KR102247501B1 - 압전 구동 장치 및 이를 이용한 움직임 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
압전 구동 장치를 이용한 움직임 측정 방법이 제공된다. 개시된 압전 구동 장치는 상호 대향되게 배치되는 고정체와 가동체 사이에 배치되어 전단 모드로 작동되며 일단이 고정체에 고정되고 타단은 가동체에 마찰접촉되는 압전소자를 포함하고, 압전소자와 가동체 사이에 배치되어, 가동체의 움직임을 측정하는 위치 센서를 포함한다.
Description
개시된 실시 예들은 압전 구동 장치 및 이를 이용한 움직임 측정 방법에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Nicroscopy), 광학 장비, 반도체 공정 장비, 초정밀 정렬기(aligner) 등에는 수 밀리미터에서 수 센티미터 범위에서 대상체를 이동시킬 수 있으며 한 스텝의 이동 거리가 수 마이크로미터 미만, 작게는 수 십 나노미터에서 수 피코미터 수준인 정밀한 이동이 가능한 위치 조정기(positioner)가 요구된다. 이를 위하여 미세한 변위를 유발할 수 있는 간단한 구조의 구동 장치의 개발이 요구된다.
개시된 일 실시 예는 위치 센서를 포함하는 압전 구동 장치를 제공하는 것이다.
개시된 다른 실시 예는 위치 센서를 포함하는 압전 구동 장치를 이용하여 보다 정밀하게 움직임을 측정할 수 있는 움직임 측정 방법에 관한 것이다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치는 고정체, 상기 고정체와 대향되게 배치되는 가동체, 상기 고정체와 상기 가동체 사이에 배치되어 인가되는 전압에 기초하여 전단 모드로 작동되어 상기 가동체를 상기 고정체에 대해 이동시키는 압전소자; 및 상기 압전소자와 상기 가동체 사이에 배치되어, 상기 가동체의 움직임을 측정하는 위치 센서를 포함한다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 위치 센서는, 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극은 상기 압전 소자와 상기 가동체 사이의 일 단면의 제 1 영역에 고정되고, 상기 제 2 전극은 상기 일 단면의 제 2 영역에 고정된다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 위치 센서는, 서로 적층되어 있는 복수개의 기판을 포함한다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 복수개의 기판은, 도체로 코팅된 제 1 도전층을 포함하는 제 1 기판, 일 단면이 직선 패턴을 가지는 도체로 코팅된 제 2 도전층을 포함하는 제 2 기판, 일 단면이 원형 음각 패턴을 가지는 도체로 코팅된 제 3 도전층을 포함하는 제 3 기판 및 일 단면이 분할되어, 각각의 분할된 영역(248a, 248b)이 도체로 코팅된 도전층을 포함하는 제 4 기판을 포함하고, 상기 제 1 기판, 상기 제 2 기판 및 상기 제 3 기판은 각각의 도전층이 동일한 방향을 향하도록 배치되어 있고, 상기 제 4 기판의 도전층은 제 3 기판과 접촉하지 않는 면에 배치되어 있는다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 위치 센서는, 상기 원형 음각 패턴이 코팅되어 있는 영역에서 출력되는 전압의 크기 및 방향에 기초하여, 상기 가동체의 움직임을 측정한다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 위치 센서는, 상기 서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 인가한 결과 출력되는 전압이 0이 되는 경우, 상기 서로 다른 크기의 비율에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정한다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 위치 센서는, 반대 위상을 가진 각각의 전압의 크기를 조절 가능한 전압 인가부와 연결되어 있다.
일 실시 예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 제 2 기판은. 전도성 물질로 채워진 구멍을 포함하고, 상기 구멍을 통해 상기 제 3 기판의 제 3 도전층과 연결된다.
일 실시예에 따른 압전 구동 장치는 상기 위치 센서에서 출력되는 전류를 측정하는 구동부를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 압전 구동 장치에 있어서, 상기 압전소자는, 분극방향이 서로 다른 제1압전층과 제2압전층을 포함한다.
일 실시예에 따른 압전 구동 장치는 일단이 상기 고정체에 접촉되고 타단은 상기 가동체를 상기 압전소자를 향하여 탄력적으로 누르는 탄성부재를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 압전 구동 방법은 위치 센서에 소정 크기의 반대 위상을 가진 전압을 각각 인가하고, 상기 인가된 전압에 기초하여, 상기 위치 센서에서 출력되는 전압을 측정하여 상기 측정된 전압에 기초하여, 상기 위치 센서의 일 단면에 고정되어 있는 가동체의 움직임을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 가동체의 움직임은 상기 위치 센서의 다른 단면에 고정되어 있는 압전 소자의 움직임으로부터 발생된다.
일 실시예에 따른 압전 구동 방법에 있어서, 상기 전압을 각각 인가하는 단계는, 동일한 크기의 반대 위상을 가진 전압을 상기 위치 센서에 각각 인가하는 단계를 포함하고, 상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계는, 상기 인가된 각각의 전압에 기초하여, 출력되는 전압의 크기 및 방향에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 압전 구동 방법에 있어서, 상기 전압을 각각 인가하는 단계는, 상기 서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 상기 위치 센서에 각각 인가하는 단계를 포함하고, 상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계는, 상기 서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 인가한 결과 출력되는 전압이 0이 되는 경우, 상기 인가된 각각의 전압의 비율에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정한다.
일 실시 예에 따른 움직인 측정 방법은 위치 센서를 압전 구동 장치와 일체화시킴으로써, 가동체의 움직임을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b은 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치의 구조의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치의 구조의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(200, 이하, 압전 구동 장치)의 구조의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함하는 압전 구동 장치가 움직임을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 일 예에 따른 압전 구동 장치가 크기는 동일하고 위상은 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 도 6의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치의 회로를 도시한 도면이다.
도 8은 일 예에 따른 압전 구동 장치가 크기와 위상이 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9은 도 8의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치의 회로를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에서 복수개의 압전 구동 장치의 배치를 보여주는 평면도이다.
도 2a 및 도 2b은 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치의 구조의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치의 구조의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(200, 이하, 압전 구동 장치)의 구조의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함하는 압전 구동 장치가 움직임을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 일 예에 따른 압전 구동 장치가 크기는 동일하고 위상은 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 도 6의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치의 회로를 도시한 도면이다.
