DE10047705A1 - Mikroventil - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Mikroventil vorgeschlagen, das zur Steuerung von Fluidströmen dient. Es verfügt über mindestens ein Ventilglied (5), zu dessen Betätigung auf einem elektrostatischen Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel (12) vorhanden sind. Diese Antriebsmittel (12) beinhalten mindestens einen sogenannten Comb-Drive-Antrieb (14a), was die Realisierung kleiner Baugrößen begünstigt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil zur Steuerung von Flu
idströmen, mit mindestens einem Ventilglied, zu dessen Betä
tigung auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende An
triebsmittel vorhanden sind.
Ein Mikroventil dieser Art geht beispielsweise aus der
EP 0 485 739 B1 hervor. Das bekannte Mikroventil hat einen
Aufbau in Silizium-Mikrotechnik, wobei ein plattenartiges
Ventilglied zwischen zwei Gehäuseschichten plaziert ist und
durch zwei auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende
Antriebe relativ zu mehreren Ventilöffnungen bewegbar ist, um
durch geeignete Positionierung eine bedarfsgemäße Steuerung
von Fluidströmen zu erhalten. Jeder Antrieb besteht aus zwei
zueinander parallelen Elektroden zum einen am Ventilglied und
zum anderen am Ventilgehäuse, wobei durch Anlegen einer Po
tentialdifferenz eine Stellkraft rechtwinkelig zur Ausdeh
nungsebene der Elektroden erzeugt wird, die das Ventilglied
in der entsprechenden Richtung auslenkt.
Ein Nachteil des bekannten Mikroventils besteht darin, daß es
zum Erhalt ausreichend hoher Betätigungskräfte mit relativ
hohen Ansteuerspannungen gespeist werden muss. Aus sicher
heitstechnischen und auch aus gesetzgeberischen Gründen müssen
daher geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden, die ei
ne weitere Verringerung der Baugröße des Mikroventils verhin
dern. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein elektrostatisch betätigbares Mikroventil der eingangs ge
nannten Art zu schaffen, das ohne Beeinträchtigung der er
zielbaren Betätigungskräfte eine weitere Verringerung der Ab
messungen zulässt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil, dessen auf
einem elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebs
mittel sich dadurch auszeichnen, daß sie mindestens einen so
genannten Comb-Drive-Antrieb enthalten.
Comb-Drive-Antriebe zeichnen sich üblicherweise durch zwei
jeweils eine Elektrodenfunktion übernehmende Kammstrukturen
aus, die ähnlichen einer Verzahnung ineinander eingreifen.
Bei Anlegen einer Potentialdifferenz entstehen resultierende
Kräfte, die dazu tendieren, die Kammstrukturen ineinander zu
ziehen. Eine grundsätzliche Darlegung der Funktionsweise der
artiger Antriebe geht aus dem Artikel "Comb-drive actuators
for large displacements", Rob Legtenberg, A. W. Groeneveld, M.
Elwenspoek, J. Micromech. Microeng. 6 (1996), Seiten 320-329
oder aus dem Artikel "Electrophysics of Micromechanical Comb
Actuators", William A. Johnson, Larry K. Warne, Journal of
Microelectromechanical Systems, Vol. 4, No. 1, March 1995,
hervor.
Durch die Verknüpfung eines derartigen Comb-Drive-Antriebes
mit einem pneumatischen oder hydraulischen Mikroventil ergibt
sich der Vorteil, daß innerhalb eines sehr kompakten Volumens
eine sehr große Elektrodenfläche zur Verfügung gestellt wer
den kann, die auch bei kleinen Ansteuerspannungen ausreichend
hohe Betätigungskräfte liefert, um die gewünschte Funktion
des Mikroventils zu gewährleisten. Auf diese Weise erübrigen
sich die bei den bisher üblichen höheren Ansteuerspannungen
erforderlichen Schutzmaßnahmen und man kann ein Mikroventil
ohne weiteres mit Spannungen betreiben, die die Grenze von 60 Volt
nicht übersteigen, welche in der Bundesrepublik Deutsch
land als Grenzwert für die Anwendung der gesetzlichen Nieder
spannungsverordnung gilt. Indem aber der für Schutzmaßnahmen
erforderliche konstruktive Aufwand reduziert werden kann,
lässt sich gleichzeitig die Baugröße des Mikroventil minimie
ren. Auch kann vielfach auf besondere Ansteuerschaltungen
verzichtet werden, die die Anhebung der zur Verfügung stehen
den Spannung auf eine notwendige Ansteuerspannung bewirken.
Zwar wurden Comb-Drive-Antriebe gemäß den zuvor erwähnten Ar
tikeln auch schon in Verbindung mit mikromechanischen Anwen
dungen realisiert. Dort stand jedoch, wie schon der Titel des
einen Artikels aussagt, die Erzeugung relativ großer Betäti
gungswege im Vordergrund, während es bei dem erfindungsgemä
ßen Mikroventil vorwiegend darum geht, die Baugröße zu redu
zieren. Für einen Fachmann war es daher nicht naheliegend,
ein Mikroventil mit einem Comb-Drive-Antrieb auszustatten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un
teransprüchen hervor.
