CN113524909A - 包括微气动控制单元的打印头 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种微气动控制单元，包括大量控制通道，控制通道用于在气动致动的多通道涂覆头中产生控制压力(pc)，从而用涂覆剂涂覆组件，控制通道的特征在于：a)阀芯，阀芯包括在阀板中的阀孔和在阀板下方并且在阀孔的区域中被设计为隔膜关闭元件的隔膜层，隔膜关闭元件的形状由相对于阀孔侧向定位的凹槽确定，b)具有柱塞的微致动器，柱塞通过阀孔致动隔膜关闭元件，以使阀芯打开，c)与阀芯串联连接的第二微气动元件，产生控制压力(pc)，并且空腔位于其连接节点处，空腔与至少一台气动操作的涂覆剂喷射器连接，以及d)微气动控制单元的气动加压，其方向是使得相对于阀芯从隔膜关闭元件到阀板中的阀孔有一个压力梯度。

Description

包括微气动控制单元的打印头
技术领域
本发明涉及用于印刷、涂覆或分配涂覆剂的印刷头领域，简而言之是用于将液体物质施加到物体的表面上。特别地，本发明涉及借助于打印头、定量给料头、分配器或其他液体施加器进行的施加，在下文中通称为打印头1，其包括大量以几何规则排列布置(优选地成排布置)的通道。本发明特别地涉及按需滴加应用领域，包括流体喷射的应用，其液体量的数量级在每次液体输送皮升、纳升、微升或更大的范围内，具有从低到高的液体粘度(1mPas[毫帕秒]到1Pas[帕秒]的数量级)、其还可以包含浓度达90％的颗粒(数量级：最大0.3毫米[毫米]粒度)、传输频率高达千赫兹范围、并且通道间隔低至1毫米以下。
背景技术
根据本发明的打印头的可能用途存在于以下领域中：在各种类型(诸如机动车辆、以及飞机和轮船)的车辆的涂漆、密封或胶合领域中，特别是在用于这种车辆的部件的粘合中，主要是使用工业机器人(特别是多轴关节臂机器人)来移动头部、或者在任何种类的组件(包括消费品行业的产品)的涂层领域中，使用工业机器人或笛卡尔机器人使用液态涂层剂，或集成到单遍打印或涂层系统、以及与建筑物相关的所有涂层领域。本发明还涉及使用移动设备的打印。
如DE 102009029946A1中所述，本发明是基于基于微气动驱动原理的打印头或定量给料头。
此外，WO 2013/139326A1公开了一种微先导阀，其用于打印头或定量给料头中。这种先导阀在腔室中包括离散的关闭元件，其连接到控制压力输出。离散的关闭元件交替地关闭处于环境压力下的上部开口或连接到压力源的下部开口。离散的关闭元件由柱塞驱动，该柱塞穿过第一开口，并由压电弯曲变换器从外部驱动。这样，可以将微先导阀腔室的死体积保持在较低水平，并且在切换过程中可以实现高压梯度。然而，在这种情况下的缺点是，由于硬关闭过程而导致下部阀座和柱塞的相当大的磨损，并且因此增加了隔膜关闭元件的冲程。硬闭合过程的另一个结果是由于周期性的高机械应力峰值而缩短了压电弯曲变换器的使用寿命。在这方面，期望防止柱塞与阀座的硬相互作用。此外，根据WO 2013/139326 A1的具有足够的硬度和耐久性的离散的关闭元件具有大的质量。当上开口关闭时，该质量必须通过气压从下开口移出，这不允许急速的关闭时间，并且需要单独的微弹簧元件的支撑。
本发明解决的问题是至少部分地克服现有技术中已知的缺点，并且特别是改善根据DE 102009029946 A1的微气动控制单元和根据WO 2013/139326 A1的先导阀的功能、使用寿命和性能、同时降低了制造成本。
发明内容
上述问题通过独立权利要求的特征解决。从属权利要求涉及有利的发展。
根据本发明的一种微气动控制单元，其包括大量控制通道，所述控制通道用于在微气动致动的多通道打印头中产生控制压力pc，从而用涂覆剂涂覆组件，
所述控制通道包括：
a)阀芯，所述阀芯包括在阀板中的阀孔和在阀板下方并且在阀孔的区域中被设计为隔膜关闭元件的隔膜层，所述隔膜关闭元件的形状由相对于所述阀孔侧向定位的凹槽确定，
b)具有柱塞的微致动器，所述柱塞通过所述阀孔致动所述隔膜关闭元件，以使所述阀芯打开，
c)第二微气动元件，所述第二微气动元件与所述阀芯串联连接，产生所述控制压力，并且空腔位于其连接节点处，所述空腔与至少一台气动操作的涂覆剂喷射器连接，以及
d)最后，对串联回路加压微气动，其方向是使得相对于所述阀芯，从隔膜侧到所述阀孔存在一个压力梯度。
阀板和隔膜层在微气动控制单元的所有通道上延伸，并且可以成本低廉地制造为连续件。隔膜层在阀孔下方形成隔膜关闭元件，该隔膜关闭元件由隔膜层中的一个或多个凹槽形成。术语“在...下方”在这种情况下应理解为是指阀板的第一纵向侧。与如WO 2013/139326 A1中提出的不连续的诸如球的隔膜关闭元件相比，该隔膜关闭元件几乎是无质量的。此外，可以通过合适的隔膜材料、隔膜厚度和隔膜凹槽的几何形状隐式地(implicitly)产生恢复力，该恢复力支持由压力梯度驱动的阀孔的关闭。隔膜关闭元件的质量小，因此在压电弯曲变换器上的冲击载荷小，关闭时间短。
