WO2010066459A1 - Mikroventil oder mikropumpe mit elektromagnetischem aktor - Google Patents

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WO2010066459A1
WO2010066459A1 PCT/EP2009/008946 EP2009008946W WO2010066459A1 WO 2010066459 A1 WO2010066459 A1 WO 2010066459A1 EP 2009008946 W EP2009008946 W EP 2009008946W WO 2010066459 A1 WO2010066459 A1 WO 2010066459A1
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microvalve
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micropump
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PCT/EP2009/008946
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Johannes Dierks
Michael Winkler
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Bürkert Werke GmbH
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    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to a microvalve or a micropump, in particular for a fluidic system, with an electromagnetic actuator.
  • Electromagnetic actuators are frequently used in fluid valve technology.
  • an armature of magnetic material is moved by means of a magnetic field which is generated by a coil.
  • the possibilities of constructing space-saving on the one hand and providing sufficient magnetic force on the other hand are limited.
  • DE 103 30 460 A1 shows a suitable for use in conjunction with a circuit breaker electrical actuator with a stator and a relatively movable in a plane actuator. On the actuator several parallel tracks are arranged. A magnet arrangement generates a magnetic field which passes perpendicularly through the plane of the conductor tracks. The actuator is actuated by Lorentz forces that act on electrical energization of the tracks in the magnetic field. The actuator executes a pivoting movement. By changing the direction of the electric current relative to the magnetic field, the actuator between two pivot end positions is adjustable.
  • the object of the invention is to provide a micro-valve or a micropump with a suitable high-performance electromagnetic actuator available, which can be reliably made without defects and operated with low electrical voltage. This object is achieved by a microvalve or a micropump with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • the microvalve according to the invention or the micropump according to the invention comprises an electromagnetic actuator which has an actuator and a magnet arrangement.
  • the actuator comprises a printed circuit board with at least one conductor track.
  • the magnet arrangement exerts a Lorentz force on the actuator when the printed circuit is energized.
  • the actuator is mounted linearly movable.
  • the actuator of the microvalve according to the invention or the micropump of the invention operates without a wound coil, so that the associated critical production step is eliminated.
  • the actuator has a printed circuit board with printed conductor. Even in small dimensions, suitable printed circuit boards can be inexpensively manufactured according to proven standard methods of printed circuit board technology.
  • the force acting on the PCB actuator force can be specified by the dimensioning of the current-carrying conductor in the magnetic field, the current and the dimensioning of the magnetic gap in which moves the PCB actuator.
  • the linear direction of movement of the printed circuit board actuator can be determined by the flow direction of the current and the orientation of the magnetic field. By reversing the current flow direction, the Lorentz force acts in the opposite direction, causing a linear return movement of the actuator. On a return element can therefore be omitted.
  • the reversible linear movements achieved by the special bearing of the actuator can be used particularly advantageously in microvalves or pumps.
  • the voltages required to operate the actuator are very low.
  • the actual voltage required depends largely on the electrical contacting of the printed circuit board actuator, in particular the resistance of the contact, which is caused for example by the wire thickness.
  • Due to the effective conversion of the electrical and magnetic energy into kinetic energy, according to the invention te miniature valves or pumps are operated with batteries or accumulators.
  • the conductor is spirally applied to the circuit board, preferably in the form of a rectangular spiral.
  • This form includes several areas with straight, in the same direction with current traversed trace sections. This allows the use of a plurality of differently oriented magnetic fields for generating the Lorentz force serving as driving force.
  • other adapted to the magnet assembly and easily realizable geometries are possible.
  • Particularly preferred is a configuration in which a first part of conductor track sections, which are traversed by the current when current flows through the conductor substantially in a first current flow direction, is penetrated by a magnetic field oriented in a first magnetic field, and a second part of conductor track sections, the Current supply of the conductor track are substantially flowed through by the current in one of the first current flow direction opposite second current flow direction, is interspersed by a magnetic field oriented in a direction opposite to the first magnetic field direction second magnetic field.
  • the already existing polarity (north / south pole) of permanent magnets can be used effectively to make a large part of the track sections usable for the generation of the driving force.
  • a Lorentz force is generated which acts in the same direction, resulting in a large total drive force.
  • the track length can be increased by a multi-layer printed circuit board with through holes between the layers.
  • a miniaturized plain bearing, a solid-state bearing or a bearing bush with a sliding pin can be used.
  • this is preferably surrounded by a housing having openings on opposite sides for the actuator.
  • At least one pair of magnets is arranged in recesses of the housing provided for this purpose so that a mutual attractive force acts on the magnets; wherein the actuator is disposed between the two magnets.
  • the arrangement of the printed circuit board in a longitudinal gap penetrated by two oppositely oriented magnetic fields is advantageous.
  • the serving as a magnetic working gap longitudinal gap allows the intended linear movement of acting as an actuator circuit board in the longitudinal direction of the gap.
  • two magnets are arranged one above the other at least on one side of the longitudinal gap and separated from one another by a transverse gap.
  • At least one iron plate may be provided.
  • attraction forces act between opposite sections of the magnets, wherein the actuator is arranged between the magnet pairs.
  • an adjustable component of the microvalve or of the micropump is mounted on the actuator of the electromagnetic actuator, in particular a sealing element cooperating with a sealing seat.
