KR101066847B1 - Piezo-driven ultra-precision stage using flexure-based parallel mechanical amplification mechanisms - Google Patents

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최기봉
이재종
김기홍
임형준
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한국기계연구원
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Abstract

압전소자의 변위를 증폭시켜 대변위 구동이 가능하면서 동특성 또한 향상되는 압전소자 구동 초정밀 스테이지가 개시된다. 본 발명에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지는 출력플레이트, 전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 추력용 압전소자와 상기 추력용 압전소자의 인장에 따라 일 방향으로 회전하는 추력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 추력을 발생시키는 추력용 변위확대부, 전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 인력용 압전소자와 상기 인력용 압전소자의 인장에 따라 상기 추력용 연결플레이트와 같은 방향으로 회전하는 인력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 인력을 발생시키는 인력용 변위확대부, 그리고 상기 추력용 변위확대부와 상기 인력용 변위확대부의 일단을 접촉 연결하는 입력플레이트를 포함하고, 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트는 상기 입력플레이트와 상기 출력플레이트에 탄성힌지로 연결되어 상기 추력용 및 인력용 압전소자의 인장에 의해 상기 입력플레이트가 상기 인장의 방향으로 이동함과 동시에 변위되고 상기 입력플레이트의 이동에 따른 상기 탄성힌지의 변형에 의한 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트의 회전으로 인해 상기 출력플레이트가 변위된다. 이와 같은 구성에 의하면, 압전소자의 인장에 의한 변위가 확대되어 출력플레이트에 전달되는바 대변위 구동이 가능해지고, 출력플레이트의 양쪽에 구비되는 변위 증폭기구에서 각각 추력과 인력을 발생시켜 상기 출력플레이트에 작용되는 힘이 배가되는바 동특성이 개선될 수 있다.Disclosed is a piezoelectric element driving ultra-precision stage in which the displacement of the piezoelectric element is amplified to enable large displacement driving and the dynamic characteristics are also improved. The piezoelectric element driving ultra-precision stage according to the present invention includes an output plate, a thrust piezoelectric element that stretches in the longitudinal direction when a voltage is applied, and a thrust connecting plate that rotates in one direction according to the tension of the thrust piezoelectric element. Displacement expansion part for thrust to generate a thrust on the plate, the manpower connecting plate that rotates in the same direction as the thrust connecting plate according to the tension of the manpower piezoelectric element and the manpower piezoelectric element to tension in the longitudinal direction when a voltage is applied And an input plate for contacting one end of the thrust displacement enlargement portion and the attraction displacement enlargement portion to generate an attractive force to the output plate, and the thrust displacement enlargement portion. Is connected to the input plate and the output plate by an elastic hinge Rotation of the thrust and manpower connecting plates due to the deformation of the elastic hinge according to the movement of the input plate while the input plate moves in the direction of the tension due to the tension of the thrust and manpower piezoelectric elements. This causes the output plate to be displaced. According to such a configuration, the displacement due to the tension of the piezoelectric element is enlarged and transmitted to the output plate, so that the large displacement drive can be performed, and the output plate is generated by generating the thrust and the attraction force in the displacement amplifier holes provided on both sides of the output plate. The force acting on the doubling the dynamic characteristics can be improved.

Description

병렬배치된 탄성힌지기반 증폭기구에 의한 압전소자 구동 초정밀 스테이지{PIEZO-DRIVEN ULTRA-PRECISION STAGE USING FLEXURE-BASED PARALLEL MECHANICAL AMPLIFICATION MECHANISMS}Piezoelectric element-driven ultra-precision stage by parallel-arranged elastic hinge-based amplifier sphere {PIEZO-DRIVEN ULTRA-PRECISION STAGE USING FLEXURE-BASED PARALLEL MECHANICAL AMPLIFICATION MECHANISMS}

본 발명은 압전소자 구동 초정밀 스테이지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 압전소자의 변위를 증폭시켜 대변위 구동이 가능하면서 동특성 또한 향상되는 압전소자 구동 초정밀 스테이지에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element driving ultra-precision stage, and more particularly, to a piezoelectric element driving ultra-precision stage in which the displacement of the piezoelectric element is amplified and the displacement is large, and the dynamic characteristics are improved.

일반적으로, 나노 분해능을 갖는 초정밀 스테이지는 압전소자 또는 전자기력을 이용하여 물체를 탑재한 이동프레임에 힘을 인가하며, 인가된 힘이 원하는 방향으로만 작용하도록 간단한 탄성체에 의한 스프링기구를 이용하여 운동을 안내하였다.In general, an ultra-precision stage having nano resolution applies a force to a moving frame on which an object is mounted using a piezoelectric element or electromagnetic force, and uses a spring mechanism by a simple elastic body to apply the applied force only in a desired direction. Guided.

이러한 초정밀 스테이지는 이동프레임의 각 변에 한 쌍의 탄성체가 각각 구비되고, 이 탄성체에는 복합스프링이 연결되어 이동프레임을 X축 또는 Y축으로 이동시키게 된다.The ultra-precision stage is provided with a pair of elastic bodies on each side of the moving frame, the composite spring is connected to move the moving frame in the X-axis or Y-axis.

