DE19833782A1 - Antriebsanordnung für einen Schreibkopf - Google Patents

Abstract

Eine Antriebsanordnung, beispielsweise für einen Schreibkopf, die eine piezoelektrisch betätigte Hebelanordnung (1d) umfaßt, um eine Schreibspitze (21) in Richtung eines Aufzeichnungsträgers zu bewegen, wenn auf dem Aufzeichnungsträger geschrieben wird. Diese Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ein von der Hebelanordnung (1d) getrennter, piezoelektrischer Aktuator (4) verwendet wird, und daß die Hebelanordnung (1d) eine komprimierende Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator (4) ausübt, welcher an einer starren Widerlage (Abschnitt 1b) abgestützt ist. Diese Antriebsanordnung kann für eine Reihe von anderen Anwendungen als Stellantrieb benutzt werden. Auch sind inverse Anordnungen beschrieben.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, beispielsweise für einen Schreibkopf, die eine piezoelektrisch betätigte Hebelanordnung umfaßt, um eine Schreibspitze in Richtung eines Aufzeichnungsträgers zu bewe­ gen, wenn auf dem Aufzeichnungsträger geschrieben wird. Diese An­ triebsanordnung kann auch erfindungsgemäß für eine Reihe von anderen Anwendungen als Stellantrieb benutzt werden und kann auch erfindungs­ gemäß als Signalgenerator verwendet werden.

Der Schreibkopf, der mindestens eine Schreibspitze zum Drucken auf ei­ nem Aufzeichnungsträger umfaßt, kann beispielsweise verwendet werden, um Tinte auf einem Aufzeichnungsträger, wie Papier, aufzutragen, wobei die Aufzeichnungen alphanumerischen Text und/oder gemessene Werte darstellen. Es können mehrere Schreibspitzen verwendet werden, um Tinten unterschiedlicher Farben zu drucken. Jedoch ist es nicht wesent­ lich, Tinte zu verwenden, weil Aufzeichnungen auch thermisch oder durch Druck auf einem geeignet empfindlichem Aufzeichnungsträger hergestellt werden können. Die Aufzeichnungen auf dem Aufzeichnungsträger kön­ nen entweder diskontinuierlich, z. B. Punkte, oder kontinuierlich, z. B. eine Linie, sein. Die Aufzeichnungen können auch Spuren sein, die zu Protokoll- oder Meßzwecken aufgenommen werden sollen.

Ein Schreibkopf der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE-OS-38 32 564 bekannt. Diese Bewegung der Schreibspitzen gegen ei­ nen Aufzeichnungsträger erfolgt dort über einen Hebelarm, der der Bewe­ gung eines piezoelektrischen Aktuators folgt. Dieser Aktuator umfaßt ei­ nen Arm, wobei dieser in Form eines sich biegenden piezoelektrischen Schwingungselements (nach Art einer flexiblen Zunge) realisiert ist, das aus einem gesinterten Keramikmaterial hergestellt ist. Das Schwingung­ selement weist eine Längsabmessung auf, die viel größer als ihr Quer­ schnitt ist, so daß es elastisch verformbar ist. Ein Ende der Zunge ist an dem Körper des Schreibkopfes befestigt, so daß, wenn das piezoelektrische Schwingungselement durch ein geeignetes Steuersignal erregt wird, das freie Ende der Zunge sich in einer Richtung senkrecht zu ihrer Längsach­ se bewegt. Das freie Ende der Zunge ist mit dem Hebelarm verbunden, der sich bis zu einem gewissen Ausmaß um eine Achse drehen kann. Beim Anlegen des Steuersignals an das Schwingungselement bewegt sich das am Hebelarm angreifende Ende, dabei schwingt der Hebelarm um seinen Drehpunkt und treibt mit seinem gegabelten freien Ende die Schreibspitze an. Diese wird die dadurch in bezug auf eine den Aufzeichnungsträger führende Walze angehoben und abgesenkt, wodurch periodisch Tinte, wel­ che von einem Reservoir über ein Speiserohr der Schreibspitze zugeführt wird, von dieser auf dem Aufzeichnungsträger gebracht wird.

Der Aufbau nach der DE-OS-38 32 564 erreicht nur eine kleine Überset­ zung über den Hebelarm. Die Ausdehnung der piezoelektrischen Schwin­ gungselemente ist im wesentlichen für die Amplitude der Bewegung der Schreibspitze selbst verantwortlich, d. h. diese Amplitude hängt von der Bewegung des piezoelektrischen Arms selbst ab.

Es ist ein Problem bei dieser bekannten Anordnung, daß eine häufige und schnelle Hin- und Herbewegung der piezoelektrischen Schwingungsele­ mente, die selbst einen Teil der Hebelanordnung darstellen, eine Ermü­ dung hervorruft, die durch die Tatsache verschärft wird, daß deren Quer­ schnitt im Vergleich mit ihrer Längsabmessung sehr klein ist. Deshalb brechen die piezoelektrischen Schwingungselemente leicht und häufig.

