KR101329661B1 - 일체형 휨 부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형 다층 부재 또는 다층 휨 부재 형태의 컴포넌트를 제조하기 위한 방법을 제공하며, 상기 컴포넌트는 적어도 두 개의 계층 스택들(1)을 갖고, 상기 계층 스택들(1)은 압전성 활성 물질로 이루어진 1-400개의 계층들을 각각 가지며, 압전성 비활성 물질로 이루어진 0-100개의 계층들로 구성된 적어도 하나의 계층 스택(2)에 의해 분리됨으로써, 활성 계층 스택들의 내부 전극들이 적어도: a) 순은, 및 b) 0% 내지 최대 30%의 중량비를 갖는 전기적 비-전도성 물질을 포함하며, 상기 압전성 활성 계층들의 물질은, 상기 내부 전극들의 물질의 녹는점 미만에서 소결이 가능하고 또한 소결이 수행되도록, 열처리에서 충분한 활성도를 갖는다.

Description

일체형 휨 부재{MONOLITHIC BENDING ELEMENT}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 일체형 다층 부재 또는 다층 휨 부재 형태의 구조 컴포넌트를 제조하기 위한 방법, 구조 컴포넌트, 및 상기 구조 컴포넌트의 사용에 관한 것이다.
플라스틱 구조들 또는 격막과 같은 탄성 물질들에서 진동들을 여기(excite)시키기 위하여, 전기 역학 시스템들이 일반적으로 사용된다. 이러한 경우의 목적은 구조의 음파들이 균일하게 높은 음압으로 가능한 한 넓은 주파수 대역에서 방출되게 하거나, 또는 이미 진동하고 있는 구조를 음파 방출(acoustic radiation)이 이루어지지 않도록 댐핑(damping)하는 것이다.
전기 역학적 진동 발생기들의 단점은 전기 역학적 진동 발생기들의 부피가 크고, 더 높은 전력 출력들을 가지며, 또한 무겁다는 것이다. 전기 역학적 진동 발생기들은 높은 음압을 유지하는 반면에, 제한된 범위에서만 소형화될 수 있다. 따라서, 작은 크기의 기계들에서의 사용은 이루어지기가 어렵다.
대안으로서, 압전 세라믹에 기반한 다층 휨 부재들이 제공된다. 이러한 휨 부재들은 진동 구조에 평면적으로 장착될 수 있고 설치 공간을 거의 요구하지 않는다. 작은 크기의 기계들에 적절하게 장착되면, 다층 휨 부재들은 매우 우수한 사운드 질을 갖는 높은 레벨의 음압을 생성할 수 있다. 큰 크기의 기계들에서의 사용은 평면이면서 경량의 시스템을 유도한다.
그러나 이러한 구조 컴포넌트들의 제조 기술은 매우 값비싸고, 내부 전극들에 대해 귀금속이 사용되어야 한다. 이러한 이유들로, 부피가 큰 곳에서는(on a mass scale) 다층 휨 부재들의 사용이 불가능하다. 평면 확성기들과 같은 더 큰 구조들의 경우, 이러한 타입의 휨 부재들이 갖추어질 것이며, 매우 많은 수의 휨 부재들이 요구된다. 여기서 또한, 사용은 비용 때문에 논외가 된다.
부가하여, 진동 구조와 함께 이러한 타입의 휨 부재들은 한정된 주파수들에서 일련의 공명점들을 갖고, 따라서 방출된 사운드의 특징적인 톤 색깔을 갖는다. 사운드의 광대역 중립 방출을 위하여 휨 부재의 기하구조가 각각의 진동 구조에 최적화되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 이번에는, 많은 휨 부재들을 갖는 더 큰 구조들의 경우, 다양한 기하구조들을 갖는 휨 부재들이 이러한 목적을 위해 동시에 사용되어야 한다. 본 발명(하기에서 추가로 기술됨)에 따른 방법에 의해, 가장 다양한 굴곡 기하구조들이 어려움 없이 구현되는 것이 가능하다.
종래 기술에 따르면, 압전 세라믹 다층 구조 컴포넌트들은 공기 중에서 약 1100℃에서 소결된다. 그러므로 높은 녹는-온도를 갖는 귀금속만이 내부 전극으로서 사용될 수 있다. 베이스 금속들은 산화될 것이다. 그러므로 일반적으로, 40%까지 팔라듐을 갖는 은-팔라듐 합금이 사용된다. 그러나 이것은 높은 재료비와 연관된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 제거하는 것이다.
