CN1057028C - 用于流动介质的计量输出涂覆头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于流体介质的计量输出的涂覆头，它有一个壳体，其内有一个阀杆和一个阀门传动机构。本发明的任务是创造一种制造简单，成本低、以压电方式驱动的涂覆头，它既可在低温范围也可以在高温范围使用。本发明采用措施是，阀传动机构有一个平衡杆和由两个压电组件组成的压电元件，平衡杆的自由端与阀杆相连，平衡杆的另一端与压电组件连接，两个压电组件交替地作用在平衡杆上。

Description

用于流动介质的计量输出涂覆头
本发明涉及一种用于流动介质尤其是釉粘合剂、润滑剂、颜料或相似的介质的计量输出涂覆头，它有一个壳体，其内装有一个阀杆和一个阀驱动机构，阀驱动机构至少由一个与电源连接的压电元件构成，压电元件具有多个平行排在一起的压电组件，压电组件安装成具有弹性的，阀驱动机构至少间接地作用在阀杆上。
这样一个没有印刷记载却已公开使用的涂覆头是用作例如在带状的基片经过固定不动的涂覆头把热粘合剂输出到一个由纸板、纸、纺织物、毛皮和同样的物质构成的基片上。涂覆头具有一个阀驱动机构，它由一个压电元件构成，其中压电元件直接作用在阀杆上，由压电驱动的涂覆头的优点是，它的最高频率明显地高于电磁的或气动的涂覆头的频率。由此用这种现有技术可以显著地产生更大的阀门力。最后，一个由压电驱动的涂覆头可以制造得比由电或气驱动的涂覆头要小得多。
缺点是由压电驱动产生的阀升程很小，因为在加上电压时压电元件所具有的最大升程只有它总长度的大约1.4至1.7‰。
由于压电元件基本上在受热时产生明显的膨胀，出于温度平衡的原因，压电元件由三个并行安放的压电组件构成，它们采用费用较高的弹性安装，而只有中间的压电组件起控制阀的作用。这种温度平衡使现有的涂覆头的生产费用显著地增加了。
因而现有的涂覆头存在着危险，尤其是在应用于温度为150和200℃的热粘合剂，这种危险就是压电元件被加热到超过了它的100至130℃的温度界限，并由此被损坏。
本发明的目的在于，创造一种生产成本低制造简单的压电驱动的涂覆头，它不仅能在低温范围内而且也能在高温范围内使用。
达到这个目的措施是，用于流动介质尤其是釉粘合剂、润滑剂、颜料或相似的介质的计量输出涂覆头，它有一个壳体，其内装有一个阀杆和一个阀驱动机构，阀驱动机构至少由一个与电源连接的压电元件构成，压电元件具有多个平行排在一起的压电组件，压电组件安装成具有弹性的，阀驱动机构至少间接地作用在阀杆上，阀驱动机构上装有一个在铰链范围内可摆动的平衡杆和由两个压电组件组成的压电元件，平衡杆的自由端与阀杆相连接，在平衡杆的铰接端上，将压电组件以相同的间距分别布置在通过铰链的垂直延伸的轴线的两侧并交替地作用在平衡杆上。
按照本发明所述的涂覆头，它的基本优点是，现在压电阀驱动机构在现有自动温度平衡下只由两个压电组件构成，借助于一个平衡结构传递由两压电组件产生的运动，使每个压电组件的微小的长度增加转变为一个较大的阀升程。进一步，通过本发明的阀驱动机构产生一个大约3000N的可利用的阀力，在这种情况下，开启和关闭循环时间只有0.8至0.25ms。
除此之外，按照本发明的阀驱动机构是由几个零件很简单地构成，因而，一方面生产成本低，另一方面整体尺寸小，按照本发明的工作磁头的宽度小于20mm。
本发明的一个实施方式是，平衡杆通过被制成可弯曲的窄的材料桥的铰链材料合理地(stoffschlüssig)与一个位置固定的基础件连接，平衡杆和基础件在铰链两边由一个贯通的间隙相互隔开。
按照本发明的这种阀驱动结构的优点是，平衡杆也同基础件一样能用电火花工艺用一块工件制造，因而能制造出体积小且结构紧凑的驱动构件。这样，平衡杆和基础件之间的间隙的大小只能使平衡杆在涂覆头工作时自由活动。
