KR100754233B1 - 온도 보상기를 포함하는 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예컨대 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 액추에이터에는 작동 소자(9)에 예응력 또는 압축력을 가하기 위한 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)가 제공되고, 상기 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)는 동일한 온도 팽창 계수를 갖는다. 상기 보상 소자(3; 20)는 작동 소자(9)가 자신의 위치에 머무르는 방식으로 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)의 온도에 기인한 팽창이 작용방향으로 상쇄되도록 상기 압전 소자에 기계 역학적으로 연결된다. 상기 압전 소자(2; 21)와 보상 소자(3; 22) 사이에는 열 전달 페이스트(12)가 제공된다.

압전 액추에이터, 작동 소자, 압전 소자, 보상 소자, 온도 팽창 계수, 열 전달 페이스트

Description

온도 보상기를 포함하는 압전 액추에이터{Piezo-actuator comprising a temperature compensator}

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

소위 압전 효과를 이용하여 적합한 결정 구조를 가진 재료로 압전 소자를 구성할 수 있다는 것은 일반적으로 공지되어 있다. 외부 전압이 인가되면 결정 구조 및 전압의 인가 범위에 의존하여 사전 설정 가능한 방향으로의 압축 또는 팽창을 나타내는 압전 소자의 기계적 반응이 일어난다.

밸브의 위치설정시 전술한 압전 액추에이터가 종종 사용된다. 이 경우 예컨대 밸브 태핏(valve tappet)을 작동시키기 위한 상기 압전 액추에이터의 행정력이 비교적 작다는 것에 특히 주의해야 한다. 다른 한편으로는, 압전 소자 세라믹 및 하우징의 상이한 열 팽창으로 인해 문제가 발생한다. 즉, 압전 소자의 온도 팽창 계수는 매우 작고, 통상 금속으로 된 하우징은 양의 온도 팽창 계수를 갖는데, 이로 인해 압전 소자를 제어하지 않으면 밸브 태핏 위치의 이동이 발생할 수 있다.

일반적으로 그러한 장애 효과는 지금까지는 음의 온도 팽창 계수를 갖는, 예컨대 인바(invar)와 같은 매우 고가의 재료를 사용해야만 감소될 수 있었다. 다른 방법은 압전 소자에 높은 온도 팽창 계수를 갖는 재료를 직렬로 연결하는 것이다. 그러나 이로인해 장치의 강도 및 액추에이터 힘이 감소된다.

예컨대 기계 부품의 작동을 위해 사용될 수 있는, 전술한 압전 액추에이터는 바람직하게는 압전 소자를 포함하며, 상기 압전 소자에는 본 발명에 따라 보상 소자가 병렬로 배치된다. 이때 상기 압전 소자 및 보상 소자는 동일한 온도 팽창 계수를 갖는 것이 특히 바람직하다. 그럼으로써, 압전 소자 및 보상 소자가 기계적으로 적절하게 배치될 때 상기 두 소자의 온도 팽창은 상기 압전 소자의 압력판에 고정 연결된 작동 소자가 자신의 위치에 머무르는 방식으로 중단된다. 따라서 압전 액추에이터를 위해 전과 같이 예컨대 강(鋼)으로 된 금속 하우징이 사용되고, 온도 보상을 위해 보상 소자가 항상 압전 소자가 단단하게 연결되도록 상기 압전 소자가 상기 하우징 내에 고정될 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서는, 상기 압전 소자와 보상 소자 사이에 열 전달 페이스트가 놓이고, 상기 열 전달 페이스트에 의해 보상 소자와 압전 소자간의 양호한 온도 보상이 구현될 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따라, 압전 소자 자체가 간단하게 예응력을 받을 수 있다. 압전 소자의 한 쪽 단부는 스프링에 의해 압전 액추에이터용 하우징에 접하는 고정 지지 플레이트에 지지된다. 압전 소자의 다른 쪽 단부는 압력판을 통해 예응력 스프링에 연결되고, 상기 스프링의 다른 쪽 단부가 다시 상기 고정 지지 플레이트에 고정된다. 이때 보상 소자는 압전 소자에 대해 평행하게 놓이고, 상기 보상 소자의 한 쪽 단부도 역시 고정 지지 플레이트에 접하며, 다른 한 쪽 단부는 하우징에 견고하게 접한다.

