KR20130056754A - Piezoelectric actuator and drivng method of piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전소자를 이용한 액추에이터 및 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 이동체를 한 사이클 동안 x, y, z 방향으로 수 옹스트롬(Å, angstrom) 내지 수십 마이크로미터(㎛) 이동시키거나 마이크로 라디안() 미만의 회전각 분해능을 가지고 회전시킬 수 있는 압전소자를 이용한 액추에이터 및 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법에 대한 것이다The present invention relates to an actuator using a piezoelectric element and a moving method of the moving body using the piezoelectric element. More specifically, the moving body is moved several angstroms to several tens of micrometers (µm) in the x, y, and z directions for one cycle, or microradians ( The present invention relates to an actuator using a piezoelectric element capable of rotating with a rotation angle resolution of less than) and a moving method using a piezoelectric element.
액추에이터는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계 장치로서, 일반적으로 전기나 유압, 압축공기 등을 이용한다. 이중 압전 액추에이터는 변위를 만들어내기 위해 압전물질을 이용하는데 압전물질은 전압을 인가받는 경우 특정방향으로 인장 또는 압축되거나, 특정방향으로 전단된다.Actuators are mechanical devices used to move or control a system and generally use electric, hydraulic, or compressed air. Dual piezo actuators use piezoelectric materials to create displacements, which are either tensioned or compressed in a particular direction or sheared in a particular direction when a voltage is applied.
일반적으로 압전물질의 피에조상수는 단위전압당 수 옹스트롬 내지 수십 나노미터 수준이므로 원자 수준의 변위를 만들어낼 수 있어 원자간력현미경(AFM; Atomic Force Microscope), 주사터널링현미경(STM; Scanning Tunneling Microscope) 등 초정밀기기에 주로 사용된다.In general, piezoelectric constants of piezoelectric materials are in the order of several angstroms to several tens of nanometers per unit voltage, so they can generate atomic-level displacements. Mainly used for ultra precision equipment.
압전 액추에이터의 초기 응용에서는 제한된 구동범위, 상온, 상압과 같이 평이한 조건이 요구되었으나, 응용 범위가 확대됨에 따라 다양한 자유도의 병진운동, 회전운동, 극저온, 초고진공과 같은 조건이 요구된다. 더불어 원자 수준의 분해능을 유지하되 긴 거리를 이동해야함은 물론이다.In the early application of piezoelectric actuators, it was required to have simple conditions such as limited driving range, room temperature, and atmospheric pressure, but as the range of application is expanded, such conditions as translational motion, rotational motion, cryogenic, ultrahigh vacuum of various degrees of freedom are required. In addition, they must maintain long-range resolution while maintaining atomic resolution.
기존의 압전 액추에이터는 x, y, z 방향의 병진운동이 독립적이지 않거나, 병진운동과 회전운동이 독립적이지 않으며, 병진운동 및 회전운동의 범위가 제한되었다.Conventional piezoelectric actuators are not independent of translational motions in the x, y, and z directions, independent of translational and rotational motions, and have limited ranges of translational and rotational motions.
또한 구동 중에 마찰이 존재하므로 장기간 사용시 마모 및 균열이 발생한다. 이로 인하여 신뢰도가 감소되고 먼지와 같은 표면 상태에 의해 크게 영향을 받는다. 또한 마찰열에 의해 극저온 환경에 영향을 준다.In addition, since friction is present during operation, wear and cracks occur during long-term use. This reduces reliability and is greatly affected by surface conditions such as dust. In addition, frictional heat affects the cryogenic environment.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 제1압전소자와 제2압전소자를 이용한 액추에이터를 통해 수 옹스트롬(Å, angstrom)에서 부터 수십 마이크로미터(㎛)까지의 스텝으로 거리에 제약없이 이동체를 이동시킬 수 있는 압전소자를 이용한 액추에이터를 제공하게 된다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, the distance from a few angstrom to several tens of micrometers (μm) through an actuator using the first piezoelectric element and the second piezoelectric element To provide an actuator using a piezoelectric element that can move the moving body without restriction.
또한, 마이크로 라디안(μrad) 미만의 회전각 분해능을 가질 수 있고, 기존의 슬립-스틱(slip-stick) 방법의 압전소자를 이용한 액추에이터와 달리 운동마찰에 따른 마찰열이 발생되지 않아 극저온 환경에 영향을 미치지 않고, 마모 및 균열이 없어 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 표면 상태에 영향을 받지 않는 압전소자를 이용한 액추에이터를 제공하게 된다. 또한, 극저온, 초고진공에서도 안정적으로 작동될 수 있으며 x, y, z 방향으로의 병진운동 및 회전운동이 모두 독립적이어서 이동체의 이동의 자유도를 높일 수 있는 압전소자를 이용한 액추에이터를 제공하게 된다. In addition, it can have a rotation angle resolution of less than micro radians (μrad), and unlike the conventional slip-stick piezoelectric actuators using a piezoelectric element does not generate frictional heat due to movement friction affects the cryogenic environment The present invention provides an actuator using a piezoelectric element that does not affect the wearability, cracks, cracks, and reliability, and is not affected by surface conditions. In addition, it can be operated stably even in cryogenic, ultra-high vacuum, and the translational and rotational movement in the x, y, z direction are all independent to provide an actuator using a piezoelectric element that can increase the freedom of movement of the moving body.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명의 목적은 전압의 인가에 따라 x축 방향으로 전단되는 제1압전층, 전압의 인가에 따라 y축 방향으로 전단되는 제2압전층, 제1압전층과 제2압전층 사이에 구비되어 제1압전층의 하면과 제2압전층의 상면을 결합시키는 제1분리층, 전압의 인가에 따라 z축 방향으로 인장 또는 압축되는 제3압전층 및 제2압전층과 제3압전층 사이에 구비되어 제2압전층의 하면과 제3압전층의 상면을 결합시키는 제2분리층을 갖는 제1압전소자; 상부면에 제3압전층의 하부면이 결합되어 복수의 제1압전소자가 부착되는 기판; 및 제1압전층, 제2압전층 및 제3압전층 각각에 전압을 인가하는 전압인가수단;을 포함하여 제1압전소자의 상부면에 놓여진 이동체를 x, y 및 z 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터로서 달성될 수 있다. An object of the present invention is provided between the first piezoelectric layer sheared in the x-axis direction in response to the application of voltage, the second piezoelectric layer sheared in the y-axis direction in response to the application of voltage, and is provided between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. A first separation layer coupling the lower surface of the first piezoelectric layer and the upper surface of the second piezoelectric layer, between the third piezoelectric layer stretched or compressed in the z-axis direction according to the application of a voltage, and between the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer. A first piezoelectric element having a second separation layer provided to couple the bottom surface of the second piezoelectric layer and the top surface of the third piezoelectric layer; A substrate on which a lower surface of the third piezoelectric layer is coupled to an upper surface to which the plurality of first piezoelectric elements are attached; And a voltage applying means for applying a voltage to each of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer, and the third piezoelectric layer. The moving body placed on the upper surface of the first piezoelectric element includes at least one of x, y, and z directions. It can be achieved as an actuator using a piezoelectric element, characterized in that moving to.
기판의 상부면에 부착되고 제1압전소자들 사이 각각에 배치되며, 전압이 인가되지 않은 상태에서의 제1압전소자의 높이와 동일한 높이를 갖는 복수의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized in that it further comprises a plurality of protrusions attached to the upper surface of the substrate and disposed between each of the first piezoelectric elements, and having a height equal to the height of the first piezoelectric element in a state where no voltage is applied. .
전압인가수단에 의해 인가되는 전압을 제어하여 제1압전층과 제2압전층 및 제3압전층의 변위를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may be characterized by further comprising a control unit for controlling the displacement of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer by controlling the voltage applied by the voltage applying means.
또한 본 발명의 목적은 앞서 언급한 액추에이터를 이용한 이동체의 이동방법에 있어서, 기판에 부착된 제1압전소자의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계; 전압인가수단에 의해 기판에 부착된 제1압전소자 중 1열에 속한 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제3압전층을 인장시켜 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계; 전압인가수단에 의해 전압이 인가된 1열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계; 전압인가수단에 의해 제2단계에서 전압이 인가되지 않은 2열 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자를 z축 방향으로 인장시켜 2열 제1압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 1열 제1압전소자의 전압을 해제시키거나 1열 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 인가하여 z축 방향으로 압축시키는 제4단계; 및 전압인가수단에 의해 제4단계에서 전압이 인가된 2열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법으로서 달성될 수 있다. In addition, an object of the present invention is a method of moving a moving body using the above-mentioned actuator, the first step of placing the moving body on the upper surface of the first piezoelectric element attached to the substrate; A second step of moving the moving body in the z-axis direction by tensioning the third piezoelectric layer by applying a + voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element belonging to one column of the first piezoelectric elements attached to the substrate by the voltage applying means; ; A third step of applying a + voltage or a -voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first column first piezoelectric element to which the voltage is applied by the voltage applying means to move the movable body in the x-axis or y-axis direction; The voltage applying means applies a + voltage to the third piezoelectric layer of the two-column first piezoelectric element, in which the voltage is not applied in the second step, to tension the first piezoelectric element in the z-axis direction, so that the upper portion of the two-column first piezoelectric element A fourth step of contacting the surface with the moving body and releasing the voltage of the first-row first piezoelectric element or compressing it in the z-axis direction by applying a negative voltage to the third piezoelectric layer of the first-row first piezoelectric element; And applying a + voltage or a -voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the two-column first piezoelectric element to which the voltage is applied in the fourth step by the voltage applying means to move the movable body in the x-axis or y-axis direction. It can be achieved as a method of moving the moving body using a piezoelectric element comprising a fifth step.
