-
Die Erfindung betrifft einen Antriebsmechanismus für die Bewegung eines Objekts entlang einer Bewegungsachse, der sehr kleine Abmessungen hat, die im Millimeterbereich oder Zehntelmillimeterbereich liegen. Das Objekt ist insbesondere ein Kolben oder ein Hohlkörper. Die Erfindung betrifft weiter ein Mikroventil mit einem solchen Antriebsmechanismus.
-
Die
US 5 085 399 A zeigt ein Ventil und einen Antriebsmechanismus für die Bewegung eines Ventilstößels entlang seiner Längsachse, wobei der Antriebsmechanismus zwei Klemmelemente auf Tragarmen aufweist, die mittels Piezoaktuatoren den Bolzen klemmen können. Zwischen den beiden Klemmelementen sind zwei weitere Piezoaktuatoren vorgesehen, über die die Klemmelemente miteinander verbunden sind. Mithilfe der Piezoaktuatoren kann der Abstand der beiden Klemmelemente zueinander verändert und der Ventilstößel verschoben werden.
-
Die
DE 10 2007 008 567 A1 offenbart einen Antriebsmechanismus für Bolzen mit einem hydraulischen Hubverstärker mit einem einzelnen Piezoaktor.
-
Die
US 4 600 854 A zeigt eine Vorrichtung zum Greifen von Objekten, bei denen piezoelektrische Stangen zum Einsatz kommen, deren Verbiegung durch eine angelegte Spannung beeinflusst werden kann.
-
Aus der
US 6 380 661 B1 ist ein kompakter bi-direktionaler Linearmotor mit einem Antriebsmechanismus bekannt, der mehrere Piezoaktuatoren und eine Vielzahl von Mehrfachklemmen umfasst, die abwechselnd durch elektrisch erregte Hilfsaktuatoren in eine Schiene mit Stegen eingreifen.
-
Die
JP S63-167 687 A zeigt einen Antriebsmechanismus mit einer beweglichen Einheit, die einen Grundkörper und mehrere Piezoaktuatoren umfasst. Die bewegliche Einheit ist dazu ausgebildet, sich mittels der Piezoaktuatoren an einer Führungsschiene entlang zu bewegen.
-
Aus der US 2006 / 0 049 718 A1 ist eine Mikro-Positioniereinrichtung bekannt, die für eine Verschiebung in Fahrtrichtung ausgelegt ist. Die Mikro-Positioniereinrichtung hat einen Stellantrieb mit einem Hydraulikverstärker. Der Stellantrieb ist so ausgelegt, dass er nacheinander aktiviert und deaktiviert werden kann, um eine Verschiebung in Fahrtrichtung zu bewirken. Der hydraulische Booster ist zum Verstärken bzw. Abschwächen der Verschiebung in Fahrtrichtung vorgesehen.
-
Die
US 5 319 257 A zeigt einen einachsigen Antriebsmechanismus, der im Ultrahochvakuum arbeiten kann. Der Mechanismus besteht aus einer elastischen Kupplung mit einer durchgehenden Bohrung und zwei Klemm-/Druckstücken, die in den axialen Enden der Kupplung montiert sind. Die Klemm-/Drückerbaugruppen werden durch spannungsbetätigte Piezoaktuatoren angeregt, um die Welle und die Kupplung in Wirkverbindung zu bringen, wodurch sich die Welle entlang ihrer Drehachse durch die Bohrung bewegt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsmechanismus mit sehr kleinen Abmessungen zu entwickeln, der die Bewegung eines Objekts entlang einer linearen Achse ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Mikroventil mit sehr kleinen Abmessungen zu entwickeln.
-
Ein erfindungsgemäßer Antriebsmechanismus für die Bewegung eines Objekts entlang einer Bewegungsachse umfasst zwei Klemmelemente und ein zwischen den beiden Klemmelementen angeordnetes Antriebselement, das eine Relativverschiebung der beiden Klemmelemente entlang der Bewegungsachse ermöglicht. Jedes Klemmelement umfasst einen Basiskörper und zwei Klemmbacken. Mindestens eine der beiden Klemmbacken ist mittels eines Piezoaktuators verschiebbar, um eine auf das Objekt einwirkende Klemmkraft zu erzeugen, die quer zur Bewegungsachse gerichtet ist. Die Basiskörper der beiden Klemmelemente sind durch mindestens zwei dehnbare Federn bildende Elemente verbunden. Die Basiskörper der beiden Klemmelemente und die dehnbaren Elemente sind aus zwei zusammensteckbaren Halbschalen geformt. Das Antriebselement umfasst einen weiteren Piezoaktuator, der die Relativverschiebung der beiden Klemmelemente entlang der Bewegungsachse ermöglicht. Der Piezoaktuator ist dabei so zwischen den Basiskörpern befestigt, dass die dehnbaren Elemente den Piezoaktuator entlang der Bewegungsachse vorspannen.
-
Bevorzugt wird eine Längenänderung des Piezoaktuators des ersten Klemmelementes und/oder des Piezoaktuators des zweiten Klemmelementes und/oder des weiteren Piezoaktuators mittels eines zugeordneten hydraulischen Verstärkers vergrößert.
-
Das Objekt ist beispielsweise ein Kolben und die beiden Klemmelemente sind mit Gleitsitz am Kolben gelagert.
-
Das Objekt kann auch ein Hohlkörper sein, wobei dann die Klemmbacken von einem der beiden Klemmelemente mit Presssitz und die Klemmbacken des anderen der beiden Klemmelemente mit Gleitsitz an einem Kolben gelagert sind.
