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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen berührungslose Ausstoß-Dosiergeräte (Jetting-Dosiergeräte) zum Auftragen kleiner Tropfen eines viskosen Fluids auf ein Trägermaterial, und spezifischer Dosiergeräte dieses Typs, welche durch ein oder mehrere Piezoelemente angetrieben werden.
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Berührungslose Dosiergeräte für viskose Materialien werden häufig genutzt, um kleinste Mengen viskoser Materialien, zum Beispiel solcher mit einer Viskosität von mehr als 50 Centipoise, auf Trägermaterialien aufzutragen. Zum Beispiel werden berührungslose Dosiergeräte für viskose Materialien genutzt, um verschiedene viskose Materialien auf ein elektronisches Trägermaterial, wie zum Beispiel Leiterplatten aufzutragen. Zu den viskosen Materialien, die auf elektronische Trägermaterialien aufgetragen werden, gehören zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Allzweckklebstoffe, UV-aushärtende Klebstoffe, Lötpasten, Flussmittel, Lötstopplacke, thermische Fette, Deckeldichtungsmassen, Öle, Verkapselungsstoffe, Vergussmassen, Epoxide, Die-Attach-Fluide, Silikone, RTV und Cyanacrylate.
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Es gibt spezielle Anwendungen für das Dosieren des viskosen Materials von einem berührungslosen Ausstoß-Dosiergerät auf ein Trägermaterial. In der Halbleiter-Package-Montage gibt es Anwendungen für die Unterfüllung von Lötkugelverstärkung in Kugelgitterarrays, Damm- und Füllvorgänge, Chipverkapselungen, Unterfüllungen von Chip-Skalengehäusen, Hohlraum-Füll-Dosierungen, Die-Attach-Dosierungen, Deckeldichtungs-Dosierungen, No-Flow Unterfüllungen, Flussmittelausstoß und Dosieren von thermischen Verbindungen, neben weiteren Verwendungen. Für mittels Oberflächenmontage-Technik (SMT) gedruckte Leiterplatten (PCB) können Oberflächenklebstoffe, Lötpasten, leitfähige Klebstoffe und Lötpasten mit berührungslosen Dosiergeräten sowie selektiven Flussmittel-Ausstoßgeräten dosiert werden. Auch können Conformal Coatings mit einem berührungslosen Dosiergerät selektiv aufgetragen werden. Im Allgemeinen schützen die ausgehärteten viskosen Materialien die gedruckten Leiterplatten und bestückten Bauteile vor Schäden, die durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Pilze, Staub, Korrosion und Abrieb entstehen. Die ausgehärteten viskosen Materialien können auch elektrische und/oder wärmeleitende Eigenschaften an bestimmten unbeschichteten Stellen aufweisen. Anwendungen gibt es ferner in der Festplattenindustrie, in Life-Sciences-Anwendungen für die Medizintechnik und in allgemeinen industriellen Anwendungen zum Kleben, Dichten, Formen von Dichtungen, Lackieren und Schmieren.
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Ausstoß-Dosiergeräte können im Allgemeinen pneumatische oder elektrische Aktuatoren aufweisen, um einen Schaft oder einen Stößel wiederholt in Richtung eines Ventilsitzes zu bewegen, während ein Tropfen des viskosen Materials aus einer Auslassmündung des Dosiergeräts ausgestoßen wird. Das elektrisch antreibbare Ausstoß-Dosiergerät kann insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator verwenden. Wenn eine Eingangsspannung an den piezoelektrischen Aktuator aufgebracht und/oder entfernt wird, kann die daraus resultierende Bewegung eines mechanischen Ankers und des Stößels oder des Schafts unerwünschte Wirkungen, wie zum Beispiel Oszillationen, hervorrufen. Oszillationen können zum Beispiel dazu führen, dass Fluid aus dem Auslass gepumpt wird und Volumenabweichungen in der dosierten Menge auftreten oder Luftblasen durch Gravitationen entstehen oder Luft durch den Auslass in das Fluid gelangt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sieht die Erfindung ein System zum Ausstoßen eines Fluids, einschließlich eines Ausstoß-Dosiergeräts (Jetting-Dosiergeräts) und einer elektronischen Steuerung, vor. Das Ausstoß-Dosiergerät umfasst ein Ausstoß-Dosiergerät mit einem beweglichen Schaft, einer Auslassöffnung und einem piezoelektrischen Aktuator, welcher mit dem beweglichen Schaft zum Ausstoßen einer Menge des Fluids von der Auslassöffnung betriebsmäßig gekoppelt ist. Das System umfasst ferner eine elektronische Steuerung, welche mit dem piezoelektrischen Aktuator betriebsmäßig gekoppelt ist. Die elektronische Steuerung bringt eine Spannung mit einer abweichenden Änderungsrate an dem piezoelektrischen Aktuator auf, um die Oszillationsamplitude des beweglichen Schafts während der Bewegung hin und/oder weg von der Auslassöffnung zu reduzieren. Das System kann verschiedene weitere Merkmale aufweisen. Zum Beispiel kann die Steuerung eine gestufte Wellenform an dem piezoelektrischen Aktuator senden, die eine erste Spannung und eine zweite Spannung einschließt, wobei die zweite Spannung von der ersten Spannung abweicht. Die elektronische Steuerung kann die Spannung als Wellenform mit abnehmender und/oder steigender Spannungsänderungsrate aufbringen.
