KR20150065497A - 자체감지가 가능한 적응형 굽힘 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 서로 반대측에 형성되는 제1 및 제2 면을 구비하며 일방향으로 연장되고 휘어짐이 가능하도록 형성되는 탄성 플레이트, 및 상기 제1 및 제2 면에 각각 적어도 하나 장착되고 상기 탄성 플레이트를 중심으로 대칭적으로 배치되며 전압이 인가되면 기계적 변형이 발생하는 압전소자를 포함하고, 상기 압전소자는, 상기 탄성 플레이트의 굽힘을 유발시키도록 상기 제1 및 제2 면 중 어느 한 면에 배치되는 압전소자에 전압이 인가되면 팽창 또는 수축되는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체를 제공한다.

Description

자체감지가 가능한 적응형 굽힘 구조체{ADAPTIVE BENDING STRUCTURE CAPABLE OF SELFSENSING}
본 발명은 압전소자를 이용하여 굽힘변형을 발생시키는 굽힘 구조체에 관한 것이다.
종래의 회전 발생 장치 또는 굽힘 운동을 발생시키는 장치는 스트로크 발생장치, 크랭크축, 랙과 피니언을 이용하여 직선 운동을 회전 운동으로 변환하거나, 지렛대 원리를 이용하여 특정한 피벗점을 중심으로 회전운동을 만들어내는 방식을 사용하였다. 이들 장치는 각기 다른 종류의 회전 변환 방식을 취하고 있으나, 궁극적으로는 직선 운동을 하는 장치를 이용하여 스트로크를 발생시키며, 이를 다시 회전운동 하는 기계요소를 통하여 회전운동으로 변환하는 점에서 공통점을 갖는다.
그런데 이러한 종래의 방식은 고출력을 갖는 장치 또는 대형 장치에 적합하지만, 소형화된 장치 또는 설치되는 공간이 한정된 경우에는 적합하지 않다. 더군다나 이러한 장치들을 제한된 범위의 미소 회전각이 필요한 상황에는 적합하지 않다.
크랭크축을 적용하는 장치는 일반적으로 고속, 고하중, 360도 회전에 유리하지만, 소형 장치 또는 한정된 공간에서 사용하기에는 불리하다. 랙과 피니언 구조는 한정된 범위 내에서 직선 및 회전 운동의 변환에 유리하지만 정밀제어를 해야 하는 경우에는 정밀한 가공이 필요하다. 또한, 기어가 적용된 장치에서 주로 발생하는 백래시 현상으로 인하여 정밀한 장치에는 적용이 적합하지 않다. 지렛대 원리를 이용하는 경우에는, 지렛대 피벗점에서 발생하는 회전을 만들어내기 위해 지나치게 큰 스트로크가 요구되므로, 한정된 공간에 적용하는 것으로는 바람직하지 않다.
또한, 이들 장치는 스트로크 및 회전 변환의 경로를 만들어내기 위해서 선형모터와 유압장치를 사용하도록 되어 있는데, 유압장치는 작동 속도가 느리기 때문에 신속한 작동이 필요한 분야에는 적합하지 않다. 그리고 이와 같은 장치를 제어하기 위해서는 별도의 선형 엔코더 또는 각도 엔코더와 같은 위치 측정기를 별도로 설치하여야 하는데, 한정된 공간에 설치하기에는 적합하지 않다.
따라서, 한정된 공간에 설치되어 미소 회전변형을 발생시킬 수 있으며, 상기 회전변형의 변위측정이 가능한 굽힘 구조체의 개발이 고려될 수 있다.
