KR102205092B1 - 압전 액츄에이터, 변형거울 및 변형거울의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
압전 액츄에이터(10)는 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121), 제4 압전 단결정(122) 및 서로 대향하여 평행하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는 연결부재(300)를 포함한다. 상기 제1 압전 단결정(111)의 일단 및 상기 제2 압전 단결정(112)의 일단은 서로 평행되고, 각각 상기 연결부재(300)의 제1 표면의 가장자리를 따라 독립적으로 장착된다. 상기 제3 압전 단결정(121)의 일단 및 상기 제4 압전 단결정(122)의 일단도 서로 평행되고, 유사하게 각각 상기 연결부재(300)의 제2 표면의 직교되는 가장자리를 따라 독립적으로 장착된다. 당해 압전 액츄에이터(10)는 체적이 작고, 변형 히스테리시스가 낮으며, 멀티 자유도로 제어할 수 있는 장점을 가진다.
Description
본원은 2016년 08월 31일자로 중국 특허청에 제출한 출원 번호가 201610797960.4이고, 명칭이 "압전 액츄에이터 및 변형거울"인 중국 특허 출원을 우선권으로 주장하고 그 모든 내용을 본원에 원용한다.
본 발명은 압전 액츄에이터 기술 및 변형거울(Deformable Mirror) 기술분야에 관한 것이고, 구체적으로 압전 액츄에이터, 변형거울 및 변형거울의 제조 방법에 관한 것이다.
변형거울(Deformable Mirror)은 독립적으로 제어 가능한 복수의 소형 미러 유닛을 조합하여 이루어진 하나의 이상적인 곡면 미러이고, 이러한 변형거울은 주로 적응 광학계(adaptive optics)에 사용되며, 독립적인 각 소형 미러의 위치를 조정함으로써 입사광파의 파면 위상 구조를 변화시켜 집속 및 고차 이미지의 왜곡 보정 등 목적을 실현할 수 있다.
그러나, 현재 소형 미러 유닛 제어에는 많은 부족한 부분이 존재한다. 오늘날 가장 많이 사용되는 압전 액츄에이터로서 축방향 변위를 발생시키는 지르콘산 티탄산연(PZT) 압전 세라믹 다층 액츄에이터, 횡방향 절곡 변위를 발생시키는 모노몰프 및 바이몰프 액츄에이터가 있다. 그 부족점은 첫번째로, 현재 대다수 상업용 PZT 다층 액츄에이터, 모노몰프 및 바이몰프 액츄에이터는 단일 자유도 액츄에이터이고, 이러한 소형 미러 유닛을 조합한 변형거울에 적용하는데 극히 적합하지 않고, 두번째로, 다층 액츄에이터, 모노몰프 및 바이몰프 액츄에이터를 결합하여 사용할 경우 외형 사이즈가 너무 크고, 이러한 소형 미러를 조합한 변형거울에 역시 적용할 수 없다. 따라서, 체적이 작고, 고자유도의 압전 액츄에이터로 상술한 과제를 개선할 것을 요구한다.
기존 기술 중 적어도 하나의 과제를 해결하기 위해 본 발명을 실현하였다.
본 발명의 하나의 양태에 의하여, 본 발명을 제공하였다.
압전 액츄에이터에 있어서, 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정, 제4 압전 단결정 및 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 가지는 연결부재(level connector)를 포함하고, 상기 제1 압전 단결정의 일단 및 상기 제2 압전 단결정의 일단은 상기 연결부재의 제1 표면의 서로 다른 위치에 각각 연결되고, 상기 제3 압전 단결정의 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 일단은 상기 연결부재의 제2 표면의 서로 다른 위치에 각각 연결되며, 상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정은 연결부재가 제1 방향으로 경사지도록 구동할 수 있고, 상기 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 연결부재와 연결되지 않은 일단에 구동면을 형성하며, 상기 구동면은 상기 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정에 의해 상기 제1 방향과 다른 방향인 제2 방향으로 경사지도록 구동될 수 있다.
바람직하게는, 당해 압전 액츄에이터는 상기 제1 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단 및 상기 제2 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단이 연결되는 베이스를 더 포함한다.
바람직하게는, 당해 압전 액츄에이터는 상기 제3 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단이 연결되는 그랜드를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 모두 직사각형이다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 상기 연결부재에 각각 연결되는 변은 서로 평행되고, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 상기 연결부재에 각각 연결되는 변은 서로 평행된다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정이 상기 연결부재에 연결되는 연결위치, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정이 상기 연결부재에 연결되는 연결위치의, 상기 연결부재의 제1 표면 및 제2 표면 중의 어느 한 면에 대한 투영은 서로 직교된다.
바람직하게는, 상기 연결부재의 제1 표면에 2개의 평행되는 스트립형태 그루브가 마련되어 있고, 상기 연결부재의 제2 표면에 2개의 평행되는 스트립형태 그루브가 마련되어 있으며, 상기 제1 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단, 상기 제2 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단, 상기 제3 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단은 서로 다른 스트립형태 그루브 내에 고정되고, 상기 제1 표면의 스트립형태 그루브는 상기 제2 표면의 스트립형태 그루브에 직교된다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 단결정 조성 성분은 아연니오브산연-티탄산연, 마그네슘니오브산연-티탄산연, 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연 및 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 모두 횡방향 모드이고, 바람직하게는 d31 또는 d32모드이다. (bonded)
변형거울에 있어서, 복수의 미러 및 복수의 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액츄에이터를 포함하고, 각 상기 미러는 각각 상기 연결부재의 동일 측에 위치하며, 각 상기 미러는 각 상기 압전 액츄에이터의 상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단에 각각 접착되거나 또는 각 상기 미러는 각 상기 압전 액츄에이터의 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단에 각각 접착된다.
