DE20210042U1 - Piezoelectric actuator device - Google Patents
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Description
G 22052 - leps 15. Mai 2002G 22052 - leps 15 May 2002
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Aktoreinrichtung, insbesondere Piezoventil, mit einem Piezo-Biegeelement, das bei seiner Betätigung ausgehend von einer Grundstellung entgegen der Kraft von Rückstell-Federmitteln ausgelenkt wird.The invention relates to a piezoelectric actuator device, in particular a piezo valve, with a piezo bending element which, when actuated, is deflected from a basic position against the force of return spring means.
Bei einer in der EP 0 547 022 Al beschriebenen, als Piezoventil ausgebildeten piezoelektrischen Aktoreinrichtung dieser Art ist ein einenends eingespanntes Piezo-Biegeelement vorgesehen, das durch Rückstell-Federmittel in eine die Grundstellung bildende Schließstellung vorgespannt ist, in der es an einem eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz anliegt. Zum Freigeben der Ventilöffnung wird das Piezo-Biegeelement elektrisch aktiviert, so dass es im Bereich seines freien Endes eine Auslenkung entgegen der Kraft der Rückstell-Federmittel erfährt und die Ventilöffnung freigibt.In a piezoelectric actuator device of this type, described in EP 0 547 022 A1 and designed as a piezo valve, a piezo bending element is provided which is clamped at one end and is pre-tensioned by return spring means into a closed position which forms the basic position, in which it rests against a valve seat enclosing a valve opening. To release the valve opening, the piezo bending element is electrically activated so that it undergoes a deflection in the area of its free end against the force of the return spring means and releases the valve opening.
Bei einer ebenfalls als Piezoventil ausgebildeten Aktoreinrichtung gemäß EP l 158 182 Al ist ebenfalls ein Piezo-Biegeelement als Aktor zur Betätigung mindestens einer einer zu steuernden Ventilöffnung zugeordneten Ventilschließfläche vorgesehen. Anders als im Falle der EP 0 547 022 Al befindetIn an actuator device according to EP 1 158 182 A1, which is also designed as a piezo valve, a piezo bending element is also provided as an actuator for actuating at least one valve closing surface assigned to a valve opening to be controlled. Unlike in the case of EP 0 547 022 A1,
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sich die Ventilschließfläche hier allerdings nicht unmittelbar am Piezo-Biegeelement, sondern an einem mit dem Piezo-Biegeelement bewegungsgekoppelten wippenartigen Steuerglied.However, the valve closing surface is not located directly on the piezo bending element, but on a rocker-like control element that is motion-coupled to the piezo bending element.
In beiden Fällen ergibt sich eine gewisse Problematik aus dem Umstand, dass die Stellkraft von Piezo-Biegeelementen typischerweise mit zunehmendem Auslenkweg abnimmt. Da durch die Stellkraft des Piezo-Biegeelementes die entgegengesetzt wirkende Kraft der Rückstell-Federmittel überwunden werden muss, beträgt der tatsächlich mögliche Verstellweg nur einen Bruchteil des maximal möglichen. Dadurch wird der steuerbare Strömungsquerschnitt und mithin der mögliche Durchfluss begrenzt.In both cases, a certain problem arises from the fact that the actuating force of piezo bending elements typically decreases with increasing deflection distance. Since the actuating force of the piezo bending element has to overcome the opposing force of the return spring means, the actual possible adjustment path is only a fraction of the maximum possible. This limits the controllable flow cross-section and thus the possible flow rate.
Eine Reduzierung der Federkraft zur Behebung der Problematik ist nicht ohne weiteres möglich, da sich dies auf die Schließkraft und somit auf die zu steuernden Fluiddrücke negativ auswirkt.Reducing the spring force to solve the problem is not easily possible, as this has a negative effect on the closing force and thus on the fluid pressures to be controlled.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Aktoreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Piezo-Biegeelement trotz Vorspannung in die Grundstellung einen großen Verstellweg ermöglicht.It is the object of the present invention to provide a piezoelectric actuator device of the type mentioned at the outset, the piezo bending element of which enables a large adjustment range despite pre-tensioning in the basic position.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Rückstell-Federmittel zumindest partiell eine negative Federrate aufweisen. To solve this problem, it is provided that the return spring means have at least partially a negative spring rate.