基于上述特征基础上的本发明的另一个实施方式是，每个压电组件与一个连接件粘在一起，连接件通过可弯曲的窄的材料桥与平衡杆连接在一起。
为避免在平衡杆运动时对压电组件的特别有害的横向应力，压电组件与连接件粘在一起，连接件同样地以弯曲铰链方式与平衡杆连接。这种铰链连接结构也是用上面所说的电火花工艺以简单的方式很低的成本生产出来的。由于基础件、平衡杆和连接件都是由一个工件制造的，这意味着生产技术的简单化。这种平衡杆结构的好处还在于，它具有超过2亿5千万次循环的非常高的寿命。
一个较佳的实施形式是，壳体由两个壳体部分组成，在它们之间装有一个隔热层，隔热层只是由柱形的阀杆穿过，第一个壳体部分内装有由压电元件和平衡杆构成的阀驱动机构，第二个壳体部分具有一个用于介质的测温通道和由阀体关闭的阀口。
按照本发明的涂覆头的实施方式，它的优点是能够用于计量输出热的介质，尤其是热粘合剂。通过壳体的两部分构成结构和在其间放置隔热层达到了两部分的非常显著的热隔离。由此，按照本发明的阀驱动机构结构使带有用于阀杆穿过的必要的开口的空间分隔和由压电组件构成的驱动机构成为可能。因而涉及两壳体部分的热隔离的必要的现存薄弱区与压电组件相距显著的一段距离。也就是，在把两壳体部分连接起来的阀杆区域，虽然没有完全阻止热扩散，但只有局部的受热，这个热量不大，不对压电组件构成危险。
基于最后一个所述的实施方式是，阀杆具有一个垂直于平衡杆的纵向延长线的弯曲万向接头。位于第一个壳体部分内装在阀杆上的弯曲万向接头的第一个作用是，平衡平衡杆的环形晃动。接着万向接头的最主要的优点是，它有高的热阻，热量只能在很小的范围内通过阀柱。
由于存在着一定程度的压电驱动部分的受热和膨胀，于是就有了进一步的较好的实施方式：在远离平衡杆的压电组件端上装有一个具有弹性的盖板。通过这个具有弹性的盖板，可以为由于温度提高而使压电元件产生的长度变化简单地创造出空间，两个压电元件自身同样发热，因而，通过把每个压电组件装在平衡杆上距穿过铰链的垂直轴相同距离的位置上从而产生一个自动的温度平衡。
本发明的一个特殊实施方式是，在电源和压电组件之间有一个电能消耗少的电荷泵电路，它主要使充分的电荷交换成为可能。
压电元件较小的能源消耗的特别的优越之处在于也减小了电子器件的热损失，因而压电组件只在很小的范围内受热，由此涂覆头的运转总费用自然较低。
较好的实施方式还有，电荷泵电路具有一个由一个线圈和一个电容器组成的中间存贮器，多个对中间存贮器和压电组件产生作用的晶体管和一个确定再充电过程的可程序化的控制器。通过这种电子电路，电荷基本上能完全从一个压电组件转移到另一个压电组件上，使得在涂覆头工作时只需要加入热损失的能量和由电能转化为机械能的相应的损失的能量。
最后一个特别实施方式是，阀驱动机构具有一个位移测量装置，它由一个位置固定安放的导体扁条、两个相距一定距离而固定的电流通过的线圈组成，平衡杆5的一个舌状凸肩插在两个线圈之间。
借助于这个测量系统，可以把阀调节到一个完全确定的阀曲线上。通过平行于平衡杆运动的舌状凸肩的运动，通过电流的线圈的所谓的电感发生变化。如果舌状凸肩向下运动，下面的线圈的电感增大，上面的线圈的电感减小。测量电感的变化，电感的变化就是阀的位置的直接尺度。
本发明的进一步的优点来自于后边的从属权利要求以及对实施例的叙述。附图为：
图1涂覆头的纵剖面图；
图2按照图1中II的箭头所表示的涂覆头的侧视图；
图3按照图2中III的箭头所表示的涂覆头的侧视图；
图4一个简化的电路方框图。
在图中，用于热粘合剂计量输出的涂覆头总的用数字10表示。
涂覆头有一个壳体11，它被分成两个壳体部分12和13。在用螺栓连接的两个壳体部分12和13之间装有一热隔离层14。多个工作磁头借助于一个没有表示出的粘合剂涂覆机上的固定装置40并排装在一起。