예응력 스프링 및 압전 소자는 간단한 방법으로 예컨대 연달아 배치되며, 압전 소자의 가동 단부는 조임 벨트에 의해 압력판에 연결될 수 있다. 그러나 예응력 스프링 및 압전 소자가 서로 평행하게 배치될 수 있고, 이 경우 예컨대 대칭으로 배치된 2 개의 축 스프링들도 마찬가지로 평행한 예응력 스프링들로서 열 전달 페이스트 내에 배치될 수 있다.

압전 소자, 세라믹 링 및 예응력 스프링의 제안된 결합은 하우징에 의해 견고하게 조여지고, 예응력은 압전 소자의 스위칭력보다 훨씬 더 크며, 상기 예응력 스프링은 하우징에 대한 온도 보상 동작을 허용한다. 예응력의 크기는 인장 너트에 의해 간단하게 형성될 수 있다. 물론 보상 소자의 온도 팽창 계수가 압전 소자의 온도 팽창 계수와 일치하지 않더라도, 온도 보상은 상기 보상 소자의 길이를 통해 맞추어질 수 있다. 실시예에서, 공통 영점(zero point)은 하우징과 견고하게 연결된 인장 너트 상에 보상 소자가 지지된다는 것을 의미한다.

본 발명의 바람직한 개선예의 상기 특징 및 다른 특징은 청구항뿐만 아니라 명세서 및 도면에도 제시되어있으며, 개별 특징들은 본 발명의 실시예 및 다른 분야에서 각각 단독으로 구현되거나, 또는 서로 조합된 형태로 구현될 수 있고, 본 특허에서 특허권 보호가 청구된, 그 자체로 법적 보호를 받을 수 있는 바람직한 실시예를 형성할 수 있다.

예컨대 밸브의 위치설정을 위한, 본 발명에 따른 온도 보상 압전 액추에이터의 실시예가 도면을 참고로 설명된다.

도 1은 보상 소자 및 그 뒤에 배치된 예응력 스프링을 갖는, 조임 벨트에 의해 지지된 압전 액추에이터의 단면도.

도 2는 보상 소자 및 평행하게 배치된 예응력 스프링을 갖는 압전 액추에이터의 단면도.

도 1에는 공지된 방식으로 적절한 결정 구조를 가진 수정 재료의 압전 박막으로 형성된 압전 소자(2)를 포함하는 압전 액추에이터(1)가 도시되어있다. 상기 도면에는 도시되지 않은 전극에 외부 전압이 인가되면 소위 압전 효과를 이용하여 압전 액추에이터(1)의 기계적 반응이 일어난다. 도 1에 따른 압전 액추에이터(1)의 경우 압전 소자(2)는 세라믹으로 형성되며 보상 소자는 압전 효과가 없는 세라믹으로 형성된다.

압전 소자(2)는 예응력 스프링인 축 스프링(6)용 고정 장치로서 사용되는 압력판(5)에 상부가 용접된 조임 벨트(4)에 의해 둘러싸인다. 압전 소자(2)가 접하는 베이스 플레이트(base plate; 11)는 보상 소자(3)와 슬리브 장치(8) 사이에 놓이며, 상기 보상 소자(3)는 다른 한편으로는 하우징(7) 또는 인장 너트에 견고하게 접하고, 상기 슬리브 장치(8)는 다시 고정 지지 플레이트(9)에 접한다. 상기 고정 지지 플레이트(9)는 다시 보상 소자(3)용 스프링(10)에 의해 하우징(7)에 고정된다. 압력판(5)과 고정 지지 플레이트(9) 사이에는 예응력 스프링(6)이 지지된다. 압전 액추에이터(1)의 작동은 본 실시예에서는 압전 소자(2)의 축방향 팽창 및 그에 따라 도시되지 않은 작동 소자의 축방향 운동을 야기한다.

