KR20000015821A - 압전 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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미하엘 리델
한스-위르겐 제스탁
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칼 하인쯔 호르닝어
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Abstract

본 발명은 압전 일렉트릿(40, 41)을 지지하는, 전기 절연 재료로 이루어진 기판(10)을 가진 압전 소자 및 이런 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 높은 수준의 신뢰할 수 있는 기능성을 위해, 본 발명에 따라 압전 일렉트릿(40, 41)의 내부 전극(30, 31)과 기판(10) 사이에 도전층이 배열되고, 이것은 일정수의 지점에서 상기 내부 전극(30, 31)과 전기적으로 접촉한다. 그러한 소자는 특히 섬유 산업을 위한 니팅, 위빙 또는 호저리 기계의 제어를 위한 휨 컨버터(100, 200)로서 적합하다.

Description

압전 소자 및 그 제조 방법
전술한 종류의 압전 소자는 우선적으로 간접적인 또는 상호적인 압전 효과의 이용에, 즉 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는데 이용된다. 그럼에도 불구하고 그런 종류의 압전 소자가 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는데에도 적합한다. 이 경우 직접적인 압전 효과가 이용된다.
앞서 설명된 것처럼, 압전 소자를 위해 다수의 기술 적용 분야가 있다. 그런 적용 분야들은 예를 들어 잉크 젯 프린터를 위한 압전 프린트 헤드로서, 마이크로폰 또는 스피커를 위한 소리 흡수기 또는 발생기로서, 가속도 측정 또는 압력 측정을 위한 센서로서, 가스 카운터(counter)를 위한 측정값 기록기로서, 초음파의 발생 및 검출을 위한, 예를 들어 의료 진단을 위해 또는 거리 측정을 위한 초음파 변환기로서, 레이저 기술의 ㎛-범위의 고정밀 세팅 레인지를 위한 조절 소자로서, 및 휨 컨버터로서 예를 들어 블라인드(blind)를 위한 판독 장치에서, 텍스타일 기계에서, 공기 밸브에서, 기록 측정 장치에서 또는 무접촉 표면-측정 장치 등에서 브레일-셀(Braille-cell)의 조절 소자로서 적용된다.
EP-0 455 342 B1 및 EP-0 468 796에 따르면 그런 종류의 압전 소자는 층구조로 구성된다. 압전 효과 및/또는 전기 왜곡(electrostrictive) 효과를 나타내며 또한 하기에서 압전 일렉트릿으로서 표기되는 압전식 능동 재료(piezoelectrically active material)는 상기 소자의 기계적인 안정성을 개선하기 위해 또는 전기 에너지의 기계 에너지로의 양호한 변환의 목적을 위해 제공되거나 또는 그 반대로 캐리어 또는 기판에 제공된다. 이 전기 접촉을 위해 이 압전 일렉트릿은 양측에서 도전 재료로 된 평면층의 형태인 전극을 갖는다.
적용 분야에 따라 이 기판은 한쪽에서 또는 2개 쪽에서 전술한 층 순서를 가질 수 있다. DE-34 34 726 C2에 따라 전극을 포함하는 압전 일렉트릿의 다수 층들 역시 적층될 수 있다. 일정수의 압전식 능동 층에 따라 1형-, 2형-, 3형- 등 또는 일반적으로 멀티형 압전 소자라고 부른다.
비전도성 또는 전기 절연 기판을 가지는 압전 소자들이 DE-43 37 265 C1 및 DE-40 25 436 A1에서 찾을 수 있다. 절연 기판의 이용을 통해, 이형(bimorphous) 압전 소자에 있어서 이 기판을 향한 압전 일렉트릿의 측면이 또는 그 위에 위치하는 내부 전극들이 다른 전위에 놓일 수 있다. 그 때문에 그런 종류의 압전 소자의 제어는 내부에 위치하는, 이 기판을 통해 서로 절연시키는 압전 일렉트릿의 측면 또는 내부 전극에 의해서만 이루어지는 반면, 외부에 놓이는 측면 및 외부 전극들은 0 전위 또는 접지 상태가 된다. 이런 조치를 통해 그런 종류의 압전 소자는 접촉에 대해 안전적이다. 그러나 비전도성 재료들은 전기 절연의 특성과 다른 고유 특성으로 인해, 예를 들어 온도 응력을 피하기 위해 압전 일렉트릿에 맞춰진 열 팽창 계수로 인해, 상기 기판에 적합하다.
그러나 이 비전도성 기판은 압전 일렉트릿의 내측 또는 기판을 향한 측면에서 접촉상의 난점을 가져온다. 이에 대해 DE-40 25 436 A1에는 압전 일렉트릿의 내측에 금속 형태의 내부 전극을 제공하며, 압전 일렉트릿의 가장자리에 의해 금속물을 유도하며 및 거기에서 웰딩 접점에 의해 접촉하는 것이 공지되어 있다.
