EP0116971B1 - Piezoelektrisch betriebener Schreibkopf mit Kanalmatrize - Google Patents

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EP0116971B1
EP0116971B1 EP84101681A EP84101681A EP0116971B1 EP 0116971 B1 EP0116971 B1 EP 0116971B1 EP 84101681 A EP84101681 A EP 84101681A EP 84101681 A EP84101681 A EP 84101681A EP 0116971 B1 EP0116971 B1 EP 0116971B1
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EP
European Patent Office
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strips
piezo
recording head
plate
electric
Prior art date
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Expired
Application number
EP84101681A
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English (en)
French (fr)
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EP0116971A1 (de
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Kenth Dipl.-Ing. Nilsson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Elema AB
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Elema AB
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Elema AB filed Critical Siemens AG
Publication of EP0116971A1 publication Critical patent/EP0116971A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0116971B1 publication Critical patent/EP0116971B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14209—Structure of print heads with piezoelectric elements of finger type, chamber walls consisting integrally of piezoelectric material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/145—Arrangement thereof
    • B41J2/155—Arrangement thereof for line printing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14379—Edge shooter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49401—Fluid pattern dispersing device making, e.g., ink jet

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectrically operated writing head for ink mosaic writing devices with writing nozzles in the form of ink channels receiving writing liquid, from which the writing liquid is ejected drop by drop by piezoelectric deformation of a drive element.
  • the writing head consists of a perforated matrix with a row of nozzles, in front of the inlet opening of which rod-shaped piezoelectric elements are arranged in such a way that the piezo elements bend when a voltage is applied and thereby drop-wise write liquid ejects from the corresponding nozzle (DE-PS-25 27 647).
  • the individual rod-shaped piezoelectric elements are combined to form a kind of comb and are thus connected to one another via a common web.
  • Great demands must be placed on the manufacture of the comb as well as the perforated die, particularly with regard to the tolerances, in order to ensure that the print head functions properly. For the same reason, the die matrix and comb must be carefully adjusted.
  • write heads consist of a single workpiece made of dielectric plastic in the casting process and which contains a plurality of channels which hold the writing fluid (DE-PS-25 43 451) These channels are likewise closed off by a perforated matrix towards the recording medium.
  • the outlet openings can be arranged so close to one another that the desired high recording quality is obtained
  • the ink channels are radially directed away from these outlet openings and the piezoceramic tubes are arranged at a distance from the outlet openings complex to manufacture and also has a large mass, so that correspondingly large acceleration forces are necessary for the rapid deflection of such a write head.
  • the object of the present invention is to design the write head mentioned at the outset in a mechanically stable manner and, moreover, to significantly simplify production.
  • efforts are also being made to keep the mass to be accelerated as small as possible.
  • the ink channels are formed by a channel matrix, which consists of a series of strips of piezoelectric material which are arranged in parallel at a distance from one another and in this way delimit the ink channels, make electrical contact and open on both sides both sides are covered by a plate.
  • a channel matrix which consists of a series of strips of piezoelectric material which are arranged in parallel at a distance from one another and in this way delimit the ink channels, make electrical contact and open on both sides both sides are covered by a plate.
  • the strips z. B. be formed by sawing grooves in a solid plate made of piezoelectric material, which are then only to be covered on the top with a plate to form the channel matrix. The rest of the solid plate remains the lower plate. In this way, rectangular channels for the ink are created between the strips of piezoelectric material.
  • the dimensions of the strips and the spaces can advantageously be chosen so that the channels formed between the strips themselves form the writing nozzles.
  • a separate perforated matrix can therefore be dispensed with. This eliminates the otherwise complex adjustment between the die and the piezo comb or between the die and the workpiece with the ink channels.
  • the channel matrix according to the invention is mechanically robust and nevertheless small and light, so that an extremely high deflection speed of the print head is possible with reasonable forces.
  • the liquid contained in the channels is ejected uniformly in both directions
  • attempts have shown that a sufficiently large ejection takes place in the direction of a recording medium arranged in front of the write head. Since the ink channels on the back are connected directly to a storage chamber for writing liquid, the abrupt change in cross-section causes a reflection of the liquid wave running in this direction, so that the majority of the displaced liquid is ejected in the direction of the recording medium.
