DE19957953C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Piezoventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoventils, das ein Ventilgehäuse aufweist, in dem sich ein Piezo-Biegeelement erstreckt, das mit einem Halteabschnitt am einen Endbereich gehäusefest festgelegt ist und dessen ande­ rer Endbereich als beweglicher Steuerabschnitt ausgeführt ist, der mindestens einem Ventilsitz gegenüberliegt, gegen den er mechanisch mit einer Schließkraft vorgespannt ist, wo­ bei man das Biegeelement nach dem Plazieren im Ventilgehäuse bei noch beweglichem Halteabschnitt derart mit einer Beauf­ schlagungseinrichtung beaufschlagt, dass der Steuerabschnitt in Richtung zum Ventilsitz gegen eine im Bereich des Ventil­ sitzes angeordnete Kraftaufnahmefläche gedrückt wird, wobei man die über die Beaufschlagungseinrichtung eingeleitete Be­ aufschlagungskraft so einstellt, dass bei fertiggestelltem Ventil die gewünschte Schließkraft vorliegt, wonach man das Biegeelement in diesem Beaufschlagungszustand hält, bis es an seinem Halteabschnitt gehäusefest festgelegt ist.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstel­ lung eines Piezoventils, das ein Ventilgehäuse aufweist, in dem sich ein Piezo-Biegeelement erstreckt, das mit einem Hal­ teabschnitt am einen Endbereich gehäusefest festgelegt ist und dessen anderer Endbereich als beweglicher Steuerabschnitt ausgeführt ist, der mindestens einem Ventilsitz gegenüber­ liegt, gegen den er mechanisch mit einer Schließkraft vorge­ spannt ist, mit einer Beaufschlagungseinrichtung zur Beauf­ schlagung des mit noch beweglichem Halteabschnitt im Ventil­ gehäuse platzierten Biegeelementes mit einer Beaufschlagungs­ kraft im Sinne einer Verlagerung des Steuerabschnittes in Richtung zu einem Ventilsitz gegen eine Kraftaufnahmefläche.

Die WO 97/09555 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich­ tung der vorgenannten Art, wobei das im fertiggestellten Zu­ stand des Piezoventils an einem Halteabschnitt gehäusefest eingespannte Biegeelement beim Herstellungsprozess in das Ventilgehäuse eingelegt und bei noch nicht fixiertem Halteab­ schnitt mit einer von einem Gewicht gelieferten Kraft beauf­ schlagt wird. Auf Grund dieser Beaufschlagung wird das Biege­ element mechanisch gegen einen Ventilsitz vorgespannt, wobei erst in diesem vorgespannten Zustand die Befestigung des Hal­ teabschnittes stattfindet, so dass bei nachfolgender Entfer­ nung der Beaufschlagungskraft eine von der bleibenden Vor­ spannung hervorgerufene Schließkraft verbleibt, mit der das Biegeelement mechanisch gegen den Ventilsitz vorgespannt ist. Somit verfügt das Piezoventil schon im spannungslosen Zustand über eine vorgegebene Schaltstellung. Allerdings kann das Problem auftreten, dass bei einer zu starken Beaufschlagung des Biegeelements Beschädigungen am Biegelement selbst oder an dem durch dieses beaufschlagten Ventilsitz auftreten kön­ nen. Auch kann es unter Umständen geschehen, dass bei zu lan­ ger Beaufschlagung in Verbindung mit der dadurch verursachten Beanspruchung der Biegeelementstruktur eine rasche Relaxation auftritt, die den gewünschten Effekt abschwächt. Eine solche länger andauernde Beaufschlagung kann beispielsweise als Fol­ ge einer längeren Aushärtedauer einer zum Fixieren des Halte­ abschnittes verwendeten Vergussmasse auftreten.

In der EP 0 538 236 B1 ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Biegeelement durch eine ständige Federbeaufschlagung ge­ gen einen Ventilsitz vorzuspannen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, um ein Piezoventil ohne Beschädigungsgefahr und unter Realisierung exakter Vorspann­ werte herstellen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kraftaufnahmefläche als Bestand­ teil einer Kraftsensoreinrichtung zum Messen der Vorspann­ kraft des Biegeelements verwendet wird und beim Messvorgang so angeordnet wird, dass der Steuerabschnitt im durch die Be­ aufschlagungseinrichtung beaufschlagten Zustand in einem Ab­ stand zum Ventilsitz gehalten wird.

Ferner wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kraftaufnahmefläche Bestandteil einer Kraftsensoreinrichtung ist, die derart im Ventilgehäuse im Bereich des Ventilsitzes platzierbar ist, dass das durch die Beaufschlagungseinrichtung beaufschlagte Biegeelement unter Wahrung eines Abstandes zum Ventilsitz ge­ gen die Kraftaufnahmefläche gedrückt wird, und dass eine Steuereinrichtung vorhanden ist, in der die gewünschte Schließkraft als Soll-Wert vorgebbar ist und die der Beauf­ schlagungseinrichtung, anhand eines Vergleiches zwischen dem Soll-Wert und der von der Kraftsensoreinrichtung ermittelten Vorspannkraft als Ist-Wert, die auszuübende Beaufschlagungs­ kraft vorgibt.

