KR100612800B1 - 전계에 의한 응력발생을 감소시킬 수 있도록 구성된 압전적층 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압전 특성을 갖는 복수의 압전체와, 상기 압전체 상하의 면 상에 상기 압전체의 가장자리에 닿는 종단부에 반원형상의 일정 공간을 남기도록 각각 구비된 상부전극 및 하부전극과, 상기 상부전극 및 하부전극의 일정 공간에 각각 인접하도록 상기 각각의 압전체 내에 배치되고, 상기 일정 공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선의 형상에 대응하고 일정 폭을 가지는 밴드 형상으로 이루어진 한 쌍의 금속성 부유전극을 포함하는 압전 적층 액추에이터를 제공한다. 부유전극은, 상기 일정 공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선과 상기 부유전극의 상기 폭 방향의 중심선이 동일 수직선 상에 위치하도록 상기 압전체 상에 배치된다.

압전, 액추에이터, 전극, 부유, 밴드, 응력

Description

전계에 의한 응력발생을 감소시킬 수 있도록 구성된 압전 적층 액추에이터{PIEZOELECTRIC MULTILAYER ACTUATOR DESIGNED TO REDUCE A STRESS CAUSED BY ELECTRIC FIELD}

도 1은 종래기술의 압전 적층 액추에이터의 응력 발생의 예를 보여주는 단면도.

도 2는 본 발명의 액추에이터의 분해 사시도.

도 3은 본 발명의 액추에이터의 측단면도.

도 4는 본 발명의 액추에이터를 구성하는 상부전극시트 및 하부전극시트의 평면도.

도 5는 부유전극 시트의 평면도.

도 6은 도 5의 선 C 를 따라 절취한 본 발명의 액추에이터의 일부 단면도.

도 7은 실험데이터를 표시한 표.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 상부전극시트

30: 부유전극시트

40: 하부전극시트

본 발명은 압전 적층 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부유전극을 내부 전극 사이의 압전체에 배치하여 내부 전극 종단의 집중 전계에 의해 인접 압전체에 발생하는 응력을 감소시키도록 구성된 압전 적층 액추에이터에 관한 것이다.

근래, 압전체와 내부전극 또는 외부전극을 형성하는 금속을 적층하여 일체화시킨 압전 적층 액추에이터가 반도체 제조장치인 X-Y 스테이지, 스테퍼(stepper), 잉크젯 프린터의 컬러 잉크 분사제어장치 또는 커먼 레일(common rail) 엔진의 연료분사제어장치 등 산업 전반에 다양한 용도로 사용되고 있다. 이와 같은 압전 적층 액추에이터는 정밀한 위치 제어가 가능하고, 고속의 응답 특성을 보일 뿐만 아니라 큰 발생력을 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.

압전 액추에이터는 전기를 인가하였을 때 기계적 변형을 일으키며 상술한 예와 같은 기계장치에 설치되어 반복적인 기계적 변형동작을 수행하게 된다. 따라서, 내부에 많은 응력이 발생되며, 이와 같은 응력의 발생은 액추에이터의 파단 혹은 균열의 원인이 된다. 압전 액추에이터의 응력발생은 이와 같은 기계적 변형에 의해서 뿐만 아니라 전기 에너지에 의해서도 기인된다.

도 1에는 종래기술에 따른 부분 전극형 압전 적층 액추에이터를 구성하는 단위 압전체 시트가 도시되어 있다.

단위 압전체 시트(10)는 상·하측의 부분 전극형 내부 전극(2)과 그 사이에 배치되는 압전체(1)로 구성된다. 하측의 내부 전극(2)은 부분 전극형 전극으로서 압전체(1)의 좌측단으로부터 연장되어 그 종단부가 압전체(1) 우측단의 임의의 위치까지 연장되어 있다. 이와 같은 부분 전극형 내부 전극(2)의 종단부에는 전극(2)의 다른 부분에 비해 전계가 집중되며 이러한 집중 전계에 의해 압전체(1)에는 도시한 바와 같이 다양한 응력이 발생하게 된다. 격자(5)로 구분되어 있는 다수의 셀에는 순수 인장응력(3), 순수 압축응력(4), 혹은 인장응력과 압축응력이 혼합된 형태의 응력이 나타나는 것을 알 수 있다.