  • the strips of piezoelectric material are rigidly connected to a carrier plate, it is particularly advantageous if this carrier plate is kept so thin that the longitudinal expansion of the piezoelectric strips does not cause the carrier plate and thus the entire channel matrix to bend. Particularly favorable mechanical properties are obtained if the strips are additionally reinforced on the top by a layer - in particular made of metal - which offers approximately the same resistance to the longitudinal expansion as the lower carrier plate.
  • the carrier plate is made directly of metal, it can be used as a common electrode for all strips of piezoelectric material.
  • the channel matrix is particularly simple to manufacture if a bilaminar material made of carrier material and piezoelectric material is used and the strip structure is produced, for example, by sawing in the piezoelectric material. After the corresponding contact of the strips on the top, only a cover plate is applied as a finish. Every second channel can in turn be filled with an elastic material or air.
  • Another particularly advantageous production of the print head is based on a laminate of piezoelectric material provided on both sides with a metal layer, from which longitudinal channels are worked out alternately from one side and once from the other.
  • the depth of the channels extends approximately over a metal layer and the piezoelectric material.
  • the channel plate produced in this way is closed off at least on one side with a continuous plate.
  • This structure also has the advantage that the channel plate can be intentionally broken in the longitudinal direction by different layers, so that the tensile stress that occurs when a voltage is applied can no longer spread. Nevertheless, the mechanical stability of the entire arrangement is completely preserved.
  • the outer basic structure of an ink mosaic writing device can be seen from FIG.
  • the recording medium 3, for example normal registration paper, is pulled past the front face 6 of the housing 7 in the direction of arrow 4 via transport rollers 1 and 2.
  • the connecting line 8 is guided, which is provided at its free end with a plug 9 for connection to a corresponding control device which supplies the control signals for recording the desired courses, characters or images.
  • the housing 7 contains the actual write head, of which a possible embodiment is shown in perspective in FIG. 2.
  • the writing head consists of a channel matrix 10 and a reservoir 11 for writing liquid 12.
  • ink channels 13 to 16 are indicated by dashed lines, which are formed by two plates 17 and 18 and the strips 20 to 27 between them made of piezoelectric material.
  • the electrical contacting of the piezoelectric strips has been omitted here.
  • the plate 17 can be made of metal and form a common electrode for all common strips 20 to 27 made of piezoelectric material. The other side of the strips must then be contacted in pairs. If the plate 18 is also made of conductive material, insulation must be provided between it and the contacts.
  • FIG. 3 shows a cross section through the channel matrix corresponding to FIG. 2.
  • a nickel foil serves as the carrier plate 17.
  • the piezoelectric material 20 to 27 is applied in strips. These strips are provided in pairs with electrical contacts 30 to 33.
  • the end is formed by the end plate 18, which in this case should consist of a non-conductive material.
  • this representation indicates that every second channel 34 to 36 formed is filled with an elastic material, for example silicone rubber.
  • the width of the piezoelectric strips is 50 ⁇ m and the distance between the adjacent strips is just as much, you get mosquito-like female pages 8 and 9, instead of a description pages 8, 9 and 9a, initially from 19.6.85 a distance the writing nozzles (cannula 13 to 16) of 200 fJ.m. This means that five writing nozzles per mm are provided, with which very good recording quality can already be achieved.
  • the thickness of the strips can be approximately in the are of the same order of magnitude. In order to get a sufficiently large ink output without excessive voltage amplitudes, the length of the channel matte can be approximately 10 mm.
  • the thickness of the carrier plate 17 and the cover plate 18 is approximately 20 11 m.
  • FIG. 4 shows an enlarged section of the illustration according to FIG. 3 in two different states.
  • the state in which a voltage is applied to the contacts to the two strips 20 and 21 made of piezoelectric material is represented by solid lines, so that these strips become narrower and higher.
  • the state in which the strips of piezoelectric material have returned to their original shape is shown in dashed lines.
  • dashed lines As can be seen from this illustration, when a voltage is applied to the piezoelectric strips, the channel cross-sectional area is enlarged and in this way additional writing liquid is sucked into the channel.
  • the strips return to their original shape and thereby reduce the enclosed channel volume in such a way that the writing fluid to be displaced is ejected as drops on the front of the channel matrix.
  • FIG. 5 again shows in cross section a further embodiment of a channel die 40.
  • This essentially consists of a laminate made of piezoelectric material 41, which is provided on both sides with a metal layer 42 or 43.
