ELEKTROMAGNETISCHE ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR EINE DRUCKNADEL EINES DRUCKKOPFES

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung für eine Drucknadel eines Nadeldruckkopfes, mit einem E-förmigen Magnetjoch, dessen Mittelschenkel eine elektrische Erregerwicklung trägt, und mit einem länglichen, gegenüber einem Außenschenkel und dem Mittelschenkel breiteren Klappanker, der mit einem Ende an oder nahe dem Außenschenkel des Magnetjochs kippbar angeordnet ist und dessen anderes Ende über den anderen Außenschenkel des Magnetjochs hinausragt und auf die Drucknadel einwirkt. Ein solcher Antrieb ist aus der DE-AS 20 56 364 bekannt.

[0002] Nadeldruckköpfe werden in elektrischen Druckern verwendet und erzeugen mit mehreren Drucknadeln mosaikartig aus Druckpunkten zusammengesetzte Schriftzeichen. Die Schriftzeichenqualität hängt von der Zahl der Drucknadeln und/oder von der Frequenz ihrer Betätigung ab. Je mehr Drucknadeln ein Nadeldruckkopf enthält, um so mehr Druckpunkte können ein Schriftzeichen bilden und um so besser ist dessen Lesbarkeit.

[0003] Ein Nadeldruckkopf soll demnach eine möglichst hohe Anzahl Drucknadeln enthalten. Außerdem soll er mit hoher Geschwindigkeit arbeiten und die Bewegung der Drucknadeln mit möglichst hoher Aufschlagkraft erzeugen, damit beim Druckvorgang auch Kopien in form von Durchschlägen hergestellt werden können. Diese Forderungen sollen auch im Langzeitbetrieb erfüllt werden, d.h. der Nadeldruckkopf soll eine hohe Dauerleistung erbringen.

[0004] Es ist bisher nicht gelungen, bei einem Nadeldruckkopf die Forderungen nach hoher Druckgeschwindigkeit, hoher Durchschlagszahl und hoher Dauerleistung gleichzeitig zu erfüllen. Der Grund dafür ist in erster Linie in einer zu starken Erwarmung der elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen für die Drucknadeln zu sehen, denn man ging davon aus, daß eine hohe Betätigungsfrequenz einer Drucknadel und eine hohe Aufschlagkraft -mit starken Erregerströmen bzw. großen Amperewindungszahlen in großvolumigen Eisenkreisen zu erzielen seien. Ein nach diesem Prinzip konstruierter Nadeldruckkopf hat jedoch bei einer großen Anzahl von Antriebsvorrichtungen sehr hohe Magnetjochschenkel, um das große Eisenvolumen und die großen Amperewindungszahlen zu realisieren. Dies war bisher durch eine kreisförmige Anordnung der Antriebsvorrichtungen mit im Bereich des Kreismittelpunkts liegenden Drucknadeln vorgegeben.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetsiche Antriebsvorrichtung für eine Drucknadel eines Nadeldruckkopfes anzugeben, die besonders kleine Abmessungen hat und trotzdem die vorstehend beschriebenen Forderungen hinsichtlich Druckgeschwindigkeit, Durchschlagszahl und Dauerleistung erfüllt.

[0006] Eine Antriebsvorrichtung eingangs genannter Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß bei einer mittleren Länge des mit dem Mittelschenkel und einem Außenschenkel gebildeten Eisenweges von weniger als 30 mm und einer Induktivität des Magnetkreises von weniger als 3 mH der Klappanker auf seiner gesamten, den Magnetjochschenkeln gegenüberliegenden Länge breiter als die Magnetjochschenkel ist und einen gegenüber dem magnetisch wirksamen querschnitt eines Außenschenkels um 10 bis 50 % kleineren magnetisch wirksamen querschnitt hat.

