KR20120093150A

KR20120093150A - 소규모 스마트 재료 액추에이터 및 에너지 수확 장치

Info

Publication number: KR20120093150A
Application number: KR1020127003667A
Authority: KR
Inventors: 제프리 비. 몰러
Original assignee: 바이킹 에이티 엘엘씨
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-08-22
Also published as: US8669691B2; JP2012533274A; EP2452375A4; WO2011006028A2; WO2011006028A3; EP2452375A2; US20110309721A1

Abstract

10mm 보다 작은 전체 길이를 갖는 미소 규모 스마트 재료 액추에이터는, 하나 이상의 작동 암에 부착된 순응 링크에 접속된 고정 지지 부재, 가동 지지 부재로 이루어진 기계적 증폭기에 하우징된 다층 압전 스택을 포함하여서, 적절한 전류가 압전 스택에 인가될 때, 결정적인 확장이 가동 지지 부재를 통해 변환되어서, 작동 암에서의 이동을 초래한다. 작동 암이 기계적 동작의 소스에 접속되고 압전 스택이 전기 부하에 접속되어서, 기계적 동작이 압전 스택으로 하여금 부하로 반전되는 전하를 생성하게 하는, 이러한 액추에이터를 사용하여 동작으로부터 전기를 생성하는 방법이 또한 개시된다.

Description

소규모 스마트 재료 액추에이터 및 에너지 수확 장치{SMALL SCALE SMART MATERIAL ACTUATOR AND ENERGY HARVESTING APPARATUS}

관련출원 상호 참조

본 출원은 참조로 그 전체가 여기에 통합되는 2009년 7월 10일 출원된 미국 가특허 출원 제61/224,596호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명은 전기 에너지로부터 가용 기계적 동작을 발생시킬 수 있고, 또한, 기계적 동작으로부터 전기 에너지를 수확하거나 장치에 작용하는 힘에 대한 전압을 제공하도록 기능할 수 있는 소규모 압전 액추에이터 또는 스마트 재료 액추에이터에 관한 것이다.

이러한 타입의 액추에이터가 당업계에 공지되어 있다. 그러나 이러한 장치는 비교적 대형이고, 초소형 컴포넌트(component)를 요구하는 애플리케이션에 적절하지 못하다. 부분적으로, 이러한 타입의 초소형 액추에이터를 제조하는데 있어서의 어려움은 스마트 재료상에 미리 설정된 압축력, 또는 "프리-로드(pre-load)"를 인가하는 바람직함(desirability)으로부터 유래하고, 충분히 작은 기계적 장치를 제조하는 어려움은 이러한 프리-로드를 생성할 수 있다는 것이다. 다른 어려움은 소정의 레벨의 액추에이터 동작을 생성하기 위해 더 큰 스택을 요구하는 다층 소성 압전 스택(multilayer co-fired piezo stack)의 효율성으로부터 발생한다.

본 발명은 초소형 사이즈로 제조될 수도 있는 압전 또는 스마트 재료에 기초하여 더욱 효율적인 액추에이터를 제공함으로써 이들 결점을 정정한다.

본 발명은 바람직하게는 10 밀리미터보다 작은 전체 길이를 갖는 미소 규모 스마트 재료 액추에이터를 제공한다. 액추에이터는 단일의 기계적 증폭기에 하우징된 적어도 하나의 층을 갖는 압전 스택을 포함한다. 기계적 증폭기는 제1 장착면을 갖는 고정 지지 부재 및 평행하고 대향하는 제2 장착면을 갖는 가동 지지 부재를 포함하고, 장착면 사이에, 압전 스택이 부착된다. 기계적 증폭기는 또한, 가동 지지 부재에 접속된 적어도 하나의 순응 기계적 링크에 접속되는 적어도 하나의 액추에이팅 암(actuating arm)을 갖는다. 고정 지지 부재는 실질적으로 강성이어서, 압전 스택에 적절한 전류의 인가시에, 압전 스택은 실질적으로, 고정 지지 부재의 이동 또는 압전 스택의 각 이동(angular movement)없이 확장한다. 이 확장은 가동 지지 부재가 고정 지지 부재로부터 이격되게 하고, 순응 기계적 링크를 굴곡하고, 액추에이팅 암의 이동을 야기하고, 이것은 기계적 증폭기의 기하학적 형상에 의해 증폭될 수도 있어서, 액추에이팅 암의 이동은 압전 스택의 확장보다 큰 거리 이상이다. 고정 지지 부재, 가동 지지 부재 및 기계적 링크는 또한, 전위가 인가되지 않을 때에도 압전 스택이 부분적으로 압축되어 유지되도록 구성된다. 압축력은 실질적으로, 스택에 균일하게 인가되어, 전류가 인가될 때 실질적인 굴곡없이 확장한다.

