KR20070035161A - 압전 액츄에이터, 이의 구동 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 빔 타입의 압전체를 이용한 선형 이동 액츄에이터, 그 액츄에이터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다. 압전 액츄에이터는 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재와, 이동부재와 접촉되어 있고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 액츄에이터의 이동부가 곧바로 이동물체의 표면에 닿아 물체를 움직여 액츄에이터와 이동물체 사이의 구동 소음이 발생하지 않는다. 또한 본원발명에 따른 액츄에이터는 이동물체를 밀어서 움직이거나, 물체에 부착되어 물체를 끌고 이동하는 방식을 사용하여 이동물체 표면과 아무런 마찰이 발생하지 않아, 물체표면의 경도성 확보를 위한 추가적인 공정 또는 특수재료의 사용으로 발생하는 재료비의 증감을 없앨 수 있다. 또한 본원발명은 물체를 선형 이동시키기 위해 접촉하는 부품의 기계적 치수를 키워서 물체의 전체 이동량을 증가시킬 수 있다.

Description

압전 액츄에이터, 이의 구동 장치 및 방법{Piezoelectric actuator, apparatus and method for operating it}
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1(a)-(c)는 본 발명에 따른 액츄에이터의 외관도 이다.
도 2(a)-(d)는 본 발명에 따른 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터의 상세도 이다.
도 3(a)-(d)는 본 발명에 따른 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터의 상세도 이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1-도 3에 도시된 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 6a는 도 5 중 발진부의 상세도를, 도 6b는 도 6a를 설명하기 위한 파형도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동 방법의 동작을 보이는 흐름도 이다.
본 발명은 금속 빔 타입의 압전체를 이용한 선형 이동 액츄에이터, 그 액츄에이터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
압전 액츄에이터는 고유의 장점인 저소음, 소량의 부품, Bulk 상태의 구조, 높은 정밀도, 극 환경 적응력, 정확한 제어 등의 장점을 살려 액츄에이터 분야의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 특히, 카메라, CCTV 카메라와 같은 분야에서는 저소음의 장점으로 인하여 차기 구동 액츄에이터의 자리를 넘보고 있다. 그리고 리서치, 우주항공 등의 분야에서도 높은 정밀도 및 극 환경에서의 안정적인 구동이 큰 장점으로 작용하고 있다. 이외에도 기존의 DC, 스텝 모터와 같이 회전운동→선형운동 형태의 전환 방식을 사용하지 않고도 선형력을 발생시키는 압전 액츄에이터의 등장으로 미래 산업의 핵심 요소 기술로 자리매김할 것이라 예측된다.
종래기술에서 압전 액츄에이터의 선형운동 발생 방법은 크게 다음과 같이 세 가지로 나누어진다.
첫째, 회전 운동을 이용하는 것이다. 회전자와 고정자 사이의 마찰을 이용하여, 기존의 DC, 스텝 모터와 같이 회전운동을 발생시킨다. 그리고 이 회전력을 샤프트의 나사산을 이용하여 선형력을 발생시키는 방법이 있다. 이 방법의 경우 선형운동의 발생방식에 대해서는 기존의 모터를 이용한 방법과 기계적으로 동일하다. 하지만 회전력을 발생시키는 방식 자체가, 압전체의 고유 성질을 이용하여 초음파 대역에서 여기(Excitation)시켜 동작을 만들어 내기 때문에, 압전모터의 장점인 저소음, 고해상도, 극 환경적응, 정확한 제어 등의 요소를 가지고 있다.
둘째, 외부 물체의 표면과의 마찰로 인한 선형운동을 발생시키는 방법이다. 이 방법은 선형적으로 움직이고자 하는 물체의 일부 부품의 표면과 액츄에이터의 운동 접점부가 마찰을 하여 물체를 선형적으로 움직이게 하는 방식이다. 이 방법의 경우 물체의 운동 접점의 대상이 되는 표면은 일정한 경도를 가지고 있어서, 액츄에이터의 고주파 운동으로 인한 잦은 마찰을 견딜 수 있어야 한다. 또한, 물체를 고정시키기 위해 정지상태에서도 추가 전력을 상시 공급하거나, 기계적으로 고정해 줄 수 있는 추가 부품들이 필요하다.
