KR20120130994A - 피에조 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 피에조 액츄에이터는 피에조 액츄에이터는 전압인가시 수축 및 팽창하는 압전소자와, 상기 압전소자가 장착된 제1 바이브 플레이트와, 상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 이종재질의 제2 바이브 플레이트와, 상기 제2 바이브 플레이트의 양단을 지지하는 지지부 및 상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 질량체를 포함한다.

Description

피에조 액츄에이터{Piezo Actuator}

본 발명은 피에조 액츄에이터에 관한 것이다.

터치스크린은 공간절약이 가능하고 조작성 향상과 간편성, 사양변경간편, 이용자 인식 높은, IT와의 연동이 용이, 상품 차별화 등 많은 장점을 지니고 있다. 이같은 장점으로 인해 남녀노소 누구나 쉽게 정보접근이 가능한 장점을 제공하여 산업, 교통, 서비스, 의료, 모바일 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.

정보통신기술의 발전은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템의 개발로 이어지고 있으며, 디스플레이 장치는 사람과 전자기기와의 연결을 담당하여 중요한 기능을 한다. 1897년 최초 브라운관이 발명되어 각종 전자기기에서 다양한 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면상에 구현해주는 역할을 해온 디스플레이는 미래 정보화시대의 핵심 산업으로 각광받아 왔으며, 박형 액정패널 및 PDP, OLED 등 다양한 장점을 가진 플랫패널 D-P 들이 등장하였다.

정보화 사회로의 빠른 변화로 인해 언제 어디서나 정보를 이용할 수 있고 편리한 작동을 위한 장치의 필요성이 증가함에 따라 터치 패널을 적용한 터치스크린이 등장하게 되었다. 터치패널은 최초 미국에서 군사용으로 처음 개발된 입력장치의 하나로서 디스플레이에 전용펜, 손가락 등을 이용한 접촉에 의한 신호전달 및 조작으로 누구나 편리하게 사용할 수 있도록 하는 장치이다.

현재 사용되고 있는 촉각효과방식은 진동모터 혹은 리니어 액츄에이터를 핸드폰 세트의 한 부분에 장착시켜 진동을 전달하는 방식이다. 여기서 진동체가 장착되는 위치가 핸드폰 세트 쪽이기 때문에 터치스크린패널에서 손가락을 눌러 작동시킬 때 핸드폰을 쥐고 있는 손에는 진동력이 잘 전달되지만 손가락으로 누르는 TSP에서는 진동력이 작아 진동느낌이 작다.

TSP(Touch Screen Panel)에 진동력을 극대화하기 위해서는 LCD 화면에 진동체를 직접 부착하여, 진동체에서 발생되는 진동력이 잘 전달되지만 손가락으로 누르는 TSP에서는 진동력이 작아 진동느낌이 작다.

TSP(Touch Screen Panel)에 진동력을 극대화하기 위해서는 LCD 하면에 진동체를 직접 부착하여, 진동체에서 발생되는 진동력이 TSP로 직접 전달되도록 하는 구조가 효과적이다. 그러나 기존 진동체의 경우 박형 설계가 어렵기 때문에 LCD 뒷면에 장착하여 구동시키기는 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구동변위를 극대화하고 진동량을 최대로 할 수 있는 피에조 액츄에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 피에조 액츄에이터는 전압인가시 수축 및 팽창하는 압전소자와, 상기 압전소자가 장착된 제1 바이브 플레이트와, 상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 이종재질의 제2 바이브 플레이트와, 상기 제2 바이브 플레이트의 양단을 지지하는 지지부 및 상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 질량체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 질량체는 제1 바이브 플레이트의 양측단 또는 상부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 바이브 플레이트는 스틸과 플라스틱 사출에 의한 이종재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 바이브 플레이트의 재질은 플라스틱(PPS 또는 PC)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 바이브 플레이트의 강성은 제2 바이브 플레이트의 강성보다 높은 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.

또한, 상기 질량체는 SUS 또는 텅스텐으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 피에조 액츄에이터는 이종재질의 제1 바이브 플레이트와 제2 바이브 플레이트를 구비하여 구동변위를 극대화하고 진동량을 최대로 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피에조 액츄에이터의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피에조 액츄에이터의 공진모드를 나타낸 것이다.
도 3은 공진주파수의 구동변위의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 재질변화에 따른 주파수 응답률을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피에조 액츄에이터(100)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피에조 액츄에이터의 공진모드를 나타낸 것이다. 도 3은 공진주파수의 구동변위의 상관관계를 나타낸 그래프이며, 도 4는 재질변화에 따른 주파수 응답특성을 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피에조 액츄에이터(100)는 지지부(110), 질량체(120), 제2 바이브 플레이트(130), 제1 바이브 플레이트(140), 압전소자(150)로 이루어져 있다.

지지부(110)는 바이브 플레이트(130,140)를 양단에서 지지한다.

질량체(120)는 압전소자(150)를 상부에 장착한 제1 바이브 플레이트(140)의 양측에 연결된다. 질량체(120)는 텅스텐과 같이 밀도가 높은 재질을 사용하게 되면 동일 체적에서 질량을 극대화하는 효과를 가질 수 있다. 예컨대, 서스(SUS) 또는 텅스텐 등 비중이 6.0 이상인 물질이 바람직하다.

