WO2018092946A1 - 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터 - Google Patents

벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터 Download PDF

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WO2018092946A1
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bending
flag
atomic beam
piezo actuator
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박창용
유대혁
이원규
허명선
김휘동
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Korea Research Institute of Standards and Science
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Korea Research Institute of Standards and Science
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    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/121—Q-switching using intracavity mechanical devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02—Molecular or atomic-beam generation, e.g. resonant beam generation

Definitions

  • the present invention relates to an atomic beam shutter using a bending piezo actuator, and more particularly, is a bending without good magnetic field, good suitability in ultra high vacuum (UHV), low mechanical vibration, long life, fast response
  • An atomic beam shutter using a piezo actuator is a bending without good magnetic field, good suitability in ultra high vacuum (UHV), low mechanical vibration, long life, fast response
  • An atomic beam shutter using a piezo actuator is a bending without good magnetic field, good suitability in ultra high vacuum (UHV), low mechanical vibration, long life, fast response
  • Atomic beams are widely used as the source of atoms in numerous atomic physics experiments, such as Doppler-free spectroscopy or laser cooling and magneto-optical capture for ultra cold atoms.
  • the success of these experiments is often greatly influenced by the high speed treatment of atomic flux and the timely prevention of unwanted effects resulting from hot ovens.
  • the atomic beam system is equipped with a shutter system for beam shuttering.
  • the basic requirement of a shutter system is to be able to completely mechanically block energy sources such as laser beams, atomic beams, and the like, and therefore, of course, the shutter system includes a physical blocking structure and a driving device for moving it.
  • a drive device a step motor, a servo motor, a solenoid coil, a pneumatic device and the like are generally used, but these have the advantage of good practicality and reliability.
  • a laser including a slide element coupled to a support by a roller bearing which is disclosed in US Patent No.
  • Beam diverting shutter for a laser beam serves as a shutter. Beam turning shutters for beams, and beam shutters for turning on / off pulse lasers by opening and closing in front of the laser oscillator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1993-777777 (" Pulse Laser Processing Machine ", October 26, 1993). .
  • the disadvantage is that unwanted magnetic fields are generated, and the moving parts are relatively heavy, which limits the shutter response time due to the mechanical vibration of the high speed operating apparatus. There is also a problem that occurs.
  • the atomic clock is essential in all fields that require accurate time such as GPS, mobile phone, and broadcasting. Time is measured using the oscillation frequency of the cesium atom, which has been cooled to near cryogenic temperatures. However, there are factors that distort the accurate measurement of these frequencies, and various studies have been conducted to further increase the accuracy of the atomic clock.
  • Ytterbium (ytterbium) light grid clock optical lattice clock
  • ytterbium light grid clock optical lattice clock
  • the ytterbium optical lattice clock can reduce the error level to about one hundredth of that of the atomic clock using cesium atoms.
  • a shutter is also used in the ytterbium optical lattice clock.
  • a driving device such as a stepper motor or a servo motor
  • the uncertainty is further improved due to problems such as an unwanted magnetic field or mechanical vibration.
  • UHV ultra high vacuum
  • UHV ultra high vacuum
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is configured to be opened and closed using a bending piezo actuator, there is no influence of a magnetic field, ultra-high vacuum (UHV ) Provides an atom beam shutter with good suitability in a), low mechanical vibration, long life and fast response.
  • UHV ultra-high vacuum
  • the atomic beam shutter 100 using the bending piezo actuator of the present invention for achieving the object as described above the base 111 is fixedly supported and receives power from the outside, one end is fixed to the base 111
  • a bending piezo actuator (110) comprising a bending arm (112) extending in the first direction and bent in accordance with the application of power so that the other end is moved in a second direction perpendicular to the first direction;
  • a lever 120 having one end connected to the other end of the bending piezo actuator 110 and rotatably provided around a fixedly supported lever shaft 125;
  • a flag 130 having one end connected to the other end of the lever 120 and extending in the first direction so that the other end moves in the second direction according to the rotation of the lever 120;
  • shuttering of the atomic beam traveling in the third direction by the other end of the flag 130 may be performed.
  • the bending arm 112 extends in the first direction and has a flat shape in a first direction-third direction plane, and the flag 130 extends in the first direction and the first direction-second direction. It may be formed in a flat plate shape.
  • the lever 120, the lever shaft 125 is connected to the center, the body 121A to which one end of the flag 130 is fixedly connected to the other side, is formed at the other end of the body 121A
  • the other end of the bending arm 112 may include a groove portion 122A inserted and connected.
  • At least one groove portion 122A may be formed, and when the plurality of groove portions 122A are formed, the groove portions 122A may be arranged in parallel in the second direction.
  • the lever 120, the lever shaft 125 is connected to the center, one side end of the flag 130 is fixedly connected to the other side of the flag body 121B, the one side of the bending arm 112 It may include a bending arm side body 122B to which the other end is fixedly connected, the flag side body 121B, and a connection part 123B connecting the bending arm side body 122B.
  • the lever 120, the width of the connecting portion 123B is formed relatively smaller than the width of the flag side body 121B and the bending arm side body 122B, the connection portion 123B serves as an elastic hinge It can be formed to be.
  • lever 120 and the flag 130 may be connected by bolting.
  • the flag 130 has a through hole 131 through which the lever shaft 125 penetrates and a guide 132 protruding to both sides along a second direction, and the lever shaft 125 is formed at one end thereof. Inserted into the through hole 131, the guide 132 is bent to surround the other end of the lever 120, the lever 120 and the flag 130 may be connected.
  • lever 120 may be made of Teflon.
  • a bending piezo actuator and a rotating arm connected thereto can be used to reduce the moment of inertia and to implement a shutter system having a lighter and simpler structure.
  • a conventional driving device including relatively heavy components such as a step motor, a servo motor, a solenoid coil, a pneumatic device, and the like is provided. Compared to other devices, excellent dynamic characteristics such as response speed, vibration and noise reduction can be obtained.
  • the influence of the magnetic field generation is much less than the conventional drive device, there is an effect that can greatly reduce the unwanted effect on the experimental results.
  • the introduction of a configuration that reduces the friction at the connection of the bending piezo actuator and the rotating arm prevents the problem of reduced life due to wear or damage in the moving parts, and consequently has a great effect to greatly increase the life.
  • the components of the device of the present invention have the advantage of being excellent in ultra high vacuum (UHV), and very suitable for use as an atomic beam shutter.
  • the shuttering operation is made of only a very small time difference of about 13.2ms, it was confirmed that the response speed is improved compared to the existing devices. In addition, it was confirmed that stable shuttering is possible so that the time difference deviation is about 0.02 ⁇ 0.03ms even after repeated long operation. In addition, it succeeded 2.6 x 10 7 times of normal operation without damage, and it was confirmed that the service life was greatly increased compared to the existing one, and it operated without problems even in the ultra-high vacuum environment of 10 -9 torr.
