DE19712855A1

DE19712855A1 - Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil

Info

Publication number: DE19712855A1
Application number: DE1997112855
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Dr Feigel
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-01

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisch betätigtes Fluidventil, insbesondere für eine geregelte hydraulische Bremsanlage, mit einem in einem Ventilgehäuse ausgebildeten Strömungskanal, einem relativ zum Strömungskanal beweglichen Ventilelement, durch das der Strömungskanal ganz oder teilweise verschließbar ist, und einem einseitig am Ventil gehäuse abgestützten, piezoelektrischen Stellglied, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung biegt und dadurch das Ventilelement bewegt.

Ein Fluidventil der eingangs genannten Art ist aus der WO 95/25920 bekannt. Bei diesem bekannten Fluidventil ist als Stellglied ein piezoelektrischer Mehrschicht-Biegewandler vorgesehen, der aus mindestens zwei miteinander fest ver bundenen Keramikschichten mit piezoelektrischen Eigenschaf ten besteht, die quer zur Erstreckungsrichtung des Biege wandlers polarisiert und auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Belag überzogen sind. Wird an eine Keramikschicht eine Spannung in deren Polarisationsrichtung und an die andere Keramikschicht die Spannung entgegen deren Polarisationsrichtung angelegt, so erfährt die eine Keramikschicht eine Verkürzung und die andere Keramikschicht eine Längung, wodurch der Biegewandler sich insgesamt krümmt und damit das an seinem von der Einspannstelle abgekehrten freien Ende befestigte Ventil element auf einen Ventilsitz auflegt oder von diesem abhebt. Bei dem bekannten Fluidventil ist nachteilig, daß das Ventilglied unmittelbar an den piezoelektrischen Kera mikschichten befestigt ist. Diese Schichten sind bruchemp findlich und können nicht beliebig bearbeitet werden. Die Befestigung des Ventilelements ist daher verhältnismäßig aufwendig und teuer. Weiterhin ist von Nachteil, daß der bekannte Biegewandler wegen der begrenzten Dicke seiner Keramikschichten eine verhältnismäßig kleine Verstellkraft erzeugt, so daß zur Erhöhung der Verstellkraft eine zusätz liche Abstützung des Biegewandlers im Abstand von seiner Einspannstelle erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluidventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfach und kostengünstig herstellbar ist und sich durch eine ver gleichsweise hohe Verstellkraft auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stellglied aus einem piezoelektrisch passiven, elastisch verformbaren Träger und einem auf einer Seite des Trägers angebrachten piezoelektrischen Stapelelement gebildet ist, das aus einer Anzahl in Richtung der Biegeachse des Stell glieds aufeinander gestapelter Piezoelemente besteht.

