DE3137690C2 - Druckelement für eine Druckvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen von insbesondere piezoelektrisch betriebenen Druckelementen in Druckvorrichtungen für Matrixdrucker, Fern- und Datenschreibmaschinen, mechanischen Schnelldruckern, Fernkopiegeräten, für Prägeeinrichtungen sowie Schnittwerkzeuge u.dgl., bei dem sich in Längsrichtung in sich schwingende Druckelemente über jeweils mindestens ein mit Elektroden versehenes Antriebs- bzw. Sensorelement mit einem Ende an einem ortsfesten Element abstützen und sich nach Beaufschlagen der Elektroden des Antriebselements mit durch eine Ansteueranordnung hervorgerufenen elektrischen Spannungsimpulsen Stoßwellen längs der Druckelemente fortpflanzen, daß deren freies Ende gegenüber dem befestigten Ende verstärkt ausgelenkt wird und infolge ihrer elastischen Kraft und der Massenträgheit auf einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck hervorrufen unter Verwendung einer den Aufprall bzw. der jeweiligen Auslenkung des freien Druckelement-Endes elektrisch registrierenden und beruhigt zurückführenden Meßschaltung. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Druckvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

a) die Form eines hyperbolischen Tubus hat,

b) in Verbundbauweise derart ausgebildet ist, daß sich die in der Homlängsrichtung unidirektional verlaufende Verbundstruktur längs der Hornachse vom Hornfuß (2) bis zur Hornspitze (3) im Querschnitt entsprechend der Außenkontur des Horns verjüngt, und

c) aus einem Werkstoff niedriger Dichte und hohem E-Modtf! gefertigt ist.

2. Druckelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (1) in lamellierter Bauweise gestaltet ist, bei der die miteinander verbundenen Lamellen mindestens annähernd in der Laufrichtung der Stoßwelle verlaufen.

3. Druckelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lamellen aus Formdrähten, Blechen oder Folien gestaltet sind.

4. Druckelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (1) aus Faserverbundwerkstoffen gestaltet ist.

5. Druckelement najh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser des Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstoff-Fasern bestehen.

6. Druckelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (1) am Hornfuß (2) zwei als Anriebselemente wirkende Piezoelemente (4) und (41) aufweist, über die das Horn (1) ortsfest befestigt ist, und die elektrisch parallel und mechanisch bezüglich ihrer Nutzausdehnung in Serie derart geschaltet sind, daß jeweils die Polflächen gleicher Polarisationspolarität einander zugewandt sind und daß die Piezoelemente (4) und (41) über Ansteuerelektroden (21), (22) und (23) angesteuert werden (Fig. 2 A).

7. Druckelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Piezoelement (4) und Piezoelement (41) eine Aufhängung (27) angeordnet ist, und daß fluchtend am Piezoelement (41) ein als Steuerelement wirkendes Piezoelement (42) befestigt ist (Fig. 2B).

8. Druckelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (27) aus einer gedämpft federnden Membran besteht.

9. Druckelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran elektrisch leitend ist.

10. Druckelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornfuß (2) und die Piezoelemente (4), (41) sowie (42) die gleiche Querschnittsfläche und die gleiche Querschnittsform aufweisen.

11. Druckelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (4) und (41) und das Steuerelement (42) jeweils die gleiche Eigenfrequenz besitzen.

υ Die Erfindung betrifft ein Druckelement für eine Druckvorrichtung, bestehend aus einer Verstärkereinrichtung in Form eines Horns (Booster), an dessen im Querschnitt relativ größerem Boden (Grundfläche) mindestens ein elektrisch betreibbares, sich gegen eine gehäusefeste Halterung abstützendes Piezoelement angeordnet ist.

Aus der DE-PS 26 33 239 ist ein Verfahren zum Betägigen von insbesondere piezoelektrisch betriebenen Druckelementen in Schreibköpfen für Fern- oder Datenschreibmaschinen bekannt. Bei diesem Verfahren liegen stabförmige, mit Elektroden versehene Antriebselemente elastisch en einer ortsfesten Niasse an, die sich nach Beaufschlagung der Elektroden mit Spannungsimpulsen aus einer Ansteueranordnung als Ganzes von der ortsfesten Masse abstoßen. Damit das Antriebselement sich nach erfolgtem Abdruck am Aufzeichnungsträger in Rückkehrrichtung verstärkt beschleunigt, wird über die Ansteueranordnung zum optimalen Zeitpunkt ein erneuter elektrischer Spannungsimpuls ausgelöst. Wäh rend der Flugphase des Antriebselements wird dieses über die Ansteueranordnung im verlängerten Zustand gehalten und bei der Rückkehr des Aniriebseiements in die Ausgangslage über die Ansteueranordnung nach den ersten von einer Meßschaltung registrierten Berüh rungskontakten mit der ortsfesten Masse ein der Polari tät des elektrischen Antriebsimpul&js entgegengerichteter, die mechanische Spannung im Druckelement kompensierender, elektrischer Spannungsimpuls ausgelöst. Aus der DE-PS 23 44 065 ist ferner eine Anordnung zum Betätigen von punkterzeugenden Druckelementen in einem Mosaikdruckkopf bekannt. Bei dieser Anordnung wird das von einem piezoelektrischen Wandler beschleunigte, von der Abdruckstellung in die Ausgangslage zurückkehrende, punkterzeugende Druck-IS element von dem durch entsprechende Ansteuerung sich verkürzenden piezoelektrischen Wandler abgefangen. Das Auftreffen des punkterzeugenden Druckelements auf den piezoelektrischen Wandler wird über eine Meßschaltung registriert und damit der piezoelck trische Wandler angesteuert.

Weiterhin ist aus der US-PS 34 73 466 eine piezoelektrische betriebene Druckvorrichtung bekannt, bei der das piezoelektrische Wandlerelement elastisch an einer ortsfesten Rastwand anliegt und sich nach Beaufschla gen der Elektroden mit durch eine Ansteueranordnung hervorgerufene Spannungsimpulse als Ganzes von der ortfesten Masse abstößt und infolge seiner Massenträgheit auf einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck dadurch hervorruft, daß es den Aufzeichnungsträger gegen eine Typenwalze drückt.

Aus der DE-OS 27 56 134 ist eine piezoelektrisch gesteuerte Antriebsanordnung zur Erzeugung hoher Stroßgeschwindigkeiten und/oder gesteuerter Hübe

bekannt. Die Antriebsanordnung besteht aus einem piezoelektrisch getriebenen Horn, das sich nach einem cxponenticllcn Verlauf zur Hornspitze hin verjüngt, mit der sie durch Stoßkopplung auf eine Drucknadel einwirkt, welche in Druckrichtung eine Beschleunigung erfährt und auf einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck erzeugt. Beim Zurückschnellen der freifliegenden Drucknadel nach dem Druckvorgang wird diese von der zurückweisenden Hornspitze weich aufgefangen, damit Drucknadel und Hornspitze in möglichst kurzer Zeit in ihrer Ausgangslage wieder zur Ruhe kommen.

Nachteilig an dieser Antriebsanordnung ist die Beibehaltung des mit seinen engen Druckgeschwindigkeitsgrenzen behafteten Druckprinzips des ballistisch bewegten Druckelements mit der in erster Linie vom elastischen Verhalten des Aufzeichnungsträgers abhängigen langen Stoßzeit und die niedrige Rückfluggeschwindigkeit des Druckelements und das damit verhältnismäßig starke Verschmieren der Abdruckkonturen auf dem Aufzeichnungsträger bei noch vertretbar hoher Druckenergie. Ein weiterer Nachteil dieses Druckprinzips besteht darin, daß es nur noch eine bedingt individuelle, externe Beeinflussung des Druckelement erlaubt, wenn dieses sich erst einmal von der antreibenden Hornspitze bzw. vom Aufzeichnungsträger gelöst hat und sich im freien Flug befindet. Schließlich ist nachteilig, daß mit dem zurückschnellenden, in Undefinierten Schwingungszuständen befindlichen Druckelement (Drucknadel) unabhängigen Zurückweichen der Hornspitze keine rasche Ruhigstellung in ihrer Ausgangslage erzielt werden kann.

Piezoelektrisch betriebene Dmckelemente haben ganz allgemein den Nachteil, daß die mit ihnen zu erzielende Abdruckkraft relativ gering ist und stark von der Masse des Druckelements abhängt. Vergrößert man z. B. die Masse des Druckelernents, um die Andruckkraft zu erhöhen, so verringert sich damit zwangsläufig die (Fluggeschwindigkeit und damit die Druckfrequenz.

