KR100759075B1 - 압전체를 이용한 선형 액츄에이터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전체를 이용한 선형 액츄에이터를 제공하기 위한 것으로, 압전체와; 상기 압전체에 부착되어 마찰력을 발생시키는 서스펜션;을 포함하여 구성함으로서, 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행할 수 있게 되는 것이다.
압전체, 압전, 전왜, 액츄에이터, 자동초점, 서스펜션, 피에조, PZT, PMN, PMN-PT
Description
도 1은 종래 인치-웜 타입 선형 액츄에이터의 단면도이다.
도 2는 도 1의 진행방향을 보인 단면도이다.
도 3은 종래 셀프 무빙 타입 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
도 4는 종래 고정자 타입 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 사시도이다.
도 6은 도 5에서 2쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 7은 도 5에서 압전체의 일구성예를 보인 사시도이다.
도 8은 도 5의 2쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
도 9는 도 5의 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 가해지는 톱니파 전압의 예를 보인 파형도이다.
도 10은 도 9의 톱니파 전압에 따라 도 5의 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 출력위치를 보인 그래프이다.
도 11은 도 5에서 3쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 12는 도 5에서 4쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 13은 도 5에서 원형의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 사시도이다.
도 15는 도 14에서 압전체의 일구성예를 보인 측면도이다.
도 16은 도 14에서 3개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 17은 도 14에서 2개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 18은 도 14에서 4개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 19는 도 14에서 도너츠 형의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
도 20은 도 18의 4개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 초기 상태의 예를 보인 사시도이다.
도 21은 도 20에서 느린 이동 후의 상태를 보인 사시도이다.
도 22는 도 21에서 빠른 이동 후의 상태를 보인 사시도이다.
도 23은 도 20 내지 도 22에서 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 압전체
20 : 서스펜션
21 : 제 1 서스펜션
22 : 제 2 서스펜션
30 : 렌즈
40 : 렌즈 실린더
본 발명은 선형 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션(suspension)을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행하기에 적당하도록 한 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 액츄에이터(Actuator)는 마이크로 컴퓨터의 출력인 전기신호를 이용하여 원하는 기계적인 일(동작)을 발생시키는 장치이다. 이러한 액츄에이터는 카메라, 캠코더, 휴대형 프로젝터, 휴대형 PCS(Personal Communication System), 모바일 폰, 모바일 오디오 플레이어 등의 자동 초점조절 기능을 위해 사용될 수 있다.
자동 초점용 액츄에이터는 구동 방식에 따라 SM(Stepping Motor) 방식, 압전(Piezo) 방식, VCM(Voice Coil Motor) 방식으로 구분된다. SM 방식의 경우 크기 축소가 향후 최대 관건이며, 압전 방식은 아직 채택률이 낮아 향후 채용 여부가 주목되며, VCM 방식은 렌즈 이동량이 큰 줌에는 사용이 어렵다는 단점이 있다.
여기서 압전 방식에서 이용하는 압전 효과(Piezoelectric Effect)란 수정이나 로셀염 등의 결정에 압력을 가하면 전압이 발생하는 것을 말하고, 이와 반대로 전압을 주면 결정체가 변형을 일으키는 현상을 압전 역효과라 한다. 압전현상을 나타내는 압전체는 초기에 로셀염 계통과 인산화수소가리 계통의 두 종류가 있었고, 그 후 티탄산바륨 계통의 압전소자가 알려졌으나 센서로 사용하기에는 몇 가지 문제점이 있었다. 그 이후 이성분계로 PZT(piezo, 피에조)라고 불리는 압전 세라믹이 발견되어 가속도계 등의 센서용으로 널리 사용되고 있다. 이 PZT 세라믹은 티탄산납(PbTiO3)과 지르코산납(PbZrO3)을 일정한 비율로 섞은 것으로, 사용용도에 따라 불순물을 첨가하여 여러 가지 재료물성을 갖는 압전 세라믹으로 사용되고 있다. 또한 전왜(Electrostrictive) 액츄에이터는 압전(Pioezoelectric) 액츄에이터와 유사한데, 전왜 액츄에이터는 PMN(lead magnesium niobate) 세라믹 재료로 만들어지며 인가된 전기장(Electric field)에 대해 변위가 제곱에 비례하는 특징을 갖는다.
이하, 본 발명에서는 압전 재료와 전왜 재료 등을 합하여 압전체라 부르기로 한다.
