KR100692884B1 - 열팽창에 적응하는 외부 전극을 갖는 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예를 들어 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 액추에이터는 압전층 및 상기 압전층들 사이에 배치된 내부 전극(2, 3)으로 이루어진 다층 구조물을 포함한다. 제 1 외부 전극(6)은 도전면으로서 측면에 설치되며, 상기 측면은 각각의 내부 전극(2, 3)에 접촉된다. 제 2 그물형 또는 직물형 외부 전극(7)은 제 1 외부 전극(6) 상에 위치한다. 내부 전극층이 없는 패시브 영역(10)은 압전층의 영역에 제공되며, 이 압전층은 대향측면에 각각 접촉되는 내부 전극(2, 3)을 갖는다. 적어도 패시브 영역(10)에 놓인 세라믹 압전 재료와 제 2 외부 전극(7)의 재료는 거의 동일한 열팽창 계수를 가지며, 이로 인해 압전 액추에이터에서 기계적 응력의 영향이 감소된다. 제 2 외부 전극(7)은, 바람직하게는 인바르와 같은 니켈-철 합금으로 구성되며, 압전 세라믹은 납 지르콘산염 티탄산염으로 구성된다.

압전 액추에이터, 압전 세라믹, 내부 전극, 외부 전극, 패시브 영역.

Description

열팽창에 적응하는 외부 전극을 갖는 압전 액추에이터{Piezoelectric actuator with an outer electrode that is adapted for thermal expansion}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른, 예를 들어 밸브 등과 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다.

일반적으로, 소위 압전 효과(piezo effect)를 이용해서 압전 소자가 적절한 결정 구조를 갖는 재료로 구성될 수 있다는 것이 알려져 있다. 외부 전압의 인가시 결정 구조 및 전압 인가 범위에 따라서 예정된 방향으로의 압축 또는 인장을 나타내는 압전 소자의 기계적 반응이 이루어진다. 이러한 압전 액추에이터는 복수의 층(다층-액추에이터)들로 구성될 수 있고, 전압을 제공하는 전극이 상기 층들 사이에 각각 배치된다.

상기 압전 액추에이터는, 예를 들어, 차량의 연료 분사 시스템에서 온-오프 밸브를 구동시키기 위하여 제공될 수 있다. 압전 액추에이터의 작동시, 특히, 층 구조의 기계적 응력에 의해 외부 접속 전극의 영역에서 방해되는 균열 형성이 발생하지 않도록 주의하여야 한다. 일측면에 접촉하는 각각의 내부 전극이 빗 모양으로 층 구조 내에 통합되기 때문에, 층 구조의 방향으로 연속된 전극들이 교대로 대향 측면에 접촉되어야 한다. 압전 액추에이터가 작동할 때, 다시 말해서 층 구조에서 대향 배치된 내부 전극들 사이에 전압을 인가할 때, 내부 전극의 영역 및 외부 전극과의 접촉 영역에는 상이한 기계적 힘이 발생하며, 이 힘은 기계적 응력 및 이로 인한 외부 전극내 균열을 야기할 수 있다.

예를 들어 기계 부품을 작동시키기 위하여 사용될 수 있는 상술한 압전 액추에이터는, 세라믹 압전층들 및 이 압전층들 사이에 배치된 내부 전극으로 구성된 다층 구조에서, 제 1 외부 전극으로서 각각 내부 전극과 접촉되는 도전면이 한 측면 상에 제공되고, 그물형, 직물형 또는 파형의 제 2 외부 전극이 제 1 외부 전극 상에 배치됨으로써 바람직하게 개선된다. 상기 제 2 외부 전극은 제 1 외부 전극과 적어도 점방식으로 접촉되며, 또한 이들의 접촉부들 사이에는 팽창 가능한 영역이 존재한다.

상기 각 대향 측면에 접촉하는 각 내부 전극을 갖는 두 압전층들 사이의 영역에는 내부 전극층이 없는 패시브 영역이 존재하고, 본 발명에 따라 적어도 패시브 영역의 세라믹 압전 재료 및 제 2 외부 전극의 재료는 거의 동일한 열팽창 계수를 갖는다.

제 1 외부 전극은, 예를 들어 Ni, Ni+Cu 또는 Ni+PbSn으로 구성되며 압전 액추에이터의 표면에 직접 접착되는 수 ㎛ 두께의 박층일 수 있다; 제 2 외부 전극은 외부 전극 내의 전류 흐름을 중단시킬 수 있는 횡방향 균열로부터 보호되도록 배치된다. 횡방향 균열은 패시브 영역에서 압전층 내의 인장 응력으로 인한 내부 전극 내의 박리에 의해 제 1 외부 전극에서 발생할 수 있다. 하지만, 그물형의 제 2 외부 전극을 배치함으로써 횡방향 균열이 중지되며, 경우에 따라 제 1 외부 전극에서 중단되었던 전류 흐름이 브릿지된다(bridged).

