DE2910078C2 - - Google Patents
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Description
Diese Erfindung betrifft eine Schreibspitzenanordnung für einen Tintenstrahlschreiber mit einer länglichen Glasdüse, deren eines Ende eine enge Düsenöffnung zum Ausstoß von Tintentröpfchen bildet, mit einem den Tintenausstoß bewirkenden, rohrförmigen piezo-elektrischen Keramikelement, dessen Innen- und Außenfläche mit Elektroden versehen ist, das einen länglichen Abschnitt der Glasdüse umgibt, und mit einem Verankerungsmittel im Zwischenraum zwischen Düsenaußenfläche und der Innenfläche des piezo-elektrischen Keramikelementes zur Befestigung der Glasdüse und um mechanische Verformungen des piezo-elektrischen Keramikelementes als Druckimpuls auf die in der Glasdüse befindliche Flüssigkeit zu übertragen.This invention relates to a stylus arrangement for an inkjet pen with an elongated glass nozzle, one end of which has a narrow nozzle opening for ejecting ink droplets with an ink ejection effect tubular piezoelectric ceramic element whose The inside and outside surface is provided with electrodes that surrounds an elongated portion of the glass nozzle, and with a Anchoring means in the space between the outer surface of the nozzle and the inner surface of the piezoelectric ceramic element for fastening the glass nozzle and for mechanical deformations of the piezoelectric ceramic element as a pressure pulse to transfer the liquid in the glass nozzle.
Eine Schreibspitzenanordnung dieser Art ist aus der DE-OS 24 05 584 bekannt. Bei der bekannten Schreibspitzenanordnung sind die Elektroden bereits vor dem Einbauzustand an der Innen- und Außenseite des rohrförmigen piezo-elektrischen Keramikelementes fest angebracht. Als Verankerungsmittel im Zwischenraum zwischen Düsenaußenfläche und der Innenfläche des Keramikelementes dient ein Epoxydharz. Eine Druckimpulsübertragung erfolgt vom piezo-elektrischen Keramikelement über dessen Innenelektrode und das Epoxydharz auf die Glasdüse. Nach längerer Betriebsdauer können sich die Übertragungseigenschaften dieses Übertragungspfades verändern. Es müssen zunehmend höhere Betriebsspannungen vorgesehen werden; häufig sinkt trotzdem die Frequenz, mit welcher die Flüssigkeitströpfchen aus der Glasdüse ausgestoßen werden.A writing tip arrangement of this type is from DE-OS 24 05 584 known. In the known tip arrangement the electrodes are already on the Inside and outside of the tubular piezo-electric Ceramic element firmly attached. As an anchor in the Space between the outer surface of the nozzle and the inner surface of the An epoxy resin is used for the ceramic element. A pressure pulse transmission takes place from the piezo-electric ceramic element its inner electrode and the epoxy resin on the glass nozzle. After a long period of operation, the transmission properties may change change this transmission path. It has to be increasing higher operating voltages are provided; often drops nevertheless the frequency with which the liquid droplets be expelled from the glass nozzle.
Die DE-OS 25 54 499 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Tintentröpfchen mit Hilfe eines rohrförmigen, piezo-elektrischen Keramikelementes, das ein die Tinte führendes Rohr umgibt. An der Innenfläche und an der Außenfläche des Keramikelementes befindet sich ein als Elektrode dienender elektrisch leitender Überzug aus beispielsweise Nickel oder Silber. Um einen festen Sitz zwischen Keramikelement und Rohr zu gewährleisten, kann eine Lötverbindung zwischen Rohr und Keramikelement vorgesehen werden.DE-OS 25 54 499 discloses a method for producing Ink droplets using a tubular, piezo-electric Ceramic element that surrounds a tube carrying the ink. On the inner surface and on the outer surface of the ceramic element is an electrical serving as an electrode conductive coating made of nickel or silver, for example. Around to ensure a firm fit between the ceramic element and the pipe, can create a soldered connection between the tube and the ceramic element be provided.
In dem DE-Fachbuch "Piezoxide-Wandler" der Firma VALVO (Ausgabe Dezember 1968, S. 20, 21, 114, 115) wird u. a. das Verkleben und Verlöten von Piezoxide-Bauelementen angesprochen. Das Klebemittel (beispielsweise Ein- oder Zweikomponentenkleber auf Kunstharzbasis) oder das Lötmittel (beispielsweise Lötzinn 60/40, silberhaltiges Lötzinn, Newton-Legierung zum Verlöten größerer Flächen) wird in jedem Falle auf den Elektroden aufgebracht, die vorher am piezo-elektrischen Element angebracht und befestigt worden sind.In the DE specialist book "Piezoxide converter" by VALVO (edition December 1968, pp. 20, 21, 114, 115) is u. a. the gluing and soldering of piezo oxide components. The adhesive (for example one or two component adhesive resin-based) or the solder (for example 60/40 solder, silver-containing solder, Newton alloy for Soldering larger areas) is always on the electrodes applied, previously attached to the piezoelectric element and have been attached.
