发明内容

总体而言，本发明所解决的问题是创造致动器阵列的高性能压电弯曲换能器以延长使用 寿命，特别是对于所提及的应用。

该问题通过具有独立权利要求的特征的压电致动器来解决，该压电致动器具有压电弯曲 换能器和由至少一排压电弯曲换能器组成的压电弯曲换能器阵列。

根据本发明的压电致动器和由其组成的压电致动器阵列，包括所公开的实施例，允许连 续的长期操作。

根据还要求保护的一种用于对准压电致动器的方法，重复执行压电致动器相对于致动器 的自动对准过程，以便能够以始终可再现的方式致动致动元件(例如微型阀的关闭元件)。 在对准过程中，压电致动器在这种情况下总是相对于致动元件返回到其参考或起始位置，以 消除压电元件、致动元件、微型阀或在壳体区域中的前述的不良变化，并且这种状态被冻结 直到下一个对准过程。在对准过程中，中间层在压电弯曲换能器的轴承区中被短暂熔化，并 且压电元件进入限定的充电状态。通过施加在压电弯曲换能器上的外力，使压电弯曲换能器 运动的活动端部或连接到其上的效应器相对于(against)参考止动件(例如，微型阀的关闭 元件)。该状态随后通过中间层的凝固而冻结，并且压电致动器再次处于其参考位置。

应当注意，根据本发明的对准过程可以以多种方式使用：例如，在组件的第一次安装和/ 或启动期间，特别是打印头、涂布头、给药头、分配头、液体阀门或气动阀门等，不一而足； 同样地在维护中，在为新应用修改组件时，在更改或替换外围组件以及在更改现有配置的操 作条件(例如，通过使其适应于更改后的应用或规范)时；特别是在打印头或涂布头的情况 下，当使其适应于不同或改变的涂布剂或更改的操作参数(温度、压力......)、涂布参数(层 厚度、涂布速度、滴落频率、滴落和喷射涂布之间的变化)时；此外，在改变参考止动件的 位置之后或者当要改变与参考止动件相关联的压电致动器的压电元件的充电状态时。总之， 如果压电致动器应参考任何类型的新的或改变的条件，则根据本发明的对准过程可用于任何 情况。

为了使上述对准过程成为可能，根据本发明用于执行致动运动的压电致动器具有必要的 装置和手段：为此，所述压电致动器首先具有由载体层制成的压电弯曲换能器，该载体层的 一侧或两侧至少部分地覆盖有压电薄片，还具有用于执行致动运动的活动端部，以及具有安 装有压电弯曲换能器的壳体和牢固地连接至其的致动元件或致动装置(例如微型阀门)。根 据本发明的压电致动器的特征还在于连接到壳体的参考止动件，用于确定致动元件或致动装 置的致动运动的参考位置，此外特征还在于第一轴承区域，该第一轴承区域包括致动器和壳 体的区域并且使得压电弯曲换能器的扭转φ1成为可能，此外特征还在于第二轴承区域，该第 二轴承区域具有在弯曲换能器侧的表面和在壳体侧的表面以及在这些表面之间的中间层，该 中间层连接所述表面并且可以被液化(在低温下)，并且最后特征还在于压力元件，用于在 第一轴承区域周围的压电弯曲换能器上相对于参考止动件产生偏转扭矩。

根据本发明的具有压电弯曲换能器和相应的压电弯曲换能器阵列的压电致动器首先具有 符合DE 10 2009 033 780 B4的现有技术的载体层，该载体层在其一侧(“单态”)或两侧(“双 态”)上被压电薄片覆盖，该压电薄片至少部分地覆盖/覆盖该载体层。该压电薄片还具有例 如由含银的厚层或薄膜结构制成的惯常的金属化层。此外，压电弯曲换能器(以及相应地压 电弯曲换能器阵列)具有用于执行致动运动的活动端部，并且具有用于确定致动运动的参考 位置的参考止动件，该致动运动与压电弯曲换能器的活动端部相关联，并且另外具有第一轴 承区域，该第一轴承区域被设计成使得所述压电弯曲换能器可以绕其旋转。它还具有第二轴 承区域，该第二轴承区域包含中间层，该中间层在位于弯曲换能器侧的表面和位于壳体侧的 表面之间，此外还具有在第一轴承区域的区域中的压力元件，该压力元件用于在第一轴承区 域周围的压电弯曲换能器上产生恒定的偏转扭矩，其取向使得压电弯曲换能器的活动端部或 与其连接的效应器压靠在致动器或与微型阀相关的参考止动件上。

