DE4122984C2 - Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung - Google Patents
Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische VorrichtungInfo
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuereinrich
tung für eine piezoelektrische Vorrichtung und auf ein Verfahren
zum Betreiben einer piezoelektrischen Vorrichtung.
Die Kombination eines piezoelektrischen Elementes mit einer Spu
le zeigt bei einer bestimmten Frequenz eine Resonanz, wenn sie
wiederholt aufgeladen und entladen wird. Wenn das piezoelektri
sche Element zum Antrieb eines Druckdrahtes eines Druckers ver
wendet wird, ist es erforderlich, daß die Auslenkungsbedingung
(ausgelenkte Stellung) des piezoelektrischen Elementes für eine
bestimmte Zeitdauer erhalten bleibt. In der JP 63-130357 A 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 Stromversorgunmg 101 ver
bunden. Der Schalttransistor 103 dient dazu, die Betriebs
spannung 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. Desweiteren 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 der 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 ver
bunden. 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 ge
lieferte elektrische Ladungen im piezoelektrischen Element 102
über den Schalttransistor 103 gespeichert, woher eine Auslen
kung 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 Schalt
transistor 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 Schalt
transistor 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 piezoelek
trischen Elementes 102 bestimmt ist. Die Phasenverschiebung
zwischen dem Strom und der Spannung beträgt 90°, wenn die
reinen Widerstandsanteile im Kreis vernachlässigt werden.
Desweiteren 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 Zeit
punkt wird, da der Emitter des Schalttransistors 108 bei 0 Volt
ist, der Schalttransistor 108 AUS-geschaltet, und der
Schalttransistor 106 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. Infolge
dessen werden die elektrischen Ladungen, die vom piezoelek
trischen 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 piezoelek
trische Element wird typischerweise durch ein elastisches Teil
wie eine Blattfeder in die Richtung gedrückt, in der die Aus
lenkung aufgehoben wird. Da das piezoelektrische Element
schwach gegenüber der Zugspannung ist, wurde ein Aufbau vorge
schlagen, bei dem ein bewegliches Teil mechanisch vom piezo
elektrischen 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 be
wegliche 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 Schalttransi
storen zu Verlusten, und damit ist die herkömmliche Ansteuereinrichtung
hinsichtlich niedrigen Stromverbrauches unbefriedi
gend.
Aus der US 4,595,854 ist eine Ansteuereinrichtung für eine
piezoelektrische Vorrichtung bekannt. Ein erster Anschluß der
piezoelektrischen Vorrichtung ist auf Masse gelegt. Ein zweiter
Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung ist über eine Spule
und eine zweite Schalteinrichtung mit einer Erregerspannung ver
bunden. Der zweite Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung
ist ebenfalls über die Spule mit einer ersten Schalteinrichtung
verbunden. Die zweite Schalteinrichtung wird leitend gemacht,
wenn ein Treibersignal angelegt ist, so daß die Erregerspannung
an die piezoelektrische Vorrichtung angelegt wird. Ein Strom der
dabei durch die Spule fließt hat eine Sinusform und fließt wäh
rend einer Zeitdauer, während die Erregerspannung anliegt. Die
Zeitdauer des Treibersignales, während der die Erregerspannung
anliegt, entspricht der mechanischen Resonanzdauer der piezo
elektrischen Vorrichtung. Daher führt die piezoelektrische Vor
richtung nur eine Schwingung durch, während der die Treiberspan
nung hoch ist. Da die Erregerspannung so lange hoch ist, bis der
durch die Spule fließende Strom von einem negativen Wert auf
Null angestiegen ist, werden die Ladungen im Idealfall in der
piezoelektrischen Vorrichtung zu Null.
Wenn jedoch eine Kraft auf die piezoelektrische Vorrichtung aus
geübt wird, können Ladungen in der piezoelektrischen Vorrichtung
verbleiben. Diese Ladungen werden auf Masse geführt, wenn ein
Dämpfungssignal an die erste Schalteinrichtung angelegt wird,
nachdem die Treiberspannung wieder gefallen ist. Daher ist diese
elektrische Energie verloren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuereinrich
tung für eine piezoelektrische Vorrichtung vorzusehen, die einen
niedrigen Stromverbrauch und eine niedrige Wärmeerzeugung auf
weist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ansteuereinrichtung für
eine piezoelektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Ansteuereinrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum
Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische
Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.
Im Betrieb wird zur Auslenkung des piezoelektrischen Elementes
die erste Schalteinrichtung durch die Steuereinrichtung EIN-geschaltet.
