KR20010040599A - 압전식 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전식 액츄에이터에 관한 것으로서, 특히 차량의 내연기관에 부착된 제어 밸브나 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명의 액츄에이터는, 특히 다층 적층물의 형태로 압전식 액츄에이터 본체(1)를 포함하며, 여기서 다층 적층물은 압전 재료로 이루어진 샌드위치 층들 및 이 층들 사이에 배치되어 전극으로서 사용되는 금속 또는 전기 전도층으로 구성된다. 액츄에이터 본체(1)는 분리벽(8)에 의해 상부 공간(11)과 하부 공간(10)으로 분할되는 중간 공간(10, 11)을 유지하면서 모듈벽(2)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 분리벽은 횡으로 배치된 상태로 축방향으로 운동할 수 있으며 액츄에이터 헤드(3)에 안착한다. 본 발명의 압전식 액츄에이터는, 액츄에이터 본체(1)를 냉각하기 위한 냉각 공기 유동(공기 유입, 공입 유출)이 상부 공간(11) 및/또는 하부 공간(10)에서 관류하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전식 액츄에이터{Piezoelectric actuator}

이와 같은 압전식 액츄에이터는, 예를 들어 로베르트 보쉬 게엠베하의 독일특허 제 DE 196 50 900 A1 호에 공지되어 있다.

일반적으로 알려진 바와 같이, 상기 압전식 액츄에이터는 차량의 내연기관에 부착된 분사 밸브에서 사용될 뿐만 아니라 앤티 블록 시스템(anti-block-system)과 앤티 슬립 제어기(anti-slip-regulator)를 구비한 제동 시스템에 사용하기 위해 설치된다.

압전식 액츄에이터가 장착된 이와 같은 형태의 분사 밸브는 태핏(tappet) 형태의 캡핑 기관(capping organ)을 통하여 제어되는 분사 노즐을 포함한다. 상기 태핏에는 노즐에 안내된 연료의 압력에 의해 작용되는 노즐측 작용면이 부착되며, 이때 압축력은 캡핑 기관의 개방 방향으로 태핏을 밀쳐낸다. 태핏은 상기 작용면보다 더 큰 단면을 갖는 플런저 형태의 단부를 통하여 제어실 내로 돌출된다. 여기서 발생한 효과적인 압력은 캡핑 기관을 폐쇄하는 방향으로 태핏을 이동시킨다. 제어실은 입구쪽 스로틀을 거쳐서 고압 상태로 존재하는 연료 공급관과 결합할 뿐만 아니라 일반적으로 스로틀된, 혹은 출구쪽 스로틀과 조합된 배출 밸브를 거쳐서 저압 상태로 존재하는 연료 귀환 라인과 결합된다. 배출 밸브가 폐쇄되면, 제어실에는 고압이 생성되며, 이로써 태핏은 노즐측 작용면에 발생된 압력에 대항하여 캡핑 기관의 폐쇄 방향으로 이동하거나 혹은 캡핑 상태로 유지된다. 배출 밸브가 개방되면 제어실 내의 압력은 하강하며, 이때 압력 하강의 정도는 입구쪽 스로틀과, 개방된 배출 밸브 혹은 이 밸브와 조합된 출력쪽 스로틀의 스로틀 저항을 측정하여 결정된다. 결과적으로, 배출 밸브가 개방되면 제어실 내의 압력은, 태핏의 노줄측 작용면에 작용하는 압축력에 기초하여 태핏이 캡핑 기관의 개방 방향으로 이동되거나 혹은 개방 위치에 유지되는 것을 방지한다.

전자기 작동식 분사 밸브와 비교하여 압전식 액츄에이터는 신속하게 작동할 수 있다. 물론, 압전식 액츄에이터를 제작할 때는, 내부적인 손실에 의해 압전식 액츄에이터의 본체 내에서 발생되는 열손실과 이로 인한 액츄에이터의 과열 방지를 고려하여야 한다. 압전 세라믹의 세라믹 재료는 불량한 열전도성을 갖기 때문에, 실질적으로 세라믹 재료로 구성된 액츄에이터 본체의 안쪽에서는 열전도가 불리하다.

예를 들어 연료, 물, 엔진 오일 등과 같은 액체 냉각제를 이용한 액츄에이터의 냉각은 경우에 따라서, 즉 한편으로 연료와 엔진 오일에 함유된 수분으로 인한 단락의 위험과, 다른 한편으로 액츄에이터의 가열시 사용중인 냉각제의 누설을 방지하기 위한 고가의 밀봉 수단으로 인하여 액츄에이터 모듈의 가격이 상승하기 때문에 불리하다.

