KR100675329B1 - 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터 - Google Patents

강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전원공급 유무에 따라 수축 및 복원되는 구동부재상에 지그재그식으로 구성된 탄성부재를 부착탑재하여 전원 공급에 의해 구동부재가 수축될 때 탄성부재의 자유단이 기판에 대해 수평상태로 펼쳐져 증폭되고, 전원 차단으로 구동부재가 복원될 때 탄성부재가 원위치로 복귀되게 구동하고, 증폭시 큰 구동력으로 증폭되게 하여 강한 구동력을 갖도록 하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 관한 것으로,
판상의 몸체를 갖는 박막 압전재료 양측면에 전극이 부착되고, 상기 양측 전극을 통해 공급되는 전원 유무에 따라 수축과 복원하는 구동부재;
복수 개의 몸체가 병렬로 배열되고, 상기 몸체들의 양단부가 단계적으로 서로 엇갈리게 연결되어 전체적인 형상이 지그재그식으로 구성되고, 양단부 연결부 중 어느 일측 연결부가 상기 구동부재의 일측면에 탑재된 상태로 고정되며 최외측 몸체는 설치장소에 고정되는 탄성부재;를 포함하며,
여기서, 상기 구동부재의 전극에 전원이 공급되어 구동부재가 수축할 때 탄성부재의 타측 자유단부는 펼쳐져 증폭되는 것이 특징이다.
PZT, 엑츄에이터, 수평구동, 전극

Description

강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터{Thin film piezoelectric actuator based on stiffness control for lateral motion}
도 1은 종래 발명에 따른 수직구동형 박막압전 엑츄에이터를 보인 사시도
도 2는 종래 발명에 따른 수직구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 전 상태를 보인 측면도
도 3은 종래 발명에 따른 수직구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 후 상태를 보인 측면도
도 4는 종래 발명에 따른 수직구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 후 시뮬레이션 상태를 보인 도면
도 5는 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 사시도
도 6은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 고정편이 형성된 것을 보인 사시도
도 7은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 다른 실시예를 보인 사시도
도 8은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 앵커가 고정되어 일체로 형성된 것을 보인 사시도
도 9는 도 7의 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 엥커가 고정되어 일체로 형성된 것을 보인 사시도
도 10은 본 발명에 따른 탄성부재의 몸체 수량에 따른 변위를 나타내는 그래프
도 11은 본 발명에 따른 탄성부재의 시뮬레이션 결과를 나타내는 사진
도 12는 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 전 상태의 평면도
도 13은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 후 상태의 평면도
도 14는 시뮬레이션에 사용된 본 발명의 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 치수를 나타내는 사시도
도 15는 도 14에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 구동 후 시뮬레이션 상태를 보인 평면도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 엑츄에이터 11 : 구동부재
12 : 탄성부재 12a : 몸체
12b : 연결부재
본 발명은 전원공급 유무에 따라 수축 및 복원되는 구동부재상에 지그재그식으로 구성된 탄성부재를 탑재부착하여 전원 공급에 의해 구동부재가 수축될 때 탄성부재의 자유단이 수평상태로 펼쳐져 증폭되고, 전원 차단으로 구동부재가 복원될 때 탄성부재가 원위치로 복귀되게 구동하고, 증폭시 큰 구동력으로 증폭되는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 관한 것이다.
피젯티(PZT)는 Piezoelectric effect라는 현상을 이용하여 만들어낸 압전소자로써, 전압을 걸면 신축(伸縮)을 하고, 하중을 가하면 전압이 발생하는 공지된 첨단소자이다.
이러한 PZT소자는 전압을 가할 때 아주 미세하게 수축 또는 팽창되고 전압이 제거될 때 복원되기 때문에 주로 나노(nano)급과 같이 초정밀분야, 즉 마이크로 RE스위치, 광통신용 마이크로 스위치, 가변 광격자 등에서 그 자체가 구동용 엑츄에이터로 널리 사용되고 있다.
특히, 초정밀 마이크로 스위치 용도로 사용되기 위해서는 큰 구동력과 낮은 전력소모가 요구되는 압전력 구동 방법이 유리한데, 압전력 구동 방법은 마이크로 스위치를 제작할 경우 벌크 압전재료를 사용하지 못하고 PZT소자를 박막형태로 구성하여 제작하였다.
도 1 내지 도 2는 PZT소자로 구성된 종래 수직구동형 박막압전 엑츄에이터(1)를 도시한 도면이다. 상기 도면에서와 같이 종래 수직구동형 박막압전 엑츄에이터(1)는 기판에 대해 수직으로 구동하는 외팔보 형태의 구동부재(2) 및 상기 구동부재(2)를 지지하는 지지대(3)로 구성된다.
