KR20180074730A - 전기 기계적 소자를 활성시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음 단계를 포함하는 전기 기계적 소자의 적어도 한 부분, 구체적으로 변경 섹션을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 그 방법은 전기 기계적 소자를 제공하는 단계, 적어도 변경 섹션은 서로 이격된 적어도 두 개의 전극 및 전극 사이에 배치된 다수의 도메인을 갖는 다결정 및 강유전성 또는 강유전성-압전 재료를 포함하고, 초기 상태에서 도메인의 적어도 일부는 서로 다른 분극 방향을 포함하고; 정의된 진폭 및 정의된 지속 시간을 갖는 적어도 하나의 전압 펄스의 형태로 전압을 인가함으로써 변경 섹션의 전극 사이에 전계를 생성하는 단계; 적어도 하나의 전압 펄스로 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인의 일부를 동일한 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 증가를 유지하도록 생성하는 단계, 또는 적어도 하나의 전압 펄스로 동일한 분극 방향을 갖는 도메인의 일부를 서로 다른 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 감소를 유지하도록 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 작동 소자로서 전술한 방법에 따라 제어되는 전기 기계적 소자의 사용에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제어되는, 서로에 대해 이동되는 두 개의 소자 사이의 전기 기계적 소자의 배치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기 기계(electromechanical) 소자를 제어하는 방법 및 상기 방법에 의해 제어된 전기 기계적 소자를 조정 소자로서 사용하는 방법에 관한 것이다.
미국 특허 8,138,658 B2로부터 압전-강유전성 재료의 다수의 층을 갖는 액츄에이터가 공지되어 있으며, 완전히 분극되지 않은 도메인 상태를 완전히 분극된 도메인 상태로, 또는 그 반대로 변환하는 것, 즉 도메인 폴딩에 의해 강유전성 성분의 비 선형 효과를 이용하기 위해, 정의된 전계가 개별 층에 선택적으로 인가될 수 있다. 도메인 폴딩에 의해, 불연속적인 변형이 변화하고, 즉, 액츄에이터의 추가 층에서의 압전 효과의 이용이 선형 및 연속 변형 변화를 유도하는 동안 변형 점프가 이들 층에서 달성 될 수 있다. 전체적으로, 이는 조정 이동 범위가 확장된 액츄에이터가 된다. 추가적인 이점은 도메인 폴딩에 의해 생성된 액츄에이터의 변형이 외부 전압을 인가하지 않고도 유지된다는 것이다.
미국 특허 8,138,658 B2에 공지된 액츄에이터의 단점은 변형 점프의 발생이며, 따라서 이 액츄에이터는 미세 조정 이동에 사용될 수 없거나 매우 높은 제어 노력에서만 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 전기 기계적 소자, 즉 변경 섹션의 적어도 하나의 섹션을 제어하여, 매우 미세하고 한정된 조정 이동에 적합한 방법을 제공하는 목적에 기반하며, 전계의 인가에 의해 생성된 변경 섹션의 변형은 대응하는 전계를 제거한 후에도 유지된다.
이러한 목적은 제 1 항에 따른 방법에 의해 달성되며, 종속항은 적어도 다른 실시예를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 기본은 전기 기계적 소자의 적어도 일부를 제어하는 방법이며, 대응하는 부분은 변경 섹션을 한정한다. 여기서 변경 섹션은 완전한 전기 기계적 소자 또한 포함할 수 있음은 강조되어야 한다. 즉, 본 발명은 완전한 전기 기계적 소자가 변경 섹션에 대응하고, 완전한 전기 기계적 소자가 본 발명에 따른 방법에 의해 활성화되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 방법은, 전기 기계적 소자의 적어도 하나의 섹션을 제어하는 방법으로서, 대응하는 섹션은 변경 섹션을 정의하고, 전기 기계적 소자를 제공하는 단계, 적어도 변경 섹션은 서로 이격된 적어도 두 개의 전극 및 전극 사이에 배치된 다수의 도메인을 갖는 다결정 및 강유전성 또는 강유전성-압전 재료를 포함하고, 초기 상태에서 도메인의 적어도 일부는 서로 다른 분극 방향을 포함하고; 정의된 진폭 및 정의된 지속 시간을 갖는 적어도 하나의 전압 펄스의 형태로 전압을 인가함으로써 변경 섹션의 전극 사이에 전계를 생성하는 단계; 적어도 하나의 전압 펄스로 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인의 일부를 동일한 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 증가를 유지하도록 생성하는 단계, 또는 적어도 하나의 전압 펄스로 동일한 분극 방향을 갖는 도메인의 일부를 서로 다른 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 감소를 유지하도록 생성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "전기 기계적 소자"라는 용어는 가장 일반적인 의미에서, 전압의 작용 또는 전계의 작용으로 인해, 기계 반응, 예를 들어 액츄에이션 이동을 위해 차례로 사용되는 연장 변화가 유발되는 소자를 의미한다. 동시에, 이 용어는 가장 일반적인 의미에서 역 방식 기계 반응, 예를 들어 압축력의 인가가 전계 또는 전압의 생성시키는 소자를 지칭한다.