  • the atomic beam shutter using the bending piezo actuator according to the present invention has the advantage of no magnetic field, good suitability in ultra high vacuum (UHV), low mechanical vibration, long life, and quick response. Accordingly, as a specific example, the effect of improving the uncertainty of the ytterbium optical lattice clock using the atomic beam shutter to 10 -18 can be obtained.
  • 1 is an embodiment of a bending piezo actuator.
  • FIG. 2 is one embodiment of a commercialized product of a bending piezo actuator.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an atomic beam shutter of the present invention.
  • 5 is another embodiment of a lever of an atomic beam shutter of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates the dynamic characteristics of the atomic beam shutter of the present invention.
  • atomic beam shutter 110 (of the present invention): bending piezo actuator
  • lever axis 130 flag
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of one embodiment of a bending piezo actuator.
  • the bending piezo actuator is formed in a plate shape in which one end is supported by a clamp and extends in one direction, and when the power is applied through one end, the plate body is bent so that the other end is up and down. It is formed to be movable in the direction.
  • the bending piezo actuator can easily adjust the direction, degree, period, etc. of the bending by adjusting the direction, magnitude, period, etc. of the applied electric power.
  • 2 shows one embodiment of a commercialized product picture of such a bending piezo actuator.
  • Such bending piezo actuators have superior dynamic characteristics such as response speed, vibration and noise reduction compared to conventional driving devices including relatively heavy components such as step motors, servo motors, solenoid coils, and pneumatic devices. You can get it.
  • the atomic beam shutter it is necessary to minimize the influence of the unwanted magnetic field.
  • the bending piezo actuator there is no component generating a strong magnetic field as shown in the circuit diagram of FIG. 1.
  • a motor or a solenoid when a motor or a solenoid is used as a driving device, an undesirably strong magnetic field is inevitably generated, and such an unwanted magnetic field may cause an uncertainty of a device including an atomic beam shutter. do.
  • using a bending piezo actuator can solve this problem inherently.
  • the shutter device by applying the bending piezo actuator as described above to the atomic beam shutter, it must be configured so that effective shuttering can be made with a minimum simple structure to ensure excellent dynamic characteristics.
  • the atomic beam shutter of the present invention to be described below is designed in this respect.
  • the atomic beam shutter 100 of the present invention includes a bending piezo actuator 110, a lever 120, and a flag 130, such that the bending piezo actuator 110 is moved by the flag 130.
  • the other end of the flag 130 is moved so that the atomic beam shuttering is performed.
  • 4 and 5 illustrate various specific embodiments of the lever 120
  • FIG. 6 is a view for explaining the dynamic characteristics of the atomic beam shutter of the present invention. First, each part will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • the bending piezo actuator 110 includes a base 111 and a bending arm 112 as shown.
  • the base 111 is fixedly supported on the ground or the like to become a reference point of the bending piezo actuator 110, and receives power from the outside through the base 111.
  • one end is fixed to the base 111 and extends in the first direction and is bent in accordance with the application of power so that the other end moves in the second direction perpendicular to the first direction. It is formed to be.
  • One end of the lever 120 is connected to the other end of the bending piezo actuator 110 and is rotatably provided around the fixed lever shaft 125. That is, the lever 120 converts the second direction movement of the other end of the bending arm 112 into a rotational movement about the lever shaft 125, and the rotational movement is the flag 130 to be described below. Is delivered.
  • the flag 130 has one end connected to the other end of the lever 120 and extending in the first direction so that the other end moves in the second direction as the lever 120 rotates. More specifically, the transmission of motion is as follows. First, as power is applied through the base 111, the other end of the bending arm 112 moves up and down along a second direction. Since the other end of the bending arm 112 and one end of the lever 120 are connected, one end of the lever 120 is moved in the same direction as the other end of the bending arm 12.
  • the lever 120 is rotatable about the lever shaft 125, the other end of the lever 120 is moved in point symmetry with respect to one end of the lever 120, that is, the lever When one end of the 120 is upward, the other end of the lever 120 is moved downward.
  • the other end of the lever 120 is connected to one end of the flag 130, and the other end of the lever 120 moves up and down along a second direction, and thus, the flag ( The other end of 130 is also moved up and down along the second direction.
  • the third direction when the atomic beam travels in the third direction, the other end of the flag 130 moves up and down along the second direction as described above.
  • shuttering of the atomic beam traveling in the third direction by the other end of the flag 130 may be performed very easily.
  • the bending arm 112 may extend in a first direction and have a flat plate shape in a first direction to a third direction in view of the shape of the bending piezo actuator 110 itself.
  • the flag 130 extends in the first direction and has a flat plate shape on the first direction-second direction plane, so that the shuttering of the atomic beam traveling in the third direction can be easily performed.
  • the other end of the flag 130 is preferably formed to have a larger area than the rest of the elongated body as shown in Figure 3, so that the shuttering of the atomic beam can be made more effectively.
  • the extending body portion of the flag 130 is preferably made to reduce the weight of the flag 130 itself by forming a hole or the like, as shown in Figure 3 to improve the overall dynamic characteristics of the device.
  • the atomic beam shutter 100 of the present invention generates a movement using the bending piezo actuator 110, and the movement is transmitted to the movement of the flag 130 through the lever 120. Allow shuttering to occur. That is, in summary, the configuration of the atomic beam shutter 100 of the present invention is configured to extend the movement of the bending piezo actuator 110 to the flag 130.
  • the movement of the bending piezo actuator may be simplified by a movement in which one end of the bending arm is fixed to the base and the bending arm rotates around the fixing point. Accordingly, the other end of the bending arm moves in the vertical direction.
  • an extended arm (shown as an extended-arm in FIG. 6) is extended to the other end of the bending piezo actuator bending arm. It can be comprised in the form provided.
  • Fig. 6 shows a configuration corresponding to the atomic beam shutter of the present invention.
  • the other end of the bending piezo actuator bending arm is provided with a rotating arm composed of a lever and a flag (indicated by a rotating arm in FIG. 6).
  • the rotating shaft is formed at one end of the bending arm so that the other end of the bending arm moves up and down, and the other end of the bending arm is connected to one end of the rotating arm.
  • the rotary arm, the rotation axis is formed in a position biased toward one side of the rotary arm is to rotate the movement around it. Therefore, the other end of the rotating arm is transferred to the vertical direction of the other end of the bending arm is also moved up and down, but the direction is reversed.
  • the present invention introduces an optimal design form that can simplify the structure as much as possible while also improving the dynamic characteristics at the maximum.
  • the lever 120 will be described in more detail as follows.
  • the lever 120 is preferably made of Teflon.
  • the actual operating environment of the atomic beam shutter is an ultra-high vacuum environment, and Teflon has high environmental suitability because of low outgasing in such an environment.
  • Teflon since Teflon is flexible, there is an advantage in that it can respond well to deformation.
  • Teflon forms a very smooth surface, when the lever 120 is made of Teflon, the friction force generated in the movement of the lever 120 about the lever shaft 125 can be minimized. have.
