KR100207758B1 - 압전 액추에어터의 조절기 및 조절 방법 - Google Patents

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지히로 니시카와
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와다 아끼히로
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Abstract

본 발명은 180°도메인 회전 영역이 인가된 전압의 포지티브 또는 네거티브 영역 내의 완전한 180°도메인 회전 영역 S1또는 S2의 1/3 이하가 되도록 인가된 전압의 안전 범위 Vrange1또는 Vrange2가 설정되는 안전 범위 설정 방법; 및 전압이 안전 범위 Vrange1또는 Vrange2의 한계를 갖는 압전 액추에이터에 인가되는 구동 방법을 포함하는, 압전 액추에이터를 제어하는 방법에 관한 것이다. 또한, 제어 방법에 따라 압전 액추에이터를 구동하는 제어기가 제공된다. 필요할 경우 온도 보상이 적용된다. 180°도메인 회전은 안전 범위의 하한치 또는 상한치에 의해 제한됨으로써 내부 응력의 국소 집중이 억제되며, 액추에이터는 크랙 또는 스플릿 없이 그의 최대 능력으로 구동된다.

Description

압전 액추에이터의 조절기 및 조절 방법
제1도는 본 발명에 따라 인가된 전압의 안전 범위(하한치)를 개략적으로 나타내는 그래프.
제2도는 본 발명에 따라 인가된 전압의 안전 범위(상한치)를 개략적으로 나타내는 그래프.
제3도는 제1도의 바람직한 실시예에서 인가된 전압의 안전 범위(하한치)를 나타내는 그래프.
제4도는 180°도메인 회전과 슬릿 및 크랙의 위험 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제5도는 제1도의 바람직한 실시예에서 인가된 전압의 안전 범위(상한치)를 나타내는 그래프.
제6도는 작동 온도와 1/3 180°도메인 회전 영역에서 인가된 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제7도는 제2도의 바람직한 실시예의 구동 장치의 구성 및 작동을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 조절기 2 : 온도 보상 회로
3 : 압전 액추에이터 10 : 구동 회로
20 : 차동 증폭기 21 : 기준 온도 회로
22 : 온도 측정 회로 23 : 온도 센서
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 항전기장에 비해 간단히 설정된 한계 대신에, 압전 액추에이터를 작동시키는 데 효과적인 인가된 압력의 안전한 한계를 설정하는 것이다. 즉, 본 발명은 액추에이터가 설계된 스트로크에 근접하기에 충분히 긴 스트로크에 의해 작동되더라도, 크랙이나 스플릿이 압전 액추에이터에서 일어나지 않도록 적절히 인가된 전압 한계가 설정되는, 압전 액추에이터용 조절기 및 조절 방법을 제공한다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
공개 공보 2-201977, 67-57265, 61-289682에 기재된 방법들은 인가된 전압의 상한치 및 하한치 중의 적어도 하나를 기재하고 있다. 그러나, 임의 공개 공보에서, 압전 물질에서 스플릿 또는 크랙을 일으키는 것을 방지하는 것에 대해서 고려한 것은 없다. 따라서, 이들 기술은 압전 액추에이터에서 스플릿 또는 크랙을 일으키는 것을 방지하는 데는 효과적이지 못하다.
발명자들의 조사에 따르면, 항전기장에 비해 인가된 전압의 한계를 지우는 상기 기술들에 의해 슬릿 또는 크랙의 발생을 방지하기는 어렵다. 즉 상기 기술들은 스플릿 또는 크랙이 발생하지 않고, 압전 액추에이터의 모션 스트로크가 충분히 긴 안전 한계를 부여할 수 없다. 이는 한계가 압전 물질의 항전기장에 비해 간단히 설정되기 때문이다.
따라서, 본 발명자들은 본 발명의 목적을 충족시키기 위해 하기 본 발명의 특징들을 제공한다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
[압전 액추에이터용 조절기]
본 발명의 제1특징은 액추에이터를 구동하기 위해 특허청구 범위 내의 전압을 액추에이터에 인가하는 압전 액추에이터용 조절기이다. 조절기는 인가된 전압의 상한치 및 하한치 중의 하나를 설정하는 인가된 전압 제한 수단을 가짐으로써, 압전 물질의 180°도메인 회전 영역은 동일 물질의 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3이하여야 한다. 이러한 한계는 인가된 전압의 안전 한계를 의미한다.
그런데, 90°도메인 회전 또는 70.5°도메인 회전이 고려될 수 있지만, 이러한 도메인 회전에는 전류는 무시될 수 있기 때문에, 본 발명자들은 압전 물질의 180°도메인 회전 영역에 대해 고려하였다.
여기서, 완전한 180°도메인 회전 영역 및 180°도메인 회전 영역은 다음과 같이 정의된다.
액추에이터에 인가된 전압이 포지티브 영역 및 네거티브 영역 내의 광범위한 범위 내에서 일소될 때 압전 액추에이터를 통해 흐르는 소량의 전기 스위칭 전류를 감지함으로써, 인가된 전압 대 스위칭 전류 면에 대한 히스테리시스 루프가 제1도에 나타낸 바와 같이 얻어진다. 인가된 전압이 0으로 감소된 방법에서, 히스테리시스 루프는 스위칭 전류의 피크를 갖지 않는다. 그러나, 인가된 전압이 증가하는 다른 방법에서, 히스테리시스 루프는 스위칭 전류의 피크를 형성한다. 즉, 포지티브 영역에 인가된 전압이 증가함으로써, 루프는 포지티브 전류, 즉 P1의 피크를 형성한다. 한편, 네거티브 전압의 절대치가 증가함으로써, 루프는 네거티브 전류, 즉 P2의 다른 피크를 형성한다. 피크 P1및 P2에서 각각의 전압 레벨 V1및 V2는 보자 전류라 칭한다. 보자전압의 레벨에서, 생성된 필드는 액추에이터의 압전 물질에 인가된다.
