Пьезоэлектрический привод

 

Изобретение относится к многослойным пьезоэлектрическим приводам. Сущность изобретения: привод имеет множество пластин из пьезоэлектрического материала, направление поляризации которых ориентировано перпендикулярно плоскости их расположения и которые размещены в виде пакета одна над другой в направлении поляризации, источник управляющего напряжения с двумя контактными выводами, две группы с по крайней мере двумя внешними электродами в каждой и множество внутренних электродов, каждый из которых расположен между пьезоэлектрическими пластинами. Внешние электроды первой группы электрически соединены с первым контактным выводом источника напряжения, а внешние электроды второй группы электрически соединены со вторым контактным выводом источника напряжения. Внутренние электроды контактируют, чередуясь, с внешними электродами таким образом, что один внутренний электрод электрически соединен с первым контактным выводом источника напряжения, а следующий по высоте пакета внутренний электрод электрически соединен со вторым контактным выводом источника напряжения. Внутренние электроды контактируют с внешними электродами в циклически повторяющейся по высоте пакета последовательности. Технический результат: снижение склонности к растрескиванию и улучшение возможности по шунтированию трещин в случае их образования. 5 з.п.ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к пьезоэлектрическому приводу, известного, например, из заявки DE 3713697 А1 типа.

Обычно пьезоэлектрические приводы состоят, как схематично показано на фиг. 3 приложенных к настоящему описанию чертежей, из нескольких расположенных одна над другой пластин 2 из пьезоэлектрического материала, так называемых пьезоэлементов, образующих своего рода многослойную структуру по типу пакета или стопки, при этом направление "упаковки" пьезоэлектрических пластин в пакете совпадает с общим направлением поляризации этих пьезопластин. По обеим боковым сторонам стопки, соответственно пьезопакета, расположено по одному внешнему электроду 3 и 4, которые электрически соединены с контактными выводами 12а и 12b источника 11 управляющего напряжения. Между пьезоэлектрическими пластинами 2 размещены соответствующие внутренние электроды 7 и 9 пьезоэлектрического привода 1. Эти внутренние электроды 7 и 9, попеременно чередуясь, электрически контактируют только с одним из внешних электродов 3 и 4, и поэтому каждые из двух смежных, расположенных один над другим внутренних электродов 7 и 9 электрически соединены с различными контактными выводами 12а и 12b источника 11 управляющего напряжения.

В имеющем такую компоновку пьезоэлектрическом приводе каждый пьезоэлемент 2 обеими его поверхностями соединен соответственно с одним электродом 7 и с одним электродом 9, к которым через внешние электроды 3 и 4 прикладывается электрическое напряжение. При приложении напряжения каждый из расположенных один над другим пластинчатых пьезоэлементов 2 в пакете расширяется в направлении возникающего между электродами 7 и 9 электрического поля, направление которого совпадает с направлением поляризации пьезоэлектрических пластин 2. Благодаря большому числу пьезоэлементов 2 в пакете обеспечивается сравнительно большой ход всей конструкции при относительно малой величине управляющего напряжения, называемого также напряжением возбуждения.

Область применения пьезоэлектрических приводов вышеописанного типа достаточно широка, и они используются, например, для управления запорными элементами (обычно иглами) клапанных форсунок для впрыскивания топлива, для управления гидроклапанами, в качестве приводов микронасосов, для управления электрическими реле и т.п. Из уровня техники уже известны такие различные области применения пьезоприводов.

Из ЕР 0361480 В1 известна используемая в двигателях внутреннего сгорания форсунка для впрыскивания топлива, служащая для открытия и закрытия которой игла приводится в возвратно-поступательное движение. Приводом для такого возвратно-поступательного движения является пакет пьезоэлектрически возбуждаемых пластин, снабженных плоскими электродами.