[0007] Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß auch eine kleine elektromagnetische Antriebsvorrichtung für eine Drucknadel eine ausreichend hohe Energie auf die Drucknadel übertragen kann, wenn während der Antriebsbewegung eine weitgehend gleichbleibende Magnetkraft erzeugt wird. Bekanntlich hat ein elektromagnetischer Antrieb .mit Klappanker eine hyperbolische, also nicht lineare Magnetkraftkennlinie. Wenn der Klappanker seinen größten Abstand vom Magnetjoch hat und aus seiner Ruhelage die Antriebsbewegung beginnt, so ist die dabei erzeugte Magnetkraft klein. Sie nimmt gemäß der hyperbolischen Magnetkraftkennlinie mit kleiner werdendem Abstand des Klappankers zum Magnetjoch zu. Durch die Erfindung gelingt es, die Magnetkraft bereits in der Anfangsphase der Klappankerbewegung etwa mit einer Größe zu erzeugen, die auch in der Endphase der Klappankerbewegung erreicht wird. Dies wird darauf zurückgeführt, daß die bei der Erfindung vorgesehene Bemessung und Formgebung des Klappankers zu einer sehr weitgehenden Verringerung von Streuungsverlusten im Bereich der Arbeitsluftspalte der Antriebsvorrichtung führt. Diese Verluste fallen bei Antriebsvorrichtungen der hier betrachteten kleinen Abmessungen besonders stark ins Gewicht, da sie einen weitaus größeren Anteil der zugeführten Energie ausmachen als bei vergleichsweise großen elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen. Hinzu kommt, daß das Magnetfeld mit dem kleiner als bisher üblich bemessenen Magnetkreis und der kleinen Induktivität des Magnetkreises außerordentlich schnell aufgebaut wird. Es konnte festgestellt werden, daß der volle Magnetfluß (z.B. nach ca 50 µsec) bereits verfügbar ist, wenn der Klappanker noch in der Ruhelage ist. Da die Masse des Klappankers gegenüber bisherigen Antriebsvorrichtungen reduziert sein kann, trägt auch dies gegebenenfalls zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Energieumsetzung der Antriebsvorrichtung bei, denn die Massenträgheit ist dann überproportional verringert und die mögliche Beschleunigung und Geschwindigkeit der Drucknadel entsprechend höher. Durch die mit der Erfindung vorgesehene Maßnahme ist es dann möglich, bei einer kleinen Antriebsvorrichtung, deren Eisenwege eine mittlere Länge von weniger als 30 mm haben, eine Betätigungsfrequenz für die Drucknadel von mehr als 2400 Hz bei sehr hoher Aufschlagkraft zu verwirklichen, die bei Dauerbetrieb von mehr als einer Stunde das Erzeugen von sechs Durchschlägen gewährleistet.

[0008] Die Erfindung führt deshalb zu einer Antriebsvorrichtung, die den Einsatz einer hohen Nadelanzahl in einem Nadeldruckkopf ermöglicht und gleichzeitig die Forderungen nach hoher Betätigungsfrequenz, hoher Aufschlagkraft und hoher Dauerleistung erfüllt.

[0009] Vorteilhaft ist die Antriebsvorichtung derart weiter ausgebildet, daß die Breite der Außenschenkel des Magnetjochs um bis zu 10 % größer als deren Tiefe in Längsrichtung des Klappankers ist. Dies führt offenbar zu einer besonders günstigen Konzentration des Magnetflusses in dem jeweiligen Arbeitsluftspalt zwischen Klappanker und einem Außenschenkel, durch die eine entsprechend günstige Konzentration der auf den Klappanker einwirkenden Kräfte erreicht wird.

[0010] Unabhängig davon, ob die Außenschenkel des Magnetjochs einen quadratischen oder einen rechteckförmigen querschnitt haben, kann eine günstigere Konzentration der auf den Klappanker einwirkenden Magnetkraft auch dadurch erreicht werden, daß der andere Außenschenkel des Magnetjochs, der mit diesem also den größten der drei Arbeitsluftspalte bildet, durch Bearbeitung seiner Innenfläche oder der ihr gegenüberliegenden Außenfläche eine gegenüber seinem querschnitt verringerte Stirnfläche hat. Dadurch wird der wirksame magnetische querschnitt dieses Außenschenkels praktisch nur im Bereich der Stirnfläche verringert.

[0011] Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Stirnfläche um bis zu 100 % größer als deren Tiefe ist.

[0012] Im Sinne einer möglichst geringen Masse des Klappankers sollte dessen Dicke nach oben begrenzt sein. Ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der erfindungsgemäß vorgesehenen Verbreiterung über die Breite des Magnetjochs hinaus und einer gegebenenfalls vorgesehenen Vergrößerung des magnetisch wirksamen Querschnitts ergibt sich, wenn der durch den Klappanker verlaufende Teil des jeweiligen Eisenweges etwa 15 % bis 25 % des jeweiligen gesamten Eisenweges beträgt.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