하기의 상세한 설명에서 은은 귀금속으로 간주되지 않으나, 전기화학적으로 고려할 때, 은은 귀금속들에 속한다.
본 발명에 따른 구조 컴포넌트는 내부 전극으로서 다른 귀금속물 없이 바람직하게 순은을 포함한다. 은이 961℃에서 녹고 상기 온도는 압전 세라믹 물질이 존재할 때 더 추가로 떨어지므로, 950℃의 소결 온도가 초과되지 않음이 확실하다. 상기 목적은 세 가지 조치들을 통해 달성된다 :
1. 저온에서의 PZT 세라믹 소결이 사용되어야 한다. 예컨대 DE 198 40 488 A1에 기술된 바와 같은 공동 도핑된 PZT 시스템이 적절하다. 부가적으로, 물질은 높은 소결 활성도를 달성하기 위하여 가능한 한 미세해야 한다.
2. PZT 물질은 소결중에 은의 내부로의 확산에 관하여 강건해야 한다. 내부 전극 밖에 내부로 확산하는 은은 소결 온도를 상당히 더 낮춘다. 그러나 은은 물질의 압전 기계적 특성들에 가능한 한 적게 영향을 끼쳐야 한다. 기술된 공동 도핑된 PZT 시스템들이 또한 여기에 적절하다.
3. 내부 전극은 PZT 또는 관련 타입들의 세라믹의 부가에 의해 안정화되어야 하는데, 그 이유는 그렇지 않으면 은이 내부 전극으로 확산하여 내부 전극의 특성들을 변화시키거나 또는 내부 전극이 전도성을 잃게 만들기 때문이다.
본 발명에 따르면, 상기 세 가지 조치들의 조합 덕분에, 소결 온도를 900℃ 미만으로 낮추는 것이 가능하고, 음파 변환기(sonic transducer)로서, 종래 기술에 따른 귀금속을 포함하는 굴곡 변환기와 동일한 특징들을 갖는 다층 휨 부재를 제조하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은 일체형 다층 부재 또는 다층 휨 부재 형태의 구조 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 구조 컴포넌트는 적어도 두 개의 계층 스택들을 갖고, 상기 계층 스택들은 압전성 활성 물질(piezoelectrically active material)로 이루어진 1-400개의 계층을 각각 가지며, 압전성 비활성 물질로 이루어진 0-100개의 계층으로 구성된 적어도 하나의 계층 스택(2)에 의해 분리됨으로써, 활성 계층 스택들의 내부 전극들이 적어도:
a) 순은
b) 0% 내지 최대 30%의 중량비를 갖는 전기적 비-전도성 물질을 포함하며,
상기 압전성 활성 계층들의 물질은, 상기 내부 전극들의 물질의 녹는점 미만에서 소결(sintering)이 가능하고 또한 소결이 수행되도록, 열처리에서 충분한 활성도를 갖는다.
따라서 압전성 비활성 물질을 포함하는 계층 스택은 또한 생략될 수 있다.
압전성 활성 물질의 계층 스택들은 유용하게도 100개 미만의 계층들, 바람직하게는 1개 내지 10개의 계층으로 구성된다.
압전성 비활성 물질의 계층 스택들은 바람직하게 1개 내지 10개의 계층으로 구성된다.
본 발명에 따른 한 실시예에서, 소결에 앞선 초기 상태에서는, 내부 전극들의 은이 구형 입자들(분말) 형태로 존재한다.
내부 전극들의 전기적 비-전도성 물질을 위해, 20% 미만, 바람직하게는 15% 미만의 중량비가 유용하게 사용된다.
한 실시예에서, 부가적으로, 은을 제외한 30% 미만의 귀금속으로 구성되는 금속 합금 또는 금속 산화물의 혼합물(a metallic-oxide mixture)이 상기 내부 전극들의 물질에 부가된다.
상기 부가되는 금속 합금 또는 금속 산화물의 혼합물의 비율은 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 또는 심지어 0%의 비율을 나타낼 수 있다.
