專利名稱：用于預(yù)加載壓電致動(dòng)器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及對(duì)壓電裝置進(jìn)行預(yù)加載，更具體地，涉及感測(cè)壓電元件的與施加 在其上的機(jī)械力相關(guān)的電性能。
背景技術(shù)：
壓電裝置具有廣泛的應(yīng)用，顯著地是用作致動(dòng)器和傳感器。一般而言，當(dāng)對(duì)壓電材 料施加電勢(shì)時(shí)，材料經(jīng)歷構(gòu)型改變。這種現(xiàn)象在壓電致動(dòng)器中發(fā)揮作用以能夠?qū)εc致動(dòng)器 的壓電元件連接的部件的位置進(jìn)行電控制。對(duì)于壓電致動(dòng)器來說，一種通常的應(yīng)用是在燃 料噴射器領(lǐng)域，其中，壓電致動(dòng)器用來控制閥的位置。壓電致動(dòng)器相比其他已知的致動(dòng)器系 統(tǒng)具有多種好處。例如，壓電致動(dòng)器能夠相對(duì)容易地進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，并且通常來說比較堅(jiān) 固。在燃料噴射器環(huán)境中，要求壓電致動(dòng)器在燃料噴射器的使用壽命期間致動(dòng)幾百萬或甚 至幾十億次。壓電致動(dòng)器的不利一面涉及對(duì)其中使用的壓電元件的相對(duì)精確且通常是希望的 預(yù)加載。換句話說，常常需要特定的機(jī)械偏置來使壓電元件能夠響應(yīng)于電勢(shì)可靠且適當(dāng)?shù)?改變其構(gòu)型。例如特定的晶體或陶瓷材料的壓電材料在沒有被施加預(yù)加載和電勢(shì)時(shí)通常保 持在低能量狀態(tài)。向沒有被充分預(yù)加載的壓電元件施加電勢(shì)會(huì)導(dǎo)致其斷裂。相反，當(dāng)壓電 元件被過度預(yù)加載時(shí)，在被施加電勢(shì)時(shí)它們可能不能成功地致動(dòng)。不合適的預(yù)加載也會(huì)降 低壓電元件的使用壽命。迄今，工程師們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很難將壓電元件的預(yù)加載恰好設(shè)定在合 適的水平。從Frank等人的美國(guó)專利No. 6998761B1中已知一種對(duì)壓電致動(dòng)器進(jìn)行預(yù)加載的 嘗試。在Frank等人描述的策略中，通過組裝裝置以一確定的力將壓電致動(dòng)器壓入中空主 體中以拉長(zhǎng)該中空主體。該確定的力據(jù)稱對(duì)應(yīng)于致動(dòng)器的希望預(yù)應(yīng)力。保持該力的同時(shí)， 將蓋板焊接到中空主體以固定致動(dòng)器的預(yù)應(yīng)力。盡管可能應(yīng)用于特定的場(chǎng)合，但Frank等 人的方法不可能實(shí)現(xiàn)充分精確的預(yù)加載來提供最佳的致動(dòng)器性能和可靠性。據(jù)稱，由機(jī)械 化力裝置施加的“確定的力”內(nèi)在地可變。特別地，關(guān)于機(jī)械化力裝置的公差問題以及關(guān)于 致動(dòng)器本身的公差問題會(huì)造成致動(dòng)器被不適當(dāng)?shù)仡A(yù)加應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，一種準(zhǔn)備壓電致動(dòng)的裝置以便使用的方法包括向用于壓電致動(dòng)的裝 置的壓電致動(dòng)器的壓電元件施加機(jī)械力，以及感測(cè)由機(jī)械力在包括壓電元件的電路中感應(yīng) 的電性能的步驟。該方法還包括產(chǎn)生與感測(cè)到的電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)以及以響應(yīng)于所述信號(hào) 的方式在壓電元件上設(shè)定預(yù)加載的步驟。在另一方面，一種用于預(yù)加載壓電致動(dòng)的裝置的系統(tǒng)包括能夠支撐壓電致動(dòng)的裝 置的固定裝置以及能夠在壓電致動(dòng)的裝置由固定裝置支撐時(shí)向壓電元件施加機(jī)械力的預(yù) 加載機(jī)構(gòu)，所述壓電致動(dòng)的裝置具有其中設(shè)置有壓電元件的電路。該系統(tǒng)還包括能夠感測(cè) 由機(jī)械力在電路中感應(yīng)的電性能并輸出與該電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)的傳感器，以及與傳感器連接并能夠至少部分基于信號(hào)調(diào)節(jié)預(yù)加載機(jī)構(gòu)，以將壓電元件上的預(yù)加載設(shè)定在目標(biāo)預(yù)加載 的控制裝置。在又一方面，一種用于設(shè)定或測(cè)試壓電致動(dòng)的裝置中的預(yù)加載的方法包括向壓電 致動(dòng)的裝置的壓電元件施加機(jī)械力，感測(cè)由機(jī)械力在包括壓電元件的電路中感應(yīng)的電性 能，以及將感測(cè)到的電性能與機(jī)械力的大小相關(guān)聯(lián)的步驟。


