DE4122984A1 - Ansteuereinrichtung fuer ein piezoelektrisches element - Google Patents
Ansteuereinrichtung fuer ein piezoelektrisches elementInfo
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuereinrichtung
für ein piezoelektrisches Element und im besonderen
auf eine Ansteuereinrichtung, die einen niedrigen Leistungsverbrauch,
eine niedrige Wärmeentwicklung und niedrige Kosten
aufweist.
Die Kombination eines piezoelektrischen Elementes mit einer
Spule zeigt bei einer bestimmten Frequenz eine Resonanz, wenn
sie wiederholt aufgeladen und entladen wird. Wenn das piezoelektrische Element
zum Antrieb eines Druckdrahtes eines
Druckers verwendet wird, ist es erforderlich, daß die Auslenkungsbedingung
(ausgelenkte Stellung) des piezoelektrischen
Elementes für eine bestimmte Zeitdauer erhalten bleibt. In der
veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 63-1 30 357 wird
eine dafür geeignete Ansteuereinrichtung beschrieben.
Die darin beschriebene Ansteuereinrichtung ist wie in Fig. 1
gezeigt angeordnet. Ein piezoelektrisches Element 102 ist über
die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schalttransistors 103 mit
dem Stromversorgungsanschluß einer Stromversorgung 101 verbunden.
Der Schalttransistor 103 dient dazu, die Betriebsspannung
an das piezoelektrische Element 102 in Reaktion auf
ein Ansteuersignal V2 anzulegen. Eine Diode 110 ist zum
piezoelektrischen Element 102 parallel geschaltet, so daß an
die Diode 110 eine Spannung in umgekehrter Richtung angelegt
wird, wenn der Schalttransistor 103 EIN ist. Des weiteren ist
der nicht auf Masse liegende Anschluß des piezoelektrischen
Elementes 102 mit einem Anschluß einer Spule 105 verbunden, und
ein anderer Anschluß der Spule 105 ist wiederum über eine Diode
109 mit dem Stromversorgungsanschluß der Stromversorgung 101
verbunden. Die Diode 109 ist zu dem Zwecke vorhanden, daß ein
Strom nur in Richtung vom piezoelektrischen Element 102 zum
Stromversorgungsanschluß fließt.
Ein Verbindungspunkt zwischen der Diode 109 und der Spule 105
ist mit dem Kollektor des Schalttransistors 106 verbunden. Der
Emitter dieses Schalttransistors ist mit Masse verbunden, und
die Basis ist mit dem Kollektor des Schalttransistors 108 verbunden.
Der Emitter des Schalttransistors 108 ist über einen
Widerstand mit dem nicht auf Masse liegenden Anschluß des
piezoelektrischen Elementes 102 verbunden, und die Basis ist
mit dem Kollektor des Schalttransistors 107 verbunden. Der
Emitter des Schalttransistors 107 ist mit Masse verbunden, und
an die Basis wird ein Freigabesignal V3 angelegt.
In der beschriebenen Schaltungskonfiguration wird, wenn das
Ansteuersignal V2 auf hohem Pegel ist, der Schalttransistor 103
leitfähig gemacht. Dann werden vom Stromversorgungsanschluß gelieferte
elektrische Ladungen im piezoelektrischen Element 102
über den Schalttransistor 103 gespeichert, woher eine Auslenkung
des piezoelektrischen Elementes 102 resultiert.
Um das piezoelektrische Element 102 zurückzustellen, wird das
Ansteuersignal V2 auf niedrigen Pegel gebracht, und das
Freigabesignal V3 wird auf hohen Pegel gebracht. Damit wird
eine weitere Lieferung elektrischer Ladungen auf das
piezoelektrische Element 102 unterbrochen, und der Schalttransistor
107 wird leitend gemacht. Die Basisspannung des
Schalttransistors 108 ist damit bei 0 Volt. Jedoch ist an den
Emitter des Schalttransistors 108 eine Spannung angelegt, da er
mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, das elektrisch
aufgeladen ist. Infolge der Spannung zwischen Basis und Emitter
des Schalttransistors 108 wird der Schalttransistor 108 leitend
gemacht. An die Basis des Schalttransistors 106 wird damit eine
Spannung angelegt, die etwa gleich der Klemmenspannung des
piezoelektrischen Elementes 102 ist, wodurch der Schalttransistor
106 leitend gemacht wird. Die Reihenschaltung des
piezoelektrischen Elementes 102 (das einem Kondensator
äquivalent ist) und der Spule 105 bildet einen Resonanzkreis.
Der in der Spule 105 fließende Strom und die an ihr anliegende
Spannung haben Sinus-Wellenform, wobei die Frequenz durch die
Induktivität der Spule 105 und die Kapazität des piezoelektrischen
Elementes 102 bestimmt ist. Die Phasenverschiebung
zwischen dem Strom und der Spannung beträgt 90°, wenn die
reinen Widerstandsanteile im Kreis vernachlässigt werden.
Des weiteren gibt es im Kreis keinen Verlust infolge der
Tatsache, daß im Kreis im wesentlichen keine reinen
Widerstandsanteile vorhanden sind. Wenn eine einem Viertel
einer Periode entsprechende Zeit verstrichen ist, nachdem das
Freigabesignal auf hohen Pegel gebracht wurde, ist die an der
Spule anliegende Spannung auf 0 abgefallen, da die an ihr
anliegende Spannung sich sinusförmig ändert. Zu diesem Zeitpunkt
wird, da der Emitter des Schalttransistors 108 bei 0 Volt
ist, der Schalttransistor 108 AUS-geschaltet, und der
Schalttransistor 105 ist ebenfalls AUS-geschaltet. Im Ergebnis
dessen mündet der durch die Spule 105 fließende Strom über die
Diode 109 insgesamt in die Stromversorgung 101 ein. Infolgedessen
werden die elektrischen Ladung, die vom piezoelektrischen
Element 102 abgeführt werden, nicht thermisch
zerstreut, und es wird eine niedrige Wärmeerzeugung und ein
niedriger Leistungsverbrauch erhalten.
Im allgemeinen ist mit einem solchen piezoelektrischen Element
eine Last mit relativ großer Masse verbunden. Das piezoelektrische
Element wird typischerweise durch ein elastisches Teil
wie eine Blattfeder in die Richtung gedrückt, in der die Auslenkung
aufgehoben wird. Da das piezoelektrische Element
schwach gegenüber der Zugspannung ist, wurde ein Aufbau vorgeschlagen,
bei dem ein bewegliches Teil mechanisch vom piezoelektrischen
Element getrennt wird, wenn das piezoelektrische
Element keiner Anregung unterliegt. Wenn das piezoelektrische
Element keiner Anregung unterliegt, bewegt sich das bewegliche
Teil mit Hilfe der Blattfeder mit einer kleinen Verzögerung
gegenüber dem Zeitpunkt, zu dem das piezoelektrische Element
zurückgeführt wird, zurück. Zu diesem Zeitpunkt stößt das bewegliche
Element gegen das piezoelektrische Element, wodurch in
der Elektrode des piezoelektrischen Elementes elektrische
Ladungen erzeugt werden.