  • Channels 44 to 47 are introduced into this laminate alternately from the top and bottom, for example by sawing.
  • the channels each extend through a metal layer and the layer made of piezoelectric material. It should be pointed out at this point that these channels do not necessarily have to pass through the entire layer of piezoelectric material. Every second channel can in turn contain air and be sealed off from the storage chamber.
  • the piezoelectric write head according to FIG. 5 can also be produced in that a carrier plate is provided in strips with a conductive layer on a surface, that piezoelectric material is applied in strips thereof, that the piezoelectric strips are electrically contacted in pairs and that a cover plate is applied in an insulated manner.
  • a carrier plate is provided in strips with a conductive layer on a surface, that piezoelectric material is applied in strips thereof, that the piezoelectric strips are electrically contacted in pairs and that a cover plate is applied in an insulated manner.
  • a bilaminar plate made of carrier material and piezoelectric material, in which the strip structure is produced by working out piezoelectric material in certain areas.
  • the strips By preventing the expansion of the strips of piezoelectric material in the longitudinal direction by means of reinforcement on the top of these strips, the strips become practically narrower than usual when a voltage is applied. In this way, an approximately 30 percent stronger effect can be achieved with the same achieve the applied voltage. In other words, the same effect can be achieved with a reduced voltage and thus overall with a reduced power to be applied.
  • a further advantage of the channel matrix according to the exemplary embodiment according to FIG. 5 is that the tensile stress in the longitudinal direction caused by the deformation of the strips of piezoelectric material can be suppressed by intentionally breaking the piezoelectric material several times in the longitudinal direction. The resulting fine transverse cracks do not change the mechanical stability of the entire duct matrix, but the tensile stresses can no longer spread in the longitudinal direction.
  • FIG. 6 again shows in a schematic cross-sectional representation that two channel matrices 50 and 60 can be arranged tightly packed, for example to increase the resolution.
  • two Kana matrices 50 and 60 were assumed. This should not rule out the fact that a plurality of such single-row channel matrices can be combined to form a block if necessary.
  • the middle plate 51 is simultaneously used as a cover plate for the upper and lower row of channels. If one thinks of this plate 51 again from a conductive material, this results in a common electrode for both the upper and the lower strips made of piezoelectric material.
  • FIG. 6 again shows in a schematic cross-sectional representation that two channel matrices 50 and 60 can be arranged tightly packed, for example to increase the resolution.
  • the middle plate 51 is simultaneously used as a cover plate for the upper and lower row of channels. If one thinks of this plate 51 again from a conductive material, this results in a common electrode for both the upper and the lower strips made of piezoelectric material.
  • Fig. 7 shows an ink channel 70 in longitudinal section.
  • a part of the piezoelectric material 73 can be seen in the right end region, which reduces the height of the outlet opening running transversely to the channel extension.
  • the ink channel 70 can thus have a larger volume without the size cross section of the drops changing.
  • FIG. 8 shows a write head 80 similar to that shown in FIG. 2, except that four channel matrices 81-84 are provided densely packed and also four separate storage chambers 85-88 for writing liquid of different colors. If you choose as colors, red, blue, yellow and black, you can use it to create perfect color records - controlled e.g. B. from a Standbilmonitor - be made.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch betriebenen Schreibkopf für Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit Schreibdüsen in Form von Schreibflüssigkeit aufnehmenden Tintenkanälen, aus denen die Schreibflüssigkeit durch piezoelektrische Verformung eines Antriebselementes tropfenweise ausgestossen werden.
  • Für Tintenmosaikschreibeinrichtungen sind bisher zwei Lösungen bekannt. Bei der einen besteht der Schreibkopf aus einer Lochmatrize mit einer Reihe von Düsen, vor deren Eintrittsöffnung jeweils stabförmige piezoelektrische Elemente so angeordnet sind, dass sich die Piezoelemente beim Anlegen einer Spannung verbiegen und dabei tropfenweise Schreibflüssigkeit aus der entsprechenden Düse ausstossen (DE-PS-25 27 647). Um überhaupt eine genügend hohe Aufzeichnungsqualität zu erhalten, sind die einzelnen stabförmigen piezoelektrischen Elemente zu einer Art Kamm zusammengefügt und damit über einen gemeinsamen Steg miteinander verbunden. An die Herstellung des Kammes als auch der Lochmatrize müssen grosse Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Toleranzen gestellt werden, um ein einwandfreies Funktionieren des Schreibkopfes zu erhalten. Aus dem gleichen Grund müssen Lochmatrize und Kamm sorgfältig justiert werden.
