专利名称：用于预加载压电致动器的系统和方法
技术领域：
本发明整体涉及对压电装置进行预加载，更具体地，涉及感测压电元件的与施加 在其上的机械力相关的电性能。
背景技术：
压电装置具有广泛的应用，显著地是用作致动器和传感器。一般而言，当对压电材 料施加电势时，材料经历构型改变。这种现象在压电致动器中发挥作用以能够对与致动器 的压电元件连接的部件的位置进行电控制。对于压电致动器来说，一种通常的应用是在燃 料喷射器领域，其中，压电致动器用来控制阀的位置。压电致动器相比其他已知的致动器系 统具有多种好处。例如，压电致动器能够相对容易地进行精准的控制，并且通常来说比较坚 固。在燃料喷射器环境中，要求压电致动器在燃料喷射器的使用寿命期间致动几百万或甚 至几十亿次。压电致动器的不利一面涉及对其中使用的压电元件的相对精确且通常是希望的 预加载。换句话说，常常需要特定的机械偏置来使压电元件能够响应于电势可靠且适当地 改变其构型。例如特定的晶体或陶瓷材料的压电材料在没有被施加预加载和电势时通常保 持在低能量状态。向没有被充分预加载的压电元件施加电势会导致其断裂。相反，当压电 元件被过度预加载时，在被施加电势时它们可能不能成功地致动。不合适的预加载也会降 低压电元件的使用寿命。迄今，工程师们已经发现很难将压电元件的预加载恰好设定在合 适的水平。从Frank等人的美国专利No. 6998761B1中已知一种对压电致动器进行预加载的 尝试。在Frank等人描述的策略中，通过组装装置以一确定的力将压电致动器压入中空主 体中以拉长该中空主体。该确定的力据称对应于致动器的希望预应力。保持该力的同时， 将盖板焊接到中空主体以固定致动器的预应力。尽管可能应用于特定的场合，但Frank等 人的方法不可能实现充分精确的预加载来提供最佳的致动器性能和可靠性。据称，由机械 化力装置施加的“确定的力”内在地可变。特别地，关于机械化力装置的公差问题以及关于 致动器本身的公差问题会造成致动器被不适当地预加应力。
发明内容
在一个方面，一种准备压电致动的装置以便使用的方法包括向用于压电致动的装 置的压电致动器的压电元件施加机械力，以及感测由机械力在包括压电元件的电路中感应 的电性能的步骤。该方法还包括产生与感测到的电性能对应的信号以及以响应于所述信号 的方式在压电元件上设定预加载的步骤。在另一方面，一种用于预加载压电致动的装置的系统包括能够支撑压电致动的装 置的固定装置以及能够在压电致动的装置由固定装置支撑时向压电元件施加机械力的预 加载机构，所述压电致动的装置具有其中设置有压电元件的电路。该系统还包括能够感测 由机械力在电路中感应的电性能并输出与该电性能对应的信号的传感器，以及与传感器连接并能够至少部分基于信号调节预加载机构，以将压电元件上的预加载设定在目标预加载 的控制装置。在又一方面，一种用于设定或测试压电致动的装置中的预加载的方法包括向压电 致动的装置的压电元件施加机械力，感测由机械力在包括压电元件的电路中感应的电性 能，以及将感测到的电性能与机械力的大小相关联的步骤。
图1是根据一种实施方式的用于预加载压电致动器的系统的示意图；图2是根据一种实施方式的一种压电致动器子组件的局部侧面剖视图；图3是包含图2的子组件的压电致动器的局部侧面剖视图；图4是包含图3的致动器的燃料喷射器的侧面剖视图；图5是根据另一种实施方式的压电致动器的局部侧面剖视图；和图6是图1中所示的系统的另一部分的示意图。
