KR20240036070A - 센서 부착 압전 코일 및 전자 기기 - Google Patents

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슈타 키타데
토루 우다카
미키 엔도
유이치 이시다
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Abstract

[과제] 변위 센싱이 가능한 압전 코일 등의 기술을 제공하는 것이다.
[해결 수단] 본 기술에 관한 센서 부착 압전 코일은, 압전 코일과, 센서를 구비한다. 상기 압전 코일은, 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 갖고, 신축 방향으로 신축 가능하다. 상기 센서는, 상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출한다.

Description

센서 부착 압전 코일 및 전자 기기
본 기술은, 압전 코일 등의 기술에 관한 것이다.
하기 특허문헌 1에는, 코일 스프링의 표면에 띠 형상의 압전 소자가 나선 형상으로 권회됨으로써 구성된 압전 액츄에이터가 기재되어 있다.
이 압전 액츄에이터에서는, 압전 소자에 대해 전계가 인가되면, 압전 소자가 긴 길이방향으로 변형된다. 그리고, 이 압전 소자의 변형에 의해, 코일 스프링의 단면에 비틀림 모멘트가 생기고, 코일 스프링이 축방향으로 변형한다.
한편, 본 기술에 관련되는 기술로서 하기 특허문헌 2를 들 수 있다.
특허문헌 1: 일본특허공개 평6-216424호 공보 특허문헌 2: 일본특허공개 평2019-161823호 공보
이러한 종류의 코일 소자에 있어서, 변위 센싱이 가능한 기술이 요구되고 있다.
이상과 같은 사정을 감안하여, 본 기술의 목적은, 변위 센싱이 가능한 압전 코일 등의 기술을 제공하는 것에 있다.
본 기술에 관한 센서 부착 압전 코일은, 압전 코일과, 센서를 구비한다.
상기 압전 코일은, 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 갖고, 신축 방향으로 신축 가능하다.
상기 센서는, 상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출한다.
이에 의해, 변위 센싱이 가능한 압전 코일 등의 기술을 제공할 수 있다.
본 기술에 관한 전자 기기는, 센서 부착 압전 코일을 구비한다.
상기 센서 부착 압전 코일은, 압전 코일과, 센서를 가진다.
상기 압전 코일은, 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 갖고, 신축 방향으로 신축 가능하다.
상기 센서는, 상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출한다.
[도 1] 제1 실시 형태에 관한 센서 부착 압전 코일을 나타내는 측면도이다.
[도 2] 센서 부착 압전 코일을 나타내는 상면도이다.
[도 3] 센서 부착 압전 코일을 나타내는 사시도이다.
[도 4] 센서 부착 압전 코일의 단면도이다.
[도 5] 센서 부착 압전 코일의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
[도 6] 제1 샘플(제2 압전재: PZT)에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
[도 7] 제2 샘플(제2 압전재: P(VDF-TrFE))에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
[도 8] 변위 센싱에 있어서의 신호 검출의 다른 예를 나타내는 도면이다.
[도 9] 제2 실시 형태에 관한 센서 부착 압전 코일을 나타내는 사시도이다.
[도 10] 심재의 길이 방향에 직교하는 평면에서의 센서 부착 압전 코일의 단면도이다.
[도 11] 각 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일을 나타내는 도면이다.
≪제1 실시 형태≫
<전체 구성 및 각 부의 구성>
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 센서 부착 압전 코일(100)을 나타내는 측면도이다. 도 2는, 센서 부착 압전 코일(100)을 나타내는 상면도이다. 도 3은, 센서 부착 압전 코일(100)을 나타내는 사시도이다. 도 4는, 센서 부착 압전 코일(100)의 단면도이다.
도 1~도 3에서는, 도 4에 도시되어 있는 표면 전극(14), 검출 전극(23)이 생략되어 도시되어 있다. 또한, 도 3에서는, 센서 부착 압전 코일(100)에 있어서 1주(1바퀴)분의 기본 단위가 도시되어 있다. 또한, 도 4에서는, 센서 부착 압전 코일(100)의 단면의 절반이 부분적으로 도시되어 있다.
센서 부착 압전 코일(100)은, 코일 스프링 형상으로 구성되어 있고, 코일의 중심축 방향(신축 방향: 도 1의 1점 쇄선 참조: Z축 방향)으로 신축 가능하도록 되어 있다. 한편, 센서 부착 압전 코일(100)에 있어서의 전체적인 감김 수나, 단위길이당의 감김 수 등은, 임의로 설정할 수 있다.
센서 부착 압전 코일(100)은, 코일의 중심축 방향으로 신축 가능한 압전 코일(10)과, 압전 코일(10)의 신축에 의한 변위를 검출가능한 변위 센서(20)를 구비하고 있다. 변위 센서(20)에 의해 검출된 압전 코일(10)의 변위 값은, 센서 부착 압전 코일(100)의 피드백 제어 등에 사용된다.
압전 코일(10)은, 신축 방향(Z축 방향)으로 신축 가능한 코일 형상의 심재(11)와, 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 감겨진 3개의 제1 압전재(12)와, 제1 압전재(12)의 두께 방향으로 전계를 인가하는 제1 전극부(13)를 가지고 있다. 또한, 변위 센서(20)는, 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 감겨진 1개의 제2 압전재(21)와, 제2 압전재(21)에 의해 발생한 전압을 검출하는 제2 전극부(22)를 포함한다.
심재(11)는, 코일 스프링 형상으로 구성되어 있고, 그 단면(심재(11)의 길이 방향에 수직한 단면)이 원형으로 되어 있다. 한편, 심재(11)의 단면에 대해서는, 타원형, 다각형 등이어도 되고, 이 단면의 형상에 대해서는, 특히 한정되지 않는다.
심재(11)는, 예를 들면, 그래파이트, Mg합금, Al, Ti, SUS, W, Au, Ag, Cu, Pt, 세라믹스, 또는 폴리머 수지로부터 선택된 적어도 1종류 이상의 재료에 의해 구성된다.
제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)는, 각각, 길이 방향으로 길고, 폭 방향으로 짧고, 두께 방향으로 얇은 띠 형상으로 구성되어 있다. 도 1~도 4에 나타내는 예에서는, 제1 압전재(12)의 수가 3개로 되어 있지만, 제1 압전재(12)의 수는, 1개, 2개, 4개, … 등이어도 되고, 그 수에 대해서는 특히 한정되지 않는다.
한편, 본 명세서 중의 설명에서는, 복수의 제1 압전재(12)를 특별히 구별하지 않을 경우에는, "제1 압전재(12)”라고 기재하고, 복수의 제1 압전재(12)를 특별히 구별할 경우, 제1 압전재(12)의 수에 따라, "제1 압전재(12a)”, "제1 압전재(12b)”, "제1 압전재(12c)”, … 라고 기재한다.
제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)는, 심재(11)의 길이 방향을 따르는 방향(도 1: 1점 쇄선 참조)에서 제1 압전재(12a), 제1 압전재(12b), 제1 압전재(12c), 제2 압전재(21), 제1 압전재(12a), 제1 압전재(12b), 제1 압전재(12c), 제2 압전재(21), … 와 같이, 서로 교대로 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 감겨지고 있다.