압전 액츄에이터에 있어서, 연결부재, 제3 압전 단결정, 제4 압전 단결정,베이스 및 그랜드를 포함하며,
상기 연결부재는 서로 대향하는 제1 연결면 및 제2 연결면을 포함하고, 또한 일단이 상기 제1 연결면에 연결되고 제1 방향을 따라 배열되는 제1 압전 단결정 및 일단이 상기 제1 연결면에 연결되고 상기 제1 압전 단결정에 평행하여 이격 배치된 제1 방향을 따라 배열되는 제2 압전 단결정을 포함하며,
상기 제3 압전 단결정의 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 일단은 각각 상기 제2 연결면에 연결되고, 또한 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 서로 대향하여 이격되며, 모두 제1 방향과 각을 이루는 제2 방향을 따라 배열되고, 상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 전계의 작용 하에 상기 제1 연결면에 수직되는 방향을 따라 연장되거나 또는 수축되며,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 자유단은 모두 상기 베이스에 연결되고, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 자유단은 모두 그랜드에 연결된다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 고용체 단결정으로 제조되고, 아연니오브산연-티탄산연(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3), 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) 및 그들의 파생성분으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 직사각형 판상 구조이며, 모두 [011]결정방향으로 분극된, d32 또는 d31모드의 단결정으로 제조된다.
바람직하게는, 상기 연결부재는 직사각형 판상 구조이다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 길이 방향은 상기 압전 액츄에이터의 길이 방향에 평행되고, 폭 방향은 상기 연결부재의 길이 방향에 평행된다.
바람직하게는, 상기 제1 연결면에 2개의 서로 평행되는 그루브가 마련되어 있고, 상기 제2 연결면에 2개의 서로 평행되는 그루브가 마련되어 있으며, 상기 제1 연결면의 그루브는 상기 제2 연결면의 그루브에 수직되고,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정은 상기 제1 연결면의 그루브에 접착되고, 상기 제3 압전 단결정, 상기 제4 압전 단결정은 상기 제2 연결면의 그루브에 접착된다.
바람직하게는, 상기 베이스는 상기 제1 연결면에 평행하는 상면을 포함하고, 상기 상면에는 서로 평행하여 이격 배치된 그루브가 마련되고,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정은 상기 베이스의 상면의 2개 그루브에 각각 연결되며,
상기 그랜드는 상기 제2 연결면에 평행하는 하면을 포함하고, 상기 하면에는 서로 평행하여 이격 배치된 그루브가 마련되고,
상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 상기 그랜드의 하면의 2개 그루브에 각각 연결된다.
바람직하게는,상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 사이즈는 서로 동일하거나 또는 다를 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 수직된다.
바람직하게는, 상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 모두 스트립 구조이다.
변형거울에 있어서, 상기 변형거울은 압전 액츄에이터를 복수개 포함하고, 복수의 상기 압전 액츄에이터는 매트릭스로 배열된다.
변형거울의 제조 방법에 있어서, 상기 제조 방법은
복수의 상기 압전 액츄에이터가 매트릭스로 배열되도록 상기 복수의 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하는 a 단계, 및
상기 복수의 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 대해 평면 연마 및 경면 연마를 진행하는 b단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 그랜드의 상면을 연마한 후, 고반사율의 코팅층을 더 도포한다.
변형거울의 제조 방법은
복수의 상기 압전 액츄에이터가 매트릭스로 배열되도록 복수의 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하는 a 단계,
상기 복수의 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 대해 평면 연마(flat-lapping)를 진행하는 b 단계, 및
각 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 하나의 소형 미러를 접착시키는 c 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 기술 방안을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하 실시예에 필요되는 도면에 대해 간단히 설명하며, 이하 도면은 본 발명의 일부 실시예를 나타내기 위한 것에 불과하기에, 범위의 한정으로 간주하여서는 아니되며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 창조적 노동이 없이 이러한 도면을 토대로 기타 관련된 도면을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 미작동 상태의 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 작동 상태의 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 [011] 결정방향으로 분극된 PZN-5.5%PT d32 횡방향 모드 단결정 로드의 전계 유기 변형 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 베이스 및 그랜드가 없는 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 미작동 상태의 변형거울 구조 개략도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 작동 상태의 변형거울 구조 개략도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 미작동 상태의 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 작동 상태의 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 [011] 결정방향으로 분극된 PZN-5.5%PT d32 횡방향 모드 단결정 로드의 전계 유기 변형 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 베이스 및 그랜드가 없는 압전 액츄에이터의 구조 개략도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 미작동 상태의 변형거울 구조 개략도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공하는 작동 상태의 변형거울 구조 개략도이다.
본 발명의 실시예의 목적, 기술방안 및 장점을 보다 명확하게 하기 위하여, 이하 본 발명의 실시예의 도면을 결부하여, 본 발명의 실시예를 명확하고 완전하게 설명하는바, 서술하고자 하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예에 불과할 뿐, 전부 실시예가 아닌 것은 자명한 것이다. 통상적으로 여기에서 서술하고 보여준 본 발명의 실시예의 어셈블리는 각종 다른 방식으로 배치 및 설계될 수 있다.
따라서, 이하 도면에서 제공한 본 발명의 실시예의 상세한 설명은 보호하고자 하는 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니고, 본 발명의 선택 실시예를 보여주는 것에 불과하다. 본 발명의 실시예를 기초하여, 본 기술분야의 통상의 기술자가 창조적 노동이 없이 얻은 기타 모든 실시예는 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.
