DE102016108811A1

DE102016108811A1 - Piezoelektrische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102016108811A1
Application number: DE102016108811.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16
Also published as: JP2017205004A; CN107420607B; KR101873823B1; JP6437588B2; CN107420607A; US10593859B2; KR20170128140A; US20170331026A1

Abstract

Eine piezoelektrische Stellvorrichtung weist ein Piezoelement auf, dessen Bewegung über einen Hebel auf einen Stößel übertragen wird. Der Stößel ist gegen einen Anschlag anstellbar, der auf einer Seite des Hebels angeordnet ist und auf der anderen Seite des Hebels ist ein zweiter Anschlag vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stellvorrichtung mit einem Piezoelement, dessen Bewegung über einen Hebel auf einen Stößel übertragen wird, der gegen einen Anschlag anstellbar ist, der auf einer Seite des Hebels angeordnet ist. Eine solche Stellvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2014 101 521 A1 bekannt. Diese bekannte Stellvorrichtung eignet sich als sehr zuverlässiger und schneller Antrieb für Ventile, der kurzfristig keine Temperaturdrift aufweist. Das verwendete Piezoelement weist eine symmetrische und antiparallele Anordnung von zwei piezoaktiven Zonen auf, die bei gegenläufiger Beaufschlagung mit Spannung eine Kippbewegung erzeugen, die über den gemeinsamen Hebel auf den Stößel übertragen wird. Der Stößel kann als Ventilstößel dienen und wird im Betrieb gegen einen Anschlag (Ventilsitz) angestellt, der auf einer Seite des Hebels angeordnet ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass diese auch bei längerem Betrieb eine reduzierte Drift des Piezoelements aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass auf der anderen Seite des Hebels ein zweiter Anschlag für den Hebel vorgesehen ist. Durch einen solchen zweiten Anschlag wird die piezoelektrische Stellvorrichtung symmetrisch betrieben, was überraschenderweise zu einem deutlich verbesserten Langzeitverhalten führt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei einem asymmetrischen Betrieb der Stellvorrichtung die beiden Piezo-Zonen des Piezoelements ihr Verhalten unterschiedlich verändern. Insbesondere bei hohen Temperaturen und dem durch den Anschlag (Ventilsitz) verursachten sprunghaften Anstieg der Kraft nach einer Seite entsteht eine Drift des Arbeitsbereichs, welche nach vielen Zyklen ein Nachjustieren erfordert. Der Hub des Piezoelements ist deshalb über die Betriebszeit nicht konstant, wodurch sich auch der Durchfluss des mit der Stellvorrichtung betriebenen Ventils verändert.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird jedoch erreicht, dass der Hebel auf beiden Seiten gegen einen Anschlag bewegt wird, wobei der erste Anschlag durch einen Ventilsitz des Ventils gebildet ist. Der Arbeitsbereich des Piezoelements kann dann so gesteuert werden, dass die Belastung möglichst symmetrisch ist, so dass das freie Ende des Hebels zu beiden Seiten auf gleiche Weise gegen einen Anschlag bewegt wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen offenbart.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann der zweite Anschlag einen Amboss aufweisen, um den Verschleiß zu minimieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der zweite Anschlag verstellbar und feststellbar sein, damit der maximale Hub des freien Endes des Hebels eingestellt und fixiert werden kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Hub des Hebels aus einer Neutralstellung heraus bis zum Erreichen des ersten Anschlags und bis zum Erreichen des zweiten Anschlags gleich groß sein. Hierdurch sind symmetrische Verhältnisse geschaffen, welche die Langzeitdrift des Piezoelements positiv beeinflussen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine insbesondere temperaturkompensierte Wegmesseinrichtung vorgesehen sein, die den Hub des Hebels detektiert. Hierdurch lässt sich der Hub des Piezoelements, der sich mit der Temperatur, mit der Alterung und der Anzahl an Zyklen verändert, korrigieren. Wenn weiterhin eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen ist, mit der die an dem Piezoelement anliegende Spannung gemessen wird, kann durch Vergleich der Spannungs- und Wegänderung das Anschlagen an dem jeweiligen Anschlag erkannt werden, da sich die Wegmessung auch bei weiter steigender bzw. fallender Spannung nicht mehr verändert. Eine Überdeckung, d. h. das Maß, um den in den jeweiligen Anschlag hineingedrückt wird, kann hieraus auch abgeleitet und durch Anpassung bzw. Regelung der Spannung verändert werden. Auch kann die Drift des Piezoelements hierdurch ermittelt und durch entsprechende Anpassung der Spannung automatisch kompensiert werden. Weiterhin kann die Steuerung so ausgebildet sein, dass sie eine Drift des Piezoelements ermittelt und durch entsprechende Anpassung der Spannung automatisch kompensiert. Bei nicht mehr ausreichendem Hub aufgrund einer Alterung des Piezoelements kann dies von der Steuerung erkannt werden und ein notwendiger Austausch des Antriebs kann angezeigt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in der Stellvorrichtung ein Temperatursensor vorgesehen sein, um eine Temperaturabhängigkeit der Wegmessung zu kompensieren bzw. durch die Steuerung zu korrigieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen sein, mit der die Kraft ermittelt wird, mit welcher der Hebel gegen die beiden Anschläge gedrückt wird. Da die elektrische Kapazität des Piezoelements von dessen Belastung abhängt, ist mit Hilfe eines Stromsensors bzw. einer Strommessung eine Kraftmessung möglich. Hierdurch kann die Kraft ermittelt werden, mit welcher gegen den jeweiligen Anschlag gedrückt wird. Durch entsprechendes Wählen des Spannungshubs sowie des Offsets der Spannung kann mit einer definierten Kraft gegen den ersten Anschlag gefahren werden, wo bei mit einer nicht notwendigerweise identischen Kraft in den zweiten Anschlag gefahren werden kann, wenn sich die Kippbewegung des Hebels umkehrt. Auch kann die Kraftmessung eine redundante Information zur Spannungskorrelation liefern.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht durch eine piezoelektrisch Stellvorrichtung;
