專利名稱：用于使壓電致動(dòng)器極化的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種依照權(quán)利要求1的前序部分的用于使壓電致動(dòng)器極化的方法和一種依照權(quán)利要求9的前序部分的用于使壓電致動(dòng)器極化的裝置。
壓電致動(dòng)器被應(yīng)用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，以便操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在此，壓電致動(dòng)器具有重要的優(yōu)點(diǎn)，即能夠以高的動(dòng)態(tài)和大的力進(jìn)行快速操作。
壓電致動(dòng)器由多個(gè)壓電層構(gòu)成。各個(gè)壓電層分別被布置在兩個(gè)金屬電極之間。為了操作壓電致動(dòng)器，將電壓施加到壓電層上，所述電壓導(dǎo)致各個(gè)壓電層的延長并且整體上導(dǎo)致壓電致動(dòng)器的延長。為了使壓電層在制造之后具有壓電效應(yīng)，需要首先使壓電層極化，其中在所述壓電效應(yīng)中壓電層的厚度在施加電壓的情況下變化。
為了使壓電層極化，施加電極化場、即電壓，由此相對于未極化的原始狀態(tài)得到剩余極化和在壓電層中對齊的疇(Domaene)在極化場的場方向上的有秩序的分布。在壓電層極化之后，壓電層殘留地、即持續(xù)地在所施加的極化場的方向上被延長。通過以下方式使壓電層的殘留的延長匹配于使用壓電致動(dòng)器時(shí)的電壓條件，即在壓縮應(yīng)力之下實(shí)現(xiàn)極化。由此減少在極化之后出現(xiàn)的、壓電層的沉降效應(yīng)(Setzeffekte)。相應(yīng)的按照前序部分的方法從國際公開號為WO99/31739的國際專利申請中已知。
為了使壓電致動(dòng)器極化，使用在時(shí)間上變化的電壓，因?yàn)橛纱藢?shí)現(xiàn)改善的極化。在極化過程期間，壓電致動(dòng)器的長度根據(jù)所施加的電壓脈沖發(fā)生變化。因?yàn)閴弘娭聞?dòng)器被夾緊以表示兩個(gè)保持裝置之間的壓縮應(yīng)力，所以由保持裝置在壓電致動(dòng)器上所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力通過壓電致動(dòng)器的長度變化來改變。由此對壓電致動(dòng)器的極化過程產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供用于使壓電致動(dòng)器極化的方法和裝置，利用所述方法能夠改進(jìn)極化過程。
本發(fā)明的任務(wù)通過按照權(quán)利要求1的方法以及通過按照權(quán)利要求9的裝置來解決。
在從屬權(quán)利要求中說明了本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施形式。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)應(yīng)力在極化期間基本上被保持恒定。為此，在第一壓電致動(dòng)器與預(yù)夾緊保持裝置(Vorspannhalterung)之間布置有第二壓電致動(dòng)器，該第二壓電致動(dòng)器在第一壓電致動(dòng)器極化時(shí)產(chǎn)生長度補(bǔ)償。由此確保兩個(gè)壓電致動(dòng)器的總長度基本上保持恒定。因此，預(yù)夾緊保持裝置的保持元件的位置在起始階段之后基本上被保持恒定。
在此，相對于第一壓電致動(dòng)器相移地給第二壓電致動(dòng)器提供變化的電壓，其中在起始階段之后這樣確定兩個(gè)電壓，使得所述電壓之和近似地保持恒定，其中在起始階段中提高電壓的幅度。以這種方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)壓電致動(dòng)器的總長度在極化過程期間基本上保持恒定。由此能夠通過預(yù)夾緊保持裝置的保持元件的位置調(diào)節(jié)來在極化過程開始時(shí)將恒定的預(yù)應(yīng)力確定到兩個(gè)壓電致動(dòng)器上，而無需在起始階段之后在第一和/或第二致動(dòng)器的極化期間改變預(yù)夾緊保持裝置的保持元件的位置。