  • Weiterhin sind Schreibköpfe bekannt, die aus einem einzigen, im Gussverfahren aus dielektrischem Kunststoff hergestellten Werkstück bestehen, das mehrere die Schreibflüssigkeit aufnehmende Kanäle enthält (DE-PS-25 43 451 Zum Aufzeichnungsträger hin sind diese Kanäle ebenfalls durch eine Lochmatrize abgeschlossen. Als piezoelektrische Antriebselemente dienen Keramikröhrchen, die die eigentlichen Tintenkanäle zylinderförmig umfassen. Damit die Austrittsöffnungen so dicht nebeneinander angeordnet sein können, dass die gewünschte hohe Aufzeichnungsqualität erhalten wird, sind die Tintenkanäle strahlenförmig von diesen Austrittsöffnungen weggerichtet und die piezokeramischen Röhrchen in Abstand zu den Austrittsöffnungen angeordnet. Dieser Schreibkopf ist relativ aufwendig in der Herstellung und besitzt ausserdem eine grosse Masse, so dass zur schnellen Auslenkung eines derartigen Schreibkopfes entsprechend grosse Beschleunigungskräfte notwendig sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Schreibkopf mechanisch stabil auszubilden und ausserdem die Herstellung wesentlich zu vereinfachen. Insbesondere für bewegliche Schreibköpfe wird zusätzlich angestrebt, dabei die zu beschleunigende Masse möglichst klein zu halten.
  • Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Tintenkanäle durch eine Kanalmatrize gebildet sind, die aus einer Reihe von Streifen aus piezoelektrischem Material besteht, die parallel mit Abstand zueinander angeordnet, sind und auf diese Weise die Tintenkanäle abgrenzen, beidseitig elektrisch kontaktiert und auf beiden Seiten von einer Platte abgedeckt sind. Das soll auch die Möglichkeit beinhalten, dass die Streifen z. B. durch Einsägen von Rillen in eine massive Platte aus piezoelektrischem Material gebildet werden, die dann nur noch auf der Oberseite mit einer Platte abzudecken sind, um die Kanalmatrize zu bilden. Der Rest der massiven Platte bleibt dann die untere Platte. Zwischen den Streifen aus piezoelektrischem Material werden auf diese Art rechteckige Kanäle für die Tinte geschaffen. Wird nun beispielsweise an zwei Streifen aus piezoelektrischem Material eine 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, so gehen die Streifen in ihre Ausgangsform zurück, wodurch das Kanalvolumen schlagartig verkleinert wird. Das führt zu einem Ausstoss von Schreibflüssigkeit.
  • Die Abmessungen der Streifen und der Zwischenräume können vorteilhafterweise so gewählt werden, dass die zwischen den Streifen gebildeten Kanäle selbst die Schreibdüsen bilden. Im Gegensatz zu den bekannten Schreibköpfen kann hierbei also auf eine separate Lochmatrize verzichtet werden. Damit entfällt die ansonsten aufwendige Justierung zwischen Lochmatrize und Piezokamm oder zwischen Lochmatrize und dem Werkstück mit den Tintenkanälen.
  • Die erfindungsgemässe Kanalmatrize ist durch ihre « Sandwichbauweise - mechanisch robust und trotzdem klein und leicht, so dass eine extrem hohe Auslenkgeschwindigkeit des Schreibkopfes mit vertretbaren Kräften möglich ist. Obwohl es zunächst so aussehen könnte, dass die in den Kanälen enthaltene Flüssigkeit gleichmässig nach beiden Richtungen aus diesen ausgestossen wird, haben Versuche gezeigt, dass ein genügend grosser Ausstoss in Richtung auf einen vor dem Schreibkopf angeordneten Aufzeichnungsträger erfolgt. Da die Tintenkanäle auf der Rückseite direkt mit einer Vorratskammer für Schreibflüssigkeit verbunden sind, verursacht die sprunghafte Querschnitttsänderung eine Reflexion der in dieser Richtung laufenden Flüssigkeitswelle, so dass der überwiegende Teil der verdrängten Flüssigkeit in Richtung auf den Aufzeichnungsträger ausgestossen wird.
