KR100716442B1 - 개량된 전극 연결부를 가진 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

특히 압전층들 및 그것들 사이에 배치된 내부전극들(2,3)로 된 다층 구조물을 작동시키기 위한 압전 액추에이터가 제안되어 있다. 제 1 외부전극(6)은, 각 내부전극들(2,3)과 접촉될 수 있는, 각 측면상의 도전면으로서 형성되어 있다. 전압 공급을 위한 탄성 전기 접촉은 접속부(4,5;15)를 통해 망상 또는 직물형의 제 2 외부전극(7)에서 이루어지고, 상기 외부전극은 제 1 전극(6)에 배치된다. 제 2 외부전극은 적어도 점상으로 제 1 전극(6)과 연결되어 있고 접촉면 또는 접촉점(8;14;17)의 영역에 역시 팽창가능한 영역을 갖고 있다.

압전 액추에이터, 접촉점, 접속부, 외부전극, 내부전극.

Description

개량된 전극 연결부를 가진 압전 액추에이터{Piezoelectric actuator with improved electrode connections}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른, 예컨대 밸브 등과 같은 기계 부품을 작동하기 위한 압전 액추에이터에 관한 것이다.

소위 압전 효과를 이용함으로써 적당한 결정 구조를 가진 재료로 압전 소자를 구성할 수 있다는 것은 공지되어 있다. 외부 전압을 인가하면 결정 구조 및 전압의 인가 범위에 의존하여 사전 설정될 수 있는 방향으로 압축 또는 인장을 나타내는, 압전 소자의 기계적 반응이 일어난다. 상기 압전 액추에이터의 구조는 다층으로 이루어질 수 있고(다층 액추에이터), 전압이 제공되게 하는 전극들은 각각 층과 층 사이에 배치된다.

이러한 압전 액추에이터는 예컨대 자동차의 연료 분사 장치에서 전환 밸브를 구동하는데 사용될 수 있다. 압전 액추에이터의 작동시 특히 층 구조에 기계적 응력이 가해지더라도 외부 접속 전극의 영역에는 장애를 일으키는 파열 형성이 발생하지 않아야 한다는 사실에 유의해야 한다. 각각 측면에 접촉된 내부전극들은 빗 모양으로 층 구조물 내에 통합되기 때문에, 층 구조물 방향으로 상하로 차례로 배치되는 전극들은 각각 교대로 대향 측면에 접촉되어야 한다. 압전 액추에이터의 작동시, 즉 층 구조물 내에 대향 배치된 내부전극들 사이에 전압을 인가하면, 내부전극들의 영역과 외부전극에 있는 접점들의 영역에서는 서로 다른 기계적 힘이 발생되고, 상기 힘은 기계적 응력을 일으키고 이로 인해 외부전극들 내에 균열이 일어날 수 있다.

예컨대 기계 부품을 작동하는데 이용될 수 있는 전술한 압전 액추에이터는, 각 외부전극의 적어도 한 층은 망상 또는 직물형으로 각 측면상에 분포되어 형성되어 있고 적어도 점상으로 각 내부전극들과 접촉됨으로써 바람직하게 개선된다. 이 경우 접점 사이에는 팽창가능한 영역이 위치하게 되고 전압 공급은 접속부들을 통해 이루어지고, 상기 접속부들도 역시 접촉면의 영역에 또는 접촉점들 사이에 팽창가능한 영역을 갖는다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제 1 층으로서 외부전극, 예컨대 금속면이 각 내부전극들과 접촉되어 있는 각 측면상에 배치되어 있다. 제 2 외부전극으로서 망상 또는 직물형의 층이 제 1 층 위에 배치되고, 상기 제 2 층은 적어도 점상으로 제 1 층과 접촉되고 또한 이 경우에도 접점 사이에는 팽창가능한 영역이 놓이게 된다. 전압의 공급은 제 2 외부전극에 있는 접속부를 통해 이루어지고, 상기 외부전극도 접촉면의 영역에 또는 접촉점들 사이에 팽창 가능한 영역을 갖는다.

