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KR20080096265A - Piezoelectric element and piezoelectric actuator using the piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric element and piezoelectric actuator using the piezoelectric element Download PDF

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KR20080096265A
KR20080096265A KR1020070041502A KR20070041502A KR20080096265A KR 20080096265 A KR20080096265 A KR 20080096265A KR 1020070041502 A KR1020070041502 A KR 1020070041502A KR 20070041502 A KR20070041502 A KR 20070041502A KR 20080096265 A KR20080096265 A KR 20080096265A
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KR
South Korea
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piezoelectric element
expanding mechanism
piezoelectric
displacement expanding
vibration
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Application number
KR1020070041502A
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Inventor
이승엽
최요한
Original Assignee
서강대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 2개의 진동 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 이용한 압전 액추에이터에 관한 것이다. 상기 압전 액추에이터는 전기적 신호가 입력되면 굽힘방향 및 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태의 압전소자, 상기 압전 소자의 각 면에 고정 배치되는 변위확대기구, 제1 및 제2 고정 플레이트를 포함한다. 상기 압전소자는 굽힘방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되도록 구성된다. The present invention relates to a piezoelectric element in which two vibration modes are generated by currents of the same frequency and a piezoelectric actuator using the piezoelectric element. The piezoelectric actuator includes a linear cantilever-shaped piezoelectric element that vibrates independently in a bending direction and a longitudinal direction when an electrical signal is input, a displacement expanding mechanism fixedly disposed on each surface of the piezoelectric element, and first and second fixing plates. . The piezoelectric element is configured such that the resonance mode of the bending vibration and the resonance mode of the longitudinal vibration are generated by the current of the same frequency.

본 발명에 의하여, 압전 액추에이터는 압전소자가 동일한 주파수의 전류에 의해 종방향의 진동의 공진모드 및 굴곡방향의 진동의 공진모드가 동시에 발생되도록 설계함으로써, 압전 액추에이터의 변위를 더 확대시킬 수 있게 된다. 또한, 이로 인하여 더욱 빠르고 정확한 위치 제어가 가능하게 된다. According to the present invention, the piezoelectric actuator is designed such that the resonance mode of the longitudinal vibration and the resonance mode of the vibration in the bending direction are simultaneously generated by the current of the same frequency, thereby further expanding the displacement of the piezoelectric actuator. . In addition, this allows for faster and more accurate position control.

Description

압전 소자 및 상기 압전 소자를 이용한 압전 액추에이터{Piezoelectric plate and Piezoelectric Actuator using the plate}Piezoelectric element and piezoelectric actuator using the piezoelectric element {Piezoelectric plate and Piezoelectric Actuator using the plate}

도 1은 종래의 압전 액추에이터의 압전 소자를 도시한 평면도.1 is a plan view showing a piezoelectric element of a conventional piezoelectric actuator.

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 액추에이터의 압전소자의 굽힘방향 진동의 2차 굽힘 모드 및 1차 종진동모드를 각각 나타낸 도면.2 (a) and 2 (b) are diagrams illustrating a secondary bending mode and a primary longitudinal vibration mode of vibration in a bending direction of a piezoelectric element of a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention, respectively.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 액추에이터의 압전 소자로의 전류 인가에 따른 이동방향들을 도시한 도면들.3 and 4 are diagrams showing moving directions of application of current to a piezoelectric element of a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 액추에이터를 전체적으로 도시한 사시도.5 is a perspective view of the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention as a whole;

도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 액추에이터를 전체적으로 도시한 사시도 및 동작을 설명하는 구성도.6 (a) and 6 (b) are schematic diagrams illustrating a perspective view and an operation of the piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>

20, 40 : 압전 액추에이터20, 40: piezo actuator

23, 43 : 압전소자23, 43: piezoelectric element

25, 45 : 제1 세라믹팁25, 45: first ceramic tip

27, 47 : 제2 세라믹팁27, 47: second ceramic tip

48 : 제3 세라믹팁48: third ceramic tip

31 : 제1고정플레이트31: first fixing plate

33 : 제2고정플레이트33: second fixing plate

41 : 이동 플레이트41: moving plate

49 : 고정 플레이트49: fixed plate

본 발명은 압전 소자 및 상기 압전 소자를 이용한 압전 액추에이터에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 이용하여 진동 변위를 더욱 확대시킨 압전 액추에이터에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element and a piezoelectric actuator using the piezoelectric element, and more particularly, a piezoelectric element in which two resonance modes are generated by a current of the same frequency and a piezoelectric element further expanding vibration displacement by using the piezoelectric element. It relates to an actuator.

도 1은 종래의 압전 액추에이터의 압전 소자를 도시한 평면도이다.1 is a plan view showing a piezoelectric element of a conventional piezoelectric actuator.

도 1을 참조하면, 종래의 압전소자(13)는 선형 외팔보 형태의 직육면체 형태로 구성된다.Referring to FIG. 1, the conventional piezoelectric element 13 is configured in a rectangular parallelepiped form.

