CN108463893A - 用于控制机电元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于激活机电元件(3)的至少一区段(特别是变化区段)的方法，包括步骤：提供机电元件，其中至少所述变化部分有至少两个彼此隔开的电极，电极之间布置有多个域的多晶和铁电或铁电压电材料，其中在初始状态下至少一些域的偏振方向彼此不同；通过施加具有限定振幅和持续时间的至少一个电压脉冲形式的电压在变化区段的电极间产生电场；由于至少一个电压脉冲，将具有彼此不同偏振方向的一些域变换成相同偏振方向状态，从而产生机电元件沿长度方向V的长度增加，该长度增加在无电压下被限定和保持，或者由于至少一个电压脉冲，将有相同偏振方向的一些域转换成有彼此不同偏振方向的状态，由此产生机电元件沿长度方向V的长度减小，该长度减小在不存在电压下限定和保持。本发明还涉及用该方法激活的机电元件作为调节元件，且涉及两个相对于彼此移动的元件(1,2)之间布置由该方法激活的机电元件。

Description

用于控制机电元件的方法

技术领域

本发明涉及用于控制机电元件的方法和由这种方法控制的机电元件作为调节元件的用途。

背景技术

从US 8,138,658 B2已知一种具有若干层压电-铁电材料的致动器，其中限定的电场可以选择性地施加到各个层，以便通过例如域折叠将完全非极化的域状态转换为完全极化的域状态(反之亦然)来利用铁电部件的非线性效。通过所述域折叠，在这些层中可以实现不连续的变形变化，如变形跳跃，而在致动器的其他层中利用压电效应导致线性且连续的变形变化。总的来说，这导致致动器具有延长的调节行程范围。另一个优点是，由域折叠产生的致动器的变形甚至在不施加外部电压的情况下得以保持。

由US 8,138,658 B2已知的致动器的缺点是变形跳跃的产生，使得该致动器不能用于非常精细的调节运动，或者只能以非常高的控制力度来使用。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于控制机电元件的至少一个区段(即变化区段)的方法，该方法使得该机电元件适用于非常精细且限定的调节运动，其中通过施加电场产生变化区段的变形即使在移除相应的电场之后仍然保留。

该目的通过以下的方法来实现。

因此，本发明是一种用于控制机电元件的至少一部分的方法，其中相应的部分限定了变化区段。在这点上应该强调的是，变化区段也可以包括完整的机电元件。换句话说，本发明包括完整的机电元件对应于变化区段，并且完整的机电元件通过根据本发明的方法来致动。

根据本发明的方法包括以下步骤：提供机电元件，其中至少所述变化区段包括彼此间隔开的至少两个电极以及设置在电极之间的具有多个域的多晶和铁电或铁电压电材料，其中在初始状态下，至少一部分域包括彼此不同的偏振方向；通过施加具有限定振幅和限定持续时间的至少一个电压脉冲形式的电压来在变化区段的电极之间产生电场；将具有彼此偏离的偏振方向的一部分域转换到由于所述至少一个电压脉冲而具有相同偏振方向的状态，并且由此产生限定的且在不存在电压的情况下得以保持的机电元件的变化区段沿长度方向V的长度的增加，或者将具有相同偏振方向的一部分域转换成偏振方向由于至少一个电压脉冲而彼此偏离的状态，并由此产生限定的且在不存在电压的情况下得以保持的机电元件的变化区段沿长度方向V的长度的减小。

如本文所用的术语“机电元件”在最一般的意义上指代一种元件，其中由于电压的作用或电场的作用激发可用于例如致动运动的机械反应(例如长度变化)。同时，该术语在最一般的意义上指代一种元件，其中以相反的方式，例如施加压缩力的机械作用导致产生电场或电压。