이 경우, 복합스프링은 별도의 구동장치와 변위확대기구를 사용하여 힘을 전달시키는 것으로, 별도의 비용이 발생하는 문제점이 있다.In this case, the composite spring is to transfer the force by using a separate drive device and the displacement expansion mechanism, there is a problem that a separate cost occurs.

그리고 구동장치와 변위확대기구는 복합스프링과 접촉하거나 인접한 곳에 위치되어야 함으로, 설치장소에 제약이 따르고, 구조가 복잡한 문제점이 있다.In addition, since the driving device and the displacement expanding mechanism should be located in contact with or adjacent to the complex spring, there is a problem in the installation place and the structure is complicated.

또한, 변위확대기구는 출력측에 확대된 변위는 얻을 수 있으나, 출력측에 발생되는 힘이 축소되어 나타나기 때문에 출력측의 동특성이 나빠지게 된다.In addition, the displacement enlargement mechanism can obtain the displacement enlarged on the output side, but the dynamic force on the output side becomes worse because the force generated on the output side is reduced.

따라서, 이러한 변위확대기구의 동특성을 향상시키기 위해 출력측에 발생되는 힘을 배가시켜야 할 필요성이 있다.Therefore, there is a need to double the force generated on the output side in order to improve the dynamic characteristics of the displacement expanding mechanism.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 2개의 압전소자가 동시에 양의 방향으로 구동될 때, 탄성힌지기반 변위증폭기구를 이용하여 압전소자의 변위를 확대시켜 구동범위가 확대된 압전소자 구동 초정밀 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and when two piezoelectric elements are simultaneously driven in the positive direction, the piezoelectric element has an extended driving range by expanding the displacement of the piezoelectric element using an elastic hinge-based displacement amplifier. It is an object to provide an element drive ultra-precision stage.

본 발명의 다른 목적은 한쪽 변위 증폭기구에서는 출력플레이트에 추력을 발생시키고, 다른 한쪽 변위 증폭기구에서는 출력플레이트에 인력을 발생시키도록 구성하여 출력플레이트에 작용하는 힘이 배가되는바, 동특성이 개선된 압전소자 구동 초정밀 스테이지를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to generate a thrust on the output plate in one displacement amplifier sphere, and to generate an attraction force in the output plate in the other displacement amplifier sphere, the force acting on the output plate is doubled, the dynamic characteristics are improved It is to provide a piezoelectric element drive ultra-precision stage.

본 발명의 또 다른 목적은 압전소자와 입력플레이트가 접촉 연결되고 상기 입력플레이트가 출력플레이트에 힘을 전달할 수 있는 탄성힌지에 바로 연결되는바, 압전소자의 인장력이 바로 입력플레이트를 통해 출력플레이트에 전달되어 그 구조가 간단해지는 압전소자 구동 초정밀 스테이지를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is that the piezoelectric element and the input plate are directly contacted and the input plate is directly connected to an elastic hinge capable of transmitting a force to the output plate, and the tensile force of the piezoelectric element is directly transmitted to the output plate through the input plate. To provide a piezoelectric element drive ultra-precision stage to simplify the structure.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자 구동 초정밀 스테이지는 출력플레이트, 전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 추력용 압전소자와 상기 추력용 압전소자의 인장에 따라 일방향으로 회전하는 추력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 추력을 발생시키는 추력용 변위확대부, 전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 인력용 압전소자와 상기 인력용 압전소자의 인장에 따라 상기 추력용 연결플레이트와 같은 방향으로 회전하는 인력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 인력을 발생시키는 인력용 변위확대부, 그리고 상기 추력용 변위확대부와 상기 인력용 변위확대부의 일단을 접촉 연결하는 입력플레이트를 포함하고, 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트는 상기 입력플레이트와 상기 출력플레이트에 탄성힌지로 연결되어 상기 추력용 및 인력용 압전소자의 인장에 의해 상기 입력플레이트가 상기 인장의 방향으로 이동함과 동시에 변위되고 상기 입력플레이트의 이동에 따른 상기 탄성힌지의 변형에 의한 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트의 회전으로 인해 상기 출력플레이트가 변위된다.The piezoelectric element driving ultra-precision stage according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is an output plate, in one direction according to the tension of the thrust piezoelectric element and the thrust piezoelectric element to tension in the longitudinal direction when a voltage is applied. A thrust displacement enlargement unit including a thrust connecting plate for rotating and generating a thrust on the output plate, and connecting the thrust according to the tension of the attraction piezoelectric element and the attraction piezoelectric element when a voltage is applied; An attraction plate including an attraction plate that rotates in the same direction as the plate, and an attraction plate for expanding the attraction plate, and an input plate for contacting the thrust displacement zone and one end of the attraction zone. The thrust and manpower connecting plate includes the input plate and Connected to an output plate by an elastic hinge, the input plate is displaced at the same time as the tension plate is moved by the tension of the thrust and attraction piezoelectric elements, and the deformation of the elastic hinge due to the movement of the input plate. The output plate is displaced due to the rotation of the thrust and attraction connecting plates.

