KR101641649B1 - 압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기 - Google Patents

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Abstract

보다 간단하고 작은 구조로 최대 운동력을 전달하여 효율적인 압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기가 제공된다. 본 발명에 따른 압전 액츄에이터는 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하는데, 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생한다.

Description

압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기{Piezoelectric actuator and electronic device comprising the same}
본 발명은 압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보다 간단하고 작은 구조로 최대 운동력을 전달하여 효율적인 압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.
압전 액츄에이터는 압전소자에 전기적 신호를 가했을 때 수축팽창의 변위가 일어나는 현상을 이용하여 동작을 일으키는 것을 말한다. 압전 액츄에이터는 구조면에서나 동작면에서 여러 방식이 있는데, 그 중에서 초음파 주파수 대역을 이용하여 교류 신호에 미세한 움직임을 연속적으로 반복 움직이게 하여 직선 또는 회전운동을 일으키게 하는 초음파 모터방식의 압전 액츄에이터가 있다.
초음파 모터는 회전운동이나 직선운동이나 제자리에서 변위를 일으키는 고정자(압전 소자), 변위를 일으키는 고정자에 붙어서 마찰력으로 직접 운동(회전 또는 직선)을 하는 회전자(회전운동시) 또는 슬라이더(직선운동시)로 구성되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다. 직선운동을 하는 초음파 리니어모터는 고정자(stator)에 해당하는 압전소자 2개(11, 12)가 서로 일정한 각을 이루고 형성되어, 압전소자 2개(11, 12)가 위상차를 두고 번갈아 수축, 팽창을 일으키면 끝단에서는 회전운동이 일어나게 된다. 이 끝단에 접촉되어 있는 슬라이더(13)는 마찰력을 통해 화살표 방향의 직선운동(회전운동의 접선방향)을 일으키게 된다. 물론 고정자(11, 12)와 슬라이더(13)는 항상 접촉이 이루어지도록 주변 기구물, 예를 들면, 스프링(14)과 롤러(15)와 같은 압력을 가하는 부분이 필요하다.
이러한 방식은 고정자인 압전소자 2개가 서로 일정한 각을 이루고 있는데, 예를들면, 90도°의 각도로 형성될 수 있다. 이 경우, 고정자 부분은 압전소자가 서로 평행하게 이웃하여 위치하는 경우보다 두께가 두꺼워진다. 그에 따라, 전자기기에 사용되는 경우, 부피가 크게 되어 전자기기의 두께가 두꺼워져 최근 각종 전자기기의 소형화, 박형화 추세에 역행할 수 있다.
이와 다른 방식의 고정자에 관한 것으로서 압전 세라믹 소자를 4개의 분할 전극으로 분할하여, 분할된 세라믹 소자에 각각 분극처리하고, 90°의 위상차가 있는 sin 또는 cosin파 전계를 적절히 인가하여 물질 표면 전체에 진행파를 형성하는 방식이 있다(특허문헌 1, 도 2 참조). 이러한 방식을 편의상 4분할 압전소자라 하면, 4분할 압전소자는 인가된 전계에 따라 도 2와 같이 각 부분에 진행파가 이동하면서 회전대상체와의 접촉점에 마찰력을 발생시켜 슬라이더가 접선방향 직선운동을 한다. 이들은 각각 뱀이나 지렁이의 움직임과 같은 표면 타원운동으로 접촉 물체를 반발시켜 움직임을 갖게 하는 것으로 동작시 소음이 적다.
그러나 전술한 방법은 압전 소자에 적어도 4개 이상 분할전극을 형성하여 각각 분극처리 및 90°위상차를 발생시켜야 한다. 따라서, 압전 세라믹 소자에 형성할 단자 및 이로부터의 신호처리 수가 많아 제조시 및 동작시 어려움이 있다. 나아가, 압전 소자와 슬라이더 간에 접촉면도 길어, 접촉 평행 유지에도 많은 노력이 소요되고, 공정 윈도우가 좁아 제조시 불량률이 높고 동작시 오동작 발생 확률이 크다.
