壓電式執行元件的制作方法

專利名稱：壓電式執行元件的制作方法
背景技術：
本發明涉及一個壓電執行元件，其具有一個壓電體，并特別為一種多層的層結構形式，這些多層結構壓電的或壓電陶瓷的材料和中間連接的金屬的或導電的作為電極的層材相互疊置而構成，其中，壓電體在脈動的電壓作用下，就會導致在壓電體之兩個相互背離的端側面之間的距離發生變化從而產生和其電極相類似的脈動式行程。
壓電式執行元件是一般公知的并可以應用在機動車的場合例如發動機的噴射閥以及應用在帶有防抱死系統(ABS)和反打滑調節(ASR)的制動系統中。關于噴射閥通過這種執行元件的操作方式可以參見GB1320057A。
這種噴射閥具有一個通過一挺桿式封閉機構可控制的噴嘴。在挺桿上安置一個噴嘴側的作用表面，其輸入到該噴嘴中的燃料壓力中作用，其中，該壓力表面則試圖在封閉機構的開放方向上擠壓該挺桿。該挺桿以一個活塞式的其橫面大于所述作用表面的端部伸入到一個控制腔中。在此處作用的壓力則試圖使挺桿在封閉機構的關閉方向上運動。該控制腔通過一個入口節流結構與一個處于高壓下的燃料輸送管相連接并通過一個普通節流的且與一個出口節流結構相組合的排放閥與一個具有很小壓力的燃料回送管相連接。在關閉的排放閥情況下，在控制腔中占有一個高壓；通過它，該挺桿可以克服在其噴嘴側的作用表面上的壓力而在封閉機構的關閉方向上運動至保持在關閉位置上。在打開該排放閥時，在控制腔內的壓力就下降，同時，壓力下降的數量通過入口節流結構的尺寸和被打開的出口節流結構之節流阻力的數值或者與此相組合的出口節流結構的尺寸所決定。結果是，在控制腔中的壓力并在打開的排出閥情況下是如此下降的，即，挺桿基于在其噴嘴側的作用表面上有效作用的壓力而可在封閉機構之打開方向上運動并且保持在打開位置上。
這種排放閥可以借助一個壓電的執行元件被操作，其中，和噴嘴之封閉機構的行程運動相比較，較小的行程已足夠了。
壓電執行元件已經證明是可靠的調節及驅動機構。當然，在使用或者配置壓電執行元件時還必須考慮，壓電體是以多層工藝方式制成多層的層結構的，因此不能或只能承受很小的拉力。所以，壓電方式操作時裝置之結構可能更困難了。按照本發明，壓電執行元件還適用于拉力方向的載荷，因為預先規定，該壓電體具有一個使端側表面相互張緊的彈性圍緊結構從而使壓電體處在壓預應力作用下。
本發明的優點本發明是基于這樣的普通構思，即使執行元件的壓電體通過其上安置的或定位的張緊元件在希望的拉力之反方向上承受彈性的壓預應力并依此持續地施加壓力載荷，其中，該壓電體在施加以脈動的或交變的電場時，就使所述的端側面相互驅動，同時壓電材料處在壓應力下和圍緊結構處于彈性的伸展狀態，隨后該端側面就利用圍緊結構中貯存的彈性能而相互被擠壓，并還使壓電體處在壓應力作用下，進而在兩個運動方向上向外部提供有效的工作能。
在本發明情況下，還可以有利的方式被用于將在壓電體工作行程中使其間的距離發生變化的端側面用牢固的耦合元件或端面板疊蓋以便將力傳遞到支承結構或要驅動的元件上，這些耦合元件或端面板則以簡單的結構方式通過彈性的張緊元件相互連接，以確保壓電體持續地承受希望的壓應力載荷。
按照本發明的第一實施方案，該張緊元件可以設置為一個或多個彈性的箍件，其試圖相互擠壓所述的耦合元件或端面板，以使壓電體處于壓應力作用下。