Dies führt zu einer vollständigen oder teilweisen Zerstörung des Schreib­ kopfes, und der Drucker kann nicht benutzt werden, bis der Schaden re­ pariert ist. Außerdem sind diese zungenartigen piezoelektrischen Schwin­ gungselemente relativ teuer, weil sie in relativ kleinen Stückzahlen herge­ stellt werden, und dies verteuert den Schreibkopf.

Problematisch ist auch die Rückstellung der piezoelektrischen Zunge, die durch eine angelegte Spannung bewerkstelligt wird. Wird die Stromzufuhr ausgeschaltet oder tritt eine Störung ein, bewegt sich die flexible Zunge zu einer Stellung näher am Aufzeichnungsträger zu, wobei es dazu kommen kann, daß die Schreibspitze den Aufzeichnungsträger kontaktiert und Tinte aufläuft, was zu Verunreinigungen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art preisgünstig und betriebssicher zu realisieren und dabei eine lange Betriebsdauer sicherzustellen, wobei vorzugsweise automatisch eine mechanische Rückstellung der Antriebsanordnung er­ folgen soll. Die Antriebsanordnung soll auch allgemein als Stellantrieb ge­ eignet sein und in umgekehrter Form als Signalgenerator dienen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein von der Hebe­ lanordnung getrennter piezoelektrischer Aktuator verwendet, wobei die Hebelanordnung eine komprimierende Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator ausübt.

Anders ausgedrückt, wird erfindungsgemäß eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator in einem Joch angeordnet ist, daß das Joch durch Federwirkung eine komprimierende Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator ausübt und als Übersetzungsgetriebe bzw. als Teil eines Über­ setzungsgetriebes ausgelegt ist, das eingangsseitig bei elektrischer An­ steuerung des piezoelektrischen Aktuators dessen auftretender Länge­ nänderung als Eingangsbewegung folgt und ausgangsseitig eine vielfach größere Bewegungsamplitude aufweist.

Die Erfindung ermöglicht die Anwendung herkömmlicher piezoelektrischer Elemente für den Aktuator, wodurch der zerbrechliche und teure, zungen­ artige piezoelektrische Keramikaktuator nach dem Stand der Technik vermieden werden kann. Es ist beabsichtigt, daß der Ausdruck "piezoelektrischer Aktuator (oder PZ-Aktuator)" die Anwendung von einem piezoelektrischen Element bzw. von mehreren piezoelektrischen Elemen­ ten abdeckt.

Bei der vorliegenden Erfindung umfaßt der PZ-Aktuator vorzugsweise ei­ nen Stapel aus piezoelektrischen Elementen, beispielsweise in der Form von Scheiben oder Platten, die Seite an Seite entlang einer Achse gestapelt sind, die senkrecht zu den ausgerichteten parallelen Seiten der Elemente verläuft. Weil sich jedes piezoelektrische Element geringfügig ausdehnt, wenn eine Antriebsspannung angelegt wird, summieren sich die individu­ ellen Ausdehnungen jedes PZ-Elements entlang der Achse, wodurch sich eine resultierende Bewegung größerer Amplitude ergibt. Diese Bewegung, die beispielsweise 5 µ betragen kann, wird dann über das Übersetzungs­ getriebe weiter vergrößert, beispielsweise etwa um das 400-fache, wodurch unter Berücksichtigung von auftretenden Verformungen eine Bewe­ gungsamplitude und Toleranzen von etwa 1.5 mm erreichbar ist, was zur Betätigung der Schreibspitze ohne weiteres ausreicht. Da die Hebelanord­ nung vorteilhafterweise eine komprimierende Kraft auf den PZ-Aktuator, z. B. auf den Stapel aus PZ-Elementen, ausübt, ergibt dies eine robustere und stabilere Anordnung für das gleiche Ausmaß an Bewegung wie bei der aus der DE-OS-38 32 564 bekannten Anordnung, während herkömmliche (z. B. handelsübliche) PZ-Elemente verwendet werden. Sie ist deshalb ge­ nauso wirksam aber weniger teuer und haltbarer als die Anordnung nach dem Stand der Technik.

Besonders günstig ist, daß die Kräfte, die durch Ausdehnung der piezo­ elektrischen Elemente entstehen, nicht nach außen wirken, d. h. sozusa­ gen intern im Joch bzw. Rahmen ggf. vom Übersetzungsgetriebe aufge­ nommen werden und somit nicht auf das Gehäuse des Schreibkopfs bzw. die darin enthaltenen Schwenkachsen und Führungen wirken. Bei den kompakten Abmessungen des erfindungsgemäßen Schreibkopfs stellt dies im Vergleich zum Stand der Technik einen wesentlichen Vorteil dar, da auch relativ kleine unausgewogene Kräfte zu Verformungen und Fehlver­ halten des Schreibkopfs führen könnten.

