KR100274003B1 - Torsional piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가진기(加振機)에 관한 것으로서, 특히 다수개의 압전 재료 결합의 역압전 효과에 의한 회전 비틀림힘과 토션바 및 관성체로 이루어진 공진 수단으로 대 변위의 진동을 가할 수 있도록 한 비틀림형 압전 가진기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an exciter, in particular a torsional type capable of applying a large displacement vibration by means of a rotational torsional force caused by the reverse piezoelectric effect of a plurality of piezoelectric material combinations and a resonant means composed of a torsion bar and an inertia Piezoelectric excitation
일반적으로, 가진기는 이미 알고 있는, 그리고 많은 경우 조정이 가능한 진동 가속을 주는 장치로서, 주어진 장치의 진동을 시험하기 위한 시험 장치로 주로 사용된다.In general, the exciter is a device that gives vibration acceleration that is known and in many cases adjustable, and is mainly used as a test device for testing the vibration of a given device.
한편, 압전 재료(piezoelectric materials)은 압전 효과 및 역압전 효과를 갖는 재료으로서, 압전 효과란 어떤 종류의 재료에 어떤 방향에서 압력을 가하면 정해진 방향으로 유전 분극이 나타나는 현상 즉, 한 쪽 끝에 양의 전하가, 그리고 다른쪽 끝에 음의 전하가 나타나는 현상을 말한다. 반대로 재료에 전계를 가했을 때 그 전계의 주파수에 있어서 변형이 발생하는 현상을 역압전 효과라 한다.A piezoelectric material is a material having a piezoelectric effect and a reverse piezoelectric effect. A piezoelectric effect is a phenomenon in which dielectric polarization occurs in a predetermined direction when pressure is applied to a certain material in a certain direction, that is, a positive charge at one end. And the negative charge at the other end. In contrast, a phenomenon in which deformation occurs at the frequency of an electric field when an electric field is applied to the material is called a reverse piezoelectric effect.
이러한, 압전 재료으로는 수정, 로셸염, 티탄산 바륨 등의 모든 강유전 결정, 어떤 종류의 비강유전 결정 및 압전 세라믹들이 있다.Such piezoelectric materials include all ferroelectric crystals, such as quartz, Rochelle salt, barium titanate, some kinds of nonferroelectric crystals, and piezoelectric ceramics.
따라서, 이러한 압전 재료은 전기를 가했을 때 폭넓은 주파수 대역에서 빠른 응답을 보이는 특성을 갖고 있어서 가진기로 많이 사용되고 있다.Therefore, such piezoelectric materials have a characteristic of exhibiting a fast response in a wide frequency band when electric is applied, and thus are widely used as exciters.
한편, 종래에는 가진기로서 큰 회전 토크를 발생시키는 회전형 가진기에서는 초음파 모터를 이용하는 방법이 많이 연구되었다. 대표적인 것은 Hybrid Trassducer type UltraSonic Motor(HTUSM)이다.On the other hand, conventionally, a method of using an ultrasonic motor has been studied in a rotary type exciter that generates a large rotational torque as an exciter. The representative one is Hybrid Trassducer type UltraSonic Motor (HTUSM).
이러한 압전 가진기는 도 6 에 도시된 바와 같이, 비틀림과 종 방향의 복합적인 진동을 이용하여 회전 운동을 얻는다. 그 구성은 비틀림 진동을 일으키는 원주 방향으로 분극된 압전 세라믹(3)과 축방향으로 분극되어 종방향 진동을 발생시키는 압전 세라믹(4)의 두 종류 가진기가 정류자(stator, 2)에 설치되어 있으며, 정류자(2) 위에는 회전자(rotor, 1)가 마찰면(5)을 두고 정류자(2)와 접촉하고 있고 접촉력은 스프링(6)에 의해 조절된다. 정류자(2)의 압전 세라믹(4)에 의한 종방향 진동은 접촉면에서 수직력을 변화시키므로 정류자(2)의 압전 세라믹(3)에 의한 비틀림 진동은 종방향 진동 운동과 결부되어서 회전자(1)를 돌려주게 되며, 이때 회전 방향은 두 진동의 위상차에 의하여 바뀌게 된다.This piezoelectric exciter obtains a rotational motion by using a combination of twisting and longitudinal vibration as shown in FIG. The constitution is provided with two kinds of exciters of the piezoelectric ceramic 3 polarized in the circumferential direction causing the torsional vibration and the piezoelectric ceramic 4 polarized in the axial direction to generate the longitudinal vibration. Above the commutator 2 a rotor 1 is in contact with the commutator 2 with a friction surface 5 and the contact force is regulated by the spring 6. Since the longitudinal vibration by the piezoelectric ceramic 4 of the commutator 2 changes the vertical force at the contact surface, the torsional vibration by the piezoelectric ceramic 3 of the commutator 2 is combined with the longitudinal vibration motion to move the rotor 1. In this case, the rotation direction is changed by the phase difference of the two vibrations.
