JP5369182B2 - 電気機械変換器及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は構造物の変形及び振動や流体の流れを感知するか、制御力を加えて構造物の変形及び振動や流体の流れを制御することができるようにする、電気機械変換器及びその製造方法に関する。
一般的に電気機械変換器は機械的動きを電気的信号に変換するか電気的信号を機械的動きに変換させる装置を意味する。代表的な電気機械変換器としては、圧電センサー及び圧電作動器があり、以下では、圧電作動器を主にして説明する。
圧電作動器は電気的信号に応じて機械的動きを発生させる装置であって、かかる圧電作動器を用いて機械、航空宇宙構造物、土木構造物等に適用されて来た既存の油空圧作動器または電気モーター等の作動器を代替しようとする試図が広く行われている。
ところが、通常の単一(Monolithic)圧電作動器は、圧電作動に応じて誘発される長手方向変形率が0.1〜0.2%程度に非常に小さく材料自体が脆性が強いので疲労特性が良くない短所がある。従って、かかる短所を克服するために増幅メカニズムを用いた多様な形態の圧電作動器が開発された。
このような増幅型作動器中外部の付加的な装置無しに材料の曲げ(Bending)や圧電材料の長手方向への膨張を用いて変位を増幅した作動器を内部増幅型(Internally Leveraged)作動器またはベンダ型(Bender)作動器といい、ユニモフ作動器とバイモフ作動器、収縮された内部物性変化酸化物セラミック層圧電作動器(Reduced And INternally Biased Oxide Wafer;以下‘RAINBOW’という)及び薄板ユニモフ作動器(THin layer UNimorphDrivER;以下‘THUNDER’という)等がこれに属する。
前記のユニモフ作動器は図１に示されたように金属層51に圧電層52を付着した形態に構成され、バイモフ作動器は二つの圧電層を付着させた形態に構成され、圧電層52に電気場が加えられるとき引張または収縮が発生して作動器全体に曲げを誘発する。このようなユニモフ作動器とバイモフ作動器は相対的に大きな作動変位を誘発するが、作動力が小さい短所がある。
そして、前記のRAINBOWは、PZT(鉛-ジルコニウム-チタン複合酸化物)のように、鉛を含む圧電セラミックの一面を化学的な反応を通じて還元させたもので、次のような工程によって製造されている。即ち、圧電材料をグラフアイトブロックの上に置いて975℃程度の高温で加熱するとグラフアイトと圧電材料の境界面で圧電材料から酸素が抜け出るようになり、それに因り圧電材料層と金属性の非圧電材料層が結合された単一構造が生成される。これを常温で冷却させると二つの層間の熱膨張係数の差異により曲率を有するドム形態の構造物が製造される。このような作動器はパムピング運動(Pumping Motion) を通じて大きな作動変位を得るようになる。
また、米航空宇宙局(NASA)ラングリ(Langley)研究所で開発されたTHUNDERは、高温硬化用接着剤を使用して薄い圧電セラミックと金属板を接合して製造したものであって、オートクレーブで約320℃に硬化させて製造している。
該THUNDERは前記のRAINBOWと同じくセラミックと金属の熱膨張係数の差異によって曲率を有するようになり、圧電層に電圧を加えて発生するパムピング運動を用いて大きな変位を得るようになる。また、曲率を有する形態の作動器は面外方向(Out−of-Plane)に自体の剛性(Stiffness)が増大されるのでユニモフ作動器やバイモフ作動器に比べて力特性が一層向上される。
一方、韓国の建国大学では前記のTHUNDERの改良型のLIPCA(LIghtweightPiezo-composite Curved Actuator)を開発した。これはTHUNDERの金属層を繊維強化複合材料に代替した作動器であって繊維強化複合材の製造工程によって177℃で硬化され繊維強化プレプレグが接着剤の役割をするために、別途に接着層を必要としないので製造過程がTHUNDERに比べて簡単である。また、THUNDERに比べて約40％程度軽量であり、複合材料の積層に従う構造的性能変化を利用すれば多様な形態の作動器を製造することができるという長所が報告されている。
図２は現在市販されている常用圧電作動器の変位-力関係を表したグラフであって、THUNDERの変位特性が非常に良いことを分かる。THUNDERの場合、現在まで開発されたベンダ型作動器のうち最も性能が良いと知られているが、製造過程が高温で行われるので高温接着用特殊接着剤が必要であり、高温で圧電セラミックの圧電特性が消えるので常温で再度分極(Poling)過程を経なければならない短所がある。そして、THUNDERに比べて製造過程が簡単なLIPCAも複合材製造過程でオートクレーブ装備が要求され、硬化されるのに時間が必要であるので、短い時間内に作動器を製造することができない短所がある。