한국등록특허공보 제0924096호(2009.11.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보다 간단하고 작은 구조로 최대 운동력을 전달하여 효율적인 압전 액츄에이터 및 이를 포함하는 전자기기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액츄에이터는 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하는데, 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생한다.
또한, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터는 압전 표면파 회전운동이 발생하는 상기 제2압전부의 회전표면에 상기 회전운동을 확대시키는 회전운동변위확대부를 더 포함할 수 있다. 회전운동변위확대부는 상기 제2압전부의 중심에 대응하는 위치에서의 높이가 가장 높은 것이 바람직하다.
그리고, 회전운동변위확대부를 통하여 회전운동력이 전달되는 물체는 원형회전체일 수 있고, 회전운동변위확대부는 금속 또는 플라스틱 물질을 포함할 수 있다.
압전 액츄에이터에 사용되는 압전소자는 세라믹 및 전극을 적층하여 형성된 적층형 압전소자일 수 있는데, 압전소자는 표면파 회전운동이 발생하는 표면 이외의 면에 전극이 형성될 수 있다.
압전 액츄에이터에서 제1압전부 및 상기 제3압전부의 분극방향은 상기 제2압전부의 분극방향과 상이할 수 있고, 압전 액츄에이터는 상기 제1압전부 및 상기 제3압전부의 양단을 고정하는 고정부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하되, 상기 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생하는 압전 액츄에이터를 포함하는 전자기기가 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 각각의 압전부는 별도로 구동되고, 그 중 하나의 압전부에서만 압전 표면파 회전운동이 발생하므로 서로의 크기나 면적 등에 제약을 받지 않아 자유로운 구조설계변형이 가능하여 제조공정상 효율적이다. 특히, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 사용하는 제품의 종류에 따라 그 두께나 면적 등을 조절할 수 있어 여러 제품군에 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 압전 액츄에이터에서 압전 표면파 회전운동력이 일부에 집중될 수 있어 회전 운동력을 전달할 대상에 보다 효과적으로 전달될 수 있고, 특히 원형회전체의 경우, 더욱 효과적으로 회전 운동력이 전달될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들에 따르면, 압전소자를 분할하여 각각에 전극을 형성하여 연결하고 분할된 압전소자 각각에서 압전 표면파 회전운동을 발생시키는 방식에 비하여, 회전변위량 조절이 용이하고 최소개수의 전극사용이 가능하여 배선연결 또한 용이하여 제조공정이 간단하고 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 압전 액츄에이터의 표면파 동작도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다.
도 4는 도 3의 압전 액츄에이터의 회전운동을 시뮬레이션한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이고, 도 4는 도 3의 압전 액츄에이터의 회전운동을 시뮬레이션한 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액츄에이터(100)는 제1압전부(110), 제2압전부(120) 및 제3압전부(130)를 순차적으로 포함한다. 이 때, 압전 액츄에이터(100)는 제2압전부(120)의 표면에서만 압전 표면파 회전운동이 발생한다.
도 3을 참조하면, 압전 액츄에이터(100)는 압전소자(140) 부분이 제1압전부(110), 제2압전부(120) 및 제3압전부(130)로 구성되어 있다. 각각의 압전부는 압전소자(140)의 상면 및 하면에 위치하는 전극에 의해 구분된다. 하면의 전극을 제1전극(151)이라 하면, 상면의 전극은 제2전극(152)이고, 각각은 배선에 의해 외부전원과 연결되어 있어 압전소자(140)에 각각의 신호처리를 위한 전압을 인가한다.
압전소자(140)는 각각의 압전부에 동일 또는 서로 다른 방향으로 분극처리하여 신호에 따라 압전부의 수축 및 팽창이 조절된다. 각 압전부의 수축 및 팽창을 적절히 조절하면 제2압전부(120)의 표면에서만 압전 표면파 회전운동이 발생하게 된다. 이와 관련하여 이하, 도 4를 더 참조하여 설명하기로 한다.