  • lever 120 will be described. 4 and 5 show several embodiments of the lever of the atomic beam shutter of the present invention, respectively.
  • the atomic beam shutter 100 of the present invention rotates the lever 120 about the lever shaft 125 to transfer the movement of the bending arm 112 to the movement of the flag 130. With this configuration, the moment of inertia can be much reduced.
  • specific configurations of each of the various embodiments of the lever will be described in more detail.
  • lever 120 is connected to the center, the body 121A, one end of the flag 130 is fixedly connected to the other side, the body 121A It is formed at the other end of the, and the other end of the bending arm 112 is made to include a groove portion (122A) that is inserted and connected.
  • the other end of the bending arm 112 is inserted into and connected to the groove portion 122A.
  • at least one groove portion 122A may be formed as shown, and the groove portion 122A may be formed.
  • it may also be arranged in parallel in the second direction as shown.
  • the vertical movement of the bending arm 112 is intact. It is transmitted by the vertical movement of the flag 130 without deflection.
  • the up or down movement of the bending arm 112 is transferred to the up and down movement of the flag 130.
  • the upward bias will occur.
  • Such a deflection can be adjusted according to a user's purpose. For example, the deflection may be adjusted to correct a deformation of the device shape due to wear or damage of the device during operation. That is, a plurality of groove portions 122A may be formed in consideration of these various possibilities.
  • the lever shaft 125 is connected to a center thereof, and a flag side body 121B at which one end of the flag 130 is fixedly connected to the other side thereof. It includes a bending arm side body 122B to which the other end of the bending arm 112 is fixedly connected, the flag side body 121B and a connecting portion 123B connecting the bending arm side body 122B.
  • the bending arm side body 122B may be formed as simple as possible to fit tightly to the end of the bending arm 112 as shown.
  • the width of the connecting portion 123B may be formed relatively smaller than the width of the flag side body 121B and the bending arm side body 122B.
  • the connecting portion 123B serves as an elastic hinge.
  • a flexible hinge refers to a hinge based on a flexure. The flexure structure is briefly described as follows. In a structure, when a part has a much smaller width than other parts around it, when a force is applied from outside, stress is concentrated at that part and deformation occurs. This structure is called a flexure structure.
  • connection portion 123B is formed in a shape that can serve as an elastic hinge.
  • the lever 120 and the flag 130 may be connected in various ways.
  • FIG. 4 an embodiment is shown in which the lever 120 and the flag 130 are connected by bolting.
  • the flag 130 has a form in which a through hole 131 through which the lever shaft 125 penetrates and a guide 132 protruding to both sides along a second direction are formed at one end thereof.
  • the lever shaft 125 is inserted into the through hole 131, and the guide 132 is bent to surround the other end of the lever 120, thereby between the lever 120 and the flag 130.
  • the connection is made. That is, the embodiment of Figure 5 is a connection is made by fitting as a result.
  • the bolted connection is shown in the embodiment of FIG. 4, and the fitting connection is shown in the embodiment of FIG. 5, but the present invention is not limited thereto, and a bolting connection may be introduced into the lever form of FIG. 5, and FIG.
  • Various modifications are possible, such as the introduction of a fitted connection in the lever form of 4.
  • FIG. 7 shows an actual experimental photograph of the atomic beam shutter of the present invention. As shown, the experiment was performed by shuttering the laser using the atomic beam shutter of the present invention, and in this experiment, the atomic beam shutter of the present invention. Was successful 2.6 x 10 7 times without breakage, and it was confirmed that the lifespan until breakage was significantly increased compared to the conventional one. 8 to 11 show the experimental results, and briefly explain each result as follows.
  • Figure 8 shows the magnitude and phase shift of the flag according to the operating frequency of the bending piezo actuator. As shown, it is confirmed that the maximum value occurs at about 50 Hz, that is, the resonance frequency is about 50 Hz. It is not quite suitable for use with laser shutters, but is fast enough to be very suitable for use with atomic beam shutters.
  • the trigger voltage and the operating voltage applied to the bending piezo actuator show almost similar signal waveforms, and the time delay between the operating voltage and the measured voltage is about 13.0 (2.9 + 10.1) to 13.3 (4.0 + 9.3) ms. That is, since the shuttering operation is made with only a very small time difference of about 13.2ms, it can be confirmed that the response speed is improved compared to the existing devices.
  • FIG. 12 illustrates an experimental apparatus for experimenting with shuttering performance of the atomic beam shutter of the present invention.
  • the experimental apparatus of FIG. 7 is an experiment using a laser instead of an atomic beam, which is slightly different from the actual environment in which the atomic beam shutter is introduced.
  • FIG. 12 is an experimental device that actually uses an atomic beam, and the atomic beam shutter operates in an ultra high vacuum (UHV) environment of about 10 to 9 torr.
  • UHV ultra high vacuum
  • FIG. 13 to 15 are experimental results obtained by the experimental apparatus of FIG. 12.
  • the shutter trigger signal is compared with the actual number of measured atoms.
  • FIG. 13 shows results for a relatively long time in units of thousands of ms
  • FIG. 14 shows results for a relatively short time in units of tens of ms during a shutter opening operation
  • FIG. Each of the results for a short time is shown.
  • the atomic beam can be turned on and off very effectively with only a time delay of about 20-30 ms against the change of the shuttering trigger signal.
  • the atomic beam shutter of the present invention operates without problems even in an ultra-high vacuum environment of 10 -9 torr.
  • the atomic beam shutter using the bending piezo actuator according to the present invention has the advantages of no magnetic field, good suitability in ultra high vacuum (UHV), low mechanical vibration, long life, and quick response. Accordingly, as a specific example, the effect of improving the uncertainty of the ytterbium optical lattice clock using the atomic beam shutter to 10 -18 can be obtained.

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Abstract

본 발명의 목적은, 벤딩 피에조 액추에이터를 이용하여 개폐가 이루어지도록 구성됨으로써, 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른 원자빔 셔터를 제공함에 있다.

Description

벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터
본 발명은 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른, 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터에 관한 것이다.
원자빔(atomic beam)은 도플러-프리 분광법(Doppler-free spectroscopy)이나 초저온원자(ultra cold atom) 연구를 위한 레이저 냉각 및 자기광포획 등과 같은 수없이 다양한 원자물리 실험에서 원자 소스로서 널리 사용되고 있다. 이러한 실험들의 성공 여부는, 원자 플럭스의 고속 처리 및 고온의 오븐으로부터 발생되는 원하지 않는 영향의 적시 방지에 종종 크게 영향을 받는다.
