KR20030003250A - 피에조세라믹 굽힘 변환기 및 그 사용 방법 - Google Patents

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piezoceramic bending
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칼 루비츠
미카엘 리델
미카엘 바인만
마르쿠스 호프만
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지멘스 악티엔게젤샤프트
훼스토 악티엔 게젤샤프트 운트 코
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Abstract

본 발명은 지지부(3), 그 위에 배열된 피에조세라믹 층들(6)의 스택 및 상기 층들(6) 사이에 배열된 평면 전극들(7, 8)을 포함하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1)에 관한 발명이다. 상기 스택(4)에 면하는 상기 지지부(3)의 면 상에서 정합 층(10)이 상기 피에조세라믹과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖고 배열된다. 상기 굽힘 변환기(1)는 양호한 가동 능률과 경제적인 생산 비용으로 낮은 열적 고유 비틀림을 나타낸다. 상기 변환기는 부분적으로는 밸브 내의 응용을 위해 적절하다.

Description

피에조세라믹 굽힘 변환기 및 그 사용 방법 {PIEZOCERAMIC BENDING TRANSDUCER AND USE THEREOF}
이런 유형의 피에조세라믹 굽힘 변환기는 독일 특허 제 293 918 A5 호 및 국제 공개 제 99/17383 호로부터 알려져 있다. 국제 공개 제 99/17383 호에 따르면, 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기를 가동하기 위해서는, 피에조세라믹의 상기 층들 사이에 배열된 전극들은 스택 방향에서 볼 때, 교대로 양전위 및 음전위로 정해진다. 피에조세라믹의 각 인접 층들은 반대 방향으로 극성화되기 때문에, 작동 전압이 인가될 때, 상기 스택은 전체로서 상기 피에조세라믹의 압전 효과로 인해 수축 또는 확장을 겪게 된다.
또한 이런 유형의 피에조세라믹 층들을 포함하는 스택을 가동하는 가능한 방법들은 독일 특허 제 34 34 726 C2 호로부터 알려진다.
더욱이, 독일 특허 제 34 34 726 호는 상기 층들 내의 피에조세라믹 재료로서, 납 티탄산염(lead titanate), 바륨 티탄산염, 납 지르코늄 티탄산염 또는 세라믹 물질들의 변형들을 개시한다. 상기 지지부를 위한 재료로서, DD 제 293 918 A5 호는 스프링 강철을 개시하고, 국제 공개 제 97/17383 호는 섬유 합성물 재료 또는 유리를 개시한다. 섬유 합성물 재료 또는 유리로 제조된 상기 지지부는 전기적 에너지의 기계적 에너지로의 변환을 위해 양호한 효율을 달성한다.
본 발명은 지지부를 갖고, 피에조세라믹을 포함하고 그 사이에 배열된 평면 전극들을 포함하는 층들의 스택을 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기에 관한 발명으로서, 상기 스택은 상기 지지부에 도포된다. 본 발명은 또한 이런 유형의 굽힘 변환기의 사용에 관한 발명이다.
도 1은 지지부를 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기의 세로 방향 단면을 도시하는 도면으로서, 상기 지지부의 한쪽 면은 피에조세라믹 층들을 포함하는 스택으로코팅되고 다른 면은 모노리딕 피에조세라믹의 형태인 정합 층으로 코팅되고.
도 2는 도 1에서 도시된 바와 같은 피에조세라믹 굽힘 변환기의 가로 방향 단면을 도시하며,
도 3은 도 1에서 도시된 피에조세라믹 굽힘 변환기의 고정 면의 3차원도를 도시한다.
지지부를 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기는 일반적으로 삼상 물질(trimorph)로서 알려진 것으로 구성된다. 이것이 의미하는 것은 상기 지지부의 양쪽 면이 각 경우에서 있어서 적어도 하나의 압전적 활성 피에조세라믹 층(piezoelectrically active layer of piezoceramic)으로 코팅된다는 것이다. 대칭 구조 때문에, 이런 유형의 피에조세라믹 굽힘 변환기의 온도-유도된 내부 굽힘은 상기 지지부의 오직 한쪽 면만 코팅된 경우보다 더 낮다.
