KR100632364B1 - 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 관한 것으로서;

상대적인 위치고정용의 클램핑피에조와, 상기 클램핑피에조에 직각하여 탄성힌지로서 연결배치되는 드라이빙피에조를 구비하고, 상기 클램핑피에조의 신장구동에 의한 상대위치고정 시에 드라이빙피에조가 탄성힌지에 대항하여 신축작동하여 상기 클램핑피에조에 대한 상대위치를 가변시켜 변위구동되고, 상기 각각의 피에조에는 구동용의 전기적인 신호가 순차적으로 인가되도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 하여;

본 발명에서는 고정밀 분해능을 얻을 수 있으며 이송범위의 제한을 받지 않는 새로운 형태의 메커니즘을 제안하고 초소형, 고정밀 위치 제어를 위해 압전소자 두개의 인장과 수축을 타임 스케줄에 따라 조합한 미세 이송기구를 가짐으로서 유용한 미세 구동기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

피에조

Description

두 개의 피에조에 의한 미세이송기구{Micro-feeding mechanism by piezoelectric ceramic}

도 1 (A, B)는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 전, 후 방향에 대한 구동원리도.

도 2 는 도 1 의 구성의 작동을 위한 제어신호도.

도 3 은 본 발명의 실시예의 피에조구동기구의 정격표.

도 4 는 본 발명의 실시예의 탄성힌지의 개념도.

도 5 는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 기본적인 구성을 도시하는 사시도.

도 6 은 본 발명의 탄성힌지로서의 슬라이더의 변형전후의 변형비교도.

도 7 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 전체 실험구성의 구성도.

도 8 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 이한 이송기구의 구동특성평가표.

도 9 는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 의한 이송기구의 속도 실험결과도.

도 10 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 정방향, 역방향 의 이송 속도를 분석한 그래프도.

도 11 은 갭센서를 이용하여 피드백 제어를 했을 때의 슬라이더의 구동특성도.

도 12 는 도 11 의 작동에서의 위치오차 결과도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 가이드

2: 슬라이더

10: 클램핑피에조

20: 드라이빙피에조

본 발명은 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 초소형구동메커니즘으로서 피에조를 사용하는 미세이송기구의 구성의 제공에 관한 것이다.

현재 초소형 위치결정기(Positioner), 마이크로펌프, 초소형 측정기구 등의 분야에서는 고정밀 위치 제어가 가능한 주구동원으로서 피에조구동기구(Piezo actuator)를 적용시키기 위한 개발 작업이 상당히 진행되고 있다.

피에조(piezoelectric ceramic)구동기구는 압전소자라고도 불리며 기계적 에너지와 전기적 에너지를 서로 양방향으로 변환을 일으킬 수 있는 것으로 구동기 및 센서로서 모두 사용될 수 있는 것이다.

본 발명에서는 이러한 피에조 구동기구를 이용하여 안출된 것으로서 피에조의 인치웜 방식에 의한 미세이송기구를 제공한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에서는 기존의 전기 유압식 등의 구동기와는 달리 압전 소자는 소형이면서 구동 분해능이 아주 높다는 특징을 이용한다.

또한, 압전소자의 신축이 자동적인 프로세스를 가지므로 작동이 부드럽고 연속적이기 때문에 소위 말하는 스틱슬립(stick-slip)이 없으며 또한 스테인레스스틸로 된 유사한 구조물에 비해 20% 이상의 초과 강성을 가진다.

따라서, 힘 발생력이 크고 구동 에너지(power)가 수 밀리와트 정도로서 에너지 소비량이 적은 것으로 알려져 있다.

그러나 높은 변위 해상도와 빠른 주파수 응답을 가지고 있지만 비선형적이고, 큰 히스테리시스(hysteresis)가 존재하며 압전소자의 발생 변위가 최대 0.1% 스트레인(strain) 정도로 제한되기 때문에 다소 넓은 영역을 트래킹 할 필요가 있는 위치제어장치에 응용하는 것은 큰 문제점으로 남아있다.

