DE10047705A1 - Mikroventil - Google Patents

Abstract

Es wird ein Mikroventil vorgeschlagen, das zur Steuerung von Fluidströmen dient. Es verfügt über mindestens ein Ventilglied (5), zu dessen Betätigung auf einem elektrostatischen Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel (12) vorhanden sind. Diese Antriebsmittel (12) beinhalten mindestens einen sogenannten Comb-Drive-Antrieb (14a), was die Realisierung kleiner Baugrößen begünstigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil zur Steuerung von Flu­ idströmen, mit mindestens einem Ventilglied, zu dessen Betä­ tigung auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende An­ triebsmittel vorhanden sind.

Ein Mikroventil dieser Art geht beispielsweise aus der EP 0 485 739 B1 hervor. Das bekannte Mikroventil hat einen Aufbau in Silizium-Mikrotechnik, wobei ein plattenartiges Ventilglied zwischen zwei Gehäuseschichten plaziert ist und durch zwei auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebe relativ zu mehreren Ventilöffnungen bewegbar ist, um durch geeignete Positionierung eine bedarfsgemäße Steuerung von Fluidströmen zu erhalten. Jeder Antrieb besteht aus zwei zueinander parallelen Elektroden zum einen am Ventilglied und zum anderen am Ventilgehäuse, wobei durch Anlegen einer Po­ tentialdifferenz eine Stellkraft rechtwinkelig zur Ausdeh­ nungsebene der Elektroden erzeugt wird, die das Ventilglied in der entsprechenden Richtung auslenkt.

Ein Nachteil des bekannten Mikroventils besteht darin, daß es zum Erhalt ausreichend hoher Betätigungskräfte mit relativ hohen Ansteuerspannungen gespeist werden muss. Aus sicher­ heitstechnischen und auch aus gesetzgeberischen Gründen müssen daher geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden, die ei­ ne weitere Verringerung der Baugröße des Mikroventils verhin­ dern. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrostatisch betätigbares Mikroventil der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, das ohne Beeinträchtigung der er­ zielbaren Betätigungskräfte eine weitere Verringerung der Ab­ messungen zulässt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil, dessen auf einem elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebs­ mittel sich dadurch auszeichnen, daß sie mindestens einen so­ genannten Comb-Drive-Antrieb enthalten.

Comb-Drive-Antriebe zeichnen sich üblicherweise durch zwei jeweils eine Elektrodenfunktion übernehmende Kammstrukturen aus, die ähnlichen einer Verzahnung ineinander eingreifen. Bei Anlegen einer Potentialdifferenz entstehen resultierende Kräfte, die dazu tendieren, die Kammstrukturen ineinander zu ziehen. Eine grundsätzliche Darlegung der Funktionsweise der­ artiger Antriebe geht aus dem Artikel "Comb-drive actuators for large displacements", Rob Legtenberg, A. W. Groeneveld, M. Elwenspoek, J. Micromech. Microeng. 6 (1996), Seiten 320-329 oder aus dem Artikel "Electrophysics of Micromechanical Comb Actuators", William A. Johnson, Larry K. Warne, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 4, No. 1, March 1995, hervor.

Durch die Verknüpfung eines derartigen Comb-Drive-Antriebes mit einem pneumatischen oder hydraulischen Mikroventil ergibt sich der Vorteil, daß innerhalb eines sehr kompakten Volumens eine sehr große Elektrodenfläche zur Verfügung gestellt wer­ den kann, die auch bei kleinen Ansteuerspannungen ausreichend hohe Betätigungskräfte liefert, um die gewünschte Funktion des Mikroventils zu gewährleisten. Auf diese Weise erübrigen sich die bei den bisher üblichen höheren Ansteuerspannungen erforderlichen Schutzmaßnahmen und man kann ein Mikroventil ohne weiteres mit Spannungen betreiben, die die Grenze von 60 Volt nicht übersteigen, welche in der Bundesrepublik Deutsch­ land als Grenzwert für die Anwendung der gesetzlichen Nieder­ spannungsverordnung gilt. Indem aber der für Schutzmaßnahmen erforderliche konstruktive Aufwand reduziert werden kann, lässt sich gleichzeitig die Baugröße des Mikroventil minimie­ ren. Auch kann vielfach auf besondere Ansteuerschaltungen verzichtet werden, die die Anhebung der zur Verfügung stehen­ den Spannung auf eine notwendige Ansteuerspannung bewirken.

Zwar wurden Comb-Drive-Antriebe gemäß den zuvor erwähnten Ar­ tikeln auch schon in Verbindung mit mikromechanischen Anwen­ dungen realisiert. Dort stand jedoch, wie schon der Titel des einen Artikels aussagt, die Erzeugung relativ großer Betäti­ gungswege im Vordergrund, während es bei dem erfindungsgemä­ ßen Mikroventil vorwiegend darum geht, die Baugröße zu redu­ zieren. Für einen Fachmann war es daher nicht naheliegend, ein Mikroventil mit einem Comb-Drive-Antrieb auszustatten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Während die Elektroden der in dem Artikel "Comb-drive actua­ tors for large displacements" beschriebenen Kammstrukturen fingerartig ausgebildet sind, ist bei einem besonders vor­ teilhaften Aufbau des Mikroventils vorgesehen, Elektroden mit plattenartiger Gestalt einzusetzen. Die für die Erzeugung der Betätigungskraft erforderliche Elektrodenfläche kann somit durch konstruktiv einfache Maßnahmen sehr groß gewählt wer­ den.

