DE19718825A1 - Piezoelectric valve - Google Patents

Piezoelectric valve

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Abstract

The compact valve has a piston (9) moving in a cylinder (8) and with the trapped space (3) under the piston connected either to a positive pressure to raise the piston or to a negative pressure to lower the piston. A piezoelectric strip (6) moves between two valve seats (11,13) to control the two pressures. The piezo strip is located in a narrow space and bends in either direction depending on the polarity of the applied signal. Alternately the strip covers one of the valve seats eg. the positive pressure, when in the rest position. The position of the strip is monitored by a position sensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventil-Zylinder-Anordnung, die ein elektrisches Eingangs­ signal derart in ein fluidisches Ausgangssignal umwandelt, daß es in linearer Bewe­ gung einen Kolben bewegt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ventil-Zylinder-An­ ordnung mit einem Piezobiegeelement, das beim Anlegen einer negativen oder positiven Spannung zwei sich gegenüber liegende Anschlußdüsen abwechselnd schließt und öffnet.The invention relates to a valve-cylinder arrangement which has an electrical input signal so converted into a fluidic output signal that it is in linear motion movement moves a piston. In particular, the invention relates to a valve-cylinder connection order with a piezo bending element, which when applying a negative or positive voltage alternating between two connecting nozzles closes and opens.

Piezogesteuerte Ventile sind bekannt. Sie werden in Bereichen eingesetzt, wo eine schnelle Regelung oder kleine Ansteuerspannungen gefordert werden. Das sind z. B. Anwendungen in der Automobiltechnik wie ABS, in der Robotertechnik usw. Die geringe Stromaufnahme läßt jedoch auch die Anbindung an die Feldbustechnik oder den Einsatz in Maschinen im Ex-Schutzbereich zu.Piezo-controlled valves are known. They are used in areas where a fast regulation or small control voltages are required. These are e.g. B. Applications in automotive engineering such as ABS, in robotics, etc. The low current consumption also allows the connection to the fieldbus technology or use in machines in the Ex protection area.

Als nachteilig hat sich bei diesen herkömmlichen Ventilen herausgestellt, daß sie mit den Zylindern keine bauliche Einheit bilden. Dies führt zu einem vergleichsweise ho­ hen Platzbedarf einer derartigen Ventil-Zylinder-Anordnung. Darüber hinaus entsteht in diesen bekannten Anordnungen ein großes Totvolumen, wodurch die Reaktions­ zeit des Kolbens äußerst hoch ist.A disadvantage of these conventional valves has been found to be that do not form a structural unit in the cylinders. This leads to a comparatively high hen space requirement of such a valve-cylinder arrangement. Beyond that arises in these known arrangements, a large dead volume, causing the reaction time of the piston is extremely high.

Bekannte Ventil-Zylinder-Anordnungen dieser Art neigen ferner zu Schwingungen und Eigenresonanz, weil zum Zurückholen des Kolbens eine Feder verwendet wird. Überdies muß der anstehende Druck zum Bewegen des Kolbens sehr groß bemes­ sen sein, um die Rückstellkraft der Feder zu überwinden und den Kolben zu bewe­ gen.Known valve-cylinder arrangements of this type also tend to vibrate and self-resonance because a spring is used to return the piston. In addition, the pressure to move the piston must be very large be to overcome the spring return force and move the piston gene.

In herkömmliche Ventil-Zylinder-Anordnungen entweicht ein großer Teil der Druck­ luft, dies hat sehr laute Schaltvorgänge zur Folge, die vom Anwender als störend empfunden werden und deshalb den Anwendungsbereich einschränken bzw. die Systeme nur mit zusätzlicher Geräuschdämpfung einsetzbar machen. In conventional valve-cylinder arrangements, a large part of the pressure escapes air, this results in very loud switching operations, which the user finds annoying are perceived and therefore restrict the area of application or the Make systems usable only with additional noise reduction.  