Другая клапанная форсунка, используемая в системах впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания, например в дизельных двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива, известна из DE 3533085 А1, при этом открытием и закрытием такой форсунки также управляет игла, которая приводится в возвратно-поступательное движение, соответственно перемещается пьезоэлектрическим исполнительным органом. Последний и в этом случае состоит из определенного числа пластинчатых пьезоэлементов и при приложении электрического напряжения может в течение очень короткого промежутка времени удлиняться, соответственно укорачиваться, в осевом направлении.

Кроме того, в DE 3800203 С2 описана клапанная форсунка для впрыскивания топлива с пьезокерамическим исполнительным органом, который образован набранными в пакет пьезокерамическими пластинами, напряжение к каждой из которых подводится по отдельности. Отличительная особенность пьезоэлектрического привода, используемого в такой клапанной форсунке, заключается прежде всего в том, что пакет состоит из набранных попарно пьезокерамических пластин противоположной полярности, благодаря чему увеличивается величина хода иглы форсунки.

Еще одна возможная область применения пьезоэлектрических приводов известна из заявки ЕР 0477400 А1, описанная в которой конструкция пьезоэлектрического привода для датчика перемещений должна обеспечивать увеличение величины хода этого привода.

Хотя в приведенных выше в качестве примеров публикациях, которые раскрывают возможные области применения пьезоэлектрических приводов указанного в начале описания типа, устройство и принцип действия этих пьезоэлектрических приводов и не рассмотрены подробно, тем не менее все они по своему устройству и принципу действия по существу соответствуют описанному выше пьезоэлектрическому приводу, показанному на фиг.3.

В обычных пьезоэлектрических приводах обусловленное пьезоэлектрическим эффектом растяжение пьезоэлементов 2 вследствие жесткого соединения пакета этих пьезоэлементов и внутренних электродов 7, 9 с двумя внешними электродами 3, 4 происходит главным образом в центральной зоне, где внутренние электроды 7 и 9 взаимно перекрываются. В краевых же зонах 13, где внутренние электроды 7 и 9 не перекрываются друг с другом, образуется участок с переменной напряженностью электрического поля, в результате чего элементы привода деформируются неравномерно и в них возникают растягивающие напряжения. Указанные растягивающие напряжения в известных приводах часто приводят к образованию трещин. Процесс такого растрескивания более наглядно поясняется на фиг.4А и 4Б. При этом на фиг.4А привод 1 изображен в нейтральном положении, т.е. при отсутствии управляющего напряжения, а на фиг.4Б привод 1 показан в рабочем состоянии, т.е. при приложенном напряжении, под действием которого пьезоэлементы 2 растянуты.