Bei einem bevorzugten Aufbau des Mikroventils sind die die Elektroden des Comb-Drive-Antriebes enthaltenden Kammstruktu­ ren zweckmäßigerweise jeweils als einstückiger Bestandteil des Ventilgliedes bzw. des Ventilgehäuses des Mikroventils ausgeführt. In diesem Zusammenhang ist daran gedacht, eine Formgebung aus Kunststoffmaterial in Spritzgusstechnik vorzu­ nehmen, was eine sehr große Formenvielfalt bietet und relativ einfach mit geeignetem Design optimale Voraussetzungen für eine fluidtechnische Anwendung bietet.

Aus fertigungstechnischen Gründen wäre es allerdings auch möglich, die Kammstrukturen separat vom zugehörigen Träger - zum einen dem Ventilglied und zum anderen dem Ventilgehäuse - zu fertigen und als separate Einheit an diesem Träger zu fi­ xieren.

Insgesamt hat eine Realisierung aus Kunststoffmaterial den Vorteil, daß durch eine geeignete Metallisierung sowohl die elektrischen Leitungswege als auch die Elektrodenflächen sehr einfach hergestellt werden können.

Das Mikroventil kann beispielsweise in MID-Technologie (MOLDED INTERCONNECT DEVICE) realisiert werden. Auch das so­ genannte LIGA-Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem eine Kombination aus Lithografie, Galvanoumformung und Abformtechnik zur Anwendung gelangt.

Das Mikroventil kann beispielsweise nur einen Comb-Drive- Antrieb enthalten, wobei aber durchaus auch die gleichzeitige Realisierung mehrerer Comb-Drive-Antriebe möglich ist. Bei einer Mehrfachanordnung kann vorgesehen sein, die Antriebe entweder gleichzeitig zu betreiben, um eine weitere Erhöhung der Betätigungskräfte zu erzielen, oder eine alternative Be­ tätigung vorzunehmen, um eine Auslenkung des Ventilgliedes in unterschiedliche Richtungen aktiv hervorzurufen.

Wenngleich das Mikroventil ohne weiteres über ein Ventilglied verfügen kann, dessen Steuerbewegung eine lineare translato­ rische Bewegung ist, empfiehlt sich der Einsatz des Comb- Drive-Antriebes vor allem in Kombination mit einer Ventilbau­ form, bei der das Ventilglied als Steuerbewegung eine Schwenkbewegung ausführt. Hierzu kann das Ventilglied an ei­ nem Ende fest eingespannt sein oder insbesondere an einer La­ gerstelle nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert sein, wo­ bei mindestens einem der Ventilgliedarme mindestens ein Comb- Drive-Antrieb zugeordnet ist. Jedem Ventilgliedarm können ein oder mehrere Comb-Drive-Antriebe zugeordnet sein. Im Falle der Mehrfachanordnung können sich die Comb-Drive-Antriebe in Bewegungsrichtung überlappen, was zu einer weiteren Verringe­ rung der Abmessungen bei einer erhöhten Leistungsdichte führt.

Um eine definierte Ausgangsstellung des Ventilgliedes hervor­ zurufen, können geeignete Federmittel vorhanden sein, die zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse wirksam sind.

Um eine Verunreinigung der Elektroden zu vermeiden und da­ durch besonders kleine Spaltbreiten zwischen benachbarten Elektrodenflächen zu ermöglichen, kann der Comb-Drive-Antrieb außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchströmten Bereichen des Ventilgehäuses angeordnet sein.

Ein besonders vorteilhafter Aufbau ergibt sich bei einem Mik­ roventil, dessen Ventilglied längliche Gestalt hat. Hier kön­ nen die Elektroden des Comb-Drive-Antriebes so angeordnet und ausgerichtet werden, daß sie in Längsrichtung des Ventilglie­ des verlaufen, woraus eine besonders große wirksame Elektro­ denfläche resultiert.

Die erfindungsgemäße Antriebstechnik lässt sich bei praktisch jedem Mikroventil einsetzen, unabhängig von der jeweiligen Funktionalität. Beispielsweise kann das Mikroventil ein 3/2- Wegeventil sein.