Während die Elektroden der in dem Artikel "Comb-drive actua
tors for large displacements" beschriebenen Kammstrukturen
fingerartig ausgebildet sind, ist bei einem besonders vor
teilhaften Aufbau des Mikroventils vorgesehen, Elektroden mit
plattenartiger Gestalt einzusetzen. Die für die Erzeugung der
Betätigungskraft erforderliche Elektrodenfläche kann somit
durch konstruktiv einfache Maßnahmen sehr groß gewählt wer
den.
Bei einem bevorzugten Aufbau des Mikroventils sind die die
Elektroden des Comb-Drive-Antriebes enthaltenden Kammstruktu
ren zweckmäßigerweise jeweils als einstückiger Bestandteil
des Ventilgliedes bzw. des Ventilgehäuses des Mikroventils
ausgeführt. In diesem Zusammenhang ist daran gedacht, eine
Formgebung aus Kunststoffmaterial in Spritzgusstechnik vorzu
nehmen, was eine sehr große Formenvielfalt bietet und relativ
einfach mit geeignetem Design optimale Voraussetzungen für
eine fluidtechnische Anwendung bietet.
Aus fertigungstechnischen Gründen wäre es allerdings auch
möglich, die Kammstrukturen separat vom zugehörigen Träger -
zum einen dem Ventilglied und zum anderen dem Ventilgehäuse -
zu fertigen und als separate Einheit an diesem Träger zu fi
xieren.
Insgesamt hat eine Realisierung aus Kunststoffmaterial den
Vorteil, daß durch eine geeignete Metallisierung sowohl die
elektrischen Leitungswege als auch die Elektrodenflächen sehr
einfach hergestellt werden können.
Das Mikroventil kann beispielsweise in MID-Technologie
(MOLDED INTERCONNECT DEVICE) realisiert werden. Auch das so
genannte LIGA-Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden,
bei dem eine Kombination aus Lithografie, Galvanoumformung
und Abformtechnik zur Anwendung gelangt.
Das Mikroventil kann beispielsweise nur einen Comb-Drive-
Antrieb enthalten, wobei aber durchaus auch die gleichzeitige
Realisierung mehrerer Comb-Drive-Antriebe möglich ist. Bei
einer Mehrfachanordnung kann vorgesehen sein, die Antriebe
entweder gleichzeitig zu betreiben, um eine weitere Erhöhung
der Betätigungskräfte zu erzielen, oder eine alternative Be
tätigung vorzunehmen, um eine Auslenkung des Ventilgliedes in
unterschiedliche Richtungen aktiv hervorzurufen.
Wenngleich das Mikroventil ohne weiteres über ein Ventilglied
verfügen kann, dessen Steuerbewegung eine lineare translato
rische Bewegung ist, empfiehlt sich der Einsatz des Comb-
Drive-Antriebes vor allem in Kombination mit einer Ventilbau
form, bei der das Ventilglied als Steuerbewegung eine
Schwenkbewegung ausführt. Hierzu kann das Ventilglied an ei
nem Ende fest eingespannt sein oder insbesondere an einer La
gerstelle nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert sein, wo
bei mindestens einem der Ventilgliedarme mindestens ein Comb-
Drive-Antrieb zugeordnet ist. Jedem Ventilgliedarm können ein
oder mehrere Comb-Drive-Antriebe zugeordnet sein. Im Falle
der Mehrfachanordnung können sich die Comb-Drive-Antriebe in
Bewegungsrichtung überlappen, was zu einer weiteren Verringe
rung der Abmessungen bei einer erhöhten Leistungsdichte
führt.
Um eine definierte Ausgangsstellung des Ventilgliedes hervor
zurufen, können geeignete Federmittel vorhanden sein, die
zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse wirksam sind.
Um eine Verunreinigung der Elektroden zu vermeiden und da
durch besonders kleine Spaltbreiten zwischen benachbarten
Elektrodenflächen zu ermöglichen, kann der Comb-Drive-Antrieb
außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchströmten Bereichen
des Ventilgehäuses angeordnet sein.
Ein besonders vorteilhafter Aufbau ergibt sich bei einem Mik
roventil, dessen Ventilglied längliche Gestalt hat. Hier kön
nen die Elektroden des Comb-Drive-Antriebes so angeordnet und
ausgerichtet werden, daß sie in Längsrichtung des Ventilglie
des verlaufen, woraus eine besonders große wirksame Elektro
denfläche resultiert.
Die erfindungsgemäße Antriebstechnik lässt sich bei praktisch
jedem Mikroventil einsetzen, unabhängig von der jeweiligen
Funktionalität. Beispielsweise kann das Mikroventil ein 3/2-
Wegeventil sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich
nung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Mikroventils in schematischer Darstellung in teil
weise geschnittener Seitenansicht mit Blickrichtung
gemäß Pfeil I aus Fig. 2,
Fig. 2 eine Stirnansicht des Mikroventils aus Fig. 1,
teilweise im Querschnitt, mit Blickrichtung gemäß
Pfeil II, wiederum stark schematisiert,
Fig. 3 das Mikroventil gemäß Fig. 1 und 2 im Längs
schnitt gemäß Schnittlinie III-III aus Fig. 1
und 2 in schematischer Darstellung und
Fig. 4 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellungs
weise einen Detailausschnitt einer weiteren Ausfüh
rungsform des Mikroventils, bei dem die Antriebs
mittel von den gesteuerten Fluidströmen getrennt
untergebracht sind.