도 8은 일 예에 따른 압전 구동 장치가 크기와 위상이 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9은 도 8의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치의 회로를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에서 복수개의 압전 구동 장치의 배치를 보여주는 평면도이다.
본 실시 예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 개시된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시 예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(100a, 100b, 100c)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(100a, 100b, 100c)가 중심점 C(5)로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 이하에서는 편의상 제 1 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(100a, 이하, 압전 구동 장치)를 기준으로 압전 구동 장치의 구조 및 움직임을 측정하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
압전 구동 장치(100a)는 고정체(10), 위치 센서(110a), 압전소자(120a) 및 가동체(미도시)를 포함한다. 도 1은 가동체(미도시)가 분해된 형태의 압전 구동 장치(100a)를 도시하고 있다.
압전 구동 장치(100a)는 위치 센서(110a) 및 압전소자(120a)를 일체화시킴으로써 가동체(미도시)의 움직임을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 일 실시예에 따라 위치 센서(110a)와 압전소자(120a)가 일체화된 구조에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참고하여 구체적으로 후술하도록 한다.
일 실시예에 따른 압전소자(120a)는 획득한 구동 신호를 기초로 슬립-스틱 운동의 조합에 의해 가동체(미도시)를 이동시킨다. 여기에서 구동 신호는 전압이 급격하게 변동되는 구간과 전압이 완만하게 변동되는 구간을 포함하는 톱니 파형일 수 있다. 급격하게 변동되는 전압에 따라 가동체(미도시)의 관성 및 가동체(미도시)와 고정체(10)에 부가된 가압력을 이길 수 있도록 압전소자(120a)의 변형이 일어나면 압전소자(120a)는 가동체(미도시)의 면과 미끄러지면서 변형된다. 이때 가동체(미도시)는 움직이지 않는다. 가동체가 움직이지 않은 상태로 압전소자(120a)가 미끄러지면서 변형되는 구간을 슬립 구간이라 한다.
다음으로 완만하게 변동되는 전압이 압전소자(120a)에 가해지는 경우, 압전소자(120a)는 서서히 원래 상태로 복귀된다. 이때에 압전소자(120a)의 형태가 원래 상태로 복귀됨에 따라 가동체(미도시)는 압전소자(120a)의 형태가 복귀되는 방향에 대응하여 이동하게 된다. 압전소자(120a)가 변형 상태에서 원래 상태로 복귀하며 가동체(미도시)와 함께 이동되는 구간을 스틱 구간이라 한다. 전술한 바와 같이, 슬립-스틱 구간이 반복됨에 따라 가동체(미도시)는 이동하게 된다.
한편, 슬립-스틱 구동을 위한 구동신호의 형태는 톱니 형태에 한정되지 않는다. 구동신호는 전압의 기울기가 급격하게 변하는 구간과 완만하게 변하는 구간을 가지는 어떠한 형태라도 무방하다. 예를 들어, 싸이클로이드 파형 신호(cycloidal wave signal), 일점 쇄선으로 도시된 잘려진 싸인 파형 신호(clipped sinusoidal wave signal) 등이 구동신호로서 채용될 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 구동 장치(120a)는 압전소자(120a)와 가동체(미도시) 사이에 위치 센서(110a)가 부착된다. 위치 센서(110a)는 압전소자(120a)와 가동체(미도시) 사이에 위치함으로써, 가동체의 움직임을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 위치 센서(110a)는 위치 센서(110a)에 입력되는 전압에 대응되는 출력 전압을 기초로 가동체의 움직임을 측정한다. 위치 센서(110a)가 출력 전압을 기초로 가동체의 움직임을 측정하는 방법에 대해서는 도 5 내지 도 9를 참고하여 구체적으로 후술하도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(200, 이하, 압전 구동 장치)의 구조의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 압전 구동 장치(200)는 고정체(210), 가동체(220), 압전소자(230) 및 위치 센서(240)를 포함한다. 도 2b에는 도 2a에 도시된 압전 구동 장치(200)의 각 구성 요소의 구조가 보다 상세하게 도시되어 있다. 이하에서는 도 2a 및 도 2b를 참고하여 압전 구동 장치(200)에 대해 설명하도록 한다.
고정체(210)와 가동체(220)는 서로 대향되어 이격되게 배치된다. 압전 소자(230)는 고정체(210)와 가동체(220)의 상호 대향되는 두 면(211, 221) 사이에 배치된다. 압전소자(230)는 고정체(210)의 면(211)에 접착될 수 있다. 접착제로서는 일 예로 에폭시 계열의 접착제, 용제 증발형 접착제 등이 사용될 수 있다. 고정체(210)와 가동체(220) 사이에는 적어도 하나의 압전소자(230)가 배치될 수 있다. 위치 센서(240)는 가동체(220)와 압전소자(230) 사이에 배치된다. 즉, 위치 센서(240)는 압전 소자(230)와 일체화되어 가동체(220)의 움직임을 측정하는데 이용될 수 있다.
가동체(220)는 자중에 의하여 압전소자(230)에 힘을 가함으로써 압전소자(230)와 마찰접촉될 수 있다. 또한, 가동체(220)를 압전소자(230)에 가압하는 탄성부재(미도시)가 마련될 수 있다. 탄성부재(미도시)는 예를 들어, 일단은 고정체(210)에 고정되고, 타단은 가동체(220)에 탄력적으로 접촉되는 판스프링일 수 있다. 또한, 가동체(220)는 자기력에 의하여 압전소자(230)에 가압될 수 있다. 예를 들어, 자석이 고정체(210)에 마련되어 자성 재료로 된 가동체(220)를 당겨서 압전소자(230)에 가압될 수 있다.
압전소자(230)는 도 1에서 전술한 바와 같이 전단 모드로 작동된다. 압전소자(230)는 인가되는 구동전압에 기초하여 전단 모드로 작동되어, 가동체를 고정체에 대해 이동시킨다.