제1도에 나타낸 바와 같이, 포지티브 영역으로부터 네거티브 영역을 통해 인가된 전압을 일소하는 방법에서, 0 인가 전압에서 전류의 특정 레벨은 사선으로 나타낸 S1영역의 상한 기준선을 형성한다. 보다 낮은 전류 피크 P1을 갖는 영역 S1은 완전한 180°도메인 회전 영역으로서 정의된다. 이제, 0 인가 전압으로부터 특정 인가 전압 레벨까지의 영역은 180°도메인 회전 영역으로 정의된다. 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3 영역을 갖는 180°도메인 회전 영역은 제1도에서 진한 실선 프레임으로 둘러싸인 델타영역으로써 나타낸 1/3 180°도메인 회전 영역으로 정의된다. 델타영역의 수직 측면을 형성하는 특정 레벨의 인가 전압은 인가된 전압의 안전 범위의 하단치 Vlim1로서 정의된다.
따라서, 본 발명에 의해 주어진 인가된 전압의 안전 범위는 네거티브 인가 전압의 하한치가 하한치 Vlim1과 동일하거나 또는 보다 포지티브하도록 설정되어야 한다는 것이다. 한편, 인가된 전압의 상한치는 유전체 브레이크다운이 발생하는 등의 문제가 없는 한 항상 필요한 것은 아니다.
마찬가지로, 인가된 전압의 안전 한계(상한치 Vlim2)로 포지티브 전압 영역에서만 설정될 수 있다. 제2도에 나타낸 바와 같이, 네거티브 영역으로부터 포지티브 영역을 통해 인가된 전압을 일소하는 방향에서, 0 인가 전압에서 스위칭 전류의 특정 레벨은 사선으로 나타낸 S2영역의 기준선을 형성한다. 보다 높은 피크 P2를 갖는 영역 S2는 완전한 180°도메인 회전 영역으로서 정의된다. 이제 0 인가 전압으로부터 특정 인가 전압 레벨까지의 영역은 180°도메인 회전 영역으로 정의된다. 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3 영역을 갖는 180°도메인 회전 영역은 제2도에 진한 실선 프레임으로 둘러싸인 델타영역으로써 나타낸 1/3 180°도메인 회전 영역으로 정의된다. 델타영역의 수직 측면을 형성하는 특정 레벨의 인가 전압은 인가된 전압의 안전 범위의 상한치 Vlim2로서 정의된다.
따라서, 이러한 경우에, 본 발명에 의해 주어진 인가된 전압의 안전 범위는 포지티브 인가 전압의 상한치가 상한치 Vlim2와 동일하거나 또는 보다 작도록 설정되어야 한다는 것이다. 한편, 인가된 전압의 하한치는 유전체 브레이크다운이 발생하는 등의 문제가 없는 한 항상 필요한 것은 아니다.
제1 특징을 사용함으로써, 인가된 전압은 180°도메인 회전 영역인 1/3 180°도메인 회전 영역과 동일하거나 또는 보다 작기 때문에 인가된 전압이 보자 전압들 중의 하나에 도달하기 전에 제한된다. 따라서, 도메인 영역이 불가피하게, 큰 레벨에 도착하지 않는 경우의 범위 내로 제한될 때, 압전물질의 분극으로 반전된 인가 전압이 인가되더라도, 물질의 분극이 다시 반전되지 않고, 스위칭 전류의 최고 피크가 형성되지 않는다. 따라서, 부분 열 상승 및 내부 스트레스가 억제됨으로써, 크랙 또는 스플릿은 압전 액추에이터에서 나타나지 않는다. 따라서, 압전 액추에이터에서 브레이킹 스트레스가 기술적으로 회피된다.
따라서, 본 발명의 제1 특징은 브레이킹 스트레스가 도메인 회전이 너무 많이 발생하지 않을 때 기술적으로 회피될 수 있기 때문에 압전 액추에이터의 크랙 및 스플릿이 발생하지 않는 한 그의 완전한 잠재력(스트로크 또는 강제)로 압전 액추에이터를 구동할 수 있다.
여기서, 스플릿이라는 용어는 크랙이 분리를 일으키지 않더라도, 압전 셀의 분리를 의미한다.
본 발명의 제2 특징은 상기 제1 특징에서, 상기 압전 액추에이터가 층상 압전 액추에이터, 바이모르프 셀, 및 유니모르프 셀로 구성된 군으로부터 선택된 것이다.
제2 특징에서 구동되는 압전 액추에이터는 이 액추에이터가 적층된 압전 액추에이터, 바이모르프 또는 유니모르프의 군으로부터 선택된다. 축적된 바이모르프 또는 유니모르프 및 몇몇 종류의 압전 액추에이터로 제조된 합해진 액추에이터가 이러한 군에 속한다.
