KR100728511B1 - 압전 액추에이터 - Google Patents

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루돌프 하인쯔
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 압전 물질의 적층된 층들 및 그 사이에 놓여, 전극으로 사용되는 금속성 또는 도전성 층(2a, 2b)으로 이루어진, 다층 적층물 형태의 압전 액추에이터 바디(1)를 포함하고, 상기 층(2a, 2b)은 상기 액추에이터 바디(1)의 종방향으로 외주면에 서로 마주 놓인, 적어도 플랫 전극 스트립(3) 형태의 금속 외부 전극(3, 5)에 의해 교대로 접촉되며, 상기 외부 전극(3, 5)이 상기 압전 액추에이터를 전압에 연결시키기 위한 전기 연결 도체(7)와 접촉되어 있는 특히 자동차의 제어 밸브 또는 분사 밸브 작동을 위해 적합한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 액추에이터는, 상기 외부 전극(3, 5)이 좁은 탄성 풋(6)을 통해 상기 플랫 전극 스트립(3)과 여러 위치에서 접촉되는 추가 전극(5)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
압전 액추에이터, 층, 전극 스트립, 빗살, 추가 전극.

Description

압전 액추에이터 {Piezoelectric actuator}
본 발명은 특히 자동차의 제어 밸브 또는 분사 밸브 동작에 적합한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 액추에이터는 압전 물질의 적층된 층들 및 그 사이에 놓여 전극으로 사용되는 금속성 또는 도전성 층으로 이루어진, 다층 적층물 형태의 압전 액추에이터 바디를 포함하고, 상기 금속성 또는 도전성 층은 액추에이터 바디의 종방향으로 외주면에 서로 마주 놓인, 적어도 플랫 전극 스트립 형태의 금속 외부 전극에 의해 교대로 접촉되며, 외부 전극은 압전 액추에이터를 전압에 연결하기 위한 전기 연결 도체와 접촉된다.
이와 같은 압전 액추에이터는 예를 들어 로베르트 보쉬 게엠베하(Robert Bosch GmbH)의 독일 특허 제196 50 900 A1호에 공지되어 있다.
이와 같은 압전 다층형 액추에이터는, 펄스 전압이 상기 액추에이터의 전극층에 공급될 때, 그 양 단부면 사이의 간격이 변하면서 유사하게 펄스형으로 작동한다. 인용된 DE 제 196 50 900 A1호에서, 전극층으로 전압을 전달하는, 액추에이터 바디의 종방향 외주면의 양측면에 놓인 금속의 외부 전극은 액추에이터 바디의 활성 영역을 덮는다.
압전 다층형 액추에이터의 작동시, 압전 세라믹(예를 들어 납 지르코네이트티타네이트)으로 얇게 적층된 박막과 금속성 또는 도전성 전극층 사이의 낮은 인장 강도로 인해 박리가 나타나며, 상기 박리는 외부로 향한 균열로서 외부 전극으로 전달되어 단락을 일으킬 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 압전 다층형 액추에이터가, 외부 전극에서 단락을 일으키는 균열을 극복해서 전기 접촉의 안정성을 개선하고 압전 액추에이터의 수명을 연장할 수 있도록 하는 것이다. 상기 목적은 청구항에 의해 달성된다.
본 발명의 핵심은, 액추에이터 바디에 직접 배열된 플랫 전극 스트립과. 상기 플랫 전극 스트립을 커버하면서, 좁은 탄성 풋에 의해 플랫 전극 스트립과 여러 위치에서 접촉되는 추가 전극을 추가로 연결하는 데에 있다.
바람직하게 상기 추가 전극은 전극 스트립에 평행하게 배열된 빗 후면과 2 개의 평행한 측면 빗살부를 구비한 이중 빗 형태를 가지며, 상기 빗살부의 빗살은 탄성 풋을 형성하고 플랫 전극 스트립과 접촉되어 있다.
이와 같은 이중 빗형 추가 전극의 장점은, 얇은 탄성 빗살을 이용하여 전극 스트립에 상기 전극을 단순하고 안정되게 고정시킨다는 점이다. 특히 상기 접촉을 위해 부가로 상기 액추에이터 바디로부터의 열 방출을 위해 이용되는 임의의 두께의 납땜층이 이용될 수 있다.
