DE3137690A1 - Verfahren zum betaetigen von druckelementen in druckvorrichtungen sowie entsprechende druckvorrichtungen - Google Patents

Verfahren zum betaetigen von druckelementen in druckvorrichtungen sowie entsprechende druckvorrichtungen

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Description

■4ΐ-
- Η-9—>
Verfahren zum Betätigen von Druckelementen in Druckvorrichtungen sowie entsprechende Druckvorrichtungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen von insbesondere piezoelektrisch betriebenen Druckvorrichtungen in Schreibköpfen für Matrixdrucker, Fern- und Datenschreibmaschinen, mechanischen Schnelldruckern, Fernkopiergeräten, für Prägeeinrichtungen, Schnittwerkzeuge und dergl. sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignete Druckvorrichtungen.
In der DE-PS 26 33 239 wird ein Verfahren zum Betätigen
von insbesondere piezoelektrisch betriebenen Druckelementen in Schreibköpfen für Fern- oder Datenschreibmaschinen beschrieben. Bei diesem Verfahren liegen stabförmige, mit Elektroden versehene Antriebselemente elastisch an einer ortsfesten Masse 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. Während der Flugphase des Antriebselements wird dieses über die Ansteueranordnung im verlängerten Zustand gehalten und bei der Rückkehr des Antriebselements in die Ausgangslage über die Ansteueranordnung nach den ersten von einer Meßschaltung registrierten Berührungskontakten mit der ortsfesten Masse ein der Polarität des elektrischen Antriebsimpulses entgegengerichteter, die mechanische Spannung im Druckelement kompensierender, elektrischer Spannungsimpuls ausgelöst.
Aus der DE-PS 23 44 065 ist 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 Druckelement 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 piezoelektrische Wandler angesteuert.
Außerdem ist aus der US-PS 3 473 466 eine piezoelektrisch betriebene Druckvorrichtung bekannt, bei der das piezoelektrische Wandlerelement elastisch an einer ortsfesten Rastwand anliegt und sich nach Beaufschlagen der Elektroden mit durch eine Ansteueranordnung hervor-
- 21 -
gerufene Spannungsimpulse als Ganzes von der ortsfesten Masse abstoßt und infolge seiner -Massenträgheit auf einem Aufzeichnungsträger einen Abdruck dadurch hervorruft, daß es den Aufzeichnungsträger gegen eine Typenwalze drückt.
Piezoelektrisch betriebene Bruckelemente haben allgemein den Kachteil, daß die mit ihnen zu erzielende Abdruckkraft relativ gering ist und stark von der Masse des Druckelements abhängt. Vergrößert man zB. die kasse des Druckelements, um die Andruckkraft zu erhöhen, so verringert sich damit zwangsläufig die (Flug-) Geschwindigkeit und damit die DrudE-frequenz.
Die Größe und die geometrischen Ausmaße der verwendeten Druckelemente werden bei der Anordnung der Druckeleirente innerhalb von Mosaikdruckköpfen außerdem durch die Druckteilung beschränkt. ■.
Bei allen vorstehend genannten Druckverfahren, bei denen entweder die Abdruckorgane in freiem Flug gegen die Abdruckstelle geschleudert werden oder aber sich das Druckelement selber von einer ortsfesten Hasse abstößt, besteht eine wesentliche Schwierigkeit darin, die Druckelemente möglichst schnell wieder in ihre Ausgangslage prellfrei zurückzuführen. Irgendwelche während des Druckvorganges ablaufende Schwingungen oder Prellungen würden unvermittelt " zu einer Verlängerung der einzelnen Druckphase führen und damit die gesamte Schreibgeschwindigkeit herabsetzen. Um derartigen Prellvorgängen zu' begegnen, ist deshalb eine besonders exakte Ansteuerung der einzelnen Druckelemente notwendig.
Bei dem Druckverfahren in der DE-PS 26 33 239■> hei 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
mi-tbewegten elektrischen Änscklußleitungen oder über Schleifkontaktvorrichtungen auf die Elektroden der Antriebselemente gebracht werden, wodurch sich Undefinierte Zustände und erhebliche Unsicherheiten für den Betrieb ergeben.
Weiters kann das Druckelement nur solange beschleunigt und damit der Freiflug beeinflußt werden, als es sich in Kontakt mit der ortsfesten Masse bzw. mit den· Aufzeichnungsträger befindet.
Als weitere Nachteile ergeben sich nach den "Untersuchungen des Stoßvorgargs beim fliegenden Druck bei Datenausgabengeräten", einer genehmigten Dissertation des Dipl.-Ing. Feter Blume an der Technischen Universität München von der Fakultät für Maschinenwesen und Elektrotechnik
bei freifliegenden Druckelementen die in erster Linie vom elastischen Verhalten des Aufzeichnungsträgers abhängige lange Stoßzeit und die niedrige Rückfluggeschwindigkeit und der damit verhältnismäßig starke Wischdruck bei noch vertretbar hoher Druckenergie. Insbesondere treten durch das Nachschwingen des Druckelements während der Flugphase nachdem es sich von der ortsfesten Mass-e abgestoßen hat, weitere Undefinierte Zustände auf, indem die jeweilige Schwingphase des Druckelements beim Auftreffen auf den Aufzeichnungsträger den Auftreffimpuls und damit sowohl die Rückfluggeschwindigkeit verstärkend oder abschwächend als auch die Stoßdauer 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 Druckwerke mit ihren relativ niedrigen Druckfrequenzen weisen außerdem sehr hohe Geräuschpegel auf.
In der Dissertation "Beitrag zur Frage der Haupt- und Fehlergeometrie beim Schwingläppen mit Ultraschall", vorgelegt von Dipl.-Ing.. Tycho Vetter an der Technischen Universität Hannover, Fakultät für Maschinenwesen und in der Dissertation "Auslegung von Hochleistungsrüsseln für die Ultraschallbearbeitung", vorgelegt von Dipl.-Ing. Horst Scheibener an der Technischen Universität Hannover, Fakultät für Maschinenwesen, werden mechanische Transformatoren (sog. Booster) zur Vergrößerung der Schwingweite untersucht und beschrieben.
Der Booster 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 entspreche-nd des Querschnitts Verlaufs entlang des Boosters zu vergrößern. Die Auslenkung kann zusätzlich beeinflußt werden, wenn der Booster als sog. "Gradientenbooster" ausgeführt ist, bei welchem das Elastizitätsmodul und/oder die Dichte des Boostermaterials entlang seiner Wirkachse stetig unterschiedlich ist.
Der Ausschlag und damit die Dehnung des Boosters können soweit vergrößert werden, wie es die Dauerwechselfestigkeit des Boostermaterials zuläßt.
Die ausschlagvergrößernde Wirkung des Boosters erlaubt die Verwendung von elektromechanischen Schwingungswandlern wie z. B. piezoelektrische oder magnetostriktive Wandler, welche zwar mit verschwindend kleinem Zeitverzug zwischen elektrischem Signal und mechanischer Wirkung arbeiten, aber nur relativ geringe Längenänderungen erzeugen können.
•Z3-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betätigen von insbes. piezoelektrisch betriebenen Druckelementen bereitzustellen, das es möglich macht, piezoelektrisch betriebene Druckelemente exakt anzusteuern und damit eine hohe Druckgeschwindigkei*: bei gleichzeitiger hoher Abdruckkraft, möglichst geringem Wischdruck und relativ niedrigem Geräuschpegel und niedriger Verlustleistung zu erzielen.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Aufzeichnungsträger bzw. andere Anschlagelemente wie z. B. Hammer, Type oder Nadel von dem verstärkt ausgelenkten Ende eines solchen Boosters angeschlagen werden, wobei die hohe Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Stoßwelle im Booster als auch dessen ausschlagvergrößernde Wirkung ausgenützt wird. Die hohe Eigenresonanz des Boosters 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 zur Zeit bekannten Schnelldruckverfahren wesentlich höhere Druckfrequenzen bei geringerem Energieaufwand.
Gegenstand der Erfindung sind demzufolge ein Verfahren und Druckvorrichtungen, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet sind.
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.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht Druckfrequenzen, die weit über dieser genannten Grenze bis ca. 50 000 (fünzigtausend) Hertz und höher liegen. Außerdem sind die auftretenden Verluste (Verluste aufgrund der inneren Dämpfung und der Verluste in der Piezokristallanordnung) so gering, daß die für die Wirkungsweise des Matrixdruckers
vernachlässigbar klein sind.
Der elektromechanisch^ Wirkungsgrad liegt um ein vielfaches höher als bei den zuvor genannten Matrixdruckern mit elektromagnetischem Nadelantrieb. Bei einer relativ geringen Längenänderung der Piezokristallanordnung, z. B. 1,0 bis 1,5 Mikrometer wird diese durch das Übersetzungsverhältnis des Hubverstärkers (Booster) in eine vielfach vergrößerte Auslenkung der'Boosterspitze transformiert. Durch den aus dem benötigten Boosterübersetzungsverhältnis resultierenden kleinen Durchmesser der Boosterspitze wird gleichzeitig eine hohe Auflösung des Druckbildes erreicht.
Da aufgrund des erfindungsgemäßen Druckverfahrens die bisher unumgänglichen relativ langen Steuer-, Flug-, Tot- und Beruhigungszeiten erheblich verkürzt werden bzw. ganz wegfallen, vermindern s_ich 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 erheblich.·, steigert.
Die Betätigungsfrequenz des Druckwerks im Ultraschallbereich läßt im Vergleich mit herkömmlichen mechanischen Schnelldruckern eine wesentliche Lärmverminderung "innerhalb des menschlichen Hörbereichs erwarten.-.