전체 상세한 설명에서 퍼센티지 기재는 항상 중량%를 의미한다.
바람직한 실시예에서, 상기 금속 합금 또는 금속 산화물의 혼합물로서 팔라듐 또는 백금이 사용된다.
상기 내부 전극들의 전기적 비-전도성 물질로서, 특히 5%-15% 비율로 공동 도핑된 물질로 구성되는 PZT(지르콘산 티탄산납)가 바람직하게 사용된다.
은이 961℃에서 녹기 때문에, 소결 과정 중에 온도가 950℃를 넘지 않아야 한다.
상기 압전성 활성 계층 스택들은 예컨대 후막(厚膜) 페이스트 형태로 제공되는 유전체의 필름으로 각각 적절하게 커버된다.
한 극성의 내부 전극 필름들의 접속이 내부 접속들(바이어들(vias))을 통해 유용하게 설정된다.
상기 바이어들은 소결에 앞서 바람직하게 제공된다.
본 발명의 한 실시예에서, 포일(foil) 기술 및 후막 기술이 사용된다.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 특히 제조되는, 일체형 다층 부재 또는 다층 휨 부재 형태의 구조 컴포넌트는, 적어도 두 개의 계층 스택들로 구성되며, 상기 계층 스택들은 압전성 활성 물질로 이루어진 1-400개의 계층을 각각 가지며, 압전성 비활성 물질로 이루어진 0-100개의 계층으로 구성된 적어도 하나의 계층 스택(2)에 의해 분리됨으로써, 활성 계층 스택들의 내부 전극들이 적어도:
a) 순은
b) 0% 내지 최대 30%의 중량비를 갖는 전기적 비-전도성 물질을 포함한다.
상기 압전성 활성 계층들은 200㎛보다 얇고, 바람직하게 15㎛ 내지 100㎛의 두께이다.
상기 압전성 활성 계층 스택들은 상기 구조 컴포넌트의 상부면 및 하부 면으로 커버되고, 상기 상부면 및 하부면은 유전체의 수동형(passive) 표면막을 각각 갖는다.
평면 접촉 영역들, 후막 저항기들 또는 밸런싱 네트워크가 상기 수동형 표면막 상에, 바람직하게는 고정점에 제공된다.
상기 구조 컴포넌트는 임의의 평면 형태를 나타내고, 특히 직사각형, 원형이나 타원형의 디스크, 별형, 덤벨형 또는 스푼형이다.
상기 구조 컴포넌트의 형태는, 주어진 고정점에서, 상기 고정점에 전달되는 힘이 최대가 되도록 최대 진폭의 진동 영역들이 최대 부피(mass)를 나타내는 식으로 선택된다.
주어진 고정점에서, 상기 고정점에 전달되는 힘이 최대가 되도록 최대 진폭의 진동 영역들은 추가적 부피들이 제공된다.
주어진 시간(t)에서 상기 구조 컴포넌트의 형태에 의해
Figure 112011099874407-pct00012
의 관계가 최대화되고, 여기서
a(x)는 시간(t)에서 지점(x)의 가속도이고,
b(x)는 지점(x)의 폭이고,
t(x)는 지점(x)의 두께이고, 및
ρ(x)는 지점(x)의 구조 컴포넌트의 밀도이며,
x는 고정점으로부터의 거리를 나타내고, L은 상기 고정점으로부터의 최대 거리를 나타낸다.
임의의 구조들에서 진동을 여기시키거나 수용하기 위하여 구조 컴포넌트가 바람직하게 사용되고, 이는 상기 구조의 진동들이 전기 신호들로 전환되거나 또는 상기 구조가 사운드를 방출하는 결과를 갖는다.
본 발명에 따르면, 구조 컴포넌트는 마이크로폰 또는 확성기로서 사용될 수 있다.
임의의 진동 구조들에서 역위상(antiphase) 진동들을 여기시키기 위하여 구조 컴포넌트가 또한 사용될 수 있으며, 이는 상기 구조의 진동이 없어지거나 또는 적어도 댐핑되는 결과를 갖는다.
진동들을 위한 센서로서 또는 진동을 트리거(trigger)하기 위한 액추에이터(actuator)로서 구조 컴포넌트의 사용이 바람직하다.