Auf diese Weise kann die durch die Beaufschlagungseinrichtung hervorgerufene Vorspannkraft des Biegeelementes mittels einer als Kraftsensoreinrichtung bezeichneten Sensoreinrichtung er­ fasst werden, so dass man auch bei einer Serienfertigung bei sämtlichen Ventilen ungeachtet der Toleranzen in der Materi­ albeschaffenheit der Biegeelemente exakt reproduzierbare Her­ stellungsparameter gewährleisten kann. Indem die zum Messen der Vorspannkraft des Biegeelementes verwendete Kraftaufnah­ mefläche der Kraftsensoreinrichtung so platziert ist, dass der Steuerabschnitt des Biegeelements im beaufschlagten Zu­ stand in einer gewissen Entfernung zum Ventilsitz gehalten wird, lässt sich während des Einstellvorganges ein unmittel­ barer Kontakt zwischen dem Biegeelement und dem Ventilsitz verhindern. Weder das Biegeelement noch der Ventilsitz werden somit in dem für den späteren Betrieb vorgesehenen Kontaktbe­ reich einer zu hohen Beanspruchung ausgesetzt. Auch besteht bei entsprechender Ausgestaltung die Möglichkeit, auf Basis der von der Kraftsensoreinrichtung gemessenen Vorspannkraft die bei der späteren Vollauslenkung auftretende Schließkraft zu errechnen, um die Vorspannung trotz der geringen Auslen­ kung so einzustellen, dass später auch tatsächlich die ange­ strebte Schließkraft vorhanden ist.

Zwar beschreibt die EP 0 555 510 A2 auch bereits Maßnahmen zum Einstellen der Vorspannung eines Biegeelements. Auch dort ist allerdings während des Einstellvorganges, der beispiels­ weise durch Justieren der Ventilsitze stattfindet, ein Kon­ takt zwischen dem Biegeelement und den Ventilsitzen vorgese­ hen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Vor­ spannkraft des Biegeelementes in demjenigen Bereich des Bie­ geelementes ermittelt, der der vom Ventilsitz umgrenzten Mün­ dung unmittelbar gegenüberliegt. Auf diese Weise ist eine be­ sonders exakte Erfassung der Vorspannkraft möglich, die prak­ tisch in demjenigen Bereich gemessen wird, der im späteren Betrieb auch tatsächlich mit dem Ventilsitz kooperiert. Fer­ ner kann bei ausreichend großem Durchmesser die Kraftsensor­ einrichtung unmittelbar durch die vom Ventilsitz umgrenzte Mündung bzw. den zugeordneten Fluidkanal hindurch in die den Steuerabschnitt enthaltende Ventilkammer eingeführt werden.

Insbesondere wenn sich die vom Ventilsitz umgrenzte Mündung nicht für die Einführung einer Kraftsensoreinrichtung eignet, empfiehlt sich eine Ermittlung der Vorspannkraft in demjeni­ gen Bereich des Biegeelementes, der einem neben dem Ventil- Sitz liegenden Gehäusebereich gegenüberliegt. Zweckmäßiger­ weise wird der Abstand zum Ventilsitz dabei möglichst gering gehalten, um exakte Messungen zu ermöglichen. Die seitliche Lageabweichung bezüglich der im Betrieb tatsächlich mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Schließpartie des Steuerab­ schnittes kann bei Bedarf bei der Ermittlung der notwendigen Beaufschlagungskraft berücksichtigt werden. Man kann auch oh­ ne weiteres ein relativ großes Loch im Ventilgehäuse vorse­ hen, durch das hindurch man die Kraftsensoreinrichtung zur Messung in die Ventilkammer einführt, wobei man das Loch nach dem Entfernen der Kraftsensoreinrichtung wieder dicht ver­ schließt, beispielsweise durch Verkleben oder durch Verku­ geln.

Besonders geeignet für die Ermittlung der Vorspannkraft ist ein schlanker, stiftförmiger Kraftaufnehmer der Kraftsen­ soreinrichtung.

Die durch die Kraftsensoreinrichtung ermittelte Vorspannkraft wird vorzugsweise als Ist-Wert einer Steuereinrichtung zuge­ führt, in der die gewünschte Schließkraft als Soll-Wert vor­ gegeben bzw. abgespeichert ist und die anhand eines Verglei­ ches zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert die benötigte Beaufschlagungskraft für die Beaufschlagungseinrichtung vor­ gibt. Das Ganze kann als Regelkreis ausgeführt werden.

Die Beaufschlagungskraft wird dem Biegeelement zweckmäßiger­ weise mit einem stiftartigen Beaufschlagungsglied der Beauf­ schlagungseinrichtung auferlegt.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der man die Beaufschlagungskraft in einem Bereich in das Biegeelement einleitet, der sich auf der dem Steuerabschnitt entgegenge­ setzten Seite einer Einspannstelle befindet, an der das Bie­ geelement vor der endgültigen Befestigung seines Halteab­ schnittes wippenähnlich verschwenkbar fixiert ist. Auf diese Weise wirkt das Biegeelement vergleichbar einem zweiarmigen Hebel, wobei die Beaufschlagungskraft zweckmäßigerweise in den Halteabschnitt des Biegeelementes eingeleitet wird. Dies hat unter anderem den Vorteil, daß der in der Regel mit grö­ ßerer Länge als der Halteabschnitt ausgeführte Steuerab­ schnitt des Biegeelementes durch die Beaufschlagungseinrich­ tung keiner unmittelbaren Durchbiegung ausgesetzt wird, was Fehlmessungen vorbeugt.