In der Anwendung der Boostereigenschaften für das beschriebene Druckverfahren wird jeweils nur ein einzelner Boosterausschlag -erzeugt, welcher durch einen von der hier nicht weiter beschriebenen Ansteueranordnung hervorgerufenen Spannungsimpuls verursacht, also erregt wird und auf dem Aufzeichnungsträger einen Abdruck hinterläßt.
Durch mindestens eine erneute Erregung, der Gegenerregung, des Boosters wird dessen Rückschwingenergie so kompensiert, daß die Boosterspitze ohne weiteres Nachschwingen beruhigt in ihre Ausgangslage zurückkehrt, wenn der nächstfolgende " bzw. die nächstfolgenden möglichen Abdrucke nicht ausgeführt werden sollen. .
Zur Ausführung mehrerer unmi-ttelbar aufeinanderfolgender Abdrucke unterbleibt- eine G-egenerregung des Boosters. Dieser wird zum optimalen Zeitpunkt für den jeweiligen Druckvorgang nur noch soweit erregt, daß dif? Boosterspitze auf dem Aufzeichnungsträger einen guten Abdruck hinterläßt. Die Boosterspitze schwingt also hier entsprechend der Eigenresonanz des Systems nach dem jeweiligen Druckvorgang von keiner Gegenerregung behindert durch.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die elektrischen Parameter Ladungsverschiebung bzw» Verschiebestrom -und der zeitliche Spannungsverlauf an den Elektroden des piezoelektrischen Antriebselements von einer hier nicht näher beschriebenen elektrisch registrierenden Meßschaltung ausgewertet -und die die Erregung bzw« Gegenerregung des Boosters verursachenden Spannungsimpulse in ihrer Intensität als auch in ihrem zeitlichen Ablauf geregelt, weil die Ladungsverschiebung an den Elektroden des piezoelektrischen Antriebselements ein direktes Maß für die Auslenkung bzw. der Verschiebestrom ein direktes Maß für die Auslenkungsschnelle des piezoelektrischen Antriebselements darstellen und der ze:·, ti j ehe Spannungsverlauf an den Elektroden ein direktes Maß für den zeitlichen Verlauf des mechanischen Spannungszustands im piezoelektrischen Antriebselement und damit des Bev/egungsverlaufs der Boosterspitze ist.
AusführungsiTormen des erfindungsgemäß en Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt, wobei zwei besonders günstige im folgenden beispielsweise näher, beschrieben werden. Dabei zeigen
Figur 3i eine schematische Darstellung dieses piezoelektrisch betriebenen Druckelements in perspektivischer Ansicht
Figuren 2A und 2B eine schema tische Darstellung des weiter ausgebildeten Drucksystems in Normalansicht.
Die Figuren 3A-3C zeigen die zeitlichen Verlaufs der me-
chanischen und elektrischen Wachselwirkungen am piezoelektrisch "betriebenen Druckelement für den Betrieftsfall, daß nach, einem erfolgten Abdruck der nächstfolgende ausgespart wird.
Figur 3A den zeitlichen Bewegungsverlauf der Boosterspitze
Figur 3B den zeitlichen Verlauf des mechanischen Spannungszustands im piezoelektrischen Antriebselement
elektr.
Figur 3C den zeitlichen Ablauf der/Spannungsimpulse zur Erregung bzw. Gegenerregung des piezoelektrisch betriebenen Druckelements.
Die Figuren 4A-4C zeigen wie die Figuren 3A-C die zeitlichen Verläufe der mechanischen und elektrischen Wechselwirkungen jam piezoelektrisch betriebenen Druckelement, aber für den Betriebsfall, daß mehrere Abdrucke unmittelbar aufeinander folgen.
Die Figuren 5A-5D zeigen weitere Ausführungsformen des piezoelektrisch betriebenen Druckelements und die Figuren 6A-6F weitere Ausführungsformen des Boosters. Die Figuren 7A/B, 8 und 9A/B zeigen verschiedene Matrixanordnungen der piezoelektriach betriebenen Druckelemente.
Die Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung des piezoelektrisch betriebenen Druckelements als Antrieb des Typenhebels in einem mechanischen Kettenschnelldrucker und -
die Figur-11 eine weiter ausgebildete günstige-Ausführungs-' form mit mechanisch vorgespannten piezoelekt-r rischen Antriebaelementen der in Fig. 2A be- ' schriebenen Anordnung.
Insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2A, 3A. Ms 30 und 4A bis 4C werden im folgenden eine günstige Ausführungsform und die Funktionsweise des weiter ausgebildeten piezoelektrisch betriebenen Drucksystems im einzelnen beschrieben«,
Figur 1 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht den Hubverstärker (Booster) mit rundem vom Boosterfuß 2 zur Boosterspitze 3 hin stetig sich verjüngendem Querschnitt. Mit dem Boosterfuß 2 fest verbunden ist das piezoelektrische -Antriebs element 4 mit ebenfalls rundem Querschnitt. Das piezoelektrische Antriebselement 4 kann z. B. aus piezokeramischem Material bestehen und an den Boosterfuß 2 geklebt sein. An den beiden runden Stirnflächen des Antriebselements 4 sind Elektroden aufgebracht, welche die gesamte Stirnfläche bedecken.
Figur 2A zeigt eine schematische Darstellung eines sehr günstig ausgebildeten piezoelektrisch angetriebenen Drucksystems mit einem Hubverstärker, dem Booster 1, in Form eines hyperbolischen Tubus mit einer einseitigen Piezokri-■stallanordnung, bei der die einzelnen Piezokristallelemente als piezoelektrische Antriebselemente 4 und 41 elektrisch parallel irid mechanisch bezüglich ihrer Hutzausdehnung in Serie derart geschaltet sind, daß jeweils die Polflächen gleicher Polarisationspolarität einander zugewandt sind. Die gesamte Piezokristallanordnung sollte immer eine geradzahlige Anzahl von piezoelektrischen Antriebselementen umfassen, da:n3Tt die im Innern dieser Anordnung liegenden An-. Schlüsse für den positiven Pol der Spannungsversorgung durch das auf Masse gelegte negative Potential dieser Spannungsversorgung an den Außenelektroden abgeschirmt sind. Der Boosterfuß 2 des Boosters 1 ist z. B. durch Klebung über die Elektrode 21 des Antriebselements 4 mit diesem, das An-
triebselement 4 über die Elektrode 22 mit dem Antriebselement -41 und dieses wiederum über dessen Elektrode 25 mit dem Abstützelement 25 verbunden. Die Antriebselemente 4 und 41 weisen den gleichen Querschnitt wie der Boosterfuß 2 auf.
Bei entsprechender Erregung erfahren die Antriebselemente 4 und 41 eine Nutzausdehnung in der Achsenrichtung des Boosters 1 .: Diese Bewegung wirkt sowohl auf den Boosterboden 2 als auch auf das Abstützelement 25. Das Abstützelement 25 besitzt gegenüber den piezoelektrischen Antriebselementen 4 und 41 eine Abschrägung 11 mit dem Winkel cc, damit die von den Antriebselementen 4 und in das Abstützelement 25 induzierten Stoßwellen in eine unschädliche Richtung abgelenkt werden. Die Spitze des Boosters ist in einem Boosterlager 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 Anordung bis zu 8,4 Meter pro Sekunde.
Zur Erreichung einer hohen Druckfrequenz ist eine noch ._ höhere Eigenfrequenz des Boosters 1 bei günstiger Länge ~ unabdingbar. Eine solche hohe Eigenfrequenz wird durch eine niedrige Dichte und. hohem B-Modul des Boostermate^. rials .gewährleistet.'Um bei einer niedrigen Dichte einen Betrieb des Boosters im elastischen Bereich zu gewährleisten, ist außerdem bei. den auftretenden hohen mechanischen Spannungen eine hohe relative Steifigkeit des Boosters erforderlich. Die relative Steifigkeit ist das Verhältnis des Ε-Moduls zur spezifischen Dichte. Ein Booster hoher relativer Steifigkeit kann entweder mit ~
,a) einem lamellierten Aufbau, wie in ien 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 höher 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
Um eine sehr gute Auflösung des Druckbildes zu gewährleisten, wurde bei der beschriebenen Ausführungsform der Durchmesser der Boosterspitze zu 0,2 Millimetern gewählt. Für einen Mehrfach-Papierabdruck, mit z. B. drei Durchschlagen,, ist ein Mindesthub der Boosterspitze 3 von ca. 0,26 Millimetern erforderlich. Für die Gestaltung des Boosters 1 ist die Verwendung der Kohlenstoff-Faser"Celanese "GY 70" mit einer Bruchlast von 21100 Newton pro Quadratmillimeter vorgesehen, was bei einer günstigen Länge des Boosters von 50 Millimetern noch dessen Betrieb mit einer maximalen mechanischen Spannung von 4340 Newton pro Quadratmillimetern im elastischen Bereich und seine Eigenfrequenz mit 112.kHz erwarten läßt. Das Drucksystem ist in erster Näherung günstig abgestimmt, wenn die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 die gleiche Eigenfrequenz von 112 kHz aufweisen wie der Booster 1. Die Kohlenstoff-Faser "Oelanese GY 70" mit einer Schallimpedanz von 23,6 kg/(mm see) wild mit piezoelektrischen Antriebselementen 4 und 41 aus einem piezokeramischen Material "PXE 4" (do Fa. VaIiVO) mit annähernd gleicher Schallimpedanz von
24,0 kg/(mit. sec) 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 güastigerweise aus dem gleichen Material wie demjenigen des Boosters gestaltet, wobei hier ebenfalls wie beim Booster 1 die Vorzugsrichtung der Kohlenstoff-Fasern mit der Stoßwellenrichtung übereinstimmt. Die Dicke des Antriebselements 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 Antriebselements 4 liegen dürfte. Die Eigenfrequenz des gesamten Drucksystems liegt solchermaßen bei 56 kHz, also der halben Eigenfrequenz des Boosters 1 bzw. des Antriebselements Damit die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 aus der "PXE 4"-Keramik die gleiche Eigenfrequenz wie der Booster 1 von 112 kHz aufweisen, ist ihre Dicke mit 8,25 Millimetern ausgeführt. Bei einer angenommenen, maximal zugelassenen mechanischen Spannung in den Antriebselementen 4 und 41 zu 60 Newton pro Quadratmillimeter ergibt sich eiäte. maximal zugelassene Auslenkung dieser Antriebselemente 4 und 41 zu 1,18 Mikrometern, was eine Hubvergrößerung auf das 219-fache bedingt, um die zum Drucken benötigte Auslenkung der Boosterspitze 3 von 0,26 Millimetern zu erhalten. Dieses notwendige Übersetzungsverhältnis von 219 des Boosters (hyperbolischer Tubus) ergibt bei einem Durchmesser der Boosterspitze 3 von 0,2 Millimetern einen Durchmesser des Boosterfußes 2 von 15 Millimetern.
