CN105378956B - 压电执行器装置以及配备有该压电执行器装置的阀门 - Google Patents

Abstract

提出一种压电执行器装置（1），所述压电执行器装置具有至少一个压电转换器（2），所述压电转换器拥有至少一个压电体（4）以及被分配给该压电体（4）的、由两个彼此位于对面的电极（12、13）构成的电极单元（14），所述电极单元具有总电容。所述两个电极（12、13）中的至少一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极（12a、13a），所述部分电极与位于对面的电极（13、12）形成多个分别定义所述总电容的部分电容的部分电极对（18）。在电荷流动时有效的自身的电流限制电阻（25a、25b、25c）与每个部分电极对（18）串联。此外提出配备有这种执行器装置（1）的、用于控制流体的阀门。

Description

压电执行器装置以及配备有该压电执行器装置的阀门

技术领域

本发明涉及具有至少一个压电转换器的压电执行器装置，所述压电转换器拥有至少一个压电体以及被分配给该压电体的、由两个被布置在该压电体的彼此相对的侧上的电极构成的以及具有总电容的电极单元。

本发明此外涉及配备有这种压电执行器装置的、用于控制流体的阀门，在该阀门中所述压电转换器形成阀门构件或者用于阀门构件的驱动元件。

背景技术

从DE 20 2005 006 126 U1中已知的这种类型的压电执行器装置包含作为弯曲转换器来实施的压电转换器，所述压电转换器具有由压电活性材料构成的压电体以及两个在相对的纵向侧上置于压电体两侧的电极，所述电极共同地形成电极单元，所述电极单元具有由电极的基面确定的总电容。在压电执行器装置的运行中将操控电压施加到电极单元上，这导致到两个电极的电荷流入，由此尤其产生压电体的长度变化。因为压电体放置在压电非活性衬底上，所以压电体的长度变化引起弯曲转换器的弯曲，这例如能够用于操纵阀门。

根据本发明的类型的压电转换器也可以被构建为堆叠变换器，所述堆叠变换器拥有多个彼此分层堆积的以及分别由电极单元置于两侧的压电体。在这种情况下，压电体的根据逆压电效应产生的厚度变化尤其可以被用于操纵目的。

WO 02/089160 A2描述具有所谓的多层构造的压电转换器，其中薄的压电体层与电极交替地彼此分层堆积，这具有以下优点：利用相对低的操控电压已经能够实现压电材料的可接受的延伸以及与此相应地能够实现压电转换器的值得一提的变形。

从US 2011/0057543 A1中已知一种振动驱动器，所述振动驱动器具有致动器本体，所述致动器本体由压电层以及内部的正和负电极层的堆叠的布置构成。每个电极层由多个被划分的电极构成，使得正和负电极成对地位于对面，所述正和负电极能够被可变地电操控，以便使致动器本体以高频率变形并且产生振动，可移位地安装的元件可以借助于所述振动的帮助被来回移动。每个电极对在中间连接线圈的情况下连接到自身的电压源上。

原则上，压电体的可实现的延伸以及所属的压电转换器的由此产生的机械升程工作取决于所施加的操控电压。然而，尤其在要求一定的***保护和与此有关的标准的遵守的应用的情况下，高操控电压的使用受到限制。高操控电压在电荷流入到电极上以及从电极流出的情况下导致高电流，这在相应的环境中由于火花击穿可能导致危险的***。为了避免这一点，压电转换器允许在相应的环境中仅在所谓的本质安全的运行中以及因此仅以受限的操控电压来运行。这损害在运行中能够实现的机械升程工作。如果压电转换器例如作为执行器被用于阀门操纵，则这一般来说导致对可控制的流动速率的限制。

发明内容

本发明所基于的任务是创建压电执行器装置，所述压电执行器装置在遵守***保护规定的情况下也能够以高的效率运行。

该任务不仅在压电执行器装置的情况下而且在配备有该压电执行器装置的阀门的情况下通过如下方式来解决：电极单元的两个电极中的至少一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极，所述部分电极与位于对面的电极形成多个分别定义总电容的部分电容的部分电极对，其中在电荷流动时有效的自身的电流限制电阻与每个部分电极对串联。

本发明所基于的方案是，将被分配给压电体的电极单元的总电容划分成多个与总电容相比分别更小的部分电容并且给每个部分电容分配能够被称为电流限制电阻的串联电阻以便限制在电荷流动时出现的电流强度。通过部分电极为此被彼此间隔地布置，可以为每个部分电容保证本质安全的电路。