-
Ein erfindungsgemäßes Mikroventil umfasst einen derartigen Antriebsmechanismus, ein Ventilgehäuse und als vom Antriebsmechanismus bewegtes Objekt einen Kolben. Das Ventilgehäuse weist eine Seitenwand und ein Kopfteil auf, wobei die Seitenwand parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft. Das Kopfteil weist eine erste Bohrung auf, die mit der Längsachse des Kolbens fluchtet, ein vorderes Ende des Kolbens aufnimmt und mit dem Kolben eine Spaltdichtung bildet. Der Antriebsmechanismus ist in einer Kammer im Ventilgehäuse untergebracht.
-
Der Kolben ist beispielsweise hohl und weist eine Öffnung auf, die in die erste Bohrung des Ventilgehäuses mündet. Entweder weist die Seitenwand des Ventilgehäuses eine weitere Bohrung auf, die in die erste Bohrung mündet und senkrecht oder schräg zur ersten Bohrung verläuft oder die erste Bohrung mündet in eine Austrittsöffnung, wobei die Querschnittsfläche der ersten Bohrung in einem begrenzten Abschnitt vor der Austrittsöffnung vergrößert ist.
-
Der Piezoaktuator des Antriebselements kann mit einer Wechselspannung oder Wechselstrom beaufschlagt werden, deren bzw. dessen Frequenz im Ultraschallbereich liegt.
-
Auf diese Weise lässt sich ein Mikroventil bauen, das ein zylinderförmiges Ventilgehäuse hat, dessen Durchmesser weniger als 5 mm beträgt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus mit zwei Klemmelementen und einem Antriebselement für die Bewegung eines Kolbens entlang einer Bewegungsachse,
- 2 zeigt Details des Antriebsmechanismus,
- 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Klemmelements,
- 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Klemmelements, und
- 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus für die Bewegung eines Hohlzylinders entlang der Bewegungsachse,
- 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus,
- 7 zeigt einen Piezo-Biegebalken,
- 8 bis 10 zeigen ein Klemmelement mit einem integrierten Hydraulikverstärker, und
- 11 bis 17 zeigen Mikroventile.
-
Die folgenden Ausführungsbeispiele betreffen den Fall, dass das zu verschiebende Objekt ein Kolben ist.
-
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus für die Bewegung eines Kolbens 1 entlang einer Bewegungsachse 2 in einer aufgeschnittenen, dreidimensionalen Darstellung, d.h. einige Anteile der einzelnen Elemente des Antriebsmechanismus wurden aus Gründen der zeichnerischen Klarheit abgeschnitten und weggelassen. Die Bewegungsachse 2 ist eine lineare Achse und ist gleich der Längsachse des Kolbens 1. Der Antriebsmechanismus umfasst zwei Klemmelemente 3 und 4 und ein Antriebselement 5, das eine Relativverschiebung der beiden Klemmelemente 3 und 4 entlang der Bewegungsachse 2 ermöglicht. Die beiden Klemmelemente 3 und 4 dienen dazu, den Kolben 1 abwechslungsweise festzuklemmen. Jedes der Klemmelemente 3 und 4 umfasst einen Basiskörper 6 und zwei Klemmbacken 7 und 8. Die Basiskörper 6 der beiden Klemmelemente 3 und 4 sind durch mindestens zwei dehnbare Elemente 9 (2) verbunden. Der Basiskörper 6 der beiden Klemmelemente 3 und 4 und die dehnbaren Elemente 9 bestehen mit Vorteil aus zwei gleichen Teilen, nämlich zwei Halbschalen 10, die zusammengesteckt werden, oder aus einem einzigen Teil. Die 2 zeigt die beiden Halbschalen 10, bevor sie zusammengesteckt werden. Bei diesem Beispiel verbinden insgesamt vier dehnbare Elemente 9 die beiden Basiskörper 6. Die dehnbaren Elemente 9 sind hier Stege, die in der Mitte verjüngt sind, so dass sie eine Änderung ihrer Länge um wenige Mikrometer zulassen. Die Stege können auch zwei zueinander abgewickelte Arme aufweisen oder mäanderförmig ausgebildet sein, um eine Verlängerung ohne großen Kraftaufwand zuzulassen. Der Antriebsmechanismus befindet sich in einem Gehäuse 11 , das hier zylinderförmig ist.
-
Die beiden Klemmelemente 3 und 4 haben den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise. Ihr Aufbau wird deshalb nur anhand des Klemmelements 3 im Detail beschrieben. Die 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Klemmelements 3 in einem senkrecht zur Bewegungsachse 2 verlaufenden Schnitt, nämlich in dem in der 1 durch die Ebene E angedeuteten Schnitt, bei dem die Klemmbacke 7 feststehend und die Klemmbacke 8 in der Ebene E in in einer quer zur Bewegungsachse 2 verlaufenden Klemmrichtung 12 beweglich ist. Die Klemmbacke 7 ist als unbeweglicher Teil des Basiskörpers 6 ausgebildet oder fest mit dem Basiskörper 6 verbunden. Zwischen dem Basiskörper 6 und der beweglichen Klemmbacke 8 ist ein Piezoaktuator 13 angeordnet. Der Piezoaktuator 13 ist mit Vorteil lose in den Raum zwischen dem Basiskörper 6 und der beweglichen Klemmbacke 8 eingelegt und durch seitliche, im Basiskörper 6 angebrachte Anschläge gegen Verschiebungen entlang der Bewegungsachse 2 gesichert. Der Piezoaktuator 13 ermöglicht die Verschiebung der beweglichen Klemmbacke 8 relativ zum Basiskörper 6 und erzeugt die Klemmkraft, mit der die Klemmbacke 8 auf den Kolben 1 drückt.
