DE3438033A1

DE3438033A1 - Schreibkopf fuer tintenschreibeinrichtungen

Info

Publication number: DE3438033A1
Application number: DE19843438033
Authority: DE
Inventors: Martin 8000 München Behrens; Ingolf 8067 Petershausen Depta
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3438033C2

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA β# η j fl β 7 ΠΤ

Schreibkopf für Tintenschreibeinrichtungen

Die Erfindung betrifft einen Schreibkopf für Tintenschreibeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-PS 2 543 451 ist es bekannt, Schreibköpfe für Tintenschreibeinrichtungen nach dem sogenannten Gießverfahren herzustellen. Dabei wird eine vormontierte, Formnadeln und röhrenförmige Piezoelemente enthaltende, Einheit vergossen, wobei nach Entfernen der Formnadeln im aus dem Gießwerkstoff bestehenden Schreibkopfkörper die Tintenkanäle entstehen, die zylindrisch von den Piezoelementen umfaßt sind. Die Tintenkanäle sind an dem der Schreibstelle zugewandten Ende des Schreibkopfes mit einer Düsenplatte abgeschlossen. An ihrem anderen Ende stehen die Tintenkanäle mit einem Tintenversorgungssystem in Verbindung. Der damit verbundene Fertigungsaufwand ist relativ groß. Insbesondere stellt die Einhaltung sehr enger Toleranzen hohe Anforderungen, was häufig zu aufwendigen Nachbehandlungen der Einzelteile führt.

Andere bekannte Maßnahmen sehen einen schichtweisen Aufbau des Schreibkopfes von Tintenschreibeinrichtungen nach der sogenannten Laminierungstechnik vor. Als Beispiel wird hierzu auf die DE-OS 3 108 206 verwiesen. Die Einhaltung vorgegebener Parameter wie Temperatur und Druck sowie die Vielzahl der zur Herstellung eines Schreibkopfes erforderlichen Schritte (Maskierung, Belichtung, Passivierung) erhöhen hier den Aufwand beträchtlich.

Fk 1 Ktz / 15.10.1984

Der Aufwand bei der Herstellung eines Schreibkopfes ist jedoch nur ein Problem. Ein weiterer, ebenso wichtiger und in großem Maße vom Aufbau des Schreibkopfes beeinflußter Punkt betrifft dessen Funktion im Schreibbetrieb.

Besondere Probleme entstehen dabei hinsichtlich der Abdichtung der einzelnen Teile nach deren Zusammenfügung, hinsichtlich der Füllens des tintenführenden Teile oder hinsichtlich der Reinigung des Schreibkopfes. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine sorgfältige Bearbeitung sämtlicher Schichtflächen sowie eine aufwendige Technik für das Zusammenfügen der einzelnen Teile erforderlich. Die Reinigung eines Schreibkopfes spielt deshalb eine große Rolle, weil bereits kleinste Verunreinigungen oder kleinste Lufteinschlüsse im Inneren des Schreibkopfes den Betrieb ganz erheblich stören. Auch die maximale Spritzfrequenz, das ist die Frequenz mit der ein aufeinander folgender Tröpfchenausstoß aus einer Düse erfolgen kann, wird durch den Aufbau des Schreibkopfes wesentlich mitbestimmt. So ist für den Aufbau der Tintenkammer, in der mittels eines piezoelektrischen Antriebselementes ein Druckimpuls erzeugt wird, ebenso wie für den Aufbau des den Druckimpuls an die Austrittsöffnung in der Düsenplatte weiterleitenden Tintenkanalsystems, auf der einen Seite ein Material mit relativ großer Festigkeit, wie z. B. Glas, Keramik, Metall oder harter Kunststoff erforderlich, um den Druckimpuls möglichst wenig zu dämpfen. Auf der anderen Seite führt das aber zu Eigenresonanzen und einer Verringerung der maximalen Spritzfrequenz.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schreibkopf anzugeben, der in einfacher und aufwandsarmer Weise gefertigt werden kann, ohne daß besondere Anforderungen an die Einhaltung von Toleranzen notwendig sind, der zugleich auch die Forderungen, die für einen störungsfreien Schreibbetrieb gestellt werden, voll erfüllt und der weiterhin einen Betrieb mit hoher Spritzfrequenz ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert, wobei zugleich auch auf weitere Vorteile hingewiesen wird. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Schreibkopfes nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Beispiel für einen Mehrdüsenschreibkopf und Fig. 3 ein Beispiel für einen Mehrfarbenschreibkopf.

Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel zeigt den Aufbau eines Schreibkopfes nach der Erfindung in einer Schnittdarstellung. Der Schreibkopf besteht aus einem Andruckkörper 1, der als Aufnahmeteil für die Piezoelemente 3 dient. Der Andruckkörper 1 weist dazu entsprechende Ausnehmungen 2 auf, die in ihrer Form und in ihren Abmessungen den Piezoelementen 3 entsprechen. In diese Ausnehmungen 2 sind die Piezoelemente 3 einsteckbar. Die Tintenkammer 5 ist in einem Kanalkörper 4 derart ausgeformt, daß an deren dem Piezoelement zugewandten Boden der Tintenkammer 5 eine innere Wandung 9 bestehen bleibt. Die Abmessungen der Tintenkammer 5 und damit, auch die Abmessung der inneren Wandung 9 entsprechen in etwa der Fläche des Andrucks des Piezoelementes 3, mit dem dieses am Kanalkörper 4 anliegt. Eine weitere, ebenfalls durch Ausformung des Kanalkörpers 4 gebildete Ausnehmung 6 stellt einen Tintenkanal dar, über den die Tintenkammer 5 mit einer Tintenzuführung 7 verbunden ist. Auch die Tintenzuführung 7 wird durch eine entsprechende Ausnehmung im

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Kanalkörper 4 gebildet. Über die Tintenzuführung 7 steht die Tintenkammer 5 mit einem hier nicht dargestellten Tintenvorratsbehälter in Verbindung. Der Kanalkörper 4 besteht aus einem elastischen und gegenüber dem Andruckkörper 1 relativ weichem Material. Den vorderen Abschluß des Schreibkopfes bildet eine wiederum aus relativ hartem Material bestehende Düsenplatte 8 mit der Tintenaustrittsöffnung 10. Die einzelnen den Schreibkopf bildenden Teile sind durch ein Halteelement 11 miteinander verbunden. Das Halteelemente 11 kann in Form einer Klemm- oder Spannvorrichtung ausgebildet sein, das nach dem Zusammenfügen der Einzelteile über diese gesteckt oder geschnappt wird. Es kann auch mit einem Verstellmechanismus ausgestattet sein. Damit ist nicht nur eine Einstellung der die Einzelteile zusammenpressenden Kraft möglich, sondern es kann bedarfsweise die Verbindung in einfacher Weise gelöst werden, was z. B. besonders vorteilhaft ist, wenn der Schreibkopf gereinigt oder entlüftet werden muß.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Aufbau ist, daß der Kanalkörper 4 aus einem weichen und elastischen Material besteht und daß der Andruckkörper 1 sowie die Düsenplatte 8 jeweils aus einem demgegenüber relativ harten Material bestehen. In dem weichen Material des Kanalkörpers 4 können die Tintenkammer 5 in einfacher Weise ausgeformt werden, wobei an eine exakte Dimensionierung keine besonders hohen Anforderungen gestellt werden. Der Kanalkörper 4 kann z. B. ein mattenartiges, aus tintenresistenten, gummiähnlichem Material z.B. Kunststoff, Silikonkautschuk bestehendes Teil sein. Die Elastizität des Kanalkörpers 4 bewirkt eine hohe Dämpfung, was zur Folge hat, daß mit hohen Spritzfrequenzen gearbeitet werden kann.

