KR100691280B1

KR100691280B1 - 압전 진동자, 그 제조방법 및 압전 진동자를 구비하는 선형액추에이터

Info

Publication number: KR100691280B1
Application number: KR20050082203A
Authority: KR
Inventors: 콕 부르하네틴; 이동균; 강병우
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-12
Also published as: JP5014469B2; KR20070025729A; US20070052329A1; DE102006040751A1; US7915788B2; JP2010252626A; JP2007074896A

Abstract

제조가 용이하며 대량생산이 가능한 압전 진동자가 제공된다.

본 발명에 의한 압전 진동자는, 반복 적층되는 압전소자의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비하는 압전체; 상기 각각의 압전소자 사이의 압전소자 면에 형성되며, 상기 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 전극단자 및 상기 전극단자가 형성된 압전소자와 이웃하는 압전소자의 면에 형성된 복수개의 전극단자와 대응하도록 형성된 복수개의 점프단자를 구비하는 내부전극패턴; 상기 압전체의 측면에 형성되며, 상기 복수개의 진동부 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결하는 복수개의 측면전극을 구비하는 외부전극패턴; 및 상기 압전체의 일측에 형성되어 상기 진동부에서 발생한 진동을 외부로 전달하는 동력전달부재; 를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 크기가 작고 제조가 쉬우며 대량생산이 용이할 뿐만 아니라 구조가 간단하다는 효과를 얻을 수 있다.

선형 액추에이터, 압전 진동자, 적층, 내부전극, 외부전극, 압전소자

Description

압전 진동자, 그 제조방법 및 압전 진동자를 구비하는 선형 액추에이터{Piezoelectric Vibrator, Manufacturing Method Thereof And Linear Actuator Having The Same}

도 1은 종래 기술에 의한 압전 진동자의 구조를 나타내는 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 압전 진동자의 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 압전 진동자의 주요 부분의 분해 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 압전 진동자의 주파수에 대한 어드미턴스(admittance)를 도시하는 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 압전 진동자의 진동방향으로 도시한 것으로서,

(a)는 합성 진동방향, (b)는 길이방향 진동, (c)는 굴곡방향 진동.

도 6은 본 발명에 의한 압전 진동자의 다른 진동방향으로 도시한 것으로서,

도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 의한 압전 진동자의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도.

도 8은 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 분해 사시도.

도 9는 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 사시도.

도 10은 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 작용을 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100... 압전 진동자 101,103... 제1 압전소자

102,104... 제2 압전소자 105,107... 절연층

106... 중간층 110,120,130,140... 진동부

150... 제1 적층부 160... 제2 적층부

170... 압전체 200... 내부전극패턴

210,230... 제1 패턴 220,240... 제2 패턴

300... 외부전극패턴 310,320,330,340... 측면전극

400... 압전 시트 어셈블리 401... 내부전극패턴

410... 압전 시트 420... 압전체

본 발명은 압전 진동자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 길이방향과 굴곡방향의 진동의 합성에 의하여 타원운동을 발생하는 압전 진동자에 관한 것이다.

최근, 전자기 모터를 대신하는 새로운 모터로서 압전 진동자를 이용하는 초 음파 모터가 주목받고 있다. 이러한 압전 진동자를 이용하는 초음파 모터는 종래의 전자기 모터에 비하여 분해능이 높고 소음이 적으며 노이즈 발생이 적다는 등 여러가지 이점을 가지고 있다.

도 1은 종래기술에 의한 압전 진동자(10)의 구조를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 압전 진동자(10)는 네 개의 진동부(11,12,13,14)로 분할되며, 대각선 방향에 위치한 두 개의 진동부(11,14와 12,13)에 동일한 위상의 교번전압을 인가하기 위하여 와이어로 이루어지는 외부전극(21,22)을 구비하고 있다.

또한, 압전 진동자(10)의 측면에는 구동력을 외부로 전달하기 위한 돌기(30)가 마련되어 있다.

이러한 종래기술에 의한 압전 진동자(10)의 외부전극(21,22)은 와이어를 장착하기 위한 공간이 필요하게 되어 소형화가 어려우며 제조가 어려울 뿐만 아니라 대량생산이 곤란하다는 문제점이 있다.

따라서, 구조가 간단하면서도 소형화가 가능하고 제조가 용이한 압전 진동자가 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 크기가 작고 제조가 용이하며 대량생산이 가능한 압전 진동자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대각선 방향에 위치한 진동부를 간단하고 용이하게 연결가능한 구조를 갖는 압전 진동자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 이러한 압전 진동자를 이용하여 선형 운동이 가능한 선형 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 다수의 압전소자가 교대로 반복 적층되어 형성되며, 상기 압전소자의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비하는 압전체; 상기 각각의 압전소자 사이의 압전소자 면에 형성되며, 상기 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 전극단자 및 상기 전극단자가 형성된 압전소자와 이웃하는 압전소자의 면에 형성된 복수개의 전극단자와 대응하도록 형성된 복수개의 점프단자를 구비하는 내부전극패턴; 상기 압전체의 측면에 형성되며, 상기 복수개의 진동부 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결하는 복수개의 측면전극을 구비하는 외부전극패턴; 및 상기 압전체의 일측에 형성되어 상기 진동부에서 발생한 진동을 외부로 전달하는 동력전달부재; 를 포함하는 압전 진동자를 제공한다.

