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Die Erfindung betrifft eine mechanische
Verstärkungsanordnung für piezoelektrische Elemente und insbesondere einen
dazu gehörigen Hebelarmaufbau.
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Die US-PS 4,675,568 vom 23. Januar 1987 schlägt eine
mechanische Verstärkungsanordnung für einen elektromechanischen
Meßwandler zur Verwendung für Nadeldrucker vor.
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Bei der bekannten Anordnung gemäß Fig. 1A und 1B ist ein
Paar Hebelarme 50 jeweils mit beiden Endflächen eines
piezoelektrischen Elements 10 und eines Grundblocks 40 über
flaschenhalsförmige Halteabschnitte 20 und Hebelstützabschnitte
30 verbunden. Die Hebelarme 50 halten einen Balken 60
beidseitig an den entgegengesetzten Enden ihrer Halteabschnitte
20. Der Balken 60 hat eine Drucknadel 601, die ein
Wirkelement ist. Der Grundblock 40 ist mit einem Paar
Befestigungslöchern 401 und einer Einstellschraube 602 versehen, die als
Anschlag für den Balken 60 dient.
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Mit der mechanischen Verstärkungsanordnung soll der
Wirkungsgrad der Energieumwandlung an der Position der
Drucknadel 601 maximiert werden. Daher sind die Hebelarme 50, die
Halteabschnitte 20, die Hebelstützabschnitte 30 und der
Grundblock 40 aus demselben hochsteifen Werkstoff, wie z. B.
rostfreier Stahl, hergestellt und massiv so aufgebaut, daß
die durch das piezoelektrische Element erzeugte Kraft auf den
Balken 60 übertragen wird. Zur wirksamen Übertragung der
Verschiebung oder der erzeugten Kraft des piezoelektrischen
Elements gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung aus einem
hochsteifen Massivwerkstoff mit einer großen Blechdicke T. Sie ist so
geformt, daß sie die Hebelstützabschnitte 30 und die
Halteabschnitte 20 mit einer Breite W aufweist, die kleiner als die
Blechdicke T ist, um geringe Biege-Elastizitätsmodule zu
erzielen.
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Die Dicke T des Bleches, das mit einer Presse
ausgestanzt werden kann, ist gewöhnlich auf ein Maß begrenzt, das
die Breite der Hebelstützabschnitte 30 und der
Halteabschnitte 20 nicht übersteigt (T ≤ W). Da die herkömmliche
mechanische Verstärkungsanordnung eine Blechdicke T erfordert, die
größer als die Breite W ist, besteht keine Möglichkeit zum
Einsatz des Stanzverfahrens, obwohl das Verfahren für eine
Massenproduktion der Anordnung mit hoher Maßgenauigkeit
optimal wäre. Daher ist das Herstellungsverfahren für die
Hebelarme 50 verhältnismäßig stark eingeschränkt. Wird für die
Herstellung z. B. ein elektroerosives Drahtschneideverfahren
verwendet, sind längere Zeiten und höhere Kosten
erforderlich, selbst wenn es sich dabei um das geeignetste Verfahren
für die Produktion kleiner Mengen handelt. Für die
Herstellung kann auch das Wachsausschmelzguß- oder ein
pulvermetallurgisches Verfahren verwendet werden; diese unterliegen
jedoch Beschränkungen im Hinblick auf Abmessungen und Formen.
Bei Verwendung dieser Verfahren kommt es häufig zu
Fehlstellen beim Formen der flaschenhalsförmigen Abschnitte 20 und
30, was die mechanische Festigkeit und die Maßgenauigkeit
verschlechtert. Folglich unterliegt die herkömmliche
Anordnung Beschränkungen in der Herstellung und führt zu Problemen
im Zusammenhang mit Kosten, Maßgenauigkeit und mechanischer
Festigkeit.
