KR20010072696A - 기계 부품을 작동시키기 위한 압전식 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 특히 내연기관에 연료를 공급하는 분사기와 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 압전식 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전식 액추에이터는 하우징(3)을 포함하며, 이 하우징 내에서는 압전 부재(2)가 축방향으로 운동 가능하게 배치된다. 또한, 압전식 액추에이터에는 인장력에 의해 예비 인장된 적어도 하나의 탄성 부재(10, 11; 17), 바람직하게는 파형 스프링이 제공된다. 압전 부재(2)와 결합된 압력 핀(5)을 스프링 부재(10, 11; 17)에 기계적으로 연결시키는 클램핑 시스템(8; 18)은 압전 부재의 축방향 연장부에 압전식 액추에이터(1)의 작용을 안내할 수 있으므로 스프링 부재(10, 11; 17)의 힘에 대항하여 압력 핀(5)을 축방향으로 운동시킬 수 있다.

Description

기계 부품을 작동시키기 위한 압전식 액추에이터{Piezo-actuator for actuating a mechanical component}

일반적으로, 한 가지 재료로 구성된 압전 부재는, 소위 압전 효과(piezo effect)를 이용함으로써 적절한 결정 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 압전 부재에 외부 전압을 가하는 경우에, 이 압전 부재는 전압이 가해진 영역과 결정 구조에 따라서 소정의 방향으로 압축이나 인장을 나타내는 기계적 반응을 형성한다.

또한, 압전식 액추에이터는, 내연기관에 연료를 공급하기 위한 분사 노즐이나 분사 밸브에서 신속하고 정확한 반응 시간과 고압을 필요로 하는 압력 또는 제어 핀을 갖는 것으로 알려져 있다. 상술한 바와 같은 분사 장치는, 예를 들어 1987년 VDI 출판사가 출간한 "자동차 기술에 관한 포켓 사전" 20판의 391쪽과 392쪽에 기술되어 있다. 특히, 상기 분사 장치는 내연기관의 엔진실 내에 형성된 구조 공간이 좁기 때문에 구조물들이 최대로 작은 직경을 갖는 형태로 구성되어야 한다.

본 발명은, 특히 내연기관에 연료를 공급하는 분사기와 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 장치로서 독립 청구항의 특징에 따른 압전식 액추에이터에 관한 것이다.

도 1은 내연기관에 연료를 공급하는 분사기를 작동시키기 위한 압전식 액추에이터를 도시한 것으로서 두 개의 파형 스프링을 구비하고 핀에 의해서 압전식 액추에이터가 고정된 모습을 도시한 단면도.

도 2는 도 1에 따른 실시예의 변형예로서의 압전식 액추에이터를 도시한 것으로서 하나의 파형 스프링을 구비하고 압전식 액추에이터가 하우징의 고정 에지에 고정된 모습을 도시한 단면도.

도 3은 클램핑 시스템으로서 하우징을 갖는 다른 실시예를 도시한 도면.

특히 내연기관에 연료를 공급하기 위한 연료 분사기와 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 상술한 압전식 액추에이터는 최적으로 계산된, 특히 매우 얇은 하우징을 가지며, 이 하우징 내에는 압전식 액추에이터가 유지된다. 이때, 상기 얇은 구조는, 특히 분사 시스템에서 연료를 공급하기 위한 중앙 고압 연결관을 배치할 수도 있다.

예를 들어, 작동 부품을 복귀시키기 위해 필요한 예비 인장을 발생시키기 위하여, 하우징 내에서 축방향으로 운동 가능하게 유지된 압전식 액추에이터에는 인장력에 의해 예비 인장되는 탄성 부재, 바람직하게는 파형 스프링(wave spring)이 제공되며, 이 스프링은 압전 부재와 상부 고정 부품 사이에서 축방향을 따라 하우징 내에 배치된다.