Man kann das unmittelbar auf das Biegeelement einwirkende Be­ aufschlagungsglied der Beaufschlagungseinrichtung nach der endgültigen Befestigung des Halteabschnittes an Ort und Stel­ le belassen und als Befestigungselement zur gehäuseseitigen Befestigung des Halteabschnittes des Biegeelementes verwen­ den. Dabei spannt man den Halteabschnitt zweckmäßigerweise zwischen von entgegengesetzten Seiten her wirksamen Befesti­ gungselementen ein. Zusätzlich kann der Halteabschnitt in ei­ ne Vergußmasse eingebettet werden, die man in fließfähigem oder pastösem Zustand in das Ventilgehäuse einbringt und die als Dichtungsmasse wirkt, welche den Halteabschnitt vor Feuchtigkeit oder sonstigen Verunreinigungen abschirmt. Al­ lerdings wäre es auch möglich, den Halteabschnitt allein durch eine nach der Verarbeitung erstarrende Vergußmasse ge­ häusefest zu fixieren und auf eine zusätzliche Einspannung zwischen Befestigungselementen zu verzichten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich­ nung näher erläutert. Diese zeigt in Fig. 1 bis 3 ver­ schiedene Phasen bei der Herstellung eines Piezoventils unter Verwendung einer besonders geeigneten Vorrichtung, wobei die Fig. 3 das fertiggestellte Piezoventil zeigt. Die Darstel­ lungen sind schematisch und jeweils im Schnitt, wobei die Schnittebene parallel zur Biegeebene des Piezo-Biegeelementes verläuft.

Zunächst sei anhand der Fig. 3 ein durch das erfindungsgemä­ ße Verfahren unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung hergestelltes Piezoventil 1 hinsichtlich seines Aufbaues erläutert.

Das Piezoventil 1 verfügt über ein Ventilgehäuse 2, bei­ spielsweise aus Kunststoffmaterial, das beim Ausführungsbei­ spiel über zwei in einem Fügebereich 3 aneinandergesetzte und unter Abdichtung fest miteinander verbundene Gehäuseteile 4, 4' verfügt. Beim Ausführungsbeispiel stellen die Gehäuseteile 4, 4' jeweils eine Gehäusehälfte dar und sind im Fügebereich 3 miteinander verschweißt oder verklebt.

Im Innern des Ventilgehäuses 2 ist ein Gehäuseinnenraum 5 ausgebildet, der sich beim Ausführungsbeispiel aus zwei Teil­ räumen zusammensetzt, deren einer nachfolgend als Ventilkam­ mer 6 und deren anderer nachfolgend als Befestigungskammer 7 bezeichnet seien. Der Gehäuseinnenraum 5 erstreckt sich im Fügebereich 3 und setzt sich insgesamt aus in die beiden Ge­ häuseteile 4, 4' eingelassenen Vertiefungen zusammen, die miteinander fluchten und sich zu dem Gehäuseinnenraum 5 er­ gänzen. Man könnte von einer Schalenbauweise der Gehäuseteile 4, 4' sprechen.

In dem Gehäuseinnenraum 5 erstreckt sich ein längliches Pie­ zo-Biegeelement 8, also ein aus geeignetem Piezowerkstoff aufgebauter länglicher, balkenähnlicher Biegewandler. Es ist mit seinem einen axialen Endbereich, der nachfolgend als Hal­ teabschnitt 12 bezeichnet sei, in der Befestigungskammer 7 gehäusefest unbeweglich festgelegt. Der entgegengesetzte En­ dabschnitt des Biegeelementes 8, der als Steuerabschnitt 13 bezeichnet sei, ragt ausgehend von der Befestigungskammer 7 in die Ventilkammer 6 hinein, in der er frei endet, so daß der Steuerabschnitt 13 gemäß Doppelpfeil 14 in der Ventilkam­ mer 6 relativ zum Ventilgehäuse 2 verschwenkbar ist.

Am Ventilgehäuse 2 ist im Innern der Ventilkammer 6 im Schwenkweg des Steuerabschnittes 13 auf entgegensetzten Sei­ ten desselben jeweils ein Ventilsitz 15, 15' ausgebildet, der eine Mündung 16, 16' ringähnlich umgrenzt, die mit einem das Ventilgehäuse 2 durchsetzenden Fluidkanal 17, 17' in Verbin­ dung steht. Durch Verschwenken läßt sich der Steuerabschnitt 13 wahlweise in Anlage mit einem der beiden Ventilsitze 15, 15' positionieren, um die zugeordnete Mündung 16, 16' fluid­ dicht zu verschließen. Im Kontaktbereich mit einem jeweiligen Ventilsitz 15, 15', den man als Schließpartie bezeichnen kann, kann der Steuerabschnitt 13 dabei mit geeignetem Dicht­ material versehen sein, beispielsweise mit einem Elastomer­ teil.