原则上，本领域中的所有气动回路或网络都基于两个或多个气动元件(也称为气动阻抗Z)的串联连接，在两个压力水平之间或压力梯度，例如在高压pH和低压水平pL之间。在这种情况下，每个阻抗可以由其他阻抗或阻抗网络组成。根据所涉及的阻抗的比率，在其连接节点处建立相应的压力水平，该压力水平的高度在两个压力水平之间。单个气动元件可以是线性或非线性节流阀或阀芯，根据系统理论，阀芯也可以被视为非线性节流阀。
与隔膜关闭元件一起形成阀芯的阀孔优选地与第一微气动(非线性)阻抗Z1相关联，并且可以包含任何微气动阻抗或它们的组合的第二微气动元件优选地与第二微气动阻抗Z2相关联。
优选地，第二微气动元件例如是线性节流阀，如果它是例如通向空腔的简单孔(称为第二孔)的话。第二孔也可以是通向空腔并且并联连接的多个孔或筛结构。
在这种情况下，第二孔的直径小于阀孔的直径。根据用途，阀孔的直径例如是第二孔的直径的1.5至3倍。更一般地表示，阀芯和第二微气动元件的优选的串联连接被设计成使得当阀芯打开时，在第二气动元件上存在尽可能高的压降。根据应用，第二气动元件的流阻至少应为打开状态下的阀芯的流阻的2倍、3倍、5倍、10倍或20倍。
相反，当阀孔被隔膜关闭元件关闭时，来自整个阀芯的高压水平pH和低压水平pL的总可用压力差始终会减小。
阀芯和第二微气动元件的位置可以在串联连接中互换，只要确保在阀芯上从隔膜关闭元件到阀孔之间存在压力梯度即可，以便能够通过隔膜关闭元件以压力辅助的方式关闭所述阀孔。原则上，柱塞的力沿相反的方向(即，与压力梯度相反)作用在隔膜关闭元件上，以便从阀孔中抬起隔膜关闭元件并允许空气流过。阀芯和第二气动元件在气动串联连接内的位置导致了微气动控制单元的各种实施方式，这些实施方式在下面参考附图进行描述。
在一个特殊的例子中，如果阀孔承受低压或压力水平pL(L＝LOW)，例如环境压力，而第二孔承受较高的操作压力或高压水平pH(H＝HIGH)，并且如果第二孔还布置在阀孔下方较小的距离(例如20μm[微米]至100μm)处，因此位于隔膜关闭元件的作用范围内。例如，阀孔和第二孔可以同心地布置，或者其中心轴线可以偏移一小距离。如果阀孔和空腔中的第二孔之间的垂直距离较小，则隔膜关闭元件位于其下部位置，靠近第二孔。在该位置，水平间隙在隔膜关闭元件的下表面上流动，该水平间隙相对于第二孔呈径向流动，对第二微气动元件的流动阻力起决定性作用，并且其非线性大大增加。在完全密封的情况下，即，当隔膜关闭元件与空腔中的第二孔的口部区域接触时，第二微气动阻抗Z2的流动阻力变得无限大。在这种情况下，控制压力pc取低压力水平pL的值。
这种构造的缺点在于，为了相对于操作压力(高压水平)pH完全密封下部的微开口，必须由致动器(例如，压电弯曲变换器)施加高的力，并且在下部位置中，压电弯曲变换器在其操作范围内已经处于强烈偏转的状态，因此，其储备的用于关闭第二孔的力(相反于操作压力)很小。另一个缺点是，柱塞现在会长期不变地穿过隔膜撞击下部的微开口，这会导致高度磨损并且冲击载荷很高，从而缩短了压电弯曲变换器的使用寿命。
这些缺点可以部分地缓轻。根据应用配置和控制柱塞和与其相关联的压电弯曲变换器，使得在柱塞的接触表面上测得的致动器在技术上可能的无负载操作范围在阀孔的密封表面上方20μm、40μm、60μm或100μm和阀孔的密封表面下方40μm、60μm、100μm或150μm之间。因此，在上部位置，柱塞的接触表面位于上部微开口的密封表面上方，使得它不接触隔膜关闭元件。可选地，在操作范围内，柱塞的接触表面的中心位置或零位置可以用作压电弯曲变换器的参考校准的标准，在存在双压电晶片压电弯曲变换器的情况下，例如，当所述变换器没有电和机械应力时，或者在单压电晶片压电弯曲变换器的情况下，可以简单地将其定义为操作范围的中心。
优选地，将微致动器的操作范围被设置成使得微致动器的操作范围的中心位置或零位置尽可能地位于阀孔的密封表面下方，例如距离20μm、40μm、60μm、100μm或150μm处。但是，中心位置实际上也可以放置在第二微孔的口部下方，因为它越低，可获得的致动力F越高，以便在第二微孔的口部实现良好的密封效果。然而，在这种情况下，压电弯曲变换器必须总体上以高的总偏转(即，具有大的操作范围)来操作，这对其力和较低的固有频率具有不利的影响。为了保持第二微孔的口部的闭合力较小，必须选择足够小的下部微孔的直径，例如50μm至300μm。然而，以这种方式，第二孔的流动阻力变得相对较大，并且有具有高的压降的(非线性的)节流阀，并且在空腔中建立压力的时间常数会受损。
