EP0835403A1 - Piezoelektrisch betätigtes fluidventil - Google Patents

Piezoelektrisch betätigtes fluidventil

Info

Publication number
EP0835403A1
EP0835403A1 EP95904388A EP95904388A EP0835403A1 EP 0835403 A1 EP0835403 A1 EP 0835403A1 EP 95904388 A EP95904388 A EP 95904388A EP 95904388 A EP95904388 A EP 95904388A EP 0835403 A1 EP0835403 A1 EP 0835403A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
bending transducer
housing
transducer
fluid valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95904388A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Ams
Stefan Wegehingel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asco Numatics GmbH
Original Assignee
Joucomatic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Joucomatic GmbH filed Critical Joucomatic GmbH
Publication of EP0835403A1 publication Critical patent/EP0835403A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/005—Piezoelectric benders
    • F16K31/006—Piezoelectric benders having a free end

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectrically actuated fluid valve of the type specified in the preamble of claim 1.
  • Such a fluid valve used to control a gaseous or liquid working medium with a piezoelectric multilayer bending transducer is known for example from EP 0 404 082 A2.
  • the piezoelectric multi-layer bending transducer consists of at least two firmly connected ceramic layers with piezoelectric properties, so-called piezoceramics, which are polarized transversely to the direction of extension of the bending transducer and are each covered on their top and bottom with an electrically conductive coating.
  • a voltage is applied to the electrically conductive coatings of each ceramic layer, the voltage being applied to one piezoceramic in its polarization direction and the voltage to the other piezoceramic against its polarization direction.
  • the closing force or opening force is inversely proportional to the deflection of the free end of the bending transducer and is zero at maximum deflection s ⁇ ax.
  • the behavior of the bending transducer when a predetermined voltage is applied is described by its characteristic curve, which represents the function of the adjusting force as a function of the deflection.
  • the maximum adjustment force also called clamping force, is reached when the deflection is zero.
  • the closing force of the valve member which in turn is predetermined by the characteristic curve of the bending transducer based on the minimum stroke of the valve member to be maintained, is essential for the tightness.
  • the valve body in the known fluid valve mentioned at the outset has been designed as a non-metallized point on the piezoceramic with a roughness of less than 0.5 ⁇ m.
  • the area of the non-metallized point is made slightly larger than that of the valve seat. In this way, a greater tightness of the fluid valve is ensured with a unchanged closing force due to a lower roughness of the valve seat seal.
  • the invention has for its object to improve the tightness of a fluid valve of the type mentioned by a higher adjusting force of the bending transducer without increasing the applied voltages have to reach the load limit of the bending transducer.
  • an abutment By supporting the bending transducer according to the invention at least on one side, an abutment is effective when it is deflected, so that its characteristic curve is shifted to a higher clamping force and a smaller maximum deflection and its adjusting force is thus transformed to larger values.
  • a closing force F (characteristic curve II in FIG. 4) that is greater than that is achieved, for example, with a predetermined closing stroke of the fluid valve, which corresponds to a deflection s' of the free end of the bending transducer Closing force when the bending transducer is not supported (characteristic curve I in FIG. 4).
  • the tightness of the fluid valve can be considerably improved without complex machining of the valve member or valve seat only by increasing the adjusting force of the bending transducer, and this without increasing the voltage applied to the bending transducer.
  • the maximum permissible voltage at the bending transducer is specified and must not exceed a value at which permanent depolarization of the piezoceramic begins.
  • electrical contact surfaces are provided in the clamping and / or support point of the bending transducer, via electrical connection lines running in the valve housing are connected to an electrical control circuit for generating the direct voltage to be applied to the bending transducer and contact the electrically conductive coatings covering the piezoceramic on both sides.
  • the electrically conductive coverings are generally designed as metallizations that are applied to the outside of the piezoceramics of the individual converter layers of the multilayer bending transducer, for example using the screen printing process.
  • valve member interacting with the valve seat on the bending transducer is designed as a flat sealing layer with extremely low roughness, which applied by screen printing and then polished.
