KR20180037003A - 조정 요소를 작동하기 위한 액추에이터 - Google Patents

Abstract

액추에이터(2)는 조정 방향(14)에서 조정 운동을 발휘하기 위해 조정 요소(12)에 연결된, 압전 액추에이터 요소(4)를 포함한다. 액추에이터 요소(4)의 편향 운동의 전달을 위해, 하우징(6)은 그 내에 둘러싸인 가변 형상의 변위체(8)로 형성된다. 작동 중에, 액추에이터 요소(4)의 편향 운동이 변위체(8)로 전달되어, 변위체가 변형되고, 변형의 결과로서 항복 운동을 수행한다. 이 경우 하우징(6)은 변위체(8)를 위한 안내부를 형성하여, 변위체(8)의 항복 운동이 조정 방향(14)에 배향된다. 또한 조정 요소(12)는 변위체(8)에 연결되어, 변위체(8)의 항복 운동이 조정 요소(12)로 전달된다.

Description

조정 요소를 작동하기 위한 액추에이터

본 발명은 액추에이터 요소의 편향 운동을 발휘하기 위해 전기적으로 활성화가능한 압전 액추에이터 요소를 포함하는 조정 요소를 작동하기 위한 액추에이터에 관한 것이며, 액추에이터 요소는 편향 운동을 전달하기 위해 조정 요소에 연결되어 있다.

이러한 액추에이터 요소는 전기적 제어 신호의 도움을 받아 기계적 운동이 유발되는 매우 다양한 기술 분야에서 사용된다. 이 경우, 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되므로 액추에이터 요소는 결국 전기기계 액추에이터 요소이다. 액추에이터 요소는 여기서 전기적 에너지를 (움직임의) 기계적 에너지로 변환시키는 것을 담당한다. 이러한 액추에이터는 예를 들어, 밸브, 릴레이, 잠금 매커니즘뿐만 아니라 브라유 디스플레이(Braille display)에서도 사용된다. 압전세라믹 액추에이터, 특히 소위 밴딩 트랜스듀서(bending transducer)는 전기적으로 활성화가능한 액추에이터 요소로서 사용된다. 이는 특히 예를 들어, 전자기 액추에이터와 비교하여, 콤팩트한 구조를 얻는 것을 가능하게 하므로 특히 마이크로 액추에이터에 적합하다. 또한, 소위 피에조 스택(piezo stack)도 특히 큰 편향이나 큰 힘을 성취하는데 빈번하게 사용된다.

상세하게는 브라유 디스플레이의 경우, 이러한 밴딩 액추에이터가 브라유 디스플레이의 개별 핀들을 적합하게 활성화하는데 사용된다. US 2010/0304340 A1은 다수의 압전 밴딩 트랜스듀서를 갖는 활성화 유닛을 포함하는 브라유 디스플레이를 개시한다.

더 일반적으로, DE 3916539 A1은 압력 전달 매개체로서 엘라스토머(elastomer)를 사용하는 운동 및 압력 전달을 위한 기구를 개시한다. 엘라스토머는 비가황 고무로 만들어진 미리 성형된 사출 성형 구성요소이다. 고무 덩어리가 액추에이터와 피스톤에 의해 발휘된 힘을 위치 피스톤에 전달한다. 개시내용에 따르면, 기체 또는 액체 대신에 엘라스토머를 사용한 압력 전달 기구는 신뢰할 수 있는 밀봉 특성을 유지하면서 높은 작업 압력과 더 높은 빈도수의 작업 스트로크(stroke)에서 작동할 수 있다.

DE 19753754 C1은 전기 전압을 인가함으로써 길이가 달라지는 적어도 하나의 고체 상태 요소 그리고 고체 상태 요소의 변위 스트로크를 증폭하는 전달 매커니즘을 갖는 압전 액추에이터를 개시한다. 전달 매커니즘은 고체 상태 요소에 의해 분리도가 변하는 두 개의 압력 플레이트들(plate) 그리고 하나의 단부가 하우징에 고정되고 다른 단부가 액추에이터의 출력 요소에 연결되어 있는, 플레이트들 사이에서 연장하는 지그재그 형상의 운동역학적 체인 요소를 갖는다. 체인 요소는 내부 플레이트 표면과 접촉하는, 강성적으로 연결된 종방향으로 변위가능한 제어 요소들로 구성된다.

단일형(monomorphous), 이형(bimorphous) 또는 다른 다형(multimorphous)의 밴딩 트랜스듀서가 압전 액추에이터로 사용된다. 이들은 주로 그의 하나의 단부에서 구속되어서, 전기적으로 활성화될 때 다른 단부가 편향 운동을 수행하며, 이 편향 운동에 의해 조정 요소가 상승 운동을 발휘하도록 직접적으로 작동된다. 이는 일반적으로 밴딩 트랜스듀서의 단부에서 개별 지점에서의 기계적 힘 전달을 동반한다.

특히 브라유 디스플레이의 경우, 특히 자동화 생산이 특정 범위에서만 가능하기 때문에, 이러한 밴딩 트랜스듀서 생산의 기술적 복잡성은 상대적으로 높다.

