PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69032138T2 30.07.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0598710
Titel Scwingungswellengetriebene Vorrichtung und Strahldrucker mit eine solchen Vorrichtung
Anmelder Canon K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kimura, Atsushi, c/o Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo, JP;
Seki, Hiroyuki, c/o Canon Kabushiki Kaish, Tokyo, JP;
Maeno, Takashi, c/o Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69032138
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 07.12.1990
EP-Aktenzeichen 942003013
EP-Offenlegungsdatum 25.05.1994
EP date of grant 11.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.07.1998
IPC-Hauptklasse H01L 41/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/09   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein vibrationswellengetriebenes Gerät, in welchem ein elastisches Element ringförmig ausgebildet ist, d. h. in einer sogenannten bahnentsprechenden Form, in welchem eine Vibrationswanderwelle erzeugt wird.

Es ist ein vibrationswellengetriebener Motor vorgeschlagen worden, in welchem eine Vibrationswanderwelle in einem elastischen Element aus Metall in Form eines Ringes erzeugt wird, das gerade Abschnitte und gekrümmte Abschnitte aufweist, und wobei z. B. das elastische Element als ein bewegbares Element ausgebildet ist und dessen gerade Abschnitte mit einem schienenförmigen Stator in Druckkontakt versetzt werden, der die fest angeordnete Seite bildet, und das elastische Element auf dem schienenförmigen Stator geradeaus bewegt wird.

Fig. 5 und Fig. 6 der beigefügten Zeichnungen zeigen den Aufbau eines solchen vibrationswellengetriebenen Motors. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein elastisches Element, das einen Vorsprung la aufweist, welcher auf dessen Gleitoberflächenseite vorgesehen ist, und ein piezoelektrisches Element 2 zum Erzeugen einer Vibrationswanderwelle in dem elastischen Element 1 ist mit der oberen Oberfläche des elastischen Elements gekoppelt. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen schienenförmigen Stator (ein angetriebenes Element) als ein Kontaktelement, welches im Reibungskontakt mit dem elastischen Element 1 ist. Der schienenförmige Stator 8 wird durch eine Druckfeder 3 durch ein schwingungsisolierendes Material 5 (z. B. Filz) in Druckkontakt mit dem elastischen Element 1 versetzt.

Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine kammzahnförmige Bewegungssperreinrichtung, deren kammzahnförmiger Abschnitt 6a in einen Schlitz in jenen Abschnitt des elastischen Elements 1 eingefügt ist, welcher sich nicht im Kontakt mit dem schienenförmigen Stator 8 befindet. Der kammzahnförmige Abschnitt 6a trägt das elastische Element 1 durch den am Grund des Schlitzes angeordneten Filz 7.

Das elastische Element 1 wird durch einen Tragtisch 4 über die Bewegungssperreinrichtung 6, die Druckfeder 3 usw. unterstützt, und der Tragtisch 4, auf welchem z. B. der Druckkopf eines Druckers angeordnet ist, wird durch ein Hemmelement 9 zum Bremsen der Verschiebung in jede andere Richtung als eine Richtung By unterstützt, welche eine vorbestimmte Bewegungsrichtung ist.

Wenn eine Vibrationswanderwelle in dem elastischen Element 1 durch zwei stehende Wellen erzeugt wird, welche um 90º in der Phase und der Zeit voneinander abweichen, wird das elastische Element 1 auf dem schienenförmigen Stator 8 durch die Reibungskraft zwischen dem schienenförmigen Stator 8 und dem elastischen Element 1 entlang bewegt, wobei sich der Tragtisch 4 und andere Elemente (3, 5, 6 und 7) in die Richtung By entlang dem Hemmelement 9 bewegen. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die erzeugte Reibtriebkraft auf einen Abschnitt des elastischen Elements 1 ein, und da sie von dem tragenden Abschnitt abweicht, wirkt ein Moment auf das elastische Element 1, welches somit versucht, in die Richtungen Bx und By auszuweichen.

Der kammzahnförmige Abschnitt 6a der Bewegungssperreinrichtung 6 ist in den Schlitzabschnitt des elastischen Elements 1 eingefügt, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und hemmt die Verschiebung des elastischen Elements 1 in der Richtung By und trägt auch das Gewicht des elastischen Elements 1 durch den Filz 7. Die Hemmabschnitte 6b und 6c hemmen die Verschiebung des elastischen Elements 1 in der Richtung Bx, und ein Hemmelement 6d hemmt die Verschiebung des elastischen Elements 1 auf dessen gedrückter Seite in der Richtung By. Kraft dieser Hemmelemente 6a - 6d wird das elastische Element 1 mit dem Tragtisch 4 spielfrei gleichmäßig geradeaus bewegt.

