CN1238910C - 压电执行元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于操作汽车中控制阀或喷油阀的压电执行元件，它具有一个形式为多层层压结构的执行元件体(1)，该层压结构由许多层压电材料叠层以及位于其间的、用作电极的金属或导电层(2a，2b)构成，这些电极层交替地通过沿执行元件体(1)纵向在外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条(3)形式的金属外电极(3，5)相接通，其中，外电极(3，5)与用于将压电执行元件与一个电压相连的连接导线(7)相接通，其特征在于，外电极(3)此外具有附加电极(5)，它们通过弹性细支脚(6)在多个位置上与平面电极条(3)相接通。

Description

压电执行元件
技术领域
本发明涉及一种尤其是用于操作汽车的控制阀或喷油阀的压电执行元件，它具有一个多层的层压结构形式的执行元件体，该层压结构由许多层叠的压电材料层以及位于其间的、起电极作用的导电层例如金属层构成。所述电极层交替地通过沿执行元件体纵向沿外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条形式的金属外电极接通，其中，外电极与用于将压电执行元件与一个电压相连接的连接导线相连接。
背景技术
这样的压电执行元件例如在罗伯特·博施公司的DE19650900A1中公开了。
当这样的压电多层执行元件的电极层承受脉冲电压时，它在改变其两端之间间距的情况下类似地执行脉动行程。在所述的DE19650900A1中，将电压传给电极层、沿执行元件体纵向位于外壳面两侧的金属外电极覆盖了执行元件体的有效区域。
在压电多层执行元件工作时，由于抗拉强度低，所以可能在由压电陶瓷(例如铅锆钛酸盐)构成的堆叠薄膜与金属或导电的电极层之间出现分层，它作为裂纹向外传入外电极中并可能导致电流中断。
发明内容
因此，本发明的目的是，如此实现一种上述类型的压电层压执行元件，即在外电极中中断电流的裂纹被桥接并且由此提高了电接触的可靠性并可以延长压电执行元件的使用寿命。
按照本发明，提出了一种压电执行元件，它具有一个形式为多层层压结构的执行元件体，该层压结构由许多层压电材料叠层以及位于其间的、用作电极的导电层构成，这些电极层交替地通过沿执行元件体纵向在外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条形式的金属外电极相接通，其中，外电极与用于将压电执行元件与一个电压相连的连接导线相接通，外电极包括附加电极，它们通过细的弹性支脚在多个位置上与平面电极条接通，其中，这些附加电极构成梳状条，这些梳状条分别具有一个梳背和与该梳背相连接的、等间距、构成所述弹性支脚的梳齿，其中，所述梳背以及所述平面电极条的纵向轴线相互平行地延伸。
附加电极最好具有一个双梳件的形式，它具有一个平行于电极条的梳背和两个在侧面与梳背相连的平行梳齿排，它们的梳齿构成了弹性支脚并与平面电极条相接通。
这种双梳状附加电极的优点是，由于弹性梳齿细，所以很容易且能可靠地将它固定在电极条上。尤其是为了接通可以采用厚度随意的钎焊层，这种钎焊层还被用于执行元件体的散热。
双梳件的许多可行设计方案允许最佳的固定、简化制造以及实现将双梳附加电极固定到平面电极条上的最佳控制。
起到附加电极作用的双梳件在被固定在执行元件体上的平面电极条上后显示出自身稳定性，这种稳定性能可以通过附加弹性体而进一步加强。所述两个梳齿排在压电执行元件的使用寿命内具有高的克服可能出现的裂纹的可靠性。
有利的是，梳齿从梳背起以平坦的角度弯向电极条并且梳齿的端部段与相应的电极条接触。
通过几乎封闭的梳背和排热的弹性体，可以良好地冷却执行元件体。
按照本发明，还提出了一种压电执行元件，它具有一个形式为多层层压结构的执行元件体，该层压结构由许多层压电材料叠层以及位于其间的、用作电极的导电层构成，这些电极层交替地通过沿执行元件体纵向在外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条形式的金属外电极相接通，其中，外电极与用于将压电执行元件与一个电压相连的连接导线相接通，外电极包括附加电极，它们通过细的弹性支脚在多个位置上与平面电极条接通，其中，所述附加电极构成为刷状构件形式，所述刷状构件具有一个与平面电极条平行的平面金属刷背，还包括从所述平面金属刷背上突出的金属刷鬃，所述金属刷鬃构成与所述平面电极条接通的弹性支脚。
