KR100924097B1 - 압전 리니어 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 리니어 액츄에이터에 관한 것으로서, 슬라이더(Slider) 사이에 위치하고, 일 측이 지지면에 고정되어 슬라이더를 이동시키는 압전 소자와, 압전 소자의 타 측에 접착되고 압전 소자의 변형에 따라 슬라이더와 접촉되어 물려짐으로써 압전 소자의 변형력을 슬라이더에 전달하는 클램퍼(Clamper)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 한 개의 압전 소자를 이용하여 슬라이더를 좌우로 이동시킬 수 있기 때문에 액츄에이터의 크기를 소형화할 수 있고, 기존 방식에 비해 구동 신호가 단순하여 구동 회로의 크기를 줄일 수 있다.
압전 리니어, 액츄에이터, 압전 소자, 클램퍼, 슬라이더

Description

압전 리니어 액츄에이터{ Piezoelcetric linear actuator }
본 발명은 압전 리니어 액츄에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한 개의 압전 소자를 사용하여 슬라이더를 이동시킬 수 있는 압전 리니어 액츄에이터에 관한 것이다.
최근, 가공·조립 시스템의 마이크로화가 생산 기계 분야에서 국제적인 이슈가 되고 있으며, 멤스(MEMS : Micro-Electro Mechanical System) 등과 같은 마이크로기술의 발전에 의해 가공·조립 기계 및 시스템의 초소형화가 가능해지고 있다.
특히, 압전 소자를 이용한 압전 리니어(Piezoelcetric Linear) 액츄에이터는 미세 이동이 용이하여 핸드폰의 줌 기능 또는 ODD(Optical Disk Drive)용 픽업을 수행하기 위한 용도에 주로 이용된다.
상기 압전 리니어 액츄에이터는 다수의 압전 소자, 변위 이동부, 가이드 레일 등으로 구성되어, 다수의 압전 소자들의 기계적인 변형에 의해 그와 연결된 변위 이동부가 가이드 레일 내에서 일측 방향으로 이동하는 소자이다.
도 1은 일반적인 압전 리니어 액츄에이터를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 가이드 레일(100) 사이에 각각 위치하는 제1 압전 소자(110) 및 제2 압전 소자(120)와, 상기 제1 압전 소자(110) 및 제2 압전 소자(120) 각각에 결합되며, 상기 제1 압전 소자(110) 및 제2 압전 소자(120)의 변형에 따라 양측이 상기 가이드 레일(100)에 각각 접촉되는 제1 클램프(131) 및 제2 클램프(134)와, 상기 제1 압전 소자(110) 및 제2 압전 소자(120) 사이에 형성되며, 프레임(150)으로 둘러싸여 있는 제3 압전 소자(140)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 압전 리니어 방식의 액츄에이터는, 인가된 전압에 따른 각 압전 소자(110, 120, 140)들의 기계적인 변형에 의해 가이드 레일(100)을 따라 우측 또는 좌측으로 이동하게 된다.
도 2a 내지 도 2f는 일반적인 압전 리니어 액츄에이터가 우측으로 이동하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 좌측에 위치한 제1 압전 소자(110)가 인가된 신호 전압에 따라 팽창하면, 그와 연결된 제1 클램프(131)가 가이드 레일(100)에 접촉된다.
이 상태에서, 가운데 부분에 위치한 제3 압전 소자(140)가 신호 전압을 인가받아 팽창하면, 가이드 레일(100)로부터 떨어져 있는 제2 클램프(134)가 우측 방향으로 밀려지게 되어 소정 거리만큼 이동하게 된다(도 2b).
다음으로, 제2 압전 소자(120)가 인가된 신호 전압에 따라 팽창하면, 그와 연결된 제2 클램프(134)가 가이드 레일(100)에 접촉된다(도 2c). 이때, 제3 압전 소자(140)는 팽창한 상태를 유지하도록 신호 전압이 계속 인가되도록 한다.
그리고, 상기 팽창된 제1 압전 소자(110)가 신호 전압의 차단으로 원래의 상태로 되면, 가이드 레일(100)에 부착된 제1 클램프(131)가 가이드 레일(100)로부터 떨어지게 된다(도 2 d).