본 발명의 제3 특징인 상기 제1 특징에서 상기 조절기는 온도 측정 수단을 구비하고, 상기 인가된 전압 제한 수단은 온도 측정 수단에 의해 측정된 온도에 기초하여 상한치 및 하한치 중의 하나를 설정하는 온도 보상 수단을 구비한 것이다.
제3특 징은 온도 측정 수단 및 온도 보상 수단을 구비하고 있다. 온도 측정 수단은 압전 액추에이터의 작동 온도를 측정함으로써, 온도 보상 수단은 바로 측정된 작동 온도에서 압전 물질의 생성 필드의 특성에 대해 인가된 전압의 최상의 안전 범위를 보상한다.
따라서, 제3 특징을 사용함으로써, 압전 액추에이터는 작동 온도가 광범위한 범위에서 변화하더라도, 크랙 및 스플릿의 위험 없이 최대 잠재력으로 수행될 수 있다. 안전 범위는 바로 측정된 작동 온도에 대해 최상으로 설정되기 때문이다.
압전 액추에이터가 설계 범위에서 벗어난 작동 온도에서 구동되는 경우조차도 크랙 또는 스플릿의 위험이 없기 때문에, 압전 액추에이터의 수명이 길어지고, 그의 신뢰도를 증가시킬 수 있음을 의미한다. 달리 말하자면, 최악의 조건에서 크랙이나 스플릿이 발생하지 않도록 안전 마진이 설정된 경우에, 너무 많은 안전, 마진은 작동 온도의 최악의 경우에 대해 더 이상 필요하지 않다. 결과적으로 작동 온도의 모든 지점에서, 액추에이터의 최상의 성능은 크랙 및 스플릿의 임의의 위험 없이 효과적으로 나타난다.
본 발명의 제4 국면은 안전 범위 설정 방법 및 구동 방법을 포함하는 압전 액추에이터용 조절 방법이다. 안전 범위 설정 방법은 변위 또는 강제를 제공하는 압전 물질로 제조된 압전 액추에이터에 인가된 전압의 안전 범위가 설정됨으로써 압전 물질의 180°도메인 회전 영역이 포지티브 인가 전압 영역 및 네거티브 인가 전압 영역 중의 하나의 영역 내의 압전 물질의 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3이하여야 한다는 방법이다. 구동 방법은 상기 인가된 전압이 상기 안전 범위의 한계를 갖는 상기 압전 액추에이터에 인가된 방법이다.
제4 특징은 제1 특징의 것과 거의 유사한 작동 및 장점을 제공한다. 즉, 안전 범위 설정 방법에서, 인가된 전압의 안전 범위는 압전 물질의 180°도메인 회전 영역이 포지티브 영역 및 네거티브 영역 중의 하나의 영역내의 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3이하로 설정된다. 구동 방법에서, 인가된 전압은 안전 범위내에서 조절됨으로써 브레이킹 스트레스가 기술적으로 회피된다.
따라서, 제4 특징은 안전 범위 설정 방법으로 설정된 인가된 전압의 최상의 안전 범위 내에서 액추에이터가 구동되기 때문에, 압전 액추에이터에서 크랙 및 스플릿이 방지되는 장점을 제공할 수 있다. 달리 말하자면, 압전 액추에이터는 크랙이나 스플릿이 발생하지 않는 한, 최대 잠재력, 즉 스트로크 또는 강제로 작동할 수 있다.
본 발명의 제5 특징은 상기 안전 범위가 상기 안전 범위 설정 방법에서 상기 압전 액추에이터에 인가된 전압에 대한 스위칭 전류 특성의 측정치에 기초하여 설정된 경우의 상기 제4 특징의 압전 액추에이터용 조절 방법이다.
제5 특징에서, 안전 범위는 압전 액추에이터의 인가된 전압 및 스위칭 전류 특성의 측정 데이터에 기초하여 설정된다.
따라서, 제5 특징에 의해, 안전 범위는 정확하고 안전한 방식으로 설정됨으로써, 크랙이나 스플릿이 발생하지 않는 한, 압전 액추에이터는 최상의 잠재력으로 수행될 수 있다. 그런데, 측정은 생성물 체크 방법에서 보다 양호하게 행하여짐으로써, 시간을 소비하지 않고, 비용을 들이지 않을 수 있다.
본 발명의 제6 특징은 상기 안전 범위가 상기 안전 범위 설정 방법에서 상기 압전 액추에이터의 물질의 특성에 대한 수치 추정 및 통계적 데이타에 기초하여 설정된 경우의 상기 제4 특징의 압전 액추에이터용 조절 방법이다.
제6 특징에서, 안전 범위는 압전 액추에이터의 압전 물질의 통계적 데이터 또는 수치 추정에 기초하여 설정된다.
여기서, 통계적 데이터는 압전 액추에이터의 개개의 특성에 대한 통계적 데이터를 의미하고, 이는 압전 물질의 조성과 관련한 180°도메인 회전 영역 및 항전기장에 기초한 데이터를 포함한다. 이러한 데이터 베이스는 데이터 베이스의 보간에 의해 새로운 조성을 갖는 신규한 압전 물질의 180°도메인 회전 특성을 추정할 수 있게 한다.
한편, 데이터 베이스에서 벗어난 신규한 압전 물질의 특성을 예측할 수 있는 수치 추정 기술이 진보하고 있다.