На фиг.4А и 4Б в увеличенном масштабе показан фрагмент IV обычного пьезоэлектрического привода, изображенного на фиг. 3. В граничной зоне между пакетом, состоящим из пьезоэлементов 2 и внутренних электродов 7, 9, и внешними электродами 3, 4 можно выделить два участка 13 и 14. На участке 13 внутренний электрод 7 не доходит до внешнего электрода 4, а керамика, обычно используемая в пьезоэлементе 2, на этом участке находится в спеченном по всему сечению состоянии. На другом участке, т.е. на участке 14, внутренний электрод 9 проходит до внешнего электрода 4, но не контактирует с противоположным внешним электродом 3. Прочность сцепления на втором участке 14, т. е. сила адгезии между пьезоэлементом 2 и внутренним электродом 9, в 3-5 раз меньше прочности сцепления на участке 13 в объеме пьезоэлектрического материала. При приложении управляющего напряжения растяжение в центре привода 1 существенно превышает таковое на участке, граничащим с внешними электродами, как показано на фиг.4Б. Возникающие в результате этого высокие растягивающие напряжения на участках 13 и 14 привода 1 часто приводят к образованию трещин 15 на граничном участке 14 между внутренними электродами 9 и пьезоэлементами 2. В ходе эксплуатации привода 1 эти трещины 15 постепенно распространяются, переходя в конечном итоге во внешний электрод 4, в результате чего контакт внутренних электродов 9 с пьезоэлектриком по крайней мере на отдельных участках существенно ухудшается или даже полностью нарушается, вследствие чего суммарная величина, на которую растягивается привод 1, уменьшается.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать пьезоэлектрический привод, который был бы лишен описанных выше недостатков, присущих известным пьезоэлектрическим приводам.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью пьезоэлектрического привода, имеющего множество размещенных в виде пакета одна над другой пластин из пьезоэлектрического материала, направление поляризации каждой из которых ориентировано перпендикулярно ее плоскости и каждая из которых имеет возможность расширения в направлении приложенного к ней электрического поля, направление которого совпадает с направлением поляризации пластины, источник управляющего напряжения с двумя контактными выводами, две группы по крайней мере по два внешних электрода в каждой, причем внешние электроды первой группы электрически соединены с первым контактным выводом источника напряжения, а внешние электроды второй группы электрически соединены со вторым контактным выводом источника напряжения, и каждый из внешних электродов размещен на разных боковых сторонах пакета пьезоэлектрических пластин, и множество внутренних электродов, каждый из которых расположен между пьезоэлектрическими пластинами и которые контактируют, чередуясь, с внешними электродами таким образом, что один внутренний электрод электрически соединен с первым контактным выводом источника напряжения, а следующий по высоте пакета внутренний электрод электрически соединен со вторым контактным выводом источника напряжения, при этом внутренние электроды контактируют с внешними электродами в циклически повторяющейся по высоте пакета последовательности.

Преимущество предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода заключается в том, что благодаря выполнению этого привода с двумя группами внешних электродов, каждая из которых образована по меньшей мере двумя электродами, участки переходных соединений внутренних электродов с внешними электродами распределяются по большему числу боковых поверхностей привода, благодаря чему эти участки на одной боковой стороне привода можно разнести по высоте пакета на большее расстояние и одновременно обеспечить спекание пьезоэлектрического материала по всему его объему в трех краевых зонах, окружающих каждый из внутренних электродов. Такое решение позволяет ослабить возникающие в приводе растягивающие напряжения и тем самым существенно уменьшить склонность этого привода к растрескиванию в целом и прежде всего в краевых зонах. Другое преимущество изобретения состоит в том, что благодаря применению четырех внешних электродов значительно улучшается отвод тепла от привода.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения внешние электроды двух групп предлагается располагать по периметру пакета с чередованием.

Помимо этого пьезоэлектрическим пластинам предпочтительно придавать квадратную в плане форму.

В качестве пьезоэлектрического материала для изготовления пластин предпочтительно использовать пьезокерамику на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС-керамику).

Переходные соединения между внутренними электродами и различными внешними электродами особенно предпочтительно располагать в циклически повторяющейся по высоте пакета последовательности. Благодаря этому участки переходных соединений распределяются по всей высоте привода не только равномерно, но и на максимальном удалении друг от друга, что при возможном образовании трещин облегчает возможность их шунтирования по внешним электродам. Согласно одному из вариантов выполнения изобретения с целью упомянутого шунтирования трещин на наружных поверхностях внешних электродов предусмотрены гофрированные электроды. При этом шаг между гофрами таких гофрированных электродов в четыре раза превышает расстояние между двумя расположенными последовательно в пакете внутренними электродами, а места контакта гофрированных электродов с внешними электродами в каждом случае находятся между участками переходных соединений внутренних электродов с соответствующими внешними электродами. В обычных пьезоэлектрических приводах шаг между гофрами был бы вдвое меньше указанного и, как следствие этого, существовала бы опасность спайки гофрированных электродов по всей их поверхности с внешними электродами.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано: на фиг.1 - предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод в сечении плоскостью 1-1 по фиг.2А, на фиг. 2А-2Г - вид сверху показанного на фиг.1 привода в сечении плоскостью II-II по фиг.1, соответственно плоскостями, проходящими через расположенные на различных уровнях внутренние электроды и параллельными плоскости II-II, на фиг.3 - известный пьезоэлектрический привод в разрезе, на фиг. 4А и 4Б - увеличенное изображение фрагмента IV пьезоэлектрического привода по фиг.3, поясняющее процесс образования трещин в обычных пьезоэлектрических приводах.

