KR930001568B1 - 압전소자 및 압전소자를 사용한 변환장치 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 본 발명의 압전소자의 1예를 도시한 단면도.
제2도∼제6도는 실험에 의한 압전소자의 압전특성의 1예를 도시한 특성도.
제7도는 본 발명의 전기기계 변환장치의 설명도.
제8도는 본 발명의 기계전기 변환장치의 설명도.
제9도, 제12도 및 제13도는 본 발명의 기계전기 변환장치의 1예인 압전모우터의 설명도.
제10도 및 11도는 압전모우터의 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제1의 전극 2 : 제2의 전극
3 : 강유전액정 4 : 배향층
11 : 압전소자 12 : 전기신호발생장치
13 : 전기신호검출장치 21 : 동력변환수단
22 : 공진수단
본 발명은 전기기계 변환장치 혹은 기계전기 변환장치 등에 사용되는 압전소자에 관한 것이다.
종래부터 알려진 압전소자에는, PZT(티탄산연(PbTi03)와 지르콘산연(PbZrO3)과의 고용체(固溶體)) 등의 세라믹 재료를 사용한 것이나, PVDF(폴리불화비닐리딘) 등의 고분자재료를 사용한 것 등이 있다. 이들 압전소자는 가청음역으로부터 초음파 음역의 발음체, 액튜에이터, 모우터 등의 전기기계 변환장치나, 압력센서 등의 기계전기 변환장치 등에 널리 이용되고 있다.
세라믹 재료를 사용한 압전소자의 경우, 1000∼1500℃에서 고온소성하지 않으면 안되고, 치수 정밀도 내기가 어렵다. 또 대단히 무르기 때문에 깨어지기 쉽고 얇게 하기가 어렵다. 고분자 재료를 사용한 압전소자의 경우도, 필름현상으로 형성한 고분자 재료를 기계적으로 연신(延伸) 처리하기 때문에, 치수정밀도를 내기 어렵고, 얇게 하기가 어렵다.
이와 같이 종래의 압전소자는 각종 제약으로부터 임의의 형상으로 형성하기가 곤란하였다.
또한 종래의 압전소자에서는, 압전성을 발현하기 때문에, 포오링(pouring)처리(큐리온도 이상의 온도로 직류고전계를 인가하고, 그대로 큐리온도 이하까지 냉각하여, 전기쌍극자의 방향을 맞추는 처리.)가 필요하며 제조공정이 번잡한 것이였다.
본 발명은 상기 종래의 과제에 대하여 이루어진 것이며, 용이하게 임의의 형상으로 형성할 수 있고, 더구나 포오링 처리를 꼭 필요로 하지 않는 전혀 새로운 압전소자 및 이 압전소자를 사용한 변환장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 지금까지 표시 혹은 광셔터 등의 광학소자로서만 사용되어온 강유전성 액정소자를, 압잔소자로서 사용하는 것을 특징으로 하고, 강유전성 액정의 유동체로서의 특성을 활용한 압전소자에 의해 상기 목적을 달성하고 있다.
이 압전소자는 제1의 전극과, 이 제1의 전극과 대향한 제2의 전극과, 상기 제1의 전극과 제2의 전극간에 개재된 강유전성 액정과, 상기 제1의 전극 및/또는 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층으로 이루어지는 것이다.
상기의 압전소자는 이하에 나타내는 것과 같은 특징을 가지고 있는 것이 바람직하다.
(Ⅰ) 상기 배향층이, 상기 강유전성 액정을 상기 제1의 전극 및/또는 제2의 전극에 대하여 수평방향으로 배향시키는 호모지니어스 배향처리된 것일 것.
(Ⅱ) 상기 배향층이, 서로 평행 또는 반대평행으로부터 어긋나게 하여 호모지니어스 배향처리된 것일 것.
(Ⅲ) 상기 제1의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층과 상기 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층이 서로 다른 재료에 의해 형성되어 있을 것.
(Ⅳ) 상기 제1의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층은, 상기 강유전성 액정의 자발분극(自發分極)을 흡인하는 것이며, 상기 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층은 상기 강유전성 액정의 자발분극을 반발하는 것일 것.
