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課題・解決手段

本発明は、センサとして、及びアクチュエータとして利用できる酸化亜鉛系圧電デバイスに関する。特に、本発明は、少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を具備し、ヤーンの交差部にナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)が配置されており、ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の端部(4a,4b)が操作ユニット(5)に接続されている圧電デバイス(1,101)に関する。

概要

背景

センサ駆動デバイスを作製するための圧電材料の使用が知られている。

機械的変形を受けると電圧差を発生することができる場合、材料が圧電性であると定義される。実際には、外圧が加えられた場合、異符号電荷それ自身が材料の対向面に位置され、すなわち、正味電気双極子モーメントユニットセルに生成される。結晶コンデンサとして振る舞い、このコンデンサに電圧差が加えられる。2つの面が外部回路で接続された場合、圧電電流と呼ばれる電流が発生し、この効果は「ピエゾジェネレーター効果」と呼ばれる。逆に、材料に電圧差が加えられた場合、材料は膨張するか収縮する(「ピエゾモーター効果」)。これら効果は可逆的であり、ナノメートルオーダースケールで実現される。

圧電効果を発生させることができるさまざまな材料が存在する。とりわけ、チタン酸バリウム(BaTio3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrxTi1−x O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、オルトリン酸ガリウム塩GaPO4)、石英及び酸化亜鉛(ZnO)である。

特に、デバイスにかなりの可撓性及び曲げ強さを与えるために、このような材料のナノ結晶ポリマー又は炭素繊維媒体上に堆積されたさまざまなZnO系デバイスが提案されている。これらデバイスでは、ZnO結晶フィラメントの端部は、代表的には金電極である適切な電極に接続され、これは、電圧又はそれによって発生する電流を測定するための機器に適切に電気的に接続されている。しかしながら、実験タイプに必須のこれらデバイスは、かなり複雑であり、従来のセンサと同じやり方では、それらの位置を適所に決める難しさ及び配線の必要性のために、その構造上の動作を監視するための大きな構造と一体にするのが容易ではない。

概要

本発明は、センサとして、及びアクチュエータとして利用できる酸化亜鉛系圧電デバイスに関する。特に、本発明は、少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を具備し、ヤーンの交差部にナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)が配置されており、ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の端部(4a,4b)が操作ユニット(5)に接続されている圧電デバイス(1,101)に関する。

目的

本発明の1つの目的は、大きな複合構造を含む、複合材料でできたさまざまな構造に容易に一体にされることができる単純な配置形状の圧電デバイスを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を具備し、前記ヤーンの交差部にナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)が配置されており、前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の端部(4a,4b)が操作ユニット(5)に接続されている圧電デバイス(1,101)。

請求項2

前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の前記端部(4a,4b)は、別の配線を介在することなく、前記操作ユニット(5)に直接接続されている請求項1に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項3

前記操作ユニット(5)は、電圧電流又は静電容量を測定するための機器である請求項1又は2に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項4

前記操作ユニット(5)は、電圧発生器であり、好ましくは、電圧を調整可能な電圧発生器である請求項1又は2に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項5

前記炭素繊維のヤーン(2a,2b;102a,102b)は、1つの炭素繊維のみ、又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる請求項1ないし4のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項6

前記炭素繊維のバンドルは、3,000〜50,000のファイバを含む請求項5に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項7

前記炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の、あるいは、例えば、ピッチ、もしくは植物性繊維又は木などのセルロース系材料である自然由来の、熱分解された炭素質繊維材料からなる請求項1ないし6のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項8

縦糸(102a)と横糸(102b)とからなる炭素繊維織物(110)を含み、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(103)がその一部分上に配置されている請求項1ないし7のいずれか1に記載の圧電デバイス(101)。

請求項9

電荷及び静電容量を測定するための前記機器は、少なくとも1つの第1のヤーン(2a,102a)に接続される可変周波数信号発生器と、少なくとも1つの第2のヤーン(2b;102b)に接続される、電流信号及び電荷積分値の取得及び補正のための機器とを有する請求項1ないし8のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。