바람직하게는, 상기 압전체는 제1 압전소자와 제2 압전소자가 교대로 반복 적층되어 형성되며, 상기 내부전극패턴은 상기 제1 압전소자 면에 형성된 제1 패턴 과, 상기 제1 패턴이 형성된 제1 압전소자와 이웃하는 제2 압전소자의 면에 형성된 제2 패턴으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 제1 패턴은 상기 제1 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 제1 전극단자와, 상기 제1 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제1 점프단자를 포함하여 이루어지며, 상기 제2 패턴은 상기 제2 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 점프단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측까지 연장되는 제2 전극단자 및 상기 제1 전극단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제2 점프단자를 포함하여 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 압전체의 각각의 진동부는 동일한 매수의 압전소자가 적층되어 형성될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 압전체는 상하 방향의 진동부를 분리하는 중간층을 구비할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 압전체는 상기 내부전극패턴을 외부로부터 보호하는 절연층을 추가로 구비할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 절연층에는 상기 외부전극패턴과 연결되어 교번전압을 인가하도록 외부전원과 연결되는 전원인가부가 형성될 수 있다.

한편, 상기 압전체의 상부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴과 하부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴은 압전소자가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 적층부는 네 개의 진동부를 구비하며, 상기 네 개의 진동부 중에서 대각선 방향에 위치하는 두 개의 진동부에 동일한 위상의 교번 전압을 인가하여 길이방향 및 굴곡방향의 진동을 동시에 발생시킨다.

다른 측면으로서 본 발명은, a) 복수개의 압전소자가 형성될 압전 시트의 면에 전극단자와 점프단자로 이루어지는 내부전극패턴을 복수개 형성하는 단계; b) 상기 내부전극패턴이 형성된 압전시트를 적층하여, 상기 압전시트의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비하는 복수개의 압전체를 동시에 형성하는 단계; c) 상기 압전시트를 절단하여 복수개의 압전체를 각각 분리하는 단계; d) 상기 압전체의 측면에 복수개의 측면전극을 형성하는 단계; 및 e) 상기 압전체의 일측에 동력전달부재를 장착하는 단계; 를 포함하는 압전 진동자의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 a) 내부전극패턴을 형성하는 단계는, a1) 제1 압전시트 면에 형성될 각각의 제1 압전소자에 대하여 상기 제1 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 제1 전극단자와, 상기 제1 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제1 점프단자를 포함하여 이루어지는 제1 패턴을 제1 압전시트 면에 형성하는 단계와, a2) 제2 압전시트 면에 형성될 각각의 제2 압전소자에 대하여 상기 제2 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 점프단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측까지 연장되는 제2 전극단자 및 상기 제1 전극단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제2 점프단자를 포함하여 이루어지는 제 2 패턴을 제2 압전시트 면에 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 b) 단계는 상기 제1 압전 시트와 제2 압전시트를 교대로 반복하여 적층함으로써 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 b) 단계는 동일한 매수의 압전 시트를 적층하여 각각의 진동부를 형성하도록 수행될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 b) 단계는 상하 방향의 진동부를 분리하도록 중간층에 해당하는 시트를 적층하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 b) 단계는 상기 내부전극패턴을 외부로부터 보호하도록 절연층에 해당하는 시트를 추가로 적층하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 절연층에 해당하는 시트를 적층하는 단계 이후에 상기 절연층의 면에 상기 외부전극패턴과 연결되어 교번전압을 인가하도록 외부전원과 연결되는 전원인가부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 d) 단계는 상기 복수개의 진동부 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결한다.

바람직하게는, 상기 a) 단계는 상기 압전체의 상부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴과 하부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴이 압전소자가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖도록 내부전극패턴을 형성할 수 있다.

또 다른 측면으로서 본 발명은, 상기 압전 진동자; 및 상기 압전 진동자의 동력전달부재와 접촉하여 직선이송되는 직선이송부재; 를 포함하는 선형 액추에이 터(linear actuator)를 제공한다.

바람직하게는, 상기 선형 액추에이터는 상기 압전 진동자를 상기 직선이송부재 측으로 가압하는 예압부재; 를 추가로 포함할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 압전 진동자의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 압전 진동자의 주요 부분의 분해 사시도이며, 도 4는 본 발명에 의한 압전 진동자의 주파수에 대한 어드미턴스(admittance)를 도시하는 그래프이다.

