KR20000005033A - 압전(壓電) 액추에이터 또는 모터, 여기에 사용되는 방법 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기장의 영향을 받으면 형상을 변경하는 전기 기계적 재료를 포함하고, 그에 따라서 비공진의 간단한 단계들의 반복에 의하여 물체에 대한 작동이 생성되는 액추에이터 또는 모터를 개시한다. 액추에이터 또는 모터는 상기의 전기 기계적 재료에 집적된 전극을 갖는 적어도 하나의 단일체 모듈을 포함한다. 단일체 모듈은 적어도 하나의 수동부(1) 및 적어도 하나의 능동 소자(2)를 가지며, 그에 따라서 능동 소자/능동 소자들(2)에 가동체에 대한 적어도 두 개의 독립된 접점이 형성된다. 그 접점은 단일체 모듈의 수동부(1)에 대하여 적어도 두 개의 독립된 방향으로 서로 독립적으로 위치를 정할 수 있다. 단일체 모듈은 자체적으로 또는 기타와 결합하여 물체에 대한 동작을 생성한다. 본 발명은 또한 모듈을 구동하는 방법을 개시한다. 상기 방식의 액추에이터 또는 모터의 제조방법이 또한 개시되어 있다. 이 제조방법은 상기 전기 기계적 재료의 생소지에 기하학적 형상을 복제하는 것을 포함한다.

Description

압전(壓電) 액추에이터 또는 모터, 여기에 사용되는 방법 및 그 제조방법

선형(線形) 및/또는 회전 운동을 할 수 있는 종류의 모터로서, 크기 범위가 수 mm 이하인 고성능 모터에 대한 많은 수요가 있다. 이러한 종류의 모터는 때때로 고정밀도를 가지면서 구동력이 큰 것이 바람직하다. 이러한 종류의 신뢰성이 있고 염가인 모터는 예로써 사진기, 하드 디스크, CD 플레이어 등에 필요되기 때문에 유력한 시장은 매우 크다는 것을 알 수 있다. 또한 의료기구, 예로서 펌프의 분야에서도, 이러한 모터에 큰 관심을 갖는다.

현행 기술에는, 전기 기계적 재료에 의한 여러 가지의 장치가 존재한다. 전기 기계적 재료는 전기장에 의하여 영향을 받을 때 그 형상을 변경하는 흥미 있는 특성을 갖고 있다. 그러므로 베이스 플레이트에 고정된 전기 기계적 재료편은, 그 재료에 전기장이 인가될 때 그 재료의 고정되지 않은 표면을 움직인다. 이러한 동작, 수축 또는 팽창은 상이한 방식의 모터 또는 액추에이터의 구성에 사용할 수 있다.

1센티 미터의 크기 범위의 모터에 때때로 사용되는 기술은 소위 초음파 모터 기술이다. 동일한 종류의 모터에 때때로 사용되는 기타의 기술은 공진, 진동, 진행파(進行派) 또는 임팩트(impact) 모터 장치이다. 이러한 모터에서는, 일반적으로, 전기 기계적 재료는 그 자체 및 통상 금속 조각인 견고한 재료편에 공진 진동을 인가한다. 예로서 진행파(進行波) 모터에서 금속 블록의 돌출부를 타원형의 운동을 하게 하고, 이 돌출부에 접촉되어 있는 다른 물체는 이 운동에 따라서 움직이게 한다. 소형 모터로 가면, 동작이 너무 작고 제어할 수 없는 표면 형상 등에 의하여 제한되기 때문에 이러한 기술은 불리하다.

전기 기계적 재료에 의한 소형 모터에 대한 더욱 적절한 접근 방법은 고유 공진의 작용을 차단하는 장치를 사용하는 것이다. 이러한 모터에 대한 요구 조건을 만족시키는 큰 가능성을 갖는 한 가지 특별한 작동 원리는 인치웜(Inchworm^ⓡ) 방식의 모터이다(M. Bexell, A.-L. Tiensuu, J-A. Schweitz, J. Soderkvist, and S. Johansson, Sensors and Actuators A, 43 (1994) 322∼329). 자벌레(inchworm)와 유사한 방식으로 간단한 단계를 반복하여 작동이 이루어지므로 인치웜이라는 이름이 있다(The micromachining book. Fishers, NY: Burleigh Instruments, Inc.(1990)). 이러한 작동 원리는 본 출원 명세서의 이하 부분에서 상기의 초음파 기술과 구별되는 소위 “비공진 단계(non-resonance step)” 기술로서 언급한다. 전기 기계적 재료편은 또한 PZT(piezoelectric transducer; 압전 변환기)라고 부를 수도 있다.