Damit fließen elektrische Ladungen von der Stromver
sorgungseinrichtung durch die zweite Schalteinrichtung in das
piezoelektrische Element, wodurch das piezoelektrische Element
verschoben (ausgelenkt) wird. Der EIN-Zustand der zweiten
Schalteinrichtung dauert an, bis eine hinreichend Menge elektri
scher Ladungen im piezoelektrischen Element gespeichert ist. Um
das piezoelektrische Element aus dem Auslenkungszustand zurück
zustellen, wird die zweite Schalteinrichtung durch die Steuer
einrichtung AUS-geschaltet, und unter dieser Bedingung wird die
erste Schalteinrichtung durch die Steuereinrichtung EIN-
geschaltet. In diesem Zustand wird durch das piezoelektrische
Element und die Spule ein Resonanzkreis gebildet. Die im piezo
elektrischen Element gespeicherten elektrischen Ladungen fließen
aus der Spule und werden wieder im piezoelektrischen Element ge
speichert. Dieser Vorgang wird wiederholt ausgeführt. Die Steu
ereinrichtung wartet auf einen Zeitpunkt, zu dem die elektri
schen Ladungen in die Spule fließen, und wenn die vorbestimmte
Zeitdauer vom Zeitpunkt, zu dem die erste Schalteinrichtung EIN-
geschaltet wurde, verstrichen ist, wird durch die Steuereinrich
tung die erste Schalteinrichtung AUS-geschaltet, wodurch der in
der spule fließende Strom zur Stromversorgungseinrichtung zu
rückgerichtet ist.
Bei der Ansteuereinrichtung wird die in der piezoelektrischen
Vorrichtung gespeicherte elektrische Ladung effektiv zu der
Stromversorgungseinrichtung abgeführt, nachdem die piezoelektri
sche Vorrichtung nicht mehr angeregt ist, daher werden in der
piezoelektrischen Vorrichtung keine unerwünschten elektrischen
Ladungen gespeichert. Dem gemäß können niedriger Leistungsver
brauch und niedrige Wärmeerzeugung des piezoelektrischen Stell
gliedes unter Verwendung der angegebenen Ansteuereinrichtung er
reicht werden.
Die Ansteuereinrichtung erfordert keine Stromnachweiseinrich
tung, wodurch die Schaltungskonfiguration stark vereinfacht wer
den kann. Außerdem kann als 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.
Im Betrieb wird bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2, um das
piezoelektrische Element aus dem Auslenkungszustand zurückzufüh
ren, die Schalteinrichtung EIN-geschaltet. In diesem Zustand
bilden das piezoelektrische Element und die Spule einen Reso
nanzkreis, wobei die im piezoelektrischen Element gespeicherten
elektrischen Ladungen aus diesem über die Spule abfließen. Die
Schalteinrichtung wird erst AUS-geschaltet, wenn durch die Zeit
meßeinrichtung das Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne an
gezeigt wird. Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Schalteinrichtung
AUS-geschaltet wird, ist die in den elektrischen Ladungen vor
liegende elektrostatische Energie im wesentlichen in Energie in
Form eines elektrischen Stromflusses umgewandelt. Der in der
spule fließende Strom kann daher in die Stromversorgungseinrich
tung fließen.
Es folgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispieles anhand der
Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild einer herkömmlichen Ansteuer
einrichtung für ein piezoelektrisches Ele
ment,
Fig. 2 das Schaltbild einer Ansteuereinrichtung für
ein piezoelektrisches Element nach einer Aus
führungsform,
Fig. 3 die Vorderansicht einer Druckelement-
Baugruppe eines Punkt-Druckers, die durch die
Ansteuereinrichtung nach der Ausführungsform
betrieben wird,
Fig. 4A ein Flußdiagramm zur Beschreibung der durch
die Steuereinheit ausgeführten Prozesse,
Fig. 5A-5E 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 Druck
drahtes eines Anschlags-Punktdrucker-Druckkopfes benutzt.
Ein piezoelektrisches Stellglied enthält eine aus Schichten auf
gebaute piezoelektrische Vorrichtung 10 mit einer Mehrzahl in
einer Reihe angeordneter piezoelektrischer Elemente P, wie in
Fig. 2 gezeigt. Die piezoelektrische Vorrichtung 10 wird durch
zwei Rahmen 12 und 14, die sich in einer Richtung parallel zur
Längsrichtung der piezoelektrischen Vorrichtung 10 erstrecken,
gehalten.
