DE20019705U1 - Piezo-Biegewandlereinheit und damit ausgestattetes Piezoventil - Google Patents

Description

G 19394 - les 18.10.2000

FESTO AG & Co. 73734 Esslinqen Piezo-Biegewandlereinheit und damit ausgestattetes

Piezoventil

Die Erfindung betrifft eine mindestens zwei piezoelektrische Biegewandler enthaltende Piezo-Biegewandlereinheit sowie ein zur Steuerung von Fluidströmen geeignetes Piezoventil, das mit einer derartigen Biegewandlereinheit ausgestattet ist.

Aus der WO 98/25061 geht ein Piezoventil hervor, das mit zwei längsseits nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Biegewandlern ausgestattet ist, die getrennt voneinander am Ventilgehäuse fixiert sind. Jeder Biegewandler enthält einen Piezokörper, der mehrere Piezomaterialschichten und eine Elektrodenanordnung aufweist. Die Elektrodenanordnung ist Bestandteil eines aus Kunststoffmaterial bestehenden und elektrische Leiter enthaltenden flexiblen Kontaktierungsstranges, der aus dem Ventil herausgeführt ist und die zur Einspeisung der Ansteuerspannung erforderliche Kontaktierung ermöglicht.

Zwar wird durch den durchgehenden Kontaktierungsstrang die Kontaktierung der in den einzelnen Biegewandlern enthaltenen Elektroden vereinfacht. Der Zusammenbau des Piezoventils einschließlich der erforderlichen Justierung der Biegewandler ist jedoch weiterhin relativ umständlich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen zu treffen, die eine Vereinfachung der Herstellung und/oder Montage von Biegewandlern ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Piezo-Biegewandlereinheit vorgesehen, die mindestens zwei Biegewandler enthält, die jeweils mindestens einen, eine oder mehrere Piezomaterialschichten enthaltenden Piezokörper mit zugehöriger Elektrodenanordnung aufweisen und die mit zueinander parallelen Auslenkebenen längsseits nebeneinander angeordnet sind, wobei sie am einen Endbereich der Biegewandlereinheit mit den Piezomaterialschichten ihrer Piezokörper einstückig fest miteinander verbunden sind.

Gelöst wird die Aufgabe ferner durch ein Piezoventil, das mit einer Piezo-Biegewandlereinheit des zuvor erwähnten Aufbaues ausgestattet ist.

Die mindestens zwei Biegewandler sind somit zu einer festen Baueinheit zusammengefasst, wobei die feste Verbindung am einen Endbereich der Biegewandlereinheit stattfindet, wo die Piezomaterialschichten der beiderseitigen Piezokörper einstückig miteinander verbunden sind. Durch diese integrale Bauform ist eine gleichzeitige einfache Herstellung mehrerer Biegewandler möglich, wobei die Relativlage zwischen den Biegewandlern bereits nach Herstellung der Biegewandlereinheit unveränderlich vorgegeben ist. Da zur Montage und Justierung mehrerer Biegewandler somit nur ein Bauteil in Gestalt der

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Biegewandlereinheit montiert und justiert werden muss, vereinfacht sich der Zusammenbau von mit den Biegewandlern ausgestatteten Einrichtungen, insbesondere von mit mehreren Bie gewandlern ausgestatteten Piezoventilen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Vor allem in Verbindung mit einem Piezoventil kann der die einstückige Verbindung der Biegewandler aufweisende Endbereich der Biegewandlereinheit einen Lagerungsabschnitt bilden, über den die Biegewandlereinheit im Gebrauchszustand be züglich des Ventilgehäuses des Piezoventils fixiert wird.

Die Piezokörper der einzelnen Biegewandler können so ausgebildet sein, dass eine individuelle Ansteuerung möglich ist, die dem Anwender eine beliebig gesteuerte Aktivierung gestat tet.

Vor allem wenn abwechselnd mehrere Ventilöffnungen eines Pie zoventils gesteuert werden sollen, ist es von Vorteil, die Biegewandler der Biegewandlereinheit dahingehend elektrisch zu verschalten, dass sie bei Anlegen einer entsprechenden An steuerspannung automatisch eine gegensinnige Auslenkbewegung ausführen.

In Verbindung mit einem Piezoventil wird der die einstückige Verbindung zwischen den Biegewandlern aufweisende Endbereich der Biegewandlereinheit zweckmäßigerweise als Lagerungsab-

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schnitt eingesetzt, über den die Biegewandlereinheit fest im zugeordneten Ventilgehäuse eingespannt wird, so dass eine gleichzeitige Einspannung sämtlicher Biegewandler erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Piezoventil, das mit einer Piezo-Biegewandlereinheit der erfindungsgemäßen Bauform ausgestattet ist,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Piezoventils aus Fig. 1, wobei das Ventilgehäuse größtenteils nicht dargestellt ist, um die Piezo-Biegewandlereinheit besser sichtbar zu machen, und

Fig. 3 eine Einzeldarstellung der bei dem Piezoventil gemäß Fig. 1 und 2 verwendeten Piezo-Biegewandlereinheit in Draufsicht auf eine ihrer beiden größerflächigen Längsseiten.