本文所用的术语“域”是指多晶和铁电或铁电压电材料的一部分，其中存在相同或几乎相同的偏振方向。

上面提到的术语“长度方向V”描述了可用于特定应用的机电元件的幅度最大和伸展的方向。

根据电压脉冲的幅度和持续时间，偏振状态通过至少一个电压脉冲在更小或更大的部分域处永久改变，使得机电元件的变化区段的限定的和持续的变形变化产生。如果在这种情况下具有不同偏振方向的相应域被转换成具有相同偏振方向的状态，则结果是机电元件沿着长度方向V的变化区段的长度变大，而具有相同偏振方向的域转换成偏振方向不同的状态导致机电元件沿长度方向V方向的变化区段的长度减小。

电压脉冲的持续时间在50和150ms之间，并且优选在70和120ms之间可能是有利的。

在这种情况下，电压脉冲的上升部分的持续时间和电压脉冲的下降部分的持续时间可以在5和20ms之间，并且优选地在8和12ms之间，这可能是有利的。

还有利的是，在提供机电元件的步骤之后且在通过以至少一个电压脉冲的形式施加电压在变化区段的电极之间产生电场的步骤之前，执行用于生成变化区段的限定的初始长度的步骤，其中将这样的一个或多个电压施加到变化区段的电极，此后得出变化区段对应于100％的偏振度的最大长度增加和/或对应于0％的偏振度的最大长度减小，其中最大长度增加和最大长度减小之间的差限定最大可能长度变化范围。

还有一个优点是，在预期的长度变化小于最大长度变化范围的50％时，这样的电压被施加到变化区段的电极上，使得产生0％的偏振度，并且当预期的长度变化大于最大长度变化范围的50％时，这样的电压施加到变化区段的电极上，使得产生100％的偏振度。

此外有利的是，提供一种机电元件，其中在初始状态下，变化区段的材料具有40％至60％的偏振度，并且特别优选50％的偏振度。在这种情况的偏振度下，机电元件的变化区段的材料的域的比例被指定，其具有相同的偏振方向。通过机电元件的变化区段的材料在其初始状态下的相应的偏振，通过减小相同偏振方向的域的数量可以实现机电元件的变化区段从初始状态开始沿着长度方向V的长度减小。

另外，可能有利的是，用于机电元件的变化区段沿长度方向V的长度的限定增加的电压脉冲的幅度被确定大小，使得相邻电极之间的合成电场强度是在矫顽磁场强度的50％和200％之间。在这种情况下，所施加的电压脉冲的持续时间越长和/或数量越多，对应的振幅可以越小，反之亦然，相应的放大可以更大，施加电压脉冲的持续时间和/或数量越小。通过矫顽磁场强度是指足以满足场强方向上铁电材料域的所有偶极矩(饱和偏振)或将偏振减小到零的场强。

此外，可能有利的是，用于机电元件的变化区段沿长度方向V的长度的限定减小的电压脉冲的幅度的大小确定为，使得相邻电极之间的所得电场强度为在矫顽磁场强度的10％和90％之间。这里也是，持续时间越长和/或施加的电压脉冲的数量越大，幅度可以越小，反之，相应的放大越大，施加的电压脉冲的持续时间和/或数量越小。

另外，可能是有利的是，第一电压脉冲跟随有第二电压脉冲，第二电压脉冲具有与第一电压脉冲不同的极性。

此外，第二电压脉冲的幅度可以与第一电压脉冲的幅度不同，并且优选地，第二电压脉冲的幅度小于第一电压脉冲的幅度。

本发明还涉及根据上述方法的受控机电元件作为致动元件的用途。

此外，本发明涉及根据上述方法的机电驱动元件在相对移动的两个元件之间的布置。

在这种情况下，可能有利的是，在由根据本发明的方法控制的机电元件与相对于彼此移动的两个元件中的一个之间布置另外的机电元件，优选为压电致动器。然而，同样可以想到的是，机电元件具有两个不同的区段，其中一个是通过根据本发明的方法控制的变化区段，而其余的区段(其然后对应于另外的机电元件或者前述意义上的压电致动器)代表传统的致动器。