압전 재료를 이용한 초음파 모터는 크게 회전형(Rotational motor)과 직선형(Linear motor)으로 구분된다. 회전형의 경우 압전 재료의 변형이 고정자인 탄성체 표면 질점의 타원운동을 유발시켜 진행파(propagation wave)가 발생함으로써 구동된다. 직진형의 경우 회전형과 같이 진행파를 이용하는 경우와 인치-웜(Inch-warm)의 원리를 이용하는 경우가 있는데, 인치-웜의 원리를 이용하는 것은 3개의 압전 액츄에이터가 서로 유기적으로 동작함으로써 한 스텝 당 일정량의 변위가 발생하게 되는 것을 이용한다. 이 한번의 스텝(Step)을 고주파(초음파)로 반복하게 되면 액츄에이터는 빠른 속도로 직진 또는 후진하게 된다.
도 1은 종래 인치-웜 타입 선형 액츄에이터의 단면도이고, 도 2는 도 1의 진행방향을 보인 단면도이다.
이는 3개의 외팔보 타입의 PZT(피에조) 액츄에이터를 사용하여 유기적인 상호작용을 통하여 구동하는 인치-웜 타입의 액츄에이터를 나타낸 것이다. 구동원리는 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 클램프(Clamp) 1에 해당하는 PZT 액츄에이터가 팽창하여 고정축이 된 다음 중앙의 PZT 액츄에이터가 팽창하는데, 이 경우 왼쪽의 클램프 1이 고정되어 있으므로, 중앙의 PZT 액츄에이터는 오른쪽으로 팽창하게 된다(도 2의 (b)). 다음으로 클램프 2인 오른쪽 PZT 액츄에이터가 팽창하여 고정이 된 후(도 2의 (c)) 왼쪽 PZT 액츄에이터가 수축을 한 후(도 2의 (d)) 중앙의 PZT 액츄에이터가 수축을 하면(도 2의 (e)) 결국 인치-웜 타입 액츄에이터는 오른쪽으로 이동을 하게 된다(도 2의 (f)). 이러한 형상이 수십에서 수백 KHz에서 발생하여 미소 변위가 누적되어 이동하게 되는 원리이다.
이와 비슷한 개념으로 도 3 및 도 4에서와 같이, 관성과 마찰을 이용하여 구동하는 방식이 있는데, 이를 스틱 슬립 메커니즘(Stick Slip Mechanism)을 이용한 형태라고 한다.
도 3은 종래 셀프 무빙 타입 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이고, 도 4는 종래 고정자 타입 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
그래서 스틱 슬립 메커니즘의 구동원리는 다음과 같다.
즉, 초기 상태에서(도 3 및 도 4의 (a)) 천천히 PZT 액츄에이터가 팽창을 하게 되면, 표면과의 마찰 때문에 마찰이 걸리는 부분이 고정축이 된다(도 3 및 도 4의 (b)). 다음으로 PZT 액츄에이터가 빠르게 수축을 하게 되는데, 이 경우 표면과의 마찰은 PZT 액츄에이터가 빠르게 수출할 때 발생하는 관성에 의해 무시되면서 액츄에이터는 미끄러짐이 발생하게 된다(도 3 및 도 4의 (c)). 이러한 현상은 고주파수 대역에서 이루어지기 때문에 한번에 매우 작은 이동이 일어나더라도 누적이 되면서 어느 정도 구동 속도를 확보할 수 있게 된다.
