KR20010040885A - 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

압전 소재의 적층된 층들과 그 사이에 위치하는 금속성 또는 전도성인, 전극으로서 이용되는 층들로 이루어진 다층 라미네이트의 형태인 압전 액추에이터 몸체(1)를 가지며, 액추에이터 몸체(1)의 정면들 중 어느 하나가 양호하게 열을 전도하는 액추에이터 베이스(6) 또는 금속성 액추에이터 베이스(6)에 고정되는, 자동차의 내연기관에서 제어 밸브 또는 분사 밸브의 가동을 위한 압전 액추에이터는 하나 이상의 양호하게 열을 전도할 수 있는 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)가 액추에이터 몸체(1)의 측면 및 액추에이터 베이스(6)와 양호하게 열전도할 수 있게 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 액추에이터{Piezoelectric actuator}

그런 종류의 압전 액추에이터는 예를 들어 로베르트 보쉬 게엠베하(Robert Bosch GmbH)의 DE 196 50 900 A1에 공지되어 있다. 일반적으로 공지된바처럼, 압전 액추에이터는 예를 들어 자동차 엔진의 분사 밸브에 이용되고 앤티 브레이크 시스템과 앤티 슬립 콘트롤을 가지는 브레이크 시스템에서 이용된다.

압전 액추에이터를 구비한 그런 종류의 분사 밸브는 태핏 종류의 폐쇄 기관(organ)을 통해 제어되는 분사 노즐을 가지고 있다. 노즐쪽 작용면이 상기 태핏에 배열되고, 이 작용면은 노즐에 제공되는 연료의 압력을 받으며, 이 경우 상기 압력은 폐쇄 기관의 개방 방향으로 태핏을 이동시키려고 한다. 이 태핏의 플런저 형태의 단부는 앞서의 작용면보다 더 큰 횡단면을 가지며 제어 챔버 안으로 들어온다. 이 제어 챔버는 입력 스로틀에 의해 고압의 연료 공급부와 연결되고 스로틀 작용이 이루어지는 것이 일반적이거나 출력 스로틀과 결합된 인렛 밸브에 의해 압력을 가지는 단지 작은 연료 피드백선과 연결되어 있다. 인렛 밸브가 닫히면 제어 챔버에서 고압이 생기고, 이 고압을 통해 상기 태핏이 노즐쪽 작용면에서의 압력에 대해 폐쇄 기관의 폐쇄 방향으로 운동되거나 폐쇄 위치에 홀드된다. 이 아웃렛 밸브의 개방 시에 압력이 제어 챔버 안에서 떨어지고, 압력 강하의 크기는 입력 스로틀과 개방되는 출력 밸브의 스로틀 저항 또는 그것과 결합된 출력 스로틀의 크기를 통해 정해진다. 그 결과 태핏은 압력이 노즐측 작용면에 작용하기 때문에 폐쇄 기관의 개방 방향으로 운동하거나 개방 위치에 홀드되도록, 아웃렛 밸브가 개방될 때 압력이 제어실 안에서 감소된다.

전자기적으로 동작되는 분사 밸브에 비해 압전 액추에이터는 더 빠르게 스위칭될 수 있다. 그러나 압전 액추에이터의 구성 시에 액추에이터의 압전 몸체에서 내부 손실 때문에 손실 열이 발생하고 이것은 상기 액추에이터가 과열되지 않도록 인출되어야 한다. 왜냐하면 압전 세라믹의 세라믹 소재들은 불량한 열전도성을 가지기 때문에, 폭보다 더 큰 길이를 가지는 긴 액추에이터의 경우에 세라믹 소재로 이루어진 액추에이터 몸체 내에서 인출이 양호하지 않게 된다.

압전 소재의 적층된 층들과 그 사이에 위치하는 금속성 또는 전도성인, 전극으로서 이용되는 층들로 이루어진 다층 라미네이트의 형태인 압전 액추에이터 몸체를 가지며, 액추에이터 몸체의 정면들 중 어느 하나가 양호하게 열을 전도하는 액추에이터 베이스 또는 금속성 액추에이터 베이스에 고정되는, 자동차의 내연기관에서 제어 밸브 또는 분사 밸브의 가동을 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다.

도 1 은 압전 액추에이터의 제 1 실시예의 부분 단면도,

도 2 는 도 1 에 도시된 실시예의 선 II - II을 따라 절개한 본 발명의 압전 액추에이터의 횡단면도,

도 3 은 본 발명에 따라 제공된 히트 싱크의 다른 여러 실시예.