  • Um ein Ueberkoppeln der mechanischen Verformungen eines aktivierten Kanales auf einen benachbarten zu verhindern, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass nur jeder zweite Kanal zum Schreiben vorgesehen ist und die dazwischenliegenden Kanäle mit einem elastischen Material oder mit Luft ausgefüllt sind. Durch die Luft wird praktisch überhaupt keine mechanische Kopplung erhalten. Ein Eindringen von Schreibflüssigkeit in diese Zwischenkanäle kann dadurch verhindert werden, dass diese nicht ganz bis an das der Vorratskammer zugewandtem Ende durchgehen.
  • Wenn die Streifen aus piezoelektrischem Material starr mit einer Trägerplatte verbunden sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Trägerplatte so dünn gehalten ist, dass die Längsausdehnung der piezoelektrischen Streifen keine Verbiegung der Trägerplatte und damit der gesamten Kanalmatrize verursacht. Besonders günstige mechanische Eigenschaften erhält man, wenn die Streifen auf der Oberseite zusätzlich durch eine Schicht - insbesondere aus Metall - armiert sind, die der Längsausdehnung etwa den gleichen Widerstand entgegensetzt wie die untere Trägerplatte.
  • Besteht die Trägerplatte direkt aus Metall, so kann diese als gemeinsame Elektrode für sämtliche Streifen aus piezoelektrischem Material verwendet werden.
  • Die Kanalmatrize ist besonders einfach herzustellen, wenn von einem bilaminarem Material aus Trägermaterial und piezoelektrischem Material ausgegangen wird und beispielsweise durch Einsägen des piezoelektrischen Materiales die Streifenstruktur hergestellt wird. Nach dem entsprechenden Kontaktieren der Streifen auf der Oberseite wird als Abschluss lediglich eine Deckplatte aufgebracht. Jeder zweite Kanal kann wiederum mit einem elastischen Material oder Luft ausgefüllt sein.
  • Eine weitere besonders vorteilhafte Herstellung des Schreibkopfes geht von einem Laminat aus beidseitig mit einer Metallschicht versehenem piezoelektrischen Material aus, aus dem abwechselnd einmal von der einen und einmai von der anderen Seite Längskanäle herausgearbeitet werden. Die Tiefe der Kanäle erstreckt sich dabei annähernd jeweils über eine Metallschicht und das piezoelektrische Material. Nach entsprechender Kontaktierung wird die so hergestellte Kanalplatte zumindest auf einer Seite mit einer durchgehenden Platte abgeschlossen. Bei diesem Aufbau ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass die Kanalplatte absichtlich in Längsrichtung durch unterschiedliche Schichten gebrochen werden kann, so dass sich die beim Anlegen einer Spannung auftredende Zugspannung nicht mehr ausbreiten kann. Trotzdem bleibt die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung vollständig erhalten.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüche
  • Nachfolgend werden anhand von 8 Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert und beschrieben. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt
    • Figur 1 eine schematische Ansicht einer Tintenmosaikeinrichtung,
    • Figur 2 in einer perspektivischen Darstellung den Schreibkopf,
    • Figur 3 einen Querschnitt durch eine erste mögliliche Kanalmatrize,
    • Figur 4 einen Ausschnitt der Kanalmatrize nach Fig. 3 in zwei unterschiedlichen Zuständen,
    • Figur 5 wiederum in einem Querschnitt eine weitere Ausführungsform der Kanalmatrize und
    • Figur 6 ein Querschnitt durch eine doppelte Kanalmatrize,
    • Figur 7 einen Längsschnitt durch einen Kanal und
    • Figur 8 einen Schreibkopf mit vier Kanalmatrizen.
  • 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 Abstandhalter 5 an der Stirnseite 6 des Gehäuses 7 vorbeigezogen. In das Gehäuse 7 ist die Anschlussleitung 8 geführt, die an ihrem freien Ende mit einem Stecker 9 versehen ist zum Anschluss an ein entsprechendes Steuergerät, das die Steuersignale für die Aufzeichnung der gewünschten Verläufe, Zeichen oder Bilder liefert. Das Gehäuse 7 enthält den eigentlichen Schreibkopf, von dem eine mögliche Ausführungsform perspektivisch in Fig. 2 dargestellt ist.
