JPH0373360A - 圧電ハンマ - Google Patents

圧電ハンマ

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JPH0373360A
JPH0373360A JP23045189A JP23045189A JPH0373360A JP H0373360 A JPH0373360 A JP H0373360A JP 23045189 A JP23045189 A JP 23045189A JP 23045189 A JP23045189 A JP 23045189A JP H0373360 A JPH0373360 A JP H0373360A
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JP
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piezoelectric element
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hammer
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JP23045189A
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Osamu Nishihara
修 西原
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 目    次 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作   用 実  施  例 発明の効果 概要 ワイヤドツトプリンタの印字ヘッドを構成する圧電ハン
マに関し、 小型でワイヤストロークの大きい圧電ハンマを提供する
ことを目的とし、 その長手方向の一端部を固定部材に固定した弾性部材の
他端部に、該弾性部材の長手方向に対して概略直角方向
となるように印字ワイヤを取り付け、一端が前記弾性部
材に圧接され、他端が前記固定部材に固定された第1圧
電素子を、該第1圧電素子が伸長したときに前記弾性部
材を前記印字ワイヤの突出方向と概略反対方向に押圧す
るように設けるとともに、一端が前記弾性部材の印字ワ
イヤの取付部と前記第1圧電素子の圧接部との間の部分
に圧接され、他端が前記固定部材に固定された第2圧電
素子を、該第2圧電素子が伸長したときに前記弾性部材
を前記印字ワイヤの突出方向と概略同一方向に押圧する
ように設けて構成する。
産業上の利用分野 本発明はワイヤドツトプリンタの印字ヘッドを構成する
圧電ハンマに関する。
ワイヤドツトプリンタは、複数の細いワイヤを有する印
字ハンマで印字用紙とインクリボンを介してプラテンを
打撃し、印字用紙上に点群で文字・図形を形成するよう
にしたものである。同時複写が可能であるとともに、印
字用紙の種類を選ばないためランニングコストが安く、
OA機器やパソコンの出力装置として広く用いられてい
る。
ワイヤドツトプリンタの印字ヘッドとしては、色々な種
類の印字用紙を使用した場合でも、ワイヤ先端が引っ掛
かって破損したりしない信頼度の高い印字ハンマが必要
とされる。また、装置の小型化軽量化に伴い、ハンマ部
自体のコンパクト化が望まれている。さらに、情報量の
著しい増加に伴い印字速度の高速化も強く望まれている
従来の技術 従来のワイヤドツトプリンタに使用する印字ハンマは殆
どが電磁式ハンマであり、永久磁石により吸引されたバ
ネチャージ型印字ヘッド部を、コイルに電流を流すこと
で発生する電磁力を利用して磁石による吸引力をキャン
セルし印字を行うハンマや、磁場中にあるコイルに通電
することにより発生する電磁力を利用してコイル部を移
動させ、コイル部と一体化された印字ワイヤで印字を行
うハンマ等が主流である。ところがこれらの電磁式ハン
マは、その技術が既に成熟期に入っていると言え、印字
速度のこれ以上の高速化を期待することは困難になって
きている。
そこで最近、高速化を進める上で圧電素子を用いた印字
ハンマが開発されて一部商品化されている。特に、積層
型圧電素子は素子自体の応答性が高く、また発生力も高
いために、高速印字に適していると言える。