이러한 배경에 대하여, 본 발명은 전기적 에너지에서 기계적 에너지로의 에너지 변환의 가장 효율적인 가능한 활용을 동반하는, 단순화된, 특히 자동화된, 생산이 가능한, 조정 요소 활성화를 위한 작은 전기기계 액추에이터 제공의 목적에 기반한다.

이 목적은 청구항 1에서 정의된 본 발명에 따라 즉, 작동시 조정 운동을 수행하는 조정 요소를 작동하기 위한 액추에이터에 의해 성취된다. 액추에이터는 액추에이터 요소의 편향 운동을 발휘하기 위한 압전 액추에이터 요소를 포함한다. 또한 액추에이터 요소는 편향 운동을 전달하기 위해 조정 요소에 연결된다. 이 전달은 전달 요소의 도움을 받아 간접적으로 이루어진다. 가변 형상 변위체가 수납되는 하우징이 편향 운동의 전달을 위해 제공된다. 이 경우 액추에이터 요소는 그의 편향 운동이 변위체에 전달되는 방식으로 배열되어서, 그 형상 가변성으로 인해, 변위체는 항복 운동(yielding movement)을 수행한다. 더 나아가, 조정 방향을 향하는 방식으로 그의 항복 운동이 일어나는 방식으로 하우징이 변위체를 안내하도록 설계된다. 그러므로 변위체는 액추에이터 요소의 편향 운동에 의해 변형되고, 그에 의해 조정 방향에서 항복 운동을 수행한다. 조정 운동을 수행하기 위해, 마지막으로, 조정 요소가 변위체에 연결되어서, 변위체의 항복 운동이 조정 운동을 발휘하기 위한 조정 요소로 전달된다.

적어도 하나의 압전 액추에이터 요소와 특히 밴딩 트랜스듀서가 액추에이터 요소로 사용된다. 단일형뿐만 아니라 이형 또는 다형의 밴딩 트랜스듀서가 여기에 사용될 수 있다. 밴딩 트랜스듀서의 대안으로 사용되는 것은 복수의 개별 피에조 층들이 스택(stack)처럼 서로 상에 배열된, 피에조 스택(piezo stack)이다.

압전 재료, 바람직하게는 소위 PZT 세라믹(납-지르코네이트-티타늄)이 피에조 요소로 사용된다. 전기적 단자 접점을 통해 제어 전자기기에 연결되는 활성화 전극이 이 압전 재료의 개별 층의 대향하는 평탄한 측면들에 주로 적용된다. 이 경우 압전 재료는 단지 얇은 층으로 형성되며, 전형적으로 캐리어층(carrier layer)에 적용된다. 단일형 구성의 경우, 단지 하나의 압전층이 적용된다. 이형 트랜스듀서의 경우, 전형적으로 두 개의 압전층이 중간 캐리어 평면의 대향하는 측면들에 배열되고, 다형 구조의 경우 복수의 압전층이 캐리어 평면의 하나의 측면 또는 양 측면들에 형성된다. 이러한 압전 액추에이터 요소는 일반적으로 매우 작은 크기의 구성을 가능하게 한다.

변위체는 가변 형상 변위체 덩어리로 구성되거나 예를 들어, 이 변위체 덩어리가 가요성 케이싱에 둘러싸여지는 구성으로 그러한 덩어리를 포함하는 본체이다. 그래서 변위체는 변위체 덩어리가 내부에 수용되어 있는 케이싱으로 형성된다. 변위체의 본질적인 특징은 형상의 가역적인 가변성이어서, 결과로서 얻어진 형상의 변화에 의해 편향 운동이 조정 요소에 전달될 수 있다. 액추에이터 요소의 활성화(편향)의 완료 후에, 변위체는 하우징에 의해 미리 결정된 원래 형태로 되돌아간다. 이 범위에서, 하우징은 특정 방식으로 변위체를 위한 안내부를 형성하고 항복 운동의 방향을 미리 결정한다.

본 명세서에 설명된 액추에이터의 경우 특히 중요한 것은 변위체에 의한 조정 요소로의 액추에이터 요소의 기계적 편향 운동의 전달이다. 그러므로 액추에이터 요소와 조정 요소 사이에 직접적인 힘 전달이 없다. 하우징과 그 내부에 수납된 변위체를 갖는 구성 그리고 또한 변위가능한 장착된 조정 요소를 갖는 구성은 전반적으로 낮은 비용 그리고 특히 또한 자동화된 방식으로 생산될 수 있어서, 이러한 액추에이터의 단순화된 생산을 가능하게 한다.

더 나아가, 액추에이터 요소는 특히 넓은 영역에 걸쳐 변위체에 작용하여서, 통상적인 액추에이터의 경우와 같이 개별 지점에서 부하를 부여하는 대신에, 이제 한편으로 액추에이터 요소의 균일한 부하의 부여가 성취되어 본 발명의 액추에이터 요소가 더 내구적이게 되는 장점을 갖는다. 다른 한편, 결과적으로 가능한 한 넓은 영역에 걸쳐 편향 운동의 전달이 일어나서, 액추에이터 요소의 기계적 편향 운동의 효율적인 변환이 이루어지며, 결과적으로 사용되는 전기적 에너지의 매우 효율적인 활용이 이루어진다. 또한 이는 특히 작은 액추에이터 요소가 사용될 수 있어서, 전반적인 액추에이터 또한 작은 크기로 형성될 수 있는 효과로 이어진다.

