提高了行程能力的压电执行器的利记博彩app

文档序号:7222418
专利名称:提高了行程能力的压电执行器的利记博彩app
提高了行程能力的压电执行器本发明所涉及的压电执行器可在施加电压时产生随该电压变化的特定膨胀 特性。压电执行器可应用于各种不同的技术领域。例如可以采用多层结构法制成 压电执行器。多层压电执行器可用来控制内燃发动机中的喷油阀门、定位工作台,或者应用于精密仪器设备中,用途不胜枚举。编号为US6,274,967的专利公布了一种多层结构的压电执行器,配有用来将 力传导入压电层中的预应力装置。利用预应力装置沿着压电执行器的层叠方向, 对压电层施加单轴压应力。编号为WO2004/015789A2的申请书公布了一种具有至少一个层叠形状压 电元件的压电执行器。这种四周装配了电极的压电元件适当固定于预应力装置 中,从而将力传导入压电层的局部体积之中。施加在压电层中的机械预应力与 作用于压电层中的电场相结合,使得该压电执行器的膨胀与传统压电执行器结 构相比有所提高。尽管压电执行器的膨鹏寺性或衍呈能力有所提高,但各种技 术领域(例如微型机械)仍然要求进一步增大行程或者改进压电执行器的膨胀 特性。因此本发明所要解决的问题在于,提出一种与现有技术相比行程特性得到 提高的压电执行器。本发明涉及一种包括下列特征的压电执行器具有至少一个布置于两个相 对电极层之间,用来在电极层中产生电场的压电层;具有至少一个紧邻压电层 布置以与该压电层相互作用的第二层;以及具有预应力装置,可将其用来对压 电层和第二层的应力进纟亍调节,使得当压电层中产生电场时,这两个层的应力 支持压电执行器的膨胀特性。本发明所依据的原理为将具有特定强度压电效应的压电层与压电效应小 于压电层的第二层进行组合。较小的压电效应在这种关系下的特点在于当电 场强度或者机械负荷相同时,在第二层中所产生的压电膨胀、铁电膨胀以^/或 者铁弹性膨胀要小于压电层。将具有不同材料特性的这两个层组合在一起,则夕卜加应力就可提高压电执行器的1界呈能力,效果优于现有技术。压电执行器的第二层具有不同于压电层的电导率和/或介电常数和/或压电 系数和/或弹性模量。采用使第二层具有不同于压电层的材料特性的方式,可部分限制或阻止压 电层中的压电效应,再结合外加应力就可改进压电执行器的膨胀特性。根据本发明所述的另一种有益设计型式,通过梯度层构成压电层和第二层, 且梯度层在垂直于电极层的方向中具有一个压电区域以及一个材料特性变化的 区域(即材料梯度)。例如,该梯度层可在垂直于电极层的方向中具有逐渐减弱的压电效应、变 化的电导率和/或弹性模量。借助该梯度层可以通过压电活性^>的区域(第二 层)对压电活性区域(压电层)施加影响,从而改进压电执行器的行程能力, 使其优于现有技术。以下将根据附图、详细描述以及从属权利要求,对本发明以及优选设计型 式进,于详细解释。相关附图如下

图1 3示出本发明所述压电执行器中的i^材料结构及其作用。图1所示为,压电执行器1 ,包括压电层10、第二层30以及电极层20。 电极层20均相对布置,并且以这种方式包围压电层10和第二层30。同样可以 考虑,也可以对电极层20进行适当布置,使其仅仅包围压电层IO。除了层IO、 20、 30之外,压电执行器l还具有预应力装置40。预应力装置40将机械弯曲 应力施加到层状结构IO、 20、 30之中。第二层30具有不同于压电层10的材料特性。例如可以ffi31使电导率和/或 介电常数和/或压电系数和/或弹性模量不同于压电层10,从而使第二层与压电层 IO不同。同样可以考虑,也可以禾,材料梯度来改蝶二层30中的材料特性。 这种材料梯度是材料特性变化的区域的特征,且材料特性的变化 在垂直于 电极层20的板平面中进行。在本发明所述的一种iti^设计型式中,压电层10和第二层30并非分开的 层。这两个层10、 30构成共同的梯度层,如图所示,该梯度层在垂直于电极层 20的板平面中具有一个压电区域和一个材料特性变化的区域。例如可通过在一 个共同梯度层中实mil电层10和第二层30的方式,消除两个分开叠放的层之 间的界面问题。此外还可降低制造成本,因为只要制成一个梯度层即可,不必制造两个层。除了,效^t外,同时也可实现利用两^H虫立层10、 20所能产 生的全部所需材料特性。在由压电层10和第二层30构成的梯度层内,可以在厚度方向中(即垂直 于电极层20)设计一个压电子区域,其后面紧随电导率和/或介电常数和/或压电 系数和/或弹性模量有变化的区域。当将电压施力成压电陶瓷层10或梯度层内的 压电陶瓷子区域上时,层10、 30的这种特殊材料结构就会产生附加的压电和铁 电膨胀分量。相应于ffiil预应力装置40产生的夕卜加应力/预应力条件,在相同重 量下所出现的变糊每会不同于仅有一个单独压电层10的情况。由于每个层10、 30的膨胀状态和层隆起高度之间荆璣性关系,因此可以使得压电执行器1的 fi^呈变化明显大于利用常规层叠式执行器中压电陶瓷层的厚度变化所能达到的 行程变化。因此利用在梯度层内附加设置的材料梯度,可以进一步提高压电执 行器1的衍呈。制成Jd^层状结构10、 30之后,通过将电压施加在电极20上,会在压电 层10 ,度层中的压电子区域内出现电极性。