CN1121725C - 压电式执行元件 - Google Patents

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Abstract

一个作为例子为了操作机动车燃烧发动机之喷射阀设置的压电式执行元件，设置了用于该执行元件之压电体的弹性预应力元件以防止有破坏作用的拉应力，该预应力元件将压电体置于压预应力作用下。

Description

压电式执行元件
技术领域
本发明涉及一个压电执行元件，它具有一个压电体，并特别为一种多层的叠层结构形式，所述叠层结构由压电或压电陶瓷材料层和接在之间的金属的或导电的作为电极并设有电接头的层相互叠置而构成，其中，压电体在其电极上作用脉动的电负荷时，就会导致在压电体的两个相互背离的端面之间的距离发生变化并同时产生类似脉动的行程。
背景技术
压电式执行元件是一般公知的并可以应用在机动车的场合例如发动机的喷射阀以及应用在带有防抱死系统(ABS)和反打滑调节(ASR)的制动系统中。关于喷射阀通过这种执行元件的操作方式可以参见GB1320057A。
这种喷射阀具有一个通过一挺杆式封闭机构可控制的喷嘴。在挺杆上安置一个喷嘴侧的作用表面，其输入到该喷嘴中的燃料压力中作用，其中，该压力表面则试图在封闭机构的开放方向上挤压该挺杆。该挺杆以一个活塞式的其横面大于所述作用表面的端部伸入到一个控制腔中。在此处作用的压力则试图使挺杆在封闭机构的关闭方向上运动。该控制腔通过一个入口节流结构与一个处于高压下的燃料输送管相连接并通过一个普通节流的且与一个出口节流结构相组合的排放阀与一个具有很小压力的燃料回送管相连接。在关闭的排放阀情况下，在控制腔中占有一个高压；通过它，该挺杆可以克服在其喷嘴侧的作用表面上的压力而在封闭机构的关闭方向上运动至保持在关闭位置上。在打开该排放阀时，在控制腔内的压力就下降，同时，压力下降的数量通过入口节流结构的尺寸和被打开的出口节流结构之节流阻力的数值或者与此相组合的出口节流结构的尺寸所决定。结果是，在控制腔中的压力并在打开的排出阀情况下是如此下降的，即，挺杆基于在其喷嘴侧的作用表面上有效作用的压力而可在封闭机构之打开方向上运动并且保持在打开位置上。
这种排放阀可以借助一个压电的执行元件被操作，其中，和喷嘴之封闭机构的行程运动相比较，较小的行程已足够了。
JP-A 7226544公开了一种执行元件，它由多层的叠层结构构成，这些叠层结构在窄的端侧面上被触点接通。为此设置了有波纹的带，它们交替地分别跳过一个叠层。这些带必须在预先给定的压紧力下放在叠层结构的端面上，以便可靠地获得触点接通，并且与盖板焊接在一起。在汽车的粗糙运行中会发生执行元件必须产生的高调节力并且会在执行元件上发生很快以及经常的载荷变化。在此，存在的危险是，陶瓷层不能承受在此出现的拉应力并且会因此发生叠层中出现有害裂纹。这种公开的装置不适合在执行元件体上施加高的偏压力，来避免上述问题的产生。
压电执行元件已经证明是可靠的调节及驱动机构。当然，在使用或者配置压电执行元件时还必须考虑，压电体是以多层工艺方式制成多层的叠层结构，因此不能或只能承受很小的拉力。所以，压电操作的装置的设计可能更困难了。
发明内容
本发明的目的是，提供一种压电执行元件，它还适用于拉力方向的载荷。