3개의 제1 압전재(12)는, 심재(11)의 길이 방향을 따르는 방향으로 늘어서도록 정렬되어 있다. 제2 압전재(21)는, 심재(11)의 길이 방향을 따르는 방향에서 3개의 제1 압전재(12)의 간극에 개재되어 있고, 3개의 제1 압전재(12)에 대해 심재(11)의 길이 방향을 따르는 방향으로 배치되어 있다. 또한, 제2 압전재(21)는, 심재(11)의 길이 방향을 따르는 방향에서 3개의 제1 압전재(12)와 교대로 배치되어 있다.
제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)는, 심재(11)의 길이 방향(도 1: 1점 쇄선 참조)에 대하여 소정의 각도(예를 들면, 45°±15° 정도: 심재(11)의 길이 방향이 0°)로 감겨져 있다.
압전재(12, 21)는, 예를 들면, Pb(Zr, Ti)O3[PZT], PbTiO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PMN-PT], Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PZN-PT], BaTiO3[BT], (K, Na)NbO3[KNN], KNbO3, NaNbO3, (K, Na, Li)NbO3, (K, Na, Li)(Nb, Ta, Sb)O3, (Sr, Ba)Nb2O6, (Sr, Ca)NaNb5O15, (Na, K)Ba2NbO15, BiFeO3, Bi4Ti3O12, (Bi1/2K1/2)TiO3, (Bi1/2Na1/2)TiO3, BaTiO3-(Bi1/2K1/2)TiO3, BaTiO3-(Bi1/2Na1/2)TiO3, AlN, LiNbO3, LiTaO3, 알파-SiO2, GaPO4, LiB4O7, La3Ga5SiO14, La3Ta0.5Ga5.5O14, MgSiO3, ZnO, 할라이드 페로브스카이트, 플루오르화 폴리비닐리덴[PVDF], 폴리유산[PLLA], 셀룰로오스, 또는 폴리펩티드로부터 선택된 적어도 1종류 이상의 재료를 모재로 하여, 구성된다.
제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)는, 같은 재료로 구성되어 있어도 되고, 다른 재료에 의해 구성되어 있어도 된다. 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 다른 재료에 의해 구성되어 있을 경우, 제2 압전재(21)는, 제1 압전재(12)보다 부드러운(영률이 낮은) 재료에 의해 구성되어 있어도 된다.
예를 들면, 제1 압전재(12)가 PZT에 의해 구성되고, 제2 압전재(21)가 플루오르화 폴리비닐리덴[PVDF], 폴리 유산[PLLA] 등에 의해 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 센서 부착 압전 코일(100)이 신축 방향으로 신축할 때에, 변위 센서(20)(제2 압전재(21))가 그 움직임의 제한으로 되어버리는 영향을 저감할 수 있다.
한편, 심재(11)의 길이 방향에서 서로 인접하는 제1 압전재(12)의 사이, 및 서로 인접하는 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)의 사이에는, 이들을 전기적으로 절연하기 위한 절연부(1)가 개재된다. 절연부(1)에 사용되는 재료로서는, 전형적으로는, 절연성을 가지는 재료이고, 또한, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)에 사용되는 재료보다 상대적으로 유연성이 높은 재료가 사용된다. 이 조건을 만족하는 재료로서는, 예를 들면, 합성 수지, 합성 수지폼 등을 들 수 있다.
한편, 절연부(1)에 사용되는 재료로서 유연성이 높은 재료가 사용되는 이유는, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 틀어질 때, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 인접하는 압전재에 대해 주는 압력이나 마찰 등의 영향을 절연부(1)에 의해 흡수함으로써, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 파손되는 것을 방지하기 위해서다.
한편, 절연부(1)는, 서로 인접하는 제1 압전재(12)의 사이, 및 서로 인접하는 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)의 사이에 형성된 공극이어도 된다(예를 들면, 후술하는 도 9 참조).
제1 전극부(13)는, 제1 압전재(12)에 대하여, 제1 압전재(12)의 두께 방향으로 전압을 인가하는 것이 가능하도록 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1 압전재(12)의 두께 방향으로 전압이 인가되지만, 제1 압전재(12)의 길이 방향으로 전압이 인가되어도 된다. 제1 압전재(12)는, 제1 전극부(13)에 의해 전압이 인가되면 틀어지는데, 이 때, 제1 압전재(12)의 긴 길이 방향에서의 신축이 압전 코일(10)에 있어서의 중심축 방향(도 1: 점선 참조)에서의 변형에 기여한다.
제1 전극부(13)는, 심재(11)와, 제1 압전재(12)의 두께 방향에 있어서 심재(11)와의 사이에서 제1 압전재(12)를 끼우는 표면 전극(14)을 가지고 있다. 심재(11) 및 표면 전극(14)은, 일방이 정극으로 되고, 타방이 부극으로 된다.
표면 전극(14)은, 예를 들면, 금속 등의 각종 재료에 의해 구성되어 있고, 제1 압전재(12)의 표면 상에서, 제1 압전재(12)의 표면 전체를 덮도록 층상으로 설치되어 있다. 표면 전극(14)은, 3개의 제1 압전재(12)에 대해 각각 개별로 설치되어 있고, 제1 압전재(12)와 마찬가지로, 심재(11)에 대해 나선 형상으로 되어 있다.
제2 전극부(22)는, 압전 코일(10)의 신축에 따라 제2 압전재(21)의 두께 방향으로 발생한 전압을 검출하는 것이 가능하도록 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 제2 압전재(21)의 두께 방향으로 발생한 전압이 검출되지만, 제2 압전재(21)의 길이 방향으로 발생한 전압이 검출되어도 된다.
제2 전극부(22)는, 제2 압전재(21)의 표면에 설치된 검출 전극(23)을 가지고 있다. 검출 전극(23)은, 예를 들면, 금속 등의 각종 재료에 의해 구성되어 있고, 제2 압전재(21)의 표면 상에서, 제2 압전재(21)의 표면 전체를 덮도록 층상으로 설치되어 있다. 검출 전극(23)은, 제2 압전재(21)와 마찬가지로, 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 심재(11)는, 코일 스프링으로서의 역할과, 제1 전극부(13)의 일부로서의 역할의 2개의 역할을 담당하고 있다. 이와 같이, 심재(11)가 제1 전극부(13)의 일부로서의 역할을 가지고 있을 경우, 심재(11)의 재료로서, 비교적으로 도전율이 높은 재료(예를 들면, 그래파이트, Mg 합금, Al, Ti, SUS, W, Au, Ag, Cu, Pt 등의 금속)가 사용된다.
한편, 심재(11)의 표면에 대해, 증착, 스퍼터링, 도포 등에 의해 특별히 전극층이 형성되어 있어도 된다. 즉, 심재(11)의 표면과, 제1 압전재(12)의 배면의 사이에 전극층(배면 전극)이 개재되어 있어도 된다. 이 경우, 심재(11)는, 제1 전극부(13)의 일부로서의 역할을 가지지 않아도 되기 때문에, 예를 들면, 심재(11)의 재료로서 절연체 등을 사용할 수도 있다.