-
Die 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Klemmelements 3 in dem durch die Ebene E (1) angedeuteten Schnitt. Bei diesem Beispiel sind beide Klemmbacken 7 und 8 beweglich und es ist ein erster Piezoaktuator 13.1 zwischen der ersten Klemmbacke 7 und dem Basiskörper 6 und ein zweiter Piezoaktuator 13.2 zwischen der zweiten Klemmbacke 8 und dem Basiskörper 6 angeordnet. Die beiden Piezoaktuatoren 13.1 und 13.2 werden so angesteuert, dass sich die beiden Klemmbacken 7 und 8 entweder zueinander oder auseinander bewegen.
-
Wieder zurück zur 1: Das Antriebselement 5 umfasst einen Piezoaktuator 14, der eine Relativverschiebung der Basiskörper 6 der beiden Klemmelemente 3 und 4 entlang der Bewegungsachse 2 ermöglicht. Der Piezoaktuator 14 ist so zwischen den Basiskörpern 6 der beiden Klemmelemente 3 und 4 befestigt, dass die dehnbaren Elemente 9 den Piezoaktuator 14 vorspannen. Die dehnbaren Elemente 9 sind im Grunde genommen Federn, die dafür sorgen, dass die Klemmelemente 3 und 4 den Piezoaktuator 14 immer unter einer Vorspannung halten.
-
Der Piezoaktuator 14 umfasst zwei Stapel aus Piezoelementen, die beidseitig des Kolbens 1 angeordnet sind. Die beiden Stapel werden vorzugsweise elektrisch getrennt angesteuert und mittels einer einmaligen Kalibration geeicht, damit sie den gleichen Hub ausführen.
-
Der Kolben 1 kann im Querschnitt eine beliebige Form aufweisen, er kann insbesondere kreisrund oder rechteckig sein. Der Kolben 1 kann hohl sein. Er kann an einem oder beiden Enden flach oder als Spitze ausgebildet sein. Der Kolben 1 kann auch eine optische Fiber oder ein Draht sein.
-
Die Form der Klemmbacken 7 und 8 ist mit Vorteil der Mantelfläche des Kolbens 1 angepasst, um eine möglichst gute Kraftübertragung von den Klemmbacken 7 und 8 auf den Kolben 1 zu erreichen.
-
Der Antriebsmechanismus umfasst weiter ein Steuerelement 15 für die Steuerung seines Betriebs. Das Steuerelement 15 ist vorzugsweise irgendwo am Antriebsmechanismus befestigt, es kann aber auch außerhalb des Antriebsmechanismus angeordnet sein. Das Steuerelement 15 wird über elektrische Leitungen oder drahtlos oder von einer integrierten Batterie mit Energie versorgt. Die Steuerbefehle werden ebenfalls über elektrische Leitungen oder drahtlos zugeführt. Das Steuerelement 15 ist bevorzugt ein einzelner Halbleiterchip, der entweder als nackter Halbleiterchip im Antriebsmechanismus eingebaut ist oder der auf herkömmliche Weise, beispielsweise mittels eines sogenannten „glob top“ geschützt ist, um ihn vor schädlichen Einflüssen zu schützen.
-
Jeder der Piezoaktuatoren 13, 14 wird vom Steuerelement 15 so angesteuert, dass er einen von zwei Zuständen einnimmt, nämlich entweder den Zustand „Gestreckt“ oder den Zustand „Zusammengezogen“. Jedes der Klemmelemente 3, 4 nimmt dann ebenfalls einen von zwei Zuständen ein, nämlich entweder den Zustand „Klemmen“ oder den Zustand „Nicht-Klemmen“. Der Zustand „Klemmen“ wird eingenommen, wenn der zugehörige Piezoaktuator den Zustand „Gestreckt“ einnimmt. Der Zustand „Nicht-Klemmen“ wird eingenommen, wenn der zugehörige Piezoaktuator den Zustand „Zusammengezogen“ einnimmt. Das Antriebselement 5 nimmt ebenfalls einen von zwei Zuständen ein, nämlich entweder den Zustand „Gestreckt“, wenn der Piezoaktuator 14 den Zustand „Gestreckt“ einnimmt, oder den Zustand „Zusammengezogen“, wenn der Piezoaktuator 14 den Zustand „Zusammengezogen“ einnimmt.
-
Die Bewegung des Kolbens 1 entlang der Bewegungsachse 2 erfolgt mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Bewegungszyklen, wobei in jedem Bewegungszyklus die Klemmelemente 3, 4 abwechslungsweise festklemmen und loslassen und dazwischen relativ zueinander verschoben werden. Das Klemmelement 3 ist bezüglich der Umgebung ortsfest angeordnet, d.h. es ändert seine Lage relativ zum Gehäuse 11 nicht. Zu Beginn eines Bewegungszyklus befindet sich das Antriebselement 5 im Zustand „Zusammengezogen“, so dass die beiden Klemmelemente 3 und 4 einen vorgegebenen Abstand A einnehmen. Um den Kolben 1 relativ zum ortsfesten Klemmelement 3 und damit auch relativ zum Gehäuse 11 - bezogen auf die 1 - von links nach rechts zu verschieben, umfasst ein Bewegungszyklus folgende vier Schritte:
- 1. Das Klemmelement 3 wird in den Zustand „Nicht-Klemmen“, das Klemmelement 4 in den Zustand „Klemmen“ gebracht.
- 2. Das Antriebselement 5 wird in den Zustand „Gestreckt“ gebracht. Dabei wird das Klemmelement 4 um eine vorbestimmte Distanz Δa nach rechts verschoben, d.h. der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 3 und 4 wird vergrößert auf den Abstand A+Δa. Bei diesem Schritt zieht das Klemmelement 4 den Kolben 1 mit sich und verschiebt ihn somit um die Distanz Δa nach rechts.
- 3. Das Klemmelement 3 wird in den Zustand „Klemmen“, das Klemmelement 4 in den Zustand „NichtKlemmen“ gebracht.
