DE10333741A1

DE10333741A1 - Mikroventil mit elektrostatischem Antriebsprinzip

Info

Publication number: DE10333741A1
Application number: DE2003133741
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf; Michael Dr. Weinmann; Gebhard Munz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Es wird ein Mikroventil mit elektrostatischem Antriebsprinzip vorgeschlagen. Es umfasst eine in einer ersten Schichtebene (7) angeordnete Auflagestruktur (6), der ein Biegeaktor (12) benachbart ist. Zwei Elektroden (15, 16) bilden einen elektrostatischen Antrieb für den Biegeaktor (12). Zwischen dem Biegeaktor (12) und einer zugewandten Auflagefläche (8) der Auflagestruktur (6) befindet sich ein keilähnlicher Zwischenraum (26), zu dessen Bildung die Auflagefläche (8) zumindest bereichsweise einen mit Bezug zur ersten Schichtebene (7) geneigten Verlauf hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil mit elektrostatischem Antriebsprinzip, mit mindestens einer in einer ersten Schichtebene angeordneten, eine stationäre Elektrode bildenden oder aufweisenden Auflagestruktur, und mit mindestens einem einenends fixierten, eine bewegliche Elektrode bildenden oder aufweisenden Biegeaktor, der in einer zu der ersten Schichtebene senkrechten Höhenrichtung des Ventils gegenüberliegend einer Auflagefläche der Auflagestruktur angeordnet und antriebsmäßig mit mindestens einer einer Ventilöffnung zugeordneten Verschlusspartie gekoppelt ist, wobei die beiden Elektroden einen elektrostatischen Antrieb bilden, in dessen spannungslosem Zustand ein keilähnlicher Zwischenraum zwischen dem Biegeaktor und der Auflagefläche der Auflagestruktur vorliegt und durch den der Biegeaktor relativ zu der Auflagestruktur verschwenkbar ist, so dass er sich an die Auflagefläche anlegt.
Die DE 196 37 878 C2 beschreibt ein Mikroventil dieser Art, bei dem der Biegeaktor eine Ventilklappe bildet und unmittel bar eine einer zu steuernden Ventilöffnung gegenüberliegende Verschlusspartie aufweist. Im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes nimmt der Biegeaktor eine von der Auflagefläche der benachbarten Auflagestruktur weggebogene Ausgangsstellung ein und definiert mit einer zur Höhenrichtung des Ventils rechtwinkeligen Auflagefläche einer Auflagestruktur einen keilähnlichen Zwischenraum. Wird an den elektrostatischen Antrieb eine Spannung angelegt, rollt der Biegeaktor auf der Auflagefläche ab, wobei der Effekt eines sogenannten elektrostatischen Wanderkeils auftritt, indem der zwischen dem Biegeaktor und der Auflagestruktur angeschlossene keilförmige Zwischenraum, entsprechend der Biegerichtung des Biegeaktors, zum freien Ende des Biegeaktors hin oder in entgegengesetzter Richtung wandert. Auf diese Weise lassen sich verhältnismäßig große Schalthübe des Biegeaktors und mithin relativ große, steuerbare Strömungsraten erzielen. Damit verbunden ist jedoch eine relative große Bauhöhe des Mikroventils.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich trotz großer Schalthübe mit vergleichsweise geringer Bauhöhe realisieren lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass zur Bildung des keilähnlichen Zwischenraumes die Auflagefläche der Aufla gestruktur zumindest bereichsweise einen mit Bezug zur ersten Schichtebene geneigten Verlauf hat.
Auf diese Weise ist nicht die Krümmung des Biegeaktors für die Definition der Höhe des keilähnlichen Zwischenraumes verantwortlich, sondern zumindest teilweise und vorzugsweise insgesamt die Auflagefläche der Auflagestruktur, die im Vergleich zum Stand der Technik nicht mehr parallel zur ersten Schichtebene der Auflagestruktur verläuft, sondern geneigt dazu. Das Verhältnis an Bauhöhe und relalisierbarem Schalthub ist dabei besonders gut, wenn der Biegeaktor im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes in einer zu der ersten Schichtebene parallelen zweiten Schichtebene verläuft, so dass die gesamte Höhe des für den Schalthub zur Verfügung stehenden keilförmigen Zwischenraumes durch die entsprechend gestaltete und verlaufende Auflagefläche definiert wird. Geht man beispielsweise davon aus, dass die Auflagestruktur ein Schichtkörper ist, der im Bereich der Befestigungsstelle des Biegeaktors seine maximale Höhe besitzt, so kann der keilähnliche Zwischenraum durch eine sich zum freien Ende des Biegeaktors hin verringernde Schichtdicke der Auflagestruktur erzielt werden, so dass der Biegeaktor bei der Aktivierung quasi in die Schicht der Auflagestruktur eintaucht und folglich für den Schalthub nicht mehr Platz beansprucht wird als für die maximale Schichtdicke der Auflagestruktur sowieso erforderlich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Vor allem dann, wenn die Auflagestruktur aus Kunststoffmaterial besteht, ergeben sich sehr vielfältige Möglichkeiten, um eine optimale Formgebung für die Auflagefläche zu erreichen. Zur Herstellung können Abformtechniken eingesetzt werden, wobei sich insbesondere die Kunststoff-Mikrospritzgußtechnik oder Heißprägetechnik anbietet. Zur Verwirklichung der stationären Elektrode kann die Oberfläche der Auflagestruktur metallisiert sein, beispielsweise durch galvanische Metallisierung oder durch besputtern der Kunststoffoberfläche mit einem Metall.
