DE69209209T2

DE69209209T2 - Piezoelektrisches Antriebselement

Info

Publication number: DE69209209T2
Application number: DE69209209T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Mori
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-10-02
Also published as: EP0536637B1; EP0536637A3; DE69209209D1; JP2965763B2; US5289074A; JPH0596755A; EP0536637A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps&sub1; der zur Verwendung bei einem Nadelpunktdrucker oder dergleichen geeignet ist.

Beschreibung des Standes der Technik

In jüngster Zeit wird einhergehend mit der Beschleunigung der Druckgeschwindigkeit von Nadelpunktdruckern zum Antreiben von Drucknadeln an einem Druckkopf zunehmend auf laminierte piezoelektrische Vorrichtungen zurückgegriffen. Die laminierten piezoelektrischen Vorrichtungen enthalten gewöhnlich eine Vielzahl von internen Elektroden und ein Paar von externen Elektroden, die mit den internen Elektroden verbunden sind, und müssen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, da sie unter hoher Spannung und harten Betriebsbedingungen betrieben werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein herkömmliches Druckelement gezeigt, bei dem eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird. Das Druckelement 1 ist gebildet aus einem Versetzungsvergrößerungsmechanismus 2, einem Betätiger 3, einem Basisglied 4, das den Versetzungsvergrößerungsmechanismus 2 und den Betätiger 3 verbindet, und einem beweglichen Block 5. Der Versetzungsvergrößerungs mechanismus 2 besteht aus einer Armatur 6 und einem Paar von Blattfedern 7 und 8, die in paralleler Beziehung zueinander angeordnet sind, um ein Ende der Armatur 6 zu stützen. Die Blattfeder 7 ist an dem Basisglied 4 fest angebracht, während die andere Blattfeder 8 an dem beweglichen Block 5 fest angebracht ist. Eine Drucknadel 9 ist an dem anderen Ende der Armatur 6 fest angebracht.
Wie am besten in der perspektivischen Ansicht von Fig. 2 gezeigt, besteht der Betätiger 3 aus einer laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 10, aus Blöcken 11 und 12, die an den gegenüberliegenden Enden der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 10 auf solch eine Weise angeordnet sind, um die letztere sandwichartig zwischen sich anzuordnen, und Federplatten 13a und 13b, die sich längs der gegenüberliegenden Seiten der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 10 erstrecken und an letztere durch Laserschweißen an den Positionen der Punkte P angeschweißt sind, während auf die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 10 eine vorbestimmte Kompressionskraft angewendet wird.
Die Blöcke 11 und 12 sind mit dem beweglichen Block 5 bzw. dem Basisglied 4 unter Verwendung eines Haftmittels fest verklebt. Zwecks Stabilisierung der Operation der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 10 ist der Block 11 mit dem Basisglied 4 durch eine Blattfeder 15 verbunden.
Die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 10 ist gebildet aus einer Vielzahl von laminierten piezoelektrischen Keramikschichten, einer Vielzahl von internen Elektroden, die zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten sandwichartig angeordnet sind, einem Paar von externen Elektroden, die alternierend mit jeder zweiten internen Elektrode verbunden sind, und Anschlußdrähten 14a und 14b, die mit den externen Elektroden 13a bzw. 13b verbunden sind.
Beim Anwenden einer Antriebsspannung auf die Anschlußdrähte 14a und 14b wird die piezoelektrische Vorrichtung des laminierten Typs 10 deformiert, um sich um zehn und einige Mikrometer zu strecken. Als Resultat wird der bewegliche Block 5 in Fig. 1 in die linke Richtung geschoben, und die Armatur 6 wird durch Bimetallwirkung der Blattfedern 7 und 8 um ihren unteren Endabschnitt gedreht, um die Versetzung des beweglichen Blockes 5 zu vergrößern, wodurch die Drucknadel 9 angetrieben wird, um mehrere hundert Mikrometer nach vorn hervorzutreten. Als Resultat wird die Nadel 9 durch ein Farbband und ein Druckpapierblatt, die nicht gezeigt sind, gegen die Walze gestoßen, um auf dem Papier einen Punkt zu drucken.
Bei dem Betätiger mit der oben beschriebenen Konstruktion, bei der die Blöcke 11 und 12 an den gegenüberliegenden Enden der piezoelektrischen Vorrichtung des laminierten Typs mit dem beweglichen Block 5 und dem Basisglied 4 durch ein Haftmittel verklebt sind, hat jedoch ein Problem darin bestanden, daß sie auf Grund von unzureichender Festigkeit der Haftverbindung im Laufe von Druckoperationen dazu neigen, gelockert oder gelöst zu werden, und es nicht gelingt, hinsichtlich Leistungsqualität in einem stabilen Zustand zu arbeiten. Besonders ist es wahrscheinlicher, daß Schäden an dem Teil des beweglichen Blocks auftreten, der zusätzlich zu der Zugspannung einer Biegespannung ausgesetzt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps vorgesehen, der gebildet ist aus: einer laminierten piezoelektrischen Vorrichtung mit einer Vielzahl von laminierten piezoelektrischen Keramikschichten, einer Vielzahl von internen Elektroden, die sandwichartig zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet sind, einer ersten externen