Ist das Piezoventil 1 beispielsweise als 3/2-Wegeventil aus­ gebildet, mündet noch ein weiterer, in der Zeichnung nicht dargestellter Fluidkanal in die Ventilkammer 6, der dann je nach Schaltstellung des Steuerabschnittes 13 mit dem einen oder anderen der beiden vorerwähnten Fluidkanäle 17, 17' in Verbindung steht. Denkbar wäre es aber beispielsweise auch, die Anordnung so zu treffen, daß der Steuerabschnitt 13 nur eine der Mündungen 16, 16' verschließen kann, während er in der anderen Schaltstellung zwischen den beiden Mündungen 16, 16' liegt und dadurch eine Verbindung zwischen den beiden Fluidkanälen 17, 17' gestattet. Bei dieser, ein 2/2-Wege­ ventil repräsentierenden Bauform ist selbstverständlich der nicht zu verschließenden Mündung nicht notwendigerweise ein Ventilsitz zugeordnet.

Die Schaltbewegung des Piezoventils 1, das im übrigen auch als Proportionalventil ausgeführt sein kann, wird in an sich bekannter Weise durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an das Biegeelement 8 hervorgerufen. Die hierzu erforderli­ chen elektrischen Leiter sind ausgehend vom Halteabschnitt 12 nach außerhalb des Ventilgehäuses 2 geführt, in der Zeichnung der besseren Übersichtlichkeit wegen jedoch nicht darge­ stellt.

Zu seiner Befestigung ist der Halteabschnitt 12 beim Ausfüh­ rungsbeispiel zwischen zwei insbesondere stiftartigen Befe­ stigungselementen 18, 18' eingespannt, die den Halteabschnitt 12 in der Ebene der Schwenkbewegung des Steuerabschnittes 13 oder in einer hierzu parallelen Ebene von entgegengesetzten Seiten her fest beaufschlagen und am Ventilgehäuse 2 fest verankert sind. Beim Ausführungsbeispiel sind sie durch je­ weils eine Gehäuseöffnung 22, 22' von außen her bis zur Anla­ ge am Halteabschnitt 12 in die Befestigungskammer 7 einge­ führt, wobei ihr innerhalb der zugeordneten Gehäuseöffnung 22, 22' liegender Abschnitt beispielsweise fest mit dem Ven­ tilgehäuse 2 verklebt ist. Der hierzu verwendete Klebstoff ist bei 21 angedeutet.

Im übrigen ist die Befestigungskammer 7 vollständig mit einer Vergußmasse 23 ausgefüllt. Deren Hauptfunktion ist beim Aus­ führungsbeispiel eine Dichtfunktion, indem sie den Halteab­ schnitt 12 mit den daran befindlichen elektrischen Anschlüs­ sen dicht umhüllt. Es kann sich um eine im ausgehärteten Zu­ stand vorzugsweise nachgiebige und beispielsweise elastische Vergußmasse handeln.

Im Übergangsbereich zwischen der Ventilkammer 6 und der Befe­ stigungskammer 7 befindet sich noch eine zusätzliche Ein­ spannstelle 24 für das Biegeelement 8. Letzteres ist dabei an seinen beiden in Richtung der Schwenkbewegung 14 orientierten Seiten zwischen zwei sich gegenüberliegenden gehäusefesten Lagerpartien 25, 25' gehalten, die über eine nur sehr geringe axiale Länge des Biegeelementes 8 mit dem Biegeelement in Kontakt stehen und die beispielsweise abgerundet oder kanten­ artig ausgeführt sind. Die Anordnung ist so getroffen, daß das Biegeelement 8 bei unbefestigtem Halteabschnitt 12 zu ei­ ner wippenartigen Schwenkbewegung mit der Einspannstelle 24 als Schwenkzentrum in der Lage ist.

Die Einspannstelle 24 bildet gleichzeitig eine Begrenzungs­ wand zur Abschottung der Vergußmasse 23 von der Ventilkammer 6.

Das Piezoventil 1 zeichnet sich im fertiggestellten Zustand gemäß Fig. 3 dadurch aus, daß sein Steuerabschnitt 13 gegen einen der Ventilsitze 15 mit einer Schließkraft F_S mechanisch vorgespannt ist und die zugeordnete Mündung 16 verschließt. Das Biegeelement 8 nimmt also auch im spannungslosen Zustand eine Schließstellung ein und kann als Ventil vom Typ "nor­ malerweise geschlossen" bezeichnet werden. Um die Mündung 16 freizugeben, wird eine geeignete Spannung an das Biegeelement angelegt; wird die Spannung entfernt, schwenkt der Steuerab­ schnitt 13 wieder in die vorgespannte Grundstellung zurück. Eine derartige Ventilbauform läßt sich mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren unter Verwendung der ebenfalls be­ schriebenen Vorrichtung besonders präzise und ohne Beschädi­ gungsgefahr herstellen.

Zunächst werden auf beliebige geeignete Weise, beispielsweise durch Spritzgießen oder durch ein Mikrostrukturierungsverfah­ ren, die beiden das Ventilgehäuse 2 bildenden Gehäuseteile 4, 4' gefertigt. Bei noch nicht zusammengefügten Gehäuseteilen 4, 4' wird das Piezo-Biegeelement 8 in der gewünschten Posi­ tion in das eine Gehäuseteil 4' eingelegt, wonach das zweite Gehäuseteil 4 angesetzt und fest mit dem ersten Gehäuseteil 4' verbunden, beispielsweise verklebt wird. Das Biegeelement 8 wird dabei zwischen den beiden vorsprungartig ausgebildeten Lagerpartien 25, 25' gehalten und geringfügig eingespannt, derart, daß das Biegeelement 8 durch Beaufschlagung seines Halteabschnittes 12 zu einer wippenähnlichen Schwenkbewegung um die definierte Einspannstelle 24 veranlaßt werden kann.