그러나 전기 절연 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자에 있어서 이 압전 일렉트릿의 내측의 접촉은 내부 전극의 재료에 의해서만 보장된다. 이 내부 전극의 파열을 통해 압전 소자의 일부는 내부 전극을 위한 전압 공급원으로부터 분리된다. 따라서 이 압전 소자는 더 이상 기능하지 못한다. 이 내부 전극이 파열에 민감하기 때문에, 절연 기판을 가지는 압전 소자의 수명은 도전성 기판을 가지는 압전 소자의 수명과 일치하지 않는다.
본 발명은 압전 일렉트릿을 지지하는 전기 절연 기판을 가지는 압전 소자 및 그러한 압전 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이 경우 본 발명은 절연 기판을 가지는 압전 소자를 위해, 특히 기계적인 하중이 큰 경우에도, 보다 안전한 전기 접촉을 보장하는 문제점과 관련되어 있다.
도 1은 필름 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자의 사시도이고,
도 2는 격자 세공 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자의 사시도이며,
도 3은 일정수의 병렬 웨브 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자의 사시도이고,
도 4는 기판 안에 삽입된 일정수의 병렬 웨브 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자의 사시도이며,
도 5는 기판의 양측 코팅부를 가지는 압전 소자의 사시도이고,
도 6은 삽입된 금속 필름에 의한 접촉 및 압전 소자의 단면도이며,
도 7은 부분적으로 삽입된 금속 필름에 의한 접촉 및 압전 소자의 단면도이고,
도 8은 네트워크 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자를 나타내고, 이것은 니팅-, 위빙-, 호저리 기계의 바늘 제어를 위한 휨 컨버터로서 형성되어 있으며,
도 9는 일정수의 병렬 웨브의 형태인 기판의 도전층을 가지는 압전 소자를 나타내고, 이것은 니팅-, 위빙-, 호저리 기계의 바늘 제어를 위한 휨 컨버터로서 형성되어 있다.
본 발명의 목적은 내부 전극의 재료 피로 발생 시에도 완전하게 기능하는 전기 절연 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 목적은 그런 종류의 압전 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
전기 절연 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자와 관련하여 상기 목적은, 이 기판이 도전층을 가지며, 이것은 일정수의 지점에서 이 기판 위에 놓인 압전 일렉트릿의 내부 전극과의 전기 접촉이 이루어지므써, 달성된다.
이 때 본 발명은 기판을 가지는 압전 소자에 있어서 작업 동안에 계속적인 기계 하중에 의한 재료 피로로 인해 상기 기판과 압전 일렉트릿 사이에 위치하는 내부 전극이 파열된다는 인식에서 출발한다. 이 내부 전극의 그런 재료 피로는 종종 나타나는데, 압력 변형 또는 온도 응력이 압전 일렉트릿과 기판 사이의 경계면에서 내부 전극의 재료에 부담을 주기 때문이다. 이 기판이 도전 재료로 이루어지면, 그런 종류의 브레이크는 압전 소자의 기능 고장을 야기하지 않는데, 이는 기판에 의한 접촉이 보장되기 때문이다. 이를 위해 이 기판이 충분히 많은 자리에서 내부 전극과의 전기 접촉을 가져야한다. 따라서 그러면 내부 전극의 그런 종류의 재료 피로는 도전 기판에 있어서 인식되지 않는다.
그러나 전기 절연 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자에 대해 이 압전 일렉트릿의 내부 전극과 기판 사이에 하나의 도전층이 삽입되고, 이것이 일정수의 지점에서 내부 전극과 전기 접촉을 가지면, 이 도전층을 통해 내부 전극의 접촉이 보장된다. 이 압전 소자는 내부 전극의 재료 피로 발생시에도 기능을 유지한다. 이는, 큰 기계적인 하중을 통해 도전층이 파열되면, 특히 직접적으로 적용되는데, 이는 내부 전극의 브레이크 및 도전층의 브레이크가 동일 지점에서 나타나기 때문이다.
내부 전극과 도전층의 접촉은 웰딩 접점의 배열에 적합한 금속 필름에 의해 이루어지는 것이 유리하다. 이에 대해 특히 유리한 것은 동(銅) 필름이며, 이것은 쉽게 접촉이 이루어질 수 있으며 또한 다른 두께로 시장에서 구입할 수 있다. 접촉을 위해 이 금속 필름의 일부는 압전 일렉트릿과 기판 사이에 간단하게 삽입된다. 외부 전압원에의 접속을 위한 웰딩 접점은 이 금속 필름의 빈 일부에 놓인다. 이 경우 이 압전 소자의 기능성에 있어서, 이 금속 필름이 압전 일렉트릿과 도전층 사이에, 이 도전층과 내부 전극 사이에 또는 이 내부 전극과 압전 일렉트릿 사이에 삽입되는지 여부는 중요하지 않다. 가장 양호한 구성은 압전 소자의 제조 프로세스에 의존한다.