Das erfindungsgemäße Fluidventil hat den Vorteil, daß der Träger des piezoelektrischen Stellglieds aus einem robusten und in der gewünschten Weise bearbeitbaren, biegeelastischen Material bestehen kann, da er keine piezoelektrischen Eigenschaften haben muß. Die Anbringung des Ventilelements kann daher auf einfache und kostengünstige Weise an dem Träger erfolgen. Darüberhinaus ist es möglich, den Träger selbst als Ventilelement auszubilden. Das erfindungsgemäße Stellglied hat weiterhin den Vorteil, daß die Abmessungen des Stapelelements von der geeigneten Schichtdicke der ein zelnen Piezoelemente unabhängig ist, da deren Breite und Länge frei gewählt werden kann, wobei sich die Länge des Stapelelements aus der gewählten Anzahl der aufeinanderge stapelten Piezoelemente ergibt. Auf diese Weise ist es mög lich, das Stapelelement in seinen Abmessungen so zu gestal ten, daß sich eine hohe Verstellkraft erreicht wird. Das erfindungsgemäße Stellglied zeichnet sich weiterhin durch einen geringen Raumbedarf aus.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht der Träger aus einem quaderförmigen, langgestreckten Streifen, der aus einem keramischen Material hergestellt sein kann. Auch das Stapelelement hat vorzugsweise die Form eines quaderförmigen Streifens und beide Streifen sind durch Kleben mit ihrer Breitseite miteinander verbunden. Um das Ventilelement auf einfache Weise an dem Träger befestigen zu können, ragt der Träger erfindungsgemäß mit seinem bewegbaren Ende über das Stapelelement hinaus und weist dort Mittel, beispielsweise eine Ausnehmung, zur Befestigung des Ventilelements auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das bewegbare Ende des Trägers mit einer Federkraft entgegen der piezoelektrischen Stellkraft belastet ist. Durch eine solche Federkraft kann bei einem in der Grundstellung, d. h. ohne Anlegen einer Spannung geschlossenen Fluidventil das Ventilelement mit einer definierten Schließkraft an einen Ventilsitz gedrückt werden. Bei einem in der Grundstellung offenen Ventil bewirkt die Federkraft eine Stabilisierung des Stellglieds in der Grundstellung.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der das bewegbare Ende des Trägers eine Dichtfläche aufweist, die einer zur Biegeachse senkrechten Wand der Ventilkammer mit geringem Spiel gegenüberliegt, wobei eine in der Wand der Ventilkammer liegende Mündung eines Strö mungskanals je nach Stellung des Trägers ganz oder teilweise von der Dichtfläche bedeckt ist. Das Spiel zwischen der Dichtfläche und der Wand der Ventilkammer kann hierbei an der Einspannung des Stellglieds einstellbar sein. Diese Gestaltung des Fluidventils eignet sich vor allem für Ven tile, die in der Grundstellung offen sind und für Ventile zur Regelung des Durchlaßquerschnitts in Abhängigkeit von einer Steuerspannung. Auch Mehrwegeventile können auf diese Weise realisiert werden. Hierzu kann in der Dichtfläche eine Ausnehmung vorgesehen sein, durch die zwei in der Wand der Ventilkammer nebeneinander liegende Mündungen von Strö mungskanälen in einer Stellung des Trägers miteinander ver bunden sind.

Das piezoelektrische Stellglied kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Ventilkammer angeordnet sein. Befindet sich das Stellglied innerhalb der Ventilkammer, so ist vor gesehen, daß die Elektroden der Piezoelemente durch eine druckdichte Durchführung aus der Ventilkammer herausgeführt und auf der Außenseite als Steckkontakte ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die druckdichte Durchführung in einem lös bar mit dem Gehäuse verbundenen Deckel angeordnet. Zur Bil dung eines Mehrwegeventils können erfindungsgemäß auch zwei oder mehr Stellglieder mit Ventilelementen in einer gemein samen Ventilkammer untergebracht sein. Die Anordnung der Stellglieder in der Ventilkammer führt zu einem besonders einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Fluidventils. Sie erfordert aber in der Regel einen besonderen Schutz und eine besondere Isolierung der Piezoelemente, gegenüber dem sie umgebenden Druckmittel. Ist das Stellglied außerhalb der Ventilkammer angeordnet, so ist ein besonderer Schutz der Piezoelemente entbehrlich, statt dessen aber eine druck dichte, bewegliche Durchführung erforderlich, die das Stellglied mit dem Ventilelement verbindet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein in der Grundstellung geschlossenes Sitzventil mit innenliegendem Stellglied,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein in der Grundstellung offenes Schieberventil mit innenliegendem Stell glied,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Anordnung der Ven tile gemäß den Fig. 1 und 2 in einer gemeinsa men Ventilkammer,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt eines aus Sitzventil und Schieberventil kombinierten Mehrwegeventils,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt des Mehrwegeventils gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Schieberventil querschnitte des Mehrwegeventils gemäß Fig. 4 und

Fig. 7 einen Querschnitt eines in der Grundstellung geschlossenen Sitzventils mit außenliegendem Stellglied.

