KR20010040656A - 압전 작동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 내연 기관 상의 제어 밸브 또는 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전 작동기에 관한 것이다. 본 발명의 작동기는, 특히 압전 재료의 적층된 층 및, 그 사이에 배치되며 전극으로서 작용하는 금속적 또는 전기적 도전층으로 구성되는 다층 라미네이트의 형태인 압전 작동기 본체(1)를 포함한다. 상기 전극층은 전기적 도전성 공통의 전극 터미널(3)에 의해 접속되며, 작동기 본체(1)는 공통의 전극 터미널(3)을 포함하는 중간 공간(5)을 유지하면서 금속 모듈벽(2)에 의해 둘러싸인다. 압전 작동기는 공통의 전극 터미널(3)이 삼차원 구조면 또는 삼차원 구조체의 형상으로 제공되며, 작동기 본체(1) 상에 직접 배치된 그의 섹션은 중간 공간(5) 내로 돌출되는 연장부(31,32) 또는 확대부(9)를 포함하며, 상기 중간 공간은 작동기 본체로부터의 발산열을 제공하며 중간 공간(5) 내에 열전도성 부가 입자를 갖춘 탄성 중합체 충전재(7)를 갖는다.

Description

압전 작동기{Piezoelectric Drive}

상기와 같은 압전 작동기는 예컨대 로베르트 보쉬 게엠베하의 DE 196 50 900 A1로부터 알려져 있다.

일반적으로 공지된 바와 같이, 압전 작동기는 예컨대 자동차의 분사 밸브 또한 블로킹 방지 시스템 및 슬립 방지 조정부를 구비한 제동 시스템에 사용될 수 있다.

압전 작동기가 구비된 이러한 분사 밸브는 공이 모양의 폐쇄 기구에 의해 제어되는 분사 노즐을 갖고 있다. 공이에는, 노즐에 공급되는 연료의 압력이 가해지는 노즐 측 작용면이 배치되어 있고, 거기에서는 가압력은 공이를 폐쇄 기구를 개방시키려는 방향으로 작용한다. 공이는 단면적이 상기 작용면 보다 큰 플런저 모양의 단부에 의해 제어실 내로 돌입하고 있다. 거기서 효과를 내는 압력은 폐쇄 기구를 폐쇄시키는 방향으로 공이를 동작시키려는 경향을 갖는다. 제어실은 유입 스로틀 부를 통해서는 고압 하에 있는 연료를 공급하는 것과 관련되고, 통상적으로는 스로틀이 폐쇄되고 또는 출구 스로틀 부와 결합되어 있는 배출 밸브를 통해서는 아주 작은 압력을 갖는 연료 환류와 연관된다. 배출 밸브가 폐쇄되어 있을 때에는, 제어실에는 높은 압력이 걸리고, 그 압력에 의해 공이는 그의 노즐측 작용면의 압력에 거슬러 폐쇄 기구를 폐쇄하는 방향으로 이동되거나 폐쇄 위치에 유지된 채 있다. 배출 밸브의 개방 시에는, 제어실의 압력은 저하하는데, 압력 저하의 정도는 유입 스로틀 부의 치수 및 개방된 배출 밸브 또는 그것과 결합된 배출 스로틀 부의 스로틀 저항에 의해 결정된다. 결과적으로, 배출 밸브 개방 시 제어실의 압력은, 노즐측 작용면에 작용하는 압력으로 인해 공이가 폐쇄 기구의 개방 방향으로 이동되거나 개방 위치에 유지되도록 감소한다.

전자기적으로 작동하는 분사 밸브에 비하여 압전 작동기의 스위칭 응답은 보다 신속하다. 물론 압전 작동기의 구성의 경우에는, 작동기의 압전체 내에 있어서의 내부 손실에 의해 손실열이 발생되는데 작동기가 과열되지 않도록 그 열은 소산되도록 유의해야 한다. 압전 세라믹의 세라믹 재료는 열 전도성이 불량하기 때문에, 특히 그 길이가 그 폭보다 큰 작동기의 경우에는 실질적으로 세라믹 재료로 구성된 작동기 본체 내에 있어서의 열 소산이 불리하다.

