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    • 专利摘要:
    Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors beschrieben, bei dem hochfrequente Pulsspannungen zur Polarisierung der Aktoren verwendet werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass ein zu polarisierender Aktor in Serie mit einem zweiten piezoelektrischen Aktor zwischen zwei Halteelementen angeordnet ist. Die Halteelemente versorgen den Aktor 1 mit einer gewünschten Vorspannkraft. Durch das Ausgleichselement werden Längenänderungen des Aktors 1 ausgeglichen, so dass auch bei hochfrequenten Pulsspannungen und damit hochfrequenten Längenänderungen die Vorspannkraft in einem gewünschten Wertebereich gehalten wird. Vorzugsweise wird der zweite piezoelektrische Aktor identisch zum ersten Aktor ausgebildet und wird mit dem ersten Aktor polarisiert. Dadurch können bei einem Polarisationsvorgang zwei piezoelektrische Aktoren gleichzeitig polarisiert werden.A method and a device for polarizing a piezoelectric actuator are described in which high-frequency pulse voltages can be used to polarize the actuators. This is achieved in that an actuator to be polarized is arranged in series with a second piezoelectric actuator between two holding elements. The holding elements supply the actuator 1 with a desired biasing force. By the compensation element changes in length of the actuator 1 are compensated, so that even with high-frequency pulse voltages and thus high-frequency changes in length, the biasing force is maintained in a desired range of values. Preferably, the second piezoelectric actuator is formed identical to the first actuator and is polarized with the first actuator. As a result, two piezoelectric actuators can be polarized simultaneously in a polarization process.
    公开号:DE102004009140A1
    申请号:DE200410009140
    申请日:2004-02-25
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Bernd DÖLLGAST；Roland Niefanger；Kord Dr. Witte
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:F02M51-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Polarisierung eines piezoelektrischenAktors gemäß dem Oberbegriffdes Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Polarisieren einespiezoelektrischen Aktors gemäß dem Oberbegriffvon Anspruch 9.TheThe invention relates to a method for polarizing a piezoelectricActuator according to the preambleof claim 1 and an apparatus for polarizing apiezoelectric actuator according to the preambleof claim 9.
    [0002] PiezoelektrischeAktoren werden in den verschiedensten technischen Bereichen eingesetzt,um Stellglieder zu betätigen.Dabei haben die piezoelektrischen Aktoren den wesentlichen Vorteil,dass eine schnelle Betätigungmit hoher Dynamik und mit hoher Kraft möglich ist.piezoelectricActuators are used in a wide range of technical fields,to actuate actuators.The piezoelectric actuators have the significant advantagethat a quick operationwith high dynamics and high power is possible.
    [0003] Einpiezoelektrischer Aktor ist aus einer Vielzahl von piezoelektrischenSchichten aufgebaut. Die einzelnen piezoelektrischen Schichten sindjeweils zwischen zwei Metallelektroden angeordnet. Zur Betätigung despiezoelektrischen Aktors wird an die piezoelektrischen Schichteneine elektrische Spannung angelegt, die zu einer Verlängerungder einzelnen piezoelektrischen Schichten und zu einer Verlängerungdes piezoelektrischen Aktors insgesamt führt. Damit die piezoelektrischeSchicht nach der Herstellung einen piezoelektrischen Effekt aufweist,bei dem sich die Dicke der piezoelektrischen Schicht bei Anlegeneiner elektrischen Spannung verändert,ist es erforderlich, die piezoelektrischen Schichten zuerst zu polarisieren.Onepiezoelectric actuator is made of a variety of piezoelectricLayers built up. The individual piezoelectric layers areeach disposed between two metal electrodes. To operate thepiezoelectric actuator is applied to the piezoelectric layersan electrical voltage applied, resulting in an extensionof the individual piezoelectric layers and to an extensionthe piezoelectric actuator leads in total. So that the piezoelectricLayer has a piezoelectric effect after production,wherein the thickness of the piezoelectric layer when appliedan electrical voltage changes,it is necessary to polarize the piezoelectric layers first.
    [0004] ZurPolarisierung der piezoelektrischen Schichten wird ein elektrischesPolarisationsfeld, d.h. eine elektrische Spannung angelegt, wodurchsich eine remanente Polarisation und eine geordnete Verteilung derin den piezoelektrischen Schichten ausgerichteten Domänen in derFeldrichtung des Polarisationsfeldes gegenüber dem unpolarisierten Ausgangszustandergibt. Nach der Polarisation der piezoelektrischen Schichten sinddie piezoelektrischen Schichten remanent, d.h. andauernd in derRichtung des angelegten Polarisationsfeldes verlängert. Die remanente Verlängerungder piezoelektrischen Schichten wird an die Spannungsbedingungenim Einsatz des piezoelektrischen Aktors dadurch angepasst, dassdie Polarisation unter einer Druckspannung erfolgt. Dadurch werdenSetzeffekte der piezoelektrischen Schichten, die nach der Polarisationauftreten, reduziert. Ein entsprechendes, gattungsgemäßes Verfahrenist aus der Internationalen Patentanmeldung mit der InternationalenVeröffentlichungsnummerWO 99/31739 bekannt.toPolarization of the piezoelectric layers becomes an electrical onePolarization field, i. applied an electrical voltage, therebya remanent polarization and an ordered distribution ofin the piezoelectric layers aligned domains in theField direction of the polarization field with respect to the unpolarized initial stateresults. After the polarization of the piezoelectric layers arethe piezoelectric layers are remanent, i. ongoing in theExtended direction of the applied polarization field. The remanent extensionthe piezoelectric layers becomes the voltage conditionsadapted in use of the piezoelectric actuator in thatthe polarization takes place under a compressive stress. This will beSet effects of the piezoelectric layers after polarizationoccur, reduced. A corresponding, generic methodis from the international patent application with the Internationalpublication numberWO 99/31739 known.
    [0005] ZurPolarisierung des piezoelektrischen Aktors werden zeitlich veränderlicheSpannungen verwendet, da dadurch eine verbesserte Polarisation erreichtwird. Die Längedes piezoelektrischen Aktors ändertsich währenddes Polarisationsvorganges entsprechend den angelegten Spannungspulsen.Da der piezoelektrische Aktor zur Darstellung der Druckspannungzwischen zwei Halterungen eingespannt ist, wird die von den Halterungenauf dem piezoelektrischen Aktor erzeugte Druckspannung durch die Längenänderungdes piezoelektrischen Aktors verändert.Dadurch wird der Polarisationsvorgang des piezoelektrischen Aktorsnegativ beeinflusst.toPolarization of the piezoelectric actuator are temporally variableVoltages used, as this achieves improved polarizationbecomes. The lengthof the piezoelectric actuator changeswhilethe polarization process according to the applied voltage pulses.Since the piezoelectric actuator for representing the compressive stressclamped between two brackets is the one of the bracketson the piezoelectric actuator generated compressive stress by the change in lengthof the piezoelectric actuator changed.As a result, the polarization process of the piezoelectric actuatornegatively influenced.
    [0006] DieAufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtungzur Polarisierung eines piezoelektrischen Aktors bereitzustellen,mit dem eine Verbesserung des Polarisierungsvorganges möglich ist.TheThe object of the invention is a method and a deviceto provide for the polarization of a piezoelectric actuator,with which an improvement of the polarization process is possible.
    [0007] DieAufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch1 und durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch9 gelöst.TheThe object of the invention is achieved by the method according to claim1 and by the device according to claim9 solved.
    [0008] Weiterevorteilhafte Ausführungsformender Erfindung sind in den abhängigenAnsprüchenangegeben.Furtheradvantageous embodimentsof the invention are in the dependentclaimsspecified.
    [0009] EinVorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorspannkraft während derPolarisation im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dazu ist zwischen demersten piezoelektrischen Aktor und der Vorspannhalterung ein zweiterpiezoelektrischer Aktor angeordnet, der einen Längenausgleich bei der Polarisationdes ersten piezoelektrischen Aktors bewirkt. Dadurch wird sichergestellt,dass die Gesamtlänge derzwei piezoelektrischen Aktoren im Wesentlichen konstant bleibt.Somit kann die Lage der Halteelemente der Vorspannhalterung nacheiner Startphase im Wesentlichen konstant gehalten werden.OneAdvantage of the invention is that the biasing force during thePolarization is kept substantially constant. This is between thefirst piezoelectric actuator and the biasing holder a secondarranged piezoelectric actuator, a length compensation in the polarizationcauses the first piezoelectric actuator. This will ensurethat the total length of thetwo piezoelectric actuators remains substantially constant.Thus, the position of the retaining elements of the pretensioning bracket aftera start phase are kept substantially constant.
