KR20010072858A - 개선된 전극 접점을 구비한 압전 다층 액츄에이터와 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 압전 다층 액츄에이터는 적층부내에 배열된 복수개의 압전세라믹층과, 상기 압전세라믹층내에 삽입된 복수개의 내부 전극을 포함하고, 상기 복수개의 내부 전극은 교대로 반복되는 형태로 적층부의 제 1 및 제 2 측면으로부터 연장된다. 제 1 및 제 2 외부 전극은 상기 적층부의 제 1 및 제 2 측면으로부터 각각 연장되는 복수개의 내부 전극에 접속된다. 상기 내부 전극은 제 1 및 제 2 접속 영역에 두꺼운 부분을 포함하고, 상기 두꺼운 부분은 내부 전극을 보강하도록 복수개의 내부 전극의 다른 부분 보다 두껍게 형성되어 있다. 인장 응력으로 인하여 내부 전극상에 형성될 수 있는 균열은 제 1 및 제 2 접속 영역에서 내부 전극의 두꺼운 부분 둘레로 진행하는 경향을 갖는다. 따라서, 외부 전극의 전류를 중단시킬 가능성을 가진 외부 전극으로의 균열 전파가 감소 또는 중단된다.
Description
다층 압전세라믹 디바이스를 사용하는 액츄에이터는 내연 기관용 디젤 연료 분사 장치에 사용될 수 있다. 압전세라믹은 기계적 압력이나 인장하에서 전하를 발생시키고, 전기적으로 하전되었을 때, 팽창 또는 수축하게되는 특성을 갖는다. 이 효과를 강화하기 위해서, 금속 내부전극이 파묻혀있는 예로서, 납 지르코네이트 티타네이트 등의 압전 세라믹의 얇은 포일의 소결된 적층물로서 구성되어 있는 모놀리식 다층 액츄에이터가 사용된다. 내부 전극은 적층부 외측에서 교대로 반복되는 상태로 연장되며, 외부 전극을 경유하여 평행하게 연결된다. 상기 적층부의 접촉 측면 상에 일차 금속층 또는 외부 전극이 적용되고, 이는 개별적인 내부 전극에 접속된다.
전압이 외부 전극에 적용되는 경우에, 압전 포일은 전기장 방향으로 팽창된다. 일련의 개별적인 압전 포일을 기계적으로 접속함으로써, 저전압에서 조차도 전체 압전 세라믹의 미세한 팽창이 얻어진다.
이 모놀리식 다층 액츄에이터는 독일 특허 제 40 36 287 C2호에 상세히 설명되어 있다. 이런 액츄에이터를 유동 제어 밸브에 적용하는 방법이 상기 특허에 개시되어 있다.
상기 압전 다층 액츄에이터의 내부 전극은 약 4㎛ 두께의 은(Ag) 페이스트로 스크린 프린팅되거나, 일부 경우에는 약 1㎛ 두께의 CuNi층으로부터 스퍼터링될 수 있다. 내부 전극이 전기 절연을 위해 외부 전극으로부터 교대로 후방으로 오프셋되어있기 때문에, 압전 포일 적층부의 외부에지에 약화된 전기장을 가진 영역이 발생되고, 그래서, 이영역내의 압전 포일은 적층부 중앙영역에서 보다 덜 팽창하게 된다. 결과적으로, 상기 외측 영역내에 인장 응력이 발생되고, 접한 강도가 초과된 이후에 전극상의 균열 형태의 압전 포일층과 내부 전극 사이에 적층부의 박리가 발생되며, 전극상에 균열이 형성된다. 상기 균열은 외부 전극으로 외향하여 번질 수 있고, 균열이 전체에 걸쳐 연장되게 되면 전류의 단절을 초래한다.
