DE3234394C2

DE3234394C2 - Piezoelektrische Tröpfchenausstoßvorrichtung für Tintenmosaikschreibeinrichtungen

Info

Publication number: DE3234394C2
Application number: DE19823234394
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. 8014 Neubiberg Kattner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3234394A1

Abstract

Als Antriebselement für die im Schreibkopf einer Tintenschreibeinrichtung verlaufenden Tintenkanäle (2) sind Piezohalbschalen (3) vorgesehen, die die einzelnen Tintenkanäle (2) in einem von den Austrittsöffnungen (4) der Tintenkanäle entfernten Bereich teilweise umfassen und die bei Ansteuerung mit Spannungsimpulsen wechselnder Polarität durch Veränderung ihrer geometrischen Form einen tröpfchenweisen Ausstoß von Tinten bewirken; die Piezohalbschalen (3) können auf einer gemeinsamen Platte (11) angeordnet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Tröpfehenausstoßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als sogenannte Antriebselemente für die Tintenkanäle in Schreibköpfen von Tintenmosaikschreibeinrichtungen sind elektro-mechanische Wandler aus piezoelektrischem Werkstoff bekannt. So ist z. B. in der DE-PS 25 43 451 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

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Eine wesentliche Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb ist eine gute Kontaktierung des Piezowandlers mit den Zuführungen für den Ansteuerspannung. Der 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. Zur Kontaktierung ist es bekannt, die eine Elekrode einer Reihe von Piezowandlern mit einem gemeinsamen Anschluß, die jeweils andere Elektrode jedes Piezowandlers mit einem individuellen ansteuerbaren Anschluß zu verbinden. Das kann durch Verwendung einer flexiblen Leiterfolie (DE-OS 27 40 773) oder über einzeln ansteuerbare flächenhafte ausgebildete Piezoelemente (DE-AS 22 56 667) geschehen. 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. Für eine nach diesem Verfahren hergestellten Schreibkopf ist es bekannt (DE-OS 25 43 420), zwischen den Piezowandler und dem Tintenkanal eine Schutzschicht vorzusehen, die durch den Gießwerkstoff gebildet wird. Dabei besteht die Gefahr, daß vor allem in der Schutzschicht zwischen dem Tintenkanal und dem diesen umgebenden Piezowandler eine solche Lunkerbildung auftritt, da gerade in diesem Bereich die Gießmasse beim Erstarren zur Lunkerbildung neigt Dieser auch als Flüssigkeitsschwund bezeichnete Effekt ist auf sprunghafte Volumenverkleinerung 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.

In einer Vorrichtung zum Tröpfchenausstoß, bei der ein rechteckiger, seitlich kontaktierter Piezowandler verwendet wird, ist es bekannt (DE-OS 30 14 236), den Piezowandler mit einem Material zu überziehen, das im Bereich des Wandlers eine flexible und tintendichte Zwischenschicht bildet Die Gefahr einer Lunkerbildung, wie sie bei Erstellung eines Schreibkopfes im Gießverfahren entstehen kann, besteht hier nicht Ebensowenig tritt das Problem der eingangs erwähnten Kontaktierung auf, da diese an den seitlichen Flächen des rechteckigen Piezowandlers erfolgt.

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 gemeinsame Innenelektrode der Piezowandler zu schaffen, und zum anderen sicherzustellen, daß die Schutzschicht, die zwischen dem Tintenkanal und dem Piezowandler ausgebildet wird, lunkerfrei ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnen-

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wandlers 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.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Dort zeigt

F i g. 1 ein Beispiel mit den Tintenkanälen individuell zugeordneten Halbschalen aus piezoelektrischem Ma-

terial.

F i g. 2 ein Beispiel, bei dem die Halbschalen für mehrere Tintenkanäle durch eine Platte aus piezoelektrischem Material gebildet sind,

F i g. 3 ein Beispiel, bei dem je Tintenkanal zwei Halbschalen aus piezoelektrischem Material vorgesehen sind, und

F i g. 4 ein Beispiel für die Herstellunug einer Gruppe von Tintenkanälen mit den ihnen zugeordneten Halbschalen aus piezoelektrischem Material.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 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 fetigungstechnischen Maßnahmen aufgebracht werden.

