KR20080107459A - 열 효율적인 마이크로모터 - Google Patents

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KR20080107459A
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Abstract

전자 기계식 액추에이터(2)는 뒷 부분(3)으로부터 일반적으로 신장된 형태로 신장하는 전자 기계적 활성 물질의 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10)을 포함한다. 액추에이팅 부분(10)은 바이몰프이며, 이는 뒷 부분(3)의 제1 사이드(8)에 제1 단부(7)에 의해 부착되며, 제1 방향(15)에서 차례대로 서로 평행하게 위치된다. 바이몰프는 제1 방향(15) 및 액추에이팅 부분(17)의 신장부(17)를 따라 제2 단부(6)의 움직임을 제공하도록 배열되고, 이로써 제1 방향(15)에서 바디에 관하여 이동할 수 있다. 액추에이팅 부분(10)은 제1 방향(15)에 실질적으로 수직으로 방향지어진 전자 기계식 활성 물질 내에 배열된 일반적으로 편평한 내부 전극 층(12A-E)을 갖는다. 내부 전극 층(12A-E)은 액추에이팅 부분(10)을 통해 뒷 부분(3)으로 연속적으로 신장한다.
전자 기계식 액추에이터, 내부 전극 층, 액추에이팅 부분

Description

열 효율적인 마이크로모터{HEAT EFFICIENT MICROMOTOR}
본 발명은 일반적으로 전자 기계식 마이크로모터에 관한 것이며, 특히 관련 움직임을 생성하기 위해 여러 액추에이팅 부분의 전자 기계적으로 활성 물질(active material)을 사용하는 마이크로모터에 관한 것이다.
제어되는 미세한 자리 지정을 행할 수 있는 거의 최소화된 모터에 대한 요구가 있는 여러 애플리케이션이 존재한다. 예를 들어, 제품 생산에서 매우 작은, 경량의, 전력 소비량이 적으며 저가의 모터가 전형적으로 필요로 된다. 모터는 주로 밀리미터의 정도의 범위이며 마이크로미터의 정확성을 갖는다.
여러 마이크로모터는 전자 기계적인 활성 물질의 움직임에 기초한다. 기하학적인 볼륨(geometrical volume) 또는 형태 변화는 여러 종류의 전기 신호를 적용함으로써 성취된다. 가장 공통적인 물질은 압전 물질(piezoelectric materials)이다.
기하학적인 구성을 고려하는 전자 기계식 모터의 여러 설비가 존재하며 원리를 구현한다. 전자 기계식 모터의 한 그룹은 이동될 바디 및/또는 액추에이터(actuators)의 공진 특성을 사용한다. 다른 모터는 여러 종류의 준정적 구동 원리(quasi static driving principles)를 사용하는데, 이는 액추에이터들 중 적어도 일부가 구동 사이클의 적어도 일부 동안 이동될 바디와 정적 기계적인 접촉을 하고 있다. 일반적으로, 공진 모터는 전력 효율성이 더 있는 경향이 있는 반면, 준정적 모터는 더 높은 자리 지정 정확도를 갖는다.
여러 애플리케이션에서 유용하다고 증명된 하나의 특정한 기하학적인 구성은 이동될 바디의 상호 작용 표면에 필수적으로 수직으로 배열된 적어도 두 개의 액추에이팅 부분을 포함한다. 액추에이팅 부분은 이동될 바디의 상호 작용 표면에 수직인, 적어도 두 개의 이차 평면에서 이동 가능하도록 배열된다. 액추에이팅 부분은 대안적인 방법으로 움직여 워킹(walking) 또는 스텝핑(stepping) 움직임을 생성한다. 이러한 모터의 하나의 전형적인 예는 공개된 US 특허 출원 2005/0179343호에서 나타내지거나 이를 참조한다. 다른 예는 예컨대, 독일 특허 DE 44 08 618호 또는 US 특허 6,066,911호에서 보여질 수 있다.
독일 특허 DE 44 08 618호는 액추에이팅 부분의 압전 물질의 사이드 상에서 소산되는(evaporated) 전극에 의해 액추에이팅 부분을 여기시킨다. 압전 물질에 걸쳐 전압을 인가할 때, 압전 물질의 두께가 변한다. 그 결과로서, 압전 물질의 볼륨이 필수적으로 일정하기 때문에, 압전 물질은 또한 액추에이팅 부분의 길이를 변경시킨다. 액추에이팅 부분의 두 개의 상이한 부분을 액추에이팅하며, 바이몰프 구조(bimorph structure)를 생성할 수 있음으로써, 필요로 되는 움직임이 성취될 수 있다. 유용한 치수 변화가 d31 여기(d31 excitation)로서 나타내지는 인가된 전압에 수직으로 생성된다. 통상적으로, 이러한 여기는 낮은 전압 효율성으로서 고려되는데, 대충 50% 정도 더 작은 치수 변화가 인가된 전기장의 방향과 비교되는 방향으로 성취된다.
d31 여기는 또한 예컨대, Sensors an Actuators 75 (1999) pp. 118-130 M. Bexell 등에 의한 "Characteristics of a piezoeletric miniature motor"에서 사용되어왔다. 액추에이터 요소는 로터(rotor)를 회전시키는 동안 원형 구성에서 실리콘 웨이퍼 상에 장착된다. 액추에이터 요소는 실리콘 웨이퍼에 제공된 컨덕터에 접촉된다. 구성이 성공적으로 동작되지만, 장착 정확도에 따르는 이러한 구성은 부피가 큰 제품에 매우 적합하지 않다.