그러나 금속 필름의 삽입을 통해 이 필름을 감싸는 층들이 휘므로, 부가적인 압축 변형 또는 인장 응력에 의한 기계적인 부담에 있어서 기능 고장을 유발할 수도 있는 미리 정해진 브레이킹 포인트가 정해진다. 그러한 미리 정해진 브레이킹 포인트는, 금속 필름의 삽입된 부분의 자리에서 도전층이 제거되면, 회피될 수 있다. 이 경우 금속 필름과 도전층의 접촉은 내부 전극에 의해 이루어진다. 여기에서 도전층과 삽입된 금속 필름 사이에 내부 전극의 파열을 통한 이 압전 소자의 기능 고장을 회피하기 위해, 이 금속 필름의 삽입 단부는 예를 들어 V-형상으로 형성될 수 있다; 금속 필름의 삽입 부분에 이어지는 도전층 단부도 마찬가지이다. 따라서 이 접촉은 내부 전극의 횡방향 파열 발생시에도 보장된다.
그러나 상기 미리 정해진 브레이킹 포인트는 충분히 얇은 삽입된 금속 필름을 선택하므로써도 회피될 수 있다. 일반적인 압전 소자에 대해 10㎛ 이하의 두께를 가지는 금속 필름이 적합하다.
이 기판은 압전 일렉트릿보다 길며 또한 도전층이 기판의 빈 부분으로 뻗어있으며 거기에서 금속 필름과 접촉하는 것이 가장 바람직하다. 이 접촉은 이 때 예를 들어, 이 기판의 빈 단부에 뻗어있는 도전층이 작은 판형의 금속 필름으로 간단하게 덮히며 또한 이 웰딩 접점이 작은 플레이트에 놓이므로써, 실현될 수 있다. 이 도전층의 재료가 적절한 경우 이 웰딩 접점은 도전층 위에 직접 배열될 수 있다.
이 도전층은 유연한(ductile), 즉 플렉시블한 그리고 변형가능한 필름으로서 형성되는 것이 바람직하다. 이 때 이 변형력은 예를 들어 플렉시블한 합성수지 같은 적합한 재료를 통해, 또는 이 필름의 작은 두께를 통해서도 달성될 수 있다. 그러므로 유연한 필름으로서 예를 들어 100㎛ 이하의 두께를 가지는 금속 필름이 적합하다. 이 유연성을 통해, 이 도전층이 기계적인 부담, 예를 들어 휨의 발생에서 파열되는 것이 배제된다. 이 필름은 접착, 용융 또는 기타의 접합 기술을 통해 기판에 또는 이 압전 일렉트릿의 내부 전극에 놓일 수 있다. 그 다음 이 기판은 압전 일렉트릿과 접착, 용융 또는 결합되어 압전 소자가 된다. 이 내부 전극과 필름의 전기 접촉은 전도성 접착제에 의해 이루어지거나 또는 비전도성 접착제가 얇게 놓이므로, 이 필름 및 내부 전극이 미세하게 거칠어 필름과 내부 전극 사이의 직접적인 접촉이 이 접착제를 통해 생긴다.
이 도전층에 의한 기판과 압전 일렉트릿의 연결은, 도전층으로서 네트워크가 이용되면, 훨씬 단순화될 수 있다. 네트워크는 여기에서 개구들을 가지는 이차원 형체이다. 그런 형체는 예를 들어 편물 또는 다공성 편물이다. 이 내부 전극은 네트워크에서의 상기 개구들에 의해 직접 기판과 접착되거나 또는 달리 연결될 수 있다. 네트워크를 통해서도 충분히 많은 지점에서 내부 전극과의 접촉이 제공된다. 또한 제조 비용은 재료 절감을 통해 줄어들 수 있다.
이 압전 소자가 운동- 또는 조절 소자로서 이용되면, 기계적인 하중은 상기 소자의 제시된 방향으로의 반복적인 편향을 통해 종종 발생한다. 이 내부 전극의 브레이크는 이 편향 방향에 대해 직각 방향으로 큰 개연성을 가지고 발생한다. 그러한 소자를 위해서 네트워크가 병렬 웨브의 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때 스트립은 압전 소자의 편향 방향에 대해 직각으로 배열되는 것이 바람직하다. 내부 전극의 브레이크 시에 압전 소자의 기능을 보장하기 위해, 특히 개별적인 경우에 단일 웨브 또는 스트립이면 충분하다. 웨브가 예를 들어 접착을 통해, 용접을 통해 또는 용융을 통해 기판에 배열될 수 있다. 그러나 압전 일렉트릿과 이 기판의 연결 전에 웨브를 이 압전 소자에 배열하는 것도 생각할 수 있다. 네트워크도 그리고 또한 서로 병렬 웨브도 프린트 방법에 의해서도 예를 들어 실크 스크린 프린트 방법에 의해 페이스트 또는 액체의 형태로 제공될 수 있다.