На фиг.1 и 2 в качестве примера показан предпочтительный вариант выполнения предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода 1. При этом на фиг. 1 привод 1 изображен в сечении плоскостью I-I по фиг.2А, а на фиг.2А-2Г показано расположение внутренних электродов 7, 8, 9 и 10 в сечении плоскостью II-II по фиг.1, соответственно в параллельных ей плоскостях.

Как и обычные пьезоэлектрические приводы, предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод 1 состоит из множества выполненных из пьезоэлектрического материала пластин 2, направление поляризации которых по существу перпендикулярно их плоскости и которые слоями расположены одна над другой в направлении их общей поляризации, образуя так называемый пьезопакет (пьезостопку). В качестве пьезоэлектрического материала для пьезоэлемента 2 можно использовать, например, кварц, турмалин, титанат бария (BaTiO₃) или специальные типы пьезокерамики, предпочтительно керамику на основе цирконата-титаната свинца, т.е. так называемую ЦТС-керамику (PbZrO₃-PbTiO₃). Пригодны также органические соли, например NaK-тартрат, и большое число других известных пьезоэлектрических материалов.

Между отдельными пьезоэлектрическими пластинами 2 расположено соответственно по внутреннему электроду 7, 8, 9, 10. На боковых поверхностях 16, 17, 18, 19 пьезопакета предусмотрены проходящие по всей его высоте внешние электроды 3, 4, 5, 6, которые могут быть выполнены, например, в виде нанесенного на боковую поверхность слоя припоя. Каждый внутренний электрод 7, 8, 9, 10 контактирует только с одним из соответствующих внешних электродов 3, 4, 5, 6, т.е. каждый из внутренних электродов 7-10 проходит внутри пьезопакета только до одной из его боковых поверхностей 16, 17, 18 или 19, не доходя до остальных трех боковых поверхностей 16-19, соответственно остальных трех внешних электродов 3-6, как это показано на фиг.2А-2Г для внутренних электродов 7-10, расположенных последовательно один над другим по высоте пакета. На участках 13, где внутренние электроды не имеют сквозных соединений с внешними электродами, пьезокерамика пьезоэлектрических пластин 2 спечена по всему сечению.

Для достижения необходимого эффекта при работе пьезоэлектрического привода 1 внутренние и внешние электроды соединены по следующей схеме. Внешние электроды 3-6 разделены на две группы 3+5 и 4+6, каждая из которых может электрически соединяться с одним из соответствующих контактных выводов 12а и 12Ь источника 11 управляющего напряжения, соответственно напряжения возбуждения. Внутренние электроды 7-10 контактируют с внешними электродами 3-6 таким образом, что каждый из внутренних электродов 7, 9 электрически соединяется с одним из контактных выводов 12а источника 11 напряжения, а соответственно следующие по высоте пакета внутренние электроды 8, 10 соединяются с другим контактным выводом 12b. Благодаря соединению по такой схеме каждая пьезоэлектрическая пластина 2, образующая пластинчатый пьезоэлемент, обеими ее плоскостями контактирует с электродами 7, 9, соответственно 8, 10, электрическое напряжение к которым в свою очередь может быть приложено от источника 11 через внешние электроды 3, 5 и 4, 6. Как и в обычных пьезоэлектрических приводах, при приложении напряжения каждая из расположенных друг над другом в пакете пьезоэлектрических пластин 2 расширяется в направлении возникающего между электродами 7, 9 и 8, 10 электрического поля, направление которого совпадает с направлением поляризации этих пьезоэлектрических пластин 2. Благодаря большому числу пьезоэлементов (пьезоэлектрических пластин 2) в пакете достигается сравнительно большая величина хода всей конструкции, при этом из-за жесткого соединения пакетированных пьезоэлектрических пластин 2 с внешними электродами 3-6 поступательное движение может осуществляться только в средней зоне между этими внешними электродами 3-6.