Der Biegeaktor kann beispielsweise ebenfalls aus Kunststoffmaterial bestehen, das zur Realisierung der mit ihm bewegungsgekoppelten beweglichen Elektrode wiederum metallisch beschichtet ist. Möglich ist aber beispielsweise auch die Realisierung aus Metall, beispielsweise Nickel, insbesondere durch Herstellung nach dem sogenannten Liga-Verfahren.
Bevorzugt hat die Auflagefläche, ausgehend von der Befestigungsstelle des Biegeaktors bis zu dessen entgegengesetztem freien Ende hin, einen durchgehend geneigten, sich zunehmend vom Biegeaktor entfernenden Verlauf. Möglich wäre hier beispielsweise ein einfacher Schrägverlauf nach Art einer schiefen Ebene. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Auflagefläche über ihre gesamte Länge hinweg, zumindest jedoch bereichsweise, einen gekrümmten Verlauf hat. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Auflagefläche mit einem sich an die Befestigungsstelle des Biegeaktors anschließenden, konvex gekrümmten Längenabschnitt zu versehen, dessen Krümmung zunächst konstant verläuft, um mit zunehmender Entfernung von der Befestigungsstelle allmählich größer zu werden, bis sich schließlich ein geradliniger Längsverlauf einstellt. Erreicht der Biegeaktor bei seiner Aktivierung den geradlinigen Längenabschnitt, wird er durch die auftretenden elektrostatischen Kräfte stark gegen die Auflagestruktur gedrückt, so dass sich hohe Schließkräfte realisieren lassen, mit denen beispielsweise die Verschlusspartie gegen den eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz andrückbar ist.
Es besteht ferner die vorteilhafte Möglichkeit, den keilähnlichen Zwischenraum durch entsprechende Formgebung der Auflagefläche als Doppelkeil-Zwischenraum auszubilden, so dass sich im spannungslosen Zustand des Biegeaktors zwei als Keilzonen bezeichnete, keilartig konturierte Bereiche einstellen, die ausgehend von den beiden Endbereichen des Biegeaktors zum jeweils anderen Endbereich hin eine zunehmende Keilhöhe aufweisen. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das Prinzip des elektrostatischen Wanderkeils wenigstens zweifach auftritt und folglich besonders hohe Schaltkräfte hervorgerufen werden können.
Das Mikroventil kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass es über lediglich eine Antriebseinheit verfügt, die jeweils eine Auflagestruktur mit zugeordnetem Biegeaktor sowie die zugeordneten, einen elektrostatischen Antrieb bildenden Elektroden enthält. Nach diesem Prinzip können extrem kompakte Mikroventile aufgebaut werden.
Es besteht jedoch die vorteilhafte Möglichkeit, das Mikroventil mit mehreren derartigen Antriebseinheiten auszustatten und deren Biegeaktoren wirkungsmäßig parallel zu schalten. Auf diese Weise lassen sich besonders hohe Schaltkräfte hervorrufen. Zweckmäßig ist es hierbei, die Anordnung so zu treffen, dass sämtliche Biegeaktoren an einem beweglichen Ventilglied angreifen, das eine oder mehrere Verschlusspartien aufweist, mit denen sich eine oder mehrere Ventilöffnungen steuern lassen.
Mehrere Antriebseinheiten können zu einer Baueinheit zusammengefasst werden, was die Herstellung beträchtlich vereinfacht. Die Antriebseinheiten selbst können zu mehreren jeweils in der gleichen Schichtebene und/oder in in der Höhenrichtung aufeinanderfolgenden, zueinander parallelen Schichtebenen platziert werden.
