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Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Ein gebräuchlicher Piezoaktor ist unter Ausnutzung des Piezoeffekts eines eine
geeignete Kristallstruktur aufweisenden Materials aufgebaut. Bei Anlegen einer
Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion eines Piezoelements in dem
Piezoaktor in Form eines Drucks oder Zugs in eine von der Kristallstruktur des den
Piezoeffekt aufweisenden Materials bestimmte Richtung. Ein Piezoaktor eignet sich
insbesondere für eine Ausbildung als mechanische Verstellvorrichtung mit einem
Verstellweg in der Größenordnung einiger Mikrometer bis einiger zehntel
Millimeter. Die Beherrschung eines derart geringen Verstellweges setzt voraus, dass die
Verstellvorrichtung sehr geringe geometrische Toleranzen aufweist. Insbesondere
muss das Piezoelement innerhalb der Verstellvorrichtung in exakt vorgegebener
Position montiert sein. Die Montage und Justierung des Piezoelementes innerhalb
der Verstellvorrichtung ist daher sehr aufwändig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung mit einem
Piezoelement anzugeben, das sich durch eine präzise Funktion und einfache
Montage- und Justiermöglichkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Piezoaktor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Hierbei ist ein Piezostellelement innerhalb eines
Gehäuses beweglich, insbesondere gegen Federkräfte verschiebbar, gelagert und
durch ein Klemmelement fixierbar. Das Piezostellelement betätigt über ein
Betätigungselement einen Kolben, der nach einer bevorzugten Ausgestaltung eine
Anschlagsposition an einem Anschlag am Gehäuse einnehmen kann. Sowohl das
Piezostellelement als auch der Kolben sind durch die Kraft eines
Aktorfederelementes bzw. eines Kolbenfederelementes beaufschlagt, wobei die Kräfte der
beiden Federelemente entgegengesetzt auf das Piezostellelement wirken.
Vorzugsweise übersteigt die Federkraft des Aktorfederelementes die Federkraft des
Kolbenfederelementes. Ebenso übersteigt nach einer bevorzugten Ausgestaltung der
maximale Verstellweg des Kolbens den maximalen Verstellweg des
Betätigungselementes. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim Betrieb des Piezoaktors
stets das Betätigungselement eine Kraft auf den Kolben ausübt, die der auf
diesen vom Kolbenfederelement aufgebrachten Kraft entgegenwirkt.
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Zur einfachen Montierbarkeit des Piezoaktors weist dieser vorzugsweise einen
separaten Kolbenhalter auf, der an einer Aufnahme als Teil des Gehäuses
befestigbar ist. Der Piezoaktor bietet damit insbesondere den Vorteil, dass sich das
Piezostellelement innerhalb des Gehäuses bei der Montage des Kolbenhalters
selbst justiert und in dieser justierten Position auf sehr einfache Weise durch das
Klemmelement feststellbar ist. Weiterhin zeichnet sich der Piezoaktor dadurch
aus, dass dessen Betrieb auf einfache Weise automatisierbar ist.