圖1是根據(jù)一種實(shí)施方式的用于預(yù)加載壓電致動(dòng)器的系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)一種實(shí)施方式的一種壓電致動(dòng)器子組件的局部側(cè)面剖視圖；圖3是包含圖2的子組件的壓電致動(dòng)器的局部側(cè)面剖視圖；圖4是包含圖3的致動(dòng)器的燃料噴射器的側(cè)面剖視圖；圖5是根據(jù)另一種實(shí)施方式的壓電致動(dòng)器的局部側(cè)面剖視圖；和圖6是圖1中所示的系統(tǒng)的另一部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，其顯示了用于預(yù)加載其中設(shè)有致動(dòng)器子組件10的壓電致動(dòng)器的系統(tǒng) 100。系統(tǒng)100包括具有第一固定部件102和第二固定部件104的固定裝置，第一固定部件 102和第二固定部件104能夠支撐其中的子組件10用于預(yù)加載，如這里進(jìn)一步描述的。應(yīng) 當(dāng)理解，圖1中所示的系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)僅僅是說明性的，在一些方面與所示的系統(tǒng)不同的 其他實(shí)施方式也落入本發(fā)明的范圍。同樣，圖1中所示的子組件10的說明也是示例性的， 也可以對(duì)其他壓電致動(dòng)的裝置及其子部件進(jìn)行預(yù)加載、測(cè)試、準(zhǔn)備以便使用(pr印are for service)等，并不脫離本發(fā)明。在所示的實(shí)施方式中，子組件10包括壓電元件20和彈簧 12，壓電元件20例如是多個(gè)盤的壓電堆，壓電元件20至少部分地設(shè)置在彈簧12內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，彈簧12可包括可動(dòng)接觸元件，可動(dòng)接觸元件包括與其一體地 形成的接觸按鈕18，其用于接觸待利用元件20調(diào)節(jié)位置的部件。諸如0型圈16的流體密 封件可配合在彈簧12上，用于與外部殼體流體密封，該外部殼體在圖1中沒有示出。系統(tǒng) 100還可包括預(yù)加載機(jī)構(gòu)，例如能夠向由固定部件102和104支撐的元件20施加機(jī)械力的 旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生裝置106。系統(tǒng)100還可包括傳感器101和與傳感器101連接并容納在控制模 塊122等內(nèi)的控制裝置，例如電子控制單元107。子組件10還可包括第一電接線端32a和 第二電接線端32b，第一電接線端32a和第二電接線端32b與元件20連接并能夠在元件20 兩端提供電勢(shì)、電壓，用于以已知方式致動(dòng)元件20。在顯示的實(shí)施方式中，當(dāng)向元件20施加 電壓時(shí)，元件20傾向于沿往復(fù)方向伸長(zhǎng)，以使接觸按鈕18遠(yuǎn)離電接線端32a和32b運(yùn)動(dòng)。 彈簧12通常圍繞元件20定位，因此，元件20的致動(dòng)將使彈簧12伸長(zhǎng)，從而使接觸按鈕18 克服彈簧12的彈簧力或偏置運(yùn)動(dòng)。通常希望向壓電元件20施加預(yù)定的預(yù)加載力，以便作為致動(dòng)器適當(dāng)操作。盤的體 積、寬度、長(zhǎng)度、材料、應(yīng)用、數(shù)量和其他因素都會(huì)對(duì)預(yù)定的預(yù)加載大小產(chǎn)生影響。為了對(duì)元 件20進(jìn)行預(yù)加載，力產(chǎn)生裝置106可用來向元件20施加在元件20中感應(yīng)出電性能的機(jī)械 力。感應(yīng)的電性能可與施加的機(jī)械力的大小相關(guān)聯(lián)，如這里進(jìn)一步描述的。