与DE 10 2009 033 780 B4相反，该第二轴承区域中的中间层由固体构成，但是该固体可以 暂时性熔合(是可熔的)到其上。在一种操作模式中，该第二轴承区域中的中间层处于固体 聚集状态，并且在不同的优选变型中，要么主要起到类似于固定轴承的作用，要么主要起到 类似于可旋转轴承的作用，因此就一个或多个平移自由度而言，类似于至少在压电弯曲换能 器的致动运动方向上固定的轴承一样。与DE 10 2009 033 780 B4相反，所述压电弯曲换能器 因此还允许在操作期间产生固定偏转。

在第一种轴承类型LA1中，始终包含中间层的第二轴承区域在更大的区域中支撑压电弯 曲换能器，使得该轴承区域优选地在所有六个运动自由度中稳固地起作用，参见图1。在第 二种轴承类型LA2；该第二轴承区域被狭窄地界定或设计点状，并且位于压电弯曲换能器的 与压电弯曲换能器的活动端部相对的端部处，参见图2A-2B。

所述压电弯曲换能器的特征还在于操作模式和对准模式，其中在所述操作模式下所述压 电弯曲换能器执行致动运动，中间层的温度低于其液化温度并且中间层足够牢固以在第二轴 承区域中传递轴承力，以及其中在所述对准模式下所述压电弯曲换能器与参考止动件对准， 因为所述中间层的温度由于供热而高于其液化温度。

在所述对准模式下，执行一个或多个对准过程，其包含以下步骤：以可互换的顺序，通 过用热源加热所述第二轴承区域的中间层来使其液化，或者将那些电压施加到所述压电弯曲 换能器的所有电极，这些电极应与参考止动件的位置相关；在随后的步骤中，在对准时间T_A的持续时间内，在偏转扭矩的作用下，所述压电弯曲换能器相对于参考止动件进行对准，并 且最后通过在冷却时间t_k的持续时间内冷却所述第二轴承区域来固化中间层。因此，在固化 中间层的材料的步骤中，在固化时，在所述弯曲换能器侧的表面和所述第二轴承区域的壳体 侧的表面相对于彼此位置被冻结。

应当注意，在固化中间层的步骤之前，在例如1/2s[秒]、1s、5s、10s、30s或1分钟范围 内的对准时间T_A内，所述中间层必须同时以可流动状态存在，并且必须向所述压电弯曲换能 器的所有电极施加限定的电压。

在所述对准时间T_A期间，如果在所述对准过程之前所述压电弯曲换能器相对于参考止动 件的对准存在位置偏差，则所述压电弯曲换能器围绕第一轴承区域沿正向或负向旋转。在对 准过程中所述压电弯曲换能器的对准期间，所述弯曲换能器侧的表面位置相对于第二轴承区 域的与壳体相关联的固定表面发生变化，液化材料可以流入或流出中间层，进入这些表面之 间的间隙。最后，两个表面相对于彼此的位置在固化过程中被冻结，并且所述压电弯曲换能 器处于其参考对准状态。

对准过程可以在所述压电弯曲换能器的初始组装期间作为一次性过程来执行，以使其首 次进入参考对准或参考位置。在这种情况下，熔化中间层所需的熔化热可以例如通过热空气 或通过焊接头提供。

此外，对准过程可以在打印头或涂布头的使用寿命内以例如每年、每月、每周、每天或 每小时的周期执行数次或定期间隔执行。通过定期进行对准过程，压电弯曲换能器以及压电 弯曲换能器阵列中的所有压电弯曲换能器可以始终在其参考对准中精确地运行很多年。

除了由此获得的长期稳定性之外，基于压电致动器和包含一个或多个压电致动器的多通 道打印头或涂布头在完成后和初始对准过程之后的各个通道之间仅显示出最小的差异。

在这种情况下，还建议在打印或涂布操作期间或通过测试打印输出或测试涂布(其可指 示打印头或涂布头的通道之间的差异)连续检测打印图像中的偏差，作为质量保证的一部分， 并执行一个或多个及时对准过程。例如，可以通过扩大或减小致动区域或通过移动压电致动 器的致动区域来对打印或涂布过程进行特定的调整。在这种情况下，与最近进行的对准过程 相比，特别可取的是在改变的充电状态下进行对准过程，即通过向压电弯曲换能器的电极施 加变化的电压。

