专利名称：压电执行元件的制作方法
现有技术本发明涉及一种按照独立权利要求所述类型特征的压电执行元件，例如用于操作一个机械部件如一个阀或类似物。
已经公开了，利用所谓的压电效应可以由一种具有合适晶体结构的材料构造压电元件。在施加一个外部电压时，压电元件进行机械反应，根据晶体结构以及电压施加的区域，该机械反应是在预定方向上的压或拉。
在阀的定位中，经常使用前述的压电执行元件。在此，应注意的是，其用于操作例如一个阀挺杆的行程能力在比较大的力时是相对小的。因此部分情况下，为了增大工作行程通常设置一个机械或液压位移放大器。这种机械或液压位移放大系统则造成更高的耗费以及更高的成本。
本发明的优点以有利的方式，开头所述的压电执行元件具有一个压电元件，它适合用一个拉或压力来对一个操作元件加载。按照本发明，具有稳定元件，它们平行于压电元件安置，在这些元件之间有一个柔性的中间层，其中，压电元件和稳定元件在作用方向(z-方向)上的长度大于它们的在横向于作用方向的方向(x，y-方向)上的宽度。具有优点的大小量级例如会是长度(z-方向)与宽度(x，y-方向)的比大约为5∶1至50∶1。
在一个有利的实施形式中，稳定元件由钢制成，并且被保持在固定夹紧在压电执行元件壳体中的基-或支承板与壳体中的一个固定边之间。所述壳体在此通常同样由钢制成。压电元件在此被保持在该基板与一个弹簧座之间，该弹簧座同样通过一个偏压弹簧靠置在壳体上并且操作(fuehren)所述操作元件。
借助本发明以简单的方式得到一个瘦长的压电执行元件，它在机械上相对不敏感，例如在使用于机动车发动机室中时在振动的情况下。由于瘦长结构而获得的大的行程，可以省掉一个行程放大器，其中，借助于该压电执行元件原则上可以产生拉力或压力。
通过在稳定元件和压电元件之间安置一个柔性的中间层、例如塑料，如聚合物或类似物，可以允许一种纵向运动，它是压电元件与稳定元件之间的一种相对运动。然而，压电元件在x-方向或y-方向的摆动运动在此被避免。因此可以以简单方式防止在压电元件中出现弯曲应力，它可能会导致压电执行元件损坏。
先前提到的具体实施形式提供了向下的压力，并且不是温度补偿的。在一个第二实施形式中，压电元件和稳定元件是由陶瓷材料制成的，它们具有基本上相同的热膨胀系数，这样，该实施形式是对温度进行补偿的。在此，稳定元件也被保持在一个基板与壳体中的一个固定边之间，其中，该基板通过一个弹簧靠置在壳体上。
在最后提到的实施形式中，所述稳定元件这样与压电元件机械耦合，即，压电元件以及稳定元件的与温度有关的膨胀在作用方向上被这样消除，使得操作元件的位置保持不变，即没有出现零点漂移。压电元件被保持在基板和一个弹簧座之间。该弹簧座通过一个偏压弹簧同样靠置在壳体上，并且操作该操作元件。在此，该偏压弹簧的力必须大大大于在基板上的弹簧的力，这样，在壳体和压电元件材料之间的不同热膨胀通过弹簧被平衡。温度补偿的附加措施、如迄今为止多次通过液压耦合所设置的，在此不再是必要的。
在本发明中，压电元件可以由横向分层叠置的压电层构成，并因此在操作元件上施加一个压力，或者由纵向分层叠置的压电层构成，并因此在操作元件上施加一个拉力。
在另外的有利实施形式中，稳定元件由分别垂直于压电元件的层结构的压电层组成，与压电元件一样，它们被以相同的方式借助一个电压(Spannung)控制。借助这种实施形式，通过稳定元件的附加行程，除对温度补偿外，还增大了工作行程。压电层的电触点接通在此可以处在中间层中或者在外部。
在本发明的另一个实施形式中，对称于被中间层包围的作为所述操作元件的拉杆在压电执行元件的壳体中安置了两个压电元件。在这里，这些压电元件被固定在一个与拉杆相连的支承板和一个在壳体中的固定边之间。所述支承板通过一个弹簧偏压靠置在壳体上。
本发明的优选进一步构造的这些以及其它特征除了来自于权利要求书中，也来自于说明书以及附图中，其中这些特征可以分别单独地或者以多个组合的形式在本发明的实施形式中实现或者在其它领域中实现，并且可以有利地是本身可被保护的实施结构，对此在这里要求对它们进行保护。