Fig. 7 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht des elastischen Elements 1, mit welchem das piezoelektrische Element 2 gekoppelt ist, und Fig. 8 und Fig. 9 der beigefügten Zeichnungen zeigen Konturdarstellungen der Auslenkungen der Obertläche des piezoelektrischen Elements in zwei voneinander um 90º lageverschobenen Stehwellen-Schwingungsmoden gleicher Resonanzfrequenz, welche durch Eigenwert-Analyse unter Anwendung der Finite-Element- Methode gefunden wurden. Die Abweichung ist eine Komponente in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des piezoelektrischen Elements, und der Betrag der Abweichung beträgt maximal "1".

Dieses Vibrationselement ist derart, daß fünfzehn Wellen in dessen Gesamtumfang erzeugt werden und etwa fünf Wellen in den geraden Abschnitten erzeugt werden, welche zum Antreiben Anwendung finden. Demgemäß sind der schienenförmige Stator 8 und das elastische Element 1 an den Wellenbäuchen von fünf Wellen miteinander im Kontakt.

Im allgemeinen ist die in dem elastischen Element 1 erzeugte Vibrationswanderwelle in der Höhe der Amplitude aufgrund der Formänderung der Oberflächen des elastischen Elements 1 und des piezoelektrischen Elements 2 sowie der ungleichförmigkeit deren Materialien von Ort zu Ort unregelmäßig. Wenn daher das elastische Element 1 und der schienenförmige Stator 8 an den Wellenbäuchen einer Anzahl von Wellen miteinander im Kontakt sind, unterscheiden sich die Kontaktzustände in den einzelnen Wellen, und in einem Extremfall sind die beiden Elemente an einigen Orten miteinander im Kontakt, und sind an anderen Orten nicht miteinander im Kontakt. Diese Unregelmäßigkeit des Kontakts hat den Gleitverlust an der Gleitoberfläche erhöht, hat den Wirkungsgrad des Motors vermindert und Geräusche verursacht.

Das USA-Fatentdokument Nr. 4 672 256 beschreibt einen Vibrationswellenmotor, in welchem eine periodische Spannung an ein elektrostriktives Element angelegt wird, um eine Vibrationswanderwelle in der Oberfläche eines Vibrationselements zu erzeugen, und in welchem ein bewegbares Element, welches ein Reibungselement aufweist, auf dem Vibrationselement durch die Vibrationswanderwelle angetrieben wird.

Auch das japanische Patentdokument Nr. 60046781 beschreibt einen Vibrationswellenmotor, welcher elektrostriktive Elemente aufweist, die in einer solchen Weise angeordnet sind, daß beim Anlegen einer Wechselspannung Stehwellen erzeugt und kombiniert werden, um eine Wanderwelle auszubilden.

Ferner beschreibt das Europäische Patentdokument Nr. EP-A- 0301430 eine Ultraschall-Antriebsvorrichtung mit einem Stator, der eine piezoelektrische Vibrationseinrichtung mit unterteilten Elektroden aufweist.

Ferner wird noch im japanischen Patentdokument Nr. 62077968 ein Drucker beschrieben, der einen piezoelektrischen Motor aufweist, welcher eine Biegeschwingung erzeugt, um eine Antriebsbewegung zu bewirken.

Bezugnahme erfolgt auch auf das Europäische Patentdokument Nr. EP-A-0169297, welches einen piezoelektrischen Motor mit einem Vibrationselement mit geraden langen Seiten und halbkreisförmigen Enden beschreibt, welches eine Wanderwelle erzeugt, um eine Antriebsbewegung zu bewirken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines vibrationswellengetriebenen Geräts, in welchem eine Verminderung der Leistungsfähigkeit des Geräts und das Entstehen von Geräuschen verhindert werden können.