이때, 압전 부재와 결합된 압력 핀을 상기 파형 스프링과 기계적으로 연결시키는 것과 같은 클램핑 시스템을 구성함으로써, 압전 부재에는 필요한 예비 인장이 적용될 수 있으며, 압전 부재의 축방향 연장부에 압전식 액추에이터의 작용을 안내할 수 있을 뿐만 아니라 이로써 파형 스프링의 힘에 대항하여 압력 핀을 축방향으로 운동시킬 수 있다.

바람직한 실시예로서, 압전식 액추에이터는 하우징의 상단부에 고정되어 이 상단부에서 파형 스프링의 고정 부품과 결합되며 클램핑 시스템으로서 역할하는 클램핑 밴드로 둘러싸이기 때문에, 상기 클램핑 밴드는 압전식 액추에이터의 축방향 연장부에서 파형 스프링에 인장력을 가한다.

또한, 간단한 방식으로서 클램핑 밴드의 위치에는 압전 부재를 둘러싸는 폐쇄 하우징이 제공될 수 있다.

압전식 액추에이터의 고정 부품으로서는, 예를 들어 파형 스프링의 상부 고정 부품을 견고하게 결합하는 중앙 핀이 사용되며, 바람직한 방식으로서 핀의 양쪽에는 두 개의 파형 스프링들이 대칭적으로 배치된다.

다른 방식으로서, 압전식 액추에이터의 고정 부품으로서는 하우징에서 파형 스프링의 방향으로 고정 에지에 배치되어 인장 스프링을 운동 가능하게 안내할 수 있는 고정 디스크가 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 구조에 있어서 상술한 바와 같은 특징뿐만 아니라 추가의 특징들을 청구범위 이외에 상세한 설명과 도면을 통하여 설명하며, 이때 각 특징들은 단독으로 실현되거나 본 발명의 실시예와 기타 다른 범위에서 복수의 조합 형태로 실현될 수 있으며, 바람직하게는 청구범위를 통하여 법적으로 보호할 만한 실시예들에 대하여 보호권을 청구할 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 압전식 액추에이터의 실시예들을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 따른 도면에서는 하우징(3) 내에서 압전 부재(2)를 갖는 압전식 액추에이터(1)를 도시한다. 상기 압전 부재(2)는 알려져 있는 바와 같이 적절한 결정 구조를 갖는 석영 재료로 구성되기 때문에, 소위 압전 효과를 이용함으로써 외부 전압이 가해지면 압전 부재(2)에는 기계적 반응이 발생한다. 또한, 압전식 액추에이터(1)는 하우징(3) 내에서 얇은 구조로 이루어지기 때문에 연료 공급을 위한 고압관(4)은 내연기관에 배치된다.

압전 부재(2)는 작동 태핏(6: actuating tappet)을 구비한 하부 라운딩 압력 핀(5)과 상부 압력 핀(7) 사이에 둘러싸인다. 다시 상기 구성 부품들은 상부가 디스크(9)에 용접되어 탄성 부재로서 파형 스프링을 유지하는 역할을 하는 클램핑 밴드(8)에 의해 둘러싸인다. 또한, 도 1의 배치도에서는 하우징(3)의 고정 에지(14)상에 배치된 플레이트(13)와 상부 압력핀(7)을 견고하게 결합하는 핀(12)이 제공된다.

도 1에 따른 파형 스프링(10, 11)들은 그 일단부가 디스크(9)와 견고하게 결합되며 타단부는 플레이트(13)에, 예를 들어 용접의 형태로 견고하게 결합되고, 한편으로 고정 에지(14) 상에 고정되어 강하게 결합함으로써 다른 한편으로 핀(12)과, 압력 핀(7)과, 압전 부재(2)와, 클램핑 밴드(8)와 디스크(9)에는 인장 방향으로 예비 인장력이 가해진다.

압전식 액추에이터(1)의 작동은 압전 부재(2)의 축방향 연장부에 전달되며 이로써 태핏(6)을 축방향으로 운동시킨다. 또한, 디스크(9) 상에 축방향 인장력을 작용하는 클램핑 밴드(8) 상에는 압축력이 적용되며, 상기 축방향 인장력은 파형 스프링(10, 11)의 다른 인장 응력에 전달된다.