  • the adjustable component is preferably coupled by means of a coupling element to the circuit board, which defines the adjustable component defined to the circuit board.
  • the adjustable component is a guide element which is connected to a fluid membrane is connected or cooperates and is preferably connected via a thread with the coupling element.
  • the fluid membrane is capable of reliably opening and closing a very small valve seat.
  • Figure 1 is a perspective view of an actuator for a microvalve according to the invention or a micropump according to the invention
  • Figure 2 is a side view of the actuator shown in Figure 1; 3 shows a longitudinal section through the actuator shown in Figure 2 along the line IM-III.
  • Figure 4 is a plan view of a circuit board of the actuator
  • Figure 5 shows an alternative arrangement of magnets in the actuator
  • FIG. 6 shows a further alternative arrangement of magnets in the actuator
  • Figure 7 is an exploded view of the magnets and the circuit board according to the
  • FIG. 8 shows an exploded view of a microvalve according to the invention with an actuator.
  • Figures 1, 2 and 3 show an actuator 10 with a housing upper part 12 and a lower housing part 14, which are interconnected. The two
  • Housing parts 12, 14, which are preferably made of a molded plastic (eg.
  • PA or PPS enclose an actuator comprising a printed circuit board 16, hereinafter referred to as a printed circuit board actuator.
  • Recesses (openings) 36, 38 are provided on two opposite housing end faces, through which opposite projections 18, 20 of the printed circuit board 16 protrude.
  • the protruding from the upper housing part 12 first projection 18 is primarily used to lent an electrical contact lent.
  • the protruding from the lower housing part 14 second projection 20 is provided for the mechanical connection of an adjustable component of a valve or a pump.
  • FIG. 4 shows a plan view of an exemplary embodiment of a printed circuit board 16 for the actuator 10.
  • the printed circuit board 16 may be a standard printed circuit board or a foil printed circuit board produced by microsystem technology.
  • the printed circuit board 16 is substantially rectangular in shape and merges into the narrower projections 18, 20 on two opposite sides.
  • a spiral-shaped conductor 22 is applied, preferably in the form of a rectangular spiral.
  • the distance between the conductor track sections is about 0.1 mm.
  • other geometries are also possible for the arrangement of the printed conductors 22 on the printed circuit board 16 as long as they provide a magnetic field for the generation of a directed Lorentz force, as will be explained in more detail later.
  • the upper housing part 12 is divided into two symmetrically arranged vertical halves 12a, 12b, between which the circuit board 16 is located.
  • the two projections 18, 20 of the circuit board 16 the electrical and the mechanical connection are made to the outside.
  • the second projection 20 is fixedly connected to a slide pin 34, which is mounted frictionably displaceable in a pressed-in in the housing base 14 bearing bush 32.
  • the bearing of the circuit board actuator is designed so that it is linearly movable only in the directions A.
  • the bearing bush 32 with the slide pin 34 and miniaturized slide bearings or solid-state bearings can be used.
  • the sliding peg 34 can be fixed, for example, with a sealing be connected element which seals and releases a valve seat by the movement of the actuator.
  • first permanent magnet 24, conductor plate 16, second permanent magnet 26 (from right to left).
  • As a material for the permanent magnets 24, 26 is particularly suitable a Nd-Fe material.
  • the permanent magnets 24, 26 are the same dimensioned and arranged symmetrically with respect to the longitudinal gap 40, opposite to opposite poles of the permanent magnets 24, 26 (north / south pole). Due to this arrangement, oppositely directed magnetic fields 28 and 30 are formed between the permanent magnets 24, 26.
  • the two magnetic fields 28, 30 are arranged one above the other with respect to the linear directions of movement A of the printed circuit board actuator.
  • the field lines of the magnetic fields 28, 30 run mostly perpendicular to the longitudinal gap 40 and to the linear movement directions A of the printed circuit board actuator.
  • the total force acting on the PCB actuator force is dependent on the total length of the current-carrying conductor track sections 22a, 22b in the magnetic fields 28, 30, the current and the size of the longitudinal gap 40 between the permanent magnets 24, 26.
  • the circuit board 16 with multiple layers Vias may be made between the layers to increase the number of effective trace portions 22a, 22b in the magnetic fields 28, 30.
  • FIGS. 5 and 6 show alternative arrangements of permanent magnets.
  • two permanent magnets 24a, 24b or 26a, 26b are arranged one above the other on both sides of the longitudinal gap 40.
  • a transverse gap 42a or 42b Between the two permanent magnets 24a, 24b and 26a, 26b on each side there is in each case a transverse gap 42a or 42b.
  • the permanent magnets 24a, 24b, 26a, 26b are oriented so that opposing poles always face each other both in the longitudinal and in the transverse direction.
  • FIG. 7 once again illustrates the magnetic field directions B, the current flow direction I and the resulting Lorentz force F on the printed circuit board 16 for the configuration of the magnet arrangement according to FIG. 5.
  • the magnet arrangement shown in FIG. 6 differs from that of FIG. 5 in that two permanent magnets 24a, 24b are arranged one above the other on only one side of the longitudinal gap 40. On the opposite side only one iron plate 46 is provided. The iron plate extends vertically over the entire height of the permanent magnets 24a, 24b. This results in the longitudinal gap 40 also two superimposed magnetic fields, which are oriented opposite.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a microvalve with such an actuator 10.