  • Der Schreibkopf besteht aus einer Kanalmatrize 10 und einem Reservoir 11 für Schreibflüssigkeit 12. In der Kanalmatrize 10 sind gestrichelt Tintenkanäle 13 bis 16 angedeutet, die durch zwei Platten 17 bzw. 18 und die dazwischenliegenden Streifen 20 bis 27 aus piezoelektrischem Material gebildet sind. Der Uebersichtlichkeit halber ist hier auf die Darstellung der elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Streifen verzichtet worden. Beispielsweise kann die Platte 17 aus Metall bestehen und eine gemeinsame Elektrode für sämtliche gemeinsame Streifen 20 bis 27 aus piezoelektrischem Material bilden. Die andere Seite der Streifen muss dann paarweise kontaktiert werden. Besteht auch die Platte 18 aus leitfähigem Material, so muss zwischen dieser und den Kontakten eine Isolierung vorgesehen sein.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Kanalmatrize entsprechend Fig. 2. Als Trägerplatte 17 dient beispielsweise eine Nickelfolie. Auf diese ist streifenförmig das piezoelektrische Material 20 bis 27 aufgebracht. Diese Streifen sind paarweise mit elektrischen Kontakten 30 bis 33 versehen. Den Abschluss bildet die Abschlussplatte 18, die in diesem Fall aus einem nichtleitfähigem Material bestehen soll. Weiterhin ist in dieser Darstellung angedeutet, dass jeder zweite gebildete Kanal 34 bis 36 mit einem elastischen Material, beispielsweise Silikongummi ausgefüllt ist. Nimmt man beispielsweise an, dass die Breite der piezoelektrischen Streifen 50 um beträgt und der Abstand zwischen den benachbarten Streifen ebensoviel, so erhält man mosprüngliche Besweibungseiten 8 und 9 ersetst dürche eine Beschreibungs- Seiten 8, 9 und 9a, eingiganger aus 19.6.85 einen Abstand der Schreibdüsen (Kanüle 13 bis 16) von 200 fJ.m. Das bedeutet, dass fünf Schreibdüsen pro mm vorgesehen sind, womit bereits eine sehr gute Aufzeichnungsqualität erzielbar ist. Die Dicke der Streifen kann etwa in der gleichen Grössenordnung liegen. Um einen genügend grossen Tintenausstoss ohne zu grosse Spannungsamplituden zu bekommen, kann die Länge der Kanalmattize etwa 10 mm betragen. Die Dicke der Trägerplatte 17 und der Abdeckplatte 18 beträgt ca. 20 11m.
  • Fig. 4 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt der Darstellung gemäss Fig, 3 in zwei unterschiedlichen Zuständen. Mit durchgezogenen Linien ist der Zustand dargestellt, in dem an die Kontaktierungen zu den beiden Streifen 20 und 21 aus piezoelektrischem Material eine Spannung angelegt ist, so dass diese Streifen schmaler und höher werden. Gestrichelt ist der Zustand dargestellt, in dem die Streifen aus piezoelektrischem Material in ihrer Ausgangsform zurückgekehrt sind. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, wird beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Streifen die Kanalquerschnittsfläche vergrössert und auf diese Weise zusätzlich Schreibflüssigkeit in den Kanal hineingesaugt. Beim Kurzschliessen der Spannung kehren die Streifen in ihre Ausgangsform zurück und verkleinern dabei das eingeschlossene Kanalvolumen derart, dass die zu verdrängende Schreibflüssigkeit an der Vorderseite der Kanalmatrize als Tropfen ausgestossen wird.
  • Fig. 5 zeigt wiederum im Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer Kanalmatrize 40. Diese besteht im wesentlichen aus einem Laminat aus piezoelektrischem Material 41, das beidseitig mit einer Metallschicht 42 bzw. 43 versehen ist. Abwechselnd von der Ober- und Unterseite sind in dieses Laminat Kanäle 44 bis 47, beispielsweise durch Einsägen eingebracht. Die Kanäle erstrecken sich in vorliegendem Ausführungsbeispiel jeweils durch eine Metallschicht und die Schicht aus piezoelektrischem Material. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass diese Kanäle nicht notwendigerweise durch die gesamte Schicht aus piezoelektrischem Material hindurchgehen müssen. Jeder zweite Kanal kann wiederum Luft enthalten und gegen die Vorratskammer abgeschlossen sein.