Die piezoelektrische Vorrichtung 10 hat zwei Endflächen, an denen
ein bewegliches Element 16 bzw. ein Temperaturkompensa
tionsblock 18 befestigt sind, die beide die Gestalt eines
rechtwinkeligen 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 Temperatur
kompensationsblocks 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. Die piezoelektrische Vorrichtung 10 ist an den
Rahmen 12 und 14 befestigt, wobei sie mit kleiner Druckkraft in
Längsrichtung gedrückt wird. Daher bewegt sich, wenn an die pie
zoelektrische Vorrichtung 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 die piezoelek
trische Vorrichtung 10 unterbrochen wird, um die piezoelektri
sche Vorrichtung 10 rückzuholen, die Blattfeder 20 in die entge
gengesetzte Richtung.
Auch wenn die Spannung, die an die piezoelektrische Vorrichtung
10 angelegt wurde, vollständig auf 0 abgeklungen ist, verbleibt
in der piezoelektrischen Vorrichtung 10 eine positiv gerichtete
Rest-Verwindung. Je höher die Temperatur der piezoelektrischen
Vorrichtung 10 ist, desto geringer ist diese Rest-Verwindung.
Daher erreicht, wenn die Temperatur hoch ist, auch wenn die an
die piezoelektrische Vorrichtung 10 angelegte Spannung und der
Betrag der Auslenkung der piezoelektrischen Vorrichtung 10 so
gesteuert werden, daß sie konstant sind, die maximale Auslen
kungsstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 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 Aus
lenkungsstellung zu eliminieren ist der Temperaturkom
pensationsblock 18 vorgesehen. Der Temperaturkompensa
tionsblock 18 dehnt sich in einem größeren Maße aus, wenn die
Temperatur höher wird. Der Temperaturkompensationsblock 18 ist
in der Auslenkungs (Verschiebungs-)richtung der piezoelektri
schen Vorrichtung 10 angeordnet. Genauer gesagt, ist der Tempe
raturkompensationsblock 18 vorgesehen, um die Verringerung der
Verschiebung der piezoelektrischen Vorrichtung 10 durch die Aus
dehnungslänge des Temperaturkompensationsblocks 18 zu kompen
sieren, so daß die maximale Auslenkungsposition der piezoelek
trischen Vorrichtung 10 nicht von Temperaturänderungen abhängt.
Der Rahmen 14 ist aus einem verformbaren, elastischen Material
gefertigt, und seine Längsabmessung ist größer als die der
piezoelektrischen Vorrichtung 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 aufge
nommen. Die Breite der Nut 32 ist größer als die Summe der
Dicken der Plattfedern 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 Aus
dehnung der piezoelektrischen Vorrichtung 10 folgend, gleitend
aufwärts bewegt, wird das Halteteil 34 um sein Zentrum entgegen
den Uhrzeigersinn gedreht. Der Druckdraht 38 wird mit dem
Farbband dazwischen gegen das Druckpapier gedrückt, wodurch auf
dem Druckpapier ein Punkteindruck erzeugt wird. Wenn die piezo
elektrische Vorrichtung 10 aus diesem Zustand zurückgezogen
wird, wird das Halteteil 34 im Uhrzeigersinn gedreht, mit dem
Ergebnis, daß der Druckdraht 38 in die Ruhestellung zurück
kehrt. 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 Auslenk
ung der piezoelektrischen Vorrichtung 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 der piezoelektrischen
Vorrichtung 10 zustande kommt. Bei dieser Ausführungsform ist
jedoch der Rahmen 14 entsprechend der Verlängerung der piezo
elektrischen Vorrichtung 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 entgegen gerichteten Drehmomente auf, so
daß die piezoelektrischen Vorrichtung 10 nicht verbogen wird,
sondern es ihr gestattet ist, sich linear nach vorn oder zurück
zu bewegen.
Eine Ansteuerschaltung für die piezoelektrische Vorrichtung 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 in Reihe geschaltet. Die negativen Elektroden sowohl der
Gleichstromspannungsquelle 51 als auch des piezoelektrischen
Elementes P sind mit Masse verbunden. Die Vor
wärts-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 Ver
bindung 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 ent
gegengesetzt. 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 die piezo
elektrische Vorrichtung 10 in Schichtbauweise bilden, ist paral
lel 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 Steuer
schaltung 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 Drucker
steuerung.
