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Dokumentenidentifikation DE4122984C2 24.12.2003
Titel Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung
Anmelder Brother Kogyo K.K., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Sakaida, Atsuo, Nagoya, Aichi, JP;
Suzuki, Yoshihumi, Nagoya, Aichi, JP;
Ikezaki, Yoshiyuki, Nagoya, Aichi, JP;
Iriguchi, Akira, Nagoya, Aichi, JP;
Suzuki, Masashi, Nagoya, Aichi, JP
Vertreter Prüfer und Kollegen, 81545 München
DE-Anmeldedatum 11.07.1991
DE-Aktenzeichen 4122984
Offenlegungstag 16.01.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.12.2003
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse H01L 41/00   
IPC additional class // B41J 2/30  

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Betreiben einer piezoelektrischen Vorrichtung.

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 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 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. 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 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. 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 Zeitpunkt 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. Infolgedessen werden die elektrischen Ladungen, 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.

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 verbunden. 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 während einer Zeitdauer, während die Erregerspannung anliegt. Die Zeitdauer des Treibersignales, während der die Erregerspannung anliegt, entspricht der mechanischen Resonanzdauer der piezoelektrischen Vorrichtung. Daher führt die piezoelektrische Vorrichtung nur eine Schwingung durch, während der die Treiberspannung 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 ausgeübt 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 Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung vorzusehen, die einen niedrigen Stromverbrauch und eine niedrige Wärmeerzeugung aufweist.

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 Stromversorgungseinrichtung 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 elektrischer Ladungen im piezoelektrischen Element gespeichert ist. Um das piezoelektrische Element aus dem Auslenkungszustand zurückzustellen, wird die zweite Schalteinrichtung durch die Steuereinrichtung 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 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 einen Zeitpunkt, zu dem die elektrischen 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 Steuereinrichtung die erste Schalteinrichtung AUS-geschaltet, wodurch der in der spule fließende Strom zur Stromversorgungseinrichtung zurückgerichtet ist.

Bei der Ansteuereinrichtung wird die in der piezoelektrischen Vorrichtung gespeicherte elektrische Ladung effektiv zu der Stromversorgungseinrichtung abgeführt, nachdem die piezoelektrische Vorrichtung nicht mehr angeregt ist, daher werden in der piezoelektrischen Vorrichtung keine unerwünschten elektrischen Ladungen gespeichert. Dem gemäß können niedriger Leistungsverbrauch und niedrige Wärmeerzeugung des piezoelektrischen Stellgliedes unter Verwendung der angegebenen Ansteuereinrichtung erreicht werden.

Die Ansteuereinrichtung erfordert keine Stromnachweiseinrichtung, wodurch die Schaltungskonfiguration stark vereinfacht werden 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 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.

Es folgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

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 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 Druckdrahtes eines Anschlags-Punktdrucker-Druckkopfes benutzt. Ein piezoelektrisches Stellglied enthält eine aus Schichten aufgebaute 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 Temperaturkompensationsblock 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 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. 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 piezoelektrische 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 piezoelektrische Vorrichtung 10 unterbrochen wird, um die piezoelektrische Vorrichtung 10 rückzuholen, die Blattfeder 20 in die entgegengesetzte 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 Auslenkungsstellung 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 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 der piezoelektrischen Vorrichtung 10 angeordnet. Genauer gesagt, ist der Temperaturkompensationsblock 18 vorgesehen, um die Verringerung der Verschiebung der piezoelektrischen Vorrichtung 10 durch die Ausdehnungslänge des Temperaturkompensationsblocks 18 zu kompensieren, so daß die maximale Auslenkungsposition der piezoelektrischen 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 aufgenommen. 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 Ausdehnung 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 piezoelektrische Vorrichtung 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 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 piezoelektrischen 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 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 die piezoelektrische Vorrichtung 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 verloren geht, 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 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 gespeicherten 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 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 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 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)



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) erhalten. 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 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)



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 piezoelektrischen 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 Einsetzen 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 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:



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. 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:



i(t) = -E/L(t - t1) + ω0CE (29)

Danach wird aus Gleichung (29) t in Übereinstimmung mit der Bedingung i(t) = 0 berechnet:



t|i(t) = 0 = ω0LC + t1 = √LC + t1 (30)

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 π/2√LC leitend gehalten wird, equivalent 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 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.

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 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 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 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) 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 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 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 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 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 nichtleitend 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 piezoelektrischen 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 allgemeine 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)



0CEsinω0t1 = 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)

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)

Da die Gleichung (57) gleich Null ist, kann sie wie folgt geschrieben 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 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.


Anspruch[de]
  1. 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 Stromversorgungseinrichtung (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 piezoelektrischen Vorrichtung (10) und der Spule (53) bildet, wenn sie auf EIN geschaltet ist,

    einer Steuereinrichtung (55) zum Steuern der ersten Schalteinrichtung (Tr2),

    wobei die erste Schalteinrichtung (Tr2) EIN-geschaltet ist, wenn die piezoelektrische Vorrichtung (10) einen Befehl zum Zurückziehen von einer Auslenkungsposition erhalten hat und die erste Schalteinrichtung (Tr2) AUS-geschaltet ist, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne vom Zeitpunkt, zu dem die erste Schalteinrichtung (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 Stromversorgungseinrichtung (51) zurückgeführt ist.
  2. 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 vorbestimmten Zeitspanne angegeben wurde.
  3. 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. 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 Vorrichtung (10) liefert.
  5. 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:
    1. a) Einschalten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1), damit elektrische Ladungen von der Stromversorgungseinrichtung (51) zu der piezoelektrischen Vorrichtung (10) fließen zum Aktivieren der piezoelektrischen Vorrichtung (10), bis ausreichend Ladungen in der piezoelektrischen Vorrichtung (10) gespeichert sind;
    2. b) Ausschalten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1) und Einschalten der ersten Schalteinrichtung (Tr2) zum Zurückstellen der piezoelektrischen Vorrichtung (10) und

      Bilden eines Resonanzkreises an der piezoelektrischen Vorrichtung (10) und der Spule (53),

      damit elektrische Ladungen von der Spule (53) zu der piezoelektrischen Vorrichtung (10) und zurück fließen;
    3. c) Ausschalten der ersten Schalteinrichtung (Tr2) und Einschalten der zweiten Schalteinrichtung (Tr1), während Ladungen von der piezoelektrischen Vorrichtung (10) zu der Spule (53) fließen, damit Ladungen von der Spule (53) zu der Stromversorgungseinrichtung (51) fließen.






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