또한, 도 5는 본 발명에 의한 압전 진동자의 진동방향으로 도시한 것으로서, (a)는 합성 진동방향, (b)는 길이방향 진동, (c)는 굴곡방향 진동을 나타내며, 도 6은 본 발명에 의한 압전 진동자의 다른 진동방향으로 도시한 것으로서, (a)는 합성 진동방향, (b)는 길이방향 진동, (c)는 굴곡방향 진동을 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 압전 진동자(100)는 복수개의 진동부(110,120,130,140)를 구비하는 압전체(170)와, 내부전극패턴(200)과, 외부전극패턴(300)과, 동력전달부재(190)를 포함하여 이루어진다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 압전체(170)는 다수의 압전소자(101,102)가 교대로 반복 적층되어 형성되는 제1 적층부(150)와 다수의 압전소자(103,104)가 교대로 반복 적층되어 형성되는 제2 적층부(160)를 구비한다.

상기 제1 적층부(150)는 상기 제2 적층부(160) 위에 위치하며 좌우로 분리된 두 개의 진동부(110,120)를 구비한다. 또한, 상기 제2 적층부(160)는 좌우로 분리된 두 개의 진동부(130,140)를 구비한다.

즉, 상기 압전체(170)는 압전소자의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비한다.

본 명세서에서는 상하 및 좌우로 두 개씩 분리되어 총 네 개의 진동부(110,120,130,140)를 갖는 압전체(170)에 대해 도시하고 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 좌우 방향으로 네 개, 상하 방향으로 두 개로 분리된 여덟 개의 진동부를 가질 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 적층부(150)는 제1 압전소자(101)와 제2 압전소자(102)가 교대로 반복 적층되어 형성되며, 제2 적층부(160)는 제1 압전소자(103)와 제2 압전소자(104)가 교대로 반복 적층되어 형성된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 내부전극패턴(200)은 적층된 각각의 압전소자(101,102,103,104) 사이의 압전 소자 면에 형성된다.

이때, 상기 내부전극패턴(200)은 제1 및 제2 적층부(150,160)의 제1 압전소자(101,103) 면에 형성된 제1 패턴(210,230)과, 상기 제1 패턴(210,230)이 형성된 제1 압전소자(101,103)와 이웃하는 제2 압전소자(102,104)의 면에 형성된 제2 패턴(220,240)으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 제1 패턴(210,230)과 제2 패턴(220,240)은 각각의 압전소자 (101,102,103,104) 면에 대하여, 두 개의 전극단자와 두 개의 점프단자를 구비한다.

예를 들어, 제1 적층부(150)의 제1 압전소자(101)의 상면에 형성되는 제1 패턴(210)은 좌우방향으로 두 개로 분할되며 그 일단이 제1 압전소자(101)의 외측까지 연장되는 두 개의 제1 전극단자(211,212)와, 제1 압전소자(101)와 이웃하는 제2 압전소자(102)의 면에 형성된 제2 전극단자(223,224)와 대응하도록 형성된 두 개의 제1 점프단자(213,214)를 구비한다.

또한, 제1 적층부(150)의 제2 압전소자(102)의 상면에 형성되는 제2 패턴(220)은 좌우방향으로 두 개로 분할되며 그 일단이 제2 압전소자(102)의 외측까지 연장되는 두 개의 제2 전극단자(223,224)와, 제2 압전소자(102)와 이웃하는 제1 압전소자(101)의 면에 형성된 제1 전극단자(211,212)와 대응하도록 형성된 두 개의 제2 점프단자(221,222)를 구비한다.

그리고, 제2 적층부(160)의 제1 압전소자(103)의 상면에 형성되는 제1 패턴(230)은 좌우방향으로 두 개로 분할되며 그 일단이 제1 압전소자(103)의 외측까지 연장되는 두 개의 제1 전극단자(231,232)와, 제1 압전소자(103)와 이웃하는 제2 압전소자(104)의 면에 형성된 제2 전극단자(243,244)와 대응하도록 형성된 두 개의 제1 점프단자(233,234)를 구비한다.

또한, 제2 적층부(160)의 제2 압전소자(104)의 상면에 형성되는 제2 패턴(240)은 좌우방향으로 두 개로 분할되며 그 일단이 제2 압전소자(104)의 외측까지 연장되는 두 개의 제2 전극단자(243,244)와, 제2 압전소자(104)와 이웃하는 제1 압 전소자(103)의 면에 형성된 제1 전극단자(231,232)와 대응하도록 형성된 두 개의 제2 점프단자(241,242)를 구비한다.

한편, 상기 압전체(170)의 상부에 형성된 제1 적층부(150)의 진동부(110,120)에 위치하는 제1 및 제2 패턴(210,220)과 하부에 형성된 제2 적층부(160)의 진동부(130,140)에 위치하는 제1 및 제2 패턴(230,240)은 압전소자(101,102,103,104)가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖도록 할 수 있다.

