KR100390586B1 - 압전구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제품의 구동에 따라 다양한 틸팅각도로 변환되는 경사면이 형성된 안내부를 구비한 압전구동장치에 관한 것으로서, 이를 위해 압전구동장치는, 베이스 플레이트 상부에 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 횡방향으로 설치되는 적층형 피에조를 구비한 압전구동기와, 상기 압전구동기 상부에 설치된 회전판과, 상기 회전판 중심축 하부에 설치되어 회전판을 지지하는 회전판 지지부와, 상기 회전판 하부에 설치되어 상기 회전판에 탄성력을 제공하는 인장스프링과, 상기 회전판 하부에 설치되어 상기 압전구동기의 구동에 따라 그 내부로 압전구동기를 안내함과 동시에 상기 회전판을 틸팅각도로 회전시키는 경사면이 형성된 안내부와, 상기 회전판과 회전판 지지부가 접촉되는 지점에 형성되는 피봇조인트부로 이루진 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 제품의 부피 및 크기에 관계없이 다양한 틸팅각도를 구할 수 있으므로 고정밀 위치제어가 가능할뿐아니라 이로인해 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

압전구동장치{ Stack Type Piezoelectric Actuator }

본 발명은 압전구동장치에 관한 것으로, 특히, 제품의 구동에 따라 다양한 틸팅(Tilting)각도로 변환되는 경사면이 형성된 안내부를 구비하여 부피와 크기에 관계없이 여러제품의 고정밀 위치제어가 가능하도록 한 압전구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전위차에 의해 변위되는 피에조의 압전현상을 이용한 피에조 액츄에이터(Piezo Actuator)는 다양한 형태의 구동원리를 이용하여 고정밀 위치제어에 사용되고 있다.

특히, 상기 피에조를 적층하여 구성한 스택 압전 구동장치(Stack Type Piezoelectric Actuator)는 구동력이 뛰어나 주로 광업픽 장치, 기계적 필터, 정밀 스테이지, 광학 계측기, 반도체 생산공정 장치 등과 같은 고정밀 위치제어가 필요한 기계장치에 이용한다.

도 1에 도시된 바와같이, 상기 스택 압전 구동장치 본체(1)의 구성은 베이스 플레이트(2)와, 상기 베이트 플레이트(2) 상단면에 회전판(4)을 틸팅방향으로 회전시키도록 종방향으로 직선운동을 하는 적층형 피에조(10)를 구비한 압전구동기(3)와, 상기 압전구동기(3) 상단면에 설치되어 상기 압전구동기(3)의 구동에 따라 회전되는 회전판(4)과, 상기 압전구동기(3)의 맞은편에 설치되어 상기 압전구동기(3)의 구동에 따라 회전되는 회전판(4)에 탄성력을 제공하는 인장스프링(5)과, 상기 회전판(4) 중심축 하부에 회전판(4)을 지지하도록 형성된 회전판 지지부(6)와, 상기 회전판 지지부(6)의 임의의 위치에 형성되어 상기 회전판(4)이 회전되도록 피봇 조인트부(7)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 압전구동기(3)는 전위차에 의해 변위되는 적층형 피에조(10)를 사용한다. 이와 같이 상기 압전구동기(3)의 종방향 직선운동에 따라 압전구동기(3)가 상승하면 상기 회전판(4)이 시계방향으로 회전함과 동시에 압전구동기(3) 맞은편에 있는 인장스프링(5)이 압축된다. 또한, 압전구동기(3)가 하강하면, 상기 인장스프링(5)이 인장되어 회전판(4)을 반시계방향으로 회전시킨다.