압전소자(140)의 상면에는 회전운동변위확대부(160)가 제1압전부(110), 제2압전부(120) 및 제3압전부(130)의 상면 전체에 걸쳐 위치하고 있다. 회전운동변위확대부(160)는 압전 표면파 회전운동이 발생하는 제2압전부(120)의 표면에서 회전운동변위를 최대화하기 위한 보조적인 구조물이다. 회전운동변위확대부는 금속 또는 플라스틱 물질을 포함할 수 있는데, 금속으로는 청동, 인동, 알루미늄 및 철 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
압전 액츄에이터(100)는 제2압전부(120)의 표면에서만 압전 표면파 회전운동이 발생하기 때문에, 회전운동변위확대부(160)의 형상은 평평한 판에 제2압전부(120)의 중심위치에 대응하도록 돌출부(161)가 형성되어 있다. 돌출부(161)의 중심은 최단부(T)로서, 최단부(T)는 돌출부의 상면이 평면인 경우에는 중심점이고, 평면이 아닌 경우에는 최대로 돌출되어 회전운동력이 전달될 대상물과 접촉하는 지점이다.
회전운동변위확대부(160)는 제2압전부(120)의 중심점에 대응하는 위치인 최단부(T)의 높이가 가장 높은 것이 바람직할 수 있는데, 이 때에는 회전운동변위확대부(160)를 통해 회전운동력이 전달되는 대상물체(이하 대상체라 함)는 원형회전체일 수 있다.
도 4는 도 3의 압전 액츄에이터(200)의 회전운동을 시뮬레이션한 도면이다. 예를 들어, 도 3에서는 제1압전부(110) 및 제3압전부(130)는 오른쪽 방향으로 분극처리되어 있고, 제2압전부(120)는 하측으로 분극처리되어 있다. 제2압전부(120)에서만 압전 표면파 회전운동이 발생하도록 하기 위하여는 예를 들어, 제1압전부(110)에는 sin 신호, 제3압전부(130)에는 제1압전부(110)와 180°위상차를 갖도록 -sin 신호를 인가한다. 제2압전부(120)에는 제1압전부(110) 및 제3압전부(130)과 90°의 위상차를 갖도록 cos 신호를 인가한다. 그에 따라, 제1압전부(110)는 제2압전부(120)를 향하여 팽창하고, 제3압전부(130) 또한 제2압전부(120)를 향하여 팽창하게 된다. 이와 달리, 분극방향이 하측인 제2압전부(120)는 상부를 향하여 팽창하게 된다. 그 결과, 제2압전부(120)의 표면은 상부를 향하여 상승하게 되고, 이는 제1압전 액츄에이터(210)로 도시되어 있다.
다음 단계로 제1압전부(110) 및 제2압전부(120)에는 동일한 신호가 인가되고, 제3압전부(130)에 sin신호가 인가되면 제3압전부(130)는 제2압전부(120)를 향하지 않고 제3압전부(130)의 우측 단부를 향하여 팽창하게 된다. 이 때에는 제2압전부(120)는 우측방향을 향하면서 상면으로 팽창하게 되고 이는 제2압전 액츄에이터(220)로 도시된다. 다시, 제3압전부(130)에 -sin 신호를 가하게 되면, 제2압전부(120)의 상면은 다시 중심을 향하여 상승하도록 팽창하고(제3압전 액츄에이터(230) 및 제4압전 액츄에이터(240)), 다음단계로 제1압전부(110)에 -sin 신호를 가하면, 제1압전부(110)는 제2압전부(120) 방향이 아닌 제1압전부(110)의 좌측 단부로 팽창하여 제2압전부(120)는 좌측 상부로 팽창하게 된다(제5압전 액츄에이터(250)). 신호인가가 계속되면, 제2압전부(120)는 더욱 좌측으로 기울어지게 된다(제6압전 액츄에이터(260).