- 4. Das Antriebselement 5 wird in den Zustand „Zusammengezogen“ gebracht.
-
Dabei wird das Klemmelement 4 um die Distanz Δa nach links verschoben, d.h. der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 3 und 4 wird wieder verkleinert auf den ursprünglichen Abstand A.
-
Der Antriebsmechanismus kann in verschiedenen Baugrößen realisiert werden. Im kleinsten Fall betragen die linearen Abmessungen nur wenige Zehntel Millimeter, beispielsweise 0.3 Millimeter. In diesem Fall sind die Piezoaktuatoren mit einer Größe von typischerweise 0.1 mm * 0.1 mm * 0.05 mm sehr klein und ermöglichen demzufolge nur einen geringen Hub, d.h. der Längenunterschied zwischen den Zustand „Zusammengezogen“ und dem Zustand „Gestreckt“ beträgt nur wenige Mikrometer, typischerweise etwa einen Mikrometer. Der Antriebsmechanismus kann auch lineare Abmessungen von einigen Millimetern aufweisen. Die quer zur Bewegungsachse 2 gemessene Breite des Kolbens 1 muss deshalb dem Abstand zwischen den Klemmbacken 7 und 8 mit hoher Präzision angepasst sein, damit die Klemmbacken 7 und 8 bei diesem geringen Hub des Piezoaktuators 13 den Kolben 1 überhaupt einzuklemmen vermögen. Die Konstruktion des Basiskörpers 6 und der Klemmbacken 7 und 8 wird deshalb mit Vorteil so ausgelegt, dass die Klemmbacken 7 und 8 mit Gleitsitz am Kolben 1 gelagert sind. Mit Vorteil sind die Klemmbacken 7 und 8 ein integraler Bestandteil des Basiskörpers 6, d.h. sie sind über Festkörpergelenke mit dem Basiskörper 6 verbunden.
-
Wenn der Hub des Piezoaktuators 14 des Antriebselements 5 zwei Mikrometer beträgt, dann sind 500 Bewegungszyklen nötig, um den Kolben 1 um einen Millimeter entlang der Bewegungsachse zu verschieben.
-
Vorzugsweise ist auch ein Sensor in den Antriebsmechanismus integriert, der die Messung der Position des Kolbens 1 in Bezug auf den Antriebsmechanismus ermöglicht. Der Sensor kann beispielsweise durch elektrische Kontakte gebildet sein, die sich schließen, wenn der Kolben 1 eine vorbestimmte Position erreicht hat.
-
Die folgenden Ausführungsbeispiele betreffen den Fall, dass das zu verschiebende Objekt ein Hohlkörper ist, der relativ zu einem feststehenden Teil, beispielsweise einem Kolben verschoben wird.
-
Die 5 zeigt einen Antriebsmechanismus, der in einem Hohlkörper 16 angeordnet wird und in der Lage ist, den Hohlkörper 16 relativ zum Kolben 1 entlang der Bewegungsachse 2 zu bewegen. Der Querschnitt des Hohlkörpers 16 ist beispielsweise rund, d.h. der Hohlkörper 16 ist ein Hohlzylinder. Beispiele von Hohlzylindern sind Rohre oder Hülsen oder dergleichen. Der Antriebsmechanismus enthält wiederum zwei Klemmelemente 17 und 18, die wie beim vorherigen Beispiel durch die dehnbaren Elemente 9 (2) verbundene Basiskörper 6 aufweisen. Die dehnbaren Elemente sind in dieser Figur nicht sichtbar. Die beiden Klemmelemente 17 und 18 haben einen ähnlichen Aufbau und eine leicht verschiedene Funktionsweise. Das Klemmelement 17 umfasst zwei Stützflächen 19, die vorzugsweise mit Presssitz am Kolben 1 befestigt sind, sowie mindestens eine bewegliche Klemmbacke 20 und einen Piezoaktuator 13, der zwischen der Stützfläche 19 und der beweglichen Klemmbacke 20 angeordnet ist. Im Beispiel sind beidseitig des Kolbens 1 je eine bewegliche Klemmbacke 20 mit zugeordnetem Piezoaktuator 13 vorhanden. Der Piezoaktuator 13 ermöglicht die Verschiebung der beweglichen Klemmbacke 20 relativ zum Basiskörper 6 und erzeugt die Klemmkraft, wobei jedoch bei diesem Beispiel die Klemmbacke 20 nicht gegen den Kolben 1 , sondern gegen die Innenwand des Hohlkörpers 16 drückt.
-
Die Klemmbacke 20 ist über mindestens zwei Stege 21 mit dem Basiskörper 6 verbunden. Der Basiskörper 6, die Stege 21 und die Klemmbacke 20 sind aus einem Stück Material gefertigt, die Stege 21 stellen deshalb ein Festkörpergelenk dar. Der Piezoaktuator 13 ist zwischen der Stützfläche 19 und der beweglichen Klemmbacke 8 angeordnet. Wenn der Piezoaktuator 13 derart mit einer Spannung beaufschlagt wird, dass er sich ausdehnt, dann wird die bewegliche Klemmbacke 20 - vom Zentrum des Basiskörpers 6 aus gesehen - nach außen gedrückt. Dies ermöglicht es, das Klemmelement 3 im Hohlkörper 16 zu verstemmen. Im Beispiel mit zwei beweglichen Klemmbacken 20, die beidseitig des Kolbens 1 angeordnet sind, wird das Klemmelement 3 auf beiden Seiten der Bewegungsachse 2 im Hohlkörper 16 verstemmt.