그러나, 상기 스택 압전 구동장치의 압전구동기(3)는 직선운동의 구동범위가 이미 한정되어 있으므로, 단순히 압전구동기의 한정된 직선운동에 따라 상기 회전판이 회전됨으로 상당히 큰 틸팅각도 및 작은 틸팅각도를 구할때에는 다른 크기의 압전구동기를 구비한 제품을 사용하거나 압전구동기를 이동시켜서 원하는 틸팅각도를 구하게 됨으로 여러 제품구조물의 위치제어에 적용할 수 없어 다른 제품을 사용의 경우 제품비용이 상승할뿐아니라, 정확하면서도 정밀한 위치제어가 불가능한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 제품에 구비된 압전구동기의 구동에 따라 틸팅(Tilting)각도를 다양하게 변환되도록 가변되는 경사면이 형성된 안내부를 구비함으로써, 제품의 크기에 관계없이 정밀한 위치제어가 가능하도록 한 압전구동장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 압전구동장치는, 베이스 플레이트 상부에 설치되어 전위차에 의해 변위되는 적층형 피에조를 구비한 압전구동기와, 상기 압전구동기 상부에 설치된 회전판, 상기 회전판 중심축 하부에 설치되어 상기 회전판을 지지하는 회전판 지지부와, 상기 회전판 하부에 설치되어 상기 회전판에 탄성력을 제공하는 인장스프링으로 이루어진 압전구동장치에 있어서,

상기 베이스 플레이트 상부에 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 횡방향으로 설치되는 압전구동기와, 상기 회전판 하부에 설치되어 상기 압전구동기의 구동에 따라 그 내부로 압전구동기를 안내함과 동시에 상기 회전판을 틸팅각도로 회전시키는 경사면이 형성된 안내부와, 상기 회전판과 회전판 지지부가 접촉되는 지점에 형성되는 피봇조인트부로 이루진 것을 특징으로 한다.

도 1는 일반적인 압전구동장치의 구성을 나타낸 측면도,

도 2는 본 발명에 따른 압전구동장치의 구성을 나타낸 측면도,

도 3은 본 발명에 따른 압전구동장치의 구동에 따른 틸팅각도를 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 압전구동장치의 구동상태를 나타낸 도면으로서,

도 4a는 본 발명에 따른 압전구동장치의 압전구동기가 압축되었을 경우 안내부에 의해 회전판의 틸팅각도를 나타낸 측면도 이고,

도 4b는 본 발명에 따른 압전구동장치의 압전구동기가 인장되었을 경우 안내부에 의해 회전판의 틸탕각도를 나타낸 측면도 이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 본체 101 : 베이스 플레이트

102 : 압전구동기 102a : 원통형 구동부재

103 : 회전판 104 : 회전판 지지부

105 : 인장스프링 106 : 고정 플레이트

107 : 안내부 108 : 피봇조인트부

109 : 브이블록 200 : 피에조

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전구동장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 압전구동장치의 구성을 나타낸 측면도 이고,도 3은 본 발명에 따른 압전구동장치의 구동에 따른 틸팅각도를 나타낸 도면 이고, 도 4는본 발명에 따른 압전구동장치의 구동상태를 나타낸 도면으로서, 도 4a는 본 발명에 따른 압전구동장치의 압전구동기가 압축되었을 경우 안내부에 의해 회전판의 틸팅각도를 나타낸 측면도 이고, 도 4b는 본 발명에 따른 압전구동장치의 압전구동기가 인장되었을 경우 안내부에 의해 회전판의 틸탕각도를 나타낸 측면도 이다.

도 2 내지 도 4a,b에 도시한 바와같이, 본 발명의 압전구동장치 본체(100)는 베이스 플레이트(101), 적층형 피에조(200)를 구비한 압전구동기(102), 회전판(103), 회전판 지지부(104), 인장스프링(105), 고정 플레이트(106), 원통형 구동부재(102a), 안내부(107), 피봇조인트부(108)로 이루어져 있다.

상기 압전구동기(102)는 상기 원통형 구동부재(102a)를 횡방향으로 인장 및 압축구동되도록 전위차에 의해 변위되는 적층형 피에조(200)를 구비함과 동시에 상기 베이스 플레이트(101) 상부에 상기 베이스 플레이트(101)와 평행하도록 횡방향으로 설치되어 있다.

상기 고정 플레이트(106)는 상기 베이스 플레이트(101) 상단면 임의의 위치에 설치되어 있고, 상기 압전구동기(102)를 횡방향으로 설치하기 위해 상기 압전구동기(102)를 횡방향으로 눕힌상태에서 상기 압전구동기(102)의 일단을 상기 고정 플레이트(106) 측벽면에 설치하도록 되어 있다.

상기 원통형 구동부재(102a)는 상기 압전구동기(102)의 인장 및 압축구동에 따라 횡방향으로 구동되도록 상기 고정 플레이트(106)에 설치된 상기 압전구동기(102) 다른쪽 끝단에 형성되어 있다.