즉, 제2 적층부(160)의 제1 압전소자(103)의 상면에 형성되는 제1 패턴(230)은 제1 적층부(150)의 제1 압전소자(101)의 상면에 형성되는 제1 패턴(210)과 적층면(xy 평면)에 대하여 대칭인 형상이며, 제2 적층부(160)의 제2 압전소자(104)의 상면에 형성되는 제2 패턴(240)은 제1 적층부(150)의 제2 압전소자(102)의 상면에 형성되는 제2 패턴(220)과 적층면(xy 평면)에 대하여 대칭인 형상이다.

또한, 제1 적층부(150)의 제2 압전소자(102)의 상면에 형성되는 제2 패턴(220)은 제1 적층부(150)의 제1 압전소자(101)의 상면에 형성되는 제1 패턴(210)을 z축을 기준으로 180도 회전한 형상이며, 제2 적층부(160)의 제2 압전소자(104)의 상면에 형성되는 제2 패턴(240)은 제2 적층부(160)의 제1 압전소자(103)의 상면에 형성되는 제1 패턴(230)을 z축을 기준으로 180도 회전한 형상이다. 따라서, 이러한 압전소자(101,102,103,104)를 회전시켜 적절히 배치함으로써 압전소자(101, 102, 103, 104)에 미리 형성되는 패턴 형태의 개수를 줄일 수 있다는 이점이 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부전극패턴(300)은 압전체(170)의 측면에 도금 등을 통하여 형성된다.

상기 외부전극패턴(300)은 상기 네 개의 진동부(110,120,130,140) 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부(110와 140, 120와 130)에 동시에 교번 전압을 인가하도록 각각의 진동부(110,120,130,140) 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부(140,130,120,110)에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결하는 네 개의 측면전극(310,320,330,340)을 구비한다.

예를 들어, 제1 측면전극(310)은 제1 적층부(150)의 진동부(110)에 위치하는 제1 전극단자(211)와 제2 점프단자(221)를 교대로 연결하며, 제2 적층부(160)의 제1 전극단자(231)를 통하여 대각선에 방향에 위치한 진동부(140)에 동시에 교번 전압을 인가하게 된다. 또한, 제1 측면전극(310)은 제2 적층부(160)의 제1 전극단자(231)와 제2 점프단자(241)를 교대로 연결한다.

또한, 제2 측면전극(320)은 제1 적층부(150)의 진동부(110)에 위치하는 제2 전극단자(224)와 제1 점프단자(214)를 교대로 연결하며, 제2 적층부(160)의 제1 점프단자(234)를 통하여 대각선에 방향에 위치한 진동부(140)에 동시에 교번 전압을 인가하게 된다. 또한, 제2 측면전극(320)은 제2 적층부(160)의 제2 전극단자(244)와 제1 점프단자(234)를 교대로 연결한다.

그리고, 제3 측면전극(330)은 제1 적층부(150)의 진동부(120)에 위치하는 제1 전극단자(212)와 제2 점프단자(222)를 교대로 연결하며, 제2 적층부(160)의 제1 전극단자(232)를 통하여 대각선에 방향에 위치한 진동부(130)에 동시에 교번 전압 을 인가하게 된다. 또한, 제3 측면전극(330)은 제2 적층부(160)의 제1 전극단자(233)와 제2 점프단자(243)를 교대로 연결한다.

또한, 제4 측면전극(340)은 제1 적층부(150)의 진동부(120)에 위치하는 제2 전극단자(223)와 제1 점프단자(213)를 교대로 연결하며, 제2 적층부(160)의 제1 점프단자(233)를 통하여 대각선에 방향에 위치한 진동부(130)에 동시에 교번 전압을 인가하게 된다. 또한, 제2 측면전극(320)은 제2 적층부(160)의 제2 전극단자(243)와 제1 점프단자(233)를 교대로 연결한다.

즉, 상기 제1 측면전극(310)과 제2 측면전극(320) 중 일 측에 교번 전원을 인가하고, 타측을 접지시킴으로써 대각선 방향에 위치하는 두 개의 진동부(110,140)를 동시에 구동할 수 있게 된다.

또한, 상기 제3 측면전극(330)과 제4 측면전극(340) 중 일 측에 교번 전원을 인가하고, 타측을 접지시킴으로써 대각선 방향에 위치하는 두 개의 진동부(120,130)를 동시에 구동할 수 있게 된다.

이를 위하여 도 2에서와 같이, 압전체(170)의 노출된 전극면에 직접 외부전원을 연결하도록 구성할 수도 있으나, 내부전극패턴(200)의 보호를 위하여 절연층(도 3의 105,107)을 추가로 적층하고, 상기 절연층(105 또는 107)에 외부전원 인가를 위한 전원인가부(도 7g의 251,252,253)를 형성할 수도 있다. 이때, 전원인가부는 외부전극패턴(300)과 연결되도록 구성된다(도 7g 참조).