Wenn die Inbetriebnahme (Ansteuerung) eines Druckelementes be
fohlen 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 piezoelek
trische Element P, was zu einer Auslenkung des piezoelek
trischen 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
verloren geht, über den Transistor Tr3 von der Gleichstrom
quelle 51 an die piezoelektrischen Elemente P ein Strom
geliefert. Damit wird der ausgelenkte Zustand der piezo
elektrischen Elemente P unveändert 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 gespei
cherten Ladungen entsprechende elektrische Energie wird
vollständig in Form magnetischer Energie in der Spule
gespeichert und in der Umgebung der Spule 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 aufrecht zu erhalten, so daß
der Strom über die Diode D1 zur Gleichstromquelle 51 zurück
kehrt. Insbesondere wird die gesamte in der Spule L gespei
cherte 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
Druckdrahtes 38 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 nächstenmal 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, 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:
Ld/dti(t) + 1/c∫i(t)dt = 0 (1)
wobei L die Induktivität der Spule 53 und C die elektro
statische 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)
i(t) = d/dtq(t) (3)
Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1) ergibt
die folgende Gleichung:
Ld2/dtq(t) + 1/cq(t) = 0 (4)
Durch Auflösung dieser Differentialgleichung wird q(t) erhal
ten. Zu diesem Zwecke wird ein Differentialoperator p
eingeführt. Der Differentialoperator p wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
p = d/dt (5)
Durch Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (4) wird die
folgende Gleichung erhalten.
Lp2 + 1/c = 0 (6)
Durch Auflösung von Gleichung (6) ergibt sich das folgende:
p = ±j1/√LC (7)
wobei j die imaginäre Einheit ist. Hier kann q(t) durch Ein
führen der konstanten A1 und A2 als die folgende Gleichung ge
schrieben werden:
Nun werden die folgenden Definitionen getroffen:
A = A1 + A2 (9)
B j(A1 - A2) (10)
ω0 = 1/√LC (11)
Gleichung (8) kann unter Verwendung der Gleichungen (9), (10),
(11) wie folgt geschrieben werden:
q(t) = Acosω0t + Bsinω0t (12)
Durch Einsetzen von Gleichung (12) in Gleichung (3) wird die
folgende Gleichung erhalten:
i(t) = ω0[Bcosω0t - Asinω0t] (13)
Im folgenden soll eine Anfangsbedingung zum Zeitpunkt t = 0
betrachtet werden. Vor dem Zeitpunkt t = 0 sind in dem
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
Gleichungen (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) = CEcosω0t (18)
i(t) = -ω0CEsinω0t (19)
Auf der anderen Seite kann, wenn die Spannung an den piezoelek
trischen Elementen P mit v(t) bezeichnet wird, v(t) wie folgt
ausgedrückt werden:
v(t) = 1/cq(t) (20)
Einsetzen der Gleichung (18) in Gleichung (20) ergibt die
folgende Gleichung:
v(t) = Ecosω0t (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:
Ecosω0t = 0 (22)
ω0t = ±π/2, ±3/2π, ±5/2π (23)
t = ±1/2.π/ω0, ±3/2.π/ω0, (24)
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 erstenmal auf Null abgesunken ist, t = 1/2π/ω0
ist.
Der Wert von ω0, wird durch Gleichung (11) definiert. Durch Ein
setzen dieses Wertes wird eine Zeit t = π/2√LC erhalten. Wenn der
Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t = π/2√LC nichtleitend ist, kann der sich aus
elektrischen Energie in der Spule 53 ergebende Strom i(t)
nicht im Transistor Tr2 fließen, so daß der Strom in dem ge
schlossenen Kreis, der die Spule 53, die Diode D1, die Gleich
spannungsquelle 51 und die Diode D4 enthält, fließt. Es wird
nun definiert, daß die Zeit t1 die Zeit sei, zu der der Tran
sistor Tr2 nichtleitend gemacht werde. Das heißt, es wird die
folgende Definition gemacht:
t1 = π/2√LC (25)
Auf der anderen Seite ist nach dem zweiten Kirchhoff'schen
Gesetz bezüglich des oben erwähnten geschlossenen Kreises die
folgende Gleichung aufzustellen:
E = -Ld/dti(t) (26)
Durch Auflösen der Gleichung (26) ergibt sich die folgende
Gleichung:
i(t) = -E/Lt + K (27)
Bezüglich der Anfangsbedingung der Gleichung (27) kann t1 nach
Gleichung (25) für t in Gleichung (19) eingesetzt werden. Dem
entsprechend 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:
i(t) = -E/L(t - t1) + ω0CE (29)
Danach wird aus Gleichung (29) t in Übereinstimmung mit der Be
dingung i(t) = 0 berechnet:
t|i(t) = 0 = ω0LC + t1 = √LC + t1 (30)
Demnach ist, wenn der Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t = t1 nicht
leitend gemacht wird, die elektrische Energie in der Spule 53
in einem Zeitraum vom LC zur Gleichspannungsquelle 51 zurück
geführt.
