KR20220099555A

KR20220099555A - 마이크로 액추에이터용 장치 및 이러한 장치가 장착된 마이크로 액추에이터

Info

Publication number: KR20220099555A
Application number: KR1020227019117A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 헤리반
Original assignee: 퍼시피오 로보틱스
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-07-13
Also published as: EP4058254A1; US20220388149A1; IL292868A; CA3157264A1; CN114761181A; US11878413B2; WO2021094415A1; JP2023501815A; FR3102946B1; FR3102946A1

Abstract

본 발명은 마이크로 액추에이터용 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 몸체(110), 몸체(110)의 일측에 위치하고 몸체(110)에 관절(136, 138)로 연결된 2개의 종단 부재(20, 22), 및 서로 마주보는 2개의 변형 가능한 사발-형상 벽(120, 122)을 포함한다. 벽은 제1 에지 및 제2 에지를 가지며 액추에이터를 수용하도록 구성되고, 벽(120, 122)의 일측에 위치한 2개의 각각의 제1 에지(1202, 1222)는 몸체(110)에 고정되는 반면에, 벽(120, 122)의 타측에 위치한 2개의 각각의 제2 에지(1204, 1224)는 액추에이터(30) 구동에 의해 연속적으로 움직여서 벽(120, 122)을 변형시킨다. 이러한 움직임은 2개의 아암(132, 134)에 의해 전달되고 2개의 각각의 종단 부재(20, 22)에서 종단된다.

Description

마이크로 액추에이터용 장치 및 이러한 장치가 장착된 마이크로 액추에이터

본 발명은 마이크로 액추에이터, 특히 마이크로공학 클램프(microtechnology clamps)를 위한 장치 분야에 관한 것이다.

마이크로 액추에이터는 매우 짧은 거리(이하 액추에이터 행정(travel)이라고 함)의 움직임을 생성할 수 있는 기계 장치이다. 특히, 마이크로공학 클램프는 마이크로 액추에이터이며 액추에이터 행정을 따라 움직이는 핑거를 사용하여 작은 물체를 파지하는 기능을 수행한다. 이러한 핑거는 종단 부재(terminal members)라고도 지칭되는 핑거 캐리어 상에 일반적으로 장착된다.

마이크로공학 클램프, 그리고 보다 일반적으로 마이크로 액추에이터는, 전기장이 작용하는 상태에서 팽창 및 수축, 즉 변형될(deformed) 수 있는 압전 액추에이터에 의해 가장 많이 구동된다. 압전 액추에이터는 일반적으로 스택(stack)의 형태를 갖는다. 이 스택은 길이 방향으로 변형되고, 그 길이에 걸쳐 통과하는 전기장에 의해 제어된다. 이러한 제어가 되는 변형을 통해 매우 짧은 거리에 걸쳐 정밀하게 파지할 수 있다.

압전 스택의 행정은 스택 길이의 약 천분의 일(1/1000)이다. 산업용 애플리케이션에 필요한 액추에이터 행정은 최소 400 ㎛이어야 한다. 마이크로공학 클램프의 밀집도 비율(compactness ratio)에 대한 합리적인 액추에이터 행정을 얻기 위해, 마이크로공학 클램프는 압전 스택과 핑거 캐리어 사이에 증폭 구조체를 포함한다. 이 증폭 구조체는 압전 스택의 변형에 증폭 계수(amplification factor)를 곱하여 압전 스택의 변형을 핑거 캐리어의 이동으로 변환한다.

그러나 마이크로 액추에이터에 대한 현재의 증폭 구조체는 만족스럽지 않다.

공지된 증폭 구조체의 증폭 계수는 낮으며, 일반적으로 5:1 미만이다. 따라서 마이크로공학 클램프는 많은 공간을 차지하며, 그 길이가 최대 500 ㎜에 달한다. 이들을 산업용으로 통합하는 것은 복잡하고 심지어 불가능하다.

이러한 증폭 구조체는 다수의 깨지기 쉬운 요소로 이루어진 복잡한 조립체에 기반하며, 이러한 예로서 마이크로공학 클램프가 특허 FR1758847에 기술되어 있으며, 클램프의 증폭 구조체가 3차원이고 막(membrane)을 가지고 있다. 공지의 마이크로공학 클램프는 대량 생산에 적합하지 않으며 사용 수명이 짧다.

공지된 증폭 구조체에서, 핑거의 이동은 방향성을 갖지 못하고 비대칭이다. 마이크로공학 클램프는 단일 핑거가 움직이거나, 또는 2개의 핑거가 서로 다른 동작에 의해 구동되는 것으로 알려져 있다. 이러한 마이크로공학 클램프는 산업용 응용 분야에 의해 요구되는 정밀한 조작에 사용하기 어렵다.