本发明的压电执行元件可以有利地被用于汽车中的柴油或汽油喷油器中。这样的压电执行元件可以有利地代替通常在喷油器中被用作调节机构的电磁系统，这是因为它可以更快速地被接通控制。
有利的是，刷背具有多个孔。
本发明压电执行元件的上述和其它的有利特征通过下面的描述本发明压电执行元件的多个实施例的说明书内容进一步清楚地说明，如果参靠附图来阅读它们的话。
附图说明
图1以透视图示意地表示配备有双梳附加电极的本发明压电执行元件的优选实施例的局部。
图2以俯视图表示图1的优选实施例。
图3-图9分别表示一个双梳形附加电极及其被固定在电极条上的情况的各种实施例。
图10A、10B示意地表示两个可以借助导线进行的双梳形附加电极的制造方法。
图11A、11B示意地示出成电极刷形式的本发明附加电极的一个替换
实施形式。
具体实施方式
在图1中，以透视图示出了一个配有双梳形附加电极5的压电执行元件的第一实施例。例如成矩形的执行元件体1具有由叠置压电材料层和位于其间的金属或导电的电极层2a、2b构成的多层层压产品形状。电极层2a、2b交替地通过在外壳侧沿执行元件1的纵向而彼此对置的金属外电极3、5触点接通并与同双梳形附加电极5相连的连接导线7相连。
如上所述，在这种压电多层执行元件工作过程中，由于抗拉强度低，所以可能在陶瓷压电材料与金属内电极之间出现分层，它会作为裂纹向外传入平面电极条3中并可能导致电流中断。在图1中举例画出了这样的裂纹4。通过成双梳形式的且由一个平行于平面电极条3的梳背10和两个垂直地从梳背10弯向所属平面电极条3的被分齿的侧边构成的附加电极5可以桥接如受裂纹4威胁而引起的电流中断，其中，边缘的窄梳齿与平面电极条3电连通。双梳件的细梳齿6构成了许多个电支脚，它们可以弹性地接收由执行元件行程决定的执行元件体1的运动并由此确保附加电极5可持久地与平面电极条3接触。弹性梳齿6可以插入平面电极条3中或者例如钎焊、焊接或粘接地被固定在表面上。
显然，图1的透视图只画出了矩形压电执行元件的一侧。
图2所示的这种压电执行元件的示意俯视图示出了这样的结构，即两个双梳形附加电极5在一个执行元件体1的外壳侧上彼此对置并且分别与一个平面电极条3电接通。
以下，参见图3-图9描述根据本发明用作附加电极5的双梳电极的各种形式。图3表示一个具有平面梳背10和从所述梳背以90度弯曲的梳齿6以及在梳背10上具有孔或洞8的扁平双梳电极5。
根据需要，塑料、粘结剂或弹性体9(参见图4)可以通过孔8被注入以便固定双梳件5和/或向外散热。
图5表示起附加电极5作用的双梳电极的另一个实施例，其中，梳齿6从平面梳背10起略微弯向电极条3并且通过其各自的端部与各自的电极条3相接触。固定可以通过钎焊(硬钎焊或软钎焊)、激光焊或点焊、摩擦焊或粘接实现。向外突起的梳齿6的固定质量容易被控制。
图6示出了适合用作附加电极5的双梳电极的另一个实施例。位于平面梳背10两侧的梳齿首先从梳背10起以90度弯向电极条3并随后向内弯曲，平行于电极条3。
在图7中画出了适合用作附加电极5的本发明双梳电极的另一个实施例，其中梳背10和梳齿6大致位于一个平面内。为了防止被完全焊牢(如果使用钎焊)，在梳背10下方的中央涂覆阻焊漆13。如果不用钎焊，则使用一个作为弹性体层构造的垫片13保持了在平面电极条3与梳背10之间的所需间距。另外，一个PTFE层13或由类似材料构成的层可以起到防磨损保护或阻尼层的作用。
图8表示适合用作附加电极5的本发明双梳电极的另一个可行实施例，它具有带圆形梳背10的半圆形或椭圆形横截面形状。
图9A、9B、9C表示适合用作本发明压电执行元件的附加电极5的本发明双梳电极的另一个实施例，它是按照与图6类似的方式成形的并且在平面梳背10的两侧具有梳齿6，所述梳齿相对梳背10大致弯曲90度。
图9A示出了垫片或一层阻焊漆13。
如图9B所示，代替垫片或阻焊漆层13，也可以采用一个绕着角部而一直覆盖到梳齿6端部附近的弹性体片或塑料片13a。
