專利名稱：壓電執(zhí)行元件的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種按照獨(dú)立權(quán)利要求所述類型特征的壓電執(zhí)行元件，例如用于操作一個(gè)機(jī)械部件如一個(gè)閥或類似物。
已經(jīng)公開了，利用所謂的壓電效應(yīng)可以由一種具有合適晶體結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)造壓電元件。在施加一個(gè)外部電壓時(shí)，壓電元件進(jìn)行機(jī)械反應(yīng)，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)以及電壓施加的區(qū)域，該機(jī)械反應(yīng)是在預(yù)定方向上的壓或拉。
在閥的定位中，經(jīng)常使用前述的壓電執(zhí)行元件。在此，應(yīng)注意的是，其用于操作例如一個(gè)閥挺桿的行程能力在比較大的力時(shí)是相對小的。因此部分情況下，為了增大工作行程通常設(shè)置一個(gè)機(jī)械或液壓位移放大器。這種機(jī)械或液壓位移放大系統(tǒng)則造成更高的耗費(fèi)以及更高的成本。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)以有利的方式，開頭所述的壓電執(zhí)行元件具有一個(gè)壓電元件，它適合用一個(gè)拉或壓力來對一個(gè)操作元件加載。按照本發(fā)明，具有穩(wěn)定元件，它們平行于壓電元件安置，在這些元件之間有一個(gè)柔性的中間層，其中，壓電元件和穩(wěn)定元件在作用方向(z-方向)上的長度大于它們的在橫向于作用方向的方向(x，y-方向)上的寬度。具有優(yōu)點(diǎn)的大小量級例如會是長度(z-方向)與寬度(x，y-方向)的比大約為5∶1至50∶1。
在一個(gè)有利的實(shí)施形式中，穩(wěn)定元件由鋼制成，并且被保持在固定夾緊在壓電執(zhí)行元件殼體中的基-或支承板與殼體中的一個(gè)固定邊之間。所述殼體在此通常同樣由鋼制成。壓電元件在此被保持在該基板與一個(gè)彈簧座之間，該彈簧座同樣通過一個(gè)偏壓彈簧靠置在殼體上并且操作(fuehren)所述操作元件。
借助本發(fā)明以簡單的方式得到一個(gè)瘦長的壓電執(zhí)行元件，它在機(jī)械上相對不敏感，例如在使用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)室中時(shí)在振動(dòng)的情況下。由于瘦長結(jié)構(gòu)而獲得的大的行程，可以省掉一個(gè)行程放大器，其中，借助于該壓電執(zhí)行元件原則上可以產(chǎn)生拉力或壓力。
通過在穩(wěn)定元件和壓電元件之間安置一個(gè)柔性的中間層、例如塑料，如聚合物或類似物，可以允許一種縱向運(yùn)動(dòng)，它是壓電元件與穩(wěn)定元件之間的一種相對運(yùn)動(dòng)。然而，壓電元件在x-方向或y-方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)在此被避免。因此可以以簡單方式防止在壓電元件中出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，它可能會導(dǎo)致壓電執(zhí)行元件損壞。
先前提到的具體實(shí)施形式提供了向下的壓力，并且不是溫度補(bǔ)償?shù)?。在一個(gè)第二實(shí)施形式中，壓電元件和穩(wěn)定元件是由陶瓷材料制成的，它們具有基本上相同的熱膨脹系數(shù)，這樣，該實(shí)施形式是對溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹Ｔ诖?，穩(wěn)定元件也被保持在一個(gè)基板與殼體中的一個(gè)固定邊之間，其中，該基板通過一個(gè)彈簧靠置在殼體上。