按照本发明，提出了一种具有一个压电体的压电式执行元件，特别为一种多层的叠层结构形式，所述叠层结构由压电或压电陶瓷材料层和接在之间的金属的或导电的作为电极并设有电接头的层相互叠层构成；其中，该压电体在其电极上作用脉动的电负荷时就会导致在压电体的两个相互背离的端面之间的距离发生变化并同时产生类似脉动的行程，该压电执行元件具有在压电体的端面上安置的稳固的板件，它们通过在它们之间作用的夹紧元件而相互被夹紧，同时使压电体处在压预应力作用下，该压电执行元件用于操作机动车中内燃机上的控制阀或喷射阀，该板件以及在它们之间的压电体借助至少一个弹簧夹被相互夹紧，所述弹簧夹在这些板件上被支撑住并且从外边以间距围作用或搭接位于板件间的压电体。
按照本发明，压电执行元件还适用于拉力方向的载荷，因为预先规定，该压电体具有一个使端侧表面相互张紧的弹性围紧结构从而使压电体处在压预应力作用下。
本发明是基于这样的普通构思，即使执行元件的压电体通过其上安置的或定位的夹紧元件在希望的拉力之反方向上承受弹性的压预应力并依此持续地施加压力载荷，其中，该压电体在施加以脉动的或交变的电场时，就使所述的端侧面相互驱动，同时压电材料处在压应力下和围紧结构处于弹性的伸展状态，随后该端侧面就利用围紧结构中贮存的弹性能而相互被挤压，并还使压电体处在压应力作用下，进而在两个运动方向上向外部提供有效的工作能。
在本发明情况下，还可以有利的方式被用于：将在压电体工作行程中使其间的距离发生变化的端侧面用牢固的耦合元件或端面板叠盖以便将力传递到支承结构或要驱动的元件上，这些耦合元件或端面板则以简单的结构方式通过弹性的夹紧元件相互连接，以确保压电体持续地承受希望的压应力载荷。
按照本发明的第一实施方案，该夹紧元件可以设置为一个或多个弹性的箍件，其试图相互挤压所述的耦合元件或端面板，以使压电体处于压应力作用下。
代替上述的结构还可能的是，该耦合元件或端面板通过弹性结构的夹紧带而相互连接。
同时，该夹紧带还可以由圆形或平板形材料制成。
最后，存在的方案是，耦合元件或端面板通过一个管形的按照拉簧形式构成的波纹管而相互连接，这样，压电体的围紧结构还可以构成一个保护其的壳体。
该夹紧元件最好是制成较小的刚度，因此，它的张应力在压电体的脉动运动情况下只有相对较小的改变，同时，特别是力变化的数量与有效的作用力相比较也应是较小的。
附图说明
另外，关于本发明优选的特征方案可参考下面的附图解释，并借助特别有利的特征内容和实施例加以说明。其中：
图1是一个本发明执行机构的第一实施例局部剖视图；
图2是对应于图1中剖示线II-II的截面图；
图3是对应于图2的一个变型实施例的截面图；
图4是另一变型实施例的截面图；
图5是一个实施例视图，其中，在执行元件之端侧面上安置的平板之间设有弹性的夹紧带；
图6是对应于图5之箭头VI方向上的视图；
图7是弹性夹紧带的不同变型结构；
图8是一个实施例的截面图；其中，在执行元件的端侧面平板之间安置一个弹簧套；
图9是一个喷射阀的整体图；
图10是执行元件之另一实施例方案的截面图；和
图11是一个固定弹簧带的有利变型方案，该弹簧带用于压电体的围紧结构。
具体实施方式
按照图1和2，一个压电式执行元件1包括一个压电体2，它例如可以由多层压电材料制成，在它们之间分别安置一个导电层，它们交变地与一个电接头3或电接头4为导电连接。因此，该压电体2在接头3和4与一个未描述的脉动式电压源或一个交变电源相连接时就可以公知方式激励出脉动的运动。其中，在图1中压电体2之上边和下边端侧面的间距就发生变化。
这些所述的端侧面是用牢固的平板5覆盖的，它们在图1和2的实施例中设有一个在端侧面中间的沟槽6。同时，在图1和2中上边平板5的沟槽6与在下边平板5中的沟槽6平行地安排。这些沟槽6用于容置和固定一个设置为闭合环的弹簧夹7，其被拉紧并相应地将位于平板5之间的压电体2置于一个压应力作用下。为了实现一个预定的弹簧刚度，该弹簧于7’具有一个或多个凹弯或波形弯曲结构，其中，在平板5之间有效作用的拉伸力则试图将这些凹弯或波弯结构拉直。