<제1 압전재(12)의 개수>
여기서, 본 실시형태에 있어서는, 제1 압전재(12)의 개수에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 제1 압전재(12)의 개수는, 2개 이상으로 함으로써, 1개인 경우에 비해, 압전 코일(10)의 압전 응답 성능이 향상된다는 점을 시뮬레이션 결과로서 알고 있다.
압전 응답 성능은, 틀어짐 및 발생력을 포함한다. 틀어짐은, 제1 압전재(12)에 소정의 전계가 인가되었을 때, 전계가 인가되고 있지 않을 경우에 비해, 압전 코일(10)이 코일의 중심축 방향(도 1: 점선 참조)으로 어느 정도 틀어졌는지(수축되었는지)의 비율이다. 또한, 발생력은, 제1 압전재(12)에 소정의 전계가 인가되었을 때, 압전 코일(10)에 의해 발생된 코일의 중심축 방향에서의 힘이다.
제1 압전재(12)의 수가 2개 이상인 경우, 제1 압전재(12)가 1개인 경우에 비해, 비틀림 및 발생력의 양자 모두가 향상된다.
한편, 제1 압전재(12)의 수를 무제한으로 늘려도 그다지 의미가 없고, 제1 압전재(12)가 어느 일정한 수 이상에 달하면 틀어짐 및 발생력이 포화하는 경향이 있다라고 하는 점도 시뮬레이션 결과로서 알고 있다.
이 때문에, 압전 코일(10)의 압전 성능의 향상 관점에서는, 제1 압전재(12)의 수는, 바람직하게는, 2~10의 범위내, 보다 바람직하게는 2~7의 범위내, 보다 바람직하게는 3~5의 범위내로 된다.
<동작 설명>
다음으로, 제1 실시 형태에 관한 센서 부착 압전 코일(100)의 동작에 대해서 설명한다. 도 5은, 센서 부착 압전 코일(100)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 제1 전극부(13)(표면 전극(14))를 통해 3개의 제1 압전재(12)에 각각 구동 전압이 인가된다. 구동 전압의 인가에 따라, 3개의 제1 압전재(12)가 틀어지고(역압전 효과), 심재(11)에 대해 응력이 발생한다. 이에 의해, 심재(11)가 신축 방향으로 신축하고, 센서 부착 압전 코일(100) 전체가 신축 방향으로 신축한다.
또한, 심재(11)에 생긴 응력은 심재(11)를 통해 제2 압전재(21)에 전달되고, 이에 의해, 제2 압전재(21)가 틀어지고, 제2 압전재(21)에 전압(전계)이 발생한다(정압전 효과). 이 때의 압전 기본식은, E=-g·T으로 나타내진다. 여기서, E는 전계이며, g는 압전 출력 상수이고, T는 응력이다.
제2 압전재(21)에 의해 발생한 전압은, 제2 전극부(22)(검출 전극(23))에 의해 취출된다. 제2 압전재(21)에 의해 발생한 전압의 크기는, 센서 부착 압전 코일(100)의 신축 정도와 상관이 있다. 따라서, 제2 압전재(21)의 발생 전압에 기초하여, 센서 부착 압전 코일(100)의 변위(압전 코일(10)이 어느 정도 신축하고 있는지의 정도)를 측정할 수 있다. 센서 부착 압전 코일(100)의 변위 정보는, 센서 부착 압전 코일(100)을 정확하게 구동시키기 위한 피드백 제어 등에 사용된다.
<압전 액츄에이터 및 발전 소자>
여기에서, 본 실시형태에서는, 주로, 압전 코일(10)이 압전 액츄에이터로서 사용되는 경우에 대해서 설명하지만, 압전 코일(10)은 발전 소자로서 사용되어도 된다.
압전 코일(10)이 압전 액츄에이터로서 사용될 경우, 제1 압전재(12)에 전압이 인가됨으로써 제1 압전재(12)가 틀어지고(역압전 효과), 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축한다. 한편, 압전 코일(10)이 발전 소자로서 사용될 경우, 압전 코일(10)이 외력에 의해 신축 방향으로 신축함으로써 제1 압전재(12)가 틀어지고, 제1 압전재(12)가 발전한다(정압전 효과).
한편, 압전 코일(10)이 압전 액츄에이터로서 사용될 경우, 제1 전극부(13)는, 제1 압전재(12)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서 사용되고, 압전 코일(10)이 발전 소자로서 사용될 경우, 제1 전극부(13)는 제1 압전재(12)에 의해 발생한 전력을 취출하기 위한 전극으로서 사용된다.
압전 코일(10)이 압전 액츄에이터로서 사용될 경우, 제2 압전재(21)가 틀어짐으로써 제2 전극부(22)로부터 취출된 압전 코일(10)의 변위 정보는, 압전 코일(10)을 정확하게 구동시키기 위한 피드백 제어에 사용된다.
또한, 압전 코일(10)이 발전 소자로서 사용될 경우, 제2 압전재(21)가 틀어짐으로써 제2 전극부(22)로부터 취출된 압전 코일(10)의 변위 정보는, 예를 들면, 이하와 같은 용도로 사용된다. 여기서, 만일 기계적인 외력을 생기게 하는 기기에 의해 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축되는 경우를 상정한다. 이 경우에 있어서, 압전 코일(10)이 늘어나는 방향으로 상한이 설정되고 있어, 또한, 압전 코일(10)이 줄어드는 방향으로 하한이 설정되어 있다고 한다.
이 경우, 압전 코일(10)의 변위 정보에 기초하여, 압전 코일(10)의 변위가 상한을 넘는지 아닌지, 및 하한을 하회하는지 아닌지가 판정된다. 그리고, 압전 코일(10)의 변위가 상한을 넘는 경우, 또는 하한을 하회하는 경우에는, 압전 코일(10)이 상한 이하 및 하한 이상의 범위에서 구동되도록 기계적인 외력을 생기게 하는 기기의 동작이 제한된다. 이에 의해, 압전 코일(10)의 파손이 방지된다.
<제2 압전재(21)에 생기게 하는 전압 등>
본 발명자들은, 제2 압전재(21)에 의해 발생하는 전압이, 변위 센서(20)로서 측정 가능한 정도의 크기의 전압인지의 여부의 시뮬레이션을 행하였다.
이 시뮬레이션에는, 센서 부착 압전 코일(100)의 샘플로서, 제1 샘플과 제2 샘플의 2종류의 샘플이 사용되었다. 제1 샘플에서는, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)의 재료로서 공통으로 PZT가 사용되었다. 한편, 제2 샘플에서는, 제1 압전재(12)의 재료로서 PZT가 사용되고, 한편, 제2 압전재(21)의 재료로서 P(VDF-TrFE)(75/25)이 사용되었다. 여기서, P(VDF-TrFE)(75/25)은, PZT보다 부드러운 재료이다.