한편, 상기 절연층(105,107)은 상기 압전체(170)의 상면 또는 하면 중 어느 한 면에만 설치될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 압전체(170)의 각각의 진동부(110,120,130,140)는 동일한 매수의 압전소자(101,102,103,104)를 적층하여 형성함으로써 각각의 진동부(110,120,130,140)에서 동일한 힘(또는 토크)을 갖는 구동력을 출력하도록 할 수 있다.

또한 상기 압전체(170)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상하 방향의 진동부를 분리하는 중간층(106)을 구비할 수 있다.

상기 중간층(106)은 압전체(170)의 구동시 내부전극패턴(200)을 분리하는 기능을 수행하며 그 면에는 제1 적층부(150)의 제1 또는 제2 패턴(210,220)이 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압전체(170)는 제1 압전소자(101,103)와 제2 압전소자(102,104)의 분극방향이 서로 반대되도록 제1 압전소자(101,103)와 제2 압전소자(102,104)를 교대로 반복 적층하여 형성될 수 있다. 이는 적층된 압전소자(101,102,103,104)의 내부전극패턴(200)에 교번 전원을 인가하여 동일한 변형을 발생하도록 하기 위함이다.

한편, 상기 동력전달부재(190)는 상기 압전체(170)의 일측에 형성되어 상기 진동부(110,120,130,140)에서 발생한 진동을 외부로 전달한다.

도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 의한 압전 진동자(100)의 작용에 대해 살펴본다.

도 4는 본 발명에 의한 압전 진동자(100)는 도 2 및 도 3의 압전 진동자(100)의 제1 측면전극(310)에 교번전압을 인가하고(Ch1) 제2 측면전극(320)을 접지시킨 경우와, 제3 측면전극(330)에 교번전압을 인가하고(Ch2) 제4 측면전극(340)을 접지시키는 경우에 대하여, 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 도시하고 있다. 도 4에서 길이방향의 진동모드는 222kHz 주변에서 피크(peak)를 갖고, 굴곡방향의 진동모드는 224kHz 주변에서 피크(peak)를 갖는다. (이때, 어드미턴스의 값은 제1 채널(Ch1)에 교번 전압을 인가하는 경우 제2 채널(Ch2)은 개방된 상태로 하고, 제2 채널(Ch2)에 교번 전압을 인가하는 경우 제1 채널(Ch1)은 개방된 상태로 하여 측정하였다)

따라서, 제1 채널(Ch1) 또는 제2 채널(Ch2)에 대략 223kHz의 공진주파수를 인가하는 경우에는 길이방향과 굴곡방향의 진동을 동시에 발생시키게 된다.

결국, 제1 채널(Ch1)에 교번전압을 인가하고 제2 채널(Ch2)을 개방시킨 경우에는, 도 6b 및 도 6c에서와 같이 진동부(110,140)로부터 발생한 변형에 의해 압전 진동자(100)의 길이방향 및 굴곡방향 변형이 동시에 발생하게 되어 도 6a에 도시된 방향으로 타원운동을 하게 된다.

또한, 제2 채널(Ch2)에 교번전압을 인가하고 제1 채널(Ch1)을 개방시킨 경우에는 도 5b 및 도 5c에서와 같이 진동부(120,130)로부터 발생한 변형에 의해 압전 진동자(100)의 길이방향 및 굴곡방향 변형이 동시에 발생하게 되어 도 5a에 도시된 방향으로 타원운동을 하게 된다.

이와는 달리, 제1 채널(Ch1)과 제2 채널(Ch2)에 위상을 달리하는 교번전압을 동시에 인가함으로써 네 개의 진동부가 모두 진동하도록 할 수도 있다. 이때 제1 채널(Ch1)과 제2 채널(Ch2)의 위상차는 90도 또는 -90도로 할 수 있다.

다음으로 도 7을 참조하여 압전 진동자의 제조방법에 대해 살펴본다.

본 발명에 의한 압전 진동자는 다음의 단계에 의해 제조된다.

a) 압전 시트에 내부전극패턴을 형성하는 단계;

먼저 도 3 및 도 7a에 도시된 바와 같이, 복수개의 압전소자가 형성될 압전 시트(410)의 면에 도 3에 도시된 전극단자와 점프단자로 이루어지는 내부전극패턴(401)을 복수개 형성한다.