  • FIG. 1 shows a cross section of a piezoelectric fluid valve in a schematic representation, - • ig. 2 shows a partial bottom view of a
  • Multi-layer bending transducer in the fluid valve according to
  • Fig. 3 shows a section along the line III-III in Fic ">
  • FIGS. 1-3 shows a diagram of the characteristic curve of the bending transducer according to FIGS. 1-3;
  • Fig. 5 is a sketch of the arrangement of the bending transducer to explain its function.
  • the piezoelectrically operated fluid valve for controlling a gaseous or liquid working medium shown schematically in longitudinal section in FIG. 1, has a valve housing 10 with two valve connections 11 and 12 and a valve chamber 13.
  • the two valve connections 11, 12 are each connected to the valve chamber 13 via a connection channel 14, 15.
  • the channel mouth 16 of the connecting channel 14 in the valve chamber 13 is surrounded by a valve seat 18 which cooperates with a valve member 19 for closing and opening the fluid valve.
  • the fluid valve is designed as a closer, which is open in the idle state shown and allows the working medium to flow from the inlet connection duct 14 to the outlet connection duct 15 and closes the connection duct 14 when activated.
  • the fluid valve can also be designed as an opener, in which the connecting channel 14 is closed in the opposite direction in the idle state and released when the valve is activated.
  • the design of the fluid valve as a 3/2-way valve is also possible, for which purpose a further valve seat, which is sealed by the same or another valve member when the valve is at rest, and a third connection channel are to be provided at the channel mouth 17.
  • the fluid valve can also be operated proportionally, ie the valve member 19 can also assume any intermediate position between the two valve seats.
  • a piezoelectric multilayer bending transducer 20 of a known type is arranged in the valve chamber 13 for actuating the valve member 19. As can be seen from the sectional view of the bending transducer 20 in FIG.
  • the multilayer bending transducer 20 used here consists of two transducer layers 21 and 22 which lie directly on top of one another and are firmly connected to one another, for example glued, along their direction of extension.
  • the two converter layers 21, 22 are of identical design.
  • Each transducer layer 21, 22 consists of a piezoceramic 23, which is provided with an electrically conductive coating 24, 25 on its top and bottom.
  • the term piezoceramic is synonymous for every body made of a material with piezoelectric properties.
  • the electrically conductive coverings 24, 25 are usually produced by metallizing the piezoceramic 23 using the screen printing process. In the sectional view in FIG.
  • This sealing layer 28 has an extremely low roughness, which is achieved in that the sealing layer 28 is applied to the covering 24 in a screen printing process and then polished. Due to the low roughness of the sealing layer 28, it lies on the valve seat 18 with a high degree of tightness, so that with tolerable closing force a high tightness of the fluid valve is achieved.
  • the entire surface of the transducer layer 21 can also be coated with such a flat sealing layer with extremely low roughness. This has the advantage that the coating can be produced more easily and inexpensively without screen printing masks and the like.
  • the multilayer bending transducer 20 is clamped on one side into the housing 10 at its end remote from the valve member 19 and extends approximately centrally through the entire valve chamber 13 to beyond the valve seat 18 at the channel opening 16.
  • the housing 10 is composed in two parts from an upper housing part 101 and a lower housing part 102. Both housing parts 101, 102 are mirror-symmetrical and placed one on top of the other and tightly connected to one another along their parting line.
  • connection channel 14 or 15 with valve connection 11 or 12 and channel mouth 16 or 17, and half of the valve chamber 13 is formed.
  • a receiving chamber 30 is provided in the valve housing 10 for receiving an electrical control circuit 31 for the bending transducer 20, of which in turn one half is formed in the housing parts 101 and 102.
  • the components of the control circuit 31 are arranged on a printed circuit board 32 which is clamped in the receiving chamber 30 and is connected to two externally accessible electrical connections 33, 34.
  • the DC voltage is usually applied to the electrical connections 33, 34
  • the housing 10 is made of plastic in the exemplary embodiment, but it can also be made of another material.
  • the one-sided clamping of the multi-layer bending transducer 20 is accomplished by two housing projections 103, 104, which are each formed on one of the housing parts 101, 102 5.
