ANTRIEBSELEMENT FÜR SCHREIBKÖPFE IN TINTENDRUCKEINRICHTUNGEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Antriebselement für Schreibköpfe in Tintendruckeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Derartige Antriebselemente sind aus der DE-PS 25 43 420 bekannt. Sie enthalten ein zylinderförmiges Röhrchen aus Piezokeramik, dessen Innen- und Außenwand dünne Elektrodenschichten aufweist und einen von dem Wandlerelement umfaßten Tintenkanal, der auch als Tintenkanal bezeichnet wird. Im Innern des Wandlerelementes ist eine spiralenförmige Metallwendel in das Gießharz eingegossen, die an der Innenwandung des Röhrchens als Elektrode anliegt. Die Wand des Tintenkanales bzw. der Tintenkammer selbst wird durch das Gießharz gebildet. Mehrerer dieser Antriebselemente mit jeweils Zugeordneten Wandlerelementen sind zu einem Schreibkopf zusammengefaßt.

[0003] Die Schriftqualität bei Tintendruckeinrichtungen mit mehreren Düsen hängt wesentlich von der gleichförmigen Ausstoßgeschwindigkeit der einzelnen Tintentropfen ab.

[0004] Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Stabilität der mechanischen Verbindung zwischen Wandlerelement und Tintenkammer. Die Übertragungseigenschaften dürfen sich unter den während der Gebrauchsdauer des Gerätes auftretenden Belastungen durch Temperatur, Frequenz und Anzahl der Lastspiele nur im Rahmen der vorgegebenen engen Toleranzen ändern.

[0005] Um dies sicherzustellen ist es aus der DE-PS 25 43 420 bekannt, das Wandlerelement selbst in die Kammerwand der Tintenkammer einzugießen.

[0006] Werden die Antriebselemente entsprechend der DE-OS 21 64 614 ausgestaltet, bei denen eine durchgehend polarisierte Piezokeramikschicht (Piezoplättchen) auf einer Metallplatte angeordnet ist, die die Wandung der Tintenkammer bildet und die sich bei Erregung des Piezoplättchens in die Tintenkammer (Druckkammer) hineinwölbt und so aus einer Schreibdüse Tintentröpfchen ausstoßt, so ist es üblich, die als Wandlerelemente dienenden Piezoplättchen auf der Metallplatte festzukleben.

[0007] Es hat sich nun herausgestellt, daß derartige haftschlüssige Verbindungsverfahren - unter die auch das Vergießen mit glatten Oberflächen zu zählen ist - wegen der Vielzahl der auftretenden Material- und Oberflächeneffekte nicht immer ausreichend stabil ist.

[0008] Aus der EP-A-0 103 841, die der US-A-4504845 enspricht ist es bekannt, das als Wandlerelement dienende Piezoröhrchen eines Tintenkopfes in der Kammerwand so zu vergießen, daß die Kammerwand das Röhrchen einseitig umgreift. Dadurch wird eine bessere Zentrierung des Wandlerelementes erreicht.

[0009] Weiterhin wird in der EP-A-0 150 348 ein Schreibkopf für eine Tintenschreibeinrichtung beschrieben, bei der in einem Block mehrere Piezoplättchen nebeneinander angeordnet sind. Zur Sicherstellung der Düsenöffnungsmaße weist die äußere Abdeckung des Blocks einseitig nasenförmige Ansätze auf, die wiederum an einer Seite in die Piezoplatten eingreifen.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Antriebselemente für Schreibköpfe der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ihre Übertragungseigenschaften während der Gebrauchsdauer nicht ändern und bei denen insbesondere die Verbindung zwischen Wandlerelemente und Kammerwand der Tintenkammer ausreichend stabil ist.

[0011] Diese Aufgabe wird bei einem Antriebselement der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst.

[0012] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0013] Dadurch, daß das Wandlerelement und die Tintenkammerwand ineinandergreifend, formschlüssig miteinander verbunden sind, bilden Kammerwand und Wandlerelement eine von den Belastungen durch Temperatur, Frequenz und Anzahl der Lastspiele unabhängige Einheit, deren Übertragungseigenschaften sich auch bei längerem Betrieb nicht ändert. Ein allmähliches Lösen des Wandlerelementes von der Kammerwand oder umgekehrt ist nicht möglich.