IEEE/ASME 메카트로닉스 회보 24 (2019): 656-665쪽에 게재된, 왕,푸쥔 (Wang, Fujun)등의 논문, "대칭 호환 구조를 가진 새로운 이중 축 마이크로 조작기의 설계"에서는 증폭 구조체가 공지되어 있으며, 핑거 중 하나에 대해 증폭 비율이 11:1에 도달하고 다른 핑거에 대해 4.6:1에 도달할 수 있는 증폭 구조체를 설명한다. 이 증폭 구조체는 다른 공지의 증폭 구조체보다 더 큰 증폭 계수를 가지고 있지만, 높은 비대칭성의 단점을 가지고 있다. 게다가, 많은 수의 부품으로 인해 복잡하고 부서지기 쉽고 사용할 수가 없다.

본 발명은 이러한 상황을 개선한다.

이런 관점에서, 본 발명은 마이크로 액추에이터용 장치를 제안하며, 장치는,

- 몸체,

- 몸체의 일측에 위치하고, 몸체에 관절로 연결된 2개의 종단 부재,

- 벽의 일측에 위치한 2개의 각각의 제1 에지가 몸체에 고정되는 반면에, 벽의 타측에 위치한 2개의 각각의 제2 에지는 액추에이터 구동에 의해 연속적으로 움직여서 벽을 변형시키는, 액추에이터를 수용하도록 배열되고 서로 마주보는 2개의 변형 가능한 사발-형상 벽,

- 2개의 각각의 종단 부재에서 종단되는 움직임을 전달하는 2개의 아암을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 장치의 증폭 계수는 높다. 30:1(또는 30/1)을 초과할 수 있다. 즉, 액추에이터의 길이 방향 변형이 1 ㎛인 경우 종단 부재는 적어도 30 ㎛까지 움직이며, 심지어 50:1일 수 있다. 이 장치는 더욱이 제조가 용이하다. 또한, 본 장치는 부품의 수가 적고 그 단순함으로 인해 종래의 구조체에 비해 그 견고성이 훨씬 높다.

다양한 대안에서, 마이크로 액추에이터용 장치는 또한 다음의 특성 중 하나 이상을 가질 수 있다.

- 사발-형상 벽 각각은 액추에이터가 지지하는 각각의 기저(bottom)를 가지며,

- 2개의 종단 부재는 각각의 로드에 의해 몸체에 관절식으로 연결되며,

- 2개의 종단 부재는 실질적으로 평행하고 동일한 길이의 2개의 개별 쌍의 로드에 의해 몸체에 관절식으로 연결되며,

- 종단 부재 측의 로드의 단부가 실질적으로 정렬되며(aligned),

- 액추에이터의 변형은 벽의 2개의 기저에 대항한 길이 방향 팽창 또는 길이 방향 수축이고, 2개의 기저에 대항한 액추에이터의 팽창은 제1 에지와 제2 에지가 서로 가까워지도록 하고, 이에 의해 제2 에지가 아암을 통해 대칭으로 구동되어 종단 부재가 서로 상대적으로 가까워지게 하고, 그리고 2개의 기저에 대항한 액추에이터의 수축은 제1 에지와 제2 에지가 서로 멀어지도록 하고, 이에 의해 제2 에지가 아암을 통해 대칭으로 구동되어 종단 부재가 상대적으로 멀어지게 하며,

- 종단 부재가 상대적으로 가까워지고 그리고 상대적으로 멀어지는 것이 일반적으로 선형 행정(travel)을 따라 나타나며,

- 2개의 사발-형상 벽은 일반적으로 다이아몬드, 육각형 또는 타원형을 형성하며,

- 본 장치는 단일 부품으로 제조되며,

- 본 장치는 프로파일 플레이트로 형성되며,

- 본 장치는 30:1보다 큰 증폭 계수를 가지며,

- 로드 및/또는 아암은 하나 이상의 그 단부에서 얇아지며,

- 마이크로 액추에이터는 마이크로공학 클램프이고, 종단 부재 각각은 핑거 캐리어 및 상기 핑거 캐리어에 장착된 핑거를 포함하며,

- 액추에이터는 압전 액추에이터, 바람직하게는 압전 스택이며,

- 본 장치는 2개의 벽 사이, 2개의 아암 사이 및 2개의 종단 부재 사이에 위치된 대칭 평면에 대해서 대칭이다..