结合
了瘦长结构的、例如用于阀中定位的本发明压电执行元件的实施例。其中，图1是通过一个没有温度补偿的压电执行元件的剖视图，带有由钢制成的稳定元件；图2是沿着图1中剖切线A-A的局部剖视图，具有压电元件的第一触点接通可能性；图3是沿着图1中剖切线A-A的局部剖视图，具有压电元件的第二触点接通可能性；图4是通过压电执行元件的一个带有温度补偿的横向分层叠置的压电元件的剖视图，带有由陶瓷制成的稳定元件；图5是通过压电执行元件的一个带有温度补偿的纵向分层叠置的压电元件的剖视图，带有由陶瓷制成的稳定元件；图6是沿着图5中剖切线A-A的局部剖视图，具有压电元件的第一触点接通可能性；图7是沿着图5中剖切线A-A的局部剖视图，具有压电元件的第二触点接通可能性；图8是通过一个没有温度补偿的压电执行元件的剖视图，带有两个压电元件，它们被安置在一个拉杆的两侧。
具体实施例方式
在图1中示出了一个压电执行元件1，它具有一个压电元件2，该压电元件以公知的方式由具有合适的晶体结构的石英材料的压电薄膜构成，这样在电极3和4上施加上一个外部电压时，利用所谓的压电效应实现压电执行元件1的一个形式为力F工作的机械反应。所述根据图1的实施例是没有温度补偿的并且因此提供了一个压力F工作。
相对长和瘦的压电元件2被一个偏压弹簧6以及一个安置在该弹簧之上的弹簧座7压在其下端部上，并且以其上端部压在一个基-或支承板8上。该支承板8借助于在两侧相对于压电元件2对称安置的稳定元件9夹紧，所述稳定元件在上部和下部支撑在压电执行元件1的壳体10上。在稳定元件9和压电元件2之间沿纵向有一个作为中间层11的柔性塑料、例如聚合物。该柔性的中间层11的任务是，允许一个纵向运动，即在压电元件2与稳定元件9之间的相对运动，阻止压电元件在x-或y-方向的一个摆动运动。
由图2和图3示出了压电元件2的触点3和4连接的可能性，它可以或者在x-方向或者在y-方向进行，并且在此或者位于中间层11中或者位于其之外。
在图4中示出了压电执行元件20的第二实施例，其中，相同作用的部件使用与图1中相同的参考标号。在按照图4的配置中，具有一个压电元件21以及一些稳定元件22，它们由一种具有与压电元件21近似相同的热膨胀系数的陶瓷材料制成。支承板8在此通过一个弹簧23偏压在壳体10中，其中，弹簧23的偏压力在此必须大大大于偏压弹簧6的力，以便能够通过弹簧23来平衡壳体10与压电元件21之间的不同的热膨胀。但是也可以放弃弹簧23。如果是那样的话，则压电元件21类似于图1所示由上支承板8以及或许一个下支承板固定。上支承板8会如图1所示靠置在壳体10的一个肩上。弹簧23阻止了稳定元件22处于拉应力下，该拉应力可以是由于压电元件的偏压造成的。这种偏压是借助于弹簧6作用的。
压电执行元件20的操作在该实施例中也导致压电元件21的一个轴向伸长并因此导致一个逆着偏压弹簧6的偏压的压力F工作。因为在此压电元件21和稳定元件22也基本上具有相同的热膨胀系数，在所建议的这种机械配置中，压电元件21和稳定元件22的与温度有关的膨胀导致两种元件21和22在作用方向的影响消除。因此，所述与压电元件21的弹簧座7相连的操作元件的位置保持不变。
在图5中示出了一个压电执行元件30的第三实施例，其中，相同作用的部件在此也使用与图1或4中相同的参考标号。在按照图5的配置中，与按照图4的配置的不同仅仅是，一个压电元件31设置了纵向分层叠置的压电层。在该实施例中，压电执行元件30的操作导致压电元件31在轴向上的缩短，并因此导致在所述操作元件上作用一个拉力F工作。
在此，由图6和图7同样示出了压电元件31的触点3和4连接的可能性，它们可以随着相应定向的压电层或者在x-方向或者在y-方向实现，并且在此或者位于中间层11中或者位于其之外。
