Damage Mechanisms of a Piezoelectric Actuator under Electric Fatigue Loading
전기적 피로하중을 받는 압전 작동기의 손상 메커니즘

Sung-Choong Woo, Nam-Seo Goo
2008 Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A  
Damage mechanisms in bending piezoelectric actuators under electric fatigue loading are addressed in this work with the aid of an acoustic emission (AE) technique. Electric cyclic fatigue tests have been performed up to 10 7 cycles on the fabricated bending piezoelectric actuators. An applied electric loading range is from -6 kV/cm to +6 kV/cm, which is below the coercive field strength of the PZT ceramic. To confirm the fatigue damage onset and its pathway, the source location and
more » ... on and distributions of the AE behavior in terms of count rate and amplitude are analyzed over the fatigue range. It is concluded that electric cyclic loading leads to fatigue damages such as transgranular damages and intergranular cracking in the surface of the PZT ceramic layer, and intergranular cracking even develops into the PZT inner layer, thereby degrading the displacement performance. However, this fatigue damage and cracking do not cause the final failure of the bending piezoelectric actuator loaded up to 10 7 cycles. Investigations of the AE behavior and the linear AE source location reveal that the onset time of the fatigue damage varies considerably depending on the existence of a glass-epoxy protecting layer. †책임저자, 회원, 건국대학교 인공근육연구센터 * 회원, 건국대학교 신기술융합학과, 인공근육 및 스마트로봇 센터 1. 서 론 소형 경량이면서 우수한 작동변위와 응답특성 을 지닌 압전 작동기는 인공근육형 로봇의 추진 및 작동시스템, 위치제어, 초소형 비행기의 형상 가변익 그리고 능동 진동제어가 요구되는 시스템 등에 응용되고 있다. (1,2) 특히, 비 작동층이 섬유 강화 복합재료로 이루어진 유니모프 압전 복합재 료 작동기(PCA)의 경우 금속재료와 PZT (lead zirconate titanate) 세라믹으로 구성된 압전 작동기 에 비해 작고 가벼우면서 동시에 우수한 작동성 능을 갖추고 있는 것으로 밝혀졌으며 적층 각을 조절함으로써 설계의 유연성을 갖게 되었다. (3) 최 근에는 가용 사이즈와 무게가 제한적인 마이크로 펌프 (4) 그리고 큰 작동력이 요구되는 생체 모방 소형 로봇 시스템 등으로 그 응용 범위가 확대되 고 있는 추세이다. 하지만 PCA는 PZT세라믹과 섬유강화 복합재, 이들 이종 재료의 접합으로 인 해 야기될 수 있는 층간분리, 성형 후 각 재료의 열팽창계수의 차이로 발생하는 잔류응력 그리고 PZT세라믹 자체의 상당히 취성적인 재료적 특성 등의 다양한 문제점을 안고 있다. 또한, PCA는
doi:10.3795/ksme-a.2008.32.10.856 fatcat:oyixhbjamjdirkkksgllhhay6q