본원에서 사용된 "도메인"이라는 용어는 분극의 동일한 또는 거의 동일한 방향이 존재하는 다결정 강유전체 또는 강유전성-압전 재료의 일부를 의미한다.
언급된 용어 "연장 방향(V)"은 특정 적용 예에 사용할 수 있는 전기 기계적 소자의 연장 및 최대 크기 방향을 기술한다.
전압 펄스의 진폭 및 지속 시간에 의존하여, 분극 상태는 도메인의 더 작은 또는 더 큰 부분에서 적어도 하나의 전압 펄스에 의해 영구적으로 변화되어, 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 정의되고 지속적인 변형 변화가 발생한다. 이 경우, 상이한 분극 방향을 갖는 대응하는 도메인이 동일한 분극 방향의 상태로 변환되는 경우, 그 결과는 전기 기계적 소자의 변경 섹션을 연장 방향(V)을 따라 확대 연장하는 반면, 동일한 분극 방향을 갖는 도메인이 분극 방향이 다른 상태로 변화하면 전기 기계적 소자의 변경 부분의 연장이 연장 방향(V)을 따라 감소된다.
전압 펄스의 지속 시간은 50 내지 150 ms, 바람직하게는 70 내지 120 ms 인 것이 유리할 수 있다.
이 경우, 전압 펄스의 상승 섹션의 지속 시간 및 전압 펄스의 하강 섹션의 지속 시간이 5 내지 20 ms, 바람직하게는 8 내지 12 ms 인 것이 유리할 수 있다 .
또한, 전기 기계적 소자를 제공하는 단계 이후에, 적어도 하나의 전압 펄스의 형태로 전압을 인가함으로써 변경 섹션의 전극 사이에 전계를 생성하는 단계 이전에, 전압 또는 전압들이 변경 섹션의 전극에 인가되는, 변경 섹션의 정의된 초기 연장을 생성하는 추가적인 단계가 수행되고, 이후에 100%의 분극률에 대응하는 최대 연장 증가 및/또는 변경 섹션의 0%의 분극률에 대응하는 최대 연장 감소가 발생되고, 최대 연장 증가 및 최대 연장 감소의 차이는 최대 가능한 연장 변화 범위로 정의되는 것이 유리할 수 있다.
또한, 최대 연장 변화 범위의 50% 미만의 의도된 연장 변화에서, 전압은 0%의 분극률을 초래하는 변경 섹션의 전극에 인가되고, 최대 연장 변화 범위의 50%를 초과하는 의도된 연장 변화에서, 전압은 100%의 분극률을 초래하는 변경 섹션의 전극에 인가되는 것이 유리할 수 있다.
또한, 전기 기계적 소자의 마련에 의해, 초기 상태에서, 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 재료의 분극률이 40% 내지 60%이고, 구체적으로는 바람직하게 50%인 것이 유리할 수 있다. 이 경우 분극률에 따라, 동일한 분극 방향을 갖는 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 재료의 도메인의 비율이 지정된다. 전기 기계적 소자의 초기 상태에서의 변경 섹션의 재료의 대응하는 분극에 의해, 동일한 분극 방향의 도메인의 수를 줄임으로써 초기 상태로부터 이미 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장을 감소시키는 것이 가능하다.
또한, 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 정의된 증가에 대한 적어도 하나의 전압 펄스의 진폭이 결정되어 인접한 전극 사이의 결과적인 전계 강도가 보자력의 50% 내지 200%가 되도록 결정되는 것이 유리할 수 있다. 이 경우, 적용되는 지속 시간 및/또는 전압 펄스의 수가 클수록, 대응하는 진폭은 더 작을 수 있다. 반대의 경우, 대응하는 증폭이 더 클 수 있으며 지속 시간 및/또는 전압 펄스의 수는 더 작아진다. 강유전성 재료의 도메인의 모든 쌍극자 모멘트를 필드 방향(포화 분극)으로 만족시키거나 또는 분극을 0으로 감소시키기에 충분한 전계 강도는 보자력에 의해 의도될 수 있다.