Auf diese Weise arbeitet die Stellkraft des Piezo-Biegeelementes gegen eine sich mit zunehmender Auslenkung der Rückstell-Federmittel verringernde Federkraft. Da das Piezo-Biegeelement prinzipbedingt anfänglich hohe Stellkräfte aufbauen kann, ist es in der Lage, bei der Auslenkung aus seiner Grundstellung selbst hohe Federkräfte zu überwinden. Dies ermöglicht es, das Piezo-Biegeelement mit großer Federkraft in die Grundstellung vorzuspannen. Mit zunehmender Auslenkung verringert sich zwar die Stellkraft des Piezo-Biegeelementes. Dies wird jedoch weitgehend durch die sich ebenfalls verringernde Rückstellkraft der Rückstell-Federmittel kompensiert. Das Piezo-Biegeelement arbeitet praktisch gegen Rückstell-Federmittel mit zumindest partiell abfallender Kraft-Weg-Kennlinie.. Somit kann die mechanische Energie des Piezo-Biegeelementes besser genutzt werden. Bei Anwendungen auf dem Ventilsektor kann dieses Verhalten genutzt werden, um in der Grundstellung eine Ventilöffnung gegen hohe Druckkräfte fest geschlossen zu halten bzw. um größere Ventilöffnungen bei gleichem Druck verschlossen zu halten, in Verbindung mit der Möglichkeit einen großen Verstellweg des Piezo-Biegeelementes zu realisieren.In this way, the actuating force of the piezo bending element works against a spring force that decreases with increasing deflection of the return spring. Since the piezo bending element can build up high actuating forces initially, it is able to overcome high spring forces when deflected from its basic position. This makes it possible to preload the piezo bending element into the basic position with a high spring force. As the deflection increases, the actuating force of the piezo bending element decreases. However, this is largely compensated for by the also decreasing restoring force of the return spring. The piezo bending element practically works against the return spring with at least a partially decreasing force-displacement characteristic curve. This means that the mechanical energy of the piezo bending element can be used more effectively. In applications in the valve sector, this behavior can be used to keep a valve opening firmly closed in the basic position against high pressure forces or to keep larger valve openings closed at the same pressure, in conjunction with the possibility of realizing a large adjustment range of the piezo bending element.
Der auf der negativen Federrate basierende vorteilhafte Effekt lässt sich bereits dann nutzen, wenn die Rückstell-Federmittel nur partiell über eine negative Federrate verfügen. Dabei wird es als zweckmäßig angesehen, die Rückstell-Federmittel so auszubilden, dass die Federrate zumindest zumThe advantageous effect based on the negative spring rate can be used even if the return spring means only partially have a negative spring rate. It is considered expedient to design the return spring means in such a way that the spring rate is at least
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Ende des möglichen Federweges hin negativ ist. Als derzeit optimal wird eine durchgehend negative Federrate angesehen.negative towards the end of the possible spring travel. A consistently negative spring rate is currently considered optimal.
Da die Kraft-Weg-Kennlinie eines Piezo-Biegeelementes in der Regel zumindest annähernd linear ist, empfiehlt es sich, auch die mit negativer Steigung versehene Federkennlinie mit linearem Verlauf auszubilden. Um besondere Effekte zu erzielen, kann von Fall zu Fall jedoch auch ein nicht linearer Verlauf zweckmäßig sein, insbesondere eine degressive Federkennlinie mit negativer Federrate.Since the force-displacement characteristic of a piezo bending element is usually at least approximately linear, it is recommended that the spring characteristic with a negative gradient also be designed to have a linear course. In order to achieve special effects, however, a non-linear course can also be useful in certain cases, in particular a degressive spring characteristic with a negative spring rate.
Vorzugsweise wird die Federkennlinie so gewählt, dass sie die Kraft-Weg-Kennlinie des Piezo-Biegeelementes niemals schneidet. Preferably, the spring characteristic curve is selected so that it never intersects the force-displacement characteristic curve of the piezo bending element.
Zur Realisierung der Federcharakteristik mit negativer Federrate kommen bevorzugt Rückstell-Federmittel zum Einsatz, die von einer blattfederartig flachen Wendelfeder mit Kniehebelcharakteristik gebildet sind. Allerdings können auch andere Bauarten verwendet werden, beispielsweise solche, wie sie in der US 4 822 959 beschrieben sind, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.To achieve the spring characteristic with a negative spring rate, return spring means are preferably used, which are formed by a leaf spring-like flat coil spring with toggle lever characteristics. However, other designs can also be used, for example those described in US 4,822,959, the content of which is hereby incorporated by reference.