ここで、圧電素子とは圧電性を持ったセラミック (圧
電セラミック)を材料として構成された素子を言い、こ
の圧電セラミックは高電界を印加することにより、ラン
ダムな方向にある自発分極の向きを一方向に揃えること
ができ、すなわち分極することにより初めて圧電性を持
つ。この圧電性とは、力及び加速度による歪みを与える
と電圧を発生しく圧電効果)、逆に電圧を印加すると歪
みが生じる(逆圧電効果)性質を言う。素子の材料とな
るセラミックとしては、PZTをベースにしたペロブス
カイト型の結晶構造を有するものがよく使用される。す
なわち、Pb (Zr、Ti)0、系(P ZT) 、
P b T IO3系(PT)、(Pb、 la) (
Zr、 Ti)03系(PLZT)等である。圧電素子
はこれらの材料を用いて、積層コンデンサの製法を応用
したグリーンシート法又は一体焼成法を応用したグリー
ンシート法又は−体焼成法等により積層され製品化され
ている。
第12図を参照して圧電素子の原理を説明する。
分極された圧電セラミック100に電圧を印加すると、
第12図に示すように分極方向Aと同じ方向には伸びの
歪み(縦効果〉、直角方向には縮みの歪み(横効果)を
生じる。圧電縦効果は横効果と比較して、同−電圧下で
約2倍の歪みを生じる。
この圧電縦効果による歪みを利用したものが積層型圧電
素子である。このような圧電セラミック100を第13
図に示すように電気的に並列に複数層重ねると、全体の
変位量ΔTは各々の素子の変位量Δtの和となる。
次に、−船釣な積層型圧電素子の構造を第14図を参照
して説明する。圧電素子は駆動方向に沿って均一層10
1と保護層102に分かれている。
また、14図に示されているように、素子によっては均
一層101と保護層102との間に緩衝用として均一層
の圧電セラミックの2倍程度の厚さを有する圧電セラミ
ックから構成される不均一層103を設けているものも
ある。均一層101は100μm程度の厚さの圧電セラ
ミック層と銀−パラジウム合金製の内部電極層105を
交互に積層して構成されており、圧電的には活性部分と
なっている。保護層102はl mm程度の厚さの圧電
セラミックから構成されており、電極は設置されていな
いため機能的には不活性部分である。素子の駆動方向と
平行な側面には内部電極層105が露出しており、内部
電極間の電気的接続に関しては、予め露出した内部電極
105上に1層置きに絶縁膜106を形式した後に、外
部電極104をその上に懲戒している。外部電極104
にはリード線107が半田付けされている。
しかし、この積層型圧電素子では、変位方向寸法約10
帥の圧N素子で100Vの電圧を印加した場合に、その
変位量は約5〜6μm程度のものである。一方、ワイヤ
ドツトプリンタのワイヤストロークとしては0.4層程
度を必要とするため、ヒンジを用いた2膜作動機構又は
可動体をフリートライトさせる機構を用いて、変位量を
30〜50倍に拡大して、所望のストロークを得る必要
があり、従来は第15図及び第16図に示されるような
構成で所望のワイヤストロークを得るようにしていた。
同図において、111はハンマベース(弾性部材〉であ
り、ハンマベース111の一端部は剛体からなる固定部
材114に固定されている。ハンマベース111の他端
にはハンマベース1.11の長手方向に対して直角方向
となるように、印字ワイヤ112の一端部が固着されて
いる。113は圧電素子であり、この圧電素子113は
その一端部が固定部材114に固定されていると共に、
電圧が印加されて伸長したときに他端部がハンマベース
111を押圧するように、その先端がハンマベース11
1に固着するように設けられている。
ハンマベース111の固定端から圧電素子113の圧接
部までの寸法と、当該固定端から印字ワイヤ112の取
付部までの寸法の比をl:n(n>1)ととすると、圧
電素子113の変位量△Xに対して、ハンマベース11
1の自由端の変位量はn・ΔXであり、このレバー比を
利用して圧電素子113の微小変位量を拡大するように
している。
然して、圧電素子113にパルス状の電圧が印加される
と、圧電素子113が伸長し、これによりハンマベース
111が押されて圧電素子113の変位量は拡大されて
、ワイヤガイド118に案内された印字ワイヤ112が
突び出し、インクリボン115及び印字用紙116を介
