KR20150076086A - 정밀 복원 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노미터 스케일 정밀 액츄에이터에 관련된다. 본 발명에 따르면, 액츄에이터 (10, 100) 는 베이스 (11), 중간 구조체 (12) 및 출력 인터페이스 (13) 를 포함한다. 액츄에이터 (10) 는 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 각각, 동일한 길이 방향 (50) 에서 제어가능한 확장을 생성하는 두개의 리니어 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 을 포함한다. 두개의 엘리먼트들 중 제 1 엘리먼트 (14) 는 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부 및 베이스 (11) 상에 고정된 제 2 단부를 갖고, 두개의 엘리먼트들 중 제 2 엘리먼트 (15) 는 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부와 출력 인터페이스 (13) 상에 고정된 제 2 단부를 갖는다. 베이스 (11) 와 중간 구조체 (12) 는 베이스에 대하여, 제 2 엘리먼트 (15) 의 제어가능한 확장이 제 1 방향 (51) 으로 액츄에이터 (10) 의 변위를 생성하고, 제 1 엘리먼트 (14) 의 제어가능한 확장이 제 1 방향 (51) 에 반대 방향인 제 2 방향 (52) 으로 액츄에이터 (10) 의 변위를 생성하는 방식으로 포지셔닝된다.

Description

정밀 복원 액츄에이터{PRECISION RETURN ACTUATOR}

본 발명은 나노미터 스케일 정밀 액츄에이터에 관련되고, 예를 들어, 액티브 광학 애플리케이션에 대한 스페이스 애플리케이션들의 분야에 이용될 수 있다.

망원경은 또한 1차 미러라 불리는 메인 미러를 갖는다. 1차 미러는 광선들을 망원경의 초점에 다시 반사시키는 2차 미러를 향하여 광선들을 집중시킨다. 1차 미러는 예를 들어 중력의 영향 하에서 변형되지 않아야 한다. 종종, 중간 변형가능 미러를 이용하여 1차 미러의 결함들을 수정한다. 그리고 중간 미러는 하나 이상의 액츄에이터들에 의해 변형된다.

액티브 광학 애플리케이션에 대해, 매우 높은 정밀도와 안정도를 가진 액츄에이터가 요구된다. 나노미터 레벨 정밀도, 즉, 나노미터의 오더를 갖는 것이 매우 바람직할 수도 있다. 이상적으로, 액츄에이터는 자신의 초기 포지션을 중심으로 가장 잘 동작해야 한다. 이는 또한 기계적 영점을 중심으로 대칭적인 움직임을 갖는 것으로 언급되는 것이다. 마지막으로, 문헌에서 CTE 로 표기된 그 팽창 계수는 가능한 낮아야 한다.

여러 애플리케이션 분야들에서, 정밀 액츄에이터들이 요구된다. 정밀 액츄에이터들 중에서, 압전 액츄에이터들이 언급될 수도 있다.

다이렉트 압전 효과는 특정한 결정들 또는 세라믹들로의 기계적 부하의 인가가 재료의 표면 상에 전하들을 나타나게 하는 특성이다. 다이렉트 압전 효과는 압력 센서들과 같은 센서들의 설계에서 활용될 수도 있다.

역 압전 효과는 전기장이 압전 재료에 인가될 때의 압전 재료의 변형 특성이다. 역 압전 효과는 액츄에이터들이 설계되도록 허용한다.

매우 많은 수의 압전 재료들이 존재한다. 가장 잘 알려진 재료는 석영이다. 그러나, 오늘날 산업에서 널리 이용되는 것은 (문헌에서 LZT 라 또한 불리는 납 지르코늄 티타네이트를 대표하는) 합성 세라믹 PZT 이다.

두가지 주요 타입들의 압전 액츄에이터들이 존재한다. 액츄에이터의 첫번째 타입은 다이렉트 액츄에이터로서, 얻어진 변위는 압전 재료의 변형과 동일하다. 다이렉트 액츄에이터들은 0 과 100 마이크로미터 사이의 움직임이 얻어지도록 허용한다. 액츄에이터의 두번째 타입은 증폭형 액츄에이터들을 포함하며 여기에서 기계적 디바이스는 이 이동성을 2 내지 20 의 인수만큼 증폭시킨다. 증폭형 액츄에이터들은 일반적으로 0.1 mm 와 1 mm 사이의 범위에서의 움직임을 갖는다.