按照图3的实施例和前述实施例之区别在于，在压电体2上安置两个相互分开的弹簧夹8，并在压电体2之端面侧的平板5中，分别设置一个通孔9，其中，将弹箍8之折弯的端部插入。
按照图4的实施例与图1和2的实施例之区别在于，设置两个弹簧夹10。这些弹簧夹10具有再安装到平板5之沟槽6中的端部区域，而且，它还被制成钩状的结构。其中，该钩状的端部分别卡置在构成于沟槽6内的凹腔11中。
在所有前述的实施例中，该弹簧夹7，8及10都可以由一个具有圆形横截面的弹簧钢条材制成。
但是，原则上说，另外横截面形状和另外的弹簧材料都是可以想到的。
在设置两个分开的箍件8及10并且相互电绝缘的条件下，这些箍件还可以作为电接头安置并与相应的在压电体2上的接触表面通过挤压作用或钎焊连接或类似方式形成电连接。
在图5和6描述的实施方案中，在端侧的平板5上分别设有侧向的销栓12，其用于固定弹性的夹紧带13。
这些夹紧带13可以按照图6设置成一个围绕平板5之销柱12的环形件并在销柱12之间的区域内具有一个波弯的形状，其中，在销柱12之间起作用的张紧力则试图将所述的波弯结构拉直。在销柱12的区域内，该夹紧带13可以具有一个相对大的宽度，同时，该夹紧带13之被波形弯曲的区域则是较窄的。
通过夹紧带13在销柱12之间作用的拉伸力，则压电体2又被置于一个持续作用的压应力。
图7表明了夹紧带1 3的变型实施例。按照结构方案A，每个夹紧带13可以在其端部上设有一个眼孔，它分别可被推置在一个销柱12上。按照结构方案B和C，该销柱12可以分别具有一轴向缝槽，其分别容纳一个夹紧带13的围绕相应销柱12覆置的端部区域之端头。
在结构方案B的例子中，该夹紧带13在销柱12的区域内具有一个S形的部分13’，它基于自身的形状是弹性的，也就是说，较强的拉伸力试图使这一部分13’拉直些。
在图8的实施例中，该压电体2在其一个端头上设有一个端面侧凹曲的板15和在其另一端头上设有一个平板16，它在其从压电体2远离的侧面上置有一个挺杆状的连续段17，该平板16的边缘被一个环法兰18所容装，该环法兰18与一个弹簧套20的环形底19相连接，弹簧套20的另一端部被固定在一个底件21上，底件21用一个里侧的突部结构与板件15之面对着的凹曲结构相啮合。该弹簧套20处于一个较大的拉应力作用下，因此，底件19和21使得压电体2处于一个相应的压应力下。
该弹簧套20在其如图8中上边的区域内具有一个基本圆柱形的形状，同时在下边的区域内是被成形为波形式的，其中，这些波形最好分别构成半圆形的圆弧结构，如图8所示那样。
该最好由弹簧钢制成的套筒的壁厚可以在0.1至0.6mm之间，最好约为0.3mm。最大的拉伸应力在波形结构的区域内不应超过800至900N/mm2。由于多个安置的波形，该弹簧套筒20的总拉应力可以处于约500至1500N的范围内。在压电体之横截面为1cm2数量级情况下，可产生一个压预应力约为500至2000N/cm2的作用。
在底件21上安置了一个支承板22，它本身又被安装在一个盒形的盖件23中。该底件21，支承板22和盖件23具有相互对准的开口，通过其可导入连接件3和4，其中，在所述的开口安置了插塞形式的封闭件25，其同样可以通过浇铸材料构成。该封闭件25支承着连接接触件26，通过它，该压电体2可被施加一个电压。
盖件23与一个将弹簧套20以径向间距包围的管件27相连接，管件27的下边端部设有一个内螺纹，以便将弹簧管件可以拧装在一个喷射阀的壳体上，如另外在以后所描述的方式。
