[发明专利]用于预加载压电致动器的系统和方法

说明书

技术领域

本发明整体涉及对压电装置进行预加载，更具体地，涉及感测压电元件的与施加在其上的机械力相关的电性能。

背景技术

压电装置具有广泛的应用，显著地是用作致动器和传感器。一般而言，当对压电材料施加电势时，材料经历构型改变。这种现象在压电致动器中发挥作用以能够对与致动器的压电元件连接的部件的位置进行电控制。对于压电致动器来说，一种通常的应用是在燃料喷射器领域，其中，压电致动器用来控制阀的位置。压电致动器相比其他已知的致动器系统具有多种好处。例如，压电致动器能够相对容易地进行精准的控制，并且通常来说比较坚固。在燃料喷射器环境中，要求压电致动器在燃料喷射器的使用寿命期间致动几百万或甚至几十亿次。

压电致动器的不利一面涉及对其中使用的压电元件的相对精确且通常是希望的预加载。换句话说，常常需要特定的机械偏置来使压电元件能够响应于电势可靠且适当地改变其构型。例如特定的晶体或陶瓷材料的压电材料在没有被施加预加载和电势时通常保持在低能量状态。向没有被充分预加载的压电元件施加电势会导致其断裂。相反，当压电元件被过度预加载时，在被施加电势时它们可能不能成功地致动。不合适的预加载也会降低压电元件的使用寿命。迄今，工程师们已经发现很难将压电元件的预加载恰好设定在合适的水平。

从Frank等人的美国专利No.6998761B1中已知一种对压电致动器进行预加载的尝试。在Frank等人描述的策略中，通过组装装置以一确定的力将压电致动器压入中空主体中以拉长该中空主体。该确定的力据称对应于致动器的希望预应力。保持该力的同时，将盖板焊接到中空主体以固定致动器的预应力。尽管可能应用于特定的场合，但Frank等人的方法不可能实现充分精确的预加载来提供最佳的致动器性能和可靠性。据称，由机械化力装置施加的“确定的力”内在地可变。特别地，关于机械化力装置的公差问题以及关于致动器本身的公差问题会造成致动器被不适当地预加应力。

发明内容

在一个方面，一种准备压电致动的装置以便使用的方法包括向用于压电致动的装置的压电致动器的压电元件施加机械力，以及感测由机械力在包括压电元件的电路中感应的电性能的步骤。该方法还包括产生与感测到的电性能对应的信号以及以响应于所述信号的方式在压电元件上设定预加载的步骤。

在另一方面，一种用于预加载压电致动的装置的系统包括能够支撑压电致动的装置的固定装置以及能够在压电致动的装置由固定装置支撑时向压电元件施加机械力的预加载机构，所述压电致动的装置具有其中设置有压电元件的电路。该系统还包括能够感测由机械力在电路中感应的电性能并输出与该电性能对应的信号的传感器，以及与传感器连接并能够至少部分基于信号调节预加载机构，以将压电元件上的预加载设定在目标预加载的控制装置。

在又一方面，一种用于设定或测试压电致动的装置中的预加载的方法包括向压电致动的装置的压电元件施加机械力，感测由机械力在包括压电元件的电路中感应的电性能，以及将感测到的电性能与机械力的大小相关联的步骤。

附图说明

图1是根据一种实施方式的用于预加载压电致动器的系统的示意图；

图2是根据一种实施方式的一种压电致动器子组件的局部侧面剖视图；

图3是包含图2的子组件的压电致动器的局部侧面剖视图；

图4是包含图3的致动器的燃料喷射器的侧面剖视图；

图5是根据另一种实施方式的压电致动器的局部侧面剖视图；和

图6是图1中所示的系统的另一部分的示意图。

具体实施方式

参照图1，其显示了用于预加载其中设有致动器子组件10的压电致动器的系统100。系统100包括具有第一固定部件102和第二固定部件104的固定装置，第一固定部件102和第二固定部件104能够支撑其中的子组件10用于预加载，如这里进一步描述的。应当理解，图1中所示的系统100的结构仅仅是说明性的，在一些方面与所示的系统不同的其他实施方式也落入本发明的范围。同样，图1中所示的子组件10的说明也是示例性的，也可以对其他压电致动的装置及其子部件进行预加载、测试、准备以便使用(prepare for service)等，并不脱离本发明。在所示的实施方式中，子组件10包括压电元件20和弹簧12，压电元件20例如是多个盘的压电堆，压电元件20至少部分地设置在弹簧12内。