DE19931990C1 - Elektroventil - Google Patents

Abstract

Es wird ein direktbetätigtes Elektroventil vorgeschlagen, das eine piezoelektrische Antriebseinrichtung (3) zur direkten Betätigung eines Ventilgliedes (2) aufweist. Die piezoelektrische Antriebseinrichtung (3) enthält mindestens ein sich quer zur Verschieberichtung des Ventilgliedes (2) erstreckendes Piezo-Biegeelement (8, 8'), das derart einerseits am Ventilglied (2) angreift und andererseits gehäusefest fixiert ist, daß seine elektrisch verursachte Biegebewegung die lineare Verschiebebewegung des Ventilgliedes (2) hervorruft. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht bei kompakten Abmessungen sehr kurze Schaltzeiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektroventil, mit einem relativ zu einem Ventilgehäuse linear verschiebbar geführten Ventil­ glied, dem eine elektrisch aktivierbare piezoelektrische An­ triebseinrichtung zugeordnet ist, die mindestens ein sich quer zur Verschieberichtung des Ventilgliedes erstreckendes Piezo-Biegeelement enthält, das derart einerseits am Ventil­ glied angreift und andererseits gehäusefest fixiert ist, daß seine elektrisch verursachte Biegebewegung die lineare Ver­ schiebebewegung des Ventilgliedes hervorruft.

Ein Elektroventil dieser Art geht beispielsweise aus der DE 196 44 564 A1 hervor. Bei ihm wird das Biegeverhalten ei­ nes als Piezo-Biegeelement ausgeführten Piezowandlers ausge­ nutzt, um die Betätigung eines Ventilgliedes hervorzurufen, wobei vorzugsweise eine direkte Betätigung vorgesehen ist. Im Vergleich zu Elektroventilen mit elektromagnetischer An­ triebseinrichtung ermöglicht dies die Realisierung geringer Baugrößen und gewährleistet einen Betrieb mit hohem Wirkungs­ grad in Verbindung mit einer geringen Wärmeentwicklung.

Bei dem bekannten Elektroventil ist das Ventilglied durch ei­ ne Federeinrichtung in eine mögliche Schaltstellung vorge­ spannt, aus der es durch entsprechende Ansteuerung des Piezo- Biegeelementes entgegen der Kraftrichtung der Federeinrich­ tung ausgelenkt werden kann. Dabei sind relativ hohe Stell­ kräfte des Piezo-Biegeelementes erforderlich, deren Realisie­ rung einer Verringerung der Baugröße des Piezo-Biegeelementes zuwiderläuft und die außerdem einen relativ hohen Strombedarf zur Folge haben. Außerdem werden durch die Federeinrichtung hochfrequente Ventilbetätigungen behindert.

Elektroventile mit vergleichbarem Aufbau und ähnlicher Prob­ lematik gehen auch aus der DE 197 14 045 A1 und aus der DE 197 12 855 A1 hervor.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektro­ ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei redu­ ziertem Energieverbrauch geringere Baugrößen und höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die piezoelekt­ rische Antriebseinrichtung mehrere an dem Ventilglied angrei­ fende Piezo-Biegeelemente aufweist, wobei mindestens zwei Piezo-Biegeelemente vorgesehen sind, die mit einander entge­ gengesetzt orientierten Stellkräften auf das Ventilglied ein­ wirken können.

Während beim Stand der Technik stets nur ein Piezo- Biegeelement aktiv für die Betätigung des Ventilgliedes ver­ antwortlich ist, greifen erfindungsgemäß mehrere Piezo- Biegeelemente an dem Ventilglied an und sind so ausgeführt, daß in beiden Bewegungsrichtungen des Ventilgliedes eine pie­ zoelektrisch aktuierte Stellbewegung hervorgerufen werden kann. Dies ermöglicht einen Verzicht auf mechanische Feder­ einrichtungen, so daß bei Bedarf auch äußerst hochfrequente Ventilbetätigungen mit sehr kurzen Schaltzeiten realisiert werden können. Da die aufzubringenden Betätigungskräfte in der Regel ebenfalls relativ gering sind, können überdies sehr kompakte Abmessungen eingehalten werden.

