KR102151025B1

KR102151025B1 - 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법

Info

Publication number: KR102151025B1
Application number: KR1020140095506A
Authority: KR
Inventors: 이종희
Original assignee: 이종희
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: KR20160013556A

Abstract

본 발명은 유체를 이송하는 펌프에 대한 것으로서, 특히 다층의 압전 소자를 이용하여 펌핑함으로서, 종래보다 크기를 소형화할 수 있고 출력은 높일 수 있으며 보다 정밀한 유량 제어가 가능한 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법에 관한 것이다

Description

압전 펌프를 이용한 펌핑 방법{A PUMPING METHOD BY USING PIEZO ELECTRIC PUMP}

본 발명은 압전 펌프를 이용한 펌프 방법에 대한 것으로서, 특히 다층의 압전 소자를 이용하여 정밀한 유량 제어가 가능한 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇이라고 하는 것은 인간의 요구에 따라 동작하는 것으로서 공장 등에서 생산성 향상이나 노동력 절감을 위해 사용하는 것을 말한다.

이러한 산업용 로봇은 동력을 발생하는 동력원과 상기 동력원으로부터 동력을 공급받아 상기 로봇을 작동시키는 액츄에이터를 포함한다.

상기 동력원으로는 통상 전동 모터 등을 이용하여 유체를 가압 이송하는 유압 펌프가 사용된다.

한편, 최근 로봇의 개발 동향은 상술한 산업용 로봇에서 수술용 로봇 등과 같은 전문 서비스 분야의 로봇 또는 가정용 로봇 등의 개발에 옮아가는 추세에 있다.

그런데 상술한 전문 서비스 분야의 로봇이나 가정용 로봇 등의 경우 종래의 유압 펌프를 이용하기에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래의 유압 펌프를 사용하는 경우 소형화 하기가 어려운 한계가 있었다. 즉, 상술한 바와 같이 최근 개발되는 전문 서비스 분야의 로봇이나 가정용 로봇 등의 경우 사용의 편의성을 위해 소형화로 개발되는 추세인 관계로 동력원 자체도 소형화가 필요한 상황이다. 그런데, 종래의 유압 펌프의 경우 필요한 출력을 얻기 위해서는 소형화가 어려워 최근 개발되는 로봇에 적용되기 어려운 문제점이 있다.

둘째, 종래의 유압 펌프를 사용하는 경우 초정밀 유량 제어가 어려운 한계가 있었다. 즉, 상술한 바와 같이 최근 개발되는 로봇의 경우 초정밀 제어가 요구되는데, 이를 위한 동력원으로서 종래의 유압 펌프를 사용하는 경우 초정밀 제어가 어려운 문제점이 있었다.

셋째, 종래의 유압 펌프를 사용하는 경우 전력 소모가 커서 로봇 사용에 많은 비용이 소모되는 문제점이 있었다.

넷째, 양 방향 펌핑을 위해서는 체크 밸브 등을 양 방향으로 설치해야 해서 구조가 복잡해지고 소형화 구현에 어려움이 있는 문제점이 있었다.

한편, 최근에는 펌프의 소형화 및 저 전력화 등을 위해 압전 소자를 이용하는 펌프가 제안되고 있다. 그러나 상술한 압전 소자를 이용한 펌프로는 상술한 문제점을 해결하기 아직 어려운 실정이다.

한편, 상기 압전 소자를 이용한 펌프 자체는 널리 알려진 기술로서 특히 아래의 선행기술문헌에 자세히 기재되어 있는 바, 이에 대한 중복되는 설명과 도시는 생략한다.

미국 등록 특허 제7,104,768호 일본 공개 특허 제1986-027688호 일본 공개 특허 제1990-149778호 일본 공개 특허 제1993-164052호 일본 공개 특허 제1984-203889호 일본 공개 특허 제1995-274287호 일본 공개 특허 제1994-147104호 한국 등록 특허 제1142430호 한국 등록 특허 제1033077호 한국 등록 특허 제0868898호