-
Das Klemmelement 18 unterscheidet sich nur in einem Punkt vom Klemmelement 17, nämlich darin, dass die Stützflächen 19 den Kolben 1 nicht festklemmen, sondern mit Gleitsitz am Kolben 1 lagern. Während das Klemmelement 17 fest mit dem Kolben 1 verbunden ist, sei es auf die beschriebene oder auf eine andere Weise, ist das Klemmelement 18 dank des Gleitsitzes mittels des Antriebselements 5 entlang des Kolbens 1 hin und her bewegbar.
-
Um den Hohlkörper 16 relativ zum Kolben 1 - bezogen auf die 5 - von links nach rechts zu verschieben, umfasst ein Bewegungszyklus folgende vier Schritte, wobei sich zu Beginn eines Bewegungszyklus das Antriebselement 5 im Zustand „Zusammengezogen“ und daher die beiden Klemmelemente 17 und 18 im Abstand A befinden:
- 1. Das Klemmelement 17 wird in den Zustand „Klemmen“, das Klemmelement 18 in den Zustand „Nicht-Klemmen“ gebracht. Das Klemmelement 17 ist nun ortsfest im Hohlkörper 16 verankert.
- 2. Das Antriebselement 5 wird in den Zustand „Gestreckt“ gebracht, so dass es das Klemmelement 18 um eine vorbestimmte Distanz Δa nach links verschiebt, d.h. der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 17 und 18 wird vergrößert auf den Abstand A+Δa.
- 3. Das Klemmelement 18 wird in den Zustand „Klemmen“, das Klemmelement 17 in den Zustand „Nicht-Klemmen“ gebracht. Das Klemmelement 18 ist nun im Hohlkörper 16 verankert.
- 4. Das Antriebselement 5 wird in den Zustand „Zusammengezogen“ gebracht.
-
Dabei wird das Klemmelement 18 um die Distanz Δa nach rechts verschoben, d.h. der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 17 und 18 wird wieder verkleinert auf den ursprünglichen Abstand A, wobei sich der Hohlkörper 16 mit dem Klemmelement 17 mitbewegt, während das Klemmelement 17 am Kolben 1 verankert ist und seine Lage beibehält.
-
Bei jedem Bewegungszyklus wird der Hohlkörper 16 um eine vorbestimmte, sehr geringe Distanz von typischerweise eins bis fünf Mikrometern verschoben. Die Bewegung des Hohlkörpers 16 entlang des Kolbens 1 erfolgt deshalb mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Bewegungszyklen.
-
Die 6 zeigt eine dreidimensionale Schnittzeichnung eines weiteren Antriebsmechanismus, der in einem Hohlkörper 16 angeordnet ist und in der Lage ist, den Hohlkörper 16 relativ zum Klemmelement 17 bzw. einem mit dem Klemmelement 17 verbundenen Träger 23 entlang der Längsachse des Hohlkörpers 16 zu bewegen. Die Bewegungsachse 2 ist somit die Längsachse des Hohlkörpers 16. Der Hohlkörper 16 ist aus Gründen der zeichnerischen Klarheit aufgeschnitten. Der Antriebsmechanismus umfasst die beiden Klemmelemente 17 und 18 und das Antriebselement 5. Die dehnbaren Elemente, die die Basiskörper 6 der beiden Klemmelemente 17 und 18 verbinden, sind in dieser Figur nicht sichtbar. Das Klemmelement 17 und das Klemmelement 18 umfassen je zwei senkrecht zur Bewegungsachse 2 verschiebbare Klemmbacken 20 und 22 und einen zwischen den beiden Klemmbacken 20 und 22 angeordneten Piezoaktuator 13, der jeweils die senkrecht zur Bewegungsachse 2 gerichtete Klemmkraft erzeugt. Die Klemmbacken 20 und 22 sind ein Teil des Basiskörpers 6 und mit diesem über ein Festkörpergelenk in der Form von dünnen Stegen verbunden. Der Piezoaktuator 13 besteht aus einem Stapel 24 aus vielen Piezoelementen, der beidseitig durch eine Keramikplatte 25 abgeschlossen ist, wobei die Keramikplatten 25 im klemmenden Zustand des Klemmelements dessen Klemmbacken 20 und 22 an die Innenwand des Hohlkörpers 16 drücken. Das Antriebselement 5 ist ein Piezoaktuator, der aus einem Stapel 26 aus vielen Piezoelementen, der in diesem Beispiel beidseitig durch einen Keramikkörper 27 abgeschlossen ist, besteht, und in Wirkverbindung mit den nicht sichtbaren dehnbaren Elementen dazu dient, das Klemmelement 18 relativ zum Klemmelement 17 entlang der Bewegungsachse 2 hin und her zu bewegen.
-
Die 7 zeigt schematisch und in Aufsicht einen Piezo-Biegebalken 28, der anstelle des aus vielen Piezoelementen zusammengesetzten Piezoaktuators 13 (beispielsweise 1) in den Klemmelementen 3, 4, 17, 18 eingesetzt werden kann. Der Piezo-Biegebalken 28 kann zwei Zustände A und B einnehmen, nämlich den Zustand „gerade“ und den Zustand „gebogen“. Der Zustand „zusammengezogen“ des Piezoaktuators 13 entspricht dem Zustand A des Piezo-Biegebalkens 28, der Zustand „gestreckt“ des Piezoaktuators 13 entspricht dem Zustand B des Piezo-Biegebalkens 28. Der Piezo-Biegebalken 28 erzeugt die Klemmkraft, wenn er sich im Zustand B befindet. Die Richtung der Klemmkraft ist durch den Pfeil angedeutet.
-
Des weiteren ist es möglich, den Piezoaktuator 13 (z.B. 1) bzw. die Piezoaktuatoren 13.1 und 13.2 (z.B. 4) so anzuordnen, dass seine/ihre Längenänderung parallel oder schräg zur Bewegungsachse 2 des Kolbens 1 verläuft, und die Änderung seiner Länge mittels eines Hebels auf die entsprechenden Klemmbacken zu übertragen.