이 시뮬레이션이 구체적인 조건은 아래와 같다.
　코일의 감김 수: 1주분의 기본 단위
　심재(11)의 재료: SUS
　제1 압전재(12)의 재료: 하드계 PZT 세라믹스
　제2 압전재(21)의 재료: 하드계 PZT 세라믹스(제1 샘플)
　　　　　　　　　　　 : P(VDF-TrFE)(75/25) (제2 샘플)
　제1 압전재(12)의 수: 3개
　제2 압전재(21)의 수: 1개
　코일의 최외경: 1mm
　제1 압전재 및 제2 압전재(21)의 감김각: 45°
　점유율: 99.7%
　심재(11)와, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)와의 경계면: 고정
한편, 코일의 최외경은, 직경 방향에 있어서 압전 코일(10)의 중심축(도 1의 점선 참조)으로부터 압전 코일(10)의 가장 외측의 위치×2이다. 또한, 감김각은, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 심재(11)에 대해 감겨지는 각도로서, 이 감김각은, 심재(11)의 길이 방향에 대해 평행한 방향이 0°로 된다. 또한, 점유율은, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 심재(11)의 표면을 어느 정도 덮고 있는지의 비율이다.
상기 조건에 있어서, 3개의 제1 압전재(12)에 인가되는 전계가 0~1.5[kV/mm]의 사이에서 변화되고, 센서 부착 압전 코일(100)의 전체 변위(코일의 중심축 방향: 도 1의 점선 참조)와, 제2 압전재(21)에서 발생하는 전압이 시뮬레이션에 의해 측정되었다.
도 6은, 제1 샘플(제2 압전재(21): PZT)에 있어서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 7은, 제2 샘플(제2 압전재(21): P(VDF-TrFE))에 있어서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7에 있어서, 횡축은 제1 압전재(12)에의 인가 전계를 나타내고 있다. 또한, 좌측의 종축은, 센서 부착 압전 코일(100) 전체의 변위를 나타내고 있고, 우측의 종축은, 제2 압전재(21)에서의 발생 전압을 나타내고 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 있어서, 실선의 그래프는, 제1 압전재(12)에의 인가 전압과, 센서 부착 압전 코일(100) 전체의 변위와의 관계를 나타내고 있다. 또한, 파선의 그래프는, 제1 압전재(12)에의 인가 전계와, 제2 압전재(21)에서의 발생 전압과의 관계를 나타내고 있다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 샘플 및 제2 샘플에서는, 양자 모두 제1 압전재(12)에 대하여 1kV/mm의 전계가 인가되면 4~5μm정도의 변위가 발생하고, 이 때, 제2 압전재(21)로부터는, 2~3V정도의 전압이 발생한다. 따라서, 변위 센서(20)로서는 충분한 전압이 제2 압전재(21)로부터 발생하는 것을 알 수 있다.
여기에서, 도 7에 나타내는 제2 샘플에 있어서 제2 압전재(21)로서 사용되고 있는 P(VDF-TrFE)는, 도 6에 나타내는 제1 샘플에 있어서 제2 압전재(21)로서 사용되고 있는 PZT보다 부드러운 재료이다.
따라서, 도 6 및 도 7에 있어서, 실선의 그래프를 비교하면, 도 7에 나타내는 실선의 그래프는, 도 6에 나타내는 실선의 그래프에 비해 구배가 심하다. 구체적으로는, 제1 샘플 및 제2 샘플에 있어서 제1 압전재(12)에 대해 같은 전계가 인가되었을 때, 제2 샘플에서의 센서 부착 압전 코일(100) 전체의 변위는(도 7 참조: 실선 참조), 제1 샘플에서의 센서 부착 압전 코일(100) 전체의 변위(도 6: 실선 참조) 보다 20% 정도 높다.
즉, 도 7에 나타내는 제2 샘플에서는, 제2 압전재(21)의 재료로서, P(VDF-TrFE)(혹은, PLLA 등)과 같은 (PZT보다) 부드러운 재료가 사용되고 있기 때문에, 압전 코일(10)이 작동할 때에, 제2 압전재(21)가 그 움직임의 제한으로 되는 영향을 적절하게 저감할 수 있다.
한편, 도 7에 나타내는 제2 샘플에 있어서 제2 압전재(21)로서 사용되고 있는 P(VDF-TrFE)은, 도 6에 나타내는 제1 샘플에 있어서 제2 압전재(21)로서 사용되고 있는 PZT보다 압전 성능(압전 상수)이 약간 낮은 재료이다.
따라서, 도 6 및 도 7에 있어서, 파선의 그래프를 비교하면, 도 7에 나타내는 파선의 그래프는, 도 6에 나타내는 파선의 그래프에 비해 구배가 약간 완만하다. 구체적으로는, 제1 샘플 및 제2 샘플에 있어서 제1 압전재(12)에 대하여 같은 전계가 인가되었을 때, 제2 샘플에 있어서 P(VDF-TrFE)가 발생하는 전압은(도 7 참조: 파선 참조), 제1 샘플에 있어서 PZT가 발생하는 전압보다 5% 정도 낮다.
즉, 압전 코일(10)의 동작 시에서의 제한 경감의 관점에서, 제2 압전재로서 P(VDF-TrFE)(혹은, PLLA 등)과 같은 (PZT보다) 부드러운 재료가 사용된 경우, PZT 등에 비해 압전 특성이 약간 낮아진다. 그러나, 제2 압전 재료로서 P(VDF-TrFE)(혹은, PLLA) 등이 사용되면, 제2 압전 재료로서 PZT 등이 사용된 경우에 비해, 발생 전압의 저하는 많아야 5% 정도이고, 제2 압전재(21)로부터 변위 센서(20)로서 측정 가능한 충분한 크기의 전압을 얻을 수 있다.
<변위 센싱의 신호 검출에 있어서의 다른 예>
다음으로, 변위 센싱에 있어서의 신호 검출의 다른 예에 대해서 설명한다. 도 8은, 변위 센싱에 있어서의 신호 검출의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 8에 나타내는 예에서는, 압전 코일(10)은 압전 액츄에이터로서 사용되고, 또한, 제2 압전재(21)는, 전압이 인가되어 제1 압전재(12)와 함께 압전 액츄에이터를 구동한다. 즉, 이 예에서는, 제2 압전재(21)는, 압전 코일(10)의 변위를 검출하기 위한 변위 센서(20)의 일부로서의 역할과, 압전 코일(10)을 구동하는 구동부의 일부로서의 역할의 2개의 역할을 겸용한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 구동 전압에 대하여 검출 전압이 중첩되어 입력 전압이 생성된다. 검출 전압은, 구동 전압보다 저전압이며, 고주파수로 된다. 이 입력 전압은, 제1 전극(표면 전극(14))을 통해 3개의 제1 압전재(12)에 각각 인가되고, 또한, 제2 전극(검출 전극(23))을 통해 제2 압전재(21)에 인가된다.