在最后提到的實(shí)施形式中，所述穩(wěn)定元件這樣與壓電元件機(jī)械耦合，即，壓電元件以及穩(wěn)定元件的與溫度有關(guān)的膨脹在作用方向上被這樣消除，使得操作元件的位置保持不變，即沒有出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。壓電元件被保持在基板和一個(gè)彈簧座之間。該彈簧座通過一個(gè)偏壓彈簧同樣靠置在殼體上，并且操作該操作元件。在此，該偏壓彈簧的力必須大大大于在基板上的彈簧的力，這樣，在殼體和壓電元件材料之間的不同熱膨脹通過彈簧被平衡。溫度補(bǔ)償?shù)母郊哟胧?、如迄今為止多次通過液壓耦合所設(shè)置的，在此不再是必要的。
在本發(fā)明中，壓電元件可以由橫向分層疊置的壓電層構(gòu)成，并因此在操作元件上施加一個(gè)壓力，或者由縱向分層疊置的壓電層構(gòu)成，并因此在操作元件上施加一個(gè)拉力。
在另外的有利實(shí)施形式中，穩(wěn)定元件由分別垂直于壓電元件的層結(jié)構(gòu)的壓電層組成，與壓電元件一樣，它們被以相同的方式借助一個(gè)電壓(Spannung)控制。借助這種實(shí)施形式，通過穩(wěn)定元件的附加行程，除對溫度補(bǔ)償外，還增大了工作行程。壓電層的電觸點(diǎn)接通在此可以處在中間層中或者在外部。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施形式中，對稱于被中間層包圍的作為所述操作元件的拉桿在壓電執(zhí)行元件的殼體中安置了兩個(gè)壓電元件。在這里，這些壓電元件被固定在一個(gè)與拉桿相連的支承板和一個(gè)在殼體中的固定邊之間。所述支承板通過一個(gè)彈簧偏壓靠置在殼體上。
本發(fā)明的優(yōu)選進(jìn)一步構(gòu)造的這些以及其它特征除了來自于權(quán)利要求書中，也來自于說明書以及附圖中，其中這些特征可以分別單獨(dú)地或者以多個(gè)組合的形式在本發(fā)明的實(shí)施形式中實(shí)現(xiàn)或者在其它領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)，并且可以有利地是本身可被保護(hù)的實(shí)施結(jié)構(gòu)，對此在這里要求對它們進(jìn)行保護(hù)。


結(jié)合

了瘦長結(jié)構(gòu)的、例如用于閥中定位的本發(fā)明壓電執(zhí)行元件的實(shí)施例。其中，圖1是通過一個(gè)沒有溫度補(bǔ)償?shù)膲弘妶?zhí)行元件的剖視圖，帶有由鋼制成的穩(wěn)定元件；圖2是沿著圖1中剖切線A-A的局部剖視圖，具有壓電元件的第一觸點(diǎn)接通可能性；圖3是沿著圖1中剖切線A-A的局部剖視圖，具有壓電元件的第二觸點(diǎn)接通可能性；圖4是通過壓電執(zhí)行元件的一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償?shù)臋M向分層疊置的壓電元件的剖視圖，帶有由陶瓷制成的穩(wěn)定元件；圖5是通過壓電執(zhí)行元件的一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償?shù)目v向分層疊置的壓電元件的剖視圖，帶有由陶瓷制成的穩(wěn)定元件；圖6是沿著圖5中剖切線A-A的局部剖視圖，具有壓電元件的第一觸點(diǎn)接通可能性；圖7是沿著圖5中剖切線A-A的局部剖視圖，具有壓電元件的第二觸點(diǎn)接通可能性；圖8是通過一個(gè)沒有溫度補(bǔ)償?shù)膲弘妶?zhí)行元件的剖視圖，帶有兩個(gè)壓電元件，它們被安置在一個(gè)拉桿的兩側(cè)。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示出了一個(gè)壓電執(zhí)行元件1，它具有一個(gè)壓電元件2，該壓電元件以公知的方式由具有合適的晶體結(jié)構(gòu)的石英材料的壓電薄膜構(gòu)成，這樣在電極3和4上施加上一個(gè)外部電壓時(shí)，利用所謂的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓電執(zhí)行元件1的一個(gè)形式為力F工作的機(jī)械反應(yīng)。所述根據(jù)圖1的實(shí)施例是沒有溫度補(bǔ)償?shù)牟⑶乙虼颂峁┝艘粋€(gè)壓力F工作。
