DE4422972A1

DE4422972A1 - Mikroventil mit elektromagnetischem Antrieb

Info

Publication number: DE4422972A1
Application number: DE19944422972
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Dr Mettner; Armin Dipl Ing Schuelke; Armin-Maria Dipl Ing Verhagen; Gerhard Dr Ing Dr Keuper; Christian Dipl Ing Doering; Thomas Dipl Phys Dr Schittny; Steffen Dipl Ing Kaehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-04

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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 P_in größer ist als der Außendruck P_out 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

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

- die Membran (5) und das Ventilschließglied (9) aus ferro magnetischem Material hergestellt sind.

3. Mikroventil nach Anspruch 1,
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

- 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

- die Spule (4) des Topfmagneten (3) eine Planarspule ist.

6. Mikroventil nach Anspruch 5,
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

- 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

- 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.