KR100594374B1 - 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는, 구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지하는 베이스 부재; 상기 베이스 부재 위에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으키는 다수의 세라믹 압전 액츄에이터; 및 상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들의 사이에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되되, 상향(또는 하향)으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 상향(또흔 하향)의 높이방향 및 폭방향으로 확대 변위를 일으키는 변위확대기를 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 세라믹 액츄에이터와 변위확대기를 하나의 모듈로 하여 서로 방향이 180°반대방향이 되도록 교번 적층한 구조로 구성되므로, 액츄에이터의 미세 변위를 크게 확대할 수 있다. 또한, 수십 미리미터의 변위를 얻을 수 있어 큰 변위 특성을 요구하는 부품에 응용할 수 있고, 부품을 나누어 가공하여 액츄에이터와 결합함으로써 제작에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

차단기, 액츄에이터, 변위, 확대

Description

차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치{Apparatus for amplifying displacement of ceramic actuator for circuit breaker}

도 1a 및 도 1b는 종래 무니타입 변위 확대기구의 구조를 보여주는 도면.

도 2는 종래 무니 타입의 확대기구 및 그 기구에 연결된 액츄에이터를 나타낸 모식도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치의 작동 원리를 설명하는 도면.

도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치로서, 한 개의 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면.

도 4b는 도 4a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면.

도 5a는 도 4a의 경우와 반대방향으로 배열된 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면.

도 5b는 도 5a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면.

도 6a 내지 도 6c는 상기 도 4a와 도 5a의 변위확대장치를 결합하여 다층의 적층 구조를 갖는 변위확대장치를 구성한 상태를 보여주는 도면.

도 7a는 본 발명의 제2실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확 대 장치로서, 한 개의 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면.

도 7b는 도 7a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면.

도 8a는 도 7a의 경우와 반대방향으로 배열된 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면.

도 8b는 도 8a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면.

도 9a 내지 도 9c는 상기 도 7a와 도 8a의 변위확대장치를 결합하여 다층의 적층 구조를 갖는 변위확대장치를 구성한 상태를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

410,510...베이스 부재 420,520...액츄에이터

430,530...변위확대기 430s,530s...회동축

440,540...회동축 고정판 611,911...첫번째 모듈

612,912...두번째 모듈

본 발명은 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치에 관한 것으로서, 특히 지렛대 원리를 이용한 변위 확대기구를 제작하고, 이를 액츄에이터와 결합한 후 이를 다시 연속적으로 다수개 연결함으로써 큰 변위를 얻을 수 있는 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치에 관한 것이다.

세라믹 액츄에이터는 빠른 응답성, 정밀성, 높은 발생력을 가지며 소형경량화가 가능하여 미소변위 제어장치, 밸브, 펌프 등에 응용성이 확대되고 있는 추세이다. 그러나 이들 세라믹 액츄에이터는 전기식 액츄에이터 보다 변위가 작아 한계성을 보이고 있는데, 이를 극복하기 위해서 변위를 확대할 수 있는 여러 형태의 기구부가 개발되고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 무니타입 변위 확대기구의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1a을 참조하면, 종래 무니타입 변위 확대기구(10)는 부피를 상당히 감소할 수 있고 효율적으로 사용될 수 있다. 도 1b에서와 같이, 면 11과 11'측에서 압전 액츄에이터의 변위에 의해 팽창을 하게 되면 면 12와 12'부위가 아래로 수축하게 된다. 이때 11과 11'의 팽창 변위(110)(110')와 12와 12'부위에서의 수축변위(120)(120')의 비율이 1:5∼1:10에 해당하게 된다. 도 2는 이러한 무니타입의 확대기구 및 그 기구에 연결된 액츄에이터를 나타낸 모식도이다.

