Die Erfindung betrifft einen Nadeldruckkopf mit ringförmig
angeordneten Klappankermagneten, deren Wicklungen mit einer
elektronischen Ansteuervorrichtung zu verbinden sind und
deren Anker jeweils mit einer Drucknadel verbunden sind, die
durch Nadelführungen etwa mittig zur Magnetanordnung
verschieblich geführt sind, und an deren Ankern entgegen der
Anzugsrichtung der Klappankermagnete wirkende Rückstellmittel
angeordnet sind, die die Anker im stromlosen Zustand des
Klappankermagneten gegen einen Anschlag verbringen, so daß
dann zwischen den Ankern und den in einer Ebene liegenden
Polflächen der Klappankermagnete jeweils ein Luftspalt
vorgegebener Weite besteht, der durch eine Ankerdicke und
einen Abstandshalter bestimmt ist, in dem die Anker
schwenkbar gelagert sind und auf dessen Stirnseiten der
Anschlag, der eine ebene Ankeranschlagfläche aufweist,
befestigt ist, und bei dem die Joche und die Wicklungen der
Klappankermagnete in segmentförmigen Aussparungen eines
Metallkörpers befestigt sind und die Polflächen mit einer
Stirnfläche des Metallkörpers in einer Ebene liegen und auf
dieser Stirnfläche der Abstandshalter angeordnet ist, der aus
Blechen enger Dickentoleranz ausgestanzt und geschichtet
ist, wobei die Bleche sich nach innen erstreckende,
segmentförmige Ausschnitte zur Aufnahme von im Anker
angebrachten Schwenklagerzapfen vorgesehen sind.
Ein solcher Nadeldruckkopf ist in der DE-OS 37 15 304
geoffenbart, aus der die deutsche Prioritätsanmeldung 37 44 676.2
der vorliegenden Patentanmeldung ausgeschieden wurde.
Aus DE-AS 18 17 848 ist ein Nadeldruckmagnet mit elektromagnetischem
Anzug und Rückzug bekannt, wofür jedoch zwei völlig
getrennte Magnetanordnungen vorgesehen sind, die eigene
Anker aufweisen. Diese doppelte Ankermasse bringt einen
langsamen Betrieb mit sich. Außerdem ist zusätzlich eine Feder
zur Vorgabe der Ankerruhelage vorgesehen, die beim Anzug
mitbetätigt werden muß, was weitere Energie während der
Anzugszeit braucht und die Anzugsgeschwindigkeit mindert.
Weiterhin ist aus DE-GM 19 23 036 ein Zeilendrucker-
Klappankermagnet mit einem elektromagnetischen
Rückholmagneten bekannt, dessen Anker als Winkelhebel
ausgebildet ist, dessen einer Schenkel den Druckhammer trägt
und dessen anderer Schenkel der wirksame Anker ist. Dieser
ist endseitig verbreitert, so daß die Polflächen der
beidseitig zugeordneten Magnete im Winkel zueinander stehen,
was zu einem hohen Montageaufwand führt. Die Ankermasse
beträgt ein Mehrfaches der für die magnetische Wirkung erforderlichen
Masse, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit dadurch
gegenüber einem einfachen Magneten herabgesetzt ist.
Weiterhin ist in DE 31 39 502 C2 eine Schnellerregungs-
Schaltung eines Druckmagneten und zusätzlich eine
Abfangschaltung des Abschaltstromes mit einem
Zwischenspeicherkondensator gezeigt, wobei die
zwischengespeicherte Kondensatorladung jedoch später, nach
völliger Entstromung des Magneten, in umgekehrter Richtung
durch die gleiche Spule zurückfließt, was in Verbindung mit
einem im Ankerkreis angeordneten Permanentmagneten eine
Rückstellwirkung erbringt. Diese Anordnung ist von vielen
Bauteilen und deren Toleranzen in ihrer Funktion abhängig.
Weiterhin ist aus DE 22 01 049 B2 ein Nadeldruckkopf mit
Klappankermagneten mit einem Anzugsmagneten und einer
Rückstellfeder bekannt, dessen Jochanordnung aus einem
ferromagnetischen Teil durch Drehen hergestellt ist. Die
Ankerenden liegen zwar in einer Ebene; diese ist jedoch nur
durch Drehen und nicht durch Läppen geebnet, da ein
überstehender Halterand mit einer Lagernut für den Anker
vorgesehen ist. Da der Anker auf dem mittleren Joch
aufliegt, ergibt sich der Luftspalt aus dem Abstand einer
Deckelauflagefläche zur Ankerstirnfläche, einer Dicke eines
Anschlages und der Dicke des Ankers. Der Luftspalt ist somit
von der Drehgenauigkeit der Stirn- und Auflageflächen
zueinander abhängig.