An die auf diese Weise vorbereitete Anordnung wird anschlie­ ßend eine in ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 26 bezeichnete Vorspannvorrichtung angesetzt, mit der erreicht werden kann, daß der Steuerabschnitt 13 bei fertiggestelltem Piezoventil mit der gewünschten Schließkraft F_S gegen den in der Zeich­ nung oben liegenden einen Ventilsitz 15 mechanisch vorge­ spannt ist. Selbstverständlich kann die Vorspannvorrichtung 26 auch stationär installiert sein, wobei nacheinander die herzustellenden Piezoventile 1 angesetzt werden. Zweckmäßi­ gerweise zum Einsatz kommende Spannvorrichtungen zum Fixieren des Ventilgehäuses 2 während der Vorspannmaßnahmen sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Fig. 1 zeigt die Vorspannvorrichtung 26 im Zusammenwir­ ken mit dem herzustellenden Piezoventil 1. Sie verfügt über eine Beaufschlagungseinrichtung 27 und eine Kraftsensorein­ richtung 28. Ferner ist eine elektronische Steuereinrichtung 29 vorhanden, die mit den beiden vorerwähnten Einrichtungen steuerungstechnisch und vorzugsweise regelungstechnisch ver­ bunden ist.

Die Kraftsensoreinrichtung 28 enthält einen zweckmäßigerweise stiftartig ausgebildeten Kraftaufnehmer 32, der durch ein in dem den Ventilsitz 15 aufweisenden Gehäuseteil 4 ausgebilde­ tes Loch 33 von außen her in die Ventilkammer 6 eingeführt wird, wobei eine an dem in die Ventilkammer 6 hineinragenden Ende des Kraftaufnehmers 32 ausgebildete Kraftaufnahmefläche 34 dem Steuerabschnitt 13 zugewandt ist. Beim Ausführungsbei­ spiel ist das Loch 33 unmittelbar von dem zum erwähnten Ven­ tilsitz 15 führenden Fluidkanal 17 gebildet. Der Kraftaufneh­ mer 32 wird so weit eingeführt, bis die Kraftaufnahmefläche 34 dem Ventilsitz 15 mit einem gewissen Abstand "a" in der Ventilkammer 6 vorgelagert ist.

Die Beaufschlagungseinrichtung 27 verfügt über ein beim Aus­ führungsbeispiel ebenfalls stiftartig ausgeführtes Beauf­ schlagungsglied 35, das durch die in dem zweiten Gehäuseteil 4 ausgebildete und in die Befestigungskammer 7 einmündende Gehäuseöffnung 22 hindurch von außen her in die Befestigungs­ kammer 7 eingeführt wird, bis es mit einer an seinem in der Befestigungskammer 7 plazierten freien Ende vorgesehenen Be­ aufschlagungsfläche 36 am Halteabschnitt 12 des Biegeelemen­ tes 8 zur Anlage gelangt. Die Beaufschlagungsfläche 36 und die Kraftaufnahmefläche 34 liegen der gleichen, beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach oben gerichteten Längsseite des Biegeele­ mentes 8 gegenüber.

Gesteuert durch die Steuereinrichtung 29 wird nun der Halte­ abschnitt 12 durch die Beaufschlagungseinrichtung 27 mit ei­ ner Beaufschlagungskraft F_B beaufschlagt, was durch die He­ belwirkung in Verbindung mit der als Schwenkbereich dienenden Einspannstelle 24 ein Verschwenken des Steuerabschnittes 13 gemäß Pfeil 37 in Richtung zu dem der Kraftsensoreinrichtung 28 zugeordneten Ventilsitz 15 zur Folge hat. Allerdings ge­ langt der Steuerabschnitt 13 nicht zur Anlage mit dem Ventil­ sitz 15, sondern wird vorher durch den als Anschlagmittel wirkenden Kraftaufnehmer 32 gestoppt. Dies hat zur Folge daß der Steuerabschnitt 13 unter Einhaltung des durch die Ein­ führtiefe des Kraftaufnehmers 32 vorgegebenen Abstandes "a" bezüglich des Ventilsitzes gegen die Kraftsensoreinrichtung 28 bzw. deren Kraftabnehmer 32 gedrückt wird.

Die im folgenden als Vorspannkraft F_V bezeichnete Kraft, mit der der Steuerabschnitt dabei gegen die Kraftsensoreinrich­ tung 28 vorgespannt wird, wird von letzterer ermittelt und an die Steuereinrichtung 29 als Ist-Wert weitergeleitet.

Die über die Beaufschlagungseinrichtung 27 in den Halteab­ schnitt 12 eingeleitete Beaufschlagungskraft F_B wird nun so eingestellt, daß die von der Kraftsensoreinrichtung 28 ermit­ telt Vorspannkraft F_V bei fertiggestelltem Ventil der ge­ wünschten Schließkraft F_S entspricht.