Die Größe und die geometrischen Ausmaße der verwendeten Druckelemente werden bei deT Anordnung der Druckelemente innerhalb von Mosaikdruckköpfen außerdem durch die Druckteiiung beschränkt.

Bei den erwähnten bekannten Druckverfahren, bei denen entweder die Abdruckorgane in freiem Flug gegen die Abdruckstelle geschleudert werden oder aber sich das Druckelement selber von einer ortsfesten Masse abstößt, besteht eine wesentliche Schwierigkeit darin, die Druckelemrnte möglichst schnei! wieder in so ihre Ausgangslage prellfrei zurückzuführen. Irgendwelche während des Druckvorganges ablaufende Schwingungen oder Prellungen würden unvermittelt zu einer Verlängerung der einzelnen Druckphase führen und damit die gesamt; Schreibgeschwindigkeit herabsetzen. Um derartigen Prellvorgängen zu begegnen, ist deshalb eine besonders exakte Ansteuerung der einzelnen Druckelemente notwendig.

Bei dem Druckverfahren der DE-PS 26 33 239, bei welchem das Druckelement unmittelbar nach dem Auftreffen auf den Aufzeichnungsträger mittels eines elektrischen Spannungsimpulses zusätzlich rückbeschleunigt wird, müssen die elektrischen Ladungen entweder über von den Druckelementen mitbewegten elektrischen Anschlußleitungen oder über Schleifkontaktvorrichtungen auf die Elektroden der Antriebselemente gebracht werden, wodurch sich Undefinierte Zustände und erhebliche Unsicherheiten für den Betrieb ergeben.

Ferner kann das Druckelement nur solange beschleunigt und damit der Freiflug beeinflußt werden, wie es sich in Kontakt mit der ortsfesten Masse bzw. mit dem Aufzeichnungsträger befindet.

Als weitere Nachteile ergeben sich (vgl. Dissertation P. Blume, Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen und Eletrotechnik »Untersuchungen des Stoßvorgangs beim fliegenden Druck bei Datenausgabegeräten«) bei freifliegenden Druckelementen eine in erster Linie vom elastischen Verhalten des Aufzeichnungsträgers abhängige lange Stoßzeit und eine niedrige Rückfluggeschwindigkeit und ein damit verhältnismäßig starker Wischdruck bei noch vertretbar hoher Druckenergie.

Insbesondere treten durch das Nachschwingen des Druckelements während der Flugphase, nachdem es sich von der ortsfesten Masse abgestoßen hat, weitere Undefinierte Zustände auf, indem die jeweilige Schwingphase des Druckelements beim Auftreffen auf den Aufzeichnungsträger den Auftreffimpuls und damit sowohl die Rückfluggeschwindigk >; verstärkend oder abschwächend als auch die Sioßdauer und den Wischdruck unterschiedlich beeinflußt. Für den Rückflug und das Auftreffen auf die ortsfeste Masse gilt ähnliches, was die Beruhigungszeit in der Ausgangslage verlängert.

Der von dem Druckelement je Druckvorgang zweimal durcheilte Freiflugweg begrenzt ebenfalls in nicht unerheblichem Maß die Druckfrequenz, besonders bei der durch den Aufzeichnungsträger verursachten niedrigen Rückfluggeschwindigkeit.

Die derzeitigen mechanischen Druckwerte mit ihren raltiv niedrigen Druckfrequenzen weisen außerdem sehr hohe Geräuschpegel auf.

In der Dissertation von T. Vetter »Beitrag zur Frage der Haupt- und Fehlergeometrie beim Schwingläppen niit Ultraschall«, Universität Hannover. Fakultät für Maschinenwesen und in der Dissertation von H. Scheibener »Auslegung von Hochleitungsrüsseln für die Ultraschallbearbeitung«. Technische Universität Hannover, Fakultät für Maschinenwesen, werden mechaniscn Transformatoren (sog. Hörner oder Booster) zur Vergrößerung der Schwingweite untersucht und beschrieben.

Das Horn besitzt die Eigenschaft, eine erzwungene Auslenkung seines Endes mit breiterem Querschnitt als Dichteschwankungen einer Longitudinalwelle mit der Schallgeschwindigkeit seines Materials zu seinem Ende mit kleinerem Querschnitt weiterzuleiten und entsprechend des Querschniftsverlaufs entlang des Horns zu vergrößern. Die Auslösung kann zusätzlich beeinflußt werden, wenn das Horn als sog. »Gradientenhotn« ausgeführt ist, bei weichem der Elastizitätsmodul und/ odt, die Dichte des Hornmaterials entlang seiner Wirkachse stetig unterschiedlich ist.

Der Ausschlag und damit die Dehnung des Horns können soweit vergrößert werden, wie es die Dauerwechselfestigkeit des Hornmaterials zuläßt.

Die ausschlaevergrößernde Wirkung des Horns erlaubt die Verwendung von elektromechanischen Schwingungswandlern wie z, B. piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandlern, welche zwar mit verschwindend kleinem Zeitverzug zwischen elektrischem Signal und mechanischer Wirkung arbeiten, aber nur relativ geringe Längenänderungen erzeugen können.

Aufgabe der Erfindung ist es. ein Druckelement für eine Druckvorrichtung bereitzustellen, das eine hohe Druckgeschwindigkeit bei gleichzeitiger hoher

Abdruckkraft, möglichst geringem Wischdruck und relativ niedrigem Geräuschpegel und niedriger Verlustleistung erzeugt und mit dem eine exakte Ansteuerung des piezoelektrisch betriebenen Druckelements möglich ist. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Druckelement gelöst, wie es in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß ein Aufzeichnungsträger oder ein anderes Anschlagelement wie z. B. Hammer, Type oder Nadel von dem verstärkt ausgelenkten Ende des Horns angeschlagen werden, wobei die hohe Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Stoßwelle im Horn als auch dessen ausschlagvergrößernde Wirkung ausgenützt wird. Die hohe Eigenresonanz des Horns bis in den Ultraschallbereich und die durch dessen feste Kopplung mit dem an dem ortsfesten Element befestigten elektromechanischen Antriebselement durch elektrische Spannungsimpulse extern direkt beeinflußbare Beruhigungszeit, erlauben im Vergleich zu den z. Zt. bekannten Schnelldruckverfahren wesentliche höhere Druckfrequenzen bei geringerem Energieaufwand.

Bei herkömmlichen Matrixdruckern mit elektromagnetischem Nadelantrieb konnten bisher wegen der elektromagnetischen Verluste (Streufeld, Wirbelstrom) in den erforderlichen Massen zum Aufbau der magnetischen Kräfte nur Druckfrequenzen bis ca. 2000 Hertz bei entsprechendem Hub erreicht werden.

Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Druckelements ermöglicht Druckfrequenzen, die weit über dieser genannten Grenze bis ca. 50 000 Hertz und höher liegen. Außerdem sind die auftretenden Verluste (Verluste aufgrund der inneren Dämpfung und der Verluste in der Piezokristallanordnung) so gering, daß sie für die Wirkungsweise des Matrixdruckers vernachlässigbar klein sind.

Der elektromechanische Wirkungsgrad liegt um ein vielfaches höher als bei den bekannten Matrixdruckern mit elektromagnetischem Nadelantrieb. Bei einer relativ geringen Längenänderung der Piezokristallanordnung von z. B. 1,0 bis 1,5 μηι wird diese durch das Übersetzungsverhältnis des Hubverstärkers in eine vielfach vergrößerte Auslenkung der Hornspitze transformiert. Durch den aus dem benötigten Hornübersetzungsverhältnis resultierenden kleinen Durchmesser der Hornspitze wird gleichzeitig eine hohe Auflösung des Druckbildes erreicht.

Da aufgrund des erreichbaren Druckverfahrens die bisher unumgänglichen relativ langen Steuer-, Flug-, Tot- und Beruhigungszeiten erheblich verkürzt werden bzw. ganz wegfrHen, vermindern sich ebenfalls die durch diese Zeiten bedingten Unsicherheiten im Ablauf des Druckvorgangs, was die Zuverlässigkeit des Druckwerks bei geringstem Nebensprechen der einzelnen Systeme und damit des Druckers erhebiich steigert.