Zur Verdeutlichung der Erfindung schließt sich nun eine Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele an, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
1 eine stark vergrößerte, schematische Längsschnittdarstellung einer möglichen ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils, wobei der Biegeaktor seine Ausgangsstellung im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes einnimmt,
2 das Mikroventil aus 1 in der durch Aktivierung des elektrostatischen Antriebes erhaltenen Endstellung des Biegeaktors,
3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils, wiederum in einer stark schematisierten Längsschnittdarstellung, wobei der Biegeaktor die Ausgangsstellung einnimmt,
4 das Mikroventil aus 3 in einer Zwischenstellung des Biegeaktors,
5 das Mikroventil aus 3 in der Endstellung des Biegeaktors,
6 eine perspektivische Einzeldarstellung einer alternativen Ausführungsform der Auflagestruktur mit Blick auf die Auflagefläche, die hier über ihre Breite hinweg unterschiedlich stark geneigt ist,
7 bis 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikroventils in einer schematischen Längsschnittdarstellung, wobei wiederum eine Ausgangsstellung, eine Zwischenstellung und eine Endstellung gezeigt sind,
10 eine Einzeldarstellung des bei dem Mikroventil gemäß 7 bis 9 zum Einsatz kommenden Biegeaktors in einer Draufsicht auf die mit einer Verschlusspartie ausgestattete Längsseite,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikroventils, das mit mehreren, gemeinsam auf ein Ventilglied einwirkenden elektrostatischen Antriebseinheiten ausgestattet ist, wobei die Biegeaktoren bei Einnahme der Ausgangsstellung gezeigt sind, und
12 das Mikroventil aus 11 in der Endstellung der Biegeaktoren und bei dementsprechend umgeschaltetem Ventilglied.
Die in der Zeichnung dargestellten Mikroventile dienen zur Steuerung von Fluidströmen, wobei sowohl pneumatische als auch hydraulische Anwendungen möglich sind. Die bei diesen Mikroventilen realisierte Erfindung ermöglicht es, trotz verhältnismäßig geringen Elektrodenflächen relative große Schalthübe und somit hohe Durchflussraten zu realisieren.
Die abgebildeten Mikroventile verfügen jeweils über ein Ventilgehäuse 1, das einen mehrschichtigen Aufbau haben kann und das beim Ausführungsbeispiel aus Kunststoffmaterial besteht. Das Ventilgehäuse 1 definiert im Innern eine Ventilkammer 2, in die mehrere Ventilkanäle 3 einmünden. Obgleich prinzipiell auch andere Funktionalitäten möglich sind, befassen sich die Ausführungsbeispiele mit Ausgestaltungen als 2/2-Wegeventilen, wobei einer der Ventilkanäle als Speisekanal 3a und mindestens ein weiterer Ventilkanal als Arbeitskanal 3b ausgeführt sind. Über den Speisekanal 3a kann Druckmedium eingespeist werden. An der Arbeitskanal 3b kann ein mit dem Druckmedium gesteuert zu versorgender Verbraucher angeschlossen werden.
Im folgenden sei zunächst näher auf die Ausführungsbeispiele der 1 bis 10 eingegangen. Diesen Bauformen ist gemeinsam, dass sie lediglich eine Antriebseinheit 4 besitzen, deren Aufbau nun im Detail erläutert wird.
Die Mikroventile besitzen eine strichpunktiert angedeutete Höhenrichtung 5 und enthalten eine eine Begrenzungswand der Ventilkammer 2 definierende Auflagestruktur 6, die in einer ebenfalls strichpunktiert angedeuteten ersten Schichtebene 7 verläuft, welche senkrecht zu der Höhenrichtung 5 ausgerichtet ist. Die Auflagestruktur 6 besitzt an der der Ventilkammer 2 zugewandten Seite eine Auflagefläche 8.
In der Ventilkammer 2 ist ein der Auflagefläche 8 gegenüberliegender länglicher Biegeaktor 12 angeordnet. An einer einenends vorgesehenen Befestigungsstelle 13 ist er gehäusefest fixiert, beispielsweise durch eine Einspannung und/oder durch Verkleben mit dem Ventilgehäuse 1 und/oder der Auflagestruktur 6.
Ausgehend von der Befestigungsstelle 13 erstreckt sich der Biegeaktor 12 in einer Längsrichtung bis hin zu seinem entgegengesetzten freien Ende 14.
Die Auflagestruktur 6 besteht beim Ausführungsbeispiel aus Kunststoffmaterial, das an der dem Biegeaktor 12 zugewandten Seite eine z.B. galvanisch oder durch Sputtern aufgebrachte Metallschicht trägt, die als stationäre Elektrode 15 fungiert.
Eine weitere Elektrode befindet sich am Biegeaktor 12 und macht dessen Bewegungen mit, aus welchem Grund sie, der besseren Unterscheidung wegen, als bewegliche Elektrode 16 bezeichnet sei. Bei den Ausführungsbeispielen besteht der Biegeaktor 12 aus Metall, beispielsweise aus Nickel, so dass er die bewegliche Elektrode 16 unmittelbar selbst bilden kann. Alternativ wäre aber auch hier möglich, einen Biegeaktor 12 aus Kunststoffmaterial zu verwenden, der zum Erhalt der beweglichen Elektrode 16 an der der Auflagestruktur 6 zugewandten Längsseite metallisiert ist.