본 발명은 압전소자를 이용하여 한정된 공간에서 설치가 가능하며, 미소 회전변형을 발생시키는 동시에 상기 회전변형의 크기를 측정할 수 있는 굽힘 구조체를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 구조체는, 서로 반대측에 형성되는 제1 및 제2 면을 구비하며 일방향으로 연장되고 휘어짐이 가능하도록 형성되는 탄성 플레이트, 및 상기 제1 및 제2 면에 각각 적어도 하나 장착되고 상기 탄성 플레이트를 중심으로 대칭적으로 배치되며 전압이 인가되면 기계적 변형이 발생하는 압전소자를 포함하고, 상기 압전소자는 상기 탄성 플레이트의 굽힘을 유발시키도록 상기 제1 및 제2 면 중 어느 한 면에 배치되는 압전소자에 전압이 인가되면 팽창 또는 수축된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 압전소자는 기계적 변형이 발생되면 전압을 발생시키도록 형성되고, 상기 탄성 플레이트의 굽힘 발생시, 전압이 인가되지 않은 압전소자에서 발생되는 기계적 변형에 따라 발생되는 전압의 변화로부터 상기 탄성 플레이트의 굽힘 정도를 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 굽힘 구조체는 일방향으로 연장되게 형성되고 제1 수용부를 구비하며 상기 제1 수용부에 상기 탄성 플레이트의 어느 일부가 삽입되는 바디부, 및 일방향으로 연장되게 형성되며 제2 수용부를 구비하고 상기 제2 수용부에 상기 탄성 플레이트의 다른 일부가 삽입되어 상기 바디부와 연결되는 구동부를 더 포함하고, 상기 바디부를 중심으로 상기 구동부를 틸트(tilt)시키도록, 상기 바디부는 움직임이 고정되고, 상기 구동부는 상기 제1 및 제2 면 중 어느 한 면에 장착되는 압전소자에 전압이 인가됨에 따라 상기 바디부에 대하여 상대이동되게 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 수용부에는 각각 제1 및 제2 홈이 형성되고, 상기 제1 홈에 삽입되는 제1 연결부재, 및 상기 제2 홈에 삽입되는 제2 연결부재를 더 포함하고, 상기 탄성 플레이트의 양 단부가 각각 상기 제1 및 제2 연결부재에 결합되어 상기 바디부와 상기 구동부를 연결시킬 수 있다.
상기 구동부는 상기 제1 및 제2 수용부에 수용된 상기 탄성 플레이트를 감싸도록, 상기 바디부와 서로 마주보는 일면이 적어도 일부 서로 접한 상태를 유지하며 기 설정된 범위 내에서 회전 가능하게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 압전소자는, 상기 제1 및 제2 면에 각각 복수로 장착되며, 상기 복수의 압전소자는 각각 서로 일정거리 이격되어 배열(arrangement) 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 굽힘 구조체는 한정된 공간에 설치가 가능하며, 미소 회전변형을 발생시킬 수 있어, 굽힘 구조체가 이용되는 장치의 제어 정밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 굽힘 구조체는 미소 회전변형의 변위를 측정하기 위한 별도의 센서를 장착하지 않고, 압전소자의 특성을 이용하여 하나의 장치에서 굽힘변형의 발생과 변위의 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 구조체의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 굽힘 구조체의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 구동부가 제1 방향으로 이동한 상태를 나타낸 개념도.
도 4는 도 2에 도시된 구동부가 제2 방향으로 이동한 상태를 나타낸 개념도.
이하, 본 발명의 굽힘 구조체에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 구조체(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 굽힘 구조체(100)의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 구동부(150)가 제1 방향(A)으로 이동한 상태를 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 2에 도시된 구동부(150)가 제2 방향(B)으로 이동한 상태를 나타낸 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 구조체(100)는 탄성 플레이트(110) 및 압전소자(120,130)를 포함한다.
탄성 플레이트(110)는 제1 및 제2 면(110a,110b)을 구비한다. 제1 및 제2 면(110a,110b)은 서로 반대측에 형성되며, 제1 및 제2 면(110a,110b)은 평탄하게 형성되는 것이 바람직하다. 탄성 플레이트(110)는 일방향으로 연장되게 형성되고, 외력에 의해 휘어짐이 가능하도록 형성된다. 상기 탄성 플레이트(110)는 휘어짐이 발생하면 소성변형이 이루어지는 재질로 이루어지거나, 탄성 플레이트(110)의 휘어짐을 발생시키는 외력이 제거되면, 휘어짐이 발생되기 전 상태로 복원되는 재질로 이루어질 수도 있다.
압전소자(120,130)는 제1 및 제2 면(110a,110b)에 각각 적어도 하나 장착된다. 예를 들어, 압전소자(120,130)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 면(110a,110b)에 각각 복수로 장착될 수 있고, 제1 및 제2 면(110a,110b)에 각각 하나씩만 장착될 수도 있다. 그리고, 압전소자(120,130)의 형상은 사각형으로 도시되었으나, 원형 또는 사각형이 아닌 다른 형태의 다각형일 수도 있다. 또한, 탄성 플레이트(110)를 중심으로 대칭적으로 배치된다.
이하, 압전소자(120,130)는, 상기 제1 면(110a)에 배치되는 압전소자를 제1 압전소자(120), 상기 제2 면(110b)에 배치되는 압전소자를 제2 압전소자(130)라고 지칭한다.
압전소자(120,130)는 상기 탄성 플레이트(110)의 굽힘을 유발시키도록, 제1 및 제2 면(110a,110b) 중 어느 한 면에 배치되는 압전소자(120,130)에 전압이 인가되면 기계적 변형이 발생한다. 상기 기계적 변형은 예를 들어, 압전소자(120,130)의 팽창 또는 수축일 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 및 제2 면(110a,110b) 중 어느 한 면에 배치되는 압전소자(120,130)에 전압을 인가하면, 압전소자(120,130)은 팽창 또는 수축하는 변형이 발생하게 된다. 압전소자(120,130)은 제1 및 제2 면(110a,110b) 중 어느 한 면에만 변형을 발생시킨다.