Der Erfindung kann bei beliebigen piezoelektrischen Aktoreinrichtungen eingesetzt werden. Die Aktoreinrichtung kann beispielsweise eine Bremseinrichtung sein, bei der das Piezo-Biegeelement als Aktor zur Betätigung eines Bremsbelages fungiert. Von besonderem Vorteil ist die Erfindung jedoch beiThe invention can be used with any piezoelectric actuator device. The actuator device can be, for example, a braking device in which the piezo bending element functions as an actuator for operating a brake pad. However, the invention is particularly advantageous in
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einer als Piezoventil ausgebildeten Aktoreinrichtung, bei der das Piezo-Biegeelement zur Betätigung einer einer Ventilöffnung zugeordneten Ventilschließfläche vorgesehen ist. Dabei sind unterschiedliche Ventilkonzepte möglich, beispielsweise solche, bei denen das Piezo-Biegeelement unmittelbar mit der Ventilschließfläche ausgestattet ist oder solche, bei denen das Piezo-Biegeelement mit einem seinerseits mindestens eine Ventilschließfläche tragenden Steuerglied zusammenarbeitet.an actuator device designed as a piezo valve, in which the piezo bending element is provided for actuating a valve closing surface assigned to a valve opening. Different valve concepts are possible, for example those in which the piezo bending element is equipped directly with the valve closing surface or those in which the piezo bending element works together with a control element which in turn carries at least one valve closing surface.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
Figur 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine mögliche erste Bauform der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktoreinrichtung,Figure 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through a possible first design of the piezoelectric actuator device according to the invention,
Figur 2 eine vergrößerte Teildarstellung der Aktoreinrichtung aus Fig. 1 im Bereich des Zusammenwirkens des Piezo-Biegeelementes mit den Rückstell-Federmitteln, Figure 2 is an enlarged partial view of the actuator device from Fig. 1 in the area of the interaction of the piezo bending element with the return spring means,
Figur 3 wiederum in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine weitere mögliche Bauform der erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung,Figure 3 again shows in a schematic longitudinal section another possible design of the actuator device according to the invention,
Figur 4 ein Kennliniendiagramm, wie es bei der erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung auftreten kann, undFigure 4 shows a characteristic diagram as it can occur in the actuator device according to the invention, and
Figur 5 zum Vergleich ein Kennliniendiagramm des Standes der Technik.Figure 5 shows a characteristic diagram of the state of the art for comparison.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen piezoelektrische Aktoreinrichtungen, die als Piezoventile 1 ausgebildet sind. Obgleich die Erfindung auch für andere Arten von Aktoreinrichtungen geeignet ist, ist sie jedoch im Zusammenhang mit Piezoventilen besonders vorteilhaft.Figures 1 to 3 show piezoelectric actuator devices designed as piezo valves 1. Although the invention is also suitable for other types of actuator devices, it is particularly advantageous in connection with piezo valves.
Die Piezoventile 1 verfügen über ein Gehäuse 2, das eine Ventilkammer 3 definiert. In der Ventilkammer 3 befindet sich ein längliches Piezo-Biegeelement 4, das am rückwärtigen Endbereich 5 gehäusefest eingespannt ist.The piezo valves 1 have a housing 2 that defines a valve chamber 3. In the valve chamber 3 there is an elongated piezo bending element 4 that is clamped to the housing at the rear end area 5.
Das Piezo-Biegeelement 4 ist ein aus piezoelektrischem Material bestehender balkenartiger Biegewandler, der beim Anlegen einer Spannung an seinem vorderen Endbereich 6 quer zu seiner Längsachse ausgelenkt wird. Auf diese Weise kann das Piezo-Biegeelement 4 zu einer durch Doppelpfeil angedeuteten Schwenk- oder Auslenkbewegung 7 veranlasst werden. Zum Anlegen der elektrischen Spannung sind aus dem Gehäuse 2 mit dem Piezo-Biegeelement 4 verbundene elektrische Leiter 9 herausgeführt .The piezo bending element 4 is a beam-like bending transducer made of piezoelectric material, which is deflected transversely to its longitudinal axis when a voltage is applied to its front end region 6. In this way, the piezo bending element 4 can be caused to perform a pivoting or deflection movement 7 indicated by a double arrow. To apply the electrical voltage, electrical conductors 9 connected to the piezo bending element 4 are led out of the housing 2.
Der Aufbau des Piezo-Biegeelementes 4 kann beispielsweise demjenigen entsprechen, wie er in der EP 1 158 182 Al beschrieben ist.The structure of the piezo bending element 4 can, for example, correspond to that described in EP 1 158 182 A1.
Im deaktivierten Zustand nimmt das Piezo-Biegeelement 4 die in Figuren 1 und 3 in durchgezogenen Linien abgebildeteIn the deactivated state, the piezo bending element 4 assumes the position shown in solid lines in Figures 1 and 3.
Grundstellung ein. In dieser Grundstellung wird es durch vorgespannte Rückstell-Federmittel 8 festgehalten.basic position. It is held in this basic position by pre-tensioned return springs 8.
Bei dem Piezoventil 1 gemäß Figur 1 entspricht die Grundstellung des Piezo-Biegeelementes 4 einer Schließstellung, in der das Piezo-Biegeelement 4 mit einer an ihm vorgesehenen Ventilschließfläche 12 eine in die Ventilkammer 3 mündende Ventilöffnung 13 dicht verschließt. Die Ventilöffnung 13 gehört zu einem das Gehäuse 2 durchsetzenden ersten Ventilkanal 14, der an eine Druckquelle angeschlossen sein kann. Die Ventilöffnung 13 ist zweckmäßigerweise von einem erhabenen ringförmigen Ventilsitz umgeben, gegen den die Ventilschließfläche 12 des Piezo-Biegeelementes 4 durch die Kraft der Rückstell-Federmittel vorgespannt ist.In the piezo valve 1 according to Figure 1, the basic position of the piezo bending element 4 corresponds to a closed position in which the piezo bending element 4 tightly closes a valve opening 13 opening into the valve chamber 3 with a valve closing surface 12 provided on it. The valve opening 13 belongs to a first valve channel 14 which passes through the housing 2 and can be connected to a pressure source. The valve opening 13 is expediently surrounded by a raised annular valve seat against which the valve closing surface 12 of the piezo bending element 4 is prestressed by the force of the return spring means.