    [0010] Derzweite piezoelektrische Aktor wird dabei phasenverschoben zum erstenpiezoelektrischen Aktor mit einer sich ändernden Spannung versorgt,wobei nach einer Startphase, in der die Amplituden der Spannungenerhöhtwerden, die zwei Spannungen in der Weise festgelegt werden, dassdie Summe der Spannungen annäherndkonstant bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Gesamtlänge derzwei piezoelektrischen Aktoren währenddes Polarisierungsvorganges im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurchist es möglich,eine konstante Vorspannkraft bei Beginn des Polarisationsvorgangesan die zwei piezoelektrischen Aktoren durch eine Lagejustierung derHalteelemente der Vorspannhalterung festzulegen, ohne dass es erforderlichist, die Lage der Halteelemente der Vorspannhalterung nach der Startphasewährendder Polarisation des ersten und/oder des zweiten Aktors verändern zumüssen.Of thesecond piezoelectric actuator is thereby out of phase with the firstpiezoelectric actuator supplied with a changing voltage,being after a starting phase, in which the amplitudes of the voltageselevatedThe two tensions are set in the way thatapproximating the sum of the voltagesremains constant. In this way it is achieved that the total length of thetwo piezoelectric actuators duringthe polarization process remains substantially constant. TherebyIs it possible,a constant preload force at the beginning of the polarization processto the two piezoelectric actuators by a positional adjustment ofSet holding elements of the pretensioner holder without it being necessaryis, the location of the holding elements of the pretensioner holder after the startup phasewhilethe polarization of the first and / or the second actuator to changehave to.
    [0011] Aufgrunddes erfindungsgemäßen Verfahrensist es möglich,die Spannungen, die zur Polarisation der piezoelektrischen Aktorenverwendet werden, mit einer hohen Frequenz anzulegen. Da die piezoelektrischenAktoren eine hohe Dynamik bei der Längenänderung aufweisen, ist es möglich, die schnellenLängenänderungendes ersten piezoelektrischen Aktors durch eine entsprechend schnelle Längenänderungdes zweiten piezoelektrischen Aktors auszugleichen. Entsprechendhohe Frequenzen könntenmit einer Lageänderungder Halteelemente nicht erreicht werden, da deren Massenträgheit eine entsprechendedynamische Bewegung nicht zulässt.Due to the method according to the invention, it is possible to use the voltages used for the polarization of the piezoelectric actuators to apply at a high frequency. Since the piezoelectric actuators have high dynamics in the change in length, it is possible to compensate for the rapid changes in length of the first piezoelectric actuator by a correspondingly rapid change in length of the second piezoelectric actuator. Correspondingly high frequencies could not be achieved with a change in position of the holding elements, since their inertia does not allow a corresponding dynamic movement.
    [0012] Vorzugsweisewerden die Spannungen, die an die zwei Aktoren gleichzeitig angelegtwerden, in der Weise festgelegt, dass die Erhöhung bzw. Erniedrigung derSpannung an den Elektroden des ersten Aktors gleich der Erniedrigungbzw. der Erhöhung derSpannung an den Elektroden des zweiten Aktors ist. Auf diese Weisewird die auf die piezoelektrischen Schichten der zwei Aktoren wirkendenSpannungsänderungengleich groß gewählt.Preferablyare the voltages applied to the two actuators simultaneouslybe determined in such a way that the increase or decrease of theVoltage at the electrodes of the first actuator equal to the reductionor the increase in theVoltage at the electrodes of the second actuator is. In this waybecomes the acting on the piezoelectric layers of the two actuatorsvoltage changesthe same size.
    [0013] Ineiner weiteren Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Verfahrenswird die Längenänderungdes ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Aktors während einerStartphase durch eine Lageänderungder Halteelemente der Vorspannhalterung während des Polarisierungsvorgangesausgeglichen. Auch auf diese Weise wird die Druckspannung, die aufdie piezoelektrischen Aktoren während desPolarisationsvorganges einwirkt, trotz der Längenänderung annähernd konstant gehalten.Ina further embodimentthe method according to the inventionbecomes the length changethe first and / or the second piezoelectric actuator during aStart phase by a change in positionthe holding elements of the leader holder during the polarization processbalanced. Also in this way, the compressive stress that is onthe piezoelectric actuators during thePolarization process acts, despite the change in length held approximately constant.
    [0014] Dieerfindungsgemäße Vorrichtungweist den Vorteil auf, dass die während eines Polarisationsvorgangeseines ersten piezo elektrischen Aktors auftretenden hoch dynamischenLängenänderungen präzise durcheinen zweiten piezoelektrischen Aktor ausgeglichen werden, so dassdie währenddes Polarisationsvorganges auf den ersten und/oder den zweiten piezoelektrischenAktor einwirkende Vorspannkraft im Wesentlichen konstant gehaltenwird. Dazu weist die Vorrichtung ein Steuergerät auf, das die Polarisationdes ersten und des zweiten Aktors in der Weise durchführt, dassdie durch die Polarisation im ersten Aktor erzeugte Längenänderungdurch die durch die Polarisation im zweiten Aktor erzeugte Längenänderungausgeglichen wird.Theinventive devicehas the advantage that during a polarization processa first piezoelectric actuator occurring highly dynamicLength changes preciselya second piezoelectric actuator are compensated, so thatthe whileof the polarization process on the first and / or the second piezoelectricActuator acting biasing force kept substantially constantbecomes. For this purpose, the device has a control unit which controls the polarizationof the first and the second actuator in such a way thatthe change in length produced by the polarization in the first actuatorby the change in length produced by the polarization in the second actuatoris compensated.
    [0015] Ineiner weiteren bevorzugten Ausführungsformist wenigstens ein Halteelement der Vorspannvorrichtung, das zurHalterung des piezoelektrischen Aktors dient, bewegbar gehaltertund dessen Lage wird von der Steuereinheit in entsprechender Weise geändert, umwährendder Startphase auftretende Längenänderungender piezoelektrischen Aktoren auszugleichen.Ina further preferred embodimentis at least one holding element of the biasing device, theHolder of the piezoelectric actuator is used, movably supportedand its location is changed accordingly by the control unitwhilethe start phase occurring changes in lengthcompensate for the piezoelectric actuators.
    [0016] DieErfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigenTheThe invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it
    [0017] 1 denschematischen Aufbau eines piezoelektrischen Aktors, 1 the schematic structure of a piezoelectric actuator,
    [0018] 2 eineVorrichtung zur Polarisierung eines piezoelektrischen Aktors, 2 a device for polarizing a piezoelectric actuator,
    [0019] 3 Kennlinien eines ersten Polarisationsverfahrens,und 3 Characteristics of a first polarization method, and
    [0020] 4 Kennlinien eines zweiten Polarisationsverfahrens. 4 Characteristics of a second polarization method.
    [0021] 1 zeigtden schematischen Aufbau eines piezoelektrischen ersten Aktors 1,der aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11 besteht. Diepiezoelektrischen Schichten 11 sind in Form eines Schichtstapels übereinanderangeordnet, wobei jeweils eine piezoelektrische Schicht 11 vonzwei flächigen Elektroden 12 begrenztist. Somit ist zwischen zwei piezoelektrischen Schichten 11 jeweilseine Elektrode 12 angeordnet. Der Schichtstapel ist am unterenEnde von einer ersten Abdeckplatte 16 und am oberen Endevon einer zweiten Abdeckplatte 17 begrenzt. Die zwei Abdeckplatten 16, 17 sindzwischen eine hülsenförmige Rohrfeder 18 eingespannt, diein der 1 nur schematisch angedeutet ist. Die Rohrfeder 18 spanntdie erste und die zweite Abdeckplatte 16, 17 inRichtung auf den Schichtstapel von piezoelektrischen Schichten 12 vor.In Abhängigkeitvon der gewünschtenAusführungsformkann auf die Rohrfeder 18 auch verzichtet werden. 1 shows the schematic structure of a piezoelectric first actuator 1 made up of a variety of piezoelectric layers 11 consists. The piezoelectric layers 11 are arranged one above the other in the form of a layer stack, wherein in each case a piezoelectric layer 11 of two flat electrodes 12 is limited. Thus, between two piezoelectric layers 11 one electrode each 12 arranged. The layer stack is at the lower end of a first cover plate 16 and at the top of a second cover plate 17 limited. The two cover plates 16 . 17 are between a sleeve-shaped tube spring 18 clamped in the 1 only schematically indicated. The Bourdon tube 18 Clamps the first and the second cover plate 16 . 17 towards the layer stack of piezoelectric layers 12 in front. Depending on the desired embodiment may be on the Bourdon tube 18 also be waived.