본 발명의 다른 특성 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 서술되는 이하의 설명으로 상세히 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로공학 장치를 구비한 마이크로 액추에이터의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 보인 마이크로 액추에이터의 평면도를 도시한다.
도 3은 도 1에 보인 마이크로 액추에이터의 저면도를 도시한다.
도 4는 도 1에 보인 마이크로 액추에이터의 분해 사시도를 도시한다.
도 5는 도 1에 보인 장치의 저면도를 도시한다.
도 6은 도 5에 보인 장치의 평면도를 도시한다.
도 7은 도 5에 보인 장치의 대안을 도시한다.

첨부된 도면에는 대부분 특정한 특성을 가진 요소가 포함되어 있다. 따라서 이런 도면들은 본 발명을 더 잘 이해하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 적용 가능한 경우 본 발명의 정의에 기여할 수 있다.

이제 도 1 내지 도 6을 참조한다.

마이크로 액추에이터(1)는 베이스(10), 2개의 종단 부재(20, 22), 및 상기 종단 부재(20, 22)를 작동시키는 액추에이터(30)를 포함하여 구성된다.

일 실시예에서, 마이크로 액추에이터(1)는 마이크로공학 클램프이고 종단 부재는 파지 부재, 예를 들어 핑거를 각각 수용할 수 있는 핑거 캐리어이다. 액추에이터(30)는 마이크로 액추에이터(1)에 의한 파지를 수행하기 위해 핑거 캐리어(20, 22)를 작동시킬 수 있다.

핑거 캐리어(20, 22)는 마이크로공학 클램프를 형성하기 위해 각각의 핑거를 수용할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 액추에이터(1)는 단부 부품(200)을 포함하는데, 단부 부품은 베이스(10)에 장착되고, 지지체(202) 및 각각의 가요성 연결 요소(2040, 2060)에 의해 지지체(202)에 연결되는 2개의 핑거(204, 206)를 포함하여 구성되며, 이는 본 출원인의 특허 EP2718066에 기술되어 있다. 각각의 핑거(204, 206)는 각각의 고정 베이스(2042, 2062)를 포함하며, 이에 의해 핑거 캐리어(20, 22) 중 하나에 고정되며, 여기서는 폼-피팅(form-fitting)에 의해 고정된다. 베이스(10) 위에 단부 부품(200)를 장착하기 위해 베이스(10)에 배열된 노치(2020)에 지지체(202)가 맞물릴 수 있다. 대안적으로, 특허 EP2718066에 기술된 바와 같이, 지지체가 베이스(10)에 배열된 홈(groove)에 장착될 수 있다. 대안적으로, 핑거는 핑거 캐리어(20, 22)를 갖는 단일 부품으로 형성될 수 있다. 핑거는 대안적으로 나사 조임 및/또는 접착에 의해 베이스에 고정될 수 있다.

여기서, 액추에이터(30)는 압전 액추에이터이다. 액추에이터(30)는 액추에이터를 통과하는 전기장에 의해 액추에이터 방향(32)을 따라서 변형, 즉 팽창 및 수축될 수 있다. 이 변형은 양방향이며, 즉, 액추에이터(30)는 액추에이터 방향(32)을 따라 양방향으로 확장될 수 있다. 여기서 액추에이터(30)는 액추에이터 방향(32)을 따르는 평행육면체의 압전 스택 형태를 갖는다. 압전 스택은 상표명 PI의 스택일 수 있고, 예를 들어 치수가 3×3×l3.5 ㎜인 평행육면체 모델 P-883.30일 수 있다. 대안적으로, 액추에이터(30)는 전자기 또는 열 액추에이터일 수 있다.

마이크로 액추에이터(1)는 산업용 장치에 장착될 수 있으며, 예를 들어 로봇 팔의 단부에 고정될 수 있다. 마이크로 액추에이터(1)의 베이스(10)에는 예를 들어 마이크로 액추에이터(1)가 고정될 수 있는 두 개의 구멍(1009, 1010)이 제공된다.

여기에 설명된 예에서, 마이크로 액추에이터의 베이스(10)는, 그 측면 중 하나에 리세스(12)를 포함하여, 액추에이터(30)에 전원을 공급하고 제어를 하기 위한 하나 이상의 케이블을 통과시킨다.

마이크로 액추에이터(1)는 액추에이터(30)의 움직임을 핑거 캐리어(20, 22)로 전달하기 위한 증폭 구조체(100)를 더 포함한다. 본 발명에서 상기 구조체(100)는 일반적으로 평평하다. 구조체(100)는 3.5 ㎜ 두께의 플레이트로 제작될 수 있다. 상기 플레이트는 예를 들어 알루미늄, 강철 또는 실리콘으로 제작될 수 있다. 구조체(100)는 베이스(10)에 고정되며, 여기에서는 4개의 나사 구멍(1001, 1002, 1003, 1004)을 통해 나사로 고정된다. 구조체(100)는 액추에이터(30)를 수용하고 2개의 핑거 캐리어(20, 22)를 형성한다.

