DE3841416A1 - Vorrichtung zur vergroesserung sehr kleiner verschiebungen und druckkopf unter verwendung dieser vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur vergroesserung sehr kleiner verschiebungen und druckkopf unter verwendung dieser vorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung mit einem piezoelektrischen
Element, dessen piezoelektrischer Effekt ausgenutzt wird, und auf
einen Druckkopf, bei dem ein derartiger Mechanismus eingesetzt
wird.
Ein üblicher punktartiger Drucker hat einen Druckkopf, der einen
Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung
benutzt, mit dem eine Dimensionsverformung, die durch den
piezoelektrischen Effekt eines piezoelektrischen Elements erzeugt
wird, nach Vergrößerung auf einen Antriebsabschnitt übertragen
wird, um die Antriebskraft für den Betrieb eines Drucker- oder
Druckdrahts zu erhalten.
Die Fig. 29 der Zeichnung zeigt einen derartigen
Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung
gemäß dem Stand der Technik. In der Fig. 29 bezeichnet die
Ziffer 1 ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung einer
Dimensionsverschiebung mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts.
Das piezoelektrische Element 1 hat einen unteren, stationären Ab
schnitt und einen oberen Antriebsabschnitt. Der stationäre Ab
schnitt ist mit einem Befestigungsabschnitt 3 eines stationären
Rahmens 2 verbunden, der aus Metall hergestellt ist, und der
Antriebsabschnitt ist mit einem Befestigungsabschnitt 4 des Rah
mens 2 verbunden. Der Befestigungsabschnitt 4 hat zwei beweg
liche Koppelabschnitte (a) und (b), über die jeweils Wurzeln von
beweglichen Gliedern 5 und 6 an den Abschnitt 4 angekoppelt
sind. Die Wurzeln der beweglichen Glieder 5 und 6 sind auch
über bewegliche Koppelabschnitte (c) und (d) mit entgegenge
setzten Enden des stationären Rahmens 2 verbunden. Wenn im
piezoelektrischen Element 1 eine Dimensionsverformung hervorge
rufen wird, werden die beweglichen Glieder 5 und 6 jeweils um
den beweglichen Koppelabschnitt (c) und (d) gedreht und in die
entgegengesetzte Richtung verschoben. Eine stabförmige Feder 7
ist mit einem Ende an einem freien Ende des beweglichen Glieds 5
befestigt. Eine im wesentlichen V-förmige Feder 8 ist mit einem
Ende an einem freien Ende des beweglichen Glieds 6 befestigt. Die
anderen Enden der Federn 7 und 8 sind an einem Koppelabschnitt
(g) miteinander verbunden, an dem ein Ende eines nach außen
sich erstreckenden Druckerdrahts 9 befestigt ist. Mechanismen
zur Vergrößerung von sehr kleinen Verschiebungen mit ähnlichem
Aufbau und Druckköpfe, die nach dem Aufprallprinzip arbeiten
und Druckeinheiten verwenden, die aus derartigen Mechanismen
bestehen, sind in der US-Patentschrift 45 89 786 und den Japa
nischen Patentschriften 59-2 29 349, 59-26 273, 60-969, 60-31 975 und
60-31 976 beschrieben.
Mit dem Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Ver
schiebung, der den oben beschriebenen, in Fig. 29 gezeigten
Aufbau hat, wird im piezoelektrischen Element 1 eine sehr kleine
Dimensionsverschiebung in Richtung eines Pfeils (A) gemäß einer
an die Elektroden des Elements 1 angelegten Spannung erzeugt.
Diese Dimensionverformung verursacht die Drehung der beweg
lichen Glieder 5 und 6 um die beweglichen Koppelabschnitte (c)
und (d) als Drehpunkte und um die Koppelabschnitte (a) und (b)
als Kraftpunkte in Richtung der Pfeile (B) und (C), so daß die
Dimensionsverformung nach Verstärkung übertragen wird. Wenn
die beweglichen Glieder 5 und 6 verschoben werden, nehmen die
Federn 7 und 8 die jeweiligen Verschiebungen auf und werden in
umgekehrter Richtung, wie durch die Pfeile (D) und (E) gezeigt,
verschoben. Auf diese Weise wirkt eine Koppelung auf den Kop
pelabschnitt (g) in Richtung eines Pfeils (F), so daß der mit dem
Koppelabschnitt (g) verbundene Druckerdraht (9) in Richtung
eines Pfeils (C) angetrieben wird.
Wie dargestellt wurde, wird bei dem Mechanismus zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung gemäß dem bekannten Stand
der Technik die Dimensionsverformung des piezoelektrischen
Elements 1 durch die beweglichen Glieder 5 und 6 und die Federn
7 und 8 vergrößert, um ein Vergrößerungsverhältnis (um
mehrmals den Faktor 10) zu erhalten, das für den Antrieb des
Drucker- oder Druckdrahts (9) notwendig ist.
Bei einer derartigen Konstruktion nach dem Stand der Technik
sind der Antriebsabschnitt (x), der Vergrößerungsabschnitt (y)
und der Drahtabschnitt (z) im wesentlichen längs einer geraden
Linie angeordnet, wie dies in Fig. 29 gezeigt ist; und der Druc
kerdraht 9 wird nach außen angetrieben. Deshalb hat der Mecha
nismus unvermeidlich große Abmessungen; und ein Druckerdraht,
der eine Vielzahl von (z. B. 24) Drähten aufweist und unter
Benutzung dieses Mechanismus aufgebaut ist, weist eine beträcht
liche Größe und ein hohes Gewicht auf. Vom Standpunkt der
Abmessungs- und Gewichtsreduzierung des Geräts ist dies beson
ders unerwünscht. Ein derartiger Druckkopf hat ein hohes Ge
wicht und verursacht Probleme bei der Kontrolle seines Antriebs.
Um die Drähte des Druckkopfes in vorbestimmten Abständen
anzuordnen, ist es weiterhin notwendig, die Enden der Drähte
gemeinsam zu einem Drahtausrichtungsglied zu führen, um die
Drahtenden untereinander durch 24 Löcher in genauen Positions
beziehungen zu halten. In einem Druckkopf nach dem Stand der
Technik, z. B. wie er in der Japanichen Patentschrift 59-2 29 349
gezeigt ist, sind deshalb 12 Druckeinheiten, von denen jede einen
Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung
und einen Druckerdraht enthält, auf jeder Seite sektorähnlich
aufeinander gestapelt. In diesem Fall müssen Mechanismen zur
Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen und Abstandsstücke
abwechselnd aufeinander gestapelt werden, und der sich hieraus
ergebende Stapel muß mit Hilfe einer gebogenen Schraube gesi
chert werden. Aus diesem Grunde erfordert die Montage des
bekannten Druckkopfs eine große Anzahl von Komponenten und
auch eine große Anzahl von Montageschritten. Weiterhin ist es
schwierig, eine Montageeinheit mit hoher Genauigkeit zu erhalten.
Bei dem Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Ver
schiebung, sind bei der Montage des piezoelektrischen Elements
die Genauigkeiten der Abmessungen des Elements in Richtung der
Erzeugung der Verformung und der Ausdehnung zwischen den
Befestigungsabschnitten, an denen das Element befestigt wird,
wichtig. Um eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements, die
in der Größenordnung von einigen Mikrons bis höchstens 10
Mikrons ist, zu übertragen, sollte zwischen dem Element und
jedem Befestigungsabschnitt keine Lücke in einem Zustand sein,
in dem die beiden mit hoher Genauigkeit montiert werden. Wenn
nicht das piezoelektrische Element so gehalten wird, daß es leicht
zusammengedrückt wird, wird die Wirksamkeit der Übertragung
einer Verformung des piezoelektrischen Elements auf einen Ver
größerungsmechanismus verschlechtert.
Es ist jedoch tatsächlich schwierig, das piezoelektrische Element
in dem obenerwähnten Zustand zu montieren, in dem die zwei
oben angegebenen Abmessungsgenauigkeiten kontrolliert werden.
Ist dies möglich, dann steigt der Preis des Produkts außerordent
lich an. Weiterhin ist es sehr schwierig, die beiden in der oben
angegebenen Abmessungsbeziehung miteinander zu verbinden. Im
allgemeinen wird das piezoelektrische Element lose in den Raum
zwischen den Befestigungsabschnitten des Mechanismus zur Ver
größerung einer sehr kleinen Verschiebung eingefügt, und danach
wird der Montagezustand des Elements so angepaßt, daß das
Element unter Druckspannung befestigt ist.
Bekannte Methoden zum Justieren des Montagezustands des piezo
elektrischen Elements umfassen neben denjenigen, die in den oben
angegebenen Dokumenten erwähnt sind, eine, bei der ein Ende
des piezoelektrischen Elements über ein keilförmiges Abstandsglied
an einem Sicherheitsglied befestigt ist (wie in der Japanischen
Gebrauchsmusterschrift 59-1 37 041 beschrieben) eine, bei der das
piezoelektrische Element in einer mechanischen Spur eines Sicher
heitsabschnitts festgehalten wird (wie in der Japanischen Ge
brauchsmusterschrift 62-28 537 beschrieben), eine, bei der das
piezoelektrische Element durch Verwendung einer Vertiefung in
einem Verbindungsglied festgehalten wird, das auf einer Basis
durch Stanzen oder dergleichen vorgesehen ist (wie in der Japa
nischen Gebrauchsmusterschrift 62-87 839 beschrieben), eine, bei
dem das piezoelektrische Element durch die Bildung einer Basis
mit einem Loch und durch Anheben der Basis mit einem ovalen
Gliederprofilstift, der in das Loch eingeführt wird, befestigt ist
(wie in der Japanischen Gebrauchsmusterschrift 62-87 840 be
schrieben), und eine, bei der das piezoelektrische Element durch
die Bildung einer Basis mit einem Loch und durch die Anhebung
der Basis mit einem Kegelstift, der im Preßsitz im Loch angeord
net ist, befestigt ist (wie in der Japanischen Gebrauchsmuster
schrift 62-90 141 beschrieben).
Bei dem bekannten Stand der Technik wird das piezoelektrische
Element jedoch in den Raum zwischen den Befestigungsabschnitten
den Vergrößerungsmechanismus eingefügt, und der Montagezu
stand des Elementes wird durch Verwendung eines keilförmigen
Abstandsglieds, einer mechanischen Spur, einer Vertiefung, eines
ovalen Stifts oder eines Kegelstifts eingestellt. Dies bedeutet, daß
ein besonderer Einstellungsvorgang durchgeführt werden muß,
wenn das piezoelektrische Element montiert wird, so daß die
Montage nicht leicht ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben be
schriebenen Probleme entwickelt. Eine Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr
kleinen Verschiebung zur Verfügung zu stellen, die eine seitliche
Verkleinerung sowie die Abmessungsverkleinerung und die
Reduzierung der Kosten eines Druckers oder eines ähnlichen
Geräts ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Druck
kopf zu entwickeln, der eine Verminderung der Abmessungen und
des Gewichts ermöglicht, eine fertige Antriebskontrolle des Druc
kerdrahts zuläßt, keine zusätzlichen Komponenten für die Montage
benötigt, in einer reduzierten Anzahl von Schritten montiert
werden kann und eine verbesserte Montagegenauigkeit hat.
Um die oben beschriebenen Aufgaben der Erfindung zu lösen, ist
ein Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung vorgesehen, der gekennzeichnet ist durch ein piezoelek
trisches Element, das zur Erzeugung einer Dimensionsverformung
entsprechend einer angelegten Spannung betrieben wird, durch
einen ersten und einen zweiten Rahmen, wobei die Rahmen im
wesentlichen auf einander entgegengesetzten Seiten den piezoelek
trischen Elements angeordnet sind und sich des Betriebs des
piezoelektrischen Elements erstrecken, durch ein bewegliches
Glied, das eine Vielzahl von miteinander zu einer Polygonform
verbundenen Elementen aufweist und ein Paar von Befestigungs
abschnitten enhält, mit denen das piezoelektrische Element unter
Druckspannung verbunden ist, wobei das bewegliche Element
weiterhin wenigstens mit einem Teilstück, das auf der Seite des
ersten Rahmens angeordnet ist, mit diesem ein Ganzes bildet und
mit wenigstens einem Teilstück, das auf der Seite des piezoelek
trischen Elements gegenüber der zuerst erwähnten Seite angeord
net ist und dieser Seite gegenübersteht, mit dem zweiten Rahmen
ein Ganzes bildet, durch einen Ausgabeabschnitt zur vergrößerten
Übertragung der Dimensionsverformung des piezoelektrischen
Elements über das bewegliche Glied zu wenigstens einem der
beiden Rahmen nach der Vergrößerung gemäß einer relativen
gegenseitigen Verschiebung des ersten und zweiten Rahmens und
durch einen mit dem Ausgabeabschnitt verbundenen Antriebsab
schnitt für die Entgegennahme der vergrößerten Dimensionsver
formung.