  • the microvalve comprises, in addition to the actuator 10, a cap 48 with electronics housed therein (current driver with integrated power reduction), a coupling element 50, a guide element 52, a clamping plate 54 for a fluid membrane 56 as a lower housing part 14 and a fluidic component 58 with a valve seat 60.
  • a cap 48 with electronics housed therein (current driver with integrated power reduction)
  • a coupling element 50 for a guide element 52
  • a clamping plate 54 for a fluid membrane 56 as a lower housing part 14
  • a fluidic component 58 with a valve seat 60.
  • the contact lugs 62 are in each case on the one hand with one end of the conductor track 22 and on the other hand with a guided out of the cap 48 out electrical connection 64 in contact.
  • the contact lugs 62 are elastically deflectable, so that in each possible position of the circuit board 16, an electrical connection between the terminals 64 and the conductor track 22 is ensured.
  • the contact tabs 62 are cut out of a brass-coated foil using a laser.
  • the circuit board 16 including the lower projection 20 is fixedly connected to the coupling element 50.
  • the coupling element 50 has on its one side a groove into which the printed circuit board 16 is pushed, whereby a clamping action is caused.
  • the coupling element 50 has a hollow-cylindrical receptacle in which the cylindrical guide element 52 is accommodated.
  • the guide element 52 is connected via a thread with the coupling element 50.
  • the screw connection offers the possibility of adjustment for tolerance compensation of the parts.
  • the coupling element 50 thus aligns the two components printed circuit board 16 and guide member 52 from each other.
  • the guide element 52 is guided in the bearing bush 32 of the clamping plate 54 and can press the fluid membrane 56 clamped between the clamping plate 54 and the fluidic component 58 onto the valve seat 60 formed in the fluidic component 58.
  • the microvalve may be designed such that the guide element 52 presses the fluid membrane 56 onto the valve seat 60 in a rest position of the printed circuit board 16 (de-energized).
  • the microvalve may be designed such that the guide element 52 presses the fluid membrane 56 onto the valve seat 60 only when the printed conductor 22 is energized, which causes the printed circuit board 16 to deflect downward. In both cases, the valve seat 60 is released by energizing the conductor 22 in the opposite direction.
  • the guide element 52 is firmly connected to the fluid diaphragm 56, so that the printed circuit board actuator entrains the guide element 52 together with the fluid diaphragm 56 during the opening process.
  • the fluid diaphragm 56 serving as a sealing element can be designed as a molded seal with a thickness of 0.08-0.15 mm.
  • the material may be provided silicone or an elastomer.
  • a flange design is also possible.
  • microvalve pressures of about 2 bar can be switched safely at a current of maximum 1 ampere.
  • the microvalve can z. B. in the overall dimensions 10 x 10 x 17 mm are produced. This allows an extremely compact construction of a fluidic system with a hitherto not possible arrangement of several microvalves next to each other in a confined space.

Abstract

Ein Mikroventil oder eine Mikropumpe, insbesondere für ein Fluidik-System, umfasst einen elektromagnetischen Aktor (10), der ein Stellglied und eine Magnetanordnung aufweist. Das Stellglied umfasst eine Leiterplatte (16) mit wenigstens einer Leiterbahn (22). Die Magnetanordnung übt bei Bestromung der Leiterbahn (22) eine Lorentzkraft auf das Stellglied aus. Das Stellglied ist linear beweglich gelagert.

Description

Mikroventil oder Mikropumpe mit elektromagnetischem Aktor
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil oder eine Mikropumpe, insbesondere für ein Fluidik-System, mit einem elektromagnetischen Aktor.
Elektromagnetische Aktoren werden häufig in der Fluidventiltechnik einge- setzt. Hierbei wird ein Anker aus magnetischem Material mittels eines Magnetfeldes bewegt, welches von einer Spule erzeugt wird. Besonders bei gewünschter Miniaturisierung sind die Möglichkeiten, einerseits Raum sparend zu konstruieren und andererseits genügend Magnetkraft zur Verfügung zu stellen, begrenzt.
Ein Schritt bei der Spulenfertigung ist der Fehler anfällige Drahtwickelprozess, bei dem vor allem im Fall kleiner werdender Drahtstärke Drahtbruch ein häufig auftretendes Problem ist. Ebenfalls nachteilig ist auf Grund von erzeugtem Wicklungskurzschluss produzierter Ausschuss. Diese Probleme betreffen insbesondere neuartige Mikroventile und Mikropumpen mit Aktoren, deren Abmessungen im Zentimeterbereich oder darunter liegen. Aus anderen Einsatzbereichen sind größere Aktoren mit einem durch Lo- rentzkräfte bewegbaren Stellglied bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 103 30 460 A1 einen für einen Einsatz in Verbindung mit einem Sicherungsautomaten geeigneten elektrischen Aktor mit einem Stator und einem relativ dazu in einer Ebene beweglichen Stellglied. Am Stellglied sind mehrere parallele Leiterbahnen angeordnet. Eine Magnetanordnung erzeugt ein die Ebene der Leiterbahnen senkrecht durchsetzendes Magnetfeld. Das Stellglied wird durch Lorentzkräfte betätigt, die bei elektrischer Bestromung der Leiterbahnen im Magnetfeld wirken. Das Stellglied führt dabei eine Schwenkbewegung aus. Durch Änderung der Richtung des elektrischen Stroms relativ zum Magnetfeld ist das Stellglied zwischen zwei Schwenk-Endlagen verstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mikroventil oder eine Mikropumpe mit einem geeigneten leistungsstarken elektromagnetischen Aktor zur Verfügung zu stellen, der zuverlässig mängelfrei hergestellt und mit geringer elektrischer Spannung betrieben werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil oder eine Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Mikroventil bzw. die erfindungsgemäße Mikropumpe umfasst einen elektromagnetischen Aktor, der ein Stellglied und eine Magnetanordnung aufweist. Das Stellglied umfasst eine Leiterplatte mit wenigstens einer Leiterbahn. Die Magnetanordnung übt bei Bestromung der Leiterbahn eine Lorentzkraft auf das Stellglied aus. Das Stellglied ist linear beweglich gelagert.