이중 빗형 구조의 여러 구성의 가능성을 통해 이중 빗형 추가 전극을 최적으로 고정할 수 있고, 생산을 단순화할 수 있으며, 이중 빗형 추가 전극을 플랫 전극 스트립에 고정시키는 것을 최적으로 제어할 수 있다.
추가 전극으로서 작용하는 이중 빗형 구조는 액추에이터 바디에 플랫 전극 스트립을 장착한 이후에 고유 안정성을 발생시키며, 상기 고유 안정성은 엘라스토머를 첨가함으로써 더욱 높아질 수 있다. 양 빗살부는 상기 압전 액추에이터의 수명 동안, 경우에 따라 발생되는 균열에 대해 높은 안정성을 제공한다.
거의 폐쇄된 빗 후면과 열을 방출하는 엘라스토머에 의해서 액추에이터 바디가 양호하게 냉각된다.
본 발명에 따른 압전 액추에이터는 차량에서 디젤 또는 가솔린 분사 장치용으로 바람직하게 사용된다. 이와 같은 압전 액추에이터는 더 빠르게 스위칭될 수 있기 때문에, 분사 장치에서 일반적으로 조절 기구로 이용되는 전자식 시스템을 대체할 수 있다.
하기의 여러 실시예에서 설명된 상세한 설명과 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 액추에이터의 상기 특징과 또 다른 유용한 특징들을 더 분명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 이중 빗형 - 추가 전극을 장착한 본 발명에 따른 압전 액추에이터의 바람직한 실시예의 개략적인 사시도,
도 2 는 도 1 에 따른 바람직한 실시예의 평면도,
도 3 내지 도 9 는 이중 빗형 추가 전극과 그것을 전극 스트립에 고정시키는 각각의 다양한 실시예,
도 10a 및 10b는 와이어를 이용한 이중 빗형 - 추가 전극에 대한 두 가지 가능한 제조 방법의 개략도,
도 11a 및 11b는 본 발명에 따라 브러시로 구현된 추가 전극의 대체 형태의 개략도.
도 1에는 이중 빗형 추가 전극(5)이 제공된 압전 액추에이터의 제 1 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 예시된 직사각형태의 상기 액추에이터 바디(1)는 압전 물질로 적층된 층과 그 사이에 놓이며, 전극으로서 이용되는 금속성 또는 도전성 층(2a, 2b)으로 구성된 다층의 적층물 형태를 갖는다. 상기 전극층(2a, 2b)은, 외주면에서 상기 액추에이터 바디(1)의 종방향으로 서로 마주 놓인 금속의 외부 전극(3, 5)에 교대로 접촉되고, 이중 빗형 추가 전극(5)에 연결된 전기 연결 도체(7)와 연결된다.
전술한 바와 같이 이와 같은 압전 다층형 액추에이터의 작동시에, 금속으로 이루어진 내부 전극과 세라믹 압전 물질 사이의 낮은 인장 강도로 인해 박리가 나타나고, 이 박리가 균열로서 외부를 향해 플랫 전극 스트립(3)까지 진행되어 단락을 일으킬 수 있다. 상기 균열(4)은 도 1에 예시로 도시된다. 플랫 전극 스트립(3)에 평행하게 배열된 빗 후면(10)과 상기 빗 후면(10)으로부터 거의 직각으로 플랫 상기 전극 스트립(3) 쪽으로 굽은 두 개의 측면 빗살형 에지(상기 에지의 좁은 빗살(6)이 플랫 전극 스트립(3)과 전기 접촉됨)로 이루어진 이중 빗 형태로 형성된 추가 전극(5)에 의해, 균열(4)을 통해 발생될 수 있는 단락이 극복될 수 있다. 상기 이중 빗형부의 얇은 빗살(6)은 다수의 탄성 풋을 형성하며, 상기 풋은 액추에이터 동작에 의해 액추에이터 바디(1)의 운동을 탄성적으로 흡수할 수 있고 이를 통해 상기 추가 전극(5)과 플랫 전극 스트립(3)의 지속적 접촉을 보장한다. 상기 탄성 빗살(6)은 플랫 전극 스트립(3)으로 안내되거나 또는 상부면에 예를 들어 납땜, 용접, 본딩 등으로 고정된다.