제5단계 후에, 전압인가수단에 의해 1열 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자를 z축 방향으로 인장시켜 1열 제1압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 2열 제1압전소자의 전압을 해제시키거나 2열 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 인가하여 z축 방향으로 압축시키고, 1열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. After the fifth step, + voltage is applied to the third piezoelectric layer of the first row of first piezoelectric elements by the voltage applying means to tension the first piezoelectric element in the z-axis direction so that the upper surface of the first row of first piezoelectric elements is moved to the movable body. Contact with each other, release the voltage of the first two piezoelectric elements of the second row, or apply a negative voltage to the third piezoelectric layer of the second row of the first piezoelectric elements to compress them in the z-axis direction. Alternatively, the method may further include moving the moving body in the x-axis or y-axis direction by applying a + voltage or a −voltage to the second piezoelectric layer.
또한, 본 발명의 목적은 앞서 언급한 액추에이터를 이용한 이동체의 이동방법에 있어서, 기판에 부착된 제1압전소자와 돌출부의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계; 전압인가수단에 의해 기판에 부착된 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제3압전층를 인장시켜 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계; 전압인가수단에 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압을 인가하여 이동체를 +x축 또는 +y축 방향으로 이동시키는 제3단계; 전압인가수단에 의해 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 인가하여 제1압전소자를 z축방향으로 압축시켜 돌출부의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 -전압을 인가하는 제4단계; 전압인가수단에 의해 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압을 인가하여 이동체를 +x축 또는 +y축 방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법으로 달성될 수 있다. In addition, the object of the present invention is a method of moving the moving body using the above-mentioned actuator, the first step of placing the moving body on the upper surface of the first piezoelectric element and the projection attached to the substrate; A second step of applying a + voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element attached to the substrate by the voltage applying means to tension the third piezoelectric layer to move the movable body in the z-axis direction; A third step of applying a + voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first piezoelectric element to move the moving body in the + x or + y direction; The voltage applying means applies a negative voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element to compress the first piezoelectric element in the z-axis direction to contact the upper surface of the protruding portion with the movable body, and the first piezoelectric layer of the first piezoelectric element. Or a fourth step of applying a negative voltage to the second piezoelectric layer; The voltage applying means applies a + voltage to the third piezoelectric layer to contact the upper surface of the first piezoelectric element to the moving body, and applies a + voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer to move the moving object to the + x axis or the +. The fifth step of moving in the y-axis direction; it can be achieved by a method of moving the moving body using a piezoelectric element comprising a.
또한, 앞서 언급한 제4단계와 제5단계를 반복하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 계속 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The method may further include continuously moving the movable body in the x-axis or y-axis direction by repeating the above-described fourth and fifth steps.
본 발명의 또 다른 목적은, 전압을 인가받은 부분이 인장 또는 압축되는 압전 물질로 구성된 관형태의 원통형 압전체, 원통형 압전체의 내면에 부착되고 0 또는 일정전압을 인가받는 제1전극 그리고, 원통형 압전체의 외면 일측에 결합되고, 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 배치된 복수의 제2전극을 갖는 복수의 제2압전소자; 상부면에 원통형 압전체의 하부면이 결합되어 복수의 제2압전소자가 부착되는 기판; 및 제2전극에 전압을 인가하는 전압인가수단;을 포함하여 제2전극 전부에 +전압 또는 -전압을 인가하는 경우 제1전극과의 전압차에 의해 원통형 압전체가 z축 방향으로 인장 또는 압축되고, 제2전극 중 어느 하나에 +전압 또는 -전압을 인가하는 경우 제1전극과의 전압차에 의해 원통형 압전체가 x-y평면에 평행한 평행축을 기준으로 굽힘모멘트를 형성하여 제2압전소자의 상부면에 놓여진 이동체를 x, y 및 z 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터로서 달성될 수 있다. Still another object of the present invention is to provide a tubular cylindrical piezoelectric material composed of a piezoelectric material in which a portion to which voltage is applied is stretched or compressed, a first electrode attached to an inner surface of the cylindrical piezoelectric body, and receiving a zero or constant voltage, and a cylindrical piezoelectric body. A plurality of second piezoelectric elements coupled to one side of the outer surface and having a plurality of second electrodes disposed to be spaced apart from each other in a circumferential direction; A substrate to which a lower surface of the cylindrical piezoelectric body is coupled to an upper surface to which the plurality of second piezoelectric elements are attached; And a voltage applying means for applying a voltage to the second electrode. The cylindrical piezoelectric member is stretched or compressed in the z-axis direction by a voltage difference from the first electrode when a positive voltage or a negative voltage is applied to all of the second electrodes. When the + voltage or the-voltage is applied to any one of the second electrodes, the cylindrical piezoelectric body forms a bending moment based on a parallel axis parallel to the xy plane due to the voltage difference with the first electrode. It can be achieved as an actuator using a piezoelectric element, characterized in that the moving object placed in the to move in the direction of at least one of x, y and z.
제2전극은, 제2전극의 길이방향이 원통형 압전체의 중심축 방향과 평행하고, 원통형 압전체의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 배치된 4개로 구성되며, 전압인가수단에 의해 제2전극으로 인가되는 전압을 제어하여 제2압전소자에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The second electrode is composed of four electrodes in which the longitudinal direction of the second electrode is parallel to the central axis direction of the cylindrical piezoelectric body and spaced apart from each other by a specific distance in the circumferential direction of the cylindrical piezoelectric body, and is applied to the second electrode by voltage applying means. It may be characterized by further comprising a control unit for controlling the moving distance of the moving object moved by the second piezoelectric element by controlling the voltage.
또한 제2압전소자의 상부면과 이동체 사이의 접촉 특성을 개선하기 위하여 제2압전소자의 상부면에 구 형태의 물체를 부착시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The method may further include attaching a spherical object to the upper surface of the second piezoelectric element in order to improve contact characteristics between the upper surface of the second piezoelectric element and the movable body.
기판의 상부면에 부착된 제2압전소자 사이 각각에 구비되고, 전압이 인가되지 않은 상태에서의 제2압전소자의 높이와 동일한 높이를 갖는 복수의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. Each of the second piezoelectric elements attached to the upper surface of the substrate may be characterized in that it further comprises a plurality of protrusions having the same height as the height of the second piezoelectric element in a state where no voltage is applied.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은 앞서 언급한 액추에이터를 이용한 이동체의 이동방법에 있어서, 기판에 부착된 제2압전소자의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계; 전압인가수단에 의해 기판에 부착된 제2압전소자 중 1열에 속한 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 원통형 압전체를 z축방향으로 인장시켜 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계; 전압인가수단에 의해 전압이 인가된 1열 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계; 전압인가수단에 의해 제2단계에서 전압이 인가되지 않은 2열 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 2열 제2압전소자를 z축방향으로 인장시켜 2열 제2압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 1열 제2압전소자의 전압을 해제시키거나 1열 제2압전소자의 제2전극 모두에 -전압을 인가하여 z축방향으로 압축시키는 제4단계; 및 전압인가수단에 의해 제4단계에서 전압이 인가된 2열 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법으로 달성될 수 있다. In another category, an object of the present invention is to provide a method for moving a mobile body using the above-mentioned actuator, comprising: a first step of placing a mobile body on an upper surface of a second piezoelectric element attached to a substrate; A voltage applying means for applying a positive voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric elements in the first column of the second piezoelectric elements attached to the substrate to tension the cylindrical piezoelectric member in the z-axis direction to move the movable body in the z-axis direction.
본 발명의 또 다른 목적으로는 앞서 언급한 액추에이터를 이용한 이동체의 이동방법에 있어서, 기판에 부착된 제2압전소자와 돌출부의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계; 전압인가수단에 의해 기판에 부착된 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 원통형 압전체를 인장시켜 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계; 전압인가수단에 의해 전압이 인가된 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계; 전압인가수단에 의해 제2압전소자의 제2전극 모두에 대해 -전압을 인가하여 제2압전소자를 z축방향으로 압축시켜 돌출부의 상부면을 이동체에 접촉시키는 제4단계; 및 전압인가수단에 의해 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 제2압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법으로 달성될 수 있다. In still another aspect of the present invention, there is provided a method of moving a movable body using an actuator, comprising: a first step of placing a movable body on an upper surface of a second piezoelectric element and a protrusion attached to a substrate; A second step of applying a positive voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element attached to the substrate by the voltage applying means to tension the cylindrical piezoelectric body to move the movable body in the z-axis direction; A third step of moving the moving body in the x-axis or y-axis direction by further applying a + voltage to any one of the second electrodes of the second piezoelectric element to which the voltage is applied by the voltage applying means; A fourth step of applying -voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element by the voltage applying means to compress the second piezoelectric element in the z-axis direction to contact the upper surface of the protrusion with the movable body; And + voltage is applied to both of the second electrodes by voltage applying means to contact the upper surface of the second piezoelectric element to the movable body, and + voltage is applied to any one of the second electrodes to move the movable body in the x-axis or y-axis direction. The fifth step of the movement; can be achieved by a method of moving the moving body using a piezoelectric element comprising a.