상기 압전소자(13)는 4개의 분극 영역, 즉 제1분극영역(13a), 제2분극영역(13b), 제3분극영역(13c), 제4분극영역(13d)이 형성되어 있고, 상기 4개의 분극영역은 두께 방향으로 동일한 분극 방향을 갖는다. 4개의 분극영역(13a,13b,13c,13d)은 동일한 크기를 가지고 두 개의 열을 이루며 배열된다. 그리고 4개의 분극 영역 (13a,13b,13c,13d)상에는 각각 전극이 형성되어 있다.The piezoelectric element 13 has four polarization regions, that is, a first polarization region 13a, a second polarization region 13b, a third polarization region 13c, and a fourth polarization region 13d. The four polarization regions have the same polarization direction in the thickness direction. The four polarization regions 13a, 13b, 13c, and 13d have the same size and are arranged in two rows. The electrodes are formed on the four polarization regions 13a, 13b, 13c, and 13d, respectively.

상기 제1분극영역(13a) 및 제4분극영역(13d)은 동일한 분극방향을 갖고, 상 기 제2분극영역(13b) 및 제3분극영역(13c)은 제1분극영역(13a) 과 반대 방향의 분극 방향을 갖는다. 그리고 상기 제1분극영역(13a) 및 제4분극영역(13d) 그리고, 상기 제2분극영역(13b) 및 제3분극영역(13c)은 각각 리드와이어(미도시)에 의해 연결되어 있다.The first polarization region 13a and the fourth polarization region 13d have the same polarization direction, and the second polarization region 13b and the third polarization region 13c are opposite to the first polarization region 13a. Direction of the polarization. The first polarization region 13a and the fourth polarization region 13d and the second polarization region 13b and the third polarization region 13c are connected by lead wires (not shown), respectively.

상기 제1분극영역(13a) 및 제4분극영역(13d)에 전류가 인가되면, 상기 제1분극영역(13a) 및 제4분극영역(13d)에서 압전효과가 발생하게 되고, 반대로 상기 제2분극영역(13b) 및 제3분극영역(13c)에 전류가 인가되면, 상기 제2분극영역(13b) 및 제3분극영역(13c)에서 압전효과가 발생하게 되어 상기 압전소자(13)가 수축 팽창하게 된다.When a current is applied to the first polarization region 13a and the fourth polarization region 13d, a piezoelectric effect occurs in the first polarization region 13a and the fourth polarization region 13d, and conversely, the second polarization effect is generated. When a current is applied to the polarization region 13b and the third polarization region 13c, a piezoelectric effect occurs in the second polarization region 13b and the third polarization region 13c, so that the piezoelectric element 13 contracts. Will expand.

종래 기술에 따른 압전 액추에이터는 일반적으로 단일의 공진 모드에 의존하는 경우가 많으며, 혹은 구조 진동을 이용하지 않는 경우도 있다. 이와 같은 종래 기술에 따른 압전 액추에이터는 발생되는 변위가 작고, 압전 액추에이터를 정확하게 제어할 수 없는 문제점이 있다.Piezoelectric actuators according to the prior art generally rely on a single resonant mode in many cases, or may not use structural vibration. The piezoelectric actuator according to the prior art has a problem that the displacement generated is small and the piezoelectric actuator cannot be accurately controlled.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 굽힘방향의 진동과 종방향의 진동의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되도록 한 압전 소자를 제공하는 것이다. An object of the present invention devised to solve the above problems of the prior art is to provide a piezoelectric element in which the resonance mode of the vibration in the bending direction and the vibration in the longitudinal direction is generated by the current of the same frequency.

본 발명의 다른 목적은 전술한 압전 소자를 이용하여 진동 변위를 더욱 확대시키고, 이로 인해 더욱 빠르고 정확하게 위치 제어가 가능한 압전 액추에이터를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to further expand the vibration displacement by using the above-described piezoelectric element, thereby providing a piezoelectric actuator capable of quicker and more accurate position control.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 압전 액추에이터는,Piezoelectric actuator according to a feature of the present invention for solving the above problems,

전기적 신호가 입력되면 굽힘방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 직육면체 형상의 선형 외팔보 형태의 압전소자,Piezoelectric element of linear cantilever shape of rectangular parallelepiped that vibrates independently in the bending direction and the longitudinal direction when an electrical signal is input,

상기 압전소자의 제1 면의 진동 위상이 같아지는 2차 굽힘모드의 좌/우 절점들에 각각 고정 장착되는 제1 변위 확대기구,A first displacement expanding mechanism fixedly mounted to left and right nodes of the secondary bending mode in which the vibration phases of the first surface of the piezoelectric element are the same;

상기 압전 소자의 제1면과 반대되는 제2면에 고정 장착되는 제2 변위 확대 기구,A second displacement expanding mechanism fixedly mounted to a second surface opposite to the first surface of the piezoelectric element;

상기 제1 변위 확대기구와 연결되어 전응력을 제공하는 제1 고정 플레이트,A first fixing plate connected to the first displacement expanding mechanism to provide a total stress;

상기 제2 변위 확대기구와 연결되어 전응력을 제공하는 제2 고정 플레이트를 구비하고, A second fixing plate connected to the second displacement expanding mechanism to provide a total stress;

상기 압전소자는 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의하여 발생하며, 상기 2개의 공진 모드는 굽힘방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드이며, 상기 굽힘방향 진동의 공진모드가 2차 굽힘모드이고, 상기 종방향 진동의 공진모드가 1차 종진동 모드인 것을 특징으로 한다.In the piezoelectric element, two resonance modes are generated by a current having the same frequency, and the two resonance modes are a resonance mode of bending direction vibration and a resonance mode of longitudinal vibration, and the resonance mode of bending direction vibration is secondary bending. Mode, the resonance mode of the longitudinal vibration is the primary longitudinal vibration mode.