因此，通過監(jiān)測(cè) 感應(yīng)的電性能，可以確定大小等于目標(biāo)預(yù)加載的合適的機(jī)械力施加于元件20的時(shí)間。盡管在致動(dòng)器組裝過程中設(shè)定預(yù)加載是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，但這里闡述的教導(dǎo)也可用來測(cè) 試組裝好的致動(dòng)器，以確定它們是否被適當(dāng)?shù)仡A(yù)加載，如這里進(jìn)一步描述的。在一種實(shí)施方式中，確定向元件20施加了合適的預(yù)加載可以通過利用傳感器101 感測(cè)感應(yīng)的電性能來實(shí)現(xiàn)，傳感器101產(chǎn)生與感測(cè)的電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在元件20上設(shè)定 預(yù)加載可以以響應(yīng)于來自傳感器101的信號(hào)的方式來進(jìn)行，如從下面的描述中可清楚的。 特別地，傳感器101可經(jīng)電連接線105與接線端32a和32b連接，形成包括壓電元件20的 電路。感測(cè)的電性能可以是電壓或者指示電壓或者與電壓相關(guān)的一些其他參數(shù)。在一種實(shí) 施方式中，可以測(cè)量包括元件20的電路的電容或電容改變以及由感測(cè)到的電容改變推知 的電壓改變。換句話說，可以在利用裝置106施加機(jī)械力之前感測(cè)電容，然后在施加機(jī)械力 時(shí)再次感測(cè)電容。施加機(jī)械力前后的電容差可用來推知該電路中的電壓改變，而電壓改變 又與機(jī)械力以及因此的預(yù)加載相關(guān)聯(lián)。通常，電容改變?cè)酱笠馕吨妷焊淖冊(cè)酱?，而電壓?變?cè)酱笥峙c裝置106施加的機(jī)械力越大相關(guān)聯(lián)。電子控制單元107可從傳感器101接收前 述信號(hào)并向致動(dòng)器108輸出調(diào)節(jié)指令，以朝著目標(biāo)預(yù)加載力調(diào)節(jié)機(jī)械力。以此方式，可以改 變向元件20施加的機(jī)械力，直到感測(cè)到的電性能表明向元件20施加了目標(biāo)預(yù)加載力。盡管在本發(fā)明的環(huán)境中可以使用例如力產(chǎn)生裝置106的各種預(yù)加載機(jī)構(gòu)，但在一 種實(shí)施方式中，力產(chǎn)生裝置106可包括與螺母26或其它螺紋構(gòu)件連接并使其旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力 產(chǎn)生裝置，螺母26或其它螺紋構(gòu)件與彈簧12連接。在一種實(shí)施方式中，螺母26可包括與 彈簧12的內(nèi)螺紋30配合的外螺紋28。例如環(huán)形定位件的定位件24可以設(shè)置在螺母26和 壓電元件20之間。螺母26和彈簧12之間的螺紋接合和相對(duì)旋轉(zhuǎn)可增加或減小彈簧12的 長(zhǎng)度，以增加或減小經(jīng)定位件24向元件20施加的機(jī)械力。在所示的實(shí)施方式中，螺母26 沿第一方向的旋轉(zhuǎn)可使彈簧12延伸或伸長(zhǎng)，從而增加預(yù)加載，而螺母26沿第二方向的旋轉(zhuǎn) 具有相反的作用，允許彈簧12縮短并減小預(yù)加載。在元件20上設(shè)定預(yù)加載可因此包括將 彈簧12從對(duì)應(yīng)于第一預(yù)加載的第一拉伸狀態(tài)調(diào)節(jié)至對(duì)應(yīng)于第二預(yù)加載的更大拉伸的第二 拉伸狀態(tài)。當(dāng)利用其他彈簧結(jié)構(gòu)時(shí)，調(diào)節(jié)預(yù)加載可通過增加或減小彈簧的壓縮狀態(tài)而不是 拉伸狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施方式中，電子控制單元107可通過閉環(huán)預(yù)加載線路構(gòu)造，以向例如力 產(chǎn)生裝置106的預(yù)加載機(jī)構(gòu)和致動(dòng)器108輸出調(diào)節(jié)指令，從而響應(yīng)于來自傳感器101的信 號(hào)朝著目標(biāo)預(yù)加載力調(diào)節(jié)元件20上的機(jī)械力。因此，控制模塊122可包括存儲(chǔ)器109，存儲(chǔ) 器109上可記錄程序指令，用于預(yù)加載具有壓電元件并經(jīng)固定部件102和104支撐的致動(dòng) 器、子組件或者組裝的裝置。