Das in Fig. 1 bis 3 schematisch illustrierte Mikroventil 1
verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das einen Innenraum 3 defi
niert.
In den Innenraum 3 münden mehrere die Wandung des Ventilge
häuses 2 durchsetzende Ventilkanäle 4, wobei es sich beim
Ausführungsbeispiel um drei Ventilkanäle 4 handelt, da das
Mikroventil hier exemplarisch in Gestalt eines 3/2-Wegeventils
abgebildet ist. Die Anzahl der Ventilkanäle 4 vari
iert in Abhängigkeit vom Ventiltyp.
Das Mikroventil 1 dient zur Steuerung von Fluidströmen, bei
spielsweise von hydraulischen und vorzugsweise von pneumati
schen Medien. Zu diesem Zweck verfügt es über mindestens ein
und beim Ausführungsbeispiel über genau ein Ventilglied 5,
das in bezüglich dem Ventilgehäuse 2 beweglicher Weise in dem
Innenraum 3 untergebracht ist.
Die Steuerung der Fluidströme erfolgt beim Ausführungsbei
spiel durch Steuerung des zur Verfügung gestellten Strömungs
querschnittes zweier der Ventilkanäle 4. Es sind dies ein als
Speisekanal 4a und ein als Entlüftungskanal 4b ausgebildeter
Ventilkanal 4. Hingegen kommuniziert der dritte, als Arbeits
kanal 4c ausgebildete Ventilkanal 4 ständig mit dem Innenraum
3.
Der Speisekanal 4a und der Entlüftungskanal 4b münden jeweils
mit einer Ventilöffnung 6a, 6b in den Innenraum 3 ein. Sie
sind zweckmäßigerweise jeweils von einem ringförmigen Ventil
sitz 7 umgeben.
Jeder Ventilöffnung 6a, 6b liegt eine Verschlusspartie 8a, 8b
gegenüber. Diese Verschlusspartien 8a, 8b sind an dem Ventil
glied 5 vorgesehen. Durch entsprechende Bewegung des Ventil
gliedes 5 lässt sich der Abstand zwischen den einander zuge
ordneten Ventilöffnungen und Verschlusspartien 6a, 8a; 6b, 8b
variieren, insbesondere um entweder einen maximalen Strömungsquerschnitt
freizugeben oder um den betreffenden Ventil
kanal komplett abzusperren. Dabei kann je nach Ausgestaltung
eine digitale Schaltfunktion oder eine stetige Steuerfunktion
realisiert werden.
Bei dem als Schaltventil ausgebildeten Mikroventil 1 des Aus
führungsbeispiels lassen sich durch Betätigung des Ventil
gliedes 5 die beiden Ventilöffnungen 6a, 6b abwechselnd öff
nen und verschließen, wobei die jeweils freigegebene Ventil
öffnung eine Fluidverbindung zwischen dem zugeordneten Spei
sekanal 4a oder Entlüftungskanal 4b mit dem Arbeitskanal 4c
ermöglicht, um einen an den Arbeitskanal 4c angeschlossenen
Verbraucher mit Druckmedium zu versorgen oder Druckmedium von
diesem abzuführen. Die Fluidströmung findet dabei durch den
Innenraum 3 hinweg statt.
Zur Betätigung des Ventilgliedes 5 sind auf elektrostatischem
Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel 12 vorhanden. Da
bei wird durch Anlegen einer Spannung an sich gegenüberlie
gende Elektroden ein elektrisches Feld generiert, das eine
Betätigungskraft B hervorruft, die zum Umschalten bzw. Bewe
gen des Ventilgliedes 5 ausreicht. In Fig. 1 sind strich
punktiert zwei von der Außenseite des Ventilgehäuses 2 her
zugängliche elektrische Anschlüsse 13 ersichtlich, die ver
wendbar sind, um die erforderliche Spannung anzulegen.
Das Mikroventil 1 zeichnet sich unter anderem dadurch aus,
daß es sich bei Bedarf mit sehr kompakten Abmessungen reali
sieren lässt. Hierfür verantwortlich sind vor allem die Antriebsmittel
12, die beim Ausführungsbeispiel von zwei Comb-
Drive-Antrieben 14a, 14b gebildet sind. Diese haben den Vor
teil, daß sie innerhalb eines relativ kleinen Volumens eine
hohe wirksame Elektrodenfläche zur Verfügung stellen können,
so daß bereits mit geringen Ansteuerspannungen hohe Betäti
gungskräfte realisierbar sind. Auf diese Weise erübrigen sich
aufwendige elektrotechnische Schutzmaßnahmen hinsichtlich der
elektrisch leitenden Bestandteile des Mikroventils, was ins
gesamt die Möglichkeit für geringe Ventilabmessungen schafft.