Die Betätigungsfrequenz des Druckwerks im Ultraschanbereich läßt im Vergleich mit herkömmlichen mechanischen Schnelldruckern eine wesentliche Lärmverminderung innerhalb des menschlichen Hörbereiches erwarten.

In der Anwendung der Horneigenschaften für das beschriebene Druckverfahren wird jeweils nur ein einzelner Hornschlag erzeugt, welcher durch einen von der hier nicht weiter beschriebenen Ansteuerungsanordnung hervorgerufenen Spannungsimpuls verursacht, also erregt wird und auf dem Aufzeichnungsträger einen Abdruck hinterläßt. Durch mindestens eine erneute Erregung, der Gegenerregung, des Horns wird dessen Rückschwingungsenergie so kompensiert, daß die Hornspitze ohne weiteres Nachschwingen beruhigt in ihre Ausgangsla^e zurückkehrt, wenn der nächstfolgende bzw. die niichsts folgenden möglichen Abdrucke nicht ausgeführt wurden sollen.

Zur Ausführung mehrerer unmittelbar aufeinanderfolgender Abdrucke unterbleibt eine Gegenerregung des Horns. Dieses wird zum optimalen Zeitpunkt dir ίο den jeweiligen Druckvorgang nur noch soweit erregt, daß die Hornspitze auf dem Aufzeichnungsträger einen guten Abdruck hinterläßt. Die Hornspitze schwingt also hier entsprechend der Eigenresonanz des Systems nach dem jeweiligen Druckvorgang von keiner Gegenerrels gung behindert durch.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungst'orm werden die elektrischen Parameter Ladungsverschiebung bzw. Verschiebestrom und der zeitliche Spannungsverlauf an den Elektroden des Piezoelements von einer hier nicht näher beschriebenen elektrisch registrierenden Meßschaltung ausgewertet und die die Erregung bzw. Gegenerregung des Horns verursachenden Spannungsimpulse in ihrer Intensität als auch in ihrem zeitlichen Ablauf geregelt, weil die Ladungsverschiebung an den Elektroden des Piezoelements ein direktes Maß für die Auslenkung bzw. der Verschiebestrom ein direktes Maß für die Auslenkungsschnelle des Piezoelements darstellen und der zeitliche Spannungsverlauf an den Elektroden ein direktes Maß für den zeitlichen Verlauf des mechanischen Spannungszustands im Piezoelement und damit des Bewegungsverlaufs der Hornspitze ist.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Horns mit einem piezoelektrischen Antriebselement in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2A und 2B schematische Darstellung von Drucksystemen mit erfindungsgemäßen Druckeiernenten in Normalansicht;

Fig. 3A-3C die zeitlichen Verläufe der mechanischen und elektrischen Wechselwirkungen am piezoelektrisch betriebenen Druckelement für den Betriebsfall, daß nach einem erfolgten Abdruck der nächstfolgende ausgespart wird; im einzelnen: Fig. 3A den zeitlichen Bewegungsverlauf der Hornspitze;

Fig. 3B den zeitlichen Verlauf des mechanischen Spannungszustands im Piezoelement;

Fig. 3C den zeitlichen Ablauf der elektrischen Spanso nungsimpulse zur Erregung bzw. Gegenerregung des piezoelektrisch betriebenen Druckelements;

Fig. 4A-4C wie die Fig. 3 A-C die zeitlichen Verläufe der mechanischen und elektrischen Wechselwirkungen am piezoelektrisch betriebenen Druckelement, jedoch für den Betriebsfall, daß mehrere Abdrucke unmittelbar aufeinander folgen;

Fig. 5A und 5B weitere Ausführungsformen von Hörnern und Antriebselementen;

Fig. 6A-6F weitere Ausführungsformen von Hörnern;

Fig. 7A, 7B, 8, 9A und 9B verschiedene Matrixanordnungen von piezo-elektrisch betriebenen Druckelementen;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines piezo-

elektrisch betriebenen Druckelements als Antrieb des

Typenhebels in einem mechanischen Kettenschnell-

drucker und

Fig. 11 eine weitere ausgebildete, vorteilhafte Aus-

führiingsfonn eines Druckelements mit mechanisch vorgespannten Piezoelementen wie in Fig. 2A dargestellt.

D;is in l^;ig. 1 schemiitisch in perspektivischer Ansicht dargestellte Horn I hat einen runden, vom Hornfuß 2 zur I lornspitze 3 hin stetig sich verjüngendem Querschnitt. Mit dem Hornfuß 2 fest verbunden ist das I'iezoelement 4 mit ebenfalls rundem Querschnitt. Letzteres ';;nn z. B. aus piezokeramischen Material bestehen und an den Hornfuß 2 geklebt sein. An den beiden runden Stirnflächen des Elements 4 sind nicht dargestellte Elektroden aufgebracht, welche die gesamte Stirnfläche bedecken.

Das in Fig. 2A schematisch dargestellte Drucksystem weist ein Horn 1, in Form eines hyperbolischen Tubus mit einer einseitigen Piezokristallanordnung auf, wobei die einzelnen Piezokristallelemente als Piezoelemente 4 und 41 elektrisch parallel und mechanisch bezüglich ihrer Nutzausdehnung in Serie derart geschalti-t sind, daß jeweils die Polflächen gleicher Polarisationspolarität einander zugewandt sind. Die gesamte Piezokristallanordnung sollte immer eine geradzahlige Anzahl von Piezoelementen umfassen, damit die im Innern dieser Anordnung liegenden Anschlüsse für den positiven Pol der Spannungsversorgung durch das auf Masse gelegte negative Potential dieser Spannungsversorgung an den Außenelektroden abgeschirmt sind. Der Hornfuß 2 des Horns 1 ist z. B. durch Klebung über die Elektrode 21 des Antriebselements 4 mit diesem, das Element 4 über die Elektrode 22 mit dem Element 41 und dieses wiederum über dessen Elektrode 23 mit dem Abs'itzelement 25 verbunden. Die Elemente 4 und 41 weisen den gleichen Querschnitt wie der Homfuß 2 auf.

Hei entsprechender Erregung erfahren die Elemente 4 und 41 eine Nutzausdehnung in der Achsenrichtung des Horns 1. Diese Bewegung wirkt sowohl auf den Hornboden 2 als auch auf das Abstützelement 25.

Das Abstützelement 25 besitzt gegenüber den Piezoelementen 4 und 41 eine Abschrägung 11 mit dem Winkel «, damit die von den Elementen 4 und 41 in das Abstützelement 25 induzierten Stoßwellen in eine unschädliche Richtung abgelenkt werden. Die Spitze des Horns ist in einem Hornlager 7 geführt, an welchem z. B. unmittelbar der Farbträger 9 anliegt. In einem Abstand 10, welcher einen ungewollten Farbübertrag vom Farbträger 9 auf den Aufzeichnungsträger 14 vermeidet, wird dieser an der Unterlage 8 vorbeigeführt. Das beschriebene Verfahren erlaubt ein kontinuierliches Vorbeiführen des Aufzeichnungsträgers 14 mit hoher konstanter Geschwindigkeit, in nachstehend dimensionierter Anordnung bis zu 84 Meter pro Sekunde.

Zur Erreichung einer hohen Druckfrequenz ist eine noch höhere Eigenfrequenz des Horns I bei günstiger Länge unabdingbar. Eine solche hohe Eigenfrequenz wird durch eine niedrige Dichte und hohem E-Modul des Hornmaterials gewährleistet. Um bei einer niedrigen Dichte einen Betrieb des Horns im elastischen Bereich zu gewährleisten, ist außerdem bei den auftretenden hohen mechanischen Spannungen eine hohe relative Steifigkeit des Horns erforderlich. Die relative Steifigkeit ist das Verhältnis des Ε-Moduls zur spezifischen Dichte.

Ein Horn hoher relativer Steifigkeit kann entweder

a) in lameliierter Bauweise, wie in Fig. 6C bis 6E dargestellt oder

b) aus Faserverbundwerkstoffen gestaltet sein.

Mit Faserverbundwerkstoffen, wie z. B. mit Bor- und Kohlenstoff-Fasern, lassen sich relative Steifigkeiten erreichen, die um ein Vielfaches hoher sind als bei Stahl, was den Forderungen für den zu bewältigenden Druckvorgang entspricht. Solche Faserwerkstoffe wurden auf anderen Gebieten (Turbinenbau. Flugzeugbau) eigens für hohe relative Steifigkeiten entwickelt und mit Erfolg angewendet. Das gleiche gilt für die Gestaltung des Abstützelementes 25.