Der Aktor des erfindungsgemäßen Mikroventils oder der erfindungsgemäßen Mikropumpe arbeitet ohne gewickelte Spule, sodass der zugehörige kritische Herstellungsschritt entfällt. Statt einer Spule weist das Stellglied eine Leiterplatte mit aufgedruckter Leiterbahn auf. Selbst in kleinen Abmessungen können geeignete Leiterplatten kostengünstig nach bewährten Standardverfahren der Leiterplattentechnik hergestellt werden. Die auf das Leiterplattenstellglied wirkende Kraft kann über die Dimensionierung der Strom durchflossenen Leiterbahn im Magnetfeld, die Stromstärke und die Dimensionierung des Magnetspalts, in der sich das Leiterplattenstellglied bewegt, vorgegeben werden. Die lineare Bewegungsrichtung des Leiterplattenstellglieds ist durch die Flussrichtung des Stroms und die Orientierung des Magnetfeldes bestimmbar. Durch Umkehr der Stromflussrichtung wirkt die Lorentzkraft in entgegengesetzter Richtung, wodurch eine lineare Rückstellbewegung des Stellglieds bewirkt wird. Auf ein Rückstellelement kann also verzichtet werden. Die durch die besondere Lagerung des Stellglieds erreichten umkehrbaren linearen Bewegungen lassen sich in Mikroventilen oder -pumpen beson- ders vorteilhaft nutzen.
Es ist von Vorteil, dass die zum Betrieb des Aktors benötigten Spannungen sehr gering sind. Die tatsächlich benötigte Spannung ist in hohem Maße abhängig von der elektrischen Kontaktierung des Leiterplattenstellglieds, insbesondere vom Widerstand der Kontaktierung, die beispielsweise durch die Drahtdicke bedingt ist. So lassen sich auch mit kleinen Spannungen Kräfte erzeugen, die ausreichen um insbesondere ein Ventilelement zu bewegen und einen Ventilsitz zu verschließen. Aufgrund der effektiven Umsetzung der elektrischen und magnetischen Energie in Bewegungsenergie können erfindungsgemäß ausgestatte- te Miniaturventile oder -pumpen mit Batterien oder Akkumulatoren betrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterbahn spiralförmig auf der Leiterplatte aufgebracht, vorzugsweise in Form einer rechteckigen Spirale. Diese Form beinhaltet mehrere Bereiche mit geraden, in gleicher Richtung mit Strom durchflossenen Leiterbahnabschnitten. Dies ermöglicht den Einsatz mehrerer, unterschiedlich orientierter Magnetfelder zur Erzeugung der als Antriebskraft dienenden Lorentzkraft. Selbstverständlich sind aber auch andere auf die Magnetanordnung abgestimmte und auf einfache Weise realisierbare Geometrien möglich.
Besonders bevorzugt ist eine Konfiguration, bei der ein erster Teil von Leiterbahnabschnitten, die bei Bestromung der Leiterbahn im Wesentlichen in einer ersten Stromflussrichtung vom Strom durchflössen werden, von einem in einer ersten Magnetfeldrichtung orientierten Magnetfeld durchsetzt ist, und ein zweiter Teil von Leiterbahnabschnitten, die bei Bestromung der Leiterbahn im Wesentlichen in einer der ersten Stromflussrichtung entgegengesetzten zweiten Stromflussrichtung vom Strom durchflössen werden, von einem in einer der ersten Magnetfeldrichtung entgegengesetzten zweiten Richtung orientierten Magnetfeld durchsetzt ist. In einer solchen Konfiguration kann die ohnehin vorhandene Polarität (Nord-/Südpol) von Permanentmagneten effektiv genutzt werden, um einen großen Teil der Leiterbahnabschnitte für die Erzeugung der Antriebskraft nutzbar zu machen. In den beiden Leiterbahnabschnitten mit unterschiedlicher Stromflussrichtung wird jeweils eine Lorentzkraft erzeugt, die in die gleiche Richtung wirkt, sodass daraus eine große Gesamtantriebskraft resultiert. Wie bereits erwähnt bestimmen unter anderem die Leiterbahnlänge und
-dicke die Größe der auf das Stellglied wirkenden Lorentzkraft. Die Leiterbahnlänge lässt sich durch eine mehrlagige Leiterplatte mit Durchkontaktierungen zwischen den Lagen erhöhen.