압전소자(230)는 도 2b를 참고하면, 상호 적층된 제 1, 제 2 압전층(232, 234)을 포함할 수 있다. 제 1, 제 2 압전층(232, 234) 사이에는 커먼 전극(미도시)이 배치되고, 제1, 제 2 압전층(232, 234)의 하부면 및 상부면에는 각각 구동 전극(미도시)이 배치될 수 있다. 제 1, 제 2 압전층(232, 234)은 분극 방향이 서로 반대 방향이다. 예를 들어, 제 1 압전층(232)의 분극방향은 압전소자(230)의 중심점으로부터 외측을 향하는 방향이며, 제 2 압전층(234)의 분극방향은 압전소자(230)의 중심점을 향하는 방향일 수 있다. 압전물질로는 예를 들어, PZT(Lead Zirconrate Titanate) 세라믹 재료, BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, Na2WO3, Zn2O3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, BiFeO3, NaNbO3, Bi4Ti3O12, Na0 .5Bi0 .5TiO3 등이 사용될 수 있다.
위치 센서(240)는 도 2b를 참고하면, 제 1 기판(242), 제 2 기판(244), 제 3 기판(246), 제 4 기판(248), 제 5기판(249) 및 구동부(250)를 포함할 수 있다. 위치 센서(240)는 복수개의 기판(242, 244, 246, 248, 249) 중에서 가동체(220)와 접촉하고 있는 기판이 움직임에 따라 발생하는 전하량의 변화를 기초로 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다. 가동체(220)와 접촉하고 있는 기판은 압전 구동 장치(200)의 구조에 따라 상이할 수 있다. 이하에서는 도 2b를 참고하여 위치 센서(240)의 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
위치 센서(240)에 포함되는 각각의 기판은 절연성이 높은 물질로 생성된다. 예를 들어 사파이어 등이 사용될 수 있다. 한편, 각각의 기판은 일 측면이 금속으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(242)은 상면 전면이 금속으로 코팅된 제 1 도전층을 포함할 수 있다. 제 2 기판(244)은 상면 전면이 직선 패턴으로 금속 코팅된 제 2 도전층을 포함할 수 있다. 제 3 기판(246)은 상면 전면에 원형 음각 패턴이 새겨질 수 있다. 예를 들어, 제 3 기판(246)은 상면 전면에 원형 음각 패턴을 제외한 부분이 금속으로 코팅된 제 3 도전층을 포함할 수 있다. 제 1 기판(242), 제 2 기판(244) 및 제 3 기판(246)은 접착될 수 있다.
제 1 기판(242)과 제 3 기판(246)에는 접지 전선이 연결되어 있다. 또한, 제 2 기판(244)과 제 3 기판(246)에는 각 기판을 압전소자(230)의 형태 변환에 따라 가동체(22)가 이동함으로써 발생하는 전하량의 변화를 측정할 수 있는 구동부(250)와 연결하는 전선이 구비되어 있다.
한편, 제 2 기판(244)은 중앙에 구멍을 포함하고 있는데, 여기에서 중앙의 구멍에는 도체가 채워져 있어, 제 2 기판(244)은 가동체(220)의 움직임으로 인해 제 3 기판(246)과 제 4기판(248)간에서의 전하량의 변화에 따라 생성되는 전류를 전달받을 수 있다. 한편, 제 2 기판(244)과 제 3 기판(246)을 구동부(250)와 연결하는 전선은 절연체(260)로 감싸져 있다.
제 4 기판(248)의 일 측면은 2개로 분할되어, 각각의 분할된 영역(248a, 248b)이 도체로 코팅된 도전층을 포함할 수 있다. 여기에서, 제 4 기판(248)의 일 측면은 제 3 기판(246)과 접촉하지 않는 하단면일 수 있다. 제 4 기판(248)에 도체로 코팅된 제 1 영역(248a)은 구동부(250)의 제 1 전극과 연결될 수 있고, 제 2 영역(248b)은 구동부(250)의 제 2 전극과 연결될 수 있다.
위치 센서(240)는 가동체(220)의 움직임에 따라 제 3 기판(246)과 제 4 기판(248) 간에 변화되는 전하량을 측정하여 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다.
제 5 기판(249)은 일 측면이 제 4 기판(248)과 접촉되어 있다. 도 2b를 참고하면, 제 5 기판(249)의 일 측면은 제 4 기판(248)에 접촉되어 있고, 타측면은 압전 소자(230)와 접촉되어 있다.
한편, 구동부(250)는 제 4 기판(248)에 전압을 인가하는 전압인가부(252)를 포함한다. 예를 들어, 전압인가부(252)는 제 4 기판(248)에 반대 위상을 가진 전압을 인가할 수 있다. 또한, 구동부(250)는 가동체(220)의 움직임에 따라 출력되는 전하량의 변화를 측정할 수 있다. 구동부(250)는 전하량이 변함에 따라 출력되는 전류를 전압으로 변환해 주는 변환부(254)를 포함할 수 있다. 한편, 구동부(250)는 변환부(254)을 통해 출력되는 전압을 측정하는 측정부(256)를 포함할 수 있다. 측정부(256)에는 LIA(Lock In Amplifier)가 사용될 수 있다.
도 3는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(300, 이하 압전 구동 장치) 구조의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 압전 구동 장치(300)는 고정체(310), 가동체(320), 압전소자(330) 및 위치 센서(340)를 포함한다. 도 3에 도시된 압전 구동 장치(300)에 포함된 각각의 구성 요소는 도 2a 및 도 2b에 도시된 압전 구동 장치(200)에 포함된 각각의 구성 요소와 그 기능 및 역할이 대응될 수 있다.
도 3을 참고하면, 압전소자(330)는 서로 적층된 제 1 압전층(332), 제 2 압전층(334), 제 3 압전층(336) 및 제 4 압전층(338)을 포함할 수 있다. 제 1, 2 압전층(332, 334) 및 제 3, 4 압전층(336, 338)은 서로 다른 축에 따른 방향으로 분극 현상이 발생한다. 예를 들어, 제 1, 제 2 압전층(332, 334)은 x축에 따른 방향으로 분극 현상이 발생할 수 있다. 제 1 압전층(332)의 분극 방향은 x축에 따라 압전소자(330)의 중심점으로부터 외측을 향하는 방향이며, 제 2 압전층(334)의 분극방향은 x 축에 따라 압전소자(330)의 중심점을 향하는 방향일 수 있다.