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Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Ausstoßen eines Viskosematerials aus einem Dosiergerät bereit, einschließlich eines piezoelektrischen Aktuators, der mit dem beweglichen Schaft betriebsfähig gekoppelt ist und einem Fluidkörper mit einer Auslassöffnung. Das Verfahren umfasst das Aufbringen einer Spannung mit variierenden Änderungsrate an den piezoelektrischen Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator wird durch die aufgebrachte Spannung bewegt. Der Schaft wird durch den piezoelektrischen Aktuator bewegt. Eine Menge des viskosen Materials wird mit Hilfe des beweglichen Schafts aus der Auslassöffnung ausgestoßen.
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Das Aufbringen der wellenförmigen Spannung kann ferner das Aufbringen einer gestuften Wellenform an dem piezoelektrischen Aktuator, einschließlich einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung umfassen, wobei die zweite Spannung von der ersten Spannung abweichend ist. Das Aufbringen der wellenförmigen Spannung kann das Aufbringen einer Spannung mit sinkender und/oder steigender Änderungsrate umfassen.
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Die Erfindung wird nun ferner anhand von Beispielen und dazugehöriger Zeichnungen beschrieben, in welchen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausstoß-Dosiergerät-Systems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
- 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 gemäß 1 ist.
- 2a eine vergrößerte Querschnittsansicht der Stößelbaugruppe und des Fluidkörpers gemäß 2 ist, welchen den Stößel in geöffneten Zustand zeigt.
- 2b ist ein Querschnitt ähnlich 2a, zeigt aber den Stößel nach dem Ausstoßen eines Fluidtropfens in geschlossener Stellung.
- 3 eine teilweise perspektivische Explosionsdarstellung des piezoelektrischen Aktuators und des Dosiergerät ist.
- 4 eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ausstoß-Dosiergeräts mit einigen, zur besseren Darstellung der inneren Details in gestrichelten Linien gezeigten, Elementen ist.
- 5 eine Seitenansicht eines unteren Teils des Aktuators ist, die einen Hebelverstärkungsmechanismus zeigt.
- 6 eine grafische Darstellung eines typischen Signalausgangs mit trapezförmiger Wellenform ist.
- 7 eine grafische Darstellung ist, die die typische trapezförmige Wellenform gemäß 6 mit der resultierenden, oszillierenden Bewegung der mechanischen Leistung überlagert, welche mit einem piezoelektrischen Dosiergerät verbunden ist.
- 8 eine grafische Darstellung ist, die eine stufenweise Reduktion der Eingangssignalspannung entsprechend eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
- 9 eine grafische Darstellung der stufenweisen Reduktion der Ist-Spannung gemäß 8 ist, welche jedoch mit einer grafischen Darstellung der resultierenden Bewegung der mechanischen Outputs des piezoelektrischen Ausstoß-Dosiergeräts überlagert wird.
- 10 eine grafische Darstellung einer anderen Ausführungsform ist, welche sowohl eine stufenweise Reduktion der Eingangssignalspannung, als auch eine stufenweise Aufbringung der Signalspannung während eines Ausstoß-Abgabe-Zyklus zeigt.