이러한 작동 원리는 간단하다. 가동체는 가동체의 양쪽에 하나씩 있는 두 개의 갈고리(claw) 사이에 있다. 각 갈고리는 가동체에 실질상 평행인, 세로 축의 PZT 편을 포함하며 각 종단부에는 가로 축의 PZT가 존재한다. PZT는 금속체 위에 조립한다. 모든 가로 축의 PZT는 시작 위치에서 에너자이즈(energize)되어서 팽창하여 가동체를 잡고 있다고 가정하면, 두 개의 반대편 전면의 가로 축의 PZT는 재수축되면서 가동체의 파지(把持: gripping)를 느슨하게 한다. 전기장이 세로 축의 PZT에 인가되면 그 길이가 팽창하고, 또 이후에 전면의 가로 축의 PZT를 다시 팽창하게 하여 가동체를 새로운 위치에서 파지한다. 후방의 가로 축의 PZT는 가동체의 파지를 느슨하게 하여 세로 축의 PZT를 다시 수축할 수 있게 하고, 이후에 후방의 PZT는 다시 가동체를 파지한다. 이러한 사이클의 결과는 가동체가 두 개의 갈고리에 대하여 움직인다는 것이다.

상기 액추에이터의 동작의 제어에는 전자 제어 장치가 필요하다. 전자 장치는 상이한 PZT에 적절한 순서로 적절한 전압을 공급해야 한다. 이러한 전압의 공급 절차는 매우 신속하게 반복될 수 있으므로, 단계의 규모가 작음에도 불구하고 비교적 신속한 동작이 가능하다.

비공진 단계의 원리에 의한 기존 제품의 개발을 제한하는 어느 정도의 중대한 요소가 있다. 이러한 제한 사항 중에는 개별 작동 소자의 충분한 스트로크(stroke; 행정(行程), 이하 스트로크라고 한다)의 달성의 어려움, 및 시스템에서 고비용성이면서 고정밀을 요하는 소자와 기타 부품과의 조립에 대한 필요성의 어려움이 있다. 이러한 문제점 들에 대한 몇 가지 해결 방안이 요한슨(Johansson)의 스웨덴 특허 출원 제9300305-1호에 나와 있다. 적어도 두 개의 축의 운동 능력을 갖는 작동 소자를 사용함으로써 소자의 수가 감소되었다. 동시에 소자 내의 내부 지렛대(예; 바이모르프[bimorph])에 의한 운동 확대가 포함되어 있어서 설계에 큰 자유도를 준다. 이 아이디어에 따라서 소형 모터를 제작하였고 또 예측한대로 원하는 높은 토오크 및 운동 능력을 나타내는 것이 판명되었다(M. Bexell and S. Johansson, Transducers, Stockholm, Sweden (1995) 528 - News).

상기의 방안에 의하면, 다른 물체에 대한 동작은 하기의 방식으로 실행된다. 전기 기계적 재료로 된 네 개의 능동 소자를, 통상 실리콘으로 만든 수동 베이스 플레이트에 부착하고, 가동체는 돌출 능동 소자에 대하여 고정된다. 모든 소자는 베이스 플레이트 및 가동체 사이에서 확장하는 두 개의 수직으로 분할된 PZT 제어부를 포함한다. 전압을 인가하여 다른 부분이 아닌 PZT의 제1부분에 수평 방향으로 전기장을 걸면, 한 부분은 수직 방향으로 수축하려 하고, 동시에 다른 부분은 변경되지 않는다. 두 부분은 기계적으로 하나의 조각으로 통합되어 있기 때문에 이후 능동 소자는 활성부 쪽으로 구부러진다. 만일 두 부분 모두가 에너자이즈되면, 전체 소자가 수축하며, 제2의 PZT에만 전압이 인가되면 소자는 다른 방향으로 구부러진다. 상이한 부분에서 전압을 변동시킴으로써, 능동 소자 상부의 접점은 사방형(斜方形)의 영역(rhombic are) 내에서 임의의 경로를 따라서 이동한다. “접점”은 물론 수학적 의미에서의 점이 아니고, 실제적인 기하학 및 통상적인 힘에 의존하는 오히려 작은 접점 면적이며 이러한 표현은 본 설명에서 동의의 형태로 사용된다.