또한, 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 변경 섹션의 연장에서 정의된 감소에 대한 적어도 하나의 전압 펄스의 진폭이 결정되어 인접한 전극 사이의 결과적인 전계 강도가 보자력의 10% 내지 90%이 되도록 결정되는 것이 유리할 수 있다. 여기서도 마찬가지로 인가된 전압 펄스의 수 및/또는 지속 시간이 클수록, 진폭은 작을 수 있고, 반대로, 대응하는 증폭이 클수록, 인가된 전압 펄스의 수 및/또는 지속 시간은 더 작아진다.
또한, 제 2 전압 펄스는 제 1 전압 펄스를 뒤따르고, 제 2 전압 펄스는 제 1 전압 펄스와 상이한 극성을 갖는 것이 유리할 수 있다.
또한, 제 2 전압 펄스의 진폭은 제 1 전압 펄스의 진폭과 상이하고, 바람직하게는 제 2 전압 펄스의 진폭은 제 1 전압 펄스의 진폭보다 크기가 작은 것이 유리할 수 있다.
또한, 본 발명은 작동 소자로서 전술한 방법에 따라 제어되는 전기 기계적 소자의 사용에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제어되는, 서로에 대해 이동되는 두 개의 소자 사이의 전기 기계적 소자의 배치에 관한 것이다.
이 경우에, 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 전기 기계적 소자와 서로에 대해 이동되는 두 개의 소자 중 하나의 소자 사이에 추가적인 전기 기계적 소자, 바람직하게는 압전 액츄에이터가 배치되는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 전기 기계적 소자는 두 개의 상이한 섹션을 갖는 것이 고안될 수 있으며, 그 중 하나는 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 변경 섹션이고, 남은 부분은 추가적인 전기 기계적 소자 또는 전술한 의미에서 종래의 액츄에이터를 의미하는 압전 액츄에이더에 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 변화를 결정하기 위한 실험 장치를 도시한다.
도 2는 동일한 지속 시간 및 상이한 양의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가를 도시한다.
도 3은 동일한 지속 시간 및 상이한 음의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 감소를 도시한다.
도 4는 동일한 지속 시간 및 동일한 양의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가 및 위치 안정성을 도시한다.
도 5는 동일한 지속 시간 및 상이한 양의 전압의 단순한 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가 및 위치 안정성을 도시한다.
도 6은 동일한 지속 시간 및 상이한 음의 전압의 단순한 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 감소 및 위치 안정성을 도시한다.
도 7은 액츄에이터 또는 그에 대응하는 배치로서 본 발명의 방법에 의해 작동되는 전기 기계적 소자의 사용의 개략도를 도시한다.
도 8은 단일 전압 펄스가 가해진 전기 기계적 소자의 연장 변화의 시간 프로파일의 표현을 도시한다.
도 9는 상이한 극성 및 진폭을 갖는 두 개의 연속적인 전압 펄스들에 의해 작동되는 전기 기계적 소자의 연장 변화의 시간 프로파일의 표현을 도시한다.
도 2는 동일한 지속 시간 및 상이한 양의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가를 도시한다.
도 3은 동일한 지속 시간 및 상이한 음의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 감소를 도시한다.
도 4는 동일한 지속 시간 및 동일한 양의 전압의 다중 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가 및 위치 안정성을 도시한다.
도 5는 동일한 지속 시간 및 상이한 양의 전압의 단순한 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 증가 및 위치 안정성을 도시한다.
도 6은 동일한 지속 시간 및 상이한 음의 전압의 단순한 전압 펄스를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 감소 및 위치 안정성을 도시한다.
도 7은 액츄에이터 또는 그에 대응하는 배치로서 본 발명의 방법에 의해 작동되는 전기 기계적 소자의 사용의 개략도를 도시한다.
도 8은 단일 전압 펄스가 가해진 전기 기계적 소자의 연장 변화의 시간 프로파일의 표현을 도시한다.
도 9는 상이한 극성 및 진폭을 갖는 두 개의 연속적인 전압 펄스들에 의해 작동되는 전기 기계적 소자의 연장 변화의 시간 프로파일의 표현을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 연장 방향(V)을 따라 전기 기계적 소자의 연장 변화 동작을 결정하기 위한 실험 장치를 도시한다. 이 경우, 전기 기계적 소자의 변경 섹션은 완전한 전기 기계적 소자에 해당한다.