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Da außerdem die flaschenhalsförmigen Abschnitte 20 und
30 massiv aus demselben Werkstoff geformt sind, konzentrieren
sich Beanspruchungen schon bei einem geringfügigen
Verarbeitungsfehler auf diesen Punkt, was die Metallermüdung
beschleunigt und die dynamische Dauerbeständigkeit verkürzt.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Probleme
der bekannten Anordnung zu überwinden und eine mechanische
Verstärkungsanordnung für piezoelektrische Elemente mit
Hebelarmen zu schaffen, die durch eine gewöhnliche Presse in
Massenproduktion mit hoher Maßgenauigkeit hergestellt werden
können und eine längere Dauerbeständigkeit auch bei
Verwendung mit hoher Geschwindigkeit haben.
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Erfindungsgemäß besteht eine mechanische
Verstärkungsanordnung für piezoelektrische Elemente aus einem
Lamellenaufbau aus mehreren dünnen Metallblechen für die Hebelarme, die
Hebelstützabschnitte, die Halteabschnitte und den Grundblock.
Jedes dünne metallische Lamellenblech hat eine Dicke, die
kleiner als die Breite der Hebelstützabschnitte ist. Die
Gesamtdicke des Lamellenaufbaus an den Hebelstützabschnitten
ist jedoch größer als die Breite der Hebelstützabschnitte.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1A ist eine Vorderansicht einer bekannten
mechanischen Verstärkungsanordnung, und Fig. 1B ist eine
Seitenansicht davon.
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Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer ersten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung.
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Fig. 3A zeigt eine Perspektivansicht einer zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung, Fig. 3B eine vergrößerte Schnittansicht von Fig.
3A entlang der Linie A-A und Fig. 3C eine vergrößerte
Schnittansicht von Fig. 3A entlang der Linie B-B.
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Fig. 4A ist eine Perspektivansicht einer dritten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung, und Fig. 4B eine Teilvergrößerung des in Fig. 4A mit
einem Pfeil C gekennzeichneten lamellierten Abschnitts.
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Fig. 5A ist eine Perspektivansicht einer vierten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung, und Fig. 5B eine Teilvergrößerung des in Fig. 5A mit
einem Pfeil D gekennzeichneten lamellierten Abschnitts.
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Fig. 6A ist eine Perspektivansicht einer fünften
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung, Fig. 6B eine vergrößerte Schnittansicht entlang der
Linie E-E in Fig. 6A und Fig. 6C eine vergrößerte
Schnittansicht entlang der Linie F-F in Fig. 6A.
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Fig. 7A ist eine Perspektivansicht einer sechsten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung, Fig. 7B eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie G-G von Fig. 7A und Fig. 7C eine vergrößerte
Schnittansicht entlang der Linie H-H von Fig. 7A.
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Fig. 8A ist eine Perspektivansicht einer siebenten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung und Fig. 8B eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie J-J von Fig. 8A.
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Fig. 9 ist eine Perspektivansicht, die teilweise eine
achte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mechanischen
Verstärkungsanordnung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Gemäß Fig. 2 ist ein Paar Hebelarme 5 mit einem
Lamellengrundblech oder einem Grundblock 4 jeweils über ein Paar
Hebelstützabschnitte 3 verbunden. Ein piezoelektrisches
Element 1 ist zwischen den Hebelarmen 5 beidseitig über ein Paar
flaschenhalsförmige Halteabschnitte 2 eingefügt. Das
piezoelektrische Element 1 wird durch Aufeinanderschichten
mehrerer Flachbleche mit Längsverschiebungseffekt gebildet,
z. B. Titanat-Zirconat-Blei (PZT), und mit den
Halteabschnitten durch Klebemittel verbunden, wie z. B. Epoxidharz und
andere Kunstharzschichten. Jeder Halteabschnitt 2 hat die Form
eines T. Die Hebelarme 5 werden durch Lamellieren einer
willkürlichen Anzahl dünner Metallbleche gefertigt, die durch
Stanzen oder Ätzen hochsteifer Metallbleche, z. B. aus
rostfreiem Stahl oder Nickel-Eisen-Legierung, mit einer Dicke von
0,15 bis 0,5 mm hergestellt werden. Ein als Wirkelement
arbeitender Balken 6 wird an den Enden der Hebelarme 5 durch
ein mechanisches Einspannelement, wie z. B. Flachkopfnieten
7, festgehalten. Dünne lamellierte Metallbleche 51 werden
durch die Flachkopfnieten mechanisch einseitig eingespannt,
mit Kunstharz an der anderen Seite am piezoelektrischen
Element befestigt und bilden die jeweiligen Hebelarme 5. Ein
Balken 6 wird aus einem elastischen Metallwerkstoff durch ein
Ausstanzverfahren o. ä. hergestellt.
