CN1879231A - 压电执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种例如用于操作机械部件的压电执行机构，其中，所述压电执行机构设置有一些压电层(2)的多层结构并且在一个压电有源区域(A)中可以通过设置在这些压电层之间的内电极(3，4)施加电压。在压电执行机构(1)的层结构中具有一些非有源区域(B，C)，其中，至少所述没有内电极的作为非有源区域(B，C)的头部或尾部由这样一种材料构成，所述材料的介电常数(ε′33)比有源区域(A)的介电常数(ε33)小。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分特征的压电执行机构，例如用于操作机械部件。
背景技术
例如由DE 199 28 189 A1公开了，可在充分利用所谓的压电效应的情况下构造一种由具有合适的晶体结构的材料构成的压电元件，用于控制一个阀或类似物的阀针行程。在施加外部电压时，出现压电元件的机械反应，后者根据晶体结构和电压的施加区域表现出在可给定的方向上的压或拉。
由于可极快速和准确地调节的行程效应，这种压电执行机构可被设置在机动车中的燃料喷射系统中，用于构造例如用于开关阀的驱动器的调节器。在此，压电执行机构的电压或电荷控制的偏移(Auslenkung)被用于定位一个调节阀，该调节阀又调节喷嘴针的行程。
因为用于操作压电执行机构所需的电场强度在多个kV/mm的范围内并且通常希望适度的电压用于控制，所以该压电执行机构在此以由相互层叠的金属化的压电陶瓷的多层构造为所谓的多层执行机构。为此，这些层之间分别设有内电极，这些内电极例如用压方法(Druckverfahren)来设置，并且设有外电极，通过这些外电极施加电压。用于制造这样的层的典型方法是薄膜浇注技术(Foliengiesstechnik)。在此情况下，为了制造内电极，各个层被金属化并且相互层叠，其中，具有不同极性的内电极的两个层之间产生压电效应。但是，在头区域和尾区域一般没有内电极，因为一方面朝着端面必需有一定的绝缘距离(Isolationstrecke)，以避免对外的短路，而另一方面无源区域被用于外电极的电连接。在压电执行机构的中间也可以有无源区。但是在此存在这样的问题，即作为盖结构(Deckpakete)的这些无源层相对于电学上的地是寄生电容或杂散电容，它们在机动车或其它应用中可能导致电磁辐射。
单独看，由DE 100 25 998 A1公开了，一些无源的、可在长度上改变的无源区域设置在层结构的两个端部上。在所述公知的压电执行机构中，一方面这些无源层由与有源的区域相同的陶瓷材料构成，不过具有单侧上电接触或根本不电接触的外电极，这样这些非有源区域也置入内电极金属层。另一方面，相应的非有源的区域也可以是完全电绝缘的金属块或陶瓷块，后者例如可以被简单地粘接在压电有源区域上。
发明内容
如所提及的，前面所说明的压电执行机构由一个由一些压电层组成的多层结构和在压电有源的区域中由设置在这些层之间的内电极构成并且设有这些内电极的从层到层交替的触点接通结构，用于施加电压。此外，在压电执行机构的层结构中整个安装长度的区域中，在一个端部上或在有源区域的内部设有至少一个非有源的区域，例如作为盖结构的尾部和/或头部。
以有利的方式，在本发明的压电执行机构中至少该作为非有源区域的头部或尾部的介电常数小于有源区域的介电常数。优选地，这些非有源区域和这些有源区域由一种相同的陶瓷基质材料制成，其中，在这些非有源区域中这样地添加掺杂材料，使得在此得到一个最小的介电常数。所述基质材料例如是锆钛酸铅(PZT)并且掺杂材料是银。
在一个有利的实施形式中，头部和/或尾部上的非有源区域的层厚度相同。根据另外一个实施形式，这些非有源的区域由一个被这样施加电场电极化的陶瓷构成，使得得到最小的介电常数。
本发明的优点尤其在于，首先压电执行机构的有源区域与预给定的压电陶瓷保持不接触，也就是说，有源调节元件的特征参数、如空行程、闭锁力(Blockierkraft)等、保持不变。通过本发明的材料选择、在头部和/或尾部上的盖结构的几何结构或极化状态，可以使头部和/或尾部上的寄生电容Cpara最小化。
附图说明
参照附图的图示说明根据本发明的压电执行机构的实施例。附图表示：
图1是一个压电执行机构的剖面图，它具有由一些压电陶瓷层组成的多层结构，该压电执行机构具有有源区域和非有源区域，