Aus der DE 44 10 153 C1 geht zwar bereits ein piezoelek­ trisches Elektroventil hervor, bei dem besondere Maßnahmen zur Erhöhung der Verstellkraft eines Piezo-Biegeelementes verwirklicht sind. Die Erhöhung der Verstellkraft wird da­ durch erzielt, daß der Piezo-Biegewandler im Abstand von sei­ ner eigentlichen Einspannstelle zusätzlich am Ventilgehäuse gegen Ausschwenken abgestützt ist. Aus der DE 44 10 153 C1 geht jedoch ebenso wenig ein Elektroventil mit mehreren Pie­ zo-Biegeelementen hervor, wie aus der DE 39 35 474 A1, in der ein besonderer Mehrschicht-Aufbau eines Piezo-Biegeelementes im Vordergrund steht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Bei dem durch die Piezo-Biegeelemente betätigbaren Ventil­ glied, handelt es sich zweckmäßigerweise um einen Ventil­ schieber, beispielsweise in einer Bauform als sogenannter Kolbenschieber.

Es ist ferner von Vorteil, wenn eine Steuereinrichtung vor­ handen ist, die eine aufeinander abgestimmte elektrische An­ steuerung der Piezo-Biegeelemente mit variablen Spannungen ermöglicht, um in Abhängigkeit von den angelegten Spannungs­ werten unterschiedliche Stellwege und/oder Stellpositionen zu erhalten. Hier wäre beispielsweise eine spannungsmäßig abge­ stufte Ansteuerung der Piezo-Biegeelemente möglich, um ein Mehrstellungsverhalten des Ventilgliedes zu realisieren. Bei stufenloser variabler Ansteuerung kann hingegen sehr einfach ein stetiges Bewegungsverhalten und dementsprechend ein als Stetigventil ausgeführtes Elektroventil verwirklicht werden.

Es wäre möglich, zwei Piezo-Biegeelemente so zu positionie­ ren, daß sie mit den einander entgegengesetzten axialen End­ abschnitten des Ventilgliedes zusammenwirken. Einen konstruk­ tiv verringerten Bauaufwand verspricht jedoch eine Ausfüh­ rungsform, bei der zwei am Ventilglied angreifende Piezo- Biegeelemente benachbart zueinander angeordnet sind und an ein und demselben axialen Endabschnitt des Ventilgliedes an­ greifen.

Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eines der Piezo-Biege­ elemente und insbesondere zwei mit einander entgegengesetzt orientierten Stellkräften auf das Ventilglied einwirkende Piezo-Biegeelemente unter mechanischer Vorspannung am Ventil­ glied angreifen, so daß die Piezo-Biegeelemente zumindest partiell aus ihrer Neutrallage ausgelenkt sind. Dies ver­ spricht mit einfachen Mitteln eine spielfreie Kraftübertra­ gung auf das Ventilglied selbst in Fällen, bei denen das Pie­ zo-Biegeelement ausschließlich durch Berührkontakt mit dem Ventilglied zusammenarbeitet. Somit lassen sich Schaltbewe­ gungen mit hoher Präzision realisieren.

Um das Elektroventil in eine elektronische Steuerung inte­ grieren zu können, ist es von Vorteil, wenn eine Positionser­ fassungseinrichtung vorhanden ist, mit der sich zumindest ei­ ne, vorzugsweise jedoch kontinuierlich jede momentane Stel­ lung des Ventilgliedes ermitteln läßt. Eine solche Positi­ onserfassungseinrichtung erhält die notwendigen Informationen zweckmäßigerweise auf Basis des aktuellen Biegezustandes min­ destens eines Piezo-Biegeelementes, der zweckmäßigerweise durch Einsatz mindestens eines am Piezo-Biegeelement ange­ brachten Dehnmeßstreifens erfaßt wird.