基于本發(fā)明方法，能夠施加具有高的頻率的電壓，該電壓被用于使壓電致動(dòng)器極化。因?yàn)閴弘娭聞?dòng)器在長度變化時(shí)具有高的動(dòng)態(tài)(Dynamik)，所以第一壓電致動(dòng)器的快速的長度變化能夠通過第二壓電致動(dòng)器的相應(yīng)快速的長度變化來補(bǔ)償。利用保持元件的位置變化不能達(dá)到相應(yīng)高的頻率，因?yàn)楸３衷膽T性不允許相應(yīng)的動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)選地，被同時(shí)施加到兩個(gè)致動(dòng)器上的電壓這樣來確定，使得第一致動(dòng)器的電極上的電壓的提高或降低等于第二致動(dòng)器的電極上的電壓的降低或提高。以這種方式，作用于兩個(gè)致動(dòng)器的壓電層上的電壓變化被選擇為大小相同。
在本發(fā)明方法的另一實(shí)施形式中，在極化過程期間通過預(yù)夾緊保持裝置的保持元件的位置變化來補(bǔ)償?shù)谝缓?或第二壓電致動(dòng)器在起始階段期間的長度變化。盡管出現(xiàn)該長度變化，在極化過程期間作用于壓電致動(dòng)器上的壓縮應(yīng)力也以這種方式近似地被保持恒定。
本發(fā)明裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)在第一壓電致動(dòng)器的極化過程期間出現(xiàn)的高度動(dòng)態(tài)的長度變化精確地通過第二壓電致動(dòng)器來補(bǔ)償，使得在極化過程期間作用于第一和/或第二壓電致動(dòng)器上的預(yù)應(yīng)力基本上被保持恒定。為此，所述裝置具有控制器，該控制器這樣執(zhí)行第一和第二致動(dòng)器的極化，使得由于第一致動(dòng)器中的極化而產(chǎn)生的長度變化通過由于第二致動(dòng)器中的極化而產(chǎn)生的長度變化來補(bǔ)償。
在另一優(yōu)選的實(shí)施形式中，預(yù)夾緊裝置的用于保持壓電致動(dòng)器的至少一個(gè)保持元件可移動(dòng)地被保持，并且該保持元件的位置由控制單元以相應(yīng)的方式來改變，以便補(bǔ)償在起始階段期間出現(xiàn)的壓電致動(dòng)器的長度變化。
下面根據(jù)附圖更詳細(xì)地闡明本發(fā)明。


圖1示出壓電致動(dòng)器的示意性結(jié)構(gòu)，圖2示出用于使壓電致動(dòng)器極化的裝置，圖3示出第一極化方法的特性曲線，以及圖4示出第二極化方法的特性曲線。
圖1示出第一壓電致動(dòng)器1的示意性結(jié)構(gòu)，該第一壓電致動(dòng)器1由多個(gè)壓電層11組成。這些壓電層11以層堆棧的形式相疊地被布置，其中各個(gè)壓電層11受到兩個(gè)平面電極12的限制。因此，在兩個(gè)壓電層11之間分別布置有電極12。層堆棧在下端受第一蓋板16限制，并且在上端受第二蓋板17限制。兩個(gè)蓋板16、17被壓緊在套管式的管狀彈簧18之間，該管狀彈簧18在圖1中僅僅示意性地被示出。管狀彈簧18在朝壓電層12的層堆棧的方向上給第一和第二蓋板16、17預(yù)加應(yīng)力。根據(jù)所期望的實(shí)施形式，也可以舍棄管狀彈簧18。
電極12基本上根據(jù)壓電層12的平面形狀來構(gòu)造。電極12交替地被連接到第一或第二導(dǎo)體14、15上。第一和第二導(dǎo)體14、15被布置在層堆棧的相對的拐角區(qū)域處。為了使每個(gè)電極12不與每個(gè)第一和第二導(dǎo)體14和15接觸，設(shè)置有相應(yīng)的槽，使得電極12只與第一或第二導(dǎo)體14、15導(dǎo)電接觸。所述槽在電極12的區(qū)域內(nèi)鄰接于第一或第二導(dǎo)體14、15。以這種方式確保壓電層11被布置在兩個(gè)電極12之間，這些電極12與第一或第二導(dǎo)體14、15導(dǎo)電連接。如果現(xiàn)在電壓被施加到第一和第二導(dǎo)體14、15上，則該電壓被施加到壓電層11的每兩個(gè)電極12上。由此具有壓電層11的層堆棧是多個(gè)壓電層的串聯(lián)電路。所述層堆棧是單片構(gòu)造的多層壓電致動(dòng)器。