서로 잇따라 배열된 네 개의 능동 소자를 사용하여, 옆으로 움직이는 방향으로, 물체위에서 운동 작용이 실행된다. 제1 및 제3의 소자를 동상(同相)으로 움직이게 하고, 제2 및 제4소자를 이상(移相)으로 움직이게 함으로써, 상기와 유사한 비공진 단계 작동이 이루어진다.

이러한 모터는 현재 기지의 모든 소형모터(miniature motor) 중에서, 체적당 토오크가 가장 크다. 이러한 구성으로도 불리한 점이 있어서, 이것이 본 발명의 근원이다. 종래의 특허 출원에서, 모터는 예를 들면, 기판 위에 탑재된 능동 소자를 포함하고, 조립 방법으로서 일반적으로 납땜을 사용하였다. 이것은 상당히 시간을 소비하는 방법으로서 값이 비싸다. 그러나 모든 장치는 각 모터의 가격이 매우 낮은 것을 필요로 한다.

상기의 특허 출원은 2-축 운동 및 동시에 스트로크 확대 가능성을 얻기 위하여 바이모르프(bimorph) 또는 멀티바이모르프를 사용하였다. 단일 클램핑된 바이모르프의 불리한 점은 힘의 용량이 이상적인 지렛대에 비교해서 훨씬 감소되는 것이고, 이것이 힘에 대한 아무런 상당한 필요가 없을 때 이러한 방식의 소자가 위치 지정에 통상 사용되는 이유이다. 이중 클램핑된 바이모르프, 곡선형의 막(膜) 또는 아아치형의 구조는 미합중국 특허 제5,589,725호에 개시된 바와 같이, 주어진 스트로크 확대에 대하여 더욱 양호한 힘 용량을 갖는다. 그러나 이러한 지렛대 작용의 구조에 대한 완전하게 만족시키는 어떠한 설계도 아직 제시되지 않았다. 그것들은 너무 비싸서 생산할 수 없거나(예로서 조립 작업) 또는 성능이 불충분하다.

소형 모터에 대한 하나의 중요한 응용은 도뇨관(導尿管)(catheter) 방식의 기기(의료용)이다. 문제는 가늘고 긴 튜브의 형상의 제어방법이다. 튜브는 기기 그 자체이거나 또는 기타의 도뇨관 방식의 기기의 보조 기구이다. 직경 5mm 이하의 칫수의 튜브 방식 구조의 작동을 제어하는 방법은 몇 가지 제안 또는 예만이 존재한다. 모든 제안은 명백한 불리한 점을 갖고 있다. 작동이 너무 늦고, 튜브가 너무 약하거나, 또는 과도한 열을 발생한다.

종래에는 다층 구조의 압전 재료는 하기의 방식으로 제조된다. 압전 재료 분말 및 폴리머 결합제의 혼합물을 테이프 주조(tape casting)하여 그린 테이프(green tape)를 만든다. 금속 페이스트를 그린 테이프위에 스크린 인쇄하여 전극 패턴을 형성한다. 이렇게 만들어진 테이프를 적층하여 다층구조로 한 후에 이 구성물을, 첫째 폴리머의 연소, 둘째 소결(燒結)의 2단계로 열 처리하여 단일체 소자(monolithic unit)를 형성한다. 외곽의 형상은 가장 일반적으로 그린 상태에서 날카로운 쐐기로 절단하거나, 드릴링, 절단 및 펀칭 등의 기타 성형 기술도 함께 사용할 수 있다. 이어서 상이한 전극층에 대한 접속은 층에 직교하는 측면에 금속 페이스트를 인쇄하거나 또는 페인팅하여 소결함으로써 형성되고, 페이스트를 후속 열처리하여 금속을 형성한다.

소형 모터에 대한 장래의 주 응용 부분에서는 제조 비용이 염가이어야 한다. 종래의 미세 제조 기술은 오히려 비싸고 염가의 능동 부품을 만들기에는 아직 적합하지 않다. 주된 필요 사항은 전기 활성 재료에서의 패턴의 형성 및 층간의 전기적인 접속이다.

본 발명은 전기장(電氣場)의 영향을 받으면 그 형상을 바꾸는 전기 기계적 재료를 포함하는 소형 모터 및 액추에이터에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 간단한 단계의 반복으로써 타 물체에 대한 동작이 발생하는 모터 및 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 모터의 구동방법 및 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 육각형의, 단일체 구조의 바람직한 실시예.

도 2는 형상을 제어할 수 있는 튜브 형태의 실시예.