오늘날, 압전 액츄에이터들에 통상 이용되는 것으로서, (또한 문헌에서는 다층 어레이를 대표하는 MLA로서 알려진) 다층 세라믹이 있다. 이 타입의 재료의 통합은 특별한 대책 수단들을 부여한다. 기계적 압축 응력 (pre-stress) 을 제공하거나 또는 비틀림력 (torsion force) 들을 방지하는 필요성이 특히 언급될 수도 있다. 우수한 설계 및 구현의 제공의 조건에서는, 압전 액츄에이터들은 매우 신뢰성있고 견고성을 갖는다.

이들의 신뢰성 및 견고성은 압전 액츄에이터가 스페이스 애플리케이션들의 분야에 이용되는 것을 가능하게 하였다. 이들은 또한 예를 들어 나노포지셔닝, 진동들의 생성 및 진동들의 액티브 제어에 이용된다.

오늘날, 스페이스 애플리케이션들의 분야와 별개로, 압전 액츄에이터들은 수개의 영역들에 이용된다. 다음이 특히 언급될 수도 있다:

ㆍ 진동들의 생성에 의한 머시닝 지원 산업에서;

ㆍ 압전 재료들에 의해 수행되는 자동화 산업에서의 특정 인젝터들의 제어. 이 기술은 특히, 연료 제어의 프로세스가 잘 제어되도록 허용함:

ㆍ 페이퍼 상에 분사되는 미세 액적들을 제조하는 압전 엘리먼트들을 이용하는 일부 잉크젯 프린터.

현재, 프리스트레싱프리스트레싱 액츄에이터는 중간 미러를 변형하는데 이용된다. 정지 상태에서, 액츄에이터는 또한 기계적 영점의 포지션으로서 지칭되는 자신의 초기 또는 기준 포지션에 있는 것으로 한다. 이러한 액츄에이터의 움직임은 비대칭적이다. 예를 들어, 액츄에이터는 -5 ㎛와 +40 ㎛ 사이의 범위에서의 움직임을 갖는다. 움직임의 중심 시프트에 있어 어려움이 존재하며 이는 중앙 포지션에서 상당한 전압 오프셋을 가짐을 내포한다. 이 경우, 초기 포지션은 더이상 원하는 기계적 영점이 아니다.

다른 솔루션은 반대로 (또한 문헌에서는 "푸시-풀"이라 지칭됨) 연결되는 두개의 액츄에이터들을 이용하는 것으로 구성되는데 이 경우 이들의 힘이 함께 더해진다. 각각의 액츄에이터는 자신이 작동될 때 다른 것을 변형시켜야 한다. 이 솔루션은 단지 제한된 움직임만을 허용한다. 보다 구체적으로, 액츄에이터들은 상보적 변위를 갖는다. 그러나, 변위의 비대칭성은 중간 포인트 또는 정지 상태에서 여력 (residual force) 을 초래한다. 일련의 푸시-풀은 일정한 움직임을 위한 힘을 두배로 한다.

따라서, 압전 액츄에이터 단독의 이용은 원하는 대칭적 움직임이 얻어지는 것을 허용하지 않는 것으로 관찰된다. 시스템을 프리스트레싱하고 기계적 영점을 오프셋하는 것이 요구된다. 이는 액츄에이터가 엔드 포지션에서 차단되어 버리는 잠재적인 실패 케이스를 문제가 되게 한다.

"푸시 풀" 모드에서의 액츄에이터의 이용은 알려진 바람직한 솔루션이다. 그럼에도 불구하고, 이는 액츄에이터의 전체 움직임을 감소시키고, 원하는 움직임을 획득하기 위하여 대형 액츄에이터들의 이용을 강제하게 된다.

마지막으로, 감속 (de-multiplication) 이 얻어지는 것을 허용하는 마이크로모터, 변형기 (reducer) 및 스크류를 가진 액츄에이터의 이용이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 감속은 이후 너무 커져 버릴 수도 있는 액츄에이터의 움직임 요건을 증가시킨다. 따라서, 이 타입의 액츄에이터는 스페이스 애플리케이션 용으로 설계될 수 없다.

본 발명은 자신의 초기 포지션을 중심으로 대칭적인 움직임 및 제어된 팽창 계수를 갖도록 동작할 수 있는 정밀 액츄에이터를 제공함으로써 상술한 문제의 일부 또는 전부를 극복하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명의 일 청구물은 액츄에이터로서,

- 베이스,

- 중간 구조체,

- 출력 인터페이스를 포함하고,

제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 각각, 동일한 길이 방향에서 제어가능한 확장을 생성하는 두개의 리니어 엘리먼트들을 포함하며, 두개의 엘리먼트들 중 제 1 엘리먼트는 중간 구조체 상에 고정된 제 1 단부 및 베이스 상에 고정된 제 2 단부를 갖고, 두개의 엘리먼트들 중 제 2 엘리먼트는 중간 구조체 상에 고정된 제 1 단부와 출력 인터페이스 상에 고정된 제 2 단부를 가지며,

베이스와 중간 구조체는 베이스에 대하여, 제 2 엘리먼트의 제어가능한 확장이 제 1 방향으로 액츄에이터의 변위를 생성하고, 제 1 엘리먼트의 제어가능한 확장이 제 1 방향에 반대 방향인 제 2 방향으로 액츄에이터의 변위를 생성하는 방식으로 포지셔닝된다.