Eine Auslenkung des Boosterbodens 2 in Druckrichtung durch die Antriebselemente 4 und 41 in Form einer Stoßwelle bewirkt also eine auf das 219-fache übersetzte Auslenkung
der Boosterspitze 3 ebenfalls in Druckrichtung, nachdem die„Stoßwelle die gesamte Länge des Boosters 1 mit der Schallgeschwindigkeit seines Materials durchlaufen hat. Dasselbe gilt für eine Auslenkung entgegen der Druckrichtung. .
Das beschriebene Drucksystem läßt also 56000 (sechsundfünf zigtausend) Druckvorgänge pro Sekunde bei einer Relativgeschwindigkeit des Drucksystems zum Aufzeichnungsträger 14 von 8,4 Metern pro Sekunde und einem Wischdruck von ca» 75 Mikrometern erwarten. Dabei überdecken sich die Abdrücke der Boosterspitze 3 auf dem Aufzeichnungsträger 14 jeweils zu ca. 25 i°.
Werden die Länge des Boosters 1 und die Dicke der piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 verdoppelt, so verringern sich bei gleicher Auslenkung der Boosterspitze 3 und gleichem Übersetzungsverhältnis des Boosters 1 die maximalen mechanischen Spannungen im Booster 1 und in den Antriebselementen 4 und 41 auf die Hälfte, wobei die Druckfrequenz ebenfalls auf die Hälfte zurückgeht. Die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 werden über die Ansteuerelektroden 21, 22 und 23 angesteuert. Die An-■ steuerung selber erfolgt dabei über die hier nicht näher erläuterte Schaltungsanordnung, die eine zeitgenaue Ansteuerung der Elektroden durch Anlegen eines elektrischen Feldes ermöglicht-.
— JjJi —
Im folgenden wird anhand der Figuren 3A "bis 3C der zeitli-
ehe Ablauf eines einzelnen Druckvorganges und anhand der Figuren 4A bis 4C einer Serie von Abdrucken und des zugehörigen mechanischen Spannungsverlaufs im piezoelektrischen Antriebselement 4 mit Hilfe des piezoelektrisch betriebenen Drucksystems, beschrieben.
Wie in den iig. 3A bis 3G gezeigt, befindet sich das gesamte Drucksystem zum Zeitpunkt O in Neutralstellung in . Ruhe.
Zur Einleitung des Druckvorganges wird mit Hilfe der Ansteueranordnung zum Zeitpunkt t7 an das piezoelektrische Druckelement eine sich sprungartig ändernde Spannung angelegt, die derart gepolt ist, da3 sich der Elektrodenabstand der piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 vergrößert, wodurch am Boosterboden 2 eine Stoßwelle in den Booster 1 induziert wird. Die Auslenkung des Boosterbodens 2 erfolgt mit der Eigenfrequenz· des Boosters 1 bsw. des piezoelektrischen .-;ntriebselements 4, woraus sich auch der zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Schwingungsknoten (an der Elektrode 22) vom Zeitpunkt t-j.
bis zum Zeitpunkt t, ergibt, wie er in der Pig. 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 Boosterboden 2 induzierte Stoßwelle bewegt sich von diesem ausgehend mit der Schallgeschwindigkeit des Boostermaterials durch den Booster 2. hindurch und erreicht nach einer Laufzeit (vom Zeitpunkt t^-bis zum Zeitpunkt tp), die dem Quotienten aus der Länge des Boosters Γ und der Schallgeschwindigkeit entspricht, zum Zeitpunkt tp die Boosterspitze 3· Zu diesem Zeitpunkt hat die Stoßwellenfront die gesamte Boosterlänge durchlaufen und die an der Boosterspitze 3 freiwerdende mechanische .Spannung aus der Stoßwelle läßt mit Beginn zum Zeitpunkt to die Boosterspitze 3 mit der Boostereigenfrequenz entsprechend dem
Boosterübersetzungsverhältnis sich in Richtung Aufzeichnungsträger "bewegen. Die Höhe der Erregungsspannung ist so gewählt, daß "bei der röalen Auslenkung der Boosterspitze 3 (ausgezogene Kurve B in Fig. 3A) während des Druckvorganges dieser mit genügend hoher Abdruckkraft im Zeitpunkt t,- ausgeführt wird= Könnte also die Boosterspitze 3 frei durchschwingen, würde sie entsprechend der punktierten Kurve A in Figo 3A äusgelenkt v/erden.
Die Abdruckkraft wird sowohl durch die elastische Kraft des Drucksystems als auch durch dessen Massenträgheit bewirkt. Die ausgelenkte Boosterspitze 3 trifft zum Zeitpunkt t-, auf den Aufzeichnungsträger 14 und löst sich von diesen wieder zum Zeitpunkt t,-, wobei während dieser Zeitspanne die Auslenkung der Boosterspitze 3 entsprechend des "viskoelastischen" Verhaltens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 gedämpft wird. Die Erregungsspannung wird an den Elektroden 21, 22 und 23 der piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 vom Zeitpunkt t, bis zum Zeitpunkt %. (Fig· 3C) vorzugsweise solange avifrecht erhalten, als die Boosterspitze 3 aus der Ruhestellung zum Zeitpunkt t2 ^is zum Zeitpunkt ΐ~ (Figo 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.
Im Zeitpunkt ti, bei dem der Erregungsimpuls endet, überlagert sich wegen der nun fehlenden antreibenden Kraft (Erregungsspannung) der während des Auslenkvorgangs des Boosterbodens 2 im piezoelektrischen Antriebselement 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 t. bis zum Zeitpunkt tv durch die ausgezogene Kurve F und ab diesem Zeitpunkt durch die punktierte Kurve H dargestellt.
Zum. Zeitpunkt ΐ^ hat die Front der an der Booster spitze 3 reflektierten und der "beim Abdruck entsprechend des "viskoelastischen" Verhaltens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 gedämpften Stoßwelle die Elektrode 22 erreicht,, nachdem sie den Booster 1 und das piezoelektrische Antriebselement 4 in rücicwärtiger Richtung durchlaufen hat. Der zeitliche Verlauf der durch die reflektierte Stoßwelle ausgelösten mechanischen Spannung im Antriebselement 4 ist in Pig. 3B durch die gestrichelte Kurve .G dargestellt. Da der Boosterboden 2 nach dem Einschwingvorgang seiner Auslenkung vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t^ durch das piezoelektrische Antriebselement 4, das sich am Antriebselement 41 abstützt (Schwingungsknoten bei der Elektrode 22), mit der Eigenfrequenz des aus dem Booster 1 und. dem Antriebselement 4 bestehenden Gesamtschwingsyst-ems, nämlich der halben Eigenfrequenz des Boosters 1 weiterschwingt, ergeben sich die Periodendauern der durch die Kurven F, 3 und H dargestellten zeitlichen Spannungsverläufe. Aus dem selben Grund schwingt die Boosterspitze 3 nach Erreichen des Scheitelpunkts ihrer Auslenkung zum Zeitpunkt t(- ab diesem mit annähernd der halben Eigenfrequenz des Boosters 1 zurück, was durch die ausgezogene Kurve B vom Z-eitpunkt tj- bis zum Zeitpunkt to in Pig. 3A dargestellt ist.' Die Periodendauer des Zurückschwingens der -Boosterspitze 3 (vom Zeitpunkt t,- bis zum Zeitpunkt to) und die Periodendauer der von dem an der.· Boosterspitze 3 reflektierten Stoßwelle verursachten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebsele- _ ment 4 sind entsprechend der Dämpfung beim Abdruck gegenüber der halben Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems geringfügig verlängert. Diese Periodenverlängerungen sind aufgrund der Übersichtlichkeit der Schaubilder nicht in den-Figuren 3A und 3B eingezeichnet.
