KR20010053026A - 압전 엑추에이터 - Google Patents

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루돌프 하인쯔
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 압전 재료로 적층된 레이어와 그 사이에 위치하면서 금속 또는 전기 전도성을 가지고 전극으로서 이용되는 레이어(2a, 2b)로 구성된 다층의 라미네이트 형태인 엑추에이터 몸체(1)를 가지며 상기 레이어가 상기 엑추에이터 몸체(1)의 종방향으로 그 외부면 쪽에 서로 마주 배열된 금속의 외부 전극(3, 5)을 통해 적어도 평면의 전극 스트립(3) 형태로 접촉되고 압전 엑추에이터를 전기 전압에 연결시키기 위해서 상기 외부 전극(3, 5)이 전기 단자선(7)과 접촉되어 있는 압전 엑추에이터, 특히 차량의 제어 밸브 또는 분사 밸브를 가동하기 위한 압전 엑추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 엑추에이터는, 상기 외부 전극(3)이 또한 탄성의 좁은 베이스(6)로 평면의 전극 스트립(3)과 여러 위치에서 접촉되는 보조 전극(5)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 엑추에이터 {Piezoelectric actuator}
상기 종류의 압전 엑추에이터는 예를 들어 로베르트 보쉬 게엠베하(Robert Bosch GmbH)의 독일특허 제196 50 900 A1호에 공지되어 있다.
상기 종류의 압전 다층형 엑추에이터는 상기 엑추에이터가 펄스화되는 전기 전압을 전극 레이어에 공급받을 때, 그 양 단부면 사이의 간격의 변경 하에 아날로그 펄스화되는 스트로크를 실시한다. DE 제196 50 900 A1호에서, 전극 레이어로 전기 전압이 전달되는, 엑추에이터 몸체의 종방향 외부면의 양쪽으로 배열된 금속의 외부 전극은 엑추에이터 몸체의 활성 영역을 덮는다.
압전 다층형 엑추에이터의 작동시, 압전 세라믹(예를 들어 납-지르코늄-티타늄:BleizirkonatTitanat)으로 얇게 적층된 포일과 금속 또는 전기로 전도되는 전극 레이어 사이의 낮은 접착력으로 인해 외부 전극에서 밖으로 균열로서 발생하고 단락을 일으킬 수 있는 박리가 발생할 수 있다.
본 발명은 압전 재료로 적층된 레이어(layer)와 그 사이에 위치하면서 금속 또는 전기 전도성을 가지고 전극으로서 이용되는 레이어로 구성된 다층의 라미네이트 형태인 엑추에이터 몸체를 가지며 상기 레이어가 상기 엑추에이터 몸체의 종방향으로 그 외부면 쪽에 서로 마주 배열된 금속의 외부 전극을 통해 적어도 평면형 전극 스트립 형태로 접촉되고 압전 엑추에이터를 전기 전압에 연결시키기 위해서 상기 외부 전극이 전기 단자선과 접촉되어 있는 압전 엑추에이터, 특히 차량의 제어 밸브 또는 분사 밸브를 가동하기 위한 압전 엑추에이터에 관한 것이다.
도 1 은 빗형 이중 - 보조 전극을 장착한 본 발명에 따른 압전 엑추에이터의 선호되는 실시예를 개략적이며 입체적으로 도시한 단면도,
도 2 는 도 1 에 따른 선호되는 실시예의 평면도,
도 3 내지 도 9 는 빗형 이중 보조 전극과 그것을 전극 스트립에 고정시키는 각각의 다양한 실시예의 사시도,
도 10a 및 10b는 빗형 이중 - 보조 전극을 위해 와이어를 이용한 두 가지 가능한 구성 방법의 개략도,
도 11a 및 11b는 본 발명에 따라 브러시로 제시된 보조 전극의 대체 형태의 개략도.
따라서 본 발명의 목적은 압전 다층형 엑추에이터가, 외부 전극에서 단락시킬 수 있는 균열을 극복해서 전기 접촉의 안정성을 개선하고 압전 엑추에이터의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 것이다. 상기 목적은 청구항에 따라 해결된다.
본 발명의 핵심은 엑추에이터 몸체에 직접 배열된 평면형 전극 스트립과 부가적으로, 좁은 탄성의 베이스에 의해 평면형 전극 스트립과 여러 위치에서 접촉되는 보조 전극을 연결하는 데에 있다.