본 발명의 또 다른 목적은, 기판; 하부면이 기판의 상부면에 서로 특정간격으로 이격되어 부착되고, 전압의 인가에 따라 x축 방향으로 전단응력이 발생되는 제1압전층, 전압의 인가에 따라 y축 방향으로 전단응력이 발생되는 제2압전층, 제1압전층와 제2압전층 사이에 구비되어 제1압전층의 하면과 제2압전층의 상면을 결합시키는 제1분리층, 전압의 인가에 따라 z축 방향으로 인장 또는 압축되는 제3압전층 및 제2압전층와 제3압전층 사이에 구비되어 제2압전층의 하면과 제3압전층의 상면을 결합시키는 제2분리층을 갖는 복수의 제1압전소자; 기판의 상부면에 부착되며 제1압전소자의 사이 각각에 구비되고, 전압을 인가받은 부분이 인장 또는 압축되는 압전 물질로 구비된 관형태의 원통형 압전체, 원통형 압전체의 내면에 부착되고 0 또는 일정전압을 인가받는 제1전극 그리고, 원통형 압전체의 외면 일측에 원주방향을 따라 부착되고, 서로 특정간격으로 이격되어 배치된 복수의 제2전극을 갖는 복수의 제2압전소자; 및 제1압전층, 제2압전층, 제3압전층 및 제2전극 각각에 전압을 인가하는 전압인가수단을 포함하여, 제1압전소자와 제2압전소자의 상부면에 놓여진 이동체를 x, y 및 z 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터로서 달성될 수 있다. Another object of the present invention, the substrate; The lower surface is attached to the upper surface of the substrate spaced apart from each other at a specific interval, the first piezoelectric layer is a shear stress in the x-axis direction when the voltage is applied, the shear stress is generated in the y-axis direction when the voltage is applied The second piezoelectric layer, the first separation layer provided between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer to combine the lower surface of the first piezoelectric layer and the upper surface of the second piezoelectric layer, tension or compression in the z-axis direction according to the application of voltage A plurality of first piezoelectric elements having a third piezoelectric layer and a second separation layer provided between the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer to couple the lower surface of the second piezoelectric layer and the upper surface of the third piezoelectric layer; It is attached to the upper surface of the substrate and provided between each of the first piezoelectric element, the cylindrical piezoelectric in the form of a tube formed of a piezoelectric material to which the voltage- applied portion is tensioned or compressed, attached to the inner surface of the cylindrical piezoelectric, 0 or a constant voltage A plurality of second piezoelectric elements having a first electrode receiving a plurality of second electrodes attached to one side of an outer surface of the cylindrical piezoelectric body, and having a plurality of second electrodes spaced apart from each other at specific intervals; And a voltage applying means for applying a voltage to each of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer, the third piezoelectric layer, and the second electrode, wherein the moving body placed on the upper surface of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is x, It can be achieved as an actuator using a piezoelectric element characterized by moving in the direction of at least one of y and z.
전압인가수단에 의해 제2전극으로 인가되는 전압 및 제1압전층와 제2압전층 및 제3압전층에 인가되는 전압을 제어하여 제1압전소자 또는 제2압전소자에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The moving distance of the movable body moved by the first piezoelectric element or the second piezoelectric element by controlling the voltage applied to the second electrode by the voltage applying means and the voltage applied to the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer. It may be characterized in that it further comprises a control unit for adjusting the.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은 앞서 언급한 액추에이터를 이용한 이동체의 이동방법에 있어서, 기판에 부착된 제1압전소자와 제2압전소자의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계; 전압인가수단에 의해 기판에 부착된 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자를 인장시켜 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계; 전압인가수단에 의해 전압이 인가된 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제3단계; 전압인가수단에 의해 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여, 제2압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 제1압전소자의 대한 전압을 해제시키는 제4단계; 및 전압인가수단에 의해 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법으로 달성될 수 있다. In another category, an object of the present invention is to provide a method of moving a moving body using the above-mentioned actuator, comprising: a first step of placing a moving body on an upper surface of a first piezoelectric element and a second piezoelectric element attached to a substrate; A second step of applying a + voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element attached to the substrate by the voltage applying means to tension the first piezoelectric element to move the movable body in the z-axis direction; A third step of applying a + voltage or a -voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first piezoelectric element to which the voltage is applied by the voltage applying means to move the moving body in the x-axis or y-axis direction; A fourth step of applying a positive voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element by means of voltage applying means, bringing the upper surface of the second piezoelectric element into contact with the movable body, and releasing the voltage of the first piezoelectric element; And a fifth step of applying a + voltage to any one of the second electrodes of the second piezoelectric element by the voltage applying means to move the movable body in the x-axis or y-axis direction. It can be achieved by the moving method of the moving body.
제5단계 후에, 전압인가수단에 의해 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여, 제1압전소자의 상부면을 이동체에 접촉시키고, 제2압전소자의 대한 전압을 해제시키고, 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. After the fifth step, a positive voltage is applied to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element by the voltage applying means, the upper surface of the first piezoelectric element is brought into contact with the movable body, and the voltage of the second piezoelectric element is released. The method may further include moving the moving body in the x-axis or y-axis direction by applying + voltage or − voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first piezoelectric element.
기판의 하부측에 기판과 소정간격으로 이격되어 구비된 하부기판 및 하부기판과 기판 사이에 구비된 복수의 탄성부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And a plurality of elastic members provided on the lower side of the substrate and spaced apart from the substrate at predetermined intervals, and a plurality of elastic members provided between the lower substrate and the substrate.
외부면이 제1압전소자 및 제2압전소자의 상부면에 접촉되는 내부원통; 및 내부면이 하부기반의 하부면과 결합되는 외부원통을 포함하여 제1압전소자와 제2압전소자의 상부면에 접촉되는 내부원통을 중심축 기준으로 이동 또는 회전시키는 것을 특징으로 할 수 있다. An inner cylinder whose outer surface contacts the upper surfaces of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; And an inner cylinder whose inner surface is coupled to the lower surface of the lower base to move or rotate the inner cylinder that is in contact with the upper surfaces of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element with respect to the central axis.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 제1압전소자와 제2압전소자를 이용한 액추에이터를 통해 수 옹스크롬(Å, angstrom)에서부터 수십 마이크로미터(㎛)까지의 스텝으로 거리에 제약없이 이동체를 이동시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 마이크로 라디안(μrad) 미만의 회전각 분해능을 가질 수 있는 효과가 있다. 그리고, 기존의 슬립-스틱(slip-stick) 방법의 압전소자를 이용한 액추에이터와 달리 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 액추에이터는 운동마찰이 존재하지 않아 온도에 대해 안정적이고, 마모 및 균열이 없어 신뢰도를 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 온도에 안정적이므로 극저온, 초고진공에서도 안정적으로 작동될 수 있으며 x,y,z 방향으로의 병진운동 및 회전운동이 모두 독립적이어서 이동체의 이동의 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다. Therefore, according to one embodiment of the present invention, as described, the distance is limited by a step from several angstroms to several tens of micrometers (μm) through an actuator using the first piezoelectric element and the second piezoelectric element. It has the effect of moving the moving object without. In addition, there is an effect that can have a rotation angle resolution of less than micro radians (μrad). And, unlike the conventional actuator using the piezoelectric element of the slip-stick (slip-stick) method, the actuator using the piezoelectric element according to an embodiment of the present invention is stable against temperature because there is no movement friction, wear and crack There is no advantage to improve the reliability. In addition, since it is stable to temperature, it can be operated stably even in cryogenic and ultra-high vacuum, and both translational and rotational motions in the x, y, and z directions are independent, thereby increasing the degree of freedom of movement of the moving object.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various other modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention, All fall within the scope of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제1압전소자의 사시도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 제3압전층에 전압이 인가되어 z축방향으로 인장된 제1압전소자의 정면도,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따라 제2압전층에 전압이 인가되어 y축방향으로 전단된 제1압전소자의 정면도,