本発明は前記の従来の問題点を解決するために案出されたものであって、THUNDERの製造過程を単純化するために、常温で金属層（後述する実施形態における基底構造物に該当）に機械的な力を加えて予め初期応力が加えられるようにした状態で、前記金属層に電気作動材料（後述する実施形態における電気作動材料層に該当）を付着することにより、初期応力を除去した後の最終製造された形状が曲面を有するのは勿論、製造後別途に分極過程無しに直ぐ使用できるようにすることにより、その製造期間を短縮させることができる電気機械変換器及びその製造方法を提供することにその目的がある。
具体的には、一層以上の基底構造物に初期変形を加えた状態で他の層を接合させた後、初期変形を除去して電気機械変換器を製造することにより、面外方向に電気機械変換器自体の剛性を増加させ、ポンピング運動を通じて作動力を発生するか外部刺激によって発生する動きを感知することができるようにしたものである。
また、本発明は、熱膨張係数の差異がある材料ばかりでなく熱膨張係数の差異が殆ど無い材料を常温で接合して製造することにより、高温硬化及び再分極過程無しに製造時間が短縮され、単一圧電作動器に比べて作動変位及び力特性に優れると共に疲労特性が向上された電気機械変換器及びその製造方法を提供することに目的がある。
さらに、本発明は電気作動材料層に内部応力を分布するようにすることにより、電気作動材料層の変形性能向上または疲労特性を向上させた電気機械変換器及びその製造方法を提供することに目的がある。
前記目的を達成するための本発明の電気機械変換器は、初期応力が加えられた基底構造物12と、前記基底構造物12に付着される電気作動材料層11と、前記電気作動材料層11の上面と下面に各々付着され電気作動材料層11が駆動され得るようにする電極11a, 11bと、を含んでなり、前記基底構造物12に加えられた初期応力を除去した時前記基底構造物12及び電気作動材料層11が変形されて前記基底構造物12及び電気作動材料層11が曲率を有するようになる。
また、本発明の電気機械変換器によれば、前記基底構造物12及び電気作動材料層11の厚さ比(ξ)は下記の数式（１）によって決定されることを特徴とする。
ここで、前記ξは前記基底構造物12の厚さ(ｔｍ)と前記電気作動材料層11の厚さ(ｔｐ)間の比(ｔｍ/ｔｐ)であり、前記ηは前記基底構造物12の弾性係数(1/sm)と前記電気作動材層11の弾性係数(1/ｓp)間の比(ｓp/sm)を意味する。
さらに、本発明の電気機械変換器によれば、前記基底構造物12は、金属、ガラス、プラスチック、複合材料、セラミック、圧電材料または形状記憶合金のいずれかで形成されることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換器によれば、前記電気作動材料層11は、圧電セラミック、圧電フイルム、圧電フアイバー、電気作動ポリマー、強誘電体、形状記憶合金または電歪材料のいずれかで形成されることを特徴とする。
さらに、本発明の電気機械変換器10は、上下に積層され複層からなる電気機械変換システムを構成することを特徴とする。
そして、本発明による電気機械変換器の製造方法は、装備を用いて基底構造物12に応力を加える段階と、電極11a,11bを含む電気作動材料層11を前記基底構造物12に接着剤で付着する段階と、前記接着剤が完全に硬化されるまで待機する段階と、前記電気作動材料層11が接着された前記基底構造物12を装備から分離して電気機械変換器を完成する段階と、を含むことを特徴とする。
さらに、本発明の電気機械変換器の製造方法によれば、前記基底構造物12に応力を加えた状態で前記基底構造物12の変形率を測定して変形量が適切であるかを確認する段階をさらに含むことを特徴とする。
さらに、本発明の電気機械変換器の製造方法は、前記電気機械変換器10が完成された後、前記電気作動材料層11の電極11a,11bに電気信号を入力するか前記基底構造物12に変形を加えた時、前記電気作動材料層11から発生する電気信号を取得して、前記電気機械変換器10の作動状態をテストする段階をさらに含むことを特徴とする。
前記の本発明の電気機械変換器は、電気作動材料層に内部応力を分布するようにすることにより電気作動材料層の変形性能向上または疲労特性が向上される効果がある。
また、本発明の電気機械変換器によれば、各材料層の厚さ比を最適化することにより変位及び力性能が向上されるようにする効果がある。
そして、本発明の電気機械変換器の製造方法によれば、基底構造物に初期応力を加えた状態で電気作動材料層を付着して電気機械変換器を製造するようになるので、完成された製品を追加に加工しなくても曲率を有する電気機械変換器を得られることは勿論、製造期間の短縮を通じて費用を節減できる効果がある。
また、本発明の電気機械変換器の製造方法によれば、各材料層の厚さ比を調節して最適の組合せで電気機械変換器を製造することができるので、変位及び力性能に優れた電気機械変換器を得ることができる効果がある。