선호되는 상기 보조 전극은 전극 스트립에 평행하게 배열된 빗형(comb shaped) 후면부와 그 측면으로 두 개가 평행하게 이어진 빗살선을 구비한 이중의 빗형태를 가지며 상기 빗살선의 빗살은 탄성의 베이스를 형성하고 평면형 전극 스트립와 접촉되어 있다.
상기 종류의 빗형 이중 보조 전극의 장점은 탄성의 얇은 빗살부를 이용하여 전극 스트립에 상기 전극을 단순하고 안정되게 고정시킨다는 점이다. 특히 상기 접촉을 위해서는 상기 엑추에이터 몸체로부터 부가적으로 열을 방출시키기 위해 이용되는 임의의 두터운 납땜층이 이용될 수 있다.
빗형 이중 전극의 여러 구성의 가능성을 통해 빗형 이중 보조 전극을 최적으로 고정할 수 있고 생산을 단순화할 수 있으며 빗형 이중 보조 전극을 평면형 전극 스트립에 고정시키는 것을 최적으로 제어할 수 있다..
보조 전극으로서 작용하는 빗형 이중 전극은 평면형 전극 스트립에 장착됨에 따라서 엑추에이터 몸체에 고유 안정성을 증가시키며 상기 고유 안정성은 엘라스토머를 부가함으로써 더욱 높아질 수 있다. 양 빗살선부는 상기 압전 엑추에이터의 수명에 의해 발생되는 균열에 대해 높은 안정성을 제공한다.
거의 폐쇄된 빗형 후면부와 열을 방출하는 엘라스토머에 의해서 엑추에이터 몸체가 적절하게 냉각된다.
본 발명에 따른 압전 엑추에이터는 차량에서 디젤 또는 가솔린 분사 장치에 유용하게 사용된다. 상기 종류의 압전 엑추에이터는 더 빠르게 스위칭될 수 있기 때문에 분사 장치에 이용되는 전자식 시스템에 일반적으로 조절 기구로서 유용하게 장착될 수 있다.
하기의 여러 실시예에서 설명된 상세한 설명과 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 엑추에이터의 상기 특징과 또 다른 유용한 특징들을 더 분명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1에는 빗형 이중 보조 전극(5)이 제공된 압전 엑추에이터의 제 1 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 예시된 직사각형태의 상기 엑추에이터 몸체(1)는 압전 재료로 적층된 레이어와 그 사이에 금속 또는 전기 전도성을 가지고 전극으로서 이용되는 레이어(2a, 2b)로 구성된 다층의 라미네이트 형태로 제시된다. 상기 전극 레이어(2a, 2b)는, 상기 엑추에이터 몸체(1)의 종방향으로 외부쪽에 서로 마주 배열된 금속의 외부 전극(3, 5)에 교대로 접촉되고 빗형 이중 보조 전극(5)에 연결된 단자선(7)과 연결된다.
상기에 언급된 바와 같이 상기 종류의 압전 다층형 엑추에이터의 작동시에, 금속으로 이루어진 내부 전극과 세라믹 압전 재료 사이의 낮은 접착력으로 인해, 평면형 전극 스트립(3)에서 외부로 균열이 생기게 하고 단락을 일으킬 수 있는 박리가 일어날 수 있다. 상기 균열(4)은 도 1 에 예시로 도시된다. 빗형 이중 형태로 구성되고 평면형 전극 스트립(3)에 평행하게 배열된 빗형 후면부(10)와 상기 빗형 후면부(10)로부터 거의 직각의 빗살 형태로 평면형 상기 전극 스트립(3) 쪽으로 굽은 두 쪽의 빗살형 테두리로 형성된 보조 전극(5)에 의해 상기 테두리의 좁은 빗살부(6)가 평면형 전극 스트립(3)과 전기로 접촉됨으로써, 균열(4)을 통해 발생될 수 있는 단락이 극복될 수 있다. 상기 빗형 이중부의 얇은 빗살부(6)는 다수의 탄성의 베이스를 형성하며 상기 베이스는 경우에 따라 엑추에이터 스트로크를 통해서 일어나는 엑추에이터 몸체(1)의 운동을 탄성으로 붙잡아 낼 수 있고 이를 통해 상기 보조 전극(5)이 평면형 전극 스트립(3)과 계속 접촉하는 것을 보장한다. 상기 탄성의 빗살부(6)는 평면형 전극 스트립(3)으로 안내되거나 그 상부면에 예를 들어 납땜, 용접, 본딩 등으로 고정된다.