전기 부하를 압전 스택에 접속하고 액추에이터 암을 기계적 동작의 소스에 접속함으로써 이러한 미세 규모 액추에이터를 사용하여 동작으로부터 전기를 생성하는 방법이 또한 개시된다. 이러한 방식으로, 동작은 액추에이터 암의 이동을 초래하고, 이에 의해, 기계적 링크는 가동 지지 부재로 하여금 압전 스택을 압축하게 한다. 압축은 전기 부하로의 전류를 생성한다. 이러한 방식으로, 액추에이터는 동작의 생성에 부가하여 에너지를 수확하기 위해 사용될 수도 있다. 생성된 전위의 양이 이동의 정도에 비례할 때, 이러한 미세 규모 액추에이터가 소규모 미동을 결정하기 위한 센서로서 사용될 수 있는 다른 방법이 개시된다.

본 발명의 특징은 본 발명의 특정한 바람직한 실시예를 예시하는 첨부한 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 다층 압전 스택을 갖는 본 발명의 장치의 바람직한 실시예의 측면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 장치로 사용하는데 적합한 기계적 증폭기의 바람직한 실시예의 등축도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 장치로 사용하는데 적합한 압전 스택의 바람직한 실시예의 섹션의 등축도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 장치로 사용하는데 적합하고 도 3에 예시된 섹션으로 이루어진 다층 압전 스택의 바람직한 실시예를 예시한다.
도 5는 본 발명의 장치로 사용하는데 적합한 기계적 증폭기의 다른 실시예를 예시한다.
도 6은 단결정 압전 스택을 갖는 본 발명의 장치로 사용하는데 적합한 기계적 증폭기의 다른 실시예를 예시한다.

본 출원은 여기서 미국 특허: 6,717,332; 6,548,938; 6,737,788; 6,836,056; 6,879,087; 6,759,790; 7,132,781; 7,126,259; 6,870,305; 6,975,061; 7,368,856; 6,924,586 및 7,564,171을 참조로 통합한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 아래에 설명하지만, 모두가 본 발명의 범위 내에 있는 다수의 다른 변형들이 다른 사람들에게 쉽게 상기될 것이기 때문에, 바람직한 실시예의 이러한 설명이 본 발명의 원리의 예시로서만 고려되고 본 발명을 제한하는 것이 아니다는 것을 이해해야 한다. 용어 "채택된(adapted)"은 적합한 크기, 형태, 구성, 치수, 방향 및 배열을 의미한다.

도 1은 본 발명의 미세 규모 재료 액추에이터(actuator) 장치(1)의 바람직한 실시예를 예시하고, 도 2는 액추에이터(1)의 기계적 증폭기의 등축도를 예시한다. 액추에이터의 전체 길이는 편의상 10mm 이하일 수도 있고, 이것은 더 큰 규모의 액추에이터가 실현불가능한 다양한 애플리케이션에서의 사용을 가능하게 한다. 본 발명의 구조 및 방법을 활용하여, 실질적으로 10mm 보다 작은 액추에이터가 또한 가능하고, 1mm 이하의 길이를 갖는 액추에이터가 실현가능하다.

액추에이터(1)는 단일 기계적 증폭기(10) 및 압전 스택(100)을 포함한다. 더 큰 규모의 액추에이터의 기계적 증폭기가 개별 컴포넌트로부터 조립될 수도 있지만, 본 발명의 액추에이터(1)의 작은 사이즈를 달성하기 위해, 기계적 증폭기(10)가 단일(unitary)인 것이 바람직하고, 이것은 단일 재료로부터 형성된다는 것을 의미한다. 이 재료는, 고정밀 레이저 절단 또는 화학적 에칭이 기계적 증폭기(10)의 형상을 절단하기 위해 사용되는 스테인리스 강과 같은 금속일 수도 있다. 다른 실시예에서, 기계적 증폭기(10)는 반도체를 형성하기 위해 통상적으로 사용된 에칭 프로세스를 통해 실리콘으로부터 형성될 수도 있고, 이에 의해, 훨씬 작은 액추에이터 바디를 발생시킨다. 탄소 섬유, 플라스틱 또는 세라믹과 같은 다른 재료가 애플리케이션에 따라 또한 사용될 수도 있다. 스테인리스 강은, 적절한 레벨의 강성 및 내구성을 허용하기 때문에 하나의 바람직한 재료이고, 기계적 증폭기(10)상의 편리한 위치에 일체 형성된 (블레이드(blade)와 같은) 유용한 작업면을 생성하는 방식으로 또한 형성될 수도 있다.

기계적 증폭기(10)의 바람직한 실시예는 제1 장착면(24)을 갖는 고정 지지 부재(fixed supporting member)(20)를 포함한다. 고정 지지 부재(20)는 아래에서 더 논의되는 바와 같이 적합한 프리로드 압축으로 압전 스택(100)을 강성으로 지지하는 목적을 제공한다. 바람직하게는, 제1 장착면(24)은 아래에 더 논의되는 바와 같이, 압전 스택(100), (도 4에 도시된) 선택적 절연체(101)와 확실하고 균등하게 접속하도록 형성된다. 제1 장착면(24)과 압전 스택(100) 사이의 확실하고 균등한 결합은, 동작 동안 압전 스택(100)의 각 굴곡을 최소화하도록 작용하여, 액추에이터(1)의 동작 수명 및 효율성을 향상시키기 때문에 바람직하다.

