KR100919874B1

KR100919874B1 - 회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터

Info

Publication number: KR100919874B1
Application number: KR1020060093070A
Authority: KR
Inventors: 김윤영; 허석
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2009-09-30
Also published as: US7719161B2; US20080073997A1; KR20080027657A

Abstract

회전형 열 액츄에이터(actuator) 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터 설계방법은 전체 설계 영역의 형상을 설정하는 단계, 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 설계 영역을 소정의 개수의 영역으로 분할하는 단계, 분할된 영역에서 전체 설계 영역의 중심에 존재하는 구동체와 전체 설계 영역의 외부 경계에 존재하는 전극을 잇는 열팽창부재의 초기형상, 열팽창부재의 물성치, 분할된 영역의 경계조건을 이용한 위상 최적 설계방법을 이용하여 분할된 영역을 설계하는 단계 및 설계된 분할 영역을 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 영역을 설계하는 단계를 포함한다.

Description

회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터{Design method and apparatus of rotary thermal actuator}

본 발명은 회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 요소 연결 매개법에 의한 위상 최적 설계로 회전 성능이 우수한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조에 사용되는 회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터에 관한 것이다.

MEMS 장치들의 구동 방식은 정전력을 이용한 방법, 전자기장을 이용하는 방법, 열적 팽창에 의한 방법 등 다양한 방법으로 개발되어왔다. 그 중에서 정전력(Electro-static force)을 이용한 컴드라이브(comb drive) 액츄에이터는 정전력의 특성상 응답시간이 빠르고 설계가 간편하여, 수평, 수직, 회전 운동을 만들어 내는 액츄에이터(actuator)로 널리 사용된다.

그러나 정전력을 이용한 구동 방식은 액츄에이터의 크기에 비해서 상대적으로 힘이 약하기 때문에, 강한 힘이 필요한 경우 액츄에이터의 크기가 커지고 작동 전압이 높아지는 단점이 있다. 특히, 광통신 MEMS에 사용될 경우 상대적으로 크고 무거운 미러를 구동시키기 위해서는 그 크기가 매우 커질 수밖에 없다.

이에 반해, 전기 에너지에 의한 열적 팽창을 이용한 열 액츄에이터(thermal actuator)는 제작이 간편하며 상대적으로 강한 힘을 가지고 있어서 정전력을 이용한 액츄에이터의 대체 방법으로 사용될 수 있다.

그러나, 직선 운동은 그 구현이 가능하나 회전 운동은 만들어 내기가 어려웠다. 다양한 형태의 열 액츄에이터의 위상최적 설계에 대한 연구가 있었지만 단순 왕복운동의 확장이었고, 회전운동과 같은 구동은 구체적으로 설계된 바가 없었다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저전압으로 상대적으로 힘이 센 MEMS 구조의 회전형 열 액츄에이터에 관한 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터(rotary thermal actuator)의 설계방법은 전체 설계 영역의 형상을 설정하는 단계, 상기 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 상기 전체 설계 영역을 소정의 개수의 영역으로 분할하는 단계, 상기 분할된 영역에서 상기 전체 설계 영역의 중심에 존재하는 구동체와 상기 전체 설계 영역의 외부 경계에 존재하는 전극을 잇는 열팽창부재의 초기형상, 상기 열팽창부재의 물성치, 상기 분할된 영역의 경계조건을 이용한 위상최적 설계방법을 이용하여 상기 분할된 영역을 설계하는 단계 및 상기 설계된 분할 영역을 상기 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 영역을 설계하는 단계를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터는 열에너지에 의해 열팽창을 하는 열팽창부재, 상기 열팽창부재에 에너지를 공급하는 에너지 공급원 및 상기 열팽창부재에 연결되어 상기 열팽창부재의 열팽창에 의해 회전하는 구동체를 포함하며, 상기 열팽창부재는 상기 회전형 열 액츄에이터의 설계방법으로 설계된 형상이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터 설계방법의 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터 설계방법은 전체 설계 영역의 형상을 정하는 단계(S100), 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 영역을 분할하는 단계(S110), 분할된 영역을 기준으로 열팽창부재의 초기형상, 물성치, 분할된 영역의 경계조건을 이용한 위상 최적 설계방법을 이용하여 분할된 영역을 설계하는 단계(S120) 및 분할된 영역을 기초로 전체 영역을 설계하는 단계(S130)를 포함한다.

