CN1429411A - 压电弯曲变换器及其使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电弯曲变换器，其具有一个细长的支撑体(2)，支撑体至少在一个侧面备有层叠的压电体(6)。用于操纵压电弯曲变换器的电子系统(23)和/或传感器系统(33)的至少一个部件(24，32)布置在支撑体(2)内部和/或在支撑体(2)与层叠压电体(6)之间和/或在层叠压电体(6)的相邻压电层之间。

Description

压电弯曲变换器及其使用

本发明涉及一种压电弯曲变换器，其具有一个细长的支撑体，支撑体在至少一个纵向侧面上备有一个压电多层体，该压电多层体具有许多压电材料层和置于压电材料层中间的电极。本发明还涉及这种压电弯曲变换器的使用。

例如在WO99/17383中公开了这样一种压电弯曲变换器，它也可以描述为多层弯曲促动器。该压电弯曲变换器包括细长的板形或杆形支撑体，支撑体在其具有大面积的两个相对纵向侧面上分别备有一个压电多层体。每个压电多层体由许多叠置的压电材料层和布置在压电材料层之间的板形电极组成。在支撑体上延伸的导电体可用于对电极施加控制电压，控制电压使压电多层体长度收缩，从而导致压电弯曲变换器在垂直其纵向的方向上弯曲。

为操纵压电弯曲变换器，通常依赖适当的电子系统，电子系统的部件保证例如将可用的低压电流转换成足够高的控制电压。在这方面，多层技术提供了这样的优点，即与同等尺寸的单块压电体情况相比，即使在低得多的控制电压情况下也可以获得足够的操纵压电弯曲变换器的电能。但是，电子部件需要足够的空间，这防碍了具有压电弯曲变换器的装置，例如阀，的小型化。

已知压电弯曲变换器的另一个问题是提供对操纵行为的监控和/或反馈。对于安装了压电弯曲变换器的装置的整体尺寸来讲，采用适用于此目的的传感器技术也是不利的。

因此，本发明的一个目的是建议一种措施，使得具有前述类型压电弯曲变换器的装置的尺寸更紧凑。本发明的另一个目的是这种压电弯曲变换器的适当应用。

与前述类型压电弯曲变换器相关的第一个目的是这样实现的，即在支撑体内部和/或支撑体与压电多层体之间和/或压电多层体的相邻压电材料层之间容纳用于操纵压电弯曲变换器的电子系统和/或传感器系统的至少一个部件。

本发明基于这样的认识，即与多层弯曲变换器一起使用的进行操纵所必需的电子系统和/或传感器系统的部件在其尺寸和几何形状方面是这样设计的，即它们可以集成在压电弯曲变换器内，从而可以不必使用这些需要较大安装空间的电子部件和/或传感器部件。这样，电子和/或传感器部件可例如容纳在支撑体内部，尽管它们也可布置在压电多层体的压电材料层之间或布置在支撑体与安装在支撑体上的压电多层体之间。对于传感器部件，就存在这样的可能性，即将其置于要检测与操纵相关的参数的位置。

这样例如在安全阀的应用情况下，通过集成在压电弯曲变换器结构中的传感器部件，可以保证促动器设置的精确可靠的反馈信息。

已经发现特别有利的是，提供带有一个压电多层体的这样的压电弯曲变换器，其中单个压电材料层的层厚最多为25微米，其中14微米和20微米之间的厚度范围是推荐的，最可取的层厚为17微米。这导致了这样一种低电压多层结构，其具有极薄的层并从而具有大大降低的部件驱动电压，该电压远远小于范围超过60伏的现有技术驱动电压。从而也减少了电压转换所需电路的结构复杂性，这更加简化了本发明中电子部件在压电弯曲变换器中的集成。而且，还有这样的优点，即适用于高压范围的设计标准不再适用了，因此布线和压电弯曲变换器壳体设计或配备了该压电弯曲变换器的一个装置的壳体设计具有更多的设计可能性。不过在压电材料中实现了足够的电场强度，与结构尺寸相比，可能有更大的调整力和调整位移。