예로 들어 제시된 일 실시형태의 상세한 설명을 읽을 때 본 발명이 보다 잘 이해되고 다른 이점들이 명백해 질 것이며, 상세한 설명은 첨부된 도면에 의해 예시된다.
도 1 은 본 발명에 따른 액츄에이터를 구조적으로 나타낸다.
도 2 는 액츄에이터에 대한 전원 공급 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 3a 는 액츄에이터 상의 변형 게이지의 배치를 개략적으로 나타낸다.
도 3b 는 변형 게이지의 풀 브리지 구성을 예시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 액츄에이터를 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 액츄에이터의 확장의 측정 기능으로서 액츄에이터의 제어의 폐루프 피드백을 나타낸다.
명확화를 위하여, 동일한 엘리먼트는 여러 도면에서 동일한 식별 부호들로 표기한다.

도 1 은 본 발명에 따른 액츄에이터를 구조적으로 나타낸다. 액츄에이터 (10) 는 베이스 (11), 중간 구조체 (12) 및 출력 인터페이스 (13) 를 포함한다. 액츄에이터 (10) 는 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 각각, 동일한 길이 방향 (50) 에서 제어가능한 확장을 생성하는 두개의 리니어 엘리먼트들 (14, 15) 을 포함한다. 두개의 엘리먼트들 중 제 1 엘리먼트 (14) 는 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부 (16) 와, 베이스 (11) 상에 고정된 제 2 단부 (17) 를 갖는다. 두개의 엘리먼트들 중 제 1 엘리먼트 (15) 는 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부 (18) 와, 출력 인터페이스 (13) 상에 고정된 제 2 단부 (19) 를 갖는다. 베이스 (11) 와 중간 구조체 (12) 는 베이스에 대하여, 제 2 엘리먼트 (15) 의 제어가능한 확장이 제 1 방향 (51) 으로 액츄에이터 (10) 의 변위를 생성하고, 제 1 엘리먼트 (14) 의 제어가능한 확장이 제 1 방향 (51) 에 반대 방향인 제 2 방향 (52) 으로 액츄에이터 (10) 의 변위를 생성하는 방식으로 포지셔닝된다. 도 1 에는 두개의 엘리먼트들이 도시된다. 수개의 다른 엘리먼트들, 예를 들어, 3 개, 4 개 또는 그 이상의 엘리먼트들을 포함하는 액츄에이터가 완벽하게 잘 제공될 수 있다.

베이스 (11), 중간 구조체 (12), 출력 인터페이스 (13) 및 두개의 엘리먼트들 (14, 15) 는 스택을 형성하는 수개의 컴포넌트들을 형성한다. 따라서, 엘리먼트 (15) 가 확장될 때 엘리먼트는 방향 (51) 으로 스택을 이동시킨다. 엘리먼트 (14) 가 확장될 때, 엘리먼트는 방향 (52) 으로 중간 구조체 (12) 를 이동시킨다. 따라서, 자신의 초기 포지션을 중심으로 대칭적인 움직임을 갖는 것이 가능한 액츄에이터가 획득된다.

또한, 중간 구조체 (12) 는 여러 형태들을 취할 수도 있다. 특히 구별될 수도 있는 것은, 도 4 에 도시된 액츄에이터 (100) 와 같이 측면으로서 지칭되는 중간 구조체의 길이 방향 (도 1 의 경우에서와 같음) 에 엘리먼트들이 중첩되는 축으로서 지칭되는 중간 구조체이다. 액츄에이터 (100) 는 액츄에이터 (100) 가 3 개의 엘리먼트들 (41, 42, 및 43) 을 포함하는 것을 제외하면, 액츄에이터 (10) 와 동일하다. 엘리먼트들 (41, 42 및 43) 은 길이 방향 (50) 에서 제어가능 확장을 갖는다. 이들은 하나가 다른 인접하는 것과 길이 방향 (50) 에 평행하게 포지셔닝된다. 엘리먼트 (41) 는 방향 (51) 으로 제어가능 확장을 갖고 엘리먼트들 (42 및 43) 의 확장은 방향 (52) 으로 액츄에이터 (100) 를 이동시킨다. 도 4 에는 세개의 엘리먼트들이 도시된다. 액츄에이터 (100) 는 이들 중 수개의 다른 것들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엘리먼트 (41) 는 두개의 엘리먼트들로 대체될 수 있다. 축으로서 지칭되는 중간 구조체를 가진 액츄에이터는 길이 방향에서 보다 큰 공간을 점유하는 반면 측면으로서 지칭되는 중간 구조체를 가진 액츄에이터는 측면 방향에서 보다 큰 공간을 점유하지만 길이 방향에서는 보다 작은 공간을 점유한다. 실제로, 중간 구조체 (12) 의 형상은 그 환경 내에서 액츄에이터 (10) 에 의해 점유될 수도 있는 공간에 따라 선택된다.