Das in Fig. 1 gezeigte Sitzventil besteht aus einem Ven tilgehäuse 1 mit einer darin ausgebildeten Ventilkammer 2, in die ein erster Strömungskanal 3 und ein zweiter Strö mungskanal 4 münden. Der Strömungskanal 4 weist an seiner Mündung einen Ventilsitz 5 auf, der durch ein in der Ventilkammer angeordnetes Ventilelement 6 verschlossen ist. Das Ventilelement 6 wird von einer Druckfeder 7 gegen den Ventilsitz 5 gedrückt. Zur Betätigung des Ventilelements 6 ist ein Stellglied 8 vorgesehen, das die Form eines langge streckten Stabes hat und mit einem Ende in einer Ausnehmung 9 in der Wand der Ventilkammer 2 durch Klemmung gehalten ist. Das Stellglied 8 besteht aus einem Träger 10 und einem piezoelektrischen Stapelelement 11. Der Träger 10 und das Stapelelement 11 haben beide die Form eines langgestreckten Quaders von etwa gleicher Breite, der Träger 10 ist jedoch länger und erstreckt sich mit seinem freien Ende 12, an dem das Ventilelement 6 befestigt ist, über das Stapelelement 11 hinaus. Der Träger 10 und das Stapelelement 11 sind an ihren einander zugekehrten Breitseiten durch Kleben miteinander verbunden.

Das Stapelelement 11 besteht aus einer Vielzahl von einzel nen Piezoelementen, die in Längsrichtung des Stapelelements 11 aufeinandergestapelt sind. Die einzelnen Piezoelemente bestehen aus einem keramischen Material mit piezoelektri schen Eigenschaften und haben die Form kleiner rechteckiger Scheiben. Im Stapelelement 11 sind die einzelnen Scheiben jeweils mit ihrer Ober- bzw. Unterseite einander zugekehrt, wobei sich zwischen den Scheiben jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht befindet, die an eine sich längs des Stapelelements 11 erstreckende Elektrode 13 oder 14 ange schlossen ist, und zwar derart, daß benachbarte Schichten jeweils an eine andere Elektrode 13 bzw. 14 angeschlossen sind. Die Elektroden 13, 14 sind durch einen die Ventilkam mer 2 veschließenden Deckel 15 druckdicht hindurchgeführt und bilden außerhalb der Ventilkammer 2 Steckkontakte 16 für den Anschluß an eine Leiterplatte 17, die eine Steuer schaltung für das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 13, 14 trägt.

Das Sitzventil ist in Fig. 1 in der geschlossenen Position dargestellt, in der an den Elektroden 13, 14 keine Spannung anliegt. Soll das Ventil geöffnet werden, so wird an die Elektroden 13, 14 eine Gleichspannung angelegt, die an den einzelnen Piezoelementen ein elektrisches Feld erzeugt, das eine Ausdehnung der einzelnen Piezoelemente und damit eine Längenzunahme des Stapelelements 11 zur Folge hat. Da der Träger 10 seine Länge nicht ändert, bewirkt die Längenzu nahme des Stapelelements 11 eine Krümmung des Stellglieds 8 dergestalt, daß das Ventilelement 6 von dem Ventilsitz 5 abgehoben und die Druckfeder 7 zusammengedrückt wird. Wird die Spannung beispielsweise durch Kurzschließen der Elek troden 13, 14 wieder abgebaut, so zieht sich das Stapelele ment 11 wieder vollständig zusammen, wodurch das Ventil geschlossen wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Schieberventil weist das freie Ende des Trägers 10 an seiner Stirnseite eine Dichtfläche 18 auf, die mit geringem Spiel der Wand 19 an der Stirnseite der Ventilkammer 2 gegenüberliegt. Die Mündung 20 des in der Wand 19 vorgesehenen Strömungskanals 3 ist hierbei so angeordnet und so groß bemessen, daß sie von der Dichtfläche 18 abgedeckt und dadurch der Strömungskanal 3 verschlossen werden kann. In der in Fig. 2 gezeigten Grundstellung, in der keine Spannung an den Elektroden 13, 14 anliegt, ist die Mündung 20 teilweise abgedeckt, die Strömungskanäle 3, 4 sind somit über die Ventilkammer 2 miteinander verbunden. Wird das Stellglied 8 in der zuvor beschriebenen Weise durch Anlegen einer Spannung betätigt, so bewegt sich das Ende 12 des Trägers 10 unter Zusammendrückung der Druckfeder 7 nach oben, wodurch die Mündung 20 verschlossen und die Verbindung zwischen den Strömungskanälen 3, 4 unterbrochen wird. Da die Längenänderung des Stapelelements 11 der angelegten Spannung proportional ist, kann das Ventil gemäß Fig. 2 auch proportional betrieben werden, wobei die Dichtfläche 18 zwischen beiden Endstellungen jede beliebige Zwischenstellung einnehmen kann.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht von oben eine Ven tilanordnung, bei der in einer gemeinsamen Ventilkammer 2 eines Ventilgehäuses 1 ein in der Grundstellung geschlos senes Sitzventil 21 der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 und ein in der Grundstellung offenes Schieberventil 22 der Ausge staltung gemäß Fig. 2 angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich mit einfachen Mitteln ein 3/3-Ventil bilden.

Bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungs beispiel ist zur Bildung eines Mehrwegeventils an dem freien Ende 12 des Trägers 10 eines Stellglieds 8 ein Ventilelement 6 angebracht, das mit einem Ventilsitz 5 an der Mündung eines Strömungskanals 4 zusammenwirkt. Zusätzlich weist der Träger 10 an seiner Stirnseite eine rechteckige Dichtfläche 18 auf, die zwei nebeneinander liegende Mündungen 23, 24 bedeckt, die in der Wand 19 der Ventilkammer 2 angeordnet sind. Die Mündung 23 ist mit einem Strömungskanal 25 und die Mündung 24 mit einem Strömungskanal 26 verbunden. In der Dichtfläche 18 befindet sich eine Ausnehmung 27, die in der gezeigten Grundstellung des Stellglieds 8 die Mündungen 23, 24 miteinander verbindet. Die Lage der Mündungen 23, 24 und der Ausnehmung 27 in dieser Grundstellung ist in Fig. 6 vergrößert dargestellt, die einen Schnitt in einer zur Wand 19 parallelen Ebene durch das Ende 12 des Trägers 10 mit Blick auf die Wand 19 zeigt. Die schraffierte Schnittfläche entspricht hierbei der Dichtfläche 18. Aus Fig. 6 ist auch zu ersehen, daß die Mündung 23 die Form eines Rechtecks und die Mündung 24 die Form eines Parallelogramms hat.

In der gezeigten Grundstellung verbindet das Ventil gemäß den Fig. 4 bis 6 die Strömungskanäle 25, 26, während der Strömungskanal 4 durch das Ventilelement 6 druckdicht ver schlossen ist. Eine geringe, durch das Spiel zwischen der Dichtfläche 18 und der Wand 19 bedingte Leckage ist daher ohne Belang. Wird das Stellglied 8 durch Anlegen einer Spannung betätigt, so bewegt sich das Ende 12 des Trägers 10 in der Zeichnung nach oben, wodurch das Ventilelement 6 vom Ventilsitz 5 abhebt und die Dichtfläche 18 sich in Richtung der in Fig. 6 strichpunktiert dargestellten Position bewegt. Hierbei wird durch den unteren Abschnitt 28 der Dichtfläche 18 die Mündung 24 zunächst verschlossen und dadurch der Strömungskanal 26 vom Strömungskanal 25 getrennt. Danach wird der untere Bereich der Mündung 24 zur Ventilkammer 2 hin geöffnet und dadurch der Strömungskanal 26 mit dem Strömungskanal 4 verbunden. Solange diese Ver bindung offen ist, bleibt die Mündung 23 und damit der Strömungskanal 25 verschlossen.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Stellglied 8, das in seinem grundsätzlichen Aufbau dem Stellglied gemäß Fig. 1 entspricht, auf der Außenseite des Ventilgehäuses 1 angeordnet und in einem Klemmschuh 29 gehalten. Das Ventilelement 6 ist durch einen Stößel 30 mit dem Träger 10 des Stellglieds 8 verbunden, der durch eine Dichtungsanordnung 31 aus der Ventilkammer 2 herausgeführt ist. An der Dichtungsanordnung 31 ist eine Druckfeder 7 abgestützt, die das Ventilelement 6 gegen einen Ventilsitz 5 drückt und das Ventil in seiner Grundstellung geschlossen hält.