이와 같은 응력 발생은 액추에이터의 균열(Crack)의 원인을 제공하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전극 종단에 집중되는 전계에 의해 전극 종단에 인접한 압전체에서 발생하는 응력을 감소시킬 수 있도록 구성된 압전 적층 액추에이터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적 및 또 다른 목적은, 압전 특성을 갖는 복수의 압전체; 상기 압전체 상하의 면 상에 상기 압전체의 가장자리에 닿는 종단부에 반원형상의 일정 공간을 남기도록 각각 구비된 상부전극 및 하부전극; 그리고 상기 상부전극 및 하부전극의 일정 공간에 각각 인접하도록 상기 각각의 압전체 내에 배치되고, 상기 일정 공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선의 형상에 대응하고 일정 폭을 가지는 밴드 형상으로 이루어진 한 쌍의 금속성 부유전극을 포함하는 압전 적층 액추에이터를 제공하여 달성할 수 있다.

삭제

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 부유전극은, 상기 일정 공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선과 상기 부유전극의 상기 폭 방향의 중심선이 동일 수직선 상에 위치하도록 배치된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 압전 적층 액추에이터(100)는 압전체(14)와 부분 전극형 내부전극(21, 41)이 교번하여 수직으로 배열된 구조체이다.

압전체(14)는 전기를 인가하였을 때 변위를 일으키는 압전 현상을 보이는 부분으로서 예를 들면, PZT계 세라믹 재료 등으로 구성될 수 있다.

액추에이터(100)의 최상측에는 절연체(50)가 위치되고, 절연체(50) 하부에는 상부전극시트(20), 부유전극시트(30), 하부전극시트(40)로 된 세 종류의 단위 시트가 번갈아가며 배치된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상측으로부터 절연체(50), 상부전극시트(20), 부유전극시트(30), 하부전극시트(40), 부유전극시트(30), 상부전극시트(20), 부유전극시트(30), 하부전극시트(40)가 차례로 배치된다.

절연체(50)는 전극(21)이 액추에이터 외부에 노출되지 않도록하여 절연 상태를 유지할 수 있도록 액추에이터(100) 최상측에서 이들을 보호한다. 또한, 액추에이터(100)의 최하측에 위치된 압전체(14)도 상기 절연체(50)와 동일하게 전극(41)을 보호하는 기능을 한다.

상부전극시트(20)는 압전체(14)와, 그 위에 형성된 상부전극(21)을 포함한다. 상부전극(21)은 부분 전극형 내부 전극으로서, 압전체(14) 면의 대부분에 걸쳐 도포되어 있지만, 그 종단, 즉 말단에서는 압전체(14)를 덮고 있지 않다. 상부 전극(21)의 종단과 일정한 공간(24)을 두고 이격되어 절연상태를 유지하고 대략 상부전극(21)과 동일한 두께를 갖는 더미 전극(16)이 또한 압전체(14) 위에 도포된다. 상부전극시트(20)의 양 측면에는 한 쌍의 외부전극(18)이 각각 형성되어 있다.

하부전극시트(40)는 압전체(14)와, 그 위에 형성된 부분 전극형 하부전극(41)과, 하부전극(41)의 종단과 일정한 공간(24)을 두고 이격되어 절연상태를 유지하고 대략 하부전극(41)과 동일한 두께를 갖는 더미 전극(16)을 포함한다. 하부전극시트(40)의 양 측면에는 한 쌍의 외부전극(18)이 각각 형성되어 있다.

상·하부전극(21, 41)이 압전체(14)의 면 전체에 걸쳐 형성되는 것이 아니기 때문에, 적층 시 상술한 전극(21, 41) 위에 배치되는 압전체(14)는 전극(21, 41)이 형성되어 있지 않은 부분 때문에 기울어질 수 있다. 이러한 것을 방지하기 위해 더미 전극(16)이 형성되어 각 전극(21, 41)의 종단에 인접하는 공간을 채우는 스페이서(spacer) 역할을 한다.