Die Piezo-Biegeelemente verfügen in vorteilhafter Bauweise über einen länglichen, streifenartigen Träger, der zumindest einseitig, also an einer seiner beiden größeren Flächen, mit piezoelektrischem Material beschichtet ist, wobei insbesonde­ re eine Multilayer-Beschichtung zum Einsatz kommt. Die ein­ zelnen Schichtebenen könnten hier parallel zur Ausdehnungs­ ebene des Trägers verlaufen, besonders vorteilhaft erscheint jedoch eine Realisierung mit quer zur Längsrichtung des Trä­ gers ausgerichteten Schichtebenen, so daß das piezoelektri­ sche Material aus einem streifenförmigen Piezostapel aufge­ baut sein kann.

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

Fig. 1 einen axialen Endbereich einer ersten Bauform des er­ findungsgemäßen Elektroventils in stark schematisier­ ter Darstellungsweise und im Längsschnitt,

Fig. 2 in perspektivischer Einzeldarstellung ein beim Elek­ troventil gemäß Fig. 1 vorzugsweise zum Einsatz ge­ langendes Piezo-Biegeelement,

Fig. 3 in den Bildern (a) bis (d) verschiedene Betätigungs­ phasen der bei dem Elektroventil gemäß Fig. 1 zum Einsatz gelangenden piezoelektrischen Antriebsein­ richtung, wobei Bild (e) eine zur Realisierung dieser Betätigungsphasen besonders geeignete Steuerschaltung wiedergibt,

Fig. 4 in stark schematisierter Darstellungsweise ein weite­ res Elektroventil der erfindungsgemäßen Bauart, wobei jedoch im Vergleich zur Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 die Piezo-Biegeelemente der Antriebseinrichtung mit beiden Endabschnitten des Ventilgliedes zusammen­ wirken und wobei eine unausgelenkte Neutralstellung gezeigt ist, und

Fig. 5 das Elektroventil aus Fig. 4 bei aktivierter An­ triebseinrichtung mit dementsprechend ausgelenktem Ventilglied.

Die Fig. 1 zeigt einen im Längsschnitt abgebildeten Endab­ schnitt eines direktbetätigten Elektroventils 1, also eines Ventils, dessen Ventilglied 2 durch eine elektrisch aktivier­ bare Antriebseinrichtung 3 direkt, ohne fluidische Vorsteue­ rung, betätigt wird.

Das Elektroventil 1 verfügt über ein Ventilgehäuse 4, das von einer vom Ventiltyp abhängigen Anzahl von Ventilkanälen 5 durchsetzt ist und das eine beim Ausführungsbeispiel zylin­ drisch konturierte längliche Aufnahme 6 beinhaltet, in der das Ventilglied 2 in Längsrichtung linear verschiebbar ge­ führt ist.

Die nur teilweise sichtbaren Ventilkanäle 5 münden in die Aufnahme 6 ein. Sie werden in Abhängigkeit von der momentanen Stellung des Ventilgliedes 2 in aufeinander abgestimmter Wei­ se fluidisch verknüpft, so daß sich beispielsweise die Funk­ tionalität eines 3/2-Wegeventils oder eines höherfunktionalen Wegeventils einstellt.

Bei der in Fig. 4 und 5 gezeigten weiteren Ausführungsform eines Elektroventils 1' sind übereinstimmende Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen. Das Ventilgehäuse 4 ist dort nur strichpunktiert angedeutet.

Bei beiden Elektroventilen 1, 1' ist das Ventilglied 2 als Ventilschieber ausgeführt, der über Längenabschnitte unter­ schiedlichen Durchmessers verfügt, so daß sich Steuerab­ schnitte 9 ergeben, die mit der Wandung der Aufnahme 6 in Dichtkontakt stehen. Bei dem Elektroventil könnte es sich al­ lerdings auch um ein Sitzventil handeln.