따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 소형화와 저 전력 소모를 가능하게 하는 한편 초 정밀 유량 제어가 가능하고 양 방향 펌핑도 가능하여 근래 개발되고 있는 로봇의 동력원으로 적용될 수 있는 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상하 방향으로 서로 이격되어 배치되는 상부 고정 패널 및 하부 고정 패널과 상기 상부 고정 패널 및 하부 고정 패널 사이에 위치하며 상하 방향으로 서로 이격된 복수의 변형 패널로 이루어지는 복수 개의 패널과, 상기 패널들 사이에 위치하며 패널을 변형시키는 복수개의 펌핑 소자와 상기 펌핑 소자가 배치된 패널에 상하 방향 인접하는 또 다른 패널과의 사이에 위치하여 밸브로 작용하는 복수 개의 밸브 소자로 이루어지는 복수 개의 압전 소자를 포함하는 압전 펌프를 구동하는 방법으로서; 상기 펌핑 소자에 전원을 가하여 상기 펌핑 소자의 상하 방향 길이를 감소시키고 이에 의해 패널사이의 공간을 확대시키며, 상기 밸브 소자 중 일 측의 밸브 소자에 전원을 가하여 상기 밸브 소자와 패널 사이에 공간이 생기도록 변형시키는 한편 타 측의 밸브 소자는 전원을 공급하지 않아 패널과의 사이에 공간이 생기지 않도록 하는 유입 단계와; 상기 펌핑 소자에 반대 극성의 전원을 가하여 상기 펌핑 소자의 상하 방향 길이를 증가시키고 이에 의해 패널 사이의 공간을 축소시키며, 상기 밸브 소자 중 일 측의 밸브 소자에 전원을 차단하여 상기 밸브 소자와 패널 사이에 공간이 생기지 않도록 하는 한편, 타 측의 밸브 소자에는 전원을 공급하여 패널과의 사이에 공간이 생기도록 하는 토출 단계를 포함하는 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법을 제공한다.

상기에서, 펌핑 소자 및 밸브 소자에 공급되는 전원의 주파수를 제어하여 유량을 제어하는 것을 특징으로 하다.

본 발명에 의하면 소형화와 저 전력 소모가 가능한 한편 초 정밀 유량 제어가 가능하고 양 방향 펌핑도 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 분리 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단하되 다층으로 적층될 수 있음을 설명하는 분리 사시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 펌프를 설명하는 개략도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 후 각 패널을 분리하여 도시한 분리 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향에 외부 전극이 설치되는 것을 도시하는 분리 사시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 전후 방향에 공급조와 저장조가 배치되는 것을 도시하는 사시도,
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 후, 유체가 유입되는 과정과 토출되는 과정을 각각 설명하는 단면 사시도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 펌프로서 유체가 유입되는 과정과 토출되는 과정을 각각 설명하는 개략도,
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 펌핑 소자의 펌핑 시점을 분사하여 맥동을 저감하는 것을 설명하는 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 분리 사시도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단하되 다층으로 적층될 수 있음을 설명하는 분리 사시도, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 펌프를 설명하는 개략도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 후 각 패널을 분리하여 도시한 분리 사시도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서, 전후 방향에 외부 전극이 설치되는 것을 도시하는 분리 사시도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 전후 방향에 공급조와 저장조가 배치되는 것을 도시하는 사시도, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 전후 방향(방향II) 중앙 지점을 기준으로 절단한 후, 유체가 유입되는 과정과 토출되는 과정을 각각 설명하는 단면 사시도, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 펌프로서 유체가 유입되는 과정과 토출되는 과정을 각각 설명하는 개략도, 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프로서 펌핑 소자의 펌핑 시점을 분사하여 맥동을 저감하는 것을 설명하는 개략도이다.

우선, 본 명세서에서 사용되는 방향에 대해 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이 유동 방향(방향I)은 본 발명의 펌프(100)에 의해 유체가 이송되는 방향으로서 본 실시예의 경우 도시된 바와 같이 도면상 좌 상측과 우 하측을 연결하는 직선의 방향이 된다.

또한, 전후 방향(방향II)은 본 발명의 펌프(100)의 전면 및 후방 방향으로서 본 실시예의 경우 도면상 좌 하측과 우 상측을 연결하는 직선의 방향이 된다.

또한, 상하 방향(방향III)은 본 발명의 펌프(100)의 높이 방향으로서 본 실시예의 경우 도면상 상하 방향이 된다.

따라서 본 실시예의 경우 상기 3가지 방향은 상호 직교되는 방향으로 될 수 있으나 이는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한하지 않음은 분명하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 펌프(100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상하 방향(방향III)으로 상호 이격된 복수 개의 패널(110)과, 상기 패널(110)들 사이에 위치하는 복수 개의 압전 소자(E)를 포함한다.

이때, 상기 복수 개의 압전 소자(E)는 상기 패널(110)들 사이에 위치하는 펌핑 소자(PE)와, 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)과 상기 패널(110)에 상하 방향(방향III) 인접하는 또 다른 패널(110)과의 사이에 위치하는 복수 개의 밸브 소자(VE)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 펌핑 소자(PE)와 밸브 소자(VE)가 패널(110)사이에서 상하 방향으로 번갈아 가면서 배치되며, 상기 펌핑 소자(PE)에 의해 유체가 가압 이송되고 상기 밸브 소자(VE)에 의해 유체 유동이 허용되거나 차단되는 것이다.

이때, 상기 압전 소자(E)라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 전원 공급에 의해 형상이 변화하는 것을 말하는 것으로서 예를 들어 피에조 소자 등과 같은 압전 소자일 수 있다.