具体实施例方式参照图1，其显示了用于预加载其中设有致动器子组件10的压电致动器的系统 100。系统100包括具有第一固定部件102和第二固定部件104的固定装置，第一固定部件 102和第二固定部件104能够支撑其中的子组件10用于预加载，如这里进一步描述的。应 当理解，图1中所示的系统100的结构仅仅是说明性的，在一些方面与所示的系统不同的 其他实施方式也落入本发明的范围。同样，图1中所示的子组件10的说明也是示例性的， 也可以对其他压电致动的装置及其子部件进行预加载、测试、准备以便使用(pr印are for service)等，并不脱离本发明。在所示的实施方式中，子组件10包括压电元件20和弹簧 12，压电元件20例如是多个盘的压电堆，压电元件20至少部分地设置在弹簧12内。在一种实施方式中，弹簧12可包括可动接触元件，可动接触元件包括与其一体地 形成的接触按钮18，其用于接触待利用元件20调节位置的部件。诸如0型圈16的流体密 封件可配合在弹簧12上，用于与外部壳体流体密封，该外部壳体在图1中没有示出。系统 100还可包括预加载机构，例如能够向由固定部件102和104支撑的元件20施加机械力的 旋转力产生装置106。系统100还可包括传感器101和与传感器101连接并容纳在控制模 块122等内的控制装置，例如电子控制单元107。子组件10还可包括第一电接线端32a和 第二电接线端32b，第一电接线端32a和第二电接线端32b与元件20连接并能够在元件20 两端提供电势、电压，用于以已知方式致动元件20。在显示的实施方式中，当向元件20施加 电压时，元件20倾向于沿往复方向伸长，以使接触按钮18远离电接线端32a和32b运动。 弹簧12通常围绕元件20定位，因此，元件20的致动将使弹簧12伸长，从而使接触按钮18 克服弹簧12的弹簧力或偏置运动。通常希望向压电元件20施加预定的预加载力，以便作为致动器适当操作。盘的体 积、宽度、长度、材料、应用、数量和其他因素都会对预定的预加载大小产生影响。为了对元 件20进行预加载，力产生装置106可用来向元件20施加在元件20中感应出电性能的机械 力。感应的电性能可与施加的机械力的大小相关联，如这里进一步描述的。因此，通过监测 感应的电性能，可以确定大小等于目标预加载的合适的机械力施加于元件20的时间。尽管在致动器组装过程中设定预加载是本发明的一个实际应用，但这里阐述的教导也可用来测 试组装好的致动器，以确定它们是否被适当地预加载，如这里进一步描述的。在一种实施方式中，确定向元件20施加了合适的预加载可以通过利用传感器101 感测感应的电性能来实现，传感器101产生与感测的电性能对应的信号。在元件20上设定 预加载可以以响应于来自传感器101的信号的方式来进行，如从下面的描述中可清楚的。 特别地，传感器101可经电连接线105与接线端32a和32b连接，形成包括压电元件20的 电路。感测的电性能可以是电压或者指示电压或者与电压相关的一些其他参数。在一种实 施方式中，可以测量包括元件20的电路的电容或电容改变以及由感测到的电容改变推知 的电压改变。换句话说，可以在利用装置106施加机械力之前感测电容，然后在施加机械力 时再次感测电容。施加机械力前后的电容差可用来推知该电路中的电压改变，而电压改变 又与机械力以及因此的预加载相关联。通常，电容改变越大意味着电压改变越大，而电压改 变越大又与装置106施加的机械力越大相关联。电子控制单元107可从传感器101接收前 述信号并向致动器108输出调节指令，以朝着目标预加载力调节机械力。以此方式，可以改 变向元件20施加的机械力，直到感测到的电性能表明向元件20施加了目标预加载力。尽管在本发明的环境中可以使用例如力产生装置106的各种预加载机构，但在一 种实施方式中，力产生装置106可包括与螺母26或其它螺纹构件连接并使其旋转的旋转力 产生装置，螺母26或其它螺纹构件与弹簧12连接。在一种实施方式中，螺母26可包括与 弹簧12的内螺纹30配合的外螺纹28。例如环形定位件的定位件24可以设置在螺母26和 压电元件20之间。螺母26和弹簧12之间的螺纹接合和相对旋转可增加或减小弹簧12的 长度，以增加或减小经定位件24向元件20施加的机械力。在所示的实施方式中，螺母26 沿第一方向的旋转可使弹簧12延伸或伸长，从而增加预加载，而螺母26沿第二方向的旋转 具有相反的作用，允许弹簧12缩短并减小预加载。在元件20上设定预加载可因此包括将 弹簧12从对应于第一预加载的第一拉伸状态调节至对应于第二预加载的更大拉伸的第二 拉伸状态。