US 특허 6,066,911호에서, d33 여기가 대신 사용된다. 인가된 장(field)에 평행한 치수 변화는 상호 작용 표면에 평행하게 압전 물질의 전극을 위치시킴으로써 사용된다. 섹션에 걸쳐 액추에이팅 부분의 여러 파트를 커버하는 전극을 제공함으로써, 필요로 되는 2차원 움직임이 획득된다. 게다가, 압전 볼륨 내에 전극을 제공함으로써, 더 낮은 여기 전압이 임의의 치수 변화를 성취하기 위해 사용될 수 있다. 유사한 기본적인 움직임 개념이 또한 US 특허 출원 2005/0179343호에서 사용된다.
액추에이팅 부분 내에 전극을 제공할 때, 전극 모서리에 관하여 고려한다. 전극이 액추에이팅 부분의 사이드 표면 밖의 모든 방향으로 신장하도록 허용된다면, 물리적인 세기 문제가 전형적으로 발생한다. 액추에이팅 부분은 피에조세라믹(piezoceramic) 및 전극 사이의 인터페이스에서 균열이 가는 경향이 있다. 게다가, 액추에이터 부분은 전극의 부식 및 전기적인 문제를 피하기 위해서, 어떤 전기적인 절연층 및 화학적인 보호층이 제공되는 것이 전형적이다. 이러한 문제점들은 표면에 가장 가까운 전극-프리 볼륨을 액추에이팅 부분에 제공함으로써 전형적으로 해결되는데, 즉 액추에이팅 부분의 표면에 다소 이격되어 전극 단부를 놓는다.
내부 전극(internal electrode)들을 사용하는 특정 장치에서, 종래 전자 기계식 액추에이터 장치가 갖는 일반적인 문제점은 액추에이팅할 수 없는 전자 기계식 물질 존이 액추에이팅 부분의 표면에 생성된다는 것이다. 이러한 ""데드(dead)" 존은 능동적으로 움직임에 기여할 수 있으며 또한 임의의 변형을 약화시킬 수 있는 볼륨을 감소시킬 것이다. 여기의 효율성은 이로써 심하게 감소되어 큰 열 발생을 일으킨다.
본 발명의 일반적인 목적은 개선된 전자 기계식 액추에이터를 제공하는 것이다. 본 발명의 부가적인 목적은 여기될 수 없는 전자 기계식 물질의 볼륨을 감소시키거나 재배열하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 전자 기계식 액추에이터에서 열 전도성을 개선하는 것이다. 또 다른 부가적인 목적은 여러 장치의 생산에 적합한 보안 접촉을 가능하게 하는 것이다.
상술된 목적은 포함된 특허 청구항에 따른 장치에 의해 해결된다. 일반적으로, 전자 기계식 액추에이터는 뒷 부분(back portion)으로부터 일반적으로 신장하는 형태의 전자 기계식 활성 물질의 적어도 두 개의 액추에이팅 부분을 포함한다. 두 개의 액추에이팅 부분 및 뒷 부분은 하나의 공통적인 조각으로 통합된다. 액추에이팅 부분은 바이몰프이고, 이는 뒷 부분의 제1 사이드에 제1 단부에 의해 부착되며 제1 방향으로 차례대로 서로 평행하게 위치된다. 바이몰프는 제1 방향 및 액추에이팅 부분의 신장부를 따라 제2 단부 즉, 액추에이팅 부분 팁의 움직임을 제공하도록 배열되는데, 이로써 제1 방향으로 관련 바디의 움직임을 가능하게 한다. 액추에이팅 부분은 일반적으로 제1 부분에 실질적으로 수직으로 방향지어진 전자 기계식 활성 물질 내에 배열된 편평한 내부 전극 층을 갖는다. 내부 전극 층은 액추에이팅 부분의 주요부분에 걸쳐 뒷 부분으로 신장하고, 이로써 액추에이팅 부분 및 뒷 부분을 통과하는 연속적인 열 경로를 생성한다. 즉 내부 전극 층은 뒷 부분의 표면에 접촉 부분을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 내부 전극 층들 중 적어도 하나가 액추에이팅 부분의 제2 단부, 및 제1 사이드에 대향하는 뒷 부분의 제2 사이드 사이에서 필수적으로 전체 거리에 걸쳐 신장한다. 내부 전극 층들의 접촉 부분은 게다가 열 컨덕터와 열적으로 접촉하도록 배열된다. 현재 바람직한 실시예에서, 내부 전극 층은 전체적으로 액추에이팅 부분 내에서 전자 기계식 활성 물질에 의해 둘러싸여진다. 전자 기계식 활성 물질의 표면층은 최외각 내부 전극 층의 외부에 제공되는데, 이는 100마이크로미터 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그러나 또한 표면 전극 층이 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 이점은 저전압으로 여기될 수 있는 액추에이터가 제공될 수 있다는 것이다. 그래서 이는 액추에이터 내에서 낮은 열을 발생시킨다. 게다가 액추에이터의 구성은 또한 신뢰할 수 있는 제조뿐만 아니라 열 전도성의 개선을 고려한다.
