DE102009033780A1 - Working device for valves and control devices, comprises single-or multi-part housing, where partially multi-layered piezoelectric bending transducer element is provided for implementation of control movement - Google Patents

Working device for valves and control devices, comprises single-or multi-part housing, where partially multi-layered piezoelectric bending transducer element is provided for implementation of control movement Download PDF

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Abstract

The working device (1) comprises a single-or multi-part housing (15), where a partially multi-layered piezoelectric bending transducer element (2) is provided for implementation of a control movement (14). A fluid bearing (5) is formed with a surface (7), where the bending transducer element is associated. Another surface (8) is formed, which is associated with the housing.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Miniatur-Piezo-Biegewandlerelement, insbesondere ein Miniatur-Ventilsystem zur Steuerung von Fluiden mittels eines Piezo-Biegewandlerelements mit kurzer Ansprechzeit.The The invention relates to a miniature piezo bending transducer element, in particular a miniature valve system for controlling fluids by means of a Piezo bending transducer element with short response time.
  • Piezo-Biegewandler sind Aktuatoren zur Erzeugung einer Stellbewegung in einem nicht-geklemmten Bereich und sind aus mehreren Materialschichten mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufgebaut. Die Schichten weisen insbesondere in Monomorph-Konfiguration unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei Temperaturänderungen, aber auch bei betriebsbedingten Gehäuse-Verformungen oder Alterungsprozessen können Störauslenkungen sich der nutzbaren Stellbewegung in gleicher Größenordnung überlagern und somit die Funktion des Aktuators stark beeinträchtigen.Piezoelectric bending transducer are actuators for generating an actuating movement in a non-clamped Range and are made of several layers of material with at least one built up piezoelectric layer. The layers have in particular in monomorph configuration different thermal expansion coefficients on. For temperature changes, but also for operational housing deformations or aging processes can cause disturbances superimpose the usable positioning movement in the same order and thus greatly affect the function of the actuator.
  • US 6,581,638 beschreibt ein Ventil mit einer zusammenhängenden piezoelektrischen Biegewandlereinheit, die aus zwei an einer Drehlagerung zusammenhängenden Biegeelementen mit gemeinsamer Trägerschicht besteht. Die Biegewandlereinheit weist im Vergelich zu einem einfachen Biegewandler einen vergrößerten Ventilhub auf. Als weiterer Vorteil dieser Konfiguration geht aus US 6,581,638 hervor, dass infolge der Drehlagerung und des gleichartigen Aufbaus der beiden Biegeelemente eine automatische selbsttätige Lagekorrektur bei temperaturbedingten Verformungen der Biegeelemente stattfindet. Im Vergleich zu konventionellen piezoelektrischen Biegeelementen nachteilig ist allerdings die doppelte Baubreite, was beispielsweise ungüstig für den Einsatz in Ventilarrays mit geringem Kanalabstand ist. Nachteilig ist auch die technisch aufwändige Herstellung der Biegewandlereinheit. US 6,581,638 describes a valve with a continuous piezoelectric bending transducer unit, which consists of two connected to a rotary bearing bending elements with common carrier layer. The Bieoderlereinheit has in comparison to a simple bending transducer on an enlarged valve. Another advantage of this configuration goes out US 6,581,638 shows that due to the pivot bearing and the similar structure of the two bending elements an automatic automatic position correction takes place at temperature-induced deformations of the bending elements. In comparison to conventional piezoelectric bending elements disadvantageous, however, is twice the width, which is, for example, unfavorable for use in valve arrays with a small channel spacing. Another disadvantage is the technically complex production of the bending transducer unit.
  • Um langsam auftretende Störbewegungen infolge von Temperaturänderungen, Alterung oder mechanischen Verspannungs- oder Kriechzustände auszugleichen, wird in EP 148630 die Einfügung einer Kraftübertragungseinrichtung in den Kraftübertragungsweg zwischen dem bewglichen Ende eines Aktuators und einem Arbeitselement vorgeschlagen, welche eine fast vollständige Übertragung der Aktorbewegung ermöglicht. Die Kraftübertragungseinrichtung enthält ein Kraftübertragungselement, welches dem Aktuator zugeordnet ist, ein Kraftaufnahmeelement, das dem Arbeitselement zugeordnet ist und eine viskose Flüssigkeit in einem Spalt zwischen Kraftübertragungselement und Kraftaufnahmeelement, welche sich bei schnellen Aktuations-Bewegungen hart verhält, langsam ablaufende Störbewegungen jedoch nicht auf das Arbeitselement überträgt.In order to compensate for slow disturbing movements due to temperature changes, aging or mechanical stress or creep conditions, is in EP 148630 the insertion of a power transmission device in the power transmission path between the permissible end of an actuator and a working element proposed, which allows an almost complete transmission of the actuator movement. The power transmission device includes a force transmitting member associated with the actuator, a force receiving member associated with the working member and a viscous fluid in a gap between the force transmitting member and the force receiving member, which behaves hard in rapid actuation movements, slow jamming movements but not on the working member transfers.
  • In EP 148630 wird auch die grundsätzliche Verwendbarkeit der beschriebenen Kraftübertragungseinrichtung in einem Ventil mit bimorphem Piezo-Biegewandler genannt. Nach EP 148630 wäre die vorgeschlagene Kraftübertragungseinrichtung zwischen dem aktuierenden Ende eines Piezo-Biegewandlers und einem Arbeitselement, beispielsweise einem Ventil-Verschlußteil, angebracht. Übertragen auf ein Miniatur-Ventilsystem mit Antriebskräften unterhalb von 50 mN würde die gesamte Masse der Kraftübertragungseinrichtung mitgewegt werden, was die Schaltzeiten stark negativ beeinflussen würde. Auch müßten höchst diffizile Frtigungs- und Montageschritte vorgenommen werden.In EP 148630 also the basic usability of the described power transmission device is called in a valve with bimorph piezo bending transducer. To EP 148630 the proposed power transmission device would be mounted between the actuating end of a piezo bending transducer and a working element, for example a valve closure part. Transferred to a miniature valve system with drive forces below 50 mN, the entire mass of the power transmission would be moved along, which would greatly adversely affect the switching times. Also would have to be made very difficult Frtigungs- and assembly steps.
  • Ausgehend von EP 148630 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine miniaturisierbare, dabei gleichzeitig einfach und kostengünstig zu fertigende Arbeitsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 insbesondere zur Verwendung in einem Fluidventil vorzustellen, welche dazu geeignet ist, reproduzierbare Stellgewegungen schnell auszuführen, unbeeinflußt von den o. g. Störeinflüssen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Danach enthält die erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung ein Fluidlager 5 mit einer ersten Fläche 7, die dem Biegewandlerelement 2 zugeordnet ist, einer zweiten Fläche 8, die dem Gehäuse 15 zugeordnet ist und einem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial 6 zwischen den Flächen, zur Übertragung der aus der Stellbewegung 14 resultierenden Reaktionskräfte oder -momente vom Biegewandlerelement 2 auf das Gehäuse 15.Starting from EP 148630 The invention has for its object to provide a miniaturizable, while at the same time simple and inexpensive to be manufactured working device according to the preamble of claim 1 in particular for use in a fluid valve, which is adapted to carry out reproducible positioning movements quickly, unaffected by the above-mentioned disturbing influences. The object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1. Thereafter, the working device according to the invention includes a fluid bearing 5 with a first surface 7 that the bending transducer element 2 is assigned, a second surface 8th that the housing 15 is assigned and a flowable power transmission material 6 between the surfaces, to transfer the out of the adjusting movement 14 resulting reaction forces or moments of the bending transducer element 2 on the case 15 ,
  • Das Fluidlager ist durch die Fließfähigkeit des Kraftübertragungsmaterials geeignet, langsame Lage- und Geometrieveränderungen von Biegewandler und Gehäuse auszugleichen, ohne dass dabei wesentliche Kräfte zwischen Gehäuse und Biegewandlerelement übertragen werden. Das Fluidlager bewirkt somit ein Ausgleich von Verformungen oder Verspannungen des Piezo-Biegewandlers oder sonstiger Teile infolge von Temperaturveränderungen und Krafteinwirkungen, Stress, Alterung und Drift. Im Gegensatz zu herkömmlichen Biegewandlern, bei denen solche Verspannungen oder Störauslenkungen die Arbeitskennlinie des Aktors verändern, können sich diese durch Verwendung des Fluidlagers nicht mehr auf den Stellmechanismus selbst auswirken. Das erfindungsgemäße Fluidlager erspart weiterhin aufwändige Maßnahmen zur Temperaturkompensationen und die Notwendigkeit einer präzisen Montage. Durch die Fluidlagerung können auch größere Gehäuseverformungen zugelassen werden, die beispielsweise in Druck-beaufschlagten Fluidventilen auftreten können. Dies ermöglicht eine insgesamt Platz- und Material-sparende Bauweise, insbesondere auch eine Miniaturisierung.The Fluid bearing is due to the fluidity of the power transmission material suitable, slow position and geometry changes of Balance bending transducer and housing, without doing so transmit essential forces between the housing and bending transducer element become. The fluid bearing thus causes a compensation of deformations or tension of the piezo bending transducer or other parts as a result of temperature changes and force effects, Stress, aging and drift. Unlike traditional ones Bending transducers, where such tension or disturbance distractions can change the working characteristic of the actuator these are no longer due to the use of the fluid bearing on the actuating mechanism impact yourself. The fluid bearing according to the invention saves costly measures for temperature compensation and the need for precise assembly. By the Fluid storage can also cause larger housing deformations be admitted, for example, in pressure-loaded fluid valves may occur. This allows a total Space- and material-saving construction, especially a miniaturization.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Dabei wird von einem flächigen, bevorzugt länglichen Biegewandlerelement ausgegangen mit mehreren übereinander angeordneten Materialschichten, von denen mindestens eine Schicht piezoelektrische Eigenschaften aufweist.Expedient embodiments of the inventions Working device according to the invention with advantageous developments and embodiments of the invention are specified in the further claims. In this case, it is assumed that a flat, preferably elongated bending transducer element with a plurality of superimposed material layers, of which at least one layer has piezoelectric properties.