본 발명에서 구조체(100)는 노치(2020)를 형성하며, 2개의 핑거(204, 206)를 형성하는 단부 부품(200)의 지지체(202)가 맞물릴 수 있다. 대안적으로, 노치(2020)는 베이스(10)의 다른 부분에 배열될 수 있다.

이제, 도 5 및 도 6을 참조한다.

구조체(100)는 마이크로 액추에이터(1)의 베이스(10)에 고정될 수 있는 몸체(110)를 포함한다. 여기서, 몸체(110)는 4개의 나사 구멍(1001, 1002, 1003, 1004)을 포함하며 이에 의해 구조체(100)가 베이스(10)에 고정될 수 있도록 한다. 노치(2020)를 형성하는 구조체(100)의 부분이 가독성을 위해 도 5에 도시되지 않았지만, 도 6에서 볼 수 있다. 본 발명에서 노치(2020)는 구조체(100)의 몸체(110)에 형성된다.

구조체(100)는 액추에이터(30)(도 5 및 도 6에 미도시)를 위한 하우징(124)을 형성하는 2개의 벽(120, 122)을 포함한다. 2개의 벽(120, 122)은 예를 들어 "U" 형상(또는 대안적으로 "V" 형상)의 일반적인 사발(bowl) 형상을 가지며, 서로 마주본다. 2개의 벽(120, 122)은 함께 제1 방향(1260)으로 연장되는 제1 하부-구조체(126)를 형성한다.

여기서, 2개의 벽(120, 122)은 대칭이고 일반적으로 유사한 형상을 갖는다. 대안적으로, 2개의 벽(120, 122)은 비대칭 및/또는 일반적으로 상이한 형상일 수 있다.

제1 사발-형상 벽(120) 및 제2 사발-형상 벽(122) 각각은 각각의 기저(bottom,1200, 1220), 각각의 제1 에지(1202, 1222) 및 각각의 제1 에지(1202, 1222)에 대향하는 각각의 제2 에지(1204, 1224)를 갖는다. 벽(120, 122)은 각각의 제1 에지(1202, 1222)에 의한 일측면이 고정부(1262)에서 그리고 각각의 제2 에지(1204, 1224)에 의한 타측면이 전달부(1264)에서 함께 합류된다. 여기서, 2개의 벽(따라서 2개의 사발 형상이 서로 마주보고 있음)은 2개씩 평행한 측면을 갖는 연장된 육각형을 형성한다.

제1 하부-구조체(126)는 고정부(1262)에 의해 몸체(110)에 고정된다. 여기에서 고정부(1262) 및 전달부는 벽(120, 122)의 잔여 부분보다 더 두껍다.

보다 일반적으로, 2개의 벽(120, 122)은 연장된 육각형을 형성한다. 대안적으로, 2개의 벽(120, 122)은 다이아몬드, 타원, 타원형 또는 제1 방향(1260)으로 실질적으로 연장된 임의의 다른 형상을 형성할 수 있다.

2개의 벽(120, 122)은 하우징(124)에 액추에이터(30)(도 5에 미도시)를 길이방향으로 수용한다. 하우징(124)에 장착된 액추에이터(30)의 액추에이터 방향(32)은 제1 하부-구조체(126)의 제1 방향(1260)과 일치한다. 액추에이터(30)는 바람직하게는 하우징(126)에 예압되어 장착되며, 즉, 아이들 상태를 포함하여 각 벽(120, 122)의 기저(1200, 1220)에 대항하여 연속적으로 지지된다. 액추에이터(30)는 선택적으로 벽(120, 122)의 기저(1200, 1220)에 접착되어 그 장착을 견고하게 하고 마이크로 액추에이터의 수명을 향상시킬 수 있다.

여기서, 기저(1200, 1220)는 서로 마주하는 평행한 면(1206, 1226)을 갖는다. 하우징(126)에 장착된 액추에이터(30)는 상기 면(1206, 1226)과 연속적으로 접촉한다.