  • the bending transducer 20 lies with its outer
  • contact surfaces 36, 37 which directly contact the outer linings 24 of the two converter layers 21, 22 when the bending transducer 20 is clamped.
  • the contact surfaces 36, 37 are connected to the control circuit 31 via electrical connecting lines 38, 39 running in the housing 10 and are connected to the positive potential of the control voltage generated by the control circuit 31.
  • Another electrical connecting line 40 leads to the two 5 layers 25 of the two converter layers 21, 22 lying one on top of the other and leads to a negative potential. It is of course possible to replace the two coverings 25 with a single electrically conductive layer.
  • the voltage in the lower transducer layer 22 of the bending transducer 20 lies in the direction of polarization (FIG. 3) and in the upper transducer layer 21 against its polarization direction.
  • the upper transducer layer 21 is elongated and the lower transducer layer 22 is shortened, so that the Multi-layer bending transducer 20 curves downwards.
  • the valve member 19 thereby sits on the valve seat 18 and the valve closes.
  • F is the adjusting force of the bending transducer 20 and s the deflection of the free end of the bending transducer 20. With increasing deflection s, the adjusting force of the bending transducer decreases from the clamping force FK to zero at Saax. S 'denotes the deflection of the bending transducer 20, which corresponds to the closing stroke of the fluid valve. During this closing stroke, the valve member 19 would be pressed onto the valve seat 18 with a closing force F *.
  • the bending transducer 20 is additionally supported on the housing 10 against pivoting out at least on one side at a distance from its clamping point defined by the housing projections 103, 104.
  • the support point is realized here only by a housing projection 105, which from the upper
  • Housing part 101 protrudes into the valve chamber 13 and rests with a support surface 105a on the upper side of the bending transducer 20.
  • a support surface 105a there is in turn a contact surface 41 which contacts the lining 24 of the bending transducer 20.
  • This contact surface 41 is in turn connected to the control circuit 31 via an electrical connecting line 42, so that an electrical voltage can also be supplied to the bending transducer 20 via the contact surface 41. It is also possible, or instead of this, to provide a second support point on the opposite side.
  • FIG. 5 schematically shows the conditions when the bending transducer 20 is supported on the housing projection 105.
  • 103, 104 designate the clamping point and 105 the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electrically Driven Valve-Operating Means (AREA)

Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Fluidventil mit einem eine Ventilkammer (13) aufweisenden Ventilgehäuse (10), mit mindestens einem in der Ventilkammer (13) mündenden Anschlußkanal (14) und mit einem die Kanalmündung (16) umgebenden Ventilsitz (18), der mit einem Ventilglied (19) zum Schließen und Freigeben der Kanalmündung (16) zusammenwirkt, angegeben, das einen piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandler (20) aufweist, der einseitig im Ventilgehäuse (10) eingespannt ist und an oder nahe seinem von der Einspannstelle (103, 104) abgekehrten freien Ende das Ventilglied (19) trägt. Zur Erhöhung der Verstellkraft des Biegewandlers und damit der Dichtigkeit des Fluidventils durch höhere Schließkraft ist der Biegewandler (20) im Abstand von seiner Einspannstelle (103, 104) zusätzlich am Ventilgehäuse (10) gegen Ausschwenken abgestützt.

Description

Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisch betätigtes Fluidventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattun .
Ein solches, zum Steuern eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmediums verwendetes Fluidventil mit einem piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandler ist beispielsweise aus der EP 0 404 082 A2 bekannt. Der piezoelektrische Mehrschicht-Biegewandler besteht dabei aus mindestens zwei miteinander fest verbundenen Keramikschichten mit piezoelektrischen Eigenschaften, sog. Piezokeramik, die quer zur Erstreckungsrichtung des Biegewandlers polarisiert und auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Belag überzogen sind. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes wird an die elektrisch leitfähigen Beläge einer jeder Keramikschicht eine Spannung gelegt, wobei die Spannung an die eine Piezokeramik in deren Polarisationsrichtung und die Spannung an die andere Piezokeramik gegen deren Polarisationsrichtung gelegt wird. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes erfährt die eine Piezokeramik eine Verkürzung und die andere Piezokeramik eine Längung, so daß der Biesewandler sich insgesamt krümmt und damit das an seinem von der Einspannstelle abgekehrten freien Ende befindliche Ventilglied auf den Ventilsitz auflegt
(Schließer) oder vom Ventilsitz abhebt (Öffner). Die Schließkraft bzw. Öffnungskraft ist dabei umgekehrt proportional der Auslenkung des freien Endes des Biegewandlers und beträgt bei maximaler Auslenkung sβax Null. Das Verhalten des Biegewandlers bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung wird durch seine Kennlinie beschrieben, welche die Funktion der Verstellkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung darstellt. Die maximale Verstellkraft, auch Klemmkraft genannt, wird bei der Auslenkung Null erreicht.
Bei Fluidventilen besteht die Forderung nach hoher Dichtigkeit. Wesentlich für die Dichtigkeit ist die Schließkraft des Ventilglieds, die wiederum von der Kennlinie des Biegewandlers aufgrund des einzuhaltenden Mindesthubs des Ventilglieds vorgegeben ist. Um die Dichtigkeit des Fluidventils bei vorgegebener Spannung und damit vorgegebener Schließkraft zu erhöhen, hat man bei dem eingangs genannten bekannten Fluidventil den Ventilkörper als eine nicht metallisierte Stelle auf der Piezokeramik mit einer Rauhigkeit von unter 0,5 /um ausgebildet. Die Fläche der nichtmetallisierten Stelle wird dabei geringfügig größer gemacht als die des Ventilsitzes. Auf diese Weise wird bei unveränderter Schließkraft durch eine geringere Rauhigkeit der Ventilsitzabdichtung eine größere Dichtigkeit des Fluidventils sichergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Fluidventil der eingangs genannten Art dessen Dichtigkeit durch eine höhere Verstellkraft des Biegewandlers zu verbessern, ohne die angelegten Spannungen erhöhen zu müssen und damit die Belastungsgrenze des Biegewandler zu erreichen.
Die Aufgabe ist bei einem piezoelektrisch betätigten Fluidventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Abstützung des Biege¬ wandlers zumindest auf einer Seite ist bei dessen Aus¬ lenkung ein Widerlager wirksam, so daß dessen Kennlinie zu höherer Klemmkraft und kleinerer maximaler Auslenkung verschoben und dessen Verstellkraft damit zu größeren Werten transformiert wird. Wie aus Fig. 4 der Zeichnung zu erkennen ist, wird beispielsweise bei einem vorgegebenen Schließhub des Fluidventils, der einer Auslenkung s' des freien Endes des Biegewandlers entspricht, eine Schließkraft F erzielt (Kennlinie II in Fig. 4), die größer ist als die Schließkraft bei nicht abgestützem Biegewandler (Kennlinie I in Fig. 4). Damit kann ohne aufwendige Bearbeitung des Ventilglieds oder Ventilsitzes nur durch Erhöhung der Verstellkraft des Biegewandlers, und dies ohne Erhöhung der an dem Biegewandler anliegenden Spannung, die Dichtigkeit des Fluidventils beträchtlich verbessert werden. Die am Biegewandler maximal zulässige Spannung ist vorgegeben und darf einen Wert, bei welcher eine bleibende Depolarisation der Piezokeramik einsetzt, nicht übersteigen.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluidventils mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind in der Einspann- und/oder Abstützstelle des Biegewandlers elektrische Kontaktflächen vorgesehen, die über im Ventilgehäuse verlaufende elektrische Verbindungsleitungen mit einer elektrischen Steuerschaltung zur Erzeugung der an den Biegewandler anzulegende Gleichspannung verbunden sind und die Piezokeramik beidseitig überziehende elektrisch leitfähige Beläge kontaktieren. Dies hat den Vorteil, daß mit dem Einspannen und Abstützen des Biegewandlers zugleich der elektrische Anschluß des Biegewandlers hergestellt ist und zusätzliche Maßnahmen dafür entfallen. Die elektrisch leitfähigen Beläge sind in der Regel als Metallisierungen ausgeführt, die auf die Außenseite der Piezokeramiken der einzelnen Wandlerschichten des Mehrschicht-Biegewandlers aufgebracht sind, z.B. im Siebdruckverfahren. Diese Beläge liegen auf der Außenseite des Biegewandlers und werden damit beim Einspannen und Abstützen automatisch kontaktiert. Ist aus Isolationsgründen auf den äußeren Metallisierungen noch zusätzlich eine nichtleitfähige Deckschicht aufgebracht, so wird diese Deckschicht im Bereich der Einspann- und Abstützstelle entfernt.