因此，建议用于调整打印头或涂布头以适应应用或执行质量改善措施的相应顺序至少包 括以下步骤：

a)从喷嘴进行滴注或喷射和/或通过打印头或涂布头进行测试打印输出或进行测试涂布；

b)测试打印输出或测试涂布的计量、光学或视觉检测和鉴定，例如，通过测量层厚度、轮廓 清晰度、光泽度、层平整度以及检测飞溅物或卫星液滴，或者光学检查动态液滴的输送，包 括喷射或滴液速度、衰减过程和检测涂布剂在打印头(尤其是喷嘴出口)上的沉积情况；

c)执行对准过程，其中施加到压电弯曲换能器的电极的电压与上一次对准过程不同，或者参 考止动件的位置与上一次对准过程相比发生了改变。

应当注意，这总体上可以看作是迭代过程，其中优选地甚至在根据a)的第一步之前进行根 据c)的对准过程，并且如果已经产生令人满意的结果，则最终在步骤b)之后结束该迭代过 程。

如果提供重复的对准过程，则优选地一个或多个加热元件已经被牢固地集成到前述打印 头或涂布头中，所述打印头或涂布头优选地连接至壳体并且与分配给壳体的第二轴承区域的 表面热接触。在这种情况下，可以经由过程控制器来控制加热元件和待施加到压电弯曲换能 器的电极的电压。这可选地是执行打印或涂布过程的整个控制的同一过程控制器，或者它可 以从属于所述的过程控制器。在此仅应注意，这种控制可以通过简单地指定热量输出和持续 时间或者(优选地)通过温度控制来进行，优选地基于温度传感器对第二轴承区域附近的实 际温度的测量来进行。

由加热元件发出的热量输出优选地由过程控制器控制，使得第二轴承区域中的温度升高 到中间层的熔化温度之上，并且中间层在1秒、10秒或100秒量级的一段时间内被熔化。

在此必须提及的是，在打印头或涂布头或包含一个或多个根据本发明的压电致动器的组 件的初始组装期间，执行初始对准过程。在这种情况下，所述中间层也可以通过与所述第二 轴承区域热接触的集成加热元件在对准模式下液化。然而，可选地，所述中间层也可以通过 外部热源(如热空气)液化，或者通过与中间层的材料或与其相邻的表面之一接触的烙铁液 化。

例如，所述中间层可以优选地包含熔化温度低于150℃[摄氏度]、200℃或250℃的焊料。 它可以同时用于与压电弯曲换能器的载体层或压电薄片的电极进行电接触。另一种选择是所 述中间层包含熔化温度低于100℃、150℃、200℃或250℃的热熔粘合剂、热塑性材料、热塑 性弹性体(TPE)、沥青或蜡。在此应注意，由加热引起的压电弯曲换能器的压电薄片的最高 温度应保持足够低于压电材料的居里温度。因此，通常优选将具有足够低的熔点的所有材料 用作中间层，因为它们使中间层的材料在压电薄片的最高温度不接近压电材料的居里温度的 情况下熔化成为可能。使用焊料或热塑性材料作为中间层主要可导致牢固连接，并直接消除 了连接点的扭转公差。在这种情况下，必须在各个轴承区域内分别添加所需的弹性。在热塑 性弹性体w(TPU，TPE)的情况下，由于材料的弹性，已经可以实现相应的第二轴承区域的 旋转公差。

所述压电弯曲换能器相对于参考止动件的对准是在对准时间T_A的持续时间内在偏转扭矩 的作用下进行的。因此，根据本发明的压电致动器具有用于在第一轴承区域周围向压电弯曲 换能器施加偏转扭矩的装置，其中该偏转扭矩施被施加以使压电弯曲换能器或与其连接的效 应器的活动端部压在参考止动件上。

通过压力元件在压电弯曲换能器上施加限定的力F来施加偏转扭矩，其中压力元件与压 电弯曲换能器的接触点从第一轴承区域的枢轴点开始沿着压电弯曲换能器偏移横向偏移量x。 对于基于压电弯曲换能器的夹紧力F_K和第一轴承区域到压电弯曲换能器的致动点的距离L_R的 力F和偏移量x的水平，适用于以下关系：F*x<0.5*F_K*L_R。将使用根据附图的实施例来阐 述这种施加力的结构实施方式。

