DE9405600U1 - Application head for the metered delivery of flowing media - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
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Dipl.-lng. Bernd Sonnet*Dipl.-lng. Bernd Sonnet*
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* Zugelassen beim Europäischen Patentamt 42275 Wuppertal-Bannen* Authorized by the European Patent Office 42275 Wuppertal-Bannen
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Anmelderin: ITW DYNATEC KlebetechnikApplicant: ITW DYNATEC Klebetechnik
Holding GmbH
Max-Planckstr. 15Holding GmbH
Max-Planckstr. 15
40699 Erkrath40699 Erkrath
BezeichnungDesignation
der Erfindung: Auftragskopf zur dosierten Abgabe vonof the invention: Application head for the dosed dispensing of
strömenden Medienstreaming media
Die Erfindung betrifft einen Auftragskopf zur dosierten Abgabe von strömenden Medien, insbesondere Schmelzkleber, Schmierstoffe, Farben od. dgl., mit einem Gehäuse, in dem ein Ventilglied und ein Ventilantrieb angeordnet sind, der wenigstens aus einem, mit einer Spannungsquelle verbundenen piezoelektrischen Element besteht, welches mehrere parallel nebeneinander angeordnete Piezo-Stapel aufweist, die nachgiebig gelagert sind, wobei der Ventilantrieb zumindest mittelbar auf das Ventilglied einwirkt.The invention relates to an application head for the metered dispensing of flowing media, in particular hot melt adhesives, lubricants, paints or the like, with a housing in which a valve member and a valve drive are arranged, which consists of at least one piezoelectric element connected to a voltage source, which has several piezo stacks arranged parallel to one another, which are flexibly mounted, wherein the valve drive acts at least indirectly on the valve member.
Ein derartiger druckschriftlich nicht belegbarer, offenkundig vorbenutzter Auftragskopf dient zum Auftragen von beispielsweise Heißkleber auf ein aus Karton, Papier, Textil, Vlies und dergleichen bestehendes Substrat. Dabei wird das bahnenförmige Substrat an dem feststehenden Auftragskopf vorbeigeführt. Der Auftragskopf weist einen Ventilantrieb auf, der aus einem piezoelektrischen Element besteht, wobei das piezoelektrische Element direkt auf das Ventilglied ein-Such an application head, which cannot be documented in printed documents and is clearly previously used, is used to apply hot glue, for example, to a substrate made of cardboard, paper, textile, fleece and the like. The web-shaped substrate is guided past the fixed application head. The application head has a valve drive which consists of a piezoelectric element, whereby the piezoelectric element is applied directly to the valve member.
Postgiroanil .".Ciedit- un*r\otk*ß*nli'CmIjIi*. .'t'pmrncrzhank AG USt-IdNr.Postgiroanil .".Ciedit- un*r\otk*ß*nli'CmIjIi*. .'t'pmrncrzhank AG VAT ID No.
Essen \.*M&i«>«r4l-Bjirnii:ri. I". I I I Viuppcrtal-Barmen VAT-No.Essen \.*M&i«>«r4l-Bjirnii:ri. I". III Viuppcrtal-Barmen VAT-No.
(BLZ360 10043)44504-431 ..*(ßl,2 3.1*Wifft) Φ&&Lgr;&Igr;*83&Igr;·()24.· *.i«LZ 330 400 01) 4 034 823 DE 121068676(BLZ360 10043)44504-431 ..*(ßl,2 3.1*Wifft) Φ&&Lgr;&Igr;*83&Igr;·()24.· *.i«LZ 330 400 01) 4 034 823 DE 121068676
wirkt. Der piezoelektrisch angetriebene Auftragskopf hat den Vorteil, daß seine maximale Frequenz deutlich größer ist als der von elektro-magnetisch oder pneumatisch betätigten Auftragsköpfen. Darüber hinaus ist es mit diesem bekannten Stand der Technik möglich, wesentlich größere Ventilkräfte zu erzeugen. Letztlich baut ein piezoelektrisch angetriebener Auftragskopf wesentlich kleiner als elektrisch oder pneumatisch angetriebene Auftragsköpfe.The piezoelectrically driven application head has the advantage that its maximum frequency is significantly higher than that of electromagnetically or pneumatically operated application heads. In addition, this known state of the art technology makes it possible to generate significantly higher valve forces. Ultimately, a piezoelectrically driven application head is significantly smaller than electrically or pneumatically driven application heads.
Nachteiligerweise ist jedoch der durch den piezoelektrischen Antrieb erzeugte Ventilhub sehr klein, da das piezoelektrische Element bei Anlegen einer Spannung nur einen maximalen Hub von ca. 1,4 bis 1,7 o/oo seiner Gesamtlänge aufweist.However, the disadvantage is that the valve stroke generated by the piezoelectric drive is very small, since the piezoelectric element only has a maximum stroke of approximately 1.4 to 1.7 o/oo of its total length when a voltage is applied.
Da sich piezoelektrische Elemente grundsätzlich bei der Erwärmung deutlich ausdehnen, besteht das piezoelektrische Element aus Gründen der Temperaturkompensation aus drei parallel nebeneinander angeordneten Piezo-Stapeln, die auf aufwendige Weise federnd gelagert sind, wobei ausschließlich der mittlere Piezo-Stapel der Ventilbetätigung dient. Diese Art der Temperaturkompensation verteuert die Herstellung des bekannten Auftragskopfes erheblich.Since piezoelectric elements generally expand significantly when heated, the piezoelectric element consists of three parallel piezo stacks arranged next to each other for temperature compensation reasons, which are spring-mounted in a complex manner, with only the middle piezo stack being used to actuate the valve. This type of temperature compensation makes the production of the known application head considerably more expensive.