망상 또는 직물형의 외부전극은, 전술한 바와 같이, 내부전극으로부터 박리에 의해 일어날 수 있는 횡 균열을 방지하는 역할을 한다. 그리고 망상 또는 직물형의 외부전극은 바람직하게 단지 점상으로 납땜될 수 있고, 따라서 압전 액추에이터가 팽창할 때 외부전극 내에 큰 전단 응력이 발생하지 않는다. 상기 전단 응력 발생은 전극의 균열을 초래할 수 있다.

다른 실시예에서 전압을 위한 접속부들이 납땜 접점을 통해 접속될 수 있고, 상기 납땜 접점은, 내부전극들이 압전 액추에이터의 가장자리에 까지는 뻗지 않게 함으로써 액티브한 종방향 팽창을 갖지 않는, 압전 액추에이터의 층 구조물의 영역내에 배치된다.
다른 실시예에서 전압을 위한 접속부들은 바람직하게 납땜 접점, 용접 접점 또는 크림프 접점을 통해 접속되고, 상기 접점은 망상 또는 직물형의 외부전극의 폴드 영역에 위치한다. 이 경우 접속부는 폴드 영역 내에 배치되는 플랫 와이어를 통해 이루어질 수 있다.

또한, 전압을 위한 접속부들은, 압전 액추에이터의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 폴드 영역에 선형으로 배치되어 있는 와이어를 통해서 접속되거나, 또는 점상으로 직물형의 외부전극에 배치된, 수평 또는 수직으로 파형을 이루는 와이어 및 납땜 접점, 용접 접점 또는 크림프 접점을 통해 접속될 수 있다.

또한, 전압을 위한 접속부들은, 점상으로 바람직하게는 탄성 콤(comb)에 그리고 제 2 외부전극에 위치하는, 콤전극 및 납땜 또는 용접 접점들을 통해서도 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들의 상기 및 다른 특징들은 청구범위, 상세한 설명 및 도면에 제시되며, 개별 특징들은 개별적으로 또는 다수의 조합된 형태로 본 발명의 실시예에서 그리고 다른 분야에 실현될 수 있고 바람직하게 그 자체로 특허 청구할 수 있는 실시예일 있고, 이것들은 모두 본 발명에서 특허 청구된다.

도 1은 압전 세라믹 및 내부전극들로 구성된 층들의 다층 구조물 및 제 1의 플랫 외부전극상의 망상의 외부전극을 구비한 압전 액추에이터의 단면도.

도 2는 전압의 접속부를 가진 도 1에 따른 망상 외부전극의 평면도.

도 3은 전기 접속부의 영역에 있는 층 구조물의 상세 단면도.

도 4는 폴드 영역에 있는 전기 접속부를 가진 도 3에 따른 실시예의 변형.

도 5는 폴드 영역에 배치된 접속 와이어를 가진 도 4에 의한 실시예의 변형을 보여주는 도면.

도 6은, 망상 외부전극이 브레킷 납땜에 의해 제 1 외부전극에 연결되어 있는 실시예.

도 7은 망상 외부전극이 크림프에 의해 접속 와이어에 연결되어 있는 실시예.

도 8은 망상 외부전극이 압전 액추에이터의 전체 길이에 걸쳐 폴드영역에 있는 브레킷 땜질 또는 크림프에 의해 접속 와이어에 연결되어 있는 실시예.

도 9, 도 10 및 도 11은 각각 전기 접속을 위한 파형의 접속 와이어.

도 12 및 도 13은 콤 모양의 전기 접속 와이어에 대한 두 도면.

본 발명에 따른 압전 액추에이터의 실시예들이 도면에 의해 상세히 설명된다. 도 1에는 압전 액추에이터(1)가 도시되고, 상기 압전 액추에이터는 공지된 바와 같이 적합한 결정구조를 가진 세라믹 재료의 압전 포일들로 구성되어 있으므로, 소위 압전 효과를 이용하여, 외부 전압을 전기 접속부(4 및 5)를 통해 내부전극들(2 및 3)에 인가하면 압전 액추에이터(1)의 기계적 반응이 이루어진다. 도 2로부터는 상기 구조의 측면도를, 또한 도 3으로부터는 접속 와이어(4 및 5) 영역의 단면도를 볼 수 있다.