이 경우, 상기 입력플레이트는 상기 추력용 변위확대부 와 상기 인력용 변위확대부의 양단에 각각 구비되는 것이 바람직하다.In this case, the input plate is preferably provided at both ends of the thrust displacement expansion unit and the attraction displacement expansion unit.

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한편, 상기 출력플레이트는 돌출부를 더 포함하고 상기 추력용 또는 인력용 압전소자의 인장방향으로 상기 돌출부의 상측과 하측에 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트가 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 탄성힌지는 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트의 회전을 용이하게 하기 위하여 경사지게 배치될 수 있다.On the other hand, the output plate further comprises a protrusion and the thrust or attraction force connection plate is preferably disposed on the upper side and the lower side of the protrusion in the tensile direction of the piezoelectric element for the thrust or attraction. At this time, the elastic hinge may be inclined to facilitate the rotation of the thrust or attraction connecting plate.

실시예에 의하면, 상기 탄성힌지는 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트의 상하 양측에 연결되되 상기 연결플레이트의 중심에서 각각 좌우로 오프셋(offset)시켜 연결되는 것이 바람직하다.According to an embodiment, it is preferable that the elastic hinge is connected to both upper and lower sides of the thrust or manpower connection plate, and are connected by offsetting the left and right sides from the center of the connection plate, respectively.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 2개의 압전소자가 동시에 양의 방향으로 구동될 때, 탄성힌지기반 변위증폭기구를 이용하여 압전소자의 변위를 확대시킬 수 있는바 대변위 구동이 가능해 진다.According to the present invention having the configuration as described above, first, when two piezoelectric elements are driven simultaneously in the positive direction, the displacement of the piezoelectric element can be expanded by using the elastic hinge-based displacement amplifier mechanism. It becomes possible.

둘째, 압전소자 구동 초정밀 스테이지의 한쪽 변위 증폭기구에서는 출력플레이트에 추력을 발생시키고, 다른 한쪽 변위 증폭기구에서는 출력플레이트에 인력을 발생시키도록 구성되는바, 출력플레이트에 작용되는 힘이 배가되어 동특성이 개선된다.Second, in one displacement amplifier section of the piezoelectric element driving ultra-precision stage, thrust is generated in the output plate, and in the other displacement amplifier section, it is configured to generate attraction force in the output plate. Is improved.

셋째, 압전소자의 인장력이 입력플레이트를 통하여 바로 출력플레이트로 전달되는바 그 기구적 구성이 단순해지고 이로 인해 운동하는 물체의 수가 줄어들어 시스템을 제어하기 위한 시스템의 수학적 모델링이 간단해 진다.Third, the tensile force of the piezoelectric element is directly transmitted to the output plate through the input plate, and the mechanical configuration thereof is simplified, thereby reducing the number of moving objects, which simplifies the mathematical modeling of the system for controlling the system.

넷째, 탄성힌지의 수를 최대한 줄이면서 대변위 구동과 동특성이 개선되는 스테이지를 제시하는바, 가공비가 절약되어 결과적으로 비용의 절감을 가져온다.Fourth, it proposes a stage in which the displacement and the dynamic characteristics are improved while reducing the number of elastic hinges as much as possible, resulting in a reduction in processing cost and consequently a cost reduction.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 압전소자 구동 초정밀 스테이지의 추력용 변위확대부를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 2의 추력용 변위확대부의 작동을 도시한 도면,
도 4는 도 1의 압전소자 구동 초정밀 스테이지의 인력용 변위확대부를 도시한 도면,
도 5는 도 4의 인력용 변위확대부의 작동을 도시한 도면, 그리고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지의 작동상태를 도시한 도면이다.1 is a view showing a piezoelectric element driving ultra-precision stage according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 schematically illustrates a thrust displacement expanding unit of the piezoelectric element driving ultra-precision stage of FIG. 1;
3 is a view showing the operation of the thrust displacement enlargement of Figure 2,
FIG. 4 is a drawing illustrating a displacement expanding part for attraction of the piezoelectric element driving ultra-precision stage of FIG. 1;
5 is a view showing the operation of the displacement expanding portion for the manpower of Figure 4, and
6 is a diagram illustrating an operating state of the piezoelectric element driving ultra-precision stage according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)는 다수의 압전소자를 병렬로 배치하여 추인력(push-pull) 방식으로 한쪽에서 밀면 한쪽에서는 잡아 당기는 힘이 발생되도록 구성된 스테이지이다. 이러한 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)는 출력플레이트(100), 추력용 변위확대부(200), 인력용 변위확대부(300), 입력플레이트(400), 그리고 탄성힌지(500)를 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 1을 제시한다.The piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 according to the preferred embodiment of the present invention is a stage configured to generate a pulling force on one side when a plurality of piezoelectric elements are arranged in parallel and pushed from one side in a push-pull manner. . The piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 includes an output plate 100, a thrust displacement expanding unit 200, a manpower displacement expanding unit 300, an input plate 400, and an elastic hinge 500. 1 is shown for more detailed description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)를 도시한 도면이다.1 is a view showing a piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 according to an embodiment of the present invention.