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

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils in schematischer Darstellung in teil­ weise geschnittener Seitenansicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil I aus Fig. 2,

Fig. 2 eine Stirnansicht des Mikroventils aus Fig. 1, teilweise im Querschnitt, mit Blickrichtung gemäß Pfeil II, wiederum stark schematisiert,

Fig. 3 das Mikroventil gemäß Fig. 1 und 2 im Längs­ schnitt gemäß Schnittlinie III-III aus Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung und

Fig. 4 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellungs­ weise einen Detailausschnitt einer weiteren Ausfüh­ rungsform des Mikroventils, bei dem die Antriebs­ mittel von den gesteuerten Fluidströmen getrennt untergebracht sind.

Das in Fig. 1 bis 3 schematisch illustrierte Mikroventil 1 verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das einen Innenraum 3 defi­ niert.

In den Innenraum 3 münden mehrere die Wandung des Ventilge­ häuses 2 durchsetzende Ventilkanäle 4, wobei es sich beim Ausführungsbeispiel um drei Ventilkanäle 4 handelt, da das Mikroventil hier exemplarisch in Gestalt eines 3/2-Wegeventils abgebildet ist. Die Anzahl der Ventilkanäle 4 vari­ iert in Abhängigkeit vom Ventiltyp.

Das Mikroventil 1 dient zur Steuerung von Fluidströmen, bei­ spielsweise von hydraulischen und vorzugsweise von pneumati­ schen Medien. Zu diesem Zweck verfügt es über mindestens ein und beim Ausführungsbeispiel über genau ein Ventilglied 5, das in bezüglich dem Ventilgehäuse 2 beweglicher Weise in dem Innenraum 3 untergebracht ist.

Die Steuerung der Fluidströme erfolgt beim Ausführungsbei­ spiel durch Steuerung des zur Verfügung gestellten Strömungs­ querschnittes zweier der Ventilkanäle 4. Es sind dies ein als Speisekanal 4a und ein als Entlüftungskanal 4b ausgebildeter Ventilkanal 4. Hingegen kommuniziert der dritte, als Arbeits­ kanal 4c ausgebildete Ventilkanal 4 ständig mit dem Innenraum 3.

Der Speisekanal 4a und der Entlüftungskanal 4b münden jeweils mit einer Ventilöffnung 6a, 6b in den Innenraum 3 ein. Sie sind zweckmäßigerweise jeweils von einem ringförmigen Ventil­ sitz 7 umgeben.

Jeder Ventilöffnung 6a, 6b liegt eine Verschlusspartie 8a, 8b gegenüber. Diese Verschlusspartien 8a, 8b sind an dem Ventil­ glied 5 vorgesehen. Durch entsprechende Bewegung des Ventil­ gliedes 5 lässt sich der Abstand zwischen den einander zuge­ ordneten Ventilöffnungen und Verschlusspartien 6a, 8a; 6b, 8b variieren, insbesondere um entweder einen maximalen Strömungsquerschnitt freizugeben oder um den betreffenden Ventil­ kanal komplett abzusperren. Dabei kann je nach Ausgestaltung eine digitale Schaltfunktion oder eine stetige Steuerfunktion realisiert werden.

Bei dem als Schaltventil ausgebildeten Mikroventil 1 des Aus­ führungsbeispiels lassen sich durch Betätigung des Ventil­ gliedes 5 die beiden Ventilöffnungen 6a, 6b abwechselnd öff­ nen und verschließen, wobei die jeweils freigegebene Ventil­ öffnung eine Fluidverbindung zwischen dem zugeordneten Spei­ sekanal 4a oder Entlüftungskanal 4b mit dem Arbeitskanal 4c ermöglicht, um einen an den Arbeitskanal 4c angeschlossenen Verbraucher mit Druckmedium zu versorgen oder Druckmedium von diesem abzuführen. Die Fluidströmung findet dabei durch den Innenraum 3 hinweg statt.

Zur Betätigung des Ventilgliedes 5 sind auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel 12 vorhanden. Da­ bei wird durch Anlegen einer Spannung an sich gegenüberlie­ gende Elektroden ein elektrisches Feld generiert, das eine Betätigungskraft B hervorruft, die zum Umschalten bzw. Bewe­ gen des Ventilgliedes 5 ausreicht. In Fig. 1 sind strich­ punktiert zwei von der Außenseite des Ventilgehäuses 2 her zugängliche elektrische Anschlüsse 13 ersichtlich, die ver­ wendbar sind, um die erforderliche Spannung anzulegen.

Das Mikroventil 1 zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß es sich bei Bedarf mit sehr kompakten Abmessungen reali­ sieren lässt. Hierfür verantwortlich sind vor allem die Antriebsmittel 12, die beim Ausführungsbeispiel von zwei Comb- Drive-Antrieben 14a, 14b gebildet sind. Diese haben den Vor­ teil, daß sie innerhalb eines relativ kleinen Volumens eine hohe wirksame Elektrodenfläche zur Verfügung stellen können, so daß bereits mit geringen Ansteuerspannungen hohe Betäti­ gungskräfte realisierbar sind. Auf diese Weise erübrigen sich aufwendige elektrotechnische Schutzmaßnahmen hinsichtlich der elektrisch leitenden Bestandteile des Mikroventils, was ins­ gesamt die Möglichkeit für geringe Ventilabmessungen schafft.