优选地选择操作范围，使得操作范围的上部位置位于阀芯的密封表面的位置的稍上方。根据在操作范围内向上发展的(progresses)压电弯曲变换器的力分布，在该位置可以使用较大的致动力F打开来打开阀芯。在致动的优选设计中，这至少是在操作范围的上部位置中可获得的最大致动力Fmax的2/3。在这方面，应该提到的是，在双压电晶片压电弯曲变换器的情况下，例如，由于将电压施加到上压电薄片(收缩)而导致向操作范围上部位置的偏转，压电弯曲变换器在操作范围的上部处于最大机械预紧状态。然后如果对上压电片放电并且同时将电压施加到下压电薄片，则由于存在的偏转而产生的机械感应的预紧力和压电感应的预紧力相加。因此，在操作范围的上部位置中可用于执行致动任务的最大致动力Fmax是夹紧力的两倍，该夹紧力是在零位置处压电弯曲变换器的特征。
应当注意的是，如果第二孔与隔膜封闭元件之间没有直接的气动相互作用，并且第二孔在另一点通向空腔，关于操作范围的设计和微致动器的中心位置的位置的这些考虑优选地也是有效的。因为此时不需要施加较高的力储备来相对于阀芯下方一定距离处的操作压力密封阀孔，较小的指定的操作范围就足够了，这对微致动器的使用寿命、力和固有频率有积极的影响。还应当注意的是，在这种情况下，第二孔原则上可以在总死体积的任何其他点处开口，例如开向空腔、喷射器的气动致动腔以及它们之间的连接。
还应注意，根据应用，阀孔的直径为0.3mm[毫米]、0.4mm、0.5mm或0.8mm，第二微孔的直径为0.1mm、0.15mm、0.2mm或0.3mm，根据应用。此外，根据应用，阀孔和第二孔的尺寸必须设置成使得可以实现0.05ms[毫秒]至1ms或0.5ms至5ms的气动切换时间。根据应用，空腔、流体喷射器和中间连接的尺寸设置成使得合并的气动死体积在1μL[微升]、2μL、4μL或10μL范围内。空腔和流体喷射器之间的连接例如在0.2mm至0.5mm之间，并且长度在2mm至8mm之间。
还应注意，可以在阀芯下方的区域中放置一个止动件，该止动件用于初始化致动行器(包括柱塞)的位置，例如零位置或另一参考位置，例如在组装过程中。在组装过程中，首先将压电弯曲变换器的压电薄片置于限定的充电状态或施加限定的电压，然后将致动器(包括柱塞)靠在止动件上，例如通过调节螺钉。
止动件相对于柱塞的接触表面可以在致动器的操作范围内。在这种情况下，止动件还用作在操作过程中隔膜关闭元件的下隔膜位置的止动件或冲程限制器。例如，当第二微孔与作为阀座的隔膜关闭元件相互作用时就是这种情况。例如，在这种情况下可以指定，在双压电晶片压电弯曲变换器的情况下，下隔膜位置与双压电晶片压电弯曲变换器的操作范围的零位置或中心位置重合。在这种情况下，所述双压电晶片压电弯曲变换器从零位置到操作范围的上部位置的全部单侧偏转是可获得的，并且压电弯曲变换器在零位置的全部夹紧力可用于相对于下隔膜位置的操作压力(高压水平)pH密封第二孔。应当注意的是，这种考虑类似地适用于单压电晶片压电弯曲变换器，但是在这种情况下，相对于变换器的无应力零位置，只有最大夹紧力Fmax的一半(即Fmax/2)可用于密封。应当注意的是，必须考虑到定位和位置的误差不超过操作范围的20％至30％，并且本发明的指导不限于保持精确定位和位置的情况。
相对于柱塞的接触表面，止动件也可以在致动器的操作范围之外(之下或之上)。在这种情况下，在微气动控制单元操作时，隔膜关闭元件不会碰到止动件。为了在致动器的操作范围之外使用止动件，在操作期间所使用的电操作范围之外，致动所述致动器以进行初始校准过程。例如，如果止动件在致动器的操作范围的下方，则在压电弯曲变换器的情况下，使用高于工作电压U的过电压Ve来致动下压电薄片，和/或也以相反的极性致动上压电薄片。
如上所述，尽管此处所述的微气动控制单元的设计及其操作模式已经提供了压电弯曲变换器力分布的最佳利用，并同时保持了打开阀芯的脉冲载荷低，则仍可采取进一步的预防措施，以使压电弯曲变换器的冲击载荷保持较低。这些包括在致动管线的各个点处使用高弹体材料，并且在下面参考附图进行描述。
作为预防，应注意的是，本发明中使用的数字(“第一”、“第二”、……)主要(仅)用于区分多个相似的对象、大小或过程，即特别是没有规定这些对象、尺寸或过程相对于彼此的任何依存关系和/或顺序。如果需要依存关系和/或顺序，则会在本发明中明确说明或对于本领域技术人员在研究具体描述的实施例时是显而易见的。
附图说明
参照附图更详细地说明本发明和技术环境。应该注意的是，本发明不应被所示的实施例所限制。特别地，除非另有明确说明，否则还可以从附图中解释的事实中提取部分方面，并将它们与本说明书和/或附图中的其他组件和见解相结合。特别地，应该注意的是，附图以及尤其是所示的尺寸比仅是示意性的。相同的附图标记表示相同的对象，并且因此必要时可以以补充的方式使用来自其他附图中的解释。在附图中：
图1使用气动回路图示出了所述类型的微气动操作的打印头的功能原理。
图2是具有n＝2个通道的气动网络的平面图。阀板和隔膜层显示为透明的。
图3示出了用于产生控制压力pc的微气动控制单元的一个实施例的横截面，所示为通风状态。
图4示出了用于产生控制压力pc的微气动控制单元的一个实施例的横截面，所示为进气状态。
图5示出了以双压电晶片压电弯曲变换器形式的微致动器及其用于致动阀芯的柱塞的横截面。