附图说明

附图示出了：

图1：使用根据本发明的方法确定机电元件的长度或厚度变化的实验装置；

图2：当使用根据本发明的使用具有相同持续时间和不同正电压的多个电压脉冲的方法时，根据图1的实验装置的机电元件的长度或厚度增加；

图3：当使用根据本发明的使用具有相同持续时间和不同负电压的多个电压脉冲的方法时，根据图1的实验装置的机电元件的长度或厚度减小；

图4：当使用根据本发明的使用具有相同持续时间和相同正电压的多个电压脉冲的方法时，根据图1的实验装置的机电元件的长度或厚度增加和位置稳定性；

图5：当使用根据本发明的使用具有相同持续时间和不同正电压的简单电压脉冲的方法时，根据图1的实验装置的机电元件的长度或厚度增加和位置稳定性；

图6：当使用根据本发明的使用具有相同持续时间和不同负电压的简单电压脉冲的方法时，根据图1的实验装置的机电元件的长度或厚度减小和位置稳定性；

图7：通过本发明的方法致动的机电元件作为致动器或其对应装置的使用的示意图；

图8：受到单个电压脉冲的机电元件的长度变化的时间曲线的图示；

图9：通过不同偏振和幅度的两个连续电压脉冲致动的机电元件的长度变化的时间曲线的图示。

具体实施方式

图1示出了使用根据本发明的方法确定机电元件沿长度方向V的长度变化行为的实验装置。在这种情况下，机电元件的变化区段包括完整的机电元件。

在这种情况下，外径为16mm、内径为8mm且厚度为2.5mm的环形机电元件3由图林根州的PI Ceramic GmbH公司的压电陶瓷材料PIC252组成。该压电陶瓷材料具有1.1kV/mm的矫顽磁场强度。长度方向V对应于机电元件的厚度延伸的方向。

机电元件3具有多个压电陶瓷材料层，其中各个层由插入的电极分开(所谓的多层结构)，并且在每种情况下在两个相邻的电极之间可以施加用于在压电陶瓷材料内形成期望电场的相应电压。压电陶瓷材料层和布置在其间的电极的堆叠方向为机电元件的厚度延伸的方向。因此长度方向V基本垂直于电极延伸。然而，也可以想到的是，机电元件的长度方向V平行于电极。

除了上述用于机电元件的多层结构之外，也可以是这样的结构，其中电极仅布置在机电元件的外侧上，并且因此仅具有机电特性的材料位于电极之间。

机电元件3借助于偏置装置4被牢固地夹持在基板2和可移动板1之间，所述偏置装置4由拧入基板的螺纹中的螺钉以及布置在螺钉头部和可移动板之间的板簧组成，从而产生约100N的偏置力。在底板和可移动板之间提供电容测量系统5以获取它们的距离，该距离与机电元件的长度变化相关。

图2示出了根据图1的实验装置对机电元件在室温下测定获得的测量结果。在这种情况下，一方面显示了施加到机电元件的相应的电压脉冲，另一方面显示了机电元件的相应的长度变化。各个电压脉冲具有10ms的持续时间，并且施加的电压脉冲的频率是1Hz。

在实验室实验装置中使用的具有10ms持续时间的电压脉冲对于实际应用而言是相当不利的，因为对应的电压源的输出级通常仅具有有限的输出功率，并且在这样的短脉冲时间中必须提供非常高的电流，这从功率放大器不能任选地获得保证。对于实际应用而言，电压脉冲具有50-150ms的持续时间，优选70-120ms适合，其中电压脉冲的侧面上的增加和减小时间最好在5和20ms之间，并且优选地在8和12ms之间。

对于具有低于80伏的正电压的振幅的电压脉冲，在机电元件中没有可辨别的长度或厚度变化。只有在+80伏特的电压脉冲时，每个单独脉冲都发生长度或厚度的一定的增加，这在初始脉冲时会较大，并且随着脉冲数量的增加而减小。

在图2中可以看出，在每个电压脉冲的开始时，发生相对较大的长度或厚度变化，但是这随着电压脉冲的终止而在初始时急剧减小，并且在直接接下去的较长时间内只是非常轻微地减小。这种延伸行为是由于以下事实引起的，即最初，即在电压脉冲开始时，在机电元件内发生域的永久和不稳定重新定向以及逆压电效应的激励。这里有效地使用的只是域的永久重新定向和相应的剩余延伸。术语“不稳定的域重新定向”指的是电压脉冲导致一定数量的域经历重新定向的情况，但这不稳定，而仅仅是不稳定的，以致发生重新定向到先前的状态。这个过程叫做蠕变，需要一些时间，这样能解释这个区域中延伸的减小较慢。