이때, 상기 a) 단계는, a1) 제1 패턴(210,230)을 제1 압전소자(101,103)가 형성될 제1 압전 시트 면에 형성하는 단계와, a2) 제2 패턴(220,240)을 제2 압전소자(102,104)가 형성될 제2 압전 시트 면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 a1) 단계를 통하여, 제1 압전시트 면에 형성될 각각의 제1 적층부(150)의 제1 압전소자(101)에 대하여 상기 제1 압전소자(101) 면을 좌우방향으로 두 개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 압전소자(101)의 외측까지 연장되는 두 개의 제1 전극단자(211,212)와, 상기 제1 압전소자(101)의 외측과 인접하는 두 개의 제1 점프단자(213,214)를 포함하여 이루어지는 제1 패턴(210)을 제1 압전시트 면에 복수 개 형성한다. 이는 제2 적층부(160)의 제1 압전소자(103)에 대해서도 동일하다.

또한, 상기 a2) 단계를 통하여, 제2 압전시트 면에 형성될 각각의 제1 적층부(160)의 제2 압전소자(102)에 대하여 상기 제2 압전소자(102) 면을 좌우방향으로 두 개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 점프단자(213,214)와 대응하도록 상기 제2 압전소자(102)의 외측까지 연장되는 두 개의 제2 전극단자(223,224) 및 상기 제1 전극단자(211,212)와 대응하도록 상기 제2 압전소자(102)의 외측과 인접하는 두 개의 제2 점프단자(221,222)를 포함하여 이루어지는 제2 패턴(220)을 제2 압전시트 면에 복수개 형성한다. 이는 제2 적층부(160)의 제2 압전소자(104)에 대해서도 동일하다.

이때, 상기 압전체(170)의 상부에 형성된 제1 적층부(150)의 진동부(110,120)에 위치하는 제1 및 제2 패턴(210,220)과 하부에 형성된 제2 적층부(160)의 진동부(130,140)에 위치하는 제1 및 제2 패턴(230,240)은 압전소자(101,102,103,104)가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖도록 할 수 있다.

b) 압전 시트를 적층하는 단계;

상기와 같이, 제1 패턴(210,230)과 제2 패턴(230,240)이 형성된 압전시트를 준비하여 이를 적층한다.

도 2를 참조하면, 제1 적층부(150)을 형성하기 위해서는 제1 패턴(210)과 제2 패턴(220)이 형성된 압전시트를 교대로 반복하여 적층하며, 제2 적층부(160)를 형성하기 위해서는 제1 패턴(230)과 제2 패턴(240)이 형성된 압전시트를 교대로 반복하여 적층한다.

이를 통하여, 상기 압전시트의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 네 개의 진동부를 구비하는 복수개의 압전체를 동시에 형성할 수 있게 된다.

이때, 압전체(170)를 형성하는 각각의 진동부(110,120,130,140)가 동일한 힘(또는 토크)을 갖는 구동력을 출력하도록 상기 진동부(110,120,130,140)는 서로 동일한 매수의 압전 시트를 적층하여 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 도 7b와 같이 적층된 압전시트 어셈블리(400)에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상하 방향의 진동부(110,120,130,140)를 분리하는 중간층(106)을 구비하는 시트를 적층할 수 있다. 이때, 상기 중간층(106)은 압전체(170)의 구동시 내부전극패턴(200)을 분리하는 기능을 수행하며 그 면에는 제1 적층부(150)의 제1 또는 제2 패턴(210,220)이 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압전시트 어셈블리(400)는 분극방향이 서로 반대되는 제1 압전소자(101,103)에 해당하는 압전 시트와 제2 압전소자(102,104)에 해당하는 압전 시트가 교대로 반복 적층되어 형성되도록 한다. 이는 내부전극패턴(200)에 인가되는 교번 전압에 의해 진동부를 이루는 각각의 압전소자에 길이 및 굴곡방향의 진동을 균일하게 발생하도록 하기 위함이다.

바람직하게는, 상기 b) 단계는 내부전극패턴(200)을 외부로부터 보호하도록 절연층(105,107)에 해당하는 시트를 추가로 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 도 7d 내지 도 7g는 이러한 절연층(105)에 해당하는 시트가 적층된 이후의 공정을 도시하고 있다.

이때, 도 7g에서와 같이, 상기 절연층(105)에 해당하는 시트를 적층하는 단계 이후에는 상기 절연층(105)의 면에 상기 외부전극패턴과 연결되어 교번전압을 인가하도록 외부전원과 연결되는 전원인가부(도 7g의 251,252,253)를 형성하게 된다. 그러나, 이와는 달리, 도 2에 도시된 바와 같이, 압전체(170)의 노출된 전극면에 직접 외부전원을 연결하도록 구성할 수도 있다.

c) 상기 압전 시트를 절단하여 복수개의 압전체를 각각 분리하는 단계;

도 7c에서와 같이 압전 시트 어셈블리(400)를 절단선(L,C)을 기준으로 절단하여 복수개의 압전체(420)가 얻는다.