도전층을 위한 재료로서 원칙적으로 금속 또는 도전성 합성수지가 적합하다. 이 경우 합성수지로서 특히 카본-폴리머(carbon-polymer) 또는 금속 섬유로 강화된 에폭시 수지가 유리하다. 카본-폴리머는 색소로서 흑연을 가진 가열 경화시키는 수지이다. 이 카본-폴리머는 경화 전에 예를 들어 실크 스크린 프린트 방법에 의해 페이스트의 형태로 씌워진다. 금속 섬유 또는 금속 편물로 강화된 에폭시 수지는 특히 소위 프리프레그(prepreg)의 형태로 적합하다(아직 경화되지 않은, 부드러운, 에폭시수지가 미리 주입된 덩어리(clot)). 그 다음 이 기판은, 도전층이 프리프레그의 형태로 기판과 내부 전극 사이에 느슨하게 삽입되며 또한 기판과 압전 일렉트릿은 압착을 통해 접착되며 열처리 시에 프리프레그의 경화 작용하에서 접착되므로써, 이 도전층에 의해 압전 일렉트릿의 내부 전극과 견고히 결합된다.
이 압전 일렉트릿의 내부 전극은 금속물로서 형성되는 것이 유리하다. 이 금속물은 스퍼터링을 통해, 금속의 증착을 통해, 또는 압전 일렉트릿의 표면에 실크 스크린 프린트 방법으로 도포된다. 얇은 금속성 표면 코팅의 형태인 금속물은 특히 압전 일렉트릿에서의 동질의 전기장의 발생을 위해 적합하며 따라서 최적의 에너지 변환에 적합하다. 그러나 압전 일렉트릿과의 직접적인 접촉을 통해 그리고 적당한 두께를 통해 이 금속층은 특히 브레이크 위험을 받게된다.
이 압전 일렉트릿은 기판 반대쪽에서 외부 전극을 가지는 것이 합리적이다. 이는 내부 전극처럼 금속물로서 형성될 수 있다. 기능 고장을 피하기 위해 이 외부 전극 역시 유연한 도전층으로 코팅된다. 이에 대해 특히 카본-폴리머가 적합하며, 이것은 동시에 가요성이 큰 경우에도 큰 접착 강도를 갖는다. 또한 외부 전극 자체를 압전 일렉트릿의 유연한 도전층으로서 형성하는 것도 바람직하다.
비전도성 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자는 접촉상의 큰 안전성을 나타낸다. 전압의 인가를 통한 제어는 내부 전극에 의해서만 이루어지는 반면, 외부 전극은 0 전위에 놓이게 된다. 전기 절연 재료로 된 기판이 도전층과 내부 전극을 가장자리 영역에서, 즉 비어있는 측면에서 덮도록, 전압을 유도하는 내부 전극은 외부를 향해 완전히 절연되는 것이 바람직하다. 그에 대한 대안으로 도전층과 내부 전극의 덮혀있지 않은, 전압을 유도하는 부재들은 전기 절연 락커(lacquer)를 갖는 것이 바람직하다.
이 기판이 작은 평판의 형상을 가지면 그리고 양측에서 도전층과 압전 일렉트릿을 구비하면, 전기 에너지에서 기계 에너지로의 특히 양호한 변환이 가능해진다. 그런 종류의 압전 소자는 특히 휨 컨버터 또는 액터(actor)로서의 이용에 적합하다. 그런 종류의 휨 컨버터는 섬유 산업에서 특히 재커드-기술(Jacquard - Technic)에 의해 샘플을 만들기 위해, 니팅(knitting)-, 호저리(hosiery)-, 또는 위빙(weaving) 기계의 제어를 위해 이용된다. 또한 그러한 액터는 개별 키이(key)의 작동을 위한 블라인드-판독 장치에, 공기 밸브에 또는 비디오-/오디오 장치에 이용된다.