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따라 제1압전층에 전압이 인가되어 x축방향으로 전단된 제1압전소자의 측면도,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자의 사시도,
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자의 평면도,
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 제2전극 모두에 전압이 인가된 상태의 제2압전소자의 정면도,
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 제2전극 중 어느 하나에 전압이 인가된 상태의 제2압전소자의 정면도,
도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자의 상부면에 이동체가 놓여진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자가 z축으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도,
도 4c는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자가 z축으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자가 z축 방향을 압축되고 -x 또는 -y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 4e는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고, z축 방향으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도,
도 4f는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체 이동방법에서 압전소자가 z축방향으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5a는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제1압전소자와 제2압전소자의 상부면에 이동체가 놓여진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제1압전소자가 z축으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5c는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제1압전소자가 z축으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제2압전소자가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고 z축으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5e는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제2압전소자가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고, z축 방향으로 인장되고, 제1압전소자에 인가된 전압이 해제된 상태의 액추에이터의 정면도,
도 5f는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체 이동방법에서 제2압전소자가 z축방향으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 탄성부재와 하부기판을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 정면도,
도 7a는 본 발명의 제3실시예에 따른 외부원통과 내부원통 사이에 구비된 탄성부재와 하부기판을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 사시도,
도 7b는 본 발명의 제3실시예에 따른 외부원통과 내부원통 사이에 구비된 탄성부재와 하부기판을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 평면도,
도 7c는 본 발명의 제3실시예에 따른 외부원통과 내부원통 사이에 구비된 탄성부재와 하부기판을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 단면도를 도시한 것이다. 1 is a perspective view of a first piezoelectric element according to an embodiment of the present invention;
2A is a front view of a first piezoelectric element tensioned in the z-axis direction by applying a voltage to a third piezoelectric layer according to one embodiment of the present invention;
2B is a front view of the first piezoelectric element sheared in the y-axis direction by applying a voltage to the second piezoelectric layer according to one embodiment of the present invention;
2C is a side view of the first piezoelectric element sheared in the x-axis direction by applying a voltage to the first piezoelectric layer according to one embodiment of the present invention;
3A is a perspective view of a second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention;
3B is a plan view of a second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention;
3C is a front view of a second piezoelectric element in a state where a voltage is applied to all of the second electrodes according to one embodiment of the present invention;
3D is a front view of a second piezoelectric element in a state where a voltage is applied to any one of the second electrodes according to an embodiment of the present invention;
4A is a front view of an actuator in a state where a movable body is placed on an upper surface of a piezoelectric element in a movable body moving method according to a first embodiment of the present invention;
4B is a front view of an actuator in a state where the piezoelectric element is stretched along the z-axis in the moving body moving method according to the first embodiment of the present invention;
Figure 4c is a front view of the actuator of the piezoelectric element is tensioned in the z-axis and bent in the + x or + y direction in the moving body moving method according to the first embodiment of the present invention,
4D is a front view of an actuator in which the piezoelectric element is compressed in the z-axis direction and bent in the -x or -y direction in the moving body moving method according to the first embodiment of the present invention;
4E is a front view of an actuator in which the piezoelectric element is bent in the -x or -y direction and is stretched in the z-axis direction in the moving body moving method according to the first embodiment of the present invention;
4F is a front view of an actuator in a state where the piezoelectric element is stretched in the z-axis direction and bent in the + x or + y direction in the moving body moving method according to the first embodiment of the present invention;
5A is a front view of an actuator in a state in which a mobile body is placed on an upper surface of a first piezoelectric element and a second piezoelectric element in a moving body moving method according to a second embodiment of the present invention;
5B is a front view of the actuator in a state in which the first piezoelectric element is stretched along the z axis in the moving body moving method according to the second embodiment of the present invention;
5C is a front view of the actuator in a state in which the first piezoelectric element is stretched in the z-axis and bent in the + x or + y direction in the moving body moving method according to the second embodiment of the present invention;
5D is a front view of the actuator in a state in which the second piezoelectric element is bent in the -x or -y direction and is stretched in the z-axis in the moving body moving method according to the second embodiment of the present invention;
5E illustrates a state in which the second piezoelectric element is bent in the -x or -y direction, stretched in the z-axis direction, and the voltage applied to the first piezoelectric element is released in the moving body moving method according to the second embodiment of the present invention. Front view of the actuator,
5F is a front view of the actuator in a state in which the second piezoelectric element is stretched in the z-axis direction and bent in the + x or + y direction in the moving body moving method according to the second embodiment of the present invention;
6 is a front view of an actuator using a piezoelectric element having an elastic member and a lower substrate according to a third embodiment of the present invention;
7A is a perspective view of an actuator using a piezoelectric element having an elastic member and a lower substrate provided between an outer cylinder and an inner cylinder according to a third embodiment of the present invention;
7B is a plan view of an actuator using a piezoelectric element having an elastic member and a lower substrate provided between an outer cylinder and an inner cylinder according to a third embodiment of the present invention;
7C is a cross-sectional view of an actuator using a piezoelectric element having an elastic member and a lower substrate provided between an outer cylinder and an inner cylinder according to a third embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is connected to another part, this includes not only the case where it is directly connected, but also the case where it is indirectly connected with another element in between. In addition, the inclusion of an element does not exclude other elements, but may include other elements, unless specifically stated otherwise.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 제1압전소자(1) 및 제1압전소자(1)를 이용한 액추에이터의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제1압전소자(1)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제1압전소자(1)는 제1압전층(10), 제2압전층(20), 제3압전층(30), 제1분리층(11) 및 제2분리층(21) 등을 포함한다. Hereinafter, the configuration and operation of the actuator using the first