第一致動(dòng)器1例如可以被用作閥門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且具有可超過109個(gè)工作周期的工作時(shí)間。電極12優(yōu)選地被構(gòu)造為金屬電極。第一和第二導(dǎo)體14、15首先被用于使壓電層12極化，接著被用于驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器1。為了能夠利用第一致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)5-60μm的工作行程，需要5-40mm的堆棧高度，這對應(yīng)于至多1000個(gè)壓電層11的數(shù)量。
在制造了層堆棧之后，壓電層11的燒結(jié)的陶瓷晶粒具有極化方向不同的自發(fā)極化區(qū)域。自發(fā)極化與晶格的變形相關(guān)聯(lián)。出現(xiàn)的內(nèi)部電壓可以部分地僅僅通過構(gòu)造多個(gè)疇來降低。在自發(fā)極化之后，各個(gè)疇的偶極矩這樣被對齊，使得它們基于統(tǒng)計(jì)分布的極化方向互相補(bǔ)償。
為了提供能用的工作行程，必要的是，使各個(gè)疇的偶極矩的極化方向在一個(gè)方向上對齊。偶極矩的對齊通過以下方式來實(shí)現(xiàn)，即將電極化場施加到壓電層11上，由此平行于第一致動(dòng)器1的縱軸出現(xiàn)疇的偶極矩的極化，因?yàn)殡姌O12被布置為垂直于致動(dòng)器1的縱軸。此外，層堆棧在堆棧的縱軸上受到剩余的長度變化。為了改進(jìn)極化方法，使由壓電層11組成的層堆棧在所確定的壓縮應(yīng)力之下暴露于極化場并且使該層堆棧極化。該極化場通過將極化電壓施加到第一和第二導(dǎo)體14、15上來產(chǎn)生?？蛇x地，可以將極化溫度設(shè)定為20-150℃。通常使用強(qiáng)度為2-2.5kV/mm的電極化場。在整個(gè)極化時(shí)間期間，保持該極化場和壓縮應(yīng)力。對于典型的極化過程來說，極化時(shí)間通常在幾分鐘的范圍內(nèi)。
試驗(yàn)已表明可以通過以下方式來制造具有特別好的特性的壓電致動(dòng)器1，即利用可變的極化場產(chǎn)生壓電致動(dòng)器1的壓電層11的極化。在此，在極化方法期間連續(xù)地施加具有變化的幅度的特性曲線形式的多個(gè)電壓脈沖。在極化方法期間，通過變化的電壓將變化的電極化場施加到壓電層11上。電壓的特性曲線的幅度可以具有正弦形的、矩形的、或其它具有變化的幅度的電壓變化曲線。然而，在這種處理方式中問題在于，將作用于層堆棧上的壓縮應(yīng)力保持在所規(guī)定的范圍內(nèi)。因此這是困難的，因?yàn)樵谒鰳O化方法中壓電致動(dòng)器根據(jù)變化的電壓改變其長度。
作用于壓電致動(dòng)器1上的壓縮應(yīng)力應(yīng)處于所規(guī)定的范圍內(nèi)，不超過某個(gè)最大值并且不低于某個(gè)最小值，以便不損害被極化的致動(dòng)器1的品質(zhì)。在現(xiàn)有技術(shù)中，壓電致動(dòng)器1的長度變化要求改變保持元件的距離，以便作用于壓電致動(dòng)器1上的壓縮應(yīng)力保持在所期望的應(yīng)力范圍內(nèi)，其中在極化過程中壓電致動(dòng)器1被夾于所述保持元件之間。隨著在極化過程期間被施加到壓電層11上的電壓的頻率不斷增加，越來越難維持夾緊裝置的兩個(gè)保持元件之間的距離變化。由于保持元件的慣性，在極化過程期間在極化電壓的頻率高的情況下不再能夠維持預(yù)應(yīng)力的精確設(shè)定。
本發(fā)明建議一種改進(jìn)的極化方法和一種用于執(zhí)行該極化方法的改進(jìn)的裝置，該極化方法和裝置將根據(jù)圖2更詳細(xì)地進(jìn)行說明。根據(jù)所選的實(shí)施方案，第一致動(dòng)器1在被引入到管狀彈簧18之前或者之后被極化。
圖2以示意圖示出具有兩個(gè)保持元件5、6的預(yù)夾緊保持裝置4，所述保持元件5、6在極化過程期間將可調(diào)節(jié)的預(yù)應(yīng)力施加給第一和第二壓電致動(dòng)器1、2。保持元件5、6經(jīng)由殼體7相互有效連接。在所示的實(shí)施形式中，第一保持元件5與殼體7固定地相連接。第二保持元件6經(jīng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)8可移動(dòng)地被保持在殼體7上。機(jī)械結(jié)構(gòu)8在所示的實(shí)施例中被構(gòu)造為具有蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)。通過相應(yīng)地控制電動(dòng)機(jī)8，可以沿殼體的縱向移動(dòng)第二保持元件6的位置。由此改變兩個(gè)保持元件5、6之間的距離L。