Ein zweiter Ventilkanal 15 mündet ebenfalls in die Ventilkammer 3. Er kann beispielsweise mit einem anzusteuernden Verbraucher verbunden werden.A second valve channel 15 also opens into the valve chamber 3. It can, for example, be connected to a consumer to be controlled.
In der Schließstellung des Piezo-Biegeelementes 4 ist die Verbindung zwischen den beiden Ventilkanälen 14, 15 unterbrochen. Bedingt durch die Vorspannkraft der Rückstell-Federmittel 8, die ausreichend hoch gewählt wird, ist der über die Ventilöffnung 13 auf das Piezo-Biegeelement 4 einwirkende Fluiddruck nicht in der Lage, das Piezo-Biegeelement 4 wegzudrücken .In the closed position of the piezo bending element 4, the connection between the two valve channels 14, 15 is interrupted. Due to the preload force of the return spring means 8, which is selected to be sufficiently high, the fluid pressure acting on the piezo bending element 4 via the valve opening 13 is not able to push the piezo bending element 4 away.
Um eine Fluidverbindung zwischen den beiden Ventilkanälen 14, 15 herzustellen, wird das Piezo-Biegeelement 4 aktiviert, so dass es entgegen der Kraft der Rückstell-Federmittel 8 in eine strichpunktiert bei 16 angedeutete betätigte Stellung ausgelenkt wird. Es handelt sich bei der betätigten Stellung 16 um eine Offenstellung, bei der das Piezo-Biegeelement 4 und somit die Ventilschließfläche 12 vom zugeordneten Ventilsitz abgehoben ist, so dass das am ersten Ventilkanal 14 eingespeiste Druckmedium durch die Ventilkammer 3 hindurch zum zweiten Ventilkanal 15 überströmen kann.In order to establish a fluid connection between the two valve channels 14, 15, the piezo bending element 4 is activated so that it is deflected against the force of the return spring means 8 into an actuated position indicated by a dash-dotted line at 16. The actuated position 16 is an open position in which the piezo bending element 4 and thus the valve closing surface 12 is lifted off the associated valve seat so that the pressure medium fed into the first valve channel 14 can flow through the valve chamber 3 to the second valve channel 15.
Wird das Piezo-Biegeelement 4 deaktiviert und somit entladen, erfolgt durch die Rückstell-Federmittel 8 ein Zurückstellen in die Grundstellung.If the piezo bending element 4 is deactivated and thus discharged, the return spring means 8 returns it to the basic position.
Während das Piezoventil gemäß Figur 1 als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, handelt es sich bei dem Piezoventil 1 der Figur 3 um ein 3/2-Wegeventil.While the piezo valve according to Figure 1 is designed as a 2/2-way valve, the piezo valve 1 in Figure 3 is a 3/2-way valve.
Das in Figur 3 gezeigt Piezoventil 1 ist mit zwei steuerbaren Ventilöffnungen 13a, 13b ausgestattet. Die erste Ventilöffnung 13a kommuniziert mit einem ersten Ventilkanal 14a, die zweite Ventilöffnung 13b mit einem zweiten Ventilkanal 14b. Zusätzlich ist ein dritter Ventilkanal 14c vorgesehen, der ständig mit der Ventilkammer 3 verbunden ist.The piezo valve 1 shown in Figure 3 is equipped with two controllable valve openings 13a, 13b. The first valve opening 13a communicates with a first valve channel 14a, the second valve opening 13b with a second valve channel 14b. In addition, a third valve channel 14c is provided, which is permanently connected to the valve chamber 3.
Bei einer üblichen Betriebsweise ist der dritte Ventilkanal 14c ein mit einem anzusteuernden Verbraucher verbindbarer Ar-In a normal mode of operation, the third valve channel 14c is a valve that can be connected to a consumer to be controlled.
beitskanal. Der erste Ventilkanal 14a ist ein mit einer Druckquelle verbindbarer Speisekanal und der zweite Ventilkanal 14b ist ein Abführkanal.working channel. The first valve channel 14a is a supply channel connectable to a pressure source and the second valve channel 14b is a discharge channel.
Das Piezoventil 1 gemäß Figur 3 wird, wie auch das der Figur 1, bevorzugt mit Druckluft betrieben. Es handelt sich dann bei dem Abführkanal 14b um einen Entlüftungskanal.The piezo valve 1 according to Figure 3, like that of Figure 1, is preferably operated with compressed air. The discharge channel 14b is then a vent channel.