Bezugszeichenliste

1

Ventilgehäuse

2

Ventilkammer

3

Strömungskanal

4

Strömungskanal

5

Ventilsitz

6

Ventilelement

7

Druckfeder

8

Stellglied

9

Ausnehmung

10

Träger

11

Stapelelement

12

Ende

13

Elektrode

14

Elektrode

15

Deckel

16

Steckkontakt

17

Leiterplatte

18

Dichtfläche

19

Wand

20

Mündung

21

Sitzventil

22

Schieberventil

23

Mündung

24

Mündung

25

Strömungskanal

26

Strömungskanal

27

Ausnehmung

28

Abschnitt

29

Klemmschuh

30

Stößel

31

Dichtungsanordnung

Claims

1. Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil, insbesondere für eine geregelte hydraulische Bremsanlage, mit einem in einem Ventilgehäuse ausgebildeten Strömungskanal, einem relativ zum Strömungskanal beweglichen Ventilelement, durch das der Strömungskanal ganz oder teilweise verschließbar ist, und einem einseitig am Ventilgehäuse abgestützten, piezoelektrischen Stellglied, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung biegt und dadurch das Ventilelement bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (8) aus einem piezoelektrisch passiven, elastisch verformbaren Träger (10) und einem auf einer Seite des Trägers (10) angebrachten piezoelektrischen Stapelelement (11) gebildet ist, das aus einer Anzahl in Richtung der Biegeachse des Stellglieds (8) aufeinander gestapelter Piezoelemente besteht.

2. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) aus einem keramischen Material besteht.

3. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) als langge streckter, quaderförmiger Streifen ausgebildet ist.

4. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stapelelement (11) die Form eines langgestreckten, quaderförmigen Streifens hat und durch Kleben mit dem Träger (10) verbunden ist.

5. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) mit seinem bewegbaren Ende (12) über das Stapelelement (11) hin ausragt und daß das bewegbare Ende (12) Mittel zur Befestigung des Ventilelements (6) aufweist.

6. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Ende (12) des Trägers (10) mit einer Federkraft entgegen der piezo elektrischen Stellkraft belastet ist.

7. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Ende (12) des Trägers (10) eine Dichtfläche (18) aufweist, die einer zur Biegeachse senkrechten Wand (19) der Ventilkammer (2) mit geringem Spiel gegenüberliegt, wobei eine in der Wand (19) der Ventilkammer (2) liegende Mündung (20) eines Strömungskanals (3) je nach Stellung des Trägers (10) ganz oder teilweise von der Dichtfläche (18) bedeckt ist.

8. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen der Dichtfläche (18) und der Wand (19) der Ventilkammer (2) einstellbar ist.

9. Fluidventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dichtfläche (18) eine Aus nehmung (27) vorgesehen ist, durch die zwei in der Wand (19) der Ventilkammer (2) nebeneinander liegende Mün dungen (23, 24) von Strömungskanälen (25, 26) in einer Stellung des Trägers (10) miteinander verbunden sind.

10. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Stellglieder (8) mit Ventilelementen in einer gemeinsamen Ventilkam mer (2) untergebracht sind.

11. Fluidventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stell glied (8) innerhalb der Ventilkammer (2) angeordnet ist und daß die Elektroden (13, 14) des Stapelelements (11) durch eine druckdichte Durchführung aus der Ventilkammer (2) herausgeführt und auf der Außenseite als Steck kontakte (16) ausgebildet sind.

12. Fluidventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die druckdichte Durchführung der Elektroden (13, 14) in einem lösbar mit dem Gehäuse (1) verbundenen Deckel (15) angeordnet ist.

13. Fluidventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (8) außerhalb der Ventilkammer (2) angeordnet und eine druckdichte Durch führung (31) für ein bewegliches Verbindungselement (30) vorgesehen ist, das das Stellglied (8) mit dem Ventilelement (6) verbindet.