-
Die 8 zeigt im Schnitt einen Piezoaktuator 29, dessen Hub durch einen hydraulischen Verstärker 30 vergrößert wird. Der Piezoaktuator 29 und der hydraulische Verstärker 30 sind in Reihe zwischen einer beweglichen Klemmbacke 31 und einer ortsfesten Abstützung 32 eingelegt oder eingeklemmt. Der Piezoaktuator 29 und der hydraulische Verstärker 30 sind also miteinander gekoppelt. Ein Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung der Klemmbacke 31 und des Piezoaktuators 29 an. Die Abstützung 32 kann ein Teil des Basiskörpers 6 (1) oder ein Teil eines Gehäuses sein. Der Piezoaktuator 29 besteht aus einem Stapel von Piezoelementen. Der hydraulische Verstärker 30 dient dazu, die Längenänderung des Piezoaktuators 29 um einen vorbestimmten Faktor zu vergrößern, so dass z.B. eine Längenänderung des Stapels der Piezoelemente um 2 µm eine Längenänderung des hydraulischen Verstärkers 30 um 20 µm bewirkt. Der hydraulische Verstärker 30 umfasst eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer 33, die auf einer Seite durch eine erste flexible Membrane 34 begrenzt ist. Die Kammer 33 enthält auf der der Membrane 34 gegenüberliegenden Seite eine im Vergleich zur Membrane 34 starre Wand 35 mit einer dünnen Bohrung 36. Auf der Außenseite der Wand 35 ist eine zweite flexible Membrane 37 befestigt, die die Bohrung 36 überdeckt, so dass zwischen der zweiten Membrane 37 und der Wand 35 ein abgeschlossener Raum gebildet ist. Wenn der Piezoaktuator 29 betätigt wird und demzufolge auf die Membrane 34 drückt, dann wird Flüssigkeit von der Kammer 43 in den abgeschlossenen Raum gedrückt. In der Folge wird die Klemmbacke 31 um ein Mehrfaches der Längenänderung des Piezoaktuators 29 ausgelenkt.
-
Die 9 zeigt im Schnitt einen hydraulischen Verstärker 30, der zwischen einer ortsfesten Abstützung 32 und einer beweglichen Klemmbacke 31 angeordnet ist. Der hydraulische Verstärker 30 hat wiederum zwei Membranen 34 und 37, wobei eine Bohrung 36 die Kammer 33 des hydraulischen Verstärkers 30 mit der zweiten Membrane 37 verbindet. Bei diesem hydraulischen Verstärker 30 sind die beiden Membranen 34 und 37 im rechten Winkel zueinander angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die Längenausdehnung des Piezoaktuators 29 in einer vorgegebenen Richtung eine Längenausdehnung des hydraulischen Verstärkers 30 in einer dazu senkrechten Richtung bewirkt. Pfeile zeigen die verschiedenen Bewegungsrichtungen der Klemmbacke 31 und des Piezoaktuators 29 an. Dies ermöglicht es, die Piezoaktuatoren 13 der Klemmelemente 3, 4 im Antriebsmechanismus quer zur Klemmrichtung anzuordnen und somit einen längeren Piezoaktuator zu verwenden.
-
Die 10 zeigt im Schnitt eine Weiterentwicklung des hydraulischen Verstärkers 30 gemäß der 9, bei dem zwei Membranen 37 an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, die beide über je eine Bohrung 36 mit der Kammer 33 verbunden sind.
-
Die Piezoaktuatoren 13 der Klemmelemente 3, 4 wie auch der weitere Piezoaktuator 14 können durch eine solche Kombination aus Piezoaktuator und hydraulischem Verstärker ersetzt werden.
-
Die erfindungsgemäßen Antriebsmechanismen können bei sehr vielen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es auf eine geringe Baugröße ankommt, beispielsweise bei Mikroventilen. Bei einer Weiterentwicklung ist das Steuerelement 15 (1) eingerichtet, den Piezoaktuator 14 des Antriebselements 5 auch mit einer Wechselspannung oder Wechselstrom zu beaufschlagen, deren bzw. dessen Frequenz im Ultraschallbereich, insbesondere im Bereich von einigen Kilohertz bis zu einigen Megahertz, liegt. Wenn das eine Klemmelement fest mit der Umgebung verbunden ist und gleichzeitig den Kolben 1 nicht festklemmt und wenn das andere Klemmelement frei beweglich ist und den Kolben 1 festklemmt, dann überträgt das mit Ultraschall beaufschlagte Antriebselement 5 den Ultraschall auf den Kolben 1 , so dass dessen mitschwingendes Ende zum Schweißen verwendet werden kann. Dieses schwingende Ende des Kolbens 1 ist dazu vorzugsweise spitzig ausgebildet.
-
Es ist auch möglich, mehrere Antriebsmechanismen hintereinander anzuordnen, wobei die Antriebsmechanismen den Kolben 1 oder eine Fiber oder einen Draht oder dergleichen gemeinsam haben, wobei die Antriebsmechanismen gemeinsam oder einzeln steuerbar sind.
-
Der erfindungsgemäße Antriebsmechanismus eignet sich beispielsweise für den Bau von im wesentlichen zylinderförmigen Mikroventilen, deren Durchmesser weniger als 5 mm, im Extremfall weniger als 0.4 mm beträgt. Die 11 bis 17 zeigen Beispiele von verschiedenen Mikroventilen, wobei für die Bezugszeichen des Antriebsmechanismus des Mikroventils die gleichen Bezugszeichen wie oben verwendet werden.