Darüber hinaus besteht bei dem bekannten Auftragskopf, insbesondere bei der Verwendung von Heißklebern, die Temperaturen zwischen 150 und 200° Celsius aufweisen, die Gefahr, daß das piezoelektrische Element über seine Temperaturgrenze von 100 bis 130° Celsius hinaus erwärmt und dadurch zerstört wird.In addition, with the known application head, especially when using hot glue with temperatures between 150 and 200° Celsius, there is a risk that the piezoelectric element will be heated beyond its temperature limit of 100 to 130° Celsius and thus destroyed.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einenThe object of the invention is therefore to provide a
einfach und kostengünstig herzustellenden, piezoelektrisch angetriebenen Auftragskopf zu schaffen, der nicht nur im Niedrigtemperaturbereich, sondern auch im Hochtemperaturbereich einsetzbar ist.to create a piezoelectrically driven application head that is easy and inexpensive to manufacture and can be used not only in the low temperature range, but also in the high temperature range.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 , insbesondere durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1, wonach der Ventilantrieb eine im Bereich eines Gelenks schwenkbar gelagerte Wippe und ein piezoelektrisches Element aus zwei Piezo-Stapeln aufweist, daß ein freier Endbereich der Wippe mit dem Ventilglied verbunden ist und daß am gelenkseitigen Endbereich der Wippe die Piezo-Stapel im gleichen Abstand beidseitig einer senkrecht durch das Gelenk verlaufenden Achse angeordnet sind und abwechselnd auf die Wippe einwirken.The solution to this problem is achieved by the features of patent claim 1, in particular by the features of the characterizing part of patent claim 1, according to which the valve drive has a rocker pivotably mounted in the area of a joint and a piezoelectric element made up of two piezo stacks, that a free end area of the rocker is connected to the valve member and that on the end area of the rocker on the joint side the piezo stacks are arranged at the same distance on both sides of an axis running vertically through the joint and act alternately on the rocker.
Der erfindungsgemäße Auftragskopf hat grundsätzlich den Vorteil, daß der piezoelektrische Ventilantrieb bei vorhandener automatischer Temperaturkompensation nunmehr nur noch aus zwei Piezo-Stapeln besteht, wobei durch die Übertragung der von den zwei Piezo-Stapeln ausgehenden Bewegung mittels einer Wippenkonstruktion die geringfügige Längenvergrößerung jedes einzelnen Piezo-Stapels in einen relativ großen Ventilhub umgewandelt wird. Des weiteren wird durch den erfindungsgemäßen Ventilantrieb eine große Ventilkraft von ca. 3000 N zur Verfügung gestellt, wobei die Zeit für einen Öffnungs- und Schließzyklus nur 0,8 bis o,25 ms beträgt.The application head according to the invention has the basic advantage that the piezoelectric valve drive, with automatic temperature compensation, now only consists of two piezo stacks, whereby the slight increase in length of each individual piezo stack is converted into a relatively large valve stroke by transmitting the movement emanating from the two piezo stacks by means of a rocker construction. Furthermore, the valve drive according to the invention provides a large valve force of approx. 3000 N, whereby the time for an opening and closing cycle is only 0.8 to 0.25 ms.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Ventilantrieb sehr einfach aus wenigen Teilen aufgebaut, wodurch er einer-In addition, the valve drive according to the invention is very simply constructed from just a few parts, which makes it
seits kostengünstig herzustellen ist und andererseits ingesamt eine geringe Baugröße aufweist. So hat der erfindungsgemäße Auftragskopf eine Breite von weniger als 20 mm.on the one hand it is inexpensive to manufacture and on the other hand it has a small overall size. The application head according to the invention has a width of less than 20 mm.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wippe über das als biegsame, schmale Werkstoffbrücke ausgebildete Gelenk stoffschlüssig mit einem ortsfest angeordneten Basisteil verbunden und die Wippe und das Basisteil sind beidseitig des Gelenks durch einen durchgehenden Spalt voneinander beabstandet.In one embodiment of the invention, the rocker is materially connected to a stationary base part via the joint designed as a flexible, narrow material bridge, and the rocker and the base part are spaced apart from each other on both sides of the joint by a continuous gap.
Dieser erfindungsgemäße Aufbau des Ventilantriebs hat den Vorteil, daß die Wippe, wie auch das Basisteil aus einem Werkstück mittels des bekannten Funkenerosionsverfahren hergestellt werden können. Dadurch wird ein sehr kleines, kompaktes Antriebsbauteil geschaffen. Dabei ist die Breite des Spaltes zwischen Wippe und Basisteil nur so groß, daß die Wippe während des Betriebs des Auftragskopfes frei beweglich ist.This inventive design of the valve drive has the advantage that the rocker and the base part can be manufactured from one workpiece using the known spark erosion process. This creates a very small, compact drive component. The width of the gap between the rocker and the base part is only large enough for the rocker to be freely movable during operation of the application head.
Eine darauf aufbauende weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Piezo-Stapel mit einem Verbindungsteil verklebt' ist, welches mittels einer biegsamen, schmalen Werkstoffbrücke mit der Wippe verbunden ist.A further embodiment of the invention based on this is characterized in that each piezo stack is glued to a connecting part, which is connected to the rocker by means of a flexible, narrow material bridge.
Zur Verhinderung von für die Piezo-Stapel besondersTo prevent particularly for the piezo stacks
schädlichen Querspannungen während der Bewegung der Wippe, werden diese mit einem Verbindungsteil verklebt, welches ebenfalls biegegelenkig mit der Wippe verbunden ist. Auch diese Gelenkverbindung ist durch das oben genannte Funkenero-harmful transverse stresses during the movement of the rocker, these are glued to a connecting part, which is also connected to the rocker with a flexible joint. This joint connection is also made possible by the spark erosion mentioned above.