변위체는 바람직하게 탄성(동사) 또는 소성(동사)이며 특히 고체 본체로 형성된다. 바람직하게, 이 경우 이는 플라스틱의 (고체) 본체로 형성된다. 예를 들어, 특히 변위체는 플라스틱으로 만들어진 탄성 본체일 수 있다. 그러므로, 변형가능한 고체 재료는 특히 엘라스토머 재료로, 바람직하게는 엘라스토머 플라스틱이 변위체를 위한 재료로 일반적으로 사용된다. 탄성 재료가 사용되면, 활성화 이후, 변위체는 자동적으로 그의 탄성 때문에 원래 상태로 되돌아간다. 소성적으로 변형가능한 재료가 사용되는 경우에만, 변위체는 그에 작용하는 외부력의 결과로서 원래 상태로 되돌아간다.

바람직하게는, 실리콘이나 폴리우레탄 재료가 변위체에 사용된다. 게다가, 비교가능한 탄성 특성을 보이는, 플라스틱 또는 다른 재료들, 특히 예를 들어 고무와 같은 탄성 재료가 사용될 수 있다. 재료의 임의의 구조적 변화가 발생하지 않으면서 빈번한 가역적 항복과 원래 상태로의 복귀에 적합하기 때문에 이러한 재료, 상세하게 실리콘은 특히 그의 내구성의 측면에서 적합하다. 긴 작동 수명이 결과로서 성취된다.

변위체를 위한 고체 본체의 사용에 대한 대안으로서, 그 점도가 바람직하게는 꿀의 점도와 대략 대응하는 10⁴mPa·s 이상인 액체, 특히 점성 액체가 사용될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 낮은 점도의 액체가 사용될 수 있다. 그래서 이 점성 덩어리는, 특히 예를 들어 물과 비슷한 점성을 갖는 낮은 점도의 액체의 경우, 바람직하게는 가요성 케이싱에 수납되고, 이와 함께 변위체를 형성한다. 이 경우 변위체는 예를 들어 특히 겔과 같은 덩어리로 채워진 쿠션의 방식으로 형성된다. 점성 덩어리가 사용되면, 변위체는 특히 중력의 결과로서 원래 상태로 되돌아간다.

바람직하게는, 특히 탄성/소성 재료의 구성적 변형예에서 변위체는 30 내지 50 범위의 DIN EN ISO 868 및 DIN ISO 7619-1을 따르는 쇼어 에이 경도(Shore A hardness)를 가진다. 이는 전형적인 편향력과 밴딩 트랜스듀서의 변위 조정 하에 변위체의 바람직한 항복 운동을 허용한다. 겔과 같은 액체가 사용될 때, 이 값들은 또한 이들 수치 미만이 된다.

변위체는 일반적으로 하우징에 수납되며, 즉, 변위체는 모든 측면에서 하우징의 벽에 또는 모든 측면의 액추에이터 요소에 맞닿아 위치된다. 하우징 내의 변위체의 항복은 조정 방향에서만 가능하다. 하우징은 조정 방향에서 변위체를 위한 항복 또는 안내 공간을 제공한다. 조정 방향에서, 이 경우 변위체가 편의상 조정 요소와 직접적으로 인접한다.

또한 이러한 구성에 의해, 액추에이터 요소에 의한 변위체의 변위의 결과로서 압축, 즉, 체적 감소가 또한 부분적으로 이루어지는 것이 특히 유리하게 성취된다. 그러므로 변위체는 바람직하게는 압축성이다. 결과적으로, 변위체는 편향되지 않은 상태보다 액추에이터 요소의 편향된 상태에서 더 높은 경도를 가진다. 이는 편향된 상태에서, 규정된 조정력과 유지력이 변위체를 통해 조정 요소에 발휘되는 효과를 갖는다. 그래서 이 힘은 조정 요소로부터 더 나아가 전달된다. 특히 브라유 요소에 대한 적용의 경우, 조정력 및 유지력은 1N 내지 8N의 범위가 된다. 다른 적용의 경우, 예를 들어 밸브의 경우, 또한 이 힘은 더 클 수 있고, 예를 들어 수 10N이다.

압축성 변위체의 사용에 대한 대안으로서, 비압축성 변위체가 사용될 수 있으며, 따라서 부피가 일정하게 유지되고 액추에이터 요소에 의해 변위된 부피가 조정 방향에서의 항복 운동으로 1:1 편향된다.

