DE3018334C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahl-Schreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Schreibkopfanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 3.

Ein Tintenstrahl-Schreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE-AS 24 05 584 beschrieben. An einem Druckerzeugungsabschnitt bzw. einer Düse ist ein elektromechanischer Wandler in Form eines piezoelektrischen Elements angeordnet, das bei seiner Erregung mechanisch auf die Tintendüse einwirkt und einen entsprechenden Druckimpuls zum Ausstoß von Tintentröpfchen hervorruft. Dieser Schreib­ kopf ist zum Schreiben mit hohen Aufzeichnungsgeschwindig­ keiten nicht geeignet, da der Tröpfchenausstoß bei höherer Tröpfchenfrequenz instabil wird.

Aus "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 19, Nr. 6, Nov. 1976 ist bekannt, nicht näher beschriebene Tintenstrahldüsen in nutenförmig geätzte Siliziumsubstrate einzubetten. Hierbei wird auf ein nutenförmig geätztes Siliziumsubstrat ein zweites, unbehandeltes oder ebenfalls nutenförmig geätztes Siliziumsubstrat aufgebracht. Die dadurch entstehenden Kanäle dienen entweder direkt als Düsenkanäle oder aber nehmen Glaskapillare auf, die dann die Düsen bilden. Da die nutenförmig geätzten Platten nur zur Halterung des vordersten Düsenabschnitts dienen, handelt es sich hierbei um ein kompliziert zu fertigendes und mechanisch wenig belastbares System.

In der DE-OS 22 51 657 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufzeichnen von Informationen mittels Farbstrahlen eines Tintenstrahl-Druckers beschrieben. Dabei ist ein mehrere Farbdüsen aufweisender Druckkopf so aufgebaut, daß die Farb­ düsen mit Abstand von einem auf einer Trommel aufgespannten Aufzeichnungsträger konzentrisch um die Mittelachse der Trommel so angeordnet sind, daß jede der Düsen zur Mittelachse der Trommel hin gerichtet ist und alle Düsen gleichen Abstand voneinander haben. Ein solcher Druckkopf ist kompliziert herzustellen und ist nur für jeweils einen bestimmten Trommeldurchmesser verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahl- Schreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Schreibkopfanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 zu schaffen, der bzw. die sich durch einen einfachen und stabilen Aufbau auszeichnet und eine hohe Aufzeichnungs­ geschwindigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 3 genannten Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß werden also ein oder mehrere Schreibkopf­ elemente in einer aus zwei Spannteilen bestehenden Spannein­ richtung durch Krafteinwirkung aus zwei Richtungen absolut zuverlässig fixiert. Der elektromechanische Wandler jedes Schreibkopfelements wird von der Spannvorrichtung nicht nur gehalten, sondern ist mit ihr auch über Kontakte elektrisch verbunden.

Dieser einfache Aufbau und die zuverlässige Fixierung der Schreibkopfelemente ermöglichen auf einfache Weise die Herstellung eines aus mehreren Schreibkopfelementen bestehenden Mehrfachdüsen-Schreibkopfs mit hoher Form- und Abmessungsgenauigkeit. Der Einsatz eines Mehrfachdüsen- Schreibkopfs weist den Vorteil auf, daß damit eine wesentlich höhere Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielbar ist als mit einem einzelnen Schreibkopfelement.

Der Einsatz von mehreren Tintenstrahl-Schreibköpfen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 3 ermöglicht eine weitere Steigerung der Aufzeichnungsgeschwindigkeit.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Schreibkopfelementes,

Fig. 2A eine schematische Schrägansicht eines Aus­ schnittes eines erfindungsgemäßen Schreib­ kopfes,

Fig. 2B eine Schnittdarstellung gemäß X-Y in Fig. 2A,

Fig. 3 eine schematische Schrägansicht eines erfin­ dungsgemäß ausgebildeten Schreibkopfes, und

Fig. 4 und 5 weitere bevorzugte Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Ausbildung eines bevorzugten Schreibkopfelementes 1 gemäß der Erfindung ausführlich erläutert.