当利用其他弹簧结构时，调节预加载可通过增加或减小弹簧的压缩状态而不是 拉伸状态来实现。在一种实施方式中，电子控制单元107可通过闭环预加载线路构造，以向例如力 产生装置106的预加载机构和致动器108输出调节指令，从而响应于来自传感器101的信 号朝着目标预加载力调节元件20上的机械力。因此，控制模块122可包括存储器109，存储 器109上可记录程序指令，用于预加载具有压电元件并经固定部件102和104支撑的致动 器、子组件或者组装的装置。代替或者除了自动预加载线路，控制模块122可包括显示和操 作者控制装置，使得操作者可手动地增加、减小或不干扰元件20上的预加载。调节指令或信号可例如通过借助电子控制单元107将来自传感器101的信号的值 与目标值进行比较并且基于各个值之间的差从电子控制单元107输出指令来产生。目标值 可以是与包括元件20的电路中的指示元件20被适当预加载的电性能对应的信号值。如这 里描述的，电性能可以是电压、电容、电压或电容的改变等。所述的目标值可以是压电元件20特定的目标值。换句话说，给定多个压电元件， 每个压电元件可具有由给定的机械力感应的独特电性能，例如电容改变。例如，特定大小的 力可在表面上相同的压电元件中感应出略微不同的电性能。因此，分别向多个相同的压电 元件施加850牛顿的预加载(共同的目标预加载)，可期望在与每个压电元件相关联的电路中感应出不同的电容改变。本发明利用这种自然可变性使设定预加载的部件比早先的策 略，例如上面讨论的Frank等人的策略更加精准。在一种实施方式中，在利用系统100在特定的压电元件上设定预加载之前，可使 用系统100或另一系统来为这个压电元件建立目标值。然后将建立的目标值分配给该特定 的压电元件并记录在存储器109中。参照图6，其示出了处于可以用来为压电元件20建立 目标值的构型的系统100的另外的元件。与图1中所使用的相同的附图标记在图6中表示 类似或相同的部件，如图1中所示的系统100的某些部件也可以用来建立目标值。在其它 实施方式中，用来建立在压电元件上设定预加载时使用的目标值的系统可以与系统100分 离。为了建立所述的目标值，压电元件20可借助固定部件204支撑。然后，元件20可通过 第二力产生装置206，例如线性力产生装置施加的机械力压缩。例如计量器208等的力测量 装置可与力产生装置206连接，使得利用装置206施加到压电元件20上的机械力的大小等 于针对压电元件20的目标预加载。装置208可以与控制模块122通信。当向元件20施加 所规定的力时，由其感应的电性能可借助传感器101来感测。传感器101可输出与感测到 的电性能，例如电容改变对应的信号，以及借助电子控制单元107记录在存储器109中的与 感测到的电性能对应的信号值。当被施加大约850N的线性预加载力时，某些压电元件被适 当地预加载，因此，表明向元件20施加850N的力的电容改变可用作标准、或目标值，以便随 后在将相应的致动器投入使用之前，利用系统100为元件20设定预加载。回到图1，在利用传感器101感测电性能后，向电子控制单元107传输信号，然后将 信号的值与目标值进行比较，电子控制单元107可至少部分基于比较结果输出调节指令。 调节指令可采取用于装置106的角位移指令的形式。前文提到旋转螺母26可改变弹簧12 向元件20施加的弹簧力，因此改变螺母26的角位移可改变元件20上的预加载。在其它实 施方式中还可使用其它类型的指令。例如，当使用例如压具的线性力产生装置来代替装置 106时，可使用线性调节指令。响应于调节指令，装置106可被致动以增加或减小元件20上 的机械力。然后可第二次感测所述电路中的电性能，利用传感器101产生第二信号，然后将 与该电性能对应的第二信号的值与目标值进行比较。当第二信号或随后的信号与目标值相 等时，可确认向元件20施加的机械力等于目标预加载。一旦被适当地预加载，利用系统100 进行的过程可以以通过将螺母26锁定在其当前角定向而将预加载设定在目标预加载而结 束o在又一些实施方式中，替代或除了设定或调节相关压电元件20上的预加载之外， 系统100可用来诊断子组件10的结构缺陷或其它问题。