본 발명은 그의 부가적인 목적 및 이점과 함께 첨부된 도면을 참조하는 다음 설명에 의해 최상으로 이해될 수 있다.
도1은 "레그" 액추에이터의 전형적인 구성을 도시하는 도면;
도2A-D는 액추에이터에서 여러 "데드" 존의 영향을 도시하는 도면;
도3은 본 발명에 따른 내부 전극 구성의 실시예의 개략도;
도4A-D는 본 발명에 따른 내부 전극 형태의 실시예; 및
도5A-B는 비대칭 구동 패드가 제공된 전자 기계식 액추에이터를 도시하는 도면.
도1은 전자 기계식 액추에이터(2)의 여러 전자 기계식 액추에이터 부분(10)을 통해 동작하는 전자 기계식 모터(1)를 개략적으로 도시한다. 액추에이터 부분(10)은 뒷 부분(3)으로부터 일반적으로 신장하는 형태로 신장한다. 이동될 바디(4)의 상호 작용 표면(5)은 전자 기계식 액추에이터(2)와 기계적으로 접촉하여 배열된다. 전형적으로 이동될 바디(4) 및 전자 기계식 액추에이터(2)는 스프링 수단(도시되지 않음)에 의해 접촉을 유지한다. 제어 일렉트로닉스(30)는 액추에이팅 부분(10) 내에서 전자 기계식 활성 물질을 활성시키는데 사용되는 전기 신호를 인가하는 전자 기계식 액추에이터(2)에 연결된다. 액추에이터 부분(10)은 바이몰프로서 배열되며, 이는 뒷 부분(3)의 제1 사이드(8)에 제1 단부(6)에 의해 부착되며 제1 방향(15)에서 차례대로 서로 평행하게 위치된다. 액추에이팅 부분은 서로에 관하여 조금 떨어져 위치되어 중간의 적어도 작은 슬릿(21)을 남긴다. 슬릿(21)은 전형적으로 채워지지 않지만, 특정한 애플리케이션에서 어떤 상당한 정도로 액추에이팅 부분(10)의 어떤 움직임을 제한하는 소프트 물질로 채워질 수 있다. 액추에이팅 부분(10) 및 뒷 부분(3)은 하나의 단일 통합 바디로서 제조된다. 바이몰프는 제1 방향(15) 및 액추에이팅 부분(10)의 신장부(17)를 따라 제2 단부(7), 즉 액추에이팅 부분 팁의 움직임을 제공하도록 배열된다. 이동될 바디(4)는 이로써 전자 기계식 액추에이터(2)에 관하여 제1 방향(15)으로 움직임이 제공될 수 있다. 전자 기계식 액추에이터(2)는 액추에이터 부분(10)에 의해 구성되는 그의 "레그"를 갖는 "스텝"을 수행한다.
도2A는 종래 액추에이팅 부분(10)에서 활성 가능하지 않은 존의 중요함을 개략적으로 도시한다. 전형적인 액추에이팅 부분(10)의 신장부를 따라 횡단면도가 도시된다. 이러한 예에서, 내부 전극(12)은 액추에이팅 부분(10)의 바이몰프 구조를 형성하기 위해서 두 개의 섹션(14)으로 나란히 제공된다. "데드" 존(16)은 액추에이팅 부분(10)의 중간에 나타나며, 다른 "데드" 존(18,19)은 액추에이팅 부분(10)의 사이드 표면(20) 근처에 나타난다. 이러한 "데드" 존은 전자 기계식 물질, 예컨대, 압전 물질의 볼륨이며, 이는 내부 전극(12)의 사용에 의해 여기되거나 활성될 수 없다. 사이드 표면으로부터 내부 전극의 최외각 부분까지 거리(d)는 전형적으로 요구 조건을 제조함으로써 결정된다. 전형적인 액추에이터에서, 전극 및 전자 기계식 물질이 스크린 프린트 기술을 사용하여 제공된다. 이러한 패터닝(patterning)은 전형적으로 150-200㎛로 내려가는 평면 내에 구조를 제공할 수 있는데, 즉, 데드 존(16,18,19)의 최소 두께의 범위가 전형적으로 150-200㎛이다.
도2B에서, 전압은 내부 전극(12)에 걸쳐 인가된다. 전압은 오른쪽의 내부 전 극들(12) 사이에서 전자 기계식 물질(22)의 두께가 늘어나도록 하는 한편, 왼쪽의 내부 전극들(12) 사이에서 전자 기계식 물질(240의 두께가 감소되는 방법으로 인가된다. 이는 움직임의 생성을 위해 사용될 수 있는 전체 액추에이팅 부분(10)의 틸팅(tilting)를 야기한다. 이러한 이중층 배열체, 즉, 바이몰프는 구부러지는 움직임이 물질의 형태 변화에 관하여 과장되기 때문에 작은 모터에서 유리하다. 유사한 효과는 전압이 인가되어 이중층의 단 하나의 사이드가 형태를 변경시키도록 할 때 성취된다. 그러나 액추에이팅 부분(10)의 팁이 액추에이팅 부분(10)의 신장부뿐만 아니라 이동될 바디의 표면을 따라 이동하도록 하기 위해서, 두 개의 이중층 사이드는 형태 변화를 나타내야만 한다. 틸팅은 논의된 효과를 양호하게 설명하기 위해서 도면에서 극단적으로 나타내진다.