유의하여야 할 점은 유사한 부호 또는 문자는 이하 도면에서 유사한 항을 표시하기에 일단 어느 한 항이 도면에서 정의되면 그 후 도면에서 추가로 정의하거나 해석할 필요가 없다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 용어 "상", "하", "내측", "외측" 등이 가리키는 방위 또는 위치 관계는 도면에 기초한 방위 또는 위치 관계거나 당해 발명 제품을 사용할 때 습관적으로 배열하여 사용하는 방위나 위치 관계, 또는 본 기술분야의 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 위치관계이며, 표시된 장치 또는 소자가 반드시 특정된 방위를 가지고 특정된 방위로 구성되거나 조작되어야 하는 것을 제시 또는 암시하는 것이 아니므로 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 아니된다.
또한, 용어 "제1" "제2", "제3"은 설명의 목적으로 사용함에 불과하고, 상대적 중요성을 제시 또는 암시하는 것으로 이해해서는 아니된다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 별도로 명확하게 규정 또는 한정을 하지 않는 한 "설치", "장착", "연결" 등은 넓은 의미로 이해하여야 하고, 예를 들어 고정 연결일 수 있고, 탈착 가능한 연결일 수 있거나 또는 일체 연결일 수 있으며, 기계적 연결일 수 있고, 전기적 연결일 수 있으며 직접 접속일 수 있고, 중간 매개체를 통한 간접 접속일 수 있으며, 2개의 소자 내부 사이의 연통일 수도 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 구체적인 상황에 따라 상술한 용어를 본 발명의 구체적인 의미로 이해할 수 있다.
제1 실시예:
도 1을 참조하면, 본 실시예는 연결부재(300), 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121), 제4 압전 단결정(122), 베이스(410) 및 그랜드(420)를 포함하는 압전 액츄에이터(10)를 제공한다.
연결부재(300)는 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)을 장착하는데 사용되고 조절된 각도를 전달하는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 당해 연결부재(300)의 본체 형상은 직사각형 또는 사각형 구조를 포함하나 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 원형, 타원형 및 기타 불규칙적인 형상이 모두 가능하다. 당해 연결부재(300)는 서로 대향하는 2개의 평행하는 표면 즉 제1 표면 및 제2 표면을 포함한다. 당해 연결부재(300)에 그루브(310) 구조가 마련될 수 있고, 제1 표면 및 제2 표면 각각에 그루브(310) 2개씩 마련되며, 이러한 그루브(310)를 통해 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)과 연결부재(300)의 연결 안정성(4개의 압전 단결정이 각각 서로 다른 그루브(310)에 삽입되어 연결부재에 고정 연결됨)을 향상시키고, 그루브(310)는 스트립형태 그루브(310) 구조일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 당해 그루브(310)(압전 단결정과 연결부재(300)의 연결위치)는 동일 표면에 평행되게 각각 2개 배치될 수 있고, 제1 표면의 그루브(310) 구조는 제2 표면의 그루브(310) 구조에 직교(수직)하여 배치될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 전압에 의해 여기되어(excitation) 변형(주로 길이 변화)되는 것을 통해, 그 단부에 연결된 장치 또는 부품을 구동한다.
바람직하게는, 당해 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)은 연결부재(300)의 제1 표면에 장착되되, 서로 다른 위치에 장착되고 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 연결부재(300)의 제2 표면에 장착되되, 서로 다른 위치에 장착되며 이층구조를 형성한다. 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 연결부재(300)에 각각 연결되는 연결위치에 있어서, 각 연결위치의 상기 연결부재(300)의 제1 표면 또는 제2 표면에 대한 투영은 서로 겹치지 않는다. 당해 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 모두 직사각형일 경우(이에 한정되지 않음), 교차 분포로, 예를 들어, 직교 및 비슴듬히 교차 등으로 이해할 수 있다. 연결 방식은 접착, 납땜(soldering), 용접(welding) 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 압전 단결정이 모두 직사각형일 경우(즉 단결정 로드), 당해 4개의 압전 단결정의 사이즈는 서로 같을 수 있고, 즉 각층이 각각 2개의 단결정 로드로 구성된다. 각층의 2개의 단결정이 동일한 전압에 의해 여기될 경우, 그 전단면은 축방향으로 변위되나(축방향은 연결부재(300)의 표면에 수직되는 방향에 해당), 서로 다른 전압에 의해 여기될 경우, 각측의 2개의 단결정 전단면은 축방향에서 변위되는 동시에 경사지게 변위된다(구동면은 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 연결부재(300)와 연결되지 않은 일단에 형성되고, 당해 구동면은 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)에 의해 구동되어 제2 방향으로 경사지며, 제1 방향 및 제2 방향은 서로 다른 방향이고, 이때, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)은 연결부재(300)를 구동함). 여기서 한 그룹의 단결정(제3 및 제4 압전 단결정)은 다른 하나 그룹의 단결정(제1 및 제2 압전 단결정)위에 적층되고, 두 그룹의 단결정의 경사 회전축은 직교하여 배열된다. 이때 3자유도의 구동 효과를 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 당해 도면은 당해 압전 액츄에이터(10)의 작동 후의 상태를 보여준다. 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 각각 서로 다른 전압에 의해 여기되며 변형된다. 변형 후의 제1 압전 단결정(111)은 제2 압전 단결정(112)보다 길고, 제3 압전 단결정(121)은 제4 압전 단결정(122)보다 길게 되어, 결과적으로 구동면이 경사지게 변화되어 구동 목적을 실현할 수 있음을 알 수 있다.
바람직하게는, 당해 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 [011]결정방향(Crystal orientation)으로 분극된 Pb계 완화형 강유전체 단결정일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그 조성 성분은 아연니오브산연-티탄산연(PZN-PT), 마그네슘니오브산연-티탄산연(PMN-PT), 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연(PIN-PMN-PT), 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연(PMN-PZT) 및 그 유도 성분 등일 수 있으나 이러한 조성에 한정되지 않는다. 이러한 결정방향으로 분극된 Pb계 완화형 강유전체 단결정은 압전 세라믹보다 높은 횡 압전 계수 d31 및 d32를 가진다. 예를 들어, PZN-PT단결정의 d32 및 d31 수치는 각각 -(3200-4000) pC/N 및 1100 pC/N이다. 이러한 유형의 압전 재료는 특히 고 축방향 변형의 액츄에이터를 제조하는데 적용된다.