Die Antriebseinrichtung 3 ist als piezoelektrische Antriebs­ einrichtung ausgeführt. Sie beinhaltet bei den gezeigten Aus­ führungsbeispielen jeweils zwei sich quer zu der durch Dop­ pelpfeil angedeuteten Verschieberichtung 7 des Ventilgliedes 2 erstreckende Piezo-Biegeelemente 8, 8'. Diese sind mit ih­ rem einen axialen Ende, nachfolgend als Befestigungsende 12 bezeichnet, bezüglich dem Ventilgehäuse 4 ortsfest fixiert und greifen mit ihrem entgegengesetzten anderen Ende, das nachfolgende als Betätigungsende 13 bezeichnet sei, am Ven­ tilglied 2 an.

Die gehäusefeste Fixierung kann gemäß Fig. 4 und 5 unmit­ telbar erfolgen. Vorzugsweise liegt jedoch eine mittelbare Befestigung vor, beispielsweise gemäß Fig. 1 unter Zwischen­ schaltung eines Halters 14, an dem die Befestigungsenden 12 eingespannt sind und der seinerseits am Ventilgehäuse 4 befe­ stigt ist.

Die Piezo-Biegeelemente 8, 8' können einen an sich bekannten Aufbau haben, so daß ihre durch Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgende Aktivierung eine in Fig. 1 durch Doppel­ pfeile schematisch angedeutete Schwenkbewegung zur Folge hat, die ihre Ursache in einem Verbiegen der Piezo-Biegeelemente 8, 8' findet und daher als Biegebewegung 16 bezeichnet sei. Im wesentlichen führt die Aktivierung der Piezo-Biegeelemente 8, 8' dazu, daß sie mit ihren Betätigungsenden 13 eine Art Schwenkbewegung bezüglich der fixierten Befestigungsenden 12 ausführen, wobei die Ebene dieser Schwenkbewegung bei den Ausführungsbeispielen mit der Zeichenebene zusammenfällt und zur linearen Verschieberichtung 7 des Ventilgliedes 2 paral­ lel ausgerichtet ist.

Zur elektrischen Ansteuerung der Piezo-Biegeelemente 8, 8' ist eine geeignete Steuereinrichtung 17 vorgesehen. Sie ist zweckmäßigerweise dahingehend ausgelegt, daß sie die vorhan­ denen Piezo-Biegeelemente unabhängig voneinander individuell elektrisch ansteuern kann.

Jedes Piezo-Biegeelement 8, 8' ist mit dem Ventilglied 2 im Bereich einer an diesem vorgesehenen Koppelstelle 15 mecha­ nisch derart bewegungsgekoppelt, daß die elektrisch verur­ sachte Biegebewegung 16 eines jeweiligen Piezo-Biegeelementes 8, 8' eine lineare Verschiebebewegung des Ventilgliedes 2 in der schon definierten Verschieberichtung 7 hervorruft.

Um dabei den miteinander kooperierenden Komponenten die er­ forderlichen Bewegungsfreiheitsgrade zu garantieren, ist bei den Ausführungsbeispielen ein ausschließlich auf Berührkon­ takt basierendes Zusammenwirken zwischen den Piezo-Biege­ elementen 8, 8' und dem Ventilglied 2 vorgesehen. Das Ganze zweckmäßigerweise derart, daß die Piezo-Biegeelemente 8, 8' das Ventilglied 2 mit mechanischer Vorspannung beaufschlagen.

Im einzelnen sind die beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' so ausgebildet und installiert, daß sie mit einander entgegenge­ setzt orientierten Stellkräften auf das Ventilglied 2 einwir­ ken können. Auf diese Weise ist jeweils ein Piezo-Biege­ element 8, 8' maßgeblich für die Verlagerung des Ventilglie­ des 2 in einer der beiden axialen Verschieberichtungen ver­ antwortlich.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 sind die beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' kompakt auf engstem Raume zusammen­ gefaßt. Sie liegen längsseits benachbart nebeneinander, wobei sie bezogen auf die Verschieberichtung 7 nacheinander pla­ ziert sind. Ihre Betätigungsenden 13 beaufschlagen an der Koppelstelle 15 ein am Ventilglied 2 vorgesehenes Übertra­ gungsglied 18 auf bezüglich der Verschieberichtung 7 axial einander entgegengesetzt orientierten Seiten. Mit anderen Worten ausgedrückt, sitzt das zum Beispiel stegartige Über­ tragungsglied 18 zwischen den beiden Betätigungsenden 13, wo­ bei durch die schon erwähnte mechanische Vorspannung der Pie­ zo-Biegeelemente 8, 8' eine in Verschieberichtung 7 spiel­ freie Einspannung gegeben ist.

