KR20170040616A - 전자 기기용 압전 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 기기용 압전 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 제1 연결부재의 하면 및 상면 각각에 일측 끝단이 결합되는 제1 탄성층 및 제2 탄성층, 상기 제1 탄성층의 상면과 상기 제2 탄성층의 하면에 각각 접합되며 길이방향으로의 압축과 신장 운동을 반복하기 위한 압전층 및 상기 제2 탄성층의 타측 끝단과 제2 연결부재를 통해 결합되며 진동력을 발생시키기 위한 웨이트를 포함하며, 최대 변위가 발생되는 끝단의 굽힘 각이 0도 혹은 0도에 근접하도록 새로운 구조를 가진 전자 기기용 액추에이터에 관한 것이다.

Description

전자 기기용 압전 액추에이터{PIEZOELECTRIC ACTUATOR FOR ELECTRICAL DEVICE}
본 발명은 소형화되고 있는 전자 기기에 적용할 수 있는 압전 액추에이터에 관한 것이다.
전자 기기용 액추에이터는, 전자 기기의 응답 속도를 총괄하는 부품으로서 기기 내 배터리에서 전력을 공급받아 작동되며, 전력이 공급되거나 전압이 인가되면 상하로 이동하여 진동을 발생시킴으로써 사용자에게 알람을 보내는 기능을 수행할 수 있다.
최근 스마트 폰, 태블릿 PC, 스마트 워치, 스마트 밴드 등 다양한 전자 기기의 개발이 가속화되고 있다. 이런 전자 기기의 개발은 다양한 종류에 적용될 수 있도록 소형화 추세를 따르고 있고, 이를 위해서는 전자 기기를 구성하는 부품 자체의 소형화가 불가피한 실정이다.
종래 전자 기기에 사용되는 액추에이터는 대부분 코일이 필수적으로 요구되어 이에 따라 전체적인 부피가 증가하고 누출 자속이 발생되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 최근에는 누출 자속이 없는 공진 압전 액추에이터에 대한 관심이 커지고 있다.
도 1은 압전 액추에이터의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
압전 효과란 압전체에 기계적인 힘을 가하면 압전체에서 전압이 발생되는 현상으로 이런 현상을 이용하여 각종 센서 및 압전 발전기 등에 적용하고 있으며, 역압전 효과란 압전체에 전압을 인가하면 변위가 발생되는 현상으로 이런 현상을 초음파, 오디오 장비 및 액추에이터에 적용하고 있다.
압전체는 자석과 유사하게 제조 시 고유의 분극 방향이 존재하는데, 도 1의 좌측과 같이 압전체에 분극 방향과 같은 방향으로 전압을 인가하면 압전체가 팽창하게 되고, 도 1의 우측과 같이 압전체에 분극 방향과 반대 방향으로 전압을 인가하면 압전체가 수축하게 된다.
압전체에 교류 전압을 인가하게 되면 팽창과 수축을 반복하면서 주기적인 진동을 일으키게 되고, 이런 현상을 이용한 장치가 압전 액추에이터이다.
이러한 압전 액추에이터는 크게 직선 변위형과 굴곡 변위형으로 분류할 수 있으며, 직선 변위형은 단판형과 적층형 구조로 분류되는데, 단판형 구조는 발생변위가 작아 용도가 제한적이며, 적층형 구조는 소형화 전자 장치에 적용하기 어렵다.
굴곡 변위형은 기본적으로 도 2a에 개시된 유니모프형 구조와 도 2b에 개시된 바이모프형 구조로 분류될 수 있다.
유니모프형 구조는 비압전층인 탄성층(200)의 일면에 압전층(100)을 부착시킨 구조를 가지며, 바이모프형 구조는 비압전층인 탄성층(200)의 양면에 압전층(100)을 부착시킨 구조를 가진다.
도 3a는 유니모프형 구조의 변위 특성을 나타내기 위한 도면이고, 도 3b는 바이모프형 구조의 변위 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 외팔보 구조에서 전극층(150)을 포함하는 유니모프형 구조와 바이모프형 구조는 끝단에서 최대 변위를 생성하는데, 최대 변위가 발생되는 끝단이 기울어져 있는 문제가 있다.
