DE4422972A1 - Mikroventil mit elektromagnetischem Antrieb - Google Patents
Mikroventil mit elektromagnetischem AntriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil mit einem elektro
magnetischem Antrieb für die Auslenkung eines Ven
tilschließgliedes nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei einem bekannten Mikroventil (PCT/DE93/00493) dieser Art
sind die mit einem Druckmittel beaufschlagten Räume, das
Ventilschließglied und die auslenkbare Membran aus überein
ander angeordneten Kunststoffschichten gebildet. Nach der
Ausbildung der erforderlichen Öffnungen und der verbleiben
den Stege und oberflächen werden diese Schichten unter Ein
haltung der erforderlichen Toleranzen und unter Gewährlei
stung des gewünschten Bewegungshubes des Ventilschließglie
des aneinandergefügt (bspw. durch Kleben, Bonden oder Lö
ten). Der Antrieb für die Bewegung des Ventilschließgliedes
erfolgt unter Anderem auch über einen Elektromagneten der
auf die mit einem Anker versehene Membran einwirkt.
Es ist weiterhin bereits ein Antrieb für ein Mikroventil
aus der DE-OS 39 19 876 bekannt, bei dem ein Ventilschließ
glied mittels eines elektrostatischen Antriebs bewegt wer
den kann. Die einzelnen Schichten des Mikroventils sind
hier mit mikromechanischen Fertigungsverfahren bearbeitet,
beispielsweise in bekannter Weise durch Ätzung von Silizi
umscheiben (sog. Wafern), so daß- die erforderlichen mechani
schen Elemente durch eine strukturierte dreidimensionale
Bearbeitung dieser Schichten herausgebildet werden. Die
Ausbildung und Weiterverarbeitung dieser Schichten erfor
dert einen optimalen Einsatz der geeigneten Materialien und
die Wahl einer günstigen Montagetechnik unter Berück
sichtigung des gewählten Antriebs für das Ventilschließ
glied.
Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den Merkmalen des
Kennzeichens des Hauptanspruchs ist insofern vorteilhaft,
als daß die hier vorgeschlagenen Materialien eine einfache
Herstellung der einzelnen Schichten des Mikroventils erlau
ben. Insbesondere durch die Ausbildung der Membran und/oder
der mit dieser fest zusammengefügten Teile aus weichmagne
tischem Material ist bei einem Ventilgehäuse aus nichtma
gnetischem Material eine gute Ausnutzung der Antriebsener
gie des Elektromagneten gewährleistet.
Weitere Vorteile ergeben sich durch verschiedene Varianten
des Aufbaus des Mikroventils, die eine optimale Anpassung
des Antriebs an den Verwendungszweck ermöglichen. Hierbei
kann ein integrierter Antrieb, bei dem Kraft direkt auf die
anzutreibenden Teile wirkt, oder ein hybrider Antrieb mit
angefügten magnetischen Teilen gewählt werden. Bei diesen
elektromagnetischen Antriebsarten kann eine wesentlich hö
here Kraft als beispielsweise bei elektrostatischen, elek
trothermischen, magnetostriktiven oder piezoelektrischen
Antrieben, bei vergleichbaren Abmessungen ausgenutzt wer
den. Ein Druckausgleich des Mikroventils hinsichtlich des
Ausgangsdrucks ist bei dem vorgeschlagenen, erfindungsgemä
ßen Antrieb, im Unterschied zu den oben erwähnten al
ternativen Antrieben, nicht zwingend notwendig, da die re
lativ große ausnutzbare Kraft eine sichere Betätigung des
Mikroventils gewährleistet. Außerdem spielt die bei anderen
Antrieben störende Querempfindlichkeit bezüglich äußerer
Krafteinflüsse bei dem erfindungsgemäßen Mikroventil keine
Rolle.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikroventils
werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ventil mit einem in das
Ventilgehäuse integriertem elektromagnetischen Antrieb;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ventil mit einem hybrid
aufgebauten Antrieb;
Fig. 3 bis 5 elektromagnetische Antriebe mit geome
trisch unterschiedlich geformten Ankern;
Fig. 6 und 7 eine erste Ausführungsform eines An
triebs mit einer Planarspule mit gegenläufigem Strom
Fig. 8 und 9 eine zweite Ausführungsform einer Pla
narspule mit parallelem Strom und
Fig. 10 einen Antrieb mit beweglichem Magneten.