图6以放大视图说明了通过双压电晶片压电弯曲变换器致动微气动控制单元的关系。
图7示出了微气动控制单元的特殊变型的通道的横截面，其中第二孔以很小的距离设置在第一阀芯下方，使得第二孔与隔膜关闭元件相互作用形成第二阀芯。还示出了螺纹连接概念。
图8示出了微气动控制单元的另一特殊变型的通道的横截面，其中第二孔设置在第一阀芯下方。在此，阀芯在隔膜侧直接连接到用于操作压力(高压水平)pH的公共压力供应线。用于致动阀芯的柱塞也穿过第二板突出。
图9示出了可能的隔膜结构，该隔膜结构由多个层和具有浇入的弹性接触元件的柱塞组成。
具体实施方式
本说明书中的各种术语可以以不同于一般定义的方式使用。适用以下定义：
与微气动元件有关的属性“微”旨在表示基本上确定组件功能的一个或多个尺寸主要在1μm至999μm之间。
与致动器相关的属性“微”描述了致动器产生致动运动的特性，该运动在远低于毫米的范围内，例如在0到300μm之间。
在这种情况下，术语“环境压力”是指与较高的操作压力(高压水平)pH相反的较低或低压水平pL。术语“环境压力”还包括高于或低于环境压力的压力。例如，代替环境压力，原则上也可以使用负压，这可以提高打印头的效率。
“通道”2是指涂覆头或打印头1的最小的单元，其可以单独地被电控制。
图1示出了由多个通道2组成的打印头1的功能原理，其根据电动-气动操作原理进行操作。每个通道包含一个或多个流体喷射器5，该流体喷射器5基本上包含流体隔膜阀7，该流体隔膜阀7的流体隔膜通过气动控制压力pc经由致动室6致动。在正常状态下，相对于流体供应部45中的流体压力，过压普遍存在在致动室6中，因此流体隔膜阀7被关闭。致动室6的排气由于流体压力而打开流体隔膜阀7，并且流体通过一个或多个流体出口8排出，在短于例如小于1ms、2ms或5ms的范围内的排气时间情况下发生液滴的喷射，并且在较长排气时间的情况下喷射出流体射流。对于更详细的描述，参考DE 10 2009 029946A1。
所有通道2所需的控制压力pc是在微气动控制单元3中从两个可用压力水平产生的：低压力水平17(pL)，例如环境压力(如下所述)、和较高(高)压力水平，操作压力18(pH)。根据实施例，这些也可以颠倒(图1中括号内的值)。
以下陈述涉及来自微气动控制单元3的任何单独通道：在操作压力pH和环境压力pL之间夹有一个基本上由两个微气动阻抗Z1和Z2组成的串联电路形式的微气动网络4，每个阻抗可以各自由附加阻抗的网络组成。在所述阻抗的连接节点处，存在空腔9，该空腔9通过尽可能短的连接19连接到流体喷射器5的致动室6。与阻抗Z1和Z2的大小成比例，类似于空腔9中的电气分压器规则建立控制压力pc。微气动阻抗Z1包含一个通过微致动器25致动的阀芯11，并且微气动阻抗Z2包含一个第二微气动元件15，当阀芯11(来自Z1)开启时，在该处发生压降。
图2和3示出了第一实施例，图4示出了其细微的修改。图3示出了通过微气动控制单元3的通道2的横截面。在这种情况下，术语“垂直”是指如图3所示的垂直方向。
空腔9在顶部由隔膜层20界定，隔膜层20又位于阀板10的下方，该阀板在空腔9的区域中具有阀孔12。隔膜层20覆盖阀孔12并且具有凹槽22，该凹槽22允许空气以很小的阻力穿过隔膜层20，并且限定了可移动的隔膜关闭元件21的形状，该可移动的隔膜关闭元件21最终与阀孔12一起形成了阀芯11。阀孔12可以设计成圆孔或具有任何其他形状，例如卵形或细长形状、或具有相应的横截面。一个或多个凹槽22的形状例如成形为使得如图2的顶部所示的舌形的隔膜关闭元件21，该隔膜关闭元件21在一侧连接到其余的隔膜层20并定义其位置。
在图4中可以看出，当所述隔膜关闭元件被柱塞26偏转时，这种舌形的隔膜关闭元件21在偏转状态下从一侧(图中的左手侧)从阀板10上抬起。在这种情况下，如果所述阀孔是例如细长的，柱塞26也可以偏心地布置在阀孔12中或在阀孔12的一端。这可以具有如下优点：隔膜关闭元件21可以在移动过程中首先通过柱塞26在一侧打开，从而需要较小的致动力F。
作为另一个实施例，在图2的下面画出了两个半圆形或半圆形环形凹槽22，这些凹槽形成了隔膜关闭元件的另一形状。此外，可以使用距阀孔12一定距离的大量圆形布置的凹槽22，或者其他可能的情况，但是距阀孔边缘的特定最小距离(例如20μm至100μm)，任何时候都不应达到。为了支撑隔膜关闭元件21的关闭过程，例如可以通过限定隔膜弯曲强度与隔膜封闭元件21的特定形状一起实现一定的恢复力，否则该恢复力仅通过空腔9中的过压借助于所述封闭元件的隐式恢复力来实现，从而缩短了关闭时间。然而，这是假设隔膜关闭元件21被设计为使得其基本固有频率ωo明显大于1/Ts(Ts＝关闭时间)。