따라서, 제6 특징은 모든 압전 액추에이터를 개별적으로 체크할 필요를 제거함으로써 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제7 특징은 상기 안전 범위가 상기 안전 범위 설정 방법에서 측정된 작동 온도 및 추정된 작동 온도 중의 하나에 기초하여 설정된 경우의 상기 제4 특징의 압전 액추에이터용 조절 방법이다. 제7 특징에서, 압전 물질의 작동 온도와 액추에이터의 작동 온도 범위 속의 180°도메인 회전 영역 사이의 관계는 측정치, 수치 추정 및 통계적 데이터 중의 하나에 의해 미리 얻어진다.
본 발명의 제7 특징에 의해, 압전 액추에이터의 작동온도와 180°도메인 회전, 즉 1/3 180°도메인 회전 영역에 인가된 전압 사이의 관계는 특정 수단에 의해 얻어진다. 이어서, 안전 범위 설정 방법에서, 최적 안전 범위가 압전 액추에이터의 측정된 작동 온도 또는 추정된 작동 온도에 기초한 상기 관계에 의해 설정된다.
따라서, 제7 특징을 사용함으로써, 최적 안전 범위는 작동 온도가 광범위한 범위에서 변화하는 경우 조차 설정된다. 따라서, 압전 액추에이터는 설계에서 벗어나는 온도에서 조차 크랙 또는 스플릿의 위험 없이 구동된다. 이러한 특징은 임의의 온도에서 크랙 또는 스플릿의 위험 없이 그의 최대 잠재력으로 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 제8 특징은 상기 작동 온도와 상기 안전 범위 사이의 관계가 일차 함수로서 기억되고, 상기 안전 범위가 상기 안전 범위 설정 방법에서 측정된 작동 온도 및 추정된 작동 온도 중의 하나에 기초하여 일차 함수로 산출된 경우의 상기 제7 특징의 압전 액추에이터용 조절 방법이다.
제8 특징에서, 압전 물질의 작동 온도와 인가된 전압의 안전 범위 사이의 관계는 큰 오차를 일으키지 않는 일차 함수의 형태로 추정될 수 있다. 일차 함수는 2개의 상수로써 정의되며, 이러한 일차함수는 많은 메모리를 필요로 하지 않으며, 메모리 부피 또는 온도 보상 회로의 비용을 절감할 수 있다.
따라서, 제8 특징은 인가된 전압의 안전 범위에 대한 온도 보상이 매우 간단하고 용이하다는 장점을 갖는다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명의 보다 완전한 용도 및 많은 그의 장점은 하기 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해되는 것과 동일하게 용이하게 얻어질 것이다.
본 발명을 일반적으로 기재하였으므로, 단지 설명의 목적으로 본 명세서에 제공된 특정한 바람직한 실시예를 참조함으로써 또 다른 이해가 얻어질 수 있으며, 첨부된 특허 청구의 범위로만 국한되지 않아야 한다.
제1의 바람직한 실시예 및 그의 개선됨 예를 이하 제3도 내지 제5도를 참조하여 기재한다. 그 후, 제2의 바람직한 실시예를 제6도 및 제7도을 참조하여 설명한다.
[실시예]
[바람직한 제1 실시예]
[바람직한 제1 실시예를 위한 압전 액추에이터의 제조]
압전 물질을 구성하는 마이크로 세라믹 분말 및 결합제의 혼합 분말을 압축하였다. 이후, 압축된 혼합 분말을 CIP(Cold Isostatic Pressing)에 의해 가압하여 압분체를 형성하였다. 그리스를 가압-형성된 압분체로부터 제거하였다. 이어서, 압분체를 전기 노 내에서 1200℃까지 가열하고, 동일 온도에서 4시간 동안 유지하여 소결된 블록을 얻었다. 소결된 블록을 12㎜면 및 0.5㎜ 폭의 사각형 시트로 만들었다. 이후, 은 페이스트를 스크린 인쇄에 의해 시이트의 양면 상에 인쇄하여 은으로 제조된 표면 전극을 형성하였다.
표면 전극을 갖는 소결된 시이트 50개를 파일 내에 서로의 위에 위치시킴으로써 각각의 분극된 전극은 다음의 동일 전극과 대향한다. 상기 방식으로, 적층된 압전 액추에이터는 바람직한 제1 실시예의 구동 장치(또는 조절)장치 및 구동 (또는 조절)방법을 위해 제조되었다.
[스위칭 전류/인가된 전압 특성, 즉 180°도메인 회전의 측정]
180°도메인 회전의 특성을 측정할 목적으로, 압전 액추에이터의 스위칭 전류/인가된 전압 특성을 20 MPa의 압축 응력 하에 측정하였다. 측정에서, 인가된 전압은 0.1Hz의 사이클(즉, 그 기간은 10초였다.)에서 ±1000V의 진폭을 갖는 델타파 형상이었다.
결과적으로, 히스테리시스에 따른 스위칭 전류/인가된 전압 특성을 제3도에 나타낸 바와 같이 기록하였다.
스위칭 전류/인가된 전압 그래프에 의하면, 스위칭 전류가 극적인 변화를 보이는 경우의 인가된 전압에서 180°도메인 회전이 발생하였다. 이는 제3도에서 S1및 S2영역에 대응한다. 제3도에서, 스위칭 전류는 180°도메인 회전의 양을 나타내는 한편, 스위칭 전류 x 인가된 전압(사선으로 나타낸 모든 영역)의 영역은 완전한 180°도메인 회전 영역을 나타낸다.