이 경우, 외경 16mm, 내경 8mm 및 두께 2.5mm의 링 형태의 전기 기계적 소자(3)는 Thuringia의 PI Ceramic GmbH 사의 압전 세라믹 재료 PIC252 로 구성된다. 이 압전 세라믹 재료는 1.1kV/mm의 보자력을 갖는다. 연장 방향(V)는 전기 기계적 소자의 두께 연장의 방향에 대응한다.
전기 기계적 소자(3)는 압전 세라믹 재료의 다수의 층을 가지며, 각각의 층은 삽입된 전극 에 의해 분리되고(이른바 다층 구조), 각각의 경우 두 개의 인접한 전극 사이에서, 압전 세라믹 재료 내의 원하는 전계를 형성하기 위한 해당하는 전압이 인가될 수 있다. 압전 세라믹 재료 층과 그 사이에 배치된 전극의 적층 방향은 전기 기계적 소자의 두께 연장 방향이다. 따라서, 연장 방향(V)은 전극에 실질적으로 수직하게 연장된다. 그러나, 전기 기계적 소자의 연장 방향(V)은 전극에 평행한 것으로도 가능하다.
상술한 전기 기계적 소자에 대한 다층 구조 이외에, 전기 기계적 소자의 외측에만 전극을 배치하고, 전극 사이에 전기 기계적 성질을 갖는 재료만을 배치하는 구성도 가능하다.
전기 기계적 소자(3)는 나사 머리와 가동 플레이트 사이에 배치된 플레이트 스프링 및 베이스 플레이트의 나삿니에 나사 결합된 나사로 구성된 바이어싱 장치(4)를 통해 가동 플레이트(1) 및 베이스 플레이트(2) 사이에 견고하게 클램핑되며, 약 100N의 바이어싱 힘이 발생한다. 베이스 플레이트와 가동 플레이트 사이에, 전기 기계적 소자의 연장 변화와 상호 관련된 거리 측정 용 용량성 측정 시스템(5)이 제공된다.
도 2는 도 1에 따른 실험 장치를 통해 얻은 측정 결과를 도시한다. 이는 실온에서 측정되었다. 이 경우에, 한편으로, 전기 기계적 소자에 인가된 각각의 전압 펄스 및 다른 한편으로는 대응하는 전기 기계적 소자의 연장 변화가 도시된다. 개별 전압 펄스는 10ms 의 지속 시간을 가지며, 인가된 전압 펄스의 주파수는 1Hz이다.
10ms 의 지속 시간을 갖는 실험실용 실험 장치에서 사용되는 전압 펄스는, 대응하는 전압원의 출력 단이 통상적으로 제한된 출력 전력만을 가지기 때문에, 실제 애플리케이션에서는 다소 불리하다. 이러한 짧은 펄스 시간에서 매우 높은 전류가 반드시 제공되어야 하며, 이는 선택적으로 전력 증폭기로부터 보장받을 수 없다. 실제 응용에 대해 실제적으로, 전압 펄스는 50 내지 150ms, 바람직하게는 70 내지 120ms의 지속 시간을 가지며, 전압 펄스의 플랭크 상의 증가 및 감소 시간은 5 내지 20ms, 바람직하게는 8 내지 12 ms이다.
80V의 양의 전압 미만의 진폭을 갖는 전압 펄스의 경우, 전기 기계적 소자에서 식별 가능한 연장 또는 두께 변화가 없다. +80V의 전압 펄스에서만 연장 또는 두께의 확실한 증가가 각 개별 펄스에서 발생한다. 이는 초기 펄스에서 더 크고 펄스 수가 증가하면 감소한다.
도 2에서, 각각의 전압 펄스의 시작에서, 비교적 큰 연장 또는 두께 변화가 발생하지만, 이것은 전압 펄스의 종료와 함께 초기에 급격히 감소하고, 단지 아주 조금 더 긴 시간 동안의 직접 연결에서 감소한다는 것을 알 수 있다. 이러한 연장 동작은 처음에, 즉, 전압 펄스의 시작과 함께 도메인의 영구적이고 불안정한 재배치과 역 압전 효과의 여기가 전기 기계적 소자 내에서 발생한다는 사실 때문이다. 영구적인 도메인 재배치와 대응하는 하는 잔류 연장은 여기서 유일하게 효과적으로 사용된다. 불안정한 도메인 재배치라는 용어는 전압 펄스가 특정 수의 도메인이 재배치를 겪는 상황을 말하나, 안정적이지 않지만, 오직 불안정하기 때문에 이전 상태로의 재배치가 발생한다. 크리프(creep)라고 불리는 이 과정은 이 영역의 연장이 보다 느리게 감소하는 것을 설명할 수 있도록 시간이 걸린다.