작동기 본체의 활성부에 위치하는 전극을 통한 그의 전열성은 전극 단면에 대해 수직 방향 보다 그 단면에 대해 횡 방향으로 3 내지 5 배 더 큰데, 그 이유는 압전 세라믹 재료가 열 불량 도체이기 때문이다. 이 배수는 세라믹 층의 두께, 작동기 본체의 가장자리로부터의 전극층의 두께와 같은 기하학적 비에 물론 의존한다. 상기와 같이 열 전도는 전극층에 대해 수직으로는 불량하기 때문에, 열은 외부의 공통의 전극 터미널 측을 향해 작동기 본체의 활성부를 통한 경로를 취하게 된다. 이 외부에 위치하는 공통의 전극 터미널은 금속 작동기 푸트(foot)에도 또한 작동기 본체의 영역에 있는 금속 지지판에도 접촉하고 있지 않기 때문에, 작동기 본체에서 발생하는 열은 추가 조치가 없으면 또한 이들 금속체에 전달될 수 없다. 특히 공통의 전극 터미널에 인가되는 약 200 볼트의 높은 전압으로 인해 작동기 모듈의 금속 부분에 대해 공통의 전극 터미널을 절연하기 위한 특별한 조치가 필요하다.

예컨대 연료, 물, 모터 오일 등과 같은 액체 냉매에 의한 이론적으로 가능한 냉각은 불리한데, 그 이유는 한가지로는 연료 및 모터 오일에 함유된 수분에 의한 단락의 위험 때문에, 또한 한가지로는 특히 작동기의 발열 시 사용된 냉매가 작동기 모듈로부터 배출하는 것을 차단시켜야 할 필요가 있는 고가의 패킹으로 인해 작동기 모듈이 고가화하기 때문이다.

본 발명은, 특히 압전 재료의 서로 적층된 층으로 형성된 다층 라미네이트(laminate)의 형태 및 상기 층 사이에 위치하는 금속성 및 전기 전도성의 전극 역할을 하는 층으로 형성된 압전 작동기 본체를 구비하며, 상기 전극층은 전기 전도성의 공통의 전극 터미널에 의해 접촉되어 있고, 작동기 본체는 공통의 전극 터미널을 포함하는 중간 공간을 유지하면서 금속성 모듈벽에 의해 둘러싸여 있는, 특히 자동차의 내연 기관에 있는 제어 밸브 또는 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전 작동기에 관한 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 압전 작동기의 실시예의 개략 종단면도.

도 1b는 본 발명에 따른 압전 작동기의 다른 실시예의 개략 횡단면도.

도 2 내지 도 9는, 각각 본 발명에 따른 압전 작동기를 통한 한 단면을 나타내는 종단면의 형태로 되어 있는 연장 및/또는 확대된 공통의 전극 터미널의 여러 변형예의 도면.

따라서 본 발명의 목적은, 작동에 의해 발열하는 작동기의 냉각이 액체 냉각제의 사용 없이도 가능하며, 또한 압전 작동기가 간단히 장착될 수 있고 액체 냉각 시에서와 같은 특별한 패킹이 필요 없게 하는 것이 가능하도록 개시 단락에서와 같은 압전 작동기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명의 본질적 양태에 따라, 공통의 전극 터미널은 삼차원 구조의 면 또는 삼차원 구조의 물체의 형태로 형성되어 있고 작동기 본체에 인접하는 전극 터미널 부분은 작동기 본체의 열 소산을 위해 중간 공간 내로 돌출하는 연장부 또는 확대부를 갖게 함으로써 달성된다.

한 실시예에 있어서는, 공통의 전극 터미널의 연장부가 작동기 본체의 측벽에 평행하게 위치하는 밴드 또는 파형의 포일의 형으로 형성되어 있다.

다른 실시예에 있어서는, 보다 큰 열 소산 면적을 형성하기 위해 외부에 위치하는 공통의 전극 터미널이, 전극 터미널이 중간 공간 내 작동기 본체와 모듈벽 사이에서 일회 또는 수회 절첩되어 있게 함으로써 연장되어 있다.

적합하게는 공통의 전극 터미널을 위해 파형 밴드를 사용하면, 냉각면은 파고점의 형상에 의해서도 확대될 수 있다.

확대 또는 연장된 공통의 전극 터미널로부터 방출된 열이 모듈벽으로 더욱 전달되는 것은, 적합하게는 중간 공간을 충전하고 연장된 공통의 전극 터미널을 둘러싸는 열 전도성 탄성 중합체에 의해 행해진다.

확대 또는 연장된 공통의 전극 터미널의 냉각을 더욱 상승시키는 것은, 전기 전도성 입자와 높은 충전도를 가진 탄성 중합체를 이용함으로써 달성된다. 이 경우 모듈벽의 내측은 예컨대 라커 층 또는 산화물 층에 의해 전기적으로 절연되어야 한다.