Unabhängig davon sind in anderen Bereichen der Technik niedrig schmelzende Lötmittel bekannt. Das GB-Fachbuch "Smithells Metals Reference Book" (Butterworth & Co., 6. Aufl. 1983, S. 34-7 und 34-8) gibt die Zusammensetzung beispielhafter wismuthfreier und wismuthhaltiger Lötmittel an. Weiterhin ist bekannt (vgl. DE-Fachbuch "Technologie der Maschinenbaustoffe", Hirzel Verlag Stuttgart, 18. Aufl., 1977, S. 180), daß sich Wismuth beim Erstarren um ca. 1,1% linear ausdehnt und typischerweise als Bestandteil von Legierungen und Loten mit niedrigstem Schmelzpunkt eingesetzt wird. Diese Angaben und Kenntnisse stehen nicht im Zusammenhang mit einer Schreibspitzenanordnung der hier betrachteten Art.Regardless, in other areas of technology are low melting solder known. The GB specialist book "Smithells Metals Reference Book "(Butterworth & Co., 6th ed. 1983, pp. 34-7 and 34-8) gives the composition of exemplary bismuth-free and bismuth solder. It is also known (cf. DE specialist book "Technologie der Maschinenbaustoffe", Hirzel Verlag Stuttgart, 18th ed., 1977, p. 180) that Wismuth at Solidify linearly by about 1.1% and typically as Part of alloys and solders with the lowest melting point is used. This information and knowledge are available not in connection with a stylus arrangement of the considered here.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Schreibspitzenanordnung der eingangs genannten Art den Aufbau zu vereinfachen und die Druckimpulsübertragung vom rohrförmigen piezo-elektrischen Keramikelement auf die Glasdüse zu verbessern. Insbesondere soll eine Schreibspitzenanordnung dieser Art bereitgestellt werden, welche über lange Betriebszeiten mit einer Treiberspannung kleiner 40 Volt betrieben werden kann und dennoch mit einer Frequenz von mehr als 6 kHz oszilliert, ohne daß die Treiberspannung nachgestellt werden muß.The object of the present invention is to a writing tip arrangement of the type mentioned To simplify construction and the pressure pulse transmission from tubular piezoelectric ceramic element on the Improve glass nozzle. In particular, a writing tip arrangement is intended of this kind are provided, which over long operating times with a driver voltage smaller 40 volts can be operated and still with a Frequency of more than 6 kHz oscillates without the driver voltage must be adjusted.
Ausgehend von einer Schreibspitzenanordnung mit den oben angegebenen Merkmalen ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß das Verankerungsmittel eine wismuthhaltige Legierung ist, die unterhalb 149°C schmilzt und sich bei der Verfestigung wenigstens geringfügig ausdehnt und die die innere Elektrode des piezo-elektrischen Keramikelements bildet.Starting from a stylus arrangement with the above Features specified is the solution of this invention Task characterized in that the anchoring means is a bismuth alloy that is below 149 ° C melts and at least when it solidifies slightly expands and the inner electrode of the forms piezo-electric ceramic elements.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schreibspitzenanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the invention Writing tip arrangement result from the subclaims.
So kann die wismuthhaltige Legierung vorzugsweise als weitere Legierungsbestandteile Blei, Zinn, Kadmium und/oder Indium enthalten.The bismuth-containing alloy can preferably be used as another Alloy components lead, tin, cadmium and / or Contain indium.
Eine besonders bevorzugte wismuthhaltige Legierung kann einen Schmelzpunkt von etwa 70°C aufweisen.A particularly preferred alloy containing bismuth can have a melting point of about 70 ° C.