Λ —
Die Boosterspitze 3 würde nun bis zum negativen Scheitelpunkt ihrer Auslenkung zurückschwingen (gestrichelte Kurve G
in Pig» 3A) 'und entsprechend der geringen inneren Dämpfung des Gesamtschwingsystems sich erst nach sehr vielen Sehwingungsperioden beruhigen, was mindestens einen erneuten aber ungewollten Abdruck mit geringerer Intensität zur Folge haben würde. Um dies zu vermeiden und die relativ lange Beruhigungszeit des Drucksystems zu verkürzen9 wird die Rückschwingen'ergie zum optimalen Zeitpunkt kompensiert. Dies geschjßhtvorzugsweise durch Beaufschlagen der Klemmen 21, 22 und 23 'mit einem erneuten Spannungsimpuls (strichpunktierte Kurve vom Zeitpunkt t„ bis zum Zeitpunkt tQ in Pig. 3C), dessen Dauer vorzugsweise der
einer P
Zeitspanne/Viertelperiode der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems entspricht. Die Höhe dieser Impulsspannung zur Gegenerregung des Gesamtschwingsystems ist gegenüber der Impulsspannung des Erregungs-Spannungsimpulses (vom. Zeitpunkt t. bis zum Zeitpunkt t,) um den der beim Abdruck in das Drucksystem induzierten Dämpfung äquivalenten Betrag vermindert, daß der zur Wirkung kommende Energieinhalt des Gegenerregungsimpulses gerade der Rückschwingenergie des Gesamtschwingsystems entspricht. Die Spannung des Gegenerregungsimpulses hat vorzugsweise im beschriebenen Verfahren die gleiche Polarität wie die des Erregungsimpulses«,
Durch den Gegenerregungsimpuls wird wie bei der Erregung des Drucksystems am Boosterboden 2 in den Booster X eine Stoßwelle induziert, die sich mit Schallgeschwindigkeit zur Boosiarspitze 3 hinbewegt, an dieser reflektiert wird und wieder zurückläuft. Die Boosterspitze 3 würde deshalb nach einer der Laufzeit entsprechenden Zeit nach Einsetzen der Gegenerregung (Zeitpunkt t„ in Fig. 3C) ab dem Zeitpunkt tn bis zum Zeitpunkt t-,^ niit der Eigenfreouenz des Boosters 1 mit der gleich hohen Amplitude der/Auslenkung nach dem Druckvorgang ausgelenkt (strichpunktierte Kurve D in Fig» 3A) und ab dem Zeitpunkt t^0 mit der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems zurückschwingen (gestrichel-
te Kurve E in Fig. 3A), wenn die Boosterspitze 3 nicht schon in Bewegung wäre. So a"ber überlagern sich der von der Boosterspitze 3 angestrebte Bewegungsverlauf (gestrichelte Kurve C in Pig. 3A) und der durch die Gegenerregung induzierte Bewegungsablauf (strichpunktierte Kurve D und gestrichelte Kurve E in Pig. 3A) zum von der Boosterspitze 3 real ausgeführten Bewegungsverlauf (ab dem Zeitpunkt tg, ausgezogene Kurve B in Pig. 3A). Die Boosterspitze 3 wird also mit einer nur geringen Üb er schwingung bis zum Zeitpunkt t-,Q in die Ruhelage zurückgeführt, wo sie- dann ab dem Zeitpunkt t-,Q in der Ruhelage verbleibt.
Der Zeitpunkt t7, bei welchem die G-egenerregung eingeleitet wird, ist vorzugsweise so gewählt, daß der Scheitelpunkt des durch die Gegenerregung induzierten BewegungsVerlaufs der Boosterspitze 3 (Kurve D in Pig. 3A) mit dem Scheitelpunkt des von der Boosterspitze 3 angestrebten Bewegungsverlaufs (Kurve C in Fig. 3A) zusammenfällt (Zeitpunkt t-,Q in Fig. 3A). Die beruhigte Rückführung der Boosterspitze 3 und damit die Beruhigung des Drucksystems erfolgt also ungefähr innerhalb einer dreiviertel Schwingungsperiode der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems aTä dem Zeitpunkt tp gerechnet.' Der ab dem Zeitpunkt t7 von der Gegenerregung erzeugte zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebselement 4 ist in Fig. 3B durch die strichpunktierte Kurve J und die nach einer der Laufzeit entsprechenden Zeit der durch die an der Boosterspitze 3 reflektierten und an der Elektrode 22 angekommenen-Gegenerregungs-Stoßwelle verursachte zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Antriebselement 4 ist in Fig. 3B durch die strich-doppeltpunktierte Kurve P dargestellt.
Die in Fig. 3B durch die Kurven im piezoelektrischen Antriebselement 4 unterschiedlich bewirkten mechanischen Spannungen überlagern sich ab dem Zeitpunkt tj- zu einer-re— sultierenden mechanischen Spannung, deren zeitlicher Verlauf in Fig. 3B durch die ausgezogene Kurve P dargestellt _ist.
Aus-".dem zeitlichen Verlauf der resultierenden mechanischen Spannung (Kurve P in Pig. 3B) ist zu erkennen, daß sich alle im Antriebselement 4 auftretenden einzelnen mechanischen Spannungen ab dem Zeitpunkt t-,2 dauernd zu Null kompensieren, was einer'Beruhigungszeit des Antriebselements 4 von ca. zweieinviertel Perioden der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems ab dem Zeitpunkt t-v, bei welchem die Erregung eingeleitet wird, entspricht» .Aus den Figuren 3A und 3B ist zu ersehen, daß zur Aussparung des nächstfolgenden möglichen und zur rechtzeitigen Ausführung des tfbernächstfolgenden Abdruckes die Beruhigungszeiten genügend kurz gehalten werden können.
Innerhalb der Ansteueranordnung ist nun eine Meßschaltung vorgesehen, die den an den Elektroden 2-1, 22 und 23 durch die resultierende mechanische Spannung (Kurve P in"Pig. 33) in den Antriebselementen 4 und 41 bewirkten zeitlichen Verlauf der analogen elektrischen Spannung registriert und einer Auswerteschalung zuführt. Sollte diese Meßschaltung ab dem Zeitpunkt ΐηο' bedingt durch z. B. örtlich unterschiedliche mechanische. Eigenschaften des Aufzeichnungsträgers 14 und des Parbträgers 9, noch eine Restspannung registrieren, wird deren abgetasteter zeitlicher Verlauf vorzugsweise aufgrund der günstigeren Auswertmöglichkeit während' der Nulldurchgänge einer Auswertes.chaltung zugeführt, die jeweils zum optimalen Zeitpunkt einen oder mehrere weitere zur Beruhigung der Boosterspitze 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 Boosterbodens 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- und/oder Gegenerregungsimpulse zum jeweils optimalen Zeitpunkt regelnd in
den Bewegungsablauf der Boosterspitze 3 eingreift. Diese korrigierenden Erregungs- und Gegenerregungsimpulse sind der Übersichtlichkeit halber nicht in die Figuren 3A 'bis 3C eingezeichnet'.
Der übernächste Abdruck wird durch einen erneuten Spannungsimpuls vom Zeitpunkt t-,, bis zum Zeitpunkt tug (Pig. 3G) mit gleich hoher Impulsspannung wie derjenigen der ersten Erregung vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t, eingeleitet., wobei der Zeitpunkt t-, , des Erregungsbeginns so gewählt ist, daß der Abdruck zum gewünschten Zeitpunkt t-.„ (in Fig. 3A) erfolgt.
Der durch die ausgezogene Kurve F-, in Fig. 3B dargestellte zeitliche Verlauf der resultierenden mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebselement 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. 3B durch die Kurven G-, und EL dargestellt ist.
Die an der Boosterspitze 3 reflektierten sich zurückbewegenden Stoßwellen durchlaufen aufgrund der annähernd gleichen Schallimpedanzen der. Materialien des Boosters I1 der piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 und des Abstützelements 25 deren aneinanderbefestigte Grenzflächen praktisch ohne weitere Reflexionen und werden an der Abschrägung 11 des Abstützelements 2.5 in eine unschädliche Richtung abgelenkt, wo sie sich dann in einer hier nicht näher beschriebenen eigenen Vorrichtung oder im Gestell des Druckers bzw. im Abstützelement 25 totlaufen.
Das piezoelektrische Antriebs element 41 hat.· in der- in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform des piezoelektrisch betriebenen Drucksystems in erster Linie eine das Antriebselement 4 abstützende Funktion.
Anhand der Figuren 4A bis 4C wird im folgenden die Ausführung einer Serie unmittelbar aufeinanderfolgender- Abdrucke
--40--
beschrieben, in welchen zum besseren Verständnis die Bezeichnungen der ien entsprechenden Abdrucken (.1, 2 und 3) zugeordneten Kurven mit den dazu entsprechenden Indizes 1, 2 und 3 versehen sind.
Die Einleitung des ersten Abdrucks geschieht, wie anhand der Figuren 3A bis 3C bereits beschrieben, durch einen Spannungsimpuls vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t. (Fig. 4C), wodurch sich wie bereits beschrieben der zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebselement 4 bis zum Zeitpunkt tj- ergibt (ausgezogene Kurve F-, in Fig» 33). Die Boosterspitze 3 wird durch die in den Booster induzierte, und zum Zeitpunkt t? bei der Boosterspitze angekommene Stoßwelle entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Boosters 1 ausgelenkt, und trifft, zum Zeitpunkt t-, auf den Aufzeichnungsträger 14 (Fig. 4B), der in der Folge die Auslenkung der Boosterspitze 3 dämpft. Der jeweilige zeitliche Verlauf der. unbedämpften Auslenkungen der Boosterspitze' ist in Fig. 4B durch die punktierten Kurven A-, , A2 und A-, und der jeweilige zeitliche Verlauf der von der Boosterspitze ausgeführten Bewegung durch die ausgezogenen Kurven B-, , B2 und B^ dargestellt. Der jeweilige der von dem Aufzeichnungsträger 14 und dem Farbträger 9 verursachten Dämpfung äquivalente negative Betrag der. Auslenkung der Boosterspitze 3 vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt tp-, vom Zeitpunkt ΐ-,ρ bis zum Zeitpunkt t-,, und vom Zeitpunkt t20 bis zum Zeitpunkt tpp 1st in Fig. 4A durch die strich-doppeltpunktierten Kurven K-,, K2 und K-, und die entsprechende Schwingungsantwort des Gesamtschwingsystems vom Zeitpunkt t^ bis zum Zeitpunkt t7, vom Zeitpunkt t-,, bis zum Zeitpunkt t-^ und vom Zeitpunkt t22 bis zum Zeitpunkt t2/,, durch die strichdoppeltpunktierten Kurven L-, , L2 und L-, dargestellt. Die punktierte Kurve EL in Fig. 4B stellt den der Schwingungsantwort des Gesamtschwingungssystems am Boosterboden 2 äquivalenten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebselement 4 nach dem ersten.