전술한 특징을 갖는 압전 액추에이터는 상기 제1 및 제2 변위 확대기구는 세라믹팁인 것을 특징으로 한다.The piezoelectric actuator having the above-mentioned characteristics is characterized in that the first and second displacement expanding mechanisms are ceramic tips.

전술한 특징을 갖는 압전 액추에이터는, 만약 상기 압전 소자에 전기적 신호가 입력되는 경우, 상기 압전소자가 선형 이동되는 것을 특징으로 한다.The piezoelectric actuator having the above-mentioned characteristics is characterized in that the piezoelectric element is linearly moved if an electrical signal is input to the piezoelectric element.

한편, 본 발명의 다른 특징에 따른 압전 액추에이터는, On the other hand, the piezoelectric actuator according to another feature of the present invention,

전기적 신호가 입력되면 굽힘방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태의 압전소자,Piezoelectric element of linear cantilever shape that vibrates independently in the bending direction and the longitudinal direction when an electrical signal is input,

상기 압전소자의 제1면에 고정 배치되되, 진동 모드의 위상(phase)이 같아지는 좌/우 절점에 각각 배치되는 제1 변위 확대기구,A first displacement expanding mechanism fixedly disposed on the first surface of the piezoelectric element, the first displacement expanding mechanism being disposed at left and right nodes in which the phases of the vibration modes are the same;

상기 압전소자의 제1면의 반대되는 제2면에 고정 배치되는 제2 변위 확대 기구,A second displacement expanding mechanism fixedly disposed on a second surface opposite to the first surface of the piezoelectric element;

상기 제1 변위 확대기구에 이동 가능하게 연결되어 상기 제1 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 이동 플레이트,A moving plate movably connected to the first displacement expanding mechanism to provide total stress to the first displacement expanding mechanism;

상기 제2 변위 확대기구 및 압전 소자에 고정 연결되어 상기 제2 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 고정 플레이트를 구비하고, A fixed plate fixedly connected to the second displacement expanding mechanism and the piezoelectric element to provide total stress to the second displacement expanding mechanism;

상기 압전 소자는 2개의 진동 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되는 것을 특징으로 하며, The piezoelectric element is characterized in that the two vibration modes are generated by the current of the same frequency,

상기 압전 액추에이터는, 만약 상기 압전 소자에 전기적 신호가 인가되는 경우, 상기 제1 변위 확대 기구에 타원형 궤적 운동이 발생하며, 상기 제1 변위 확대기구의 타원형 궤적 운동에 의하여 상기 이동 플레이트가 선형 이동하는 것을 특징으로 한다.In the piezoelectric actuator, if an electrical signal is applied to the piezoelectric element, an elliptic locus motion occurs in the first displacement expanding mechanism, and the moving plate moves linearly by an elliptical locus motion of the first displacement expanding mechanism. It is characterized by.

본 발명의 다른 특징에 따른 압전 소자는 소정의 길이, 두께, 높이를 가지는 직육면체 형상으로 이루어지며, 외부로부터 전기적 신호가 입력되면 굽힘 방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태로 이루어지며, The piezoelectric element according to another feature of the present invention is formed in a rectangular parallelepiped shape having a predetermined length, thickness, and height, and is formed in a linear cantilever shape that vibrates independently in a bending direction and a longitudinal direction when an electrical signal is input from the outside.

상기 길이를 조절하거나 상기 높이와 두께를 조절함으로써, 2개의 공진 모드 가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되는 것을 특징으로 하며,By adjusting the length or adjusting the height and thickness, the two resonance modes are generated by the current of the same frequency,

상기 2개의 공진 모드는 굽힘 방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드인 것을 특징으로 한다. The two resonance modes are the resonance mode of the bending vibration and the resonance mode of the longitudinal vibration.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1 실시예First embodiment

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터의 압전소자의 굽힘방향 진동의 2차 굽힘모드 및 1차 종진동모드를 각각 나타낸 도면들이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 액추에이터의 압전 소자로의 전류 인가에 따른 이동방향들을 설명하기 위하여 도시한 도면들이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터를 전체적으로 도시한 사시도이다.2 (a) and 2 (b) are diagrams illustrating a secondary bending mode and a primary longitudinal vibration mode of vibration in the bending direction of the piezoelectric element of the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention, respectively. 4 is a view illustrating the moving directions of the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention applied to the piezoelectric element, Figure 5 is a view showing the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention as a whole One perspective view.

