DE10038522A1 - Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil - Google Patents

Abstract

Ein piezoelektrisch betätigtes Mikroventil, das ein piezoelektrisch betätigtes Stellglied, ein Übersetzungsgetriebe und ein Ventilverschluß umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Mikroventil (1) wirkende Übersetzungsgetriebe aus einem H-förmigen Formteil (9) mit symmetrischen Halbschenkeln (17; 18) besteht, die über ein federndes Koppelglied (15) miteinander verbunden sind, mittig im Formteil (9) ein Ventilstößel (10) eingesetzt ist, der mit seiner Stirnfläche am Koppelglied (15) anliegt und zwischen den oberen Halbschenkeln (17) ein Piezoaktuator (8) und zwischen den unteren Halbschenkeln (18) des Formteiles (9) ein Abstand veränderndes Stellglied (11) in Form einer Führungshülse mit Schrägen im Bereich zwischen den Halbschenkeln (18) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisch betätigtes Mikroventil, das ein piezoelektrisch betätigtes Stellglied umfasst, das auf ein Ventilverschluss wirkt, wenn das Ventil aus einer Schließ- in eine Offenstellung gebracht wird.

Mikroventile werden allgemein in der Pneumatik und Fluidik bei der Steuerung von Gas- und Flüssigkeits-Strömungen, also Fluidströmungen, verwendet. Ein solches Ventil wird dabei zur Steuerung eines Volumenstromes bzw. Drucks in einer Zuleitung und dgl. eingesetzt.

Bekannte piezoelektrisch betriebene Mikroventile, die auf dem inversen piezo­ elektrischen Effekt beruhen, weisen eine große, meist einseitig eingespannte Piezokeramik auf, mit der der Fluidstrom direkt geregelt wird. Ein derartiges piezoelektrisch betriebenes Silizium-Mikroventil ist in R. Roßberg, B. Schmidt, S. Büttgenbach: "Micro Liquid Dosing System", Microsystem Technologies 2 (1995), S. 11 bis 16, Springer-Verlag 1995, beschrieben. Bei solchen Mikroventilen kann die Piezokeramik entweder selbst als Ventilstößel dienen oder es wird ein direkt von der Piezokeramik geführter Ventilstößel eingesetzt.

Diese in der obigen Schrift beschriebenen Mikroventile weisen den Nachteil auf, daß für die für einen großen Durchfluß benötigte Auslenkung des Ventilstößels, der auch als Ventilklappe bezeichnet wird, über dem Ventilsitz eine sehr lange Piezokeramik benötigt wird. Zur Aufnahme einer solchen Piezokeramik ist selbstverständlich auch ein entsprechend großes Gehäuse erforderlich. Die bekannten piezobetriebenen Mikroventile, wie sie beispielsweise in der oben genannten Schrift beschrieben sind, weisen also im Vergleich zu ihrer Baugröße eine kleine Ventil­ öffnung auf.

In der DE 196 48 730.7 wird ein Mikroventil beschrieben, das einen Grundkörper mit einer Durchlaßöffnung, einen Stößel, eine Aufhängungsvorrichtung, durch die der Stößel gegenüber dem Grundkörper derart führbar ist, daß die Durchlaßöffnung des Ventils durch den Stößel verschlossen oder freigegeben werden kann, und eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Stößels, deren Erstreck­ ung in Längsrichtung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist, aufweist. In Längsrichtung voneinander beabstandete Enden der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung sind mit in Längsrichtung voneinander beabstandeten Enden der Aufhängungsvorrichtung verbunden. Bei diesem Mikroventil wird eine durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bewirkte Änderung der Erstreckung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in Längsrichtung in eine Bewegung des Stößels senkrecht zu der Längsrichtung übersetzt, derart, daß dadurch die Durchlaß­ öffnung freigegeben oder verschlossen wird.

Diese Art von Mikroventilen weisen den Nachteil auf, daß die Übersetzung der Stößelbewegung durch einen Stauchvorgang in der Aufhängung des Stößels hervor­ gerufen wird und die Verbindung zwischen der Aufhängung des Stößels und der Piezokeramik einer sehr hohen Belastung ausgesetzt ist. Eine Justierung des Verschlußorgans und eine Anordnung eng beieinander liegender Ventile ist außer­ dem problematisch, da sie einen nicht unerheblichen Flächenbedarf haben.

Darüberhinaus sind die Antriebselemente, wie Aktuator und Stößel, im Ventilge­ häuse eingesetzt und damit dem Flüssigkeitsstrom ausgesetzt und nach der Montage im Gehäuse nicht mehr für Einstellarbeiten bzw. Justierungen erreichbar.

