KR20010087330A - 압전 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종방향 진동들을 수행하는 역할을 하고 예를 들어 스프링과 같은 탄성 수단(10)에 의해 동작되는 길다란 압전 공진기(3)를 갖는 예를 들어 로터와 같은 가동부를 구동시키기 위한 압전 액츄에이터(1)에 관한 것이다. 상기 탄성 수단(10)은 상기 압전 공진기(3)에 주로 종방향(11)으로 작용하고 상기 가동부(2)를 향한 방향으로 상기 공진기(3)에 힘을 가하는 역할을 하며, 상기 탄성 수단(10)의 공진 주파수는 실질적으로 상기 압전 공진기(3)의 공진 주파수보다 작고, 상기 압전 공진기(3)는 그것의 종방향(11)에 대해 수직 방향으로 적어도 하나의 가이드 요소(4, 5)에 의해 가이드된다. 이것은 상기 공진기(3)가 가능한한 자유롭게 진동하도록 할 수 있으며, 보다 높은 효율을 유도한다.

Description

압전 액츄에이터{Piezoelectric actuator}

본 발명은 종방향 진동들을 수행하는 역할을 하고 탄성 수단에 의해 동작되는 길다란 압전 공진기에 의해 가동부를 구동하기 위한 압전 액츄에이터에 관한 것이다.

소형 전기 기구의 압전 구동들의 사용은 이러한 형태의 구동들이 사용하기에 매우 튼튼하고, 치밀하며, 유연하기 때문에 점점 중요해지고 있다. 미국 특허 공보 제 4,019,073 호는 그러한 압전 구동을 기재하고 있다. 그것은 샤프트를 구동시키는 종방향 진동 압전 공진기에 관한 것이다. 또한, 그 압전 공진기는 고정된 샤프트가 스프링을 향하는 단부를 가지며, 그 스프링은 로터에 수직으로 힘을 가하고 그 힘에 맞서 힘을 가한다. 이것은 효율에 불리한 효과를 초래한다.

본 발명의 목적은 높은 효율을 갖는 압전 액츄에이터를 제공하는 것이다.

도 1은 압전 공진기, 가이드 요소들, 구동될 스프링 및 로터를 갖는 압전 액츄에이터를 도시하는 도면.

도 2는 세개의 압전 액츄에이터 및 세개의 회전형 절단 부재들을 갖는 전기 면도기의 도식적인 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 압전 액츄에이터 2 : 로터

3 : 압전 공진기 4, 5 : 가이드

10 : 스프링 13 : 재료층

14, 15 : 가이드 표면 17 : 전기 면도기

18 : 회전 면도 헤드 19 : 외부 절단 부재

20 : 머리카락 엔트리 구멍 21 : 내부 절단 부재

본 발명에 따라서, 이러한 목적은 적어도 하나의 압전 공진기 및 스프링 수단으로 달성되며, 적어도 그것의 종 진동 방향으로 압전 공진기에 힘을 가하고, 스프링 수단은 압전 공진기에 작용하는 것과 같은 방법으로 배치되며, 스프링 수단의 공진 주파수는 실질적으로 압전 공진기의 공진 주파수보다 더 낮다.

이러한 해결법은 압전 공진기가 임의의 큰 저항을 극복할 필요없이 진동의 종방향으로 진동할 수 있다는 큰 이점을 가진다. 공진기가 가동부에 힘을 가해 그것을 확장할 경우, 그 결과로서 가동부가 동작하기 시작한다. 이러한 힘은 방해 힘(counteracting force)을 겪을 경우에만 가해질 수 있다. 이러한 방해 힘은 탄성 수단에 의해 적용된다. 공진기가 수축할 경우, 탄성 수단의 방해 힘은 가능한한 작아야 한다. 이것은 압전 공진기 및 탄성 수단이 서로를 보호하는 것이 아니라 단지서로에 기대고 있기 때문에 가능한 것이며, 또한 압전 공진기 및 스프링 수단의 다른 공진 주파수들의 결과로서 서로로부터 이탈될 수도 있다. 압전 공진기의 효율은 압전 공진기가 더 자유로이 진동함에 따라 증가한다. 수축에서, 미국 특허 공보 제 4,019,073 호에 따른 압전 공진기는 마찰 저항들을 극복하고, 스프링 수단을 팽창시키기 위한 인가 전기 에너지의 일부를 요구한다.

