Tintenstrahl - Schreibkopf
Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahl -Schreibkopf mit einer druckbeaufschlagten Tintenkammer mit mindestens einer Tintendüse, die durch einen beweglichen Ventilkörper verschlossen ist, mit einem den Ventilkörper zu Hubbewegungen antreibenden, Biegebewegungen ausführenden piezoelektrischen Ventilbetätigungselement, das mit einer Ansteuerungseinrichtung elektrisch verbunden ist.
Derartige Tintenstrahl -Schreibköpfe werden verwendet, um auf daran vorbeibewegten Flächen Schriftzeichen und Zahlen aufzudrucken. Üblicherweise sind in einer Tintenkammer mehrere Tintendüsen vorgesehen, die durch eine Steuerung wahlweise betätigt werden, um die jeweils angesteuerte Düse kurzzeitig zu öffnen. Unter der Wirkung des in der Tintenkammer herrschenden Drucks wird aus der Tintendüse ein kurzer Tintenstrahl herausgeschleudert, der auf der zu bedruckenden Fläche einen Punkt erzeugt.
Bei einem bekannten Tintenstrahl-Schreibkopf (EP 0 445 137) sind als Ventilbetätigungselemente Klappmagnete vorgesehen, deren Anker jeweils mit dem zugeordneten Ventilkörper in Antriebsverbindung stehen. Hierbei muss die im Wesentlichen durch den Anker des Klappmagneten gebildete Masse bei jedem Ventilbetätigungsvorgang beschleunigt und verzögert werden. Die hierfür erforderliche Energie begrenzt die mögliche Arbeitsgeschwindigkeit der Ventilbetätigungseinrichtung.
Bei einem bekannten Tintenstrahl-Schreibkopf der eingangs genannten Gattung (DE 1 952 880 A) ist zur Erhöhung der
Arbeitsgeschwindigkeit die Verwendung von piezoelektrischen Ventilbetätigungselementen vorgeschlagen worden. Hierbei besteht aber die Schwierigkeit, dass die dort verwendeten Piezoelemente wegen ihrer Bauweise als Biegestäbe oder Längenänderungen ausführende Stäbe den Praxisanforderungen bei höheren Schreibgeschwindigkeiten nicht entsprechen und deshalb in der Praxis nicht so eingesetzt werden konnten, wie es in der genannten Druckschrift beschrieben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Tintenstrahl- Schreibkopf der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass er auch unter den in der Praxis erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeiten störungsfrei betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ventilbetätigungselement einen an seinem ventilseitigen Ende mit dem Ventilkörper in Antriebsverbindung stehenden Biegestreifen aufweist, aus dem beiderseits jeweils ein Piezoelement appliziert ist, und dass beide Piezoelemente durch die Ansteuerungseinrichtung getrennt elektrisch ansteuerbar sind.
Vorzugsweise werden flächige Piezoelemente verwendet, insbesondere solche auf Folienbasis.
In den beispielsweise aus der WO 01/33648 AI bekannten und auf dem Markt erhältlichen MFC-Piezoelementen (macro-fiber composite piezoelectric element) stehen zwar hochleistungsfähige Piezoelemente zur Verfügung, die wegen ihrer Bauweise aber nicht unmittelbar zur Betätigung von Ventilen an Tintenstrahl -Schreibköpfen eingesetzt werden
können. Erst durch die Verbindung mit einem Biegestreifen, auf dem beispielsweise zwei solche MFC-Piezoelemente (oder andere Piezoelemente auf Folien- oder Streifenbasis) beidseitig appliziert werden, entsteht ein Ventilbetätigungselement, das bei sehr geringem Platzbedarf eine ausreichend hohe Leistung und Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht, um bei einem Tintenstrahl -Schreibkopf eingesetzt zu werden.
Die getrennte Ansteuerbarkeit der beiden Piezoelemente ermöglicht es, den Ventilkörper in beiden Richtungen, nämlich für die Öffnungsbewegung und die Schließbewegung, gezielt anzusteuern, so dass beide Bewegungen sehr rasch und mit ausreichender Kraft ausgeführt werden können. Nur dadurch ist eine exakte Ventilbetätigung möglich, wie sie für einen Tintenstrahl -Schreibkopf erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Biegestreifen ein Blechstreifen ist, vorzugsweise aus Federblech. In dieser Ausführung bietet der Biegestreifen den beiden Piezoelementen einerseits eine ausreichende Steifigkeit ; andererseits ist er ausreichend leicht biegbar, um die schnellen Ventilbetätigungsbewegungen auszuführen .
