KR101301487B1 - 압전 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 밸브에 관한 것으로서, 공기 유입구 및 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 이동하는 유로가 형성된 하우징; 길이 방향으로 길게 형성되고 일단이 고정부재에 의해 상기 하우징에 고정되고, 고정되지 않은 부분은 상기 하우징에 의해 지지되는 압전 액추에이터; 및 상기 압전 액추에이터의 고정되지 않은 타단을 일정한 압력으로 눌려주는 가압부;를 포함하여 구성된다.

Description

압전 밸브{Piezoelectric Valve}

본 발명은 압전 밸브에 관한 것으로, 특히 압전 액추에이터의 굴곡 변위를 증가시킬 수 있는 압전 밸브에 관한 것이다.

압전 밸브는 다양한 분야에 사용될 수 있는데, 예를 들면 공기 이젝터에서 고압의 공기를 배출하기 위하여 부압을 형성하는 장치로도 사용될 수 있고, 곡물선별기에도 사용될 수 있다.

일반적으로 사용되는 종래의 압전밸브는 변위를 발생시키는 압전 액추에이터가 한쪽만 고정되어 구동하도록 구성되는데, 한쪽을 고정하여 구동하게 되면 벤더 액츄에이터의 변위를 크게 할 수 있다는 장점이 있지만 발생력이 부족하다는 문제점이 있다.

특히, 벤더 액추에이터가 밸브의 유로를 막고 있을 때, 유로를 닫는 힘을 증대시키기 위하여 벤더 액추에이터의 끝단을 스프링으로 누르는 경우가 있는데, 이러한 경우 벤더 액추에이터의 변위는 급격히 줄어들게 된다.

이를 해결하기 위하여 바이모프(bimorph) 형태의 벤더 액추에이터를 적용하여 변위와 발생력을 개선하였지만, 대립하고 있는 압전 세라믹의 어느 하나에는 분극방향과 반대방향으로 전압이 인가되므로 성능 향상을 위하여 고전압을 인가할 수 없고 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전 액추에이터의 하단이 하우징에 고정되도록 하여 압전 액추에이터의 발생력을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 압전 밸브는 공기가 유입 또는 유출되는 홀 및 상기 홀을 통해 유입된 공기가 이동하는 유로가 형성된 하우징; 길이 방향으로 길게 형성되고 일단이 고정부재에 의해 상기 하우징에 고정되고, 고정되지 않은 부분은 상기 하우징에 의해 지지되는 압전 액추에이터; 및 상기 압전 액추에이터의 고정되지 않은 타단을 일정한 압력으로 눌려주는 가압부;를 포함하여 구성된다.

상기 하우징의 상부는 평평하게 형성되어 상기 압전 액추에이터를 지지하되, 상기 압전 액추에이터가 고정되는 부분의 반대편에 상기 유로가 형성될 수 있다.

상기 고정부재는 상기 하우징의 끝단에 형성될 수 있다.

상기 압전 액추에이터는 전압인가에 의하여 길이 방향 변위를 발생시킬 수 있는 압전체와 상기 압전체의 한 면에 접합되어 상기 압전체의 굴곡 변위를 일으킬 수 있게 하는 섬유강화플라스틱(FRP)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 유출구와 상기 압전 액추에이터 사이에는 공기의 유출을 방지하기 위한 기밀부재가 형성될 수 있다.

상기 가압부는 상기 압전 액추에이터를 가압하는 탄성부재와 상기 탄성부재의 탄성력을 조절하는 조절 스크류를 포함할 수 있다.