본 발명의 목적은 액추에이터의 동작 동안에 냉각이 액상 매체없이도 가능하고 압전 액추에이터의 조립이 간단해지고 액상의 냉각 수단과 특별한 패킹이 불필요한 압전 액추에이터를, 특히 긴 액추에이터를 제공하는데 있다.

그러므로 본 발명에 따른 압전 액추에이터에서 그의 파워 손실 때문에 야기된 과열은 액상의 냉각 매체 없이도 그리고 그에 필요한 패킹과 냉각 수단 채널 없이도 회피되고, 그러한 냉각 수단의 리키지가 불가능하고 압전 액추에이터의 조립은 간단해지고 이것은 그 때문에 경제적으로 제조될 수 있다.

본 발명은 하나 이상의 양호한 열전도성 히트 싱크는 액추에이터 몸체의 측면 및 액추에이터 베이스와 양호한 열전도성으로 연결되는데 있다.

본 발명에 있어서 다층 라미네이트로 실현되어 있는 액추에이터 몸체의 금속성 또는 전도성 전극에의 전선은 그의 2개의 측면에서만 상기 액추에이터 몸체로 이어져 있으므로, 액추에이터 몸체의 서로 마주하는 다른 2개의 측면들이 프리(free)하고 앞서의 히트 싱크 또는 히트 싱크들과 양호한 열전도성으로 연결되어 있다.

상기 히트 싱크(들)는 금속 특히 동으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 때 2개의 별도의 히트 싱크 또는 U-형상의 바닥 영역에서 액추에이터 몸체의 액추에이터 베이스를 가리키는 정면과 연결되도록 구성되는 단일의 U-형상 히트 싱크가 액추에이터 몸체의 서로 마주하는 양 측면과 연결되어 있다. 이런 연결은 상기 히트 싱크와 액추에이터 몸체의 측면 사이에 탄성의 열전도성 접착제를 통해 이루어진다. 그러한 열전도성 접착제는 예를 들어 실리콘 일래스토머로 이루어지고, 이것은 전기 절연성이고 열전도성인 충전재로, 예를 들어 AlN 또는 Al₂O₃로 채워진다.

전압의 인가 시에 야기되는 액추에이터 몸체의 팽창 또는 수축이 탄성의 열전도성 접착제의 찢김없이 실현되도록, 상기 액추에이터 몸체의 측면과 경계를 이루는 히트 싱크(들)의 영역이 파형인 즉 금속 파형 띠의 형상을 갖는다.

상기 히트 싱크(들)의 양호한 열전도성을 이용하고 그것으로부터 유도되는 열을 인출하기 위해, 이 히트 싱크(들)는 액추에이터 베이스와 솔더링되거나 웰딩되거나 그 대신에 실버 도전 접착제를 통해 액추에이터 베이스와 연결된다. 그러므로 압전 액추에이터에 의해 발생된 손실 열은 히트 싱크로부터 양호한 열전도성 액추에이터 베이스쪽으로 확실히 인출된다.

히트 싱크에 의해 커버되지 않은 측면을 따라서 액추에이터 몸체와 일정한 거리에 위치하는 각각의 스프링 띠강을 통해 양 정면이 예비 응력을 받게되는 액추에이터 몸체가 이용되면, 열 인출을 위해 스프링 띠강을 이용하는 것 역시 제공될 수 있는데, 왜냐하면 이것이 액추에이터 베이스에도 고정되기 때문이다. 이를 위해 상기 액추에이터 몸체와 스프링 띠강 사이의 사이 공간이 열전도성 일래스토머로 채워지고, 상황에 따라서는 열전도성 충전재가 첨가되기도 한다. 그 외에도, 이 전기 단자선이 충분한 크기의 횡단면을 가지면, 압전 액추에이터 몸체의 전극의 전기 접점 역시 열 인출을 위해서도 이용된다.

히트 싱크(들)의 위에서 언급한 형상은 단지 예시적이고 다른 합목적적인 형상이 예를 들어 둥근 횡단면을 가지는 액추에이터 몸체에서 이용된다.

하기에서 본 발명에 따라 구성된 압전 액추에이터의 여러 실시예들이 도면을 이용해 상술된다.

도 1에 부분 단면도로서 종방향으로 도시된 제 1 실시예의 본 발명에 따른 압전 액추에이터에서 액추에이터 몸체(1)는 압전 소재의 적층된 층들과 그 사이에 위치하는 금속성 또는 도전성인, 전극으로서 이용되는 층들로 이루어지는 다층 라미네이트의 형태를 취하며 상측 환형 플랜지(10)와 액추에이터 베이스(6) 사이에서 2개의 파형 스프링 띠강(spring band steel)(8)에 의해 고정된다. 파형의 스프링 띠강(8)을 가지는 상기 액추에이터 몸체(1)는 금속 하우징(3) 안에 위치하며, 이 하우징의 하측에 전극 라인(7)과의 연결을 위한 단자가 위치한다.