Elektrode, die mit alternierenden der internen Elektroden verbunden ist, und einer zweiten externen Elektrode, die mit den anderen alternierenden der internen Elektroden verbunden ist, welche laminierte piezoelektrische Vorrichtung erste und zweite Seitenoberflächen auf gegenüberliegenden seitlichen Seiten von sich hat; einem stationären Basisglied; einem Paar von Federplatten, die sich längs der ersten bzw. zweiten Seitenoberfläche der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung erstrecken und jeweils an einem Ende an dem Basisglied angeschweißt sind; und einem beweglichen Block, der an dem anderen Ende von jeder der Federplatten angeschweißt ist, während auf die laminierte piezoelektrische Vorrichtung eine vorbestimmte Kompressionskraft angewendet wird.
Bei dem Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung sind die gepaarten Federglieder an dem beweglichen Block und dem Basisglied fest angeschweißt, um eine höhere Festigkeit als die herkömmliche Befestigung durch ein Haftmittel zu gewährleisten. Als Resultat wird es möglich, Schäden zu verhindern, wie sie durch Stöße oder Vibrationen verursacht werden, wenn der bewegliche Block durch Anwendung einer Antriebsspannung auf die laminierte piezoelektrische Vorrichtung versetzt wird. Dementsprechend kann der Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyp, wenn er für ein Druckelement verwendet wird, bei Druckoperationen eine stabilisierte Leistungsqualität gewährleisten.
Durch Studieren der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die als Beispiel einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, werden die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung und die Art und Weise ihrer Realisierung offensichtlicher und wird die Erfindung selbst am besten verstanden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zu den beiliegenden Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Teilschnitt-Seitenansicht eines herkömmlichen Druckelementes;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Betätigers des piezoelektrischen Vorrichtungstyps;
Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Druckkopfes, bei dem ein Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps verwendet wird, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die die Einzelheiten der Konstruktion des Betätigers des piezoelektrischen Vorrichtungstyps gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine Teilschnitt-Seitenansicht eines Druckelementes, bei dem der Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf den Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps gemäß der Ausführungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Im folgenden wird die Erfindung durch bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingehender beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Druckkopf gezeigt, der einen Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Der Druckkopf ist aus einer Vielzahl von Druckelementen 20 gebildet, die längs der inneren peripheren Oberfläche eines Basisgliedes 26 von im wesentlichen zylindrischer Form montiert sind. Jedes Druckelement 20 enthält einen Versetzungsvergrößerungsmechanismus 22, einen Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps 24, ein Basisglied 26, mit dem ein Ende des Betätigers des piezoelektrischen Vorrichtungstyps 24 fest verbunden ist, und einen beweglichen Block 28, mit dem das andere Ende des Betätigers 24 fest verbunden ist.
Der Versetzungsvergrößerungsmechanismus 22 enthält eine Armatur 30 und ein Paar von parallel angeordneten Blattfedern 32 und 34, die an einem Ende der Armatur 30 fest angebracht sind. Die Blattfeder 32 ist an dem Basisglied 26 befestigt, während die andere Blattfeder 34 an dem beweglichen Block 28 befestigt ist. Die Armatur 30 hat eine Drucknadel 36, die an deren anderem Ende fest angebracht ist.
Wie in Fig. 4 am besten gezeigt ist, enthält der Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps 24 eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung 38, die gebildet ist aus einer großen Anzahl von laminierten piezoelektrischen Keramikschichten 40 und internen Elektroden 42, die sandwichartig zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten 40 angeordnet sind, einer ersten externen Elektrode 44a, die auf einer seitlichen Seitenoberfläche der piezoelektrischen Vorrichtung 38 angeordnet ist und mit alternierenden der internen Elektroden 42 verbunden ist, und einer zweiten externen Elektrode 44b, die auf der gegenüberliegenden seitlichen Seitenoberfläche der piezoelektrischen Vorrichtung 38 angeordnet ist und mit den anderen alternierenden der internen Elektroden 42 verbunden ist. Bezugszahl 46 bezeichnet halbzylindrische Isolierschichten, die zwischen der ersten externen Elektrode 44a oder der zweiten externen Elektrode 44b und den internen Elektroden 42 gebildet sind, um von ihnen isoliert zu sein, wodurch alternierende Verbindungen der ersten und zweiten externen Elektroden 44a und 44b mit den internen Elektroden 42 möglich sind. Die erste externe Elektrode 44a auf der positiven Seite ist durch den Anschlußdraht 54a mit einem Anodenanschluß einer nicht gezeigten Antriebsschaltung verbunden, während die zweite externe Elektrode 44b auf der negativen Seite durch den Anschlußdraht 54b mit dem geerdeten Basisglied 26 verbunden ist.