An die beiden Elektroden 15, 16 ist über in 1 schematisch angedeutete, aus dem Ventilgehäuse 1 herausgeführte elektrische Leiter 17 eine Betätigungsspannung anlegbar. Sie bewirkt die Erzeugung eines elektrostatischen Feldes zwischen den Elektroden 15, 16 der Auflagestruktur 6 und des Biegeaktors 12. Somit stellen die beiden Elektroden 15, 16 einen elektrostatischen Antrieb dar, der es ermöglicht, eine Auslenkung des Biegeaktors 12 quer zu seiner Längsrichtung hervorzurufen.
Zwischen den beiden Elektroden 15, 16 befindet sich eine nicht näher gezeigte Isolationsschicht, die einen Kurzschluss verhindert, wenn der Biegeaktor 12 an der Auflagestruktur 6 anliegt. Die Isolationsschicht kann wahlweise auf dem Biegeaktor 12 oder auf der Auflagestruktur 6 oder auf beiden Komponenten aufgebracht sein. Zur Realisierung der Isolationsschicht bieten sich insbesondere Fluor-Polymere an, die zudem eine hohe Abriebfestigkeit sowie eine wasser- und ölabweisende Eigenschaft aufweisen.
Der Biegeaktor 12 ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass er im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes 15, 16 eine plane Gestalt aufweist. Er ist dabei zweckmäßigerweise so ausgerichtet, dass er sich linear in einer zweiten Schichtebene 18 erstreckt, die zu der ersten Schichtebene 7 parallel verläuft.
Der Biegeaktor 12 ist antriebsmäßig mit einer Verschlusspartie 22 gekoppelt, die der Ventilöffnung 23 eines der in die Ventilkammer 2 einmündenden Ventilkanäle 3 gegenüberliegt. Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 10 gehört die Ventilöffnung 23 zum Arbeitskanal 3b.
Die Verschlusspartie 22 befindet sich an der der Auflagestruktur 6 entgegengesetzten Längsseite des Biegeaktors 12. Es kann sich bei ihr um einen Dichtpad handeln.
Im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes 15, 16 liegt die Verschlusspartie 22 an einem die Ventilöffnung 23 umgrenzenden Ventilsitz an. Liegt am Speisekanal 3a Druck an, wird die Verschlusspartie 22 verstärkt gegen den Ventilsitz vorgespannt. Der Fluiddurchgang durch das Mikroventil ist dadurch unterbrochen.
Für die Funktion des Mikroventils ist es günstig, wenn die Steifigkeit des in der Praxis mebranartig dünn ausgebildeten Biegeaktors 12 nicht zu hoch wird, da ansonsten die elektrostatische Antriebskraft unter Umständen nicht mehr ausreicht, um die gewünschte Verformung des Biegeaktors 12 hervorzurufen. Beim Ausführungsbeispiel der 7 bis 10 kommt daher ein Biegeaktor 12 mit relativ geringer Steifigkeit zum Einsatz. Die erhöhte Flexibilität könnte jedoch zur Folge haben, dass der in der Ventilkammer 2 herrschende Druck den Biegeaktor 12 großflächig gegen die der Auflagestruktur 6 ge genüberliegende Innenfläche 24 des Ventilgehäuses 1 andrückt, was die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte. Um diese Problematik zu umgehen, können daher an der erwähnten Innenfläche 24 vorsprungartige Abstandshalter 25 vorgesehen werden, die den Biegeaktor 12 abfangen. Diese Abstandshalter 25 sind zweckmäßigerweise über die gesamte Länge des Biegeaktors 12 verteilt, ausgenommen der Bereich der Einmündungen der Ventilkanäle 3.
Da der Biegeaktor 12 nun trotz der relativ weichen Charakteristik eine geradlinige Gestalt einnehmen kann, in der er vom Druckmedium umspült wird, ergibt sich ein Zustand, bei dem die an ihm vorgesehene Verschlusspartie 22 mit großer Schließkraft gegen die zu verschließende Ventilöffnung 23 angepresst wird.
Während sich der Biegeaktor 12 im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes 15, 16 rechtwinkelig zur Höhenrichtung 5 erstreckt, ist die Auflagefläche 8 der Auflagestruktur 6 derart ausgerichtet, dass sie zumindest bereichsweise einen Winkel von ungleich 90° mit der Höhenrichtung 5 einschließt. Mit anderen Worten hat die Auflagefläche 8 zumindest bereichsweise einen mit Bezug zur ersten Schichtebene 7 geneigten Verlauf. Auf diese Weise ergibt sich zwischen dem Biegeaktor 12 und der Auflagefläche 8 der Auflagestruktur 6 ein keilähnlicher Zwischenraum 26.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 bildet der keilähnliche Zwischenraum 26 eine einzige Keilzone 27, deren Keilspitze der Befestigungsstelle 13 zugeordnet ist. In unmittelbarer Nähe der Befestigungsstelle 13 ist der Abstand zwischen den beiden Elektroden 15, 16 am geringsten, um sich ausgehend von dort bis hin zum freien Ende 14 ständig zu vergrößern.