Gemäß der Erfindung ist auch ein Mechanismus zur Vergrößerung
einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, der gekennzeichnet
ist durch ein piezoelektrisches Element, das zur Erzeugung einer
Dimensionsverformung entsprechend einer angelegten Spannung
betrieben wird, durch einen stationären Rahmen, mit dem ein
Ende des piezoelektrischen Elements verbunden ist, durch einen
ersten und einen zweiten Rahmen, wobei der erste und zweite
Rahmen an den stationären Rahmen oder die gegenüberliegenden
Seiten des befestigten Endes des piezoelektrischen Elements
angekoppelt sind, durch ein bewegliches Glied, das zwei beweg
lich miteinander gekoppelte Seiten aufweist und an dem das ande
re Ende des piezoelektrischen Elements befestigt ist, wobei das
bewegliche Glied mit einem Ende über einen beweglichen Koppel
abschnitt am zweiten Rahmen auf der Seite des stationären Rah
mens des anderen Endes des piezoelektrischen Elements und das
andere Ende über einen beweglichen Koppelabschnitt am ersten
Rahmen angekoppelt sind, durch einen Ausgabeabschnitt zur
vergrößerten Übertragung der Dimensionsverformung des piezo
elektrischen Elements über das bewegliche Glied nach der Vergrö
ßerung gemäß einer relativen gegenseitigen Verschiebung des
ersten und zweiten Rahmens auf wenigstens einen der beiden
Rahmen und durch ein Antriebsglied, das mit dem Ausgabeab
schnitt für die Erzeugung eines vergrößerten Ausgangs verbun
den ist.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Mechanismus zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, der gekenn
zeichnet ist durch ein piezoelektrisches Element, das zur Erzeu
gung einer Verformung entsprechend einer angelegten Spannung
betrieben wird, durch einen stationären Rahmen, durch einen
ersten und einen zweiten Rahmen, wobei der erste und der zweite
Rahmen an dem stationären Rahmen angekoppelt sind, durch ein
bewegliches Glied, das eine Vielzahl von miteinander in Form einer
geschlossenen Schleife verbundenen Elementen und Befestigungs
abschnitte aufweist, mit denen das piezoelektrische Element unter
Druckspannung verbunden ist, durch ein Paar von Gelenkzapfen
des beweglichen Glieds, die sich in Richtung des Betriebs des
piezoelektrischen Elements lateral gegenüberstehen und die über
bewegliche Koppelabschnitte jeweils am ersten und zweiten Rahmen
angekoppelt sind, durch einen Ausgabeabschnitt zur vergrößerten
Übertragung der Dimensionsverformung des piezoelektrischen
Elements über das bewegliche Glied zu wenigstens einem der
beiden ersten und zweiten Rahmen, gemäß einer gegenseitigen
relativen Verschiebung des ersten und zweiten Rahmens und
durch ein Antriebsglied, das für die Entgegennahme einer ver
größerten Ausgabe der Dimensionsverformung mit dem Ausgabeab
schnitt verbunden ist.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Mechanismus zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, der gekenn
zeichnet ist, durch ein piezoelektrisches Element, das zur Erzeu
gung einer Dimensionsverformung entsprechend einer angelegten
Spannung betrieben wird, durch einen stationären Rahmen, durch
ein bewegliches Glied, das eine Vielzahl von miteinander zu einer
Polygonform verbundenen Elementen und ein Paar von Befesti
gungsabschnitten an entgegengesetzten Spitzen aufweist, wobei
das piezoelektrische Element unter Druckspannung mit den Befe
stigungsabschnitten verbunden ist, und wobei einer der Befesti
gungsabschnitte mit dem stationären Rahmen ein Ganzes bildet,
durch einen ersten und einen zweiten Rahmen, wobei der erste
und zweite Rahmen jeweils mit den entsprechenden zwei Seiten des
beweglichen Glieds auf seiten des stationären Rahmens ein Ganzes
bildet, und durch einen Ausgabeabschnitt zur vergrößerten
Übertragung der Dimensionsverformung des piezoelektrischen
Elements über das bewegliche Glied auf den ersten und zweiten
Rahmen gemäß einer relativen gegenseitigen Verschiebung des
ersten und zweiten Rahmens.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Mechanismus zur Vergrößerung
einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, bei dem der An
triebsabschnitt ein Druckerdraht ist, der im wesentlichen parallel
zum piezoelektrischen Element angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Mechanismus zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, der gekenn
zeichnet ist durch ein piezoelektrisches Element, das zur
Erzeugung einer Dimensionsverformung entsprechend einer ange
legten Spannung betrieben wird und durch ein Vergrößerungs
glied mit einer Vielzahl von in Form einer geschlossenen Schleife
miteinander verbundenen Elementen und einem Paar von Befesti
gungsabschnitten, an denen entsprechende gegenüberliegende
Enden des piezoelektrischen Elements unter Druckspannung befe
stigt sind, wobei ein Paar von Ausgabeabschnitten auf den ge
genüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elements angeordnet
sind.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Mechanismus zur Vergröße
rung einer sehr kleinen Verschiebung vorgesehen, der gekenn
zeichnet ist durch ein piezoelektrisches Element, das zur Erzeu
gung einer Dimensionsverformung entsprechend einer angelegten
Spannung betrieben wird, durch ein Paar von Befestigungsab
schnitten, mit denen korrespondierende Enden des piezoelek
trischen Elements unter Druckspannung verbunden sind, und
durch ein Paar von Ausgabeabschnitten an entgegengesetzten
Seiten des piezoelektrischen Elements, wobei das Paar der Befe
stigungsabschnitte mit den entsprechenden Ausgabeabschnitten
verbunden ist.
Mit dem obigen Aufbau des erfindungsgemäßen Mechanismus zur
Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung ist eine in dem
piezoelektrischen Element entsprechend einer angelegten Spannung
hervorgerufene Dimensionsverformung nach der Vergrößerung
durch das bewegliche Glied oder das Vergrößerungsglied in einer
unterschiedlichen Richtung, d. h. in einer transversalen Richtung
in bezug auf ein piezoelektrisches Element vorgesehen. Diese
vergrößerte Ausgabe verursacht eine Dreh- oder Schaukelbewe
gung des ersten oder zweiten Rahmens. Daher ist die vergrößerte
Ausgabe nach einer weiteren Vergrößerung durch relative Ver
schiebungen der Ausgabeenden dieser Rahmen vorgesehen, wobei
die vergrößerten Ausgaben zu einem Antriebsglied übertragen
werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, den aus einem piezoelektrischen
Element bestehenden Antriebsabschnitt aufzunehmen; der
Vergrößerungsabschnitt und der Drahtabschnitt können im wesent
lichen im gleichen Bereich aufgenommen werden, um die Reduzie
rung des Mechanismus im ganzen sowie die Reduzierung der
Größe, des Gewichts und des Preises des Gerätes sowie der
Drucker zu ermöglichen und den Anwendungsbereich zu erweitern
sowie die Befestigung des piezoelektrischen Elements zu vereinfa
chen.
Des weiteren ermöglicht der erfindungsgemäße Mechanismus zur
Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen einen kompakten
Druckkopf, der durch den Aufbau eines Antriebsabschnitts mit
einem Druckerdraht und durch die Anbringung des Druckerdrahts
parallel zum piezoelektrischen Element zu erreichen ist.
Wenn der Abstand zwischen dem Paar von Koppelungsabschnitten
im Ausgabeabschnitt kleiner gemacht wird als der Abstand zwi
schen dem Paar von Befestigungsabschnitten, ist bei dem
erfindungsgemäßen Mechanismus zur Vergrößerung sehr kleiner
Verschiebungen die zu den Befestigungsabschnitten übertragene
Dimensionsverformung des piezoelektrischen Elements nach Ver
größerung in Richtung zur Annäherung an das piezoelektrische
Element vorgesehen.
Wenn ein piezoelektrisches Element in dem erfindungsgemäßen
Mechanismus zur Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen
befestigt wird, kann das Vergrößerungsglied fertig geformt und
ausgebessert werden. Somit kann der Abstand zwischen den
Befestigungsabschnitten durch Anwendung einer äußeren Kraft
auf den Ausgabeabschnitt vergrößert werden. Das piezoelektrische
Element kann in zusammengedrücktem Zustand zwischen den
Befestigungsabschnitten durch Entfernen der äußeren Kraft
befestigt werden.
Somit kann erfindungsgemäß die Vergrößerung der Verschiebung
mit einem sehr einfachen Aufbau erreicht werden, und das Ver
größerungsglied kann fertig geformt und ausgebessert werden,
denn es hat eine hohe Elastizität. Aus diesem Grund kann beim
Befestigen des piezoelektrischen Elements gleichzeitig ein
Anpassungsvorgang zur Sicherung des Elements in zusammenge
drücktem Zustand durchgeführt werden, so daß der Mechanismus
sehr einfach zusammengesetzt werden kann.
Des weiteren umfaßt ein Druckkopf erfindungsgemäß ein im allge
meinen hohlzylinderförmiges Druckeinheit-Montageglied mit einem
mit einer Vielzahl von radial beabstandeten Montagerillen, die auf
der inneren Randfläche gebildet sind, versehenen Boden, und ein
am Boden vorgesehenes Drahtausrichtungsglied, und eine Vielzahl
von Druckeinheiten, die jeweils einen Verschiebungsübertragungs
abschnitt umfaßt zur Übertragung nach Vergrößerung einer
Dimensionsverformung eines piezoelektrischen Elements, das eine
Dimensionsverformung entsprechend einer angelegten Spannung
erzeugt, einen Montageabschnitt, an den der Verschiebungsüber
tragungsabschnitt angekoppelt ist, und einen Druckerdraht, der
an den Ausgabeabschnitt des Verschiebungsübertragungsabschnitt
angekoppelt ist und sich parallel zum Montageabschnitt erstreckt,
wobei der Montageabschnitt in einer entsprechenden Montagerolle
angebracht ist.
Ein anderer erfindungsgemäßer Druckkopf umfaßt ein
Druckeinheit-Montageglied mit einer Bodenfläche, die mit einer
Vielzahl von radial beabstandeten Montagerollen sowie einem mit
einem Drahtausrichtungsglied versehenen zentralen Bodenbereich
ausgestattet ist, und eine Vielzahl von Druckeinheiten, die jeweils
ein Montageglied, ein auf dem Montageabschnitt befestigtes, sich
in im wesentlichen senkrechter Richtung dazu erstreckendes
piezoelektrisches Element, einen Verschiebungsübertragungsab
schnitt zur vergrößerten Übertragung der Dimensionsverformung
des piezoelektrischen Elements sowie einen sich im wesentlichen
parallel zum Verschiebungsübertragungsabschnitt erstreckenden
Druckerdraht umfaßt, wobei der Montageabschnitt in einer ent
sprechenden Montagerille angebracht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Druckkopfes ist jede Druckeinheit mit einem Sicherungsglied, das
in jeder einzelnen einer Vielzahl von radial beabstandeten Mon
tagerillen angebracht ist, die in dem Druckeinheit-Montageglied
gebildet sind und mit einem in einer an der oberen Fläche des
Druckeinheit-Montagegliedes gebildeten Rille angebrachten Vor
sprung gesichert.
Da bei dem erfindungsgemäßen Druckkopf die Sicherungsglieder
der Vergrößerungselemente sehr kleiner Verschiebungen in den
entsprechenden Montagegliedern angebracht sind, die in den
Druckeinheit-Montagegliedern mit einem Boden gebildet sind, wird
die Anzahl der Komponenten im Vergleich zum Stand der Technik
beträchtlich verringert. Zusätzlich wird die Anzahl der Montage
schritte wesentlich reduziert, um die Montagegenauigkeit zu
verbessern. Da das Druckeinheit-Montageglied einen Boden auf
weist und die Mechanismen zur Vergrößerung sehr kleiner Ver
schiebungen radial angeordnet sind, kann der Druckkopf des
weiteren in der äußeren Form vereinfacht, seine Größe und sein
Gewicht können im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich
reduziert und sein Antrieb kann einfach gesteuert werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung erge
ben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entneh
menden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern
auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu
entnehmenden Ausführungsbeispielen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vergrößerungsvorrichtung sehr
kleiner Verschiebung,
Fig. 2 bis 4 Prinzipdarstellungen zur Erläuterung des
Vergrößerungsvorgangs der Vorrichtung gemäß
Fig. 1,
Fig. 5 eine Draufsicht eines Druckkopfes, der die Vorrichtung
nach Fig. 1 benutzt,
Fig. 6 eine Teildarstellung entlang der Linie 6-6 in Fig. 5,
Fig. 7 eine Draufsicht einer Befestigungseinrichtung einer
Druckeinheit,
Fig. 8 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 8-8 in
Fig. 7,
Fig. 9 eine Teildarstellung eines modifizierten Druckkopfes,
Fig. 10 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer
Vergrößerungsvorrichtung einer sehr kleinen Verschie
bung,
Fig. 11 bis 13 Prinzipdarstellungen des
Vergrößerungsvorganges
der Vorrichtung nach Fig. 10,
Fig. 14 eine Teilansicht eines Druckkopfes, der die Vorrichtung
nach Fig. 10 benutzt,
Fig. 15 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer
Vergrößerungsvorrichtung für sehr kleine Verschie
bungen gemäß der Erfindung,
Fig. 16 bis 18 Prinzipdarstellungen zur Erläuterung des
Vergrößerungsvorganges der Vorrichtung gemäß
Fig. 15,
Fig. 19 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vergrößerungsvorrichtung für sehr
kleine Verschiebung,
Fig. 20 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des
Vergrößerungsvorganges der Vorrichtung gemäß Fig.
19,
Fig. 21 eine Teilansicht eines Druckkopfes, der die Vorrichtung
gemäß Fig. 19 benutzt,
Fig. 22 eine Seitenansicht einer fünften Ausführungsform einer
Vergrößerungsvorrichtung für sehr kleine Verschie
bung,
Fig. 23 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des
Vergrößerungsvorganges der Vorrichtung gemäß Fig.