2 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung von 1; und
3 verschiedene Hubkurven.
Die in 1 dargestellte piezoelektrisch Stellvorrichtung ist grundsätzlich ähnlich aufgebaut, wie die in der DE 10 2014 101 512 A1 beschriebene, deren Gesamtoffenbarung durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Die Stellvorrichtung weist ein in einem Gehäuse 10 angeordnetes Piezoelement 12 auf, das in grundsätzlich bekannter Weise aus einer Vielzahl von gestapelt angeordneten und jeweils mit Elektroden versehenen Schichten aus piezoelektrischem Material zusammengesetzt ist. Das Piezoelement 12 ist ferner für eine kippende Antriebsbewegung ausgebildet, wie in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Genauer gesagt arbeitet das Piezoelement 12 nach dem sogenannten Doppelstapel-Prinzip und umfasst neben zwei piezoelektrisch aktiven Bereichen einen piezoelektrisch passiven Bereich, wie dies in der EP 0 947 002 B1 offenbart ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Stellvorrichtung Teil eines Dosierventils, um ein durch einen Einlass 14 zugeführtes Fluid dosiert abgeben zu können. Hierzu weist das Dosierventil eine Ventilnadel 16 auf, die eine in einem Ventilsitz 18 vorgesehene Auslassöffnung verschließt.
Zur Bewegung der Ventilnadel 16 gegen die Kraft einer Öffnungsfeder 20 ist ein Stößel 22 vorgesehen, dessen unteres Ende an der Ventilnadel 16 anliegt und dessen oberes Ende mit dem freien vorderen Ende eines Hebels 24 verbunden ist, der durch das Piezoelement 12 in Kippschwingungen versetzt werden kann. Durch entsprechendes Ansteuern des Piezoelements 12 verkippt der Hebel 24 wie in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet, wodurch der Stößel 22 und damit auch die Ventilnadel 16 eine lineare Hubbewegung durchführen. Die Ventilnadel 16 wird durch die Feder 20 in ihrer Offenstellung gehalten und gegen den Druck der Feder von dem Stößel 22 in die Schließstellung bewegt. Wie dabei aus den 1 und 2 zu erkennen ist, wirkt der Ventilsitz 18, der, bezogen auf die Symmetrieachse S des Hebels auf dessen einer Seite angeordnet ist, als Anschlag für den Stößel 22 und damit auch für die Bewegung des Hebels 24.
Um zu erreichen, dass das Piezoelement 12 gleichmäßig belastet wird, ist erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass die Hubbewegung des Hebels (und damit auch die Kippbewegung des Piezoelements 12) nicht nur auf einer Seite durch einen Anschlag (Ventilsitz 18) begrenzt wird, sondern dass auch auf der anderen Seite des Hebels 24 (relativ zu seiner Symmetrieachse S) ein zweiter Anschlag für den Hebel vorgesehen ist, so dass das freie Ende des Hebels 24 bei dessen Schwenkbewegung auf einen Anschlag aufschlägt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Anschlag durch einen Stift 26 gebildet, der in das Ventilgehäuse 10 eingeschraubt und mit Hilfe einer Feststelleinrichtung 28 gekontert werden kann. Auf diese Weise ist die Position des zweiten Anschlags 26 in dem Gehäuse 10 verstellbar und auch feststellbar, so dass durch Justieren der Auftreffpunkt auf den zweiten Anschlag 26 einstellbar ist.
Zur Reduzierung des Verschleißes ist der Hebel 24 an seinem äußeren freien Ende mit einem Amboss 28 versehen, in dessen Unterseite der Stößel 22 eingeschraubt ist und dessen Oberseite als Aufprallfläche beim Auftreffen auf den zweiten Anschlag 26 dient.
2 verdeutlicht die Hubverhältnisse bei der vorstehend beschriebenen Stellvorrichtung. In der in 2 dargestellten Neutralstellung, d. h. dem spannungslosen Zustand des Piezoelements 12, besitzt das Piezoelement 12 und damit auch der Hebel 24 nach beiden Seiten einen gleich großen freien Hub x₁ und x₂. Der Hub x₁ ist hierbei der Abstand zwischen dem Ventilsitz 18 und dem unteren Ende der Ventilnadel 16 und der Hub x₂ ist der Abstand zwischen den jeweiligen Prallflächen des Ambosses 28 und des Stifts 26. Der Gesamthub ist dabei über den Abstand zwischen dem Dichtsitz 18 und dem zweiten Anschlag 26 einstellbar.
Für eine verbesserte Ansteuerung des Piezoelements 12 weist die Stellvorrichtung eine Steuerung 30 auf, die mit einem Wegsensor 32 in Verbindung steht, der den Weg des freien Endes des Hebels 24 und damit den Hub des Antriebs detektiert. Weiterhin misst die Steuerung 30 die Ansteuerspannung und den zugeführten Strom des Piezoelements, wodurch eine Kraftmessung möglich ist. Hierdurch kann die Kraft ermittelt werden, mit der in den Dichtsitz und gegen den zweiten Anschlag 26 gedrückt wird. Auch kann durch die Steuerung 30 die Dichtsitzposition ermittelt werden.
Schließlich umfasst die Steuerung 30 auch einen Temperatursensor 34, um eine Temperaturabhängigkeit der Wegmessung zu kompensieren bzw. durch die Steuerung zu korrigieren.
3 zeigt verschiedene Hubkurven, die durch den Wegsensor 30 ermittelt wurden und die verdeutlichen, auf welche Weise die Steuerung der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ein präzises und langzeitstabiles Dosieren verbessern kann.
3a) zeigt den Spannungshub bei Anlegen einer Wechselspannung an das Piezoelement 12 und 3b) zeigt den entsprechenden Hub, den die Ventilnadel durchführt. Wie zu erkennen ist, wird die Ventilnadel 16 bei Auftreffen auf den Ventilsitz 18 für eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Kraft gegen den Ventilsitz gedrückt.
3c) verdeutlicht den Hub der Ventilnadel 16 nach längerer Betriebsdauer aufgrund einer unsymmetrischen Arbeitsweise des Stellelements, d. h. ohne den vorgesehenen zweiten Anschlag 26.
Durch Vorsehen des zweiten Anschlags 26 (3d)) wird eine symmetrische Betriebsweise der Stellvorrichtung erzielt, was eine Drift des Hubs deutlich reduziert.
3e) illustriert eine auftretende Hubveränderung durch Temperatur und Alterung des Piezoelements 12. Mit Hilfe der Steuerung kann jedoch durch eine geänderten Spannungshub (vgl. 3f)) ein Ausgleich erzielt werden und durch eine Nachregelung der Steuerung (vgl. 3g)) kann der Hub wieder auf eine symmetrische Auslenkung nachgeregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014101521 A1 [0001]
DE 102014101512 A1 [0016]
EP 0947002 B1 [0016]