Es ist Aufgabe der Erfindung für einen Nadeldruckkopf eine
einfache, relativ kleine Klappankermagnetanordnung hoher
Arbeitsgeschwindigkeit zu offenbaren.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß auf dem
Abstandshalter spiegelbildlich zu den Anzugsmagneten als die
Rückstellmittel und als der Anschlagkörper auf den gleichen
Anker einwirkende Rückstell-Elektromagnete mit Jochen und
Wicklungen in einem Metallkörper befestigt sind, deren
Wicklungen mit der Ansteuervorrichtung verbindbar sind, die
diese Rückstell-Elektromagnete jeweils nur dann bestromt,
wenn der spiegelbildlich gelegene Anzugs-Elektromagnet nicht
bestromt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Um einen einfachen Aufbau mit eng toleriertem Luftspalt zu
ermöglichen, ist der Abstandshalter aus drei gestanzten und
geschichteten Blechen hergestellt. Dabei sind in das
mittlere der geschichteten Bleche erweiterte Ausschnitte
gestanzt, die der Aufnahme eines Schwenklagerzapfens des
Ankers dienen. Die Joche der Klappankermagnete werden zweckmäßig auf
einer Grundplatte mit Ausnehmungen montiert, und die
Wicklungen werden dann aufgeschoben und verlötet. Der
Leichtmetallkörper ist für die Aufnahme der Spulen und der
Grundplatte ausgedreht. Nach dem Einbau der Magnete wird die
Vergußmasse eingebracht, und die Stirn- und Polflächen
werden gemeinsam überschliffen, so daß eine definierte
Bezugsfläche für die Abstandshaltermontage gegeben ist. Die
Bleche des Abstandshalters lassen sich als Stanzteile bei
eng tolerierter Blechdicke leicht herstellen.
Die Anker eines Nadelkopfes werden vor dem Einsetzen der
Lagerzapfen als gesamter Satz gefaßt und überschliffen, so
daß nur der eine Schleifvorgang, nämlich der für die
Ankerdicke maßgebliche, sämtliche Luftspaltweiten ergibt,
die somit untereinander praktisch keine Differenz aufweisen.
Beim gemeinsamen Überschleifen der Anker ist es
vorgesehen, die Ankerpolflächen bezüglich des Schwenklagers
radial verjüngt zu gestalten, so daß sowohl an den
Polflächen als auch an der Anschlagfläche ein flächiges
Auftreffen zwecks hoher Dämpfung und eine Minimierung des
Restspalts erbracht wird. Die zum Anker gerichtete Stirnseite
des Anschlagkörpers ist ebenfalls überschliffen, so daß der
Luftspalt und somit der Ankerhub durch die Dicke des
Abstandshalters bzw. die Gesamtdicke von dessen Blechen
abzüglich der Ankerdicke bestimmt ist. Hierdurch werden
gleiche Ankerflugzeiten bis zum Auftreffen der Drucknadeln
auf dem Druckgut gewährleistet, was jeweils ein exakt einer
Vorgabe entsprechendes Schriftbild erbringt, da praktisch
keine Verschiebung der Auftrefforte der Nadeln auf dem
Papier in Bewegungsrichtung des Kopfes gegenüber deren
Sollposition bei dem üblichen fliegenden Abdruck entsteht.
Diese zeitliche Abdruckgenauigkeit ist um so wichtiger, je
schneller die Zeichenfolge und damit der Kopfvorschub
gewählt ist, der bei Schnellschreibköpfen z. B. 200 Zeichen
pro Sekunde beträgt; was einer Vorschubgeschwindigkeit von
50 cm/sec entspricht. Wegen des exakten zeitlichen
Flugverhaltens der Nadeln und des somit sich ergebenden
guten Schriftbildes bei hoher Zeichengeschwindigkeit ergibt
sich der Vorteil, daß auch ein hochauflösendes Schriftbild
mit z. B. 24 oder 36 Nadeln mit sogenannter "near letter
quality" bei hoher Geschwindigkeit bei entsprechender
Anker- und Nadelzahl erstellt werden kann.