도 1의 사시도에는 단지 직사각형 압전 액추에이터의 한 면만이 도시되어 있음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 이와 같은 압전 액추에이터의 개략적인 평면도는, 이중 빗 형태의 두 개의 추가 전극(5)이 액추에이터 바디(1)의 외주면에 서로 마주 놓이고 각각 플랫 전극 스트립(3)에 전기 접촉됨을 도시한다.
본 발명에 따라 추가 전극(5)으로 사용되는 이중 빗형 전극의 다양한 형태가 도 3 내지 도 9를 이용하여 후술된다. 도 3은 평면의 빗 후면(10)과 상기 후면으로부터 90°각도를 갖는 빗살(6)과 상기 빗 후면(10) 위에 홀(8)을 구비한 플랫 이중 빗형 전극(5)을 도시한다.
상기 이중 빗형부(5)를 안정시키고 및/또는 열을 외부로 방출하기 위해 필요한 경우, 플라스틱, 접착제, 엘라스토머(9)(도 4 참조)가 상기 홀(8)을 통해서 주입될 수 있다.
도 5는 추가 전극(5)으로 이용되는 이중 빗형 전극의 추가 실시예를 도시하고, 빗살(6)은 평면 빗 후면(10)으로부터 전극 스트립(3) 쪽으로 약간 굽어 있으며 그 각 단부는 상기 전극 스트립(3)과 접촉된다. 납땜(단단하거나 약하게), 레이저 용접, 스폿 용접, 마찰 용접 또는 본딩을 통해서 고정될 수 있다. 따라서 외부로 돌출한 빗살(6)을 고정하는 정도가 쉽게 조절된다.
추가 전극(5)으로 적합한 이중 빗형 전극의 추가 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 평면 빗 후면(10)의 양쪽에 배치된 빗살(6)은 우선 상기 후면(10)으로부터 전극 스트립(3) 쪽으로 대략 90°로 굽어 있고 다시 내부로 상기 전극 스트립(3)에 대해 평행하게 굽어 있다.
추가 전극(5)으로 적합한 본 발명에 따른 이중 빗형 전극의 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있고, 상기 실시예에서 빗 후면(10)과 빗살(6)은 거의 한 평면상에 배열되어 있다. (납땜이 사용될 경우에 한해서) 전체 납땜으로부터 보호하기 위해 상기 빗 후면(10)의 하부 중앙에 솔더 레지스트(Solder resist)(13)가 제공된다. 납땜 과정이 사용되지 않는다면, 엘라스토머 층으로 구성된 스페이서(13)가 플랫 전극 스트립(3)과 빗 후면(10) 사이에 필요한 간격을 유지시킨다. 간격을 유지하기 위한 PTFE - 층(13) 또는 유사한 재료로 형성된 층이 마모 보호층 또는 완충층으로도 이용될 수 있다.
도 8은 추가 전극(5)으로서 적합한 본 발명에 따른 이중 빗형 전극의 가능한 또 다른 실시예를 도시하며 상기 이중 빗형 전극은 둥근 빗 후면(11)을 구비한 반원 또는 타원형의 횡단면 형태를 갖는다.
도 9a, 9b, 9c는 본 발명에 따른 압전 액추에이터를 위해 추가 전극(5)으로서 적합한 본 발명에 따른 이중 빗형 전극의 또 다른 실시예를 도시하며 상기 이중 빗형 전극은 도 6과 유사하게 형성되고 평면 빗 후면(10)의 양측면에 상기 빗 후면(10)에 대해 약 90°각도로 굽어진 빗살(6)을 가진다.
도 9a는 스페이서 또는 솔더 레지스트(13)를 도시한다.
도 9b는 스페이서 또는 솔더 레지스트(13) 대신에 상기 빗살(6)의 단부 근처까지 에지 둘레로 이어진 엘라스토머 또는 플라스틱 플레이트(13a)가 사용될 수도 있음을 도시한다.
도 9c에 도시된, 임의의 횡단면 형태(도 8 과 마찬가지로 직각이거나 둥근 형태 또는 타원형태)를 가진, 추가 전극(5)으로서 장착된 이중 빗형 전극의 저면도는 탄성 풋으로 사용되는 빗살(6)이 상기 빗 후면(10 또는 11)의 양측면에서 서로 상기 빗살(6)의 절반의 간격(d) 만큼 이중 빗형부의 종방향으로 오프셋되는 것을 도시한다. 액추에이터 바디(1)에 발생하는 균열(14)은 거의 직선으로(즉 상기 액추에이터 바디(1)의 외부 에지에 대해 90°의 각도로) 외부 전극의 플랫 전극 스트립(3)을 통해 이어진다. 상기 빗살(6)이 절반의 간격(d) 만큼 오프셋됨으로써 균열은 단지 하나의 빗살만을 방해하며 마주 배열되어 오프셋된 빗살은 완전히 고정된다. 간격(2d)과 빗살 간격(b)이 가급적 작은 균열에 맞춰질 수 있기 때문에, 두 개의 마주 놓인 풋(6)에 균열이 생기지 않는다.