空腔9在底部由第二板14界定，该第二板14包含呈孔形式的第二微气动元件15，被称为第二孔16，并且还包含至流体喷射器5的致动室6的气动连接19。在这种情况下，阀孔12连接到环境压力pL，第二孔16通过基板34内的压力供应管线35(图7)连接到操作压力pH，该压力供应管线35共用于所有通道2。在阀芯11的关闭状态下，在空腔中建立操作压力pH；在打开状态下，空气以固定的方式，从压力源35流过图3和图4中的第二孔16，流过阀芯11，到阀孔12的环境压力侧端部。然后，在空腔9中产生(developing)的控制压力pc对应于其流动阻力的比率。
打开的阀芯11(考虑到隔膜的偏转和微致动器的相关设计)和第二孔16的尺寸取决于其流阻，使得控制压力pc假设的值介于操作压力PH的5％和20％之间。在上面的说明中可以找到合适孔径的指导值。为了获得阀芯11的恒定的大的打开间隙，可以使用止动件32，如图3所示。在所示的情况下，所述止动件例如以30μm至100μm的距离安装在隔膜层20的高度下方，并且例如位于微致动器25的操作范围28内。然而，在图4中，绘制了参考位置33而不是止动件32，该参考位置位于距隔膜层更远距离处。还在微致动器25的操作范围28的下部位置31中或在下隔膜位置24中示出了阀芯11的隔膜关闭元件21。参考位置33位于操作范围28的下部位置31的很远的下方，使得隔膜关闭元件21在操作中不与参考位置33接触。因此，在压电弯曲变换器25中也没有与周期性冲击载荷有关的载荷峰值。
图3和图4还分别示出了具有不同厚度的隔板39，该隔板部分地侧向界定空腔9。通过使用隔板，可以设定确定执行路径和操作范围的垂直边界条件。
此外，在图3和图4中示出了双压电晶片压电弯曲变换器形式的微致动器25。柱塞26穿过阀板10伸出，并在形成于底部的接触表面27处作用在隔膜关闭元件21上，柱塞26固定地连接到压电弯曲变换器25的可移动端。图3中示出了微致动器25在其操作范围28的上部位置30，该上部位置位于例如阀芯11的密封表面13上方20μm、40μm、60μm或100μm的距离处。该距离是必要的，以防止在阀芯11关闭时隔膜关闭元件21接触柱塞26，从而防止泄漏。
在图4中示出了微致动器25在其操作范围28的下部位置31，其中，隔膜关闭元件21也同时位于其下部位置24中。柱塞26的接触表面27和阀芯11的密封表面13之间的距离于是例如为40μm、60μm、100μm或150μm。
参考图2，应当注意的是，用于高分辨率涂料应用(例如用于低至中粘度涂料的应用)的通道2的典型宽度在0.7mm至1.5mm之间，用于来自建筑方面的墙漆的通道2的典型宽度在1.5毫米至3毫米，用于更高粘度的胶粘剂和密封剂的通道2的典型宽度大于2毫米。
图5中示出了微致动器25，该微致动器25由双压电晶片压电弯曲变换器组成，该压电弯曲变换器具有中央电极43并且柱塞26在变换器的可移动端连接至所述变换器。柱塞26通过由弹性材料制成的弹性元件42连接到压电弯曲变换器，这减少了例如在柱塞26的接触表面撞击止动件时，出现的高机械应力峰值的传递。这用于改善压电弯曲变换器25的使用寿命。如图所示，压电弯曲变换器25被固定地夹紧或胶粘到打印头1的螺纹连接板41、基板34和壳体38上。例如，通过将固定电压V1＝+VDD施加到上压电薄片37上，和通过将接地连接V0＝GND施加到下压电薄片44上，来致动压电弯曲变换器25。压电薄片37、44的电压和极性通常总是被整流。中心电极43上的电压U在+VDD和GND之间切换。如果在中央电极43上存在电压U＝GND，则在上压电薄片37上存在+VDD的电压差，其使所述薄片横向收缩并使压电致动器向上偏转到其操作范围28的上部位置30。(请参见图6)。反过来：如果在压电弯曲变换器25的中心电极43上存在电压U＝+VDD，则在下压电薄片44上存在+VDD的电压差，其使压电致动器向下偏转到其操作范围28的下部位置31。围绕零位置(压电弯曲变换器25的无电和机械应力的位置)对称地测量的无负载压电弯曲变换器25的偏转x，因此在压电弯曲变换器25的操作范围28内移动。
如果将可用于致动隔膜关闭元件21的致动力F(其中U＝+VDD，沿负z方向的力)视为偏转x的函数，则在零位置29上方，将由压电弯曲变换器25的预偏转引起的机械应力产生的力(其在微致动器25的操作范围28的上部位置30中最大)添加到恒定的压电产生的力上。这相当于压电致动器的夹紧力的两倍，其作为参数表示当通过夹紧抑制压电弯曲变换器25的偏转即变为零时的最大致动力。当在操作范围28的上部位置30向中央电极43施加电压+VDD时，该力在负z方向上可用以进行致动。