독일 특허 제 196 48 545 A1호에는 높은 동적 부하에서 조차도 다층 액츄터의 파괴를 피하도록 개선된 형태의 모놀리식 다층 액츄에이터가 개시되어 있다. 이 출원은 삼차원 표면구조의 전기 도전성 측면 전극을 설명하고 있으며, 이는 불연속적 접점에서 남땜을 경유하여 접속되며, 접점 사이에서 팽창가능하도록 구성되어 있다. 예로서, 상기 접촉점에 골을 가지는 파형 측면 전극이 설명되어 있다. 상기 액츄에이터의 작동 전류는 이 배열을 통해 2차 전류로 분할된다. 2차 전류는 접점으로부터 외부 전극을 통해 금속 내부 전극으로 유동한다. 외부 전극에 발생된 균열은 전류를 중단시키지 않고 3차원 전극을 통해 2차 전류를 경로변환시키게 된다.그러나, 측면 전극은 적소에 납땜되어야만 하는 부가적인 구성요소이고, 이는 부가적인 비용을 발생시킨다. 또한, 남땜과, 측면 전극 사이의 전단 균열은 측면 전극의 분리를 초래할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 압전 다층 디바이스에 관한 것으로, 특히, 디젤 분사 장치용 균열 정지부를 구비한 압전세라믹 다층 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1은 전기장 라인을 도시하는 종래의 압전 다층 액츄에이터의 개략적인 단면도.
도 2는 적층부의 박리 및 전극의 균열을 도시하는 도 1의 압전 다층 액츄에이터의 세부를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 압전 다층 액츄에이터의 일부를 도시하는 개략적인 단면도.
도 4는 균열의 방향 전환을 도시하는 도 3의 액츄에이터의 세부를 도시하는 도면.
도 5는 파형 외부 전극을 갖는 본 발명에 따른 압전 다층 액츄에이터의 일부의 개략적인 단면도.
도 6은 긴 접촉 영역과, 접촉 영역사이의 적층부로부터 멀어지는 방향으로 연장하는 영역을 구비하는 외부 전극을 가지는 본 발명에 따른 압전 다층 액츄에이터의 일부를 도시하는 개략적인 단면도.
본 발명은 제 1 및 제 2 측면을 가진 적층부내에 배열된 복수의 압전 재료층과, 복수의 압전 재료층 사이에 배열된 복수의 내부 전극과, 각각 제 1 내부 전극 세트와 제 2 내부 전극 세트를 형성하도록 교대로 반복되는 형태로 제 1 및 제 2 측면으로부터 연장되는 복수개의 내부 전극을 포함하는 압전 다층 액츄에이터를 제공한다. 제 1 외부 전극은 상기 적층부의 제 1 측면에 배치되고, 제 1 접속 영역에서 제 1 내부 전극 세트로 연결되며, 제 2 외부 전극은 적층부의 제 2 측면상에 배치되고 제 2 접속 영역에서 제 2 내부 전극 세트에 접속된다. 복수개의 내부 전극은 제 1 및 제 2 접속 영역에서 두꺼운 부분을 포함하고, 상기 두꺼운 부분은 복수개의 내부 전극의 다른 부분 보다 두껍게 형성되어 있다.
본 발명은 또한, 압전 다층 액츄에이터를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은 제 1 및 제 2 측면을 구비한 적층부내에 배열된 복수의 압전 재료층을 제공하는 단계와, 복수의 압전 재료층 사이에 배열된 복수의 내부 전극을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 내부 전극은 각각 제 1 내부 전극 세트 및 제 2 내부 전극 세트를 형성하도록 교대로 반복되는 형태로 제 1 및 제 2 측면으로부터 연장된다. 상기 방법은 제 1 접속 영역에서 제 1 내부 전극 세트에 접속되면서, 상기 적층부의 제 1 측면상에 배치된 제 1 외부 전극을 제공하는 단계와, 제 2 접속 영역에서 제 2 내부 전극 세트에 접속되면서 상기 적층부의 제 2 측면상에 배치된 제 2 외부 전극을 제공하는 단계와 상기 복수개의 내부 전극의 다른 부분 보다 두꺼운 부분을 형성하도록 상기 제 1 및 제 2 접속영역에서 복수개의 내부 전극을 두껍게 만드는 단계를 포함한다.