請求項10

請求項1ないし9のいずれか1に記載の少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)を含む、炭素繊維材料でできた物品

請求項11

前記圧電デバイスは、トルクセンサである請求項10に記載の物品。

請求項12

前記圧電デバイスは、アクチュエータデバイスである請求項10に記載の物品。

請求項13

前記少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)は、前記物品に埋め込まれているか前記物品と一体となっている請求項10ないし12のいずれか1に記載の物品。

請求項14

請求項1ないし9のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)を得るための方法であって、a)少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を含む物体の一部分上への接着層の形成ステップと、b)ステップa)の前記接着層上でのナノロッド形態の酸化亜鉛成長ステップと、あるいは、a1)2つの炭素繊維のヤーン(2a,2b)の一部分上への接着層の形成ステップと、b1)ステップa1)の前記接着層上でのZnO NRの成長ステップと、c1)前記2つのヤーン(2a,2b)の重ね合わせステップとを含む方法。

請求項15

前記ステップa)又はa1)は、化学浴技術によって実行され、A1)所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、覆われるべき前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、A2)所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップA1)の前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、A3)ステップA2)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップと、A4)前記ステップA1)、A2)及びA3)の所定回数繰り返しステップとをこの順に含む請求項14に記載の方法。

請求項16

前記亜鉛塩は、酢酸亜鉛であり、前記ステップA2)は、好ましくは、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行され、前記塩基性水溶液は、好ましくは、水酸化アンモニウム水溶液である請求項15に記載の方法。

請求項17

前記ステップA2)は、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行される請求項15又は16に記載の方法。

請求項18

前記ステップA1)、A2)及びA3)は、少なくとも10回繰り返される請求項15ないし17のいずれか1に記載の方法。

請求項19

前記ステップa)又はa1)は、従来のスパッタリング技術によって実行され、このスパッタリング技術は、B1)所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上への酸化亜鉛層(3)の堆積ステップと、B2)前記ステップB1)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む請求項14に記載の方法。

請求項20

前記ステップB1)は、120Wの電力を使用して、30秒間ないし1時間かそれ以上の堆積時間、実行され、前記ステップB2)は、2ないし4回の堆積サイクルを与える請求項19に記載の方法。

請求項21

前記接着層上にナノロッドの形態の酸化亜鉛を成長させる前記ステップb)は、i)所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミン溶液中への、ステップa)又はa1)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、ii)前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップとをこの順に含む請求項14ないし20のいずれか1に記載の方法。

請求項22

前記亜鉛塩の溶液は、酢酸亜鉛水溶液であり、前記アミンは、ヘキサメチレンテトラミンである請求項21に記載の方法。

請求項23

処理温度が50℃よりも高く、処理時間が2ないし6時間である請求項21又は22に記載の方法。

請求項24

1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、請求項10ないし13に記載のいずれか1による炭素繊維材料の物品を作製する方法であって、1)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b)上への、又は前記炭素繊維織物(110)上へのナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、2)重合体マトリックスへの、ステップ1)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、3)前記物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、4)薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ3)の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、5)選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の1以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む方法。

請求項25

1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、請求項10ないし13に記載のいずれか1による炭素繊維物品を作製する方法であって、1a)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b)上への、又は前記炭素繊維織物(110)上への、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、2a)重合体マトリックスへの、ステップ1a)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、3a)前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、4a)選択的に、ステップ3a)による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層と、ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス(1,101)を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、5a)前記物品を形成するための、ステップ4a)の前記物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む方法。