여기서, 여기 전계 강도(excitation field)가 상 변환 전계의 강도보다 낮고 작동 주파수가 비교적 낮을 경우, [011]결정방향으로 분극된 Pb계 완화형 단결정의 횡방향 모드 로드는 극히 낮은 변형 히스테리시스 현상(strain hysteresis)을 보여준다. 바람직하게는, 본 발명의 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 이용할 수 있는 횡방향 모드는 [011]결정방향으로 분극되고, [100]방향으로 구동되는 d32모드이다. 예를 들어, PZN-5.5%PT 단결정으로 제조된 이러한 로드는 높은 횡 압전 계수
, 높은 상 변환 전계 및 [100]방향의 높은 상 변환 응력 강도(상 변환 전계(ERO)는 0.8 kV/mm이고, 상 변환 응력 강도(σRO)는 12 MPa)를 가진다. 도 3에 나타낸 바와 같이, [011]결정방향으로 분극된 PZN-5.5%PT d32 횡방향 모드 단결정 로드의 전계 유기 변형(field-induced-strain) 곡선이고, 횡축은 전계 강도를 표시하고, 종축은 변형을 표시하며, 도면으로부터 알 수 있다시피, 이러한 단결정은 변형이 크지만 현저한 변형 히스테리시스 현상(여기서 점선은 변형 히스테리시스 현상이 없는 이상적인 상태를 표시하고, 실선은 실제 측정 변화를 표시하며, 이러한 미세한 차이는 무시할 수 있어, 거의 이상적인 상태에 접근함)이 나타나지 않았음을 보여준다. 이러한 변형이 크고 현저한 변형 히스테리시스 현상이 없는 단결정은 변형거울(20)의 소형 미러구동 장치를 제조하기 위한 바람직한 재료로 될 수 있다.
베이스(410) 및 그랜드(420)는 다른 장치 예를 들어 소형 미러를 고정 또는 장착하는데 사용된다.
바람직하게는, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 연결부재(300)에서 떨어진 일단에 베이스(410)가 마련되어 있다. 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 연결부재(300)에서 떨어진 일단에 그랜드(420)가 마련되어 있다. 예를 들어, 베이스(410)를 고정 받침대로 설정하고, 그랜드(420)를 적재 플랫폼으로 설정하여, 피구동 장치를 장착하도록 한다. 유의하여야 할 점은, 그랜드 및 베이스가 없을 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 일측 압전 단결정의 단면을 기타 평면 또는 장치에 직접 고정하고, 타측 압전 단결정의 단면을 구동 대상물 또는 피구동 장치에 직접 고정 연결하여도 된다. 당해 그랜드 및 베이스의 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)과 연결되는 위치에 그루브(310)를 마련하여 연결에 사용하도록 한다.
상술한 본 발명에서 제공한 압전 액츄에이터(10)에서, 연결부재(300)의 제1 표면에 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)이 설치되고, 상기 연결부재(300)의 제2 표면에 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 설치되며, 제1 표면 및 제2 표면은 연결부재(300)의 서로 대향하는 두 측면이고, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 연결부재(300)의 서로 다른 위치에 연결되고, 각 연결위치의 상기 연결부재(300)의 제1 표면 또는 제2 표면에 대한 투영은 서로 겹치지 않는다. 다시 말해서 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)은 한 방향에 향하고, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 다른 한 방향에 향한다. 이와 같이 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)에 전압을 가함으로써, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 변형을 일으켜(길어지거나 짧아짐), 연결부재(300)의 한 방향에서의 경사각도 또는 승강 높이를 조절한다. 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)에 전압을 가함으로써, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 변형을 일으켜, 연결부재(300)의 단면의 다른 한 방향에서의 경사각도 또는 승강 높이를 조절한다. 조절 후의 2개의 각도는 연결부재(300)를 통해 연결부재(300)의 동일 측의 압전 단결정의 단부(제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 형성한 구동면)에 전달된 후 2개 방향에서 각도를 조절하는 동시에 압전 단결정의 축방향에서의 길이 변화에 의해 축방향에서의 길이를 조절할 수 있다. 즉 당해 압전 액츄에이터(10)는 3자유도인 제어를 실현할 수 있다.
제2 실시예
도 5를 참조하면, 본 실시예는 제1 실시예의 압전 액츄에이터(10)를 이용한 변형거울(20)을 제공한다. 도 5 및 도 6는 9×9로 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터(10)를 이용한 상태가 서로 다른 변형거울(20)의 구조 개략도를 보여준다.
바람직하게는, 당해 변형거울(20)은 복수의 압전 액츄에이터(10) 및 각 연결부재(300)의 동일 측에 위치하고 각 상기 압전 액츄에이터(10)의 상기 제1 압전 단결정(111) 및 상기 제2 압전 단결정(112)의 연결부재(300)에 연결되지 않은 일단의 단면에 각각 마련되거나 또는 각 상기 압전 액츄에이터(10)의 상기 제3 압전 단결정(121) 및 상기 제4 압전 단결정(122)의 연결부재(300)에 연결되지 않은 일단의 단면에 각각 마련되는 복수의 미러(510)를 포함한다.