전류 피크 P1은 인가된 전압의 네거티브 영역 상에 있는 한편, 다른 전류 피크 P2는 포지티브 영역 상에 있다. 피크 P1,P2에 각각 대응하는 인가된 전압 V1,V2각각은 일반적으로 보자 전압이라 칭한다(한편, 압전 물질의 경우 항전기장이라 칭함). 따라서, 180°도메인 회전 영역은 인가된 전압이 보자 전압 V1또는 V2이상일 때 증가한다. 그런데, 압전 물질의 분극 방향은 인가된 전압이 보자 전압 V1또는 V2를 능가할 때 전환되기 때문에, 전류 피크 P1,P2는 포지티브 전압 및 네거티브 전압 모두에서 나타난다.
스위칭 전류 x 인가된 전압의 영역, 즉, 인가된 전압에 의한 스위칭 전류의 인티그레이션은 180°도메인 회전 영역으로 정의되고, 사선으로 나타낸 모든 영역은 완전한 180°도메인 회전 영역으로 정의된다. 즉, 포지티브 영역으로부터 네거티브 영역까지 인가된 전압을 일소하는 방법에서, 0V의 인가 전압에서 스위칭 전류는 사선으로 나타낸 3각형 영역의 상부 기준 선을 형성하고, 영역 S1은 피크 P1을 가지며, 완전한 도메인 회전 영역으로 정의된다. 이어서, 0V의 인가된 전압으로부터 네거티브 인가 전압까지의 실선 프레임으로 둘러싸인 스위칭 전류 x 인가된 전압의 영역은 180°도메인 회전 영역으로 정의된다.
[본 발명의 안전 범위를 입증하는 실험]
본 발명자들은 180°도메인 회전 영역에 주의를 기울여 왔으며, 인가된 전압의 한계가 통상의 방식에서와 같이 보자 전압 V1또는 V2의 일부 백분율에 의해 인가된 전압을 제한하는 대신에, 완전한 180°도메인 회전 영역 S1또는 S2의 특정 백분율 내로 180°도메인 회전을 제한함으로써 설정된다는 생각을 갖고 있다. 본 발명자들은 180°도메인 회전 영역을 제한하는 것은 압전 물질의 도메인 회전을 제한하는 것을 의미하고, 물질의 마이크로-구조의 손상을 방지하는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명자들은 일련의 실험을 거듭하고, 완전한 180°도메인 회전 영역 내에서 180°도메인 회전 영역의 백분율이 얻어질 때까지 압전 액추에이터에서 크랙이나 스플릿이 발생하지 않음을 분명히 하고 있다.
실험에서, 상기 액추에이터가 조사되었으며, 인가된 전압의 상한치는 500V인 한편, 인가된 전압의 하한치는 경우에 따라 변화하였다. 인가된 전압의 하한치는 180°도메인 회전 영역이 실험에서 완전한 180°도메인 회전 영역의 10%,20%,30%,40%, 60%,80% 및 100%로 설정된다. 실험 조건은 작동 온도가 50℃로 설정되고, 압축 하중이 50kg(압축 응력의 20 MPa에 대응함)으로 설정되고, 인가된 전압 범위의 상한치와 하한치 사이의 반복 시간 운행은 106배였다.
결과적으로, 제4도에 나타낸 바와 같이, 크랙 및 스플릿의 확률은 면적비의 30% 내지 40%의 범위에서 0%로부터 80%로 증가하였으며, 이는 돌발적인 변화가 이러한 범위의 면적 비에서 발생된 것으로 가정된다. 이어서, 추가의 실험이 면적 비, 즉 완전한 180°도메인 회전 영역 내의 180°도메인 회전 영역의 비율이 33% 및 37%에서 수행되었다. 결과는 크랙 및 스플릿의 확률이 면적 비의 33% 에서 0%인 한편, 동일 확률이 먼적 비의 37%에서 30%였다. 제4도는 면적 비와 크랙 및 슬릿의 확률 사이의 관계를 나타낸다.
따라서, 본 발명자들은 180°도메인 회전 영역이 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3인 경우의 전압으로 인가된 전압의 안전 범위의 하한치 Vlim1를 설정하였다. 실험 결과에 기초하여, 인가된 전압의 하한치가 안전 범위 내에 설정된 경우, 크랙 또는 스플릿이 발생할 확률은 거의 0일 수 있음이 이제 분명해졌다. 한편, 인가된 전압의 상한치는 500V로 특별히 제한되며, 통상적으로 조절 장치의 설계 등에 의해 제한된다.
[바람직한 제1 실시예로서 압전 액추에이터용 조절기 및 조절 방법]
실험 결과 및 고려 사항에 기초하여, 본 발명의 압전 액추에이터용 조절기를 시험에 의해 제조하고, 본 발명의 조절 방법에 의해 작동시켰다.
즉, 바람직한 제1 실시예의 조절기는 인가된 전압의 특정 범위 내로 인가함으로써 상기 압전 액추에이터를 구동하고, 인가된 전압 제한 수단을 구비한 조절기이다. 인가된 전압 제한 수단에서, 인가된 전압의 하한치 Vlim1은 액추에이터의 압전 물질의 180°도메인 회전 영역이 안전 한계, 즉 물질의 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3이하가 되는 방식으로 설정된다.