Zur linear beweglichen Lagerung des Stellglieds mit möglichst geringer Rei- bung kann ein miniaturisiertes Gleitlager, ein Festkörperlager oder eine Lagerbuchse mit einem Gleitzapfen eingesetzt werden. Für die Lagerung und/oder Führung des linear beweglichen Stellglieds ist dieses vorzugsweise von einem Gehäuse umgeben, das auf entgegengesetzten Seiten Durchbrüche für das Stellglied aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuses wenigstens ein Magnetpaar so angeordnet, dass eine gegenseitige anziehende Kraft auf die Magnete wirkt; wobei das Stellglied zwischen den beiden Magneten angeordnet ist.
Insbesondere in Bezug auf eine der oben genannten bevorzugten Leiterbahngeometrien ist die Anordnung der Leiterplatte in einem von zwei entgegengesetzt orientierten Magnetfeldern durchsetzten Längsspalt vorteilhaft. Der als magnetischer Arbeitsspalt dienende Längsspalt erlaubt die vorgesehene lineare Bewegung der als Stellglied fungierenden Leiterplatte in der Längsrichtung des Spalts.
In einer möglichen Ausgestaltung der Magnetanordnung sind wenigstens auf einer Seite des Längsspalts zwei Magnete übereinander angeordnet und durch einen Querspalt voneinander getrennt.
Zur Verstärkung des bzw. der von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds bzw. Magnetfelder kann wenigstens eine Eisenplatte vorgesehen sein.
In einer alternativen Ausgestaltung der Magnetanordnung mit mehreren Magnetpaaren wirken zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnete Anziehungskräfte, wobei das Stellglied zwischen den Magnetpaaren angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist am Stellglied des elektromagnetischen Aktors ein verstellbares Bauteil des Mikroventils oder der Mikropumpe angebracht, insbesondere ein mit einem Dichtsitz zusammenwir- kendes Dichtelement.
Um eine präzise Auslenkung des verstellbare Bauteils zu gewährleisten, ist das verstellbare Bauteil vorzugsweise mittels eines Koppelelements an die Leiterplatte gekoppelt, welches das verstellbare Bauteil definiert zur Leiterplatte ausrichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroventils ist das verstellbare Bauteil ein Führungselement, das mit einer Fluid- membran verbunden ist oder zusammenwirkt und vorzugsweise über ein Gewinde mit dem Koppelelement verbunden ist. Die Fluidmembran ist geeignet, einen sehr kleinen Ventilsitz zuverlässig zu öffnen und zu schließen. Die Gewindeverbindung zwischen Führungselement und Koppelelement erlaubt vorteilhaft eine Feinjustage.
Zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn können elastisch auslenkbare Kontaktfähnchen an der Leiterplatte angebracht sein, die die Bewegungen des Leiterplattenstellglieds im Betrieb ausgleichen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol- genden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine räumliche Darstellung eines Aktors für ein erfindungsgemäßes Mikroventil oder eine erfindungsgemäße Mikropumpe;
Figur 2 eine Seitenansicht des in Figur 1 gezeigten Aktors; Figur 3 einen Längsschnitt durch den in Figur 2 dargestellten Aktor entlang der Linie IM-III;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte des Aktors;
Figur 5 eine alternative Anordnung von Magneten im Aktor;
Figur 6 eine weitere alternative Anordnung von Magneten im Aktor; Figur 7 eine Explosionsansicht der Magnete und der Leiterplatte gemäß der
Anordnung in Figur 5 ohne Eisenplatten; und
Figur 8 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Mikroventils mit einem Aktor.
Die Figuren 1 , 2 und 3 zeigen einen Aktor 10 mit einem Gehäuseoberteil 12 und einem Gehäuseunterteil 14, die miteinander verbunden sind. Die beiden
Gehäuseteile 12, 14, die vorzugsweise aus einem gespritzten Kunststoff (z. B.
PA oder PPS) bestehen, umhüllen ein Stellglied, das eine Leiterplatte 16 umfasst und nachfolgend als Leiterplattenstellglied bezeichnet wird. Auf zwei entgegengesetzten Gehäusestirnseiten sind Ausnehmungen (Durchbrüche) 36, 38 vorgesehen, durch die entgegengesetzte Vorsprünge 18, 20 der Leiterplatte 16 ragen. Der aus dem Gehäuseoberteil 12 herausragende erste Vorsprung 18 dient vornehmlich dazu, eine elektrische Kontaktierung zu ermög- liehen. Der aus dem Gehäuseunterteil 14 heraus ragende zweite Vorsprung 20 ist zur mechanischen Anbindung eines verstellbaren Bauteils eines Ventils oder einer Pumpe vorgesehen.
In Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte Ausbildung einer Leiterplatte 16 für den Aktor 10 dargestellt. Die Leiterplatte 16 kann eine Standard- leiterplatte oder eine mikrosystemtechnisch hergestellte Folienleiterplatte sein. Die Leiterplatte 16 ist im Wesentlichen rechteckig geformt und geht auf zwei entgegengesetzten Seiten in die schmaleren Vorsprünge 18, 20 über. Auf die Leiterplatte 18 ist eine spiralförmige Leiterbahn 22 aufgebracht, vorzugsweise in Form einer rechteckigen Spirale. Der Abstand zwischen den Leiterbahn- abschnitten beträgt etwa 0,1 mm. Es sind grundsätzlich auch andere Geometrien für die Anordnung der Leiterbahnen 22 auf der Leiterplatte 16 möglich, solange sie in einem Magnetfeld für die Erzeugung einer gerichteten Lorentzkraft sorgen, wie später noch genauer erläutert wird.