2개의 벽(120, 122)은 변형될 수 있다. 제1 방향(1260)을 따라 액추에이터가 팽창(각각 수축)할 때 액추에이터(30)는 2개의 기저(1200, 1220)를 서로 멀어지게(각각 가까워지게) 움직인다. 서로에 대해 멀어지는(각각 가까워지는) 2개의 기저(1200, 1220)는 고정부(1262) 및 전달부(1264)의 상호 이동을 더 가깝게(각각 멀어지게) 구동된다. 고정부(1262)는 몸체(110)에 체결되고, 전달부(1264)는 몸체(110)에 대해 상대적으로 이동되고 액추에이터(30)의 팽창(각각 수축)을 전달한다. 전달부(1264)는 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향(1266)을 따라 이동하며, 2개의 기저(1200, 1222)의 상대적인 이동에 미리 결정된 제1 증폭 계수가 곱해진 것과 동일한 거리를 이동한다.

제1 증폭 계수는 제1 하부-구조체(126)의 기하학적 구조에 의존한다. 특히, 제1 증폭 계수는 제1 하부-구조체(126)의 일반적 형상의 연장 및 벽(120, 122)의 두께에 의존한다. 여기에 설명된 실시예에서, 제1 증폭 계수는 2:1과 7:1 사이로 구성된다.

구조체(100)는 전달부(1264)를 기준으로 제1 하부-구조체(126)의 반대편에 있는 제2 하부-증폭 구조체(130)를 더 포함한다. 제2 하부-증폭 구조체(130)는 전달부(1264)의 이동을 핑거 캐리어(20, 22)에 전달한다.

제2 하부-구조체(130)는 각각의 핑거 캐리어(20, 22)에 대해 각각의 아암(132, 134)을 포함한다. 각각의 아암(132, 134)은 각각의 제1 단부(1320, 1340)에서 전달부(1264)에 고정된다. 각각의 제1 단부(1320, 1340) 반대편에 있는 각각의 제2 단부(1322, 1342)에서 각각의 아암(132, 134)이 각각의 핑거 캐리어(20, 22)에 체결된다. 아암(132, 134)은 일반적인 연장된 형상이고, 다른 하나의 근처에 길이 방향으로 연장되며, 제2 방향(1266)과 10도 미만, 바람직하게는 5도 미만의 각도를 형성한다.

제2 하부-구조체(130)는 각각의 핑거 캐리어(20, 22)에 대해 각각의 관절(136, 138)을 더 포함한다. 관절(136, 138)은 몸체(110)에 대해서 핑거 캐리어(20, 22)의 움직임을 제어하는 것을 가능하게 한다. 관절(136, 138)은 제2 방향(1266)에 대해 실질적으로 대칭이다. 여기서, 2개의 관절(136, 138)은 아암(132, 134)의 양쪽에 위치한다.

일 실시예에서, 각각의 관절(136, 138)은 각각 2개의 연장된 로드(1360 및 1362, 1380 및 1382)를 포함한다. 관절(136)(각각 138)의 2개의 로드(1360, 1362)(각각 1380, 1382)는 평행하고 동일한 길이이며, 또는 다른 말로, 평행사변형의 마주보는 두 측면을 형성한다. 상기 평행사변형의 다른 두 측면은 제3 방향(1300)으로 표현되며, 제3 방향은 선택적으로 제2 방향(1266)에 실질적으로 수직이다. 2개의 관절(136, 138)의 이러한 "평행사변형" 배열은 핑거 캐리어(20, 22)가 제2 방향(1266)에 대해서 평행하고 대칭적으로 이동하도록 제한한다. 로드(1360, 1362, 1380, 1382)의 길이 방향과 제2 방향(1266) 사이의 각도는 10° 미만, 바람직하게는 5° 미만이다.

전달부(1264)가 고정부(1262)에 더 가까이 이동(각각 멀어지게 이동)할 때, 제2 하부-구조체(130)는 제3방향(1300)을 따라 더 가깝게(각각 멀어지게) 이동하는 아암(132, 134)을 통해 핑거 캐리어(20, 22)를 구동한다. 핑거 캐리어(20, 22)의 상대적 이동은 고정부(1262)에 대한 전달부(1264)의 상대적 이동에 미리 결정된 제2 증폭 계수를 곱한 것과 동일하다. 즉, 핑거 캐리어(20, 22)의 액추에이터 행정은 선형이며, 제3 방향(1300)을 따라 나타난다.

제2 증폭 계수는 제2 하부-구조체(130)의 기하학적 구조에 의존한다. 특히, 이 제2 증폭 계수는 아암(132, 134)과 제2 방향(1266) 사이의 각도, 로드(1360, 1362, 1380, 1382)와 제2 방향(1266) 사이의 각도, 로드(1360, 1362, 1380, 1382)의 길이, 그리고 아암(132, 134)의 길이에 의존한다. 설명된 실시예에서, 제2 증폭 계수는 2:1보다 크고, 15:1, 심지어 20:1까지 일 수 있다.