[0014] Das Wandlerelement selbst weist Ausnehmungen mit einem vorzugsweise konischen Querschnitt auf, in die der Werkstoff einfließt und so für eine absolut formschlüssige Verbindung zwischen Kammerwand und Wandlerelement sorgt. Je nach Ausführungsform der Tintenkammer kann der Werkstoff z.B. aus Gießharz bestehen, wenn das Wandlerelement z.B. als Röhrchen ausgebildet ist und in der Kammerwand der Tintenkammer vergossen wird, oder aber als Werkstoff wird ein aushärtbarer Klebstoff verwendet, wenn das Wandlerelement aus einem Piezoplättchen besteht, das einseitig auf eine Seitenwand der Tintenkammer aufgeklebt wird.

[0015] Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei der das Wandlerelement als Piezoröhrchen ausgebildet ist, bestehen die Verankerungs- oder Formelemente aus einem das Piezoröhrchen an seiner Innenseite kontaktierenden Drahtelektrode z.B. einer Drahtwendel, die formschlüssig mit dem Piezoröhrchen durch Löten verbunden ist. Durch die im Bereich der Lötung entstehenden Hohlkehlen, in die der Werkstoff der Kammerwand einfließt, wird eine formschlüssige Verbindung zwischen Kammerwand (Gießharz) und Piezoröhrchen erreicht.

[0016] In allen Fällen wird durch die formschlüssige ineinandergreifende Verbindung erreicht, daß sich die Kräftebilanz der Kräfte z.B. Adhäsionskräfte, Unterdruck, Quellkraft, Schrumpfkräfte an der Trennfläche Wandlerelement-Tintenkammerwand so einstellt, daß eine gewisse Vorspannung erzeugt wird, die ein Lösen der Elemente oder ein Lockern im Betriebsfall verhindert.

[0017] Die mit Hilfe von Ultraschall oder Laserbearbeitung hergestellten Bohrungen oder Schlitze bewirken zusätzlich ein besseres Füllverhalten beim Gießen und eine Reduzierung der inneren Spannungen in der Umgebung der eingelegten Wandlerelemente beim Aushärten des Gießlings.

[0018] Die wirtschaftliche Herstellung von gebohrten Piezowandler, seien es nun Piezoplättchen oder Piezoröhrchen, ist durch Ultraschall oder Laserbearbeitung möglich. Bei beiden Verfahren bleiben die elektrischen und mechanischen Kennwerte der Piezokeramik auch nach der Bearbeitung erhalten. Die beim Laserbohren auftretende Konizität der Bohrungen kann für die formschlüssige Verankerung genutzt werden.

[0019] Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Antriebselementes für Schreibköpfe in Tintendruckeinrichtungen mit einem Piezoröhrchen als Wandlerelement und

FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Antriebselementes für Schreibköpfe in Tintendruckeinrichtungen mit einem Piezoplättchen als Wandlerelement,

FIG 3 eine perspektivische Darstellung des Piezoröhrchens mit eingelöteter als Metallspirale ausgebildeter Innenelektrode und

FIG 4 eine schematische Schnittdarstellung der Verbindungsstelle zwischen Metallspiralen und Wandlerelement.

[0020] Ein hier nicht im einzelnen dargestellter Schreibkopf einer Tintendruckeinrichtung wie er z.B. in der DE-OS 25 43 451 beschrieben ist, enthält eine Vielzahl von Antriebselemente 12, die zeichenabhängig angesteuert werden und die durch tröpfchenweisen Ausstoß von Tinte, Zeichen auf einem Aufzeichnungsträger erzeugen. Die Antriebselemente 12 sind in einem aus Gießharz bestehenden, einstückig im Gußverfahren hergestellten Schreibkopf vergossen, wobei der Schreibkopf eine Vielzahl von Tintenkanäle (Tintenkammern 14) aufweist, die von Wandlerelementen 10 umfaßt werden. Die Wandlerelemente 10 bestehen in diesem Fall aus polarisierten Piezokeramikröhrchen mit einer an der Innen- und Außenwandung 11 aufgebrachten dünnen, als Elektrode dienenden Metallschicht. Die Wandung (Kammerwand 15) jeder Tintenkammer 14 wird durch eine Schicht Kopfwerkstoff (Gießharz) gebildet, wobei bei der Herstellung des Schreibkopfes in die Kammerwand 15 eine aus einer Metallspirale 16 bestehende Innenelektrode, die die Innenwandung 11 des Wandlerelementes 10 kontaktiert, eingegossen wird. Die Metallspirale 16 besteht dabei gemäß FIG 3 aus einer Metallwendel mit darauf angeordneter Silberschicht 32.

