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Piezoelektrisches Antriebselement für Tintenmosaikschreib-
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einrichtungen Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Antriebselement
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Als sogenannte Antriebselemente für die Tintenkanäle in Schrei bköpfen
von Tintenmosa ikschrei beinrichtungen sind elektro-mechanische Wandler aus piezoelektrischem
Werkstoff bekannt. So ist z.B. in der DE-PS 25 43 451 (VPA 75 P 2175) ein Schreibkopf
für eine Tintenmosaikschreibeinrichtung angegeben, bei dem mehrere, Schreibflüssigkeit
enthaltende Tintenkanäle im Schreibkopf verlaufen. Jeder Tintenkanal ist von einem
röhrenförmigen piezoelektrischen Antriebselement, einem sogenannten Piezowandler,
über einen gewissen Bereich seiner Länge vollständig umfaßt. Der Ausstoß einzelner
Tintentröpfchen erfolgt durch Ansteuerung des Piezowandlers mit Spannungsimpulsen
wechselnder Polarität, wodurch eine Verformung des Piezowandlers bewirkt wird. Abhängig
von der Wahl der Polarität,der an den Piezowandler angelegten Spannung, verengt
oder erweitert sich dieser und führt im ersten Fall zum Ausstoß eines Tröpfchens
und im zweiten Fall zum Nachsaugen von Tinte aus einem Tintenversorgungsteil.
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Eine wesentliche Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb ist
eine gute Kontaktierung des Piezowandlers mit den Zuführungen für die Ansteuerspannung.
Die Verwendung von röhrenförmigen Piezowandlern stellt gerade in dieser
Hinsicht
erhebliche Anforderungen an die Fertigung des Röhrchens und an die Kontaktierung
beim Einbau des Röhrchens in den Schreibkopf der Schreibeinrichtung. Ein anderes
mit der Verwendung von röhrenförmigen Piezowandlern verbundenes Problem besteht
in der Forderung nach vollständiger Lunkerfreiheit des Tintenkanals im nach dem
sogenannten Gießverfahren hergestellten Schreibkopf. Eine solche Lunkerbildung tritt
vor allem in der Schutzschicht zwischen dem Tintenkanal und dem diesen umgebenden
Piezowandler auf, da vor allem in diesem Bereich die Gießmasse beim Erstarren zur
Lunkerbildung neigt. Dieser auch als Flüssigkeitsschwund bezeichnete Effekt ist
auf sprunghafte Volumen verkleinerungen beim Erstarren von Gießmassen zurückzuführen,
wodurch sich kleine Hohlräume ausbilden. Dadurch wird die durch Ansteuerung der
Piezowandler bedingte Kontraktion bzw. Expansion des Tintenkanals im Bereich des
Piezowandlers störend beeinflußt. Weiterhin verursachen diese Effekte auch Unregelmäßigkeiten
im Tintenfluß. Schließlich besteht die Gefahr, daß sich kleinste, in der Tinte eingeschlossene
Luftbläschen an solchen Hohlräumen ansammeln und den Betrieb des Schreibkopfes gefährden
können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Vorteile
eines piezoelektrischen Antriebs für die Tintenkanäle eines Schreibkopfes, zum einen
eine verbesserte Kontaktierung vor allem für die Innenelektrode des Piezowandlers
zu schaffen, und zum anderen sicherzustellen, daß die Schutzschicht, die zwischen
dem Tintenkanal und dem Piezowandler ausgebildet wird, lunkerfrei ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruches 1.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Uhteransprüchen
gekennzeichnet.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Dort zeigt Fig. 1 ein Beispiel mit den Tintenkanälen individuell zugeordneten
Halbschalen aus piezoelektrischem Material, Fig. 2 ein Beispiel, bei dem die Halbschalen
für mehrere Tintenkanäle durch eine Platte aus piezoelektrischem Material gebildet
sind, Fig. 3 ein Beispiel, bei dem je Tintenkanal zwei Halbschalen aus piezoelektrischem
Material vorgesehen sind, und Fig. 4 ein Beispiel für die Herstellung einer Gruppe
von Tintenkanälen mit den ihnen zugeordneten Halbschalen aus piezoelektrischem Material.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 geht von einem Schreibkopf 1 mit
mehreren Tintenkanälen 2 aus. Diese verlaufen im Inneren des Schreibkopfes 1 sich
einander annähernd in Richtung einer Düsenplatte 4, die die eigentlichen Austrittsöffnungen
5 aufweist. Jeder Tintenkanal 2 wird von einem piezoelektrischen Antriebselement
in Form einer Piezoschale 3 jeweils nur über einen Teil seines Umfanges umfaßt.