图9C所示的、适合用作附加电极5的、具有任意横截面形状(如图8所示的矩形、半圆形或半椭圆形)的双梳电极的平面图示出了这样的结构，即用作弹性脚的梳齿6在梳背10或11的两侧在双梳件纵向上错开了梳齿6的半个间隔d。出现在执行元件体1中的裂纹14至少笔直地(即垂直于执行元件体1外边地)经过外电极的平面电极条3。由于使梳齿6错开了半个间隔d，所以裂纹只影响一个梳齿，而对面的错位梳齿保持完全固定。间隔2d和梳齿槽宽b可以这样适应于尽可能小的裂致间距，使得没有裂纹在两个对置脚6内穿过。
至此所描述的适合用作附加电极5的双梳件例如可以由合适材料的金属板通过冲裁出合适的双梳形状来制造，必要时同时弯曲两个梳齿排。另外，也可以通过激光切割由一个合适材料的板制造出精确的双梳结构。
图10A、10B表示适合用作附加电极5的双梳件的简单制造方法的其它例子。为此，根据图10A，把一根导线15粘接、焊接或钎焊到一个板带16上并且切掉线端部17，这样一来，就形成了一个适合用作本发明压电执行元件的附加电极的具有很细梳齿6的双梳件。
根据图10B，作为一种替换方式，由金属筛网制成了适用作本发明压电执行元件的附加电极5的双梳件。为此，筛网的金属横线18必须在侧面突出一段足够长的距离c，从而形成了双梳件结构。
在以上说明书中，针对附加电极5描述了各种各样的双梳电极。然而根据图11A，刷状构件19也可以被用作另一种附加电极5，它具有大致垂直地由一个平面金属刷背突出的弹性金属鬃20，鬃端部如图11B所示与电极条3触点接通。
在所有上述实施例中，用作附加电极5的双梳件或如图11所示的刷状结构的梳齿或刷鬃被硬钎焊或软钎焊或激光焊、点焊、摩擦焊、粘接连接到电极条3上。另外，可以用导电粘结剂进行粘接。在钎焊、焊接或粘接过程中，容易控制由梳背或刷背突出的梳齿或刷鬃与电极3连接的质量。
同时，由于梳齿或刷鬃很细，所以可以简单且可靠地将附加电极5固定到平面电极条3上。可以采用具有任意厚度的钎焊层。各种所述的梳齿或刷鬃的实施例都可以实现最佳的固定、成本低廉的制造以及对把梳齿或刷鬃固定到电极条3上的可靠控制。由于附加电极5与电极条3之间的接触少，所以附加电极5在大多数情况下比陶瓷大的热膨胀只产生很小的剪切应力并因而产生了高的防故障安全性。
附加电极在其被装在平面电极条上之后通过其形状或通过其附加涂覆的弹性体层而获得了足够的自身稳定性。双梳件可以通过多种方式低成本地制造。由于适合用作附加电极的梳齿状电极根据建议具有两个梳齿排，所以产生了高的可靠性，从而梳齿电极的尽可能多的梳齿与所属电极条导电连接。从孔8看，通过双梳件的几乎被封闭的金属梳背和一个可能涂覆上的导热弹性体而可以获得良好的执行元件散热的可能性。

Claims (26)

1.一种压电执行元件，它具有一个形式为多层层压结构的执行元件体(1)，该层压结构由许多层压电材料叠层以及位于其间的、用作电极的导电层(2a，2b)构成，这些电极层交替地通过沿执行元件体(1)纵向在外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条(3)形式的金属外电极相接通，其中，外电极与用于将压电执行元件与一个电压相连的连接导线(7)相接通，外电极包括附加电极(5)，它们通过细的弹性支脚在多个位置上与平面电极条(3)接通，其特征在于，这些附加电极(5)构成梳状条，这些梳状条分别具有一个梳背和与该梳背相连接的、等间距、构成所述弹性支脚的梳齿(6)，其中，所述梳背以及所述平面电极条的纵向轴线相互平行地延伸。
2.如权利要求1所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极构成双梳件，在双梳件的梳背上连接着两个侧梳齿排，它们的梳齿(6)是所述弹性支脚。
3.如权利要求2所述的压电执行元件，其特征在于，梳齿(6)从梳背垂直地弯向电极条(3)并且只有梳齿(6)的端部与相应的电极条(3)相互接触。
4.如权利要求2所述的压电执行元件，其特征在于，梳齿(6)从梳背起以平坦的角度弯向电极条(3)并且梳齿(6)的端部段与相应的电极条(3)接触。
5.如权利要求2所述的压电执行元件，其特征在于，两侧带梳齿(6)的梳背具有半圆形或半椭圆形的横截面。