Das bei engen Luftspalttoleranzen und mit Federrückstellung
des Ankers erreichbare Hochgeschwindigkeitsschreiben wird
dadurch gesteigert, daß als Rückstellmittel jeweils statt
einer Feder ein Rückstellelektromagnet jedem Anzugsmagneten
des Klappankers zugeordnet wird. Der Arbeitsmagnet muß bei
abgeschalteter Bestromung des Rückstellmagneten lediglich
den Anker und die Nadel in Bewegung setzen und die zum
Drucken notwendige Aufschlagenergie einbringen; ein Spannen
der Rückstellfeder entfällt, so daß bei gleicher
Dimensionierung der Bauteile und ansonsten entsprechenden
Betriebsbedingungen eine um etwa 30% höhere
Druckgeschwindigkeit erreicht wird.
Die Anordnung der Rückstellmagnete ist bezüglich der
Anzugsmagnete spiegelbildlich, und deren
Fertigung ist entsprechend einfach. Die Polflächen der
Rückstellmagnete dienen im Ruhezustand als Anschlag für die
Anker. Da für die Rückstellung eine geringere Leistung
benötigt wird; denn die Aufschlagenergie der Nadeln, die
beim Druckvorgang nicht verbraucht wird, erbringt einen
Rückprall der Nadeln; können die Rückstellmagnete auch mit
kürzeren Schenkeln und kleineren Spulen versehen werden. Für
das Halten des zurückgekehrten Ankers wird nur eine relativ
geringe Durchflutung von etwa 2% der Anzugsdurchflutung
benötigt, da der Restspalt sehr eng ist, so daß nur sehr
geringe Verluste in den Wicklungen beim Halten entstehen,
die bekanntlich quadratisch von der Durchflutung abhängen,
also etwa 0,5 Promille betragen.
Eine praktisch spannungs- und verwindungsfreie Lagerung des
Ankers in bezug auf die Magnetpole und die Drucknadel wird
dadurch erreicht, daß die Nadeln und/oder die
Schwenklagerbolzen in situ mit dem Anker verschweißt werden,
wofür vorzugsweise eine Laser- oder Elektronenstrahl-
Schweißung dient. Um zum Magnetfeld eine exakte Zentrierung
der Anker zu erreichen, werden diese Elektromagnete jeweils
vor der Verschweißung vorteilhaft durch eine pulsierende
Bestromung erregt und bei der Verschweißung mit einem
Dauerstrom beaufschlagt.
In den Fig. 1 und 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen
dargestellt.
Fig. 1 zeigt vergrößert einen axialen Ausschnitt durch
einen Nadeldruckkopf mit Rückholmagnet;
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung für
einen Anzugs- und einen Rückholmagneten;
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Abstands- und
Lagerbleches in anderem Maßstab;
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Abstandsbleches;
Fig. 5 zeigt einen Anker im Maßstab gem. Fig. 1.
Fig. 1 zeigt etwa 5fach vergrößert einen Querschnitt durch
einen Nadeldruckkopf von der Mittelachse aus in radialer
Richtung mit einem Leichtmetallkörper (1) in dem ein
Anzugsmagnetjoch (3), das eine Wicklung (4) trägt,
eingegossen ist. Das Magnetjoch (3) ist in der
Grundplatte (2) in eine Ausnehmung eingesetzt. Die
Grundplatte (2), die der kompletten Montage der
Anzugsmagnete mit den Wicklungen (4) und der elektrischen
Anschlüsse dient, ist in einer Ausdrehung (12) zentrisch im
Metallblock (1) gehalten. Die segmentförmigen Aussparungen
(42) in dem Leichtmetallkörper (1) sind mit Vergußmasse
gefüllt, über die die Wärme aus den Wicklungen (4) der
Magnete abgeführt wird. Zur guten Wärmeabgabe sind
außenseitig am Leichtmetallkörper (1) Kühlrippen (17)
angeformt, und die Stege zwischen den Magneten dienen der
Wärmeaufnahme. Die Vergußmasse ist mit hoher Wärmeleitung
ausgewählt, wozu z. B. als Füllmaterial Metallpartikel
dienen. Die Stirnfläche (S 1) des Leichtmetallkörpers (1) und
die Polflächen (S 2) der Magnetjoche (3) sind gemeinsam
überschliffen. Auf der Stirnfläche (S 1) sind Abstandhalter
(70, 71, 71A) angeordnet, in denen der Klappanker (5)
schwenkbar gelagert ist, an dessen zur Kopfmitte sich
erstreckenden Ende eine Drucknadel (51) befestigt ist, die
in stegförmigen Nadelführungen (61) zum nicht dargestellten
Druckmundstück hin verschieblich gelagert sind. Die
Nadelführungen (61) sind in bekannter Weise in einem Gehäuse
(6) gehalten, das mit Schrauben (62) in zylindrischen Nuten
(18) am Leichtmetallkörper (1) befestigt ist.