In den Zwischenraum zwischen Innenfläche des rohrförmigen piezo-elektrischen Keramikelements und der Außenfläche der Glasdüse kann vorzugsweise ein Band aus einer Kupferlegierung eingesetzt sein.In the space between the inner surface of the tubular piezoelectric ceramic elements and the outer surface of the Glass nozzle can preferably be a band made of a copper alloy be used.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Verankerungsmittel besei tigt die auf das Aushärten von Epoxydharz zurückführbaren Langzeitänderungen des Betriebsverhaltens der bekannten Schreibspitzenanordnung. Weil sich das wismuthhaltige Verankerungsmaterial beim Übergang in die feste Phase geringfügig ausdehnt, wird eine starke Verbindung der Düse mit dem piezo-elektrischen Element erzielt, die eine maximale Druckimpulsübertragung gewährleistet. Eine tatsächliche, unmittelbare Haftung des Verankerungsmaterials an diesen Bauteilen ist nicht länger erforderlich. Das erstarrte Verankerungsmittel dient gleichzeitig als Elektrode, so daß die Aufbringung von zusätzlichem Elektrodenmaterial, das typischerweise eine andere Zusammensetzung aufweist, auf der Innenfläche des rohrförmigen, piezo-elektrischen Keramikelementes nicht länger erforderlich ist. Die Zahl der Materialschichten im Zwischenraum zwischen Keramikelement und Glasdüse und die an solchen Materialgrenzflächen auftretenden Dämpfungsvorgänge werden vermindert. Der zur Herstellung der Schreibspitzenanordnung erforderliche Arbeitsaufwand wird verringert. Die erfindungsgemäßen Schreibspitzenanordnungen weisen eine erhöhte Zuverlässigkeit auf.The anchoring means provided according to the invention that can be traced back to the curing of epoxy resin Long-term changes in the operating behavior of the known Nib arrangement. Because the bismuth-containing anchoring material slightly during the transition to the solid phase expands, a strong connection of the nozzle with the piezoelectric element achieved a maximum Pressure pulse transmission guaranteed. An actual, direct liability of the anchoring material to this Components are no longer required. That froze Anchoring means also serves as an electrode, so that the application of additional electrode material that typically has a different composition the inner surface of the tubular, piezo-electric ceramic element is no longer required. The number of Material layers in the space between the ceramic element and glass nozzle and those occurring at such material interfaces Damping processes are reduced. The one for manufacturing the required amount of work is reduced. The stylus arrangements according to the invention have increased reliability.
Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand bevorzugter und alternativer Ausführungsformen mit Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 erläutert; es zeigtThe invention is explained in more detail below on the basis of preferred and alternative embodiments with reference to FIGS. 1 to 3; it shows
Fig. 1 in vergrößerter Darstellung eine erfindungsgemäße Schreibspitzenanordnung Fig. 1 in an enlarged view of a writing tip arrangement according to the invention
Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreibspitzenanordnung; und Fig. 2 shows an alternative embodiment of a writing tip arrangement according to the invention; and
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung den Zusammenbau einzelner Bauteile der erfindungsgemäßen Schreibspitzenanordnung. Fig. 3 shows a schematic representation of the assembly of individual components of the writing tip arrangement according to the invention.
Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung bevorzugter Ausführungen der Erfindung, ohne diese einzuschränken. Mit den Fig. 1 und 2 sind Schreibspitzenanordnungen dargestellt, die jeweils eine Glastintendüse A und ein rohrförmiges, piezo-elektrisches Keramikelement B aufweisen, welche wirksam über ein Verankerungsmittel C miteinander verbunden sind. The drawings serve to explain preferred embodiments of the invention without restricting it. With Figs. 1 and 2 nib arrangements are shown, each having a Glastintendüse A and a tubular piezoelectric ceramic element B, which are operatively connected to each other through an anchoring means C.
Mit Fig. 1 ist in einer vergrößerten Querschnittsdarstellung eine Schreibspitzenanordnung 10 detaillierter dargestellt. Die Anordnung 10 weist eine übliche Tintendüse A auf, deren eines Ende 50 kegelförmig zusammenläuft, um einen Auslaßbereich mit der Auslaßöffnung 24 zu bilden; das untere Ende bildet den Einlaßbereich 16, dem Tinte aus der Tintenleitung 18 zuführbar ist.With Fig. 1 in an enlarged cross-sectional view of a writing tip assembly 10 is shown in more detail. The arrangement 10 has a conventional ink nozzle A , one end 50 of which converges in a conical shape to form an outlet region with the outlet opening 24 ; the lower end forms the inlet region 16 , to which ink can be fed from the ink line 18 .
Obwohl das mit Fig. 1 dargestellte piezo-elektrische Keramikelement zylinderförmig ausgebildet ist, und eine zylindrische Tintendüse umgibt, könnten auch andere Formen vorgesehen werden, soweit das zweckmäßig ist. Das piezo-elektrische Element B weist eine Außenfläche 52 auf, die sich zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen 54 und 56 erstreckt. Durch das piezo-elektrische Element erstreckt sich in Längsrichtung von einer Stirnfläche 54 zur anderen Stirnfläche 56 eine Bohrung oder ein Durchlaß 58 mit der Innenfläche 60.Although the piezoelectric ceramic element shown in FIG. 1 is cylindrical and surrounds a cylindrical ink nozzle, other shapes could also be provided, as far as this is expedient. The piezoelectric element B has an outer surface 52 which extends between the opposite end surfaces 54 and 56 . A bore or passage 58 with the inner surface 60 extends through the piezoelectric element in the longitudinal direction from one end face 54 to the other end face 56 .