그러나, 이러한 종래의 회전형 가진기는 그 구조가 너무 복잡한 문제점이 있으며, 마찰을 이용하여 회전을 얻어내기 때문에 내구성에 문제가 있을 수 있다.However, such a conventional rotary excitation has a problem that the structure is too complicated, and there may be a problem in durability because the rotation is obtained by using friction.
따라서, 본 발명에서는 압전 재료의 진동을 회전 운동으로 바꾸는 기구가 필요없이 압전 재료의 전단 변형을 곧바로 회전 변위로 바꾸어 그 구조를 간단하게 하며, 또한 대 변위를 가질 수 있도록 한 비틀림형 압전 가진기를 제안하고자 한다.Therefore, the present invention proposes a torsional piezoelectric exciter which simplifies the structure and also has a large displacement by directly changing the shear deformation of the piezoelectric material into a rotational displacement without the need for a mechanism for converting the vibration of the piezoelectric material into a rotational motion. I would like to.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 압전 재료의 역압전 효과를 이용하여 다수개 압전 재료의 비틀림힘과 관성체의 공진으로 대 변위의 진동을 가할 수 있도록 한 비틀림형 압전 가진기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to apply vibration of a large displacement by torsional force of a plurality of piezoelectric materials and resonance of an inertial body by using the reverse piezoelectric effect of piezoelectric materials. To provide a torsional piezoelectric excitation.
본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기는, 셀 형상을 갖는 소정 짝수 개수의 압전 재료 요소를 수직 방향으로 구멍을 갖는 원통형으로 결합하되, 각 압전 재료 요소의 분극 방향을 수직 방향으로 하여 상호 엇갈리게 결합하고 각 압전 재료 요소의 측면 결합 부위를 전극으로 형성하고 각 전극이 상호 반대 극성을 갖도록 하는 전계에 의거하여 각 압전 재료 요소가 일관된 방향으로 회전 변위를 발생하도록 구성한 것을 특징으로 한다.The torsional piezoelectric exciter according to the present invention is coupled to a predetermined number of piezoelectric material elements having a cell shape in a cylindrical shape having a hole in the vertical direction, and mutually coupled to each other with the polarization direction of each piezoelectric material element in the vertical direction. A side engaging portion of the piezoelectric material element is formed as an electrode, and each piezoelectric material element is configured to generate rotational displacement in a consistent direction based on an electric field that causes each electrode to have opposite polarities.
또한, 결합된 압전 재료 요소들을 하부에서 고정 지지하는 원반형의 연결판과, 연결판 중앙 부위에 연결되어 수직 방향으로 결합된 압전 재료 요소들의 구멍을 통하여 외부로 돌출되도록 소정의 길이를 갖는 토션바와, 토션바의 상단에 소정 중량을 갖는 관성체로 이루어진 공진 수단을 더 포함하며, 결합된 압전 재료 요소들을 원통형의 내측으로 다수 층을 더 포함하여 구성하여 역압전 효과에 의한 회전 변위를 극대화시키는 것을 특징으로 한다.Further, there is provided a disk-shaped connecting plate for fixing and supporting the joined piezoelectric material elements at the bottom, a torsion bar having a predetermined length so as to protrude outward through the holes of the piezoelectric material elements connected in the vertical direction and connected to the connecting plate central portion; It further comprises a resonating means made of an inertial body having a predetermined weight on the top of the torsion bar, and further comprising a plurality of layers of the piezoelectric material elements coupled to the inner side of the cylindrical to maximize the rotational displacement by the reverse piezoelectric effect do.
