KR20020023237A - 온도 보상기를 포함하는 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예컨대 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 액추에이터에는 작동 부재(9)에 인장력 또는 압축력을 가하기 위한 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)가 제공되고, 상기 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)는 동일한 온도 팽창 계수를 갖는다. 상기 보상 소자(3; 20)는 작동 부재(9)가 자신의 위치에 머무르는 방식으로 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 20)의 온도에 기인한 팽창이 유효 방향(effective direction)으로 상쇄되도록 상기 압전 소자에 기계 역학적으로 연결된다. 상기 압전 소자(2; 21)와 보상 소자(3; 22) 사이에는 열 전달 페이스트(12)가 제공된다.

Description

온도 보상기를 포함하는 압전 액추에이터{Piezo-actuator comprising a temperature compensator}

소위 압전 효과를 이용하여 적합한 결정 구조를 가진 물질로부터 압전 소자가 형성될 수 있다는 것은 일반적으로 공지되어 있다. 외부의 전압이 인가되면, 결정 구조 및 상기 전기 전압의 인가 범위에 따라 사전 설정 가능한 방향으로의 가압 및 인장을 수행하는 압전 소자의 기계적 반응이 나타난다.

밸브의 위치결정시 전술한 압전 액추에이터가 종종 사용된다. 이 경우 예컨대 밸브 태핏을 작동시키기 위한 상기 압전 액추에이터의 리프팅 능력이 상대적으로 작다는 것에 특히 주의한다. 그로 인해 다른 한 편으로는 압전 소자 및 하우징의 세라믹의 상이한 열 팽창으로 인해, 압전 소자의 온도 팽창 계수는 매우 작고, 통상 금속으로 된 하우징은 양의 온도 팽창 계수를 가지게 되는 문제가 발생하며, 이는 압전 소자의 제어 없이도 밸브 태핏 위치의 드리프트(drift)를 야기할 수 있다.

일반적으로 그러한 장애 효과는 지금까지는 음의 온도 팽창 계수를 갖는, 예컨대 인바(invar)와 같은 매우 고가의 물질을 사용해야만 방지될 수 있었다. 또 다른 방법은 압전 소자에 높은 온도 팽창 계수를 갖는 재료를 직렬로 연결하는 것이다. 그러나 그와 같이 하면 장치의 강도 및 액추에이터 에너지가 감소된다.

본 발명은 예컨대 밸브 등과 같이 독립항에서 분류된 특징들에 따른 기계 부품을 작동시키기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다.

도 1은 보상 소자 및 그 뒤에 배치된 프리스트레스 스프링을 갖춘, 조임 벨트에 의해 고정된 압전 액추에이터의 단면도이다.

도 2는 보상 소자 및 평행하게 배치된 프리스트레스 스프링을 갖춘 압전 액추에이터의 단면도이다.

예컨대 기계 부품의 작동을 위해 사용될 수 있는, 도입부에 기술한 압전 액추에이터는 바람직하게는 본 발명에 따라 압전 소자를 포함하며, 상기 압전 소자에는 본 발명에 따라 보상 소자가 병렬로 배치된다. 이 때 상기 압전 소자 및 보상 소자는 동일한 온도 팽창 계수를 갖는 것이 매우 바람직하다. 그럼으로써 압전 소자 및 보상 소자가 기계 역학적으로 적절하게 작용 방향으로 배치될 때 상기 압전 소자의 압력판에 고정 연결된 작동 소자가 자신의 위치에 머무르는 방식으로 상기 두 소자의 온도에 기인한 팽창이 중단된다. 따라서 압전 액추에이터를 위해 전과 같이 예컨대 강(鋼)으로 된 금속 하우징이 사용되고, 상기 하우징 내에서는 온도 보상을 위해 보상 소자가 항상 압전 소자에 단단하게 연결되도록 상기 압전 소자가 조여질 수 있다. 본 발명의 매우 바람직한 실시예에서는 상기 압전 소자와 보상 소자 사이에 열 전달 페이스트가 놓이고, 상기 열 전달 페이스트에 의해 보상 소자와 압전 소자간의 우수한 온도 보상이 구현될 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따라 압전 소자 자체가 간단하게 조여질 수 있다. 압전 소자의 한 쪽 단부는 스프링에 의해 압전 액추에이터용 하우징에 접하는 고정 베어링 플레이트에서 지지된다. 압전 소자의 다른 쪽 단부는 압력판을 통해 프리스트레스 스프링에 연결되고, 상기 스프링의 다른 쪽 단부가 다시 상기 고정 베어링 플레이트에 고정된다. 이 때 보상 소자는 압전 소자에 대해 평행하게 놓이고, 상기 보상 소자의 한 쪽 단부도 역시 고정 베어링 플레이트에 접하며, 다른 한 쪽 단부는 하우징에 강하게 부딪힌다.