In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Mikroventil 1
dargestellt, das einen elektromagnetischen Antrieb 2 zur
Betätigung des Mikroventils enthält. Der Antrieb 2 besteht
aus einer, in einen Topfmagneten 3 integrierten, Spule 4
und einer, in eine Membran 5 mit biegesteifem Kern inte
grierten, Ankerplatte. Der Topfmagnet 3 und die Membran 5,
einschließlich ihres biegesteifen Kerns, sind aus einem
weichmagnetisch leitenden Werkstoff hergestellt
(dargestellt in enger Schraffur).
Das Mikroventil 1 weist druckbeaufschlagbare Räume 6 und 7
auf, wobei über einen Zulauf 8 in den Raum 6 ein fluidi
sches Druckmittel eingeleitet werden kann. Die Membran 5
ist mit einem Ventilschließglied 9 fest verbunden, das über
einen Ventilsitz 10 die beiden Räume 6 und 7 dichtend
trennt. Der obere und der untere Teil des Mikroventils 1
sind an einer Fügestelle 11 miteinander verbunden, wobei
zwischen der Membran 5 und der Oberseite des Topfmagneten 3
ein weiterer Raum 13 gebildet ist. Bei einer Betätigung des
Antriebs 2 wird durch elektromagnetische Anziehungskräfte
die Membran 5 mit dem Ventilschließglied 9 nach unten be
wegt, so daß der Ventilsitz 10 geöffnet wird und das in dem
Raum 6 befindliche fluide Mittel, dessen Druck Pin größer
ist als der Außendruck Pout in dem Raum 7, hinausbefördert
werden kann.
Im folgenden wird der Aufbau und die Herstellungstechnolo
gie des Ausführungsbeispiels in einer mikromechanischen
Bauweise erläutert. Die Membran 5 , einschließlich des den
Anker tragenden biegesteifen Kerns, ist beispielsweise aus
einem weichmagnetischen Werkstoff in Form einer gewalzten
Folie oder einem durch Schnellerstarrung hergestellten
amorphen Band, beziehungsweise einer durch Metallabschei
dung gefertigten Schicht, hergestellt. Das Blech kann hier
bei durch Ätzen oder Feinstanzen strukturiert sein; die
galvanisch abgeschiedene Schicht kann entweder unstruktu
riert sein oder strukturiert abgeschieden, bzw. durch Ätzen
in ihrer Oberfläche strukturiert sein. Wenn mehrere struk
turierte oder unstrukturierte Bleche verwendet werden, wer
den sie stoffschlüssig, beispielsweise durch Löten oder
Kleben, zusammengefügt.
Da der Topfmagnet 3 im unteren Teil des Mikroventils 1
keine bewegten, dichtenden Teile aufweist, können hier auch
feinmechanische Fertigungsverfahren mit relativ geringen
Toleranzanforderungen angewandt werden, wie beispielsweise
Stanzen, Prägen, Pulverspritzgießen oder Senkerodieren. Au
ßerdem kann der Topfmagnet 3 mit einer der genannten Her
stellungsverfahren als echte Raumstruktur ausgebildet wer
den. Die Spule 4 kann als konventionell gewickelte Spule
mit einer oder mehreren Windungen oder als Stanzteil bzw.