Das Schreibkopfelement 1 umfaßt ein zylindrisches Element 2, das aus verhältnismäßig hartem Material besteht und eine im wesentlichen strömungsdynamisch glatte Innenseite hat, sowie einen zylindrischen elektromechanischen Wandler 3, der außen um das zylindrische Element 2 herum befestigt ist. Das zylindrische Element 2 hat in der Regel einen zuströmseitigen Endab­ schnitt 6 mit einer Zuströmöffnung 5, durch die Aufzeichnungs­ flüssigkeit bzw. Tinte aus einem nicht dargestellten Tintenvor­ rat, der sich an anderer Stelle als das Schreibkopfelement 1 befindet, zugeführt wird, einen ausstoßseitigen Endabschnitt 8 mit einer Ausstoßöffnung 7, durch die im zylindrischen Element 2 eingeschlossene Tinte ausgestoßen wird, sowie einen Drucker­ zeugungsabschnitt 9, der sich zwischen den Endabschnitten 6 und 8 befindet. Der Tintenvorrat ist mit dem zuströmseitigen Endabschnitt 6 beispielsweise mittels einer Speiseleitung 4 verbunden.

Die kreisförmige Querschnittsfläche des Druckerzeugungsab­ schnittes 9 ist praktisch konstant über die gesamte Länge des Druckerzeugungsabschnittes 9, wogegen die kreisförmige Quer­ schnittsfläche des ausstoßseitigen Endabschnittes 8 vom Druck­ erzeugungsabschnitt 9 aus allmählich kleiner wird bis zum Ende des Endabschnittes 8, an dem die Ausstoßöffnung 7 ausgebildet ist. Die kreisförmige Querschnittsfläche des zuströmseitigen Endabschnittes 6 ist die gleiche oder praktisch die gleiche wie die des Druckerzeugungsabschnittes 9 über die gesamte Länge des Endabschnittes 6, an dessen Enden die Zuströmöffnung 5 ausge­ bildet ist, die sich an einer Stelle außerhalb des vom Wandler 3 umgebenen Abschnittes befindet. An den zuströmseitigen Endab­ schnitt 6 des zylindrischen Elementes 2 ist die Speiseleitung 4 angeschlossen, die die Tinte aus dem Tintenvorrat zum Druck­ erzeugungsabschnitt 9 leitet und aus einem viskoelastischem Material wie beispielsweise Polyvinylchlorid oder dergleichen besteht. Der Innendurchmesser der Speiseleitung 4 ist kleiner als der Außendurchmesser des zylindrischen Elementes 2. Ein Ende der Speiseleitung 4 ist aufgeweitet, und zumindest ein Teil des Endes des zuströmseitigen Endabschnittes 6 ist in den aufgeweiteten Abschnitt der Speiseleitung 4 eingeführt, so daß an der Außenseite des eingeführten Endes des Endabschnittes 6 die Speiseleitung 4 fest anliegt.

Der elektromechanische Wandler 3 bedeckt zumindest einen Teil des Druckerzeugungsabschnittes 9 und ist um das zylindrische Element 2 herum an diesem so befestigt, daß Kräfte weitgehend zur Aufzeichnungsflüssigkeit bzw. Tinte im Druckerzeugungsab­ schnitt 9 übertragen werden, so daß in der Tinte im Drucker­ zeugungsabschnitt 9 stoßweise Druckwellen erzeugt werden.

Der Wandler 3 weist auf seiner äußeren Oberfläche eine Elektrodenschicht 10 und auf seiner inneren Oberfläche eine Elektrodenschicht 11 auf. Mittels der von diesen Elektrodenschichten gebildeten Elektroden werden elektrische Impulse aufge­ bracht, die stoßweise Änderungen des Volumens des Druckerzeu­ gungsabschnittes 9 hervorrufen, so daß durch Tintentropfen durch die Ausstoßöffnung 7 ausgestoßen und herausgeschleudert werden. Die innere Elektrodenschicht 11 ist am dem Endabschnitt 6 zugewandten Ende des Wandlers 3 bis zur Außenseite, auf der sich die Elektrodenschicht 10 befindet, herumgezogen, was den elektrischen Anschluß erleichtert.