또한, 제 3, 제 4 압전층(336, 338)은 y축에 따른 방향으로 분극 현상이 발생할 수 있다. 제 3 압전층(336)의 분극 방향은 y축에 따라 압전소자(330)의 중심점으로부터 외측을 향하는 방향이며, 제 4 압전층(338)의 분극 방향은 x축에 따라 압전소자(330)의 중심점을 향하는 방향일 수 있다.
한편, 위치 센서(340)는 도 3을 참고하면, 제 1 기판(342), 제 2 기판(344), 제 3 기판(346), 제 4 기판(348), 제 5기판(349) 및 구동부(350)를 포함할 수 있다. 위치 센서(340)는 복수개의 기판(342, 344, 346, 348, 349) 중에서 가동체(320)와 접촉하고 있는 기판이 움직임에 따라 발생하는 전하량의 변화를 기초로 가동체(320)의 위치를 측정할 수 있다. 가동체(320)와 접촉하고 있는 기판은 압전 구동 장치(300)의 구조에 따라 상이할 수 있다.
도 3에 도시된 위치 센서(340)에 포함된 각각의 구성 요소는 도 2b에 도시된 위치 센서(340)에 포함된 각각의 구성 요소와 그 기능 및 역할이 대응될 수 있다.
다만, 도 3에 도시된 위치 센서(340)에 포함된 제 4 기판(348)은 4개로 분할되어, 각각의 분할된 영역(348a, 348b, 348c, 38d)이 도체로 코팅된 도전층을 포함할 수 있다. 여기에서, 제 4 기판(348)의 일 측면은 제 3 기판(346)과 접촉하지 않는 하단면일 수 있다. 제 4 기판(348)에 도체로 코팅된 제 1 영역(348a)은 구동부(350)의 제 1 주파수의 전압을 인가하는 제 1 전압인가부(352)의 제 1 전극과 연결될 수 있고, 제 2 영역(348b)은 구동부(350)의 제 1 주파수의 전압을 인가하는 제 1 전압인가부(352)의 제 2 전극과 연결될 수 있다. 여기에서 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 다른 위상을 갖을 수 있다.
한편, 제 3 영역(248c)은 구동부(350)의 제 2 주파수의 전압을 인가하는 제 2 전압인가부(353)의 제 1 전극과 연결될 수 있고, 제 4 영역(349c)은 구동부(350)의 제 2 주파수의 전압을 인가하는 제 2 전압인가부(353)의 제 2 전극과 연결될 수 있다. 여기에서 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 다른 위상을 갖을 수 있다.
압전 구동 장치(300)는 복수개의 측정부(356, 357)를 포함할 수 있다. 여기에서 복수개의 측정부(356, 357)로는 LIA가 이용될 수 있다. 복수개의 측정부(356, 357)는 제 4 기판(348)에 인가되는 서로 다른 주파수의 전압에 따라 제 4 기판(348)으로부터 출력되는 전압을 각각 측정될 수 있다. 예를 들어, 제 1 측정부(356)는 제 4 기판(348)에서 출력되는 제 1 주파수의 전압을 측정할 수 있다. 제 1 측정부(356)는 출력되는 제 1 주파수의 전압을 기초로 x축 상에서의 가동체(320)의 위치를 측정할 수 있다.
또한, 제 2 측정부(357)는 제 4 기판(348)에서 출력되는 제 2 주파수의 전압을 측정할 수 있다. 제 2 측정부(357)는 출력되는 제 2 주파수의 전압을 기초로 y축 상에서의 가동체(320)의 위치를 측정할 수 있다.
압전 구동 장치(300)는 복수개의 측정부(356, 357) 각각에서 측정된 x축, y축 상에서의 가동체(320)의 위치를 기초로 2차원 평면에서의 가동체(320)의 위치를 결정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함한 압전 구동 장치(400, 이하, 압전 구동 장치)의 구조의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 압전 구동 장치(400)는 고정체(410), 가동체(420), 압전소자(430) 및 위치 센서(440)를 포함한다. 도 4에 도시된 압전 구동 장치(400)에 포함된 각각의 구성 요소는 도 3에 도시된 압전 구동 장치(300)에 포함된 각각의 구성 요소와 그 기능 및 역할이 대응될 수 있다.
고정체(410)와 가동체(420)는 서로 대향되어 이격되게 배치된다. 압전 소자(430)는 고정체(410)와 가동체(420)의 상호 대향되는 두 면(411, 421) 사이에 배치된다. 압전소자(430)는 고정체(410)의 면(411)에 접착될 수 있다. 고정체(410)와 가동체(420) 사이에는 적어도 하나의 압전소자(430)가 배치될 수 있다. 위치 센서(240)는 가동체(420)와 압전소자(430) 사이에 배치된다. 즉, 위치 센서(440)는 압전 소자(430)와 일체화되어 가동체(420)의 움직임을 측정하는데 이용될 수 있다.
가동체(420)는 압전소자(430)에 가해지는 힘에 의해 압전소자(230)와 마찰접촉될 수 있다. 압전소자(430)는 도 1에서 전술한 바와 같이 전단 모드로 작동된다. 압전소자(430)는 인가되는 구동전압에 기초하여 전단 모드로 작동되어, 가동체(420)를 고정체에 대해 이동시킨다.
압전소자(230)는 도 4를 참고하면, 도 3을 참고하면, 압전소자(330)는 상호 적층된 제 1 압전층(432), 제 2 압전층(434), 제 3 압전층(436) 및 제 4 압전층(438)을 포함할 수 있다. 제 1, 2 압전층(432, 434) 및 제 3, 4 압전층(436, 438)에서는 서로 다른 축에 따른 방향으로 분극 현상이 발생한다.