mit Hilfe eines mehrschichtigen Dünnschicht- oder Dick
schichtaufbaus gefertigt werden. Wenn eine massive, aus ei
ner Windung bestehende Spule vorgesehen ist, kann diese
auch in Form eines Metallstreifens in den Topfmagneten 3
hineingepreßt werden. Die Spule 4 und der Topfmagnet 3 wer
den in diesem Fall mit einer verschleißfesten, isolierenden
Schicht versehen. Der mit der Spule 4 versehene Topfmagnet
3 kann mit dem Ventilschließglied 9, beispielsweise durch
Kleben oder Löten, formschlüssig zusammengefügt werden. Der
Topfmagnet 3 dient hierbei als integrierter Teil des Auf
nahmegehäuses für das mikromechanisch hergestellte Ventil
schließglied 9.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Mikroventils 1 dargestellt, bei dem gleiche Bauelemente mit
den gleichen Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 1 versehen worden sind. Der konkrete Aufbau
und das Herstellungsverfahren des Ventilschließglied 9 un
terscheidet sich jedoch in einigen Punkten von der Variante
nach der Fig. 1. In der Fig. 2 ist zusätzlich eine sepa
rat aufgebaute Ankerplatte 12 vorhanden, die allerdings me
chanisch fest mit dem Ventilschließglied 9 verbunden ist
und die mit dem Antrieb 2 des Mikroventils 1 derart zusam
menwirkt, daß sie die Kraftübertragung vom Antrieb 2 auf
das Ventilschließglied 9 ausführt. Die Befestigung der An
kerplatte 12 erfolgt am biegesteifen Kern des Ventil
schließgliedes 9 und am Ventilgehäuse über Stege 12a. Die
Ankerplatte 12 kann entweder mit den bereits erwähnten mi
kromechanischen Fertigungsmethoden (Fotolithographie, Re
sisttechnik, Metallabscheidung oder Ätztechnik) oder auch
mit feinmechanischen Fertigungsverfahren (Stanzen, Prägen
oder Senkerodieren) hergestellt werden. Eine mikromecha
nisch hergestellte Ankerplatte 12 kann hierbei direkt auf
dem biegesteifen Kern des Ventilschließgliedes 9 aufgebaut
werden oder aber separat gefertigt und so dann stoffschlüs
sig durch Kleben oder Löten an den biegesteifen Kern des
Ventilschließgliedes 9 angefügt werden. Bei einer separaten
Fertigung der Ankerplatte 12 wird diese zunächst über die
genannten Stege 12a am Ventilgehäuse aufgehängt, wobei
diese Stege 12a jedoch nach dem Zusammenfügen der Bauteile
des Mikroventils 1 auch durch geeignete Verfahren (Ätzen,
Laserbearbeitung oder Plasmabearbeitung) entfernt werden
können. Der Aufbau und die Herstellung dieses Topfmagneten
3 entspricht dem anhand der Fig. 1 beschriebenen Topfma
gneten 3.
In Abweichung von dem oben beschriebenen Herstellungsver
fahren ist es auch möglich, die Ankerplatte 12 als Bestand
teil des Antriebs 2 zu fertigen, wobei hier als Fertigungs
verfahren entweder Stanzen, Prägen oder Senkerodieren zum
Einsatz kommen. Auch bei diesem Herstellungsverfahren ist
die Ankerplatte 12 über Federstege 12a mit dem Ventilge
häuse verbunden. Das Ventilgehäuse wird durch geeignetes
Zusammenfügen des Topfmagneten 3 - wie bereits oben be
schrieben - mit den übrigen Bauteilen gefertigt, wobei die
Abstände in der Bewegungsrichtung der Membran 5 durch die
Schichtdicke des Fügewerkstoffes oder geeignete Abstandhal
ter definiert werden.
In den Fig. 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsfor
men der Geometrie der Oberflächen des sich gegenüberliegen
den Topfmagneten 3, des Ankers des Ventilschließgliedes 9,
bestehend aus einem biegesteifen Kern und der Membran 5
(vgl. Fig. 1), oder der am biegesteifen Kern befestigten
Ankerplatte 12 (vgl. Fig. 2) , dargestellt. In der Fig. 3
sind stufenförmige Ausnehmungen der Oberflächen zu erken
nen, die jeweils ineinander greifen können. In den Fig.
4 und 5 sind an unterschiedlichen Stellen jeweils Abschrä
gungen vorgesehen, die bei beiden Oberflächen jeweils par
allel verlaufen. Die hier aufgeführten Geometrievarianten
für den Topfmagneten 3 und den Anker dienen der Linearisie
rung der Kraft-Weg-Kennlinie des anhand der Fig. 1 und 2
näher beschriebenen Antriebs 2. Die Kennlinien der Antriebe
nach den Fig. 1 und 2 verlaufen nach einem 1/x²-Gesetz
und die hier anhand der Fig. 3 bis 5 beschriebenen Vari
anten weisen eine Kennlinie auf, die nach einem 1/x-Gesetz
näherungsweise verläuft. Mit diesen zuletzt beschriebenen
Ausführungsformen kann erreicht werden, daß größere An
fangskräfte zum öffnen des Ventilsitzes 10 bereitgestellt
werden. Die Herstellungsverfahren des Topfmagneten 3 der
Spule 4 und des Ankers erfolgt in der gleichen Weise wie
vorhergehend beschrieben, nämlich durch eine Strukturierung
des Ankers und des Topfmagneten 3 mit Hilfe ätztechnischer
Verfahren, bzw. feinmechanisch durch Stanzen, Prägen oder
Pulverspritzgießen.
