KR100686907B1 - 압전식 다층 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 피에조 활성 재료로 이루어진 얇은 절연층(20)의 스택(31)을 포함하는 다층 액추에이터가 제시된다. 이때 스택(31)으로부터 상호적으로 유도되며 삽입된 내부 전극(20, 21)은 스택(31)의 각각의 한 측면에 할당된 외부 전극(23, 24)을 통해 전기적으로 병렬 접속된다. 또한 상기 외부 전극(23, 24) 중 적어도 하나는 도전층(15) 및, 상기 도전층(15)과 여러 지점에서 연결되는 망상 조직(5)을 포함하며, 상기 망상 조직은, 상기 다층 액추에이터의 작동시 스택(31)의 종방향 수축/종방향 팽창에 의해 외부 전극(23, 24)의 영역 내에서 발생하는 힘이 망상 조직(5) 내에서 적어도 실질적으로 보상되도록, 형성되고 상기 도전층(15)과 여러 지점에서 연결된다. 특히 상기 망상 조직(5)은 씨실(10)과 날실(11)을 포함하며, 상기 씨실과 날실은 피에조 활성 재료에 맞게 조정된 내각(16)을 갖는 마름모형 갭 또는 메시(12)를 형성한다.(도 1).

스택, 망상 조직, 씨실, 날실, 교점

Description

압전식 다층 액추에이터{Piezoelectric multilayered actuator}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 피에조 활성 재료로 이루어진 얇은 절연층의 스택을 갖는 다층 액추에이터에 관한 것이다.

예를 들어 커먼 레일 디젤 분사 장치 또는 가솔린 직접 분사 기술에서 사용되는 것과 같은 공지된 압전식 다층 액추에이터는 사용된 내부 전극의 형상에 따라 다층 액추에이터의 비활성 구역의 범위 내에서, 즉 특히 에지 영역 내에서 부분적으로 박리점을 보이며, 이는 최종적으로 외부에 설치된 외부 전극들 내에서 균열을야기할 수 있다. 이러한 균열은 다층 액추에이터의 부품에 대한 전류 공급을 중단시키므로, 피에조 활성 재료를 갖는 개별 절연층 또는 상기와 같은 절연층 그룹은 외부로부터 인가되는 전압으로부터 분리되며, 그로 인해 비활성화 된다.

또한, 본 발명의 출발점인 모놀리식 다층 액추에이터는 예컨대 DE 196 48 545 A1으로부터 공지되어 있으며, 압전 액추에이터 내에서 박리 및 균열 형성의 문제점 또한 이미 논의되고 있다.

이러한 박리 또는 균열 형성을 방지하기 위해 상기의 간행물에서는 압전 액추에이터의 측표면에 베이스 금속층을 제공하고, 상기 베이스 금속층 상에 3차원 구조의 도전성 전극을 배치하는 것이 제안된다. 상기 전극은 접촉점 또는 납땜 이음부를 통해 베이스 금속층과 연결되어 있으며 동시에 몇몇 접촉점들 사이에서 팽창 가능하게 형성되어 있다. 그 외에도 상기 간행물로부터는 상기의 3차원 구조의 전극을, 파형 또는 물고기뼈형 구조를 갖는 와이어 직물 구조 또는 와이어 망상 조직 형태로 형성하는 것도 제안된다.

상기의 제안된 3차원 구조의 전극 설계를 통해서, 다층 액추에이터의 작동 시에 특히 에지 영역 내에 발생하는 팽창력이 외부 전극의 구조에 의해 보상되므로, 납땜 이음부 또는 접촉점들은 가능한 적게 하중을 받게 되고, 분리되지 않게 된다.

본 발명의 목적은 DE 196 48 545 A1에 제안된 해결책에 대한 대안 실시예를 제공하는 것이며, 외부 전극의 특수한 설계를 통해 특히 3차원 구조는 생략될 수 있다. 그 외에도 외부 전극의 구조에 의해 외부 전극 내에서 발생하는 힘, 즉 종방향 수축 또는 종방향 팽창에 의해 그리고 마찬가지로 이로 인한 횡방향 신장 또는 횡방향 압축에 의해 야기되는 힘은 보상되어야 한다.