그 외에도 공통의 전극 터미널의 전열 표면의 확대를 위해 접속 와이어의 연장도 고려해 볼 수 있다. 또한 여기서는 와이어 길이 및 그와 더불어 접속 와이어의 방열 표면도 그것들을 작동기 본체와 모듈벽 사이 중간 공간 내에서 절첩에 의해 상승될 수 있다.

또한 공통의 전극 터미널의 연장부를 경우에 따라 여러 번 절첩하는 것과 접속 와이어를 각각 연장하는 것과를 조합하는 것도 가능하다.

금속 세그먼트를 중간 공간 내에 도입하고 그 후 상기 세그먼트를 양측에서 연장된 전극 터미널과 납땜 또는 용접하는 것은 더욱 유리하다. 이들 금속 세그먼트는 적합하게는 구리로 되어 있고 전기 절연층이 있는 모듈벽에 접착된다.

그러나 공통의 전극 터미널과 이 접속부의 내측에 있는 전기 절연 모듈벽 사이에 배치되어 있고 고정을 위해 탄성 접착제와 탄성 중합체로 함침된 금속 울 또는 금속 망(메시)을 이용하면, 비용 상으로는 유리하지만 완전성은 부족한 결과가 얻어진다.

본 발명에 의한 압전 작동기에 따른 상술한 모든 실시예에 있어, 적합하게는 중간 공간은 전열성 입자가 혼입된 탄성 중합체로 충전될 수 있다.

상기한 특징적 형상의 압전 작동기는 열을 작동기에 전달 소산시키기 위해 양호한 열 소산을 위한 연장된 확대된 공통의 전극 터미널을 이용한다. 그래서, 작동기의 액체 냉각 시에는 경우에 따라 있을 수 있는 누출 문제가 발생하지 않을 수 있도록, 열 소산을 위해서는 전적으로 고체 물체만이 사용된다. 작동기 본체를 탄성 중합체 등으로 둘러쌈으로써 땀 물 또는 기타 오염물에 의한 단락 발생의 위험이 발생하지 않게 된다.

본 발명에 의한 압전 작동기는 특히 공동-레일-디젤-분사-시스템 및 PDE-분사 시스템에 유리하게 이용될 수 있다. 휘발유 직접 분사 밸브도 그러한 압전 작동기를 채용하여 유리하게 구현될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 관한 상기한 또한 추가의 목적 및 이점이 다수의 실시예로 표현된 도면에 따라 상세히 설명될 것이다.

부분 단면도인 도 1a에 종방향으로 도시된 본 발명에 따른 압전 작동기의 제 1 실시예에 있어서는 작동기 본체(1)가 설치되며, 상기 작동기 본체는 압전 재료의 서로 적층된 층으로 형성된 다층 라미네이트의 형태 및 상기 층 사이에 위치하는 금속성 및 전기 전도성의 전극 역할을 하는 층을 구비할 수 있으며, 상기 작동기 본체는 좌측 및 우측에서, 하부의 금속 작동 푸트(6)와, 작동 헤드에 위치하는 분리벽으로 구성된 상부의 축방향 가동판(4) 사이의 두 개의 스프링 밴드(도시 않음)에 의해, 예비 인장력을 받고 있다. 작동기 모듈은 금속 모듈벽(2)에 의해 둘러싸여 있다. 도 1a는 단지 좌측 스프링 밴드(11)를 도시하고 있음을 유의할 수 있다. 예비 인장력 부여를 위한 스프링 밴드들은 또한 가동판(4)을 압박하는 압축 스프링에 의해 대체될 수 있을 것이다.

도 1b에 있어 작동기 본체(1)의 양 외부 종측면에는 전도성의 공통의 전극 터미널(3)이 있고 상기 접속부는 종측면에 전달되어 있는 전극층에 접촉되어 있다. 상기한 바와 같이 작동기 본체에서 발생하는 열은 주로 본체의 측 표면에 전달된다. 거기서 열은 공통의 전극 터미널(3)에 의해 흡수되고 접속부의 확대부 또는 연장부를 통해 주위에, 특히 모듈벽(2)에 전달된다. 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)는 U 형이고 작동기 본체(1)의 측벽에 평행하게 중간 공간(5) 내로 돌출해 있다{도면에서는 간단화를 위해 단지 우측 연장부(31)만이 도시되어 있다}. 도 1b에 의한 단면도에 있어서는, 공통의 전극 터미널(3)과 접촉되어 있는 작동기 본체(1)의 측면을 볼 수 있다. 화살표(Z)에 의해 전극 구역이 표시되어 있다. 모듈벽(2)의 내부를 전기적으로 절연시키는 절연층(10)을 또한 볼 수 있는데, 이 절연층은 공동 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)가 모듈벽(2)에 단락을 일으킬 수 없도록 한다. 스프링 밴드(11)는 도 1b에서는, 공통의 전도성 전극 터미널(3)에 의해 덮여 있지 않은 작동기 본체(1)의 측면을 따라 위치해 있다(도 1a의 개략도에 있어서와는 달리).

