壓電執(zhí)行器裝置以及配備有該壓電執(zhí)行器裝置的閥門的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器的壓電執(zhí)行器裝置，所述壓電轉(zhuǎn)換器擁有至少一個(gè)壓電體以及被分配給該壓電體的、由兩個(gè)被布置在該壓電體的彼此相對(duì)的側(cè)上的電極構(gòu)成的以及具有總電容的電極單元。
[0002]本發(fā)明此外涉及配備有這種壓電執(zhí)行器裝置的、用于控制流體的閥門，在該閥門中所述壓電轉(zhuǎn)換器形成閥門構(gòu)件或者用于閥門構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)元件。
【背景技術(shù)】
[0003]從DE 20 2005 006 126 U1中已知的這種類型的壓電執(zhí)行器裝置包含作為彎曲轉(zhuǎn)換器來實(shí)施的壓電轉(zhuǎn)換器，所述壓電轉(zhuǎn)換器具有由壓電活性材料構(gòu)成的壓電體以及兩個(gè)在相對(duì)的縱向側(cè)上置于壓電體兩側(cè)的電極，所述電極共同地形成電極單元，所述電極單元具有由電極的基面確定的總電容。在壓電執(zhí)行器裝置的運(yùn)行中將操控電壓施加到電極單元上，這導(dǎo)致到兩個(gè)電極的電荷流入，由此尤其產(chǎn)生壓電體的長度變化。因?yàn)閴弘婓w放置在壓電非活性襯底上，所以壓電體的長度變化引起彎曲轉(zhuǎn)換器的彎曲，這例如能夠用于操縱閥門。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的類型的壓電轉(zhuǎn)換器也可以被構(gòu)建為堆疊變換器，所述堆疊變換器擁有多個(gè)彼此分層堆積的以及分別由電極單元置于兩側(cè)的壓電體。在這種情況下，壓電體的根據(jù)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的厚度變化尤其可以被用于操縱目的。
[0005]W0 02/089160 A2描述具有所謂的多層構(gòu)造的壓電轉(zhuǎn)換器，其中薄的壓電體層與電極交替地彼此分層堆積，這具有以下優(yōu)點(diǎn):利用相對(duì)低的操控電壓已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)壓電材料的可接受的延伸以及與此相應(yīng)地能夠?qū)崿F(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換器的值得一提的變形。
[0006]從US 2011/0057543 A1中已知一種振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，所述振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器具有致動(dòng)器本體，所述致動(dòng)器本體由壓電層以及內(nèi)部的正和負(fù)電極層的堆疊的布置構(gòu)成。每個(gè)電極層由多個(gè)被劃分的電極構(gòu)成，使得正和負(fù)電極成對(duì)地位于對(duì)面，所述正和負(fù)電極能夠被可變地電操控，以便使致動(dòng)器本體以高頻率變形并且產(chǎn)生振動(dòng)，可移位地安裝的元件可以借助于所述振動(dòng)的幫助被來回移動(dòng)。每個(gè)電極對(duì)在中間連接線圈的情況下連接到自身的電壓源上。
[0007]原則上，壓電體的可實(shí)現(xiàn)的延伸以及所屬的壓電轉(zhuǎn)換器的由此產(chǎn)生的機(jī)械升程工作取決于所施加的操控電壓。然而，尤其在要求一定的爆炸保護(hù)和與此有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的遵守的應(yīng)用的情況下，高操控電壓的使用受到限制。高操控電壓在電荷流入到電極上以及從電極流出的情況下導(dǎo)致高電流，這在相應(yīng)的環(huán)境中由于火花擊穿可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的爆炸。為了避免這一點(diǎn)，壓電轉(zhuǎn)換器允許在相應(yīng)的環(huán)境中僅在所謂的本質(zhì)安全的運(yùn)行中以及因此僅以受限的操控電壓來運(yùn)行。這損害在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)的機(jī)械升程工作。如果壓電轉(zhuǎn)換器例如作為執(zhí)行器被用于閥門操縱，則這一般來說導(dǎo)致對(duì)可控制的流動(dòng)速率的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所基于的任務(wù)是創(chuàng)建壓電執(zhí)行器裝置，所述壓電執(zhí)行器裝置在遵守爆炸保護(hù)規(guī)定的情況下也能夠以高的效率運(yùn)行。
