KR20020023236A - 압전식 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인장력 또는 압축력을 이용하여 작동 부품을 기동시키는 적어도 하나의 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)을 포함하는 압전식 액츄에이터에 관한 것이다. 또한, 압전식 액츄에이터에는 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)과 평행하게 배치된 안정화 부품(9: 22)이 제공되며, 상기 압전 부품과 안정화 부품 사이에는 가요성 중간층(11)이 배치된다. 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)과 안정화 부품(9; 22)의 유효 방향(z축) 길이는 이 유효 방향을 가로지르는 횡방향(x, y 방향)의 폭과 비교하여 보다 더 길다.

Description

압전식 액츄에이터{Piezoelectric actuator}

일반적으로, 소위 압전 효과를 이용하기 위하여 압전 부품은 적절한 결정 구조를 갖는 재료를 이용하여 제조될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 외부에서 전류를 인가하면 압전 부품에는 기계적인 반응이 일어나는데, 이 반응은 결정 구조와 전류의 세기에 따라서 소정의 방향으로 압축력 또는 인장력이 나타나는 것으로 설명된다.

오늘날 밸브의 위치를 조정하고자 할 때 상술한 압전식 액츄에이터가 사용된다. 그렇지만, 이 압전식 액츄에이터에서는 비교적 큰 힘이 소요됨에도 불구하고 예를 들어 밸브 태핏을 작동시키기 위한 행정 능력이 비교적 낮다는 점을 고려하여야 한다. 따라서, 유효 행정을 증가시키기 위하여 일부에서는 보통 기계적 또는 유압적 경로 변환을 실시하고 있다. 그러나, 이러한 기계적 또는 유압적 경로 변환 시스템은 제작에 있어서 많은 비용이 소요되며, 따라서 전체적인 제조비도 상승하고 있는 편이다.

본 발명은 독립항의 특징부에 따른 것으로서, 예를 들어 밸브 등과 같은 기계 부품을 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터에 관한 것이다.

도 1은 강철로 구성된 안정화 부품을 구비하고 있는 온도 비보상형 압전식액츄에이터를 도시한 단면도.

도 2는 압전 부품의 제 1 접촉 형태를 표현하기 위하여 도 1의 A-A선을 따라 절취하여 도시한 상세 단면도.

도 3은 압전 부품의 제 2 접촉 형태를 표현하기 위하여 도 1의 A-A선을 따라 절취하여 도시한 상세 단면도.

도 4는 세라믹으로 구성된 안정화 부품을 구비하고 있는 압전식 액츄에이터의 일부품인 횡방향 층상 구조의 온도 보상형 압전 부품을 도시한 단면도.

도 5는 세라믹으로 구성된 안정화 부품을 구비하고 있는 압전식 액츄에이터의 일부품인 종방향 층상 구조의 온도 보상형 압전 부품을 도시한 단면도.

도 6은 압전 부품의 제 1 접촉 형태를 표현하기 위하여 도 5의 A-A선을 따라 절취하여 도시한 상세 단면도.

도 7은 압전 부품의 제 2 접촉 형태를 표현하기 위하여 도 5의 A-A선을 따라 절취하여 도시한 상세 단면도.

도 8은 인장 부품의 양쪽에 배치된 두 개의 압전 부품을 구비하고 있는 온도 비보상형 압전식 액츄에이터를 도시한 단면도.

보통, 상술한 압전식 액츄에이터는 인장력 또는 압축력을 이용하여 작동 부품을 작동시키기에 적합한 적어도 하나의 압전 부품을 갖는다. 이에 비하여 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터에는 압전 부품과 평행하게 배치된 안정화 부품이 추가로 제공될 뿐만 아니라 이 압전 부품과 안정화 부품들 사이에서 가요성 중간층을 구비하는데, 이때 압전 부품과 안정화 부품의 유효 방향(z축) 길이는 이 유효 방향을 가로지르는 횡방향(x, y 방향)의 폭과 비교하여 더 길다. 바람직한 크기로서는, 예를 들어 폭(x, y 방향)에 대한 길이(z 방향)의 비율을 약 5:1 내지 50:1로 설정한다.

바람직한 제 1 실시예에 있어서, 안정화 부품은 강으로 구성될 뿐만 아니라 압전식 액츄에이터의 하우징에 견고하게 고정된 기초판 또는 지지판과 하우징에 형성된 고정 에지 사이에 고정된다. 여기서는 또한 하우징도 강으로 제작할 수 있다. 상기 압전 부품은 기초판과 스프링 와셔 사이에 고정되며, 이 스프링 와셔는 예응력 스프링에 의해서 하우징과 접하고 작동 부품을 안내한다.