출력플레이트(100)는 주로 초정밀 부품이 올려지는데, 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)에서 결과적인 변위가 나타나는 부분으로 초정밀 부품이나 별도의 이동되는 프레임을 변위 시킨다. 이러한 출력플레이트(100)의 양측에는 추력용 변위확대부(200)와 인력용 변위확대부(300)가 위치한다. 그 위치는 제한하지 않으나, 본 실시예 에서는 설명을 위하여 도 1의 도시와 같이 추력용 변위확대부(200)가 출력플레이트(100)의 왼쪽에 위치되는 것으로 예시한다.The output plate 100 is mainly mounted on the ultra-precision component, the piezoelectric element drive the ultra-precision stage (1) to displace the ultra-precision component or a separate moving frame to the portion where the resulting displacement appears. The thrust displacement expanding unit 200 and the attraction displacement expanding unit 300 are located at both sides of the output plate 100. The position is not limited, but in the present exemplary embodiment, the thrust displacement expanding unit 200 is positioned to the left of the output plate 100 as illustrated in FIG. 1.

입력플레이트(400)는 추력용 변위확대부(200)와 인력용 변위확대부(300)의 일단과 접촉 연결되어 구비된다. 따라서, 추력용 변위확대부(200)에서 발생하는 힘과 인력용 변위확대부(300)에서 발생하는 힘은 입력플레이트(400)에 전달되고, 상기 입력플레이트(400)와 출력플레이트(100) 사이에 구비되는 탄성힌지(500)의 변형으로 인해 각각 추력과 인력으로 상기 출력플레이트(100)에 전달된다. 한편, 입력플레이트(400)는 추력용 변위확대부(200)와 인력용 변위확대부(300)의 양단에 한 쌍으로 구비되는 것이 바람직하다. 보다 자세한 설명은 뒤에서 한다. The input plate 400 is provided in contact with one end of the thrust displacement expanding unit 200 and the attraction displacement expanding unit 300. Therefore, the force generated in the thrust displacement expansion unit 200 and the force generated in the displacement displacement unit 300 for manpower is transmitted to the input plate 400, between the input plate 400 and the output plate 100 Due to the deformation of the elastic hinge 500 provided in the thrust and attraction force is transmitted to the output plate 100, respectively. On the other hand, the input plate 400 is preferably provided in pairs at both ends of the thrust displacement expansion unit 200 and the attraction displacement expansion unit 300. More details are given later.

추력용 변위확대부(200)는 추력용 압전소자(210)와 추력용 연결플레이트(220)를 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 2 및 도 3을 제시한다. 도 2는 도 1의 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)의 추력용 변위확대부(200)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 추력용 변위확대부(200)의 작동을 도시한 도면이다.The thrust displacement expanding unit 200 includes a thrust piezoelectric element 210 and a thrust connecting plate 220. 2 and 3 are presented for more detailed description. FIG. 2 is a view schematically illustrating a thrust displacement expanding unit 200 of the piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 of FIG. 1, and FIG. 3 illustrates an operation of the thrust displacement expanding unit 200 of FIG. 2. Drawing.

추력용 압전소자(210)는 스택형 압전소자로 예시하나 이에 한정하지 않는다. 상기 추력용 압전소자(210)에 전압이 인가되면 추력용 압전소자(210)는 길이방향으로 인장한다.Thrust piezoelectric element 210 is illustrated as a stacked piezoelectric element, but is not limited thereto. When a voltage is applied to the thrust piezoelectric element 210, the thrust piezoelectric element 210 is stretched in the longitudinal direction.

이렇게 추력용 압전소자(210)가 인장하면 추력용 압전소자(210)의 양단에 접촉 연결된 입력플레이트(400)가 상기 추력용 압전소자(210)가 인장하는 방향으로 미소변위만큼 이동한다. When the thrust piezoelectric element 210 is tensioned as described above, the input plate 400 connected to both ends of the thrust piezoelectric element 210 moves by a small displacement in the direction in which the thrust piezoelectric element 210 is tensioned.

한편, 탄성힌지(500)는 추력용 연결플레이트(220)와 입력플레이트(400), 추력용 연결플레이트(220)와 출력플레이트(100), 그리고 추력용 연결플레이트(220)와 제 1 고정단(10) 사이를 연결한다. 즉, 추력용 연결플레이트(220)는 복수개 구비되는 것으로 예시한다.On the other hand, the elastic hinge 500 is the thrust connecting plate 220 and the input plate 400, the thrust connecting plate 220 and the output plate 100, and the thrust connecting plate 220 and the first fixed end ( 10) Connect between. That is, the thrust connecting plate 220 is exemplified as having a plurality.

보다 자세히 설명하면, 도 2의 도시와 같이, 추력용 연결플레이트(220)는 추력용 압전소자의 양측에 대칭적으로 구비되는 것이 바람직하고, 출력플레이트(100)의 돌출부(110)의 상측과 하측에 각각 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 구비형태나 구비 개수는 변형될 수 있다.In more detail, as shown in Figure 2, the thrust connecting plate 220 is preferably provided on both sides of the thrust piezoelectric element symmetrically, the upper side and the lower side of the protrusion 110 of the output plate 100 It is preferable that each is provided in. However, the provided form or the number of provided may be modified.