[0009]該任務(wù)不僅在壓電執(zhí)行器裝置的情況下而且在配備有該壓電執(zhí)行器裝置的閥門的情況下通過如下方式來解決:電極單元的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)被細(xì)分成多個(gè)彼此間隔的單獨(dú)的部分電極，所述部分電極與位于對(duì)面的電極形成多個(gè)分別定義總電容的部分電容的部分電極對(duì)，其中在電荷流動(dòng)時(shí)有效的自身的電流限制電阻與每個(gè)部分電極對(duì)串聯(lián)。
[0010]本發(fā)明所基于的方案是，將被分配給壓電體的電極單元的總電容劃分成多個(gè)與總電容相比分別更小的部分電容并且給每個(gè)部分電容分配能夠被稱為電流限制電阻的串聯(lián)電阻以便限制在電荷流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的電流強(qiáng)度。通過部分電極為此被彼此間隔地布置，可以為每個(gè)部分電容保證本質(zhì)安全的電路。
[0011]在壓電轉(zhuǎn)換器在防爆炸的環(huán)境中運(yùn)行的情況下一般來說應(yīng)注意所謂的點(diǎn)火極限曲線，根據(jù)所述點(diǎn)火極限曲線，允許的操控電壓隨著增加的電容而降低。不過，基本上力求高的操控電壓，以便實(shí)現(xiàn)電極單元的盡可能高的電荷密度以及與此相應(yīng)地能夠完成高水平(gross)的機(jī)械升程工作。本發(fā)明通過如下方式考慮該平衡做法:被分配給壓電體的總電容不是利用一對(duì)相應(yīng)大面積的電極來形成，而是在一定程度上基于將至少一個(gè)大電極分割成多個(gè)更小的部分電極，所述部分電極并排地布置并且分別與位于對(duì)面的對(duì)應(yīng)電極形成部分電極對(duì)，所述部分電極對(duì)的被稱為部分電容的電容比總電容更小，其中總電容由存在的部分電容的總和構(gòu)成。更小的部分電容可以以允許的方式以比大電容更高的操控電壓來運(yùn)行，使得可以總體上將比在單個(gè)的很大面積的電極對(duì)的情況下更大的電荷施加到電極單元上。因?yàn)樗械牟糠蛛娙萃ㄟ^優(yōu)選地單件地以及尤其整體地被構(gòu)造的所分配的壓電體相互機(jī)械耦合，所以由部分電極對(duì)和壓電體構(gòu)成的壓電單元如常規(guī)的壓電轉(zhuǎn)換器那樣表現(xiàn)，所述常規(guī)的壓電轉(zhuǎn)換器在兩側(cè)分別僅由唯一一個(gè)電極置于兩側(cè)。電路技術(shù)上與部分電極對(duì)串聯(lián)地布置的電流限制電阻負(fù)責(zé)電流強(qiáng)度在電荷流動(dòng)時(shí)不超出允許的程度，其中隨之出現(xiàn)的略微更高的時(shí)間常數(shù)直至部分電極對(duì)的完全充電是非常小的并且對(duì)運(yùn)行表現(xiàn)產(chǎn)生微不足道的影響。因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的壓電轉(zhuǎn)換器除了附加的電阻和更高的操控電壓之外一般來說不對(duì)所分配的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備提出進(jìn)一步的要求，所以可以保證在幾乎所有情況下普遍使用，在所述情況下使用迄今常規(guī)地構(gòu)建的壓電轉(zhuǎn)換器。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的原理可以在任意類型的壓電轉(zhuǎn)換器的情況下實(shí)現(xiàn)。僅示例性地提及在單態(tài)壓電轉(zhuǎn)換器、三態(tài)彎曲轉(zhuǎn)換器和/或具有多層構(gòu)造的彎曲轉(zhuǎn)換器的情況下的應(yīng)用。此外，根據(jù)本發(fā)明的原理尤其不僅在彎曲轉(zhuǎn)換器中而且在堆疊變換器中適合。