Der Andruckkörper 1 besteht vorzugsweise aus einem harten Kunststoff und die Düsenplatte kann, wie an sich bekannt,

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eine Metallplatte oder Glasplatte sein. Unter der Einwirkung des Halteelements 11 wirken der Andruckkörper 1 und die Düsenplatte 8 jeweils als Andruckplatte für den Kanalkörper 4. Da die Düsenplatte 8 im zusammengefügten Zustand des Schreibkopfes an die eine Schichtfläche des Kanalkörpers 4 angedrückt wird und zugleich die andere Schichtfläche des Kanalkörpers 4 gegen die Schichtfläche des Andruckkörpers 1 gedrückt wird, werden infolge der Elastizität des Kanalkörpers 4 die Toleranzen der Schichtflächen aufgenommen und der Schreibkopf optimal abgedichtet.

Als Antriebselemente werden Piezoelemente 3 in Form von Piezoplättchen (Längsschwinger) verwendet. Diese werden in die Ausnehmungen 2 des Andruckkörpers 1 eingelegt, wobei sie sich mit ihrer einen Schmalseite an der rückwärtigen Innenfläche der Ausnehmung 2 im Andruckkörper 1 abstützen und an ihrer vorderen Schmalseite eben mit dem Andruckkörper 1 abschließen. Auch hierfür sind keine besonders hohen Anforderungen an die Toleranzen der Abmessungen erforderlich, da die Elastizität des weichen Kanalkörpers 4 nach dem Zusammenfügen geringe Unebenheiten ausgleicht. Ein aus polarisierter Piezokeramik bestehendes Piezoplättchen 3 weist z.B. eine Länge von etwa 10 mm, eine Höhe von etwa 2 mm und eine Dicke von etwa o,2 mm auf. Es wirkt als Stoßelement, das bei entsprechender impulsweiser Ansteuerung durch Veränderung seiner Längsausdehnung auf die Innenwandung 9 des Kanalkörpers 4 einwirkt. Die dadurch bewirkte Druckwellenerzeugung in der Tintenkammer 5 findet dabei dicht hinter der Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 8 statt. Dabei ist es wesentlich, daß die Einwirkung nicht membranartig erfolgt, sondern daß eine Druckwelle durch Beeinflussung der gesamten Tintenkammer 5 stattfindet. Ein damit und durch die Elastizität des Kanalkörpers 4 bedingter Effekt besteht auch darin, daß der schmale Tintenkanal 6 dabei ebenfalls verengt wird.

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Es tritt also jeweils für die Dauer eines Tröpfchenausstoßes eine Art Drosselwirkung ein, die sich für den Ausstoßvorgang eines Tintentröpfchens günstig auswirkt.

Es ist vorteilhaft, die Piezoplättchen 3 in den Ausnehmungen 2 des Andruckkörpers 1 nur an einigen Punkten zu fixieren. Damit wird erreicht, daß die Piezoplättchen 3 weitgehend frei schwingen können, wodurch der Wirkungsgrad verbessert und die gegenseitige Beeinflussung deutlich reduziert wird.

Die Ansteuerung der Piezoplättchen 3 erfolgt über Kontaktelemente, die im Beispiel nach Fig. 1 als Kontaktfedern 12 vorgesehen und durch den Andruckkörper 1 hindurchgeführt sind. Beim Einstecken der Piezoplättchen 3 in die Ausnehmungen 2 des Andruckkörpers 1 erfolgt dabei nicht nur eine Kontaktierung, sondern es erfolgt zugleich auch eine Fixierung der Piezoplättchen 3.

Um eine im Betrieb des Schreibkopfes mögliche Beschädigung des weichen und elastischen Kanalkörpers 4 im Bereich der Einwirkung der Piezoplättchen 3 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, zwischen dem Kanalkörper 4 und dem Piezoplättchen 3 eine relativ harte Abstützung 13 vorzusehen, deren Abmessungen mindestens der Fläche der vorderen Schmalseite des Piezoplattchens 3 entspricht.