Die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 38 wird durch Laminieren von einer Vielzahl von rohen Blättern aus piezoelektrischer Keramik hergestellt, wobei auf der einen Seite von jedem ein Metallpastenfilm zur Bildung der internen Elektrode gebildet ist, und durch Sintern der laminierten Blätter bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer. Ein Paar von Federplatten 50a und 50b erstreckt sich längs der anderen seitlichen Seitenoberflächen der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38, die zwischen den seitlichen Seitenoberflächen mit den ersten und zweiten externen Elektroden 44a und 44b rechtwinklig angeordnet sind. Ein Ende von jeder der Federplatten 50a und 50b ist durch Laserschweißen an einem Block 48 fest angebracht, der an einem Ende der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 vorgesehen ist, und das andere Ende ist durch Laserschweißen an einem Block 52 fest angebracht, der an dem anderen Ende der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 vorgesehen ist, während aufletztere ein vorbestimmter Kompressionsdruck angewendet wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, ragen die gegenüberliegenden Enden der Federplatten 50a und 50b auf den äußeren Seiten der Blöcke 48 und 52 über eine vorbestimmte Länge hinaus.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 sind die Enden der Federplatten 50a und 50b auf der Seite des Blocks 48 durch Laserschweißen an dem beweglichen Block 28 angebracht, während der Block 48 gegen den beweglichen Block 28 stößt, und die anderen Enden der Federplatten 50a und 50b sind an dem Basisglied 26 angebracht, während der Block 52 gegen das Basisglied 26 stößt. An den Punkten, die durch den Buchstaben "W" bezeichnet sind, sind die Federplatten 50a und 50b nämlich durch Laserschweißen an das Basisglied 26, den beweglichen Block 28 und an die Blöcke 48 und 52 angeschweißt. Der Block 48 ist mit dem Basisglied 26 durch eine Blattfeder 56 verbunden, um die Operation der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung zu stabilisieren.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Federplatten 50a und 50b durch Laserschweißen an den Blöcken 48 und 52 fest angebracht, und gleichzeitig sind die vorstehenden äußeren Enden der Federplatten 50a und 50b an den seitlichen Seiten des Basisglieds 26 und des beweglichen Blocks 28 fest angebracht, wodurch Verbindungen der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 mit dem Basisglied 26 und dem beweglichen Block 28 von hoher Festigkeit gewährleistet werden.
Dementsprechend wird, wenn eine Antriebsspannung auf die Verbindungsdrähte 54a und 54b des Betätigers des piezoelektrischen Vorrichtungstyps 24 angewendet wird, der bewegliche Block 28 auf Grund der Verzerrung der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 in der Streckrichtung in Fig. 5 in die linke Richtung geschoben. Diese Versetzung des beweglichen Blocks 28 wird durch den Versetzungsvergrößerungsmechanismus 22 für eine Druckoperation durch die Drucknadel 36 vergrößert. Selbst wenn zu dieser Zeit ein Stoß oder eine Vibration auf den Verbindungsabschnitt zwischen der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 und dem Basisglied 26 oder dem beweglichen Block 28 angewendet wird, ist das Auftreten eines Bruches oder anderer Schäden an den Verbindungsabschnitten weniger wahrscheinlich, da die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 38 mit dem Basisglied 26 und dem beweglichen Block 28, verglichen mit der herkömmlichen Haftverbindung durch ein Haftmittel, mit höherer Festigkeit verbunden ist. Daher wird es möglich, bei Druckoperationen eine stabilisierte Leistungsqualität zu erreichen.
Bei Vollendung einer Druckoperation wird die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 38 aberregt, und die Drucknadel 36, die eine Druckaktion beendet hat, wird als Resultat der Regenerierung der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 an ihre Ausgangsposition zurückgeführt.
Obwohl bei dem Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps 24 in der oben beschriebenen Ausführungsform die Blöcke 48 und 52 an den gegenüberliegenden Enden der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung 38 fest angebracht sind, versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf solch eine Anordnung begrenzt ist. Falls gewünscht, kann zum Beispiel eine Anordnung verwendet werden, bei der die Blöcke 48 und 52 weggelassen sind und die laminierte piezoelektrische Vorrichtung 38 im komprimierten Zustand zwischen dem Basisglied 26 und dem beweglichen Block 28 gehalten wird, an dem die gegenüberliegenden Enden der Federplatten 50a und 50b durch Laserschweißen fest angebracht sind.
Obwohl der Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps der Erfindung in der obigen Ausführungsform als Betätiger für ein Druckelement gezeigt worden ist, kann er ferner bei verschiedenen anderen Anwendungen als Betätiger eingesetzt werden, der anderen Zwecken dient.