Erregungsimpuls vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t, (Fig.-4C) dar.
Die gestrichelte Kurve G, in Fig. 4-B beschreibt den zeitlichen Verlauf der von der an der Boosterspitze 3 reflektierten Stoßwelle im Antriebselement 4 erzeugten mechanischen Spannung aufgrund des ersten Erregungsimpulses vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t, (Fig- 4G).
Die strich-doppeltpunktierten Kurven Bl, , Mp und SL, vom Zeitpunkt tg, t,f- bzw. tp-3 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 Boosterspitze 3 reflektierten Stoßwellen, entsprechend deren Laufzeit, im piezoelektrischen Antrieb selement im Vergleich mit dem eingezeichneten zeitlichen Verlauf der mechanischen Spannung im Antriebselement aus der ungeschwächten reflektierten Stoßwelle verursacht werden (Kurve G-, ).
Das beschriebene Drucksystem wird für die Ausführung einer Serie von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abdrucken vorzugsweise nicht vor jedem einzelnen Abdruck durch einen Gegenerregungsimpuls beruhigt, um eine höhere Druckfrequenz zu ermöglichen und um Druckenergie zu sparen und da- mit die Erwärmung des Druckelements-möglichst gering zw. lialten.
Die Boosterspitze 3 schwingt also, wie durch die-ausgezogene Kurve B-, in Fig. 4A dargestellt, aufgrund der nicht teompensierten Rückschwingenergie des Gesamtschwingsystems bis zum Zeitpunkt t-,ρ frei durch und würde,' durch den Auf- ■ zeichnungsträger 14 und den Farbträger 9 nicht gedämpft,, nur noch bis zum Scheitelpunkt ihrer Auslenkung zum Zeitpunkt t-j . weiterschwingen, was durch die ausgezogene Kurve · Bp in Fig. 4A dargestellt ist. Diese restliche Schwing-"
energie des Druckelements reicht nicht mehr für einen weiteren guten Abdruck und keinesfalls für mehrere weitere gute Abdrucke aus.
Es wird deshalb vorzugsweise dem Druckelement zum optimalen Zeitpunkt t-,, "bis zum Zeitpunkt t-,-> durch einen erneuten Erregungsinipuls ein weiterer der erforderlichen Druckenergie äquivalenter Energiehetrag zugeführt (Fig. 40). Die Höiie dieses Spannungsimpulses ist also wesentlich niedriger als die bei der ersten Gegenerregung vom Zeitpunkt t-, bis zum Zeitpunkt t,. Dieser erneut zugeführte der erforderlichen Druckenergie äquivalente Energiebetrag wird beim Abdruck vollständig aufgebraucht.
Die strichpunktierten Kurven J? und J\ stellen in Fig. 4£ den jeweiligen zeitlichen Verlauf der durch diese erneute Erregung (vom Zeitpunkt t, .,-bis sum Zeitpunkt t-,.,) verursachten mechanischen Spannung im piezoelektrischen Antriebselement dar ο
Ist dieser erneute Abdruck erfolgt, so wiederholt sich der eben geschilderte Vorgang für den -nächstfolgenden Abdruck. Aus Fig. 43 ist zu ersehen, wie sich der jeweilige zeitliche Verlauf der einzelnen unterschiedlich verursachten mechanischen Spannungen im piezoelektrischen Antriebselement 4, welche durch die Kurven G-,, H-,, J?, J\, M-, , M2 und M-. dargestellt sind, ab dem Zeitpunkt t,- zur resultierenden mechanischen Spannung überlagern, deren zeitlicher Verlauf durch die ausgezogenen Kurven F-, und Fp dargestellt ist. Für diesen Betriebsfall gilt ebenfalls wie bereits, geschildert, daß mit Hilfe der den zeitlichen Verlauf der.- resul- tierenden mechanischen Spannung im Antriebselement 4 und 41 über die entsprechend analoge elektrische Spannung und die Ladungsverschiebuhg und den Ladungsstrom, an den Klemmen 21, 22 und 23 abtastende Meßschaltung und der Auswerteschaltung, welche hier nicht näher beschrieben sind, regelnd in den
■rl
Schwingungsablauf des Drucksystems eingegriffen wird. Dies ist ζ, B. notwendig, weil der sich anfangs "bei der Elektrode 22 "befindliche Schwingungsknoten aufgrund der einseitigen Dämpfung des Drucksystems "beim. Abdruck leicht abwandern würde und deshalb vorzugsweise mit z. B. einer der durch den Aufzeichnungsträger 14 und den Farbträger 9 induzierten Dämpfung äquivalenten Gegenerregung des piezoelektrischen Antriebselements 43- zum optimalen Zeitpunkt für den nächstfolgenden Abdruck an der Elektrode 22 festgehalten wird.
Fig= 2B zeigt eine weitere sehr günstige Ausführungsform des weiter ausgebildeten Drucksystems* Der Booster 1 ist z. 3. wieder durch Klebung mit dem piezoelektrischen Antriebselement 4, dieses und das piezoelektrische Antriebselement 4.1 ebenfalls fest mit der in dieser Ausführungsform z. B. vorzugsweise elektrisch leitenden Membran 27 verbunden, über die das aus dem Booster 1, den beiden Antrieb selementen 4 und 41 und einem weiteren am Antriebselement 41 z. B. ebenfalls durch Elebung befestigten piezoelektrischen Element 42 bestehende Gesamtschwingsystem am Gestell 6 gedämpft federnd gehaltert, ist.·. Das weitere piezoelektrische Element wirkt in erster Linie als neutrales dynamisches Gegengewicht zum Booster 1. Die drei piezoelektrischen Elemente 4, 4.1 und 42 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen piezokeramischen Material und besitzen vorzugsweise den gleichen Querschnitt (und dessen Form) des Boosterbodens 2 und gleiche Dicke. Das weitere piezoelektrische Element 42 ist in der.· Folge als Steuerelement 42 bezeichnet.
Die Antriebselemente 4 und 41 und das Steuerelement 42 sind hier ebenfalls elektrisch parallel und mechanisch bezüglich ihrer Nutzausdehnung in Serie derart geschaltet, daß 3-eweils
die Polflächen gleicher Polarisationspolarität einander zugewandt sind. Das Material des Boosters 1, der Antriebselemente '4 und 41 j des Steuerelements 42 und der zwischen den Querschnitten der "beiden Antriebselemente 4 und 41 "befindliche Teil der Membran 27 weisen vorzugsweise die gleiche Schal!impedanz aufs um schädliche Reflexionen der Stoßwellen zu vermeiden.
Die Anordnung des Boosterlagers 7, des Fa.rbträgers 9, des Aufzeichnungsträgers 14 im Abstand 10 und der Unterlage δ für den Aufzeichnungsträger 14 entspricht derjenigen der in Pig« 2A beschriebenen Ausführungsform. Die Wirkungsweise dieser in Fig. 2B dargestellten Ausführungsform ist ebenfalls mit derjenigen der in Pig. 2A dargestellten Ausführungsform des Drucksystems identisch, mit der Abweichung, daß die elektrisch leitende Membran 27 die elektrische Punktion der Elektrode 22 übernimmt und die der durch den Aufzeichnungsträger 14 und den Farbträger 9 induzierten Dämpfung äquivalente Gegenerregung durch Beaufschlagen der Elektroden +Vg, und -V s+/+V (in Pig. 23) vom Steuerelement 42 ausgeführt wird. Das Antriebselement. 41 wird ebenfalls über die Elektrode -V0+/+V mi"t den Erregungsbzw. Gegenerregungsimpulsen angesteuert. Alle Elektroden bedecken die gesamte Querschnittsfläche der piezoelektrischen Elemente. Für den Fall daß eine elektrisch nichtleitende Membran verwendet werden soll, werden die Antriebselemente 4 und 41 an dieser Querschnittsfläche mit eigenen Elektroden versehen.
Die mit der Elektrode +Vc+ bedeckte Querschnittsfläche des Steuerelements 42 kann von der Umgebirig unbehindert durchschwingen.
Die Figuren 5A und 5B zeigen zwei weitere Ausführungsformen des piezoelektrisch betriebenen Druckelements mit einem
Booster 1 in Form eines Lambda-Halbe-Sshwingers, der am Ort des Schwingungsknotens des Gesamtsehwingsysterns- einen Bund 27 zur Halterung des Druckelements aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die gesamte in das piezoelektrisch, betriebene Drucksystem eingeleitete Erregungs-"bzw. Gegenerregungsenergie in den Booster 1 weitergeleitet wird. In Fig. 5B ist zwischen den Booster 1 und das piezoelektrische Antriebselement 4 ein weiteres piezoelektrisches Element 5 als Sensor eingefügt,
Fig. 5D zeigt ein aufgeschnittenes piezoelektrisch betriebenes Druckelement, bei welchem der Booster aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften derart gestaltet ist, daß es über die im Boosterkern ausgeführte Elektrode 30 und die auf der Mantelfläche des Boosters aufgebrachte Elektrode 29 erregt wird.
Der Booster kann anstatt durch die piezoelektrischen Elemente auch durch magnetostrictive Elemente erregt werden, wobei die Registrier- und Regelmöglichkeit mit Hilfe der Meß- bzw. Auswerfechaltung erhalten bleibt.
"Fig. 5C zeigt ein magnetostriktiv betriebenes Druckelement mit aufgeschnitten dargestellter Erregungsspule 28, bei welchem der Booster 1 aus einem Material mit magnetostriktiven Eigenschaften ausgeführt ist.
Der Booster kann unterschiedliche Querschnittsformen haben und an der Boosterspitze 3 eine von der. Querschnittsform des Boosterbodens 2 verschiedene Querschnittsform aufweisen, wenn der Querschnittsübergäng kontinuierlich ausgebildet ist. --._..