물론 상기 압전 소자(E)는 상술한 바와 같이 전원 공급에 의해 형상이 변형되어 유체를 가압 이송하거나 유체의 흐름을 단속하는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한, 상기 압전 소자(E)가 다른 종류 예를 들어 압전 세라믹이나 전도성 폴리머 또는 pzt(lead zirconate titanate) 등을 사용하더라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

상기 복수 개의 패널(110)은 최상층 및 최하층에 각각 배치되는 상부 고정 패널(111) 및 하부 고정 패널(112)과, 상기 상부 고정 패널(111) 및 하부 고정 패널(112)사이에 다수 개 배치되는 것으로서 상기 펌핑 소자(PE)에 연동되어 상하 방향 변형하는 변형 패널(113)을 포함할 수 있다.

즉, 도 1a에 도시된 바와 같이 최 상층 및 최 하층에 각각 상부 고정 패널(111)과 하부 고정 패널(112)이 배치되고 그 사이에 4매의 변형 패널(113)이 배치된 경우를 예로 들어 설명하면 상기 상부 고정 패널(111)과 하측에 배치된 제1변형 패널(113-1)사이에 제1펌핑 소자(PE1)가 배치된다.

또한, 상기 제1변형 패널(113-1)과 그 하측에 배치된 제2변형 패널(113-2)사이에는 도시된 바와 같이 제1밸브 소자(VE1)가 배치된다.

동일하게 상기 제2변형 패널(113-2)과 그 하측에 배치된 제3변형 패널(113-3)사이에는 제2펌핑 소자(PE2)가 배치되고, 상기 제3변형 패널(113-3)과 그 하측에 배치되는 제4변형 패널(113-4)사이에는 제2밸브 소자(VE2)가 배치된다.

마지막으로 상기 제4변형 패널(113-4)와 최 하층에 배치되는 하부 고정 패널(112)사이에는 제3펌핑 소자(PE3)가 배치된다.

즉, 상술한 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)와 밸브 소자(VE)가 상하방향(방향III)으로 번갈아 가면서 배치되는 것이다.

또한, 상기 변형 패널(113)은 상기 펌핑 소자(PE)의 변형에 연동되어 상하 방향(방향III) 변형되며 이에 의해 유체가 유동 방향(방향I)으로 이송된다. 이에 대해서는 후술한다.

한편, 상기 밸브 소자(VE)는 상기 패널(110) 사이에서 유동 방향(방향I)의 양 측단에 각각 배치되되 바아 형상을 가져서 상하 방향(방향III)으로 변형되어 유체의 유동을 단속하게 되며 이 역시 따로이 후술한다.

또한, 본 발명의 펌프(100)는 도시된 바와 같이 상하 방향으로 배치되는 다수 개의 패널(110)을 포함하고 있으며 상기 패널(110)사이를 유체가 통과하면서 유동 방향(방향I)으로 이송된다. 이 때, 상기 패널(110)의 상하 방향 적층 구조를 유지하는 한편 유체의 누출되는 것을 방지하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)사이에서 유동 방향(방향I)의 양 측단에 각각 배치되되 바아 형상을 가지는 제1실링 바아(130)와, 상기 제1실링 바아(130)사이 및 밸브 소자(VE)사이로서 상기 패널(110)의 전후 방향(방향II) 양 측단에 각각 배치되는 바아 형상인 제2실링 바아(140)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 제1실링 바아(130)는 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110) 사이에 배치되는 것으로서 도 1a에서는 상부 고정 패널(111)과 제1변형 패널(113-1) 사이 그리고 제2변형 패널(113-2) 및 제3고정 패널(113-3) 사이 마지막으로 제4고정 패널(113-4)과 하부 고정 패널(112)사이에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 제1실링 바아(130)는 도시된 바와 같이 바아 형상을 가지되 유동 방향(방향I)의 양 측단에 각각 설치되되 상기 패널(110)의 전후 방향(방향II)으로 길게 배치된다.

한편, 상기 제2실링 바아(140)는 모든 패널(110)사이에 설치된다. 즉, 상기 펌핑 소자(PE)가 배치되는 부분과 밸브 소자(VE)가 배치되는 부분에 모두 설치되는 것이다.

즉, 상기 펌핑 소자(PE)가 배치되는 부분에서는 상기 제1실링 바아(130)사이에 상기 제2실링 바아(140)가 배치되고, 밸브 소자(VE)가 배치되는 부분에서는 상기 밸브 소자(VE)사이에 상기 제2실링 바아(140)가 배치되는 것이다.

이때, 상기 제2실링 바아(140)는 바아 형상을 가져 상기 패널(110)의 전후 방향 양 측단에 각각 설치되되 상기 유동 방향으로 길게 배치될 수 있다.

즉, 유체는 상기 패널(110)사이에서 유동 방향(방향I)을 따라 이송되는데, 상기 패널(110)의 전후 방향으로 누설되지 않도록 상기 제2실링 바아(140)가 실링 역할을 하는 한편 상기 패널(110)의 구조 유지 및 실링을 위해 상기 제1실링 바아(130)가 설치되는 것이다.