請求項26

前記ステップ1)又は1a)が、織る動作の前に、予め織物(110)又は炭素繊維のヤーン(102a,102b)に対して実行される請求項24又は25に記載の方法。

請求項27

前記重合ステップ4)又は4a)は、室温から250℃の間の温度で、1バールないし10バールの圧力で、オートクレーブプロセスによって実行され、前記重合体マトリックスは、好ましくはエポキシ樹脂フェノールマトリックスとから選択された一般的な熱硬化性材料である請求項24ないし26のいずれか1に記載の方法。

請求項28

前記ステップ4)又は4a)は、100℃から450℃までの温度で、400トンまでの押圧力で、3ないし60分間、モールド成形プロセスによって実行され、前記重合体マトリックスは、好ましくは、ポリエチレン(PE)、硫化ポリフェニレン(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)及びポリエチレンイミド(PEI)から選択された熱可塑性材料である請求項24ないし26のいずれか1に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、センサとして、及びアクチュエータとして利用できる酸化亜鉛系圧電デバイスに関する。

背景技術

0002

センサや駆動デバイスを作製するための圧電材料の使用が知られている。

0003

機械的変形を受けると電圧差を発生することができる場合、材料が圧電性であると定義される。実際には、外圧が加えられた場合、異符号電荷それ自身が材料の対向面に位置され、すなわち、正味電気双極子モーメントユニットセルに生成される。結晶コンデンサとして振る舞い、このコンデンサに電圧差が加えられる。2つの面が外部回路で接続された場合、圧電電流と呼ばれる電流が発生し、この効果は「ピエゾジェネレーター効果」と呼ばれる。逆に、材料に電圧差が加えられた場合、材料は膨張するか収縮する(「ピエゾモーター効果」)。これら効果は可逆的であり、ナノメートルオーダースケールで実現される。

0004

圧電効果を発生させることができるさまざまな材料が存在する。とりわけ、チタン酸バリウム(BaTio3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrxTi1−x O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、オルトリン酸ガリウム塩GaPO4)、石英及び酸化亜鉛(ZnO)である。

0005

特に、デバイスにかなりの可撓性及び曲げ強さを与えるために、このような材料のナノ結晶ポリマー又は炭素繊維媒体上に堆積されたさまざまなZnO系デバイスが提案されている。これらデバイスでは、ZnO結晶フィラメントの端部は、代表的には金電極である適切な電極に接続され、これは、電圧又はそれによって発生する電流を測定するための機器に適切に電気的に接続されている。しかしながら、実験タイプに必須のこれらデバイスは、かなり複雑であり、従来のセンサと同じやり方では、それらの位置を適所に決める難しさ及び配線の必要性のために、その構造上の動作を監視するための大きな構造と一体にするのが容易ではない。

0006

それ故、本発明の1つの目的は、大きな複合構造を含む、複合材料でできたさまざまな構造に容易に一体にされることができる単純な配置形状の圧電デバイスを提供することである。

0007

他の目的は、大きな構造においてもセンサとして、又はアクチュエータとして使用されることができる圧電デバイスを提供することである。

0008

本発明のさらなる目的は、本発明による1以上の圧電デバイスが一体にされた炭素繊維材料物品を作製する方法を提供することである。

0009

したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に概説されるような酸化亜鉛系圧電デバイスに関し、これらに規定されるものは、本明細書と一体的な部分を形成する。

0010

本発明のさらなる特徴及び効果が、いずれの場合も、添付図面を参照して、非限定的な例による好ましい実施形態の以下に与えられる記載からより明白に理解可能になる。

図面の簡単な説明

0011

図1は、本発明による圧電デバイスの概略図である。
図2Aは、本発明の圧電デバイスの他の実施形態の概略図である。
図2Bは、図2Aのデバイスを拡大した細部側面概略図である。

実施例

0012

図1に示されるように、参照符号1によって全体的に示される本発明の圧電デバイスは、少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン2a、2bを有し、ヤーン2a、2bの交差部にナノ構造の酸化亜鉛(ZnO)層3が配置されている。ヤーン2a、2bの各々の端部4a、4bは、可能な適切な配線6a、6bによって、操作ユニット5に接続されている。炭素繊維が導電特性を有すると仮定すると、ヤーン2a、2bの端部を操作ユニット5に直接接続することも可能である。