달리 말하자면, 제1의 바람직한 실시예의 조절기에서, 안전 범위 Vrange1은 압전 액추에이터 상에 인가된 전압에 대한 전류 특성을 측정함으로써 미리 설정된다. 즉, 압전 액추에이터 상에 인가된 네거티브 범위 내의 스위칭 전류/인가된 전압 특성을 측정함으로써, 액추에이터의 압전 물질의 180°도메인 회전 영역이 인가된 압력의 각각의 레벨에 따라 산출된다. 안전 범위의 하한치 Vlim1은 180°도메인 회전 영역이 압전 물질의 완전한 180° 분극 역전된 영역의 1/3이하로 설정된다.
이후, 구동 방법에서, 이 실시예의 조절기는 Vrange1인 안전 범위 내의 한계로 압전 액추에이터에 전압을 인가한다. 따라서, 압전 액추에이터는 임의의 크랙 또는 스플릿 없이 긴 스트로크로 구동된다.
상기한 바와 같이, 제1의 바람직한 실시예로서 압전 액추에이터용 조절기 및 조절 방법을 사용함으로써 압전 액추에이터는 크랙 또는 스플릿 없이 효과적으로 구동된다. 따라서, 압전 액추에이터용 조절기 및 조절 방법은 설계된 바와 같이 매우 긴 스트로크로 구동될 수 있는 것으로 나타나며, 액추에이터에 크랙이나 스플릿을 야기하지 않는다.
달리 말하자면, 제1의 바람직한 실시예는 보자 전압 만을 고려함으로써 안전 범위를 설정하는 종래 방식 대신에, 보다 효과적인 안전 범위를 설정하기 위한 수단을 나타낸다.
[바람직한 제1 실시예의 제1의 개선예]
바람직한 제1 실시예와 거의 마찬가지로, 인가된 전압의 안전 범위는 포지티브 전압 한계 Vlim2에 의해 제한될 수 있다.
즉, 제5도에 나타낸 바와 같이, 네거티브 범위로부터 포지티브 범위로 인가된 전압을 일소하는 방법에서, 포지티브 전류 피크 P2를 갖는 사선으로 채워진 영역은 완전한 180°도메인 회전 영역으로서 정의된다. 안전 범위의 포지티브 한계는 180°도메인 회전 영역(실선으로 둘러싸임)이 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3인 경우에 포지티브 전압 레벨로서 정의된다.
따라서, 인가된 전압의 범위의 포지티브 최대 한계는 상한치 Vlim2이하로 설정된다. 한편, 이 경우, 인가된 전압이 네거티브 범위로 특별히 제한될 필요는 없다.
[바람직한 제1 실시예의 제2의 개선예]
상기 인가된 전압의 안전 범위 중의 하나는 하한치 Vlim1또는 상한치Vlim2에 대해 적절한 마진, 즉 안전 마진을 갖도록 설정될 수 있다. 안전 마진은 압전 액추에이터를 약간 파괴할 수 있지만, 액추에이터의 몇몇 변화, 작동 온도의 변화, 조절기의 변화 및 소스 전압의 변화에 대한 내성을 부여할 수 있기 때문에 큰 신뢰도에 기여할 수 있다.
[바람직한 제1 실시예의 제3의 개선예]
상기 안전 범위 설정 방법에서, 스위칭 전류/인가된 전압 특성을 측정하는 것 이외의 인가된 전압의 안전 범위를 설정하는 수단으로서, 안전 범위는 압전 액추에이터의 물질 특성의 통계적 데이터에 기초하거나, 또는 물질의 과학에 기초한 추정 또는 수치 산출에 의해 얻어질 수 있다. 측정 없이 안전 범위를 설정할 수 있는 이들 수단을 사용함으로써, 스위칭 전류/인가된 전압 특성의 측정은 다소 불가능하다.
[바람직한 제1 실시예의 제4의 개선예]
바이모르프 또는 유니모르프가 단일 압전 액추에이터 또는 적층된 압전 액추에이터로서 제1의 바람직한 실시예에 의해 구동되는 압전 액추에이터로서 사용될 수 있다. 더욱이, 제1의 바람직한 실시예는 임의의 종류의 압전 액추에이터에 적용될 수 있다.
[바람직한 제2 실시예]
상기 바람직한 제1 실시예에서, 작동 온도는 거의 일정하고, 묵계에 의해 예측될 수 있는 것으로 가정된다. 그러나, 바람직한 제2 실시예에서, 압전 액추에이터의 작동 온도는 특정한 광범위한 범위에서 변화되는 것으로 가정된다. 따라서, 바람직한 제2 실시예는 스위칭 전류/인가된 전압 특성이 작동 온도의 변화에 따라 변화되는 경우에 작동 온도 보상에 따라 압전 액추에이터를 적절히 구동시킬 수 있는 조절기 및 조절 수단을 나타낼 것이다. 여기서, 압전 액추에이터를 구동하는 적절한 구동 수단은 크랙 및 스플릿의 위험 없이 그의 최대 스트로크로 구동한다.
[작동 온도의 변화에 의해 야기된 스위칭 전류/인가된 전압 특성의 변화]
상기 목적을 달성하기 위해, 180°도메인 회전 영역이 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3인 경우에 인가된 전압 레벨을 측정, 산출 또는 추정하는 것이 필수적이다. 바람직한 제2 실시예에서, 바람직한 제1 실시예에서와 동일한 압전 액추에이터가 시험편으로서 선택되었고, 그의 스위칭 전류/인가된 전압 특성이 다양한 작동 온도에서 측정되었다.