してプラテン117が打撃され、インクリボン115の
インクが印字用紙116に転写される。そして、印字ワ
イヤ112がプラテンを打撃したときの反発力と、ハン
マベース111の復旧力により、印字ワイヤ112は初
期位置に引き戻され、次の電圧印加に備えるようになっ
ている。
発明が解決しようとする課題 従来はこのような構成の圧電ハンマを用いることにより
、圧電素子の微小変位を拡大し、所定のワイヤストロー
クを得るようにしていた。しかし、従来構成による変位
拡大機構は、印字ハンマの固定端から圧電素子との接合
部までの距離と、当該固定端からハンマ自由端までの距
離のレバー比によるものであるため、拡大率を上げるた
めにはレバーが必然的に長くなり大型化してしまったり
、印字ハンマが長くなることでハンマの固有振動数が低
くなり、高速印字の妨げになる等の問題があった。
また、従来構成において、拡大率を大きくするためには
、上記の他に圧電素子への印加電圧を高くするか、ある
いは変位量を大きくするために大型の圧電素子を用いる
ことが考えられるが、印加電圧の増大は安全性の観点か
ら好ましくなく、大型の圧電素子を用いるのは装置小型
化の障害になったり、コスト高になること等から採用す
ることができない。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、小型でワイヤストロークの大き
い圧電ハンマを提供することである。
課題を解決するための手段 第1図に示した本発明の原理構成図を参照して説明する
その長手方向の一端部を固定部材5に固定した弾性部材
1の他端部に、弾性部材1の長手方向に対して概略直角
方向となるように印字ワイヤ2を取り付ける。そして、
一端が弾性部材1に圧接され、他端が固定部材5に固定
された第1圧電素子3を、第1圧電素子3が伸長したと
きに弾性部材■を印字ワイヤ2の突出方向(矢印a方向
)と概略反対方向に押圧するように設ける。さらに、−
端が弾性部材1の印字ワイヤ2の取付部と第1圧電素子
3の圧接部との間の部分に圧接され、他端が固定部材5
に固定された第2圧電素子4を、第2圧電素子4が伸長
したときに弾性部材1を印字ワイヤ2の突出方向と概略
同一方向に押圧するように設ける。尚、6は印字ワイヤ
2を直線的に突出させるためのワイヤガイドである。
本発明の望ましい構成によれば、印字指令信号7に基づ
いて駆動パルス発振回路8はパルス状の電圧波形を出力
し、これを高速増幅回路9により増幅して、第1圧電素
子3及び第2圧電素子4にパルス状の電圧波形を印加す
るようにする。圧電素子は一般に応答性が良いためパル
ス状の電圧印加に応じた急峻な変化も可能であり、同時
に発生力もパルス状の変化を持つようになる。第1及び
第2圧電素子3,4にパルス状の電圧を印加することに
より、印字ワイヤ2の先端部は静的な電圧印加状態に比
較して数倍の変位拡大を実現できる。
また、第1圧電素子3と第2圧電素子4この間の距離を
約3s〜約5 mmとすることにより、変位拡大率を大
きくすることができる。
さらに、弾性部材1の固有振動数を第1及び第2圧電素
子3.4の駆動周波数に合わせるように、第2圧電素子
4の取付位置及び駆動周波数を設定するのが望ましい。
作   用 第2図を参照して本発明の作用について説明する。
同図(A)は第1圧電素子3にのみ電圧を印加した場合
を示しており、第1圧電素子3が矢印す方向に伸長する
ことにより、弾性部材1が変形して、印字ワイヤ2が突
出する様子が示されている。
(B)は第2圧電素子4にのみ電圧を印加した場合を示
しており、これは第15図及び第16図を参照して説明
した従来構成とほぼ同様の作用をなすものである。
第2r!!J(C)は第1圧電素子3及び第2圧電素子
4の両方に同時に電圧を印加した場合を示しており、(
A)及び(B)の作用が合成され、弾性部材1が大きく
変形している様子が示されている。
即ち、第1圧電素子3が矢印す方向に伸長することによ
り、(A)と同様に弾性部材1が変形し、これに加えて
第2圧電素子4が矢印C方向に伸長することにより、さ
らに(B)と同様に弾性部材lが変形される。
このように、本発明の圧電ハンマによれば、その一端が
固定された弾性部材1が2つの圧電素子3.4によって
互いに逆向きの力を同時に受けるので、弾性部材1の変
形量は従来構成に比較して非常に大きく、これにより大