질량체(120)는 제1 바이브 플레이트(140) 양단에 연결된 플레이트 위에 장착되거나,

제1 바이브 플레이트에 연결된 플레이트 수직으로 꺽인 플레이트를 사용하여 제1 바이브 플레이트(140) 상부에 위치된다.

제2 바이브 플레이트(130)는 압전소자(150)가 장착되어 벤딩(Bending)이 발생되는 제1 바이브 플레이트(140)와 지지부(110)를 연결한다.

제2 바이브 플레이트(130)는 제1 바이브 플레이트(140)와 지지부(110)를 연결하는 플레이트로서, 강성이 낮은 이종재질인 스틸(steel)과 플라스틱 사출에 의한 엔지니어링 플라스틱(예컨대, PPS 또는 PC 등)으로 이루어진다.

강성이 낮은 재질을 사용함으로써 강성이 약한 부분에서 변형이 집중되어 공진 주파수를 낮추는 효과를 가질 수 있다.

제1 바이브 플레이트(140)는 압전소자(150)를 지지하고 제2 바이브 플레이트(130)에 연결되는 것으로, 제2 바이브 플레이트(130)에 비하여 높은 강성을 가지는 재질로 이루어져있다. 예컨대 스틸재질로 이루어져 있다.

제1 바이브 플레이트(140)의 재질이 제2 바이브 플레이트(130)의 재질보다 높은 강성을 가짐에 따라 압전소자(150)에 의한 변형이 발생시 강성이 약한 제2 바이브 플레이트(130)에 벤딩 및 변형이 집중된다.

압전소자(150)는 제1 바이브 플레이트(140의 상부에 구비된 것으로, 인가되는 압력에 따라 수축 또는 팽창변형이 발생되는 소자이다.

압전소자(150)는 단층형 또는 다층형으로 이루어져 있으며, 1개 이상 사용할 수 있다. 압전소자(150)의 수량이 증가시 구동력 증가로 인해 진동력의 증가가 가능하다.

압전소자(150)는 전압이 인가되면 수축 또는 팽창변형이 발생되며 벤딩에 의하여 상하로 움직이게 되어 이로 인해 진동이 발생된다.

진동은 질량체(120)의 구동변위에 의하여 발생되고, 하기의 [수학식 1]과 같이 구동체의 질량을 증가하거나, 구동변위가 증가하면 진동력을 증가된다.

[ 수학식 1]

G= (-m x X x W ² ) /M

(m: 구동체의 질량, M: 전체세트 질량, X: 구동체의 변위, W: 구동주파수)

압전소자의 1차 공진모드는 진동판이 상하로 벤딩을 일으키는 모드이다. 또한, 하기의 [수학식 2]와 같이 공진주파수는 구동체의 질량 및 강성에 의하여 결정되어진다.

[ 수학식 2]

Fn =√k/m

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 구동변위와 공진주파수는 반비례 관계를 가지므로, 구동변위를 극대화하여 진동량을 크게 하기 위해서는 공진주파수를 200Hz 이하로 설계할 필요가 있다.

설계 목적에 맞는 공진주파수와 구동변위를 만족하기 위하여 진동판을 기존의 서스(SUS)와 같은 강성이 높은 재질을 사용하게 되면 공진주파수를 낮추기 위해서는 서스의 길이를 길게 해야하는데 최근 휴대기기의 경박단소화를 위하여 길이를 길게하는데 한계를 가지고 있다.

도 4는 재질변화에 따른 주파수 응답률을 나타낸 것으로, 특히 38mm의 동일 액츄에이터에서의 재질에 따른 주파수 응답 특성을 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이종재질(스틸과 PC 사출에 의한)은 약 200Hz 의 공진주파수를 나타내는 반면, 스틸재질은 약 250Hz 의 공진주파수를 나타내는 것을 알 수 있다.

따라서, 이종재질의 플레이트가 스틸재질에 비하여 공진주파수가 낮고 구동변위가 극대화되어 진동량이 최대로 된다는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 상기와 같은 구조를 가지는 본 발명은 이종재질의 제2 바이브 플레이트(130)와 제1 바이브 플레이트(140)를 구비하여 구동변위를 극대화하고 진동량을 최대로 할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 피에조 액츄에이터는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다

100: 피에조 액츄에이터 110: 지지부
120: 질량체 130: 제2 바이브 플레이트
140: 제1 바이브 플레이트 150: 압전소자

Claims (6)

1. 전압인가시 수축 및 팽창하는 압전소자;
   상기 압전소자가 장착된 제1 바이브 플레이트;
   상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 이종재질의 제2 바이브 플레이트;
   상기 제2 바이브 플레이트의 양단을 지지하는 지지부; 및
   상기 제1 바이브 플레이트에 연결된 질량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 질량체는 제1 바이브 플레이트의 양측단 또는 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 바이브 플레이트는 스틸과 플라스틱 사출에 의한 이종재질인 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 바이브 플레이트의 재질은 플라스틱(PPS 또는 PC)인 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바이브 플레이트의 강성은 제2 바이브 플레이트의 강성보다 높은 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 질량체는 SUS 또는 텅스텐으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피에조 액츄에이터.
   
   

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