위치 센서(440)는 제 1 기판(442), 제 2 기판(444), 제 3 기판(446), 제 4 기판(448), 제 5기판(449) 및 구동부(450)를 포함할 수 있다. 위치 센서(440)는 복수개의 기판(442, 444, 446, 448, 449) 중에서 가동체(420)와 접촉하고 있는 기판이 움직임에 따라 발생하는 전하량의 변화를 기초로 가동체(420)의 위치를 측정할 수 있다. 가동체(420)와 접촉하고 있는 기판은 압전 구동 장치(400)의 구조에 따라 상이할 수 있다. 이하에서는 도 4를 참고하여 위치 센서(440)의 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
위치 센서(440)에 포함되는 각각의 기판은 절연성이 높은 물질로 생성된다. 예를 들어 사파이어 등이 사용될 수 있다. 한편, 각각의 기판은 일 측면이 금속으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(442)은 상면 전면이 금속으로 코팅된 제 1 도전층을 포함할 수 있다. 제 2 기판(444)은 상면 저면이 직선 패턴으로 금속 코팅된 제 2 도전층을 포함할 수 있다. 제 3 기판(446)은 상면 전면에 원형 음각 패턴이 새겨질 수 있다. 예를 들어, 제 3 기판(446)은 원형 음각 패턴을 제외한 부분이 금속으로 코팅된 제 3 도전층을 포함할 수 있다. 제 1 기판(442), 제 2 기판(444) 및 제 3 기판(446)은 접착될 수 있다.
제 4 기판(448)의 일 측면은 4개로 분할되어, 각각의 분할된 영역(448a, 448b, 448c, 448d)이 도체로 코팅된 도전층을 포함할 수 있다. 도 4를 참고하면, 제 4 기판(448)의 일 측면은 제 3 기판(446)과 접촉하지 않는 하단면일 수 있다. 제 5 기판(449)은 다른 기판들과 상이하게 도전층을 포함하지 않을 수 있다. 이하에서, 복수개의 기판(442, 444, 446, 448, 449)이 적층된 구조에 대해 살펴보도록 한다.
제 1 기판(442), 제 2 기판(444), 제 3 기판(446) 및 제 5 기판(448)은 서로 접착되어 있다. 도 3과 달리 도 4에 따른 압전 구동 장치(400)의 일 예에서는 제 5기판(448)이 제 1 기판(442)의 일면과 접촉되어 있다.
한편, 제 5 기판(448)은 압전소자(430)의 일면에 부착되어 있다. 제 5기판(448)은 압전소자(430)의 일면에 접착되어 있을 수 있다. 제 5 기판(448)과 접촉되지 않은 압전소자(430)의 타면은 고정체(410)와 연결된다. 제 5 기판(448)과 접촉되지 않은 압전소자(430)의 타면은 고정체(410)에 접착될 수 있다.
도 4의 일 예에 따르면, 제 4 기판(448)의 일면은 가동체(420)와 연결되어 있다. 제 4 기판(448)은 가동체(420)에 접착될 수 있다.
압전 구동 장치(400)는 가동체(420)의 움직임에 따라 제 3 기판(446)과 제 4 기판(48)간에 발생하는 전하량의 변화를 기초로 가동체(420)의 위치를 측정할 수 있다
구체적으로, 제 4 기판(448)에 도체로 코팅된 제 1 영역(448a)은 구동부(450)의 제 1 주파수의 전압을 인가하는 제 1 전압인가부(452)의 제 1 전극과 연결될 수 있고, 제 2 영역(448b)은 구동부(450)의 제 1 주파수의 전압을 인가하는 제 1 전압인가부(452)의 제 2 전극과 연결될 수 있다. 여기에서 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 다른 위상을 갖을 수 있다.
한편, 제 3 영역(448c)은 구동부(450)의 제 2 주파수의 전압을 인가하는 제 2 전압인가부(453)의 제 1 전극과 연결될 수 있고, 제 4 영역(449c)은 구동부(450)의 제 2 주파수의 전압을 인가하는 제 2 전압인가부(453)의 제 2 전극과 연결될 수 있다. 여기에서 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 다른 위상을 갖을 수 있다.
압전 구동 장치(400)는 복수개의 측정부(456, 457)를 포함할 수 있다. 여기에서 복수개의 측정부(456, 457)로는 LIA가 이용될 수 있다. 복수개의 측정부(456, 457)는 제 4 기판(448)에 인가되는 서로 다른 주파수의 전압에 따라 출력되는 전압을 각각 측정될 수 있다. 예를 들어, 제 1 측정부(456)는 제 4 기판(448)에서 출력되는 제 1 주파수의 전압을 측정할 수 있다. 제 1 측정부(456)는 출력되는 제 1 주파수의 전압을 기초로 x축 상에서의 가동체(420)의 위치를 측정할 수 있다.
또한, 제 2 측정부(457)는 제 4 기판(448)에서 출력되는 제 2 주파수의 전압을 측정할 수 있다. 제 2 측정부(457)는 출력되는 제 2 주파수의 전압을 기초로 y축 상에서의 가동체(420)의 위치를 측정할 수 있다.
압전 구동 장치(400)는 복수개의 측정부(456, 457) 각각에서 측정된 x축, y축 상에서의 가동체(420)의 위치를 기초로 2차원 평면에서의 가동체(420)의 위치를 결정할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 위치 센서를 포함하는 압전 구동 장치(200, 이하 압전 구동 장치)가 움직임을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 510에서, 압전 구동 장치(200)는 위치 센서(240)에 반대 위상을 갖는 전압을 인가 받는다. 위치 센서(240)에는 기설정된 크기의 반대 위상을 갖는 전압이 각각 인가될 수 있다. 인가되는 전압에 기초하여, 위치 센서(240)에는 전하가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따라, 위치 센서(240)에 인가되는 전압은 압전 구동 장치(200)의 내부에서 발생할 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시예일 뿐, 위치 센서(240)는 외부에 존재하는 구동 장치로부터 전압을 인가 받을 수도 있다.
단계 520에서, 압전 구동 장치(200)는 인가된 전압에 기초하여, 위치 센서(240)로부터 출력되는 전압을 측정한다. 위치 센서(240)에 전압이 인가되는 경우, 발생되는 전하로 인해 전류가 출력될 수 있다. 압전 구동 장치(200)는 출력되는 전류를 전압으로 변환하여, 변환된 전압을 측정한다.
일 실시예에 따라, 압전 구동 장치(200)에 포함된 가동체(220)가 이동하는 경우, 가동체(220)와 연결된 위치 센서(240) 내부에 전하량의 변화가 일어난다. 이러한 경우, 출력되는 전류의 양이 변하게 되고, 이에 따라 측정되는 전압 역시 변할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(240)는 복수개의 기판(242, 244, 246, 248, 249)을 포함하고 있고, 그 중 상면에 원형 음각 패턴이 새겨진 제 3 기판(246)과 전압을 인가 받는 제 4기판(248)간에 전하량의 변화가 발생한다. 즉, 가동체의 움직임에 따라, 전압이 인가되고 있는 위치 센서(240)에 전하량의 변화를 기초로 전류가 출력된다.