Das in der Zeichnung dargestellte Piezoventil 1 verfügt über ein längliches Ventilgehäuse 2, das im Innern eine Ventilkammer 3 definiert.

In der Ventilkammer 3 erstrecken sich zwei in Parallelausrichtung längsseits nebeneinander angeordnete piezoelektrische Biegewandler 4, 5, die fester Bestandteil einer längli-

chen Piezo-Biegewandlereinheit 6 sind. Letztere ist in Fig. nochmals separat dargestellt.

Zum Erhalt der Biegewandlereinheit 6 sind die beiden Biegewandler 4, 5 an einer Stirnseite über einen Lagerungsabschnitt 7 fest miteinander verbunden, der einen der beiden axialseitigen Endbereiche der Biegewandlereinheit definiert.

Die Biegewandlereinheit 6 ist über ihren Lagerungsabschnitt gehäusefest mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden. Dies geschieht insbesondere durch eine gehäusefeste Einspannung des Lagerungsabschnittes 7, die beim Ausführungsbeispiel durch Einbetten in eine in das Ventilgehäuse 2 eingebrachte Vergussmasse 8 realisiert ist. Die Vergussmasse 8 ist in dem dem Lagerungsabschnitt 7 zugeordneten Endabschnitt der Ventilkammer 3 appliziert und stellt nach dem Aushärten eine starre Verbindung zwischen dem Lagerungsabschnitt 7 und der umgebenden Wandung des Ventilgehäuses 2 her.

Es versteht sich, dass auch andere Möglichkeiten zur Fixierung des Lagerungsabschnittes 7 im Gehäuse des Piezoventils möglich sind.

Im deaktivierten Zustand hat die Biegewandlereinheit 6 eine sich in einer Hauptausdehnungsebene erstreckende plattenartige Flachgestalt und verfügt über einen die beiden Biegewandler 4, 5 voneinander trennenden schlitzartigen Zwischenraum 12, der sich ausgehend vom freien vorderen Ende der Biege-

wandler 4, 5 zur Rückseite hin bis zum Beginn des Lagerungsabschnittes 7 erstreckt.

Mit den beiden Biegewandlern 4, 5 verbundene elektrische Kontaktmittel 13, 14 sind aus dem Ventilgehäuse 2 herausgeführt und ermöglichen das Anlegen einer für den Betrieb der Biegewandler 4, 5 erforderlichen Ansteuerspannung. Das Anlegen der Ansteuerspannung hat ein Verbiegen bzw. Auslenken des betroffenen Biegewandlers 4, 5 quer zu seiner Längsrichtung zur Folge, wobei die Auslenkbewegung in Fig. 1 durch Doppelpfeil 15 angedeutet ist. Die Auslenkbewegungen der beiden Biegewandler 4, 5 finden dabei in zueinander parallelen Auslenkebenen 16, 17 statt, die rechtwinkelig zur Hauptausdehnungsebene der deaktivierten Biegewandlereinheit 6 verlaufen.

Das Piezoventil des Ausführungsbeispiels ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet. Im Auslenkweg des einen, ersten Biegewandlers 4 ist eine zu steuernde erste Ventilöffnung 18 platziert, die von einem Ventilsitz 22 umgrenzt ist und mit einem nach außen geführten Speisekanal 23 in Verbindung steht. Im Auslenkweg des anderen, zweiten Biegewandlers 5 befindet sich eine steuerbare zweite Ventilöffnung 19 mit ebenfalls zugeordnetem Ventilsitz 22, die mit einem beispielsweise an die Atmosphäre geführten Entlüftungskanal 24 verbunden ist. Beide Ventilöffnungen 18, 19 münden an der Innenfläche des Ventilgehäuses 2 in die Ventilkammer 3 ein, die des weiteren ständig mit einem Arbeitskanal 25 kommuniziert, der zum Anschluss eines fluidisch anzusteuernden Verbrauchers, beispielsweise eines fluidbetätigten Antriebes, vorgesehen ist.