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System aus Ventil und Zylinder zur Verfügung zu stellen, das eine bauliche Einheit aus Ventil- und Zylindergehäuse bildet. Diese Kon­ struktion hat den Vorteil eines sehr reduzierten Platzbedarfs. Darüber hinaus kann die Gesamtmasse des Systems durch den Einsatz von Kunststoffen für das Gehäu­ se auf ein Minimum reduziert werden.It is an object of the invention to provide a valve and cylinder system place, which forms a structural unit of valve and cylinder housing. This con structure has the advantage of a very reduced space requirement. Furthermore, can the total mass of the system through the use of plastics for the housing be reduced to a minimum.

Eine fertigungstechnisch einfache Ausführung erhält man, wenn man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen zwei nahezu spiegelbildlichen Gehäuseteilen mit zwei sich gegenüber liegenden Düsenöffnungen ein Piezobiege­ element auf einer Seite einspannt und dieses auf der eingespannten Seite mit elek­ trischen Anschlüssen versieht. Das Piezobiegeelement wird erfindungsgemäß mit einer wechselnden elektrischen Spannung, z. B. einer Rechteckspannung, derart gesteuert, daß durch seine Biegung die gegenüber liegenden Düsenöffnungen ab­ wechselnd geschlossen oder geöffnet werden.A technically simple execution is obtained if one according to one preferred embodiment of the invention between two almost mirror images Housing parts with two opposing nozzle openings a piezo bending element clamped on one side and this on the clamped side with elec trical connections. The piezo bending element is used according to the invention an alternating electrical voltage, e.g. B. a square wave voltage, such controlled that by its bend the opposite nozzle openings alternately closed or opened.

In Weiterbildung hierzu arbeitet das System auch als Proportionalventil, wenn die Steuerspannung zwischen ihren Extremwerten variiert wird.In further training, the system also works as a proportional valve if the Control voltage is varied between their extreme values.

Als besonders günstig hat sich ferner erwiesen, daß der Innenraum des Ventils sehr klein gehalten werden kann. Der Abstand zwischen Piezobiegeelement und Innen­ wand kann kleiner 0,1 mm sein. Durch diese Maßnahme wird einerseits das Totvo­ lumen im Innenraum des Ventils reduziert.It has also proven to be particularly favorable that the interior of the valve is very can be kept small. The distance between the piezo bending element and the inside wall can be less than 0.1 mm. With this measure, on the one hand, the dead space lumen in the interior of the valve reduced.

Wenn man gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung eine Dü­ senöffnung mit Überdruck und die zweite mit Unterdruck beaufschlagt, wird ein Kol­ ben in einem Zylinder, der direkt an die Wandung des Ventilinnenraums stößt, durch die Bewegung des Piezobiegeelements mit Überdruck nach außen und mit Unter­ druck in den Zylinder zurück bewegt. Durch die Anordnung des Zylinders im Ventil­ gehäuse wird das Totvolumen nochmals reduziert. Dies hat den Vorteil, daß der Kol­ ben sofort auf die Biegung des Piezoelements reagiert und ohne Verzögerung oder Schwingungsneigung vom Ventil in linearer Hin- und Herbewegung verstellt wird. Dabei werden Geschwindigkeiten von 20 m/s erreicht werden. Schnelligkeit, Hub, bewegbare Masse usw. werden erfindungsgemäß mit der Länge und dem Durch­ messer von Zylinder und Kolben variiert.If according to an expedient embodiment of the invention a Dü Sen opening with positive pressure and the second with negative pressure, a Kol ben in a cylinder that directly abuts the wall of the valve interior the movement of the piezo bending element with overpressure to the outside and with under pressure moved back into the cylinder. Due to the arrangement of the cylinder in the valve the dead volume is further reduced. This has the advantage that the col ben immediately reacted to the bending of the piezo element and without delay or The tendency of the valve to oscillate is adjusted in a linear reciprocating motion. Speeds of 20 m / s will be achieved. Speed, stroke,  Movable mass, etc. are according to the invention with the length and through knife varies from cylinder and piston.

Aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung arbeiten die durch die Erfindung zur Ver­ fügung gestellten Ventil-Zylinder-Anordnungen nahezu geräuschlos. Erreicht wird dies dadurch, daß die Anordnung zwischen einem Kompressor, der den Überdruck erzeugt und einer Vakuum- bzw. Unterdruckpumpe, die auf der zweiten Seite den Unterdruck erzeugt, luftdicht abgeschlossen ist. Dadurch ist sie auch in Bereichen einsetzbar sind, in denen auf Lärmschutz bzw. zusätzliche Geräusche geachtet wer­ den muß, wie Büroarbeitsplätze oder hochwertige Musikanlagen.Due to the proposed arrangement, the work by the invention for Ver provided valve-cylinder arrangements almost noiseless. Is achieved This is due to the fact that the arrangement between a compressor, the overpressure generated and a vacuum or vacuum pump, the on the second side Generates negative pressure, is airtight. This makes it also in areas can be used in which attention is paid to noise protection or additional noise it must, like office workplaces or high-quality music systems.

Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß eine elektronische Posi­ tionserfassung angeschlossen wird, mit der der Kolben in jeder Lage positionsgenau gestoppt, seine Bewegungsrichtung umgekehrt und beschleunigt werden kann.Another improvement can be achieved in that an electronic Posi tion detection is connected, with which the piston is precisely positioned in any position stopped, its direction of movement can be reversed and accelerated.

In Weiterbildung hierzu werden zwei Ventil-Zylinder-Systeme im Gegentakt angeord­ net. Auf diese Weise lassen sich die positiven Eigenschaften des Systems erheblich steigern, da das Totraumvolumen unabhängig von der Bewegungsrichtung des Kol­ bens in beiden Umkehrpunkten fast null ist. Ferner erhält man eine stabile Haltestel­ lung des Kolbens dadurch, daß beide Piezobiegeelemente gleichzeitig die Druckdü­ sen freigeben. In Verbindung mit einer elektronischen Positionserfassung lassen sich in der erfindungsgemäßen Gegentaktanordnung exakte Minimalbewegungen durch­ führen.In a further development, two valve-cylinder systems are arranged in push-pull net. In this way, the positive properties of the system can be considerable increase because the dead space volume regardless of the direction of movement of the Kol bens is almost zero in both reversal points. You also get a stable stop tion of the piston in that both piezo bending elements simultaneously the Druckdü release. In connection with an electronic position detection in the push-pull arrangement according to the invention by exact minimal movements to lead.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erhält zur reibungsarmen Be­ wegung im Zylinder der Kolben eine harteloxierte und diamantgeschliffene Oberflä­ che und gleitet paßgenau auf der ebenfalls auf Hochglanz geriebenen Innenfläche des Zylinders. Durch diese Maßnahme kann vorteilhaft eine zusätzliche Dichtung, welche die Reibung erhöhen würde, entfallen.In an advantageous embodiment of the invention, for low-friction loading movement in the cylinder of the pistons a hard anodized and diamond ground surface surface and glides precisely on the inner surface, which is also polished to a high gloss of the cylinder. This measure advantageously allows an additional seal, which would increase the friction are eliminated.

Eine weitere Ausführungsform der Ventil-Zylinder-Anordnung arbeitet derart, daß das Biegeelement im spannungsfreien Zustand unterstützt durch Unter- und Über­ druck die Unterdruckdüse verschließt. Der Kolben wird so lange in seiner äußeren Endlage gehalten, bis eine elektrische Spannung das Piezobiegeelement in Richtung der Überdrucköffnung biegt und diese verschließt, worauf der nun im Ventilinnen­ raum herrschende Unterdruck den Kolben an seine innere Endlage zurückholt.Another embodiment of the valve-cylinder arrangement works in such a way that the bending element in the tension-free state is supported by under and over pressure closes the vacuum nozzle. The piston will remain in its exterior for so long End position held until an electrical voltage points the piezo bending element in the direction  the overpressure opening bends and closes it, whereupon the inside of the valve prevailing negative pressure brings the piston back to its inner end position.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dar­ gestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated below with reference to one of the accompanying drawings illustrated embodiment. Show it

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Ventil-Zylinder-Anordnung Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of the valve-cylinder arrangement

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Ventil-Zylinder-Anordnung. Fig. 2 shows a schematic cross section through an embodiment of the valve-cylinder arrangement.