  • Zur besseren Verständlichkeit der Beschreibung der Erfindung soll im Folgenden angenommen werden, dass das Biegewandlerelement in horizontaler X-Y Ebene liegt und Stellbewegungen senkrecht aus der Ebene heraus in Z-Richtung erfolgen.to better understanding of the description of the invention will be assumed below that the bending transducer element lies in the horizontal X-Y plane and positioning movements vertically take the plane out in Z direction.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform werden Reaktionskräfte oder -momente von einer Fläche des Biegewandlerelements über das fließfähige Kraftüberrtagungsmaterial auf eine Fläche des Gehäuses übertragen. In einer besonders bevorzugten Variante ist die Fläche des Biegewandlerelementes eine Fläche einer Trägerschicht des Biegewandlerelementes. Durch die Nutzung der Flächen des Biegewandlerelementes und des Gehäuses unmittelbar für das Fluidlager kann die Arbeitsvorrichtung sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden. Eine besonders wirkungsvolle Kraftübertragung ergibt sich in einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform, in der sich das fließfähige Kraftübertragungsmaterial in einem Spalt zwischen der Fläche des Biegewandlerelements und der Fläche des Gehäuses befindet. Schließlich wird noch eine weitere Ausführungsform vorgeschlagen, bei der die Fläche des Gehäuses eine Innenfläche einer offenen oder geschlossenen Kavität ist.According to one expedient embodiment, reaction forces or moments of a surface of the bending transducer element over the flowable Kraftragtungsmaterial transferred to a surface of the housing. In a particularly preferred variant, the area the flexural transducer element is a surface of a carrier layer the bending transducer element. By using the surfaces the bending transducer element and the housing directly For the fluid bearing, the working device can be very simple and manufactured inexpensively. A particularly effective Power transmission results in a further appropriate Embodiment in which the flowable power transmission material in a gap between the surface of the flexural transducer element and the surface of the housing is located. After all Yet another embodiment is proposed in which the surface of the housing has an inner surface an open or closed cavity.
  • Es wird eine weitere zweckmäßige Ausführungsform vorgeschlagen, bei der das Biegewandlerelement schwimmend in der X-Y Ebene gelagert ist. Die laterale Beweglichkeit des Biegewandlerelements wird dabei durch seitliche Anschläge 11 begrenzt, welche sich im Gehäuse der Arbeitsvorrichtung befinden. Das nach dem Oberbegriff vorhandene Drehlager für das Piezoelement ist in diesem Fall zweckmäßig als einfaches Auflager 9 ausgeführt.It is proposed a further expedient embodiment in which the bending transducer element is floatingly mounted in the XY plane. The lateral mobility of the bending transducer element is characterized by lateral stops 11 limited, which are located in the housing of the working device. The existing according to the preamble rotary bearing for the piezoelectric element is expedient in this case as a simple support 9 executed.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen enthalten zur Festlegung einer ersten und/oder zweiten stabilen Referenzposition der Stellbewegung des Biegewandlerelementes einen ersten und/oder zweiten Referenz-Anschlag Zref im Gehäuse. Diese können sich sowohl auf einen nicht angesteuerten, den sogennanten stromlosen Fall als auch auf einen angesteuerten Fall beziehen. Die Anschläge befinden sich in einem Bereich im Gehäuse, in dem das Biegewandlerelement seine Stellbewegung ausführt. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform befindet sich genau ein in Aktuationsrichtung wirkender Referenzanschlag in Form eines Anschlages für das Biegewandlerelement im Gehäuse oder in einer Struktur, die gegenüber dem Gehäuse unbeweglich ist.expedient Embodiments include establishing a first and / or second stable reference position of the adjusting movement of Biewandlerelementes a first and / or second reference stop Zref in the case. These can affect both a non-driven, the so-called currentless case as well refer to a driven case. The stops are located in an area in the housing in which the bending transducer element executes its actuating movement. In a first preferred Embodiment is exactly one in Aktuationsrichtung acting reference stop in the form of a stop for the bending transducer element in the housing or in a structure, which is immovable relative to the housing.
  • Das Biegewandlerelement wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine geeignete Kraft in einer Referenzposition gehalten. Die Kraft kann beispielsweise eine mechanische Kraft, eine Druckkraft oder eine Kraft sein, die aus der Oberflächenspannung eines fluiden Kraftübertragungsmaterials in Wechselwirkung mit dem Gehäuse resultiert. Das erfindungsgemäße Fluidlager stellt dabei sicher, dass das Biegewandlerelement in dieser Referenzposition unanbhängig von Verformungen, inneren Verspannungen und Verschiebungen sich in einem reproduzierbaren Ausgangszustand befindet.The Bending transducer element is in a preferred embodiment held by a suitable force in a reference position. The Force can, for example, a mechanical force, a compressive force or a force resulting from the surface tension of a fluid transmission material in interaction with results in the housing. The invention Fluid bearing ensures that the bending transducer element in This reference position is independent of deformation, internal tension and shifts in a reproducible initial state located.
  • Die Arbeitsvorrichtung ist bevorzugt geeignet für die Verwendung in einem Ventil, besonders bevorzugt in einem Mikroventil. Dieses weist ein Veschlußteil, das dem Biegewandlerelement zugeordnet ist, ein Ventilsitz, der dem Gehäuse zugeordnet ist und einen Fluiddurchgang, der dem Gehäuse zugeordnet ist, auf. In einer günstig zu fertigenden Variante wird das Verschlußteil durch eine Schicht, insbesondere durch die Trägerschicht des Biegewandlerelementes selbst gebildet.The Working device is preferably suitable for use in a valve, more preferably in a microvalve. This has a Veilußteil associated with the bending transducer element is a valve seat, which is associated with the housing and a Fluid passage, which is associated with the housing, on. In a favorable variant to be produced is the closure part through a layer, in particular through the carrier layer the bending transducer element itself formed.
  • In einer Ausführung als stromlos-geschlossenes Ventil bildet der Ventilsitz selbst den Referenz-Anschlag, welcher die Referenzlage Zref für das Biegewandlerelement definiert. Die Kraft zum Schließen des Ventils kann beispielsweise aus (a) einer Druckkraft, welche das Fluid auf das geschlossene Schließelement ausübt, (b) aus einer mechanischen Andrück-Kraft einer Andrück-Feder, die auf das Biegewandlerelement wirkt oder (c) aus einer Oberflächenspannungskraft des fließfähigen Kraftübertragungsmaterials zusammengesetzt sein.In an embodiment forms as a normally closed valve the valve seat itself the reference stop, which is the reference position Zref defined for the bending transducer element. The power to Closing the valve may, for example, consist of (a) a compressive force, which exerts the fluid on the closed closing element, (b) from a mechanical pressing force of a pressure spring, acting on the flexural transducer element or (c) from a surface tension force the flowable power transmission material be composed.
  • In einer stromlos offenen Variante sind in Stellrichtung des Biegewandlerelements zwei gegenüberliegende Anschläge in ein oder zwei Gehäuseteilen integriert, die mit dem Stellbereich des Biegewandlerelements funktionstüchtig korrespondieren, wobei ein erster Anschlag den Referenzanschlag bildet, mit dem das Piezo im stromlosen Zustand in Kontakt ist und der zweite Anschlag durch den Ventilsitz gebildet wird. Bei Ansteuerung des Mikroventils hebt das Piezo-Biegewandlerelement vom ersten Anschlag ab und verschließt am Ventilsitz, der den zweiten Anschlag darstellt, den Fluiddurchgang.In a normally open variant are in the direction of the bending transducer element two opposite stops in one or two Housing parts integrated with the adjustment range of Biewanderlerelements functionally correspond, wherein a first stop forms the reference stop, with which the piezo in the de-energized state is in contact and the second stop by the valve seat is formed. When the microvalve is actuated, it raises the piezo-bending transducer element from the first stop and closes at the valve seat, which represents the second stop, the fluid passage.
  • In einer bistabilen Variante sind in Stellrichtung des Biegewandlerelements zwei gegenüberliegende Anschläge in ein oder zwei Gehäuseteilen integriert, die mit dem Biegewandlerelement zugeordneten Verschlußteilen funktionstüchtig korrespondieren, wobei ein erster Anschlag durch einen ersten Ventilsitz, der einem ersten Fluiddurchgang zugeordnet ist und ein zweiter Anschlag durch einen zweiten Ventilsitz, der einem zweiten Fluiddurchgang zugeordnet ist, gebildet wird. In einer bevorzugten Variante basieren die jeweiligen Kräfte zum Verschließen der Fluiddurchgänge überwiegend oder ausschließlich auf Druckkräfte, die das zu schaltende Fluid auf das jeweilige Ventil-Verschlußteil ausübt. In einer weiter bevorzugten Varinate sind die Verschlußteile Teile des Biegewandlerelementes, insbesondere der passiven Lage des Biegewandlerelementes selbst.In a bistable variant, two opposing stops are integrated into one or two housing parts in the direction of the bending transducer element, which functionally correspond to closure elements associated with the flexural transducer element, wherein a first stop is assigned by a first valve seat associated with a first fluid passage and a second stop by a second stop Valve seat, the second fluid passage added orders is formed. In a preferred variant, the respective forces for closing the fluid passages are based predominantly or exclusively on pressure forces which the fluid to be switched exerts on the respective valve closure part. In a further preferred Varinate the closure parts are parts of the bending transducer element, in particular the passive position of the bending transducer element itself.
  • Zur Erläuterung der Erfindung sind folgende Zeichnungen beigefügt:to Explanation of the invention are attached to the following drawings:
  • 1 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht und in einer Ansicht von oben eine erfindungsgenäße Arbeitsvorrichtung im aktuierten Zustand. 1 shows in a side sectional view and in a view from above a erfindungsgenäße working device in the actuated state.
  • 2 zeigt eine zweckmäßige Konfiguration des Kraftübertragungsmaterials im Spalt eines Fluidlagers. 2 shows a convenient configuration of the power transmission material in the gap of a fluid bearing.
  • 3 zeigt eine weitere zweckmäßige Konfiguration des Kraftübertragungsmaterials im Spalt eines Fluidlagers. 3 shows a further expedient configuration of the force transmission material in the gap of a fluid bearing.
  • 4 zeigt eine bzgl. 1 alternative zweckmäßige Konfiguration für die Lagerung einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung. 4 shows a bzgl. 1 alternative expedient configuration for the storage of a working device according to the invention.
  • 5 zeigt eine zweckmäßige Konfiguration einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung mit mittig angeordnetem Stell-Bereich. 5 shows a functional configuration of a working device according to the invention with centrally located parking area.
