CN1166013C - 压电执行元件 - Google Patents

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Abstract

一种压电执行元件(1)，与现有技术相比，在该执行元件中出现开裂的倾向明显减小，弥补裂缝的可能性被改善。根据本发明的压电执行元件，具有多个由压电材料制成的盘(2)、一个带有两个接头(12a，12b)的控制电压源(11)、每组至少有两个外电极的两个外电极组(3，5；4，6)和多个内电极(7，8，9，10)，这些盘(2)的极化方向垂直于盘面并且在其极化方向而彼此堆叠起来，这些内电极分别安置在压电盘(2)之间，在此，第一组外电极(3，5)与控制电压源(11)的第一接头(12a)电连接，第二组外电极(4，6)与控制电压源(11)的第二接头(12b)电连接，而内电极(7，8，9，10)如此交替地与外电极(3，4，5，6)接通，使得一个内电极(7，9)总是与控制电压源(11)的第一接头(12a)电连接，而在堆垛方向相随它们的内电极(8，10)总是与控制电压源(11)的另外的接头(12b)电连接，这里，内电极(7-10)以循环顺序与外电极(3-6)接通。

Description

压电执行元件
技术领域
本发明涉及一种压电执行元件。
背景技术
如在图3以略图方式所示的那样，压电执行元件通常由多个以堆垛方式彼此堆叠起来的由压电材料制成的盘2、即所谓的压电元件组成，在此，选定压电盘的共同极化方向为堆垛方向。在该堆垛或者压电堆(Piezostacks)的两个侧面分别安装一个外电极3，4，这两个外电极3，4可与一个控制电压源11的接头12a，12b电连接。在压电盘2之间分别安置一个压电执行元件1的内电极7，9。在此，内电极7，9交替地分别仅与外电极3，4中的一个电接通，从而相邻的、彼此堆叠配置的内电极7和9分别与控制电压源11的不同接头12a，12b电连接。
在一个压电执行元件的这种配置中，每个压电元件2都在两个表盘面与一个电极7，9连接，这些电极7，9可通过外电极3，4而被一个电压加载。在进行电压加载时，以堆垛方式彼此堆叠起来的盘形的压电元件2中的每一个都在形成于电极7，9之间的电场的方向伸长，该方向与压电盘2的极化方向一致。通过大量的堆垛起来的压电元件2，就可在一个相对小的控制压力下得到总的结构配置的一个相对大的行程。
上述的压电执行元件可以有很多应用，例如，用于操作一个内燃机喷油阀的一个阀关闭体，操作液压阀，驱动微型泵，操作继电器，以及类似物。由现有技术，已公知各种不同的应用可能性。
例如，从EP 0 361 480 B1公知一个内燃机的喷油嘴，其中，使阀针处于行程运动以打开和关闭喷油嘴。在此，这个行程运动的驱动元件是由一些堆叠起来的可由压电激励的并配置上平面电极的盘所组成。
由DE 35 33 085 A1公知其它的用于例如诸如直接喷射的柴油发动机之类的内燃机燃料喷射***的喷油阀，该喷油阀同样具有一个压电执行机构，以通过阀针的行程运动或移动来打开和关闭阀。这里，该压电执行机构也是由一些盘形压电元件组成，并且可通过一个可施加的电压在一个短时间间隔内在其轴向方向伸长或缩短。
此外，在DE 38 00 203 C2中公开了一个喷油阀，该喷油阀具有一个压电陶瓷执行机构，该压电陶瓷执行机构带有彼此层叠的压电陶瓷板和将电压传到每个压电陶瓷板的电压传输件。在这个喷射阀中所使用的压电执行元件的特别特征是，带有相反极性的成对压电陶瓷板的层叠，以便由此来增大压电陶瓷阀的调节行程。
作为压电执行元件的进一步的应用可能性，由EP 0 477 400 A1公知一个压电执行元件的一个换向变压器(Wegtransformator)的结构配置，该结构配置能增大压电执行元件的行程。
在上述的作为例子而引用的、公开了开头所述类型压电执行元件应用可能性的文献中，虽然没有单个地描述所使用的压电执行元件的结构和工作方式，但是它们基本上都对应于在上面借助于图3所述的执行元件。