압전 소자(2)와 보상 소자(3) 사이에는 상기 두 소자의 최상의 온도 보상을 제공하는 열 전달 페이스트(12)가 제공된다. 압전 소자(2) 및 보상 소자(3)는 동일한 온도 팽창 계수를 갖기 때문에, 제안된 기계적 설치시 상기 압전 소자(2) 및 보상 소자(3)의 온도에 기인한 팽창은 상기 두 소자(2, 3)의 영향을 작용 방향으로 상쇄시킨다. 따라서 작동 소자가 자신의 위치에 머무를 수 있다.

도 2에는 압전 액추에이터(20)의 제 2 실시예가 도시되어있다. 여기서 동일한 작용을 하는 부품에는 도 1과 동일한 도면 부호가 표시되어 있다. 도 2에 따른 장치에서도 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)가 거의 동일한 온도 팽창 계수를 갖는 세라믹 재료로 제조된다. 상기 소자들(21, 22) 사이에는 평행하게 배치된 예응력 스프링으로서의 축 스프링(23) 및 열 전달 페이스트(12)가 제공된다. 본 실시예에서도 압전 액추에이터(20)의 작동에 의해 압전 소자(21)의 축방향 팽창이 발생하고, 그에 따라 압력판(24)으로부터 안내되는 도시되지 않은 작동 소자가, 예응력 스프링(23)의 예응력에 대항해서 축방향으로 운동한다.

도 2에서도 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)가 동일한 온도 팽창 계수를 갖기 때문에, 제안된 기계 역학적 설치시 상기 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)의 온도에 기인한 팽창은 상기 두 소자(21, 22)의 영향을 작용 방향으로 상쇄시킨다. 따라서 압전 소자(21)의 압력판(24)에 고정 연결된 작동 소자가 자신의 위치에 머무를 수 있다.

Claims (9)

1. 세라믹 압전 소자(2), 압력판(5), 고정 지지 플레이트(9), 마찬가지로 세라믹으로 제조되며 상기 압전 소자(2)에 대해 평행하게 놓이고 상기 압전 소자(2)와 동일한 온도 팽창 계수를 갖는 보상 소자(3), 하우징(7)과 상기 고정 지지 플레이트(9) 사이에 배치되어 상기 보상 소자에 예응력을 가하기 위한 스프링(10) 및, 상기 압전 소자(2)에 예응력을 가하는 적어도 하나의 예응력 스프링(6)이 내부에 제공되는 하우징(7)을 구비하며, 상기 예응력 스프링(6)과 상기 압전 소자(2)가 연달아 배치되는 압전 액추에이터에 있어서,

   상기 압전 소자(2)가 조임 벨트(4)에 의해 상기 압력판(5)에 연결되어 베이스 플레이트(11)에 접하며, 상기 베이스 플레이트(11)는 상기 고정 지지 플레이트(9)에 접하는 슬리브 장치(8)와 상기 보상 소자(3) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전 소자(2)와 상기 보상 소자(3) 사이에는 열 전달 페이스트(12)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 예응력 스프링은 적어도 하나의 축 스프링(6)으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 압전 소자(2)는 횡으로 배치된 세라믹 압전층으로 이루어진 다층 구조물로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 작용 방향으로 팽창되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 압전 소자(2)는 횡으로 배치된 세라믹 압전층으로 이루어진 다층 구조물로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 작용 방향으로 팽창되며, 상기 보상 소자(3)는 종 방향으로 배치된 압전층으로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 작용 방향으로 수축되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
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