Fig. 6a zeigt z. B. einen Booster mit rechteckigem Querschnitt des Boosterfußes und rundem Querschnitt der Boosterspitze.
Der Booster kann auch eine gekrümmte Form (Achse) aufweisen, wie dies z. B. in der Pig. 6B gezeigt ist. Diese Formgebung hat den Vorteil, daß die Druckelemente durch Ineinanderschachteln zu größeren Matrixanordnungen aufgebaut v/erden können.
Auf die Boosterspitze kann gegen ihre unerwünschte vorzeitige Abnutzung eine verschleißfeste Beschichtung oder ein verschleißfester Schuh/aufgebracht sein, wie es a. B. in Fig. 6F gezeigt ist.
Sine höhere Festigkeit des Boosters kann durch einen -lamellierten Aufbau erreicht werden, wobei die Richtung der Lamellen vorzugsweise mit der Richtung der Stoß- bzw. Dehnungswellen übereinstimmt. Fig. 6C zeigt einen aus Fonndrähten gestalteten Booster, hier z. B. aus Sechskantdrähten, die fest miteinander verbunden sind und deren Querschnitt sich vorzugsweise (durch Kalt- und/oder Warmverformung) entsprechend der Verjüngung des Boosters ebenfalls verjüngten,
Fig. 6D zeigt z. B. einen Booster mit rechteckigem Qtierschnitt, aus fest miteinander verbundenen Blechen oder Folien gestaltet, deren Querschnitt sich ebenfalls vörzugsweise(durch Kalt- und/oder Warmverformung) entsprechend der Verjüngung des Boosters verjüngt. Fig. 6E zeigt z. B. einen aus einem Blech- oder Folienwickel fest miteinander verbundener Wicklungen gefertigten Booster, bei dem der V/i ekel durch nachträgliche. Verformung (Kalt- und/oder Warmverformung) zum Booster geformt wurde.
Fig. 7A zeigt die Ansicht und Fig. 7B die durchbrochene Draufsicht einer möglichen Anordnung von zehn eineinandergeschachtelten geraden Boostern, wobei die Boosterspitzen eine- aus zwei zueinander versetzten Reihen aus je fünf
_ λ η _
Boosterspitzen "bestellende Matrix 32 "bilden.
I1Xg. 8 zeigt eine v/eitere Anordnung von z. "B. neun aus ' Booster 1 and piezoelektrischem Antriebselement 4 "bestehenden in einem Radius über dem Aufzeichnungsträger angeordneten Druckelementen, bei welcher der Aufzeichnungsträger gebogen über die Unterlage geführt ist.
Fig. 9A zeigt die Vorderansicht und Pig. 9B-die Seitenansicht einer weiteren Anordnung und Ausbildung von mehreren in Fom von lamellen ausgebildeten piezoelektrisch betriebenen Druckelementen, die bis zur Boosterspitze 3 konstante Dicke aufweisen. Die Anordnung des Farbträgers 9S der- Aufzeichnungsträger 14 im Abstand 10 und der Unterlage δ für den Aufzeichnungsträger 14 entspricht.derjenigen der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform, wobei in der hier dargestellten Ausführungsform kein Boosterlager für die Boosterspitzen 3 eingezeichnet ist.
Der Booster ist mit seinem Boden am piezoelektrischen Antrieb sei eaeiit 4 befestigt, das die gleiche Quersclinittsform und den gleichen Querschnitt wie der Boden des Boosters 'hat und in Fig. 9A unter der teilweise abgeschnittenen Elektrode 33 zu sehen ist. Das Antriebselement 4 ist wiederum mit dem elektrisch nichtleitenden Abstützelement 25 ferst: verbunden. Die beiden Flachseiten des Antriebselements 4 sind zur Gänze mit je einer Elektrode 33 bedeckt, die "jeweils von einemi elektrisch ni-chtleitenden Isolierschild 34 gegen das benachbarte _"· Druckelement abgeschirmt ist." Der Booster besitzt jeweils-eine verdickte Boosterspitze, um .. in der Richtung der Druckelementenreihe einen relativ lükkenlosen 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 piezoelektrischen Antriebselemente 4 sind hier so ausgebildet, daß die Polarisationsrichtung und das elektrische Fel:d senkrecht zueinander liegenj so erfährt das piezoelektrische Antriebselement 4 eine Längenänderung in Richtung der Booster-Symmetrieachse, wenn die zwei Elektroden eines Antriebselements 4 mit einem Spannungsimpuls "beaufschlagt werden.
Figo 10 zeigt schematisch einen im z. B. mechanischen Kettendrucker 3211 der Firma IBM "befindlichen und vom in Fig. 2A "beschriebenen Ausführungsform des piezoelektrisch betriebenen Drucksystems angetriebenen Typenhebel 17« Die Anordnung und die Funktionsweise des piezoelektrisch betriebenen Drucksystems und die Anordnung von Farbträger 9, Aufzeichnungsträger 14 und Unterlage 8 entsprechen der in Fig. 2A beschriebenen Ausführungsform, nur daß hier ein Typenhebel 17 von einer hier nicht gezeichneten Feder an einem ebenfalls nicht gezeichneten Typenhebelanschlag derart zwischen dem Farbträger 9 und der Spitze des Boosters gehalten wird, daß sich der Typenhebel 17 frei um seine Achse 19 in Richtung zum Aufzeichnungsträger 14 bewegen kann, Befindet sich der: Typenhebel in der Ruhelage, 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 Boosters zum Typenhebel 17 gewährleistet.
Für die Funktionsweise ergibt sich in dieser, dargestellten Ausführungsform anstatt der für die Funktionsweise der in Fig. 2A beschriebenen Ausfiihrungsform erfolgenden Dämpfung der Boosterspitzenauslenkung durch den Farbträger 9 und den Aufzeichnungsträger 14 beim Auftreffen der Boosterspitze auf den Typenhebel mehr ein elastischer Stoß. Das
weitere Zusammenwirken von Booster und Typenhebel entspricht in etwa dem Zusammenwirken von" Typenhebel und Schubstange des Originaldruckwerks des mechanischen Kettendrucker 3211 von IBM..
Statt des relativ starren Typenhebels im o. g. Kettendrucker kann von der Boosterspitze des beschriebenen piezoelektrisch betriebenen Druckwerks auch der Typenhebel eines Typenraddruckers oder die Nadel'eines herkömmlichen Matrixdruckers angetrieben werden, v/obei der herkömmliche elektromagnetische Antrieb durch das beschriebene piezoelektrisch betriebene Druckelement ersetzt wird.
Bei den meisten Piezokeramiken ist es erforderlich, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 4-1 und evtl. das Steuerelement 42 durch eine optimal gewählte Druckspannung vorgespannt sind, wenn diese Elemente mit großen Dehnungen beaufschlagt werden sollen, weil. Piezokeramiken zwar honen Druckbelastungen, nicht aber hohen Zugbeanspruchungen standhalten. Durch eine Druck-Vorspannung läßt sich erreichen, daß die piezoelektrischen Antriebselemente nur im sogenannten "Druckbereich" schwingen.
In Fig. 11 ist gezeigt, wie die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 z. B. über den Booster 1 vorzugsweise durchreine Dehnschraube 35, die in der hier gezeigten" Aus-führungsform fester Bestandteil des Boosters 1. ist und deren Gewinde 36 in eine in dem Abstützelement 25 befindliche -Gewindebohrüng 37. eingeschraubt ist, mit mechanischer Druckspannung vorgespannt sind.
Die Trennflächen der Anordnung am Booster 1, an den Antriebselementen 4 und 41, dem Abstützelement 25 und dem Gewinde 37 sind vorzugsweise zusätzlich geklebt.
Die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform des Drucksystems ist sonst mit der in Fig. 2A beschriebenen identisch.
Zur besseren Verdeutlichung sind die Antriebselemente 4 und 41 und das Abstützelement 25 aufgeschnitten dargestellt. Der Booster 1 ist unterbrochen gezeichnet.
Alle beschriebenen piezoelektrisch betriebenen Druckelemente und Drucksysteme können auch mit anderen Imptilsf ormen als dem Recnteckimpuls angesteuert werden.
Der Farbträger 9 kann bei dem beschriebenen Druckverfahren auch durch zwischen der-Boosterspitze 3 und dem Aufzeichnungsträger 14 vorbeigeführtes druckempfindliches Farbpulver oder Farbnebel, vorzugsweise in Aerosolform, ersetzt werden« Die damit erzielte mögliche geringere Auslenkung der Boosterspitze 3 erlaubt höhere Druckfrequensen durch eine kürzere Boosterlänge und/oder niedrigere mechanische Materialspannungen und/oder kleinere Querschnittsverhältnisse des Boosters 1.
Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf Drucker beschränkt. Es sind auch andere Anwendungen mö.glich, beispielsweise in Geräten zum Prägen und Stanzen.

Claims (1)

  1. PATENTANWÄLTE
    3 7690 Dr^g vvoiff t ϊ
    H. Bartels ;. . Dipl.-Chem. Dr. Brandes Dr.-Ing. Held Reg.Nr. 126 245 Dipl.-Phys. Wolff . '*
    A lh an Nusser ZUGELASSEN VOR DEM
    Aioan ν u s s e r deutschen und
    Michael-Wening-Straße 4 europäischen Patentamt
    8000 München 22, Thierschstr,
    80S0 F r e i s i η g ÄfffiSSL· d>
    Telegrammadresse: wolffpatent, münchen
    Postscheckkonto Stuttgart 7211 BLZ 60010070
    Deutsche Bank AG, 14/28630 BLZ 60070070
    22. Sept. 1981 25/28/65
    Verfahren zum Betätigen von Druckelementen in Druckvorrichtungen sowie entsprechende Druckvorrichtungen
    Patentansprüche
    } lötverfahren zum Betätigen von insbesondere piezoelektrisch be- Jf
    triebenen Druckelementen in Druckvorrichtungen für Matrixdrucker, Fern- und Datenschreibmaschinen, mechanischen Schnelldruckern, Fernkopiergeräten, für Prägeeinrichtungen sowie Schnittwerkzeuge und dergl., dadurch gekennzeichnet, daß 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 ,
    Telefonische Auskünfte und Aufträge sind nur nach schriftlicher Bestätigung verbindlich
    bzw. der jeweiligen Auslenkung des freien Druckelement-Sndes elektrisch registrierenden und das Druckelement-Ende beruhigt zurückführenden Meßschaltung.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Stoßwelle die Elektroden des Antriebs elements oder der Antriebselemente mit mindestens einem Spannungsimpuls beaufschlagt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, daß der Spannungsimpuls ein sog. Rechteckimpuls ist.
