DE3341401A1

DE3341401A1 - Verfahren und wandler zum erhoehen der aufloesung bei einer tintenmosaikschreibeinrichtung

Info

Publication number: DE3341401A1
Application number: DE19833341401
Authority: DE
Inventors: Kenth Åkersberga Nilsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1985-05-23
Also published as: JPH0455111B2; EP0142150B1; DE3471042D1; EP0142150A1; US4566017A; JPS60116462A

Description

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Siexens Aktiengesellschaft " ^J ' Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 7321 DE

Verfahren und Wandler zum Erhöhen der Auflösung bei einer Tintenmosaikschreibeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Auflösung bei einer Tintenmosaikschreibeinrichtung mit einem eine Anzahl reihenweise angeordneter, piezoelektrische Wandler aufweisenden Schreibkopf, bei dem durch piezoelektrische Verformung der Wandler tropfenweise Schreibflüssigkeit in Richtung auf einen Aufzeichnungsträger ausgestossen wird-

Bei bekannten Tintenmosaikschreibeinrichtungen ist bisher eine Auflösung von etwa vier Tintentropfen pro Millimeter erreicht worden (DE-PS 25 27 647). Für eine Verbesserung des Schriftbildes wären etwa zehn derartige Tintentropfen pro Millimeter wünschenswert. Dazu ist bereits vorgeschlagen, mehrere Reihen piezoelektrischer Wandler in Papiertransportrichtung versetzt zueinander anzuordnen. Das erfordert jedoch die Verdopplung der Elektronik und kann unter Itaständen auch zu einer Verzerrung im Schriftbild führen. Eine Verringerung des Abstandes zwischen den piezoelektrischen Wandlern einer Reihe erhöht - abgesehen von den herherstellungstechnischen Schwierigkeiten - die Gefahr der hydraulischen Kopplung zwischen den Wandlern erheblich.

Der vorliegenden Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Wandler anzugeben, mit dem die Auflösung bei einer Tintenmosaikschreibeinrichtung der eingangs genannten Art auf einfache Weise und ohne zusätzliche piezoelektrische Wandler erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,dass die einzelnen Wandler aus zwei Streifen aus piezoelektrischem Material

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bestehen, die mit Abstand zueinander angeordnet, beidseitig kontaktiert und an beiden Seiten derart von Platten abgedeckt sind, dass zwischen den Streifen und den Platten ein langgestreckter, im wesentlichen rechteckiger Kanal entsteht, aus dem die Schreibflüssigkeit ausgestossen wird, und dass die beiden Streifen zumindest zeitweise unterschiedlich stark verformt werden. Bei den hier vorgesehenen Wandlern stellen die gebildeten Tintenkanäle direkt die Schreibdüsen dar. Auf eine separate Lochmatrize kann also verzichtet werden. Wird beispielsweise an die Streifen eine elektrische Spannung angelegt, so werden diese schmaler und höher,so dass die eingeschlossene Kanalquerschnittsfläche vergrössert wird.Dadurch wird zusätzliche Schreibflüssigkeit in diesen Kanal hineingesaugt. Wird die Spannung an dieser Kontaktierung entfernt oder kurzzeitig sogar ein Impuls umgekehrter PoIarität angelegt, so gehen die Streifen in ihre Ausgangsform zurück, wodurch das Kanalvolumen schlagartig verkleinert wird. Das führt zu einem Ausstossen von Schreibflüssigkeit.

Beim Anlegen der Spannung werden die piezoelektrischen Streifen gleichzeitig kürzer. Werden nun entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren die beiden Streifen eines piezoelektrischen Wandlers unterschiedlich verformt, beispielsweise durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen, so kann damit immer noch eine ausreichende Querschnittsvergrösserung erreicht werden, um zusätzlieh Schreibflüssigkeit in den Tintenkanal hineinzusaugen. Gleichzeitig wird jedoch durch die unterschiedliche Längenausdehnung der beiden piezoelektrischen Streifen der Wandler etwas verbogen, so dass das dem Aufzeichnungsträger zugewandte Ende des Wandlers seitlich ausweicht. Wird nun die Verformung der beiden Streifen des Wandlers so rückgängig gemacht, dass zunächst die unterschiedliche Längenausdehnung und damit die Verbiegung des Wandlers beibehalten wird, so wird ein Flüssigkeitstropfen ausgestossen, der seitlich versetzt ist zur Wandlerstellung im ungebogenen Zustand. Wird der Aufzeichnungsträger wie üblich dicht an den Tintenkanälen vorbeigeführt, so entspricht

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die Versetzung des Auftreffpunktes des Tintentropfens annähernd der Versetzung der Kanalmündung.