한편, 후술되는 바와 같이 유체는 변형 패널(113)의 변형에 의해 이송되는데, 이 때, 상기 변형 패널(113)이 보다 용이하게 변형될 수 있도록 상기 제2실링 바아(140) 중 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)사이에 배치된 제2실링 바아(140) 일 측에 형성되는 벤트 홀(H)을 형성하는 것도 가능하다.

즉, 상기 벤트 홀(H)에 의해 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)사이 공간이 외부와 연통되어 연통되어 보다 용이하게 상기 변형 소자(113)가 펌핑 소자(PE)에 의해 변형될 수 있으며 이에 대해서는 후술한다.

한편, 상기 제1실링 바아(130)와 제2실링 바아(140)는 유체의 누출 방지 및 패널(110)의 구조가 지지되도록 하는 것으로서 그 재질은 어느 정도 변형이 허용되는 탄성있는 재질을 사용하는 것도 가능하다.

이는 상술한 바와 같이 상기 제1실링 바아(130)와 제2실링 바아(140)는 변형 패널(113)과 접하므로 상기 변형 패널(113)의 변형을 흡수할 수 있도록 어느 정도 같이 변형되는 것이 바람직하기 때문이다.

즉, 본 발명의 변형 패널(113)은 전체 부분이 변형되기 때문에 상기 제1실링 바아(130)의 경우 도 1b에 도시된 바와 같이 변형 패널(113)이 도면상 상부 방향으로 변형되는 경우 상기 제1실링 바아(130)도 같이 상부 방향으로 변형되고, 상기 변형 패널(113)이 도면상 하부 방향으로 변형되는 경우 상기 제1실링 바아(130)도 같이 하부 방향으로 변형된다.

이는 상기 제2실링 바아(140)의 경우도 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

한편, 상기 제1실링 바아(130)의 변형율은 제2실링 바아(140)의 변형율보다 높도록 재질을 선정하는 것도 가능하다. 즉, 상기 제1실링 바아(130)는 변형 패널(113)의 변형뿐만 아니라 밸브 소자(VE)의 변형도 흡수를 해야 함에 비해 상대적으로 제2실링 바아(140)는 실링의 역할과 패널(110) 구조를 지지하는 역할이 큰 관계로 상술한 바와 같이 변형율은 상기 제1실링 바아(130)가 제2실링 바아(140)보다 높은 것이 바람직하다.

한편, 상기 변형율이라고 하는 것은 물체에 생긴 변형량과 원래 길이에 대한 비율을 나타내는 것으로서 이는 널리 알려진 개념이므로 자세한 설명은 생략한다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 펌핑 소자(PE)는 원통 형상으로서 상기 패널(110) 사이 중앙 지점에 배치될 수 있다. 물론 상기 펌핑 소자(PE)는 상기 패널(110)을 변형하여 유체를 이송하는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한, 상기 펌핑 소자(PE)가 다른 형상을 가지거나 또는 복수 개가 배치되는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

또한, 본 발명의 압전 펌프(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 상부 고정 패널(111)과 하부 고정 패널(112)사이에 다수 개의 변형 패널(113)이 배치되는 것도 가능하고 이를 하나의 모듈로 하여 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 모듈이 상하 방향 배치되어 출력을 상승시키는 것도 가능하다.

이때, 도면상 상부 측에 배치된 모듈의 하부 고정 패널(112)과 도면상 하부 측에 배치된 모듈의 상부 고정 패널(111)이 도시된 바와 같이 상호 접촉하도록 배치되는 것도 가능하고 하나의 고정 패널을 하부 고정 패널(112)과 상부 고정 패널(111)로 같이 사용하는 것도 가능하다.

또한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)가 상하측에 배치된 패널(110)에 직접 접촉하되 상하 방향(방향III) 즉, 높이가 변형되면서 상기 패널(110)을 변형시키는 것도 가능하고 도 3에 도시된 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)가 배치되는 상기 패널(110)들의 사이에 탄성 재질의 지지부(150)가 배치되고, 상기 펌핑 소자(PE)는 상기 지지부(150)와 상기 패널(110)의 상면 사이 및 저면 사이에 각각 배치되는 것도 가능하며 이때, 상기 상기 펌핑 소자(PE)는 특정 곡률을 갖도록 변형되어 상기 패널(110)을 변형시키는 것도 가능하며, 이에 대해서는 후술한다.

한편, 상술한 바와 같이 펌핑 소자(PE) 및 밸브 소자(VE)에 전원이 인가되어야 변형이 발생하는 바 상기 전원 인가를 위한 전극(EL)을 상기 패널(110)에 형성하는 것도 가능하다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 전극(EL)은 상기 펌핑 소자(PE)가 상면에 배치되고 상기 밸브 소자(VE)가 저면에 배치되는 패널(110)에 형성될 수 있으며, 이때, 상기 전극(EL)은 상기 패널(110)의 상면에 형성되어 상기 펌핑 소자(PE)에 연통되는 펌핑 전극(EL1)과, 상기 패널(110)의 저면에 형성되어 상기 밸브 소자(VE)에 연통되는 밸브 전극(EL2)을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 실시예의 경우 상기 전극(EL)은 패널(110) 중 제1변형 패널(113-1) 및 제3변형 패널(113-3)의 상면 및 저면에 형성될 수 있다.

