KR20030028733A - 압전세라믹 휨 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전세라믹 휨 변환기(1)에 관한 것이다. 상기 압전세라믹 휨 변환기(1)는 평면 지지체(2) 및 상기 평면 지지체(2)의 적어도 한 측면에 제공된 분극된 납 지르콘산염 티타늄 압전세라믹(3)을 갖는다. 본 발명에 따르면, 낮은 고유 열 변형을 위해 지지체(2)용 재료로서 니켈/코발트/철 합금, 니켈/철 합금, 그리고 규소/게르마늄 반도체 재료가 사용된다.

Description

압전세라믹 휨 변환기 {PIEZOCERAMIC BENDING CONVERTER}

상기와 같은 휨 변환기는 예컨대 WO 96/41384 A1에 공지되어 있다. 여기서, 유리 또는 압전세라믹 자체가 지지체용 재료로서 사용된다.

평면 지지체에 제공된 압전세라믹을 포함하는 서두에 언급된 압전세라믹 휨 변환기는 주로 간접적인 또는 상호적인 압전 효과를 이용하기 위해, 다시 말해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위해 사용된다. 상기 휨 변환기는 넓은 영역에서 기술적 적용예를 갖고 있다. 이러한 적용예는 예컨대 잉크 제트 프린터용 프린트 헤드, 그리고 시각 장애인용 판독 장치 내에 있는 점자 라인, 섬유기계 또는 밸브 내에 있는 작동기로서 나타난다.

서두에 언급된 바와 같이 매칭되는 지지체 및 압전세라믹의 열 팽창계수를 갖는 휨 변환기가 밸브, 특히 공기식 밸브에 사용되기에 특히 적합하다. 왜냐하면, 이러한 방식으로 사용될 때 지지체 및 압전세라믹의 상이한 팽창 계수로 인해더 이상 소수의 ㎛/10°K의 낮은 고유 열 변형 조차도 허용될 수 없기 때문이다. 다시 말해, 온도 변경시 휨 변환기의 상기와 같은 낮은 고유 열 변형에 의해 예컨대 밸브의 폐쇄 기능이 더 이상 보장되지 않을 수도 있기 때문이다.

납, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 압전세라믹, 즉 PZT 압전세라믹의 열 팽창계수는 분극율 및 작동을 위해 사용된 전계의 방향에 따라 -5 내지 +6·10^-6/K 의 범위 내에서 변동된다. 그러므로 각각의 제조 방법에 따라, 그리고 작동 방법에 따라 PZT 세라믹의 열 팽창계수도 달라진다. 그런데, PZT 압전세라믹의 개별 부품들의 상이한 중량비는 압전세라믹의 열 팽창계수에 있어서 ±0.5·10^-6/K 만큼의 변동 만을 가져올 뿐이다.

그럼에도 불구하고, WO 96/41384 A1에 따라 지지체용 재료로서 유리가 사용되면, 압전세라믹의 각각의 분극화에 따라 압전세라믹의 열 팽창계수는 유리의 열 팽창계수와 차이가 나는데, 이러한 차이는 예상되는 고유 열 변형으로 인해 밸브, 특히 공기식 밸브에서 상기와 같은 휨 변환기의 사용이 더 이상 허용될 수 없을 정도이다. 지지체용 재료로서 압전세라믹이 사용될 때도 동일하게 적용된다. 왜냐하면, 활성층의 PZT 압전세라믹의 분극화에 의해 지지체의 열 팽창계수와 다른 PZT 압전세라믹의 열 팽창계수가 생성되기 때문이다.

본 발명은 평면 지지체, 그리고 상기 평면 지지체의 적어도 한 측면에 제공되며 납, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 분극된 압전세라믹을 갖는 압전세라믹 휨 변환기에 관한 것이며, 상기 지지체의 열 팽창계수는 분극된 압전세라믹의 열 팽창계수에 매칭된다.

도 1은 압전세라믹 휨 변환기를 도시한다.

본 발명의 목적은 종래 기술에 비해 훨씬 감소된 고유 열 변형을 갖는, 서두에 언급된 방식의 압전세라믹 휨 변환기를 제공하는데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제 1 대안예에서, 지지체가 니켈/코발트/철 합금으로 이루어지고, 상기 합금은 28 내지 30 중량 % 니켈, 16 내지 18 중량 % 코발트, 탄소, 망간 및 규소를 함유하는 족으로부터 선택된 0 내지 3 중량 %의 적어도 하나의 원소, 그리고 잔여 철을 포함한다.

제 2 대안예에서 상기 목적은 서두에 언급된 압전세라믹 휨 변환기에 있어서 본 발명에 따라, 지지체가 니켈/철 합금으로 이루어지고, 상기 합금은 40 내지 44 중량 % 니켈, 코발트, 크롬, 탄소, 망간, 인, 황, 규소 및 알루미늄을 함유하는 족으로부터 선택된 0 내지 3 중량 %의 적어도 하나의 원소, 그리고 잔여 철을 포함함으로써 달성된다.

제 3 대안예에서 상기 목적은 서두에 언급된 압전세라믹 휨 변환기에 있어서 본 발명에 따라, 지지체가 하나의 반도체 재료로 이루어지고, 상기 반도체 재료가 10 내지 55 중량 %의 규소, 45 내지 90 중량 %의 게르마늄, 그리고 나머지 미량원소를 포함함으로써 달성된다. 여기서, 상기 미량원소는 가능한한 적은 양으로 제공되어야만 한다.