중간 구조체 (12) 는 액츄에이터 (10) 의 열 팽창 계수가 미리 정해진 값을 갖는 방식으로 구성된다. 실제로, 중간 구조체 (12) 의 두께 및 재료들을 적절하게 선택함으로써, 이에 의해 어서멀 (athermal) 로서 지칭되는 스택이 얻어질 수 있다. 이하, 상승하는 온도에 노출되는 액츄에이터 (10) 의 확장을 고려해 본다. 확장할 때, 엘리먼트 (15) 는 방향 (51) 으로 거리 (e) 만큼 더 길어지게 된다. 동일하거나 또는 적어도 유사한 엘리먼트들 (14 및 15) 을 선택함으로써, 엘리먼트(14) 는 동일한 방식으로 확장한다, 즉, 엘리먼트 (14) 는 또한 거리 (e) 만큼 확장한다. 그러나, 엘리먼트 (14) 가 베이스 (11) 와 중간 구조체 (12) 사이에 포지셔닝되기 때문에, 엘리먼트 (14) 의 확장은 방향 (52) 으로 거리 (e) 만큼 중간 구조체 (12) 의 변위를 가져온다. 엘리먼트 (15) 의 확장과 엘리먼트 (14) 의 확장은 서로를 보상한다.

엘리먼트들 (14 및 15) 과 별개로, 스택의 다른 컴포넌트들은 그 팽창 계수가 가능한 낮게 되는 재료로 형성될 수도 있다. 중간 구조체 (12) 및 베이스 (11) 는 예를 들어, 철 (64%) 과 니켈 (36%) 의 합금으로 구성된다. 이 합금은 매우 낮은 팽창 계수 (1.2 x 10^-6K^-1) 를 갖는다. 중간 구조체 (12) 및 베이스 (11) 는 또한, 세라믹, 예를 들어, 실리콘 질화물로 형성될 수도 있다. 출력 인터페이스 (13) 는 비트로 세라믹형 유리로 형성될 수 있고 매우 낮은 열팽창 계수를 가질 수 있다.

보다 높은 열팽창 계수를 갖는 스택의 컴포넌트들이 선택될 수 있음과 동시에, 스택에 대한 전체적인 열팽창 계수를 제로로 유지할 수 있다. 또한 중간 컴포넌트들을 삽입함으로써 스택의 전체적인 열팽창 계수를 제로로 하는 것도 가능하다. 중간 구조체 (12) 는 길이 방향 (50) 에 평행한 중앙 부분 (60), 제 2 엘리먼트 (15) 가 고정된 제 1 부분 (61) 및 제 1 부분 (61) 에 평행하고 중앙부분 (60) 에 실질적으로 직교하는 제 2 부분 (62) 으로 구성된 U자부를 가질 수 있다.

중간 구조체 (12) 의 확장의 경우에, 부분 (60) 은 길이 방향 (50) 에서 상당하게 확장한다. 따라서, 엘리먼트 (15) 는 중간 구조체 (12) 의 확장과 함께 이동한다. 액츄에이터 (10) 는 스택의 두개의 컴포넌트들 사이에서 포지셔닝된 서멀 레귤레이션 인서트 (20) 를 포함할 수도 있다. 바람직하게, 서멀 레귤레이션 인서트 (20) 는 제 2 부분 (62) 과 제 1 엘리먼트 (14) 사이에 포지셔닝된다. 즉, 인서트 (20) 는 중간 구조체 (12) 와 제 1 엘리먼트 (14) 의 제 1 단부 사이에서 포지셔닝된다. 인서트 (20) 는 중간 구조체 (12) 의 중앙 부분 (60) 의 길이를 조정하도록 형성될 수도 있다. 인서트 (20) 는 높은 열팽창 계수를 갖는 재료로 형성될 수도 있다. 그 후, 인서트 (20) 는 중간 구조체 (12) 만큼 확장하고 중간 구조체 (12) 를 방향 (52) 으로 이동시켜, 중간 구조체 (12) 의 확장으로 인한 방향 (51) 으로의 변위를 상쇄 (counter-balance) 시킨다. 엘리먼트 (14) 와 중간 구조체 (12) 사이에 배치되기 때문에, 인서트 (20) 는 스택의 전체적인 열팽창 계수가 제로로 얻어지도록 허용한다. 인서트 (20) 의 높이의 조정은 증가 방향과 감소 방향 양쪽 모두에서 스택의 팽창 계수를 조정한다.