제 1 플랫 외부전극(6)은 내부전극들(2 및 3)과 접촉되어 있고, 상기 외부전극은 다시 접점(8)을 통해 예컨대 납땜 또는 용접에 의해 제 2 망상 외부전극(7)과 접촉되어 있다. 제 1 외부전극(6)은 Ni, Ni+Cu 또는 Ni+PbSn으로 된 얇은, 예컨대 몇 ㎛ 두께의 층일 수 있고, 이 층은 직접 압전 액추에이터(1)의 표면 상에 접착한다. 접속 와이어(4 및 5)는 접점 지점(9)에서 망상 외부전극(7)과 납땜 또는 용접에 의해 연결된다. 납땜 지점(9)의 균열을 방지하기 위해, 도 1에 따른 압전 액추에이터(1)에는, 내부전극들(2 및 3)이 외부전극(6 및 7)에 까지는 이르고 있지 않아 압전효과로 인한 아무 기계적 반응도 일어나지 않는 비활성 저부 영역(10)이 제공된다. 그리하여 이 저부 영역(10)에서는 상기 도입부에서 언급한 균열 형성 등의 단점이 방지될 수 있다.

도 4는 외부전극(7)의 영역이 접속 와이어(4 또는 5)를 고정하기 위해 접혀 있고 이로써 납땜 지점(9)의 경화 및 그것에 따른 균열 형성이 방지되는 실시예를 도시한다. 따라서 높이(H)에 의해, 압전 액추에이터(1)가 팽창할 수 있는 탄성의 폴드 영역(11)이 얻어진다. 상기 팽창은 경화 접속 와이어(4 또는 5)에 의해 저지되지 않는다. 이 경우 특히 접속 와이어(4 또는 5)의 용접이 바람직할 것이다. 왜냐하면 땜납이 구역(h)을 통해 흘러들지 않을 수 있기 때문이며, 그렇지 않은 경우(납땜의 경우) 이것은 경화를 일으킬 수 있다. 이 경우, 도 1 내지 3에 따라 제공된 바와 같이 비활성(부동태) 저부 영역이 생략될 수 있다.

도 5에 도시된, 도 4에 따른 실시예의 변형예에서, 각 접속 와이어(4 또는 5)는 폴드 영역(11)의 내부에 용접되어 있다.

도 6의 실시예에 따라, 내부 용접된 플랫 접속 와이어(4 또는 5)가 제공되고, 그 폭이 작기 때문에 가열판(12)에 의해 망상 외부전극의 브레킷 납땜이 제 1 외부전극(6)에서 실시될 수 있다.

도 7은 접속 와이어(4 또는 5)가 폴드 영역(11) 상에 배치된 크림프된 스트립(13)인 실시예를 도시한다.

도 8은 접속 와이어(4 및 5)를 고정시키는 변형예를 도시하고, 여기서는 연속하는 와이어가 압전 액추에이터(1)의 전체 길이에 걸쳐 안내되어 있다. 이 경우 폴드 지점(11)에서 국부적인 납땜 또는 용접시 와이어(4 또는 5)와 각 외부전극(7) 사이에 피로 균열이 발생하는 것이 역시 감소한다.

도 9 및 도 10에 따른 실시예에서는 접속 와이어(4 및 5)가 파형이고, 따라서 외부전극(7)의 팽창 방지가 감소된다. 와이어(4 및 5)는 압전 액추에이터(1)의 길이 방향으로 다수의 작은 지점(14)에서 용접 또는 납땜된다. 와이어(4 및 5)는 도 9 및 10에 따라 외부전극(7)의 평면에 대해 수직으로 파형화 되어 있고, 따라서 이 경우 망상의 외부전극(7)을 압전 액추에이터(1)에 또는 제 1 플랫 외부전극(6)에 큰 장해 없이 땜 부착을 하기 위해 도 6을 참고로 언급된 브레킷 납땜이 가능하다. 앞서 외부전극(7)에 용접된 와이어(4 또는 5)는 고정을 위해 그리고 브레킷 납땜 시 센터링을 위해 이용될 수 있다.