Im Schnittbild der Figur 3 ist zu erkennen, dass zumindest der obere Gehäuseteil 12 in zwei symmetrisch angeordnete vertikale Hälften 12a, 12b unterteilt ist, zwischen denen sich die Leiterplatte 16 befindet. Durch die beiden Vorsprünge 18, 20 der Leiterplatte 16 sind die elektrische und die mechanische Verbindung nach außen hergestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Vorsprung 20 fest mit einem Gleitzapfen 34 verbunden, welcher in einer in das Gehäuseunterteil 14 eingepressten Lagerbuchse 32 reibungsarm verschiebbar gelagert ist.
Insgesamt ist die Lagerung des Leiterplattenstellglieds so ausgelegt, dass es nur in den Richtungen A linear beweglich ist. Um auftretende Reibungskräfte möglichst auszuschließen und die Dynamik des Aktors 10 nicht zu beschränken, können anstelle der Lagerbuchse 32 mit dem Gleitzapfen 34 auch miniaturisierte Gleitlager oder Festkörperlager eingesetzt werden. Bei Verwendung des Aktors 10 in einem Ventil kann der Gleitzapfen 34 beispielsweise fest mit einem Dicht- element verbunden sein, welches durch die Bewegung des Stellglieds einen Ventilsitz abdichtet und freigibt.
In dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuseoberteils 12 ist in jeder Gehäuseteilhälfte 12a, 12b wenigstens ein Permanentmagnet 24, 26 angeordnet, zwischen welchen sich ein Abstand wenigstens in Leiterplattendicke (z. B. 0,4 mm) befindet. Dieser Abstand bildet einen Luft- bzw. Arbeitsspalt (Längsspalt) 40, in dem die Leiterplatte 16 als Stellglied linear beweglich angeordnet ist. Bei platten- oder stabförmiger Ausbildung der Permanentmagnete 24, 26' ergibt sich somit folgender Schichtaufbau: erster Permanentmagnet 24, Lei- terplatte 16, zweiter Permanentmagnet 26 (von rechts nach links). Als Material für die Permanentmagnete 24, 26 eignet sich insbesondere ein Nd-Fe-Material.
Die Permanentmagnete 24, 26 sind gleich dimensioniert und bezüglich des Längsspalts 40 symmetrisch angeordnet, wobei sich entgegengesetzte Pole der Permanentmagnete 24, 26 (Nord-/Südpol) gegenüberliegen. Aufgrund dieser Anordnung bilden sich zwischen den Permanentmagneten 24, 26 entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder 28 und 30 aus. Die beiden Magnetfelder 28, 30 sind bezüglich der linearen Bewegungsrichtungen A des Leiterplattenstellglieds übereinander angeordnet. Die Feldlinien der Magnetfelder 28, 30 verlaufen größtenteils senkrecht zum Längsspalt 40 bzw. zu den linearen Bewegungsrich- tungen A des Leiterplattenstellglieds.
Bei Beaufschlagung der Leiterbahn 22 mit Strom fließt dieser in jedem horizontalen Leiterbahnabschnitt 22a der oberen Hälfte der rechteckigen Spirale in die gleiche (erste) Richtung und in jedem horizontalen Leiterbahnabschnitt 22b der unteren Hälfte der rechteckigen Spirale in die gleiche entgegengesetzte (zweite) Richtung. Dabei wirkt auf die obere Hälfte der rechteckigen Leiterbahnspirale das erste Magnetfeld 28 ein und auf die untere Hälfte das entgegengesetzt gerichtete zweite Magnetfeld 30. Dadurch ist sichergestellt, dass die Stromflussrichtung in den oberen Leiterbahnabschnitten 22a genauso senkrecht auf der Richtung des Magnetfelds 28 steht wie die Stromflussrichtung in den unteren Leiterbahnabschnitten 22a auf der Richtung des Magnetfelds 30.
Somit erfahren beide Spiralhälften gemäß der sogenannten "Drei-Finger- Reger1 eine Lorentzkraft in die gleiche Richtung. Dies führt dazu, dass die Leiterplatte 16 eine Bewegung in einer der Richtungen A nach oben bzw. nach unten ausführt. Die tatsächliche Bewegungsrichtung hängt von der Flussrichtung des Stroms und der Orientierung der Magnetfelder 28, 30 ab. Bei einem Wechsel der Stromflussrichtung kehrt sich die Bewegungsrichtung der Leiterplatte 16 um.
Die insgesamt auf das Leiterplattenstellglied wirkende Kraft ist abhängig von der Gesamtlänge der Strom durchflossenen Leiterbahnabschnitte 22a, 22b in den Magnetfeldern 28, 30, von der Stromstärke und von der Größe des Längsspalts 40 zwischen den Permanentmagneten 24, 26. Insbesondere kann die Leiterplatte 16 mehrlagig mit Durchkontaktierungen zwischen den Lagen ausgeführt sein, um die Anzahl der wirksamen Leiterbahnabschnitte 22a, 22b in den Magnetfeldern 28, 30 zu erhöhen.