기계적 증폭기(10)는 제2 장착면(34)을 갖는, 대향되는 가동 지지 부재(mountable actuating arm)(30)를 더 포함한다. 압전 스택(100)은 제1 장착면(24)과 제2 장착면(34) 사이에 부착된다. 압전 스택(100)을 고정하기 위해 접착제가 사용될 수도 있지만, 특정한 실시예에서, 고정 지지 부재(20)의 제1 장착면(24)에 대해 압전 스택(100)을 누르는 가동 지지 부재(30)에 의해 공급되는 압축력이 압전 스택(100)을 제자리에서 고정하는데 일반적으로 충분할 때, 이러한 접착제는 필요하지 않다. 따라서, 고정 지지 부재(20)가 실질적으로 강성이고 가동 지지 부재(30) 및 제2 장착면(34)이 고정 지지 부재(20) 및 제1 장착면(24)에 대해 평행하고 직접적으로 대향하는 것이 편리하다. 제1 장착면(24)에 관하여, 제2 장착면(34)이 압전 스택(100)과 확실하고 균등하게 결합하도록 채택되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 압전 스택(100)에 적절한 전위의 인가시에, 압전 스택(100)은 실질적으로 굴곡에 의해 야기되는 각 이동 없이 확장하여 더 긴 사용률 및 더욱 효율적인 동작을 허용한다.

액추에이터(1)의 예시된 실시예는, 기계적 링크(32)에 의해 고정 지지 부재(20) 및 가동 지지 부재(30)와 결합되는 액추에이팅 암(actuating arm)(40)을 더 포함한다. 기계적 링크(32)는, 가동 지지 부재(30)를 고정 지지 부재(20)로부터 이격되게 하는 것이 기계적 링크(32)로 하여금 굴곡하게 할 것이고, 액추에이터 암(40)으로 하여금 서로를 향해 이동하게 하도록 순응적이고 적응된다. 액추에이팅 암(40)이 더 길면, 단부에서 이동이 더 크다. 따라서, 기계적 증폭기(10)의 설계는 압전 스택(100)에 의해 생성된 기계적 동작을 액추에이터 암(40)의 단부에서 더 큰 기계적 동작으로 증폭시킨다. 이러한 방식으로, 액추에이터(1)는 압전 스택(100)에 전위를 인가함으로써 활성화될 수도 있어서, 압전 스택으로 하여금 확장하게 하여 제2 가동 지지 부재를 가압하게 하고, 이것은 대응하지만 증폭된 액추에이터 암(40)의 이동을 초래한다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 적어도 하나의 액추에이터 암(40)이 기계적 힘에 의해 이동되어서, 가동 지지 부재(30)로 하여금 압전 스택(100)을 교호로 압축하고 확장하게 하고, 이것은 그 후에, 압전 스택(100)으로 하여금 재충전가능한 전원(미도시)과 같은 전기 부하로 방전될 수 있는 전위를 생성하게 한다. 따라서, 액추에이터(1)가 압전 스택(100)에 적절한 전위를 인가함으로써 전기 에너지로부터 기계적 동작을 생성하는 액추에이터로서, 또는 액추에이터 암(40)을 근섬유 또는 진동 또는 발진 장치와 같은 기계적 에너지의 소스에 부착하고, 그 후 압전 스택((100)의 확정 및 압축에 의해 생성된 전위를 재충전가능한 배터리 또는 커패시터와 같은 에너지 저장 장치로 방전함으로써 기계적 동작으로부터 전기 에너지를 수확하는 발전기로서 사용될 수도 있다.

압전 스택(100)에 의해 생성된 전위(또는 전압)의 양은 액추에이터 암(들)(40)의 이동량에 비례한다. 따라서, 수확된 에너지의 양을 분석함으로써, 액추에이터 암(40)의 이동의 정도가 결정될 수 있다. 따라서, 액추에이터 암 또는 암들(40)을 기계적 동작의 소스에 접속하고, 압전 스택(100)에 의해 생성된 전압을 판독함으로써 미세 규모 스마트 재료 액추에이터(1)를 사용하여 동작을 감지하는 방법이 여기에 또한 개시된다. 그 후, 이 전압은, 생성된 전위가 이동량에 비례할 것이기 때문에, 액추에이터 암(40)에 의해 경험된 이동량을 나타내기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 방식으로, 동작의 정도는 소정의 순간에 또는 시간 주기에 걸쳐 감지될 수 있다. 액추에이터(1)의 작은 사이즈로 인해, 매우 작은 이동이 신뢰가능하게 감지될 수 있다. 이러한 센서에 대한 애플리케이션은 무수하고, 바디에서 소량의 동작을 측정하고 기계적 장치에서 소규모 진동을 측정하는 미소 규모 바이오 센서를 제한없이 포함한다. 증폭 및 신호 처리는 이러한 센서에 의해 생성된 신호를 가용 정보로 변환하기 위해 요구될 수도 있다. 그러나 이러한 증폭 및 신호 처리 수단은 당업계에 널리 이해되어 있고 여기에서 더 논의될 필요는 없다.