또한, 상기의 단계에 의한 결과를 부드럽게 연결되도록 후처리하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 전체 설계 영역의 형상을 정한다(S100). 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정사각형의 형상을 가지는 전체 설계 영역을 보여주는 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원의 형상을 가지는 전체 설계 영역을 보여주는 도면이다.

전체 설계 영역(200)의 형상은 정사각형 일 수 있다. 또한, 원 일 수도 있다. 정사각형, 원 이외에도 전체 설계 영역의 모양은 다양하게 선택될 수 있음은 물론이다.

도면과 같이 전체 설계 영역(200)의 중앙에는 구동체(220) 또는 구동체를 놓기 위한 스테이지가 존재할 수 있다. 스테이지에는 재료가 꽉 찬 것으로 가정할 수 있다. 전체 설계 영역(200)의 외곽에는 열팽창부재(230)에 전기에너지를 공급하는 전극(210)이 형성될 수 있다. 도면에서는 정사각형의 대각선에 있는 양 모서리에는 0V를 또 다른 모서리에는 를 가하고 있다.

도면에서 전체 설계 영역(200)의 크기는 800㎛ x 800㎛ 이고, 구동체(220)의 크기는 도 2a 에서는 100㎛ x 100㎛의 정사각형(220)으로, 도 2b에서는 지름 100㎛의 원(220)으로 하여 설계를 한다. 전체 설계 영역(200)의 형상뿐만 아니라 영역의 크기 및 구동체의 크기, 모양은 다양하게 선택될 수 있음은 당업자 입장에서 또한 자명한 사실이다. 도 2b와 같이 전체 설계 영역(200)의 형상을 원으로 하였을 때에, 도 2a와 동일한 경계조건에서의 설계를 위해 원 바깥부분은 비설계 영역으로 밀도를 1로 고정할 수 있다.

다음, 전체 설계 영역(200)의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 설계 영역(200)을 분할할 수 있다(S110). 도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 설계 영역(200)의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 설계 영역(200)을 분할한 모습을 보여주는 도면이다. 도 3a와 도 3b를 살펴보면 분할된 각 영역을 전체 설계 영역(200)의 중심을 기준으로 소정의 각도(도 3은 4등분하였으므로 360/4 = 90도)만큼 회전시키면 이웃하는 분할 영역과 겹침을 알 수 있다.

설계하고자 하는 것이 회전형 액츄에이터이기 때문에 전체 설계 영역(200)의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 설계 영역(200)을 분할함이 바람직하다. 도 3a에서는 분할된 영역이 정사각형이고, 3b에서는 분할된 영역이 'ㄱ'자 형으로 꺽인 형상임을 알 수 있다. 도 3a와 도 3b는 모두 분할된 모양은 다르지만, 모두 전체 설계 영역(200)의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 됨을 알 수 있다. 이처럼 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 영역을 분할하는 방법은 도 3a와 도 3b에 제시된 방법뿐만 아니라 다양한 방법으로 분할될 수 있음은 당업자라면 자명한 사실이다.

바람직하게는 도 3a와 도 3b와 같이 4등분 할 수 있다. 영역을 분할한 후 해석은 전체 영역에서 하되, 설계 변수는 전체의 1/4만을 사용하여 위상 최적 설계를 수행할 수 있다.

다음, 열팽창부재(230)의 초기형상, 열팽창부재(230)의 물성치, 경계 조건을 이용하여 위상 최적 설계방법으로 분할된 영역을 설계할 수 있다(S120).

열팽창부재(230)의 초기형상은 설계 영역을 모두 균일한 밀도를 가지는 것으로 하여 위상 최적 설계를 하는 것이 일반적이다. 또한, 임의의 초기형상을 부여하여 위상 최적 설계를 수행할 수도 있다.

도 4는 직관적인 설계에 의한 회전형 열 액츄에이터를 보여주는 도면이다.