일반적인 레이저빔 시스템과 유사하게 원자빔 시스템에도 빔 셔팅을 위한 셔터 시스템이 구비된다. 셔터 시스템의 기본적인 요건은 레이저빔, 원자빔 등과 같은 에너지원을 완전하게 기계적으로 차단할 수 있어야 한다는 것으로, 따라서 당연히 셔터 시스템에는 물리적인 차단 구조물 및 이를 움직이는 구동장치가 포함된다. 이러한 구동장치로서는, 일반적으로 스텝 모터, 서보 모터, 솔레노이드 코일, 공압 장치 등이 사용되는데, 이들은 실용성 및 신뢰성이 좋다는 장점이 있다. 이러한 빔 셔터의 예시로서, 미국특허등록 제5596590호("Beam diverting shutter for a laser beam", 1997.01.21)에 개시된, 롤러 베어링에 의한 지지체에 결합되어 셔터 역할을 하는 슬라이드 요소를 포함하여 이루어지는 레이저 빔을 위한 빔 방향 전환 셔터, 일본특허공개 제1993-277765호("펄스 레이저 가공기", 1993.10.26)에 개시된, 레이저 발진기 전방에 구비되어 개폐됨으로써 펄스 레이저를 on/off하는 빔 셔터 등이 있다. 그러나 이러한 기존의 구동장치들을 사용하는 빔 셔터의 경우, 원하지 않는 자기장이 생성된다는 약점이 있으며, 또한 움직이는 부품들이 상대적으로 상당히 무거워서, 고속으로 작동되는 실험 장치의 기계적 진동으로 인하여 셔터 반응 시간에 제한이 발생한다는 문제점 또한 있다.
한편, 원자시계는 위성위치확인시스템(GPS)과 휴대전화, 방송 등 정확한 시간을 요구하는 모든 분야에서 필수적으로 요구되는 것으로서, 현재까지 널리 사용되어 온 원자시계는 레이저를 이용하여 절대온도 0도에 가까운 극저온으로 온도를 낮춘 세슘 원자의 진동 주파수를 이용하여 시간을 측정하도록 이루어져 있다. 그러나 이런 주파수의 정확한 측정치를 왜곡하는 요인들이 있으며, 원자시계의 정확도를 더욱 높이기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 이테르븀(ytterbium) 광격자시계(optical lattice clock)는 바로 이러한 연구의 일환으로 개발된 것으로서, 레이저 빔으로 이루어진 격자 상자 속에 이테르븀 원자를 가두고 다른 유형의 레이저 파를 쏘아 원자의 에너지 준위를 여기시키는 방식을 사용한다. 이러한 이테르븀 광격자시계는 현재의 세슘 원자를 사용하는 원자시계에 비해 오차수준을 100분의 1 정도까지 줄여줄 수 있다고 알려져 있다.
이러한 이테르븀 광격자시계에서도 물론 셔터가 사용되는데, 앞서 설명한 바와 같이 기존의 스텝 모터, 서보 모터 등과 같은 구동장치를 사용하는 셔터를 사용할 경우 원치 않는 자기장이나 기계적 진동 발생 등과 같은 문제 요인 때문에 불확도를 더욱 개선시키는데 한계가 있다. 이처럼, 이테르븀 광격자시계 등과 같이 초고도의 정확성을 요하는 장치에 적용할 수 있도록, 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른 셔터에 대한 개발 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 있어 왔다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 미국특허등록 제5596590호("Beam diverting shutter for a laser beam", 1997.01.21)
2. 일본특허공개 제1993-277765호("펄스 레이저 가공기", 1993.10.26)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 벤딩 피에조 액추에이터를 이용하여 개폐가 이루어지도록 구성됨으로써, 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른 원자빔 셔터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터(100)는, 고정 지지되며 외부로부터 전력을 인가받는 베이스(111), 일측 끝단이 상기 베이스(111)에 고정되며, 제1방향으로 연장되고 전력 인가에 따라 벤딩되어 타측 끝단이 제1방향에 수직한 제2방향으로 움직이도록 형성되는 벤딩암(112)을 포함하여 이루어지는 벤딩 피에조 액추에이터(110); 일측 끝단이 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 타측 끝단에 연결되며, 고정 지지된 레버축(125)을 중심으로 회전 가능하게 구비되는 레버(120); 일측 끝단이 상기 레버(120)의 타측 끝단에 연결되며, 제1방향으로 연장되어 상기 레버(120)의 회전에 따라 타측 끝단이 제2방향으로 움직이도록 형성되는 플래그(130); 를 포함하여 이루어지며, 제1방향 및 제2방향에 수직한 방향을 제3방향이라 할 때, 상기 플래그(130)의 타측 끝단에 의하여 제3방향으로 진행하는 원자빔의 셔터링이 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 벤딩암(112)은 제1방향으로 연장되며 제1방향-제3방향 평면상의 평판 형상으로 이루어지며, 상기 플래그(130)는 제1방향으로 연장되며 제1방향-제2방향 평면상의 평판 형상으로 이루어질 수 있다.
또한 상기 레버(120)는, 중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 몸체(121A), 상기 몸체(121A)의 타측 끝단에 형성되며, 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 삽입 연결되는 홈부(122A)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 홈부(122A)는, 적어도 하나 이상 형성되며, 복수 개 형성될 경우 제2방향으로 병렬 배치될 수 있다.
또는 상기 레버(120)는, 중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 플래그측몸체(121B), 일측에 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 고정 연결되는 벤딩암측몸체(122B), 상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)를 연결하는 연결부(123B)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 레버(120)는, 상기 연결부(123B)의 폭이 상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)의 폭보다 상대적으로 작게 형성되어, 상기 연결부(123B)가 탄성힌지 역할을 하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)는, 볼팅에 의해 연결될 수 있다.
또는 상기 플래그(130)는, 일측 끝단에 상기 레버축(125)이 관통하는 관통구멍(131) 및 제2방향을 따라 양측으로 돌출되는 가이드(132)가 형성되며, 상기 레버축(125)이 상기 관통구멍(131)에 삽입되고, 상기 가이드(132)가 벤딩되어 상기 레버(120) 타측 끝단을 감싸도록 형성되어, 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)가 연결될 수 있다.
또한 상기 레버(120)는, 테플론으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 벤딩 피에조 액추에이터 및 이에 연결되는 로테이팅 암을 사용하여, 관성 모멘트를 줄이고 더욱 가볍고 단순한 구조를 가지는 셔터 시스템을 구현할 수 있다는 큰 효과가 있다. 보다 상세히는, 본 발명에서는 기본적으로 피에조 액추에이터를 사용하여 셔터링 동작의 구동을 인가하기 때문에, 스텝 모터, 서보 모터, 솔레노이드 코일, 공압 장치 등과 같은 상대적으로 무거운 부품들을 포함하여 구성되는 종래의 구동장치들에 비해 훨씬 빠른 응답속도, 진동 및 소음 저감 등 우수한 동적특성을 얻을 수 있다. 또한 종래의 구동장치들에 비해 자기장 발생의 영향이 훨씬 적어 실험 결과에 끼치는 원치 않는 영향을 크게 저감할 수 있는 효과도 있다. 뿐만 아니라 벤딩 피에조 액추에이터 및 로테이팅 암의 연결부에서의 마찰력을 줄이는 구성을 도입함으로써, 움직이는 부분에서의 마모나 손상 등으로 인한 수명 저하 문제를 방지하여, 결론적으로는 수명을 크게 늘릴 수 있는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명의 장치의 부품들은 초고진공(UHV)에서의 적합성이 뛰어나, 원자빔 셔터로서 사용되기에 매우 적합하다는 장점 또한 있다.