도 1b에서는, 양 전극 터미널(3)는 연장부(31, 32)를 갖고 있는 것을 볼 수 있다.

도 2에 도시된 변형예는, 파동 모양의 금속 밴드 또는 파동 모양의 금속 포일이 공통의 전극 터미널(3)로 사용되어 있는 점이 도 1의 실시예와는 상이하다. 이 경우에 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31)도 역시 파형 금속 밴드로 구성되어 있다. 또한 중간 공간(5)은 양호한 열전도성 탄성 중합체(7)로 채워져 있고, 그 탄성 중합체는 연장된 공통의 전극 터미널(3, 31)에 의해 발생된 열을 수용하고 특히 금속성 모듈벽(2)에 전달한다. 탄성 중합체의 열 전도성을 상승시키기 위해, 그 공간에는 열 전도성 충전재로 충전될 수 있다.

도 3에 도시된 변형예에서는, 공통의 전극 터미널로 사용되는 파형 밴드의 파고점(31) 중의 적어도 일부는 보다 높아, 냉각에 효과를 낼 수 있는 공통의 전극 터미널(3)의 표면적이 확대되게 함으로써 공통의 전극 터미널(3)이 확대되어 있다. 또한 도 3에 도시된 변형예에서도, 중간 공간(5)은 경우에 따라서는 열 전도성 충전재를 첨가한 가운데 양호한 열 전도성 탄성 중합체(7)에 의해 충전될 수 있다.

도 4에 도시된 변형예에서는, 공통의 전극 터미널(3)로서의 역할을 하는 파형 밴드의 연장부(31)가 중간 공간(5) 내에 다중으로 절첩되어 있고 그래서 도 2에 비하여 열 발산을 위해 명백히 더 큰 효과적인 표면이 달성되어 있다.

열 발산에 유효한 표면을 확대하기 위해 공통의 전극 터미널(3)을 절첩시키는 다른 형태가 도 5에 도시되어 있다. 여기서는 파형화 된 공통의 전극 터미널(3)의 중간 공간(5) 내로 돌출하는 굴곡된 두 단부(31)는 파형으로 되어 있지 않고 직선적으로 연장되어 있다.

도 6에 도시된 변형예에서는, 경우에 따라 다중으로 절첩된 또한 파형으로 연장되는 공통의 전극 터미널(3)의 단부 부분이 모듈벽에 접촉하는 것과 열전도성 탄성 중합체(7)에 첨가된 전기 전도성 입자(17)가 모듈벽(2)에서 단락을 일으키는 것이 방지되도록 하기 위해, 모듈벽(2)의 내측에 전기 절연층(18)이 있다. 그 외에도 서로 대향하는 두 전극(3, 31)에서의 단락 위험이 방지될 수 있도록, 입자와 같은 전기 전도성 충전재는 전체 작동기 본체(1) 둘레로는 배치되어서는 안된다. 그것과는 반대로 전기 절연성 및 열 양호 전도성 첨가 입자들을 가진 모든 해법 예에 있어서는 탄성 중합체(7)가 전체 작동기 주위에 연장될 수 있고 또한 연장되어야 할 것이다.

도 7a 및 7b에 도시된 본 발명에 의한 압전 작동기의 변형예에 있어서는 접속 와이어(12)가 중간 공간(5) 내로까지 연장되어 있어 열 배출을 개선하기 위한 공통의 전극 터미널(3)의 연장부를 형성한다. 접속 와이어(12)의 와이어 길이는 중간 공간(5) 내에서 접속 와이어의 절첩에 의해 더욱 증가될 수 있다.

도 7b에 의한 변형예는 연장된 파형 밴드(3)와 도 7a에서와 같은 연장된 접속 와이어(12)와의 조합을 포함하고 있다. 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31)는 여러 지점에서 연장된 접속 와이어(12)와 접촉되어 있다.