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Im deaktivierten Zustand und ohne zusätzliche Maßnahmen wären die Biegewandler 4, 5 gemäß Figur l jeweils mit geringem Abstand zum zugeordneten Ventilsitz 22 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel sind jedoch zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem ersten Biegewändler 4 wirksame Federmittel 26 vorgesehen, die den ersten Biegewandler 4 in seine Schließstellung vorspannen, in der er am zugeordneten Ventilsitz aufliegt und die betreffende erste Ventilöffnung 18 verschließt (Figur 2). Auf diese Weise liegt bei deaktivierten Biegewandlern 4, 5 ein Ausgangszustand vor, bei dem der Arbeitskanal 25 über die Ventilkammer 3 hinweg mit dem Entlüftungskanal 24 verbunden und somit entlüftet ist, während gleichzeitig der Speisekanal 23 abgesperrt ist. Durch entsprechende Ansteuerung der Biegewandler 4, 5 kann ausgehend hiervon ein Umschalten beispielsweise dahingehend erfolgen, dass der zweite Biegewandler 5 die zweite Ventilöffnung 19 und somit den Entlüftungskanal 24 absperrt, während gleichzeitig der erste Biegewandler 4 entgegen der Stellkraft der Federmittel 2 6 von der zugeordneten ersten Ventilöffnung 18 abgehoben wird und somit der Arbeitskanal 25 durch die Ventilkammer 3 hindurch vom Speisekanal 23 mit Druckmedium gespeist wird. Bei dem Druckmedium handelt es sich beispielsweise um ein gasförmiges Medium wie Druckluft oder auch um ein hydraulisches Medium.

Die hier geschilderte Bauform und auch Art der Ansteuerung der Biegewandler 4, 5 ist exemplarisch aufgeführt. Es versteht sich, dass auch andere Ventilbauformen und Ventilfunk-

tionalitäten auf Basis der Biegewandlereinheit 6 realisiert werden können.

Im Rahmen der Biegewandlereinheit 6 sind die beiden Biegewandler 4, 5 fest und insbesondere starr miteinander verbunden. Die Starrheit der Verbindung hängt dabei maßgeblich von der Steifigkeit des Piezomaterials der beiderseitigen Biegewandler 4, 5 ab.

Der Grund dafür liegt darin, dass jeder Biegewandler 4, 5 beim Ausführungsbeispiel beispielsweise zwei in zueinander parallelen Schichtebenen übereinanderliegend angeordnete Piezomaterialschichten 27a, 27b aufweist, die im Bereich des Lagerungsabschnittes 7 unter Bildung desselben einstückig miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten ist also die Biegewandlereinheit 6 ein Mehrschichtkörper, der mehrere, schichtweise übereinanderliegende Piezomateriallagen aufweist, die zur Bildung der beiden Biegewandler 4, 5 einen etwa U-förmigen Umriss haben, so dass sich die geschlitzte Außenkontur gemäß Fig. 3 ergibt.

Die beiden Piezomaterialschichten 27a, 27b eines jeweiligen Biegewandlers 4, 5 könnten Bestandteil eines einzigen Piezokörpers sein, der bei entsprechender Ansteuerung eine Auslenkung im wesentlichen in nur einer Richtung ermöglicht, so dass man von einem Unimorph-Aufbau sprechen könnte. Beim Ausführungsbeispiel liegt hingegen ein Bimorph-Aufbau vor, wobei jede Piezomaterialschicht 27a, 27b Bestandteil eines mit einer Elektrodenanordnung 32a, 32b ausgestatteten Piezokörpers

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28a, 28b ist und wobei die Piezokörper 28a, 28b, beispielsweise durch Verkleben so längsseits fest miteinander verbunden sind, dass durch elektrische Ansteuerung eine Auslenkung des betreffenden Biegewandlers 4, 5 nach Wahl in beiden Richtungen möglich ist.

Jeder Piezokörper 28a, 28b eines jeweiligen Biegewandlers 4, 5 könnte anstelle des beim Ausführungsbeispiel vorhandenen einschichtigen Aufbaues auch einen Mehrschichtaufbau mit mehreren Piezomaterialschichten haben. Auch könnten die Biegewandler jeweils über nur einen Piezokörper mit lediglich einer Piezomaterialschicht verfügen.

Schließlich wäre es auch möglich, die Biegewandler 4, 5 nach Art sogenannter Trimorph-Biegewandler auszuführen, bei denen zwischen den beiden Piezokörpern 28a, 28b noch eine Trägerschicht sitzt.

Mischformen mit unterschiedlichem Biegewandleraufbau innerhalb der Biegewandlereinheit 6 könnten ebenfalls realisiert werden.

In Fig. 3 sind die an der Oberseite der Biegewandler 4, 5 platzierten Elektroden der Elektrodenanordnung 27a durch eine Schraffur kenntlich gemacht. Eine vergleichbare Elektrodenstruktur befindet sich an der Unterseite der Biegewandler. Im Bereich des Lagerungsabschnittes 7 abgehende elektrische Leiter 33 führen zu den elektrischen Kontaktmitteln 13, 14, die

die elektrische Ansteuerung der Biegewandlereinheit 6 ermöglichen.