이 때 프리스트레스 스프링 및 압전 소자는 간단한 방법으로 예컨대 연이어 배치되며, 압전 소자의 가요성 단부는 조임 벨트에 의해 압력판에 연결될 수 있다. 그러나 프리스트레스 스프링 및 압전 소자가 서로 평행하게 배치될 수도 있는데, 이 경우 예컨대 대칭으로 배치된 2 개의 축 스프링도 마찬가지로 평행한 프리스트레스 스프링으로서 열 전달 페이스트 내에 배치될 수 있다.

압전 소자, 세라믹 링 및 프리스트레스 스프링의 권장된 결합은 하우징에 의해 단단하게 조여지고, 이 때 프리스트레스 힘은 압전 소자의 접속력보다 훨씬 더 크며, 상기 프리스트레스 스프링은 하우징에 대해 상대적인 온도 보상 동작을 허용한다. 프리스트레스의 크기는 인장 너트에 의해 간단하게 형성될 수 있다. 물론 보상 소자의 온도 팽창 계수가 압전 소자의 온도 팽창 계수와 일치하지 않으면, 온도 보상은 상기 보상 소자의 길이에 의해 매칭될 수 있다. 실시예에서 공통 영점은 하우징에 단단하게 연결된 인장 너트 상에서 보상 소자가 지지된다는 것을 의미한다.

상기 특징 및 본 발명의 바람직한 개선예의 추가 특징은 청구항 뿐만 아니라 명세서 및 도면에도 제시되어있으며, 이 때 개별적인 특징들은 각각 단독으로 구현되거나, 또는 본 발명의 실시예 및 다른 영역에서 서로 조합된 형태로 구현될 수 있고, 본 특허에서 특허권 보호가 청구된, 그 자체로 법적 보호를 받을 수 있는 바람직한 구현을 의미할 수 있다.

하기에 예컨대 밸브의 위치결정을 위한, 본 발명에 따른 온도 보상 압전 액추에이터의 실시예가 도면을 참고로 설명된다.

도 1에는 공지된 방식으로 적절한 결정 구조를 가진 수정 재료의 압전 박판으로 형성된 압전 소자(2)를 포함하는 압전 액추에이터(1)가 도시되어있다. 상기 도면에는 도시되지 않은 전극에 외부 전압이 인가되면 소위 압전 효과의 이용 하에 압전 액추에이터(1)의 기계적 반응이 일어난다. 도 1에 따른 압전 액추에이터의 경우 압전 소자(2) 및 보상 소자는 물론 압전 효과가 없는 세라믹으로 형성된다.

압전 소자(2)는 앞서 프리스트레스 스프링으로서의 축 스프링(6)용 고정 장치로서 사용되는 압력판(5)에 용접된 조임 벨트(4)에 의해 둘러싸인다. 압전 소자(2)가 부딪히는 베이스 플레이트(11)가 보상 소자(3)와 부시 장치(8) 사이에 놓이며, 상기 보상 소자(3)는 다른 한 편으로는 하우징(7) 또는 인장 너트에 단단하게 부착되고, 상기 부시 장치(8)는 다시 고정 베어링 플레이트(9)에 접한다. 상기 고정 베어링 플레이트(9)는 다시 보상 소자(3)용 스프링(10)에 의해 하우징(7)에 고정된다. 이 때 압력판(5)과 고정 베어링 플레이트(9) 사이에는 프리스트레스 스프링(6)이 고정된다. 압전 액추에이터(1)가 작동되면 본 실시예에서는 압전 소자(2)의 축방향 팽창 및 그에 따른 도시되지 않은 작동 부재의 축방향 운동이 야기된다.