Darüber hinaus führt die Anwendung einer die piezoelektrischen Ele­ mente komprimierende Kraft günstigerweise zu einer mechanisch defi­ nierten Rückstellposition des Aktuators und deshalb der Schreibspitze.

Der PZ-Aktuator (z. B. ein Stapel aus PZ-Elementen) ist vorzugsweise zwi­ schen einem beweglichen Teil des Hebelarms und einem festen Teil der Anordnung komprimiert. Er kann beispielsweise zwischen einem Ab­ schnitt eines Hebelarms und einem an dem Schreibkopf befestigten Träger angebracht sein. Vorzugsweise ist er in einem U-förmigen Joch oder ge­ schlossenen Rahmen komprimiert, der sich ausdehnt, wenn der PZ-Aktuator erregt wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung umgreift ein U- oder C-förmiges Joch, das einen einstückigen flexiblen Abschnitt aufweist (der wie ein Scharnier oder Gelenk wirkt), den PZ-Aktuator ela­ stisch, so daß sich das Joch geringfügig ausdehnt, wenn das PZ-Element oder die PZ-Elemente erregt werden. Das Joch kehrt in seine Ausgangspo­ sition zurück, wenn die Erregung aufhört. Der PZ-Aktuator kann durch ein lösbares Mittel zur Einstellung der komprimierenden Kraft, beispiels­ weise einen Keil, in dem Joch befestigt sein.

Um die Bewegung des PZ-Aktuators zu vergrößern, kann das Joch einen Schenkel aufweisen, der über dem flexiblen Abschnitt am starren Rest des Joches federnd angelenkt ist und als Hebelanordnung arbeitet.

Diese Hebelanordnung ist ausgelegt, um selbst ein mechanisches Überset­ zungsverhältnis zu erzeugen, so daß die von dem PZ-Aktuator (z. B. auf einen Eingangsabschnitt eines Hebelarms) aufgebrachte Bewegung eine deutlich größere Bewegung an seinem Ausgangsabschnitt erzeugt. Dies kann bei Ausführungsformen der Erfindung leicht und vorteilhaft erreicht werden.

Wie oben zum Ausdruck gebracht ist der Schenkel über den flexiblen Ab­ schnitt am Rest des Joches angelenkt, so daß der flexible Abschnitt eine Schwenkachse bildet. Wenn der Abstand zwischen dem Angriffspunkt des piezoelektrischen Aktuators am genannten Schenkel und der Schwenk­ achse kleiner ist als der Abstand zwischen dem freien Ende des Schenkels und der Schwenkachse, entsteht eine mechanische Vergrößerung der Be­ wegung des piezoelektrischen Aktuators am freien Ende des Schenkels. Mit anderen Worten trägt bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein U- oder C-förmiger Rahmen den PZ-Aktuator, und ein beweglicher Schenkel des Jochs bewegt sich schwenkend in bezug auf den Rest des Jochs. Die Hebelwirkung erfolgt vorzugsweise derart, daß die Bewegung des PZ-Aktuators oder der PZ-Elemente von dem beweglichen Schenkel des Rahmens vergrößert wird. Diese Hebelanordnung bildet so­ mit eine erste Stufe eines mehrstufigen Übersetzungsgetriebes.

Es können jedoch andere Übersetzungsstufen zusätzlich oder statt dessen verwendet werden, um die Bewegung des PZ-Aktuators oder der PZ-Elemente zu vergrößern und somit die erforderliche Bewegungsamplitude der Schreibspitze bereitzustellen.

Besonders bevorzugt ist eine Antriebsordnung nach Anspruch 6, wonach das Übersetzungsgetriebe bzw. die zweite Übersetzungsstufe des Überset­ zungsgetriebes als Schiebegetriebe realisiert ist. Diese Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß das Schiebegetriebe aus zwei längli­ chen Gliedern besteht, wobei das erste Glied an seinem einen Ende vom genannten Schenkel des Jochs betätigt wird, das zweite Glied an seinem einen Ende von einem weiteren Teil des Jochs gehalten wird und die zwei Glieder an ihren anderen Enden aneinander befestigt sind. Mit einem sol­ chen Schiebegetriebe können sogar, je nach den Längenverhältnissen der beiden vorzugsweise als Blattfeder ausgebildeten Glieder, sehr große Übersetzungen realisiert werden, allerdings mit beschränkten Ge­ samtamplituden, die aber für einen Schreibkopf der eingangs genannten Art vollkommen ausreichen.

Bei dieser Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung werden somit elastische Bauteile oder Streifen, d. h. die als Blattfedern ausgebil­ deten Glieder verwendet, um die Bewegung des beweglichen Schenkels zu einem entfernten Punkt zu übertragen, wo die übertragene Bewegung entweder direkt oder indirekt verwendet wird. Die freien Enden der elasti­ schen Bauteile oder Streifen sind an dem entfernten Punkt aneinander befestigt. Durch die Anbringung der anderen Enden der Streifen am Joch, d. h. an dem beweglichen Schenkel bzw. an einem starren Teil des Jochs, tritt bei Bewegung der beweglichen Schenkel eine differentielle Bewegung des Streifens auf und wird in eine Bewegung der fernen Enden umgesetzt, deren Amplitude ein Vielfaches der des freien Endes des beweglichen Schenkels beträgt.