본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터(20)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 압전소자(23)와, 상기 압전소자(23)의 상부 면에 좌우로 대칭되도록 각각 고정 배치되는 제1 세라믹팁들(25)과, 상기 압전소자(23)의 하부면의 중앙에 고정 배치되는 제2세라믹팁(27)과, 상기 제1 세라믹팁들(25)과 연결되는 제1 고정플레이트(31)와, 상기 제2세라믹팁(27)과 연결되는 제2 고정플레이트(33)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 5, the piezoelectric actuator 20 according to the first embodiment of the present invention is fixed to the piezoelectric element 23 and the upper surface of the piezoelectric element 23 so as to be symmetrically disposed left and right. First ceramic tips 25, a second ceramic tip 27 fixedly disposed at the center of the lower surface of the piezoelectric element 23, and a first fixing plate connected to the first ceramic tips 25 ( 31) and a second fixing plate 33 connected to the second ceramic tip 27.

상기 압전소자(23)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 분극 영역, 즉 제1분극영역(23a), 제2분극영역(23b), 제3분극영역(23c), 제4분극영역(23d)이 형성되어 있고, 상기 4개의 분극영역은 두께 방향으로 동일한 분극 방향을 갖는다. 4개의 분극영역(23a,23b,23c,23d)은 동일한 크기를 가지고 두 개의 열을 이루며 배열된다. 그리고 4개의 분극 영역 (23a,23b,23c,23d)상에는 각각 전극이 형성되어 있다.As shown in FIGS. 3 and 4, the piezoelectric element 23 includes four polarization regions, that is, a first polarization region 23a, a second polarization region 23b, a third polarization region 23c, and a fourth polarization region 23. Polarization regions 23d are formed, and the four polarization regions have the same polarization direction in the thickness direction. The four polarization regions 23a, 23b, 23c, and 23d have the same size and are arranged in two rows. The electrodes are formed on the four polarization regions 23a, 23b, 23c, and 23d, respectively.

상기 제1분극영역(23a) 및 제4분극영역(23d)은 동일한 분극방향을 갖고, 상기 제2분극영역(23b) 및 제3분극영역(23c)은 제1분극영역(23a)과 반대 방향의 분극 방향을 갖는다. 그리고 상기 제1분극영역(23a) 및 제4분극영역(23d) 그리고, 상기 제2분극영역(23b) 및 제3분극영역(23c)은 각각 리드와이어(미도시)에 의해 연결되어 있다.The first polarization region 23a and the fourth polarization region 23d have the same polarization direction, and the second polarization region 23b and the third polarization region 23c are opposite to the first polarization region 23a. It has a polarization direction of. The first polarization region 23a and the fourth polarization region 23d and the second polarization region 23b and the third polarization region 23c are connected by lead wires (not shown), respectively.

상기 압전 소자(23)는, 소정의 길이, 두께, 높이를 가지는 선형 외팔보 형태의 직육면체의 형상으로 이루어지며, 외부로부터 전기적 신호가 입력되면 굽힘 방향과 종방향으로 독립적으로 진동한다. 상기 압전 소자(23)는 길이를 조절하거나 상기 높이와 두께를 조절함으로써, 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되도록 설계되며, 상기 2개의 공진 모드는 굽힘 방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드인 것이 바람직하다. 특히 압전 소자는 굽힘 방향 진동의 공진 모드가 2차 굽힘 모드이고, 종방향 진동의 공진 모드가 1차 종진동 모드인 것이 가장 바람직하다. The piezoelectric element 23 has a linear cantilever-shaped cuboid shape having a predetermined length, thickness, and height, and vibrates independently in a bending direction and a longitudinal direction when an electrical signal is input from the outside. The piezoelectric element 23 is designed such that the two resonant modes are generated by the current of the same frequency by adjusting the length or adjusting the height and thickness, the two resonant modes being the resonant mode of the bending direction vibration and the longitudinal direction. It is preferable that it is a resonance mode of vibration. In particular, in the piezoelectric element, it is most preferable that the resonance mode of the bending vibration is the secondary bending mode, and the resonance mode of the longitudinal vibration is the primary longitudinal vibration mode.

상기 외팔보 형태의 압전소자(23)는 길이방향, 높이방향, 두께방향의 x, y, z의 길이를 튜닝하면 모든 진동 모드가 변하게 되는데, 여기서 적절한 x, y, z의 길이를 설정하면서, 앞서 설명한 1차 종진동 모드와 2차 굽힘모드의 주파수가 동일한 영역이 되도록 사전에 시뮬레이션한다. 이는 FEM해석에 의한 방법으로 결과를 도출할 수 있으며 실험을 통해서도 도출할 수 있다.When the cantilever-shaped piezoelectric element 23 is tuned to lengths of lengths, heights, and thicknesses of x, y, and z, all vibration modes are changed. Here, while setting appropriate lengths of x, y, and z, The frequencies of the first longitudinal vibration mode and the second bending mode described above are simulated in advance. This can be derived from the FEM analysis and also through experiments.