즉, 제1변형 패널(113-1)의 경우 상면에 제1펌핑 소자(PE1)에 연통되는 펌핑 전극(EL1)이 형성되고 그 저면에는 제2변형 패널(113-2)상에 배치되는 제1밸브 소자(VE1)에 연통되는 밸브 전극(EL2)이 형성될 수 있다.

한편, 상기 밸브 전극(EL2)은 도시된 바와 같이 상기 제2변형 패널(113-2)의 유동 방향(방향I) 양 측단에 배치되는 제1밸브 소자(VE1)에 각각 독립되어 연통되도록 별도로 형성되어 있으며 이는 후술하는 바와 같이 상기 각 제1밸브 소자(VE1)가 독립적으로 제어되어야 하기 때문이다.

또한, 상기 제1밸브 소자(VE1)의 상면에 형성되어 상기 밸브 전극(EL2)이 연통되는 도전부(CN1)를 포함하여 보다 안정적인 전원 인가를 도모할 수 있다.

한편, 본 발명의 전극(EL) 및 도전부(CN1)에 대해 상기 제1변형 패널(113-1)에 대해 설명하였으나 이는 상기 제3변형 패널(113-3)에도 동일하게 적용되므로 중복되는 설명은 생략한다.

한편, 상기 전극(EL)은 전도성의 재질이면 어떠한 것이든지 사용가능하나 그래핀(graphene)을 사용하는 것도 가능하다.

상기 그래핀(graphene)이라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 탄소원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재로서, 강도는 강철의 200배로 다이아몬드와 유사하며 열전도율은 구리의 13배, 전기 전도성은 실리콘의 100배에 달해 다양한 소재로 활용이 가능한 특징이 있다. 특히, 상기 그래핀은 휘거나 비틀어도 깨지지 않아 본 발명과 같이 유체를 이송하기 위해 변형되는 패널(110)에 사용하는 적합하다.

한편, 도 4에서 하부 지지 패널(112)의 경우 상면에 펌프 전극(EL1)만이 도시되어 있으나, 하측에 또 다른 모듈의 밸브 소자가 배치되는 경우 상술한 바와 동일하게 밸브 전극이 형성될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE) 또는 밸브 소자(VE)에 상술한 전극(EL)을 통해 전원을 공급하게 되며, 상기 전극(EL)에 전원을 공급하기 위한 외부 전극(160)을 도 5에 도시된 바와 같이 배치할 수 있다.

즉, 상기 다수 개의 패널(110) 외측에 설치되는 것으로서 상기 펌핑 소자(PE) 또는 밸브 소자(VE)에 연통되어 전원을 공급하게 되는 것이다.

이때, 상기 외부 전극(160)에는 도시되지 않은 제어부를 포함하여 상기 제어부를 통해 외부 전극(160)에 전원을 공급할 수 있으며, 상기 제어부를 전극(EL)에 직접 연결하여 전원을 공급하는 것도 가능하다.

한편, 상기 외부 전극(160)과 밸브 소자(VE)를 연통시키기 위해 상기 밸브 소자(VE)의 전면 또는 후면에 전도부(CN2)를 형성하여 안정적인 전원 공급을 구현하는 것도 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명이 경우 펌프 소자(PE)가 상하 방향(방향III) 다수 층 배치되어 유체를 이송하는 것으로서 상기 유체의 공급 및 토출을 위해 도 6에 도시된 바와 같이 상기 밸브 소자(VE)의 일 측에 배치되어 유체를 공급하는 공급조(170)와, 상기 밸브 소자(VE)의 타 측에 배치되어 토출된 유체가 일시 저장되는 저장조(180)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 공급조(170)에서 상기 밸브 소자(VE)의 일 측으로 유체가 공급되며 상기 펌핑 소자(PE)를 거쳐 밸브 소자(VE)이 타 측으로 통해 가압 토출된다. 이후, 상기 가압 토출된 유체는 저장조(180)를 거쳐 로봇을 구동하는 액츄에이터측으로 공급된다.

이하 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 압전 펌프(100)를 이용하여 펌핑하는 방법에 대해 설명한다.