Beim Gebrauch der oben beschriebenen Ansteuereinrichtung ist
jedoch das piezoelektrische Element 102 elektrisch isoliert, da
der Schalttransistor 106 AUS ist, und infolgedessen verbleiben
die elektrischen Ladungen im piezoelektrischen Element 102.
Damit führen die im piezoelektrischen Element festgehaltenen
Ladungen zu einer kleinen Auslenkung. Wenn das piezoelektrische
Element als Antriebsmechanismus für den Druckdraht eines
Druckers verwendet wird, wird der Druckdraht in einem leicht
ausgelenkten Zustand gehalten. Dies bewirkt Störungen des
Vorschubes des Farbbandes.
Weiterhin ist die herkömmliche Steuereinrichtung nach Fig. 1
kompliziert im Aufbau, und ihre Erstellung zu niedrigen Kosten
ist schwierig, da in ihr viele Schalttransistoren verwendet
werden. Weiterhin führt der Gebrauch von vielen Schalttransistoren
zu Verlusten, und damit ist die herkömmliche Ansteuereinrichtung
hinsichtlich niedrigen Stromverbrauches
unbefriedigend.
Die vorliegende Erfindung dient der Lösung der obengenannten
Probleme, und es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuereinrichtung
mit niedrigem Stromverbrauch und niedriger Wärmeerzeugung
bereitzustellen. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung,
unerwünschte Auslenkungen des piezoelektrischen Elementes durch
wirksame Abfuhr der verbleibenden elektrischen Ladungen im
piezoelektrischen Element in seinem nicht angeregten Zustand zu
gewährleisten.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird nach einem ersten Aspekt der
Erfindung eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines
piezoelektrischen Elementes bereitgestellt, die erste und
zweite Anschlüsse hat, die eine Stromversorgungseinrichtung,
eine Spule mit einem ersten Anschluß, der elektrisch mit dem
ersten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbunden ist,
und einem zweiten Anschluß, der elektrisch mit der Stromversorgungseinrichtung
verbunden ist, eine wahlweise EIN oder AUS
geschaltete Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung
elektrisch den zweiten Anschluß der Spule mit dem zweiten
Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbindet, wodurch ein
Resonanzkreis mit dem piezoelektrischen Element und der Spule
gebildet wird, wenn die Schalteinrichtung EIN ist, und eine
Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung, wobei die
Schalteinrichtung EIN ist, wenn das piezoelektrische Element
angewiesen wird, von einer Auslenkungsposition zurückzukehren,
die Schalteinrichtung nach Verstreichen einer vorgegebenen
Zeitdauer vom Zeitpunkt, zu dem die Schalteinrichtung EIN-
geschaltet wurde, AUS-geschaltet wird, und die Schalteinrichtung
wieder EIN-geschaltet wird, nachdem die in der Spule
verbliebene elektrische Energie zur Stromversorgungseinrichtung
zurückgeführt wurde, aufweist. Die Schalteinrichtung weist eine
erste Schalteinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung auf.
Im Betrieb wird zur Auslenkung des piezoelektrischen Elementes
die erste Schalteinrichtung durch die Steuereinrichtung EIN-geschaltet.
Damit fließen elektrische Ladungen von der Stromversorgungseinrichtung
durch die erste Schalteinrichtung in das
piezoelektrische Element, wodurch das piezoelektrische Element
verschoben (ausgelenkt) wird. Der EIN-Zustand der ersten
Schalteinrichtung dauert an, bis eine hinreichende Menge
elektrischer Ladungen im piezoelektrischen Element gespeichert
ist. Um das piezoelektrische Element aus dem Auslenkungszustand
zurückzustellen, wird die erste Schalteinrichtung durch die
Steuereinrichtung AUS-geschaltet, und unter dieser Bedingung
wird die zweite Schalteinrichtung durch die Steuereinrichtung
EIN-geschaltet. In diesem Zustand wird durch das piezoelektrische
Element und die Spule ein Resonanzkreis gebildet. Die
im piezoelektrischen Element gespeicherten elektrischen Ladungen
fließen aus der Spule und werden wieder im piezoelektrischen
Element gespeichert. Dieser Vorgang wird wiederholt
ausgeführt. Die Steuereinrichtung wartet auf einem Zeitpunkt,
zu dem die elektrischen Ladungen in die Spule fließen, und wenn
die vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt, zu dem die zweite
Schalteinrichtung EIN-geschaltet wurde, verstrichen ist, wird
durch die Steuereinrichtung die zweite Schalteinrichtung AUS-
geschaltet, wodurch der in der Spule fließende Strom zur Stromversorgungseinrichtung
zurückgerichtet ist.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Ansteuereinrichtung
zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes mit
ersten und zweiten Anschlüssen vorgesehen, welche eine Stromversorgungseinrichtung,
eine Spule mit einem mit dem ersten
Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbundenen ersten
Anschluß, mit einem mit der Stromversorgungseinrichtung verbundenen
zweiten Anschluß, eine wahlweise EIN- oder AUS-geschaltete
Schalteinrichtung, die den zweiten Anschluß der Spule
elektrisch mit dem zweiten Anschluß des piezoelektrischen
Elementes verbindet, wodurch mit dem piezoelektrischen Element
und der Spule ein Resonanzkreis gebildet wird, wenn die Schalteinrichtung
EIN ist, eine Zeitmeßeinrichtung zum Messen einer
vorgegebenen Zeitdauer und eine Steuereinrichtung zum Steuern
der Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung EIN-
geschaltet wird, wenn das piezoelektrische Element angewiesen
wird, aus einem Auslenkungszustand zurückzukehren, und die
Schalteinrichtung AUS-geschaltet wird, wenn durch die Zeitmeßeinrichtung
das Verstreichen der vorgegebenen Zeitspanne "angewiesen"
wird, aufweist.
Im Betrieb wird, um das piezoelektrische Element aus dem Auslenkungszustand
zurückzuführen, die Schalteinrichtung EIN-
geschaltet. In diesem Zustand bilden das piezoelektrische
Element und die Spule einen Resonanzkreis, wobei die im piezoelektrischen
Element gespeicherten elektrischen Ladungen aus
diesem über die Spule abfließen. Die Schalteinrichtung wird
erst AUS-geschaltet, wenn durch die Zeitmeßeinrichtung das Verstreichen
der vorbestimmten Zeitspanne angezeigt wird. Bis zu
dem Zeitpunkt, zu dem die Schalteinrichtung AUS-geschaltet
wird, ist die in den elektrischen Ladungen vorliegende elektrostatische
Energie im wesentlichen in Energie in Form eines
elektrischen Stromflusses umgewandelt. Der in der Spule
fließende Strom kann daher in die Stromversorgungseinrichtung
fließen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren. Von den Figuren zeigt
Fig. 1 das Schaltbild einer herkömmlichen Ansteuereinrichtung
für ein piezoelektrisches Element,
Fig. 2 das Schaltbild einer Ansteuereinrichtung für
ein piezoelektrisches Element nach einer Ausführungsform,
Fig. 3 die Vorderansicht einer Druckelement-Baugruppe
eines Punkt-Druckers, die durch die Ansteuereinrichtung
nach der Ausführungsform betrieben
wird,
Fig. 4A und 4B Flußdiagramme zur Beschreibung der durch die
Steuereinheit ausgeführten Prozesse,
Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Strom- und
Spannungsänderungen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden
Abbildungen eine Ausführungsform der Erfindung im einzelnen
beschrieben. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die
Ansteuereinrichtung für ein piezoelektrisches Element als
piezoelektrisches Stellglied (Aktuator) zum Antrieb des Druckdrahtes
eines Anschlags-Punktdrucker-Druckkopfes benutzt.