本发明的其它有利设计方案由从属权利要求给出。

至少集成的电子部件之一可以构成电压转换器电路，电流限制电路或充电和放电电路的一部分，或者其自身构成一个这样的电路。

至少一个这种传感器部件可由偏移传感器、由一个或多个压电材料层或由感应传感器和线圈组成，其中所述位移传感器是例如应变片(DMS)形式的，用于检测弯曲变换器的偏移。集成在支撑材料或压电材料中的位移传感器的一个重大优点在于，可以将其用于系统跟踪促动器的偏移以补偿压电松弛和漂移效应的情况下。这使得可能的控制应用具有长期稳定性。另一个使用可能性是对调整件进行功能监控。

此外，所需类型和结构的其它传感器可集成在系统中，例如力，加速度或温度传感器。

如果支撑体设计为具有至少两个叠置支撑体层的多层体形式，其中支撑体的层平面最好与压电材料层的层平面平行并且各个部件可置于支撑体的每两个相邻层之间，那么可特别简单地将一个或多个电子部件和/或传感器部件集成在支撑体内。

为使控制压电多层体和操纵任何传感器系统所需的导电体在支撑体上分布最佳，导电体最好布置在支撑体的不同部件支持面上，相互连接是通过横穿安装面的一个或多个孔，所谓的通路实现的。如果支撑体是利用多层体技术制造的，导电体既可以布置在支撑体的相邻层之间又可以布置在外支撑体层的外表面上，位于一个支撑体层任何一面上的导电体可通过仅穿过该支撑体层的孔接触。

当压电弯曲变换器具有所谓的三晶形，支撑体安装有两个压电体，两个压电体布置在支撑体的两个相互背离的纵向侧面上时，这种结构特别有利。在这种情况下，两个压电体最好设计成上述类型的压电多层体形式，以能够基于上述优点，迫使压电弯曲变换器在两个相互相反的方向上移动。设计可以是这样的，即三晶弯曲变换器具有纤维化合物形式的中间层，结合了作为与活动压电材料层的接触装置的可弯曲印刷电路层，传感器系统和/或电子电路。通过适当选择具有适当热膨胀系数的材料，可实现适当减少热漂移。对此的一个实例是在促动器整体结构中适当结合铜层。除减少热漂移外，铜还可用于设置特定的机械性质如位移和调整力，此外还可用于接触活动压电材料层，集成的传感器和/或电子电路。

代替第二个活动压电体，提供一个适配体也是一个优点，该适配体由热膨胀系数与压电多层体基本相同的材料制成。该适配体不产生位移力，也就是说它是一个被动元件，但是与仅在单侧配备有一个压电体的压电弯曲变换器相比，也就是与一个所谓的单晶类型相比，它可以用很低的费用实现一种对称结构，使得可以减少或完全排除固有的热弯曲。而且，适应材料本身也可以是一个传感器或集成在传感器内。传感器也可集成在适应零件内。