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist als besonders vorteilhaft vorgesehen, dass der Biegestreifen in der Weise gekrümmt ist, dass ein ventilseitiger Streifenschenkel sich quer zur Hubrichtung des Ventilkörpers erstreckt und ein Streifenlängsabschnitt des Biegestreifens demgegenüber abgewinkelt ist.
Diese abgewinkelte Ausführung, bei der der ventilseitige Streifenschenkel und der Streifenlängsabschnitt zweckmäßigerweise über einen kreisbogenförmigen Abschnitt miteinander verbunden sind, ermöglicht einerseits eine besonders platzsparende Ausführung des Tintenstrahl - Schreibkopfes; andererseits wird es dadurch ermöglicht, gleichzeitig eine hohe Betätigungskraft und einen hohen Betätigungshub bei sehr hoher Arbeitsgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der die Piezoelemente tragende Biegestreifen in seinem mittleren Bereich um eine sich quer zu seiner Bewegungsebene erstreckende Schwenkachse schwenkbar gelagert ist und dass sein ventilfernes Ende gestellfest gehalten ist. Hierbei wird in besonders platzsparender Weise erreicht, dass sich die durch die Piezoelemente verursachte Verformung des Biegestreifens besonders wirkungsvoll in eine Betätigungsbewegung des Ventils umsetzen lässt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche .
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellungsweise einen Tintenstrahl -Schreibkopf,
Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 und
Fig. 3 in einer Darstellung entsprechend der Fig. 1 eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines Tintenstrahl - Schreibkopfes und
Fig. 4 in räumlicher Darstellungsweise den Biegestreifen des Tintenstrahl-Schreibkopfes gemäß Fig. 3.
Der in Fig. 1 schematisch in einem Schnitt dargestellte Tintenstrahl -Schreibkopf dient dazu, auf einer in Fig. 1 nur angedeuteten Fläche 1 Schriftzeichen und Zahlen zu drucken, während diese Fläche 1 am Tintenstrahl -Schreibkopf entlang bewegt wird. Hierzu weist der Tintenstrahl- Schreibkopf eine mit Schreibtinte gefüllte, unter Druck stehende Tintenkammer 2 auf, die über eine Tintenleitung 3 mit Tinte versorgt wird. In der Bodenwand 4 der Tintenkammer 2 sind mehrere Tintendüsen 5 angeordnet, wobei in Fig. 1 nur eine dieser Tintendüsen 5 dargestellt ist.
Jede Tintendüse 5 ist durch einen Ventilkörper 6 verschlossen, der zu gesteuerten Hubbewegungen antreibbar ist. Der Ventilkörper 6, der über eine flexible Dichtung 7 gegenüber der Innenwand der Tintenkammer 2 abgedichtet ist und durch eine Druckfeder 8 in die geschlossene Stellung des Ventils gedrückt wird, ist über eine aus der Tintenkammer 2 herausgeführte Zugstange 9 mit einem Ventilbetätigungselement 10 verbunden. Anstelle der flexiblen Dichtung 7 kann auch eine Durchführungsdichtung mit entsprechendem Dichtungsmaterial verwendet werden.
Ebenso ist es möglich und gegebenenfalls vorteilhaft, die Zugstange 9 durch ein dünnes Zugseil, bzw. eine verseilte Litze zu ersetzen.
Das Ventilbetätigungselement 10 weist einen Biegestreifen 11 auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Blechstreifen aus Federblech ist. Das ventilseitige Ende 12 des Biegestreifens 11 ist über eine Einstellmutter 13 verstellbar mit der Zugstange 9 verbunden.
Auf dem Biegestreifen 11 ist beiderseits jeweils ein längliches, streifenförmiges Piezoelement 14, 15 appliziert. Beide Piezoelemente 14, 15 sind mit einer elektrischen Ansteuerungseinrichtung 16 in der Weise elektrisch verbunden, dass die beiden Piezoelemente 14, 15 durch die Ansteuerungseinrichtung 16 getrennt elektrisch ansteuerbar sind, um Längenänderungen in entgegengesetzten Richtungen auszuführen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
Biegestreifen 11 mit den daran angebrachten Piezoelementen 14, 15 in der Weise gekrümmt, dass ein ventilseitiger Streifenschenkel 11a sich quer zur Hubrichtung des Ventilkörpers 6 erstreckt und ein Streifenlängsabschnitt 11b des Biegestreifens 11 demgegenüber abgewinkelt ist.
Der ventilseitige Streifenschenkel 11a und der Streifenlängsabschnitt 11b sind über einen kreisbogenförmigen Abschnitt 11c miteinander verbunden. Der Streifenlängsabschnitt 11b ist in einem Halteblock 17 zwischen verformbaren Isolations- und Befestigungsplatten 18, 19 in einer Ausnehmung des Halteblocks 17 aufgenommen.