ίο Um eine sehr gute Auflösung des Druckbildes zu gewährleisten, wurde bei der beschriebenen Ausführungsform ein Durchmesser der Hornspitze von 0,2 mm gewählt. Für einen Mehrfach-Papierabdruck, mit ζ Β. drei Durchschlägen, ist ein Mindesthub der Hornspitze 3 von ca. 0,26 mm erforderlich. Für das Horn 1 kann eine Kohlenstoff-Faser mit einer Bruchlast von 21100 Newton pro mnr verwendet werden, was bei einer günstigen Länge des Horns von 50 mm noch dessen Betrieb mit einer maximajen mechanischen Spannung

von 4340 Newton pro mm^; im elastischen Bereich und seine Eigenfrequenz mit 112 kHz erwarten läßt. Das Drucksystem ist in erster Näherung günstig abgestimmt, wenn die Piezoelemente 4 und 41 die gleiche Eigenfrequenz von 112 kHz aufweisen wie das Horn 1. Die

Kohlenstoff-Faser mit einer Schallimpedanz von 23.6 kg (mm² see) wird mit Piezoelementen 4 und 41 aus einem piezokeramischen Material »PXE« (Hersteller: Fa. Valvo) mit annähernd gleicher Schallimpedanz von 24,0 kg/ (mm² see) kombiniert, damit schädliche Reflexionen der Stoßwellen an den Materialübergängen vermieden bzw. so klein als möglich gehalten werden. Aus demselben Grund und damit der Schwingungsknoten des Systems ebenfalls in erster Näherung bei der Elektrode 22 zu liegen kommt, wird das Abstützelement 25 vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Horn 1 gestaltet, wobei hier ebenfalls wie beim Horn 1 die Vorzugsrichtung der Kohlenstoff-Fasern mit der Stoßweiienrichtung übereinstimmt. Die Dicke des Elements 41 richtet sich bei exakter Ausführung so nach Material und Gestaltung des Abstützelements 25, daß der Schwingungsknoten des Systems während des Druckvorgangs möglichst in der Elektrode 22 liegt, wobei die Dicke geringfügig unter derjenigen des Elements 4 liegen kann. Die Eigenfrequenz des gesamten Drucksy-

stems liegt solchermaßen bei 56 kHz. also der halben Eigenfrequenz des Horns 1 bzw. des Elements 4. Damit die Piezoelemente 4 und 41 aus der »PXE 4«-Keramik die gleiche Eigenfrequenz wie das Horn 1 von 112 kHz aufweisen, beträgt ihre Dicke 8.25 mm. Bei einer angenommenen, maximal zugelassenen mechanischen Spannung in den Elementen 4 und 41 zu 60 Newton pro mm² ei gibt sich eine maximal zugelassene Auslenkung dieser Elemente 4 und 41 zu 1,18 μπι, was eine Hubvergrößerung auf das 219-fache bedingt, um die zum Drucken

benötigte Auslenkung der Hornspitze 3 von 0,26 mm zu erhalten. Dieses notwendige Übersetzungsverhältnis von 219 des Horns I (hyperbolischer Tubus) ergibt bei einem Durchmesser der Hornspitze 3 von 0,2 mm, einen Durchmesser des Hornfußes 2 von 15 mm.

Eine Auslenkung des Hornbodens 2 in Druckrichtung durch die Elemente 4 und 41 in Form einer Stoßwelle bewirkt also eine auf das 219-fache übersetzte Auslenkung der Hornspitze 3 ebenfalls in Druckrichtung, nachdem die Stoßwelle die gesamte Länge des Horns I mit der Schallgeschwindigkeit seines Materials durchlaufen hat. Dasselbe gut für eine Auslenkung entgegen der Druckrichtung.

Das beschriebene Drucksystem führt somit zu 56 000

Druckvorgängen pro Sekunde bei einer Relativgeschwindigkeit des Drucksystems zum Aufzeichnungsträger 14 von 8,4 Metern pro Sekunde und einem Wischdruck von ca. 75 μπι. Dabei überdecken sich die Abdrücke der Hornspitze 3 auf dem Aufzeichnungsträger 14 jeweils zu ca. 25%.

Werden die Länge des Horns 1 und die Dicke der Piezoelementr 4 und 41 vedoppelt, so verringern sich bei gieicher Auslenkung der Hornspitze 3 und gleichem Übersetzungsverhältnis des Horns 1 die maximalen mechanischen Spannungen im Horn 1 und in den Elementen 4 und 41 auf die Hälfte, wobei die Druckfrequenz ebenfalls auf die Hälfte zurückgeht.

Die Piezoelemente 4 und 41 werden über die Ansteuerungselektroden 21, 22 und 23 angesteuert. Die Ansteuerung selber erfolgt dabei über eine hier nicht näher erläuterte Schaltungsanordnung, die eine zeitgenaue Ansteuerung der Elektroden durch Anlegen eines elektrischen Feldes ermöglicht.

Die der rechnerischen Abschätzung zugrundeliegende Kohlenstoff-Faser ist eine in der USA-Fachzeitschrift »Machine Design«/March 17,1977, Seite 215 und April 15, 1982. Seite 234 veröffentlichte nicht näher bezeichnete Graphit-Faser.

Im folgenden sollen anhand der Fig. 3A bis 3C der zeitliche Ablauf eines einzelnen Druckvorganges und anhind der Fig. 4A bis 4C die zeitlichen Verläufe der mechanischen und elektrischen Wechselwirkungen am piezoelektrisch betriebenen Druckelement beschrieben werden. Als Eigenfrequenz ist die Resonanzfrequenz zu verstehen. Wie in den Fig. 3A bis 3C gezeigt, befindet sich das gesamte Drucksystem zum Zeitpunkt 0 in Ruhe.

Zur Einleitung des Druckvorganges wird mit Hilfe der Ansteueranordnung zum Zeitpunkt J₁ an das piezoelektrische Druckelement eine sich sprungartig ändernde Spannung angelegt, die derart gepolt ist, daß sich der Elektrodenabstand der Piezoeiemcnic 4 und 41 vergrößert, wodurch am Hornboden 2 eine Stoßwelle in das Horn 1 induziert wird. Die Auslenkung des Hornbodens 2 erfolgt mit der Eigenfrequenz des Horns I bzw. des Piezoelements 4, woraus sich auch der zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Schwingungsknoten (an der Elektrode 22) vom Zeitpunkt t_x bis zum Zeitpunkt i₄ ergibt, wie er in der Fig. 3B durch die ausgezogene Kurve F dargestellt ist, wobei auf der positiven Achse die Druckspannung und auf der negativen Achse die Zugspannung aufgetragen ist.

Die in den Hornboden 2 induzierte Stoßwelle bewegt sich von diesem ausgehend mit der Schallgeschwindig- so keit des Hornmaterials durch das Horn 1 hindurch und erreicht nach einer Laufzeit (vom Zeitpunkt J₁ bis zum Zeitpunkt i₂), die dem Quotienten aus der Länge des Horns 1 und der Schallgeschwindigkeit entspricht, zum Zeitpunkt t₂ die Hornspitze 3. Zu diesem Zeitpunkt hat die Stoßwellenfront die gesamte Hornlänge durchlaufen und die an der Hornspitze 3 freiwerdende mechanische Spannung aus der Stoßwelle läßt mit Beginn zum Zeitpunkt I₂ die Hornspitze 3 mit der Horneigenfrequenz entsprechend dem Homübersetzungsverhältnis sich in Richtung Aufzeichnungsträger bewegen. Die Höhe der Erregungsspannung ist so gewählt, daß bei der realen Auslenkung der Hornspitze 3 (ausgezogene Kurve B in Fig. 3 A) während des Druckvorganges dieser mit genügend hoher Abdruckluft im Zeitpunkt f₅ ausgeführt wird. Würde die Hornspitze 3 frei durchschwingen, würde sie entsprechend der punktierten Kurve A in Fig. 3 A ausgelenkt werden.