图2在这些非有源区域连接到具有相同极性的有源区域的内电极时出现在压电执行机构上的电容的电学上的等效电路图，
图3在这些非有源区域连接到具有不同极性的有源区域的内电极时出现在压电执行机构上的电容的电学上的等效电路图，
图4在非有源区域的层厚有确定的比例时寄生电容的变化曲线。
具体实施方式
在图1中示出一个压电执行机构1，它以本身公知的方式由具有合适的晶体结构的陶瓷材料的多个压电层2、例如所谓的湿膜构成，这样，在充分利用所谓的压电效应的情况下在将外部的直流电压通过在外部接触的电极5和6施加在内电极3和4上时出现压电执行机构1的机械反应。
所述压电执行机构1划分成一个压电有源区域A及两个设置在头部和尾部上的、作为盖结构的非有源区或者说无源区B和C。在此，一个区域的有源是指，该区域由极性交替的一些内电极3和4置入并且最终对于压电执行机构1运行所希望的纵向总伸长起贡献作用。
在根据本发明的实施例中，多层-压电执行机构1被以这样的方式构造，即有源区域A与无源区域B和C中的陶瓷层的材料成分不同。因此，对于湿膜制造本身必需两种陶瓷。它们例如可以是不同地制备的陶瓷种类，例如锆钛酸铅(PZT)基陶瓷。在共同的作为基础的基质材料上的这种或其它陶瓷可以通过添加合适的掺杂材料、例如银、相应地被改变并且被适配。
有源区域A中的陶瓷具有一个介电常数ε33。区域B或C的介电常数ε′33在此这样地选择，使得符合这样的关系ε′33＜＜ε33。根据图1的区域B和C的陶瓷则被这样地选择或改变，使得在任何情况下介电常数ε′33被最小化。
因此，区域B或C的寄生电容CB和CC根据层厚dB和dC确定
CB，C＝ε0*ε′33*A/dB，C ε0＝8.85*10-12*AS/Vm (1)
其中A在此表示有源(aktiv)的面积。
在此，本发明的实施例包括这样的可能性，即朝着头部B和尾部C最后连接的内电极层3或4可以以相同或不同的极性来选择。
在第一种情况下，得出根据图2的等效电路图，在第二种情况下得出根据图3的等效电路图，其中视压电执行机构1的结构的电调谐而定，这两个方案中的其中一个可以是更有利的。
在根据图2的内电极3或4的连接情况中，还存在另外的优化可能性，以便使寄生电容CB和CC最小化。因为通常该压电执行机构1具有一个确定的总长度，对相应的无源区域B或C提供一定的长度dB+dC＝dges。因此，得到图4中所示的作为Cpara的、寄生电容CB和CC的曲线10。尤其是如果选择dB＝dC＝dges/2，则对于Cpara＝CB+CC得到最小值。
因此，在此所介绍的发明明确地包括一个在头部和尾部上具有对称的盖结构B和C的压电执行机构1。尤其是即使盖结构B和C由与有源的区域A相同的陶瓷材料构成时，通过该几何效应的最小化也可行。
另外一个在此未在图中示出的方案涉及通过盖结构B和C的一个至少部分的极化(Polung)来适配寄生电容Cpara。如果为了一个特别的电调谐而调节所述盖结构B和C上的一定的电容值Cpara，则这可以通过介电常数ε′33的适配并且尤其是通过盖结构B和C的极化状态来实现。因为未极化的陶瓷仅具有被极化的陶瓷大约一半大的介电常数，所以通过施加一个适配的电场可以准调谐所述寄生电容Cpara。
Claims (5)
1.压电执行机构，它具有
一个多个压电层(2)的多层结构和在一个压电有源区域(A)中在压电层之间设置的一些内电极(3，4)，这些内电极可以被施加电压，该压电执行机构还具有
在压电执行机构(1)的头部和尾部上的、不带内电极的非有源的区域(B，C)，其特征在于，
至少作为非有源的区域(B，C)的头部或尾部的介电常数(ε′33)比有源区域(A)的介电常数(ε33)小。
2.根据权利要求1所述的压电执行机构，其特征在于，非有源区域(B，C)和有源区域(A)由相同的陶瓷基质材料制成，其中，在非有源区域(B，C)中这样地添加附加的掺杂材料，使得得到最小的介电常数(ε′33)。
3.根据权利要求2所述的压电执行机构，其特征在于，
所述基质材料是锆钛酸铅(PZT)并且所述掺杂材料是银。
4.根据上述权利要求之一所述的压电执行机构，其特征在于，
这些非有源的区域(B，C)的层厚(dB，dC)相同。
5.根据上述权利要求之一所述的压电执行机构，其特征在于，
所述非有源区域(B，C)由一种被这样地施加电场电极化的陶瓷构成，使得得到最小的介电常数(ε′33)。
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