Der Einstellvorgang der Beaufschlagungskraft F_B wird durch die Steuereinrichtung 29 gesteuert, in der die gewünschte Schließkraft F_S in variabler Weise nach Bedarf vorgegeben und abgespeichert werden kann. Aus einem Vergleich dieses Soll- Wertes mit dem durch die Kraftsensoreinrichtung 28 ermittel­ ten Ist-Wert wird die benötigte Beaufschlagungskraft F_B der Beaufschlagungseinrichtung 27 ermittelt und letztere entspre­ chend angesteuert.

Durch diese Einstellmethode ist gewährleistet, daß toleranz­ bedingten Abweichungen im Verformungsverhalten der Biegeele­ mente unterschiedlicher Piezoventile ein und desselben Typs automatisch Rechnung getragen wird. Die Beaufschlagungskraft ist variabel vorgebbar und orientiert sich an der aktuell ge­ messenen Vorspannkraft. Auf diese Weise ist eine sehr präzise Serienfertigung von Piezoventilen möglich. Da der Ventilsitz 15 bei dem Einstellvorgang nicht vom Steuerabschnitt 13 des Biegeelementes 8 beaufschlagt wird, wird zudem einer Beschä­ digung vorgebeugt.

Nachdem die gewünschte Vorspannung eingestellt worden ist, wird das Biegeelement 8 in dem entsprechenden Beaufschla­ gungszustand gehalten, bis sein Halteabschnitt 12 gehäusefest unbeweglich festgelegt ist. Im Anschluß daran wird das Piezo­ ventil 1 von der Vorspannvorrichtung 26 getrennt, wobei der Kraftaufnehmer 32 entfernt wird, so daß sich der Steuerab­ schnitt 13 mit der gewünschten Schließkraft F_S an den Ventil­ sitz 15 anlegt.

Die starre Verbindung zum Ventilgehäuse 2 des Halteabschnit­ tes 12 wird beim Ausführungsbeispiel durch die beiden schon erwähnten Befestigungselemente 18, 18' erzielt, die man in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise bei noch unter dem Ein­ fluß der Vorspannvorrichtung 26 stehenden Biegeelement 8 mon­ tiert. Sie ragen durch die in den beiden Gehäuseteilen 4, 4' ausgebildeten Gehäuseöffnungen 22, 22' hindurch, wobei sie am Halteabschnitt 12 anliegen und anschließend fest mit dem Ven­ tilgehäuse 2 verbunden werden. Außer der beim Ausführungsbei­ spiel vorgesehenen Klebeverbindung wären hier auch andere Verbindungen denkbar, beispielsweise auch Schraubverbindun­ gen.

Ist der Halteabschnitt 12 derart festgelegt, liegt eine schwenkunbewegliche Fixierung des sich zwischen der Einspann­ stelle 24 und dem rückseitigen Ende des Biegeelementes 8 er­ streckenden Halteabschnittes 12 vor. Im späteren Betrieb des Piezoventils 1 wird somit der Steuerabschnitt 13 durch Anle­ gen einer Spannung zu der erwähnten Schwenkbewegung 14 mit dem Verhalten eines Biegebalkens veranlaßt.

Ein Vorteil des Ausführungsbeispiels liegt darin, daß man das zur Übertragung der Beaufschlagungskraft F_B verwendete Beauf­ schlagungsglied 35 als bezüglich der Vorspannvorrichtung 26 verlorenes Teil ausführt und unmittelbar als Befestigungsele­ ment 18 verwendet. Hierzu braucht das Beaufschlagungsglied 35 nur in der bei eingestellter Vorspannkraft F_V befindlichen Position am Ventilgehäuse 2 befestigt werden. Jetzt ist nur noch von der entgegengesetzten Seite her das weitere Befesti­ gungselement 18' bis zur Anlage am Halteabschnitt 12 einzu­ führen und anschließend gehäusefest zu fixieren, um die ge­ wünschte feste Einspannung des Halteabschnittes 12 zu erhal­ ten.

Schließlich wird die Befestigungskammer 7 noch mit einer Ver­ gußmasse 23 aufgefüllt, die man in fließfähigem oder pastösem Zustand insbesondere durch Eingießen oder Einschäumen ein­ bringt. Diese Vergußmasse 23 verfügt beim Ausführungsbeispiel auch nach dem Aushärten über nachgiebige und vorzugsweise gummielastische Eigenschaften und hat zumindest eine Abdicht­ wirkung, indem sie den Halteabschnitt 12 einschließlich der daran vorhandenen elektrischen Kontaktierungen dicht um­ schließt. Das Eindringen von Feuchtigkeit oder von sonstigen Verunreinigungen in den empfindlichen Bereich der Einleitung der Betriebsspannung wird auf diese Weise verhindert.

Ist zumindest eine der Gehäuseöffnungen 22, 22' mit ausrei­ chend größerem Durchmesser als das zugeordnete Befestigungs­ element 18, 18' ausgeführt, kann die Vergußmasse 23 durch den vorhandenen Ringspalt eingeführt werden. Denkbar wäre aber auch eine separate Eingießöffnung.