데드 존(16,18,19)은 틸팅에 영향을 미치지 않는다. 대조적으로, 이들은 틸팅을 완화시킨다. 사이드(20) 부근의 데드 존(18,19)은 압축되거나 스트레칭된다. 예컨대, 압전 물질이 압축력 또는 스트레칭력 동안 노출될 때, 내부 전압은 화살표(26,27)로 각각 나타내지는 압축력 또는 스트레칭력을 완화시키는 물질에서 형성된다. 기계적으로 이는 제어된 전압을 갖는 내부 전극이 없는 물질을 위한 더 높은 탄성 모듈을 갖는 것으로 설명된다. 그러므로 이러한 힘은 인가된 전압에 의해 생성된 힘에 대향하는 방향으로 동작한다.
게다가, 사이드(20) 부근의 데드 존(18,19)은 액추에이팅 부분(10)의 대칭 라인(28)으로부터 떨어져(D) 위치되기 때문에, 카운터-틸팅 효과(counter-tilting effect)는 대응하는 폭(d)의 활성 볼륨의 틸팅 효과보다 클 것이다. 이는 변형 최 대치(strain maximum)가 데드 존(18,19)에 있을 것이 때문이다. 데드 존(18,19)의 위치 지정은 그러므로 최악으로 가능하다. 액추에이팅 부분(10) 중간의 데드 존(16)은 또한 틸팅을 완화시킨다. 그러나 대칭 라인(28)에서 데드 존(16)의 위치 지정은 이러한 데드 존(16)의 영향을 거의 무시한다. 데드 존의 완화 기능을 극복하는데 필요로 되는 여분의 전력이 액추에이팅 부분(10) 내의 부가적인 열로서 방출될 것이고, 열 문제가 발생한다. 더 효율적인 틸팅을 만들기 위해서, 액추에이팅 부분(10)의 활성 섹션(22,24)이 사이드(20)에 더 근접하게 제공되어야만 한다. 현재 제조 기술로 폭(d)의 범위는 150-200㎛인데 반해, 소형 모터의 거리(D)의 범위는 1-2mm일 수 있다. 단순한 추정값은 여러 경우에 효율성이 50%이거나 그 이상으로 감소될 수 있음을 말한다.
도2C는 내부 전극(12)이 대신 액추에이팅 부분(10)을 따라 제공되는 유사한 경우를 도시한다. 또한, 여기서 사이드(20)에 근접하게 제공되는 데드 존을 갖는데, 이는 또한 사용 가능한 효율성을 감소시킨다. 이러한 경우에, d31 여기가 또한 사용되며 또한 효율성을 감소시킨다.
본 발명에 따르면 도2D에 도시된 바와 같이, 액추에이팅 부분(10)의 틸팅 방향(15)으로 사이드(20)에 근접한 데드 존(18,19)의 크기는 틸팅 방향(15), 즉, 액추에이터에 접촉하여 바디가 이동되는 방향에 수직인 내부 전극(12)을 제공함으로써 감소된다. 내부 전극(12)이 이러한 방향으로 제공되기 때문에, 액추에이팅 부분의 형성(building up)은 동일한 방향으로 수행된다. 이는 제조 동안 평면 내에서 구성의 제한이 도2D에서 종이의 평면에 수직 방향으로 적용 가능하다는 것을 의미 한다.
전극 앞, 사이 및 뒤에 제공되는 전자 기계식 물질의 두께는 다른 제조 특성에 의해 제어된다. 100㎛ 이하의 두께가 바람직하며 10-20㎛로 제한되는 두께는 아래에서 논의되는 바와 같이 희생 물질(sacrificial material) 기술의 사용에 의해 더욱 용이할 수 있다. 이는 데드 존이 다소 틸팅 방향에서 사이드들로부터 완전히 제거되는 결과를 가져오며, 여기서 완화 효과는 가장 엄격한 것이다. 데드 존은 대신 틸팅 방향에 평행한 사이드들을 나타낼 수 있지만, 완화 효과는 더 작다. 전극의 제안된 형태는 구부리는 움직임의 여기가 배경에서 논의되는 바와 같이 d33 확장/수축보다 작은 d31 확장/수축에 따르는 것을 암시한다.
데드 존으로부터 효과가 보정될 때조차, d33 레그에 관한 d31 레그의 움직임이 압전 계수들 사이의 관계로부터 기대되는 것보다 더욱 양호하다고 주지되고 있다. d31 레그의 구부림을 개선시키는 여러 팩터(factor)가 존재한다. 하나의 중요한 팩터는 2- 및 3- 방향으로 변형이 뒷 부분(3)에 근접하게 매우 제한된다는 것이다. 물질이 다소 압축할 수 없다고 고려될 수 있기 때문에, 2- 및 3- 방향을 움직임의 제한이 개선된 구부림을 제공하는 1-방향으로 변형 증가의 결과를 가져올 것이다. 그러나 여러 애플리케이션에서, 감소된 데드 존의 이점이 어쨌든 d33 계수에 관한 낮은 d31 계수를 더 보상할 것이다.