Ein piezoelektrisches Stellglied enthält ein aus Schichten
aufgebautes piezoelektrisches Element 10 mit einer Mehrzahl in
einer Reihe angeordneter piezoelektrischer Elemente P, wie in
Fig. 2 gezeigt. Das piezoelektrische Element 10 wird durch
zwei Rahmen 12 und 14, die sich in einer Richtung parallel zur
Längsrichtung des piezoelektrischen Elementes 10 erstrecken,
gehalten.
Das piezoelektrische Element 10 hat zwei Endflächen, an denen
ein bewegliches Element 16 bzw. ein Temperaturkompensationsblock
18 befestigt sind, die beide die Gestalt eines
rechtwinkligen Parallelepipeds haben. Eine Seitenfläche des
beweglichen Elementes 16 liegt einer Fläche 24 des Rahmens 12
über ein Paar von Blattfedern 20 und 22 gegenüber, die
aufeinander angeordnet sind. Die Rückseite des Temperaturkompensationsblocks
18 liegt einer Fläche 26 des Rahmens 12
gegenüber. Das bewegliche Element 16 und die Blattfeder 20 sind
aneinander befestigt, und die Blattfeder 22 und der Rahmen 12
sind ebenfalls miteinander befestigt. Die Blattfedern 20 und 22
stehen zueinander in gleitbar bewegbarem Oberflächenkontakt.
Ein Stift 28 ist fest im Rahmen 12 angeordnet. Der Stift 28
steht im Kontakt mit dem Temperaturkompensationsblock 18 und
drückt den Temperaturkompensationsblock 18 zum beweglichen
Element 16 hin. Das piezoelektrische Element 10 ist an den
Rahmen 12 und 14 befestigt, wobei es mit kleiner Druckkraft in
Längsrichtung gedrückt wird. Daher bewegt sich, wenn an das
piezoelektrische Element 10 eine Spannung
angelegt wird und sich das letztere in seine Längsrichtung
erstreckt, die Blattfeder 20 in positive Richtung (im Bild
aufwärts) bezüglich der Blattfeder 22. Auf der anderen Seite
bewegt sich, wenn das Anlegen einer Spannung an das
piezoelektrische Element 10 unterbrochen wird, um das
piezoelektrische Element 10 rückzuholen, die Blattfeder 20 in
die entgegengesetzte Richtung.
Auch wenn die Spannung, die an das piezoelektrische Element 10
angelegt wurde, vollständig auf 0 abgeklungen ist, verbleibt im
piezoelektrischen Element 10 eine positiv gerichtete Rest-
Verwindung. Je höher die Temperatur des piezoelektrischen
Elementes 10 ist, desto geringer ist diese Rest-Verwindung.
Daher erreicht, wenn die Temperatur hoch ist, auch wenn die an
das piezoelektrische Element 10 angelegte Spannung und der
Betrag der Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 10 so gesteuert
werden, daß sie konstant sind, die maximale Auslenkungsstellung
des piezoelektrischen Elementes 10 nicht die
korrekte Stellung. Je höher die Temperatur ist, desto mehr
wächst der Abstand zwischen der korrekten Stellung und der
maximalen Auslenkungsstellung an. Um die Verringerung der Auslenkungsstellung
zu eliminieren ist der Temperaturkompensationsblock
18 vorgesehen. Der Temperaturkompensationsblock
18 dehnt sich in einem größeren Maße aus, wenn die
Temperatur höher wird. Der Temperaturkompensationsblock 18 ist
in der Auslenkungs(Verschiebungs-)richtung des
piezoelektrischen Elementes 10 angeordnet. Genauer gesagt, ist
der Temperaturkompensationsblock 18 vorgesehen, um die
Verringerung der Verschiebung des piezoelektrischen Elementes
10 durch die Ausdehnungslänge des Temperaturkompensationsblocks
18 zu kompensieren, so daß die maximale Auslenkungsposition
des piezoelektrischen Elementes 10 nicht von Temperaturänderungen
abhängt.
Der Rahmen 14 ist aus einem verformbaren, elastischen Material
gefertigt, und seine Längsabmessung ist größer als die des
piezoelektrischen Elementes 10. Der Rahmen 14 verbindet einen
Endabschnitt des Rahmens 12 mit dem beweglichen Teil 16. Die
dem Rahmen 14 zukommende Funktion wird später beschrieben.
Die oberen Enden der Blattfedern 20 und 22 werden durch eine
Nut 32, die in einem Rückhalteteil 34 ausgebildet ist, aufgenommen.
Die Breite der Nut 32 ist größer als die Summe der
Dicken der Blattfedern 20 und 22. Die Blattfedern 20 und 22
sind an den Seitenwänden der Nut 32 befestigt. Ein Arm 36
erstreckt sich vom Rückhalteteil 34, an dessen spitzem Ende ein
Druckdraht 38 fest angebracht ist. Der Druckdraht 38 ist mit
einem Farbband dazwischen gegenüber dem Druckpapier angeordnet.
Wenn sich die Blattfeder 20 relativ zur Blattfeder 22, der Ausdehnung
des piezoelektrischen Elementes 10 folgend, gleitend
aufwärts bewegt, wird das Halteteil 34 um sein Zentrum entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht. Der Druckdraht 38 wird mit dem
Farbband dazwischen gegen das Druckpapier gedrückt, wodurch auf
dem Druckpapier ein Punkteindruck erzeugt wird. Wenn das
piezoelektrische Element 10 aus diesem Zustand zurückgezogen
wird, wird das Halteteil 34 im Uhrzeigersinn gedreht, mit dem
Ergebnis, daß der Druckdraht 38 in die Ruhestellung zurückkehrt.
Die Ruhestellung des Druckdrahtes 38 ist durch eine
Stellung definiert, bei der der Arm 36 in Berührung mit einem
Stopper 40 gebracht wird, der aus einem schwach abstoßenden
Gummi gefertigt ist.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, überträgt
das piezoelektrische Stellglied unter Verstärkung die Auslenkung
des piezoelektrischen Elementes 10 über die Blattfedern 20
und 22, das Halteteil 34 und den Arm 36 auf den Druckdraht.
Wenn der Druckdraht 38 gegen das Druckpapier gedrückt wird,
wird dem beweglichen Teil 16 ein Drehmoment auferlegt, das eine
Drehung des beweglichen Teils 16 um sein Zentrum entgegen dem
Uhrzeigersinn bewirkt, so daß eine Biegung des piezoelektrischen
Elementes 10 zustande kommt. Bei dieser Ausführungsform ist
jedoch der Rahmen 14 entsprechend der Verlängerung des
piezoelektrischen Elementes 10 elastisch verlängert, und damit
wird dem beweglichen Teil 16 ein anderes Drehmoment auferlegt,
das bewirkt, daß es sich im Uhrzeigersinn dreht. Im Ergebnis
dessen heben sich die einander entgegengerichteten Drehmomente auf,
so daß das piezoelektrische Element 10 nicht verbogen wird,
sondern es ihm gestattet ist, sich linear nach vorn oder zurück
zu bewegen.