Für die benötigte elektrische Kontaktierung der Leiterplatte 16 ist es vorteilhaft, Drähte mit geringem Biegewiderstand, bewegliche Spiralelemente oder eine Kontaktierung in Kombination mit einem Festkörperlager zu verwenden. Dadurch bleibt die axiale (lineare) Bewegungsrichtung des Leiterplattenstellglieds unbe- einträchtigt.
In den Figuren 5 und 6 sind alternative Anordnungen von Permanentmagneten gezeigt. Bei der Anordnung gemäß Figur 5 sind auf beiden Seiten des Längsspalts 40 jeweils zwei Permanentmagnete 24a, 24b bzw. 26a, 26b übereinander angeordnet. Zwischen den beiden Permanentmagneten 24a, 24b bzw. 26a, 26b auf jeder Seite befindet sich jeweils ein Querspalt 42a bzw. 42b. Die Permanentmagnete 24a, 24b, 26a, 26b sind so orientiert, dass sich sowohl in Längs- als auch in Querrichtung immer entgegengesetzte Pole gegenüberliegen.
Zur Verstärkung der im Längsspalt 40 wirkenden Magnetfelder sind die übereinander angeordneten Permanentmagnete 24a, 24b bzw. 26a, 26b auf ihren vom Längsspalt 40 abgewandten Seiten jeweils über eine einen magnetischen Rückschluss bildende Eisenplatte 44 bzw. 46 magnetisch miteinander gekoppelt. Auch die Querspalte 42a, 42b können mit Eisen aufgefüllt sein. Anstelle von Eisen kann selbstverständlich auch ein anderes geeignetes magnetisch leitendes Material verwendet werden. Figur 7 veranschaulicht noch einmal die Magnetfeldrichtungen B, die Stromflussrichtung I und die resultierende Lorentzkraft F auf die Leiterplatte 16 für die Konfiguration der Magnetanordnung nach Figur 5. Die in Figur 6 gezeigte Magnetanordnung unterscheidet sich von der der Figur 5 dadurch, dass nur auf einer Seite des Längsspalts 40 zwei Permanentmagnete 24a, 24b übereinander angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden Seite ist nur eine Eisenplatte 46 vorgesehen. Die Eisenplatte erstreckt sich verti- kal über die gesamte Höhe der Permanentmagnete 24a, 24b. Dadurch ergeben sich im Längsspalt 40 ebenfalls zwei übereinander angeordnete Magnetfelder, die entgegengesetzt orientiert sind.
Der beschriebene Aktor 10 wird in der Fluidik als Antrieb für Mikroventile oder -pumpen eingesetzt. Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mikroventils mit einem solchen Aktor 10. Das Mikroventil umfasst neben dem Aktor 10 eine Abdeckkappe 48 mit einer darin untergebrachten Elektronik (Stromtreiber mit integrierter Leistungsabsenkung), ein Koppelelement 50, ein Führungselement 52, eine Klemmplatte 54 für eine Fluidmembran 56 als Gehäuseunterteil 14 und ein Fluidik-Bauteil 58 mit einem Ventilsitz 60. Zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn 22 der Leiterplatte 16 sind an deren oberem Vorsprung 18 Kontaktfähnchen 62 angebracht. Die Kontaktfähnchen 62 stehen jeweils einerseits mit einem Ende der Leiterbahn 22 und andererseits mit einem aus der Abdeckkappe 48 heraus geführten elektrischen Anschluss 64 in Kontakt. Die Kontaktfähnchen 62 sind elastisch auslenkbar, so- dass in jeder möglichen Lage der Leiterplatte 16 eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 64 und der Leiterbahn 22 sichergestellt ist. Die Kontaktfähnchen 62 werden aus einer messingbeschichteten Folie mithilfe eines Lasers ausgeschnitten.
Auf der entgegengesetzten Seite ist die Leiterplatte 16 einschließlich des unteren Vorsprungs 20 fest mit dem Koppelelement 50 verbunden. Das Koppelelement 50 weist hierzu auf seiner einen Seite eine Nut auf, in die die Leiterplatte 16 geschoben ist, wodurch eine Klemmwirkung hervorgerufen wird.
Auf der entgegengesetzten Seite weist das Koppelelement 50 eine hohlzy- lindrische Aufnahme auf, in der das zylindrische Führungselement 52 aufge- nommen ist. Das Führungselement 52 ist über ein Gewinde mit dem Koppelelement 50 verbunden. Die Schraubverbindung bietet die Möglichkeit der Justierung zum Toleranzausgleich der Teile. Das Koppelelement 50 richtet somit die beiden Bauteile Leiterplatte 16 und Führungselement 52 zueinander aus.
Das Führungselement 52 wird in der Lagerbuchse 32 der Klemmplatte 54 geführt und kann die zwischen der Klemmplatte 54 und dem Fluidik-Bauteil 58 eingespannte Fluidmembran 56 auf den im Fluidik-Bauteil 58 gebildeten Ventilsitz 60 drücken.