도 1은 본 발명에 이용되는 압전 재료의 한 요소에 대한 사시도1 is a perspective view of one element of a piezoelectric material used in the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기에 대한 사시도2 is a perspective view of a torsional piezoelectric exciter according to the present invention.
도 3은 본 발명에 이용되는 압전 재료의 요소들에 인가하는 전계를 설명하기 위한 도면3 is a view for explaining an electric field applied to the elements of the piezoelectric material used in the present invention;
도 4는 두층의 압전 가진기를 연결 구성한 부분 단면 사시도Figure 4 is a partial cross-sectional perspective view of the two layers of piezoelectric excitation coupling
도 5는 세층의 압전 가진기를 연결 구성한 부분 단면 사시도5 is a partial cross-sectional perspective view of a three-layer piezoelectric exciter connected to each other
도 6은 종래의 압전 가진기에 대한 개략적인 부분 절개 단면도6 is a schematic partial cutaway cross-sectional view of a conventional piezoelectric exciter.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
1 : 압전 재료 요소 2 : 전극1 piezoelectric material element 2 electrode
3 : 분극 방향 4,4a,4b,4c,4d,4e : 연결판3: polarization direction 4,4a, 4b, 4c, 4d, 4e: connecting plate
5 : 토션바 6 : 관성체5: torsion bar 6: inertia
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따라 이용되는 압전 재료의 한 요소에 대하여 도 1에 도시하였다.One element of the piezoelectric material used in accordance with the present invention is shown in FIG.
동 도면에 도시된 바와 같이, 압전 재료 요소(1)는 다수개를 결합하여 수직 방향으로 소정 구멍을 갖는 원통형 형상을 만들 수 있도록 셀 형상으로 가공하여 이용하며, 압전 재료 요소(1)의 분극 방향(3)은 수직(축)으로 하고 전극(2)은 압전 재료 요소(1)의 측면을 이용한다.As shown in the figure, the piezoelectric material element 1 is processed into a cell shape so as to combine a plurality to form a cylindrical shape having a predetermined hole in the vertical direction, and the polarization direction of the piezoelectric material element 1 (3) is vertical (axis) and the electrode 2 uses the side of the piezoelectric material element 1.
이때, 전극(2)에 전계를 도시된 바와 같이 가하면 분극 방향과 전극 방향이 수직이 되어 d15의 압전 상수를 가진하는 전단 모드가 점선과 같이 발생하여 압전 재료 요소(1)가 비틀림 변형된다. 여기서, d15는 x 방향으로 전계를 가했을 때 xz 방향으로 전단 변형이 발생하는 압전 효과를 나타내는 상수이다.At this time, when the electric field is applied to the electrode 2 as shown, the polarization direction and the electrode direction are perpendicular to each other, so that a shear mode having a piezoelectric constant of d 15 occurs as a dotted line and the piezoelectric material element 1 is twisted and deformed. Here, d 15 is a constant representing the piezoelectric effect in which shear deformation occurs in the xz direction when an electric field is applied in the x direction.
도 2는 이러한 압전 재료 요소를 원주 방향으로 붙여서 회전 운동을 일으키도록 구성한 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 나타낸다.Figure 2 shows a torsional piezoelectric exciter according to the present invention configured to attach such a piezoelectric material element in the circumferential direction to cause a rotational motion.
동 도면에 있어서, 압전 재료 요소(1)를 그 분극 방향(3)이 서로 엇갈리도록 하여 원주 방향으로 짝수개를 부착시켜서 중앙에 수직 방향으로 구멍을 갖는 원통형으로 결합시키고 전극(2)에는 도 3과 같이 전기장을 작용시켜서 여러개의 압전 재료 요소가 일관된 방향으로 전기장에 따라 회전 변위를 발생하도록 구성한다.In the same figure, the piezoelectric material elements 1 are attached in an even number in the circumferential direction with their polarization directions 3 staggered to each other to be joined in a cylindrical shape with holes in the vertical direction at the center thereof, and to the electrode 2 in FIG. By applying an electric field as described above, the plurality of piezoelectric material elements are configured to generate rotational displacement along the electric field in a consistent direction.