도 4와 같이 열팽창부재(230)가 구동체(220)에 연결되면 직관적으로 열팽창부재(230)의 팽창과 수축에 의해 구동체(220)가 회전할 것임을 알 수 있다. 열팽창부재(230)가 구동체(220)의 중심을 향하지 않고 구동체(220)의 각 변을 향하여 꼭지점에 이어지도록 연결되므로, 열팽창부재(230)가 팽창을 하면 구동체(220)는 시계 방향으로 토크힘을 받아 회전할 것이고 다시 수축을 하면 반시계 방향으로 토크힘을 받아 회전할 것임을 알 수 있다. 이러한 직관적인 설계를 바탕으로 구동체(220)에 연결되는 열팽창부재(230)의 형상은 도 4와 같이 회전방향으로 대칭이 되도록 형성될 것이며 연결되는 열팽창부재(230)는 구동체에(220)에 회전력을 가할 수 있도록 구동체(220)의 중심을 향하지 않으면서 연결될 것이다.

열팽창부재(230)의 임의의 초기형상을 부여할 때 구동체(220)에 가까워질수록 폭이 가늘어지는 형상으로 함이 바람직하다. 이는 후술할 내용인 위상 최적 설계 결과 나타난 회전형 열 액츄에이터의 형상을 보면 알 수 있다.

구동체(220)와 연결되는 열팽창부재(230)의 다른 쪽 끝은 전기에너지를 공급하는 전극(210)과 이어질 수 있다.

열팽창부재(230)는 실리콘 등 다양한 재질의 물질일 수 있다. 전기에너지의 공급에 따라 열팽창과 열수축을 반복할 수 있는 재질이라면 다양한 재질의 물질이 선택될 수 있음은 물론이다.

열팽창부재(230)의 물성치는 열팽창부재(230)의 재질의 고유의 특성을 나타내는 수치로 다양한 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 영률(Young's modulus), 푸아송비(Poisson's ratio), 두께(Depth), 전기 전도도(Electrical conductivity), 열전도도(Thermal conductivity), 대류 열전달 계수(Convection coefficient), 열팽창계수(Thermal expansion coefficient) 등이 될 수 있다.

사실, 구조물의 변위가 온도와 전기장에 영향을 주기도 하고, 전기 에너지로 인하여 발생된 열 에너지 때문에 구조물의 온도가 올라가고 이는 다시 물성치에 영향을 주어 물성치들은 온도에 대하여 비선형적으로 변화하기도 한다. 여러 다른 실험과 연구에서와 같이 본 발명에서도 이러한 물성치 값들을 선형으로 가정하고 전기와 온도 및 구조로 이어지는 일련의 해석을 이용하여 해석과 최적화를 수행한다.

분할된 영역의 경계 조건은 경계에서의 가용 전압(Applied voltage) 등이 될 수 있다.

전술한 열팽창부재(230)의 초기형상, 물성치, 분할 영역의 경계조건을 기초로 위상 최적 설계방법에 의해 분할된 영역을 설계할 수 있다. 위상 최적 설계방법으로 전통적인 방법인 밀도법을 사용할 수 있다. 밀도법은 유한요소(Finite Element)의 밀도를 0에서 1사이의 중간 밀도값을 가지도록 모델링하여 위상을 정의하여 최적화 과정을 수행하는 방법이다.

바람직하게는, 요소 연결 매개법(Element Connectivity Parameter-ization Method)을 사용할 수 있다. 열 액츄에이터와 같이 다물리계(Multi-physics System) 문제에서는 밀도법으로 물리적인 의미를 가지도록 보간하는 것이 어려운 경우가 발생할 수 있다. 열전달 문제의 해석에서 대류와 관련된 특성 때문에 밀도법을 사용할 경우 물리적으로 있을 수 없는 온도가 해석결과로 나오는 언더슈터(undershoot)문제가 발생할 수가 있기 때문이다. 이러한 문제 등을 해결하기 위해 제안된 방법이 요소 연결 매개법인데, 이는 모든 요소가 원래의 강성을 가지는 대신 요소 사이를 연결하는 링크(Link)의 강성을 변화시키면서 표현하며 위상 최적화를 수행하는 방법이다. Wiley InterScience(www.interscience.wiley.com)에 8월 11일자 온라인 상 게재된 "The element connectivity parameterization formulation for the topology design optimization of multiphysics systems"를 참조하면 자세한 내용을 알 수 있다.