電動(dòng)機(jī)8經(jīng)由控制線與控制單元9相連接?？刂茊卧?經(jīng)由第一控制線10與第一致動(dòng)器1相連接。兩條第一控制線10連接到第一致動(dòng)器1的第一或第二導(dǎo)體14、15上。第一致動(dòng)器1被布置為在縱向上平行于殼體7，并且以第二蓋板17靠在第一保持元件5上。在一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，在第一保持元件5與第一致動(dòng)器1的第二蓋板17之間布置有壓力傳感器19。該壓力傳感器19經(jīng)由信號線20與控制單元9相連接。該壓力傳感器19檢測由預(yù)夾緊保持裝置4施加到第一和第二致動(dòng)器1、2上的預(yù)應(yīng)力。
在所示的實(shí)施例中，第二致動(dòng)器2被布置在第一致動(dòng)器1和第二保持元件6之間。第二致動(dòng)器2優(yōu)選地被構(gòu)造為與第一致動(dòng)器1相同。優(yōu)選地，第二致動(dòng)器2的第二長度l2等于第一致動(dòng)器1的第一長度l1。第二致動(dòng)器2經(jīng)由兩條第二控制線21連接到控制單元9上。第二控制線21之一連接到第一導(dǎo)體14上，而另一條第二控制線21連接到第二導(dǎo)體15上。
為了執(zhí)行極化過程，控制單元9通過以下方式在縱向上將所確定的預(yù)應(yīng)力施加到第一和第二致動(dòng)器1、2上，即第二保持元件6通過電動(dòng)器8相應(yīng)地朝第一保持元件5的方向移動(dòng)。根據(jù)是否設(shè)置有壓力傳感器19，將通過實(shí)驗(yàn)確定的第二保持元件6的移動(dòng)路徑用于控制電動(dòng)機(jī)8，或者控制單元9在第二保持元件6移動(dòng)期間通過壓力傳感器19檢測作用于第一和第二致動(dòng)器上的預(yù)應(yīng)力，并且一直移動(dòng)第二保持元件6，直到所期望的預(yù)應(yīng)力施加在第一和第二致動(dòng)器1、2上。
圖3示出兩個(gè)致動(dòng)器的具有起始階段的極化方法的示意性特性曲線。在圖3a中在時(shí)間t上繪出了極化電壓P1、P2。在圖3b中繪出了第一和第二致動(dòng)器1、2在時(shí)間t上的長度變化W1、W2。在圖3c中示出第一和第二致動(dòng)器1、2在時(shí)間t上的長度變化之和。起始階段從零時(shí)刻t0延伸至第二階段的起始時(shí)刻TA。
在一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，與調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力并行地在起始階段期間將變化的第一極化電壓P1施加給第一致動(dòng)器1，該第一極化電壓P1的幅度圍繞上升的第一均值波動(dòng)。此外，在起始階段期間將變化的第二極化電壓施加給第二致動(dòng)器，該第二極化電壓的幅度圍繞上升的第二均值波動(dòng)。第一和第二極化電壓以這樣的方式相互匹配，使得第一和第二極化電壓之和持續(xù)不斷地增加到所規(guī)定的值。第一和第二極化電壓可以具有不同的電壓變化曲線。在圖3a中示出了正弦曲線形式的第一和第二極化電壓，所述正弦曲線相互相移90°。
由于第一極化電壓P1的均值在起始階段期間增加，所以第一致動(dòng)器1的第一長度L1相應(yīng)地改變第一長度變化W1，如圖3b中所示。由于第二極化電壓P2的均值在起始階段期間增加，所以第二致動(dòng)器2的第二長度L2相應(yīng)地增大第二長度變化W2，如圖3b中所示。由此作用于第一和第二致動(dòng)器1、2上的預(yù)應(yīng)力也因此不依賴于第一和第二保持元件5、6的相對位置而增加。
在第二階段的起始時(shí)刻TA之后起始階段結(jié)束時(shí)，第一和第二極化電壓P1、P2已達(dá)到最大均值，其中第一和第二極化電壓P1、P2圍繞該最大均值波動(dòng)。第一和第二極化電壓P1、P2在起始階段之后被如此構(gòu)造，使得第一和第二極化電壓P1、P2之和基本上在時(shí)間上是恒定的。因?yàn)闃O化電壓之和基本上在時(shí)間上是恒定的，所以第一和第二致動(dòng)器的長度變化之和(W1+W2)也基本上在時(shí)間上是恒定的，如圖3c中所示。
