KR20110058395A

KR20110058395A - 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법

Info

Publication number: KR20110058395A
Application number: KR1020090115170A
Authority: KR
Inventors: 안경관; 윤종일; 딘꾸앙쯩
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-01
Also published as: KR101213246B1

Abstract

본 발명은 이온성 고분자-금속 복합재료(IPMC)의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 로터의 일측에 액츄에이터가 설치되되, 이 액츄에이터는 이온성 고분자-금속 복합재료를 포함하여 이루어지고, 액츄에이터에 전압 인가시 액츄에이터의 일단이 로터의 일측을 일방향으로 밀어서 축회전시키는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법을 제공한다.

이온, 고분자, 금속, 복합재료, 액츄에이터, 모터, 로터, IPMC

Description

이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법{DRIVE DEVICE AND DRIVING METHOD FOR MOTOR USING IPMC ACTUATOR}

본 발명은 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온성 고분자-금속 복합재료(IPMC)로 구성된 액츄에이터에 의해 로터의 축회전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.

이온성 고분자-금속 복합재료(IPMC ; Ionic Polymer-Metal Composite)는 네피온(Nafion^®), 플레미온(Flemion^®)과 같이 이온과 물이 자유롭게 이동할 수 있는 이온성 고분자 막에 금 또는 백금 금속을 화학적으로 코팅한 형태를 이루고 있다.

도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 스트립 타입의 IPMC의 전체적인 외형을 살펴보면 양쪽 표면에 백금 코팅이 되어 있어서 끝단에 전극을 설치하여 전압을 인가하면 굽힘운동을 하는 것을 알 수 있다.

이러한 운동의 원인은 전압인가시 자기장이 발생하여 나트륨이온(양이온)과 함께 물 분자가 음극으로 이동하고 SO₃ ^- 분자그룹들은 고정되어, 물 분자 용적의 불균형으로 인해 부분적인 부피변화가 발생함에 따른 것이며, 이렇게 이동한 물 분자와 양이온에 의해 음극에 인장이 발생하게 되고 반대쪽은 압축되어 IPMC가 휘어지게 되는 것이다.

이러한 IPMC는 유연하고 대변위를 갖는 특성으로 인해 의료 및 생체공학 분야의 액츄에이터에 많이 응용되고 있는데, 구동전압이 매우 낮고 응답속도가 빠르며 소형으로 가공이 가능하므로, MEMS(Micro Electromechanical System) 장치에 활용이 가능하다.

본 발명의 일실시예는, 로터의 일측에 액츄에이터가 설치되되, 이 액츄에이터는 이온성 고분자-금속 복합재료를 포함하여 이루어지고, 액츄에이터에 전압 인가시 액츄에이터의 일단이 로터의 일측을 일방향으로 밀어서 축회전시키는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법과 관련된다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 로터의 일측에 액츄에이터가 설치되되, 이 액츄에이터는 이온성 고분자-금속 복합재료를 포함하여 이루어지고, 액츄에이터에 전압 인가시 액츄에이터의 일단이 로터의 일측을 일방향으로 밀어서 축회전시키는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치가 제공된다.

여기서, 액츄에이터는 로터의 바깥쪽에 둘레방향으로 서로 이격하여 적어도 하나 이상 설치되는 것이 바람직한데, 이때 액츄에이터는 양단이 고정부에 고정된 지지바와, 지지바의 중앙에 수직으로 결합되는 구동바를 포함하여 'T'자 형상으로 이루어진다.

또한, 로터의 외주면에는 원주방향으로 다수의 톱니기어가 일체로 형성되어, 액츄에이터에 전압 인가시 액츄에이터의 구동바 끝단이 톱니기어의 일측을 밀어서 로터를 회전시키게 된다.

이때, 액츄에이터에 전압 인가시 지지바와 구동바에 각각 다른 전압이 인가될 수 있도록, 지지바와 구동바에는 각각 별도의 전원선이 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 전압인가시 휘어지는 특성을 가진 이온성 고분자-금속 복합재료(IPMC)의 특성을 이용하여, 로터를 축회전시키는 모터 구동장치가 제공되며, 단순한 구조로서 나노미터 크기의 마이크로 모터 제작에 용이하게 활용할 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치 및 구동방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

실시예

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터의 동작을 도시한 개략도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로터의 회전을 도시한 개략도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치(이하, '구동장치')(10)는, 외주면에 원주 방향으로 다수의 톱니기어(21)가 일체로 형성되는 원판 형상의 로터(20)와, 로터(20)를 중심으로 로터(20)의 바깥쪽에 원주 방향으로 서로 이격하여 다수 배치되는 'T' 형상의 액츄에이터(30)를 포함하는데, 액츄에이터(30)에 전압 인가시 액츄에이터(30)의 끝단이 톱니기어(21)와 접촉한 후 톱니기어(21)를 일방향으로 밀어서 로터(20)를 축회전시킴에 따라 모터의 구동이 이루어진다.