다음, 전술한 방법으로 설계된 분할 영역을 대칭으로 하여 전체 설계 영역(200)을 설계할 수 있다(S130). 전체 설계 영역(200)을 4 등분 한 경우에, 각각의 분할 영역의 모양과 열팽창부재(230)의 초기형상, 물성치 및 경계 조건이 모두 동일하기 때문에 분할 영역에 설계된 모양은 모두 동일할 것이다. 따라서, 분할 영역의 설계 결과를 대칭으로 하여 나머지 분할 영역을 설계할 수 있다.

마지막으로, 전술한 과정으로 전체 영역(200)을 설계한 후에 위상 최적 설계방법에 의한 설계 결과를 더욱 부드럽게 연결되도록 하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다(S140). 설계된 액츄에이터를 실제로 제작하기 위해서는 위상 최적 설계 결과를 적절히 후처리하여 부드럽게 연결되도록 해주어야 하기 때문이다.

도 5a, 도 5b, 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 영역을 4등분하고 설계 영역의 밀도가 균일한 것으로 초기형상을 정의하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이고, 도 6a, 도 6b, 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5와는 달리 전체 설계 영역을 원으로 하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이며, 도 7a, 도 7b, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b와 같이 전체 설계 영역을 분할하고 열팽창부재(230)의 초기형상을 도 5a의 형상으로 하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이다.

도 5, 도 6, 도 7의 결과는 모두 전체 설계 영역의 크기를 800㎛ x 800㎛로 하고, 물성치 값들을 아래의 <표 1>과 같은 실리콘으로 하며, 가용 전압을 6V로 하여 위상 최적 설계된 결과이다.

<표 1>

도 5a, 도 5b, 도 5c의 결과를 보면 열팽창부재(230)는 구동체(220)의 중심을 향하지 않고 구동체(220)에 회전력을 가할 수 있도록 접선 방향으로 4 개가 연결됨을 알 수 있다. 또한 구동체(220)와 연결되는 부분은 구동체(220)에 가까워질수록 열팽창부재(230)가 가늘어지는 형상이며, 구동체(220)와 전극(210)을 잇는 열팽창부재(230)는 중간에 이탈하여 이웃하는 또 다른 전극(210)과 연결됨을 알 수 있다. 각각의 위상 최적 설계의 모양은 다르지만 전체적으로 비슷함을 알 수 있다.

구동전압이 6V일 때 도 5, 도 6, 도 7의 회전형 열 액츄에이터를 ANSYS를 이용하여 해석한 결과 각각 1.1도, 0.9도, 1.2도의 회전변위를 가지는 것으로 나타났다.

본 방법에 의해 제작된 회전형 열 액츄에이터의 성능을 비교해 보기로 한다. 도 8a는 직관적인 설계에 의해 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이고, 도 8b는 전통적으로 MEMS 열 액츄에이터로 많이 사용되는 두 개의 왕복 운동 액츄에이터를 조합하여 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이고, 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이고, 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이며, 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

도 8a는 직관적으로 열팽창에 의해서 구동되는 액츄에이터를 설계, 제작해 본 것이고, 8b는 전통적으로 수평방향으로 왕복운동을 하는 MEMS 열 액츄에이터로 많이 사용되는 형태를 2개 조합하여 회전변위를 얻는 액츄에이터를 제작한 것이다.

모든 액츄에이터는 중앙의 기판(240), 기판(240)의 중앙에 있는 구동체(220), 외곽에 있는 전극(210), 전극(210)과 구동체(220)를 연결하는 열팽창부재(실리콘)(230)를 포함하여 구성된다. 위상 최적 설계의 결과 외에 나타난 부분(각 도면에서 전극에서 뻗어 나와 구동체를 향하는 부분)(250)은 회전 변위를 측정하기 위한 게이지(gage)이다. 전극의 전압은 모두 6V이다.

각각의 액츄에이터를 웨이퍼 2장에서 20개를 샘플로 제작하여 실험을 수행하여 각각의 경우에 대하여 회전각도의 평균과 표준편차를 계산한 결과가 <표 2>에 나타나 있다.