Die beiden Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b des Ausführungsbei­ spiels sind technisch identisch ausgeführt, können allerdings wie abgebildet über unterschiedliche Abmessungen verfügen, was insbesondere vom Anbringungsort am Ventilglied 5 abhängt.

Wie insbesondere auch aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, besitzt jeder Comb-Drive-Antrieb eine gehäusefeste erste Kammstruktur 15 mit einer Schar zueinander beabstandeter, Seite an Seite nebeneinander angeordneter erster Elektroden 17. Die Elektro­ den 17 ragen jeweils ausgehend vom Ventilgehäuse 2 in Rich­ tung zum Ventilglied 5. Das Ventilglied 5 seinerseits ist mit einer der ersten Kammstruktur 15 gegenüberliegenden zweiten Kammstruktur 16 ausgestattet, die eine Schar ebenfalls mit Abstand Seite an Seite nebeneinander angeordneter zweiter Elektroden 18 aufweist. Diese zweiten Elektroden 18 ragen ausgehend vom Ventilglied 5 hin zur Wandung des Ventilgehäu­ ses 2.

Von einer Kammstruktur wird hier gesprochen, weil sich in Stirnansicht gemäß Fig. 2 gesehen eine kammartige Anordnung der Elektroden 17, 18 ergibt.

Die beiden Kammstrukturen 15, 16 eines jeweiligen Comb-Drive- Antriebes 14a, 14b liegen einander in der durch Doppelpfeil angedeuteten gewünschten Bewegungsrichtung 22 des Ventilglie­ des 5 gegenüber, wobei sie mit ihren Elektroden 17, 18, mit dem freien Ende voraus, ähnlich einer Verzahnung ineinander eingreifen, ohne sich allerdings zu berühren.

Um die von den Außenflächen der Elektroden 17, 18 gebildeten Elektrodenflächen möglichst groß zu gestalten, sind die Elektroden 17, 18 vorzugsweise plattenartig ausgebildet. In­ nerhalb einer jeweiligen Kammstruktur 15, 16 sind die Elekt­ roden 17, 18 dabei so angeordnet, daß ihre Hauptausdehnungs­ ebenen 25, 26 parallel zueinander verlaufen. Gleichzeitig sind auch die Hauptausdehnungsebenen beider Kammstrukturen 15, 16 parallel zueinander. Der gegenseitige Elektrodenein­ griff erfolgt derart, daß - abgesehen von der jeweils zu äu­ ßerst angeordneten Elektrode - jede Elektrode der einen Kamm­ struktur zwischen zwei Elektroden der anderen Kammstruktur eingreift.

Aus Gründen der Steifigkeit und der besseren Herstellbarkeit kann die Form der Kammstrukturen 15, 16 auch von der oben be­ schriebenen abweichen, zum Beispiel können Sicken eingebracht oder eine leicht wellige Struktur vorhanden sein. Es muß nur gewährleistet werden, daß der Elektrodeneingriff sich im ent­ sprechenden Toleranzfenster bewegt.

Um die weitere Erläuterung zu vereinfachen, sei nachfolgend die strichpunktiert angedeutete Richtung des Wegragens der Elektroden 17, 18 vom zugeordneten Ventilgehäuse 2 bzw. Ven­ tilglied 5, die mit der gewünschten Bewegungsrichtung 22 zu­ sammenfällt, als Höhenrichtung 27 bezeichnet. Diese liegt in oder verläuft parallel zu den Hauptausdehnungsebenen 25, 26. Die Kammstrukturen 15, 16 greifen in Höhenrichtung 27 der E­ lektroden 17, 18 ineinander ein.

Das Ventilglied 5 hat beim Ausführungsbeispiel eine längliche Gestalt, wobei die Bewegungsrichtung 22 quer und insbesondere rechtwinkelig zur Längsachse 28 des Ventilgliedes 5 verläuft. Das Ventilglied 5 hat vorzugsweise eine plattenartige Flach­ gestalt mit einer Haupterstreckungsebene 32, die rechtwinke­ lig zu den Hauptausdehnungsebenen 26 der an ihm vorgesehenen Elektroden 18 orientiert ist.

Zur optimalen Ausnutzung des Grundrisses des Ventilglied 5 ist die zugeordnete zweite Kammstruktur 16 so ausgebildet, daß ihre zweiten Elektroden 18 ebenfalls längliche Gestalt haben und in Längsrichtung des Ventilgliedes 5 verlaufen. Sie sind dabei mit ihrer einen randseitigen Längsseite am Ventil­ glied 5 angeordnet, während der andere Längsrand der ersten Kammstruktur 15 zugewandt ist.

Um eine weitere Miniaturisierung des Ventilaufbaues zu errei­ chen, können nach erfolgter Metallisierung der Elektrodenflä­ chen diese durch Aufgalvanisieren noch weiter strukturiert werden.