22,
Fig. 24 eine Darstellung zur Erläuterung des
Vergrößerungsfaktors der Vorrichtung gemäß Fig. 22,
Fig. 25 eine Seitendarstellung einer Modifikation der fünften
Ausführungsform,
Fig. 26 und 27 Seitenansichten von einem Anwendungsbeispiel
der Vorrichtung gemäß Fig. 22,
Fig. 28 eine Darstellung zur Verdeutlichung einer
Befestigungsmethode eines piezoelektrischen Elementes
in der Vorrichtung gemäß Fig. 22 und
Fig. 29 eine Seitendarstellung einer Vergrößerungsvorrichtung
für sehr kleine Verschiebung nach dem Stand der
Technik.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Mechanismus
zur Vergrößerung bzw. einer Vergrößerungsvorrichtung einer
sehr kleinen Verschiebung gemäß der Erfindung. In der Fig. wird
mit dem Bezugszeichen (11) ein stationärer Rahmen als erster
Rahmen bezeichnet, der aus einem Metallbauelement hergestellt
ist, z. B. aus einem Stahlbauelement für eine Feder, das einen
großen Elastizitätsmodul aufweist. Der stationäre Rahmen (11) hat
im wesentlichen L-Form mit einem horizontalen Teil (11 a) und
einem vertikalen Abschnitt (11 b). Bezugszeichen (12) kennzeich
net ein erstes bewegliches Element, das eine polygone Form
aufweist, z. B. eine im wesentlichen Parallelogrammform, mit Seiten
bf, fe, ed, dh, hg und gd . Die Seiten fe und hg des ersten
beweglichen Elementes (12) stellen ein erstes Paar von Befesti
gungsabschnitten (12 a) und (12 b) eines piezoelektrischen Ele
mentes dar, die eine feste lichte Weite aufweisen, so daß das
erste bewegliche Element eine hexagonale Form in direkter Sicht
aufweist. Die Länge dieser Seiten fe und hg ist durch die Breite
des piezoelektrischen Elementes (13) vorgegeben. Im Arbeitsvor
gang wirken die Seiten fe und hg als Verbindungsenden (a) und
(c), und aus der Sicht des Betätigungsvorganges, der nachste
hend im Ausführungsbeispiel beschrieben wird, wird das erste
bewegliche Element (12) als ein Parallelogrammverbindungsmecha
nismus mit Spitzen (a) bis (d) erläutert. Gleiches gilt für die
folgenden zweiten bis fünften Ausführungsformen. Das erste
bewegliche Element (12) weist Befestigungsabschnitte (12 a) und
(12 b) für das piezoelektrische Element auf, die parallele Oberflä
chen aufweisen, die an gegenüberliegenden Spitzen (a) und(c)
vorgesehen sind. Das piezoelektrische Element (13), welches eine
Dimensionsverformung mittels eines piezoelektrischen Effekts
hervorrufen kann, ist im zusammengedrückten Zustand zwischen
den Befestigungsabschnitten (12 a) und (12 b) gesichert. Die
Enden (e, f) und (g, h) der Befestigungsabschnitte (12 a) und
(12 b) sind in einem Umfang eingekerbt, daß sie als bewegliche
Verbindungsabschnitte oder Drehbefestigungen dienen.
Die Seite hd des ersten beweglichen Elementes (12) auf der Seite
des horizontalen Abschnitts (11 a) und genauso an der Seite des
vertikalen Abschnittes (11 b) ist integral mit einem unteren Ab
schnitt des vertikalen Abschnitts (11 b) ausgebildet. Es ist adap
tiert, um über seine Seite hd als Hebelpunkt entsprechend der
Dimensionsverformung im piezoelektrischen Element (13) deformiert
zu werden, um eine erste Drehverschiebung oder -verstellung auf
den stationären Rahmen (11) hervorzurufen. Die Länge (d-d′)
eines Verbindungsabschnitts zwischen der Seite hd und dem
vertikalen Abschnitt (11 d) ist so gelegt, daß es die Drehfunktion
der beweglichen Verbindungsabschnitte (d) und (h) nicht bloc
kiert, z. B. im wesentlichen zwei Drittel des oberen Abschnitts.
Ein im wesentlichen V-förmiges zweites bewegliches Element (14)
als zweiter Rahmen hat seinen Stamm integral mit der Seite bg des
ersten beweglichen Elementes (12) ausgebildet, wobei es der Seite
hd gegenüberliegend auf der anderen Seite des piezoelektrischen
Elementes (13) verläuft. Das zweite bewegliche Element (14) weist
einen freien Endabschnitt auf, der sich, um das erste bewegliche
Element (12) zu übertreffen, aufwärts erstreckt. Es kann um das
Ende (g) als Hebeldrehpunkt zum vertikalen Abschnitt (11 b) des
stationären Rahmens (1) durch eine horizontale Verschiebung des
Scheitels (b) des ersten beweglichen Elementes (12) gedreht
werden, d. h., eine Winkelstellung der Seite bg , und eine
zweite Verschiebung zur Vergrößerung wird an seinem freien
Ende hervorgerufen. An das freie Ende des zweiten beweglichen
Elementes (14) ist ein Ende des Blattfederelementes (15) mittels
des Verbindungsabschnitts (j) gelötet verbunden. Ein anderes
Blattfederelement (16) weist ein Ende auf, welches mit dem freien
Ende des stationären Rahmens (11) mittels des Verbindungsab
schnitts (j) gelötet verbunden ist. Die anderen Enden der Blatt
federelemente (15) und (16) sind in einem Verbindungsabschnitt
(k) miteinander verbunden, um einen Ausgangsabschnitt zu
begründen. Ein Druckerdraht (17) hat ein Ende, welches als An
triebselement dient, ist an dem Verbindungsabschnitt (k) gesi
chert und erstreckt sich parallel zu dem piezoelektrischen Element
(13). Beim stationären Rahmen (11) hat der horizontale Abschnitt
(11 a) sein freies Ende entsprechend in Position zu dem unteren
Ende des zweiten beweglichen Elementes (14), und der vertikale
Abschnitt (11 b) hat sein freies Ende entsprechend in Position zu
dem oberen Ende des zweiten beweglichen Elementes (14). Der
stationäre Rahmen (11) umgibt und schützt eine vertikale Seite
und ein unteres Ende eines Vergrößerungsabschnitts, bestehend
aus den ersten und zweiten beweglichen Elementen (12) und (14).
Der vertikale Abschnitt (11 b) des stationären Rahmens (11) hat
einen Vorsprung entsprechend zu der Aussparung (22) in der
Befestigungseinrichtung bzw. Element (20) einer Druckeinheit.
Das erste und zweite bewegliche Element (12) und (14) sind
zusammen mit dem stationären Rahmen (11) aus einem Metallblech
oder Blechtafel hergestellt. Die Blattfederelemente (15) und (16)
können ebenfalls integral mit dem ersten und zweiten beweglichen
Elementen (12) und (14) hergestellt sein.
Die Funktion bzw. Wirkungsweise der Vergrößerungsvorrichtung
bzw. des Mechanismus zur Vergrößerung der sehr kleinen Ver
schiebung gemäß vorstehender Konstruktion wird nachstehend an
Hand der Fig. 2 bis 4 beschrieben. Fig. 2 zeigt rein schematisch
das erste bewegliche Element 12. Das parallelogrammartige Element
weist Scheitel oder Spitzen (a) bis (d) auf, die mit entsprechen
den Einkerbungen ausgebildet sind, so daß die Spitzen oder
Scheitel die Funktion einer Drehbefestigung bzw. eines Scharniers
ausüben. Die Länge einer jeden Seite ab, bc, cd und de ist zu
jeder Zeit fest vorgegeben und das piezoelektrische Element (13)
ist derart befestigt, daß es sich entlang der diagonalen ac er
streckt, so daß eine Änderung in der Länge der Diagonalen ac als
eine Änderung in der Länge der Diagonalen bd auftritt. Des
weiteren, da die Dreiecke ∆ abc und
∆ abc symmetrisch in bezug auf die Diagonale ac sind, stellt
eine Veränderung in der Länge b 0 mit einer Veränderung in der
Länge der Diagonalen ac eine Hälfte der Änderung in der Länge
der Diagonalen bd dar. Des weiteren bildet eine Änderung in der
Länge ª 0 , wenn das ∆ ab 0 betrachtet wird, eine Hälfte der
Änderung in der Länge der Diagonalen ac .
Auf der Grundlage der zuvor erfolgten Beschreibung wird nun
die Vergrößerungswirkung des ersten beweglichen Elementes (12)
in bezug auf eines der vier Dreiecke des Parallelogramms, d. h.
des ∆ ab 0 beschrieben. In Fig. 3(a) verdeutlicht die durch
gezogene Linie den Zustand des Parallelogramms ohne Änderung in
der Länge der langen Diagonalen ac , d. h., wenn keine Spannung
an das piezoelektrische Element (13) angelegt ist. Wenn eine
Spannung an das piezoelektrische Element (13) angelegt ist, wird
eine Dimensionsveränderung bzw. -verformung in Richtung des
Pfeils (A) in Fig. 1 hervorgerufen, so daß die Diagonale ac
geringfügig durch ∆A und ∆A′ verlängert wird, wie es durch
die durchgezogene Linie in Fig. 3(b) gezeigt ist. Die gesamte
Verschiebung des Elementes (13), die zu dieser Zeit hervorgeru
fen ist, beträgt ∆A + ∆A′. Die linken und rechten Seiten ab
und bc sind, wie zuvor bemerkt, in ihrer Länge gleich. Praktisch
beträgt der Winkel < ba 0 10 bis 20°, und das Vergrößerungsver
hältnis war für Fälle berechnet, wenn der Winkel R = 10 bzw. 20°
betrug. Angenommen, die Länge der Seite ab ist 10 mm und die
Verlängerung Δ A der Seite ao ist 0,01 mm, d. h. die Gesamtver
formung des piezoelektrischen Elementes beträgt 0,02 mm
wenn R = 20°, wäre die Verlängerung der Diagonalen bd 0,054 mm
entsprechend einem Vergrößerungsverhältnis von 2,7. Wenn R =
10° beträgt, wäre das Vergrößerungsverhältnis 5,7.
Zurückkommend auf die Fig. 1 hat der Parallelogrammechanismus,
wie zuvor bemerkt, seine Seite hd integral mit dem vertikalen
Abschnitt (11 b) des stationären Rahmens (11), während die
Vergrößerungsfunktion des ersten beweglichen Elementes (12) so
wie zuvor beschrieben ist. Daher wird die durch den Parallelo
grammechanimus vergrößerte Dimensionsverformung des piezo
elektrischen Elements (13) in Richtung des Pfeils (A) kollektiv in
den Seiten fb, bg und de des ersten beweglichen Elementes (12)
so erzeugt, daß eine Drehung in Richtung des stationären Rah
mens (11) hervorgerufen wird, d. h. in Richtung eines Pfeils (B).
Obgleich das zweite bewegliche Element (14) deformiert ist, wie es
durch die durchgezogene Linie in Fig. 3(b) gezeigt ist, da seine
Seite cd integral mit dem vertikalen Abschnitt (11 b) ausgebildet
ist, erfährt es gleichzeitig eine Winkelverstellung, um den Punkt
(c) als Drehpunkt zum vertikalen Abschnitt (11 b) hin, wie es
durch die gebrochene Linie in Fig. 3(a) gezeigt ist, um so eine
vergrößerte Verschiebung in dem Verbindungsabschnitt (j) am
freien Ende hervorzurufen. Das Vergrößerungsverhältnis beträgt
in diesem Fall jg/bg . Die vergrößerte Verschiebung, hervorgeru
fen am freien Ende des zweiten beweglichen Elementes (14), wird
durch das Federelement (15) weiter vergrößert, bevor sie zu dem
Druckerdraht (17) übermittelt wird. Diese Vergrößerungsfunktion
wird nun an Hand der Fig. 4 beschrieben. Eine vergrößerte
Verschiebung in Richtung des Pfeils (C) am freien Ende des
zweiten beweglichen Elementes (14) wird dann erzeugt, wenn das
Federelement (15), das damit verbunden ist, in Richtung des
Pfeils (D) bewegt wird. Das andere Ende des Federelementes (15)
wird mit einem Ende des anderen Federelementes (16) im Befesti
gungsabschnitt (k) verbunden, und das andere Ende des Feder
elementes (16) wird mit dem freien Ende (i) des vertikalen Ab
schnitts (11 b) des stationären Rahmens (11) verbunden. Die
Verbindungs- oder Kuppelungsabschnitte (k), (j) und (i) der
Federelemente (15) und (16) bilden ein Dreieck. Wenn somit eine
Kraft auf das Federelement ausgeübt wird, wird das Dreieck mit
dem Verbindungsabschnitt (i) als Drehbewegung in Richtung
des Pfeils (D) bewegt, das bedeutet, daß hier eine Komponente
der Verstellung in Richtung des Pfeils (E) in bezug auf den
Verbindungs- oder -kupplungsabschnitt (k) besteht. Das Vergrö
ßerungsverhältnis der Verstellung bzw. Verschiebung beträgt in
diesem Fall ik/ÿ . Die Verstellung, die in dem Kupplungsabschnitt
(k) erzeugt wird, erreicht auf diesem Wege das mehrere Zehn
fache der Dimensionsverformung des piezoelektrischen Elementes
(13) als Ursache der Verstellung bzw. Verschiebung. Diese
Verstellung wird als solche zu dem Druckelement wie Drucker
draht (17), der an dem Kupplungsabschnitt (k) gesichert ist,
übermittelt.
Wie gezeigt, werden in dieser Ausführungsform des Mechanismus
der Vergrößerung der sehr kleinen Verschiebung bzw. Verstel
lung mit der zuvor dargelegten Vergrößerungsfunktion der
stationäre Rahmen (11) und das erste und das zweite bewegliche
Element (12) und (14) integral aus einer einzigen Blechtafel bzw.
Metallblech gebildet, das piezoelektrische Element (13), der sta
tionäre Rahmen (11), das erste und das zweite bewegliche Element
(12) und (14) und der Druckerdraht (17) sind parallel angeord
net, der Druckerdraht (17) ist innerlich und das zweite beweg
liche Element (14) zum piezoelektrischen Element (13) hin
angetrieben. Daher ist der Antriebsabschnitt, der Vergröße
rungsabschnitt und der Druckerdrahtabschnitt im wesentlichen in
dem gleichen Bereich untergebracht. Daher ist diese Ausfüh
rungsform des Vergrößerungsmechanismus der sehr kleinen Ver
schiebung bzw. Verstellung in seiner Abmessung im Vergleich zu
dem Stand der Technik mit einem piezoelektrischen Element (13)
gleicher Größe extrem reduziert, d. h. die Dimension davon in
longitudinaler Richtung des Ausführungsbeispiels bei gleichem
Vergrößerungsverhältnis. Dies bedeutet, daß wenn ein Druck-
oder Druckerkopf, der eine Vielzahl z. B. 24 Drucknadeln bzw.