그러므로 연장 또는 두께 증가를 유지하는 마이너스 크리프 프로세스는 전기 기계적 소자의 압전 세라믹 재료의 개별 도메인의 쌍극자의 특정 수의 지속되거나 영구적인 배향에 기반한다. +80V의 전압을 갖는 인가된 전압 펄스의 수가 증가함에 따라, 전기 기계적 소자는 증가하는 분극을 겪고, 이 분극은 전압의 제거 후에도 잔류하는 영구적이거나 남은 변형을 일으킨다.
도 3은 도 1에 따른 실험 장치를 실온에서 전기 기계적 소자에 대해, 즉, 도 2에 따른 측정을 수행 한 후에 얻어진 추가 측정 결과를 도시한다. 따라서, 초기 상태는 이미 전기 기계적 소자 연장 방향(V)을 따라 연장되거나 두께 방향으로 연장되며, 제 1 단계에서 펄스는 -20V의 낮은 음의 전압으로 인가된다. 이미 이 낮은 전압은 개별 펄스가 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께 감소를 야기하는데 충분하며, 이는 후속 펄스에서 보다 초기 펄스에서 더 강하다. 이 연장 또는 두께 감소는 전기 기계적 소자의 압전 세라믹 재료의 부분 탈분극에 기반한다. 따라서 이미 정렬된 개별 도메인에서 쌍극자는 비정렬 상태로 변환된다.
음의 전압이 -40V로 추가적으로 변화되는 경우, 각각의 해당하는 펄스로 탈분극 또는 더 큰 연장 또는 두께 감소가 있으며, 이는 초기에 훨씬 강하다. 음의 전압을 -60V로 다시 변경하면 이전에 적용된 두 개의 전압 펄스와 비교하여 연장 또는 두께 감소가 다시 증가한다. 전압이 -80V로 설정되면, 소위 재분극은 전기 기계적 소자의 압전 세라믹 재료의 도메인에서 발생한다. 그 결과 이전의 탈분극의 정렬 방향과 반대 방향으로 쌍극자의 자발적 배향을 야기한다. 따라서, -80V의 음의 전압을 갖는 펄스는 +80V의 양의 전압을 갖는 펄스의 인가에서의 연장 또는 두께 증가의 단계와 유사한 연장 또는 두께 증가의 연속 단계를 야기한다.
도 4는 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자에 대한 측정 결과로서, 각각 10 ms 의 펄스 지속시간, 1Hz의 펄스 주파수 및 +80V의 전압을 갖는 다섯 개의 전압 펄스는 실온에서 전기 기계적 소자에 인가된다. 따라서 전압원은 전기 기계적 소자로부터 분리된다. 전기 기계적 소자로부터 상기 전압원을 분리 한 후에는 대응하는 분극으로 인해 상응하여 유도된 연장 또는 두께가 영구적으로 및 안정적으로 유지된다.
도 5에는 측정 결과가 도시되어 있으며, 이는 또한 도 1의 실험 장치에 따른 전기 기계적 소자 상에서 상온에서 측정되었다. 이 경우, 연속적으로 세 개의 개별 펄스가 각각의 전압의 후속 제거와 함께 전기 기계적 소자의 상이한 양의 전압 레벨로 각각 10 ms 의 펄스 지속 시간으로 인가된다. +80V의 진폭을 갖는 제 1 전압 펄스는 연장 또는 두께 또는 분극의 확실한 증가를 일으키며, 이는 전압의 제거 후에 지속된다(잔류 변형). +90V의 진폭을 갖는 후속 제 2 전압 펄스는 제 1 전압 펄스에서 보다 더 큰 연장 또는 두께 증가를 초래한다. 또한, 이 연장 또는 두께 증가는 전압을 제거한 후에도 유지된다. +100V의 진폭을 갖는 제 3 전압 펄스는 최종적으로 연장 또는 두께의 최대 증가를 초래하지만, +90V에서의 연장 증가와의 차이는 +80V와 +90V 사이의 대응하는 차이보다 작다. +100V 전압을 제거한 후에도 해당 변형은 잔류한다.