0013

「ヤーン2a、2bの交差部に酸化亜鉛の層が配置されている」との表現は、ZnOの層がこれらの交差部を含む前記ヤーン2a、2bの一部を覆っており、より広範囲を覆っていてもよいことを意味する。

0014

ヤーン2a、2bは、本発明のデバイスが適用される物品のサイズに応じた、及びデバイスが置かれる位置に応じた適切な長さであることができる。実際には、本発明のデバイスでは、炭素繊維のヤーン2a、2bは、その電気伝導性おかげで、信号のコンダクターとなるヤーンである。したがって、任意の離れた位置に操作ユニット5を置くことが可能であり、一方、1以上のデバイス1が、(デバイス1がセンサとして使用される場合)構造上の変化が監視される必要があるか、(デバイス1がアクチュエータとして使用される場合)物品の形態上の変化を引き起こす物品のところに自由に置かれることができる。デバイス1は、外部の電気接触を必要とせず、ZnOで覆われた炭素繊維の構造によって特徴付けられるのみであり、それが埋め込まれることができる炭素繊維の物品と容易に一体にされることができる。

0015

ヤーン2a、2bの長さが広範であれば、適切な位置に信号増幅器を適用するのが便利であるか必要でありうる。

0016

ある実施形態では、操作ユニット5は、電圧又は静電容量を測定するための機器である。

0017

他の実施形態では、操作ユニット5は、電圧発生器である。

0018

炭素繊維のヤーン2a、2bは、単一の炭素繊維又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる。

0019

「炭素繊維のヤーン」との用語は、例えば、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の、あるいは、例えば、ピッチ植物性繊維又は木などのセルロース系材料である自然由来の、さまざまな炭素質材料熱分解によって一般的に生成された繊維材料を指す。

0020

「複数の炭素繊維のバンドル」との用語は、概して3,000〜50,000のファイバを含む炭素繊維のグループを指す。

0021

ナノ構造のZnOの層3は、「ナノロッド」の形態のZnO(以下では「ZnO NR」とする)を含む。

0022

ZnO NRの層3の堆積方法は、
a)少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン2a、2bを含む物品の一部分上への接着層の形成ステップと、
b)ステップa1)の前記接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
あるいは、
a1)2つの炭素繊維のヤーン2a、2bの一部分上への接着層の形成ステップと、
b1)ステップa1)の接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
c1)2つのヤーン2a、2bの重ね合わせステップとを含む。

0023

ステップc1では、2つのヤーンは、単に互いの上に置かれることができるか、接着剤又は樹脂を使用して一緒に保持されることができる。

0024

接着層(「シード層」とも称される)の形成のステップa)又はa1)は、2つの異なる技術を使用して達成されることができる。

0025

いくつかの実施形態では、ステップa)又はa1)は、化学浴技術で実行され、
A1)所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、ZnO NRで覆われるべき前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、
A2)所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップA1)の前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、
A3)ステップA2)から得られた前記物体又は前記ヤーンの乾燥ステップと、
A4)ステップA1)、A2)及びA3)の所定回数繰り返しステップとをこの順に含む。

0026

物体の、又は糸の表面の一部分のみが覆われる必要がある場合には、残りの部分は適切に遮られなければならない。

0027

ステップA1)では、亜鉛塩は、好ましくは、酢酸亜鉛二水和物であり、より好ましくは、1mMないし1Mの、より好ましくは約60mMの酢酸亜鉛二水和物の溶液である。

0028

ある実施形態では、ステップA1)は、周囲温度で、1秒間ないし1時間かこれ以上の時間、好ましくは5秒間ないし30秒間、より好ましくは約10秒間、実行される。

0029

ステップA2)では、塩基性水溶液は、好ましくは水酸化アンモニウム水溶液であり、より好ましくは0.0001%ないし0.1%の、好ましくは約0.03重量%の濃度の水酸化アンモニウムの水溶液である。