代替或者除了自動(dòng)預(yù)加載線路，控制模塊122可包括顯示和操 作者控制裝置，使得操作者可手動(dòng)地增加、減小或不干擾元件20上的預(yù)加載。調(diào)節(jié)指令或信號(hào)可例如通過借助電子控制單元107將來自傳感器101的信號(hào)的值 與目標(biāo)值進(jìn)行比較并且基于各個(gè)值之間的差從電子控制單元107輸出指令來產(chǎn)生。目標(biāo)值 可以是與包括元件20的電路中的指示元件20被適當(dāng)預(yù)加載的電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)值。如這 里描述的，電性能可以是電壓、電容、電壓或電容的改變等。所述的目標(biāo)值可以是壓電元件20特定的目標(biāo)值。換句話說，給定多個(gè)壓電元件， 每個(gè)壓電元件可具有由給定的機(jī)械力感應(yīng)的獨(dú)特電性能，例如電容改變。例如，特定大小的 力可在表面上相同的壓電元件中感應(yīng)出略微不同的電性能。因此，分別向多個(gè)相同的壓電 元件施加850牛頓的預(yù)加載(共同的目標(biāo)預(yù)加載)，可期望在與每個(gè)壓電元件相關(guān)聯(lián)的電路中感應(yīng)出不同的電容改變。本發(fā)明利用這種自然可變性使設(shè)定預(yù)加載的部件比早先的策 略，例如上面討論的Frank等人的策略更加精準(zhǔn)。在一種實(shí)施方式中，在利用系統(tǒng)100在特定的壓電元件上設(shè)定預(yù)加載之前，可使 用系統(tǒng)100或另一系統(tǒng)來為這個(gè)壓電元件建立目標(biāo)值。然后將建立的目標(biāo)值分配給該特定 的壓電元件并記錄在存儲(chǔ)器109中。參照?qǐng)D6，其示出了處于可以用來為壓電元件20建立 目標(biāo)值的構(gòu)型的系統(tǒng)100的另外的元件。與圖1中所使用的相同的附圖標(biāo)記在圖6中表示 類似或相同的部件，如圖1中所示的系統(tǒng)100的某些部件也可以用來建立目標(biāo)值。在其它 實(shí)施方式中，用來建立在壓電元件上設(shè)定預(yù)加載時(shí)使用的目標(biāo)值的系統(tǒng)可以與系統(tǒng)100分 離。為了建立所述的目標(biāo)值，壓電元件20可借助固定部件204支撐。然后，元件20可通過 第二力產(chǎn)生裝置206，例如線性力產(chǎn)生裝置施加的機(jī)械力壓縮。例如計(jì)量器208等的力測(cè)量 裝置可與力產(chǎn)生裝置206連接，使得利用裝置206施加到壓電元件20上的機(jī)械力的大小等 于針對(duì)壓電元件20的目標(biāo)預(yù)加載。裝置208可以與控制模塊122通信。當(dāng)向元件20施加 所規(guī)定的力時(shí)，由其感應(yīng)的電性能可借助傳感器101來感測(cè)。傳感器101可輸出與感測(cè)到 的電性能，例如電容改變對(duì)應(yīng)的信號(hào)，以及借助電子控制單元107記錄在存儲(chǔ)器109中的與 感測(cè)到的電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)值。當(dāng)被施加大約850N的線性預(yù)加載力時(shí)，某些壓電元件被適 當(dāng)?shù)仡A(yù)加載，因此，表明向元件20施加850N的力的電容改變可用作標(biāo)準(zhǔn)、或目標(biāo)值，以便隨 后在將相應(yīng)的致動(dòng)器投入使用之前，利用系統(tǒng)100為元件20設(shè)定預(yù)加載。回到圖1，在利用傳感器101感測(cè)電性能后，向電子控制單元107傳輸信號(hào)，然后將 信號(hào)的值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，電子控制單元107可至少部分基于比較結(jié)果輸出調(diào)節(jié)指令。 調(diào)節(jié)指令可采取用于裝置106的角位移指令的形式。前文提到旋轉(zhuǎn)螺母26可改變彈簧12 向元件20施加的彈簧力，因此改變螺母26的角位移可改變?cè)?0上的預(yù)加載。在其它實(shí) 施方式中還可使用其它類型的指令。例如，當(dāng)使用例如壓具的線性力產(chǎn)生裝置來代替裝置 106時(shí)，可使用線性調(diào)節(jié)指令。響應(yīng)于調(diào)節(jié)指令，裝置106可被致動(dòng)以增加或減小元件20上 的機(jī)械力。