본 발명에서는 단순한 구조의 길고 좁은 압전식 액츄에이터가 제공되는데, 이 액츄에이터는 예를 들면 차량의 엔진실에서 사용할 때 발생하는 진동에 대하여 비교적 기계적으로 덜 민감하다. 또한, 상술한 바와 같이 길고 좁은 구조로 인하여 큰 행정이 가능하기 때문에 행정 변환을 시킬 필요가 없으며, 기본적으로 이 압전식 액츄에이터를 이용하여 인장력과 압축력을 발생시킬 수 있다.

상기 안정화 부품과 압전 부품 사이에, 예를 들어 폴리머 등과 같은 합성수지로 구성된 가요성 중간층을 배치함으로써, 압전 부품과 안정화 부품 사이의 상대운동을 나타내는 종방향 운동이 가능하다. 그렇지만, 여기서는 압전 부품을 x 또는 y 방향으로 흔들리게 할 수 있는 진동 운동은 억제한다. 이로써, 압전 부품 내에서 압전식 액츄에이터를 손상시킬 수 있는 굽힘 응력을 억제할 수 있다.

앞서 언급한 구체적인 실시예는 정방향 압축력을 따르며 온도를 보상하는 형태는 아니다. 그렇지만 제 2 실시예에서는 압전 부품과 안정화 부품이 거의 동일한 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재료로 구성되기 때문에 이 실시예는 온도 보상 형태이다. 또한, 여기서는 안정화 부품이 기초판과 하우징에 형성된 고정 에지 사이에 고정되지만, 기초판은 스프링에 의해서 하우징과 접한다.

상기 제 2 실시예에서는 압전 부품과 안정화 부품이 유효 방향으로 온도에 따라 팽창되는 형태로 기계적으로 연결되며, 여기서 압전 부품과 안정화 부품이 팽창될 때 작동 부품은 자신의 위치에 머물러 있을 뿐만 아니라 영점 드리프트(zero point drift)를 발생시키지 않는다. 상기 압전 부품은 기초판과 스프링 와셔 사이에 고정되며, 이 스프링 와셔도 또한 예응력 스프링에 의해서 하우징에 접하며 작동 부품을 안내한다. 여기서, 예응력 스프링의 힘은 대부분 기초판에 접하는 스프링의 힘보다 크기 때문에 상이한 온도 팽창은 하우징과 압전 부품의 재료 사이에서 스프링에 의해 보상된다. 따라서, 여기서는 온도 보상을 위한 방법으로서 지금까지 대부분 유압식 커플링을 이용하였던 바와 같이 더 이상의 추가적인 방법을 필요로 하지 않는다.

본 발명에 따라서, 상기 압전 부품이 횡방향 층상 구조의 압전층으로 설치되는 경우에는 작동 부품에 압축력을 작용시킬 수 있으며, 또는 종방향 층상 구조의압전층으로 설치되는 경우에는 작동 부품에 인장력을 작용시킬 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서는 안정화 부품이 압전 부품의 각 층상 구조와 수직하게 배치된 압전층으로 구성되며, 이 압전층은 압전 부품과 같이 전류의 세기로 제어된다. 이 실시예에서는 온도 보상뿐만 아니라 안정화 부품의 행정을 추가함으로써 유효 행정도 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 압전층들은 중간층이나 이 중간층의 바깥쪽에서 접촉시킬 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서는 두 개의 압전 부품들이 작동 부품으로 표현되는 인장 부품과 대칭적이며 중간층에 의해 둘러싸이는 형태로 압전식 액츄에이터의 하우징 내에 배치된다. 여기서, 상기 압전 부품들은 인장 부품과 결합된 지지판과 하우징에 형성된 고정 에지 사이에 고정되며, 상기 지지판은 예응력용 스프링에 의해서 하우징과 접한다.

이외에도, 본 발명의 바람직한 다른 구조들에 대한 상술한 특징들과 다른 특징들을 청구항, 실시예 및 도면들을 참조하여 설명하며, 본 발명의 실시예에 따른 각 특징들은 개별적으로 또는 조합된 복수의 형태로 그리고 다른 기술분야에서 실시할 수 있을 뿐만 아니라 바람직하게는 여기서 보호하고자 하는 청구항의 형태로 실시할 수 있다.