0030

ある実施形態では、ステップA2)は、周囲温度で、1秒間ないし1時間かこれ以上の時間、好ましくは5秒間ないし30秒間、より好ましくは約10秒間、実行される。

0031

「水溶液」との用語は、好ましくは、蒸留水の溶液を、より好ましくは再蒸留水の溶液を意味すると理解される。

0032

乾燥ステップA3)は、好ましくは、25℃よりも高い温度で、より好ましくは70℃よりも高い温度で、よりいっそう好ましくは90℃よりも高い温度で、より好ましいやり方では約120℃で、好ましくは200℃未満で行われる。

0033

ステップA1)、A2)及びA3)は、好ましくは、少なくとも10回、より好ましくは少なくとも15回、よりいっそう好ましくは約20回繰り返される。

0034

他の実施形態では、ステップa)は、真空中に置かれた堆積チャンバを含む装置の使用を含む「スパッタリング」又は「陰極粉砕」の従来技術を使用して実行され、この堆積チャンバ中に、覆われるべき物体及びこの場合にはZnOであるコーティング材料が置かれる。コーティング材料は、通常1KeVよりも低いエネルギーを有するイオンビームを当てられ、霧状材料を放出してチャンバの壁及び覆われるべき表面を覆う。物体の表面の一部分のみが覆われるべきである場合には、覆われるべきでない部分が遮られる必要がある。

0035

上に概説された手順は、
B1)所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上へのZnO酸化物層3の堆積ステップと、
B2)ステップB1)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む。

0036

ステップB1)は、好ましくは、120Wの電力を使用して、30秒間ないし1時間の堆積時間、より好ましくは2〜6分間、よりいっそう好ましくは約4分間、実行される。

0037

ステップB2)は、好ましくは2ないし4回の堆積サイクルを、より好ましくは2回の堆積サイクルを与える。

0038

接着層上でのZnO NRの成長のステップb)又はb1)は、
i)所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、それぞれステップa)又はa1)から得られた前記物品又は前記ヤーン2a、2bの浸漬ステップと、
ii)前記物体又は前記ヤーン2a、2bの乾燥ステップとをこの順に含む。

0039

ステップi)では、好ましくは、ヘキサメチレンテトラミン及び酢酸亜鉛二水和物の水溶液が使用される。より好ましくは、亜鉛塩の濃度は、100uMないし1Mであり、よりいっそう好ましくは約20mMであり、また、アミンの濃度は、100uMないし1Mであり、よりいっそう好ましくは約20mMである。

0040

好ましい実施形態では、処理温度は、50℃よりも高く、好ましくは70℃よりも高く、より好ましくは約90℃である。

0041

好ましい実施形態では、処理時間は、2〜6時間、好ましくは約4時間である。

0042

乾燥ステップii)は、好ましくは、100℃よりも高い温度で、好ましくは130℃よりも高い温度で、より好ましくは約150℃で、少なくとも5分間、好ましくは約10分間、行われる。

0043

ある実施形態では、操作ユニット5は、代表的には電圧計である電圧を測定するための機器であることができる。

0044

他の実施形態では、操作ユニット5は、静電容量を測定するための機器を含む。この場合、第1のヤーン2aは、周波数可変信号発生器に接続され、一方、第2のヤーン2bは、並列に置かれ、前記ヤーン2aに対して接地され、電流信号及び電荷の積分値の取得及び補正のための機器に直列に接続されている。例えば、AIACCT社によって製造された「強誘電体モジュール」を備える機器TF分析器2000Eが使用されることができる。