도 5에 따른 측정 결과의 결정 직후에, 상이한 음의 전기 전압을 갖는 펄스가 실온에서 동일한 전기 기계적 소자에 인가되고, 마찬가지로 후속 제거로 도 1에 따른 실험 장치가 사용된다(도 6 참조). -5 V의 매우 낮은 전압에서도, 전기 기계적 소자의 연장 또는 두께의 상응하는 감소를 갖는 약간의 탈분극이 발생하고, 결과적인 연장 또는 두께 변화는 영구적이거나 잔류한다. 이것은 -10V, -20V, -30V 및 -40V의 진폭을 갖는 후속 전압 펄스와 유사하다. 각각의 경우 전기 기계적 소자의 영구적인 또는 잔류 연장 감소 또는 두께 감소가 발생하며, 각각의 감소량이 클수록 음의 전압이 높아진다. 이 효과는 처음 네 개의 전압 펄스에서 특히 분명하지만 -30V 및 -40V에서의 연장 변화의 차이는 극히 미미하다.
도 7은 한편으로 제어 소자로서 본 발명의 방법에 따라 구동되는 전기 기계적 소자의 사용을 개략적으로 도시하고, 다른 한편으로는 이러한 전기 기계적 소자의 대응 배열을 도시한다. 도 1에서와 같이, 전체 전기 기계적 소자는 전기 기계적 소자의 변화 부분을 나타낸다.
전기 기계적 소자 또는 조정 소자(3)는 이 경우에 베이스 플레이트(2)의 형태의 고정 소자와 베이스 플레이트(2)에 대해 이동되는 가동 플레이트(1) 형태의 소자 사이에 배치되며, 용량성 측정 시스템(5)에 의해, 베이스 플레이트(2)와 가동 플레이트(1) 사이의 거리가 측정되거나 제어된다. 이렇게 얻어진 거리 데이터는 대응하는 구동 신호를 전압원(7)에 전송하는 컨트롤러(6)로 전달되고, 조정 소자(3)에 전기적으로 연결된 전압원(7)은 일련의 전압 펄스 또는 단일 전압 펄스만으로 작동하여, 가동 플레이트(1)의 조정 방향에 평행인 작동 소자의 연장 방향(V)으로의 연장의 한정된 증가 또는 감소에 기인한 가동 플레이트(1)의 원하는 위치로 접근한다. 그 다음, 전압원(7)과 조정 소자(3) 사이의 전기적 접속의 분리가 존재하며, 조정 소자(3)는 전압의 인가 없이도 미리 설정되고 정의된 그 연장 변화를 영구적으로 유지한다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 전기 기계적 소자의 제어된 시스템에서의 조정 소자로서의 사용, 즉 측정 시스템의 도움 및 대응하는 측정된 값을 컨트롤러로 전송하는 것 이외에, 개방 루프 시스템에서 조정 소자로서 사용하는 것 또한 가능하다. 출원인의 실험에 따르면 약 +/-3%의 정확도가 달성되었으며, 최적화를 통해 더 높은 정확도가 나타날 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 제어되는 조정 소자로서의 전기 기계적 소자의 사용은 최소 치수로 조정 이동을 허용하고, 위치 이동의 치수는 구체적으로 높이 또는 진폭 및 전압 펄스의 지속 시간에 의존한다.
이는 압전 액츄에이터 또는 피에조 액츄에이터와 같은 종래의 전기 기계적 소자와 함께 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 전기 기계적 소자의 배치, 구체적으로 연속 배치이며, 종래의 피에조 액츄에이터는 전압이 인가되어야만 대응하는 연장이 유지되나, 본 발명의 방법에 따른 제어된 전기 기계적 소자에서는 연장 증가 또는 연장 감소가 전압의 인가 없이도 보장된다. 전술된 "행 배치"라는 용어는 전기 기계적 소자와 종래의 압전 액츄에이터가 차례로 배치되는 것을 서술하기 때문에, 종래의 압전 액츄에이터는 전기 기계적 소자와 다른 것에 대해 이동되는 소자 사이에 배치된다.