Claims

Piezoelektrische Stellvorrichtung mit einem Piezoelement (12), dessen Bewegung über einen Hebel (24) auf einen Stößel (22) übertragen wird, der gegen einen Anschlag (18) anstellbar ist, der auf einer Seite des Hebels (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der anderen Seite des Hebels (24) ein zweiter Anschlag (26) für den Hebel (24) vorgesehen ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (24) einen Amboss (28) aufweist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschlag (26) verstellbar und feststellbar ist.
Stellvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub aus einer Neutralstellung des Hebels (24) bis zum Erreichen des ersten Anschlags und bis zum Erreichen des zweiten Anschlags gleich groß ist.
Stellvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere temperaturkompensierte Wegmesseinrichtung (30, 32) vorgesehen ist, die den Hub des Hebels (24) detektiert.
Stellvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftmesseinrichtung (30) vorgesehen ist, mit der die Kraft ermittelt wird, mit welcher der Hebel (24) gegen die beiden Anschläge (18, 26) gedrückt wird.
Stellvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsmesseinrichtung (30) vorgesehen ist, mit der die an dem Piezoelement (12) anliegende Spannung gemessen wird.
Stellvorrichtung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (30) vorgesehen ist, mit der die Position des ersten und/oder des zweiten Anschlags (18, 26) aus der Korrelation der Spannungs- und Wegmessung bestimmt wird.
Ventilantrieb nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (30) vorgesehen ist, die eine vorbestimmte Kraft ermittelt, mit welcher der Hebel (24) gegen die beiden Anschläge (18, 26) anschlägt.