Lediglich zum Zwecke der Erläuterung sei angegeben, daß ein übliches, beispielhaftes rohrförmiges piezo-elektrisches Keramikelement eine Länge von angenähert 12,7 mm zwischen den Stirnflächen 54 und 56 sowie einen Durchmesser im Bereich von 1,5 bis 3,0 mm aufweist. Ein übliche Glastintendüse B hat eine größere Länge als das dazu gehörende piezo-elektrische Element, um die Befestigung an der Tintenzuführung in einem Tintenstrahlschreiber zu erleichtern. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand 60 und der Düsenaußenwand beträgt gewöhnlich 0,025 bis 0,038 mm.For the purpose of explanation only, it should be stated that a conventional, exemplary tubular piezoelectric ceramic element has a length of approximately 12.7 mm between the end faces 54 and 56 and a diameter in the range from 1.5 to 3.0 mm. A conventional glass ink nozzle B has a greater length than the associated piezoelectric element in order to facilitate attachment to the ink supply in an ink jet pen. The gap between the inner wall 60 and the nozzle outer wall is usually 0.025 to 0.038 mm.
Das Befestigungsmittel C besteht erfindungsgemäß aus einer hochelastischen (high modulus), elektrisch leitenden wismuthhaltigen Legierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb 149°C, die sich bei ihrer Verfestigung wenigstens geringfügig ausdehnt. Diese Legierung füllt den engen Zwischenraum zwischen der Außenfläche der Düse B und der Innenwand 60 des rohrförmigen Durchlasses 58 aus. Zum Zwecke der besseren Darstellung ist dieser Zwischenraum in den Zeichnungen übertrieben groß dargestellt. Die Legierung füllt den Zwischenraum mit einer Dünnschicht 62 aus und bildet an dem zur Auslaßöffnung benachbarten Ende einen Wulst 64 sowie an dem zur Tintenzuführung benachbarten Ende einen Wulst 66. Das Verankerungsmittel übt zwei Funktionen aus, nämlich es überträgt die Schwingungsenergie von dem piezo-elektrischen Element auf die Tintendüse und es dient als Elektrode und gewährleistet einen elektrischen Anschluß an eine Oberfläche des piezo-elektrischen Keramikelementes, um die Treiberspannung zuzuführen.According to the invention, the fastening means C consists of a highly elastic (high modulus), electrically conductive bismuth-containing alloy with a melting point below 149 ° C., which at least slightly expands when solidified. This alloy fills the narrow space between the outer surface of the nozzle B and the inner wall 60 of the tubular passage 58 . For the purpose of better illustration, this gap is shown in the drawings in an exaggerated size. The alloy fills the intermediate space with a thin layer 62 and forms a bead 64 at the end adjacent to the outlet opening and a bead 66 at the end adjacent to the ink supply. The anchoring means performs two functions, namely it transfers the vibrational energy from the piezoelectric element to the ink nozzle and it serves as an electrode and ensures an electrical connection to a surface of the piezoelectric ceramic element in order to supply the drive voltage.
Die oszillierende Spannung liefernde Spannungsquelle 22 ist über die Zuleitung 68 an die Außenfläche 52 des piezo-elektrischen Elementes sowie über die Zuleitung 70 an die Innenfläche 60 des piezo-elektrischen Elementes angeschlossen. Die Verbindung zu der Innenfläche 60 erfolgt von der Zuleitung 70 im Bereich 72 über die niedrig schmelzende wismuthhaltige Legierung. Die Verbindung zur Außenfläche erfolgt über die Zuleitung 68 zu einer Wicklung 74, welche eng um die Außenwand 52 des piezo-elektrischen Elementes B gewickelt ist. The voltage source 22 supplying the oscillating voltage is connected via the supply line 68 to the outer surface 52 of the piezoelectric element and via the supply line 70 to the inner surface 60 of the piezoelectric element. The connection to the inner surface 60 is made from the feed line 70 in the area 72 via the low-melting bismuth-containing alloy. The connection to the outer surface takes place via the feed line 68 to a winding 74 which is tightly wound around the outer wall 52 of the piezoelectric element B.
Bei bekannten, Epoxydharz als Verankerungsmittel verwendenden Schreibspitzenanordnungen sind die Eckenabschnitte 76 und 78 zwischen der Außenwand und den Stirnflächen des piezo-elektrischen Elementes abgerundet, um eine Lichtbogenbildung oder das Auftreten eines Kurzschlusses am piezo-elektrischen Element zu verhindern. Diese Abrundung ist bei der erfindungsgemäßen Schreibspitzenanordnung nicht erforderlich; es muß jedoch dafür gesorgt werden, daß die Wülste 64 und 66 nicht so groß sind, daß sie die Innenfläche 60 mit der Außenfläche 52 des piezo-elektrischen Elementes verbinden, da dann ein Kurzschluß des piezo-elektrischen Elementes auftreten würde.In known writing tip arrangements using epoxy resin as anchoring means, the corner sections 76 and 78 between the outer wall and the end faces of the piezoelectric element are rounded in order to prevent arcing or the occurrence of a short circuit on the piezoelectric element. This rounding is not necessary in the writing tip arrangement according to the invention; however, it must be ensured that the beads 64 and 66 are not so large that they connect the inner surface 60 to the outer surface 52 of the piezoelectric element, since a short circuit of the piezoelectric element would then occur.