여기서, 로터(20)는 폴리머(polymer) 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 로터(20)의 외주면에는 다수의 톱니기어(21)가 연속하여 일체로 형성되는데, 후술하는 액츄에이터(30)의 구동바(32) 끝단이 표면을 따라 자연스럽게 슬라이딩하여 접 촉이 이루어지도록, 톱니기어(21)는 일측으로 경사면(211)이 형성되고 타측으로는 수직면(212)이 형성된 직삼각형 형태인 것이 바람직하다.

로터(20)의 바깥쪽에는 원주 방향으로 서로 이격하여 'T' 형상의 액츄에이터(30)가 다수 배치되는데, 도 3에서는 3개의 액츄에이터(30)가 서로 대칭되도록 배치된 모습을 도시하였으나, 액츄에이터(30)의 개수는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.

여기서, 액츄에이터(30)는 이온성 고분자-금속 복합재료로 형성되며, 양단이 고정부(40)에 고정된 지지바(31)와, 지지바(31)의 중앙에서 로터(20)의 중심방향으로 수직하게 연장 형성되는 구동바(32)를 포함하여 이루어진다.

도 2는, 지지바(31)와 구동바(32)에 각각 전압을 인가하였을 때의 액츄에이터(30)의 동작형태를 도시한 것으로, 도 2(a)는 초기상태, 도 2(b)는 지지바(31)에 전압을 인가하였을 때, 도 2(c)는 지지바(31)에 전압이 인가된 상태에서 구동바(32)에 전압을 인가하였을 때, 도 2(d)는 구동바(32)에 전압이 인가된 상태에서 지지바(31)에 인가된 전압을 차단하였을 때의 액츄액이터(30)의 동작형태를 각각 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 초기 상태에서는 액츄에이터(30)의 구동바(32)가 로터(20)의 톱니기어(21)로부터 소정 간격 이격하여 위치되고, 지지바(31)에 전압이 인가되면 이온성 고분자-금속 복합재료의 특성에 따라 도 3(b)에 도시된 바와 같이 지지바(31)가 휘어지는데, 지지바(31)의 양단이 고정부(40)에 의해 고정되어 있으므로 가운데가 로터(20) 방향으로 볼록하게 휘어지며, 따라서 지지바(31)의 중앙에 형성된 구동바(32)의 끝단이 로터(20) 방향으로 전진하여 톱니기어(21)와 접촉하게 된다.

이때, 지지바(31)에 인가되는 전압으로 인한 구동바(32)의 변형을 방지하기 위해, 지지바(31)와 구동바(32)의 결합부분은 절연재로 이루어지는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 톱니기어(21)와 접촉하는 구동바(32)의 끝단부 일부만이 이온성 고분자-금속 복합재료로 구성되는 것이 바람직하다.

따라서, 지지바(31)와 구동바(32)에 전압을 인가하기 위한 전원선(미도시) 역시 각각 별도의 전원선이 연결되어, 지지바(31)와 구동바(32) 중 어느 하나에만 선택적으로 전압을 인가할 수 있게끔 하는 것이 바람직하다.

액츄에이터(30)는 유연한 재질의 이온성 고분자-금속 복합재료로 이루어지므로, 구동바(32)가 전진하여 톱니기어(21)와 접촉하면, 구동바(32)의 끝단부가 톱니기어(21)의 경사면(211)을 따라 자연스럽게 슬라이딩하여 수직면(212)에 지지되며, 이때 구동바(32)에 전압을 인가하여 도 3(c)에 도시된 바와 같이 구동바(32)의 끝 단부가 수직면(212) 방향으로 휘어지게 함으로써, 구동바(32)의 끝단부가 휘어지면서 수직면(212)에 가하는 힘에 의해 톱니기어(21)가 일방향으로 밀리게 되고, 로터(20)가 축회전하게 되는 것이다.

이후에는, 지지바(31)에 인가된 전압이 차단되어, 도 3(d)에 도시된 바와 같이 볼록하게 휘었던 지지바(31)가 원상태로 회복되고 이에 따라 구동바(32)가 휘어진 상태를 유지하면서 톱니기어(21)로부터 이탈하게 되며, 구동바(32)에 인가된 전압이 차단되면서 액츄에이터(30)는 초기상태로 돌아오게 된다.