구조체(100)의 총 증폭 계수는 제1 증폭 계수와 제2 증폭 계수의 곱과 동일하다. 본 발명의 설명된 예에서, 구조체(100)의 총 증폭 계수는 50:1이지만, 공지된 증폭 구조보다 훨씬 더 큰 140:1까지 도달할 수 있다. 또한, 핑거 캐리어(20, 22)의 움직임은 대칭적이고 서로 평행하다. 따라서 구조체(100)는 공지된 증폭 구조체의 깨지는 취약성, 복잡성 또는 비대칭성의 단점이 없는, 매우 높은 증폭 계수에 도달하는 것을 가능하게 한다.

제1 하부-구조체(126)의 일반적인 형상의 상대적 강성(stiffness)은 제2 하부-구조체(130)의 강도(rigidity)를 증가시킨다. 따라서, 제1 하부-구조체(126)는 전체 구조체(100)에 기계적 안정성을 제공한다. 제2 하부-구조체(130)의 형상은 구조체(100)가 매우 높은 증폭 계수를 달성하도록 한다. 제2 하부-구조체(130)는 구조체(100)의 핑거 캐리어(20, 22)의 움직임에 평행성 및 대칭을 추가로 제공한다. 따라서 2개의 하부-구조체(126, 130)는 시너지 효과를 발휘한다.

본 발명에서 구조체(100)는 단일 부품이고 단일 프로파일 플레이트로부터 형성된다. 따라서 그 제조가 매우 간단하고 조립이 용이하다(4개의 나사로 충분함). 구조체(100)는,

- 전기 침식(EDM)으로 가공될 수 있고,

- 언더컷으로 가공될 수 있고,

- 사출 성형(금속 사출 성형) 될 수 있고,

- 미세 소결에 의해 제조될 수 있고,

- 적층 제조("3D 프린팅"이라고도 함)가 수행될 수 있거나, 또는

- 청정실에서 물리적-화학적 실리콘 가공에 의해 제조(예: 축소된 크기의 제조 경우)될 수 있다.

이들 제조 방법은 예시로서 언급된 것이며 이는 제한되지 않는다.

구조체(100)는 50 ㎛와 3 ㎜ 사이의 액추에이터 행정을 가능하게 한다. 본 발명에 설명된 예에서, 액추에이터 행정은 약 800 ㎛이고, 마이크로 액추에이터의 크기는 45×23×7.5 ㎜이다. 따라서 이러한 구조체(100)가 제공된 액추에이터는 공지된 증폭 구조체를 제공하는 액추에이터보다 훨씬 더 유리한 크기/행정 비율을 갖는다.

구조체(100)에서, 각 단부에서의 변형에 의해, 아암(132, 134)과 관절(136, 138)은 몸체(110), 각 핑거 캐리어(20, 22) 및 전달부(1264)에 대해 각 단부에서 피봇할 수 있다. 변형은 매우 낮은 몸체(110)의 다양한 부분의 이동으로 인해 탄성적(elastic)이며, 이동은 약 2° 미만 및 2 ㎜ 미만이다.

아암(132, 134) 및/또는 로드(1360, 1362, 1380, 1382)는 가느다란 단부를 가질 수 있다. 도 5에 도시된 예에서, 아암(132, 134) 및 로드(1360, 1362, 1380, 1382)의 단부는 모두 얇아진다. 상기 단부를 얇게 함으로써 아암(132, 134)과 로드(1360, 1362, 1380, 1382)가 각각 고정되어 있는 곳에 대한 피봇하는 능력을 향상한다.

선택적으로, 몸체는 벽(120, 122)의 각각의 제1 에지(1202, 1222) 사이의 접합부에 리세스(1100, 1102)를 가질 수 있다. 이것은 벽(120, 122)과 몸체(110) 사이의 이 접합부에서의 날카로운 에지를 방지할 수 있도록 하여, 구조체(100) 재료의 국부적 제약조건(local constraints)을 감소시킨다.

이와 같이 설명된 구조체(100)는 증폭 계수를 가지며, 설계 및 제조에서 단순하여, 최신 기술의 증폭 구조체보다 훨씬 더 유리하다.

본 발명의 설명된 실시예에서, 구조체(100)는 제1 방향(1260)에 수직인 대칭 평면에 대해 평평한 대칭을 갖는다. 대칭 평면은 제2 방향(1266)을 포함한다. 대칭 평면은 두 개의 아암(132, 134) 사이, 2개의 사발-형상 벽(120, 122) 사이 및 핑거 캐리어(20, 22) 사이에 위치된다. 구조체(100)의 평평한 대칭은 핑거 캐리어가 서로에 대해 대칭적으로 이동되는 것을 가능하게 한다.