在壳体部分12中主要有一个阀驱动机构15、一个用于装没有表示出来的电子元件的室16和一个供电线路和控制线路18。壳体部分13安置着一个柱形阀杆19、一个加热装置21和一个热粘合剂通道22，阀杆19伸入阀头20中。
阀驱动机构15通过由两压电组件23构成的压电元件24进行工作，压电元件的一头顶在一个具有弹性的并用螺栓5固定的盖板17上。压电组件23分别由大约200个0.1mm厚相互粘在一起的陶磁板构成。
另外，阀驱动机构15有一个平衡杆25，它通过铰链26与基础件27相连。阀杆19通过螺栓连接固定在平衡杆25的一个自由端28上，在平衡杆25的铰链端30上用下面所述的方式以铰接方式装有两个压电组件23。
不只平衡杆25、铰链26和基础件27，而且用于将压电组件23a和23b铰接方式固定在平衡杆25上的两个连接件31都相互材料合理地连接在一起。这些元件是用电火花加工的方法制成的一个整体件。这样就由一个可弯的窄小的材料桥构成把平衡杆25与基础件27连接在一起的铰链26，它的两边都是间隙32，间隙起使平衡杆25相对于基础件27有一个相对运动的作用。以同样的方式，与压电组件23粘在一起的连接件31也分别通过铰链33材料合理地与平衡杆25连接在一起。
压电组件23a和23b在一个垂直的穿过铰链的轴线G的两边各自以一个间距d通过铰链间接地与平衡杆25连接。由此，与具有弹性的压电组件23a和23b的支座相配合由盖板17形成一个自动的温度平衡。
由于压电组件23a和23b与电源连接，每一个压电组件在与连接件31相接处有一个作为绝缘层的压电组件23a和23b的下片(未表示出)，它保证了平衡杆25和压电组件23a和23b的电绝缘。
与平衡杆25的自由端28连接的柱形的阀杆19穿出壳体部分12和13之间的热绝缘层14的开口34。在开口34之下装有一个黄铜套筒35，它用于容纳密封系统。黄铜套筒有一个漏孔36，它垂于阀杆19的纵轴。如果位于黄铜套筒区域下面的充有聚四氟乙烯的环形密封37变得不密封了，从漏孔36中就流出可见的热粘合剂。漏孔36同时也作为壳体部分13中与黄铜套35相邻的加热筒21的安装孔。
在加热筒21上面在图1中用虚线表示出一个温度传感器38，在加热筒21下面将热粘合剂在高压下由一个没有表示出的熔化装置和一个加热软管经过热粘合剂通道22向着阀头20运送。热粘合剂通道22通到阀杆19周围的环形空间41中。在阀杆19的自由端装有一个阀体42，它带有一个起转动调节阀杆作用的操纵槽N，阀头20上的阀孔可以由阀体42关闭。
在图1所表示的状态中，阀体42的密封表面43放置在由淬火钢制成的阀座44上。在阀体42附近，借助于喷嘴板45将喷嘴件46用螺栓固定在阀头20上。喷嘴体46的中心处有一个细喷嘴通道47，通过它将热粘合剂计量地给到一个未表示出的基片上。
图2和图3是涂覆头10的侧视图。图2是按照图1中沿箭头II的侧视图。首先很清楚，涂覆头10只有一个小的宽度C，在实施例中它只有12mm。因而可以借助固定装置40在涂覆机上并排装设多个工作磁头10。
在壳体部分12和13之间可以看到一个隔热层14，在壳体部分12上面表示出一个用螺栓固定的盖板17，而壳体部分13的侧视图中显示了漏孔36以及起固定喷嘴件46作用的喷嘴板45，它用没有表示出的螺栓与阀头20连接在一起。
图3是从图1中沿箭头III的侧视图。从中可以看到控制和供电电线18和热粘合剂通道22。
对压电组件23a和23b交替地加上电势、并使其膨胀，压电组件23a和23b便对在静止位置环绕着密封表面43设置的阀体42的运动产生影响。
例如，如果压电组件23b在电压的作用下膨胀，平衡杆25将受到一个顺时针方向作用的转动力矩，由此使平衡杆25和与它连在一起的阀杆19沿X方向运动。经过阀杆19的大约0.15至0.17mm的位移使阀体42朝喷嘴通道47的方向运动，从而使处于高压下的热粘合剂通过已形成的阀口。