만약 많은 피에조세라믹 층들을 포함하는 스택이 하나의 피에조세라믹 층 대신에 사용된다면, 동일한 기계적 에너지는 더 낮은 작동 전압에서 제공된다. 이 이유는, 스택 내의 개별 피에조세라믹 층들의 작은 두께 때문에, 동일한 작동 전압에서는 E = U/d에 따라 - 여기서 E는 전기장, U는 인가된 전압, 그리고 d는 상기 세라믹 층의 두께임 - 상기 스택과 동일한 두께인 하나의 층이 사용된 경우보다 더 큰 전기장 세기가 야기된다는 점이다. 많은 개별 피에조세라믹 층들을 갖는 스택의 형태로, 즉, 다중층 기술로, 압전적 활성 물질을 축적하는 것은 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기에서 짧은 변위 경로와 높은 변위력이 요구되는 경우 유리하다.
후자의 이유로, 스택된 또는 다중층 설계인 피에조세라믹 굽힘 변환기들은 밸브에서의 응용을 위해 보다 상세하게 언급된다. 그러나, 다중층 설계의 피에조세라믹 굽힘 변환기를 위한 생산 및 재료 비용이 비교적 높다는 단점이 있다. 상기 피에조세라믹 층들은 필름들로서 당겨져야 한다; 많은 개별 전극 층들이 요구되고, 이 사실은 재료 비용(AgPd)을 증가시킨다. 따라서, 다중층 설계인 피에조세라믹 굽힘 변환기가 사용될 때, 더 양호한 가동 특성들을 가짐에도 불구하고, 상기 높은 단위 가격 때문에, 밸브는 종래의 설계와 유사한 밸브에 비교될 때 그다지 경쟁력이 없을 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 저비용으로 생산될 수 있는 다중층 설계인 피에조세라믹 굽힘 변환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이런 유형의 피에조세라믹 굽힘 변환기를 위한 사용 방법을 제공하는 것이다.
상기 도입부에서 설명된 유형의 피에조세라믹 굽힘 변환기에 대해, 피에조세라믹 굽힘과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료를 포함하는 정합 층이 상기 스택으로부터 멀리 떨어진 상기 지지부쪽에 도포됨으로써, 본 발명에 따라 제 1 목적이 달성된다.
본 발명은 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기가 밸브 내에서 사용될 때, 상기 굽힘 변환기의 오직 2개의 정해진 위치들만이 요구된다는 사실의 고려에 기초한다. 상기 굽힘 변환기의 하나의 정해진 위치에서, 상기 밸브는 폐쇄되어야 하고, 상기 굽힘 변환기의 다른 정해진 위치에서, 상기 밸브는 개방되어야 한다. 상기 굽힘 변환기의 또다른 제 3의 정해진 위치는 필요 없다. 상기 굽힘 변환기가 가동되는방식에 의해, 상기 굽힘 변환기가 가동되지 않는 때 상기 밸브가 개방되어 있다면, 일반적으로 개방된 밸브라고 하고, 상기 굽힘 변환기가 가동되지 않는 때 상기 밸브가 폐쇄되어 있다면, 일반적으로 폐쇄된 밸브라고 한다.
더욱이, 본 발명은 밸브를 제어하기 위해 요구되는 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기의 상기 두 위치들이 전압이 인가되지 않은 때의 그 정지 위치와 전압이 인가된 때의 전환된 위치 근방에서 정해진다는 사실의 고려에 기초한다. 따라서, 요구되는 모든 것은 상기 굽힘 변환기가 한 방향으로 일탈하는 것이다. 그러므로, 밸브 내에서 사용되는 굽힘 변환기를 위해서는, 아래에서 피에조스택(piezostack)으로 언급되는 피에조세라믹의 층들을 포함하는 스택이 상기 지지부의 한쪽 면에 도포되는 것으로 충분하다. 이것은 필드의 강도가 양극화(dipolarisation) 효과 때문에 제한되어야 하므로, 상기 극성화된 방향에 대해 반대 방향으로 가동되는 제 2 피에조스택이 상기 일탈에 단지 작은 기여만을 하기 때문이다. 따라서, 하나의 피에조스택은 밸브 내의 사용을 위한 상기 굽힘 변환기의 성능의 제한 없이도 불필요하게 될 수 있다. 그 사이에 전극들을 갖는 많은 개별 피에조세라믹 층들을 포함하는 피에조스택의 생산이 많은 비용을 요하기 때문에, 이것은 비용 절감 대책을 제시한다.