펄스 전압이 상기 액추에이터 몸체의 전극에 인가되면, 이것은 상기 환형 플랜지(10)와 액추에이터 베이스(6) 사이에서 스프링 띠강(8)을 통해 고정된 정면들 사이의 거리의 변화 속에서 아날로그적으로 펄스화하는 리프트를 실시한다.

액추에이터가 동작하는 동안 발생하는 열은 단지 약간 환형 플랜지(10)와 태핏 플레이트의 돌출부(12)를 통해 위로 빠져나간다. 그 외에도 상기 액추에이터 몸체(1)에 이용되는 세라믹의 열전도성이 불량하기 때문에 도 1에 도시된 것처럼 액추에이터의 길이가 그의 폭보다 더 큰 경우에서는 세라믹 액추에이터 몸체(1) 내에서 열의 인출이 불량해진다.

이런 이유로 금속성이거나 바람직하게는 동으로 이루어진 히트 싱크(5)가 양호한 열전도성을 가지고 상기 액추에이터 몸체(1)의 측면과 연결되고 액추에이터 베이스(6)와 연결되어 있다. 양호하게 열전도하는 이런 연결은 도 1에 도시된 실시예에서 솔더링 또는 웰딩(11)을 통해 실시된다. 도 1에서 볼 수 없는 액추에이터 몸체(1)의 반대쪽에 동일한 히트 싱크(5)가 설치되어 있다. 그 외에도 도 1에 도시된 실시예에서 도면에서 수직 방향으로 있는 액추에이터 몸체(1)의 측면과 스프링 띠강(8) 사이의 사이 공간은 열전도성 일래스토머로 채워져 있으며, 이 경우 이 열전도성 일래스토머에는 열전도성 충전재가 첨가되어 있다. 그러므로 이 열은 스프링 띠강(8)을 통해서도 액추에이터 베이스(6)로 빼내지고, 이 경우 상기 스프링 띠강(8)은 상기 액추에이터 베이스와 열전도적으로 연결되어 있다.

도 1에 도시된 실시예에서 도 1에서 파악가능한 선 II-II을 따라 절개한 도 2에 도시된 횡단면도에서, 상기 히트 싱크(5)는 여기에서는 정사각형 횡단면을 가지는 액추에이터 몸체(1)의 서로 마주하는 2개의 측면에 탄성의 열전도성 접착제(4)를 통해 접착된다. 이 열전도성 접착제(4)는 예를 들어 열전도성 충전재로 채워진 실리콘-일래스토머로 이루어진다. 실리콘 일래스토머가 가지는 장점은 이것이 고탄성이므로 액추에이터 몸체(1)의 리프트를 탄성적으로 상쇄시킨다는 것이다. 도 2의 횡단면도에서도 상기 전극 라인(7.1, 7.2)은 히트 싱크(5)로 커버되지 않은 액추에이터 몸체(1)의 측면으로 인출되어 있다.

히트 싱크(5)와 액추에이터 받침대(6) 사이에 양호한 열전도성 연결이 이루어지도록 액추에이터 받침대(6)에서 히트 싱크(들)(5)의 고정 형태 및 방식이 가변적이고, 이는 하기에서 도 3의 A 내지 E를 이용해 상술된다.

도 3의 A에 따라 일부재의 U-형상의 각형(angled)의 금속성인 특히 동으로 이루어진 히트 싱크(5)는 U-프로필의 바닥을 이용해 액추에이터 받침대(6)에 고정되어 열을 전달한다.

도 3의 B에는 좌측의 히트 싱크(5.1)와 우측의 히트 싱크(5.2)가 솔더링 또는 웰딩(11)을 통해 각각 액추에이터 베이스(6)와 열전도적으로 연결되어 있다.

도 3의 C에도 좌측의 히트 싱크(5.1)와 우측의 히트 싱크(5.2)가 솔더링 또는 웰딩(11)을 통해 각각 액추에이터 베이스(6)와 열전도적으로 연결되어 있지만, 이 히트 싱크(5.1, 5.2)의 하측 영역은 외향적으로 굽혀있다.

도 3의 D에 도시된 실시예는 2개의 히트 싱크(5.1, 5.2)가 실버 도전 접착제(silber conductive adhesive)(13)를 통해 액추에이터 베이스(6)와 열전도적으로 연결되어 있다는 점에서 지금까지의 설명과 구별된다.