代替上述的結構還可能的是，該耦合元件或端面板通過彈性結構的張緊帶而相互連接。
同時，該張緊帶還可以由圓形或平板形材料制成。
最后，存在的方案是，耦合元件或端面板通過一個管形的按照拉簧形式構成的波紋管而相互連接，這樣，壓電體的圍緊結構還可以構成一個保護其的殼體。
該張緊元件最好是制成較小的剛度，因此，它的張應力在壓電體的脈動運動情況下只有相對較小的改變，同時，特別是力變化的數量與有效的作用力相比較也應是較小的。
附圖另外，關于本發明優選的特征方案可參考下面的附圖解釋，并借助特別有利的特征內容和實施例加以說明。其中

圖1是一個本發明執行機構的第一實施例局部剖視圖；圖2是對應于圖1中剖示線Ⅱ-Ⅱ的截面圖；圖3是對應于圖2的一個變型實施例的截面圖；圖4是另一變型實施例的截面圖；圖5是一個實施例視圖，其中，在執行元件之端側面上安置的平板之間設有彈性的張緊帶；圖6是對應于圖5之箭頭Ⅵ方向上的視圖；圖7是彈性張緊帶的不同變型結構；圖8是一個實施例的截面圖；其中，在執行元件的端側面平板之間安置一個彈簧套；圖9是一個噴射閥的整體圖；圖10是執行元件之另一實施例方案的截面圖；和圖11是一個固定彈簧帶的有利變型方案，該彈簧帶用于壓電體的圍緊結構。
實施例的說明按照圖1和2，一個壓電式執行元件1包括一個壓電體2，它例如可以由多層壓電材料制成，在它們之間分別安置一個導電層，它們交變地與一個電接頭3或電接頭4為導電連接。因此，該壓電體2在接頭3和4與一個未描述的脈動式電壓源或一個交變電源相連接時就可以公知方式激勵出脈動的運動。其中，在圖1中壓電體2之上邊和下邊端側面的間距就發生變化。
這些所述的端側面是用牢固的平板5覆蓋的，它們在圖1和2的實施例中設有一個在端側面中間的溝槽6。同時，在圖1和2中上邊平板5的溝槽6與在下邊平板5中的溝槽6平行地安排。這些溝槽6用于容置和固定一個設置為閉合環的彈簧箍7，其被拉緊并相應地將位于平板5之間的壓電體2置于一個壓應力作用下。為了實現一個預定的彈簧剛度，該彈簧于7’具有一個或多個凹彎或波形彎曲結構，其中，在平板5之間有效作用的拉伸力則試圖將這些凹彎或波彎結構拉直。
按照圖3的實施例和前述實施例之區別在于，在壓電體2上安置兩個相互分開的彈簧箍8，并在壓電體2之端面側的平板5中，分別設置一個通孔9，其中，將彈箍8之折彎的端部插入。
按照圖4的實施例與圖1和2的實施例之區別在于，設置兩個彈簧箍10。這些彈簧箍10具有再安裝到平板5之溝槽6中的端部區域，而且，它還被制成鉤狀的結構。其中，該鉤狀的端部分別卡置在構成于溝槽6內的凹腔11中。
在所有前述的實施例中，該彈簧箍7,8及10都可以由一個具有圓形橫截面的彈簧鋼條材制成。
但是，原則上說，另外橫截面形狀和另外的彈簧材料都是可以想到的。
在設置兩個分開的箍件8及10并且相互電絕緣的條件下，這些箍件還可以作為電接頭安置并與相應的在壓電體2上的接觸表面通過擠壓作用或釬焊連接或類似方式形成電連接。
在圖5和6描述的實施方案中，在端側的平板5上分別設有側向的銷栓12，其用于固定彈性的張緊帶13。
這些張緊帶13可以按照圖6設置成一個圍繞平板5之銷柱12的環形件并在銷柱12之間的區域內具有一個波彎的形狀，其中，在銷柱12之間起作用的張緊力則試圖將所述的波彎結構拉直。在銷柱12的區域內，該張緊帶13可以具有一個相對大的寬度，同時，該張緊帶13之被波形彎曲的區域則是較窄的。