Erfindungsgemäß wird ein vibrationswellengetriebenes Gerät aufgezeigt, welches aufweist:

- ein elastisches Element mit zwei langen, geraden Abschnitten der Länge L, welche durch mit den geraden Abschnitten zusammenhängende zwei bogenförmige Abschnitte mit dem mittleren Radius R verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- R/L 1/4 oder größer ist und

- das Gerät ein elektromechanisches Energieumwandlungselement mit zwei Antriebselementen (A, B) aufweist, welche auf dem elastischen Element 1 angeordnet sind, zum Erzeugen einer Vibrationswanderwelle in dem elastischen Element als Reaktion auf ein elektrisches Signal, welches an die Antriebselemente angelegt ist, wobei zwei Antriebselemente auf dem elastischen Element angeordnet sind, um eine Vibrationswanderwelle in zwei langen, geraden Abschnitten des elastischen Elements zu erzeugen und die Relativbewegung zwischen dem elastischen Element und einem Kontaktelement herbeizuführen.

Das elastische Element kann angetrieben werden, während es mit einem schienenförmigen Stator im zuverlässigen Kontakt gehalten wird und eine Verminderung des Wirkungsgrads des Geräts und das Entstehen von Geräuschen verhindert werden können.

Die vorliegende Erfindung ist in einem vibrationswellengetriebenen Motor verwirklicht, in welchem das elastische Element ein elektromechanisches Energieumwandlungselement aufweist, das an einer Oberfläche darauffest angeordnet ist, und einen ringförmigen, bahnförmigen Aufbau, ausgebildet durch gerade Abschnitte und bogenförmige Abschnitte. Ein Element wird mit der anderen Oberfläche des elastischen Ele ments in Druckkontakt versetzt, und Wechselspannungen mit einem Phasenunterschied von 90º mit Bezug auf die Zeit werden an die Ansteuerphasen des elektromechanischen Energieumwandlungselements angelegt, welche in zwei Phasen unterteilt sind, um dadurch in dem elastischen Element eine Vibrationswanderwelle zu erzeugen, wobei das elastische Element und das damit in Druckkontakt versetzte Element relativ zueinander bewegt werden. Die zwei Ansteuerphasen des elektromechanischen Energieumwandlungselements sind in einer solchen Weise polarisationsverarbeitet, daß in den geraden Abschnitten des elastischen Elements nur eine Vibrationswanderwelle erzeugt wird.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 - 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines vibrationswellengetriebenen Geräts.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elastischen Elements,

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Konturdarstellungen der Abweichung des Stehwellenmodus nach der Finite-Element-Methode,

Fig. 4 zeigt das Polarisationsmuster des piezoelektrischen Elements,

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen jeweils eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines vibrationswellengetriebenen Motors gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vibrationselements gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen Konturdarstellungen der Abweichung von zwei in dem elastischen Element in Fig. 7 erzeugten Stehwellenmoden, und

Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Konturdarstellungen der Abweichung des Stehwellenmodus in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 - 4 zeigen schematisch die wesentlichen Abschnitte eines Druckers der Bubble-Jet-Ausführungsform auf welchen die vorliegende Erfindung angewendet ist. Die anderen Abschnitte des Druckers sind im Aufbau mit jenen in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten übereinstimmend und werden daher nicht gezeigt. Der Drucker der Bubble-Jet-Ausführungsform ist ein Drucker, wie er z. B. in den US-Patentdokumenten Nr. 4 723 129 oder Nr. 4 740 796 beschrieben ist. Kurz beschrieben ist es ein Drucker der Ausführungsform, in welcher mindestens ein Ansteuersignal entsprechend der Aufzeichnungsinformation zum Herbeiführen eines raschen Temperaturanstiegs mit Überschreiten des Kernsiedens an ein Elektrizität-Wärme-Umwandlungselement angelegt wird, das entsprechend an einer Unterlage oder an einem Fließkanal, in welchem Flüssigkeit (Tinte) zurückbehalten wird, angeordnet ist, um dadurch in dem Elektrizität-Wärme-Umwandlungselement Wärmeenergie zu erzeugen und das Filmsieden auf der wärmeaktiven Oberfläche eines Aufzeichnungskopfes zu verursachen, demzufolge eine Blase entsprechend dem Ansteuersignal in der Flüssigkeit (Tinte) erzeugt wird, und durch das Wachsen und das Schrumpfen dieser Blase die Flüssigkeit (Tinte) durch eine Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, um mindesten ein Tröpfchen zu erzeugen, welches gegen eine Unterlage geblasen wird, um dadurch ein Zeichen auszubilden.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein in Form eines elliptischen Ringes ausgebildetes elastisches Element. Ein piezoelektrisches Element 2 ist als ein elektromechanisches Energieumwandlungselement durch Klebverbindung auf einer Oberfläche des elastischen Elements 1 angeordnet, wodurch ein Vibrationselement aufgebaut wird. Die vorliegende Ausführungsform ist derart, daß sechs Vibrationswanderwellen in dem gesamten Umfang des elastischen Elements 1 erzeugt werden, und das Polarisationsmuster des piezoelektrischen Elements 2 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Bezugszeichen 2a&sub1; und 2a&sub2; bezeichnen die Segmente des piezoelektrischen Elements, welche eine Antriebsphase (nachstehend als A-Gruppe bezeichnet) erzeugen, welche jeweils zu der (+)-Polarität und der (-)- Polarität polarisationsverarbeitet sind. Diese Segmente 2a&sub1; und 2a&sub2; des piezoelektrischen Elements sind angeordnet, wie in einem dazwischen bestehenden Phasenlageunterschied von λ/2 gezeigt ist (λ stellt die Wellenlänge der Vibrationswanderwelle dar). Die Bezugszeichen 2b&sub1; und 2b&sub2; bezeichnen die Segmente des piezoelektrischen Elements, welche die andere Antriebsphase (nachstehend als die B-Gruppe bezeichnet) aus bilden, welche jeweils zu der (+)-Polarität und der (-)-Polarität polarisationsverarbeitet sind. Diese Segmente 2b&sub1; und 2b&sub2; des piezoelektrischen Elements sind mit einem dazwischen bestehenden Phasenlageunterschied von λ/2 angeordnet, wie gezeigt ist. Die A-Gruppe und die B-Gruppe sind mit einem dazwischen bestehenden Phasenlageunterschied von λ/4 angeordnet, wie gezeigt ist. Das in Fig. 4 gezeigte Polarisationsmuster ist derart, daß in der A-Gruppe nur ein Satz von piezoelektrischen Elementen 2a&sub1; und 2a&sub2; für einen geraden Abschnitt des elastischen Elements 1 angeordnet ist, und in der B-Gruppe ebenso nur ein Satz von piezoelektrischen Elementen 2b&sub1; und 2b&sub2; für den anderen geraden Abschnitt des elastischen Elements 1 angeordnet ist, wobei unter den sechs Wanderwellen auf dem Gesamtumfang nur eine Wanderwelle in jedem geraden Abschnitt erzeugt wird. Wechselspannungen gleicher Frequenz und untereinander zeitlich 90º phasenverschoben werden durch eine nicht gezeigte Ansteuerschaltung an die A-Gruppe und an die B-Gruppe angelegt, wobei in dem elastischen Element 1 Vibrationswanderwellen erzeugt werden, und der Stehwellenmodus während des Ansteuerns der A-Gruppe ist in Fig. 2 gezeigt und der Stehwellenmodus während des Ansteuerns der B-Gruppe ist in Fig. 3 gezeigt.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Abweichungen der jeweiligen Stehwellenmoden in den Konturdarstellungen in derselben Weise wie Fig. 8 und Fig. 9.

In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Länge L der geraden Abschnitte 7 mm, und der mittlere Radius R der bogenförmigen Abschnitte (der Mittelwert des Radius des Außenumfangs und der Radius des Innenumfangs) beträgt 5 mm, um die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Vibrationsmoden zu erzeugen. Durch Versuche des Erfinders ist festgestellt worden, daß in dem Fall, wenn das Verhältnis (R/L) des mittleren Radius R der bogenförmigen Abschnitte zu der Länge L der geraden Abschnitte 1/4 oder mehr beträgt, die Position der maximalen Amplitude der stehenden Welle in den geraden Abschnitten des elastischen Elements 1 auf nur einer der inneren Umfangsseite und der äußeren Umfangsseite in beiden der zwei Vibrationsmoden vorliegt, und wenn die Vibration in eine Vibrationswanderwelle überführt wird, die Amplitude auf einer der äußeren Umfangsseite und der inneren Umfangsseite immer in den geraden Abschnitten groß ist. In der vorliegenden Ausführungsform weist eine auf den geraden Abschnitten des elastischen Elements 1 erzeugte Vibrationswanderwelle auf der Außenumfangsseite eine größere Amplitude auf. Aus dem gezeigten beispielhaften Fall folgt mit Bezug auf Fig. 5, daß die Außenumfangsseite des elastischen Elements 1 in Druckkontakt mit dem schienenförmigen Stator 8 bringbar ist, um somit den Motor wirkungsvoll anzutreiben.