상부전극시트(20)와 하부전극시트(40) 사이에 배치되는 부유전극시트(30)는 압전체(14)와 한 쌍의 부유전극(22)을 포함한다. 부유전극(22)은 상부전극(21) 및 하부전극(41)의 종단에 집중되는 전계에 기인하여 압전체(14)에 발생되는 응력을 감소시키는 기능을 한다. 이러한 기능을 위해 부유전극(22)은 상부전극(21) 및 하부전극(41)의 종단에 인접하여 배치된다. 보다 상세한 부유전극(22)의 위치 및 크기에 대해서는 도 5를 참조하여 추후에 설명한다.

도 3에는 본 발명의 압전 적층 액추에이터(100)의 단면도가 도시되어 있다.

액추에이터(100)의 양 측면에는 외부전극(17, 18)이 연장되어 있다. 외부전극(17)은 상층의 상부전극(21)과 그 하측의 상부전극(21)을 서로 연결하여 액추에이터(100) 내의 모든 상부전극(21)을 서로 병렬연결하는 기능을 한다. 외부전극(18)은 각 하부전극(41)을 서로 병렬로 연결하는 기능을 한다. 이러한 방법으로 상부전극(21)을 서로 병렬연결하는 외부전극(17)과 하부전극(41)을 연결하는 외부전극(18)에 직류가 인가됨으로써, 압전체(14)는 두께 방향으로 변위를 일으키게 된다. 이를 위해, 액추에이터(100)의 압전체(14)는 예를 들면 도면에 화살표로 표시한 바와 같은 방향으로 서로 미리 분극된다.

도 4에는 본 발명의 액추에이터를 구성하는 단위 시트(20, 40)의 평면도가 도시되어 있다.

상부전극시트(20)와 하부전극시트(40)는 상·하부전극(21, 41)의 종단이 서로 반대방향으로 형성된 것을 제외하면 동일한 구성을 가지고 있다. 바람직한 실시예에서, 전극(21, 41)의 종단 끝 부분을 의미하는 종단선(21a, 41a)은 반원형상을 그리고 있다. 이와 같은 반원형상은 전계의 집중을 최소화하여 응력 발생을 최소화 하는데 크게 기여한다.

전극(21, 41)의 종단에는 종단의 반원형상부를 따라 밴드 형상의 공간(24)을 두고 더미 전극(16)이 배치되어 있다. 본 발명의 실시예에서, 전극(21, 41)의 종단 형상 및 공간(24)의 형상은 상술한 내용으로 한정되는 것은 아니며, 전극(21, 41)과 더미 전극(16) 사이에 서로 절연상태가 유지되는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 당업자라면 잘 알 수 있을 것이다.

도 5를 참조하면, 부유전극(22)은 일정한 폭(W1+W2)을 갖는 밴드형상으로서 압전체(14)의 좌우 양측에 위치된다. 도시된 부유전극(22)의 중심선(22a)은 외측 절반의 폭(W1)과 내측 절반의 폭(W2)이 서로 동일하게 되는 점을 부유전극(22)의 길이를 따라 연장하여 이루어진 것이다. 한 쌍의 부유전극(22) 중 하나는 상부전극(21)의 종단에 작용하게 되고, 다른 하나의 부유전극(22)은 하부전극(41)의 종단에 작용한다. 이를 위해, 부유전극(22)은 각각 상부전극(21) 및 하부전극(41)에 인접하도록 압전체(14) 상에 배치된다.

실험의 결과, 부유전극(22)의 폭(W1+W2)은 그 길이 전체에 걸쳐 일정한 것이 바람직하다. 부유전극(22)의 재질은 상·하부전극(21, 41)의 재질과 동일한 것이 바람직하지만, 예를 들면, 은(Ag), 은-팔라듐(Ag-Pd) 합금과 같이 금속 혹은 금속합금인 경우 충분히 그 기능을 수행할 수 있다. 또한, 부유전극(22)은 전극(21, 41) 종단부를 형성하는 선(21a, 41a)과 부유전극(22)의 폭 방향의 중심선(22a)이 동일한 수직선상에 오도록 압전체(14) 상에 배치되는 것이 바람직하다.