Bevorzugt sind sowohl das Ventilgehäuse 2 als auch das Ven­ tilglied 5 einschließlich des Elektrodenkerns der einzelnen Elektroden 17, 18 aus Kunststoffmaterial gefertigt, wobei die für die Funktion der Comb-Drive-Antriebe erforderlichen Elektrodenflächen 23, 24 wie auch vorzugsweise die sonstigen elektrischen Leiter durch Metallisierung des Kunststoffmate­ rials erhalten sind. Dies schafft beispielsweise die Möglich­ keit, die einzelnen Komponenten in kostengünstiger Weise im Rahmen eines Kunststoff-Spritzgießverfahrens herzustellen, beispielsweise in sogenannter MID-Technologie (MOLDED INTERCONNECT DEVICE). Im Vergleich zu auf Silizium-Techno­ logie basierender Herstellung ermöglicht dies eine beträcht­ liche Kostenreduzierung.

Alternativ wäre es auch denkbar, eine Herstellung unter Ver­ wendung der sogenannten LIGA-Technologie vorzunehmen, eine Abformtechnik, die in Verbindung mit Galvanoumformung und Li­ thografie zum Einsatz kommt.

Besonders einfach können die Elektrodenflächen 23, 24 dann realisiert werden, wenn die Kammstrukturen 15, 16 wie beim Ausführungsbeispiel jeweils als integrale bzw. einstückige Bestandteile des zugeordneten Ventilgehäuses 2 bzw. Ventilgliedes 5 ausgeführt sind. Durch vollflächige Metallisierung der den Innenraum 3 begrenzenden Innenfläche des Ventilgehäu­ ses 2 kann gleichzeitig die komplette Metallisierung der von der Wandung des Ventilgehäuses 2 nach innen zum Ventilglied 5 ragenden ersten Elektroden 17 erreicht werden. In gleicher Weise kann durch vollflächige Metallisierung der Außenfläche des Ventilgliedes 5 einschließlich der von diesem wegragenden Umfangsflächen der zweiten Elektroden 18 die gewünschte Leit­ fähigkeit der an letzteren vorgesehenen Elektrodenflächen 24 erhalten werden.

Alternativ zu der erwähnten integralen Herstellung von Elekt­ roden und Ventilgehäuse bzw. Ventilglied wäre es auch mög­ lich, die Elektroden 17, 18 als separate Bauteile auszuführen und in geeigneter Weise am zugeordneten Träger, dem Ventilge­ häuse 2 oder dem Ventilglied 5, zu fixieren. In diesem Zusam­ menhang würde es sich insbesondere anbieten, die jeweilige Kammstruktur 15, 16 einschließlich der zugehörigen Elektroden 17, 18 als Baueinheit auszuführen und diese dann am zugeord­ neten Träger zu fixieren, beispielsweise durch Verkleben und/oder durch Einsetzen in eine entsprechend geformte Auf­ nahme (nicht dargestellt).

Das Mikroventil 1 könnte ein Ventilglied 5 aufweisen, dessen Schaltbewegung eine rein translatorische Bewegung ist, bei­ spielsweise in einer Art und Weise, wie es aus der eingangs erwähnten EP 0 485 739 B1 hervorgeht. Das Ventilglied 5 könn­ te ein rechtwinkelig zu seiner Ausdehnungsebene bewegbarer Membran- oder Plattenkörper sein, dessen Abstand von der zu steuernden Ventilöffnung je nach Schaltstellung variiert. Ferner sei darauf verwiesen, daß die Antriebsmittel 12 anders als beim Ausführungsbeispiel auch lediglich einen einzigen Comb-Drive-Antrieb oder mehr als zwei Comb-Drive-Antriebe aufweisen können.

Das Mikroventil 1 des Ausführungsbeispiels ist so konzipiert, daß die als Steuerbewegung bezeichenbare Umschaltbewegung des Ventilgliedes 5 eine Schwenkbewegung ist. Prinzipiell wäre hier eine Anordnung denkbar, bei der das Ventilglied 5 ein Biegeelement ist, das an einer Stelle eingespannt ist und durch den Comb-Drive-Antrieb im Bereich seines freien Endes zu einer Schwenkbewegung veranlasst werden kann. Im Gegensatz dazu ist das Ventilglied 5 des Ausführungsbeispiels an einer Lagerstelle 33 nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert und verfügt über zwei ausgehend von der Lagerstelle 33 nach ent­ gegengesetzten Seiten wegragende Ventilgliedarme 34, 35, die sich bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 gleichsinnig be­ wegen.

Beim Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß sich die steuer­ baren Ventilöffnungen 6a, 6b auf der gleichen Längsseite des länglichen Ventilgliedes 5 befinden, was folglich auch für die zugeordneten Verschlusspartien 8a, 8b gilt. Die Lager­ stelle 33 liegt, bezogen auf die Längsachse 28 des Ventil­ gliedes 5, zwischen den beiden Ventilöffnungen 6a, 6b. Dies hat zur Folge, daß bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 die jeweils eine Verschlusspartie eine sich an die zugeordnete Ventilöffnung annähernde Schließbewegung ausführt, während die andere Verschlusspartie eine sich von der zugeordneten Ventilöffnung entfernende Öffnungsbewegung durchführt.