도 3은 연동의 내부 작동을 하는 동심(同心)의 내부 튜브를 포함하는 도 2의 변형 실시예.

도 4는 회전 및 선형 작동을 결합하도록 하는 실시예.

도 5는 주어진 스트로크 확대에 대하여 힘 용량을 개선하는 아아치형 구조.

도 6은 전기 활성 테이프의 형상을 형성하기 위한 압연 공정.

도 7은 전극층으로 피복된 전기 활성 재료를 가소적(可塑的)으로 변형한 테이프의 몇 가지 결과적인 구조.

도 8은 본 발명에 따라서 액추에이터를 제조하는 추가적인 방법.

도 9는 출발 재료로서 사용되는 필름 상태의 배치 구조.

본 발명의 하나의 목적은 비공진 단계의 원리를 사용하는 모터 또는 액추에이터를 제공하는 것으로서, 장치의 동작 정밀도를 유지하거나 개선하면서, 가능하면 소수의 개별 부품을 포함하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 이러한 모터 또는 액추에이터에 대한 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 더욱 소형화될 수 있는 모터 또는 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 큰 범위의 결합된 동작을 수행할 수 있는 모터 또는 액추에이터를 제공하는 것이다.

상기의 목적은 청구항 1에 의한 모터 또는 액추에이터에 의하여 달성된다. 액추에이터 또는 모터는 간단한 단계를 반복적으로 실행함으로써 작동이 이루어지는 운동 작용을 부여하는 전기 기계적 재료를 포함한다. 액추에이터는 전기 기계적 재료에 집적된 전극과 함께 적어도 하나의 단일체 모듈을 포함한다. 이 설명에서 “단일체”라는 용어는 열처리에 의하여 결과적으로 집적되는, 하나의 단일 집적체, 예로서 상이한 재료의 소결 블록을 대표하는 용어이다. 액추에이터는 가동체와 함께 적어도 두 개의 접점을 갖고 있으며, 접점의 위치는 단일체 모듈에서 수동부에 대하여 서로 간에 독립적으로 적어도 두 개의 독립된 방향으로 설정될 수 있다. 모듈은 그 자체로 또는 기타의 모듈과 결합하여 다른 물체를 움직이는 데에 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 제조방법은 전기 기계적 재료 등의 세라믹 본체에 복합적인 전극 배열을 형성하는 방법으로서, 이 방법은 전기 기계적 재료의 입자로써 기하학적 형상을 폴리머 테이프로 복제하는 방법을 포함한다. 이러한 복제 방법으로써 모듈의 3차원 패턴 형성을 구성할 수 있다.

모든 능동 소자를 집적하는 단일체 모듈을 개시하는 본 발명의 바람직한 실시예가 도 1에 예시되어 있다. 단일체 모듈은 보다 대형의 육각형 기계적 수동부(1) 및 능동 소자(2)로 설명할 수 있으며, 그것들은 모듈의 집약부이다. 그러므로 그것들은 함께 단일체 모듈을 형성하기 때문에 도 1에 나타낸 어떠한 부품도 떼어낼 수 없다. 능동 소자(2)는 모듈(도면에 나타내지 않은)에 대하여 움직이도록 되어 있는 물체의 표면과 접촉하거나 또는 적어도 표면의 부근에 있도록 배치된다.

각 소자(2)는 통상 다층의 구조인 전기 기계적 재료, 바람직하게는 압전 재료를 포함한다. 전기 기계적 재료는 그 양단에 인가되는 전기장에 반응한다. 전압의 인가에 대하여 형상의 변화를 더욱 크게 하기 위하여, 재료의 각 부분에서 전기장이 커야 한다. 층상(nonlayered) 재료의 경우에는 요구되는 전압이 높아야 하기 때문에, 전체의 구조 양단에 단일 전압을 인가하여야 한다. 층상(layered) 구조의 한 가지 이점은 특정의 전기장을 형성하는 데 필요한 전압이 낮아진다는 것이며, 이것은 예로서, 자동차 전자 공학에서와 같이 구조와의 매칭을 위하여 요구된다. 각 전극에 비교적 낮은 전압을 인가할 때, 국부적인 전기장은 큰 형상 변경에 충분한 정도로 아직 클 수가 있다.