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. 9, da die Kontaktierung in beiden Fällen sozusagen von außen erfolgen kann.

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.

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 Kanalnadel von der den Tintenkanal bildenden Gieß- oder Spritzmasse umflossen wird. Die sich dadurch ausbildende Schutzschicht ist nahezu lunkerfrei. Dadurch ergibt sich eine äußerst glatte, von Unebenheiten und Hohlräumen freie Schutzschicht zwi-

Einzelheiten dazu werden später anhand von F i g. 4 erläutert.

F i g. 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 erstrekkende 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

ίο und mit individuellen Anschlüssen 15 verbunden.

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 sind¹. Der damit verbundene Vorteil besteht im wesentlichen in einer Reduzierung der für einen Tröpfchenausstoß erforderlichen Spannung.

Die anhand von F i g. 1 angegebenen Vorteile treffen auch auf diese Ausführungsform zu. In beiden Fällen kann durch eine definierte Ansteuerung der Piezohalbschalen über ihre Außenelektroden 6,8 (F i g. 1) bzw. 15, 54 (F i g. 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 (F i g. 1) bzw. 13,12 (F i g. 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.

Wie F i g. 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 zeigt 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 aufgebrachten 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.

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.

Ein Beispiel zur Erläuterung der Herstellung eines Schreibkopfes 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 Ein-

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spritzte oder eingegossene Spritz- oder Gießmasse breitet sich in den Zischenraum zwischen Formteilen 22, 23 Uiid der Kanalnadel 24 in beiden Richtungen gleichmäßig aus und bildet die Wandung 26 des Tintenkanals. Im Bereich der Piezohalbschalen 3 entsteht zugleich die Schutzschicht 10. die eine sichere Trennung zwischen

den Piezohalbschalen 3 und dem im Schreibbetrieb mit Tinte gefüllten Tintenkanal 2 sowohl in elektrischer als auch in chemischer Hinsicht sicherstellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrische Tröpfchenausstoßvorrichtung für einen mehrere Tintendüsen aufweisenden, im Gießverfahren hergestellten Tintenschreibkopf einer Tintenmosaikschreibeinrichtung, bei der piezoelektrische Antriebselemente an im Schreibkopf verlaufende und zu den Schreibdüsen führende Tintenkanäle anliegen und in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung der Antriebselemente durch Anlegen entsprechend gepolter Spannungsimpulse an zwei jeweils an einem Antriebselement anliegende Elektroden über eine Veränderung der geometrischen Form der angesteuerten Antriebselemente der Querschnitt der zugehörigen Tintenkanäle derart veränderbar ist, daß aus ihnen ein tröpfchenweiser Ausstoti von Tinte erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einem Tintenkanal (2) zugeordnete piezoelektrische Antriebselement durch eine im wesentlichen halbschalenförmige Ausnehmung in mindestens einer aus piezokeramischem Material bestehende Platte (11) ausgebildet ist und den Tintenkanal (2) mindestens halbschalenförmig umfaßt, daß die Platte (11) eine gemeinsame, sich über die Innenflächen der Ausnehmungen erstrekkende Innenelektrode (12) aufweist, die durch eine auf ihrer Innenseite angeordnete durchgehende Kontaktschicht (12) gebildet ist, und daß auf der Außenseite der Platte (11) jeweils nur im Bereich eines Tintenkanals (3) eine sich über die Außenflächen der Ausnehmungen erstreckende Kontaktschicht (14) vorgesehen ist

Piezoelektrische Tröpfehenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Reihe von Tintenkanälen (2 in F i g. 3) zwei aus piezokeramischem Material bestehende Platten (16, 17) mit im wesentlichen halbschalenförmigen Ausnehmungen vorgesehen sind, und daß jeweils zwei gleichartig aufgebaute Platten (16, 17) spiegelbildlich aufeinandergelegt die in einer Reihe angeordneten Tintenkanäle (2) nahezu vollständig umfassen.