동작시, 엘리먼트 (14) 는 자신의 제 2 단부에서 확장하며, 이는 중간 구조체 (12) 에 대해 풀링 (pull) 하는 것으로 된다. 중간 구조체 (12) 상에 탑재된 엘리먼트 (15) 는 자신의 제 2 단부에서 확장하며; 이는 액츄에이터를 푸시하는 것으로 된다. 기계적으로, 두개의 엘리먼트들 (14, 15) 각각은 1/2 의 움직임을 제공하며 이는 "복원" 동작으로서 지칭된다. 액츄에이터 (10) 는 따라서 대칭적인 움직임으로 구현된다.

액츄에이터 (10) 가 온도에 있어서 변동들을 겪는 환경에서 동작할 때 두개의 엘리먼트들 (14, 15) 이 확장한다. 복원 동작은 액츄에이터의 출력 인터페이스 (13) 가 고정된 상태로 유지되도록 허용한다. 즉, 액츄에이터 (10) 는 포지셔닝 정밀도를 부여한다는 점에서 엘리먼트들의 동시 확장에 대해 둔감하다.

엘리먼트들 (14, 15) 은 압전성, 자기변형성, 또는 전자변형성 재료들에 기초할 수도 있다.

엘리먼트들 (14, 15) 에는, 액츄에이터 (10) 가 강성이도록 허용하는 가요성 가이딩 엘리먼트들이 탑재될 수도 있다.

액츄에이터 (10) 는 움직임 증폭에 이용될 수 있다. 움직임 증폭은 액츄에이터 (10) 가 레버 아암의 사용에 의해 접속되는 기계적 디바이스로 인하여 실현된다. 움직임 증폭은 더 큰 움직임이 얻어지도록 허용하여 강성의 그리고 정밀도의 손상을 가져온다.

바람직하게, 엘리먼트들 (14, 15) 은 동일하다.

도 2 는 액츄에이터 (10) 에 대한 전원 공급 장치를 개략적으로 나타낸다. 액츄에이터 (10) 는 두개의 엘리먼트들 (14, 15) 에 대해 공통인 제어부 (21) 를 포함한다. 제어부 (21) 는 한 엘리먼트에 대해 제 1 효과를 갖도록 그리고 제 2 엘리먼트에 대해 제 1 효과에 역인 제 2 효과를 갖도록 구성된다. 역 효과 제어부 (21) 는 예를 들어, 3개의 전압 (V0, Vcc 및 Vcom) 에 의해 실행된다. 전압들 (V0, 및 Vcom) 은 고정되고, 전압 (Vcom) 은 V0 와 Vcc 사이에서 변화한다. 엘리먼트 (14) 는 전압들 (V0 및 Vcom) 사이에서 제어된다. 엘리먼트 (15) 는 전압들 (Vcom 및 Vcc) 사이에서 제어된다. 따라서, 엘리먼트 (15) 의 단자들 양단에 걸친 전압은 Vcc-Vcom 이고, 엘리먼트 (14) 의 단자들 양단에 걸친 전압은 Vcom-V0 이다. 공통 제어부 (21) 는 Vcc-Vcom 에 가까운 진폭 A 를 갖는다. 또한 초기 포지션 또는 기계적 영점이라 불리는 액츄에이터 (10) 의 기준 포지션은 A/2 와 동일한 제어 값에 대해 정의된다. 공통 제어부 (21) 는 엘리먼트 (14) 의 단자들 사이에서 양의 전압 변동을 생성하는 (그 역으로, 각각 엘리먼트 (15) 사이에서 음의 전압 변동을 생성하는) Vcom 에 작용한다. 각각의 엘리먼트들 (14, 15) 의 단자들 양단에 걸친 이 전압 변동의 영향 하에서, 이는 두개의 엘리먼트들 중 하나의 확장 (그 역으로 수축) 을 가져온다. 즉, 예를 들어, Vcom 을 음으로 변경함으로써, 엘리먼트 (15) 의 단자들 양단에 걸친 전압이 증가한다. 엘리먼트 (15) 는 길이 방향 (50) 에서 방향 (51) 으로 확장하고 이에 따라 길이 (d/2) 만큼 출력 인터페이스를 이동시킨다. Vcom 을 양으로 변경함으로써 엘리먼트 (14) 의 단자들 양단에 걸친 전압이 증가한다. 엘리먼트 (14) 는 길이 방향 (50) 에서 방향 (51) 으로 확장하고, 엘리먼트 (14) 의 제 2 단부가 베이스 (11) 상에 고정되어 있기 때문에, 이에 따라 중간 구조체 (12) 를 이동시킨다, 즉 액츄에이터 (10) 는 길이 방향 (50) 에서 방향 (52) 으로 거리 (d/2) 만큼 이동된다. 각각의 엘리먼트 움직임들은 서로 더해진다. 따라서, 액츄에이터 (10) 는 d 와 동일한 움직임을 갖는다. 실제로, 대략 30 마이크로미터의 정도의 긴 움직임 길이가 얻어질 수도 있다. 따라서, 얻어진 움직임은 액츄에이터 (10) 의 변위를 생성하여, 중간 미러 (도 2 에는 도시하지 않음) 가 원하는 진폭으로 원하는 방향으로 변형되도록 허용한다.