이하에서, 밸브의 위치를 조정하기 위한 것으로서 폭이 좁은 구조의 본 발명에 따른 압전식 액츄에이터의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에서는 압전 부품(2)을 구비한 압전식 액츄에이터(1)를 도시하며, 여기서 상기 압전 부품은 적절한 결정 구조를 갖는 석영 재료의 압전막(piezo-foil)이 구성되어 있기 때문에 소위 압전 효과를 이용하기 위하여 외부에서 전극(3, 4)에 전류를 인가하면 압전식 액츄에이터(1)에 힘(F_nuts)이 발생하게 되어 이 액츄에이터를 기계적으로 반응시킬 수 있다. 도 1에 따른 실시예는 온도 보상형은 아니며 압축력(F_nuts)을 발생시킨다.

비교적 길고 얇은 압전 부품(2)의 하단부는 예응력 스프링(6)과 이 인장 스프링의 위쪽에 배치된 스프링 와셔(7)에 의해서 밀착되고 상단부는 기초판 또는 지지판(8)에 밀착된다. 상기 지지판(8)은 압전 부품(2)의 양측에 대칭적으로 배치된 안정화 부품(9)에 의해서 예응력 상태로 존재하며, 다시 이 안정화 부품의 상단부와 하단부는 압전식 액츄에이터(1)의 하우징에 지지된다. 안정화 부품(9)과 압전 부품(2) 사이에는 종방향을 따라 중간층(11)으로서 가요성 합성수지, 예를 들어 폴리머가 존재한다. 이 가요성 중간층(11)은 압전 부품(2)과 안정화 부품(9)의 종방향 운동, 즉 이들의 상대 운동은 가능하나 x 또는 y 방향으로 압전 부품의 진동 운동은 방지하기 위한 것이다.

도 2와 도 3에서는 압전 부품(2)의 접촉 단자(3, 4)를 도시하며, 여기서 상기 접촉 단자들은 x 방향이나 y 방향으로 형성될 수 있으며 중간층(11)이나 이 중간층의 바깥쪽에 배치될 수 있다.

도 4에서는 압전식 액츄에이터(20)의 제 2 실시예를 도시하며, 여기서 도 1과 비교하여 동일한 부품에는 동일한 도면부호를 부여한다. 도 4에 따른 구조에서도 압전 부품(21)과 안정화 부품(22)이 제공되는데, 이 안정화 부품은 세라믹 재료로 구성되고 압전 부품(21)과 거의 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 지지판(8)은 스프링(23)에 의해서 하우징(10)에 예응력 상태로 존재하며, 이때 상기 스프링(23)의 예응력은 예응력 스프링(6)의 인장력보다 실질적으로 더 크기 때문에 이스프링(23)에 의해서 하우징(10)과 압전 부품(21) 사이에서 발생하는 상이한 온도 팽창을 보상할 수 있다. 그러나, 상기 스프링(23)을 제거할 수도 있는데, 이 경우 압전 부품(21)은 도 1과 유사하게 상부 지지판(8)과 하부 지지판에 의해서 고정된다. 도 1에서처럼 상부 지지판(8)은 하우징(10)의 숄더와 접한다. 스프링(23)은 압전 부품의 예응력에 의해서 발생될 수 있는 안정화 부품(22)의 인장 상태를 방지한다. 이 예응력은 스프링(6)에 의해서 작용한다.

또한, 본 실시예에 있어서 압전식 액츄에이터(20)가 작동하면 압전 부품(21)은 축방향으로 팽창하게 되고 이 때문에 예응력 스프링(6)의 예응력에 대하여 압축력(F_nuts)이 발생한다. 또한 여기서는 압전 부품(21)과 안정화 부품(22)이 거의 동일한 열팽창 계수를 갖기 때문에, 본 발명에 따른 구성에 의해서 압전 부품(21)과 안정화 부품(22)이 온도에 따라 팽창할 때 유효 방향으로 양 부품(21, 22)들의 영향력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 압전 부품(21)의 스프링판(7)과 결합된 작동 부품은 자신의 위치에 머무를 수 있다.

도 5에서는 압전식 액츄에이터(30)의 제 3 실시예를 도시하며, 여기서도 도 1 또는 도 4와 동일하게 작용하는 부품들에는 동일한 도면부호를 부여한다. 도 5에 따른 구조의 압전 부품(31)은 도 4에 따른 구조와 비교하여 종방향 층상 구조의 압전층을 갖는다는 점만이 다르다. 본 실시예에서 상기 압전식 액츄에이터(30)를 작동시키게 되면 압전 부품(31)이 축방향으로 줄어들게 되며 따라서 작동 부품에 작용하는 인장력(F_nutz)이 발생한다.