Den beiden Ventilöffnungen 13a, 13b liegt jeweils eine eigene Ventilschließfläche 12a, 12b im Innern der Ventilkammer 3 gegenüber. Diese Ventilschließflächen 12a, 12b sind an einem bezüglich dem Piezo-Biegeelement 4 gesondert ausgebildeten beweglichen Steuerglied 17 vorgesehen.Each of the two valve openings 13a, 13b has its own valve closing surface 12a, 12b inside the valve chamber 3. These valve closing surfaces 12a, 12b are provided on a movable control member 17 that is designed separately from the piezo bending element 4.
Das Steuerglied 17 ist bevorzugt wippenartig ausgebildet. An einer Schwenklagerstelle 18 ist es relativ zum Gehäuse 2 gemäß Doppelpfeil 22 verschwenkbar gelagert. Die beiden Ventilschließflächen 12a, 12b sind an dem Steuerglied 17 auf entgegengesetzten Seiten der Schwenklagerstelle 18 angeordnet, wobei sie zur gleichen Längsseite weisen. Dementsprechend befinden sich auch die beiden Ventilöffnungen 13a, 13b beidseits der Schwenklagerstelle 18 auf der gleichen Seite des Piezo-Biegeelementes 4.The control member 17 is preferably designed like a rocker. It is pivotably mounted relative to the housing 2 according to the double arrow 22 at a pivot bearing point 18. The two valve closing surfaces 12a, 12b are arranged on the control member 17 on opposite sides of the pivot bearing point 18, facing the same long side. Accordingly, the two valve openings 13a, 13b are also located on both sides of the pivot bearing point 18 on the same side of the piezo bending element 4.
An einer Koppelstelle 23 ist das schwenkbewegliche Steuerglied 17 mit dem Piezo-Biegeelement 4 in beiden Verstellrichtungen bewegungsgekoppelt. Die Koppelstelle 23 befindet sichAt a coupling point 23, the pivotable control element 17 is coupled to the piezo bending element 4 in both adjustment directions. The coupling point 23 is located
zweckmäßigerweise am vorderen Endbereich 6 des Piezo-Biegeelementes 4.expediently at the front end area 6 of the piezo bending element 4.
Während bei dem Piezoventil 1 gemäß Figur 1 die sich einerseits am Gehäuse 2 abstützenden Rückstell-Federmittel 8 andererseits unmittelbar mit dem Piezo-Biegeelement 4 zusammenwirken, kooperieren sie bei dem Piezoventil 1 gemäß Figur 3 mit dem Steuerglied 17. Durch die Rückstell-Federmittel 8 wird das Steuerglied 17 in eine in Figur 3 in durchgezogenen Linien dargestellte erste SchaltStellung vorgespannt, in der die erste Ventilschließfläche 12a an dem die erste Ventilöffnung 13a umschließenden Ventilsitz fest anliegt und somit die erste Ventilöffnung 13a dicht verschließt. Hierbei ist gleichzeitig die zweite Ventilschließfläche 12b von der zweiten Ventilöffnung 13b entfernt, so dass von einem an den dritten Ventilkanal 14c angeschlossenen Verbraucher zurückströmendes Druckmedium durch die Ventilkammer 3 hindurch über den Abführkanal 14b abströmen kann. In dieser ersten Schalt-Stellung befindet sich das Piezo-Biegeelement 4 in seiner Grundstellung.While in the piezo valve 1 according to Figure 1 the return spring means 8, which are supported on the housing 2 on the one hand, interact directly with the piezo bending element 4 on the other hand, in the piezo valve 1 according to Figure 3 they cooperate with the control element 17. The return spring means 8 preload the control element 17 into a first switching position shown in solid lines in Figure 3, in which the first valve closing surface 12a lies firmly against the valve seat surrounding the first valve opening 13a and thus tightly closes the first valve opening 13a. At the same time, the second valve closing surface 12b is removed from the second valve opening 13b, so that pressure medium flowing back from a consumer connected to the third valve channel 14c can flow out through the valve chamber 3 via the discharge channel 14b. In this first switching position, the piezo bending element 4 is in its basic position.
Durch Aktivieren des Piezo-Biegeelementes 4 wird dessen vorderer Endbereich 6 ausgelenkt, so dass das damit bewegungsgekoppelte Steuerglied 17 gemäß Doppelpfeil 22 verschwenkt wird und in eine strichpunktiert angedeutete zweite Schaltstellung umschaltet, in der die erste Ventilöffnung 13a freigegeben und die zweite Ventilöffnung 13b verschlossen ist. Nun kann über den ersten Ventilkanal 14a eingespeistes DruckmediumBy activating the piezo bending element 4, its front end region 6 is deflected so that the control element 17 coupled to it is pivoted according to the double arrow 22 and switches to a second switching position indicated by a dash-dotted line, in which the first valve opening 13a is released and the second valve opening 13b is closed. Pressure medium fed in via the first valve channel 14a can now
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durch die Ventilkammer 3 hindurch zum Arbeitskanal 14c und einem daran angeschlossenen Verbraucher ausströmen.through the valve chamber 3 to the working channel 14c and a consumer connected to it.