Drähte aufweist, konstruiert werden kann, ist nicht nur eine
große Reduzierung der Größe und des Gewichtes, des weiteren
des Preises erzielbar, sondern auch der Druckkopf kann ferner
neue Anwendungen aufgrund seiner geringen Größe und seinem
geringen Gewichts finden.
Als ein weiterer Effekt der Ausführungsform des Vergrößerungs
mechanismus für die sehr kleine Verschiebung bzw. Verstellung
ist es möglich, die Schnelligkeit bzw. Leichtigkeit der Befestigung
des piezoelektrischen Elementes in dem Vergrößerungsmechanismus
bzw. in der Vergrößerungsvorrichtung zu verbessern. Das piezo
elektrische Element (13) ist gewöhnlich mit einer Längendimensi
onsgenauigkeit von 1/100 mm hergestellt, d. h., eine vergleichs
weise hohe Dimensionsgenauigkeit ist vorgesehen. Jedoch gibt es
da natürlich Dimensionsschwankungen. Des weiteren ist es in dem
Vergrößerungsmechanismus notwendig, eine hohe Dimensionsge
nauigkeit in dem Bereich vorzusehen, in dem das piezoelektrische
Element (13) befestigt wird. Jedoch sind gleichfalls Schwankungen
bzw. Abweichungen unvermeidlich. Des weiteren ist das piezo
elektrische Element (13) des Schicht- bzw. Lagentyps gewöhnlich
schwach in bezug auf Zugkräfte, gleichwenn es stark gegenüber
Druckkräften ist. Daher ist es erforderlich zu berücksichtigen,
daß das piezoelektrische Element, das in dem Vergrößerungsme
chanismus bzw. der Vergrößerungsvorrichtung montiert ist, ein
gewisses Maß von Druckkräften im Normalzustand ohne angelegte
Spannung erfährt. Natürlich ist der Umfang der durch die
Verschiebung des piezoelektrischen Elementes (13) hervorgerufene
Vergrößerungsverstellung bzw. -verschiebung des vergrößernden
Mechanismus abgedeckt innerhalb der Grenzen der Elastizität des
Gesamtmechanismus, und der verschobene Mechanismus wird durch
die Kombination der elastischen Rückstellkräfte selbst und die
Schrumpfkraft des piezoelektrischen Elementes (13) in die Aus
gangslage zurückgestellt. Jedoch dort, wo das piezoelektrische
Element (13) normalerweise in einem zusammengedrückten Zustand
gehalten ist, wird es nicht wesentliche Zugkräfte erfahren, was
sehr effektiv in bezug auf den Schutz des piezoelektrischen
Elementes (13) ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist in dem vorlie
genden Mechanismus bzw. der Vorrichtung die Dimension zwischen
den das piezoelektrische Element haltenden Abschnitten (12 a) und
(12 b) des ersten beweglichen Elementes (12) geringfügig schmaler
als die entsprechende Abmessung des piezoelektrischen Elements
(13) gewählt. Wenn das piezoelektrische Element (13) montiert
wird, werden nach innen gerichtete externe Kräfte an den Spitzen
(d) und (b) entlang der kurzen Diagonale bd angelegt, um den
Abstand zwischen den Befestigungsabschnitten (12 a) und (12 b) zu
vergrößern, um größer als die Länge des piezoelektrischen Ele
mentes (13) zu werden. Dann kann das piezoelektrische Element
(13) leicht montiert werden, da Druckkräfte auf das piezoelek
trische Element (13) durch die Elastizität der Vorrichtung nach
dem Montieren des Elementes (13) geliefert werden. Auf diese
Weise kann der Mechanismus leichter zusammengesetzt werden im
Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen.
Des weiteren besitzt in der obigen Vorrichtung zur Vergrößerung
sehr kleiner Verschiebungen das erste bewegliche Element (12)
eine Parallelogrammform symmetrisch in bezug auf die Mittelachse
des piezoelektrischen Elements (13). Daher wird die Verschiebung
des piezoelektrischen Elements (13) in longitudinaler Richtung
gleichermaßen nach links und nach rechts übertragen, um eine
Biegebeanspruchung im Element (13) hervorzurufen. Ferner hat
die Vorrichtung bzw. der Mechanismus eine vergleichsweise kleine
Anzahl von Drehbefestigungen, so daß es möglich ist, einen
verschwenderischen Energieverbrauch zu reduzieren. Da der
stationäre Rahmen eine Seite und das untere Ende des beweg
lichen Abschnittes, das von den ersten und zweiten beweglichen
Elementen (12) und (14) gebildet wird, umgibt, ist es ferner
möglich, den beweglichen Abschnitt zu schützen und den Mecha
nismus leicht in eine Haltevorrichtung eines Druckwerks, das
nachfolgend beschrieben wird, zu montieren. Des weiteren ist die
Parallelogrammform des Befestigungsmechanismus, bestehend aus
dem ersten beweglichen Element (12), nicht beschränkt auf eine
geometrisch streng Parallelogrammform, sondern kann in einem
gewissen Maße modifiziert werden. Ferner ist es möglich, einen
Verbindungsmechanismus anzunehmen, der eine andere Polygon
form als eine hexagonale Form aufweist. Ganz allgemein kann
solange irgendeine Form angenommen werden, wie eine Dimensi
onsverformung des piezoelektrischen Elementes (13) in transver
saler Richtung des piezoelektrischen Elementes (13) erzeugt
werden kann.
Die zuvor beschriebene Ausführungsform des Mechanismus bzw.
der Vorrichtung zur Vergrößerung kleiner Verschiebungen ist
anwendbar bei Matrix- bzw. Nadeldruckerköpfen, Relais, Positio
niermechanismen, Lautsprechern und verschiedenen anderen
Mechanismen und Vorrichtungen.
Fig. 5 ist eine Draufsicht eines Druckkopfes benutzend eine
Vielzahl von Mechanismen zur Vergrößerung sehr kleiner Ver
schiebungen zuvor beschriebener Art. In Fig. 6 ist eine Teilan
sicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5 wiedergegeben. Der Fig. 7
ist eine Draufsicht einer Befestigungseinrichtung einer Drucker
einheit zu entnehmen. Schließlich ist in Fig. 8 eine Teildarstel
lung entlang der Linie 8-8 in Fig. 7 wiedergegeben. In den
Figuren ist mit dem Bezugszeichen (20) ein Befestigungsteil für
eine Druckeinheit dargestellt, die hohlzylindrische Form mit einem
Boden aufweist. In dem Befestigungselement bzw. der Befesti
gungseinrichtung (20) der Druckereinheit sind radial eine Vielzahl
z. B. 24 Mechanismen zur Vergrößerung sehr kleiner Verschie
bungen bzw. Verstellungen angeordnet. Genauer hat das Befesti
gungselement (20) für die Druckeinheit seine inneren Peripher-
und Bodenflächen, die aus 24 radial zueinander beabstandeten
Befestigungsaussparungen wie Rillen (21) gebildet sind, von
denen jede mit den Positionen der Befestigung der horizontalen
und vertikalen Abschnitte (11 a) und (11 b) eines jeden Mechanis
mus zur Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen (19) überein
stimmt. Die horizontalen und vertikalen Abschnitte (11 a) und
(11 b) einer jeden Vorrichtung zur Vergrößerung sehr kleiner
Verschiebungen ist in jede dieser Befestigungsaussparungen wie
Rillen (21) eingepaßt. Die Befestigungseinrichtung (20) der
Druckereinheit weist eine zylindrische Führung (22) auf, die sich
nach innen vom Zentrum des Bodens erstreckt. Die zylindrische
Führung (22) ist hohl und weist ein Hilfsführungselement (23)
zum Führen im wesentlichen zentraler Abschnitte der Druckdrähte
(17) auf, die an den Vorrichtungen zur Vergrößerung sehr
kleiner Verschiebungen gesichert sind. Ferner ist ein Drahtan
ordnungselement oder -teil (24) zum Anordnen von Endabschnitten
der Druckdrähte (17) in zwei Reihen vorgesehen. Die obere
Endfläche der Befestigungseinrichtung (20) der Druckeinheit ist
mit Eingriffsaussparungen wie Halterillen (25) versehen, in die
Vorsprünge (18) der entsprechenden Vergrößerungsvorrichtung
(19) für sehr kleine Verschiebungen einpaßbar sind.
Genauer gesagt sind in dem Druckkopf die einzelnen Vorrich
tungen bzw. Mechanismen (19) zur Vergrößerung kleiner Ver
schiebungen in dem Befestigungsteil (20) der Druckeinheit mit
den horizontalen und vertikalen Abschnitten (11 a) und (11 b) des
stationären Rahmens (11) von jedem dieser in je einem der radial
zueinander beabstandeten Befestigungsaussparungen wie Rillen
(21) eingepaßt, der Vorsprung (18) einer jeden bzw. eines jeden
eingepaßt in jede Befestigungsaussparung (25), die in dem oberen
Randbereich des Elementes (20) gebildet ist und jeder Drucker
draht (17) ist von einem Hilfsführungselement (23) geführt,
welches in der Führung (22) vorgesehen ist und durch ein ent
sprechend vorgesehenes Loch des Drahtanordnungsteils (24)
eingesetzt.
Mit diesem Druckkopf, der von der dem Stand der Technik zu
entnehmenden Konstruktion abweicht, ist kein Abstandshalter
erforderlich, so daß die Anzahl der Komponenten erheblich redu
ziert werden kann. Zusätzlich ist es zum Anordnen nur erforder
lich, daß die stationären Rahmen (11) der Vergrößerungsmecha
nismen (19) sehr kleiner Verschiebungen in die Befestigungsaus
sparungen (21) des Befestigungsteils (20) der Druckeinheit und
die Vorsprünge in die Befestigungsaussparung (25) eingebracht
werden. Somit ist keine beschwerliche Arbeit wie das Festziehen
von Schrauben notwendig und die Genauigkeit des Anordnens
wird verbessert. Ferner bilden die Aussparungen wie Rillen (21)
mit dem stationären Rahmen (11) ein Einheit, um die mechanische
Festigkeit des Rahmens (11) zu verstärken. Ferner können sämt
liche Mechanismen bzw. Vorrichtungen (19) zur Vergrößerung
sehr kleiner Verschiebungen mit dem Befestigungsteil (20) der
Druckeinheit von oben zu einer Zeit gesichert werden, indem ein
Deckelelement (26) auf die Spitze der Befestigungseinrichtung
(20) der Druckeinheit mit Stellschrauben (27) oder ähnliches
derart befestigt werden, daß die innere Fläche des Deckelele
mentes (26) mit der oberen Endfläche des vertikalen Abschnitts
(11 b) eines jeden Mechanismusses zur Vergrößerung einer sehr
kleinen Verschiebung in Kontakt gelangt, wie es in Fig. 6 darge
stellt ist. In Fig. 5 sind mit den Bezugszeichen (27 a) mit Gewinde
versehene Bohrungen bezeichnet, die für die Stellschrauben (27)
vorgesehen sind. Ferner kann zu dem Druckkopf bemerkt werden,
daß die Form der Vorrichtung bzw. Mechanismen (19) zur Ver
größerung sehr kleiner Verschiebungen und die Form des Befesti
gungselementes oder -teils (20) der Druckereinheit derart ausge
wählt sein, daß der Kopf im wesentlichen eine zylindrische Form
aufweist. Ferner ist der Kopf in seiner äußeren Form einfach und
erheblich reduziert in Größe und Gewicht im Vergleich zu den
bekannten. Folglich kann die Antriebskontrolle vereinfacht werden
und es können Anwendungen gefunden werden, die bisher nicht
vorstellbar sind.
In der Konstruktion nach Fig. 6 sind die Befestigungslöcher (21)
zum Montieren der Mechanismen bzw. Vorrichtungen (19) zum
Vergrößern einer sehr kleinen Verschiebung im Befestigungsteil
(20) der Druckeinheit in den inneren Boden und Peripherflächen
des Elementes in Übereinstimmung mit den horizontalen und verti
kalen Abschnitten (11 a) und (11 b) der Vorrichtung bzw. der
Mechanismen (19) ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, die
Befestigungsaussparungen nur in der inneren peripheren Fläche
auszubilden, um nur die vertikalen Abschnitte (11 b) der Vorrich
tung (19) zur Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen aufzu
nehmen. Ferner kann das untere Ende des vertikalen Abschnitts
(11 b) mit einem Vorsprung (28) und der Boden des Befestigungs
teils (20) der Druckeinheit mit einer entspechenden Ausnehmung
wie Loch (28) zum Einbringen des Vorsprungs (29) in diese zu
versehen. Ferner kann die Peripherie der Führung (22) mit
Befestigungsaussparungen wie Rillen versehen sein, und das freie
Ende des horizontalen Abschnitts (11 a) eines jeden
Mechanismusses (19) zur Vergrößerung einer sehr kleinen Ver
schiebung mag in jedes von dieser Befestigungsaussparungen
eingebracht werden. Ferner ist die Vorrichtung bzw. der Mecha
nismus (19) zur Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen in
keiner Weise einschränkend; z. B. ist es möglich, eine Vorrichtung
zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung, wie sie in
Fig. 10 dargestellt ist, zu benutzen, die eine unterschiedliche
Vergrößerungsfunktion zeigt. Ganz allgemein kann ein Mechanis
mus so lange benutzt werden, wie sein vertikaler Teil einen
Befestigungsabschnitt aufweist. In bezug auf den Druck- oder
Druckerkopf ist die zylindrische Form des Befestigungselementes
bzw. -teils der Druckereinheit in keiner Weise einschränkend und
es ist möglich, eine leicht modifizierte Form anzunehmen, z. B.
eine Form, die ein Ovalteilprofil oder ein winkelförmiges Teilprofil
aufweist.
Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vergrößerungs
vorrichtung einer sehr kleinen Verschiebung gemäß der Erfin
dung. Zurückkommend auf diese Figur bezeichnet das Bezugszei
chen (51) einen aus einem Metallblech hergestellten stationären
Rahmen. Ein erstes bewegliches Element (54) ist oberhalb dem
stationären Rahmen (51) angebracht. Das erste bewegliche Element
(54) hat eine polygone Form, z. B. eine Parallelogrammform. Die
Befestigungsabschnitte (54 a) und (54 b) des piezoelektrischen
Elements mit ihren entsprechenden parallen Flächen sind an
Spitzen an einer langen Diagonalen vorgesehen. Ein piezoelek
trisches Element ist zwischen diesen Befestigungsabschnitten (54 a)
und (54 b) zusammengedrückt gesichert. Ein stationärer Rahmen
(51 a) als erster Rahmen und ein beweglicher Rahmen (52 a) als
zweiter Rahmen sind an den gegenüberliegenden Seiten des ersten
beweglichen Elements (54) mit dem stationären Rahmen (51) ver
bunden, so daß sie parallel zu dem piezoelektrischen Element (53)
verlaufen. Der bewegliche Rahmen (52) hat im wesentlichen eine
V-Form und ist über einen beweglichen Befestigungsabschnitt (e)
mit dem stationären Rahmen (51) verbunden. In der Zwischenzeit
bildet der stationäre Rahmen (51 a) mit dem stationären Rahmen
(51) in L-Form ein Ganzes.
Eine der Spitzen des ersten beweglichen Elements (54) auf der
anderen Diagonale ist über einen beweglichen Verbindungsab
schnitt (d) mit dem stationären Rahmen (51 a) gesichert. Die
andere Spitze ist über einen beweglichen Verbindungsabschnitt
(b) mit dem beweglichen Rahmen (52) in einer symmetrischen
Position zu dem Verbindungsabschnitt (d) verbunden. Das erste
bewegliche Element (54) ist in bezug auf das piezoelektrische
Element (53) symmetrisch. Wenn somit eine Dimensionsverformung
im piezoelektrischen Element (53) hervorgerufen wird, wird die
Verformung im wesentlichen seitlich flach im beweglichen Element
(54) hervorufen. Das bedeutet, daß keine unvoreingenommene
Beanspruchung im piezoelektrischen Element (53) bewirkt wird.
Dies hat den Effekt, daß die Erzeugung einer Biegebeanspru
chung im piezoelektrischen Element (53), somit ein Bruch des
Elements (53) vermieden und der effektive Verbrauch von im
Element (53) erzeugter Energie ermöglicht wird.
Der bewegliche Rahmen (52) kann um den beweglichen Verbin
dungsabschnitt (e) als Drehpunkt gedreht werden unter durch
Beanspruchung entstandene Deformierung des ersten beweglichen
Elements (53) in horizontaler Richtung. Ein Blattfederelement (55)
ist über den Verbindungsabschnitt (g) mit dem freien Ende des
beweglichen Rahmens (52) verlötet.
Der stationäre Rahmen (51 a) hat am oberen Ende einen horizon
talen Abschnitt (51 c), an dem ein Ende eines anderen Blattfeder
elements (56) über einen Verbindungsabschnitt (f) angelötet ist.
Die anderen Enden der Federelemente (55) und (56) sind zusam
men in einem Verbindungsabschnitt (h) verbunden und die Wurzel
eines sich nach unten erstreckenden Druckerdrahtes (57) ist am
Verbindungsabschnitt (h) gesichert. Der bewegliche Rahmen (52)
und das erste bewegliche Element (54) werden zusammen mit den
stationären Rahmen (51, 51 a) aus einem Metallblech gebildet. Die
Federelemente (55) und (56) können mit den stationären Rahmen
(51), (51 a) bzw. dem beweglichen Rahmen (52) ein Ganzes bilden.
Der Vorgang der Vergrößerungsvorrichtung der sehr kleinen
Verschiebung mit dem obigen Aufbau wird nunmehr in bezug auf
die Fig. 10 bis 13 beschrieben. Die Fig. 11 zeigt das
erste bewegliche Element (54). Dieses Parallelogrammelement hat
seine Spitzen (a) bis (d), die mit entsprechenden Kerben gebildet
sind, so daß diese Spitzen als Drehbefestigung dienen. Die Länge
jeder Seite ab, bd, dc und de ist jederzeit festgesetzt,und das
piezoelektrische Element (53) wird so montiert, daß es sich ent
lang der langen Diagonale ac erstreckt, so daß ein Änderung der
Länge der Diagonalen ac als eine Änderung in der Länge der
Diagonalen bd erscheint. Da die Dreiecke ∆ abc und ∆ adc sind
symmetrisch in bezug auf die Diagonale ac , ist des weiteren die
Änderung in der Länge b 0 mit einer Änderung in der Länge der
Diagonalen ac eine halbe Änderung in der Länge der Diagonalen
bd . Weiterhin ist, wenn man das Dreieck ∆ ab 0 betrachtet, eine
Änderung in der Länge ª 0 eine halbe Änderung in der Länge der
Diagonalen ac .
Auf der Basis der obigen Beschreibung wird nunmehr die Vergrö
ßerungsfunktion des ersten beweglichen Elements (54) in bezug
auf eines der vier Dreiecke des Parallelogramms, d. h. das Dreieck
∆ ab 0 beschrieben. In Fig. 12(a) zeigt die durchgezogene Linie
den Zustand des Parallelogramms ohne jede Änderung in der Länge
der langen Diagonalen ac , d. h. wenn keine Spannung an das
piezoelektrische Element (53) angelegt ist. Wenn an dem piezo
elektrischen Element (53) eine Spannung angelegt ist, wird eine
Dimensionsverformung in Richtung des Pfeils (A) in Fig. 1 her
vorgerufen, so daß die Diagonale ac leicht durch ∆A und ∆A′
verlängert wird, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 12(b)
gezeigt. Die gleichzeitig hervorgerufene Verschiebung des gesam
ten Elements (53) ist ∆A + ∆A′. Wie obenerwähnt, weisen die
linke und rechte Seite ab und bc eine gleiche Länge auf. Insbe
sondere beträgt der Winkel
< ba 0 10 bis 20°, und das Vergrößerungsverhältnis wurde für
die Fälle kalkuliert, wenn der Winkel R jeweils 10 und 20°
beträgt. Nimmt man an, daß die Länge der Seite ab 10 mm und
die Verlängerung ∆A der Seite ª 0 0,01 mm beträgt, d. h. wenn
die Gesamtverschiebung des piezoelektrischen Elements (53) 0,02
mm und wenn R = 20° ist, beträgt die Verlängerung der Diago
nale bd 0,054 mm entsprechend einem Vergrößerungsverhältnis
von 2,7. Wenn R = 10°, ist das Vergrößerungsverhältnis 5,7.
Während die Vergrößerungsfunktion des ersten beweglichen Ele
ments 54 wie oben beschrieben abläuft, bildet der Parallelogramm
mechanismus über den beweglichen Verbindungsabschnitt (d) mit
dem stationären Rahmen (51 a) sowie mit dem beweglichen Rahmen
(52) im beweglichen Verbindungsabschnitt (b), der wie oben
angegeben dem beweglichen Verbindungsabschnitt (d) gegenüber
liegt, eine Einheit. Des weiteren ist der bewegliche Rahmen (52)
an der Wurzel zum stationären Rahmen (51) über den Verbin
dungsabschnitt (e) verbunden. Somit wird eine Dimensionsverfor
mung des durch den Parallelogrammechanismus vergrößerten
piezoelektrischen Elements (53) konzentriert an dem beweglichen
Verbindungsabschnitt (b) in Richtung des Pfeils (B) erzeugt. Der
bewegliche Rahmen (52) wird so um den beweglichen Verbin
dungsabschnitt (e) als Drehpunkt gedreht. Als Ergebnis wird
eine vergrößerte Verschiebung im Verbindungsabschnitt (g) mit
dem Federelement (55) erzeugt. Das Vergrößerungsverhältnis in
diesem Fall ist eg/eb . Die am Ende des beweglichen Rahmens (52)
hervorgerufene vergrößerte Verschiebung wird weiter durch die
Federelemente (55) und (56) vergrößert, ehe sie zu dem Drucker
draht (57) übertragen wird.
Die Vergrößerungsfunktion wird nun in bezug auf Fig. 13 be
schrieben. Wenn eine vergrößerte Verschiebung in Richtung des
Pfeils (C) am Ende des beweglichen Rahmens (52) durchgeführt
wird, wird die damit verbundene Feder 55 in Richtung des Pfeils
(D) bewegt. Das andere Ende des Federelements (55) ist mit
einem Ende des anderen Federelements (56) in dem Verbindungs
abschnitt (h) verbunden, und das andere Ende des Federelements
(56) ist mit dem freien Ende des stationären Rahmens (51 a)
verbunden. Die Verbindungsabschnitte (h), (f) und (g) der
Federelemente (55) und (56) bilden ein einfaches Dreieck. Wenn
somit eine Kraft auf das Federelement (55) in Richtung des Pfeils
(D) mit dem Verbindungsabschnitt (f) als Drehpunkt ausgeübt
wird, wirkt die Komponente am Verbindungsabschnitt (h) in
Richtung des Pfeils (E). Das Vergrößerungsverhältnis der Ver
schiebung ist zu dieser Zeit fh/fg . Auf die zuvor beschriebene
Art wird in diesem Ausführungsbeispiel der Vergrößerungsvor
richtung sehr kleiner Verschiebungen die Dimensionsverformung
des piezoelektrischen Elements (53) zunehmend vergrößert ehe es
zu dem Druckelement wie Druckerdraht (57) übertragen wird.
Wie aufgezeigt, werden in diesem Ausführungsbeispiel der Ver
größerungsvorrichtung sehr kleiner Verschiebungen mit der
obigen Vergrößerungsfunktion - wie in dem vorangegangenen
Ausführungsbeispiel - die stationären Rahmen (51), (51 a), der
bewegliche Rahmen (52) und das erste bewegliche Element (54)
aus einem einfachen Metallblech gebildet, werden das piezoelek
trische Element (53), der stationäre Rahmen (51 a), der bewegliche
Rahmen (52) und der Druckerdraht (57) parallel angebracht, wird
der Druckerdraht (57) nach innen angetrieben und wird der
bewegliche Rahmen (52) zum piezoelektrischen Element (53) hin
angetrieben. Daher werden der Antriebsabschnitt, der Vergröße
rungsabschnitt und der Druckerdrahtabschnitt im wesentlichen im
gleichen Bereich aufgenommen. Somit wird dieses Ausführungsbei
spiel der Vergrößerungsvorrichtung sehr kleiner Verschiebungen
im Vergleich zum Stand der Technik mit der gleichen Größe des
piezoelektrischen Elements äußerst in der Größe reduziert.
Die Fig. 14 zeigt einen Druckkopf, der die obige Vergrößerungs
vorrichtung sehr kleiner Verschiebungen benutzt. Genauer gesagt
wird eine Vielzahl von Vergrößerungsvorrichtungen (58) sehr
kleiner Verschiebungen in entsprechenden Befestigungsrillen
zusammengesetzt, die in einer Befestigungsbasis bzw.
-grundfläche (60) auf einer Druckkopf-Halterung (59) vorgesehen
sind. Die einzelnen Druckdrähte (57) haben einen Teil von einem
zentralen Abschnitt zu den freien Enden, die von einem Füh
rungselement (62) geführt werden, und ihre freien Enden sind in
zwei Reihen durch ein Drahtanordnungselement (61) angeordnet.
Im Vergleich zum Stand der Technik werden die Druckdrähte
somit kompakt aufgenommen. Das Bezugszeichen (63) bestimmt
eine Druckkopfabdeckung.
Als weiterer Effekt des zweiten Ausführungsbeispiels der Vergrö
ßerungsvorrichtung sehr kleiner Verschiebungen ist es möglich,
die Befestigungsschnelligkeit des piezoelektrischen Elements (53)
in der Vergrößerungsvorrichtung zu verbessern. In Fig. 10
werden, wenn das piezoelektrische Element (53) durch Festsetzen
der Dimension zwischen den Befestigungsabschnitten (54 a) und
(54 b) des piezoelektrischen Elements des ersten beweglichen
Elements (54), die etwas kleiner als die entsprechende Dimension
des piezoelektrischen Elements (53) sein soll, befestigt wird, nach
innen wirkende äußere Kräfte auf die beweglichen Verbindungsab
schnitte (d) und (b) auf der kurzen Diagonale bd ausgeübt, um
die Dimension zwischen den Befestigungsabschnitten (54 a) und
(54 b) zu erhöhen, die größer als die Länge des piezoelektrischen
Elements (53) sein soll. Somit kann das piezoelektrische Element
(53) leicht befestigt werden, und das piezoelektrische Element
(53) kann durch die Elastizität des Parallelogrammechanismusses
nach dem Befestigen des Elements (53) zusammengedrückt gehal
ten werden. Auf diese Art kann das piezoelektrische Element (53)
mit dieser Vorrichtung im Vergleich zur Vorrichtung des Standes
der Technik leicht befestigt werden.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Form des Parallelo
grammabschnitts des ersten beweglichen Elements (54) in keiner
Weise auf ein geometrisch stringentes Parallelogramm begrenzt.