然后可第二次感測(cè)所述電路中的電性能，利用傳感器101產(chǎn)生第二信號(hào)，然后將 與該電性能對(duì)應(yīng)的第二信號(hào)的值與目標(biāo)值進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)诙盘?hào)或隨后的信號(hào)與目標(biāo)值相 等時(shí)，可確認(rèn)向元件20施加的機(jī)械力等于目標(biāo)預(yù)加載。一旦被適當(dāng)?shù)仡A(yù)加載，利用系統(tǒng)100 進(jìn)行的過程可以以通過將螺母26鎖定在其當(dāng)前角定向而將預(yù)加載設(shè)定在目標(biāo)預(yù)加載而結(jié) 束o在又一些實(shí)施方式中，替代或除了設(shè)定或調(diào)節(jié)相關(guān)壓電元件20上的預(yù)加載之外， 系統(tǒng)100可用來診斷子組件10的結(jié)構(gòu)缺陷或其它問題。例如，可以設(shè)想具有裂紋或其它問 題的壓電元件通過其上的機(jī)械力感應(yīng)的電性能會(huì)相對(duì)于預(yù)期的性能發(fā)生顯著改變。當(dāng)借助 傳感器101感測(cè)的電性能與預(yù)期性能相差一定程度時(shí)，例如與針對(duì)多個(gè)類似壓電元件的平 均感測(cè)性能偏離多于一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則可放棄或者標(biāo)記出相關(guān)的子組件，以便進(jìn)一 步測(cè)試或維修。與預(yù)期顯著不同的結(jié)果也可表明系統(tǒng)100的問題。還將注意到，螺母26相對(duì)于彈簧12的旋轉(zhuǎn)傾向于調(diào)節(jié)其間的相對(duì)位置，因?yàn)檠氐?一方向旋轉(zhuǎn)螺母26將螺母26拉入到彈簧12中的更深處，而沿相反方向的旋轉(zhuǎn)將螺母26 從彈簧12抽出。在其它實(shí)施方式中，螺母26不必與彈簧12螺紋接合但可與其它螺紋元件 接合，以向元件20施加變化的機(jī)械力。例如，子組件10的獨(dú)立螺紋部分可提供固定支承 元件，螺母26與該固定支承元件螺紋接合，以向元件20提供變化的力。還可以注意到在所示的實(shí)施方式中，彈簧12包括一個(gè)或多個(gè)槽14，在某些時(shí)候可包括單個(gè)螺旋形槽。根據(jù) 本發(fā)明，結(jié)合被測(cè)試和/或準(zhǔn)備使用的致動(dòng)器可使用其它彈簧種類，例如管彈簧、貝勒維爾 (Belleville)彈簧等。參照?qǐng)D2，其示出了借助系統(tǒng)100在元件20上設(shè)定預(yù)加載后的子組件10。將會(huì)注 意到，與圖1中相比，螺母26已經(jīng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)到彈簧12中。在圖1中，彈簧12具有第一長(zhǎng) 度L1，而在圖2中，隨著螺母26用來使彈簧12伸長(zhǎng)，將其拉伸至張緊，彈簧12具有更長(zhǎng)的 長(zhǎng)度L2?？梢赃M(jìn)一步在螺母26頂部設(shè)置螺旋到彈簧12中的鎖定螺母40，以將螺母26保 持在希望的角定向或彈簧12內(nèi)的希望深度?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出了被設(shè)置到殼體51內(nèi)形成組裝好的致動(dòng)器50的子組件10。 殼體51可基本環(huán)繞子組件10，并借助密封件16相對(duì)于彈簧12流體密封。另外的密封件 17，例如0型圈可設(shè)置用來在電接線端32a和32b與殼體51之間提供流體密封。還可設(shè)置 與殼體51連接并輔助將子組件10保持在其中的柔性隔膜52。隔膜52可焊接到殼體51， 或者借助任何其它合適的方式與其連接?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，其示出了具有殼體151的另一壓電致動(dòng)器150，子組件110設(shè)置在 殼體151中。還可以設(shè)置隔膜152，其以與關(guān)于圖3的實(shí)施方式描述的方式類似的方式與殼 體151連接。子組件110包括壓電元件120和彈簧112。致動(dòng)器150與前述實(shí)施方式具有 一定的類似性，但一些特征不同。