-
Die 11 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroventils für die Steuerung und/oder Regelung des Durchflusses eines Fluids in diversen Ausführungen und Betriebszuständen. Das Fluid kann ein Gas, wie z.B. Luft, eine Flüssigkeit oder auch ein Klebstoff sein. Das Mikroventil umfasst ein Ventilgehäuse 38, einen Kolben 1 und einen Antriebsmechanismus 39, um den Kolben 1 im Ventilgehäuse 38 entlang der Längsachse des Kolbens 1 hin und her zu bewegen. Der Kolben 1 ist hohl. In der 11 ist das Ventilgehäuse 38 aufgeschnitten, damit die im Inneren angeordneten Teile deutlich erkennbar sind. Das Ventilgehäuse 38 umfasst ein Kopfteil 40 mit einer ersten Bohrung 41, die den vorderen Teil des Kolbens 1 aufnimmt und mit dem Kolben 1 eine Spaltdichtung bildet, d.h. der Durchmesser der ersten Bohrung 41 ist nur wenige Mikrometer, beispielsweise zwei Mikrometer grösser als der Durchmesser des Kolbens 1. Die erste Bohrung 41 kann eine durchgehende Bohrung oder wie im Beispiel ein Sackloch sein. Das Ventilgehäuse 38, der Kolben 1 und die erste Bohrung 41 haben eine gemeinsame Längsachse 42. Das Ventilgehäuse 38 hat eine parallel zur Längsachse 42 verlaufende Seitenwand. Das Ventilgehäuse 38 umfasst weiter eine Kammer 43, die an das Kopfteil 40 anschließt und den Antriebsmechanismus 39 aufnimmt. Der Kolben 1 ist vorzugsweise ein Rohr, dessen vorderes Ende abgeschlossen ist und dessen hinteres Ende an einen Einlass 45 für die Zuführung des Fluids angeschlossen ist. Die Seitenwand des Kolbens 1 enthält eine Öffnung 44, die in die erste Bohrung 41 mündet. Das Ventilgehäuse 38 enthält mindestens eine weitere Bohrung 46, die in die erste Bohrung 41 mündet. Die Bohrung 46 verläuft schräg oder bevorzugt senkrecht zur ersten Bohrung 41. Im Beispiel enthält das Ventilgehäuse 38 zwei Bohrungen 46. Das Ventilgehäuse 38 kann aus einem einzigen Stück Material gefertigt oder aus mehreren Teilkörpern zusammengesetzt sein.
-
Das Fluid wird über eine der Bohrungen 46 abgeführt, sobald die Öffnung 44 im Kolben 1 mit dieser Bohrung 46 fluchtet, weil dann diese Bohrung 46 im Ventilgehäuse 38 und die Öffnung 44 im Kolben 1 einen gemeinsamen durchgehenden Strömungskanal bilden, der in den Hohlraum des Kolbens 1 mündet. Wenn die Anzahl n der Bohrungen 46 n=l beträgt, dann ist das Mikroventil ein Einwegventil, das als EIN-AUS Ventil oder als Proportionalventil eingesetzt werden kann. Wenn die Anzahl n der Bohrungen 46 n>l ist, dann ist das Mikroventil ein Mehrwegventil. Die n>l Bohrungen sind entlang der Längsachse 42 des Mikroventils versetzt angeordnet, wobei sie in die gleiche Richtung oder wie im Beispiel in unterschiedliche Richtungen zeigen können. Wenn die Öffnung 44 mit der Bohrung n=m fluchtet, ist das Mikroventil im Zustand „offen m“. Im Beispiel mit n=2 gibt es zwei offene Zustände, nämlich die Zustände „offen 1“ und „offen 2“. Wenn das Mikroventil im Zustand „geschlossen“ ist, dann dichtet die Innenwand der ersten Bohrung 41 des Ventilgehäuses 38 die Öffnung 44 im Kolben 1 ab. Der Wechsel vom Zustand „offen“ bzw. einem der Zustände „offen m“ mit m=I..n in den Zustand „geschlossen“ erfolgt, indem der Antriebsmechanismus 39 den Kolben 1 relativ zum Ventilgehäuse 38 verschiebt. Die Öffnung 44 im Kolben 1 fluchtet also mit der ersten dieser Bohrungen 46, wenn sich der Kolben 1 in einer ersten Position befindet, und mit der zweiten dieser Bohrungen 46, wenn sich der Kolben 1 in einer zweiten Position befindet, usw.
-
Bei diesem Mikroventil ist das Klemmelement 4 direkt oder indirekt mit dem Ventilgehäuse 38 verbunden, d.h. die Lage des Klemmelements 4 verändert sich nicht gegenüber der Lage des Ventilgehäuses 38. Um den Kolben 1 relativ zum ortsfesten Klemmelement 4 und damit auch relativ zum Ventilgehäuse 38-bezogen auf die 11 - von rechts nach links zu verschieben, umfasst ein Bewegungszyklus die weiter oben beschriebenen vier Schritte.
-
Um das Mikroventil zu öffnen und zu schließen, ist nur eine Relativverschiebung von Kolben 1 und Ventilgehäuse 38 erforderlich. Beim oben beschriebenen Mikroventil ist das Klemmelement 4 fest mit dem Ventilgehäuse 38 verbunden und der Antriebsmechanismus bewegt den Kolben 1 hin und her, um die Öffnung 44 im Kolben 1 relativ zu der mindestens einen Bohrung 46 zu verschieben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Klemmelemente 3 und 4 so auszubilden, dass die vom Piezoaktuator 13 erzeugte Klemmkraft auf die Innenwand des Ventilgehäuses 38 gerichtet ist und das zugehörige Klemmelement 3 bzw. 4 im Ventilgehäuse 38 verstemmt, so dass der Kolben 1 ortsfest bleibt und der Antriebsmechanismus 39 das Ventilgehäuse 38 relativ zum Kolben 1 verschiebt.