Der Schreibkopf gemäß der Erfindung wird in der Weise gebildet, daß Schreibkopfelemente der Art, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, an einer Spanneinrichtung mit Nuten zum Fixieren der Schreibkopfelemente befestigt werden, und daß elek­ trische Kontakte, über die elektrische Signale angelegt werden, an den elektromechanischen Wandler angeschlossen werden.

Dies wird im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf Fig. 2A erläutert, in der der größeren Klarheit halber ledig­ lich ein Schreibkopfelement dargestellt ist und die weiteren Schreibkopfelemente weggelassen sind.

Der in Fig. 2A dargestellte Schreibkopf 12 ist mit einem Schreibkopfelement 13 versehen, das gleiche Ausbildung wie das Schreibkopfelement gemäß Fig. 1 hat. Das Schreibkopf­ element 13 ist sehr genau in V-förmigen Nuten 14-2 und 15-2 einer Spanneinrichtung 16-1 angeordnet. Die V-förmigen Nuten haben eine bestimmte Form und bestimmte Abmessungen und sind an vor­ gegebenen Stellen ausgebildet. Ein weiteres, nicht dargestelltes Schreibkopfelement wird auf gleiche Weise in V-förmigen Nuten 14-1 und 15-1 angeordnet.

Bei der Erfindung haben die Abmessungen und die Form der Spann­ einrichtung 16-1 sowie die Abmessungen und die Positionen der V-förmigen Nuten hohe Genauigkeit, damit die Schreibkopfelemente durch genaues Positionieren der Schreibkopfelemente auf der Spanneinrichtung 16-1 mit hoher örtlicher Genauigkeit angeordnet sind.

Diese hohe Genauigkeit hängt hauptsächlich von der Herstellungs­ genauigkeit der Spanneinrichtung 16-1 ab. Diese kann nun mit sehr hoher Genauigkeit und darüber hinaus hoher Produktivität hergestellt werden, so daß es möglich ist, eine Spanneinrich­ tung herzustellen, die die vom Schreibkopf geforderte Aufzeich­ nungsgenauigkeit ausreichend ermöglicht. Erfindungsgemäß ist das Schreibkopfelement 13 an der Spanneinrichtung 16-1 in der Weise befestigt, daß der elektromechanische Wandler 17, der am Schreibkopfelement 13 angebracht ist, in einer zentralen Aus­ nehmung der Spanneinrichtung 16-1 angeordnet ist und daß der ausstoßseitige Endabschnitt 19 sowie der zuströmseitige Endab­ schnitt 20 des zylindrischen Elementes 18 in der V-förmigen Nut 14-2 bzw. der V-förmigen Nut 15-2 angeordnet ist. Hinsichtlich des Schreibkopfelementes 13 hängt die Genauigkeit der Anord­ nung des Schreibkopfelementes 13 ausschließlich von der Herstellungsgenauigkeit des zylindrischen Elementes 18 ab. Dies hat zur Folge, daß der auf diese Weise ausgebildete Schreib­ kopf eine Aufzeichnung mit hoher Auflösung ermöglicht und daß ferner die Herstellung und der Zusammenbau verhältnismäßig ein­ fach sowie unter den Gesichtspunkten der Produktivität und der Massenherstellung zweckmäßig sind.

In Fig. 2B ist das Schreibkopfelement 13 wie in Fig. 2A auf der Spanneinrichtung 16-1 angeordnet. Das Schreibkopfelement 13 ist zwischen der Spanneinrichtung 16-1 und einer Spannein­ richtung 16-2, die strichpunktiert dargestellt ist, in den V-förmigen Nuten dadurch fixiert, daß die Spanneinrichtung 16-2 gleichmäßig auf das Schreibkopfelement 13 derart gedrückt ist, daß die Spanneinrichtung 16-2 das Schreibkopfelement 13 bedeckt. Die Spanneinrichtung 16-2 ist weitgehend ähnlich wie die Spanneinrichtung 16-1 ausgebildet.