替代如圖1-3中的實(shí)施方式中的與外螺紋螺母螺紋連接 的內(nèi)螺紋彈簧，致動(dòng)器150利用彈簧112上的外螺紋128與殼體151上的內(nèi)螺紋130螺紋 接合。對(duì)壓電元件120的預(yù)加載可通過相對(duì)殼體151旋轉(zhuǎn)彈簧112以螺紋接合螺紋128和 130，由此在壓電元件120上施加壓縮力來實(shí)現(xiàn)。類似于系統(tǒng)100的預(yù)加載系統(tǒng)可用來準(zhǔn)備 致動(dòng)器150以便使用，雖然不是旋轉(zhuǎn)螺母，但殼體151可部分與子組件110組裝并相對(duì)于其 旋轉(zhuǎn)，以將彈簧112拉伸成張緊來預(yù)加載元件120?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，其示出了定位在燃料噴射器60內(nèi)的致動(dòng)器50。在所示的實(shí)施方式 中，燃料噴射器60包括其中定位有致動(dòng)器50的噴射器主體62。致動(dòng)器50可包括可操作地 連接至控制閥組件70、特別是能夠通過接觸按鈕18和閥構(gòu)件72的端部74之間的接觸調(diào)節(jié) 閥構(gòu)件72的位置的控制閥致動(dòng)器。噴射器60還可包括與噴射器主體62連接并能夠保持 其中的致動(dòng)器50的蓋53。直接控制式針型截止閥80也設(shè)置在燃料噴射器60中并且接收 來自入口 84的高壓燃料，燃料可經(jīng)由對(duì)針82位置的控制從噴射器60噴射，如以已知方式 通過控制閥組件70進(jìn)行的。工業(yè)實(shí)用性如上面提到的，系統(tǒng)100可用來準(zhǔn)備壓電致動(dòng)的裝置以便使用。在這里描述的實(shí) 施方式中，例如元件20的壓電元件可首先具有針對(duì)電性能建立的目標(biāo)值，在對(duì)壓電元件設(shè) 定預(yù)加載的過程中感測(cè)該電性能。目標(biāo)值的建立可利用如圖6所示的系統(tǒng)100進(jìn)行，或者可 借助單獨(dú)的系統(tǒng)進(jìn)行。一旦針對(duì)特定的壓電元件建立了目標(biāo)值并將其分配給了該元件，就 可以部分組裝例如子組件10的致動(dòng)器子組件。子組件10的部分組裝可包括將元件20放 置在彈簧12內(nèi)，將定位件24插入到彈簧12中使其接觸元件20，然后將螺母26螺旋入彈簧 12中。插入件22可與子組件10的在電接線端32a和32b之間或圍繞電接線端32a和32b 的其它部件連接。然后，可將子組件10放置在固定部件102和104內(nèi)并由該固定部件102 和104支撐。一旦適當(dāng)?shù)囟ㄎ唬Ξa(chǎn)生裝置106可以與螺母26和與電接線端32a和32b連接的傳感器101接合。系統(tǒng)100可以如上面描述的用于將元件20上的預(yù)加載設(shè)定在目標(biāo)預(yù)加載。然后， 將鎖定螺母40固定到彈簧12并將子組件10從系統(tǒng)100去除。接著，將子組件10定位在 殼體51內(nèi)、附接隔膜52、通過將組裝好的致動(dòng)器50放置在噴射器主體62內(nèi)并固定蓋53而 將組裝好的致動(dòng)器50與噴射器60連接。噴射器60是可以根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行準(zhǔn)備以便使用 的眾多壓電致動(dòng)的裝置中的一個(gè)例子。例如需要使用高度精確定位的致動(dòng)器的工業(yè)環(huán)境、 實(shí)驗(yàn)室或其它分析設(shè)備中的控制閥的裝置、一些氣動(dòng)裝置及其他裝置可從這里闡述的教導(dǎo) 的應(yīng)用中受益。可以想到，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的用于設(shè)定和/或測(cè)試壓電致動(dòng)器預(yù)加載的策略， 本發(fā)明提供了多種好處。上面描述的例如Frank等人的一些策略可導(dǎo)致致動(dòng)器的預(yù)加載與 目標(biāo)預(yù)加載不同，因?yàn)橛捎陬A(yù)加載設(shè)備中的機(jī)械公差問題，施加的預(yù)加載力有變化。本發(fā)明 消除了與預(yù)加載設(shè)備中的公差有關(guān)的變化，因?yàn)橛芍付ǖ念A(yù)加載感應(yīng)的電性能傾向于對(duì)施 加的力的大小提供的指示比借助力反饋控制等可能提供的指示更加精確。而且，很多早先 的已知系統(tǒng)并不將預(yù)加載測(cè)試與用于調(diào)節(jié)預(yù)加載的任何方法結(jié)合，最多只是提供某些致動(dòng) 器是不合適的診斷。