(Ⅴ) 상기 배향층이, 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리되어 있을 것.
또 상기 압전소자는, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전기기계 변환수단, 혹은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계전기 변환수단으로서 사용할 수가 있다.
또한 본 발명에서는, 상기의 압전소자를 사용하여 이하에서 설명하는 것과 같은 장치를 제공하고 있다.
(Ⅰ) 상기 압전소자와, 상기 제1의 전극 및/또는 제2의 전극에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단을 갖는 압전장치.
(Ⅱ) 전기기계 변환수단으로서 사용하는 상기 압전소자와, 이 압전소자의 제1의 전극 및/또는 제2의 전극에 전기신호를 공급하는 전기신호발생수단을 갖는 전기기계 변환장치.
(Ⅲ) 상기 압전소자와, 상기 제1의 전극 및/또는 제2의 전극의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단을 갖는 압전장치.
(Ⅳ) 기계전기 변환수단으로서 사용하는 상기 압전소자와, 이 압전소자의 제1의 전극 및/또는 제2의 전극의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단을 갖는 기계전기 변환장치.
이하, 도면에 근거하여 본 발명에 있어서의 1실시예의 설명을 행한다.
(1) 압전소자의 실시예
제1도는, 본 발명에 있어서의 압전소자의 1실시예를 도시한 것이다.
동도면에 있어서 1 및 2는 도전성을 갖는 제1의 전극 및 제2의 전극이며, ITO(인듐 티인 옥사이드), Al(알루미늄), Cr(크롬), Ni(니켈) 등에 의해 형성되는 것이다. 3은 상기 제1의 전극(1)과 제2의 전극(2) 간에 개재한 강유전성 액정이다. 4는 상기 제1의 전극(1) 및 제2의 전극(2)과, 상기 강유전성 액정(3) 간에 형성된 배향층이며, 이것을 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리아미드, 테플론, 아크릴계 수지 등의 유기재료, SiO2, Al2O3등의 무기재료 등을 기초재로 하여 형성된 것이다. 또한, 이 배향층은, 제1의 전극(1) 또는 제2의 전극(2)과 강유전성 액정(3) 간의 어느 한쪽에만 형성되어 있어도 무방하다. 5는 유리등을 사용한 지지체이며, 6은 상기 강유전성 액정(3)을 봉합하는 시일재이다.
또한 예컨대 인청동 등의 판재에 의해, 상기 제1의 전극(1) 및/또는 제2의 전극(2)과, 상기 지지체(5)를 공용할 수도 있다.
또한 강유전성 액정(3)을 상기 시일재(6) 등에 의해 봉합하는 것은 꼭 필요한 것은 아니다.
상기와 같이 본 발명에 있어서의 압전소자에서는, 변형이 자유로운 강유전성 액정을 그 기본구성 요소로 하고 있기 때문에, 쉽게 임의의 형상으로 형성할 수가 있다. 또 제조시에 기본적으로 수백도 이상에서의 고온처리를 필요로 하지 않기 때문에 치수 정밀도가 높은 소자를 형성할 수가 있다. 또한 기계적 강도가 우수한 소자를 얻을 수가 있다. 다음에 파라미터를 바꾸었을 때의 상기 압전소자의 압전특성을 각 주파수에서의 음압에 의해 평가한 측정결과를 나타낸다.
각 측정도의 횡축은 압전소자에 전압이 가해지는 교류전압의 주파수, 종축은 음압이다.
또한 압전소자에는 제1도에 도시한 것과 같은 것을 사용하고 있고, 측정조건은 아래와 같다.
(측정방법)
제1의 전극과 제2의 전극간에 교류전압(구동주파수 200㎐∼20㎑)에 전압을 가하고, 제1의 전극 또는 제2의 전극의 위쪽 약 15(㎜)의 위치에서, 마이크론폰에 의해 음압(단위는 ㏈)을 측정하고, 이것에 의하여 압전효과의 크기를 판정하였다.
(소자 사이즈)
70(㎜)×80(㎜)
(지지체 재료)
유리(두께 1, 0(㎜))
(강유전성 액정의 종류)
ZLI-3774(멜크사제품)
[측정예 1]
배향층의 배향처리를 아래와 같이 변경하여 측정하였다. 또한 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 8(㎛)이다.