상기 회전판(103)은 상기 압전구동기(102)의 인장 및 압축구동에 따라 틸팅각도로 회전되도록 상기 압전구동기(102) 상부에 설치되어 있다.

상기 회전판 지지부(104)는 상기 회전판(103)을 상기 베이스 플레이트(101) 상부에서 지지하도록 상기 회전판(103) 중심축 하부와 상기 베이스 플레이트(101)상부사이에 설치되어 있다.

상기 인장스프링(105)은 상기 압전구동기(102)의 인장 및 압축구동에 따라 상기 회전판(103)이 틸팅각도로 회전시 탄성력을 제공하도록 상기 회전판(103) 하부에 설치됨과 동시에 상기 회전판 지지부(104)를 중심으로 상기 압전구동기(102) 맞은편에 설치되어 있다.

상기 안내부(107)은 상기 원통형 구동부재(102a)를 상기 안내부(107)의 내부에 설치되고, 상기 원통형 구동부재(102a)의 횡방향 구동에 따라 상기 회전판(103)을 틸팅각도로 회전시키도록 상기 회전판(103) 하부에 설치되어 있다.

또한, 상기 안내부(107)는 상기 원통형 구동부재(102a)를 안내하도록 상기 회전판(103)의 중심으로 갈수록 좁아지는 경사면(107a)이 형성되어 있다.

또한, 멈춤부(107b)는 상기 원통형 구동부재(102a)의 구동을 멈추게 하도록 상기 안내부(107) 의 경사면(107a) 끝단에 형성되어 있다.

상기 원형노치(107c)는 상기 원통형 구동부재(102a)의 반복적인 횡방향 구동에 따라 안내부(107)에 응력이 발생하고 이 반복 응력에 의한 피로한도를 저하시키도록 상기 멈춤부(107b) 끝단에 형성되어 있다.

상기 피봇조인트부(108)는 상기 회전판(103)이 틸팅각도로 회전이 용이하도록 상기 회전판(103)과 회전판 지지부(104)가 접촉되는 지점에 형성되어 있다.

또한, 상기 안내부(107)는 상기 회전판(103)의 중심으로 갈수록 좁아지는 브이블록(109)으로 되어 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전구동장치의 동작과정을 첨부된 도 2 내지 도 4a,b을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2에 도시된 바와같이, 본 발명의 스택 압전 구동 장치를 구동시키기 위해서는 베이스 플레이트(101) 상부에 전위차에 의해 변위되는 적층형 피에조(200)를 구비한 압전구동기(102)를 구동시킨다.

상기 피에조(200)는 양쪽에 서로 다른 전극(AC에서는 위상이 180도 차이나는 전압)을 입력함과 동시에 이 서로 다른 전극에 전위차를 입력하면 한면은 팽창하며, 다른 한면은 수축하여 기준위치로부터 일정한 범위의 변위로 휨이 발생하여 양쪽 끝단이 각도 차이 없이 변위를 갖게 된다.

이때, 상기 압전구동기(102)는 상기 베이스 플레이트(101) 상단면 임의의 위치에 설치된 고정 플레이트(106)에 의해 횡방향으로 고정설치되어 있으므로, 상기 적층형 피에조(200)가 전위차에 의해 변위됨과 동시에 인장되어 상기 압전구동기(102) 타단에 형성된 원통형 구동부재(102a)를 안내부(107)의 경사면(107a)을 따라 안내한다.

이때, 도 4b에 도시된 바와같이, 상기 안내부(107)은 상기 회전판(103) 하부에 설치되어 상기 원통형 구동부재(102a)를 그 내부에 설치함과 동시에 상기 원통형 구동부재(102a)의 구동에 따라 안내되어 상기 회전판(103)을 틸팅각도로 회전시킴으로, 상기 원통형 구동부재(102a)가 안내부(107)의 경사면(107a)을 따라 회전판(103)의 중심축으로 안내되면 상기 회전판(103)은 시계방향으로 회전한다.

이와 동시에 상기 회전판(103)이 시계방향으로 회전하면 상기 회전판 지지부(104)를 중심으로 상기 압전구동기(102) 맞은편에 설치된 인장스프링(105)이 압축된다.