셋째, Bulk(단층, 적층) 타입의 압전 액츄에이터가 물체를 직접 선형적으로 들어올리는 방법이 있다. 이 경우, 외부 물체와의 마찰은 전혀 없다. 단, 이동 중 선형성을 유지하기 위해서 부가적인 지지물을 만들어줄 필요가 있다. 헬리코일의 상하 선형운동이 대표적인 경우이다. 단, Bulk 타입의 움직임이기 때문에 변위길이에 제한이 있다. 이 운동방식 역시 위치 고정을 위해서 추가 전력의 발생이 필요하지만, 유전체의 일종인 압전체의 적층과 압전층 사이의 전극으로 이루어진 구조가 캐패시터 역할을 하므로 인해 공급전력 및 상시 위치 유지를 위한 전압의 소요가 작다.
일본 공개특허 2003-181377을 예시로 하는 회전운동을 이용하는 압전 액츄에이터의 경우, 회전운동으로부터 선형운동을 얻기 위해서는 부가적인 기계요소가 필 요하다. 즉, 액츄에이터의 Rotor와 연결된 스핀들에 샤프트를 장착하여, 동작하고자 하는 물체의 나사산과 연동하여 선형적으로 물체를 이동시켜야 한다. 한편 회전 운동을 그대로 연결하여 사용할 경우, 기어 트레인이나, 회전시키고자 하는 물체의 나사산과 맞물려 동력을 전달하여야 한다. 상기 두 경우에 대해서, 모두 부가적인 기계적 요소가 추가적으로 발생하게 된다. 또한, 기계적인 요소가 연동하여 동작할 시에 발생하는 소음은, 압전 액츄에이터가 기존의 전자석 모터에 비해 매우 낮은 구동 소음을 갖고 있는 장점을 무색하게 한다.
미국 등록특허 USP 6,064,140을 예시로 하는 외부 물체의 표면 마찰을 통한 선형운동을 발생시키는 압전 액츄에이터의 경우, 이동하는 물체의 표면을 특화해야 하는 문제가 있다. 즉, 액츄에이터의 동력전달 팁이 이동물체의 표면과 마찰을 하여, 손실 없이 동력을 전달하고, 이동물체의 표면에도 흠집이 나지 않게 하기 위해서는 물체의 표면에 특수 코팅처리를 하거나, 표면물질을 경도성이 높은 물질로 사용해야 한다. 이러할 경우, 물체 가공의 추가공정으로 인한 비용 및 일정지연의 문제가 발생하거나 이동체의 무게 변화로 인한 설계상의 추가 고려의 문제가 발생하며 원가의 부담 문제도 발생한다.
미국 등록특허 USP 6,512,321을 예시로 하는 Bulk 형 타입의 액츄에이터의 경우, 물체의 이동 변위량에 제약이 있다. 이는 물체의 이동 변위량이 액츄에이터의 압전체 부분의 적층량과 인가하는 전계의 세기에 비례하기 때문에 발생하는 문제이다. 즉, 더 큰 변위를 액츄에이터로부터 얻고자 한다면, 더 많은 압전층을 적층하여 액츄에이터를 설계하고, 고전압을 가해주어야 하므로 크기면에서나 가격면, 전력효율 면에서 불리하다.
본 발명을 통해 이루고자 하는 기술적인 과제는 다음과 같다.
첫째, 일본 공개특허 2003-181377을 예시로 하는 회전운동을 이용하는 압전 액츄에이터의 단점인, 기어트레인이나 샤프트와 같이 운동력의 전달을 위한 부가적인 기계요소의 필요를 해결하고자 한다. 본원발명은 운동력 전달의 요소인 기어트레인, 샤프트와 이동물체 사이의 마찰음을 줄일 수 있도록, 액츄에이터의 이동부가 곧바로 이동물체의 표면에 닿아 물체를 움직여 액츄에이터와 이동물체 사이의 구동 소음이 발생하지 않도록 하는 압전 액츄에이터, 이의 구동 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
둘째, 미국 등록특허 USP 6,064,140을 예시로 하는 외부 물체의 표면 마찰을 통한 선형운동을 발생시키는 압전 액츄에이터의 단점인, 액츄에이터의 동력전달 팁과 이동물체 표면이 일정한 경도 특성을 지녀야 한다는 점을 해결하고자 한다. 즉, 본원발명은 이동물체를 밀어서 움직이거나, 물체에 부착되어 물체를 끌고 이동하는 방식을 사용하여 이동물체 표면과 아무런 마찰이 발생하지 않아, 물체표면의 경도성 확보를 위한 추가적인 공정 또는 특수재료의 사용으로 발생하는 재료비의 증감을 없앨 수 있는 압전 액츄에이터, 이의 구동 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