바람직한 구성에서, 적어도 하나의 액추에이터 요소가 하우징 내에 배열된다. 따라서 액추에이터 요소는 변위체와 함께 하우징 내에 배열된다. 이 경우 변위체는 액추에이터 요소에 특히 전체 표면 영역 접촉으로 맞닿아 위치된다. 바람직하게는, 액추에이터 요소가 직접적으로 변위체에 작용한다. 변위체와 액추에이터 요소 사이의 이러한 직접적인 접촉에 대한 대안으로서, 또한 탄성 벽이 이러한 두 요소들 사이에 배열될 수 있다. 하우징의 내부 공간에서의 액추에이터 요소의 통합은 액추에이터 요소의 편향 운동의 효율적인 활용을 성취하는 효과를 갖는다. 원론적으로는, 하우징이 액추에이터 요소의 영역에 탄성 벽을 가지면, 액추에이터 요소는 하우징 밖에도 배열될 수 있다.

바람직한 개선에서, 이 경우 액추에이터 요소는 하우징의 벽과 변위체 사이에 배열될 수 있다. 따라서 액추에이터 요소는 말하자면 변위체에 대해 하우징의 가동의 벽 영역을 형성하며, 이를 중심 방향에서 바깥으로부터 변형시킨다.

이에 대한 대안으로서, 적어도 하우징 자체 벽의 일부 영역은 압전 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 그에 부착된 전극을 갖는 소위 피에조 튜브는 액추에이터 요소를 형성하는데 제공되며, 피에조 튜브는 하우징 또는 적어도 그의 일부를 형성한다. 이 변형의 경우, 전극은 특히 하우징의 내부 측면 상에 그리고 외부 측면 상에 부착된다. 이 경우 이들은 예를 들어 부분적으로, 특히 스트립(strip) 형태로, 또는 전체 표면 영역에 걸쳐 내부 측면 또는 외부 측면에 적용된다. 활성화가 되면, 피에조 튜브, 그리고, 그와 함께, 하우징 전체가 수축하거나 팽창하여서, 이에 따른 부피의 결과적인 변화가 변위체의 원하는 변위로 이어진다.

또한 액추에이터 요소는 바람직하게는 그의 편향 운동의 방향이 조정 방향과 다른 방식으로 배향되며, 특히 그에 수직하게 배향된다. 상세하게는, 예를 들어 밴딩 트랜스듀서로 형성된 액추에이터 요소는 특히 하우징의 종방향으로 정의된 조정 방향에서 연장한다. 결과적으로 편향 운동은 종방향에 대하여 실질적으로 수직하게 발생한다. 압전 액추에이터 요소의 지정된 편향 운동의 사실상 임의의 원하는 편향은 일반적으로 변위체에 의해 용이한 방식으로 가능하게 된다. 이는 작은 크기의 바람직한 구성을 위해 장점이 된다.

편의적인 개선에서, 적어도 두 개의 액추에이터 요소가 하우징의 대향하는 내부 벽에 특히 서로 대향하게 위치하며 배열된다. 결과적으로, 복잡한 조치 없이 효과가 증대된다. 원론적으로는, 두 개보다 많은 액추에이터 요소가 또한 배열될 수 있다. 이들은 바람직하게는 하우징의 내부 벽에 개별적으로 배열된다. 가변 형상 변위체로 인해 액추에이터 요소의 편향 운동의 방향이 중요하지 않기 때문에, 대향하는 배열이 반드시 필요한 것은 아니다.

전반적으로, 가능한 작은 크기의 적용을 실현할 수 있기 위해서, 편의상 액추에이터는 마이크로 액추에이터이다. 이를 성취하기 위해, 적어도 액추에이터 요소가 편향되지 않은 원래 상태에서, 변위체가 10㎣에서 250㎣ 범위, 특히 20㎣에서 50㎣의 부피를 차지한다. 바람직하게는, 이 경우 하우징은 2㎟ 내지 10㎟ 범위의 (자유 내부) 기부 영역과 5㎟ 내지 10㎟의 높이를 갖는다. 대응적으로, 하우징은 이에 대응하는 크기를 갖는다. 피에조 튜브가 사용되면, 예를 들어 대략 1.5mm 내지 2mm의 내부 지름을 갖는다. 이 경우 이러한 피에조 튜브의 벽 두께는 일반적으로 대략 0.5mm 내지 0.6mm의 범위이다.

전체 액추에이터는 편의상 최대 수 밀리미터의 조정 요소의 조정 변위에 대하여 그리고 특히 1mm 이하의 조정 변위에 대하여 설계된다. 그러므로 변위체의 항복 운동은 조정 방향에서 대략 1mm의 작은 조정 변위 운동으로 변환된다.

바람직하게는, 하우징이 한 방향에서, 특히 조정 방향에서 연장하는 튜브형의 중공체로 형성된다. 이 경우 하우징은 바람직하게는 고체 벽을 가지지만, 반드시 가지는 것은 아니다. 이 경우 중공체의 종방향에 수직하는 단면 영역은 편의상 다각형, 특히 직사각형 그리고 상세하게는 정사각형이다. 대안적으로, 이는 원형이다. 조정 요소는 편의상 튜브형 하우징의 하나의 단부면에 배열된다. 조정 요소로부터 대향하는 튜브의 단부면은 바람직하게는 닫혀 있다.