Bei diesem UmsehaltVorgang in die zweite Schaltstellung werden die Rückstell-Federmittel 8 komprimiert. Beim anschließenden Deaktivieren des Piezo-Biegeelementes 4 können sie dazu beitragen, das Steuerglied 17 in die erste Schaltstellung zurückzuschalten. Durch die geschilderte Bewegungskopplung zwischen dem Piezo-Biegeelement 4 und dem Steuerglied 17 wird allerdings gewährleistet, dass das Piezo-Biegeelement 4 beim Zurückkehren in die Grundstellung das Steuerglied 17 mitnimmt und aktiv in die erste Schaltstellung zurückschaltet.During this switching process to the second switching position, the return spring means 8 are compressed. When the piezo bending element 4 is subsequently deactivated, they can help to switch the control element 17 back to the first switching position. However, the described movement coupling between the piezo bending element 4 and the control element 17 ensures that the piezo bending element 4 takes the control element 17 with it when returning to the basic position and actively switches it back to the first switching position.
Besondere Vorteile der Piezoventile 1 resultieren daraus, dass die Rückstell-Federmittel 8 zumindest partiell mit negativer Federrate ausgebildet sind. Die Bauform bei den Ausführungsbeispielen sieht eine insgesamt negative Federrate der Rückstell-Federmittel 8 vor. Dadurch wird erreicht, dass die Rückstellkraft der Rückstell-Federmittel 8 bei zunehmender Federauslenkung anders als bei Stand der Technik nicht zunimmt , sondern abnimmt.Particular advantages of the piezo valves 1 result from the fact that the return spring means 8 are at least partially designed with a negative spring rate. The design in the exemplary embodiments provides an overall negative spring rate of the return spring means 8. This ensures that the return force of the return spring means 8 does not increase with increasing spring deflection, but rather decreases, unlike in the prior art.
Anfänglich, wenn sich das Piezo-Biegeelement 4 in der Grundstellung befindet, wird die betreffende Ventilschließfläche 12, 12a mit hoher Federkraft gegen den Ventilsitz der zugeordneten ersten Ventilöffnung 13, 13a angedrückt. Hier kann eine sehr hohe Federvorspannung vorgesehen werden, die ein Verschließen der betreffenden Ventilöffnung 13, 13a auch dannInitially, when the piezo bending element 4 is in the basic position, the valve closing surface 12, 12a in question is pressed against the valve seat of the associated first valve opening 13, 13a with high spring force. A very high spring preload can be provided here, which ensures that the valve opening 13, 13a in question is closed even if
gewährleistet, wenn an letzterer ein hoher Druck ansteht und/oder wenn der Querschnitt der Ventilöffnung relativ groß ist.guaranteed if there is a high pressure at the latter and/or if the cross-section of the valve opening is relatively large.
Aufgrund seiner anfänglich hohen Stellkraft ist das Piezo-Biegeelement 4 ohne weiteres in der Lage, bei seiner Aktivierung entgegen der hohen Rückstellkraft ausgelenkt zu werden.Due to its initially high actuating force, the piezo bending element 4 is easily able to be deflected against the high restoring force when activated.
Da die Federkraft mit zunehmender Auslenkung der Rückstell-Federmittel abnimmt, ist das Piezo-Biegeelement 4 zudem in der Lage, trotz seiner mit zunehmender Auslenkung abfallenden Stellkraft die Rückstellkraft der Rückstell-Federmittel 8 weiter zu überwinden, so dass es sehr weit ausgelenkt werden kann. Dies ermöglicht sehr große Ventilhübe, was eine hohe Durchflussleistung zur Folge hat.Since the spring force decreases with increasing deflection of the return spring means, the piezo bending element 4 is also able to continue to overcome the return force of the return spring means 8 despite its actuating force decreasing with increasing deflection, so that it can be deflected very far. This enables very large valve strokes, which results in a high flow rate.
Der geschilderte Effekt wird bei einem Vergleich der in Figuren 4 und 5 gezeigten Kennliniendiagramme besonders deutlich.The described effect becomes particularly clear when comparing the characteristic diagrams shown in Figures 4 and 5.
Die Figur 5 zeigt ein Kennliniendiagramm eines typischen Piezoventiles des Standes der Technik, bei dem das Piezo-Biegeelement 4 durch Rückstell-Federmittel beaufschlagt wird, die eine lineare Kennlinie mit positiver Federrate aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigt die Figur 4 eine erfindungsgemäße Bauform, bei der Rückstell-Federmittel 8 zum Einsatz kommen, die zwar ebenfalls über eine lineare Federkennlinie verfügen, welche jedoch eine negative Steigung hat, so dass also eine negative Federrate vorliegt.Figure 5 shows a characteristic diagram of a typical piezo valve of the prior art, in which the piezo bending element 4 is acted upon by return spring means which have a linear characteristic with a positive spring rate. In contrast, Figure 4 shows a design according to the invention in which return spring means 8 are used, which also have a linear spring characteristic, but which has a negative slope, so that a negative spring rate is present.