上面提及的用于实现一定用途的本发明的第二个目的是这样实现的，即，使压电弯曲变换器作为阀的调整件形式，更具体地是在用于控制气流的气动部分内。

下面参考附图描述本发明。

图1以部分分解的放大透视正视图示出了本发明压电弯曲变换器的一个优选实施例。

图2是沿箭头II方向看到的支撑体朝上支撑面的平面图；

图3是面向下面支撑体层的朝上表面看到的穿过图1支撑体位于剖面线III-III上的纵向剖面。

图4是穿过如图1中的支撑体位于剖面线IV-IV上的纵向剖面，可选存在的导电体用点划线表示在朝下的支撑面上。

图5以图1和2的剖面线V-V上的横截面示出了图1至4的压电弯曲变换器，图中示出了

图6

和图7示出了根据图2和3穿过压电弯曲变换器另一个实施例支撑体的纵向剖面。

图8以图9剖面线VIII-VIII上的纵向剖面示出了压电弯曲变换器另一个实施例的一部分。

图9为根据图8的支撑体的朝上支撑面的平面图，其中没有示出支撑体上的压电体。

图1至5中示出的弯曲变换器1包括细长板形或杆形支撑体2，支撑体2具有一定的刚度，尽管它是可弯曲的并且最好包括纤维化合物或多层塑料，特别是聚酰胺。

彼此背离且位于支撑体2的相对纵向面上的大外表面构成了例如图1和5所示朝上的第一支撑面3和朝下的第二支撑面4。在第一支撑面3上布置有第一压电体5，压电体是利用多层体技术制造的，所以涉及一个压电多层体6。如图5中所示，它包括许多平坦或平直的压电材料层7，压电材料层7相互叠置在一起，它们相互平行的层面沿用双箭头8所示的叠置方向8垂直于支撑面3排列。作为压电材料可使用任何合适的压电材料，最好是压电陶瓷。

压电材料层的平面7平行于支撑体2的平面。

在各个相邻压电材料层7之间有板形薄电极9和10，电极最好是喷涂的银/钯层形式。

这里在叠置方向上提供了交替的第一电极(9)和第二电极(10)，使得每个压电材料层7-在本实施例中不包括最上面和最下面的压电材料层7-在相对侧面上与第一和第二电极9和10侧面相接。在这种情况下第一电极9和第二电极10彼此相互电连接并分别与第一和第二接触形成面13和14电连接，接触形成面13和14位于与支撑体2直接相邻的压电材料层7下部的下侧。

如图中所示，顶部的压电材料层7是不活动的覆盖层，但也可容易地在其顶侧提供一个电极以使该层也成为活动的。

在压电多层体6外表面上延伸用于接触电极9和10的导电层用环氧树脂填料密封，图中未详细示出。

压电多层体6仅占第一支撑面3全部长度的一部分。从而支撑体2在压电多层弯曲变换器1的连接侧15具有延伸超过压电多层体6的连接部分16。操纵压电弯曲变换器所需要的电连接通过连接部分16实现，并且连接部分可用于夹紧压电弯曲变换器。

为驱动压电多层体6，例如为支撑体2提供由印刷电路，喷涂金属层和/或导电塑料层构成的第一和第二导电体17a和17b。它们从连接部分16的自由端一直延伸到被压电多层体6覆盖的支撑体，在那里它们为第一和第二电连接面18a和18b形式，电连接面与压电多层体6的第一和第二接触形成面13和14电接触。

从而通过第一和第二导电体17a和17b可向压电多层体6施加驱动电压，电压以已知方式使压电材料层7的长度发生变化，这在连接部分16被夹紧的压电弯曲变换器1中，引起了压电弯曲变换器1未被夹紧的前端部分沿箭头22垂直于弯曲变换器纵向弯曲，并由此引起偏转。

尽管连接部分16可有利地用于固定压电弯曲变换器1，但也可以在与连接部分16相邻的压电多层体6的附近提供固定作用。

为减小驱动电压，压电材料层7极薄。在实施例中层厚为17微米，推荐的整体厚度范围在14微米和20微米之间，最好不要超过25微米。因此，由于可以用低压进行操纵，其中驱动电压最大为60伏，最好比该最大值低，所以适用于高压应用的某些规则就无效了，从而电极的最佳布置就有了更灵活的可能性。

将压电多层体6设计成具有薄层且低驱动电压的低压多层体形式产生了另外的优点，即与传统设计相比，操纵压电弯曲变换器的电子电路可具有更简单，更紧凑和更经济的结构。

在压电弯曲变换器1情况下利用了电子电路23的小整体尺寸以便在压电弯曲变换器1中集成至少一个电子部件24及最好集成所有的电子部件或者全部电子驱动电路。在图1至5所示实施例中，电子部件24在支撑体2内部得到良好保护，这里支撑体2设计为多层体形式并具有两个平面彼此相靠支撑体层，至少一个电子部件24放置在所述两个支撑体层内。在支撑体2包括两个以上支撑体层的情况下，同样可以利用另外的层过渡容纳一个或多个电子部件。