-
Die 12 zeigt ein Mikroventil, bei dem die erste Bohrung 41 vollständig durch das Ventilgehäuse 38 hindurchgeführt ist. Ein an die Austrittsöffnung 48 der ersten Bohrung 41 anschließender, begrenzter Abschnitt 49 der ersten Bohrung 41 hat einen vergrößerten Querschnitt, durch den das Fluid entweichen kann, sobald die Öffnung 44 im Kolben 1 innerhalb dieses Abschnitts 49 liegt. Das Mikroventil ist im Zustand „offen“.
-
Die 13 zeigt das gleiche Mikroventil im Zustand „geschlossen“: Die Öffnung 44 im Kolben 1 wird durch die Innenwand der ersten Bohrung 41 abgedichtet. Der Kolben 1 und die Innenwand der ersten Bohrung 41 bilden eine Spaltdichtung, die den Austritt des Fluids wirksam verhindert.
-
Die 14 zeigt ein Mikroventil, bei dem der Kolben 1 inwendig nicht hohl ist, d.h. der Kolben 1 ist wie ein Bolzen oder Stift. Die erste Bohrung 41 ist vollständig durch das Kopfteil 40 des Ventilgehäuses 38 hindurchgeführt und hat, fakultativ, in einem vor der Austrittsöffnung 48 liegenden Abschnitt 49 einen erweiterten Querschnitt. Das Ventilgehäuse 38 hat mindestens eine weitere Bohrung 46, die schräg oder wie im Beispiel senkrecht zur ersten Bohrung verläuft 41 und in die erste Bohrung 41 mündet. Das Mikroventil ist im Zustand „offen“: Das Fluid wird über die Bohrung 46 zugeführt und über die erste Bohrung 41 abgeführt, oder umgekehrt.
-
Die 15 zeigt das gleiche Mikroventil im Zustand „geschlossen“: Die Öffnung 44 im Kolben 1 wird durch die Innenwand der ersten Bohrung 41 abgedichtet. Der Kolben 1 und die Innenwand der ersten Bohrung 41 bilden eine Spaltdichtung, die den Austritt des Fluids wirksam verhindert.
-
Die 16 zeigt ein Mikroventil, bei dem der Kolben 1 inwendig nicht hohl ist und bei dem ein Abschnitt 50 des Kolbens 1 einen reduzierten Querschnitt aufweist. Der Kolben 1 befindet sich in einer Position, in der der Abschnitt 50 im Bereich der beiden Bohrungen 46.1 und 46.2 liegt, so dass dort zwischen dem Kolben 1 und der Innenwand der ersten Bohrung 41 ein Hohlraum gebildet ist. Das Mikroventil ist im Zustand „offen“. Das Fluid wird durch die eine Bohrung 46.1 zugeführt und durch die andere Bohrung 46.2 abgeführt, oder umgekehrt. Um das Mikroventil zu schließen, wird der Kolben 1 zurückgezogen, so dass der vorderste Teil des Kolbens 1 mindestens die Bohrung 46.1, bevorzugt beide Bohrungen 46.1 und 46.2 abdeckt.
-
Die 17 zeigt ein Mikroventil zum Mischen von zwei gasförmigen oder flüssigen Substanzen und, fakultativ, Verdichten des Gemisches. Der Kolben 1 ist inwendig nicht hohl und ein Abschnitt 49 der ersten Bohrung 41 weist, fakultativ, einen erweiterten Querschnitt auf, so dass dort eine erweiterte Kammer 51 gebildet ist. Im Zustand „offen“ ist der Kolben 1 in einer zurückgezogenen Position, so dass die eine Substanz über die Bohrung 46.1 und die andere Substanz über die Bohrung 46.2 in die erste Bohrung 41 und in die erweiterte Kammer 51 gelangt, wobei die Austrittsöffnung 48 durch nicht dargestellte Teile eines mit dem Gemisch zu versorgenden Geräts verschlossen ist. Im Zustand „geschlossen“ wird der Kolben 1 in eine vorgeschobene Position gebracht, in der er die beiden Bohrungen 46.1 und 46.2 verschließt. Je näher die Spitze des Kolbens 1 an die Austrittsöffnung 48 heranbewegt wird, desto grösser wird der auf das Gemisch ausgeübte Druck. Der Piezoaktuator 14 des Antriebselements 5 ist bevorzugt mit einer Wechselspannung oder Wechselstrom beaufschlagbar, deren bzw. dessen Frequenz im Ultraschallbereich liegt. Wenn der Piezoaktuator 13 des Klemmelements 3 in den Zustand „Klemmen“ und der Piezoaktuator 13 des Klemmelements 4 in den Zustand „NichtKlemmen“ und der Piezoaktuator 14 des Antriebselements 5 des Antriebsmechanismus 39 mit Wechselspannung oder Wechselstrom beaufschlagt wird, dann führt die Spitze des Kolbens 1 Ultraschallbewegungen aus, die auf das Gemisch übertragen werden.
-
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Kolben 1 vollständig durch den Antriebsmechanismus 39 hindurchgeführt. Dies ist jedoch nicht bei jedem Ausführungsbeispiel zwingend erforderlich, bei einigen Ausführungsbeispielen genügt es, wenn sich nur das Klemmelement 3 am Kolben 1 festklemmen kann, oder es genügt, wenn sich die beiden Klemmelemente 3 und 4 am Ventilgehäuse 38 verstemmen können. Dann ist es möglich, wenn das Fluid eine gasförmige Substanz und der Kolben 1 hohl ist, das Fluid durch die Kammer 43 hindurch strömen zu lassen und erst unmittelbar vor der ersten Bohrung 41 in den hohlen Kolben 1 einzuleiten.
