KR20190058274A - 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법 - Google Patents

압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법 Download PDF

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박성철
이승환
이유형
박완
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주식회사 모다이노칩
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명은 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부; 검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치 및 방법을 제시한다.

Description

압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법{Operating apparatus and method for piezoelectric actuator}
본 발명은 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
압전 물질(Piezoelectric material)은 압력을 가하면 전압이 발생하는 압전 효과와, 전압을 가하면 압전 물질 내에 압력 변화로 인한 부피나 길이가 증감되는 역압전 효과가 발생된다. 압전 진동 장치는 역압전 효과를 이용하여 휴대폰, 휴대용 멀티미디어 재생 장치(Potable Multimedia Player; PMP), 게임기 등과 같은 다양한 전자기기에 널리 채용된다.
휴대폰 등에 사용되는 압전 진동 장치는 사용자의 터치에 진동으로서 반응하는 촉각 피드백(haptic feedback) 수단으로서 이용될 수 있다. 촉각 피드백이란 물체를 만질 때 사용자의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각을 말한다. 촉각 피드백 수단은 가상의 물체(예를 들어, 윈도우 화면의 버튼 표시)를 사람이 만졌을 때 버튼 등의 실제의 물체를 만지는 것과 같은 응답성으로 동적 특성(버튼을 누를 때 손가락으로 전달되는 진동, 촉감과 동작음 등)을 재생할 수 있는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 따라서, 압전 진동 장치는 사람이 촉각을 통해 진동을 인지할 수 있는 충분한 진동력을 제공할 필요가 있다.
한편, 압전 물질로는 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 소재가 많이 이용되었다. PZT 소재는 높은 압전 계수(d33)를 비롯한 우수한 전기적인 특성 등 산업 전반에서 요구되는 성능들이 뛰어난 편이어서 일반적으로 사용되고 있으나, 납(Pb)을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경 문제를 야기한다. 따라서, 최근에는 납을 사용하지 않는 무연 압전 세라믹스가 연구되고 있다.
최근까지 개발된 무연 압전 세라믹스 중에서는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지며, 압전특성이 우수한 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스 재료인 (Bi0.5Na0.5)TiO3(이하, 'BNT'라고 함)와 (Bi0.5K0.5)TiO3(이하,'BKT'라고 함)가 있다. 이들은 강한 압전성과, 실온에서 비교적 큰 잔류분극(remnant polarization, Pr=38μC/㎠), 높은 상전이점을 가지는 장점이 있다. 그러나, 항전계(coercive field, Ec=73kV/cm)가 높고 절연 파괴 전압(breakdown voltage)이 낮아서 분극이 어렵다는 단점으로 인하여 실용적인 소자로 활용되기에는 압전 특성이 미흡하다.
또한, PZT는 분극이 가능하여 수축 및 팽창이 모두 가능하지만, 무연 압전 물질은 분극이 어렵고 수축 또는 팽창만이 가능하다.
따라서, 무연 압전 물질을 이용한 액추에이터는 기존의 PZT를 이용한 액추에이터와는 다른 방식으로 구동되어야 한다.
한국등록특허 제10-1333792호
본 발명은 무연 압전 물질을 이용한 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 구동 특성을 향상시킬 수 있는 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 압전 액추에이터 구동 장치는 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부; 검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함한다.
상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함한다.
상기 구동 신호 생성부는 -로부터 +의 진폭을 갖는 제 1 구동 신호를 생성한다.
상기 레벨 검출부는 상기 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압, 소비 전력 중 적어도 하나를 검출한다.
상기 신호 조합부는 0V 이상의 진폭을 갖는 제 2 구동 신호를 생성한다.
상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 제어부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 신호 생성부를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨이 조절되도록 한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 압전 액추에이터 구동 방법은 제 1 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시키는 과정; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정; 상기 압전 액추에이터의 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 생성하는 과정; 및 상기 제 2 구동 구동 신호를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 구동시키는 과정을 포함한다.
상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함한다.
상기 제 1 구동 신호는 -로부터 +의 진폭을 갖는다.
상기 압전 액추에이터의 레벨은 진동 가속도, 전압, 소비 전력을 포함한다.
상기 제 2 구동 신호는 0V 이상의 진폭을 갖는다.
상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 과정과, 상기 검출 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 상기 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하는 과정을 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법은 구동 신호 생성부에서 생성된 제 1 구동 신호에 의해 무연 압전 액추에이터가 구동될 수 있고, 무연 압전 액추에이터의 출력 레벨을 검출하여 생성된 제어 신호와 제 1 구동 신호의 조합으로 생성된 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 즉, 무연 압전 액추에이터는 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨이 기준 레벨보다 크거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 레벨보다 작으면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 또한, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 압전 액추에이터의 레벨이 기준 레벨보다 낮을 경우에도 제 2 구동 신호보다 높은 레벨의 제 3 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다.
따라서, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 등의 구동 특성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 무연 압전 액추에이터가 장착된 전자기기의 햅틱 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 사시도 및 단면도.
도 8 내지 도 10은 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 히스테리시스 곡선.
도 11 및 도 12는 인가 전압에 따른 무연 압전 물질의 특성을 나타낸 그래프.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도.
도 15 내지 도 21는 본 발명의 실험 예들에 따른 구동 전압의 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력의 변화 그래프.
도 22는 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 결합 사시도이고, 도 2는 분해 사시도이다. 또한, 도 3은 분해 단면도이며, 도 4는 부분 사시도이다. 그리고, 도 5는 압전 진동 장치의 일부 영역의 다양한 실시 예에 따른 개략도이다. 또한, 도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 예에 따른 사시도 및 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 내부에 소정 공간을 마련하는 케이스(1000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되어 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(2000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되고 압전 진동 부재(2000)의 일부분에 결합되어 압전 진동 부재(2000)의 진동을 증폭시키는 웨이트(weight) 부재(3000)와, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역에 마련되어 웨이트 부재(3000)를 고정하기 위한 고정 부재(4000)를 포함할 수 있다.
1. 케이스
케이스(1000)는 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)를 포함하여 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치의 외형을 이루며, 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다.
하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 하측에 마련되어 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 내부 공간에 수용되도록 한다. 이러한 하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 예를 들어 길이 방향(즉 X 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 1 길이를 갖고, 이와 직교하는 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 2 길이를 가지며, 제 1 길이가 제 2 길이보다 긴 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이에 대응되는 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비에 대응되는 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 하부 케이스(1100)는 길이 방향의 적어도 두 변으로부터 위쪽 방향(즉 Z 방향)으로 소정 높이로 연장 형성될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)는 대략 직사각형 형태의 평면부(1110)와, 평면부(1110)의 적어도 두 변으로부터 상측으로 연장된 적어도 하나의 측면부(1120)를 포함할 수 있다. 평면부(1110)는 압전 진동 부재(2000)와 소정 간격 이격되어 압전 진동 부재(2000)의 하측을 커버할 수 있다. 측면부(1120)는 평면부(1110)의 가장자리의 적어도 두 영역으로부터 상측으로 연장 형성될 수 있다. 예를 들어, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 장변 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 물론, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 여기서, 측면부(1120)가 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 연장 형성될 경우 적어도 하나 이상의 영역이 서로 다른 높이로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 측면부(1120) 중에서 장변에 형성된 것이 단변에 형성된 것보다 높게 형성될 수 있다. 이렇게 측면부(1120)가 다양한 형상으로 제작되더라도 상부 케이스(1200)와 결합되어 측면이 커버될 수 있다. 한편, 평면부(1110)의 길이는 압전 진동 부재(2000)의 길이보다 짧을 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000)는 하부 케이스(1100)의 길이보다 길게 마련될 수 있고, 그에 따라 적어도 일부가 하부 케이스(1100) 외측으로 노출될 수 있다. 물론, 압전 진동 부재(2000)가 하부 케이스(1100)의 길이보다 짧게 마련되어 하부 케이스(1100) 내부에 완전히 수용될 수도 있다. 이와 같이 하부 케이스(1100)의 형상은 다양하게 변형 가능하다.