전기 기계적 소자 및 종래의 압전 소자의 전술한 연속 배치 이외에, 본 발명은 전기 기계적 소자의 잔류 부분 또는 섹션은 변경 부분과 동일하거나 상이한 설계를 가지며, 전기 기계적 소자의 잔류 부 또는 부분은 전기 기계적 소자를 구동하기 위해 종래의 방법에 의해 구동되지만, 섹션, 즉 변경 섹션이 본 발명에 따른 방법에 의해 구동되는 단일 전기 기계적 소자가 존재하는 것을 제공한다. 예를 들어, 전기 기계적 소자의 섹션 또는 잔류 섹션은 압전 재료가 사이에 배치되는 적어도 두 개의 전극을 갖는 압전 재료이고, 압전 재료는 완전히 분극되고, 인가된 전압과 상관 관계가 있는 연장이 실현될 수 있다. 그러나, 이는 변경 섹션의 연장에서의 변화와 대조적으로, 전압의 제거로 원래의 값으로 떨어진다. 따라서, 전기 기계적 재료의 잔류 섹션 또는 부분은 종래의 압전 액츄에이터이다.
전압의 인가에 의해 야기되는 종래의 압전 액츄에이터의 가능한 최대 연장은 전압이 인가되지 않은 연장 방향의 치수의 약 1-2? 이다. 반대로, 본 발명의 방법에 의해 제어되는 연장 방향으로 영구적으로 존재하는 가능한 최대 연장은 전압의 작용 없이, 종래의 압전 액츄에이터의 가능한 최대 연장의 약 50-60%이다(종래의 압전 액츄에이터 및 전기 기계적 소자의 구조는 동일하다).
도 8은 도 1의 테스트 배치에 따라 단일 전압 펄스에 적용되는 전기 기계적 소자의 연장의 변화의 시간 변화를 도시한다. 전압 펄스는 40V 및 100ms의 지속 시간을 가지며, 펄스의 플랭크의 증가 시간 및 감소 시간은 약 10ms의 지속 시간을 갖는다. 전압 펄스의 개시에 따라, 전기 기계적 소자의 연장이 약 4.5mm까지 급속하게 증가한다. 이 연장 확대는 전압 펄스의 종료에 따라 급격히 감소하며, 초기 상태에 대해 약 1.2㎛ 의 잔류 변형이 남는다. 더 많은 과정에서, 잔류 변형은 전압 펄스가 끝난 직후에는 일정하지 않지만 일정 기간 동안 여전히 약간의 연장 감소가 있다. 이는 일부 도메인의 전압 펄스에 의해 재배치가 일어나지만 도입된 에너지가 영구적이고 지속되는 재배치에 대해 충분하지 않다는 사실 때문이다. 해당 도메인의 이전에 실현된 재배치를 반대로 하는 폴드백 과정(크리프 프로세스 또는 크리핑)이 발생한다. 전반적으로 단일 전압 펄스의 경우 약간의 감소된 연장 변화가 발생한다.
전술한 크리핑 현상을 방지하기 위해, 제 1 전압 펄스 직후에 제 2 전압 펄스를 인가하는 것이 가능하다. 제 2 전압 펄스는 제 1 전압 펄스와 역 극성을 갖는다. 도 9는 측정도에 기반한 제 2 전압 펄스 또는 카운터 펄스에 의해 달성될 수 있는 효과를 도시하며, 도 8과 비교하여 동일한 측정 조건이다.
도 9로부터, 도 8에서 이미 알려진 바와 같이, 양의 극성의 제 1 전압 펄스에 의해, 전기 기계적 소자에 대한 연장 동작이 달성된다는 것을 알 수 있다. 음의 극성 및 동일 지속 시간을 갖지만 제 1 전압 펄스보다 진폭이 작은 후속의 제 2 전압 펄스로, 도 8의 편향에서, 전기 기계적 소자의 이전에 분극된 재료의 특정 탈분극이 일어나지만, 이러한 탈 분극은 낮으며 본질적으로 도 8에서 설명된 폴드백 프로세스가 상당히 가속되는 것을 보장한다. 따라서, 전기 기계적 소자에서 더 이상 크리핑이 측정되지 않는다. 궁극적으로, 전기 기계적 소자의 잔류 연장은 도 8에 도시된 다른 동일한 측정과 비교하여 카운터 펄스에 의해 단지 약간 감소되지만, 잔류 연장은 더 이상 시간 의존 변화를 겪지 않으며 안정된다는 결정적인 이점을 갖는다.
본 발명에 따른 방법은 전압 펄스의 시퀀스의 적용과 전기 기계적 소자의 원하는 연장을 달성하기 위한 단일 또는 유일한 전압 펄스의 적용을 모두 제공한다는 점은 명시적으로 주목되어야 한다.