Das Verankerungsmittel C besteht aus einer steifen, hochelastischen wismuthhaltigen Legierung, die gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und die bei einer Temperatur unterhalb 149°C schmilzt.The anchoring agent C consists of a rigid, highly elastic alloy containing bismuth, which has good electrical conductivity and which melts at a temperature below 149 ° C.
Typischerweise liegt die Depolarisationstemperatur bekannter piezo-elektrischer Keramikelemente oberhalb 149°C. Eine Erwärmung des piezo-elektrischen Elementes über diese Temperatur hinaus kann eine erneute Polarisierung des Elementes erforderlich machen. Das erfindungsgemäß vorgesehene wismuthhaltige Verankerungsmittel dehnt sich beim Erstarren wenigstens geringfügig aus und gewährleistet deshalb eine gute mechanische Verbindung und eine gute Übertragung der Druckimpulse vom piezo-elektrischen Keramikelement auf die Glasdüse. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit dient das Verankerungsmittel gleichzeitig als Elektrode zur Übertragung elektrischer Spannungsimpulse auf die Innenfläche des piezo-elektrischen Keramikelementes.The depolarization temperature is typically better known piezoelectric ceramic elements above 149 ° C. A warming of the piezoelectric element above this temperature further polarization of the element may be necessary do. The bismuth-containing provided according to the invention Anchoring agent at least stretches when it solidifies slightly and therefore ensures good mechanical Connection and a good transmission of the pressure impulses from the piezoelectric ceramic element to the glass nozzle. This serves due to its good electrical conductivity Anchoring means simultaneously as an electrode for transmission electrical voltage impulses on the inner surface of the piezoelectric ceramic element.
Zu als Verankerungsmittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbaren, niedrig-schmelzenden wismuthhaltigen Legie rungen gehören das bekannte Wood′s-Metall, "Lipowitz-Legierungen" mit der aus nachstehender Tabelle 1 ersichtlichen Zusammensetzung und andere niedrig schmelzende, wismuthhaltige Lötmittel, die neben Wismuth typischerweise Blei, Zinn, Cadmium, Indium, Zink, Silber und/oder Antimon enthalten. Spezielle Legierungen und deren Zusammensetzung sind nachfolgend in Tabelle 2 aufgeführt.To as anchoring means in the context of the present invention usable, low-melting bismuth alloy stanchions include the well-known Wood's metal, "Lipowitz alloys" with the composition shown in Table 1 below and other low melting, bismuth solder, the in addition to bismuth typically Contain lead, tin, cadmium, indium, zinc, silver and / or antimony. Special alloys and their composition are as follows listed in Table 2.
Schreibspitzenanordnungen mit der angegebenen Ausbildung sind erfolgreich bei Frequenzen oberhalb von 10 kHz und bei Spannungen im Bereich von 18 bis 40 Volt betrieben worden. Es hat den Anschein, daß sich die niedrig schmelzenden Lötmittel eher zu einem kristallinen Gefüge als zu einem amorphen Gefüge verfestigen, und daß dieses kristalline Gefüge die Druckimpulse wirksamer zu übertragen vermag. Jedoch sind beide Metallgefüge der bekannten Epoxydharz-Bindung überlegen. Nib arrangements with the specified Training is successful at frequencies above of 10 kHz and at voltages in the range of 18 to 40 volts been operated. It appears that the low melting solder to a crystalline structure rather than solidify to an amorphous structure, and that this crystalline Microstructure can transmit the pressure impulses more effectively. However Both metal structures are superior to the known epoxy resin bond.
Mit Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Schreibspitzenanordnung nach Fig. 1 dargestellt. Gleiche Bestandteile und Komponenten sind mit dem gleichen, um einen (′) ergänzten Bezugszeichen gekennzeichnet; neue Komponenten sind mittels neuer Bezugszeichen identifiziert.With Fig. 2, an alternative embodiment of the writing tip arrangement of FIG. 1 is shown. Identical parts and components are identified by the same reference number, supplemented by a (′); new components are identified by means of new reference symbols.