이렇게 신호의 인가에 따라, 제2압전부(120)의 최단부(T)는 타원형의 궤적으로 이동하게 되어 압전 표면파 회전운동을 나타낸다. 이러한 제2압전부(120)의 압전 표면파 회전운동은 제1압전부(110), 제2압전부(120) 및 제3압전부(130)의 분극방향 및 신호처리에 따라 궤적을 조절할 수 있고, 돌출부(161)의 높이에 따라 인가되는 신호량 또한 조절할 수 있다. 만약, 본 실시예와 달리 압전소자를 4개이상으로 분할한 소자의 경우라면, 압전소자 일표면 전체에서 표면파 회전운동이 나타나야 하고, 따라서 각 압전부의 크기가 균일하여야 하므로 타원궤적을 조절하려면 압전소자 전체 크기를 조절하여야 한다.
특히, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터(100)는 제2압전부(120)에서만 압전 표면파 회전운동이 발생하기 때문에, 제1압전부(110) 및 제3압전부(130)는 제2압전부(120)의 압전 표면파 회전운동 발생을 지지 및 보조하는 기능을 하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터(100)는 제1압전부(110) 및 제3압전부(130) 중 어느 하나가 불량이거나 사용 중 신호인가가 되지 않는 경우에도 제2압전부(120)의 압전 표면파 회전운동을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 제3압전부(130)의 배선이 끊어진 경우, 제1압전부(110) 및 제2압전부(120)만의 수축 및 팽창을 이용하여 압전 액츄에이터(100)의 압전 표면파 회전운동을 발생시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다. 본 실시예에 따른 압전 액츄에이터(300)는 압전소자(340)가 적층형소자이다. 본 도면의 압전 액츄에이터(300), 제1압전부(310), 제2압전부(320), 제3압전부(330), 압전소자(340), 제1전극(351), 제2전극(352) 및 회전운동변위확대부(360)에 대한 설명은 전술한 도 3 및 도 4와 관련된 설명을 참조하기로 한다.
본 실시예의 압전 액츄에이터(300)에 사용되는 압전소자(340)는 압전세라믹 물질과 내부전극인 제1전극(351)을 적층하여 형성될 수 있다. 압전 액츄에이터(300)는 상면에 회전운동변위확대부(360)가 위치하므로, 상면에 전극이 형성되는 것보다는 도 5에서와 같이 압전 표면파 회전운동이 발생하는 표면인 회전운동변위확대부(360)가 위치하는 표면 이외의 면에 전극이 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 3에서 외부전극은 압전소자(340)의 측면에 제2전극(352)으로서 형성되어 있다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다. 본 실시예에 따른 압전 액츄에이터(400)는 도 3의 압전 액츄에이터(100)와 분극방향이 상이하게 설정되어 있다. 본 도면의 압전 액츄에이터(400), 제1압전부(410), 제2압전부(420), 제3압전부(430), 압전소자(440), 제1전극(451), 제2전극(452) 및 회전운동변위확대부(460)에 대한 설명은 전술한 도 3내지 도 3과 관련된 설명을 참조하기로 한다.
도 6에서, 제1압전부(410)의 분극방향은 제2압전부(420) 및 제3압전부(430)의 분극방향과 서로 상이하다. 제1압전부(410) 및 제3압전부(430)는 -cos 신호를 인가하면, 하측으로 팽창하면서 좌우로는 수축하게 된다. 따라서, 도 3과 달리, 제1압전부(410) 및 제3압전부(430)의 분극방향이 좌우방향이 아닌 경우에도 상하팽창에 따라 좌우수축이 발생하거나 상하수축에 따라 좌우팽창을 유도할 수 있다. 따라서, 각각의 압전부에 서로 다른 분극처리를 하지 않고도 동일하게 상하방향으로 분극처리를 하여도 제2압전부(420)의 압전 표면파 회전운동을 발생시킬 수 있다. 그에 따라, 별도의 분극처리에 따른 제조공정이 단축되고, 제조비용 또한 절감될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 단면도이다. 본 실시예에 따른 압전 액츄에이터(500)는 제1압전부(510) 및 제3압전부(530)의 양단을 고정하는 고정부(570)를 더 포함한다. 본 도면의 압전 액츄에이터(500), 제1압전부(510), 제2압전부(520), 제3압전부(530), 압전소자(540), 제1전극(551), 제2전극(552) 및 회전운동변위확대부(560)에 대한 설명은 전술한 도 3 내지 도 6과 관련된 설명을 참조하기로 한다.