    [0022] DieElektroden 12 sind im Wesentlichen entsprechend der Flächenformder piezoelektrischen Schichten 12 ausgebildet. Die Elektroden 12 sindabwechselnd an einen ersten oder einen zweiten Leiter 14, 15 angeschlossen.Der erste und der zweite Leiter 14, 15 sind angegenüberliegendenEckbereichen des Schichtstapels angeordnet. Damit nicht jede Elektrode 12 mitjedem ersten und zweiten Leiter 14 und 15 kontaktiertist, sind entsprechende Aussparungen 13 vorgesehen, sodass eine Elektrode 12 nur mit einem ersten oder zweitenLeiter 14, 15 elektrisch leitend kontaktiert ist.Die Aussparungen befinden sich angrenzend an den ersten oder denzweiten Leiter 14, 15 im Bereich der Elektroden 12.Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine piezoelektrische Schicht 11 zwischenzwei Elektroden 12 angeordnet ist, die mit dem ersten bzw.dem zweiten Leiter 14, 15 elektrisch leitend verbundensind. Wird nun an den ersten und den zweiten Leiter 14, 15 eineSpannung angelegt, so wird die Spannung an jeweils zwei Elektroden 12 einerpiezoelektrischen Schicht 11 angelegt. Damit stellt derSchichtstapel mit den piezoelektrischen Schichten 11 eineSerienschaltung von einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichtendar. Der Schichtstapel stellt einen monolithisch ausgebildeten Vielschichtpiezoaktordar.The electrodes 12 are substantially according to the surface shape of the piezoelectric layers 12 educated. The electrodes 12 are alternately to a first or a second conductor 14 . 15 connected. The first and the second ladder 14 . 15 are arranged on opposite corner regions of the layer stack. So not every electrode 12 with each first and second conductor 14 and 15 contacted, are corresponding recesses 13 provided so that an electrode 12 only with a first or second conductor 14 . 15 electrically conductive contacted. The recesses are located adjacent to the first or the second conductor 14 . 15 in the area of the electrodes 12 , In this way it is ensured that a piezoelectric layer 11 between two electrodes 12 is arranged, which with the first and the second conductor 14 . 15 are electrically connected. Will now be to the first and the second conductor 14 . 15 When a voltage is applied, the voltage is applied to two electrodes each 12 a piezoelectric layer 11 created. Thus, the layer stack with the piezoelectric layers 11 a series connection of a plurality of piezoelectric layers. The layer stack represents a monolithically formed Vielschichtpiezoaktor.
    [0023] Dererste Aktor 1 kann beispielsweise als Ventilantrieb verwendetwerden und hat eine Betriebsdauer, die 109 Betriebszyklen überschreiten kann.Die Elektroden 12 sind vorzugsweise als Metallelektrodenausgebildet. Der erste und der zweite Leiter 14, 15 werdenzuerst füreine Polarisierung der piezoelektrischen Schichten 12 undanschließend zumBetrieb des Aktors 1 verwendet. Um mit dem ersten AktorArbeitshübevon 5 bis 60 μmerreichen zu können,ist eine Stapelhöhevon 5 bis 40 mm erforderlich, was einer Anzahl von bis zu 1000 piezoelektrischenSchichten 11 entspricht.The first actor 1 can be used, for example, as a valve actuator and has an operating time that can exceed 10 9 operating cycles. The electrodes 12 are preferably formed as metal electrodes. The first and the second ladder 14 . 15 be first for a polarization of the piezoelectric layers 12 and then to operate the actuator 1 used. In order to be able to achieve working strokes of 5 to 60 μm with the first actuator, a stack height of 5 to 40 mm is required, which corresponds to a number of up to 1000 piezoelectric layers 11 equivalent.
    [0024] Nachder Herstellung des Schichtstapels weisen die gesinterten Keramikkörner derpiezoelektrischen Schichten 11 spontane Polarisationsbereichemit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen auf. Die spontanePolarisation ist mit einer Deformation des Kristallgitters verbunden.Auftretende innere Spannungen könnenteilweise nur durch die Ausbildung von Domänen abgebaut werden. Nach der spontanenPolarisation sind die Dipolmomente der einzelnen Domänen so ausgerichtet,dass sie sich aufgrund der statistisch verteilten Polarisationsrichtungenkompensieren.After the formation of the layer stack, the sintered ceramic grains of the piezoelectric layers 11 spontaneous polarization regions with different polarization directions. The spontaneous polarization is associated with a deformation of the crystal lattice. Occurring internal tensions can be partially reduced only by the formation of domains. After spontaneous polarization, the dipole moments of the individual domains are aligned so that they compensate each other due to the statistically distributed polarization directions.
    [0025] Für die Bereitstellungvon nutzfähigenArbeitshübenist es erforderlich, die Polarisationsrichtungen der Dipolmomenteder einzelnen Domänenin einer Richtung auszurichten. Die Ausrichtung der Dipolmomentewird dadurch erreicht, dass ein elektrisches Polarisationsfeld andie piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, wodurcheine Polarisation der Dipolmomente der Domänen parallel zur Längsachsedes ersten Aktors 1 auftritt, da die Elektroden 12 senkrechtzu der Längs achsedes Aktors 1 angeordnet sind. Zudem erfährt der Schichtstapel eineremanente Längenänderungin der Längsachse desStapels. Zur Verbesserung des Polarisationsverfahrens wird der Schichtstapelbestehend aus den piezoelektrischen Schichten 11 untereiner festgelegten Druckspannung dem Polarisationsfeld ausgesetztund polarisiert. Das Polarisationsfeld wird durch das Anlegen einerPolarisationsspannung an den ersten und den zweiten Leiter 14, 15 erzeugt.Wahlweise kann eine Polarisationstemperatur von 20 bis 150°C eingestelltwerden. Typischerweise werden elektrische Polarisationsfelder verwendet,die eine Stärkevon 2 bis 2,5 kV/mm aufweisen. Währendder gesamten Polarisationszeit wird das Polarisationsfeld und dieDruckspannung aufrechterhalten. Für typische Polarisationsvorgänge sindPolarisationszeiten im Bereich von einigen Minuten üblich.For the provision of useful working strokes, it is necessary to align the polarization directions of the dipole moments of the individual domains in one direction. The orientation of the dipole moments is achieved by applying an electric polarization field to the piezoelectric layers 11 is applied, whereby a polarization of the dipole moments of the domains parallel to the longitudinal axis of the first actuator 1 occurs because the electrodes 12 perpendicular to the longitudinal axis of the actuator 1 are arranged. In addition, the layer stack undergoes a remanent change in length in the longitudinal axis of the stack. To improve the polarization process, the layer stack is composed of the piezoelectric layers 11 exposed and polarized under a predetermined compressive stress the polarization field. The polarization field is created by applying a polarization voltage to the first and second conductors 14 . 15 generated. Optionally, a polarization temperature of 20 to 150 ° C can be set. Typically, electric polarization fields having a thickness of 2 to 2.5 kV / mm are used. During the entire polarization time, the polarization field and the compressive stress are maintained. For typical polarization processes, polarization times in the range of a few minutes are common.
    [0026] Versuchehaben gezeigt, dass piezoelektrische Aktoren 1 mit besondersguten Eigenschaften dadurch hergestellt werden können, dass die Polarisationder piezoelektrischen Schichten 11 des piezoelektrischenAktors 1 mit veränderlichenPolarisationsfeldern erzeugt wird. Dabei werden während einesPolarisationsverfahrens mehrere Spannungspulse in Folge in Formvon Kennlinien mit sich änderndenAmplituden angelegt. Währendeines Polarisationsverfahrens wird durch die sich änderndeSpannung ein sich änderndeselektrisches Polarisationsfeld an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. DieAmplitude der Kennlinien der Spannungen kann einen sinusförmigen,einen rechteckförmigenoder auch andere Spannungsverläufemit sich ändernden Amplitudenaufweisen. Bei dieser Vorgehensweise besteht jedoch ein Problemdarin, die auf den Schichtstapel einwirkende Druckspannung in festgelegtenBereichen zu halten. Dies ist deshalb schwierig, da bei dem Polarisationsver fahrender piezoelektrische Aktor entsprechend der sich ändernden Spannungseine Längeverändert.Experiments have shown that piezoelectric actuators 1 With particularly good properties can be produced by the fact that the polarization of the piezoelectric layers 11 of the piezoelectric actuator 1 is generated with variable polarization fields. During a polarization process, several voltage pulses are applied in succession in the form of characteristic curves with changing amplitudes. During a polarization process, the changing voltage causes a changing polarization electric field to be applied to the piezoelectric layers 11 created. The amplitude of the characteristic curves of the voltages may have a sinusoidal, a rectangular or other voltage waveforms with changing amplitudes. However, in this approach, there is a problem in keeping the compressive stress applied to the layer stack within specified ranges. This is difficult because in the polarization process, the piezoelectric actuator changes its length in accordance with the changing voltage.
    [0027] Dieauf den piezoelektrischen Aktor 1 einwirkende Druckspannungsollte in einem festgelegten Bereich liegen, einen gewissen Maximalwertnicht überschreitenund einen gewissen Minimalwert nicht unterschreiten, um die Güte des polarisiertenAktors 1 nicht zu beeinträchtigen. Die Längenänderungdes piezoelektrischen Aktors 1 erfordert es im Stand der Technik,dass der Abstand der Halteelemente, zwischen die der piezoelektrischeAktor 1 beim Polarisierungsvorgang eingespannt ist, variiertwird, damit die auf den piezoelektrischen Aktor 1 einwirkende Druckspannungin dem gewünschtenSpannungsbereich bleibt. Mit zunehmender Frequenz der Spannung,die währenddes Polarisierungsvorganges an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegtwird, ist die Abstandsänderungzwischen den zwei Halteelementen der Spanneinrichtung immer schwierigereinzuhalten. Aufgrund der Massenträgheit der Halteelemente kanneine präziseEinstellung der Vorspannkraft währenddes Polarisationsvorganges bei hohen Frequenzen der Polarisationsspannungennicht mehr eingehalten werden.The on the piezoelectric actuator 1 acting compressive stress should be in a specified range, not exceed a certain maximum value and not fall below a certain minimum value, the quality of the polarized actuator 1 not to interfere. The change in length of the piezoelectric actuator 1 In the prior art, it requires that the distance between the holding elements, between which the piezoelectric actuator 1 is clamped during the polarization process, is varied so that the on the piezoelectric actuator 1 acting compressive stress in the desired voltage range remains. With increasing frequency of the voltage applied during the polarization process to the piezoelectric layers 11 is applied, the distance change between the two holding elements of the clamping device is more difficult to comply. Due to the inertia of the holding elements a precise adjustment of the biasing force during the polarization process at high frequencies of the polarization voltages can no longer be met.