이 압전 일렉트릿에 대해 원칙적으로 압전 또는 전기 왜곡(electrostrictive) 효과를 나타내는 모든 재료가 적합하다. 특히 유리한 것은 세라믹 산화물, 예를 들어 납-지르코네이트-티탄이며, 이것은 이의 화합물에 의해 상이한 조건들에의 매칭을 허용한다. 그런 세라믹 또는 압전 세라믹이 압전 효과를 나타내기 위해, 이의 분극이 동질적인 전기장에서 필요하다. 따라서 극축은 압전 세라믹에서 발생하며, 이 경우 이것은 압전 효과의 발생 시에 필요하다. 이 압전 소자를 위해 제공된 압전 세라믹이 양측에서 금속물의 형태로 전극을 가지면, 이 분극이 특히 간단하게 이루어질 수 있다. 이 경우 원하는 동질적인 전기장은 충분히 큰 전기 압력의 인가를 통해 이루어진다.
이 압전 세라믹의 분극은 이 기판과의 연결 전에 또는 후에 이루어질 수 있다. 이를 위해 일반적으로 몇 kV/mm의 전기장이 필요하다. 압전 세라믹 내에서 각각의 압축 변형 또는 인장 응력이 감극을 가져오고 따라서 압전 효과의 쇠퇴를 가져오기 때문에, 이 기판 및 압전 세라믹의 열팽창 계수는 서로 맞춰져야 한다. 이는 이 기판이 탄소 섬유 강화된 에폭시 수지로 이루어지는 대신에 유리 섬유 강화된 에폭시수지로 이루어지며 및 압전 세라믹이 상기 납-지르코네이트-티탄-세라믹으로 이루어지는 경우이다.
전기 절연 재료로 이루어진 압전 소자를 위한 제조 방법과 관련하여 상기 목적은 본 발명에 따라, 이 기판이 도전층의 중간 삽입하에서 압전 일렉트릿과 연결되어 있으며, 이 경우 일정수의 지점에서 이 도전층이 압전 일렉트릿의 내부 전극과 전기 접촉되므로써 달성된다.
기판으로서 듀로플래스틱(duroplastic)의 프리프레그가, 바람직하게는 유리 섬유 강화된 에폭시 수지의 프리프레그가 이용되는 것이 바람직하다. 이 경우 기판과 도전층의 연결에도 그리고 도전층과 내부 전극의 연결에도 접착제가 필요하지 않다. 먼저 이 도전층은 네트워크의 형태로 느슨하게 이 프리프레그 위에 또는 내부 전극에 놓이거나 또는 프린트 방법으로 도포된다. 연결을 위해 기판, 도전층 및 압전 일렉트릿은 느슨하게 그에 상응하는 형태로 된다. 가벼운 프레스 작업을 통해 이 프리프레그는 느슨할 배열을 통해 내부 전극과 직접 연결되는 네트워크을 덮으며 또한 이 네트워크를 관통해서 기판과 압전 일렉트릿의 내부 전극을 접착시킨다. 그에 대안으로 도전층 자체를 위해 프리프레그를, 예를 들어 동 편물-프리프레그를 이용하는 것도 생각해 볼 수 있다. 마무리하는 열처리를 이용해 이 프리프레그는 듀로플래스틱의 형성 하에서 역으로 경화될 수 없으며 따라서 압전 소자의 견고하고 안정된 연결을 얻을 수 있다.
하기에서 본 발명의 실시예들은 도면을 이용해 상술된다.
도 1은 전기 절연 재료로 이루어진 기판(10)을 가지는 압전 소자의 층구조의 사시도이다. 이 기판(10) 위에 도전층이 놓이고, 이것은 여기에서 이 기판(10)을 전면적으로 씌우는 필름(20)의 형태로 형성되어 있다. 이 도전성 필름(20) 위에 압전 일렉트릿(40)이 배열되고, 이것은 내부 전극(30)과 외부 전극(50)을 갖는다. 이 양 전극들(30과 50)은 각각 얇은 금속층의 형태로 압전 일렉트릿(40)에 제공된다. 이 도전 필름(20)은 기판(10) 및 내부 전극(30)과 접착되거나 또는 용융되지만, 이 경우 내부 전극(30)과 도전 필름(20) 사이의 전기 접촉은 존재한다. 이 양 전극(30과 50)에 전압을 인가하므로써, 압전 일렉트릿(40)이 압축 변형 또는 팽창된다. 압전 일렉트릿(40)으로서 압전 세라믹이 이용되면, 그러한 전압의 인가를 통해 압전 소자의 휨이 발생되는데, 압전 세라믹이 가로방향 압전 효과를 나타내기 때문이다. 압축 변형 또는 팽창은 인가된 전기장의 방향에 대해 직각 방향으로 이루어진다.