도 6은 도 5에 도시된 압전체(14)의 중심선(c)을 따라 절취한 단면도로서, 부유전극시트(30)외에 상부전극시트(20)도 함께 도시되어 있다. 도 6에는 압전체(14)의 일단과 부유전극(22)과의 거리(P)와, 부유전극(22)의 폭(W)이 표시되어 있다. 이와 같은 부유전극(22)의 거리(P)와 폭(W)을 변화시키면서 발생하는 응력의 크기를 시뮬레이션에 의해 측정한 결과를 도 7에 도시하였다.

실험에 사용된 압전 적층 액추에이터는 가로 8mm, 세로 4mm, 높이 1.09mm의 크기를 갖는다. 이 압전적층 액추에이터는 두께 100㎛의 압전체 10층과, 10㎛의 두께의 전극 9층으로 구성된 것이다. 여기에서, 더미 전극(16)의 길이는 1.6mm이고, 밴드 형상 공간(24)의 폭은 0.8mm이다.

도 7을 참조하면, 0번 실험은 부유전극(22)이 없는 상태의 액추에이터의 응력 및 변위를 나타내고, 1번 실험에서 8번 실험까지의 데이터는 거리(P)를 1.2mm로 유지한 상태로 부유전극(22)의 폭(W)을 가변시키며 측정한 것이고, 9번 실험부터 14번 실험까지는 거리(P)를 1.6mm로, 15번 실험부터 19번 실험까지는 거리(P)를 2.0mm로 유지한 상태로 폭(W)을 가변시키며 측정한 것이다.

실험을 통해 17번 실험의 부유전극(22)의 이격 거리(P) 2.0mm, 폭(W) 0.8mm에서 응력 및 변위에 있어 가장 바람직한 결과를 얻을 수 있었다. 또한,17번 실험의 결과를 보면 0번 실험에서와 같이 부유전극(22)이 없는 경우에 비해 응력의 크기가 크게 감소되었다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 액추에이터는 당업계에 잘 알려져 있는 동시 소성법 등을 사용하여 제조할 수 있다. 동시 소성법에 따르면, 테입 캐스팅 방법(tape casting method)으로 압전체 슬러리를 그린 시트로 중간 생성한 다음, 그 위에 예를 들면 은과 같은 금속제와 결합제 및 용제를 혼합하여 만든 도체 페이스트를 스크린 프린트 법으로 인쇄하여 전극을 형성한 후 다수의 그린 시트가 적층된 상태로 동시 소성된다.

본 발명의 압전 적층 액추에이터는 전극의 종단에 집중되는 전계에 의해 전 극 종단에 인접한 압전체에 발생하는 응력의 크기를 크게 줄일 수 있다.

Claims (5)

1. 압전 특성을 갖는 복수의 압전체;

   상기 압전체 상하의 면 상에 상기 압전체의 가장자리에 닿는 종단부에 반원형상의 일정 공간을 남기도록 각각 구비된 상부전극 및 하부전극; 그리고

   상기 상부전극 및 하부전극의 일정 공간에 각각 인접하도록 상기 각각의 압전체 내에 배치되고, 상기 일정 공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선의 형상에 대응하고 일정 폭을 가지는 밴드 형상으로 이루어진 한 쌍의 금속성 부유전극

   을 포함하는 압전 적층 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 압전체의 상하의 면 상에서 상기 일정 공간 내에 상기 상부전극 및 하부전극과 이격되고 상기 상부전극 및 하부전극과 동일한 높이로 형성된 더미전극을 더 포함하는 압전 적층 액추에이터.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 부유전극은, 상기 일정공간을 한정하는 상기 상부전극 및 하부전극의 종단부의 선과 상기 부유전극의 상기 폭 방향의 중심선이 동일 수직선 상에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 적층 액추에이터.
5. 제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압전 적층 액추에이터의 최상층 및 최하층에는 절연용 압전체가 위치되는 것을 특징으로 하는 압전 적층 액추에이터.

Images