在常见的压电执行元件中，由于堆垛配置的压电元件2及内电极7、9和两个外电极3、4的连接，以压电方式产生的伸长主要只在内电极7和9彼此相对的中间区域发生。在内电极7和9彼此不直接相对的边缘区域13，形成一个具有改变的电场强度从而也具有拉应力的区域。由于这些拉应力，在这样的执行元件中经常会形成开裂。在下面将借助于图4A和图4B对这种开裂的形成进一步加以讨论。这里，图4A示出在中性状态即没有加上控制电压状态下的执行元件1，图4B示出在运行状态下即在带有施加的控制电压及由此而产生的压电元件2伸长状态下的执行元件1。
图4A和图4B示出图3中常见的压电执行元件的局部放大IV。在由压电元件2组成的堆垛与内电极7，9和外电极3，4之间的边界区域中，可以区分出两个区域13，14。在一个区域13中，内电极7没有贯穿直到外电极4而触点接通，而通常对于压电元件2所使用的陶瓷在该区域13中被深入烧结。在另一个区域14中，内电极9贯穿直到外电极4而触接通，但与另一个外电极3却没有接通。在第二区域14中即在压电元件2和内电极9之间的附着强度为在区域13中在压电材料内部的附着强度的1/3到1/5。如同在图4B明显可见的那样，在加上一个控制电压时，在执行元件1的中部的伸长大于在靠近外电极的边界区域的伸长。通过由此而产生的在执行元件1的区域13，14中的大的拉应力，经常在区域14中的内电极9和压电元件2之间的边界上产生开裂15。在执行元件1进一步运行时，这个开裂15会延伸到外电极4，由此内电极9的接通至少部分地大大恶化甚至中断，从而缩小了执行元件1的总伸长。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种压电执行元件，能够减小开裂的危险。
根据本发明，提出一种压电执行元件，它具有：多个由压电材料制成的盘，这些盘的极化方向垂直于盘面，并且这些盘以其极化方向作为堆垛方向而彼此堆叠起来；一个带有两个接头的控制电压源；每组至少有两个外电极的两个外电极组，其中，第一组外电极与控制电压源的第一接头电连接，第二组外电极与控制电压源的第二接头电连接，并且这些外电极分别被安装在压电盘堆的不同的侧面上；多个内电极，它们分别配置在压电盘之间，并且如此交替地与外电极接通，使得总是一个内电极与控制电压源的第一接头电连接、在堆垛方向上紧随其后的内电极与控制电压源的第二接头电连接，这里，内电极以循环的顺序方式与外电极接通。
本发明压电执行元件的优点是，执行元件具有两个外电极组，每组又至少具有两个外电极，通过这样的结构，就将发生内电极到外电极的贯穿接通的区域分配到执行元件的多个侧面上，从而这些区域能够在堆垛方向上彼此进一步间隔，同时在每个内电极中能充分烧结三个边缘区域。通过这些措施，可以减小在执行元件中的拉应力，从而一般地减小形成开裂的倾向，并特别地在边缘区域使该倾向明显减小，本发明的另一个优点在于，通过采用总计四个外电极可明显改善执行元件的热量排出。
内电极和不同的外电极之间的接通的周期性顺序是特别有利的。这样，贯穿接通区域被均匀地同时也以尽可能大的距离地分配到全部执行元件上，由此，一旦形成开裂，弥补在外电极上开裂的可能性就明显变得容易。根据本发明的一个进一步的构造，为了一个这样的开裂弥补而在外电极的外侧面上安装上波纹形电极，该波纹形电极的波长是两个彼此相随的内电极间距的4倍。在通常的压电执行元件中，即便采用了波纹形电极，其波长也只是这里的一半，而且有波纹形电极与外电极发生平面焊接(flaechige Verloetung)的危险。
通过进一步的措施，可以对于该压电执行元件进行有利的进一步构造和改进。
附图说明
在附图中以简化的方式示出本发明的一个实施例，并在下面的说明中对其做深入的讨论。附图示出：
图1：示出沿着图2A中I-I线的一个压电执行元件实施例的剖视图。
图2A至图2D：图1所示的压电执行元件在内电极的不同平面上沿图1中剖面II-I或平行于该剖面的剖视图。
图3：根据现有技术的一个压电执行元件的剖视图。
图4A至图4B：图3中压电执行元件的局部放大视图，以便清楚示出在通常的压电执行元件中开裂的形成。
具体实施方式