一般的なユニモフ作動器の構造を示した概念図である。 市販中の常用圧電作動器の変位-力関係を示したグラフである。 本発明による電気機械変換器が概略的に示した構成図である。 ユニモフ作動器で厚さ比に応じて誘発される変位特性を示したグラフである。 本発明の電気機械変換器と従来の薄板ユニモフ作動器の変位特性を比較したグラフである。
以下、添付された図面を参照して本発明の電気機械変換器を説明すると次の通りである。
図３は本発明による電気機械変換器が概略的に示された構成図であり、図４は本発明に基づいて厚さ比を最適化したユニモフ作動器とそうでないユニモフ作動器における厚さ比に応じて誘発される変位特性を表したグラフであり、図5は本発明の電気機械変換器と従来の薄板ユニモフ作動器(THUNDER)の変位特性を比較したグラフである。
本発明による電気機械変換器は、初期応力が加えられた基底構造物12と、前記基底構造物12に付着される電気作動材料層11と、前記電気作動材料層11が駆動され得るようにする電極11a, 11b、を含んでなり、前記基底構造物12に加えられた初期応力を除去したとき前記基底構造物12及び電気作動材料層11が変形されて曲率を有する構造で形成される。
ここで、前記基底構造物12の材料としては、金属、ガラス、プラスチック、複合材料、セラミック、圧電材料または形状記憶合金があり、前記電気作動材料層11の材料としては、圧電セラミック、圧電フイルム、圧電フアイバー、電気作動ポリマー、強誘電体、形状記憶合金または電歪材料がある。
（１）このとき、前記基底構造物12及び電気作動材料層11の厚さ比は下記の数式（１）によって決定される。
ここで、前記 ξ は前記基底構造物12の厚さ(ｔｍ)と前記電気作動材料層11の厚さ(ｔｐ)間の比(ｔｍ/ｔｐ)であり、前記 η は前記基底構造物12の弾性係数(1/sm)と前記電気作動材料層11の弾性係数(1/ｓp)間の比(ｓp/sm)を意味する。
片持ち(cantilever)境界条件においてユニモフ作動器の変位および力は下記の数式（２）のように表現されている。
ここで、δは作動変位、Fは作動力、E は電界であって、印加電圧を電気作動材料層の厚さで割った値である。そして、Lはユニモフ作動器の長さ、ttotはユニモフ作動器の全体厚さ、
はユニモフ作動器の幅、d31は圧電係数であって、電界によって発生する自由変形率を表す。また、ｓpは電気作動材料層11の弾性係数の逆数であり、物質の材質によって決定される物質常数(コンプライアンス)である。
これを考慮してよく見ると、ユニモフ作動器を構成する材料と形状、加えられる電圧が定められた時、作動変位と作動力は二つの層の厚さ比と弾性係数比によって決定されることを分かる。前記の数式（２）を最適化すると、前記の数式（１）のような結果を得ることができる。
図４は前記式（１）と式（２）及び下記表１に示した材料を用いて構成された多様なユニモフ作動器の変位特性を表したグラフである。図４によれば、最適化公式を使用して製造された作動器(S1、C2、A1)の性能がそうでない作動器に比べてより大きい変位を誘発することを分かる。また、従来の薄板ユニモフ作動器(THUNDER)中、TH-8Rの場合、厚さ最適化がなっていないために、その変形特性もまた最適化公式を使用して製造された作動器に比べて変位性能がさらに劣ることを分かる。
前記の本発明の電気機械変換器は次のような工程を通じて製造される。
先ず、装備(図示省略)を用いて基底構造物12に応力を加えた後、前記基底構造物12に電極11a,11bを含む電気作動材料層11を接着剤で付着し、前記接着剤が完全に硬化されるまで待機する。前記接着剤が完全に硬化されると前記電気作動材料層11が接着された前記基底構造物12を装備から分離して電気機械変換器10を完成する。
ここで、前記の電気機械変換器の製造工程は全て常温で行われるので、高温で基底構造物と電気作動材料層を接合させる従来の製造方法に比べて容易で簡便な作業が可能であり、製造時間を短縮することができる。
そして、前記の工程を通じて製造完了された電気機械変換器10は単独にも使用することができるが、前記電気機械変換器10を上下に積層することにより複層からなる電気機械変換システムを構成して使用することもできる。従ってこのように電気機械変換システムを構成すれば、作動力を増大させるか剛性を増大させることができる。よって、大きな力と変位が必要な多様な分野で利用が可能である。例えば、航空機、宇宙構造物等から発生する振動問題及び変形を制御及び感知するのに使用することができるし、橋梁のような土木構造物にも適用が可能である。
さらに、製造が完了された前記電気機械変換器10を用いて音圧を誘発する音響装置を構成することもできる。即ち、前記電気機械変換器10をスピーカー等の音響装置にも適用することができる。
一方、前記基底構造物12に応力を加えた状態で前記基底構造物12の変形率を測定して変形量が適切であるかを確認する必要がある。これによって、電気機械変換器の曲率を適切に設定することが可能である。
そして、前記電気機械変換器10が完成された後、前記電気作動材料層11の電極11a,11bに電気信号を入力して電気機械変換器10を変形させるか前記基底構造物12に変形を加えて前記電気作動材料層11から発生する電気信号を取得して、前記電気機械変換器10の作動状態をテストするようになる。