Allgemein ist festzustellen, daß, wenn ein Stapel aus PZ-Elementen ver­ wendet wird, diese von einem Träger geeignet gehalten sein können. Es kann ein Einstellungsmittel an dem Träger vorgesehen sein, um die auf die PZ-Elemente ausgeübten Kompressionskräfte einzustellen. Es kann beispielsweise ein Keil zwischen den PZ-Elementen und einer Seite des Trägers eingesetzt sein, um diese zu befestigen und/oder eine Vorbela­ stung vorzusehen. Alternativ kann eine in dem Träger in Eingriff stehende Schraube angezogen werden, um einen Stapel aus PZ-Elementen zu befe­ stigen und/oder vorzubelasten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Antriebsanordnung, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine Perspektivansicht der Antriebsanordnung von Fig. 1, die in einer Schreibkopfunterbaugruppe eingebaut ist,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung des Schreib­ kopfs der Fig. 2 zu einem größeren Maßstab, und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Schreibkopfs der Fig. 3 mit Schreib­ spitze und Führungswalze für den Aufzeichnungsträger.

Fig. 1 zeigt eine Antriebsanordnung für einen Schreibkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein im allgemeinen C-förmiges Joch 1 weist starre Abschnitte 1a, 1b und 1c (die normalerweise stationär sind) und einen beweglichen Schenkel 1d auf, der mit dem unte­ ren stationären Abschnitt 1c durch einen flexiblen Abschnitt 1e mit dün­ nerem Querschnitt verbunden ist. Der flexible Abschnitt 1e wirkt wie ein einstückiges Gelenk, wodurch sich der Schenkel 1d schwenkend (um das Gelenk 1e) in bezug auf den festen unteren Abschnitt 1c bewegen kann. Der bewegliche Schenkel 1d weist einen Vorsprung oder Nocken 2 auf, der in Kontakt mit einem Keil 3 gezeigt ist. Ein Stapel aus PZ-Elementen 4 ist in dem Rahmen gehalten und durch den zwischen einer Seite des PZ-Stapels 4 und dem Vorsprung oder Nocken 2 eingezwängten Keil 3 befe­ stigt und vorbelastet. Die innere Spannung des vorgespannten Jochs übt eine komprimierende Kraft auf den Stapel der piezoelektrischen Elemente 4 aus. Wenn der Stapel aus PZ-Elementen 4 erregt wird, dehnen sich die­ se jeweils aus und üben eine zusammengesetzte Kraft zwischen dem fe­ sten Seitenabschnitt 1b des Rahmens und dem Keil 3 aus. Dies übt eine Kraft auf den Nocken 2 aus, die bewirkt, daß der bewegliche Schenkel 1d um das Gelenk schwenkt, i.e. unter Erhöhung der Federspannung des Jochs. Wenn die Erregung der PZ-Elemente verringert wird oder aufhört, ziehen sie sich zusammen, und der bewegliche Schenkel 1d kehrt auf­ grund der Elastizität des flexiblen Abschnitts 1e in eine Ausgangsposition zurück. Wenn ein pulsierendes Signal verwendet wird, um den PZ-Stapel 4 zu erregen, wird deshalb der bewegliche Schenkel 1d des Jochs 1 um das Gelenk 1e oszillieren oder schwingen. Diese oszillierende oder schwin­ gende Bewegung wird von der Hebelwirkung des Schenkels 1d vergrößert und in übersetzter Form zu der Schreibspitze übertragen, wie es unten erläutert ist. Der Schenkel 1d bildet eine erste Übersetzungsstufe eines hier dreistufigen Übersetzungsgetriebes.

Das Joch 1 trägt zwei flexible Streifen oder Blattfedern 5, 6, die beispiels­ weise aus Federstahl hergestellt sein können und ein Schiebegetriebe bil­ den. Der obere Streifen 5 ist an einem Ende 5a am Oberteil des bewegli­ chen Arms 1d befestigt. Er ist an seinem anderen Ende 5b an dem freien Ende 6b des unteren Streifens 6 angebracht. (Die angebrachten Enden 5b, 6b schwingen in einer vertikalen Richtung, wie es unten beschrieben ist). Das andere Ende 6a des Streifens 6 ist auf einem Schulterabschnitt 7 an dem oberen Teil des festen Rahmenabschnitts 1a angeordnet und kann am Abschnitt 1a des Jochs befestigt werden. Diese Schulter 7 wirkt als ein Anschlag, um zu verhindern, daß das Ende 6a des Streifens bei Bewegung des Schenkels 1d mitbewegt wird.