이와 같은 설계로 인하여, 상기 압전 액추에이터(20)는 입력 전류의 주파수를 그 구조체가 가진 공진 주파수 중 하나와 일치시키게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 주파수에 해당하는 모드 형상(앞에서 지칭한 2차 굽힘모드, 1차 종진동 모드 등이 이에 해당)을 보이며 보다 큰 변위를 증폭하게 된다. 여기서 주목할 점은 이러한 공진 모드들은 서로 독립적이지만 중첩효과를 내기 때문에 두 가지 공진 모드를 동시에 발생시키게 되면 그 변위의 증폭 효과는 더 증대되는 효과가 발생한다.Due to this design, when the piezoelectric actuator 20 matches the frequency of the input current with one of the resonant frequencies of the structure, the piezoelectric actuator 20 has a mode shape corresponding to the frequency as shown in FIG. This corresponds to the primary bending mode, primary longitudinal vibration mode, etc.) and amplifies the larger displacement. It should be noted that these resonant modes are independent of each other, but because they have overlapping effects, when two resonant modes are generated at the same time, the amplification effect of the displacement is further increased.

나아가, 이러한 굽힘방향 및 종진동방향의 진동의 공진 모드가 동시에 발생하게 될 때에, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 세라믹팁(25)의 위치가 결정된다. Furthermore, when the resonance modes of the vibrations in the bending direction and the longitudinal vibration direction occur at the same time, as shown in FIG. 5, the position of the first ceramic tip 25 is determined.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 압전소자(23)에 부착된 제1세라믹팁(25) 및 제2세라믹팁(27)에서 타원형 궤적 운동이 발생하게 되는데, 상기 2차 굽힘모드에서의 타원형 궤적 운동의 진동 위상이 같아지는 절점에 각각 제1세라믹팁(25)이 각각 배치되도록 설계된다.3 and 4, an elliptic locus motion occurs in the first ceramic tip 25 and the second ceramic tip 27 attached to the piezoelectric element 23. The first ceramic tips 25 are respectively arranged at nodes where the vibration phases of the locus motion are the same.

한편, 상기 제1 고정플레이트(31)의 제1면은 상기 제1 세라믹팁(25)에 고정 연결되어 있으며 상기 제1 고정플레이트의 제1면과 반대되는 제2면은 스프링등이 연결되어 있다. 따라서, 상기 제1 고정플레이트는 상기 스프링 등의 압축력에 의해 상기 제1세라믹팁(25)으로 전응력(Pre-Load)을 가하게 된다. Meanwhile, a first surface of the first fixing plate 31 is fixedly connected to the first ceramic tip 25, and a second surface opposite to the first surface of the first fixing plate 31 is connected to a spring. . Therefore, the first fixing plate is pre-loaded to the first ceramic tip 25 by the compression force of the spring or the like.

상기 제2고정플레이트(33)의 제1면은 상기 제2 세라믹팁(27)에 연결되어 있 으며 상기 제2 고정플레이트의 제1면과 반대되는 제2면은 스프링등이 연결되어 있다. 따라서, 상기 제2 고정플레이트는 스프링등으로부터 제공되는 압축력에 의해 상기 제2 세라믹팁(25)으로 전응력을 가하게 된다. The first surface of the second fixing plate 33 is connected to the second ceramic tip 27, and the second surface opposite to the first surface of the second fixing plate is connected to a spring. Therefore, the second fixing plate is subjected to the total stress to the second ceramic tip 25 by the compressive force provided from the spring or the like.

여기서 상기 전응력은 상기 제1고정플레이트(31) 및 제2고정플레이트(33)의 외측에 형성되어 있는 스프링(미도시)의 압축력을 이용하여 발생시키는 것이 바람직하다. In this case, the total stress is preferably generated using a compressive force of a spring (not shown) formed on the outer side of the first fixing plate 31 and the second fixing plate 33.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 압전 액추에이터(20)의 동작을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the operation of the piezoelectric actuator 20 according to the first embodiment of the present invention having the above-described configuration will be described in detail.

상기 압전 소자(23)의 상기 제1분극영역(23a) 및 제4분극영역(23d), 또는 제2분극영역(23b) 및 제3 분극영역(23c)에 설정된 주파수의 전류를 인가하면, 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 압전소자(23)가 수축 팽창하여 상기 압전 액추에이터(20)의 압전 소자가 좌/우측으로 선형 이동한다.When a current having a frequency set to the first polarization region 23a and the fourth polarization region 23d or the second polarization region 23b and the third polarization region 23c of the piezoelectric element 23 is applied, FIG. As shown in FIG. 3 or FIG. 4, the piezoelectric element 23 contracts and expands so that the piezoelectric element of the piezoelectric actuator 20 linearly moves left and right.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1분극영역(23a) 및 제4분극영역(23d)로의 전류 입력에 의하여 상기 압전소자(23)가 진동하게 되면, 상기 제1세라믹팁(25) 및 제2세라믹팁(27)이 각각 제1 및 제2 고정플레이트(31,33)의 스프링의 탄성력에 의하여 압축되어 있으므로, 상기 압전소자(23)가 직접 우측으로 직선운동하게 된다. Meanwhile, as shown in FIG. 3, when the piezoelectric element 23 vibrates by inputting current into the first polarization region 23a and the fourth polarization region 23d, the first ceramic tip 25 may be vibrated. And the second ceramic tips 27 are compressed by the elastic force of the springs of the first and second fixing plates 31 and 33, respectively, so that the piezoelectric elements 23 directly linearly move to the right.