<표 2>

표 2의 데이터를 살펴보면 본 발명에 따라 위상 최적 설계방법으로 설계한 액츄에이터(도 8c, 도 8d, 도 8e)가 직관적으로 설계한 경우(도 8a)와 전통적 형상의 선형 액츄에이터의 조합으로 설계한 경우(도 8b)에 비해서 약 2.5배의 월등한 성능을 가짐을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 열 액츄에이터는 열 에너지에 의해 열팽창을 하는 열팽창부재(230), 열팽창부재(230)에 에너지를 공급하는 에너지 공급원(210) 및 열팽창부재(230)에 연결되어 상기 열팽창부재(230)의 열팽창에 의해 회전하는 구동체(220)를 포함하는 데, 열팽창부재(230)는 전술한 회전형 열 액츄에이터의 설계 방법에 의한 형상일 수 있다.

에너지 공급원은 전기 에너지를 공급하는 전극(210)일 수 있다.

회전형 열 액츄에이터의 구성과 각 구성의 특성은 전술한 회전형 열 액츄에이터의 설계방법에 상술하였으므로 설명을 생략하기로 한다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 회전형 열 액츄에이터 설계방법 및 회전형 열 액츄에이터에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, MEMS 구조에서 회전 성능이 우수한 열 액츄에이터를 만들 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 회전형 열 액츄에이터는 낮은 전압으로 상대적으로 큰 힘을 가진다는 장점도 있다.

셋째, 정전력 액츄에이터와 비슷한 정도의 제작 용이성을 가지고 강한 힘을 가지므로 정전력을 이용한 액츄에이터를 대체할 수 있다는 장점도 있다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정사각형의 형상을 가지는 전체 설계 영역을 보여주는 도면이다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원의 형상을 가지는 전체 설계 영역을 보여주는 도면이다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 설계 영역을 분할한 모습을 보여주는 도면이다.

도 5a, 도 5b, 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 영역을 4등분하고 설계 영역의 밀도가 균일한 것으로 초기형상을 정의하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이다.

도 6a, 도 6b, 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5와는 달리 전체 설계 영역을 원으로 하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이다.

도 7a, 도 7b, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b와 같이 전체 설계 영역을 분할하고 열팽창부재의 초기형상을 도 5a의 형상으로 하여 위상최적 설계된 밀도 분포와 온도 분포 및 후처리 결과를 나타내는 도면이다.

도 8a는 직관적인 설계에 의해 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

도 8b는 전통적으로 MEMS 열 액츄에이터로 많이 사용되는 두 개의 왕복 운동 액츄에이터를 조합하여 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7에 따라 제작된 액츄에이터를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200: 전체 설계 영역

210: 전극

220: 구동체

230: 열팽창부재

Claims

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열에너지에 의해 열팽창을 하는 열팽창부재;

상기 열팽창부재에 에너지를 공급하는 에너지 공급원; 및

상기 열팽창부재에 연결되어 상기 열팽창부재의 열팽창에 의해 회전하는 구동체를 포함하며,

상기 열팽창부재는 전체 설계 영역의 형상을 설정하는 단계;

상기 전체 설계 영역의 중심을 기준으로 회전방향으로 대칭이 되도록 상기 전체 설계 영역을 소정의 개수의 영역으로 분할하는 단계;

상기 분할된 영역에서 상기 전체 설계 영역의 중심에 존재하는 구동체와 상기 전체 설계 영역의 외부 경계에 존재하는 전극을 잇는 열팽창부재의 초기형상, 상기 열팽창부재의 물성치, 상기 분할된 영역의 경계조건을 이용한 위상 최적 설계방법을 이용하여 상기 분할된 영역을 설계하는 단계; 및

상기 설계된 분할 영역을 상기 회전방향으로 대칭이 되도록 전체 영역을 설계하는 단계를 포함하는 방법으로 설계되며,

상기 열팽창부재는 상기 전극에서 이어져 상기 구동체에 회전력을 전달하도록 상기 구동체의 접선 방향으로 연결되며, 상기 전극과 상기 구동체 사이에 이탈하여 이웃하는 전극과 연결되는 형상이 상기 구동체를 중심으로 회전방향으로 4개 형성되는 형상인 회전형 열 액츄에이터.
제 10 항에 있어서,

상기 에너지 공급원은 전극으로 전기에너지를 공급하는 회전형 열 액츄에이터.
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제 10 항에 있어서,

상기 열팽창부재는 상기 구동체에 가까워질수록 폭이 가늘어지는 형상인 회전형 열액츄에이터.