도 1은 종래의 압전 다층 액츄에이터(10)를 도시하고 있으며, 전기장 라인이"E"로 도시되어 있다. 상기 액츄에이터(10)는 얇은 압전 세라믹 포일(2)의 적층부(12)를 포함한다. 제 1 및 제 2 내부 전극 세트(22, 32)는 각각 포일(2)내에 삽입되어 있고, 각각 대향 측면(14, 16)상에서 교대로 반복되는 형식으로 적층부 외측으로 연장된다. 제 1 내부 전극(22)은 각각 각 접속점(24)에서 제 1 외부 전극(42)에 접속되고, 제 2 내부 전극(32)은 각 접속점(34)에서 제 2 외부 전극(52)에 접속된다. 제 1 내부 전극(22)은 제 2 외부 전극(52)으로부터 오프셋되고, 제 2 내부 전극(32)은 제 1 외부 전극(42)으로부터 오프셋되어 각각 제 1 내부 전극(22)과 제 2 외부 전극(52) 사이 및 제 2 내부 전극(32)과 제 1 외부 전극(42) 사이에 전기 절연을 제공한다. 이 오프셋에 의해 형성된 영역(62)내에서, 제 1 내부 전극(22)과 제 2 내부 전극(32)에 의해 형성되는 전기장은 도면 참조부호 "E"로 도시되어 있는 바와 같이 왜곡된다. 상기 전기장은 영역(62)에서 약화된다.
도 2를 참조하면, 영역(62)에서, 다른 적층부(12)영역보다 압전 포일이 덜 팽창하여 응력을 유발한다. 결과적으로 적층부 박리(70)와 균열(72)이 발생한다. 균열(72)은 외향으로 번져서 최종적으로 제 1 외부 전극(42) 또는 제 2 외부 전극(52)에 단절부(74)를 형성할 수 있고, 이는 각 외부 전극내의 전류 유동을 막는다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 다층 액츄에이터(10)의 일 실시예의 일부를 도시한다. 압전세라믹 포일(2)의 적층부(12)내에서 제 1 내부 전극(22)과 제 2 내부 전극(32)의 오프셋 배열과, 제 1 외부 전극(42)과 제 2 외부 전극(52)의 접속 및 그 배열은 실질적으로 상술한 종래의 액츄에이터와 동일하다. 그러나, 본 실시예에서는 제 1 내부 전극(22)과 제 2 내부 전극(32)이 각각 접속점(24, 32)의 영역에 두꺼운 부분(26)을 구비하고, 이곳에서 상기 내부 전극들이 제 1 및 제 2 외부 전극(42, 52)에 각각 접속된다. 두꺼운 부분(26)은 내부 전극의 다른 영역보다 두껍고, 따라서, 접속점(24, 34)에서 내부 전극을 보강한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 두꺼운 부분(26)의 형성에 따라서, 적층부 박리(70) 및 균열(72)이 발생될 수는 있지만, 상기 균열은 두꺼운 부분(26) 둘레로 전개되며, 보다 작은 영역으로 한정된다. 이 균열의 방향 전환은 균열 에너지를 소모시키고, 균열의 순 전파 길이를 감소시킨다. 두꺼운 부분(26)은 외부 전극(42, 52)에서 팽창 방향(y; 도 4)으로 균열(72)의 유효 확장 길이를 증가시킨다. 그에 의해, 균열로 인한 외부 전극내의 인장이 감소된다. 두꺼운 부분의 두께(t; 도 4)는 외부 전극내의 인장이 상기 전극의 인장 길이 아래로 감소되도록 선택될 수 있으며, 이는 균열이 외부 전극을 완전히 관통하는 것을 방지한다.
두꺼운 부분(26)에서 외부 전극(42, 52)의 인장 및 접착 강도를 인장 강도가 접착 강도보다 크도록 선택함으로써 부가적인 장점을 얻을 수 있다. 이는 균열이 외부 전극 전체를 관통하지 않고 두꺼운 부분의 프로파일을 따르게되도록 하는 효과가 있다.
따라서, 두꺼운 부분(26)은 균열이 전파되는 경향을 감소시키며, 전체가 균열되는 것을 방지할 수 있다.