A : 호모지니어스 배향처리(폴리이미드막을 스핀코오트후 베이킹하고, 이것을 라빙법에 의해 배향하였다.)
B : 호메오트로픽 배향처리(실란 커플링제를 디핑에 의해 코오트한 후 베이킹하였다.)
C : 배향처리 없음(폴리이미드막을 스핀코오트후 베이킹하였다.)
이상의 측정결과를 제2도에 도시한다.
호메오트로픽 배향처리(B)를 행한 것이라도 압전효과를 나타내나, 호모지니어스 배향처리(A)를 행한 것이 특히 강한 압전효과를 나타내고 있다. 이 압전성은, 온도를 높여갔을 때 강유전성 액정의 강유전성을 나타내는 위상에서 스멕틱 A상에의 전이온도 부근에서 급격하게 저하하는데서, 강유전성을 나타내는 위상에 특유한 것으로 생각된다. 또한 배향처리 없음(C)의 측정에서는 노이즈 때문에 압전효과의 정도는 분명하지 않았다.
이상의 것으로부터, 호모지니어스 배향처리에 의해 유효한 압전성을 얻을 수가 있다.
[측정예 2]
배향층의 호모지니어스 배향처리를 아래와 같이 변경하여 측정하였다. 또한 호모지니어스 배향처리는 상기의 측정예 1의 A의 경우와 동일하다. 또 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 10(㎛)이다.
D : 배향층을 서로 평행 또는 반대평행으로부터 어긋나게하여 호모지니어스 배향처리한 것.(배향처리 방향의 각도는 100도)
E : 배향층을 서로 반대평행에 호모지니어스 배향처리한 것.(배향처리 방향의 각도는 180도)
F : 한쪽의 배향층만을 호모지니어스 배향처리한 것.
이상의 측정결과를 제3도에 도시한다.
동도면에서도 명백한 바와 같이 압전효과의 크기는 D＞E＞F로 되고 있다.
또한 동도면에는 도시하고 있지 않으나, 배향층을 서로 평행하게 호모지니어스 배향처리한 것의 압전효과는, 배향층을 서로 반대평행으로 호모지니어스 배향처리한 것의 압전효과와 동일한 것으로 생각된다.
이상의 것에서 배향층을 서로 평행 또는 반대평행에서 어긋나게 하여 호모지니어스 배향처리하면, 유효한 압전성을 얻을 수가 있다.
[측정예 3]
배향층의 호모지니어스 배향처리의 정도를 아래와 같이 변경하여 측정하였다. 또한 호모지니어스 배향처리 및 호메오트로픽 배향처리는, 상기 측정예(1)의 A 및 B의 경우와 동일하다. 또 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 8(㎛)이다.
G : 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리.(라빙회수 10회 이상, 배향처리 방향의 각도는 100도)
H : 위크라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리(라빙회수 2∼3회, 배향처리 방향의 각도는 100도)
I : 호메오트로픽 배향처리.
이상의 측정결과를 제4도에 도시한다.
동도면에서 명백한 바와 같이, 압전효과의 크기는 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리(G)의 쪽이, 위크라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리(H) 보다도 큰 것임을 알 수 있다.
이상의 것에서 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리를 행하면, 유효한 압전성을 얻을 수가 있다.
[측정예 4]
제1의 전극과 제2의 전극간에 인가하는 전압(Peak-Peak)을 아래와 같이 변경하여 측정하였다. 또한 배향처리는 어느 것이나 호모지니어스 배향처리(배향처리 각도는 100도)이며, 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 8(㎛)이다.
J : 인가전압 30(Vp-p)
K : 인가전압 10(Vp-p)
L : 인가전압 0(V)
이상의 측정결과를 제5도에 도시한다.
동도면에서 명백한 바와 같이 인가전압이 높을 수록 압전효과가 큰 것을 알 수 있다.
[측정예 5]
강유전성 액정이 강유전상으로부터 스멕틱 A상으로 전이하는 전이온도(62℃의 것을 사용) 근방에서, 온도를 아래와 같이 변경하여 측정하였다. 배향처리는 어느 것이나 호모지니어스 배향처리(배향처리 각도는 100도)이며, 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 8(㎛)이다.