이에 대한 대책으로 본 발명에서는 고정밀 분해능을 얻을 수 있으며 이송범위의 제한을 받지 않는 새로운 형태의 두 개의 피에조를 갖는 구동기구 메커니즘을 제안하고 있다.

이것은 초소형, 고정밀 위치 제어를 위해 압전소자 두개의 인장과 수축을 타 임 스케줄에 따라 조합한 미세 이송기구에 관한 것이다.

본 발명의 피에조의 인치웜 방식에 의한 미세이송기구의 구성과 마이크로 센서를 이용한 피드백 제어를 적용하여 ㎛ 단위 이하의 위치 정밀도를 실험을 통해 그 구성의 유효성을 검증한다.

상기하는 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 두 개의 피에조 방식에 의한 미세이송기구는;

상대적인 위치고정용의 클램핑피에조와,

상기 클램핑피에조에 직각하여 탄성힌지로서 연결배치되는 드라이빙피에조를 구비하고,

상기 클램핑피에조의 신장구동에 의한 상대위치고정 시에 드라이빙피에조가 탄성힌지에 대항하여 신축작동하여 상기 클램핑피에조에 대한 상대위치를 가변시켜 변위구동되고,

상기 각각의 피에조에는 구동용의 전기적인 신호가 순차적으로 인가되도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 한다.

이하의 부수된 도면과 함께 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 구성과 작용을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 (A, B)는 본 발명의 피에조의 인치웜 방식에 의한 미세이송기구의 인치웜 장치의 전, 후 방향에 대한 구동원리도, 도 2 는 도 1 의 구성의 작동을 위한 제어신호도, 도 3 은 본 발명의 실시예의 피에조구동기구의 정격표, 도 4 는 본 발 명의 실시예의 탄성힌지의 개념도, 도 5 은 본 발명의 탄성힌지로서의 슬라이더의 변형전후의 변형비교도, 도 6 는 본 발명의 피에조의 인치웜 방식에 의한 미세이송기구의 기본적인 구성을 도시하는 사시도, 도 7 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 전체 실험구성의 구성도, 도 8 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 이한 이송기구의 구동특성평가표, 도 9 는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 의한 이송기구의 속도 실험결과도, 도 10 은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 정방향, 역방향의 이송 속도를 분석한 그래프도, 도 11 은 갭센서를 이용하여 피드백 제어를 했을 때의 슬라이더의 구동특성도, 도 12 는 도 11 의 작동에서의 위치오차 결과도이다.

도 5 에 사시도로서 도시되는 것이 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구의 기본적인 구성이다.

슬라이드가이드인 가이드(1) 에 미끄럼 가능하게 삽입되는 슬라이더(2)를 가지고 이 슬라이더(2) 전체를 클램핑피에조(10)와 드라이빙피에조(20)를 연결하는 탄성힌지로써 사용되도록 상호 연결하여 장착한다.

탄성힌지로서 사용되는 슬라이더의 재질은 연성이 큰 황동을, 가이드는 SM 45C 를 사용하여 본 발명에서는 실험을 수행하였다.

실제적인 실험에서는 가이드와 슬라이드의 간격 조절에 상당한 어려움이 존재하고, 이를 개선하기 위해 가이드와 슬라이드의 마찰면의 래핑 작업과 가이드를 분리형으로 설계하여 일정한 결합력을 줄 수 있는 스프링 볼트를 사용하여 둘 사이의 간극이 1㎛ 이내가 되도록 하여 구성하였다.

그리고 전체적인 크기는 41mm(W)×7mm(D)×2mm(H) 정도로서 구성하였다.

상기에서의 클램핑피에조(10)와 드라이빙피에조(20)를 탄성적으로 연결하고 실제적인 구동이 발생하게 하는 주요한 요소로서 탄성 힌지 메카니즘의 역할을 슬라이더(2)가 수행하게 된다.