Fig. 15 zeigt eine dritte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Mechanismusses zur
Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen. In der Figur ist mit
dem Bezugszeichen (71) ein stationärer Rahmen bezeichnet, der
aus einer Blechtafel bzw. einem Metallblech entsprechend der
vorherigen Ausführungsform hergestellt worden ist. Mit dem
stationären Rahmen (71) sind mittels beweglicher Kuppelabschnitte
(e) und (f) ein erster beweglicher Rahmen (72) als erster Rahmen
und ein zweiter beweglicher Rahmen (73) mit im wesentlichen
einer V-Form als zweiter Rahmen verbunden. Ein piezoelektrisches
Element (74) ist in einem ersten beweglichen Element montiert,
das eine Polygonform wie z. B. im wesentlichen Parallelogrammform
aufweist. Das erste bewegliche Element (72) weist Befestigungsab
schnitte (75 a) und (75 b) auf, die an gegenüberliegenden Scheitel
punkten bzw. Spitzen an der langen Diagonalen vorgesehen sind
und entsprechend parallele Oberflächen aufweisen, und das piezo
elektrische Element (74) ist druckbeaufschlagt zwischen den
Befestigungselementen (75 a) und (75 b) gesichert. Eine der
Spitzen bzw. Scheitelpunktes der anderen Diagonalen des ersten
beweglichen Elementes (75) ist mit dem ersten beweglichen Rahmen
(72) mittels eines beweglichen Kupplungsabschnitts (d) verbunden
und die andere Spitze ist über den beweglichen Kupplungsab
schnitt mit dem zweiten beweglichen Rahmen (74) in einer Position
symmetrisch in bezug zu dem beweglichen Befestigungsabschnitt
(d) verbunden. Wenn eine Dimensionsverformung in dem piezo
elektrischen Element (74) erzeugt ist, ist eine Verformung seitlich
gleichermaßen in dem beweglichen Verbindungsabschnitten (b)
und (d) des ersten beweglichen Elementes (74) hervorgerufen. So
ist keine unvoreingenommene Beanspruchung in dem piezoelek
trischen Element (74) hervorgerufen und daher ist keine Biegebe
anspruchung in dem piezoelektrischen Element (74) erzeugt.
Dadurch ist es möglich, daß ein Bruch des piezoelektrischen
Elementes vermieden wird, und ein effektiver Verbrauch der
erzeugten Energie des piezoelektrischen Elementes (74) wird
gestattet.
Der erste und der zweite bewegliche Rahmen (72) und (73) sind
drehbar um die beweglichen Verbindungsabschnitte (f) und (e)
als Drehgelenk bzw. Drehbefestigung mit Verschiebung der be
weglichen Befestigungsabschnitte (b) und (d) des ersten beweg
lichen Abschnitts (75) in horizontaler Richtung. Ein stabförmiges
Federelement (76) weist ein Ende auf, das durch löten mit dem
freien Ende des zweiten beweglichen Rahmens (73) mittels eines
Kupplungsabschnitts (h) verbunden ist. Ein anderes Federelement
(77) hat ein freies Ende, das mit dem freien Ende des ersten
beweglichen Rahmens (72) mittels des Verbindungselementes (g)
durch Löten verbunden ist. Die anderen Enden der Federelemente
(76) und (77) sind in einem Kupplungsabschnitt (i) miteinander
verbunden und eine Wurzel des nach unten sich erstreckenden
Druckerdrahtes (78) ist an dem Verbindungsabschnitt (i) gesi
chert. Der erste und zweite bewegliche Rahmen (72) und (73)
sind zusammen mit dem stationären Rahmen (71) aus einer Blech
tafel bzw. einem Metallblech geformt. Die Federelemente (76) und
(77) können integral mit dem entsprechenden ersten und zweiten
beweglichen Rahmen (72) und (73) hergestellt sein.
Die Wirkungsweise des Mechanismusses bzw. der Vorrichtung zur
Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen wird nun an Hand der
Fig. 15 bis 19 näher erläutert. Fig. 16 zeigt rein schematisch das
erste bewegliche Element (75). Das parallelogrammartige Element
weist Schneidepunkte bzw. Spitzen (a) bis (d) auf, die mit
entsprechenden Einkerbungen versehen sind, um die Funktion
einer Drehbefestigung auszuüben. Die Länge einer jeden der
Seiten ab, bc, cd und da ist zu jeder Zeit fest. Das piezoelek
trische Element (74) ist in einer Art montiert, das es sich entlang
der langen Diagonalen ac erstreckt, so daß eine Änderung in der
Länge der Diagonalen ac als eine Änderung in der Länge der
Diagonalen bd auftritt. Des weiteren, da die Dreiecke ∆ abc
und ∆ adc symmetrisch in bezug auf die Diagonale ac sind,
bewirkt eine Änderung in der Länge b 0 mit einer Änderung in
der Länge der Diagonalen ac eine halbe Änderung in der Länge
der Diagonalen bd . Des weiteren ist eine Änderung in der Länge
ª 0 , wenn das Dreieck ∆ ab 0 betrachtet wird, eine halbe Ände
rung der Länge der Diagonalen ac .
Auf der Basis der zuvor erfolgten Beschreibung wird nun die
Vergrößerungsfunktion bzw. der Vergrößerungsfaktor des ersten
beweglichen Elements (75) in bezug auf eines der vier Dreiecke
des Parallelogramms, d. h. in bezug auf das Dreieck ∆ ab 0 be
schrieben. In Fig. 17(a) repräsentiert die durchgezogene Linie
den Zustand des Parallelogramms ohne eine Änderung in der
Länge der Diagonalen ac , d. h., wenn keine Spannung an das
piezoelektrische Element (74) angelegt ist. Wenn das piezoelek
trische Element (74) mit einer Spannung beaufschlagt ist, wird
eine Dimensionsverformung in Richtung des Pfeils (A) in Fig. 17
hervorgerufen, so daß die Diagonale ac geringfügig in (A) und
(A′) verlängert ist, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig.
17(b) dargestellt ist. Die Verschiebung in der Gesamtheit des
Elementes (74), die zu dieser Zeit hervorgerufen wird,
beträgt ∆A + ∆A′. Die linke und die rechte Seite ab und bc sind
in ihrer Länge gleich, wie zuvor bemerkt ist. Speziell, wenn der
Winkel < ba 0 10 bis 20° beträgt und der Vergrößerungsfaktor für
den Fall berechnet wurde, daß R 10° bzw. 20° beträgt. Ange
nommen die Länge der Seite ab beläuft sich auf 10 mm und die
Verlängerung ∆A der Seite ª 0 ist 0,01 mm, so bedeutet das, daß
die Gesamtverschiebung des piezoelektrischen Elementes (74) 0,02
mm beträgt, wenn R = 20° und die Verlängerung der Diagonalen bd
betrug 0,054 mm entsprechend eines Vergrößerungsfaktors von
2,7. Wenn R = 10° war, betrug der Vergrößerungsfaktor 5,7.
Während die Vergrößerungsfunktion des parallelogrammartigen
ersten beweglichen Elementes (75) zuvor beschriebener Art ist,
ist der parallelogrammartige Mechanismus integral mit den ersten
und zweiten beweglichen Rahmen (72) und (73) in den beweg
lichen Verbindungsabschnitten (b) und (d) wie zuvor bemerkt,
und die Wurzeln der beweglichen Rahmen (72) und (73) sind mit
dem stationären Rahmen (71) mittels der beweglichen Verbin
dungsabschnitte (e) und (f) verbunden. Daher ist eine Dimensi
onsbeanspruchung bzw. -verformung des piezoelektrischen Ele
mentes (74) in Richtung des Pfeils (A), vergrößert durch den
parallelogrammartigen Mechanismus, konzentriert erzeugt in den
beweglichen Kupplungsabschnitten (b) und (d) in Richtung des
Pfeils (B). Folglich werden der erste und der zweite bewegliche
Rahmen (72) und (73) um die entsprechenden beweglichen Ver
bindungsabschnitte (e) und (f) als Drehbefestigungen bzw.
Drehgelenke gedreht und rufen eine vergrößerte Verschiebung
der Verbindungsabschnitte (g) und (h) am Ende hervor. Die
Verschiebungen, die zu dieser Zeit hervorgerufen werden, sind
entsprechend in der Richtung entgegengesetzt und haben einen
gleichen Ausmaß. Aus diesem Grunde werden die Positionen der
beweglichen Kupplungsabschnitte (e) und (f) auseinander
verschoben, so daß die zwei Vergrößerungsfaktoren hf/bf und
ge/de gleich sind.
Die vergrößerten Verschiebungen der Enden des ersten und des
zweiten beweglichen Rahmens (72) und (73) werden des weiteren
vergrößert durch die Federabschnitte (76) und (77), bevor sie zu
dem Druckerdraht (78) übertragen werden. Diese Vergrößerungs
funktion wird nun an Hand der Fig. 18 beschrieben. Die Mo
mente, die an die Verbindungsabschnitte (h) und (g) durch die
Federelemente (76) und (77) gegeben werden, sind gleich und in
ihrer Richtung entgegengesetzt, so daß sie in der Linie, die die
Verbindungsabschnitte (g) und (h) verbindet, als Arme eines
Paares wirken, um am Kupplungsabschnitt (i) konzentriert zu
werden, um als Moment in Richtung des Pfeils (E) vorgesehen zu
sein. Der Vergrößerungsfaktor ist in diesem Fall pi/ph oder pi/pg
für den Mittenpunkt (p) der Linie, die die zwei Punkte (g) und
(h) verbindet und die als Achse gedacht sein kann. Die Ver
schiebung, die in dem Verbindungsabschnitt (i) erzeugt wird,
erreicht mehrere zehnfache der Dimensionsverformung bzw.
-beanspruchung des piezoelektrischen Elementes (74) als Quelle der
Verschiebung, die direkt an den Druckerdraht (78), der mit dem
Verbindungsabschnitt (i) vereinigt ist, übertragen wird.
Wie zuvor beschrieben, ist die dritte Ausführungsform des
Vergrößerungsmechanismusses bzw. der Vergrößerungsvorrichtung
geeignet, gleichermaßen die Verschiebungsenergie des piezoelek
trischen Elementes (74) mittels des parallelogrammartigen
Mechanismusses aufzuteilen, die in entgegengesetzte Richtungen
wirken. Folglich ist die Belastung bzw. Beanspruchung oder
Verformung in jedem Betätigungspunkt bzw. Betätigungselement
des Mechanismusses im wesentlichen in zwei Hälften aufgeteilt,
verglichen mit dem Verfahren bekannter Methoden. Dies bedeutet
natürlich eine Verlängerung der Lebensdauer des gesamten
Mechanismusses und die Reduktion möglicher Zerstörungen bzw.
Brüche. Des weiteren können gleiche und entgegengesetzte Mo
mente in den Verbindungsabschnitten (h) und (g) als Ausgabe-
bzw. Ausgangsanschlüsse des Mechanismusses erzielt werden, so
daß das Paar gleichmäßig vergrößert an den Druckerdraht (78)
mittels der Federelemente (76) und (77) übertragen werden kann,
die mit diesen Verbindungsabschnitten verbunden sind.
In der Fig. 19 ist eine vierte Ausführungsform eines
Mechanismusses bzw. einer Vorrichtung zur Vergrößerung einer
sehr kleinen Verschiebung gemäß der Erfindung dargestellt. Teile
entsprechend der dritten Ausführungsform sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen. In dem vorherigen dritten Ausführungs
beispiel ist das erste bewegliche Element (75) unabhängig beweg
bar, wenn eine Dimensionsverformung des piezoelektrischen Ele
mentes (74) empfangen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Seiten ed und bf der unteren Hälfte des ersten beweg
lichen Elementes (75) integral mit Teilen von und betätigbar mit
dem ersten und zweiten beweglichen Rahmen (72) und (73) ausge
bildet. Mit anderen Worten sind die entgegengesetzten Enden der
oberen Hälfte des ersten beweglichen Elementes (75) über beweg
liche Verbindungselemente (b) und (d) mit den entsprechenden
ersten und zweiten beweglichen Rahmen (72) und (73) verbunden.
Die Konstruktion ist einfacher als die der dritten Ausführungs
form, so daß sie eine einfachere mechanische Verfahrenstechnik
und eine Realisierung eines weniger teuren Mechanismusses er
möglicht. Ferner ist die Anzahl der Einkerbungen, die als Dreh
befestigungen dienen, reduziert, so daß dadurch entsprechend
der Verbrauch von Energie, die von dem piezoelektrischen Ele
ment (74) erzeugt wird, reduziert wird, wobei gleichzeitig der
Effekt des gesamten Mechanismusses verbessert wird. In Fig. 19
sind die Teile, die denen der Fig. 15 entsprechen, mit gleichen
Bezugszeichen versehen, so daß sich eine detaillierte Beschrei
bung erübrigt.
Die Vergrößerungsfunktion betreffend das erste bewegliche Ele
ment (75) gemäß vorliegender Ausführungsform ist im wesent
lichen die gleiche wie die der vorherigen dritten Ausführungs
form. Jedoch, da der untere Befestigungsabschnitt (75 b) für das
piezoelektrische Element ein stationäres Ende ist, wird die Ge
samtverschiebung des piezoelektrischen Elementes (74) an den
oberen Befestigungsabschnitt (75 a) für das piezoelektrische
Element übertragen, wie es durch den Pfeil (A) in Fig. 9 gezeigt
ist. Zu dieser Zeit sind die Verschiebungen der beweglichen
Verbindungsabschnitte (b) und (d) in bezug auf die Ver
schiebung des piezoelektrischen Elementes (74) im wesentlichen
die gleichen wie im Falle der dritten Ausführungsform. In dem
dritten Ausführungsbeispiel werden jedoch die Verschiebungen
der beweglichen Verbindungselemente (b) und (d) beide nach
innen gerichtet entlang einer Linie erzeugt, die die Abschnitte
(b) und (d) verbindet, wohingegen im vierten Ausführungsbei
spiel die Verschiebungen nach innen gerichtet auf Bögen ed und
fb mit beweglichen Verbindungsabschnitten (e) und (f) als Dreh
befestigungen erzeugt werden. Obwohl die Verschiebungen der
beweglichen Verbindungsabschnitte (b) und (d) vergrößert wer
den, sind sie jedoch im Ausmaß klein, so daß sie als auf der
Linie befindlich betrachtet werden kann, die die beweglichen
Verbindungsabschnitte (b) und (d) verbindet.