  • 6 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform für ein stromlos geschlossenes Fluidventil, insbesondere geeignet als Pneumatik-Pulsventil, basierend auf einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung. 6 shows an expedient embodiment of a normally closed fluid valve, in particular suitable as a pneumatic pulse valve, based on a working device according to the invention.
  • 7 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform für ein stromlos offenes Pneumatikventil, basierend auf einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung. 7 shows a useful embodiment of a normally open pneumatic valve, based on a working device according to the invention.
  • 8 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform für ein bistabiles Fluidventil, insbesondere geeignet als Pneumatikventil, basierend auf einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung. 8th shows an expedient embodiment of a bistable fluid valve, in particular suitable as a pneumatic valve, based on a working device according to the invention.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung Anhand der Figuren:Detailed description of the invention Based on the figures:
  • In 1 ist das Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung 1, welche ein Biegewandlerelement 2 in einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse 15 enthält, schematisch in einer seitlichen Schnitt-Darstellung und in einer Ansicht von oben skizziert. Unter einem Biegewandlerelement soll im Rahmen dieser Erfindung das zusammenhängende Bauteil verstanden werden, welches den piezoelektrischen Biegewandler enthält. Der prinzipielle Aufbau und die Funktion eines piezoelektrischen Biegewandlers werden hier als bekannt vorausgesetzt. Im Rahmen der Erfindung bevorzugt eingesetzte monomorph-Biegewandler enthalten neben der aktiven, piezoelektrischen Schicht 3 eine passive Träger-Schicht 4 aus einem ausreichend festen, nicht-piezoelektrischen Material. Die aktive, piezoelektrische Schicht 3 bedeckt in mehreren bevorzugten Ausführungsformen die Trägerschicht 4 nur abschnittsweise, die Trägerschicht als Teil des Biegewandlerelements 2 kann beispielsweise das Verschluß-Element eines Ventils, Montagestrukturen, Anbauteile oder Strukturen, die ein verrutschen verhindern, enthalten. In 1 ist eine solche bevorzugte Ausführungsform eines Biegewandler-Elements dargestellt. Im linken Bereich ist das Biegewandlerelement als Biegewandler, bestehend aus einer piezoelektrischen Schicht und einer vorzugsweise metallischen Trägerschicht aufgebaut und ist beweglich bezüglich der Stellbewegung, weshalb der linke Bereich als beweglicher Bereich bezeichnet werden kann. Am Beispiel von 1 wird links am verlängerten Ende der Trägerschicht die Stellarbeit geleistet. Die Hälfte des Biegewandlerelements rechts des Auflagers 9 dient der Lagerung desselben durch das erfindungsgemäße Fluidlager, dieser Bereich kann als Lager- oder Einspannbereich bezeichnet werden. Das Biegewandlerelement kann ganz oder teilweise als piezoelektrischer Biegewandler, bestehend aus mindestens einer piezoelektrischen Schicht, aufgebaut sein. Im einfachsten Fall ist das Biegewandlerelement vom linken bis zum rechten Ende als monomorph oder bimorph-Biegewandler aufgebaut. Bevorzugt ist das Biegewandlerelement im beweglichen Bereich als monomorph oder bimorph-Biegewandler ausgeführt. Im Bereich des Fluidlagers besteht das Biegewandlerelement bevorzugt aus nur einer Schicht des Biegewandlerelements, beispielsweise der Trägerschicht, welche nicht mit einer piezoelektrischen Schicht belegt ist.In 1 is the embodiment of a working device according to the invention 1 which is a bending transducer element 2 in a single or multi-part housing 15 contains, schematically outlined in a side sectional view and in a view from above. In the context of this invention, a bending transducer element is understood to mean the coherent component which contains the piezoelectric bending transducer. The basic structure and the function of a piezoelectric bending transducer are assumed to be known here. In the context of the invention preferably used monomorphic bending transducers contain in addition to the active, piezoelectric layer 3 a passive carrier layer 4 from a sufficiently strong, non-piezoelectric material. The active, piezoelectric layer 3 covers the carrier layer in several preferred embodiments 4 only in sections, the carrier layer as part of the bending transducer element 2 For example, the shutter member of a valve, mounting structures, attachments, or structures that prevent slippage may be included. In 1 Such a preferred embodiment of a bending transducer element is shown. In the left-hand region, the bending transducer element is constructed as a bending transducer, consisting of a piezoelectric layer and a preferably metallic carrier layer, and is movable with respect to the adjusting movement, which is why the left-hand region can be referred to as a movable region. On the example of 1 is done on the left of the extended end of the carrier layer, the Stellarbeit. Half of the bending transducer element to the right of the support 9 serves the storage of the same by the fluid bearing according to the invention, this area can be referred to as a storage or clamping area. The bending transducer element may be wholly or partially constructed as a piezoelectric bending transducer, consisting of at least one piezoelectric layer. In the simplest case, the bending transducer element is constructed from the left to the right end as a monomorph or bimorph bending transducer. Preferably, the bending transducer element is designed in the movable range as a monomorph or bimorph bending transducer. In the region of the fluid bearing, the bending transducer element preferably consists of only one layer of the bending transducer element, for example the carrier layer, which is not covered with a piezoelectric layer.
  • Typische Dicken der Schichten des Biegeaktuators liegen zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, in besonderen Fällen bis 1 mm. Der Materialauswahl für die Träger-Schicht sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt, bevorzugt geeignet sind beispielsweise Metalle wie Edelstahl, Messing oder Beryllium-Kupfer, Glas, Keramik, einige Kunststoffe, halbleitende Materialien oder (Karbon-) faserverstärkte Materialien.typical Thicknesses of the layers of the bending actuator are between 0.1 mm and 0.5 mm, in special cases up to 1 mm. The material selection for the carrier layer are in principle no Limits set, preferably suitable are for example metals such as Stainless steel, brass or beryllium copper, glass, ceramics, some Plastics, semiconducting materials or (carbon) fiber reinforced Materials.
  • Das Biegewandlerelement 2 befindet sich an mindestens einer Stelle, dem Drehlager 9, in mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse 15 oder mit Strukturen, die dem Gehäuse gegenüber unbeweglich sind. Am Drehlager 9 ist das Biegewandlerelement 2 um die Y-Achse drehbar gelagert. In der Konfiguration in 1 befindet sich das Drehlager 9 etwa in der Mitte des Biegewandlerelements 2. Als Drehlager 9 wird eine Aufspannung verstanden, die keine Drehmomente um die Y-Achse überträgt. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Drehlagers ist ein Auflager, welches hauptsächlich Kräfte in positive Z-Richtung überträgt. In der Ausführung als Auflager kann das Biegewandlerelement durch einen eigenen Andruckmechanismus auf das gehäuseseitige Auflager angedrückt werden, welcher beispielsweise aus einer Metallfeder besteht, die auf das Biegewandlerelement an der Stelle des Auflagers drückt. Die drehbare Lagerung des Biegewandlerelementes erfordert weitere Maßnahmen, damit dessen Lage statisch bestimmt ist: Ein in Z-Richtung wirkender Referenz-Anschlag 10 ist im Gehäuse dort angebracht, wo das Biegewandlerelements seine nutzbare Stellbewegung 14 ausführt. Der Referenzanschlag definiert für einen definierten Ansteuerzustand eine Referenz-Drehlage des Biegewandlerelements um die Drehachse 9 und gleichzeitig eine Referenz-Stellposition Zref für die Stell-Tätigkeit 14. Im Falle eines stromlos geschlossenen Ventils ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn ein Ventilsitz 22 selbst einen solchen Referenz-Anschlag 10 bildet.The bending transducer element 2 is located at least one place, the pivot bearing 9 , in mechanical contact with the housing 15 or with structures that are immovable to the housing. At the pivot bearing 9 is the bending transducer element 2 rotatably mounted about the Y-axis. In the configuration in 1 is the pivot bearing 9 approximately in the middle of the bending transducer element 2 , As a pivot bearing 9 is understood to mean a clamping that does not transmit torques about the Y-axis. A preferred Embodiment of a pivot bearing is a support which mainly transmits forces in the positive Z direction. In the embodiment as a support, the bending transducer element can be pressed by its own pressure mechanism on the housing-side support, which consists for example of a metal spring which presses on the bending transducer element at the location of the support. The rotatable mounting of the bending transducer element requires further measures, so that its position is determined statically: acting in the Z direction reference stop 10 is mounted in the housing where the bending transducer element its usable adjustment movement 14 performs. The reference stop defines for a defined drive state a reference rotational position of the bending transducer element about the axis of rotation 9 and at the same time a reference position Zref for the actuating action 14 , In the case of a normally closed valve, for example, it is advantageous if a valve seat 22 even such a reference stop 10 forms.
  • Eine Arbeitsvorrichtung, die im Wesentlichen zwei definierte Stellzustände einnimmt, enthält vorzugsweise zwei Referenz-Anschläge, beispielsweise einen oberen in negative Z-Richtung wirkenden und einen unteren in positive Z-Richtung wirkenden, welche mit einem stromlosen und einen bestromten Austeuerzustand korrespondieren.A Working device, which essentially has two defined actuating states preferably contains two reference stops, for example, an upper acting in the negative Z direction and a lower acting in the positive Z-direction, which with a de-energized and an energized Austeuerzustand correspond.
  • In der Ansicht von oben in 1 wird beispielhaft die Ausführung einer schwimmenden Lagerung des Biegewandlerelements 2 verdeutlicht. Seitlich wirkende Anschläge 11 begrenzen die seitliche Beweglichkeit des Biegewandlerelementes mit ihren senkrechten Flächen. Statt einer Anordnung der Anschläge seitlich außerhalb des Biegewandlerelements 2 können seitlich wirkende Anschläge auch in Öffnungen im Biegewandlerelement mit definiertem Spiel hineinragen und auf diese Weise eine lockere geometrische Fixierung in lateraler Richtung sicherstellen.In the view from the top in 1 exemplifies the execution of a floating bearing of the bending transducer element 2 clarified. Side-acting attacks 11 limit the lateral mobility of the bending transducer element with their vertical surfaces. Instead of an arrangement of the stops laterally outside of the bending transducer element 2 lateral stops can also protrude into openings in the bending transducer element with defined play and thus ensure a loose geometric fixation in the lateral direction.