相對長和瘦的壓電元件2被一個(gè)偏壓彈簧6以及一個(gè)安置在該彈簧之上的彈簧座7壓在其下端部上，并且以其上端部壓在一個(gè)基-或支承板8上。該支承板8借助于在兩側(cè)相對于壓電元件2對稱安置的穩(wěn)定元件9夾緊，所述穩(wěn)定元件在上部和下部支撐在壓電執(zhí)行元件1的殼體10上。在穩(wěn)定元件9和壓電元件2之間沿縱向有一個(gè)作為中間層11的柔性塑料、例如聚合物。該柔性的中間層11的任務(wù)是，允許一個(gè)縱向運(yùn)動(dòng)，即在壓電元件2與穩(wěn)定元件9之間的相對運(yùn)動(dòng)，阻止壓電元件在x-或y-方向的一個(gè)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
由圖2和圖3示出了壓電元件2的觸點(diǎn)3和4連接的可能性，它可以或者在x-方向或者在y-方向進(jìn)行，并且在此或者位于中間層11中或者位于其之外。
在圖4中示出了壓電執(zhí)行元件20的第二實(shí)施例，其中，相同作用的部件使用與圖1中相同的參考標(biāo)號。在按照圖4的配置中，具有一個(gè)壓電元件21以及一些穩(wěn)定元件22，它們由一種具有與壓電元件21近似相同的熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料制成。支承板8在此通過一個(gè)彈簧23偏壓在殼體10中，其中，彈簧23的偏壓力在此必須大大大于偏壓彈簧6的力，以便能夠通過彈簧23來平衡殼體10與壓電元件21之間的不同的熱膨脹。但是也可以放棄彈簧23。如果是那樣的話，則壓電元件21類似于圖1所示由上支承板8以及或許一個(gè)下支承板固定。上支承板8會如圖1所示靠置在殼體10的一個(gè)肩上。彈簧23阻止了穩(wěn)定元件22處于拉應(yīng)力下，該拉應(yīng)力可以是由于壓電元件的偏壓造成的。這種偏壓是借助于彈簧6作用的。
壓電執(zhí)行元件20的操作在該實(shí)施例中也導(dǎo)致壓電元件21的一個(gè)軸向伸長并因此導(dǎo)致一個(gè)逆著偏壓彈簧6的偏壓的壓力F工作。因?yàn)樵诖藟弘娫?1和穩(wěn)定元件22也基本上具有相同的熱膨脹系數(shù)，在所建議的這種機(jī)械配置中，壓電元件21和穩(wěn)定元件22的與溫度有關(guān)的膨脹導(dǎo)致兩種元件21和22在作用方向的影響消除。因此，所述與壓電元件21的彈簧座7相連的操作元件的位置保持不變。
在圖5中示出了一個(gè)壓電執(zhí)行元件30的第三實(shí)施例，其中，相同作用的部件在此也使用與圖1或4中相同的參考標(biāo)號。在按照圖5的配置中，與按照圖4的配置的不同僅僅是，一個(gè)壓電元件31設(shè)置了縱向分層疊置的壓電層。在該實(shí)施例中，壓電執(zhí)行元件30的操作導(dǎo)致壓電元件31在軸向上的縮短，并因此導(dǎo)致在所述操作元件上作用一個(gè)拉力F工作。
在此，由圖6和圖7同樣示出了壓電元件31的觸點(diǎn)3和4連接的可能性，它們可以隨著相應(yīng)定向的壓電層或者在x-方向或者在y-方向?qū)崿F(xiàn)，并且在此或者位于中間層11中或者位于其之外。
由圖8可見一個(gè)壓電執(zhí)行元件40的另一個(gè)實(shí)施例，其中，相同作用的部件在此也使用與圖1、4或5中相同的參考標(biāo)號。在按照圖8的配置中，對稱于作為所述操作元件的拉桿43安置了兩個(gè)壓電元件41和42。壓電元件41和42以及拉桿43被中間層11包圍、安置在壓電執(zhí)行元件40的殼體10中。除此之外在這里壓電元件41和42被固定在一個(gè)與拉桿相連的支承板44與一個(gè)在殼體10中的下固定邊之間。所述支承板44通過彈簧23靠置在殼體10中的一個(gè)上固定邊上。上述配置提供了一個(gè)作為力F工作的拉力并且是沒有溫度補(bǔ)償?shù)摹?br> 權(quán)利要求
1.一種壓電執(zhí)行元件，它具有至少一個(gè)壓電元件(2；21；31；41，42)，用于以一個(gè)拉或壓力對一個(gè)操作元件加載；并且具有穩(wěn)定元件(9，22)，它們平行于壓電元件(2；21；31；41，42)安置，帶有一個(gè)位于這些元件之間的柔性中間層(11)，其中，壓電元件(2；21；31；41，42)和穩(wěn)定元件(9，22)具有與它們的橫向于作用方向的寬度(x，y-方向)相比在作用方向(z-軸)上更大的長度。