기계적 증폭기(10)가 금속과 같은 전기적 도전성 재료로부터 형성되면, 압전 스택(100)의 적어도 하나의 단부와 제1 장착면(24) 또는 제2 장착면(34) 사이에 (도 4에 도시된) 절연체(101)를 삽입하는 것이 편리하다. 이것은 기계적 증폭기(10)의 바디가 예를 들어, 접지로서 기능하는 압전 스택(10)의 하나의 극에 전기적으로 접속될 수 있게 한다. 제1 장착면(24) 및 제2 장착면(34)이 동일한 극성을 갖는 압전 스택(100)의 섹션에 접속하도록 압전 스택(100)이 채택되는 경우에, 또는 기계적 증폭기(10)가 비도전성 재료로부터 형성되면, 절연체(101)는 필요하지 않다.

기계적 증폭기(10)의 동역학이 고정 지지 부재(20), 가동 지지 부재(30) 및 기계적 링크(32)의 설계를 제한하지만, 액추에이팅 암(40)이 액추에이터(1)의 원하는 애플리케이션에 따라 광범위한 사이즈 및 구성으로 형성될 수도 있다는 것을 통상의 기술자는 이해할 것이다. 예를 들어, 제한하지 않고, 고정면(미도시)에 대한 부착을 위해 채택된 장착면(미도시)으로 교체된 대향 액추에이팅 암(40)을 갖는 단일 액추에이팅 암(40)만이 존재할 수도 있고; 액추에이팅 암(40)은 압전 스택(100)으로부터 이격되어 각이 질 수도 있고, 굽을 수도 있거나, 블레이드, 바, 포인트, 또는 기계적 부착과 같은 일체형 특징을 가질 수도 있다. 하나의 가능한 실시예에서, 액추에이팅 암(40)은 고정 지지 부재(20)의 단부를 넘어 연장하고 일체형 블레이드(미도시)를 갖는다. 이러한 방식으로, 압전 스택(100)의 반복된 활성 및 비활성은 미소 크기 수술 장치에서 이용가능한 가위형 절단 동작을 초래한다. 유사하게는, 액추에이팅 암(40)에 바 또는 다른 적합한 특징을 통합함으로써, 액추에이터(1)는 이동으로부터 전기 에너지를 수확하기 위해 동물 또는 인간의 근육 조직 또는 다른 이동 부분에 배치될 수 있다. 상이한 액추에이팅 암 특징이 바디 내의 유체 또는 기체 흐름으로부터 전기 에너지를 캡처하기 위해 유사하게 사용될 수 있다.

더 긴 액추에이터 암(40)이 액추에이터(1)의 더 큰 스트로크를 발생시키지만, 이 스트로크가 작은 힘을 갖는다는 것이 또한 이해될 것이다. 더 큰 힘이 필요하고 작은 스트로크 길이가 수용가능하면, 더 짧은 액추에이팅 암(40)이 대신 사용될 수도 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 바람직하게는, 압전 스택(100)은 양극(112) 및 음극(116)을 갖는 압전 재료(111)의 하나 이상의 섹션으로 형성된다. 압전 재료(전위가 인가될 때 확장하거나 기계력이 인가될 때 전하를 생성하는 재료)의 다수의 변형이 당업계에 알려져 있고 본 발명에서의 사용을 위해 채택될 수도 있다. 여기에서 논의한 바와 같이, 압전 재료 용어는 또한, 때때로 그들의 전기적 또는 기계적 특성을 변화시키기 위해 알려진 압전 재료를 도핑(doping)함으로써 생성된 소위 "스마트 재료(smart material)"를 포함한다.

본 발명의 액추에이터(1)의 특정한 실시예에서 사용하는데 적합한 압전 스택(100)의 일 타입이 다층 압전 스택이다. 이러한 스택은 당업계에 알려져 있고, 일반적으로, 대향하는 양극(112) 및 음극(116)을 각각 갖는 압전 재료(111)의 섹션(110)을 포함한다. 양 단자(114) 및 음 단자(118)는, 전하가 인가될 수 있고 스택(100)에서의 섹션(110)이 전기적으로 결합될 수도 있도록 유선 또는 도전성 스트립의 편리한 부착을 위해 사용될 수도 있다. 이러한 인가시에, 압전 재료(111)는 확장할 것이다. 또는, 압전 재료(111)의 압축시에, 전위가 전극들(112, 116) 사이에서 생성될 것이다. 다중의 층을 함께 적층함으로써, 확장 및 전기적 수확 특징이 함께 추가된다. 적층될 때, 양극(112)이 양극(112) 인접하고 음극(116)이 음극(116)에 인접하도록 압전 섹션(110)의 방향을 교호함으로써, 섹션(110) 사이의 절연체는 필요하지 않다. 압전 스택(100)이 (금속으로 형성된 기계적 증폭기와 같은) 도전성 구조 내에 삽입될 때, 일 단부상에 절연체(101)를 포함하는 것이 필요할 수도 있다. 그러나 각 단부에서 단자(114, 118)가 (짝수의 교호로 적층된 섹션(110)을 가짐으로써) 동일한 극성이 되도록 압전 스택(100)이 구성되면, 어떠한 절연체(101)도 필요로 하지않는다.