실제로 본 발명에 의한 장치를 사용하여 실험한 바에 따르면, 셔터링 동작이 13.2ms 정도의 매우 적은 시간 차이만으로 이루어져, 기존의 장치들에 비해 응답 속도가 향상되었음을 확인하였다. 또한 아주 오랜 반복 동작을 하여도 시간 차이 편차가 약 0.02~0.03ms 정도가 될 정도로 안정적인 셔터링이 가능함을 확인하였다. 더불어 파손 없이 2.6 x 107회 정상 동작에 성공하여 기존에 비해 수명이 크게 늘어남을 확인하였고, 10-9torr의 초고진공 환경에서도 문제없이 동작함을 확인하였다.
즉 본 발명에 의한 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터는, 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른 장점을 가진다. 이에 따라 구체적인 예로써 원자빔 셔터가 사용되는 이테르븀(ytterbium) 광격자시계(optical lattice clock)의 불확도를 10-18까지 개선시키는 것이 가능하다는 효과 등을 얻을 수 있음은 물론이다.
도 1은 벤딩 피에조 액추에이터의 한 실시예.
도 2는 벤딩 피에조 액추에이터의 상용화 제품의 한 실시예.
도 3은 본 발명의 원자빔 셔터의 개략도.
도 4는 본 발명의 원자빔 셔터의 레버의 한 실시예.
도 5는 본 발명의 원자빔 셔터의 레버의 다른 실시예.
도 6은 본 발명의 원자빔 셔터의 동적특성 설명.
도 7은 본 발명의 원자빔 셔터의 실제 실험 사진.
도 8 내지 도 11은 도 7의 원자빔 셔터의 실험 결과.
도 12는 본 발명의 원자빔 셔터의 셔터링 성능 실험을 위한 실험 장치.
도 13 내지 도 15는 도 12의 실험 장치에 의한 실험 결과.
**부호의 설명**
100: (본 발명의) 원자빔 셔터 110: 벤딩 피에조 액추에이터
111: 베이스 112: 벤딩암
120: 레버
121A: (레버 제1실시예의) 몸체
122A: (레버 제1실시예의) 홈부
121B: (레버 제2실시예의) 플래그측몸체
122B: (레버 제2실시예의) 벤딩암측몸체
123B: (레버 제2실시예의) 연결부
125: 레버축 130: 플래그
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 벤딩 피에조 액추에이터의 한 실시예의 구성도를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 벤딩 피에조 액추에이터는 클램프에 의해 일측 끝단이 지지되며 어느 한 방향으로 연장되는 플레이트 형태로 이루어지며, 일측 끝단을 통해 전력이 인가되면 플레이드 몸체가 벤딩되어 타측 끝단이 상하방향으로 이동 가능하도록 형성된다. 도 1의 회로도로부터 유추되는 바와 같이, 벤딩 피에조 액추에이터는 인가되는 전력의 방향, 크기, 주기 등을 조절함으로써 벤딩의 방향, 정도, 주기 등을 용이하게 조절할 수 있다. 도 2는 이러한 벤딩 피에조 액추에이터의 상용화된 제품 사진의 한 실시예를 도시하고 있다.
이와 같은 벤딩 피에조 액추에이터는, 스텝 모터, 서보 모터, 솔레노이드 코일, 공압 장치 등과 같은 상대적으로 무거운 부품들을 포함하여 구성되는 종래의 구동장치들에 비해 훨씬 빠른 응답속도, 진동 및 소음 저감 등 우수한 동적특성을 얻을 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 원자빔 셔터의 경우 원하지 않는 자기장의 영향을 최소화하는 것이 필요한데, 벤딩 피에조 액추에이터의 경우 도 1의 회로도에서 확인되는 바와 같이 강한 자기장이 발생되는 부품이 없다. 종래의 원자빔 셔터의 경우 구동장치로서 모터나 솔레노이드를 사용하는 경우 필연적으로 원하지 않는 강한 자기장이 발생하며, 이러한 원하지 않는 자기장의 발생은 원자빔 셔터를 포함하여 이루어지는 장치의 불확도를 저하시키는 원인이 되기도 한다. 그러나 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한다면 이러한 문제를 원천적으로 해소할 수 있다.
한편 상술한 바와 같은 벤딩 피에조 액추에이터를 원자빔 셔터에 적용하여 셔터 장치를 구성함에 있어서, 우수한 동적 특성을 확보할 수 있도록 최소한의 간단한 구조로 효과적인 셔터링이 이루어질 수 있게 구성되어야 한다. 이하에서 설명될 본 발명의 원자빔 셔터는 바로 이러한 관점에서 설계된 것이다.
도 3은 본 발명의 원자빔 셔터의 개략도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 원자빔 셔터(100)는, 벤딩 피에조 액추에이터(110), 레버(120), 플래그(130)를 포함하여 이루어져, 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 움직임이 상기 플래그(130)로 전달됨으로써 상기 플래그(130)의 타측 끝단이 움직여서 원자빔의 셔터링이 이루어지게 된다. 도 4 및 도 5는 상기 레버(120)의 여러 구체적인 실시예들을 도시하고 있으며, 도 6은 본 발명의 원자빔 셔터의 동적특성을 설명하기 위한 도면이다. 먼저 도 3을 참조하여 각부에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)는 도시된 바와 같이 베이스(111) 및 벤딩암(112)을 포함하여 이루어진다. 상기 베이스(111)는 지면 등에 고정적으로 지지되어 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 기준점이 되며, 상기 베이스(111)를 통해 외부로부터 전력을 인가받게 된다. 상기 벤딩암(112)은 도시된 바와 같이, 일측 끝단이 상기 베이스(111)에 고정되며, 제1방향으로 연장되고 전력 인가에 따라 벤딩되어 타측 끝단이 제1방향에 수직한 제2방향으로 움직이도록 형성된다.
상기 레버(120)는, 일측 끝단이 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 타측 끝단에 연결되며, 고정 지지된 레버축(125)을 중심으로 회전 가능하게 구비된다. 즉 상기 레버(120)는, 상기 벤딩암(112) 타측 끝단의 제2방향 움직임을 상기 레버축(125)을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하며, 이 회전 운동은 이하에 설명될 상기 플래그(130)로 전달된다.