또한, 압전 세라믹 재료와 외부 전극 재료의 열팽창 계수가 서로 크게 다르면, 압전 액추에이터에서 예를 들어 -40℃ 내지 +160℃ 의 신속한 온도 변동시, 큰 전단 응력으로 인해 제 1 외부 전극과 압전 세라믹은 서로 분리될 수 있다. 특히, 제 2 외부 전극은 제 1 층(약 5㎛)과 비교하여 훨씬 더 두꺼운 두께(약 100㎛)를 갖기 때문에 큰 전단력을 발생시킨다.
특히 바람직한 방식으로, 세라믹 압전층과 제 2 외부 전극이 거의 동일한, 약 1×10^-6/K 내지 10×10^-6/K의 열팽창 계수를 가질 때, 압전 액추에이터에서 기계적 응력이 감소될 수 있다. 이때, 세라믹 압전층의 재료로서는 납 지르콘산염 티탄산염(lead zirconate titanate)이 사용되며, 제 2 외부 전극의 재료로서는, 예를 들어 인바르(Ivar)와 같은 철-니켈 합금이 사용된다. 이들 재료의 납땜 가능성을 향상시키기 위하여 먼저 얇은 구리층(예를 들어 5 내지 10㎛)이 코팅될 수 있다. 이후에, 제 1 외부 전극 위에 제 2 외부 전극을 납땜하기 위하여 Sn-Pb-땜납층이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예의 상술한 바와 같은 특징 및 다른 특징들이 청구범위, 상세한 설명 및 도면에 제시되고, 개별 특징들은 본 발명의 실시예와 기타 다른 분야에서 단독으로 실현되거나 복수의 조합 형태로 실현될 수 있으며, 여기서 청구되는 특허를 받을 수 있는 실시예들을 형성할 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 압전 액추에이터의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 압전 세라믹층과 내부 전극의 다층 구조물 및 제 1 플랫 외부 전극 상에 있는 그물형 외부 전극으로 구성된 액추에이터의 단면도.

도 2는 도 1에 따른 그물형 외부 전극의 평면도.

도 3은 압전층의 패시브 영역에서 발생된 기계적 전단 응력 및 횡응력에 의해 발생하는 균열을 나타내는 층구조물 및 외부 전극의 상세 단면도.

도 1에는 압전 액추에이터(1)가 도시되고, 상기 압전 액추에이터는 알려진 방식으로 적절한 결정 구조를 갖는 세라믹 재료의 압전 박막으로 구성됨으로써, 소위 압전 효과를 이용하여, 내부 전극(2, 3)에 외부 전압이 인가될 때 압전 액추에이터(1)의 기계적 반응이 이루어진다. 도 2는 상기 장치의 측면도이다.

내부 전극(2, 3)에는 제 1 플랫 외부 전극(6)이 접촉되며, 이 제 1 플랫 외부 전극은 점접촉부(8)를 통해, 예를 들어 납땜 또는 용접에 의해 제 2 그물형 외부 전극(7)에 접촉된다. 제 1 외부 전극(6)은, 예를 들어 Ni, Ni+Cu 또는 Ni+PbSn으로 구성된 수 ㎛ 두께의 박막층일 수 있으며, 이 박막층은 압전 액추에이터(1)의 표면에 직접 접착된다.

도 3에 따른 상세 단면도에서는 층 구조물 및 도 1과 도 2에 따른 측면에 놓인 외부 전극(6, 7)들을 명확하게 볼 수 있다. 여기서 패시브 영역(10)이 도시되며, 상기 패시브 영역에는 화살표 11에 따른 전계가 뚜렷하게 나타나지 않기 때문에 압전 액추에이터(1)의 팽창이 자유롭게 이루어지지 못하며, 오히려 압전 액추에이터(1)의 세라믹 재료의 인장 응력에 의해 강제된다. 이로 인하여 박리(12)가 발생할 수 있는데, 여기서는 몇 개의 내부 전극(3)에서만 도시한다. 박리(12)는 제 1 외부 전극(6)내의 균열(13)로 이행될 수 있다. 물론, 이 균열(13)은 그물형의 제 2 외부 전극(7)에 의해 중단되어 전류가 흐르도록 브릿지된다.

또한, 도 3에는 압전층의 세라믹 재료와 제 1 외부 전극(6) 사이에서 압전 세라믹과 제 2 외부 전극(7)의 상이한 온도 팽창으로 인하여 발생할 수 있는 전단 균열(14)이 도시된다. 여기서 상대적으로 얇은 제 1 외부 전극(6)은 큰 영향을 주지 않는다.

Claims (4)

1. 압전 액추에이터에 있어서,

   그 사이에 내부 전극들(2, 3)이 배치된 다층 구조의 세라믹 압전층들, 및

   상기 내부 전극들(2, 3)에 교대로 측면으로 접촉하도록 배치되며 전압을 공급할 수 있는 외부 전극들(6, 7)을 포함하고,

   제 1 외부 전극(6)은 각 측면 상에서 도전면이 설치되고, 상기 각 내부 전극(2, 3)과 접촉되며, 그물형, 직물형 또는 파형(波形)의 제 2 외부 전극(7)은 상기 제 1 외부 전극(6) 상에 배치되고, 상기 제 1 외부 전극(6)과 적어도 점 접촉(contact point)으로 접촉되고, 접촉부들 사이에는 팽창 가능한 영역이 놓이며,

   각각의 대향 측면에 접촉하는 상기 내부 전극들(2, 3)을 갖는 상기 압전층의 영역에는 내부 전극층이 없는 패시브 영역(10)이 존재하고, 적어도 상기 패시브 영역(10)의 세라믹 압전 재료 및 상기 제 2 외부 전극(7)의 재료는 동일한 열팽창 계수를 갖는, 압전 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 압전층과 상기 제 2 외부 전극(7)은 1×10^-6/K 내지 10×10^-6/K의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 세라믹 압전층은 납 지르콘산염 티탄산염(lead zirconate titanate)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 제 2 외부 전극(7)은, 경우에 따라서 구리로 코팅되는 철-니켈 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.

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