- 11 eine grafische Darstellung der stufenweisen Reduktion und Aufbringung der Ist-Spannung entsprechend 10 ist, welche jedoch mit einer grafischen Darstellung der resultierenden Bewegung des mechanischen Outputs des piezoelektrischen Ausstoß-Dosiergeräts überlagert wird.
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Gemäß der 1 - 4, umfasst ein Ausstoß-System 10 (Jetting-System) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Allgemeinen ein Ausstoß-Dosiergerät 12 (Jetting-Dosiergerät), welches mit einer elektronischen Hauptsteuerung 14 gekoppelt ist. Das Ausstoß-Dosiergerät 12 schließt einen Fluidkörper 16, der mit einem Aktuatorgehäuse 18 gekoppelt ist, ein. Insbesondere ist der Fluidkörper 16 in einem Fluidkörpergehäuse 19 angeordnet, welches entsprechend der Anforderungen der Anwendung ein oder mehrere Heizelemente (nicht abgebildet) umfassen kann. Der Fluidkörper 16 empfängt unter Druck stehendes Fluid von einer geeigneten Fluidzufuhr 20, wie zum Beispiel einen Austoßenkörper (nicht abgebildet). Eine Stößel- oder eine Ventilbaugruppe 22 ist mit dem Gehäuse 18 gekoppelt und erstreckt sich in den Fluidkörper 16. Ein mechanischer Verstärker (zum Beispiel ein Hebel 24) ist zwischen einem piezoelektrischen Aktuator 26 und der Stößel- oder Ventilbaugruppe 22 gekoppelt, wie weiter unten beschrieben.
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Zur Kühlung des piezoelektrischen Aktuators 26 kann Luft aus einer Quelle 27 in eine Einlassöffnung 28 und aus eine Auslassöffnung 30 heraus geleitet werden. Alternativ können die beiden Öffnungen 28, 30, abhängig vom Kühlbedarf, Kühlluft von der Quelle 27 erhalten, wie in 2 gezeigt ist. In einem solchen Fall, werden ein oder mehrere Abluftöffnungen (nicht abgebildet) im Gehäuse 18 bereitgestellt. Eine Temperatur- und Zyklussteuerung 36 wird bereitgestellt, um den Aktuator 26 während eines Ausstoßvorgangs zyklisch zu betätigen und einen oder mehrere Heizelemente (nicht abgebildet) zu steuern, welche von dem Dosiergerät 12 mitgeführt werden, um die Fluidabgabe auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Als weitere Option kann die Steuerung 36 oder eine andere Steuerung den Kühlbedarf des Aktuators in einem geschlossenen Regelkreis regeln. Wie weiter unten in 4 gezeigt, umfasst der piezoelektrische Aktuator 26 weiterhin einem Stapel 40 piezoelektrische Elemente. Dieser Stapel 40 wird durch die jeweils flachen Druckfederelemente 42, 44, welche an gegenüberliegenden Seiten des Stapels 40 gekoppelt sind, unter Druck gehalten. Insbesondere werden obere und untere Stifte 46, 48 bereitgestellt und halten die Blattfederelemente 42, 44 aneinander, mit dem Stapel 40 der piezoelektrischen Elemente dazwischen. Der obere Stift 46 wird in einem oberen Aktuatorteil 26a des Aktuators 26 gehalten, während ein unterer Stift 48 direkt oder indirekt in ein unteres Ende des Stapels 40 eingreift. Der obere Aktuatorteil 26a nimmt den Stapel 40 der piezoelektrischen Elemente sicher auf, sodass der Stapel 40 gegen jede Seitwärtsbewegung stabilisiert wird. In dieser Ausführungsform ist der untere Stift 48 mit einem unteren Aktuatorteil 26b und insbesondere mit einem mechanischen Anker 50 gekoppelt (2).
