[发明专利]提高了行程能力的压电执行器

说明书

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胀特性或行程能力有所提高，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行调节，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、铁电膨胀以及/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，则外加应力就可提高压电执行器的行程能力，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较少的区域(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行详细解释。相关附图如下：

图1～3示出本发明所述压电执行器中的优选材料结构及其作用。

图1所示为优选压电执行器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10。除了层10、20、30之外，压电执行器1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10、20、30之中。

第二层30具有不同于压电层10的材料特性。例如可以通过使电导率和/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10不同。同样可以考虑，也可以利用材料梯度来改变第二层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，且材料特性的变化优选在垂直于电极层20的板平面中进行。

在本发明所述的一种优选设计型式中，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现压电层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。除了上述效果之外，同时也可实现利用两个独立层10、20所能产生的全部所需材料特性。