도 1의 사시도에는 단지 직사각형 압전 엑추에이터의 한 면만이 도시되어 있음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 상기 종류의 압전 엑추에이터의 개략적인 평면도는 빗형 이중 형태의 두 개의 보조 전극(5)이 엑추에이터 몸체(1)의 외부면에 서로 마주하여 배열되고 그 각각은 평면형 상기 전극 스트립(3)에 전기로 접촉됨을 도시한다.
본 발명에 따라 보조 전극(5)으로 사용되는 빗형 이중 전극의 다양한 형태가 도 3 내지 도 9를 이용하여 하기에서 설명된다. 도 3은 편편한 빗형 후면부(10)와 상기 후면부로부터 대략 90°각도를 갖는 빗살부(6)와 상기 빗형 후면부(10) 위에 홀(8)을 구비한 평면형 빗형 이중 전극(5)을 도시한다.
상기 빗형 이중부(5)를 안정시키고/또는 열을 외부로 방출하기 위해 필요할 경우에는 플라스틱, 아교, 엘라스토머(도 4 비교)가 상기 홀(8)을 통해서 주입될 수 있다.
도 5는 보조 전극(5)으로 이용되는 빗형 이중 전극의 또 다른 구성을 도시하고 빗살부(6)는 편편한 빗형 후면부(10)로부터 전극 스트립(3) 쪽으로 약간 굽어져 있으며 그 각각의 단부는 상기 전극 스트립(3)과 접촉된다. 납땜(단단하거나 약하게), 레이저 용접, 스폿 용접, 압착 용접 또는 본딩을 통해서 고정될 수 있다. 따라서 외부로 돌출한 빗살부(6)를 고정하는 정도가 쉽게 조절된다.
보조 전극(5)으로서 장착된 빗형 이중 전극이 도 6에 도시되어 있다. 편편한 빗형 후면부(10)의 양쪽으로 장착된 빗살부(6)는 상기 후면부(10)로부터 전극 스트립(3) 쪽으로 대략 90°로 굽어 있고 다시 내부로 상기 전극 스트립(3)과 평행하게 굽어져 있다.
보조 전극(5)으로 장착된 본 발명에 따른 빗형 이중 전극의 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있고 빗형 후면부(10)와 빗살부(6)는 거의 한 평면상에 배열되어 있다. 완전한 납땜으로(납땜이 사용될 경우) 고정하기 위해 상기 빗형 후면부(10)의 중앙 하부에 납땜 지지부(13)가 장착된다. 납땜이 사용되지 않는다면, 엘라스토머 층으로 구성된 간격 유지부(13)가 평면형 전극 스트립(3)과 빗형 후면부(10) 사이에 필요한 간격을 유지시킨다. 간격을 유지하기 위한 PTFE - 층(13) 또는 유사한 재료로 형성된 층이 밀봉 지지부 또는 완충층으로도 이용될 수 있다.
도 8은 보조 전극(5)으로서 장착된 본 발명에 따른 빗형 이중 전극의 가능한 또 다른 실시예를 도시하며 상기 빗형 이중 전극은 둥근 빗형 후면부(11)를 구비한 반원 또는 타원형의 횡단부 형태이다.
도 9a, 9b, 9c는 본 발명에 따른 압전 엑추에이터를 위해 보조 전극(5)으로서 장착된 본 발명에 따른 빗형 이중 전극의 또 다른 실시예를 도시하며 상기 빗형 이중 전극은 도 6과 유사하게 형성되고 편편한 빗형 후면부(10)의 양쪽으로 상기 빗형 후면부(10)에 대해 약 90°각도로 굽어진 빗살부(6)를 가진다.
도 9a는 간격 유지부 또는 납땜 지지부(13)를 도시한다.
도 9b는 간격 유지부 또는 납땜 지지부(13) 대신에 상기 빗살부(6)의 단부에 가깝게 모서리 둘레로 이어진 엘라스토머 또는 플라스틱 플레이트(13a)가 사용될 수도 있음을 도시한다.