例如，可以设想具有裂纹或其它问 题的压电元件通过其上的机械力感应的电性能会相对于预期的性能发生显著改变。当借助 传感器101感测的电性能与预期性能相差一定程度时，例如与针对多个类似压电元件的平 均感测性能偏离多于一个或两个标准偏差，则可放弃或者标记出相关的子组件，以便进一 步测试或维修。与预期显著不同的结果也可表明系统100的问题。还将注意到，螺母26相对于弹簧12的旋转倾向于调节其间的相对位置，因为沿第 一方向旋转螺母26将螺母26拉入到弹簧12中的更深处，而沿相反方向的旋转将螺母26 从弹簧12抽出。在其它实施方式中，螺母26不必与弹簧12螺纹接合但可与其它螺纹元件 接合，以向元件20施加变化的机械力。例如，子组件10的独立螺纹部分可提供固定支承 元件，螺母26与该固定支承元件螺纹接合，以向元件20提供变化的力。还可以注意到在所示的实施方式中，弹簧12包括一个或多个槽14，在某些时候可包括单个螺旋形槽。根据 本发明，结合被测试和/或准备使用的致动器可使用其它弹簧种类，例如管弹簧、贝勒维尔 (Belleville)弹簧等。参照图2，其示出了借助系统100在元件20上设定预加载后的子组件10。将会注 意到，与图1中相比，螺母26已经进一步旋转到弹簧12中。在图1中，弹簧12具有第一长 度L1，而在图2中，随着螺母26用来使弹簧12伸长，将其拉伸至张紧，弹簧12具有更长的 长度L2。可以进一步在螺母26顶部设置螺旋到弹簧12中的锁定螺母40，以将螺母26保 持在希望的角定向或弹簧12内的希望深度。现在参照图3，其示出了被设置到壳体51内形成组装好的致动器50的子组件10。 壳体51可基本环绕子组件10，并借助密封件16相对于弹簧12流体密封。另外的密封件 17，例如0型圈可设置用来在电接线端32a和32b与壳体51之间提供流体密封。还可设置 与壳体51连接并辅助将子组件10保持在其中的柔性隔膜52。隔膜52可焊接到壳体51， 或者借助任何其它合适的方式与其连接。现在参照图5，其示出了具有壳体151的另一压电致动器150，子组件110设置在 壳体151中。还可以设置隔膜152，其以与关于图3的实施方式描述的方式类似的方式与壳 体151连接。子组件110包括压电元件120和弹簧112。致动器150与前述实施方式具有 一定的类似性，但一些特征不同。替代如图1-3中的实施方式中的与外螺纹螺母螺纹连接 的内螺纹弹簧，致动器150利用弹簧112上的外螺纹128与壳体151上的内螺纹130螺纹 接合。对压电元件120的预加载可通过相对壳体151旋转弹簧112以螺纹接合螺纹128和 130，由此在压电元件120上施加压缩力来实现。类似于系统100的预加载系统可用来准备 致动器150以便使用，虽然不是旋转螺母，但壳体151可部分与子组件110组装并相对于其 旋转，以将弹簧112拉伸成张紧来预加载元件120。现在参照图4，其示出了定位在燃料喷射器60内的致动器50。在所示的实施方式 中，燃料喷射器60包括其中定位有致动器50的喷射器主体62。致动器50可包括可操作地 连接至控制阀组件70、特别是能够通过接触按钮18和阀构件72的端部74之间的接触调节 阀构件72的位置的控制阀致动器。喷射器60还可包括与喷射器主体62连接并能够保持 其中的致动器50的盖53。直接控制式针型截止阀80也设置在燃料喷射器60中并且接收 来自入口 84的高压燃料，燃料可经由对针82位置的控制从喷射器60喷射，如以已知方式 通过控制阀组件70进行的。工业实用性如上面提到的，系统100可用来准备压电致动的装置以便使用。在这里描述的实 施方式中，例如元件20的压电元件可首先具有针对电性能建立的目标值，在对压电元件设 定预加载的过程中感测该电性能。目标值的建立可利用如图6所示的系统100进行，或者可 借助单独的系统进行。一旦针对特定的压电元件建立了目标值并将其分配给了该元件，就 可以部分组装例如子组件10的致动器子组件。