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Die im Beispiel als Piezohalbschalen 3 ausgebildeten Piezoschalen
erstrecken sich jeweils nur über einen Teil der Länge jedes Tintenkanals 2 und befinden
sich relativ weit hinter den Austrittsöffnungen 5 der Düsenplatte 4. Jede piezoelektrische
Halbschale 3 weist eine Außenelektrode 6 und eine Innenelektrode 7 auf. Die Außenelektroden
6 sind mit getrennten Anschlüssen 8 verbunden, während die Innenelektroden 7 miteinander
verbunden sein können. Im Beispiel weisen diese einen gemeinsamen Anschluß 9 auf.
Die Innenelektrode 7 und die Außenelektrode 6 der Piezohalbschalen ist durch eine
Kontaktschicht gebildet, die die innere und
die äußere Mantelfläche
der Piezohalbschalen bedeckt. Diese kann durch Aufdrucken, durch Aufspritzen, durch
chemische oder galvanische Preßprozesse ohne die bisher notwendigen aufwendigen
fertigungstechnischen Maßnahmen aufgebracht werden.
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Erstreckt sich die Kontaktfläche der Innenelektroden einer Piezohalbschale
auf einen Bereich der äußeren Mantelfläche der Piezohalbschale, so ergibt sich eine
besonders einfache Kontaktierung zwischen den Kontaktflächen der Piezohalbschale
und den nach außen führenden Anschlüssen 8 bzw.
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9, da die Kontaktierung in beiden Fällen sozusagen von außen erfolgen
kann.
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Es hat sich gezeigt, daß mit dieser Anordnung ein für den praktischen
Einsatz voll genügender Tröpfchenausstoß erreichbar ist, wenn mit einer Ansteuerspannung
gearbeitet wird, die etwa der doppelten Amplitude entspricht, wie sie zum Ausstoß
von Tröpfchen bei Verwendung von röhrenförmigen Piezowandlern erforderlich ist.
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Zwischen der inneren Mantelfläche einer Piezohalbschale 3 und dem
eigentlichen Tintenkanal 2 ist eine Schutzschicht 10 ausgebildet. Diese stellt eine
sowohl elektrisch als auch chemisch sichere Trennung zwischen dem Tintenkanal 2
und der Piezohalbschale 3 dar. Die Schutzschicht 10 ergibt sich dadurch, daß die
beim Herstellungsprozeß in ein Spritzwerkzeug eingeführte sogenannte Kanal nadel
von der den Tintenkanal bildenden Gieß- oder Spritzmasse umflossen wird.
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Die sich dadurch ausbildende Schutzschicht ist nahezu lunkerfrei.
Dadurch ergibt sich eine äußerst glatte, von Unebenheiten und Hohlräumen freie Schutzschicht
zwischen den Tintenkanälen 2 und den Piezohalbschalen 3. Einzel-heiten dazu werden
später anhand von Fig. 4 erläutert.
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Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Halbschalen
aus piezoelektrischem Material für mehrere Tintenkanäle zu einer Platte zusammengefaßt
sind. Die Platte 11 besteht aus Piezomaterial mit halbschalenförmigen Ausnehmungen.
Auf ihrer inneren Seite ist sie mit einer sich über die gesamte Fläche erstreckende
Kontaktschicht 12 versehen, die in einer der vorher angegebenen Weise aufgebracht
werden kann. Die Kontaktschicht 12 ist mit einem gemeinsamen Anschluß 13 verbunden.