  • Um das Biegewandlerelement im Kontakt mit dem Referenz-Anschlag 10 zu halten, muß durch einen geeigneten Wirkmechanismus eine Kraft oder ein Moment auf das Biegewandlerelement ausgeübt werden. Am Beispiel der 1 wird die Kraft durch eine mechanische Andrückvorrichtung unter Einbeziehung eines Federelementes 12 aufgebracht, das auf eine Schicht des Biegewandlerelements drückt. Der Berührungspunkt befindet sich bevorzugt nahe dem Drehlager, besonders bevorzugt mit einem Abstand L1 vom Drehlager entfernt, wobei das Verhältnis von L1 zum Abstand L2 zwischen Referenz-Kontaktpunkt und Drehlager besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,02 und 0,3 liegt. Bezogen auf das Biegewandlerelement befindet sich entweder der Berührungspunkt des Federelements 12 rückseitig zwischen dem Referenz-Anschlag 10 und dem Drehlager 9 oder das Drehlager 9 rückseitig zwischen Referenzanschlag 10 und Berührungspunkt des Federelements 12 (nicht dargestellt in 1).To the bending transducer element in contact with the reference stop 10 To hold, a force or a moment must be exerted on the bending transducer element by a suitable mechanism of action. The example of 1 the force is generated by a mechanical pressure device including a spring element 12 applied, which presses on a layer of the bending transducer element. The contact point is preferably located near the pivot bearing, particularly preferably at a distance L1 from the pivot bearing, the ratio of L1 to the distance L2 between the reference contact point and pivot bearing being particularly preferably in the range between 0.02 and 0.3. Based on the bending transducer element is either the point of contact of the spring element 12 at the back between the reference stop 10 and the pivot bearing 9 or the pivot bearing 9 backside between reference stop 10 and point of contact of the spring element 12 (not shown in 1 ).
  • In einer vorteilhaften Variante dient das Federelement zusätzlich zur elektrischen Kontaktierung einer ersten Schicht des Biegewandlerelemtes, insbesondere der piezoelektrischen Schicht. Vorteilhaft kann hier der Kontaktpunkt zwischen erster Schicht und Federelement zur Herstellung des elektrischen Kontaktes genutzt werden. Zur Herstellung des für den Betrieb erforderlichen zweiten elektrischen Kontaktes, insbesondere eines Massekontaktes an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht ist es vorteilhaft, wenn die Trägerschicht aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Metall ist. In einer vorteilhaften Variante wird eine zweite Schicht des Biegewandlerelements, insbesondere die Trägerschicht, am Kontaktpunkt mit dem Auflager 9 mit dem Gehäuse elektrisch kontaktiert. Vorteilhafterweise handelt sich hierbei um den Massekontakt. Das Federelement 12 liefert in dieser Konfiguration die Anpresskraft zur Herstellung eines zuverlässigen elektrischen Kontakts.In an advantageous variant, the spring element additionally serves for electrically contacting a first layer of the bending transducer element, in particular the piezoelectric layer. Advantageously, the contact point between the first layer and the spring element can be used here for producing the electrical contact. To produce the second electrical contact required for operation, in particular a ground contact on the underside of the piezoelectric layer, it is advantageous if the carrier layer is made of electrically conductive material, in particular of metal. In an advantageous variant, a second layer of the bending transducer element, in particular the carrier layer, at the point of contact with the support 9 electrically contacted with the housing. Advantageously, this is the ground contact. The spring element 12 provides in this configuration, the contact force to produce a reliable electrical contact.
  • Erfindungsgemäß überträgt ein Fluidlager 5 die aus der Stellbewegung 14 des Biegewandlerelements resultierenden Reaktionskräfte oder -momente über ein fließfähiges Kraftübertragungsmaterial 6 auf das Gehäuse 15. In dem Ausführungsbeispiel in 1 befindet sich das Fluidlager in einem Bereich des Biegewandlerelements rechts des Drehlagers 9 und enthält als Wirkkomponenten einen Spalt zwischen einer Fläche 7, die dem Biegewandler zugeordnet ist und einer Fläche 8, die dem Gehäuse 15 zugeordnet ist, in dem sich zumindest abschnittsweise ein Kraftübertragungsmaterial 6 befindet. Die Flächen 6 und 7 mit dazwischenliegendem Spalt sind im Ausführungsbeispiel in 1 parallel zur XY-Ebene ausgerichtet. Das Kraftübertragungsmaterial 6 ist so beschaffen, dass es unter Einwirkung langsamer Verschiebungen oder Verformungen fließfähig ist, d. h. diesen keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Das Kraftübertragungsmaterial verhält sich zumindest im Bereich mittlerer und hoher Scherspannungen mittel- bis hochviskos. Wird beispielsweise eine Kraft auf die Trägerschicht 4 an der Stelle des Fluidlagers ausgeübt, so findet prinzipiell eine Verdrängung des Kraftübertragungsmaterials aus dem Spalt statt. Die hohe Viskosität des Kraftübertragungsmaterials hindert dieses jedoch daran, schnell auszutreten. Bei schnellen Bewegungen verhält sich das Kraftübertragungsmaterial daher weitestgehend steif, sodass das Fluidlager imstande ist, Kräfte in senkrechter Richtung zum Spalt zu übertragen. Die Kräfte entsprechen erfindungsgemäß den Reaktions- bzw. Lagerkräften des Biegewandlerelements bei schnellen Stellbewegungen. Es sei angemerkt, dass das Ausführungsbeispiel in 1 nur eine der vielen Ausführungsmöglichkeiten für die Realisierung eines Fluidlagers für die Lagerung eines Biegewandlerelements darstellt. In weiteren zweckmäßigen Ausfühungsformen kann beispielsweise der Spalt parallel zu einer Ebene entlang der Z-Achse verlaufen. In diesem Fall bildet sich bei Lagerreaktionen eine Couette-Strömung im Spalt aus und es wird eine Lagerreaktion parallel zum Spalt übertragen. In weiteren zweckmäßigen Ausfühungsformen kann anstelle eines Spalts eine offene oder geschlossene Kavität im Gehäuse enthalten sein, die zumindest einen Teil des Biegewandlerelements umgibt und zumindest teilweise mit Kraftübertragungsmaterial gefüllt ist, siehe auch 3 oder 4. Vorzugsweise geeignet als Kraftübertragungsmaterial sind Fluide mittlerer und höherer Viskosität, wie beispielsweise einige Harze oder Öle, insbesondere Silikonöle, aber auch feste Materialien, die eine hohe Ralaxationsfähigkeit und Kriechneigung besitzen.According to the invention, a fluid bearing transmits 5 the from the adjusting movement 14 the bending transducer element resulting reaction forces or moments on a flowable power transmission material 6 on the case 15 , In the embodiment in 1 the fluid bearing is located in a region of the bending transducer element to the right of the rotary bearing 9 and contains as active components a gap between a surface 7 that is associated with the bending transducer and a surface 8th that the housing 15 is assigned, in which at least partially a force transmission material 6 located. The surfaces 6 and 7 with intermediate gap are in the embodiment in 1 aligned parallel to the XY plane. The power transmission material 6 is such that, under the action of slow displacements or deformations, it is flowable, ie it does not present any appreciable resistance to it. The force transmission material behaves at least in the range of medium and high shear stresses medium to high viscosity. For example, a force on the carrier layer 4 exerted at the location of the fluid bearing, so in principle takes place a displacement of the power transmission material from the gap. However, the high viscosity of the power transmission material prevents it from leaking quickly. For fast movements, therefore, the force transmission material behaves as stiff as possible, so that the fluid bearing is able to transmit forces in a direction perpendicular to the gap. According to the invention, the forces correspond to the reaction or bearing forces of the bending transducer element during rapid positioning movements. It should be noted that the embodiment in FIG 1 just one of the many execution options for the realization of a Fluid bearing for the storage of a bending transducer element represents. In further expedient embodiments, for example, the gap may extend parallel to a plane along the Z-axis. In this case, during storage reactions, a Couette flow forms in the gap and a bearing reaction is transferred parallel to the gap. In further expedient embodiments, instead of a gap, an open or closed cavity can be contained in the housing, which surrounds at least part of the bending transducer element and is at least partially filled with force transmission material, see also 3 or 4 , Preferably suitable as a power transmission material are fluids of medium and higher viscosity, such as some resins or oils, especially silicone oils, but also solid materials that have a high Ralaxationsfähigkeit and creep.