Eine Ansteuerschaltung für das piezoelektrische Element 10 ist
in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind eine
Gleichstromquelle 51, die eine Ausgangsspannung E erzeugt, ein
Transistor Tr1, eine Spule 53 und ein piezoelektrisches Element
10 nacheinander in Reihe geschaltet. Die negativen Elektroden
sowohl der Gleichstromspannungsquelle 51 als auch des piezoelektrischen
Elementes P sind mit Masse verbunden. Die Vorwärts-
Richtung des Transistors Tr1 ist die Richtung zur
positiven Elektrode des piezoelektrischen Elementes P hin von
der positiven Elektrode der Gleichstromspannungsquelle 51 (im
folgenden wird diese Richtung als "Vorwärtsrichtung der
Schaltung" bezeichnet).
Der Verbindungspunkt zwischen dem Transistor Tr1 und der Spule
53 ist über den Transistor Tr2 auf Masse gelegt. Die Vorwärts-
Richtung des Transistors Tr2 ist die Richtung von der Verbindung
zwischen dem Transistor Tr1 und der Spule 53 nach Masse
hin. Parallel zu den Transistoren Tr1 bzw. Tr2 sind Dioden D1
und D2 geschaltet. Die Vorwärts-Richtung beider Dioden D1 und
D2 ist der Vorwärts-Richtung des verbundenen Transistors entgegengesetzt.
Die positiven Elektroden der Gleichstromquelle 51
und des piezoelektrischen Elementes P sind miteinander über
eine Diode D3 verbunden. Die Vorwärts-Richtung der Diode D3 ist
der Vorwärts-Richtung der Schaltung entgegengesetzt. Ein
Transistor Tr3 ist bezüglich der Diode D3 in entgegengesetzter
Richtung angeordnet. Eine Diode D4 ist parallel zum
piezoelektrischen Element P angeordnet. Die Vorwärts-Richtung
der Diode D4 ist die Richtung von der negativen Elektrode des
piezoelektrischen Elementes P zu dessen positiver Elektrode
hin. Eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente P, die das
piezoelektrische Element 10 in Schichtbauweise bilden, ist
parallel zueinander miteinander verbunden.
Das Umschalten zwischen EIN und AUS jedes der Transistoren Tr1,
Tr2 und Tr3 wird durch eine Transistorsteuerschaltung (im
folgenden einfach als "Steuerschaltung 55" bezeichnet) bewirkt.
Die Steuerschaltung 55 steuert auch den gesamten Betrieb des
Anschlagdruckers und weist einen Mikrorechner auf. Die Steuerschaltung
55 enthält einen Timer 55a in ihrem Inneren.
Im folgenden werden die durch die Steuerschaltung 55
ausgeführten Betriebsvorgänge beschrieben. Fig. 4A ist ein
Flußdiagramm zum Steuern des Betriebes eines herausgegriffenen
Druckelementes, mit dem ein Punkt gedruckt wird. Die
Steuerschaltung führt nicht nur die im Flußdiagramm der Fig.
4A angegebene Steuerung aus, sondern auch die Steuerung der
Betriebsvorgänge der übrigen Druckelemente und die Druckersteuerung.
Wenn die Inbetriebnahme (Ansteuerung) eines Druckelementes befohlen
wird, wird der Transistor Tr2 durch die Steuerschaltung
55 nichtleitend gemacht (Schritt S1), und unmittelbar danach
der Transistor Tr1 leitend gemacht (Schritt S2). Die in der
Gleichstromquelle 51 erzeugten elektrischen Ladungen fließen
über den Transistor Tr1 und die Spule 53 in das piezoelektrische
Element P, was zu einer Auslenkung des piezoelektrischen
Elements P führt. Der Druckdraht 38 bewegt sich nach
vorn und erzeugt einen Punkteindruck auf dem auf der Walze
gehaltenen Druckpapier entsprechend der Auslenkung des
piezoelektrischen Elementes P.
Die Steuerschaltung 55 wartet, bis eine genügende Menge
elektrischer Ladungen in den piezoelektrischen Elementen P
gespeichert ist (S3). In einer geschlossenen Schleife, die die
Diode D3 und den Transistor Tr1 einschließt, fließt infolge der
Wirkung der Spule 53 ständig ein Strom, wodurch der in der
Spule 53 fließende Strom aufrechterhalten wird.
Nachdem in den piezoelektrischen Elementen P eine ausreichende
Ladungsmenge gespeichert wurde, wird durch die Steuerschaltung
55 der Transistor Tr1 nichtleitend und der Transistor Tr3
leitend gemacht (Schritt S4). Infolge der Wirkung der Spule 53
fließt in der Spule 53 kontinuierlich ein Strom. Dieser Strom
fließt in einer geschlossenen Schleife, die die Diode D3, die
Gleichspannungsversorgung 51 und die Diode D2 einschließt, aber
er wird graduell abgeschwächt. Bis zu dieser Zeit wird, während
eine kleine Strommenge in den piezoelektrischen Elementen P
verlorengeht, über den Transistor Tr3 von der Gleichstromquelle
51 an die piezoelektrischen Elemente P ein Strom
geliefert. Damit wird der ausgelenkte Zustand der piezoelektrischen
Elemente P unverändert beibehalten.
Die Steuerschaltung 55 befindet sich für eine Zeitspanne, in
der der in der Spule 53 fließende Strom sich abschwächt, und
für die zum Drucken benötigte Zeit in Wartestellung (Schritt
S5). Danach wird der Transistor Tr3 nichtleitend gemacht, und
der Transistor Tr2 wird nach einer kurzen Zeitverzögerung
leitend gemacht (Schritt S6). Die in den piezoelektrischen
Elementen P gespeicherten elektrischen Ladungen fließen in
einer geschlossenen Schleife, die die Spule 53 und den
Transistor Tr2 einschließt. Da sich in der geschlossenen
Schleife kein reines Widerstandselement befindet, findet kein
wesentlicher thermischer Verbrauch der elektrischen Energie
statt. Die den in den piezoelektrischen Elementen P gespeicherten
Ladungen entsprechende elektrische Energie wird
vollständig in Form magnetischer Energie in der Spule
gespeichert und in der Umgebung der Spulee 53 nach einer
bestimmten Zeitspanne zerstreut, wie im weiteren beschrieben
wird.
Die Steuerschaltung 55 wird bis zu diesem Moment in
Wartehaltung gehalten (Schritt S7) und macht den Transistor Tr2
nichtleitend (Schritt S8). Dann ist durch die Wirkung der Spule
53 der Stromfluß in der Spule 53 aufrechtzuerhalten, so daß
der Strom über die Diode D1 zur Gleichstromquelle 51 zurückkehrt.
Insbesondere wird die gesamte in der Spule L gespeicherte
Energie zur Gleichstromquelle 51 zurückgeführt.
Wie beschrieben, wartet die Steuerschaltung 55, bis die in den
piezoelektrischen Elementen P gespeicherten elektrischen
Ladungen zur Gleichstromversorgung 51 zurückgeführt sind
(Schritt S9) und macht aus den unten zu erläuternden Gründen
den Transistor Tr2 leitend (Schritt S10).