압전소자에 사용되는 압전체는 전압이 인가되는 경우 방향성을 가지고 특정방향으로 인장되거나 반대 극의 전압이 인가되는 경우 압축되는 성질(즉, 물리적 변위가 발생되게 된다)을 갖는다. 이러한 압전체에 사용되는 재료는 압전(piezoelectric) 물질로서 수정, 로셀염, 티탄산바륨(BaTiO₃), 인공세라믹(PZT) 등이 존재한다. 본 발명의 일실시예에 따른 제1압전소자(1)는 상단부에 제1압전층(10), 중단부에 제2압전층(20) 그리고, 하단부에 제3압전층(30)가 구비되고, 제1압전층(10)와 제2압전층(20) 사이를 결합시키는 제1분리층(11)과 제2압전층(20)와 제3압전층(30) 사이를 결합시키는 제2분리층(21)이 구비된다. Piezoelectric elements used in piezoelectric elements are directional when a voltage is applied and have a property of being stretched in a specific direction or compressed when a voltage of the opposite pole is applied (that is, a physical displacement is generated). Materials used for such piezoelectric materials include quartz, rosell salt, barium titanate (BaTiO₃), artificial ceramics (PZT), and the like as piezoelectric materials. According to an embodiment of the present invention, the first
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 제3압전층(30)에 전압이 인가되어 z축 방향으로 인장된 제1압전소자(1)의 정면도를 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제3압전층(30)에 전압(+전압)을 인가하게 되는 경우, 즉 제3압전층(30)에 일정 방향으로 전류를 흐르게 하면 제3압전층(30)는 z축 방향으로 인장되게 된다. 그리고, 반대방향으로 전류를 흐르게 하면(이하 -전압인가) 제3압전층(30)는 z축방향으로 압축되게 된다. 또한, 이러한 Z축 방향으로의 변위(△Z)값은 인가되는 전압의 크기에 비례하게 된다. 2A illustrates a front view of the first
그리고, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따라 제2압전층(20)에 +전압이 인가되어 상부측이 +y축 방향으로 이동된 제1압전소자(1)의 정면도를 도시한 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2압전층(20)에 전압(+전압)을 인가하게 되는 경우 제2압전층(20)는 하부면에서 상부면으로 갈수록 점진적으로 +y방향(도 2b에 도시된 것으로 기준으로 오른쪽)으로 이동하게 된다(즉, +y방향으로 전단된다. 또한, 반대 극의 전압이 인가되면, 하부면에서 상부면으로 갈수록 점진적으로 -Y방향(도 2b에 도시된 것으로 기준으로 왼쪽)으로 이동하게 된다. 결국 제2압전층(20)에 y축 방향으로의 변위(△y)가 발생되게 된다. 이러한 y축 방향으로의 변위(△Y)는 인가되는 전압의 크기에 비례하게 된다. FIG. 2B illustrates a front view of the first
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따라 제1압전층(10)에 전압이 인가되어 x축 방향으로 이동된 제1압전소자(1)의 측면도를 도시한 것이다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 제1압전층(10)에 전압(+전압)을 인가하게 되는 경우 제1압전층(10)는 하부면에서 상부면으로 갈수록 점진적으로 +x방향(도 2c에 도시된 것으로 기준으로 오른쪽. 즉, x 방향으로 전단된다.)으로 이동하게 된다. 또한, 반대 극의 전압을 인가하면, 하부면에서 상부면으로 갈수록 점진적으로 -x방향(도 2c에 도시된 것으로 기준으로 왼쪽)으로 이동하게 된다. 결국 제1압전층(10)의 상부면은 x축 방향으로의 변위(△x)가 발생되게 된다. 이러한 x축 방향으로의 변위(△x)는 인가되는 전압의 크기에 비례하게 된다. FIG. 2C illustrates a side view of the first
따라서 이러한 제1압전소자(1)를 이용하게 되는 경우 제1압전층(10), 제2압전층(20) 및 제3압전층(30)에 인가되는 전압의 극성 및 크기에 따라 제1압전소자(1)의 상부면에 놓여진 이동체(3)를 x, y, z방향으로 이동시킬 수 있게 된다. Accordingly, when the first
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자(2) 및 제2압전소자(2)를 이용한 액추에이터의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자(2)의 사시도를 도시한 것이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자(2)의 평면도를 도시한 것이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자(2)는 압전물질로 구성되며 소정두께를 갖는 관형태의 원통형 압전체(60), 제1전극(61) 및 제2전극(62) 등을 포함한다. Hereinafter, the configuration and operation of the actuator using the second
제2압전소자(2)를 구성하는 원통형 압전체(60)는 앞서 설명한 압전물질로 구성되어 전압이 인가되는 부분에 물리적 변위가 발생되어 인장 또는 압축된다. 본 발명의 일실시예에 따른 제2압전소자(2)는 원통형 압전체(60)의 내부면 전면에 부착되는 제1전극(61)과 원통형 압전체(60)의 외부면에 부착되는 4개의 제2전극(62)을 포함한다. 제1전극(61)은 그라운드되어 있거나 일정한 특정 전압이 지속적으로 인가된다. 그리고, 제2전극(62)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 길이방향이 원통형 압전체(60)의 축 방향과 일치되고, 서로 특정간격으로 이격되게 원통형 압전체(60)의 외면에 결합된다. The cylindrical
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 제2전극(62) 모두에 +전압이 인가된 상태의 제2압전소자(2)의 정면도를 도시한 것이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 제2전극(62) 모두에 +전압(예를 들어, 제1전극(61)의 전위보다 제2전극(62)의 전위가 높은 경우)을 인가하게 되는 경우 제1전극(61)과의 전압차에 의해 원통형 압전체(60)가 z축 방향으로 인장되게 된다. 그리고, 제2전극(62) 모두에 -전압(즉, 전류흐름을 반대로 하는 경우(예를 들어, 제1전극(61)의 전위가 제2전극(62)의 전위보다 높은 경우)을 인가하게 되는 경우 원통형 압전체(60)가 z축 방향으로 압축되게 된다. 3C is a front view of the second
또한, 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 제2전극(62) 중 어느 하나에 +전압이 인가된 상태의 제2압전소자(2)의 정면도를 도시한 것이다. 도 3d에 도시된바와 같이, 4개의 제2전극(62) 중 어느 하나에 +전압 또는 -전압을 인가하는 경우 전압이 인가된 제2전극(62)이 부착된 원통형 압전체(60) 부분이 인장 또는 압축되어 전체적으로는 특정 방향으로 휘어지게 된다(즉, x축 또는 y축을 중심으로 굽힙 모멘트(bending moment)가 발생되게 된다 . 이는 4개의 제2전극(62) 모두에 +전압 또는 -전압을 인가하여 z축 방향으로 인장 또는 압축한 상태에서 제2전극(62) 중 어느 하나의 전압을 변화시킴으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.In addition, FIG. 3D illustrates a front view of the second
도 3d에 도시된 바와 같이, 제2압전소자를 왼쪽으로 휘어지게 하기 위해서는 도 3d에 도시된 것을 기준으로 오른쪽에 결합된 제2전극(62)에 +전압을 인가하거나, 왼쪽에 결합된 제2전극(62)에 -전압을 인가하게 된다. 또한, 오른쪽에 결합된 제2전극(62)에 +전압을 인가하고 동시에 왼쪽에 결합된 제2전극(62)에 -전압을 인가하여 제2압전소자를 왼쪽으로 휘어지게 할 수 있다. 따라서 원통형 압전체(60)의 상부면은 x축 방향 또는 y축 방향으로 변위(△x, △y)가 발생되게 된다. 즉, 제2전극(62)간의 전위차에 따라 원통형 압전체(60)는 x 축 또는 y축을 중심으로 굽힘모멘트가 발생되게 된다. As shown in FIG. 3D, in order to bend the second piezoelectric element to the left side, a + voltage is applied to the
따라서 이러한 제2압전소자(2)를 이용하게 되는 경우 제2전극(62)에 인가되는 전압의 극성 및 크기에 따라 제2압전소자(2)의 상부면에 놓여진 이동체(3)를 x, y, z방향으로 이동시킬 수 있게 된다. Accordingly, when the second
제2압전소자(2)의 상부면과 이동체의 하부면 사이의 접촉 특성을 개선하기 위해 구형의 물질을 제2압전소자(2)의 상부면에 추가로 부착할 수도 있다. 이로써 제2압전소자(2)의 마모를 방지하고, 휘어지는 정도에 무관하게 항상 동일한 접촉면적을 유지할 수 있다.
In order to improve contact characteristics between the upper surface of the second
이하에서는 앞서 설명한 제1압전소자(1) 및 제2압전소자(2) 중 적어도 어느 하나를 갖는 액추에이터를 사용한 제1실시예에 따른 이동체(3)의 이동방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 압전소자를 이용한 액추에이터는 기판(40)의 상부면에 부착된 앞서 설명한 복수의 제1압전소자(1) 또는 제2압전소자(2)를 갖고, 제1압전소자(1)의 제1압전층(10), 제2압전층(20) 및 제3압전층(30) 또는 제2압전소자(2)의 제2전극(62)에 전압을 인가하는 전압인가수단, 압전소자(제1압전소자(1) 또는 제2압전소자(2)) 사이 각각에 구비되는 돌출부(50)를 포함한다. Hereinafter, a method of moving the moving
먼저, 도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 압전소자의 상부면에 이동체(3)가 놓여진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다(도 4a 내지 도 4f는 제1압전소자가 도시되어 있으나 제2압전소자를 사용하는 경우도 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다). 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 압전소자를 이용한 액추에이터는 압전소자(제1압전소자(1) 또는 제2압전소자(2))가 기판(40) 상부면에 부착된다. 그리고, 압전소자(1 또는 2) 사이 각각에는 전압이 인가되지 않은 압전소자의 높이와 동일한 높이를 갖는 돌출부(50)가 기판(40) 상부면에 부착된다. First, FIG. 4A shows a front view of an actuator in a state where the
도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 압전소자가 z축으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 압전소자에 +전압을 인가(즉, 제1압전소자(1)의 경우, 제3압전층(30)에 +전압을 인가하고, 제2압전소자(2)의 경우 제2전극(62) 모두에 +전압을 인가하게 된다.)하여 압전소자를 z축 방향으로 인장시키게 된다. 4B shows a front view of the actuator in a state where the piezoelectric element is stretched along the z-axis in the moving method of the
그리고, 압전소자(1 또는 2)에 +전압 또는 -전압을 인가하여 압전소자(1 또는 2)의 상부면에 놓여진 x 또는 y방향으로 이동시키게 된다. 도 4c는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제1압전소자(1)가 z축으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 즉, 제1압전소자(1)의 경우, 제1압전층(10) 또는 제2압전층(20)에 +전압을 인가하게 되고, 제2압전소자(2)의 경우는 제2전극(62) 중 어느 하나에 +전압 또는 -전압을 더 인가하게 된다. 따라서 이 단계에서 이동체(3)는 +x 또는 +y방향으로 이동되게 된다.Then, + voltage or − voltage is applied to the
그리고, 압전소자를 z축 방향으로 압축시키고(즉, 제1압전소자(1)의 경우 -전압을 제3압전층(30)에 인가하고, 제2압전소자(2)의 경우 제2전극(62) 모두에 -전압을 인가하게 된다), -x 또는 -y방향으로 이동시키게 된다. 도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 압전소자가 z축 방향으로 압축되고 -x 또는 -y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 이러한 단계에서, 이동체(3)의 하부면은 돌출부(50)의 상부면과 접촉되게 된다. Then, the piezoelectric element is compressed in the z-axis direction (that is,-voltage is applied to the third
그리고, z축 방향으로 인장(즉, 제1압전소자(1)의 경우 제3압전층(30)에 +전압을 인가하고, 제2압전소자(2)의 경우 제2전극(62) 모두에 +전압을 인가한다.)시키게 된다. 도 4e는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 압전소자가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고, z축 방향으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 이러한 단계에서, 이동체(3)의 하부면은 압전소자의 상부면과 접촉하게 된다. In addition, in the z-axis direction, a tension (ie, a + voltage is applied to the third
그리고, 압전소자에 전압을 인가하여 이동체(3)를 +x 방향 또는 +y방향(즉, 제1압전소자(1)의 경우 제1압전층(10) 또는 제2압전층(20)에 +전압을 인가하고, 제2압전소자(2)의 경우 제2전극(62) 중 어느 하나에 전압을 더 인가한다,)으로 이동시키게 된다. 도 4f는 본 발명의 제1실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 압전소자가 z축 방향으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 이러한 단계에서, 이동체(3)는 +x 방향 또는 +y방향으로 이동되게 된다. 또한, 앞서 설명한 도 4d 내지 도 4f 과정을 반복하게 됨으로써, 압전소자의 상부면에 놓여진 이동체(3)를 x-y평면 상에서 계속 이동시킬 수 있게 된다. Then, a voltage is applied to the piezoelectric element to move the moving
또한, 제1실시예에 따른 액추에이터는 제어부를 더 포함하여 전압인가수단에 의해 제1압전소자(1)로 인가되는 전압을 제어하여 제1압전층(10)와 제2압전층(20) 및 제3압전층(30)의 인장길이를 조절한다. 또한, 제2압전소자(2)의 제2전극(62)으로 인가되는 전압을 제어하여 이동되는 이동체(3)의 이동거리, 이동방향을 조절한다.