sionsverfahren auf einfache Weise und kostengünstig herzustellen. Dies bedeutet eine herstellungstechnische Vereinfachung, da das Basisteil, die Wippe und die Verbindungsteile aus einem Werkstück hergestellt werden können. Diese Wippenkonstruktion hat auch den Vorteil, daß sie eine sehr hohe Lebensdauer von über 250 Millionen Zyklen aufweist.manufacturing process in a simple and cost-effective manner. This means a simplification in terms of manufacturing technology, as the base part, the rocker and the connecting parts can be made from one workpiece. This rocker design also has the advantage of having a very long service life of over 250 million cycles.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzt sich das Gehäuse aus zwei Gehäuseteilen zusammen, zwisehen denen eine thermische Trennschicht angeordnet ist, welche nur von dem stangenförmigen Ventilglied durchbrochen ist. Das erste Gehäuseteil beinhaltet den aus dem piezoelektrischen Element und der Wippe bestehenden Ventilantrieb und das zweite Gehäuseteil weist einen temperierten Kanal für das Medium sowie die durch einen Ventilkörper zu verschließende Ventilöffnung auf.In a preferred embodiment of the invention, the housing is made up of two housing parts, between which a thermal separating layer is arranged, which is only penetrated by the rod-shaped valve member. The first housing part contains the valve drive consisting of the piezoelectric element and the rocker, and the second housing part has a tempered channel for the medium and the valve opening to be closed by a valve body.
Diese erfindungsgemäße Ausführungsform eines Auftragskopfes kann vorteilhafterweise auch zur dosierten Abgabe von heißen Medien, insbesondere Heißkleber eingesetzt werden. Durch den zweiteiligen Aufbau des Gehäuses und die zwischengeordnete thermische Trennschicht wird bereits eine ganz erhebliche thermische Abkoppelung der beiden Teile erreicht. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Konstruktion des Ventilantriebs auch die räumliche Trennung der für den Durchtritt des Ventilglieds notwendigen Öffnung und den aus Piezo-Stapeln bestehenden Antrieb. Dadurch wird die notwendigerweise vorhandene Schwächezone in bezug auf die thermische Trennung der beiden Gehäuseteile erheblich von den Piezo-Stapein beabstandet. Das heißt, der nicht vollständig zu verhindernde Wärmeverlust im Bereich des die beiden GehäuseteileThis embodiment of an application head according to the invention can also be used advantageously for the metered dispensing of hot media, in particular hot glue. The two-part construction of the housing and the intermediate thermal separation layer already achieve a very significant thermal decoupling of the two parts. In addition, the design of the valve drive according to the invention also enables the spatial separation of the opening required for the passage of the valve member and the drive consisting of piezo stacks. This means that the necessarily existing weak zone with regard to the thermal separation of the two housing parts is significantly spaced from the piezo stacks. This means that the heat loss in the area of the two housing parts, which cannot be completely prevented,
verbindenden Ventilglieds führt zwar lokal zu einer Erwärmung, die jedoch nicht so groß ist, daß eine Gefährdung für die Piezo-Stapel besteht.connecting valve element leads to local heating, but this is not so great that there is a risk to the piezo stacks.
Bei einer auf der zuletzt beschriebenen Ausführungsform aufbauenden weiteren Ausführungsform weist das Ventilglied einen quer zur Längserstreckung der Wippe verlaufenden Biegekardan auf. Dieser im Bereich des ersten Gehäuseteiles im Ventilglied angeordnete Biegekardan hat zunächst einmal die Funktion, die kreisförmige Schwenkbewegung der Wippe auszugleichen. Darüber hinaus weist jedoch der Biegekardan auch den wesentlichen Vorteil auf, daß er einen hohen Wärmewiderstand besitzt und somit über die Ventilstange nur im geringen Umfang Wärme übertragen werden kann.In a further embodiment based on the last described embodiment, the valve member has a flexible cardan that runs transversely to the longitudinal extension of the rocker. This flexible cardan, which is arranged in the area of the first housing part in the valve member, has the primary function of compensating for the circular pivoting movement of the rocker. In addition, however, the flexible cardan also has the significant advantage that it has a high thermal resistance and thus only a small amount of heat can be transferred via the valve rod.
Da eine gewisse Erwärmung und damit Ausdehnung des piezoelektrischen Antriebsteils nicht verhinderbar ist, weist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform an den von der Wippe wegweisenden Endbereichen der Piezo-Stapel eine nachgiebige Deckplatte auf. Durch diese nachgiebige Deckplatte wird für die sich aufgrund einer Temperaturerhöhung ergebende thermische Längenänderung der piezoelektrischen Elemente auf einfache Weise Raum geschaffen. Die beiden piezoelektrischen Elemente erwärmen sich gleichmäßig, wobei durch die Anordnung der Piezo-Stapel jeweils im gleichen Abstand von der durch das Gehäuse senkrecht verlaufenden Achse an der Wippe eine automatische Temperaturkompensation gegeben ist.Since a certain amount of heating and thus expansion of the piezoelectric drive part cannot be prevented, a further advantageous embodiment has a flexible cover plate on the end areas of the piezo stacks facing away from the rocker. This flexible cover plate easily creates space for the thermal change in length of the piezoelectric elements resulting from an increase in temperature. The two piezoelectric elements heat up evenly, whereby the arrangement of the piezo stacks at the same distance from the axis running vertically through the housing on the rocker provides automatic temperature compensation.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Spannungsquelle und den piezoelektrischen Elementen eine den Energieverbrauch verringernde La-In a particularly preferred embodiment of the invention, a load that reduces energy consumption is provided between the voltage source and the piezoelectric elements.
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dungspumpenanordnung vorhanden, welche im wesentlichen einen vollständigen Ladungsaustausch ermöglicht.A charge pump arrangement is present, which essentially enables a complete charge exchange.
Der verringerte Energieverbrauch des piezoelektrischen Elements führt auf besonders vorteilhafte Weise auch zu geringeren Wärmeverlusten in der Elektronik, wodurch die Piezo-Stapel in geringerem Umfang erwärmt werden. Darüber hinaus ist natürlich auch der Betrieb des Auftragskopfes insgesamt kostengünstiger.The reduced energy consumption of the piezoelectric element also leads to lower heat losses in the electronics, which means that the piezo stacks are heated to a lesser extent. In addition, the operation of the application head is of course also more cost-effective overall.