Die piezoelektrischen Elemente P werden durch den in Schritt S6
ausgeführten Vorgang in ihrer Stellung gehalten. Auf der
anderen Seite kehrt der Druckdraht aus der vorgeschobenen
Position infolge des Zurückprallens von der Walze und der
Elastizität der Blattfedern in die zurückgezogene Position
zurück. Aus diesem Grunde wirkt auf die piezoelektrischen
Elemente P nach einer kurzen Zeitverzögerung gegenüber dem
Prozeß im Schritt S6 eine Druckkraft ein. Die piezoelektrischen
Elemente P werden leicht ausgelenkt und dadurch werden in ihren
Elektroden elektrische Ladungen erzeugt. Schwingungen des
Druckelementes werden auf die piezoelektrischen Elemente P
übertragen, und auch eine sich aus den Schwingungen ergebende
Kraft wirkt auf die piezoelektrischen Elemente P ein. Aus
diesen Gründen werden in den piezoelektrischen Elementen P
elektrische Ladungen erzeugt. Wenn diese Ladungen nicht
abgeführt werden, werden sie in den piezoelektrischen Elementen
P gespeichert, was zu einer Auslenkung der piezoelektrischen
Elemente P und zu einer Anordnung des Druckdrahtes in einer von
der Oberfläche des Druckkopfes leicht vorgeschobenen Position
führt. Nach einer Zeitspanne, die zur Rückführung der in den
piezoelektrischen Elementen P gespeicherten Ladungen in die
Gleichstromquelle 51 ausreicht, wird der Transistor Tr2 im
Schritt S10 durch die Steuerschaltung 55 wieder leitend
gemacht. Der Transistor Tr2 wird im leitenden Zustand gehalten,
bis der gleiche Druckdraht zum nächsten Mal angesteuert wird
(Schritt S1).
Im folgenden werden die Wartezeiten in den Schritten S7 und S9
beschrieben. Wenn zur Zeit t=0 der Transistor Tr2 leitend
gemacht wird, wird aus den piezoelektrischen Elementen P (die
einem Kondensator C äquivalent sind), der Spule 53 und dem
Transistor Tr2 ein geschlossener Kreis gebildet. Infolge der in
den piezoelektrischen Elementen P gespeicherten
elektrostatischen Energie fließt von den piezoelektrischen
Elementen P zur Spule 53 ein Strom. Unter der Annahme, daß der
Zeitpunkt, bei dem der Transistor leitend gemacht gemacht wird, t=0 ist,
und daß der vom Transistor Tr2 in die piezoelektrischen
Elemente P fließende Strom i(t) ist, wird nach dem Zweiten
Kirchhoff'schen Gesetz unter Anwendung auf den oben erwähnten
geschlossenen Kreis unter der Annahme, daß im Transistor Tr2
und den anderen Elementen keine Widerstandsanteile enthalten
sind, die folgende Gleichung erhalten:
wobei L die Induktivität der Spule 53 und C die elektrostatische
Kapazität der piezoelektrischen Elemente P
bezeichnet.
Werden die elektrischen Ladungen in den piezoelektrischen
Elementen P mit q(t) bezeichnet, ergibt sich q(t) wie folgt:
q(t) = ∫i(t) dt) (2)
Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1) ergibt
die folgende Gleichung:
Durch Auflösung dieser Differentialgleichung wird q(t) erhalten.
Zu diesem Zwecke wird ein Differentialoperator p
eingeführt. Der Differentialoperator p wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
Durch Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (4) wird die
folgende Gleichung erhalten:
Durch Auflösung von Gleichung (6) ergibt sich das folgende:
wobei j die imaginäre Einheit ist. Hier kann q(t) durch Einführen
der Konstanten A₁ und A₂ als die folgende Gleichung geschrieben
werden:
Nun werden die folgenden Definitionen getroffen:
A = A₁ + A₂ (9)
B = j(A₁ - A₂) (10)
Gleichung (8) kann unter Verwendung der Gleichungen (9), (10),
(11) wie folgt geschrieben werden:
q(t) = A cos ω₀t + B sin ω₀t (12)
Durch Einsetzen von Gleichung (12) in Gleichung (3) wird die
folgende Gleichung erhalten:
i(t) = ω₀[B cos ω₀t - A sin ω₀t] (13)
Im folgenden soll eine Anfangsbedingungen zum Zeitpunkt t=0
betrachtet werden. Vor dem Zeitpunkt t=0 sind in den
piezoelektrischen Elementen P zum Ausführen des Druckens
elektrische Ladungen gespeichert. Zu dieser Zeit ist die an den
piezoelektrischen Elementen P anliegende Spannung gleich der
Stromversorgungsspannung E. Da die elektrostatische Kapazität
der piezoelektrischen Elemente P C ist, werden die zum
Zeitpunkt t=0 in den piezoelektrischen Elementen P gespeicherten
Ladungen durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
q(t)|t = 0 = CE (14)
Da der Transistor Tr2 vor dem Zeitpunkt t=0 nicht leitend ist,
fließt zum Zeitpunkt t=0 in der Spule 53 kein Strom. Damit
wird der Stromfluß in der Spule 53 zum Zeitpunkt t=0 durch die
folgende Gleichung ausgedrückt:
i(t)|t = 0 = 0 (15)
Einsetzen der Gleichungen (14) und (15) und von t=0 in die
Gleichung (12) und (13) liefert die folgenden Konstanten:
A = CE (16)
B = 0 (17)
Einsetzen der Gleichungen (16) und (17) in die Gleichungen (12)
und (13) ergibt die folgende Gleichung:
q(t) = CE cos ω₀t (18)
i(t) = -ω₀CE sin ω₀t (19)
Auf der anderen Seite kann, wenn die Spannung an den piezoelektrischen Elementen P mit v(t) bezeichnet wird, v(t) wie folgt
ausgedrückt werden:
Einsetzen der Gleichung (18) in Gleichung (20) ergibt die
folgende Gleichung:
v(t) = E cos ω₀t (21)
Damit ist, wenn der Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t=0 leitend
ist, die Spannung v(t) an den piezoelektrischen Elementen P
durch die Gleichung (21) gegeben, bis sie auf Null abgesunken
ist. Auf der anderen Seite ist die Zeit, zu der die Spannung
v(t) an den piezoelektrischen Elementen P auf Null abgesunken
ist, durch Lösung der Gleichung (21), deren linke Seite als
Null gesetzt wird, zu erhalten:
E cos ω₀t = 0 (22)
Aus Gleichung (24) kann bestimmt werden, daß die Zeit, zu der
die Spannung v(t) an den piezoelektrischen Elementen P nach der
Zeit t=0 zum ersten Mal auf Null abgesunken ist,
ist.
