KR100280257B1

KR100280257B1 - 압전/전왜 액츄에이터

Info

Publication number: KR100280257B1
Application number: KR1019960021803A
Authority: KR
Inventors: 임종인; 김선욱
Original assignee: 이구택; 포항종합제철주식회사; 신현준; 재단법인포항산업과학연구원
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2016-06-17
Also published as: KR980000625A

Abstract

본 발명은 압전/전왜 액츄에이터에 관한 것이며, 그목적은 굴곡변위형 액츄에이터의 우수한 변위특성과 적층형 액츄에이터의 우수한 발생력 특성을 겸비한 압전/전왜 액츄에이터를 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 그 양측면에 탄성체가 부착되고 중앙에는 다수개의 압전소자가 적층되어 서로 병렬로 위치되는 두 개의 제1진동자; 상기 제1진동자에 대해 수직으로 서며 한 쪽의 탄성체를 연결하고 있는 제1탄성부재; 상기 제1진동자와 대향하는 방향으로 평행하게 위치하여 제1탄성부재의 일측면의 중심부에 결합되는 제2탄성부재; 및 압전소자로 형성되고 상기 제2탄성부재의 양쪽면에 위치되는 제2진동자;를 포함하여 구성되는 압전/전왜 액츄에이터에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

압전/전왜 액츄에이터

제1도는 종래의 압전/전왜 액츄에이터에 대한 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 압전/전왜 액츄에이터의 사시도.

제3도는 본 발명에 따른 또 다른 압전/전왜 액츄에이터의 개략 단면도.

제4도는 종래 및 본 발명의 압전/전왜 액츄에이터에 대한 인가 전압과 발생하는 변위의 톡성과의 관계를 나타내는 그래프.

제5도는 본 발명의 압전/전왜 액츄에이터의 발생압력과 발생변위와의 관계를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20, 30, 40, 50 : 액츄에이터 11, 21, 31, 41, 51 : 제2진동자

12, 22, 32, 42, 52 : 제2탄성부재 14, 24, 34, 44, 54 : 제1진동자

15, 16, 25, 26, 35, 45, 55 : 탄성체 18, 28 : 제1탄성부재

본 발명은 압전 팬, 압전 릴레이, 잉크제트 프린터 헤드 등에 사용되는 압전/전왜 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발생변위와 발생압력이 향상되는 압전/전왜 액츄에이터에 관한 것이다.

압전/전왜 액츄에이터는 압전/전왜 효과를 이용하여 전기에너지를 기계에너지로 변환하고, 부하의 운동을 전기적으로 제어하는 디바이스이며, 이러한 압전/전왜 액츄에이터는 그 설계에 따라 압전팬, 주사터널 현미경용, 압전릴레이, 자동카메라의 줌렌즈조절용 모타, 자동차 충격흡수용 압전릴레이, 잉크 제트 프린터 헤드 등 많은 분야에서 실제 적용되고 있고, 향후에도 더욱 다양한 용도로 개발되어 사용되리라 예상된다.

이러한 압전/전왜 액츄에이터를 살펴보면, 먼저 직류전계에 의해서 생기는 변위를 이용하는 것과 교류 전계에 의한 기계적 공진을 동반하는 변위를 이용하는 형태로 대별된다. 상기 직류전계를 이용하는 것은 다시 변위를 서보(servo)로 구동하는 것과 ON/OFF적으로 구동하는 소자로 분류된다. 또한, 압전/전왜 액츄에이터를 용도적으로 분류하면 미소 변위의 정밀 제어용과 압력 발생등의 동력원으로 사용되는 것으로 크게 나눌 수도 있으며, 구체적으로 교정식, 자체 이동식, 플라이드식 및 진동식 등을 들 수 있다.