더욱 유리한 것은 도 8에 도시된 변형예인데, 이 예에서는 적합하게는 구리로 된 금속 세그먼트(9)가 중간 공간(5) 내에 삽입되어 있다. 공통의 전극 터미널(3)로 이용되는 파형 밴드는 상하 양측으로 금속 세그먼트(9)와 납땜 또는 용접되어 있다. 모듈벽(2)에는 전기 절연층(18)이 배치되어 있고 금속 세그먼트(9)는 절연층(18)에 접착제(111)에 의해 접착되어 있다.

저렴하기는 하지만 완전히 효과적이지는 않은 예는 도 9에 도시된 변형예인데, 여기서는 금속 울 또는 금속 망(13)이 공통의 전극 터미널로서 사용된 파형 밴드(3)와 절연층(18)에 의해 전기적으로 절연된 모듈벽(2)의 내측 사이에 도입되어 있고, 고정을 위해 탄성 접착제 또는 탄성 중합체(27)로 함침되어 있다. 작동기 푸트(6)는 탄성 중합체 디스크 또는 세라믹 디스크(19)에 의해 금속 울 또는 금속 망(13)에 대해 전기적으로 절연되어 있다.

상기한 바와 같이, 도 2 내지 9에 도시된 조치들은 공통의 전극 터미널의 연장 또는 확대를 위해 서로 조합될 수도 있다. 또한 탄성 중합체는 열 전도성이 양호한 분말 또는 입자로 충전되면 그 단독으로서도 분명히 열 소산을 개선시킬 수 있고 그래서 해법으로서의 역할을 할 수 있다.

Claims (14)

1. 압전 재료의 서로 적층된 층으로 형성된 다층 라미네이트의 형태 및 상기 층 사이에 위치하는 금속성 및 전기 전도성의 전극 역할을 하는 층으로 형성된 압전 작동기 본체(1)를 구비하며, 상기 전극층은 전기 전도성의 공통의 전극 터미널(3, 31, 32)에 의해 접촉되며, 상기 작동기 본체(1)는 공통의 전극 터미널을 포함하는 중간 공간(5)을 유지하면서 금속성 모듈벽(2)에 의해 둘러싸여 있는, 자동차의 내연 기관용 조절 밸브 또는 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전 작동기에 있어서,

   상기 공통의 전극 터미널(3)은 삼차원 구조의 면 또는 삼차원 구조의 물체의 형태로 형성되어 있으며, 상기 작동기 본체(1)에 인접하는 전극 터미널 부분은 상기 작동기 본체(1)의 열 소산을 위해 상기 중간 공간(5) 내로 돌출하는 연장부(31, 32) 또는 확대부(9)를 갖고 있으며, 상기 중간 공간(5)은 열 전도성 첨가물을 함유하고 있는 탄성 중합체(7, 17, 27)로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)은 상기 작동기 본체(1)의 서로 대향하는 두 측면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)는 상기 작동기 본체의 측벽에 평행하게 위치하는 밴드 또는 파형의 포일의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)를 형성하는 포일은 상기 중간 공간(5) 내에서 다중으로 절첩되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)는 상기 공통의 전극 터미널에 접촉하는 접속 와이어(12)의 연장부 또는 확대부에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 연장된 접속 와이어(12)는 상기 중간 공간(5) 내에서 다중으로 절첩되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 공간 내로 돌출하는 상기 공통의 전극 터미널(3)의 연장부(31, 32)는 각각 그 길이의 다수의 지점에서 상기 중간 공간(5) 내로 돌출하는 각각의 접속 와이어(12)의 연장부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)은 상기 중간 공간(5) 내에서 작동기 모듈의 종방향으로 위치하는 재료 세그먼트(9)에 의해 확대되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 각각의 금속 세그먼트(9)는 전기 절연층(10)에 의해 작동기 벽(2)의 내측에 대해 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 각각의 금속 세그먼트(9)는 접착제(111)에 의해 상기 절연층(10)에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 공통의 전극 터미널(3)의 확대부 또는 연장부는 각각 금속 울 또는 금속망(13)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동기 본체(1)와 상기 모듈벽(2) 사이의 중간 공간(5)은 전열성 탄성 중합체(7, 27)로 또한 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전열성 탄성 중합체(7)는 전기 전도성 입자(17)로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 모듈벽(2)의 내측은 전기 절연층(18)에 의해 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 작동기.