den schematischen Querschnitt einer Antriebsvorrichtung mit Klappanker und

Fig. 2

eine Seitenansicht der Antriebsvorrichtung demäß dem Schnitt A-A in Fig. 1

[0014] In Fig. 1 ist eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung für eine Drucknadel eines Nadeldruckkopfes in einem schematischen querschnitt dargestellt. Sie hat ein E-förmiges Magnetjoch 10 mit zwei Außenschenkeln 11 und 12 und einem Mittelschenkel 13, der eine elektrische Erregerwicklung 14 trägt. Über dem Magnetjoch 10 ist ein Klappanker 15 angeordnet, der an seinem linken Ende mit einer Lagerkante 16 auf der Stirnfläche des Außenschenkels 11 aufliegt und mit nicht dargestellten Konstruktionselementen in dieser Lage gehalten wird. An der Lagerkante 16 ist der Klappanker 15 kippbar, so daß er bei Einschaltung des Erregerstroms für die Erregerwicklung 14 von den Magnetjochschenkeln 11, 12 und 13 angezogen wird und dabei eine Kippbewegung in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeils B ausführt, bis er auf den Stirnflächen der Außenschenkel 11 und 12 sowie des Mittelschenkels 13 aufliegt. Eine dem in Fig. 1 infolge abgebrochener Darstellung nicht sichtbaren rechten Ende des Klappankers 15 zugeordnete Drucknadel wird bei dieser Bewegung stoßartig betätigt, so daß sie in bekannter Weise durch entsprechend stoßartiges Einwirken auf einen farbträger und einen dahinterliegenden Aufzeichnungsträger ein punktförmiges Zeichen drucken kann.

[0015] Die Verwendung eines E-förmigen Magnetjochs hat den Vorteil, daß der Klappanker gegenüber einer Antriebsvorrichtung mit U-förmigem Magnetjoch nur die halbe Dicke haben muß, denn der mit der Erregerwicklung in dem Mittelschenkel 13 erzeugte Magnetfluß verteilt sich auf zwei über jeweils einen Außenschenkel 11 bzw. 12 verlaufende Eisenkreise, so daß der magnetisch wirksame Querschnitt des Klappankers 15 nicht für den insgesamt erzeugten Magnetfluß, sondern nur für den halben Magnetfluß dimensioniert sein muß. Dies wird der Forderung nach einem Klappanker möglichst geringer Masse gerecht, der mit möglichst hoher Frequenz betätigt werden soll.

[0016] Die Funktionsweise eines elektromagnetischen Antriebs der in Fig. 1 gezeigten Art ist hinreichend bekannt. In den drei Arbeitsluftspalten zwischen den Schenkeln 11, 12 und 13 des Magnetjochs 10 und dem Klappanker 15 erzeugen die über den Klappanker 15 geschlossenen Magnetflüsse die elektromagnetische Kraft. Die Magnetflüsse haben dabei einen Verlauf, wie er der schematischen Darstellung in Fig. 2 entnommen werden kann. Dieser Verlauf ist aber durch die in Fig. 2 erkennbare Verbreiterung des Klappankers 15 gegenüber der Breite des Magnetjochs 10 gegenüber vorbekannten Anordnungen mit schmalerem Klappanker verbessert. In Fig. 2 sind schematisch mehrere Feldlinien dargestellt, die von dem Außenschenkel 12 zum Klappanker 15 gerichtet sind und senkrecht zur Fläche des jeweiligen Elements 12 bzw. 15 aus- bzw. eintreten. Man kann nun den gesamten Magnetfluß zwischen dem Außenschenkel 12 und dem Klappanker 15 in drei Abschnitte unterteilen. Zunächst gibt es einen Hauptfluß, der aus der horizontalen Stirnfläche des Außenschenkels 12 austritt und etwa den Verlauf der Feldlinien 20 hat. Ferner gibt es im Bereich links und rechts der Feldlinien 20 einen Randfluß, der insbesondere an den Kanten der Stirnfläche des Außenschenkels 12 nicht mehr in Richtung des Hauptflusses austritt, dessen Feldlinien aber unmittelbar nach ihrem Austritt aus dem Außenschenkel 12 ihren Verlauf in Richtung zum Klappanker 15 ändern und senkrecht in dessen Unterseite eintreten.

[0017] Dies ist möglich, weil der Klappanker 15 eine größere Breite als das Magnetjoch 10 hat. Wäre dies nicht der fall, so könnte der jeweilige Randfluß den Anteil der Streufelder der Elektromagnetanordnung beträchtlich vergrößern. Solche Streufelder haben bekanntlich Feldlinien, die nicht in Richtung des Hauptflusses wie die Feldlinien 20 verlaufen und deshalb nichts zur elektromagnetisch erzeugten Kraftwirkung beitragen können. Solche Feldlinien sind in Fig. 2 jeweils als äußerste Feldlinien dargestellt. Sie treten aus den Seitenflächen des Außenschenkels 12 aus und in die Seitenflächen des Klappankers 15 ein. Es ist zu erkennen, daß der Anteil derartiger, zur elektromagnetischen Kraftwirkung nicht beitragenden Feldlinien geringer ist als bei einem schmaleren Klappanker 15, bei dem dann auch gegebenenfalls die Feldlinien des Randflusses einen Verlauf haben können, der sie in die Seitenflächen des Klappankers 15 eintreten läßt.