Die Schwenkbeweglichkeit des Ankers (5) ist durch die
Anschlagfläche begrenzt, die mit der Auflagefläche (S 1A) des
Anschlagkörpers auf dem Abstandshalter (71A, 70, 71) eben
überschliffen ist. Somit ergibt sich der Luftspalt (SP) des
Klappankermagneten aus der Differenz der Gesamtdicke (D) des
Abstandshalters und der Ankerdicke.
Als Rückstellmittel für den Anker (5) sind ein
Rückstell-Elektromagnet (3A, 4A) am Anker (5) angreifend
angeordnet. Zusätzlich kann eine Feder (15) und/oder ein
Permanentmagnet (15M) in zylindrische Öffnungen im
Leichtmetallkörper (1, 1A) eingesetzt werden. Die Rückhol-
Elektromagnete (3A, 4A) sind jeweils symmetrisch bezüglich
der Anker (5) und spiegelbildlich zu den Anzugs-Elektromagneten
(3, 4) angeordnet, wobei sie ebenso in einer Grundplatte
(2A) befestigt und in einem Leichtmetallkörper (1A)
eingegossen sind. Die Polflächen der Rückholmagnete (3A)
bilden die Anschlagflächen (S 2A). Außenseitig sind die
beiden Grundplatten (2, 2A) durch Deckplatten (41, 41A)
abgeschlossen.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der
Wicklungen eines Anzugs- und eines Rückholmagneten (4, 4A).
Die Betriebsspannung (U) ist an eine steuerbare Stromquelle
(IQ), die zweckmäßig eine Pulspausensteuerung (PP) und eine
Freilaufschaltung nämlich Schutzdiode (FD) enthält,
geführt, deren Ausgang (I) über steuerbare Schalter (RS, AS)
an die Wicklung (4A) des Rückstellmagneten bzw. die Wicklung
(4) des Ansteuermagneten geschaltet wird. Eine zentrale
Drucksteuerung (ZS) gibt jeweils für einen Punktabdruck ein
Ansteuersignal (A) an den Schalter (AS) für eine vorgegebene
Ansteuerzeit, die abhängig von der gewünschten Anschlagstärke
und dem jeweils vorhandenen Druckgut bestimmt ist,
und die Drucksteuerung (ZS) bestimmt gleichzeitig die
Stromstärke der Stromquelle (IQ) über das oder die
Stromstärke-Steuersignale (IS). Gleichzeitig wird über ein
entsprechend gepoltes Signal (R) der Schalter (RS) geöffnet
und der Rückstell- und Haltemagnet (4A) entstromt. Am Ende
der Ansteuerzeit, etwa wenn die Nadel auftrifft, wird das
Steuersignal (A) abgeschaltet und der Rückstellmagnetstrom
mit dem Steuersignal (R) eingeschaltet. Hierbei wird
vorteilhaft für
eine Rückholzeit die Stromstärke in etwa gleicher Größe wie
beim Vortrieb gewählt, damit eine etwa gleiche
Anfangsmagnetfeldstärke im Luftspalt aufgebaut wird, die
eine schnelle Richtungsumkehr des Ankers bewirkt. Danach
wird eine wesentlich geringere Stromstärke durch Änderung
des Stromstärkesteuersignals (IS) vorgegeben, wodurch beim
Anschlag des Ankers kein starker Rückprall, sondern ein
Halten erfolgt, so daß ohne Wartezeit unmittelbar oder zu
beliebig vorgegebener Zeit eine erneute Betätigung der Nadel
erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltung wird
jeweils die Energie einer gerade abgeschalteten Wicklung (4,
4A) auf die jeweils im gleichen Zeitpunkt eingeschaltete,
den gleichen Anker betätigende Wicklung übergeleitet,
wodurch eine wesentliche Beschleunigung des Stromauf- bzw.