휨 작용으로 이 압전 소자의 기계적인 부담이 크기 때문에 휨 방향에 대해 직각 방향으로 상기 압전 일렉트릿(40)이 파열되기 쉽다. 그러한 파열은 내부 전극(30)의 파열을 가져오고 따라서 압전 소자의 기능 고장을 유발한다. 전기 절연 기판(10)의 삽입된 도전 필름(20)은 그러한 경우에도 기능성의 유지를 가져오는데, 이는 내부 전극(30)의 접촉이 도전 필름(20)을 통해 만들어지기 때문이다. 외부 전극(50)의 브레이크는 일반적으로 드물게 관찰되는데, 상기 기판(10)과 압전 일렉트릿(40)의 접착을 통해 야기되는 압축 변형 내지 인장 응력이 나타나지 않기 때문이다. 이는 휨 컨버터에는 적용되지 않는다. 여기에서 특히 외부 전극(50)도 강한 하중을 통해 파열되거나 부러질 수 있다. 외부 전극(50)의 그러한 브레이크로 인해 압전 소자의 기능 고장은, 이 외부 전극(50) 위에 도전층(90)을 배열하므로써 회피될 수 있다.
이 기판(10)의 도전층은 도 2에서 네트워크(21)로서 형성되어 있다. 따라서 재료가 절약될 수 있고 그럼에도 불구하고 압전 소자의 완전한 기능성은 내부 전극(30)의 브레이크 시에도 유지될 수 있다. 격자 세공으로서 예를 들어 시장에서 구입가능한 동-편물이 적합하다. 도 2에서 이 압전 일렉트릿(40)은 어떠한 외부 전극(50)도 가지지 않는다. 이 압전 일렉트릿(40)의, 기판(10) 반대편 쪽은 그에 상응하는 장치에 내장하므로써 비로소 어스 전위 부분과 접촉될 수 있다. 제어를 위해 내부 전극(30) 또는 도전층은, 여기에서 네트워크(21)의 형태, 접지에 대해 그에 대응하는 전위에 놓이게 된다.
이 도전층의 그외의 구성은 도 3에서 찾을 수 있다. 이 도전층은 여기에서는 병렬로 뻗어있는 일정수의 웨브(22)로 줄어든다. 이들 웨브는 압전 소자의 예기되는 휨에 대해 직각 방향인 것이 바람직하다. 이 경우 이 웨브(22)는 내부 전극(30)의 예기되는 파열에 대해 횡방향으로 놓인다. 그에 따라 도 3에 도시된 소자의 기능성은 개별 층들에 대해 직각 방향으로 훠어지는 경우에도 유지된다. 이 운동 방향은 화살표로 표시되어 있다.
이 기판(10)을 위한 재료로서 프리프레그(prepreg)가 이용되면, 기판(10)과 또한 내부 전극(30)과의 도전층의 기술적으로 비용이 많이 드는 접착은 생략된다. 도 4에는 듀로플래스틱 재료로 된 기판을 가지는 압전 소자의 층구조가 도시되어 있다. 이 때 이 도전층은 병렬 웨브(22)의 형태로 기판(10)에 삽입되어 있다. 이 기판(10)은 예를 들어 유리 섬유 강화된 에폭시수지로 이루어진다. 도전 웨브(22)를 위한 재료는 카본-폴리머이다. 제조 방법에 있어서 이 지지체(10)에 대해 소위 프리프레그, 즉 완전히 경화되지 않은, 유리섬유 강화된 합성수지가 이용된다. 도전층으로서 카본-폴리머는 실크 스크린 프린팅 방법에 의해 일정수의 병렬 웨브(22)의 형태로 이 프리프레그 위에 놓인다. 이 압전 일렉트릿(40)은 내부 전극(30) 및 외부 전극(50)과 함께 상기 웨브(22)를 가지는 기판(10)에 놓이며 그리고 일정한 형태가 된다. 압력 제공을 통해 먼저 완전히 경화되지는 않은 합성 수지가 도전 웨브(22)를 에워싸며 또한 내부 전극(30)과 접착된다. 그러나 동시에 이 도전 웨브(22)와 내부 전극(30) 사이의 전기 접촉이 이루어진다. 열처리를 통해 이 프리프레그가 경화되므로, 기판과 내부 전극 사이의 견고한 결합이 이루어진다.
도 4에서의 기판(10)은 가장자리 영역에서 내부 전극(30)과 도전 웨브(22)를 덮고 있다. 이를 위해 형성된 웨브(11)는 압전 소자의 접촉에 대한 안전을 위해 이용된다.
도 5에는 전기 절연 재료로 이루어진 기판(40)을 가진 압전 소자가 도시되어 있으며, 이 경우 이 기판(40)은 양측 코팅부를 갖는다. 이 기판(40)의 양 측에 웨브(22)의 형태인 도전층, 내측 전극(30 및 31), 압전 일렉트릿(40 및 41) 및 외부 전극(50 및 51)이 일정한 열로 배열되어 있다. 그러한, 소위 이형(dimorphic) 구성은 특히 압전 세라믹의 이용 시에 압전 일렉트릿(40, 41)으로서 적합하다. 압전 세라믹은 어떠한 전기장에도 노출되어서는 않되며, 이 전기장은 이의 분극 방향에 반대로 있다. 그런 종류의 전기장은 감극을 야기시킬 것이며 따라서 압전 효과의 손실을 가져올 것이다.