Die Abdruckkraft wird sowohl durch die elastische Kraft des Druc>systems als auch durch dessen Massenträgheit bewirkt. Die ausgelenkte Hornspitze 3 trifft zum Zeitpunkt /₃ auf den Aufzeichnungsträger 14 und löst sich von diesem wieder zum Zeitpunkt /,„ wobei während dieser Zeitspanne die Auslenkung der Hornspitze 3 entsprechend dem »viskoelastischen« Verhalten des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 gedämpft wird. Die Erregungsspannung wird an den Elektroden 21, 22 und 23 der Piezoelemente 4 und 41 vom Zeitpunkt f, bis zum Zeitpunkt t₄ (Fig. 3C) vorzugsweise solange aufrechterhalten, wie die Hornspitze 3 in der Ruhestellung zum Zeitpunkt I₂ bis zum Zeitpunkt /₅ (Fig. 3A) benötigt, um einschließlich des Komprimierens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 den Scheitelpunkt ihrer Auslenkung zu erreichen. Damit wird bei möglichst niedriger Erregungsspannung eine optimale Wirkung erzielt.

Zum Zeitpunkt /₄, bei dem der Erregungsimpuls endet, überlagert sich wegen der nun fehlenden antreibenden Kraft (Erregungsspannung der während des Auslenkvorgangs des Hornbodens 2 im Piezoelement 4 entstandenen mechanischen Spannung eine gleich hohe mechanische Spannung zu einer doppelt so hohen Spannung (Zugspannung). Der weitere zeitliche Verlauf dieser überlagerten mechanischen Spannung ist in Fig. 3B vom Zeitpunkt I₄ bis zum Zeitpunkt (5 durch die ausgezogene Kurve F und ab diesem Zeitpunkt durch die punktierte Kurve H dargestellt.

Zum Zeitpunkt t<, hat die Front der von der Hornspitze 3 reflektierten und der beim Abdruck entsprechend dem »viskoelastischen« Verhalten des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 gedämpften Stoßwelle die Elektrode 22 erreicht, nachdem sie das Horn 1 und das Piezoelement 4 in rückwärtiger Richtung durchlaufen hat. Der zeitliche Verlauf der durch die reflektierte Stoßwelle ausgelösten mechanischen Spannung im Element 4 ist in Fig. 3B durch die gestrichelte Kurve C dargestellt. Da der Hornboden 2 nach dem Einschwingvorgang seiner Auslenkung vom Zeitpunkt i, bis zum Zeitpunkt t_A durch das Piezoelement 4, das sich am Antriebselement 41 abstützt (Schwingungsknoten bei der Elektrode 22), mit der Eigenfrequenz des aus dem Horn 1 und dem Element 4 bestehenden Gesamtschwingsystems, nämlich der halben Eigenfrequenz des Horns 1 weiterschwingt, ergeben sich die Periodenzeiten der durch die Kurven F. B und H dargestellten zeitlichen Spannungsverläufe. Aus demselben Grunil schwingt die Hornspitze 3 nach Erreichen des Scheitelpunkts ihrer Auslenkung zum Zeitpunkt u ab diesem mit annähernd der halben Eigenfrequenz des Horns I zurück, was durch die ausgezogene Kurve B vom Zeitpunkt t_s bis zum Zeitpunkt /_g in Fig. 3A dargestellt ist. Die Periodendauer des Zurückschwingens der Hornspitze 3 (vom Zeitpunkt t₅ bis zum Zeitpunkt r_K) und die Periodendauer der von dem an der Hornspitze 3 reflektierten Stoßwelle verursachten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im Piezoelement 4 sind entsprechend der Dämpfung beim Abdruck gegenüber der halben Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems geringfügig verlängert. Diese Periodenverlängerungen

id im Hinblick auf die Übersichtlichkeit der Schaubilder nicht in den Fig. 3A und 3B eingezeichnet.

Die Hornspitze 3 würde nun bis zum negativen Scheitelpunkt ihrer Auslenkung zurückschwingen (gestrichelte Kurve C in Fig. 3A) und entsprechend der geringen inneren Dämpfung des Gesamtschwingsystems sich erst nach sehr vielen Schwingungsperioden beruhigen.

w;is ii.iiuiestcns einen erneuten, aber ungewollten Abdruck mit geringerer Intensität zur Folge haben würde. Um dies zu vermeiden und die relativ lange Heruhigun;;szeit des Drucksystems zu verkürzen, wird die Rückschwingenergie zum optimalen Zeitpunkt kompensiert. Dies geschieht vorzugsweise durch Beauf-• schlügen der Klemmen 21, 22 und 23 mit einem erneuten Spannungsimpuls (strichpunktierte Kurve vom Zeitpunkt I₁ bis zum Zeitpunkt /, in Fig. 3C), dessen Dauer vorzugsweise der Zeitspanne einer Viertelperiode der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems entspricht. Die Höhe dieser Impulsspannung zur Gegenerregung des Gesamtschwingsystems ist gegenüber der Impulsspannung des Erregungs-Spannungsimpulses (vom Zeitpunkt ζ, bis zum Zeitpunkt f₄) um den der beim Abdruck in das Drucksystem induzierten Dämpfung äquivalenten Betrag vermindert, so daß der zur Wirkung kommende Energieinhalt des Gegenerregungsimpulses gerade der Rückschwingenergie des Gesamtschwingsystems entspricht. Die Spannung des Gegenerregungsimpui.;es hat vorzugsweise im beschriebenen Verfahren tf« gleiche Polarität wie die des Erregungsimpulses.

Durch den Gegenerregungsimpuls wird wie bei der Erregung des Drucksystems am Hornboden 2 in das Horn 1 eine Stoßwelle induziert, die sich mit Schallgeschwindigkeit zur Homspitze 3 hinbewegt, an dieser reflektiert wird und wieder zurückläuft. Die Homspitze 3 würde deshalb nach einer der Laufzeit entsprechenden Zeit nach Einsetzen der Gegenerregung (Zeitpunkt /·. in Fig. 3C) ab dem Zeitpunkt i„ bis zum Zeitpunkt r,_n mit der Eigenfrequenz des Horns 1 mit der gleich hohen Amplitude der negativen Auslenkung nach dem Druckvorgang ausgelenkt (strichpunktierte Kurve D in Fig. 3A) und ab dem Zeitpunkt i_tn mit der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems zurückschwingen (gestrichelte Kurve E in Fig. 3A), wenn die Homspitze 3 nicht schon in Bewegung wäre. So aber überlagern sich der von der Homspitze 3 angestrebte Bewegungsverlauf (gestrichelte Kurve C in Fig. 3A) und der durch die Gegenerregung induzierte Bewegungsablauf (strichpunktierte Kurve D und gestrichelte Kurve E in Fig. 3A) zum von der Homspitze 3 real ausgeführten Bewegungsverlauf (ab dem Zeitpunkt f₈, ausgezogene Kurve B in Fig. 3A). Die Homspitze 3 wird also mit einer nur geringen Überschwingung bis zum Zeitpunkt J₁₁, in die Ruhelage zurückgeführt, wo sie dann ab dem Zeitpunkt f„, in der Ruhelage verbleibt.

Der Zeitpunkt f₇, bei welchem die Gegenerregung eingeleitet wird, ist vorzugsweise so gewählt, daß der Scheitelpunkt des durch die Gegenerregung induzierten Bewcgungsverlaufs der Homspitze 3 (Kurve D in Fig. 3A) mit dem Scheitelpunkt des von der Homspitze 3 angestrebten Bewegungsverlaufs (Kurve C in Fig. 3A) zusammenfällt (Zeitpunkt r₁₀ in Fig. 3A). Die beruhigte Rückführung der Homspitze 3 und damit die Beruhigung des Drucksystems erfolgt also ungefähr innerhalb einer dreiviertel Schwingungsperiode der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems ab dem Zeitpunkt /₂ gerechnet.

Der ab dem Zeitpunkt f₇ von der Gegenerregung erzeugte zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Piezoelement 4 ist in Fig. 3B durch die strichpunktierte Kurve J und die nach einer der Laufzeit entsprechenden Zeit der durch die von der Homspitze 3 reflektierten und an der Elektrode 22 angekommenen Gegenerregungs-Stoßwelle verursachte zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Element 4 ist in Fig. 3B

durch die strichdoppeltpunktierte Kurve P dargesteüt.

Die in Fig. 3B durch die Kurven im Piezoelement 4

unterschiedlich bewirkten mechanischen Spannungen überlagern sich ab dem Zeitpunkt f₅ zu einer resultierenden mechanischen Spannung, deren zeitlicher Verlauf ir, Fig. 3B durch die ausgezogene Kurve F dargestellt ist.