[0013]本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求得知。
[0014]—種特別低成本的構(gòu)造規(guī)定，被分配給壓電體的電極單元的兩個(gè)電極中僅僅一個(gè)被細(xì)分成多個(gè)彼此間隔的單獨(dú)的部分電極，而位于壓電體的另一側(cè)上的電極被實(shí)施為單一的、也即連貫的以及尤其整體的電極。在此，單一電極的位于單獨(dú)的部分電極對(duì)面的電極區(qū)段于是形成布置在該側(cè)上的部分電極。
[0015]如果壓電體在壓電轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)構(gòu)造中布置在壓電非活性襯底上，則存在使用導(dǎo)電的襯底的有利的可能性，所述襯底于是可以直接被用作單一電極。
[0016]不過，在電極單元的兩個(gè)電極被細(xì)分成多個(gè)彼此間隔的單獨(dú)的部分電極，使得兩個(gè)電極的單獨(dú)的部分電極成對(duì)地彼此位于對(duì)面以形成單獨(dú)的部分電極對(duì)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的效果也能夠有利地實(shí)現(xiàn)。在該上下文中有利的是，存在于壓電體的兩側(cè)上的部分電極的數(shù)目是同樣大的并且一側(cè)的每個(gè)單獨(dú)的部分電極位于另一側(cè)的唯一一個(gè)單獨(dú)的部分電極對(duì)面。
[0017]此外有利的是，至于電極面，在形成單獨(dú)的部分電極對(duì)的情況下分別彼此位于對(duì)面的單獨(dú)的部分電極分別是同樣大的。
[0018]適宜地，屬于分別相同的電極的單獨(dú)的部分電極布置在共同的平面中。
[0019]在一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)中單獨(dú)的部分電極被帶狀地構(gòu)造并且以橫向間隔在縱向側(cè)并排地布置。這在作為微長的彎曲轉(zhuǎn)換器的壓電轉(zhuǎn)換器的構(gòu)型中是特別適宜的，其中單獨(dú)的部分電極于是尤其橫向于彎曲轉(zhuǎn)換器的縱向彼此以間隔布置。
[0020]不過，根據(jù)本發(fā)明的成功在部分電極對(duì)的每個(gè)任意分布模式中出現(xiàn)。因此，例如可以在具有縱向形狀的彎曲轉(zhuǎn)換器的情況下多個(gè)部分電極對(duì)也在彎曲轉(zhuǎn)換器的縱向上相繼地彼此以間隔布置。
[0021]如已經(jīng)提到的那樣，壓電體尤其在作為彎曲轉(zhuǎn)換器的壓電轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造中布置在壓電非活性以及優(yōu)選地有彈簧彈性的襯底上。在該襯底導(dǎo)電時(shí)，該襯底可以形成電極單元的單一電極，所述單一電極逐段地與在壓電體的相對(duì)的側(cè)上的單獨(dú)的部分電極共同作用以形成部分電容。
[0022]優(yōu)選地，每個(gè)部分電極對(duì)與用于電荷傳輸?shù)淖陨淼碾娺B接導(dǎo)體接觸，所分配的串聯(lián)的電流限制電阻接通到所述電連接導(dǎo)體的走向中。
[0023]壓電執(zhí)行器裝置的一種優(yōu)選構(gòu)型除了至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器之外包含用于提供能夠操縱至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器的操控電壓的電壓源，所述電壓源與全體的部分電極對(duì)同時(shí)連接或能夠連接。
【附圖說明】
[0024]隨后借助附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。在所述附圖中:
圖1以示意性等距圖示出壓電執(zhí)行器裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方式，
圖2示出在根據(jù)箭頭II來看壓電轉(zhuǎn)換器的一個(gè)端面時(shí)圖