    [0028] DieErfindung schlägtein verbessertes Polarisationsverfahren und eine verbesserte Vorrichtung zurDurchführungdes Polarisationsverfahrens vor, die anhand der 2 näher erläutert werden.In Abhängigkeitvon der gewähltenAusführungwird der erste Aktor 1 vor oder nach dem Einbringen indie Rohrfeder 18 polarisiert.The invention proposes an improved polarization method and an improved apparatus for carrying out the polarization method, which are described with reference to FIGS 2 be explained in more detail. Depending on the chosen design, the first actuator becomes 1 before or after insertion into the Bourdon tube 18 polarized.
    [0029] 2 zeigtin einer schematischen Darstellung eine Vorspannhalterung 4,die zwei Halteelemente 5, 6 aufweist, die denersten und zweiten piezoelektrischen Aktor 1, 2 während desPolarisationsvorganges mit einer einstellbaren Vorspann kraft beaufschlagen.Die Halteelemente 5, 6 stehen über ein Gehäuse 7 miteinanderin Wirkverbindung. In der dargestellten Ausführungsform ist das erste Halteelement 5 festmit dem Gehäuse 7 verbunden.Das zweite Halteelement 6 ist über eine Mechanik 8 bewegbaram Gehäuse 7 gehaltert.Die Mechanik 8 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispielals Motor mit Schneckengetriebe ausgebildet. Durch eine entsprechendeAnsteuerung des Motors 8 kann die Lage des zweiten Halteelementes 6 entlangder Längsrichtungdes Gehäuses 7 verschobenwerden. Damit wird der Abstand L zwischen den zwei Halteelementen 5, 6 verändert. 2 shows a schematic representation of a biasing holder 4 holding two retaining elements 5 . 6 comprising the first and second piezoelectric actuators 1 . 2 act during the polarization process with an adjustable biasing force. The holding elements 5 . 6 stand over a housing 7 in operative connection with each other. In the illustrated embodiment, the first retaining element 5 firmly with the housing 7 connected. The second holding element 6 is about a mechanics 8th movable on the housing 7 supported. The mechanic 8th is in the illustrated embodiment as a motor formed with worm gear. By a corresponding control of the engine 8th can the position of the second holding element 6 along the longitudinal direction of the housing 7 be moved. Thus, the distance L between the two holding elements 5 . 6 changed.
    [0030] DerMotor 8 ist überSteuerleitungen mit einer Steuereinheit 9 verbunden. DieSteuereinheit 9 steht übererste Steuerleitungen 10 mit dem ersten Aktor 1 inVerbindung. Die ersten zwei Steuerleitungen 10 sind anden ersten bzw. den zweiten Leiter 14, 15 desersten Aktors 1 angeschlossen. Der erste Aktor 1 istin der Längsrichtungparallel zum Gehäuse 7 angeordnetund liegt mit der zweiten Abdeckplatte 17 am ersten Halteelement 5 an.In einer bevorzugten Ausführungsformist zwischen dem ersten Halteelement 5 und der zweitenAbdeckplatte 17 des ersten Aktors 1 ein Drucksensor 19 angeordnet.Der Drucksensor 19 ist übereine Signalleitung 20 mit der Steuereinheit 9 verbunden.Der Drucksensor 19 erfasst die Vorspannkraft, die von derVorspannhalterung 4 auf den ersten und zweiten Aktor 1, 2 ausgeübt wird.The motor 8th is via control lines with a control unit 9 connected. The control unit 9 stands over first control lines 10 with the first actor 1 in connection. The first two control lines 10 are to the first and the second conductor 14 . 15 of the first actor 1 connected. The first actor 1 is parallel to the housing in the longitudinal direction 7 arranged and lies with the second cover plate 17 on the first holding element 5 at. In a preferred embodiment, between the first holding element 5 and the second cover plate 17 of the first actor 1 a pressure sensor 19 arranged. The pressure sensor 19 is via a signal line 20 with the control unit 9 connected. The pressure sensor 19 captures the preload force of the preload mount 4 to the first and second actor 1 . 2 is exercised.
    [0031] Indem dargestellten Ausführungsbeispielist der zweite Aktor 2 zwischen dem ersten Aktor 1 und demzweiten Halteelement 6 angeordnet. Der zweite Aktor 2 istvorzugsweise identisch zum ersten Aktor 1 ausgebildet.Vorzugsweise ist eine zweite Länge 12 deszweiten Aktors 2 gleich einer ersten Länge 11 des erstenAktors 1. Der zweite Aktor 2 ist über zwei zweite Steuerleitungen 21 andie Steuereinheit 9 angeschlossen. Eine der zweiten Steuerleitungen 21 ist anden ersten Leiter 14 und die andere zweite Steuerleitung 21 istan den zweiten Leiter 15 angeschlossen.In the illustrated embodiment, the second actuator 2 between the first actor 1 and the second holding element 6 arranged. The second actor 2 is preferably identical to the first actuator 1 educated. Preferably, a second length 12 of the second actor 2 equal to a first length 11 of the first actor 1 , The second actor 2 is over two second control lines 21 to the control unit 9 connected. One of the second control lines 21 is at the first ladder 14 and the other second control line 21 is to the second conductor 15 connected.
    [0032] Für die Durchführung einesPolarisationsvorganges legt die Steuereinheit 9 eine festgelegteVorspannkraft in Längsrichtungan den ersten und den zweiten Aktor 1, 2 dadurchan, dass das zweite Halteelement 6 über den Motor 8 inentsprechender Weise in Richtung auf das erste Halteelement 5 bewegt wird.In Abhängigkeitdavon, ob der Drucksensor 19 vorgesehen ist oder nicht,werden entweder experimentell ermittelte Verfahrwege des zweitenHalteelementes 6 zur Ansteuerung des Motors 8 verwendet oderdie Steuereinheit 9 erfasst während des Verfahrens des zweitenHalteelementes 6 überden Drucksensor 19 die auf den ersten und den zweiten Aktor einwirkendeVorspannkraft und verfährtdas zweite Halteelement 6 so lange, bis die gewünschte Vorspannkraftam ersten und am zweiten Aktor 1, 2 anliegt.To carry out a polarization process sets the control unit 9 a predetermined biasing force in the longitudinal direction of the first and the second actuator 1 . 2 characterized in that the second retaining element 6 over the engine 8th in a corresponding manner in the direction of the first holding element 5 is moved. Depending on whether the pressure sensor 19 is provided or not, either experimentally determined travel paths of the second holding element 6 for controlling the motor 8th used or the control unit 9 detected during the process of the second holding element 6 over the pressure sensor 19 acting on the first and the second actuator biasing force and moves the second holding element 6 until the desired preload force on the first and second actuators 1 . 2 is applied.
    [0033] 3 zeigt schematische Kennlinien eines Polarisationsverfahrensder zwei Aktoren mit einer Startphase. In 3a sinddie Polarisationsspannungen P1, P2 über die Zeit t aufgetragen.In 3b sind die LängenänderungenW1, W2 des ersten und des zweiten Aktors 1, 2 über derZeit t aufgetragen. In 3c ist die Summe der Längenänderungendes ersten und des zweiten Aktors 1, 2 über derZeit t aufgetragen. Die Startphase erstreckt sich vom nullten Zeitpunktt0 bis zum Anfangszeitpunkt TA der zweiten Phase. 3 shows schematic characteristics of a polarization process of the two actuators with a start phase. In 3a the polarization voltages P1, P2 are plotted over the time t. In 3b are the changes in length W1, W2 of the first and the second actuator 1 . 2 applied over time t. In 3c is the sum of the changes in length of the first and the second actuator 1 . 2 applied over time t. The starting phase extends from the zeroth time t0 to the start time TA of the second phase.
