KR100679914B1 - 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치에 관한 것으로, 이 정밀 회전구동장치는 장치의 베이스 상부에 축을 매개로 결합되어 회전가능하도록 설치된 회전판과, 이 회전판의 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 회전판의 축과 직각된 방향으로 좌우 작동함으로써 회전판을 회전시키는 구동 압전 변환기 및, 이 구동 압전 변환기와 일정거리를 두고 설치되면서 상기 회전판의 또다른 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 전후진 작동함으로써 회전되는 회전판을 고정할 수 있도록 된 제동 압전 변환기로 이루어진 구조이다.

따라서, 상기 정밀 회전구동장치가 2개의 압전 변환기인 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기로 구성됨으로써 기존의 인치웜 방식의 구동장치 보다 1개의 압전 변환기를 절감할 수 있다.

그러므로, 상기 정밀 회전구동장치의 구동 회로와 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있고, 상기 압전 변환기의 사용 갯수가 줄어 가격면에서 우수할 뿐만아니라 장치의 소형화 설계에 보다 유리한 것이다.

압전 변환기, 회전구동

Description

압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치{rotary actuating device using PZT}

도 1은 종래의 기술에 따른 회전구동장치가 인치웜방식으로 구동되는 상태를 나타낸 설명도,

도 2는 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치를 나타낸 상태도,

도 3은 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치의 작동상태를 나타낸 상태도,

도 4는 본 발명에 따른 정밀 회전구동장치의 동작상태를 순서대로 나타낸 설명도,

도 5는 본 발명에 따른 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기의 변화되는 상태를 나타낸 상태도,

도 6은 본 발명에 따른 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기의 입력신호를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 정밀 회전구동장치 2 : 회전판

3 : 구동 압전 변환기 4 : 제동 압전 변환기

5 : 스프링 6 : 마찰소재

본 발명은 초정밀 조작장치에 관한 것으로, 특히 장치의 정밀한 구동을 위해 2개의 압전 변환기를 사용하여 동작하게 함으로써 구동회로와 장치의 구조를 단순화시킨 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치에 관한 것이다.

최근 정보기술(IT)이나 생명공학기술(BT) 또는 나노기술(NT) 등의 신산업은 미세화, 초정밀화하는 경향으로 흘러가고 있으며, 신산업 시장이 형성됨에 따라 이들 제품을 생산, 가공할 수 있는 초정밀 생산 시스템의 사용 여부가 경쟁력 확보의 핵심 요소가 되어 가고 있으며, 특히 게놈 프로젝트와 더불어 관심을 모으고 있는 BT 분야에서도 DNA의 크기가 3nm-4nm, 리보솜 100nm 이하, 가장 큰 일반세포도 10㎛ 정도로 미세하여 이들을 다루고 조작하려면 초정밀 기기가 필요하며, NT산업에서도 나노 크기의 구조물을 다루고 측정하기 위한 초정밀 기구의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.

따라서, NT, BT, IT 등과 관련된 초정밀 기기에 필요한 마이크로 부품의 조립을 위해서는 초소형 로봇이 필요하며, 상기 초소형 로봇의 핵심 부품으로 매니퓰레이터(manipulator)와 같은 미소변위 구동장치가 있다.

상기 매니퓰레이터와 같은 미소변위 구동장치는 마이크로미터 단위 크기로 아주 미세한 물체를 집는 초소형 그리퍼 등의 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 장치로서, 마이크로 부품을 다루기 위한 핵심부품으로 사용된다.

특히, 나노 스케일 정도로 미세하게 제어가 요구되는 미소변위 구동장치는 광 스위치(Optical switch), 평판소자(planar device) 뿐만 아니라, 최근에 관심이 고조되어 가고 있는 바이오 물질 및 나노 스케일의 물질을 다루기 위해서 필수적인 장치로 부각되고 있는 것이다.

한편, 상기와 같이 초정밀의 회전운동을 구현하기 위해서 압전 변환기(PZT ; piezoelectric transducer)를 이용하고 있는 바, 상기 압전 변환기를 이용한 미소변위 구동장치 중 종래의 기술에 따른 회전구동장치는 그 회전운동 범위가 좁다는 단점이 있었다.

상기의 단점을 개선하기 위하여 3개의 압전 변환기를 이용한 넓은 운동영역을 가진 구동장치가 개발되어 있으나 이 경우 회로가 복잡해지는 것이다.