Die Verwendung von Piezoaktuatoren als Stellglieder einer Getriebekette haben den Vorteil, daß sie bei sehr hoher Dynamik sehr hohe Stellkräfte bewirken und keine mechanisch bewegten Teile benötigen. Diese Aktuatoren haben jedoch den Nachteil, daß sie bei Anlegen einer Spannung nur sehr kleine Längenänderungen bewirken. In der Meßtechnik und bei Schreibgeräten werden daher Übersetzungsgetriebe eingesetzt, die die Längenänderung des Aktuators in eine übersetzte Stellglied­ bewegung umsetzen. Dabei werden mehrgliedrige Getriebeelemente verwendet, die mechanisch geführt bzw. gelagert werden müssen und jeweils der Reibung und dem Verschleiß unterliegen.

In der DE 199 46 003 A1 ist ein Übersetzungsgetriebe beschrieben, das aus einem einteiligem Formteil besteht, in das ein piezoelektrischer Aktuator mit einer Vorspannung spielfrei eingesetzt ist, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Formteiles hervorruft, dessen axiale Längenänderung bei der Verformung über einen Stößel axial die ventilschließende elastische Durchbiegung der Ventilplatte des Mikroventiles entspannt und diese in ihre die Ventil öffnende Ausgangslage schwingen läßt. Die Ventilplatte ist dazu in einem vorgegebenen Abstand zur Oberkante der Ventilöffnung angeordnet und um diesen Abstand elastisch durchbiegbar. Sie besteht zweckmäßig aus einer Metallfolie, insbesondere aus einem Federmaterial.

Wird der aus einem Piezostapel bestehende Piezoaktuator inaktiv, geht das Form­ teil in seine Ausgangslage zurück und veranlaßt über seine gleichschenkligen Koppelglieder eine Axialbewegung in Richtung der Ventilplatte. Der ebenfalls axial wirksame Stößel bewirkt somit die Durchbiegung der Ventilplatte und durch diese ein Verschließen der Mikroventilöffnung.

Nachteilig dabei ist, daß die bei der Fertigung der Koppelglieder und Antriebs­ elemente auftretenden Toleranzen nicht ausreichend durch vorhandene Justage­ möglichkeiten ausgleichbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisch betätigtes Mikroventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei hoher Betriebssicherheit und langer Betriebsdauer, selbständig eine mechanische Rückstellung gewährleistet und Fertigungstoleranzen durch einfache Justagemöglichkeit auszugleichen vermag.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das auf das Mikroventil wirkende Übersetzungsgetriebe aus einem H-förmigen Formteil mit symmetrisch angeordneten Halbschenkeln besteht, die über ein auf den Ventilstößel wirksames Koppelglied verbunden sind. Die beiden Schenkel sind jeweils oberhalb und unterhalb des verbindenden Koppelgliedes verlängert. Zwischen den freien Enden der beiden Halbschenkel oberhalb des Koppelgliedes ist ein sich bei Ansteuerung längsausdehnender Piezoaktor, der sich beiderseits an Nocken abstützt, angeordnet. Die freien Enden der beiden Halbschenkel unterhalb des verbindenden Koppelgliedes liegen beiderseits an Schrägen einer Führungshülse an, die über Feingewinde längs des Ventilstößels gegenüber einer Justiermutter verstellbar ist. Die Justiermutter stützt sich dabei mit ihrer topfförmigen Stirnfläche an einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Formteiles ab. Je nach axialer Einstellung der Führungshülse sind die Anlagepunkte für die freien Enden der unteren Schenkel auf der Schräge verschieden bzw. die Aufspreizung der unteren freien Schenkel des Formteiles ist über die Schrägen an der Führungshülse einstell- bzw. justierbar.

Mit dieser Führungshülse ist ein Spiel im Übersetzungsgetriebe bedingt durch Fertigungstoleranzen weitgehend ausschaltbar und eine funktionsbedingte Vor­ spannung für den Piezoaktor einstellbar. Die Fertigungstoleranzen werden durch diese Justagemöglichkeit vollständig aufgehoben.

Stellen sich während des Betriebes des Ventils Materialveränderungen und damit eine Änderung der Vorspannung am Piezoaktor ein, so ist eine einfache Nachjustage möglich. Die oberen und unteren Anlagepunkte der Getriebekoppel sind mit balligen Nocken ausgeführt, um eine Punkt- oder Linienberührung am Piezoaktor bzw. an der Führungshülse zu sichern.

Nach der Justage der Führungshülse gegenüber der Justiermutter werden diese mit einer Lacksicherung o. ä. gegen Verdrehen fixiert.