또한, 원반형의 연결판(4)을 이용하여 원통형으로 결합된 다수개의 압전 재료 요소(1)들을 그 하부면에서 고정시키고, 연결판(4) 중앙 부위에서 수직 방향으로 압전 재료 요소(1)들의 상부면으로 돌출되도록 소정 길이의 토션바(5)를 연결 설치하고, 토션바(5)의 상단에 소정 중량을 갖는 관성체(6)를 연결 구성한다.In addition, a plurality of piezoelectric material elements 1 cylindrically coupled using a disk-shaped connecting plate 4 is fixed at its lower surface, and the piezoelectric material elements 1 in the vertical direction at the central portion of the connecting plate 4 are fixed. The torsion bar 5 of a predetermined length is connected and installed to protrude to the upper surface, and the inertial body 6 having a predetermined weight is connected to the upper end of the torsion bar 5.
다음에, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기의 동작 과정을 상세히 설명한다.Next, the operation of the torsional piezoelectric exciter according to the present invention having the above-described configuration will be described in detail.
먼저, 토션바(5)와 관성체(6)를 부착하지 않은 상태에서 전기장을 도 3과 같이 전극(2) 간의 극성을 반대로 하여 교번적으로 가하게 되면 다수개(본 발명의 실시예에서는 6개)의 압전 재료 요소(1)가 원통형으로 결합된 압전 가진기로부터 역압전 효과에 의거하여 θ1의 회전각 변위를 갖는 비틀림 운동이 발생하게 되며, 전극(2)에 가하는 전계를 교번적으로 하면 θ1의 회전각 변위를 갖는 진동이 발생된다. 이 회전각은 저주파 즉, 압전 가진기의 공진 주파수 이하에서는 인가되는 전기장에 따라 선형적으로 늘어난다. 그러나 그 회전 변위는 매우 작다.First, when the torsion bar 5 and the inertial body 6 are not attached, an electric field is alternately applied to reverse the polarity between the electrodes 2 as shown in FIG. 3 (six in the embodiment of the present invention). From the piezoelectric exciter in which the piezoelectric material element 1 of cylindrical shape is coupled in a cylindrical shape, a torsional motion with a rotation angle displacement of θ1 occurs based on the reverse piezoelectric effect, and when the electric field applied to the electrode 2 is alternately applied, θ1 Vibration with a rotation angle displacement of is generated. This angle of rotation increases linearly with the applied electric field at low frequencies, i.e., below the resonant frequency of the piezoelectric exciter. But its rotational displacement is very small.
따라서, 용도에 따라 회전 각도를 키우기 위해서 토션바(5)와 관성체(6)를 부착시켜서 압전 가진기의 공진 주파수와 토션바의 공진 주파수를 일치시킨다. 이렇게 하면 토션바(5)-관성체(6)로 이루어진 공진 수단의 공진 주파수와 압전 가진기의 공진 주파수가 일치되어 큰 회전각 변위을 얻을 수 있다. 즉, θ1에서 더 증폭된 θ2의 회전각이 발생하여 회전 변위를 극대화 할 수 있게 된다.Therefore, in order to increase the rotation angle, the torsion bar 5 and the inertial body 6 are attached to each other to match the resonance frequency of the piezoelectric exciter and the resonance frequency of the torsion bar. In this way, the resonant frequency of the resonator means consisting of the torsion bar 5 and the inertia 6 and the resonant frequency of the piezoelectric exciter can be matched to obtain a large rotation angle displacement. That is, the rotation angle of θ2 which is further amplified at θ1 occurs to maximize the rotational displacement.
도 4는 두층의 압전 가진기를 연결 구성한 부분 단면 사시도로서 회전각을 크게하기 위하여 두 층의 압전 가진기를 연결시킨 예를 나타낸다.Fig. 4 is a partial cross-sectional perspective view of two piezoelectric exciters connected to each other to show an example of connecting two layers of piezoelectric exciters to increase the rotation angle.