바람직하게는, 조정 요소는 하우징 내에서 또는 상에서 안내되는 안내 요소를 갖는다. 바람직하게는, 이는 하우징 내에서 안내되며 중공체에 적합한 단면 형상을 갖는 피스톤의 방식으로 형성된다. 또한 이러한 적합한 단면 형상은 여기서, 동시에 밀봉이 편리하게 안내 요소에 의해 성취되는 효과를 가지며, 그래서, 말하자면 하우징에 의해 형성된 변위체를 위한 수용 공간이 안내 요소에 의해 하나의 단부면에서 닫히게 된다. 이 구성에서, 조정 요소는 전반적으로 특히 플라스틱으로 이루어진 개별 요소로 형성되며, 바람직하게는 비포지티브 연결(non-positive connection) 또는 포지티브 연결(positive connection)없이 단지 느슨하게 변위체에 연결된다.

이에 대한 대안으로서, 조정 요소는 예를 들어, 접착성 결합에 의해 변위체에 단단하게 연결될 수 있고, 특히 조정 요소는 변위체의 일부가 될 수 있다. 그러므로 조정 요소와 변위체는 단일 구성요소이다.

바람직하게는 하우징은 조정 요소로부터 대향하는 단부면에서 종단 요소에 의해 닫힌 단부면을 갖는다. 또한 이 경우 이 종단 요소는 전기 단자 접점을 가지며, 이를 통해 액추에이터 요소의 전기적 접촉이 일어난다. 그러므로 종단 요소는 전기적 구성요소들이 형성될 수 있는, 특히 절연 재료, 특히 플라스틱제 캐리어를 형성한다. 접촉, 즉, 액추에이터 요소의 전기적 공급 및/또는 전기적 활성화가 (전적으로) 종단 요소를 통해 용이한 방식으로 발생하기 때문에, 이는 용이한 장착을 가능하게 한다. 그러므로 장착 중에, 양 측면이 열린 단순한 튜브가 하우징을 위해 사용될 수 있으며, 이 튜브의 하나의 측면은 종단 요소에 의해 닫혀지고 다른 측면은 조정 요소에 의해 닫혀진다.

종단 요소는 편의상 하우징 내에 삽입하기만 하면 되는 미리 제조된 모듈인 액추에이터 요소로 형성된다. 이 경우 적어도 하나의 액추에이터 요소가 종단 요소에 체결되고, 고정 단부에 의해 접점이 형성된다. 그러므로 액추에이터 요소는 특히 (하우징의 조정 방향 또는 종방향에서) 수직 방향으로 돌출하는 (밴딩 트랜스듀서) 요소로서의 종단 요소에 직접적으로 체결된다.

이에 대한 대안으로서, 액추에이터 요소는 먼저 그의 고정 단부에 의해 하우징에 체결되고 나서 전기적 접촉이 예를 들어 적합한 스프링 접촉에 의해, 종단 요소의 장착 중에, 특히 자동적으로 일어난다.

특히 바람직한 구성에서, 종단 요소는 회로 보드로 형성되거나, 적어도 그러한 회로 보드를 가지며, 액추에이터 요소의 활성화를 위한 제어 전자기기가 회로 보드에 배열된다. 이 경우 제어 전자기기는 바람직하게는 제어 신호를 수신하기 위한 입력부를 가지고 액추에이터 요소의 활성화를 위한 적합한 방식으로 이러한 제어 신호를 변환하도록 설계된다. 바람직하게는, 제어 전자기기는 또한 회로 보드에 전력을 공급하기 위한 외부 단자를 갖는다. 전반적으로, 개별적인 구성요소들이 미리 제조된 모듈로서 제공되며 용이한 방식으로 단지 함께 결합되기만 하면 되기 때문에, 자동화된 생산은 특히 편의적인 방식으로 이 구성에 의해 가능하게 된다.

특히 바람직한 구성에서, 조정 요소는 브라유 디스플레이의 핀이다. 그러므로 복수의 이러한 액추에이터는 브라유 디스플레이를 형성하기 위한 적합한 브라유 하우징 내에 함께 결합된다.

이에 대한 대안으로서, 조정 요소는 밸브의 조정 요소이다. 그러므로 조정 요소의 조정 운동은 밸브의 작동으로 이어져, 밸브의 유동 단면을 제어한다.

추가적인 대안에서, 조정 요소는 전기적 스위칭 요소의 일부이다. 이 경우 조정 요소는 접점을 스위칭하기 위한 조작기로 작용한다. 추가적인 대안에서, 조정 요소는 편리하게 잠금 매커니즘의 일부이다. 상세하게는, 이 경우 조정 요소는 잠금 핀으로 형성되거나 그러한 잠금 핀에 직접적으로 작용한다.

본 발명의 예시적인 실시예는 단일 도면을 기반으로 아래에서 더 상세하게 설명된다. 이는 분해도의 방식으로 브라유 디스플레이의 마이크로 액추에이터를 도시한다.