[0018] Durch die Einbeziehung des Randflusses in den nutzbaren Hauptfluß entsteht in dem Arbeitsluftspalt zwischen dem Außenschenkel 12 und dem Klappanker 15 eine stärkere Kraftwirkung, die sich insbesondere in der Anfangsphase der Bewegung des Klappankers 15 zum Außenschenkel 12 hin bemerkbar macht. Die zusätzlich gewonnene Kraftwirkung hat einen mit zunehmender Annäherung des Klappankers 15 an den Außenschenkel 12 abnehmenden Anteil an der insgesamt erzeugten Kraft, die infolge der Abstandsverringerung zwischen beiden Elementen zunimmt.

[0019] Durch die Verbreiterung des Klappankers 15 ergibt sich aber insgesamt eine Elektromagnetkraft, die auch in der Anfangsphase der Klappankerbewegung bereits einen relativ hohen Wert hat. Dadurch wird auch die während der Klappankerbewegung geleistete Arbeit und damit die in Bewegung umgesetzte Energie größer. Eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung der hier beschriebenen Art hat also einen größeren Wirkungsgrad, so daß sie weniger Verlustwärme als vorbekannte Antriebsvorrichtungen erzeugt. Dies ermöglicht trotz kleiner Bauweise eine hohe Betätigungsfrequenz einer Drucknadel, die Übertragung einer größeren Energiemenge auf die Drucknadel und damit eine höhere Anzahl Durchschläge beim Drucken und eine höhere Dauerleistung.

[0020] Die an Hand der Fig. 2 beschriebenen Verteilung der Magnetflüsse gilt entsprechend auch für die Arbeitsluftspalte zwischen dem anderen Außenschenkel 11 sowie dem Mittelschenkel 13 des Magnetjochs 10 und dem Klappanker 15.

[0021] Die mit der Erfindung erzielte günstigere Magnetflußverteilung läßt sich weiter verbesseren, wenn an dem Außenschenkel 12, der mit dem Klappanker 15 den größten Arbeitsluftspalt bildet, an der Außenseite Eisenmaterial entfernt wird, wie es etwa durch die in Fig. 1 gezeigte gestrichelte Linie 17 angedeutet ist. Dadurch wird die Stirnfläche des Außenschenkels 12, die die Größe des Arbeitsluftspaltes mit dem Klappanker 15 bestimmt, gegenüber dem magnetisch wirksamen Eisenquerschnitt des Außenschenkels 12 verringert. Es tritt dadurch eine Konzentration des Magnetflusses im Arbeitsluftspalt derart auf, daß hier die magnetische Induktion erhöht wird. Dies wirkt sich gleichfalls insbesondere in der Anfangsphase der Klappankerbewegung günstig auf die Krafterzeugung aus und trägt somit zu einer Linearisierung der Magnetkraftkennlinie bei.

[0022] Ein ähnliches Ergebnis kann auch durch Materialentfernung an der Innenseite oder ohne besondere Bearbeitung des Außenschenkels 12 erzielt werden, wenn dieser bei der Herstellung des Magnetjochs eine von der quadratischen abweichenden Querschnittsform erhält, durch die er bis zu 10 % breiter als tief sein kann.

[0023] Die Verbreiterung des Klappankers 15 kann zu einer Vergrößerung des magnetisch wirksamen Querschnitts des Klappankers führen, jedoch auch Anlaß zur Reduzierung der Dicke des Klappankers geben. Es hat sich gezeigt, daß ein besoners günstiges Verhältnis dieser Größen erreicht wird, wenn die Dicke des Klappankers 15 so gewählt ist, daß über ihn ein Anteil von etwa 15 bis 25 % des jeweiligen Eisenweges verläuft.