0045

電荷及び静電容量計が基にする原理は以下の通りである。本発明のデバイスは、おおよそコンデンサとみなされることができ、そこでは、電機子がその交差部の点でヤーン2a、2bの表面によって表される。一方、「ナノロッド」のコーティング構造は、介在誘電材料(interposed dielectric material)を構成し、これが圧電効果を与える。実際には、現実の材料は決して純粋な誘電体ではなく、したがって、圧電信号は、もしあれば、抵抗性電流及び漏れ電流などの多くの場合に支配的な他の誤った寄与に通常重畳される。これらは、測定の精度を害し、静電容量の正確な測定の信頼性が低くなってしまう。しかしながら、固定振幅及び可変周波数三角電圧インパルスを利用することによって、抵抗性電流や漏れ電流からの材料の誘電性への寄与を分離することが可能である。

0046

正確な周波数がいったん選択されると、全ての誤った寄与が完全に除かれた場合には静電容量対電圧の測定は不変である。システムに対する一定の外部の機械的な圧力による圧電性の誘導が容量の増加を引き起こし、電圧が一定となる。図1におけるデバイスで例えば5kHzの周波数インパルスを使用すると、誘電性の応答は、抵抗及び漏れの応答と完全に分かれている。個々の異なるデバイスについて、適切な周波数パルスが実験的に見つけられることができる。それ故、この体制では、システムの静電容量の変化の観点から圧電効果を測定することが可能である。

0047

他の実施形態では、操作ユニット5は、電圧発生器、好ましくは電圧を調整可能な電圧発生器である。これにより、デバイス1は、印加される電圧に応答してその形態を変化させるアクチュエータとして作用する。圧電材料(ZnO NR)に静電的な「極性(poling)」を与えることで「ナノロッド」の曲げが引き起こされ、すなわち、正味の双極子モーメントの形成、この結果、材料の誘電率の変化、言い換えればその容量の変化が観察される。「極性」の印加が中断されると、デバイス1は、極性の印加の前に見られた同じ容量値をとる初期配置に再度達するまで、緩む。例えば、デバイス1が埋め込まれた材料のいくつかの層を重畳することにより、物品に適切な数のデバイス1を置けば、印加される電圧に応答して物品のかなりの形態変化を得ることができる。

0048

図2A並びに図2Bに示される異なる実施形態では、本発明による圧電デバイス101は、横糸102aと縦糸102bとからなる、炭素繊維でできた織物110から作製され、その一部分上にZnO NRの層103が配置されている。ZnO NRでの炭素繊維のコーティングのための上に記載された技術は、形状を変えられる大きな表面のコーティングを可能にし、したがって、多くの単一の圧電デバイス1を構成する炭素ヤーンの複数の横縦交差部を覆うことが可能である。

0049

デバイス101は、個々のヤーン102a、102bによって直接、又は、適切な配線6a、6bによって、上で述べられるような操作ユニット5に接続されている。

0050

ある実施形態では、本発明による圧電デバイス1、101は、その作製プロセス中、炭素繊維物品と一体にされることができる。

0051

この結果、1以上の圧電デバイス1、101を含む炭素繊維の物品の作製プロセスは、
1)圧電デバイス1、101を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン2a、2b上への、又は前記炭素繊維織物110上へのZnO NRの堆積ステップと、
2)重合体マトリックスへの、ステップ1)の前記圧電デバイス1、101の含浸ステップと、
3)物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
4)薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ3)の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、
5)選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の1以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む。

0052

ZnO NRの層3、103の堆積ステップ1)は、上で述べられたようにして行われる。織物110の一部分を覆う場合、このステップは、織る前に、織物110に予め行われるか、炭素繊維のヤーン102a、102bに行われることができる。

0053

重合体マトリックスへの含浸ステップ2)では、重合体マトリックスが、選択される次の重合ステップ4)に従って選択されることができる。

0054

重合オートクレーブでの処理による場合、重合体マトリックスは、一般的には、熱硬化性材料であり、好ましくは、エポキシ樹脂フェノールマトリックスとから選択される。

0055

重合がモールド成形による場合、重合体マトリックスは、熱可塑性材料であり、好ましくは、ポリエチレン(PE)、ポリフェニレン硫化物(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)及びポリエチレンイミド(PEI)から選択される。