즉, 도 1은 종래의 기술에 따른 회전구동장치가 인치웜(inchworm)방식으로 구동되는 상태를 도시한 설명도로서, 상기 압전 변환기가 3개가 구비되어 6단계의 과정을 반복하면서 구동력을 발생시키는 바, 우선 장치 내부에서 제1 압전 변환기(101)와 제2 압전 변환기(102) 및 제3 압전 변환기(103)가 'H'자형을 이루면서 배치된다.

1단계로 장치의 내부 전방쪽에 배치된 상기 제1 압전 변환기(101)가 수축된다.

2단계로 상기 제1 압전 변환기(101)와 제2 압전 변환기(102)를 연결하는 제3 압전 변환기(103)가 팽창된다.

3단계로 상기 제3 압전 변환기(103)가 팽창된 상태에서 상기 제1 압전 변환기(101)가 신장됨으로써 클램핑(clamping) 작동을 수행한다.

4단계로 장치의 내부 후방쪽에 배치된 상기 제2 압전 변환기(102)가 수축된다.

5단계로 상기 제2 압전 변환기(102)와 연결된 상기 제3 압전 변환기(103)가 수축된다.

6단계로 상기 제2 압전 변환기(102)가 일정 거리 만큼 전방향으로 이동된 상태에서 다시 신장됨으로써 클램핑 작동을 수행한다.

따라서, 상기와 같은 1-6단계까지의 과정을 통해 상기 압전 변환기로 이루어진 구동장치가 일정 거리(t) 만큼 이동되는 것이다. 마치 벌레가 기어가듯이 조금씩 그 위치가 변하게 되는 것이다.

그러므로, 상기의 동작을 반복 수행함으로써 구동장치의 구동력을 발생시키게 되는 것이다.

그런데, 상기의 동작으로 구동력을 발생시키는 종래의 회전구동장치는 3개의 압전 변환기를 사용함으로써 그 구조가 복잡할 뿐만아니라 회로도 복잡하고, 이에 따라 장치의 가격이 상대적으로 높다는 단점이 있으며, 또한 3개의 압전 변환기를 제어하기 위한 제어기가 복잡하게 구성되는 등의 문제가 있었다.

이에 본 발명은 종래의 압전 변환기를 이용한 회전구동장치가 갖는 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 장치의 정밀한 구동을 위해 2개의 압전 변환기를 사용하여 동작하게 함으로써 구동회로와 장치의 구조를 단순화시킴과 아울러 장치의 소형화를 도모할 수 있도록 한 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 장치의 베이스 상부에 축을 매개로 결합되어 회전가능하도록 설치된 회전판과, 이 회전판의 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 회전판의 축과 직각된 방향으로 좌우 작동함으로써 회전판을 회전시키는 구동 압전 변환기(Drive PZT) 및, 이 구동 압전 변환기와 일정거리를 두고 설치되면서 상기 회전판의 또다른 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 전후진 작동함으로써 회전되는 회전판을 고정할 수 있도록 된 제동 압전 변환기(Brake PZT)로 이루어진 구조이다.

그리고, 상기 회전판이 베어링을 매개로 연결되어 회전되고, 상기 구동 압전 변환기가 후방에 연결된 스프링을 통해 예압된(pre-loaded) 상태로 상기 회전판에 접촉설치되며, 상기 제동 압전 변환기가 후방에 연결된 스프링을 통해 예압된 상태로 상기 회전판에 접촉설치된다.

또한, 상기 제동 압전 변환기의 선단부에 마찰소재(Friction material)가 설치되어 상기 회전판의 접촉면에 마찰력을 부여할 수 있고, 상기 구동 압전 변환기가 육면체로 이루어져 전압의 인가시 사각형 단면에서 마름모꼴 단면으로 변형되며, 상기 제동 압전 변환기에 전압이 인가되어 그 선단부가 전방향으로 신장되는 것이다.

즉, 상기의 구조로 이루어진 정밀 회전구동장치는 베이스 상부에 설치되어 회전되는 회전판과, 이 회전판을 회전시키도록 회전판에 접촉된 상태로 좌우 직진운동하는 구동 압전 변환기 및, 회전되는 상기 회전판에 밀착되어 회전판을 고정시킬 수 있도록 전후진 작동하는 제동 압전 변환기로 구성된 것에 특징이 있다.