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 π/2√LC leitend gehalten wird, equiva
lent zu dem der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung, bei der,
nachdem der Schalttransistor 106 leitend gemacht wurde, der
Schalttransistor 106 nichtleitend gemacht wird, wenn die Span
nung 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 Spannungsnachweiseinrich
tung. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist daher bei gleicher
Leistungsfähigkeit kostengünstig.
Es wird jedoch der Zeitpunkt, zu dem
der Transistor Tr2 leitend gemacht wird, gesteuert, so daß die
Zeitspanne von π/2√LC für jede Schaltung infolge der Schwan
kungen in der elektrostatischen Kapazität C der piezoelek
trischen 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 π/2√LC ist.
Zuerst wird der Fall beschrieben, daß der Transistor Tr2 eine
längere Zeit als π/2√LC leitend ist.
Zum Zeitpunkt t = π/2√LC 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 Schaltele
ment 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) in der Spule 53 durch die
durchgezogenen Linien in Fig. 5B angegeben. Tatsächlich haben
jedoch der Transistor Tr2, die Diode D4 und die Spule 53 Wider
standsanteile. 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 das 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 π/2√LC 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 Widerstandsan
teile in Wärmeenergie umgewandelt wird und die Wärme
abgestrahlt wird. Der Transistor Tr1 ist jedoch für eine be
stimmte Zeitspanne nicht leitend, eine bestimmte Menge von
elektromagnetischer Energie der Spule 53 wird zur Gleichspan
nungsquelle 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 piezo
elektrischen 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 ver
bunden. 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 Verstrichen
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 √LC, 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 π/2√LC leitend gemacht wird.
Wenn der Transistor Tr2 zu einem Zeitpunkt t = t1 < π/2√LC nicht
leitend gemacht wird, gehorcht der in der Spule 53 fließende
Strom i(t1) der Gleichung (19):
i(t) = i(t)|t = t1
= -ω0CE sind 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 dem piezo
elektrischen Elementen P gebildeten geschlossenen Kreis ein
Strom. Für diesen geschlossenen Stromkreis ist entsprechend dem
Zweiten Kirchhoff'schen Gesetz folgende Gleichung aufzustellen.
E = Ldi/dt(t - t1) + 1/c∫i(t - t1)dt (32)
Durch Einsetzen von q(t - t1) wird die folgende Gleichung
erhalten:
E = Ld2/dt2q(t - t1) + 1/cq(t - t2) (33)
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 Gleichung (12) das
folgende erhalten:
q(t - t1) = Acosω0(t - tr1) + Bsinω0(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 allge
meine Lösung q(t - t1) wie folgt:
q(t - t1) = qs + qt(t - t1)
= CE + Acosω0t + Bsinω0t (36)
Durch Anwendung der Gleichung (3) auf Gleichung (36) ergibt
sich die folgende Gleichung:
i(t - t1) = ω0(Bcosω0(t - t1) - Asinω0(t - t1)) (37)
Mit der Anfangsbedingung t = t1 wird folgendes erhalten:
CEcosω0t1 = CE + A (38)
-ω0CEsinω0t1 = ω0B (39)
Aus den Gleichungen (38) und (39) wird folgendes erhalten:
A = CE(cosω0t - 1) (40)
B = -CEsinω0t1 (41)