为了平衡平衡杆25自由端28的环形运动，阀柱29有一个垂直于平衡杆25纵轴的弯曲万向接头39，它的厚度b只有0.1至0.4mm。除此之外，弯曲万向接头39窄小的横截面减小了从壳体部分13到壳体部分12的热传导。
一旦切断加在压电组件23b上的电压并把电压加在压电组件23a上，就相应地产生一个绕铰链26逆时针作用的转矩。由此，平衡杆25和阀杆19将朝Y方向向上运动。在这种情况下，阀体42逆着热粘合剂的流动方向朝阀座44的方向运动(由于这个原因，人们称之为所谓的逆关闭)，由此渐渐减小有效过流横截面。阀体42逆着热粘合剂的流动和高压方向的运动将吸回最终处于阀体42之下和热粘合剂通道47中的热粘合剂，因而流到没有表示出的基片上的粘合剂点有一个分明的图形边缘。
阀的打开和关闭过程只能有0.8至0.25ms的时间，这么小的循环时间通过压电组件23的高反应能力才能实现。
控制和调节由两个压电组件23a和23b构成的压电元件24是通过一个特殊的阀电子器48进行的，它主要位于图1所示的室16中。在图4方框图中所表示的阀电子器48一方面使对两个压电组件23a和23b交替加电压成为可能，另一方面也使特别节省能源并由此减少热损失的涂覆头的运转成为可能。
尤其为了减少能源消耗，阀电子器48有一个所谓的电荷泵电路49，它基本上是在图4中表示出。电荷泵电路49主要有一个中间存贮器50和多个功率场效应晶体管51，中间存贮器50与功率场效应晶体管51一样分别与两个压电组件23a和23b连接，中间存贮器50含有一个线圈52和一个电容器53。在压电元件24工作时，能源的节省是通过在压电组件23a和23b的所谓的推挽电路上的实用再充电原理实现的。
这个再充电原理的基本含义是，各自存贮在压电组件23a或23b上的能源(电荷)。“一份一份地”转移到另一个压电组件23a或23b上。一方面压电组件23a或23b的电荷暂时存贮在中间存贮器50上，另一方面功率场效应晶体管51一步一步地通过不同线路的有目的接通把各自存贮的能量转移到另一个压电组件23a或23b上，通过这种方式在电荷泵电路49上基本上实现了再充电原理。再充电过程在时间上的运行和功率场效应晶体管51的各自接通状态通过一个程序化的控制器54确定。一个控制电路55对程序化的控制器54产生影响，它经常地询问每一个压电组件23a和23b的电压状态是否达到了其应该达到的比较值(Soll-Ist-Wertvergleich)。
通过这种再充电原理，一个压电组件23a或23b中的能源能够回存到原电路中，然后再用于激励另一个压电组件23a或23b。
由于在这个电子过程中有一小部分能源转化为热，更大的一部分电能转化为机械能，因而要经常补充这部分能源亏空。这将通过用开关调节器57和内部电源供应器56准备的能源实现。
阀电子器48有一个推挽发生器58和一个状态指示器59，它们没有装在涂覆头10上。正如其名称所表示的那样，推挽发生器58为运转的电子过程进行推挽，而状态指示器59为使用者提供一个光指示。
阀电子器48还有一个温度调节器60，它把阀温度调到在额定值—电位计上预先给定的温度。这意味着，装在加热筒21上面的温度传感器38经常地测量阀温。只有当阀温与额定值—电位计61上预定温度一致并且用此设定的工作温度时，阀才脱离程序化的控制器54。
最后在涂覆头10上，基础件27和平衡杆25之间的区域还有一个位移测量装置62，它由一个导体扁条63和两个位于其上的线圈64组成。导体扁条63固定在基础件27上相应的凹槽65上。在固定在导体扁条63上的两线圈之间插入一个材料合理地布置在平衡杆25上的舌状凸肩66。如果平衡杆25在压电组件23a和23b的驱动下运动，舌状凸肩66的位置相对于凸肩上部和下部的线圈64将发生变化。由于凸肩位置的变化，电流通过的线圈64的电感也发生变化，而电感的变化是标明阀头20内的阀体42位置的一个直接尺度。借助于这种测量方法，可以这样干涉工作磁头10的运转过程，即达到一个完全确定的阀曲线。