상기 플래그(130)는, 일측 끝단이 상기 레버(120)의 타측 끝단에 연결되며, 제1방향으로 연장되어 상기 레버(120)의 회전에 따라 타측 끝단이 제2방향으로 움직이도록 형성된다. 움직임의 전달을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 상기 베이스(111)를 통해 전력이 인가됨에 따라, 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 제2방향을 따라 상하로 움직인다. 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단과 상기 레버(120)의 일측 끝단이 연결되어 있으므로, 상기 레버(120)의 일측 끝단은 상기 벤딩암(12)의 타측 끝단 움직임과 동일한 방향으로 움직이게 된다. 이 때 상기 레버(120)는 상기 레버축(125)을 중심으로 회전 가능하게 이루어져 있으므로, 상기 레버(120)의 타측 끝단은 상기 레버(120)의 일측 끝단에 대해 점대칭으로 움직이게 되는데, 즉 상기 레버(120)의 일측 끝단이 상향하면 상기 레버(120)의 타측 끝단은 하향하는 식으로 움직이게 된다. 마지막으로 상기 레버(120)의 타측 끝단은 상기 플래그(130)의 일측 끝단에 연결되며, 상기 레버(120)의 타측 끝단이 제2방향을 따라 상하로 움직이는 것이 그대로 확장되어, 궁극적으로 상기 플래그(130)의 타측 끝단도 제2방향을 따라 상하로 움직이게 된다. 제1방향 및 제2방향에 수직한 방향을 제3방향이라 할 때, 원자빔이 제3방향으로 진행하는 경우, 이처럼 상기 플래그(130)의 타측 끝단이 제2방향을 따라 상하로 움직이도록 함으로써, 상기 플래그(130)의 타측 끝단에 의하여 제3방향으로 진행하는 원자빔의 셔터링이 매우 용이하게 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110) 자체의 형상적 특성상, 상기 벤딩암(112)은 제1방향으로 연장되며 제1방향-제3방향 평면상의 평판 형상으로 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 플래그(130)는 제1방향으로 연장되며 제1방향-제2방향 평면상의 평판 형상으로 이루어짐으로써, 제3방향으로 진행하는 원자빔의 셔터링이 용이하게 이루어질 수 있게 한다.
상기 플래그(130)의 타측 끝단은, 이러한 원자빔의 셔터링이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록, 도 3에 나타나 있는 바와 같이 길게 연장되는 몸통의 나머지 부분보다 넓은 면적을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 플래그(130)의 연장되는 몸통 부분은, 장치 전체적인 동적특성을 향상시키도록, 도 3에 나타나 있는 바와 같이 구멍 등이 형성됨으로써 상기 플래그(130) 자체의 무게를 줄이도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 원자빔 셔터(100)는, 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)를 사용하여 움직임을 발생시키고, 이 움직임이 상기 레버(120)를 통해 상기 플래그(130)의 움직임으로 전달되어 셔터링이 이루어지게 한다. 즉 요약하자면 보 발명의 원자빔 셔터(100)의 구성은, 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 움직임을 확장하여 상기 플래그(130)로 전달하도록 이루어지는 것이다.
도 6을 참조할 때, 벤딩 피에조 액추에이터(도 6에서는 Bender PZT로 표시됨)의 움직임은 베이스에 벤딩암 일측 끝단이 고정되어 있고 그 고정점을 중심으로 벤딩암이 회전하는 운동으로 단순화시킬 수 있다. 이에 따라 벤딩암 타측 끝단이 상하 방향으로 움직이게 되는 것이다.
이 때, 가장 단순하게 셔터 장치를 설계하고자 할 경우 도 6의 상측 도면에 도시된 바와 같이, 벤딩 피에조 액추에이터 벤딩암 타측 끝단에 더 길게 연장된 확장암(도 6에서는 Extended-arm으로 표시)을 더 구비하는 형태로 구성할 수 있다. 한편 관성모멘트(inertia of moment)는 거리 제곱 및 질량의 곱(I = R2m)으로 나타나는데, 벤딩암 길이에 확장암 길이까지 더해진 것이 거리가 되기 때문에 관성모멘트가 불필요하게 커지게 된다.
도 6의 하측 도면은, 본 발명의 원자빔 셔터에 상응하는 구성을 도시한 것이다. 즉 벤딩 피에조 액추에이터 벤딩암 타측 끝단에 레버 및 플래그로 이루어지는 회전암(도 6에서는 Rotating-arm으로 표시)을 더 구비하는 형태이다. 도 6 하측 도면에 도시된 바와 같이, 벤딩암 일측 끝단에 회전축이 형성되어 벤딩암 타측 끝단이 상하로 움직이고, 벤딩암 타측 끝단은 회전암 일측 끝단과 연결된다. 이 때 회전암은, 회전암 일측 쪽으로 편향된 위치에 회전축이 형성되어 이를 중심으로 회전 운동을 하게 된다. 따라서 회전암 타측 끝단은 벤딩암 타측 끝단의 상하 방향 움직임이 전달되어 역시 상하로 움직이기는 하되, 그 방향은 반대가 된다.
즉 도 6의 하측 도면에 도시된 구성에는 벤딩암 회전축와 회전암 회전축 2개가 존재한다. 따라서 확장암을 쓰는 경우와 비교할 때 전체 길이가 같다면 확장암에서보다 관성모멘트가 훨씬 저감될 수 있는 것이다. 이처럼 관성모멘트를 저감하면 당연히 불필요한 소음, 진동의 저감 및 응답속도 향상 등과 같은 다양한 동적특성이 개선된다. 본 발명은 이처럼, 구조를 최대한 단순화하면서도 동적특성 역시 최대로 개선할 수 있는 최적의 설계 형태를 도입하고 있는 것이다.
상기 레버(120)에 대하여 보다 구체적으로 더 설명하자면 다음과 같다.
먼저 상기 레버(120)의 재질에 대하여 설명하자면, 상기 레버(120)는 테플론으로 이루어지는 것이 바람직하다. 원자빔 셔터의 실제 사용 환경은 초고진공 환경인데, 테플론은 이러한 환경에서 가스 방출(outgasing)이 적기 때문에 환경적인 적합성이 높다. 또한 테플론은 유연성이 좋기 때문에 변형에 대한 대응이 잘 이루어질 수 있다는 장점이 있다. 특히 테플론은 매우 매끄러운 표면을 형성하기 때문에, 상기 레버(120)가 테플론으로 이루어질 경우 상기 레버(120)가 상기 레버축(125)을 중심으로 회전하는 운동에서 발생되는 마찰력이 최소화될 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 상기 레버(120)의 여러 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 원자빔 셔터의 레버의 여러 실시예들을 각각 도시하고 있다. 위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 원자빔 셔터(100)는 상기 레버(120)가 상기 레버축(125)을 중심으로 회전하여 상기 벤딩암(112)의 움직임을 상기 플래그(130)의 움직임으로 전달해 주도록 이루어지며, 이러한 구성을 통해 관성모멘트를 훨씬 줄일 수 있다. 이하에서는 레버의 여러 실시예 각각의 구체적인 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 원자빔 셔터의 레버의 한 실시예로서, 도 3에 도시된 실시예와 동일한 것이다. 도 4의 실시예에 따른 상기 레버(120)는, 중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 몸체(121A), 상기 몸체(121A)의 타측 끝단에 형성되며, 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 삽입 연결되는 홈부(122A)를 포함하여 이루어진다.