Zusätzlich zu der durch Erhöhung der Verstellkraft des Biegewandlers erreichten Verbesserung der Dichtigkeit des Fluidventils kann diese noch dadurch gesteigert werden, daß gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilglied auf dem Biegewandler als eine plane Dichtschicht mit extrem niedriger Rauhigkeit ausgeführt wird, die im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend poliert wird.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Fluidventils in schematischer Darstellung, -•ig. 2 ausschnittweise eine Unteransicht eines
Mehrschicht-Biegewandlers im Fluidventil gemäß
Fig. 1, vergrößert dargestellt,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fic ">
Fig. 4 ein Diagramm der Kennlinie des Biegewandlers gemäß Fig. 1 - 3,
Fig. 5 eine Skizze der Anordnung des Biegewandlers zur Erläuterung seiner Funktion.
Das in Fig. 1 schematisch im Längschnitt dargestellte piezoelektrisch betätigte Fluidventil zum Steuern eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmediums weist ein Ventilgehäuse 10 mit zwei Ventilanschlüssen 11 und 12 und einer Ventilkammer 13 auf. Die beiden Ventilanschlüsse 11,12 sind über je einen Anschlußkanal 14,15 mit der Ventilkammer 13 verbunden. Die Kanalmündung 16 des Anschlußkanals 14 in der Ventilkammer 13 ist von einem Ventilsitz 18 umgeben, der mit einem Ventilglied 19 zum Schließen und öffnen des Fluidventils zusammenwirkt. Im Ausführungsbeispiel ist das Fluidventil als Schließer ausgebildet, das im gezeigten Ruhezustand geöffnet ist und einen Fluß des Arbeitsmediums vom Zulauf-Anschlußkanal 14 zum Abfluß- Anschlußkanal 15 ermöglicht und bei Aktivierung den Anschlußkanal 14 verschließt. Selbstverständlich kann das Fluidventil auch als Öffner ausgebildet sein, bei welchem in umgekehrter Weise der Anschlußkanal 14 im Ruhezusand verschlossen und bei Ventilaktivierung freigegeben wird. Die Ausbildung des Fluidventils als 3/2-Wegeventil ist ebenfalls möglich, wozu an der Kanalmündung 17 noch ein weiterer Ventilsitz, der im Ruhezustand des Ventils von demselben oder einem weiteren Ventilglied abgedichtet wird, und ein dritter Anschlußkanal vorzusehen ist. Selbstverständ¬ lich kann das Fluidventil auch proportional betrieben werden, d. h. das Ventilglied 19 kann auch eine beliebige Zwischen¬ position zwischen den beiden Ventilsitzen einnehmen. Zur Betätigung des Ventilglieds 19 ist ein piezoelektrischer Mehrschicht-Biegewandler 20 bekannter Bauart in der Ventilkammer 13 angeordnet. Wie aus der Schnittdarstellung des Biegewandlers 20 in Fig. 3 hervorgeht, besteht der hier verwendete Mehrschicht- Biegewandler 20 aus zwei Wandlerschichten 21 und 22, die unmittelbar aufeinanderliegen und längs ihrer Erstreckungsrichtung fest miteinander verbunden, z.B. verklebt, sind. Die beiden Wandlerschichten 21,22 sind identisch ausgebildet. Jede Wandlerschicht 21,22 besteht aus einer Piezokeramik 23, die auf ihrer Ober- und Unterseite mit einem elektrisch leitfähigen Belag 24,25 versehen ist. Der Begriff Piezokeramik steht hier synonym für jeden Körper aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften. Die elektrisch leitfähigen Beläge 24,25 werden üblicherweise durch Metallisierung der Piezokeramik 23 im Siebdruckverfahren hergestellt. In der Schnittdarstellung in Fig. 3 ist anstelle der Schraffur der Piezokeramik 23 in den Wandlerschichten 21,22 deren Polarisationsrichtung durch Pfeile 26 bzw. 27 angedeutet. Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, sind die beiden Wandlerschichten 21,22 so aufeinandergelegt, daß ihre Polarisationsrichtungen 26,27 gleich sind. Aus Isolationsgründen kann bei dem beschriebenen Mehrschicht- Biegewandler 20 noch außen auf die metallischen Beläge 24,25 eine isolierende Deckschicht aufgebracht sein. Das mit dem Ventilsitz 18 zusammenwirkende Ventilglied 19 ist an oder nahe dem freien Ende des Mehrschicht-Biegewandlers 20 angeordnet und als plane kreisrunde Dichtschicht 28 ausgeführt, deren Durchmesser wenig größer ist als der Außendurchmesser des Ventilsitzes 18. Diese Dichtschicht 28 hat eine extrem niedrige Rauhigkeit, die dadurch erreicht wird, daß die Dichtschicht 28 im Siebdruckverfahren auf den Belag 24 aufgebracht und anschließend poliert wird. Durch die geringe Rauhigkeit der Dichtschicht 28 legt sich diese mit hoher Dichtigkeit auf den Ventilsitz 18 auf, so daß mit erträglicher Schließkraft eine hohe Dichtigkeit des Fluidventils erzielt wird. Alternativ kann auch die gesamte Oberfläche der Wandlerschicht 21 mit einer solchen planen Dichtschicht mit extrem geringer Rauhigkeit überzogen werden. Dies hat den Vorteil, daß der Überzug ohne Siebdruckmasken und ähnliches leichter und kostengünstiger hergestellt werden kann.
Der Mehrschicht-Biegewandler 20 ist an seinem von dem Ventilglied 19 abgekehrten Ende einseitig in das Gehäuse 10 eingespannt und erstreckt sich etwa mittig durch die gesamte Ventilkammer 13 hindurch bis über den Ventilsitz 18 an der Kanalmündung 16 hinaus. Zum Einbau des Biegewandlers 20 ist das Gehäuse 10 zweiteilig aus einem oberen Gehäuseteil 101 und einen unteren Gehäuseteil 102 zusammengesetzt. Beide Gehäuseteile 101,102 sind spiegelsymmetrisch ausgebildet und aufeinandergesetzt und längs ihrer Trennfuge dicht miteinander verbunden. In jedem Gehäuseteil 101,102 ist ein Anschlußkanal 14 bzw. 15 mit Ventilanschluß 11 bzw. 12 und Kanalmündung 16 bzw. 17 angeordnet, sowie die Hälfte der Ventilkammer 13 ausgebildet. Zusätzlich ist im Ventilgehäuse 10 noch eine Aufnahmekammer 30 zur Aufnahme einer elektrischen Steuerschaltung 31 für den Biegewandler 20 vorgesehen, von welcher wiederum jeweils eine Hälfte in den Gehäuseteilen 101 und 102 ausgebildet ist. Die Bauelemente der Steuerschaltung 31 sind auf einer Leiterplatine 32 angeordnet, die in der Aufnahmekammer 30 festgespannt und mit zwei außen zugänglichen elektrischen Anschlüssen 33,34 verbunden ist. An die elektrischen Anschlüsse 33,34 wird üblicherweise die Gleichspannung einer
Gleichspannungsquelle 35 gelegt, die üblicherweise 24 V beträgt. Aus Isolationsgründen ist im Ausführungsbeispiel das Gehäuse 10 aus Kunststoff hergestellt, doch kann es auch aus einem anderen Material gefertigt werden. Die einseitige Einspannung des Mehrschicht-Biegewandlers 20 wird durch zwei Gehäusevorsprünge 103,104 bewerkstelligt, die jeweils an einem der Gehäuseteile 101,102 ausgebildet 5 sind. Der Biegewandler 20 liegt dabei mit seinen äußeren