In beiden Diagrammen ist bei 24 die Kraft-Weg-Kennlinie eines typischen Piezo-Biegeelementes gezeigt, die einen im wesentlichen linearen Verlauf mit negativer Steigung besitzt.In both diagrams, the force-displacement characteristic curve of a typical piezo bending element is shown at 24, which has an essentially linear course with a negative slope.
Zusätzlich ist bei 25 die Federkennlinie der zur Anwendung kommenden Rückstell-Federmittel eingezeichnet.In addition, the spring characteristic curve of the return spring means used is shown at 25.
Exemplarisch liegt die Vorspannkraft Fv der Rückstell-Federmittel, die gemäß Figur 5 zum Schließen des zugeordneten Ventilsitzes dient, bei 0,4 N. Durch den Schnittpunkt S der beiden Kennlinien 24, 25 ergibt sich der für das Piezo-Biegeelement 4 mögliche maximale Verstellweg sm von 0,1 mm. Bei dem Schnittpunkt sind die Stellkraft des Piezo-Biegeelementes 4 und die Federkraft der Rückstell-Federmittel im Kräftegleichgewicht. Die von diesem System genutzte Energie E beläuft sich auf 0,045 Nm. Die genutzte Energie entspricht dem schraffierten Feld.As an example, the preload force F v of the return spring means, which serves to close the associated valve seat according to Figure 5, is 0.4 N. The intersection point S of the two characteristic curves 24, 25 results in the maximum possible adjustment path s m of 0.1 mm for the piezo bending element 4. At the intersection point, the actuating force of the piezo bending element 4 and the spring force of the return spring means are in force equilibrium. The energy E used by this system amounts to 0.045 Nm. The energy used corresponds to the hatched field.
Im Gegensatz dazu ergibt sich gemäß dem in Figur 4 gezeigten Diagramm zu keiner Zeit ein Schnittpunkt zwischen den beiden Kennlinien 24, 25. Die Federkennlinie 25 liegt stets unterhalb der Kraft-Weg-Kennlinie 24 des Piezo-Biegeelementes 4. Beim Ausführungsbeispiel haben die beiden Kennlinien 24, 25 die gleiche negative Steigung, so dass sie parallel zueinander verlaufen.In contrast, according to the diagram shown in Figure 4, there is never an intersection point between the two characteristic curves 24, 25. The spring characteristic curve 25 is always below the force-displacement characteristic curve 24 of the piezo bending element 4. In the embodiment, the two characteristic curves 24, 25 have the same negative slope, so that they run parallel to each other.
••••••V 14%-.·· .·%.··,••••••V 14%-.·· .·%.··,
Wie man sieht, kann hier im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich höhere Vorspannkraft Fv der Rückstell-Federmittel realisiert werden, ohne das Verstellverhalten, des Piezo-Biegeelementes 4 zu beeinträchtigen. Exemplarisch ist eine Vorspannkraft Fv von 0,8 N gewählt. Insgesamt ergibt sich hier ein maximaler Verstellweg sm von 0,16 mm, woraus eine vom System genutzte Energie (schraffiertes Feld) in Höhe von 0,064 Nm resultiert.As can be seen, a significantly higher preload force F v of the return spring means can be achieved here compared to the state of the art without affecting the adjustment behavior of the piezo bending element 4. As an example, a preload force F v of 0.8 N is selected. Overall, this results in a maximum adjustment path s m of 0.16 mm, which results in an energy used by the system (hatched field) of 0.064 Nm.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann also die mechanische Energie des Piezo-Biegeelementes wesentlich besser ausgenutzt werden als beim Stand der Technik.With the solution according to the invention, the mechanical energy of the piezo bending element can be utilized much better than with the prior art.
Ein ähnlicher Effekt ließe sich auch mit einer degressiven Federkennlinie erreichen, wie sie in Figur 4 exemplarisch bei 26 strichpunktiert angedeutet ist.A similar effect could also be achieved with a degressive spring characteristic curve, as shown in Figure 4 as an example at 26.
Aus den Diagrammen wird deutlich, dass die Federrate der Rückstell-Federmittel 8 nicht durchgängig negativ sein muss. Es wäre insbesondere eine anfängliche positive Federrate tolerierbar. Zweckmäßigerweise sollte die Federrate jedoch zumindest zum Ende des möglichen Federweges hin negativ sein.It is clear from the diagrams that the spring rate of the return spring means 8 does not have to be negative throughout. In particular, an initial positive spring rate would be tolerable. However, the spring rate should be negative at least towards the end of the possible spring travel.