이러한 층상 구조의 가능한 형태를 도 1의 상부에 나타내었고, 여기에 한 소자의 확대된 스케치가 나와 있다. 전기적인 접점(17Ⅰ∼17Ⅵ)은 전극(16Ⅰ∼16Ⅵ)에 연결되고, 접지 접점(17 0)은 도면에서 전기 기계적 재료 사이의 접지층(16 0)과 연결된다. 전기 기계적 재료는 실제로 투명하지는 않지만, 도면에서 그린 전기 기계 재료층은 명확하게 나타내기 위하여 투명한 체적으로 작성되어 있다. 전극, 접점 등을 포함하는, 확대 그림에서 나타낸 전체의 단편은 전체의 단일체 모듈의 통합부이다.

상기의 능동 소자(2)의 구성으로써, 각 능동 소자(2)를 독립된 세 방향으로 움직이게 할 수 있다. 모든 전극(17Ⅰ∼17Ⅵ)에 동일한 전압을 인가함으로써, 모든 능동 소자(2)는 그 높이를 연장하여, 즉 작동되는 물체에 대한 접점이 상향 이동한다. 예를 들면 전극(17Ⅰ 및 17Ⅱ)에 전압을 인가함으로써, 대응하는 전기 기계적 재료부는 높이를 연장하려고 하는 반면에 다른 부분은 변경되지 않는다. 도면에서, 이러한 상태는 능동 소자(2)를 내향(內向)으로 기울게 하여, 접점을 내향의 약간 상향으로 이동시킨다. 유사하게, 전극(17Ⅱ∼17Ⅳ)에 전압을 인가함으로써, 능동 소자(2)를 도 1에서 좌향으로 구부러지게 한다. 이러한 동작을 결합하여, 능동 소자(2)의 접점을 어떠한 한계내에서 임의의 방향으로 움직이게 할 수 있다.

따라서, 도 1에 예시한 전극 배열을 사용하여 소자의 상면을 기판에 대한 공간 내에서 임의의 방향으로 움직이게 한다. 예로서 도 1에서 A 및 B와 같이 배열된, 적어도 두 개의 독립된 능동 소자의 세트가 존재하면, 모듈은 비공진 단계의 기술 방식의 모터로써 쉽게 사용될 수 있다.

이러한 작동의 한 예는 회전 운동이다. 활성적이 아닐 때 각 소자(2)에 대하여 하나의 접점을 갖는, 능동 소자(2)의 상부에 작동될 물체가 놓여 있다고 가정하자. A 세트의 능동 소자를 연장함으로써 스테핑(stepping) 사이클이 시작하여, A 소자에 세 개의 접점만이 남는다. 이어서 A 세트의 소자는 이러한 방식으로 활성화되어, 육각 수동부(1)의 가장 가까운 모서리와 평행으로 모두 굽혀진다. 이어서 가동체는 모듈의 중심을 통과하는 축의 주위를 작은 각도로 회전한다. B 세트의 소자들은 가동체와 접촉되고 A 세트는 수축되어 펴진다. 이어서 B 세트를 굽히는 등의 사이클이 계속된다.

또한 어떤 방향으로 소자의 세트를 굽히는 것 대신에 선형 동작도 실행할 수 있다. 능동 소자의 평면 내에서 어떠한 임의의 동작도 이러한 방식으로 실행될 수 있다는 것이 쉽게 이해된다.

상기의 예에서, 소자는 일정한 전압 펄스에 의하여 구동된다고 가정하지만, 실제에 있어서는 일반적으로 기판에 대한 소자 접점의 타원 동작을 실행하기 위하여 모든 소자는 정현파 전압으로써 구동된다. 이어서 두 개의 세트 A 및 B는 일반적으로 약 180°벗어난 위상으로 회전한다. 각 소자에 대하여 적어도 두 개의 위상 이 있고, 도 1에서의 간단한 배열은 전극(Ⅰ 및 Ⅵ)을 하나의 정현파로써, 또 전극(Ⅲ 및 Ⅳ)을 다른 파형으로써 구동하고자 하는 것이다. 접점이 적절한 타원 동작을 하게 하기 위해서는 이러한 파형은 약 90°위상 전이되어야 한다. 물론 비공진 단계 기술에 의한 동작을 실행하기 위하여 능동 소자에 전극을 배열하고, 접점에 전압을 인가하는 수 많은 방법이 있다.

실질적인 전자 부문은 종래의 방법에 따라 구성될 수 있으므로 본 신청서에서는 더 이상 논의하지 않는다.