본 발명은, 특히 차량의 내연기관에 부착된 제어 밸브나 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터에 관한 것으로서, 상기 액츄에이터는, 특히 상호 위쪽에 적층되는 압전 재료층들과 이 층들 사이에 배치되어 전극으로서 사용되는 금속 혹은 전기 전도층으로 구성되는 다층 적층물의 형태로 압전식 액츄에이터 본체를 포함하며, 여기서 액츄에이터 본체는 액츄에이터 헤드 상에서 횡으로 배치된 분리벽에 의해 상부 공간과 하부 공간으로 분할되는 중간 공간을 유지하면서 모듈벽에 의해 둘러싸여 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 제 2 실시예를 개략적인 종단면도의 형태로 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 제 2 실시예로서 도 2에 도시한 액츄에이터의 바람직한 다른 구조를 도시한 단면도.

이로 인하여, 본 발명의 목적은, 액츄에이터가 작동할 때, 예를 들어 엔진 오일, 물 또는 연료와 같은 액체 냉각제가 없는 채로 냉각이 가능한 일종의 압전식 액츄에이터에 있어서, 이 압전식 액츄에이터를 간단히 조립할 수 있을 뿐만 아니라 액체 냉각을 실시할 때 필요한 특별한 밀봉 수단을 갖추지 않고도 냉각이 가능하게 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터는, 모듈벽의 안쪽에서 액츄에이터 본체를 둘러싸는 상부 및/또는 하부 공간을, 액츄에이터 본체를 냉각하기 위한 냉각 공기 유동이 관류하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 설치된 압전식 액츄에이터는 액츄에이터 본체를 냉각시키기 위하여 사용차 내에서 이왕 발생된 압축 공기를 사용할 수 있다. 또한, 액츄에이터 모듈을 관류하는 소량의 공기만으로 액츄에이터를 충분히 냉각할 수 있을 뿐만 아니라 냉각 공기를 공급하기 위한 튜브 연결을 생략함으로써 제조 비용이 낮다. 추가로, 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터는, 액츄에이터 모듈로부터 액체 냉각재가 유출되지 않기 때문에 기능상의 안정성도 높다.

일실시예에 있어서, 냉각 공기 유동은 액츄에이터 헤드에서 횡으로 배치되어 있는 분리벽의 아래쪽에 구성된 하부 공간에 공급된다. 이 실시예에 있어서, 엘라스토머 막이나 수축관을 통하여 액츄에이터 본체와 유동 연결부를 피복함으로써, 경우에 따라서 냉각 공기 유동에 포함된 습기로 인하여 야기될 수 있는 액츄에이터 모듈 내부의 파손이나 단락을 방지할 수 있다. 특히, 냉각 공기 유동이 관류하는 하부 공간에 대하여 상부 공간을 습기로부터 밀봉하기 위한 조치가 필요없다.

다른 실시예에 있어서, 냉각 공기 유동이 액츄에이터 헤드를 거쳐서 상부 공간에서만 관류한다. 이 경우에, 상부 공간은 하부 공간에 대하여 습기로부터 밀봉된다. 또한, 이러한 종류의 실시예에서는 엔진으로부터 발생된 열이 액츄에이터 본체에 접근하지 않는다. 이를 위해서, 액츄에이터 헤드에서 횡으로 배치된 분리벽은 이 분리벽의 주변에서 액츄에이터 벽에 대항하여 O-링에 의해 밀봉된다. 추가로, 냉각 공기 유동이 하부 공간을 통하여 유동하는 제 1 실시예에서처럼, 액츄에이터 본체와 이 본체와의 연결 라인은 엘라스토머 막이나 수축관을 통하여 피복될 수 있다. 게다가, 분리벽의 위쪽에는 밀봉 용도로 사용되는 추가의 엘라스토머 밀봉링이 제공될 수 있으며, 이 엘라스토머 밀봉링의 주위에서 반경방향 돌기나 링모양의 홈을 통하여 분리벽에 고정된다. 내부 영역에서, 양호한 열전도 능력을 갖는 접착재층에 의해 하부 공간에 대하여 상부 공간을 밀봉할 수 있다.

다른 변형예에 있어서, 분리벽에는 냉각판이 추가로 결합되어 양호한 열전도가 가능하며, 이로써 한층 더 냉각할 수 있는 데, 왜냐하면 상기 냉각판이 냉각 공기가 관류하는 상부 공간에 배치되기 때문이다.