为以希望的方式接触相应集成的电子部件24，在支撑体2内提供了适当布置的带金属衬里的孔或金属填充的孔27，所谓的通路。具有这种带金属衬里的孔或金属填充的孔27意味着可以提供带有其自己导电体的不同部件支撑面28，并且对应的导电体也相互电接触。在这种情况下，原则上带金属衬里的孔或金属填充的孔27的数量可任意改变并取决于希望的电路布置。

在图1至5所示工作实施例中，第二导电体17b位于第一支撑面3上，在这种情况下第一支撑面在导电体方面代表第一部件支撑面28a。第二导电体17b完全位于第一部件支撑面28a内。

另一方面，第一导电体17a分成几个导电体部分，它们位于不同的部件支撑面上并通过带金属衬里的孔或金属填充的孔27连接在一起。这样连接部分16内的第一导体部分31a在第一支撑面3和由该支撑面限定的第一部件支撑面28内延伸。在到达压电体6之前，提供了金属衬里的孔27，该孔仅穿过具有第一支撑面3的第一支撑体层25，孔27一直延伸到第二部件支撑面28b，该第二部件支撑面28b是由两个支撑体层25和26之间的过渡部位构成。这里有一个相邻的第一导电体17a的第二导电体部分31b，该部分在支撑体2内部在压电多层体6下方延伸并在第二电连接面18b下方延伸越过该电连接面。在第一电连接面18a的层面高度上，第二导电体部分31b与另一个带金属衬里的孔27电接触，该孔再次穿过第一支撑体层25并与限定第一电连接面18a的第三导电体部分31c连接，使得部分31c再次位于第一部件支撑面28a上。

至少一个电子部件24位于第二部件支撑面28b上并以希望的方式与在该平面内延伸的导电体部分31b电连接。

在实施例中所示双层支撑体2的情况下，也可提供穿过支撑体层25和26的带金属衬里的孔或金属填充的孔。也可以在所有支撑体层内提供彼此分开的带金属衬里的孔或金属填充的孔以电连接位于支撑体层每个侧面上的导电体和/或电子部件。

至少一个电子部件24可以构成压电弯曲变换器1的电子控制电路的一部分或组成该电路。更具体地，电子电路可包括供施加的输入电压用的电压转换电路以获得希望的驱动电压。提供电流限制电路以防止由于过电压导致压电特性发生不希望的变化也是一个优点。在两个导线操纵情况下，可提供清除偏转或偏移所必需的放电功能的充电和放电电路也是一个优点。很清楚，这种列举仅是示例性的，不具有排它作用。

实施例所示压电弯曲变换器1的特征还在于，除了至少一个第一电子部件外，它还包含用于操纵压电弯曲变换器的传感器系统33的至少一个传感器部件32，该部件在图1和5中用点划线表示。

实施例中的至少一个传感器部件32容纳在压电多层体6内部，位于两个相邻压电材料层7之间。在生产压电多层体6的过程中可容易地将其布置在这里。传感器部件操作所必需的电连接装置34可例如延伸到压电多层体6的端面并从那里延伸到压电多层体6的底部，使得当将压电多层体6固定在支撑体2上时，它们可与另外的导电体35电接触，这种另外的导电体35位于部分16附近的第一支撑面3上。

由于将至少一个传感器部件32并且最好是整个传感器系统33放置在压电弯曲变换器1内部，因此就可能在相关位置检测相关的因子。而且，不再需要将传感器部件或传感器系统安装在压电弯曲变换器外表面上或在以后的使用中安装在压电弯曲变换器的壳体上，安装在这些位置上是需要额外的空间的。这也分别适用于至少一个集成的电子部件24或电子电路23。由于容纳在压电弯曲变换器1内部，就可以不用其它的安全措施，因为包围这些部件的压电弯曲变换器1的部件保护它们不受外部影响。