有利地，当打印头1在操作中时，通过将电压V1设置为与+VDD不同、或者通过将电压V0设置为与GND不同、或者通过不在+VDD和GND之间交替切换电压U，而是在与其不同的值之间切换电压U，在z方向上的操作的整个操作范围28可以在一定范围内更改和移位。在这种情况下，可以说明以下内容：只能通过增加中心电极43上两个开关位置的电压摆幅ΔU来实现操作范围的增大。可以例如通过相对于中心电极上的电压U的电压曲线改变电压V1和/或V0来实现操作范围28的移位。例如，只能通过降低电压V1来实现操作范围28在负z方向上的位置偏移，请参见偏转ξ1(虚线)。在这种情况下，应该注意的是，当中央电极43被+VDD致动并且微致动器25位于(新)操作范围28的下部位置时，上压电薄片37以负电压差(V1-VDD)操作。然而，由于存在压电材料去极化的风险，因此只能在非常有限的程度上执行这种测量。然而，为了将双压电晶片压电弯曲变换器25的操作范围28的位置微调到止动件32、参考位置33、阀座的位置或到阀芯11的密封表面13，使用该测量是有利的。因此，例如，在长期操作期间发生的微小变化可以在操作期间得到补偿。在此应当注意的是，通过根据相同的标准改变电压V0或U，也可以实现同等的效果。可能的案例区别和组合在这里不做详细介绍，而是可以由电气工程领域的普通技术人员在任何时候进行，以得出针对具体案例的适当解决方案。
图6示出了在静态条件下可自由移动(未夹紧)的压电弯曲变换器25的多个隔膜的这些关系。右手侧示出了中心电极43上的电压U和引起的在柱塞26的接触表面27处测量的z位置。中心图示出了在负的z方向上可获得的引起的致动力F，通过该致动力来致动阀芯11的打开。所述致动力在致动范围28的下部位置31处为零(0)，即那里没有可获得的致动力F，并且在操作范围28的上部位置30处为Fmax。因此，致动力F从底部到顶部增大，并且在靠近上部位置30处可获得在负z方向上的最大致动力F。在左侧还示出了关于无应力的压电弯曲变换器25的零位置或中心位置的偏转x。
有利地，微致动器相对于隔膜关闭元件21的致动定向，使得阀芯11的密封表面13的位置或上隔膜位置23尽可能地靠近双压电晶片压电弯曲变换25的操作范围28的上部位置30下方，使得最大驱动力Fmax的至少三分之二(2/3)可用于打开隔膜关闭元件21。通过阀芯11的位置、柱塞26的接触表面27以及隔膜关闭元件21的各种位置在图6的左手侧示出了这种设计。在操作范围28的上方位置30示出了柱塞。在该优选位置中，柱塞26和阀芯11的密封表面13之间的距离至多为(无负载)操作范围28的三分之一(1/3)，但根据应用至少为20μm或40μm。还清楚的是，在相应的设计中，中心位置29(在单压电晶片压电弯曲变换器25的情况下)或零位置29(图6中的右手侧图中涉及的在双压电晶片压电弯曲变换器25的情况下)在阀芯11的密封表面13下方，例如在20μm、40μm、60μm、100μm或150μm的距离处，如上所述。此外，示出了根据图4的情况，其中，操作范围28的下部位置31与下隔膜位置24重合，即，在操作期间没有接触下部止动件。
这种设计特别适合于确保压电弯曲变换器的长寿命，因为在这种情况下，当接触隔膜关闭元件21时，至多会产生一定的冲击载荷，但是由于接触是发生在靠近静态上方位置23处，该冲击载荷很小，在该位置处柱塞26的运动仍具有较小的动量。
图6还示出了可以在(双压电晶片)压电弯曲变换器25的操作范围28的下部位置30下方的基准位置33处进行(双压电晶片)压电弯曲变换器25的参考校准的方式。如已经描述的，该变换器在操作期间被致动以用于其使用的电操作范围之外的初始校准过程。在所示的示例中，在双压电晶片压电弯曲变换器25的情况下，该变换器以过大的电压Ve>+VDD致动。替代地或附加地，可以通过减小施加到上压电薄片37上的电压V1例如降低30％，上压电薄片37以相反的极性致动，这沿着弯曲变换器延伸并且导致负z方向的偏转进一步增大。
图7示出了与图3不同的情况，其中第二孔16在隔膜关闭元件21的作用范围内位于阀孔12的正下方。结果，隔膜关闭元件21和第二孔16的组合产生了第二阀芯，该第二阀芯通过与阀芯11相同的微致动器25和相同的隔膜关闭元件21被致动。
如在根据图3的实施例中那样，证明有利的是，使用限定厚度的隔板39来确定隔膜关闭元件21的冲程，以此方式，该冲程是上隔膜位置23与下隔膜位置24之间的距离。从气动的观点来看，已经证明通过使用适当厚度的隔板39将冲程调节至50μm(30μm至80μm)是有利的。
为了在下隔膜位置24中实现第二孔16相对于操作压力18的充分密封效果，在该位置，微致动器25不得在其操作范围28的下部位置31附近工作，此处致动力F接近0。然而，为了获得高的闭合力，必须将微致动器25的操作范围设置成使得微致动器25的零位置或中心位置29相对于在图6中的术语而言尽可能地低。在这种情况下，证明有利的是，如果零位置或中心位置29围绕下隔膜位置24位于+/-20μm(最高+/-50μm)的(下)公差之内，这是由于止动件32引起的。同样，微致动器25的操作范围28的上部位置30必须定位在阀芯11的密封表面13的位置上方至少20μm(最大50μm)(上公差)处，使得当阀芯11关闭时，柱塞26的接触表面27不接触隔膜关闭元件21。如果在微执行器25上观察到操作范围28的最小公差，从而获得2x(冲程+下公差+上公差)＝2x90μm(2x70μm至2x155μm)＝180μm(～300μm)的值。