由图8可见一个压电执行元件40的另一个实施例，其中，相同作用的部件在此也使用与图1、4或5中相同的参考标号。在按照图8的配置中，对称于作为所述操作元件的拉杆43安置了两个压电元件41和42。压电元件41和42以及拉杆43被中间层11包围、安置在压电执行元件40的壳体10中。除此之外在这里压电元件41和42被固定在一个与拉杆相连的支承板44与一个在壳体10中的下固定边之间。所述支承板44通过弹簧23靠置在壳体10中的一个上固定边上。上述配置提供了一个作为力F工作的拉力并且是没有温度补偿的。
权利要求
1.一种压电执行元件，它具有至少一个压电元件(2；21；31；41，42)，用于以一个拉或压力对一个操作元件加载；并且具有稳定元件(9，22)，它们平行于压电元件(2；21；31；41，42)安置，带有一个位于这些元件之间的柔性中间层(11)，其中，压电元件(2；21；31；41，42)和稳定元件(9，22)具有与它们的横向于作用方向的宽度(x，y-方向)相比在作用方向(z-轴)上更大的长度。
2.按照权利要求1所述的压电执行元件，其特征在于，所述长度(z-方向)与宽度(x，y-方向)的比为大致5∶1至50∶1。
3.按照权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征在于，这些稳定元件(9)由钢制成，并且被固定在一个固定夹紧在压电执行元件(1)壳体(10)中的基-或支承板(8)与壳体(10)中的一个固定边之间，压电元件(2；21；31；41，42)被固定在该基板(8)与一个弹簧座(7)之间，该弹簧座经一个偏压弹簧(6)同样靠置在壳体(10)上并且操作所述操作元件。
4.按照权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征在于，压电元件(21；31)和稳定元件(22)是由陶瓷材料制成的，它们具有基本上相同的热膨胀系数，其中，稳定元件(22)被固定在一个基-或支承板(8)与壳体(10)中的一个固定边之间，压电元件(21；31)被固定在该基板(8)与一个弹簧座(7)之间，该弹簧座经一个偏压弹簧(6)同样靠置在壳体(10)上并且操作所述操作元件，其中，所述稳定元件(22)这样与压电元件(21；31)机械地联接，即，压电元件(21；31)和稳定元件(22)的与温度有关的膨胀在作用方向上被这样消除，使得操作元件的位置保持不变。
5.按照权利要求4所述的压电执行元件，其特征在于，该基板(8)经一个弹簧(23)靠置在壳体(10)上。
6.按照权利要求3、4或5所述的压电执行元件，其特征在于，压电元件(21)由横向分层叠置的压电层构成，并因此在操作元件上施加一个压力。
7.按照权利要求3、4或5所述的压电执行元件，其特征在于，压电元件(31)由纵向分层叠置的压电层构成，并因此在操作元件上施加一个拉力。
8.按照权利要求6或7所述的压电执行元件，其特征在于，稳定元件(22)由分别垂直于压电元件(21；31)的层结构的压电层组成，与压电元件(21；31)一样，它们以相同的方式被借助一个电压控制。
9.按照权利要求1或2所述的压电执行元件，其特征在于，对称于作为所述操作元件的拉杆(43)被中间层(11)包围地在压电执行元件(40)的壳体(10)中安置了两个压电元件(41，42)，其中，这些压电元件(41，42)被固定在一个与拉杆(43)相连的支承板(44)和一个在壳体(10)中的固定边之间，所述支承板(44)经一个弹簧(23)靠置在壳体(10)上。
全文摘要
提出了一种压电执行元件，其中，具有至少一个压电元件(2；21；31；41，42)，用于以一个拉或压力对一个操作元件加载；另外安置了稳定元件(9；22)，它们平行于压电元件(2；21；31；41，42)安置，带有一个位于这些元件之间的柔性中间层(11)，压电元件(2；21；31；41，42)和稳定元件(9；22)具有与它们的横向于作用方向的宽度(x，y－方向)相比在作用方向(z－轴)上更大的长度。
文档编号H01L41/053GK1735979SQ00809168
公开日2006年2月15日 申请日期2000年5月24日 优先权日1999年6月19日
发明者沃尔夫冈·施特克莱因, 弗里德里希·伯金 申请人:罗伯特·博施有限公司