In Fig. 1 ist die Ventil-Zylinder-Anordnung (1) in einem Längsschnitt durch das Ven­ tilgehäuse (2) bestehend aus zwei Teilen (14, 15) mit zwei sich zum Ventilinnenraum (3) hin verjüngenden fluidischen Anschlüssen (4, 5), die einander gegenüber liegen und dem dazwischen angeordneten und auf einer Seite (7) eingespannten Piezobie­ geelement (6) dargestellt. Senkrecht zu den Düsen (4, 5) ist ein Zylinder (8) in das Ventilgehäuse (2) eingelassen, in dem sich ein Kolben (9) bewegt. In der dargestell­ ten Ausgangsstellung befindet sich der Kolben (9) an seiner inneren Endposition auf das Piezobiegeelement (6) wirkt keine Kraft von außen.In Fig. 1 the valve-cylinder arrangement ( 1 ) in a longitudinal section through the Ven tilgehäuse ( 2 ) consisting of two parts ( 14 , 15 ) with two towards the valve interior ( 3 ) tapering fluid connections ( 4 , 5 ) , which lie opposite each other and the arranged in between and on one side (7) clamped Piezobie geelement ( 6 ). A cylinder ( 8 ) is inserted into the valve housing ( 2 ) perpendicular to the nozzles ( 4 , 5 ), in which a piston ( 9 ) moves. In the initial position shown, the piston ( 9 ) is at its inner end position on the piezo bending element ( 6 ), no external force acts.

Wird an das Piezoelement (6) eine Spannung angelegt biegt sich das Piezoelement (6) im Beispiel in Richtung der Unterdruckdüse (4) und verschließt deren Öffnung (11). Durch die Überdruckdüse (5) fließt das Medium in den Ventilinnenraum (3) und bewegt den Kolben (9), der auf der dem Ventilinnenraum (3) zugewandten Seite (12) geschlossenen ist, phasenstarr und nahezu ohne Verluste durch Totvolumen und Reibung schnell bis zu einer definierten Lage bzw. zur Endlage aus dem Zylinder (8) heraus. Nach Anlegen einer entgegengesetzten Spannung biegt sich das Piezoele­ ment (6) in Richtung der Überdruckdüse (5) und verschließt die Öffnung (13), die Öffnung (11) der Unterdruckdüse (4) wird freigegeben. Der Unterdruck führt zu einer sofortigen Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens (9) und holt diesen in seine innere Ausgangslage bzw. zu einer definierten Lage zurück.Is applied to the piezoelectric element (6) a voltage, the piezoelectric element (6) in the example in the direction of the suction nozzle (4) bends and closes the opening (11). The medium flows into the valve interior ( 3 ) through the overpressure nozzle ( 5 ) and moves the piston ( 9 ), which is closed on the side ( 12 ) facing the valve interior ( 3 ), phase locked and almost without losses due to dead volume and friction to a defined position or to the end position out of the cylinder ( 8 ). After applying an opposite voltage, the Piezoele element ( 6 ) bends in the direction of the pressure nozzle ( 5 ) and closes the opening ( 13 ), the opening ( 11 ) of the vacuum nozzle ( 4 ) is released. The vacuum leads to an immediate reversal of the direction of movement of the piston ( 9 ) and brings it back to its inner starting position or to a defined position.

In Fig. 2 ist die Ausführungsform wie in Fig. 1 in einem Querschnitt durch das Ventilgehäuse (2) und den Zylinder (8) dargestellt. In Fig. 2 the embodiment as in Fig. 1 is shown in a cross section through the valve housing ( 2 ) and the cylinder ( 8 ).