Auf der Innenseite der Spanneinrichtung 16-2 befinden sich Zuleitungen zum Zuführen der elektrischen Signale zum elektro­ mechanischen Wandler 17 des Schreibkopfelementes 13. Die Zu­ leitungen sind auf herkömmliche Weise in Form einer gedruckten Schaltung ausgebildet. Die Halterung bzw. Spanneinrichtung 16-2 ist so auf das Schreibkopfelement 13 gedrückt, daß elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Kontakten 21-1 und 21-2, die elektrisch an die Zuleitungen angeschlossen sind, sowie elektrischen Kontakten 22-1 und 22-2 des Wandlers 17 bestehen. Das Schreibkopfelement 13 kann mit den Spanneinrichtungen 16-1 und 16-2 dadurch verbunden werden, daß ein Bindemittel, bei­ spielsweise ein Epoxydkleber, benutzt wird und daß die Spann­ einrichtungen 16-1 und 16-2 auf das Schreibkopfelement 13 gedrückt werden. Alternativ kann das Schreibkopfelement 13 dadurch sicher fixiert werden, daß Spann- und Befestigungsmittel an beiden Enden der Spanneinrichtungen 16-1 und 16-2 benutzt werden.

In Fig. 3 ist ein Schreibkopf 24 mit einer Rasteranordnung der Ausstoßöffnungen dargestellt, bei dem neun Schreibkopf­ elemente parallel zueinander unter Bildung einer Schreibkopfein­ heit 23 angeordnet sind und drei solche Schreibkopfeinheiten aufeinander gestapelt sind. Gegebenenfalls kann ein Abstands­ halter bestimmter Dicke zwischen den Schreibkopfeinheiten angeordnet werden, um für einen gewünschten Abstand zwischen den Schreibkopfeinheiten zu sorgen.

In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele von erfin­ dungsgemäßen Schreibköpfen für den Fall dargestellt, daß ein Aufzeichnungsträger, beispielsweise Papier, um eine drehbare Walze gelegt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind Schreibkopfeinheiten 25-1 bis 25-11 stufenförmig übereinander angeordnet bzw. gestapelt, wobei sich die Schreibkopfeinheit 25-6 in der Mitte befindet. Die Ausstoßöffnungen der Schreibkopfeinheiten sind auf demselben Umfang in regelmäßigen Abständen angeordnet.

Der in Polarkoordinaten (r _i, R _i) angegebene Ort der Ausstoß­ öffnungen der Schreibkopfeinheit U _i ist durch folgende Näherungs­ gleichungen bestimmt, wenn die Schreibkopfeinheiten in vor­ stehend angegebener Weise angeordnet sind:

R _i=tan^-1[r _o sin (i · ΔR)/{r _o cos (i · ΔR)+l _o}]
r _i={r _o cos (i · ΔR)+l _o}/cos R _i

Darin bedeuten r _o den Radius der Walze 26, l _o den Abstand zwischen der Ausstoßöffnung und der Oberfläche des nicht darge­ stellten Aufzeichnungsträgers auf der Walze 26, ΔR den Δ l gegenüberliegenden Zentriwinkel und Δ l den Abstand zwischen den Orten von aus benachbarten Schreibkopfeinheiten ausgestoßenen und auf dem Aufzeichnungsträger haftenden Tröpfchen.

Eine Möglichkeit der Positionierung der Ausstoßöffnungen der Schreibkopfeinheit auf demselben Umfang 27 besteht darin, daß, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, die Schreibkopfeinheit 25-6 in der Mitte angeordnet wird und daß die Schreibkopfein­ heiten mit zunehmender Entfernung von der Schreibkopfeinheit 25-6 dünner ausgebildet werden. Auf diese Weise kann die gewünschte Anordnung der Schreibkopfelemente verhältnismäßig einfach realisiert werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann jede Schreibkopf­ einheit ein Schreibkopfelement oder mehrere in einer Reihe angeordnete Schreibkopfelemente enthalten. Die Orte der Ausstoß­ öffnungen der Schreibkopfelemente können auf verschiedene Weise gewählt werden, beispielsweise derart, daß sich eine Matrix­ anordnung ergibt, daß sich eine Anordnung ergibt, die inein­ andergreifende Aufzeichnung gemäß der US-PS 40 69 486 ermög­ licht, oder daß sich eine Zick-Zack-Anordnung oder dergleichen ergibt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Schreibkopfes, bei der die Längen der aus den Schreib­ kopfeinheiten 28-1 bis 28-9, die den Schreibkopf bilden, vor­ stehenden Schreibkopfelemente so festgelegt sind, daß die Aus­ stoßöffnungen auf demselben Umfang 29 liegen, der einen bestimmten und konstanten Abstand von der Oberfläche eines nicht dargestellten Aufzeichnungsträgers hat, der um eine Walze 30 verläuft.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die vorstehende Länge der Schreibkopfelemente um so größer, je weiter die zugehörige Schreibkopfeinheit von der mittleren Schreibkopfeinheit 28-5 entfernt ist. Wenn die vorstehende Länge zu groß ist, kann es allerdings vorkommen, daß die Spitze eines Schreibkopfelementes während der Aufzeichnung schwingt, was zu einer Verringerung der Aufzeichnungsqualität führt. Die Schreibkopfelemente sollten daher so ausgelegt sein, daß die vorstehende Länge nicht zu groß ist.