通過張緊帶13在銷柱12之間作用的拉伸力，則壓電體2又被置于一個持續作用的壓應力。
圖7表明了張緊帶13的變型實施例。按照結構方案A，每個張緊帶13可以在其端部上設有一個眼孔，它分別可被推置在一個銷柱12上。按照結構方案B和C，該銷柱12可以分別具有一軸向隙縫，其分別容納一個張緊帶13的圍繞相應銷柱12覆置的端部區域之端頭。
在結構方案B的例子中，該張緊帶13在銷柱12的區域內具有一個S形的部分13’，它基于自身的形狀是彈性的，也就是說，較強的拉伸力試圖使這一部分13’拉直些。
在圖8的實施例中，該壓電體2在其一個端頭上設有一個端面側凹曲的板15和在其另一端頭上設有一個平板16，它在其從壓電體2遠離的側面上置有一個挺桿狀的連續段17，該平板16的邊緣被一個環法蘭18所容裝，該環法蘭18與一個彈簧套20的環形底19相連接，彈簧套20的另一端部被固定在一個底件21上，底件21用一個里側的突部結構與板件15之面對著的凹曲結構相嚙合。該彈簧套20處于一個較大的拉應力作用下，因此，底件19和21使得壓電體2處于一個相應的壓應力下。
該彈簧套20在其如圖8中上邊的區域內具有一個基本圓柱形的形狀，同時在下邊的區域內是被成形為波形式的，其中，這些波形最好分別構成半圓形的圓弧結構，如圖8所示那樣。
該最好由彈簧鋼制成的套筒的壁厚可以在0.1至0.6mm之間，最好約為0.3mm。最大的拉伸應力在波形結構的區域內不應超過800至900N/mm2。由于多個安置的波形，該彈簧套筒20的總拉應力可以處于約500至1500N的范圍內。在壓電體之橫截面為1cm2數量級情況下，可產生一個壓預應力約為500至2000N/cm2的作用。
在底件21上安置了一個支承板22，它本身又被安裝在一個盒形的蓋件23中。該底件21，支承板22和蓋件23具有相互對準的開口，通過其可導入連接件3和4，其中，在所述的開口安置了插塞形式的封閉件25，其同樣可以通過澆鑄材料構成。該封閉件25支承著連接接觸件26，通過它，該壓電體2可被施加一個電壓。
蓋件23與一個將彈簧套20以徑向間距包圍的管件27相連接，管件27的下邊端部設有一個內螺紋，以便將彈簧管件可以擰裝在一個噴射閥的殼體上，如另外在以后所描述的方式。
按照圖9，在所描述的噴射閥組件的多構件式殼體28上安置一個由閥針29可控制的噴嘴30，其可通過一個安裝閥針29的殼體孔31被輸送來高壓下的燃料。該殼體孔31往上去擴展成一個管形的工作腔32以用于一個與閥針29固定連接的活塞形的挺桿33，其以行程可運動的方式被安裝在工作腔32內部。在圖9中工作腔32之下邊的擴大的端部區域通過一個在圖9中不可見的殼體孔與個橫向孔34連通，其通過隙縫過濾器35與一個未描繪的燃料輸送管相連接。該橫向孔34通入一個環腔36中，它通過一個入口節流結構37與在圖9中工作腔32之上邊的端部區域相連接。另外，在工作腔32的上邊端部區域中連接一個設有出口節流結構38的與工作腔32同軸的孔39。該孔39通入一個相連的同軸孔40，該孔40與一個卸壓腔41和一個平衡孔42相連接，平衡孔42與孔40平行安置并且使它的端部相互連接。在孔40中安置一個控制閥43，它控制著孔39之面對著的入口并因此控制孔39與卸壓腔41的連接。該控制閥43借助一個在孔40中安置的挺桿44來操作，其本身又借助壓電執行元件1來操作。該執行元件1被安置在管件27中，它的內腔可以通過一個在連接的殼體45和管件27之間固定的膜片46相對于燃料的進入密封住。
