KR20020027612A - 압전 벤딩 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지 바디(2), 및 상기 지지 바디(2)상의 적어도 한 면에 제공되어 압전 방식으로 작용하는 층(3)을 포함하는 압전 벤딩 변환기(1)에 관한 것이다. 상기 압전 방식으로 작용하는 층(3)상에는, 열에 의한 고유의 벤딩을 줄이기 위해서 예정된 부피를 갖는 적응층(4)이 제공된다.

Description

압전 벤딩 변환기 {PIEZOELECTRIC BENDING TRANSDUCER}

상기 방식의 벤딩 변환기는 예를 들어 WO 96/41384 A1호에 공지되어 있다. 상기 간행물에 공지된 벤딩 변환기는 지지 바디, 및 상기 지지 바디상의 적어도 한 면에 제공되어 압전 방식으로 작용하는, 피에조 세라믹으로 이루어진 층을 포함한다. 열에 의한 고유의 벤딩을 보상하기 위해서는, 실제로 열 팽창 계수가 동일한 재료를 피에조 세라믹 및 지지 바디용으로 사용하는 것이 제안된다.

지지 바디상에 제공된 압전층을 갖는 압전 벤딩 변환기는 주로 간접적인 또는 상호간의 압전 효과를 충분히 활용하기 위해서, 즉 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위해서 이용된다. 벤딩 변환기에 대해서는 다수의 기술적인 적용예가 존재한다. 상기 적용예로서는 예를 들어 칼라 젯 프린트를 위한 압전 프린팅 헤드, 마이크 또는 스피커를 위한 흡음기 또는 음발생기, 가속 또는 압력 측정을 위한 센서, 브레일(Braille)-행, 스크린용 판독 장치, 직조기, 밸브, 기록 측정 장치 또는 무접촉 방식 표면 측정 기구에 사용되는 조종 부재가 있다.

특히 벤딩 변환기에 의해 야기되는 곡률이 작은 경우(10 내지 20㎛)에는, 온도 변동시 나타나는 열에 의한 고유의 벤딩이 벤딩 변환기에 의해 작동되는 시스템의 고장을 야기할 수 있다. 열에 의한 고유의 벤딩이 매우 적은 벤딩 변환기는 예를 들어 밸브, 특히 압축 공기 밸브에 적용하는 경우에 필요하다. 상기 적용예에서 온도 변동시에 더 이상 허용할 수 없는 벤딩 변환기의 고유의 벤딩이 나타나면, 예를 들어 밸브의 차단 기능은 더 이상 보장되지 않게 된다.

그러나 WO 96/41384 A1호에 제안된 벤딩 변환기의 경우에도, 소수 ㎛/10°K의 고유한 벤딩은 단점적으로 계속 유지된다. 밸브 기술에 적용할 경우에는 상기와 같은 고유의 벤딩이 더 이상 허용될 수 없다. 따라서 지금까지의 실시예에서는 벤딩 변환기가 개별 적용예에 대한 제조 비용으로부터 선택에 의해서 발견되었다. 그러나 이 방법은 매우 복잡하고, 더 나아가 많은 제조 폐물을 필수적으로 발생시킨다. 허용 범위를 초과하는 고유의 벤딩을 갖는 벤딩 변환기는 사용이 불가능하기 때문에 결국에는 폐물이 된다.

본 발명은, 열에 의한 고유의 벤딩이 감소된 압전 벤딩 변환기에 관한 것이다.

도 1은 지지 바디(2) 및 그 위의 양 면에 제공되어 압전 방식으로 작용하는,피에조 세라믹으로 이루어진 층(3)을 갖는 2형태 벤딩 변환기(1)의 개략도이다.

본 발명의 목적은, 많은 제조 폐물을 발생시키지 않으면서 제조될 수 있는, 선행 기술에 비해 열에 의한 고유의 벤딩이 훨씬 더 감소된 압전 벤딩 변환기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 지지 바디, 및 상기 지지 바디상의 적어도 한 면에 제공되어 압전 방식으로 작용하는 층을 포함하는 서문에 언급한 방식의 압전 벤딩 변환기에서 본 발명에 따라, 상기 압전 방식으로 작용하는 층 위에, 경우에 따라서는 전극의 중간층 아래에 예정된 부피를 갖는 적응층이 제공됨으로써 달성된다.

본 발명은, 열에 의한 고유의 벤딩이 요구되는 정도로 적은 차아지(charge) 벤딩 변환기를 발견하기 위해, 지금까지의 선택 방법에서는 온도 변동, 즉 °K당 고유의 벤딩을 반드시 측정할 수밖에 없었다는 생각으로부터 출발한다. 본 발명은 또한, 온도 변동 또는 고유 벤딩의 온도 계수를 측정한 후에는, 적합한 적응층이 벤딩 변환기상에 추가로 제공됨으로써 고유의 벤딩이 보상되거나 또는 감소될 수 있다는 생각으로부터 출발한다. 다른 한 단계에서는, 제공되는 적응층의 부피에 의해서 고유 벤딩의 감소 또는 보상이 이루어진다.