在图8的剖视图中示出了微气动控制单元3的另一实施方式。这样的特征在于，阀芯11由前述的阀板10组成，该阀板10具有阀孔12和下面的隔膜层20以及隔膜关闭元件21。然而，在该实施例中，阀芯11通过操作压力(高压水平)pH直接作用在隔膜层20的侧面上，该工作压力可通过压力供应线35获得。如上所述，止动件件32可位于阀芯11的下方，以改善对下隔膜位置或参考位置33的限定，其中在参考位置处微致动器35在参考步骤中校准。在该实施例中，空腔9以及到流体喷射器5的连接19位于阀芯11上方，即阀板10上方。第二板14在顶部界定空腔9，因此也位于阀板10上方。在这种情况下，微致动器25的柱塞26穿过阀板10中的阀孔12突出，并且另外穿过第二板14中的第二孔16，其与阀孔12同心地布置，并且其与柱塞轴(至少部分地)一起形成第二微气动元件15。在这方面应注意的是，在一个特殊的实施例中，第二孔16和柱塞轴可以设计成紧间隙配合，该间隙配合仅允许柱塞的运动，而微气动元件15可以容纳另一个并联连接的第二孔16(以虚线示出)，该第二孔在另一点处通向空腔9，并且被设计为使得其具有小于间隙配合的间隙的流阻。
关于微气动控制单元3的各个组件和装配件，应增加以下内容：下面列出的板及其结构或微结构包含微气动控制单元3的大量通道2：具有阀孔12的阀板10；具有第二孔16的第二板14，可选的止动件32或参考位置33以及可选的第二阀座；具有凹槽22的隔膜层20，该凹槽限定隔膜关闭元件21；具有确定空腔的侧向形状的凹槽的隔板39，此外，可选的密封层。此外，外围板可以被添加到列表中，例如具有所有螺纹孔和所需孔的螺纹连接板41；此外，具有压力供应线35、具有可选地包含的止动件32和到各个流体喷射器5的连接19的基板34。
借助于沿着通道2的线上以几毫米的规则窄间隔的螺纹连接部40，板10、14、20、39、41、34可被组装以形成单个微气动控制单元3，同时保持紧公差。
各个板10、14、20、39、41、34的材料和制造的选择优选地取决于所需的块数。具有主要三维延伸的板10、14、20、39、41、34(例如板34或40)最好由任何固体材料制成，例如金属(例如铝、黄铜、钢、不锈钢、镍)或塑料材料(固体热塑性塑料、热固性塑料)，并使用常规方法制造。在批量生产的情况下，较薄的板10、14、20、39、41、34，例如板10、14或39优选地由诸如铜、黄铜或不锈钢的金属制成，例如通过湿化学蚀刻对其进行蚀刻。在这种情况下，所示的步骤(图3和7中的板14)可以例如通过在两侧进行控制时间的蚀刻来实现。可选地，塑料材料也可以用于较薄的板和/或可以使用压纹或成型方法。
隔膜层20优选由单层和单一材料构成，例如厚度在例如10μm至100μm的范围内的金属(例如，不锈钢、钛、青铜、镍)；在这种情况下，可以通过蚀刻或添加(电镀)处理进行生产。可选地，在不同的生产方法(例如压花、铸造、冲压、激光晰磨、干法蚀刻)中，优选由高性能聚合物(例如PEEK、PI、PTFE、PEI、PVDF)或高弹体(PU、TPE、TPU、硅酮等)生产隔膜层20。
如果在操作期间柱塞26在下部止动件32上长期不变地撞击隔膜关闭元件21，则隔膜和止动件32会受到机械磨损的影响，并且压电弯曲变换器25会承受高频冲击载荷。这些缺点可以通过使用弹性材料阻尼冲击接触而有所减轻，例如借助于具有弹性元件41的柱塞头(图9)。此外，隔膜层可以由层压板构成，该层压板由满足不同功能的多个单独的层组成。例如，由上述金属之一制成的中间层可以提供预先确定的机械刚度。另外，由高弹体之一制成的下层和/或上覆层可以减小在柱塞26撞击隔膜或隔膜撞击止动件32时产生的应力峰值，并传递至压电弯曲变换器25。相反，如果所述隔膜由具有两个外部金属层和中间聚合物、高弹体或粘弹性层的层状结构组成，则也可以实现对隔膜运动的阻尼和应力峰值。
本发明提出了一种微气动控制单元3，包括大量控制通道2，所述控制通道2用于在气动制动的多通道涂覆头1中产生控制压力(pc)，从而用涂覆剂涂覆组件，控制通道2的特征在于：a)阀芯11，所述阀芯11包括在阀板10中的阀孔12和在阀板10下方并且在阀孔12的区域中被设计为隔膜关闭元件21的隔膜层20，所述隔膜关闭元件的形状由相对于所述阀孔12侧向定位的凹槽确定，b)具有柱塞26的微致动器25，所述柱塞26通过所述阀孔12致动所述隔膜关闭元件21，以使所述阀芯11打开，c)与所述阀芯11串联连接的第二微气动元件15，产生所述控制压力pc，并且在其连接节点处设有空腔9，该空腔与至少一台气动操作的涂覆剂喷射器5连接，以及d)微气动控制单元3的气动加压，其方向是使得相对于所述阀芯11从所述隔膜关闭元件21到所述阀板10中的所述阀孔12存在一个压力梯度。
附图标记列表
1 打印头
2 通道
3 具有大量通道的微气动控制单元
4 微气动网络
5 流体喷射器
6 致动室
7 流体隔膜阀
8 流体出口
9 空腔