-abbaues erreicht wird. Zur Überleitung des Stromes zwischen
den Wicklungen (4, 4A) bilden Überleitungsdioden (D 3, D 4)
wechselseitig eine Serienschaltung dieser Wicklungen, wobei
die Sperrdioden (D 1, D 2) deren gegenseitige Entkopplung
bewirken.
Für eine möglichst schnelle Ankerbetätigung und andererseits
für eine weitgehende Unabhängigkeit von der
Sättigungseigenschaft des Magnetmaterials, insbesondere von
deren Temperaturabhängigkeit, empfiehlt es sich, während der
Anzugszeit die Durchflutung entsprechend einer etwa 70%igen
Sättigungsmagnetisierung des Ankers zu wählen. Auch wird
durch die Beschränkung der Sättigung ein Übersprechen der
Magnete zu benachbarten Magneten in zulässigen Grenzen
gehalten. In einer leistungssparenden Ausführung beträgt
die Durchflutung während der Rückstellzeit zweckmäßig etwa
1/3 der Anzugsdurchflutung. Danach wird die Durchflutung auf
eine Haltedurchflutung von etwa 2% des Wertes der
Anzugsdurchflutung herabgesetzt.
Eine besonders schnelle Umstellung des Ankers zwischen den
beiden wechselseitig auf ihn einwirkenden Magneten erfolgt,
wenn die Magnetfelder beider Magnete durch entsprechende
Polung der Wicklungen im Anker gleichgerichtet verlaufen. Im
Anker entstehen dann keine Umschalt-Wirbelstromverluste und
Feldaufbauverzögerungen.
Eine vorteilhaft energiesparende Bestromung der
Rückstellmagnete (3A, 4A) ergibt sich jeweils unter
Ausnutzung der Rückprallenergie der Drucknadeln (51) und des
Ankers (5), indem nach Abschaltung der Anzugsbestromung, die
etwa beim Nadelaufprall erfolgt, eine Wartezeit ohne
Bestromungen folgt, die bis zur völligen Ankerumkehr, z. B.
10 bis 20 Mikrosekunden, dauert, nach der erst die
Bestromung der Rückstellmagnete (3A, 4A) mit 1/3- bis
1/10fachen der Anzugsdurchflutung erfolgt und zwar so lange,
bis der Anker (5) am Anschlag anschlägt und dort seine
Rückprallenergie abgegeben hat, wozu etwa das 3/2- bis
1fachen der Anzugszeit benötigt wird. Danach wird die
Stromstärke auf die Haltestromstärke von ca. 2% der
Anzugstromstärke heruntergeschaltet. Die jeweils angegebenen
Arbeitsbereiche betreffen das Bedrucken von bis zu 5 Nutzen
und von mehr als 5 Nutzen. Eine Vorgabe der geeigneten Werte
abhängig von der Anwendung ist vorgegeben. Vorzugsweise
werden zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar die
Vorgabewerte gemeinsam verändert. Bei mehr als fünf Nutzen
wird mit einer maximalen Anzugsdurchflutung gearbeitet, und
bei weniger als fünf Nutzen wird die Anzugsdurchflutung auf
3/4 dieses Maximalwertes abgesenkt.
Fig. 3 und 4 zeigen die Abstandhaltebleche (70, 71), die
segmentförmige Fortsätze aufweisen, zwischen denen in
Ausschnitten (75, 72) die Anker angeordnet sind. Die
seitlich erweiterten Ausschnitte (76) dienen der Aufnahme
der Schwenklagerzapfen. Die Bohrungen (73, 74) dienen einer
Verstiftung mit den Metallkörpern.
Fig. 5 zeigt einen Anker (5), der aus Blechen (53)
zusammengesetzt ist, von denen das mittlere Blech (53M) bis
zur Nadel (51) verlängert ist. Am rückseitigen Ankerende ist
der Schwenklagerzapfen (52) in einer Nut (54) befestigt. Der
Anker (5) ist in seiner Dicke dem Schwenkwinkel entsprechend
verjüngt ausgeführt, so daß er in beiden Schwenkrichtungen
einen minimalen Endluftspalt über seine Längenausdehnung
hat, was eine gute Energieausnutzung und eine geringe
Haltedurchflutung erbringt.