Die Biegewandler 4, 5 können beispielsweise so ausgebildet sein, dass eine individuelle Ansteuerung möglich ist und ein voneinander unabhängiger Betrieb stattfinden kann. Denkbar wäre aber auch eine dahingehende elektrische Verschaltung, dass bei Anlegen einer Ansteuerspannung beide Biegewandler 4, 5 automatisch eine vorbestimmte Bewegung ausführen, beispielsweise eine gegensinnige Auslenkbewegung. Diese Verschaltung kann unmittelbar auf der Biegewandlereinheit 6 vorgesehen werden.

Ein Vorteil der Biegewandlereinheit 6 besteht darin, dass in ihr gleichzeitig mehrere einzelne Biegewandler 4, 5 zu einer steifen, selbsttragenden Baueinheit zusammengefasst sind, die über einen gemeinsamen Lagerungsabschnitt 7 verfügen, der eine gleichzeitige Fixierung sämtlicher Biegewandler 4, 5 ermöglicht, wobei eine gegenseitige Ausrichtung der einzelnen Biegewandler 4, 5 entfallen kann. Auszurichten ist lediglich die Biegewandlereinheit 6 als Ganzes.

Der Lagerungsabschnitt 7 hat vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Kontur.

Bei der Ausrichtung der Biegewandlereinheit 6 im Ventilgehäuse 2 kann hilfreich sein, wenn das Ventilgehäuse 2 über einen Stabilisierungsvorsprung 33 verfügt, der bei montierter Biegewandlereinheit 6 in den schlitzartigen Zwischenraum 12 ein-

greift und dessen Länge so gewählt ist, dass er sich dafür eignet, die Längsausrichtung der Biegewandlereinheit 6 zu unterstützen.

Zur Herstellung der Biegewandlereinheit 6 greift man zweckmäßigerweise auf eine der gewünschten Anzahl von Piezomaterialschichten entsprechende Anzahl von aus Piezomaterial bestehenden Schichtkomponenten zurück, die dem gewünschten Umriss der Biegewandlereinheit 6 entsprechen und die man, unter Berücksichtigung der Elektrodenanordnungen, aufeinander schichtet und fest miteinander verbindet. Dabei besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, die Biegewandlereinheit 6 mit nur einer einzigen Schichtkomponente zu realisieren. Ausgangspunkt kann eine rechteckige längliche Piezomaterialplatte sein, in die man zur Bildung des schlitzartigen Zwischenraumes 12 durch Materialabtrag einen Einschnitt einbringt.

Die Biegewandlereinheit 6 kann man sich also insbesondere derart aufgebaut vorstellen, dass entweder eine einzige Schichtkomponente oder mehrere übereinandergeschichtete Schichtkomponenten 29a, 29b vorhanden sind, die aus Piezomaterial bestehen und einen einstückigen Aufbau haben, wobei von einem den Lagerungsabschnitt 7 definierenden Endbereich mehrere zueinander parallele Streifenkörper abgehen, die jeweils zu einem Biegewandler gehören.

Claims (7)

1. Piezo-Biegewandlereinheit, mit mindestens zwei Biegewandlern (4, 5), die jeweils mindestens einen, eine oder mehrere Piezomaterialschichten (27a, 27b) enthaltenden Piezokörper (28a, 28b) mit zugehöriger Elektrodenanordnung (32a, 32b) aufweisen und die mit zueinander parallelen Auslenkebenen (16, 17) längsseits nebeneinander angeordnet sind, wobei sie am einen Endbereich (7) der Biegewandlereinheit (6) mit den Piezomaterialschichten (27a, 27b) ihrer Piezokörper (28a, 28b) einstückig fest miteinander verbunden sind.

2. Piezo-Biegewandlereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die einstückige Verbindung der Biegewandler (4, 5) aufweisende Endbereich einen Lagerungsabschnitt (7) zur Fixierung der Biegewandlereinheit (6) im Gebrauchszustand bildet.

3. Piezo-Biegewandlereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandler (4, 5) so ausgebildet sind, dass eine individuelle Ansteuerung möglich ist.

4. Piezo-Biegewandlereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dahingehende elektrische Verschaltung, dass die Biegewandler (4, 5) bei Anlegen einer entsprechenden Ansteuerspannung automatisch eine gegensinnige Auslenkbewegung ausführen.

5. Piezo-Biegewandlereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Biegewandlern ein schlitzartiger Zwischenraum (12) vorgesehen ist.

6. Piezoventil, gekennzeichnet durch eine in einem Ventilgehäuse (2) angeordnete Piezo-Biegewandlereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Piezoventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandlereinheit (6) mit ihrem die einstückige Verbindung aufweisenden Endbereich bezüglich dem Ventilgehäuse (2) fest eingespannt ist.