Durch diese Konfiguration tritt bei der Aktivierung des elektrostatischen Antriebes 15, 16 der Effekt eines sogenannten elektrostatischen Wanderkeils auf. Bedingt durch den geringen Elektrodenabstand legt sich der Biegeaktor 12 zunächst in der Nachbarschaft der Befestigungsstelle 13 an die Auflagefläche 8 an, wobei der Kontaktbereich anschließend hin zum freien Ende 14 wandert, wobei gleichzeitig auch der keilähnliche Zwischenraum 26 zu diesem freien Ende 14 hin verlagert wird, bis letztlich der Biegeaktor 12 über seine gesamte Länge hinweg an der geneigten Auflagefläche 8 anliegt (2).
Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 besitzt die Auflagefläche 8 über die gesamte nicht eingespannte Länge des Biegeaktors 12 einen geneigten, sich zunehmend in der Höhenrichtung 5 vom Biegeaktor 12 entfernenden Verlauf. Bevorzugt ist die Auflagefläche 8 dabei so gestaltet, dass sie im Anschluss an die Befestigungsstelle 13 einen konvex gekrümmten Längenabschnitt aufweist, dessen Krümmung zunächst ein Stück weit konstant ist, um anschließend einen zunehmend größeren Krümmungsradius zu erhalten und letztlich in einen schrägverlaufenden ebenen Längenabschnitt 8b im Bereich des freien Endes 14 des Biegeaktors 12 überzugehen.
Bei den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 und 7 bis 10 ist der keilähnliche Zwischenraum 26 durch entsprechende Formgebung der Auflagefläche 8 so geformt, dass im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes 15, 16 der Eindruck entsteht, der Zwischenraum 26 habe die Form zweier gegenläufiger Keile, die sich von den äußeren Endbereichen des Biegeaktors 12 in dessen Längsrichtung 11 mit zunehmender Höhe nach innen erstrecken. Der Zwischenraum sei daher als Doppelkeil-Zwischenraum 28 bezeichnet.
Eine erste Keilzone 32 des Doppelkeil-Zwischenraum 28 hat ihre Spitze im Bereich der Befestigungsstelle 13 und erstreckt sich von dort, mit zunehmender Keilhöhe, in Richtung zum entgegengesetzten, freien Ende 14 des Biegeaktors 12. Eine zweite Keilzone 33 hat den Bereich der Keilspitze beim freien Ende 14 des Biegeaktors 12 und erstreckt sich ausgehend von dort, mit zunehmender Keilhöhe, in Richtung zur Befestigungsstelle 13. An einer Vereinigungsstelle 34 gehen die beiden Keilzonen 32, 33 ineinander über.
Die Keilsteigung kann in den beiden Keilzonen 32, 33 unterschiedlich sein. Auch besteht die Möglichkeit, die Auflagefläche 8 in den beiden Keilzonen 32, 33 auf unterschiedliche Art zu wölben und/oder mit geradlinigen Flächenabschnitten zu versehen.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 bis 5 ist die zweite Keilzone 33 im Bereich des freien Endes 14 nicht von vorne herein geschlossen. Das freie Ende 14 hat hier in der Ausgangsstellung einen gewissen Abstand "a" von der Auflagefläche 8, der kleiner ist als die Höhe h des Doppelkeil-Zwischenraum 28 im Bereich der Vereinigungsstelle 34.
Wird der elektrostatische Antrieb 15, 16 aktiviert, so wandert zunächst die Keilspitze der ersten Keilzone 32 in Richtung zum freien Ende 14, wobei sich der Biegeaktor 12 ausgehend von der Befestigungsstelle 13 mit zunehmender Länge an die Auflagefläche 8 anschmiegt. Das Verformungsverhalten des Biegeaktors 12 ist dabei zunächst noch vergleichbar mit demjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 und 2 (Zwischenstellung gemäß 4).
Nachdem der Biegeaktor 12 jedoch soweit ausgelenkt wurde, dass sein freies Ende 14 den Abstand "a" überbrückt hat, stützt sich dieses freie Ende 14 an der Auflageschicht 13 ab und es ergibt sich ein von dieser Abstützstelle 35 ausgehender zweiter Wanderkeil, der gegenläufig zum ersten Wanderkeil in Längsrichtung des Biegeaktors 12 wandert. Auf diese Weise ergibt sich eine Erhöhung der elektrostatischen Stellkraft von entgegengesetzten Stirnseiten des Biegeaktors 12 her, so dass sich besonders große Schalthübe realisieren lassen.