이러한 종류의 압전 모터에서 다른 중요한 파라미터는 레그의 강성(stiffness)이다. d31 레그는 d33 레그보다 큰 탄성 모듈을 가지며, 이는 실제로 더 높은 로드(load)를 처리할 수 있음을 의미할 것이다.
또한, 액추에이팅 부분의 표면에서 외부 전극 층을 제공할 수 있고, 이로써 사이드들로부터 임의의 데드 볼륨을 제거한다. 이러한 경우에, 신호 전극은 전자적이며 화학적으로 보호되어야만 하며, 이는 제조를 상당히 더 복잡하게 한다. 바람직하게는 외부 전극이 보호에 대한 요구가 덜하기 때문에 접지 전극으로서 연결되어야만 한다.
도3은 본 발명에 따른 내부 전극 배열체의 실시예를 도시한다. 전자 기계식 액추에이터(2)는 뒷 부분(3) 및 전자 기계식 활성 물질의 두 개의 액추에이팅 부분(10)을 포함한다. 두 개 이상의 액추에이팅 부분(10)은 또한 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 액추에이팅 부분(10)은 일반적으로 신장되는 형태이며, 뒷 부분(3)으로부터 방향(17)을 따라 신장하는 "레그"를 형성한다. 액추에이팅 부분(10)은 뒷 부분(3)의 제1 사이드(8)에 제1 단부(7)에 의해 부착된다. 바람직하게는, 액추에이팅 부분(10) 및 목 부분(3)이 하나의 단일 바디에서 통합되는 것으로 제조된다. 뒷 부분(3)의 제2 또는 최하부 사이드는 전형적으로 일부 하우징에 대해 지지하도록 배열된다. 액추에이팅 부분(10)의 제2 단부(6)는 전자 기계식 액추에이터(2)가 바디를 구동시키는 팁을 형성한다. 두 개의 액추에이팅 부분(10)은 제1 방향(15)으로 차례대로 서로 평행하게 위치된다. 이러한 제1 방향(15)은 이동될 바디가 움직이는 방향이다. 다시 말해서, 액추에이팅 부분(100은 액추에이터(2)의 움직임 방향으로 차례대로 위치된다.
액추에이팅 부분(10)은 이를 활성화시키는 전자 기계식 활성 물질 내에 배열된 내부 전극 층에 의해 제공된다. 내부 전극 층(12A-E)은 제1 방향(15)에 실질적 으로 수직으로 방향지어진 일반적으로 편평한 2-차 형태를 갖는다. 내부 전극 층은 각각의 액추에이팅 부분(10)에서 두 개의 그룹(32)으로 그룹화된다. 이러한 그룹은 개별적으로 여기되도록 허용되며, 이는 바이몰프 구조를 형성한다. 전형적인 경우에, 각각의 그룹(32)에서 내부 전극(12)은 대안적인 그룹 전극(12E) 및 여기 전극(12A-D)을 포함한다. 여러 전압 신호를 여기 전극에 제공함으로써, 네 개의 바이몰프 섹션(320은 개별적으로 여기될 수 있다. 각각의 액추에이팅 부분(10)에서 최외각 전극은 본 실시예에서 여기 전극(12A-D)이며, 활성 볼륨에서 사용되는 바와 동일한 유형의 전자 기계식 물질의 얇은 층으로 커버된다.
본 실시예에서, 내부 전극 층(12A-E)은 전자 기계식 액추에이터(2)의 주요부에 걸쳐 신장하는데, 즉, 액추에이팅 부분(10)의 팁(6) 및 뒷 부분(3)의 제2 사이드(9) 사이의 대부분의 거리에 걸쳐 신장한다. 전극 층(12A-E)이 양호한 열 컨덕터이며 전극 층이 연속적인 층이기 때문에, 이러한 배열체는 액추에이팅 부분(10)을 통한 열 전도를 고려하는 이점을 제공한다. 그러나 다른 솔루션도 가능하다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 내부 전극 층(12A-E)들 중 단지 하나의 파트만이 전체 전자 기계식 액추에이터(2)에 걸쳐 신장하는 반면, 다른 것들은 액추에이팅 부분(10)에 걸쳐서만 신장한다.