Claims (11)

1.一种用于流动介质的计量输出涂覆头，它有一个壳体，其内装有一个阀杆和一个阀驱动机构，阀驱动机构至少由一个与电源连接的压电元件构成，压电元件具有多个平行排在一起的压电组件，压电组件安装成具有弹性的，阀驱动机构至少间接地作用在阀杆上，其特征在于，阀驱动机构(15)上装有一个在铰链(26)范围内可摆动的平衡杆(25)和由两  个压电组件(23a；23b)组成的压电元件(24)，平衡杆(25)的自由端(28)与阀杆(19)相连接，在平衡杆(25)的铰接端(33)上，以相同的间距(d)将压电组件(23a；23b)设置在通过铰链(26)垂直延伸的轴线(G)的两侧并交替地作用在平衡杆(25)上。
2.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，平衡杆(25)通过可弯曲的窄的材料桥构成的铰链(26)材料合理地与一个位置固定的基础件(27)连接，平衡杆(25)和基础件(27)在铰链(26)两边由一个贯通的间隙(32)相互隔开。
3.按照权利要求1或2所述的涂覆头，其特征在于，每个压电组件(23a；23b)与一个连接件(31)粘在一起，连接件(31)材料合理地通过可弯曲窄的材料桥与平衡杆(25)连接在一起。
4.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，壳体(11)由两个壳体部分(12；13)组成，在它们之间装有一个隔热层(14)，隔热层只是由柱形的阀杆(19)穿过，第一个壳体部分(12)内装有由压电元件(24)和平衡杆(25)构成的阀驱动机构(15)，第二个壳体部分(13)具有一个用于介质的测温通道(22)和由阀体(42)关闭的阀口。
5.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，阀杆(19)具有一个垂直于平衡杆(25)的纵向延长线延伸的弯曲万向接头(39)。
6.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，在远离平衡杆(25)的压电组件(23a；23b)端上装有一个具有弹性的盖板(17)。
7.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，在电源和压电组件(23a；23b)之间有一个电能消耗少的电荷泵电路(49)，它主要使充分的电荷交换成为可能。
8.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，电荷泵电路(49)具有一个由一个线圈(52)和一个电容器(53)组成的中间存贮器(50)、多个对中间存贮器(50)和压电组件(23a；23b)产生作用的晶体管(51)和一个确定再充电过程的可程序化的控制器(54)。
9.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，阀驱动机构(15)具有一个位移测量装置(62)，它由一个位置固定的导体扁条(63)，两个相距一定距离而固定的电流通过的线圈(64)组成，平衡杆(25)上的一个舌状凸肩(66)插在两个线圈(64)之间。
10.按照权利要求9所述的涂覆头，其特征在于，导体扁条(63)装在基础件(27)的凹槽(65)中。
11.按照权利要求1所述的涂覆头，其特征在于，在平衡杆(25)的静止位置时装在阀杆(19)的自由端的阀体(42)处于关闭位置。
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