도면에서 도시된 마이크로 액추에이터는(2)는, 적어도 하나의 압전 액추에이터 요소(4), 예시적인 실시예에서는 두 개의 압전 액추에이터 요소(4)를 가지며, 이는 장착된 상태에서 하우징(6)의 내부에 변위체(8)와 함께 배열된다. 예시적인 실시예에서, 하우징(6)은 정사각형 단면을 가진 튜브로 형성된다. 하우징(6)의 하나의 단부면은 종단 요소(10)에 의해 닫힌다. 튜브형 하우징(6)의 대향하는 단부에 배열된 것은 예시적인 실시예에서 같은 종방향에서 변위가능하게 하우징(4)에 장착된, 조정 요소(12)이다. 동시에 이 종방향은 조정 방향(14)을 정의한다.

액추에이터(2)의 이러한 구성요소들과 별개로, 안내 구멍(18)을 갖는 안내 플레이트(16) 또한 도면에 도시된다.

브라유 디스플레이를 위한 사용에 대응하는 방식에서, 조정 요소(12)는 결합된 상태에서 안내 구멍(18)을 통해 연장하는, 감지 핀(20)을 갖는다. 이 경우 감지 핀(20)은 그의 바닥에서 안내 요소(22)에 연결된다.

특히, 조정 요소(12)는 특히 플라스틱으로 이루어진 단일 구성요소로 형성된다. 안내 요소(22)의 도움을 받아, 조정 요소(12)는 하우징(6) 내에서 안내된다. 안내 요소(22)는 여기서 하우징(6)의 내부 단면 윤곽에 적합한 단면 윤곽으로 형성된다. 예시적인 실시예에서, 이는 정사각형 단면 윤곽이다. 안내 요소(22)는 직사각형 플레이트의 방식으로 형성된다. 필수적인 허용공차 유격을 제외하고, 안내 요소(22)의 단면 영역은 하우징(6)의 자유 내부 단면 영역과 동일하다.

작동 중에, 조정 요소(12)는 조정 변위(ΔH)만큼 조정 방향(14)에서 오프셋(offset)될 수 있다. 이 경우 이 조정 변위(ΔH)는 더 작은 밀리미터 범위, 바람직하게는 <2mm와 특히 대략 1mm가 된다. 이 조정 변위는 브라유 디스플레이의 기능에 충분하다. 그러므로 조정 변위(ΔH)는 브라유 디스플레이에 배열된 복수의 이러한 감지 핀(20)으로부터 각각의 위치(상승되거나 후퇴된 위치)를 사람이 느낄 수 있기에 충분하게 치수 설정된다.

조정 방향(14)에서 조정 요소(12)의 전반적인 길이는 단지 다 합쳐서 수 밀리미터, 예를 들어 4mm와 10mm 사이의 범위이다.

예시적인 실시예에서, 변위체(8)는 적합한 탄성 플라스틱 재료의 완전한 고체 본체이다. 실리콘이나 폴리우레탄은 특히 플라스틱 재료로서 여기서 사용된다. 여기서 사용된 플라스틱 재료는 30에서 50 사이 범위의 쇼어 에이 경도(Shore A hardness)를 가진다.

장착된 상태에서, 두 개의 압전 액추에이터 요소(4)는 하우징(6) 벽(24)의 대향하는 영역에 배열된다. 이 경우 액추에이터 요소(4)는 소판(platelet) 형태의 세장형 요소로서 조정 방향(14)에서 연장하는 밴딩 트랜스듀서로 개별적으로 형성된다. 조정 요소(12)로부터 먼, 그의 후단부에서, 이들은 개별적으로 고정 단부(26)를 가지며, 이 고정 단부에 의해 이들이 종단 요소(10)에 연결된다. 특히, 또한 이들은 종단 요소(10)에 대한 그들의 고정 단부(26)에 의해 전기적으로 접촉된다. 이 목적을 위하여, 종단 요소(10)는 단자 접점(28)에 대응한다.

액추에이터 요소(4)는 예를 들어 단일형 밴딩 트랜스듀서이거나 대안적으로 이형, 삼형 또는 다형 밴딩 트랜스듀서이다. 이들은 전형적으로 단지 수 100㎛의 범위의 두께를 갖는다. 적합한 제어 전압이 작동 중에 인가되면, 액추에이터 요소(4)의 굽힘이 발생하여, 이들은 개별적으로 편향 운동을 수행한다. 이는 하우징(6)의 중심 방향으로, 즉, 조정 방향(14)에 대해 실질적으로 수직으로 배향된다.

이 경우 액추에이터 요소(4)의 길이는 변위체(8)의 길이에 적어도 대략 대응한다. 따라서 액추에이터 요소(4)는 변위체(8)를 마주하는 그의 평평한 측면이 그의 전체 길이에 걸친 전체 표면 영역 접촉부에서 변위체(8)에 특히 직접적으로 맞닿아 배치된다.

예시적인 실시예에서, 변위체(8)는 조정 방향(14)에서 예를 들어 5mm에서 8mm 범위의 길이(l)를 가진다. 이는 또한 2mm 범위의 폭(b)을 가진다. 따라서 정사각형 기부 영역의 둘레 길이는 대략 2mm이다.