Diese Verbiegung des Tintenkanales und das Ausstossen eines Tintentropfens in dieser Lage kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass einem an beiden piezoelektrischen Streifen gleichzeitig angelegten Spannungsimpuls eine für die beiden Streifen unterschiedliche Gleichspannung überlagert wird, die praktisch die Verbiegung verursacht und aufrechterhält.

Bei der Auslenkung muss hierbei lediglich die Masse eines einzelnen Wandlers beschleunigt werden» Das macht es möglich, die Auslenkung mit einer Amplitude vorzunehmen, die etwa einem Viertel des Abstandes zwischen den bei ruhenden Wandlern erzeugten Flüssigkeitstropfen entspricht. Nimmt man als Beispiel wieder einen Schreibkopf, bei dem die Tintenkanäle einen Abstand von ca. 250 um haben, so ergäbe das eine Auslenkamplitude von ca. 60 um. Die Synchronisation müsste in diesem Fall so erfolgen, dass ein Flüssigkeitstropfen jeweils bei der maximalen Auslenkung in der einen oder anderen Richtung ausgestossen wird. Auf diese Art und Weise könnte die Anzahl der Tropfen pro mm bereits verdoppelt werden. Erhöht man die Auslenkamplitude auf 80 um und benutzt man auch die nicht gekrümmte Ruhelage des Tintenkanales zum Ausstossen eines Tropfens, so kann die Anzahl der Tropfen pro mm bereits verdreifacht werden. Da sich die Tintenkanäle im Moment des Ausstossens eines Flüssigkeitstropfens praktisch in Ruhe befinden, wird den Tropfen keine Geschwindigkeitskomponente quer zur Flugrichtung überlagert.

Es ist auf der anderen Seite jedoch ebenfalls möglich, die Auslenkung des Wandlers synchron mit dem Ausstossen eines Tintentropfens vorzunehmen, so dass dem Flüssigkeitstropfen eine Geschwindigkeitsquerkomponente überlagert wird. Dadurch wird der Auftreffpunkt des Tropfens auf dem Aufzeichnungsträger weiter verschoben, als es der Auslenkung des Wandlers entspricht. In

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diesem Fall kann mit wesentlich kleinerer Auslenkamplitude ge-. arbeitet werden.

Auch eine Kombination der beiden vorabbeschriebenen Auslenkverfahren ist denkbar. Im Prinzip lassen sich dadurch die Auftreffpunkte der Flüssigkeitstropfen auf dem Aufzeichnungsträger beliebig dicht legen.

Besonders einfach lässt sich die zeitweise Verbiegung der piezoelektrischen Wandler dadurch erzielen, dass dem an beide piezoelektrischen Streifen angelegten Spannungsimpuls zum Ausstossen eines Flüssigkeitstropfens zwei für die beiden Streifen unterschiedliche Spannungsimpulse überlagert werden. Die an die beiden Streifen zusätzlich angelegten Spannungsimpulse können dabei unterschiedliche Amplitude oder auch unterschiedliche Polarität haben. Die Dauer der Impulse muss lediglich so gewählt werden, dass die gewünschte Verbiegung des piezoelektrischen Wandlers vor dem Ausstosszeitpunkt erreicht ist und bis nach dem Ausstossen des Flüssigkeitstropfens beibehalten wird, wenn ohne zusätzliehe Geschwindigkeitsquerkomponenten verfahren werden soll.

Eine im Aufbau einfache und für das Betreiben stabile Tintenmosaikschreibeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich, wenn die Wandler in dem dem Aufzeichnungsträger abgewandten Ende über einen Steg zusammenhängen. Die Einspannung der gesamten Wandleranordnung vereinfacht sich damit erheblich. Weiterhin entfallen ansonsten aufwendige Justierarbeiten zum Ausrichten der einzelnen Wandler untereinander. Unter Umständen kann die elektrische Ansteuerung noch dadurch vereinfacht werden, dass die Platte auf einer Seite der Streifen aus ffetall besteht und als gemeinsame Elektrode für beide oder sogar alle Streifen dient. In diesem Fall kann auf die ansonsten erforderliche zusätzliche Kontaktierung auf dieser Seite der Streifen verzichtet werden.