우선, 유체를 유입하는 단계는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)에 전원을 가하여 상기 펌핑 소자(PE)의 상하 방향(방향III) 길이를 감소시킨다. 또한, 상기 밸브 소자(VE) 중 일 측의 밸브 소자(VE)에 전원을 가하여 상기 밸브 소자(VE)와 패널(110)사이에 공간이 생기도록 변형시키는 한편 타 측의 밸브 소자(VE)는 전원을 공급하지 않아 패널(110)과의 사이에 공간이 생기지 않도록 한다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 제1펌핑 소자(PE1)의 상하 방향(방향III) 길이를 감소시키면 상기 제1펌핑 소자(PE1)의 저면에 배치된 제1변형 패널(133-1)이 도면상 상부 방향으로 변형한다. 또한, 제2펌핑 소자(PE2)의 상하 방향(방향III) 길이가 감소하면 제2변평 패널(133-2)이 도면상 하부 방향으로 변형됨과 동시에 제3변형 패널(133-3)은 도면상 상부 방향으로 변형된다. 또한, 제3펌핑 소자(PE3)이 상하 방향(방향III) 길이의 감소에 의해 제4변형 패널(133-4)은 도면상 하부 방향으로 변형된다.

따라서 제1변형 소자(133-1)와 제2변형 소자(133-2)사이의 내부 공간과 제3변형 소자(133-4) 및 제4변형 패널(133-4)사이의 내부 공간이 확대되어 내부 압력이 떨어지게 된다.

이때, 상기 밸브 소자(VE)의 일 측 즉 도면상 좌측에 배치되는 입력 밸브 소자(VE_in)가 변형되어 패널(110) 즉, 상기 입력 밸브 소자(VE_in)가 접하는 제2변형 패널(133-2) 및 제3변형 패널(133-3)과의 사이에 공간이 형성된다.

따라서 유체가 상기 입력 밸브 소자(VE_in)와 상기 변형 패널(133-2,133-3)사이 공간을 통해 제1변형 소자(133-1)와 제2변형 소자(133-2)사이의 내부 공간 및 제3변형 소자(133-4)과 제4변형 패널(133-4)사이의 내부 공간에 유체가 유동 방향(방향I)으로 각각 유입된다.

이때, 상기 밸브 소자(VE)의 타 측 즉, 도면상 우측에 배치되는 토출 밸브 소자(VE_out)는 전원이 인가되지 않아 패널(110)과의 사이에는 공간이 형성되지 않는다.

이후, 상기 유입된 유체를 토출하는 토출 단계는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 펌핑 소자(PE)에 반대 극성의 전원을 가하여 상기 펌핑 소자(PE)의 상하 방향(방향III) 길이를 증가시키고 이에 의해 패널(110)사이의 공간을 축소시킨다. 즉, 제1펌핑 소자(PE1)의 상하 방향(방향III) 길이의 증가에 의해 제1변형 패널(113-1)이 도면상 하부 방향으로 변형된다. 또한 제2펌핑 소자(PE2)의 상하 방향(방향III) 길이를 증가시켜 제2변형 패널(113-2)은 상부 방향으로, 제3변형 패널(113-3)은 도면상 하측 방향으로 변형된다. 또한, 제3펌핑 소자(PE3)의 상하 방향(방향III) 길이의 증가로 제4변형 패널(113-4)는 도면상 상부 방향으로 변형된다.

따라서 제1변형 패널(113-1)과 제2변형 패널(113-2)사이 및 제3변형 패널(113-3)과 제4변형 패널(113-4)사이 공간은 축소된다.

이때, 상기 밸브 소자(VE) 중 일 측의 밸브 소자(VE) 즉 입력 밸브 소자(VE_in)에 전원을 차단하여 상기 입력 밸브 소자(VE_in)와 패널(110)사이에 공간이 생기지 않도록 하여 유체가 유입되지 않도록 한다. 또한, 타 측의 밸브 소자(VE)즉, 토출 밸브 소자(VE_out)에는 전원을 공급하여 패널(110)과의 사이에 공간이 생기도록 하여 유체가 토출되도록 한다.

따라서 도 8에 도시된 바와 같이 유체가 도면상 우측 방향으로 토출되는 것이다.

다시 말해서, 도 7에 도시된 바와 같이 펌핑 소자(PE)의 축소에 의해 변형 패널(113)이 상호 벌어져서 내부 공간이 확대되면 유입 밸브 소자(VE_in)를 통해 유체가 유입되고, 반대로 도 8에 도시된 바와 같이 펌핑 소자(PE)의 확대에 의해 변형 패널(113)이 상호 근접하여 내부 공간이 축소되면 토출 밸브 소자(VE_out)을 통해 유체가 토출되는 것이다.

한편, 상기 밸브 소자(VE)는 도시된 바와 같이 유동 방향(방향I)의 양 측단에 각각 배치되되 바아 형상을 가져서 상하 방향(방향III)으로 변형된다. 즉, 유입 밸브 소자(VE_in)의 경우 도 7에 도시된 바와 같이 상기 유입 밸브 소자(VE_in)의 중앙측 일부가 전원의 공급에 의해 도면상 상부 방향으로 변형되어 변형 소자(113)와의 사이에 공간이 발생하여 유체가 유입되도록 하거나 혹은 전원 공급 차단에 의해 원래의 형상으로 복귀하여 변형 소자(113)와의 사이에 공간이 발생하지 않도록 하여 유체의 유입을 차단할 수 있다.