도4A-D는 전극 형태의 여러 실시예를 도시한다. 도4A는 내부 전극(12A)의 평면에서 액추에이팅 부분(10) 및 뒷 부분(3)을 통한 횡단면의 일부이다. 액추에이팅 부분(10) 내에서, 내부 전극(12A)은 전자 기계적 활성 물질(34)에 의해 전체적으로 둘러싸여진다. 그러나 뒷 부분(3)에서, 내부 전극(12A)은 사이드 표면(13)에 도달 한다. 이로써 뒷 부분의 표면에서 내부 전극(12A)의 형태는 일차적으로 내부 전극(12A)에 전기 접촉을 제공하도록 하는 접촉 부분(36)을 형성한다. 또한, 만약 존재한다면 표면 전극이 뒷 부분(3)의 표면에서 접촉 부분을 가질 수 있다. 설명된 실시예에서, 가요성 인쇄 회로 기판(42)이 접촉 부분(36)에 부착된다. 가요성 인쇄 회로 기판(42)은 내부 전극(12A)에 전압 신호를 인가하는 필수적인 회로 소자를 제공한다. 뒷 부분은 설명된 실시예에서 하우징(40)에 의해 지지된다. 하우징(40)은 뒷 부분(3)의 최하부 사이드(9)에 대해 배열된 열 싱크(heat sink)(38)를 포함한다. 내부 전극(12A) 아래의 전자 기계적 활성 물질(34)의 양이 감소함으로써, 바람직하게는 이들이 완전히 제거됨으로써, 내부 전극으로부터 열 싱크(38)로의 양호한 열 전도성이 성취된다. 열 싱크(38)가 전기적인 전도성을 갖는다면, 전기적인 절연 층이 내부 전극(12A) 및 열 싱크 또는 열 전도 경로의 임의의 다른 부분 사이에 인가되어야만 할 수 있다. 부가적인 열 전도성은 접촉 부분(36) 및 열 싱크 사이에 열 컨덕터(44)를 제공함으로써 제공될 수 있다.
도4B는 도4A에 도시된 바와 동일한 실시예의 접지 내부 전극(12E)에서의 횡단면을 도시한다. 또한, 접지 내부 전극(12E)은 전자 기계적인 활성 물질(34)에 의해 전체적으로 둘러싸여진다. 그러나 뒷 부분(3)에서, 접지 내부 전극(12E)은 도4A의 내부 전극(12A)과는 달리 대향하는 사이드(11)에서 표면에 도달한다. 이는 내부 전극(12A)에 대향하는 사이드에서 단순한 방법으로 접지 내부 전극(12E)에 전기적인 접촉을 제공할 수 있도록 한다. 열 제거 배열체는 대응하는 방법으로 만들어진다.
접촉은 여러 다른 구성으로 수행될 수 있다. 도4C는 다른 실시예에 대한 내부 전극(12A)의 평면에서 액추에이팅 부분(10) 및 뒷 부분(3)을 통하는 횡단면의 일부를 도시한다. 이러한 실시예에서, 내부 전극(12A)은 액추에이팅 부분(10)에서 가능한 넓게 커버하여, 사이드에서 어떤 비활성 물질(34)을 최소화시킨다. 그러나 기하학적인 상황은 구부림 또는 다른 움직임이 심하게 제한되는 뒷 부분에서, 내부 전극(12A)이 불필요한 물질을 여기시키지 않기 위해서 영역에서 제한되고, 이로써 불필요한 열 발생의 생성을 피한다. 이러한 방법으로, 뒷 부분(3)의 희망하지 구부러짐을 피할 수 있다. 전기장을 제어하는 전극이 존재하지 않는 탄성의 모듈이 더 높기 때문에, 뒷 부분의 강성이 또한 증가될 것이다. 그러나 전극(12A)의 영역을 감소시키는 것은 또한 열 전달 능력을 감소시킬 것이며, 교환(trade-off)은 열 전도 및 불필요한 여기 사이에서 수행되어야만 한다.
내부 전극은 본 실시예에서 뒷 부분(3)의 최하부 사이드(9)에서 표면에 도달하도록 허용되며, 이로써 접촉 부분(36)이 형성된다. 하우징(40)은 본 실시예에서 가요성 인쇄 회로 기판(42)에 의해 구성되며, 열 전달 수단(38)뿐만 아니라 내부 전극(12A)의 여기를 위해 전자 회로 소자가 제공된다.
도4D에서, 대응하는 접지 내부 전극(12E)이 도시된다. 또한, 이러한 전극은 뒷 부분(3)의 최하부 사이드(9)에 그의 접촉 부분(36)을 갖는다. 이는 기계적, 전기적 및 열적 접속은 가요성 인쇄 회로 기판(38)에 전자 기계식 액추에이터(2)를 단지 부착함으로써 수행될 수 있다. 게다가, 전자 기계식 액추에이터(2)의 모든 외부 표면은 전자 기계식 물질만을 나타내는데, 이는 화학적으로 저항력이 있을 뿐만 아니라 원래 절연성이 있다. 그러므로 부가적인 제조 단계, 예컨대, 패시베이션은 생략될 수 있다.
도4E 및 도4F는 다른 실시예를 도시한다. 도4E의 실시예에서, 내부 전극(12A)은 뒷 부분(3)의 제한된 부분에서 사이드 표면(13)에 도달하고, 이로써 도4A와 달리 더 작은 접촉 부분(36)을 제공한다. 도4F에서, 유사한 방식으로 접지 내부 전극(12E)이 접촉 부분(36)을 갖는 것이 보여질 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 접지 내부 전극(12E)의 접촉뿐만 아니라 내부 전극(12A)의 접촉은 예컨대, 단일 가요성 인쇄 회로 기판(42)에 의해 뒷 부분(3)의 사이드 표면(13)에서 수행도리 수 있다. 또한, 뒷 부분(3)을 강하게 만들어 뒷 부분(3)의 구부러짐을 피하기 위해서 뒷 부분(3)에서 전극(12A,12E)들 사이의 오버랩이 최소화된다. 그러나 전극은 액추에이터 부분(10)의 스트로크(stroke)를 개선하기 위해서 뒷 부분(3)으로 작은 거리를 오버랩할 수 있다.
