KR20010072697A - 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예를 들어 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 액추에이터에는 다층 구조의 압전층(2)과 이 압전층들 사이에 배치되는 전극(3, 4)이 제공된다. 전극(3, 4)이 서로 횡접촉(5, 6)하는 경우에 전극층이 존재하지 않는 중립 상(7)이 형성되며, 이러한 중립 상에서는 균열이 발생할 수 있는데, 이는 다층 구조를 형성함으로써 균열을 방지할 수 있기 때문에, 압전 액추에이터(1)가 다층 구조와 수직하게 장착될 때 중립 상(7)의 영역에 증가된 기계 응력을 적용시킬 수 있다.

Description

압전 액추에이터{Piezo-actuator}

일반적으로, 한 가지 재료로 구성된 압전 부품은, 소위 압전 효과(piezo effect)를 이용함으로써 적절한 결정 구조가 형성될 수 있는 것으로 알려져 있다. 압전 부품에서는 외부 전압을 가하면 전압이 가해진 영역과 결정 구조에 따라서 소정의 방향으로 압축이나 인장을 나타내는 기계 응력이 발생한다. 상기 압전 액추에이터는 복수의 층으로 구성(다층 액추에이터)되며, 여기서 전압을 가하는 전극이 각 층들 사이에 배치된다. 그렇지만, 압전 액추에이터를 작동시킬 때에는, 다층 구조에서 형성된 기계 응력에 의해 균열이 발생하지 않도록 주의해야 한다.

본 발명은, 예를 들어 밸브 등과 같은 기계 구조물을 작동시키기 위한 것으로서, 특허청구범위의 특징에 따른 압전 액추에이터에 관한 것이다.

도 1은 압전 세라믹층으로 구성된 다층 구조와 전극을 구비한 압전 액추에이터를 도시한 단면도.

도 2는 전압이 가해지지 않았을 때 다층 구조의 중립 상 영역을 도시한 상세도.

도 3은 전압이 가해졌을 때 다층 구조의 중립 상 영역을 도시한 상세도.

도 4는 중립 상 영역에서 측면 융기부가 형성된 외부 커버층을 갖는 압전 액추에이터의 제 1 실시예를 도시한 도면.

도 5는 중립 상 영역에서 대향 에지 융기부가 형성된 외부 커버층을 갖는 압전 액추에이터의 제 2 실시예를 도시한 도면.

도 6은 중립 상 영역에서 융기부가 형성된 전극을 갖는 압전 액추에이터의 제 3 실시예를 도시한 도면.

도 7은 중립 상 영역에서 측면 융기부가 형성되며 절연층이 층들 사이에 배치된 압전 액추에이터의 제 4 실시예를 도시한 도면.

예를 들어, 기계 부품을 작동시키기 위해 사용될 수 있는 상술한 압전 액추에이터는, 바람직하게는 압전층들로 구성된 다층 구조와 이 압전층들 사이에 배치된 전극들로 구성된다. 상기 전극들이 서로 횡방향으로 접촉할 때, 두 개의 압전층 사이의 영역에는 각각 하나의 중립 상(neutral phase)이 형성된다. 다층 구조에서 일측면에 접촉하는 각각의 전극이 빗살 모양을 이루기 때문에, 다층 구조의 방향에서 연속된 각각의 전극들은 대향면과 교대로 접촉하여야 한다.

이때, 일측면에 접촉된 전극은 전압 플래시 오버에 의해서 압전 액추에이터를 파손시킬 수도 있기 때문에 대향면까지 완전히 도달하지 않는다. 압전 액추에이터가 작동할 때, 다시 말해서 다층 구조 내에서 대향 배치된 전극들 사이에 전압을 가할 때, 전극의 영역에는 여러 가지 기계적 힘이나 비접촉 중립 상이 발생하며, 이것은 압전 액추에이터에서 기계 응력과 균열을 발생시킬 수 있다.

바람직한 방식으로서, 본 발명에 따라 다층 구조와 수직하게 압전 액추에이터에 전압을 가할 때 중립 상의 영역에서 균열을 방지할 수 있는 기계적 인장력을 증가시킬 수 있다.

바람직한 실시예로서, 다층 구조의 외부단면상에 형성된 하나 이상의 외부 커버층은 중립 상의 영역에서 융기부를 갖도록 형성되며, 따라서 여기서 높은 예비 인장력을 얻을 수 있다. 상기 융기부는, 예를 들어 커버층을 연삭하여 간단히 제조될 수 있다.

다른 바람직한 실시예로서, 다층 구조의 층들 사이에는 절연층이 배치되며, 이 절연층은 중립 상의 영역에서 각각 융기부를 갖기 때문에, 제 1 실시예와 유사하게 작용된다.