Bei einer Modifizierung dieser alternativen Ausführungsform ist ein Band 80 aus Messing oder einer anderen Kupferlegierung in den Zwischenraum zwischen der Außenwand der Düse A und der Innenwand 60′ des piezo-elektrischen Elementes B eingesetzt. Dieses Band 80 ist von dem Verankerungsmittel C umgeben und erstreckt sich über angenähert die halbe Strecke oder mehr der Länge des piezo-elektrischen Elementes B zwischen den Stirnflächen 54′ und 56′. Das Band 80 besteht aus einem den elektrischen Strom gut leitenden Material und dient dazu, längs der gesamten Innenfläche 60′ des piezo-elektrischen Elementes B das gleiche elektrische Potential zu gewährleisten. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der elektrische Kontakt zu der Spannungsquelle 22′ über die Zuleitung 70′ zu dem Band 80 oder in dessen Nähe, wie das mit der Bezugsziffer 82 angedeutet ist.In a modification of this alternative embodiment, a band 80 made of brass or another copper alloy is inserted into the space between the outer wall of the nozzle A and the inner wall 60 'of the piezoelectric element B. This band 80 is surrounded by the anchoring means C and extends over approximately half the distance or more the length of the piezoelectric element B between the end faces 54 ' and 56' . The band 80 consists of a material that conducts the electrical current well and serves to ensure the same electrical potential along the entire inner surface 60 'of the piezoelectric element B. In this embodiment, the electrical contact to the voltage source 22 'takes place via the lead 70' to the band 80 or in the vicinity thereof, as is indicated by the reference number 82 .
Nach einer zweiten, mit Fig. 2 angegebenen Modifizierung ist eine elektrisch leitende Hülse oder ein elektrisch leitender Zylinder 84 vorgesehen, welcher die Außenfläche 52′ des piezo-elektrischen Elementes enganliegend umgibt. Die Zuleitung 68′ führt bei 86 zu der Hülse 84. Diese elektrisch leitende Hülse 84 gewährleistet, daß an der gesamten Außenfläche des piezo-elektrischen Elementes bei dessen Betrieb das gleiche elektrische Potential anliegt. After a second modification, indicated with FIG. 2, an electrically conductive sleeve or an electrically conductive cylinder 84 is provided, which tightly surrounds the outer surface 52 'of the piezoelectric element. The lead 68 ' leads at 86 to the sleeve 84th This electrically conductive sleeve 84 ensures that the same electrical potential is present on the entire outer surface of the piezoelectric element during its operation.
Wie mit der Fig. 3 angedeutet, wird die Bohrung 58 in dem piezo-elektrischen Element B mit der niedrig schmelzenden Legierung gefüllt. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Bohrung 58 vollständig gefüllt wird; andererseits führt das Beschichten der Innenfläche 60 einer solch kleinen Bohrung üblicherweise zu deren Ausfüllung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Spritze benutzt, um das geschmolzene Lötmittel in die Bohrung hineinzusaugen bzw. zu ziehen. Daneben können auch andere Verfahren, wie das Eintauchen, das Einspritzen oder dergleichen zum Füllen der Bohrung 58 oder zur Beschichtung der Innenfläche 60 angewandt werden.As indicated by FIG. 3, the bore 58 is filled in the piezo-electric element B with the low-melting alloy. It is not absolutely necessary that the bore 58 be filled completely; on the other hand, coating the inner surface 60 of such a small bore usually leads to its filling. In a preferred embodiment, a syringe is used to draw or pull the molten solder into the bore. In addition, other methods, such as immersion, injection or the like, can be used to fill the bore 58 or to coat the inner surface 60 .
Sofern zusätzlich das Band 80 aus Kupferlegierung vorgesehen wird, wird dieses in ähnlicher Weise in das geschmolzene Lötmittel eingetaucht, um wenigstens denjenigen Abschnitt, der in den Zwischenraum zwischen der Düse und dem piezo-elektrischen Element eingesetzt werden soll, mit dem Lötmittel zu beschichten.If copper alloy tape 80 is additionally provided, it is similarly immersed in the molten solder to coat the solder with at least that portion to be inserted into the space between the nozzle and the piezoelectric element.
Nachdem die Düse A in der oben angegebenen Weise gereinigt worden ist, wird diese Düse mit dem Auslaßbereich 50 voran bis zu einer Tiefe, welche der gesamten Länge entspricht, mit welcher die Düse in das piezo-elektrische Element eingesetzt werden soll, in die niedrig schmelzende Legierung eingetaucht, um die Düsenaußenfläche mit der Legierung zu beschichten. Die Oberflächenspannung der geschmolzenen Legierung und die geringe Größe der Auslaßöffnung 24 wirken dahingehend zusammen, daß der Eintritt der Legierung in das Innere der Düse versperrt ist. Die mit Metall beschichteten Flächen der Düse und des Messingbandes sollten darauf hin untersucht werden, daß diese Oberflächen glatt sind. Unregelmäßigkeiten der metallbeschichteten Oberfläche deuten üblicherweise auf Fremdstoffe oder fremde Partikel innerhalb der Legierung oder auf Unregelmäßigkeit der Oberfläche der beschichteten Teile hin.After the nozzle A has been cleaned in the above-mentioned manner, this nozzle, with the outlet area 50 first, becomes the low-melting end with a depth which corresponds to the total length with which the nozzle is to be inserted into the piezoelectric element Alloy immersed to coat the nozzle outer surface with the alloy. The surface tension of the molten alloy and the small size of the outlet opening 24 work together to block the entry of the alloy into the interior of the nozzle. The metal-coated surfaces of the nozzle and the brass band should be examined to ensure that these surfaces are smooth. Irregularities in the metal-coated surface usually indicate foreign substances or foreign particles within the alloy or irregularities in the surface of the coated parts.