한편, 입력플레이트(400)가 미소변위 이동하면 이와 연결된 탄성힌지(500)가 인장하게 되고 그로 인해 추력용 연결플레이트(220)가 회전한다. 이를 좀더 구체적으로 설명하면, 탄성힌지(500)는 추력용 연결플레이트(220)의 상하 양측에 연결되고 특히, 연결되는 부분이 추력용 연결플레이트(220)의 중심에서 각각 좌우로 오프셋(offset)되어 연결된다. 따라서 탄성힌지(500)의 인장으로 인해 추력용 연결플레이트(220)는 일 방향으로 회전하는 것이다.On the other hand, when the input plate 400 is moved by a small displacement, the elastic hinge 500 connected thereto is tensioned, thereby the thrust connecting plate 220 is rotated. In more detail, the elastic hinge 500 is connected to both upper and lower sides of the thrust connecting plate 220, and in particular, the connected portions are offset from the center of the thrust connecting plate 220 to the left and right, respectively. Connected. Therefore, the thrust connecting plate 220 due to the tension of the elastic hinge 500 is to rotate in one direction.

이렇게 추력용 연결플레이트(220)가 회전하면 상기 추력용 연결플레이트(220)와 출력플레이트(100) 사이를 연결하는 탄성힌지(500)의 굽힘변형이 일어나고 따라서 출력플레이트(100)가 추력을 받아 일 방향으로 밀리게 된다.When the thrust connection plate 220 is rotated in this way, bending deformation of the elastic hinge 500 connecting between the thrust connection plate 220 and the output plate 100 occurs and thus the output plate 100 receives thrust. Pushed in the direction.

이 경우, 추력용 연결플레이트(220)와 제 1 고정단(10) 또한 탄성힌지(500)에 의해 연결되는바 탄성힌지(500)의 굽힘변형에 의해 입력플레이트(400) 또한 출력플레이트(100)가 밀리는 방향과 같은 방향으로 변위를 갖는다. In this case, the thrust connection plate 220 and the first fixed end 10 is also connected by the elastic hinge 500 bar bending deformation of the elastic hinge 500, the input plate 400 and the output plate 100 The displacement is in the same direction as the pushing direction.

추력용 압전소자(210)에 인가되는 전원을 제거하면, 원상태로 복귀되며, 추력용 압전소자(210)의 복귀로 인하여 입력플레이트(400)가 복귀하고 이로 인해 출력플레이트(100)에 작용하는 추력이 없어지는바 출력플레이트(100) 또한 복귀한다.When the power applied to the thrust piezoelectric element 210 is removed, it is returned to its original state, and the input plate 400 is returned due to the return of the thrust piezoelectric element 210, and thus the thrust acting on the output plate 100. This disappears and the output plate 100 also returns.

인력용 변위확대부(300)는 인력용 압전소자(310)와 인력용 연결플레이트(320)를 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 4 및 도 5를 제시한다. 도 4는 도 1의 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)의 인력용 변위확대부(300)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 인력용 변위확대부(300)의 작동을 도시한 도면이다.The manpower displacement expanding unit 300 includes a manpower piezoelectric element 310 and a manpower connecting plate 320. 4 and 5 are shown for more detailed description. FIG. 4 is a view schematically showing the displacement displacement unit 300 for the attraction of the piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 of FIG. 1, and FIG. 5 illustrates the operation of the displacement expansion unit 300 for the attraction of FIG. 4. Drawing.

인력용 압전소자(310) 역시 스택형 압전소자로 예시하나 이에 한정하는 것은 아니며 인력용 압전소자(310)에 전압이 인가되면 길이방향으로 인장한다.The manpower piezoelectric element 310 is also illustrated as a stack type piezoelectric element, but is not limited thereto. When a voltage is applied to the manpower piezoelectric element 310, the manpower piezoelectric element 310 is stretched in the longitudinal direction.

이렇게 인력용 압전소자(310)가 인장하면 그 양단에 접촉 연결된 입력플레이트(400)가 인력용 압전소자(310)가 인장하는 방향으로 미소변위만큼 이동한다. 즉, 추력용 압전소자(210)와 인력용 압전소자(310)의 인장이 입력플레이트(400)의 미소변위 이동을 야기한다.When the attraction piezoelectric element 310 is tensioned, the input plate 400 connected to both ends of the attraction piezoelectric element 310 moves by a small displacement in the direction in which the attraction piezoelectric element 310 is tensioned. That is, the tension of the thrust piezoelectric element 210 and the attraction piezoelectric element 310 causes a small displacement of the input plate 400.

탄성힌지(500)의 연결은 추력용 변위확대부(200) 에서의 연결 구성과 마찬가지로, 인력용 연결플레이트(320)와 입력플레이트(400), 인력용 연결플레이트(320)와 출력플레이트(100), 그리고 인력용 연결플레이트(320)와 제 2 고정단(20) 사이를 연결한다. 즉, 인력용 연결플레이트(320)는 복수개 구비되는 것이 바람직하다.The connection of the elastic hinge 500 is similar to the configuration of the connection in the thrust displacement expansion unit 200, manpower connecting plate 320 and the input plate 400, manpower connecting plate 320 and the output plate 100 And connect between the connecting plate 320 for manpower and the second fixed end (20). That is, it is preferable that a plurality of connection plates 320 for human being are provided.