등록특허공보 제10-0502782호(발명의 명칭: "압전형 진동장치", 공고일자: 2005년 7월 20일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 최대 변위가 발생되는 끝단의 굽힘 각이 0도 혹은 0도에 근접하도록 새로운 구조를 가진 전자 기기용 액추에이터를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기용 압전 액추에이터는 상기 제1 연결부재의 하면 및 상면 각각에 일측 끝단이 결합되는 제1 탄성층 및 제2 탄성층, 상기 제1 탄성층의 상면과 상기 제2 탄성층의 하면에 각각 접합되며 길이방향으로의 압축과 신장 운동을 반복하기 위한 압전층, 및 상기 제2 탄성층의 타측 끝단과 제2 연결부재를 통해 결합되며 진동력을 발생시키기 위한 웨이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기용 압전 액추에이터는 상기 제1 탄성층의 타측 끝단과 제3 연결부재를 통해 결합되는 베이스부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 탄성층 및 상기 제2 탄성층은, 진동에 의한 충돌을 방지하기 위해 상기 제1 연결부재를 매개로 서로 어긋나도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압전층은 길이방향으로 소정 크기를 가지는 갭이 형성되며, 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각에 선택적으로 전압을 인가할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기용 압전 액추에이터는 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각이 서로 상반되는 운동을 하도록 반대 방향의 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 웨이트는 대상과 면 접촉하도록 수직 방향으로 운동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기용 압전 액추에이터는 상기 제1 탄성층 및 상기 제2 탄성층 끝단의 굽힘 각이 0도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자 기기용 액추에이터는 탄성층이 2개의 층인 다층 구조로 형성되어 전압 인가 시 최대 변위가 커지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자 기기용 액추에이터는 제1 탄성층 및 제2 탄성층이 서로 어긋나도록 결합되어 진동에 의한 충돌을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자 기기용 액추에이터는 압전층에 갭이 형성되며, 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각에 선택적으로 전압을 인가할 수 있고, 이를 통해 서로 상반되는 운동을 하도록 할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기용 액추에이터는 전압 인가 시 최상층이 좌우로 흔들림 없이 접촉 대상과 면 접촉할 수 있다.
도 1은 압전 액추에이터의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 유니모프형 단면을 나타낸 도면이다.
도 2b는 바이모프형 단면을 나타낸 도면이다.
도 3a는 유니모프형 구조의 변위 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도 3b는 바이모프형 구조의 변위 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 조립상태의 정면도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 시 발생되는 공진 시 변위를 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전 액추에이터의 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 전과 후의 구동 모습을 나타낸 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 전과 후의 구동 모습을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 제조공정을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 분해사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 조립상태의 정면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터는 제1 및 제2 탄성층(210, 220), 압전층, 및 웨이트(300) 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 탄성층(210, 220)은, 각 탄성층에 접합되는 압전층의 수평 방향의 운동을 억제함으로써 수직 방향의 변위를 생성하는 역할을 하며, SUS 재질과 같이 수평 방향의 신축성은 적고 수직 방향으로의 탄성이 좋은 재질을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 탄성층(210, 220)은, 제1 연결부재(30)를 사이에 두고 결합될 수 있으며, 상기 제1 연결부재(30)의 하면에 상기 제1 탄성층(210)의 일측 끝단이 결합되고, 상기 제1 연결부재(30)의 상면에 상기 제2 탄성층(220)의 일측 끝단이 결합될 수 있다.
이때, 상기 제1 탄성층(210)의 일측과 상기 제2 탄성층(220)의 일측은 동일 방향을 나타내고, 편의를 위해 탄성층의 일측은 도면상 우측, 탄성층의 타측은 도면상 좌측을 나타내며 이하 동일한 의미로 사용된다.
탄성층이 제1 연결부재(30)를 매개로 제1 탄성층(210)과 제2 탄성층(220)으로 구성된 두 개의 다층 구조를 형성함에 따라 단층 구조 대비 더 큰 수직 방향의 변위를 생성할 수 있다.
상기 제1 탄성층(210)과 제2 탄성층(220)은, 별도의 결합부재인 제1 연결부재(30)를 통해 결합되는 것이 아니라 상기 제1 탄성층(210) 및/또는 상기 제2 탄성층(220)과 일체로 형성된 연결부재를 통해 결합되는 것도 가능하다.
한편, 상기 제1 탄성층(210)과 상기 제2 탄성층(220)은 진동에 의한 충돌을 방지하기 위해 상기 제1 연결부재(30)를 매개로 서로 어긋나도록 결합될 수 있다.
이를 위해 상기 제1 연결부재(30)는 상기 제1 탄성층(210)과 상기 제2 탄성층(220)의 너비 길이를 합한 것보다 긴 막대 구조를 가지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제2 탄성층(220)이 상기 제1 연결부재(30)의 일측 상면에 결합되고 상기 제1 탄성층(210)이 상기 제1 연결부재(30)의 타측 하면 또는 중앙 하면에 결합되면 상기 제1 연결부재(30)의 두께가 충분히 크지 않더라도 상기 제1 탄성층(210)과 상기 제2 탄성층(220)이 수직 방향으로 진동 시 서로 간의 충돌이 방지될 수 있다..
