KR101588771B1 - 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인가 전압에 따른 압전 액츄에이터의 팽창 체적을 이용하여 밸브를 구동하고, 압전 액츄에이터의 팽창을 대칭형 변위 증배 기구와 스윙암으로 증폭하여 엔진 밸브를 개폐 구동시킬 수 있는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치는, 인가전압에 따라 체적이 팽창되는 압전체; 상기 압전체의 팽창을 증폭하기 위한 대칭형 변위 증배 기구; 상기 대칭형 변위 증배 기구에 연결되어 상기 증폭된 압전체의 팽창에 따라 엔진 밸브를 구동하도록 동작하는 스윙암;을 포함할 수 있다.

Description

압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치 {VALVE DRIVING DEVICE USING PIEZOELECTRIC ACTUATOR}

본 발명은 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 인가 전압에 따른 압전 액츄에이터의 팽창 체적을 이용하여 밸브를 구동하고, 압전 액츄에이터의 팽창을 대칭형 수직 변위 증배 구조 기구와 스윙암으로 증폭하여 엔진 밸브를 개폐 구동시킬 수 있는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진의 흡/배기 밸브 개폐 구동장치는 크랭크풀리와 타이밍벨트로 연결된 캠풀리를 구동시켜 각각의 밸브개폐시기에 맞추어진 캠을 회전시킴으로써 상기 캠에 접촉된 흡/배기 밸브를 작동하였다.

또한 이와 같은 흡/배기 밸브 개폐 구동장치는 변화되는 엔진의 부하조건을 자동차의 전자제어유니트(ECU)에서 판단하여 그 개폐시기를 가변적으로 조정할 수 있는 개폐시기 조절장치도 이미 개시되고 있다.

그러나, 상술한 종래의 흡/배기 밸브 개폐장치는 그 기구적 구성이 복잡하고 정밀성이 요구될 뿐만 아니라, 이에 따라 엔진의 중량을 감소시키는데 일정한 한계가 있었다. 특히, 상기 흡/배기 밸브 개폐장치는 기구적 메카니즘의 복잡한 연결이기 때문에 부하조건에 따른 개폐시기 조절이 정확하거나 민활하지 못한 문제가 상존하였다.

한편, 캠이 없이 코일에 전압을 인가하여 자기장을 만들어 밸브를 구동하는 기술이 개발되었으나, 이 기술에 따르면 밸브가 열리거나 열려있는 시간 동안 전류가 흘러 코일에 열이 발생되어 에너지 소모가 큰 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

공개특허공보 제10-1996-0038047호(1996.11.21.)

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 인가 전압에 따른 압전 액츄에이터의 팽창 체적을 이용하여 밸브를 구동하고, 압전 액츄에이터의 팽창을 대칭형 수직 변위 증배 구조 기구와 스윙암으로 증폭하여 엔진 밸브를 개폐 구동시킬 수 있는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치에서, 인가전압에 따라 체적이 팽창되는 압전체; 상기 압전체의 팽창을 증폭하기 위한 대칭형 변위 증배 기구; 상기 대칭형 변위 증배 기구에 연결되어 상기 증폭된 압전체의 팽창에 따라 엔진 밸브를 구동하도록 동작하는 스윙암;을 포함할 수 있다.

상기 압전체는 다수의 압전소자가 적층되어 액츄에이터를 형성할 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구는 상기 압전체의 팽창 방향에 대해 수직으로 변위되는 구조일 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구는 상기 압전체의 팽창시 연동하여 팽창하는 구조로 될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구는 상기 압전체의 팽창시 수축하는 구조로 될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구는 2중 프레임으로 형성될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구의 2중 프레임은 2중 힌지 구조에 의해 동작될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구에 상기 압전체를 구속하기 위한 프리로드(preload) 스프링을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 인가 전압에 따른 압전 액츄에이터의 팽창 체적을 이용하여 밸브를 구동하고, 압전 액츄에이터의 팽창을 대칭형 수직 변위 증배 구조 기구와 스윙암으로 증폭하여 엔진 밸브를 개폐 구동시킴으로써, 연비와 출력의 향상과, 배출가스 저감, 엔진 구성품의 축소로 재료비 및 무게의 절감을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치의 구동 형태를 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전체가 팽창할 때, 대칭형 변위 증배 기구가 수축하는 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전체가 팽창할 때, 대칭형 변위 증배 기구가 팽창하는 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대칭형 변위 증배 기구의 수축 변위를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 대칭형 변위 증배 기구의 팽창 변위를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프리로드(preload)와 대칭형 변위 증배 기구의 결합 형태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 압전소자들의 적층 형태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 대칭형 변위 증배 기구의 2중 프레임 구조 및 2중 힌지 구조를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치를 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치는, 인가전압에 따라 체적이 팽창되는 압전체(200)와; 상기 압전체(200)의 팽창을 증폭하기 위한 대칭형 변위 증배 기구(100); 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)에 연결되어 상기 증폭된 압전체(200)의 팽창에 따라 엔진 밸브(500)를 구동하도록 동작하는 스윙암(300);을 포함한다.