상부 케이스(1200)은 웨이트 부재(3000) 상측에 마련되어 내부에 웨이트 부재(3000)가 수용되고, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 수용된다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 상부 케이스(1200)의 내부에 마련될 수 있고, 압전 진동 부재(2000)는 하부 및 상부 케이스(1100, 1200) 사이의 공간에 마련될 수 있다. 이러한 상부 케이스(1200)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 서로 대향되는 두 변이 길고, 이와 직교하는 방향으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와 적어도 일 영역이 동일 형상을 갖도록 길이 방향(즉 X 방향)의 서로 대향되는 두 변이 길고, 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상을 가질 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 적어도 일 영역에서 아래쪽 방향으로 연장 형성될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 대략 직사각형의 평면부(1210)와, 평면부(1210)의 가장자리로부터 하부 케이스(1100) 방향으로 연장된 제 1 연장부(1220)와, 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 연장된 제 2 연장부(1230)를 포함할 수 있다. 평면부(1210)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이 방향을 따라 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비 방향을 따라 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 두 가장자리로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있고, 가장자리의 적어도 일부로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있다. 즉, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 단변으로부터 하측으로 연장 형성될 수 있다. 또한, 제 2 연장부(1230)는 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 소정 길이로 연장 형성될 수 있다. 따라서, 상부 케이스(1200)는 너비 방향으로 대향되는 두 영역이 하측 및 수평 방향으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 이러한 제 2 연장부(1230)는 압전 진동 부재(2000)의 소정 영역과 결합될 수 있다. 한편, 제 2 연장부(1230)의 소정 영역에 개구(1235)가 형성되며, 이에 대응하여 압전 진동 부재(2000)에도 개구(2220)가 형성될 수 있다. 상부 케이스(1200)의 개구(1235)와 압전 진동 부재(2000)의 개구(2220)는 상부 케이스(1200)와 압전 진동 부재(2000)의 정렬을 위해 형성되며, 압전 진동 장치의 조립 후 이를 전자장치에 고정하기 위해 이용될 수 있다. 한편, 상부 케이스(1200)는 평면부(1210)의 길이 방향으로 서로 대향되는 두변, 즉 장변에서 하측으로 연장된 복수의 제 3 연장부(1240)가 형성될 수 있다. 제 3 연장부(1240)는 소정 폭 및 소정의 간격으로 마련될 수 있으며, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)에 접촉될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)를 외측 또는 내측에서 접촉되도록 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)가 마련될 수 있다. 따라서, 내부에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용하고 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)와 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)이 접촉되어 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치가 구현될 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와의 사이에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용할 수 있도록 제 1 및 제 3 연장부(1220, 1240) 각각의 높이가 웨이트 부재(3000) 및 압전 진동 부재(2000)의 일부 높이보다 클 수 있다. 한편, 하부 케이스(1100) 및 상부 케이스(1200)의 적어도 하나에는 적어도 하나의 홀(미도시)을 형성하여 외부 단자를 연결할 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 평면부(1110) 및 상부 케이스(1200)의 평면부(1210)의 적어도 어느 하나에는 적어도 하나의 홀이 형성되어 외부로부터 전원을 공급하기 위한 외부 단자가 인입될 수 있다. 외부 단자는 압전 진동 부재(2000)의 압전 소자(2100)와 연결될 수 있다.
2. 압전 진동 부재
압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)과, 진동판(2200)의 적어도 일면에 마련된 압전 소자(2100)를 포함할 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 전압 인가에 따라 굽힘 응력이 발생하는 역압전 효과에 의해 진동을 발생시킨다. 즉, 압전 소자(2100)는 인가되는 전압에 따라 수직 방향으로 신축 운동을 하고, 진동판(2200)은 이를 굽힘 변형으로 변형하여 수직 방향으로 진동을 발생시킨다. 여기서, 압전 소자(2100)는 베이스와, 베이스의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층 및 내부 전극을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100)에 대해서는 도 6 및 7 등을 이용하여 추후 더욱 상세히 설명한다. 압전 소자(2100)는 접착제 등을 이용하여 진동판(2200)의 적어도 일면에 부착된다. 이때, 진동판(2200)의 양측이 동일 길이로 잔류하도록 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 중앙부에 부착될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수 있고, 진동판(2200)의 하면에 부착될 수도 있으며, 진동판(2200)의 상하 양면에 부착될 수도 있다. 즉, 본 실시 예는 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 하면에 부착되는 경우를 도시하여 설명하고 있지만, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수도 있고, 진동판(2200)의 상면 및 하면에 부착될 수도 있다. 여기서, 압전 소자(2100)와 진동판(2200)은 접착 이외에 다양한 방법으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)를 점착제를 이용하여 점착하고, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)의 측면을 접착제 등을 이용하여 접착함으로써 고정할 수도 있다.
진동판(2200)은 금속, 플라스틱 등을 이용하여 제작할 수 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 대략 직사각형의 판 형상으로 제작된다. 즉, 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 각각 소정의 길이, 너비 및 두께를 가지고, 서로 대향되는 일면 및 타면을 갖는 형상으로 제작된다. 이때, 진동판(2200)이 압전 소자(2100)보다 길게 제작될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 웨이트 부재(3000)보다 길게 제작될 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)의 일면이 압전 소자(2100)의 일면과 접착되고, 진동판(2200)의 타면이 웨이트 부재(3000)의 일부와 접촉된다. 즉, 진동판(2200)의 하면에 압전 소자(2100)가 접착되고, 진동판(2200)의 상면에 웨이트 부재(3000)의 일부가 결합될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 상면에 부착되는 경우 압전 소자(2100)와 웨이트 부재(3000)가 접촉되어 결합될 수도 있다. 이때, 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)는 접착에 의해 고정될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접착된 영역 이외의 소정 영역이 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 압전 소자(2100)와 접착된 영역 외측으로 연장된 연장판(2210)이 형성되고, 연장판(2210)은 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(1230)에 접촉될 수 있다. 다시 말하면, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접촉되는 영역 및 상부 케이스(100)의 제 2 연장부(1230)와 접촉되는 영역으로 이루어질 수 있다. 또한, 연장판(2210)에는 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(230)의 개구(1235)와 대응되도록 개구(2220)가 형성될 수 있다. 한편, 진동판(2200) 외측의 결합 영역, 즉 연장판(325)은 다양한 형상으로 마련될 수도 있다. 예를 들어, 하측으로 구부러진 후 다시 상측으로 구부러진 형상을 가질 수도 있고, 굴곡 영역의 외측으로 다시 평탄하게 형성되고, 이 영역이 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(220)에 접촉될 수 있다.