Die Fig. 6 und 8 zeigen jeweils Schnitte durch weitere
Ausführungsformen des Mikroventils 1 mit jeweils unter
schiedlichen geometrischen Anordnungen der Spule 4. Die üb
rigen Bauteile entsprechen den vorhergehend beschriebenen
und sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der
Anker kann auch hier integriert oder als Ankerplatte ausge
führt sein. In der Fig. 6 ist eine mit gegenläufigen Win
dungen 14 und 15 versehene Spule 4 vorhanden, deren genauer
Leitungsverlauf aus der Fig. 7 erkennbar ist. Die Windun
gen 14 und 15 sind in magnetisch leitendes Material einge
bettet, entsprechend dem Material des gegenüberliegenden
Ankers (bzw. Ankerplatte 12 oder Membran 5). Alle weiteren
angegebenen Materialien sind magnetisch nicht leitend.
Durch die Anordnung dieser als Planarspule mit gegenläufi
gen Windungen 14 und 15 ausgeführten Spule 4 wird erreicht,
daß sich die Magnetfelder in den Zwischenräumen zwischen
den Windungen 14 und 15 verstärken. Die in den Fig. 8
und 9 dargestellten Abwandlungen der Ausführung der Pla
narspule als Spule 4 weist konventionell geführte parallele
Windungen auf, wobei hier der magnetische Fluß hauptsäch
lich um das gesamte Leiterbündel der Windungen 15 geführt
ist, wodurch diese Windungen dichter aneinanderliegen kön
nen.
Auch bei der Herstellung der Spule nach den Fig. 6 bis 9
ist es möglich, die Spule 4 und die sie umgebende flußlei
tende Schicht feinmechanisch als Stanzteil, durch Erodieren
oder aber mit Hilfe von Dünnschichttechniken zu fertigen.
Als Dünnschichttechnik kommt beispielsweise die Metallab
scheidung aus einer Gasphase (z. B. PVT, CVD) oder aus der
flüssigen Phase (z. B. galvanische oder stromlose Me
tallabscheidung aus wäßrigen Elektrolyten) oder Kombinatio
nen davon in Frage. Eine Strukturierung der Oberflächen
kann durch Ätzen von zuvor flächig abgeschiedenen Schichten
oder durch eine strukturierte Metallabscheidung in einer
Form verwendet werden. Zur notwendigen Isolation zwischen
den Windungen 15 der Spule 4 und der flußleitenden Schicht
wird mit Hilfe einer Dünnschichttechnik (Lack, CVD/PVT,
Oxyd oder Nitrid) eine isolierende Schicht aufgebracht. Die
somit isolierte Spule 4 wird dann durch Metallabscheidung
mit magnetisch leitendem Werkstoff umgeben.
Die Ausführungsvariante nach der Fig. 10 weist im Unter
schied zu den vorher beschriebenen Mikroventilen 1 einen
Dauermagneten 16 auf, der mit der Membran 5 fest verbunden
ist und sich daher bei einer Aktivierung der Spule 4 auch
mit der Membran 5, bzw. mit dem Ventilschließglied 9 be
wegt. Hierbei wird in einem Hauptluftspalt 17 zwischen dem
Dauermagneten 16 und einem von der Spule 4 magnetisierten
weichmagnetischem Joch 18 die erforderliche Antriebskraft
erzeugt. Bei einer Umpolung der Spule 4 können zur Erhöhung
der Dynamik beim Schließen des Ventilschließgliedes 9 ab
stoßende Kräfte zwischen dem Joch 18 (Polschuh) und dem
Dauermagneten 16 erzeugt werden. Da der Dauermagnet 16 im
Magnetkreis den magnetischen Widerstand von Luft hat, kann
eine Nebenluftspalt 19 hierbei größer sein als der Haupt
luftspalt 17. Die hier gezeigte Ausführungsform des Dauer
magneten 16 hat Dipolcharakter, so daß im Nebenluftspalt 19
keine größeren störenden Querkräfte auftreten können.
Das Ventilschließglied ist bei der Ausführungsform nach der
Fig. 10 in vergleichbarer Weise wie bei den vorher be
schriebenen Ausführungsformen aufgebaut, wobei es ebenfalls
über Fügestellen 11 in einer stoffschlüssigen Verbindung am
Antrieb 2 befestigt ist. Gegebenenfalls können funktionsbe
dingte Höhenunterschiede zwischen dem weichmagnetischen
Joch 18 und dem Dauermagneten 16 ausgeglichen werden. Der
Dauermagnet 16 kann hierbei durch Gießen, Sintern oder Pul
verspritzgießen hergestellt werden und das weichmagnetische
Joch 18 und die Spule 4 können mit konventionellen Mitteln
gefertigt werden, wobei das Joch 18 zusammen mit der Spule
4 durch Kleben an das Gehäuse des Ventilschließgliedes 9
angefügt wird.
