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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 vorrichtung

Info

Publication number
DE3841416A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piezoelectric element
frame
movable
section
sections
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE3841416A
Other languages
English (en)
Inventor
Morio Yamaguchi
Yasunori Kudoh
Takashi Nakazato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Co Ltd
Original Assignee
Max Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP27898588A external-priority patent/JPH0677999B2/ja
Application filed by Max Co Ltd filed Critical Max Co Ltd
Publication of DE3841416A1 publication Critical patent/DE3841416A1/de
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/22Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of impact or pressure on a printing material or impression-transfer material
    • B41J2/23Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of impact or pressure on a printing material or impression-transfer material using print wires
    • B41J2/27Actuators for print wires
    • B41J2/295Actuators for print wires using piezoelectric elements
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04Constructional details
    • H02N2/043Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification

Landscapes

  • Impact Printers (AREA)

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.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
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.
Zweite Ausführungsform
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.
Dritte Ausführungsform
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.
Vierte Ausführungsform
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.
Fünfte Ausführungsform
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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Representative=s name: STOFFREGEN, H., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., PAT.-ANW.

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