因此，蠕变过程的长度或厚度的负剩余增加是基于机电元件的压电陶瓷材料的各个域中的一定数量的偶极子的持久或永久对准。随着施加的电压为+80伏特的电压脉冲的数量增加，机电元件经历增加的偏振，其中该偏振引起永久或剩余应变，即使在去除电压之后该应变仍然保持。

图3示出了在室温下，即在执行根据图2的测量之后，根据图1的实验装置在机电元件上获得的进一步测量结果。因此，初始状态是机电元件已经在沿长度方向V或在厚度方向上的长度变大，在第一步骤中，以-20伏特的低负电压施加脉冲。这种低电压已经足以使得各个脉冲引起机电元件的长度或厚度的减小，该长度或厚度减小在初始脉冲时比随后的脉冲更强。该长度或厚度减小基于机电元件的压电陶瓷材料的部分去极化，使得在各个域中已经对准的偶极子转变成非对准状态。

如果负电压进一步改变为-40伏，则每个对应的脉冲具有更大的长度或厚度减小或去极化，其在初始时更强。与之前施加的两种电压脉冲相比，将负电压进一步改变为-60伏再次导致长度或厚度减小的增加。当电压设定为-80伏时，所谓的复极化在机电元件的压电陶瓷材料的区域中发生，导致偶极子沿与先前的去极化的对准方向相反的方向自发对准。具有-80伏负电压的脉冲由此引起连续的长度或厚度增加步骤，这类似于施加具有+80伏正电压的脉冲的长度或厚度增加的步骤。

图4示出根据图1中的实验装置的机电元件上的测量结果，其中分别具有10ms的脉冲持续时间、1Hz的脉冲频率和+80的电压的恰好五个电压脉冲在室温下被施加到机电元件，然后将电压源与机电元件分离。在所述电压源与机电元件分离之后，由于相应的偏振引起的相应的长度或厚度增加持久且稳定地保持。

在图5中示出了测量结果，其也在室温下根据图1中的实验装置在机电元件上确定。在这种情况下，在机电元件上连续地施加三个单独的脉冲，每个脉冲持续时间为10ms，其中具有不同的正电压水平，随后移除相应的电压。幅度为+80伏的第一个电压脉冲导致长度或厚度或极化的一定增加，其在移除电压后仍保持(剩余应变)。随后幅度为+90伏的第二电压脉冲导致长度或厚度的增加，其大于第一电压脉冲中的增加。而且，在移除电压之后，这种长度或厚度的增加仍然存在。幅度为+100伏的第三电压脉冲最终导致长度或厚度的最大增加，但与+90伏的长度增加的差异小于+80伏和+90伏之间的相应差异。即使在移除+100伏的电压后，相应的应变保持剩余。

紧接于根据图5确定测量结果之后，具有不同负电压的脉冲在室温下被施加到相同的机电元件，并且同样使用根据图1的实验装置并随后移除(参见图6)。即使在-5伏的非常低的电压下，也会发生轻微的去极化，伴随机电元件的长度或厚度相应地减小，其中所产生的长度或厚度变化是永久的或剩余的。这与随后的具有-10伏、-20伏、-30伏和-40伏的电压脉冲的情况类似。在每种情况下，均发生机电元件的永久或剩余伸长减小或厚度减小，其中相应的减小量越大，负电压越高。这种效应在前四个电压脉冲中特别明显，而在-30伏和-40伏的长度变化的差异只是很小的。

图7以示意图的方式一方面示出了根据本发明的方法驱动的机电元件作为控制元件的使用，另一方面示出了这种机电元件的相应布置。如图1所示，整个机电元件表示机电元件的变化区段。