상기 압전체(200)는 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)와 연동할 수 있도록 결합되고; 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 상기 압전체(200)가 팽창할 때, 상기 압전체(200)의 팽창력을 증폭시켜, 그 증폭된 힘을 상기 스윙암(300)에 전달하여 상기 스윙암(300)이 상기 엔진 밸브(500)를 구동할 수 있도록 연결된다.

상기 압전체(200)와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)의 연결, 및 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)와 상기 스윙암(300)의 연결은, 후술하는 도 3 내지 도 6의 내용과 기존의 기구 연결 기술을 통해 당업자라면 용이하게 할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 압전체(200)는, 도 8에 도시한 바와 같이 정해진 개수의 여러 압전소자(PZ)가 적층 및/또는 연결되어 형성된다. 상기 압전소자(PZ)의 정해진 개수는 상기 엔진 밸브(500)의 구동과 관련하여 결정될 수 있다. 각 압전소자(PZ)에는 전선(W)을 통해 구동 전압이 인가된다.

상기 압전소자(PZ)가 여러 개 적층되어 형성된 상기 압전체(200)는 압전 액츄에이터로서 작용한다. 압전 액츄에이터로서 작용하는 압전체(200)에 인가되는 인가전압은 밸브 프로파일 파형을 갖는 고전압일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 상기 압전체(200)는 다수의 압전소자가 적층된 액츄에이터 형태로 형성되지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 실질적으로 압전체 액츄에이터로 동작하는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이 상기 압전체(200)의 팽창 방향에 대해 수직으로 변위되는 구조이다.

예를 들면, 도 3 및 도 5는 상기 압전체(200)가 팽창하는 방향에 대해 수직으로 수축하는 구조의 대칭형 변위 증배 기구(100)를 도시한 것이고, 도 4 및 도 6은 상기 압전체(200)가 팽창하는 방향에 대해 수직으로 팽창하는 구조의 대칭형 변위 증배 기구(100)를 도시한 것이다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치는, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 스윙암(300)의 상부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 회전 구속하는 핀(302)과, 상기 스윙암(300)의 하부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 밀착 고정시키는 핀(304), 및 엔진 밸브(500)에 탄성 복원력을 제공하는 밸브 스프링(400)를 포함할 수 있다.

상기 핀(302)은 상기 스윙암(300)의 상부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 회전 구속하는 핀 형태로 형성되지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 실질적으로 상기 스윙암(300)의 상부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 회전 구속하는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

또한, 상기 핀(304)은 상기 스윙암(300)의 하부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 밀착 고정시키는 핀 형태로 형성되지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 실질적으로 상기 스윙암(300)의 하부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)를 밀착 고정시키는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

상기 밸브 스프링(400)은 기존에 널리 알려진 스프링을 이용하여 적용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 4 및 도 6를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 대칭형 변위 증배 기구(100)의 변위(h)는 아래의 공식에 따를 수 있다.

본 발명의 실시예에서 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)가 상기 압전체(200)의 팽창 방향에 대해 수직으로 운동하는 것으로 형성하였지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 실질적으로 상기 압전체(200)의 팽창에 따라 연동하여 상기 엔진 밸브(500)를 구동할 수 있는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 강성을 증대하기 위해 도 9에 도시한 바와 같이 2중 프레임(160)으로 형성될 수 있고, 이 2중 프레임(160)은 2중 힌지 구조(162)에 의해 동작되도록 함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 도 7에 도시한 바와 같이 프리로드(preload) 스프링(150)을 포함할 수 있다. 상기 프리로드 스프링(150)은 상기 압전체(200)가 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)에 안착하도록 상기 압전체(200)를 구속한다. 상기 프리로드 스프링(150)은 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)에 핀 등을 통해 고정될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

상기 프리로드 스프링(150)은 도시한 바와 같이 마름모 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 실질적으로 상기 압전체(200)를 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)에서 구속할 수 있는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치의 작용을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치의 동작 형태를 개념적으로 도시한 개념도이다.