상기 구동 압전 변환기 및 제동 압전 변환기가 후방에 연결된 스프링을 통해 예압된 상태로 상기 회전판에 접촉설치된 것과, 상기 제동 압전 변환기의 선단부에 마찰소재가 설치된 것에 또다른 특징이 있다.

따라서, 상기 정밀 회전구동장치가 2개의 압전 변환기인 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기로 구성됨으로써 기존의 인치웜 방식의 구동장치 보다 1개의 압전 변환기를 절감할 수 있다.

그러므로, 상기 정밀 회전구동장치의 구동 회로와 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있고, 상기 압전 변환기의 사용 갯수가 줄어 가격면에서 우수할 뿐만아니라 장치의 소형화 설계에 보다 유리한 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치를 도시한 상태도로서, 다수의 압전 변환기를 이용하여 구성되는 정밀 회전구동장치(1)는 장치의 베이스 상부에 축회전하도록 회전판(2)이 설치되고, 상기 회전판(2)의 일측에 구동 압전 변환기(3)가 접촉설치되어 외부 전압에 따라 회전판(2)의 축과 직각된 방향으로 좌우 작동함으로써 회전판(2)을 회전시키는 것이다.

또한, 상기 구동 압전 변환기(3)를 기준으로 일정간격을 두고 직각된 방향에 제동 압전 변환기(4)가 설치되는 바, 상기 제동 압전 변환기(4)는 외부 전압에 따라 전후진 작동함으로써 회전되는 상기 회전판(2)을 고정할 수 있는 것이다.

그러므로, 상기의 구조로 이루어진 정밀 회전구동장치(1)는 상기 구동 압전 변환기(3)를 통해 회전되고, 상기 제동 압전 변환기(4)를 통해 고정되는 것이다.

그리고, 상기 회전판(2)의 회전작동을 보다 원활하게 하기 위하여 회전판(2)이 베어링을 통해 회전할 수 있도록 설치되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치의 작동상태를 도시한 상태도로서, 상기 회전판(2)에 접촉설치되는 상기 구동 압전 변환기(3)와 제동 압전 변환기(4)는 예압된 상태로 설치되는 바, 상기 구동 압전 변환기(3)와 제동 압전 변환기(4)의 후방에 각각 스프링(5)이 설치되고, 상기 스프링(5)이 구동 압전 변환기(3)와 제동 압전 변환기(4)를 전방향으로 밀어주게 되며, 이를 통해 상기 구동 압전 변환기(3)와 제동 압전 변환기(4)가 각각 상기 회전판(2)의 일측에 접촉고정된 상태를 유지하는 것이다.

그리고, 상기 구동 압전 변환기(3)는 외부 전압에 따라 상기 회전판(2)과 접촉된 상태에서 좌우로 움직이게 되고, 이에 따라 상기 구동 압전 변환기(3)의 좌우 직진운동으로 상기 회전판(2)이 정역회전되는 것이다.

또한, 상기 제동 압전 변환기(4)는 외부 전압에 따라 상기 회전판(2)과 접촉된 상태로 전후진하게 되고, 상기 제동 압전 변환기(4)의 선단부가 전진하면서 상기 회전판(2)의 외측을 압박함으로써 회전된 회전판(2)을 고정할 수 있는 것이다.

상기 제동 압전 변환기(4)의 선단부에 마찰소재(6)가 설치되어 상기 회전판(2)의 접촉면에 마찰력을 부여함으로써 보다 정확한 제동력을 발생시킬 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 정밀 회전구동장치의 동작상태를 순서대로 도시한 설명도로서, 상기 정밀 회전구동장치(1)의 구동 압전 변환기(3)에 접압이 가해지면 구동 압전 변환기(3)가 직진운동을 하게 되고, 이에 따라 상기 구동 압전 변환기(3)에 접촉된 상기 회전판(2)이 회전운동을 하게 되며, 상기 제동 압전 변환기(4)에 전압이 가해지면 제동 압전 변환기(4)가 수축되면서 상기 회전판(2)을 고정하게 되는 것이다.

그리고, 상기 구동 압전 변환기(3)에 가해진 전압이 감소하면 구동 압전 변환기(3)가 본래의 위치로 돌아오고, 이 때 상기 회전판(2)은 제동 압전 변환기(4)에 의해 고정되어 있기 때문에 회전되지 않는 상태를 유지하며, 상기 제동 압전 변환기(4)에 가해진 전압이 감소하면 제동 압전 변환기(4)가 신장되면서 본래의 위치로 복귀하는 것이다.