Die beiden Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b des Ausführungsbei
spiels sind technisch identisch ausgeführt, können allerdings
wie abgebildet über unterschiedliche Abmessungen verfügen,
was insbesondere vom Anbringungsort am Ventilglied 5 abhängt.
Wie insbesondere auch aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, besitzt
jeder Comb-Drive-Antrieb eine gehäusefeste erste Kammstruktur
15 mit einer Schar zueinander beabstandeter, Seite an Seite
nebeneinander angeordneter erster Elektroden 17. Die Elektro
den 17 ragen jeweils ausgehend vom Ventilgehäuse 2 in Rich
tung zum Ventilglied 5. Das Ventilglied 5 seinerseits ist mit
einer der ersten Kammstruktur 15 gegenüberliegenden zweiten
Kammstruktur 16 ausgestattet, die eine Schar ebenfalls mit
Abstand Seite an Seite nebeneinander angeordneter zweiter
Elektroden 18 aufweist. Diese zweiten Elektroden 18 ragen
ausgehend vom Ventilglied 5 hin zur Wandung des Ventilgehäu
ses 2.
Von einer Kammstruktur wird hier gesprochen, weil sich in
Stirnansicht gemäß Fig. 2 gesehen eine kammartige Anordnung
der Elektroden 17, 18 ergibt.
Die beiden Kammstrukturen 15, 16 eines jeweiligen Comb-Drive-
Antriebes 14a, 14b liegen einander in der durch Doppelpfeil
angedeuteten gewünschten Bewegungsrichtung 22 des Ventilglie
des 5 gegenüber, wobei sie mit ihren Elektroden 17, 18, mit
dem freien Ende voraus, ähnlich einer Verzahnung ineinander
eingreifen, ohne sich allerdings zu berühren.
Um die von den Außenflächen der Elektroden 17, 18 gebildeten
Elektrodenflächen möglichst groß zu gestalten, sind die
Elektroden 17, 18 vorzugsweise plattenartig ausgebildet. In
nerhalb einer jeweiligen Kammstruktur 15, 16 sind die Elekt
roden 17, 18 dabei so angeordnet, daß ihre Hauptausdehnungs
ebenen 25, 26 parallel zueinander verlaufen. Gleichzeitig
sind auch die Hauptausdehnungsebenen beider Kammstrukturen
15, 16 parallel zueinander. Der gegenseitige Elektrodenein
griff erfolgt derart, daß - abgesehen von der jeweils zu äu
ßerst angeordneten Elektrode - jede Elektrode der einen Kamm
struktur zwischen zwei Elektroden der anderen Kammstruktur
eingreift.
Aus Gründen der Steifigkeit und der besseren Herstellbarkeit
kann die Form der Kammstrukturen 15, 16 auch von der oben be
schriebenen abweichen, zum Beispiel können Sicken eingebracht
oder eine leicht wellige Struktur vorhanden sein. Es muß nur
gewährleistet werden, daß der Elektrodeneingriff sich im ent
sprechenden Toleranzfenster bewegt.
Um die weitere Erläuterung zu vereinfachen, sei nachfolgend
die strichpunktiert angedeutete Richtung des Wegragens der
Elektroden 17, 18 vom zugeordneten Ventilgehäuse 2 bzw. Ven
tilglied 5, die mit der gewünschten Bewegungsrichtung 22 zu
sammenfällt, als Höhenrichtung 27 bezeichnet. Diese liegt in
oder verläuft parallel zu den Hauptausdehnungsebenen 25, 26.
Die Kammstrukturen 15, 16 greifen in Höhenrichtung 27 der E
lektroden 17, 18 ineinander ein.
Das Ventilglied 5 hat beim Ausführungsbeispiel eine längliche
Gestalt, wobei die Bewegungsrichtung 22 quer und insbesondere
rechtwinkelig zur Längsachse 28 des Ventilgliedes 5 verläuft.
Das Ventilglied 5 hat vorzugsweise eine plattenartige Flach
gestalt mit einer Haupterstreckungsebene 32, die rechtwinke
lig zu den Hauptausdehnungsebenen 26 der an ihm vorgesehenen
Elektroden 18 orientiert ist.
Zur optimalen Ausnutzung des Grundrisses des Ventilglied 5
ist die zugeordnete zweite Kammstruktur 16 so ausgebildet,
daß ihre zweiten Elektroden 18 ebenfalls längliche Gestalt
haben und in Längsrichtung des Ventilgliedes 5 verlaufen. Sie
sind dabei mit ihrer einen randseitigen Längsseite am Ventil
glied 5 angeordnet, während der andere Längsrand der ersten
Kammstruktur 15 zugewandt ist.
Um eine weitere Miniaturisierung des Ventilaufbaues zu errei
chen, können nach erfolgter Metallisierung der Elektrodenflä
chen diese durch Aufgalvanisieren noch weiter strukturiert
werden.