  • Im Hinblick auf eine einfache Fertigung ist die Ausführung des Fluidlagers als offener Spalt zwischen einer Fläche des Biegewandlerelements und einer Fläche des Gehäuses vorteilhaft. Zumindest in Bereichen des Spaltes befindet sich erfindungsgemäß das fließfähige Kraftübertragungsmaterial. Die Wechselwirkungen zwischen dem Kraftübertragungsmaterial und den benetzten Oberflächen bestimmen die Lage und das Verhalten des Fluidlagers im Spalt. In der Konfiguration nach 2A bildet das Kraftübertragungsmaterial und beide angrenzenden Flächen einen Kontaktwinkel α von > 90°, d. h. das Kraftübertragungsmaterial ist bestrebt, sich zusammenzuziehen. Der Innendruck in der Flüssigkeit übersteigt dadurch den Außendruck und das Kraftüberragungsmaterial übt eine resultierende Kraft nach oben auf das Biegewandlerelement aus. Wird das Biegewandlerelement beispielsweise durch die Kraft eines ausreichend steifen Federelements 12 auf das Auflager 9 gedrückt, so resultiert eine Andrückkraft des Biegewandlerelements auf den Anschlag 10 infolge einer Oberflächenspannungskraft des Kraftübertragungsmaterials. Ein Kontaktwinkel von α > 90° kann beispielsweise nachträglich durch Hydrophobierung, z. B. durch Teflonbeschichtung oder durch Aufbringen von Nanoschichten eingestellt werden. Eine hydrophobe Auslegung insbesondere des Grenzflächenkontaktes des Gehäuses zum Kraftübertragungsmaterial verhindert weiterhin das Ausfließen des Kraftübertragungsmaterials aus dem Spalt oder das Zusammenfließen der Kraftübertragungsfluide benachbarter Kanäle im Fall einer Array-Anordnung erfindungsgemäßer Arbeitsvorrichtungen. Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Arbeitsvrorrichtung enthält somit ein Fluidlager, welches Reaktionskräfte oder -momente von einer Fläche des Biegewandlerelements über das fließfähige Kraftüberrtagungsmaterial auf eine Fläche des Gehäuses überträgt, wobei zumindest abschnittsweise der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial α > 90° beträgt. Eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung enthält strukturierte Bereiche im Gehäuse, bei denen der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial > 90° beträgt und dazu benachbarte Bereiche, bei denen der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial α < 90°. Eine dritte vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung enthält Bereiche im Bereich des Fluidlagers, bei denen der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial > 90° beträgt und der Benetzungswinkel α zwischen einer an das Kraftübertragungsmaterial angrenzenden Fläche des Beigewandlerelements und Kraftübertragungsmaterial < 90° beträgt. Eine vierte vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung enthält Bereiche des Biegewandlerelementes im Bereich des Fluidlagers, bei denen der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial α < 90° beträgt, und Bereiche des Biegewandlerelements in Richtung des Bereichs der Stellbewegung, die einen Benetzungswinkel von > 90° mit dem Kraftübertragungsmaterial ausbilden, so, dass das Kraftübertragungsmaterial an der Grenze zwischen den Bereichen unterschiedlicher Benetzungswinkel daran gehindert wird, vom Bereich des Fluidlagers zum Bereich des Biegewandlerelementes, der die Stellbewegung ausführt, zu gelangen. Eine fünfte vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung enthält Bereiche des Gehäuses im Bereich des Fluidlagers, in denen der Benetzungswinkel zwischen Gehäuse und Kraftübertragungsmaterial α < 90° beträgt, und in Richtung des Bereichs des Biegewandlerelementes, der die Stellbewegung ausführt Bereiche im Gehäuse, die einen Benetzungswinkel von α > 90° mit dem Kraftübertragungsmaterial ausbilden, so, dass Kraftübertragungsmaterial an der Grenze zwischen den Bereichen unterschiedlicher Benetzungswinkel daran gehindert wird, vom Bereich des Fluidlagers im Gehäuse zum Bereich der Stellbewegung des Biegewandlerelementes im Gehäuse zu gelangen. In eine sechsten vorteilhaften Variante ist das Biegewandlerelement so beschaffen oder so behandelt, dass der Benetzungswinkel zwischen Kraftübertragungsmaterial und Biegewandlerelement im Wesentlichen > 90° beträgt. In eine siebten vorteilhaften Variante ist die Trägerschicht des Biegewandlerelementes so beschaffen oder so behandelt, dass der Benetzungswinkel zwischen Kraftübertragungsmaterial und der Trägerschicht des Biegewandlerelementes im Wesentlichen α > 90° beträgt.With a view to simple production, the design of the fluid bearing as an open gap between a surface of the bending transducer element and a surface of the housing is advantageous. At least in areas of the gap according to the invention is the flowable power transmission material. The interactions between the transmission material and the wetted surfaces determine the location and behavior of the fluid bearing in the gap. In the configuration after 2A The force transmission material and both adjacent surfaces forms a contact angle α of> 90 °, ie the force transmission material tends to contract. The internal pressure in the liquid thereby exceeds the external pressure and the force-transmitting material exerts a resultant force upward on the bending transducer element. If the bending transducer element, for example, by the force of a sufficiently rigid spring element 12 on the support 9 pressed, a pressing force of the bending transducer element results on the stop 10 due to a surface tension force of the power transmission material. A contact angle of α> 90 °, for example, subsequently by hydrophobing, z. B. be adjusted by Teflon coating or by applying nanolayers. A hydrophobic design in particular of the interface contact of the housing to the power transmission material further prevents the flow of power transmission material from the gap or the confluence of the power transmission fluids adjacent channels in the case of an array arrangement of working devices according to the invention. An advantageous variant of the working direction according to the invention thus comprises a fluid bearing which transmits reaction forces or moments from a surface of the bending transducer element via the flowable Kraftüberrtagungsmaterial on a surface of the housing, wherein at least partially the wetting angle between the housing and force transmission material is α> 90 °. A further advantageous variant of the working device according to the invention contains structured regions in the housing, in which the wetting angle between the housing and the force transmission material is> 90 ° and adjacent regions in which the wetting angle between the housing and the force transmission material α <90 °. A third advantageous variant of the working device according to the invention includes areas in the region of the fluid bearing in which the wetting angle between housing and force transmission material is> 90 ° and the wetting angle α between an adjacent to the force transmission material surface of the Beigewandlerelements and force transmission material <90 °. A fourth advantageous variant of the working device according to the invention comprises areas of the bending transducer element in the region of the fluid bearing, in which the wetting angle between the housing and the force transmission material is α <90 °, and areas of the bending transducer element in the direction of the range of the adjusting movement, a wetting angle of> 90 ° with the Forming power transmission material, so that the force transmission material is prevented at the boundary between the areas of different wetting angle from the area of the fluid bearing to the area of the bending transducer element, which performs the adjusting movement to arrive. A fifth advantageous variant of the working device according to the invention includes areas of the housing in the region of the fluid bearing, in which the wetting angle between the housing and the force transmission material α <90 °, and in the direction of the region of the bending transducer element, which performs the adjusting regions in the housing, the wetting angle of α> 90 ° with the power transmission material, so that force transmission material is prevented at the boundary between the areas of different wetting angle from reaching from the region of the fluid bearing in the housing to the region of the adjusting movement of the bending transducer element in the housing. In a sixth advantageous variant, the bending transducer element is designed or treated in such a way that the wetting angle between the force transmission material and the bending transducer element is substantially> 90 °. In a seventh advantageous variant, the carrier layer of the bending transducer element is designed or treated so that the wetting angle between the force transmission material and the carrier layer of the bending transducer element is substantially α> 90 °.
  • In 2 ist eine vorteilhafte Variante dargestellt, in der der Benetzungswinkel zwischen Kraftübertragungsmaterial und der Trägerschicht des Biegewandlerelementes und zwischen Kraftübertragungsmaterial und Gehäuse α > 90° beträgt. In dieser Konfiguration produziert das Fluidlager eine nach oben gerichtete Kraft.In 2 an advantageous variant is shown, in which the wetting angle between the force transmission material and the carrier layer of the bending transducer element and between the force transmission material and housing α> 90 °. In this configuration, the fluid bearing produces an upward force.
  • In 3 ist eine vorteilhafte Variante dargestellt, in der der Benetzungswinkel zwischen Kraftübertragungsmaterial und der Trägerschicht des Biegewandlerelementes α < 90° beträgt und zwischen Kraftübertragungsmaterial und Gehäuse α > 90° beträgt. Diese Konfiguration sichert eine definierte Lage und Verteilung des Kraftübertragungsmaterials bezüglich des Biegewandlerelementes und verhindert gleichzeitig laterales Fließen des Kraftübertragungsmaterials im Gehäuse. In einer Abwandlung der Variante nach 3 befindet sich im Bereich des Fluidlagers unterhalb des Biegewandlerelements ein begrenzter Bereich im Gehäuse, bei dem der Benetzungswinkel zwischen Kraftübertragungsmaterial und der Trägerschicht des Biegewandlerelementes α < 90° beträgt.In 3 an advantageous variant is shown, in which the wetting angle between the force transmission material and the carrier layer of the bending transducer element is α <90 ° and α between the force transmission material and housing> 90 °. This configuration ensures a defined position and distribution of the force transmission material relative to the bending transducer element and at the same time prevents lateral flow of the force transmission material in the housing. In a modification of the variant 3 is located in the region of the fluid bearing below the bending transducer element, a limited area in the housing, in which the wetting angle between the power transmission material and the carrier layer of the bending transducer element is α <90 °.
  • In einer vorteilhaften Variante wird die Fläche, die dem Gehäuse zugeordnet ist, zumindest abschnittsweise derart modifiziert, dass der Benetzungswinkel zwischen der Fläche 8, die dem Gehäuse zugeordnet ist und dem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial > 90° beträgt. Die Modifikation kann dabei durch die Diffunsion eines Stoffes in das Material des Gehäuses, durch eine auf der Oberfläche aufgetragene Beschichtung oder eine gezielte Änderung der Oberflächenstruktur mit definierten Rauhigkeitsprofilen erfolgen. Als Beschichtung kommen beispielsweise Fluor-Polymer-Schichten wie PTFE-, PFA-, FEP- oder PVDF-Schichten in Betracht. In Verbindung mit beispielsweise einer PTFE Beschichtung kann beispielsweise auch das sonst sehr gut benetzende Silikonöl als Kraftübertragungsmaterial verwendet werden.In an advantageous variant, the surface which is assigned to the housing is at least partially modified in such a way that the wetting angle between the surface 8th , which is assigned to the housing and the flowable power transmission material is> 90 °. The modification can be effected by the diffusion of a substance into the material of the housing, by a coating applied to the surface or a specific change of the surface structure with defined roughness profiles. As a coating, for example, fluorine polymer layers such as PTFE, PFA, FEP or PVDF layers are considered. In conjunction with, for example, a PTFE coating, for example, the otherwise very well-wetting silicone oil can be used as a power transmission material.
  • In einer weiteren vorteilhaften Variante ist die Fläche 8 des Fluidlagers, die dem Gehäuse zugeordnet ist trägt, lateral scharfkantig begrenzt derart, dass ein Übertreten von Kraftübertragungsmaterial über die Kante unterbunden wird. Eine derartige Kante kann beispielsweise durch eine ausreichend breite Rechteck-Nut im Gehäuse um den Bereich des Fluidlagers 5 herum ausgeführt werden. Da in diesem Breispiel die Innenkante einen Winkel von 270° aufweist, wird ein Übertreten von Kraftübertragungsmaterial auch dann verhindert, wenn der Benetzungswinkel zwischen diesem und der dem Gehäuse zugeordneten Fläche 8 kleiner als 90° beträgt.In a further advantageous variant, the surface 8th the fluid bearing, which is assigned to the housing carries, laterally sharp-edged limited such that a violation of force transmission material is prevented over the edge. Such an edge can, for example, by a sufficiently wide rectangular groove in the housing to the region of the fluid bearing 5 to be performed around. Since in this Breispiel example, the inner edge has an angle of 270 °, a violation of power transmission material is also prevented when the wetting angle between this and the housing associated surface 8th is less than 90 °.