Zweckmäßigerweise ist das Ventilgehäuse 2 derart in miteinan­ der verbundene Gehäuseelemente 36, 37 unterteilt, das die beiden steuerbaren Ventilöffnungen 6a, 6b an ein und dem sel­ ben Gehäuseelement 36 vorgesehen sind. Da die Drehlagerung des Ventilgliedes 5 im Bereich der Lagerstelle 33 ebenfalls am gleichen Gehäuseelement 36 stattfindet, bleibt der Abstand zwischen einer jeweiligen Ventilöffnung 6a, 6b und der zuge­ ordneten Verschlusspartie 8a, 8b auch unter Druckbelastung des Gehäuses konstant, was eine präzise Funktionsweise des Mikroventils gewährleistet.

Zur Drehlagerung ist beim Ausführungsbeispiel ein beispiels­ weise aus Metall und dabei insbesondere aus Stahl bestehender Achskörper 42 vorgesehen, an dem das Ventilglied 5 fixiert ist und der im Bereich der Lagerstelle 33 am Ventilgehäuse 2 so drehgelagert ist, daß die gewünschte Drehachse 43 für den Schwenkvorgang definiert wird. Der Achskörper kann endseitig im Fügebereich zwischen den beiden Gehäuseelementen 36, 37 eingelegt sein. Es kann sich um einen durchgehend linearen Achskörper oder um einen abgekröpften Achskörper 42 handeln, wie er in Fig. 2 angedeutet ist. Dabei ist eine einteilige oder mehrteilige Bauform möglich.

Vorteilhaft ist es, wenn der Achskörper 42 zumindest partiell elektrisch leitfähig ist, so daß einer der elektrischen An­ schlüsse 13 mit ihm verbunden sein kann, um die Kontaktierung der am Ventilglied 5 vorgesehenen zweiten Elektroden 18 zu realisieren. Dabei kann der Achskörper 42 aus geeignetem Me­ tall, beispielsweise aus Stahl bestehen, das zu Isolation mit Kunststoffmaterial umspritzt ist. Denkbar wäre aber auch ein insgesamt aus Kunststoffmaterial bestehender Achskörper, der vorzugsweise einstückig mit dem Ventilglied 5 verbunden ist.

Die Antriebsmittel 12 sind beim Ausführungsbeispiel so pla­ ziert, daß jedem Ventilgliedarm 34, 35 einer der Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b zugeordnet ist. Diese sind so angeordnet und derart elektrisch verschaltet, daß die von ihnen auf das Ventilglied 5 ausübbare Betätigungskraft im gleichen Schwenk­ sinne wirksam ist. Erreicht wird dies dadurch, daß die beiden Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b mit Bezug zur Längsachse 28 des Ventilgliedes 5 auf einander entgegengesetzten Längsseiten plaziert sind. Auf jeder Seite der Haupterstreckungsebene 32 liegt einer der Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b.

Da die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b somit nur in einer Betä­ tigungsrichtung eine Betätigungskraft ausüben können, sind zusätzlich Federmittel 44 vorgesehen, die das Ventilglied 5 in eine Ausgangsstellung vorspannen. Die Federmittel 44 wir­ ken zwischen dem Ventilglied 5 und dem Ventilgehäuse 2 und erzeugen eine Rückstellkraft, die der Betätigungskraft der Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b entgegengesetzt ist. Es wäre möglich, die Federmittel 44 mit dem Achskörper 42 zu kombi­ nieren und diesen beispielsweise nach Art einer Torsionsfeder auszubilden.

Es wäre auch denkbar, die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b so zu plazieren und auszubilden, daß die von ihnen erzeugbaren Be­ tätigungskräfte in entgegengesetztem Schwenksinne auf das Ventilglied 5 einwirken. Erreichbar ist dies beispielsweise dadurch, daß beide Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b auf der glei­ chen Längsseite des Ventilgliedes 5 plaziert werden, wobei sie weiterhin mit unterschiedlichen der beiden Ventilgliedar­ me 34, 35 kooperieren. Es wäre dann eine alternative Betäti­ gung möglich, um jeweils wahlweise eine von zwei Schaltstel­ lungen vorzugeben. In einem solchen Falle könnte auf separate Federmittel verzichtet werden, wenngleich diese stets empfeh­ lenswert sind, um eine definierte Ausgangsstellung auch im deaktivierten Zustand der elektrostatisch wirksamen Antriebs­ mittel 12 zu gewährleisten.