셋째, 미국 등록특허 USP 6,512,321을 예시로 하는 적층형 타입의 액츄에이터의 단점인 물체 이동 변위량의 제약을 해결하고자 한다. 즉, 본원발명은 압전 세라믹의 적층 수 증가를 통한 비용 증가의 발생을 피하고, 인가 전계의 고전압화 를 피하여, 소비전력 효율을 높이기 위해, 이동 변위량을 액츄에이터의 이동부의 크기 조절을 통해 획득하고자 한다 즉, 물체를 선형 이동시키기 위해 접촉하는 부품의 기계적 치수를 키워서 물체의 전체 이동량을 증가시키는 압전 액츄에이터, 이의 구동 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 압전 액츄에이터는 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재; 및 상기 이동부재와 접촉되어 있고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 압전 액츄에이터 구동장치는 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재와, 상기 이동부재와 접촉되어 있고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 압전 액츄에이터; 및 상기 압전 액츄에이터의 이동방향 및 이동속도를 계산하고 그에 따른 전기신호를 발생하여 상기 압전 액츄에이터를 구동시키는 구동부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 다른 압전 액츄에이터 구동방법은 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재와, 상기 이동부재와 접촉되어 있고, 적어도 8개의 영역으로 분할되 고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 압전 액츄에이터를 구동하는 방법으로써, (a) 상기 압전 액츄에이터 이동 제어신호를 수신하여 소정의 진폭을 갖는 정현파를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 압전소자의 임의의 영역들에 상기 정현파를 인가하여 상기 액츄에이터를 전방향 또는 후방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1(a)-(c)는 본 발명에 따른 액츄에이터의 외관도 이다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 도시된 바와 같이 본원발명의 액츄에이터(100)는 외부커버(10) 및 금속빔(30)으로 구성된다. 전체적인 외관은 마치 얇은 리튬 이온 충전지와 흡사한 외관을 가지고 있지만, 외부커버(10) 및 금속빔(30)은 분리되어 있다. 금속빔(30)은 소정의 길이를 가지고 있고, 외부커버(10)는 적어도 금속빔(30)의 일부를 둘러싸고 있다.
도 1(c)를 보면, 선형 운동을 발생하는 금속빔(30)과 압전부(20)를 포함한 외부커버(10)가 기본적으로 분리되어 있고, 외부커버(10)의 내부공간으로 금속빔(30)이 삽입되어 하나의 액츄에이터 모듈을 이루고 있다.
본 발명은 크게 두 개의 압전 액츄에이터로 구분된다. 하나는 도 2(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터와, 나머지 하나는 도 3(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선 형 이동하는 액츄에이터이다.
먼저, 도 2(a)-(d)를 참조하여 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터를 설명한다.
도 2(a)는 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터의 조감도로서, 외부커버(10), 압전부(20) 및 금속빔(30)으로 구성되고, 외부커버(10)의 상면을 통하여 압전부(20)로 신호선이 연결되어 있다.
도 2(b)는 도 2(a)에 도시된 엑츄에이터를 ⅡB-ⅡB 방향으로 절단한 단면도 이다. 도 2(b)를 참조하면, 외부덮개(10)내부와 금속빔(30)의 상면 및 하면 사이에 압전부(20)가 개재되어 있다. 압전부(20)는 상부전극층(21), 압전층(23), 하부전극층(25), 금속층(27)으로 구성된다.
압전층(23)은 총 8개의 영역으로 분할되어 있고, 인가되는 전압에 의해 응축 및 연장하여 종 진동이 발생한다. 예를 들어, 압전층(23)에 (+)전압이 인가되면 응측되고, (-)전압이 인가되면 연장된다.
상부전극층(21) 및 하부전극층(25)으로 구성된 전극층은 상하로 압전층(23)을 감싸고 있으며, 여덟 개의 전극이 등 간격으로 정렬(도 2d 참조)되어 있다. 이에 따라 압전층(23)의 진동 영역이 8개로 분할된다.
금속층(27)은 압전층(23)의 응축 및 연장으로 발생하는 진동을 금속빔(30)으로 전달한다.
도 2(c)는 도 2(a)에 도시된 엑츄에이터를 ⅡC-ⅡC 방향으로 절단한 단면도이다. 압전층(23)의 면과 금속빔(30)의 상면 및 하면 사이의 간극은 압전층(23)의 진동 폭에 따라 결정된다. 외부커버(10)의 측면과 금속빔(30)의 측면은 마찰을 최소화하며 서로 간극이 거의 없이 붙어 있다.