그러나 이러한 종래 기술은 이론적 모델로만 제시되어 있을 뿐이고, 초소형 액츄에이터로 사용하면서 정밀한 위치 제어를 위해서는 좀더 구체적인 기술개발이 필요하다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행 할 수 있는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는,
압전체와; 상기 압전체에 부착되어 마찰력을 발생시키는 서스펜션;을 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 사시도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이, 압전체(10)와; 상기 압전체(10)에 부착되어 마찰력을 발생시키는 서스펜션(20);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일실시예에 의한 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는, 도 5에 도시된 바와 같이, 압전체(10)와; 상기 압전체(10)의 외측 방향으로 기울어져 형성되어 상기 압전체(10)에 부착되어 마찰력을 발생시키는 서스펜션(20);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 실린더 타입 적층형 PZT(피에조)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 고주파수의 톱니파 파형에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 상기 압전체(10)의 공진주파수와 일치하는 주파수를 인가받아 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 서스펜션(20)은, 복수개의 쌍으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 서스펜션(20)은, 상기 압전체(10)의 앞면에 형성된 제 1 서스펜션(21)과; 상기 압전체(10)의 뒷면에 형성된 제 2 서스펜션(22)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 서스펜션(20)은, 상기 압전체(10)의 앞면에 형성되고, 상기 압전체(10)의 앞면 방향으로 기울어지게 형성된 제 1 서스펜션(21)과; 상기 압전체(10)의 뒷면에 형성되고, 상기 압전체(10)의 뒷면 방향으로 기울어지게 형성된 제 2 서스펜션(21)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는, 상기 서스펜션(20)의 일 측면에 결합된 관성 질량;을 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 관성 질량은, 내부에 렌즈(30)가 삽입된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일실시예에 의한 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는, 도 14에 도시된 바와 같이, 압전체(10)와; 상기 압전체(10)의 내측 방향으로 기울어져 형성되어 상기 압전체(10)에 부착되어 마찰력을 발생시키는 내측 서스펜션(20);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, PMN-PT(lead magnesium niobate [Pb(Mg1=3Nb2=3)O3] - Pb-Ti-O3)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 2개의 링 모양의 PMN-PT와, 상기 2개의 링 모양의 PMN-PT 사이에 위치한 탄성체에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 고주파수의 톱니파 파형에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전체(10)는, 상기 압전체(10)의 공진주파수와 일치하는 주파수를 인가받아 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 내측 서스펜션은, 복수개의 내측 서스펜션으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 내측 서스펜션은, 도너츠 형으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는, 상기 서스펜션(20)의 내측에 결합된 렌즈 실린더(40);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명은 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행하게 하고자 한 것이다.
여기서 압전체(본 발명에서는 압전체의 개념을 압전 재료와 전왜 재료를 합 하여 사용한다)는 인가 전기장에 의해 형상의 변형이 일어나며, 반대로 인가된 외력에 의해 전하가 발생하는 특징이 있다. 이러한 현상은 전기 쌍극자(Electric dipole)가 형성될 수 있는 조건과 격자 구조에서의 자발 분극(Spontaneous separation of charge)에 의해 발생하며, 피에조 효과라 지칭한다. 피에조 효과를 일으키는 물질은 인공적인 다결정 세라믹 혹은 자연적으로 형성되는 수정(Quartz)을 통하여 구현될 수 있다. 압전 특성을 갖고 있는 다결정 세라믹은 인공적으로 제작되며, 압전 특성을 지니게 하기 위해 제조 공정 중 강전계(2KV/mm 이상)에 노출시킨다. 이렇게 제조 공정 중 강전계에 노출시키게 하는 방법을 폴링(Polling)이라고 하며, 이러한 폴링은 다결정 세라믹 내부에 자유로이 정렬된 폴라 도메인(Polar domain)을 인가 전계 방향으로 정렬시키는 공정 단계이다. 이러한 공정을 통해 거시적으로 압전 특성을 갖는 압전체를 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 사시도이고, 도 6은 도 5에서 2쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
이러한 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는 실린더 타입 적층형 PZT(피에조) 액츄에이터인 압전체(10), 서스펜션(20), 관성 질량인 렌즈(30)로 구성되어 있다. 그래서 압전체(10)에 관성을 일으키게 해주는 관성 질량이 결합되고, 관성 질량의 내부에 렌즈(30)가 삽입되는 구조이며, 마찰력을 일으키게 해주는 서스펜션(20)이 위쪽과 아래쪽에 각각 2개씩 추가되는 구조이다.
도 7은 도 5에서 압전체의 일구성예를 보인 사시도이다.
그래서 적층형인 압전체(10)는 높은 전압이 인가되지 않는 한 그 특성상 수십 나노미터로 변위가 매우 작게 발생하기 때문에 그 자체만 가지고는 자동초점이나 줌 액츄에이터로서의 역할을 수행할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 한 번의 변위를 누적해서 사용할 수 있도록 관성력과 마찰력의 상호 작용을 이용하고, 짧은 시간 동안 여러 번의 변위를 얻을 수 있도록 고주파수로 구동 신호를 인가하여 렌즈(30)는 구속 없이 미끄러짐으로 변위가 누적되어서 큰 이동 변위를 얻을 수 있는 인치-웜 타입의 원리를 사용한다.