더욱이, 본 발명은 지지부와 그 한쪽 면에 도포된 피에조스택을 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기가 그 비대칭적인 구조 때문에, 지지부와 이 지지부의 양쪽 면에 도포되는 피에조스택을 갖는 굽힘 변환기보다 더 높게 열적으로 유도된 내부 굽힘을 갖고, 이러한 정도로 밸브 내에서의 사용에 부적절할 것이라는 사실의 고려에기초한다. 이런 문제점은 상기 피에조세라믹과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료를 포함하는 정합 층이 상기 스택으로부터 멀리 떨어진 상기 지지부쪽에 도포된다는 점에 의해 해결된다.
상기 정합 층은 유리하게는 유리 또는 알루미늄 산화물로 구성된다. 이러한 두 가지 재료들은 피에조세라믹으로서 자주 사용되는 납 지르콘산염 티타늄 산화물(lead zirconate titanium oxide) 세라믹에 유사한 열 팽창 계수를 갖는다.
피에조세라믹은 일반적으로 균일한 전기장 내에서 극성화됨으로써 그 압전 특성들을 획득한다. 상기 피에조세라믹의 열 팽창 계수의 변화는 상기 극성화와 연관된다. 그러므로, 본 발명의 다른 유리한 구성에서, 상기 정합 층은 상기 굽힘 변환기의 열적으로 유도된 내부 굽힘을 보상하기 위해 극성화된 피에조세라믹을 포함한다. 이 경우에, 상기 정합 층의 열 팽창 계수는 상기 지지부의 다른 면에 도포된 상기 스택 내의 피에조세라믹의 개별 층들의 열 팽창 계수와 같다. 이 경우에, 상기 정합 층은 모노리딕(monolithic) 극성화 피에조세라믹, 즉, 단일 층인 피에조세라믹을 포함한다.
예로서, 상기 지지부로 사용되는 재료는 유리, 금속 또는 섬유 합성물 재료일 수 있다. 그러나, 처리의 편의와 피에조세라믹 및 지지부 사이의 영구 결합의 달성의 관점에서, 상기 지지부가 섬유 합성물 재료를 포함하는 것은 유리하다고 증명된 바 있다.
보다 상세하게는, 만약 상기 섬유 합성물이 탄소 또는 유리 섬유로 강화된 에폭시 수지라면, 피에조세라믹 및 상기 지지부 사이에 영구하고 확고한 결합이 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 재료를 생산하기 위해, 상기 지지부로 사용되는 실행 재료는 열 처리에 의해 상기 피에조세라믹에 열적으로 결합되는 에폭시 수지 프리프레그(prepreg)(미가공 블랭크(blank))이다.
본 발명의 다른 유리한 구성에서, 고정 면(securing side) 상의, 상기 지지부의 자유 부분은 상기 스택 및 상기 정합 층을 넘어서 연장한다. 상기 지지부의 자유 부분은 상기 굽힘 변환기를 고정하기 위해 쉽게 사용될 수 있다. 이러한 구성은 또한 상기 피에조스택 내의 개별 전극들과 간단한 접촉이 이루어지게 한다. 예로서, 더 작은 구리 판이 상기 지지부의 자유 부분에 접착되어 결합될 수 있고, 이러한 판은 그것이 각 전극들과 전기적으로 접촉하게 하는 상기 피에조스택 아래에서 부분적으로 연장한다. 그 다음에, 연결 와이어가 이러한 작은 구리 판 위에 쉽게 납땜될 수 있다.
유리하게는, 상기 전극들은 전기적 접촉이 이루어지도록 상기 고정 면 상의 피에조세라믹 밖으로 유도되고, 다른 면들 상의 피에조세라믹에 비해 후퇴된다. 이런 방법으로, 판 형태의 금속화로 설계되는 전극들은 상기 피에조스택 밖에 또는 상기 고정 면 상의 상기 정합 층 밖에 도달한다. 상기 피에조스택이 함께 소결될 때, 상기 전극들의 후퇴 위치는 상기 외부 면 상에 소결된 막의 형성을 야기하는데, 이는 소결 처리가 종결된 후에 주변으로부터 상기 전극들을 단단히 밀봉한다. 그러므로, 피에조스택 내에 이런 방법으로 상기 전극들을 설계하는 것은 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기가 높은 수준의 대기 중 습기 하에서 또는 물 속에서조차 작동하는 것을 가능케 한다. 개별 전극들은 상기 소결된 막에 의해 서로로부터 매우우수하게 전기적으로 절연되는데, 이는 상기 피에조스택 내의 단락에 대한 보호를 증가시킨다.