상기 압전층은 역압전 효과에 따라 인가되는 전압에 의해 수평 방향으로 압축 혹은 인장 운동할 수 있다.
즉, 하나의 압전층에 두 개의 와이어(50)를 연결하여 전압을 인가할 수 있으며, 전압을 인가할 때 (+) 전극에 (+) 전압을 인가하고 (-) 전극에 (-) 전압을 인가하게 되면 압전층은 압축 운동을 하게 되고, (+) 전극에 (-) 전압을 인가하고 (-) 전극에 (+) 전압을 인가하게 되면 압전층은 인장 운동을 하게 된다.
이를 위해, 상기 압전층은 압전 물질로 제조될 수 있으며, 일례로 PZT 계열의 압전 세라믹을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다.
상기 압전층의 일면 혹은 양면에 별도의 전극층을 형성할 수 있으며, 상기 전극층에 와이어를 연결하여 전압을 인가할 수도 있다.
상기 압전층은 상기 제1 탄성층(210)의 상면과 상기 제2 탄성층(220)의 하면에 각각 접합되며 인가되는 전압에 따라 길이방향으로의 압축과 신장 운동을 반복하게 된다.
상기 웨이트(300)는 수직 방향으로 운동하여 진동력을 발생시킬 수 있으며, 상기 제2 탄성층(220)의 타측 끝단과 제2 연결부재(40)를 통해 결합될 수 있다.
상기 웨이트(300)는, 별도의 결합부재인 제2 연결부재(40)를 통해 결합되는 것이 아니라 상기 웨이트(300) 및/또는 상기 제2 탄성층(220)과 일체로 형성된 연결부재를 통해 결합되는 것도 가능하다.
상기 웨이트(300)는 크기 대비 무게가 큰 고 비중의 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 텅스텐이나 이를 포함한 합금으로 제조될 수 있다.
상기 웨이트(300)는 탄성층이 진동할 때 최대 변위를 나타내는 부위에 결합되는 것이 바람직하다. 웨이트(300)의 무게가 작용하여 진동이 증폭되는데, 최대 변위 지점이 운동 가속도가 가장 큰 지점이므로 이 경우 진동의 증폭 효과 또한 가장 크게 나타날 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터는, 상술한 탄성층과 압전층 등을 고정하기 위한 베이스부재(10)를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스부재(10)는 상기 제1 탄성층(210)의 타측 끝단과 제3 연결부재(20)를 통해 결합될 수 있다.
상기 베이스부재(10)는, 별도의 결합부재인 제3 연결부재(20)를 통해 결합되는 것이 아니라 상기 베이스부재(10) 및/또는 상기 제1 탄성층(210)과 일체로 형성된 연결부재를 통해 결합되는 것도 가능하다.
상기 베이스 부재는 얇고 넓은 판 형상인 것이 바람직하나, 이러한 형상에 제한되는 것은 아니며, 압전 액추에이터를 사용하기 위한 장치 내 각종 부재 등 다양한 구조로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압전층은 길이방향으로 소정의 크기를 가지는 갭이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각에 선택적으로 전압을 인가할 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 제1 탄성층(210)의 상면에 접합된 압전층은 상기 갭에 의해 제1 압전층(110)과 제2 압전층(120)으로 분리 형성될 수 있고, 상기 제2 탄성층(220)의 하면에 접합된 압전층은 상기 갭에 의해 제3 압전층(130)과 제4 압전층(140)으로 분리 형성될 수 있다.
상기 갭에 의해 압전층이 분리됨에 따라 각각의 압전층에 선택적으로 전압을 인가하여 따로 제어하는 것이 가능하다.
구체적으로, 본 발명에서는 길이방향으로 갭을 형성하도록 나열된 두 압전층이 동시에 압축 혹은 인장 운동을 하도록 같은 방향의 전압을 인가하거나, 하나의 압전층이 압축 운동을 하면 다른 압전층이 인장 운동을 하거나 하나의 압전층이 인장 운동을 하면 다른 압전층이 압축 운동을 하는 것과 같이 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각이 서로 상반되는 운동을 하도록 반대 방향의 전압을 인가할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터에 순간 전압을 인가할 시 변형되는 정도와 발생되는 변위를 상용툴인 ANSYS를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 나타내고 있다.