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Eine obere Fläche 50a des mechanischen Ankers 50 liegt am unteren Ende des Stapels piezoelektrischer Elemente 40 an. Die Federn 42, 44 werden zwischen den Stiften 46, 48 derart gespannt, dass die Federn 42, 44 dem Stapel 40 einen konstanten Druck aufbringen, wie die Pfeile 53 in 4 zeigen. Die Blattfedern 42, 44 können insbesondere mit einem Erodierverfahren gebildet werden. Das obere Ende des Stapels 40 der piezoelektrischen Elemente wird gegen eine Innenfläche des oberen Aktuatorteils 26a gehalten. Der obere Stift 46 steht also still, während der untere Stift mit den Federn 42, 44 und dem mechanischen Anker 50 gleitet oder sich mit ihnen bewegt, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Wenn eine Spannung an dem piezoelektrischen Stapel 40 angelegt wird, dehnt sich der Stapel 40 aus oder verlängert sich, wodurch der Anker 50 entgegen der Kraft der Federn 42, 44 nach unten bewegt wird. Der Stapel 40 ändert seine Länge proportional zur Höhe der angelegten Spannung.
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Wie ferner in 2 gezeigt, ist der mechanische Anker 50 betriebsfähig mit dem mechanischen Verstärker gekoppelt, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als der Hebel 24 ausgebildet ist, welcher mit dem Anker 50 gekoppelt ist, welcher sich im Allgemeinen nahe des ersten Endes 24a befindet und mit einer Schubstange 68 an einem zweiten Ende 24b gekoppelt ist. Der Hebel 24 kann integral aus dem unteren Aktuatorteil 26b gebildet werden, zum Beispiel durch ein Erodierverfahren, durch welches auch eine Reihe von Schlitzen 56 zwischen den mechanischen Anker 50 und dem Hebel 24 gebildet werden. Wie weiter unten erläutert wird, verstärkt der Hebel 24 oder eine andere Form eines mechanischen Verstärkers, den Abstand, um welchen sich der Stapel 40 ausdehnt oder verlängert, um einen gewünschten Betrag. In dieser Ausführung wird beispielsweise die Abwärtsbewegung des Stapels 40 und des mechanischen Anker 50 am zweiten Ende des Hebels 24b um etwa das Achtfache verstärkt.
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Im Folgenden wird gemäß 2, 2a, 2b und 5 auf einen flexiblen Teil 60, welcher den Hebel 24 an den mechanischen Anker 50 koppelt, eingegangen. Wie in 5 am treffendsten gezeigt, schwenkt der Hebel 24 um einen Drehpunkt 62, der ungefähr auf der gleichen horizontalen Ebene, wie das zweite Ende 24b des Hebels 24 liegt. Diese Position des Drehpunktes 62 dient dazu, die Wirkung des Bogens, durch welchen der Hebel 24 rotiert, zu minimieren. Die Reihe der Schlitze 56 wird im unteren Teil des Aktuators 26b gebildet, welche den flexiblen Teil 60 ausbilden. Wenn sich der piezoelektrische Stapel 40 unter der Aufbringung einer Spannung durch die Hauptsteuerung 14 verlängert, wie durch den Pfeil 66 in 5 gezeigt, dreht sich der Hebel 24 im Uhrzeigersinn im Allgemeinen um den Drehpunkt 62, während der Stapel 40 den mechanischen Anker 50 nach unten drückt. Die leichte Drehung des Hebels 24 erfolgt gegen eine federnde Vorspannung, welche durch den flexiblen Teil 60 aufgebracht wird. Da sich das zweite Ende 24b leicht im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 62 dreht, bewegt es sich nach unten und bewegt ebenfalls eine befestigte Schubstange 68 nach unten (2), wie der Pfeil 67 in 5 zeigt.
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Das zweite Ende 24b des Hebels 24 wird mit geeigneten Gewindestangen 70, 72 an der Schubstange 68 befestigt. Die Schubstange 68 hat ein unteres Kopfteil 68a, das sich innerhalb einer Führungsbuchse 74 bewegt und an einem oberen Kopfteil 76a eines Stößels oder Ventilelements 76 anliegt, welches dem Stößel oder der Ventilanordnung 22 zugeordnet ist. Die Führungsbuchse 74 wird im Gehäuse 18 mit einem Stift 75 gehalten, wie in 2a und 2b am treffendsten gezeigt. Die Anordnung der Schubstange 68, der Führungsbuchse 74 und des Stiftes 75 erlaubt ein gewisses „nachgeben“, um eine ordnungsgemäße Bewegung der Schubstange 68 während dem Betrieb zu ermöglichen.