본 발명의 추가적인 특징들은 하기에서 기술되는 도면들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 다층 휨 부재에 대한 도면,
도 2는 휨 부재에 의해 생성되는 진동들에 영향을 끼치고 상위 주파수들의 비용으로 하위 주파수들을 상승시키기 위한 두 가지 가능성에 대한 도면,
도 3은 휨 부재들의 가능한 설계들에 대한 도면,
도 4는 커플링 부재(9)를 통한 휨 부재의 진동 구조(10)로의 가능한 장착에 대한 도면,
도 5는 종래 기술에 따른 귀금속-포함 내부 전극들을 갖는 휨 부재 및 본 발명에 따른 은 내부 전극들을 갖는 휨 부재의 오디오 스펙트럼,
도 6은 다양한 온도들에서 소결된 다양한 은 내부 전극들을 갖는 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼,
도 7은 보조 매스들이 있거나 없는 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼, 및
도 8은 덤벨형이거나 덤벨형이 아닌 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼.
도 1은 다층 휨 부재를 나타내며, 상기 다층 휨 부재의 활성 계층 스택들(1)은 귀금속이 없는 물질로 이루어진 전극들을 포함한다. 활성 계층 스택들은 외부 금속부(metallisation)(4)의 도움으로 전기적으로 접촉된다. 구조 컴포넌트는 PZT로 이루어진 표면 계층들(3)을 갖고, 상기 표면 계층들(3)은 전기 절연을 보장하고 단부 영역들(5)을 수용할 수 있다.
도 2는 휨 부재에 의해 생성되는 진동들에 영향을 끼치고 상위 주파수들의 비용으로 하위 주파수들을 상승시키기 위한 두 가지 가능성을 나타낸다. (a)에서 이는 보조 매스들(masses)(6)의 장착에 의해 야기되고, (f)에서는 휨 부재의 스푼형 형상화(7)에 의해 야기된다. (a)에서 상기 매스들은 자신들의 관성력 덕분에 바람직하게 동작한다; 반면에, 스푼형 영역들은 자신들의 공기저항력 덕분에 바람직하게 동작한다.
도 3은 휨 부재들의 가능한 설계들을 나타낸다. (a)에서, 직사각형 표준 형태가 표현된다. 원형들(b, c)은 명백하게 더 높은 강도를 갖고, 또한 진동들을 실행하기 위해 커다란 구조들을 여기시킬 수 있다. 덤벨형(d) 및 스푼형(f)은 하위 주파수들에 훨씬 적합할 수 있다. 별형(e)은 다른 튜닝 매스(6)가 각각의 굴곡 멤버에 장착됨으로써 사운드 특성들에 있어서 중립으로 튜닝될 수 있다. 도 3g는 관통형 접속부(via through-connection)(11) 및 튜닝 매스들(6)을 갖는 별형 휨 부재를 나타낸다.
도 4는 커플링 부재(9)를 통해 휨 부재의 진동 구조(10)로의 가능한 장착을 나타낸다. 커플링 부재 및 결속(강도)의 기계적 특성들은 상위의 고주파수들 모두에 영향을 끼친다.
도 5는 종래 기술에 따른 귀금속-포함 내부 전극들을 갖는 휨 부재 및 본 발 명에 따른 은 내부 전극들을 갖는 휨 부재의 오디오 스펙트럼을 도시한다(예시 1 및 예시 2).
도 6은 다양한 온도들에서 소결된 다양한 은 내부 전극들을 갖는 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼을 나타낸다(예시 3 및 예시 4).
도 7은 보조 매스들이 있거나 없는 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼을 나타낸다(예시 6 및 예시 5).
도 8은 덤벨형이거나 덤벨형이 아닌 본 발명에 따른 두 개의 휨 부재들의 오디오 스펙트럼을 나타낸다(예시 7 및 예시 5).
본 발명에 따른 구조 컴포넌트의 제조 :
본 발명에 따른 휨 부재들을 제조하기 위하여, 포일 기술이 사용된다. 기술된 절차 및 파라미터들은 단지 한 예시를 재현한다. 유사한 절차들 및 파라미터들은 당업자에게 즉시 명백하다.