이 때에, 상기 스프링에 의한 전응력, 즉 압축력이 너무 강하여 상기 압전 액추에이터(20)의 동작에 의해 발생하는 힘보다 크면, 상기 압전소자(23)의 구동이 불가능하다. 또한 압축력이 너무 약하면 운동의 전달이 효과적으로 이뤄지지 않아 서, 연속적인 운동이 되지 못하고 비선형적인 구동이 되는 경우가 발생된다.At this time, if the total stress by the spring, that is, the compressive force is too strong and greater than the force generated by the operation of the piezoelectric actuator 20, the piezoelectric element 23 is impossible to drive. In addition, if the compressive force is too weak, the transmission of the movement is not effectively achieved, it is not a continuous movement occurs a non-linear drive occurs.

따라서 상기 압전 액추에이터를 설계하기 위해서는, 상기 제1 및 제2 고정 플레이트와 연결되는 스프링의 압축력을 사전에 조절하여 상기 압전 액추에이터(20)의 전응력을 조절한다는 단계가 필요하다.Therefore, in order to design the piezoelectric actuator, it is necessary to adjust the prestress of the piezoelectric actuator 20 by adjusting the compression force of the spring connected to the first and the second fixing plate in advance.

반대로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2분극영역(23b) 및 제3분극영역(23c)에 전류를 인가하면, 상기 압전 액추에이터(20)의 압전 소자(23)가 동일한 원리로 좌측으로 선형 이동하게 된다.On the contrary, as shown in FIG. 4, when a current is applied to the second polarization region 23b and the third polarization region 23c, the piezoelectric element 23 of the piezoelectric actuator 20 is moved to the left in the same principle. Linear movement.

제2 실시예Second embodiment

도 6의 (a)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터를 도시한 사시도이며, 도 6의 (b)는 상기 압전 액추에이터의 구동을 설명하기 위한 개념도이다. 이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터의 구조 및 동작을 설명한다. FIG. 6A is a perspective view illustrating a piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a conceptual diagram for explaining driving of the piezoelectric actuator. Hereinafter, the structure and operation of a piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 액추에이터(40)는 압전소자(43), 상기 압전소자(43)의 상부 면에 좌우로 대칭되도록 각각 고정 배치되는 제1 세라믹팁들(45), 상기 제1 세라믹팁들(45)과 연결되는 이동 플레이트(41), 상기 압전 소자(43)의 하부중앙에 고정 배치되는 제2세라믹팁(47), 상기 압전소자(43)의 좌우 측면에 각각 고정 배치되는 제3세라믹팁들(48), 상기 제2 및 제3 세라믹팁들과 연결되어 상기 압전 소자를 고정시키는 고정플레이트(49)를 구비한다. Referring to FIG. 6, the piezoelectric actuator 40 according to the second embodiment of the present invention may be fixed to the piezoelectric element 43 and the first ceramic tips respectively fixed to be symmetrical to the upper surface of the piezoelectric element 43. 45, a moving plate 41 connected to the first ceramic tips 45, a second ceramic tip 47 fixedly disposed at a lower center of the piezoelectric element 43, and the piezoelectric element 43. Third ceramic tips 48 fixedly disposed on the left and right sides thereof, and fixing plates 49 connected to the second and third ceramic tips to fix the piezoelectric elements.

상기 압전소자(43)는 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 제1실시예의 압전소 자(23)와 동일하게 구성되며, 상기 압전 소자(43)는 고정 플레이트(49)에 의하여 고정된다. The piezoelectric element 43 is configured in the same manner as the piezoelectric element 23 of the first embodiment of the present invention shown in Figs. 3 and 4, and the piezoelectric element 43 is fixed by the fixing plate 49. .

상기 이동 플레이트(41)는 상기 제1세라믹팁(45)으로 전응력을 가하며, 상기 고정플레이트(49)는 상기 제2세라믹팁(47) 및 제3 세라믹팁(48)에 의하여 상기 압전소자(43)를 고정하면서 상기 압전 소자로 전응력을 가하고 있다.The moving plate 41 exerts a prestress with the first ceramic tip 45, and the fixed plate 49 is connected to the piezoelectric element by the second ceramic tip 47 and the third ceramic tip 48. 43), a total stress is applied to the piezoelectric element.

여기서 상기 전응력은 상기 이동 플레이트(41) 및 고정플레이트(49)의 외측에 형성되어 있는 스프링(미도시)의 압축력을 이용하여 발생시키는 것이 바람직하다. In this case, the total stress is preferably generated using a compressive force of a spring (not shown) formed on the outside of the movable plate 41 and the fixed plate 49.

이하, 전술한 구성을 갖는 제2 실시예에 따른 상기 압전 액추에이터(40)의 동작을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the operation of the piezoelectric actuator 40 according to the second embodiment having the above-described configuration will be described in detail.