因此，本發(fā)明可被合理地認(rèn)為公開了用于預(yù)加載的測(cè)試和設(shè)定策略，兩 者可獨(dú)立使用或者可彼此結(jié)合來使用。將感測(cè)的電性能與機(jī)械力的大小相關(guān)聯(lián)的見識(shí)產(chǎn)生 了這種廣泛的應(yīng)用。本說明書僅僅用于說明的目的，因此不應(yīng)當(dāng)被理解為以任何方式縮小本發(fā)明的范 圍。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以對(duì)本發(fā)明所公開的實(shí)施方式進(jìn)行各種變型，而不脫 離本發(fā)明的完整且清楚的范圍和精神。盡管本發(fā)明的大部分強(qiáng)調(diào)了制造致動(dòng)器子組件時(shí)預(yù) 加載測(cè)試和設(shè)定的使用，但本發(fā)明可實(shí)施為測(cè)試組裝的致動(dòng)器或者甚至是完全組裝好的壓 電致動(dòng)的裝置?？梢栽O(shè)想這樣的實(shí)施方式，其中，致動(dòng)器或致動(dòng)器零部件被預(yù)加載，然后進(jìn) 行到隨后的測(cè)試階段以確認(rèn)它們是否被適當(dāng)?shù)仡A(yù)加載，或者確認(rèn)可通過根據(jù)本發(fā)明的預(yù)加 載測(cè)試揭露的缺陷是否存在。根據(jù)以這里描述的方式感測(cè)與其壓電元件相關(guān)的電性能，致 動(dòng)器可被分成例如“合格”類和“不合格”類等至少兩類中的一種。通過對(duì)附圖和權(quán)利要求 書的研究，其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)也是清楚的。
權(quán)利要求
一種準(zhǔn)備壓電致動(dòng)的裝置(50，150，60)以便使用的方法，包括以下步驟向用于所述壓電致動(dòng)的裝置(50，150，60)的壓電致動(dòng)器(50，150)的壓電元件(20，120)施加機(jī)械力；感測(cè)由所述機(jī)械力在包括所述壓電元件(20，120)的電路(105)中感應(yīng)的電性能；產(chǎn)生與感測(cè)到的所述電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)；和以響應(yīng)于所述信號(hào)的方式在所述壓電元件(20，120)上設(shè)定預(yù)加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述壓電元件(20，120)上設(shè)定預(yù)加載的步驟 包括以下步驟將所述信號(hào)的值與目標(biāo)值進(jìn)行比較；和響應(yīng)于所述信號(hào)的值與所述目標(biāo)值的比較朝著針對(duì)所述壓電元件(20，120)的目標(biāo)預(yù) 加載力調(diào)節(jié)所述機(jī)械力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括在施加機(jī)械力的步驟之前建立所述目標(biāo)值的步 驟以及在施加機(jī)械力的步驟之前將所述目標(biāo)值分配給所述壓電元件(20，120)的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，建立所述目標(biāo)值的步驟包括記錄與由大小等于 針對(duì)所述壓電元件(20，120)的目標(biāo)預(yù)加載的機(jī)械力在所述電路(105)中感應(yīng)的電性能對(duì) 應(yīng)的信號(hào)值的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中施加機(jī)械力的步驟還包括借助彈簧(12，112)施加所述機(jī)械力，以及至少部分地通過 相對(duì)于所述彈簧(12，112)旋轉(zhuǎn)與其螺紋連接的螺紋構(gòu)件(26，151)來施加所述彈簧(12， 112)的彈簧力；所述壓電致動(dòng)的裝置(60)包括燃料噴射器(60)，所述壓電致動(dòng)器(50，150)包括用于 所述燃料噴射器(60)的控制閥致動(dòng)器，且所述壓電元件(20，120)包括壓電堆；并且所述方法還包括將包括所述壓電元件(20，120)和所述彈簧(12，112)的子組件(10， 110)放置在致動(dòng)器殼體(51，151)內(nèi)的步驟，以及在設(shè)定所述預(yù)加載后將所述致動(dòng)器殼體 (51，151)與燃料噴射器主體(62)連接的步驟。