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Wenn in der so aufgebauten Anordnung eine elektrische
Spannung an einem Paar Klemmenelektroden 11 des
piezoelektrischen Elements 1 angelegt wird, um eine Verschiebung in X-
Richtung gemäß Fig. 2 zu verursachen, wird die Verschiebung X
über die Hebelstützabschnitte 2 auf die jeweiligen Hebelarme
5 übertragen. Die Verschiebung wird an den Spitzen der
Hebelarme 5 verstärkt. Der zwischen den Hebelarmen 5 gehaltene
Balken 6 wird an seinen beiden Enden verschoben und in Y-
Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung X gemäß der
bekannten Knicktheorie verformt, wobei die größte Verschiebung
in Y-Richtung in der Mitte des Balkens 6 auftritt. Bei
Wegfall der angelegten Spannung kehrt das piezoelektrische
Element 1 in seine ursprüngliche Position zurück, und auch der
Balken 6 bewegt sich wieder in seine Ausgangsposition.
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Nachstehend wird ein typisches Beispiel für eine erste
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Rostfreies
Stahlblech mit 0,4 mm Dicke und einem Elastizitätsmodul von 193,26
GPa (19,7 10³ kg/mm²) wird durch eine Presse ausgestanzt;
zehn solcher Stücke werden bis zu einer Dicke von 4 mm als
Lamellen aufeinandergeschichtet. Bei einem Leistungsvergleich
zwischen der so geformten Verstärkungsanordnung mit einer
bekannten, massiv aufgebauten Anordnung aus gleichem Werkstoff
und mit gleicher Dicke (4 mm) wurde ein ähnlicher
Wirkungsgrad der Energieumwandlung (oder Produkt aus Verschiebung und
erzeugter Kraft) erzielt. Da die Anordnung durch Lamellieren
dünner Metallbleche 51 mit 0,4 mm Dicke hergestellt wird, ist
die Dicke kleiner als die Breite (0,7 mm) der
Hebelstützabschnitte 3 und der Halteabschnitte 2. Sie können fehlerfrei
durch Stanzen hergestellt werden, was eine Massenproduktion
und hohe Maßgenauigkeit gestattet. Im Gegensatz zum
bekannten, massiv geformten Aufbau aus demselben Werkstoff würde
sich infolge des Lamellenaufbaus auch bei kleineren
Herstellungsfehlern eine Metallermüdung nicht auf den gesamten
Abschnitt der Hebelarme ausweiten, was eine längere
Dauerbeständigkeit der Vorrichtung gewährleistet.
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Gemäß Fig. 3A sind in einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebenen
dünnen Metallbleche der Hebelarme 5 an vier Stellen oder
Stemmstellen 9 verstemmt. Gemäß Fig. 3B und 3C ist nur die
untere Schicht örtlich zu Eindringlöchern perforiert, während
darüberliegende weitere Schichten zu Grundlöchern versenkt
oder teilweise gelocht sind. Die Bleche 51 werden
nacheinander als Lamellen aufeinandergeschichtet und in Rechteck- oder
Rundform dicht verstemmt. Gemäß Fig. 3B sind die Bleche 51
dicht und fest lamelliert, wobei die Reibungskraft auf die
Bereiche 52 der Auskragungen 91 an den Stemmstellen 9 wirkt.
