CN100479217C - 压电执行元件 - Google Patents

Abstract

提出一种压电执行元件，例如用于操作机械部件，其中，压电执行元件设置有一个由垂直于作用方向(6，7)的压电层和安置在这些压电层之间的内电极(2，3)组成的多层结构，这些内电极为了操作该压电执行元件可通过外电极被加载一个电压。在带有内电极(8，9)的另外的压电层上，一个与对压电执行元件(1)的操作成正比的电的传感器信号可通过另外的外电极(10，11；21，22，23，24)获取。用于执行元件部分的压电层和用于所述至少一个传感器部分的压电层被这样集成在一个作为压电执行元件(1)的部件中，使得用于传感器部分的各个压电层以可预给定的距离或并列地安置在用于执行元件部分的压电层之间。

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

普遍公知，利用所谓压电效应可由具有适当晶体结构的材料构成压电元件。当将外部电压施加在该压电的和电致伸缩的陶瓷上时产生该压电元件的机械响应，根据晶体的结构及电压的作用范围，该响应表现为一个预定方向上的压力或拉力。

基于其极快的及可精确调节的偏移效应，这种压电执行元件可用来制造调节器，例如设置在机动车上的燃料喷射系统中用于驱动开关阀。在此情况下该压电执行元件的受电压或电荷的控制的偏移用来定位一个控制阀，该控制阀又调节一个喷嘴针的行程。

因为用于操作压电执行元件所需的电场强度在若干kV/mm的范围中并且为了控制通常需要中等电压，因此该压电执行元件的结构以多层相互堆叠的金属化的压电陶瓷形成所谓的多层执行元件。为此在这些层之间设有内电极，这些内电极例如用压力方法施加，及设有外电极，通过这些外电极施加电压。用于制造这些层的典型方法为薄膜浇铸技术。在此，为了制造内电极各个层被金属化及彼此堆叠，其中，在两个层之间通过不同极性的内电极产生压电效应。

在此情况下，真正的压电元件可或者如上所述有源地作为压电执行元件被使用，或者无源地作为传感器被使用，在该传感器中，可量取当压电元件通过机械作用变形时所产生的电压。

这样的结构例如被描述在DE 199 60 971 A1中。在此，可量取的电压信号作为压力传感器正比于作用的力或者作为行程传感器正比于作用的变形。为了可调节地调整一个压电执行元件的长度变化，必需感测该长度变化，因此至今必需使用一个单独的部件作为传感器元件。

为此可以在压电执行元件上粘贴应变片，感应位移记录器，或如以上现有技术中所述，使用另一个压电传感器。

发明内容

根据本发明，提出一种压电执行元件，它具有执行元件压电层的多层结构，该多层结构垂直于该压电执行元件的机械反应方向，具有安置在这些压电层之间的执行元件内电极，这些内电极可通过外电极被加载一个电压以便激活该压电执行元件，并具有另外的传感器压电层，所述传感器压电层带有传感器内电极，在这些压电层上，一个与压电执行元件的变形成正比的传感器电信号可通过另外的外电极获取，其中：所述执行元件压电层和所述传感器压电层集成在一个作为压电执行元件的部件中，使得各个传感器压电层以可预给定的距离或布置设置在执行元件压电层之间，在具有多个分别单个地与外电极触点接触的传感器压电层的情况下，传感器部分的相应的传感器压电层相互并列地设置在一个垂直于所述机械响应方向的平面中，并且，在这些传感器压电层中，具有相同极性的传感器内电极在压电执行元件的机械响应方向上平行并列地在该压电执行元件的一侧上与外电极触点接触。

如上所述，开始部分所述的压电执行元件通过压电层和在压电有源区域中具有设置在这些层之间的内电极的多层结构构成并且设置有从一层到另一层变换的内电极触点接触，用于施加电压。为了构成传感器部分，设有具有内电极的其它压电层，在其上可通过另外的外电极获取与对压电执行元件的操作成正比的电的传感器信号。根据本发明，用于执行元件部分的压电层与用于传感器部分的压电层有利地集成在一个部件中，使得用于传感器部分的各个压电层以预给定的距离被设置在用于执行元件部分的压电层之间。

因此以有利的方式可达到：使作为压电执行元件的有源压电元件和作为传感器的无源压电元件被组合在一个部件中。两个功能，即产生位移和/或力和测量位移和/或力，可相互独立地同时被使用。在此情况下有利的首先是，不需要其它附加部件作为传感器，由此主要得到成本及结构上的优点。

此外，该集成解决方案简化了压电执行元件的组装，因为传感器和执行元件为同一部件的组成部分，由此可取消涉及问题的专门装配及可能为此所需的其它部件，例如在测力计情况下的磨削配合。