그리고 실린더 타입 적층형 PZT인 압전체(10)는 도 7에서와 같이 여러 개의 실린더형 PZT를 적층시킨 것으로, 동일한 전압으로 여러 개의 PZT를 구동시키기 위해서 병렬구조를 이루어야 한다. 그러기 위해서 PZT 사이에 전압을 인가해 줄 수 잇도록 전극(Electrode)을 삽입한 구조를 갖는다. 동일한 높이에 많은 층의 PZT를 적층하기 위해서 전극은 두께가 매우 얇을수록 좋으며, 금속 재질 보다는 전도성 에폭시 등과 같이 강성이 약한 재질을 사용하는 것이 유리하다.
그래서 PZT인 압전체(10)의 폴링(Polling) 방향으로 전압을 인가하게 되면, PZT 압전체(10)는 인가 전압 방향으로 신장하게 된다. 즉, 압전체(10)에 + 전압이 인가되면 쌍극자들이 일정한 배열로 정렬하여 신장을 하게 되고, - 전압이 인가되면 반대로 수축이 일어나게 된다.
도 8은 도 5의 2쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이고, 도 9는 도 5의 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 가해지는 톱니파 전압의 예를 보인 파형도이며, 도 10은 도 9의 톱니파 전압에 따 라 도 5의 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 출력위치를 보인 그래프이다.
그래서 초기상태에서 압전체(10)의 앞과 뒤에 각각 두 개씩해서 두 쌍으로 이루어진 총 4개의 서스펜션(20)의 마찰력으로 인하여 액츄에이터는 정지 상태에 놓여져 있다(도 8의 (a)).
이런 초기상태에서 압전체(10)에 도 9와 같은 톱니파(Saw) 신호를 입력하여 서서히 전압을 증가시키면, 압전체(10)는 서서히 변형을 일으키게 되어, 상대적으로 마찰이 큰 아래의 서스펜션이 고정부가 되어 중앙의 PZT 액츄에이터는 렌즈가(30)가 포함된 관성 질량과 함께 오른쪽으로 팽창한다. 이는 미끄러짐이 없는 느린 확장 상태이다(도 8의 (b)).
이후에 빠르게 전압을 감소시키면, PZT 액츄에이터의 압전체(10) 부분과 관성 질량에 의하여 관성력이 발생하여 서스펜션들(20)과 케이스에 의한 마찰력 보다 관성력이 커지게 되며, 이로 인해 압전체(10)와 관성 질량의 무게 중심으로 수축이 일어나게 되므로 서스펜션들(20)들은 미끄러지게 된다. 이는 미끄러짐이 있는 빠른 수축 상태이다(도 8의 (c)).
그래서 느린 확장 상태에서는 도 9에서와 같이 0.1마이크로초 동안 입력전압이 10V에서 -10V로 서서히 감소시키는 동안 출력위치는 도 10에서와 같이 1.5마이크로미터 만큼 서서히 전진 이동하게 된다. 그리고 빠른 수축 상태에서는 도 9에서와 같이 0.1마이크로초에서 전압이 -10V에서 10V로 급격하게 증가하면, 도 10에서와 같이 0.5마이크로미터 만큼 후퇴 이동하게 된다.
이러한 구동원리를 이용하여 높은 주파수와 톱니파 신호를 입력하면, 자동초 점 액츄에이터는 한 방향으로 이동하게 되며, 반대 방향으로 구동하기 위해서는 단지 입력 신호만 반대로 입력하면 된다.
도 11은 도 5에서 3쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 외측에 형성된 3쌍의 외측 서스펜션으로 구성할 수 있다. 그리고 이러한 3쌍의 외측 서스펜션은 원통형의 외부 케이스의 내부에 장착될 수 있다. 또한 3쌍의 외측 서스펜션(20)은 동일한 마찰력을 갖게 된다. 예를 들어, 전체 마찰력이 90N이라고 가정하면, 3쌍 각각의 서스펜션(20)에 30N씩 분배가 되는 방식으로 마찰력이 주어진다.
도 12는 도 5에서 4쌍의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 외측에 형성된 4쌍의 외측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
도 13은 도 5에서 원형의 외측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 압전체(10)의 앞과 뒤로 원형의 형상을 갖는 외측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
또한 도 5 내지 도 13에서는 서스펜션(20)이 PZT로 구성된 압전체(10)의 외부에 형성한 예를 보였으나, 서스펜션(20)을 내부에 형성하는 것도 가능하다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용 한 선형 액츄에이터의 사시도이다.