Aus dem zeitlichen Verlauf iier resultierenden mechanischen Spannung (Kurve F in Fig. 3B) ist zu

ίο erkennen, daß sich alle im Element 4 auftretenden einzelnen mechanischen Spannungen ab dem Zeitpunkt f_u dauernd zu Null kompensieren, was einer Beruhigungszeit des Elements 6 von ca. zweieinviertel Perioden der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems ab dem Zeitpunkt r,. bei welchem die Erregung eingeleitet wird, entspricht. Aus den Fig. 3A und 3B ist zu ersehen, daß zur Aussparung des nächstfolgenden möglichen und zur rechtzeitigen Ausführung des übernächstfolgenden Abdruckes die Beruhigungszeiten genügend kurz gehalten werden können.

Innerhalb der Ansteueranordnung ist eine Meßschaltung vorgesehen, die den an den Elektroden 21, 22 und 23 durch die resultierende mechanische Spannung (Kurve F in Fig. 3B) in den Elementen 4 und 41 bewirkten zeitlichen Verlauf der analogen elektrischen Spannung registriert und einer Auswerteschaltung zuführt. Sollte diese Meßschaltung ab dem Zeitpunkt f₁₂, bedingt durch z. B. örtlich unterschiedliche mechanische Eigenschaften des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9, noch eine Restspannung registrieren, wird deren abgetasteter zeitlicher Verlauf vorzugsweise aufgrund der günstigeren Auswertemöglichkeit während der Nulldurchgänge einer Auswerteschaltung zugeführt, die jeweils zum optimalen Zeitpunkt einen oder mehrere weitere zur Beruhigung der Homspitze 3 notwendige Gegenerregungsimpulse einleitet. Die Meßschaltung registriert ebenfalls die Ladungsverschiebung und die Verschiebeströme an den Klemmen 21,22 und 23 und damit die jeweils augenblickliche Auslenkung des Hornbodens 2 und dessen Auslenkgeschwindigkeit und führt deren abgetasteten zeitlichen Verlauf ebenfalls der Auswerteschaltung zu, die schon vorzugsweise, wenn nötig, vom Beginn der Einleitung des Druckvorganges an durch günstige Erregungs- i>nd/oder Gegenerregungsimpulse zum jeweils optimal Zeitpunkt regelnd in den Bewegungsablauf der Homspitze 3 eingreift.

Diese korrigierenden Erregungs- und Gegenerregungsimpulse sind der Übersichtlichkeit halber nicht in

so den Fig. 3A bis 3C eingezeichnet.

Der übernächste Abdruck wird durch einen erneuten Spannungsimpuls vom Zeitpunkt i₁₄ bis zum Zeitpunkt ^fi6 (Fig- 3C) mit gleich hoher Imspulsspannung wie derjenigen der ersten Erregung vom Zeitpunkt I₁ bis zum Zeitpunkt t, eingeleitet, wobei der Zeitpunkt r₁₄ des Erregungsbeginns so gewählt ist, daß der Abdruck zum gewünschten Zeitpunkt i₁₇ (in Fig. 3A) erfolgt.

Der durch die ausgezogene Kurve F, in Fig. 3B dargestellte zeitliche Verlauf der resultierenden mechanischen Spannung im Piezoelement 4 ergibt sich ebenfalls wie beim ersten Druckvorgang durch Überlagerung der einzelnen durch die Erregung und die Stoßwelle hervorgerufenen mechanischen Teilspannungen, deren zeitlicher Verlauf in Fig. 3 B durch die Kurven G, und H₁ dargestellt ist.

Die in der Homspitze 3 reflektierten sich zurückbewegenden Stoßwellen durchlaufen aufgrund der annähernd gleichen Schallimpedanzen der Materialien des

Horns 1. der Piezoelemente 4 und 41 und des Abstützelements 25 deren aneinanderbefestigte Grenzflächen praktisch ohne weitere Reflexionen und werden an der Abschlägung 11 des Abstützelements 25 in eine unschädliche Richtung abgelenkt, wo sie sich dann in einer hier nicht nf her beschriebenen eigenen Vorrichtung oder im Gestell des Druckers bzw. im Abstützelement 25 totlaufen.

Das Piezoelement 41 hat in der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsfonn des piezoelektrisch betriebenen Dnicksystems in erster Linie eine das Element 4 abstützende Funktion.

Anhand der Fig. 4A bis 4C soll im folgenden die Ausführung einer Serie von unmittelbar aufeinanderfolgeaden Abdrucken beschrieben werfen, wobei zum besseren Verständnis die Bezeichnungen der den entsprechenden Abdrucken (1, 2 und 3) zugeordneten Kurven mit den dazu entsprechenden Indizes 1,2 und 3 versehen sind.

Die Einleitung des ersten Abdruckes geschieht, wie anhand der Fig. 3A bis 3C bereits beschrieben, durch einen Spannungsimpuls vom Zeitpunkt /, bis zum Zeitpunkt I₄ (Fig. 4C), wodurch sich, wie bereits be fhrieben, der zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Piezoelement 4 bis zum Zeitpunkt fs ergibt (ausgezogene Kurve F₁ in Fig. 3B). Die Hornspitze 3 wirf durch die in das Horn 1 induzierte und zum Zeitpunkt t₂ an der Hornspitze angekommene Stoßwelle entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Horns I ausgelenkt, und trifft zum Zeitpunkt r, auf den Aufzeichnungsträger 14 (Fig. 4B), der in der Folge die Auslenkung der Hornspitze 3 dämpft. Der jeweilige zeitliche Verlauf der unbedämpften Auslenkungen der Hornspitze 3 ist in Fig. 4B durch die punktierten Kurven A₁, A₂ und A₁ und der jeweilige zeitliche Verlauf der von der Hornspitze 3 ausgeführten Bewegung durch die ausgezogenen Kurven B₁. B₂ und B_} dargestellt. Der jeweilige der von dem Aufzeichnungsträger 14 und dem Farbträger 9 verursachten Dämpfung äquivalente negative Betrag der Auslenkung der Hornspitze 3 vom Zeitpunkt f, bis zum Zeitpunkt U. vom Zeitpunkt T₁₂ bis zum Zeitpunkt i_u und vom Zeitpunkt ^, /_r ist in Fig. 4A durch die strichdoppeltpunktierten Kurven K_x, K₂ und Ky und die entsprechende Schwingungsantwort des Gesamtschwingsystems vom Zeitpunkt u bis zum Zeitpunkt r₇, vom Zeitpunkt r,₄ bis zum Zeitpunkt /,„ und vom Zeitpunkt /_·: bis zum Zeitpunkt /_;4, durch die strichdoppeltpunktierten Kurven L_x-L₂ und L-, dargestellt.

Die punktierte Kurve W₁ in Fig. 4B stellt den der Schwingungsantwort des Gesamtschwingungssystems am Hornboden 2 äquivalenten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im Piezoelement 4 nach dem ersten Erregungsimpuls vom Zeitpunkt r, bis zum Zeitpunkt ι, (Fig. 4C) dar.

Die gestrichelte Kurve G, in Fig. 4B beschreibt den zeitlichen Verlauf der von der an der Hornspitze 3 reflektierten Stoßwelle im Element 4 erzeugten mechanischen Spannung aufgrund des ersten Erregungsimpulses vom Zeitpunkt r, bis zum Zeitpunkt t, (Fig. 4C).

Die strich-doppeltpunktierten Kurven M_x. M₂ und M₁. vom Zeitpunkt /_ft, /,, bzw. /,, ab, stellen den zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannungen dar, die von der Dämpfung (durch Aufzeichnungsträger 14 und Farbträger 9) durch die Schwächung der an der Hornspitze 3 reflektierten Stoßwellen, entsprechend deren Laufzeit, im piezoelektrischen Antriebselement im Vergleich mit dem eingezeichneten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im Element 4 aus der ungeschwächten reflektierten Stoßwelle verursacht werfen (Kurve G₁).

Das beschriebene Dracksystem wirf für die Ausführung einer Serie von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abdrucken vorzugsweise nicht vor jedem einzelnen Abdruck durch einen Gegenerregungsimpuls beruhigt, um eine höhere Druckfiequenz zu ermöglichen und um Druckenergie zu sparen und damit die Erwärmung des Druckelements möglichst gering zu halten.