또한, 압전/전왜 액츄에이터틀 구성 형태로 분류할 경우 압전/전왜 소자의 표면에서 발생되는 변위를 이용하는 직선 변위형과 면 이외에서의 변위를 이용하는 굴곡 변위형으로 나눌 수 있다. 직선 변위형으로는 단판형과 적층형이 있고 굴곡 변위형에는 모노몰프 및 바이몰프, 멀티몰프 등이 있는데, 최근 직선 변위형으로 발생 변위의 특성을 향상시킨 무니(moonie) 액츄에이터가 개발되기도 하였다. 이 가운데, 바이몰프는 제1(a)도와 같이, 그 양면에 2매의 압전소자(1) 판을 결합한 탄성부재(2)로 구성되는데, 각각의 압전소자가 상호 반대 방향으로 신축 변형을 발생하기 때문에 전계 인가시 탄성부재는 굴곡변형을 일으키는 원리를 이용한 것이다. 한편, 단판형의 경우 두께 방향으로 분극시킨 압전소자에 분극 방향으로 전계를 인가하는 것에 의해 분극 방향과 수직한 길이 방향의 변위를 발생시킨다. 그리고, 상기 적층형 및 무니형은 제1(b)도 제1(c)도와 같이 압전소자(1)를 쌓아서 일체화시킨 진동자의 상하 양면에 한성부재(2)를 결합시킨 형태로서 인접한 압전소자의 분극 방향은 상호 180도 차이가 나고, 각각의 압전소자는 전기적으로 병렬접속되어 있어서 적층한 축방향의 변위를 발생시키도륵 되어 있다.

상기에서 언급된 대표적인 압전/전왜 액츄에이터인 단판형과 적층형, 그리고 굴곡변위형의 특성을 비교하면 하기표와 같다.

[표 1]

상기표에 나타난 3종류의 압전/전왜 액츄에이터의 크기는 20×5×0.5mm 이었으며, 동일한 압전소자(NEPEC-1)를 사용하여 100V를 인가한 경우의 특성을 나타내고 있다.

단판형은 구조가 아주 단순하지만, 상기 표에도 나타난 바와 같이 발생 변위가 아주 적어 실용성이 별로 없음을 알 수 있다. 또한, 적층형은 단판형에 비해 변위량이 다소 큼을 알 수 있는데, 이러한 변위량은 각각의 압전소자의 두께를 변화시켜 크게할 수 있으며, 또한 적층형의 경우 압전 종효과를 이용하므로 에너지 변환효율이 커서 발생력 및 응답성이 우수하다. 또한, 발생변위는 굴곡변위형이 적층형 보다 20배이상 크나 발생력의 경우 적층형이 굴곡변위형보다 200배이상 큼을 알 수 있다. 상기한 바와같이, 각각의 액츄에이터가 보유한 상기한 장단점으로 인해 각각의 사용 용도는 선택적으로 제한되고 있다. 예를들면, 굴곡변위형 압전/전왜 바이몰프 액츄에이터 중 가장 최근에 등장한 적층형 직선변위 액츄에이터를 응용한 굴곡변위형 멀티몰프 액츄에이터의 경우 바이몰프의 변위특성과 최대 단점인 발생력에 관해서 약간의 개선은 이루어졌으나 직선변위 적층형 멀티몰프의 발생력에 비해 아직 빈약한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 굴곡변위형 액츄에이터의 우수한 변위특성과 적층형 액츄에이터의 우수한 발생력 특성을 겸비한 압전/전왜 액츄에이터를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 그 양측면에 탄성체가 부착되고 중앙에는 다수개의 압전소자가 적층되어 서로 병렬로 위치되는 두 개의 제1진동자; 상기 제1진동자에 대해 수직으로 서며 한 쪽의 탄성체를 연결하고 있는 제1탄성부재; 상기 제1진동자와 대향하는 방향으로 평행하게 위치하여 제1탄성부재의 일측면의 중심부에 결합되는 제2탄성부재; 및 압전소자로 형성되고 상기 제2탄성부재의 양측면에 위치되는 제2진동자;를 포함하여 구성되는 압전/전왜 액츄에이터에 관한 것이다.