在图1和图2中举例示出根据本发明压电执行元件的一个优选实施例。其中，图1示出沿着图2A中I-I线的压电执行元件1的剖视图，图2A到图2D示出内电极7，8，9和10的配置沿图1中II-II剖面以及平行于图1中II-II剖面的剖视图。
与通常的压电执行元件一样，压电执行元件1由多个由压电材料制成的盘2组成，这些盘的极化方向基本上垂直于盘面分布，并且这些盘在它们的共同的极化方向上被堆垛起来，以便形成一个所谓的压电堆(Piezostapel)。作为压电元件2的材料，可以使用例如石英、电气石、钛酸钡(BaTiO3)或者如主要是锆酸铅-钛酸铅组系或PZT组系(PbZrO3-PbTiO3)之类的特别的压电陶瓷，但是，有机盐如NaK-酒石酸盐或大量的另外公知的压电材料也是合适的。
在单个压电盘2之间分别安置一个内电极7，8，9和10。在压电堆的侧面16，17，18和19上，分别在压电堆的全部高度上安装一个外电极3，4，5和6，这些外电极可以例如以一个安置在侧面上的钎焊层的形式构成。如同在图2A到图2D对于在堆垛方向上彼此相随的内电极7到10所示出那样，每个内电极7，8，9和10分别仅与一个外电极3，4，5和6接通，即，在压电堆中，内电极7到10每次只是向一个侧面16，17，18或19伸展，而与其余的侧面16，17，18，19或者与其余的外电极3，4，5，6有一个距离。在没有被贯穿接通的区域13，压电陶瓷2总是被充分烧结。
为了得到所希望的压电执行元件1的作用，按如下方式进行内一外电极连接布线。外电极3，4，5，6被分成3，5和4，6两组，每组可分别与一个控制电压源11的一个接头12a或12b电连接。内电极7，8，9，10如此与外电极3，4，5，6接通，使得总是一个内电极7，9和控制电压源11的一个接头12a电连接，而在堆垛方向上接着的一个内电极8，10和控制电压源11的另一个接头12b电连接。从而，每个盘形的压电元件2都在其两个盘表面上与电极7，9或电极8，10连接，这些电极可通过外电极3，5及4，6由控制电压源11施加一个电压。与在通常的压电执行元件的场合一样，在由电压加载时，每个彼此以堆垛方式堆叠配置的压电元件2在电极7，9与电极8，10之间所形成的电场方向上伸长，该电场方向与压电盘2的极化方向重合。通过大量的堆垛起来的压电元件2，就可获得总的结构配置的一个相对大的行程，在此，由于被堆垛起来的压电元件2与外电极3，4，5，6的固定连接，该行程只能发生在这些外电极3，4，5，6之间的中间部位。
还应注意，使用总数为4个的外电极3，4，5，6而不是如同通常那样只使用两个外电极3，4，也改善了执行元件1的排热性能。如所公知的，压电陶瓷的导热性比起金属的小得多。
此外，如同上面借助于图4A到图4B所说明的那样，根据本发明为了减小压电执行元件1中形成开裂的倾向，按照如下步骤将内电极7，8，9，10与外电极3，4，5，6接通起来。每次一个内电极7与一个外电极3接通，而在堆垛方向上相随其后的内电极8，9，10分别与另外的外电极4，5或6接通，在此，如上所述，总是一个内电极7，9必须和控制电压源11的一个接头12a电连接，并且，在堆垛方向上相随其后的内电极8，10必须和控制电压源11的另一个接头12b电连接，以便借助于所产生的电场来形成在压电元件2中的压电效应。
对于在图1和图2A到图2D中所示出的实施例，详细示出，一个第一内电极7与一个安装在压电堆的第一侧面16上的一个第一外电极3接通，而该外电极3与控制电压源11的第一接头12a电连接(图2A)；在堆垛方向上相随内电极7的内电极8与安装在压电堆的第二侧面17上的第二外电极4接通，而该外电极4与控制电压源11的第二接头12b电连接(图2B)；在堆垛方向上相随内电极8的内电极9与安装在压电堆的第三侧面18上的第三外电极5接通，而该外电极5又与控制电压源11的第一接头12a电连接(图2C)；在堆垛方向上相随内电极9的内电极10与安装在压电堆的第四侧面19上的第四外电极6接通，而该外电极6又与控制电压源11的第二接头2b电连接(图2D)。内电极7，8，9，10的这种配置顺序在堆垛方向循环地继续下去，使得在整个压电堆的范围内得到贯穿接通区域14的一个均匀的分布。