한편, 구동 전압에 대하여 검출 전압이 중첩된 입력 전압은, 제2 압전재(21)에 대해서만 인가되어도 된다. 이 경우, 검출 전압이 중첩되어 있지 않은 통상의 구동 전압이 제1 압전재(12)에 대해 입력된다. 단, 구동 전압에 대해 검출 전압이 중첩된 입력 전압을, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)에서 공통으로 입력하는 경우, 회로를 간략화할 수 있으므로, 이 점에서 유리하다.
입력 전압의 인가에 따라, 3개의 제1 압전재(12) 및 1개의 제2 압전재(21)가 틀어지고, 심재(11)에 대해 응력이 발생한다. 이에 의해, 심재(11)가 신축 방향으로 신축하고, 센서 부착 압전 코일(100) 전체가 신축 방향으로 신축한다.
이 때, 제2 전극부(22)(검출 전극(23))을 통해 제2 압전재(21)에서의 출력 전류가 취출된다. 그리고, 검출 전압이 참조 신호로 되어, 락인(lock-in) 앰프에 의해, 출력 전류로부터 참조 신호와 같은 주파수 성분이 필터에 의해 통과되어, 그 성분의 전류값만이 취출된다(락인 검출(lock-in detection)).
이 전류값은, 제2 압전재(21)의 유전율과 비례 관계에 있고, 따라서, 전류값의 변화를 측정함으로써, 제2 압전재(21)의 유전율의 변화를 측정할 수 있다. 또한, 제2 압전재(21)의 유전율의 변화는, 제2 압전재(21)의 압전 비틀림과 비례하여, 1:1로 대응되기 때문에, 압전 코일(10)의 변위를 센싱하는 것이 가능하다. 이에 의해, 센서 부착 압전 코일(100)의 움직임의 주파수뿐만 아니라, 센서 부착 압전 코일(100)의 변위 자체를 측정하는 것이 가능해진다.
여기서의 예의 경우, 전형적으로는, 제1 압전재(12)와 제2 압전재(21)에서 같은 재료가 사용된다. 이는, 제2 압전재(21)가 압전 코일(10)을 구동하는 구동부의 일부로서의 역할도 가지기 때문이며, 또한, 제2 압전재(21)(변위 센서(20))가 압전 코일(10)의 움직임의 제한으로 된다라고 하는 측면이 없어지기 때문이다.
제1 압전재(12)와 제2 압전재(21)에서 같은 재료가 사용되는 경우, 센서 부착 압전 코일(100)의 제조가 용이해진다는 이점이 있다. 또한, 제1 압전재(12)와 제2 압전재(21)에서 같은 재료가 사용될 경우, 제2 압전재(21)로서 제1 압전재(12)보다 부드럽고, 압전 성능이 낮은 재료가 사용되는 경우에 비해, 센서 부착 압전 코일(100)의 압전 성능이 저하되어 버리는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
<작용 등>
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 센서 부착 압전 코일(100)은, 코일 형상의 심재(11)와, 심재(11)에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재(12)를 갖고, 신축 방향으로 신축 가능한 압전 코일(10)과, 압전 코일(10)의 신축에 의한 변위를 검출하는 변위 센서(20)를 구비하고 있다.
이에 의해, 코일 형상의 심재(11)에 대해 제1 압전재(12)가 나선 형상으로 감겨진 압전 코일(10)에 대하여, 변위 센싱이 가능한 센서 부착 압전 코일(100)을 제공할 수 있다.
나아가, 본 실시형태에서는, 심재(11)를 따르는 방향에서 제1 압전재(12)와 교대로 배치되도록 심재(11)에 대해 나선 형상으로 감겨진 제2 압전재(21)가, 변위 센서(20)의 일부로서 기능한다. 따라서, 본 실시형태에서는, 별체로서 다른 변위 센서를 설치할 필요가 없고, 셀프 센싱 기능을 가지면서, 심플하고 소형화가 가능한 센서 부착 압전 코일(100)을 제공할 수 있다.
나아가, 본 실시형태에서는, 제1 압전재(12)의 수를 2이상으로 함으로써, 센서 부착 압전 코일(100)의 압전 성능을 향상시킬 수도 있다.
또한, 제2 압전재(21)의 재료로서, 제1 압전재(12)보다 부드러운 재료가 사용됨으로써, 센서 부착 압전 코일(100)이 작동할 때에, 변위 센서(20)(제2 압전재21)가 그 움직임의 제한으로 되는 영향을 저감할 수 있다.
한편, 제2 압전재(21)의 재료로서, 제1 압전재(12)와 같은 재료를 사용할 수도 있다. 이 경우, 센서 부착 압전 코일(100)의 제조가 용이해지고, 또한, 센서 부착 압전 코일(100)의 압전 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 도 8에 도시한 락인 검출이 행해지는 경우, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)에서 공통의 재료가 사용되면 유효하다.
또한, 센서 부착 압전 코일(100)이 압전 액츄에이터로서 사용될 경우, 변위 센서(20)에 의해 검출된 변위의 정보에 기초하여 피드백 제어가 행해해짐으로써, 센서 부착 압전 코일(100)을 정확하게 구동시킬 수 있다. 한편, 제1 압전재(12)에 고전압을 걸면 히스테리시스가 커져, 정확하게 압전 코일(10)을 구동시키는 것이 곤란하게 되는 경우가 있기 때문에, 이러한 피드백 제어를 행하는 것이 특히 유효하다.
또한, 센서 부착 압전 코일(100)이 발전 소자로서 사용될 경우, 변위 센서(20)에 의해 검출된 변위의 정보에 기초하여, 예를 들면, 상한 이하 및 하한 이상의 범위에서 센서 부착 압전 코일(100)이 구동되도록 외력을 조정함으로써, 센서 부착 압전 코일(100)의 파손을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 변위 센서(20)로서 제2 압전재(21)가 사용되고 있지만, 압전 코일(10)의 틀어짐에 의해 그 특성이 변화되는 소자라면, 어떤 소자이여도 변위 센서(20)로서 사용할 수 있다(제2 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다). 예를 들면, 제2 압전재(21) 대신에, 틀어짐 게이지(strain gauge)나, 카본 컴포지트막(carbon composite film) 등의 틀어짐에 의해 저항이 변화하는 재료를 사용할 수도 있다.
≪ 제2 실시 형태≫
다음으로, 본 기술의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 한편, 제2 실시 형태 이후의 설명에서는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 및 기능을 가지는 각 부에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 설명을 간략화 또는 생략한다.
상술한 제1 실시 형태에서는, 제2 압전재(21)가, 제1 압전재(12)에 대해 심재(11)의 길이 방향(도 1의 1점 쇄선 참조)을 따르는 방향으로 배치되는 경우에 대하여 설명하였다. 한편, 제2 실시 형태에서는, 제2 압전재(21)가, 제1 압전재(12)에 대해 심재(11)의 길이 방향에 직교하는 적층 방향으로 배치되는 경우에 대해서 설명한다.
도 9는, 제2 실시 형태에 관한 센서 부착 압전 코일(101)을 나타내는 사시도이다. 도 10은, 심재(11)의 길이 방향에 직교하는 평면에서의 센서 부착 압전 코일(101)의 단면도이다.