본 발명으로 사용하는데 적합한 다층 압전 스택(100)의 일 타입이 소성 다층 세라믹 압전 스택(co-fired, multilayer ceramic piezoelectric stack)이다. 이러한 압전 스택은 공지된 기술을 사용하여 세라믹 압전 재료(111)의 일 단부 상에 전극을 프린팅함으로써 형성될 수 있다. 그 후, 층들이 적층되고 함께 소성되어 단일 구조를 생성한다. 이러한 스택은 NEC를 포함하는 다수의 공급자로부터 입수가능하다. 이러한 스택은 대략 2mm의 길이, 0.5mm 내지 1mm의 두께 및 1mm의 폭의 치수를 갖는 액추에이터(1)에서 사용하는데 편리하다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 이것은 단지 하나의 예이며, 다수의 상이한 스택 사이즈들이 상이한 수의 층 및 상이한 층 두께를 사용하여 형성될 수 있어서, 광범위한 애플리케이션에 적합한 액추에이터를 제공한다.

본 발명으로 사용하는데 적합한 다층 압전 스택(100)의 다른 타입이 단결정 압전 재료의 섹션(110)으로 형성된 스택(100)이다. 단결정 압전 재료는 당업계에 알려져 있고, 다양한 구성으로 생성될 수 있다. 단결정 압전 재료는 일반적으로 소성 세라믹 재료보다 더욱 효율적인 것으로 여겨진다. 이와 같이, 더 큰 소성 스택에 필적하는 효과를 생성하기 위해 작은 재료가 사용될 수도 있다. 단결정 압전 재료로 형성된 압전 스택(100)은 예를 들어, 1mm의 길이(세로축은 결정에 전류의 인가시에 결정이 현저하게 확장하는 축이다) 및 0.3mm 면적의 사이즈를 포함하는 본 발명의 액추에이터(1)의 더욱 작은 실시예에서 편리하게 사용될 수도 있다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 더 짧은 스택(100)이 사용될 때, 액추에이터 암(40)은 고정 지지 부재(20)를 넘어 연장한다. 다시 한번, 더 크고 더 작은 사이즈를 포함하는 다수의 상이한 사이즈가 이러한 스택을 사용하여 생성될 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

단결정 재료의 스택을 형성하는데 있어서, 스택의 구조적 강도에 추가하기 위해 층들 사이에 도전성 또는 절연성 접착제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로, 액추에이터(1)에 삽입될 때, 스택(100)은 고정 지지 부재(20) 및 가동 지지 부재(30)에 의해 생성된 압축력 및 층들 사이의 접착제에 의해 함께 고정된다. 유사하게는, 접착제는 스택(100)을 제자리에서 고정할 뿐만 아니라, 대신에, 스택(100)을 제자리에서 고정하도록 채택된 리지(ridge) 또는 탭(tab)과 같은 구조적 특징을 갖는 장착면(24, 34)을 형성하기 위해 스택(100)과 장착면(24, 34) 사이에서 사용될 수도 있다.

압전 스택(100)은 미리 설정된 양만큼 압축되는 것으로부터 이익을 얻어서, 프리로드를 생성하여, 압전 스택(100)은 전위가 인가되지 않을 때 압축되어 유지된다. 임의의 이러한 압축력은 실질적으로 균일하게 인가되어서, 전위의 인가시에, 압전 스택(100)은 실질적인 각 굴곡없이 확장한다. 굴곡의 감소는 스택을 효율성을 증가시키고 또한 그 동작 수명을 증가시킨다.

적절한 레벨의 미리 설정된 압축 또는 프리로드의 결정은 상이한 프리로드 레벨을 인가하고, 각 프리로드 레벨에 대해, 다양한 차단력 레벨에서 스트로크를 나타냄으로써 수행될 수도 있다. 요구된 스토로크 및 차단력 레벨에 대한 이러한 곡선의 적분이 최대화되는 프리로드 레벨이 바람직하다.