Weiterhin erfolgt nach der Justage des Übersetzungsgetriebes die Einstellung des Stößels zum Mikroventil in bekannter Weise. Bei ruhendem Piezoaktor drückt der Stößel auf das Ventil und hält dieses geschlossen. Bei Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor zwischen den oberen freien Halbschenkeln wird das auf den Stößel drückende Koppelglied gestreckt. Der Stößel wird entlastet und das unter dem Stößel angeordnete Mikroventil wird geöffnet.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtdarstellung des piezoelektrisch betätigten Mikroventils;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch Antrieb und Übersetzungsgetriebe für das Mikroventil gem. Fig. 1 bei geöffneter Stellung des Mikroventils;

Fig. 3 eine Teilansicht des Mikroventils gem. Fig. 2 im Längsschnitt bei geschlossener Stellung des Mikroventils;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Führungshülse für das Übersetzungsgetriebe gem. Fig. 2;

Das Mikroventil 1 - Fig. 1 und 2 - besteht bekannterweise aus einer in einem Kanal­ körper 2 eingeformten Ventilkammer 3 mit einem Ventilzulauf 4 und einem Ventil­ ablauf 5. Über dem Ventilablauf 5 ist eine elastische Ventilplatte 6 so angeordnet, daß ein Abstand zwischen Ventilplatte 6 und der Oberkante 5a des Ventilablaufes 5 besteht. Das Mikroventil 1 ist hier in seiner "Offen"-Stellung erkennbar.

Durch Druck auf die elastische Ventilplatte 6 erfährt diese eine Durchbiegung und wird gegen die Oberkante 5a des Ventilablaufes 5 gedrückt. Das Mikroventil 1 gerät somit in seine "Schließ"-Stellung. Zur Abdichtung des Ventils in der "Schließ"- Stellung kann das Mikroventil 1 am Rand des Ventilablaufes 5 mit einer Dichtung versehen werden, gegen die die Ventilplatte 6 drückt.

Die Ventilplatte 6 besteht dabei aus einer Metallfolie, die bei Aufhebung des Druckes selbständig in ihre Ausgangslage zurückfedert.

Zur Betätigung des Mikroventiles 1 wird ein Piezoaktuator 8 in Verbindung mit einem mechanischen Übersetzungsgetriebe verwendet, da der Piezoaktuator 8 allein und bei Ansteuerung nur kleine Längenänderungen bewirken kann.

Das Übersetzungsgetriebe besteht aus einem H-förmigem Formteil 9, dessen symmetrischen und weitgehend starren Schenkel etwa in der Mitte über ein gewölbtes und federndes Koppelglied 15 so verbunden sind, daß je zwei obere Halbschenkel 17 und zwei untere Halbschenkel 18 entstehen.

An den äußeren Enden der Halbschenkel 17; 18 sind Nocken 17.1 und 18.1 als Gelenkpunkte des Übersetzungsgetriebes angeformt.

Zwischen die Nocken 18.1 der unteren Halbschenkel 18 ist eine Führungshülse 11 eingesetzt, die im Bereich zwischen den Nocken 18.1 symmetrische Schrägen 12 aufweist.

Diese Schrägen 12 liegen an den Nocken 18.1 an und durch axiale Verschiebung der Führungshülse 11 gegenüber dem Formteil 9 wird der Abstand zwischen den beiden Nocken 18.1 eingestellt bzw. verändert.

Zwischen den Nocken 17.1 der oberen Halbschenkel 17 ist der Piezoaktuator 8 spielfrei eingesetzt, der mit beiden Stirnflächen an den Nocken 17.1 anliegt. Zur wirksamen Funktion des Piezoaktuators 8 ist es erforderlich, daß dieser bereits vor Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer definierten Vorspannkraft zwischen den Halbschenkeln 17 eingestellt ist.

Die Einstellung der Vorspannkraft zwischen den oberen Halbschenkeln 17 wird erreicht, indem die Führungshülse 11 mit ihren Schrägen 12 axial gegen das Formteil 9 verschoben wird, so daß die unteren Halbschenkel 18 auseinander gedrückt werden. Dazu ist eine Justiermutter 13 über die Führungshülse 11 geschraubt, die sich mit ihrer Stirnfläche 13.1 eines topfförmigen Ansatzes am Formteil 9 abstützt. Wird die Justiermutter 13 gegenüber dem Formteil 9 z. B. über ein Feingewinde 11.1 verdreht, wird gleichzeitig die Führungshülse 11 axial verstellt. Mit dieser Verstel­ lung verändert sich der Anlagepunkt der Nocken 18.1 auf den Schrägen 12 der Führungshülse 11 und die Halbschenkel 18 werden bei entsprechender Drehrichtung auseinander gedrückt.