도 9c에 도시된, 임의의 프로필(도 8 과 마찬가지로 직각이거나 둥근 형태 또는 타원형태)의, 보조 전극(5)으로서 장착된 빗형 이중 전극의 저면도는 탄성의 베이스로 이용되는 빗살부(6)가 상기 빗형 후면부(10, 11)의 양쪽으로 서로 마주하여 상기 빗살부(6)의 절반의 간격(d) 만큼 빗형 이중부의 종방향으로 교대됨을 도시한다. 엑추에이터 몸체(1)에 있는 균열(14)은 거의 직선(즉 상기 엑추에이터 몸체(1)의 외부 모서리에 대해 90°의 각도로 있다) 으로 외부 전극의 평면형 전극 스트립(3)을 통해 이어진다. 상기 빗살부(6)가 절반의 간격(d) 만큼 교대됨으로써 균열은 단지 하나의 빗살만을 방해하며 마주 배열되어 교대되는 빗살 형상부는 완전히 고정되어 유지된다. 간격(2d)과 빗살 간격(b)이 균열을 가능한 가장 적도록조정할 수 있기 때문에 두 개의 교대되는 베이스(6)에 균열이 생기지 않는다.
상술된, 보조 전극(5)으로서 장착된 빗형 이중부는 금속판이 장착된 재료와 경우에 따라서는 동시에 양 빗살선부를 벤딩함으로써 형성된 적절한 빗형 이중 형태를 펀칭함으로써 생산된다. 선택적으로, 금속판이 장착된 재료를 레이저로 절단함으로써 아주 정교한 빗형 이중 구조가 생산될 수 있다.
도 10a, 10b는 보조 전극(5)으로 장착된 빗형 이중부를 위한 단순한 생산 방법의 또 다른 실시예를 도시한다. 또한 도 10a에 따라 와이어(15)가 금속 밴드(16)에 본딩, 용접 또는 납땜되고 상기 와이어의 단부(17)는 절단된다. 이와 같은 방식으로, 본 발명에 따른 압전 엑추에이터를 위해 아주 좁은 빗살부(6)를 구비한 보조 전극으로서 장착된 빗형 이중부가 이뤄진다.
도 10b에 따라 선택적으로, 본 발명에 따른 압전 엑추에이터를 위해 보조 전극(5)으로서 장착된 빗형 이중 전극은 금속의 와이어로 구성된다. 또한 금속의 횡단선(18)은 빗형 이중 구조가 일어나도록 상기 금속의 와이어 위에 연장부(c) 만큼 충분히 돌출해야 한다.
보조 전극(5)을 위한 다양한 형태의 빗형 이중 전극이 상기의 상세한 설명에서 상술되었다. 도 11a에 따라 브러시형 구조체(19)도 선택적으로 보조 전극(5)으로서 이용될 수 있으며 상기 구조체는 평면형 금속으로 된 브러시 후면부(12)로부터 거의 수직으로 돌출하고 도 11b에 따라 그 단부가 상기 전극 스트립(3)과 접촉되는 탄성의 금속 강모(bristle)(20)를 가진다.
상기 상술한 모든 실시예에서, 보조 전극(5)으로서 이용되는 상기 빗형 이중부 또는 상기 브러시형 구조체의 빗살부 또는 강모는 도 11 에 따라 상기 전극 스트립(3)에 납땜, 또는 레이저 용접 또는 스폿 용접, 압착 용접, 또는 본딩으로 단단하거나 약하게 연결될 수 있다. 또한 탄성으로 전기를 전도시킬 수 있는 아교를 이용한 아교 용접도 가능하다. 납땜, 용접 또는 본딩을 할 경우, 상기 빗형 후면부 또는 브러시 후면부로부터 돌출한 빗살 또는 강모가 상기 전극(3)으로 연결되는 정도가 쉽게 제어된다.
따라서 얇은 빗살부 또는 강모를 통해 상기 보조 전극(5)을 평면형 전극 스트립(3)에 간단하고 단단하게 고정시킬 수 있다. 임의의 두께의 납땜층이 사용될 수 있다. 빗살부 또는 강모의 상술된 다양한 실시예를 통해서 최적으로 고정할 수 있고 비용이 적게 들도록 생산할 수 있으며 빗살부 또는 강모를 상기 전극 스트립(3)에 고정시키는 것을 안전하게 제어할 수 있다. 보조 전극(5)과 전극 스트립(3) 사이의 접촉면이 적기 때문에, 세라믹에 대한 상기 보조 전극(5)의 큰 열 팽창은 적은 전단 응력과 이로 인한 높은 안정성을 가져온다.