이와 반대로 도 4a에 도시된 바와같이, 상기 압전구동기(102)가 압축되어 원통형 구동부재(102a)가 회전판(103)의 중심축 바깥쪽으로 구동되면, 상기 회전판(103)은 반시계방향으로 회전한다.

이와 같이 상기 회전판(103)이 반시계방향으로 회전하면 상기 인장스프링(105)은 인장된다.

그리고, 상기 회전판(103)이 회전이 용이하도록 상기 회전판(103)과 회전판 지지부(104)가 접촉하는 지점에 피봇조인트부(108)가 형성되어 있다.

이와 같이 제품에 횡방향 구동되는 압전구동기(102)를 구비하고. 이 압전구동기(102)의 구동에 따라 상기 회전판(103)을 다양한 틸팅각도로 회전시키는 경사면(107a)이 형성된 안내부(107)를 구비함으로써, 여러제품의 고정밀 위치제어가 가능한다.

본 발명에 따른 스택 압전 구동장치의 인장 및 압축변위(d) 및 틸팅각(θ)은 다음식과 같다.

d=× n × V-----------------------------------------식( 1 )

θ -----------------식( 2 )

여기서,은 변형률 계수(Strain Coefficient)[m/V] 이고, n은 적층형 피에조(200)의 수(Number of Ceramic Layers) 이며, V는 입력전압(Operating Voltage)[V] 이다.

또한, 도 3에 도시된 바와같이, 안내부(107)의 구동상태를 나타낸 것으로서,

r : 압전구동기(102) 끝단의 반경 이고,

l : 압전구동기(102) 끝단에서 안내부의 중심까지의 거리 이며,

d : 압전구동기(102)의 변위를 나타낸 것으로서,

압전구동기(102)가 압축될 때이 되고,

압전구동기(102)가 인장될 때는이다.(<0,0)

여기서, θ1 : 압전구동기(102)가 압축되었을 때의 사이각 이고, θ2 : 압전구동기(102)가 인장되었을 때의 사이각 이다.

또한, 도 3은, 안내부(107)의 한쪽만을 나타낸 것으로서, 회전판(103)의 틸팅각은 2배로 회전된다. 그러므로,

회전판(103)의 틸팅각 = 2 ×[θ- θ1,2]

= 2 ×-----식( 3 )

상기 식(1), 식(2)를 식(3)에 대입하면,

회전판(103)의 틸팅각 = 2 ×

이다.

한편, 지금까지 서술된 바와같이 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며,본 발명의 기술적 사상 및 영역을 벗어나지 않은 범위내에서 다양하게 변형실시 할수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 압전구동장치에 의하면,

제품의 구동에 따라 틸팅(Tilting)각도를 다양하게 변환하는 경사면이 형성된 안내부를 구비함으로써, 제품의 부피 및 크기에 관계없이 위치제어가 가능하여 제품의 고정밀 위치제어를 향상시키고, 이로인해 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트 상부에 설치되어 전위차에 의해 변위되는 적층형 피에조를 구비한 압전구동기와, 상기 압전구동기 상부에 설치된 회전판과, 상기 회전판 중심축 하부에 설치되어 상기 회전판을 지지하는 회전판 지지부와, 상기 회전판 하부에 설치되어 상기 회전판에 탄성력을 제공하는 인장스프링으로 이루어진 압전구동장치에 있어서,

   상기 베이스 플레이트 상부에 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 횡방향으로 설치되는 압전구동기와,

   상기 회전판 하부에 설치되어 상기 압전구동기의 구동에 따라 그 내부로 압전구동기를 안내함과 동시에 상기 회전판을 틸팅각도로 회전시키는 경사면이 형성된 안내부와,

   상기 회전판과 회전판 지지부가 접촉되는 지점에 형성되는 피봇조인트부로 이루진 것을 특징으로 하는 압전구동장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전구동기는, 상기 압전구동기의 일단이 그 측벽면에 설치되도록 상기 베이스 플레이트 상면단에 고정설치되는 고정플레이트와,

   상기 압전구동기의 다른쪽 끝단에 형성되어 압전구동기의 인장 및 압축구동에 따라 횡방향으로 구동되는 원통형 구동부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전구동장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 안내부는, 상기 회전판의 중심으로 갈수록 좁아지는 브이블록으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전구동장치.