Mittels dieser Justiermutter 13 sind vor allem die nicht vollständig vermeidbaren Fertigungstoleranzen des Übersetzungsgetriebes und des Piezoaktuators 8 zu eliminieren und Spielfreiheit und die erforderliche Vorspannkraft am Piezoaktuator 8 herzustellen. Gleichzeitig wird bei dieser Justage Spielfreiheit zwischen dem Koppelglied 15 und dem Bund 10.1 des mittigen Ventilstößels 10 so hergestellt, daß bei geöffneten Ventil 1 Kontakt zwischen Koppelglied 15 und der Stirnfläche des Ventilstößels 10 besteht.

Ist der Justiervorgang beendet, wird die Führungshülse 11 gegenüber der Justier­ mutter 13, z. B. mittels Lack am Gewinde, gegen Verdrehen gesichert.

Das so justierte und voreingestellte Übersetzungsgetriebe wird nun als vollständige Antriebseinheit, z. B. wiederum mittels Feingewinde an der Justiermutter 13 in einen Halter 19 eingesetzt, der mit dem Kanalkörper 2 fest verbunden ist. Dabei wird gleichzeitig die Antriebseinheit in Richtung der Ventilplatte 6 axial eingestellt.

Bei inaktiven Piezoaktuator 8 wird die Antriebseinheit so eingestellt, daß der Ventilstößel 10 auf die Ventilplatte 6 drückt und das Mikroventil 1 schließt. Diese Einstellung kann wiederum mittels Lacksicherung am Gewindeansatz festgelegt bzw. gesichert werden.

Zur Öffnung des Mikroventils 1 wird der Piezo-Aktuator 8 mit einer elektrischen Spannung aktiviert und das am Kopf des Ventilstößels 10 anliegende Koppelglied 15 entlastet den Ventilstößels 10, so daß die vorgespannte Ventilplatte 6 das Mikro­ ventil 1 öffnet. Der Ventilstößel 10 wird dabei axial verschoben.

In Fig. 3 ist das Mikroventil 1 in "Schließ"-Stellung dargestellt, indem der Ventil­ stößel 10 die Ventilplatte 6 gegen die Oberkante 5a der Ventilöffnung drückt. In Fig. 4 zeigt die beispielhafte Ausgestaltung der Führungshülse 11 mit seinen Schrägen 12 und den seitlichen Begrenzungsflächen als Drehsicherung 12a gegenüber dem Formteil 9.

Der Vorteil des Ventils besteht in einem justagefreundlichem Gesamtaufbau.

Bezugszeichenliste

1

Mikroventil

2

Kanalkörper

3

Ventilkammer

4

Ventilzulauf

5

Ventilablauf

5

a Oberkante

6

Ventilplatte

7

8

Piezo-Aktuator

9

Formteil

10

Ventilstößel

10.1

Bund

11

Führungshülse

11.1

Feingewinde

12

Schrägen

12

a Führungsflächen

13

Justiermutter

13.1

Stirnfläche

14

Drehsicherung

15

Koppelglied

15.1

Federgelenk

16

Federgelenk

17

Halbschenkel

17.1

Nocken

18

Halbschenkel

18.1

Nocken

19

Halter

20

21

Abdeckplatte

Claims (6)

1. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil, das ein piezoelektrisch betätigtes Stellglied, ein Übersetzungsgetriebe und ein Ventilverschluß umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Mikroventil wirkende Über­ setzungsgetriebe aus einem H-förmigen Formteil (9) mit symmetrischen Halbschenkeln (17; 18) besteht, die über ein federndes Koppelglied (15) miteinander verbunden sind, mittig im Formteil (9) ein Ventilstößel (10) eingesetzt ist, der mit seiner Stirnfläche am Koppelglied (15) anliegt und zwischen den oberen Halbschenkeln (17) ein Piezoaktuator (8) und zwischen den unteren Halbschenkeln (18) des Formteiles (9) ein den Abstand veränderndes Stellglied (11) angeordnet sind.

2. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine gegen das Formteil (9) verdreh­ sichere Führungshülse (11) ist, die mit einem Gewindeschaft in eine Justier­ mutter (13) eingesetzt ist und die sich mit der Stirnfläche (13.1) eines ange­ formten topfförmigen und die unteren Halbschenkel (18) übergreifenden Ansatzes an einem Absatz am Formteil (9) abstützt.

3. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungshülse (11) im Bereich zwischen den unteren Halbschenkeln (18) symmetrisch angeordnete Schrägen (12) auf­ weist, die von seitlichen Führungsflächen (12a) als Drehsicherung begrenzt sind.

4. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Halbschenkel (17; 18) Nocken (17.1; 18.1) als Gelenkpunkte aufweisen.

5. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Ventilstößel (10) wirksame Koppelglied (15) Federgelenke (15.1; 16) aufweist.

6. Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungshülse (11) und die Justiermutter (13) Feingewinde (11.1) mit einer Lacksicherung gegen Verdrehen nach der Justage des Übersetzungsgetriebes aufweisen.