    [0034] Ineiner bevorzugten Ausführungsformwird parallel zum Einstellen der Vorspannkraft der erste Aktor 1 während derStartphase mit einer sich änderndenersten Polarisationsspan nung P1 beaufschlagt, deren Amplitude umeinen steigenden ersten Mittelwert schwankt. Zudem wird während derStartphase der zweite Aktor mit einer zweiten sich änderndenPolarisationsspannung beaufschlagt, deren Amplitude um einen steigendenzweiten Mittelwert schwankt. Die erste und die zweite Polarisationsspannungsind in der Weise aufeinander abgestimmt, dass die Summe aus derersten und der zweiten Polarisationsspannung auf einen festgelegtenWert stetig zunimmt. Die erste und die zweite Polarisationsspannungkönnenverschiedene Spannungsverläufe aufweisen.In 3a sind die erste und die zweite Polarisationsspannungin Form von Sinuskurven dargestellt, die um 90° gegeneinander phasenverschobensind.In a preferred embodiment, the first actuator is parallel to setting the biasing force 1 during the starting phase with a changing first polarization voltage P1 voltage applied whose amplitude varies by a rising first average. In addition, during the starting phase, the second actuator is subjected to a second, changing polarization voltage whose amplitude fluctuates around a rising second average value. The first and the second polarization voltage are matched to one another in such a way that the sum of the first and the second polarization voltage steadily increases to a specified value. The first and the second polarization voltage may have different voltage characteristics. In 3a the first and the second polarization voltage are shown in the form of sinusoids, which are phase-shifted by 90 ° from each other.
    [0035] Aufgrundder Zunahme des Mittelwertes der ersten Polarisationsspannung P1währendder Startphase verändertsich entsprechend die erste Länge L1des ersten Aktors 1 um eine erste Längenänderung W1, wie in 3b dargestelltist. Aufgrund der Zunahme des Mittelwertes der zweiten PolarisationsspannungP2 währendder Startphase vergrößert sichentsprechend die zweite LängeL2 des zweiten Aktors 2 um eine zweite LängenänderungW2, wie in 3b dargestellt. Damit nimmtauch folglich die auf den ersten und den zweiten Aktor 1, 2 einwirkende Vorspannkraftunabhängigvon der relativen Lage des ersten und des zweiten Halteelementes 5, 6 zu.Due to the increase in the mean value of the first polarization voltage P1 during the starting phase, the first length L1 of the first actuator changes accordingly 1 by a first change in length W1, as in 3b is shown. Due to the increase in the mean value of the second polarization voltage P2 during the starting phase, the second length L2 of the second actuator increases correspondingly 2 by a second change in length W2, as in 3b shown. Consequently, this also takes on the first and the second actuator 1 . 2 acting biasing force regardless of the relative position of the first and the second holding element 5 . 6 to.
    [0036] AmEnde der Startphase nach dem Anfangszeitpunkt TA der zweiten Phasehaben die erste und die zweite Polarisationsspannung P1, P2 einenmaximalen Mittelwert erreicht, um den die erste und die zweite PolarisationsspannungP1, P2 schwanken. Die erste und die zweite PolarisationsspannungP1, P2 sind nach der Startphase in der Weise ausgebildet, dass dieSumme aus der ersten und der zweiten Polarisationsspannung P1, P2im wesentlichen zeitlich konstant ist. Da die Summe der Polari sationsspannungenim wesentlichen zeitlich konstant ist, ist auch die Summe der Längenänderungen(W1 + W2) des ersten und des zweiten Aktors im wesentlichen zeitlichkonstant, wie in 3c dargestellt ist.At the end of the starting phase after the start time TA of the second phase, the first and the second polarization voltage P1, P2 have reached a maximum mean value by which the first and the second polarization voltage P1, P2 fluctuate. The first and the second polarization voltage P1, P2 are formed after the start-up phase in such a way that the sum of the first and the second polarization voltage P1, P2 is substantially constant in time. Since the sum of the polarity voltages is essentially constant over time, the sum of the changes in length (W1 + W2) of the first and second actuators is also substantially constant in time, as in FIG 3c is shown.
    [0037] DiegewünschteVorspannkraft wird von der Steuereinheit 9 bei Anliegeneiner ersten Polarisationsspannung P1 am ersten Aktor 1 undbei Anliegen einer zweiten Polarisationsspannung P2 am zweiten Aktor 2 durchdie Einstellung des Abstandes der Haltelemente 5, 6 aufeinen gewünschtenWert während derStartphase eingestellt.The desired preload force is provided by the control unit 9 upon application of a first polarization voltage P1 on the first actuator 1 and when a second polarization voltage P2 applied to the second actuator 2 by adjusting the distance of the holding elements 5 . 6 set to a desired value during the starting phase.
    [0038] Dadie Summe der Längenänderungen(W1 + W2) der zwei Aktoren 1, 2 nach der Startphaseim wesentlichen konstant bleibt, ist es trotz der sich um den jeweiligenMittelwert schwankenden ersten und zweiten PolarisationsspannungenP1, P2 nicht erforderlich, die Abstände zwischen dem ersten unddem zweiten Haltelement zu verändern,um eine maximale Vorspannung des ersten und des zweiten Aktors in einemfestgelegten Wertebereich zu halten.Since the sum of the length changes (W1 + W2) of the two actuators 1 . 2 remains substantially constant after the start phase, it is not necessary to change the distances between the first and the second holding element to a maximum bias of the first and the second actuator despite the fluctuating to the respective mean value of the first and second polarization voltages P1, P2 within a defined range of values.
    [0039] Damitkönnendie erste und die zweite Polarisationsspannung hohe Frequenzen aufweisen,mit denen die erste und die zweite Polarisationsspannung um denjeweiligen Mittelwert schwanken, ohne dass eine Nachregelung desAbstandes des ersten und zweiten Halteelementes erforderlich ist.Die dadurch möglichenhohen Frequenzen sind fürdie Polarisation des ersten und/oder des zweiten Aktors vorteilhaft.In order tocanthe first and the second polarization voltage have high frequencies,with which the first and the second polarization voltage around thevary depending on the average value, without a readjustment of theDistance between the first and second holding element is required.The thereby possiblehigh frequencies are forthe polarization of the first and / or the second actuator advantageous.
    [0040] 4 zeigt Kennlinien einer weiteren Ausführungsformdes Verfahrens nach der Startphase in der zweiten Phase nach demAnfangszeitpunkt TA, bei dem als Kurvenverlauf sägezahnartige Verläufe für die ersteund die zweite Polarisationsspannung P1, P2 gewählt werden. In 4a sinddie Verläufe derersten und der zweiten Polarisationsspannung P1, P2 dargestellt,die an den ersten und an den zweiten Aktor 1, 2 angelegtwerden. Nach der Startphase liegen zu dem Anfangszeitpunkt TA dieerste Polarisationsspannung P1 mit einem Maximalwert am ersten Aktor 1 an.Die zweite Polarisationsspannung P2 weist den Wert 0 auf. 4 shows characteristics of a further embodiment of the method after the start phase in the second phase after the start time TA, are selected as the waveform sawtooth waveforms for the first and the second polarization voltage P1, P2. In 4a the curves of the first and the second polarization voltage P1, P2 are shown, which are to the first and the second actuator 1 . 2 be created. After the start phase, the first polarization voltage P1 is at the initial time TA with a maximum value at the first actuator 1 at. The second polarization voltage P2 has the value 0.
    [0041] Dieerste Polarisationsspannung P1, die dem ersten Aktor 1 zugeführt wird,und die zweite Polarisationsspannung P2 sind in der Weise ausgebildet,dass die Summe der ersten und der zweiten Polarisationsspannungim wesentlichen zeitlich konstant bleibt. Dazu sind die Kurvenverläufe identisch, jedochso zeitverschoben, dass die Summe (P1 + P2) aus der ersten und derzweiten Polarisationsspannung im wesentlichen konstant ist.The first polarization voltage P1, which is the first actuator 1 is supplied, and the second polarization voltage P2 are formed in such a manner that the sum of the first and the second polarization voltage remains substantially constant in time. For this purpose, the curves are identical, but so shifted in time, that the sum (P1 + P2) of the first and the second polarization voltage is substantially constant.
    [0042] DieSumme (P1 + P2) der Polarisationsspannungen P1, P2 ist in 4b dargestellt.Als Folge von der konstanten Summe der Polarisationsspannungen istdie GesamtlängeL der Serienanordnung des ersten und des zweiten Aktors 1, 2,die sich aus der ersten Länge 11 undder zweiten Länge 12 des erstenbzw. des zweiten Aktors 1, 2 ergibt, im Wesentlichenauch konstant. Die GesamtlängeL ist in 4c dargestellt. Geringe Schwankungender GesamtlängeL könnenhingenommen werden, so lange die auf den ersten und den zweitenAktor einwirkende Vorspannkraft einen festgelegten Bereich nichtverlässt.The sum (P1 + P2) of the polarization voltages P1, P2 is in 4b shown. As a consequence of the constant sum of the polarization voltages, the total length L of the series arrangement of the first and the second actuator 1 . 2 that are from the first length 11 and the second length 12 of the first and the second actuator 1 . 2 essentially constant. The total length L is in 4c shown. Small variations in the total length L can be tolerated as long as the biasing force acting on the first and second actuators does not leave a predetermined range.