도 2(d)는 도 2(a)에 도시된 액츄에이터를 ⅡD-ⅡD 방향으로 절단한 단면도 이다.
8개 영역으로 분할된 압전층(23)의 상부에, 압전층(23)과 동일하게 분할된 상부전극층(21)이 도시되어 있다. 제1영역 및 제5영역이 전기적으로 연결된 신호선 1그룹을, 제2영역 및 제6영역이 전기적으로 연결된 신호선 2그룹을, 제3영역 및 제7영역이 전기적으로 연결된 신호선 3그룹을, 제4영역 및 제8영역이 전기적으로 연결된 신호선 4그룹을 형성한다.
도 4를 참조하여 2에 도시된 액츄에이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4a는 전극층에 인가되는 신호 파형을 보이는 도면으로, 신호선 1그룹 및 신호선 2그룹에 인가되는 신호파형과, 신호선 3그룹 및 신호선 4그룹에 인가되는 신호파형은 그 위상이 반대이다.
도 4b는 압전층(23)에 인가되는 전압에 의해 응축/연장 운동으로 발생한 진동에 의해 금속빔(30)이 이동하는 것을 보여준다.
압전층(23)의 공진주파수와 동일한 대역의 주파수를 가지는 전압 신호가 생성되어, 신호선 1그룹과 신호선 3그룹으로 인가되고, 반대방향 여기 시에는 신호선 2그룹과 신호선 4그룹에 인가된다. 인가되는 전압신호의 극성에 따라, (+)전압이 인가되는 영역은 압전층(23)의 응축이 발생하고, (-)전압 신호가 인가되는 영역은 압전층(23)의 연장이 발생한다. 인접한 압전층(23) 영역의 연장과 응축이 연계되 어 기계적으로 종 진동을 갖는 진행파가 발생하게된다. 진행파 형태로 진동하는 압전층(23)에 의해 금속층(27)이 같은 위상 및 진폭으로 진동한다. 금속층(27)과 금속빔(30)의 마찰로 금속빔이 전후로 이동하는 선형운동을 형성한다. 진행 방향의 반전을 위해서는 신호선 2그룹과 신호선 4그룹에 전압 신호를 인가한다.
다음에, 도 3(a)-(d)를 참조하여 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터를 설명한다.
도 3(a)는 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터의 조감도로서, 외부커버(10), 압전부(20) 및 금속빔(30)으로 구성되고, 외부커버(10)의 측면을 통하여 압전부(20)로 신호선이 연결되어 있다.
도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 엑츄에이터를 ⅢB-ⅢB 방향으로 절단한 단면도 이다. 도 3(b)를 참조하면, 외부덮개(10)내부 및 금속빔(30) 양 측면 사이에 압전부(20)가 개재되어 있다. 압전부(20)는 상부전극층(21), 압전층(23), 하부전극층(25), 금속층(27)으로 구성된다.
압전층(23)은 총 8개의 영역으로 분할되어 있고, 인가되는 전압에 의해 응축 및 연장하여 횡 진동이 발생한다. 예를 들어, 압전층(23)에 (+)전압이 인가되면 응측되고, (-)전압이 인가되면 연장된다.
상부전극층(21) 및 하부전극층(25)으로 구성된 전극층은 상하로 압전층(23)을 감싸고 있으며, 여덟 개의 전극이 등 간격으로 정렬(도 3d 참조)되어 있다. 이에 따라 압전층(23)의 진동 영역이 8개로 분할된다.
금속층(27)은 압전층(23)의 응축 및 연장으로 발생하는 진동을 금속빔(30)으 로 전달한다.
도 3(c)는 도 3(a)에 도시된 엑츄에이터를 ⅢC-ⅢC 방향으로 절단한 단면도 이다. 압전층(23)의 면과 금속빔(30)의 측면 사이의 간극은 압전층(23)의 진동 폭에 따라 결정된다. 외부커버(10)의 상부 및 하부와 금속빔(30)의 상부 및 하부는 마찰을 최소화하며 서로 간극이 거의 없이 붙어 있다.
도 3(d)는 도 3(a)에 도시된 액츄에이터를 ⅢD-ⅢD 방향으로 절단한 단면도 이다.
8개 영역으로 분할된 압전층(23)의 측면에, 압전층(23)과 동일하게 분할된 상부전극층(21)이 도시되어 있다. 제1영역 및 제5영역이 전기적으로 연결된 신호선 1그룹을, 제2영역 및 제6영역이 전기적으로 연결된 신호선 2그룹을, 제3영역 및 제7영역이 전기적으로 연결된 신호선 3그룹을, 제4영역 및 제8영역이 전기적으로 연결된 신호선 4그룹을 형성한다.