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Darüber hinaus besteht die Schubstange 68 aus einem Material, welches während der Hin- und Her-Bewegung mit dem Stößel- oder Ventilelement 76 und dem Hebel 24 in elastischer Weise leicht seitlich biegsam ist. Die Stößelbaugruppe besteht weiterhin aus einer Schraubenfeder 78, die mit einem Ringelement 80 an einem unteren Teil des Gehäuses 18 befestigt ist. Die Stößel- oder Ventilbaugruppe 22 besteht weiterhin aus einem Einsatz 82, welcher durch einen O-Ring 84 im Fluidkörper 16 gehalten wird. Das Ringelement 80 und der Einsatz 82 umfassen ein integrales Element, z.B. gemäß dieser Ausführungsform einen Kartuschenkörper. Ein quergebohrtes Leckageloch 85 befindet sich in etwa auf einer Linie mit dem unteren Ende der Feder 78, sodass jedes Fluid, welches am O-Ring 68 vorbeifließt, entweichen kann. Ein zusätzlicher O-Ring 68 dichtet den Stößel- oder das Ventilelement 76 derart ab, dass das in einer Fluid-Bohrung 88 des Fluidkörpers 16 enthaltene Druckmedium nicht austritt. Das Fluid wird der Fluid-Bohrung 88 von der Fluidzufuhr 20 über einen Einlass 90 des Fluidkörpers 16 und über die Kanäle 92, 94 zugeführt. Der O-Ring 84 dichtet die Außenseite des Kartuschenkörpers ab, welcher durch das Ringelement 80 und den Einlass 82 gebildet wird, von dem unter Druck stehenden Fluid in der Bohrung 88 und dem Kanal 94 ab. Das Fluidkanäle 92, 94 werden durch ein in den Fluidkörper 16 eingeschraubtes Stopfenelement 96 abgedichtet. Zur Reinigung des inneren Kanals 94 kann das Stopfenelement 96 abgenommen werden.
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Der Betrieb des Systems 10 zum Ausstoßen von Tropfen oder kleinen Fluidmengen lässt sich am besten anhand der 2 - 4 in Verbindung mit den 2a und 2b nachvollziehen. 2a zeigt das Stößel- oder Ventilelement 76, welches in einen offenen Zustand gebracht wird, wenn die Spannung an dem piezoelektrischen Stapel 40 ausreichend verringert wurde. Dies führt dazu, dass sich der Stapel 40 zusammenzieht. Wenn sich der Stapel 40 zusammenzieht, ziehen die Blattfedern 42, 44 den Anker 50 nach oben und heben damit das zweite Ende 24b des Hebels, sowie die Schubstangen 68 an. So kann die Schraubenfeder 78 der Stößel- oder der Ventilbaugruppe 22 dann das obere Kopfteil 76a des Stößel- oder Ventilelements 76 nach oben drücken und ein distales Ende 76b des Stößel- oder Ventilelements 76 von einem Ventilsitz 100, welcher am Fluidkörper 16 befestigt ist, anheben. In dieser Position füllt sich die Fluid-Bohrung 88 und der Bereich unterhalb des distalen Endes 76b des Stößel- oder Ventilelements 76 mit zusätzlichem Fluid, um das Ausstoß-Dosiergerät zu „entladen“ und das Ausstoß-Dosiergerät 12 für den nächsten Ausstoßzyklus vorbereiten.
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Wenn der piezoelektrische Stapel 40 aktiviert wird, z.B. wenn durch die Hauptsteuerung 14 (1) eine Spannung an dem piezoelektrischen Stapel 40 angelegt wird, dehnt sich der Stapel 40 aus und drückt gegen den mechanischen Anker 50. Dies dreht den Hebel 24 im Uhrzeigersinn und bewegt das zweite Ende 24b nach unten, wobei auch die Schubstange 68 nach unten bewegt wird. Das untere Kopfteil 68a der Schubstange 68 drückt auf das obere Kopfteil 76a des Stößel- oder Ventilelements 76, wie in 2b gezeigt, und das Stößel- oder Ventilelement bewegt sich entgegen der Kraft der Schraubenfeder 78 schnell nach unten, bis das distale Ende 76b mit dem Ventilsitz 100 in Eingriff gebracht wird. Das distale Ende 76b des Stößel- oder Ventilelements 76 treibt m Bewegungsablauf einen Tropfen 102 des Fluids aus einer Auslassöffnung 104. Dann wird die Spannung von dem piezoelektrischen Stapel 40 abgebaut und die Bewegungen der einzelnen Komponenten werden umgekehrt, um das Stößel- oder Ventilelement 76 für den nächsten Ausstoßzyklus anzuheben.