在压电转换器在防***的环境中运行的情况下一般来说应注意所谓的点火极限曲线，根据所述点火极限曲线，允许的操控电压随着增加的电容而降低。不过，基本上力求高的操控电压，以便实现电极单元的尽可能高的电荷密度以及与此相应地能够完成高水平（gross）的机械升程工作。本发明通过如下方式考虑该平衡做法：被分配给压电体的总电容不是利用一对相应大面积的电极来形成，而是在一定程度上基于将至少一个大电极分割成多个更小的部分电极，所述部分电极并排地布置并且分别与位于对面的对应电极形成部分电极对，所述部分电极对的被称为部分电容的电容比总电容更小，其中总电容由存在的部分电容的总和构成。更小的部分电容可以以允许的方式以比大电容更高的操控电压来运行，使得可以总体上将比在单个的很大面积的电极对的情况下更大的电荷施加到电极单元上。因为所有的部分电容通过优选地单件地以及尤其整体地被构造的所分配的压电体相互机械耦合，所以由部分电极对和压电体构成的压电单元如常规的压电转换器那样表现，所述常规的压电转换器在两侧分别仅由唯一一个电极置于两侧。电路技术上与部分电极对串联地布置的电流限制电阻负责电流强度在电荷流动时不超出允许的程度，其中随之出现的略微更高的时间常数直至部分电极对的完全充电是非常小的并且对运行表现产生微不足道的影响。因为根据本发明的压电转换器除了附加的电阻和更高的操控电压之外一般来说不对所分配的驱动电子设备提出进一步的要求，所以可以保证在几乎所有情况下普遍使用，在所述情况下使用迄今常规地构建的压电转换器。

根据本发明的原理可以在任意类型的压电转换器的情况下实现。仅示例性地提及在单态压电转换器、三态弯曲转换器和/或具有多层构造的弯曲转换器的情况下的应用。此外，根据本发明的原理尤其不仅在弯曲转换器中而且在堆叠变换器中适合。

本发明的有利的改进方案由从属权利要求得知。

一种特别低成本的构造规定，被分配给压电体的电极单元的两个电极中仅仅一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极，而位于压电体的另一侧上的电极被实施为单一的、也即连贯的以及尤其整体的电极。在此，单一电极的位于单独的部分电极对面的电极区段于是形成布置在该侧上的部分电极。

如果压电体在压电转换器的相应构造中布置在压电非活性衬底上，则存在使用导电的衬底的有利的可能性，所述衬底于是可以直接被用作单一电极。

不过，在电极单元的两个电极被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极，使得两个电极的单独的部分电极成对地彼此位于对面以形成单独的部分电极对时，根据本发明的效果也能够有利地实现。在该上下文中有利的是，存在于压电体的两侧上的部分电极的数目是同样大的并且一侧的每个单独的部分电极位于另一侧的唯一一个单独的部分电极对面。

此外有利的是，至于电极面，在形成单独的部分电极对的情况下分别彼此位于对面的单独的部分电极分别是同样大的。

适宜地，属于分别相同的电极的单独的部分电极布置在共同的平面中。

在一种优选的设计中单独的部分电极被带状地构造并且以横向间隔在纵向侧并排地布置。这在作为微长的弯曲转换器的压电转换器的构型中是特别适宜的，其中单独的部分电极于是尤其横向于弯曲转换器的纵向彼此以间隔布置。

不过，根据本发明的成功在部分电极对的每个任意分布模式中出现。因此，例如可以在具有纵向形状的弯曲转换器的情况下多个部分电极对也在弯曲转换器的纵向上相继地彼此以间隔布置。

如已经提到的那样，压电体尤其在作为弯曲转换器的压电转换器的构造中布置在压电非活性以及优选地有弹簧弹性的衬底上。在该衬底导电时，该衬底可以形成电极单元的单一电极，所述单一电极逐段地与在压电体的相对的侧上的单独的部分电极共同作用以形成部分电容。

优选地，每个部分电极对与用于电荷传输的自身的电连接导体接触，所分配的串联的电流限制电阻接通到所述电连接导体的走向中。

压电执行器装置的一种优选构型除了至少一个压电转换器之外包含用于提供能够操纵至少一个压电转换器的操控电压的电压源，所述电压源与全体的部分电极对同时连接或能够连接。

附图说明

随后借助附图更详细地阐述本发明。在所述附图中：

图1以示意性等距图示出压电执行器装置的一种优选实施方式，

图2示出在根据箭头Ⅱ来看压电转换器的一个端面时图1中的执行器装置的另一视图，以及

图3以对应于图2的视图示出压电执行器装置的另一实施方式。

具体实施方式

在整体上用参考数字1标记的压电执行器装置包含至少一个压电转换器以及在两个实施例中分别包含刚好一个压电转换器2，所述压电转换器能够将电能转换成机械能。压电转换器2例如可以作为执行器被用于任意机构的操纵。一种有利的使用是在用于控制流体的阀门中并且在那里直接作为阀门构件或者作为用于阀门构件的驱动元件使用。