또한 본 측정에서는 압전소자를 일정온도로 유지하기 위하여, 압전소자를 핫 플레이트상에 유지한 채 측정을 행하였으므로, 이상적인 무음향 분위기에서의 측정은 실시되지 않고 있다. 따라서 핫플레이트에서의 반사성분등도 포함되어 있다. 또 핫플레이트상의 온도를 측정온도로 하였으므로 강유전성 액정의 정확한 온도는 다소 다른 것으로 생각된다.
M : 온도 57(℃)
N : 온도 67(℃)
이상의 측정결과를 제6도에 도시한다.
동도면에서 알 수 있듯이, 임계온도 이하의 강유전성을 나타내는 위상에서는 명확하게 압전성을 나타내고 있는데 대하여, 임계온도 이상의 강유전성을 나타내지 않는 위상에서는 명확한 압전성을 나타내지 않고 있다.
이상의 것으로부터 강유전성을 나타내는 위상(M)으로 유효한 압전성을 얻을 수가 있다.
이상과 같이 기술한 사항외에, 본 발명에 있어서의 압전소자에서는 아래와 같이하여도 양호한 압전성을 얻을 수가 있다.
호모지니어스 배향처리에는, 상기의 라빙법 이외에도, 산화실리콘 등의 사향증착법(斜向蒸着法), 폴리이미드 등의 L-B(Langmuir Blodgett) 막을 사용하는 방법 등이라도 무방하다.
제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 좁은 편이 바람직하다.
제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 1(㎛) 정도까지 좁게 할 수가 있으나, 간격이 좁을수록 강유전성 액정에 가해지는 전계가 강해지며 보다 큰 압전효과를 얻을 수가 있다.
제1의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층과 상기 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층하고가, 서로 다른 재료에 의해 형성되어 있어도 무방하다. 이때 한쪽의 배향층을 강유전성 액정의 자발분극을 흡인하는 재료로 형성하고, 다른쪽의 배향층을 강유전성 액정의 자발분극을 반발하는 재료로 형성하면, 강유전성 액정의 각 분자가 갖추어지기 쉬우므로 유효한 압전성을 얻을 수가 있다.
강유전성 액정은 자발분극이 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본원 특허의 발명자 등은 여러가지의 강유전성 액정에 대하여 압전효과에 대한 측정을 행하였으나, 그 결과, 자발분극이 큰 강유전성 액정을 사용했을 때일수록 압전소자는 커다란 압전성이 발생하는 경향이 있음을 확인하였다.
강유전체를 사용한 압전소자에는, 자발분극의 방향을 가지런히 정돈하기 위해서 포오링 처리를 행할 수도 있으나, 본 발명에 있어서의 압전소자의 경우 포오링처리를 행하거나 행하지 않아도 된다. 포오링 처리를 행하는 경우에는 강유전 액정이 스멕틱 A상에 있는 온도에서 행하는 것보다도, 스멕틱 A상 보다도 높은 온도범위에 있는 네마틱상이나 아이소트로픽상의 온도에서 행하는 편이 포오링처리의 인가전계를 작게할 수가 있어 바람직하다.
배향층에는 먼저 기술한 바와 같이 폴리이미드등 이외에, PVDF등의 강유전체의 배향층을 사용하여도 무방하다. 이때 상기의 강유전체의 배향층은 포오링처리를 행하는 것이 바람직하나, 이 포오링 처리는 강유전성액정의 포오링 처리와 동시에 행하면, 압전소자의 제조공정을 간략화할 수가 있다.
이상의 것으로부터 본 발명에 있어서의 압전소자에 있어서, 압전성을 높게 하기 위해서는, 아래에 나타내는 것, 혹은 이것들을 편성하는 것이 바람직하다.
이것에 의하여 유효한 압전성을 얻을 수가 있으며 효과적이다.
(1) 배향층이 호모지니어스 배향처리를 한 것일 것.
(2) 배향층이 서로 평행 또는 반대평행으로 부터 어긋나게하여 호모지니어스 배향처리한 것일 것.
(3) 배향막이 스트롱라이빙법에 의한 호모지니어스 배향처리한 것일 것.