다양한 형태로서 구성될 수 있는 탄성힌지는 압전소자에 전압을 가하면 압전소자의 길이 방향으로 미소변위가 발생하며 이러한 미소 변위는 힌지 스프링으로 고정부에 연결된 구동부에 전달되어 슬라이더(2)의 미세 이송을 발생시키며,

도 4 와 같이, 힌지 스프링(k1,k2)을 좌우 대칭으로 설계함으로써 압전소자의 변위가 슬라이더(2) 이송 방향에 적합한 구조와 조건을 가지게 하였다. 따라서 슬라이더(2)의 길이 방향으로만 변위가 발생 하도록 하였다.

압전소자에 의해 변형된 슬라이더(2)의 형상을 예측하고 또한 적절하게 구동 될 수 있는가를 확인하기 위해 상용해석 프로그렘인 ANSYS 5.7 를 사용하여 200 N/㎛ 의 값을 가지도록 탄성힌지를 설계하였다.

압전소자에 의해 발생되는 변위는 탄성힌지의 복원력에 의한 변위만큼 수축한다. 탄성힌지에 의한 실제 압전소자 변위는 아래 식(1)을 따른다.

Ks Dx = Kp ( Dmax － Dx ) (1)

Dx = Dmax (Kp / (Kp + Ks))

여기서, 힌지 강성 Ks = 2K1 이며 압전소자의 강성은 Kp, 외부하중이 없을 때의 압전소자 최대변위Dmax, 탄성힌지에 의한 변위손실을 Dx 로 나타낸다.

도 5 는 이때의 변위를 해석한 결과로서 구동부의 압전소자가 6㎛ 늘어났을 때 슬라이드의 변형 전 후의 모습이다.

전체적인 장치의 구성도는 도 7 에 도시된다.

구동 신호는 진동특성 등을 고려하여 여러 형태의 입력신호를 사용할 수 있으나, 본 발명의 실험에서는 간단히 사각 펄스신호를 사용했다.

이 신호는 D/A board(Advantech사 제품, PCI-1720)를 통해 고전압앰플리파이어(Techmack사 제품)로 증폭된 후 압전소자인 클램핑피에조(10)와 드라이빙피에조(20)에 인가된다.

슬라이더(2)의 이동량은 캡센서(Bently Nevada 사 제품, 127 um/V)로 측정하였고, 여기서 나오는 위치정보를 A/D 보드(Darim 8330)를 통해 PC(Pentium Ⅲ-550Mhz)에서 피드백신호로 사용했다. 구동신호 발생과 피드백에 필요한 프로그램은 비쥬얼(Visual C++ 6)로 작성하였다.

상기하는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 의한 구동이 도 1 에 도시되며 도 2 는 그 제어신호를 도식적으로 도시하고 있다.

도 1에서, 슬라이드가이드인 가이드(1)에 미끄럼 가능하게 삽입되는 슬라이더(2)를 가지고 이 슬라이더(2) 전체를 클램핑피에조(10)와 드라이빙피에조(20)를 연결하는 탄성힌지로써 사용되어 작동신호에 의하여,

초기 상태에서 클램핑피에조(10)가 전압을 받아 변위가 발생하고 이로 인해 슬라이더(2)가 양 가이드(1) 사이에 클램핑된다.

다음 단계에서 드라이빙피에조(20)가 팽창한다. 그리고, 클램핑피에조(10)가 수축한 후, 드라이빙피에조(20)가 수축함으로써 결과적으로 초기 상태에서 일정변 위 만큼의 이송이 진행되는 것이다.

실험에 쓰여진 피에조구동기구는 독일 PI사 제품(P-802.00)으로 제반 사항은 도 3 의 표로서 도시한다. 슬라이더의 재질은 연성이 큰 황동을, 가이드는 SM 45C 를 사용하였다.

도 8 에 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 이한 이송기구의 구동특성평가표가 도시된다.