Der Ausstoß von Tintentropfchen unter Verwendung eines derartig aufgebauten Schreibkopfes geschieht folgendermaßen.

Durch Ansteuerung des Piezoplattchens 3 mit einem entsprechend gepolten Impuls übt dieses infolge einer plötzlichen Veränderung seiner Form in Längsrichtung eine stoßartige Wirkung auf die innere Wandung 9 des Kanalkörpers 4 aus.

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Der dabei ausgeübte Druck wirkt nahezu gleichmäßig auf die gesamte Wandung 9. Zugleich wird infolge der Elastizität des Kanalkörpers 4 auch der Tintenkanal 6 verengt, was zu der bereits vorher erwähnten Drosselwirkung führt.

Die durch den Stoß des Piezoplättchens 3 in der Tintenkammer 5 erzeugte Druckwelle steht also nahezu vollständig für den Ausstoß eines Tintentröpfchens zur Verfügung. Am Ende des Ansteuerimpulses nehmen das Piezoplättchen 3, die Tintenkammer 5 und der Tintenkanal 6 wieder ihre ursprüngliche Form ein, wobei über die Tintenzuführung 7 und den Tintenkanal 6 eine kleine Tintenmenge angesaugt und in die Tintenkammer 5 transportiert wird.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau eines Mehrdüsenschreibkopfes. Die Austrittsöffnungen 10 der Düsenplatte 8 sind hier in einer Reihe angeordnet. Jeder Austrittsöffnung 10 ist eine Tintenkammer 5 zugeordnet, die zusammen mit dem Tintenkanal 6 und der für alle Tintenkammern gemeinsamen Tintenzuführung 7 im Kanalkörper 4 ausgeformt ist. Die in den Andruckkörper 1 in beschriebener Weise eingesteckten Piezoplättchen 3 sind jeweils hinter einer Tintenkammer 5 angeordnet, wobei sie mit ihrer Schmalseite den Bereich der Tintenkammer 5 überdecken. Die Anschlußkontakte 12, beispielsweise Kontaktfedern, über die die Kontaktbeschichtung der Piezoplättchen 3 kontaktiert wird, sind im Beispiel als Steckkontakte nach außen geführt. Die für alle Tintenkammern 5 gemeinsame Tintenzuführung 7 besitzt an einer Seite des Schreibkopfes einen nach außen führenden Anschluß 14, über den der Schreibkopf an einen hier nicht dargestellten Tintenbehälter angeschlossen werden kann.

Anhand der Fig. 1 und 2 wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf einen Einfarbenschreibkopf beschrieben. Sie ist jedoch auch zum Aufbau eines Mehrfarbenschreibkopfes vor-

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teilhaft anwendbar. Dazu bedarf es lediglich einer im Rahmen der Erfindung liegenden Ausgestaltung der Tintenzuführung für die einzelnen Tintenkammern. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 3. Dort ist lediglich der Kanalkörper 41 in Aufsicht dargestellt. In diesem Beispiel sind insgesamt zwölf Tintenkammern, die vier Gruppen 51 bis 54 bilden, ausgeformt; sie sind über jeweils einen Tintenkanal 61 bis 64 mit getrennten Tintenzuführungen 71 bis 74 verbunden. Tintenkanäle und Tintenzufuhrungen sind, wie vorher beschrieben, ebenfalls im Kanalkörper 41 ausgeformt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bilden hier jeweils drei Tintenkammern eine Gruppe von 51 bis 54 Tintenkammern. Jede Gruppe ist für den Ausstoß von Tintentröpfchen einer bestimmten Farbe vorgesehen. Die Gruppen von Tintenkammern 51 bis 54 sind jeweils mit hier nicht dargestellten Tintenbehältern verbunden, die z. B. Tinte der Farben Schwarz, Magenta, Cyan und Gelb enthalten. Der Aufbau eines derart ausgestalteten Schreibkopfes entspricht dem anhand von Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Aufbau. Ebenso geschieht auch der Tröpfchenausstoß in der dort beschriebenen Weise.