도 7d는 이러한 과정 후에 얻어지는 압전체(420)를 도시하고 있다.

d) 상기 압전체의 측면에 복수개의 측면전극을 형성하는 단계;

도 7e에 도시된 바와 같이, 압전체(420)의 측면에 네 개의 측면전극(310,320,330,340)을 형성한다.

도 2와 도 3을 참조하면 이러한 측면전극(310,320,330,340)은 네 개의 진동부(110,120,130,140) 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결한다.

e) 상기 압전체의 일측에 동력전달부재를 장착하는 단계

도 7f에서와 같이, 압전체(420)에서 발생한 구동력을 외부로 전달하기 위한 돌기 형상의 동력전달부재(190)를 압전체(420)의 일측에 장착한다.

이러한 동력전달부재(190)는 도 7f에서와 같이, 우측에 형성될 수 있으나, 진동부의 진동특성에 따라 측면전극(310,320,330,340)이 형성된 면이나 외부전극(300)을 갖는 면 또는 그 배면에 형성될 수도 있다. 그리고, 상기 동력전달부재(190)는 도 7f에서와 같이 한 개가 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 복수개가 설치될 수도 있다.

한편, 압전시트 어셈블리(400)로부터 압전체(420)가 분리된 이후의 공정에서, 도 7g에서와 같이 외부전원과 연결되는 전원인가부(251,252,253)를 설치할 수 있다. 이때, 절연층(105)이 형성되지 않은 경우에는 도 2에서와 같이, 직접 내부전극패턴에 외부전원을 연결할 수도 있다.

마지막으로, 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 의한 선형 액추에이터에 대해 살펴본다.

도 8은 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 분해 사시도이고, 도 9는 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 사시도이며, 도 10은 본 발명에 의한 선형 액추에이터의 작용을 나타내는 단면도이다.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 선형 액추에이터(500)는 전술한 바와 같은 구성을 갖는 압전 진동자(100)와, 상기 압전 진동자(100)의 동력전달부재(190)와 접촉하여 직선이송되는 직선이송부재(540)와, 상기 압전 진동자(100)가 장착되는 프레임(510)과, 상기 압전 진동자(100)를 상기 직선이송부재(540) 측으로 가압하는 예압부재(520)와, 상기 예압부재(520)를 고정하기 위한 고정부재(530)를 포함하여 이루어진다.

상기 압전 진동자(100)는 프레임(510)상의 안착부(512)와 지지부재(530)의 단턱(532) 사이에 장착되며, 동력전달부재(190)가 형성된 일측은 직선이송부재(540)와 접촉하고, 타측은 판 스프링 등으로 이루어지는 예압부재(520)의 가압부(522)를 통하여 직선이송부재(540) 측으로 예압된다.

상기 직선이송부재(540)는 일 예로서 프레임(510)의 결합공(511) 사이에 회전가능하도록 장착되는 두 개의 롤러(550)에 의해 안내되어, 압전 진동자(100)의 구동에 의해 상하 방향으로 직선이송될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 리드 스크류 등 공지의 직선 이송을 위한 방식이 채용될 수 있다. 한편, 직선이송부재(540)가 고정되는 경우에는 프레임(510)이 직선이송될 수 있다.

또한, 상기 예압부재(520)는 결합개구(521)와 지지부재(530)의 조립홀(531)을 관통하는 스크류(560) 등에 의해 지지부재(530)에 고정될 수 있으나, 이외에도 본딩, 용접, 억지끼움, 후크 등 공지의 고정방법을 사용할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 전극단자와 점프단자를 구비하는 내부전극패턴을 통하여 적층형의 압전 진동자를 용이하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 외부전극과의 연결이 매우 용이하다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 압전소자가 적층되어 형성된 압전체의 측면에 전극을 형성함으로써 소형화 및 저전압 구동이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명은 점프단자를 구비함으로써 내부전극패턴의 연결과 동시에 대각선 방향에 위치한 진동부를 연결할 수 있게 되어 제조공정이 단순화되며,측면전극의 수가 적어 재료비 절감 및 제조의 용이성을 확보할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명은 압전 시트를 이용하여 한꺼번에 여러 개의 압전체를 생산하고 상기 압전체에 외부전극패턴만을 형성함으로써 압전 진동자의 제조가 종료된 다는 점에서 제조가 용이하며 대량생산이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

다수의 압전소자가 교대로 반복 적층되어 형성되며, 상기 압전소자의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비하는 압전체;

상기 각각의 압전소자 사이의 압전소자 면에 형성되며, 상기 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 전극단자 및 상기 전극단자가 형성된 압전소자와 이웃하는 압전소자의 면에 형성된 복수개의 전극단자와 대응하도록 형성된 복수개의 점프단자를 구비하는 내부전극패턴;

상기 압전체의 측면에 형성되며, 상기 복수개의 진동부 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결하는 복수개의 측면전극을 구비하는 외부전극패턴; 및