  • Treten langsame Störbewegungen auf, so ändert sich der Spaltabstand und das Kraftübertragungsmaterial wird innerhalb des Spaltes verdrängt. Bei einer Ausgleichsbewegung, die eine Verringerung des Spaltabstandes zur Folge hat, muß ein Auffang-Volumen zur Verfügung stehen, das das verdrängte Fluid puffern, also aufnehmen und wieder abgeben kann. Umgekehrt muß in einem Puffer zusätzliches Kraftübertragungsmaterial zur Verfügung stehen für den Fall, dass sich der Spalt vergrößert. In einer ersten Variante, in der das Kraftübertragungsmaterial nur einen Teil des Spaltes füllt, kann das Volumen des verbleibenden Spaltes dazu dienen, verdrängtes Kraftübertragungsmaterial zu puffern. In einer weiteren Variante kann im Bereich des Fluidlagers im Biegewandlerelement und/oder im Gehäuse eine zumindest einseitig offene Kavität vorgesehen sein, welche der Pufferung des Kraftübertragungsmaterials dient. In einer dritten Variante ist der Spalt des Fluidlagers im Wesentlichen gefüllt mit Kraftübertragungsmaterial und die zum Gehäuse gehörige Fläche des Fluidlagers ist seitlich weiter ausgedeht als die korrespondierende Fläche des Biegewandlerelementes. In dieser Variante kann sich überschüssiges Kraftübertragungsmaterial seitlich entlang des Randes der Fläche des Biegewandlerelementes sammeln und bei einer inversen Ausgleichsbewegung wieder in den Spalt zurück gelangen.To step slow disturbing movements, it changes Gap distance and the power transmission material is within displaced the gap. In a compensation movement, the A reduction in the gap distance has the consequence, must Retrieval volumes are available that displaced the Buffer fluid, so absorb and release. Vice versa must in a buffer additional power transmission material be available in the event that the Gap enlarged. In a first variant, in the power transmission material only a part of the gap fills, the volume of the remaining gap can do so serve, displaced power transmission material to buffer. In a further variant, in the region of the fluid bearing in the bending transducer element and / or in the housing one at least be provided on one side open cavity, which is the buffering the power transmission material is used. In a third Variant, the gap of the fluid bearing is substantially filled with power transmission material and the housing associated surface of the fluid bearing is laterally further expands as the corresponding surface of the bending transducer element. In this variant, excess power transmission material can collect laterally along the edge of the surface of the flexural transducer element and in an inverse compensatory movement back into the gap reach.
  • In 1 wurde eine erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt, bei der sich das Auflager 9 zwischen dem Referenz-Anschlag 10 im Bereich der Stellbewegung und dem Fluidlager 5 befindet. Letzteres erzeugt als Lagerreaktion das Gegenmoment bei schnellen Aktorbewegungen zu den Stellkräften. Eine weitere Variante ist in 4 dargestellt. In dieser Variante befindet sich das Fluidlager 5 zwischen einem Referenz-Anschlag 10 links im Bereich der Stellbewegung und einem Auflager 9 rechts. Das Fluidlager 5 befindet sich im rechten Bereich nahe des Auflagers 9, sodass sich der rechte Bereich des Biegewandlerelementes für schnelle Stellbewegungen näherungsweise wie eine feste Einspannung verhält. Ein Federelement 12 drückt nahe dem rechten Auflager 9 auf das Biegewandlerelement und stellt auf diese Weise den Kontakt mit dem Auflager 9 und den Anschlag 10 sicher. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Biegewandlerelement in einem mittleren Bereich seine Stellbewegung 14 ausführt. In diesem Bereich findet sich auch ein Referenzanschlag 10. Das Dreh- bzw. Auflager befindet sich am linken Ende des Biegewandlerelementes. Die Andruckkraft zur Herstellung der Ausgangslage wird wieder durch ein Federelement 12 in der Nähe des Auflagers 9 auf das Biegewandlerelement ausgeübt. Das Fluidlager befindet sich im Bereich des rechten Endes des Biegewandlerelementes und bewirkt, dass sich dieses für dynamische Stellbewegungen des Biegewandlerelements wie ein festes Lager verhält.In 1 an embodiment of the invention has been shown in which the support 9 between the reference stop 10 in the area of the adjusting movement and the fluid bearing 5 located. The latter generates as a bearing reaction, the counter-torque in rapid actuator movements to the restoring forces. Another variant is in 4 shown. In this variant is the fluid bearing 5 between a reference stop 10 left in the area of the positioning movement and a support 9 right. The fluid bearing 5 is located in the right area near the support 9 so that the right-hand portion of the flexural transducer element behaves approximately like a fixed restraint for fast positioning movements. A spring element 12 presses near the right support 9 on the bending transducer element and in this way makes contact with the support 9 and the stop 10 for sure. 5 shows an embodiment in which the bending transducer element in a central region its adjusting movement 14 performs. There is also a reference stop in this area 10 , The rotary or support is located at the left end of the bending transducer element. The pressure force for producing the initial position is again by a spring element 12 near the support 9 exerted on the bending transducer element. The fluid bearing is located in the region of the right end of the bending transducer element and causes it to behave like a fixed bearing for dynamic actuating movements of the bending transducer element.
  • Aufgrund der Fähigkeit der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung, zum einen äußere Störeinflüsse zu kompensieren und zum anderen eine exakt definierte Referenzposition des Biegewandlerelements ohne eine Feinjustage eines Aktuatorelementes sicherzustellen, ist die erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung bevorzugt für die Realisierung eines Mikroventils oder Mikroventil-Arrays, besonders bevorzugt für die Realisierung eines Mikro-Pneumatikventils oder Mikro-Pneumatik-Ventilarrays geeignet. Diese sind beispielsweise anwendbar als Pilot- oder Steuerventil für pneumatisch getriebene Anwendungen wie beispielsweise pneumatische Aktuatoren oder Aktuator-Arrays, pneumatisch gesteuerte Hydraulik-Anwendungen, Array-Luft-Steurungen, industrielle Sortiereinrichtungen und vieles mehr. Ein Mikroventil wird dadurch realisiert, dass das Biegewandlerelement 2 den Veschlußteil 21 eines Ventils 20 trägt, welches hinsichtlich eines Ventilsitzes 22 funktionsfähig derart angeordnet ist, dass bei elektrischer Betätigung des Biegewandlerelements 2 ein Fluiddurchgang 23 verändert, insbesondere geöffnet und geschlossen wird. Das Verschlußteil 21 kann ein separat gefertigtes Anbauteil sein, beispielsweise eine Dichtung, die im Berich der Stellbewegung des Biegewandlerelements mit diesem verbunden ist oder es kann ein Teil einer Schicht des Biegewandlerelementes selbst, bevorzugt der Trägerschicht sein. Erfindungsgemäße Pneumatikventile sind bevorzugt als Steuerventile oder Pilotventile oder Schaltventil- oder Pilotventil-Arrays mit sehr kurzen Schaltzeiten und hohen Schaltfrequnzen einsetzbar.Due to the ability of the working device according to the invention, on the one hand to compensate for external interference and on the other to ensure a precisely defined reference position of the bending transducer element without a Feinjustage an actuator, the working device according to the invention is preferred for the realization of a microvalve or micro-valve array, particularly preferably for the realization of Micro-pneumatic valve or micro-pneumatic Ventilarrays suitable. These are applicable, for example, as a pilot or control valve for pneumatically driven applications such as pneumatic actuators or actuator arrays, pneumatically controlled hydraulic applications, array air controls, industrial sorters, and more. A microvalve is realized in that the bending transducer element 2 the final part 21 a valve 20 which regards a valve seat 22 is operatively arranged such that upon electrical actuation of the bending transducer element 2 a fluid passage 23 changed, in particular, opened and closed. The closure part 21 may be a separately manufactured attachment, for example, a seal which is connected in the Berich the adjusting movement of the bending transducer element with this or it may be part of a layer of the bending transducer element itself, preferably the carrier layer. Pneumatic valves according to the invention are preferably used as control valves or pilot valves or switching valve or pilot valve arrays with very short switching times and high switching frequencies.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Mikro-Pneumatikventil in stromlosgeschlossener Ausführung, geeignet als Pulsventil. Das Biegewandlerelement 2 befindet sich in einer geschlossenen Kavität, welche über einen Fluideinlaß 24 mit einer Druckquelle verbunden ist. Im Bereich der Stellbewegung 14 des Biegewandlerelements 2 befindet sich ein Ventil 20 mit einem Fluiddurchgang 23, der durch den Teil der Trägertschicht 4, der das Verschlußteil 21 bildet, im stromlosen Zustand verschlossen wird. Der Ventilsitz 22 dient gleichzeitig als Anschlag 10 und stellt auf diese Weise eine exakte Referenzposition Zref für das Biegewandlerelement her. Die Verschlußkraft wird zum einen durch das Federelement 12 und zum anderen durch die Druckdifferenz über dem Ventil aufgebracht. Das Federelement, welches gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 3 dient, ist unter Verwendung einer isolierten Durchführung 25 im Gehäuse befestigt. Wird das Mikro-Pneumatikventil nach 6 stationär angesteuert, so hebt das Biegewandlerelement nach dem Einschalten zuerst schnell vom Ventilsitz ab, da sich das Fluidlager 5 bei dynamischer Beanspruchung hart verhält. Im stationär angesteuerten Zustand tragen sodann die Federkraft des Federelements 12 als auch der Differenzdurck über das Ventil dazu bei, dass das ausgelengte Biegewandlerelement sich insgesamt um das Auflager herum verkippt und schließlich den Ventildurchgang verschließt. Aus diesem Grunde ist das Ventil nach 1 nur für kurze Öffnungszeiten, also im Pulsbetrieb verwendbar. 6 shows an embodiment of an inventive micro-pneumatic valve in normally closed version, suitable as a pulse valve. The bending transducer element 2 is located in a closed cavity, which via a fluid inlet 24 connected to a pressure source. In the area of the positioning movement 14 the bending transducer element 2 there is a valve 20 with a fluid passage 23 passing through the part of the carrier layer 4 , the closure part 21 forms, is closed in the de-energized state. The valve seat 22 serves as a stop at the same time 10 and thus establishes an exact reference position Zref for the flexural transducer element. The closure force is on the one hand by the spring element 12 and applied to the other by the pressure difference across the valve. The spring element, which simultaneously for electrical contacting of the piezoelectric layer 3 is, is using an isolated execution 25 fastened in the housing. Will the micro-pneumatic valve after 6 actuated stationary, so the bending transducer element after switching first lifts off quickly from the valve seat, as the fluid bearing 5 behaves hard under dynamic load. In stationary driven state then carry the spring force of the spring element 12 as well as the difference over the valve to the fact that the ausgelegte bending transducer element tilts all around the support around and finally closes the valve passage. For this reason, the valve is after 1 only for short opening times, thus usable in pulse mode.