Durch die mechanische Vorspannung verfügen die Piezo-Biege­ elemente 8, 8' im Bereich ihrer Betätigungsenden 13 über eine in Fig. 1 etwas übertrieben dargestellte winkelmäßige Aus­ lenkung im Vergleich zum Neutralzustand und entgegen der von ihnen jeweils verursachten Verschieberichtung des Ventilglie­ des 2. Diese Auslenkung ist in Fig. 1 bei 22 ersichtlich.

Ein unter Vorspannung erfolgendes Angreifen der Piezo- Biegeelemente 8, 8' am Ventilglied 2 kann auch beim Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 4 und 5 vorgesehen sein. Jedenfalls ist dort aber eine dahingehende Anordnung getroffen, daß die beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' einen größeren Abstand zu­ einander aufweisen und jeweils an einem der beiden axialen Endabschnitte des Ventilgliedes 2 angreifen. Sie sind zu die­ sem Zweck im Bereich der beiden einander entgegengesetzten Endabschnitte des Ventilgehäuses 4 plaziert, während sie ge­ mäß Fig. 1 gemeinsam im Bereich des einen Gehäuseendes in­ stalliert sind. Gemäß Fig. 4 und 5 erstreckt sich somit das Ventilglied 2 zwischen den beiden Piezo-Biegeelementen 8, 8', zwischen denen es dabei spielfrei eingespannt sein kann.

Während ihrer Aktivierung können die Piezo-Biegeelemente 8, 8' im Kontaktbereich mit dem Ventilglied 2 an diesem ablaufen oder abgleiten, so daß mechanische Verspannungen vermieden werden. Es versteht sich dabei, daß zwischen den Piezo- Biegeelementen 8, 8' und dem Ventilglied 2 bei Bedarf auch eine gegenständliche Verbindung vorgesehen sein kann, bei­ spielsweise unter Einschaltung von Gelenk- und/oder Schar­ niermitteln.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die An­ triebseinrichtung 3 mit mehr als zwei Piezo-Biege-elementen ausgestattet. Wie im übrigen auch bei einer Zweifach- Anordnung von Piezo-Biegeelementen könnte eine solche Bauform dazu verwendet werden, um eine Addition der Piezo-Stellkräfte und dadurch eine Kraftverstärkung zu erreichen.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, durch variab­ le stufenlose Vorgabe der an die Piezo-Biegeelemente 8, 8' angelegten Spannungen eine stetige Verstellcharakteristik des Ventilgliedes 2 zu realisieren. Auf diese Weise eignet sich das Elektroventil beispielsweise für Einsätze, bei denen das zu steuernde Fluid, insbesondere Druckluft, mit variabler Strömungsrate einem Verbraucher zugeführt werden soll. Ein besonders zweckmäßiges Einsatzfeld ist die Proportionalven­ tiltechnik.

Anhand der Fig. 3 wird allerdings deutlich, daß es durchaus möglich ist, durch die piezoelektrische Antriebseinrichtung 3 ein digitales Mehrstellungsverhalten des Ventilgliedes 2 zu realisieren, wobei das Ventilglied 2 durch Zurücklegen vorge­ gebener Stellwege in ganz bestimmten Stellpositionen positio­ niert wird. Dies geschieht hier durch eine spannungsmäßig entsprechend abgestufte Ansteuerung des Piezo-Biegeelement- Paares 8, 8', wobei sich die Stellkräfte der beiden Piezo- Biegeelemente 8, 8' gegenseitig beeinflussen, so daß in der Summe an der Koppelstelle 15 bzw. an dem Übertragungsglied 18 ein resultierender Stellweg abgegriffen werden kann, der aus der Überlagerung der Biegebewegungen der beiden Piezo-Biege­ elemente 8, 8' resultiert.