이 경우 장착된 상태에서 액추에이터 요소(4)가 그들의 하나의 평평한 측면이 벽(24)에 대하여 직접적으로 위치되고 그들의 다른 대향하는 평평한 측면이 변위체(8)에 맞닿아 위치되는 방식으로, 변위체(8), 액추에이터 요소(4) 및 또한 하우징(6)의 치수가 전반적으로 서로 정합하도록 만들어진다. 따라서 액추에이터 요소(4)의 편향 운동은 임의의 백래시(backlash) 없이, 직접적으로 변위체(8)에 전달된다.

튜브형 하우징은 바람직하게는 플라스틱 하우징이다. 이는 조정 방향(14)에서 변위체(8)의 길이보다 대략 더 긴 길이를 가진다. 이 전체 길이는 예를 들어 2mm와 4mm 사이의 범위가 된다. 한편으로는, 이 전체 길이는 조정 요소(12)의 안내 요소(22)를 수용하고 안내하기 위해 기능하며 다른 한편으로는 변위체(8)를 위한 항복 부피를 제공하기 위해 기능한다.

마지막으로, 바람직한 구성에서, 종단 요소(10)는 회로 보드로 형성되거나, 회로 보드 또한 종단 요소(10)로 통합된다. 이미 언급된 단자 접점에 추가로, 제어 전자기기(30)가 이 회로 보드에 배열된다. 제어 전자기기(30)의 요소는 하우징의 내부 측면을 마주하고 있는 측면에 선택적으로 부착되거나 대안적으로 종단 요소(10)의 외부 측면에 부착된다.

종단 요소(10)는 추가적으로 외부 단자를 가지며, 이를 통해 액추에이터 요소(4)를 위한 제어 신호 및/또는 공급 전압을 받아들일 수 있다.

작동 중에, 액추에이터 요소(4)의 활성화가 단자 접점(28)을 통해 발생한다. 액추에이터 요소(4)의 활성화 시, 그들은 그 자유 단부에서 밴딩 트랜스듀서로서의 그 구성에 대응하는 방식으로 편향되어 고정 단부(26)로부터 그들의 전체 길이에 걸쳐 변위체(8)에 대하여 각각 내향 굴곡된다. 결과적으로, 변위체(8)의 압축이 액추에이터 요소(4)의 영역에서 발생한다. 탄성적 재료 선택으로 인해, 전반적으로 변위체(8)는 형상이 가변적이다. 그러므로 액추에이터 요소(4)에 의한 플라스틱 재료의 변위는 말하자면 재료 변위와 변위체(8)의 항복 운동으로 이어진다. 하우징(6)의 결과로서, 유일한 정의된 방향, 즉, 조정 방향(14)이 변위체(8)의 이러한 항복 운동에 대하여 미리 결정된다. 따라서 변위체는 조정 방향(14)에서 그의 길이를 변화시킨다. 이 길이의 변화는 변위체(8)에 직접적으로 위치한 조정 요소(12)에 직접적으로 전달된다. 이는 조정 방향(14)에서 조정 요소(12)의 바람직한 조정 운동으로 이어진다.

액추에이터 요소(4)가 되돌아오면, 벽(24)에 대하여 평평하게 맞닿아 위치된 그들의 시작 위치로 되돌아간다. 탄성 특성으로 인해, 또한 변위체(8)는 원래 상태로 되돌아가고, 즉, 그의 길이가 단축된다. 그리고 나서 조정 요소(12)는 자동적으로 후퇴 위치로 다시 움직이다. 이는 예를 들어 중력으로 인해 자동적으로 일어난다. 이의 대안으로, 안내 요소(22)는 변위체(8)에 연결되어, 조정 요소(12)가 변위체(8)에 의해 후퇴된 시작 위치로 다시 능동적으로 되돌아간다. 이 목적을 위해, 조정 요소(12)가 예를 들어 변위체(8)의 전방 단부면에 접착식으로 결합된다.

브라유 디스플레이의 경우, 복수의 이러한 마이크로 액추에이터(2)가 서로 옆에 행과 열로 배열된다.

여기서 기술된 브라유 디스플레이의 적용을 제외하고, 여기서 액추에이터(2)는 또한 적용의 추가적인 기술적 영역에서 사용될 수 있다. 한편으로, 예를 들어 액추에이터(2)는 밸브에 사용되고, 조정 요소(12)는 이때 또한 유체의 유동 경로를 열거나 닫기 위한 밸브의 조정 요소이다. 추가적인 적용에서, 액추에이터(2)는 전기적 스위칭 요소의 경우에 사용된다. 이 경우, 조정 요소(12)는 스위칭 요소의 일부이며 예를 들어 스위치 접점으로 작동한다. 마지막으로, 잠금 매커니즘에서의 액추에이터(2) 사용 또한 고려된다. 이 경우, 조정 요소(12)는 잠금 요소로 형성되거나 잠금 요소 상에 작용한다.