Belägen 24 unmittelbar an den Einspannflächen 103a und 104a der Gehäusevorsprünge 103,104 an. Nach Einlegen des Biegewandlers 20 und kraftschlüssigem Verbinden der beiden Gehäuseteile 101 und 102 pressen sich die Einspannflächen ® 103a und 104a der Gehäusevorsprünge 103 und 104 unmittelbar auf die beiden Außenfläche des Mehrschicht-Biegewandlers 20 auf und klemmen diesen fest. Zur elektrischen Kontaktierung der metallischen Beläge 24,25 der beiden Wandlerschichten 21,22 des Biegewandlers 20 sind in den Einspannflächen 103a ° und 104a der Gehäusevorsprünge 103,104 elektrischen
Kontaktflächen 36,37 angeordnet, die beim Einspannen des Biegewandlers 20 die äußeren Beläge 24 der beiden Wandlerschichten 21,22 unmittelbar kontaktieren. Die Kontaktflächen 36,37 sind über im Gehäuse 10 verlaufende 0 elektrische Verbindungsleitungen 38,39 mit der Steuerschaltung 31 verbunden und dabei an das positive Potential der von der Steuerschaltung 31 erzeugten Steuerspannung angebunden. Eine weitere elektrische Verbindungsleitung 40 führt zu den beiden 5 aufeinanderliegenden Belägen 25 der beiden.Wandlerschichten 21,22 und führt negatives Potential. Es ist selbstverständlich möglich, die beiden Beläge 25 durch eine einzige elektrisch leitfähige Schicht zu ersetzen.
Wird nunmehr der Mehrschicht-Biegewandler 20 von der Steuerspannung beaufschlagt, so liegt die Spannung in der unteren Wandlerschicht 22 des Biegewandlers 20 in Polarisationsrichtung (Fig. 3) und in der oberen Wandlerschicht 21 entgegen deren Polarisationsrichtung. Unter dem Einfluß der dadurch erzeugten elektrischen Felder erfährt die obere Wandlerschicht 21 eine Längung und die untere Wandlerschicht 22 eine Verkürzung, so daß sich der Mehrschicht-Biegewandler 20 nach unten krümmt. Das Ventilglied 19 setzt sich dadurch auf den Ventilsitz 18 auf und das Ventil schließt. Die Kennlinie des Biegewandlers F = f (s) ist als Gerade I in Fig. 4 dargestellt. F ist die Verstellkraft des Biegewandlers 20 und s die Auslenkung des freien Endes des Biegewandlers 20. Mit zunehmender Auslenkung s nimmt die Verstellkraft des Biegewandlers von der Klemmkraft FK bis zu Null bei Saax ab. Mit s' ist die Auslenkung des Biegewandlers 20 bezeichnet, die dem Schließhub des Fluidventils entspricht. Bei diesem Schließhub würde das Ventilglied 19 mit einer Schließkraft F* auf den Ventilsitz 18 aufgepreßt werden.
Um die Dichtigkeit des Fluidventils durch Erhöhung der Schließkraft zu verbessern, ist der Biegewandler 20 im Abstand von seiner durch die Gehäusevorsprünge 103,104 festgelegten Einspannstelle zusätzlich am Gehäuse 10 gegen Ausschwenken zumindest auf einer Seite abgestützt. Wie aus Fig.l ersichtlich ist, ist die Abstützstelle hier nur durch einen Gehäusevorsprung 105 realisiert, der von dem oberen
Gehäuseteil 101 in die Ventilkammer 13 hinein vorspringt und sich mit einer Abstützfläche 105a an die Oberseite des Biegewandlers 20 anlegt. In dieser Abstützfläche 105a ist wiederum eine Kontaktfläche 41 vorgesehen, welche den Belag 24 des Biegewandlers 20 kontaktiert. Diese Kontaktfläche 41 ist wiederum über eine elektrische Verbindungsleitung 42 mit der Steuerschaltung 31 verbunden, so daß auch über die Kontaktfläche 41 dem Biegewandler 20 eine elektrische Spannung zugeführt werden kann. Es kann auch noch oder statt dessen eine zweite Ab¬ stützstelle auf der Seite vorgesehen sein, die gegenüberliegt.