Eine mögliche vorteilhafte Bauform für die die erfindungsgemäße Wirkung entfaltenden Rückstell-Federmittel 8 geht aus Figur 2 hervor. Hier ist der vordere Endbereich 6 des Biegeelementes 4 aus Figur 1 gezeigt, mit dem die sich am schematisch angedeuteten Gehäuse 2 abstützenden Rückstell-Feder-A possible advantageous design for the return spring means 8 which develop the effect according to the invention is shown in Figure 2. Here, the front end region 6 of the bending element 4 from Figure 1 is shown, with which the return spring means 8 supported on the schematically indicated housing 2
mittel 8 zusammenwirken. Gezeigt ist die betätigte Stellung
des Piezo-Biegeelementes 4 mit maximal ausgelenkten Rückstell-Federmitteln
8. Strichpunktiert bei 27 ist die von den
Rückstell-Federmitteln 8 in der Grundstellung des Piezo-Biegeelementes
4 eingenommene Stellung gezeigt.medium 8. Shown is the actuated position
of the piezo bending element 4 with maximum deflection of the return spring means
8. Dash-dotted at 27 is the
Return spring means 8 in the basic position of the piezo bending element
4 position shown.
Die Rückstell-Federmittel 8 sind hier von einer blattfederartig flach ausgebildeten Feder gebildet, die aufgrund ihrer
besonderen Gestaltung als Wendelfeder 28 bezeichnet sei.The return spring means 8 are formed here by a leaf spring-like flat spring, which due to its
special design is referred to as spiral spring 28.
Die Wendelfeder 28 erstreckt sich quer über das Piezo-Biegeelement
4, wobei sie mit ihren beiden einander entgegengesetzten
Endbereichen 32 gehäusefest fixiert ist und mit einem längsmittigen Beaufschlagungsbereich 33 am Piezo-Biegeelement 4 anliegt. Zwischen jedem Endbereich 32 und dem Beaufschlagungsbereich
33 erstreckt sich jeweils ein Paar mäanderförmig oder wellenförmig gestalteter Federelemente 34a, 34b, die abschnittsweise miteinander verbunden sind. Diese Federelemente 34a, 34b sind in Längsrichtung unter Aufweitung und Verengung ihrer Zwischenräume federelastisch verformbar (Pfeile 35),
dazuhin sind sie in der mit der Richtung der Auslenkbewegung
7 zusammenfallenden Querrichtung elastisch biegbar.The coil spring 28 extends across the piezo bending element
4, with their two opposite
end areas 32 and is fixed to the housing and rests against the piezo bending element 4 with a longitudinally central loading area 33. Between each end area 32 and the loading area
33 each have a pair of meandering or wave-shaped spring elements 34a, 34b, which are connected to each other in sections. These spring elements 34a, 34b are elastically deformable in the longitudinal direction by widening and narrowing their spaces (arrows 35),
In addition, they are in the direction of the deflection movement
7 coincident transverse direction elastically bendable.
Insgesamt resultiert daraus eine Kniehebelcharakteristik, die zur Folge hat, dass sich die Wendelfeder 28 ausgehend von der in Figur 2 strichpunktiert gezeigten ausgewölbten Ausgangsstellung
27 in die in durchgezogenen Linien abgebildete aus-Overall, this results in a toggle lever characteristic, which means that the coil spring 28, starting from the bulged initial position shown in dash-dotted lines in Figure 2,
27 in the solid lines shown in
gelenkte Stellung verbringen lässt, und zwar in Verbindung mit dem geschilderten Kennlinienverhalten.controlled position, in conjunction with the described characteristic behavior.
Die beschriebene Wendelfeder 28 lässt sich relativ einfach herstellen, beispielsweise als Stanzteil. Darüber hinaus ermöglicht sie aufgrund ihrer flachen Bauform sehr kompakte Abmessungen des Piezoventils. Gleichwohl könnten auch andere Federbauformen verwendet werden, die das geschilderte Verhalten an den Tag legen.The described coil spring 28 can be manufactured relatively easily, for example as a stamped part. In addition, due to its flat design, it enables very compact dimensions of the piezo valve. However, other spring designs could also be used that exhibit the described behavior.
Allgemein ist noch zu erwähnen, dass die Federkraft möglichst etwas geringer als die Stellkraft des Piezo-Biegeelementes vorgesehen werden sollte, damit Reibungswiderstände überwindbar sind und das System eine ausreichende Dynamik erhält.In general, it should be mentioned that the spring force should be slightly lower than the actuating force of the piezo bending element so that frictional resistance can be overcome and the system has sufficient dynamics.
Im Zusammenhang mit der Bauform gemäß Figur 3 hat die in beiden Verstellrichtungen wirksame Bewegungskopplung zwischen dem Piezo-Biegeelement 4 und dem Steuerglied 17 den Vorteil eines sicheren Zurückschaltens in die erste Schaltstellung trotz der in der zweiten Schaltstellung aufgrund der Federcharakteristik relativ geringen Rückstell-Federkraft.In connection with the design according to Figure 3, the movement coupling between the piezo bending element 4 and the control element 17, which is effective in both adjustment directions, has the advantage of a safe switching back to the first switching position despite the relatively low return spring force in the second switching position due to the spring characteristics.
Claims (15)
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| DE20210042U DE20210042U1 (en) | 2002-06-28 | 2002-06-28 | Piezoelectric actuator device |
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