본 발명에 따른 다층 액추에이터는 선행 기술과 달리 다층 액추에이터의 작동시 외부 전극의 영역 내에서 발생하는 힘, 즉 종방향 힘 뿐 아니라 횡방향 힘이 적어도 실질적으로 보상될 수 있으므로, 작동시 실질적으로 어떠한 힘도 외부 전극들의 망상 조직으로서 형성된 부분에 전달되지 않게 되는 장점을 갖는다. 따라서, 납땜 이음부 또는 접촉점들은 하중을 훨씬 덜 받으며 고장에도 안전하다. 특히 이제 외부 전극들의 부분으로서 형성된 망상 조직이 대부분 액추에이터의 팽창 또는 신장에 동조될 필요가 없다. 이로써 전체적으로 한편으로는 외부 전극들의 박리 및 다층 액추에이터 내의 균열 형성이 방지되며, 다른 한편으로는 형성된 납땜 이음부가 하중을 훨씬 덜 받게 된다.

또한, 본 발명에 따른 다층 액추에이터는, 예측하지 못한 납땜 이음부의 분리 시에도 항상 충분히 많은 도전 경로들이 상기의 분리된 납땜 이음부의 브리지 수단으로서 이용되므로, 비활성 절연층의 발생은 실질적으로 방지될 수 있다는 장점을 갖는다.

외부 전극들은 스크린과 유사한 구조를 갖는 망상 조직을 포함하고 있으므로, 남땜 공정, 즉 한편으로 부착되는 망상 조직과 상기 구조 아래 위치하면서 내부 전극과 직접 접촉하는 도전층과의 여러 지점에서의 남땜 및 다른 한편으로는 외부의 전압 공급원과 연결된 연결 콘택과 부착된 망상 조직과의 여러 지점에서의 납땜은 효과적이면서도 확실하게 실시 및 제어될 수 있다.

최종적으로 망상 조직의 구조에 의해 이제, 납땜시 사용된 융제 또는 남아 있는 융제 잔류물은 간단한 방식으로 세정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항에 언급된 조치들로부터 제시된다.

상기의 망상 조직이 스크린의 형태로 구현되며 동시에 상기 망상 조직 또는 스크린의 씨실과 날실이 서로 밀접하게 위치해 있을 때 바람직할 수 있다. 상기의 경우 다층 액추에이터의 팽창시 씨실 또는 날실의 탄성 변형은 제한된다.

또한 바람직하게는 납땜시에 이용되는 땜납은 단지 부분적으로 씨실과 날실 사이의 교점(납땜 이음부) 내로 유입되며 그리고 그 곳에서 부가적으로 망상 조직의 팽창 또는 탄성 변형을 억제할 수 있다.

특히, 부착된 망상 조직의 씨실과 날실은, 생긴 갭, 즉 메시(mesh)가 적어도 근사적으로 마름모의 형태를 갖도록 서로 짜여지거나 또는 짜 맞추어지는 것이 바람직하다. 이때 상기의 마름모는 바람직하게 상기 마름모의 대각선들 중 하나의 대각선이 스택의 작동시에 발생하는 종방향 수축 또는 종방향 팽창에 대해 평행하게 정렬되도록 방향이 설정된다.

본 발명의 특히 바람직한 다른 실시예에서, 상기 마름모의 내각은 작동시 발생하는 다층 액추에이터의 상대적 길이 변화 또는 상대적인 횡방향 수축을 통해 정해진다. 사전 설정된 값으로 상기 각도를 지정된 방식으로 설정함으로써, 망상 조직 내의 종방향 및 횡방향 힘은 적어도 거의 완전히 무효화될 수 있다. 또한, 마름모의 상기 내각은 다층 액추에이터의 실제적인 상대적 길이 변화와 또는 상대적 횡방향 수축과 무관하게 절연층의 피에조 활성 재료의 압전 계수를 통해 분명하게 결정된다.

이로써 외부 전극의 부품으로서 부착된 망상 조직을, 정해진 내각을 갖는 마름모꼴 메시를 가진 스크린의 형태로 형성함으로써, 상기 망상 조직의 기계적 하중은 거의 완전히 방지될 수 있다. 스크린의 메시를 마름모형으로 형성하고, 다층 액추에이터의 측표면 상에 부착되는 도전층 상에 상기 스크린을 정해진 방식으로 납땜함으로써, 특히 스크린 또는 망상 조직의 와이어 내에서 팽창은 발생하지 않게 된다. 또한, 납땜은 바람직하게 전술된 내각이 종방향 팽창 또는 종방향 수축의 방향에 대해 횡방향으로 정렬되는 방식으로 이루어진다.

부착된 망상 조직은 바람직하게는 납땜 전에 한편으로 신장을 통해 정 마름모꼴이 될 수 있거나 또는 다른 한편으로 이미 정 마름모꼴로 엮어 짜여지거나 제조될 수 있다.