대안으로서 2쌍의 로드와 2개의 관절(136, 138)을 반전(invert)시키는 것이 가능하며, 즉 2쌍의 각 로드(1360, 1362 및 1380, 1382)에 의해 전달부(1264)를 2개의 핑거 캐리어(20, 22)에 연결하는 것이 가능하고, 2개의 아암(132, 134)에 의해 2개의 핑거 캐리어(20, 22)를 몸체에 연결하는 것이 가능하다.

이제 도 7을 참조한다.

이 실시예는 도 5에 보인 실시예의 대안으로, 구조체(100)는 제2 하부-구조체(130) 대신에 제3 하부-구조체(230)를 갖는다. 여기서, 제3 하부-구조체(230)의 각 관절은 단일 로드(236, 238)로 형성된다. 이 로드(236, 238)는 각각의 핑거 캐리어(20, 22)의 제1 단부(2360, 2380)에 견고하게 고정되고, 제2 단부(2362, 2382)에서 피봇가능하게 몸체(110)에 고정된다.

구조체(100)는 여기에서 단일 부품이고 제2 단부(2362, 2382)에서의 피봇팅은 몸체(110)와 제2 단부(2362, 2382) 사이의 접합부(2364, 2384)에서의 탄성 변형을 통해 수행된다. 제2 단부(2362, 2382)는 얇아질 수 있어서 탄성 변형에 의한 이런 피봇팅을 개선한다.

핑거 캐리어(20, 22)의 이동은 대칭이다. 이제 제3 하부-구조(230)에 단 하나의 단일 피봇팅이 있기 때문에, 핑거 캐리어(20, 22)는 접합부(2364, 2368) 주위에서 각 운동(angular movement)을 보인다.

상기 제3 구조(230)는 핑거 캐리어(20, 22) 이동의 평행성(parallelism)을 잃는 대가로, 제2 하부-구조체(130)보다 더 높은 증폭 계수를 갖는다.

전체적으로 대칭적인 증폭 구조체(100)가 설명되었다. 이러한 대칭을 통해 종단 부재가 대칭으로 이동할 수 있다. 그러나, 부품의 수가 적고 단순하기 때문에 공지된 구조체보다 훨씬 높은 견고성과 매우 높은 증폭 계수를 유지하는 비대칭 구조체(100)를 가질 수 있다.

마이크로공학 클램프 유형의 마이크로 액추에이터를 위한 증폭 구조체(100)가 설명된다. 본 발명에 따른 증폭 구조체는 압전 제어를 통해 매우 정확한 거리에 걸쳐 대칭적이고 심지어 평행한 종단 부재가 이동하는 것을 가능하게 한다. 이것은 마이크로공학 클램프 외에도 많은 응용 분야에 적용이 가능합니다.

일 실시예에서, 마이크로 액추에이터(1)는 마이크로공학 전기 접촉기(contactor)이다. 2개의 종단 부재(20, 22) 각각은 각각의 접촉 부재를 포함하고, 상기 2개의 접촉 부재가 서로 접촉할 때 이들이 전기적으로 연결된다. 그 다음, 액추에이터(30)는 종단 부재를 구동하여 접촉 부재를 통과 상태(접촉 부재가 접촉하고 있음)와 차단 상태(접촉 부재가 서로 거리를 두고 전기적으로 분리됨)로 스위칭한다.

증폭 구조체 덕분에, 이 마이크로공학 전기 접촉기는 매우 작고 능동적이며 제어가 가능하며, 특히 액추에이터의 매우 낮은 제어 전류를 가지고 제어 가능하다. 더욱이, 종단 부재가 만들 수 있는 파지력은 강한 전류 또는 강한 전압의 상황에서 이런 액추에이터의 사용을 고려할 수 있게 한다. 이 마이크로공학 전기 접촉기의 스위칭은 10 ms 미만, 심지어 1 ms 미만으로 빠르다.

다른 실시예에서, 마이크로 액추에이터는 광학 다이어프램 또는 광학 셔터(shutter)이다. 여기서, 종단 부재 각각은 각각의 부분-다이어프램(demi-diaphragm)을 포함한다. 2개의 부분-다이어프램은 직각의 일반적인 "V"자 형상을 가지며, 서로 대칭으로 마주보고 있으며 각 모서리는 서로 떨어져 있다. 2개의 일반적인 "V" 형상이 겹치고, 2개의 부분-다이어프램이 함께 사각형 다이어프램을 형성한다. 2개의 부분-다이어프램은 액추에이터에 의해 서로 멀어지고 그리고 더 가깝게 이동하여, 이들이 형성하는 사각형 다이어프램의 치수를 제어할 수 있다.