(4) 강유전성 액정에 인가하는 전압은, 상황이 허용하는 한도까지 될 수 있는 대로 높을 것.
(5) 강유전성 액정이 강유전성을 나타내는 위상일 것.
(6) 제1의 전극과 제2의 전극과의 간격은 될 수 있는대로 좁을 것.
(7) 한쪽의 배향층을 강유전성 액정의 자발분극을 흡인하는 재료로 형성하고, 다른편의 배향층을 강유전성 액정의 자발분극을 반발하는 재료로 형성할 것.
(8) 강유전성 액정에 자발분극이 큰 것을 사용할 것.
(9) 포오링처리를 행할 경우에는, 강유전성 액정이 네마틱상이나 아이소트로픽상에 있는 온도에서 행할것.
(Ⅱ) 압전장치의 실시예
다음에 본 발명에 있어서의 압전소자를 사용한 압전장치에 대하여 기술한다.
본 발명에 있어서의 압전장치는, 기본적으로 2가지로 분류할 수가 있다.
(Ⅱ-1) 본 발명에 있어서의 압전소자와, 이 압전소자의 제1의 전극 및/또는 제2의 전극에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단을 갖는 압전장치.
이 압전장치를 사용함으로써, 발음장치, 액튜에이터, 모우터 등을 구성할 수가 있다. 이들의 1예로서, 상기 제1의 전극 및/또는 제2의 전극을 ITO등의 투명전극으로 형성한 것을 든다. 이것에 의하면, 압전소자를 액정표시소자와 공용함으로써, 발음장치와 표시장치를 동일의 소자로 형성한 것이나, 압전소자를 포스타나 디스플레이장치와 적층한 것 등을 구성할 수가 있고, 콤팩트한 장치를 얻을 수가 있다.
(Ⅱ-2) 본 발명에 있어서의 압전소자와, 이 압전소자의 제1의 전극 및/또는 제2의 전극의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단을 갖는 압전장치.
이 압전장치를 사용함으로써 후술하는 압전센서등을 구성할 수가 있다.
상기의 표(Ⅱ-1) 및 (Ⅱ-2)에 나타낸 본 발명에 있어서의 압전장치에서는, 압전소자가 쉽게 임의의 형상에 높은 치수 정밀도로 형성되며, 더구나 기계적 강도가 우수한 것이기 때문에 효과가 큰 장치를 얻을 수가 있다.
(Ⅲ) 전기기계 변환장치의 실시예
제7도는 본 발명에 있어서 전기기계 변환장치를 도시한 것이다.
이것은 전기기계 변환수단으로서 사용하는 본 발명에 있어서의 압전소자(11)와, 이 압전소자(11)의 제1의 전극(1) 및/또는 제2의 전극(2)에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단(12)으로 이루어지는 것이다.
본 발명에 있어서의 전기기계 변환장치에서는, 압전소자가 쉽게 임의의 형상으로 높은 치수정밀도로 형성되며, 더구나 기계적 강도가 우수한 것이기 때문에, 효과가 큰 장치를 얻을 수가 있다.
이하 상기의 전기기계 변환장치의 구체적인 이용예에 대하여 설명한다.
(Ⅲ-1 이용액 1)
본 이용예는, 상기의 전기기계 변환장치를 전기음향 변환장치로 하는 것이다.
본 발명의 압전소자를 단독으로 발음체등의 전기음향 변환수단으로서 사용했을 때, 용도에 따라서는 충분한 음향출력을 얻을 수 없을 때가 있다. 이때에는 압전소자의 고유진동에 대응하는 공진수단(22)을 제7도와 같이 설치하면된다.
공진수단으로서는, 발포스티롤이나 발포알루미판등의 진동판, 혹은 헬름홀쯔의 공명상자 등을 사용할 수가 있다.
이때, 압전소자의 고유진동과 공진수단의 고유진동을 대응시켜, 양자를 공진상태로 하면 커다란 음향출력을 얻을 수가 있다.
(Ⅲ-1, 이용예 2)
본 이용예는, 상기의 전기기계 변환장치에 본 발명에 있어서의 압전소자의 압전진동을 회전운동에 변환시키는 동력변환수단을 설정한 것이다. 이하 이 예로서 압전모우터에 관한 설명을 행한다.