전체적으로 외부 전극의 부분으로서 형성된 망상 조직을 갖는 본 발명에 따른 다층 액추에이터는 제조가 간단하며 고장률이 현저하게 감소되는 장점을 갖는다.

본 발명은 도면에 따라 그리고 하기의 상세한 설명에서 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 마름모형 메시를 포함하는 스크린형 망상 조직을 도시한 도면.

도 2는 도 1의 하나의 섹션의 확대도.

도 3은 외부 전극의 부분인, 도 1에 따른 망상 조직을 갖는 다층 액추에이터를 도시한 도면.

도 3은 우선 피에조 활성, 특히 세라믹 절연층(20)의 스택(31) 형태이며, 상기 절연층들 사이에 삽입된 금속 내부 전극(21, 22)을 포함하는 공지된 다층 액추에이터(30)의 단면을 도시한다. 내부 전극(21, 22)은 스택(31)으로부터 상호적으로 유도되어 나오며, 할당된 외부 전극(23, 24)을 통해서 전기적으로 병렬 접속된다. 내부 전극(21, 22)의 병렬 접속을 위해 스택(31)의 콘택측면 상에는 도전층(15) 형태의 베이스 금속층이 부착, 특히 납땜되어 있으며, 상기 도전층은 2 마이크로미터내지 60 마이크로미터의 표준 두께를 갖는다. 납땜에 대한 대안으로, 상기 도전층(15)을 실크 스크린 프린팅 방법 또는 갈바니 전기적으로 부착할 수도 있다.

또한, 도 3에는 스택(31)의 접촉면 또는 측표면 상에 부착된 도전층(15)을 납땜 이음부(13)를 통해 각각 망상 조직(5)과 연결하는 것이 도시되며, 이는 하기에서 더 자세히 설명된다.

도 3에는 추가로, 다층 압전 액추에이터(30)의 작동시에 종방향으로 길이변화(Δl)가 일어나는 것이 도시된다. 상기의 길이 변화는 외부로부터 인가되는 전압에 따라 종방향 수축 또는 종방향 팽창일 수 있다. 또한 도 3에서 종방향은 y-방향으로 도시된다. y-방향으로의 길이 변화에 의해 필연적으로 x-방향 및 z-방향으로의 횡방향 수축 또는 횡방향 팽창 Δb도 발생하게 된다. 망상 조직(5)의 구조를 제외하고, 공지된 다층 액추에이터(30)에 대한 다른 세부 사항은 DE 196 48 545 A1으로부터 인용할 수 있다. 또한, 상기의 모놀리식 다층 액추에이터는 DE 40 36 287 C2에도 기술되어 있다.

도 1은 적절하게 도전층(15) 상에 곳곳에 납땜되어 있는 도 3에 따른 망상 조직(5)의 구조를 상세하게 설명하고 있다. 이때 상기 망상 조직(5)은 적어도 실질적으로 평행하게 서로 연장되는 씨실(10)과 적어도 실질적으로 평행하게 서로 연장되는 날실(11)로 구성되며, 상기 씨실과 날실은 그 교점(13)에서 서로 연결되며, 특히 서로 납땜된다. 씨실(10)과 날실(11)은 전술한 실시예에서 도전성 실, 특히 금속 와이어로 제조되며, 상기 금속 와이어는 바람직하게 10 마이크로미터 내지 250 마이크로미터의 직경, 특히 50마이크로미터 내지 150마이크로미터의 직경을 가지고 있다.

따라서, 상기 망상 조직(5)은 스크린의 형태를 가지며, 동시에 씨실(10)과 날실(11)의 교점(13)는 서로 연결되어 있다. 또한 망상 조직(5) 내의 씨실(10)과 날실(11)은, 생긴 갭(12), 즉 형성 메시가 적어도 근사적으로 마름모의 형태를 갖도록, 서로 엮어 짜여지거나 짜 맞추어진다. 상기 망상 조직(5)은, 마름모형 갭(12)의 제 1 대각선(26)이 스택(31)의 작동시에 발생하는 종방향 수축 내지 종방향 팽창 방향에 대해 평행하게 정렬되도록, 방향 설정되거나 또는 도전층(15) 상에 부착된다. 이로써 상기의 제 1 대각선(26)은 y-방향에 평행하게 방향 설정되는 한편, 마름모형 갭(12)의 제 2 대각선은 x-방향 또는 z-방향에 대해 평행하게 방향 설정된다.