도 4를 참조하여 3에 도시된 액츄에이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4a는 전극층에 인가되는 신호 파형을 보이는 도면으로, 신호선 1그룹 및 신호선 2그룹에 인가되는 신호파형과, 신호선 3그룹 및 신호선 4그룹에 인가되는 신호파형은 그 위상이 반대이다.
도 4b는 압전층(23)에 인가되는 전압에 의해 응축/연장 운동으로 발생한 진동에 의해 금속빔(30)이 이동하는 것을 보여준다.
압전층(23)의 공진 주파수와 동일한 대역의 주파수를 가지는 전압 신호가 생성되어, 신호선 1그룹과 신호선 3그룹으로 인가되고, 반대방향 여기 시에는 신호선 2그룹과 신호선 4그룹에 인가된다. 인가되는 전압신호의 극성에 따라, (+)전압이 인가되는 영역은 압전층(23)의 응축이 발생하고, (-)전압 신호가 인가되는 영역은 압전층(23)의 연장이 발생한다. 인접한 압전층(23) 영역의 연장과 응축이 연계되어 기계적으로 횡 진동을 갖는 진행파가 발생하게 된다. 진행파 형태로 진동하는 압전층(23)에 의해 금속층(27)이 같은 위상 및 진폭으로 진동한다. 금속층(27)과 금속빔(30)의 마찰로 금속빔이 전후로 이동하는 선형운동을 형성한다. 진행 방향의 반전을 위해서는 신호선 2그룹과 신호선 4그룹에 전압 신호를 인가한다.
도 5는 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동 장치의 구성을 보이는 블록도로서, 압전 액츄에이터(100) 및 액츄에이터 제어부(110), ADC(120), 마이크로 프로세서(130), 메모리(140), 제1 스위치(151), 제2 스위치(152)를 포함하는 스위칭부(150), DAC(160), 발진부(170) 및 합성부(180)을 포함하는 액츄에이터 구동부(200)를 포함한다.
도 6a는 도 5 중 발진부의 상세도를, 도 6b는 도 6a를 설명하기 위한 파형도를 나타낸다. 도 6a의 발진부(170)는 증폭부(171), 제1∼제4스위치(172a∼172d)를 포함하는 스위칭부(172) 및 정현파 발생부(173)를 포함한다.
액츄에이터 제어부(110)는 사용자 명령에 응답하여 압전 액츄에이터(100)의 이동 속도, 이동 방향 및 스텝 이동량을 제어한다. 예를 들어, 사용자가 카메라(미도시)의 줌 렌즈를 이동시키기 위해, 임의의 버튼(미도시)을 입력하면, 액츄에이터 제어부(110)는 사용자 명령(버튼 입력신호)에 응답하여 압전 액츄에이터(100)의 이동속도, 이동방향 및 스텝 이동량을 제어하여 출력한다.
압전 액츄에이터(100)의 이동속도는 힘과 연동하여 결정되는 성능이므로, 액츄에이터 제어부(110)가 둘 중 하나를 제어하면 나머지 하나는 자동으로 결정된다.
압전 액츄에이터(100)의 이동방향은 압전 액츄에이터(100)로 인가되는 신호선 1그룹∼신호선 4그룹 중 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹과 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹의 선택을 통해 제어 가능하다. 액츄에이터 제어부(110)의 제어로, 압전 액츄에이터(100) 상하 압전층(23)의 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹에 전압신호를 인가했을 때, 압전 액츄에이터(100)는 전방향(Forward)으로 이동한다고 가정한다. 그러면 액츄에이터 제어부(110)의 제어로, 압전 액츄에이터(100) 상하 압전층(23)의 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹에 전압신호를 인가하게되면, 압전 액츄에이터(100)는 후방향(Backward)으로 이동하게 된다.
압전 액츄에이터(100)의 스텝 이동량은, 액츄에이터 제어부(110)에서 압전 액츄에이터(100)로 인가하는 신호를 PWM(Pulse width modulation) 조정하여 단위 스텝 당 이동하는 양을 제어할 수 있다.
액츄에이터 제어부(110)에서 출력되는 압전 액츄에이터(100)의 이동 속도, 이동 방향 및 스텝 이동량을 제어신호는 ADC(120)로 입력된다. ADC(120)는 상기 제어신호를 디지털 신호 즉, 2진(Binary) 신호로 변환시킨다. 제어신호를 디지털 신호로 변환하는 목적은 이진신호를 마이크로 프로세서(130)로 인가하기 위함이며, 동시에 메모리(140)에 저장된 테이블 내에서 인덱스 역할을 하기 위함이다.