결과적으로, 작동 온도가 보다 높아질수록, 압전 액추에이터의 보자 전압의 절대치가 보다 낮아지는, 즉 보자 전압이 0 전압에 가까워지는 것이 분명해졌다. 이러한 경향은 많은 종류의 압전 물질에서 통상적으로 발견된다. 따라서, 180°도메인 회전 영역이 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3인 경우에 인가된 전압 레벨(편의상, 인가된 전압 레벨은 이하 1/3전압이라 칭함)은 제6도에 나타낸 바와 같이, 작동 온도가 보다 높아짐에 따라 0V에 가까워진다. 여기서, 제6도은 작동 온도와 1/3전압 사이의 관계를 나타내는 그래프도다.
이러한 측정에서, 스위칭 전류/인가된 전압 특성은 실온 내지 150℃의 작동 온도의 4개의 지점에서 측정된다. 제6도의 측정된 데이터에 기초하는 한, 매우 정확한 선형성이 작동 온도와 1/3전압 사이에서 발견된다. 따라서, 작동 온도와 1/3 전압 사이의 관계는 오차가 거의 없는 일차 함수에 의해 존재할 수 있다.
[바람직한 제2 실시예로서 조절기 및 조절 방법]
제7도에 나타낸 바와 같이, 바람직한 제2 실시예의 조절기는 온도 보상회로(2) 및 구동 회로(10)을 구비하고 있으며, 여기서 온도 보상회로는 주로 차동 증폭기(20)으로 구성되어 있다.
즉, 온도 보상 회로(2)는 온도 센서(23), 온도 측정회로(22), 기준 온도 회로(21) 및 차동 증폭기(20)으로 구성되어 있다. 온도 센서(23)은 압전 액추에이터(3)상에 패치된 써미스터이며, 간격마다 작동 하의 압전 액추에이터의 온도를 감지한다. 온도 측정 회로(22)는 온도 센서(23)에 의해 측정된 온도 신호에 기초하여 압전 액추에이터(3)의 측정된 작동 온도에 대응하는 전압 출력(T)를 제공한다. 측정된 온도 전압(T)는 차동 증폭기(20)의 2개의 입력 단자 중의 하나로 입력된다. 이와 병렬적으로, 기준 온도에 대응하는 전압 레벨 T'가 차동 증폭기(20)의 다른 단자에 입력된다. 자동 증폭기(20)은 상기 일차 함수의 경사에 대응하는 진폭 비로 두 전압(T-T')의 차이를 증폭시키고, 구동 회로(10)에 입력되는 온도 보상 전압 C를 발생시킨다.
구동회로(10)은 온도 보상 전압 C에 기초한 작동 온도에 의해 보상된다. 마찬가지로, 구동 회로(10)에서, 인가된 전압의 안전 범위의 하한치 Vlim1또는 상한치 Vlim2가 설정된다. 이어서, 구동 회로(10)은 조절기(도시하지 않음)으로부터 입력된 구동 신호 D에 의해 구동됨으로써, 구동 회로(10)은 안전 범위 Vrange1또는 Vrange2내의 작동 온도에 의해 보상된 인가된 전압 F를 발생하고, 압전 액추에이터(3)을 구동한다.
여기서, 모든 온도에서 스위칭 전류/인가된 전압 특성의 1/3전압(즉 하한치 Vlim1또는 상한치 Vlim2)의 측정치에 기초하여 일차 함수를 설정함으로써 기준 온도 T' 및 차동 증폭기의 진폭 비의 설정에 대응한다. 이들은 안전 범위 설정 방법에 대응한다. 상한치 또는 하한치가 작동 온도 T의 일차 함수인 안전 범위에서, 압전 액추에이터용 구동 신호 D에 기초하여 인가된 전압 F를 구동하는 조절기(1)의 작동은 구동 방법에 대응한다. 따라서, 제2의 바람직한 실시예의 조절 방법은 조절기(1)을 설정하고, 압전 액추에이터(3)을 구동하도록 동일한 조절기(1)을 작동시킴으로써 실현된다.
본 발명자들은 상기 구조 및 동작을 갖는 조절기(1)을 사용하여 약간의 실험을 행하였다. 액추에이터의 작동 온도가 50℃, 100℃ 및 150℃인 모든 경우에 압전 액추에이터에서 크랙이나 스플릿이 발생하지 않는 것이 분명해졌다.
비교의 목적으로, 상기 실험과 동일한 3개의 온도의 경우 온도 보상 없이 약간의 실험을 수행하였다. 이들 실험에서, 안전 범위는 180°도메인 회전 영역이 압전 액추에이터의 50℃ 작동 온도에서 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3이하가 되도록 설정되었다. 결과적으로, 작동 온도가 50℃인 경우 크랙 및 스플릿이 발생되지 않을 것으로 기대된다. 그러나, 크랙 및 스플릿은 100℃의 경우 50%, 150℃의 경우 100%까지 발생한다. 따라서, 온도 보상 없이, 작동 온도는 압전 액추에이터 상에 현저한 손상을 일으킬 수 있는 디자인된 온도 보다 50℃ 상승한다.