Claims (9)
1. Mikroventil mit elektromagnetischem Antrieb,
- - das aus übereinander angeordneten, fest miteinander ver bundenen Schichten gebildet ist,
- - bei dem in Ausnehmungen dieser Schichten ein Ventil schließglied (9) angeordnet ist, welches zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (6, 7) angeordnet ist und über einen Ventilsitz (10) an eine gemeinsamen Wand der Räume (6, 7) dichtend anlegbar ist und
- - bei dem der elektromagnetische Antrieb (2) das Ventil schließglied (9) in einem vorgegebenen Hub, zur Öffnung des Ventilsitzes (10,) auslenkt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die den elektromagnetischen Antrieb (2) enthaltende Schicht des Mikroventils (1) aus einem weichmagnetischem Werkstoff ist, daß
- - die eine Membran (5), das Ventilschließglied (9) und die Räume (6, 7) enthaltenden Schichten des Mikroventils (1) im wesentlichen aus einem nicht ferromagnetischem Werkstoff gebildet sind, wobei
- - die Membran (5) und/oder mit ihr fest verbundene Teile zur Bildung eines, einem Topfmagneten (3) ge genüberliegenden Ankers (12) mit ferromagnetischen Ma terialien in einer zur Gewährleistung eines gerade aus reichenden magnetischen Flusses versehen sind und daß
- - die weichmagnetische Schicht und die nicht ferromagne tischen Schichten in einer den vorgegebenen Hub des Ventil schließgliedes (9) gewährleistenden Weise aneinanderfügbar sind.
2. Mikroventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Membran (5) und das Ventilschließglied (9) aus ferro magnetischem Material hergestellt sind.
3. Mikroventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die zwischen der weichmagnetische Schicht und den nicht ferromagnetischen Schichten eine weitere Schicht zur Bil dung des Ankers (12) eingefügt ist, daß
- - die Membran (5) und das Ventilschließglied (9) aus nicht ferromagnetischem Material sind und daß
- - beim Zusammenfügen der Schichten eine feste stoffschlüs sige Verbindung zwischen dem Anker (12) und der Membran (5) herstellbar ist.
4. Mikroventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die sich gegenüberliegenden Oberflächen des Topfmagneten (3) und des Ankers (12) derart mit abgeschrägten und/oder geraden Hervorhebungen und Ausnehmungen, zur Linearisierung der Kraft- Weg- Kennlinie des Mikroventils (1), versehen sind, daß diese in der Bewegungsrichtung des Ankers (12) ineinandergreifen können.
5. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Spule (4) des Topfmagneten (3) eine Planarspule ist.
6. Mikroventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die einzelnen nebeneinander, konzentrisch in einer Ebene parallel zur seitlichen Ausdehnung des Ankers (12) liegen den Windungen (14, 15) wechselseitig unterschiedliche Strom richtungen aufweisen.
7. Mikroventil nach Anspruch 5,
durch gekennzeichnet, daß
durch gekennzeichnet, daß
- - die einzelnen nebeneinander, konzentrisch in einer Ebene parallel zur seitlichen Ausdehnung des Ankers (12) liegenden Windungen (14, 15) jeweils die gleiche Stromrich tungen aufweisen.
8. Mikroventil nach Anspruch 1,
durch gekennzeichnet, daß
durch gekennzeichnet, daß
- - die Membran (5) und das Ventilschließglied (9) aus nicht ferromagnetischem Material bestehen und daß
- - auf der, einem Joch (18) gegenüberliegenden, Seite der Membran (5) ein Dauermagnet (16) mit Dipolcharakter fest angefügt ist, wobei dieser, in Bewegungsrichtung der Mem bran (5), in eine Ausnehmung des weichmagnetischen Topfma gneten (3) über eine seitlichen Nebenluftspalt (19) und einen gegenüberliegenden Hauptluftspalt (17) eingreift.
Priority Applications (1)
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DE19944422972 DE4422972A1 (de) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Mikroventil mit elektromagnetischem Antrieb |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19944422972 DE4422972A1 (de) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Mikroventil mit elektromagnetischem Antrieb |
Publications (1)
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DE4422972A1 true DE4422972A1 (de) | 1996-01-04 |
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ID=6521941
Family Applications (1)
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