Es ist auch eine Bauform möglich, bei der die endgültige ge­ häusefeste Fixierung des Halteabschnittes 12 allein durch die eingefüllte Vergußmasse 23 bewirkt wird. In diesem Falle wird eine im ausgehärteten Zustand hart erstarrende Vergußmasse verwendet, die in der Lage ist, die notwendigen Haltekräfte zwischen dem Halteabschnitt 12 und dem Ventilgehäuse 2 zu übertragen und gleichzeitig die gewünschte Abdichtfunktion auszuüben. Auch in diesem Falle bietet es sich allerdings an, das beim Vorspannen unmittelbar auf den Halteabschnitt 12 einwirkende Beaufschlagungsglied 35 auch nach der endgültigen Befestigung des Halteabschnittes 12 an Ort und Stelle zu be­ lassen, indem man es mit dar Vergußmasse 23 umgießt.

Gegenüber einer Lösung, bei der die Beaufschlagungskraft im Innern der Ventilkammer 6 in den dortigen Steuerabschnitt 13 eingeleitet wird, hat die beispielsgemäße Krafteinleitung den Vorteil, daß der Steuerabschnitt 13 keinen unkontrollierbaren Durchbiegungen ausgesetzt wird, die sich nach dem Entfernen der Vorspannvorrichtung 26 dahingehend auswirken könnten, daß die gewünschte Schließkraft F_S nicht erreicht wird.

Da man die Vorspannkraft F_V in einem Zustand ermittelt, in dem der Steuerabschnitt 13 mit geringem Abstand "a" zum zuge­ ordneten Ventilsitz 15 angeordnet ist, ist die hier gemessene Vorspannkraft in der Regel eine geringfügig andere als die daraus nach der Wegnahme der Vorspannvorrichtung 26 resultie­ rende Schließkraft F_S, mit der der Steuerabschnitt 13 mecha­ nisch gegen den Ventilsitz 15 vorgespannt ist. Dies kann je­ doch bei Bedarf durch entsprechende Auslegung der Steuerein­ richtung 29 kompensiert werden.

Weitere Kompensationsmaßnahmen sind beim Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, da hier die Vorspannkraft F_V in demjeni­ gen Bereich des Biegeelementes ermittelt wird, der der vom Ventilsitz 15 umgrenzten Mündung 16 unmittelbar gegenüber­ liegt. Man ermittelt also die Vorspannkraft unmittelbar im Bereich der später mit dem Ventilsitz 15 zusammenwirkenden Schließpartie des Biegeelementes 8. Dabei ist von Vorteil, daß als Loch 33 zum Hindurchführen des Kraftaufnehmers 32 un­ mittelbar der zu der Mündung 16 führende Fluidkanal 17 des Ventilgehäuses 2 herangezogen werden kann.