더욱이, 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기 내의 단락의 방지에 관해서는, 상기 피에조스택 또는 밀봉 화합물(potting compound) 밖에 도달하는 상기 전극들의 부분이 밀봉 화합물에 의해 상기 고정 면 상에서 밀봉된다면 유리하다. 그래서, 이런 목적을 위해, 상기 굽힘 변환기는 상기 밀봉 화합물로 충전된 주형 내에 위치된다.
처리의 용이성의 관점에서, 만약 상기 밀봉 화합물이 에폭시 수지라면 유리하다. 보다 상세하게는 레이져에 의해 경화될 수 있는 접착제들이 밀봉 화합물로서 사용되는 것도 또한 가능하다. 밀봉 화합물로 상기 굽힘 변환기를 둘러싸는 것은 상기 전체 피에조세라믹 굽힘 변환기가 습기에 대해 보호되고, 따라서 액체 운반 밸브에서 그 자체로서 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
사용에 관해서는, 본 발명에 따라, 청구항 1 내지 9에서 기술되는 바와 같이 밸브 내에서, 특히 공기 밸브 내에서 가동기로서 사용되는 피에조세라믹 굽힘 변환기에 의해 도입부의 목적이 달성된다. 양호한 가격/성능 비율 때문에 이런 유형의 밸브는 종래의 밸브에 대해 경쟁력이 있다.
본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다:
도 1은 유리 섬유로 강화된 에폭시 수지로 제조된 지지부(3)를 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기의 세로 방향 단면을 도시한다. 각 경우에 은/팔라듐 금속화 층의 형태인 전극들(7, 8)이 사이에 배열된 많은 피에조세라믹 층들(6)을 포함하는 스택(4)은 상기 지지부(3)의 한쪽 면에 도포된다. 모노리딕 피에조세라믹을 포함하는 정합 층(10)은 상기 스택(4)으로부터 멀리 떨어진 상기 지지부(3)의 면에 도포된다.
상기 지지부(3)의 자유 부분은 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기(1)의 고정 면(12) 밖으로 연장한다. 세로 방향 단면에서 보여질 수 있는 바와 같이, 상기 전극(8) 부분들(13)은 상기 고정 면(12) 상의 상기 스택(4)으로부터 바깥쪽에 도달하고, 그것들은 서로 전기적으로 접촉한다. 이것은 도시된 세로 방향 단면에서 보이지 않지만, 상기 전극들(7)도 또한 동일한 방식으로 바깥쪽에 도달하고, 다른 부분에서 마찬가지로 서로 접촉한다(도 2 참조). 바깥쪽에 도달하는 상기 전극(7, 8) 부분(13)은 에폭시 수지를 포함하는 밀봉 화합물(14)로 상기 고정 면(12) 상에서 밀봉된다.
더욱이, 상기 스택(4)은 상기 지지부(3)에 면하는 내부 전극(16)과 마찬가지로 은/팔라듐 금속화로 형성된 외부 전극(18)을 갖는다. 상기 내부 및 외부 전극들(16 및 18)은 또한 생략될 수 있다. 이것은 예를 들어, 상기 굽힘 변환기가 습한 환경에서 작동될 때 유리하다. 상기 정합 층(10)은 또한 내부 전극(15) 및 외부 전극(17)을 구비한다. 상기 스택(4)의 피에조세라믹 층들(6) 및 상기 정합 층(10)의 모노리딕 피에조세라믹은 모두 미리 결정된 전압이 상기 전극들(7 및 8, 16 및 18, 그리고 15 및 17)을 통하여 인가될 때 극성화된다. 그러므로, 상기 정합 층(10)은 피에조세라믹의 층들(6)과 동일한 열 팽창 계수를 갖는다. 사용된 상기 피에조세라믹은 납 지르콘산염 티타늄 산화물 세라믹이다.
