[0001] 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.
[0002] 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
grosso 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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 bestehen, die parallel mit Abstand zueinander angeordnet, 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.
[0006] Die Abmessungen der Streifen und der Zwischenräume können vorteilhafterweise so gewählt
werden, dass die zwischen den Streifen gebildeten Kanäle direkt 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 Piezo
- kamm oder zwischen Lochmatrize und dem Werkstück mit den Tintenkanälen.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] Besteht die Trägerplatte direkt aus Metall, so kann diese als gemeinsame Elektrode
für sämtliche Streifen aus piezoelektrischem Material verwendet werden.
[0011] 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.
[0012] 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 einmal 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
n.icht mehr ausbreiten kann. Trotzdem bleibt die mechanische Stabilität der gesamten
Anordnung vollständig erhalten.
[0013] Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0014] Nachfolgend werden anhand von 8 Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert und beschrieben. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt
Fig.1 eine schematische Ansicht einer Tintenmosaikeinrichtung,
Fig.2 in einer perspektivischen Darstellung den Schreibkopf,
Fig.3 einen Querschnitt durch eine erste mögliliche Kanalmatrize,
Fig.4 einen Ausschnitt der Kanalmatrize nach Fig.3 in zwei unterschiedlichen Zuständen,
Fig.5 wiederum in einem Querschnitt eine weitere Ausführungsform der Kanalmatrize
und
Fig.6 ein Querschnitt durch eine doppelte Kanalmatrize,
Fig.7 einen Längsschnitt durch einen Kanal und
Fig.8 einen Schreibkopf mit vier Kanalmatrizen.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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 einen Abstand der Schreibdüsen (Kanüle 13 bis 16)
von 200 um. Das bedeutet, dass fünf Schreibdüsen pro mm vorgesehen sind, womit bereits
eine sehr gute Aufzeich- ungsqualität 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 Kanalmatrize etwa 10
mm betragen. Die Dicke der Trägerplatte 17 und der Abdeckplatte 18 beträgt ca. 20
um.
[0018] 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.
[0019] Fig.5 zeigt wiederum im Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer Kanalmatrize
40. Diese besteht im wesentlichen aus einem Laminat aus piezoelektrischem Material
41, dass 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 über 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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 Kanalmatrizen 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.
[0024] 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 die Höhe der Austrittsöffnung verkleinert. Der Tintenkanal 70 weist dadurch ein
grösseres Volumen und damit verbunden einen grösseren Tintenausstoss auf, ohne dass
sich die Grösse der Tropfen verändert. Da nur die Höhe der Tintenkanäle verändert
wurde, kann der gegenseitige Abstand nach wie vor der geforderten Auflösung entsprechen.
[0025] Fig.8 zeigt einen Schreibkopf 80. ähnlich dem in Fig.2 dargestellten, nur dass vier
Kanalmatrizen 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 Standbildmonitor - angefertigt werden.
1. Piezoelektrisch betriebener Schreibkopf für Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit
Schreibdüsen in Form von Schreibflüssigkeit aufnehmenden Tintenkanälen, aus denen
die Schreibflüssigkeit durch piezoelektrische Verformung eines Antriebselementes tropfenweise
ausgestossen wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Tintenkanäle (13-16; 44,45; 52,53,61)
durch eine Kanalmatrize (10; 40; 50,60) gebildet sind, die aus einer Reihe von Streifen
(20-27) aus piezoelektrischem Material besteht, die parallel mit Abstand zueinander
angeordnet, beidseitig elektrisch kontaktiert und 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) direkt die Schreibdüsen bilden.
3. Schreibkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass nur jeder zweite
Kanal (13-16; 44,45) als Schreibdüse verwendet wird.
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.
5. 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 zumindest 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.
12. Verfahren zur Herstellung zur Herstellung eines Schreibkopfes nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet , dass das piezoelektrische Material in Längsrichtung der
zu bildenden Streifen mindestens einmal gebrochen wird.