이 액추에이터의 이점은 한편으로 아주 작은 크기의 구성에서 찾을 수 있다. 더 나아가, 전체 표면 영역 접촉으로 밴딩 트랜스듀서가 변위체에 맞닿아 위치되는 것은 위치는 밴딩 트랜스듀서가 아주 균일한 부하를 받게 되는 효과를 가지므로, 긴 수명이 보장된다. 여기서 기술된 구조는 또한 자동화된 방식으로 비교적으로 용이하게 생산되어, 단지 적은 생산 비용이 발생한다.

2 액추에이터
4 액추에이터 요소
6 하우징
8 변위체
10 종단 요소
12 조정 요소
14 조정 방향
16 안내 플레이트
18 안내 구멍
20 감지 핀
22 안내 요소
24 벽
26 고정 단부
28 단자 접점
30 제어 전자기기
ΔH 조정 변위
l 길이
b 폭

Claims (21)

1. 작동 시 조정 운동을 수행하는 조정 요소(12)를 작동하기 위한 액추에이터(2)이며, 액추에이터는 액추에이터 요소(4)의 편향 운동을 발휘하기 위한 적어도 하나의 전기적으로 활성화가능한 압전 액추에이터 요소를 포함하며, 액추에이터 요소(4)는 편향 운동을 전달하기 위해 조정 요소(12)에 연결되는 액추에이터에 있어서, 하우징(6)을 포함하고, 하우징은 편향 운동을 전달하기 위해 그 내부에 수납된 가변 형상의 변위체(8)를 갖고, 액추에이터 요소(4)는 작동 중에 편향 운동이 변위체(8)에 전달되는 방식으로 배열되어서, 변형의 결과로서 변위체가 항복 운동을 수행하고, 하우징(6) 안의 변위체(8)의 항복 운동이 정의된 조정 방향(14)을 향하는 방식으로 하우징(6)이 변위체(8)를 위한 안내부로 형성되며, 변위체(8)의 항복 운동이 조정 방향(14)에서 조정 운동을 발휘하기 위해 조정 요소(12)로 전달되는 방식으로 조정 요소(12)가 변위체(8)에 작동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터(2).
2. 제1항에 있어서, 변위체(8)는 소성이거나 탄성인, 액추에이터(2).
3. 제2항에 있어서, 소성이거나 탄성인 변위체(8)는 고체 본체인, 액추에이터(2).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 변위체(8)는 실리콘이나 폴리우레탄으로 구성된, 액추에이터(2).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 변위체(8)는 30 내지 50 범위의 쇼어 에이 경도를 가지는, 액추에이터(2).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 변위체(8)는 액추에이터 요소의 편향된 상태에서, 편향되지 않은 상태보다 더 큰 경도를 가지는, 액추에이터(2)
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 액추에이터 요소(4)와 변위체 양자 모두는 하우징(6) 내에 배치되는, 액추에이터(2).
8. 제7항에 있어서, 액추에이터 요소(4)는 하우징(6)의 벽과 변위체(8) 사이에 배열되는, 액추에이터(2).
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(6)의 적어도 일부가 압전 재료로 형성되는, 액추에이터(2).
10. 제9항에 있어서, 액추에이터 요소(4)는 그 편향 운동의 방향이 조정 방향(14)과 상이한 방식으로 배향되는, 액추에이터.
11. 제10항에 있어서, 액추에이터 요소의 편향 운동의 방향은 조정 방향(14)에 수직하는, 액추에이터.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로 액추에이터의 형태이며, 변위체(8)는 10㎣ 내지 250㎣ 범위의 부피를 차지하는, 액추에이터(2).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 요소는 1mm 이하의 조정 변위(ΔH)를 가지는, 액추에이터(2).
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(6)은 조정 방향(14)에서 연장하는 튜브형의 중공체로 형성되는, 액추에이터(2).
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 요소(12)는 하우징(6) 내에서 또는 하우징 상에서 안내 요소(22)를 가지는, 액추에이터(2).
16. 제15항에 있어서, 안내 요소(22)는 하우징(6)의 내부에서 피스톤처럼 안내되는, 액추에이터(2).
17. 제14항, 제15항, 또는 제16항에 있어서, 안내 요소(22)는 변위체(8)와 직접 접촉하고 중공체를 밀봉하는, 액추에이터(2).
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(6)은 종단 요소(10)에 의해 닫혀진 단부면을 가지며, 종단 요소(10)는 전기적 단자 접점(28)을 통해 액추에이터 요소(4)에 연결된, 액추에이터(2).
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 액추에이터 요소(4)는 고정 단부에 의해 종단 요소(10)에 체결되는, 액추에이터(2).
20. 제19항에 있어서, 종단 요소(10)는 회로 보드를 갖거나 회로 보드로부터 형성되며, 회로 보드는 액추에이터 요소(4)의 활성화를 위한 제어 전자기기(30)에 배열되는, 액추에이터(2).
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 요소(12)는 브라유 디스플레이의 핀, 밸브의 조정 요소 전기적 스위칭 요소의 일부 또는 잠금 매커니즘의 일부인, 액추에이터(2).
    

Images