Zum Einsetzen werden das piezo-elektrische Element B, die Düse A und - soweit vorgesehen - das Messingband 80 auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher das Verankerungsmittel (C) schmilzt, so daß dieses in flüssigem Zustand vorliegt. Der Einsetzschritt ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Zum Einsetzen werden die mit dem geschmolzenen Verankerungsmittel (C) beschichtete oder benetzte Düse und - soweit vorgesehen - das ebenfalls mit dem geschmolzenen Verankerungsmittel (C) beschichtete Messingband in die Legierung eingesetzt, welche den Innenraum im piezo-elektrischen Element B ausfüllt. Darüber hinaus kann eine weitere Legierung vorhanden sein, um zu gewährleisten, daß eine ausreichende Legierungsmenge vorhanden ist, um den Zwischenraum zwischen dem piezo-elektrischen Element B und der Düse A vollständig auszufüllen. Die Anwesenheit dieser zusätzlichen Legierungsmenge und das Aufwärmen der Bestandteile kann gleichzeitig erfolgen, indem die Teile in ein Bad der geschmolzenen Legierung eingetaucht werden, und das Einsetzen innerhalb des flüssigen Legierungsbades durchgeführt wird. Sofern ein Bad der geschmolzenen Legierung benutzt wird, können die getrennten Schritte zum Beschichten der Teile weggelassen werden, da eine solche Beschichtung automatisch erfolgt, wenn die Teile in das Bad eingebracht werden.For insertion, the piezoelectric element B , the nozzle A and - if provided - the brass band 80 are heated to a temperature at which the anchoring agent (C) melts so that it is in a liquid state. The insertion step is shown schematically in FIG. 3. Are to be inserted with the molten anchoring means (C) coated or wetted nozzle and - if provided - the coated also with the molten anchoring means (C) brass strip inserted into the alloy, which fills the interior in the piezo-electric element B. In addition, there may be another alloy to ensure that there is a sufficient amount of alloy to completely fill the space between the piezoelectric element B and the nozzle A. The presence of this additional amount of alloy and the heating of the components can be done simultaneously by immersing the parts in a bath of the molten alloy and inserting them within the liquid alloy bath. If a bath of the molten alloy is used, the separate steps for coating the parts can be omitted, since such coating takes place automatically when the parts are introduced into the bath.
Nach dem Zusammenbau der Elemente werden diese aus dem Einwirkungsbereich der Wärmequelle entfernt, so daß sich die geschmolzene Legierung verfestigen kann. Jeglicher die Öffnung 24 der Glasdüse verstopfende Legierungsüberschuß wird entfernt, was entweder mit einer Rasierklinge erfolgen kann oder durch die Berührung der verstopfenden Legierung mit einem warmen Lötkolben. Da die Legierungen nicht gut an dem Glas haften, werden sie sich unter Bildung eines Wulstes zurückziehen und den Wulst 64 (vgl. Fig. 1) bilden, wodurch der verstopfende Überzug von der Spitze entfernt und diese wieder durchgängig gemacht wird. Darüber hinaus kann jeglicher Legierungsüberschuß an der Rückseite des Zylinders mittels eines Lötkolbens zu dem Wulst 66 umgeformt und weitere überschüssige Legierungen abgestreift werden.After the elements have been assembled, they are removed from the area affected by the heat source so that the molten alloy can solidify. Any excess alloy plugging the opening 24 of the glass nozzle is removed, which can be done either with a razor blade or by touching the plugging alloy with a warm soldering iron. Since the alloys do not adhere well to the glass, they will retract to form a bead and form the bead 64 (see FIG. 1), thereby removing the clogging coating from the tip and making it continuous again. In addition, any excess alloy on the back of the cylinder can be formed into the bead 66 by means of a soldering iron and further excess alloys can be stripped off.
Die elektrischen Zuleitungen 68, 70 (vgl. Fig. 1) werden einerseits im Bereich 72 an die niedrig schmelzende Legierung und andererseits benachbart zur Stirnfläche 56 an das Ende der Wicklung 74 angeschlossen. Die Zuleitungen 68′ und 70′ (vgl. Fig. 2) werden in ähnlicher Weise im Bereich 86 an die Hülse 84 sowie im Bereich 82 an das Band 80 angebracht. In jedem Falle erfolgt die Übertragung der elektrischen Spannungsimpulse auf die Innenflächen 60, 60′ des piezo-elektrischen Keramikelementes über die niedrig schmelzende Legierung, die insoweit auch als Elektrode wirkt.The electrical leads 68 , 70 (cf. FIG. 1) are connected on the one hand in the area 72 to the low-melting alloy and on the other hand adjacent to the end face 56 to the end of the winding 74 . The leads 68 ' and 70' (see FIG. 2) are attached in a similar manner in the area 86 to the sleeve 84 and in the area 82 to the band 80 . In any case, the transmission of the electrical voltage pulses to the inner surfaces 60 , 60 'of the piezoelectric ceramic element via the low-melting alloy, which also acts as an electrode.