Claims (13)
- 전기 기계적 소자의 적어도 하나의 섹션을 제어하는 방법으로서,
대응하는 섹션은 변경 섹션을 정의하고,
전기 기계적 소자를 제공하는 단계, 적어도 상기 변경 섹션은 서로 이격된 적어도 두 개의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 다수의 도메인을 갖는 다결정 및 강유전성 또는 강유전성-압전 재료를 포함하고, 초기 상태에서 상기 도메인의 적어도 일부는 서로 다른 분극 방향을 포함하고;
정의된 진폭 및 정의된 지속 시간을 갖는 적어도 하나의 전압 펄스의 형태로 전압을 인가함으로써 상기 변경 섹션의 상기 전극 사이에 전계를 생성하는 단계;
상기 적어도 하나의 전압 펄스로 서로 다른 분극 방향을 갖는 상기 도메인의 일부를 동일한 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 상기 전기 기계적 소자의 상기 변경 섹션의 연장에서 증가를 유지하도록 생성하는 단계, 또는 상기 적어도 하나의 전압 펄스로 동일한 분극 방향을 갖는 상기 도메인의 일부를 서로 다른 분극 방향을 갖는 상태로 변환한 것에 의하여 정의된 및 전압의 존재 없이 연장 방향(V)을 따라 상기 전기 기계적 소자의 상기 변경 섹션의 연장에서 감소를 유지하도록 생성하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전압 펄스의 지속 시간은 50 내지 150 ms, 바람직하게는 70 내지 120 ms인 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기 기계적 소자를 제공하는 단계 이후에,
상기 적어도 하나의 전압 펄스의 형태로 전압을 인가함으로써 상기 변경 섹션의 상기 전극 사이에 전계를 생성하는 단계 이전에, 상기 전압 또는 전압들이 상기 변경 섹션의 상기 전극에 인가되는, 상기 변경 섹션의 정의된 초기 연장을 생성하는 추가적인 단계가 수행되고, 이후에 100%의 분극률에 대응하는 최대 연장 증가 및/또는 상기 변경 섹션의 0%의 분극률에 대응하는 최대 연장 감소가 발생되고, 상기 최대 연장 증가 및 상기 최대 연장 감소의 차이는 상기 최대 가능한 연장 변화 범위로 정의되는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 최대 연장 변화 범위의 50% 미만의 의도된 연장 변화에서, 상기 전압은 0%의 분극률을 초래하는 상기 변경 섹션의 상기 전극에 인가되고, 최대 연장 변화 범위의 50%를 초과하는 의도된 연장 변화에서, 상기 전압은 100%의 분극률을 초래하는 상기 변경 섹션의 상기 전극에 인가되는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기 기계적 소자의 마련에 의해, 초기 상태에서, 상기 전기 기계적 소자의 상기 변경 섹션의 재료의 분극률이 40% 내지 60%이고, 구체적으로는 바람직하게 50%인 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연장 방향(V)을 따라 상기 전기 기계적 소자의 상기 변경 섹션의 연장에서 정의된 증가에 대한 상기 적어도 하나의 전압 펄스의 진폭이 결정되어 인접한 전극 사이의 결과적인 전계 강도가 보자력의 50% 내지 200%가 되는 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연장 방향(V)을 따라 상기 전기 기계적 소자의 상기 변경 섹션의 연장에서 정의된 감소에 대한 상기 적어도 하나의 전압 펄스의 진폭이 결정되어 인접한 전극 사이의 결과적인 전계 강도가 보자력의 10% 내지 90%이 되는 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 전압 펄스는 제 1 전압 펄스를 뒤따르고, 상기 제 2 전압 펄스는 상기 제 1 전압 펄스와 상이한 극성을 갖는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 전압 펄스의 진폭은 상기 제 1 전압 펄스의 진폭과 상이하고, 바람직하게는 상기 제 2 전압 펄스의 진폭은 상기 제 1 전압 펄스의 진폭보다 크기가 작은 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제어되는 전기 기계적 소자를 조정 소자로서의 사용.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제어되는, 서로에 대해 이동되는 두 개의 소자 사이의 전기 기계적 소자의 배치.
- 제 11 항에 있어서,
추가적인 전기 기계적 소자는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제어되는 상기 전기 기계적 소자와 서로에 대해 이동되는 상기 소자 중 하나 사이에 배열되는 배치. - 제 12 항에 있어서,
상기 추가적인 전기 기계적 소자는 압전 액츄에이터인 배치.
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