Следует также отметить, что применение четырех внешних электродов 3-6 вместо обычно используемых двух внешних электродов 3-4 позволяет улучшить отвод тепла от привода 1. Менее эффективный теплоотвод у известных пьезоприводов связан с тем, что пьезокерамика обладает меньшей теплопроводностью по сравнению с металлами.

С целью снизить согласно изобретению склонность пьезоэлектрического привода 1 к растрескиванию, что подробно пояснялось выше со ссылкой на фиг.4А и 4Б, контактирование внутренних электродов 7-10 с внешними электродами 3-6 осуществляется, кроме того, с соблюдением следующих условий. Каждый из внутренних электродов 7 контактирует с внешним электродом 3, а следующие в пакете внутренние электроды 8, 9 и 10 контактируют с другими внешними электродами 4, 5, соответственно 6, при этом одновременно, как указано выше, каждый из внутренних электродов 7, 9 электрически должен быть соединен с контактным выводом 12а источника 11 напряжения, а каждый из следующих по высоте пакета внутренних электродов 8, 10 должен быть соединен с контактным выводом 12b источника 11 напряжения, чтобы возникающее при приложении напряжения электрическое поле могло создать в пьезоэлементах (пьезоэлектрических пластинах 2) пьезоэффект.

Для варианта выполнения, показанного на фиг.1 и 2А-2Г, сказанное, в частности, означает, что первый внутренний электрод 7 контактирует с первым, расположенным на первой боковой поверхности 16 пьезопакета внешним электродом 3, который в свою очередь электрически соединен с первым контактным выводом 12а источника 11 напряжения (фиг.2А), следующий по высоте пакета внутренний электрод 8 контактирует со вторым, расположенным на второй боковой поверхности 17 пьезопакета внешним электродом 4, который в свою очередь электрически соединен со вторым контактным выводом 12b источника 11 напряжения (фиг.2Б), следующий по высоте пакета внутренний электрод 9 контактирует с третьим, расположенным на третьей боковой поверхности 18 пьезопакета внешним электродом 5, который в свою очередь электрически соединен с первым контактным выводом 12а источника 11 напряжения (фиг.2В), и, наконец, следующий внутренний электрод 10 контактирует с четвертым, расположенным на четвертой боковой поверхности 19 пьезопакета внешним электродом 6, который в свою очередь электрически соединен со вторым контактным выводом 12b источника 11 напряжения (фиг.2Г). Такая последовательность расположения внутренних электродов 7-10 повторяется периодически по всей высоте пьезопакета, благодаря чему по высоте последнего обеспечивается равномерное распределение участков 14 переходных соединений между внутренними и внешними электродами.

Последовательность соединений в пределах одного циклически повторяющегося периода расположения внутренних электродов в принципе может быть выбрана любой в рамках вышеуказанной общей концепции. Более того, внешние электроды 3, 5 и 4, 6 каждой группы также необязательно должны располагаться на соответствующих противоположных боковых сторонах 16+18 и 17+19 пьезопакета. Однако по соображениям симметрии и связанного с этим равномерного распределения электрических полей и растягивающих напряжений в пьезоэлектрическом приводе 1 внешние электроды 3-6, условно разделенные на две группы по одинаковым полярностям, предпочтительно располагать по периметру пьезопакета, соответственно по его боковым сторонам 16-19 с чередованием.

Далее в вышеописанном варианте пьезоэлектрические пластины 2 имеют в плане практически квадратную форму. Однако изобретение не ограничивается только такой формой пьезоэлектрических пластин 2, которые могут быть выполнены и прямоугольными, многоугольными или круглыми. Число внешних электродов 3-6, а также электрическое соединение внешних электродов 3-6 с внутренними электродами 7-10 аналогичны в этих случаях вышеописанному варианту по фиг.1 и 2.