이를 좀더 자세히 설명하면, 도 4의 도시와 같이, 인력용 연결플레이트(320)는 인력용 압전소자(310)의 양측에 대칭적으로 구비되는 것이 바람직하고, 출력플레이트(100)의 돌출부(110)의 상측과 하측에 각각 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 구비형태나 구비 개수는 변형될 수 있다.In more detail, as shown in FIG. 4, the attraction connecting plate 320 is preferably provided symmetrically on both sides of the attraction piezoelectric element 310, and the protrusion 110 of the output plate 100. It is preferable to be provided at the upper side and the lower side, respectively. However, the provided form or the number of provided may be modified.

한편, 입력플레이트(400)가 미소변위 이동하면 이와 연결된 탄성힌지(500)가 인장하게 되고 그로 인해 인력용 연결플레이트(320)가 회전한다. 좀더 자세히 보면, 탄성힌지(500)가 인력용 연결플레이트(320)의 상하 양측에 연결되고 특히 연결되는 부분이 인력용 연결플레이트(320)의 중심에서 각각 좌우로 오프셋(offset)되어 연결된다. 이때, 탄성힌지(500)의 연결형태는 추력용 연결플레이트(220)에서의 연결형태와 인력용 연결플레이트(320)에서의 연결형태가 반대이다. 따라서, 탄성힌지(500)의 인장으로 인해 추력용 연결플레이트(220)에 대응하는 인력용 연결플레이트(320)는 추력용 연결플레이트(220)와 반대방향으로 회전한다.On the other hand, when the input plate 400 is moved by small displacement, the elastic hinge 500 connected thereto is tensioned, thereby rotating the attraction connecting plate 320. In more detail, the elastic hinge 500 is connected to both the upper and lower sides of the manpower connecting plate 320, in particular, the portion that is connected to the left and right offset (offset) from the center of the manpower connecting plate 320, respectively. At this time, the connection form of the elastic hinge 500 is the connection form in the thrust connection plate 220 and the connection form in the manpower connection plate 320 is opposite. Therefore, the attraction connecting plate 320 corresponding to the thrust connecting plate 220 due to the tension of the elastic hinge 500 is rotated in the opposite direction to the thrust connecting plate 220.

이렇게 인력용 연결플레이트(320)가 회전하면, 인력용 연결플레이트(320)와 출력플레이트(100) 사이를 연결하는 탄성힌지(500)의 굽힘변형이 일어나고, 따라서 출력플레이트가 인력을 받아 일 방향으로 당겨진다. 즉, 도 5의 도시와 같이, 인력용 연결플레이트(320)가 추력용 연결플레이트(220)와 반대되는 일 방향으로 회전하는바 인력용 압전소자(310)의 왼쪽에 위치한 출력플레이트(100)는 인력용 압전소자(310)의 방향으로 당겨지는 힘을 받는 것이다. 이는 출력플레이트(100)가 추력용 압전소자(210)의 오른쪽에 위치하여 추력용 압전소자(210)와 멀어지는 방향으로 미는 힘을 받는 것 과는 반대된다.When the attraction connecting plate 320 rotates in this way, bending deformation of the elastic hinge 500 connecting between the attraction connecting plate 320 and the output plate 100 occurs, and thus the output plate receives the attraction force in one direction. Is pulled. That is, as shown in FIG. 5, the output plate 100 located on the left side of the attraction piezoelectric element 310 rotates in one direction opposite to the thrust connection plate 220. The force pulled in the direction of the piezoelectric element 310 for the attraction. This is opposite to that the output plate 100 is located on the right side of the thrust piezoelectric element 210 and is pushed in a direction away from the thrust piezoelectric element 210.

이 경우, 인력용 연결플레이트(320)와 제 2 고정단(20) 또한 탄성힌지(500)에 의해 연결되는바 탄성힌지(500)의 굽힘변형에 의해 입력플레이트(400) 또한 출력플레이트(100)가 당겨지는 방향과 같은 방향으로 변위를 갖는다.In this case, the connecting plate 320 for manpower and the second fixed end 20 are also connected by the elastic hinge 500, the input plate 400 and the output plate 100 by the bending deformation of the elastic hinge 500. The displacement is in the same direction as the direction in which it is pulled.

인력용 압전소자(310)에 인가되는 전원을 제거하면, 원상태로 복귀되며, 인력용 압전소자(310)의 복귀로 인하여 입력플레이트(400)가 복귀하고 이로 인해 출력플레이트(100)에 작용하는 인력이 없어지는바 출력플레이트(100) 또한 복귀한다.When the power applied to the manpower piezoelectric element 310 is removed, it is returned to its original state, and due to the return of the manpower piezoelectric element 310, the input plate 400 returns and thus the manpower acting on the output plate 100. This disappears and the output plate 100 also returns.