또한, 위상 전이 전압 및 여러 가지 센서(예 : 힘 및 위치) 피드백을 발생하는 제어 관련 장치와 통신 관련 장치를, 집적된 또는 거기에 부착된 모듈에 통합하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 하나의 단일체 단편으로서 특별하게 구성된 전기 기계적 액추에이터 모듈을 이용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 액추에이터는 도뇨관 방식의 의료 기기에 유용하게 사용된다. 제어 및 통신 관련 전자 장치가 모듈 안에 집적된다고(또는 탑재된다고) 가정하면, 예로서 도 2에 나타낸 배열은 선행기술의 문제점을 해결한다. 이 배열은 본 발명에 의한 다수의 모듈을 포함하며, 전체 모듈(1)은 일반적으로 배면(背面)이 기울어진 쐐기(wedge) 형으로 되어 있다. 쐐기 형상은 모듈 그 자체이거나, 또는 자유의 또는 모듈에 탑재된 별개의 장치일 수도 있다. 또한 쐐기형 장치 사이에 또는 쐐기형 장치로서 탄성 재료 또는 탄성 구조(예 : 스프링 방식의 구조)를 사용하는 것이 편리하다.

다수의 상이한 동작 모드는 이러한 배열로서 용이하게 얻을 수 있다. 만일 모듈이 서로에 대하여 회전한다면, 전체의 배열이 기울어지는 작용이 일어난다. 이것은 하나의 모듈의 회전 동작이, 회전하는 모듈 까지의 거리에 대한 반경이 쐐기의 각도에 해당하는 원형의 경로를 따라서, 상기에 배열된 모듈을 운반하는 것을 의미한다. 명확한 예는 상기 회전 모듈의 배열이 선형인 경우이다. 이러한 경우 이 배열의 상부는 원추형의 면이 후속한다.

함께 동작하는 두 개의 모듈은 기울어짐이 없는 회전을 발생시킬 수 있다. 이것은 쐐기 각도가 서로 보상하도록 두 개의 쐐기를 반대 방향으로 배열함으로써 얻어진다. 이러한 방식으로 도 2의 배열에서 회전 동작이 더욱 이동될 수 있다.

이러한 시스템의 조립을 위한 한 가지 방안은 쐐기를 포함하는 모듈을 벨로우(bellow) 형의 튜브(4)로 둘러 싸는 것이다. 튜브는 많은 모듈 간의 통상적인 힘을 발생함과 동시에 보호 덮개 및 전기적 접속의 역할을 한다.

모든 모듈은 직렬 통신 버스(예 : 2∼4 전기 와이어)에 연결되어 모듈 간의 전기적 접속 수를 감축할 수 있다.

다른 훌륭한 도뇨관 설계는 도 3에 예시한 바와 같이, 구형(球形)의 접촉면을 갖는 모듈을 사용하는 것이다. 구형의 접촉면(5)은 어떠한 기울어짐도 없이 바로 옆의 모듈에 대하여 각 모듈을 회전시킬 수 있게 한다. 또한 3축의 능동 소자를 사용하면 각 개별 모듈을 어느 방향으로든지 기울일 수 있다. 이것은 도 1에 관련하여 설명된 선형 동작에 해당한다. 도뇨관은 도 2의 종전의 설계와 비교하면 더욱 유연하다. 그러나 쐐기 형의 설계는 제조하기가 훨씬 쉬워서, 어떤 응용에서는 이점이 될 수 있다. 또한 예를 들어 도뇨관의 작업단을 통하여 액체를 송출입할 필요가 있다. 이것은 도 3의 모듈 가운데의 튜브(6)로써 실행할 수 있다. 만일 어떤 거리 만큼 떨어져 있는 두 개의 수축된 튜브(7)가 동시에 작동한다면, 연동형(peristaltic type) 방식의 액체 송출 방법을 구성할 수 있다. 수축은 모듈을 사용하여 튜브 회전 또는 당김으로써 이루어진다. 어떤 작동 계획에 따라 개별 모듈을 작동시킴으로써, 배열을 따라서 이러한 수축 작용을 할 수 있고, 만일 두 개의 수축 작동이 함께 작용하면, 배열의 중심을 통하여 그 사이에 둘러 싸인 체적이 형성된다.