Bevorzugt sind sowohl das Ventilgehäuse 2 als auch das Ven
tilglied 5 einschließlich des Elektrodenkerns der einzelnen
Elektroden 17, 18 aus Kunststoffmaterial gefertigt, wobei die
für die Funktion der Comb-Drive-Antriebe erforderlichen
Elektrodenflächen 23, 24 wie auch vorzugsweise die sonstigen
elektrischen Leiter durch Metallisierung des Kunststoffmate
rials erhalten sind. Dies schafft beispielsweise die Möglich
keit, die einzelnen Komponenten in kostengünstiger Weise im
Rahmen eines Kunststoff-Spritzgießverfahrens herzustellen,
beispielsweise in sogenannter MID-Technologie (MOLDED
INTERCONNECT DEVICE). Im Vergleich zu auf Silizium-Techno
logie basierender Herstellung ermöglicht dies eine beträcht
liche Kostenreduzierung.
Alternativ wäre es auch denkbar, eine Herstellung unter Ver
wendung der sogenannten LIGA-Technologie vorzunehmen, eine
Abformtechnik, die in Verbindung mit Galvanoumformung und Li
thografie zum Einsatz kommt.
Besonders einfach können die Elektrodenflächen 23, 24 dann
realisiert werden, wenn die Kammstrukturen 15, 16 wie beim
Ausführungsbeispiel jeweils als integrale bzw. einstückige
Bestandteile des zugeordneten Ventilgehäuses 2 bzw. Ventilgliedes
5 ausgeführt sind. Durch vollflächige Metallisierung
der den Innenraum 3 begrenzenden Innenfläche des Ventilgehäu
ses 2 kann gleichzeitig die komplette Metallisierung der von
der Wandung des Ventilgehäuses 2 nach innen zum Ventilglied 5
ragenden ersten Elektroden 17 erreicht werden. In gleicher
Weise kann durch vollflächige Metallisierung der Außenfläche
des Ventilgliedes 5 einschließlich der von diesem wegragenden
Umfangsflächen der zweiten Elektroden 18 die gewünschte Leit
fähigkeit der an letzteren vorgesehenen Elektrodenflächen 24
erhalten werden.
Alternativ zu der erwähnten integralen Herstellung von Elekt
roden und Ventilgehäuse bzw. Ventilglied wäre es auch mög
lich, die Elektroden 17, 18 als separate Bauteile auszuführen
und in geeigneter Weise am zugeordneten Träger, dem Ventilge
häuse 2 oder dem Ventilglied 5, zu fixieren. In diesem Zusam
menhang würde es sich insbesondere anbieten, die jeweilige
Kammstruktur 15, 16 einschließlich der zugehörigen Elektroden
17, 18 als Baueinheit auszuführen und diese dann am zugeord
neten Träger zu fixieren, beispielsweise durch Verkleben
und/oder durch Einsetzen in eine entsprechend geformte Auf
nahme (nicht dargestellt).
Das Mikroventil 1 könnte ein Ventilglied 5 aufweisen, dessen
Schaltbewegung eine rein translatorische Bewegung ist, bei
spielsweise in einer Art und Weise, wie es aus der eingangs
erwähnten EP 0 485 739 B1 hervorgeht. Das Ventilglied 5 könn
te ein rechtwinkelig zu seiner Ausdehnungsebene bewegbarer
Membran- oder Plattenkörper sein, dessen Abstand von der zu
steuernden Ventilöffnung je nach Schaltstellung variiert.
Ferner sei darauf verwiesen, daß die Antriebsmittel 12 anders
als beim Ausführungsbeispiel auch lediglich einen einzigen
Comb-Drive-Antrieb oder mehr als zwei Comb-Drive-Antriebe
aufweisen können.
Das Mikroventil 1 des Ausführungsbeispiels ist so konzipiert,
daß die als Steuerbewegung bezeichenbare Umschaltbewegung des
Ventilgliedes 5 eine Schwenkbewegung ist. Prinzipiell wäre
hier eine Anordnung denkbar, bei der das Ventilglied 5 ein
Biegeelement ist, das an einer Stelle eingespannt ist und
durch den Comb-Drive-Antrieb im Bereich seines freien Endes
zu einer Schwenkbewegung veranlasst werden kann. Im Gegensatz
dazu ist das Ventilglied 5 des Ausführungsbeispiels an einer
Lagerstelle 33 nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert und
verfügt über zwei ausgehend von der Lagerstelle 33 nach ent
gegengesetzten Seiten wegragende Ventilgliedarme 34, 35, die
sich bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 gleichsinnig be
wegen.
Beim Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß sich die steuer
baren Ventilöffnungen 6a, 6b auf der gleichen Längsseite des
länglichen Ventilgliedes 5 befinden, was folglich auch für
die zugeordneten Verschlusspartien 8a, 8b gilt. Die Lager
stelle 33 liegt, bezogen auf die Längsachse 28 des Ventil
gliedes 5, zwischen den beiden Ventilöffnungen 6a, 6b. Dies
hat zur Folge, daß bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 die
jeweils eine Verschlusspartie eine sich an die zugeordnete
Ventilöffnung annähernde Schließbewegung ausführt, während
die andere Verschlusspartie eine sich von der zugeordneten
Ventilöffnung entfernende Öffnungsbewegung durchführt.