按照图9，在所描述的喷射阀组件的多构件式壳体28上安置一个由阀针29可控制的喷嘴30，其可通过一个安装阀针29的壳体孔31被输送来高压下的燃料。该壳体孔31往上去扩展成一个管形的工作腔32以用于一个与阀针29固定连接的活塞形的挺杆33，其以行程可运动的方式被安装在工作腔32内部。在图9中工作腔32之下边的扩大的端部区域通过一个在图9中不可见的壳体孔与个横向孔34连通，其通过隙缝过滤器35与一个未描绘的燃料输送管相连接。该横向孔34通入一个环腔36中，它通过一个入口节流结构37与在图9中工作腔32之上边的端部区域相连接。另外，在工作腔32的上边端部区域中连接一个设有出口节流结构38的与工作腔32同轴的孔39。该孔39通入一个相连的同轴孔40，该孔40与一个卸压腔41和一个平衡孔42相连接，平衡孔42与孔40平行安置并且使它的端部相互连接。在孔40中安置一个控制阀43，它控制着孔39之面对着的入口并因此控制孔39与卸压腔41的连接。该控制阀43借助一个在孔40中安置的挺杆44来操作，其本身又借助压电执行元件1来操作。该执行元件1被安置在管件27中，它的内腔可以通过一个在连接的壳体45和管件27之间固定的膜片46相对于燃料的进入密封住。
这样描述的装置工作过程如下：
当执行元件1被施加一个电压或一个脉动式电压时，该压电体2执行脉动的运动，它通过挺杆形的连续段17，传递到挺杆44上，而连续段17安置在压电体2上或者其上安置的端侧平板5上，这样，挺杆44就将控制阀43的打开或关闭。在控制阀43闭合时，通过横向孔34输入的燃料压力就施加在活塞式挺杆33的两个端部上。因为，下边的端部相对于上边的端部具有一个减小了阀针29之横截面的横截面，因此，挺杆33被燃料压力向下方挤压；故阀针29将喷嘴30关闭。一旦控制阀43被打开，该在挺杆33之上边端部的压力就下降，同时，这个压力降通过入口节流37和出口节流38之节流阻力比来确定。结果，在挺杆33之下边端部上作用的燃料压力就将挺杆33举起，因此，阀针29将喷嘴30打开。
在图10中描述的实施例和图8之实施方案的不同首先在于，不用图8的弹簧套20，而安置一个波形的弹簧带48，它环绕着该环法兰18之背离压电体2的侧端面安置，并在此处置有一个开口以用于板16的连续段17。
弹簧带48的两个端部是分别牢固焊接(铜焊)在一个内接管形式的吊挂件49上的，其支承在一个盘形的支承元件和平衡元件50上，该元件50本身靠置在压电体2的一个端板51上。不仅在支承元件或平衡元件50中而且在端板51中设置了朝着侧边敞开的缝槽以让弹簧带48通过。
若不用与弹簧带48固定连接的吊挂件49，还可以按照图11的A在弹簧带48上制成一体结构的锚钩形式的端部件52。它们是按照图11的例子设置为基本方形的并带有中央孔的突出部，而开孔用于接合一个工具。同时，每个端部件52或相同结构的突出部是如此确定尺寸的，即，它应能将在端板51中及在面对的支承元件或平衡元件50中安置的并被弹簧带48所贯穿的缝槽在其横向上搭盖住，并用角部区域52’在所述的缝槽两侧支承在该支承或平衡元件50或端面板51之一个端侧面上。
在角部区域52’和贯穿缝槽的弹簧带48之相对窄的部分之间的过度区域被设置为U形(最好)或者为钥匙形的凹槽，这样，该角部52’在指向支承元件或平衡元件50或端面板51之面对着的端侧面方向上构成了该端部件52之曲线的连续段，从而避免了在过渡处的断裂发生。
按照结构方案B，它对应于图11中图A沿箭头P方向的端部件52之第一变型的侧视图，其中，该端部区域52’可以构成基本平坦的结构并且以和其余端部件52大致相同的平面上安置。