這樣描述的裝置工作過程如下
當執行元件1被施加一個電壓或一個脈動式電壓時，該壓電體2執行脈動的運動，它通過挺桿形的連續段17，傳遞到挺桿44上，而連續段17安置在壓電體2上或者其上安置的端側平板5上，這樣，挺桿44就將控制閥43的打開或關閉。在控制閥43閉合時，通過橫向孔34輸入的燃料壓力就施加在活塞式挺桿33的兩個端部上。因為，下邊的端部相對于上邊的端部具有一個減小了閥針29之橫截面的橫截面，因此，挺桿33被燃料壓力向下方擠壓；故閥針29將噴嘴30關閉。一旦控制閥43被打開，該在挺桿33之上邊端部的壓力就下降，同時，這個壓力降通過入口節流37和出口節流38之節流阻力比來確定。結果，在挺桿33之下邊端部上作用的燃料壓力就將挺桿33舉起，因此，閥針29將噴嘴30打開。
在圖10中描述的實施例和圖8之實施方案的不同首先在于，不用圖8的彈簧套20，而安置一個波形的彈簧帶48，它環繞著該環法蘭18之背離壓電體2的側端面安置，并在此處置有一個開口以用于板16的連續段17。
彈簧帶48的兩個端部是分別牢固焊接(銅焊)在一個內接管形式的吊掛件49上的，其支承在一個盤形的支承元件和平衡元件50上，該元件50本身靠置在壓電體2的一個端板51上。不僅在支承元件或平衡元件50中而且在端板51中設置了朝著側邊敞開的隙縫以讓彈簧帶48通過。
若不用與彈簧帶48固定連接的吊掛件49，還可以按照圖11的A在彈簧帶48上制成一體結構的錨鉤形式的端部件52。它們是按照圖11的例子設置為基本方形的并帶有中央孔的突出部，而開孔用于接合一個工具。同時，每個端部件52或相同結構的突出部是如此確定尺寸的，即，它應能將在端板51中及在面對的支承元件或平衡元件50中安置的并被彈簧帶48所貫穿的隙縫在其橫向上搭蓋住，并用角部區域52’在所述的隙縫兩側支承在該支承或平衡元件50或端面板51之一個端側面上。
在角部區域52’和貫穿隙縫的彈簧帶48之相對窄的部分之間的過度區域被設置為U形(最好)或者為鑰匙形的凹槽，這樣，該角部52’在指向支承元件或平衡元件50或端面板51之面對著的端側面方向上構成了該端部件52之曲線的連續段，從而避免了在過渡處的斷裂發生。
按照結構方案B，它對應于圖11中圖A沿箭頭P方向的端部件52之第一變型的側視圖，其中，該端部區域52’可以構成基本平坦的結構并且以和其余端部件52大致相同的平面上安置。
與此不同還可能的并且有利的是，對應于圖11中圖C的結構方案，該端部區域52’的端部相對于端部件52的平面是折彎的，這樣，總是一個折彎的端部區域52’之部分平整地靠置在支承元件或平衡元件50的面對著的端側面上。
權利要求
1.壓電式執行元件，適合于操作機動車燃燒發動機之控制閥或噴射閥，其具有一個壓電體，并特別為一種多層的層結構形式，這些多層結構由壓電的或壓電陶瓷的材料和中間連接的金屬的或導電的作為電極的層材相互疊層構成；其中，該壓電體在脈動的電壓作用下就會導致在壓電體之兩個相互背離的端側面之間的距離發生變化從而產生和其電極相類似的脈動式行程，其特征在于該壓電體(2)具有一個使壓電體(2)處在壓預應力作用下并使所述端表面相互張緊的彈性圍緊結構(7,8,10,13)。