더 큰 액추에이터에 대해, 프리로드는 나사 볼트 또는 기계적 압축 수단을 가동 지지 부재(30) 또는 고정 지지 부재(20)로 통합함으로써 달성될 수도 있다. 매우 작은 액추에이터에서, 이러한 기계적 압축 수단은 실현불가능해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 액추에이터의 실시예는 필요한 프리로드를 제공하기 위해 기계적 링크(32)의 스프링율에 알맞게 의존할 수도 있다. 필요한 프리로드 레벨 및 스택(100)의 결과적인 압축을 결정함으로써, 기계적 증폭기(10)는, 액추에이팅 암(40)이 원하는 시작 위치에 있을 때, 적절한 프리로드가 기계적 링크(32)의 스프링율에 의해 스택(100)에 대해 발생하여 다루기 불편한 기계적 압축 메카니즘을 제거하도록 채택된 기계적 링크(32)로 설계될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 액추에이팅 암(40)은 압전 스택(100)의 삽입 이전에 더 큰 정도로 고정 지지 부재(20)로부터 이격되는 각을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 압전 스택(100)은, 액추에이팅 암(40)을 압축하고, 스택(100)을 삽입하며, 그 후, 액추에이팅 암(40)을 해제함으로써 삽입될 수도 있다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 설치 방법이 바람직하게는 고정 지지 분재(20)에 2개의 구멍(26) 및 가동 지지 부재(30)에 다른 2개의 구멍(36)을 형성함으로써 사용될 수도 있다. 이러한 방식으로, 구멍(26, 36)에 의해 캡처되도록 채택된 4개의 핀을 갖는 공구(미도시)가 스택(100)을 삽입을 허용하기 위해 제1 장착면(24) 및 제2 장착면(34)이 충분한 양으로 떨어지게 하도록 사용될 수도 있다. 직사각형 패턴으로 구멍(26, 36)을 형성함으로써, 이러한 공구에 의해 인가된 힘은 바람직하지 못한 비틀림이 최소화되도록 균일하게 인가된다.

기계적 링크(32)의 스프링율이 압축력에 대해 사용되고, 기계적 증폭기(10)의 사이즈가 작은 경우에, 기계적 링크가 정상 동작 동안 항복점(yield point)에 도달하지 않고, 압전 스택(100)이 이러한 동작 동안 비압축 상태로 진입하지 않도록 기계적 링크(32)가 채택되는 것이 중요하다. 기계적 링크(32)의 항복점은 기계적 링크가 그 후에 시작 위치로 복귀하지 않는 포인트로 기계적 링크가 굴곡되는 경우에 도달한다. 항복점이 동작 동안 초과되는 경우에, 스트로크가 영향을 받는다. 프리로드의 레벨이 또한 변화할 수도 있어서, 효율을 감소시킨다. 압전 스택(100)이 비압축 상태에 도달하는 것을 방지하는 것은, 크랙킹(cracking)이 더욱 발생할 것 같다는 것을 포함한다는 이유로 스택이 비압축 상태에서 동작되는 경우에 이러한 스택의 수명이 현저하게 감소될 수도 있기 때문에 유사하게 중요하다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 요구되는 스트로크와 필요한 힘을 결정한 후, 이러한 힘을 생성할 수 있는 적절한 스택(100)을 선택함으로써, 스택(100)이 정상 동작 동안 비압축 상태로 진입하는 것을 방지하면서, 바람직한 레벨의 프리로드, 및 액추에이팅 암(40)과 결합하여, 바람직한 스트로크/힘 결합을 달성하기 위한 바람직한 레벨의 기계적 증폭을 제공하도록 기계적 링크(32)를 설계하는 것이 가능하다. 따라서, 상이한 스프링율을 갖는 상이한 재료는 필적하는 결과를 달성하기 위해 기계적 증폭기(10)의 상이한 구성을 요구할 것이다.

본 발명의 액추에이터가 다수의 유용한 애플리케이션을 갖는다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 예를 들어, 제한 없이, 블레이드가 액추에이팅 암(40)상에 형성될 수도 있어서, 예를 들어, 막힌 동맥을 열거나 혈전 또는 종양을 제거하기 위해 조직을 절단하는데 매우 작은 블레이드가 필요한 내시경적 수술 애플리케이션에서 유용한 절단 장치를 생성한다. 또한, 제한하지 않는 다른 예는, 동물 또는 인간의 근육과 같은 기계적 동작의 소스에 부착하거나 동맥 내부의 유류 또는 기도 내의 기류와 같은 난류 환경에서 굴곡되도록 액추에이팅 암(40)을 채택함으로써 에너지 수확기로서 작용하도록 액추에이터(1)를 채택하는 것이다. 이러한 방식으로, 스택(100)이 액추에이팅 암(40)에 의해 반복적으로 압축되고 해제될 때 생성되는 기계적 에너지는 전류를 에너지 저장 장치와 같은 전기 부하로 방전함으로써 수확될 수도 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 초과 기계적 에너지가 그 후 저장되는(즉, 재충전가능한 배터리에) 전기 에너지로 변환될 수 있다. 그 후, 이 전기 에너지는 예를 들어, 심박 조율기, 바이오센서, 또는 다른 바이오-내장형 전기적 구동 장치를 구동하는 것을 보조하기 위해 사용될 수 있다.