一方、以上の工程を通じて製造された電気機械変換器10と従来の薄板ユニモフ作動器の作動変位をそれぞれ実験を通じて比較して、図５のような結果を得ることができた。この試験によれば、本発明による電気機械変換器の変位性能が従来の薄板ユニモフ作動器に比べて10〜30％程度優れていることを確認することができる。
以上においては、電気機械変換器を作動器に使用した場合を主にして説明したが、本発明の電気機械変換器の技術は作動器でないセンサーにも適用が可能である。具体的にはバルブ、スイッチ、ポンプ等機械装備に利用が可能であり、スピーカー等の音響装備、流量計、変形測定器、力測定器等にも活用が可能である。それから、本発明の技術は機械、航空宇宙、電子、建築、土木等種々の分野に適用され既存の多様な作動器及びセンサーを代替することができるものと期待される。
以上では、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲はこのような特定実施例だけに限定されるものではなく、該当分野で通常の知識を有する者であれば本発明の特許請求範囲内に記載された範疇内で適切に変形が可能である。
10 電気機械変換器
11 電気作動材料層
11a,11b 電極
12 基底構造物
51 金属層
52 圧電層

Claims (9)

  1. 初期応力が加えられた基底構造物12と、
    前記基底構造物12に付着される電気作動材料層11と、
    前記電気作動材料層11が駆動できるようにする電極11a,11bと、を含んでなり、
    前記基底構造物12に加えられた初期応力を除去した時、前記基底構造物12及び電気作動材料層11が変形されて曲率を有するとともに、前記電気作動材料層に内部応力が分布されることにより前記電気作動材料層の変形性能が向上されることを特徴とする電気機械変換器。
  2. 前記基底構造物12及び電気作動材料層11の厚さ比（ξ）は下記の数式によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。

    ここで、前記ξは前記基底構造物12の厚さ(ｔｍ)と前記電気作動材料層11の厚さ(ｔｐ)間の比(ｔｍ/ｔｐ)であり、前記ηは前記基底構造物12の弾性係数(1/sm)と前記電気作動材料層11の弾性係数(1/ｓp)との間の比(ｓp/sm)を意味する。
  3. 前記基底構造物12は、金属、ガラス、プラスチック、複合材料、セラミック、圧電材料または形状記憶合金のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
  4. 前記電気作動材料層11は、圧電セラミック、圧電フイルム、圧電フアイバー、電気作動ポリマー、鋼誘電体、形状記憶合金または電歪材料のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
  5. 製造が完了された電気機械変換器10が上下に積層されて複層からなる電気機械変換システムを構成することを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換器。
  6. 製造が完了された電気機械変換器10を用いて音圧を誘発する音響装置を構成することを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換器。
  7. 装備を用いて基底構造物12に応力を加える段階と、
    電極11a,11bを含む電気作動材料層11を前記基底構造物12に接着剤で付着する段階と、
    前記接着剤が完全に硬化されるまで待機する段階と、
    前記接着剤が完全に硬化されたあとに、前記電気作動材料層11が接着された前記基底構造物12を装備から分離して、前記基底構造物12に加えられた初期応力を除去することにより、前記基底構造物12及び電気作動材料層11が変形されて曲率を有するとともに、前記電気作動材料層に内部応力が分布されるようにして前記電気作動材料層の変形性能が向上されるようにした電気機械変換器10を完成する段階と、を含むことを特徴とする電気機械変換器の製造方法。
  8. 前記基底構造物12に応力を加えた状態で前記基底構造物12の変形率を測定して変形量が適切であるかを確認する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換器の製造方法。
  9. 前記電気機械変換器10が完成された後、前記電気作動材料層11の電極11a, 11bに電気信号を入力して前記電気機械変換器10を変形させるか前記基底構造物12に変形を加えて前記電気作動材料層11から発生する電気信号を取得して、前記電気機械変換器10の作動状態をテストする段階をさらに含むことを特徴とする請求項７または８に記載の電気機械変換器の製造方法。
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