7 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims

Patentansprüche

1. Tintenschreibkopf mit mindestens einer über eine Tintenzuführung mit einem Tintenbehälter in Verbindung stehenden Tintenkammer und mit den Tintenkammern zugeordneten und impulsweise ansteuerbaren piezoelektrischen Antriebselementen, unter deren Einwirkung in der Tintenkammer Druckwellen erzeugt und Einzeltröpfchen aus einer Austrittsöffnung einer die Tintenkammer abdeckenden Düsenplatte ausgestoßen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Andruckkörper (1) mit Ausnehmungen (2) zur Aufnahme von einsteckbaren Piezoelementen (3), ein Kanalkörper (4), in welchem die Tintenkammern (5), mindestens eine gemeinsame Tintenzuführung (7) und eine jede Tintenkammer (5) mit der Tintenzuführung (7) verbindender Tintenkanal (6) ausgeformt sind, und eine den Kanalkörper (4) abdeckende Düsenplatte (8) vorgesehen sind,

wobei der Kanalkörper (4) aus einem elastischen und gegenüber dem Material des Andruckkörpers (1) und der Düsenplatte (8) weichem Material besteht, daß die durch die Ausformung im Kanalkörper (4) gebildete innere Wandung (9) jeder Tintenkammer (5) in ihrer Abmessung etwa der Fläche des Andruckes eines Piezoelementes (3) entspricht und das Piezoelement (3) im Bereich der Tintenkammer (5) unmittelbar hinter der Wandung (9) angeordnet ist,
und daß ein Halteelement (11) den Andruckkörper (1), den Kanalkörper (4) und die Düsenplatte (8) pressend zusammenhalt.

2. Schreibkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (3) Piezoplättchen sind, die in Längsrichtung in die der Form der Piezoplättchen (3) entsprechenden Ausnehmungen (2) des Andruckkörpers (1) ein-

steckbar sind, wobei sie sich mit ihrer einen Schmalseite im Inneren der Ausnehmung (2) abstützen und mit ihrer anderen Schmalseite im Bereich der inneren Wandung (9) der Tintenkammer (5) unmittelbar am Kanalkörper (4) anliegen, und daß die durch eine elektrische Ansteuerung bewirkte Formänderung der Piezoplättchen (3) in deren Längsrichtung wirkt und stoßartig den Kanalkörper (4) im Bereich der inneren Wandung (9) verformt.

3. Schreibkopf nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Piezoplättchen (3) und dem Kanalkörper <4) eine Abstützung (13) vorgesehen ist, deren Abmessungen mindestens der Querschnittsfläche der vorderen Schmalseite des Piezoplattchens (3) entspricht.

4. Schreibkopf nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoplättchen (3) derart dimensioniert sind, daß deren am Kanalkörper (4) anliegende Schmalseiten auch den Bereich des Tintenkanals (6) überdecken.

5. Schreibkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke eines Reinigungs-, Spül- oder Entlüftungsvorganges das Halteelement (11) als lösbares Verbindungselement ausgeführt wird.

6. Schreibkopf nach Anspruch 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß im Kanalkörper (4) eine für alle Tintenkammern (5) gemeinsame Tintenzuführung (7) vorgesehen ist, über die die Tintenkammern (5) mit einem gemeinsamen Tintenbehälter verbunden sind.

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7. Schreibkopf nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanalkörper (41) für jeweils eine Gruppe von Tintenkammern (51, 52, 53, 54) eine gemeinsame Tintenzuführung (71, 72, 73, 74) vorgesehen ist und daß jede Gruppe von Tintenkammern (51, 52, 53, 54) mit einem eigenen Tintenbehälter verbunden ist und mit Tinte jeweils verschiedener Farbe versorgt wird.