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Der Piezoaktor eignet sich beispielsweise für ein Verfahren zum Aufbringen einer
Mehrzahl von Mikrotröpfchen auf ein Substrat, wie es z. B. aus der DE 199 41 871 A1
bekannt ist. In einem solchen Verfahren kann mit dem Piezoaktor ein
Überdruck in einer Druckkammer erzeugt werden. Der Piezoaktor bietet den Vorteil,
dass eine Referenzposition des Betätigungselementes sowie des Kolbens
eingestellt werden kann, ohne die Position des Kolbens dazu messtechnisch zu
erfassen. Weiterhin zeichnet sich der Piezoaktor aufgrund der einfachen und präzisen
Justierbarkeit des Piezostellelementes durch die Möglichkeit des schnellen
Wechsels verschiedener Kolben und/oder Kolbenhalter sowie durch eine besondere
Unempfindlichkeit gegenüber geometrischen Toleranzen beispielsweise des
Gehäuses, des Kolbenhalters oder des Piezostellelementes aus. Ferner besteht
auch die Möglichkeit, durch Temperaturänderungen hervorgerufene
Maßänderungen durch erneute Justierung des Piezostellelementes im Piezoaktor
auszugleichen. Das Piezostellelement wird im Gehäuse bevorzugt derart justiert, dass bei
Ausnutzung des maximalen Verstellweges des Betätigungselementes der Kolben
am Anschlag des Kolbenhalters anliegt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Hierin zeigen:
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Fig. 1 schematisch einen Piezoaktor mit einem Piezostellelement sowie
einem Gehäuse mit einer Aufnahme und einem von dieser
getrennten Kolbenhalter,
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Fig. 2 den Piezoaktor nach Fig. 1 mit an der Aufnahme montiertem
Kolbenhalter,
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Fig. 3a eine Seitenansicht eines Piezostellelementes in einer Aufnahme mit
einem Klemmelement,
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Fig. 3b einen Schnitt A-A aus Fig. 3a,
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Fig. 4 einen Längsschnitt eines Piezoaktors,
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Fig. 5 eine Vorderansicht eines Piezoaktors ähnlich dem in Fig. 4
dargestellten,
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Fig. 6 eine Draufsicht auf den Piezoaktor nach Fig. 5,
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Fig. 7 eine Seitenansicht des Piezoaktors nach Fig. 5, und
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Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Piezoaktors nach Fig. 5.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Piezoaktor 1 mit einem Piezostellelement 2. Das
Piezostellelement 2 ist beweglich in einer Aufnahme 3 gelagert, die ebenso wie
ein an dieser montierbarer Kolbenhalter 4 einen Teil eines Gehäuses 5 bildet. Das
Gehäuse 5 ist hierbei nicht notwendigerweise geschlossen ausgeführt, sondern
kann beispielsweise auch aus einzelnen miteinander verbundenen
Halteelementen gebildet sein. Das Piezostellelement 2 weist eine Aktorhülse 6 auf, in der sich
ein Stapel Piezoelemente befinden, die auf ein als Kolbenstange ausgebildetes
Betätigungselement 7 bei Anlegen einer elektrischen Spannung einen Druck
ausüben. Nach einer alternativen Ausgestaltung ist auch eine Betätigung des
Betätigungselementes 7 durch mindestens ein eine Zugkraft ausübendes
Piezostellelement möglich. Nach einer weiteren Alternative wird anstelle des eine
Linearbewegung ausübenden Piezostellelementes 2 ein Piezobiegewandler eingesetzt.
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Der maximale Verstellweg des Betätigungselementes 7 ist mit ΔLmax angegeben.
Die Aktorhülse 6 stützt sich auf deren dem Betätigungselement 7 gegenüber
liegenden Seite über ein als Druckfeder ausgebildetes Aktorfederelement 8 an einer
mit der Aufnahme 3 verbundenen Grundplatte 9 des Gehäuses 5 ab. Die
Steifigkeit des Piezostellelementes 2, insbesondere der Piezoelemente in dessen
Aktorhülse 6, ist sehr groß im Vergleich zur Federhärte des Aktorfederelementes 8.
Hierbei sind die Piezoelemente bzw. ist das Piezoelement nicht notwendigerweise
wie im Ausführungsbeispiel von der Aktorhülse 6 umgeben. Vielmehr kann ein
Piezoelement auch direkt in der Aufnahme 3 geführt sein. In diesem Fall kann
anstelle der Aktorhülse 6 beispielsweise zwischen dem Piezostellelement 2 und
dem Aktorfederelement 8 ein in der Aufnahme 3 verschiebbarer Lagerblock
vorgesehen sein.
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Vor der Montage des Kolbenhalters 4 ist das Aktorfederelement 8 entspannt bzw.
dessen Federweg durch einen nicht dargestellten Anschlag begrenzt. Der
Kolbenhalter 4 führt einen Kolben 10 mit einem maximalen Verstellweg ΔSmax. Anstelle
eines Kolbens kann alternativ beispielsweise auch eine Membran betätigt werden.
Der Kolben 10 ist über ein als diesen umgebende O-Ringfeder ausgebildetes
Kolbenfederelement 11 federnd gelagert. Der maximale Verstellweg ΔSmax des
Kolbens 10 entspricht dem maximalen Verstellweg des Kolbenfederelementes 11.