전술된, 추가 전극(5)으로서 적합한 이중 빗형부는, 적합한 재료의 금속판으로부터 적절한 이중 빗 형태의 펀칭 및 경우에 따라서는 동시에 양 빗살부의 벤딩에 의해 제조된다. 대안으로서, 적합한 재료의 금속판으로부터 레이저 절단에 의해 아주 정교한 이중 빗형 구조가 제조될 수 있다.
도 10a, 10b는 추가 전극(5)으로 적합한 이중 빗형부를 위한 간단한 제조 방법의 또 다른 실시예를 도시한다. 또한, 도 10a에 따라 와이어(15)가 금속 밴드(16)에 본딩, 용접 또는 납땜되고, 상기 와이어의 단부(17)는 절단된다. 이와 같은 방식으로, 본 발명에 따른 추가 전극으로서 압전 액추에이터를 위해 적합하며 아주 좁은 빗살(6)을 구비한 이중 빗형부가 형성된다.
도 10b에 따라 대안적으로, 추가 전극(5)으로서 본 발명에 따른 압전 액추에이터를 위해 적합한 이중 빗형 구조는 금속의 망으로 구성된다. 이를 위해, 금속의 횡단선(18)은 상기 측면에서 충분히 큰 구간(c) 만큼 돌출함으로써, 이중 빗형 구조가 형성된다.
추가 전극(5)을 위한 다양한 형태의 이중 빗형 전극이 상기의 상세한 설명에서 상술되었다. 그러나 도 11a에 따라 브러시형 구조체(19)도 대안적인 추가 전극(5)으로서 이용될 수 있으며, 상기 구조체는 플랫 금속 브러시 후면부(12)로부터 거의 수직으로 돌출하고, 도 11b에 따라 그 단부가 상기 전극 스트립(3)과 접촉되는, 탄성의 금속 브리스틀(bristle)(20)를 가진다.
상기 상술한 모든 실시예에서, 추가 전극(5)으로서 이용되는 상기 이중 빗형부 또는 상기 브러시형 구조체의 빗살 또는 브리스틀은 도 11 에 따라 상기 전극 스트립(3)에 납땜, 또는 레이저 용접 또는 스폿 용접, 마찰 용접, 또는 본딩으로 단단하거나 약하게 연결될 수 있다. 또한, 도전성 접착제를 이용한 접착도 가능하다. 납땜, 용접 또는 본딩 과정에서, 상기 빗 후면 또는 브러시 후면부로부터 돌출한 빗살 또는 브리스틀이 상기 전극(3)으로 연결되는 정도가 쉽게 제어된다.
따라서 얇은 빗살 또는 브리스틀로 인해 상기 추가 전극(5)을 플랫 전극 스트립(3)에 간단하고 단단하게 고정시킬 수 있다. 임의의 두께의 납땜층이 사용될 수 있다. 빗살 또는 브리스틀의 상술된 다양한 실시예를 통해서 최적으로 고정할 수 있고 저렴하게 생산할 수 있으며 빗살 또는 브리스틀을 상기 전극 스트립(3)에 고정시키는 것을 확실하게 제어할 수 있다. 추가 전극(5)과 전극 스트립(3) 사이의 접촉면이 적기 때문에, 세라믹에 대한 상기 추가 전극(5)의 대개 큰 열 팽창은 낮은 전단 응력과 이로 인한 높은 고장 내성을 제공한다.