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Eine vorteilhafte Verbesserung des Tintenausstosses ergibt sich dadurch, dass die Austrittsöffnung der Tintenkanäle verkleinert wird, indem sich der Kanal beispielsweise in diesem Endbereich verjüngt. Eine einfache Ausführung sieht dazu vor, dass die Streifen eines Wandlers einen spitzen Winkel bilden.

Eine vorteilhafte Wandleranordnung zur Durchführung des Verfahrens lässt sich besonders einfach dadurch herstellen, dass eine Kanalmatrize, die aus einer Reihe von Streifen aus piezoelektrischem Material besteht, die parallel und mit Abstand zueinander angeordnet, beidseitig elektrisch kontaktiert und auf beiden Seiten mit einer alle Streifen überdeckenden Platte abgedeckt sind, nach jeweils zwei Streifen parallel zu diesen und zumindest über einen Teil der Länge derselben durchtrennt wird. Auf diese Art und Weise ergibt sich eine kammartige Anordnung mit einem alle Wandler zusammenhaltenden Steg, wobei die Zähne des Kammes aus den einzelnen Wandlern mit den Tintenkanälen bestehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den nachfolgend anhand von fünf Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen, mit denen die Erfindung näher erläutert und beschrieben wird. 'Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt bzw, zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Tintenmosaikschreibeinrichtung,

Fig. 2 ein Beispiels eines Schreibkopfes mit vier piezoelektrischen Wandlern,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Schreibkopf gemäss Fig. 2,

Fig. 4 a und b zeitliche Spannungsverläufe für die beiden piezoelektrischen Streifen eines Wandlers

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und

Fig. 5 a bis e die Aufzeichnungspunkte relativ zu den Tintenkanälen zu verschiedenen Zeiten.

Aus Fig. 1 ist der äussere Prinzipaufbau einer Tintenmosaikschreibeinrichtung ersichtlich. Ueber Transportrollen 1 und. 2" wird der Aufzeichnungsträger 3> beispielsweise normales Registrierpapier, in Richtung des Pfeiles 4 über den Abstandshalter 5 an der Stirnseite 6 eines Gehäuses 7 vorbeigezogen. In das Gehäuse 7 ist die Anschlussleitung 8 geführt, die an ihrem freien Ende mit einem Stecker 9 zum Anschluss an ein entsprechendes Steuergerät, das die Steuersignale für die Aufzeichnung der gewünschten Verläufe, Zeichen oder Bilder und für die Synchronisierung zwischen der zeitlichen Auslenkung der jeweiligen Wandler und dem Ausstossen der einzelnen Flüssigkeitstropfen liefert. Das Gehäuse 7 enthält den eigentlichen Schreibkopf, von dem eine mögliche Ausführungsform in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Schreibkopf 10 besteht aus einer Reihe von piezoelektrischen Wandlern 11 bis 14 und einem Reservoir 15 für Schreibflüssigkeit 16. In dem Wandler 11 ist gestrichelt der Tintenkanal 17 angedeutet, der im Zusammenhang mit Fig. 3 anschliessend näher erläutert wird. Der Uebersichtlichkeit halber ist auf die Darstellung der elektrischen Kontaktierungen der piezoelektrischen Streifen verzichtet worden. Wie der Fig. 2 weiter zu entnehmen ist, sind die piezoelektrischen Wandler 11 bis 14 am rückwärtigen Ende über einen gemeinsamen Steg 18 miteinander verbunden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass es im Prinzip auch möglich ist, jeden Wandler einzelnd auszubilden und separat im Schreibkopf zu befestigen. Die dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil einer erheblich vereinfachten Herstellung, da zunächst eine geschlossene Kanalmatrize hergestellt werden kann, in dem eine Reihe kontaktierter piezoelektrischer Streifen auf einer ersten Platte parallel zueinander angeordnet und mit einer zweiten Platte ab-

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gedeckt werden. Nach jeweils zwei Streifen, die einen Tintenkanal einschliessen, wird in Längsrichtung ein nahezu durchgehender Schlitz in die Platte gesägt. Auf diese Weise wird eine kammartige Wandleranordnung, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 verwendet ist, erzeugt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Wandleranordnung gemäss Fig. 2. Dabei sind die beiden äussersten Wandler 11 bzw. 14 nur gestrichelt angedeutet. Ebenso ist der Wandler 13 in seiner Ruhelage lediglich angedeutet. Der im Querschnitt näher dargestellte Wandler 12 besteht, wie die anderen Wandler auch, aus zwei piezoelektrischen Streifen 20 bzw. 21, die auf beiden Seiten mit einer Kontaktierung 22 bis 25 versehen sind und die zwischen zwei Platten 26 bzw. 27 eingeschlossen sind. Die beiden Platten bestehen in diesem Fall aus einem nichtleitenden I^feterial.