청구항 2에 정의된 실시예에서, 압전 공진기는 로터를 구동한다. 효율을 증가시키기 위해서, 압전 공진기와 로터 사이에 최적의 각을 찾는 것이 또한 중요하다. 이러한 각은 공진기 및 로터의 재료 성질 및 마찰 계수에 특히 의존한다. 최적의 각은 이러한 계수에 의해 계산되고 설정될 수 있다.

청구항 3에 정의된 실시예는 로터에 맞닿아 있는 단부에서 압전 공진기는 로터로부터 멀리 떨어질 수 없다. 이것은 공진기가 로터를 떠날 수 없는 확실한 방법을 보장한다.

청구항 4에 정의된 실시예에서, 그 문제는 압전 공진기와 가이드 요소들 사이의 마찰 및 로터 상의 공진기 압력의 결과로서, 재료가 마모의 결과로서 부식되기 때문에 각이 시간동안 증가한다는 것으로 해결된다. 이것을 방지하기 위해서, 각은 계산된 것보다 조금 작게 선택되며, 동작 중에 각이 증가하도록 한다.

청구항 5에 정의된 실시예는 압전 공진기의 전력 전달을 향상시킨다. 효율을 증가시키기 위해서, 로터에 맞닿아 있는 압전 공진기의 단부에 단단한 재료를 침전시키는 것이 유리하다. 이러한 재료는 마모 저항이며, 공진기와 로터 사이의 올바른 전력 전달을 위해 요구되는 높은 마찰 계수를 제공한다.

청구항 6에 정의된 다층(multi-layer) 공진기는 종래의 단층(single-layer) 공진기보다 실질적으로 더 낮은 전압들로 동작할 수 있다. 이것은 전력 소비를 감소시킨다.

청구항 7에 의해 정의된 실시예에 의해서, 에너지가 공진기에 대해 노멀 방향으로 공진기와 가이드 요소들 사이의 접촉 영역들을 경유하여 가이드 요소들로 거의 전도되지 않음이 달성된다. 그러므로, 공진기와 가이드 요소들의 신중한 음향 미스매치(mismatch)가 제공된다.

청구항 8에 따라, 압전 액츄에이터는 전기 면도기 내의 절단 부재를 구동시키기 위해 사용된다. 이것은 종래의 전기 모터들을 갖는 면도기들과 비교하여 전력 소비 및 무게의 상당한 감소를 제공한다.

청구항 9 및 청구항 10에 정의된 실시예들은 회전 절단 부재들을 갖는 면도기에 관련한다. 소형의 압전 액츄에이터들의 사용은 다수의 로터들을 갖는 면도기의 각각의 로터들에 대한 분리 구동을 제공하는 것이 가능하도록 한다. 이것은 로터들이 서로서로 완전히 독립적으로 그리고 다른 속도들로 구동되도록 한다. 종래의 전기 모터들은 단지 하나의 모터만을 위한 공간이 있는 면도기들에서 특히 너무 많은 공간을 요구한다. 이어서 통상적으로 구동되는 모터들 간의 속도 차이들이 단지 기어 전동 장치 수단에 의해서 실현될 수 있지만, 이것은 구조를 더 복잡하게 하고, 로터들 간의 속도 차이들을 변화시킬 수 없다.

이후, 본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 예시적 방법으로 더 자세히 기재될 것이다.

도 1은 로터(2)를 구동시키는 압전 액츄에이터(1)의 원리를 설명한다. 액츄에이터는 길다란 공진기(3)를 가지며, 그것은 가이드 요소들(4, 5) 간의 종방향 진동들을 수행할 수 있다. 공진기(6)의 하나의 단부(6)가 로터(2)의 원주 표면(8)을 갖는 접촉 지점(7)을 갖는다. 여기서, 전력 전달은 회전으로 로터를 설정하기 위해서 발생한다. 스프링(10)은 공진기의 다른 단부(9)에 작용하며, 그러한 방법으로 공진기에 작용하는 스프링 힘의 방향은 실질적으로 공진기의 종방향(11)과 동일하다. 스프링은 단지 보호되지 않고 공진기에 작용한다. 그러나, 대안으로 공진기의 또 다른 부분에 작용할 수 있다.