Der Wert von ω₀ wird durch die Gleichung (11) definiert. Durch Einsetzen
dieses Wertes wird eine Zeit
erhalten. Wenn der
Transistor Tr2 zum Zeitpunkt
nichtleitend ist, kann der sich aus der
elektrischen Energie in der Spule 53 ergebende Strom i(t)
nicht im Transistor Tr2 fließen, so daß der Strom in dem geschlossenen
Kreis, der die Spule 53, die Diode D1, die Gleichspannungsquelle
51 und die Diode D4 enthält, fließt. Es wird
nun definiert, daß die Zeit t₁ die Zeit sei, zu der der Transistor
Tr2 nichtleitend gemacht werde. Das heißt, es wird die
folgende Definition gemacht:
Auf der anderen Seite ist nach dem zweiten Kirchhoff'schen
Gesetz bezüglich des oben erwähnten geschlossenen Kreises die
folgende Gleichung aufzustellen:
Durch Auflösen der Gleichung (26) ergibt sich die folgende
Gleichung:
Bezüglich der Anfangsbedingung der Gleichung (27) kann t₁ nach
Gleichung (25) für t in Gleichung (19) eingesetzt werden. Dementsprechend
ergibt sich der Wert i(t₁), der den Wert von i(t)
zum Zeitpunkt t₁ darstellt, wie folgt:
i(t₁) = i(t) |t = t₁ = ω₀CE (28)
Die Eliminierung der Konstanten K der Gleichung (27) mittels
der Gleichung (28) liefert i(t) nach t=t₁ wie folgt:
Danach wird aus Gleichung (29) t in Übereinstimmung mit der Bedingung
i(t)=0 berechnet:
Demnach ist, wenn der Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t=t₁ nichtleitend
gemacht wird, die elektrische Energie in der Spule 53
in einem Zeitraum vom LC zur Gleichspannungsquelle 51 zurückgeführt.
Die Spannung v(t) an den piezoelektrischen Elementen P und der
Strom i(t), der in der Spule 53 fließt, sind in Fig. 5A
gezeigt.
Gemäß obiger Beschreibung ist der Betrieb, wenn der Transistor
Tr2 für eine Zeitdauer von leitend gehalten wird, äquivalent
zu dem der in der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung, bei der,
nachdem der Schalttransistor 106 leitend gemacht wurde, der
Schalttransistor 106 nichtleitend gemacht wird, wenn die Spannung
an den piezoelektrischen Elementen P auf Null abgesunken
ist. Im Vergleich der erfindungsgemäßen Einrichtung mit der
herkömmlichen nach Fig. 1 erfordert die Erfindung nicht, wie
die herkömmliche Einrichtung, eine Spannungsnachweiseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist daher bei gleicher
Leistungsfähigkeit kostengünstig.
Entsprechend der Erfindung wird jedoch der Zeitpunkt, zu dem
der Transistor Tr2 leitend gemacht wird, gesteuert, so daß die
Zeitspanne von für jede Schaltung infolge der Schwankungen
in der elektrostatischen Kapazität C der piezoelektrischen
Elemente P und der Induktivität der Spule 53 variiert.
Im folgenden wird der Fall beschrieben, daß die Zeit, zu der
der Transistor Tr2 leitend gemacht wird, nicht ist.
Zuerst wird der Fall beschrieben, daß der Transistor Tr2 eine
längere Zeit als leitend ist.
Unter der Annahme, daß der Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t=0
leitend ist, gilt die vorangehende Beschreibung bis zum
Zeitpunkt , so daß keine weitere Beschreibung dazu erforderlich
ist.
Zum Zeitpunkt
ist die Spannung am piezoelektrischen
Element P auf Null abgesunken. Dann ist die Diode D4 EIN, so
daß die geschlossene Schleife mit der Spule 53, dem Schaltelement
Tr2 und der Diode D4 gebildet ist.
Ausgehend von der Annahme, daß der Transistor Tr2 und die Diode
D4 ideale Schaltelemente sind, gibt es keine Ursache dafür, daß
die Energie des elektrischen Stromes in der Spule 53 zerstreut
wird. Damit sind die Spannung v(t) an den piezoelektrischen
Elementen P und der Strom i(t) an der Spule 53 durch die
durchgezogenen Linien in Fig. 5B angegeben. Tatsächlich haben
jedoch der Transistor Tr2, die Diode D4 und die Spule 53 Widerstandsanteile.
Wie durch die gepunkteten Linien in Fig. 5B
gezeigt, wird die Energie des elektrischen Stromes in der Spule
53 zerstreut und während einer Zeitspanne, während derer der
Transistor Tr3 leitend ist, in Wärmeenergie umgewandelt.
Infolge der Tatsache, daß die umgewandelte Wärmeenergie einen
sehr kleinen Betrag hat, und daß der von Ansteuerschaltung nach
der Ausführungsform erzeugte Betrag an Wärmeenergie sehr klein
ist, führt dies zu keinerlei Problemen.
Dementsprechend sinkt im Falle, daß der Transistor Tr2 für eine
Zeitspanne oder mehr leitend gehalten wird, der Strom
i(t) in der Spule L nach einer Zeitspanne von LC, von dem
Zeitpunkt ab, zu dem der Transistor Tr2 nicht leitend gemacht
wird, auf Null ab, vorausgesetzt, daß - wie durch die
durchgezogenen Linien in den Fig. 5A und 5B gezeigt - ideale
Elemente verwendet werden. Dementsprechend kann der Transistor
Tr2 nach einer Zeit von LC von dem Zeitpunkt ab, zu dem der
Transistor Tr2 nichtleitend gemacht wurde, wieder leitend
gemacht werden.
Im folgenden wird eine Beschreibung für den Fall gegeben, daß
der Transistor Tr1 zu einer nicht mit der Zeit, zu der der in
der Spule 53 fließende Strom auf Null abgeklungen ist, infolge
der Schwankungen der elektrostatischen Kapazität C jedes der
piezoelektrischen Elemente P und der Induktivität der Spule 53,
übereinstimmenden Zeit leitend gemacht wird. Zuallererst wird
der Fall beschrieben, daß der Transistor Tr2 leitend gemacht
wird, bevor der Strom i(t) in der Spule L auf Null abgesunken
ist.
Wenn der Transistor Tr2 leitend gemacht wird, fließt der in der
Spule 53 fließende Strom in dem aus der Spule 53, dem
Transistor Tr2 und der Diode D4 gebildeten geschlossenen Kreis.
Wenn die Spule 53, der Transistor Tr1 und die Diode D4 insofern
ideale Elemente sind, als sie keine Widerstandsanteile haben,
wird der gleiche Betrag des Stromes, der in der Spule 53 zu dem
Zeitpunkt fließt, zu dem der Transistor Tr2 leitend gemacht
wird, während der Zeitspanne fließen, während derer der
Transistor Tr1 leitend ist. Normalerweise sind diese Elemente
jedoch mit Widerstandsanteilen behaftet, so daß die Energie des
elektrischen Stromes in der Spule 53 durch die Widerstandsanteile
in Wärmeenergie umgewandelt wird und die Wärme
abgestrahlt wird. Der Transistor Tr1 ist jedoch für eine bestimmte
Zeitspanne nicht leitend, eine bestimmte Menge von
elektromagnetischer Energie der Spule 53 wird zur Gleichspannungsquelle
E zurückgeführt, und daher ist der in der Spule L
fließende Strom i(t) klein. Die durch diese Elemente erzeugte
Wärmemenge ist damit klein und führt zu keinerlei Problemen.