바람직하게는, 각 미러(510)는 복수의 압전 액츄에이터(10)의 베이스(410) 또는 그랜드(420)에 각각 장착될 수 있고, 또한 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 연결부재(300)에서 멀리 떨어진 단면에 직접 연결되거나 또는 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 연결부재(300)에서 멀리 떨어진 단면에 직접 연결될 수 있으며, 연결되지 않은 단면에 하나의 베이스 또는 그랜드를 마련하여 고정층으로 하거나 또는 다른 장치에 직접 고정될 수 있다. 각 압전 액츄에이터(10)는 독립적으로 각 미러(510)를 제어할 수 있다. 각 미러(510)는 하나의 완전한 변형거울(20)을 구성하기 위한 각 소형 미러이다.
도 6을 참조하면, 당해 도면은 변형거울(20)이 압전 액츄에이터(10)에 의해 구동된 후의 개략도를 보여준다. 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 각각 서로 다른 전압에 의해 여기되며 변형된다. 변형 후의 제1 압전 단결정(111)은 제2 압전 단결정(112)보다 길고, 제3 압전 단결정(121)은 제4 압전 단결정(122)보다 길게 되어, 결과적으로 변형거울(20) 전면(全面)이 경사지게 변화되는 것을 알 수 있다. 물론 실제 응용에서 각 압전 액츄에이터(10)는 모두 독립적으로 제어를 실행하기에 구동되는 각 미러(510)는 서로 다른 변화를 일으킬 수 있다.
일정 치수의 변형거울(20)에 있어서, 소형 미러 유닛이 많을 수록, 그 광학 적응 능력이 더욱 강하다. 변형거울(20) 중의 압전 소형 미러의 수량은 통상적으로 수십 또는 수백 개이고, 이러한 소형 미러는 모두 독립적으로 제어하여야 하므로, 따라서 변형 히스테리시스에 의해 그 제어 난이도도 현저하게 증가된다. 하지만 이러한 압전 액츄에이터(10)를 이용할 경우, 응답 속도가 빠르고, 변형 히스테리시스가 작으며, 변위 및 경사 해상도가 높은 등 우세를 가지기에, 단일 압전 로드의 축방향 변위 및 경사 변위의 오차를 대폭 줄이며, 변형거울(20)의 압전시트의 제어 난이도도 줄일 수 있다.
예를 들어, 상술한 소형 미러는 사이즈가 7mm(L)×4mm(W)×0.5mm(T)인 4개의 PZN-5.5%PT인 d32 단결정 로드에 의해 구동되고, 400V 단방향 전압에 의해 여기될 경우, 축방향에서의 총변위 및 전체 경사도의 최대치는 각각 15 μm 및 0.3도이다.
본 실시예에서 제공하는 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터(10)를 이용한 변형거울(20)에 있어서, 당해 변형거울(20)은 변형거울(20)의 각 소형 미러 유닛을 각 압전 액츄에이터(10)의 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 연결부재(300)에서 멀리 떨어진 단부에 각각 장착하거나 또는 각 압전 액츄에이터(10)의 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 연결부재(300)에서 멀리 떨어진 단부에 장착하고, 소형 미러 유닛이 연결되지 않은 압전 단결정의 단부를 고정시킨다. 압전 액츄에이터(10)의 3자유도인 조정을 통해, 각 소형미러에 대해 세 방향으로 독립적으로 제어할 수 있고, 각 소형 미러에 대한 제어를 통해 변형거울(20) 전체의 큰 곡면 거울에 대해 더 높은 정밀도로 제어할 수 있고, 제어 난이도 및 제어 지연을 줄여 제어의 유연성을 향상시켰다.
상술한 바를 종합하면, 본 발명에서 제공한 압전 액츄에이터(10) 및 변형거울(20)은 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)을 사용하여 두 그룹의 이층구조를 형성하고, 각 그룹의 압전 단결정의 구동단면의 회전축은 서로 교차되어 전압에 의해 여기된 후 그 중 한 그룹의 압전 단결정의 연결부재(300)에서 멀리 떨어진 단면(두 방향에서의 경사 변위 및 축방향 변위)을 구동하여, 3자유도인 구동효과를 얻고, 이로써 변형거울(20)의 미러(510)를 구동하여 멀티 자유도의 구동효과를 실현할 수 있다.
제3 실시예
도 1과 같이, 본 실시예는 변형거울에 사용되고 주로 연결부재(300), 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121), 제4 압전 단결정(122), 베이스(410) 및 그랜드(420)를 포함하는 압전 액츄에이터를 제공한다. 여기서, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)은 대향하여 이격되고, 양자의 일단은 연결부재(300)에 연결되고, 타단은 베이스(410)에 연결되며, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 대향하여 이격되고, 양자의 일단은 연결부재(300)에 연결되며, 타단은 그랜드(420)에 연결된다.
도 1 및 도 2와 같이, 연결부재(300)는 대향하는 제1 연결면 및 제2 연결면을 포함하고, 제1 압전 단결정(111)의 일단 및 제2 압전 단결정(112)의 일단은 각각 제1 연결면에 연결되고, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)은 평행하여 이격되며, 양자가 제1 연결면에서의 배열방향을 제1 방향으로 정의한다. 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 자유단에 베이스(410)가 마련된다.
유사하게, 제3 압전 단결정(121)의 일단 및 제4 압전 단결정(122)의 일단은 각각 제2 연결면에 연결되고, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 평행하여 이격되며, 양자가 제2 연결면에서의 배열방향을 제1 방향과 각을 이루는 제2 방향으로 정의한다. 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 자유단에 그랜드(420)가 마련된다.
추가로, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 모두 사이즈가 동일한 직사각형인 판상 구조이다.
물론, 다른 실시예에서, 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)이 사이즈가 서로 같은 직사각형 판상 구조이고, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)이 사이즈가 서로 같은 직사각형 판상 구조일 수 있지만, 상술한 두 사이즈는 서로 다를 수 있다. 또는 제1 압전 단결정(111) 및 제2 압전 단결정(112)의 사이즈가 다를 수 있고, 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)의 사이즈가 다를 수 있다. 또는 4개의 압전 단결정의 형상은 직사각형 판상이 아닐 수 있으며, 기타 적합한 형상 예를 들어 스트립 형상일 수도 있다.