갭(12)의 메시 폭, 다시 말해 씨실(10)의 상호 간격 또는 날실(11) 상호 간 간격은 전형적으로 30 마이크로미터 내지 400 마이크로미터, 특히 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터이다.

또한, 상기 망상 조직(5)은 바람직하게는 씨실(10)과 날실(11)의 모든 교점(13)에서 도전층(15)과 납땜되어 있다.

압전 액추에이터(30)의 종방향 수축 또는 종방향 팽창 시에 망상 조직(5)이 가능한 한 하중을 받지 않음으로써, 납땜 이음부 또는 교점(13) 상에 가능한 한 어떠한 힘도 작용하지 않도록 보장하기 위해, 마름모형 갭(12)은 바람직하게 갭(12)의 내각을 고려하여 제한된다. 이러한 점은 도 2에 의해 더 상세하게 설명된다.

도 2는 교점(13)의 영역 내의 도 1의 한 섹션을 상세하게 도시하고 있으며, 마름모형 갭(12)의 오직 한 부분만이 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 상기 마름모형 갭(12)의 제 1 마름모 대각선(25)과 제 2 마름모 대각선(26)이 도시되어 있다. 제 2 마름모 대각선(26)은 도 1 또는 도 3에 따른 y-방향에 대해 평행하게 방향 설정된다. 또한, 도 2에는 날실(11)과 씨실(10)이 다음에서 2φ로 도시되는 제 1 내각(16)을 포함하고 있음이 도시된다. 제 1 내각(16)은 도 2에 따른 전술한 실시예에서 제 2 마름모 대각선(25), 즉 x-방향에 대해 평행하게 연장되는 마름모 대각선에 의해 분할되는 마름모꼴 갭(12)의 내각이다.

제 1 내각(16;2φ)은, 상기 내각이 한편으로는 종방향 팽창 방향에 대해 횡방향으로 방향 설정되며, 다른 한편으로는 씨실(10) 및 날실(11) 내에서 적어도 거의 팽창이 발생하지 않도록 횡방향 팽창/횡방향 수축 및 종방향 팽창/종방향 수축에 매칭되는 방식으로, 설계되며, 즉 씨실(10)과 날실(11)이 서로 엮어 짜여지고 또는 짜여진 후에 신장된다.

이러한 관점에서, 통상의 압전 액추에이터(30)에서 스택(31)의 상대적 길이 변화, 즉 Δl/l이 0.1%에서 0.15% 사이인 것이 중요하며, 이때 l은 스택(31)의 높이를 나타낸다. 상응하게, 유도된 길이 변화 Δl에 의해 야기되는 스택(31)의 횡방향 수축 또는 횡방향 팽창 Δb/b은 상기 스택(31)의 상대적 길이 변화의 대략 절반 정도가 된다. 이때 값 b은 압전 액추에이터(30)의 한 측표면의 측면 길이이다. 전술한 실시예에서 스택(31)은 종방향 평면도에서 정사각형 베이스면을 갖는다. 그러나 마찬가지로 직사각형, 육각형 또는 팔각형의 베이스면을 갖는 스택(31)을 형성할 수도 있다.

이로써 길이가 l인 정사각형 압전 액추에이터(30)는 예를 들어 전계 E를 절연층(20)에 인가할 시에 Δl 만큼 전계 방향으로 팽창되는 한편, 상기 액추에이터는 동시에 상기 전계 방향에 대해 직각 방향으로 수축된다. 폭 b은 Δb만큼 감소한다. ε= Δl/l과 δ= Δb/b의 비율은 종방향 팽창 내지 종방향 수축으로서 표시된다.

납땜된 마름모형 망상 조직(5)의 경우 마름모의 측면 길이가 일정하게 유지되어야 한다는 요구로부터, 다시 말해 마름모형 갭(12)이 탄성 변형이나 성형 변형을 거치지 않아야 한다는 요구로부터, 제 1 내각(16)에 대해 하기식이 구해진다:

모든 경우에 있어서 상대적 길이 변화 Δl/l 내지 상대적 횡방향 수축 Δb/b은 항상 현저히 작은 l이기 때문에, 상기 공식은 실제에 관련하는 모든 경우에 있어서 하기식에 근사(近似)해진다:

또한 δ = d₃₁ㆍE 및 ε = d₃₃ㆍE가 적용되기 때문에 각도(Φ)에 대해 최종적으로 하기식이 구해진다:

전술한 공식으로부터 특히, 제 1 내각(16;2Φ)은 인가된 전계 강도 E에 종속되는 것이 아니라, 단지 예컨대 피에조 활성 세라믹 물질로 구성되는 절연층(20) 재료의, 개별 방향에 할당된 압전 계수 d₃₁과 d₃₃에만 종속된다.