Claims (5)

1. Tintenstrahl-Schreibkopf für einen Tintenstrahldrucker mit zumindest einem Schreibkopfelement, das einen zuströmseitigen Endabschnitt mit einer Zuströmöffnung für die Tinte, einen ausstoßseitigen Endabschnitt mit einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen der Tinte, einen zwischen dem ausstoßseitigen Endabschnitt und dem zuströmseitigen Endabschnitt angeordneten und mit diesen in Verbindung stehenden Druckerzeugungs­ abschnitt sowie einen elektromechanischen Wandler aufweist, der mit dem Druckerzeugungsabschnitt verbunden ist und den Innendruck der Tinte im Druckerzeugungsabschnitt ändern kann, dadurch gekennzeichnet,
daß das zumindest eine Schreibkopfelement (1; 13) in einer Spanneinrichtung (16-1, 16-2) gehalten ist, die aus zwei Spannteilen mit Nuten (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) zum Fixieren des zumindest einen Schreibkopfelements besteht und mit elektrischen Kontakten (21-1, 21-2) zum Übertragen elektrischer Signale zum zumindest einen elektromechanischen Wandler (3; 17) versehen ist, wobei auf das zumindest eine Schreib­ kopfelement aus zwei Richtungen zum Fixieren in den Nuten gedrückt wird, und
daß die Spannleitung (16-1, 16-2) eine durch die Spann­ teile gebildete, mittlere Ausnehmung zum Aufnehmen des zumin­ dest einen elektromechanischen Wandlers aufweist, wobei in der mittleren Ausnehmung die elektrischen Kontakte so ange­ ordnet sind, daß sie beim Zusammenfügen der beiden Spannteile in Verbindung mit den Kontakten des zumindest einen elektro­ mechanischen Wandlers gebracht sind und die Signalzuführung zu diesem schaffen.

2. Tintenstrahl-Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeugungsabschnitt (9) und der elektromechanische Wandler (3; 17) zylindrisch ausgebildet sind.

3. Schreibkopfanordnung, bestehend aus mehreren Tinten­ strahl-Schreibköpfen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tintenstrahl-Schreibköpfe zu einem Schreib­ kopfstapel übereinander angeordnet sind, wobei die Ausstoß­ öffnungen parallel zueinander orientiert sind, und daß die jeweilige Dicke der Tintenstrahl-Schreibköpfe ausgehend von der Stapelmitte nach außen gesehen jeweils derart verringert ist, daß die Ausstoßöffnungen der Tintenstrahl-Schreibköpfe jeweils in regelmäßigen Abständen auf einem Kreisbogen (27, 29) zu liegen kommen, der konzentrisch zu einer drehbaren Aufzeich­ nungsträger-Walze (26, 30) ist.

4. Schreibkopfanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tintenstrahl-Schreibköpfe stufenförmig übereinander angeordnet sind.

5. Schreibkopfanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus den Tintenstrahl-Schreibköpfen hervor­ stehenden ausstoßseitigen Endabschnitte (8; 19) der Schreib­ kopfelemente (1; 13) ausgehend von der Stapelmitte nach außen hin eine zunehmende Länge aufweisen.