Zur Kontaktierung der den einzelnen Tintenkanälen 2 zugeordneten Bereiche der Piezoplatte
11 sind auf der äußeren Seite der Piezoplatte 11 jeweils nur in diesem Bereich Kontaktflächen
14 aufgebracht und mit individuellen Anschlüssen 15 verbunden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Ausnehmungen in der Piezoplatte
11 z.B. u-förmig auszubilden. Man erreicht damit, daß die Tintenkanäle 2 sozusagen
tiefer in das Piezomaterial eingebettet sind, also über einen größeren Teil ihres
Umfanges von dem für den Tröpfchenausstoß wirksamen Piezomaterial umfaßt sind. Der
damit verbundene Vorteil besteht im wesentlichen in einer Reduzierung der für einen
Tröpfchenausstoß erforderlichen Spannung.
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Die anhand von Fig. 1 angegebenen Vorteile treffen auch auf diese
Ausführungsform zu. In beiden Fällen kann durch eine definierte Ansteuerung der
Piezohalbschalen über ihre Außenelektroden 6, 8 (Fig. 1) bzw. 15, 14 (Fig. 2) eine
Expansion im von der betreffenden Piezohalbschale 3 erfaßten Bereich eines Tintenkanals
2 eingeleitet werden. Durch eine nachfolgende Ansteuerung über die Innenelektroden
9, 7 (Fig. 1) bzw. 13, 12 (Fig. 2) erfolgt durch Rückkehr der Piezoelemente in ihre
Ausgangs- oder Ruhelage eine Kontraktion in denjenigen Tintenkanälen 2, die vorher
in den expandierten Zustand übergeführt wurden. Eine dadurch erzeugte Stoßwelle
führt zum Ausstoß jeweils eines Tintentröpfchens an der diesem Tintenkanal zugeordneten
Austrittsöffnung der Düsenplatte.
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Wie Fig. 3 zeigt, besteht auch die Möglichkeit, jeweils zwei Halbschalen
je Tintenkanal vorzusehen, wodurch die mit der Verwendung von Piezohalbschalen verbundenen
Vorteile der Kontaktierung mit den Vorteilen einer völligen oder nahezu völligen
Fassung eines Tintenkanals beibehalten werden Das dargestellte Beispiel zelt diese
Möglichkeit anhand der Verwendung von zwei Piezoplatten 16, 17, die gleichartig
aufgebaut sind, und die aufeinandergelegt eine Reihe von Tintenkanälen 2 umfassen.
Die im Bereich eines Tintenkanals 2 jeweils aufbrachten äußeren Kontaktflächen 18,
19 jeder Platte 16, 17 sind je Tintenkanal 2 einzeln ansteuerbar. Die durchgehenden
aneinanderliegenden Kontaktflächen 20, 21 der beiden Platten 16, 17 sind gemeinsam
ansteuerbar.
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Ein mit Piezohalbschalen als Antriebselemente bestückter Schreibkopf
läßt sich besonders vorteilhaft mit einem Spritzwerkzeug herstellen, mit dem jeweils
ein Tintenkanal oder mehrere Tintenkanäle, jeweils mit dem oder den zugeordneten
Antriebselementen erstellt wird.
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Ein Beispiel zur Erläuterung der Herstellung eines Schreibköpfes zeigt
Fig. 4. Das dort dargestellte Spritzwerkzeug besteht aus zwei Formteilen 22, 23,
in die mehrere Piezohalbschalen 3 gelegt werden, und die eine Kanalnadel 24 umgeben.
Mindestens eines der Formteile, im Beispiel das Formteil 23, weist eine Einfüllöffnung
25 auf. Die in die Einfüllöffnung 25 eingespritzte oder eingegossene Spritz- oder
Gießmasse breitet sich in den Zwischenraum zwischen Formteilen 22, 23 und der Kanalnadel
24 in beiden Richtungen gleichmäßig aus und bildet die Wandung 26 des Tintenkanals.
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In Bereich der Piezohalbschalen 3 entsteht zugleich die
Schutzschicht
10, die eine sichere Trennung zwischen den Piezohaibschalen 3 und dem im Schreibbetrieb
mit Tinte gefüllten Tintenkanal 2 sowohl in elektrischer als auch in chemischer
Hinsicht sicherstellt.
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5 Patentansprüche 4 Figuren