Zweckmäßigerweise ist das Ventilgehäuse 2 derart in miteinan
der verbundene Gehäuseelemente 36, 37 unterteilt, das die
beiden steuerbaren Ventilöffnungen 6a, 6b an ein und dem sel
ben Gehäuseelement 36 vorgesehen sind. Da die Drehlagerung
des Ventilgliedes 5 im Bereich der Lagerstelle 33 ebenfalls
am gleichen Gehäuseelement 36 stattfindet, bleibt der Abstand
zwischen einer jeweiligen Ventilöffnung 6a, 6b und der zuge
ordneten Verschlusspartie 8a, 8b auch unter Druckbelastung
des Gehäuses konstant, was eine präzise Funktionsweise des
Mikroventils gewährleistet.
Zur Drehlagerung ist beim Ausführungsbeispiel ein beispiels
weise aus Metall und dabei insbesondere aus Stahl bestehender
Achskörper 42 vorgesehen, an dem das Ventilglied 5 fixiert
ist und der im Bereich der Lagerstelle 33 am Ventilgehäuse 2
so drehgelagert ist, daß die gewünschte Drehachse 43 für den
Schwenkvorgang definiert wird. Der Achskörper kann endseitig
im Fügebereich zwischen den beiden Gehäuseelementen 36, 37
eingelegt sein. Es kann sich um einen durchgehend linearen
Achskörper oder um einen abgekröpften Achskörper 42 handeln,
wie er in Fig. 2 angedeutet ist. Dabei ist eine einteilige
oder mehrteilige Bauform möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn der Achskörper 42 zumindest partiell
elektrisch leitfähig ist, so daß einer der elektrischen An
schlüsse 13 mit ihm verbunden sein kann, um die Kontaktierung
der am Ventilglied 5 vorgesehenen zweiten Elektroden 18 zu
realisieren. Dabei kann der Achskörper 42 aus geeignetem Me
tall, beispielsweise aus Stahl bestehen, das zu Isolation mit
Kunststoffmaterial umspritzt ist. Denkbar wäre aber auch ein
insgesamt aus Kunststoffmaterial bestehender Achskörper, der
vorzugsweise einstückig mit dem Ventilglied 5 verbunden ist.
Die Antriebsmittel 12 sind beim Ausführungsbeispiel so pla
ziert, daß jedem Ventilgliedarm 34, 35 einer der Comb-Drive-
Antriebe 14a, 14b zugeordnet ist. Diese sind so angeordnet
und derart elektrisch verschaltet, daß die von ihnen auf das
Ventilglied 5 ausübbare Betätigungskraft im gleichen Schwenk
sinne wirksam ist. Erreicht wird dies dadurch, daß die beiden
Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b mit Bezug zur Längsachse 28 des
Ventilgliedes 5 auf einander entgegengesetzten Längsseiten
plaziert sind. Auf jeder Seite der Haupterstreckungsebene 32
liegt einer der Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b.
Da die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b somit nur in einer Betä
tigungsrichtung eine Betätigungskraft ausüben können, sind
zusätzlich Federmittel 44 vorgesehen, die das Ventilglied 5
in eine Ausgangsstellung vorspannen. Die Federmittel 44 wir
ken zwischen dem Ventilglied 5 und dem Ventilgehäuse 2 und
erzeugen eine Rückstellkraft, die der Betätigungskraft der
Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b entgegengesetzt ist. Es wäre
möglich, die Federmittel 44 mit dem Achskörper 42 zu kombi
nieren und diesen beispielsweise nach Art einer Torsionsfeder
auszubilden.
Es wäre auch denkbar, die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b so zu
plazieren und auszubilden, daß die von ihnen erzeugbaren Be
tätigungskräfte in entgegengesetztem Schwenksinne auf das
Ventilglied 5 einwirken. Erreichbar ist dies beispielsweise
dadurch, daß beide Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b auf der glei
chen Längsseite des Ventilgliedes 5 plaziert werden, wobei
sie weiterhin mit unterschiedlichen der beiden Ventilgliedar
me 34, 35 kooperieren. Es wäre dann eine alternative Betäti
gung möglich, um jeweils wahlweise eine von zwei Schaltstel
lungen vorzugeben. In einem solchen Falle könnte auf separate
Federmittel verzichtet werden, wenngleich diese stets empfeh
lenswert sind, um eine definierte Ausgangsstellung auch im
deaktivierten Zustand der elektrostatisch wirksamen Antriebs
mittel 12 zu gewährleisten.
Zum Betrieb des Mikroventils 1 wird an die ersten und zweiten
Elektroden 17, 18 der beiden Kammstrukturen 15, 16 eine e
lektrische Spannung angelegt, wobei die Potentialdifferenz
die Ausbildung elektrischer Felder zwischen den sich jeweils
gegenüberliegenden Elektrodenflächen 23, 24 bewirkt. Die
hierbei entstehenden, rechtwinkelig zu den Hauptausdehnungs
ebenen 25, 26 wirksamen Kräfte gleichen sich aus oder werden
zumindest teilweise dadurch kompensiert, daß das Ventilglied
5 am Ventilgehäuse 2 in Achsrichtung der Drehachse 43 im we
sentlichen unbeweglich fixiert ist. Zusätzlich bewirken die
elektrischen Felder aber auch noch Betätigungskräfte B, die
in der oben erwähnten Höhenrichtung 27 wirksam sind und da
nach trachten, die beiden Kammstrukturen 15, 16 mit den freien
Elektrodenenden voraus ineinander zu ziehen. Diese Kräfte
sind die für die Betätigung des Ventilgliedes 5 im vorliegen
den Fall relevanten Stellkräfte. Sie sind bezogen auf das von
den Elektroden 17, 18 eingenommenen Volumen relativ groß, was
durch die relativ großen wirksamen Elektrodenflächen 23, 24
bewirkt wird. Es können auf diese Weise trotz kleiner Baugrö
ße hohe Stellkräfte erzeugt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 werden die
Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b von dem das Ventilgehäuse 2
durchströmenden Fluid ebenfalls umströmt. Bei einer in Fig.