Da jedes Blech 51 an den Auskragungen 91 dicht verstemmt ist,
kann eine dauerhafte und feste, satte Anlage zwischen den
Oberflächen und damit eine längere Dauerbeständigkeit und
höhere Zuverlässigkeit als bei der ersten Ausführungsform
erreicht werden.
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Als Beispiel für die zweite Ausführungsform wurden zehn
rostfreie Stahlbleche mit jeweils 0,4 mm Dicke so aufeinander
geschichtet, daß sich ein Lamellenaufbau mit den
Außenabmessungen 35 mm x 30 mm x 4 mm (Dicke) ergab. Auf jedem Hebelarm
5 wurden zwei Stemmstellen sowie eine rechteckförmige
Stemmstelle auf dem Grundblock 4 angebracht. Beim Anlegen von
Dreieckwellen von 0 bis 100 V GS (größte Spannungsschwankung)
und 200 Hz am piezoelektrischen Element 1 betrug die
dynamische Dauerbeständigkeit bei dieser Ausführungsform 108 Zyklen
oder mehr, was eine Verbesserung gegenüber der ersten
Ausführungsform oder 10&sup7; Zyklen darstellt. Da die Auskragungen 91
an den Stemmstellen als Bezugsstellen beim Lamellieren
dienen, kommt es zu keinen Abweichungen. Da weiterhin das
Ablaufverfahren für die Metallgesenke der Presse vereinfacht
werden kann, läßt sich das gesamte Verfahren automatisieren
und die Anzahl der Herstellungsschritte verringern. Im
Vergleich zur bekannten, durch das herkömmliche elektroerosive
Drahtschneideverfahren hergestellten mechanischen
Verstärkungsanordnung wurden die Herstellungskosten auf weniger als
ein Zehntel verringert.
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Fig. 4A zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
bei der die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
beschriebenen Hebelarme aus lamellierten dünnen Metallblechen
51 mit Zwischenschichten aus aushärtendem
Kunstharzklebemittel 53 gemäß Fig. 4B angeordnet und verbunden sind. Da das
Klebemittel in einer Trocknungsstufe ofengetrocknet wird,
müssen die aufeinandergeschichteten Bleche zuvor insgesamt mit
Spannvorrichtungen eingespannt werden. Wegen der mit dem
aushärtenden Klebemittel 53 hergestellten ganzflächigen
Verbindung mit jedem Blech kann eine höhere Zuverlässigkeit und
längere Dauerbeständigkeit erreicht werden.
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Als Beispiel für diese Ausführungsform werden zehn
Bleche aus rostfreiem Stahl von jeweils 0,4 mm Dicke
aufeinandergeschichtet und flächig mit einem aushärtenden Klebemittel
53, z. B. Epoxidharz, auf ähnliche Weise wie im ersten
Beispiel zu einem Lamellenaufbau von 4 mm Dicke verbunden. Als
Ergebnis erhöht sich die Steifigkeit des Lamellenaufbaus und
verbessert sich die Frequenzcharakteristik von 2000 Hz auf
2400 Hz Primärresonanzfrequenz. Wie bei der zweiten
Ausführungsform verbesserte sich die dynamische Dauerbeständigkeit
auf 10&sup8; Zyklen oder darüber.
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Fig. 5A zeigt eine vierte Ausführungsform. Bei dieser
Ausführungsform sind die im Zusammenhang mit der ersten
Ausführungsform beschriebenen Hebelarme 5 mit einem vor dem
Lamellieren durch Lötzinn- oder Silberauftrag hergestellten
Metallfilm 54 beschichtet. Der Lamellenaufbau wird durch
Schmelzdruckschweißen in einer Presse mit einer
Hochtemperatur-Dampfplatte behandelt (ca. 260 ºC).