또한, 엘라스토머 재료를 이용한 탄성 밀봉 대신에, 양호한 열전도성을 가지며 이와 동시에 액츄에이터 모듈의 하부 공간으로부터 냉각 공기가 관류하는 상부 공간 내로 추가의 열 배출을 차단하는 강철 멤브레인이 사용될 수도 있다. 이러한 강철 멤브레인은 나사형 링으로 연결됨으로써 밀봉 가능하게, 그리고 열전도 가능하게 모듈벽과 결합될 수 있다.

본 발명은 공동-레일-분사 시스템 내에 디젤 연료를 분사하는 상용차에 사용될 때 특히 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상용차에서 발생된 압축 공기는 소량만으로 압전식 액츄에이터를 냉각시킬 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따라 제작된 압전식 액츄에이터의 다른 바람직한 특징은 여러 가지 실시예를 설명하는 상세한 설명과 도면에 기초하여 명확할 것이다.

도 1에서 부분 종단면도의 형태로 도시한 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 제 1 실시예에 있어서, 액츄에이터(1)는 상호 위쪽에 적층되는 압전 재료층들과 이 층들 사이에 배치되어 전극으로서 사용되는 금속 혹은 전기 전도층으로 구성되는 다층 적층물의 형태를 가질 수 있으며, 이 액츄에이터의 전방면의 좌우에서, 여기서는 상세하게 도시하지 않지만 고정된 하부 액츄에이터 기초부와, 액츄에이터 헤드(3) 상에 배치되며 분리벽(8)으로서 제작되고 축방향으로 운동 가능한 상부 판이 두 개의 스프링 밴드(12)를 통하여 탄성적으로 연결된다. 액츄에이터 모듈은 금속성 액츄에이터 벽(2)에 의해 둘러싸인다.

액츄에이터 본체(1)가 이 액츄에이터의 전극에 펄스 전압을 가하면, 액츄에이터는 운동 가능한 상부 판과 하부 액츄에이터 기초부 사이에서 스프링 밴드(12)를 통하여 고정된 전방면 사이의 간격을 변화시킴으로써 아날로그 펄스 스트로크(analog pulsed stroke)를 발생시킨다. 이 스트로크는 액츄에이터 헤드(3)에서 피스톤을 거쳐 밸브의 노즐(도시하지 않음)에 전달된다(작동 방향 화살표 S 참조). 또한, 여기서는 단지 하나만 볼 수 있는 전극 공급 라인이 도 1에 상세하게 도시하지 않은 연결 클램프를 향하여 아래쪽으로 안내되어 있는 것을 알 수 있다. 이 외에도, 축방향으로 운동 가능한 분리벽(8)은 액츄에이터 본체(1)를 둘러싸는 중간 공간을, 액츄에이터 본체(1)를 직접 둘러싸는 하부 공간과 액츄에이터 헤드(3) 위쪽에 배치된 상부 공간(11)으로 분할한다.

도 1에 도시한 실시예에 있어서, 액츄에이터 모듈벽(2)의 하부 영역은 냉각 공기 Lzu가 유입되는 공기 유입구(16)와, 냉각 공기 Lab를 배출하는 공기 배출구(17)를 갖는다. 도면에서 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 공기 유입구(16)와 공기 배출구(17)는 모듈벽(2) 내에서 상호 대향되고 축방향으로 위치 변환되어 배치된다. 이로써, 액츄에이터 본체(1) 내에서 특히 효과적인 공기 순환이 이루어진다. 전극 공급 라인을 포함한 액츄에이터 본체(1)는 엘라스토머 막이나 수축관(5, 15)을 통하여 공기 중에 직접 존재하는 습기로부터 보호된다.

물론, 엘라스토머층(5, 15)은 대량의 물이 유입되면 습기에 대해 액츄에이터 본체(1)를 안전하게 보호할 수는 없다.

하부 공간(10)에 대하여 상부 공간(11)을 밀봉하기 위한 바람직한 대책이 없기 때문에, 냉각 공기는 상부 공간(11)에서도 소량으로 유입될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 제 2 실시예를 도시한다. 도 2에서도 마찬가지로 종단면도로 도시한 실시예에 있어서, 하부 공간(10)은 상부 공간(11)에 대하여 습도로부터 보호되도록 밀봉되며, 상부 공간(11)에서만 냉각 공기가 관류한다. 또한, 모듈벽(2)에는 냉각 공기가 유입될 수 있는 공기 유입구(16)와, 이 유입구에 대향 배치되어 냉각 작용 후에 배출 공기 Lab로서 배출되는 공기 배출구(17)가 설치된다. 또한 이러한 공기 유동 방식은 엔진에서 발생한 열이 열전달에 의해 액츄에이터 본체(1)에 도달하는 것을 방지하기 위한 것이기도 하다.