상기 홀은 공기가 유입되는 유입구와 상기 유로의 끝단에 형성되어 공기가 유출되는 유출구를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 변위가 발생하는 방향과 반대 면을 연장하여 압전 액추에이터를 지지함으로서 발생력을 증가시킬 수 있다. 따라서 압전 액추에이터의 굴곡 변위를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 가압부에 의해 압전 액추에이터를 가압함으로써 유로의 기밀유지를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전밸브의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전밸브의 정면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4는 종래 기술에 따른 압전 밸브와 본 발명에 따른 압전 밸브의 변위를 비교한 것이다.
도 5는 종래기술에 따른 압전 밸브와 본 발명에 따른 압전 밸브의 발생력의 실험 데이터를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 압전 액추에이터의 하부를 지지하여 발생력을 개선하는 압전 밸브를 개시한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 압전밸브의 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 정면 단면도이고, 도 3은 하우징(10)의 상세도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 다른 압전 밸브는 공압에 의해 공기가 유입되는 유입구(12), 상기 유입구와 연통되어 공기가 통과하는 유로(14), 및 상기 유로를 통과한 공기가 배출되는 유출구(16)가 형성된 하우징(10), 상기 유로(14)가 밀폐되도록 하우징(10)의 상부에 형성되는 압전 액추에이터(20), 및 상기 압전 액추에이터(20)에 압력을 가하는 가압부(30)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 유입구(12)와 유출구(16)가 별도로 형성되어 있으나 하나의 홀만을 형성하여 이를 통하여 공기가 유입 또는 유출되도록 할 수도 있다.

상기 압전 액추에이터(20)의 한쪽 끝단은 고정나사(40)에 의해 단단하게 고정되어 있고, 그 반대편 끝단은 상기 가압부(30)에 의해 프레스되어 일정한 힘이 가해진다.

압전 액추에니터(20)는 판형으로 전기를 입력 에너지로 하여 기계적 변위를 발생시키는 특성을 갖는다. 상기 압전 액추에이터(20)는 가로나 세로 중 어느 한 방향의 길이가 다른 방향의 길이보다 긴 형상으로 이루어지며, 전압인가에 의하여 변위를 발생시키는 압전체(22)와, 섬유강화플라스틱(FRP)로 마련되어 굴곡 변위에 유연성을 가지는 심(shim)부재(24)가 상호 접합 형성된다. 섬유강화복합재료는 강화재인 섬유 재료를 수지 재료에 복합시켜, 기계적 강도와 내열성을 좋게 한 재료이다. 심부재(24)는 압전체(22)의 열팽창계수와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 갖는다. 상기 열팽창계수는 섬유 재료로 이루어진 섬유부(미도시)와 수지 재료로 이루어진 수지부(미도시)의 부피비를 조절하여 조절할 수 있다.

상기 압전체(22)는 압전 세라믹과 전극들로 구성되며, 전극들을 통해 압전 세라믹의 양면에 전압이 인가되면, 압전 세라믹에 전계가 발생하여 압전체(22)의 길이 방향 변위가 발생할 수 있다. 심부재(24)는 압전체(22)의 어느 한 면에 접합되어, 압전체(22)의 굴곡 변위를 일으킬 수 있도록 한다. 심부재(24)는 판 형상으로 이루어지며, 어느 한 면이 압전체(22)의 어느 한 면과 마주한 상태에서 압전체(22)에 접합될 수 있다. 상기 압전체(22)에 길이 방향 변위가 발생할 때, 압전체(22)의 양면 중 심부재(24)와 접합된 면은 심부재(24)에 의해 변위 발생이 억제됨으로써, 압전체(22)의 굴곡 변위를 일으킬 수 있게 한다.

상기 압전 액추에이터(20)는 상기 유입구(12)와 접촉되는 부위에 기밀부재(50)가 도포된다. 상기 기밀부재(50)는 밸브가 오프된 경우, 보다 나은 기밀을 유지하기 위한 것으로 입구 혹은 출구가 닿는 압전체 면에 일정 두께의 폴리머(고무, 우레탄, 실리콘 등)가 도포되는 구조이다.