Im folgenden wird der Fall beschrieben, daß der Transistor Tr2
nach Verstreichen einer bestimmten Zeitspanne, nach der der in
der Spule 53 fließende Strom i(t) auf Null abgesunken ist,
leitend gemacht wird.
Auch dann, wenn die piezoelektrischen Elemente P gegen die
Trägheitskraft des mit den piezoelektrischen Elementen P
verbundenen Mechanismus gedrückt werden, wird in den piezoelektrischen
Elementen P nur eine niedrige Spannung induziert.
In ihnen wird für eine kurze Zeitdauer eine viel höhere
Spannung induziert. Mit ihrer Auslenkung ist bei Anwendung des
Mechanismus auf einen Punktmatrixdrucker keinerlei Problem verbunden.
Die Spannung wird durch die Widerstandsanteile der
Spule 53, des Transistors Tr2 und der Diode D4 abgebaut, wenn
der Transistor Tr1 leitend gemacht ist. Es gibt demnach auch
dann keine Probleme, wenn der Transistor Tr2 nach Verstreichen
einer bestimmten Zeitdauer nach dem Absinken des Stromes i(t)
in der Spule L auf Null leitend gemacht wird.
Wie oben beschrieben ist, wenn der Transistor Tr2 nach
Verstreichen einer Zeitdauer von im wesentlichen , nachdem
der Transistor Tr2 nichtleitend gemacht wurde, wieder leitend
gemacht wird, der Stromfluß in der Spule 53 noch nicht auf Null
abgesunken. Es existiert aber auch dann kein Problem, wenn der
Strom bereits auf Null abgesunken ist und seit diesem Zeitpunkt
einige Zeit vergangen ist.
Im folgenden wird der Fall beschrieben, daß der Transistor Tr2
nach einer kürzeren Zeitspanne als leitend gemacht wird.
Wenn der Transistor Tr2 zu einem Zeitpunkt
nichtleitend
gemacht wird, gehorcht der in der Spule 53 fließende
Strom i(t₁) der Gleichung (19):
i(t) = i(t)|t = t₁ = -ω₀CE sin ω₀t₁ (31)
Auf der anderen Seite fließt, wenn der Transistor Tr2 zum
Zeitpunkt t=t₁ nichtleitend gemacht wird, in dem aus der Spule
53, der Diode D1, der Gleichspannungsquelle 51 mit den piezoelektrischen
Elementen P gebildeten geschlossenen Kreis ein
Strom. Für diesen geschlossenen Stromkreis ist entsprechend dem
Zweiten Kirchhoff'schen Gesetz folgende Gleichung aufzustellen:
Durch Einsetzen von q(t-t₁), wird die folgende Gleichung
erhalten:
Durch Lösung dieser Differentialgleichung wird q(t) erhalten.
Der Ausdruck qt(t-t₁) ist eine Lösung der homogenen Gleichung
(4) mit E=0. Dementsprechend wird mit der Gleichung (12) das
folgende erhalten:
q(t-t₁) = A cos ω₀(t-t₁) + B sin ω₀(t-t₁) (34)
Auf der anderen Seite ergibt sich die folgende Lösung:
qs = CE (35)
Aus den Gleichungen (34) und (35) ergibt sich damit die allgemeine
Lösung q(t-t₁) wie folgt:
q(t-t₁) = qs + qt (t-t₁) = CE + A cos ω₀t + B sin ω₀t (36)
Durch Anwendung der Gleichung (3) auf Gleichung (36) ergibt
sich die folgende Gleichung:
i(t-t₁) = ω₀ (B cos ω₀(t-t₁) - A sin ω₀(t-t₁)) (37)
Mit der Anfangsbedingung t=t₁ wird folgendes erhalten:
CE cos ω₀t₁ = CE + A (38)
-ω₀CE sin ω₀t₁ = ω₀B (39)
Aus den Gleichungen (38) und (39) wird folgendes erhalten:
A = CE (cos ω₀t-1) (40)
B = -CE sin ω₀t₁ (41)
Einsetzen der Gleichungen (40) und (41) in die Gleichungen (36)
und (37) ergibt das folgende:
q(t-t₁) = CE + CE (cos ω₀t₁-1) cos ω₀(t-t₁) - CE sin ω₀t₁ sin ω₀(t-t₁) (42)
i(t-t₁) = -ω₀ CE sin ω₀(t-t₁) - ω₀ CE (cos ω₀t₁-1) sin ω₀(t-t₁) (43)
Aus den Gleichungen (42) und (20) wird die folgende Gleichung
erhalten:
v(t-t₁) = E + E (cos ω₀t₁₁-1) cos ω₀(t-t₁) E sin ω₀t₁ sin ω₀(t-t₁) (44)
Damit wird die Spannung v(t) am piezoelektrischen Element P
und der Strom i(t) so, wie in Fig. 5C gezeigt, wobei zur Zeit
t=t₂, zu der v(t-t₁) ein Minimum ist, die folgende Gleichung
gilt:
i(t-t₁)|t = t₂ = 0 (45)
Die linke Seite der Gleichung (45) kann wie folgt umgeschrieben
werden:
Nun sind die folgenden Gleichungen erfüllt:
ω₀ ≠ 0 (47)
c ≠ 0 (48)
E ≠ 0 (49)
Aus den Gleichungen (45) und (46) wird die folgende Gleichung
erhalten:
Damit gilt eine der folgenden beiden Gleichungen:
Eine Kurvenbetrachtung für den Fall, daß der Transistor Tr3
nach einer Zeitspanne von weniger als leitend gemacht
wird, ergibt folgende Gleichung:
Damit ist Gleichung (52) nicht erfüllt, aber Gleichung (51) ist
erfüllt, damit wird folgendes erhalten:
Nun wird, wie in Fig. 5D gezeigt, t₁, das die Spannung v(t-t₁)
in den piezoelektrischen Elementen P zum Zeitpunkt t=t₁ Null
macht, erhalten. Der Wert von v(t-t₁) zum Zeitpunkt t=t₂ ist
wie folgt:
Da die Gleichung (57) gleich Null ist, kann sie wie folgt geschrieben
werden:
E - 2E sin ω₀t₁ = 0 (57)
Mit Gleichung (49) schreibt sich Gleichung (57) wie folgt:
Aus Gleichung (58) wird die folgende Beziehung erhalten:
Damit wird, wenn der Transistor Tr2 zu einer Zeit nach
leitend wird, die Spannung am piezoelektrischen Element Null,
wie in Fig. 5E gezeigt.
Im folgenden sei der Wert t₂ betrachtet, wenn der
Transistor Tr2 zum Zeitpunkt
nichtleitend gemacht
wird.
Durch Einsetzen von Gleichung (59) in Gleichung (55) wird das
folgende erhalten:
Wie in Fig. 5A wird, wenn der Transistor Tr2 für eine
Zeitspanne von leitend gehalten wird, eine Zeit
benötigt, damit der Strom i(t) der Spule 53 auf Null absinkt.
Jedoch ist, wenn der Transistor Tr2 nur für eine Zeitspanne von
leitend gehalten wird, wie in Fig. 5D gezeigt, eine
Zeitspanne von ausreichend, damit der Strom i(t) der
Spule 53 auf Null absinkt. Da die nachfolgende Ansteuerung
nicht ausgeführt werden kann, solange der Strom i(t) in der
Spule 53 nicht auf Null abgesunken ist, ist es zweckmäßig, eine
Hochgeschwindigkeitsansteuerung des piezoelektrischen Elementes
zu erreichen, wenn die Ansteuerperiode kürzer wie ist.