상기 압전 액추에이터(40)에 설정된 주파수의 전류를 인가하면 상기 압전소자(43)가 수축 팽창하고, 상기 설정된 주파수에서 두 가지 진동, 즉 종진동방향과 굴곡방향의 진동이 동시에 일어난다. 이 때에, 상기 압전소자(43)의 각각의 진동모드가 1차 종진동모드와 2차 굽힘모드가 되도록 상기 압전소자(43)의 구조를 설계하는 방법은 본 발명의 제1실시예와 동일하다.When the current of the set frequency is applied to the piezoelectric actuator 40, the piezoelectric element 43 contracts and expands, and at the set frequency, two vibrations, namely, longitudinal and bending vibrations, occur simultaneously. At this time, the method of designing the structure of the piezoelectric element 43 so that each vibration mode of the piezoelectric element 43 becomes the primary longitudinal vibration mode and the secondary bending mode is the same as that of the first embodiment of the present invention. .

도 6의 (b)를 참조하면, 상기 압전소자(43)가 진동하게 되면, 상기 제2세라믹팁(47)이 고정플레이트(49)의 스프링의 탄성력에 의하여 아래에서 위 방향으로 압축되어 있으므로, 상기 압전소자(43)에 고정된 제1세라믹팁(41)이 진동하게 된다. 그러면 자유단인 상기 이동 플레이트(41)가, 위에서 아래로 압축하는 스프링의 탄성력에 의하여, 좌우로 직선운동하게 된다. Referring to FIG. 6B, when the piezoelectric element 43 vibrates, the second ceramic tip 47 is compressed from below to above by the elastic force of the spring of the fixing plate 49. The first ceramic tip 41 fixed to the piezoelectric element 43 is vibrated. Then, the moving plate 41, which is a free end, is linearly moved from side to side by the elastic force of the spring compressed from the top to the bottom.

이 때에도 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 액추에이터에 있어서도, 상기 스프링의 압축력을 조절하여 상기 압전 액추에이터에서(40)의 전응력을 조절하는 단계가 필요하다.In this case, also in the piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention, it is necessary to adjust the total stress of the piezoelectric actuator 40 by adjusting the compression force of the spring.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 압전 액추에이터는, 종방향의 진동 및 굴곡방향의 진동의 공진모드들이 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되도록 하여, 압전 액추에이터의 변위를 더 확대시킬 수 있으며, 이로 인하여 더욱 빠르고 정확한 위치 제어가 가능하게 되는 이점이 있다.The piezoelectric actuator of the present invention configured as described above allows the resonance modes of the longitudinal vibration and the vibration in the bending direction to be generated by the current of the same frequency, thereby further expanding the displacement of the piezoelectric actuator, thereby making it faster and faster. The advantage is that accurate position control is possible.

또한, 본 발명의 압전 액추에이터는, 타원형 운동의 위상이 같아지는 절점에 변위확대기구인 세라믹팁을 배치함으로서, 선형 위치제어 모터에 적용할 수 있는 이점이 있다.In addition, the piezoelectric actuator of the present invention has an advantage that it can be applied to a linear position control motor by disposing a ceramic tip, which is a displacement expanding mechanism, at a node where the phase of the elliptical motion is the same.

또한, 본 발명의 압전 액추에이터 및 그 설계방법은, 2차 굽힘모드의 각 절점에서에 세라믹팁을 배치시킴으로써, 압전 액추에이터를 더욱 빠르고 정밀하게 제어할 수 있으므로, 원자현미경이나 반도체 공정의 노광 등에 적용시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, the piezoelectric actuator of the present invention and its design method can be controlled more quickly and precisely by disposing a ceramic tip at each node of the secondary bending mode, so that the piezoelectric actuator can be applied to exposure of an atomic force microscope or a semiconductor process. There is an advantage to this.

또한, 본 발명의 압전 액추에이터 및 그 설계방법은, 압전 액추에이터의 공진 모드 중, 2차 굽힘모드 및 1차 공진모드를 일치시킴으로서, 더욱 빠르고 정확한 압전 액추에이터를 구성하는 이점이 있다.In addition, the piezoelectric actuator of the present invention and a design method thereof have an advantage of constituting a faster and more accurate piezoelectric actuator by matching the secondary bending mode and the primary resonance mode among the resonance modes of the piezoelectric actuator.

Claims (11)