Als ein Teil der Maßnahme zum Füllen der Bohrung 58 im piezo-elektrischen Element oder als Teil einer nachfolgenden Behandlungsstufe wird eine Untersuchung auf Risse, Löcher oder dünne Stellen in der Seitenwand des piezo-elektrischen Elementes durchgeführt. Sofern dort irgendein Riß oder Loch vorhanden ist, wie das in Fig. 3 mit 96 angedeutet ist, wird das Flußmittel durch dieses Loch hindurchdringen und einen kleinen Bereich an der Außenfläche 52 benetzen. Beim anschließenden Füllen der Bohrung mit Lötmittel in der oben angegebenen Weise wird an der Außenfläche 52 ein kleiner Fleck oder eine schmale Linie (vgl. die Stelle 98 der Fig. 3) auftreten und damit den Riß oder das Loch markieren. Sofern ein solcher Legierungsfleck an der Außenfläche auftritt, wird das piezo-elektrische Element verworfen, da es gerissen oder auf sonstige Weise defekt ist. Sofern weiterhin das piezo-elektrische Element eine dünne Stelle aufweist, bewirkt die leichte Ausdehnung der Legierung beim Abkühlen eine Ausbeulung oder einen Riß in der Seitenwand des Elementes. Da die Abkühlung nicht vor der Durchführung des Einsetzens durchgeführt werden muß, wird eine Untersuchung auf Fehler dieser Art häufig nach dem Einsetzen der Glasdüse in das piezo-elektrische Element durchgeführt.As part of the measure to fill the bore 58 in the piezoelectric element or as part of a subsequent treatment step, an examination for cracks, holes or thin spots in the side wall of the piezoelectric element is carried out. If there is any crack or hole, as indicated at 96 in FIG. 3, the flux will penetrate through this hole and wet a small area on the outer surface 52 . When the bore is subsequently filled with solder in the manner indicated above, a small spot or a narrow line (cf. point 98 in FIG. 3) will appear on the outer surface 52 and thus mark the crack or the hole. If such an alloy spot appears on the outer surface, the piezoelectric element is discarded because it is cracked or otherwise defective. If the piezoelectric element also has a thin point, the slight expansion of the alloy causes a bulge or a crack in the side wall of the element when it cools down. Since the cooling does not have to be carried out before the insertion is carried out, an examination for defects of this type is often carried out after the glass nozzle has been inserted into the piezoelectric element.
Die Schreibspitze kann nunmehr elektronisch getestet werden, um den Frequenzbereich festzustellen, in welchem die Schreibspitze arbeitet sowie um die zum Schreiben erforderliche Spannung zu ermitteln. Sofern die erforderliche Treiberspannung übermäßig groß ist, oder der Frequenzbereich, in dem das piezo-elektrische Element betrieben werden kann, minimal klein ist, kann eine mögliche Ursache für diesen Fehler in einer Luftblase, in einer Verunreinigung oder einer sonstigen Unregelmäßigkeit im Verankerungsmedium C zwischen der Düse und dem piezo-elektrischen Element liegen. Dieser Fehler kann beseitigt werden, indem die kombinierte Anordnung erwärmt sowie die Düse A aus dem piezo-elektrischen Element B entfernt werden. Nach dem anschließend erneuten Einsetzen der Düse in das Element bei Anwesenheit von zusätzlicher Legierung kann dieser Fehler erfolgreich beseitigt werden. Die nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen Schreibspitzenanordnungen arbeiten üblicherweise bei Frequenzen oberhalb 6 kHz; solche Schreibspitzenanordnungen können bei 10 kHz und noch höheren Frequenzen betrieben werden. Üblicherweise liegen die minimalen Treiberspannungen im Bereich von 18 bis 40 Volt.The writing tip can now be tested electronically to determine the frequency range in which the writing tip works and to determine the voltage required for writing. If the required driver voltage is excessively large, or the frequency range in which the piezoelectric element can be operated is minimally small, a possible cause for this error in an air bubble, in a contamination or another irregularity in the anchoring medium C between the Nozzle and the piezoelectric element lie. This error can be eliminated by heating the combined arrangement and removing the nozzle A from the piezoelectric element B. After inserting the nozzle into the element again in the presence of additional alloy, this error can be successfully eliminated. The writing tip arrangements obtained by the above-mentioned method usually operate at frequencies above 6 kHz; such writing tip arrangements can be operated at 10 kHz and even higher frequencies. The minimum driver voltages are usually in the range from 18 to 40 volts.
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