Claims (11)

1. 피에조 활성 재료로 구성된 얇은 절연층(20)의 스택(31)을 갖는 다층 액추에이터로서, 상기 스택(31)은 상기 절연층들 사이에 놓인, 상기 스택(31)으로부터 교대로 연장된 내부 전극(21, 22)을 구비하고, 상기 내부 전극은 상기 스택(31)의 각각의 측면에 할당된 외부 전극(23, 24)을 통해 전기적으로 병렬 접속되며, 상기 외부 전극(23, 24) 중 적어도 하나는 도전층(15) 및, 상기 도전층(15)과 여러 지점에서 연결되는 망상 조직(5)을 포함하는 다층 액추에이터에 있어서,

   상기 망상 조직(5)은, 상기 다층 액추에이터의 작동시 상기 스택(31)의 종방향 수축 또는 종방향 팽창에 의해 상기 외부 전극(23, 24)의 영역 내에서 발생하는 힘이 상기 망상 조직(5) 내에서 적어도 실질적으로 보상되도록 형성되고 상기 망상 조직(5)과 여러 지점에서 연결되는 것을 특징으로 하는 다층 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 망상 조직(5)은 각각 적어도 실질적으로 서로 평행하게 연장되는 씨실(10)과 각각 적어도 실질적으로 서로 평행하게 연장되는 날실(11)을 포함하며, 상기 씨실과 날실은 그 교점(13)에서 서로 연결, 특히 납땜되는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 씨실(10)과 상기 날실(11)은, 생긴 갭(메시)(12)이 적어도 근사적으로 마름모 형태를 갖도록, 서로 엮어 짜여져 있거나 짜 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 망상 조직(5)은 상기 씨실(10)과 상기 날실(11)의 상기 교점(13)에서 상기 도전층(15)과 연결, 특히 납땜되는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 씨실(10)과 상기 날실(11)은 상기 마름모형 갭(12)의 제 1 대각선(26)이 상기 스택(31)의 작동시 발생하는 종방향 수축 또는 종방향 팽창에 대해 평행하게 정렬되도록, 서로 엮어 짜여 지거나 짜 맞추어지며 상기 망상 조직(5)은 상기 마름모형 갭(12)의 제 1 대각선(26)이 상기 스택(31)의 작동시 발생하는 종방향 수축 또는 종방향 팽창에 대해 평행하게 정렬되도록, 여러 지점에서 상기 도전층(15)과 연결되는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마름모형 갭(12)의 제 1 내각(16)으로서 2Φ인 각이 주어지며, 상기 각에 대해 적어도 근사적으로 하기 식이 적용되도록, 상기 망상 조직(5)의 상기 씨실(10) 및 상기 날실(11)이 서로 엮어지거나 짜여지고,

   

   상기 식에서, Δl/l은 종방향 수축 또는 종방향 팽창시 길이 l의 스택(31)의 상대적 길이 변화이며, Δb/b는 길이 변화 Δl로 인해 측면폭이 b인 상기 스택(31)의 상대적 횡방향 수축 또는 횡방향 팽창을 나타내는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마름모형 갭(12)의 제 1 내각(16)으로서 2φ인 각이 제공되며, 상기의 각에 대해 적어도 근사적으로 하기식이 적용되도록, 상기 망상 조직(5)의 상기 씨실(10) 및 상기 날실(11)이 서로 엮어지거나 짜여지고,

   

   상기 식에서, d₃₁과 d₃₃은 길이 변화 Δl 또는 그로 인해 유도된 횡방향 수축Δb에 상응하는 절연층(20)의 피에조 활성 재료의 압전 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기의 망상 조직(5)은 상기 도전성 실(10, 11), 특히 금속 와이어로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전층(15)은 특히 2㎛ 내지 60㎛의 두께를 가진 금속성 납땜 층, 프린트 층 또는 전기 도금 층인 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택(31)은 종방향으로의 평면도로 볼 때, 직사각형, 정사각형, 육각형 또는 팔각형의 베이스면을 갖는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.
11. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실(10, 11) 또는 와이어는 10㎛ 내지 250㎛의 직경, 특히 50㎛ 내지 150㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 압전식 다층 액추에이터.

Images