상기와 같은 구성을 가지는 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)의 구동을 설명하기 위하여 도 6을 제시한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)의 작동상태를 도시한 도면이다.6 illustrates the driving of the piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 having the above configuration. 6 is a view showing an operating state of the piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 according to an embodiment of the present invention.

추력용 압전소자(210)와 인력용 압전소자(310)에 전원이 인가되면, 길이방향으로 인장하고 이로 인해 추력용 압전소자(210)와 인력용 압전소자(310)의 양단에 구비된 입력플레이트(400)가 상기 인장방향으로 미소변위 이동함과 동시에 그 길이방향으로 변위되면서 연결된 탄성힌지(500)를 인장시킨다. 인장된 탄성힌지(500)는 추력용 연결플레이트(220)와 인력용 연결플레이트(320)를 각각 반대되는 일 방향으로 회전시킨다. 이로 인해 출력플레이트(100)와 연결된 탄성힌지(500)가 굽힘변형을 일으키고, 출력플레이트(100)는 추력과 인력을 동시에 받으면서 일 방향으로 변위하게 된다. When power is applied to the thrust piezoelectric element 210 and the manpower piezoelectric element 310, the input plate is provided at both ends of the thrust piezoelectric element 210 and the manpower piezoelectric element 310. 400 is displaced in the longitudinal direction at the same time as the micro-displacement movement in the tensile direction to tension the connected elastic hinge (500). The tensioned elastic hinge 500 rotates the thrust connecting plate 220 and the attractive connecting plate 320 in one direction opposite to each other. As a result, the elastic hinge 500 connected to the output plate 100 causes bending deformation, and the output plate 100 is displaced in one direction while receiving thrust and attraction force at the same time.

이때 입력플레이트(400)의 변위방향과 출력플레이트(100)의 변위방향은 같고, 출력플레이트(100)의 변위량은 입력플레이트(400)의 변위량의 2배가 된다. 결과적으로 입력플레이트(400)는 압전소자의 인장방향으로 미소 변위만큼 이동하면서 입력플레이트(400)의 길이방향으로의 변위 또한 갖는 것이다.In this case, the displacement direction of the input plate 400 and the displacement direction of the output plate 100 are the same, and the displacement amount of the output plate 100 is twice the displacement amount of the input plate 400. As a result, the input plate 400 also has displacement in the longitudinal direction of the input plate 400 while moving by a minute displacement in the tensile direction of the piezoelectric element.

결국, 출력플레이트(100)는 입력플레이트(400)의 변위량 보다 2배 더 큰 변위량을 갖고, 병렬로 배치된 추력용 변위확대부(200)와 인력용 변위확대부(300)에 의해 추력과 인력을 동시에 받는바, 대변위 구동이 가능해짐과 동시에 동특성 또한 더욱 좋아진다.As a result, the output plate 100 has a displacement amount twice as large as the displacement amount of the input plate 400, and the thrust and the attraction force by the thrust displacement expanding unit 200 and the human displacement displacement expanding unit 300 arranged in parallel. At the same time, it becomes possible to drive large displacement, and at the same time the dynamic characteristics are better.

한편, 탄성힌지(500)는 판스프링으로 이루어질 수 있다. 또한, 탄성힌지(500)는 추력용 연결플레이트(220) 또는 인력용 연결플레이트(320)의 회전을 용이하게 하기 위하여 경사지게 배치될 수 있다. 하지만, 가공의 용이성을 위해서 탄성힌지(500)는 추력용 압전소자(210) 또는 인력용 압전소자(310)의 인장방향과 평행하게 배치되되 상기 연결플레이트(220, 320)의 중심에서 각각 좌우로 오프셋(offset)시켜 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 배치로 인해 탄성힌지(500)가 경사지게 배치되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.On the other hand, the elastic hinge 500 may be made of a leaf spring. In addition, the elastic hinge 500 may be inclined to facilitate the rotation of the thrust connecting plate 220 or the attraction connecting plate 320. However, for ease of processing, the elastic hinge 500 is disposed parallel to the tensile direction of the thrust piezoelectric element 210 or the attraction piezoelectric element 310, respectively, from the center of the connecting plates 220 and 320 to the left and right. It is preferable to connect by offset. This arrangement can achieve the same effect as the elastic hinge 500 is disposed obliquely.

한편, 본 발명에 따른 압전소자 구동 초정밀 스테이지(1)는 압전소자로부터 힘이 입력플레이트(400)로 전달되고 바로 연결플레이트(220, 320)에 의해 출력플레이트(100)로 전달되는바, 탄성힌지(500)의 필요수가 종래에 비하여 줄어든다.On the other hand, the piezoelectric element driving ultra-precision stage 1 according to the present invention is a force bar is transmitted from the piezoelectric element to the input plate 400 and directly transmitted to the output plate 100 by the connection plates 220, 320, elastic hinge The required number of 500 is reduced compared with the prior art.