가장 실용적이고 바람직한 실시예로 현재 고려되는 것과 함께 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않고, 대신, 그 범위가 법률상 허용되는 가장 폭넓은 해석을 부여하는 첨부한 청구항의 범위 및 사상 내의 모든 다양한 변형예, 이 실시예에 대한 변경예, 및 등가의 장치를 포함하는 것으로 의도된다.

1 액추에이터
10 기계적 증폭기
20 고정 지지 부재
24 제1 장착면
30 가동 지지 부재
34 제2 장착면
40 액추에이팅 암
100 압전 스택

Claims

10 밀리미터보다 작은 전체 길이를 갖는 미소 규모 스마트 재료 액추에이터로서,
상기 미소 규모 스마트 재료 액추에이터는,
제1 장착면을 갖는 고정 지지 부재, 제2 장착면을 갖는 대향하는 가동 지지 부재, 적어도 하나의 엑추에이팅 암, 및 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 접속하는 기계적 링크를 포함하는 단일 기계적 증폭기; 및
상기 제1 장착면과 상기 제2 장착면 사이에 부착된 압전 스택을 포함하며,
상기 고정 지지 부재는 실질적으로 강성이고, 상기 제1 장착면 및 상기 제2 장착면은 실질적으로 평행이어서, 상기 압전 스택에 대한 전위의 인가시에, 상기 압전 스택은 실질적으로 상기 고정 지지 부재의 이동없이 그리고 실질적으로 상기 압전 스택의 각 이동(angular movement)없이 확장하고,
상기 기계적 링크는 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 링크하는 적어도 하나의 순응 부재(compliant member)를 포함하고, 따라서, 상기 가동 지지 부재의 이동은 상기 엑추에이팅 암의 증폭된 이동을 초래하며,
상기 고정 지지 부재, 상기 가동 지지 부재 및 상기 기계적 링크는, 상기 압전 스택이 미리 설정된 양만큼 압축되어서, 상기 압전 스택은 전위가 인가되지 않을 때 압축되어 유지되고, 압축력이 상기 압전 스택에 실질적으로 균일하게 인가되어서, 전위의 인가시에, 상기 압전 스택이 현저한 각 굴곡없이 확장하도록 채택되고,
따라서, 상기 압전 스택에 대한 전위의 실질적인 인가시에, 다층 압전 스택은 상기 제2 장착면이 상기 제1 장착면으로부터 이격되게 하여, 상기 기계적 링크의 상기 순응 부재로 하여금 굴곡하게 함으로써, 상기 엑추에이팅 암의 적어도 하나의 부분의 동작이 상기 압전 스택의 상기 확장보다 큰 거리를 가로지르도록 상기 엑추에이팅 암을 이동시키는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 압전 스택은 소성 세라믹 압전 스택(co-fired ceramic piezo stack)인, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 압전 스택은 단결정 압전 재료의 적어도 하나의 섹션의 스택을 포함하고, 이러한 결정은 양극 및 음극을 갖는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 3에 있어서,
상기 양극 및 음극은 단결정 압전 재료의 상기 섹션상에 프린트되고, 접착제가 상기 전극으로 하여금 함께 접착되게 함으로써, 상기 단결정 압전 재료의 섹션의 스택이 형성되는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 3에 있어서,
상기 양극 및 음극은 상기 단결정 압전 재료의 섹션상에 프린트되고, 상기 섹션이 적층되어서, 전극이 인접한 경우에, 상기 양극은 양극에 인접하고 음극은 음극에 인접하며, 상기 스택은 상기 미리 설정된 압축력에 의해 함께 고정되는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 액추에이터의 전체 길이는 1 밀리미터 이하인, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 단일 기계적 증폭기는 레이저 절단에 의해 형성되는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 단일 기계적 증폭기는 화학적 에칭에 의해 형성되는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 1에 있어서,
상기 단일 기계적 증폭기는 금속으로 형성되는, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

청구항 9에 있어서,
상기 금속은 스테인리스 강인, 미소 규모 스마트 재료 액추에이터.