6.如权利要求2所述的压电执行元件，其特征在于，梳背与两侧的梳齿(6)位于一个平面内。
7.如权利要求2-6之一所述的压电执行元件，其特征在于，一个垫片(13)位于梳背与所属电极条(3)之间。
8.如权利要求7所述的压电执行元件，其特征在于，垫片(13)作为弹性体垫或阻焊漆层构成。
9.如权利要求2-6之一所述的压电执行元件，其特征在于，等间距的梳齿(6)在梳背的两侧在双梳件的纵向上彼此相对错开了半个梳齿(6)间隔。
10.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，梳背具有多个孔(8)。
11.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，连接导线(7)分别与附加电极(5)相连。
12.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚通过一个钎焊层与电极条(3)钎焊在一起。
13.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极的弹性支脚通过一个导电粘结剂层与电极条(3)相连。
14.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚通过激光焊点与电极条(3)相连。
15.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚与电极条(3)粘接在一起。
16.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，该压电执行元件是用于操作汽车中控制阀或喷油阀的压电执行元件。
17.如权利要求1至6之一所述的压电执行元件，其特征在于，所述导电层(2a，2b)是金属层。
18.一种压电执行元件，它具有一个形式为多层层压结构的执行元件体(1)，该层压结构由许多层压电材料叠层以及位于其间的、用作电极的导电层(2a，2b)构成，这些电极层交替地通过沿执行元件体(1)纵向在外表侧并且相互对置的、至少为平面电极条(3)形式的金属外电极相接通，其中，外电极与用于将压电执行元件与一个电压相连的连接导线(7)相接通，外电极包括附加电极(5)，它们通过细的弹性支脚(6)在多个位置上与平面电极条(3)接通，其特征在于，所述附加电极(5)构成为刷状构件形式，所述刷状构件具有一个与平面电极条(3)平行的平面金属刷背，还包括从所述平面金属刷背上突出的金属刷鬃(20)，所述金属刷鬃(20)构成与所述平面电极条(3)接通的弹性支脚。
19.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，刷背(12)具有多个孔(8)。
20.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，连接导线(7)分别与附加电极(5)相连。
21.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚通过一个钎焊层与电极条(3)钎焊在一起。
22.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极的弹性支脚通过一个导电粘结剂层与电极条(3)相连。
23.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚通过激光焊点与电极条(3)相连。
24.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，附加电极(5)的弹性支脚与电极条(3)粘接在一起。
25.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，该压电执行元件是用于操作汽车中控制阀或喷油阀的压电执行元件。
26.如权利要求18所述的压电执行元件，其特征在于，所述导电层(2a，2b)是金属层。
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