就象至少一个电子部件可放置在压电多层体6内部一样，至少一个传感器部件32也可以结合电子部件24方式集成在支撑体内。容纳电子和/或传感器部件的另一个有利位置是位于支撑体2和固定在支撑体2上的压电多层体6之间，图5中以点划线24a和24b分别示出了电子和/或传感器部件。

很清楚，根据特定的实施例，同一个压电弯曲变换器1可仅配备电子部件或仅配备传感器部件或者同时配备电子系统和传感器系统的元件。在这种情况下，容纳部件的位置可自由选择。

集成在压电弯曲变换器1内的传感器系统作为传感器部件可更具体地包括一个偏转传感器，例如应变片或某些其它的感应器和线圈，通过该部件提供关于压电弯曲变换器1的瞬时偏转信息。

图6和7示出了将应变片形式的传感器部件32集成在支撑体2内的可能性。在这种情况下，很清楚，除上述第一和第二导电体17a和17b外，还可以提供第三个导电体17c，该第三导电体用于与传感器部件32构成电接触，并在第一和第二部件支撑面28a和28b内延伸，能够通过带金属衬里孔或金属填充孔27a联接。

其它有用的传感器部件是力传感器，加速度传感器和温度传感器，它们用于使压电弯曲变换器1的促动得到最佳监视。

为了不严重影响压电多层体6和/或支撑体2的层设计-支撑体层的平面与压电材料层的平面平行-对于集成的电子和/或传感器部件24和32来说，必须依赖极薄的结构，这种结构几乎不凸出。这种结构可用所谓的薄膜技术制造，或者作为表面安装的装置(SMD)部件或者作为裸露的芯片，即未封闭的半导体芯片。由于可用于容纳部件的层面积相当大，所以可使电路布置长些或宽些以减少整体高度。

图8和9展示了支撑体2的替代设计，很明显可以存在其它的电子和/或传感器部件36，这些部件位于未被压电体占用的支撑体2的外表面部分。它们可更具体地布置在支撑面3的在连接部分16上延伸的自由面部分上。

图8和9还表示，如果需要，导电体7和带金属衬里孔或金属填充孔27可几乎可以布置在支撑体2上的任何合适的位置。

带金属衬里孔或金属填充孔情况下，27涉及具有导电能力的材料，其装在支撑体2中垂直于其延伸面完全或部分地穿过支撑体的通孔或凹坑中。作为材料可例如使用导电粘接剂。

迄今为止压电弯曲变换器1可以称为单晶弯曲变换器。但在这种单晶密封情况下，由于其的结构不对称，所以会出现较高的热固有弯曲，这可能影响操作特性。由于集成的传感器系统，压电松弛和漂移效应可以被系统地补偿，这样通过根据本发明的集成，可较简单地优化单晶弯曲变换器的操作特性。而且，由于集成在支撑体内的材料，可以系统影响弯曲变换器的操作点。

另一个经济地减少固有热弯曲或偏转的可能性是用三晶技术设计压电弯曲变换器并在和压电多层体6一样的水平提供称为适配体的一个体，该体由基本具有和压电多层体6相同的热膨胀系数的材料组成。有用的是提供第二个压电体38作为适配体37，与多层结构相比，该体38具有更经济的单晶结构。在这方面，压电材料最好备有活动操作通常所必须的极化，以在事实上具有和压电多层体6一样的热特性。但是，第二压电体38不是活动的，它仅用作适应或使得具有对称结构。

自然地仍然可提供基于本发明的三晶弯曲变换器，其具有两个压电体5和38，这两个体都能被激活以主动地使压电弯曲变换器1不仅能向一侧，而且能够向两侧偏转。在这种情况下，推荐将第二个压电体38设计成压电多层体形式。如图1和4中点划线所示，支撑体2就可备有另外的导电体42和带金属衬里孔或金属填充孔43-类似于上述第一和第二导电体17a和17b和带金属衬里孔27-它们使得能够驱动位于第二支撑面4上的压电体38。如果电子部件和/或传感器部件位于压电多层体6内或位于压电体与支撑体2之间的过渡部分内，则压电弯曲变换器1可容易地备有单层支撑体2。