原则上可以在上述的一般步骤范围内任意选定在一个循环周期内的接通顺序。同时也不是必定要将一组的外电极3，5和4，6分别安置在压电堆的相对侧面16，18和17，19上。但是，基于对称性和与此相联系的在压电执行元件1中的电场以及拉应力的均匀分布，沿着压电堆的***表面或侧面16，17，18，19交替地配置两组外电极3，4，5，6或极性是有利的。
此外，在上述的实施例中，压电盘具有一个大致正方形的基面。但是本发明并不局限在这种实施形式上，恰恰相反，基面也可以是长方形、四边形或者圆形。外电极3，4，5，6的数量以及它们与内电极7，8，9，10的接通可按类似于上面在图1和图2中所讨论的方式进行。
此外，在图1中作为例子在外电极3上安装或钎焊上一个波纹形电极20。相应地也可在另外3个外电极4，5，6上设置波纹形电极20。
在分别与一个外电极3接通的两个内电极7之间的中部区域，这些波纹形电极20分别与外电极3钎焊起来。在上述的内电极7，8，9，10配置的周期性顺序中，波纹形电极20的波长是两个彼此相随的内电极之间距离的4倍。如同图4 B所示，在执行元件中可能出现开裂15的场合，可以通过波纹形电极20来弥补一个在外电极3，4，5，6上所产生的开裂，从而确保了所有内电极7，8，9，10的牢固可靠的接通。对于波纹形电极，使用由导电材料制成的板材，主要是厚度为0.05mm的黄铜板。
在一个通常的执行元件1的场合，如同图3所示，即便使用波纹形电极20，波纹形电极20的波长也仅是两个彼此相随的内电极7，9之间距离的2倍。由此就存在波纹形电极20整面地(vollflachig)与外电极3，4焊接从而不能确保可靠地弥补开裂的危险。

Claims (6)

1.压电执行元件(1)，具有：
多个由压电材料制成的盘(2)，这些盘的极化方向垂直于盘面，并且这些盘以其极化方向作为堆垛方向而彼此堆叠起来；
一个带有两个接头(12a，12b)的控制电压源(11)；
每组至少有两个外电极的两个外电极组(3，5；4，6)，其中，第一组外电极(3，5)与控制电压源(11)的第一接头(12a)电连接，第二组外电极(4，6)与控制电压源(11)的第二接头(12b)电连接，并且这些外电极(3，4，5，6)分别被安装在压电盘(2)堆的不同的侧面(16，17，18，19)上；
多个内电极(7，8，9，10)，它们分别配置在压电盘(2)之间，并且如此交替地与外电极(3，4，5，6)接通，使得总是一个内电极(7，9)与控制电压源(11)的第一接头(12a)电连接、在堆垛方向上紧随其后的内电极(8，10)与控制电压源(11)的第二接头(12b)电连接，这里，内电极(7，8，9，10)以循环的顺序方式与外电极(3，4，5，6)接通。
2.根据权利要求1所述的压电执行元件，其特征为，两组外电极(3，4，5，6)沿着堆垛的***交替地配置。
3.根据权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征为，压电盘(2)的基面具有一个正方形的形状。
4.根据权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征为，压电材料是一个锆酸铅-钛酸铅组系。
5.根据权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征为，在外电极(3，4，5，6)的外表面上分别安置了一个波纹形电极(20)。
6.根据权利要求5所述的压电执行元件，其特征为，波纹形电极(20)的波长是两个彼此相随的内电极(7，8，9，10)之间的距离的4倍，并且波纹形电极(20)与外电极(3，4，5，6)的接触位置分别被安置在那些分别向着外电极(3，4，5，6)贯穿接通的内电极(7，8，9，10)的区域之间。
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