[0021] Um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Piezoröhrchen (Wandlerelement 10) und der Kammerwand 15 zu erreichen, weist bei den Ausführungsformen der FIG 1 und 2 das Wandlerelement 10 konische Durchgangsbohrungen 17 auf. Diese konischen Durchgangsbohrungen 17 werden mit Hilfe von Laserbohreinrichtungen erzeugt und zwar vor dem eigentlichen Vergießen der Wandlerelemente 10, wobei diese zunächst entsprechend den erforderlichen elektrischen und mechanischen Kennwerten abgeglichen werden. Eine Laserbearbeitung verändert diese Kennwerte nicht.

[0022] Zum Vergießen der Wandlerelemente 10 bei der Herstellung des Schreibkopfes werden die Wandlerelemente 10 zunächst auf einen Dorn oder ein ähnliches Formteil aufgesteckt und dann in eine entsprechende Gießform eingelegt. Das in die Form fließende Gießharz dringt in die Bohrungen 17 ein, wobei die Bohrungen 17 für ein besseres Füllverhalten der Form beim Gießen sorgen. Sie bewirken jedoch insbesondere einen Ausgleich der inneren Spannungen in der Umgebung der eingelegten Wandlerelemente beim Aushärten des Gießlings.

[0023] Bei dem Ausführungsbeispiel der FIG 3 und 4 wird die Metallspirale 16 die als Innenelektrode dient, durch Löten mit dem Piezoröhrchen verbunden. Durch die im Bereich der Lötung entstehenden Hohlkehlen 33 wird eine formschlüssige Verbindung zwischen der aus Gießharz bestehenden Kammerwand 15 und dem Wandlerelement 10 (Piezoröhrchen) erreicht.

[0024] Anstelle der dargestellten Drahtspirale 16 sind auch andere Formelemente vorstellbar, z.B. in Form von höckerförmigen mit Hinterschneidungen versehenen Ausformungen der Innenwandung des Wandlerelementes. Wesentlich ist das Ineinandergreifen von Wandlerelement und Kammerwand, um eine absolut formschlüssige Verbindung zwischen Kammerwand und Wandlerelement zu erreichen.

[0025] Bei der Herstellung des Schreibkopfes im Gußverfahren wird zunächst die als Innenelektrode dienende Metallspirale 16, die mit einer Silberschicht 32 überzogen ist, an der Innenseite des als Piezoröhrchens ausgebildeten Wandlerelementes 10 angelötet, was z.B. dadurch geschehen kann, daß man die mit Lot überzogene Drahtwendel, die sich infolge ihrer Innenspannung an der Innenseite des Piezoröhrchens anlegt, kurzzeitig mit einem starken, die Drahtwendel erhitzenden Strom beaufschlagt. Damit wird das Lot an der Kontaktstelle zwischen Piezoröhrchen und Drahtelektrode verflüssigt. Schwell- oder andere Lötverfahren sind jedoch auch möglich.

[0026] Die so kontaktierten Wandlerelemente werden dann auf einen Dorn oder ein ähnliches Formteil aufgesteckt und in eine entsprechende Gießform eingelegt. Das in die Form fließende Gießharz umfaßt die Metallspirale 16 und die Hohlkehlen 33.

[0027] Während und nach der Aushärtung des Gießharzes treten Kräfte auf, die hinsichtlich ihrer senkrecht zur Trennfläche Wandlerelement/Kammerwand wirkenden Kraftkomponenten in der FIG 1 dargestellt sind. Dabei bezeichnen die Komponenten 18 die Adhäsionskräfte zwischen Kammerwand und Wandlerelement; die Komponenten 19 die durch den geringen statischen Unterdruck der Tinte hervorgerufenen Kräfte; die Komponenten 20 die Quellkräfte bei der Herstellung und die Komponenten 21 die beim Aushärten des Gießharzes auftretenden Schrumpfkräfte.

[0028] Die im Betrieb der Antriebselemente auftretende Zug- und Druckbeanspruchung ist mit 22 bezeichnet.

[0029] Sämtliche dargestellten Kräfte sind bezogen auf die Trennfläche zwischen Kammerwand 15 und Wandlerelement 10.