한편, 여기에서 가동체(220)의 움직임은 위치 센서(240)의 다른 단면에 고정되어 있는 압전 소자(230)의 움직임으로부터 발생한다.
단계 530에서, 압전 구동 장치(200)는 측정된 전압에 기초하여, 가동체(220)의 움직임을 측정한다.
압전 구동 장치(200)는 측정된 전압의 값에 대응되는 가동체의 위치를 측정할 수 있다. 압전 구동 장치(200)는 2차원 평면에서의 가동체의 위치를 측정할 수도 있다. 예를 들어, 서로 다른 주파수를 갖는 전압이 압전 구동 장치(200)에 인가되는 경우, 압전 구동 장치(200)는 각각 x축 방향에서의 가동체(220)의 위치 및 y축 방향에서의 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다.
압전 구동 장치(200)에서 측정되는 전압과 가동체(220)의 위치와의 관계는 인가되는 전압에 따라 달라질 수 있다. 이하에서는 도 6 내지 도 9를 참고하여, 압전 구동 장치(200)에서 출력되는 전압에 기초하여, 움직임을 측정하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 일 예에 따른 압전 구동 장치(200)가 크기는 동일하고 위상은 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
단계 610에서, 압전 구동 장치(200)의 위치 센서(240)에는 동일한 크기의 반대 위상을 가진 전압이 각각 인가된다. 예를 들어, 위치 센서(240)에 포함된 제 4기판(248)의 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)에는 크기 A의 서로 반대 위상을 가진 전압이 각각 인가될 수 있다.
단계 620에서, 압전 구동 장치(200)는 위치 센서(240)에 인가되는 각각의 전압에 기초하여 출력되는 전압의 크기 및 위상을 측정한다. 이에 대해서는 도 7을 참고하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은 도 6의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에는 압전 구동 장치(200)의 위치 센서(240) 및 구동부(250)가 도시되어 있다. 도 7에서는 설명의 편의상 위치 센서(240)의 제 3 기판(246) 및 제 4 기판(248)만을 도시한다.
위치 센서(240)에는 구동부(250)로부터 크기 A의 서로 다른 위상을 갖는(+A, -A) 전압이 각각 인가된다. 구체적으로 위치 센서(240)에 포함된 제 4기판(248)의 제 1 영역(248a)에는 +A 전압이 인가되고 제 2 영역(248b)에는 -A 전압이 인가된다. 각 영역(248a, 248b)에 인가되는 전압은 하기의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
압전 구동 장치(200)의 압전소자(230)의 형태가 변형되는 경우, 압전 소자(230)와 대향되게 배치된 가동체(220)가 이동하게 된다. 이에 대해서는 도 2에서 전술한 바 있다.
가동체(220)가 이동하는 경우, 가동체(220)의 일 단면에 접촉된 제 3 기판(246)이 이동하게 된다. 도 2를 참고하면, 가동체(220)의 일 단면에는 제 1 기판(242), 제 2 기판(244) 및 제 3 기판(246)이 접착되어 있다. 제 3 기판(246)에는 일 단면의 원형 음각 패턴을 제외한 부분이 도체로 코팅되어 있다.
한편, 제 3 기판(246)과 이와 접촉하고 있는 제 4 기판(248)간에는 제 4 기판(248)에 인가되는 각각의 전압에 의해 전하가 생성된다. 여기에서, +A 전압에 의해 생성되는 전하와 -A 전압에 의해 생성되는 전하는 서로 극성이 상이하다.
가동체(220)의 움직임에 따라 제 3 기판(246)이 이동하면서 원형 음각 패턴 내에 생성되는 전하량이 변할 수 있다. 예를 들어, 가동체(220)가 움직이기 전에는 제 4 기판(248)에 분할된 영역(248a, 248b)의 경계선은 제 3 기판(246)에 새겨진 원형 음각 패턴의 중앙에 대응되게 부착된다. 이 때, 각각의 분할된 영역(248a, 248b)과 제 3 기판(246)에 새겨진 원형 음각 패턴 간에는 서로 다른 위상을 가진 동일한 크기의 전하가 발생한다.
가동체(220)가 이동하는 경우, 제 4 기판(248)에 분할된 영역(248a, 248b)의 경계선은 제 3 기판(246)에 새겨진 원형 음각 패턴의 중앙에서 벗어나게 된다. 이러한 경우, 각각의 분할된 영역(248a, 248b)과 제 3 기판(246)에 새겨진 원형 음각 패턴 간에 접촉되는 면적이 서로 상이하여, 서로 다른 크기의 서로 다른 극성을 갖는 전하가 생성된다. 따라서 총 전하가 이동 전과 상이해 짐에 따라 전류가 생성된다.
구동부(250)에 포함된 변환부(254)는 위치 센서(240)로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환한다. 구동부(250)에 포함된 측정부(256)에서는 변환된 전압을 측정한다. 측정된 전압은 하기의 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
상기의 수학식 2에서 
는 출력되는 전압, R은 변환부(254)에서 위치 센서(240)로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하기 위해 사용하는 저항 계수, w는 인가되는 전압의 주파수, A는 인가되는 전압의 크기, d는 제 3 기판(246)과 제 4 기판(248)의 두께를 합한 값을 의미한다. 또한, 
및 
는 각각 제 1 영역(248a)과 원형 음각 패턴이 접촉되는 면적 및 제 2 영역(248b)과 원형 음각 패턴이 접촉되는 면적을 의미한다. sin(wt)는 위치 센서(240)에 인가되는 전압인 +Acos(wt) 및 -Acos(wt)로부터 도출될 수 있다.
한편, 
및 
는 다음 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
상기 수학식 3에서 a는 원형 음각 패턴의 반지름의 길이, x는 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)간의 경계선과 원형 음각 패턴의 중심과의 거리를 의미한다.