In addition, the actuator according to the first embodiment further includes a control unit to control the voltage applied to the first
이하에서는 앞서 설명한 제1압전소자(1), 제2압전소자(2)를 갖는 액추에이터를 사용한 제2실시예에 따른 이동체(3)의 이동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 5a는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2)의 상부면에 이동체(3)가 놓여진 상태에서 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 압전소자를 이용한 액추에이터는 기판(40) 상부면에 복수의 제1압전소자(1)가 부착되고, 제1압전소자(1) 사이 각각에는 제2압전소자(2)가 부착된다(즉, 도 5a에 도시된 것으로 기준으로 홀수 열(제1열)에는 제1압전소자(1)가 구비되고, 짝수 열(제2열)에는 제2압전소자(2)가 구비된다. 그리고, 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2) 상부면에 이동체(3)가 놓여지게 되고, 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2)에 전압을 인가하는 전압인가수단 및 전압인가수단에 의해 인가되는 전압의 극성과 크기를 제어하는 제어부를 포함한다. Hereinafter, the moving method of the
먼저, 제1압전소자(1)의 제3압전층(30)에 +전압을 인가하여 제1압전소자(1)를 z축 방향으로 인장시키게 된다. 도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제1압전소자(1)가 z축방향으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 이 단계에서 이동체(3)의 하부면은 제1압전소자(1)의 상부면에만 접촉하게 된다. First, a + voltage is applied to the third
그리고, 제1압전소자(1)에 전압을 인가하여 제1압전소자(1)를 +x방향(제1압전층(10)에 +전압인가) 또는 +y방향(제2압전층(20)에 +전압인가)으로 굽히게 된다. 도 5c는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제1압전소자(1)가 z축으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 이 단계에서 이동체(3)는 제1압전소자(1)에 의해 +x방향 또는 +y방향으로 이동하게 된다. Then, a voltage is applied to the first
그리고, 제2압전소자(2)의 제2전극(62) 중 어느 하나에 +전압 또는 -전압을 인가하여 -x방향 또는 -y방향으로 굽히고, 제2전극(62) 모두에 소정의 전압을 인가하여 -x방향 또는 -y방향으로 휘어진 채 z축 방향으로 인장시킨다. 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제2압전소자(2)가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고 z축으로 인장된 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5d에 도시된 바와 같이 이 단계에서 이동체(3)의 하부면은 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2) 상부면 모두에 접촉되어 있음을 알 수 있다.Then, a positive voltage or a negative voltage is applied to any one of the
그리고, 제1압전소자(1)에 인가된 전압을 해제시키게 된다. 이때 제1압전소자(1)의 -x 또는 -y방향으로 움직임에 의해 이동체(3)가 움직이지 않도록 z 방향의 변위를 제어하는 전압을 먼저 해제시킨다. 도 5e는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제2압전소자(2)가 -x 또는 -y방향으로 휘어지고, z축 방향으로 인장되고, 제1압전소자(1)에 인가된 전압이 해제된 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5e에 도시된 바와 같이 이 단계에서 이동체(3)의 하부면은 제2압전소자(2) 상부면에 접촉되어 있음을 알 수 있다.Then, the voltage applied to the first
그리고, 제2압전소자(2)의 제2전극(62) 중 어느 하나에 전압을 인가하여 제2압전소자(2)를 +x방향 또는 +y방향으로 굽히게 된다. 도 5f는 본 발명의 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법에서 제2압전소자(2)가 z축방향으로 인장되고 +x 또는 +y방향으로 휘어진 상태의 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 5f에 도시된 바와 같이 이 단계에서 이동체(3)는 제2압전소자(2)에 의해 +x 또는 +y방향으로 이동됨을 알 수 있다. 또한, 앞서 설명한 도 5a 내지 도 5f 과정을 반복하게 됨으로써, 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2)의 상부면에 놓여진 이동체(3)를 x-y평면 상에서 계속 이동시킬 수 있게 된다.
Then, a voltage is applied to any one of the
이하에서는 하부기판(70)과 탄성부재(71)를 포함하는 또 다른 형태의 압전소자를 이용한 액추에이터와 그 액추에이터를 이용한 이동체(3) 이동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 탄성부재(71)와 하부기판(70)을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 정면도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 압전소자를 이용한 액추에이터는 기판(40) 상부면에는 제2실시예에서와 같이 복수의 제1압전소자(1)가 부착되고, 제1압전소자(1) 사이 각각에는 제2압전소자(2)가 기판(40) 상부면에 부착되게 된다. 그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(40)과 소정간격으로 이격되어 배치되는 하부기판(70)을 구비하고, 하부기판(70)과 기판(40) 사이에는 스프링 등의 탄성부재(71)가 구비됨을 알 수 있다. Hereinafter, an actuator using another type of piezoelectric element including a
이하에서는 앞서 설명한 하부기판(70)을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터를 사용한 이동체(3)의 이동방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 액추에이터를 이용한 이동체(3) 이동방법의 메커니즘은 기본적으로 앞서 설명한 제2실시예에 따른 이동체(3) 이동방법과 동일하다. Hereinafter, the moving method of the
먼저, 도 7a는 본 발명의 제3실시예에 따른 외부원통(80)과 내부원통(90) 사이에 구비된 탄성부재(71)와 하부기판(70)을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 본 발명의 제3실시예에 따른 외부원통(80)과 내부원통(90) 사이에 구비된 탄성부재(71)와 하부기판(70)을 갖는 압전소자를 이용한 액추에이터의 평면도를 도시한 것이다. 또한, 도 7c는 도 7b의 A-A 단면도를 도시한 것이다. First, FIG. 7A illustrates a perspective view of an actuator using a piezoelectric element having an
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 내부원통(90)과 외부 원통(80) 사이에 제3실시예에 따른 압전소자(1,2)를 이용한 액추에이터가 부착된다. 즉, 하부기판(70)은 외부원통(80)의 내면과 결합되게 되며 기판(40)의 상부면에 부착된 제1압전소자(1)와 제2압전소자(2)의 상부면은 탄성부재(71)의 탄성력에 의해 내부원통(90)의 외면과 접촉하게 된다. 따라서, 앞서 설명한 제2실시예에 따른 이동체(3)의 이동방법에 의해 제1압전소자(1)과 제2압전소자(2)에 전압을 인가하여 내부 원통을 축 중심으로 회전시키거나 축 방향으로 이동시킬 수 있게 된다. As shown in FIGS. 7A to 7C, an actuator using the
1:제1압전소자
2:제2압전소자
3:이동체
10:제1압전층
11:제1분리층
20:제2압전층
21:제2분리층
30:제3압전층
40:기판
50:돌출부
60:원통형 압전체
61:제1전극
62:제2전극
70:하부기판
71:스프링
80:외부원통
90:내부원통1: first piezoelectric element
2: second piezoelectric element
3: moving body
10: first piezoelectric layer
11: first separation layer
20: second piezoelectric layer
21: second separation layer
30: third piezoelectric layer
40: Substrate
50: protrusion
60: cylindrical piezoelectric
61: first electrode
62: second electrode
70: lower substrate
71: Spring
80: outer cylinder
90: inner cylinder
Claims (15)
상부면에 상기 제3압전층의 하부면이 결합되어 복수의 상기 제1압전소자가 부착되는 기판; 및
상기 제1압전층, 상기 제2압전층 및 상기 제3압전층 각각에 전압을 인가하는 전압인가수단;을 포함하여 상기 제1압전소자의 상부면에 놓여진 이동체를 x, y 및 z 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
A first piezoelectric layer sheared in the x-axis direction upon application of voltage, a second piezoelectric layer sheared in the y-axis direction upon application of voltage, and disposed between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer A first separation layer for coupling the lower surface of the piezoelectric layer and the upper surface of the second piezoelectric layer, a third piezoelectric layer which is stretched or compressed in the z-axis direction according to the application of a voltage, and between the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer A first piezoelectric element provided in the second piezoelectric layer, the first piezoelectric element having a second separation layer coupling the lower surface of the second piezoelectric layer and the upper surface of the third piezoelectric layer;
A substrate on which a lower surface of the third piezoelectric layer is coupled to an upper surface to which the plurality of first piezoelectric elements are attached; And
At least any one of x, y, and z for the movable body disposed on the upper surface of the first piezoelectric element, including voltage applying means for applying a voltage to each of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer, and the third piezoelectric layer. Actuator using a piezoelectric element, characterized in that moving in one direction.
상기 기판의 상부면에 부착되고 상기 제1압전소자들 사이 각각에 배치되며, 전압이 인가되지 않은 상태에서의 상기 제1압전소자의 높이와 동일한 높이를 갖는 복수의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
The method of claim 1,
And a plurality of protrusions attached to an upper surface of the substrate and disposed between each of the first piezoelectric elements, and having a height equal to that of the first piezoelectric element in a state where no voltage is applied. Actuator using a piezoelectric element.