Des weiteren wird in dem vorherigen dritten Ausführungsbeispiel
die durch das erste bewegliche Element (75) vergrößerte Ver
schiebung als unabhängige und als solche vergrößerte Verschie
bungen zu den Hebelabschnitten des ersten und zweiten beweg
lichen Rahmens (72) und (73) übertragen. Im vorliegenden Aus
führungsbeispiel begründen die unteren Seiten ed und ef des
ersten beweglichen Elementes (75) Teile bzw. Abschnitte des
ersten und zweiten beweglichen Rahmens (72) und (73). Genauer
gesprochen sind unter Bezugnahme auf die Fig. 20 der erste und
der zweite bewegliche Rahmen (72) und (73) drehbar um die
beweglichen Verbindungs- oder Kupplungselemente (e) und (f) als
Drehbefestigungen durch den Vergrößerungsmechanismus des
ersten beweglichen Elementes (75) ausgebildet, um eine vergrö
ßerte Verschiebung in den Kupplungsabschnitten (g) und (h) zu
erzeugen. Die Vergrößerungsfaktoren in diesem Fall sind eg/ed
bzw. fh/fb . Im vorliegenden, wie im vorherigen Ausführungsbei
spiel werden die Positionen der Drehbefestigungen derart ver
schoben, daß gleiche und entgegengesetzte Momente in den
Kupplungsabschnitten (g) und (h) erzeugt werden, um zu erzie
len, daß eg/ed 5680 00070 552 001000280000000200012000285911556900040 0002003841416 00004 15561< = fh/fb .
In der dritten und vierten Ausführungsform der Vorrichtung
bzw. des Mechanismusses zur Vergrößerung sehr kleiner Ver
schiebungen mit einer Vergrößerungsfunktion sind entsprechend
der ersten und zweiten Ausführungsform der erste stationäre
Rahmen (71), der erste und zweite bewegliche Rahmen (72) und
(73) und das erste bewegliche Element (75) aus einer einzigen
Blechtafel bzw. Metallblech hergestellt, sind das piezoelektrische
Element (74), der erste und der zweite bewegliche Rahmen (72)
und (73) und das zweite bewegliche Element (73) parallel ange
ordnet, ist der Druckerdraht (78) nach innen gerichtet angetrie
ben und sind der erste und zweite bewegliche Rahmen zum
piezoelektrischen Element (74) hin angetrieben. Daher sind der
Antriebsabschnitt, der Vergrößerungsabschnitt und der angetrie
bene Abschnitt im wesentlich im gleichen Bereich angeordnet, so
daß eine Größenreduzierung gestattet ist.
Fig. 21 gibt einen Druckkopf wieder, der die vierte Ausfüh
rungsform des Mechanismus bzw. der Vorrichtung zur Vergröße
rung sehr kleiner Verschiebungen nutzt. Genauer gesprochen ist
eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Vergrößerung sehr kleiner
Verschiebungen gemäß der Ausführungsform in entsprechenden
Befestigungsaussparungen angeordnet, die in einer Befestigungs
basis bzw. -grundfläche (81) einer Druckereinheit eines Druck
kopfbefestigungselementes (80) vorgesehen sind. Die individuellen
Druckerdrähte (78) sind kompakt untergebracht, verglichen mit
der früheren Konstruktion mit ihren Zwischenteilen geführt von
einem Führungsteil (38) und ihren freien Enden, die in zwei
Reihen mittels eines Drahtanordnungselementes (82) arrangiert
sind. Mit dem Bezugszeichen (84) ist eine Druckerkopfabdeckung
bezeichnet. Die dritte und vierte Ausführungsform der Vorrich
tung zur Vergrößerung sehr kleiner Verschiebungen gestattet wie
die zweite Ausführungsform ein leichtes Montieren des piezoelek
trischen Elementes.
In Fig. 22 ist eine fünfte Ausführungsform eines Mechanismusses
bzw. einer Vorrichtung zur Vergrößerung sehr kleiner Verschie
bungen dargestellt. In dieser Ausführungsform wird eine
dimensionsmäßige Beanspruchung bzw. Verformung eines piezo
elektrischen Elementes (91) in Längsrichtung durch ein Vergröße
rungselement (93) vergrößert, das aus einem Metallelement besteht
und ein großes Elastizitätsmodul aufweist, z. B. ein Stahlelement
für eine Feder, so daß die Vergrößerungsausgabe von den Aus
gabeabschnitten (92 a) und (92 b) in Richtung zu dem piezoelek
trischen Element (91) hin vorgesehen ist. Das Vergrößerungsele
ment (93) umfaßt vier Elemente (oder Verbindungen) fg, hi, jk
und el , angeordnet in Form einer geschlossenen Schleife, z. B.
einer im wesentlichen parallelogrammartigen Verbindung, und ist
mit einem Paar von Befestigungsabschnitten (94 a) und (94 b) und
einem Paar von Ausgabeabschnitten (92 a) und (92 b) versehen, die
symmetrisch in bezug auf das piezoelektrische Element (91) ange
ordnet sind. Die Befestigungsabschnitte (94 a) und (94 b) sind an
gegenüberliegenden Spitzen bzw. Scheitelpunkten (a) und (c) an
der langen Diagonalen des Vergrößerungselementes (93) vorgese
hen und haben entsprechende parallele Oberflächen. Das piezo
elektrische Element (91) ist druckbeaufschlagt zwischen den
Befestigungsabschnitten (94 a) und (94 b) gesichert. Die Ausgabe
abschnitte (92 a) und (92 b) sind an gegenüberliegenden Spitzen
bzw. Scheitelpunkten (b) und (d) an der anderen Diagonalen
vorgesehen. Kupplungsabschnitte (e) bis (i) der Ausgabeab
schnitte (92 a) und (92 b) und der Befestigungsabschnitte (94 a)
und (94 b) sind mit entsprechenden Einkerbungen (95 a) bis (95 h)
versehen, die als Drehbewegung dienen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Vergrö
ßerung sehr kleiner Verschiebungen ist der Abstand zwischen den
Einkerbungsabschnitten (95 f) und (95 g) und zwischen den
Einkerbungen (95 e) und (95 h) in den Ausgangsabschnitten (92 a)
und (92 b) so gelegt, daß dieser schmaler als der Abstand zwi
schen den Einkerbungen (95 b) und (95 c) und zwischen den
Einkerbungen (95 a) und (95 d) in den Befestigungsabschnitten
(94 a) und (94 b) ist, und eine Dimensionsbeanspruchung bzw.
-verformung des piezoelektrischen Elementes (91), übertragen auf
die Befestigungsabschnitte (94 a) und (94 b), kreuzt senkrecht zu
der Richtung der Verschiebung des piezoelektrischen Elementes
(91) in den Ausgabeabschnitten (92 a) und (92 b) und wird ver
größert abgegeben in Richtung zu dem piezoelektrischen Element
(91) hin.
Fig. 23 stellt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der
Grundsätze der Vergrößerung des Vergrößerungselementes (93)
gemäß Fig. 22 dar. Die Seiten ab, bc, cd und da haben feste und
gleiche Längen und das piezoelektrische Element (91) ist derart
befestigt, daß es sich entlang der Diagonalen ac erstreckt. Dem
zufolge ruft eine Verformung des piezoelektrischen Elementes (91)
eine Änderung in der Länge der Diagonalen ac hervor. Diese
Veränderung tritt als eine Veränderung in den
Winkeln α und α ′ in den Scheitelpunkten bzw. Spitzen (a) und
(c) und damit als eine Änderung in der Länge der Diagonalen bd
auf. Die Dreiecke ∆ abc und ∆ adc sind symmetrisch in bezug auf
die Diagonale ac . Ebenfalls sind die Dreiecke ∆ abd und ∆ cbd
symmetrisch in bezug auf die Diagonale bd . Demzufolge ruft eine
Veränderung in b 0 mit einer Änderung in der Länge der Diago
nalen ac eine halbe Änderung in der Länge der Diagonalen bd
hervor. Auch ist eine Änderung in der Länge der Seite ª 0 , wenn
das Dreieck ∆ ab 0 betrachtet wird, eine halbe Änderung in der
länge der Diagonalen ac .
Auf der Basis des zuvor Beschriebenen wird die Vergrößerungs
funktion des Mechanismusses zur Vergrößerung sehr kleiner
Verschiebungen in Verbindung mit einem der vier Dreiecke, die
ein Parallelogramm erzeugen, beschrieben, z. B. dem
Dreieck ∆ abc .
In Fig. 24(a) ist der Zustand des parallelogrammartigen Mecha
nismus dargestellt, ohne daß eine dimensionsmäßige Beanspru
chung bzw. Verformung in dem piezoelektrischen Element (91)
erzeugt ist, das sich entlang der Diagonalen ac erstreckt. In Fig.
24(b) ist der Zustand dargestellt, bei dem eine Dimensionsver
formung durch Anlegung einer Spannung an das Element (91)
hervorgerufen ist. In diesem Zustand ist die Seite ac um ∆A
und ∆A′ in der oberen bzw. unteren Richtung verlängert
(∆A = ∆A′).
Wie zuvor bemerkt, sind die Seiten ab und bc gleich und kon
stant. Daher ist eine Änderung in der Länge der Diagonalen ac
eine Änderung in R und Änderung in dem Winkel < abc , das
bedeutet, daß sie in einer Änderung in der Länge der Seite b 0
entsprechend der Höhe des Dreiecks < abc auftritt. In diesem Fall
variiert das Verhältnis der Veränderung in der Länge der Seite
b 0 in bezug auf die Änderung in der Länge der Seite ac stark
abhängig von dem Festlegen des Winkel R, je größer das
Verhältnis ist, um so kleiner ist der Winkel R. Praktisch
ist R ungefähr 10 bis 20°. Mit R = 20° beträgt der Vergrößerungs
faktor ungefähr 2,7 und mit R = 10° beträgt dieser ungefähr 5,7.
Das Vergrößerungselement (93) ist nicht auf ein geometrisch
strenges Parallelogramm begrenzt, und leichte Modifikationen
davon sind mitabgedeckt. Ganz allgemein mag jede Form so lange
angenommen werden, wie eine Dimensionsbeanspruchung bzw.
-verformung des piezoelektrischen Elementes (91) in eine trans
versale Richtung in bezug zu dem Element (91) erzeugt wird.
Während in diesem Ausführungsbeispiel die Abgabeabschnitte
(92 a) und (92 b) an den Spitzen bzw. Scheitelpunkten (b) und
(d) des Vergrößerungselementes (93) vorgesehen sind, ist es
auch möglich, ein Abgabeabschnitt an jeder Verbindung zur
Nutzung der Winkelverstellung des Verbindungselementes vorzuse
hen.
In Fig. 26 ist ein Beispiel einer Anwendung der Vorrichtung des
Mechanismus zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschiebung
gemäß Fig. 22 dargestellt. Das piezoelektrische Element (91)
gelangt durch Anlegung einer gepulsten Spannung in Vibration,
und die Vibrationen werden nach Vergrößerung an dem Abgabe
abschnitt (92 a) abgenommen, um Vibrationen eines Werkzeuges wie
z. B. eines Schneidelementes hervorzurufen, der an dem Abgabe
abschnitt (92 a) befestigt ist. Die Vibration kann den
Wirkungsgrad des Werkzeuges (102), wie z. B. eine spanende
Bearbeitung, verbessern.
Fig. 27 verdeutlicht ein weiteres Beispiel einer Anwendung, in
dem ein Relaisschalter (104), der von dem Hebelteil (103) Ge
brauch macht, der im zweiten Zustand vorgesehen ist. Genauer
gesprochen, ist der Abgabeabschnitt (92 a) des Vergrößerungsme
chanismus gemäß Fig. 22 an einem stationären Rahmen (105)
sicher befestigt und der Ausgangs- bzw. Abgabeabschnitt (92 b)
ist mit einem Hebelabschnitt (103) verbunden. Bei dieser Kon
struktion ist eine vergrößerte Verschiebung, die im Abgabeab
schnitt (92 b) erzeugt ist, nach einer weiteren Vergrößerung von
einem Ende (103 a) des Hebelabschnittes (103) vorgesehen und
diese vergrößerte Abgabe betätigt den Relaisschalter (104).
Die Vorrichtung bzw. der Mechanismus zur Vergrößerung sehr
kleiner Verschiebungen gemäß der Fig. 22 und 25 ist natürlich
anwendbar für einen Vergrößerungsmechanismus zum Betreiben
eines Matrix- bzw. Nadeldrucker.
Wie gezeigt wurde, hat die Ausführungsform der Vorrichtung zur
Vergrößerung sehr kleiner Verschiebung eine vollständig integrale
Struktur, so daß eine leichte Herstellung möglich ist. Daneben
hat es eine steife Struktur. Da die Abgabe in einer seitlichen
Richtung in bezug auf die Richtung der Erzeugung der Bean
spruchung in dem piezoelektrischen Element (91) abgenommen
werden kann, kann in einer Kombination von Vergrößerungsme
chanismen mit einer Vielzahl von Stufen gemäß Fig. 27 ein zweiter
Vergrößerungsabschnitt parallel zu dem piezoelektrischen Element
(91) angeordnet werden, so daß eine kompakte Konstruktion
erzielbar ist.