수학식 2와 수학식 3을 참고하면, 출력되는 전압 
는 
에 의존한다. 한편, 다른 예에 따라, 제 4 기판(248)이 4개의 영역으로 분할되는 경우에는. 서로 다른 주파수를 갖고 서로 다른 위상을 갖는 4개의 전압을 각각의 영역에 인가할 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서 전술한 바 있다.
다시 도 6으로 돌아가면, 단계 630에서, 압전 구동 장치(200)는 측정된 전압에 기초하여, 위치 센서(240)의 일 단면에 고정되어 있는 가동체(220)의 움직임을 측정한다. 도 7에서 전술한 바와 같이, 출력되는 전압을 기초로 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)간의 경계선과 원형 음각 패턴의 중심과의 거리를 산출할 수 있다. 이에 기초하여 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다.
도 8은 일 예에 따른 압전 구동 장치(200)가 크기와 위상이 서로 다른 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
단계 810에서, 압전 구동 장치(200)의 위치 센서(240)에는 기설정된 비에 따른 크기를 갖고 반대 위상을 가진 전압이 각각 인가된다. 예를 들어, 위치 센서(240)에 포함된 제 4기판(248)의 제 1 영역(248a)에는 +Av의 전압이 인가될 수 있고 제 2 영역(248b)에는 -A(1-v)의 전압이 각각 인가될 수 있다. 각 영역(248a, 248b)에 인가되는 전압은 하기의 수학식 4에 의해 결정될 수 있다.
상기의 수학식 4에서 v는 기설정된 비율값을 의미한다.
단계 820에서, 압전 구동 장치(200)는 위치 센서(240)에 인가되는 각각의 전압에 기초하여 출력되는 전압이 0이 되는지 여부를 확인한다. 이에 대해서는 도 9을 참고하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 9는 도 8의 예에 따라 전압을 인가하여 움직임을 측정하는 압전 구동 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9에는 압전 구동 장치(200)의 위치 센서(240) 및 구동부(250)가 도시되어 있다. 또한, 도 7을 참고하면, 압전 구동 장치(200)는 피드백부(270)를 더 포함할 수 있다. 도 7에서는 설명의 편의상 위치 센서(240)의 제 3 기판(246) 및 제 4 기판(248)만을 도시한다.
위치 센서(240)에는 구동부(250)로부터 각각 크기 Av 및 A(1-v)의 서로 다른 위상을 갖는(+Av, -A(1-v)) 전압이 각각 인가된다. 구체적으로 위치 센서(240)에 포함된 제 4기판(248)의 제 1 영역(248a)에는 +Av 전압이 인가되고 제 2 영역(248b)에는 -A(1-v) 전압이 인가된다.
압전 구동 장치(200)의 압전소자(230)의 형태가 변형되는 경우, 압전 소자(230)와 대향되게 배치된 가동체(220)가 이동하게 된다. 이에 대해서는 도 2에서 전술한 바 있다. 압전 구동 장치(200)는 가동체(220)의 이동에 따라 전압이 발생하는 경우, 출력되는 전압이 0이 되도록 v를 변경한다.
압전 구동 장치(200)는 출력되는 전압이 0을 갖도록 하는 v 값으로부터 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다. 가동체(220)의 위치는 다음의 수학식 5에 의해 결정된다.
상기의 수학식 5에서 
는 출력되는 전압, R은 변환부(254)에서 위치 센서(240)로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하기 위해 사용하는 저항 계수, w는 인가되는 전압의 주파수, Av 및 A(1-v)는 각각 기설정된 비율 v에 따라 인가되는 전압의 크기, d는 제 3 기판(246)과 제 4 기판(248)의 두께를 합한 값을 의미한다. 또한, 
및 
는 각각 제 1 영역(248a)과 원형 음각 패턴이 접촉되는 면적 및 제 2 영역(248b)과 원형 음각 패턴이 접촉되는 면적을 의미한다. sin(wt)는 위치 센서(240)에 인가되는 전압인 +Avcos(wt) 및 -A(1-v)cos(wt)로부터 도출될 수 있다. 
및 
는 전술한 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
한편, 수학식 3과 수학식 5을 기초로 출력되는 전압이 0이 되는 v를 검출한 경우, 가동체(220)가 움직인 위치는 하기의 수학식 6 및 수학식 7로부터 결정될 수 있다.
상기 수학식 7에서 a는 원형 음각 패턴의 반지름의 길이, x는 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)간의 경계선과 원형 음각 패턴의 중심과의 거리를 의미한다.
수학식 7을 참고하면, 출력되는 
에 의존하지 않고도, 출력되는 전압이 0이 되는 비율 v를 검출함으로써, 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)간의 경계선과 원형 음각 패턴의 중심과의 거리 x를 획득할 수 있다.
다른 예에 따라, 제 4 기판(248)이 4개의 영역으로 분할되는 경우에는. 서로 다른 주파수를 갖고 서로 다른 위상을 갖는 4개의 전압을 각각의 영역에 인가할 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서 전술한 바 있다.
다시 도 8로 돌아가면, 단계 830에서, 압전 구동 장치(200)는 측정된 전압의 비율에 기초하여, 위치 센서(240)의 일 단면에 고정되어 있는 가동체(220)의 움직임을 측정한다. 도 9에서 전술한 바와 같이, 출력되는 전압이 0이 되는 인가 전압의 비율 v를 기초로 제 1 영역(248a)과 제 2 영역(248b)간의 경계선과 원형 음각 패턴의 중심과의 거리를 산출할 수 있다. 이에 기초하여 가동체(220)의 위치를 측정할 수 있다.
한편, 전술한 도 9를 참고하면, 피드백부(270)는 위치센서(240)에 포함된 측정부(256)에서 측정된 전압이 0이 아닌 경우, 전압을 0으로 만들기 위해, 위치센서(240)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
도 10은 일 실시예에서 복수개의 압전 구동 장치(100a, 100b, 100c)의 배치를 보여주는 평면도이다.
일 실시예에 따른 복수개의 압전 구동 장치(100a, 100b, 100c)에 포함된 복수개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)는 가동체(220)를 2차원 평면 내에서 병진운동시킬 수 있다. 여기에서 복수개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3) 각각은 도 2의 압전소자(230)와 대응될 수 있다.