다음으로, 상기 팽창한 제3 압전 소자(140)가 신호 전압의 차단으로 원래의 상태로 되면, 가이드 레일(100)로부터 떨어진 제1 클램프(131)가 우측 방향으로 소정 거리만큼 이동하게 된다(도 2e).
그리고, 상기 제1 압전 소자(110)가 인가된 신호 전압에 따라 팽창하면, 그와 연결된 제1 클램프(131)가 가이드 레일(100)에 접촉하여 한 사이클 동안의 압전 소자의 이동이 완료된다.
전술한 동작이 순차적으로 반복되면, 압전 리니어 액츄에이터는 우측 방향으로 원하는 거리만큼 이동할 수 있게 된다.
상기 압전 리니어 액츄에이터는 이동형 단말기의 오토 포커싱을 위해서나 나노 단위로 위치를 결정하는 초정밀 위치 결정 기구 등에 사용되는데, 그로 인해 소형화가 요구되고 있다.
그러나, 종래의 압전 리니어 액츄에이터는 부품수도 많이 요구되고, 압전 소자를 3개 이상 사용하기 때문에 소형화하는데 한계가 있다.
그리고, 3개의 압전 소자 각각에 여러 단계의 상이한 구동 신호를 인가하여야 하기 때문에 구동 회로가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 기존의 압전 리니어 액츄에이터는 각 압전 소자마다 신호 선이 부착되어 있어, 액츄에이터의 움직임에 따라 신호 선도 함께 이동하게 되는 불편함이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터의 바람직한 실시예는, 상호 이격되어 있는 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더; 다수 개의 적층된 압전 시트, 상기 압전 시트의 일측에 형성되어 상기 압전 시트의 적층 방향으로 팽창 또는 수축하는 클램핑부 및 상기 압전 시트의 타측에 형성되어 상기 압전 시트의 길이 방향으로 팽창 또는 수축하는 변위 확대/축소부를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더 사이에 위치하고, 상기 변위 확대/축소부가 지지면에 고정되어 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더를 이동시키는 압전 소자; 및 상기 클램핑부에 접착되고, 상기 클램핑부의 변형에 따라 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더와 접촉되어 물려져 상기 변위 확대/축소부의 변형력을 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더에 전달하는 클램퍼(Clamper)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 클램퍼는 탄성력을 가진 재질로 이루어져 상기 압전 소자의 변형에 따라 팽창 또는 수축되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전 소자는, 다수 개의 적층된 압전 시트와, 상기 압전 시트의 일 측에 형성되어 상기 압전 시트의 적층 방향으로 팽창 또는 수축하는 클램핑부와, 상기 클램핑부 이외의 영역에 형성되어 상기 압전 시트의 길이 방향으로 팽창 또는 수축하는 변위 확대/축소부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 클램핑부와 변위 확대/축소부로 이루어진 압전 소자를 이용하여 슬라이더를 좌우로 이동시킬 수 있기 때문에 액츄에이터의 크기를 소형화할 수 있고, 기존 방식에 비해 구동 신호가 단순하여 구동 회로의 크기를 줄일 수 있다.
그리고, 신호를 받는 부위인 압전 소자가 고정되어 있기 때문에, 신호 인가선을 위치시키기가 쉬워진다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터에 대해 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터의 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 압전 리니어 액츄에이터는 도 3 및 후술된 설명을 참조하면, 상호 이격되어 있는 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)와; 다수 개의 적층된 압전 시트, 상기 압전 시트의 일 측에 형성되어 상기 압전 시트의 적층 방향으로 팽창 또는 수축하는 클램핑부(211) 및 상기 압전 시트의 타측에 형성되어 상기 압전 시트의 길이 방향으로 팽창 또는 수축하는 변위 확대/축소부(214)를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202) 사이에 위치하고, 상기 변위 확대/축소부(214)에 고정되어 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)를 이동시키는 압전 소자(210)와; 및 상기 클램핑부(211)에 접착되고, 상기 클램핑부(211)의 변형에 따라 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)와 접촉되어 물려져 상기 변위 확대/축소부(214)의 변형력을 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)에 전달하는 클램퍼(Clamper)(220)로 이루어진다.