그런데, 이러한 종래 변위 확대기구(10)는 변위를 10배까지 확대할 수 있지만, 그에 비하여 출력압은 1/20 이하로 감소된다. 이러한 이유로는 출력압이 액츄에이터(11)의 압력 뿐만 아니라 금속확대기구(12)의 에너지 전달 능력, 즉 부피, 크기 및 확대기구의 금속 재질에 의존하기 때문이다. 특히, 도 2의 점원내의 부분 13과 14에 큰 응력이 걸리면서 탄성 변형이 일어나므로 전달되는 출력압이 급격히 감소된다. 또한, 이러한 금속 확대기구(12)를 만들기 위해서는 금속 블록을 그대로 정밀 가공하여 절단하므로 비용이 액츄에이터보다 훨씬 커진다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 지렛대 원리를 이용한 변위 확대기구를 제작하고, 이를 액츄에이터와 결합한 후 이를 다시 연속적으로 다수개 연결함으로써 큰 변위를 얻을 수 있는 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 기구부 제작 및 연결 방식을 통해 적층형 세라믹 액츄에이터의 변위를 크게 증폭시켜 그 응용성을 확대시키는 한편 제작에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있는 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는,

구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지하는 베이스 부재;

상기 베이스 부재 위에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으키는 다수의 세라믹 압전 액츄에이터; 및

상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들의 사이에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되되, 상향으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 상향의 높이방향 및 폭방향으로 확대 변위를 일으키는 변위확대기를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는,

구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지하는 베이스 부재;

상기 베이스 부재 위에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으키는 다수의 세라믹 압전 액츄에이터; 및

상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들의 사이에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되되, 하향으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 하향의 높이방향 및 폭방향으로 확대 변위를 일으키는 변위확대기를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치의 작동 원리를 설명하는 도면이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는 지렛대의 원리를 이용한 것으로, 액츄에이터(301)와 지렛대(302)를 하나로 결합하였다. 이때 지렛대의 받침점(303)으로부터 액츄에이터(301)까지의 거리(d)와 지렛대의 받침점(303)으로부터 지렛대(302)의 다른 편까지의 거리(D)의 비 D/d 만큼 액츄에이터의 변위(B)가 "D/d ×B" 으로 증폭하게 된다. 이렇게 하나의 액츄에 이터와 지렛대의 원리를 이용한 확대기 하나를 조합하면 하나의 액츄에이터 모듈이 된다. 통상 압전 액츄에이터의 변위는 수 마이크론에서 수십 마이크론에 불과하므로 증폭 비율이 10∼20배 정도 되더라도 하나의 모듈은 수백미크론에서 수 미리미터에 불과하다. 그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 이러한 모듈(307) 위에 다시 다른 액츄에이터(308)를 위치시키고 다시 확대기(309)를 설치하면 전체 변위는 2배로 증폭할 수 있다. 더 큰 변위를 얻으려면 같은 방법으로 계속적으로 모듈을 위치시키면 원하는 변위를 얻을 수 있으며 실제로 수 십 미리미터까지 제작이 가능하다. 그러나 이러한 방법은 전체 모듈을 옆으로 길게 늘어놓은 상태이므로, 장치가 길이 방향으로 상당히 커지는 단점이 있다. 이러한 문제는 도 3c에 도시된 바와 같이, 2번째 모듈(312), 4번째 모듈(314) 등과 같이 짝수번째 모듈들을 180°반대방향으로 설치하면 한 개의 모듈과 동일한 폭을 가지는 다층의 액츄에이터 모듈을 제작할 수 있게 된다.

이러한 구조는 종래의 무니타입의 변위 확대기구보다 증폭비를 자유롭게 조절할 수 있고, 제작 비용측면에서도 상당히 저렴하다. 또한 원하는 만큼 자유롭게 최대 변위를 조절할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는 이상과 같은 기술적 사항을 바탕으로 구성된다.

도 4a 내지 도 6c는 본 발명의 제1실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치를 나타낸 것으로서, 도 4a는 한 개의 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면이고, 도 4b는 도 4a의 변위 확 대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면이며, 도 5a는 도 4a의 경우와 반대방향으로 배열된 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면이고, 도 5b는 도 5a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면이며, 도 6a 내지 도 6c는 상기 도 4a와 도 5a의 변위확대장치를 결합하여 다층의 적층 구조를 갖는 변위확대장치를 구성한 상태를 보여주는 도면이다.

도 4a를 참조하면, 이는 본 발명의 제1실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치의 기본 구성을 보여주는 것으로서, 베이스 부재(410), 세라믹 압전 액츄에이터(420) 및 변위확대기(430)를 포함하여 구성된다.