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes stromlos-offenes Mikro-Pneumatikventil. Im Bereich der Stellbewegung 14 des Biegewandlerelements 2 befindet sich im Grundzustand durch die Wirkung des Federelements 12 das Biegewandlerelement 2 in Kontakt mit dem Anschlag 10 im oberen Gehäuseteil. An gegenüberliegender Stelle, im unteren Gehäuseteil, sind die Komponenten eines Ventils 20 in der Ausführung wie in 6 angeordnet. Der Anschlag 10 ist derart im Gehäuse angeordnet, dass sich in der stromlosen Ausgangsposition Zref ein definierter Ventilspalt zwischen Verschlußfläche 21 des Biegewandlerelementes und Ventilsitz 22 befindet. Die Ansteuerung des Ventils bewirkt, dass der Fluiddurchgang 23 des Ventils 20 durch die Trägerschicht des Biegewandlerelements verschlossen wird. Hierfür ist der Verschlußteil der Trägerschicht geometrisch so im Hinblick auf den Ventilsitz 22 gestaltet, dass das Ventil schließt. Die Schließkraft für das Ventil nach 3 wird im dynamischen Fall durch die Aktorkraft des Biegewandlerelements im ausgelenkten Zustand, abstützt durch das Fluidlager, geliefert. Im stationären Fall ist ein stationär geschlossener Zustand nur dann möglich, wenn die Schließkraft infolge des Differenzdrucks über dem geschlossenen Ventil größer ist als die Kraft, die das Federelement in umgekehrter Richtung am Ventilsitz generiert. In einer bevorzugten Ausführung entspricht zusätzlich die Höhe des Ventilspaltes dem stationären Wert des Arbeitshubs des Biegewandlerelements. Dadurch wird gewährleistet, dass sowohl im Pulsbetrieb als auch im stationären Betrieb keine Ausgleichsbewegung des Biegewandlerelementes in Relation zum Drehlager 9 zwischen dem offenen und geschlossenen Zustand des Ventils stattfindet. 7 shows an embodiment of an inventive electroless-open micro-pneumatic valve. In the area of the positioning movement 14 the bending transducer element 2 is in the ground state by the action of the spring element 12 the bending transducer element 2 in contact with the stop 10 in the upper housing part. At the opposite place, in the lower housing part, are the components of a valve 20 in the execution as in 6 arranged. The stop 10 is arranged in the housing such that in the currentless starting position Zref a defined valve gap between the closure surface 21 the bending transducer element and valve seat 22 located. The activation of the valve causes the fluid passage 23 of the valve 20 is closed by the carrier layer of the bending transducer element. For this purpose, the closure part of the carrier layer is geometrically so with respect to the valve seat 22 designed to close the valve. The closing force for the valve after 3 is supplied in the dynamic case by the actuator force of the bending transducer element in the deflected state, supported by the fluid bearing. In the stationary case, a stationary closed state is only possible if the closing force due to the differential pressure across the closed valve is greater than the force that generates the spring element in the reverse direction of the valve seat. In a preferred embodiment, the height of the valve gap additionally corresponds to the stationary value of the working stroke of the bending transducer element. This ensures that both in pulse mode and in stationary operation no compensating movement of the bending transducer element in relation to the pivot bearing 9 takes place between the open and closed state of the valve.
  • Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft ein Pneumatikventil, das einen Fluideingang 24 besitzt, der sich alternativ auf zwei Fluidausgänge 23a und 23b durchschalten läßt. Das Pneumatikventil enthält je Fluidausgang je ein Ventil 20a und 20b, die durch das Biegewandlerelement betätigt werden. Dieses besitzt hierfür auf den beiden den Ventilsitzen zugewandten Seiten Verschlußteile 21, welche im Beispiel von 8 lediglich durch die obere und untere Fläche der Trägerschicht in einem vorstehenden Teil repräsentiert sind. Anhand von 8 soll beispielhaft gezeigt werden, dass das Fluidlager 5 auch als gekapseltes Lager ausgeführt werden kann: Ein Gehäuseteil aus zwei Gehäusehälften 25 umgibt an der Stelle des Fluidlagers den dem Biegewandlerelement zugeordneten Teil des Fluidlagers. An der Stelle des Drehlagers 9 dichtet eine elastische Dichtung 26 das im Fluidlager 5 enthaltene Kraftübertragungsmaterial hermetisch ab. Die Ventilsitze 22a und 22b definieren die zwei Referenz-Positionen für die Stellbewegung des Biegewandlerelements. In diesen Positionen wird das Biegewandlerelement hauptsächlich durch die Wirkung der Druckkräfte des Druckmediums auf die jeweiligen Ventilsitze gepresst. Ein Federelement 12, das gleichzeitig der Kontaktierung der Piezoschicht dient, ist so ausgelegt, dass es gerade eine ausreichend große Kraft auf das Biegewandlerelement ausübt, um das Biegewandlerelement in eine vordefinierte Anfangsposition zu halten: In einem nicht stromlosen Anfangs-Zustand befinde sich das Biegewandlerelement 2 in Kontakt mit Ventilsitz 22a. Hauptsächlich der Fluiddruck verschließt dabei das Ventil 20a. Durch Ansteuerung des Piezoelementes verbiegt sich der linke, freie Teil des Biegewandlerelementes in Richtung des Ventilsitzes 22b und verschließt so den Fluiddurchgang 23b des Ventils 20b mit Unterstützung des Fluiddrucks. Damit das Biegewandlerelement zwischen den beiden Stell-Positionen schalten kann, muß die Stellkraft des Biegewandlerelementes die Schliesskraft durch das Fluid übersteigen. Ist das Biegewandlerelement weiterhin so ausgelegt, dass seine unbelastete Vollauslenkung Zmax näherungsweise dem Spaltabstand eines geöffneten Ventils entspricht, dann ändert sich auch im angesteuerten Zustand die Lage des im Fluidlager befindlichen Teils des Biegewandlerelements nicht in einer Weise, dass zeitliche Veränderungen des Ventilverhaltens infolge einer beliebigen Ansteuer-Sequenz auftreten können. Gleiches trifft ebenfalls zu für das Ausführungsbeispiel nach 7.This in 8th embodiment shown relates to a pneumatic valve, the fluid input 24 which alternatively has two fluid outlets 23a and 23b let through. The pneumatic valve contains one fluid outlet per valve 20a and 20b which are actuated by the bending transducer element. This has for this purpose on the two sides facing the valve seats closure parts 21 , which in the example of 8th are represented only by the upper and lower surfaces of the carrier layer in a protruding part. Based on 8th will be shown by way of example that the fluid bearing 5 Also can be executed as encapsulated bearing: A housing part of two housing halves 25 surrounds the part of the fluid bearing associated with the bending transducer element at the location of the fluid bearing. In the place of the pivot bearing 9 seals an elastic seal 26 that in the fluid bearing 5 hermetically contained power transmission material. The valve seats 22a and 22b define the two reference positions for the actuating movement of the bending transducer element. In these positions, the bending transducer element is pressed mainly by the action of the pressure forces of the pressure medium on the respective valve seats. A spring element 12 , which simultaneously serves to contact the piezoelectric layer, is designed so that there is just enough force to bend transducer element in order to keep the bending transducer element in a predefined initial position: In a non-energized initial state, the bending transducer element is located 2 in contact with valve seat 22a , Mainly the fluid pressure closes the valve 20a , By driving the piezoelectric element, the left, free part of the bending transducer element bends in the direction of the valve seat 22b and thus closes the fluid passage 23b of the valve 20b with support of fluid pressure. Thus, the bending transducer element can switch between the two actuating positions, the force of the bending transducer element must exceed the closing force by the fluid. If the bending transducer element continues to be designed such that its unloaded full deflection Zmax approximately corresponds to the gap distance of an open valve, then the position of the part of the bending transducer element located in the fluid bearing does not change in a controlled manner in such a way that changes in the valve behavior as a result of any activation Sequence can occur. The same applies to the embodiment 7 ,
  • Als Beispiel für die breite Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung, insbesondere des erfindungsgemäßen Mikroventils, ist in 9 ein Pneumatikventil skizziertwelches ein erfindungsgemäßes Mikroventil als Pilotventil enthält. Das erfindnungsgemäße Mikroventil dient hier zum Steuern eines pneumatisch gesteuerten Haupt-Membranventils 30, welches einen vergleichsweise sehr viel höheren Durchsatz als das Pilotventil aufweist. Das Membranventil 30 enthält einen Einlaß 37 und einen Ringkanal 33 im Zulauf und wird durch das Zusammenwirken einer durch das Pilotventil pneumatisch aktuierten Membrane 31 und eines Ventilsitz 34, der eine Auslassöffnung verschließt, betrieben. Die Pilotventileinheit wird aus dem Pneumatik-Zulauf durch einen Kanal 37 gespeist. Im stromlosen Zustand strömt Luft über den Verbindungskanal 36 durch das geöffnete erfindungsgemäße Pilotventil und baut schließlich vor der Drossel 32 einen Steuerdruck auf, der auf die Membrane 31 wirkt und diese auf den Ventilsitz 34 presst, sodass das Haupt-Ventil geschlossen ist. In diesem Zustand stellt sich ein geringer Luftverbrauch über die Drossel 32 ein, die auslassseitig auch mit dem Haupt-Auslass 35 verbunden sein kann. Zum Öffnen des Ventils wird das Biegewandlerelement 3 ausgelenkt. Dieses verschließt das Pilotventil und der Steuerdruck entspannt sich über die Drossel 32, sodass der Vordruck das Membranventil öffnet.As an example of the broad applicability of the working device according to the invention, in particular of the microvalve according to the invention, is in 9 sketched a pneumatic valve which contains a microvalve according to the invention as a pilot valve. The microvalve according to the invention serves here for controlling a pneumatically controlled main diaphragm valve 30 which has a comparatively much higher throughput than the pilot valve. The diaphragm valve 30 contains an inlet 37 and a ring channel 33 in the inlet and is due to the interaction of a pneumatically actuated by the pilot valve diaphragm 31 and a valve seat 34 , which closes an outlet opening operated. The pilot valve unit is from the pneumatic inlet through a channel 37 fed. When de-energized, air flows through the connection channel 36 through the open pilot valve according to the invention and finally builds before the throttle 32 a control pressure acting on the diaphragm 31 acts and this on the valve seat 34 press so that the main valve is closed. In this condition, there is a low air consumption through the throttle 32 one, the outlet also with the main outlet 35 can be connected. To open the valve, the bending transducer element 3 deflected. This closes the pilot valve and the control pressure relaxes over the throttle 32 so that the pre-pressure opens the diaphragm valve.