압전 소자(2)와 보상 소자(3) 사이에는 상기 두 소자의 최상의 온도 보상을 위해 공급되는 열 전달 페이스트(12)가 존재한다. 압전 소자(2) 및 보상 소자(3)는 동일한 온도 팽창 계수를 갖기 때문에, 상기 압전 소자(2) 및 보상 소자(3)의 온도에 기인한 팽창은 권장된 기계 역학적 설치시 상기 두 소자(2, 3)의 유효 방향으로의 영향을 상쇄시킨다. 따라서 작동 부재가 자신의 위치에 머무를 수 있다.

도 2에는 압전 액추에이터(20)의 제 2 실시예가 도시되어있다. 여기서 동일한 작용을 하는 부품에는 도 1과 동일한 도면 부호가 기재되어있다. 도 2에 따른 장치에서도 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)가 거의 동일한 온도 팽창 계수를 갖는 세라믹 재료로 제조된다. 상기 소자들(21, 22) 사이에는 평행하기 배치된 프리스트레스 스프링으로서의 축 스프링(23) 및 열 전달 페이스트(12)가 제공된다. 본 실시예에서도 압전 액추에이터(20)의 작동에 의해 압전 소자(21)의 축방향 팽창, 및 압력판(24)으로부터 안내되는 도시되지 않은 작동 부재의 프리스트레스 스프링(23)의 프리스트레스에 대한 축방향 운동이 야기된다.

도 2에서도 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)가 동일한 온도 팽창 계수를 갖기 때문에, 상기 압전 소자(21) 및 보상 소자(22)의 온도에 기인한 팽창은 권장된 기계 역학적 설치시 상기 두 소자(21, 22)의 유효 방향으로의 영향을 상쇄시킨다.따라서 압전 소자(21)의 압력판(24)에 고정 연결된 작동 부재가 자신의 위치에 머무를 수 있다.

Claims (9)

1. 압전 액추에이터에 있어서,

   작동 부재에 인장력 또는 압축력을 가하기 위한 압전 소자(2; 21) 및 보상 소자(3; 22)를 포함하고, 상기 압전 소자(2) 및 보상 소자(3; 22)는 동일한 온도 팽창 계수를 가지며,

   상기 보상 소자(3; 22)는 작동 부재가 자신의 위치에 머무르는 방식으로 압전 소자(2; 21) 및 보상 소자(3; 22)의 온도에 기인한 팽창이 유효 방향(effective direction)으로 상쇄되도록 상기 압전 소자에 기계 역학적으로 연결되는 압전 액추에이터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 소자(2; 21)와 보상 소자(3; 22) 사이에 열 전달 페이스트(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 압전 소자(2; 21)의 한 쪽 단부는 스프링(10)에 의해 압전 액추에이터(1; 20)용 하우징에 접하는 고정 베어링 플레이트(9)에서 지지되고, 다른 한 쪽 단부는 압력판(11; 24)에 의해 프리스트레스 스프링(6; 23)에 연결되며, 상기 프리스트레스 스프링의 다른 쪽 단부는 다시 상기 고정 베어링 플레이트(9)에서 지지되고,

   상기 보상 소자(3; 22)는 압전 소자(2; 21)에 대해 평행하게 놓이며, 그의 한 쪽 단부도 역시 고정 베어링 플레이트(9)에 고정되고, 다른 한 쪽 단부는 하우징(7)에 강하게 부딪히는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 프리스트레스 스프링(6) 및 압전 소자(2)는 서로 연달아 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 압전 소자(2)의 플렉시블한 단부가 조임 벨트(8)에 의해 압력판(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 프리스트레스 스프링(23)과 압전 소자(21)가 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프리스트레스 스프링이 적어도 하나의 축 스프링(6; 23)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
8. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압전 소자(2; 21)는 횡으로 배치된 세라믹 압전층으로 이루어진 다층 구조로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 유효 방향으로 팽창되며, 보상 소자(3; 22)는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.
9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압전 소자(2, 21)는 횡으로 배치된 세라믹 압전층으로 이루어진 다층 구조로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 유효 방향으로 팽창되며,

   상기 보상 소자(3; 22)는 종으로 배치된 압전층으로 형성되고, 상기 압전층은 외부 전압이 인가되면 유효 방향으로 수축되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.