Auf vorteilhafte Weise kann die Ladungspumpenanordnung einen aus einer Spule und einem Kondensator bestehenden Zwischenspeicher, eine Vielzahl von auf den Zwischenspeicher und die Piezo-Stapel einwirkenden Transistoren und eine die UmIadevorgänge bestimmende programmierbare Steuerung aufweisen. Durch diese elektronische Anordnung ist es möglich, die elektrische Ladung im wesentlichen vollständig von einem Piezo-Stapel auf den anderen Piezo-Stapel zu transformieren, so daß während des Betriebs des Auftragskopfes nur so viel Energie zugeführt werden muß, daß die Wärmeverluste und die aufgrund der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie entstehenden Verluste gedeckt werden.The charge pump arrangement can advantageously have an intermediate storage device consisting of a coil and a capacitor, a large number of transistors acting on the intermediate storage device and the piezo stacks and a programmable controller that determines the charging processes. This electronic arrangement makes it possible to transform the electrical charge essentially completely from one piezo stack to the other piezo stack, so that during operation of the application head only enough energy needs to be supplied to cover the heat losses and the losses resulting from the conversion of electrical energy into mechanical energy.
Letztlich weist eine besonders bevorzugte Ausführungsform einen Ventilantrieb mit einer Wegmeß-Vorrichtung auf, welche aus einer ortsfest angeordneten Leiterplatine und zwei beabstandet darauf befestigten stromdurchflossenen Spulen besteht, zwischen die ein zungenhafter Fortsatz der Wippe ragt.Finally, a particularly preferred embodiment has a valve drive with a position measuring device, which consists of a stationary printed circuit board and two current-carrying coils attached to it at a distance, between which a tongue-like extension of the rocker protrudes.
Mit Hilfe dieses Wegmeßsystems ist es möglich, das Ventil so zu regeln, daß eine ganz bestimmte Ventilkurve er-With the help of this position measuring system, it is possible to control the valve in such a way that a very specific valve curve is achieved.
reicht wird. Durch die Bewegung des zungenartigen Fortsatzes parallel zur Wippenbewegung ändert sich nämlich die Induktivität der stromdurchflossenen Spulen. Falls sich der zungenartige Fortsatz nach unten bewegt, wird die Induktivität der unteren Spule größer und die Induktivität der oberen Spule kleiner. Diese Induktivitätsänderungen werden gemessen und sind ein direkter Maßstab für die Stellung des Ventils.is reached. The movement of the tongue-like extension parallel to the rocker movement changes the inductance of the current-carrying coils. If the tongue-like extension moves downwards, the inductance of the lower coil becomes larger and the inductance of the upper coil becomes smaller. These inductance changes are measured and are a direct measure of the position of the valve.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen sowie der Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispxels. Es zeigen:Further advantages of the invention emerge from the following subclaims and the description of an exemplary embodiment. They show:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Auftragskopf,Fig. 1 a longitudinal section through an application head,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Auftragskopfes gemäß des in Fig. 1 mit II bezeichneten Ansichtspfeils,Fig. 2 is a side view of the application head according to the arrow marked II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Auftragskopfes gemäß des
in Fig. 2 mit III bezeichneten Ansichtspfeils und
20Fig. 3 is a side view of the application head according to the arrow marked III in Fig. 2 and
20
Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ventilelektronik. Fig. 4 a simplified block diagram of the valve electronics.
In den Zeichnungen ist der Auftragskopf zur dosierten Abgabe von Heißkleber insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. In the drawings, the application head for the metered dispensing of hot glue is designated as a whole with the reference number 10.
Der Auftragskopf weist ein Gehäuse 11 auf, welches inThe application head has a housing 11 which is
Gehäuseteile 12 und 13 unterteilt ist. Zwischen den schraubverbundenen Gehäuseteilen 12 und 13 ist eine thermische Trennschicht 14 angeordnet. Eine Vielzahl von AuftragsköpfenHousing parts 12 and 13 are divided. A thermal separating layer 14 is arranged between the screw-connected housing parts 12 and 13. A large number of application heads
10 werden mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 40 in einer nicht dargestellten Kleberauftragsmaschine nebeneinander angeordnet .10 are arranged next to one another in an adhesive application machine (not shown) using a fastening device 40.
Im Gehäuseteil 12 ist im wesentlichen ein Ventilantrieb 15, eine Kammer 16 für nicht dargestellte elektronische Bauteile und eine elektrische Versorgungs- und Steuerleitung 18 vorhanden. Das Gehäuseteil 13 beinhaltet ein stangenförmiges Ventilglied 19, welches in einen Ventilkopf 20 hineinragt, eine Heizvorrichtung 21 und einen Heißkleberkanal 22 auf.The housing part 12 essentially contains a valve drive 15, a chamber 16 for electronic components (not shown) and an electrical supply and control line 18. The housing part 13 contains a rod-shaped valve member 19, which projects into a valve head 20, a heating device 21 and a hot-melt adhesive channel 22.
Der Ventilantrieb 15 erfolgt über ein aus zwei Piezo-Stapeln 23 bestehendes piezoelektrisches Element 24, welches einseitig an einer nachgiebigen, mit Schrauben S befestigten Deckplatte 17 anliegt. Die Piezo-Stapel 23 sind jeweils aus ca. 200 0,1 mm dicken keramischen Scheiben aufgebaut, die miteinander verklebt werden.The valve drive 15 is carried out by a piezoelectric element 24 consisting of two piezo stacks 23, which rests on one side on a flexible cover plate 17 fastened with screws S. The piezo stacks 23 are each made up of approximately 200 0.1 mm thick ceramic disks, which are glued together.