여기서, 상기 압전 소자(210)는 적층된 다수의 압전 시트에 클램핑부(211)와 변위 확대/축소부(214)가 형성되어 이루어지는데, 상기 클램핑부(211)는 인가되는 전압에 따라 압전 소자(210)의 해당 부위를 상기 압전 시트의 적층방향으로 팽창 또는 수축시키며, 상기 변위 확대/축소부(214)는 인가되는 전압에 따라 압전 소자(210)의 해당 부위를 좌우로 팽창 또는 수축시킨다. 상기 압전 소자(210)의 자세한 구성은 후술하기로 한다.
상기 클램퍼(Clamper)(220)는 탄성력을 가진 재질로 이루어지며, 상기 클램핑부(211)의 수축 또는 팽창에 따라 함께 수축 또는 팽창되어, 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)로부터 떨어지거나 접촉하게 된다.
본 발명에서는 압전 소자(210)의 일측이 지지면(200)에 고정되어 있기 때문에, 압전 소자(210)의 변형으로 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202) 자체가 일정한 방향으로 움직이게 된다. 여기서, 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)는 서로 연결되어 하나의 프레임으로 구성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면이다. 여기서는 슬라이더가 우측 방향으로 이동하는 경우를 나타내었다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 클램퍼(220)가 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)에 접촉되어 물려 있는 상태에서(도 4a), 압전 소자(210)의 변위 확대/축소부(214)에 신호 전압을 인가하여 팽창시키면, 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)가 우측으로 이동하게 된다(도 4b).
즉, 본 발명에서 압전 소자(210)는 지지면(200)에 고정되어 있으므로, 변위 확대/축소부(214)의 팽창으로 슬라이더가 우측으로 움직이게 된다.
다음으로, 압전 소자(210)의 클램핑부(211)에 신호 전압을 인가하여 클램핑부(211)를 수축시키면, 클램핑부(211)에 접착되어 있는 클램퍼(220)도 함께 수축되어 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)로부터 떨어지게 된다(도 4c).
이어서, 상기 변위 확대/축소부(214)에 인가된 신호 전압을 차단하면, 팽창되어 있던 상태에서 원래의 상태로 되돌아온다(도 4d).
연이어, 상기 클램핑부(211)에 인가된 신호 전압을 차단하면, 수축되어 있던 상태에서 원래의 상태로 복귀하여 상기 클램퍼(220)가 다시 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)에 접촉되어 물려 있는 상태가 된다(도 4e).
그 후, 압전 소자(210)의 변위 확대/축소부(214)에 신호 전압을 인가하여 팽창시키면, 상기 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)가 또다시 우측으로 이동하며 이러한 동작을 반복하여 수행하면 슬라이더를 원하는 거리 만큼 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 한 개의 압전 소자를 이용하여 슬라이더를 좌우로 이동시킬 수 있기 때문에 액츄에이터의 크기를 소형화할 수 있고, 기존 방식에 비해 구동 신호가 단순하여 구동 회로의 크기를 줄일 수 있다.
그리고, 신호를 받는 부위인 압전 소자가 고정되어 있기 때문에, 신호 인가선을 위치시키기가 쉬워진다.
한편, 클램핑부(211)를 팽창시켜 클램퍼(220)가 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)에 접촉되어 물리게 한 후, 변위 확대/축소부(214)를 팽창시켜 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)를 우측으로 이동시키고, 클램핑부(211)를 수축시켜 클램퍼(220)가 상부 슬라이더(201) 및 하부 슬라이더(202)로부터 떨어지게 한 후, 변위 확대/축소부(214)를 수축시켜 본래 상태로 되돌아오게 하여 슬라이더을 이동시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터에 사용되는 압전 소자의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 압전 소자는 복수 개의 압전 시트(S)가 적층되어 이루어지고, 각 압전 시트(S)는 일 측에 전극 판(311 또는 312)을 구비하며, 상호 이격된 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)을 구비한다.
각 압전 시트(S)는 상기 전극 판(311, 312)이 상호 엇갈리게 적층되어 클램핑부(310)를 이루고, 상기 압전 시트(S) 각각에 형성된 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)이 변위 확대/축소부(320)를 이룬다.