机电元件或调节元件3在这种情况下布置在基板2形式的固定元件和待相对于基板2移动的可移动板1形式的元件之间，其中通过电容式测量系统5测量或控制基板2和可移动板1之间的距离。这样获得的距离数据被传送到控制器6，控制器6向电压源7发送相应的驱动信号，并且电连接到调节元件3的电压源7以一系列电压脉冲或者只有一个电压脉冲作为作为对驱动信号的响应，使得由于致动元件在平行于可移动板1的调节方向的长度方向V上的长度的限定的增加或减小而达到可移动板1的期望位置。然后，在电压源7和调节元件3之间存在电连接的分离，其中调节元件3永久地保持其预先设定和定义的长度变化，即使不施加电压。

除了如此描述的将根据本发明的方法控制的机电元件用作受控系统中的调节元件，即借助于测量系统并且将相应的测量值传送至控制器，还可以将其用作开环系统中的调节元件。申请人的实验已经表明可以实现约+/-3％的准确度，通过优化也可以实现更高的准确度。

将机电元件作为根据本发明的方法进行控制的调节元件的用途允许以最小尺寸调节移动，其中定位移动的尺寸尤其取决于电压脉冲的高度或幅度以及持续时间。

它也是一种由根据本发明的方法控制的机电元件以及诸如压电致动器或可以想到的压电致动器等常规机电元件的布置，特别是串联布置，其中传统的压电致动器仅在施加电压的情况下保持相应的长度，而在根据本发明的方法控制的机电元件中，即使不施加电压也能保证长度增加或长度减小。上面描述的术语“串联布置”描述了机电元件和传统的压电致动器彼此前后布置，使得传统的压电致动器布置在所述机电元件和待相对于彼此移动的多个元件的其中一个之间。

除了前面描述的机电元件和常规压电元件的串联布置之外，本发明提供了存在单个机电元件，其中一区段，即变化区段通过根据本发明的方法驱动，而机电元件的其余部分或区段具有与变化区段相同或不同的设计，并且机电元件的这个剩余部分或区段由用于驱动机电元件的传统方法驱动。例如，机电元件的剩余部分或区段是具有至少两个电极的压电材料，在该压电材料设置在两个电极之间，其中压电材料被完全极化，并且可以实现与施加的电压相关联的长度，然而，随着电压的移除-与变化区段的长度变化相反-回落到其原始值。因此，机电材料的其余部分或区段是传统的压电致动器。

由施加电压引起的常规压电致动器的最大可能的延伸是其在没有施加电压的情况下在长度方向上的尺寸的约1-2‰。相反，在没有电压作用的情况下，在本发明的方法控制的机电元件在长度方向上的最大可能的永久存在的延伸约为常规压电致动器的最大可能延伸的约50-60％(具有相同的结构的机电元件和常规压电致动器)。

图8在测量图中示出根据图1的测试布置的经受单个电压脉冲的机电元件的长度随时间的变化。电压脉冲具有40伏的幅度和100ms的持续时间，脉冲侧面的增加时间和减小时间具有大约10ms的持续时间。随着电压脉冲的开始，机电元件的长度快速增加几乎4.5毫米。随着电压脉冲的终止，该长度的增大突然减小，其中，相对于初始状态，保留约1.2μm的残余应变。在进一步的过程中，可以看出，在电压脉冲结束后，剩余应变并不是恒定的，而是在一段时间内，长度仍然有轻微的减小。这是由于这样一个事实，即由于某些域的电压脉冲虽然发生了重新定向，但所引入的能量不足以实现永久和持续的重新定向。存在折返过程，其颠倒了先前实现的对应域的重新定向(蠕变过程或蠕变)。总的来说，这会导致单电压脉冲的稍微减小的长度变化。

为了抵消上述的蠕变现象，可以在第一电压脉冲之后直接施加第二电压脉冲，然而第二电压脉冲具有与第一电压脉冲相反的极性。图9示出了基于测量图可以通过第二电压脉冲或反向脉冲实现的效果，其中与图8相比存在相同的测量条件。