보조 전극이 평면형 전극 스트립에 장착된 후에, 상기 보조 전극은 그 형태를 이루게 되고 또는 부가적으로 장착된 엘라스토머 층을 통해 충분한 고유 안정성을 얻는다. 빗형 이중부는 여러 다양한 방법으로 비용이 절약되게 생산될 수 있다. 도시된 바에 따라 보조 전극으로서 장착된 빗형 전극이 두 개의 빗살선을 가지기 때문에, 안정성이 높아지고 상기 전극의 가능한 많은 빗살부가 할당된 전극 스트립과 전기 전도로 연결된다. 상기 개방부(8)를 제외하고, 빗형 이중부의 거의 폐쇄된 금속의 빗형 후면부와 경우에 따라 장착되는 열 전도성 엘라스토머를 통해 상기 엑추에이터 몸체의 열 방출성의 높은 가능성에 도달할 수 있다.

Claims (17)

  1. 압전 재료로 적층된 레이어와 그 사이에 위치하면서 금속 또는 전기 전도성을 가지고 전극으로서 이용되는 레이어(2a, 2b)로 구성된 다층의 라미네이트 형태인 엑추에이터 몸체(1)를 가지며 상기 레이어가 상기 엑추에이터 몸체(1)의 종방향으로 그 외부면 쪽에 서로 마주 배열된 금속의 외부 전극(3, 5)을 통해 적어도 평면형 전극 스트립(3)의 형태로 접촉되고 압전 엑추에이터를 전기 전압에 연결시키기 위해서 상기 외부 전극(3, 5)이 전기 단자선(7)과 접촉되어 있는 압전 엑추에이터, 특히 차량의 제어 밸브 또는 분사 밸브를 가동하기 위한 압전 엑추에이터에 있어서,
    상기 외부 전극(3, 5)이 탄성의 좁은 베이스(6)로 평면형 전극 스트립(3)과 여러 위치에서 접촉되는 보조 전극(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)이 같은 간격으로 있는 탄성의 베이스를 형성하는 빗살부(6)로 상기 전극 스트립(3) 쪽으로 평행하게 배열된 빗형상 스트립을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보조 전극이 상기 전극 스트립(3)에 평행하게 배열된 빗형 이중부를 형성하고, 상기 빗형 이중부는 빗형 후면부(10, 11)와 상기 후면부에 이어져서 측면으로 평행하게 있는 두 개의 빗살선부를 포함하며 상기 빗살부(6)는 탄성의 베이스인 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 빗형 후면부(10)로부터 상기 빗살부(6)가 대략 90°로 전극 스트립(3)으로 휘어지고 빗살부(6)의 단부만이 각각의 전극 스트립(3)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 빗형 후면부(10)로부터 상기 빗살부(6)가 평평한 각도로 전극 스트립(3)으로 휘어지고 빗살부(6)의 단부가 각각의 전극 스트립(3)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  6. 제 3 항에 있어서, 빗형 후면부(11)가 양쪽의 빗살부(6)를 이용하여 대략 반원형 또는 타원형의 횡단형 구조체를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  7. 제 3 항에 있어서, 빗형 후면부(14)가 양쪽의 빗살부(6)로 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빗형 후면부(10)와 이에 할당된 상기 전극 스트립(3) 사이에 간격 유지부(13)가 위치하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 간격 유지부(13)가 엘라스토머 층 또는 납땜 지지부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 동일한 간격의 빗살부(6)가 상기 빗형 후면부(10, 11)의 양쪽으로 마주보고 빗살(6)의 절반의 간격으로 빗형 이중부의 종방향으로 교대되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)이 각각의 전극 스트립(3)으로 평행하게 배열된 전극 브러시(19)를 형성하고 상기 브러시의 강모가 상기 전극 스트립(3)과 접촉된 탄성의 베이스를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  12. 제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빗형 또는 브러시형 후면부(10, 11, 12)가 여러 개의 홀(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)에 단자선(7)이 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)의 탄성의 베이스 또는 빗살부(6) 또는 강모(20)가 용접층을 통해서 상기 전극 스트립(8)에 용접되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)의 탄성의 베이스 또는 빗살부(6) 또는 강모(20)가 탄성으로 전도성을 가진 아교층을 통해서 상기 전극 스트립(3)과 연결된 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  16. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)의 탄성의 베이스 또는 빗살부(6) 또는 강모(20)가 레이저 스폿 용접을 통해서 상기 전극스트립(3)과 연결된 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 전극(5)의 탄성의 베이스 또는 빗살부(6) 또는 강모(20)가 상기 전극 스트립(3)과 본딩되는 것을 특징으로 하는 압전 엑추에이터.
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