3. 웨이트 부재
웨이트 부재(3000)는 소정의 길이와 너비, 그리고 두께를 갖는 대략 육면체의 형상을 갖는다. 또한, 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 측으로 접촉부(3100)가 형성되고, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)와 접촉된다. 즉, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)의 일면과 대면하는 웨이트 부재(3000)의 두께 방향의 일면의 중앙부에 마련될 수 있으며, 그에 따라 압전 진동 부재(2000)의 중앙부에 접촉될 수 있다. 접촉부(3100)는 수평을 이루도록 평탄하게 마련된 웨이트 부재(3000)의 일면 중앙부에 돌출되어 마련될 수 있고, 웨이트 부재(3000)의 일면이 가장자리로부터 중앙부로 소정 각도로 경사지게 형성되고 중앙부의 가장 높은 부분이 접촉부(3100)가 되어 압전 진동 부재(2000)와 접촉될 수 있다. 이때, 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000)는 접착 부재 등에 따라 접착되어 고정될 수 있다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000) 사이에 접착 부재가 마련되어 웨이트 부재(3000)가 압전 진동 부재(2000)에 1차 고정될 수 있다. 여기서, 접착 부재는 양면 테이프, 쿠션 테이프, 에폭시 본드, 실리콘 본드, 실리콘 패드 등을 포함하는 테이프나 본드류를 이용할 수 있다. 따라서, 접촉부(3100)가 압전 진동 부재(2000)와 접촉되고, 웨이트 부재(3000)의 나머지 영역은 압전 진동 부재(2000)와 이격될 수 있다. 그런데, 접착제의 종류 및 그에 따른 특성에 따라 접착제를 두껍게 도포해야 할 수도 있는데, 접착제 도포 두께에 따라 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 간격이 멀어지고, 그에 따라 압전 진동 장치의 두께가 증가할 수 있다. 따라서, 접착제가 도포되는 영역, 즉 접촉부(3100)는 접착제의 도포 두께에 따라 내부로 움푹 파인 오목부(미도시)가 형성되고, 오목부 내측에 접착제가 도포될 수 있다. 한편, 접촉부(3100)는 웨이트 부재(3000)의 중앙부에 위치하지 않을 수도 있고 중앙부로부터 20% 이내에서 이동될 수 있다. 그에 따라 진동 주파수 및 변위를 조절할 수 있다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)와 결합되는 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000)의 진동에 의해 그와 함께 진동하면서 자신의 무게를 그 진동에 실어준다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)에 웨이트 부재(3000)가 결합되어 웨이트 부재(3000)의 무게가 실리면 진동체의 무게가 늘어난 결과가 되어 압전 진동 부재(2000)가 단독으로 진동할 때에 비해 공진 주파수는 감소하는 대신에 반면 진동력은 강화된다. 특히, 교류 구동 전압의 특정 주파수에서는 진동력이 최대로 증폭된다. 공진 주파수는 압전 진동 부재(2000), 웨이트 부재(3000) 등의 각 구성 요소의 물리적 재원과 물성적 특징에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 진동체는 자신의 고유 진동수에서 진동을 할 때 가장 큰 진동을 일으킨다. 진동체가 웨이트 부재(3000) 없이 압전 진동 부재(2000) 단독으로 구성된 경우 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수에 가깝기 때문에 압전 진동 부재(2000)가 그 공진점에서 최대 진동할 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값이 상대적으로 높다. 이에 비해, 진동체가 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 결합체로 구성된 경우, 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수와는 크게 멀어져서 그 진동체가 그 공진점에서 최대 진동을 일으킬 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값은 상대적으로 낮아진다. 또한, 압전 진동 부재(2000)에 흐르는 전류가 전자의 경우보다 후자의 경우가 낮기 때문에 진동체에 웨이트 부재(3000)를 이용할 경우 전력 소모량을 크게 줄일 수 있다. 한편, 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에는 고정 부재(4000)가 수용되어 결합되는 수용 홈(3200)이 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)가 접촉되는 웨이트 부재(3000)의 영역에는 오목하게 패인 수용 홈(3200)이 형성되고, 수용 홈(3200) 내에 고정 부재(4000)가 삽입되어 수용될 수 있다. 이러한 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께 정도의 깊이와 고정 부재(4000)의 폭 정도의 폭으로 형성될 수 있다. 따라서, 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200)에 삽입된 후 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면은 고정 부재(4000)와 평면을 이룰 수 있다. 물론, 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께보다 큰 깊이로 형성될 수도 있고 작은 깊이로 형성될 수도 있다. 그러나, 수용 홈(3200)의 폭은 고정 부재(4000)의 폭으로 형성되고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)가 움직이지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200) 내에 삽입되어 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다.
4. 고정 부재
고정 부재(4000)는 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역으로부터 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 X 방향의 두 측면, 즉 장변으로부터 연장되어 마련된 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)를 포함할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 마련될 수 있다. 물론, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 별도로 제작된 후 진동판(2200)의 일 영역에 용접 등의 방법으로 고정될 수도 있다. 그러나, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면을 감싸도록 형성되어 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정시킬 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에 접촉되어 꺽어져 웨이트 부재(3000)를 접촉되어 감싸도록 형성될 수 있다. 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 접착제 등에 의해 1차 고정되는데, 고정 부재(4000)가 웨이트 부재(3000)를 감싸 고정함으로써 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)의 꺽어지는 부분의 적어도 일부는 고정 부재(4000)의 일부가 제거되어 다른 영역보다 폭이 좁거나 얇게 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 진동판(2200)의 측면과 접촉되는 부분에 소정 폭이 제거되어 개구가 형성될 수 있다. 이렇게 고정 부재(4000)의 적어도 일부분이 제거됨으로써 고정 부재(4000)의 꺽임을 용이하게 할 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)를 더욱 밀착하여 고정할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 동일 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금속 재질로 형성될 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 양측에 한쌍 형성될 수도 있고, 둘 이상 복수의 쌍으로 형성될 수도 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 각각 하나씩 형성될 수도 있고, 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 소정 간격 이격되어 복수 형성될 수도 있다. 고정 부재(4000)가 복수의 쌍으로 형성됨으로써 웨이트 부재(3000)를 복수의 영역에서 고정할 수 있고, 그에 따라 한쌍으로 고정하는 경우에 비해 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 길이에 대해 5% 내지 50%의 폭으로 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)의 폭은 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%로 형성될 수 있다. 이는 하나의 고정 부재(4000)의 폭이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있고, 복수의 고정 부재(4000)의 폭의 합이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있다. 또한, 고정 부재(4000)는 서로 맞닿는 부분이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)의 일 영역에 돌출부가 마련되고 타 영역에 오목부가 마련되며, 이와 대향되는 제 2 고정 부재(4200)는 제 1 고정 부재(4100)의 돌출부 및 오목부에 각각 대향되어 오목부 및 돌출부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 예를 들어 중앙부에 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 볼록부가 마련될 수 있다. 그리고, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 둘 이상의 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 둘 이상의 볼록부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)는 각각의 말단이 톱니 모양으로 형성되고 이들이 대향되어 결합될 수 있다. 이렇게 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 서로 맞닿는 말단부를 다양한 형상으로 형성함으로써 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 대면하는 면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)의 고정력을 더욱 증가시킬 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000) 사이, 즉 고정 부재(4000)와 수용 홈(3200) 사이에는 접착제 또는 쿠션재가 마련될 수 있다. 접착제가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 쿠션재가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합에 의한 충격을 완화시킬 수 있고, 진동에 의한 소음을 감소시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 압전 진동 부재(2000) 상에 마련되는 웨이트 부재(3000)를 압전 진동 부재(2000)의 일측에 마련된 고정 부재(4000)를 이용하여 고정할 수 있다. 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 따라서, 웨이트 부재(3000)를 접착제를 이용하여 접착 고정하는 종래에 비해 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전자기기의 낙하 등의 충격에 의해서도 웨이트 부재(3000)가 이탈되지 않도록 할 수 있다. 결국, 강한 충격에 의해서도 압전 진동 장치의 기능을 제대로 구현할 수 있다.
이어서, 본 발명의 압전 진동 부재(2000)로 이용되는 압전 소자(2100)에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 압전 소자의 사시도 및 단면도이다.
2.1. 압전 소자의 일 예
도 6에 도시된 바와 같이, 압전 소자(2100)는 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)는 0.1㎜∼1㎜의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 압전 진동 장치의 크기 등에 따라 압전 소자(2100)의 두께는 상기 두께 범위 이하이거나 이상일 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 대략 사각형의 형상을 가질 수 있는데, 이때 길이가 폭보다 길거나 같을 수 있다. 예를 들어, X 방향으로의 길이와 Y 방향으로의 폭의 비율이 5:5∼9:1일 수 있다. 이때, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)보다 작거나 같은 사이즈로 마련될 수 있는데, X 방향으로의 길이가 진동판(2200)의 길이보다 짧거나 같고, Y 방향으로의 폭이 진동판(2200)의 폭보다 좁거나 같도록 마련될 수 있다. 물론, 압전 소자(2100)는 압전 진동 장치의 형태에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 마련될 수 있다.
이러한 압전 소자(2100)는 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)와, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층(2121∼2128; 2120)과, 압전층(2120) 상에 형성된 적어도 하나의 내부 전극(2131∼2139; 2130)을 포함할 수 있다. 즉, 압전 소자(2100)는 베이스(2110)의 양면에 압전층(2120)이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 베이스(2110)의 일면에 압전층(2120)이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 또한, 변위와 진동력을 증가시키고, 저전압 구동을 가능하게 하기 위해 베이스(2110)의 일면 상에 압전층(2120)을 복수로 적층하고 유니모프 타입으로 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)의 일면 및 타면 상에 복수의 압전층(2121 내지 2128; 2120)이 적층 형성되고, 압전층(2120) 사이에 도전층이 형성되어 복수의 내부 전극(2131 내지 2138; 2130)이 형성될 수 있다. 또한, 도전층은 압전층(2120)의 표면에 형성되어 표면 전극(2139)이 형성될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)의 적어도 하나는 베이스(2110)의 표면 상에 형성될 수도 있는데, 이때 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130)과 연결되도록 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2141, 2142; 2140)을 더 포함할 수 있고, 베이스(2110), 복수의 압전층(2120) 및 복수의 내부 전극(2130)이 적층된 적층체의 표면에 형성된 커버층(2150)을 더 포함할 수 있다.