시작점은 DE 198 40 488에 따른 소성 PZT 물질, 예컨대 0.98Pb(Zr0.53Ti0.47)O3-0.02Sr(K0.25Nb0.75)O3이다. 상기 물질은 프리크러쉬(precrush)되고, 환형 갭 볼의 그라운드는 0.8㎛의 평균 결정 사이즈까지 분쇄된다.
결과 분말로부터, 캐스팅 슬립이 종래 기술에 따라 준비되고, 건조되고 둥글게 말려진 연속적인 포일(foil)을 형성하기 위해 캐스팅된다. 이를 위해 예컨대 닥터 블레이드 처리(doctor-blade process)에 따라 작동하는 캐스팅 벨트들이 적절하다. 상기 예시에서, 포일은 건조 이후에 70㎛의 두께를 갖고, 소결 이후에 60㎛의 두께를 갖는다.
포일은 약 200mm×200mm의 섹션들로 나누어진다. 내부-전극 패턴은 스크린 프린팅을 통해 임프린팅된다. 휨 부재의 후속적인 용적들은 프린트 레이아웃의 형태에 의해 한정된다. 여기에 기술될 예시의 경우, 후속 용적들은 7mm×30mm에 달한다.
내부-전극 페이스트는 상기 기술된 10% 비율의 PZT 분말 및 은 분말의 혼합물로부터 제조된다. 에틸셀룰로오스와 같은 바인더들 및 테르피네올과 같은 용매들이 페이스트의 우수한 퍼짐성을 제공한다. 페이스트는 소결 이후에 내부 전극의 두께가 약 3㎛에 달하도록 프린팅된다.
프린팅 및 건조된 포일 섹션들은 휨 변환기의 구조가 발생하도록 쌓인다. 여기에 기술될 예시의 경우, 하나 위에 다른 하나가 쌓이는 방식으로, 네 개의 프린팅된 포일들이 쌓이고, 하나의 프린팅되지 않은 포일이 쌓이고, 네 개의 임프린팅된 포일들이 쌓이고, 다시 하나의 프린팅되지 않은 포일이 쌓인다. 그 결과, 각각의 면에서 보호 계층(3)을 나타내는 휨 부재가 발생하는데, 양쪽 면들 모두에는 각각 세 개의 활성 계층들의 스택(1)이 있고, 두 개의 보호 계층들(2)이 중간에 있다(도 1).
쌓인 포일들은 종래 기술에 따라 라미네이트를 형성하기 위하여 높여진 압력 및 온도에서 이제 서로 압착된다.
라미네이트는 프린트 레이아웃에 의해 미리 결정된 휨 부재들로 예컨대 소잉(sawing) 또는 스탬핑에 의하여 이제 분리된다.
휨 부재들은 500℃의 온도에서 바인더 부분들에 매여있지 않고 후속하여 900℃에서 소결된다.
소결된 구조 컴포넌트들은 좁은 면들 상에서 그라운딩되고, 상용은 후막 페이스트로 구성된 기본 금속부(4)로 임프린팅된다.
단부 영역들(5)은 동일한 페이스트를 갖는 외부 표면막으로 프린팅된다. 상기 금속부가 제조업자의 지시에 따라 스토브 된다.
120V의 전압 인가에 의해, 구조 컴포넌트들은 이제 두 개의 계층 스택들(1)에서 한 방향으로 지속적인 극성화가 발생하도록 극성화된다.
이제, 단부 영역들은 휨 부재가 양극 방식으로 작동되도록 접속된다. 진동 구조(9)에 대한 접속을 설정하는 지지 부재(10)가 구조 컴포넌트의 중심 밑에서 이제 부착-결합된다. 지지 부재는 가능한 한 작고 경량이고 튼튼해야 한다. 일반적으로, 진동 구조가 구성하는 동일한 물질이 사용된다면 좋은 결과가 달성된다. 그러나 각각의 경우에 상이한 진동 특성을 합성물로 나누는 다른 붙임 옵션들이 또한 당업자에게 명백하다.
예시들 :
예시 1
7mm×30mm×0.6mm의 용적을 갖는 다층 휨 부재가 상기 기술된 절차에 의해 생성된다(구조 4-1-4-1). 내부 전극 물질로서, 금속 부분의 AgPd 70/30 합금을 갖는 상용 금속 페이스트가 사용된다. 구조 컴포넌트들은 1000℃에서 소결된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되 고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달한다; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 5에 도시된 음압 스펙트럼(회색선)이 발생한다.