도 5에 도시된 압전 소자의 제어를 위해, 양 외부 전극(50, 51)은 접지에 놓인다. 이 양 내부 전극(30과 31)은 0과 200V로 교대로 인가되며, 이 경우 200V는 압전 세라믹에 일반적인 운전 전압을 나타낸다. 이 내부 전극(31)이 0V인 경우, 내부 전극(30)은 +200V이고 그리고 반대가 된다. 기판(10)으로부터 (즉 인가된 전기장의 방향으로!) 양 압전 세라믹(40, 41)의 분극 방향이 도시되면, 접촉상의 안전의 장점이 간단한 와이어링과 결합될 수 있다. 이 와이어링으로 압전 소자의 편향이 2개의 반대 방향으로 이루어질 수 있다. 이 경우 이 압전 일렉트릿(41과 40) 중 하나만이 전기장에 노출되는, 즉 액티브하다.
도 5에 도시된 압전 소자의 접촉 안전성은, 응력을 받는 개방형 가장자리 영역들이 전기 절연 락커를 가지므로써, 보장된다. 마찬가지로, 이미 도4에 도시된 것처럼, 기판이 양측에 배열된 도전층을, 여기에서는 웨브(22)의 형태로, 및 양 내부 전극(30, 31)을 덮도록 이 기판을 구성하고 있다.
전기 절연 재료로 이루어진 기판을 가지는 이 압전 소자의 접촉을 위해, 도 6에 따라 이 기판(10)에 도전층(20, 21, 22)과 함께 부분적으로만 압전 일렉트릿(40)을 제공할 수 있다. 이 기판(10)의 빈 부분에 금속 필름(60)이 도전층(20, 21, 22) 위에 접착된다. 이 금속 필름(60)에서 접속 케이블(62)이 웰딩 접점(61)에 의해 고정되어 있다.
도 7에는 접촉의 대안적인 구성예가 도시되어 있다. 여기에서 내부 전극(30)과 도전층(20, 21, 22) 사이에 금속 필름(60)이 삽입되어 있다. 이 금속 필름(60)의 양호한 접촉 및 양호한 고정을 위해 여기에서도 기판(10)과 도전층(20, 21, 22)이 압전 일렉트릿(40)에 의해 완전히 덮혀있지 않다. 이 금속 필름(60)의 빈 부분에서 다시 웰딩 접점(61)에 의해 접속 케이블(62)이 고정된다. 삽입된 금속 필름(60)의 직접적인 근방에 위치하는 층들이 휨으로써, 미리 정해진 브레이킹 포인트가 생긴다. 그러나 이 제조 기술은 도 6에 도시된 소자에 대해서 보다 기술적으로 간단하다. 이 미리 정해진 브레이킹 포인트를 피하기 위해 도전층(20, 21, 22)은 금속 필름(60)의 지점에서는 빠질 수 있다.
도 8 및 도 9에는 각각 하나의 압전 소자가 도시되어 있으며, 이것은 니팅-, 위빙- 또는 호저리 기계에서 바늘 제어를 위한 휨 컨버터(100, 200)로서 본 발명에 따른 압전 소자와 함께 구성되어 있다. 전기 절연 재료로 이루어진 기판(10)은 보어(80)을 가지는 라우딩된 형태를 갖는다. 이런 구성은 위빙- 또는 호저리 기계를 위한 바늘의 수납에 이용된다. 이 휨 컨버터(100 또는 200)의 접촉은 반대쪽 단부에서 접속 케이블(62, 웰딩 접점(61) 및 9㎛의 두께를 가지는 동 필름(70)에 의해 이루어진다. 양 휨 컨버터(100, 200)는 양 측에서 여기에 도시된 코팅 부분을 갖는다. 단지 간단하게 하기 위해 각 휨 컨버터의 한 쪽만이 도시되어 있다.
도 8에 도시된 휨 컨버터(100)는 네트워크(21)의 형태인 도전층을 가지는 기판(10)을 갖는다. 네트워크(21)로서 50㎛의 두께를 가지는 동-편물이 제공된다. 이 기판(10) 및 동-편물은 내부 전극(30)과 외부 전극(50)을 가지는 압전 세라믹(40)으로 도시된 것처럼 부분적으로 코팅된다. 이 휨 컨버터(100)의, 이 보어(80) 반대편에 있는 단부에 도전 네트워크(21)의 동-편물이 자유롭게 접근될 수 있다. 거기에서 이 동-편물에 의해 접속 와이어(62)와의 접촉을 위한 얇은 동-필름(70)은 웰딩 접점(61)에 의해 접착되어 있다. 이 외부 전극(50)에 - 여기에서는 도시되지 않았음 - 카본-폴리머 두꺼운 필름 페이스트가 놓이고, 이것은 내마모성의 장점을 갖는다. 이 휨 컨버터(100)의 전체 측면 부재들은 전기 절연 락커를 갖는다.