추가로, 연결부재(300)는 판상 또는 괴상 구조이고, 제1 연결면에 서로 평행하는 2개의 그루브가 마련되어 있고, 마찬가지로 제2 연결면에도 서로 평행하는 그루브가 마련되어 있으며, 제1 연결면의 그루브는 제2 연결면의 그루브에 수직된다. 제1 압전 단결정(111)의 일단 및 제2 압전 단결정(112)의 일단은 각각 제1 연결면의 2개의 그루브 내에 접착된다. 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 각각 제2 연결면의 2개의 그루브에 접착된다.
제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112)의 자유단에 베이스(410)가 마련되어 있고, 베이스(410)는 연결부재(300)의 제1 표면에 평행하는 상면을 포함하며, 당해 상면에 2개의 그루브가 평행하여 배치된다. 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112)의 자유단은 각각 베이스(410)의 2개의 그루브 내에 접착된다.
제3 압전 단결정(121), 제4 압전 단결정(122)의 자유단에 그랜드(420)가 마련되어 있고, 그랜드(420)는 연결부재(300)의 제2 표면에 평행하는 하면을 포함하며, 당해 하면에 2개의 그루브가 평행하여 배치된다. 제3 압전 단결정(121), 제4 압전 단결정(122)의 자유단은 각각 그랜드(420)의 2개의 그루브 내에 접착된다.
물론, 다른 실시예에서, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 예를 들어 접착과 같은 기타 다른 방식으로 연결부재(300), 베이스(410) 및 그랜드(420)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 연결면의 그루브와 제2 연결면의 그루브를 수직되게 설치하는 것은 바람직한 실시예에 불과하고, 다른 실시예에서는 다른 협각으로 설치될 수 있다.
제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 압전 활성 물질을 사용하고, 전선을 추가하여 전계 또는 전압을 가함으로써 상술한 단결정이 연장되거나 수축될 수 있으며, 상술한 단결정의 전극면은 모두 제일 큰 두 면에 위치하며, 간소화하기 위해 도면에서 전선 연결을 도시하지 않았다.
추가로, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 조성 성분이 아연니오브산연-티탄산연(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3), 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) 및 그들의 유도 조성 성분 중 적어도 하나를 포함하는 고압전 완화형 고용체 단결정으로 제조된다. 즉, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 상술한 조성 성분의 하나 또는 복수 개를 포함한다.
저주파와 비교적 작은 전계(강도가 단결정의 상 변환 전계의 강도보다 낮음) 작용하에서, [011]결정방향으로 분극되고 횡방향 작동 모드인 Pb계 완화형 압전 단결정은 극히 낮은 변형 히스테리시스 효과를 보여준다. 추가로, 본 발명의 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 [011]결정방향으로 분극된 d32 모드([100]결정방향을 액츄에이터 방향으로 함)의 단결정으로 제조된다. 예를 들어, [011]결정방향이 분극된 PZN-5.5%PT단결정은 매우 높은 횡 압전 계수 
를 가질 뿐만 아니라, 상대적으로 비교적 높은 각각 0.8 kV/mm 및 10 MPa인 상 변환 전계 및 축방향 상 변환 응력을 가진다.
도 3은 준정적 상태의 [011]결정방향으로 분극된, d32모드의 PZN-5.5%PT 단결정의 전계 유기 변형 곡선이고, 횡좌표는 전계 강도(kV/mm)이고, 종좌표는 유도 변형이다. 당해 도면은 상기 단결정이 우수한 축방향 변형 선형성 및 극히 낮은 변형 히스테리시스 효과를 가지는 것을 보여준다.
다른 실시예에서, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 [011]결정방향으로 분극된 d31모드를 이용할 수 있다.
본 실시예에서 제공하는 압전 액츄에이터의 작동 원리는 다음과 같다.
그랜드(420) 고정 후, 4개의 압전 단결정에 동일한 전압을 가하면, 4개의 압전 단결정의 연장율 또는 축소율이 동일하게 된다. 따라서 베이스(410)가 그랜드(420)에 수직하는 방향을 따라 이동하게 하며, 즉 축방향 변위가 발생된다.
제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)에 가한 전압이 서로 다를 경우, 양자의 변형량이 다르거나 또는 변형 방향도 다르게 되며, 따라서 그랜드(420)가 경사지게 된다. 즉 일정한 각도로 회전이 발생하며, 그 회전축은 제2 연결면의 그루브에 평행된다. 제1 압전 단결정(111)에 가한 전압이 제2 압전 단결정(112)과 다를 경우, 양자의 변형량이 다르거나 또는 변형 방향도 다르게 되며, 따라서 연결부재(300)가 경사지게 된다. 연결부재(300)는 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)을 통해 그랜드(420)가 일정한 각도로 회전하도록 경사지게 한다. 그 회전축은 제1 연결면의 그루브에 평행된다. 제1 연결면의 그루브와 제2 연결면의 그루브 사이에 협각이 존재하기에 두가지 상황에서 회전축도 일정한 협각이 존재하고, 본 실시예에 있어서, 협각은 90°이고, 따라서 2개의 회전 자유도가 생기고, 축방향 변위의 자유단까지 포함하여 모두 3자유도를 가진다.
또한, 제1 압전 단결정(111), 제2 압전 단결정(112), 제3 압전 단결정(121) 및 제4 압전 단결정(122)은 모두 [011]결정방향으로 분극된, 초고압전 성능을 가지는 Pb계 완화형 단결정으로 제조되기에 변형 히스테리시스 효과는 무시할 정도로 낮다.