应当指出，根据本发明的压电致动器的相应压电弯曲换能器2可以仅由粘合到载体层4 的单个压电薄片3单态构造，或者可以用粘合到载体层4两侧的两个压电薄片3的双态构造， 其中，一个或两个压电薄片3例如主要在压电弯曲换能器的自由长度L1的区域中覆盖载体层 (4)，或者一个或两个压电薄片3基本上完全覆盖载体层4。

除了上述的用于确保、调整或恢复压电致动器的恒定运行条件的措施外，与现有技术相 比，根据本发明的压电致动器中的压电弯曲换能器的第二轴承类型LA2还实现了压电弯曲换 能器的大大改善的性能。这开启了具有更高的性能要求和/或更高的功率密度的应用。相反， 在不改变应用且不改变致动功的情况下，可以降低控制电压，从而可以显著降低压电元件上 的电压负载和机械张力负载，这可以显着提高其长期强度，直至达到一定的疲劳强度水平。 压电弯曲换能器的宽度减小，因此，在打印头或涂布头的情况下，与现有技术相比，在每个 单独的致动器或每个压力通道的致动性能不变的情况下，还可以减小通道宽度或分配喷嘴之 间的距离或提高打印分辨率。

在一个优选实施例中，一种压电致动器，其特征在于在其活动端部的致动点或与其连接 的效应器用于执行致动运动，此外其特征还在于位于中心的、狭窄界定的轴承区域，该轴承 区域包括致动器和壳体的区域，并且其特征还在于在活动端部的相对端处的位于旁侧的、狭 窄界定的轴承区域，该轴承区域还包括致动器和壳体的区域，其中，位于中心的轴承区域和 位于旁侧的轴承区域分别包含弹性，该弹性允许压电弯曲换能器的局部旋转至少+/-2°[度]。 在这种情况下，位于中心的轴承区域优选地位于压电弯曲换能器的中间三分一内。

为了阐明术语，应当注意，前述的轴承区域，“第一轴承区域”和“第二轴承区域”可以分别对应于“位于中心的轴承区域”或“位于旁侧的轴承区域”。因此，术语“第一轴承 区域”和“第二轴承区域”基于它们的功能和设计，而术语“位于中心的轴承区域”和“位 于旁侧的轴承区域”基于它们的位置。

在第二轴承类型LA2中，位于中心的轴承区域优选地布置在压电弯曲换能器的中间三分 之一中，并且位于旁侧的轴承区域布置在压电弯曲换能器的与压电弯曲换能器的活动端部相 对的端部。两者都是狭窄界定或设计成点状，并且被设计成使得它们允许或容许压电弯曲换 能器的旋转运动，该旋转运动是由压电弯曲换能器的变形引起的，围绕所述轴承的旋转而没 有明显的阻力。该轴承星座导致压电弯曲换能器的可用的第一本征模，例如在图3A中示出的。 与图1概述的压电弯曲换能器的通常固定夹紧装置相比，这一个的特征在于，对于压电弯曲 换能器(相同的控制电压和变形)给定的曲率半径R和给定的自由长度L1，与固定夹紧的压 电弯曲换能器相比，在不增加刚性的情况下实现了更大的致动路径(图3A中的D2代替了图 1中的D1)，从而减小了驱动力。更高或更大的致动路径是由于，压电弯曲换能器的变形曲 线已经在中心布置的轴承区域中扭转了Φ，这会增大端部偏转D2，例如图3A所示。应当指出 的是，在长度L2的区域中，即在位于中心的轴承区域和位于旁侧的轴承区域之间，压电弯曲 换能器在与自由长度L1区域相反的方向上偏转，该自由长度L1包括压电弯曲换能器的活动 端部。