在第一極化電壓P1施加在第一致動(dòng)器1上的情況下以及在第二極化電壓P2施加在第二致動(dòng)器2上的情況下，所期望的預(yù)應(yīng)力由控制單元9通過調(diào)節(jié)保持元件5、6的距離而在起始階段期間被調(diào)節(jié)到所期望的值。
因?yàn)閮蓚€(gè)致動(dòng)器1、2的長度變化之和(W1+W2)在起始階段之后基本上保持恒定，所以盡管第一和第二極化電壓P1、P2圍繞各自的均值波動(dòng)，也不需要改變第一和第二保持元件之間的距離，以便將第一和第二致動(dòng)器的最大預(yù)應(yīng)力保持在所確定的值域內(nèi)。
由此，第一和第二極化電壓可以具有高的頻率，第一和第二極化電壓以該頻率圍繞各自的均值波動(dòng)，而無須重新調(diào)節(jié)第一和第二保持元件的距離。由此可能的高的頻率對于第一和/或第二致動(dòng)器的極化而言是有利的。
圖4示出所述方法的另一實(shí)施形式在起始階段之后在起始時(shí)刻TA后的第二階段中的特性曲線，在該起始時(shí)刻，第一和第二極化電壓的鋸齒形變化被選擇作為曲線變化。在圖4a中示出被施加到第一和第二致動(dòng)器1、2上的第一和第二極化電壓P1、P2的變化。在起始階段之后，在起始時(shí)刻TA，具有最大值的第一極化電壓P1施加在第一致動(dòng)器1上。第二極化電壓P2具有值0。
被輸入給第一致動(dòng)器1的第一極化電壓P1和第二極化電壓P2被如此構(gòu)造，使得第一和第二極化電壓之和基本上在時(shí)間上保持恒定。為此，曲線變化是相同的，然而這樣被時(shí)移，使得第一和第二極化電壓之和(P1+P2)基本上是恒定的。
在圖4b中示出了極化電壓P1、P2之和(P1+P2)。由于極化電壓之和恒定，所以第一和第二致動(dòng)器1、2的串聯(lián)的總長度L也基本上是恒定的，其中由第一以及第二致動(dòng)器1、2的第一長度l1和第二長度l2得出所述總長度。在圖4c中示出了所述總長度L。只要作用于第一和第二致動(dòng)器上的預(yù)應(yīng)力不離開所規(guī)定的范圍，就可以容忍總長度L的微小波動(dòng)。
在第二階段的起始時(shí)刻TA，第一和第二致動(dòng)器1、2具有初始長度。第一和第二保持元件5、6彼此相距由控制單元9所確定的距離。此外，通過保持元件5、6對致動(dòng)器1、2施加所期望的預(yù)應(yīng)力FG。在起始時(shí)刻TA，最大極化電壓Umax施加在第一致動(dòng)器1上。在起始時(shí)刻TA，具有值0V的第二極化電壓P2施加在第二致動(dòng)器上。在起始時(shí)刻，第一和第二極化電壓P1、P2之和對應(yīng)于最大電壓值Umax。該起始時(shí)刻已經(jīng)是在起始階段之后的第一方法步驟。接著，在第二方法步驟中，第二極化電壓P2被升高到較高的值。極化電壓P1、P2的較高和較低的值取決于所期望的極化過程。
在所示的實(shí)施例中，第一極化電壓P1從最大電壓值Umax被線性地降低，直到在第一時(shí)刻T1被降低到值0V。同時(shí)，第二極化電壓P2從值0V被線性地提高，直到在第一時(shí)刻T1被提高到最大電壓值Umax。在第一方法步驟期間、即在起始時(shí)刻TA和第一時(shí)刻T1之間，極化電壓之和P1+P2基本上對應(yīng)于最大電壓值Umax。但是，根據(jù)實(shí)施形式，極化電壓之和也可以微小地波動(dòng)，如圖4b的曲線圖中所示。
總長度L應(yīng)理想地在第一極化步驟期間、即在起始時(shí)刻TA和第一時(shí)刻T1之間基本上對應(yīng)于起始值。然而，既可能由于在控制時(shí)的不精確性又可能由于第一和第二致動(dòng)器1、2的材料特性的偏差而在第一極化步驟期間出現(xiàn)總長度的微小的變化或波動(dòng)。圖4d中所示的預(yù)應(yīng)力F應(yīng)在第一方法步驟期間基本上保持恒定。由于在控制時(shí)的不精確性或者第一和第二致動(dòng)器1、2的不同的材料特性，也可能出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的起始值FG的微小偏差。
接著，在第一和第二時(shí)刻T1、T2之間的第三方法步驟中，第一和第二極化電壓P1、P2被保持恒定。