Des weiteren weist der Ventilantrieb 15 eine Wippe 25 auf, welche über ein Gelenk 26 mit einem Basisteil 27 verbunden ist. Während das Ventilglied 19 mittels einer Schraubverbindung 29 an einem freien Endbereich 28 der Wippe 25 befestigt ist, sind am gelenkseitigen Endbereich 30 der Wippe 25 die beiden Piezo-Stapel 23 in nachfolgend beschriebener Weise gelenkig angeordnet.Furthermore, the valve drive 15 has a rocker 25, which is connected to a base part 27 via a joint 26. While the valve member 19 is attached to a free end region 28 of the rocker 25 by means of a screw connection 29, the two piezo stacks 23 are arranged in an articulated manner on the joint-side end region 30 of the rocker 25 in the manner described below.
Nicht nur die Wippe 25, das Gelenk 26 und das Basisteil 27, sondern auch zwei der gelenkigen Befestigung der Piezo-Stapel 23a und 23b an der Wippe 25 dienende Verbindungsteile 31 sind miteinander stoffschlüssig verbunden. Sie sind gemeinsam aus einem einzigen Bauteil durch Zuhilfenahme desNot only the rocker 25, the joint 26 and the base part 27, but also two connecting parts 31 used for the articulated attachment of the piezo stacks 23a and 23b to the rocker 25 are connected to one another in a materially bonded manner. They are made together from a single component by means of the
Funkenerosionsverfahrens hergestellt worden. So besteht das die Wippe 25 mit dem Basisteil 27 verbindende Gelenk 26 aus einer biegsamen, schmalen Werkstoffbrücke, welche beidseitig durch einen der Relativbewegung der Wippe 25 gegenüber dem Basisteil 27 dienenden Spalt 32 begrenzt ist. Auf die gleiche Weise sind auch die Verbindungsteile 31 , welche mit den Piezo-Stapeln 23 verklebt sind, jeweils über ein Gelenk 33 stoffschlüssig mit der Wippe 25 verbunden.spark erosion process. The joint 26 connecting the rocker 25 to the base part 27 consists of a flexible, narrow material bridge, which is limited on both sides by a gap 32 that serves the relative movement of the rocker 25 with respect to the base part 27. In the same way, the connecting parts 31, which are glued to the piezo stacks 23, are each connected to the rocker 25 in a material-locking manner via a joint 33.
Die Piezo-Stapel 23a und 23b sind beidseitig einer senkrechten, durch das Gelenk verlaufenden Achse G jeweils in einem Abstand d über das Gelenk 33 mittelbar mit der Wippe 25 verbunden. Dadurch ergibt sich in Verbindung mit der nachgiebigen Lagerung der Piezo-Stapel 23a und 23b durch die Deckplatte 17 eine automatische Temperaturkompensation.The piezo stacks 23a and 23b are connected to the rocker 25 on both sides of a vertical axis G running through the joint, each at a distance d via the joint 33. This, in conjunction with the flexible mounting of the piezo stacks 23a and 23b by the cover plate 17, results in automatic temperature compensation.
Da die Piezo-Stapel 23a und 23b mit einer Spannungsquelle verbunden sind, ist eine nicht dargestellte, jeweils an das Verbindungsteil 31 angrenzende untere Scheibe der Piezo-Stapel 23a und 23b als Isolierschicht ausgebildet, welche die elektrische Trennung von Wippe 25 und Piezo-Stapel 23a und 23b sicherstellt.Since the piezo stacks 23a and 23b are connected to a voltage source, a lower disk (not shown) of the piezo stacks 23a and 23b, which is adjacent to the connecting part 31, is designed as an insulating layer, which ensures the electrical separation of the rocker 25 and the piezo stacks 23a and 23b.
Das mit dem freien Endbereich 28 der Wippe 25 verbundene, stangenförmige Ventilglied 19 durchgreift im Bereich einer Öffnung 34 die thermische Trennschicht 14 zwischen den Gehäuseteilen 12 und 13. Unterhalb der Öffnung 34 ist eine Messinghülse 35 angeordnet, die der Aufnahme eines Dichtsystems dient. Die Messinghülse 35 weist eine Leckbohrung 36 auf, die quer zur Längsachse des Ventilglieds 19 verläuft. Falls eine im unteren Bereich der Messinghülse 35 angeordneteThe rod-shaped valve member 19 connected to the free end region 28 of the rocker 25 passes through the thermal separating layer 14 between the housing parts 12 and 13 in the area of an opening 34. A brass sleeve 35 is arranged below the opening 34, which serves to accommodate a sealing system. The brass sleeve 35 has a leak hole 36 that runs transversely to the longitudinal axis of the valve member 19. If a
teflongefüllte Ringdichtung 37 undicht werden sollte, tritt aus der Leckbohrung 36 erkennbar Heißkleber aus. Die Leckbohrung 36 ist jedoch zugleich auch als Montagebohrung für die im Gehäuseteil 13, angrenzend an die Messinghülse 35 angeordnete Heizpatrone 21 vorgesehen.If the Teflon-filled ring seal 37 should leak, hot glue will visibly leak from the leak hole 36. However, the leak hole 36 is also intended as a mounting hole for the heating cartridge 21 arranged in the housing part 13, adjacent to the brass sleeve 35.
Oberhalb der Heizpatrone 21 ist gestrichelt in der Fig. 1 ein Temperatursensor 38 dargestellt. Unterhalb der Heizpatrone 21 wird im Heißkleberkanal 22 unter hohem Druck der Heißkleber von einer nicht dargestellten Schmelzvorrichtung und einer beheizten Schlauchleitung hin zum Ventilkopf 20 transportiert. Der Heißkleberkanal 22 mündet in einen das Ventilglied 19 umgebenden Ringraum 41. Am freien Ende weist das Ventilglied 19 einen Ventilkörper 42, der mit einer der Drehverstellung des Ventilglieds dienenden Betätigungsnut N versehen ist. Mittels des Ventilkörpers 42 ist eine im Ventilkopf 20 vorhandene Ventilöffung verschließbar.Above the heating cartridge 21, a temperature sensor 38 is shown in dashed lines in Fig. 1. Below the heating cartridge 21, the hot glue is transported under high pressure in the hot glue channel 22 from a melting device (not shown) and a heated hose line to the valve head 20. The hot glue channel 22 opens into an annular space 41 surrounding the valve member 19. At the free end, the valve member 19 has a valve body 42 which is provided with an actuating groove N serving to rotate the valve member. A valve opening in the valve head 20 can be closed by means of the valve body 42.