Einsetzen der Gleichungen (40) und (41) in die Gleichungen (36)
und (37) ergibt das folgende:
q(t - t1) = CE + CE(cosω0t1 - 1)cosω0(t - t1)
-CEsinω0t1sinω0(t - t1) (42)
i(t - t1) = -ω0CEsinω0(t - t1)
-ω0CE(cosω0t1 - 1)sinω0(t - t1) (43)
Aus den Gleichungen (42) und (20) wird die folgende Gleichung
erhalten:
v(t - t1) = E + E(cosω0t11 - 1)cosω0(t - t1)
Esinω0t1sinω0(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:
i(t - t1)
= -ω0CEsinw0t1cosω0(t2 - t1) + ω0CE(1 - cosω0t1)sinω0(t
= -ω0CE[1/2sinω0{t1 + (t2 - t1)}
+ 1/2sinω0(t2 - t1)] + ω0CEsinω0(t2 - t1)
= -ω0CE[1/2sinω0{(t2 - t1) + t1] + 1/2sinω0{(t2 - t1) + t1}
= -ω0CEsinω0(t2 - t1) - ω0CEsinω0t2
= 2ω0CEcos[1/2ω0{(t2 - t1) + t2}]sin[1/2ω0{t2 - t1) - t2}]
= -2ω0CEcosω0{t2 - 1/2t1}.sin1/2ω0t1 (46)
= -ω0CEsinw0t1cosω0(t2 - t1) + ω0CE(1 - cosω0t1)sinω0(t
= -ω0CE[1/2sinω0{t1 + (t2 - t1)}
+ 1/2sinω0(t2 - t1)] + ω0CEsinω0(t2 - t1)
= -ω0CE[1/2sinω0{(t2 - t1) + t1] + 1/2sinω0{(t2 - t1) + t1}
= -ω0CEsinω0(t2 - t1) - ω0CEsinω0t2
= 2ω0CEcos[1/2ω0{(t2 - t1) + t2}]sin[1/2ω0{t2 - t1) - t2}]
= -2ω0CEcosω0{t2 - 1/2t1}.sin1/2ω0t1 (46)
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:
cosω0{t2 - 1/2t1}.sin1/2ω0t1 = 0 (50)
Damit gilt eine der folgenden beiden Gleichungen:
cosω0(t2 - 1/2t1) = 0 (51)
sin1/2ω0t1 = 0 (52)
Eine Kurvenbetrachtung für den Fall, daß der Transistor Tr3
nach einer Zeitspanne von weniger als π/2√LC leitend gemacht
wird, ergibt die folgende Gleichung:
0 < ω0t1 < π/2 (53)
Damit ist Gleichung (52) nicht erfüllt, aber Gleichung (51) ist
erfüllt, damit wird folgendes erhalten:
ω0{t2 - 1/2t1} = π/2 (54)
t2 = 1/2{t1 + π/ω0} (55)
Nun wird, wie in Fig. 5D gezeigt, t1, das die Spannung v(t - t1)
an den piezoelektrischen Elementen P zum Zeitpunkt t = t1 Null
macht, erhalten. Der Wert von v(t - t1) zum Zeitpunkt t = t2 ist
wie folgt:
v(t - t1)|t = t2
= E + E(cosω0t1 - 1)cosω0(t2 - t1)
- Esinω0t2.sin(t2 - t1)
= E + Ecosω0t1.cosw0(t2 - t1)
- Ecosw0(t2 - t1) - Esinω0t2.sinω0(t2 - t1)
= E + 1/2Ecos[ω0{t1 - (t2 - t1)}]
+ 1/2Ecos[ω0{t1 + (t2 - t1)}] - Ecosω0(t2 - t1)
- 1/2Ecos[ω0{t1 - (t2 - t1)}] + 1/2Ecos[ω0{t1 + (t2 - t1)}]
= E + Ecosω0t2 - Ecosω0(t2 - t1)
= E - 2Esin1/2ω0{t2 + (t2 - t1)}.sin1/2ω0{t2 - t2 - t1)}
= E - 2E.sinω0{t2 - 1/2t1}.sin1/2ω0t1
= E - 2E.sinω0{1/2t1 + 1/2.π/ω0 - 1/2t1}.sinω0t1
= E - 2E.sinπ/2.sinω0t1
= E - 2Esinω0t1 (56)
= E + E(cosω0t1 - 1)cosω0(t2 - t1)
- Esinω0t2.sin(t2 - t1)
= E + Ecosω0t1.cosw0(t2 - t1)
- Ecosw0(t2 - t1) - Esinω0t2.sinω0(t2 - t1)
= E + 1/2Ecos[ω0{t1 - (t2 - t1)}]
+ 1/2Ecos[ω0{t1 + (t2 - t1)}] - Ecosω0(t2 - t1)
- 1/2Ecos[ω0{t1 - (t2 - t1)}] + 1/2Ecos[ω0{t1 + (t2 - t1)}]
= E + Ecosω0t2 - Ecosω0(t2 - t1)
= E - 2Esin1/2ω0{t2 + (t2 - t1)}.sin1/2ω0{t2 - t2 - t1)}
= E - 2E.sinω0{t2 - 1/2t1}.sin1/2ω0t1
= E - 2E.sinω0{1/2t1 + 1/2.π/ω0 - 1/2t1}.sinω0t1
= E - 2E.sinπ/2.sinω0t1
= E - 2Esinω0t1 (56)
Da die Gleichung (57) gleich Null ist, kann sie wie folgt ge
schrieben werden:
E - 2Esinω0t1 = 0 (57)
Mit Gleichung (49) schreibt sich Gleichung (57) wie folgt:
sinω0t1 = 1/2 (58)
Aus Gleichung (58) wird die folgende Beziehung erhalten:
t1 = π/3√LC (59)
Damit wird, wenn der Transistor Tr2 zu einer Zeit nach t = π/3√LC
leitend wird, die Spannung am piezoelektrischen Element Null,
wie in Fig. 5E gezeigt.