동 도면에 있어서, 외측에 설치된 압전 재료 요소(1)들의 내측에 그 외경을 작게 하여 결합된 압전 재료 요소(1)들을 하부와 상부를 엇갈리게 연결하는 각 연결판(4a,4b)을 이용하여 결합 구성하고 외측 및 내측에 반형 방향으로 두층으로 형성한 결합된 압전 재료 요소(1)들은 각각 회전 변위 방향이 같은 방향으로 일어나도록 전극을 연결한다.In the same figure, the piezoelectric material elements 1 coupled to the inside of the piezoelectric material elements 1 provided on the outside are joined by using connecting plates 4a and 4b which alternately connect the lower and upper parts. The combined piezoelectric material elements 1 which are constructed and formed in two layers in the semicircular direction on the outer side and the inner side respectively connect the electrodes so that the rotational displacement directions occur in the same direction.
이러한 구성을 갖는 비틀림형 압전 가진기에 전계를 가하면 외측 압전 가진기에 의해서 θ1의 회전각이 발생하고 여기에 내측 압전 가진기를 부착시킴으로써 θ2까지 회전각을 증가시킬 수 있게 되며, 다시 토션바(5)와 관성체(6)를 부착시켰을 때는 θ3의 큰 회전각을 얻을 수 있게 된다.When an electric field is applied to the torsional piezoelectric excitation having such a configuration, a rotation angle of θ1 is generated by the outer piezoelectric excitation and the rotation angle can be increased up to θ2 by attaching the inner piezoelectric excitation to the torsion bar (5). When the inertial body 6 is attached, a large rotation angle of θ3 can be obtained.
이렇게 함으로써, 압전 가진기의 길이를 줄이면서 회전각 즉, 변위를 키울 수 있는 것이다.By doing so, it is possible to increase the rotation angle, that is, the displacement, while reducing the length of the piezoelectric exciter.
도 5는 세층의 압전 가진기를 연결 구성한 부분 단면 사시도로서, 세층의 비틀림형 압전 가진기를 연결하여 더 큰 회전각을 얻기 위한 응용 예를 나타낸다.Fig. 5 is a partial cross-sectional perspective view of a three-layer piezoelectric exciter connected to each other, showing an application example for obtaining a larger rotation angle by connecting three torsional piezoelectric exciters.
동 도면에 있어서, 압전 가진기를 세층으로 구성하되, 각 층은 그 상부와 하부의 단부를 상호 엇갈리게 각 연결판(4c,4d,4e)으로 결합하고 전계를 가했을 경우에 그 변위 방향이 동일하도록 전극을 연결 구성한다.In the same figure, the piezoelectric exciter is composed of three layers, each of which is connected to each of the connecting plates 4c, 4d, and 4e with the upper and lower ends alternately, and the electrode is disposed so that the displacement direction is the same. Configure the connection.
이러한 구성에 있어서, 전계가 가해지면 전체적으로 θ3의 회전각 변위가 발생하게 되며, 이때 회전각 θ3는 가해지는 전기장에 비례하게 된다.In such a configuration, when an electric field is applied, rotation angle displacement of θ3 is generated as a whole, and the rotation angle θ3 is proportional to the applied electric field.
또한, 변위 회전 각도를 크게 하기 위하여 토션바 및 관성체를 붙일 수도 있으며, 용도에 따라서는 토션바와 관성체에 의한 공진을 이용하지 않고도 사용할 수 있다.In addition, in order to increase the displacement rotation angle, a torsion bar and an inertial body may be attached, and depending on the use, the torsion bar and the inertial body may be used without using resonance.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인가하는 전계에 의해 폭넓은 주파수 대역에서 빠른 응답 특성을 갖는 압전 재료의 비틀림 힘을 이용하여 가진기를 구성함으로써, 간단한 구성으로 정확한 진동 주기를 가지며, 진동 변위를 극대화 할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by using the torsional force of the piezoelectric material having fast response characteristics in a wide frequency band by the electric field to be applied, it has an accurate vibration period in a simple configuration, maximizing vibration displacement It can work.
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| KR102222589B1 (en) | 2019-12-31 | 2021-03-03 | 윤소영 | Emergency notifying tubular marker |
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1998
- 1998-05-26 KR KR1019980019025A patent/KR100274003B1/en not_active IP Right Cessation
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| KR102222589B1 (en) | 2019-12-31 | 2021-03-03 | 윤소영 | Emergency notifying tubular marker |
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| KR19990086164A (en) | 1999-12-15 |
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