다른 바람직한 실시예로서, 다층 구조, 특히 필요한 경우에 중립 상의 영역에서 융기부를 갖는 형태의 전극을 가지며, 이때 상술한 여러 가지 실시예들과 관련하여 일부 또는 모든 특징들을 서로 조합할 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 구조에 있어서 상술한 바와 같은 특징뿐만 아니라 추가의 특징들을 청구범위 이외에 상세한 설명과 도면을 통하여 설명하며, 이때 각각의 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 압전 액추에이터의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에서는, 공지된 방식에 따라서 석영 재료의 압전층(2)으로 구성된 압전 액추에이터(1)를 도시하며, 이 압전 액추에이터는 적절한 결정 구조를 갖기 때문에, 소위 압전 효과를 이용함으로써 접촉면(5, 6)을 거쳐서 전극(3, 4)에 외부 전압이 가하여질 때 압전 액추에이터(1)에는 기계적 반응이 발생한다.

도 2에서는, 전극(3, 4)이 나타나도록 압전 액추에이터(1)의 영역을 확대하여 도시하며, 또한 이 도면에서는 전극(4)이 접촉면(6)과 접속되어 있음을 알 수 있다. 다른 극성을 갖는 전극(3)은 상기 접촉면(6)과 일정 거리를 유지해야 하기 때문에, 이곳에는 도면부호 7로 표기하는 중립 상이 형성된다. 이로 인해, 중립 상(7)에는 공간적으로 상이한 압전 효과가 발생하며, 또한 이로써 기계 응력이 형성되어 도면에서 굴곡된 선 8로서 개략적으로 표시하는 바와 같이 재료가 약화된다.

도 3에서는, 도 2와 같이 형성된 영역에 전압을 가하면 압전 액추에이터의 기계적 반응이 화살표 9와 10으로 표시한 바와 같이 발생함을 도시한다. 여기서는, 중립 상(7)의 영역에서 화살표 9의 방향으로 약간의 팽창이 발생되고 화살표 10의 방향으로 중립 상의 영역(8) 내에 균열을 일으킬 수 있는 힘이 작용되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예는 도 4를 참조하여 설명하며, 여기서 다층 구조상에는 중립 상(7)의 영역에 최대 2 내지 8㎛에 이르는 융기부(12)가 제공된 외부 커버층(11)이 배치된다. 이러한 융기부(12)를 형성함으로써, 압전 액추에이터(7)에 전압이 가해질 때 중립 상(7)의 영역에서 예비 인장력이 발생될 수 있으며, 이것은 전극(3, 4)의 영역(8)에서 균열 형성을 방지한다(도 3 참조).

도 5에서는, 외부 커버층(11)에서 대향 에지에 배치된 융기부(13)를 갖는 압전 액추에이터(1)의 제 2 실시예를 도시한다. 본 실시예에서는 전극(3, 4)이 에지에 형성된 접촉면(14)과 대각선을 따라 대향 배치된 접촉면(도면에는 도시되지 않음)에서 접촉하기 때문에, 경우에 따라서 중립 상(7)은 에지에 형성된다.

도 6에 따른 실시예에 있어서, 중립 상(7)의 영역에 존재하는 융기부는 전극(3, 4)의 국부적 융기부에 의해서 단지 중립 상(7)의 영역에만 작용한다.

도 7에 따른 다른 실시예에서는, 압전 액추에이터(1)에 전압이 가해질 때 균열을 방지할 수 있는 예비 인장력을 적용하기 위해, 중립 상(7)의 영역에서 압전층(2)들 사이에 두껍게 형성된 여분의 절연층(15)을 갖는 압전 액추에이터(1)를 도시한다.

Claims (8)

1. 압전층(2)들과 그 압전층들 사이에 전극(3, 4)이 배치된 다층 구조와,

   상기 전극(3, 4)의 교대되는 측에 접촉면(5, 6)을 포함하고,

   상기 각각의 대향면에 접촉하는 전극(3, 4)을 갖는 두 개의 압전층 사이의 영역에는 전극층이 없는 중립 상(7)이 형성되고,

   상기 다층 구조와 수직하게 압전 액추에이터(1)에 전압을 가할 때 중립 상(7)의 영역에서, 증가된 기계적 인장력에 의해 상기 다층 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 구조의 외단면 상에 형성된 하나 이상의 외부 커버층(11)은 중립 상(7)의 영역에서 융기부(12, 13)를 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 융기부(12)는 중립 상(7)의 위치에 상응하는 커버층(11)의 대향면에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 융기부(13)는 중립 상(7)의 위치에 상응하는 커버층(11)의 대각 대향 에지상에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 융기부는 커버층을 연삭하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 구조의 일부 또는 모든 층들 사이에는 절연층(15)이 배치되며, 상기 절연층은 중립 상(7)의 영역에서 각각의 융기부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 구조의 전극(3, 4)은 중립 상(7)의 영역에 각각의 융기부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 청구항들의 일부 또는 모든 특징들은 서로 조합될 수 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.