    [0043] ZumAnfangszeitpunkt TA der zweiten Phase weisen der erste und der zweiteAktor 1, 2 eine Anfangslänge auf. Das erste und daszweite Halteelement 5, 6 sind einen durch dieSteuereinheit 9 festgelegten Abstand voneinander beabstandet.Zudem wird überdie Halteelemente 5, 6 eine gewünschte Vorspann kraftFG auf die Aktoren 1, 2 ausgeübt. An dem ersten Aktor 1 liegtzum Anfangszeitpunkt TA eine maximale Polarisierungsspannung Umaxan. An dem zweiten Aktor 2 liegt zum Anfangszeitpunkt TA keinezweite Polarisierungsspannung P2 mit dem Wert 0 Volt an. Die Summeaus der ersten und der zweiten Polarisierungsspannung P1, P2 entspricht zumAnfangszeitpunkt dem maximalen Spannungswert Umax. Der Anfangszeitpunktstellt bereits den ersten Verfahrensschritt nach der Startphasedar. Anschließendwird in einem zweiten Verfahrensschritt die zweite PolarisierungsspannungP2 auf einen höherenWert angehoben. Der höhereund der niedrigere Wert der Polarisationsspannungen P1, P2 hängen vondem gewünschtenPolarisationsvorgang ab.At the initial time TA of the second phase, the first and the second actuator 1 . 2 an initial length. The first and the second retaining element 5 . 6 are one through the control unit 9 spaced apart distance. In addition, via the retaining elements 5 . 6 a desired bias force FG on the actuators 1 . 2 exercised. At the first actor 1 At the beginning time TA, a maximum polarization voltage Umax is applied. At the second actor 2 is at the beginning time TA no second polarization voltage P2 with the value 0 volts on. The sum of the first and the second polarization voltage P1, P2 corresponds to the initial time point the maximum voltage value Umax. The start time already represents the first method step after the start phase. Subsequently, in a second method step, the second polarization voltage P2 is raised to a higher value. The higher and lower values of the polarization voltages P1, P2 depend on the desired polarization process.
    [0044] Indem dargestellten Ausführungsbeispiel wirddie erste Polarisationsspannung P1 linear von dem maximalen SpannungswertUmax bis auf den Wert 0 Volt zum ersten Zeitpunkt T1 gesenkt. Gleichzeitigwird die zweite Polarisationsspannung P2 von dem Wert 0 Volt linearbis zum ersten Zeitpunkt T1 auf den maximalen Spannungswert Umaxerhöht. Während desersten Verfahrensschrittes, d.h. zwischen dem Anfangszeitpunkt TAund dem ersten Zeitpunkt T1 entspricht die Summe der PolarisationsspannungP1 + P2 im Wesentlichen dem maximalen Spannungswert Umax. Je nachAusführungsform kanndie Summe der Polarisationsspannungen aber auch geringfügig schwanken,wie im Diagramm der 4b dargestellt ist.In the illustrated embodiment, the first polarization voltage P1 is linearly reduced from the maximum voltage value Umax to the value 0 volts at the first time T1. At the same time, the second polarization voltage P2 is linearly increased from the value 0 volts until the first time T1 to the maximum voltage value Umax. During the first method step, ie between the start time TA and the first time T1, the sum of the polarization voltage P1 + P2 substantially corresponds to the maximum voltage value Umax. Depending on the embodiment, however, the sum of the polarization voltages can also vary slightly, as in the diagram of FIG 4b is shown.
    [0045] DieGesamtlängeL sollte Idealerweise währenddes ersten Polarisationsschrittes, d.h, zwischen dem AnfangszeitpunktTA und dem ersten Zeitpunkt T1 im Wesentlichen dem Startwert entsprechen.Jedoch könnensowohl aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Ansteuerung als auchdurch Abweichungen der Materialeigenschaften des ersten und deszweiten Aktors 1, 2 ge ringfügige Änderungen oder Schwankungender Gesamtlängewährenddes ersten Polarisationsschrittes auftreten. Die Vorspannkraft F,die in 4d dargestellt ist, sollte während desersten Verfahrensschrittes im Wesentlichen konstant bleiben. Aufgrundvon Ungenauigkeiten bei der Ansteuerung oder unterschiedlichen Materialeigenschaftendes ersten und des zweiten Aktors 1, 2 können auchgeringe Abweichungen von dem Startwert FG der Vorspannkraft auftreten.Ideally, the total length L should ideally correspond to the starting value during the first polarization step, ie between the start time TA and the first time T1. However, both due to inaccuracies in the control and by deviations of the material properties of the first and the second actuator 1 . 2 slight changes or variations in the total length occur during the first polarization step. The preload force F in 4d is shown should remain substantially constant during the first process step. Due to inaccuracies in the control or different material properties of the first and the second actuator 1 . 2 also small deviations from the starting value FG of the prestressing force can occur.
    [0046] Anschließend wirdin einem dritten Verfahrensschritt zwischen dem ersten und dem zweiten ZeitpunktT1, T2 die erste und die zweite Polarisationsspannung P1, P2 konstantgehalten.Subsequently, in a third method step, between the first and the second Time T1, T2, the first and the second polarization voltage P1, P2 kept constant.
    [0047] Anschließend wirdin einem vierten Verfahrensschritt nach dem zweiten Zeitpunkt T2die zweite Polarisationsspannung P2 linear bis zum dritten ZeitpunktT3 auf den Wert 0 Volt abgesenkt. Gleichzeitig wird ausgehend vomzweiten Zeitpunkt T2 die erste Polarisationsspannung P1 ausgehendvon dem Wert 0 Volt bis auf den maximalen Spannungswert Umax zumdritten Zeitpunkt T3 erhöht.Der symmetrische Wechsel der Polarisationsspannungen wird, wie aus 4a ersichtlichist, eine festgelegte Zeitspanne wiederholt. Die festgelegte Zeitspannewird experimentell ermittelt, wobei die Zeitspanne so lange gewählt wird,bis ein gewünschterPolarisationszustand des ersten und/oder des zweiten Aktors 1, 2 erreicht ist.Subsequently, in a fourth method step after the second time T2, the second polarization voltage P2 is linearly lowered to the value 0 volts until the third time T3. At the same time, starting from the second point in time T2, the first polarization voltage P1 is increased from the value 0 volt up to the maximum voltage value Umax at the third time T3. The symmetrical change of the polarization voltages will, as out 4a can be seen repeated a fixed period of time. The fixed period of time is determined experimentally, wherein the time period is selected until a desired polarization state of the first and / or the second actuator 1 . 2 is reached.
    [0048] Jenach Anwendungsfall könnendie Zeitabschnitte, in denen die erste und die zweite PolarisationsspannungP1, P2 konstant gehalten werden, verkleinert oder auch vollständig weggelassenwerden. Zudem könnendie Änderungender ersten und der zweiten Polarisationsspannung P1, P2 anstelleeiner linearen Änderungauch andere zeitliche Änderungsverhaltenwie z.B. abgestufte Änderungenoder exponentielle Änderungenoder Änderungenbeliebiger anderer Art aufweisen.everaccording to use casethe periods of time in which the first and the second polarization voltageP1, P2 are kept constant, reduced or omitted completelybecome. In addition, you canThe changesthe first and the second polarization voltage P1, P2 insteada linear changealso other temporal change behaviorsuch as. graded changesor exponential changesor changeshave any other type.
    [0049] Dawährendder Startphase des Polarisationsvorganges eine Änderung der Gesamtlänge L desersten und des zweiten Aktors 1, 2 auftritt, wirdin einer vorteilhaften Ausführungsformder Abstand des ersten und des zweiten Halteelementes 5, 6 während derStartphase erhöht.Der Abstand steigt somit von einem Anfangswert bis zum Endwert amEnde der Startphase. Somit steigt auch die Gesamtlänge L während derStartphase von einem Startwert bis zu einem Endwert am Ende derStartphase.Since during the start phase of the polarization process, a change in the total length L of the first and the second actuator 1 . 2 occurs, in an advantageous embodiment, the distance of the first and the second holding element 5 . 6 increased during the start phase. The distance thus increases from an initial value to the final value at the end of the starting phase. Thus, the total length L during the starting phase increases from a starting value to a final value at the end of the starting phase.
    [0050] DieVorspannkraft, die auf den ersten und den zweiten Aktor 1, 2 einwirkt,sollte im Wesentlichen in einem festgelegten Wertebereich gehalten werden.Somit sind Schwankungen um den Startwert FG der Vorspannkraft zulässig. AmEnde des Polarisationsvorganges werden beide PolarisationsspannungenP1, P2 auf den Wert 0 gesenkt und die Vorspannkraft wird anschließend ebenfallsauf den Wert 0 reduziert.The preload force acting on the first and second actuators 1 . 2 should be kept substantially within a specified range of values. Thus, variations around the starting value FG of the biasing force are allowed. At the end of the polarization process both polarization voltages P1, P2 are lowered to the value 0 and the preload force is then also reduced to the value 0.
    [0051] DieFrequenz der Polarisationsspannungen, mit denen der erste und derzweite Aktor versorgt werden, hängtvon den verwendeten Aktoren 1, 2 ab und kann imBereich von einigen 100 Hertz liegen.The frequency of the polarization voltages supplied to the first and second actuators depends on the actuators used 1 . 2 and can be in the range of a few hundred hertz.