10 밀리미터보다 작은 전체 길이를 갖는 미소 규모 스마트 재료 액추에이터를 사용하여 동작으로부터 전기를 생성하는 방법으로서,
상기 액추에이터는,
제1 장착면을 갖는 고정 지지 부재, 제2 장착면을 갖는 대향하는 가동 지지 부재, 적어도 하나의 엑추에이팅 암, 및 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 접속하는 기계적 링크를 포함하는 단일 기계적 증폭기; 및 상기 제1 장착면과 상기 제2 장착면 사이에 부착된 압전 스택을 포함하며,
상기 고정 지지 부재는 실질적으로 강성이고, 상기 제1 장착면 및 상기 제2 장착면은 실질적으로 평행이어서, 상기 압전 스택에 대한 전위의 인가시에, 상기 압전 스택은 실질적으로 상기 고정 지지 부재의 이동없이 그리고 실질적으로 상기 압전 스택의 각 이동 없이 확장하고,
상기 기계적 링크는 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 링크하는 적어도 하나의 순응 부재를 포함하고, 따라서, 상기 가동 지지 부재의 이동은 상기 엑추에이팅 암의 증폭된 이동을 초래하며,
상기 고정 지지 부재, 상기 가동 지지 부재 및 상기 기계적 링크는, 상기 압전 스택이 미리 결정된 양만큼 압축되어서, 상기 압전 스택은 전위가 인가되지 않을 때 압축되어 유지되고, 압축력이 상기 압전 스택에 실질적으로 균일하게 인가되어서 전위의 인가시에, 상기 압전 재료가 현저한 각 굴곡없이 확장하도록 채택되고,
상기 전기 생성 방법은,
상기 액추에이터의 상기 압전 스택에 전기 부하를 접속하는 단계, 및
상기 액추에이터를 기계적 동작의 소스에 접속하는 단계를 포함하고,
따라서, 상기 동작의 소스는 상기 액추에이터 암으로 하여금 이동하게 하고, 따라서, 상기 기계적 링크는 상기 가동 지지 부재로 하여금 상기 압전 스택상에 압력을 가하고 해제하게 함으로써, 상기 압전 스택으로 하여금 상기 전기 부하로의 전류를 생성하게 하는, 전기 생성 방법.

청구항 11에 있어서,
상기 액추에이터는 동물의 바디에 내장되는, 전기 생성 방법.

청구항 12에 있어서,
상기 기계적 동작은 상기 동물의 근육 조직의 동작에 의해 발생된 동작인, 전기 생성 방법.

청구항 12에 있어서,
상기 기계적 동작은 상기 동물의 바디에서 유체의 펌핑(pumping)에 의해 발생된 동작인, 전기 생성 방법.

청구항 12에 있어서,
상기 기계적 동작은 상기 동물의 바디에서 기체의 통로를 발생시키는, 전기 생성 방법.

청구항 11에 있어서,
상기 동물은 인간인, 전기 생성 방법.

청구항 11에 있어서,
상기 전기 부하는 에너지 저장 장치인, 전기 생성 방법.

청구항 17에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 재충전가능한 배터리인, 전기 생성 방법.

청구항 11에 있어서,
상기 미리 설정된 압축량은 상기 엑추에이팅 암의 미리 설정된 스트로크 길이에 대한 최대 작업을 생성하기 위해 요구되는 압축력의 양인, 전기 생성 방법.

10 밀리미터보다 작은 전체 길이를 갖는 미소 규모 스마트 재료 액추에이터를 사용하여 동작을 감지하는 방법으로서,
상기 액추에이터는,
제1 장착면을 갖는 고정 지지 부재, 제2 장착면을 갖는 대향하는 가동 지지 부재, 적어도 하나의 엑추에이팅 암, 및 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 접속하는 기계적 링크를 포함하는 단일 기계적 증폭기; 및
상기 제1 장착면과 상기 제2 장착면 사이에 부착된 압전 스택을 포함하며,
상기 고정 지지 부재는 실질적으로 강성이고, 상기 제1 장착면 및 상기 제2 장착면은 실질적으로 평행이어서, 상기 압전 스택에 대한 전위의 인가시에, 상기 압전 스택은 실질적으로 상기 고정 지지 부재의 이동 없이 그리고 실질적으로 상기 압전 스택의 각 이동 없이 확장하고,
상기 기계적 링크는 상기 가동 지지 부재 및 상기 엑추에이팅 암을 링크하는 적어도 하나의 순응 부재를 포함하고, 따라서, 상기 가동 지지 부재의 이동은 상기 엑추에이팅 암의 증폭된 이동을 초래하며,
상기 고정 지지 부재, 상기 가동 지지 부재 및 상기 기계적 링크는, 상기 압전 스택이 미리 설정된 양만큼 압축되어서, 상기 압전 스택은 전위가 인가되지 않을 때 압축되어 유지되고, 압축력이 상기 압전 스택에 실질적으로 균일하게 인가되어서 전위의 인가시에, 상기 압전 재료가 현저한 각 굴곡없이 확장하도록 적응되고,
상기 동작 감지 방법은,
상기 액추에이터를 기계적 동작의 소스에 접속하는 단계,
상기 압전 스택에 의해 생성된 전압을 판독하는 단계, 및
판독된 상기 전압을 사용하여 상기 액추에이터 암의 이동량을 나타내는 단계를 포함하고,
따라서, 상기 동작의 소스는 상기 액추에이터로 하여금 이동하게 하고, 따라서, 상기 기계적 링크는 상기 가동 지지 부재로 하여금 상기 압전 스택상에 압력을 가하고 해제하게 함으로써, 상기 압전 스택으로 하여금 상기 액추에이터 암의 이동량에 비례하는 전위를 생성하게 하여, 상기 액추에이터 암의 동작의 정도를 나타내는, 동작 감지 방법.