Claims

1. Ein Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps mit:

einer laminierten piezoelektrischen Vorrichtung mit einer Vielzahl von laminierten piezoelektrischen Keramikschichten, einer Vielzahl von internen Elektroden, die sandwichartig zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet sind, einer ersten externen Elektrode, die mit alternierenden der genannten internen Elektroden verbunden ist, und einer zweiten externen Elektrode, die mit den anderen alternierenden der genannten internen Elektroden verbunden ist, welche laminierte piezoelektrische Vorrichtung erste und zweite Seitenoberflächen auf gegenüberliegenden seitlichen Seiten von sich hat;

einem stationären Basisglied;

einem Paar von Federplatten, die sich längs der ersten bzw. zweiten Seitenoberfläche der genannten laminierten piezoelektrischen Vorrichtung erstrecken und jeweils an einem Ende an dem genannten Basisglied angeschweißt sind; und

einem beweglichen Block, der an dem anderen Ende von jeder der genannten Federplatten angeschweißt ist, während auf die genannte laminierte piezoelektrische Vorrichtung eine vorbestimmte Kompressionskraft angewendet wird.

2. Ein Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps nach Anspruch 1, der ferner umfaßt:

einen ersten Block, der zwischen dem genannten Basisglied und einem Ende der genannten laminierten piezoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist und an einem Ende von jeder der genannten gepaarten Federplatten fest angeschweißt ist; und

einen zweiten Block, der zwischen dem genannten beweglichen Block und dem anderen Ende der genannten laminierten piezoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist und an dem anderen Ende von jeder der genannten gepaarten Federplatten fest angeschweißt ist.

3. Ein Betätiger des piezoelektrischen Vorrichtungstyps nach Anspruch 1, bei dem die genannten ersten und zweiten externen Elektroden auf dritten und vierten seitlichen Seitenoberflächen der genannten laminierten piezoelektrischen Vorrichtung montiert sind, die zu den genannten ersten und zweiten seitlichen Seitenoberflächen rechtwinklig angeordnet sind, welche erste externe Elektrode mit einer Antriebsschaltung verbunden ist und welche zweite externe Elektrode mit der Erde verbunden ist.