압전소자의 세로방향진동을 원운동으로 변환시키는 압전모우터에는, 기본적으로 2가지 방식이 있으나, 본 발명의 압전소자를 사용하여도, 상기 2가지 방식의 압전모우터를 작성할 수가 있다. 이들에 대해서도 이미 기술한 전기기계 변환장치의 기본적인 효과를 당연히 얻을 수가 있다.
이하, 도면에 근거하여 구체적인 예의 설명을 행한다. 제9도는 상기 압전모우터 제1의 방식의 1예를 도시한 것이다.(닛께이 엘렉트로닉스, 1985년 9월 23월호, 115∼116페이지를 참조)
동도에 있어서 (11)은 전기기계 변화수단으로 사용하는 본 발명의 압전소자이나, 본 예에서는 이 압전소자를 2개 설치하고, 한쪽의 압전소자의 제1전극(1)과 다른쪽의 압전소자의 제2의 전극(2) 하고를 밀착시킨 것이다. 12는 상기 압전소자(11)의 각 전극에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단이며, 본예에서는 2개의 압전소자의 진동방향이 동일하게 되도록 역위상의 2종류의 교류신호를 발생시켜, 각각 2개의 압전소자에 신호를 공급하고 있다. 21은 동력변환 수단이며, 상기 압전소자의 압전진동을 회전운동으로 변환하는 것이다. 31은 회전운동을 하는 로터이다. 32, 33은 각각 위측원판 및 아래측원판이다. 34는 상기 동력변화수단(21)의 중심을 고정하는 볼트이다.
전기신호 발생수단(21)으로부터의 교류신호에 의해, 2개의 압전소자(11)에는 세로진동(a)이 발생하고, 이 세로진동은 동력변환수단(21)에 전달된다. 이때 힘이 가해지는 것은 동력변환수단(21)의 2개의 다리부(21b)이다.
동력변환수단(21)의 중심은 볼트로 고정되어 있으므로, 동력변환수단(21)은 굴곡운동(b)한다. 본 예에서는 동력변환수단(21)의 돌기부(21a)가 다리부(21b)에 대하여 사향으로 되어 있으므로, 돌기부(21a)는 틀기진동(C)한다. 이 틀기 진동중 돌기부(21a)가 로터(31)면에 평행한 변위를 하고 있는 기간을 이용하여 로터(31)을 회전운동(d)시키고 있다. 본 예에 의하면, 볼트(34)를 죄일 때에 압전소자(11)에 힘이 가해져도, 압전소자(11)가 깨어지거나 하는 일이 없고, 볼트(34)를 견고하게 죄일 수가 있고, 안정된 동작을 행할 수 있다.
다음에 압전모우터의 제2의 방식에 대하여 기술한다. 제10도 및 제11도는, 이 제2의 방식에 의한 종래의 압전모우터의 1예를 도시한 것이다. 동도에 있어서(11)은 세라믹을 사용한 압전소자, (41)은 아래측 전극, (42)는 윗측전극, (43)은 로터, (44)는 슬라이더, (45)는 축받이, (46)은 샤프트이다.
이것은 제11도에 도시하는 바와 같이, 역방향으로 분극한 압전소자(11)를 1/2파장(λ/2) 마다에 접속한 압전소자열을 2조 설치하고, 서로의 압전소자열의 양끝부를 각각 λ/4 및 3λ/4 떼어서 전체를 원형으로 구성한 것이다. 2조의 압전소자 열에는 위상이 90도 어긋한 교류전압이 인가되어 표면진행 파가 발생되고, 이것을 로터(43)에 전달함으로써 로터(43)의 회전운동을 얻을 수가 있다.
상기 종래의 압전모우터의 압전소자를 본 발명의 압전소자에 치환하면, 종래와 같이 압전소자열을 형성하는 각 압전소자를 1개 1개 대향시켜서 맞추어 형성하는 것과 같은 불필요하고, 패터닝한 전극간에 강유전성 액정을 주입하는 것만으로 모든 압전소자열이 동시에 형성되며, 더구나 각각의 높이를 조정한다든지 할 필요도 없다. 또 압전소자가 깨어지거나 하는 일이 없고, 기계적 강도에 뛰어난 압전모우터를 얻을 수가 있다.