10 阀板
11 阀芯
12 阀孔
13 阀芯的密封表面
14 第二板
15 第二微气动元件
16 第二孔
17 第一(低)压力水平，环境压力pL
18 第二(高)压力水平，工作压力pH
19 到流体喷射器的连接
20 隔膜层
21 隔膜关闭元件
22 凹槽
23 上隔膜位置
24 下隔膜位置
25 包括柱塞，特别是单压电晶片或双压电晶片压电弯曲变换器的微致动器
26 柱塞
27 柱塞的接触表面
28 无负载操作范围
29 中心位置，操作范围的零位置
30 操作范围的上部位置
31 操作范围的下部位置
32 止动件
33 参考位置
34 基板
35 共同压力源
36 第二阀芯
37 压电薄片
38 壳体
39 隔板
40 螺纹连接部
41 螺纹连接板
42 弹性元件
43 中央电极
44 下压电薄片
45 流体供应部
pH 高压水平，工作压力
pL 低压水平，环境压力
U 电压
V0 电压
V1 电压
Ve 过电压
ξ 偏转
ξ1 偏转

Claims (10)

1.一种微气动控制单元(3)，其特征在于，包括大量控制通道(2)，所述控制通道(2)用于在气动致动的多通道涂覆头(1)中产生控制压力(pc)，以用涂覆剂涂覆组件，
所述控制通道(2)包括：
a)阀芯(11)，所述阀芯(11)包括在阀板(10)中的阀孔(12)和隔膜层(20)，所述隔膜层(20)在所述阀板(10)下方并且在所述阀孔(12)的区域中被设计为隔膜关闭元件(21)，所述隔膜关闭元件的形状由相对于所述阀孔(12)侧向定位的凹槽确定，
b)具有柱塞(26)的微致动器(25)，所述柱塞(26)通过所述阀孔(12)致动所述隔膜关闭元件(21)，以使所述阀芯(11)打开，
c)第二微气动元件(15)，所述第二微气动元件(15)与所述阀芯(11)串联连接，产生所述控制压力(pc)，并且空腔(9)位于其连接节点处，所述空腔与至少一台气动操作的涂覆剂喷射器(5)连接，以及
d)微气动控制单元(3)的气动加压，其方向是使得相对于所述阀芯(11)，从所述隔膜关闭元件(21)到所述阀板(10)中的所述阀孔(12)存在一个压力梯度。
2.根据权利要求1所述的微气动控制单元，其特征在于，所述第二微气动元件(15)的流阻至少是所述阀芯(11)在打开状态下的流阻的两倍。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微气动控制单元，其特征在于，所述柱塞(26)相对于其接触表面(27)的无负载操作范围(28)在60μm至300μm之间，所述操作范围(28)的上部位置(30)在所述阀孔(11)的密封表面(13)上方20μm至100μm，所述操作范围(28)的下部位置(30)在所述密封表面(13)下方40μm至150μm。
4.根据权利要求3所述的微气动控制单元，其特征在于，所述操作范围(28)的中心位置(29)在所述阀孔(11)的密封表面(13)下方20μm至100μm之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的微气动控制单元，其特征在于，第二孔(16)位于所述阀孔(12)下方的第二板(14)内，使得在下隔膜位置(24)中，所述隔膜关闭元件(21)覆盖所述第二孔(16)，并相对于所述第二孔(16)的操作压力(pH)密封所述空腔(9)。
6.根据权利要求5所述的微气动控制单元，其特征在于，上隔膜位置(23)与所述下隔膜位置(24)之间的距离为30μm至80μm，其中在所述上隔膜位置(23)中，所述隔膜关闭元件(21)关闭所述阀孔(12)，在所述下隔膜位置(24)中，所述隔膜关闭元件(21)关闭所述第二孔(16)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微气动控制单元，其特征在于，所述微致动器(25)包括压电弯曲变换器，以及位于所述压电弯曲变换器和所述柱塞(26)或所述柱塞(26)的头(27)之间用于缓冲冲击载荷的弹性元件(41)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微气动控制单元，其特征在于，所述隔膜关闭元件(21)在一侧连接至所述隔膜层(20)，并且被设计为阀舌。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微气动控制单元，其特征在于，还包括具有双压电晶片压电弯曲变换器的微致动器(25)，通过沿与其极化方向相反的方向操作所述双压电晶片压电弯曲变换器的压电薄片(37)，所述微致动器(25)的操作范围相对于所述密封表面(13)的位置在垂直方向上发生位移。
10.根据权利要求9所述的微气动控制单元，其特征在于，在操作期间，上压电薄片(37)处的电压是可变的。
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