여기서 도 14에서와 같은 압전체(10)는 PMN-PT로 구성할 수 있는데, 전왜 재료를 구성하는 PMN-PT는 세라믹 재료로 만들어지며, 인가된 전기장에 대해 변위가 제곱에 비례하는 특징을 갖는다. 여기서 PMN(Lead magnesium niobate [Pb(Mg1=3Nb2=3)O3])은 퀴리 온도 이하에서 동작한다. PT(Pb-Ti-O3)는 PMN의 퀴리 온도를 높이기 위해서 첨가되는 물질로서, PT가 PMN에 첨가되는 양에 따라 PMN-PT의 성질이 변화된다.
도 14에서 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는 2개의 링 모양의 PMN-PT와 탄성체의 압전체(10), 내부의 서스펜션(20)으로 구성된다. 또한 렌즈 실린더(40)를 포함하여 구성할 수 있다.
탄성체와 내부의 서스펜션은 일체형으로 구성할 수 있으며, 탄성체와 PMN-PT는 에폭시로 접착되어 있고, 압전체의 폴링방향은 도 15와 같다.
도 15는 도 14에서 압전체의 일구성예를 보인 측면도이다.
도 15에서 전극은 바이모프(Bimorph) 타입의 액츄에이터 처럼 두 개의 압전체가 서로 반대방향이며, 이는 전압이 인가되었을 때 서로 반대방향의 변위를 갖도록 하기 위함이다.
도 16은 도 14에서 3개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 내측에 형성된 3개의 내측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
도 17은 도 14에서 2개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 내측에 형성된 2개의 내측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
도 18은 도 14에서 4개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 내측에 형성된 4개의 내측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
도 19는 도 14에서 도너츠 형의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 예를 보인 정면도 및 측면도이다.
그래서 서스펜션(20)은 도너츠 형으로 형성된 내측 서스펜션으로 구성할 수 있다.
도 20은 도 18의 4개의 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 초기 상태의 예를 보인 사시도이고, 도 21은 도 20에서 느린 이동 후의 상태를 보인 사시도이며, 도 22는 도 21에서 빠른 이동 후의 상태를 보인 사시도이다. 또한 도 23은 도 20 내지 도 22에서 압전체를 이용한 선형 액츄에이터의 동작을 보인 단면도이다.
그래서 구동은 3 단계로 이루어지는데, 첫 번째 단계는 도 9에서와 같은 전원이 인가되지 않은 초기 상태이다(도 20과 도 23의 (a)). 두 번째 단계는 인가 전압을 느리게 감소시키며 인가하면 서스펜션(20)이 앞 방향으로 빠르게 움직이며 렌 즈 실린더(40)는 관성에 의해 제자리에 있게 되는 상태이다(도 21과 도 23의 (b)). 세 번째 단계는 전원 인가를 갑작스럽게 증가시키면 압전체(10)와 서스펜션(20)의 관성 질량에 의해 전진 방향으로 서스펜션(20)이 미끄러지면서 갑작스럽게 움직이며 이동하게 된다(도 22와 도 23의 (c)). 그리고 두 번째 단계와 세 번째 단계를 반복하게 되면 결국 PMN-PT의 압전체(10)와 서스펜션(20)의 액츄에이터는 앞으로 계속해서 전진하게 된다. 즉, 압전체(10)의 변형이 천천히 이루어질 때에는 관성력보다 마찰력이 더 크기 때문에 액츄에이터가 압전체의 정적 변위 만큼 이동하게 되고, 압전체(10)의 변형이 빠르게 이루어질 때에는 관성력이 마찰력 보다 더 크게 되어 정지 상태에 있게 된다.
PMN-PT 압전체(10)가 빠른 변형과 느린 변형을 반복하도록 하기 위해서는 인가되는 전압은 도 9에서와 같은 톱니파로 주어지게 되는데, 압전체(10)의 특성상 입력 신호에 대해서 반응 속도가 매우 빠르기 때문에 여기서 손실되는 입력 에너지는 거의 없다고 봐도 무방하다. 그리고 액츄에이터의 작동을 위해서는 실제로 압전체(10)가 빠른 변형과 느린 변형을 하는 것 자체가 중요한 것이지, 반드시 입력 신호가 톱니파일 필요는 없다. 따라서 적절한 임펄스 입력의 조합으로 압전체(10)의 변형속도를 톱니파와 유사한 모양으로 만들어 압전체(10)의 운동을 유도하면 된다.