도 6a를 참조할 때 같은 방향의 전압을 인가하는 경우에는 최상층인 웨이트가 좌우로 크게 흔들리는 것을 확인할 수 있으나, 도 6b를 참조할 때 반대 방향의 전압을 인가하는 경우에는 최상층인 웨이트가 좌우로 흔들림 없이 접촉 대상과 면 접촉이 가능하도록 수직 방향으로 운동하는 것을 확인할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 시 발생되는 공진 시 변위를 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 시 발생되는 정적 변위 및 변형 형상을 나타내기 위한 시뮬레이션 결과이다.
구체적으로, 도 7a 및 도 7b는 동일한 상용툴을 사용하여 고유진동수 211.70Hz에서 ±50Hz 구간을 총 64개의 구간으로 나누어 전압을 인가한 결과이다.
도 7a를 참조할 때 같은 방향의 전압을 인가하는 경우에는 웨이트의 좌측 및 우측 변위 차이가 큼을 확인할 수 있으나, 도 7b를 참조할 때 반대 방향의 전압을 인가하는 경우에는 웨이트의 좌측 및 우측 변위 차이가 근소한바 수직 방향으로 운동하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전 액추에이터의 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 같은 방향의 전압 인가 전과 후의 구동 모습을 나타낸 사진이고, 도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 형성하도록 나열된 압전층에 반대 방향의 전압 인가 전과 후의 구동 모습을 나타낸 사진이다.
구체적으로, 실제 제작한 압전 액추에이터를 초고속 카메라 촬영을 통해 영상을 촬영하고 그 영상을 캡쳐하여 동작을 나타내었으며 전기장을 750V/mm로 인가하였다.
도 9a 및 도 9b를 참조할 때 같은 방향의 전압을 인가하는 경우에는 최상층인 웨이트가 좌우로 크게 흔들리는 것을 확인할 수 있으나, 도 10a 및 도 10b를 참조할 때 반대 방향의 전압을 인가하는 경우에는 최상층인 웨이트가 좌우로 흔들림 없이 접촉 대상과 면 접촉이 가능하도록 수직 방향으로 운동하는 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터는, 압전층 각각에 갭이 형성되어 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각에 반대 방향의 전압을 인가하여 서로 상반된 운동을 하도록 할 수 있으며, 이에 따라 최대 변위가 발생되는 끝단인 웨이트가 접촉 대상과 면 접촉하도록 수직 방향으로 작동시킬 수 있다.
또한, 상기 갭은 압전층이 신장할 수 있는 여유 공간을 제공함으로써 압전층이 팽창 혹은 신장될 때 압전층이 파손되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 상기 갭의 크기는 압전층의 최대 신장 길이를 고려하여 적정 수준으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터가 동작 시 생성하는 변위를 증명하고, 최대 변위를 생성하기 위해 각 탄성층의 끝단에서 굽힘 각(bending angle)이 0도가 됨을 증명할 필요가 있다. 이에 사용된 식은 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, φ와 R은 각각 압전층이 전압을 인가받아 동작하였을 때 압전층의 중심으로부터 끝단의 굽힘 각과 끝단까지의 거리를 의미한다.
상기 수학식 1을 적분하면 다음과 같은 수학식 2의 해를 얻을 수 있다.
Figure pat00002
여기서, 상수 C1은 경계 조건에 의해 구해지며, 상수 C2는 압전층의 중심으로부터 끝단까지의 거리가 0으로 수렴할 때 φ의 특이성(singularity)에 의해 항상 0이 된다.
또한, 압전층의 테두리(끝단) 부분에 작용하는 외부 모멘트(external moment)인 mr(R)=mo가 되고 이 때 지지 모멘트가 없기 때문에 중심으로부터의 벤딩에 의해 성성된 수직 방향으로의 변위는 다음 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
여기서, D는 굽힘 강도(flexural rigidity)를 의미하며, 하기 수학식 4에서 설명된다.
Figure pat00004
여기서 Ep와 hp는 각각 압전층의 영률과 두께를 의미하며, a와 c는 각각 압전층과 탄성층의 두께 비(hnp/hp)와 영률 비(Enp/Ep)를 의미하고 v는 포아송 비를 의미한다.
위 수학식 1 내지 4를 인용하여 본 발명에 따른 압전 액추에이터에 적용하기 위해 새로운 식을 유도하면 하기 수학식 5 및 6과 같다.