0056

重合ステップ4)は、オートクレーブで、又はモールド成形で起こりうる。オートクレーブプロセスが好まれる。

0057

ステップ4)がオートクレーブプロセスで実行される場合、好ましくは、室温ないし180℃の温度で、1バールないし10バールの圧力で、物品のサイズによって決まる変更可能な時間、好ましくは1ないし6時間、実行される。

0058

ステップ4)がモールド成形プロセスで実行される場合、好ましくは、100℃から450℃までの温度で、400トンまでの押圧力で、3〜60分間、実行される。

0059

前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の薄層状物品を接合するステップ5)は、例えば、薄層状物品の上に熱硬化性接着フィルムを準備して混ぜたり広げたりすることによって、ステップ4)の薄層状物品の表面処理をすることを含むことができる。熱硬化性の接着フィルムは、好ましくは、炭素繊維織物を含浸させるために使用されるのと同じ構成を有する。

0060

変形例によれば、1以上の圧電デバイス1、101を含む炭素繊維の物品の作製方法は、
1a)圧電デバイス1、101を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン2a、2b上への、又は炭素繊維織物110上への、ZnO NR層3の堆積ステップと、
2a)重合体マトリックスへの、ステップ1a)の前記圧電デバイス1、101の含浸ステップと、
3a)前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
4a)選択的に、ステップ3a)による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層と、ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス1、101を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
5a)物品を形成するための、ステップ4a)の物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む。

0061

1a)から5a)までのステップは、プロセスの以前の変形例のステップ(1)ないし(5)と同じ手順で行われる。

0062

本発明の方法は、例えば、ばり取り穿孔色付けなどの、物品の完成処理を含む1以上の処理ステップによって仕上げられてもよい。

0063


オートクレーブによる重合プロセス及び上に述べられたステップ1)ないし5)にしたがって、長さ1メートルの「I」形鋼が、航空機翼桁仮想部分とするために作製された。この要素は、約2.6mmの厚さに達するまで、梁の軸に対して45°で置かれた厚さ0.65mmの炭素織物で作製された。重合は、約2時間、130℃の温度で、6バールの圧力でオートクレーブで起こった。そして、本発明による件の物品が、この要素の内側に応力が加わった状態で、規定の試験を行うために使用された。

0064

本発明の圧電デバイス1、101は、さまざまな分野で使用されることができる。

0065

本発明のアプリケーションの可能な領域は、自動車、航空宇宙及び航空産業である。航空産業では、本発明によるセンサは、翼桁、リブ又はパネルなどの一次構造と一体にされる歪みセンサとして使用されることができる。圧電デバイスもまた、空気力学的な力の適切な変化を生成するために、航空機の移動面の形態変化、特に、の配置形状の形状変化を可能にするためのアクチュエータとして使用されることができ、航空機の統御性の改良を可能にする。

0066

本発明の効果は、上の記載から明白である。

0067

圧電デバイス1、101は、例えば、従来技術の装置に必要とされるような、予め作製された物品のデバイスの後の位置決めを必要とすることなく、例えば、その作製段階でいかなるサイズの物品も埋め込むことによって、単純な概念で実現でき、容易に一体にされることができる。

0068

炭素繊維の電気伝導性を利用するという事実は、既に提案されたデバイスによって提供される、代表的には金のコンタクトである高価なバルクのコンタクトを回避することを可能にする。

0069

本発明のデバイスは、さらに、例えば、胴体部品又は航空機の翼などの、炭素繊維の部分の形態変化のための、応力センサのようなセンサとして、又はアクチュエータとして使用されることができる。

0070

この記載は、本発明のある特定の実施形態であり、請求される保護範囲内であれば当業者が特定の条件を適用させて変更してもよいことが明らかである。

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