  • Trotz des Einsägens der Kanäle erhält man weiterhin ein mechanisch zusammenhängendes Laminat. Da bei dieser Anordnung die Streifen aus piezoelektrischem Material auf beiden Seiten gleichermassen mit einer Metallschicht versehen sind, d. h. gewissermassen armiert sind, liegen beim Anlegen einer Spannung an zwei Streifen symetrische Verhältnisse vor, so dass die Verformung des piezoelektrischen Elementes keine Verbiegung der Kanalmatrize 40 hervorrufen kann. Den Abschluss bilden - wie dargestellt - wieder je eine Platte 48 und 49 oder aber auch nur eine Platte 49. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass diese Armierung auch bei der Kanalmatrize 10 gemäss dem vorangehend behandelten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die elektrischen Kontakte trockenbleiben können, d. h. nicht mit der Schreibflüssigkeit in Kontakt kommen.
  • Alternativ zu dem unter Bezugnahme auf die Fig. 5 beschriebenen Herstellungsverfahren kann der piezoelektrische Schreibkopf gem. der Erfindung auch dadurch hergestellt werden, dass eine Trägerplatte auf einer Oberfläche streifenweise mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, dass auf diese streifenförmig piezoelektrisches Material aufgebracht wird, dass die piezoelektrischen Streifen paarweise elektrisch kontaktiert werden und dass isoliert dazu eine Abdeckplatte aufgebracht wird. An Stelle des Aufbringens des streifenförmigen piezoelektrischen Materiales auf die Trägerplatte ist es ebenso möglich, dass eine bilaminare Platte aus Trägermaterial und piezoelektrischem Material vorgesehen ist, in der durch bereichsweises Herausarbeiten von piezoelektrischem Material die Streifenstruktur erzeugt wird.
  • Durch die Verhinderung der Ausdehnung der Streifen aus piezoelektrischem Material in Längsrichtung durch eine Armierung auch auf der Oberseite dieser Streifen werden die Streifen beim Anlegen einer Spannung praktisch noch schmaler als sonst. Auf diese Art und Weise lässt sich ein ca. 30 Prozent stärkerer Effekt bei gleicher angelegter Spannung erzielen. Anders ausgedrückt, lässt sich der gleiche Effekt bei einer reduzierten Spannung und damit insgesamt mit einer verminderten aufzubringenden Leistung erzielen.
  • Ein weiterer Vorteil der Kanalmatrize gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 besteht darin, dass die durch die Verformung der Streifen aus piezoelektrischem Material hervorgerufene Zugspannung in Längsrichtung dadurch unterdrückt werden kann, dass absichtlich das piezoelektrische Material in Längsrichtung mehrfach gebrochen wird. Durch die dabei auftretenden feinen Querrisse wird die mechanische Stabilität der gesamten Kanalmatrize nicht verändert, jedoch können sich die Zugspannungen in Längsrichtung nun nicht mehr ausbreiten.
  • In Fig. 6 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel wiederum in einer schematischen Querschnittsdarstellung gezeigt, dass zwei Kanalmatrizen 50 und 60 dicht gepackt angeordnet sein können, um beispielsweise die Auflösung zu erhöhen. Dabei ist lediglich der einfacheren Darstellungsweise halber nur von zwei KanaImatrizen 50 und 60 ausgegangen worden. Das soll nicht ausschliessen, dass im Bedarfsfall eine Mehrzahl derartiger einreihiger Kanalmatrizen zu einem Block zusammengefasst werden können. Wie der Fig. 6 weiter zu entnehmen ist, wird die mittlere Platte 51 gleichzeitig als Abdeckplatte für die obere und die untere Kanalreihe verwendet. Denkt man sich diese Platte 51 wiederum aus einem leitfähigen Material, so ergibt sich damit eine gemeinsame Elektrode sowohl für die oberen als auch für die unteren Streifen aus piezoelektrischem Material. Im Beispiel gemäss Fig. 6 ist weiterhin angenommen, dass die Tintenkanäle 52, 53 und 61 in den beiden Reihen versetzt zueinander angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass man auf einfache Art und Weise eine erhöhte Auflösung erhält. Es erfordert lediglich, dass die beiden Reihen entsprechend der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Schreibkopf und dem Schreibpapier zu unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert werden. Darüber hinaus besteht weiterhin die Möglichkeit, unterschiedliche Reihen von Tintenkanälen mit verschiedenfarbenen Schreibflüssigkeiten zu versorgen, so dass sogar eine mehrfarbige Aufzeichnung möglich ist.