상부 공간(11)에 대하여 하부 공간을 밀봉하기 위해서, 분리벽(8)은 액츄에이터 헤드(3)의 영역에서 모듈벽(2)의 내측면에 부착된 O-링(6)을 통하여 밀봉된다. O-링(6)을 이용한 이러한 밀봉은 분리벽(8)의 축방향 운동을 가능하게 하며, 고유의 액츄에이터 영역, 즉 액츄에이터 본체(1)의 영역에 물이 축적되는 것을 충분히 방지한다.

인장 스프링(12)이 운동 가능한 분리벽(8)을 통과하는 위치에서 접합부(4)는 접착재로 밀봉 가능하게 부착된다.

또한 여기서도, 도 1에 도시한 실시예에서처럼 액츄에이터 본체(1)와 전극 연결부가 엘라스토머 막(5, 15)에 의해 피복되는 것이 바람직하다. 엘라스토머 막 대신에, 또한 밀봉 및 절연용 탄성 래커(elastic lacquer)가 사용될 수 있으며, 또는 수축관(shrinkage tube)이 사용될 수도 있다.

도 3a는 도 2의 실시형태에 대하여 개선된 형태를 갖는 액츄에이터 헤드(3) 주위의 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 횡으로 배치된 분리벽에서 O-링(6)을 통한 밀봉을 개선하기 위하여 도 3a 내지 도 3c에 따른 엘라스토머 밀봉링(18)이 설치되며, 이 밀봉링은 축방향 위치에서 반경방향 돌기(19)를 통하여 모듈벽 내에 고정된다. 엘라스토머 밀봉링은 도 3a에 따라서 반경방향 안쪽에 배치된 금속링(18a), 반경방향 바깥쪽에 배치된 금속링(18b) 및 이들 사이에 삽입된 엘라스토머 링(18c)으로 구성된 결합체일 수 있다. 내부는 액츄에이터 헤드의 영역에서 양호한 열전도성의 접착재층(20)을 통하여 밀봉된다.

양호한 열방출을 위하여, 양호한 열전도가 가능하도록 내부 금속링(18a)에 냉각판(21)이 추가로 결합된다. 냉각판(21)은 냉각 공기가 관류하는 상부 공간(11) 내로 돌출한다.

도 3b는 3개의 부분(18a, 18b, 18c)으로 구성된 엘라스토머 링(18)과 냉각판(21)이 일체로 형성된 변형예를 도시한다.

도 3c에서는, 도 3a에서 설명한 바와 같이 형성되지만 웨이브 밀봉링과 같은 고정된 내부링이 없는 엘라스토머 링(18)을 통하여 밀봉할 때의 다른 변형예를 도시한다. 이 내부링(18a) 대신에 액츄에이터 헤드(3)가 사용된다.

마지막으로, 도 3d에서는 엘라스토머 링 대신에 강철 멤브레인(steel membrane: 22)으로 상부 공간(11)에 대하여 하부 공간(10)을 밀봉하는 실시예를 도시한다. 이러한 금속 멤브레인(22)은 뛰어난 밀봉 효과와, 동시에 우수한 열전도성을 포함한다. 멤브레인(22)은 도 3d에 따라서 나사형 링(23)에 의해 모듈벽(2)에 고정되지만, 이 멤브레인을 사용함으로써 액츄에이터 헤드의 축방향 운동이 가능하다. 멤브레인은 내부에서 액츄에이터 헤드(3)에 용접된다.