본 실시예에 따른 압전 액츄에이터(500)는 제1압전부(510) 및 제3압전부(530)에 의해 제2압전부(520)의 표면이 압전 표면파 회전운동을 발생시킨다. 즉, 제1압전부(510)가 팽창하면, 제2압전부(520)는 그 팽창에 따라 반대방향으로 이동하게 된다. 반대로 제3압전부(530)가 수축하면, 제2압전부(520)는 제3압전부(530)측으로 이동하게 된다. 따라서, 제1압전부(510) 및 제3압전부(530)의 단부를 고정하게 되면, 제1압전부(510) 및 제3압전부(530)는 고정된 부분으로는 수축이나 팽창이 반영되지 않고, 그 반대측에 위치하는 제2압전부(520)에만 이동력을 수축력이나 팽창력을 최대로 전달할 수 있다.
고정부(570)는 제1압전부(510) 및 제3압전부(530)의 단부만 고정시키도록 형성되거나 상하방향의 고정을 위하여 압전 액츄에이터(500)의 하면까지 고정될 수 있도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 제1압전부(510), 제2압전부(520), 및 제3압전부(530)의 이동력이 최대한 회전운동변위확대부(560)에 반영될 수 있어서 압전 표면파 회전운동이 대상체에 최대한 반영될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하되, 상기 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생하는 압전 액츄에이터;를 포함하는 전자기기가 제공된다. 본 실시예에 따른 전자기기에는 3분할 전극을 포함하는 압전 액츄에이터를 모터로 이용하여 보다 박형으로 구현될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10, 100, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 300, 400, 500 압전 액츄에이터
11, 12 고정자 13 슬라이더
14 스프링 15 롤러
110, 310, 410, 510 제1압전부 120, 320, 420, 520 제2압전부
130, 330, 430, 530 제3압전부 140, 340, 440, 540 압전소자
151, 152, 451, 452, 551, 552 전극
351 제1전극 352 제2전극
160, 360, 460, 560 회전운동변위확대부
570 고정부 T 최단부

Claims (10)

  1. 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하는 압전 액츄에이터로서,
    상기 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생하고,
    상기 제2압전부의 일측면에는 상기 제1압전부가 위치하고, 상기 제2압전부의 상기 제1압전부와 대향하는 타측면에는 상기 제3압전부가 위치하며, 상기 표면파 회전운동은 상기 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부에의 전기신호 인가에 따라 발생하는 것인 압전 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 표면파 회전운동이 발생하는 상기 제2압전부의 회전표면에 상기 회전운동을 확대시키는 회전운동변위확대부를 더 포함하는 압전 액츄에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 회전운동변위확대부는 상기 제2압전부의 중심에 대응하는 위치에서의 높이가 가장 높은 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 회전운동변위확대부를 통하여 회전운동력이 전달되는 물체는 원형회전체인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 회전운동변위확대부는 금속 또는 플라스틱 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부는 세라믹 및 전극을 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부는 표면파 회전운동이 발생하는 표면 이외의 면에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1압전부 및 상기 제3압전부의 분극방향은 상기 제2압전부의 분극방향과 상이한 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1압전부 및 상기 제3압전부의 양단을 고정하는 고정부;를 더 포함하는 압전 액츄에이터.
  10. 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부를 순차적으로 포함하되, 상기 제2압전부의 표면에서만 표면파 회전운동이 발생하고,
    상기 제2압전부의 일측면에는 상기 제1압전부가 위치하고, 상기 제2압전부의 상기 제1압전부와 대향하는 타측면에는 상기 제3압전부가 위치하며, 상기 표면파 회전운동은 상기 제1압전부, 제2압전부 및 제3압전부에의 전기신호 인가에 따라 발생하는 것인 압전 액츄에이터를 포함하는 전자기기.
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