Das Kolbenfederelement 11 ist zwischen dem Kolbenhalter 4 und einer einen Teil
des Kolbens 10 bildenden Kolbenplatte 12 eingespannt. Den Verstellweg der
Kolbenplatte 12 in Richtung zum Kolbenhalter 4 begrenzt ein mit diesem fest
verbundener oder aus diesem gebildeter Anschlag 13.
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Der Kolbenhalter 4 ist an einer der Grundplatte 9 gegenüber liegenden
Aufnahmefläche 14 der Aufnahme 3 montierbar. Vor der Montage des Kolbenhalters 4 an
der Aufnahme 3 wird das Betätigungselement 7 des Piezostellelementes 2 unter
Nutzung des gesamten Verstellweges ΔLmax voll ausgefahren. Wird der
Kolbenhalter 4 anschließend in Kontakt mit der Aufnahme 3 gebracht, so bedeutet dies,
dass das Betätigungselement 7 bereits auf der Kolbenplatte 12 aufliegt, bevor der
Kolbenhalter 4 an der Aufnahmefläche 14 anliegt. Bei der weiteren, mit Pfeilen
angedeuteten Bewegung des Kolbenhalters 4 auf die Aufnahmefläche 14 zu
wirken auf das Piezostellelement 2 entgegengesetzt gerichtete Federkräfte, nämlich
die des Aktorfederelementes 8 und die des Kolbenfederelementes 11. Die
Federkraft des Aktorfederelementes 8 übersteigt dabei die Federkraft des
Kolbenfederelementes 11. Dadurch wird bei der Montage des Kolbenhalters 4 die
Kolbenplatte 12 des Kolbens 10 an den Anschlag 13 gedrückt. Liegt die Kolbenplatte 12
am Anschlag 13 an, so wird das Piezostellelement 2 bei weiterer Annäherung des
Kolbenhalters 4 an die Aufnahmefläche 14 entgegen der Kraft des
Aktorfederelementes 8 in Richtung der Grundplatte 9 verschoben. Bei montiertem, d. h. an der
Auflagefläche 14 anliegenden Kolbenhalter 4 und weiterhin voll ausgefahrenen
Betätigungselement 7 wird das auch als Aktor bezeichnete Piezostellelement 2
mit einem Klemmelement 15 im Gehäuse 5 fixiert. Damit ist eine eindeutige
Zuordnung zwischen der Kolbenposition, nämlich am Anschlag 13 anliegend, und
der Position des Betätigungselementes 7, nämlich auf vollen Verstellweg ΔLmax
ausgefahren, gegeben. Das Piezostellelement 2 ist damit im Gehäuse 5 justiert.
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Das Klemmelement 15 bleibt beim weiteren Betrieb des Piezoaktors 1 in
Klemmposition. Dagegen ist das Aktorfederelement 8 ein reines Montagehilfsmittel, das
während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Piezoaktors 1 ohne Funktion
ist. Die nutzbaren Kräfte, die auf den Kolben 10 wirken, werden durch die Kraft
des Betätigungselementes 7 sowie die Kraft des Kolbenfederelementes 11
bestimmt. Der Verstellweg ΔSmax des Kolbenfederelementes 11 und der Verstellweg
ΔLmax des Betätigungselementes 7 sind derart aufeinander abgestimmt, dass
ΔSmax > ΔLmax ist und somit das Betätigungselement 7 stets an der Kolbenplatte
12 anliegt. Der Verstellweg ΔSmax des Kolbenfederelementes 11 beträgt
beispielsweise 0,2 mm; der Verstellweg ΔLmax des Betätigungselementes 7
beispielsweise 0,08 mm. Bei montiertem Kolbenhalter 4 ist damit der maximale
Verstellweg des Kolbens 10 auf den maximalen Verstellweg ΔLmax des
Betätigungselementes 7 eingestellt.
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Die Fig. 3a zeigt als Teile eines Piezoaktors 1 ein Piezostellelement 2 in einer
Aufnahme 3 mit einem Klemmelement 15. In Fig. 3b ist ein Schnitt A-A aus Fig.