도 9에 도시된 휨 컨버터(200)는 도 8의 휨 컨버터(100)와 같은 층구조를 나타낸다. 이 도전층만이 여기에서 일정수의 병렬 웨브(22)의 형태로만 형성되어 있다. 또한 이 휨 컨버터(200)의 접촉을 위해, 도 7에 도시된 것처럼, 9㎛의 이미 언급한 두께를 가지는 동 필름(70)은 이 내부 전극(30)과 도전층 사이에 삽입된다. 이 도전 웨브(21)는 카본-폴리머로 이루어지며 그리고 약 10㎛의 두께를 갖는다. 이 웨브(22)는 너무 두꺼워서는 않되는데, 그렇치 않으면 미리 정해진 브레이킹 포인트가 발생되기 때문이다.
양 휨 컨버터(100과 200)의 기판은 유리 섬유 강화된 에폭시수지로 이루어진다. 이 제조 시에 이 에폭시수지는 프리프레그의 형태로 이용되므로, 이 기판(10)은 도전층의 포위하에, 도 4에 도시된 것처럼, 압전 일렉트릿(40)의 내부 전극(30)과 직접 접촉된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되고, 다양한 형태의 변화 및 변형이 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어진다는 것이 당업자에게 이해된다.

Claims (22)

  1. 압전 일렉트릿(40, 41)이 놓이는, 전기 절연 재료로 이루어진 기판(10)을 가지는 압전 소자에 있어서, 기판(10)과 상기 기판(10)을 향한 내부 전극(30, 31) 사이에 도전층(예를 들어 20)이 삽입되고, 상기 도전층은 일정수의 지점에서 내부 전극(30, 31)과 전기 접촉이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 금속 필름(60)에 의해, 바람직하게는 웰딩 접점(61)의 설치에 적합한 동 필름(70)에 의해, 내부 전극(30, 31)의 접촉이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  3. 제 2항에 있어서, 금속 필름(60)의 일부는 압전 일렉트릿(40, 41)과 기판(10) 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  4. 제 2항에 있어서, 기판(10)은 압전 일렉트릿(40, 41)보다 길며, 도전층은 기판(10)의 빈 부분 위에 뻗어있고 거기에서 금속 필름(60)과 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 도전층은 유연성 필름(20)인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 도전층이 네트워크(21)인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  7. 제 6항에 있어서, 네트워크(21)는 병렬 웨브(22)의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  8. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 도전층은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  9. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 도전층은 도전성 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  10. 제 9항에 있어서, 합성수지가 카본-폴리머인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  11. 제 9항에 있어서, 합성수지가 금속 섬유로 강화된 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  12. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 내부 전극(30, 31)은 금속층인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  13. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 압전 일렉트릿(40, 41)은 기판의 반대편 쪽에서 외부 전극(50, 51)을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  14. 제 13항에 있어서, 외부 전극(50, 51)은 유연한 도전층으로 씌워지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  15. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 기판(10)은 가장자리 영역에서 도전층과 내부 전극(30, 31)을 덮는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  16. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 도전층과 내부 전극(30, 31)의 빈 부분들이 전기 절연 락커를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  17. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 기판(10)은 작은 평판의 형상을 가지며 양측에 도전층과 압전 일렉트릿(40, 41)을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  18. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 휨 컨버터(100, 200)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  19. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 압전 일렉트릿(40, 41)은 압전 세라믹인 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  20. 전기 절연 재료로 이루어진 기판(10)을 가지는 압전 소자의 제조 방법에 있어서, 기판(10)은 도전층의 삽입 하에 압전 일렉트릿(40, 41)과 연결되어 있으며, 일정수의 지점에서 압전 일렉트릿(40, 41)의 내부 전극(30, 31)과 도전층과의 전기 접촉이 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 도전층이 네트워크(21)의 형태로 기판(10)으로서 듀로플래스틱의 프리프레그에 배열되며, 및 프리프레그는 도전층의 영향하에 열처리에 의해 압전 일렉트릿(40, 41)과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  22. 제 20항에 있어서, 도전층은 금속-편물-프리프레그의 형태로, 바람직하게는 동-편물-프리프레그의 형태로, 기판(10)에 배열되며, 금속-편물-프리프레그가 열처리에 의해 압전 일렉트릿(40, 41)과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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