이에 따라, 휘어짐이 가능하도록 형성되는 탄성 플레이트(110)는 제1 및 제2 면(110a,110b) 중 어느 한 면이 바라보는 방향으로 굽힘이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 압전소자(120,130)가 전압이 인가되면 팽창이 이루어지는 경우, 제1 압전소자(120)에 전압을 인가시키면, 상기 탄성 플레이트(110)는 제2 면(110b)이 바라보는 방향으로 굽힘이 발생된다. 반대로, 압전소자(120,130)가 전압이 인가되면 수축이 이루어지는 경우, 제1 압전소자(120)에 전압을 인가시키면, 상기 탄성 플레이트(110)는 제1 면(110a)이 바라보는 방향으로 굽힘이 발생된다.
또한, 압전소자(120,130)는 제1 및 제2 면(110a,110b)에 각각 복수로 장착되며, 상기 복수의 압전소자(120,130)는 각각 서로 일정거리 이격되어, 도 1에 도시된 바와 같이 배열(arrangement) 형태로 배치될 수 있다. 이에 따라, 각각의 압전소자(120,130)에 인가시키는 전압의 크기를 조절함으로써, 보다 정말한 굽힘 변형을 발생시킬 수 있다. 또한, 복수의 압전소자(120,130) 중 일부 압전소자(120,130)가 고장 등의 이유로 작동이 불가능할 경우, 작동 가능한 다른 압전소자(120,130)가 작동 가능하므로 임시적으로 굽힘 변형을 발생시킬 수 있으며, 그리고 고장이 발생한 압전소자(120,130)만 교체할 수 있으므로 굽힘 구조체(100)의 유지보수에 대한 경제성을 향상시킬 수 있다.
압전소자(120,130)는 기계적 변형이 발생되면 전압을 발생시키도록 형성될 수 있고, 굽힘 구조체(100)는 탄성 플레이트(110)의 굽힘 정도를 측정하는 측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄성 플레이트(110)의 굽힘 발생시, 전압이 인가되지 않은 압전소자(120,130)는 상기 굽힘 변형으로 인하여 기계적 변형이 발생된다. 이때, 압전소자(120,130)은 상기 기계적 변형에 의해 전압을 발생시키고, 탄성 플레이트(110)의 굽힘 변형에 따라 발생되는 전압의 변화를 측정한다. 그리고 상기 측정부는 기 설정된 굽힘 변위에 대한 전압의 변화로부터, 상기 탄성 플레이트(110)의 굽힘 정도를 측정할 수 있다.
굽힘 구조체(100)는 바디부(140), 및 구동부(150)를 더 포함할 수 있다.
바디부(140)는 일방향으로 연장되게 형성되고, 일면에서 리세스되는 제1 수용부(142)를 구비하며, 제1 수용부(142)에 탄성 플레이트(110)의 일부가 삽입된다.
구동부(150)는 바디부(140)와 같이 일방향으로 연장되게 형성되고, 일면에서 리세스되는 제2 수용부(152) 구비하며, 제2 수용부(152)에 탄성 플레이트(110)의 다른 일부가 삽입된다. 이에 따라, 상기 바디부(140)와 구동부(150)는 탄성 플레이트(110)에 의해 연결되며, 바디부(140)를 중심으로 구동부(150)를 틸트(tilt)시킬수 있다.
보다 구체적으로, 굽힘 구조체(100)는 바디부(140)의 움직임은 고정시키고, 구동부(150)의 움직임은 허용하여 외팔보(cantilever) 형태로 형성된다. 이때, 제1 및 제2 면(110a,110b) 중 어느 한 면에 장착되는 압전소자(120,130)에 전압이 인가됨에 따라, 탄성 플레이트(110)의 굽힘이 발생하여 탄성 플레이트(110)와 연결된 구동부(150)를 바디부(140)에 대하여 상대이동시킬 수 있다.
예를 들어, 압전소자(120,130)가 전압이 인가되면 수축이 이루어지는 경우, 제1 압전소자(120)에 전압을 인가시키면, 상기 탄성 플레이트(110)는 제1 면(110a)이 바라보는 방향으로 굽힘이 발생된다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 구동부(150)는 제1 방향(A)으로 바디부(140)에 대하여 상대이동하여 굽힘 구조체(100)의 굽힘을 발생시킨다.