두꺼운 부분(26)은 다양한 공정을 사용하여 또는 그 조합들을 사용하여 제조될 수 있다. 전기 도금이 두꺼운 부분을 형성하기에 적합한 공정이다. 다른 적절한공정은 포토마스킹 기술, 화학적 증착 공정, 실크 스크린 프린팅 기술 및 실크 스크린프린팅이 병합된 포토마스크 등을 포함한다. 두꺼운 부분의 에지는 특정 포토 마스크 형상을 사용하거나 실크스크린 프린팅의 소결 공정을 통해 성형 공정 그 자체에서 라운딩가공될 수 있다.
두꺼운 부분(26)은 구리, 니켈, 은, 금 등을 포함하는 금속이나 은-팔라듐, 황동, 청동 등의 금속 합금 같은 전기 도전성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예에서, 두꺼운 부분(26)은 접착성 개선이나 부식 감소(예로서, 금 코팅 사용) 또는 열팽착 특성의 조절(예로서, 은-팔라듐 함금으로 제조된 내부 전극(42 또는 52)에 적합화하도록)을 위해 금속 합금 또는 금속의 다층일 수 있다.
도 5를 참조하면, 제 1 및 제 2 외부 전극(42, 52)은 각각 상술한 독일 특허 출원 제 196 48 54 A1호에 개시된 측면 전극과 마찬가리로 파형일 수 있다. 파형 제 1 및 제 2 외부 전극(42, 52)은 각각 본 발명에 따라서 예로서, 제 1 및 제 2 내부 전극(22, 32)의 두꺼운 부분(26)에 직접적으로용접 또는 납땜되어 접속될 수 있다. 파형 외부 전극은 외부 전극이 모두 함께 균열되는 것을 피할수 있게 한다. 균열은 내부 전극(22 또는 32)의 금속과 압전세라믹 포일(2) 사이의 경계면(78)을 따라 진행하는 경향을 갖는다. 균열(72)이 도 5에 도시된 바와 같이 세라믹-두꺼운 부분-공기 접합부(80)에서 측면(14)에 도달할 때, 균열은 두꺼운 부분 내로 진행하지 않고 그 둘레로 진행하게 된다. 부가적으로, 파형 외부 전극은 압전세라믹 포일(2)의 팽창 방향(y)으로 가요성을 가지며, 그래서, 압전세라믹 액츄에이터의팽창에 의해 유발되는 접속지점에서의 인장 및 전단 응력을 최소화 한다.
또한, 두꺼운 부분(26)은 내부 전극(22 또는 32)의 유효 용접 영역을 확장시킴으로써 파형 외부 전극의 직접적인 접속을 간단하게 한다. 상기 내부 전극은 종종 매우 얇으며(예로서, 4㎛), 이는 두꺼운 부분이 없는 경우에, 직접적인 접속을 어렵게하고, 전기접속 신뢰성을 저하시키게 된다. 두꺼운 부분(26)에 대한 양호한 접속을 위해서, 제 1 및 제 2 외부 전극(42, 52)의 웨이브 길이는 각각 압전 포일 사이의 공간의 두배와 동일, 즉, 제1 내부 전극(22)의 간격과 제 2 내부 전극(32)의간격에 동일한 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 외부 전극(42, 52) 각각은 교대로 반복하는 실질적으로 직선인 부분(44)과 적층부(12)로부터 멀어지는 방향으로 연장하는 굴곡부(46)을 구비한다. 본 발명의 이 실싱PDp서, 직선부(44)는 제1 및 제 2 내부 전극(22, 32)의 두꺼운 부분(26)에 각각 직접적으로 접속된다. 상술한 파형 전극의 장점이 유지된다. 부가적으로, 직선부(44)는 긴 접속면을 제공함으로써 두꺼운 부분(26)에 대한 제 1 및 제 2 외부 전극 각각의 접속을 보다 용이하게하고, 각각 제 1 및 제 2 내부 전극(22, 32) 사이의 간격에 보다 덜 의존하는 양호한 접속이 제공된다.