适宜地，在作为阀门使用的情况下由压电转换器2所形成的或所驱动的阀门构件能够通过操纵压电转换器2来移动，以便与至少一个阀门座共同作用并且由此影响流体的流动。优选地，阀门座围绕阀门通道的嘴部，所述嘴部在阀门构件施加在阀门座处时是闭合的并且所述嘴部在阀门构件从阀门座被提升时是打开的。阀门座适宜地布置在阀门的阀门外壳上，所述阀门外壳定义阀门腔室，阀门构件在所述阀门腔室中伸展，其中阀门构件能够通过操纵压电转换器2至少局部地相对于阀门外壳移动，以便改变该阀门构件关于阀门座的相对位置。

压电转换器2的外形鉴于本发明基本上是不相关的。在该实施例中压电转换器具有带有纵轴3的微长的外形。与此不同地，压电转换器例如也可以板状地或者圆盘状地来设计。

此外，附图图解优选地被构造为弯曲转换器的压电转换器2。不过，本发明也能够在其它的压电转换器类型中、例如在所谓的堆叠变换器中被应用。

压电转换器2拥有至少一个由压电活性材料以及尤其由压电陶瓷构成的压电体4。该压电体4在实施例中被带状地构造，然而该压电体也可根据压电转换器2的类型来板状地或者圆盘状地构成。

压电体4具有两个彼此背离的、彼此相对定向的大面积的表面，下面为了更好地区分将所述表面称为上侧5和下侧6，而不应将之与限制关联。压电转换器2可以容易地以上侧5和下侧6的任意定向来运行。

压电体4拥有主延伸平面7，所述上侧5和下侧6关于所述主延伸平面平行地走向。带状的压电体4示范性地具有纵轴8，所述纵轴与压电转换器2的纵轴3相同地被定向并且与主延伸平面7平行地走向。

压电体4三明治式地布置在两个电极12、13之间，下面为了更好地区分将所述两个电极称为第一和第二电极12、13。第一电极12被分配给上侧5，第二电极13被分配给下侧6。每个电极12、13由导电材料构成。

优选地，至少一个以及适宜地每个电极12、13直接被施加到压电体4上。在该实施例中，第一电极12被安置在上侧5处并且第二电极13被安置在下侧6处。两个电极12、13中的至少一个例如可以作为金属化被施加到压电体4上。

两个电极12、13共同形成电极单元14，所述电极单元定义一定的被称为总电容的电荷电容。通过适宜地属于压电执行器装置1的电导体装置15，两个电极12、13与优选地同样属于压电执行器装置1的电压源16连接或能够连接。示范性地涉及可切换的电压源，所述电压源拥有合适的切换装置16a，所述切换装置能够有选择地将操控电压施加到电极单元14上或者从电极单元14分离。适宜地，也给电压源16分配还未进一步描绘的电气和/或电子切换装置，所述切换装置尤其形成驱动电子设备并且所述切换装置在需要时适宜地也可以引起从电极单元14的电荷流出，以便又使总电容放电。

如果将操控电压施加到电极单元14上，则电荷流到两个电极12、13上并且在两个电极12、13之间产生通过双箭头所表明的电场19，该电场横向于压电体的主延伸平面7穿透压电体4。这根据逆压电效应导致压电体4的形状变化，所述形状变化在该实施例中尤其也导致在纵向8上的变形。这又在两个实施例中导致压电转换器2的与主延伸平面7成直角的弯曲。

压电转换器2的弯曲行为在两个实施例中由以下情形产生：压电体4以其下侧6被固定在压电非活性衬底17上，所述压电非活性衬底不能经受压电体4的长度延伸。所述压电非活性衬底优选地由有弹簧弹性的材料构成，例如由金属、塑料材料或复合材料构成。优选地，所述压电非活性衬底如压电体4那样构成并且因此在该实施例中具有带形状。

衬底17通过扭曲来补偿压电体4的纵向延伸。这总体上导致压电转换器2在其通电的情况下的已经提到的挠曲。

如果压电转换器2被构造为堆叠变换器，则一般来说取消衬底17。在此情况下，多个压电体4与主延伸平面7成直角地被彼此堆叠，分别与电极交替。以这种方式，又由两个形成电极单元14的电极12、13置于每个压电体4两侧，其中不过每个布置在两个压电体4之间的电极同时形成两个相邻的电极单元14的一个电极。另外，这也适用于压电转换器2，所述压电转换器的压电活性区段以所谓的多层结构形式来设计并且由多个交替地彼此分层堆积的压电体4和电极12、13构成。