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Als typisches Beispiel für diese Ausführungsform wurden
zehn rostfreie Stahlbleche von jeweils 0,4 mm Dicke
ganzflächig durch Lötzinn-, Silberauftrag usw. mit
Metallbeschichtungsfilmen 54 versehen, aufeinandergeschichtet und durch
Schmelzdruckschweißen auf ähnliche Weise wie bei der ersten
Ausführungsform lamelliert. Bei Prüfung der Probe unter den
gleichen Bedingungen wie für das zweite typische Beispiel
wurde eine Dauerbeständigkeit von 10&sup8; Zyklen oder mehr
erreicht, was deren hohe Festigkeit unter verschärften
Bedingungen
(Schwingungsfestigkeit, Schlagbiegefestigkeit usw.)
nachweist. Die Frequenzcharakteristik betrug wie beim dritten
Beispiel 2400 Hz. Da ein Balken 6 gleichzeitig mit dem
Druckschweißen der Bleche eingebunden werden kann, fällt die Stufe
des Vernietens weg, wodurch sich die Anzahl der Montagestufen
leicht verringern läßt. Weiterhin können die Hebelarme 5 mit
einem Automatikpreßverfahren hergestellt werden, bei dem
dünne Metallbleche automatisch in Bügelform ausgestanzt
werden; und zur Senkung der Produktionskosten können sie als
Massenteile hergestellt werden.
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Fig. 6A, 6B und 6C zeigen eine fünfte Ausführungsform
der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die im
Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen
Hebelarme 5 ganzflächig durch eine Kombination zwischen
aushärtendem Klebemittel 53 oder Lötzinn- bzw. Silberauftrag zum
Herstellen von Zwischenschichten aus Metallfilmen 54 sowie
kraftschlüssiger Reibungsbindung an den Flächen 52 der
Auskragungen 91 an den Stemmstellen 9 verbunden.
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Dabei werden die Vorteile der beiden
Verbindungsverfahren zu einem synergistischen Effekt der ersten bis vierten
Ausführungsform kombiniert, um eine hohe Dauerbeständigkeit
von 10&sup9; Zyklen zu erreichen und die Frequenzcharakteristik
auf 2500 Hz und mehr zu verbessern. Damit kann diese
Ausführungsform verschärften Umgebungsbedingungen widerstehen
(Schwingungs- oder Schlagbiegefestigkeit).
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Wie eingehend beschrieben wurde, eignet sich der Aufbau
der Erfindung sehr gut für Einrichtungen zum Abblocken von
Laserstrahlen oder Einrichtungen zum Feineinstellen von
Luftventilen.
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Fig. 7A, 7B und 7C zeigen eine sechste Ausführungsform,
die der in Fig. 3 gezeigten ähnelt, aber Unterschiede in
Bezug auf Werkstoffe und Stemmstellenformen aufweist.
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Die Ausführungsform wurde durch Ausstanzen von Teilen
aus 42-Ni-Fe-Blech mit einem Elastizitätsmodul von 145,19 GPa
(14,8 10³ kg/mm²) und einer Dicke von jeweils 0,4 mm
vorbereitet. Bei ihrer Verarbeitung erhielten die Hebelarme 5 und
ein Grundblock 4 drei bzw. zwei Stemmabschnitte 9, die
teilweise
oder vollständig rechteckförmig ausgearbeitet wurden.
Zehn dieser Bleche wurden zu einer mechanischen
Verstärkungsanordnung der Größe 35mm x 30 mm x 4 mm (Dicke)
aufeinandergeschichtet, die nur in der unteren Schicht vollständig
ausgearbeitet wurde. In einer verschiebungsverstärkenden
Anordnung mit dieser Lamellierung, einem piezoelektrischen Element
1 und einem Balken 6 aus rostfreiem Stahlblech (SUS 304)
betrug beim Anlegen von Dreieckwellen mit 150 V GS (größte
Spannungsschwankung) und einer Frequenz von 500 Hz am
piezoelektrischen Element 1 die dynamische Dauerbeständigkeit
10&sup8; Zyklen oder mehr. Im Vergleich zur ähnlichen, durch das
bekannte elektroerosive Drahtschneideverfahren hergestellten
Verstärkungsvorrichtung aus Massivmetall wurden die
Herstellungskosten auf ein Zehntel und weniger gesenkt.