Wenn ein pulsierendes Signal an die PZ-Elemente 4 angelegt wird, schwingt oder oszilliert der bewegliche Schenkel 1d, was bewirkt, daß der obere Streifen 5 sich in der horizontalen Richtung (d. h. parallel zu seiner Längsachse) zurück- und dann vorbewegt. Das entfernte Ende 5b des Streifens 5 ist mit dem entfernten Ende 6b des unteren Streifens 6 ver­ bunden, jedoch liegt das nahe Ende 6a des Streifens 6 fest an der Schul­ ter 7 bzw. am Abschnitt 1a an, und das Ergebnis ist eine ziehende, schie­ bende und biegende Wirkung der Streifen 5 und 6, die bewirkt, daß die verbundenen Enden 5b und 6b sich in der vertikalen Richtung zuerst nach oben und dann nach unten bewegen. Bei Auslegung mit in etwa den Verhältnissen, die in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, kann eine Übersetzung von etwa 20 : 1 ohne weiteres durch das Schiebegetriebe erreicht werden und kann durch Verlängerung der Blattfedern 5 und 6 ohne weiteres vergrö­ ßert werden. Das bedeutet, daß eine Schwenkbewegung des Schenkels 1d um das Gelenk 1e zu einer in Fig. 1 horizontalen Bewegung des freien En­ des des Schenkels 1d mit einer Amplitude A, über das Schiebegetriebe zu einer vertikalen Bewegung der aneinander befestigten Enden 5b und 6b der Schiebegetriebe mit einer Amplitude von 20 A führt, das Schiebege­ triebe bildet somit eine zweite Übersetzungsstufe, deren Eingang (das En­ de 5a der Blattfeder 5) mit dem Ausgang (das freie Ende des Schenkels 1d) der ersten Übersetzungsstufe gekoppelt ist.

Die vertikale Bewegung bzw. Schwingung der aneinander befestigten En­ den 5b, 6b, d. h. der Ausgang der durch das Schiebegetriebe gebildeten zweiten Übersetzungsstufe, wird durch eine Kupplung 8 (die einen gega­ belten Abschnitt 8a und einen Augenabschnitt 8b umfaßt) zu einer weite­ ren Hebelanordnung 11 übertragen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 2 ist eine Unterbaugruppe 10 eines Schreibkopfes gezeigt (der nicht in allen Details dargestellt ist), die einen Trägerabschnitt 9 umfaßt, in dem mehrere Joche 1 untergebracht werden können, von denen nur eines in Fig. 2 gezeigt ist. Die Hebelanordnung 11 umfaßt einen kurzen Arm 11a und einen langen Arm 11b auf jeweiligen Seiten eines Drehzapfens (oder einer Drehachse) 12. Dies vergrößert die oszillierende Bewegung der En­ den 5b, 6b der Streifen 5, 6, wodurch bewirkt wird, daß das entfernte En­ de 14 des längeren Armabschnitts 11b über eine größere Entfernung in der vertikalen Richtung schwingt.

Diese weitere Hebelanordnung 11 bildet eine dritte Übersetzungsstufe, hier mit einer Übersetzung von 8 : 1. Das Ausgangsende des Schiebege­ triebes, d. h. die aneinander befestigten Enden 5b, 6b der Blattfeder 5 und 6 sind somit mit dem Eingangsende der dritten Übersetzungsstufe in Form des Hebels 11 verbunden. Das gegabelte Ende 14 des Hebels 11 treibt eine Schreibspitze 16 direkt an, beispielsweise in der gleichen Weise wie bei der eingangs genannten Schrift DE OS 38 32 564 beschrieben.

Bei einem praktischen Beispiel der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anord­ nung war der Stapel aus PZ-Elementen mit ungefähr 10-50% seiner Druckkraft vorbelastet.

Wenn man für die erste Übersetzungsstufe in Form des Schenkels 1d ein Übersetzungsverhältnis von 2.5 : 1, für die zweite Übersetzungsstufe in Form des Schiebegetriebes 5, 6 ein Übersetzungsverhältnis von 20 : 1 und für die dritte Übersetzungsstufe ein Übersetzungsverhältnis von 8 : 1 an­ setzt, so ergibt sich eine Gesamtübersetzung des dreistufigen Überset­ zungsgetriebes von 2.5×20×8 : 1 = 400 : 1, wodurch aus einem Stapel von fünf Piezoelementen mit einer Ausdehnung von insgesamt 5 µ eine Bewegung am Ausgangsende der dritten Übersetzungsstufe, d. h. an der Schreibspitze von 400×5 µ = 2 mm, erwartet werden kann.