きなワイヤストロークを得ることができ、装置を小型化
することができる。また、弾性部材1を短くすることが
可能であるから、弾性部材の固有振動数を高くすること
ができ、高速化に対応することができるようになる。さ
らに、圧電゛素子への印加電圧を低く抑えることができ
るので、安全性にも優れている。
実  施  例 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
第3図は本発明を適用したワイヤドツトプリンタの一部
を示す斜視図、第4図及び第5図は印字ヘッドの内部構
造を説明するための図であり、第4図は正面図、第5図
は側面から見た一部省略断面図である。
10は印字ヘッドであり、印字ヘッド10はその両端部
を支持部材11.11により支持された案内812にス
ライド自在に案内されたシャトル13に一体的に固定さ
れている。シャトル13にはプーリ14及び15に巻回
された無端状のベルト16の一部が固定され、プーリ1
5がモータ17により回転駆動されることにより、印字
ヘッド10が左右に揺動されるようになっている。モー
タ17にはその回転量を検出するエンコーダ18が取り
付けられている。19はプラテン、20は印字用紙、2
1はインクリボンである。
第4図及び第5図を参照すると、剛体からなる固定部材
22には、それぞれ中心部に向かって24本のハンマベ
ース23の一端が固定されている。
ハンマベース23の自由端(他端)部には、第5図に示
されるように、ハンマベース23の長平方向に対して直
角方向にそれぞれ印字ワイヤ24の一端が固定されてい
る。
25及び26は積層型圧電素子であり、圧電素子25は
その一端部が固定部材22に固定され、他端部がハンマ
ベース23の中央部近傍に圧接するように設けられてい
る。圧電素子26はその一端部が固定部材22に固定さ
れ、他端部がハンマベース23の圧電素子25の圧接部
と固定端との間の部分に圧接するように設けられている
。第5図においては省略されているが、この圧電素子2
5.2N!21:全てのハンマベース23についてそれ
ぞれ設けられている。ハンマベース23の自由端の背面
には弾性体からなるバックストップ27が設けられてい
る。圧電素子25.26は薄板PZTセラミック材を第
14図に示すように多層に積層して構成されている。
然して、エンコーダ18のエンコーダ信号28から位置
信号29を得、この位置信号29からモータ駆動信号3
0を生成してドライバ回路31によりモータ17をフィ
ードバック制御することによりシャトル13を左右に移
動する。一方、位置信号29とプリントデータ等に基づ
く印字指令信号32が印字制御回路33に入力され、こ
の印字制御回路33により制御されるパルス発振回路3
4でパルス状電圧を生威し、このパルス状電圧を高速増
幅回路35により増幅して、印字ヘッド10の所定の圧
電素子25.26に同時にパルス状電圧を印加する。圧
電素子25.26にパルス状電圧が印加されると、ハン
マベース23はiJl、ハンマベース23先端に固定さ
れた印字ワイヤ24が図示しないハンマガイドにより案
内されて矢印d方向に突出する(第5図)。これにより
、印字ワイヤ24の先端部がインクリボン21、印字用
紙20を介してプラテン19を打撃し、インクリボン2
1のインクが印字用紙20に転写される。
そして、印字ワイヤ24がプラテン19を打撃したとき
の反発力と、ハンマベース23の復旧力により、印字ワ
イヤ24は引き戻され、ハンマベース23の残留振動を
防ぐためのバックストップ27により速やかに制動され
、次の電圧印加に備えるようになっている。
本実施例によれば、印字ワイヤ24が固定された1つの
ハンマベース23についてその伸長方向が互いに反発す
るように、2つの圧電素子25゜26を設けてなる圧電
ハンマを用いて印字ヘッド10を構成しているから、ハ
ンマベース23の変形量を大きくすることができ、従来
の構成に比較して、印字ワイヤ24のストロークを大き
くすることができる。
上述した構成の圧電ハンマにおいて、ハンマベース23
の固有振動数はハンマベース23を挟み付ける圧電素子
25.26の支持位置によって定まり、特にハンマベー
ス先端部に近い方の圧電素子25の支持位置をハンマベ
ース23の高さ方向について移動させることにより、そ