[0030] Wie aus der Darstellung der FIG 1 ersichtlich, wirken die wesentlichen Kraftkomponenten nach der Aushärtung so, daß unter Vorspannung ein eindeutiger und sicherer Formschluß zwischen der Kammerwand 15 und dem Wandlerelement 10 gewahrleistet ist. Damit können die funktionsabhängigen Arbeitskräfte (Zug- und Druckbeanspruchung 22) die Trennfläche zwischen Kammerwand 15 und Wandlerelement 10 nicht lockern. Verluste auch über eine längere Betriebsdauer treten nicht auf. Die Wandlerelemente 10 wirken unmittelbar auf die Tinte der Tintenkammer 14 ein. Damit ist ein impulstreues Ansteuerverhalten sichergestellt.

[0031] Bei dem in der FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Antriebselementes handelt es sich um ein Antriebselement, das in einem Sandwich-Tintendruckkopf der in Planartechnik aufgebaut ist, Verwendung findet. Das Antriebselement weist eine zylinderförmige Druckkammer 23 (Tintenkammer) auf, die in einer Druckkammerplatte 24 angeordnet ist. Der Druckkammer 23 wird über einen Tintenzuführkanal 26 Tinte zugeführt. Dem Mündungsbereich des Tintenzuführkanales der anderen Seite des Querschnittes der Druckkammer 23 gegenüberliegend ist ein Düsenkanal 27 angeordnet. Die Düsen 28 der einzelnen Antriebselemente befinden sich auf einer gemeinsamen Düsenplatte 29. Die Druckkammer 23 ist über eine dünne Membranplatte 30 abgedeckt, auf der die Wandlerelemente in Form von kreisförmigen Piezokeramikplättchen 31 angeordnet sind. Wie bei dem in der FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen diese Piezokeramikplättchen (Wandlerelemente 31) durch Laserbohrung oder durch Ultraschall hergestellte konische Bohrungen 17 auf, die vor dem Aufbringen der Piezokeramikplättchen 31 auf den Piezokeramikplättchen erzeugt werden. Die Piezokeramikplättchen 31 und die Membranplatte 30 - die die eigentliche Kammerwand der Tinten- oder Druckkammer 23 bilden - werden durch Kleben miteinander verbunden. Der Klebstoff dringt dabei in die konischen Bohrungen 17 ein und sorgt nach der Aushärtung für eine formschlüssige Verbindung. Die nach der Aushärtung bzw. im Betrieb des Antriebselementes auftretenden Kräftebilanz entsprechen im Prinzip der in der FIG 1 dargestellten.

Bezugszeichenliste

[0032] 

10

Wandlerelemente, Piezoröhrchen

11

Wandfläche, Elektrodenfläche

12

Antriebselement

13

Gießharz

14

Tintenkammer, Druckkammer

15

Kammerwand

16

Metallspirale (Elektrode), Formelement

17

konische Bohrung, Öffnung

18

Adhäsionskräfte

19

Unterdruck

20

Quellkräfte

21

Schrumpfkräfte

22

Zug- und Druckbeanspruchung im Betrieb

23

Druckkammer, Tintenkammer

24

Druckkammerplatte

25

Klebstoff

26

Tintenzuführungskanal

27

Düsenkanal

28

Düse

29

Düsenplatte

30

Membranplatte

31

Piezokeramikplättchen

32

Silberschicht

33

Hohlkehlen

Ansprüche

1. Antriebselement (12) für Schreibköpfe in Tintendruckeinrichtungen mit einem auf einer Kammerwand (15, 30) einer Tintenkammer (14, 23) angeordneten piezoelektrischen Wandlerelement (10, 31), wobei die Kammerwand (15 30) mindestens teilweise aus einem aushärtenden Werkstoff (13, 25) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (10, 31) Ausformungen (17, 33) zur Aufnahme des die Kammerwand (15, 30) bildenden Werkstoffes (13, 25) aufweist, die derart ausgestaltet sind, daß der Werkstoff (13, 25) über die Ausformungen (17, 33) Bereiche des Wandlerelements (10, 31) hintergreift und damit die Kammerwand (15) formschlüssig in dem Wandlerelement (10, 31) verankert.

2. Antriebselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Kammerwand (15) eine Membranschicht (30) aufweist und daß das Wandlerelement (31) auf der Membranschicht (30) über den Werkstoff (25) befestigt ist.

3. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (10) aus einem Piezokeramikröhrchen besteht, das in der Kammerwand (15) vergossen ist.

4. Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet , daß die Ausformungen (17) als Durchgangsbohrungen mit konischem Querschnitt ausgebildet sind.