공진기(3) 및 로터(2)는 예각(α)을 형성한다. 각(α)은 공진기(3)의 종방향(11)과 접촉 지점(7)을 통한 로터의 원주 표면(8)에 대한 노멀 사이의 각이다. 최적의 효율을 위해 요구되는 각(α)은 압전 공진기(3)와 로터(2) 사이의 마찰 계수의 도움으로 계산될 수 있다. 이것에 대해, 유럽 특허 공보 제 01313130 호를 참조할 수 있다. 그러나, 마모의 효과들을 허용하기 위해서, 각(α)은 압전 공진기(3)와 로터(2) 사이의 마찰 계수에 기초하여 계산된 최적의 각(α)보다 조금 작도록 선택된다. 이러한 마찰 계수는 압전 공진기(3)의 단부(6) 상에 침전된 또 다른 재료층을 선택함으로써 증가될 수 있다. 바람직하게, 상기 재료층은 또한 높은 접촉 경도를 얻기 위해서 단단해야 한다. 높은 접촉 경도의 경우에는 압전 공진기의 진동 각도의 단지 작은 부분만이 노멀 힘을 산출하기 위해서 요구된다. 공진기는 로터의 보다 긴 클리어(clear)이고, 그러므로 고품질 즉, 동일 인가 전압에 대한 보다 큰 진동 각, 동일 출력 토크의 보다 높은 속도이다. 이러한 목적을 위해, 로터(2)는 또한 층으로 제공되거나 전체적으로 단단한 재료로 구성된다. 그러므로, 재료층(13) 및 로터의 피복(cladding)은 서로에 대해 접촉 경도 및 이러한 두 재료들 사이의 마찰 계수가 동시에 커지는 방법으로 되어 있어야 한다. 바람직하게, 상기 단단한 재료는 AL₂O₃이다.

단지 진동 방향으로 압전 공진기(3)의 움직임들을 허용하기 위해서, 공진기는 두개의 대각선으로 마주보는 가이드 요소들(4, 5)에 의해 가이드된다. 이들 가이드 요소들은 공진기(3)의 가이드 표면들(14, 15)과 협력하며, 압전 공진기가 그들 간의 종진동들을 자유로이 수행할 수 있는 방법으로 구성된다. 이것은 공진기(3)에서 가이드 요소들(4, 5)까지 에너지가 전도되는 최대 가능 범위까지 보호한다. 더 나은 가이딩이 보다 긴 압전 공진기의 경우에서 얻어질 수 있도록 하기 위해서, 도시된 둘 이상의 가이드 요소들을 제공하는 것이 또한 가능하다. 게다가, 도 1은 가이드 요소들이 압전 공진기(3)의 가이드 표면(14)과 협력하는 가이드 요소(4)의 방법으로 배치됨을 도시하고, 가이드 표면(14)은 동작 동안 로터(4)로부터 떨어져서 움직이는 경향이 있으며, 다른 가이드 요소(5)보다 로터(2)에 더 근접하게 위치된다. 다시 말해서, 표면이 다른 가이드 요소(5)와 협력하는 공진기(3)의 가이드 표면(14)은 로터의 원주 표면(8)에 접하는 평면(16)에 관하여 90˚보다 더 큰 각(β)을 형성하며, 평면은 접촉 지점(7)을 통해 확장한다.

공진기(3)의 휴지 부분에서, 스프링(10)은 작은 이전 로드(pre-load) 하에서 공진기에 인가된다. 동작 중, 공진기는 종방향으로 수행, 즉 교대로 확장 및 수축한다. 확장 기간 동안, 공진기의 접촉 지점(7)은 로터(2)의 원주 표면(8)을 치고,그것은 로터 상에서 노멀 힘(N) 및 접하는 힘(T)을 초래한다. 접하는 힘(T)은 로터의 회전을 야기시키는 반면 노멀 힘(N)은 공진기(3) 상에 반작용 함을 산출하며, 그것은 스프링(10) 및 가이드 요소들(4, 5)에 의해서 흡수된다. 수축 기간 동안, 공진기(3)의 단부(9)는 스프링(10) 및 공진기(3)의 공진 주파수들에서의 큰 차이 때문에 스프링(10)으로부터 적어도 일시적으로 이탈된다.