In Fig. 5 sind schematisch die Verhältnisse beim Abstützen des Biegewandlers 20 am Gehäusevorsprung 105 dargestellt. 103,104 bezeichnen die Einspannstelle und 105 die
Abstützstelle des Biegewandlers 20 mit der Länge 1, wobei die Abstützstelle 105 im Abstand a vom freien Ende des Biegewandlers 20 liegt. Wie aus der in Fig. 5 angegebenen Gleichung hervorgeht, beträgt die maximale Auslenkung des abgestützten Biegewandlers 20 jetzt s = a2 x s»a_ / l2 , wobei saa die maximale Auslenkung des Biegewandlers 20 ohne Abstützung ist. Der Effekt dieser Abstützung des Biegewandlers 20 ist aus Fig. 4 zu ersehen. Die Kennlinie des Biegewandlers 20 ist nun von der Geraden I zur Geraden II in Fig. 4 transformiert. Die Klemmkraft FK des abgestützten Biegewandlers 20 ist doppelt so groß und die maximale Auslenkung beträgt nur noch die Hälfte der Auslenkung s-a. bei nicht abgestütztem Biegewandler 20. Um diese Kennlinie II zu realisieren, muß nach der in Fig. 5 angegebenen Gleichung der Abstand a der Abstützung 105 vom freien Ende des Biegewandlers 20 a = 1 -. 2 betragen.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil mit einem eine Ventilkammer (13) aufweisenden Ventilgehäuse (10), mit mindestens einem in der Ventilkammer (13) mündenden Anschlußkanal (14), mit einem die Kanalmündung (16) umgebenden Ventilsitz (18), der mit einem Ventilglied (19) zum Schließen und Freigeben der Kanaimündung (16) zusammenwirkt, und mit einem piezoelektrischen Mehrschicht-Bie ewandler (20), der einseitig im Ventilgehäuse (10) eingespannt ist und an oder nahe seinem von der Einspannstelle (103,104) abgekehrten freien Ende das Ventilglied (19) trägt und so ausgebildet ist, daß er bei Anlegen einer elektrischen Spannung das Ventilglied (19) relativ zum Ventilsitz (18) verschwenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegewandler (20) im Abstand von seiner Einspannstelle (103,104) zusätzlich am Ventilgehäuse (10) gegen Ausschwenken abgestützt ist (Abstützstelle 105) , und zwar zumindest auf einer Seite.
2. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einander gegenüberliegenden Einspannflächen (103a, 104a) der Einspannstelle (103,104) und/oder in der am Biegewandler (20) anliegenden Abstützfläche (105a) der Abstützstelle ( 105 ) jeweils eine elektrische Kontaktfläche (36,37,41) angeordnet ist, die einen von mehreren elektrisch leitfähigen Belägen (24) , welche eine Piezokeramik (23)bildende Wandlerschichten (21,22) beidseitig überziehe ,kontaktiert und über eine im Ventilgehäuse ( 10 ) verlaufende elektrische Verbindungsleitung (38,39,42) mit einer elektrischen Schaltung (31) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung am Biegewandler (20) verbunden ist.
3. Fluidventil nach Anspruch' 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (31) im Ventilgehäuse (10) aufgenommen und mit zwei am Ventilgehäuse ( 10 ) außen zugänglichen elektrischen Anschlüssen (33,34) verbunden ist.
4. Fluidventil . insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (19) von einer auf die Oberfläche des Biegewandlers ( 20 ) auf ebrachten planen Dichtschicht ( 28 ) mit extrem niedriger Rauhigkeit gebildet ist.
5. Fluidventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Dichtschicht ( 28 ) im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend poliert wird.
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