Wie beschrieben, ist es gemäß der Erfindung nicht nötig, die
Leitfähigkeit des Transistors Tr2 für eine Zeitspanne von
aufrechtzuerhalten, sondern es genügt, die Leitfähigkeit des
Transistors Tr2 mindestens für eine Zeitspanne von
aufrechtzuerhalten. Das heißt, nachdem das Schaltelement Tr2
nichtleitend gemacht wurde, sinkt der Strom i(t), der in der
Spule L fließt, nach einer Zeitspanne von auf Null ab.
Das Verhältnis der Zeit von zur Zeit ist etwa
1 : 1,047. Wie oben bemerkt, hat, da es nicht notwendig ist, daß
diese Zeit exakt ist, der in der Spule L fließende Strom
noch nicht den Wert Null erreicht, wenn das Schaltelement Tr2
nach Verstreichen der Zeit wieder leitend gemacht wird. Es
ist auch ausreichend, wenn eine bestimmte Zeitspanne nach dem
Absinken des Stromes auf Null verstrichen ist.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle
Ausführungsformen beschrieben wurde, können aus dem Blickwinkel
der Erfindung eine Vielzahl von Abwandlungen vorgenommen
werden. Beispielsweise können zur weiteren Verringerung des
Stromverbrauches MOS-FETs an Stelle der Transistoren Tr1-Tr3
verwendet werden. Weiterhin wurde bei der beschriebenen Ausführungsform
das Verstreichen der Wartezeit unter Verwendung einer
Zeitbasis bestimmt, der Ablauf im Schritt S8 kann aber auch zu
einer Zeit ausgeführt werden, bei der der Strom auf Null abgesunken
ist, was die Benutzung des Stromwertes anstelle einer
Zeitbasis wie bei der herkömmlichen Anordnung ermöglicht.
Wie im einzelnen beschrieben, ist bei der Erfindung, da die
im piezoelektrischen Element gespeicherten elektrischen
Ladungen effekt abgeführt werden, nachdem das piezoelektrische
Element nicht mehr angeregt ist, im piezoelektrischen Element
keine unerwünschte elektrische Ladung gespeichert. Demgemäß
können ein niedriger Leistungsverbrauch und niedrige Wärmeerzeugung
des piezoelektrischen Stellgliedes unter Verwendung der
angegebenen Ansteuereinrichtung erreicht werden.
Des weiteren erfordert die Erfindung keine Stromnachweiseinrichtung,
wodurch die Schaltungskonfiguration stark vereinfacht
werden kann. Außerdem kann als in der Erfindung benötigte
Zeitbasis die in der Steuerschaltung eines Druckers integrierte
Zeitbasis verwendet werden. Damit können die Anzahl der
Bestandteile der Schaltung und die Kosten der Einrichtung verringert
werden.
Claims (2)
1. Ansteuereinrichtung für ein piezoelektrisches Element mit einem
ersten und zweiten Anschluß mit
einer Stromversorgungseinrichtung,
einer Spule, deren erster Anschluß elektrisch mit dem ersten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbunden ist und deren zweiter Anschluß elektrisch mit der Stromversorgungseinrichtung verbunden ist,
einer Schalteinrichtung, die wahlweise EIN oder AUS sein kann, die elektrisch den zweiten Anschluß der Spule mit dem zweiten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbindet und dadurch einen Resonanzkreis mit dem piezoelektrischen Element und der Spule bildet, wenn sie auf EIN geschaltet ist,
einer Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung EIN-geschaltet ist, wenn das piezoelektrische Element einen Befehl zum Zurückziehen von einer Auslenkungsposition erhalten hat und die Schalteinrichtung AUS- geschaltet ist, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne vom Zeitpunkt, zu dem die Schalteinrichtung EIN-geschaltet wurde, verstrichen ist, und die Schalteinrichtung wieder EIN-geschaltet ist, nachdem die in der Spule verbliebene elektrische Energie zur Stromversorgungseinrichtung zurückgeführt ist.
einer Stromversorgungseinrichtung,
einer Spule, deren erster Anschluß elektrisch mit dem ersten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbunden ist und deren zweiter Anschluß elektrisch mit der Stromversorgungseinrichtung verbunden ist,
einer Schalteinrichtung, die wahlweise EIN oder AUS sein kann, die elektrisch den zweiten Anschluß der Spule mit dem zweiten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbindet und dadurch einen Resonanzkreis mit dem piezoelektrischen Element und der Spule bildet, wenn sie auf EIN geschaltet ist,
einer Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung EIN-geschaltet ist, wenn das piezoelektrische Element einen Befehl zum Zurückziehen von einer Auslenkungsposition erhalten hat und die Schalteinrichtung AUS- geschaltet ist, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne vom Zeitpunkt, zu dem die Schalteinrichtung EIN-geschaltet wurde, verstrichen ist, und die Schalteinrichtung wieder EIN-geschaltet ist, nachdem die in der Spule verbliebene elektrische Energie zur Stromversorgungseinrichtung zurückgeführt ist.
2. Ansteuereinrichtung für ein piezoelektrisches Element mit einem
ersten und zweiten Anschluß mit
einer Stromversorgungseinrichtung,
einer Spule mit einem ersten, mit dem ersten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbundenen Anschluß und einem zweiten, mit der Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbundenen Anschluß,
einer wahlweise im EIN- oder AUS-Zustand befindlichen Schalteinrichtung, die elektrisch den zweiten Anschluß der Spule mit dem zweiten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbindet und damit mit dem piezoelektrischen Element und der Spule einen Resonanzkreis bildet, wenn die Schalteinrichtung im EIN-Zustand ist,
einer Zeitmeßeinrichtung zum Messen einer vorbestimmten Zeitdauer,
einer Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung im EIN-Zustand ist, wenn das piezoelektrische Element den Befehl erhalten hat, sich von der Auslenkungsposition zurückzuziehen, und die Schalteinrichtung im AUS-Zustand ist, wenn durch die Zeitmeßeinrichtung das Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne angegeben wurde.
einer Stromversorgungseinrichtung,
einer Spule mit einem ersten, mit dem ersten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbundenen Anschluß und einem zweiten, mit der Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbundenen Anschluß,
einer wahlweise im EIN- oder AUS-Zustand befindlichen Schalteinrichtung, die elektrisch den zweiten Anschluß der Spule mit dem zweiten Anschluß des piezoelektrischen Elementes verbindet und damit mit dem piezoelektrischen Element und der Spule einen Resonanzkreis bildet, wenn die Schalteinrichtung im EIN-Zustand ist,
einer Zeitmeßeinrichtung zum Messen einer vorbestimmten Zeitdauer,
einer Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung im EIN-Zustand ist, wenn das piezoelektrische Element den Befehl erhalten hat, sich von der Auslenkungsposition zurückzuziehen, und die Schalteinrichtung im AUS-Zustand ist, wenn durch die Zeitmeßeinrichtung das Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne angegeben wurde.
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