고성능의 응용 중에서 예를 들면, 고속의 고정밀도 장비에서 선형 작동이 있다. 이러한 하나의 설계는 도 4에 나와 있고, 고정자(固定子) 구조물(8) 안에 조립된 세 개의 모듈을 포함한다. 고정자 구조물은 스프링 방식의 소자(9)로써 회전자(回轉子)(10)에 대하여 반지름 방향의 힘을 생성하는 구조를 갖는다. 만일 모듈안의 능동 소자가 도면에 나타낸 바와 같이 3축 동작을 하도록 되어 있다면, 축 방향의 동작 및 회전자의 회전 모두 실행될 수 있다. 확대한 모듈에 나타낸 바와 같이, 네 개의 능동 소자가 두 개의 세트에 분배되어 있다. 이것은 모터의 두 개의 다른 모듈에 대해서도 또한 이렇게 되어 있다. 이러한 두 개의 능동 소자의 세트는, 도 1에서의 설명과 유사하게, 비공진 단계 원리의 작동과 유사하게 붙잡는 갈고리를 형성한다. 만일 각 세트의 능동 소자가 동작 중에 정접(正接) 방향으로 굽혀진다면, 결과적인 회전자의 동작은 회전이 된다. 만일 각 세트의 능동 소자가 동작 중에 축 방향으로 굽혀진다면, 결과적인 회전자의 동작은 축 방향의 병진(竝進) 동작이 된다. 물론 이러한 두 가지 동작 모드는 모듈의 능동 소자를 두 가지 순수한 운동 사례의 사이의 방향으로 굽혀지게 함으로써, 동시에 결합될 수도 있다.

단순한 회전 모터는 도 1의 내용과 유사한 두 개의 스프링이 장착된 구조를 사용하여 유사한 방법으로 구성할 수 있다. 가장 간단한 형태에서 두 개의 단일체 모듈의 접점은 클램핑 스프링 구조물로써 평면형 회전자 디스크의 양면에 눌려진다. 만일 예로서 단일체 모듈을 통하여 구멍이 뚫리면, 회전자 디스크에 연결된 회전자 축은 중심에서 모듈에 직교적으로 통과할 수 있다.

모듈에 의하여 움직여지는 물체는 실제로 마찰 형태의 힘에 의하여 움직여진다. 이러한 힘을 형성하기 위하여, 모듈을 향한 어느 정도의 통상적인 힘이 필요하다. 고정자 및 회전자 사이에서, 즉 모듈 및 모듈에 대하여 움직여지는 물체 사이에서 동작을 일으키는 데에 필요한 힘은 다수의 방법으로 형성된다. 모든 형태의 힘, 즉, 중력, 자력(磁力), 정전력(靜電力), 분자력, 원자력, 점력(粘力)이 사용될 수 있다. 스프링의 탄성력은 많은 응용에 있어서 물론 매력적이지만 영구 자석의 사용은 비용적으로 가장 효율적인 방법의 하나이다. 모듈에 대해서 가동체를 누르는 모든 기계 장치는 탄성 스프링에 의한다고 알고 있다. 이러한 스프링은 통상적으로 주위를 둘러 싸는 재료를 포함하지만, 탑재시에 어느 정도의 노력을 필요로 하기 때문에 이러한 방안은 비용적으로 덜 효율적이다.

모듈에서 이러한 능동 소자의 동작 범위는 극히 중요한 변수이다. 제조상의 정밀도 및 정확도에 관하여는 매우 큰 동작 범위가 필요된다. 도 1에 나타낸 소자의 구성은 특정의 모터 크기에 대해서는 충분할 수도 있으나, 모터가 더욱 소형화될 때는 어떤 스트로크 확대 메카니즘을 사용하여야 한다.

그러나 종래 기술에 의한 장치에서 어느 정도의 스트로크 확대 노력이 있었으나 매우 불충분하다. 도 5에 개략적으로 나타낸 지렛대 구조는 이러한 모든 문제점을 해결한다. 그것은 베이스 장치로서 반대 방향으로 된 두 개의 아아치(12)로 배열된 아아치형 구조를 포함하는 단일체 물체이다. 아아치는 일반적으로 전극층을 갖는 전기 활성 재료로 구성되며, 주어진 인가 전압에 대하여 하나의 아아치는 그 곡률(曲率)을 증가시키고 다른 아아치는 그 곡률을 감소시키는 그러한 방식으로 연결된다. 이러한 방식에서는 전체가 수직 방향으로 확대하고 수평 방향의 힘(14)은 그것에 대하여 보상된다. 수평 방향의 힘은, 예로서, 곡률 변경을 실행하는 수평 형상의 변경 때문이다. 하나의 아아치는 그 곡률을 감소시키고 다른 아아치는 그 곡률을 증가시키므로 결과적인 힘은 수평 방향으로 반대의 부호를 가지며, 따라서 각 베이스 장치 내에서 보상된다. 모듈에서 전극을 잘 배치하면 3축 동작이 달성된다. 예를 들면, 각 아아치에서 전극 면적은 단일체 모듈(1)의 능동 소자(2)와 유사하게 나누어질 수 있고 힘의 이동 및 변위에 사용되는 중앙부는 또한 수평 방향으로 움직일 수 있게 된다. 아아치들 사이의 체적은 비어 있거나 또는 적합한 탄성 재료로 채워진다. 고무 등의 탄성 재료는 예를 들면 액추에이터 성능의 실질적인 손실 없이 과부하에 대한 보호 역할을 한다.