상기 구동부재(2)는 PZT소자로 이루어진 박막압전부재(2a) 양측에 전극(2b)(2c)이 부착되고, 상기 지지대(3)상에 부착된 상태로 탑재된다.
이러한 외팔보 형태의 수직구동형 박막압전 엑츄에이터(1)는 나노급 정도의 초정밀분야에 사용되기 때문에 구동부재(2)의 박막압전부재(2a)의 두께가 대략 0.4㎛정도이고, 지지대(3)의 두께는 대략 1㎛이하이기 때문에 전체적인 두께가 아주 얇은 구조를 갖는다.
따라서, 양측 전극(2b)(2c)에 z축으로 전압을 인가시키게 되면 박막압전부재(2a)가 z축 방향으로 수축하고 전압을 제거하면 다시 원위치로 복원되는데, 전압이 인가되어 박막압전부재(2a)가 수축될 때 박막압전부재(2a)의 상부는 개방되어 있고 하부는 지지대(3)가 부착되어 있기 때문에 엑츄에이터(1)는 지지대(3)를 기준으로 굽힘 모멘트가 발생하여 도 3과 같이 끝단부가 상방향으로 휘어지는 현상이 발생하고, 상기 휘어지는 부분을 이용하여 그 상부의 기판에 위치한 목적물을 구동시키게 된다.
이와 같이 엑츄에이터(1)가 휘어지는 현상은 도 4의 시뮬레이션 결과의 화면을 통해 쉽게 확인할 수 있다.
그러나, 이러한 종래 수직구동형 박막압전 엑츄에이터(1)는 끝단부가 휘어지 는 현상으로 기판에 대해 수직방향으로만 구동하기 때문에 수평방향으로 구동이 요구되는 장치에는 사용이 불가능할 뿐만 아니라 전체적인 두께가 너무 얇아 수직방향, 즉 z방향으로 구동하는 힘이 약하여 압전 엑츄에이터의 특징인 큰 구동력을 발생시키지 못하는 단점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 수직구동형 박막압전 엑츄에이터의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 전원공급 유무에 따라 수축 및 복원되는 구동부재상에 지그재그식으로 구성된 탄성부재를 탑재부착하여 전원 공급에 의해 구동부재가 수축될 때 탄성부재의 자유단이 기판에 대해 수평상태로 펼쳐져 증폭되고, 전원 차단으로 구동부재가 복원될 때 탄성부재가 원위치로 복귀되게 구동하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 탄성부재가 강한 구동력으로 증폭되게 하여 강한 구동력을 갖도록 하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터를 제공함에 있다.
이러한 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터는, 박막 압전소자 양측면에 전극이 부착되고, 상기 양측면 전극을 통해 공급되는 전원 유무에 따라 수축과 복원하는 구동부재;
복수 개의 몸체가 병렬로 배열되고, 상기 몸체들의 양단부가 단계적으로 서로 엇갈리게 연결되어 전체적인 형상이 지그재그식으로 구성되고, 양단부 연결부 중 어느 일측 연결부가 상기 구동부재(11)의 일측면에 탑재된 상태로 고정되며 몸체의 최외측 일단부가 설치장소에 고정되는 탄성부재;를 포함하며,
여기서, 상기 구동부재의 전극에 전원이 공급되어 구동부재가 수축할 때 탄성부재의 타측 자유단부는 펼쳐져 증폭되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 구성을 상세히 설명한다.
도 5는 내지 도 6은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 각각의 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터의 다른 실시예를 보인 사시도이며, 도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 수평구동형 박막압전 엑츄에이터에 앵커가 고정되어 일체로 형성된 것을 보인 각각의 사시도이다.
본 발명의 수평구동형 박막압전 엑츄에이터(10)는 기판에 대해 수평방향으로 구동토록 하여 종래 수직구동형 박막압전 엑츄에이터(1)가 수행할 수 없는 기능을 갖도록 한 것이다.
이러한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터(10)는 상기 도면에서와 같이 크게 구동부재(11)와 상기 구동부재(11)상에 부착되어 구동부재(11)가 수축될 때 자유단 부가 증폭되는 탄성부재(12)로 구성된다.
상기 구동부재(11)는 공지의 구동부재(11)와 같다. 즉, 상기 구동부재(11)는 박막형태로 구성되는데, 내부에 PZT 박막 압전소자(11a)가 구비되고, 상기 박막 압전소자(11a)의 양측면에는 PZT 박막 압전소자(11a)에 전원을 공급하기 위한 전극(11b)(11c)이 부착된다.