예를 들면, 엔진의 구동과 연관되어 밸브 구동 인가전압이 압전체(200)에 인가되면, 상기 압전체(200)는 도 2 내지 6에 도시한 바와 같이 좌우측 화살표 방향으로 팽창한다.

도 1에서 대칭형 변위 증배 기구(100) 내부에 있는 압전체(200)는, 인가전압이 인가될 때, 도 1의 그림 상에서 상하로 팽창 변위한다.

상기와 같이 압전체(200)가 팽창 변위하면, 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 예를 들어 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이 수축하거나, 도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이 팽창한다.

도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)가 상기 압전체(200)의 팽창에 따라 수축 동작하는 것으로 하면, 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)가 도 1에 도시된 바와 같이 화살표 방향으로 수축할 때; 스윙암(300)의 상부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)가, 예를 들어 핀(302)에 의해 회전 구속되어 있고, 상기 스윙암(300)의 하부와 상기 대칭형 변위 증배 기구(100)는, 예를 들어 핀(304)에 의해 밀착 고정되어 있기 때문에, 핀(304)를 회전축으로 엔진 밸브(500) 상단에 있는 스윙암(300)이 화살표 방향의 아래 방향으로 운동하여 밸브 스프링(400)를 누르게 된다.

상기와 같이 스윙암(300)이 상기 밸브 스프링(400)을 누르면, 엔진 밸브(500)가 아래로 움직여 밸브를 오픈함으로써 배기 또는 흡기가 되도록 한다.

이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 인가 전압에 따른 압전체의 팽창 체적을 이용하여 엔진 밸브를 구동하고; 압전체의 팽창을 대칭형 변위 증배 기구와 스윙암으로 증폭하여 엔진 밸브를 개폐 구동시킴으로써, 연비와 출력의 향상과, 배출가스 저감, 엔진 구성품의 축소로 재료비 및 무게의 절감을 달성할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 대칭형 변위 증배 기구
200: 압전체(압전 액츄에이터)
300: 스윙암
500: 엔진 밸브

Claims (8)

1. 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치에서,
   인가전압에 따라 체적이 팽창되는 압전체;
   상기 압전체의 팽창 방향에 대해 수직으로 변위되고, 상기 압전체가 팽창하는 방향에 대해 수직으로 팽창하거나 수직으로 수축하여 상기 압전체의 팽창을 증폭하기 위한 대칭형 변위 증배 기구; 그리고
   상기 대칭형 변위 증배 기구에 연결되어 상기 증폭된 압전체의 팽창에 따라 엔진 밸브를 구동하도록 동작하며, 상기 대칭형 변위 증배 기구가 수직으로 수축할 때 밸브 스프링을 눌러 상기 엔진 밸브를 열고, 상기 대칭형 변위 증배 기구가 수직으로 팽창할 때 상기 엔진 밸브를 닫도록 동작하는 스윙암;
   을 포함하며,
   상기 스윙암의 상부와 상기 대칭형 변위 증배 기구가 제1 핀에 의해 회전 구속 되고, 상기 스윙암의 하부와 상기 대칭형 변위 증배 기구가 제2 핀에 의해 고정되며,
   상기 압전체의 팽창에 따른 상기 대칭형 변위 증배 기구의 수축 또는 팽창에 따라, 상기 스윙암이 상기 제2 핀을 회전축으로 운동하여 상기 밸브 스프링을 움직여서 상기 엔진 밸브를 열거나 닫도록 동작하는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치.
   
2. 제1항에서,
   상기 압전체는 다수의 압전소자가 적층되어 액츄에이터를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에서,
   상기 대칭형 변위 증배 기구는 2중 프레임으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치.
   
7. 제6항에서,
   상기 대칭형 변위 증배 기구의 2중 프레임은 2중 힌지 구조에 의해 동작되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치.
   
8. 제1항에서,
   상기 대칭형 변위 증배 기구에 상기 압전체를 구속하기 위한 프리로드(preload) 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 이용한 밸브 구동장치.

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