从图9可以看出，利用正极性的第一电压脉冲，实现了相对于机电元件的延伸行为，如从图8已知的那样。通过随后负极性和相同的持续时间但低于第一电压脉冲的幅度的第二电压脉冲，与图8不同的是，机电元件的先前极化材料发生某种去极化，但该去极化较低并且基本上确保参照图8描述的折回过程显着加速，使得在机电元件上测量不到蠕变。最终，与图8所示的其他相同的测量相比，机电元件的剩余伸长率通过反脉冲仅略微减小，但具有决定性的优点是，剩余延伸不再经历时间相关的变化并且是稳定的。

应该明确指出，根据本发明的方法提供了施加一系列电压脉冲和施加单个或唯一的电压脉冲以实现机电元件的期望延伸。

Claims (13)

1.一种用于控制机电元件的至少一个区段的方法，其中所述区段限定变化区段，所述方法包括以下步骤：

提供机电元件，其中至少所述变化区段包括彼此间隔开的至少两个电极以及设置在所述电极之间的具有多个域的多晶和铁电或铁电压电材料，其中在初始状态下，所述域的至少一部分包括彼此不同的偏振方向；

通过施加具有限定振幅和限定持续时间的至少一个电压脉冲的形式的电压来在所述变化区段的所述电极之间产生电场；

由于所述至少一个电压脉冲，将具有彼此偏离的偏振方向的一部分所述域转换成具有相同偏振方向的状态，并且由此产生所述机电元件的所述变化区段沿长度方向V的限定的且在不存在电压的情况下得以保持的长度增加，或者由于所述至少一个电压脉冲，将具有相同偏振方向的一部分所述域转换成偏振方向彼此偏离的状态，并由此产生所述机电元件的所述变化区段沿长度方向V的限定的且在不存在电压的情况下得以保持的长度的减小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电压脉冲的持续时间在50和150ms之间，并且优选在70和120ms之间。

3.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，在提供所述机电元件的步骤之后且在通过施加至少一个电压脉冲形式的电压在所述变化区段的所述电极之间产生电场的步骤之前，执行用于产生所述变化区段的限定的初始长度的附加方法步骤，在所述方法步骤中将一个或多个电压施加到所述变化区段的所述电极上，此后，得到对应于所述变化区段100％偏振度的最大的长度增加和/或对应于所述变化区段0％偏振度的最大的长度减小，其中所述最大的长度增加和最大的长度减小之间的差限定出最大可能长度变化范围。

4.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在预期的长度变化小于所述最大的长度变化范围的50％时，将导致0％偏振度的电压施加到所述变化区段的所述电极上，并且预期的长度变化大于所述最大的长度变化范围的50％时，将导致100％偏振度的电压施加到所述变化区段的所述电极上。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，提供一种机电元件，其中在初始状态下所述机电元件的所述变化区段的材料的偏振度在40％和60％之间，并且特别优选地为50％。

6.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，用于所述机电元件的所述变化区段沿所述长度方向V的长度的限定增加的所述至少一个电压脉冲的幅度的大小确定为，使得所得到的相邻电极之间的电场强度在矫顽磁场强度的50％和200％之间。

7.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，用于所述机电元件的所述变化区段沿所述长度方向V的长度的限定减小的所述至少一个电压脉冲的幅度的大小确定为，使得所得到的相邻电极之间的电场强度在矫顽磁场强度的10％和90％之间。

8.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，第二电压脉冲跟随在第一电压脉冲之后，其中所述第二电压脉冲具有与所述第一电压脉冲不同的极性。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二电压脉冲的幅度不同于所述第一电压脉冲的幅度，并且优选地，所述第二电压脉冲的幅度小于所述第一电压脉冲的幅度。

10.由前述权利要求任一项所述的方法控制的机电元件作为调节元件的用途。

11.一种装置，由权利要求1～9任一项所述的方法控制的机电元件处在能彼此相对移动的两个元件之间。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于另一机电元件，其设置在由权利要求1～9任一项所述的方法控制的所述机电元件与所述能彼此相对移动的所述元件中的一个之间的。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述另一机电元件是压电致动器。