2.按照權(quán)利要求1所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，所述長度(z-方向)與寬度(x，y-方向)的比為大致5∶1至50∶1。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，這些穩(wěn)定元件(9)由鋼制成，并且被固定在一個(gè)固定夾緊在壓電執(zhí)行元件(1)殼體(10)中的基-或支承板(8)與殼體(10)中的一個(gè)固定邊之間，壓電元件(2；21；31；41，42)被固定在該基板(8)與一個(gè)彈簧座(7)之間，該彈簧座經(jīng)一個(gè)偏壓彈簧(6)同樣靠置在殼體(10)上并且操作所述操作元件。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，壓電元件(21；31)和穩(wěn)定元件(22)是由陶瓷材料制成的，它們具有基本上相同的熱膨脹系數(shù)，其中，穩(wěn)定元件(22)被固定在一個(gè)基-或支承板(8)與殼體(10)中的一個(gè)固定邊之間，壓電元件(21；31)被固定在該基板(8)與一個(gè)彈簧座(7)之間，該彈簧座經(jīng)一個(gè)偏壓彈簧(6)同樣靠置在殼體(10)上并且操作所述操作元件，其中，所述穩(wěn)定元件(22)這樣與壓電元件(21；31)機(jī)械地聯(lián)接，即，壓電元件(21；31)和穩(wěn)定元件(22)的與溫度有關(guān)的膨脹在作用方向上被這樣消除，使得操作元件的位置保持不變。
5.按照權(quán)利要求4所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，該基板(8)經(jīng)一個(gè)彈簧(23)靠置在殼體(10)上。
6.按照權(quán)利要求3、4或5所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，壓電元件(21)由橫向分層疊置的壓電層構(gòu)成，并因此在操作元件上施加一個(gè)壓力。
7.按照權(quán)利要求3、4或5所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，壓電元件(31)由縱向分層疊置的壓電層構(gòu)成，并因此在操作元件上施加一個(gè)拉力。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，穩(wěn)定元件(22)由分別垂直于壓電元件(21；31)的層結(jié)構(gòu)的壓電層組成，與壓電元件(21；31)一樣，它們以相同的方式被借助一個(gè)電壓控制。
9.按照權(quán)利要求1或2所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于，對稱于作為所述操作元件的拉桿(43)被中間層(11)包圍地在壓電執(zhí)行元件(40)的殼體(10)中安置了兩個(gè)壓電元件(41，42)，其中，這些壓電元件(41，42)被固定在一個(gè)與拉桿(43)相連的支承板(44)和一個(gè)在殼體(10)中的固定邊之間，所述支承板(44)經(jīng)一個(gè)彈簧(23)靠置在殼體(10)上。
全文摘要
提出了一種壓電執(zhí)行元件，其中，具有至少一個(gè)壓電元件(2；21；31；41，42)，用于以一個(gè)拉或壓力對一個(gè)操作元件加載；另外安置了穩(wěn)定元件(9；22)，它們平行于壓電元件(2；21；31；41，42)安置，帶有一個(gè)位于這些元件之間的柔性中間層(11)，壓電元件(2；21；31；41，42)和穩(wěn)定元件(9；22)具有與它們的橫向于作用方向的寬度(x，y－方向)相比在作用方向(z－軸)上更大的長度。
文檔編號H01L41/053GK1735979SQ00809168
公開日2006年2月15日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月19日
發(fā)明者沃爾夫?qū)な┨乜巳R因, 弗里德里?！げ?申請人:羅伯特·博施有限公司