전기적 신호가 입력되면 굽힘방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태의 압전소자;A piezoelectric element of linear cantilever shape that vibrates independently in a bending direction and a longitudinal direction when an electrical signal is input; 상기 압전소자의 제1면에 고정 배치되되, 진동 모드의 위상(phase)가 같아지는 좌/우 절점에 각각 배치되는 제1 변위 확대기구;A first displacement expanding mechanism fixedly disposed on the first surface of the piezoelectric element, the first displacement expanding mechanism being disposed at left and right nodes where the phases of the vibration modes are the same; 상기 압전소자의 제1면의 반대되는 제2면에 고정 배치되는 제2 변위 확대 기구;A second displacement expanding mechanism fixedly disposed on a second surface opposite to the first surface of the piezoelectric element; 상기 제1 변위 확대기구에 고정 연결되어 상기 제1 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 제1 고정 플레이트;A first fixing plate fixedly connected to the first displacement expanding mechanism to provide total stress to the first displacement expanding mechanism; 상기 제2 변위 확대기구에 고정 연결되어 상기 제2 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 제2 고정 플레이트;A second fixing plate fixedly connected to the second displacement expanding mechanism to provide total stress to the second displacement expanding mechanism; 를 구비하고, 상기 압전 소자는 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. And the piezoelectric element has two resonance modes generated by current of the same frequency. 제1항에 있어서, 상기 압전 액추에이터는, 만약 상기 압전 소자에 전기적 신호가 인가되는 경우, 상기 제1 및 제2 변위 확대 기구들로 제공되는 전응력에 의하여 상기 압전 소자가 선형 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. The piezoelectric actuator of claim 1, wherein the piezoelectric element linearly moves by a total stress provided to the first and second displacement expanding mechanisms when an electrical signal is applied to the piezoelectric element. Piezo actuator. 전기적 신호가 입력되면 굽힘방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태의 압전소자;A piezoelectric element of linear cantilever shape that vibrates independently in a bending direction and a longitudinal direction when an electrical signal is input; 상기 압전소자의 제1면에 고정 배치되되, 진동 모드의 위상(phase)가 같아지는 좌/우 절점에 각각 배치되는 제1 변위 확대기구;A first displacement expanding mechanism fixedly disposed on the first surface of the piezoelectric element, the first displacement expanding mechanism being disposed at left and right nodes where the phases of the vibration modes are the same; 상기 압전소자의 제1면의 반대되는 제2면에 고정 배치되는 제2 변위 확대 기구;A second displacement expanding mechanism fixedly disposed on a second surface opposite to the first surface of the piezoelectric element; 상기 제1 변위 확대기구에 이동 가능하게 연결되어 상기 제1 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 이동 플레이트;A moving plate movably connected to the first displacement expanding mechanism to provide total stress to the first displacement expanding mechanism; 상기 제2 변위 확대기구 및 압전 소자에 고정 연결되어 상기 제2 변위 확대기구로 전응력을 제공하는 고정 플레이트;A fixed plate fixedly connected to the second displacement expanding mechanism and the piezoelectric element to provide total stress to the second displacement expanding mechanism; 를 구비하고, 상기 압전 소자는 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. And the piezoelectric element has two resonance modes generated by current of the same frequency. 제3항에 있어서, 상기 압전 액추에이터는, 만약 상기 압전 소자에 전기적 신호가 인가되는 경우, 상기 제1 변위 확대 기구에 타원형 궤적 운동이 발생하며, 상기 제1 변위 확대기구의 타원형 궤적 운동에 의하여 상기 이동 플레이트가 선형 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. The piezoelectric actuator of claim 3, wherein, when an electrical signal is applied to the piezoelectric element, an elliptic trajectory motion occurs in the first displacement expanding mechanism, and the elliptic trajectory motion of the first displacement expanding mechanism is performed. A piezoelectric actuator, characterized in that the moving plate moves linearly. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전소자의 2개의 공진 모드는 굽힘방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the two resonant modes of the piezoelectric element are a resonant mode of bending vibration and a resonant mode of longitudinal vibration. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 변위 확대기구는 세라믹칩인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the first and second displacement expanding mechanisms are ceramic chips. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 고정 플레이트 및 상기 제2 고정 플레이트는 외부에 스프링부와 연결되는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 및 제2 고정 플레이트가 제공하는 전응력은 상기 스프링부의 탄성력에 기인한 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. According to any one of claims 1 to 2, wherein the first fixing plate and the second fixing plate is characterized in that connected to the spring portion to the outside, the first and second fixing plate provided The stress is due to the elastic force of the spring portion, the piezoelectric actuator. 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동 플레이트 및 상기 고정 플레이트는 외부에 스프링부와 연결되는 것을 특징으로 하며, 상기 이동 플레이트 및 상기 고정 플레이트가 제공하는 전응력은 상기 스프링부의 탄성력에 기인한 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. According to any one of claims 3 to 4, The movable plate and the fixed plate is characterized in that connected to the spring portion to the outside, the total stress provided by the movable plate and the fixed plate is the spring portion A piezoelectric actuator characterized by the elastic force. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 소자는 압전 소자의 길이 또는 두께와 높이를 조절함으로써, 2개의 진동 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric element adjusts the length or thickness and height of the piezoelectric element so that the two vibration modes are generated by the current of the same frequency. . 소정의 길이, 두께, 높이를 가지며, 외부로부터 전기적 신호가 입력되면 굽힘 방향과 종방향으로 독립적으로 진동하는 선형 외팔보 형태로 이루어지며, It has a predetermined length, thickness, and height, and when an electric signal is input from the outside, it is made of a linear cantilever shape that vibrates independently in the bending direction and the longitudinal direction. 상기 길이를 조절하거나 상기 높이와 두께를 조절함으로써, 2개의 공진 모드가 동일한 주파수의 전류에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 압전 소자. By adjusting the length or adjusting the height and thickness, two piezoelectric modes are generated by current of the same frequency. 제10항에 있어서, 상기 압전 소자의 2개의 공진 모드는 굽힘 방향 진동의 공진모드와 종방향 진동의 공진모드인 것을 특징으로 하는 압전 소자. The piezoelectric element of claim 10, wherein the two resonance modes of the piezoelectric element are a resonance mode of bending direction vibration and a resonance mode of longitudinal vibration.
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