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Gemäß Fig. 8A und 8B unterscheidet sich eine siebente
Ausführungsform von der in Fig. 7 gezeigten durch die Form
der Stemmstellen. Insbesondere wurde 42-Ni-Fe Blech mit einem
Elastizitätsmodul von 145,19 GPa (14,8 10³ kg/mm²) und
einer Dicke von 0,4 mm durch eine Presse ausgestanzt, um
Metallbleche mit Hebelarmen 5 sowie einen Grundblock 4
herzustellen, die an ihrem Umfang vollständig oder teilweise zu
Stemmstellen 9 ausgearbeitet wurden. Die Anzahl der
Stemmstellen betrug drei bzw. zwei. Zehn dieser Bleche wurden zu
einer mechanischen Verstärkungsanordnung der Größe 35 x 39 x
4 mm (Dicke) aufeinandergeschichtet. Eine mechanische
Verstärkungsanordnung mit dieser Lamellierung, einem
piezoelektrischen Element 1 und einem Balken aus rostfreiem Stahl (SUS
304) erreichte beim Anlegen von Dreieckwellen von 150 V GS
(größte Spannungsschwankung) und einer Frequenz von 500 Hz am
piezoelektrischen Element 1 eine dynamische
Dauerbeständigkeit von 10&sup8; Zyklen und mehr. Die Herstellungskosten wurden
auf ein Zehntel und weniger der Kosten für die
Verstärkungsvorrichtung aus Massivmetall gesenkt, die durch das bekannte
elektroerosive Drahtschneideverfahren zum Erzielen einer
ähnlichen Wirkung hergestellt wurde.
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Obwohl in der vorstehenden Beschreibung die
Verschiebungsrichtung Y des Balkens 6 senkrecht zur Hauptfläche des
Grundblocks 4 verläuft, ist es möglich, die Anordnung so
aufzubauen, daß ein Balken 61 gemäß Fig. 9 in einer Z-Richtung
in Längsrichtung der Hebelarme verschoben wird. Der Balken 61
kann eine Drucknadel gemäß Fig. 1 aufweisen.
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Wie eingehend beschrieben wurde, erzielt die Erfindung
aufgrund des Lamellenaufbaus der beiden Hebelarme zum
Übertragen und Verstärken der Verschiebung eines
piezoelektrischen Elements sowie der Verbindung oder Befestigung der
Anordnung durch Verstemmen, Verbinden mittels
Kunstharzklebemittel, Metall-/Schmelzschweißen oder deren Kombinationen die
folgenden Wirkungen:
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(1) Die Anordnung kann durch eine Presse in einem
automatischen Verfahren mit höherer Maßgenauigkeit und
komplizierten Formen hergestellt werden. Ein solches Verfahren
eignet sich sehr gut für die Massenproduktion, um die
Herstellungskosten zu senken.
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(2) Die Anordnung kann als ausgehöhlter, abgestufter und
eingesenkter Aufbau geformt werden.
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(3) Da sie mit willkürlicher Dicke und höherer Steifigkeit
hergestellt werden kann, läßt sich die Anordnung so
anpassen, daß Leistungsbedingungen für unterschiedliche
Arten der Verschiebung und/oder der erzeugten Kraft
erfüllt werden.
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(4) Die mechanische Verstärkungsanordnung der Erfindung kann
eine höhere Zuverlässigkeit bei längerer
Dauerbeständigkeit und höheren Frequenzcharakteristika als die
herkömmliche, aus einem Massivwerkstoff aufgebaute
Anordnung erreichen.