본 발명에 따른 냉각 수단을 통하여, 다시 말해서 하부 공간(10) 및/또는 상부 공간(11)을 관류하는 냉각 공기를 통하여, 그리고 필요한 경우에 냉각판과 같은 추가의 조치를 통하여, 그리고 액츄에이터 헤드(3)의 영역에서 냉각판과 분리벽(8) 사이의 양호한 열전도 결합을 통하여, 혹은 도 3d에 따른 밀봉 강철 멤브레인(22)을 사용함으로써, 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터는 공동-레일-분사 시스템에서 디젤 연료를 분사하기 위해 사용되는 것과 같은 분사기를 조작하는 데 매우 양호하다. 특히 상용차에서 이왕 존재하는 압축 공기의 일부를 압전식 액츄에이터를 냉각시키기 위해 사용할 수 있다. 또한 소량의 공기만으로 충분한 냉각이 가능하며, 냉각 공기의 유입과 배출을 위한 튜브 연결을 생략함으로써 제작 비용이 낮다. 예를 들어, 연료, 엔진 오일 또는 물과 같은 액체 냉각재가 사용되지 않기 때문에 기능상의 안정성도 높다. 제 2 실시예에 있어서는 냉각 공기가 액츄에이터 모듈의 상부 공간에만 안내됨으로써 액츄에이터가 공기 중에 존재하는 습기로부터 안전하게 보호되며 엔진으로부터 발생하는 열이 액츄에이터에 작용하지 않게 된다.

Claims (17)

1. 차량의 내연기관에 부착된 제어 밸브나 분사 밸브를 작동시키기 위한 장치로서, 다층 적층물의 형태로 압전식 액츄에이터 본체(1)를 포함하며, 상기 다층 적층물은 압전 재료들로 이루어진 샌드위치 층 및 이 층들 사이에 배치되어 전극으로서 사용되는 금속 또는 전기 전도층으로 구성되고, 상기 액츄에이터 본체(1)는 액츄에이터 헤드(3)에 횡으로 배치되어 축방향으로 운동할 수 있는 분리벽(8)에 의해 상부 공간(11)과 하부 공간(10)으로 분할되는 중간 공간(10, 11)을 유지하면서 모듈벽(2)에 의해 둘러싸이는 압전식 액츄에이터에 있어서,

   상기 상부 공간(11) 및 하부 공간(10) 내에는 액츄에이터 본체(1)를 냉각하기 위한 냉각 공기 유동(Lzu, Lab)이 관류하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈벽(2)은 하부 공간(10)의 영역에서 공기 유입구(16)와 공기 배출구(17)를 갖는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공기 배출구(17)는 공기 유입구(16)에 대향 배치되며 공기 유입구(16)에 대해 축방향으로 위치 변환하여 배치되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 통로를 포함하는 상기 액츄에이터 본체(1)는 공기가 관류하는 하부 공간(10)의 영역에서 엘라스토머 막(5, 15), 수축관, 또는 래커층을 통하여 습도로부터 보호되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 공간(11)에서만 액츄에이터 헤드(3)를 통하여 냉각 공기 유동이 관류하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 모듈벽(2)은 상부 공간(11)의 영역에서 공기 유입구(16)와 공기 배출구(17)를 갖는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 하부 공간(10)은 상부 공간(11)에 대하여 습도를 차단하도록 밀봉되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 횡으로 배치된 상기 분리벽(8)은 이 분리벽의 주변에서 O-링(6)에 의해 액츄에이터 벽(2)에 대하여 밀봉되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 통로를 포함하는 상기 액츄에이터 본체(1)는 하부 공간(10)의 영역에서 엘라스토머 막(5, 15), 수축관, 또는 래커층을 통하여 습도로부터 보호되도록 피복되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 횡으로 배치된 상기 분리벽(8)의 위쪽에서 하부 공간(10)에 대하여 상부 공간(11)을 밀봉하도록, 엘라스토머 밀봉링(18)이 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 엘라스토머 밀봉링(18)은 모듈벽(2) 내에 설치된 반경방향 돌기(19) 또는 링모양의 홈을 통하여 축방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 상부 공간(11)은 우수한 열전도 접착재층(20)을 통하여 하부 공간에 대해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 횡으로 배치된 상기 분리벽(8)은 금속으로 구성되며, 상부 공간(11)에 돌출된 냉각판(21)을 통하여 양호한 열전도가 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉각판과 엘라스토머 밀봉링은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
15. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 횡으로 배치된 상기 분리벽(8)의 위쪽에는 강철 멤브레인(22)이 추가로 제공되며, 이 강철 멤브레인은 하부 공간(10)에 대해 상부 공간(11)을 탄성적으로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 강철 멤브레인(22)은 나사형 링(23)을 통하여 형상 끼워 맞춤식 및 강제 끼워 맞춤식으로, 그리고 양호한 열전도가 가능하게 모듈벽(2)의 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 강철 멤브레인(22)은 내부에서 액츄에이터 헤드(3)에 용접되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.