공통 제어부 (21) 는 기계적 영점을 중심으로 양호한 선형성이 진폭 (A/2) 으로 얻어지도록 허용하고 높은 정밀도 (나노미터 정도) 와 높은 안정도를 보장한다. 실제로, 엘리먼트들에 대한 별도의 전원 공급 장치 및 이에 따른 별도의 제어부인 경우에, 한 제어부로부터 다른 제어부로 스위칭하는 것이 필요하며, 이 점은 제어부를 보다 복잡하게 한다.

또한, 공통 제어부 (21) 는 이러한 액츄에이터의 구현을 증폭시키고, 수개의 액츄에이터들이 이용되는 경우에 특히 이롭다.

마지막으로, 고장의 경우에, 예를 들어, 액츄에이터 (10) 가 더 이상 급전되지 않으면, 공통 제어부 (21) 가 특히 바람직하다. 액츄에이터 (10) 가 기계적 영점에서 자신의 기준 포지션으로 유지되는 반면, 액츄에이터가 별도의 전원 공급 장치를 갖고 예를 들어, -5 ㎛와 +40 ㎛ 사이의 범위에서 움직임을 갖는 경우에 액츄에이터는 종료 포지션에서 차단되어진다.

도 3a 는 액츄에이터 (10) 상의 4 개의 변형 게이지들의 배치의 일 예를 개략적으로 나타낸다. 액츄에이터 (10) 는 엘리먼트 (14, 15) 상에 탑재된 변형 게이지들을 포함한다. 각각의 엘리먼트들 (14, 15) 은 엘리먼트들의 확장에 따라 변형되는 두개의 변형 게이지들을 각각 포함한다. 엘리먼트 (14) 는 두개의 변형 게이지들 (32, 34) 을 포함하고, 엘리먼트 (15) 는 두개의 변형 게이지들 (31, 33) 을 포함한다. 게이지들은 베이스 (11) 와 출력 인터페이스 (13) 사이의 확장의 측정 목적에서의 효과를 증폭시키도록 접속된다. 게이지들 (31, 32, 33, 34) 은 길이 방향 (50) 에서의 엘리먼트들 (14 및 15) 의 변형이 측정되도록 허용한다.

하나의 게이지를 이용하는 간략화된 구성이 또한 제공될 수도 있음을 주지한다. 이 경우는 하프 브리지 구성으로서 알려져 있다. 그러나, 이 구성은 액츄에이터의 굴곡에 민감하다.

변형 게이지는 그 변형이 정량화되는 것을 원하는, 엘리먼트 상에 배치된 절연 매체 상에 프린트되거나 접착 본딩된 초미세 저항성 와이어이다. 매체가 변형될 때 와이어가 스트레치된다. 그 후, 전기 저항이 그 길이에서의 변동에 비례하여 변한다. 저항 변동을 측정함으로써, 그 변형이 추정되고 그 결과, 엘리먼트의 변형이 추정된다. 엘리먼트의 변형을 가능한 신뢰성있게 전달하기 위하여, 게이지를 지지하는 매체는 매우 고유한 특징들을 가져야 한다. 예를 들어, 접착성 본딩을 위한 양호한 적합성, 낮은 팽창 계수 그리고 또한 온도 변동들을 견디는 능력이 주지될 수도 있다.