ίο Die Hornspitze 3 schwingt also, wie durch die ausgezogene Kurve B₁ in Fig. 4A dargestellt, aufgrund der nicht kompensierten Rnckschwingenergie des Gesamtschwingsystems bis zum Zeitpunkt t_n frei durch und würde, durch den Aufzeichnungsträger 14 und den Farbträger 9 nicht gedämpft, nur noch bis zum Scheitelpunkt ihrer Auslenkung zum Zeitpunkt f_I4 weiterschwingen, was durch die ausgezogene Kurve B-. in Fig. 4A dargestellt ist. Diese restliche Schwingenergie des Druckelements reicht nicht mehr für einen weiteren guten Abdruck und keinesfalls für mehrere gute Abdrucke aus.

Es wird deshalb vorzugsweise dem Druckelement zum optimalen Zeitpunkt r,, bis zum Zeitpunkt /_n durch einen erneuten Erregungsimpuls ein weiterer der erfor derlichen Druckenergu; äquivalenter Energiebetrag zugeführt (Fig. 4C). Das Höhe dieses Spannungsimpulses ist also wesentlich niedriger als die bei der ersten Gegenerregung vom Zeilpunkt i, bis zum Zeitpunkt ι,. Dieser erneut zugcführiK der erforderlichen Druckener gie äquivalente Energiebetrag wird beim Abdruck voll ständig aufgebraucht.

Die strichpunktierten Kurven J₂ und 7, stellen in Fig. 4B den jeweiligen zeitlichen Verlauf der durch diese erneute Erregung (vom Zeitpunkt r,, bis zum Zeitpunkt f₁₃) verursachten mechanischen Spannung im Piezoelement 4 dar.

ist dieser erneute Abdruck erfolgt, so wiederholt sich der eben geschilderte Vorgang für den nächstfolgenden Abdruck. Aus Fig. 4B ist zu ersehen, wie sich der jeweilige zeitliche Verlauf der einzelnen unterschiedlich verursachten mechanischen Spannungen im Piezoelement 4, welche durch die Kurven G_x, H_x, J_:, i,, M₁, Af. und Ai₃ dargestellt ist, ab dem Zeitpunkt /_s zur resultierenden mechanischen Spannung überlagern, deren zeit- licher Verlauf durch die ausgezogenen Kurven F_x und /■', dargestellt ist. Für diesen Betriebsfall gilt ebenfalls wie bereits geschildert, dall mit Hilfe der den zeitlichen Verlauf der resultierenden mechanischen Spannung im Element 4 und 41 über die entsprechend analoge elek frische Spannung und diie Ladungsverschiebung und den Ladungsstrom an den Klemmen 21. 22 und 23 ablastende Meßschaltung und der Auswerteschaltung, welche hier nicht näher beschrieben sind, regelnd in den Schwingungsablauf des Drucksystems eingegriffen wird.

Dies ist z. B. notwendig, weil der sich anfangs hei der Elektrode 22 befindlich; Schwingungsknoten aufgrund der einseitigen Dämpfung des Drucksystems beim Abdruck leicht abwandern würfe und deshalb vorzugsweise mit z. B. einer der durch den Aufzeichnungstrü-

m ger 14 und den Farbi rager 9 induzierten Dämpfung äquivalenten Gegenerrugung des Piezoelements 41 /.um optimalen Zeitpunkt fiir den nächstfolgenden Abdruck an der Elektrode 22 festgehalten wird.

In der in Fig. 2B dargestellten weiteren vorteilhaften

Ausführungsform eines Drucksystems mit erfindungsgemäßen Druckelement ist das Horn 1 /.. H. wieder durch Klebung mit dein Piezoelement 4 verbunden. Letzteres und das PieiMolement 41 sind ebenfalls fest

mit der in dieser Ausführungsform vorzugsweise elektrisch leitenden Membran 27 verbunden, über die das aus dem Horn 1, den beiden Elementen 4 und 41 und einem weiteren am Element 41 z. B. ebenfalls durch Klebung befestigten Piezoelement 42 bestehende Gesamtschwingsystem am Gestell 6 gedämpft federnd gehalten ist. Das weitere piezoelektrische Element wirkt in erster Linie als neutrales dynamisches Gegengewicht zum Horn 1. Die drei Piezoelemente 4, 41 und 42 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen piezokera- to mischen Material und besitzen vorzugsweise den gleichen Querschnitt (und die Form) des Kornbodens 2 und eine gleiche Dicke. Das weitere Piezoelement 42 ist in der Folge als Steuerelement 42 bezeichnet.

Die Elemente 4 und 41 sowie das Steuerelement 42 is sind hier ebenfalls elektrisch parallel und mechanisch bezüglich ihrer Nutzausdehnung in Serie derart geschaltet, daß jeweils die Polflächen gleicher Polarisationspolarität einander zugewandt sind. Das Material des Horns 1, der Elemente 4 und 41, des Steuerelements 42 und der zwischen den Querschnitten der beiden Elemente 4 und 41 befindliche Teil der membran 27 weben vorzugsweise die gleiche Schallimpedanz auf, um schädliche Reflexionen der Stoßwellen zu vermeiden.

Die Anordnung des Hornlagers 7, des Farbträgers 9, des Aufzeichnungsträgers 14 im Abstand 10 und der Unterluge 8 für den Aufzeichnungsträger 14 entspricht derjenigen der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform.

Die Wirkungsweise dieser in Fig. 2B dargestellten Ausführungsform ist ebenfalls mit derjenigen der in Fig. 2 A dargestellten Ausführungsform des Drucksystems identisch, mit der Abweichung, daß die elektrisch leiteru !e Membran 27 die elektrische Funktion der Elektrode 22 übernimmt und die der durch den Aufzeich- nungst rager 14 und den Farbträger 9 induzierten Dämpfung äquivalente Gegenerregung durch Beaufschlagen der Elektroden +V_v, und -V&/+V (in Fig. 2B) vom Steuerelement 42 ausgeführt wird. Das Element 41 wird ebenfalls über die Elektrode -V_Sr/+V mit den Erregungs- bzw. Gegenerregungsimpulsen angesteuert. Alle Elektroden bedecken die gesamte Querschnittsfläche der Piezoelemente. Für den Fall, daß eine elektrische nichtleitende Membran verwendet werden soll, werden die Elemente 4 und 41 an dieser Querschnittsfläche mit eigenen Elektroden versehen.

Die mit der Elektrode +V_i( bedeckte Querschnittsfiiiche des Steuerelements 42 kann von der Umgebung unbehindert durchschwingen.

Im (-'alle der in den Fig. 5A und SB dargestellten so Ausführungsform von piezoelektrisch betriebenen Druckclementen liegt das Horn 1 in Form eines Lambila-Halbe-Schwingers vor, der am Ort des Schwingungsknctens des Gesamtschwingsystems einen Bund 38 zur Halterung des Druckelements aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die gesamte, in das piezoelektrisch betriebene Dmcksystem eingeleitete l.rregungs- bzw. Gegenerregungsenergie in das Horn I weiter geleitet wird. In Fig. 5B ist zwischen das Horn 1 und das Piezoelement 4 ein weiteres Piezoelement 5 als Sensor eingefügt.

Das Horn 1 kann unterschiedliche Querschnittsformen haben und an der Hornspitze 3 eine von der Querschniusform des Hornbodens 2 verschiedene Querschnittsform aufweisen, wenn der Querschnittsübergang kontinuierlich ausgebildet ist.

Das in Fig. 6A dargestellte Horn hat einen Fuß mit rechteckigem Querschnitt und eine Spitze mit rundem

Querschnitt.

Das Horn 1 kann auch eine gekrümmte Form (Achse) aufweisen, wie dies z. B. in Fig. 6B gezeigt ist. Diese Formgebung hat den Vorteil, daß die Druckelemente durch Ineinanderschachteln zu größeren Matrixanordnungen aufgebaut werden können.

Auf die Homspitze kann zur Vermeidung einer unerwünschten vorzeitigen Abnutzung eine verschleißfeste Beschichtung oder ein verschleißfester Schuh 24 aufgebracht sein, wie es z. B. in Fig. 6F dargestellt ist.

Eine höhere Festigkeit des Horns kann durch einen lamellierten Aufbau erreicht werden, wobei die Richtung der Lamellen vorzugsweise mit der Richtung der Stoß- bzw. Dehnungswellen übereinstimmt. Fig. 6C zeigt ein aus Formdrähten, z. B. aus Sechskantdrähten gestaltetes Horn, die fest miteinander verbunden sind und deren Querschnitte sich vorzugsweise (durch KaIt- und/oder Warmverformung) entsprechend der Verjüngung des Homs ebenfalls verjüngen.