탄성힌지(500)의 개수가 줄어든다는 것은, 스테이지 시스템의 강성이 동일한 경우 탄성힌지(500)의 폭을 그만큼 크게 할 수 있다는 것을 의미한다. 탄성힌지의 폭이 작을 경우에는 가공의 어려움이 있는바, 생산성 향상이라는 새로운 이점을 갖게 된다.The reduction in the number of elastic hinges 500 means that the width of the elastic hinges 500 can be made larger if the stiffness of the stage system is the same. When the width of the elastic hinge is small, there is a difficulty in processing, there is a new advantage of improved productivity.

또한 종래의 시스템과 동일한 폭의 탄성힌지(500)가 사용되는 경우에는 본 발명의 경우가 탄성힌지(500)의 수가 더 적은 이유로 강성이 작아지는바 더욱 큰 변위를 가질 수 있다.In addition, when the elastic hinge 500 having the same width as that of the conventional system is used, the case of the present invention may have a larger displacement because the rigidity becomes smaller due to the smaller number of the elastic hinges 500.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

1: 압전소자 구동 초정밀 스테이지 100: 출력플레이트
200: 추력용 변위확대부 300: 인력용 변위확대부
400: 입력플레이트 500: 탄성힌지1: piezoelectric element driving ultra-precision stage 100: output plate
200: displacement expansion unit for thrust 300: displacement expansion unit for manpower
400: input plate 500: elastic hinge

Claims (6)

출력플레이트;
전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 추력용 압전소자와 상기 추력용 압전소자의 인장에 따라 일방 향으로 회전하는 추력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 추력을 발생시키는 추력용 변위확대부;
전압이 인가되면 길이방향으로 인장하는 인력용 압전소자와 상기 인력용 압전소자의 인장에 따라 상기 추력용 연결플레이트와 같은 방향으로 회전하는 인력용 연결플레이트를 포함하고 상기 출력플레이트에 인력을 발생시키는 인력용 변위확대부; 및
상기 추력용 변위확대부 와 상기 인력용 변위확대부의 일단을 접촉 연결하는 입력플레이트;
를 포함하고, 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트는 상기 입력플레이트와 상기 출력플레이트에 탄성힌지로 연결되어, 상기 추력용 및 인력용 압전소자의 인장에 의해 상기 입력플레이트가 상기 인장의 방향으로 이동함과 동시에 변위 되고 상기 입력플레이트의 이동에 따른 상기 탄성힌지의 변형에 의한 상기 추력용 및 인력용 연결플레이트의 회전으로 인해 상기 출력플레이트가 변위되는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동 초정밀 스테이지.Output plate;
A thrust displacement enlargement unit including a thrust piezoelectric element tensioning in the longitudinal direction when a voltage is applied and a thrust connecting plate rotating in one direction according to the tension of the thrust piezoelectric element and generating a thrust on the output plate;
An attractive force piezoelectric element that stretches in a longitudinal direction when the voltage is applied, and an attractive force connection plate that rotates in the same direction as the thrust connection plate according to the tension of the piezoelectric element for attraction; Displacement expansion unit; And
An input plate contacting one end of the thrust displacement expanding unit and the attraction displacement expanding unit;
It includes, The thrust and attraction connecting plate is connected to the input plate and the output plate by an elastic hinge, the input plate is moved in the direction of the tension by the tension of the thrust and attraction piezoelectric elements And the output plate is displaced at the same time as the output plate is displaced due to rotation of the thrust and attraction connecting plates due to deformation of the elastic hinge according to the movement of the input plate. 제1항에 있어서,
상기 입력플레이트는 상기 추력용 변위확대부 와 상기 인력용 변위확대부의 양단에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동 초정밀 스테이지.The method of claim 1,
The input plate is a piezoelectric element drive ultra-precision stage, characterized in that provided on both ends of the thrust displacement expansion unit and the attraction displacement expansion unit. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 출력플레이트는 돌출부를 더 포함하고,
상기 추력용 또는 인력용 압전소자의 인장방향으로 상기 돌출부의 상측과 하측에 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트가 배치된 것을 특징으로 하는 압전소자 구동 초정밀 스테이지.The method of claim 1,
The output plate further includes a protrusion,
The piezoelectric element drive ultra-precision stage, characterized in that the thrust or attraction force connecting plate is disposed on the upper side and the lower side in the tensile direction of the thrust or attraction piezoelectric element. 제1항에 있어서,
상기 탄성힌지는 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트의 상하 양측에 상기 추력용 또는 인력용 압전소자의 인장방향과 평행하게 연결되되 상기 연결플레이트의 중심에서 각각 좌우로 오프셋(offset)시켜 연결된 것을 특징으로 하는 압전소자 구동 초정밀 스테이지.The method of claim 1,
The elastic hinge is connected in parallel to the tensile direction of the thrust or attraction piezoelectric element on the upper and lower sides of the connecting plate for the thrust or attraction, characterized in that it is connected to the left and right offset from the center of the connection plate (offset) Piezoelectric element driven ultra-precision stage. 제4항에 있어서,
상기 탄성힌지는 상기 추력용 또는 인력용 연결플레이트의 회전을 용이하게 하기 위하여 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동 초정밀 스테이지.The method of claim 4, wherein
The elastic hinge is a piezoelectric element drive ultra-precision stage, characterized in that disposed inclined to facilitate the rotation of the thrust or attraction connecting plate.
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