    [0052] DieErfindung wurde an einem Beispiel erläutert, bei dem in Serie zumersten Aktor 1 ein zweiter Aktor 2 angeordnetist, der im Wesentlichen identisch zum ersten Aktor 1 ausgebildetist. Dies bietet den Vorteil, dass der erste und der zweite Aktor 1, 2 im Wesentlichendas gleiche Längenänderungsverhaltenin Abhängigkeitvon der angelegten Polarisationsspannung aufweist. Damit sind sowohldie zeitliche Änderungder Längeals auch die bei maximaler Spannung Umax sich ergebende maxi maleAuslenkung des ersten und des zweiten Aktors identisch. Somit können für die Polarisationdes ersten und des zweiten Aktors im Wesentlichen gleiche Kurvenverläufe für die ersteund die zweite Polarisationsspannung P1, P2 verwendet werden, diejedoch zeitlich gegeneinander verschoben sind. Durch dieses Verfahrenkönnenbei einem Polarisationsvorgang jeweils zwei nicht polarisierte Aktorenverwendet werden, so dass bei einem Polarisationsvorgang zwei Aktorengleichzeitig polarisiert werden.The invention has been explained with reference to an example in which in series with the first actuator 1 a second actor 2 is arranged, which is substantially identical to the first actuator 1 is trained. This offers the advantage that the first and the second actor 1 . 2 has substantially the same change in length behavior as a function of the applied polarization voltage. Thus, both the change over time of the length and at maximum voltage Umax resulting maxi male deflection of the first and the second actuator are identical. Thus, essentially the same curves for the first and the second polarization voltage P1, P2 can be used for the polarization of the first and the second actuator, but they are shifted in time relative to one another. By this method, two non-polarized actuators can be used in a polarization process, so that in a polarization process, two actuators are polarized simultaneously.
    [0053] Ineiner weiteren Ausführungsformkönnen auchunterschiedliche piezoelektrische Aktoren in Serie geschaltet werden.Dies erfordert jedoch einen höherenAufwand bei der Polarisierung, da unterschiedliche Profile für die Polarisationsspannungen derzwei Aktoren verwendet werden müssen,um die GesamtlängeL, die sich aus der Summe der Längen zweiAktoren zusammensetzt währendder Polarisation im Wesentlichen konstant zu halten. Bei zwei Aktoren,die unterschiedliche piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, sinddie entsprechenden Profile fürdie Polarisationsspannungen auch unterschiedlich ausgebildet. Umauch bei piezoelektrischen Aktoren mit unterschiedlichen piezoelektrischenEigenschaften eine Begrenzung der Vorspannkraft F in dem gewünschtenBereich zu erhalten, kann auch eine Regelung der PolarisationsspannungenP1, P2 überdie Erfassung der Vorspannkraft durch den Drucksensor 19 erfolgen.Dabei überwachtdie Steuereinheit 9 mit dem Drucksensor 19 diean den ersten und den zweiten Aktor anliegende Druckspannung undregelt die Polarisationsspannungen P1, P2 der zwei Aktoren 1, 2 inder Weise, dass die Vorspannkraft F in dem gewünschten Bereich verweilt und trotzdemder erste und der zweite Aktor mit einer gepulsten Polarisationsspannungversorgt werden und eine remanente Polarisierung des ersten unddes zweiten Aktors erreicht wird. Es können jedoch auch experimentellermittelte Kurvenverläufefür diezwei Polarisationsspannungen verwendet werden.In a further embodiment, different piezoelectric actuators can be connected in series. However, this requires a greater effort in the polarization, since different profiles for the polarization voltages of the two actuators must be used to keep the total length L, which is composed of the sum of the lengths of two actuators during polarization substantially constant. With two actuators having different piezoelectric properties, the corresponding profiles for the polarization voltages are also formed differently. In order to obtain a limitation of the biasing force F in the desired range even with piezoelectric actuators with different piezoelectric properties, it is also possible to regulate the polarization voltages P1, P2 via the detection of the biasing force by the pressure sensor 19 respectively. The control unit monitors 9 with the pressure sensor 19 the pressure applied to the first and the second actuator pressure and regulates the polarization voltages P1, P2 of the two actuators 1 . 2 in such a way that the pretensioning force F remains in the desired range and nevertheless the first and the second actuator are supplied with a pulsed polarization voltage and a remanent polarization of the first and the second actuator is achieved. However, experimentally determined curves for the two polarization voltages can also be used.
    [0054] Ineiner weiteren bevorzugten Ausführungsformkann anstelle des zweiten Aktors 2 auch jedes andere Ausgleichselementverwendet werden, mit dem die Längenänderungdes ersten Aktors 1 währenddes Polarisationsvorganges im Wesentlichen ausgeglichen werden kann.Das Ausgleichselement kann beispielsweise aus mehreren piezoelektrischen Aktorenaufgebaut sein, die in entsprechender Weise von der Steuereinheit 9 angesteuertwerden. Es könntejedoch auch ein Ausgleichselement verwendet werden, das im Wesentlichenmit Federkräften funktioniertund als passives Ausgleichselement aufgebaut ist und die Vorspannkraftauf einen maximalen Wert begrenzt.In a further preferred embodiment, instead of the second actuator 2 Also, any other compensation element can be used, with which the change in length of the first actuator 1 can be substantially compensated during the polarization process. The compensating element may for example be constructed from a plurality of piezoelectric actuators, which in a corresponding manner by the control unit 9 be controlled. However, it could also be a compensation element are used, which essentially works with spring forces and as a passive compensation element is built and limits the preload force to a maximum value.
    [0055] 5 zeigteine vorteilhafte Schaltungsanordnung für die Versorgung des erstenund des zweiten piezoelektrischen Aktors 1, 2 mitentsprechenden Polarisationsspannungen. In diesem Ausführungsbeispielsind der erste Leiter 14 des ersten Aktors 1 miteiner ersten Spannung U1 und der zweite Leiter 15 des zweitenAktors 2 mit einer dritten Spannung U3 verbunden. Die ersteSpannung U1 und die dritte Spannung U3 sind jeweils konstant undweisen einen Potenzialunterschied auf. In dem gewählten Ausführungsbeispielsind die erste und die dritte Spannung U1, U3 positiv, wobei dieerste Spannung U1 einen minimalen Spannungswert Umin und die dritteSpannung U3 einen maximalen Spannungswert Umax aufweist. Der zweiteLeiter 15 des ersten Aktors 1 und der erste Leiterdes zweiten Aktors 2 sind elektrisch miteinander verbundenund werden von der Steuereinheit 9 mit einer WechselspannungU2 versorgt, die zwischen dem maximalen Spannungswert Umax und demminimalen Spannungswert Umin hin- und herspringt. Aufgrund der vorteilhaftenSchaltungsanordnung reicht es aus, den ersten und den zweiten Aktormit nur einer Wechselspannung und zwei konstanten, aber unterschiedlichenSpannungen zu versorgen. Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Spannungsversorgungwährend desPolarisationsvorganges möglich. 5 shows an advantageous circuit arrangement for the supply of the first and the second piezoelectric actuator 1 . 2 with corresponding polarization voltages. In this embodiment, the first conductor 14 of the first actor 1 with a first voltage U1 and the second conductor 15 of the second actor 2 connected to a third voltage U3. The first voltage U1 and the third voltage U3 are each constant and have a potential difference. In the selected embodiment, the first and third voltages U1, U3 are positive, the first voltage U1 having a minimum voltage value Umin and the third voltage U3 having a maximum voltage value Umax. The second leader 15 of the first actor 1 and the first conductor of the second actuator 2 are electrically connected and are controlled by the control unit 9 supplied with an AC voltage U2, which jumps between the maximum voltage value Umax and the minimum voltage value Umin. Due to the advantageous circuit arrangement, it is sufficient to supply the first and the second actuator with only one AC voltage and two constant but different voltages. In this way, a simple and inexpensive power supply during the polarization process is possible.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1]
    Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischenersten Aktors (1), insbesondere für den Einsatz in einem Einspritzventil,wobei der erste Aktor (1) aus mehreren piezoelektrischenSchichten (11) besteht, die zwischen zwei Endflächen (16, 17)angeordnet sind, wobei jede Schicht (11) zwischen zwei Elektroden(12) angeordnet ist, wobei an die Elektroden (12)der Schichten (11) Spannungen mit sich ändernden Spannungswerten zurPolarisierung der Schichten (11) angelegt werden, wobeider erste Aktor (1) währendder Polarisierung zwischen zwei Halteelementen (5, 6)angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass einzweiter Aktor (2) in Serie zum ersten Aktor (1)angeordnet ist, dass der zweite Aktor (2) zwei Endflächen (16, 17)aufweist, wobei eine Endfläche (16)des ersten Aktors in Wirkverbindung mit einer Endfläche (17)des zweiten Aktors (2) steht, dass die zwei Aktoren (1, 2) über die äußeren Endflächen (17, 16)mit einer Druckspannung durch die Halteelemente (5, 6)beaufschlagt werden, dass der erste und der zweite Aktor (1, 2)zur Polarisierung mit einer ersten bzw. mit einer zweiten sich änderndenSpannung versorgt werden, dass nach einer Startphase die Spannungen,die an die zwei Aktoren (1, 2) angelegt werden,in der Weise festgelegt sind, dass die Summe der zwei Spannungenzeitlich annäherndkonstant ist, so dass die Gesamtlänge der zwei Aktoren (1, 2)trotz der durch die Spannungen erzeugten Längenänderungen des ersten und des zweitenAktors (1, 2) zeitlich annähernd konstant gehalten wird.Method for polarizing a piezoelectric first actuator ( 1 ), in particular for use in an injection valve, wherein the first actuator ( 1 ) of a plurality of piezoelectric layers ( 11 ) between two end surfaces ( 16 . 17 ), each layer ( 11 ) between two electrodes ( 12 ), wherein to the electrodes ( 12 ) of the layers ( 11 ) Voltages with changing voltage values for the polarization of the layers ( 11 ), whereby the first actor ( 1 ) during polarization between two holding elements ( 5 . 6 ), characterized in that a second actuator ( 2 ) in series with the first actuator ( 1 ), that the second actuator ( 2 ) two end surfaces ( 16 . 17 ), wherein an end face ( 16 ) of the first actuator in operative connection with an end surface ( 17 ) of the second actor ( 2 ) states that the two actuators ( 1 . 2 ) over the outer end surfaces ( 17 . 16 ) with a compressive stress by the holding elements ( 5 . 6 ), that the first and the second actor ( 1 . 2 ) are supplied to the polarization with a first or a second changing voltage, that after a start phase, the voltages applied to the two actuators ( 1 . 2 ) are set in such a way that the sum of the two voltages is approximately constant over time, so that the total length of the two actuators ( 1 . 2 ) despite the changes in length of the first and second actuators ( 1 . 2 ) is kept approximately constant in time.
