zugehörigen
Spannungsverlaufs beschrieen.
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Zum Zeitpunkt 0 liegt das stabförmige piezoelektrische Druckelement
unter der Wirkung einer hier nicht dargestellten Feder elastisch an einer ortsfesten
Masse M, zB. an einer Schiene des Schreibkopfes an. Zur Einleitung des Druck vorganges
wird mit Hilfe der Ansteueranordnung an das piezoelektrische Druckelement eine sich
sprungartig ändernde
Spannung angelegt, die derart gepolt ist, daß
sich der Elektrodenabstand des piezoelektrischen Druckelements verkleinert und damit
das Druckelement eine Längsausdehnung erfährt.
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Durch diese sprunghafte Längsausdehnung (in der Zeichnung zum Zeitpunkt
0 geqtrichelt dargestellt) schnellt sich das Druckelement von der Masse M ab und
bewegt sich auf den Aufzeichnungsträger A zu. Nach Abschnellen von der Masse M wird
während der Flugphase (Zeitpunkt 1) durch sprungartige Rückschaltung des elektrischen
Feldes auf das Ausgangsniveau wieder die ursprüngliche Gleichgewichtslage des Druckelements
erreicht. Nach einer bestimmten Flugzeit trifft das Druckelement zum. Zeitpunkt
2 mit seiner Vorderkante auf den Aufzeichnungsträger A auf. Hervorgerufen durch
den Aufprall bewegt sich von der Aufprallfläche ausgehend eine Stoßwelle mit Schallge
schwindi gkeii; durch das Druckelement hindurch und erreicht nach einer Laufzeit,
die dem Quotienten aus der Länge des Druckelements und der Schallgeschwindigkeit
entspricht, den hinteren Teil des Druckelements. Zu diesem Zeitpunkt hat die Stoßwelle
das gesamte Druckelement durchlaufen und die mechanische Spannung im Druckelement
erreicht ein Maximum.
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Innerhalb der Ansteueranordnung ist nun eine Meßschaltung vorgesehen,
die den durch den Aufprall des Druckelements auf den Aufzeichnungsträger in dem
Druckelement durch die mechanische Verzerrung ausgelösten Spannungsimpuls registriert
und einem Schwellwertverstärker zuführt, der nach Überschreiten eines einstellbaren
Wertes eine erneute Spannungsänderung auslöst. Diese Spannungsänderung an den Ansteuerelektroden
wird nach einem der Laufzeit der Stoßwelle entsprechenden Zeitraum nach dem ersten
Berührungskontakt des Druckelements mit dem Aufzeichnungsträger A ausgelöst, einem
Zeitpunkt also, bei dem entsprechend dem Zeitpunkt 3 die mechanische Spannung im
Druckelement ein Maximum erreicht. Das Druckelement stößt sich nun sowohl unter
der Wirkung der mechanischen Spannung im Druckelement als auch durch die durch elek-
trische
Spannungsänderung hervorgerufene Verlängerung des Druckelementes von dem Aufzeichnungsträger
A ab und bewegt sich wieder in seine Ausgangslage zurück.
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Dadurch, daß das Druckelement beim Aufprall auf den Aufzeichnungsträger
A durch Beaufschlagen mit einem sich sprunghaft ändernden elektrischen Feld zusätzlich
noch in Hückkehrrichtung beschleunigt wird, erreicht man eine wesentlich erhöhte
zuerhöhte Andruckkraft am Aufzeichnungsträger.
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Außerdem wird durch die zusätzliche Beschleunigung das Druckelement
wesentlich schneller in die Ausgangslage zurückbewegt.
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Während des Zurückschnellens des Druckelements vom Aufzeichnungsträger
A zurück an die Masse M zum Zeitpunkt 4 wird über die Ansteueranordnung dle Spannung
am Druckelement konstant gehalten, so daß sich das Druckelement während der Flugphase
(4) in einem verlängerten Zustand befindet.
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Analog zum Aufprall des Druckelements auf den Aufzeichnungsträger
wird nun beim Aufprall des Druckelements auf die Masse M zum Zeitpunkt 5 im Druckelement
eine Stoßwelle ausgelöst, die das Druckelement in einer Zeit, die dem Quotienten
aus der Länge des Druckelements und der Schallgeschwindigkeit entspricht, durchläuft.
Das Auftreten der StoBwelle ruft an den Ansteuerelektroden des Druckelements einen
Spannungsimpuls hervor, der von der elektrischen Meßschaltung registriert wird.
Nach einer der Laufzeit entsprechenden Zeit wird nun über die Ansteueranordnung
die an den Ansteuerelektroden anliegende Spannung wiederum sprunghaft auf ihr ursprüngliches
Potential zurückgeschaltet.
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Zum Zeitpunkt 6, also nach einem der Laufzeit der Stoßwel-
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entsprechenden Zeitraum nach dem ersten Berührungskontakt des Druckelements mit
der Masse M erreicht die mechanische Spannung im Druckelement ihr Maximum. Würde
man zu diesem Zeitpunkt das elektrische Feld an den Steuerelektroden nicht ändern,
so würde sich das Druckelement unter Wirkung dieser mechanischen Spannung wiederum
von der Masse M unkontrolliert abschnellen. Wird nun - wie im Zeitpunkt 6 gestrichelt
dargestellt - zu diesem Zeitpunkt durch sprungartiges Rückschalten des elektrischen
Feldes diese mechanische Spannung im Druckelement kompensiert, so wird dem Druckelement
die zum Abschnellen notwendige Energie entzogen und das Druckelement legt sich schwingungsfrei
an die Masse M an. Damit kann es zum Zeitpunkt 7 erneut entsprechend dem Zeitpunkt
0 betätigt werden.
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Durch das vorstehend beschriebene Ansteuerverfahren werden während
des Druckvorganges auftretende Prellungen oder Schwingungen im Druckelement unterbunden
und damit die mit dem Druckelement erzielbare Druckfreauenz erhöht. Durch das erneute
Ansteuern des Druckelements beim Auftreffen auf den Aufzeichnungsträger erhöht sich
außerdem die Abdruckkraft.
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Bei der Rückkehr in die Ausgangslage koniften die Druckelemente innerhalb
von 0,2ms beruhigt und erneut abgeschnellt werden 3 Patentansprüche 2 Figuren
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