다만, 상기 구동부재(11)의 길이방향 폭은 그 일측면에 탑재되는 탄성부재(12)를 견고하게 부착할 수 있도록 충분한 넓이를 갖는다.
이와 같이 구성된 구동부재(11)는 상기 전극(11b)(11c)을 통해 전원이 공급되면 전체 길이가 축소되고 전원이 차단되면 다시 원위치로 복귀된 형태로 반복 구동하면서 그 일측면에 탑재되는 탄성부재(12)를 증폭 및 복원시키게 된다.
상기 탄성부재(12)는 복수 개의 몸체(12a)가 병렬로 배열되고, 상기 몸체(12a)들의 양단부가 단계적으로 서로 엇갈리게 연결되어 전체적인 형상이 지그재그식으로 구성되고, 양단부 연결부 중 어느 일측 연결부가 상기 구동부재(11)의 일측면에 탑재된 상태로 고정되며 몸체(12a)의 최외측 일단부(12a-1)는 설치장소에 고정된다.
상기 탄성부재(12)를 더 자세하게 설명하면, 어느 일측 몸체(12a)의 일단부는 그와 인접한 다른 몸체(12a)의 단부와 연결부재(12b)로 연결되고, 상기 연결된 몸체(12a)는 자유단부가 또 다른 몸체(12a)의 일단부와 연결부재(12b)로 연결된 형태로 복수 개의 몸체(12a)가 이격되면서 서로 엇갈리게(교호되게) 연결되어 전체적 으로 지그재그식으로 구성된다.
상기 탄성부재(12)는 도 5 내지 도 6과 같이 몸체(12a)를 연결하는 연결부재(12b)를 몸체(12a)와 별도로 구성하여, 몸체(12a)를 연결할 때 접착제로 부착하거나 또는 체결방식으로 고정시킬 수 있을 것이다.
이러한 접착제 부착방식 및 체결방식은 통상적인 이음 방법이므로 더 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 탄성부재(12)는 도 7, 도 9와 같이 몸체(12a)와 일체로 형성할 수 있다. 이와 같이 일체형 탄성부재(12)는 압출방식으로 간편하게 제조할 수 있기 때문에 제조의 편리성이 있다.
한편, 상기 탄성부재(12)는 구동부재(11)와 근접된 몸체(12a) 최외측 일단부(12a-1)에는 설치장소에 고정될 수 있도록 도 6과 같이 고정편(12c)이 더 돌출된다.
상기 고정편(12c)은 몸체(12a)의 일단부 임의의 위치에 돌출될 수 있으며, 바람직하게는 몸체(12a)의 자유단부가 증폭됨을 감안하면 구동부재(11)와 근접된 위치에 돌출되는 것이 좋다.
그리고, 상기 탄성부재(12)는 설치장소에 견고하게 고정될 수 있도록 도 8 내지 도 9와 같이 몸체(12a)의 최외측 일단부(12a-1)에 앵커(12d)가 더 고정된다.
상기 앵커(12d)는 고정편(12c)을 더 보강하기 위한 것으로, 몸체(12a)와 같은 길이로 연장되고 설치장소의 벽체에 삽입되어 몸체(12a)를 견고하게 고정하게 된다.
이와 같이 구성된 탄성부재(12)는 구동부재(11)가 수축할 때 자유단부가 벌 어져 증폭될 수 있도록 탄성체로 구성되는데, 바람직한 일 실시예로는 실리콘재가 좋다.
상기 탄성부재(12)는 구동부재(11)가 수축할 때 자유단부가 벌어져 증폭되는데, 이는 몸체(12a)의 수량이 증가할수록 선형적으로 수평변위가 증가되는데, 도 10은 몸체(12a)의 수량이 7, 9, 12, 15, 20으로 증가함에 따라 수평변위가 점차 증가됨을 도시하고 있다.
한편, 상기 탄성부재(12)는 몸체(12a)의 두께를 20㎛ 이상으로 제작하고 길이를 선택적으로 조절하게 되면 나노급 정밀도를 요구하는 목적물을 큰 힘으로 구동할 수 있다.
다시 말해, 탄성부재(12)는 몸체(12a) 길이를 길게 할수록 큰 구동력을 갖게 되므로, 구동하려는 목적물의 위치에 따라 몸체(12a)의 길이를 선택적으로 결정하고 두께를 20㎛ 이상으로 하게 되면 적어도 본 발명의 취지에 적합한 엑츄에이터가 된다.
도 11은 본 발명의 탄성부재(12)를 시뮬레이션을 통해 시험한 도면이다.