상기 베이스 부재(410)는 구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지한다.

상기 세라믹 압전 액츄에이터(420)는 도 6c에 도시된 바와 같이, 다수개가 상기 베이스 부재(410) 위에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으킨다.

상기 변위확대기(430)는 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들(420)의 사이에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되되, 상향으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 상향의 높이방향 및 폭방향으로 확대 변위를 일으킨다.

도 4a에서 참조부호 430s는 변위확대기를 회동 가능하게 고정하는 회동축이고, 440은 그 회동축을 고정하는 고정판이며, h는 회동축으로부터 액츄에이터의 접촉면까지의 거리이고, W는 변위확대기의 폭경로이다.

이상과 같은 구성의 변위확대장치에 있어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(420)가 변위(44)를 발현하면 변위확대기(430)의 반대 끝점(45)에서는 상향의 높이 방향으로의 변위(46)와 폭 방향으로의 변위(47)가 발생된다. 높이 방향으로의 변위(46)는 변위(44)와 증폭비(W/h)의 곱으로 나타나게 된다.

도 5a는 액츄에이터(520)와 변위확대기(530)를 상기 도 4a의 경우와 180°반대 방향으로 구성한 모듈이다. 베이스 부재(510) 위에 액츄에이터(520)를 올려놓고 다른 회동축(530s)을 중심으로 변위확대기(530)를 위치시킨 후, 전기장을 인가하면 도 5b에서와 같이, 액츄에이터(520)가 변위(59)를 발현하고, 그에 따라 변위확대기(530)의 반대쪽 끝점(52)에는 높이 방향으로의 변위(53)와 폭 방향으로의 변위(54)가 각각 발생한다.

도 6a 내지 도 6c는 상기 도 4a의 경우의 변위확대장치 모듈과 도 5a의 경우의 변위확대장치 모듈을 결합한 상태를 나타낸 것이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 첫번째 모듈(611)과 두번째 모듈은 서로 방향이 180°반대방향으로 적층 결합된다. 이와 같은 상태에서 각 액츄에이터에 전기장이 인가되면, 도 6b에서와 같이 첫번째 모듈(611) 및 두번째 모듈(612)의 각 변위확대기(430)(530)의 끝점에서는 높이 방향으로의 변위와 폭 방향으로의 변위가 각각 발생된다. 이러한 두 모듈(611)(612)의 전체 변위는 높이 방향은 각 모듈의 높이방향의 변위끼리의 합이, 그리고 폭방향은 각 모듈의 폭방향의 변위끼리의 합이 된다. 그런데, 폭방향에서는 첫번째 모듈(611)과 두번째 모듈(612)의 방향이 서로 반대이므로 그 변위가 상쇄되어 폭방향으로 변위는 나타나지 않고, 결국 높이 방향으로만 합 변위가 나타나게 된다. 또한 도 6c에서와 같이, 첫번째 모듈(611)과 두번째 모듈(612)을 서로 180°반대방향으로 연속적으로 적층 결합하면, 원하는 정도의 변위, 즉 수십 미리미터까지의 변위를 얻을 수 있게 된다.

도 7a 내지 도 9c는 본 발명의 제2실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치를 나타낸 것으로서, 도 7a는 한 개의 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면이고, 도 7b는 도 7a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면이며, 도 8a는 도 7a의 경우와 반대방향으로 배열된 세라믹 액츄에이터와 레버 방식의 변위확대기의 결합구조를 보여주는 도면이고, 도 8b는 도 8a의 변위 확대 장치의 동작 관계를 보여주는 도면이며, 도 9a 내지 도 9c는 상기 도 7a와 도 8a의 변위확대장치를 결합하여 다층의 적층 구조를 갖는 변위확대장치를 구성한 상태를 보여주는 도면이다.