여기서 다시, 마이크로 액추에이터의 작동 속도는 유리하게 짧다(10 ms 미만, 심지어 1 ms 미만). 다이어프램의 크기는 매우 정밀하게 제어될 수 있다. 더 나아가서 다이어프램은 광학 축의 중심에 유지된다.

본 발명은 위에서 언급한 예들에 제한되지 않으며, 2개의 종단 부재가 대칭적으로, 심지어 평행하게, 짧은 거리에 걸쳐 정밀하게 이동하는 것을 요구하는 모든 분야에 관심이 있다.

Claims

마이크로 액추에이터용 장치에 있어서,
- 몸체(110),
- 몸체(110)의 일측에 위치하고, 몸체(110)에 관절(136, 138; 236, 238)로 연결된 2개의 종단 부재(20, 22),
- 벽(120, 122)의 일측에 위치한 2개의 각각의 제1 에지(1202, 1222)가 몸체(110)에 고정되는 반면에, 벽(120, 122)의 타측에 위치한 2개의 각각의 제2 에지(1204, 1224)는 액추에이터(30) 구동에 의해 연속적으로 움직여서 벽(120, 122)을 변형시키는, 액추에이터(30)를 수용하도록 배열되고 서로 마주보는 2개의 변형 가능한 사발-형상 벽(120, 122),
- 2개의 각각의 종단 부재(20, 22)에서 종단되는 움직임을 전달하는 2개의 아암(132, 134)을 포함하여 구성되는 장치.
제1항에 있어서,
사발-형상 벽(120, 122) 각각은 액추에이터(30)가 지지하는 각각의 기저(1200, 1220)를 갖는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
2개의 종단 부재(20, 22)는 각각의 로드(1360, 1362, 1380, 1382; 2360, 2380)에 의해 몸체(110)에 관절식으로 연결되는 장치.
제3항에 있어서,
2개의 종단 부재(20, 22)는 실질적으로 평행하고 동일한 길이의 2개의 개별 쌍의 로드(1360, 1362; 1380, 1382)에 의해 몸체(110)에 관절식으로 연결되는 장치.
제4항에 있어서,
종단 부재(20, 22) 측의 로드(1360, 1362, 1380, 1382)의 단부(1322, 1342)가 실질적으로 정렬되는 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
액추에이터(30)의 변형은 벽(120, 122)의 2개의 기저(1200, 1220)에 대항한 길이 방향 팽창 또는 길이 방향 수축이고,
2개의 기저(1200, 1220)에 대항한 액추에이터(30)의 팽창은 제1 에지(1202, 1222)와 제2 에지(1204, 1224)가 서로 가까워지도록 하고, 이에 의해 제2 에지(1204, 1224)가 아암(132, 134)을 통해 대칭으로 구동되어 종단 부재(20, 22)가 서로 상대적으로 가까워지게 하고,
2개의 기저(1200, 1220)에 대항한 액추에이터(30)의 수축은 제1 에지(1202, 1222)와 제2 에지(1204, 1224)가 서로 멀어지도록 하고, 이에 의해 제2 에지(1204, 1224)가 아암(132, 134)을 통해 대칭으로 구동되어 종단 부재(20, 22)가 상대적으로 멀어지게 하는 장치.
제4항 또는 제5항에 종속하는 제6항에 있어서,
종단 부재가 상대적으로 가까워지고 그리고 상대적으로 멀어지는 것이 일반적으로 선형 행정(1300)을 따라 나타나는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 사발-형상 벽(120, 122)은 일반적으로 다이아몬드, 육각형 또는 타원형을 형성하는 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(100)는 단일 부품으로 제조되는 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(100)는 프로파일 플레이트로 형성되는 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 30:1보다 큰 증폭 계수를 갖는 장치.
제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
로드(1360, 1362, 1380, 1382; 2360, 2380) 및/또는 아암(132, 134)은 하나 이상의 그 단부(1320, 1322, 1340, 1342, 2362, 2382)에서 얇아지는 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
마이크로 액추에이터는 마이크로공학 클램프이고, 종단 부재(20, 22) 각각은 핑거 캐리어 및 상기 핑거 캐리어에 장착된 핑거를 포함하는 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
액추에이터(30)는 압전 액추에이터, 바람직하게는 압전 스택(34)인 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 2개의 벽(120, 122) 사이, 2개의 아암(132, 134) 사이 및 2개의 종단 부재(20, 22) 사이에 위치된 대칭 평면에 대해서 대칭인 장치.