예시 2
7mm×30mm×0.6mm의 용적을 갖는 다층 휨 부재가 상기 기술된 절차에 의해 생성된다(구조 4-1-4-1). 내부 전극 물질로서, 순은 분말(90%) 및 미세하게 갈린 PZT 분말(10%)로 구성된 혼합물이 사용된다. 상기 혼합물은 상기 혼합물의 50%를 포함하는 페이스트를 형성하기 위하여 에틸셀룰로오스 및 테르피네올과 서로 휘저어진다. 구조 컴포넌트들은 900℃에서 소결된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달한다; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 5에 도시된 음압 스펙트럼(검정선)이 발생한다.
본 발명에 따른 구조 컴포넌트가 종래 기술에 따른 구조 컴포넌트의 음압 스펙트럼과 거의 동일한 음압 스펙트럼을 생성하는 것은 명백하다.
예시 3
7mm×30mm×0.66mm의 용적을 갖는 다층 휨 부재가 상기 기술된 절차에 의해 생성된다(구조 5-0-5-1). 내부 전극 물질로서, 순은 분말(90%) 및 미세하게 갈린 PZT 분말(10%)로 구성된 혼합물이 사용된다. 상기 혼합물은 상기 혼합물의 50%를 포함하는 페이스트를 형성하기 위하여 에틸셀룰로오스 및 테르피네올과 서로 휘저어진다. 구조 컴포넌트들은 900℃에서 소결된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달하는데; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 6에 도시된 음압 스펙트럼(회색선)이 발생한다.
예시 4
7mm×30mm×0.66mm의 용적을 갖는 다층 휨 부재가 상기 기술된 절차에 의해 생성된다(구조 5-0-5-1). 내부 전극 물질로서, 순은 분말(80%) 및 미세하게 갈린 PZT 분말(20%)로 구성된 혼합물이 사용된다. 상기 혼합물은 상기 혼합물의 50%를 포함하는 페이스트를 형성하기 위하여 에틸셀룰로오스 및 테르피네올과 서로 휘저어진다. 구조 컴포넌트들은 880℃에서 소결된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달하는데; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 6에 도시된 음압 스펙트럼(검정선)이 발생한다.
예시 3의 구조 컴포넌트와의 비교는 상당한 차이점들을 보여주지 않는다.
예시 5
7mm×30mm×0.78mm의 용적을 갖는 다층 휨 부재가 상기 기술된 절차에 의해 생성된다(구조 6-0-6-1). 내부 전극 물질로서, 순은 분말(90%) 및 미세하게 분쇄된 PZT 분말(10%)로 구성된 혼합물이 사용된다. 상기 혼합물은 상기 혼합물의 50%를 포함하는 페이스트를 형성하기 위하여 에틸셀룰로오스 및 테르피네올과 서로 휘저어진다. 구조 컴포넌트들은 900℃에서 소결된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달하는데; 측정 전압은 10Vpp(볼트들, 피크 대 피크)에 달한다.
도 7에 도시된 음압 스펙트럼(회색선)이 발생한다.
예시 6
예시 5의 다층 휨 부재가 각각이 2.8g인 추가적인 금속 중량들을 갖는 단부들에 제공된다. 고정을 위해, 높은 탄성의 접착제(실리콘)가 사용된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달하는데; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 7에 도시된 음압 스펙트럼(검정선)이 발생한다.
두 개의 구조 컴포넌트들의 비교는, 하위 주파수들이 보조 중량들에 의해 명백하게 상승되는 반면에 고주파수들의 레벨이 낮아지는 것을 나타낸다.
예시 7
예시 5의 다층 휨 부재가 산화알루미늄 기판들로 구성된 21mm×20mm×0.63mm의 사이즈를 갖는 추가적인 표면들을 구비한 단부들에 제공된다. 휨 부재들과의 겹침이 5mm에 달하여, 덤벨 형태가 발생한다. 고정을 위해, 높은 탄성의 접착제(실리콘)가 사용된다.
휨 부재는 120mm×90mm×15mm의 용적을 갖는 표준 플라스틱 박스에 통합되고, 오디오 측정국에 설치된다. 측정 마이크로폰까지의 거리는 10cm에 달하는데; 측정 전압은 10Vpp에 달한다.