도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 센서 부착 압전 코일(100)은, 압전 코일(10)과, 변위 센서(20b)를 구비하고 있다.
압전 코일(10)은, 신축 방향으로 신축 가능한 코일 형상의 심재(11)와, 심재(11)에 대해 나선 형상으로 감겨진 제1 압전재(12)와, 제1 압전재(12)의 두께 방향으로 전계를 인가하는 제1 전극부(13)를 가지고 있다.
제1 전극부(13)는, 심재(11)와, 내부 전극(15)을 포함한다. 심재(11) 및 내부 전극(15)은, 일방이 정극으로 되고, 타방이 부극으로 된다.
내부 전극(15)은, 제1 압전재(12)의 표면 전체를 덮도록 설치되어 있고, 제1 압전재(12)와 마찬가지로, 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 되고 있다. 한편, 내부 전극(15)은, 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)의 사이에 개재되어 있다.
변위 센서(20b)는, 제2 압전재(21)와, 제2 전극부(22)를 포함한다. 제2 압전재(21)는, 제1 압전재(12)의 적층 방향의 외측에 배치되어 있고, 제1 압전재(12)와 마찬가지로 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 되어 있다.
제2 전극부(22)는, 검출 전극(23)을 포함하고, 제2 압전재(21)의 두께 방향으로 발생한 전압을 검출한다. 검출 전극(23)은, 제2 압전재(21)의 표면 전체를 덮도록 설치되어 있고, 제2 압전재(21)와 마찬가지로 심재(11)에 대하여 나선 형상으로 되어 있다.
도 9 및 도 10에서는, 제1 압전재(12)에 있어서의 적층 방향에서의 적층 수가 1층으로 되어 있지만, 제1 압전재(12)의 적층 수는, 2층 이상이어도 되고, 그 수에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
한편, 제1 압전재(12)의 적층 수가 증가하면(동일 체적), 작은 인가 전압에서도 더 큰 출력(변위량(틀어짐), 발생력)을 얻을 수 있거나(압전 액츄에이터), 또는, 작은 변위량(틀어짐)에서 더 큰 전력을 얻을 수 있다(발전 소자).
제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)는, 같은 재료로 구성되어 있어도 되고(예를 들면, 락인 검출의 경우), 다른 재료에 의해 구성되어 있어도 된다. 제1 압전재(12) 및 제2 압전재(21)가 다른 재료에 의해 구성되어 있을 경우, 제2 압전재(21)는, 제1 압전재(12)보다 부드러운(영률이 낮은) 재료에 의해 구성되어 있어도 된다.
도 10에 나타내는 예에서는, 제2 압전재(21)가, 적층 방향에 있어서 제1 압전재(12)의 외측에 배치되고 있지만, 제1 압전재(12)의 내측에 배치되어 있어도 된다. 또한, 제1 압전재(12)의 적층수가 2이상으로 되는 경우, 내측의 제1 압전재(12)와, 외측의 제1 압전재(12)의 사이에 제2 압전재(21)가 개재되어 있고도 된다.
한편, 제2 압전재(21)가 가장 외측에 배치되어 있으면, 제2 압전재(21)가 내측에 배치되어 있는 경우에 비해, 제2 압전재(21)가 크게 틀어지므로, 변위의 검출이 용이하게 된다.
<작용 등>
제2 실시 형태에서는, 제1 압전재(12)에 대해 적층 방향으로 배치된 나선 형상의 제2 압전재(21)가, 변위 센서(20b)의 일부로서 기능한다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 별체로서 다른 변위 센서를 설치할 필요가 없고, 셀프 센싱 기능을 가지면서, 심플하고 소형화가 가능한 센서 부착 압전 코일(101)을 제공 가능하다.
나아가, 제2 실시 형태에서는, 제1 압전재(12)의 적층 수를 2이상으로 함으로써, 작은 인가 전압에서도 더 큰 출력(변위량(틀어짐), 발생력)을 얻을 수 있거나(압전 액츄에이터), 또는, 작은 변위량(틀어짐)에서 더 큰 전력을 얻을 수 있다(발전 소자).
또한, 제2 실시 형태에 있어서, 제2 압전재(21)가 가장 외측에 배치되어 있으면, 제2 압전재(21)가 내측에 배치되어 있는 경우에 비해, 제2 압전재(21)가 크게 틀어지므로, 변위의 검출이 용이하게 된다.
≪각종 변형예≫
다음으로, 본 기술의 각 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(102~105)에 대해서 설명한다. 도 11은, 각 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(102~105)을 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 위에서부터 차례로, 제1 변형예, 제2 변형예, 제3 변형예, 제4 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(102~105)이라고 부른다.
제1 변형예~제4 변형예에서는, 변위 센서(20)의 구성이 각각 다르다. 한편, 압전 코일(10)의 구성은, 제1 변형예~제4 변형예에서 공통이다. 이 압전 코일(10)은, 심재(11)와, 심재(11)에 나선 형상으로 감겨진 제1 압전재(12)와, 제1 압전재(12)의 표면에 설치된 표면 전극(14)(제1 전극부(13))을 가지고 있다.
여기에서, 압전 코일(10)은, 그 구조상, 신축 방향(Z축 방향)으로 간극이 있고, 또한, 신축 방향에 직교하는 직경 방향(XY 평면내의 방향)에 있어서 압전 코일(10)의 내측에는 중공부가 존재한다. 제1 변형예~ 제4 변형예에서는, 이러한 간극이나 중공부에 변위 센서(20)가 배치된다.
한편, 제1 변형예~제3 변형예는, 압전 코일(10)의 신축 방향의 간극에 변위 센서(20)가 배치되는 경우의 일례를 나타내고 있고, 제4 변형예는, 중공부(직경 방향에 있어서의 압전 코일(10)의 내측)에 변위 센서(20)가 배치되는 경우의 일례를 나타내고 있다.
<제1 변형예>
도 11의 가장 위를 참조하여, 제1 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(102)에 있어서의 변위 센서(20c)는, 정전 용량식의 변위 센서이다. 한편, 이후의 설명에서는, 압전 코일(10)에 있어서, 1주분의 기본 단위를 단위 코일이라고 부른다.
변위 센서(20c)는, 정전 용량 검출용의 제1 전극(31) 및 제2 전극(32)을 포함한다. 제1 전극(31)은, 상단의 단위 코일의 하측에 배치되어 있고, 제2 전극(32)은, 인접하는 하단의 단위 코일의 상측에 배치되어 있다.
한편, 제1 전극(31)과 표면 전극(14)의 사이에는 절연층이 개재되어 있고, 마찬가지로, 제2 전극(32)과 표면 전극(14)의 사이에는 절연층이 개재되어 있다.
변위 센서(20c)는, 압전 코일(10)에 있어서의 신축 방향의 모든 간극에 설치되어 있어도 되고, 일부의 간극에 설치되어 있어도 된다. 변위 센서(20c)가 일부의 간극에 설치될 경우, 예를 들면, 간극에 대해서 하나 건너의 간격으로 변위 센서(20c)를 설치할 수도 있다(제2 변형예에 있어서도 마찬가지이다).