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  • Zitierte PatentliteraturCited patent literature
    • - US 6581638 [0003, 0003] - US 6581638 [0003, 0003]
    • - EP 148630 [0004, 0005, 0005, 0006] - EP 148630 [0004, 0005, 0005, 0006]

Claims (23)

  1. Arbeitsvorrichtung mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse, einem zumindest abschnittsweise mehrlagigen Piezo-Biegewandlerelement 2 zur Durchführung einer Stellbewegung 14 und mit einem Drehlager 9 zwischen Piezo-Biegewandlerelement 9 und Gehäuse 15, gekennzeichnet durch ein Fluidlager 5 mit einer ersten Fläche 7, die dem Biegewandlerelement 2 zugeordnet ist, einer zweiten Fläche 8, die dem Gehäuse 15 zugeordnet ist und einem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial 6 zwischen den Flächen, zur Übertragung der aus der Stellbewegung 14 resultierenden Reaktionskräfte oder -momente vom Biegewandlerelement 2 auf das Gehäuse 15.Working device with a single or multi-part housing, an at least partially multi-layered piezo bending transducer element 2 to carry out an actuating movement 14 and with a pivot bearing 9 between piezo bending transducer element 9 and housing 15 characterized by a fluid bearing 5 with a first surface 7 that the bending transducer element 2 is assigned, a second surface 8th that the housing 15 is assigned and a flowable power transmission material 6 between the surfaces, to transfer the out of the adjusting movement 14 resulting reaction forces or moments of the bending transducer element 2 on the case 15 ,
  2. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche 7, die dem Biegewandlerelement 2 zugeordnet ist, eine Fläche der Trägerschicht 4 des Biegewandlerelements 2 ist.Working device according to claim 1, characterized in that the first surface 7 that the bending transducer element 2 is assigned, an area of the carrier layer 4 the bending transducer element 2 is.
  3. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das fließfähige Kraftübertragungsmaterial 6 in einem Spalt zwischen der ersten und zweiten Fläche befindet.Working device according to claim 1, characterized in that the flowable power transmission material 6 is located in a gap between the first and second surfaces.
  4. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche 8, die dem Gehäuse zugeordnet ist, eine Innenfläche einer offenen oder geschlossenen Kavität ist.Working device according to claim 1, characterized in that the surface 8th associated with the housing is an inner surface of an open or closed cavity.
  5. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise der Benetzungswinkel zwischen der Fläche 8, die dem Gehäuse zugeordnet ist und dem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial > 90° beträgt.Working device according to claim 1, characterized in that at least partially the wetting angle between the surface 8th , which is assigned to the housing and the flowable power transmission material is> 90 °.
  6. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, die dem Gehäuse zugeordnet ist, zumindest abschnittsweise derart modifiziert wird, dass der Benetzungswinkel zwischen der Fläche 8, die dem Gehäuse zugeordnet ist und dem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial > 90° beträgt.Working device according to claim 1, characterized in that the surface which is associated with the housing is at least partially modified such that the wetting angle between the surface 8th , which is assigned to the housing and the flowable power transmission material is> 90 °.
  7. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Silikonöl als fließfähiges Kraftübertragungsmaterial verwendet wird.Working device according to claim 1, characterized in that that silicone oil as a flowable power transmission material is used.
  8. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, die dem Gehäuse zugeordnet ist, zumindest abschnittsweise mit einer Fluor-Polymer-Schicht beschichtet ist.Working device according to claim 1, characterized in that that the area associated with the housing, coated at least in sections with a fluoropolymer layer is.
  9. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche 8 des Fluidlagers, die dem Gehäuse zugeordnet ist, lateral durch eine Kante derart begrenzt ist, dass ein Übertreten von Kraftübertragungsmaterial über die Kante unterbunden wird.Working device according to claim 1, characterized in that the surface 8th of the fluid bearing associated with the housing is laterally bounded by an edge so as to prevent transmission of force transmission material across the edge.
  10. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegewandlerelement 2 in einer Ebene senkrecht zur Stellbewegung insgesamt schwimmend gelagert ist, wobei das Drehlager 9 als Auflager ausgeführt ist und Anschläge 11 im Gehäuse die laterale Bewegung des Biegewandlerelements begrenzen.Working device according to claim 1, characterized in that the bending transducer element 2 in a plane perpendicular to the actuating movement is floating in total, wherein the pivot bearing 9 designed as a support and stops 11 in the housing limit the lateral movement of the bending transducer element.
  11. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Referenz-Anschlag 10 im Gehäuse 15 zur Definition einer Referenzposition Zref für die Stellbewegung 14.Working device according to claim 1, characterized by a first reference stop 10 in the case 15 for defining a reference position Zref for the positioning movement 14 ,
  12. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet im Bereich der stellbewegung 14 durch einen ersten Referenz-Anschlag 10 im Gehäuse, der in positive Z-Richtung wirkt und einen zweiten Referenzanschlag 10 im Gehäuse, der in negativer Z-Richtung wirkt, zur Definition zweier Referenzpositionen der Stellbewegung.Working device according to claim 1, characterized in the region of the adjusting movement 14 through a first reference stop 10 in the housing, which acts in the positive Z direction and a second reference stop 10 in the housing, which acts in the negative Z direction, to define two reference positions of the positioning movement.
  13. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Andrückkraft zwischen Biegewandlerelement 2 und Referenz-Anschlag 10.Working device according to claim 1, characterized by means for generating a pressing force between bending transducer element 2 and reference stop 10 ,
  14. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Andrückkraft zwischen Biegewandlerelement 2 und Referenz-Anschlag 10 eine mechanische Andrückvorrichtung unter Einbeziehung eines federnden Elementes 12 enthalten, die auf eine Schicht des Biegewandlerelementes 2 drückt.Working device according to claim 13, characterized in that the means for generating a pressing force between the bending transducer element 2 and reference stop 10 a mechanical pressing device including a resilient element 12 included on a layer of the flexural transducer element 2 suppressed.
  15. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Andrückkraft zwischen Biegewandlerelement 2 und Referenz-Anschlag 10 eine mechanische Andrückvorrichtung unter Einbeziehung eines federnden Elementes 12 enthalten, die auf eine piezoelektrische Schicht des Biegewandlerelementes 2 drückt.Working device according to claim 13, characterized in that the means for generating a pressing force between the bending transducer element 2 and reference stop 10 a mechanical pressing device including a resilient element 12 included on a piezoelectric layer of the bending transducer element 2 suppressed.
  16. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager 9 mit einer Schicht des Biegewandlerelemetes 9 in mechanischem Kontakt ist und diese gleichzeitig elektrisch kontaktiert.Working device according to claim 10, characterized in that the support 9 with a layer of Biegewandlerelemetes 9 is in mechanical contact and this contacted at the same time electrically.
  17. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass die Mittel zur Erzeugung einer Andrückkraft zwischen Biegewandlerelement 2 und Referenz-Anschlag 10 ein Druckmedium einschließen und der Andrückkraft eine Druckkraft zugrunde liegt.Working device according to claim 13, characterized in that the means for generating a pressing force between the bending transducer element 2 and reference stop 10 include a pressure medium and the pressing force is based on a compressive force.
  18. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Andrückkraft zwischen Biegewandlerelement 2 und Referenz-Anschlag 10 das fließfähige Kraftübertragungsmaterial 6 einschließen und der Andrückkraft eine dem fließfähigen Kraftübertragungsmaterial 6 zugeordnete Oberflächenspannungskraft zugrunde liegt.Working device according to claim 13, characterized in that the means for generating a pressing force between the bending transducer element 2 and reference stop 10 the flowable power transmission material 6 include and the Andrück force a the flowable power transmission material 6 assigned surface tension force is based.
  19. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegewandlerelement 2 das Veschlußteil 21 eines Ventils 20 trägt, welches hinsichtlich eines Ventilsitzes 22 funktionsfähig derart angeordnet ist, dass bei elektrischer Betätigung des Biegewandlerelements 2 ein Fluiddurchgang 23 verschlossen oder freigegeben wird.Working device according to claim 1, characterized in that the bending transducer element 2 the final part 21 a valve 20 which regards a valve seat 22 is operatively arranged such that upon electrical actuation of the bending transducer element 2 a fluid passage 23 closed or released.
  20. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlußteil 21 Teil der Trägerschicht 4 des Biegeelementes 2 selbst ist.Working device according to claim 19, characterized in that the closure part 21 Part of the carrier layer 4 of the bending element 2 itself is.
  21. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 20 als stromlos geschlossenes Ventil arbeitet, indem der Ventilsitz 22 als Anschlag 10 dient.Working device according to claim 19, characterized in that the valve 20 as normally closed valve works by the valve seat 22 as a stop 10 serves.
  22. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 20 als stromlos offenes Ventil arbeitet und der Anschlag 10 derart angeordnet ist, dass sich in der Ausgangsposition ein definierter Ventilspalt zwischen Verschlußteil 21 und Ventilsitz 22 befindet, dessen Breite dem Ventilhub des Verschlußteils 21 entspricht.Working device according to claim 19, characterized in that the valve 20 as a normally open valve works and the stop 10 is arranged such that in the starting position, a defined valve gap between the closure part 21 and valve seat 22 whose width is the valve lift of the closure part 21 equivalent.
  23. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zwei geschaltete Auslässe 23a und 23b enthält, wobei das Biegewandlerelement 2 die Veschlußteile 21a und 21b für beide Ventile 20a und 20b trägt, welche hinsichtlich je eines korrespondierenden Ventilsitzes 22a und 22b funktional derart angeordnet sind, dass eines der beiden Ventile 20a oder 20b geschlossen und das verbleibende geöffnet ist.Working device according to claim 19, characterized in that the valve has two switched outlets 23a and 23b contains, wherein the bending transducer element 2 the final parts 21a and 21b for both valves 20a and 20b carries, which in terms of a corresponding valve seat 22a and 22b are functionally arranged such that one of the two valves 20a or 20b closed and the remaining is open.
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