또한 상기의 압전모우터에 본 발명의 압전소자를 사용할 경우, 서로 역방향의 분극을 얻기 위해서는 다음과 같이 하는 것이 효과적이다. 즉 한쪽의 분극의 방향에 대해서는 압전소자의 제1의 전극 및 제2의 전극에 대응한 배향층의 재료를, 각각 강유전액정의 자발분극을 흡인 및 반발하는 것으로 하고, 다른쪽의 분극의 방향에 대해서는 압전소자의 제1의 전극 및 제2의 전극에 대응한 배향층의 재료를, 각각 강유전액정의 자발분극을 반발 및 흡인하는 것으로 하면 된다.
이때 배향처리는 각 배향층마다 행하지 않고, 동시에 행하는 것이 바람직하다.
또 역방향으로 분극한 압전소자(11)를 1/2파장(λ/2)마다에 배치하는 것은 꼭 필요한 것은 아니다. 예컨대 제12도에 도시하는 바와 같이, 각 압전소자(11)의 분극방향은 동일하게 하고, 서로 이웃한 각 압전소자에 180도 위상이 어긋난 교류전압을 인가하면 된다.
본 발명에 있어서의 압전소자를 사용하면, 상기의 압전모우터 이외에도 제13도에 도시하는 바와 같이 압전모우터를 구성하는 것이 가능하다.
제13도에 있어서 (11)은 본 발명에 있어서의 압전소자이며, 이것은 압전소자의 제1의 전극(1), 로터(43)와 일체형성된 윗측 전극을 겸한 제2의 전극(2), 강유전성 액정(3) 등에 의해 구성되어 있다. (41)은 아래측 전극, (45)는 축받이, (46)은 사프트, (47)은 강유전성 액정(3)을 유지하는 유지벽이다. 제1의 전극의 구성, 이 제1의 전극에 인가되는 교류전압 및 그 접속은 제12도처럼 하면 된다.
본 예에 의하면 압전소자가 깨어지거나 하는 일은 없고, 기계적 강도에 뛰어난 압전모우터를 얻을 수가 있으며, 또 복수의 압전소자가 동시에 형성되고, 다시 로터(43)를 강유전성 액정에 뜨게한 구조가 되기 때문에, 로터(43)나 압전소자(11)가 마모하는 것과 같은 것은 없고, 고 신뢰성이 압전모우터를 얻을 수가 있다.
(Ⅳ) 기계전기 변환장치의 실시예
제8도는 본 발명에 있어서의 기계전기 변환장치를 도시한 것이다. 이것은 본원 발명자 등이 본 발명에 있어서의 압전소자에 기계적인 힘을 가했을 때, 2개의 전극간에 기전력이 발생하는 것을 발견한 것에 의한다.
이 기계전기 변환장치는, 기계전기 변환수단으로서 사용하는 본 발명에 있어서의 압전소자(11)와, 이 압전소자(11)의 제1의 전극(1) 및/또는 제2의 전극(2)으로부터의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단(13)으로 이루어지는 것이다.
본 발명에 있어서의 기계전기 변환장치에서는, 압전소자가 쉽게 임의의 형상으로 높은 치수정밀도로 형성되며, 더구나 기계적 강도에 뛰어난 것이기 때문에 효과가 큰 장치를 얻을 수가 있다.
이 기계전기 변환장치의 1예로서, 압전센서를 들 수 있다.
이것은 압전소자(11)에 의해 전기신호로 변환된 압전소자(11)에 가해지는 압력을, 전기신호 검출수단(13)에 의해 검출하고, 압력을 판독하는 것이다.
본 발명의 압전소자는, 기계적 강도가 뛰어나기 때문에, 커다란 압력을 받아도 파손되는 일이 없는 압전센서를 얻을 수 있다. 또 포토에칭법 등에 의해 복수의 전극을 패터닝하는 것으로 복수의 센서를 동시에 또한 균일하게 형성할 수가 있다.