상기 스택(4) 아래에서 부분적으로 연장하는 작은 구리 판(19)은 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기(1)의 상기 고정 면(12) 상의 상기 지지부(3)에 접착되어 결합된다. 상기 스택 아래에서, 상기 작은 구리 판(19)은 상기 세로 방향 단면으로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 상기 전극들(8)과 전기적으로 접촉한다. 상기 전극들(8)에 전압을 공급하기 위해, 연결 케이블이 상기 작은 구리 판(19) 위에 납땜된다.
도 2는 도 1에서 도시된 피에조세라믹 굽힘 변환기의 가로 방향 단면을 도시한다. 상기 가로 방향 단면은 도 1에서 도시된 바와 같이 전극(7)이 보여지도록 선택된다. 상기 전극들(7)과 접촉하도록, 작은 구리 판(19a)이 사용되고, 상기 전극들(8)과 접촉하도록, 작은 구리 판(19b)이 사용된다는 것을 명백하게 알 수 있다. 이런 목적으로, 전극 부분(20)은 상기 스택 바깥쪽에 도달하고, 상기 외부 상에서 상기 작은 구리 판(19a)과 접촉한다. 상기 작은 구리 판들(19a 및 19b)은 상기 지지부의 자유 부분(21) 위에 접착되어 결합된다.
더욱이, 상기 전극들(전극들(7)은 도시됨)이 상기 면들(22, 24, 및 26) 상의 피에조세라믹 층들(6)에 비해 후퇴되어 위치된다는 것이 명백하다. 이러한 후퇴 배열은 습기가 있을 때 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기 내의 단락에 대한 보호를 개선시킨다. 상기 지지부(3)의 자유 부분(21)은 도 3의 투시도에서 도시된다. 상기 작은 구리 판(19a)이 모든 전극들(8)과 전기적으로 접촉하고 상기 작은 구리 판(19b)이 모든 전극들(7)과 접촉하는 것은 명백하다. 만약 전압이 상기 작은 구리 판들(19a 및 19b) 사이에 인가된다면, 전기장은 피에조세라믹 인접 층들(6) 내에서 반대 방향으로 진행한다. 마찬가지로 피에조세라믹 인접 층들(6)의 극성화 방향이 반대 방향을 향하기 때문에, 전압의 인가는 상기 스택(4)의 모든 층들(6)의 수축 또는 팽창을 야기하므로 상기 스택(4)의 전체적인 수축 또는 팽창을 야기한다. 그러므로, 만약 상기 지지부(3)의 자유 부분(21)이 제 위치에 고정된다면, 상기 작은 구리 판들(19a 및 19b)에의 전압의 인가는 상기 굽힘 변환기(1)의 다른 말단부의 편향을 야기한다.
더욱이, 전압이 인가되면 상기 정합 층(10)의 피에조세라믹은 상기 작은 구리 판들(19c 및 19d)에 의해 마찬가지로 극성화될 수 있다는 것을 도 3으로부터 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 지지부(3)를 갖고, 피에조세라믹을 포함하고 그 사이에 배열된 평면 전극들(7, 8)을 포함하는 층들(6)의 스택을 갖는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1)로서,
    상기 스택은 상기 지지부에 도포되고,
    상기 피에조세라믹 굽힘과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료를 포함하는 정합 층(10)이 상기 스택으로부터 멀리 떨어져 있는 상기 지지부(3)의 면에 도포되는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합 층(10)이 유리 또는 알루미늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합 층(10)이 극성화된 피에조세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부(3)가 섬유 합성물 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 섬유 합성물 재료가 탄소 또는 유리 섬유로 강화된 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부(3)의 자유 부분(21)이 고정 면(12) 상에서, 상기 스택 및 상기 정합 층(10)을 넘어서 연장하는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극들(7, 8)이 전기적 접촉이 이루어지도록 상기 고정 면(12) 상의 상기 피에조세라믹의 바깥쪽에 도달하여, 다른 면들(22, 24, 26) 상의 피에조세라믹에 대해 후퇴되는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극들(7, 8)의 돌출부(20)가 밀봉 화합물(14)로 상기 고정 면(12) 상에서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 밀봉 화합물(14)이 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 굽힘 변환기(1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에서 기재된, 공기 밸브와 같은 밸브 내에서 가동기로서 상기 피에조세라믹 굽힘 변환기를 사용하는 방법.
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