In der in Fig. 1 dargestellten Situation liegen Dichtflächen 43 des Ventilkörpers 42 an einem aus gehärtetem Stahl bestehenden Ventilsitz 44 an. In der Nähe des Ventilkörpers 42 ist mittels einer Düsenplatte 45 ein Düsenbauteil 46 am Ventilkopf 20 schraubbefestigt. Der Düsenkörper 46 weist mittig einen feinen Düsenkanal 47 auf, durch welcher der Heißkleber dosiert auf ein nicht dargestelltes Substrat abgegeben werden kann.In the situation shown in Fig. 1, sealing surfaces 43 of the valve body 42 rest against a valve seat 44 made of hardened steel. Near the valve body 42, a nozzle component 46 is screwed to the valve head 20 by means of a nozzle plate 45. The nozzle body 46 has a fine nozzle channel 47 in the middle, through which the hot glue can be dispensed in a metered manner onto a substrate (not shown).
In den Fig. 2 und 3 sind Seitenansichten des Auftragskopfes 10 dargestellt. Fig. 2 zeigt die Seitenansicht gemäß einem in Fig. 1 mit II bezeichneten Ansichtspfeil. Zunächst wird deutlich, daß der Auftragskopf 10 nur eine geringeIn Fig. 2 and 3, side views of the application head 10 are shown. Fig. 2 shows the side view according to an arrow marked II in Fig. 1. Firstly, it is clear that the application head 10 has only a small
C ·
•3 ····C ·
•3 ····
Breite c aufweist, die beim Ausführungsbeispiel nur 12 mm beträgt.
Dadurch wird es möglich, eine Vielzahl von Auftragsköpfen 10 nebeneinander in einer Kleberauftragsmaschine mit
Hilfe der Befestigungsvorrichtung 40 anzuordnen.
5width c, which in the embodiment is only 12 mm. This makes it possible to arrange a large number of application heads 10 next to one another in an adhesive application machine with the aid of the fastening device 40.
5
Zwischen den Gehäuseteilen 12 und 13 ist die thermische Trennschicht 14 zu erkennen. Während oberhalb des Gehäuseteils 12 die mittels Schrauben S befestigte Deckplatte 17 dargestellt ist, zeigt die Seitenansicht des Gehäuseteils 13 einerseits die Leckbohrung 36 sowie die der Befestigung des Düsenbauteils 46 dienende Düsenplatte 45, die ihrerseits mittels nicht dargestellter Schrauben mit dem Ventilkopf 20 verbunden ist.The thermal separation layer 14 can be seen between the housing parts 12 and 13. While the cover plate 17 fastened by means of screws S is shown above the housing part 12, the side view of the housing part 13 shows on the one hand the leak hole 36 and the nozzle plate 45 used to fasten the nozzle component 46, which in turn is connected to the valve head 20 by means of screws (not shown).
In der Fig. 3 ist darüber hinaus die Seitenansicht gemäß einem in Fig. 1 mit III bezeichneten Ansichtspfeil zu sehen. In dieser Seitenansicht sind zusätzlich noch die Steuer- und Versorgungsleitung 18 sowie der Heißkleberkanal 22 zu erkennen. In Fig. 3, the side view can also be seen according to a view arrow marked III in Fig. 1. In this side view, the control and supply line 18 and the hot glue channel 22 can also be seen.
Eine Bewegung des in der Ruhelage an den Dichtflächen 43 umlaufend anliegenden Ventilkörpers 42 wird von den Piezo-Stapeln 23a und 23b dadurch bewirkt, daß letztere abwechselnd von einem elektrischen Potential beaufschlagt werden und sich ausdehnen.A movement of the valve body 42, which in the rest position rests against the sealing surfaces 43, is caused by the piezo stacks 23a and 23b in that the latter are alternately subjected to an electrical potential and expand.
Falls sich beispielsweise der Piezo-Stapel 23b unter Spannungsbeaufschlagung ausdehnt, wird die Wippe 25 mit einem in Richtung des Uhrzeigersinnes wirkenden Drehmoment beaufschlagt, durch welches sich die Wippe 25 und das damit verbundene Ventilglied 19 in x-Richtung bewegen. Durch den etwaIf, for example, the piezo stack 23b expands under voltage, the rocker 25 is subjected to a torque acting in a clockwise direction, which causes the rocker 25 and the valve member 19 connected to it to move in the x-direction. The approximately
• %%
0,15 bis 0,17 mm betragenden Hub des Ventilglieds 19 wird der
Ventilkörper 42 in Richtung zum Düsenkanal 47 bewegt, so daß der Heißkleber unter hohem Druck die sich ergebende Ventilöffnung
passiert.
5With a stroke of 0.15 to 0.17 mm of the valve member 19, the valve body 42 is moved in the direction of the nozzle channel 47 so that the hot melt adhesive passes through the resulting valve opening under high pressure.
5
Zum Ausgleich der kreisförmigen Bewegung des freien Endbereichs 28 der Wippe 25 weist die Ventilstange 29 einen quer zur Längserstreckung der Wippe 25 angeordneten Biegekardan 39 auf, der nur eine Dicke b von 0,1 bis 0,4 mm aufweist. Darüber hinaus wird durch den geringen Querschnitt des Biegekardans 39 die Wärmeleitung vom Gehäuseteil 13 hin zum Gehäuseteil 12 verringert.To compensate for the circular movement of the free end region 28 of the rocker 25, the valve rod 29 has a bending gimbal 39 arranged transversely to the longitudinal extension of the rocker 25, which has a thickness b of only 0.1 to 0.4 mm. In addition, the small cross section of the bending gimbal 39 reduces the heat conduction from the housing part 13 to the housing part 12.