유의하여야 할 점은, 본 발명에서 언급한 평행 또는 수직은 절대적인 평행 또는 수직을 나타내지 않으며 일정한 편차를 가질 수 있고, 또한 하면 및 상면은 도면의 방향이 변할 때, 하면 및 상면의 방위도 대응되게 변환된다.
제4 실시예:
본 실시예는 제3 실시예에서 제공한 복수의 압전 액츄에이터를 사용하였고, 복수의 압전 액츄에이터는 매트릭스로 배열되며, 베이스는 강성 기저에 고정되고, 그랜드의 상면은 경면 연마된 후, 고반사율 코팅층에 의해 도포된다. 구체적으로 금속 코팅층이다. 본 실시에에서 81개의 압전 액츄에이터를 사용하여 9×9로 배열한다.
제5 실시예:
본 실시예는 이하의 단계를 포함하는 변형거울의 제조 방법을 제공한다.
a. 제3 실시예의 압전 액츄에이터의 그랜드 상면에 대해 경면 연마를 진행한다.
b. 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하고, 복수의 압전 액츄에이터를 매트릭스로 배열한다. 베이스와 강성 기저의 연결 방식은 용접, 접착, 끼움 연결 또는 볼트 연결 등을 이용할 수 있다.
추가로, 경면 연마를 진행한 후, 그랜드의 상면에 고반사율의 코팅층을 도포한다.
제6 실시예:
본 실시예는 이하의 단계를 포함하는 변형거울의 제조 방법을 제공한다.
a. 상기 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하고, 상기 복수의 압전 액츄에이터를 매트릭스로 배열한다. 당해 베이스는 용접, 접착, 끼움 연결, 납땜, 볼트 연결 등을 통해 강성 기저에 연결될 수 있다.
b. 상기 복수의 압전 액츄에이터의 그랜드 상면에 대해 평면 연마(flat-lapping)를 진행한다.
c. 각 압전 액츄에이터의 그랜드 상면에 하나의 소형 미러를 접착한다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과하고 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명에 대해 여러가지 변경 또는 변화를 진행할 수 있다. 본 발명의 취지 및 원칙 내에서 진행한 임의의 수정, 균등 대체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다.
산업상의 이용 가능성
상술한 본 발명에서 제공한 압전 액츄에이터에서, 연결부재의 제1 표면에 제1 압전 단결정 및 제2 압전 단결정이 설치되고, 상기 연결부재의 제2 표면에 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정이 설치되며, 제1 표면 및 제2 표면은 연결부재의 서로 대향하는 두 측면이고, 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정및 제4 압전 단결정은 연결부재의 서로 다른 위치에 연결되고, 각 연결위치의 상기 연결부재의 제1 표면 또는 제2 표면에 대한 투영은 서로 겹치지 않는다. 다시 말해서 제1 압전 단결정 및 제2 압전 단결정은 한 방향으로 향하고, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 다른 한 방향으로 향한다. 이와 같이 제1 압전 단결정 및 제2 압전 단결정에 전압을 가함으로써, 제1 압전 단결정 및 제2 압전 단결정의 변형을 일으켜(길어지거나 짧아짐), 연결부재의 한 방향에서의 경사각도 또는 승강 높이를 조절한다. 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정에 전압을 가함으로써, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정의 변형을 일으켜, 연결부재의 단면의 다른 한 방향에서의 경사각도 또는 승강 높이를 조절한다. 조절 후의 2개의 각도는 연결부재를 통해 연결부재의 동일 측의 압전 단결정의 단부(제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정이 형성한 구동면)에 전달된 후 2개 방향에서 각도를 조절하는 동시에 압전 단결정의 축방향에서의 길이 변화에 의해 축방향에서의 길이를 조절할 수 있다. 즉 당해 압전 액츄에이터는 3자유도인 제어를 실현할 수 있다.
상술한 본 발명에서 제공하는 압전 액츄에이터를 이용한 변형거울에 있어서, 당해 변형거울은 변형거울의 각 소형 미러 유닛을 각 압전 액츄에이터의 제1 압전 단결정 및 제2 압전 단결정의 연결부재에서 멀리 떨어진 단부에 각각 장착하거나 또는 각 압전 액츄에이터의 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정의 연결부재에서 멀리 떨어진 단부에 장착하고, 소형 미러 유닛이 연결되지 않은 압전 단결정의 단부를 고정시킨다. 압전 액츄에이터의 3자유도인 조정을 통해, 각 소형미러에 대해 세 방향으로 독립적으로 제어할 수 있고, 각 소형 미러에 대한 제어를 통해 변형거울 전체의 큰 곡면 거울에 대해 더 높은 정밀도로 제어할 수 있고, 제어 난이도 및 제어 지연을 줄여 제어의 유연성을 향상시켰다.