이와 같은 내용으로 미루어 볼 때, 결국 상기 적응층이 어떤 재료로 이루어지는지는 본 발명에서 중요하지 않다. 상기 재료는 다만 취급이 용이할 수 있으면 되고, 벤딩 변환기의 재료와 잘 결합될 수 있으면 된다. 달리 말하면, 벤딩 변환기와 적응층의 견고하고 지속적인 결합이 이루어질 수 있어야 한다.

고유 벤딩의 보상은 열에 의한 팽창 계수가 낮은 적응층에 의해서 뿐만 아니라 열에 의한 팽창 계수가 높은 적응층에 의해서도 이루어질 수 있다. 따라서 보상을 위해서는 부피가 큰 적응층 혹은 부피가 작은 적응층이 제공될 수 있다. 열에 의한 고유의 벤딩을 보상하기 위해서는 또한, 고유의 벤딩 작용시 벤딩 변환기의 내부로 휘어지는 면에 뿐만 아니라 고유의 벤딩 작용시 벤딩 변환기의 외부로 휘어지는 면에도 적응층이 제공될 수 있다.

적응층의 재료가 공지된 경우, 고유의 벤딩을 보상하기 위해 제공될 적응층의 부피와 예정된 벤딩 변환기-타입의 온도 변동 사이의 관계는 경험에 의해서 최상으로 검출된다. 차아지 벤딩 변환기가 상이한 고유 벤딩 값을 나타내기 때문에,언급된 관계는 간단한 연속 측정(series of measurements)을 통해서 쉽게 얻어질 수 있다.

적응층의 부피를 통해서는, 개별 벤딩 변환기의 고유 벤딩 값이 원하는 허용 편차값까지 보상될 수 있다. 더 나아가 본 발명에 의해서는, 열에 의한 고유 벤딩이 임의로 정해진 벤딩 변환기가 제작될 수 있다.

그밖에 고유의 벤딩을 보상하기 위해 제공될 적응층의 부피와 온도 변동간의 관계는 원칙적으로 3차원적 부피 팽창 계수를 이용하여, 부피 팽창에 해당되는 물리적인 일반식으로부터 추론될 수 있다.

원칙적으로 상기 적응층은 물론 벤딩 변환기의 양 면에 제공될 수도 있다. 그러나 열에 의한 고유의 벤딩을 보상하기 위해 적응층을 한 면에만 제공하는 것이 바람직하고도 훨씬 더 간단하다. 이와 같은 구성은, 압전 벤딩 변환기가 소위 2형태 벤딩 변환기로서 형성되는 경우에, 즉 압전 방식으로 작용하는 층이 지지 바디의 양 면에 배치되는 경우에도 또한 장점이 된다.

제조 기술적으로는, 벤딩 변환기의 고유의 벤딩이 적응층의 횡단면을 통해 보상되거나 또는 조절되는 것이 유리하다. 이와 같은 구성은 실제로, 제공될 재료의 길이 및/또는 폭에 걸쳐 적응층의 두께가 동일할 때 고유 벤딩이 원하는 대로 보상됨으로써 실현된다.

바람직하게 상기 적응층은 실크스크린 인쇄법에 의해 제공된다. 물론 상기 적응층은 다른 유형 및 방식으로도 벤딩 변환기에 제공될 수 있다. 이와 같은 유형 및 방식은 예를 들어 접착, 증발, 상부 스퍼터링 또는 상부 스프레잉에 의해서실현될 수 있다.

특별히 적응층이 실크스크린 인쇄 가능한 합성수지인 경우에는 장점이 된다. 이와 같은 합성수지는 제조 기술적으로 간단한 유형 및 방식으로, 실크스크린 인쇄 방법을 통해 벤딩 변환기상에 올려질 수 있다. 위로 프레싱되는 적응층의 길이 및 폭에 걸쳐 고유한 벤딩의 보상이 이루어진다. 특히 에폭시수지는 상기와 같은 유형 및 방식으로 쉽게 가공될 수 있다. 또한, 에폭시수지가 바람직한 열 팽창 계수를 가짐으로써, 비교적 적은 재료를 사용하더라도 벤딩 변환기의 통상적으로 나타나는 고유의 벤딩이 쉽게 보상될 수 있는 것으로 나타났다.