변형 게이지들의 저항에서의 변동은 너무 작아서 직접 측정할 수 없다. 결과적으로, 변형 게이지들은 저항에서의 변동이 액세스되도록 허용하는 풀브리지 전기 구성에 따라 어셈블리된다. 도 3a 에서, 변형 게이지들 (31, 32, 33, 34) 은 동일한 접착성 본딩 조건들 하에서 엘리먼트들 (14, 15) 상에 배치된다.

도 3b 는 변형 게이지들 (31, 32, 33, 34) 의 풀 브리지 구성을 예시한다. 게이지 (31) 는 두개의 포인트들 (101 및 102) 사이에서 위치되며, 게이지 (32) 는 두개의 포인트들 (102 및 103) 사이에 위치되며, 게이지 (33) 는 두개의 포인트들 (103 및 104) 사이에서 위치되며 게이지 (34) 는 두개의 포인트들 (104 및 101) 사이에서 위치된다. 게이지들 (31 및 32) 은 포인트들 (101 및 103) 사이에 직렬로 접속된다. 이와 유사하게, 게이지들 (33 및 34) 은 포인트들 (101 및 103) 사이에 직렬로 접속된다. 직렬로 접속된 게이지들 (31 및 32) 의 단자들 양단에 걸친 전압 (이는 게이지들 (33 및 34) 의 단자들의 양단에 걸친 전압과 동일함) 은 브리지에 대한 공급 전압으로서 지칭된다.

풀 브리지 구성은 최적의 감도가 얻어지도록 허용한다. 엘리먼트들의 확장의 측정에 있어서 바이어스가 없고, 브리지는 유용한 변형들에만 민감하게 된다. 즉, 엘리먼트들 (14 및 15) 의 열 변형의 경우에, 4개의 게이지들은 자신들의 저항이 동일한 방향으로 동시에 변형되고 있음을 보여준다. 이러한 변형이 발생할 때, 브리지의 출력 전압은 변경되지 않은 상태로 유지된다. 게이지 브리지는 센서에 전력을 공급하고, 측정 값을 프로세싱하여 증폭하는 비교기 (72) 에 접속된다.

도 3a 및 도 3b 는 전원 공급 회로 (71) 에 의한 액츄에이터 (10) 의 전원 공급 장치를 또한 보여준다. 두개의 와이어들 (73, 74) 은 브리지에 전력을 공급한다. 두개의 다른 와이어들 (75, 76) 은 게이지들의 전기 저항들이 변할 때 브리지의 언밸런스를 비교기 (72) 에 리턴시킨다. 또한 복원 와이어들이라 지칭되는 두개의 다른 와이어들 (77, 78) 은 비교기 (70) 로 리턴되는 포인트들 (101 및 103) 사이의 공급 전압의 측정을 허용한다. 그 후, 비교기 (70) 는 전원 공급 장치 전압을 일정하게 유지하도록 전원 공급 회로 (71) 에 작용한다. 6 개의 와이어들을 가진 이 구성은 케이블링의 저항으로 인하여 발생할 수 있는 인 라인 손실들 (in-line losses) 이 제거되도록 허용한다.

도 5 는 비교기로부터 발생하는, 액츄에이터 (10) 의 확장의 측정 (90) 기능으로서 액츄에이터 (10) 의 제어의 폐루프 피드백을 나타낸다. 액츄에이터 (10) 는 두개의 엘리먼트들 (14, 15) 에 대한 공통 제어부 (21) 와 엘리먼트들의 확장의 측정 (90) 사이에 액티브 폐루프를 포함한다. 원하는 방향으로 중간 미러를 변형하기 위하여, 초기 커맨드 (80) 는 브리지에 전력을 공급하도록 전원 공급 회로 (71) 에 지시한다. 엘리먼트들 (14, 15) 은 원하는 면에서 길이 방향 (50) 에서 변형된다. 엘리먼트들 (14, 15) 의 길이 방향 (50) 에서의 변형 (85) 은 변형 게이지들을 통하여 변형들의 측정 (90) 에 의해 정량화될 수 있다. 이 측정 (90) 은 초기 세트포인트 값에 그 측정 값을 비교하고 이에 따라 브리지의 전원 공급 전압을 조정하는 비교기 (70) 로 복원될 수 있다. 액츄에이터 (10) 는 베이스 (11) 와 출력 인터페이스 (13) 사이에서 확장의 측정 기능으로서 제어부 (21) 의 폐루프 피드백을 포함한다.