Zum Betrieb des Mikroventils 1 wird an die ersten und zweiten Elektroden 17, 18 der beiden Kammstrukturen 15, 16 eine e­ lektrische Spannung angelegt, wobei die Potentialdifferenz die Ausbildung elektrischer Felder zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen 23, 24 bewirkt. Die hierbei entstehenden, rechtwinkelig zu den Hauptausdehnungs­ ebenen 25, 26 wirksamen Kräfte gleichen sich aus oder werden zumindest teilweise dadurch kompensiert, daß das Ventilglied 5 am Ventilgehäuse 2 in Achsrichtung der Drehachse 43 im we­ sentlichen unbeweglich fixiert ist. Zusätzlich bewirken die elektrischen Felder aber auch noch Betätigungskräfte B, die in der oben erwähnten Höhenrichtung 27 wirksam sind und da­ nach trachten, die beiden Kammstrukturen 15, 16 mit den freien Elektrodenenden voraus ineinander zu ziehen. Diese Kräfte sind die für die Betätigung des Ventilgliedes 5 im vorliegen­ den Fall relevanten Stellkräfte. Sie sind bezogen auf das von den Elektroden 17, 18 eingenommenen Volumen relativ groß, was durch die relativ großen wirksamen Elektrodenflächen 23, 24 bewirkt wird. Es können auf diese Weise trotz kleiner Baugrö­ ße hohe Stellkräfte erzeugt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 werden die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b von dem das Ventilgehäuse 2 durchströmenden Fluid ebenfalls umströmt. Bei einer in Fig. 4 angedeuteten Ausführungsform ist dies nicht der Fall, da hier die vorhandenen Comb-Drive-Antriebe außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchströmten Bereichen des Ventilgehäuses 2 untergebracht sind. Auf diese Weise wird eine Beeinträchti­ gung der Funktion der Comb-Drive-Antriebe verhindert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die mit dem ande­ ren Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Erkennbar ist hier jedoch das Ventilglied 5 in einen Steuerabschnitt 45 und einen Betä­ tigungsabschnitt 46 unterteilt, wobei der Steuerabschnitt 45 die Verschlusspartien 8a, 8b trägt und die Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b dem Betätigungsabschnitt 46 zugeordnet sind. Eine im Innern des Ventilgehäuses 2 vorgesehene Trenn­ wand 47 unterteilt den Innenraum 3 fluiddicht in eine Betäti­ gungskammer 48 und eine Steuerkammer 49, wobei der Steuerab­ schnitt 45 in der Steuerkammer 49 und der Betätigungsab­ schnitt 46 in der Betätigungskammer 48 untergebracht ist.

Die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b befinden sich in der Betäti­ gungskammer 48 und kooperieren mit dem Betätigungsabschnitt 46 des Ventilgliedes 5. Sämtliche Ventilkanäle 4 münden in die Steuerkammer 49, so daß die Betätigungskammer 48 fluid­ dicht von den Fluidströmen abgeschottet ist.

Beim Ausführungsbeispiel besteht der Steuerabschnitt 45 aus einem Endabschnitt des Achskörpers 42, der die Trennwand 47 drehbeweglich unter Abdichtung durchsetzt. Der Achskörper 42 trägt an in Umfangsrichtung versetzten Stellen die Ver­ schlusspartien 8a, 8b, die in Fig. 4 gestrichelt abgebildet sind, weil sie sich auf der vom Betrachter abgewandten Um­ fangsseite des Achskörpers 42 befinden. Die diesen Ver­ schlusspartien 8a, 8b zugewandten Ventilöffnungen werden in Fig. 4 vom Achskörper 42 verdeckt und sind daher nicht sichtbar.

Zu den Ausführungsbeispielen kann nochmals zusammenfassend festgehalten werden, daß es sich um Mikroventile handelt, die insbesondere auf Basis der MID-Technologie ausgeführt sind und eine elektrostatische Aktorik mit einem oder mehreren Comb-Drive-Antrieben aufweisen. Durch die Schwenkbeweglich­ keit des Ventilgliedes 5 ergibt sich eine Art Wippen- Konstruktion, wobei das Ventilglied integrierte Elektroden­ kamm-Strukturen aufweisen kann. Die Wippe (Ventilglied) be­ steht insbesondere aus vollständig metallisierbarem Kunst­ stoffmaterial, das in Spritzgusstechnik hergestellt werden kann. Die Dichtkraft bei der Wippenanordnung wird unter Ausnutzung der vorhandenen Hebelarme erzeugt, wobei sich optima­ le Kräfteverhältnisse dadurch ergeben, daß der Abstand der Verschlusspartien 8a, 8b von der Drehachse 43 geringer ist als derjenige des Krafteinleitungszentrums der Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b.

Das Mikroventil kann beispielsweise für einen Druckbereich bis 10 bar ausgelegt sein. Bedingt durch die vorteilhafte An­ triebstechnik lässt es sich mit geringen Ansteuerspannungen betreiben, beispielsweise mit 24 Volt oder 48 Volt, wobei auf jeden Fall eine obere Grenze von maximal 60 Volt einhaltbar ist, um auf aufwendige Schutzmaßnahmen verzichten zu können.

Die Metallisierung der zugehörigen Komponenten kann galva­ nisch erfolgen.