根据本发明的这种执行元件-传感器单元尤其对这样的场合提供了优越性：一方面要求高的位移精度，例如在微米和分微米范围内，另一方面由于结构空间原因不允许安装其它的部件。

特别有利的是，通过本发明可借助用于汽车中的燃料喷射系统中的直接阀针控制来控制燃料的喷射，在这里甚至可实现阀针调节。

在以下所述的本发明实施例中可有利地将一个压电执行元件与一个压电传感器这样集成在一个部件中，其方式是，将各个压电元件相互堆叠，然后分开地根据功能单独驱动(执行元件)或读出(传感器)。为此，在机械方面串联连接的压电层在电方面并联地连接。

视应用不同，可以使执行元件部分的大量有源压电层面对传感器部分的相对较少量的无源压电层或者相反。因为在压电效应下伸长的绝对值是很小的，但相反地与此相关的电荷量很大，在一些优选实施例中可使多个有源元件面对少量无源元件。在此情况下堆垛可用有利的方式这样实现，即每在一定数量、例如20个有源压电层后各置入或触点接触一个传感器元件，它由至少一个无源层组成。此外该传感器元件可分成多个单个的、彼此并列布置的段，由此可多重量取传感器信号并由此提高抗故障安全性。

堆垛结构是涉及粘接在一起的单个压电层还是涉及以所谓绿色状态堆叠然后一起烧结成一个陶瓷体的单层(共烧结方法)，对于本发明的有利功能是无关紧要的。

有利的是，在压电执行元件具有一个矩形横截面的情况下，执行元件部分的和传感器部分的在电方面正的和负的外电极设置在压电执行元件的相对立的侧面上，但它们彼此错开90°地向外引出。但也可以是，执行元件部分的以及传感器部分的外电极一起被设置在压电执行元件的两个相对立的侧面上。

在另一有利实施例中，传感器部分的内电极被引到压电执行元件的角区域中并且在那里分别与外电极触点接触。在具有多个传感器部分的情况下，各个内电极可有利地交替与角区域的不同侧面上的外电极触点接触。

如果该部件包括多个在机械响应方向上在机械方面彼此并联连接的传感器单元，则它们在电方面可彼此并联地连接，其方式是，相同极性的相应内电极共同在外侧面上触点接触，由此改善了传感器的灵敏度。

根据另一有利实施形式，在具有多个与外电极触点接触的传感器部分的情况下，传感器部分的具有相同极性的各个内电极在压电执行元件的机械响应方向上前后排列地在压电执行元件的一个侧面上触点接触。

附图说明

以下借助附图来描述具有集成的传感器的本发明压电执行元件的有利实施例。附图表示：

图1：具有用于执行元件部分及用于传感器部分的、由压电陶瓷层和位于其间的内电极组成的多层结构的压电执行元件的一个剖面，

图2：相应于图1的一个剖面，但其中的压电执行元件在这里被分成多个有源的执行元件部分和无源的传感器部分，

图3：根据图1的压电执行元件的一个横剖面，

图4：具有两个并列设置的传感器压电层的压电执行元件的一个横剖面，

图5：具有三个并列设置的传感器压电层的压电执行元件的一个横剖面，

图6和图7：具有一个执行元件部分和一个传感器部分的压电执行元件的一个横剖面及一个立体图，该执行元件部分和传感器部分分别在压电执行元件的相同侧上触点接触，

图8和图9：根据图6和7的实施例的另一变型，

图10和图11：具有用于传感器部分的、较小的、在角上触点接触的内电极的压电执行元件的一个横剖面和一个立体图。

具体实施方式

图1中表示出一个压电执行元件1，它以公知方式由具有适当晶体结构的陶瓷材料压电层、例如绿色薄膜构成，由此通过利用所谓压电效应，当通过该图中未示出的、而由图3中可看到的外电极4和5将一个外部直流电压施加在内电极2和3上时，在机械响应方向6或7上发生压电执行元件1的一个机械响应。在这里，这些具有内电极2及3的压电层在机械响应方向6或7上分布在压电执行元件1的整个结构上，以一种从现有技术公知的方式例如通过烧结彼此烧结成块。

因此，根据图1的压电执行元件1的纵剖面表示一个堆垛结构，其中，具有相应内电极2及3的有源压电层垂直于图面、一上一下交替地触点接触在压电执行元件1的外侧面上。此外在这些有源压电层之间安置了带有内电极8及9的无源压电层，其中，这些传感器压电层向左偏错90°地被引导到一个外电极10上或向右被引导到一个外电极11上并且在那里触点接触。在这里，传感器部分与执行元件部分偏错90°的这种布置不是一定要求的。