본 발명의 바람직한 추가 일 실시예에서는, 압전 작용하는 층이 피에조 세라믹이다. 적합한 피에조 세라믹은 예를 들어 소위 PZT-세라믹이며, 그 중에서도 납-지르콘 산염-티탄-산화 세라믹이다. 상기와 같은 종류의 피에조 세라믹은 자체 조성을 통해 상이한 요구 사항들에 대한 적응을 가능하게 한다. 균일한 전기장을 인가함으로써, 압전 효과의 형성에 필수적인 극성 축이 상기 피에조 세라믹내에 형성된다.

지지 바디의 지지체 재료는 본 발명에 대해서 다만 하위의 역할만을 한다. 그러나 벤딩 변환기의 기계적인 특성에 대해서는 특히 섬유 합성 재료 또는 금속이 유리한 것으로 증명되었다.

본 발명의 일 실시예는 도면을 참조하여 자세히 설명된다.

본 발명에서 피에조 세라믹은 납-지르콘 산염-티탄-산화 세라믹이다. 상기 지지 바디(2)는 유리-, 석탄- 또는 아라미드-섬유로 보강된 에폭시수지이다. 지지 바디(2)를 위한 출발 물질로서는, 열처리에 의해서 피에조 세라믹과 열적으로 접착된 에폭시수지-프리프레그(아직 경화되지 않는 원재료)가 사용되었다. 벤딩 변환기(1)의 한 면에는 적응층(4)이 배치된다. 상기 적응층(4)은 에폭시수지로 이루어지고, 실크스크린 인쇄법을 이용하여 제공되었다.

벤딩 변환기(1)는 또한 전기 단자(6)를 포함하며, 상기 단자는 각각 납땜 콘택을 통해서 내부에 배치된, 표면에 제공되는 전극(7 및 8)과 접속된다. 압전 방식으로 작용하는 층(3)도 또한 표면에 구현된 외부 전극(9 및 10)을 포함한다. 내부 전극(7 및 8)은 벤딩 변환기(1)의 전기 콘택팅을 위해서 지지 바디(2)의 노출 부분으로 가이드 된다.

대안적으로 및 도면에는 도시되지 않았으나, 내부 전극(7 및 8)과 지지 바디(2) 사이에 있는 장소, 즉 압전 방식으로 작용하는 층(3)이 올려지는 장소에는 추가의 도전층이 삽입될 수 있으며, 상기 도전층은 직물 또는 평행 바아의 형태로 형성된다. 이와 같은 형성은 압전 벤딩 변환기(1)의 고장에 대한 안전성을 높여준다.

벤딩 변환기(1)는 전체적으로 25mm의 길이, 7mm의 폭 및 0.5mm의 두께를 갖는다. 이 경우 납-지르콘 산염-티탄-산화 세라믹의 두께는 0.13mm에 달한다.

상기와 같은 벤딩 변환기(1)에서는 고유 벤딩의 변동이 1과 5 ㎛/10°K 사이에서 나타난다. 이 경우 ±4 ㎛/10°K의 열에 의한 고유의 벤딩은, 에폭시수지로 이루어지고, 길이가 15mm, 폭이 2 내지 5mm 그리고 두께가 10 내지 30㎛인 적응층(4)을 제공함으로써 보상될 수 있다. 이 경우 적응층(4)은, 벤딩 변환기(1)가 완성된 경우에 검출되는 열적 고유 벤딩에 따라 외부 전극(9 또는 10)에 직접 제공된다.

벤딩 변환기(1)의 경우에는, 열에 의한 고유의 벤딩이 -30 내지 +80℃의 온도 범위에 걸쳐서 대체로 완전하게 보상된다. 지시된 온도 범위에서 고유의 벤딩은 1 ㎛/10°K 미만이다.

Claims (5)

1. 지지 바디(2), 및 상기 지지 바디(2)상의 적어도 한 면에 제공되어 압전 방식으로 작용하는 층(3)을 포함하는 압전 벤딩 변환기(1)에 있어서,

   열에 의한 고유의 벤딩을 감소시키기 위해서, 예정된 부피를 갖는 적응층(4)이 압전 방식으로 작용하는 층(3) 위에, 경우에 따라서는 전극(9, 10)의 중간층 아래에 제공되는 것을 특징으로 하는 압전 벤딩 변환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전 방식으로 작용하는 층(3)은 지지 바디(2)의 양 면에 제공되고, 상기 적응층(4)은 한 면에 제공되는 것을 특징으로 하는 압전 벤딩 변환기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 적응층(4)이 실크스크린 인쇄법으로 제공되는 것을 특징으로 하는 압전 벤딩 변환기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 적응층(4)이 실크스크인 인쇄 가능한 합성수지, 특히 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 압전 벤딩 변환기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압전층이 피에조 세라믹인 것을 특징으로 하는 벤딩 변환기.