Vor allem in Fällen, bei denen die vom Ventilsitz 15 umgrenz­ te Mündung 16 bzw. der zugeordnete Fluidkanal 17 im Durchmes­ ser zu gering ist, um das Hindurchführen eines Kraftaufneh­ mers zu ermöglichen, bietet sich eine alternative Ausgestal­ tung an, die in Fig. 1 bei 42 strichpunktiert angedeutet ist. Hier wird die Vorspannkraft F_V in demjenigen Bereich 43 des Biegeelementes 8 ermittelt, der einem unmittelbar beab­ standet neben dem Ventilsitz 15 liegenden Gehäusebereich ge­ genüberliegt. Die Kraftsensoreinrichtung 28 wird in diesem Falle durch ein das Ventilgehäuse 2 neben dem Ventilsitz 15 durchsetzendes Loch 33' hindurch in die Ventilkammer 6 einge­ führt, wobei man dieses Loch 33' nach dem späteren Entfernen der Kraftsensoreinrichtung 28 zweckmäßigerweise fluiddicht verschließt. Die Tatsache, daß durch die bezüglich dem Ven­ tilsitz 15 seitlich versetzte Erfassung der Vorspannkraft ei­ ne gewisse Abweichung bezüglich der später auftretenden Schließkraft F_S auftritt, kann wiederum in der Steuereinrich­ tung 29 durch entsprechende Kompensationsmaßnahmen berück­ sichtigt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Piezoventils (1), das ein Ventilgehäuse (2) aufweist, in dem sich ein Piezo-Biege­ element (8) erstreckt, das mit einem Halteabschnitt (12) am einen Endbereich gehäusefest festgelegt ist und dessen ande­ rer Endbereich als beweglicher Steuerabschnitt (13) ausge­ führt ist, der mindestens einem Ventilsitz (15) gegenüber­ liegt, gegen den er mechanisch mit einer Schließkraft vorge­ spannt ist, wobei man das Biegeelement (8) nach dem Plazieren im Ventilgehäuse (2) bei noch beweglichem Halteabschnitt (12) derart mit einer Beaufschlagungseinrichtung (27) beauf­ schlagt, dass der Steuerabschnitt (13) in Richtung zum Ven­ tilsitz (15) gegen eine im Bereich des Ventilsitzes (15) an­ geordnete Kraftaufnahmefläche (34) gedrückt wird, wobei man die über die Beaufschlagungseinrichtung (27) eingeleitete Be­ aufschlagungskraft so einstellt, dass bei fertiggestelltem Ventil die gewünschte Schließkraft vorliegt, wonach man das Biegeelement (8) in diesem Beaufschlagungszustand hält, bis es an seinem Halteabschnitt (12) gehäusefest festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahmefläche (34) als Bestandteil einer Kraftsensoreinrichtung (28) zum Messen der Vorspannkraft des Biegeelements (8) verwendet wird und beim Messvorgang so angeordnet wird, dass der Steuerabschnitt (13) im durch die Beaufschlagungseinrichtung beaufschlagten Zu­ stand in einem Abstand zum Ventilsitz (15) gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Vorspannkraft in dem Bereich des Biegeelementes (8) ermittelt, der der vom Ventilsitz (15) umgrenzten Mündung (16) unmittelbar gegenüberliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kraftsensoreinrichtung (28) durch die vom Ventilsitz (15) umgrenzte Mündung (16) hindurch in die den Steuerab­ schnitt (13) enthaltende Ventilkammer (6) einführt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Vorspannkraft in dem Bereich (43) des Biegeelementes (8) ermittelt, der einem neben dem Ventilsitz (15) liegenden Gehäusebereich gegenüberliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kraftsensoreinrichtung (28) durch ein das Ventilge­ häuse (2) neben dem Ventilsitz (15) durchsetzendes Loch (32') hindurch in die den Steuerabschnitt (13) enthaltende Ventil­ kammer (6) einführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man das Loch (32') nach dem Entfernen der Kraftsensoreinrich­ tung (28) dicht verschließt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass man zur Ermittlung der Vorspannkraft einen stiftförmigen Kraftaufnehmer (32) der Kraftsensoreinrichtung (28) verwendet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die ermittelte Vorspannkraft als Ist-Wert einer Steuereinrichtung (29) zugeführt wird, in der die ge­ wünschte Schließkraft als Soll-Wert vorgegeben ist und die anhand eines Vergleiches von Soll-Wert und Ist-Wert die von der Beaufschlagungseinrichtung (27) aufzubringende Beauf­ schlagungskraft vorgibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass man die Beaufschlagungskraft dem Biegeele­ ment (8) mit einem stiftartigen Beaufschlagungsglied (35) der Beaufschlagungseinrichtung (27) auferlegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass man die Beaufschlagungskraft in einem Be­ reich des Biegeelementes einleitet, der sich auf der dem Steuerabschnitt (13) entgegengesetzten Seite einer Einspann­ stelle (24) befindet, an der das Biegeelement (8) vor der endgültigen Befestigung seines Halteabschnittes (12) wippen­ ähnlich verschwenkbar fixiert ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beaufschlagungskraft in den noch beweglichen Halteabschnitt (12) des Biegeelementes (8) ein­ leitet.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man das unmittelbar auf das Biegeelement (8) einwirkende Beaufschlagungsglied (35) der Beaufschlagungsein­ richtung (27) auch nach der endgültigen Befestigung des Hal­ teabschnittes (12) an Ort und Stelle belässt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man den Halteabschnitt (12) zu seiner gehäuseseitigen Befestigung zwischen von entgegengesetzten Seiten her wirksamen, gehäuseseitig verankerten Befestigungs­ elementen (18, 18') einspannt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Beaufschlagungsglied (35) der Beaufschlagungs­ einrichtung (27) als Befestigungselement (18) verwendet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man den Halteabschnitt (12) des Biege­ elementes (8) in eine Vergussmasse (23) einbettet, die man in gießfähigem oder pastösem Zustand in das Ventilgehäuse (2) einbringt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man eine erstarrende Vergussmasse (23) verwendet, die zur gehäusefesten Befestigung des Halteabschnittes (12) dient.

17. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Ver­ wendung einer bei fertiggestelltem Ventil über nachgiebige Eigenschaften verfügende Vergussmasse (23) mit Dichteigen­ schaften.

18. Vorrichtung zur Herstellung eines Piezoventils (1), das ein Ventilgehäuse (2) aufweist, in dem sich ein Piezo-Biege­ element (8) erstreckt, das mit einem Halteabschnitt (12) am einen Endbereich gehäusefest festgelegt ist und dessen ande­ rer Endbereich als beweglicher Steuerabschnitt (13) ausge­ führt ist, der mindestens Einem Ventilsitz (15) gegenüber­ liegt, gegen den er mechanisch mit einer Schließkraft vorge­ spannt ist, mit einer Beaufschlagungseinrichtung (27) zur Be­ aufschlagung des mit noch beweglichem Halteabschnitt (12) im Ventilgehäuse (2) platzierten Biegeelementes (8) mit einer Beaufschlagungskraft im Sinne einer Verlagerung des Steuerab­ schnittes (13) in Richtung zu einem Ventilsitz (15) gegen ei­ ne Kraftaufnahmefläche (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahmefläche (34) Bestandteil einer Kraftsensorein­ richtung (28) ist, die derart im Ventilgehäuse (2) im Bereich des Ventilsitzes (15) platzierbar ist, dass das durch die Be­ aufschlagungseinrichtung (27) beaufschlagte Biegeelement (8) unter Wahrung eines Abstandes zum Ventilsitz (15) gegen die Kraftaufnahmefläche (34) gedrückt wird, und dass eine Steuer­ einrichtung (29) vorhanden ist, in der die gewünschte Schließkraft als Soll-Wert vorgebbar ist und die der Beauf­ schlagungseinrichtung (27), anhand eines Vergleiches zwischen dem Soll-Wert und der von der Kraftsensoreinrichtung (28) er­ mittelten Vorspannkraft als Ist-Wert, die auszuübende Beauf­ schlagungskraft vorgibt.