도 4의 실시예에서 상기 벤딩암(112) 타측 끝단은 상기 홈부(122A)에 끼워져 연결되는데, 이 때 상기 홈부(122A)는 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 상기 홈부(122A)가 복수 개 형성될 경우 역시 도시된 바와 같이 제2방향으로 병렬 배치되게 할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 홈부(122A)가 여러 개 형성되어 있을 때, 상기 벤딩암(112) 타측 끝단을 중심에 있는 홈부(122A)에 끼울 경우 상기 벤딩암(112)의 상하 움직임이 그대로 편향 없이 상기 플래그(130)의 상하 움직임으로 전달된다. 다른 경우로, 상기 벤딩암(112) 타측 끝단을 상측 또는 하측에 있는 홈부(122A)에 끼울 경우 상기 벤딩암(112)의 상하 움직임이 상기 플래그(130)의 상하 움직임으로 전달되는 과정에서 하측 또는 상측으로 편향이 일어나게 된다. 이러한 편향은 사용자의 목적에 따라 조절할 수 있는데, 예를 들자면 운용 중 장치의 마모, 손상 등으로 인해 장치 형상에 변형이 생겼을 때 이를 보정하기 위하여 조절할 수도 있다. 즉 이러한 여러 가능성을 고려하여 상기 홈부(122A)가 복수 개 형성될 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 원자빔 셔터의 레버의 다른 실시예이다. 도 5의 실시예에 따른 상기 레버(120)는, 중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 플래그측몸체(121B), 일측에 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 고정 연결되는 벤딩암측몸체(122B), 상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)를 연결하는 연결부(123B)를 포함하여 이루어진다. 상기 벤딩암측몸체(122B)는, 도시된 바와 같이 상기 벤딩암(112) 끝단에 꽉 끼워지는 형태로서 최대한 단순하게 형성될 수 있다.
이 때 도시된 바와 같이 상기 레버(120)는, 상기 연결부(123B)의 폭이 상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)의 폭보다 상대적으로 작게 형성되게 할 수 있다. 이 경우 상기 연결부(123B)가 탄성힌지 역할을 하게 된다. 탄성힌지(flexure hinge)란 플렉셔를 기반으로 한 힌지를 말하는 것으로, 플렉셔 구조에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다. 어떠한 구조물에서 특정 부분이 주변의 다른 부분에 비해 상대적으로 훨씬 작은 폭을 가질 경우, 외부에서 힘이 가해졌을 때 그 특정 부분에 응력이 집중되어 변형이 발생되는데, 이러한 구조를 플렉셔 구조라고 부른다. 이러한 변형이 탄성변형 범위 내에서 이루어지는 경우, 외부로부터 힘이 가해지면 변형이 되어 굽혀지고, 외부로부터 인가된 힘이 사라지면 원래 형태로 되돌아가기 때문에, 마치 힌지와 같이 굽힘-펼침 동작이 반복적으로 가능하게 된다. 이러한 구조상, 일반적인 힌지에서 부품들 간에 발생되는 마찰이 탄성힌지의 경우에는 원천적으로 제거되며, 따라서 인가한 힘에 따른 변위 등이 일반힌지에 비해 훨씬 안정적이고 정확하게 발생된다. 다만 탄성변형 범위에 한계가 있기 때문에, 일반힌지에 비해서 훨씬 변형 가능한 범위는 작게 형성된다. 즉 이러한 탄성힌지는, 미소 변위가 발생되되 정확한 측정이나 제어가 필요한 기술분야의 장치에 널리 사용된다. 본 발명의 원자빔 셔터 내 레버 부근 역시 변위량이 대단히 크지 않되, 원자빔 셔터의 동작 자체에 있어 정확도를 향상하는 것이 필요한 바, 탄성힌지가 도입되기에 매우 적합한 조건이다. 즉 이러한 점들을 고려하여, 상기 연결부(123B)가 탄성힌지 역할을 할 수 있는 형상으로 이루어지는 것이 바람직한 것이다.
한편, 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)의 연결 형태로 여러 가지로 이루어질 수 있다. 도 4에서는, 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)가 볼팅에 의해 연결되는 실시예가 도시되어 있다. 도 5에서는, 상기 플래그(130)가 일측 끝단에 상기 레버축(125)이 관통하는 관통구멍(131) 및 제2방향을 따라 양측으로 돌출되는 가이드(132)가 형성되는 형태로 이루어진다. 상기 레버축(125)이 상기 관통구멍(131)에 삽입되고, 상기 가이드(132)가 벤딩되어 상기 레버(120) 타측 끝단을 감싸도록 형성됨으로써, 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130) 간의 연결이 이루어지게 된다. 즉 도 5의 실시예는 결과적으로 끼움에 의하여 연결이 이루어지는 셈이 된다. 이 때 도 4의 실시예에 볼팅 연결이 도시되고, 도 5의 실시예에 끼움 연결이 도시되나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 도 5의 레버 형태에 볼팅 연결을 도입할 수도 있고, 도 4의 레버 형태에 끼움 연결을 도입할 수도 있는 등 다양한 변경 실시가 가능하다.
도 7은 본 발명의 원자빔 셔터의 실제 실험 사진을 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 본 발명의 원자빔 셔터를 사용하여 레이저를 셔터링하는 것으로 실험하였으며, 실제로 이 실험에서 본 발명의 원자빔 셔터는, 파손 없이 2.6 x 107회 정상 동작에 성공하여 기존에 비해 파손까지의 수명이 크게 늘어남을 확인하였다. 도 8 내지 도 11은 그 실험 결과를 제시하고 있으며, 각각의 결과를 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 벤딩 피에조 액추에이터의 작동 주파수에 따른 플래그의 변위 크기 및 위상 변이를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 50Hz 정도에서 최대치가 발생하는 것이 확인되는데, 즉 공진주파수가 50Hz 정도라는 것이다. 이는 레이저 셔터로 적용하기에는 상당히 느린 편으로 적합하지 않지만, 원자빔 셔터에서는 사용하기에 매우 적합할 만큼 충분히 빠르다.