接著，在第二時(shí)刻T2之后的第四方法步驟中，第二極化電壓P2被線性地降低，直到在第三時(shí)刻T3被降低到值0V。同時(shí)，從第二時(shí)刻T2出發(fā)，第一極化電壓P1從值0V出發(fā)被提高，直到在第三時(shí)刻T3被提高到最大電壓值Umax。極化電壓的對稱的轉(zhuǎn)變被重復(fù)所確定的時(shí)間間隔，如從圖4a中可以看出的那樣。通過實(shí)驗(yàn)確定該所確定的時(shí)間間隔，其中該時(shí)間間隔被選擇為這樣長，直到達(dá)到了第一和/或第二致動(dòng)器1、2的所期望的極化狀態(tài)。
根據(jù)應(yīng)用情況，第一和第二極化電壓P1、P2被保持恒定的時(shí)間段可以被縮小或完全被略去。此外，代替線性變化，第一和第二極化電壓P1、P2的變化也可以具有另外的時(shí)間變化特性、例如分級變化或指數(shù)變化或任意其它類型的變化。
因?yàn)樵跇O化過程的起始階段期間出現(xiàn)第一和第二致動(dòng)器1、2的總長度L的變化，所以在一種有利的實(shí)施形式中第一和第二保持元件5、6的距離在起始階段期間被增加。因此，該距離從初始值開始增加，直至在起始階段結(jié)束時(shí)增加到終值。因此，總長度L在起始階段期間也從初始值上升，直至在起始階段結(jié)束時(shí)上升到終值。
作用于第一和第二致動(dòng)器1、2上的預(yù)應(yīng)力應(yīng)基本上被保持在所確定的值域內(nèi)。因此，允許圍繞預(yù)應(yīng)力的初始值FG的波動(dòng)。在極化過程結(jié)束時(shí)，兩個(gè)極化電壓P1、P2被降低到值0，并且預(yù)應(yīng)力隨后同樣被減小到值0。
被提供給第一和第二致動(dòng)器的極化電壓的頻率取決于所使用的致動(dòng)器1、2并且可以處于數(shù)百赫茲的范圍內(nèi)。
借助一個(gè)實(shí)例闡明了本發(fā)明，在該實(shí)例中第二致動(dòng)器2被布置為與第一致動(dòng)器1串聯(lián)，該第二致動(dòng)器2被構(gòu)造為與第一致動(dòng)器1基本上相同。這提供以下優(yōu)點(diǎn)第一和第二致動(dòng)器1、2基本上具有相同的依賴于所施加的極化電壓的長度變化特性。由此，不僅第一和第二致動(dòng)器的長度的時(shí)間變化是相同的，而且第一和第二致動(dòng)器在最大電壓Umax的情況下所產(chǎn)生的最大偏轉(zhuǎn)也是相同的。因此，可以將第一和第二極化電壓P1、P2的基本上相同的、但是在時(shí)間上相互偏移的曲線變化用于第一和第二致動(dòng)器的極化。通過這種方法，可以在極化過程中分別使用兩個(gè)未被極化的致動(dòng)器，使得在極化過程中同時(shí)使兩個(gè)致動(dòng)器極化。
在另一實(shí)施形式中，也可以串聯(lián)連接不同的壓電致動(dòng)器。然而，這在極化時(shí)需要更高的花費(fèi)，因?yàn)楸仨毷褂脙蓚€(gè)致動(dòng)器的極化電壓的不同曲線(Profile)，以便由兩個(gè)致動(dòng)器的長度之和所組成的總長度L在極化期間基本上保持恒定。在兩個(gè)具有不同壓電特性的致動(dòng)器的情況下，極化電壓的相應(yīng)的曲線也不同地被構(gòu)造。為了在壓電致動(dòng)器具有不同壓電特性的情況下也保持預(yù)應(yīng)力F被限制在所期望的范圍內(nèi)，也可以通過由壓力傳感器19檢測預(yù)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)極化電壓P1、P2的調(diào)節(jié)。在此，控制單元9利用壓力傳感器19監(jiān)控施加到第一和第二致動(dòng)器上的壓縮應(yīng)力，并且這樣調(diào)節(jié)兩個(gè)致動(dòng)器1、2的極化電壓P1、P2，使得預(yù)應(yīng)力F停留在所期望的范圍內(nèi)，并且仍然給第一和第二致動(dòng)器提供脈沖調(diào)制的極化電壓而且實(shí)現(xiàn)第一和第二致動(dòng)器的剩余極化。然而，也可以將通過實(shí)驗(yàn)確定的曲線變化用于兩個(gè)極化電壓。