In Fig. 3(e) ist eine zweckmäßigerweise in die Steuerein­ richtung 17 integrierte Steuerschaltung 23 dargestellt, die als Spannungsteilerschaltung ausgeführt ist, wobei eine an­ liegende Ausgangsspannung - beim Ausführungsbeispiel 200 V - je nach Einstellung in einem vorbestimmten Verhältnis auf die beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' verteilt wird. Mögliche Aus­ wirkungen bestimmter Spannungsaufteilungen machen die Abbil­ dungen (a) bis (d) der Fig. 3 deutlich.

Die Fig. 3(a) zeigt die beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' in ihrer deaktivierten Neutralstellung, also ihrer stromlosen Null-Lage. Diese Neutralstellung liegt folglich auch bei ei­ nem Stromausfall an, so daß darauf basierend eine gewünschte Fail-Safe-Funktion realisiert werden kann.

Die Fig. 3(b) zeigt eine gleichmäßige Aufteilung der Aus­ gangsspannung auf beide Piezo-Biegeelemente 8, 8'. Hier heben sich die an der Koppelstelle 15 auf das Ventilglied 2 einwir­ kenden Biegewandlerkräfte auf, wobei sich die Piezo-Biege­ elemente 8, 8' zwar auswölben, insgesamt aber keine Verschie­ bung des Ventilgliedes 2 hervorrufen.

Die Fig. 3(c) zeigt einen Zustand, bei dem über eine ent­ sprechende Vorgabe der Steuerschaltung 23 am einen Piezo- Biegeelement 8' eine Spannung von 150 V und am anderen Piezo- Biegeelemente 8 eine Spannung von 50 V anliegt. Daraus resul­ tiert eine Auslenkung der Koppelstelle 15 und dementsprechend ein axialer Stellweg 24 des Ventilgliedes 2, der im vorlie­ genden Fall die Hälfte des maximal erzeugbaren Stellweges be­ trägt.

Die Fig. 3(d) schließlich zeigt einen Ansteuerungszustand, bei dem die gesamte Ausgangsspannung von 200 V an dem einen Piezo-Biegeelement 8' anliegt, während das andere Piezo- Biegeelement 8 spannungslos ist. In diesem Falle ergibt sich an der Koppelstelle 15 und dementsprechend am mit dieser ver­ bundenen Ventilglied 2 der maximal mögliche Stellweg 24.

Es ist also möglich, durch aufeinander abgestimmte elektri­ sche Ansteuerung der beiden Piezo-Biegeelemente 8, 8' mit va­ riablen Spannungen unterschiedliche Stellwege und/oder Stell­ positionen des Ventilgliedes 2 hervorzurufen.

Ein besonderer Vorteil der piezoelektrischen Aktivierung des Elektroventils 1, 1' liegt auch darin, daß eine hochfrequente Ventilbetätigung möglich ist, beispielsweise in der Größen­ ordnung von 200 Hz, so daß extrem kurze Schaltzeiten reali­ siert werden können.

Es kann eine Positionserfassungseinrichtung 25 vorgesehen sein, um eine oder mehrere Positionen und dabei vorzugsweise jede Momentanposition des Ventilgliedes 2 zu erfassen. Die beim Ausführungsbeispiel realisierte Bauform sieht dabei eine Positionserfassung auf Basis des aktuellen Biegezustandes mindestens eines Piezo-Biegeelementes 8 der piezoelektrischen Antriebseinrichtung 3 vor.

Hierzu kann gemäß Abbildung das betreffende Piezo-Biege­ element 8 mit mindestens einem Dehnmeßstreifen 29 bestückt sein, dessen Dehnungszustand vom Biegewinkel des Piezo- Biegeelementes 8 abhängt und der dementsprechend in der Lage ist, Positionssignale hervorzurufen, die in einer Auswerte­ einheit 26 ausgewertet werden. Letztere kann wie abgebildet separat ausgeführt oder aber auch ein Bestandteil der Steuer­ einrichtung 17 sein.