    [2]
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die erste und die zweite Spannung während der Polarisierung zwischenMinimalwerten und Maximalwerten wechselt.Method according to claim 1, characterized in thatthat the first and the second voltage during the polarization betweenMinimum and maximum values change.
    [3]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass währendder Startphase der Maximalwert der sich ändernden ersten und zweitenSpannung von einem Anfangswert auf einen Endwert erhöht wirdund dass sich nach der Startphase während der Polarisierung desersten und/oder des zweiten Aktors (1, 2) dieAmplitude der ersten und/oder der zweiten Spannung zwischen demEndwert und einem niedrigerem Wert zyklisch ändert.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that during the starting phase of the maximum value of the changing first and second voltage is increased from an initial value to a final value and that after the starting phase during the polarization of the first and / or the second actuator ( 1 . 2 ) cyclically changes the amplitude of the first and / or second voltage between the final value and a lower value.
    [4]
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass als zweiter Aktor (2) ein noch nicht polarisierterAktor verwendet wird und dadurch in einem Polarisationsvorgang zweiAktoren (1, 2) gleichzeitig polarisiert werden.Method according to Claim 1, characterized in that the second actuator ( 2 ) a not yet polarized actuator is used and thereby in a polarization process two actuators ( 1 . 2 ) are polarized simultaneously.
    [5]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die erste und die zweite Spannung die gleiche Frequenz aufweisen, dassdie erste und die zweite Spannung phasenverschoben an den erstenund den zweiten Aktor (1, 2) in der Weise angelegtwerden, dass nach der Startphase die Summe aus der ersten und derzweiten Spannung im wesentlichen konstant bleibt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and the second voltage have the same frequency, that the first and the second voltage phase-shifted to the first and the second actuator ( 1 . 2 ) are applied in such a way that after the start phase, the sum of the first and the second voltage remains substantially constant.
    [6]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass in einer festgelegten Polarisationsrichtung Spannungspulseverwendet werden, dass abwechselnd der erste und der zweite Aktor(1, 2) mit einem Spannungspuls versorgt wird, unddass gleichzeitig die Elektroden des zweiten bzw. des ersten Aktors(1, 2) auf ein einheitliches Potenzial gelegtwerden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that voltage pulses are used in a fixed direction of polarization, that alternately the first and the second actuator ( 1 . 2 ) is supplied with a voltage pulse, and that at the same time the electrodes of the second and the first actuator ( 1 . 2 ) to a unified potential.
    [7]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass die Spannungspulse in der Weise geformt sind, dass die zeitliche Änderungder Spannung an den Elektroden des ersten Aktors (1) gleichder zeitlichen Änderungder Spannung an den Elektroden des zweiten Aktors (2) ist,wobei die Spannung an einem Aktor (1) steigt und gleichzeitigam anderen Aktor (2) sinkt.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the voltage pulses are formed in such a way that the temporal change of the voltage at the electrodes of the first actuator ( 1 ) equal to the change with time of the voltage across the electrodes of the second actuator ( 2 ), wherein the voltage at an actuator ( 1 ) and at the same time at the other actor ( 2 ) sinks.
    [8]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass ein Halteelement (6) gegenüber dem anderen Halteelement(5) bewegbar gelagert ist, dass eine sich während derStartphase des Polarisierungsvorganges einstellende Längenänderungdes ersten und/oder des zweiten Aktors (1, 2)durch eine Verschiebung des bewegbaren Halteelementes (6)ausgeglichen wird.Method according to one of claims 3 to 7, characterized in that a holding element ( 6 ) relative to the other holding element ( 5 ) is movably mounted, that an adjusting itself during the start phase of the polarizing process length Change of the first and / or the second actuator ( 1 . 2 ) by a displacement of the movable holding element ( 6 ) is compensated.
    [9]
    Vorrichtung zum Polarisieren eines piezoelektrischenersten Aktors (1), wobei der piezoelektrische erste Aktor(1) zwischen zwei Halteelemente (5, 6)einer Vorspannhalterung (7) eingespannt ist, wobei der piezoelektrischeerste Aktor (1) überSteuerleitungen (10) mit einer Steuereinheit (9)verbunden ist, wobei überdie Haltelemente (5, 6) eine Vorspannkraft an denersten Aktor (1) anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen dem ersten Aktor (1) und einem Halteelement(5, 6) ein zweiter piezoelektrischer Aktor (2)angeordnet ist, der überzweite Steuerleitungen (21) mit der Steuereinheit (9)verbunden ist, dass die Steuereinheit (9) nach der Startphasewährenddes Polarisierungsvorganges den ersten und den zweiten Aktor (1, 2)in der Weise mit Polarisationsspannungen mit sich änderndenAmplituden versorgt, dass sich die durch die Polarisationsspannun generzeugten Längenänderungender zwei Aktoren (1, 2) im Wesentlichen ausgleichen.Device for polarizing a piezoelectric first actuator ( 1 ), wherein the piezoelectric first actuator ( 1 ) between two retaining elements ( 5 . 6 ) of a pretensioning holder ( 7 ), wherein the piezoelectric first actuator ( 1 ) via control lines ( 10 ) with a control unit ( 9 ), wherein via the retaining elements ( 5 . 6 ) a biasing force to the first actuator ( 1 ) can be applied, characterized in that between the first actuator ( 1 ) and a retaining element ( 5 . 6 ) a second piezoelectric actuator ( 2 ) is arranged, which via second control lines ( 21 ) with the control unit ( 9 ), that the control unit ( 9 ) after the start phase during the polarization process, the first and the second actuator ( 1 . 2 ) are supplied with polarization voltages having varying amplitudes in such a way that the changes in length of the two actuators produced by the polarization voltages ( 1 . 2 ).
    [10]
    Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass ein Drucksensor (19) vorgesehen ist, der die Vorspannkraft(F) erfasst und überSignalleitungen (20) an die Steuereinheit (9)weiterleitet, dass die Steuereinheit (9) die Polarisationsspannungender zwei Aktoren (1, 2) in der Weise festlegt, dasssich die gemessene Vorspannkraft (F), die auf die zwei Aktoren (1, 2)einwirkt, währendder Polarisation in einem vorgebbaren Wertebereich befindet.Apparatus according to claim 9, characterized in that a pressure sensor ( 19 ) is provided, which detects the biasing force (F) and via signal lines ( 20 ) to the control unit ( 9 ) that the control unit ( 9 ) the polarization voltages of the two actuators ( 1 . 2 ) in such a way that the measured preload force (F) acting on the two actuators ( 1 . 2 ) while the polarization is within a predeterminable range of values.
    [11]
    Vorrichtung nach Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet,dass die zwei Halteelemente (5, 6) an einem Gehäuse (7)gehaltert sind, dass ein Halteelement (6) über eineMotorik (8) bewegbar am Gehäuse (7) gehaltertist, dass die Motorik (8) über Steuerleitungen mit derSteuereinheit (9) verbunden ist, und dass die Steuereinheit(9) die Lage des bewegbaren Halteelementes (6)währendder Startphase verändert,um die durch die Erhöhungder Amplituden der ersten und der zweiten Spannung entstehendenLängenänderungendes ersten und/oder des zweiten Aktors (1, 2)auszugleichen.Device according to claims 9, characterized in that the two retaining elements ( 5 . 6 ) on a housing ( 7 ) are held, that a holding element ( 6 ) via a motor system ( 8th ) movable on the housing ( 7 ) is held that the motor skills ( 8th ) via control lines with the control unit ( 9 ) and that the control unit ( 9 ) the position of the movable holding element ( 6 ) during the starting phase, in order to compensate for the changes in length of the first and / or the second actuator caused by the increase in the amplitudes of the first and the second voltage ( 1 . 2 ).
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