도 8에 도시된 음압 스펙트럼(검정선)이 발생한다.
덤벨형(회색선)이 없는 휨 부재와의 비교는, 하위 주파수들이 덤벨형에 의해 명백하게 상승되는 반면에 고주파수들의 레벨이 낮아지는 것을 나타낸다.

Claims (26)

  1. 일체형 다층 부재(monolithic multilayer element) 또는 다층 휨(flexural) 부재 형태의 구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스로서,
    상기 구조 컴포넌트는 적어도 두 개의 계층 스택(stack)들을 갖고, 상기 계층 스택들은 압전성 활성 물질(piezoelectrically active material)의 1-400개의 계층들을 각각 포함하며, 압전성 비활성 물질의 1-100개의 계층들을 포함하는 하나의 계층 스택에 의해 분리되고, 활성 계층 스택들의 내부 전극들은:
    a) 다른 귀금속물이 없는 순은; 및
    b) 0% 보다 크고 20% 보다 작은 중량비를 갖는 지르콘산 티탄산납을 포함하는 전기적 비-전도성 물질의 내부 전극 물질들을 포함하며,
    압전성 활성 계층들의 물질은, 상기 내부 전극들의 물질의 녹는점 미만에서 소결(sintering)이 가능하도록, 열처리에서 충분한 활성도를 가지고,
    상기 압전성 활성 계층들의 물질은 상기 내부 전극 물질들의 녹는점 미만의 온도에서 소결되고,
    소결 중에는 950℃ 의 온도가 초과되지 않고,
    상기 프로세스는,
    i) 소성 PZT 물질을 분말로 가는(grinding) 단계;
    ii) 결과적인 상기 분말을 포일(foil)로 캐스팅하고, 상기 포일을 섹션들로 나누는 단계;
    iii) 상기 포일 상에 내부-전극 페이스트를 임프린팅하는 단계;
    iv) 라미네이트를 형성하도록 상기 포일의 상기 섹션들을 쌓고 압착시키는 단계;
    v) 상기 라미네이트를 휨 부재들로 분리시키는 단계를 포함하는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전성 활성 물질의 상기 계층 스택들은 1개 내지 100개의 계층들로 구성되는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전성 비활성 물질의 상기 계층 스택들은 1개 내지 10개의 계층들로 구성되는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    소결에 앞선 초기 상태에서, 상기 내부 전극들의 은(silver)이 구형 입자들의 형태로 존재하는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 전극들의 비-전도성 물질은 지르콘산 티탄산납인,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전성 활성 계층 스택들은 각각 유전(dielectric) 물질의 막으로 커버되는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    한 극성의 내부 전극 막들의 접속이 바이어들(vias)을 통해 설정되는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바이어들은 소결 이전에 부착되는
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  9. 제 1 항에 따른 프로세스에 의해 제조되는 일체형 다층 부재(monolithic multilayer element) 또는 다층 휨(flexural) 부재 형태의 구조 컴포넌트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    압전성 활성 계층들이 0μm 보다 두껍고 200μm 보다 얇은,
    구조 컴포넌트.
  11. 제 9 항에 있어서,
    압전성 활성 계층 스택들이 상기 구조 컴포넌트의 하부 및 상부 상에서 각각의 경우에 유전 물질의 수동형 표면막으로 커버되는,
    구조 컴포넌트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수동형 표면막 상에 평면 접촉 영역들, 후막 저항들 또는 밸런싱 네트워크들이 적용되는,
    구조 컴포넌트.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 구조 컴포넌트는 직사각형, 원형 디스크, 타원형 디스크, 별형, 덤벨형 또는 스푼형을 포함하는 임의의 평면 형태를 나타내는,
    구조 컴포넌트.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 구조 컴포넌트의 형태는, 주어진 고정점에서, 상기 고정점에 전달되는 힘이 최대가 되도록 최대 진폭의 진동(oscillation)의 영역들이 최대 부피를 나타내는 방식으로 선택되는,
    구조 컴포넌트.
  15. 제 11 항에 있어서,
    주어진 고정점에서, 상기 고정점에 전달되는 힘이 최대가 되도록 최대 진폭의 진동의 영역들에 추가적인 부피들이 제공되는,
    구조 컴포넌트.