Anstelle der Dehnmeßstreifen 29 könnten auch andere geeignete Sensoren zum Einsatz gelangen. Ferner wäre es möglich, mehre­ re und zweckmäßigerweise jedes der vorhandenen Piezo-Biege­ elemente 8, 8' mit einer dementsprechenden Sensorik auszu­ statten.

In Fig. 2 ist noch eine mögliche Ausführungsform eines Pie­ zo-Biegeelementes 8' abgebildet, das in der piezoelektrischen Antriebseinrichtung 3 vorteilhaft eingesetzt werden kann. Es verfügt über einen streifenartigen länglichen Träger 27, bei­ spielsweise aus Keramikmaterial und/oder aus Metall, der ein­ seitig, an einer seiner beiden größerflächigen Steifenflä­ chen, mit piezoelektrischem Material 28 beschichtet ist. Die­ ses piezoelektrische Material 28 hat zweckmäßigerweise Multi­ layer-Aufbau mit mehreren aufeinanderliegenden Piezoschichten 32.

Beim Ausführungsbeispiel liegt eine der Längsachse des Trä­ gers 27 folgende Schichtung vor, so daß die Schichtebenen der einzelnen Piezoschichten 32 quer zur Längsrichtung des Trä­ gers 27 verlaufen und diese Längsrichtung insbesondere recht­ winkelig zu den einzelnen Schichtebenen ausgerichtet ist. Das piezoelektrische Material 28 erhält dadurch einen Aufbau ver­ gleichbar eines piezoelektrischen Stapeltranslators, wobei die einzelnen Piezoschichten in entsprechender Weise kontak­ tiert sind. Das Anlegen einer Spannung führt nun zu einer Längenänderung des Piezostapels und daraus resultierend zu einer Krümmung des Trägers 27, dessen vorderes Ende das Betä­ tigungsende 13 bildet.

Das piezoelektrische Material 28 bedeckt zweckmäßigerweise nur eine Teillänge des Trägers 27. Möglich sind aber auch an­ dere Ausführungsformen. So kann der Träger mit aktivem Piezo­ material (Multilayer aus Piezo- und Elektrodenmaterial) oder mit passivem Piezomaterial (Piezomaterial ohne Elektroden­ schichten) bündig überzogen sein. Dadurch reduziert sich die Kerbwirkung zwischen Piezomaterial und Träger, verbunden mit einer Erhöhung der Lebensdauer.

Bei einer abgewandelten Bauform ist das piezoelektrische Ma­ terial 28 vergleichbar einem Streifentranslator aufgebaut, wobei die in Fig. 2 für einen solchen Aufbau strichpunktiert angedeuteten Piezoschichten 33 in Längsrichtung des Trägers 27 mit zur Trägerebene parallelen Schichtebenen verlaufen können.

Vorteilhafterweise wird als Trägermaterial hochfeste Keramik verwendet, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Auf das Trägermaterial wird das bereits streifenförmig vorgeformte Piezomaterial aufgeklebt, ohne daß dabei Isolationsprobleme entstehen können. Wird als Trägerma­ terial ein Metall verwendet, so ist zwischen Metall-Träger und Piezomaterial ein dünner Isolator, aus zum Beispiel Po­ lyamid notwendig.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Piezo-Biegeelement nicht wie allgemein üblich am Punkt der maximalen Auslenkung, sondern am Punkt des maximalen elektromechanischen Wirkungs­ grades zu betreiben. Dieser kann in bekannter Weise durch Ab­ stimmung von E-Modul und Dicke des Trägers und der piezoelek­ trischen Beschichtung aufeinander eingestellt werden.

Kommt zur Positionserfassung ein Dehnmeßstreifen 29 zur An­ wendung, würde dieser zweckmäßigerweise an der dem piezoelek­ trischen Material 28 abgewandten zweiten größerflächigen Sei­ tenfläche des Trägers 27 plaziert werden.