Falls nun die Spannungsversorgung für den Piezo-Stapel 23b unterbrochen wird und die Spannung dann an dem Piezo-Stapel 23a angelegt wird, ergibt sich dementsprechend ein gegen den Uhrzeigersinn um das Gelenk 26 wirkendes Drehmoment. Dadurch wird die Wippe 25 und das Ventilglied 19 in y-Richtung nach oben bewegt. In diesem Falle bewegt sich auch der Ventilkörper 42 entgegen der Strömungsrichtung des Heißklebers - aus diesem Grunde spricht man vom sogenannten Negativ-Verschluß - in Richtung zum Ventilsitz 44, wodurch nach und nach der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt verringert wird. Durch diese gegen die Strömung und den hohen Druck des Heißklebers gerichtete Bewegung des Ventilkörpers 42 wird der letztlich unterhalb des Ventilkörpers 42 und im Heißkleberkanal 47 befindliche Heißkleber zurückgesaugt, wodurch der auf dem nichtdargestellten Substrat angeordnete Kleberpunkt eine gute Abrißkante aufweist.If the voltage supply for the piezo stack 23b is interrupted and the voltage is then applied to the piezo stack 23a, a torque acting counterclockwise around the joint 26 is created. This causes the rocker 25 and the valve member 19 to move upwards in the y-direction. In this case, the valve body 42 also moves against the flow direction of the hot glue - for this reason it is referred to as a negative closure - in the direction of the valve seat 44, whereby the available flow cross-section is gradually reduced. This movement of the valve body 42, directed against the flow and the high pressure of the hot glue, sucks back the hot glue located underneath the valve body 42 and in the hot glue channel 47, whereby the glue point arranged on the substrate (not shown) has a good tear-off edge.
Für einen Öffnungs- und Schließvorgang des Ventils benötigt
man nur eine Zeit von 0,8 bis 0,25 ms. Diese geringe Zykluszeit wird durch die hohe Reaktionsfähigkeit der Piezo-Stapel
23 erreicht.
5The opening and closing process of the valve only requires a time of 0.8 to 0.25 ms. This short cycle time is achieved by the high responsiveness of the piezo stacks 23.
5
Die Steuerung und Regelung des aus zwei Piezo-Stapeln 23a und 23b bestehenden piezoelektrischen Elements 24 erfolgt durch eine besondere Ventilelektronik 48, die im wesentlichen in der in Fig. 1 dargestellten Kammer 16 angeordnet ist. Die im einem Blockschaltbild in der Fig. 4 dargestellte Ventilelektronik 48 ermöglicht einerseits die abwechselnde Spannungsbeaufschlagung der beiden Piezo-Stapel 23a und 23b und andererseits eine besonders energiesparende und damit auch mit geringen Wärmeverlusten behafteten Betrieb des Auftragskopfes 10.The control and regulation of the piezoelectric element 24, which consists of two piezo stacks 23a and 23b, is carried out by a special valve electronics 48, which is essentially arranged in the chamber 16 shown in Fig. 1. The valve electronics 48 shown in a block diagram in Fig. 4 enables, on the one hand, the alternating application of voltage to the two piezo stacks 23a and 23b and, on the other hand, a particularly energy-saving operation of the application head 10, which also involves low heat losses.
Insbesondere zum Zwecke des verringerten Energieverbrauchs weist die Ventilelektronik 48 eine sogenannte Ladungspumpenanordnung 49 auf, welche grundsätzlich in der Fig.In particular for the purpose of reducing energy consumption, the valve electronics 48 has a so-called charge pump arrangement 49, which is basically shown in Fig.
4 dargestellt ist. Die Ladungspumpenanordnung 49 weist im wesentlichen einen Zwischenspeicher 50 und mehrere Leistungsfeldeffekttransistoren 51 auf, wobei der Zwischenspeicher 50 wie auch die Leistungsfeldeffekttransistoren 51 jeweils mit beiden Piezo-Stapeln 23a und 23b verbunden sind. Der Zwischenspeicher 50 beinhaltet eine Spule 52 und einen Kondensator 53. Die Energieeinsparung wird beim Betrieb des piezoelektrischen Elements 24 durch das bei der sogenannten Gegentaktanordnung der Piezo-Stapel 23a und 23b verwendbare Umladeprinzip erreicht.4. The charge pump arrangement 49 essentially has a buffer 50 and several power field effect transistors 51, whereby the buffer 50 as well as the power field effect transistors 51 are each connected to both piezo stacks 23a and 23b. The buffer 50 contains a coil 52 and a capacitor 53. The energy saving is achieved during operation of the piezoelectric element 24 by the charge reversal principle that can be used in the so-called push-pull arrangement of the piezo stacks 23a and 23b.
Grundsätzlich bedeutet dieses Umladeprinzip, daß die jeweils in einem Piezo-Stapel 23a oder 23b gespeicherte Energie (Ladung) "portionsweise" in den jeweils anderen Piezo-Stapel 23a oder 23b transformiert wird. Grundsätzlich erfolgt dies innerhalb der Ladungspumpenanordnung 49 dadurch, daß einerseits die Ladung eines Piezo-Stapels 23a oder 23b zeitweise im Zwischenspeicher 50 gespeichert wird und daß andererseits die Leistungsfeldeffekttransistoren 51 schrittweise durch gezieltes Schalten unterschiedlicher Netzwerke die gespeicherte Energie jeweils auf den anderen Piezo-Stapel 23a oder 23b transformieren. Der zeitliche Ablauf der Umladevorgänge und der jeweilige Schaltzustand der Leistungsfeldeffekttransistoren 51 wird durch eine programmierbare Steuerung 54 bestimmt. Auf die programmierbare Steuerung 54 wirkt jedoch noch eine Regelschaltung 55 ein, welche ständig den Soll-Ist-Wertvergleich des Spannungszustandes der einzelnen Piezo-Stapel 23a und 23b abfragt.Basically, this recharging principle means that the energy (charge) stored in a piezo stack 23a or 23b is transformed "portionally" into the other piezo stack 23a or 23b. Basically, this takes place within the charge pump arrangement 49 in that, on the one hand, the charge of a piezo stack 23a or 23b is temporarily stored in the buffer 50 and, on the other hand, the power field effect transistors 51 gradually transform the stored energy to the other piezo stack 23a or 23b by specifically switching different networks. The timing of the recharging processes and the respective switching state of the power field effect transistors 51 are determined by a programmable controller 54. However, the programmable controller 54 is also influenced by a control circuit 55, which constantly queries the target-actual value comparison of the voltage state of the individual piezo stacks 23a and 23b.