在压电执行器装置1的所有所示出的以及所提到的实施例中，有利的效果由以下情形产生：电极单元14被细分成多个部分电极对18，所述部分电极对全部与压电体4机械地耦合并且尤其固定地连接。在压电体4上适宜地被彼此电绝缘的这些多个部分电极对18中的每个定义电荷电容，所述电荷电容比上面所提到的总电容更小并且因此所述电荷电容被称为部分电容。存在的多个部分电极对18的部分电容的总和得出电极单元14的总电容。

在所示出的实施例中分别实现了三个部分电极对18。不过，根据本发明的效果在仅仅两个部分电极对18的情况下也已经出现。压电体也可以容易地配备有多于三个的部分电极对18。

部分电极对18由两个电极12、13中的至少一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极12a、13a产生，所述部分电极与分别位于对面的其它的电极形成部分电极对18。属于相同的电极12或13的部分电极12a或13a优选地相对于彼此电绝缘。

单独的部分电极12a、13a对于每个电极12、13来说适宜地以间隔并排地位于主延伸平面7中。属于相同的电极12或13的单独的部分电极12a、13a优选地位于共同的平面中。

存在于相同电极12、13的相邻的部分电极12a、13a之间的间隙22足够大地被确定尺寸，以便在运行中排除泄漏电流的出现或火花击穿。间隙22可以用空气填充或者利用不导电的材料填满。相同电极12、13的相邻的部分电极12a、13a之间的间隔分别是足够大的，以便根据相关的***保护标准保证本质安全性。

在图3的实施例中，电极单元14的两个电极12、13分别被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极12a、13a。在此，两个电极12、13的单独的部分电极12a、13a在压电体4的厚度方向上成对地、即与主延伸平面7成直角地彼此位于对面以形成部分电极对18。

优选地，电极单元14包含同样大数目的单独的部分电极12a和13a。在该上下文中，一个电极12的每个单独的部分电极12a位于另一电极13的单独的部分电极13a对面。彼此位于对面的部分电极12a、13a适宜地是同样大的并且尤其具有相同的轮廓，使得在压电体4的厚度方向上观察压电转换器2时所述部分电极彼此覆盖。

即使属于相同的部分电极对18的部分电极12a、13a是同样大的，但仍然存在在多个部分电极对18的情况下不同地选择部分电极12a、13a的尺寸的可能性。因此，第一部分电极对18的部分电极12a、13a的基面例如可以比至少一个另外的部分电极对18的部分电极12a、13a的基面更大。

在图1和2中所图解的实施例中仅存在由多个单独的部分电极12a、13a构成的第一电极12。而第二电极13被构造为单一电极23，所述单一电极不具有细分并且尤其具有连贯的平面的延伸，所述延伸优选地至少与布置在另一侧上的单独的部分电极12a的基面和被分配给所述部分电极的间隙22的总和一样大。

在此情况下，每个部分电极对18由所述一个电极12的单独的部分电极12a之一和单一电极23的位于该单独的部分电极12a对面的、在图2中用点线表明的电极区段24形成。该结构形式具有特别简单的制造的优点，因为不必在压电体4的一侧装配单独的部分电极。

必要时存在的、压电非活性衬底17导电地构造是有利的，因为该衬底17于是能够直接自身被用作单一电极23。在该情况下，免除相应电极的分开的应用。在图1和2的实施例中情况如此。

不过，容易地存在除了压电非活性衬底17之外设置第二电极13的可能性。在图3的实施例中存在这种结构形式。在此情况下第二电极13适宜地被布置在压电体4和压电非活性衬底17之间。在第二电极13也与第一电极12一样以多个单独的部分电极13a的形式实现时，该结构形式尤其是特别有意义的。

压电体4适宜地单件地以及尤其整体地被构造。

尤其与被构造为弯曲转换器的压电转换器2有关地，适宜的是，带状地以纵向形状来构造多个以及尤其全体的单独的部分电极12a、13a并且布置在压电体4上，使得所述部分电极在纵轴8的轴向上伸展并且以横向间隔在纵向侧并排地布置。这适用于两个实施例。