베이스(2110)는 압전층(2120)이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등을 이용할 수 있다. 한편, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등의 압전층(2120)과 이종의 물질을 이용하지 않을 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전층(2120)과 동종의 물질을 이용하여 마련될 수도 있다. 이때, 베이스(2110)가 압전층 또는 금속으로 마련될 경우 베이스(2110)의 표면에는 내부 전극(2130)이 형성되지 않을 수 있다. 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 전체 두께 대비 1/3 내지 1/150의 두께로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)의 두께가 300㎛일 경우 베이스(2110)의 두께는 2㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 이때, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고, 복수로 적층된 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같을 수 있다. 물론, 베이스(2110)의 두께가 압전층(2120) 각각의 두께보다 두꺼울 수도 있다. 그러나, 베이스(2110)가 두꺼울수록 압전층(2120)의 두께가 얇아지거나 압전층(2120)의 적층 수가 적어지므로 압전 현상이 적게 발생할 수 있다. 따라서, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고 복수로 이루어진 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같은 것이 바람직하다. 한편, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 중앙부 뿐만 아니라 상부 또는 하부에 마련될 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 표면 또는 하부 표면에 마련될 수 있다. 베이스(2110)가 압전 소자(2100)의 일 표면에 마련되면 베이스(2110)의 일면 상에 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)이 적층될 수 있다. 즉, 베이스(2110)가 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 형성하기 위한 지지층으로 이용될 수 있다. 또한, 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 내부에 둘 이상 마련될 수도 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 각각 마련되거나, 압전 소자(2100)의 상부, 중앙부 및 하부에 각각 마련될 수도 있다. 물론, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부의 어느 하나와 중앙부에 베이스(2110)가 마련될 수도 있다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 마련되는 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 절연성 베이스(2110) 상에 표면 전극(2139), 압전층(2110) 등이 형성되므로 절연성 베이스(2110)가 표면 전극(2139)를 덮도록 마련될 수 있다. 따라서, 절연성 베이스(2110)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 이렇게 둘 이상의 베이스(2110)가 마련되는 경우에도 베이스(2110)의 전체 두께는 압전층(2120) 전체 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 절연성 베이스(2110)가 마련되는 경우 커버층(2150)이 형성되지 않을 수 있다. 그러나, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 절연성 베이스(2110)가 형성되고 그 상부를 덮도록 커버층(2150)이 형성될 수도 있다.
압전층(2120)은 무연 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 무연 압전 물질로서 (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xSrTiO3를 이용할 수 있다. 여기서 x는 0.24 내지 0.30이다. (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xSrTiO3는 BiO3, Na2O3, SrCO3, TiO2를 기본 물질로 형성할 수 있으며, 첨가제로서 K2CO3, BaCO3, ZrO2, SnO2, La2O3, Nb2O5, Ta2O5, MnO2, CuO 중 하나 또는 그 이상이 첨가될 수 있다. 또한, 무연 압전 물질로서 (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3를 이용할 수 있다. 여기서, x는 0.15 내지 0.45이다. (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3는 BiO3, Na2O3, SrCO3, TiO2, K2CO3를 기본 물질로 형성할 수 있다. 그러나, 압전층(2120)은 이러한 물질에 한정되지 않고 다양한 무연 압전 물질을 이용할 수 있다. 즉, 압전층(2120)은 전압을 가하면 부피나 길이의 증감이 발생하는 다양한 종류의 무연 압전 물질을 이용할 수 있다. 한편, 압전층(2120)은 적어도 일 영역에 형성된 적어도 하나의 기공(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 기공은 적어도 하나의 크기 및 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 기공은 불규칙한 형상 및 크기로 불규칙하게 분포될 수 있다.
내부 전극(2130)은 외부로부터 인가되는 전압을 압전층(2120)에 인가하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 구동을 위한 전원을 압전층(2120)에 인가할 수 있다. 구동을 위한 전원은 외부 전극(2140)을 통해 내부 전극(2130)으로 인가될 수 있다. 이러한 내부 전극(2130)은 압전 소자(2100) 외부에 형성된 외부 전극(2140)과 교대로 연결되도록 형성될 수 있다. 즉, 제 1, 제 3, 제 5 및 제 7 내부 전극(2131, 2133, 2135, 2137)은 제 1 외부 전극(2141)과 연결되고, 제 2, 제 4, 제 6 및 제 8 내부 전극(2132, 2134, 2136, 2138)은 제 2 외부 전극(2142)과 연결될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 한편, Al은 소성 중 표면에 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 형성되고 내부는 Al을 유지할 수 있다. 즉, Al을 압전층(2120) 상에 형성할 때 공기와 접촉하게 되는데, 이러한 Al은 이후 공정에서 표면이 산화되어 Al2O3가 형성되고, 내부는 Al을 그대로 유지한다. 따라서, 내부 전극(2130)은 표면에 다공성의 얇은 절연층인 Al2O3로 피복된 Al로 형성될 수 있다. 물론, Al 이외에 표면에 절연층, 바람직하게는 다공성의 절연층이 형성되는 다양한 금속이 이용될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)은 예를 들어 1㎛∼10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 다르게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 형성될 수 있다. 즉, 동일 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 불균일하여 다른 영역보다 얇거나 두껍게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 압전층(2120)이 노출되도록 형성될 수도 있다. 그러나, 내부 전극(2130)의 적어도 일 영역의 두께가 얇거나 적어도 일 영역이 제거되더라도 전체적으로 연결된 상태를 유지하므로 전기 전도성에는 전혀 문제가 발생되지 않는다. 또한, 다른 내부 전극(2130)은 동일 영역에서 서로 다른 두께로 형성되거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 내부 전극(2130) 중에서 수직 방향으로 소정의 길이 및 폭에 해당하는 동일 영역의 적어도 하나의 내부 전극(2130)이 다른 내부 전극(2130)과는 다른 두께로 형성될 수 있고, 다른 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 다른 형상은 오목하거나 볼록하거나 패인 형상 등으로 포함할 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 X 방향의 길이 및 Y 방향의 폭이 압전 소자(2100)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 즉. 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이의 10% 내지 97%의 길이와 10% 내지 97%의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 압전층(2120) 각각의 면적 대비 10% 내지 97%의 면적으로 각각 형성될 수 있다. 한편, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130) 사이의 거리가 전체 두께 대비 1/3 내지 1/30일 수 있다. 즉, 내부 전극(2130) 사이의 압전층(2120) 각각의 두께는 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3 내지 1/30일 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100) 두께가 300㎛일 경우 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120) 각각의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께에 의해 구동 전압이 변경될 수 있으며, 내부 전극(2130) 사이의 거리가 가까울수록 구동 전압은 감소될 수 있다. 그런데, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3을 초과할 경우 구동 전압이 증가하게 되고, 그에 따라 높은 구동 전압을 생성하기 위한 고비용의 구동 IC가 필요하게 되어 원가 상승의 원인이 될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/30 미만이면 공정상 두께 편차 발생 빈도가 높고 그에 따라 압전층(2120)의 두께가 일정하지 않아 특성 저하의 문제가 발생될 수 있다.
외부 전극(2140)은 압전층(2120)의 구동 전압을 인가하기 위해 형성될 수 있다. 이를 위해 외부 전극(2140)은 적층체의 적어도 일 표면에 형성되며, 내부 전극(2130)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 X 방향, 즉 길이 방향으로 적층체의 대향되는 두 면에 각각 형성될 수 있다. 물론, 외부 전극(2140)은 서로 대향되는 두 면과, 이와 인접한 적어도 한 면에 연장 형성될 수 있다. 또한, 외부 전극(2140)은 적층체를 관통하여 적층체 내부로 형성될 수도 있다. 이러한 외부 전극(2140)은 인쇄, 증착, 스퍼터링, 도금 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 적층체와 접촉되는 제 1 층이 도전성 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성되고, 그 상부에 제 2 층이 도금 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)과 연결되는 외부 전극(2140)의 적어도 일부 영역은 내부 전극(2130)과 동일 재질의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)이 구리로 형성되고, 적층체의 표면에 형성되며 내부 전극(2140)과 접촉되는 외부 전극(2130)의 제 1 층이 구리로 형성될 수 있다.