子组件10的部分组装可包括将元件20放 置在弹簧12内，将定位件24插入到弹簧12中使其接触元件20，然后将螺母26螺旋入弹簧 12中。插入件22可与子组件10的在电接线端32a和32b之间或围绕电接线端32a和32b 的其它部件连接。然后，可将子组件10放置在固定部件102和104内并由该固定部件102 和104支撑。一旦适当地定位，力产生装置106可以与螺母26和与电接线端32a和32b连接的传感器101接合。系统100可以如上面描述的用于将元件20上的预加载设定在目标预加载。然后， 将锁定螺母40固定到弹簧12并将子组件10从系统100去除。接着，将子组件10定位在 壳体51内、附接隔膜52、通过将组装好的致动器50放置在喷射器主体62内并固定盖53而 将组装好的致动器50与喷射器60连接。喷射器60是可以根据本发明进行准备以便使用 的众多压电致动的装置中的一个例子。例如需要使用高度精确定位的致动器的工业环境、 实验室或其它分析设备中的控制阀的装置、一些气动装置及其他装置可从这里阐述的教导 的应用中受益。可以想到，相对于现有技术中的用于设定和/或测试压电致动器预加载的策略， 本发明提供了多种好处。上面描述的例如Frank等人的一些策略可导致致动器的预加载与 目标预加载不同，因为由于预加载设备中的机械公差问题，施加的预加载力有变化。本发明 消除了与预加载设备中的公差有关的变化，因为由指定的预加载感应的电性能倾向于对施 加的力的大小提供的指示比借助力反馈控制等可能提供的指示更加精确。而且，很多早先 的已知系统并不将预加载测试与用于调节预加载的任何方法结合，最多只是提供某些致动 器是不合适的诊断。因此，本发明可被合理地认为公开了用于预加载的测试和设定策略，两 者可独立使用或者可彼此结合来使用。将感测的电性能与机械力的大小相关联的见识产生 了这种广泛的应用。本说明书仅仅用于说明的目的，因此不应当被理解为以任何方式缩小本发明的范 围。因此，本领域技术人员将理解，可以对本发明所公开的实施方式进行各种变型，而不脱 离本发明的完整且清楚的范围和精神。尽管本发明的大部分强调了制造致动器子组件时预 加载测试和设定的使用，但本发明可实施为测试组装的致动器或者甚至是完全组装好的压 电致动的装置。可以设想这样的实施方式，其中，致动器或致动器零部件被预加载，然后进 行到随后的测试阶段以确认它们是否被适当地预加载，或者确认可通过根据本发明的预加 载测试揭露的缺陷是否存在。根据以这里描述的方式感测与其压电元件相关的电性能，致 动器可被分成例如“合格”类和“不合格”类等至少两类中的一种。通过对附图和权利要求 书的研究，其它方面、特征和优点也是清楚的。
权利要求
一种准备压电致动的装置(50，150，60)以便使用的方法，包括以下步骤向用于所述压电致动的装置(50，150，60)的压电致动器(50，150)的压电元件(20，120)施加机械力；感测由所述机械力在包括所述压电元件(20，120)的电路(105)中感应的电性能；产生与感测到的所述电性能对应的信号；和以响应于所述信号的方式在所述压电元件(20，120)上设定预加载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述压电元件(20，120)上设定预加载的步骤 包括以下步骤将所述信号的值与目标值进行比较；和响应于所述信号的值与所述目标值的比较朝着针对所述压电元件(20，120)的目标预 加载力调节所述机械力。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在施加机械力的步骤之前建立所述目标值的步 骤以及在施加机械力的步骤之前将所述目标值分配给所述压电元件(20，120)的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，建立所述目标值的步骤包括记录与由大小等于 针对所述压电元件(20，120)的目标预加载的机械力在所述电路(105)中感应的电性能对 应的信号值的步骤。