Durch dieses Umladeprinzip ist es möglich, daß die in einem Piezo-Stapel 23a oder 23b vorhandene Energie in den Primärkreis zurückgespeist, und dann wieder zur Erregung des jeweils anderen Piezo-Stapels 23a oder 23b verwendet werden kann.This recharging principle makes it possible for the energy present in a piezo stack 23a or 23b to be fed back into the primary circuit and then used again to excite the other piezo stack 23a or 23b.
Da bei diesen elektronischen Vorgängen jedoch ein kleiner Teil der Energie in Wärme umgesetzt und darüber hinaus ein größerer Teil der elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, besteht jedoch ständig die Notwendigkeit, daß dieses Energiedefizit ausgeglichen werden muß. Dies geschieht durch die mit dem Schaltregler 57 und der internen Spannungsversorgung 56 bereitgestellten Energie.However, since a small part of the energy is converted into heat during these electronic processes and a larger part of the electrical energy is converted into mechanical energy, there is always a need to compensate for this energy deficit. This is done using the energy provided by the switching regulator 57 and the internal voltage supply 56.
Darüber hinaus weist die Ventilelektronik 48 einen Taktgenerator 58 und eine Zustandsanzeige 59 auf, die jedoch außerhalb des Auftragskopfes 10 angeordnet sind. Während der Taktgenerator 58 - wie der Name sagt - den Takt für die ablaufenden elektronischen Vorgänge vorgibt, handelt es sich bei der Zustandsanzeige 59 um eine optische Anzeige für den Bediener.In addition, the valve electronics 48 have a clock generator 58 and a status display 59, which are, however, arranged outside of the application head 10. While the clock generator 58 - as the name suggests - sets the clock for the electronic processes taking place, the status display 59 is a visual display for the operator.
Die Ventilelektronik 48 weist auch noch einen Temperaturregler 60 auf, der die Ventil temperatur auf die an einem Sollwert-Potentiometer 61 vorgegebene Temperatur regelt. Dies bedeutet, daß der oberhalb der Heizpatrone 21 angeordnete Temperatursensor 38 ständig die Ventiltemperatur mißt. Nur wenn diese Temperatur mit der am Sollwert-Potentiometer 61 vorliegenden Temperatur übereinstimmt und somit die Arbeitstemperatur vorliegt, wird das Ventil von der programmierbaren Steuerung 54 freigegeben.The valve electronics 48 also have a temperature controller 60, which regulates the valve temperature to the temperature specified on a setpoint potentiometer 61. This means that the temperature sensor 38 arranged above the heating cartridge 21 constantly measures the valve temperature. The valve is only released by the programmable control 54 when this temperature matches the temperature present on the setpoint potentiometer 61 and the working temperature is therefore present.
Letztlich ist im Auftragskopf 10 im Bereich zwischen dem Basisteil 27 und der Wippe 25 noch ein Weg-Meßvorrichtung 62 angeordnet. Die Weg-Meßvorrichtung 62 besteht aus einer Leiterplatine 63 und zwei darauf befindlichen Spulen 64. Die Leiterplatine 63 ist in einer entsprechenden Aussparung 65 des Basisteils 27 befestigt. Zwischen die beiden auf der Leiterplatine 63 befestigten Spulen 64 ragt ein stoffschlüssig an der Wippe 25 angeordneter zungenartiger Fortsatz 66. Falls sich nun die Wippe 25 - angetrieben durch die Piezo-Stapel 23a oder 23b - bewegt, verändert sich die Stellung des zungenartigen Fortsatzes 66 zu den beiden oberhalb bzw. unterhalb des Fortsatzes 66 angeordneten Spulen 64. Durch dieseFinally, a path measuring device 62 is arranged in the application head 10 in the area between the base part 27 and the rocker 25. The path measuring device 62 consists of a circuit board 63 and two coils 64 located on it. The circuit board 63 is fastened in a corresponding recess 65 in the base part 27. A tongue-like extension 66 arranged in a material-locking manner on the rocker 25 protrudes between the two coils 64 fastened on the circuit board 63. If the rocker 25 now moves - driven by the piezo stacks 23a or 23b - the position of the tongue-like extension 66 changes in relation to the two coils 64 arranged above or below the extension 66. This
Lageveränderung des Fortsatzes 66 verändert sich auch die Induktivität der stromdurchflossenen Spulen 64, wobei die Induktivitätsveränderung ein direkter Maßstab für die Stellung des Ventilkörpers 42 innerhalb des Ventilkopfes 20 ist. Mit Hilfe dieses Meßverfahrens ist es möglich, in den Betriebsablauf des Auftragskopfes 10 so einzugreifen, daß eine ganz bestimmte Ventilkurve erreicht wird.When the position of the extension 66 changes, the inductance of the current-carrying coils 64 also changes, whereby the change in inductance is a direct measure of the position of the valve body 42 within the valve head 20. With the help of this measuring method, it is possible to intervene in the operating sequence of the application head 10 in such a way that a very specific valve curve is achieved.
Claims (11)
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Family Applications (1)
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