Im folgenden sei der Wert von t2 betrachtet, wenn der
Transistor Tr2 zum Zeitpunkt t = π/3√LC nichtleitend gemacht
wird.
Durch Einsetzen von Gleichung (59) in Gleichung (55) wird das
folgende erhalten:
t2|t1 = π/3√LC = 2π/3√LC (60)
Wie in Fig. 5A wird, wenn der Transistor Tr2 für eine
Zeitspanne von π/2√LC leitend gehalten wird, eine Zeit (π/2 + 1)√LC
benötigt, damit der Strom i(t) der Spule 53 Null absinkt.
Jedoch ist, wenn der Transistor Tr2 nur für eine Zeitspanne von
π/3√LC leitend gehalten wird, wie in Fig. 5D gezeigt, eine
Zeitspanne von 2/3π√LC 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 π/2√LC ist.
Wie beschrieben, ist es nicht nötig, die
Leitfähigkeit des Transistors Tr2 für eine Zeitspanne von π/2√LC
aufrecht zu erhalten, sondern es genügt, die Leitfähigkeit des
Transistors Tr2 mindestens für eine Zeitspanne von π/3√LC
aufrecht zu erhalten. Das heißt, nachdem das Schaltelement Tr2
nicht leitend gemacht wurde, sinkt der Strom i(t) der in der
Spule L fließt, nach einer Zeitspanne von π/3√LC auf Null ab.
Das Verhältnis der Zeit von √LC zur Zeit π/3√LC ist etwa
1 : 1,047. Wie oben bemerkt, hat, da es nicht notwendig ist, das
diese Zeit exakt √LC ist, der in der Spule L fließende Strom
noch nicht den Wert Null erreicht, wenn das Schaltelement Tr2
nach Verstreichen der Zeit √LC wieder leitend gemacht wird. Es
ist auch ausreichend, wenn eine bestimmte Zeitspanne nach dem
Absinken des Stromes auf Null verstrichen ist.
Eine Vielzahl von Abwandlungen können vorgenommen
werden. Beispielsweise können zur weiteren Verringerung des
Stromverbrauches MOS-FETs an Stelle der Transistoren Tr1-Tr3
verwendet werden. Weiterhin wurde bei der beschriebenen Ausfüh
rungsform 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 abge
sunken ist, was die Benutzung des Stromwertes anstelle einer
Zeitbasis wie bei der herkömmlichen Anordnung ermöglicht.
Claims (5)
1. Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung
(10) mit einem ersten und zweiten Anschluß mit
einer Stromversorgungseinrichtung (51),
einer Spule (53), deren erster Anschluß (A) elektrisch mit dem ersten Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung (10) verbunden ist und deren zweiter Anschluß (C) elektrisch mit der Stromver sorgungseinrichtung (51) verbunden ist,
einer ersten Schalteinrichtung (Tr2), die wahlweise EIN oder AUS sein kann, die elektrisch den zweiten Anschluß (C) der Spule (53) mit dem zweiten Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung (10) verbindet und dadurch einen Resonanzkreis mit der piezo elektrischen Vorrichtung (10) und der Spule (53) bildet, wenn sie auf EIN geschaltet ist,
einer Steuereinrichtung (55) zum Steuern der ersten Schaltein richtung (Tr2),
wobei die erste Schalteinrichtung (Tr2) EIN-geschaltet ist, wenn die piezoelektrische Vorrichtung (10) einen Befehl zum Zurück ziehen von einer Auslenkungsposition erhalten hat und die erste Schalteinrichtung (Tr2) AUS-geschaltet ist, nachdem eine vorbe stimmte Zeitspanne vom Zeitpunkt, zu dem die erste Schaltein richtung (Tr2) EIN-geschaltet wurde, verstrichen ist, und die erste Schalteinrichtung (Tr2) wieder EIN-geschaltet ist, nachdem die in der Spule (53) verbliebene elektrische Energie zur Strom versorgungseinrichtung (51) zurückgeführt ist.