도 2는 세개의 회전 면도 헤드(18)을 갖는 전기 면도기(17)를 도시한다. 각각의 면도 헤드는 머리카락 엔트리 구멍들(20)을 갖는 외부 절단 부재(19) 및 외부 절단 부재(19)에 관하여 구동될 수 있는 내부 절단 부재(21)를 갖는다. 내부 절단기(21)는 절단기들(22)이 배치된 회전 샤프트(2)를 갖는다. 이 샤프트는 또한 도 1을 참조하여 기재된 로터(2)를 형성하고, 압젼 액츄에이터(1)에 의해서 구동된다. 그러므로, 각각의 내부 절단 부재(21)는 액츄에이터(1)에 의해서 직접적으로 구동된다. 이것은 기어 전동 장치가 불필요하게 되도록 할 수 있다. 이것은 특히 절단 부재들(20)이 다른 속도들로 동작해야 하는 경우에 유용하다. 또한 하나 이상의 액츄에이터에 의해서 각각의 로터를 구동하는 것이 가능하다.

로터를 구동하는 대신에, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터가 또한 예를 들어, 소위 진동 면도기의 절단 부재를 구동하기 위한 기구의 진동 구동을 위해 사용될 수 있다. 이것은 축소 기어의 사용을 요구할 수 있다.

본 발명은 높은 효율을 갖는 압전 액츄에이터를 제공한다.

Claims (10)

1. 가동부(2)를 구동하고 길다란 압전 공진기(3)를 갖는 압전 액츄에이터(1)로서, 종방향 진동들을 수행하는 역할을 하고, 탄성 수단(10)에 의해 작용되는, 상기 압전 액츄에이터에 있어서,

   상기 탄성 수단(10)은 주로 상기 종방향으로 압전 공진기(3)에 작용하고, 상기 가동부(2)를 향한 방향으로 상기 공진기(3)에 힘을 가하는 역할을 하며, 상기 탄성 수단(10)의 공진 주파수는 실질적으로 상기 압전 공진기(3)의 공진 주파수보다 작으며, 상기 압전 공진기(3)는 그것의 종방향(11)에 수직한 방향으로 적어도 하나의 가이드 요소(4, 5)에 의해 가이드되는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전 공진기(3)는 로터(2)를 구동하고, 상기 압전 공진기(3)의 상기 진동 방향은 상기 로터(2) 및 상기 공진기(3)의 접촉 지점(7)을 통해 접하는 평면(16)에 수직으로 확장하는 수직선(12)에 대해 예각(α)을 형성하며, 이러한 각(α)은 최대 효율을 제공하는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 압전 공진기(3)는 상기 가이드 요소들(4, 5)과 협력하는 적어도 두개의 면하는 가이드 표면들(14, 15)을 가지며, 상기 압전 공진기(3)의 상기 가이드 표면(14)과 협력하며 상기 가이드 표면은 상기 로터(2) 및 상기 공진기(3)의 상기 접촉 지점(7)을 통해 상기 로터(2)에 대한 상기 접하는 평면(16)에 관하여 90˚보다 더 큰 각(β)를 형성하는 상기 가이드 요소(4)는 상기 압전 공진기(3)가 상기 로터(2)로부터 떨어지는 것을 방지하기 위해서, 임의의 다른 가이드 요소(5)보다 로터(2)에 더 근접하게 위치되어 있는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 각(α)은 효율이 최대인 상기 최적의 각보다 더 작도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 압전 공진기(3)는 상기 로터(4)와의 접촉 지점에 상기 로터(2)는 그 자체에 매우 단단한 재료, 특히 AL₂O₃의 피복(cladding)을 갖는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 종방향으로 진동하는 압전 공진기(3)는 다층(multi-layer) 공진기인 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 가이드 요소들(4, 5)의 재료는 상기 압전 공진기(3)의 재료보다 더 작은 음향 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는, 압전 액츄에이터.
8. 제 1 항에 청구된 것과 같은 적어도 하나의 압전 액츄에이터에 의해 구동되는 적어도 하나의 절단 부재(21)를 갖는, 전기 면도기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 절단 부재(21)는 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 청구된 것과 같은 액츄에이터에 의해서 회전방식으로 구동가능한 로터(2)를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 면도기.
10. 제 9 항에 있어서,

    로터들(2)에 의해서 회전방식으로 구동가능한 적어도 두개의 절단 부재들(21)을 가지며, 상기 로터들(2)은 다른 속도들로 회전가능한 것을 특징으로 하는, 전기 면도기.