도 6과 도 7에서도 압전 부품(31)의 접촉 단자(3, 4)를 도시하는데, 여기서 상기 접촉 단자들은 상응하게 정렬된 압전층에 의해서 x 방향이나 y 방향으로 형성될 수 있으며 중간층(11)이나 이 중간층의 바깥쪽에 배치될 수 있다.

도 8에서는 압전식 액츄에이터(40)의 다른 실시예를 도시하며, 여기서도 또한 도 1, 도 4 또는 도 5와 동일하게 작용하는 부품들에는 동일한 도면부호를 부여한다. 도 8에 따른 구조에서는 두 개의 압전 부품(41, 42)이 인장 부품(43)과 같은 작동 부품에 대하여 대칭적으로 배치된다. 이 압전 부품(41, 42)들과 인장 부품(43)은 중간층(11)에 의해서 둘러싸인 형태로 압전식 액츄에이터(40)의 하우징(10)에 배치된다. 이외에도, 상기 압전 부품(41, 42)들은 인장 부품과 결합된 지지판(44)과 하부 고정 에지에 배치된 스프링(23) 사이에서 하우징(10)에 고정된다. 이 구조는 인장력(F_nutz)을 발생시키며 온도 비보상형이다.

Claims (9)

1. 압전식 액츄에이터에 있어서,

   인장력 또는 압축력을 이용하여 작동 부품을 기동시키는 적어도 하나의 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)과,

   상기 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)과 평행하게 배치되며 압전 부품과의 사이에서 가요성 중간층(11)을 갖는 안정화 부품(9; 22)을 구비하며,

   상기 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)과 안정화 부품(9; 22)의 유효 방향(z축) 길이는 이 유효 방향을 가로지르는 횡방향(x, y 방향)의 폭과 비교하여 보다 더 긴 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 폭(x, y 방향)에 대한 길이(z 방향)의 비율은 약 5:1 내지 50:1인 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 안정화 부품(9)은 강철로 구성되며, 압전식 액츄에이터(1)의 하우징(10)에 견고하게 고정된 기초판 또는 지지판(8)과 하우징(10)에 형성된 고정 에지 사이에 고정되고,

   상기 압전 부품(2; 21; 31; 41, 42)들은 기초판(8)과 예응력 스프링(6)에 의해서 하우징에 접하고 작동 부품을 안내하는 스프링 와셔(7) 사이에 고정되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압전 부품(21; 31)과 안정화 부품(22)은 거의 동일한 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재료로 구성되며, 안정화 부품(22)은 기초판 또는 지지판(8)과 하우징(10)에 형성된 고정 에지 사이에 고정되고,

   상기 압전 부품(21; 31)은 기초판(8)과 예응력 스프링(6)에 의해서 하우징(10)과 접하며 작동 부품을 안내하는 스프링 와셔(7) 사이에 고정되고,

   상기 안정화 부품(22)과 압전 부품(21; 31)은 유효 방향으로 온도에 따라 팽창되는 형태로 기계적으로 연결되며, 상기 압전 부품과 안정화 부품이 팽창될 때 작동 부품은 자신의 위치에 머물러 있는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기초판(8)은 스프링(23)에 의해서 하우징(10)과 접하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 부품(21)에는 횡방향 층상 구조의 압전층이 설치되며, 이로 인하여 작동 부품에는 압축력이 작용하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 부품(31)은 종방향 층상 구조의 압전층이 설치되며, 이로 인하여 작동 부품에는 인장력이 작용하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 안정화 부품(22)은 압전 부품(21; 31)의 각 층상 구조와 수직하게 배치된 압전층으로 구성되며, 이 압전층은 압전 부품(21; 31)과 같이 전류의 세기로 제어되는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 두 개의 압전 부품(41, 42)은 인장 부품과 같은 작동 부품(43)에 대하여 대칭적으로 중간층(11)에 의해 둘러싸인 상태로 압전식 액츄에이터(40)의 하우징(10)에 배치되며,

   상기 압전 부품(41, 42)은 인장 부품(43)과 결합된 지지판(44)과 하우징(10)에 형성된 고정 에지 사이에 고정되고, 상기 지지판(44)은 스프링(23)에 의해서 하우징(10)과 접하는 것을 특징으로 하는 압전식 액츄에이터.