einer Stromversorgungseinrichtung (51),
einer Spule (53), deren erster Anschluß (A) elektrisch mit dem ersten Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung (10) verbunden ist und deren zweiter Anschluß (C) elektrisch mit der Stromver sorgungseinrichtung (51) verbunden ist,
einer ersten Schalteinrichtung (Tr2), die wahlweise EIN oder AUS sein kann, die elektrisch den zweiten Anschluß (C) der Spule (53) mit dem zweiten Anschluß der piezoelektrischen Vorrichtung (10) verbindet und dadurch einen Resonanzkreis mit der piezo elektrischen Vorrichtung (10) und der Spule (53) bildet, wenn sie auf EIN geschaltet ist,
einer Steuereinrichtung (55) zum Steuern der ersten Schaltein richtung (Tr2),
wobei die erste Schalteinrichtung (Tr2) EIN-geschaltet ist, wenn die piezoelektrische Vorrichtung (10) einen Befehl zum Zurück ziehen von einer Auslenkungsposition erhalten hat und die erste Schalteinrichtung (Tr2) AUS-geschaltet ist, nachdem eine vorbe stimmte Zeitspanne vom Zeitpunkt, zu dem die erste Schaltein richtung (Tr2) EIN-geschaltet wurde, verstrichen ist, und die erste Schalteinrichtung (Tr2) wieder EIN-geschaltet ist, nachdem die in der Spule (53) verbliebene elektrische Energie zur Strom versorgungseinrichtung (51) zurückgeführt ist.
2. Ansteuereinrichtung nach Anspruch 1 mit
einer Zeitmesseinrichtung zum Messen (55a) einer vorbestimmten Zeitdauer,
wobei die erste Schalteinrichtung (Tr2) im AUS-Zustand ist, wenn durch die Zeitmesseinrichtung (55a) das Verstreichen einer vor bestimmten Zeitspanne angegeben wurde.
einer Zeitmesseinrichtung zum Messen (55a) einer vorbestimmten Zeitdauer,
wobei die erste Schalteinrichtung (Tr2) im AUS-Zustand ist, wenn durch die Zeitmesseinrichtung (55a) das Verstreichen einer vor bestimmten Zeitspanne angegeben wurde.
3. Ansteuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
mit einer zweiten Schalteinrichtung (Tr1), die wahlweise EIN
oder AUS sein kann, die zwischen der Stromversorgungseinrichtung
(51) und der Spule (53) vorgesehen ist und in dem EIN-Zustand
elektrische Ladungen von der Stromversorgungseinrichtung (51) zu
der piezoelektrischen Vorrichtung (10) leitet.
4. Ansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer dritten Schalteinrichtung (Tr3), die wahlweise EIN
oder AUS sein kann, die zwischen dem ersten Anschluß (A) der
Spule (53) und der Stromversorgungseinrichtung (51) vorgesehen
ist und die mit der Spule (53) in dem EIN-geschalteten Zustand
eine geschlossene Schleife bildet, wobei sie Strom von der
Stromversorgungseinrichtung (51) an die piezoelektrische Vor
richtung (10) liefert.
5. Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine
piezoelektrische Vorrichtung (10) mit
einer ersten und zweiten Schalteinrichtung (Tr2, Tr1),
einer Stromversorgungseinrichtung (51) und
einer Spule (53);
mit den Schritten:
einer ersten und zweiten Schalteinrichtung (Tr2, Tr1),
einer Stromversorgungseinrichtung (51) und
einer Spule (53);
mit den Schritten:
- a) Einschalten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1), damit elek trische Ladungen von der Stromversorgungseinrichtung (51) zu der piezoelektrischen Vorrichtung (10) fließen zum Aktivie ren der piezoelektrischen Vorrichtung (10), bis ausreichend Ladungen in der piezoelektrischen Vorrichtung (10) gespei chert sind;
- b) Ausschalten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1) und Ein
schalten der ersten Schalteinrichtung (Tr2) zum Zurückstel
len der piezoelektrischen Vorrichtung (10) und
Bilden eines Resonanzkreises an der piezoelektrischen Vor richtung (10) und der Spule (53),
damit elektrische Ladungen von der Spule (53) zu der piezoelektrischen Vorrichtung (10) und zurück fließen; - c) Ausschalten der ersten Schalteinrichtung (Tr2) und Einschal ten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1), während Ladungen von der piezoelektrischen Vorrichtung (10) zu der Spule (53) fließen, damit Ladungen von der Spule (53) zu der Stromver sorgungseinrichtung (51) fließen.
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1991
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1993
- 1993-03-30 US US08/041,300 patent/US5350962A/en not_active Expired - Lifetime
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DE4122984A1 (de) | 1992-01-16 |
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