마이크로 프로세서(130)는 ADC(120)로부터 디지털로 변환된 압전 액츄에이터(100)의 이동속도, 이동방향 및 스텝 이동량 신호를 수신하여, 해당하는 명령을 메 모리(140)로부터 로딩하는 역할을 한다. 이외에도 ADC(120) 및 메모리(130)를 제어하고, 스위칭부(150)에 선택신호를 보내는 역할을 한다.
메모리(140)는 압전 액츄에이터(100)의 이동속도, 이동방향 및 스텝 이동량에 대해, 사전에 입력된 테이블을 구비하고 있으며, 마이크로 프로세서(130)에서 송출된 디지털 신호를 인덱스로 하여 이에 해당하는 데이터를 마이크로 프로세서(130)로 전송하는 역할을 한다.
스위칭부(150)는 마이크로 프로세서(130)로부터 방향선택을 위한 스위칭 신호가 입력된다. 마이크로 프로세서(130)로부터 압전 액츄에이터(100)의 전방향 신호가 수신되면, 제1 스위치(151)가 온 되고, 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹에 전기신호가 인가된다. 마이크로 프로세서(130)로부터 압전 액츄에이터(100)의 후방향 신호가 수신되면, 제2 스위치(152)가 온 되고, 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹에 전기신호가 인가된다.
DAC(160)는 마이크로 프로세서(130)로부터 출력되는 이동속도 및 스텝 이동량에 대한 디지털 신호를 아날로그 전압레벨을 갖는 신호(VDAC)로 변환시킨다.
발진부(170)는 아날로그 변환된 신호(VDAC)를 수신하여 증폭하고 정현파를 발생하여 속도 정보로써 출력한다. 이러한 발진부(170)는 증폭부(171), 제1∼제4스위치(172a∼172d)를 포함하는 스위칭부(172) 및 정현파 발생부(173)를 포함한다.
증폭부(171)는 아날로그 변환된 신호(VDAC)를 증폭하여, 압전 액츄에이터(100)의 압전층(23)이 반응할 정도의 큰 레벨의 전압신호(Vd)를 생성한다. 증폭부 (171)의 증폭 이득은 항상 일정한 값을 유지하며, 입력되는 전압(VDAC)의 레벨 조정만으로 진폭을 변환시킨다.
증폭된 전압신호(Vd)는 정현파 발생부를 거치기 전까지 DC 레벨 전압이다. 이 전압이 스위칭부(172) 및 정현파 발생부(173)를 거치면, DC 레벨의 진폭을 갖는 정현파가 발생된다.
제2 스위치(172b) 및 제4 스위치(172d)가 온 되면, 도 6b에 도시된 바와 같이 -Vab의 전압차(진폭)가 발생하고, 제1 스위치(173b) 및 제3 스위치(173c)가 온 되면 도 6b에 도시된 바와 같이 +Vab의 전압차(진폭)가 발생한다. Vab의 레벨은 증폭부(171)의 출력신호 즉, Vd의 레벨과 일치하고, 부호는 스위칭에 따른 전압차의 방향과 일치한다.
정현파 발생부(173)는 R/L/C 수동소자의 조합으로 이루어져 있으며, 이중 L을 조정하여 주파수를 조정(도 6b)한다. 정현파 발생부(173)는 압전 액츄에이터(100)에 사용되는 압전층(23)의 공진주파수와 동일한 정현파를 형성하여 부드럽고 조용한 움직임을 만들어 내야 한다. 스위칭부(172)에서 출력되는 전압차(±Vab)는 정현파 발생부(173)에서 형성한 정현파와 합성되고, 상기 전압차(±Vab)를 진폭(Vm)으로 하는 정현파를 생성한다.
이때, 스텝 이동량을 제어하기 위한 PWM 제어는 스위칭부(170)의 스위칭 타임을 조절하면 된다. 가령 50%의 듀티비를 가진 PWM 신호를 발생하려면, 증폭부 (171)에서 출력되는 전압신호(Vd)의 스위칭 타임을 동일하게 하면 된다.
이렇게 합성된 일정한 진폭(Vm)의 정현파(도 6b)는 속도신호로써 출력되고, 압전 액츄에이터(100)의 압전층(23)은 기계적인 진동을 발생하게 된다.