На фиг. 1 в качестве примера показан также гофрированный электрод 20, расположенный поверх внешнего электрода 3, соответственно припаянный к нему. Соответственно и три остальных внешних электрода 4-6 имеют такой же гофрированный электрод 20.

Каждый из этих гофрированных электродов 20 припаян к внешнему электроду 3 на тех участках, которые расположены по середине между переходными электрическими соединениями внутренних электродов 7 с соответствующим внешним электродом 3. При описанном выше периодически повторяющемся расположении внутренних электродов 7-10 шаг между гофрами гофрированных электродов 20 в четыре раза превышает расстояние между двумя соседними внутренними электродами. В случае возможного образования в приводе трещин 15, которые показаны на фиг.4Б, трещина, образовавшаяся в одном из внешних электродов 3-6, шунтируется гофрированным электродом 20, что обеспечивает надежный контакт со всеми внутренними электродами 7-10. Для изготовления гофрированных электродов используется лист из токопроводящего материала, предпочтительно латунный лист толщиной 0,05 мм.

В обычном приводе 1, показанном на фиг.3, шаг между гофрами такого гофрированного электрода 20 только в два раза превышал бы расстояние между двумя соседними внутренними электродами 7, 9. При столь малом шаге между гофрами существует опасность спайки гофрированных электродов 20 по всей их поверхности с внешними электродами 3, 4, что не может гарантировать надежного шунтирования трещин.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический привод (1), имеющий множество размещенных в виде пакета одна над другой пластин (2) из пьезоэлектрического материала, направление поляризации каждой из которых ориентировано перпендикулярно ее плоскости и каждая из которых имеет возможность расширения в направлении приложенного к ней электрического поля, направление которого совпадает с направлением поляризации пластины, источник (11) управляющего напряжения с двумя контактными выводами (12а и 12b), две группы по крайней мере по два внешних электрода (3, 5, 4, 6) в каждой, причем внешние электроды (3, 5) первой группы электрически соединены с первым контактным выводом (12а) источника (11) напряжения, а внешние электроды (4, 6) второй группы электрически соединены со вторым контактным выводом (12b) источника (11) напряжения, и каждый из внешних электродов (3, 4, 5, 6) размещен на разных боковых сторонах (16, 17, 18, 19) пакета пьезоэлектрических пластин (2), множество внутренних электродов (7, 8, 9, 10), каждый из которых расположен между пьезоэлектрическими пластинами (2), которые контактируют, чередуясь, с внешними электродами (3, 4, 5, 6) таким образом, что один внутренний электрод (7, 9) электрически соединен с первым контактным выводом (12а) источника (11) напряжения, а следующий по высоте пакета внутренний электрод (8, 10) электрически соединен со вторым контактным выводом (12b) источника (11) напряжения, при этом внутренние электроды (7-10) контактируют с внешними электродами (3-6) в циклически повторяющейся по высоте пакета последовательности.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что внешние электроды (3, 4, 5, 6) двух групп расположены по периметру пакета с чередованием.

3. Привод по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пьезоэлектрические пластины (2) имеют в плане квадратную форму.

4. Привод по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пьезоэлектрический материал представляет собой пьезокерамику на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС-керамику).

5. Привод по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что на наружной поверхности каждого из внешних электродов (3-6) предусмотрен гофрированный электрод (20).

6. Привод по п.5, отличающийся тем, что шаг между гофрами гофрированных электродов (20) в четыре раза превышает расстояние между двумя расположенными последовательно в пакете внутренними электродами (7-10), а места контакта гофрированных электродов (20) с внешними электродами (3-6) в каждом случае находятся между участками переходных соединений внутренних электродов (7-10) с соответствующими внешними электродами (3-6).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5