본 발명은 PZT 압전세라믹이 제조가 끝난 휨 변환기에서 그것의 조성과는 상관없이 4 내지 5·10^-6/K의 열 팽창계수를 갖는다는 사실을 고려한다. 또한 본 발명은 열 팽창계수의 개별 값이 지지체 재료의 상응하는 조성에 의해 상기 범위 내에서 매칭될 수 있어야만 한다는 사실을 고려한다. 지지체 재료의 열 팽창계수를 PZT 압전세라믹의 열 팽창계수로 조절함으로써 니켈 및 코발트의 중량 조절, 그리고 언급된 선택적으로 첨가된 추가 성분들의 조절에 의한 니켈/코발트/철 합금이 가능해진다.

이에 대한 대안으로서 이는 또한 니켈/철 합금 내 니켈의 중량, 그리고 언급된 추가 성분들의 정해진 중량의 첨가에 의해 가능해진다.

최종적으로 이는 미량원소의 경우에 따른 남은 도핑을 가지며 규소 및 게르마늄을 함유하는, 반도체 재료 내에 함유된 규소 및 게르마늄의 중량을 조절함으로써 가능해진다.

개별 성분들의 청구항 제 1항 내지 제 3항에 제시된 부분들에 의해 지지체의 재료의 열 팽창계수는 PZT 압전세라믹의 열 팽창계수의 변동율 내에서 조절될 수 있다. 이러한 방식으로 분극된 상태에 있는 PZT 압전세라믹의 열 팽창계수는 지지체 재료의 열 팽창계수와 가능한한 크게 매칭된다.

본 발명의 한 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다.

여기서, 도면은 지지체(2), 그리고 상기 지지체(2)의 한 측면에 제공되며 납-지르코늄-압전세라믹(3)으로 이루어진 층을 갖는 압전세라믹 휨 변환기를 도시한다. 상기 압전세라믹(3)은 지지체(2) 쪽으로 향한 내부 전극(5) 및 외부 전극(6)으로 커버된다. 상기 양 전극(5 및 6)은 은 팔라듐으로 이루어진 금속 증착층으로서 압전세라믹(3)의 표면에 제공된다.

상기 납-지르코늄-티타늄 압전세라믹(3)은 전극(5 및 6)에 의해 분극화된다. 상기 압전세라믹(3)은 내부 전극(5)과 외부 전극(6) 사이에 전압을 인가함으로써 작동된다. 상기 지지체(2)는 니켈/코발트/철 합금으로 이루어지며, 상기 합금은 28.5 중량 % 니켈, 18 중량 % 코발트, 0.25 중량 % 망간, 0.25 중량 % 규소, 그리고 잔여 철을 포함한다.

상기 내부 전극(5)의 전기적 접촉을 위해 상기 지지체(2)의 자유 단부에는 소형 구리 플레이트(8)가 접착되며, 상기 플레이트(8)는 부분적으로 지지체(2)와 내부 전극(5) 사이에 놓여진다. 상기 구리 플레이트(8)는 단자 와이어(10)에 쉽게 납땜 접촉되는 것을 가능하게 한다.

단지 한 측면에만 제공된 압전세라믹(3)으로 인해, 유니몰프라고도 표기되는 도시된 휨 변환기(3)를 작동시키기 위해 한 전위가 단자(10) 위에 놓인다. 여기서, 외부 전극(6)은 대지 전위에 놓이게 된다.

개관의 용이함을 위해 청구항 제 2항 및 제 3항에 언급된 지지체(2)용 재료들은 추가 도면으로 도시되지 않는다.

Claims (3)

1. 평면 지지체(2), 그리고 납, 지르코늄 및 티타늄을 함유하며 상기 지지체(2)의 적어도 한 측면에 놓인 분극된 압전세라믹(3)을 가지며, 상기 지지체(2)의 열 팽창계수는 상기 분극된 압전세라믹(3)의 열 팽창계수에 매칭되는 압전세라믹 휨 변환기(1)에 있어서,

   상기 지지체(2)는 28 내지 30 중량 % 니켈, 16 내지 18 중량 %의 코발트, 탄소, 망간 및 규소를 함유하는 족 \중에서 선택된 적어도 하나의 0 내지 3 중량 %의 원소, 그리고 잔여 철을 함유하는 니켈/코발트/철 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 휨 변환기(1).
2. 평면 지지체(2), 그리고 납, 지르코늄 및 티타늄을 함유하며 상기 지지체(2)의 적어도 한 측면에 놓인 분극된 압전세라믹(3)을 가지며, 상기 지지체(2)의 열 팽창계수는 상기 분극된 압전세라믹(3)의 열 팽창계수에 매칭되는 압전세라믹 휨 변환기(1)에 있어서,

   상기 지지체(2)는 40 내지 44 중량 % 니켈, 코발트, 크롬, 탄소, 망간, 인, 황산, 규소 및 알루미늄을 함유하는 족 중에서 선택된 적어도 하나의 0 내지 3 중량 %의 원소, 그리고 잔여 철을 포함하는 니켈/철 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 휨 변환기(1).
3. 평면 지지체(2), 그리고 납, 지르코늄 및 티타늄을 함유하며 상기 지지체(2)의 적어도 한 측면에 놓인 분극된 압전세라믹(3)을 가지며, 상기 지지체(2)의 열 팽창계수는 상기 분극된 압전세라믹(3)의 열 팽창계수에 매칭되는 압전세라믹 휨 변환기(1)에 있어서,

   상기 지지체(2)는 10 내지 55 중량 % 규소, 45 내지 90 중량 % 게르마늄, 그리고 나머지 미량원소를 포함하는 반도체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전세라믹 휨 변환기(1).