Das Ausführungsbeispiel der 7 bis 10 unterscheidet sich von demjenigen der 3 bis 5 dadurch, dass der Biegeaktor 12 bereits im Ausgangszustand, bei nicht betätigtem elektrostatischem Antrieb 15, 16, an einer in der Schwenkrichtung gegenüberliegenden Abstützstelle 35 der Auflagestruktur 6 anliegt. Somit ergibt sich gleich von Anfang an bei der Betätigung des elektrostatischen Antriebes 15, 16 der Effekt eines Doppelwanderkeils, ausgehend von zum einen der Befestigungsstelle 13 und zum anderen dem abgestützten freien Ende 14.
Bei angelegter Spannung wird der Biegeaktor 12 beginnend im Bereich seiner Befestigungsstelle 13 in Richtung zur Auflagestruktur 6 ausgelenkt. Würde die Krümmung der Auflagefläche 8 konstant sein, so ergäbe sich eine abnehmende Stellkraft mit zunehmender Annäherung des Wanderkeils an die zu steuernde Öffnung 23. Da jedoch die beiden Keilzonen 32, 33 über aufeinander abgestimmte Neigungen und/oder Krümmungen verfügen, wird das komplette Anziehen des Biegeaktors 12 gegen die Auflagefläche 8 begünstigt.
Nach dem Abschalten des Antriebes kehrt der Biegeaktor 12 in die geradlinige Geometrie zurück, wobei der über den Speisekanal 3a in der Ventilkammer 2 aufgebaute Druck eine fluidi sche Schließkraft liefert, mit der die Verschlusspartie 22 gegen den Sitz der Ventilöffnung 23 fest angepresst wird.
Damit das eingespeiste Druckmedium problemlos in die Ventilkammer 2 gelangen kann, verfügt der Biegeaktor 12 beim Ausführungsbeispiel im Bereich des freien Endes 14 über eine stirnseitige Aussparung 36, die der Mündung des Speisekanals 3a gegenüberliegt.
Durch entsprechende Gestaltung der Auflagefläche 8 kann man das Bewegungsverhalten des Biegeaktors 12 nicht nur über dessen Länge hinweg, sondern auch in der Breitenrichtung – rechtwinkelig zur Zeichnungsebene – beeinflussen. In diesem Zusammenhang zeigt die 6 eine Einzeldarstellung einer möglichen Ausgestaltung der Auflagestruktur 6, bei der die Auflagefläche 8 über ihre Breite hinweg zumindest bereichsweise unterschiedlich stark geneigt ist. Im Bereich der in der Zeichnung links liegenden Längsseite liegt eine wesentlich stärkere Neigung vor als an der rechten Längsseite. Wenn sich der Biegeaktor 12 an diese Auflagefläche 8 anschmiegt, wird er mit Bezug zu seiner Längsachse ein Stück weit verdrillt oder verkippt. Dadurch kann man beispielsweise zwei nebeneinander angeordnete, zu steuernde Ventilöffnungen unterschiedlich schnell öffnen und schließen.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Auflagestruktur 6 im Bereich der Befestigungsstelle 13 eine maximale Höhe H_max aufweist, gemessen in der Höhenrichtung 5. An den anderen Stellen ist die Höhe der Auflagestruktur 6 aufgrund des geneigten Verlaufes der Auflagefläche 8 geringer. Wird nun der Biegeaktor 12 ausgehend von seiner Ausgangsstellung seitwärts in Richtung zur Auflagefläche 8 ausgelenkt, taucht er in den durch den geneigten Flächenverlauf ausgesparten Bereich der Auflagestruktur 6 ein, wobei ihm ein relativ großer Hub zur Verfügung steht, ohne die Höhenabmessungen des Ventils zu vergrößern. Das Mikroventil kann daher mit sehr kompakter Bauhöhe realisiert werden.
Dieser Umstand prädestiniert die Erfindung auch dazu, zur weiteren Vergrößerung der erzielbaren Schaltkräfte mehrere Antriebseinheiten 4 in einem Mikroventil so zu vereinigen, dass ihre Biegeaktoren 12 wirkungsmäßig parallel geschaltet sind. Ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein solches Mikroventil zeigen die 11 und 12. Dort sind im übrigen die den bisherigen Ausführungen entsprechenden Komponenten mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Das Mikroventil der 11 und 12 ist mit insgesamt sechs Antriebseinheiten 4 ausgestattet. Jede Antriebseinheit 4 enthält, in der oben geschilderten Weise, eine eine stationäre Elektrode 15 aufweisende oder bildende Auflagestruktur 6 und einen dieser zugeordneten, eine bewegliche Elektrode aufweisenden oder bildenden Biegeaktor 12. Zu erkennen sind in der Zeichnung die an den einzelnen Auflagestrukturen 6 ausgebil deten Auflageflächen 8, die hier exemplarisch mit über ihre gesamte Länge hinweg konvex geformter Krümmung ausgestattet sind.