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Es wird anerkannt werden, dass der piezoelektrische Aktuator 26 in umgekehrter Richtung zum Ausstoß von Tropfen verwendet werden kann. In diesem Fall würde die abweichende mechanische Betätigungsstruktur einschließlich des Hebels 24 oder eines anderen mechanischen Verstärkers derart anders gestaltet sein, dass wenn die Spannung von dem piezoelektrischen Stapel 40 abgebaut wird, dass resultierende Zusammenziehen des Stapels 40 zu einer Bewegung des Stößel- oder Ventilelements 76 in Richtung des Ventilsitzes 100 und des Auslasses 104 führt, um einen Tropfen 102 des Fluids auszustoßen. Nach dem Aufbringen der Spannung an dem Stapel 40 würde dann das Verstärkersystem und andere Antriebskomponenten den Stößel oder das Ventilelement 76 anheben, um die Fluid-Bohrung 88 mit zusätzlichem Fluid für den nächsten Ausstoßvorgang zu füllen. In dieser Ausführung wäre das Stößel- oder Ventilelement 76 normalerweise geschlossen, sodass es in den Ventilsitz 100 eingreifen würden, wenn keine Spannung an dem piezoelektrischen Stapel 40 anliegt.
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Wie ferner in 2 dargestellt, ist der obere Teil des Aktuators 26a vom unteren Teil des Aktuators 26b getrennt und die jeweiligen Teile 26a, 26b sind aus verschiedenen Materialien gebildet. Insbesondere wird der obere Teil des Aktuators 26a aus einem Material gebildet, welches einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, als das Material, aus welchem der untere Teil des Aktuators 26b gebildet ist. Jeder der Teile des Aktuators 26a, 26b ist durch Gewindebefestigungselemente (nicht abgebildet), welche sich vom unteren Teil des Aktuators 26b in den oberen Teil des Aktuators 26a erstrecken, sicher befestigt. Die Baugruppe des oberen und unteren Aktuators 26a, 26b wird dann mit einer Vielzahl von Schrauben 110 im Gehäuse befestigt. Insbesondere kann der untere Teil des Aktuators 26b aus dem Edelstahl PH17/4 und der obere Teil des Aktuators 26a aus einer Nickel-Eisen-Legierung wie zum Beispiel Invar, gebildet sein. PH17/4 Edelstahl hat eine sehr hohe Dauerfestigkeit oder Ermüdungsfestigkeit, was die Lebensdauer des flexiblen Teils 60 erhöht. Der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses rostfreien Stahls liegt bei circa 10pm/m-c, während der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar bei circa 1pm/m-c liegt. Das Verhältnis der thermischen Ausdehnungen kann höher oder niedriger sein, als das ungefähre Verhältnis von 10:1 dieser Materialien. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche dem oberen und unteren Teil des Aktuators 26a, 26b zugeordnet sind, stellen effektiv gegenläufige Eigenschaften zueinander bereit. Durch die sich unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der oberen und unteren Teile des Aktuators 26a, 26b kann der Aktuator 26 somit über einen größeren Temperaturbereich konstant arbeiten. Außerdem können die piezoelektrischen Stapel bei einem hohen Lastzyklus betrieben werden, wodurch erhebliche Wärme erzeugt wird. Die Verwendung von Invar kann eine absolute Positionierung des Endes des Aktuators 26 und damit einen präzisen und nutzbaren Hub bereitstellen.