BezugszeichenlisteReference list

11

Ventil-Zylinder-Anordnung
Valve-cylinder arrangement

22nd

Ventilgehäuse
Valve body

33rd

Ventilinnenraum
Valve interior

44th

Unterdruckdüse
Vacuum nozzle

55

Überdruckdüse
Overpressure nozzle

66

Piezobiegeelement
Piezo bending element

77

eingespannte Seite des Piezobiegeelement
clamped side of the piezo bending element

88th

Zylinder
cylinder

99

Kolben
piston

1010th

Spannungsquelle
Voltage source

1111

Öffnung der Unterdruckdüse
Opening the vacuum nozzle

1212th

geschlossene Seite des Kolben
closed side of the piston

1313

Öffnung der Überdruckdüse
Opening the pressure nozzle

1414

Teil des Ventilgehäuses
Part of the valve body

1515

Teil des Ventilgehäuses
Part of the valve body

1616

elektronischen Positionserfassung
electronic position detection

Claims (6)

1. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 in kleiner Baugröße mit einem auf einer Seite mit einer Spannungsquelle verbundenen und zwischen zwei Gehäuseteilen 14, 15 eingespannten Piezoelement 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zylinder 8 im Ventilgehäuse 2 integriert direkt an den totraumar­ men Ventilinnenraum 3 des Ventilgehäuses 2 anschließt und daß das Piezo­ biegeelement 6 bei der Biegung auf eine Seite die Öffnung 13 einer Über­ druckdüse 5 schließt und mit Unterdruck den Kolben 9 an die innere Endposi­ tion des Zylinders 8 holt und bei der Biegung auf die andere Seite die Öffnung 11 einer Unterdruckdüse 4 schließt und mit Überdruck den Kolben 6 in seine äußere Endposition bringt.1. Piezo-controlled valve-cylinder arrangement 1 in a small size with a piezoelectric element 6 connected on one side to a voltage source and clamped between two housing parts 14 , 15 , characterized in that the cylinder 8 is integrated in the valve housing 2 directly to the dead space-poor valve interior 3 of the valve housing 2 connects and that the piezo bending element 6 in the bend on one side closes the opening 13 of an overpressure nozzle 5 and brings the piston 9 to the inner end position of the cylinder 8 with negative pressure and in the bend on the other side the opening 11 of a vacuum nozzle 4 closes and brings the piston 6 into its outer end position with excess pressure. 2. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Piezobiegeelement 6 elektrisch spannungslos in einer Endlage mit Hilfe des Überdrucks die Öffnung 11 der Unterdruckdüse 4 schließt.2. Piezo-controlled valve and cylinder assembly 1 according to claim 1, characterized in that the piezoelectric bending element 6 is electrically energized, the opening 11 of the suction nozzle 4 closes in one end position with the aid of overpressure. 3. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventil-Zylinder-Anordnung 1 durch das minimierte Totraumvolumen phasenstarr verhält.3. Piezo-controlled valve-cylinder arrangement 1 according to claims 1 and 2, characterized in that the valve-cylinder arrangement 1 behaves in a phase-locked manner by the minimized dead space volume. 4. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil-Zylinder-Anordnung 1 geräuschlos arbeitet.4. Piezo-controlled valve-cylinder arrangement 1 according to claims 1 to 3, characterized in that the valve-cylinder arrangement 1 works silently. 5. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miteinander gekoppelte Ventil-Zylinder-An­ ordnungen 1 im Gegentakt arbeiten.5. Piezo-controlled valve-cylinder arrangement 1 according to claims 1 to 4, characterized in that two coupled valve-cylinder arrangements 1 work in push-pull. 6. Piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung 1 nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer elektronischen Positionserfassung 16 beliebige Endlagen und Umkehrpositionen realisiert werden.6. Piezo-controlled valve-cylinder arrangement 1 according to claims 1 to 5, characterized in that 16 any end positions and reversing positions can be realized with an electronic position detection.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE202005021632U1 (en) 2004-03-30 2009-03-05 Bühner, Kurt By means of the inverse piezo effect actuated drive

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