Wird nun, wie für den Wandler 13 angenommen, an die beiden Streifen 30 bzw. 31 eine Spannung angelegt, so werden diese Streifen höher und gleichzeitig schmaler und kurzer. Wird, wie in Fig. 3 angenommen, eine unterschiedlich grosse Spannung an die beiden Streifen 30 bzw. 31 angelegt, so ergeben sich unterschiedliche Längenänderungen der Streifen in den drei Dimensionen. Durch die unterschiedliche Längenänderung der Streifen verbiegt sich das Wandlerelement. Trotz der unterschiedlichen Höhen- und Breitenveränderungen wird die Querschnittsfläche des Tintenkanales vergrössert, so dass Schreibflüssigkeit hineingesaugt wird.

Wird die Querschnittsvergrösserung anschliessend rückgängig gemacht, die Verbiegung aber beibehalten, so wird ein Flüssigkeitstropfen praktisch aus einer versetzten Kanalöffnung ausgestossen.

In Fig. 4a und 4b ist beispielhaft der zeitliche Verlauf der an die beiden Streifen eines Wandlers angelegten Spannung dar-

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gestellt. Dabei ist angenommen, dass in Fig. 4a die Spannung am Streifen 30 und in Fig. 4b die am Streifen 31 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t-i wird eine gleichgrosse Spannung an beide Streifen 30 bzw. 31 angelegt, die bis zum Zeitpunkt t₂ konstant gehalten wird und danach schlagartig wieder auf den Ausgangswert zurückkehrt. Mit Hilfe dieses Rechteckimpulses an beiden Streifen ergäbe sich die normale Wirkung eines derartigen Wandlerelementes; durch die angelegte Spannung vergrössert sich die Querschnittsfläche und es wird Tinte in den Tintenkanal hineingesaugt. Zum Zeitpunkt t₂ verkleinert sich die Querschnittsfläche und damit das Volumen des Tintenkanales schlagartig, so dass in Richtung des Tintenkanales ein Flüssigkeitstropfen ausgestossen wird. Eine Verbiegung des Wandlerelementes findet in diesem Fall nicht statt.

Zum Zeitpunkt to sei angenommen, dass an die beiden Streifen eine kleine, betragsmässig gleiche, jedoch entgegengesetzte Spannung von z. B. 20 V angelegt wird. Das führt zunächst zu einer Verbiegung des Wandlers 13, jedoch nicht zu einer Querschnittsvergrösserung des Tintenkanales. Zum Zeitpunkt t^ wird dieser Spannung ein Spannungsimpuls von z. B. 100 V, wie zwischen den Zeiten t^ und t₂,überlagert, der bis zum Zeitpunkt t^dauert. Zum Zeitpunkt tg schliesslich geht die Spannung an beiden Streifen wieder auf den Ausgangswert zurück.Im Zeitintervall zwischen U und tj- wird die Querschnittsfläche des Tintenkanales des ausgelenkten Wandlers vergrössert. Zum Zeitpunkt t^ wird diese Querschnittsvergrösserung rückgängig gemacht, die Auslenkung aber beibehalten. Erst zum Zeitpunkt tg wird auch die Auslenkung rückgängig gemacht.

Anhand der Fig. 5a - 5e soll beispielhaft erläutert werden, wie die höhere Auflösung zustandekommt. In Fig. 5a sind dabei der Einfachheit halber lediglich drei Ausgangsöffnungen von Wandlern nebeneinander dargestellt, aus denen jeweils gleichzeitig Flüssigkeitstropfen ausgestossen werden sollen. In Fig. 5b ist