Das Mikroventil kann so ausgelegt sein, dass das Führungselement 52 in einer Ruhestellung der Leiterplatte 16 (unbestromt) die Fluidmembran 56 auf den Ventilsitz 60 drückt. Alternativ kann das Mikroventil so ausgelegt sein, dass das Führungselement 52 die Fluidmembran 56 nur bei einer Bestromung der Leiterbahn 22, die eine Auslenkung der Leiterplatte 16 nach unten bewirkt, auf den Ventilsitz 60 drückt. In beiden Fällen wird der Ventilsitz 60 durch Bestromung der Leiterbahn 22 in entgegengesetzter Richtung freigegeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Führungselement 52 fest mit der Fluidmembran 56 verbunden, sodass das Leiterplattenstellglied beim Öffnungsvorgang das Führungselement 52 samt Fluidmembran 56 mitnimmt.
Die als Dichtelement dienende Fluidmembran 56 kann als Formdichtung ausgeführt sein mit einer Dicke von 0,08 - 0,15 mm. Als Material kann Silikon oder ein Elastomer vorgesehen sein. Statt dem in Figur 8 gezeigten Schlauchanschluss 66 am Fluidik-Bauteil 58 ist auch eine Flanschausführung möglich.
Mit einem solchen Mikroventil können bei einem Strom von maximal 1 Ampere Drücke von etwa 2 bar sicher geschaltet werden. Das Mikroventil kann z. B. in den Gesamtabmessungen 10 x 10 x 17 mm hergestellt werden. Dies ermöglicht einen äußerst kompakten Aufbau eines Fluidik-Systems mit einer bislang nicht möglichen Anordnung mehrerer Mikroventile nebeneinander auf engstem Raum.

Claims

Patentansprüche
1. Mikroventil oder Mikropumpe, insbesondere für ein Fluidik-System, mit einem elektromagnetischen Aktor (10), der ein Stellglied und eine Magnetanordnung aufweist, wobei das Stellglied eine Leiterplatte (16) mit wenigstens einer Leiterbahn (22) umfasst und die Magnetanordnung bei Bestromung der Leiterbahn (22) eine Lorentzkraft auf das Stellglied ausübt, und wobei das Stellglied linear beweglich gelagert ist.
2. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (22) spiralförmig, vorzugsweise in Form einer rechteckigen Spirale, auf der Leiterplatte (16) aufgebracht ist.
3. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil von Leiterbahnabschnitten (22a), die bei Bestromung der Leiterbahn (22) im Wesentlichen in einer ersten Stromflussrichtung vom Strom durchflössen werden, von einem in einer ersten Magnetfeldrichtung orientierten Magnetfeld (28) durchsetzt ist, und ein zweiter Teil von Leiterbahnabschnitten (22b), die bei Bestromung der Leiterbahn (22) im Wesentlichen in einer der ersten Stromflussrichtung entgegengesetzten zweiten Stromflussrichtung vom Strom durchflössen werden, von einem in einer der ersten Magnetfeldrichtung entgegengesetzten zweiten Richtung orientierten Magnetfeld (30) durchsetzt ist.
4. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine mehrlagige Leiterplatte (16) mit Durchkontaktierungen zwischen den Lagen aufweist.
5. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass zur linear beweglichen Lagerung des Stellglieds ein miniaturisiertes Gleitlager, ein Festkörperlager oder eine Lagerbuchse (32) mit einem Gleitzapfen (34) vorgesehen ist.
6. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied von einem Gehäuse (12, 14) umgeben ist, das auf entgegengesetzten Seiten Durchbrüche (36, 38) für das Stellglied aufweist.
7. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuses (12, 14) wenigstens ein Magnetpaar (24, 26; 24a, 24b, 26a, 26b) so angeordnet ist, dass eine gegenseitige anziehende Kraft auf die Magnete wirkt, und dass das Stellglied zwischen dem Magnetpaar (24, 26; 24a, 24b, 26a, 26b) angeordnet ist.
8. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (16) in einem von zwei entgegengesetzt orientierten Magnetfeldern (28, 30) durchsetzten Längsspalt (40) angeordnet ist.
9. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens auf einer Seite des Längsspalts (40) zwei Magnete (24a, 24b, 26a, 26b) übereinander angeordnet und durch einen Querspalt (42a, 42b) voneinander getrennt sind.
10. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eisenplatte (44, 46) zur Verstärkung des bzw. der von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds bzw. Magnetfelder (28, 30) vorgesehen ist.
11. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetpaare (24, 26) vorgesehen sind, wobei zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnete (24, 26) Anziehungskräfte wirken, und dass das Stellglied zwischen den Magnetpaaren (24, 26) angeordnet ist.
12. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass an das Stellglied ein verstellbares Bauteil
(52, 56) des Mikroventils oder der Mikropumpe gekoppelt ist, insbesondere ein mit einem Dichtsitz (60) zusammenwirkendes Dichtelement (56).
13. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Bauteil (52, 56) mittels eines Koppelelements (50) an die Leiterplatte (16) gekoppelt ist, welches das verstellbare Bauteil (52, 56) definiert zur Leiterplatte (16) ausrichtet.
14. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Bauteil ein Führungselement (52) ist, das mit einer Fluidmembran (56) verbunden ist oder zusammenwirkt und vorzugsweise über ein Gewinde mit dem Koppelelement (50) verbunden ist.
15. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn (22) elastisch auslenkbare Kontaktfähnchen (62) an der Leiterplatte (16) angebracht sind.
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