한편, 압전 구동 장치(100a, 100b, 100c)의 고정체(210)의 일 단면에는 가동체(220)를 2차원 평면 내에서 병진운동 시키기 위하여, 복수개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)가 방사상으로 배치된다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 3개의 압전소자(230-1), (230-2), (230-3)가 중심점(C)로부터 방사상으로 배치된다. 본 실시예에서는 3개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)가 중심점(C)를 중심으로 하여 120도 간격으로 배치되어 있으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서 4개 또는 그 이상의 압전소자(230)가 배치될 수도 있다. 중심점(C)으로부터 각 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)까지의 거리가 모두 동일할 필요는 없다. 또한, 3개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)가 반드시 대칭되게 배치될 필요도 없다. 압전소자(230)의 개수와 배치형태는 요구되는 가동체(220)의 구동 특성에 적합하게 결정될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서는 3개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)의 분극방향은 서로 다르다. 예를 들어, 3개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)의 분극방향은 방사방향으로서 서로 120도의 간격을 이룬다. 여기에서 분극방향은 전단 모드에 의한 압전소자의 변형방향과 동일한 의미로 사용된다.
한편, 3개의 압전소자(230-1, 230-2, 230-3)의 일 단면에는 각각 위치 센서(240-1, 240-2, 240-3)가 부착되어 있다. 일 실시예에 따른 압전 구동 장치(200)는 압전 소자(230)와 위치 센서(240)를 일체화시킴으로써, 가동체(220)의 움직임을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 여기에서, 가동체(220)는 압전 소자(230)와 부착되지 않은 위치 센서(240)의 다른 면에 부착된다. 본 발명에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 본 발명에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 본 발명에 병합될 수 있다.
본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
200: 압전 구동 장치
210: 고정체
220: 가동체
230: 압전소자
240: 위치 센서
210: 고정체
220: 가동체
230: 압전소자
240: 위치 센서
Claims (14)
- 고정체;
상기 고정체와 대향되게 배치되는 가동체;
상기 고정체와 상기 가동체 사이에 배치되어 인가되는 전압에 기초하여 전단 모드로 작동되어 상기 가동체를 상기 고정체에 대해 이동시키는 압전소자; 및
상기 압전소자와 상기 가동체 사이에 배치되어, 상기 가동체의 움직임을 측정하는 위치 센서를 포함하고,
상기 위치 센서의 일 단면은 상기 가동체에 접촉되고, 상기 위치 센서의 다른 단면은 상기 압전소자에 접촉되는 압전 구동 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 위치 센서는,
제 1 전극과 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 1 전극은 상기 압전 소자와 상기 가동체 사이의 일 단면의 제 1 영역에 고정되고, 상기 제 2 전극은 상기 일 단면의 제 2 영역에 고정되는 압전 구동 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 위치 센서는,
서로 적층되어 있는 복수개의 기판을 포함하는 압전 구동 장치. - 제 3 항에 있어서, 상기 복수개의 기판은,
도체로 코팅된 제 1 도전층을 포함하는 제 1 기판,
일 단면이 직선 패턴을 가지는 도체로 코팅된 제 2 도전층을 포함하는 제 2 기판,
일 단면이 원형 음각 패턴을 가지는 도체로 코팅된 제 3 도전층을 포함하는 제 3 기판 및
일 단면이 분할되어, 각각의 분할된 영역이 도체로 코팅된 도전층을 포함하는 제 4 기판을 포함하고,
상기 제 1 기판, 상기 제 2 기판 및 상기 제 3 기판은 각각의 도전층이 동일한 방향을 향하도록 배치되어 있고, 상기 제 4 기판의 도전층은 제 3 기판과 접촉하지 않는 면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동 장치. - 제 4 항에 있어서, 상기 위치 센서는,
상기 원형 음각 패턴이 코팅되어 있는 영역에서 출력되는 전압의 크기 및 방향에 기초하여, 상기 가동체의 움직임을 측정하는 압전 구동 장치. - 제 4항에 있어서, 상기 위치 센서는,
서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 인가한 결과 출력되는 전압이 0이 되는 경우, 상기 인가된 각각의 전압의 비율에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정하는 압전 구동 장치. - 제 4 항에 있어서, 상기 위치 센서는,
반대 위상을 가진 각각의 전압의 크기를 조절 가능한 전압 인가부와 연결되어 있는 압전 구동 장치. - 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 기판은.
전도성 물질로 채워진 구멍을 포함하고,
상기 구멍을 통해 상기 제 3 기판의 제 3 도전층과 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 구동 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 위치 센서에서 출력되는 전류를 측정하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 구동 장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전소자는, 분극방향이 서로 다른 제1압전층과 제2압전층을 포함하는 압전 구동 장치. - 제1항에 있어서,
일단이 상기 고정체에 접촉되고 타단은 상기 가동체를 상기 압전소자를 향하여 탄력적으로 누르는 탄성부재를 더 포함하는 압전 구동 장치. - 위치 센서에 소정 크기의 반대 위상을 가진 전압을 각각 인가하는 단계;
상기 인가된 전압에 기초하여, 상기 위치 센서에서 출력되는 전압을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 전압에 기초하여, 상기 위치 센서의 일 단면에 고정되어 있는 가동체의 움직임을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 가동체의 움직임은 상기 위치 센서의 다른 단면에 고정되어 있는 압전 소자의 움직임으로부터 발생되고,
상기 위치 센서의 일 단면은 상기 가동체에 접촉되고, 상기 위치 센서의 다른 단면은 상기 압전 소자에 접촉되는 움직임 측정 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 전압을 각각 인가하는 단계는,
동일한 크기의 반대 위상을 가진 전압을 상기 위치 센서에 각각 인가하는 단계를 포함하고,
상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계는,
상기 인가된 각각의 전압에 기초하여, 출력되는 전압의 크기 및 방향에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계를 포함하는 움직임 측정 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 전압을 각각 인가하는 단계는,
서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 상기 위치 센서에 각각 인가하는 단계를 포함하고,
상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계는,
상기 서로 다른 크기의 반대 위상을 가진 전압을 인가한 결과 출력되는 전압이 0이 되는 경우, 상기 인가된 각각의 전압의 비율에 기초하여 상기 가동체의 움직임을 측정하는 단계를 포함하는 움직임 측정 방법.
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