또한, 토출 밸브 소자(VE_out)의 경우도 동일하게 전원 공급에 의해 변형 소자(113)와의 사이에 공간이 발생하여 유체가 토출되도록 하거나 혹은 전원 공급 차단에 의해 원래의 형상으로 복귀하여 변형 소자(113)와의 사이에 공간이 발생하지 않도록 하여 유체의 토출을 차단하여 유체의 유동을 단속하게 된다.

한편, 상기 밸브 소자(VE)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 바아 형상을 가지되 중앙 일부가 상부 방향으로 변형되어 전체적으로 아크 형상을 가지도록 변형될 수 있다.

그러나, 이는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 불과한 것으로서 전원 공급에 의해 변형이 발생하여 유체의 흐름을 단속할 수 있는 것인 한 상기 밸브 소자(VE)의 변형이 다른 형상(예를 들어 밸브 소자의 높이가 일정하게 감소하는 형상 등)인 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

한편, 상술한 바와 같이 상기 변형 패널(113)의 변형에 의해 유체가 유입 및 토출되는데 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제2실링 바아(140) 중 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)사이에 배치된 제2실링 바아(140) 일 측에 형성되는 벤트 홀(H)을 형성하는 것도 가능하다.

이는 상기 상부 지지 패널(111)과 제1변형 패널(113-1)사이 공간에서 제1펌핑 소자(PE1)가 변형하면서 상기 제1변형 패널(113-1)을 변형시키는데, 이 때, 상기 상부 지지 패널(111)과 제1변형 패널(113-1)사이 내부 공간이 외부와 연통되어 공기가 유입 및 토출되도록 하면 상기 제1변형 패널(113-1)이 도면상 상부 방향 또는 하부 방향으로 변형되기 용이하기 때문이다.

한편, 상기 펌핑 소자(PE)는 도 3에 도시된 바와 같이 지지부(150)를 중간에 배치한 후 상기 지지부(150) 상하측에 펌핑 소자(PE)를 배치하는 것도 가능하며, 이때, 상기 펌핑 소자(PE)는 도 9에 도시된 바와 같이 특정 곡률로 변형되는 것도 가능하다.

즉, 상기 펌핑 소자(PE)가 특정 곡률로 변형되면서 상기 패널(110) 중 변형 패널(113)도 연동되어 변형되므로 도 7 및 도 8에서 설명한 바와 같이 유체가 유입 및 토출된다.

한편, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 유체의 유입 시 유입 밸브 소자(VE_in)는 변형 패널(113)과의 사이에 공간이 형성되고 토출 밸브 소자(VE_out)는 공간이 생기지 않는다.

반대로 유체의 토출 시 유입 밸브 소자(VE_in)는 변형 패널(113)과의 사이에 공간이 형성되지 않고 토출 밸브 소자(VE_out)는 공간이 생긴다.

따라서 상기 유입 밸브 소자(VE_in)와 토출 밸브 소자(VE_out)은 독립적으로 구동되므로 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 상기 밸브 전극(EL2)은 양 측단의 밸브 소자(VE), 즉, 유입 밸브 소자(VE_in)과 토출 밸브 소자(VE_out)에 각각 독립되어 연통되도록 별도로 형성되는 것이다

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 압전 펌프(100)의 경우 다층으로 배치할 수 있어 필요한 출력을 얻기 위한 펌프의 크기를 종래보다 소형화하여 최근 개발되는 전문 서비스 분야의 로봇이나 가정용 로봇 등에 보다 용이하게 적용할 수 있다.

다만, 상술한 전문 서비스 분야의 로봇이나 가정용 로봇을 보다 정밀하게 제어하기 위해 본 발명의 압전 펌프(100)에서 토출되는 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다.

이를 위해 상기 펌핑 소자(PE)에 공급되는 전원의 주파수를 제어하여 유량을 종래보다 정밀하게 제어할 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이 변형 패널(113)의 변형에 의해 유체가 유입 및 토출되는데, 상기 변형 패널(113)의 변형은 펌핑 소자(PE)에 연동된다.

따라서, 상기 펌핑 소자(PE)의 변형 주기를 제어하면 상기 변형 패널(113)의 변형 주기를 제어할 수 있으므로 상기 펌핑 소자(PE)에 공급되는 전원의 주파수를 제어하여 결과적으로 유량을 제어하게 되는 것이다.

즉, 상술한 바와 같이 전원의 주파수는 아주 정밀하게 제어할 수 있으므로 결과적으로 상기 변형 패널(113)의 변형 또한 정밀하게 제어할 수 있어 종래보다 유량을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

한편, 상기 펌핑 소자(PE)에 공급되는 전원의 주파수 제어 시 상기 밸브 소자(VE)에 공급되는 전원의 주파수도 동일하게 제어하여 원활한 유입 및 토출이 가능하도록 할 수 있다.