Die einzelnen Antriebseinheiten 4 sind so ausgelegt, dass ihre elektrostatischen Antriebe gleichzeitig gleichgerichtet aktivierbar sind. Auf diese Weise wirken die erzeugten Stellkräfte gleichzeitig und gleichgerichtet auf ein relativ zur Ventilöffnung 23 eines Ventilkanals 3 bewegbares Ventilglied 37 ein.
Das Ventilglied 37 kann beispielsweise über eine Membran 38 am Ventilgehäuse 1 beweglich aufgehängt sein, wobei allerdings auch andere Lagerungsmittel denkbar wären. An dem Ventilglied 37 befindet sich eine der Ventilöffnung 23 zugeordnet Verschlusspartie 22, die im deaktivierten Zustand der Antriebseinheiten 4 an dem die Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz anliegt (11), während sie im aktivierten Zustand der Antriebseinheiten 4 durch die dann in ihre Endstellung ausgelenkten Biegeaktoren 12 von der Ventilöffnung abgehoben ist.
Beim Ausführungsbeispiel sind die Antriebseinheiten 4 paarweise in ein und der selben ersten Schichtebene 7 angeordnet. Dabei sind insgesamt drei erste Schichtebenen 7 vorgesehen, die in der Höhenrichtung 5 aufeinanderfolgend angeordnet sind, so dass sich in der Höhenrichtung 5 eine Hintereinan derschaltung von drei Paaren von Antriebseinheiten 4 ergibt, deren Biegeaktoren 12 wirkungsmäßig parallelgeschaltet an dem Ventilglied 37 angreifen.
Die Mehrzahl von Antriebseinheiten 4 ist zweckmäßigerweise zu einer Baueinheit 42 zusammengefasst, die sich einheitlich handhaben lässt. Dadurch wird der Zusammenbau des Mikroventils erheblich vereinfacht. Es kann insbesondere vorgesehen werden, dass die einzelnen Auflagestrukturen 6 einstückiger Bestandteil eines gemeinsamen Auflagestrukturkörpers 43 sind.
Abschließend noch einige weitere Anmerkungen zu zweckmäßigen Realisierungsformen der Erfindung.
Bevorzugt wird Auflagestruktur 6 aus Kunststoffmaterial realisiert, was sehr variable Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet. Das Wanderkeilprinzip sieht eine Integration der Auflagefläche 8 in gehäusefeste Bestandteile vor, was es ermöglicht, den Biegeaktor 12 in der Ausgangsstellung rechtwinkelig zur Höhenrichtung 5 des Ventils zu orientieren und auf ein ausschwenken über diese Lage hinaus auf die der Auflagestruktur entgegengesetzte Seite zu verzichten.
Sofern als Träger für die Verschlusspartie 22 ein gesondertes Ventilglied zum Einsatz kommt, sind praktisch beliebige Gestaltungen möglich, einschließlich solcher, bei denen das Ventilglied wippenartig ausgeführt ist. Eine solche Wippe kann mit zwei Verschlusspartien 22 ausgestattet sein, die im Wech sel mit zwei Ventilöffnungen zusammenarbeiten, um in Verbindung mit einem weiteren Ventilkanal ein 3/2-Wegeventil zu realisieren.
Die Rückstellkraft des Biegeaktors 12 in die Ausgangsstellung kann allein aus der Eigensteifigkeit des verwendeten Materials abgeleitet werden oder aber auch unter zur Hilfenahme einer zusätzlichen Federeinrichtung.
Die von einem Biegeaktor 12 gesteuerte Ventilöffnung 23 kann je nach Bauform des Ventils zu einem Speisekanal oder zu einem Arbeitskanal gehören.
Da beim Ausführungsbeispiel der 11 und 12 durch die Membran 38 eine Unterteilung der Ventilkammer 2 in einen mit den Ventilkanälen 3 kommunizierenden ersten Teilraum 44 und einen die Antriebseinheiten 4 enthaltenden zweiten Teilraum 45 vorgenommen ist, liegt eine wirksame Abschirmung vor, die eine Verunreinigung der Antriebseinheiten 4 durch vom Fluid mitgeführt Partikel verhindert. Ferner besteht die Möglichkeit, den zweiten Teilraum 45 vollständig mit einem Fluid zu füllen, das eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist, wodurch die elektrostatische Kraft erhöht wird.