기판에 부착된 제1압전소자의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계;
전압인가수단에 의해 상기 기판에 부착된 상기 제1압전소자 중 1열에 속한 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 상기 제3압전층을 인장시켜 상기 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계;
전압인가수단에 의해 전압이 인가된 상기 1열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계;
전압인가수단에 의해 상기 제2단계에서 상기 전압이 인가되지 않은 2열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하거나 인가하지 않은 상태에서 2열 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자를 z축 방향으로 인장시켜 상기 2열 제1압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 1열 제1압전소자의 제3압전층의 전압을 해제시키거나 -전압을 가하여 압축시키고, 상기 1열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층의 전압을 해제시키는 제4단계;
전압인가수단에 의해 상기 제4단계에서 전압이 인가된 상기 2열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제5단계; 및
전압인가수단에 의해 상기 제5단계에서 전압이 인가된 상기 2열 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 가하여 압축시키고, 상기 2열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층의 전압을 해제한 후, 상기 1열 및 2열 제1압전소자의 제3압전층의 전압을 해제시키는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
In the method of moving the moving body using the actuator of claim 1,
A first step of placing a movable body on an upper surface of the first piezoelectric element attached to the substrate;
The moving object is moved in the z-axis direction by tensioning the third piezoelectric layer by applying a + voltage to a third piezoelectric layer of the first piezoelectric element belonging to one column of the first piezoelectric elements attached to the substrate by a voltage applying means. Making a second step;
A third step of moving the movable body in the x-axis or y-axis direction by applying a positive voltage or a negative voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first column first piezoelectric element to which voltage is applied by a voltage applying means; ;
The two-column first in the state in which the voltage is applied or not applied to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the two-column first piezoelectric element to which the voltage is not applied in the second step by the voltage applying means. A positive voltage is applied to the third piezoelectric layer of the piezoelectric element to tension the first piezoelectric element in the z-axis direction so that the upper surface of the second row of first piezoelectric elements is brought into contact with the movable body. A fourth step of releasing the voltage of the three piezoelectric layers or compressing the same by applying a voltage, and releasing the voltage of the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first row of first piezoelectric elements;
A voltage applying means applies + voltage or-voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the second column first piezoelectric element to which the voltage is applied in the fourth step to move the movable body in the x-axis or y-axis direction. A fifth step of moving; And
The voltage applying means compresses the third piezoelectric layer of the second column first piezoelectric element to which the voltage is applied in the fifth step by applying a negative voltage, and compresses the first piezoelectric layer or the second piezoelectric element of the second column first piezoelectric element. And a sixth step of releasing the voltage of the third piezoelectric layer of the first and second columns of the first piezoelectric elements after releasing the voltages of the layers.
상기 제5단계와 상기 제6단계 사이에,
전압인가수단에 의해 상기 제5단계에서 상기 전압이 인가되지 않은 1열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압 또는 -전압을 인가하거나 인가하지 않은 상태에서 1열 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 제1압전소자를 z축 방향으로 인장시켜 상기 1열 제1압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 2열 제1압전소자의 제3압전층의 전압을 해제시키거나 -전압을 가하여 압축시키고, 상기 2열 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층의 전압을 해제시키는 제5'단계;를 추가하고,
상기 제3단계 내지 상기 제5'단계를 반복하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 계속 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
The method of claim 3,
Between the fifth step and the sixth step,
In the fifth step by the voltage applying means, the first column first column with or without the + voltage or the negative voltage applied to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first column first piezoelectric element to which the voltage is not applied. A positive voltage is applied to the third piezoelectric layer of the piezoelectric element to tension the first piezoelectric element in the z-axis direction so that the upper surface of the first row of first piezoelectric elements is brought into contact with the movable body. Releasing the voltage of the third piezoelectric layer or compressing by applying a voltage, and releasing the voltage of the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first two piezoelectric elements;
And repeating the third to fifth 'steps to continuously move the movable body in the x-axis or y-axis direction.
기판에 부착된 제1압전소자와 돌출부의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계;
전압인가수단에 의해 상기 기판에 부착된 상기 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 상기 제3압전층를 인장시켜 상기 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계;
전압인가수단에 의해 상기 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 +전압을 인가하여 상기 이동체를 +x축 또는 +y축 방향으로 이동시키는 제3단계;
전압인가수단에 의해 상기 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 인가하여 제1압전소자를 z축방향으로 압축시켜 상기 돌출부의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 인가된 전압을 해제한 후, 상기 제1압전소자의 제3압전층에 인가된 전압을 해제하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
In the method of moving the moving body using the actuator of claim 2,
A first step of placing a movable body on an upper surface of the first piezoelectric element and the protrusion attached to the substrate;
A second step of applying a + voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element attached to the substrate by a voltage applying means to tension the third piezoelectric layer to move the movable body in the z-axis direction;
A third step of applying a + voltage to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer of the first piezoelectric element by a voltage applying means to move the movable body in the + x-axis or + y-axis direction;
The voltage applying means applies a negative voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element to compress the first piezoelectric element in the z-axis direction so that the upper surface of the protruding portion is brought into contact with the movable body. And releasing the voltage applied to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer, and then releasing the voltage applied to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric layer. Method of moving the moving object.
상기 제3단계와 상기 제4단계 사이에,
전압인가수단에 의해 상기 제1압전소자의 제3압전층에 -전압을 인가하여 제1압전소자를 z축방향으로 압축시켜 상기 돌출부의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 제1압전소자의 제1압전층 또는 제2압전층에 -전압을 인가하거나 인가하지 않은 상태에서 상기 제1압전소자의 제3압전층에 +전압을 인가하여 상기 제1압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키는 제3'단계;를 추가하고,
상기 제3단계 내지 상기 제5'단계를 반복하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 계속 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법. 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
6. The method of claim 5,
Between the third step and the fourth step,
The voltage applying means applies a negative voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element to compress the first piezoelectric element in the z-axis direction so that the upper surface of the protruding portion is brought into contact with the movable body. The upper surface of the first piezoelectric element is brought into contact with the movable body by applying a + voltage to the third piezoelectric layer of the first piezoelectric element with or without a-voltage applied to the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer. Add step 3 ';
And repeating the third to fifth 'steps to continuously move the movable body in the x-axis or y-axis direction. Moving method using a piezoelectric element comprising a.
상부면에 상기 원통형 압전체의 하부면이 결합되어 복수의 상기 제2압전소자가 부착되는 기판; 및
상기 제2전극에 전압을 인가하는 전압인가수단;을 포함하여 상기 제2전극 전부에 +전압 또는 -전압을 인가하는 경우 상기 제1전극과의 전압차에 의해 상기 원통형 압전체가 z축 방향으로 인장 또는 압축되고, 상기 제2전극 중 어느 하나에 +전압 또는 -전압을 인가하는 경우 상기 제1전극과의 전압차에 의해 상기 원통형 압전체가 x-y평면에 평행한 평행축을 기준으로 굽힘모멘트를 형성하여 상기 제2압전소자의 상부면에 놓여진 이동체를 x, y 및 z 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
A tubular cylindrical piezoelectric body composed of a piezoelectric material that is tensioned or compressed to a voltage applied portion, a first electrode attached to an inner surface of the cylindrical piezoelectric body and applied with zero or a constant voltage, and coupled to one side of an outer surface of the cylindrical piezoelectric body, A plurality of second piezoelectric elements having a plurality of second electrodes arranged to be spaced apart from each other in a circumferential direction;
A substrate on which a lower surface of the cylindrical piezoelectric body is coupled to an upper surface to which the plurality of second piezoelectric elements are attached; And
Including a voltage applying means for applying a voltage to the second electrode; when the + voltage or-voltage is applied to all of the second electrode, the cylindrical piezoelectric member is stretched in the z-axis direction by the voltage difference with the first electrode Alternatively, when the + voltage or-voltage is applied to any one of the second electrodes, the cylindrical piezoelectric body forms a bending moment based on a parallel axis parallel to the xy plane by the voltage difference with the first electrode. An actuator using a piezoelectric element, characterized in that the moving body placed on the upper surface of the second piezoelectric element is moved in at least one of x, y and z directions.
상기 제2전극은, 상기 제2전극의 길이방향이 상기 원통형 압전체의 중심축 방향과 평행하고, 상기 원통형 압전체의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 배치된 4개로 구성되며,
상기 전압인가수단에 의해 상기 제2전극으로 인가되는 전압을 제어하여 상기 제2압전소자에 의해 이동되는 상기 이동체의 이동거리를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
8. The method of claim 7,
The second electrode is composed of four arranged in the longitudinal direction of the second electrode parallel to the central axis direction of the cylindrical piezoelectric body, spaced apart from each other in the circumferential direction of the cylindrical piezoelectric body,
And a control unit for controlling the moving distance of the moving object moved by the second piezoelectric element by controlling the voltage applied to the second electrode by the voltage applying means.
상기 기판의 상부면에 부착된 상기 제2압전소자 사이 각각에 구비되고, 전압이 인가되지 않은 상태에서의 상기 제2압전소자의 높이와 동일한 높이를 갖는 복수의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
8. The method of claim 7,
It is provided between each of the second piezoelectric elements attached to the upper surface of the substrate, characterized in that it further comprises a plurality of protrusions having the same height as the height of the second piezoelectric element in the state that no voltage is applied; Actuator using piezoelectric element.