커버층(2150)은 적층체의 하부 및 상부 표면에 적어도 하나 형성될 수 있다. 즉, 커버층(2150)은 적층체의 하부에 형성된 하부 커버층(2151) 및 적층체의 상부에 형성된 상부 커버층(2152) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 커버층(2150)은 절연성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 분극되지 않은 압전 물질로 형성될 수 있다. 이러한 커버층(2150)에 의해 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 커버층(2140)이 외부로 노출된 표면 전극(2139)을 덮도록 마련될 수 있고, 커버층(2150)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 한편, 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 절연성 베이스(2110)가 형성되는 경우 이러한 절연성 베이스(2110)가 커버층(2150)으로 기능할 수 있다. 그러나, 절연성 베이스(2110) 상에 커버층(2150)이 형성될 수도 있다.
도 8 내지 도 10은 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 특성을 비교하기 위한 히스테리시스 곡선이다. 도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 P-E 히스테리시스 곡선이고, 도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 바이폴라 S-E 히스테리시스 곡선이며, 도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 무연계 압전 물질 및 유연계 압전 물질의 유니폴라 S-E 히스테리시스 곡선이다. 여기서, 유연계 압전 물질은 PZT계 압전 물질이며, 무연계 압전 물질은 BNST계 압전 물질이다. 또한, 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질을 이용한 압전층을 진동판의 일면 상에 형성한 유니폴라형과 진동판의 양면 상에 형성한 바이폴라형을 각각 제작하고 전기장에 따른 분극률(polarization)과 변형률(strain)을 측정하였다.
도 8은 전기장에 따른 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 분극률을 나타낸 것이다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 41.44μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)를 갖는다. 이에 비해, 도 8(b)에 도시된 바와 같이 무연계 압전 물질은 5kV/㎜의 전기장에서 30.59μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)을 갖고, 6kV/㎜의 전기장에서 40.48μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)을 갖는다. 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 전기장에 따른 Pmax, Prem 및 Ec를 각각 표 1에 나타내었다.
전기장[kV/㎜] Pmax[μC/㎠] Prem[μC/㎠] Ec[kV/㎜]
무연계 압전 물질
 5 37.59 9.14 1.02
6 40.68 10.52 1.14
유연계 압전 물질 3 41.44 36.43 1.21
도 9(a) 및 도 9(b)는 전기장에 따른 바이폴라 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 변형률을 나타낸 것이고, 도 10(a) 및 도 10(b)는 전기장에 따른 유니폴라 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 변형률을 나타낸 것이다. 즉, 도 9(a)에는 바이폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었고, 도 10(a)에는 유니폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었다. 또한, 도 9(b)에는 바이폴라 무연계 압전 물질의 변형률을 나타내었고, 도 10(b)에는 유니폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었다. 도 9(a)에 도시된 바와 같이 바이폴라 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 0.13μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖고, 도 10(a)에 도시된 바와 같이 유니폴라 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 0.14μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖는다. 이에 비해, 도 9(b)에 도시된 바와 같이 바이폴라 무연계 압전 물질은 6kV/㎜의 전기장에서 0.32μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖고, 도 10(b)에 도시된 바와 같이 유니폴라 무연계 압전 물질은 6kV/㎜의 전기장에서 0.32μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖는다. 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 바이폴라 및 유니폴라의 전기장에 따른 최대 변형률을 표 2에 나타내었다.


전기장[kV/㎜]		 바이폴라 유니폴라
Smax[μC/㎠]
무연계 압전 물질 6 0.32 0.31
유연계 압전 물질 3 0.13 0.14
일반적인 압전 재료, 즉 유연계 압전 재료는 분극화(Poling) 처리를 통해 강유전 분역들을 한 방향으로 정렬해 주면 영구 압전체(Permanent piezoelectrics)로 사용할 수 있다. 분극화 원리는 분역의 재배열 결과 유도되는 분극량과 일치하는 전극에 유도된 전하들이 형성하는 탈분극(depolarization field)이 상쇄하는데 기인한다. 분극화의 결과 유도되는 영구 압전성은 없던 성질이 새로 만들어지는 것이 아니라 분극화 이전에도 이미 미세하게 존재하고 있었으나 그 배열이 무작위여서 정렬 과정을 통하지 않고는 외부로 드러나지 않을 뿐이다.
한편, 전기장이 가해지지 않은 상태에서는 어떤한 형태이든 거시적으로 상유전 상태를 유지하다가 특정 세기 이상의 전기장이 가해질 때 강유전 상이 유도될 수 있는 재료가 있다. 이러한 재료들은 이중 분극 이력 곡선을 수반하며, 잔류 변형이 없어 일방향 사이클에서 재료가 가질 수 있는 최대 변형값을 수반한다. 분극 및 변형 이력 곡선을 보이는 재료들에서는 아예 없거나 무사할 수 있는 정도로 작은 압전 특성이 전기장의 인가와 함께 증폭되는데 이런 의미에서 이들 재료를 통칭하여 초기압전(Incipient piezoelectricity) 세라믹스라고 부른다.
도 11 및 도 12는 인가 전압에 따른 무연 압전 물질의 특성을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 11은 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이고, 도 12는 0V 이상의 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이다.
도 11(a)는 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 파형을 도시하고, 도 11(b) 내지 도 11(d)는 이러한 파형의 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이다. 도 11(b)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 110㎐ 내지 170㎐의 주파수로 스윕(sweep) 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 0.986G이다. 또한, 도 11(c)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 144㎐로 고정 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 1.649G이다. 그리고, 도 11(d)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 288㎐로 고정 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 0.168G이다.
이에 비해, 도 12(a)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 60V의 전압, 즉 0V 내지 60V의 진폭을 갖는 전압을 144㎐의 주파수로 고정 인가할 경우 도 12(b)에 도시된 바와 같이 144㎐에서 진동 가속도가 0.154G이다. 또한, 도 12(c)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 60V의 전압을 288㎐로 고정 인가할 경우 288㎐에서 진동 가속도가 3.558G이다.
따라서, 초기 압전 세라믹스 특성을 갖는 무연 압전 물질은 전압을 (+)의 진폭으로 인가할 경우 동일 주파수에서 더 높은 진동 가속도를 가질 수 있다. 즉, 288㎐의 주파수로 전압을 인가할 경우 288㎐의 주파수에서 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 전압을 인가하면 도 11(d)에 도시된 바와 같이 진동 가속도가 0.168G이고, (+)의 진폭을 갖는 전압을 인가하면 도 12(c)에 도시된 바와 같이 진동 가속도가 3.558G이다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도이다. 즉, 본 발명은 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압을 생성하여 무연 압전 액추에이터를 구동하며, 도 13은 이를 위한 제 1 실시 예의 블럭도이다.
도 13를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부(5100)와, 구동 신호 생성부(5100)의 구동 신호와 신호 조절부(5500)의 제어 신호를 조합 및 증폭하는 신호 조합부(5200)와, 신호 조합부(5200)로부터 출력된 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 출력하는 신호 출력부(5300)와, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출하는 레벨 검출부(5400)와, 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부(5500)를 포함할 수 있다. 여기서, 신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터의 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 출력한다. 이때, 제 1 구동 신호는 도 10(a)에 도시된 바와 같이 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 신호일 수 있고, 제 2 구동 신호는 도 11(a)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 신호일 수 있다.
구동 신호 생성부(5100)는 소정의 제 1 구동 신호를 생성한다. 구동 신호 생성부(5100)는 디지털 신호를 생성한 후, 이를 아날로그 신호로 변환하여 신호 조합부(5200)로 제공할 수 있다. 이를 위해 구동 신호 생성부(5100)는 신호 생성부(미도시) 및 신호 변환부(미도시)를 포함할 수 있다. 신호 생성부는 디지털 신호를 생성하고, 신호 변환부는 신호 생성부로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 즉, 신호 생성부는 소정의 펄스 신호를 생성하는 제너레이터일 수 있으며, 신호 변환부는 디지털-아날로그 변환부일 수 있다. 신호 변환부(1120)는 디지털 신호의 디지털 레벨에 따라 전압 형태의 아날로그 신호를 생성한다. 예를 들어, 중간 레벨의 디지털 신호에 따라 크기가 0인 아날로그 신호를 생성할 수 있으며, 최소 레벨이 디지털 신호에 따라 마이너스 최대치의 아날로그 신호를 생성할 수 있고, 최대 레벨의 디지털 신호에 따라 플러스 최대치의 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 구동 신호 생성부(5100)는 예를 들어 +100V 내지 -100V의 도 11(a)에 도시된 바와 같은 파형의 신호를 출력할 수 있다.