제1 변형예에서는, 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축함으로써 제1 전극(31) 및 제2 전극(32)의 사이의 거리가 바뀌어, 정전 용량이 바뀌므로 센서 부착 압전 코일(102)의 변위를 검출할 수 있다.
<제2 변형예>
도 11의 위에서부터 2번째를 참조하여, 제2 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(103)에 있어서의 변위 센서(20d)는, 제1 변형예와 마찬가지로, 정전 용량식의 변위 센서이다.
변위 센서(20d)는, 정전 용량 검출용의 제1 전극(41) 및 제2 전극(42)을 포함한다. 제1 전극(41)은, 상단의 단위 코일에 있어서, 절연층을 거쳐 표면 전극(14)의 표면을 덮도록 설치되어 있고, 심재(11)에 대하여 예를 들면 반주분 나선 형상으로 감겨진 것과 같은 구성으로 되어 있다.
한편, 제2 전극(42)은, 인접하는 하단의 단위 코일에 있어서, 절연층을 거쳐 표면 전극(14)의 표면을 덮도록 설치되어 있고, 심재(11)에 대하여 예를 들면 반주분 나선 형상으로 감겨진 것과 같은 구성으로 되어 있다.
제2 변형예에서는, 제1 변형예와 마찬가지로, 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축함으로써 제1 전극(41) 및 제2 전극(42)의 사이의 거리가 바뀌고, 정전 용량이 바뀌므로 센서 부착 압전 코일(102)의 변위를 검출할 수 있다.
<제3 변형예>
도 11의 위에서부터 3번째를 참조하여, 제3 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(104)의 변위 센서(20e)는, 예를 들면, 압전식(압전재), 저항식(틀어짐 게이지) 등의 변위 센서이다.
변위 센서(20e)는, 압전 코일(10)의 중심축을 사이에 두고 압전 코일(10)의 직경 방향의 양단 측에 배치되는 제1 센서부(51) 및 제2 센서부(52)를 포함한다. 한편, 제1 센서부(51) 및 제2 센서부(52)가 압전 코일(10)의 중심축을 사이에 두고 직경 방향의 양단 측에 배치되는 것은, 센서 부착 압전 코일(104)의 신축시의 밸런스를 잡기 위해서다.
제1 센서부(51)는, 압전 코일(10)의 신축 방향에서 직선적으로 배치되는 복수의 제1 센서(53)를 포함한다. 제2 센서부(52)는, 압전 코일(10)의 신축 방향에서 직선적으로 배치되는 복수의 제2 센서(54)를 포함한다.
제1 센서(53)의 상단은, 상단의 단위 코일의 하측에 고정되어 있고, 제1 센서(53)의 하단은, 인접하는 하단의 단위 코일의 상측에 고정되어 있다. 또한, 제2 센서(54)의 상단은, 상단의 단위 코일의 하측에 고정되어 있고, 제2 센서(54)의 하단은, 인접하는 하단의 단위 코일의 상측에 고정되어 있다.
제3 변형예에서는, 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축함으로써, 제1 센서(53), 제2 센서(54)에서의 전압이나 저항 등이 바뀌므로, 이것을 검출함으로써, 센서 부착 압전 코일(104)의 변위를 검출할 수 있다.
한편, 제3 변형예에 있어서, 변위 센서(20e)가 압전 코일(10)의 움직임의 제한으로 되는 영향을 저감하기 위해, 변위 센서(20e)의 재료로서, 비교적 부드러운 재료(예를 들면, 제1 압전재(12)보다 부드러운 재료)가 사용되어도 된다. 예를 들면, 변위 센서(20e)가 압전식인 경우, PVDF, PLLA 등의 압전 수지가 사용되어도 되고, 변위 센서(20e)가 저항식인 경우, 비교적 부드러운 틀어짐 게이지나 카본 컴포지트 등이 사용되어도 된다(제4 변형예에 있어서도 마찬가지이다).
<제4 변형예>
도 11의 가장 아래를 참조하여, 제4 변형예에 관한 센서 부착 압전 코일(105)의 변위 센서(20f)는, 예를 들면, 압전식(압전재), 저항식(틀어짐 게이지)등의 변위 센서이다.
변위 센서(20f)는, 압전 코일(10)의 직경 방향의 내측에 있어서의 중공부에 배치된다. 변위 센서(20f)는, 예를 들면, 압전 코일(10)의 신축 방향(Z축 방향)으로 긴 원기둥 형상 또는 원통 형상이며, 그 외주면이, 압전 코일(10)의 내주면에 고정된다.
제4 변형예에서는, 압전 코일(10)이 신축 방향으로 신축함으로써, 변위 센서(20f)에서의 전압이나 저항 등이 바뀌므로, 이것을 검출함으로써, 센서 부착 압전 코일(105)의 변위를 검출할 수 있다.
<제1 변형예~제4 변형예 정리>
이상 설명한 바와 같이, 제1 변형예~제4 변형예에서는, 압전 코일(10)의 신축 방향의 간극, 또는, 압전 코일(10)의 직경 방향의 내측에 있어서의 중공부에 변위 센서(20c~20f)가 배치된다. 이러한 위치에 변위 센서(20c~20f)가 설치될 경우에도, 상술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 셀프 센싱 기능을 가지면서, 심플하고 소형화가 가능한 센서 부착 압전 코일(102~105)을 제공 가능하다. 또한, 제1 변형예~제4 변형예에서는, 변화가 큰 압전 코일(10)의 신축 방향에서의 변위 또는 변형량을 직접적으로 센싱할 수 있으므로, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<전자 기기>
본 기술에 관한 센서 부착 압전 코일(100~105)(압전 액츄에이터, 발전 소자)은, 각종 전자 기기에 탑재할 수 있다. 예를 들면, 센서 부착 압전 코일(100~105)은, 마이크로펌프, 카메라 포커스, 잉크젯 프린터, 현미경 스테이지, 변위 확대 기구 등의 구동계에 사용되어도 되고, 자동차용의 엔진의 마운트, 자동차용 서스펜션의 쇼크 업소버로서 사용되어도 된다. 한편, 본 기술에 관한 센서 부착 압전 코일(100~105)을 포함하는 기기는, 전자 공학을 이용한 기기로 간주되므로, 어떤 기기이여도 본 기술에 관한 전자 기기로 간주된다.
<기타>
본 기술은 이하의 구성을 취할 수도 있다.
(1)코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 갖고, 신축 방향으로 신축 가능한 압전 코일; 및
　상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출하는 센서
　를 구비하는 센서 부착 압전 코일.
(2) 상기 (1)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 센서는, 상기 심재에 대하여 나선 형상인,
　센서 부착 압전 코일.
(3) 상기 (2)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 센서는, 나선 형상의 제2 압전재를 포함하는,
　센서 부착 압전 코일.
(4) 상기 (3)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재에 대해, 상기 심재를 따르는 방향으로 배치되는,
　센서 부착 압전 코일.