액추에이팅 부분(10)에서 전극 형태 및 위치는 여러 다른 방법으로 변경될 수 있다. 제1 방향(15)에 수직인 방향으로 일부 전극 층의 의도적인 변위에 의해서, 액추에이터 부분(10)의 구부림이 방향(14)에 전체적으로 평행하지 않은 방향으로 행해질 수 있다. 이는 예를 들어 전자 기계식 액추에이터(2)가 회전 디스크를 구동시키도록 사용될 때 유리하다. 전극은 또한 액추에이팅 부분(10)의 종방향을 따라 변경되는 폭을 가질 수 있으며, 일부 개별적인 층은 다른 것과 상이할 수 있다. 또한, 특별한 경우에 제1 방향(14)에 직교하는 방향으로 구부림을 희망한다. 이는 두 개의 다른 전극으로 전극을 분리함으로써 성취될 수 있으며, 여러 전극 신 호를 갖는 이러한 전극을 구동시킬 수 있다.
상기 설명으로부터, 액추에이팅 부분의 주요 신장 방향을 따라 내부 전극의 구성이 전자 기계적인 물질로부터 열 싱크 수단을 갖는 임의의 하우징으로 매우 효율적인 열 전달을 위해 열린다. 이러한 열 전도 경로의 설비(provision)은 내부 전극이 액추에이팅 부분의 주요 신장 방향에 수직으로 제공되는 경우에 더욱 더 복잡해진다. 이는 동작 주파수 및/또는 전압이 잠재적으로 본 발명에 따른 장치에서 증가될 수 있음을 의미한다. 전자 기계식 효과, 즉, 압전 효과의 다소 비 효율적인 사용은 d31 여기를 사용하여 더 높은 전압 및/또는 더 높은 주파수에서 장치를 동작시킴으로써 보상될 수 있다. 부가적인 열은 액추에이터에서 발생될 수 있다. 그러나 본 발명의 내부 전극 구성은 효율적인 열 전도성을 고려하며 액추에이터의 온도는 이로써 큐리 온도 이하로 안전하게 유지될 수 있다.
본 발명은 초소형 모터에 인가될 때 특히 유리하다. 데드 존 및 유용한 전자 기계식 물질 사이의 비율은 총 치수가 작을 때 높을 것이다. 본 발명을 사용함으로써 모터 크기의 부가적인 감소를 위한 가능성이 생긴다. 액추에이터 크기는 예컨대, 1mm 이하로 성취될 수 있을 것이다.
모터 크기에 관하여, 액추에이터에 관하여 이동될 바디의 평면 및 거칠기가 고려될 수 있다. 액추에이터의 "레그"들 사이의 더 짧은 거리는 바디의 평면의 정확성에 대한 제한을 감소시킨다. 그러나 액추에이터 레그가 상대적으로 광범위하다면, 이러한 인식은 장착 동안 각 임계값을 증가시키는데 사용될 수 있다.
또한, 구동 패드들 사이의 더 짧은 거리를 갖는 다른 이점이 있다. 하나의 중요한 경우는 모터가 단지 두 개의 레그로 구성되며 움직임이 동적 워킹 모드에 의해 행해질 때이다. 예를 들어, 이동될 바디에 대해 가압되는 모터는 바디 또는 스테이터(stator)/모터 하우징의 관성이 충분히 크다면 워킹 움직임을 행할 수 있다. 레그들 사이의 감소된 거리로 인해, 워킹 주파수가 감소될 수 있거나, 대안적으로, 컴포넌트 관성이 낮아질 수 있다.
본 발명에서 설명된 특정한 실시예는 스텝핑 또는 워킹 움직임 메커니즘에 특히 유용한 모터 및 액추에이터를 설명한다. 그러나 본 발명의 원리는 상술된 바와 같이 또한 예컨대, 스틱-슬립 원리와 같은 관성-기반 메커니즘 또는 공진-기반 메커니즘과 같은 다른 유형의 구동 메커니즘에 적용될 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
도5A는 전자 기계식 액추에이터(2)의 실시에의 상부를 도시한다. 각각의 최상부 단부(6)에, 구동 패드(50,52)가 부착된다. 구동 패드(50,52)는 전자 기계식 액추에이터(2)에 이동될 바디에 대한 적합한 탄성 및 마모 저항성을 제공하도록 한다. 본 실시예에서, 구동 패드(50,52)는 전자 기계식 물질(56)의 최상부 파트와 달리 이동될 바디에 대해 감소된 접촉 영역(54)이 형성된다. 게다가, 구동 패드(50,52)는 주요 액추에이팅 부분(10)에 관하여 대칭형이며, 바람직하게는 서로에 대해 반전된다. 이러한 방법으로, 액추에이터(2)의 "레그"들 사이의 분명한 거리가 임의의 필요로 되는 거리로 적응될 수 있다. 본 실시예에서, 분명한 거리는 각각의 액추에이팅 부분의 중신 라인들 사이의 거리의 약 반이다. 도5B에서, 매우 더 극단적인 상태가 나타내지는데, 이는 분명한 거리가 액추에이팅 부분(10)들 사이의 슬 릿(21)과 동일한 정도의 치수라는 것이다. 이러한 대칭형 배열체의 단점은 구동 패드 팁의 움직임 패턴이 다소 복잡하며 제어 가능성이 적어진다는 것이다.