제2압전소자 상부면에 구형의 물체를 추가로 부착함으로써 제2압전소자와 이동체 사이의 접촉면을 항상 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
8. The method of claim 7,
An actuator using a piezoelectric element, characterized in that the contact surface between the second piezoelectric element and the moving body is always kept constant by additionally attaching a spherical object to the upper surface of the second piezoelectric element.
기판에 부착된 제2압전소자의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계;
전압인가수단에 의해 상기 기판에 부착된 상기 제2압전소자 중 1열에 속한 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 상기 원통형 압전체를 z축방향으로 인장시켜 상기 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계;
전압인가수단에 의해 전압이 인가된 상기 1열 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계;
전압인가수단에 의해 상기 제2단계에서 상기 전압이 인가되지 않은 2열 제2압전소자의 제1전극 중 어느 하나에 + 또는 -전압을 인가하거나 인가하지 않은 상태에서 제2열 제2압전소자의 제2전극 모두에 소정의 +전압을 더 인가하여 상기 2열 제2압전소자를 z축방향으로 인장시켜 상기 2열 제2압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 1열 제2압전소자의 전압을 해제시키거나 상기 1열 제2압전소자의 상기 제2전극 모두에 -전압을 인가하여 z축방향으로 압축시키는 제4단계; 및
전압인가수단에 의해 상기 제4단계에서 전압이 인가된 2열 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제5단계;
전압인가수단에 의해 상기 제5단계에서 전압이 인가된 2열 제2압전소자의 제2전극 모두에 -전압을 인가하여 z축방향으로 압축시킨 후 상기 제5단계에서 제2열 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 더 인가된 +전압을 해제하고, 제2열 제2압전소자의 제2전극에 인가된 모든 전압을 해제시키는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
In the method of moving the moving body using the actuator of claim 7,
A first step of placing a movable body on an upper surface of the second piezoelectric element attached to the substrate;
A positive voltage is applied to all of the second electrodes of the second piezoelectric elements belonging to one column of the second piezoelectric elements attached to the substrate by a voltage applying means to tension the cylindrical piezoelectric body in the z-axis direction, thereby moving the movable body in the z-axis direction. Moving to a second step;
A third step of moving the movable body in the x-axis or y-axis direction by further applying a + voltage to any one of the second electrodes of the first column second piezoelectric element to which voltage is applied by a voltage applying means;
By the voltage applying means in the second step of the second column of the second piezoelectric element in the state that the + or-voltage is applied or not applied to any one of the first electrode of the second column of the second piezoelectric element A predetermined + voltage is further applied to both of the second electrodes to tension the second row of second piezoelectric elements in the z-axis direction so that the upper surface of the second row of second piezoelectric elements is brought into contact with the movable body, and the first row of second piezoelectric elements A fourth step of releasing the voltage of the device or compressing it in the z-axis direction by applying a negative voltage to all of the second electrodes of the first row second piezoelectric elements; And
A fifth step of moving the movable body in the x-axis or y-axis direction by further applying a + voltage to any one of the second electrodes of the second row second piezoelectric element to which the voltage is applied in the fourth step by a voltage applying means;
After applying the voltage to both of the second electrodes of the second column second piezoelectric element to which the voltage was applied in the fifth step by the voltage applying means, compressing the voltage in the z-axis direction, and then in the fifth step, the second column second piezoelectric element. And a sixth step of releasing the + voltage applied to any one of the second electrodes of the second electrode and releasing all the voltages applied to the second electrodes of the second column second piezoelectric elements. Moving method of moving object.
상기 제5단계와 상기 제6단계 사이에,
전압인가수단에 의해 상기 1열 제2압전소자의 제1전극 중 어느 하나에 + 또는 -전압을 인가하거나 인가하지 않은 상태에서 제1열 제2압전소자의 제2전극 모두에 소정의 +전압을 더 인가하여 상기 1열 제2압전소자를 z축방향으로 인장시켜 상기 1열 제2압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 2열 제2압전소자의 전압을 해제시키거나 상기 2열 제2압전소자의 상기 제2전극 모두에 -전압을 인가하여 z축방향으로 압축시키는 제5`단계;를 추가하고,
상기 제3단계 내지 상기 제5`단계를 반복하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 계속 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
12. The method of claim 11,
Between the fifth step and the sixth step,
A predetermined + voltage is applied to both the second electrodes of the first column second piezoelectric elements with or without a voltage applied to either one of the first electrodes of the first column second piezoelectric elements by the voltage applying means. Further, the first column of second piezoelectric element is stretched in the z-axis direction to contact the upper surface of the first column of second piezoelectric element to the movable body, and the voltage of the second column of second piezoelectric element is released or the second column of second piezoelectric element is released. Adding a fifth voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element to compress in the z-axis direction;
And repeating the third to fifth steps to continuously move the movable body in the x-axis or y-axis direction.
기판에 부착된 제2압전소자와 돌출부의 상부면에 이동체를 놓는 제1단계;
전압인가수단에 의해 상기 기판에 부착된 상기 제2압전소자의 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 상기 원통형 압전체를 인장시켜 상기 이동체를 z축방향으로 이동시키는 제2단계;
전압인가수단에 의해 전압이 인가된 상기 제2압전소자의 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 더 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축방향으로 이동시키는 제3단계;
전압인가수단에 의해 상기 제2압전소자의 제2전극 모두에 대해 -전압을 인가하여 상기 제2압전소자를 z축방향으로 압축시켜 상기 돌출부의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키는 제4단계; 및
전압인가수단에 의해 상기 제2전극 모두에 +전압을 인가하여 상기 제2압전소자의 상부면을 상기 이동체에 접촉시키고, 상기 제2전극 중 어느 하나에 +전압을 인가하여 상기 이동체를 x축 또는 y축 방향으로 이동시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 이동체의 이동방법.
In the method of moving the moving body using the actuator of claim 9,
A first step of placing a moving body on an upper surface of the second piezoelectric element and the protrusion attached to the substrate;
A second step of applying a positive voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element attached to the substrate by voltage applying means to tension the cylindrical piezoelectric body to move the movable body in the z-axis direction;
A third step of moving the movable body in the x-axis or y-axis direction by further applying a + voltage to any one of the second electrodes of the second piezoelectric element to which voltage is applied by a voltage applying means;
A fourth step of applying a -voltage to all of the second electrodes of the second piezoelectric element by a voltage applying means to compress the second piezoelectric element in the z-axis direction to contact the upper surface of the protrusion with the movable body; And
A voltage applying means applies a positive voltage to all of the second electrodes to contact the upper surface of the second piezoelectric element with the movable body, and applies a + voltage to any one of the second electrodes to form the x-axis or The fifth step of moving in the y-axis direction; Moving method using a piezoelectric element comprising a.
상기 기판의 하부측에 상기 기판과 소정간격으로 이격되어 구비된 하부기판 및
상기 하부기판과 상기 기판 사이에 구비된 복수의 탄성부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터.
8. The method of claim 1 or 7,
A lower substrate spaced apart from the substrate at a predetermined interval on a lower side of the substrate;
Actuator using a piezoelectric element further comprises a; a plurality of elastic members provided between the lower substrate and the substrate.
외부면이 상기 제1압전소자 및 상기 제2압전소자의 상부면에 접촉되는 내부원통; 및
내부면이 상기 하부기반의 하부면과 결합되는 외부원통을 포함하여 상기 제1압전소자와 상기 제2압전소자의 상부면에 접촉되는 상기 내부원통을 중심축 기준으로 이동 또는 회전시키는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 액추에이터. The method of claim 14,
An inner cylinder whose outer surface contacts the upper surfaces of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; And
An inner surface includes an outer cylinder coupled to the lower surface of the lower base to move or rotate the inner cylinder in contact with the upper surface of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element relative to the central axis. Actuator using piezoelectric element.
Priority Applications (1)
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KR1020110122504A KR20130056754A (en) | 2011-11-22 | 2011-11-22 | Piezoelectric actuator and drivng method of piezoelectric actuator |
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KR1020110122504A KR20130056754A (en) | 2011-11-22 | 2011-11-22 | Piezoelectric actuator and drivng method of piezoelectric actuator |
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KR1020110122504A KR20130056754A (en) | 2011-11-22 | 2011-11-22 | Piezoelectric actuator and drivng method of piezoelectric actuator |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20160041668A (en) * | 2014-10-08 | 2016-04-18 | 광운대학교 산학협력단 | Piezoelectric energy harvester including hollow piezoelectric members |
CN111338038A (en) * | 2020-04-10 | 2020-06-26 | 季华实验室 | Optical fiber coupling adjusting device and adjusting method thereof |
-
2011
- 2011-11-22 KR KR1020110122504A patent/KR20130056754A/en not_active Application Discontinuation
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CN111338038A (en) * | 2020-04-10 | 2020-06-26 | 季华实验室 | Optical fiber coupling adjusting device and adjusting method thereof |
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