Die in Fig. 1 gezeigte Antriebsanordnung weist verschiedene Vorteile ge­ genüber der in der DE-OS-38 32 564 offenbarten Anordnung auf. Bei­ spielsweise hält das Joch 1 den Stapel aus PZ-Elementen 4 sicher. Die PZ-Elemente 4 können aus einer herkömmlich leicht erhältlichen Sorte be­ stehen, die weit weniger zerbrechlich und teuer ist, als der Typ von kera­ mischem PZ-Aktuator, der in der DE-OS-38 32 564 verwendet wird. Das Joch 1 weist einen einfachen jedoch festen Aufbau auf, und die PZ-Elemente 4 können leicht im Rahmen befestigt oder entfernt werden, in­ dem einfach der Keil 3 entfernt und zurückgesetzt wird. Dies erleichtert die Wartung abgesehen davon, daß es robuster ist. Der Rahmen 1 weist sein eigenes, einstückiges, flexibles Gelenk 1e auf, das die Notwendigkeit für separate Federn umgeht. Der bewegliche Schenkel 1d des Rahmens 1 weist eine einfache Form (mit dem Vorsprung oder Nocken 2) auf, jedoch erzeugt er einen ersten Grad an Vergrößerung der Bewegung der PZ-Ele­ mente 4. Eine zweite Vergrößerungsstufe wird durch die elastischen Strei­ fen 5, 6 geschaffen. Diese können einfach aus Federstahl hergestellt sein und sind daher fest, verläßlich und weniger teuer (als der keramische PZ-Aktuator der DE-OS-38 32 564). Die Antriebsanordnung von Fig. 1 kann auch leicht in einem Träger 9 mit einfachem Aufbau aufgenommen wer­ den, was die Wartung erleichtert.

Es wirken keine nennenswerten Kräfte, die innerhalb des Jochs wirken, nach außen. Lediglich die Kräfte, die benötigt werden, um die Schreibspit­ ze zu betätigen, müssen vom Gehäuse bzw. von Teilen außerhalb des Ak­ tuators aufgenommen werden.

Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, kann der Träger 9 weitere bspw. fünf weitere Antriebsanordnungen 1 Seite an Seite tragen, um eine Schreibspitzenan­ ordnung in dem Schreibkopf 15 anzutreiben. Der Schreibkopf 15 trägt an seinem in Fig. 3 linken Ende eine Schaltungsplatine 17, welche die An­ steuerspannungen für die piezoelektrischen Elemente 4 zur Verfügung stellt. Der Schreibkopf ist an der Führungswelle 18 entlang in Richtung der Doppelpfeile P bewegbar. Die winkelmäßige Ausrichtung des Schreib­ kopfs 15 wird von einer weiteren Führungswelle 19 sichergestellt, die von einem Teil 20 teilweise umgriffen wird, wie in Fig. 4 gezeigt.

Die Fig. 4 zeigt außerdem, wie das gegabelte Ende 14 des Hebels 11 die Schreibspitze 21 in Richtung des Doppelpfeils D bewegt, wobei die Schreibspitze in senkrechter Richtung im Kopf 21a geführt ist und mit ei­ ner Tintenpatrone kommuniziert, die nicht gezeigt ist, jedoch in der Auf­ nahme 21b einlegbar ist (eine Patrone pro Schreibspitze 21). Die Walze 21c, die den Aufzeichnungsträger führt, ist ebenfalls in Fig. 4 zu sehen.

Die Schreibspitze 21 wird in Richtung auf die Walze 21c zu durch die Be­ tätigung des piezoelektrischen Aktuators bewegt und durch die Feder­ spannung des Schenkels 1d zurückgestellt.

Die obige Beschreibung befaßt sich mit der Anwendung der erfindungs­ gemäßen Antriebsanordnung für einen Schreibkopf. Diese Anordnung kann jedoch auch als allgemeiner Stellantrieb fuhr die verschiedensten Aufgaben verwendet werden. Beispielsweise kann sie als Schalter benutzt werden, um optische Fasern für Nachrichtenkanäle umzuschalten. In ei­ ner derartigen Anwendung könnte das eine Ende einer optischen Faser, das am Ausgangsende des Schiebegetriebes angebracht ist, wahlweise je nach Schalterstellung in Ausrichtung mit zwei weiteren optischen Fase­ renden zur Realisierung einer Weichenfunktion gebracht werden.

Die Antriebsanordnung könnte auch als Stellantrieb für die Ablenkung eines Spiegels verwendet werden, beispielsweise in einem optischen In­ strument. Auch wäre es durchaus denkbar, ein optisches Element, wie beispielsweise eine Laserdiode, am Übersetzungsgetriebe ausgangsseitig anzubringen und durch die entsprechende Bewegung des Übersetzungs­ getriebes eine optische Abtastfunktion zu realisieren.