신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호를 신호 출력부(5300)으로 전달한다. 또한, 신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터 생성된 제어 신호를 입력하여 이들을 조합한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 구동 초기에는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호를 신호 출력부(5300)에 공급하고, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨 검출 후에는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터의 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 신호 출력부(5300)에 공급한다. 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨이 검출된 후 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 도 11(a)에 도시된 파형의 제 1 구동 신호를 입력하여 도 12(a)에 도시된 파형의 제 2 구동 신호를 출력할 수 있다. 또한, 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 입력하여 이를 조합한 후 증폭하여 출력할 수 있다. 이를 위해 신호 조합부(5200)는 증폭 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비반전 단자로 구동 신호 생성부(5100)의 제 1 구동 신호가 입력되고 반전 단자로 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호를 입력하여 이를 조합 및 증폭한 후 제 2 구동 신호를 출력할 수 있다. 제 2 구동 신호는 신호 출력부(5300)에 공급될 수 있다.
신호 출력부(5300)는 신호 조합부(5200)로부터 출력된 신호, 즉 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 제공한다. 예를 들어, 신호 출력부(5300)는 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명한 무연 압전 액추에이터의 압전층에 구동 신호를 인가한다. 이때, 신호 출력부(5300)는 구동 신호를 반전 및 비반전시켜 출력할 수 있다. 즉, 비반전된 구동 신호와 반전된 구동 신호를 압전 액추에이터의 양단에 인가할 수 있다. 여기서, 신호 출력부(5300)로부터 출력되는 구동 신호는 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호일 수 있다. 즉, 신호 출력부(5300)는 제 1 구동 신호를 서로 180도 위상차가 나도록 하여 2개의 구동 신호로 출력할 수 있고, 제 2 구동 신호를 서로 180도 위상차가 나도록 하여 2개의 구동 신호로 출력할 수 있다. 이때, 비반전된 구동 신호는 신호 출력부(5300)의 제 1 출력단(OUT1)에서 출력될 수 있고, 반전된 구동 신호는 신호 출력부(5300)의 제 2 출력단(OUT2)에서 출력될 수 있다. 비반전된 구동 신호는 예를 들어 두개의 인버터(1310, 1320)를 통해 출력될 수 있고, 반전된 구동 신호는 예를 들어 하나의 인버터(5330)를 통해 출력될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 인버터(5310, 5320)를 통해 비반전된 구동 신호가 제 1 출력단(OUT1)으로 출력될 수 있고, 제 3 인버터(5330)를 통해 반전된 구동 신호가 제 2 출력단(OUT2)으로 출력될 수 있다. 짝수개의 인버터를 통해 구동 신호가 출력됨으로써 구동 신호가 필터링 및 비반전되고, 홀수개의 인버터를 통해 구동 신호가 출력됨으로써 구동 신호가 필터링 및 반전될 수 있다.
레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력 등을 검출할 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 따라 구동하는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력 등 특성 레벨, 다시 말하면 출력 레벨을 검출할 수 있다. 한편, 진동 가속도의 레벨을 검출하기 위해 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도와 기준 진동 가속도를 비교하고, 비교 결과에 따라 신호 조절부(5500)에 신호를 출력한다. 여기서, 기준 진동 가속도는 무연 압전 액추에이터(1000)가 햅틱 소자로 적용되었을 때 사용자가 적절하게 느끼는 진동을 고려하여 소정 범위 또는 소정 수치로 설정할 수 있으며, 예를 들어 2.5G 내지 3.0G 또는 3.OG를 기준 진동 가속도로 설정할 수 있다. 이때, 기준 진동 가속도는 무연 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력, 전압 등을 더 고려하여 설정할 수도 있다. 그러나, 이러한 기준 진동 가속도는 하나의 예로서, 무연 압전 액추에이터(1000)의 사이즈, 무연 압전 액추에이터(1000)가 장착되는 전자기기의 종류, 사이즈, 그리고 전자기기로부터 무연 압전 액추에이터(1000)에 공급할 수 있는 전압 등에 따라 달라질 수 있다. 즉, 무연 압전 액추에이터(1000)가 작거나, 전자기기가 소형이거나, 전자기기에서 공급할 수 있는 전압이 낮으면 기준 진동 가속도를 낮게 설정할 수 있다. 따라서, 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 구동 신호의 레벨을 조절하기 위한 신호를 신호 조절부(5500)에 출력한다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 검출된 진동 가속도를 기준 진동 가속도와 비교기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교기의 일 단자(예를 들어 + 단자)에 검출된 진동 가속도의 신호가 입력되고 비교기의 타 단자(예를 들어 - 단자)에 기준 진동 가속도가 입력된다. 따라서, 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 + 레벨의 신호가 출력되고 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 높으면 - 레벨의 신호가 출력될 수 있다. 또한, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력을 기준 소비 전력과 비교할 수 있다. 이때, 기준 소비 전력은 적절한 진동을 발생시키는 소비 전력으로 설정할 수 있다. 그런데, 소비 전력이 너무 높으면 진동 가속도는 증가시킬 수 있지만, 전력 소비가 많아 바람직하지 않다. 따라서, 예를 들어 3.0G의 진동 가속도를 발생시킬 수 있는 소비 전력을 기준 소비 전력으로 설정할 수 있다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 검출된 소비 전력을 기준 소비 전력과 비교하는 비교기를 포함할 수 있다. 이때, 레벨 검출부(5400)는 기준 소비 전력보다 큰 소비 전력을 검출하여 구동 신호의 레벨을 조절하기 위한 신호를 생성하여 신호 조절부(5500)에 출력한다. 한편, 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도, 소비 전력을 각각 비교하는 비교기가 적어도 하나 마련될 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 하나의 비교기가 마련되어 진동 가속도, 소비 전력 중 어느 하나의 레벨을 검출할 수 있고, 둘 이상의 비교기가 마련되어 진동 가속도 및 소비 전력의 레벨을 검출할 수 있다.
한편, 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도, 소비 전력 이외에 무연 압전 액추에이터(1000)의 다양한 레벨을 검출할 수 있다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 접속되어 일단 및 타단의 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 예를 들어 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 마련된 제 1 및 제 2 저항(미도시)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 저항은 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 흐르는 전류를 전압으로 검출할 수 있다. 또한, 레벨 검출부(5400)는 측정된 전압을 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 저항에서 측정된 전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다. 결국, 레벨 검출부(5400)는 전압을 측정하는 전압 측정부와, 전압을 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
신호 조절부(5500)는 레벨 검출부(5400)의 신호에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)로부터 + 신호가 입력되면 소정 레벨의 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)로 공급하고, 레벨 검출부(5400)로부터 - 신호가 입력되면 제어 신호를 출력하지 않는다. 즉, 신호 조절부(5500)는 소정 레벨의 제어 신호를 생성하거나 플로팅될 수 있다. 이렇게 생성된 제어 신호를 신호 조합부(5200)에 공급되고, 신호 조합부(5200)에서 제 1 구동 신호를 보정하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 한편, 신호 조절부(5500)로부터 출력되는 제어 신호는 아날로그 신호로 출력되며, 이를 위해 신호 조절부(5500)는 디지털-아날로그 변환기를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 구동 신호 생성부에서 생성된 제 1 구동 신호에 의해 무연 압전 액추에이터가 구동될 수 있고, 무연 압전 액추에이터의 출력 레벨을 검출하여 생성된 제어 신호와 제 1 구동 신호의 조합에 따라 생성된 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 이때, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압 등의 레벨에 따라 제어 신호가 생성되고, 제어 신호와 제 1 구동 신호가 조합되어 제 2 구동 신호가 생성되어 무연 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다. 여기서, 제 1 구동 신호는 -로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수있고, 제 2 구동 신호는 0으로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다. 예를 들어, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 크거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 진동 가속도보다 작으면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 또한, 무연 압전 액추에이터의 소비 전력이 기준 소비 전력보다 작거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 소비 전력보다 크면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 한편, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 압전 액추에이터의 레벨이 기준 레벨보다 낮거나 높을 경우에도 제 2 구동 신호와 다른 레벨의 제 3 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮을 경우 제 2 구동 신호보다 큰 제 3 구동 신호를 생성하여 인가할 수 있고, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 소비 전력이 기준 소비 전력보다 큰 경우 제 2 구동 신호보다 낮은 제 3 구동 신호를 생성하여 인가할 수 있다. 이때, 제 3 구동 신호는 0으로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부(5100)와, 구동 신호 생성부(5100)의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)의 제어 신호를 조합 및 증폭하는 신호 조합부(5200)와, 신호 조합부(5200)로부터 출력된 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 출력하는 신호 출력부(5300)와, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출하는 레벨 검출부(5400)와, 구동 신호 생성부(5100)를 제어하고 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하는 제어부(5600)와, 제어부(5600)에 따라 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부(5500)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예에 비해 제어부(5600)가 더 마련되며, 제어부(5600)에 의해 구동 신호 생성부(5100) 및 신호 조절부(5500)가 제어될 수 있다. 이하, 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예와 차이나는 부분을 중심으로 설명한다.