Ansprüche

1. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung für eine Drucknadel eines Nadeldruckkopfes, mit einem E-förmigen Magnetjoch, dessen Mittelschenkel eine elektrische Erregerwicklung trägt, und mit einem länglichen , gegenüber einem Außenschenkel und dem Mittelschenkel breiteren Klappanker, der mit einem Ende an oder nahe dem Außenschenkel des Magnetjochs kippbar angeordnet ist und dessen anderes Ende über den anderen Außenschenkel des Magnetjochs hinausragt und auf die Drucknadel einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mittleren Länge des mit dem Mittelschenkel (13) und einem Außenschenkel (11, 12) gebildeten Eisenweges von weniger als 30 mm und einer Induktivität des Magnetkreises von weniger als 3 mH der Klappanker (15) auf seiner gesamten, den Magnetjochschenkeln (11, 12, 13) gegenüberliegenden Länge breiter als die Magnetjochschenkel (11, 12, 13) ist und einen gegenüber dem magnetisch wirksamen Querschnitt eines Außenschenkels (11, 12) um 10 bis 50 % kleineren magnetisch wirksamen Querschnitt hat.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Außenschenkel (11, 12) des Magnetjochs (10) um bis zu 10 % größer als deren Tiefe in Längsrichtung des Klappankers ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Außenschenkel des Magnetjochs (10) durch Bearbeitung seiner Innenfläche oder der ihr gegenüberliegenden Außenfläche eine gegenüber seinem Querschnitt verringerte Stirnfläche hat.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stirnfläche um bis zu 100 % größer als deren Tiefe ist.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Klappanker (15) verlaufende Teil des jeweiligen Eisenweges etwa 15 % bis 25 % des jeweiligen gesamten Eisenweges beträgt.

Claims

1. Electromagnetic driving device for a printing needle of a needle print head, comprising an E-shaped magnetic yoke, the centre leg of which carries an electrical exciter winding, and with an elongated hinged armature which is wider compared with an outside leg and the centre leg, which armature is arranged tiltably with one end at or close to the outside leg of the magnetic yoke and the other end of which protrudes past the other outside leg of the magnetic yoke and acts on the printing needle, characterised in that, with a mean length of less than 30 mm of the iron path formed by means of the centre leg (13) and one outside leg (11, 12), and an inductance of less than 3 mH of the magnetic circuit, the hinged armature (15) is wider than the magnetic yoke legs (11, 12, 13) over its entire length opposite to the magnetic yoke legs (11, 12, 13) and has a magnetically active cross-section which is less by 10 to 50% than the magnetically active cross-section of one outside leg (11, 12).

2. Driving device according to Claim 1, characterised in that the width of the outside legs (11, 12) of the magnetic yoke (10) is greater by up to 10% than their depth in the longitudinal direction of the hinged armature.

3. Driving device according to Claim 1 or 2, characterised in that the other outside leg of the magnetic yoke (10) has a front face which is reduced compared with its cross-section by means of machining of its inside surface or its opposite outside surface.

4. Driving device according to Claim 3, characterised in that the width of the front face is greater by up to 100% than its depth.

5. Driving device according to one of the preceding claims, characterised in that the part of the respective iron path which extends through the hinged armature (15) is about 15% to 25% of the respective total iron path.

Revendications

1. Dispositif d'entraînement électromagnétique d'une aiguille d'impression d'une tête d'impression à aiguilles, comportant une culasse magnétique en forme de E, dont la branche médiane porte un enroulement électrique d'excitation, et une armature battante oblongue, qui est plus large qu'une branche extérieure et que la branche médiane et qui par une extrémité est montée basculante sur la branche extérieure de la culasse magnétique à proximité de celle-ci tandis que l'autre extrémité fait saillie au-delà de l'autre branche extérieure de la culasse magnétique et agit sur l'aiguille d'impression, caractérisé par le fait que, pour une longueur moyenne du trajet dans le fer de moins de 30 mm, formé par la branche médiane (13) et par une branche extérieure (11,12), et pour une inductance du circuit magnétique inférieure à 3 mH, l'armature battante (15) a, sur toute sa longueur en regard des branches (11,12,13) de la culasse magnétique, une largeur supérieure à celle des branches (11,12,13) de la culasse magnétique, et une section transversale active magnétiquement inférieure de 10 à 50 % à la section transversale d'une branche extérieure (11,12), qui est active magnétiquement.

2. Dispositif d'entraînement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur de la branche extérieure (11,12) de la culasse magnétique (10) est supérieure, de jusqu'à 10 %, à sa profondeur dans la direction longitudinale de l'armature battante.

3. Dispositif d'entraînement suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'autre branche extérieure de la culasse magnétique (10) a une face frontale réduite par rapport à sa section transversale, par l'usinage de sa face intérieure ou de la face extérieure opposée.

4. Dispositif d'entraînement suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la largeur de la face frontale est supérieure, de jusqu'à 100 %, à sa profondeur.

5. Dispositif d'entraînement suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la partie, qui traverse l'armature battante (15), du trajet dans le fer respectif représenté de 15 % à 25 % environ du trajet total dans le fer respectif.

Zeichnung