한편, 상기 유량 제어를 위해 상술한 바와 같이 전원의 주파수를 제어하는 것도 가능하고 펌핑 소자(PE) 중 특정 펌핑 소자(PE)만을 구동하여 유량을 제어하는 것도 가능하다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 압전 펌프(100)는 상하 방향(방향III)으로 펌핑 소자(PE)가 다수 개 적층되어 있는데 이 때, 상기 다수 개의 펌핑 소자(PE) 중 특정 펌핑 소자(PE)만을 구동하는 것이다.

예를 들어 도 1의 경우 제2펌핑 소자(PE2)만을 선택적으로 구동하거나 혹은 제1펌핑 소자(PE1)와 제2펌핑 소자(PE2)를 선택적으로 구동하여 유량을 제어하는 것이다.

이를 위해 상기 각 펌핑 소자(PE)에 연결되는 제어부(도시되지 않음)가 각 펌핑 소자(PE)를 선택적으로 구동할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 펌핑 방법에 의하면 유량을 종래보다 정밀하게 제어할 수 있다.

그런데 상술한 바와 같이 본 발명의 압전 펌프(100)는 상하 방향으로 펌핑 소자(PE)가 다수 개 적층되어 있으므로 상기 펌핑 소자(PE)가 동일한 시점에 동시에 구동하면 펌프 자체에 맥동이 발생할 우려가 있다.

이를 방지하기 위해 상기 펌핑 소자(PE)에 각각 공급되는 전원의 인가 시점을 분산하여 맥동을 제어하는 것도 가능하다.

즉, 도 10에 도시된 바와 같이 하나의 펌핑 소자(PE)에 의해 시각 T1, T2에서 펌핑이 발생한 경우 상기 펌핑에 의한 맥동의 크기가 M1이라고 하면 펌핑 소자 전체에 의한 맥동의 크기는 그 개수만큼 증폭된다.

이때, 도 11에 도시된 바와 같이 각 펌핑 소자의 펌핑 시점에 위상차(ΔT)를 주어 구동시키면 맥동 억제가 가능해진다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상을 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

110 : 패널 111 : 상부 고정 패널
112 : 하부 고정 패널 113 : 변형 패널
130 : 제1실링 바아 140 : 제2실링 바아
150 : 지지부 160 : 외부 전극
170 : 공급조 180 : 저장조
E : 압전 소자 PE : 펌핑 소자
VE : 밸브 소자 EL : 전극
EL1 : 펌핑 전극 EL2 : 밸브 전극

Claims

상하 방향으로 서로 이격되어 배치되는 상부 고정 패널(111) 및 하부 고정 패널(112)과 상기 상부 고정 패널(111) 및 하부 고정 패널(112) 사이에 위치하며 상하 방향으로 서로 이격된 복수의 변형 패널(113)로 이루어지는 복수 개의 패널(110)과, 상기 패널(110)들 사이에 위치하며 상기 패널(110)을 변형시키는 복수개의 펌핑 소자(PE)와 상기 펌핑 소자(PE)가 배치된 패널(110)에 상하 방향 인접하는 또 다른 패널(110)과의 사이에 위치하여 밸브로 작용하는 복수 개의 밸브 소자(VE)로 이루어지는 복수 개의 압전 소자(E)를 포함하는 압전 펌프를 구동하는 방법으로서; 상기 펌핑 소자(PE)에 전원을 가하여 상기 펌핑 소자(PE)의 상하 방향 길이를 감소시키고 이에 의해 패널(110)사이의 공간을 확대시키며, 상기 밸브 소자(VE) 중 일 측의 밸브 소자(VE)에 전원을 가하여 상기 밸브 소자(VE)와 패널(110)사이에 공간이 생기도록 변형시키는 한편 타 측의 밸브 소자(VE)는 전원을 공급하지 않아 패널(110)과의 사이에 공간이 생기지 않도록 하는 유입 단계와; 상기 펌핑 소자(PE)에 반대 극성의 전원을 가하여 상기 펌핑 소자(PE)의 상하 방향 길이를 증가시키고 이에 의해 패널(110)사이의 공간을 축소시키며, 상기 밸브 소자(VE) 중 일 측의 밸브 소자(VE)에 전원을 차단하여 상기 밸브 소자(VE)와 패널(110)사이에 공간이 생기지 않도록 하는 한편, 타 측의 밸브 소자(VE)에는 전원을 공급하여 패널(110)과의 사이에 공간이 생기도록 하는 토출 단계를 포함하는 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법.
제1항에 있어서, 상기 펌핑 소자(PE) 및 밸브 소자에 공급되는 전원의 주파수를 제어하여 유량을 제어하는 압전 펌프를 이용한 펌핑 방법.