상기 가압부(30)는 압전 액추에이터(20)를 눌러 압전 액추에이터가 유로(14)를 닫는 힘을 증대시키는 기능을 한다. 가압부(30)는 탄성부재를 사용하는 것이 바라직하다. 본 실시예에서는 가압부(30)는 탄성부재(32), 탄성 조절 스크류(34), 및 고정부(36)로 구성되어 있다. 상기 탄성부재는 스프링을 포함한다. 상기 고정부(36)는 도시된 것과 같이 고정부(38)에 의해 하우징(10)에 고정될 수도 있고 하우징(10)과 일체로 형성될 수도 있다.

상기 고정나사(40)는 상전 액추에이터(20)의 한쪽 끝단을 하우징에 고정하기 위한 수단이다.

즉, 상기 압전 액추에니터(20)의 일단은 고정나사(40)에 의해 고정되고 타단은 가압부(30)에 의해 눌려진 상태에서 전계가 가해지면 압전 액추에이터(20)의 변위에 의해 반발력에 의해 스프링(32)이 위로 밀려나게 되며 공기 유입구(12)가 오픈되어 공기가 유입되게 된다. 본 실시예어서는 공기 유입구와 유출구를 별도로 표시하였지만 유출구를 별도로 형성하지 않아도 무방하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로 압전 액추에이터(20)를 고정하는 고정나사(40)가 하우징의 끝단에 형성된 것을 도시한 것이다. 도 3 (a)는 압전 액추에이터가 하우징의 상부에 안착되어 있는 것을 도시한 것이고, 도 3(b)는 압전 액추에이터가 제거된 것을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면 하우징(10)의 하부에 유로(14)가 형성되어 있고, 압전 액추에이터(20)는 고정나사(40)에 의해 일측이 고정되어 있고, 반대편으로 연장되어 있는 타측의 하우징의 가장자리(18)에 의해 지지되는 것을 확인할 수 있다. 상기 유로(14)의 폭은 자유롭게 조절 가능하다.

도 4는 종래 기술에 의한 액추에이터의 발생력과 본 발명에 의한 액추에이터의 발생력을 비교 도시한 것이다.

도 4(a), (b)에서와 같이 오프시에나 무부하 상태(가압부에 의해 압전 액추에이터를 눌러주는 힘이 없는 상태)의 경우에는 발생력에 차이가 없으나, 외력이 작용하는 경우, 종래와 같이 압전 액추에이터(20)를 지지하는 지지대가 없는 경우 압전 액추에이터가 하부로 처지게 되어 발생력이 감소하게 되지만, 본 발명과 같이 압전 액추에이터의 하부가 지지되는 경우에는 압전 액추에이터가 처지는 것을 방지할 수 있어 발생력이 더 커지는 효과가 있다.

도 5는 종래기술에 의한 압전 밸브와 본 발명에 의한 압전 밸브의 발생력을 비교한 실험치를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면 본 발명의 경우 발생력이 큰 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 구조에 의해 압전 액추에이터(20)에 연결된 전선에 전원을 인가하면 압전체가 위치하고 있는 면으로 압전 액추에이터 자유단(고정되지 않은 끝단)의 끝을 누르는 외력을 이기며 휘는 변위가 발생하게 된다. 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.

<액추에이터가 입구를 막고 있는 경우>

초기 상태는 압전 액추에이터(20)가 입구를 막고 있으며, 입구(12)에서 공기압이 가해졌을 때 압전 액추에이터(20)를 누르는 외력이 공기압에 의한 힘보다 커서 입구가 닫혀있는 상태가 된다.

압전 액추에이터(20)에 전압이 인가되면 압전 액추에이터(20)는 굴곡 변위 발생하게 되고, 굴곡 변위가 발생됨에 따라 외력은 더 크게 작용하게 되고 길게 연장된 하우징의 면(18)이 압전 액추에이터(20)의 아랫면을 지지하면서 압전 액추에이터(20)가 아래로 처지지 않고 굴곡 변위를 일으킨다.