Wenn die beiden Piezoelemente 14, 15 durch die elektrische Ansteuerungseinrichtung 16 durch entsprechende entgegengesetzte elektrische Polung gesteuert werden und daher entgegengesetzte Längenänderungen ausführen, wird der Biegestreifen 11 so gebogen, dass sein ventilseitiges Ende 12 gesteuerte Bewegungen nach oben oder unten ausführt. Dadurch wird ein Öffnung- und Schließhub für den Ventilkörper 6 erzeugt.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann das Biegeblech 11 mit den daran applizierten Piezoelementen 14 und 15 auch gerade ausgeführt sein.
Der Biegestreifen 11 und die daran applizierten
Piezoelemente 14, 15 bilden zusammen ein bimorphes Biegeelement .
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Das ventilferne Ende 20 des Biegestreifens 11 ist gestellfest gehalten, wobei es jedoch in Schwenkrichtung mittels einer Justierschraube 21 verstellbar ist.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass der die Piezoelemente 14, 15 tragende Biegestreifen 11 in seinem mittleren Bereich um eine Schwenkachse 22 schwenkbar gelagert ist, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Ebene des Biegestreifens 11 liegt und sich quer zu seiner
Bewegungsebene erstreckt, die mit der Zeichenebene in Fig. 4 zusammenfällt. Von einer Lagerung im "mittleren Bereich" des Biegestreifens 11 wird in diesem Zusammenhang gesprochen, weil der Biegestreifen 11 einen sich zwischen der Schwenkachse 22 und dem ventilfernen Ende 20 erstreckenden Streifenlängsabschnitt 11b und einen sich zwischen der Schwenkachse 22 und dem ventilseitigen Ende 12 erstreckenden, gekrümmten Streifenschenkel 11a aufweist.
Der Streifenlängsabschnitt 11b erstreckt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel angenähert in Ventilbetätigungsrichtung. Der ventilseitige Streifenschenkel 11a ist demgegenüber abgekrümmt oder abgewinkelt. Bei der Ausführung nach Fig. 3 erstreckt sich die Krümmung des Streifenschenkels 11a über einen Bogen von angenähert 90° . Es sind auch andere Krümmungen und Erstreckungen des Streifenschenkels über in einem weiten Bereich wählbare Bogensegmente geeignet oder für bestimmte Ausführung zweckmäßig.
Der Biegestreifen 11 ist in einem mit der Tintenkammer 2 verbundenen Halter 23 gelagert, an dem auch die Justierschraube 21 angreift. Die Justierschraube 21 ist am Halter 23 drehbar und steht mit einer Einpressmutter 24 in Eingriff, die am freien Ende 23 des Biegestreifens 11 angebracht ist.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die Lagerung des Biegestreifens 11 zur Bildung der Schwenkachse 22 so ausgeführt, dass zwei seitlich gegenüber vorspringende
Laschen 25 des Biegestreifens 11 jeweils eine rohrförmige
Hülse 26 tragen, die in jeweils eine Lagerausnehmung 27 am Halter 23 eingelegt sind.
Das ventilseitige Ende 12 des Biegestreifens 11 trägt eine Einstellrohrmutter 28, durch die sich die hier als Zugdraht ausgeführte Zugstange 9 erstreckt. Die Zugstange 9 ist an ihrem in der Einstellrohrmutter 28 aufgenommenen Ende mit Gewinde versehen und trägt die Einstellmutter 13. Damit wird eine Verstellung der Zugstange 9 am ventilseitigen Ende 12 des Biegestreifens 11 ermöglicht.
Die als Zugdraht ausgeführte Zugstange 9 erstreckt sich durch eine elastische Dichtplatte 29 in die Tintenkammer 2 und ist an ihrem Ende mit dem Ventilkörper 6 verbunden, der durch die Druckfeder 8 auf eine elastische Dichtplatte 30 gedrückt wird, die eine Durchtrittsbohrung 31 aufweist. Unterhalb der Bohrung 31 ist die Tintendüse 5 angeordnet.
Wenn die beiden Piezoelemente 14, 15 durch die elektrische Ansteuerungseinrichtung 16 durch entsprechende entgegengesetzte elektrische Polung angesteuert werden und daher entgegengesetzte Längenänderungen ausführen, wird der gesamte Biegestreifen 11 so gekrümmt, dass sein ventilseitiges Ende 12 gesteuerte Hubbewegungen ausführt, die auf den Ventilkörper 6 übertragen werden.