3a dargestellt. Das auch als Piezostack bezeichnete Piezostellelement 2 ragt
beiderseits aus einem Piezoblock 16 als Teil des Gehäuses 5 heraus. An dem
Piezoblock 16 sind Haltestäbe 17 befestigt, die die Grundplatte oder Piezofederplatte
9 tragen. Das Klemmelement 15 ist mittels eines Handrades 18 in den Piezoblock
16 einschraubbar. Der Piezostack 2 ist im Piezoblock 16 von drei parallel zu
diesem angeordneten vorzugsweise weichen Klemmstiften 19 umgeben. Das
Klemmelement 15 übt über einen harten Klemmstift 20 einen Druck auf einen dieser
weichen Klemmstifte 19 aus, so dass der Piezostack 2 beschädigungsfrei
zwischen den drei weichen Klemmstiften 19 eingespannt ist. Auf der dem
Klemmelement 15 gegenüber liegenden Seite des Piezostellelementes 2 ist ein
Drucksensor 21 angeordnet, über den die Fixierung des Piezostellelementes 2 anzeigbar
ist. Eine an den Drucksensor 21 angeschlossene Signalleitung 22 ragt auf der
dem Klemmelement 15 gegenüber liegenden Seite des Piezoblocks 16 aus
diesem heraus.
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Die Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen Piezoaktor 1 mit den in den Fig. 3a, 3b
dargestellten Teilen. Der Piezoblock 16 ist über einen Distanzklotz 23 an einer
Kopfanschraubplatte 24 befestigt. Eine Wärmeisolierungsplatte 25 und eine
Zwischenplatte 26 sind ebenfalls fest mit dem Piezoblock 16 verbunden. Der
Kolbenhalter 4 ist mehrteilig mit einer Niederhalteplatte 33, einem Chipaufnahmerahmen
35, in dem ein TopSpot-Dosierchip 34 eingelegt ist, und einer Aufnahmeplatte 27
aufgebaut. Die Aufnahmeplatte 27 ist wie in Fig. 5 dargestellt an Winkelhaltern 28
geführt. Zur besseren Wärmeübertragung von der Zwischenplatte 26 auf den
Kolbenhalter 4 befindet sich in einer Aussparung der Zwischenplatte 26 eine
Wärmeleitfolie 32.
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Die Fig. 5, 6, 7 und 8 zeigen in verschiedenen Ansichten den gesamten
Piezoaktor 1. Zur Fixierung der Aufnahmeplatte 27 innerhalb des Kolbenhalters 4
dient ein Klemmzapfen 29, der über einen Klemmgriff 30 betätigbar ist. Die
Aufnahmeplatte 27 ist mittels eines Griffes 31 bei gelösten Klemmgriffen 30 leicht aus
dem Kolbenhalter 4 entnehmbar.
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Durch den modularen Aufbau des Gehäuses 5 mit einer Aufnahme 3 und einem
mit dieser verbindbaren Kolbenhalter 4 ist der Piezoaktor 1 sehr gut für die
Verwendung mit unterschiedlichen Kolben 10, Kolbenhaltern 4 sowie
Piezostellelementen 2 geeignet. Besonders vorteilhaft ist die Selbstjustierung des
Piezostellelementes 2 bei der Montage des Kolbenhalters 4 an der Aufnahme 3.
Bezugszeichenliste
1 Piezoaktor
2 Piezostellelement
3 Aufnahme
4 Kolbenhalter
5 Gehäuse
6 Aktorhülse
7 Betätigungselement
8 Aktorfederelement
9 Grundplatte
10 Kolben
11 Kolbenfederelement
12 Kolbenplatte
13 Anschlag
14 Aufnahmefläche
15 Klemmelement
16 Piezoblock
17 Haltestäbe
18 Handrad
19 Weiche Klemmstifte
20 Harter Klemmstift
21 Drucksensor
22 Signalleitung
23 Distanzklotz
24 Kopfanschraubplatte
25 Wärmeisolierungsplatte
26 Zwischenplatte
27 Aufnahmeplatte
28 Winkelhalter
29 Klemmzapfen
30 Klemmgriff
31 Griff
32 Wärmeleitfolie
33 Niederhalteplatte
34 TopSpot-Dosierchip
35 Chipaufnahmerahmen
ΔLmax max. Verstellweg des
Betätigungselementes
ΔSmax max. Verstellweg des
Kolbenfederelementes