在另一優(yōu)選的實(shí)施形式中，代替第二致動(dòng)器2，也可以使用每一個(gè)其它的補(bǔ)償元件，利用該補(bǔ)償元件可以基本上補(bǔ)償?shù)谝恢聞?dòng)器1在極化過程期間的長度變化。該補(bǔ)償元件例如可以由多個(gè)壓電致動(dòng)器構(gòu)成，這些壓電致動(dòng)器相應(yīng)地受控制單元9控制。然而，也可以使用補(bǔ)償元件，該補(bǔ)償元件基本上利用彈力起作用并且被構(gòu)造為被動(dòng)的補(bǔ)償元件而且將預(yù)應(yīng)力限制在最大值內(nèi)。
圖5示出一種有利的用于給第一和第二壓電致動(dòng)器1、2提供相應(yīng)的極化電壓的電路裝置。在該實(shí)施例中，第一致動(dòng)器1的第一導(dǎo)體14與第一電壓U1相連接，而第二致動(dòng)器2的第二導(dǎo)體15與第三電壓U3相連接。第一電壓U1和第三電壓U3分別是恒定的并且具有電勢差。在所選擇的實(shí)施例中，第一和第三電壓U1、U3是正的，其中第一電壓U1具有最小電壓值Umin，而第三電壓U3具有最大電壓值Umax。第一致動(dòng)器1的第二導(dǎo)體15和第二致動(dòng)器2的第一導(dǎo)體相互電連接，并且由控制單元9提供交流電壓U2，該交流電壓U2在最大電壓值Umax和最小電壓值Umin之間來回跳變。基于該有利的電路裝置，足以給第一和第二致動(dòng)器提供僅僅一個(gè)交流電壓和兩個(gè)恒定的、但不同的電壓。以這種方式能夠簡單且低成本地在極化過程期間進(jìn)行電壓供給。
權(quán)利要求
1.用于使第一壓電致動(dòng)器(1)極化的方法，特別是用于應(yīng)用在噴油嘴中，其中所述第一致動(dòng)器(1)包括被布置在兩個(gè)端面(16，17)之間的多個(gè)壓電層(11)，其中每個(gè)層(11)被布置在兩個(gè)電極(12)之間，其中將具有變化的電壓值的電壓施加到所述層(11)的電極(12)上以使所述層(11)極化，其中所述第一致動(dòng)器(1)在極化期間被布置在兩個(gè)保持元件(5，6)之間，其特征在于，第二致動(dòng)器(2)被布置為與所述第一致動(dòng)器(1)串聯(lián)，所述第二致動(dòng)器(2)具有兩個(gè)端面(16，17)，其中所述第一致動(dòng)器的一個(gè)端面(16)與所述第二致動(dòng)器(2)的一個(gè)端面(17)有效連接，由所述保持元件(5，6)通過外端面(17，16)給兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)施加壓縮應(yīng)力，給所述第一和第二致動(dòng)器(1，2)提供變化的第一或第二電壓以便極化，在起始階段之后，被施加到兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)上的電壓這樣來確定，使得兩個(gè)電壓之和在時(shí)間上是近似恒定的，因此盡管所述第一和第二致動(dòng)器(1，2)由于所述電壓而產(chǎn)生長度變化，但兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)的總長度在時(shí)間上被保持近似恒定。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二電壓在極化期間在最小值和最大值之間變化。
3.如權(quán)利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，在所述起始階段期間，變化的第一和第二電壓的最大值從初始值被提高到終值，并且在所述起始階段之后，在所述第一和/或第二致動(dòng)器(1，2)的極化期間，所述第一和/或第二電壓的幅度在所述終值和更低的值之間周期性地變化。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將還未被極化的致動(dòng)器用作第二致動(dòng)器(2)，并由此在極化過程中同時(shí)使兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)極化。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述第一和第二電壓具有相同的頻率，這樣將所述第一和第二電壓相移地施加到所述第一和第二致動(dòng)器(1，2)上，使得在所述起始階段之后所述第一和第二電壓之和基本上保持恒定。