压电弯曲变换器可有利地用作控制液流的阀内的调整件。图5以点划线示出了气动阀壳体44的一部分，该阀具有液体管道开口，可根据需要通过激活或停止压电弯曲变换器1来关闭或打开该开口。

Claims (18)

1、压电弯曲变换器，其具有一个细长支撑体(2)，该支撑体在至少一个纵向侧面上备有一个压电多层体(6)，压电多层体具有许多压电材料层(7)和置于压电材料层中间的电极(9和10)，其特征在于，在支撑体(2)内和/或支撑体(2)与压电多层体(6)之间和/或在压电多层体(6)的相邻压电材料层(7)之间容纳电子(23)和/或传感器(33)系统的至少一个部件(24，24a；32和32a；)，该部件用于操纵压电弯曲变换器(1)。

2、根据权利要求1中所述的压电弯曲变换器，其特征在于，至少一个电子部件(24和24a)构成电压转换电路或电流限制或充电/放电电路的一部分或组成这种电路。

3、根据权利要求1或2中所述压电弯曲变换器，其特征在于，至少一个电子部件(24和24a)组成压电弯曲变换器控制电子电路的一部分或组成这种电路。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，至少一个传感器部件(32和32a)由检测弯曲变换器偏转的偏转传感器组成，更具体地由应变片或由感应传感器和线圈组成。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，至少一个传感器部件(32和32a)由力传感器，加速度传感器和/或温度传感器组成。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，至少一个电子和/或传感器部件(42，24a；32和32a)是利用薄膜技术制造的或作为表面安装的装置(SMD)部件或作为裸露的芯片。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，支撑体(2)设计成带有至少两个叠置的支撑体层(25和26)的多层体形式。

8、根据权利要求7中所述的压电弯曲变换器，其特征在于，支撑体层和压电材料层的平面彼此平行地延伸。

9、根据权利要求7或8中所述的压电弯曲变换器，其特征在于，布置在支撑体(2)内部的至少一个电子和/或传感器部件(24和32)位于相邻支撑体层(25和26)之间。

10、根据权利要求1至9中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，支撑体(2)备有布置在不同部件支撑面内的导电体(17a，17b，17c和42)，这些导电体通过垂直于部件支撑面(28)的一个或多个带金属衬里孔或金属填充孔(27，43)电连接在一起。

11、根据权利要求10以及权利要求7至9中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，存在至少一个带金属衬里的孔(27，43)，该孔仅穿过一个支撑体层以接触该支撑体每侧上的导电体。

12、根据权利要求1至11中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，压电传感器(6)仅部分占用面向它的支撑体(2)的支撑面(3)，支撑面(3)的自由部分支撑至少一个另外的电子部件(36)。

13、根据权利要求1至12中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，单个压电材料层(7)的厚度最多为25微米，最好位于14微米和20微米范围之内，更具体地等于17微米。

14、根据权利要求1至13中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，压电材料层(7)的厚度是这样设定的，即操纵压电弯曲变换器必须的驱动电压最多为60伏。

15、根据权利要求1至14中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，支撑体(2)在与压电多层体相对的纵向侧面上带有整体的压电体(38)。

16、根据权利要求1至15中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，在与压电多层体(6)相对的纵向侧面上，支撑体(2)备有适配体(37)，适配体的材料具有基本和压电多层体(6)的压电材料相同的热膨胀系数。

17、根据权利要求1至14中任一项所述的压电弯曲变换器，其特征在于，支撑体(2)在与压电多层体(6)相对的纵向侧面上安装了另一个压电多层体。

18、利用根据权利要求1至17中任一项所述的压电弯曲变换器作为阀并且更具体是气动部分内阀的调整件。

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