[효과]
본 발명에 있어서의 압전소자에서는, 변형이 자유로운 강유전성 액정을 그 기본구성요소로 하고 있기 때문에, 쉽게 임의의 형상에 형성할 수가 있다. 제조에 있어서는 기본적으로 수백도 이상에서의 고온처리를 필요로 하지 않으므로 치수정밀도가 높은 소자를 형성할 수 있는 동시에, 압전성의 발현을 위한 포오링처리도 불필요하다. 또 기계적 강도가 뛰어난 소자를 얻을 수가 있다. 또한 복수의 압전소자를 동시에 또한 균일하게 형성할 수가 있다.
또 본발명에 있어서의 압전소자에서는, 이하에 표시한 것 혹은 이들을 편성함으로써 높은 압전성을 얻을 수가 있다.
(1) 배향층이 호모지니어스 배향처리를 한 것일 것.
(2) 배향층이 서로 평행 또는 반대평행에서 어긋나게 하여 호모지니어스 배향처리한 것일 것.
(3) 한쪽의 배향층을 강유전성 액정의 자발분극을 흡인하는 재료로 형성하고, 다른쪽의 배향층을 강유전성 액정의 자발 분극을 반발하는 재료로 형성할 것.
(4) 배향막이 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리한 것일 것.
본 발명에 있어서의 압전장치, 전기기계 변환장치, 기계전기 변환장치, 전기기계 변환장치에 공진수단 혹은 동력변환 수단을 설치한 것으로는, 압전소자가 쉽게 임의의 형상에 높은 치수 정밀도로 형성되며, 더구나 기계적 강도가 뛰어난 것이기 때문에, 효과가 큰 장치를 얻을 수가 있다.
특히 전기기계 변환장치에 동력변환 수단을 설치한 것으로는, 상기의 효과외에 압전소자가 깨어지거나 하는 일이 없기 때문에, 기계적 강도가 뛰어난 장치를 얻을 수가 있다.
Claims (14)
- 제1의 전극과, 이 제1의 전극과 대향한 제2의 전극과, 상기 제1의 전극과 제2의 전극간에 개재한 강유전성 액정과, 상기 제1의 전극 및 제2의 전극의 쌍방 또는 그 일방과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항에 있어서, 상기 배향층이 호모지니어스 배향처리된 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항에 있어서, 상기 배향층이 서로 평행 또는 반대평행으로 어긋나게 하여 호모지니어스 배향처리된 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층과, 상기 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층이 서로 다른 재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층은, 상기 강유전성 액정의 자발분극을 흡인하는 것이며, 상기 제2의 전극과 상기 강유전성 액정간에 형성된 배향층은, 상기 강유전성 액정의 자발전극을 반발하는 것임을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항에 있어서, 상기 배향층이 스트롱라빙법에 의한 호모지니어스 배향처리되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한항 기재의 압전소자와, 상기 제1의 전극 및 제2의 전극 쌍방 또는 그 일방에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단을 가진 것을 특징으로 하는 압전장치.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한항 기재의 압전소자를 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전기기계 변환수단으로서 사용한 것을 특징으로 하는 전기기계 변환장치.
- 제8항에 있어서, 이 압전소자의 제1의 전극 및 제2의 전극의 쌍방 또는 그 일방에 전기신호를 공급하는 전기신호 발생수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전기기계 변환장치.
- 제9항에 있어서, 전기기계 변환장치에 상기 압전소자의 고유진동에 대응하는 공진수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전기기계 변환장치.
- 제9항에 있어서, 전기기계 변환장치에 상기 압전소자의 압전진동을 회전운동으로 변환하는 동력변환수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전기기계 변환장치.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한항 기재의 압전소자와, 상기 제1의 전극 및 제2의 전극의 쌍방 또는 그 일방의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단을 가진 것을 특징으로 하는 압전장치.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한항 기재의 압전소자를 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계전기 변환수단으로 사용한 것을 특징으로 하는 기계전기 변환장치.
- 제13항에 있어서, 이 압전소자의 제1의 전극 및 제2의 전극의 쌍방 또는 그 일방의 전기신호를 검출하는 전기신호 검출수단을 설치한 것을 특징으로 하는 기계전기 변환장치.
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