Claims (20)

1. Elektroventil, mit einem relativ zu einem Ventilgehäuse (4) linear verschiebbar geführten Ventilglied (2), dem eine elektrisch aktivierbare piezoelektrische Antriebseinrichtung (3) zugeordnet ist, die mindestens ein sich quer zur Verschieberichtung des Ventilgliedes (2) erstreckendes Piezo- Biegeelement (8, 8') enthält, das derart einerseits am Ventilglied (2) angreift und andererseits gehäusefest fixiert ist, daß seine elektrisch verursachte Biegebewegung die lineare Verschiebebewegung des Ventilgliedes (2) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Antriebseinrichtung (3) mehrere an dem Ventilglied (2) angreifende Piezo-Biegeelemente (8, 8') aufweist, wobei mindestens zwei Piezo-Biegeelemente (8, 8') vorgesehen sind, die mit einander entgegengesetzt orientierten Stellkräften auf das Ventilglied (2) einwirken können.

2. Elektroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (2) von einem Ventilschieber gebildet ist.

3. Elektroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß verschiedene Piezo-Biegeelemente (8, 8') indi­ viduell elektrisch ansteuerbar sind.

4. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch eine Steuereinrichtung (17) zur aufeinander abgestimmten elektrischen Ansteuerung der Piezo-Biegeelemente (8, 8') mit variablen Spannungen zur Hervorrufung unter­ schiedlicher Stellwege und/oder Stellpositionen des Ventil­ gliedes (2).

5. Elektroventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) eine spannungsmäßig abgestufte Ansteuerung der Piezo-Biegeelemente (8, 8') ermöglicht, um ein Mehrstellungsverhalten des Ventilgliedes (2) zu realisie­ ren.

6. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei am Ventilglied (2) angreifende Pie­ zo-Biegeelemente (8, 8') benachbart zueinander angeordnet sind.

7. Elektroventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden benachbarten Piezo-Biegeelemente (8, 8') ge­ meinsam an einem der beiden axialen Endabschnitte des Ventil­ gliedes (2) angreifen.

8. Elektroventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden benachbarten Piezo-Biegeelemente (8, 8') gemeinsam einem der beiden axialen Endbereiche des Ven­ tilgehäuses (4) zugeordnet sind.

9. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezo-Biegeelemente (8, 8') an den beiden einander entgegengesetzten axialen Endabschnitten des Ventilgliedes (2) angreifen.

10. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch eine Ausgestaltung als Stetigventil.

11. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Piezo-Biegeelement (8, 8') unter mechanischer Vorspannung am Ventilglied (2) angreift.

12. Elektroventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei entgegengesetzt wirkende Piezo-Biegeelemente (8, 8') unter mechanischer Vorspannung gleichzeitig am Ventilglied (2) angreifen.

13. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Piezo-Biegeelement (8, 8') ausschließlich durch Berührkontakt mit dem Ventilglied (2) zusammenwirkt.

14. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine anhand des aktuellen Biegezustandes min­ destens eines Piezo-Biegeelementes (8) die Position des Ven­ tilgliedes (2) erfassende Positionserfassungeinrichtung (25).

15. Elektroventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Piezo-Biegeelement (8, 8') zur Erfassung seines Biegezustandes mit mindestens einem Dehnmeßstreifen (29) oder einem anderen Sensor ausgestattet ist.

16. Elektroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Piezo-Biegeelement (8, 8') einen länglichen streifenartigen Träger (27) aufweist, der zumindest einseitig mit piezoelektrischem Material (28) be­ schichtet ist.

17. Elektroventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material auf den Träger (27) aufge­ klebt ist.

18. Elektroventil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (27) aus hochfester Keramik besteht, beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid.

19. Elektroventil nach einem der Ansprüche 16 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material (28) einen Multilayer-Aufbau hat.

20. Elektroventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtebenen der einzelnen Schichten des piezoelekt­ rischen Materials (28) in Längsrichtung des Trägers (27) oder quer zu dieser verlaufen.