此外，这样安装的压电弯曲换能器的扭矩曲线在长度上比图1所示的通常的固定夹紧装 置更均匀，在夹紧装置上会产生最大的载荷。这是导致与压力相关故障的常见原因。

为了使图3A所示的压电弯曲换能器的本征模成为可能，位于中心的轴承区域(图3B)和 位于旁侧的轴承区域(图3C)必须允许压电弯曲换能器根据压电弯曲换能器的变形曲线旋转， 但至少在平行于致动运动的方向上牢固地支撑压电弯曲换能器。为此，提出了不同的技术实 现方案。例如，一种选择是使用相对于壳体固定的支座，并且例如被设计为从壳体附接部分 突出的固定尖端或线性接触元件，压电弯曲换能器位于其上并且能够执行从压电薄片的平面 向外的倾斜运动。在这种情况下，压电弯曲换能器必须以足够的压力压在支座上，以防止压 电弯曲换能器被抬起，特别是在更高的致动力和/或高度动态的操作模式下。该压力通过可移 动弹簧操作的接触元件(例如金属螺旋弹簧、弯曲弹簧、电子接触弹簧或弹性体元件)施加 在压电弯曲换能器与支座相对的一侧的相应轴承区域中。

除了将支座与压力元件结合使用之外，还可以实现压电弯曲换能器的点式的、可旋转的 支撑，因为相应的轴承区域提供基本平移的固定。为了获得在位于中心和旁侧的轴承区域中 根据压电弯曲换能器的弯曲曲线所需的旋转运动，另外提出这些轴承区域包含弹性，以允许 围绕相应轴承区域的相应的(可能是虚拟的)枢轴点进行旋转运动。

这些例如可以是压电弯曲换能器在各轴承区域内的弹性体，例如与相应的轴承区域相关 联且局部地未被压电薄片覆盖的载体层的离散弹性元件或结构弹性区域。例如，这可以是载 体层的从一个或两个压电薄片横向突出(对于位于旁侧的轴承区域)的区域。上述弹性体也 可以是由相应轴承区域的弹性体材料制成的弹性中间层。此外，它们也可以是与壳体相关联 的弹性体，或者是在壳体与相应的轴承区域之间连接至壳体的另外的弹性体或弹簧状组件。 这些弹性体被配置成使得它们至少在很小程度上允许压电弯曲换能器在相应轴承区域的区域 中局部地旋转。将使用附图描述本文的具体实施例。

关于尺寸比率，应注意，取决于应用，压电弯曲换能器的长度L1例如在4mm和6mm之间、在5mm和9mm之间，或在7mm和15mm之间。长度L1/L2的比率优选在0.5和2之间。 至少一个压电薄片可以主要在自由长度L1的区域中或者区域L1和L2中(即在相应的中心轴 承区域的两侧)覆盖载体层。后一种情况仅对LA2轴承类型有意义，并导致最大的偏转。

相应的压电致动器阵列优选地包括根据本发明具有相应压电弯曲换能器的相同压电致动 器。根据应用的类型，它们优选地彼此之间的恒定距离在0.5mm和1mm之间、0.75mm和 2mm之间、或1.5mm和5mm之间。相邻压电弯曲换能器之间的间隙的宽度(B)优选在0.05mm 和0.2mm之间、0.1mm和0.3mm之间、或0.2mm和0.6mm之间。此外，相应压电弯曲换能器的第一和第二轴承区域或者位于中心和旁侧的轴承区域分别位于一条线上。

此外，在压电致动器阵列中，压力元件的接触点、相应轴承区域的枢轴点、以及各个压 电弯曲换能器的致动点分别位于一条直线上。

此外，压电致动器阵列优选地包括包含至少所有压电弯曲换能器和轴承区域的部件，包 括与壳体相关联的轴承区域的部件。为此目的，在阵列的相邻压电弯曲换能器之间使用扭转 弹性连接(例如，在相应的第一轴承区域)是有利的。

此外，与相应的第一轴承区域的壳体相关联的上述组件(例如支座和压力弹簧)以及与 相应的第二轴承区域的壳体相关联的上述组件，优选地由结构板构成。

定义：术语“轴承区域”是指在压电弯曲换能器的一点、狭窄或较宽区域与壳体31的一 部分之间的、与轴承有关的所有组件，或与之相连的对轴承性能产生有效影响的部件，无论 是固定轴承还是旋转轴承。考虑到这样的事实，即旋转轴承有时是通过在轴承区域内的弹性 来实现，该弹性对于该目的是有效的。

作为预防措施，应注意，本文中使用的数字(“第一”、“第二”、......)主要(仅)用于区分多个相似的对象、尺寸或过程，即特别地，它们不一定指定所述对象、尺寸或过程相对于彼此的任何依赖性和/或顺序。如果需要依赖性和/或顺序，则本文将明确说明，或者对于本领域技术人员在研究具体描述的实施例时是显而易见的。