(5) 상기 (4)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재는, 상기 심재를 따르는 방향에서 상기 제1 압전재와 교대로 배치되는,
　센서 부착 압전 코일.
(6) 상기 (5)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 1이상의 제1 압전재는, 상기 심재를 따르는 방향으로 배열되는 복수의 제1 압전재를 포함하는,
　센서 부착 압전 코일.
(7) 상기 (3)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재에 대해, 상기 심재를 따르는 방향에 직교하는 적층 방향으로 배치되는,
　센서 부착 압전 코일.
(8) 상기 (7)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재는, 제1 압전재에 대해, 상기 적층 방향의 외측에 배치되는,
　센서 부착 압전 코일.
(9) 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 1이상의 제1 압전재는, 상기 적층 방향으로 적층된 복수의 제1 압전재를 포함하는,
　센서 부착 압전 코일.
(10) 상기 (3)~(9) 중 어느 하나에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제1 압전재 및 상기 제2 압전재는, 재료가 다른,
　센서 부착 압전 코일.
(11) 상기 (10)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재보다 부드러운 재료에 의해 구성되는,
　센서 부착 압전 코일.
(12) 상기 (3)~(9) 중 어느 하나에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제1 압전재 및 상기 제2 압전재는, 같은 재료인,
　센서 부착 압전 코일.
(13) 상기 (3)~(9) 중 어느 하나에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 압전 코일은, 상기 제1 압전재에 전압이 인가됨으로써 상기 압전 코일이 상기 신축 방향으로 신축하는 압전 액츄에이터이고,
　상기 제2 압전재는, 전압이 인가되어 상기 제1 압전재와 함께 상기 압전 액츄에이터를 구동하는,
　센서 부착 압전 코일.
(14) 상기 (13)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 제2 압전재에 인가되는 전압은, 상기 압전 액츄에이터를 구동시키기 위한 구동 전압과, 상기 압전 액츄에이터의 변위를 검출하기 위한 검출 전압이 중첩된 전압인,
　센서 부착 압전 코일.
(15) 상기 (14)에 기재된 압전 코일로서,
　상기 검출 전압에 대한 상기 제2 압전재의 출력 전류가 락인 검출됨으로써, 상기 압전 액츄에이터의 변위가 검출되는,
　센서 부착 압전 코일.
(16) 상기 (1)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 센서는, 상기 압전 코일에 있어서의 신축 방향의 간극에 설치되거나, 또는, 상기 신축 방향에 직교하는 직경 방향에 있어서 상기 압전 코일의 내측의 중공부에 설치되는,
　센서 부착 압전 코일.
(17) 상기 (16)에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 센서는, 정전 용량식, 압전식, 또는 저항식의 센서인,
　압전 코일.
(18) 상기 (1)~(17) 중 어느 하나에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 압전 코일은, 상기 제1 압전재에 전압이 인가됨으로써 상기 압전 코일이 신축 방향으로 신축하는 압전 액츄에이터인,
　센서 부착 압전 코일.
(19) 상기 (1)~(17) 중 어느 하나에 기재된 센서 부착 압전 코일로서,
　상기 압전 코일은, 상기 압전 코일이 외력에 의해 상기 신축 방향으로 신축함으로써 상기 제1 압전재가 발전하는 발전 소자인,
　센서 부착 압전 코일.
(20) 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 포함하고, 신축 방향으로 신축 가능한 압전 코일과, 상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출하는 센서를 가지는 센서 부착 압전 코일을 구비하는 전자 기기.
10: 압전 코일,
11: 심재
12: 제1 압전재
20: 변위 센서
21: 제2 압전재
100~105: 센서 부착 압전 코일

Claims (20)

  1. 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 포함하고, 신축 방향으로 신축 가능한 압전 코일; 및
    상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출하는 센서
    를 구비하는 센서 부착 압전 코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 심재에 대하여 나선 형상인,
    센서 부착 압전 코일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서는, 나선 형상의 제2 압전재를 포함하는,
    센서 부착 압전 코일.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재에 대해, 상기 심재를 따르는 방향으로 배치되는,
    센서 부착 압전 코일.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 압전재는, 상기 심재를 따르는 방향에서 상기 제1 압전재와 교대로 배치되는,
    센서 부착 압전 코일.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 1이상의 제1 압전재는, 상기 심재를 따르는 방향으로 배열되는 복수의 제1 압전재를 포함하는,
    센서 부착 압전 코일.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재에 대해, 상기 심재를 따르는 방향에 직교하는 적층 방향으로 배치되는,
    센서 부착 압전 코일.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 압전재는, 제1 압전재에 대해, 상기 적층 방향의 외측에 배치되는,
    센서 부착 압전 코일.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 1이상의 제1 압전재는, 상기 적층 방향으로 적층된 복수의 제1 압전재를 포함하는,
    센서 부착 압전 코일.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압전재 및 상기 제2 압전재는, 재료가 다른,
    센서 부착 압전 코일.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 압전재는, 상기 제1 압전재보다 부드러운 재료에 의해 구성되는,
    센서 부착 압전 코일.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압전재 및 상기 제2 압전재는, 같은 재료인,
    센서 부착 압전 코일.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 압전 코일은, 상기 제1 압전재에 전압이 인가됨으로써 상기 압전 코일이 상기 신축 방향으로 신축하는 압전 액츄에이터이고,
    상기 제2 압전재는, 전압이 인가되어 상기 제1 압전재와 함께 상기 압전 액츄에이터를 구동하는,
    센서 부착 압전 코일.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 압전재에 인가되는 전압은, 상기 압전 액츄에이터를 구동시키기 위한 구동 전압과, 상기 압전 액츄에이터의 변위를 검출하기 위한 검출 전압이 중첩된 전압인,
    센서 부착 압전 코일.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 검출 전압에 대한 상기 제2 압전재의 출력 전류가 락인 검출(lock-in detection)됨으로써, 상기 압전 액츄에이터의 변위가 검출되는,
    센서 부착 압전 코일.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 압전 코일에 있어서의 신축 방향의 간극에 설치되거나, 또는, 상기 신축 방향에 직교하는 직경 방향에 있어서 상기 압전 코일의 내측의 중공부에 설치되는,
    센서 부착 압전 코일.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 센서는, 정전 용량식, 압전식, 또는 저항식의 센서인,
    센서 부착 압전 코일.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 압전 코일은, 상기 제1 압전재에 전압이 인가됨으로써 상기 압전 코일이 신축 방향으로 신축하는 압전 액츄에이터인,
    센서 부착 압전 코일.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 압전 코일은, 상기 압전 코일이 외력에 의해 상기 신축 방향으로 신축함으로써 상기 제1 압전재가 발전하는 발전 소자인,
    센서 부착 압전 코일.
  20. 코일 형상의 심재와, 상기 심재에 대해 나선 형상인 1이상의 제1 압전재를 포함하고, 신축 방향으로 신축 가능한 압전 코일; 및 상기 압전 코일의 신축에 의한 변위를 검출하는 센서
    를 갖는 센서 부착 압전 코일을 구비하는 전자 기기.
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