の固有振動数を容易に変化させることができる。即ち、
仕様に基づく駆動周波数に合わせてハンマベース23の
固有振動数を容易に設定することができ、その結果、高
速印字が可能となると共に、低電圧における変位確保が
できるようになる。
尚、本実施例の構成において、圧電素子26のみにパル
ス状電圧を印加した場合の印字ワイヤ24のストローク
は130μmであり、圧電素子25のみにパルス状電圧
を印加した場合は220μmであり、圧電素子25及び
26の両方にパルス状電圧を印加した場合には400μ
mのワイヤストロークを得ることができた。
第6図に、上述した実施例の構成において、実際に2個
の圧電素子25.26間の距離を変化させてハンマ先端
部の変位特性を調べた結果を示す。
この結果によると、2個の圧電素子間の距離が約311
IIo〜約5 mの時に変位拡大率が大きくなることが
認められた。従って、圧電ハンマを設計する際に、2個
の圧電素子の間の距離を上記寸法に設定することにより
最適な変位拡大率を持った圧電ハンマを提供することが
できる。
第7図は印字ヘッドの第2実施例断面図を示している。
圧電素子25.26はセラミックから形成されているた
め、衝撃力に弱く欠は易い欠点がある。そのため、ハン
マベース23が圧電素子25.26の端面に衝突を繰り
返すうちに素子の端面が破損する等の問題が生じてくる
。そこで本実施例では、圧電素子25.26の自由端部
に金属板37を固着している。金属板と、しては0.1
mm厚のステンレス調板等が適当である。また保護用部
材としては金属板に限られるものではなく、耐衝撃性及
び耐摩耗性のある薄板状の部材であれば、いずれをも採
用可能である。また、本実施例においては、ハンマベー
ス23の背面に吸振材36を貼付したバックストップ2
7′を設けるようにしている。このように、ハンマベー
ス23と接触する圧電素子25.26の自由端面に薄い
金属板37を接着固定したことにより、ハンマベースと
圧電素子の衝突による圧電素子端面の破損を防ぐことが
できるため、圧電ハンマの長寿命化が可能となる。
第8図は印字ヘッドの第3実施例断面図を示している。
圧電素子は一般的に直方体であり、その−面がハンマベ
ース23と接触することになるため、接触状態は面接触
となってしまう。そのため、ハンマベース23の傾斜角
によっては片当たり状態になり圧電素子25.26の発
生力が効率良く伝達できなかったり、圧電素子25.2
6自体に素子の伸縮方向以外の方向の力が作用して、曲
げに弱い圧電素子が破壊してしまう可能性も生じてくる
。そこで本実施例では、圧電素子25.26の自由端面
に、ハンマベース23との接触状態がハンマベースの長
平方向に垂直な線接触となるような部材38を固着する
。第9図に本実施例に係る圧電素子の斜視図を示す。ハ
ンマベース25゜26の自由端部に上述した部材38を
固着することにより圧電素子の破損防止を容易に実現す
ることができる。
第1O図は印字ヘッドの第4実施例断面図を示している
。積層型圧電素子は、素子の性質上、無負荷の状態から
の伸びに反比例して発生力は小さくなることから、所定
の力を発生させるためにはあらかじめ素子に圧縮力を負
荷して素子を収縮しておく必要がある。従って、圧電素
子25.26は固定部材22とハンマベース23によっ
て圧縮された状態で設定しなければならない。ところが
、使用するハンマベース23は変位量を確保するためバ
ネ定数を余り大きくとれないこと、及び高速印字用ハン
マなのでハンマベース先端部における等価質量を軽量に
する必要があることから、薄板状の形状が一般的である
。そのため、圧電素子25.26に圧縮力を掛ける際、
同時にハンマベース23も撓んでしまい、圧電素子25
.26端面に対してハンマベース23がある程度の傾斜
を持ってしまう。即ち、圧電素子25.26とハンマベ
ース23の接触状態が片当たりとなり、圧電素子の接触
部に応力が集中して接触部が破壊したり、圧電素子に対
して圧縮のほか曲げも作用するため圧電素子が破損する
等の問題が生じてくる。
そこで本実施例では、圧電素子25.26に電圧を印加
しない初期状態でのハンマベース23の傾斜角に合わせ
た傾斜面を有する部材39.40を圧電素子25.26
の自由端面に固着している。
これにより圧電素子25.26がハンマベース23との
片当たり接触のために破損することが防止される。