한편, 제2의 바람직한 실시예의 온도 보상은 압전 액추에이터가 크랙이나 스플릿 없이 작동 온도의 상당히 광범위한 변화에 있어서 그의 최대 잠재력으로 구동된다는 장점을 유도한다.
[바람직한 제2 실시예의 작동 및 장점]
상기한 바와 같이, 바람직한 제1 실시예에서와 동일한 작동 및 장점은 광범위한 범위에 걸쳐 변화된 그의 작동 온도를 갖는 압전 액추에이터 상에서조차 나타났다. 따라서, 바람직한 제2 실시예의 조절기 및 그의 조절 방법은 하기 장점을 나타낼 수 있다.
무엇보다도, 이 실시예는 상당히 광범위한 범위의 작동 온도에서 크랙 또는 스플릿 없이 최대 스트로크로 압전 액추에이터(3)을 구동시킬 수 있다.
이 실시예의 조절기(1)은 온도 센서(23) 및 온도 측정 회로(22)로 구성된 온도 측정 수단 및 주로 차동 증폭기(20)으로 구성된 온도 보상 수단을 구비하고 있기 때문에, 상기 온도 측정 수단은 작동 하의 압전 액추에이터의 작동 온도를 측정한다. 보자 전압 특성, 즉, 측정된 작동 온도에서 압전 물질의 스위칭 전류/인가된 전압 특성에 기초하여, 인가된 전압의 안전 범위의 가장 적절한 보상 C가 상기 온도 보상 수단에 의해 제공된다.
따라서, 실시예를 사용함으로써, 작동 온도가 매우 많이 변화하는 경우에 조차 가장 적절한 안전 범위가 현재의 작동 온도에서 설정됨으로써 압전 액추에이터(3)이 크랙 또는 스플릿의 위험 없이 그의 최상의 능력으로 구동되는 장점이 유도된다.
즉, 압전 액추에이터(3)이 작동 온도의 예측된 디자인 범위에서 벗어나 작동되는 경우에, 액추에이터(3)에서 크랙이나 스플릿을 유발하지 않는다. 이는 압전 액추에이터(3)의 신뢰도 및 수명을 개선시킨다. 달리 말하자면, 작동 온도의 임의의 최악의 변화에서 크랙 또는 스플릿의 발생을 방지하기 위한 너무 많은 안전 마진은 더 이상 필요하지 않다. 결과적으로, 이 실시예가 크랙 또는 스플릿을 유발하는 경계 한계까지 압전 액추에이터(3)을 그의 최대 능력으로 구동시킬 수 있는 장점을 유도한다.
다음으로, 온도 보상 회로(2)의 구조는 매우 간단하기 때문에, 상기한 바와 효과적인 온도 보상이 저렴한 비용으로 달성된다.
즉, 압전 액추에이터의 작동 온도 T와 안전 범위 사이의 관계는 실시예의 조절기 내의 일차 함수로서 온도 보상 회로(2)에 기억된다. 여기서, 기준 온도 T및 차동 증폭기(20)의 증폭 비는 상기 일차 함수를 일정하게 하는 파라메터이다.
따라서, 제2의 바람직한 실시예로서 압전 액추에이터를 위한 조절기 및 조절 방법을 사용함으로써, 인가된 전압의 안전 범위 내에서 작동 온도 보상을 매우 간단하고 용이하게 한다는 장점을 유도한다.

Claims (8)

  1. 소정 범위의 압력을 인가함으로써 액추에이터를 구동하고, 그에 따라 압전 효과로 인한 변위 또는 강제를 생산하고, 180°도메인 회전 영역이 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3 이하인 안전 범위에 속하도록 인가된 전압의 상한치 및 하한치 중의 하나를 설정하기 위한 인가된 전압 제한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터의 조절기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 액추에이터가 적층된 압전 액추에이터, 바이모르프, 유니모르프로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터의 조절기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 작동 온도를 측정하기 위한 온도 측정 수단; 및 상기 온도 측정 수단에 의해 측정된 작동 온도에 기초한 상한치 및 하한치 중의 하나를 설정하기 위한 온도 보상 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터의 조절기.
  4. 180°도메인 회전 영역이 인가된 전압의 포지티브 및 네거티브 영역 중의 하나의 영역 내의 완전한 180°도메인 회전 영역의 1/3 이하가 되도록 압전 액추에이터에 인가되는 전압의 안전 범위를 설정하는 단계; 및 상기 안전 범위 내로 조절된 전압을 인가함으로써 압전 효과로 인한 변위 또는 강제를 생산하도록 액추에이터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터를 조절하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 안전 범위가 인가된 전압에 대한 스위칭 전류의 특성을 측정함으로써 설정되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터를 조절하기 위한 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 안전 범위가 압전 액추에이터의 물리적 특성에 대한 통계적 데이터 및 동일물의 수치로 추정되는 데이터로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 데이터에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터를 조절하기 위한 방법.
  7. 제4항에 있어서, 180°도메인 회전 영역과 액추에이터의 작동 온도 사이의 관계가 실제 측정, 수치 추정 또는 통계적 데이터에 의해 측정되고; 안전 범위가 작동 온도의 실제 측정치 또는 추정치에 기초한 상기 관계로부터 작동 온도에 대해 설정되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터를 조절하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기관계가 일차 함수로서 기억되고, 상기 안전 범위가 상기 기억된 일차 함수로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터를 조절하기 위한 방법.
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