구동 신호 생성부(5100)는 소정의 제 1 구동 신호를 생성한다. 구동 신호 생성부(5100)는 디지털 신호를 생성한 후, 이를 아날로그 신호로 변환하여 신호 조합부(5200)로 제공할 수 있다. 이를 위해 구동 신호 생성부(5100)는 신호 생성부(1110) 및 신호 변환부(1200)를 포함할 수 있다.
신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터 생성된 제어 신호를 입력하여 이들을 조합한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다.
신호 출력부(5300)는 신호 조합부(5200)로부터 출력된 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 제공한다. 예를 들어, 신호 출력부(5300)는 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명한 무연 압전 액추에이터의 압전층에 구동 신호를 인가한다.
레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도를 검출할 수 있다. 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도 이외에 무연 압전 액추에이터(1000)의 다양한 레벨을 검출할 수 있는데, 예를 들어 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 접속되어 일단 및 타단의 전압 또는 소비 전력을 검출할 수 있다.
제어부(5600)는 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 구동 신호 생성부(5100)로부터 제 1 구동 신호가 생성되도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 출력에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하여 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호가 생성되도록 한다. 먼저, 제어부(5600)는 압전 액추에이터(1000)가 장착된 전자기기에 전원이 공급되면 인에이블되어 구동 신호 생성부(5100)를 제어하고 그에 따라 구동 신호 생성부(5100)가 제 1 구동 신호를 생성하도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 제 1 구동 신호의 레벨을 조절할 수도 있다. 즉, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 제 1 구동 신호의 레벨을 증가시키거나 감소시키도록 구동 신호 생성부(5100)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨을 증가시켜 생성하도록 하고, 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력이 기준 소비 전력보다 높으면 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨을 감소시켜 생성하도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 출력에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하여 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호가 생성되도록 한다. 즉, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 검출 신호에 따라 압전 액추에이터(1000)의 레벨이 기준 레벨과 다른 것으로 판단하면 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다.
신호 조절부(5500)는 제어부(5600)의 신호에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 예를 들어, 제어부(5600)로부터 + 신호가 입력되면 소정 레벨의 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)로 공급하고, 제어부(5600)로부터 - 신호가 입력되면 제어 신호를 출력하지 않는다.
상기한 바와 같이 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력, 전압 등의 레벨을 검출한 후 무연 압전 액추에이터의 구동 전압을 소정의 주파수를 갖는 0V 이상의 전압으로 조절하고, 그에 따라 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 등의 구동 특성을 향상시킬 수 있다. 다양한 구동 전압에 따른 무연 압전 액추에이터의 특성을 확인하였으며, 본 발명의 실험 예들을 설명하면 다음과 같다.
[표 3]에는 무연 압전 액추에이터에 인가되는 구동 전압의 진폭 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. [표 3]에 나타낸 바와 같이 무연 압전 액추에이터의 구동 전압을 +60V와, -0V, -10V, -20V, -30V, -40V, -50V, -60V로 변화시켜 구동 전압의 진폭을 60V 내지 120V로 변화시켰다. 실험 예 1은 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 2는 -10V 내지 +60V의 전압이 인가되고, 실험 예 3은 -20V 내지 +60V의 전압이 인가된다. 또한, 실험 예 4는 -30V 내지 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 5는 -40V 내지 +60V의 전압이 인가되고, 실험 예 6은 -50V 내지 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 7은 -60V 내지 +60V의 전압이 인가된다. 이러한 실험 예들에 따른 전압 파형이 도 15(a) 내지 도 15(g)에 도시되었다. 이때, 실험 예들의 주기는 동일하다. 또한, 도 16 및 도 17에는 [표 3]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 각각 그래프로 표시하였다.
실험예 1 실험예 2 실험예 3 실험예 4 실험예 5 실험예 6 실험예 7
(+) 전압 60 60 60 60 60 60 60
(-) 전압 0 10 20 30 40 50 60
진동 가속도 3.10G 3.55G 3.27G 2.69G 2.18G 1.23G 1.25G
진동 가속도 변화율 기준 +15.5% +5.48% -13.2% -29.7% -60.3% -59.8%
소비 전력 0.41W 0.45W 0.59W 0.71W 1.03W 1.33W 1.64W
소비 전력
변화율		 기준 +18.9% +37.2% +56.7% +64.0% +72.6% +75.0%
(-) 전압이 증가하여 진폭이 크면 [표 3] 및 도 16에 나타낸 바와 같이 진동 가속도가 증가하다 감소하게 된다. 즉, 실험 예 2 및 3의 경우 실험 예 1에 비해 진동 가속도가 증가하지만, 실험 예 4 내지 7의 경우 실험 예 1에 비해 진동 가속도가 감소한다. 그리고, (-) 전압이 증가하여 진폭이 클수록 [표 3] 및 도 17에 나타낸 바와 같이 소비 전력이 증가하게 된다. 즉, 실험 예 2 내지 7은 실험 예 1에 비해 소비 전력이 증가하게 된다. 그런데, 진동 가속도가 증가하더라고 소비 전력이 크면 바람직하지 않으므로 실험 예 1과 같이 소비 전력이 적으면서 적절한 진동 가속도를 발생시키는 것이 바람직하다. 따라서, 실험 예 1의 진동 가속도 및 소비 전력을 기준 진동 가속도 및 기준 소비 전력으로 설정할 수 있으며, 이러한 기준 소비 전력으로 기준 진동 가속도를 발생시킬 수 있는 구동 전압이 0V로부터 60V의 진폭의 전압일 수 있다. 결국, 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨을 검출하고 이들 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 구동 전압을 조절하게 된다. 한편, 실험 예 1과 같이 구동 전압이 인가되더라도 액추에이터 구동 장치의 온도 및 습도에 따른 영향, 그리고 내구성 저하 등의 원인에 따라 구동 전압이 예를 들어 실험 예 2 내지 7과 같이 변화될 수 있는데, 이렇게 구동 전압이 변화되더라도 구동 전압 변화에 따른 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도와 소비 전력을 검출하고 실험 예 1의 조건으로 구동 전압을 조절함으로써 무연 압전 액추에이터의 특성을 유지할 수 있다.
[표 4]에는 무연 압전 액추에이터에 인가되는 구동 전압의 레벨 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. 즉, [표 4]는 60V의 진폭으로 구동 전압이 인가되는데, 실험 예 8은 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 9는 -10V 내지 +50V의 전압이 인가되고, 실험 예 10은 -20V 내지 +40V의 전압이 인가되며, 실험 예 11은 -30V 내지 +30V의 전압이 인가된다. 이러한 실험 예 8 내지 11에 따른 전압 파형이 도 18(a) 내지 도 18(d)에 도시되었다. 여기서, 실험 예 8 내지 11의 주기는 동일하며, 실험 예 8은 [표 3]에 따른 실험 예 1과 동일하다. 또한, 도 19 및도 20에는 [표 4]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 그래프로 표시하였다.