두께가 5㎛인 몸체(12a) 13개를 지그재그식으로 구성하여 탄성부재(12)를 구성하고, 상기 탄성부재(12)의 길이를 300㎛, 높이를 50㎛으로 하여 수평(y-axis)방향, 수직(z-axis)방향, 회전(θz)방향(전방에서 후방으로)으로 동일한 힘(50μN)에 대한 변위를 시뮬레이션을 통해서 분석함으로써 각각의 방향에 대한 강성을 조사하 였다.
대략적으로 변위비(dz:dy:dθ=1/kz:1/ky:1/k θ) dz:dy:dθ는 8:16:63으로 나타났다. 이는 강성비로 계산하면 대략 1:2:8로 나타낼 수 있을 것이다. 이러한 시험결과의 수치는 구동부재(11)가 z방향으로 1㎛ 수축되면, 탄성부재(12)의 몸체(12a)는 y방향으로 2㎛로 변위되고 수평방향, 즉 x방향으로 8㎛정도 동시에 변위됨을 나타낸 것이다.
다음은 이상과 같이 구성된 본 발명의 수평구동형 박막압전 엑츄에이터(10)의 구동상태를 도면을 참조하여 설명하겠다.
도 12와 같이 앵커(12d)를 설치장소의 벽체에 삽입고정한 상태에서, 구동부재(11)의 양측 전극(11b)(11c)에 전원을 인가시키게 되면, 구동부재(11)는 그 특성상 수축되므로 길이도 화살표 방향으로 줄어들게 된다.
이에 따라, 상기 탄성부재(12)의 일단부는 도 13과 같이 구동부재(11)와 함께 화살표방향으로 수축되고, 이와 반대로 구동부재(11)의 자유단부는 펼쳐져 벌어지게 된다.
상기와 같은 본 발명의 엑츄에이터(10) 구동상태를 시뮬레이션 결과를 통해서도 쉽게 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑츄에이터(10)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 사진이다.
도 14와 같은 크기를 갖는 엑츄에이터(10)의 전극(11b)(11c)에 전원을 공급 하여 시뮬레이션한 결과 수평방향변위 및 수직방향변위가 30.2:1로 나타났다.
결국, 상기 시험결과는 구동부재(11)가 수직방향으로 1만큼 변위를 발생할 때 탄성부재(12)의 자유단부는 수평방향으로 30.2만큼 변위된 것으로 나타내고 있다. 이러한 시뮬레이션 결과는 본 발명의 박막 압전 엑츄에이터(10)를 이용하여 수평방향 엑츄에이터를 구성할 수 있음을 입증한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 수평구동형 박막압전 엑츄에이터는, 종래의 박막압전 엑츄에이터가 수직방향으로 구동만 가능한데 반하여 탄성부재를 이용하여 수평방향 구동이 가능하다.
따라서, 탄성부재의 몸체의 수량 및 길이를 조절하여 수평 방향 변위 증폭 정도를 선택적으로 제어할 수 있고, 탄성부재의 탄성력에 의한 구동력으로 원하는 목적물을 강하게 구동할 수 있는 장점을 가진다.

Claims (3)

  1. 박막 압전소자(11a) 양측면에 전극(11b)(11c)이 부착되고, 상기 양측면 전극(11b)(11c)을 통해 공급되는 전원 유무에 따라 수축과 복원하는 구동부재(11);
    복수 개의 몸체(12a)가 병렬로 배열되고, 상기 몸체(12a)들의 양단부가 단계적으로 서로 엇갈리게 연결되어 전체적인 형상이 지그재그식으로 구성되고, 양단부 연결부 중 어느 일측 연결부가 상기 구동부재(11)의 일측면에 탑재된 상태로 고정되며 몸체(12a)의 최외측 일단부(12a-1)가 설치장소에 고정되는 탄성부재(12);를 포함하며,
    여기서, 상기 구동부재(11)의 전극(11b)(11c)에 전원이 공급되어 구동부재(11)가 수축할 때 탄성부재(12)의 타측 자유단부는 펼쳐져 증폭되는 것을 특징으로 하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탄성부재(12)는 구동부재(11)와 근접된 몸체(12a) 최외측 일단부(12a-1)에는 설치장소에 고정될 수 있도록 고정편(12c)이 돌출되는 것을 특징으로 하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탄성부재(12)는 구동부재(11)와 근접된 몸체(12a) 최외측 일단부(12a-1)에는 설치장소에 고정될 수 있도록 앵커(12d)가 더 고정되어 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 강성제어를 통한 수평구동형 박막압전 엑츄에이터.
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