Figure pat00005
Figure pat00006
위의 두 수학식은 하나의 압전층에 의해 발생되는 굽힘 각과 축 변위(axial displacement)를 의미하며 본 발명에 따른 압전 액추에이터의 경우 하나의 탄성층에 두 개의 압전층이 존재하므로 위의 식을 변형하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
(단, r1<r<r2 임)
위 수학식 7은 굽힘 각을 구하는 식이며, 여기에서 r=r2(두 번째 압전층까지의 길이)를 대입하면 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 탄성층 끝단의 굽힘 각이 0도가 되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 변위를 계산하기 위한 식은 상기 수학식 5와 상기 수학식 7의 합을 적분한 결과인 하기 수학식 8와 같으며, 이를 통해 전압 인가 시 축 방향(수직 방향)으로 생성하는 변위를 구할 수 있다.
Figure pat00008
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터의 제조공정을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 먼저 제1 탄성층(210)의 타측 끝단에 제3 연결부재(20)를 용접에 의해 결합시킨다.
그 다음, 상기 제1 탄성층(210)의 상면에 압전층을 접합시키는데, 소정 간극의 갭을 두고 제1 압전층(110) 및 제2 압전층(120)을 직렬로 나열하여 접합시킬 수 있다. 이를 위해, UV 본딩(bonding)을 한 후 열 경화 처리를 통해 탄성층에 압전층을 접합할 수 있다.
같은 방법으로, 제2 탄성층(220)의 타측 끝단에 제2 연결부재(40)를 용접에 의해 결합시키고, 상기 제2 탄성층(220)의 하면에 압전층을 접합시키는데, 소정 간극의 갭을 두고 제3 압전층(130) 및 제4 압전층(140)을 직렬로 나열하여 접합시킬 수 있다.
위와 같이 제조된 제1 탄성층(210)과 제2 탄성층(220)은 제1 연결부재(30)를 사이에 두고 두 층으로 용접하여 결합시킬 수 있다.
그 후, 상기 제2 연결부재(40)에 웨이트(300)를 용접하고, 상기 제3 연결부재(20)에 베이스부재(10)를 용접하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 액추에이터를 완성할 수 있다.
위와 같은 제조공정은 본 발명의 일 실시예에 해당되며, 각 공정의 전후 순서는 필요에 따라 통상의 기술상식에 근거하여 바뀔 수 있음은 자명하다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 베이스부재
20: 제3 연결부재
30: 제1 연결부재
40: 제2 연결부재
50: 와이어
100: 압전층
110: 제1 압전층
120: 제2 압전층
130: 제3 압전층
140: 제4 압전층
150: 전극층
200: 탄성층
210: 제1 탄성층
220: 제2 탄성층
300: 웨이트

Claims (7)

  1. 상기 제1 연결부재의 하면 및 상면 각각에 일측 끝단이 결합되는 제1 탄성층 및 제2 탄성층;
    상기 제1 탄성층의 상면과 상기 제2 탄성층의 하면에 각각 접합되며 길이방향으로의 압축과 신장 운동을 반복하기 위한 압전층; 및
    상기 제2 탄성층의 타측 끝단과 제2 연결부재를 통해 결합되며 진동력을 발생시키기 위한 웨이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성층의 타측 끝단과 제3 연결부재를 통해 결합되는 베이스부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성층 및 상기 제2 탄성층은, 진동에 의한 충돌을 방지하기 위해 상기 제1 연결부재를 매개로 서로 어긋나도록 결합되는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 길이방향으로 소정 크기를 가지는 갭이 형성되며, 상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각에 선택적으로 전압을 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 갭에 의해 분리되는 압전층 각각이 서로 상반되는 운동을 하도록 반대 방향의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 웨이트는 대상과 면 접촉하도록 수직 방향으로 운동하는 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탄성층 및 상기 제2 탄성층 끝단의 굽힘 각이 0도인 것을 특징으로 하는 전자 기기용 압전 액추에이터.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210068594A (ko) * 2017-12-22 2021-06-09 구글 엘엘씨 2 차원 분산 모드 액츄에이터
KR20220065645A (ko) * 2020-11-12 2022-05-20 한국전자통신연구원 저주파 진동 출력 소자 및 이를 포함하는 저주파 진동 출력 기구

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100502782B1 (ko) 2003-02-27 2005-07-20 스마트전자 주식회사 압전형 진동장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100502782B1 (ko) 2003-02-27 2005-07-20 스마트전자 주식회사 압전형 진동장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210068594A (ko) * 2017-12-22 2021-06-09 구글 엘엘씨 2 차원 분산 모드 액츄에이터
US11356782B2 (en) 2017-12-22 2022-06-07 Google Llc Two-dimensional distributed mode actuator
KR20220065645A (ko) * 2020-11-12 2022-05-20 한국전자통신연구원 저주파 진동 출력 소자 및 이를 포함하는 저주파 진동 출력 기구

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