Claims

Mikroventil mit elektrostatischem Antriebsprinzip, mit mindestens einer in einer ersten Schichtebene (7) angeordneten, eine stationäre Elektrode (15) bildenden oder aufweisenden Auflagestruktur (6), und mit mindestens einem einenends fixierten, eine bewegliche Elektrode (16) bildenden oder aufweisenden Biegeaktor (12), der in einer zu der ersten Schichtebene (7) senkrechten Höhenrichtung (5) des Ventils gegenüberliegend einer Auflagefläche (8) der Auflagestruktur (6) angeordnet und antriebsmäßig mit mindestens einer einer Ventilöffnung (23) zugeordneten Verschlusspartie (22) gekoppelt ist, wobei die beiden Elektroden (15, 16) einen elektrostatischen Antrieb bilden, in dessen spannungslosem Zustand ein keilähnlicher Zwischenraum (26) zwischen dem Biegeaktor (12) und der Auflagefläche (8) der Auflagestruktur (6) vorliegt und durch den der Biegeaktor (12) relativ zu der Auflagestruktur (6) verschwenkbar ist, so dass er sich an die Auflagefläche (8) anlegt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bil dung des keilähnlichen Zwischenraumes (26) die Auflagefläche (8) der Auflagestruktur (6) zumindest bereichsweise einen mit Bezug zur ersten Schichtebene (7) geneigten Verlauf hat.
Mikroventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktor (12) im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes in einer zu der ersten Schichtebene (7) parallelen zweiten Schichtebene (18) verläuft.
Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (8) ausgehend von der Befestigungsstelle (13) des Biegeaktors (12) bis zu dessen entgegengesetztem freien Ende (14) hin einen durchgehend geneigten, sich zunehmend vom Biegeaktor (12) entfernenden Verlauf hat.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (8) zumindest bereichsweise einen gekrümmten Verlauf hat.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (8) ausgehend von der Befestigungsstelle (13) zum freien Ende (14) des Biegeaktors (12) einen teilweise gekrümmten und teilweise geradlinigen Längsverlauf besitzt.
Mikroventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (8) im Anschluss an die Befestigungsstelle (13) des Biegeaktors (12) einen konvex gekrümmten Län genabschnitt (8a) und einen sich daran anschließenden geradlinigen Längenabschnitt (8b) aufweist.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (8) über ihre Breite hinweg zumindest bereichsweise unterschiedlich stark geneigt ist.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keilähnliche Zwischenraum (26) durch entsprechende Formgebung der Auflagefläche (8) als Doppelkeil-Zwischenraum (28) ausgebildet ist, der zwei sich ausgehend von den beiden Endbereichen des Biegeaktors (12) in Richtung zum jeweils anderen Endbereich hin erstreckende Keilzonen (32,33) mit zunehmender Keilhöhe aufweist.
Mikroventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (14) des Biegeaktors (12) im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes mit Abstand zur Auflagefläche (8) angeordnet ist.
Mikroventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (14) des Biegeaktors (12) im spannungslosen Zustand des elektrostatischen Antriebes an der Auflagefläche (8) der Auflagestruktur (6) anliegt.
Mikroventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktor (12) zwischen seiner Befestigungsstelle (13) und seinem freien Ende (14) auf der der Auflagefläche (8) entgegengesetzten Seite eine einer Ventilöffnung (23) gegenüberliegende Verschlusspartie (22) aufweist, wobei der Biegeaktor (12) in einer in einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Ventilkammer (2) sitzt, die über eine weitere Ventilöffnung mit Druckmedium gespeist wird, und dass an der der Auflagefläche (8) gegenüberliegenden Innenfläche der Ventilkammer (2) vorsprungartige Abstandshalter (25) vorgesehen sind, die ein vollflächiges Anlegen des Biegeaktors (12) verhindern.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagestruktur (6) aus Kunststoffmaterial besteht.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagestruktur (6) zur Bildung der stationären Elektrode (15) an der dem Biegeaktor (12) zugewandten Seite metallisiert ist.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktor (12) aus Metall oder aus metallisiertem Kunststoffmaterial besteht.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusspartie (22) unmittelbar am Biegeaktor (12) selbst oder an einem durch den Biegeaktor (12) betätigbaren separaten Ventilglied (37) vorgesehen ist.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch mehrere jeweils eine Auflagestruktur (6) mit zugeordnetem Biegeaktor (12) und einen elektrostatischen Antrieb aufweisende Antriebseinheiten (4), deren Biegeaktoren (12) wirkungsmüßig parallel geschaltet sind.
Mikroventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Biegeaktoren (12) an einem mindestens eine Verschlusspartie (22) aufweisenden beweglichen Ventilglied (37) angreifen.
Mikroventil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Antriebseinheiten (4) in der gleichen Schichtebene (7) angeordnet sind.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Antriebseinheiten (4) in der Höhenrichtung (5) aufeinanderfolgend in zueinander parallelen Schichtebenen (7) angeordnet sind.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Antriebseinheiten (4) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.