Das in Fig. 6D dargestellte Horn hat einen rechteckigen Querschnitt und ist aus fest miteinander verbundenen Blechen oder Folien gestaltet, deren Querschnitt sich ebenfalls vorzugsweise (durch Kalt- und/oder Warmverformung) entsprechend der Verjüngung des Horns verjüngt.

Fig. 6E zeigt ein aus einem Blech- oder Folienwickel fest miteinander verbundener Wicklungen gefertigtes Horn, bei dem der Wickel durch nachträgliche Verformung (Kalt- und/oder Warmverformung) zum Horn geformt wurde.

Fig. 7A zeigt die Ansicht und Fig. 7B die durchbrochene Draufsicht einer möglichen Anordnung von zehn miteinander verschachtelten geraden Hörnern, wobei die Homspitzen eine aus zwei zueinander versetzten Reihen aus je fünf Homspitzen bestehende Matrix 32 bilden.

Im Falle der Fig. 8 sind neun jeweiis aus Horn 1 und Piezoelement 4 bestehende Elemente in einem Radius über dem Aufzeichnungsträger 14 angeordnet, wobei der Aufzeichnungsträger 14 über die Unterlage 8 geführt wird.

Fig. 9A zeigt die Vorderansicht und Fig. 9B die Seitenansicht einer weiteren Matrixanordnung von mehreren in Form von Lamellen ausgebildeten piezoelektrisch betriebenen Druckelementen, die bis zur Hornspitze 3 eine konstante Dicke aufweisen. Die Anordnung des Farbträgers 9, des Aufzeichnungsträgers 14 im Abstand 10 und der Unterlage 8 für den Aufzeichnungsträger 14 entspricht derjenigen der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsforfc-, wobei in der hier dargestellten Ausführungsform kein Hornlager für die H~>rnspitzen 3 eingezeichnet ist.

Das Horn ist mit seinem Boden am Piezoelement 4 befestigt, das die gleiche Querschnittsform und den gleichen Querschnitt wie der Boden des Horns I hat und in Fig. 9 A unter der teilweise abgeschnittenen Elektrode 33 zu sehen ist. Das Element 4 ist wiederum mit dem elektrisch nichtleitenden Abstützelement 25 fest verbunden. Die beiden Flachseiten des Elements 4 sind zur Gänze mit je einer Elektrode 33 bedeckt, die jeweils von einem elektrisch nichtleitenden Isolierschild 34 gegen das benachbarte Druckelement abgeschirmt ist. Das Horn besitzt jeweils eine verdickte Hornspitze, um in der Richtung der Druckelementenreihe einen relativ lückenlosen Abdruck auf dem Aufzeichnungsträger 14 zu gewährleisten.

Diese Ausführungsform der Druckelemente erlaubt deren endlose Aneinanderreihung, die in Fig. 9B in

unterbrochener Form dargestellt ist.

Die Piezoelemente 4 sind hier so ausgebildet, daß die Polarisationsrichtung und das elektrische Feld senkrecht zueinander liegen; so erfährt das Piezoelement 4 eine Längenänderung in Richtung der Horn-Symmetrieachse, wenn die zwei Elektroden 33 eines Elements 4 mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt werden.

Bei der in Fig. 10 gezeigten schematischen Darstellung eines piezoelektrisch betriebenen Druckelements als Antrieb eines Typenhebels 17 in einem mechanisehen Kettenschnelldrucker entsprechen die Anordnung und die Funktionsweise des piezoelektrisch betriebenen Drucksystems sowie die Anordnung von Farbträger 9. Aufzeichnungsträger 14 und Unterlage der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform, wobei im is vorliegenden Falle ein Typenhebel 17 von einer nicht dargestellten Feder an einem ebenfalls nicht dargestellten Typenhebelanschlag derart zwischen dem Farbträger 9 und der Spitze des Horns 1 gehalten wird, daß sich der Typenhebel 17 frei um seine Achse 19 in Richtung zum Aufzeichnungsträger 14 bewegen kann. Befindet sich der Typenhebel 17 in Rahelage, so wird durch die Feder und den Anschlag sowohl der zur Beschleunigung des Typenhebels 17 notwendige Abstand zwischen dem Farbträger 9 und der Type 18 als auch der optimale Abstand der Spitze des Horns zum Typenhebel 17 gewährleistet.

Für die Funktionsweise ergibt sich in dieser dargestellten Ausführungsform anstatt der für die Funktionsweise der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform erfolgenden Dämpfung der Hornspitzenauslenkung durch den Färbt ^räger 9 und den Aufzeichnungsträger 14 beim Auftreffen der Hornspitze» auf den Typenhebel mehr ein elastischer Stoß. Das weitere Zusammenwirken von Hom und Typenhebel entspricht in etwa dem Zusammenwirken von Typenhebel und Schubstange des Originaldruckwerks eines handelsüblichen mechanischen Kettendruckers.

Statt des relativ starren Typenhebels im Kettendrukker kann von der Hornspitze des beschriebenen piezo- elektrisch betriebenen Druckwerks auch der Typenhebel eines Typenraddruckers oder die Nadel eines herkömmlichen Matrixdruckers angetrieben werden wobei der herkömmliche elektromagnetische Antrieb durch das beschriebene piezoelektrisch betriebene Druckelement ersetzt wird.

Bei den meisten Piezokeramiken ist es erforderlich, daß die Piezoelemente 4 und 41 und eventuell das Steuerelement 42 durch eine optimal gewählte Druckspannung vorgespannt sind, wenn diese Elemente mit sn großen Dehnungen beaufschlagt werden sollen, weil Piezokeramiken zwar hohen Druckbelastungen, nicht aber hohen Zugbeanspruchungen standhalten. Durch eine Druck-Vorspannung läßt sich erreichen, daß die Piezoelemente nur im sog. »Druckbereich« schwingen.

Fig. 11 zeigt, wie die Piezoelemente 4 und 41 über das Horn 1. vorzugsweise durch eine Dehnschraube 35, die in der hier gezeigten Ausführungsform fester Bestandteil des Horns 1 ist und deren Gewinde 36 in eine in dem Abstützelement 25 befindliche Gewindebohrung 37 eingeschraubt ist, mit mechanischer Druckspannung vorgespannt sind.

Die Trennflächen der Anordnung am Horn 1, an den Elementen 4 und 41, dem Abstützelement 25 und dem Gewinde 37 sind vorzugsweise zusätzlich geklebt. «>

Die in Fig. 11 dargestellte Ausführungsform des Drucksystems ist im übrigen mit der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform identisch.

Zur besseren Verdeutlichung sind die Elemente 4 und 41 und das Abstützelement 25 aufgeschnitten dargestellt. Das Horn 1 ist unterbrochen gezeichnet.

Die beschriebenen piezoelektrisch betriebenen Druckelemente können auch mit anderen Impulsformen als dem Rechteckimpuls angsteuert werden.

Der Farbträger 9 kann bei dem beschriebenen Druckverfahren auch durch zwischen der Hornspitze 3 und dem Aufzeichnungsträger 14 vorbeigefüfertcs druckempfindliches Farbpulver oder Farbnebel, vorzugsweise in Aerosotfonn, ersetzt werden. Die damit erzielte mögliche geringere Auslenkung der Hornspitze 3 erlaubt höhere Druckfrequenzen durch eine kürzere Homlänge und/oder niedrigere mechanische Miiterialspannungen und/oder kleinere Querschnittsvcrhültnissc des Horns I.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Druckelement für eine Druckvorrichtung, bestehend aus einer Veistärkereinrichrung in Form eines Horns (Booster), an dessen im Querschnitt relativ größerem Boden (Grundfläche) mindestens ein elektrisch betreibbares, sich gegen eine gehäusefeste Halterung abstützendes Piezoelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (1) (Booster)

   12. Druckelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden des Horns (1) und dem Piezoelement (4) ein piezoelektrisches Sensorelement (S) eingefügt ist.

   13. Druckelement nach Ansprüchen 1, 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien, aus denen das Horn (1), die Piezoelemente (4) und (41), das Steuerelement (42), das Sensorelement (5) und das Abstützelement (25) bestehen, mindestens annähernd die gleiche Schallimpedanz aufweisen.