Claims (24)
- 제 1 및 제 2 측면을 구비한 적층부내에 배열된 복수개의 압전 재료층과,상기 복수개의 압전 재료층 사이에 배열되면서, 상기 제 1 및 제 2 측면으로부터 교대로 반복되는 형태로 연장되어 각각 제 1 내부 전극 세트와 제 2 내부 전극 세트를 형성하는 복수개의 내부 전극과,상기 적층부의 제 1 측면상에 배치되어 제 1 접속 영역에서 상기 제 1 내부 전극 세트에 접속되는 제 1 외부 전극과,상기 적층부의 제 2 측면상에 배치되어 제 2 접속 영역에서 상기 제 2 내부 전극 세트에 접속되는 제 2 외부 전극을 포함하고,상기 복수개의 내부 전극은 상기 제 1 및 제 2 접속 영역에 상기 복수의 내부 전극의 다른 부분 보다 두껍게 형성된 두꺼운 부분을 포함하는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 압전 재료층은 압전세라믹층을 포함하는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 전기도금, 포토마스킹, 화학적 증착 및 실크스크리닝 중 하나 이상을 사용하여 형성되는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 구리, 니켈, 은, 금 및 금속 합금 중 하나 이상을 포함하는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 4 항에 있어서, 상기 금속 합금은 은-팔라듐, 황동 및 청동 중 하나 이상을 포함하는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 하나 이상의 금속과 하나 이상의 금속 합금 중 하나 이상으로 형성된 다층으로 형성되는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 응력 균열의 전파를 감소시킬수 있는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 편구형(spheroidal), 반구형, 버섯형 및 타원형 중 하나 이상을 포함하는 형상을 가지는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 각 제 1 및 제 2 접속 영역 사이의 적층부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 각 제 1 및제 2 접속 영역에서 실질적인 직선부를 포함하는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 9 항에 있어서, 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 파형인 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액츄에이터는 디젤 분사 장치에 포함되는 압전 다층 액츄에이터.
- 제 1 및 제 2 측면을 구비한 적층부내에 배열된 복수개의 압전 재료층을 제공하는 단계와,상기 복수개의 압전 재료층 사이에 배열되면서, 상기 제 1 및 제 2 측면으로부터 교대로 반복되는 형태로 연장되어 각각 제 1 내부 전극 세트와 제 2 내부 전극 세트를 형성하는 복수개의 내부 전극을 제공하는 단계와,상기 적층부의 제 1 측면상에 배치되어 제 1 접속 영역에서 상기 제 1 내부 전극 세트에 접속되는 제 1 외부 전극을 제공하는 단계와,상기 적층부의 제 2 측면상에 배치되어 제 2 접속 영역에서 상기 제 2 내부 전극 세트에 접속되는 제 2 외부 전극을 제공하는 단계와,상기 제 1 및 제 2 접속 영역에서 상기 복수의 내부 전극의 다른 부분 보다 두껍게 형성된 두꺼운 부분을 형성하도록 상기 복수개의 내부 전극을 두껍게하는 단계를 포함하는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 복수개의 압전 재료층은 압전세라믹층을 포함하는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 전기도금, 포토마스킹, 화학적 증착 및 실크스크리닝 중 하나 이상을 사용하여 형성되는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 구리, 니켈, 은, 금 및 금속 합금 중 하나 이상을 포함하는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 금속 합금은 은-팔라듐, 황동 및 청동 중 하나 이상을 포함하는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 하나 이상의 금속과 하나 이상의 금속 합금 중 하나 이상으로 형성된 다층으로 형성되는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 응력 균열의 전파를 감소시킬수 있는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 편구형, 반구형, 버섯형 및 타원형 중 하나 이상을 포함하는 형상을 가지는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 각 제 1 및 제 2 접속 영역 사이의 적층부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 각 제 1 및 제 2 접속 영역에서 실질적인 직선부를 포함하는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 21 항에 있어서, 제 1 및 제 2 외부 전극 중 하나 이상은 파형인 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 액츄에이터는 디젤 분사 장치에 포함되는 압전 다층 액츄에이터 제조 방법.
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