입력전압에 에 따른 슬라이더(2)의 드라이빙피에조(20)의 변위 측정을 위해 각각의 입력 전압과 구동 파형을 일정 시간동안 압전소자에 인가하여 도시한 것으로서 입력 전압은 30V 부터 100V 까지 10 Hz를 인가했을 때의 슬라이더(2)의 드라이빙피에조(20)의 변위 발생을 측정하였다.

도표에서 보듯이 입력 전압에 따른 드라이빙피에조(20)의 변위가 96%의 선형성을 가진다.

도 9 는 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구에 의한 이송기구의 속도 실험결과를 도시하는 것으로서,

각각의 입력 전압에 따른 슬라이더(2)의 속도를 나타낸다. 각각100Hz의 같은 조건에서 사용 압전소자의 최대 허용 전압인 100V이하의 전압을 인가하여 정방향, 역방향의 이송 속도를 비교 분석한 것이다.

그 결과 입력전압이 증가할수록 속도의 방향 오차가 증가함을 알 수 있다.

도 10 은 같은 입력 전압을 주면서 입력 주파수를 달리하여 정방향, 역방향의 이송 속도를 분석한 그래프이다.

그래프에서 알 수 있듯이 이송 속도는 입력 주파수의 변화보다도 입력 전압의 차이에 의해 보다 큰 방향오차(backlash)를 보여준다.

도 11 은 갭센서를 이용하여 피드백 제어를 했을 때의 슬라이더(2)의 구동특성을 보인 것이다. 실험 조건은 동일한 입력 주파수100Hz일 때의 입력전압을 60 100 V로 하여 정방향 역방향 3회 반복 이송시켜 그 결과를 도표에 나타내었다.

도 12 는 이 때의 위치오차 결과를 나타낸다. 도표에서 보듯이 슬라이더(2)의 구동은 선형적이고, 입력전압에 따라 속도차이가 현저하게 나타남을 알 수 있다. 또한, 이 시스템의 피드백 신호에 따른 구동에서 평균 위치오차가 1.43㎛로 나타났다.

이상과 같은 실험의 실시예에서와 같이, 본 발명의 의한 미세이송기구에서는 두 개의 압전소자를 이용한 고정밀 이송기구를 제안하였다.

이송기구의 기본적인 성능 실험을 수행한 결과 입력 전압에 의해 선형적인 변위와 속도의 분포를 보임을 알 수 있었으며 입력 전압에 따라 정방향과 역방향의 속도가 달라지는 히스테리시스 특성을 고찰하였다. 이 시스템에서 피드백을 시켰을 경우에는 이송 정밀도가 1.43 ㎛ 로 나타났다.

따라서, 제시된 이송기구는 전압의 크기와 입력 주파수를 조정함으로써 이송거리와 위치 정밀도를 향상시킬 수 있는 특성을 가지고 있기 때문에, 향후 보다 빠른 이송과 정밀한 위치 이송 능력을 부여하기 위한 피드백 제어를 적용하여 이를 정밀 가공분야에 응용가능토록 개선할 수 있는 등의 기술발전성을 가진다.

이상과 같은 본 발명의 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구는;

고정작동을 하는 피에조와 구동작동을 하는 피에조를 한쌍 조립하여 구성되는 슬라이더를 탄성힌지로서 사용함으로서 극소형의 구동기구를 제조함으로서 다양한 응용분야를 가지는 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 구동을 위한 가이드수단으로서의 가이드에 대하여 상대적으로 위치가 고정되는 클램핑피에조와, 상기 클램핑피에조에 직각하여 탄성힌지로서 작용하는 슬라이더와 연결되는 드라이빙피에조를 구비하고,

   상기 클램핑피에조의 신장구동에 의한 상대위치고정 시에,

   상기 드라이빙피에조가 상기 탄성힌지에 대항하여 신축작동하여 상기 클램핑 피에조에 대한 수직 상대위치의 가변으로서 변위구동되고,

   상기 각각의 피에조에는 구동용의 전기적인 신호가 순차적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 두 개의 피에조에 의한 미세이송기구.

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