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angenommen, dass die Wandler nicht ausgelenkt sind, so dass die Orte der Aufzeichnungspunkte mit den Orten der ruhenden Wandler übereinstimmen. In Fig. 5c ist angenommen? dass sämtliche Wandler vor dem Ausstossen eines Flüssigkeitstropfens nach einer Seite ausgelenkt sind, so dass auch die Aufzeichnungspuikte nach dieser Seite verschoben sind. In Fig. 5d ist die Auslenkung nach der anderen Seite vorgenommen. Fig. 5e schliesslich zeigt die Gesamtheit der dadurch möglichen Aufzeichnungspunkte. Bereits mit Hilfe der drei Tintenkanäle lassen sich auf diese Art und ο Weise neun Aufzeichnungspunkte erzielen=

Die anhand der Fig. 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiele sind der besseren Uebersichtlichkeit halber nicht massstabsgerecht dargestellt. Anhand dieser Figuren soll allein das Wesentliehe des erfindungsgemässen Verfahrens und eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schreibkopfes gezeigt werden. Ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen, ist es ebenso möglich, durch unterschiedlich starke Auslenkungen der einzelnen Wandler die Zahl der Aufzeichnungspunkte weiter zu erhöhen.

Weiterhin ist es auch möglich, die Auslenkung der Wandler mit dem Ausstossen der Flüssigkeitstropfen so zu · synchronisieren, dass diesen eine Geschwindigkeitsquerkomponente überlagert wird. Dadurch ist eine weitere Variationsmöglichkeit gegeben, durch die die Lage der Auftreffpunkte der Tropfen weiter verändert werden kann. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens und der hier angegebenen Tintenmosaikschreibeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht darin, dass die zusätzliche Auslenkung der Wandler und die dadurch erzielte höhere Auflösung nur im Bedarfsfall angewendet werden muss und nur für diese Fälle eine niedrigere Papiergeschwindigkeit in Kauf genommen werden muss. Für Entwürfe mit geringerer Anforderung an Auflösung kann stets mit einer höheren Papiergeschwindigkeit gearbeitet werden. Für beide Fälle, d.h. niedrige oder hohe Auflösung, ist aber immer nur ein Schreibkopf und damit eine Ansteuer-

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elektronik notwendig. Der zusätzliche Aufwand für die Erhöhung der Auflösung beschränkt sich daher auf ein Minimum.

5 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

f 1. Verfahren zur Erhöhung der Auflösung bei einer Tintenmosaikschreibeinrichtung mit einem eine Anzahl reihenweise angeordneter, piezoelektrischer Wandler aufweisenden Schreibkopf«, bei dem durch piezoelektrische Verformung der Wandler tropfenweise Schreibflüssigkeit in Richtung auf einen Aufzeichnungsträger aus-. gestossen wird, dadurch gekennzeichne t,dass die einzelnen Wandler (11 bis 14) aus zwei Streifen (20, 21; 30, 3D aus piezoelektrischem Material bestehen, die mit Abstand zueinander angeordnet, beidseitig kontaktiert und auf beiden Seiten derart mit Platten (26, 27; 36, 37) abgedeckt sind,dass zwischen den Streifen (20, 21; 30, 3D und den Platten (26, 27; 36, 37) ein langgestreckter, im wesentlichen rechteckiger Kanal (17) entsteht, aus dem die Schreibflüssigkeit (16) ausgestossen wird, und dass die beiden Streifen (20, 21; 30, 3D zumindest zeitweise unterschiedlich stark verformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-20zeichnet, dass die unterschiedliche Verformung durch üeberlagerung des zum Ausstossen eines Flüssigkeitstropfens vorgesehenen, an beide piezoelektrischen Streifen (20, 21; 30, 3D angelegten Spannungsimpulses mit zwei für die beiden Streifen unterschiedlichen Spannungsimpulsen erfolgt.
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3· Tintenmosaikschreibeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (11 bis 14) in dem dem Aufzeichnungsträger (3) abgewandten Ende über einen Steg (18) zusammenhängen.
4. Tintenmosaikschreibeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (27; 37) auf einer Seite der Streifen (20, 21; 30, 3D aus Metall besteht und als gemeinsame Elektrode für beide Streifen dient.

5· Verfahren zur Herstellung der Wandler zur Durchführung des Verfahrens zur Erhöhung der Auflösung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kanal matrize, die aus einer Reihe von Streifen aus piezoelektrischem Material besteht, die und mit Abstand zueinander angeordnet, beidseitig elektrisch kontaktiert und auf beiden Seiten mit einer alle Streifen überdeckenden Platte abgedeckt sind, nach jeweils zwei Streifen parallel zu diesen und zumindest über einen Teil der Länge derselben durchtrennt wird.