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Gemäß der 6 und 7, zeigt 6 ein digitales Signal 116, welches von der Hauptsteuerung 14 (1) erzeugt wird, um einen einzelnen Abgabezyklus zu steuern, und ohne die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel wird die digitale Signalspannung schlagartig und mit einer konstanten Rate auf 0 Volt abgesenkt und dort für sehr kurze Zeit gehalten. Nach dieser kurzen Zeit wird die Signalspannung dann mit konstanter Rate auf das Niveau angehoben, auf welchem der piezoelektrische Stapel aktiviert wurde. Wie bereits erläutert, verlängert das Aufbringen von Spannungen den piezoelektrischen Stapel und kann dazu verwendet werden das Ventilelement während eines Ausstoß-Dosiervorganges zu schließen. Die resultierende analoge Spannungskurve wird durch die gestrichelte Linie 117 in 7 gezeigt. Die Bewegung der mechanischen Antriebselemente als Reaktion auf das schlagartige Entfernen und Wiederaufbringung der Spannung zeigt die durchgezogene Linie 117 in 7. Da sich der piezoelektrische Aktuator wesentlich schneller bewegt, als die mit ihm gekoppelten mechanischen Komponenten, wie zum Beispiel ein mechanischer Beschlag, ein Verstärker und ein Ausstoß-Ventil, führt dies dazu, dass diese mechanischen Komponenten nach dem Entfernen der Spannung hin und her oszillieren, wie die oszillierende durchgezogene Linie 118 in 7 zeigt. Diese Oszillation hat negative Auswirkungen, wie in dem obigen Abschnitt erläutert wurde.
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Die 8 und 9 zeigen die wellenförmigen Spannungen 120, 122 des digitalen Eingangssignals (8) und die resultierende analoge Spannung, die an dem piezoelektrischen Stapel aufgebracht und von diesem entfernt wird (9). Insbesondere in dieser Ausführungsform zeigen die Wellenform der Eingangssignalspannung 120 und die Wellenform der resultierenden analogen Eingangsspannung 122, dass die Spannung am Stapel 40 (4) mit abweichender oder diskontinuierlicher Rate abgebaut wird. Im Allgemeinen bringt die elektronische Steuerung eine Spannung in einer Wellenform auf, die eine abweichende Änderungsrate aufweist. In diesem Beispiel wird die Spannung stufenweise vom piezoelektrischen Stapel entfernt, wobei eine erste Spannungsabsenkung erfolgt, woraufhin die Spannung reduziert und dann für eine gewisse Zeit auf einem ersten Spannungsniveau 124 gehalten wird. Dann wird die Spannung auf eine zweite Spannungsebene reduziert, welche niedriger als die erste Spannungsebene 124 ist, und für eine gewisse Zeit auf der zweiten Spannungsebene 126 gehalten. Die zweite Spannungsebene 126 ist in diesem Beispiel 0 Volt. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die abweichenden Änderungsraten der Spannung mehr als einen Schritt in der Reduktion umfassen können oder dass auch abweichende Arten der Durchführung eine abweichende Änderungsrate beim Entfernen der Spannung eingeschlossen sind. Zur zusätzlichen Kontrolle kann die Rate der Spannungsabsenkung zwischen den einzelnen Stufen variiert werden. Die Reduktion der Spannung, die durch einen ersten Abschnitt 130 der Wellenform dargestellt wird, erfolgt mit einer anderen Reduktionsrate, als die Reduktion der Spannung, welche durch einen zweiten Teil 132 der Wellenform dargestellt wird.