도 2에 따른 다른 실시예에서는 동일하게 작동하는 부품에 대하여 동일한 도면부호를 부여한다. 도 1과의 차이점은 고정 디스크로서 하우징의 고정 에지(16)에 배치되는 상부 압력 핀(15)이 사용된다. 이로써, 도 1에 따른 실시예에서 필요로 하던 핀(12)을 제거할 수 있으며 중앙에 배치되는 하나의 파형 스프링(17)만을 제공할 수 있다. 그렇지만, 작동 방식은 도 1에 따른 실시예와 동일하며, 클램핑 밴드(8)의 인장력은 파형 스프링(17)을 유지하기 위한 유지 부품보다는 디스크(9) 상에 전달됨을 쉽게 확인할 수 있다.

도 3에 따른 실시예에서는 인장력을 전달하기 위한 클램핑 시스템으로서 압전 부재(2)를 수용하기 위한 폐쇄 하우징(18)이 사용된다.

Claims (8)

1. 내연기관에 연료를 공급하는 분사기와 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 압전식 액추에이터에 있어서,

   상기 압전식 액추에이터(1)의 압전 부재(2)를 축방향으로 운동시킬 수 있도록 유지된 하우징(3)과;

   상기 압전 부재(2)와 상부 고정 부품 사이에서 축방향을 따라 하우징 내에 배치되며 인장력에 의해 예비 인장된 하나 이상의 탄성 부재(10, 11; 17)와;

   상기 압전 부재(2)와 결합된 압력 핀(5)을 스프링 부재(10, 11; 17)에 기계적으로 연결시키는 클램핑 시스템(8; 18)을 구비하며,

   상기 클램핑 시스템은 압전 부재의 축방향 연장부에 압전식 액추에이터(1)의 작용을 안내할 수 있으므로 스프링 부재(10, 11; 17)의 힘에 대항하여 압력 핀(5)을 축방향으로 운동시킬 수 있는 압전식 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전식 액추에이터(1)는 하우징(3)의 상단부에 고정되며, 클램핑 시스템으로서 탄성 부재(10, 11; 17)의 유지 부품(9)과 상단부에서 견고하게 결합되는 클램핑 밴드(8)에 의해 둘러싸이기 때문에, 상기 클램핑 밴드(8)는 압전 부재(2)의 축방향 연장부에서 탄성 부재(10, 11; 17)에 인장력을 적용하는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전식 액추에이터(1)는 하우징(3)의 상단부에 고정되며, 클램핑 시스템으로서 탄성 부재(17)의 유지 부품(9)과 상단부에서 견고하게 결합되는 하우징(18)에 의해 둘러싸이기 때문에, 상기 클램핑 밴드(8)는 압전 부재(2)의 축방향 연장부에서 탄성 부재(17)에 인장력을 적용하는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 압전식 액추에이터(1)는 탄성 부재(10, 11)의 상부를 고정하기 위한 플레이트(13)와 견고하게 결합된 중앙 핀(12)에 의해서 고정되며,

   상기 두 개의 탄성 부재(10, 11)들은 핀(12)의 양쪽에 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 압전식 액추에이터(1)는 하우징(3)에서 탄성 부재(17)의 방향으로 고정 에지(16) 상에 배치되며 클램핑 밴드(8)를 운동 가능하게 안내할 수 있는 고정 디스크(15)에 의해서 고정되는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 부재(10, 11; 17)들에서 이 탄성 부재의 상부 고정은 축방향으로 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 부재(10, 11; 17)들은 상단부를 고정하기 위하여 플레이트(13)에 용접되며 클램핑 밴드(8) 상의 디스크(9)에 용접되는 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링 부재는 파형 스프링(10, 11; 17)인 것을 특징으로 하는 압전식 액추에이터.