2.按權利要求1所述的執行元件，其特征在于在壓電體(2)的端側面上設置穩固的板件(5,15,16)，它們通過在其間作用的張緊元件(7,8,10,134,20)而相互被張緊，同時使壓電體(2)處在壓預應力作用下。
3.按權利要求2所述的執行元件，該板件(5)借助至少一個彈簧箍(7,8,10)而相互被張緊，該彈簧箍將板件以及壓電體(2)從外邊圍住或搭握住。
4.按權利要求3所述的執行元件，其特征在于設置兩個相互分開的彈簧箍(8,10)，它們分別設置為基本C形的結構并依其端部搭握住該板件(5)。
5.按權利要求3所述的執行元件，其特征在于該彈簧箍(7)設置為環形閉合的構件。
6.按權利要求3至5之一所述的執行元件，其特征在于在壓電體(2)之側邊延伸的彈簧箍(7,8,10)之部分具有波形結構或者說一個或多個的凹彎形狀。
7.按權利要求2所述的執行元件，其特征在于在板件(5)之間設置彈簧或張緊帶(13)。
8.按權利要求7所述的執行元件，其特征在于為了固定該彈簧或張緊帶(13)在板件(5)上設置側向的銷柱(12)。
9．按權利要求8所述的執行元件，其特征在于該彈簧或張緊帶(13)構成圍繞著銷柱(12)盤繞的環形構件。
10.按權利要求8所述的執行元件，其特征在于該彈簧或張緊帶(13)借助在張緊帶上安置的眼孔(14)而保持在銷柱(12)上。
11.按權利要求8所述的執行元件，其特征在于該彈簧或張緊帶(13)以一個端部區域環繞在一個對應的銷柱(12)上，并用自由端部插置在一個構成在銷柱上的軸向隙縫中。
12.按權利要求8至11之一所述的執行元件，其特征在于該彈簧或張緊帶(13)在銷柱(12)之間具有波形結構或者說具有一個或多個的凹彎結構。
13.按權利要求1,2或7所述的執行元件，其特征在于一個彈簧或張緊帶(48)環繞過該壓電體(2)之一個端側面或一個端側的板件(16,18)，并用在其端部上固定的吊掛(49)或一體構成的端部件(52)懸掛在一個安置于壓電體(2)之另一端側面上的板件(51)的凹槽或隙縫上。
14.按權利要求1或2所述的執行元件，其特征在于該壓電體(2)安置在一個彈簧套(20)中，其將兩個在它的兩個端部安置的底件(19,21)相對其面對的端側面張緊，從而使壓電體(2)處在壓力作用下。
15.權利要求14所述的執行元件，其特征在于該彈簧套(20)將壓電體(2)以防污染和液體密封的方式包圍住。
16.按權利要求1至15之一所述的執行元件，其特征在于對壓電體(2)施加的壓預應力處于500至2000N/cm2的范圍內。
17.按權利要求4所述的執行元件，其特征在于該彈簧箍(8,10)是相互電氣絕緣安置的并作為用于電極的接頭結構。
全文摘要
一個作為例子為了操作機動車燃燒發動機之噴射閥設置的壓電式執行元件,設置了用于該執行元件之壓電體的彈性預應力元件以防止有破壞作用的拉應力,該預應力元件將壓電體置于壓預應力作用下。
文檔編號F16K31/02GK1209865SQ97191934
公開日1999年3月3日 申請日期1997年10月9日 優先權日1996年12月7日
發明者魯道夫·海因茨, 迪特爾·金茨勒, 羅格·波金, 克勞斯－彼得·施默爾, 弗里德里希·伯金 申請人:羅伯特·博施有限公司