이와 같이, 구성된 압전 소자는 상기 전극 판(311, 312)에 인가되는 신호 전압에 따라 압전 시트(S)의 적층 방향으로 해당 부분이 팽창 또는 수축하고, 상기 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)에 인가되는 신호 전압에 따라 압전 시트(S)의 길이 방향으로 해당 부분이 팽창 또는 수축하게 된다.
여기서, 상기 클램핑부(310)의 전극 판(311, 312)은 층간 배선으로 상호 간에 전기적으로 연결되는데, 같은 부호끼리(즉, 부호 311 전극 판 끼리 그리고 부호 312 전극 판 끼리) 한 층 걸러 층간 배선으로 각각 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 변위 확대/축소부(320)의 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)도 층간 배선으로 각각 전기적으로 연결된다. 즉, 각 압전 시트(S)마다 형성된 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)이 층간 배선을 통해 전기적으로 연결된다.
상기 전극 판(311, 312)과 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)은 금속 페이스트를 도포하여 형성한 것으로, 상기 금속으로는 백금, 팔라듐, 은-팔라듐 합금 또는 은을 사용할 수 있으며, 하소 세라믹 분말을 함유하여 사용할 수 있다.
그리고 상기 압전 시트(S)에 사용되는 압전 물질로는 강유전체인 지르콘산납(PbZrO3)과, 반 강유전체인 티탄산 지르콘산납(PbZrO3-PbTiO3) 계 압전 세라믹스 를 사용할 수 있다
도 6은 본 발명의 압전 소자에서 변위 확대/축소부의 구성을 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 변위 확대/축소부의 제1 전극과 제2 전극은 각각 전극 패드(321-1, 322-1)와 이에 연장되어 있는 전극 몸체(321-2, 322-2)로 구성된다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 스트라이프(Stripe) 형상을 가지며, 상호 간에 소정 거리 만큼 이격되어 어긋나게 형성된다.
이와 같이 구성된 제1 전극 및 제2 전극은 제1 전극 패드(321-1) 및 제2 전극 패드(322-1)로 인가된 상이한 크기의 전압을 각 전극 몸체(321-2, 322-2)로 전달하게 되고, 그 결과 해당 압전 시트를 구성하는 압전 물질에서 양전하와 음전하가 분극되어 기계적인 진동이 발생하게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정 해져야 한다.
도 1은 일반적인 압전 리니어 액츄에이터를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2e는 일반적인 압전 리니어 액츄에이터가 우측으로 이동하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터의 실시예를 나타낸 도면.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 압전 리니어 액츄에이터에 사용되는 압전 소자의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 압전 소자에서 변위 확대/축소부의 구성을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
200 : 지지면 201 : 상부 슬라이더
202 : 하부 슬라이더 210 : 압전 소자
211 : 클램핑부 214 : 변위 확대/축소부
220 : 클램퍼

Claims (6)

  1. 상호 이격되어 있는 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더;
    다수 개의 적층된 압전 시트, 상기 압전 시트의 일측에 형성되어 상기 압전 시트의 적층 방향으로 팽창 또는 수축하는 클램핑부 및 상기 압전 시트의 타측에 형성되어 상기 압전 시트의 길이 방향으로 팽창 또는 수축하는 변위 확대/축소부를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더 사이에 위치하고, 상기 변위 확대/축소부가 지지면에 고정되어 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더를 이동시키는 압전 소자; 및
    상기 클램핑부에 접착되고, 상기 클램핑부의 변형에 따라 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더와 접촉되어 물려져 상기 변위 확대/축소부의 변형력을 상기 상부 슬라이더 및 하부 슬라이더에 전달하는 클램퍼(Clamper)를 포함하여 이루어지는 압전 리니어 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클램퍼는 탄성력을 가진 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 액츄에이터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클램핑부는,
    상기 다수 개의 압전 시트 각각에 제1 전극 판과 제2 전극 판이 층마다 교대로 엇갈리게 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변위 확대/축소부는,
    상기 다수 개의 압전 시트 각각에 제1 전극 및 제2 전극이 상호 이격되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 액츄에이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은,
    복수 개가 교대로 배치되되, 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 액츄에이터.
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