Sind die Elektroden zum einen in das Ventilgehäuse und zum anderen in das Ventilglied integriert, kann eine sehr exakte Fertigung gewährleistet werden, was beim Zusammenbau des Ven­ tils die Realisierung sehr geringer Spaltabstände ermöglicht. Sind die gewünschten minimalen Spaltabstände durch Spritz­ gusstechnik nicht ohne weiteres machbar, kann durch Galvani­ sieren entsprechend hoher Metallschichtdicken der gewünschte geringe Spaltabstand realisiert werden. Der geringe Elektro­ denabstand hat wiederum den Vorteil, daß nur geringe Schalt­ spannungen erforderlich sind.

Befindet sich die elektrostatische Antriebstechnik in einem von den Fluidströmen abgetrennten Bereich, wird einer Verschmutzung der Elektroden entgegengewirkt, die die relative Beweglichkeit derselben beeinträchtigen könnte.

Claims (18)

1. Mikroventil zur Steuerung von Fluidströmen, mit mindes­ tens einem Ventilglied (5), zu dessen Betätigung auf elektro­ statischem Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel (12) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmit­ tel mindestens einen sogenannten Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) enthalten.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) eine gehäusefest mit dem Ventilgehäuse (2) des Mikroventils verbundene, eine Schar erster Elektroden (17) aufweisende erste Kammstruktur (15) sowie eine mit dem Ventilglied (5) bewegungsgekoppelte, eine Schar zweiter Elektroden (18) aufweisende zweite Kammstruktur (16) aufweist, wobei die beiden Kammstrukturen (15, 16) mit ihren Elektroden (17, 18) ineinander eingreifen.

3. Mikroventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17, 18) plattenartige Gestalt haben, wobei die Hauptausdehnungsebenen (25, 26) sämtlicher Elektroden (17, 18) parallel zueinander verlaufen.

4. Mikroventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Kammstruktur (15) als separate Einheit o­ der vorzugsweise als integraler Bestandteil des Ventilgehäu­ ses (2) ausgebildet ist.

5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammstruktur (16) als separate Einheit oder vorzugsweise als integraler Bestandteil des Ven­ tilgliedes (5) ausgebildet ist.

6. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) und/oder das Ventil­ gehäuse (2), vorzugsweise einschließlich der Kammstrukturen (15, 16) des mindestens einen Comb-Drive-Antriebes, aus zu­ mindest partiell metallisiertem Kunststoffmaterial bestehen.

7. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch ein in MID-Technologie oder in LIGA-Techno­ logie realisiertes Ventilgehäuse (2) und/oder Ventilglied (5).

8. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (12) mehrere Comb- Drive-Antriebe enthalten, die gleichzeitig oder abwechselnd eine Betätigungskraft für das Ventilglied (5) erzeugen kön­ nen.

9. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß seine von den Antriebsmitteln (12) hervorgerufene Steuerbewegung eine Schwenkbewegung ist.

10. Mikroventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) an einer Lagerstelle (33) nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert ist, wobei mindestens einem der Ventilgliedarme (34, 35) ein Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) zugeordnet ist.

11. Mikroventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Ventilgliedarmen (34, 35) je mindestens ein Comb- Drive-Antrieb (14a, 14b) zugeordnet ist.

12. Mikroventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Comb-Drive-Antriebe (14a, 14b) mit Bezug auf die Längsachse (28) des Ventilgliedes (5) auf einander entgegengesetzten Längsseiten des Ventilgliedes (5) befinden.

13. Mikroventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) mindestens eine mit einer zu steuernden Ventilöffnung (6a, 6b) zusammenarbeitende Verschlusspartie (8a, 8b) aufweist, deren Abstand zum Zentrum der Schwenkbewegung geringer ist als derjenige des Zentrums des Comb-Drive-Antriebes (14a, 14b).

14. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel (44) vorhanden sind, die das Ventilglied (5) in Richtung zu einer Ausgangsstellung vor­ spannen.

15. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchström­ ten Bereichen des Ventilgehäuses (2) angeordnet ist.

16. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) einen Steuerabschnitt (45) und einen Betätigungsabschnitt (46) aufweist, wobei der Steuerabschnitt (45) mit mindestens einer zu steuernden Ventilöffnung (6a, 6b) und der Betätigungsabschnitt (46) mit dem mindestens ei­ nen Comb-Drive-Antrieb (14a, 14b) zusammenarbeitet und wobei die beiden Abschnitte (45, 46) einschließlich der jeweils zu­ geordneten Ventilöffnung (6a, 6b) bzw. des Comb-Drive- Antriebes (14a, 14b) in voneinander getrennten Kammern (48, 49) des Ventilgehäuses (2) angeordnet sind.

17. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) längliche Gestalt hat, wobei die Elektroden (17, 18) des Comb-Drive-Antriebes (14a, 14b) zweckmäßigerweise in Längsrichtung des Ventilglie­ des (5) verlaufen.

18. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekenn­ zeichnet durch eine Ausgestaltung als 3/2-Wegeventil.