4 angedeuteten Ausführungsform ist dies nicht der Fall, da
hier die vorhandenen Comb-Drive-Antriebe außerhalb den vom zu
steuernden Fluid durchströmten Bereichen des Ventilgehäuses 2
untergebracht sind. Auf diese Weise wird eine Beeinträchti
gung der Funktion der Comb-Drive-Antriebe verhindert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die mit dem ande
ren Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Komponenten mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Erkennbar ist hier jedoch
das Ventilglied 5 in einen Steuerabschnitt 45 und einen Betä
tigungsabschnitt 46 unterteilt, wobei der Steuerabschnitt 45
die Verschlusspartien 8a, 8b trägt und die Comb-Drive-
Antriebe 14a, 14b dem Betätigungsabschnitt 46 zugeordnet
sind. Eine im Innern des Ventilgehäuses 2 vorgesehene Trenn
wand 47 unterteilt den Innenraum 3 fluiddicht in eine Betäti
gungskammer 48 und eine Steuerkammer 49, wobei der Steuerab
schnitt 45 in der Steuerkammer 49 und der Betätigungsab
schnitt 46 in der Betätigungskammer 48 untergebracht ist.
Die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b befinden sich in der Betäti
gungskammer 48 und kooperieren mit dem Betätigungsabschnitt
46 des Ventilgliedes 5. Sämtliche Ventilkanäle 4 münden in
die Steuerkammer 49, so daß die Betätigungskammer 48 fluid
dicht von den Fluidströmen abgeschottet ist.
Beim Ausführungsbeispiel besteht der Steuerabschnitt 45 aus
einem Endabschnitt des Achskörpers 42, der die Trennwand 47
drehbeweglich unter Abdichtung durchsetzt. Der Achskörper 42
trägt an in Umfangsrichtung versetzten Stellen die Ver
schlusspartien 8a, 8b, die in Fig. 4 gestrichelt abgebildet
sind, weil sie sich auf der vom Betrachter abgewandten Um
fangsseite des Achskörpers 42 befinden. Die diesen Ver
schlusspartien 8a, 8b zugewandten Ventilöffnungen werden in
Fig. 4 vom Achskörper 42 verdeckt und sind daher nicht
sichtbar.
Zu den Ausführungsbeispielen kann nochmals zusammenfassend
festgehalten werden, daß es sich um Mikroventile handelt, die
insbesondere auf Basis der MID-Technologie ausgeführt sind
und eine elektrostatische Aktorik mit einem oder mehreren
Comb-Drive-Antrieben aufweisen. Durch die Schwenkbeweglich
keit des Ventilgliedes 5 ergibt sich eine Art Wippen-
Konstruktion, wobei das Ventilglied integrierte Elektroden
kamm-Strukturen aufweisen kann. Die Wippe (Ventilglied) be
steht insbesondere aus vollständig metallisierbarem Kunst
stoffmaterial, das in Spritzgusstechnik hergestellt werden
kann. Die Dichtkraft bei der Wippenanordnung wird unter Ausnutzung
der vorhandenen Hebelarme erzeugt, wobei sich optima
le Kräfteverhältnisse dadurch ergeben, daß der Abstand der
Verschlusspartien 8a, 8b von der Drehachse 43 geringer ist
als derjenige des Krafteinleitungszentrums der Comb-Drive-
Antriebe 14a, 14b.
Das Mikroventil kann beispielsweise für einen Druckbereich
bis 10 bar ausgelegt sein. Bedingt durch die vorteilhafte An
triebstechnik lässt es sich mit geringen Ansteuerspannungen
betreiben, beispielsweise mit 24 Volt oder 48 Volt, wobei auf
jeden Fall eine obere Grenze von maximal 60 Volt einhaltbar
ist, um auf aufwendige Schutzmaßnahmen verzichten zu können.
Die Metallisierung der zugehörigen Komponenten kann galva
nisch erfolgen.
Sind die Elektroden zum einen in das Ventilgehäuse und zum
anderen in das Ventilglied integriert, kann eine sehr exakte
Fertigung gewährleistet werden, was beim Zusammenbau des Ven
tils die Realisierung sehr geringer Spaltabstände ermöglicht.
Sind die gewünschten minimalen Spaltabstände durch Spritz
gusstechnik nicht ohne weiteres machbar, kann durch Galvani
sieren entsprechend hoher Metallschichtdicken der gewünschte
geringe Spaltabstand realisiert werden. Der geringe Elektro
denabstand hat wiederum den Vorteil, daß nur geringe Schalt
spannungen erforderlich sind.