  16. 제 11 항에 있어서,
    주어진 시간 t 에서 상기 구조 컴포넌트의 형태에 의해
    Figure 112013062952147-pct00013
    의 관계가 최대화되며, 여기서
    a(x)는 시간 t 에서 지점 x 에서의 가속도이고,
    b(x)는 지점 x 에서의 폭이고,
    t(x)는 지점 x 에서의 두께이고,
    ρ(x)는 지점 x 에서의 상기 구조 컴포넌트의 밀도이며,
    x 는 고정점으로부터의 거리를 나타내고, L은 상기 고정점으로부터의 최대 거리를 나타내는,
    구조 컴포넌트.
  17. 임의의 구조들에서 진동들을 여기(excite)시키거나 수용하기 위한, 제 11 항에 따른 구조 컴포넌트를 사용하는 방법으로서,
    상기 방법은 상기 구조의 진동들이 전기 신호들로 전환되거나 또는 상기 구조가 사운드를 방출하는 결과를 발생시키는,
    구조 컴포넌트를 사용하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 사용은 마이크로폰 또는 확성기로서의 사용인,
    구조 컴포넌트를 사용하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    임의의 진동 구조들에서 역위상(antiphase) 진동들을 여기시키기 위해, 상기 구조의 진동이 없어지는,
    구조 컴포넌트를 사용하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 구조 컴포넌트는 진동들에 대한 센서로서 또는 진동들을 트리거(trigger)하기 위한 액추에이터(actuator)로서 사용되는,
    구조 컴포넌트를 사용하는 방법.
  21. 제 1 항에 따른 프로세스로서,
    활성 계층 스택들의 내부 전극들은,
    a) 다른 귀금속물이 없는 순은; 및
    b) 0% 보다 크고 20% 보다 작은 중량비를 갖는 지르콘산 티탄산납을 포함하는 전기적 비-전도성 물질의 내부 전극 물질들로 이루어지는,
    프로세스.
  22. 제 21 항에 따른 프로세스에 의해 제조되는 일체형 다층 부재(monolithic multilayer element) 또는 다층 휨(flexural) 부재 형태의 구조 컴포넌트.
  23. 일체형 다층 부재(monolithic multilayer element) 또는 다층 휨(flexural) 부재 형태의 구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스로서,
    상기 구조 컴포넌트는 적어도 두 개의 계층 스택(stack)들을 갖고, 상기 계층 스택들은 압전성 활성 물질(piezoelectrically active material)의 1-400개의 계층들을 각각 포함하며, 압전성 비활성 물질의 1-100개의 계층들을 포함하는 하나의 계층 스택에 의해 분리되고, 활성 계층 스택들의 내부 전극들은:
    a) 다른 귀금속물이 없는 순은; 및
    b) 0% 보다 크고 15% 보다 작은 중량비를 갖는 지르콘산 티탄산납을 포함하는 전기적 비-전도성 물질의 내부 전극 물질들을 포함하며,
    압전성 활성 계층들의 물질은, 상기 내부 전극들의 물질의 녹는점 미만에서 소결(sintering)이 가능하도록, 열처리에서 충분한 활성도를 가지고,
    상기 압전성 활성 계층들의 물질은 상기 내부 전극 물질들의 녹는점 미만의 온도에서 소결되고,
    소결 중에는 950℃ 의 온도를 초과하지 않고,
    상기 프로세스는,
    i) 소성 PZT 물질을 분말로 가는(grinding) 단계;
    ii) 결과적인 상기 분말을 포일로 캐스팅하고, 상기 포일을 섹션들로 나누는 단계;
    iii) 상기 포일 상에 내부-전극 페이스트를 임프린팅하는 단계;
    iv) 라미네이트를 형성하도록 상기 포일의 상기 섹션들을 쌓고 압착시키는 단계;
    v) 상기 라미네이트를 휨 부재들로 분리시키는 단계를 포함하는,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  24. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 전극들의 비-전도성 물질은 지르콘산 티탄산납인,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  25. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부 전극들의 비-전도성 물질은 지르콘산 티탄산납인,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
  26. 제 4 항에 있어서,
    상기 내부 전극들의 비-전도성 물질은 지르콘산 티탄산납인,
    구조 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스.
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