그러므로, 상기의 과정을 반복함에 따라 상기 회전판(2)이 회전운동을 하게 되는 것이다.

또한, 상기 회전판(2)의 회전 방향은 상기 제동 압전 변환기(4)의 활성화 시기를 조정함으로써 제어가 가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기의 변화되는 상태를 도시한 상태도로서, 상술한 바와 같이 전압이 상기 구동 압전 변환기(3)에 가해지면 측면에서 볼 때 사각형으로 이루어진 구동 압전 변환기(3)가 마름모 형태로 변형되고, 이러한 변화를 통해 상기 구동 압전 변환기(3)의 좌우측쪽 일부가 신장되면서 직진운동(Shear motion)을 하게 되는 것이다.

그리고, 전압이 상기 제동 압전 변환기(4)에 가해지면 평면상에서 볼 때 사각형으로 이루어진 제동 압전 변환기(4)의 선단부가 신장되고, 이러한 변화를 통해 상기 제동 압전 변환기(4)의 전방쪽 일부가 신장 혹은 수축되면서 전후진 운동(Translation motion)을 하게 되는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기의 입력신호를 도시한 그래프로서, 상기 구동 압전 변환기(3)의 경우 전압이 가해짐에 따라 서서히 구동 압전 변환기(3)가 작동하고, 전압이 감소되는 경우에도 상기 구동 압전 변환기(3)가 서서히 작동하여 본래의 위치로 되돌아 오는 것이다.

반면에, 상기 제동 압전 변환기(4)의 경우 전압의 가해짐에 따라 급격히 제동 압전 변환기(4)가 작동하여 브레이크 온 상태를 유지하고, 일정시간 동안 브레이크 온 상태를 유지한 후, 전압이 감소되면 상기 제동 압전 변환기(4)는 급격히 작동하여 제동 해제(brake off) 상태가 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 동작을 수행함으로써 상기 구동 압전 변환기(3)는 상기 회전판(2)을 회전시키고, 상기 제동 압전 변환기(4)는 상기 회전판(2)을 고정시키는 것이다.

그러므로, 상기와 같이 작동되는 정밀 회전구동장치(1)는 압전 변환기를 구동원으로 장치를 구성함으로써 바이오 물질 조작 및 광부품 제조 공정에서 필요성이 증대되고 있는 초정밀 조작장치에 압전 변환기를 이용한 회전구동장치를 사용할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치에 의하면, 정밀 회전구동장치가 2개의 압전 변환기인 구동 압전 변환기와 제동 압전 변환기로 구성됨으로써 기존의 인치웜 방식의 구동장치 보다 1개의 압전 변환기를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 정밀 회전구동장치의 구동 회로와 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있고, 상기 압전 변환기의 사용 갯수가 줄어 가격면에서 우수할 뿐만아니라 장치의 소형화 설계에 보다 유리한 것이다.

Claims (7)

1. 장치의 베이스 상부에 축을 매개로 결합되어 회전가능하도록 설치된 회전판과,

   상기 회전판의 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 회전판의 축과 직각된 방향으로 좌우 작동함으로써 회전판을 회전시키는 구동 압전 변환기 및,

   상기 구동 압전 변환기와 일정거리를 두고 설치되면서 상기 회전판의 또다른 일측에 접촉설치되어 외부 전압에 따라 전후진 작동함으로써 회전되는 회전판을 고정할 수 있도록 된 제동 압전 변환기를 포함하여 구성된 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전판이 베어링을 매개로 연결되어 회전되는 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전구동장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 압전 변환기가 후방에 연결된 스프링을 통해 예압된(pre-loaded) 상태로 상기 회전판에 접촉설치된 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전 구동장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제동 압전 변환기가 후방에 연결된 스프링을 통해 예압된 상태로 상기 회전판에 접촉설치된 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전 구동장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제동 압전 변환기의 선단부에 마찰소재가 설치되어 상기 회전판의 접촉면에 마찰력을 부여할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전 구동장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 압전 변환기가 육면체로 이루어져 전압의 인가시 사각형 단면에서 마름모꼴 단면으로 변형되는 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전 구동장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제동 압전 변환기에 전압이 인가되어 그 선단부가 전방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 압전 변환기를 이용한 정밀 회전 구동장치.

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