합성부(180)는 스위칭부(150)에서 스위칭된 이동방향 신호와, 발진부(170)에서 출력되는 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 합성하여 압전 액츄에이터(100)의 신호선 그룹으로 출력한다.
발진부(170)에서 생성된 이동속도로 전방향 이동시키는 경우, 합성부의 출력신호는 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹으로 인가되고, 발진부(170)에서 생성된 이동속도로 후방향 이동시키는 경우, 합성부의 출력신호는 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹으로 인가된다. 앞서 개시한 바와 같이 신호선 1그룹은 압전층의 제1 및 제5영역에 인가되는 신호를, 신호선 2그룹은 압전층의 제2 및 제6영역에 인가되는 신호를, 신호선 3그룹은 압전층의 제3 및 제7영역에 인가되는 신호를, 신호선 4그룹은 압전층의 제4 및 제8영역에 인가되는 신호를 나타낸다.
도 5에 도시된 압전 액츄에이터(100)가 도 2(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 액츄에이터라고 가정할 경우, 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 종 진동을 발생하면서 전방향으로 이동한다. 반대로, 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 종 진동을 발생하면서 후방향으로 이동한다.
도 5에 도시된 압전 액츄에이터(100)가 도 3(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선형 이동하는 압전 액츄에이터(100)라고 가정할 경우, 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 횡 진동을 발생하면서 전방향으로 이동한다. 반대로, 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 횡 진동을 발생하면서 후방향으로 이동한다.
도 7은 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동 방법의 동작을 보이는 흐름도 이다.
S1 및 S2단계에 있어서, 사용자의 명령에 응답하여 액츄에이터 구동부(200)는 압전 액츄에이터(100)의 이동 속도 신호를 생성하고 압전 액츄에이터(100)의 이동 방향을 결정하여 출력한다.
압전 액츄에이터(100)의 이동속도는 액츄에이터 제어부(110)에서 마이크로 프로세서(130)로 출력되는 이동속도 제어신호를 인덱스로 하여 메모리(140)로부터 실제 액츄에이터 이동속도 데이터를 로딩하고 이를 아날로그 신호로 변환한 후 발진부(170)에서 진폭 Vm을 갖는 정현파로 생성하여 출력한다. 압전 액츄에이터(100)의 이동방향은 액츄에이터 제어부(110)에서 마이크로 프로세서(130)로 출력되는 이동방향 제어신호에 의해 스위칭부(150)에서 스위칭 된다.
S3단계 내지 S5단계에 있어서, 압전 액츄에이터(100)를 전방향으로 이동시키 는 경우, 제1 스위칭부(151)가 온 되고, 발진부(170)에서 출력되는 진폭 Vm을 갖는 정현파 신호가 압전 액츄에이터(100)의 신호선 1그룹과 신호선 3그룹으로 입력됨으로써 압전 액츄에이터(100)가 전방향으로 이동한다.
압전 액츄에이터(100)를 후방향으로 이동시키는 경우, 제2 스위칭부(152)가 온 되고, 발진부(170)에서 출력되는 진폭 Vm을 갖는 정현파 신호가 압전 액츄에이터(100)의 신호선 2그룹과 신호선 4그룹으로 입력됨으로써 압전 액츄에이터(100)가 후방향으로 이동한다.
도 2(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 종파에 의해 선형 이동하는 압전 액츄에이터(100)의 경우, 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 종 진동을 발생하면서 전방향으로 이동한다. 반대로, 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 종 진동을 발생하면서 후방향으로 이동한다.
도 3(a)-(d)에 개시된 압전층에서 발생하는 진행형 횡파에 의해 선형 이동하는 압전 액츄에이터(100)의 경우, 신호선 1그룹 및 신호선 3그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 횡 진동을 발생하면서 전방향으로 이동한다. 반대로, 신호선 2그룹 및 신호선 4그룹으로 이동속도 신호(진폭 Vm을 갖는 정현파)를 인가하면, 압전 액츄에이터(100)는 횡 진동을 발생 하면서 후방향으로 이동한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 액츄에이터의 이동부가 곧바로 이동물체의 표면에 닿아 물체를 움직여 액츄에이터와 이동물체 사이의 구동 소음이 발생하지 않는다.
또한 본원발명에 따른 액츄에이터는 이동물체를 밀어서 움직이거나, 물체에 부착되어 물체를 끌고 이동하는 방식을 사용하여 이동물체 표면과 아무런 마찰이 발생하지 않아, 물체표면의 경도성 확보를 위한 추가적인 공정 또는 특수재료의 사용으로 발생하는 재료비의 증감을 없앨 수 있다.