상기 압전체의 일측에 형성되어 상기 진동부에서 발생한 진동을 외부로 전달하는 동력전달부재;

를 포함하는 압전 진동자.
제1항에 있어서,

상기 압전체는 제1 압전소자와 제2 압전소자가 교대로 반복 적층되어 형성되 며,

상기 내부전극패턴은 상기 제1 압전소자 면에 형성된 제1 패턴과, 상기 제1 패턴이 형성된 제1 압전소자와 이웃하는 제2 압전소자의 면에 형성된 제2 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제2항에 있어서,

상기 제1 패턴은 상기 제1 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 제1 전극단자와, 상기 제1 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제1 점프단자를 포함하여 이루어지며,

상기 제2 패턴은 상기 제2 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 점프단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측까지 연장되는 제2 전극단자 및 상기 제1 전극단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제2 점프단자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제1항에 있어서,

상기 압전체의 각각의 진동부는 동일한 매수의 압전소자가 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제1항에 있어서,

상기 압전체는 상하 방향의 진동부를 분리하는 중간층을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제1항에 있어서,

상기 압전체는 상기 내부전극패턴을 외부로부터 보호하는 절연층을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제6항에 있어서,

상기 절연층에는 상기 외부전극패턴과 연결되어 교번전압을 인가하도록 외부전원과 연결되는 전원인가부가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제1항에 있어서,

상기 압전체의 상부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴과 하부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴은 압전소자가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적층부는 네 개의 진동부를 구비하며, 상기 네 개의 진동부 중에서 대각선 방향에 위치하는 두 개의 진동부에 동일한 위상의 교번 전압을 인가하여 길이방향 및 굴곡방향의 진동을 동시에 발생시키는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
a) 복수개의 압전소자가 형성될 압전 시트의 면에 전극단자와 점프단자로 이루어지는 내부전극패턴을 복수개 형성하는 단계;

b) 상기 내부전극패턴이 형성된 압전시트를 적층하여, 상기 압전시트의 적층방향에 대해서 상하 및 좌우로 분리된 복수개의 진동부를 구비하는 복수개의 압전체를 동시에 형성하는 단계;

c) 상기 압전시트를 절단하여 복수개의 압전체를 각각 분리하는 단계;

d) 상기 압전체의 측면에 복수개의 측면전극을 형성하는 단계; 및

e) 상기 압전체의 일측에 동력전달부재를 장착하는 단계;

를 포함하는 압전 진동자의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 a) 내부전극패턴을 형성하는 단계는,

a1) 제1 압전시트 면에 형성될 각각의 제1 압전소자에 대하여 상기 제1 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 제1 전극단자와, 상기 제1 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제1 점프단자를 포함하여 이루어지는 제1 패턴을 제1 압전시트 면에 형성하는 단계와,

a2) 제2 압전시트 면에 형성될 각각의 제2 압전소자에 대하여 상기 제2 압전소자 면을 좌우방향으로 복수개로 분할하며 그 일단이 상기 제1 점프단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측까지 연장되는 복수개의 제2 전극단자와, 상기 제1 전극단자와 대응하도록 상기 제2 압전소자의 외측과 인접하는 복수개의 제2 점프단자를 포함하여 이루어지는 제2 패턴을 제2 압전시트 면에 형성하는 단계; 를 포함하며,

상기 b) 단계는 상기 제1 압전 시트와 제2 압전시트를 교대로 반복하여 적층함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 b) 단계는 동일한 매수의 압전 시트를 적층하여 각각의 진동부를 형성하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 b) 단계는 상하 방향의 진동부를 분리하도록 중간층에 해당하는 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 b) 단계는 상기 내부전극패턴을 외부로부터 보호하도록 절연층에 해당하는 시트를 추가로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 절연층에 해당하는 시트를 적층하는 단계 이후에 상기 절연층의 면에 상기 외부전극패턴과 연결되어 교번전압을 인가하도록 외부전원과 연결되는 전원인가부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 d) 단계는, 상기 복수개의 진동부 중에서 서로 대각선 방향에 위치한 진동부에 동시에 전원을 인가하도록 각각의 진동부 및 그 대각선 방향에 위치한 진 동부에 대응하는 각각의 전극단자와 이에 대응하는 점프단자를 연결하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제11항에 있어서,

상기 a) 단계는 상기 압전체의 상부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴과 하부에 형성된 진동부에 위치하는 내부전극패턴이 압전소자가 적층되는 면에 대하여 서로 대칭인 형상을 갖도록 내부전극패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자의 제조방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 압전 진동자; 및

상기 압전 진동자의 동력전달부재와 접촉하여 직선이송되는 직선이송부재;

를 포함하는 선형 액추에이터(linear actuator).
제18항에 있어서,

상기 압전 진동자를 상기 직선이송부재 측으로 가압하는 예압부재; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 액추에이터.