    4. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsspannung eine solche Zeitspanne lang aufrechterhalten wird, die die Boosterspitze 3 benötigt, um aus der Ruhestellung zum Zeitpunkt t2- (FigsK^liipafeiiistehlieBlich des Komprimierens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 den Scheitelpunkt t, (Fig. 3A) ihrer Auslenkung zu erreichen.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Spannung des Erregungsimpulses entsprechend den Eigenschaften des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 derart gewählt wird, daß die Boosterspitze 3 des Drucksystems auf dem Aufzeichnungsträger 14 einen guten Abdruck erzeugt.
    6. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Spannungsimpulses zur Gegenerregung des Druckelements zur beruhigten Rückführung der Boosterspitze der Zeitspanne einer Viertelperiode der Eigenfrequenz des Gesamtschwingsystems entspricht.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Impuls spannung des Gegenerregungsimpulses derart gewählt wird, daß der zur Wirkung kommende Energieinhalt
    des Gegenerregungsimpulses gerade die Rückschwingenergie des Gesamtschwingsystems kompensiert.
    Verfahren nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt t-, bei dem die Gegenerregung eingeleitet wird, derart gewählt wird, daß der Scheitelpunkt des durch die Gegenerregung induzierten BewegungsVerlaufs der Boosterspitze 3 (Kurve D in Fig. 3A) mit dem nächstfolgenden negativen Scheitelpunkt des von der Boosterspitze 3 angestrebten BewegungsVerlaufs (Kurve C, Fig. 3A) zusammenfällt (t1Q, Fig, 3A).
    9» Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsimpuls derart gepolt ist, daß sich die mit der am Boosterboden 2 austretende Mittelachse (Symmetrieachse) fluchtende Länge der Antriebs- bzw. Steuerelemente vergrößert.
    Ij
    10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 für die Ausführung einer Serie von mindestens zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Abdrucken nicht vor jedem einzelnen der dem jeweils ersten Abdruck folgenden Abdrucke beruhigt zurückgeführt wird.
    11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckelement für die Ausführung einer Serie von mindestens zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Abdrucken den einzelnen der dem jeweils ersten Abdruck folgenden Abdrucken für jeden dieser folgenden Abdrucke durch je einen erneuten Erregungsimpuls ein weiterer, der erforderlichen Druckenergie von Aufzeichnungsträger 14 und Farbträger 9 äquivalenter, Energiebetrag Zugeführt wird.
    12. Verfahren nach Ansprüchen TO und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Beginns der erneuten Erregung so ge- !■zählt wird, daß der Scheitelpunkt des durch diese erneute
    Erregung induzierten Bewegungsverlaufes der Boosterspitze 3 mit dem Scheitelpunkt des von der Boosterspitze 3 einschließlich des Komprimierens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 ausgeführten Bewegungsverlaufes für die dem jeweils ersten Abdruck folgenden Abdrucke zusammenfällt.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des erneuten dem der erforderlichen Druckenergie von Aufzeichnungsträger 14 und Farbträger äquivalenten Energiebetrag entsprechenden Erregungsimpulses der Zeitspanne entspricht, die von der Boosterspitze benötigt wird, um vom jeweiligen des dem jeweiligen Abdruck unmittelbar vorhergehenden Null durchgangs ihres Bewegungs verlaufes (Position ihrer Ruhelage) den Scheitelpunkt ihres Bewegungsverlaufes einschließlich des Komprimierens des Aufzeichnungsträgers 14 und des Farbträgers 9 zu erreichen.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine innerhalb der Ansteueranordnung vorgesehene Meßschaltung den zeitlichen Verlauf der an den Elektroden der Antriebselemente 4 und 41, des Steuerelements 42 und des Sensorelements 5 anliegenden, der resultierenden mechanischen Spannung in diesen Elementen analogen elektrischen Spannung und der zeitliche Verlauf der jeweiligen Ladungsverschiebung und des jeweiligen Verschiebestromes der Elektroden dieser Elemente abtastet und einer Auswerteschaltung zuführt.
    15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung durch optimale Erregungs-und/oder Gegenerregungsimpulse regelnd in den Bewegungsverlauf der Boosterspitze eingreift.
    16. Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung den zeitlichen Verlauf der
    resultierenden mechanischen Spannung in den Antriebselementen 4 und 41, in dem Steuerelement 42 und in dem Sensorelement 5 während der Nulldurchgänge des resultierenden Spannungsverlaufes der Auswerteschaltung zuführt, wenn die Meßschaltung nach dem Zeitpunkt t.., (Fig·, 3B), nach welchem diese resultierende mechanische Spannung bleibend auf Null zurückgegangen sein müßte, weiterhin im Bereich der Nulldurchgänge eine Restspannung registriert.
    17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zum optimalen Zeitpunkt einen oder mehrere weitere zur Beruhigung der Boosterspitze 3 angepaßte Gegenerregungsimpulse einleitet.
    18. Verfahren nach Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung den Erregungsimpuls für die nächsten erfolgenden Abdrucke derart dem zeitlichen Verlauf der nach dem Zeitpunkt t^2 (Fig· 3B) verbliebenen resultierende^mechanischen Restspannung anpaßt, daß diese verbliebene, auf die nächsten Abdrucke einwirkende Restspannung für diese Abdrucke voll einbezogen wird.
    19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Meßschaltung aktivierte Auswerteschaltung bereits von Beginn der Einleitung des Druckvorganges an durch optimale Erregungs- und/oder Gegenerregungsimpulse zum jeweils optimalen Zeitpunkt regelnd in den Bewegungsablauf der Boosterspitze 3 eingreift.
    20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Spannung des Erregungs- oder Gegenerregungsimpulses zeitlich nicht konstant ist.
    21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregungsimpuls und/oder der Gegenerregungsimpuls aus mehreren Einzelimpulsen besteht.
    22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Elektrode 22 bzw. an der Membran 2 7 befindliche Schwingungsknoten des Gesamtschwingsystems durch mit einer der durch den Aufzeichnungsträger und den Farbträger 9 induzierten Dämpfung äquivalenten Gegenerregung des piezoelektrischen Antriebselements 41 bzw. des piezoelektrischen Steuerelements 42 zum optimalen Zeitpunkt für den nächstfolgenden Abdruck an seinem Platz festgehalten wird.
    23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenerregung aus mehreren Einzelimpulsen besteht.
    Z4. Druckvorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement aus einem runden Tubus, dem Booster 1 mit vom Boosterfuß 2 zur Boosterspitze 3 hin stetig sich verjüngendem Querschnitt mit mindestens einem am Boosterfuß 2 befestigten piezoelektrischen Antriebselement 4 und 42 besteht.
    25. Druckvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 in Form eines hyperbolischen Tubus gestaltet ist.
    26. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und einseitig angeordnet sind und der Booster 1 mit den piezoelektrischen Antriebselementen an einem ortsfesten Abstützelement befestigt ist.
    7. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 über das piezoelektrische Antriebselement 4 mit einer ortsfesten Aufhängung 2 7 verbunden und an der gegenüberliegenden Seite der Aufhängung ein piezoelektrisches Steuerelement 42 über das piezoelektrische Antriebs element 41 mit der Symmetrieachse des Antriebselements 4 fluchtend befestigt ist.
    28, Druckvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfeste Aufhängung aus einer gedämpft federnden Membran besteht.
    29» Druckvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran elektrisch leitend ist.
    30. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Boosterfuß 2, die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 sowie das piezoelektrische Steuerelement 42 die gleiche Querschnittsfläche und die gleiche Querschnittsform aufweisen.
    31. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Sensorelement 5 zwischen dem Boosterfuß 2 und dem piezoelektrischen Antriebselement 4 eingefügt ist.
    32. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien, aus denen der Booster 1, die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41, das Steuerelement 42, das Sensorelement 5 und das Abstützelement 25 bestehen, mindestens annähernd die gleiche Schallimpedanz aufweisen.
    33. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der BoosteT aus einem Material niedriger Dichte und hohem Ε-Modul gefertigt ist.
    34. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster eine hohe relative Steifigkeit (Verhältnis des E-Moduls zur spezifischen Dichte) aufweist.
    35. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 in lamellierter Bauweise gestaltet ist, bei der die aneinander befestigten Lamellen mindestens annähernd in der Laufrichtung der Stoßwelle verlaufen.
    36. Druckvorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der einzelnen Lamellen entsprechend der Verjüngung des Boosterquerschnitts vom Boosterfuß 2 bis zur Boosterspitze 3 verjüngt.
    37. Druckvorrichtung nach den Ansprüchen 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lamellen aus Formdrähten gestaltet sind.
    38. Druckvorrichtung nach den Ansprüchen 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lamellen aus Blechen oder Folien gestaltet sind.
    39. Druckvorrichtung nach den Ansprüchen 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenverbund (Booster 1) aus einem Blech- oder Folienwickel fest miteinander verbundener Wicklung* gestaltet ist.
    40. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Eooster 1 aus Faserverbundwerkstoffen gestaltet ist.