이어서, 지지바(31)에 전압이 인가되어 구동바(32)가 톱니기어(21)와 접촉하고, 구동바(32)에 전압이 인가되어 로터(20)가 축회전하며, 다시 지지바(31)와 구동바(32)에 인가된 전압을 차례로 차단하여 액츄에이터(30)를 초기상태로 되돌리는 과정을 반복함으로써, 로터(20)를 일방향으로 계속 회전시키고 모터의 구동이 이루어지게 되는 것이다.

이때, 다수의 액츄에이터(30)를 두 그룹으로 나누어, 서로 번갈아서 로터(20)를 회전시키도록 구성함으로써, 모터를 연속적으로 구동시킬 수 있다.

즉, 제1그룹의 액츄에이터(30)가 톱니기어(21)로부터 이탈할 때 제2그룹의 액츄에이터(30)는 로터(20)를 회전시키고, 로터(20)를 회전시킨 제2그룹의 액츄에이터(30)가 이탈할 때 앞서 먼저 이탈하였던 제1그룹의 액츄에이터(30)가 로터(20) 를 회전시키도록 각 그룹의 액츄에이터(30)에 전압을 인가하는 방식으로 모터의 연속구동이 이루어질 수 있는 것이다.

도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터의 동작을 도시한 개략도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로터의 회전을 도시한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 구동장치

20 : 로터

21 : 톱니기어

211 : 경사면

212 : 수직면

30 : 액츄에이터

31 : 지지바

32 : 구동바

40 : 고정부

Claims

로터의 일측에 액츄에이터가 설치되되, 상기 액츄에이터는 이온성 고분자-금속 복합재료를 포함하여 이루어지고, 상기 액츄에이터에 전압 인가시 상기 액츄에이터의 일단이 상기 로터의 일측을 일방향으로 밀어서 축회전시키는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 액츄에이터는 상기 로터의 바깥쪽에 둘레방향으로 서로 이격하여 적어도 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 액츄에이터는 양단이 고정부에 고정된 지지바와, 상기 지지바의 중앙에 수직으로 결합되는 구동바를 포함하여 'T'자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치.
청구항 3에 있어서,

상기 로터의 외주면에는 원주방향으로 다수의 톱니기어가 일체로 형성되고, 상기 액츄에이터에 전압 인가시 상기 액츄에이터의 구동바 끝단이 상기 톱니기어의 일측을 밀어서 상기 로터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치.
청구항 4에 있어서,

상기 액츄에이터에 전압 인가시 상기 지지바와 상기 구동바에 각각 다른 전압이 인가될 수 있도록, 상기 지지바와 상기 구동바에는 각각 별도의 전원선이 연결되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동장치.
외주면에 다수의 톱니바퀴가 일체로 형성된 로터의 바깥쪽에 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 배치하고, 상기 액츄에이터에 전압을 인가하여, 상기 액츄에이터의 변위에 의해 상기 톱니바퀴가 일방향으로 밀리면서 상기 로터의 축회전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동방법.
외주면에 다수의 톱니바퀴가 일체로 형성된 로터의 바깥쪽에, 양단이 고정된 지지바의 중앙에 수직으로 구동바가 결합되어 'T' 형상으로 형성되는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 배치하는 단계;

상기 지지바가 상기 로터 방향으로 볼록하게 변형되어, 상기 구동바의 끝단이 상기 톱니바퀴의 일측에 접촉되도록, 상기 지지바에 전압을 인가하는 단계;

상기 구동바의 끝단이 상기 톱니바퀴의 일측을 밀어서 상기 로터를 축회전시키도록, 상기 구동바에 전압을 인가하는 단계;

상기 구동바의 끝단이 상기 톱니바퀴로부터 이탈하도록, 상기 지지바에 인가되는 전압을 차단하는 단계; 및

상기 액츄에이터를 초기 상태로 돌리기 위해, 상기 구동바에 인가되는 전압을 차단하는 단계;를 포함하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동방법.
청구항 7에 있어서,

상기 구동바에 인가되는 전압을 차단하는 단계 이후에, 상기 지지바에 전압을 인가하는 단계부터 다시 반복되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동방법.
청구항 8에 있어서,

상기 액츄에이터는 상기 로터의 바깥쪽에 둘레방향으로 서로 이격하여 다수 배치되고, 상기 로터의 연속회전이 가능하도록 상호 독립적으로 작동 가능한 것을 특징으로 하는 이온성 고분자-금속 복합재료의 액츄에이터를 이용한 모터 구동방법.