상기와 같이 압전 액추에이터(20)가 굴곡 변위를 일으키게 되면 입구(12)의 유로가 열리게 되어 입구에 머물고 있던 가압된 공기는 압전 액추에이터(20)가 위치한 공간을 경유하여 출구(18)로 이동하게 된다.

전압을 인가하여 굴곡된 압전 액추에이터(20)의 압전체에 충전된 전하를 방전하게 되면 압전 액추에이터(20)는 원상태로 돌아가게 된다.

<액추에이터가 출구를 막고 있는 경우>

초기 상태는 압전 액추에이터(20)가 출구를 막고 있으며, 입구에서 공기압이 가해졌을 때 압전 액추에이터(20)가 위치한 공간을 공기압이 채우게 되며, 압전 액추에이터(20)를 누르는 외력에 공기압에 의한 힘이 더해져서 압전 액추에이터(20)를 누르게 된다.

압전 액추에이터(20)에 전압이 인가되면 압전 액추에이터(20)는 굴곡 변위 발생하게 되고, 굴곡 변위가 발생됨에 따라 외력은 더 크게 작용하게 되고 길게 연장된 하우징의 면이 압전 액추에이터(20)의 아랫면을 지지하면서 압전 액추에이터(20)가 아래로 처지지 않고 굴곡 변위를 일으킨다.

상기와 같이 압전 액추에이터(20)가 굴곡 변위를 일으키게 되면 출구의 유로가 열리게 되어 액추에이터가 위치한 공간에 머물고 있던 가압된 공기는 출구로 이동하게 된다.

전압을 인가하여 굴곡된 압전 액추에이터(20)의 압전체에 충전된 전하를 방전하게 되면 압전 액추에이터(20)는 원상태로 돌아가게 된다.

이상, 본 명세서에 기재된 내용 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 뿐만 아니라 도면에 도시된 형상 및 구성은 본 발명의 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

10 : 하우징 12 : 유입구 14 : 유로
16 : 유출구 20: 압전 액추에이터 22 : 압전체
24 : 심부재 30 : 가압부 32 : 탄성부재
34 : 탄성 조절 스크류 40 : 고정나사 50 : 기밀부재

Claims (7)

1. 공기가 유입되는 유입구, 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 이동하는 유로 및 상기 유로를 통과한 공기가 유출되는 유출구가 형성된 하우징;
   일 면이 상기 하우징의 상부에 접촉하여 지지되는 압전 액추에이터;
   상기 압전 액추에이터의 길이방향의 일단을 상기 하우징에 고정하는 고정부재; 및
   상기 압전 액추에이터의 길이방향의 타단을 가압하여 상기 유입구 및 유출구 중 적어도 하나를 밀폐하도록 하는 가압부;를 포함하며,
   상기 압전 액추에이터에 전압이 인가되면 상기 압전 액추에이터의 타단의 위치가 변이되어 상기 유로를 개방하는 것을 특징으로 하는 압전 밸브.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징의 상부는 평평하게 형성되어 상기 접촉된 압전 액추에이터의 하부를 지지하는 압전 밸브.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 하우징 상단의 중심부에는 상기 유로가 형성되고, 상기 하우징 상단의 가장자리에 의해 상기 압전 액추에이터가 지지되는 압전 밸브.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 압전 액추에이터는 전압인가에 의하여 길이 방향 변위를 발생시킬 수 있는 압전체와 상기 압전체의 한 면에 접합되어 상기 압전체의 굴곡 변위를 일으킬 수 있게 하는 섬유강화플라스틱(FRP)을 포함하는 압전 밸브.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 유입구 및 유출구 중 적어도 하나와 상기 압전 액추에이터가 접촉되는 부위에는 공기의 유출을 방지하기 위한 기밀부재가 형성되어 있는 압전 밸브.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 가압부는 상기 압전 액추에이터를 가압하는 탄성부재와 상기 탄성부재의 탄성력을 조절하는 조절 스크류를 포함하는 압전 밸브.
   
   
7. 삭제

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