    41. Druckvorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Anzahl der Fasern mindestens annähernd in der Laufrichtung der Stoßwellen verlaufen.
    42. Druckvorrichtung nach den. Ansprüchen 40 und 41, dadurch
    gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der einzelnen in
    der Laufrichtung der Stoßwelle verlaufenden Fasern entsprechend der Verjüngung des Boosterquerschnitts vom Boosterfuß 2 bis zur Boosterspitze 3 verjüngt.
    43. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 42,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 aus Kohlenstoff-Fasern gestaltet ist.
    44. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 43,
    dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente aus dem piezoelektrischen Material gestaltet, sind.
    45. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 26 und 32, dadurch
    gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 und das piezoelektrische Steuerelement 25 mindestens annähernd die gleiche Dicke aufweisen.
    46. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 26, 27 und 32, dadurch
    gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 sowie das piezoelektrische Steuerelement 42 aus dem gleichen Material gestaltet sind.
    - ίο -
    47. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Piezokristallelemente als Antriebselemente 4 und 41 j als Steuerelement und als Sensorelement 5 elektrisch parallel und bezüglich ihrer Nutzausdehnung in Serie geschaltet sind.
    48. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Pol flächen gleicher Polarisationspol&rität einander zugewandt sind.
    49. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente des Drucksystems aneinander geklebt sind.
    50. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 24, 26 und 27, dadurch gekennzeichnet , daß der Booster 1 die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 und das piezoelektrische Steuerelement 42 die gleiche Eigenfrequenz besitzen.
    51. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 24, 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 und das piezoelektrische Steuerelement 42 über die Ansteuerelektroden 21, 22, "23, -v"St/+V, +V, -V und V51 angesteuert werden.
    $2. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 27-51, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Elektrode +V- bedeckte Querschnittsfläche des Steuerelements 42, von der Umgebung unbehindert, durchschwingen kann.
    53. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement 25 gegenüber den piezoelektrischen Antriebselementen 4 und 41 eine Abschrägung 11 mit dem Winkel α zur Symmetrieachse der beiden Antriebselemente 4 und 41 aufweist.
    54. Druck\rorrichtung nach Anspruch. 53, dadurch gekennzeichnet, daß- die Abschrägung die in das Abstützelement 25 induzierten bzw» hineinlaufenden Stoßwellen in eine unschädliche Richtung ablenkt.
    55.- Druckvorrichtung nach Anspruch 5 3 und 54, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement 25 derart gestaltet und/oder derart am Gestell des Druckers befestigt ist, daß sich die Stoßwellen in einer dort befindlichen eigenen Vorrichtung und/oder im Gestell und oder im Abstützelement 25 totlaufen.
    56. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 55, dadurch gekennzeichnet, daß das Absützelement 25 aus dem gleichen Material wie der Booster 1 gestaltet ist.
    57. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 53 bis 56, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lamellen bzw. Fasern des Boosters annähernd in der Laufrichtung der Stoßwellen zwischen dem piezoelektrischen Antriebselement 41 und der Abschrägung 11 verlaufen.
    58. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 56 und 5 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lamellen- oder Faserbündel nach der Abschrägung 11 des Abstützelements 25 derart aufgefächert gestaltet ist, daß die Stoßwellen divergieren.
    59. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 58, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 in Form eines Lambda-Halbe-Schwingers ausgebildet ist.
    60. Druckvorrichtung nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 am Ort des Schwingungsknotens des Gesamtschwingsystems einen Bund 27 zur Halterung des Druckelements aufweist.
    61. Druckvorrichtung nach den Ansprüchen 59 und 60, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende, an dem das piezoelektrische Antriebselernent befestigt ist, von der Umgebung unbehindert, durchschwingen kann.
    Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 61, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften derart gestaltet ist, daß er über die im Boosterkern ausgeführte Elektrode 30 und die auf der Mantelfläche des Boosters 1 aufgebrachte Elektrode 29 erregt wird.
    63. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 62, dadurch gekennzeichnet, daß: der Querschnitt des Boosters 1 eine von einer runden Form abweichende Form hat.
    64. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 63, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Boosterspitze 3 eine von der Form des Querschnitts des Boosterfußes 2 abweichende Form hat.
    65. Druckvorrichtung nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsübergang zwischen der Boosterspitze 3 und dem Boosterfuß 2 kontinuierlich gestaltet ist.
    66. Druckvorrichtung nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Boosterfußes 2 rechteckig ist.
    7. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 66, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster eine gekrümmte Form bzw. Mittelachse aufweist.
    68. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 6 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Boosterspitze eine verschleißfeste Beschichtung oder ein verschleißfester Schuh 24 aufgebracht ist.
    69ο Druckvorrichtung nach Ansprüchen 24 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster 1 anstatt durch piezoelektrische Antriebselemente durch magnetostriktive Antriebselemente erregt bzw. gegenerregt wird.
    70. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 24-69, dad. gekennzeichnet, daß der Booster 1 aus einem Material mit magnetos trikt.iven Eigenschaften gestaltet ist und über eine Erregungsspule 2 8 erregt wird, die derart um den Booster 1 gewickelt ist, daß der zwischen der Erregungsspule 2 8 und dem Booster 1 befindliche Abstand die unbehinderte Durchschwingung des Boosters gewährleistet.
    71. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 70, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckelemente derart ineinander verschachtelt sind, daß die Boosterspitzen 3 der Anordnung eine eng begrenzte Druckmatrix bilden.
    72. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente derart ineinander verschachtelt sind, daß die Boosterspitzen 3 in mindestens einer längeren Reihe eng aneinandergereiht sind.
    73. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 72, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckelemente in einem Radius derart über dem über eine Unterlage 8 geführten Aufzeichnungsträger 14 angeordnet sind, daß die mindestens eine Reihe bildenden Boosterspitzen 3 auf den Mittelpunkt des Radius der Unterlage 8 weisen und sich während des Druckvorganges nicht gegenseitig behindern.
    74. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Booster 1 und piezoelektrischem Antriebselement 4 bestehende Druckelement in flacher Form (Lamellenform) mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.
    75. Druckvorrichtung nach Ansprüchen 67, 71 und 74, dad. gekennz., daß die Druckelemente zu mindestens einer Reihe derart eng aneinandergereiht sind, daß ihre Flachseiten aneinander liegen
    76. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 und 75, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei benachbarten Druckelementen mindestens ein elektrisch nichtleitendes Isolierschild 34 angeordnet ist, daß das jeweils benachbarte Druckelement elektrisch und mechanisch abgeschirmt ist.
    77. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 76, dadurch gekennzeichnet, daß die Booster^über die piezoelektrischen Antriebselemente 4 an einem elektrisch nichtleitendem Abstützelement 25 befestigt sind.
    78. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 77, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Fläche der Flachseiten der piezoelektrischen Antriebselemente 4 mit mindestens einer Elektrode versehen sind.
    79. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 78, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente vom Abstützelement 25 bis zur Boosterspitze 3 eine konstante Dicke aufweisen.
    80. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 79, dadurch gekennzeichnet, daß alle Druckelemente die gleiche Dicke und Form haben.
    81. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 80, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente derart ausgebildet sind, daß die Polarisationsrichtung und das elektrische Feld senkrecht zueinander liegen.
    82. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 81, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Booster 1 eine verdickte Boosterspitze 3 besitzt, die derart ausgebildet ist, daß in der Richtung der Druckelementenreihe ein relativ lückenloser Abdruck auf dem Aufzeichnungsträger 14 gewährleistet ist, ohne daß sich die Boosterspitzen gegenseitig beeinflussen.
    83. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 in einem Boosterlager 7 geführt ist.
    84. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 83, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger 14 an der Boosterspitze 3 bzw. die Boosterspitze 3 am Aufzeichnungsträger 14 vorbeigeführt wird.
    85. Druckvorrichtung nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr die Vorbeiführung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.
    86. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 85, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbträger 9 durch ein zwischen der Boosterspitze 3 und dem Aufzeichnungsträger vorbeigeführtes druckempfindliches Farbpulver ersetzt ist.
    87. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 84, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbträger 9 durch einen zwischen der Boosterspitze 3 und dem Aufzeichnungsträger vorbeigeführten Farbnebel ersetzt ist.
    88. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 87, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 des Drucksystems einen Typenhebel eines mechanischen Kettendruckers bzw. eines Typenraddruckers antreibt.
    89. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 87, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze des Drucksystems eine Drucknadel einer Schreibmatrix antreibt.
    90. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Antriebselemente 4 und 41 über eine Dehnschraube 35, deren Gewinde in einen in dem Abstützelement 25 befindliche Gewindebohrung 37 eingeschraubt ist, mit mechanischer Druckspannung vorgespannt sind.
    .91. Druckvorrichtung nach Anspruch 90 f dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnschraube 35 fester Bestandteil des Boosters 1 ist
    92. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 91, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennflächen der Anordnung am Booster 1, an den Antriebselementen 4 und 41, dem Abstützelement und dem Gewinde 37 zusätzlich geklebt sind.
    93. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente mechanisch vorgespannt sind.
    94. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daßa die piezoelektrischen Elemente elektrisch vorgespannt sind.
    95. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 94, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 und die Unterlage 8 derart ausgebildet sind, daß die Boosterspitze am Aufzeichnungsträger 14 Prägungen hinterlassen kann.
    96. DruckYorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 95, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 als Schneidstempel und die Unterlage 8 als Schnittplatte ausgebildet sind, daß die Boosterspitze 3 im Aufzeichnungsträger Schnitte ausführt.
    97. Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 95, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterspitze 3 und die Unterlage derart ausgebildet sind, daß beide auf den Aufzeichnungsträger 14 wie eine Formstanze wirken.
    98„ Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 95 bis 97, dadurch gekennzeichnet, daß man anstatt eines Aufzeichnungsträgers 14 Werkstücke bearbeitet.
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