이하, 도면을 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

제2(a)도 제2(b)도 제2(c)도는 본 발명의 압전/전왜 바이몰프 액츄에이터의 실예를 나타내는 것으로 각각 적층형 액츄에이터와 굴곡변위형 바이몰프 액츄에이터가 결합된 형태이다. 먼저, 제2(a)도에 나타난 액츄에이터(10)는, 제2탄성부재(12)를 중간에 두고 양옆에 압전소자로 이루어진 제2진동자(12)가 배치된 굴곡변위형 바이몰프 액츄에이터와, 적층형 제1진동자(14)와 탄성체(15)(16)으로 이루어진 적층형 액츄에이터를 결합한 형태이다. 적층형 액츄에이터는 다수개의 압전소자가 적층된 2개의 제1진동자(14)의 양면에 탄성체(15)(16)이 부착되며, 두개의 제1진동자(14)는 서로 평행하게 병렬로 배열되어 상호 반대 방향의 전압이 인가된다. 그리고, 상기 제1진동자(14)는 일측에 부착된 탄성체(15)가 디바이스의 면에 지지되어 변형되지 못하도록 단단하게 고정되며, 타측에 부착된 탄성체(16)에 의해 두개의 제1진동자(14)가 상호 연결된다. 이렇게 형성된 적층형 액츄에이터는 발생압력을 굴곡변위형 바이몰프 액츄에이터에 전달하도록 제1탄성부재(18)에 의해 굴곡변위형 바이몰프 액츄에이터와 결합된다. 이때, 상기 결합은 제1탄성부재(15)의 중심부에서 제1진동자(14)와 반대방향으로 위치하도록 형성되는 제2탄성부재(12)와 T자형으로 연결된다. 그리고, 상기 제2탄성부재(12)의 양측면에는 압전소자로 이루어진 제2진동자(11)이 부착된다. 상기와 같이 형성되는 본 발명의 압전/전왜 액츄에이터(10)는 적층형 제1진동자(14)에 상호 반대 방향의 전압이 인가되면 압전효과에 의해 좌우로 압력이 발생하며, 이 압력은 제2진동자(11)에 의해 발생되는 압력과 더불어 더욱 큰 굴곡변위를 일으키게 되는 것이다. 보통 인가 전압에 의한 발생 변위 및 발생력은 적층하는 압전소자의 갯수를 조정함으로서 증가시킬 수 있는데, 본 발명의 액츄에이터(10)는 적층되는 압전소자를 조절할 수 있음은 물론이다. 또한, 굴곡형 액츄에이터의 제2탄성부재(12)의 양면에 부착되는 제2진동자(11) 역시 단일층 또는 다수개의 압전소자로 구성 가능하며, 제2진동자(11) 자체가 일측에만 형성되는 모노몰프형도 가능하다. 또한, 상기 바이몰프 대신 멀티몰프로 대치가 가능하기 때문에 더 좋은 특성의 액츄에이터를 제조할 수도 있다. 그리고, 제1탄성부재(18)과 제2탄성부재(12)는 일체형으로 함도 가능하다.

한편, 제2(b)도 제2(c)도에는 본 발명의 또 다른 액츄에이터가 예시되어 있는데, 제2(b)도 제2(c)도의 액츄에이터는 제2(a)도의 구성과 동일하나 상기 적층형 액츄에이터 대신에 적층형 압전 액츄에이터의 탄성체(28)를 변형시킨 무니형 적층압전 액츄에이터와 유사한 액츄에이터를 사용하는 것이다 즉, 제2(b)도의 액츄에이터(20)는 두 개의 제1진동자(24) 각각과 제1탄성부재(28) 사이에 위치한 탄성체(26)가 굴곡형()을 형성하고 있으며, 제2(c)도의 액츄에이터(20′)는 상기 탄성체(26)가 굴곡형일 뿐만아니라 반대측의 탄성체(25′) 또한 굴곡형을 형성하고 있다.

제3도는 본 발명의 또 다른 압전/전왜 액츄에이터를 예시한 것으로 각각의 단면도를 나타낸 것이다. 제3(a)도의 액츄에이터(30)는 탄성부재(32)과 포크형()을 형성하는 것이외에는 제2(a)도의 구성과 동일하다. 상기 포크형 탄성부재는 디바이스측에 대한 고정정도를 향상시켜 보다 안정적이다.

제3(b)도는 적층형 제1진동자(44a)(44b)가 각각 두개로 형성되어 그 사이에 탄성체(45a)가 삽입부착되어 있는 것을 제외하고는 제3(a)도와 동일한 구조로 구성된 압전/전왜 액츄에이터이다.

제3(c)도는 제3(b)도의 액츄에이터와 유사한 형태로서 굴곡형 액츄에이터의 제2진동자(51)가 여러개의 압전소자가 적층된 멀티몰프 구조를 갖는 것이다.