第11図は第10図に示した実施例の要部を詳しく示す
ための第1図に類似した拡大側面図である。
発明の効果 本発明は以上詳述したように、印字ワイヤが固定された
弾性部材を、互いに反発する方向に力が作用するように
設けられた2つの圧電素子により変形させるように構成
したので、圧電素子の変位量に対する印字ワイヤ移動量
(ワイヤストローク〉を大きくすることができ、装置の
小型化と共に高速印字が可能で保守性の高い印字ハンマ
を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理構成図、 第2図は本発明の詳細な説明図、 第3図は本発明の実施例を示す斜視図、第4図は実施例
に用いた印字ヘッドの正面図、第5図は実施例に用いた
印字ヘッドの側面断面図、 第6図はハンマ先端部の変位特性を示す図、第7図は印
字ヘッドの第2実施例断面図、第8図は印字ヘッドの第
3実施例断面図、第9図は圧電素子斜視図、 第10図は印字ヘッドの第4実施例断面図、第11図は
第4実施例の原理を示す拡大側面図、第12図は圧電素
子の原理を示す図、 第13図は積層型圧電素子の原理を示す図、第14図は
積層型圧電素子の構成を示す斜視図、第15図及び第1
6図は従来技術の説明図である。 1・・・弾性部材、 2・・・印字ワイヤ、 3・・・第1圧電素子、 4・・・第2圧電素子、 5・・・固定部材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)その長手方向の一端部を固定部材(5)に固定し
    た弾性部材(1)の他端部に、該弾性部材(1)の長手
    方向に対して概略直角方向となるように印字ワイヤ(2
    )を取り付け、 一端が前記弾性部材(1)に圧接され、他端が前記固定
    部材(5)に固定された第1圧電素子(3)を、該第1
    圧電素子(3)が伸長したときに前記弾性部材(1)を
    前記印字ワイヤ(2)の突出方向と概略反対方向に押圧
    するように設けるとともに、 一端が前記弾性部材(1)の印字ワイヤ(2)の取付部
    と前記第1圧電素子(3)の圧接部との間の部分に圧接
    され、他端が前記固定部材(5)に固定された第2圧電
    素子(4)を、該第2圧電素子(4)が伸長したときに
    前記弾性部材(1)を前記印字ワイヤ(2)の突出方向
    と概略同一方向に押圧するように設けて構成したことを
    特徴とする圧電ハンマ。 (2)第1圧電素子(3)と第2圧電素子(4)との間
    の距離を約3mm〜約5mmとしたことを特徴とする請
    求項1記載の圧電ハンマ。 (3)第1圧電素子(3)及び第2圧電素子(4)にパ
    ルス状電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求
    項1記載の圧電ハンマ。 (4)弾性部材(1)の固有振動数を第1及び第2圧電
    素子(3、4)の駆動周波数に合わせるように、第2圧
    電素子(4)の取付位置及び前記駆動周波数を設定した
    ことを特徴とする請求項1記載の圧電ハンマ。 (5)弾性部材(1)の先端部背面に吸振手段(27)
    を接触させるか、又は僅かに離して設けたことを特徴と
    する請求項4記載の圧電ハンマ。 (6)弾性部材(1)と第1及び第2圧電素子(3、4
    )との圧接部の接触状態を弾性部材(1)の長手方向に
    垂直な線接触としたことを特徴とする請求項1記載の圧
    電ハンマ。(7)弾性部材(1)に圧接する第1及び第
    2圧電素子(3、4)の自由端面に耐衝撃性及び耐摩耗
    性のある薄板状の保護部材(37)を固着したことを特
    徴とする請求項1記載の圧電ハンマ。 (8)第1及び第2圧電素子(3、4)に電圧を印加し
    ない初期状態での弾性部材(1)の傾斜角に合わせた傾
    斜面を有する部材(39、40)を第1及び第2圧電素
    子(3、4)の自由端面に固着し、該部材(39、40
    )を介して第1及び第2圧電素子(3、4)を弾性部材
    (1)に圧接させたことを特徴とする請求項1記載の圧
    電ハンマ。
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