두개의 엘리먼트들 (14 및 15) 에 대해 제어부 (21) 가 없는 경우에, 즉, 엘리먼트들 (14 및 15) 이 별도의 제어부를 갖는 경우, 액츄에이터 (10) 는 엘리먼트 당 하나의 루프를 포함한다.

따라서, 본 발명에 따른 액츄에이터 (10) 는 자신의 기준 포지션을 중심으로 대칭성이 있는 큰 움직임을 처리한다. 이는 어서멀이다. 이는 단순 제어 및 폐루프 피드백을 갖는다. 마지막으로, 이는 적절한 볼륨을 차지함과 동시에, 스페이스 애플리케이션들의 분야에서의 이용에 호환가능한 견고성과 수명 특성을 갖는다.

Claims (9)

1. 액츄에이터 (10, 100) 로서,
   베이스 (11),
   중간 구조체 (12), 및
   출력 인터페이스 (13) 를 포함하고,
   제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 각각, 동일한 길이 방향 (50) 에서 제어가능한 확장을 생성하는 두개의 리니어 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 을 포함하며, 상기 두개의 엘리먼트들 중 제 1 엘리먼트 (14) 는 상기 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부 및 상기 베이스 (11) 상에 고정된 제 2 단부를 갖고, 상기 두개의 엘리먼트들 중 제 2 엘리먼트 (15) 는 상기 중간 구조체 (12) 상에 고정된 제 1 단부 및 상기 출력 인터페이스 (13) 상에 고정된 제 2 단부를 가지며,
   상기 베이스 (11) 와 상기 중간 구조체 (12) 는 상기 베이스 (11) 에 대하여, 상기 제 2 엘리먼트 (15) 의 제어가능한 확장이 제 1 방향 (51) 으로 상기 출력 인터페이스 (13) 의 변위를 생성하고, 상기 제 1 엘리먼트 (14) 의 제어가능한 확장이 상기 제 1 방향 (51) 에 반대 방향인 제 2 방향 (52) 으로 상기 출력 인터페이스 (13) 의 변위를 생성하는 방식으로 포지셔닝되고,
   상기 액츄에이터 (10) 는 상기 엘리먼트들 (14, 15) 상에 탑재된 변형 게이지들 (31, 32, 33, 34) 을 포함하고, 상기 게이지들 (31, 32, 33, 34) 은 상기 베이스 (11) 와 상기 출력 인터페이스 (13) 사이에서의 확장의 측정 (90) 을 위하여 효과를 증폭시키도록 접속되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스 (11), 상기 중간 구조체 (12), 상기 출력 인터페이스 (13) 및 상기 두개의 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 은 스택을 형성하는 수개의 컴포넌트들을 형성하고, 상기 액츄에이터는 상기 스택의 두개의 컴포넌트들 사이에 포지셔닝된 서멀 레귤레이션 인서트 (20) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 중간 구조체 (12) 는 상기 길이 방향 (50) 에 평행한 중심 부분 (60), 상기 제 2 엘리먼트 (15) 가 고정되는 제 1 부분 (61), 및 상기 제 1 부분 (61) 에 평행하고 상기 중심 부분 (60) 에 실질적으로 직교하는 제 2 부분 (62) 으로 구성된 U자부를 가지며, 상기 서멀 레귤레이션 인서트 (20) 는 상기 제 2 부분 (62) 과 상기 제 1 엘리먼트 (14) 사이에 포지셔닝되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 구조체 (12) 는 상기 액츄에이터 (10) 의 열 팽창 계수가 미리 정해진 값을 갖는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 은 압전성, 자기변형성 (magnetostrictive), 또는 전자변형성 (electrostrictive) 재료들에 기초하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 은 동일한 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액츄에이터는 상기 두개의 엘리먼트들 (14, 15, 41, 42, 43) 에 공통인 제어부 (21) 를 포함하고, 상기 제어부 (21) 는 한 엘리먼트 (14, 42, 43) 에 대해 제 1 효과를 갖도록 그리고 상기 제 2 엘리먼트 (15, 41) 에 대해 상기 제 1 효과에 역인 제 2 효과를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 액츄에이터 (10) 는 상기 베이스 (11) 와 상기 출력 인터페이스 (13) 사이에서의 상기 확장의 상기 측정 (90) 의 기능으로서 상기 제어부 (21) 의 폐루프 피드백을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 액츄에이터 (10) 의 이용으로서,
   상기 액츄에이터의 공통 제어부 (21) 가 진폭 A 를 갖고,
   상기 액츄에이터 (10) 의 기준 포지션을 A/2 와 동일한 제어 값에 대해 정의하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 이용.

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