망상의 외부전극(7) 위에 평평하게 납땜 또는 용접된 파형의 접속 와이어(4 또는 5)가 도 11에 도시되어 있다. 여기서도 지점들(14)에 점상의 접촉이 행해지고, 이로써 외부전극(7)의 팽창성이 방해를 받지 않는다. 이때 가장 간단하게 접속 와이어(4 또는 5)를 설치한 후에야 외부전극이 브레킷 납땜될 수 있다.

도 12 및 도 13은 특수 형태의 접속 와이어(15)가 설치되어 있는 다른 실시예를 도시한다. 여기에서는 콤 모양으로 접촉 지점(17)들에 연장된, 탄성의 저부(16)들이 제공되고, 상기 접촉 지점들에서 상기 탄성의 저부는 각각 외부전극(7)에 납땜 또는 용접된다.

Claims (8)

1. - 다층 구조물의 압전층들 및 상기 압전층들 사이에 배치된 내부전극들(2,3)을 가지며,

   - 상기 내부전극들(2, 3)의 측면이 교대로 외부전극(6,7)에 접촉하고, 상기 외부전극들(6, 7)을 통해 전압이 공급될 수 있으며,

   - 하나의 외부전극(7)은 망상 또는 직물형으로 각각 측면상에 분포 설치되어 있고, 적어도 점상으로 상기 각각의 내부전극들(2,3)과 접촉되어 있으며, 접점들 사이에는 팽창가능한 영역이 위치하며,

   - 접속부들(4,5;13;15)을 통해 전압이 공급되고, 상기 접속부들은 접촉면들 또는 접촉점들(8;14;17)의 영역들 사이에 팽창가능한 영역들을 갖고 또는 탄성 폴드 영역들(11)에 위치하는, 압전 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 외부전극(6)으로서 도전면이 각 측면상에 설치되고, 상기 측면은 각각의 상기 내부전극들(2,3)과 접촉되고, 상기 제 2의 망상 또는 직물형 외부전극(7)이 상기 제 1 전극(6) 상에 배치되어 있으며, 상기 제 2 외부전극은 적어도 점상으로 상기 제 1 전극(6)과 접촉되고, 또한 상기 접촉점들(8;14;17) 사이에는 팽창가능한 영역이 위치하는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들(4,5)이 납땜 접점(soldered contact)(9)을 통해 접속되고, 상기 납땜 접점은, 상기 내부전극들(2,3)이 상기 압전 액추에이터(1)의 가장자리에 까지는 이르지 않게 함으로써, 거의 종방향 팽창을 갖지 않는, 상기 압전 액추에이터(1)의 상기 층 구조물의 영역(10)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들(4,5;13)은 제 2 외부전극(7)의 상기 폴드 영역(11)에 있는 납땜 접점, 용접 접점 또는 크림프 접점(crimped contact)을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
5. 제 4 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들은, 상기 폴드 영역(11)의 내부에 배치된 플랫 와이어(flat wire)(4,5)에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
6. 제 4 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들은, 상기 압전 액추에이터(1)의 전체 길이에 걸쳐 연장된 폴드 영역(11)에 걸쳐 연장되는 와이어(4,5)에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들은 각각, 점상으로 제 2 외부전극(7)에 배치되는, 수평 또는 수직으로 파형을 이루는 와이어(4,5) 및 납땜 접점, 용접 접점 또는 크림프 접점(crimped contact)(14)에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압을 위한 상기 접속부들은, 콤형의 와이어(15) 및, 각각 탄성 콤(16)과 제 2 외부전극(7)에 위치하는 납땜 접점 또는 용접 접점(17)을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터.

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