Befindet sich die elektrostatische Antriebstechnik in einem
von den Fluidströmen abgetrennten Bereich, wird einer Verschmutzung
der Elektroden entgegengewirkt, die die relative
Beweglichkeit derselben beeinträchtigen könnte.
Claims (18)
1. Mikroventil zur Steuerung von Fluidströmen, mit mindes
tens einem Ventilglied (5), zu dessen Betätigung auf elektro
statischem Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel (12)
vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmit
tel mindestens einen sogenannten Comb-Drive-Antrieb (14a,
14b) enthalten.
2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) eine gehäusefest mit dem
Ventilgehäuse (2) des Mikroventils verbundene, eine Schar
erster Elektroden (17) aufweisende erste Kammstruktur (15)
sowie eine mit dem Ventilglied (5) bewegungsgekoppelte, eine
Schar zweiter Elektroden (18) aufweisende zweite Kammstruktur
(16) aufweist, wobei die beiden Kammstrukturen (15, 16) mit
ihren Elektroden (17, 18) ineinander eingreifen.
3. Mikroventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden (17, 18) plattenartige Gestalt haben, wobei
die Hauptausdehnungsebenen (25, 26) sämtlicher Elektroden
(17, 18) parallel zueinander verlaufen.
4. Mikroventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die erste Kammstruktur (15) als separate Einheit o
der vorzugsweise als integraler Bestandteil des Ventilgehäu
ses (2) ausgebildet ist.
5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Kammstruktur (16) als separate
Einheit oder vorzugsweise als integraler Bestandteil des Ven
tilgliedes (5) ausgebildet ist.
6. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) und/oder das Ventil
gehäuse (2), vorzugsweise einschließlich der Kammstrukturen
(15, 16) des mindestens einen Comb-Drive-Antriebes, aus zu
mindest partiell metallisiertem Kunststoffmaterial bestehen.
7. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn
zeichnet durch ein in MID-Technologie oder in LIGA-Techno
logie realisiertes Ventilgehäuse (2) und/oder Ventilglied
(5).
8. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (12) mehrere Comb-
Drive-Antriebe enthalten, die gleichzeitig oder abwechselnd
eine Betätigungskraft für das Ventilglied (5) erzeugen kön
nen.
9. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) derart ausgebildet
und angeordnet ist, daß seine von den Antriebsmitteln (12)
hervorgerufene Steuerbewegung eine Schwenkbewegung ist.
10. Mikroventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied (5) an einer Lagerstelle (33) nach Art einer
Wippe schwenkbar gelagert ist, wobei mindestens einem der
Ventilgliedarme (34, 35) ein Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b)
zugeordnet ist.
11. Mikroventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß beiden Ventilgliedarmen (34, 35) je mindestens ein Comb-
Drive-Antrieb (14a, 14b) zugeordnet ist.
12. Mikroventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die beiden Comb-Drive-Antriebe (14a, 14b) mit Bezug
auf die Längsachse (28) des Ventilgliedes (5) auf einander
entgegengesetzten Längsseiten des Ventilgliedes (5) befinden.
13. Mikroventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) mindestens eine mit
einer zu steuernden Ventilöffnung (6a, 6b) zusammenarbeitende
Verschlusspartie (8a, 8b) aufweist, deren Abstand zum Zentrum
der Schwenkbewegung geringer ist als derjenige des Zentrums
des Comb-Drive-Antriebes (14a, 14b).
14. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß Federmittel (44) vorhanden sind, die das
Ventilglied (5) in Richtung zu einer Ausgangsstellung vor
spannen.
15. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der mindestens eine Comb-Drive-Antrieb
(14a, 14b) außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchström
ten Bereichen des Ventilgehäuses (2) angeordnet ist.
16. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventilglied (5) einen Steuerabschnitt (45) und einen
Betätigungsabschnitt (46) aufweist, wobei der Steuerabschnitt
(45) mit mindestens einer zu steuernden Ventilöffnung (6a,
6b) und der Betätigungsabschnitt (46) mit dem mindestens ei
nen Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) zusammenarbeitet und wobei
die beiden Abschnitte (45, 46) einschließlich der jeweils zu
geordneten Ventilöffnung (6a, 6b) bzw. des Comb-Drive-
Antriebes (14a, 14b) in voneinander getrennten Kammern (48,
49) des Ventilgehäuses (2) angeordnet sind.
17. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) längliche Gestalt
hat, wobei die Elektroden (17, 18) des Comb-Drive-Antriebes
(14a, 14b) zweckmäßigerweise in Längsrichtung des Ventilglie
des (5) verlaufen.
18. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekenn
zeichnet durch eine Ausgestaltung als 3/2-Wegeventil.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10047705A1 true DE10047705A1 (de) | 2002-05-29 |
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DE (1) | DE10047705A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE20212649U1 (de) | 2002-08-17 | 2002-10-10 | FESTO AG & Co., 73734 Esslingen | Mehrwegeventil |
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2000
- 2000-09-25 DE DE2000147705 patent/DE10047705A1/de not_active Ceased
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