所施加的电压以及因此而在压电 层10内产生的电场使得铁电畴(Domaenen)处于电场方向,如图中箭头所示, 该电场方向垂直于电极层20。经过极化之后,在预应力装置40中设置层结构10、 20、 30,从而将机Wi3Z 力施加到层结构IO、 20、 30之中。示例中所示的是一种三点式弯曲装置40,也 可使用其它的预应力装置,例如四点式弯曲装置。预应力装置通过施加到层状 结构10、 20、 30之中的机械应九在压电层10内产生一个受到图中所示板平 面中平行于电极层20的拉应力作用的子区域。在图1 3所示的示例中,这一 受到拉应力作用的子区域位于弯曲的层结构IO、 20、 30的顶点周围。顶点附近 平行于电极层20的箭头表示所施加的拉应力在该区域内引起了层结构10、 20、 30中的铁弹性B^II位移以及膨胀变化。现在如果在压电层10中产生一个电场,就会引起畴壁位移,即使得图中所 示的箭头垂直于电极层20。电场在压电层10内引起横向收縮,即在板平面内平 行于电极层20的方向上观察到压电层10縮短。在第二层30内,或者当压电活 性^>的区域内存在上述梯度层时,横向收縮或縮短程度将小于压电层10。由于压电层io中的縮短程度大于梯度材料层,m施加外力弓胞的弯曲会由于材料特性不同于压电层10,而使得压电执行器1的行程进一步增大。因此压电执行器1的优点就在于可以有针对性地结合压电、铁电和铁弹性效应,从而使得 压电执行器具有比传统层叠式执行器明显更大的行程。通过将多层压电陶瓷技术、微型结构以及M机械技术结合使用,肯g够利用上述方法和装置,以低廉 成本实现适合于低电压运行的新的大批量应用,例如可应用于生物和医疗技术 ( 泵,微型阀)、电子工业(气动阀)、M执行器和鹏马达领域。图2中的示例是作为第二层30的层结构10、 20、 30,具有压电效应较小的 导电陶瓷。当给予赃力层结构IO、 20、 30施加电场时,首先在第二层30中如 图所示的弯曲顶点处形成小于压电层10的横向收缩或縮短。此外,第二层30 的导电性还可使得压电层10中的电场增强。由于压电效应提高,因此增强的电 场可在压电层10内垂直于电极层20的方向上引起更为强烈的膨胀。层结构10、 20、 30内的这种膨胀状态与夕卜加机械予鹏力相互作用,从而使得压电执行器1 的行程能力得以提高。在图3所示的层结构10、 20、 30中,其第二层30的弹性模量高于压电层 10。尽管在第二层30内具有压电材料特性,弹性模量提高后仍然会使得层结构 10、 20、 30顶点周围的縮短程度小于压电层10内在该区域中的縮短程度。因此 在图3所示的层结构10、 20、 30中,也将在层10和30中引起不同的膨胀状态, 这种膨胀状态结合外加予鹏力的作用就可使得压电执行器1的〗界呈增大。
权利要求
1. 一种压电执行器(1),包括下列特征a.至少一个布置于两个相对的电极层(20)之间的压电层(10),所述电极层用来在压电层(10)中产生电场,b.至少一个紧邻压电层(10)布置以与该压电层相互作用的第二层(30),以及c.预应力装置(40),将其用来调节压电层(10)和第二层(20)的预应力,使得当压电层(10)中产生电场时,这两个层(10,30)的应力支持压电执行器(1)的膨胀特性。
2. 根据权禾腰求1所述的压电执行器(1),其第二层(30)在相同强度电 场的作用下,具有比压电层(10)更小的压电膨胀,尤其是平行于以^/或者垂 直于所述电场的压电膨胀。
3. 根据权利要求1或者2所述的压电执行器,其第二层(30)具有不同于 压电层(10)的电导率以^/或者介电常数以^/或者压电系数以^/或者齊性模量。
4.根据战权禾腰求中任一项所述的压电执行器,其第二层(30)布置于 电极层(20)之一上,或者直接布置于压电层(10)上。
5. 根据权利要求中任一项所述的压电执行器(1),其第二层(30)具 有表征材料特性变化的区域的材料梯度。
6. 根据战权利要求中任一项所述的压电执行器,其压电层(10)以及第 二层(30)合并于一个梯度层中,该梯度层在垂直于电极层(20)的方向中具 有压电区嫩財才料特性变化的区域。
7. 根据权利要求6所述的压电执行器,鄉度层包括电导率以風或者介电 常数以^/或者压电系数以^/或者弹性模量变化的区域。
8. 根据J^权禾腰求中任一项所述的压电执行器(1),其预应力装置(40) 将弯曲带入压电层(10)和第二层(30),使得压电层(10)的子区域内,尤 其在弯曲顶点处受到平行于电极层(20)的拉应力作用。
全文摘要
本发明涉及一种增大了行程能力的压电执行器。压电执行器(1)由压电层(10)以及在厚度方向具有材料梯度的第二层(20)构成。电场在压电层(10)和第二层30中产生不同的膨胀状态,该膨胀状态与外加机械预应力相结合,就可使压电执行器(1)的行程增大。压电执行器适合于低电压应用,例如生物与医疗技术领域(微型泵,微型阀)、电子工业领域(气动阀)和微型执行器及微型马达。
文档编号H01L41/09GK101228643SQ200680022338
公开日2008年7月23日 申请日期2006年6月12日 优先权日2005年6月22日
发明者A·沃尔夫, C·舒, T·斯坦科普夫 申请人:西门子公司
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