5. Antriebselement nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet , daß die Durchgangsbohrungen auf dem Wandlerelement (10) durch Ultraschall oder Laserbehandlung erzeugt werden.

6. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (10) auf seiner der Kammerwand (15) zugewandten Seite die Ausformungen (33) bildende Formelemente (16) aufweist.

7. Antriebselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Wandlerelementes (10) als Piezoröhrchen, das Formelement als eine das Piezoröhrchen (10) an seiner Innenseite kontaktierende Drahtelektrode (16) ausgebildet ist, die formschlüssig mit dem Piezoröhrchen (10), z.B. durch Kleben, Löten oder Schweißen verbunden ist.

Claims

1. A drive element (12) for printer heads in ink-jet printing devices comprising a piezoelectric transducer element (10, 31) arranged on a chamber wall (15, 30) of an ink chamber (14, 23), where the chamber wall (15, 30) consists at least partially of a hardening material (13, 25), characterised in that the transducer element (10, 31) comprises openings (17, 33) for the accommodation of the material (13, 25) which forms the chamber wall (15, 30), which are formed in such manner that via the openings (17, 33) the material (13, 25) engages behind parts of the transducer element (10, 31) and thereby positively anchors the chamber wall (15) in the transducer element (10, 31).

2. A drive element as claimed in Claim 1, characterised in that the chamber wall (15) comprises a membrane layer (30) and that the transducer element (31) is secured on the membrane layer (30) via the material (25).

3. A drive element as claimed in Claim 1, characterised in that the transducer element (10) consists of a piezoelectric ceramic tube which is cast in the chamber wall (15).

4. A drive element as claimed in one of Claims 1 to 3, characterised in that the openings (17) consist of through-bores of conical cross-section.

5. A drive element as claimed in Claim 4, characterised in that the through-bores are produced in the transducer element (10) by ultrasound or laser treatment.

6. A drive element as claimed in Claim 1, characterised in that on its side facing towards the chamber wall (15) the transducer element (10) comprises shaped elements (16) which form the openings (33).

7. A drive element as claimed in Claim 6, characterised in that when the transducer element (10) has the form of a piezoelectric tube, the shaped element is constructed as a wire electrode (16) which contacts the piezoelectric tube (10) on its inside and which is positively connected to the piezoelectric tube (10), for example by gluing, soldering or welding.

Revendications

1. Elément d'entraînement (12) pour des têtes d'écriture dans des dispositifs d'impression à encre, comportant un transducteur piézo-électrique (10,31) agencé sur une paroi (15,30) d'un réservoir d'encre (14,23), la paroi (15,30) du réservoir étant constituée au moins partiellement d'une matière durcissable (13,25),
caractérisé en ce que le transducteur (10,31) présente des évidements (17,33) pour recevoir la matière (13,25) formant la paroi (15,30) du réservoir, lesquels sont réalisés de sorte que la matière (13,25), par l'intermédiaire des évidements (17,33), s'engage derrière des zones du transducteur (10,31) et, ainsi, la paroi (15) du réservoir est ancrée par engagement positif dans le transducteur (10,31).

2. Elément d'entraînement selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la paroi (15) du réservoir présente une membrane (30), et en ce que le transducteur (31) est fixé sur la membrane (30) par l'intermédiaire de la matière (25).

3. Elément d'entraînement selon la revendication 1,
caractérisé en ce que le transducteur (10) est constitué d'un petit tube piézo-céramique qui est scellé dans la paroi (15) du réservoir.

4. Elément d'entraînement selon une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les évidements (17) sont formés en tant que trous traversants à section transversale conique.

5. Elément d'entraînement selon la revendication 4,
caractérisé en ce que les trous traversants sur le transducteur (10) sont créés par des ultrasons ou un traitement au laser.

6. Elément d'entraînement selon la revndication 1,
caractérisé en ce que le transducteur (10) présente, sur sa face proche de la paroi (15) du réservoir, des éléments moulés (16) formant les évidements (33).

7. Elément d'entraînement selon la revendication 6,
caractérisé en ce que, lorsque le transducteur (10) est réalisé en tant que petit tube piézo-céramique, l'élément moulé est réalisé en tant que fil-électrode (16) au contact du petit tube (10) sur sa face interne, et qui est relié par engagement positif au petit tube (10), par exemple par collage, brasage, ou soudage.

Zeichnung