바람직한 제조 절차에서, 특히 대량 생산을 위해서, 액추에이팅 부분(10)들 사이의 슬릿(21)은 액추에이팅 부분(10) 및 뒷 부분(3)의 공통적인 바디의 그린 세라믹 상태(green ceramic state)에서 희생 물질의 볼륨의 캡슐화에 의해 생성된다. 희생 물질 층은 액추에이팅 부분(10)들 중 하나의 그린 세라믹 상태로 스크린 프린트될 수 있다. 그 후에 다른 액추에이팅 부분을 형성하는 세라믹층은 희생 물질의 최상부에서 주조된다. 그린 세라믹 상태로부터 기능적인 피에조세라믹 액추에이터로 물질을 이동시키기 위해서, 그린 상태 액추에이터는 세라믹 파트의 폴리머 바인더 및 용광로에 위치되며, 희생 물질이 중간 온도, 예컨대, 질소 충전 공기에서 500-600℃에서 태워진다. 최종적인 소결은 그 후에 더 높은 온도, 예컨대, 대기압에서 약 1300℃에서 수행될 수 있다.
상술된 실시예들은 본 발명의 일부 대표적인 예로서 이해된다. 여러 수정, 결합 및 변경은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시예에서 행해질 수 있음이 이해될 것이다. 특히, 여러 실시예에서 여러 파트 솔루션은 기술적으로 가능한 다른 구성에서 결합될 수 있다. 그러나 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 한정된다.
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Claims (12)

  1. 전자 기계식 액추에이터(2)에 있어서,
    뒷 부분(3);
    일반적으로 신장되는 형태를 갖는 전자 기계식 활성 물질(34)의 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10)으로서, 상기 뒷 부분(3)의 제1 사이드(8)에 제1 단부(7)에 의해 부착되며, 제1 방향(15)으로 차례대로 서로 평행하게 위치되며, 단일 공통 조각을 형성하는 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10); 및
    바이몰프 구조(32)에서 상기 전자 기계식 활성 물질(34)을 활성시키도록 상기 전자 기계식 활성 물질(34) 내에 배열된 내부 전극 층(12A-E)을 포함하는데;
    상기 바이몰프 구조(32)는 상기 제1 단부(7)에 대향하는 상기 액추에이팅 부분(10)의 제2 단부(6)가 상기 액추에이팅 부분(10)의 신장된 연장부(17)뿐만 아니라 상기 제1 방향을 따라 이동하도록 하고;
    상기 내부 전극 층(12A-E)은 상기 제1 방향(15)에 실질적으로 수직으로 방향지어진 일반적으로 편평한 2차 형태를 가지며, 상기 액추에이팅 부분(10)의 주요 부분에 걸쳐 연속적으로 신장하고, 이로써 액추에이팅 부분(10) 및 뒷 부분(3)을 통해 연속적인 열 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내부 전극 층(12A-E)들 중 적어도 하나가 상기 적어도 두 개의 액추에 이팅 부분(100의 상기 제2 단부(6) 및 상기 제1 사이드(8)에 대향하는 상기 뒷 부분(3)의 제2 사이드(9) 사이의 실질적으로 전체 거리에 걸쳐 신장하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내부 전극 층(12A-E)은 상기 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10) 내에서 상기 전자 기계식 활성 물질(34)에 의해 전체적으로 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 내부 전극 층(12A-E)의 최외각이 100 마이크로미터 이사의 두께를 갖는 전자 기계식 활성 물질의 표면층에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10)의 표면에서 제공되는, 상기 전자 기계적 활성 물질(34)을 활성화시키기 위해서 표면 전극 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 및/또는 표면 전극 층(12A-E)은 상기 뒷 부분(3)의 표면(9,11,13)에서 접촉 부분(36)을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 접촉 부분(36)들 중 적어도 하나가 상기 뒷 부분(3)의 상기 제2 사이드(9)에 제공되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 접촉 부분(36)들 중 적어도 하나가 상기 뒷 부분(3)의 상기 제2 사이드(9)와 상이한 표면(11,13)에 제공되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 부분(36)들 중 적어도 하나가 열 컨덕터(38)와 열적으로 접촉하여 배열되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10)의 상기 제1 단부(6)에 부착되는 구동 패드(50,52)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 구동 패드(50,52)가 상기 적어도 두 개의 액추에이팅 부분(10)의 상기 제1 단부(6)에 관하여 대칭인 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액추에이터.
  12. 전자 기계식 모터(1)에 있어서,
    제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 전자 기계식 액추에이터(2);
    상기 전자 기계식 액추에이터(2)에 기계적으로 접촉하여 배열된 이동될 바디(4); 및
    상기 전자 기계식 활성 물질(34)의 활성을 위해 전기 신호를 인가하는 상기 전자 기계식 액추에이터(2)에 접속된 제어 전극(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 모터.
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