도 7a를 참조하면, 이는 본 발명의 제2실시예에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치의 기본 구성을 보여주는 것으로서, 상기 제1실시예의 경우와 마찬가지로 베이스 부재(710), 세라믹 압전 액츄에이터(720) 및 변위확대기(430)를 포함하여 구성된다. 이 제2실시예의 경우는 전기장 인가시 변위가 상기 제1실시예의 경우와는 반대로 아래 방향으로 형성되게끔 구성되어 있다는 점 외에는 상기 제1실시예의 경우와 동일하다. 따라서, 각 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 7b에서와 같이, 액츄에이터(720)가 변위(76)를 발생시키면 변위확대기(730)의 반대 끝점(77)에서는 하향의 높이방향으로의 변위(78)와 폭 방향으로의 변 위(79)가 발생된다. 높이 방향 변위(78)는 변위(76)와 증폭비 W/h의 곱으로 나타나게 된다.

도 8a는 액츄에이터(820)와 변위확대기(830)를 상기 도 7a의 경우와 180°반대 방향으로 구성한 모듈이다. 베이스 부재(810) 위에 액츄에이터(820)를 올려놓고 다른 회동축(830s)을 중심으로 변위확대기(830)를 위치시킨 후, 전기장을 인가하면 도 8b에서와 같이, 액츄에이터(820)가 변위(84)를 발현하고, 그에 따라 변위확대기(830)의 반대쪽 끝점(85)에는 높이 방향으로의 변위(86)와 폭 방향으로의 변위(87)가 각각 발생한다.

도 9a 내지 도 9c는 상기 도 7a의 경우의 변위확대장치 모듈과 도 8a의 경우의 변위확대장치 모듈을 결합한 상태를 나타낸 것이다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 첫번째 모듈(611)과 두번째 모듈(912)은 서로 방향이 180°반대방향으로 적층 결합된다. 이와 같은 상태에서 각 액츄에이터(720) (820)에 전기장이 인가되면, 도 9b에서와 같이 첫번째 모듈(911) 및 두번째 모듈(912)의 각 변위확대기(730)(830)의 끝점에서는 높이 방향으로의 변위와 폭 방향으로의 변위가 각각 발생된다. 이러한 두 모듈(911)(912)의 전체 변위는 높이 방향은 각 모듈의 높이방향의 변위끼리의 합이, 그리고 폭방향은 각 모듈의 폭방향의 변위끼리의 합이 된다. 그런데, 폭방향에서는 첫번째 모듈(911)과 두번째 모듈(912)의 방향이 서로 반대이므로 그 변위가 상쇄되어 폭방향으로 변위는 나타나지 않고, 결국 높이 방향으로만 합 변위가 나타나게 된다. 또한 도 9c에서와 같이, 첫번째 모듈(911)과 두번째 모듈(912)을 서로 180°반대방향으로 연속적으로 적층 결합하면, 원하는 정도의 변위, 즉 수십 미리미터까지의 변위를 얻을 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치는 세라믹 액츄에이터와 변위확대기를 하나의 모듈로 하여 서로 방향이 180°반대방향이 되도록 교번 적층한 구조로 구성되므로, 액츄에이터의 미세 변위를 크게 확대할 수 있는 장점이 있다.

또한, 수십 미리미터의 변위를 얻을 수 있어 큰 변위 특성을 요구하는 부품에 응용할 수 있고, 부품을 나누어 가공하여 액츄에이터와 결합함으로써 제작에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지하는 베이스 부재;

   상기 베이스 부재 위에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으키는 다수의 세라믹 압전 액츄에이터; 및

   상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들의 사이에 그 방향을 교대로 180°반대방향으로 바꾸어가면서 적층되되, 상향으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 상향의 높이방향 및 폭방향으로 확대 변위를 일으키는 변위확대기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치.
2. 구조체의 최하부에 위치되며, 상부의 구조체 전체를 지지하는 베이스 부재;

   상기 베이스 부재 위에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되며, 인가된 전기장에 의해 미세 변위를 일으키는 다수의 세라믹 압전 액츄에이터; 및

   상기 다수의 세라믹 압전 액츄에이터들의 사이에 그 방향을 180°반대방향으로 교대로 바꾸어가면서 적층되되, 하향으로의 회동이 가능하게 적층되며, 상기 세라믹 압전 액츄에이터의 미세 변위에 상응하여 하향의 높이방향 및 폭방향으로 확 대 변위를 일으키는 변위확대기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차단기용 세라믹 액츄에이터의 변위 확대 장치.

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