In der Vorrichtung zur Vergrößerung sehr kleiner Verschie
bungen sind die Vergrößerungselemente (93) und (101) elastische
Elemente in Form einer geschlossenen Schleife, so daß sie extrem
reich an Elastizität sind und demzufolge leicht deformiert und
wieder hergestellt werden können. Aus diesem Grunde kann die
Anordnung des Mechanismus, d. h. die Befestigung und Einstel
lung des piezoelektrischen Elementes (91) sehr leicht erfolgen.
Ein Verfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Elementes (91)
soll nun beschrieben werden. In dem Vergrößerungsmechanismus
gemäß Fig. 22 ist ein Abstand zwischen den Befestigungsab
schnitten (94 a) und (94 b) des Vergrößerungselementes (93)
geringfügig größer als die longitudinale Erstreckung des piezo
elektrischen Elementes (91) ausgebildet. Wenn das Element (91)
befestigt wird, werden externe Kräfte nach innen gerichtet zu
den zwei Abgabeabschnitten (92 a) und (92 b) appliziert, indem ein
Werkzeug wie Schraubstock (106) gemäß Fig. 28 benutzt wird, um
den Abstand zwischen den Befestigungsabschnitten (94 a) und
(94 b) in einem Umfang zu vergrößern, daß ein Zwischenraum
(107) zwischen jedem der Befestigungsabschnitte und jedem Ende
des piezoelektrischen Elementes (91) hervorgerufen wird. In
diesem Zustand wird das piezoelektrische Element (91) in den
Raum zwischen den Befestigungsabschnitten (94 a) und (94 b)
eingesetzt. Anschließend wird die externe Kraft entfernt, wo
durch sich das Vergrößerungselement (93) zurückstellt, so daß
folglich das piezoelektrische Element (91) druckbeaufschlagt
zwischen den Befestigungsabschnitten (94 a) und (94 b) festgelegt
ist. Auf diese Art und Weise kann das piezoelektrische Element
(91) leicht montiert werden und die Regulierung der Druckkraft
kann automatisch erzielt werden.
In der Ausführungsform der Fig. 22 und 25 ist das Vergröße
rungselement (93) und (101) so ausgebildet, daß es in Form einer
symmetrischen Schleife in bezug zu dem piezoelektrischen Element
(91) vorliegt. Jedoch ist es möglich, ein asymmetrisches Vergrö
ßerungselement in bezug auf das piezoelektrische Element (91) zu
bilden.
Während einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben worden sind, sind hierdurch keine Einschränkungen
gegeben, und eine Vielzahl von Änderungen und Modifikationen
sind möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen
wird.
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element, das zur Erzeugung
einer Verformung in einer Dimension entsprechend einer
angelegten Spannung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster und ein zweiter Rahmen vorgesehen ist, daß
die Rahmen im wesentlichen auf einander entgegengesetzten
Seiten des piezoelektrischen Elements angeordnet sind und
sich in dessen Arbeitsrichtung erstrecken, daß ein beweg
liches Glied, das eine Vielzahl von in Polygonform aneinander
befestigten Elementen enthält, ein Paar von Befestigungsab
schnitten aufweist, mit denen das piezoelektrische Element,
unter Druckspannung stehend, verbunden ist, daß das
bewegliche Glied wenigstens ein Teilstück, das sich auf der
Seite des ersten Rahmens befindet und das ein Ganzes mit
dem ersten Rahmen bildet sowie zumindest ein weiteres
Teilstück aufweist, das sich auf derjenigen Seite des piezo
elektrischen Elements befindet, die der zuerst genannten
Seite entgegengesetzt ist und dieser Seite gegenübersteht
und das mit dem zweiten Rahmen ein Ganzes bildet, daß ein
Ausgabeabschnitt zur vergrößerten Übertragung der Verfor
mung in einer Dimension des piezoelektrischen Elements über
das bewegliche Glied zu wenigstens einem der beiden Rahmen
nach der Vergrößerung gemäß einer relativen gegenseitigen
Verschiebung des ersten und zweiten Rahmens vorgesehen
ist und daß mit dem Ausgabeabschnitt ein Antriebsabschnitt
für die Entgegennahme der vergrößerten Verformung in einer
Dimension gekuppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Rahmen stationär ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das bewegliche Glied im wesentlichen die Form eines
Parallelogramms hat und daß die Befestigungsabschnitte des
Paares, mit dem das piezoelektrische Element verbunden ist,
je an einander entgegengesetzten Spitzen des Parallelogramms
angeordnet sind und parallel zueinander verlaufen.
4. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element, das zur Erzeugung
einer Dimensionsverformung entsprechend einer angelegten
Spannung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein stationärer Rahmen, an dem ein Ende des piezoelek
trischen Elements befestigt ist, und ein erster sowie ein
zweiter Rahmen vorgesehen sind, daß der erste und der
zweite Rahmen auf der entgegengesetzten Seite des befe
stigten Endes des piezoelektrischen Elements mit dem statio
nären Rahmen gekuppelt sind, daß ein bewegliches Glied,
das zwei beweglich miteinander verbundene Seiten aufweist,
mit der anderen Seite des piezoelektrischen Elements verbun
den ist und an einem Ende über einen beweglichen Kuppel
abschnitt am zweiten Rahmen auf der Seite des stationären
Rahmens des anderen Endes des piezoelektrischen Elements
sowie am anderen Ende über einen beweglichen Kuppelab
schnitt am ersten Rahmen befestigt ist, daß ein Ausgabeab
schnitt zur vergrößerten Übertragung der Verformung in
einer Dimension des piezoelektrischen Elements über das
bewegliche Glied nach der Vergrößerung gemäß einer rela
tiven Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Rahmen
auf wenigstens einen der beiden Rahmen vorgesehen ist und
daß ein Antriebsabschnitt für die Erzeugung einer vergrö
ßerten Ausgangsgröße mit dem Ausgabeabschnitt verbunden
ist.
5. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element, das zur Erzeugung
einer Verformung in einer Dimension entsprechend einer
angelegten Spannung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein stationärer Rahmen, ein erster Rahmen und ein
zweiter Rahmen vorgesehen sind, daß der erste und der
zweite Rahmen an den stationären Rahmen angekuppelt sind,
daß ein bewegliches Glied, das eine Vielzahl von aneinander
angeschlossener Elemente in Form einer geschlossenen Schlei
fe enthält, mit Befestigungsabschnitten versehen ist, mit
denen das piezoelektrische Element, unter Druckspannung
stehend, verbunden ist, daß ein Paar Gelenkzapfen des
beweglichen Glieds, die sich in Richtung des Betriebes des
piezoelektrischen Elements lateral gegenüberstehen, jeweils
über bewegliche Kuppelabschnitte am ersten und zweiten
Rahmen angekoppelt sind, daß ein Ausgabeabschnitt zur
vergrößerten Übertragung der Verformung in einer Dimensi
on des piezoelektrischen Elements über das bewegliche Glied
in wenigstens einem der beiden ersten und zweiten Rahmen
gemäß einer gegenseitigen relativen Verschiebung des ersten
und zweiten Rahmens vorgesehen ist und daß ein
Antriebsglied für den Empfang einer vergrößerten Ausgabe
mit dem Ausgabeabschnitt verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Rahmen mit dem stationären Rahmen verbunden
ist, daß der zweite Rahmen über den zugeordneten beweg
lichen Kuppelabschnitt mit dem stationären Rahmen verbun
den ist und daß das bewegliche Glied eine erste vergrößerte
Verschiebung auf den zweiten Rahmen zur Erzeugung einer
zweiten vergrößerten Verschiebung an einem Ausgabeende
des zweiten Rahmens überträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Rahmen und der stationäre Rahmen als Ganzes
zu einer im wesentlichen L-Form vereinigt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und zweite Rahmen jeweils über Kuppelab
schnitte am stationären Rahmen angekoppelt sind und daß
das bewegliche Glied eine erste vergrößerte Verschiebung
auf den ersten und zweiten Rahmen zur Erzeugung einer
vergrößerten Verschiebung an einem Ausgabeende des ersten
und zweiten Rahmens überträgt.
9. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element, das zur Erzeugung
einer Verformung in einer Dimension entsprechend einer
angelegten Spannung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein stationärer Rahmen und ein bewegliches Glied mit
einer Vielzahl von miteinander zu einer Polygonform verbun
denen Elementen und mit einem Paar von Befestigungsab
schnitten an entgegengesetzten Spitzen vorgesehen sind, daß
das piezoelektrische Element an den Befestigungsabschnitten,
unter Druckspannung stehend, befestigt ist, daß einer der
beiden Befestigungsabschnitte mit dem stationären Rahmen
ein Ganzes bildet, daß ein erster und ein zweiter Rahmen
vorgesehen sind, die jeweils mit den entsprechenden zwei
Seiten des beweglichen Glieds auf seiten des stationären
Rahmens ein Ganzes bilden, und daß ein Ausgabeabschnitt
zur vergrößerten Übertragung der Verformung in einer
Dimension des piezoelektrischen Elements über das bewegliche
Glied auf den ersten und zweiten Rahmen gemäß einer rela
tiven gegenseitigen Verschiebung des ersten und zweiten
Rahmens vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Antriebsabschnitt ein Drucker- oder Druckdraht ist,
der im wesentlichen parallel zum piezoelektrischen Element
angeordnet ist.
11. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element, das zur Erzeugung
einer Verformung in einer Dimension entsprechend einer
angelegten Spannung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Vergrößerungsglied mit einer Vielzahl von in Form
einer geschlossenen Schleife miteinander verbundener Ele
mente und einem Paar von Befestigungsabschnitten vorgese
hen ist, an denen entgegengesetzte Enden des piezoelek
trischen Elements, unter Druckspannung stehend, befestigt
sind, und daß ein Paar von Ausgabeabschnitten auf den
entgegengesetzten Seiten des piezoelektrischen Elements
angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Vergrößerungsglied symmetrisch in bezug auf das
piezoelektrische Element angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Vergrößerungsglied im wesentlichen die Form eines
Parallelogramms hat.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Vergrößerungsglied die Befestigungsabschnitte an
zueinander entgegengesetzten Spitzen und die Ausgabeab
schnitte an anderen, zueinander entgegengesetzten Spitzen
enthält.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Vergrößerungsglied an zueinander entgegengesetzten
Spitzen die Befestigungsabschnitte und die Ausgabeab
schnitte jeweils auf Seiten an den zueinander entgegenge
setzten Seiten des piezoelektrischen Elements aufweist.
16. Vorrichtung zur Vergrößerung einer sehr kleinen Verschie
bung mit einem piezoelektrischen Element zur Erzeugung
einer Verformung in einer Dimension entsprechend einer
angelegten Spannung,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Paar Befestigungsabschnitte vorgesehen sind, mit
denen korrespondierende Enden des piezoelektrischen Ele
ments, unter Druckspannung stehend, verbunden sind und
daß ein Paar von Ausgabeabschnitten an entgegengesetzten
Seiten des piezoelektrischen Elements mit den Befestigungs
abschnitten verbunden sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen einem Paar von Kuppelabschnitten
bei jedem Paar von Ausgabeabschnitten kleiner als der
Abstand zwischen einem Paar von Kuppelabschnitten in dem
zugeordneten Befestigungsabschnitt ist und daß die Dimensi
onsverformung des piezoelektrischen Elements, die auf die
Befestigungsabschnitte übertragen wird, nach Vergrößerung
in einer Richtung zum piezoelektrischen Element hin erzeugt
wird.
18. Druckkopf,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Druckeinheit-Montageglied eine hohlzylindrische Form
mit einem Boden enthält, der eine Vielzahl von radial im
Abstand voneinander angeordneten Montagerillen, die auf der
inneren peripheren Oberfläche ausgebildet sind, und ein am
Boden angeordnetes Drahtausrichtungsglied aufweist, daß
der Boden des Druckeinheit-Montageglieds einen Zentralteil
mit einem zylindrischen, nach innen vorspringenden Füh
rungsteilstück enthält und daß eine Vielzahl von Druckein
heiten vorgesehen sind, die je einen Verschiebungsübertra
gungsabschnitt zur vergrößerten Übertragung einer Dimensi
onsverschiebung eines piezoelektrischen Elements, das die
Dimensionsverschiebung gemäß einer angelegten Spannung
erzeugt, einen Befestigungsabschnitt, an den der Verschie
bungsübertragungsabschnitt angekuppelt ist, und einen
Druckerelement wie Druckdraht aufweisen, der mit einem
Ausgabeabschnitt des Verschiebungsübertragungsabschnitts
verbunden ist und sich parallel zum Befestigungsabschnitt
erstreckt, der in eine zugeordnete Montagerille eingepaßt
ist.
19. Druckkopf nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die obere Endfläche des Druckeinheit-Montageglieds mit
Rillen versehen ist und daß ein Seitenabschnitt des Befesti
gungsabschnitts der Druckeinheit mit einem Vorsprung in
Übereinstimmung mit jeder der Rillen versehen ist.
20. Druckkopf,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Druckeinheit-Montageglied eine Bodenfläche mit einer
Vielzahl radial im Abstand voneinander angeordneter Mon
tagerillen enthält, daß ein zentrales Teilstück des Bodens ein
Drahtausrichtungsglied enthält und daß eine Vielzahl von
Druckeinheiten vorgesehen ist, von denen jede ein Befesti
gungsglied, ein auf dem Befestigungsabschnitt angeordnetes
piezoelektrisches Element, das sich in einer Richtung im
wesentlichen senkrecht zum Befestigungsabschnitt erstreckt,
einen Verschiebungsübertragungsabschnitt zur vergrößerten
Übertragung einer Dimensionsverschiebung des piezoelek
trischen Elements und einen Druckdraht enthält, der sich im
wesentlichen parallel zu dem Verschiebungsübertragungsab
schnitt erstreckt, wobei der Befestigungsabschnitt in eine
zugeordnete Montagerille eingepaßt ist.
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