도 9는 트리거 전압, 벤딩 피에조 액추에이터에 인가된 동작 전압, 그리고 본 발명의 원자빔 셔터에 의하여 셔터링된 레이저 광의 측정 전압을 각각 도시하고 있다. 트리거 전압 및 벤딩 피에조 액추에이터에 인가된 동작 전압은 거의 비슷한 신호 파형을 보이고 있으며, 동작 전압과 측정 전압 간의 시간 지연은 13.0(2.9+10.1) ~ 13.3(4.0+9.3)ms 정도로 나오는 것을 확인할 수 있다. 즉 셔터링 동작이 13.2ms 정도의 매우 적은 시간 차이만으로 이루어져, 기존의 장치들에 비해 응답 속도가 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 10은 개방 동작 시 및 폐쇄 동작 시에서의 이러한 시간 차이를 반복적으로 측정한 결과로서, 상기 실험에서 플래그는 1Hz로 움직였다. 도 10에 나타난 바와 같이 이러한 개폐 동작을 반복하여 실험한 시간이 120000초(=2000분=33.3시간) 이상이 되어도 시간 차이 값 자체는 거의 비슷하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 평균 시간에 따른 이러한 시간 차이의 편차를 나타낸 것이다. 도 11에 나타난 바와 같이, 아주 오랜 반복 동작을 하여도 시간 차이 편차가 약 0.02~0.03ms 정도가 될 정도로 안정적인 셔터링이 가능함을 확인할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면 장치가 정확하게 동작하는 수명이 획기적으로 연장되는 것이다.
도 12는 본 발명의 원자빔 셔터의 셔터링 성능 실험을 위한 실험 장치를 도시하고 있다. 도 7의 실험 장치는 원자빔 대신 레이저를 사용하여 실험한 것으로, 원자빔 셔터가 도입되는 실제 환경과는 약간의 차이가 있다. 도 12는 실제로 원자빔을 사용한 실험 장치로서, 원자빔 셔터는 10- 9torr 정도의 초고진공(UHV) 환경에서 동작하게 된다.
도 13 내지 도 15은 도 12의 실험 장치에 의한 실험 결과로서, 셔터 트리거 신호와 실제 측정된 원자 개수를 비교한 것이다. 도 13은 수천 ms 단위의 상대적으로 긴 시간 동안의 결과를, 도 14는 셔터 개방 동작 시의 수십 ms 단위로 상대적으로 짧은 시간 동안의 결과를, 도 15는 셔터 폐쇄 동작 시의 수십 ms 단위로 상대적으로 짧은 시간 동안의 결과를 각각 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 셔터링 트리거 신호가 변화하는 것에 대하여 약 20~30ms 정도의 시간 지연만으로 원자빔을 매우 효과적으로 잘 ON/OFF할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 이로써 본 발명의 원자빔 셔터가 10-9torr의 초고진공 환경에서도 문제없이 동작함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 의한 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터는, 자기장의 영향이 없고, 초고진공(UHV)에서의 적합성이 좋고, 기계적 진동이 적고, 수명이 길고, 응답이 빠른 장점을 가진다. 이에 따라 구체적인 예로써 원자빔 셔터가 사용되는 이테르븀(ytterbium) 광격자시계(optical lattice clock)의 불확도를 10-18까지 개선시키는 것이 가능하다는 효과 등을 얻을 수 있음은 물론이다.

Claims (9)

  1. 고정 지지되며 외부로부터 전력을 인가받는 베이스(111), 일측 끝단이 상기 베이스(111)에 고정되며, 제1방향으로 연장되고 전력 인가에 따라 벤딩되어 타측 끝단이 제1방향에 수직한 제2방향으로 움직이도록 형성되는 벤딩암(112)을 포함하여 이루어지는 벤딩 피에조 액추에이터(110);
    일측 끝단이 상기 벤딩 피에조 액추에이터(110)의 타측 끝단에 연결되며, 고정 지지된 레버축(125)을 중심으로 회전 가능하게 구비되는 레버(120);
    일측 끝단이 상기 레버(120)의 타측 끝단에 연결되며, 제1방향으로 연장되어 상기 레버(120)의 회전에 따라 타측 끝단이 제2방향으로 움직이도록 형성되는 플래그(130);
    를 포함하여 이루어지며,
    제1방향 및 제2방향에 수직한 방향을 제3방향이라 할 때,
    상기 플래그(130)의 타측 끝단에 의하여 제3방향으로 진행하는 원자빔의 셔터링이 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 벤딩암(112)은 제1방향으로 연장되며 제1방향-제3방향 평면상의 평판 형상으로 이루어지며,
    상기 플래그(130)는 제1방향으로 연장되며 제1방향-제2방향 평면상의 평판 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 레버(120)는,
    중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 몸체(121A),
    상기 몸체(121A)의 타측 끝단에 형성되며, 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 삽입 연결되는 홈부(122A)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 홈부(122A)는,
    적어도 하나 이상 형성되며, 복수 개 형성될 경우 제2방향으로 병렬 배치되는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 레버(120)는,
    중심에 상기 레버축(125)이 연결되며, 타측에 상기 플래그(130)의 일측 끝단이 고정 연결되는 플래그측몸체(121B),
    일측에 상기 벤딩암(112)의 타측 끝단이 고정 연결되는 벤딩암측몸체(122B),
    상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)를 연결하는 연결부(123B)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 레버(120)는,
    상기 연결부(123B)의 폭이 상기 플래그측몸체(121B) 및 상기 벤딩암측몸체(122B)의 폭보다 상대적으로 작게 형성되어, 상기 연결부(123B)가 탄성힌지 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)는,
    볼팅에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 플래그(130)는,
    일측 끝단에 상기 레버축(125)이 관통하는 관통구멍(131) 및 제2방향을 따라 양측으로 돌출되는 가이드(132)가 형성되며,
    상기 레버축(125)이 상기 관통구멍(131)에 삽입되고, 상기 가이드(132)가 벤딩되어 상기 레버(120) 타측 끝단을 감싸도록 형성되어,
    상기 레버(120) 및 상기 플래그(130)가 연결되는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 레버(120)는,
    테플론으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤딩 피에조 액추에이터를 이용한 원자빔 셔터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024061214A1 (zh) * 2022-09-20 2024-03-28 河南皓泽电子股份有限公司 压电驱动式快门、镜头模组及照相设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4850697A (en) * 1988-03-16 1989-07-25 Dynatech Electro-Optics Corporation Resonant piezoelectric chopper for infrared radiation
JPH05225938A (ja) * 1992-02-07 1993-09-03 Jeol Ltd 電子顕微鏡
JPH0734230A (ja) * 1993-06-28 1995-02-03 Nec Corp シャッター機構
JP2007207645A (ja) * 2006-02-03 2007-08-16 Jeol Ltd 荷電粒子線のシャッタ装置
JP2008311136A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Jeol Ltd 電子顕微鏡のシャッタ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4850697A (en) * 1988-03-16 1989-07-25 Dynatech Electro-Optics Corporation Resonant piezoelectric chopper for infrared radiation
JPH05225938A (ja) * 1992-02-07 1993-09-03 Jeol Ltd 電子顕微鏡
JPH0734230A (ja) * 1993-06-28 1995-02-03 Nec Corp シャッター機構
JP2007207645A (ja) * 2006-02-03 2007-08-16 Jeol Ltd 荷電粒子線のシャッタ装置
JP2008311136A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Jeol Ltd 電子顕微鏡のシャッタ装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024061214A1 (zh) * 2022-09-20 2024-03-28 河南皓泽电子股份有限公司 压电驱动式快门、镜头模组及照相设备

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