추가 전극이 플랫 전극 스트립에 장착된 후에, 그 형태 또는 부가적으로 장착된 엘라스토머 층에 의해 충분한 고유 안정성을 얻는다. 이중 빗형부는 여러 다양한 방법으로 저렴하게 생산될 수 있다. 제안된 바에 따라 추가 전극으로서 적합한 빗형 전극이 두 개의 빗살부를 가지기 때문에, 안정성이 높아지고, 빗형 전극의 가능한 많은 빗살이 관련 전극 스트립과 도전 접속된다. 상기 개방부(8)를 제외하고, 이중 빗형부의 거의 폐쇄된 금속의 빗 후면과 경우에 따라 장착되는 열전도성 엘라스토머에 의해 상기 액추에이터 바디의 양호한 열 방출성이 이루어질수 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 압전 물질의 적층된 층들 및 그 사이에 놓여, 전극으로 사용되는 금속성 또는 도전성 층(2a, 2b)으로 이루어진, 다층 적층물 형태의 압전 액추에이터 바디(1)를 포함하고, 상기 층(2a, 2b)은 상기 액추에이터 바디(1)의 종방향으로 외주면에 서로 마주 놓인, 적어도 플랫 전극 스트립(3) 형태의 금속 외부 전극(3, 5)과 교대로 접촉되며, 상기 외부 전극(3, 5)은 상기 압전 액추에이터를 전압에 연결시키기 위한 전기 연결 도체(7)와 접촉되어 있는 자동차의 제어 밸브 또는 분사 밸브 동작을 위한 압전 액추에이터에 있어서,
    상기 외부 전극(3, 5)이 좁은 탄성 풋(6)을 통해 상기 플랫 전극 스트립(3)과 여러 위치에서 접촉되는 추가 전극(5)을 포함하며, 상기 추가 전극(5)은 상기 탄성 풋을 형성하는 등간격 빗살(6)을 구비하며 상기 전극 스트립(3)에 대해 평행하게 놓인 빗형상 스트립을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 추가 전극은 상기 전극 스트립(3)에 대해 평행하게 놓인 이중 빗형부를 형성하고, 상기 이중 빗형부는 빗 후면(10, 11)과 상기 빗 후면에 이어지는 2 개의 평행한 측면 빗살을 포함하며, 상기 빗살부의 빗살(6)은 상기 탄성 풋인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 빗살(6)이 상기 빗 후면(10)으로부터 상기 전극 스트립(3)에 대해 직각으로 휘어지고 상기 빗살(6)의 단부만이 상기 각 전극 스트립(3)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 빗살(6)이 상기 빗 후면(10)으로부터 상기 전극 스트립(3)에 대해 작은 각도(low angle)로 휘어지고 상기 빗살(6)의 단부 섹션이 상기 각 트립(3)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 빗 후면(11)과 상기 양측 빗살(6)이 반원형 또는 타원형의 단면 윤곽을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 빗 후면(10)이 양측 빗살(6)과 한 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 빗 후면(10, 11)과 해당 상기 전극 스트립(3) 사이에 스페이서(13)가 놓이는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 스페이서(13)가 엘라스토머 층 또는 솔더 레지스트로서 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 등간격의 빗살(6)이 상기 빗 후면(10, 11)의 양측에서 상기 빗살(6) 간격의 절반의 간격만큼 상기 이중 빗형부의 종방향으로 상호 오프셋되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 추가 전극(5)이 각 전극 스트립(3)에 대해 평행하게 놓인 전극 브러시(19)를 형성하고, 상기 브러시의 브리스틀(20)이 상기 전극 스트립(3)과 접촉되는 상기 탄성 풋을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  12. 제 3 항 또는 제 11항에 있어서, 상기 빗형부 또는 상기 브러시의 후면(10, 11, 12)이 복수 개의 홀(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 연결 도체(7)가 상기 각 추가 전극(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  14. 제 3 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 추가 전극(5)의 탄성 풋 또는 빗살(6) 또는 브리스틀(20)이 납땜층에 의해 상기 전극 스트립(8)에 납땜되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  15. 제 3 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 추가 전극(5)의 상기 탄성 풋 또는 상기 빗살(6) 또는 상기 브리스틀(20)이 도전 접착층에 의해 상기 전극 스트립(3)과 접속되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  16. 제 3 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 추가 전극(5)의 상기 탄성 풋 또는 상기 빗살(6) 또는 상기 브리스틀(20)이 레이저 스폿 용접을 통해서 상기 전극 스트립(3)과 연결된 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
  17. 제 3 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 추가 전극(5)의 상기 탄성 풋 또는 빗살(6) 또는 브리스틀(20)이 상기 전극 스트립(3)과 본딩되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
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