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在所確定的極化方向上使用電壓脈沖，交替地給所述第一和第二致動(dòng)器(1，2)提供電壓脈沖，以及同時(shí)將所述第二或第一致動(dòng)器(1，2)的電極置于相同的電勢上。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，這樣形成電壓脈沖，使得所述第一致動(dòng)器(1)的電極上的電壓的時(shí)間變化等于所述第二致動(dòng)器(2)的電極上的電壓的時(shí)間變化，其中一個(gè)致動(dòng)器(1)上的電壓上升而同時(shí)另一個(gè)致動(dòng)器(2)上的電壓下降。
8.如權(quán)利要求3至7之一所述的方法，其特征在于，一個(gè)保持元件(6)相對于另一個(gè)保持元件(5)可移動(dòng)地被放置，所述第一和/或第二致動(dòng)器(1，2)的在極化過程的起始階段期間出現(xiàn)的長度變化通過移動(dòng)可移動(dòng)的保持元件(6)來補(bǔ)償。
9.用于使第一壓電致動(dòng)器(1)極化的裝置，其中所述第一壓電致動(dòng)器(1)被夾緊在預(yù)夾緊保持裝置(7)的兩個(gè)保持元件(5，6)之間，其中所述第一壓電致動(dòng)器(1)經(jīng)由控制線(10)與控制單元(9)相連接，其中能夠經(jīng)由所述保持元件(5，6)將預(yù)應(yīng)力施加到所述第一致動(dòng)器(1)上，其特征在于，在所述第一致動(dòng)器(1)與保持元件(5，6)之間布置有第二壓電致動(dòng)器(2)，所述第二壓電致動(dòng)器(2)經(jīng)由第二控制線(21)與所述控制單元(9)相連接，所述控制單元(9)在極化過程期間在起始階段之后這樣給第一和第二致動(dòng)器(1，2)提供具有變化的幅度的極化電壓，使得兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)的由于所述極化電壓而產(chǎn)生的長度變化基本上相互補(bǔ)償。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有壓力傳感器(19)，所述壓力傳感器(19)檢測預(yù)應(yīng)力(F)并且經(jīng)由信號線(20)轉(zhuǎn)發(fā)給所述控制單元(9)，所述控制單元(9)這樣確定兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)的極化電壓，使得所測量的作用于兩個(gè)致動(dòng)器(1，2)上的預(yù)應(yīng)力(F)在極化期間處于可預(yù)給定的值域內(nèi)。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述兩個(gè)保持元件(5，6)被保持在殼體(7)上，一個(gè)保持元件(6)通過電動(dòng)機(jī)(8)可移動(dòng)地被保持在所述殼體(7)上，所述電動(dòng)機(jī)(8)經(jīng)由控制線與所述控制單元(9)相連接，并且所述控制單元(9)在起始階段期間改變可移動(dòng)的保持元件(6)的位置，以便補(bǔ)償所述第一和/或第二致動(dòng)器(1，2)的、由于第一和第二電壓的幅度的提高而出現(xiàn)的長度變化。
全文摘要
說明了用于使壓電致動(dòng)器極化的方法和裝置，其中高頻脈沖電壓可以被用于使致動(dòng)器極化。這通過以下方式來實(shí)現(xiàn)，即在兩個(gè)保持元件之間布置與第二壓電致動(dòng)器串聯(lián)的要極化的致動(dòng)器。所述保持元件給致動(dòng)器(1)提供所期望的預(yù)應(yīng)力。通過補(bǔ)償元件來補(bǔ)償致動(dòng)器(1)的長度變化，使得即使在高頻脈沖電壓的情況下以及因此在高頻長度變化的情況下也將預(yù)應(yīng)力保持在所期望的值域內(nèi)。優(yōu)選地，第二壓電致動(dòng)器被構(gòu)造為與第一致動(dòng)器相同，并且與第一致動(dòng)器一起被極化。由此可以在極化過程中同時(shí)使兩個(gè)壓電致動(dòng)器極化。
文檔編號H01L41/257GK1922742SQ200580005883
公開日2007年2月28日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者B·德爾加斯特, R·尼范格, K·韋特 申請人:西門子公司