6.一種用于預(yù)加載壓電致動(dòng)器(50，150)的系統(tǒng)(100)，包括固定裝置(102，104)，其能夠支撐壓電致動(dòng)的裝置(50，150)，該壓電致動(dòng)的裝置具有 其中設(shè)置有壓電元件(20，120)的電路(105)；預(yù)加載機(jī)構(gòu)(106)，其能夠在所述壓電致動(dòng)的裝置(50，150)由所述固定裝置(102， 104)支撐時(shí)向所述壓電元件(20，120)施加機(jī)械力；傳感器(101)，其能夠感測(cè)由所述機(jī)械力在所述電路(105)中感應(yīng)的電性能并輸出與 該電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)；和控制裝置(107)，其與所述傳感器(101)連接并能夠至少部分地基于所述信號(hào)調(diào)節(jié)所 述預(yù)加載機(jī)構(gòu)(106)，以將所述壓電元件(20，120)上的預(yù)加載設(shè)定在目標(biāo)預(yù)加載。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(100)，其中所述控制裝置(107)包括能夠?qū)⑺鲂盘?hào)的值與目標(biāo)值進(jìn)行比較的電子控制單元 (107)；并且所述電子控制單元(107)經(jīng)由閉環(huán)預(yù)加載線路構(gòu)造，以向所述預(yù)加載機(jī)構(gòu)(106)輸出 調(diào)節(jié)指令，從而基于來自所述傳感器(101)的多個(gè)信號(hào)將所述預(yù)加載設(shè)定在所述目標(biāo)預(yù)加載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(100)，還包括第二力產(chǎn)生裝置(206)，其能夠通過大小 等于針對(duì)所述壓電元件的所述目標(biāo)預(yù)加載的機(jī)械力壓縮所述壓電元件(20，120)。
9.一種用于設(shè)定或測(cè)試壓電致動(dòng)的裝置(50，150，60)中的預(yù)加載的方法，包括以下步驟向壓電致動(dòng)的裝置(50，150，60)的壓電元件(20，120)施加機(jī)械力；感測(cè)由所述機(jī)械力在包括所述壓電元件(20，120)的電路(105)中感應(yīng)的電性能；和將感測(cè)到的所述電性能與所述機(jī)械力的大小相關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括至少部分地通過所述關(guān)聯(lián)步驟在所述壓電元 件(20，120)上設(shè)定預(yù)加載的步驟；其中，所述感測(cè)步驟包括產(chǎn)生與感測(cè)到的所述電性能對(duì)應(yīng)的信號(hào)；并且 其中，在所述壓電元件(20，120)上設(shè)定預(yù)加載的步驟還包括以下步驟 將所述信號(hào)的值與目標(biāo)值進(jìn)行比較；和響應(yīng)于所述信號(hào)的值與所述目標(biāo)值的比較朝著針對(duì)所述壓電元件(20，120)的目標(biāo)預(yù) 加載力調(diào)節(jié)所述機(jī)械力。
全文摘要
一種用于預(yù)加載壓電致動(dòng)器(50)的系統(tǒng)(100)，包括固定裝置(102，104)；能夠向由所述固定裝置(102，104)支撐的壓電元件(20)施加機(jī)械力的預(yù)加載機(jī)構(gòu)(106)；以及能夠感測(cè)由機(jī)械力在其中具有所述壓電元件(20)的電路(105)中感應(yīng)的電性能的傳感器(101)?？刂蒲b置(107)與傳感器(101)連接并能夠基于感測(cè)到的電性能產(chǎn)生信號(hào)。一種設(shè)定或測(cè)試預(yù)加載的方法包括向壓電元件(20，120)施加機(jī)械力，并將由所述機(jī)械力感應(yīng)的電性能與機(jī)械力的大小相關(guān)聯(lián)。閉環(huán)控制允許預(yù)加載被高度精確地設(shè)定。
文檔編號(hào)H01L41/08GK101878548SQ200880118206
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者J·文卡塔拉格哈萬, S·R·劉易斯, W·洛夫, 徐振龍 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司