이러한 구동원리를 이용하여 높은 주파수와 톱니파 신호를 입력하면, 액츄에이터는 한 방향으로 이동하게 되며, 입력 신호를 반대로 주면 반대 방향으로 구동하게 된다.
또한 액츄에이터의 구동 특성을 결정하는 주요 요소로는 서스펜션(20)과 렌 즈 실린더(40) 사이의 마찰력, 톱니파 형태로 인가되는 전압의 주파수, 그리고 인가 전압에 대한 압전체(10)의 정적 변위량 등을 들 수 있다. 여기서 인가 주파수는 압전체(10)의 정적 변위가 충분히 클 경우 액츄에이터의 이동 속도를 직접적으로 결정하는 요소라고 할 수 있다. 만약 압전체의 정적 변위가 매우 작아서 공진을 이용해야 한다면, 인가 주파수를 액츄에이터의 공진주파수와 일치시키면 된다. 이를 위해 액츄에이터의 공진점을 파악하고, 각 공진점에서의 모드를 확인하여 원하는 모드의 공진을 이용하도록 한다.
서스펜션(20)과 렌즈 실린더(40) 사이의 마찰력은 액츄에이터의 운동에 매우 민감한 요소이다. 마찰력이 액츄에이터가 낼 수 있는 관성력의 최대값 보다 크면 액츄에이터는 움직이지 않을 것이고, 반대로 마찰력이 너무 작아도 액츄에이터는 제자리에서 진동할 것이다. 또한 마찰력이 불균일 할 경우에도 액츄에이터의 구동에 문제가 생기게 된다. 따라서 액츄에이터에서 서스펜션(20)과 렌즈 실린더(40) 사이의 마찰력을 조절해야 한다.
이처럼 본 발명은 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행하게 되는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터에 서스펜션을 부착하여 초소형 액츄에이터로 설계가능하고, 빠른 이동 속도를 갖고 정밀 위치 제어를 수행할 수 있는 효과가 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
Claims (18)
- 압전체와;상기 압전체에 부착되어 마찰력을 발생시키되, 상기 압전체의 앞면에 형성된 제 1 서스펜션과, 상기 압전체의 뒷면에 형성된 제 2 서스펜션으로 구성되는 서스펜션;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 압전체와;상기 압전체의 외측 방향으로 기울어져 형성되어 상기 압전체에 부착되어 마찰력을 발생시키되, 상기 압전체의 앞면에 형성된 제 1 서스펜션과, 상기 압전체의 뒷면에 형성된 제 2 서스펜션으로 구성되는 서스펜션;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전체는,실린더 타입 적층형 PZT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전체는,고주파수의 톱니파 파형에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전체는,상기 압전체의 공진주파수와 일치하는 주파수를 인가받아 구동되는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서스펜션은,상기 압전체의 앞면에 형성되고, 상기 압전체의 앞면 방향으로 기울어지게 형성된 제 1 서스펜션과;상기 압전체의 뒷면에 형성되고, 상기 압전체의 뒷면 방향으로 기울어지게 형성된 제 2 서스펜션;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 서스펜션을 갖 는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는,상기 서스펜션의 일 측면에 결합된 관성 질량;을 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 9에 있어서, 상기 관성 질량은,내부에 렌즈가 삽입된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 고주파수의 톱니파 파형에 의해 구동되는 압전체와;상기 압전체의 내측 방향으로 기울어져 형성되어 상기 압전체에 부착되어 마찰력을 발생시키는 내측 서스펜션;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 11에 있어서, 상기 압전체는,PMN-PT를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 11에 있어서, 상기 압전체는,2개의 링 모양의 PMN-PT와, 상기 2개의 링 모양의 PMN-PT 사이에 위치한 탄성체에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 삭제
- 청구항 11에 있어서, 상기 압전체는,상기 압전체의 공진주파수와 일치하는 주파수를 인가받아 구동되는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 11 내지 청구항 13 및 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 서스펜션은,복수개의 내측 서스펜션으로 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 11 내지 청구항 13 및 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 서스펜션은,도너츠 형으로 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
- 청구항 11 내지 청구항 13 및 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 서스펜션을 갖는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터는,상기 서스펜션의 내측에 결합된 렌즈 실린더;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 선형 액츄에이터.
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