Schließlich kann die Antriebsanordnung in umgekehrter Form als Signal­ generator verwendet werden. In einer derartigen Anordnung, die in den Ansprüchen 23 bis 27 beschrieben ist, wird die bisherige Ausgangsseite des Übersetzungsgetriebes als Eingangsseite eines Untersetzungsgetriebes benutzt und der bisher als Aktuator benutzte piezoelektrische Teil dient dann der Signalerzeugung. Beispielsweise könnte das Ende des Schiebe­ getriebes, an dem die beiden länglichen Glieder aneinander befestigt sind, zum Detektieren einer Bewegung benutzt werden - man denke zum Bei­ spiel an die Bewegung eines Werkzeugs am Ende seines Arbeitsweges - wobei das elektrische Ausgangssignal des piezoelektrischen Teils propor­ tional zur Bewegung ansteigt.

Claims (27)

1. Antriebsanordnung, beispielsweise für einen Schreibkopf, die eine piezoelektrisch betätigte Hebelanordnung (1d) umfaßt, um eine Schreibspitze (21) in Richtung eines Aufzeichnungsträgers zu bewe­ gen, wenn auf dem Aufzeichnungsträger geschrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Hebelanordnung (1d) getrennter, piezoelektrischer Aktuator (4) verwendet wird, und daß die Hebelanordnung (1d) eine komprimierende Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator (4) aus­ übt, welcher an einer starren Widerlage (Abschnitt 1b) abgestützt ist.

2. Antriebsanordnung, beispielsweise für einen Schreibkopf, die eine piezoelektrisch betätigte Hebelanordnung (1d) umfaßt, um eine Schreibspitze (21) in Richtung eines Aufzeichnungsträgers zu bewe­ gen, wenn auf dem Aufzeichnungsträger geschrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator (4) in einem Joch (1a, 1b, 1c, 1d) angeordnet ist, daß das Joch durch Federwirkung eine komprimie­ rende Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator (4) ausübt und als Übersetzungsgetriebe (1d, 5, 6) bzw. als Teil eines Übersetzungsge­ triebes (5, 6) ausgelegt ist, das eingangsseitig bei elektrischer An­ steuerung des piezoelektrischen Aktuators (4) dessen auftretender Längenänderung als Eingangsbewegung folgt und ausgangsseitig eine mehrfach größere Bewegungsamplitude aufweist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe (1d, 5, 6) mindestens zweistufig aus­ gebildet ist.

5. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Übersetzungsstufe durch den einen Schenkel (1d) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) realisiert ist, der an einem ersten Ende (1e) mit dem Rest des Jochs zur Erzeugung der komprimierenden Kraft federnd angebracht bzw. angelenkt ist und an seinem zweiten Ende am Eingang (5a) der zweiten Übersetzungsstufe (5, 6) wirkt, wobei zum Erzielen der erwünschten Übersetzung der piezoelektrische Aktuator (4) am genannten Schenkel (1d) an einer Stelle angreift, deren Abstand vom ersten Ende (1e) des Schenkels (1d) kleiner ist als dessen Abstand vom zweiten Ende des Schenkels (1d).

6. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe bzw. die zweite Übersetzungsstufe des Übersetzungsgetriebes (5, 6) als Schiebegetriebe realisiert ist.

7. Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schiebegetriebe (5, 6) aus zwei länglichen Gliedern besteht, wobei das erste Glied (5) an seinem einen Ende (5a) vom genannten Schenkel (1d) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) betätigt wird, das zweite Glied (6) an seinem einen Ende (6a) von einem weiteren Teil (1a, 7) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) gehalten wird und die zwei Glieder (5, 6) an ihren anderen Enden (5a, 6a) aneinander befestigt sind.

8. Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das zweite Glied (6) und vorzugsweise auch das er­ ste Glied (5) als Blattfeder ausgebildet ist.

9. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schiebegetriebe (5, 6) an seinem Ausgangsende (5b, 6b) mit dem Eingangsende (11a) einer dritten Übersetzungsstufe (11) gekop­ pelt ist.

10. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung des Übersetzungsgetriebes (1d, 5, 6) größer als fünf und vorzugsweise im Bereich zwischen zehn und eintausend liegt.

11. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem zweistufigen Übersetzungsgetriebe die erste Stufe (1d) eine Übersetzung von etwa 2,5 : 1 und die zweite Stufe (5, 6) ei­ ne Übersetzung von etwa 20 : 1 erzeugt und bei einem dreistufigen Übersetzungsgetriebe die dritte Stufe (11) eine Übersetzung von et­ wa 8 : 1 erzeugt.

12. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator (4) mehrere piezoelektrische Ele­ mente umfaßt, die vorzugsweise die Form von Scheiben oder Platten aufweisen, die Seite an Seite entlang einer Achse gestapelt sind, die senkrecht zu jeder dieser parallelen Seiten der Elemente steht.

13. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator (4) zwischen einem beweglichen Teil (1d) und einem festen Teil (1b) der Hebelanordnung komprimiert ist.

14. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnung zur Vergrößerung der Bewegung des piezo­ elektrischen Aktuators (4) einen beweglichen Armabschnitt (1d) aufweist, der sich um eine Achse (1e) dreht, und daß der piezoelek­ trische Aktuator (4) einem Eingangsabschnitt (2) des beweglichen Armabschnitts (1d) eine Bewegung verleiht, so daß an einem Aus­ gangsabschnitt (5a) des beweglichen Armabschnitts (1d) eine größe­ re Bewegung erzeugt wird.

15. Antriebsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Eingangsabschnitt (2) und der Ach­ se (1e) kürzer als der Abstand zwischen dem Ausgangsabschnitt (5a) und der Achse (1e) ist.

16. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarmabschnitt (1d) ein Teil eines Rahmens (1) zum Halten des piezoelektrischen Aktuators (4) ist.

17. Antriebsanordnung nach Anspruch 16, wobei der bewegliche Armabschnitt (1d) schwenkbar an dem Rahmen (1) durch einen ela­ stischen Abschnitt (1e) angebracht ist, der eine Vorspannung bereit­ stellt,. um den beweglichen Armabschnitt (1d) in eine Ausgangsposi­ tion zurückzuführen.

18. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnung einen im allgemeinen U- oder C-förmigen Rahmen umfaßt, der derart eingerichtet ist, daß er den PZ-Aktuator (4) elastisch greift, so daß sich der Rahmen (1) ausdehnt, wenn der PZ-Aktuator (4) erregt wird, wodurch bewirkt wird, daß sich der be­ wegliche Armabschnitt (1d) bewegt.

19. Antriebsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite längliche elastische Element (5, 6) me­ chanisch mit einem beweglichen Armabschnitt (1d) verbunden sind, so daß bewirkt wird, daß sie sich differenziell bewegen, wodurch die miteinander verbundenen Endabschnitte (5b, 6b) der länglichen Bauteile (5, 6) zu Bewegungen veranlaßt werden.

20. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einstellungsmittel (3) vorgesehen ist, um die auf den Piezo­ aktuator (4) ausgeübten Kompressionskräfte einzustellen.

21. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer umgekehrten Ausführung, bei der die bisherige Ausgangsseite des Übersetzungsgetriebes jetzt die Eingangsseite darstellt und der bisher als Aktuator bezeichnete piezoelektrische Teil als Signaler­ zeuger arbeitet und beispielsweise ein Signal erzeugt, dessen Amplitude proportional zur Amplitude der Bewegung an der jetzigen Eingangsseite des Übersetzungsgetriebes ist oder ein Signal erst dann abgibt, wenn die Amplitude der Bewegung an der jetzigen Ein­ gangsseite einen Schwellenwert überschreitet.

22. Schreibkopf mit mindestens einer Schreibspitze zum Drucken auf einem Aufzeichnungsträger, einem Träger zum Halten des Aufzeich­ nungsträgers und einer oder mehreren Antriebsanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

23. Signalgenerator bestehend aus einem piezoelektrischen, Signal ge­ benden Teil, der in einem Joch angeordnet ist, wobei das Joch durch Federwirkung eine komprimierende Kraft auf den piezoelek­ trischen Teil ausübt und als Untersetzungsgetriebe, beispielsweise als Teil eines Untersetzungsgetriebes, ausgelegt ist, wobei das Un­ tersetzungsgetriebe an der Eingangsseite einer Bewegung folgt oder detektiert und ausgangsseitig die komprimierende Kraft auf den pie­ zoelektrischen Teil ändert und hierdurch ein elektrisches Signal er­ zeugt.

24. Signalgenerator nach Anspruch 23, wobei das Untersetzungsgetrie­ be mindestens zweistufig ausgebildet ist.

25. Signalgenerator nach Anspruch 23 oder 24, wobei die oder eine Untersetzungsstufe durch den einen Schenkel (1d) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) realisiert ist, der an einem ersten Ende (1e) mit dem Rest des Jochs zur Erzeugung der komprimierenden Kraft federnd ange­ bracht bzw. angelenkt ist und an seinem zweiten Ende einer Ein­ gangsbewegung folgt, wobei zum Erzielen der erwünschten Unter­ setzung der genannte Schenkel (1d) am piezoelektrischen Teil (4) an einer Stelle angreift, deren Abstand vom ersten Ende (1e) des Schenkels (1d) kleiner ist als dessen Abstand vom zweiten Ende des Schenkels (1d).

26. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Untersetzungsgetriebe bzw. eine Untersetzungsstufe des Unterset­ zungsgetriebes als Schiebegetriebe realisiert ist.

27. Signalgenerator nach Anspruch 26, wobei das Schiebegetriebe (5, 6) aus zwei länglichen Gliedern besteht, wobei das erste Glied (5) an seinem einen Ende (5a) am genannten Schenkel (1d) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) angebracht ist, das zweite Glied (6) an seinem einen En­ de (6a) an einem weiteren Teil (1a, 7) des Jochs (1a, 1b, 1c, 1d) an­ gebracht ist und die zwei Glieder (5, 6) an ihren anderen Enden (5a, 6a) aneinander befestigt sind und hier die Eingangsseite der ent­ sprechenden Untersetzungsstufe bilden.