对于图2中所示情况，以类似方式实现结构，其中，多个执行元件部分和传感器部分在机械方面串联地及在电气方面并联地连接。

该结构也可由根据图3的横剖面看出，由该图可看到，用于激活压电执行元件1的外电极4及5设置在压电执行元件1的在该图中在上面和下面相对的两个侧面上并且用于传感器部分的外电极10及11左右相对地设置在压电执行元件1上。具有分段的传感器部分的其它变型及通过压电执行元件1中的内电极2及3或8及9的特殊埋设使内电极向外触点接触的改型借助下面的实施例来说明。

图4表示传感器部分构型方面的一个可能的变型方案；这里相对上述实施例改变的是，每两个具有相应传感器压电层12和13的传感器层彼此并列地设置在一个平面中，因此，为了提高测量可靠性，传感器信号可被两次、而不是一次在相应的外电极上量取。通过相应改变对压电执行元件1在传感器内电极方面的设计还可以进一步划分这些内电极，由此可用简单方式制造根据图5的具有传感器压电层14，15和16的三重分段结构。

通过传感器内电极的这种分段或在纵向上的顺序地划分，可以量取多于一个的传感器信号。因此基本上存在这样的可能性：这些传感器内电极或者分开地使用、或者并联地连接，以使传感器信号双重或多重。

以下借助根据图6和7以及根据图8和9的另外两个实施例来说明分别在压电执行元件1的相同侧上具有用于执行元件部分和传感器部分的触点接触可能性的其它变型，其中图7及9分别表示根据图6或8的实施例的立体图。因为结构元件的功能基本上相应于图1至3中所述的功能，在这里选择相似的参考标号。在此也可以是，如由图4及5所示，传感器部分可分段成多个并列设置的部分。

在图10及从属的图11中给出了一个实施例，通过它可实现执行元件部分和传感器部分的另一有利的组合，其中内电极的设计这样变化，使得在每个压电层中设有一个执行元件压电层及一个或多个传感器压电层。根据图10及11的传感器内电极的每个较小的电容器面17，18或19，20在这里面对较多数量的传感器压电层，由此在这里也可实现可接受的传感器输出信号。在该变型方案特别有利的是，在这里，例如由于外部触点接触的部分松脱引起的少量单个层的失效仅很使可被察觉。尤其在传感器部分双重实施的情况下，该变型方案具有提高的可靠性。

Claims (5)

1.压电执行元件，具有

执行元件压电层的多层结构，该多层结构垂直于该压电执行元件的机械反应方向(6，7)，具有安置在这些压电层之间的执行元件内电极(2，3)，这些内电极可通过外电极被加载一个电压以便激活该压电执行元件，并具有

另外的传感器压电层，所述传感器压电层带有传感器内电极(8，9)，在这些压电层上，一个与压电执行元件(1)的变形成正比的传感器电信号可通过另外的外电极(10，11；21，22，23，24)获取，

其特征在于：

所述执行元件压电层和所述传感器压电层集成在一个作为压电执行元件(1)的部件中，使得各个传感器压电层以可预给定的距离或布置设置在执行元件压电层之间，在具有多个分别单个地与外电极触点接触的传感器压电层的情况下，传感器部分的相应的传感器压电层(12，13；14，15，16)相互并列地设置在一个垂直于所述机械响应方向(6，7)的平面中，并且

在这些传感器压电层中，具有相同极性的传感器内电极(8，9)在压电执行元件(1)的机械响应方向(6，7)上平行并列地在该压电执行元件(1)的一侧上与外电极触点接触。

2.根据权利要求1的压电执行元件，其特征在于：

压电执行元件(1)的垂直于所述机械响应方向(6，7)的横截面是矩形的，执行元件压电层的在电方面正的和负的外电极(4，5)以及传感器压电层的在电方面正的和负的外电极(10，11；21，22，23，24)分别设置在压电执行元件(1)的相对立的侧面上。

3.根据权利要求1或2的压电执行元件，其特征在于：

执行元件压电层的外电极(4，5)以及传感器压电层的外电极(10，11)并列地设置在压电执行元件(1)的两个相对立的侧面上。

4.根据权利要求1或2的压电执行元件，其特征在于：

相应的传感器内电极(17，18，19，20)交替地与角部区域的不同侧面上的外电极触点接触。

5.根据权利要求1或2的压电执行元件，其特征在于：

多个在机械响应方向(6，7)上堆叠的传感器压电层在电方面并联地连接和/或

多个在机械响应方向(6，7)上堆叠的执行元件压电层在电方面并联地连接。

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