与此不同还可能的并且有利的是，对应于图11中图C的结构方案，该端部区域52’的端部相对于端部件52的平面是折弯的，这样，总是一个折弯的端部区域52’之部分平整地靠置在支承元件或平衡元件50的面对着的端侧面上。

Claims (15)

1、具有一个压电体(2)的压电式执行元件，特别为一种多层的叠层结构形式，所述叠层结构由压电或压电陶瓷材料层和接在之间的金属的或导电的作为电极并设有电接头(3，4)的层相互叠层构成；其中，该压电体在其电极上作用脉动的电负荷时就会导致在压电体的两个相互背离的端面之间的距离发生变化并同时产生类似脉动的行程，该压电执行元件具有在压电体(2)的端面上安置的稳固的板件(5，15，16)，它们通过在它们之间作用的夹紧元件(7，8，10，134，20)而相互被夹紧，同时使压电体(2)处在压预应力作用下，
其特征在于：
该压电执行元件用于操作机动车中内燃机上的控制阀或喷射阀，该板件(5)以及在它们之间的压电体(2)借助至少一个弹簧夹(7，8，10)被相互夹紧，所述弹簧夹在这些板件上被支撑住并且从外边以间距围作用或搭接位于板件间的压电体(2)。
2、按权利要求1所述的执行元件，其特征在于：
设置两个相互分开的弹簧夹(8，10)，它们分别设置为基本C形的结构并以它们的端部搭接所述板件(5)。
3、按权利要求1所述的执行元件，其特征在于：
该弹簧夹(7)构造为环形闭合的构件。
4、按权利要求1至3之一所述的执行元件，其特征在于：
弹簧夹(7，8，10)的在压电体(2)之侧边延伸的部分具有波形结构或者说具有一个或多个的凹弯形状。
5、按权利要求1所述的执行元件，其特征在于：
在板件(5)之间设置弹簧带或者说夹紧带(1 3)。
6、按权利要求5所述的执行元件，其特征在于：
为了固定所述弹簧带或者说夹紧带(13)在板件(5)上设置侧向的销柱(12)。
7.按权利要求6所述的执行元件，其特征在于：
所述弹簧带或夹紧带(13)围绕着销柱(12)构成回线形结构。
8、按权利要求7所述的执行元件，其特征在于：
所述弹簧带或夹紧带(13)借助在夹紧带上安置的眼孔(14)而保持在销柱(12)上。
9、按权利要求7所述的执行元件，其特征在于：
所述弹簧带或夹紧带(13)以一个端部区域环绕在一个对应的销柱(12)上，并用自由端部插置在一个构成在销柱上的轴向缝槽中。
10、按权利要求6至9之一所述的执行元件，其特征在于：
所述弹簧带或夹紧带(13)在销柱(12)之间具有波形结构或者说具有一个或多个的凹弯结构。
11、按权利要求1或5所述的执行元件，其特征在于：
一个弹簧带或夹紧带(48)环绕过该压电体(2)的一个端面或者说一个端侧的板件(16，18)，并用在其端部上固定的吊挂(49)或一体成形出的端部件(52)悬挂在一个安置于压电体(2)之另一端面上的板件(51)的凹槽或缝槽上。
12、按权利要求1所述的执行元件，其特征在于：
该压电体(2)安置在一个弹簧套(20)中，它将两个在它的两个端部安置的底件(19，21)相对压电体的相对的端面张紧，同时使压电体(2)处在压力作用下。
13、权利要求12所述的执行元件，其特征在于：
该弹簧套(20)将压电体(2)以防污染和液体密封的方式包围住。
14、按权利要求1至13之一所述的执行元件，其特征在于：
对压电体(2)施加的压预应力处于500至2000N/cm2的范围内。
15、按权利要求2所述的执行元件，其特征在于：
这些弹簧夹(8，10)是相互电气绝缘安置的并作为用于电极的接头。
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