自身的电流限制电阻25a、25b、25c与每个部分电极对18串联，使得每个电流限制电阻25a、25b、25c尤其在电荷流入到部分电极对18的情况下、优选地但是也在电荷流出该部分电极对18的情况下由电流流过。以这种方式，对于部分电容来说进行到以下程度的对电流强度的限制，所述程度允许压电执行器装置1也在有***危险的区域中的使用。电流限制电阻25a、25b、25c中的每个是纯欧姆电阻。因此也可以谈及阻性电流限制。对于每个电流限制电阻25a、25b、25c来说，电阻值适宜地为几千欧。

示范性地，每个部分电极对18与用于电荷传输的自身的电连接导体26a、26b、26c接触，所分配的电流限制电阻25a、25b、25c被接通到所述电连接导体的走向中并且所述电连接导体是已经提到的电导体装置15的组成部件。这些电连接导体26a、26b、26c适宜地共同地连接到电压源16上。因此所有的部分电极对18连接到相同的电压源16上。通过电压源16是能够切换的，存在将全体部分电极对18同时施加到操控电压上或从该操控电压分离的可能性。执行器装置1优选地被运行，使得将相同的操控电压分别同时地施加到全体部分电极对18上。

Claims (14)

1.用于控制流体的阀门，所述阀门具有压电执行器装置（1），所述压电执行器装置包含至少一个压电转换器（2），所述压电转换器拥有至少一个压电体（4）以及被分配给该压电体（4）的、由两个被布置在所述压电体（4）的彼此相对的侧上的电极（12、13）构成的以及具有总电容的电极单元（14），其中所述压电转换器（2）形成阀门构件或者用于阀门构件的驱动元件，其中，所述电极单元（14）的两个电极（12、13）中的至少一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极（12a、13a），所述部分电极与位于对面的电极（13、12）形成多个分别定义所述总电容的部分电容的部分电极对（18），其中在电荷流动时有效的自身的电流限制电阻（25a、25b、25c）与每个部分电极对（18）串联，

其中，所述压电执行器装置（1）具有用于提供用于操纵所述至少一个压电转换器（2）的操控电压的电压源（16），全体的部分电极对（18）与所述电压源同时连接或能够连接，

其中，全体的部分电极对（18）从相同的电压源（16）被供应电流，使得能够同时将相同的操控电压施加到所述全体的部分电极对（18）上。

2.根据权利要求1所述的阀门，其特征在于，所述电极单元（14）的两个电极（12）中仅仅一个被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极（12a），而位于对面的另一电极（13）是单一电极（23）并且所述单一电极（23）的位于所述单独的部分电极（12a、13a）对面的电极区段（24）有助于分别形成部分电极对（18）。

3.根据权利要求1所述的阀门，其特征在于，所述电极单元（14）的两个电极（12、13）被细分成多个彼此间隔的单独的部分电极（12a、13a），其中所述两个电极（12、13）的单独的部分电极（12、13）成对地彼此位于对面以形成部分电极对（18）。

4.根据权利要求3所述的阀门，其特征在于，所述两个电极（12、13）被细分成同样大数目的单独的部分电极（12a、13a），其中一个电极（12、13）的每个单独的部分电极（12a、13a）位于另一电极（13、12）的单独的部分电极（13a、12a）对面以形成部分电极对（18）。

5.根据权利要求3所述的阀门，其特征在于，在形成部分电极对（18）的情况下分别彼此位于对面的单独的部分电极（12a、13a）是同样大的。

6.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，属于相同的电极（12、13）的单独的部分电极（12a、13a）位于共同的平面内。

7.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，每个被细分成单独的部分电极（12a、13a）的电极（12、13）的多个单独的部分电极（12a、13a）被带状地构造并且以横向间隔在纵向侧上并排地布置。

8.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，每个被细分成单独的部分电极（12a、13a）的电极（12、13）的全体的单独的部分电极（12a、13a）被带状地构造并且以横向间隔在纵向侧上并排地布置。

9.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，所述压电转换器（2）被构造为具有纵向形状的弯曲转换器，其中每个被细分成单独的部分电极（12a、13a）的电极（12、13）的单独的部分电极（12a、13a）横向于所述弯曲转换器的纵向以间隔并排地布置。

10.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，所述至少一个压电体（4）整体地被构造。

11.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，所述压电体（4）被布置在压电非活性衬底（17）上。

12.根据权利要求11所述的阀门，其特征在于，所述衬底（17）是有弹簧弹性的。

13.根据权利要求11所述的阀门，其特征在于，所述压电非活性衬底（17）具有导电特性并且直接形成所述电极单元（14）的单一电极（23）。

14.根据权利要求1至5之一所述的阀门，其特征在于，每个部分电极对（18）与用于电荷传输的自身的电连接导体（26a、26b、26c）接触，所分配的串联的电流限制电阻（25a、25b、25c）接通到所述电连接导体的走向中。