이와같이, 본 발명의 압전/전왜 액츄에이터는 여리 변형된 형태의 구조를 갖을 수 있는데, 본 발명의 범위는 단지 상기 예시한 것에 국한 되지 않고 적층형 액츄에이터의 특성과 굴곡변위형 액츄에이터의 특성을 결합시킨 구조면 어느 형태로든 상관없음은 물론이다.

상기 액츄에이터의 진동자를 이루고 있는 압전/전왜 소자로는 압전재료이면 어느 것이나 무방하며 예를들면 hard PZT(Pb-Zr-Ti) 세라믹인 PZT 4와 PMN(Pb·Mg_1/3Nb_2/3·O₃) 및 PMN-PZN(Pb·Zn_1/3·Nb_2/3·O₃)등의 전왜재료를 사용할 수 있다. 또한, 탄성부재로는 금속탄성체를 사용하면 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명의 액츄에이터의 특성을 실시예를 릉해 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 실시예에서 사용된 액츄에이터는 제2(a)도의 액츄에이터(A)와 제2(b)도의 액츄에이터(B)를 사용하였다. 이때, 각각의 바이몰프 액츄에이터의 진동자로 사용된 압전소자는 PZT 4를 사용하였고, 탄성부재로는 Ti합금을 사용하였다.

본 발명의 압전/전왜 바이몰프 액츄에이터와 기존의 굴곡형 압전 바이몰프 액츄에이터(C)에 전압을 인가하여 인가전압에 대해 발생하는 변위를 측정하여 그 결과를 제4도에 나타내었다.

제4도에 나타난 바와같이, 적층형 액츄에이터를 금속탄성부재에 부착시킨 후 다시 굴곡형 압전 바이몰프 액츄에이터와 결합하여 구성된 적층-굴곡형 압전 바이몰프 액츄에이터(A)의 경우 기존의 압전 바이몰프 액츄에이터(C)에 비하여 인가전압에 의한 발생 변위의 특성이 125% 정도 향상됨을 알 수 있었다. 그리고, 적층형 무니 압전체와 유사한 액츄에이터를 금속탄성부재와 연결한 후 굴곡형 압전 바이몰프와 결합하여 구성된 적층-굴곡형 압전 바이몰프 액츄에이터(B)의 경우 기존의 압전 바이몰프(C)에 비하여 인가전압에 의한 발생 변위의 특성이 150% 정도 향상되었음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 압전/전왜 바이몰프 액츄에이터(A-B)와 기존 압전 바이몰프 액츄에이터(C)의 발생변위에 따른 발생압력을 측정하고, 그 결과를 제5도에 나타내었다. 제5도에 나타난 바와 같이, 발생력도 본 발명의 액츄에이터 (A-B)가 기존의 바이몰프 액츄에이터(C)에 비해 증가됨을 알 수 있었다.

상기한 바와같이, 본 발명의 압전/전왜 바이몰프 액츄에이터는 고 발생력, 고 변위특성 및 빠른 응답특성을 갖는 보다 향상되며, 기존의 액츄에이터의 용도에 비하여 그 응용범위가 확대될 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

그 양측면에 탄성체가 부착되고 중앙에는 다수개의 압전소자가 적층되어 서로 병렬로 위치되는 두 개의 제1진동자; 상기 제1진동자에 대해 수직으로 서며 한 쪽의 탄성체를 연결하고 있는 제1탄성부재; 상기 제1진동자와 대향하는 방향으로 평행하게 위치하여 제1탄성부재의 일측면의 중심부에 결합되는 제2탄성부재; 및 압전소자로 형성되고 상기 제2탄성부재의 양측면에 위치되는 제2진동자;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 제1진동자 각각과 제1탄성부재 사이에 위치한 탄성체가 굴곡형()의 탄성체로 형성됨을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 제1진동자는 적어도 1개이상의 탄성체를 사이에 포함하는 한편 각각 다수개의 압전소자로 적층된 진동자가 적어도 1개 이상 마련됨을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.
제1항에 있어서, 상기 제2진동자는 각각 단일 또는 다수개의 압전소자층으로 형성됨을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2탄성부재는 일체형으로 형성됨을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.
제5항에 있어서, 상기 탄성부재는 포크형()의 구조를 갖는 탄성부재임을 특징으로 하는 압전/전왜 액츄에이터.