Claims (24)
- 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정, 제4 압전 단결정 및 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 가지는 연결부재를 포함하고,
상기 제1 압전 단결정의 일단 및 상기 제2 압전 단결정의 일단은 상기 연결부재의 제1 표면의 서로 다른 위치에 각각 연결되고, 상기 제3 압전 단결정의 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 일단은 상기 연결부재의 제2 표면의 서로 다른 위치에 각각 연결되며,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정은 연결부재가 제1 방향으로 경사지도록 구동할 수 있고, 상기 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 연결부재와 연결되지 않은 일단에 구동면을 형성하며, 상기 구동면은 상기 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정에 의해 상기 제1 방향과 다른 방향인 제2 방향으로 경사지도록 구동될 수 있고,
상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 이층구조를 형성하고,
상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정이 연결부재에 각각 연결되는 연결위치에 있어서, 각 연결위치의 상기 연결부재의 제1 표면 또는 제2 표면에 대한 투영은 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단 및 상기 제2 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단이 연결되는 베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제2항에 있어서,
상기 제3 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단이 연결되는 그랜드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 모두 직사각형인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 상기 연결부재에 각각 연결되는 변은 서로 평행되고, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 상기 연결부재에 각각 연결되는 변은 서로 평행되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정이 상기 연결부재에 연결되는 연결위치, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정이 상기 연결부재에 연결되는 연결위치의, 상기 연결부재의 제1 표면 및 제2 표면 중의 어느 한 면에 대한 투영은 서로 직교되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제4항에 있어서,
상기 연결부재의 제1 표면에 2개의 평행되는 스트립형태 그루브가 마련되어 있고, 상기 연결부재의 제2 표면에 2개의 평행되는 스트립형태 그루브가 마련되어 있으며, 상기 제1 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단, 상기 제2 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단, 상기 제3 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 상기 연결부재에 연결되는 일단은 서로 다른 스트립형태 그루브 내에 고정되고, 상기 제1 표면의 스트립형태 그루브는 상기 제2 표면의 스트립형태 그루브에 직교되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 단결정 조성 성분은 아연니오브산연-티탄산연, 마그네슘니오브산연-티탄산연, 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연 및 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 횡방향 모드는 모두 d31 또는 d32 모드인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 복수의 미러 및 복수의 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액츄에이터를 포함하고,
각 상기 미러는 각각 상기 연결부재의 동일 측에 위치하며,
각 상기 미러는 각 상기 압전 액츄에이터의 상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단에 각각 접착되거나, 또는, 각 상기 압전 액츄에이터의 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 연결부재에 연결되지 않은 일단에 각각 접착되는 것을 특징으로 하는 변형거울.
- 연결부재, 제3 압전 단결정, 제4 압전 단결정,베이스 및 그랜드를 포함하며,
상기 연결부재는 서로 대향하는 제1 연결면 및 제2 연결면을 포함하고, 또한 일단이 상기 제1 연결면에 연결되고 제1 방향을 따라 배열되는 제1 압전 단결정 및 일단이 상기 제1 연결면에 연결되고 상기 제1 압전 단결정에 평행하여 이격 배치된 제1 방향을 따라 배열되는 제2 압전 단결정을 포함하며,
상기 제3 압전 단결정의 일단 및 상기 제4 압전 단결정의 일단은 각각 상기 제2 연결면에 연결되고, 또한 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 서로 대향하여 이격되며, 모두 제1 방향과 각을 이루는 제2 방향을 따라 배열되고, 상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 전계의 작용 하에 상기 제1 연결면에 수직되는 방향을 따라 연장되거나 또는 수축되며,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정의 자유단은 모두 상기 베이스에 연결되고, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 자유단은 모두 그랜드에 연결되고,
상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정은 이층구조를 형성하고,
상기 제1 압전 단결정, 제2 압전 단결정, 제3 압전 단결정 및 제4 압전 단결정이 연결부재에 각각 연결되는 연결위치에 있어서, 각 연결위치의 상기 연결부재의 제1 연결면 또는 제2 연결면에 대한 투영은 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 고용체 단결정으로 제조되고, 아연니오브산연-티탄산연(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), 마그네슘니오브산연-지르콘산 티탄산연(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3), 인듐니오브산연-마그네슘니오브산연-티탄산연(Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) 및 그들의 파생성분으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 직사각형 판상 구조이며, 모두 [011]결정방향으로 분극된 d32 또는 d31모드의 단결정으로 제조된 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제13항에 있어서,
상기 연결부재는 직사각형 판상 구조인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제14항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 길이 방향은 상기 압전 액츄에이터의 길이 방향에 평행되고, 폭 방향은 상기 연결부재의 길이 방향에 평행되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 연결면에 2개의 서로 평행되는 그루브가 마련되어 있고, 상기 제2 연결면에 2개의 서로 평행되는 그루브가 마련되어 있으며, 상기 제1 연결면의 그루브는 상기 제2 연결면의 그루브에 수직되고,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정은 상기 제1 연결면의 그루브에 접착되고, 상기 제3 압전 단결정, 상기 제4 압전 단결정은 상기 제2 연결면의 그루브에 접착되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 베이스는 상기 제1 연결면에 평행하는 상면을 포함하고, 상기 상면에는 서로 평행하여 이격 배치된 그루브가 마련되고,
상기 제1 압전 단결정 및 상기 제2 압전 단결정은 상기 베이스의 상면의 2개 그루브에 각각 연결되며,
상기 그랜드는 상기 제2 연결면에 평행하는 하면을 포함하고, 상기 하면에는 서로 평행하여 이격 배치된 그루브가 마련되고,
상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 상기 그랜드의 하면의 2개 그루브에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정의 사이즈는 서로 동일하거나 또는 다른 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 수직되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 압전 단결정, 상기 제2 압전 단결정, 상기 제3 압전 단결정 및 상기 제4 압전 단결정은 모두 스트립 구조인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
- 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액츄에이터를 복수개 포함하고, 복수의 상기 압전 액츄에이터는 매트릭스로 배열되는 것을 특징으로 하는 변형거울.
- 복수의 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액츄에이터가 매트릭스로 배열되도록 상기 복수의 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하는 a 단계, 및
상기 복수의 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 대해 평면 연마 및 경면 연마를 진행하는 b단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형거울의 제조 방법.
- 제22항에 있어서,
상기 그랜드의 상면을 연마한 후, 고반사율의 코팅층을 더 도포하는 것을 특징으로 하는 변형거울의 제조 방법.
- 복수의 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액츄에이터가 매트릭스로 배열되도록 복수의 압전 액츄에이터의 베이스를 강성 기저에 장착하는 a 단계,
상기 복수의 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 대해 평면 연마(flat-lapping)를 진행하는 b 단계, 및
각 압전 액츄에이터의 그랜드의 상면에 하나의 소형 미러를 접착시키는 c 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형거울의 제조 방법.
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