  • Fig. 7 zeigt einen Tintenkanal 70 im Längsschnitt. Neben den beiden Abdeckplatten 71 und 72 ist im rechten Endbereich ein Teil des piezoelektrischen Materials 73 zu sehen, das quer zur Kanalerstreckung verlaufend die Höhe der Austrittsöffnung verkleinert. Der Tintenkanal 70 kann damit ein grösseres Volumen aufweisen, ohne dass sich der Grössenquerschnitt der Tropfen verändert.
  • Fig. 8 zeigt einen Schreibkopf 80 ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten, nur dass vier Kanaimatrizen 81-84 dicht gepackt vorgesehen sind und ebenfalls vier separate Vorratskammern 85-88 für Schreibflüssigkeit unterschiedlicher Farbe. Wählt man als Farben, rot, blau, gelb und schwarz, so können damit einwandfreie Farbaufzeichnungen - gesteuert z. B. von einem Standbilmonitor - angefertigt werden.

Claims (12)

1. Piezoelektrisch betriebener Schreibkopf für Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit in Form von Schreibflüssigkeit aufnehmenden Tintenkanälen einer Kanalmatrize, aus denen die Schreibflüssigkeit durch piezoelektrische Verformung eines Antriebselementes tropfenweise ausgestossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalmatrize (10 ; 40 ; 50, 60) aus einer Reihe von Streifen (20-27) aus piezoelektrischem Material besteht, die parallel mit Abstand zueinander angeordnet sind und auf diese Weise die Tintenkanäle (13-16 44, 45 ;. 52, 53, 61) abgrenzen, beidseitig elektrisch kontaktiert sowie auf beiden Seiten von einer Platte (17, 18 ; 48, 49) abgedeckt sind.
2. Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Streifen (20-27) und deren gegenseitiger Abstand so gewählt sind, dass die zwischen den Streifen (20-27)' gebildeten Kanäle (13-16 ; 44, 45 ; 52, 53, 61) selbst die Schreibdüsen bilden.
3. Schreibkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur jeder zweite Kanal (13-16 ; 44, 45) als Tintenkanal verwendet wird und die dazwischenliegenden Kanäle mit einem elastischen Material oder mit Luft ausgefüllt sind.
4. Schreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (47) auf einer Seite der piezoelektrischen Streifen (20-27) aus Metall besteht und als gemeinsame Elektrode für alle Streifen (20-27) dient.
5. Schreibkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest diese Platte (17) so dünn ist, dass die Verformung der piezoelektrischen Streifen (20-27) keine Verbiegung verursacht.
6. Schreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Streifen auf der Oberseite zusätzlich mit einer Metallschicht versehen sind.
7. Schreibkopf nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Tintenkanäle (70) im Bereich der Austrittsöffnung abnimmt.
8. Verfahren zur Herstellung eines Schreibkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerplatte (17) auf einer Oberfläche streifenweise mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, dass auf diese streifenförmig piezoelektrisches Material aufgebracht wird, dass die piezoelektrischen Streifen (20-27) paarweise elektrisch kontaktiert werden und dass isoliert dazu eine Abdeckplatte (18) aufgebracht wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Schreibkopfes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine bilaminare Platte aus Trägermaterial und piezoelektrischem Material vorgesehen ist, in der durch bereichsweises Herausarbeiten von piezoelektrischem Material die Streifenstruktur erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial Metall vorgesehen ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Schreibkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laminat aus beidseitig mit einer Metallschicht (42, 43) versehenem piezoelektrischem Material (41) gebildet wird, dass abwechselnd einmal von der einen und einmal von der anderen Seite sich über annähernd zwei Schichten erstreckend Streifen aus dem Laminat herausgearbeitet werden, dass die verbleibenden Streifen aus piezoelektrischem Material paarweise elektrisch kontaktiert werden, und dass die so erhaltene Platte zumindest auf einer Seite mit einer durchgehenden Platte (48, 49) abgeschlossen wird (Fig. 5).
12. Verfahren zur Herstellung eines Schreibkopfes nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material in Längsrichtung der zu bildenden Streifen mindestens einmal gebrochen wird.
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