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Die durchgezogene Linie 140 in 9 zeigt die resultierende Reduktion beziehungsweise Dämpfung der Oszillation in den mechanischen Komponenten einschließlich dem Hebel 24, der Schubstange 68, und dem Stößel- oder Ventilelement 67, wie die reduzierte Oszillationsamplitude zeigt (siehe 2). Während der ersten Spannungsabsenkung auf Stufe 124 beginnt sich der Anker 50 nach oben zu bewegen, während sich der piezoelektrische Stapel 40 (4) zusammenzieht. Das Halten dieser Spannung in der ersten Stufe oder Stufe 124 erlaubt es dem Anker 50 langsamer ein Moment in Richtung seiner endgültigen oberen Position aufzubauen. Nach kurzer Zeit wird die Spannung in der zweiten Stufe 126 weiter auf den Endwert von 0 abgesenkt und dort kurzzeitig gehalten. Wenn die Spannung weiter auf diese zweite Stufe 126 abgesenkt wird, sollte das Moment des Ankers 50 zumindest deutlich reduziert werden, sodass er nicht in seiner Endposition beschleunigt wird. Diese Beschleunigungen verursachen Oszillationen, wenn der Anker 50 aus seiner Endposition wieder nach oben steigt. Der piezoelektrische Stapel 40 und andere mechanische Komponenten, einschließlich derer, die mit dem Anker 50 gekoppelt sind, sind derart konstruiert, dass der Anker 50 ohne nennenswerte Oszillationen an seiner oberen Endposition stehen bleiben sollte. Ein weiterer Vorteil der gestuften Wellenform 122 oder anderer Arten der Variationen der Veränderungsrate der Spannung bestehen darin, dass die Abgabezyklusrate erhöht oder beschleunigt werden kann, da zwischen den Abgabezyklen weniger Oszillationen auftreten.
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Die 10 und 11 entsprechen den 8 und 9, mit der Ausnahme, dass die gestufte Wellenform nicht nur beim Entfernen der Spannung verwendet wird, wie gemäß der 8 und 9 erläutert wurde, und durch die ersten Hälften 150a, 152a der Wellenform 150, 152, wie in 10 und 11 gezeigt, sondern auch verwendet wird, wenn die Spannung wieder aufgebracht wird (zum Beispiel bei einer dritten Spannungsebene) wie in den zweiten Hälften 150b, 152b der Wellenformen 150, 152 in den 10 und 11 gezeigt. Diese abgestufte wiederholte Aufbringung der Spannung kann durch eine andere Variante der Variation der Änderungsrate der Spannung ersetzt werden, wenn die Spannung erneut an dem piezoelektrischen Stapel aufgebracht wird, wie in diesem Beispiel um das Ausstoß-Stößel- oder Ventilelement 76 zu schließen und eine kleine Menge oder einen Tropfen des Fluids zu dosieren, wie in 2b gezeigt. Außerdem können verschiedene Teile der Wellenform abweichende Änderungsraten der Spannung aufweisen, um eine weitere Kontrolle des Schließ- und Ausstoßprozesses des Ventilelements zu erlauben. Die Verwendung einer gestuften Spannungszufuhr beim Bewegen des Ausstoß-Stößel- oder Ventilelements 76 in Richtung des Ventilsitzes 100 (2b) weist mehrere mögliche Vorteile auf. So kann zum Beispiel die Kraft, mit welcher das Ausstoß-Stößel- oder Ventilelement 76 auf den Ventilsitz 100 aufprallt, besser gesteuert werden (zum Beispiel reduziert, um die Lebensdauer des Ventilsitzes zu verlängern). Die Energiemenge, welche durch das Stößel- oder Ventilelement 76 auf das Fluid übertragen wird, kann auch durch Variation der Änderungsrate der Spannung gesteuert werden, die für das Ausstoßen des Fluids verwendet wird. Dieser Aspekt kann zur Steuerung der Ausstoßleistung verwendet werden. Außerdem kann die Oszillation des Stößels oder des Ventilelements 76 während seiner Bewegung in Richtung des Ventilsitzes 100 gedämpft werden und zu einem Ausstoßbetrieb höherer Qualität und akkuraterer Steuerung des ausgestoßenen Fluidvolumens führen. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass für bestimmte Anwendungen die Änderungsrate der Spannung (entweder durch Entfernen oder Aufbringen der Spannung) am piezoelektrischen Aktuator 26 auftreten kann: 1) nur beim Anheben des Ausstoß-Stößel- oder Ventilelements 76 vom Ventilsitz 100, wie gemäß 8 und 9 erläutert wurde; 2) sowohl beim Anheben als auch beim Absenken des Ausstoß-Stößel- oder Ventilelements 76 wie gemäß der 10 und 11 erläutert wurde; oder 3) nur während der Bewegung des Ausstoßventilelements in Richtung des Auslasses innerhalb des Ausstoßvorganges.
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Während die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele veranschaulicht wurde und die Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben wurden, sind für den Fachmann weitere Vorteile und Modifikationen leicht ersichtlich. Die verschiedenen beschriebenen Funktionen können einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet werden.