반대로, 제2 압전소자(130)에 전압을 인가시키면, 상기 탄성 플레이트(110)는 제2 면(110b)이 바라보는 방향으로 굽힘이 발생된다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 구동부(150)는 제2 방향(B)으로 바디부(140)에 대하여 상대이동하여 굽힘 구조체(100)의 굽힘을 발생시킨다. 이때, 전압이 인가되지 않은 제1 압전소자(120)는 상기 굽힘에 의한 기계적 변형에 의해 발생되는 전압의 변화를 측정하고, 상기 측정부는 상기 제1 압전소자(120)가 측정한 전압의 변화로부터 굽힘 구조체(100)의 굽힘 정도를 측정할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수용부(142,152)에는 각각 제1 및 제2 홈(144,154)이 형성되고, 굽힘 구조체(100)는 제1 연결부재(160), 및 제2 연결부재(170)를 더 포함할 수 있다.
제1 연결부재(160)는 상기 제1 홈(144)에 삽입되며, 제2 연결부재(170)는 제2 홈(154)에 삽입된다. 그리고, 탄성 플레이트(110)의 양 단부가 각각 제1 및 제2 연결부재(160,170)에 결합되어 바디부(140)와 구동부(150)를 연결시킨다. 이에 따라, 탄성 플레이트(110)의 굽힘 발생시, 제1 및 제2 연결부재(160,170)가 탄성 플레이트(110)로부터 힘을 전달받아 구동부(150)를 바디부(140)에 대하여 보다 안정적으로 상대이동시킬 수 있다.
또한, 구동부(150)는 제1 및 제2 수용부(142,152)에 수용된 탄성 플레이트(110)를 감싸도록, 바디부(140)와 서로 마주보는 일면이 적어도 일부 서로 접한 상태를 유지하며 기 설정된 범위 내에서 회전 가능하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄성 플레이트(110)는 바디부(140)와 구동부(150)에 의해 밀폐되어 외부로부터 침투하는 이물질로 인한 고장 또는 파손을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정됨은 아니고, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.
100 : 굽힘 구조체 110 : 탄성 플레이트
120 : 제1 압전소자 130 : 제2 압전소자
140 : 바디부 150 : 구동부
160 : 제1 연결부재 170 : 제2 연결부재

Claims (6)

  1. 서로 반대측에 형성되는 제1 및 제2 면을 구비하며, 일방향으로 연장되고, 휘어짐이 가능하도록 형성되는 탄성 플레이트; 및
    상기 제1 및 제2 면에 각각 적어도 하나 장착되고, 각각 상기 탄성 플레이트를 중심으로 대칭적으로 배치되며, 전압이 인가되면 기계적 변형이 발생하는 압전소자를 포함하고,
    상기 압전소자는, 상기 탄성 플레이트의 굽힘을 유발시키도록 상기 제1 및 제2 면 중 어느 한 면에 배치되는 압전소자에 전압이 인가되면 팽창 또는 수축되는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는 기계적 변형이 발생되면 전압을 발생시키도록 형성되고,
    상기 탄성 플레이트의 굽힘 발생시, 전압이 인가되지 않은 압전소자에서 발생되는 기계적 변형에 따라 발생되는 전압의 변화로부터 상기 탄성 플레이트의 굽힘 정도를 측정하는 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    일방향으로 연장되게 형성되고, 제1 수용부를 구비하며, 상기 제1 수용부에 상기 탄성 플레이트의 어느 일부가 삽입되는 바디부; 및
    일방향으로 연장되게 형성되며, 제2 수용부를 구비하고, 상기 제2 수용부에 상기 탄성 플레이트의 다른 일부가 삽입되어 상기 바디부와 연결되는 구동부를 더 포함하고,
    상기 바디부를 중심으로 상기 구동부를 틸트(tilt)시키도록, 상기 바디부는 움직임이 고정되고, 상기 구동부는 상기 제1 및 제2 면 중 어느 한 면에 장착되는 압전소자에 전압이 인가됨에 따라 상기 바디부에 대하여 상대이동되게 형성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수용부에는 각각 제1 및 제2 홈이 형성되고,
    상기 제1 홈에 삽입되는 제1 연결부재; 및
    상기 제2 홈에 삽입되는 제2 연결부재를 더 포함하고,
    상기 탄성 플레이트의 양 단부가 각각 상기 제1 및 제2 연결부재에 결합되어 상기 바디부와 상기 구동부를 연결시키는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제1 및 제2 수용부에 수용된 상기 탄성 플레이트를 감싸도록, 상기 바디부와 서로 마주보는 일면이 적어도 일부 서로 접한 상태를 유지하며 기 설정된 범위 내에서 회전 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는, 상기 제1 및 제2 면에 각각 복수로 장착되며, 상기 복수의 압전소자는 각각 서로 일정거리 이격되어 배열(arrangement) 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 굽힘 구조체.














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