실험예 8 실험예 9 실험예 10 실험예 11
(+) 전압 60 50 40 30
(-) 전압 0 10 20 30
진동 가속도 3.10G 2.16G 1.21G 0.36G
진동 가속도
변화율		 기준 -60.4% -61.0% -88.3%
소비 전력 0.41W 0.31W 0.24W 0.21W
소비 전력
변화율		 기준 -24.4% -41.5% -49.8%
(-) 전압이 증가하면 [표 4] 및 도 19에 나타낸 바와 같이 진동 가속도가 감소하게 된다. 또한, (-) 전압이 증가하면 [표 4] 및 도 20에 나타낸 바와 같이 소비 전력이 증가하게 된다. 즉, 실험 예 9 내지 11은 소비 전력을 줄일 수 있지만, 진동 가속도가 작아 바람직하지 않다. 다시 말하면, 동일 진폭에서 (-) 전압이 클수록 소비 전력을 줄일 수 있지만, 진동 가속도가 작아지게 된다. 따라서, 실험 예 8의 경우 가장 적절한 진동 가속도를 나타낸다. 결국, 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨을 검출하고 이들 레벨이 예를 들어 실험 예 8의 레빌이 되도록 실험 예 8의 파형으로 전압이 인가되도록 구동 전압 레벨을 조절하게 된다.
[표 5] 및 [표 6]는 무연 압전 액추에이터의 구동 전압에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. 구동 전압은 60V, 70V 내지 79V로 변화시켰다. 또한, 구동 전압은 0V 이상의 진폭으로 인가되었다. 예를 들어, 60V의 구동 전압은 OV로부터 60V의 진폭으로 인가되었고, 70V의 구동 전압은 0V로부터 60V의 진폭으로 인가되었다. 한편, [표 5] 및 [표 6]의 구동 전압은 압전 소자 1㎜당 인가 전압으로도 표시하였다. 예를 들어, 60V의 전압이 인가되는 경우 압전 소자 1㎜당 2㎸의 전압이 인가되고, 70V의 전압이 인가되는 경우 압전 소자 1㎜당 2.33㎸의 전압이 인가된다. 즉, 압전 소자의 두께를 동일하게 하고 압전 소자에 인가되는 구동 전압을 다르게 할 경우의 특성을 [표 5] 및 [표 6]에 나타내었다. 한편, 도 21 및 도 22에는 [표 5] 및 [표 6]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 그래프로 표시하였다.
실험예 12 실험예 13 실험예 14 실험예 15 실험예 16
전압 60V(2㎸/㎜) 70V(2.33㎸/㎜) 71V(2.36㎸/㎜) 72V(2.4㎸/㎜) 73V(2.43㎸/㎜)
진동 가속도 3.48G 4.31G 4.44G 4.58G 4.63G
진동 가속도 변화율 기준 +23.8% +27.7% +31.6% +33.1%
소비 전력 0.38W 0.84W 0.84W 1.05W 1.14W
소비 전력
변화율		 기준 +121% +121% +176% +200%
실험예 17 실험예 18 실험예 19 실험예 20 실험예 21 실험예 22
전압 74V
(2.46㎸/㎜)		 75V
(2.5㎸/㎜)		 76V
(2.53㎸/㎜)		 77V
(2.56㎸/㎜)		 78V
(2.6㎸/㎜)		 79V
(2.63㎸/㎜)
진동 가속도 4.80G 4.81G 4.95G 5.14G 4.94G 4.88G
진동 가속도 변화율 +37.9% +38.3% +42.3% +47.9% +41.9% +40.3%
소비 전력 1.22W 1.30W 1.42W 1.36W 1.45W 1.50W
소비 전력
변화율		 +221% +242% +273% +257% +281% +294%
[표 5] 및 [표 6], 그리고 도 21에 나타낸 바와 같이 60V에 비해 인가 전압이 증가할수록 진동 가속도는 증가한다. 그러나, [표 5] 및 [표 6], 그리고 도 22에 나타낸 바와 같이 인가 전압이 증가할수록 60V의 인가 전압에 비해 소비 전격이 증가한다. 상기한 바와 같이 구동 전압이 증가함에 따라 진동 가속도 및 소비 전력이 증가한다. 그러나, 압전 액추에이터가 장착되는 전자기기로부터 공급되는 전압, 전자기기의 사이즈 등에 따라 소비 전력의 증가가 전자기기에 큰 문제가 되지 않을 수 있다. 따라서, 전자기기의 사이즈, 전자기기로부터 공급되는 전압 등을 고려하고 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 및 소비 전력을 고려하여 무연 압전 액추에이터의 사이즈와 공급 전압을 조절할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법은 제 1 구동 신호를 생성하는 과정(S110)과, 압전 액추에이터를 구동하는 과정(S120)과, 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정(S130)과, 압전 액추에이터의 레벨을 비교하는 과정(S140)과, 압전 액추에이터의 레벨에 따라 제 2 구동 신호를 생성하는 과정(S150)를 포함할 수 있다.
S110 : 신호 생성부(5100)에 의해 제 1 구동 신호가 생성된다. 제 1 구동 신호는 -로부터 +까지 소정의 진폭을 갖고 소정의 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동 신호는 -100V로부터 +100V까지의 진폭을 갖는 아날로그 신호가 출력될 수 있다. 또한, 신호 생성부(5100)는 제어부(5600)에 의해 제어되어 제 1 구동 신호를 생성할 수 있다.
S120 : 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호는 압전 액추에이터(1000)에 인가되어 압전 액추에이터(1000)가 구동될 수 있다. 이때, 제 1 구동 신호는 신호 출력부(5300)를 통해 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 위상차를 갖도록 인가될 수 있다.
S130 : 제 1 구동 신호가 인가되어 압전 액추에이터(1000)가 구동되면 레벨 검출부(5400)에 의해 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 이때, 레벨 검출부(5400)는 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력, 전압 등을 검출할 수 있다.
S140 : 레벨 검출부(5400)에서 검출된 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 기준 레벨과 비교한다. 이때, 레벨 비교는 레벨 검출부(5400)가 실시할 수도 있고, 제어부(5600)가 실시할 수도 있다. 레벨 검출부(5400) 또는 제어부(5600)는 압전 액추에이터(1000)의 검출 레벨과 비교 레벨을 비교하여 신호 조절부(5500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 진동 가속도가 기준 진동 가속도다 낮거나, 전압이 기준 전압조다 낮으면 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다. 또한, 소비 전력이 기준 소비 전력보다 큰 경우 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다. 한편, 제어부(5600)는 신호 생성부(5100)를 제어하여 신호 생성부(5100)가 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하여 출력하도록 할 수 있다.
S150 : 신호 조절부(5500)는 압전 액추에이터(1000)의 레벨에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 제 2 구동 신호는 + 레벨을 가지며 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다. 이렇게 생성된 제 2 구동 신호에 의해 압전 액추에이터(1000)가 구동되고, 그에 따라 압전 액추에이터(1000)이 진동 가속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
5100 : 신호 생성부 5200 : 신호 조합부
5300 : 신호 출력부 5400 : 레벨 검출부
5500 : 신호 조절부 5600 : 제어부

Claims (13)

  1. 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부;
    상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부;
    검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 구동 신호 생성부는 -로부터 +의 진폭을 갖는 제 1 구동 신호를 생성하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 레벨 검출부는 상기 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압, 소비 전력 중 적어도 하나를 검출하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 신호 조합부는 0V 이상의 진폭을 갖는 제 2 구동 신호를 생성하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 제어부를 더 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제어부는 상기 신호 생성부를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨이 조절되도록 하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  8. 제 1 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시키는 과정;
    상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정;
    상기 압전 액추에이터의 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 생성하는 과정; 및
    상기 제 2 구동 구동 신호를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 구동시키는 과정을 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 구동 신호는 -로부터 +의 진폭을 갖는 압전 액추에이터 구동 방법.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 레벨은 진동 가속도, 전압, 소비 전력을 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  12. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 제 2 구동 신호는 0V 이상의 진폭을 갖는 압전 액추에이터 구동 방법.
  13. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 과정과,
    상기 검출 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 상기 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하는 과정을 더 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
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