5.根据权利要求2所述的方法，其中施加机械力的步骤还包括借助弹簧(12，112)施加所述机械力，以及至少部分地通过 相对于所述弹簧(12，112)旋转与其螺纹连接的螺纹构件(26，151)来施加所述弹簧(12， 112)的弹簧力；所述压电致动的装置(60)包括燃料喷射器(60)，所述压电致动器(50，150)包括用于 所述燃料喷射器(60)的控制阀致动器，且所述压电元件(20，120)包括压电堆；并且所述方法还包括将包括所述压电元件(20，120)和所述弹簧(12，112)的子组件(10， 110)放置在致动器壳体(51，151)内的步骤，以及在设定所述预加载后将所述致动器壳体 (51，151)与燃料喷射器主体(62)连接的步骤。
6.一种用于预加载压电致动器(50，150)的系统(100)，包括固定装置(102，104)，其能够支撑压电致动的装置(50，150)，该压电致动的装置具有 其中设置有压电元件(20，120)的电路(105)；预加载机构(106)，其能够在所述压电致动的装置(50，150)由所述固定装置(102， 104)支撑时向所述压电元件(20，120)施加机械力；传感器(101)，其能够感测由所述机械力在所述电路(105)中感应的电性能并输出与 该电性能对应的信号；和控制装置(107)，其与所述传感器(101)连接并能够至少部分地基于所述信号调节所 述预加载机构(106)，以将所述压电元件(20，120)上的预加载设定在目标预加载。
7.根据权利要求6所述的系统(100)，其中所述控制装置(107)包括能够将所述信号的值与目标值进行比较的电子控制单元 (107)；并且所述电子控制单元(107)经由闭环预加载线路构造，以向所述预加载机构(106)输出 调节指令，从而基于来自所述传感器(101)的多个信号将所述预加载设定在所述目标预加载。
8.根据权利要求7所述的系统(100)，还包括第二力产生装置(206)，其能够通过大小 等于针对所述压电元件的所述目标预加载的机械力压缩所述压电元件(20，120)。
9.一种用于设定或测试压电致动的装置(50，150，60)中的预加载的方法，包括以下步骤向压电致动的装置(50，150，60)的压电元件(20，120)施加机械力；感测由所述机械力在包括所述压电元件(20，120)的电路(105)中感应的电性能；和将感测到的所述电性能与所述机械力的大小相关联。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括至少部分地通过所述关联步骤在所述压电元 件(20，120)上设定预加载的步骤；其中，所述感测步骤包括产生与感测到的所述电性能对应的信号；并且 其中，在所述压电元件(20，120)上设定预加载的步骤还包括以下步骤 将所述信号的值与目标值进行比较；和响应于所述信号的值与所述目标值的比较朝着针对所述压电元件(20，120)的目标预 加载力调节所述机械力。
全文摘要
一种用于预加载压电致动器(50)的系统(100)，包括固定装置(102，104)；能够向由所述固定装置(102，104)支撑的压电元件(20)施加机械力的预加载机构(106)；以及能够感测由机械力在其中具有所述压电元件(20)的电路(105)中感应的电性能的传感器(101)。控制装置(107)与传感器(101)连接并能够基于感测到的电性能产生信号。一种设定或测试预加载的方法包括向压电元件(20，120)施加机械力，并将由所述机械力感应的电性能与机械力的大小相关联。闭环控制允许预加载被高度精确地设定。
文档编号H01L41/08GK101878548SQ200880118206
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年11月30日
发明者J·文卡塔拉格哈万, S·R·刘易斯, W·洛夫, 徐振龙 申请人:卡特彼勒公司