도 3의 E에 도시된 실시예에서 좌측 히트 싱크(5.1)와 우측 히트 싱크(5.2)는 파형 띠의 형태를 취하며 솔더링 또는 웰딩(11)을 통해 열전도적으로 액추에이터 베이스(6)와 연결되어 있다. 히트 싱크로서도 기능하는 탄성의 금속 파형 띠(5.1, 5.2) 때문에 각각의 히트 싱크가 탄성적으로 액추에이터 리프트에 순응(follow)할 수 있다. 그 때문에 접착제(4)의 스트레스가 감소된다.

도 3의 A 내지 E에 도시된 모든 실시예에서 탄성의 열전도성 접착제가, 예를 들어 실리콘 일래스토머가 액추에이터 몸체(1)와 히트 싱크(5 또는 5.1, 5.2)를 연결하는데 이용된다. 이 실리콘-일래스토머 접착제는 열전도성 충전재로 채워진다.

이미 위에서 도 1에 도시된 실시예를 이용해 설명한 것처럼, 액추에이터 몸체(1)와 스프링 띠강(8) 사이의 사이 공간이 열전도성 일래스토머로 채워짐으로써, 이 스프링 띠강(8)은 액추에이터 몸체(1)의 측면 열 인출에 이용된다.

전극 라인(7)이 충분한 크기의 케이블 횡단면을 가지면, 그것도 다른 부가의 열전도 가능성으로서 이용될 수 있다.

요약해서 말하면, 위에서 설명한 금속 히트 싱크(들)를 이용해 압전 액추에이터로부터 열의 인출이 가능해지고, 액상의 접착제가 불필요하게 된다. 그 때문에 상기 액추에이터는 더 용이하게 장착될 수 있으며 어떤 리키지도 발생하지 않는다. 특별한 패킹이 불필요하며 전체 압전 액추에이터 모듈은 그 때문에 경제적으로 제작될 수 있다.

본 발명에 따라 구성되는 압전 액추에이터는 예를 들어 디젤 승용차 또는 상용차에서 코먼-레일-분사(common-rail-injection)를 위한 분사 밸브의 작동에 사용될 수 있다.

Claims (12)

1. 압전 소재의 적층된 층들과 그 사이에 위치하는 금속성이거나 전도성인, 전극으로서 이용되는 층들로 이루어진 다층 라미네이트의 형태인 압전 액추에이터 몸체(1)를 가지며, 액추에이터 몸체(1)의 정면들 중 어느 하나가 양호하게 열을 전도하는 액추에이터 베이스(6) 또는 금속성 액추에이터 베이스(6)에 고정되는, 자동차의 내연기관에서 제어 밸브 또는 분사 밸브의 가동을 위한 압전 액추에이터에 있어서, 하나 이상의 양호하게 열을 전도할 수 있는 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)가 액추에이터 몸체(1)의 측면 및 액추에이터 베이스(6)와 양호하게 열전도할 수 있게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)는 금속, 바람직하게는 동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 액추에이터 몸체(1)는 직사각형 또는 정사각형 횡단면을 가지며, 상기 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)는 액추에이터 몸체의 서로 마주하는 2개의 측면들과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 별도의 히트 싱크(5.1, 5.2)는 상기 액추에이터 몸체(1)의 서로 마주하는 2개의 측면과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단일의 U-형상 히트 싱크(5)는, 이것이 액추에이터 몸체(1)의 서로 마주하는 2개의 측면과 연결되고 액추에이터 베이스(6)를 향해 있는 정면과 연결되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크(들)(5; 5.1, 5.2)에서 상기 액추에이터 몸체(1)의 측면들에 접하는 영역은 파형 띠의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)는 탄성의 열전도성 접착제(4)를 이용해 상기 액추에이터 몸체(1)의 서로 마주하는 측면에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 열전도성 접착제(4)는 실리콘-일래스토머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 실리콘 일래스토머는 열전도성 충전재로 채워지는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)는 액추에이터 베이스(6)에 솔더링 또는 웰딩되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크(5; 5.1, 5.2)는 실버 도전 접착제를 통해 액추에이터 베이스(6)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
12. 액추에이터 몸체(1)의 양 정면들에 예비 응력을 가하는 스프링 띠강(8)이 제공되고, 상기 스프링 띠강은 히트 싱크(들)(5; 5.1, 5.2)로 커버되지 않은 정면을 따라서 액추에이터 몸체(1)와 일정한 거리에 위치하는 압전 액추에이터에 있어서,

    상기 액추에이터 몸체(1)의 측면과 스프링 띠강(8) 사이의 사이 공간은 열전도성 일래스토머로 채워지고 상황에 따라서는 첨가된 열전도성 충전재로 채워지는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.