또한 본원발명은 물체를 선형 이동시키기 위해 접촉하는 부품의 기계적 치수를 키워서 물체의 전체 이동량을 증가시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재; 및
    상기 이동부재와 접촉되어 있고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 압전 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이동부재와 분리되어 상기 이동부재의 일부를 둘러싸고, 상기 압전부를 구비하는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압전부는
    상기 이동부재의 상부 및 하부에 개재되어, 상/하 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 압전부는
    상기 이동부재의 제1측면 및 제2측면 사이에 개재되어, 좌/우 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전부는
    압전소자로 구성되고, 소정개의 영역으로 분할되며, 전기 신호에 의해 응축 진동 또는 연장 진동을 발생하는 압전층;
    상기 압전층과 동일하게 분할되고, 상기 압전층의 상부에 위치하며, 상기 압전층의 분할된 영역에 전기신호를 인가하는 제1 전극층;
    상기 압전층과 동일하게 분할되고, 상기 압전층의 하부에 위치하며, 상기 압전층의 분할된 영역에 전기신호를 인가하는 제2 전극층; 및
    상기 압전층의 진동 결과를 상기 이동부재에 전달하는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 압전층과 상기 제1 및 제2 전극층은 적어도 8개의 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 전기신호의 레벨에 따라 상기 이동부재의 이동속도가 달라지는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 압전층의 제1/제5영역과 제2/제6영역에 인가되는 전기신호와, 상기 압전층의 제3/제7영역과 제4/제8영역에 인가되는 전기신호는 위상이 반대인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 압전층의 제1/제5영역과 제3/제7영역에 전기 신호가 인가되면 상기 이동부재는 전방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 압전층의 제2/제6영역과 제4/제8영역에 전기 신호가 인가되면 상기 이동부재는 후방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  11. 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재와, 상기 이동부재와 접촉되어 있고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 압전 액츄에이터; 및
    상기 압전 액츄에이터의 이동방향 및 이동속도를 계산하고 그에 따른 전기신호를 발생하여 상기 압전 액츄에이터를 구동시키는 구동부를 포함하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 액츄에이터의 압전부는
    상기 이동부재의 상부 및 하부에 개재되고, 상기 전기 신호에 의해 상/하 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 액츄에이터의 압전부는
    상기 이동부재의 제1측면 및 제2측면 사이에 개재되고, 상기 전기 신호에 의해 좌/우 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터의 압전소자는 적어도 8개의 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 구동부는
    수신된 명령에 대응하여, 상기 압전 액츄에이터의 이동방향, 이동속도 및 스텝 이동량을 출력하는 제어부;
    상기 제어부의 이동방향 신호에 따라 상기 압전 액츄에이터의 전방향 또는 후방향 이동을 스위칭하는 스위칭부;
    상기 제어부의 이동속도 신호를 소정의 진폭을 갖는 정현파로 생성하는 발진부; 및
    상기 스위칭된 방향신호와 상기 정현파를 합성하여 상기 압전 액츄에이터로 출력하는 합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 압전소자의 제1/제5영역과 제3/제7영역에 상기 정현파를 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 이동속도에 의해 전방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 압전소자의 제2/제6영역과 제4/제8영역에 상기 정현파를 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 이동속도에 의해 후방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동장치.
  18. 소정 길이를 갖고 전방향 또는 후방향으로 이동하는 이동부재와, 상기 이동부재와 접촉되어 있고, 적어도 8개의 영역으로 분할되고, 전기적인 신호에 의해 압전소자의 응축 또는 연장으로 발생한 진동으로 상기 이동부재를 선형 이동시키는 압전부를 포함하는 압전 액츄에이터를 구동하는 방법으로써,
    (a) 상기 압전 액츄에이터 이동 제어신호를 수신하여 소정의 진폭을 갖는 정현파를 생성하는 단계; 및
    (b) 상기 압전소자의 임의의 영역들에 상기 정현파를 인가하여 상기 액츄에이터를 전방향 또는 후방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 압전 액츄에이터 구동방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 압전소자의 제1/제5영역과 제3/제7영역에 상기 정현파를 인가하면, 상기 압전 엑츄에이터가 전방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동 방법.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 액츄에이터는
    상기 압전소자의 제2/제6영역과 제4/제8영역에 상기 정현파를 인가하면, 상기 압전 액츄에이터가 후방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터 구동방법.
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