Somit ist die in dem elastischen Element 1 erzeugte Vibrationswanderwelle derart, daß in den geraden Abschnitten nur eine Welle erzeugt wird, und wenn ein solches elastisches Element in dem in Fig. 5 gezeigten Gerät angewendet wird, sind das elastische Element 1 und der schienenförmige Stator 8 an dem Wellenbauch einer Welle immer miteinander im Kontakt, ohne sich voneinander zu trennen, und daher ist der durch den Gleitverlust auf der Gleitoberfläche verursachte Abfall des Motorwirkungsgrades verminderbar, und gleichzeitig kann das Entstehen von Geräuschen verhindert werden.

Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Konturdarstellungen der Abweichungen der zwei Stehwellenmoden des elastischen Elements 1 gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform Sie stellen sieben Wellen über dem Gesamtumfang dar, und ungefähr eine Welle wird in den geraden Abschnitten erzeugt, welche zum Antrieb verwendet wird.

Außerdem ist die Aufgabe erreichbar, wenn das piezoelektrische Element so angeordnet wird, daß ungeachtet der Anzahl der Wellen auf dem Gesamtumfang ungefähr eine Welle in den geraden Abschnitten erzeugt werden kann, welche zum Antrieb verwendet wird.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird das elastische Element bewegt, und der Stator 8, welcher einen Abschnitt des Druckers darstellt, ist auf der Stelle fest angeordnet, aber wahlweise kann auch das elastische Element auf der Stelle fest angeordnet werden, und der Stator 8 ist bewegbar, um eine ähnliche Wirkung zu erreichen.

Wie vorstehend beschrieben, wird eine solche Vibrationswanderwelle erzeugt, daß in den geraden Abschnitten des zum Antrieb verwendeten elastischen Elements annähernd eine Welle erzeugt wird, und das elastische Element und das Element, mit welchem das elastische Element in Druckkontakt versetzt ist, werden immer an dem Wellenbauch einer Welle miteinander in Kontakt versetzt, ohne sich voneinander zu trennen, wodurch der Wirkungsgrad des Geräts erhöht werden kann und Geräusche vermeidbar sind.


Anspruch[de]

1. Vibrationswellengetriebenes Gerät, welches aufweist:

- ein elastisches Element (1) mit zwei langen, geraden Abschnitten der Länge L, die durch zwei bogenförmige Abschnitte mit dem mittleren Radius R mit den geraden Abschnitten zusammenhängend verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- R/L gleich 1/4 oder größer ist und

- das Gerät ein elektromechanisches Energieumwandlungselement (2) mit zwei Antriebselementen (A, B) aufweist, welche auf dem elastischen Element (1) angeordnet sind, um als Reaktion auf ein an die Antriebselemente angelegtes elektrisches Signal in dem elastischen Element (1) eine Vibrationswanderwelle zu erzeugen, wobei die zwei Antriebselemente (A, B) auf dem elastischen Element (1) angeordnet sind, um auf den zwei langen, geraden Abschnitten des elastischen Elements (1) eine Vibrationswanderwelle zu erzeugen und, die Relativbewegung zwischen dem elastischen Element (1) und einem Kontaktelement (8) herbeizuführen.

2. Vibrationswellengetriebenes Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antriebselemente (A, B) aus einem ersten Element (A), welches eine Vielzahl von Segmenten (2a&sub1;, 2a&sub2;) aufweist, und aus einem zweiten Element (B), welches eine Vielzahl von Segmenten (2b&sub1;, 2b&sub2;) aufweist, aufgebaut ist, wobei das erste Element (A) und das zweite Element (B) zueinander lageverschoben sind und auf dem elastischen Element (1) angeordnet sind.

3. Vibrationswellengetriebenes Gerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (A) und das zweite Element (B) zueinander lageverschoben sind und entlang einer Endoberfläche des elastischen Elements (1) angeordnet sind.

4. Vibrationswellengetriebenes Gerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (A) und das zweite Element (B) um λ/4 zueinander lageverschoben sind und entlang einer Endoberfläche des elastischen Elements (1) angeordnet sind (λ ist die Wellenlänge der Vibrationswanderwelle).

5. Tintenstrahldrucker, welcher auf der Anwendung von Wärmeenergie beruht und ein vibrationswellengetriebenes Gerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com