본 발명에 따라서 단일체 모듈의 제조방법이 개시된다. 본 방법에서 물론 내부의 공간 또는 유사한 것을 포함하는 최종의 형상으로 단일체 모듈을 직접적으로 형성하고자 하는 욕구가 있다. 도 6 내지 도 9에 이러한 문제점을 해결하기 위한 몇 가지 가능한 처리 기술이 기재되어 있다. 도 6에서는 기하학적 형상(19)의 롤러(18)가 이러한 형상들을 전기 기계적 재료(15)에 복제하는 데에 사용된다. 롤러에 대한 다른 방법은 다소 저속의 스탬핑(stamping) 공정을 사용하는 것이고, 이 방법은 공구 제작에 있어서 더 싸다는 이점이 있다. 복제 공정에 의하여 제조된 형상은 주로 전극층의 형성 및 그린 상태에서의, 즉 열처리 전의 층간의 접속에 사용된다. 복제 기술의 기타 사용은 배치에 대한 보조, 및 이하에 추가로 설명되는 공간 체적을 형성하는 것이다. 실제의 적용에 따라서, 테이프는 상기의 복제 이전에 도 7에 나타낸 전극층(16)으로 피복될 수도 있다. 만일 테이프가 한 면 또는 양 면위에 전극층(16)으로써 피복되면, 이어서 도 7의 압연 공정에 의해서 전극의 패턴 형성이 직접적으로 이루어진다. 전극층은 테이프의 가소성(可塑性) 변형에 의하여 나누어져서, 도 1에 나타낸 별개의 전극 면적이 된다. 예를 들어 압전 재료 입자를 갖는 폴리머 테이프의 상부에의 전극 패턴 형성은 종래 기술에 의한 표준 식각(蝕刻) 기술로서는 통상적으로 어렵고, 본 발명에 의한 방법은 이러한 문제를 훌륭하게 해결한다.

또한, 층간의 전기적 접속은 테이프의 가소성 변형에 의해서 구멍(20)을 형성함으로써 이루어진다. 도 7에서 구멍(20)의 벽면은 아직 전극 재료로써 피복되어 있고 두 층간에 전기적 접속이 형성된다. 또 다른 방법으로서, 상기의 방법으로 형성된 구멍은 전기 도전성 페이스트로써 채워질 수도 있다. 이러한 방법으로 전기적인 접속이 수평적으로 뿐만이 아니라, 또한 모듈을 통하여 수직적으로도 형성된다. 전기적 접속을 형성하는 다른 방법은 요구되는 전기적 접속을 달성하기 위한 가소성 변형과 함께 압연(도 8 참조), 폴딩(folding), 트위스팅(twisting) 등을 사용하는 것이다. 전기 기계적 재료에 의한 액추에이터의 제조에 있어서, 시간 소모적이고 총체적으로 제한적인 처리 단계의 하나는 층간의 전기적 접속이다. 두 개의 상이한 평행적인 층이 접기 그 자체로 접속되는 간단한 폴딩 공정은, 이러한 층 사이를 연결할 필요가 없기 때문에 특정의 응용에 있어서 이러한 문제를 해결한다. 전기 활성 재료로 된 폴리머 테이프의 압연 및 트위스팅 공정은 구멍을 형성하지 않고 상이한 층간의 전기적 접속을 형성하는 기타의 방법이다.

이후의 처리 단계는 이들 층을 적층하여 열처리에 의하여 단일체 장치 또는 모듈을 제조하는 것이고 그 방법은 원래 공지된 것이다. 그러므로 이러한 단계는 본 명세서에서 추가로 설명하지 않는다.

내부의 공간 체적(또는 적합한 재료)은 비전기 활성적인 재료를 갖는 층을 포함함으로써 형성될 수 있다. 이러한 층은 복제 단계 전후 및 적층 단계 동안에 도입된다. 복제에 의하여 상이한 구조의 폴리머 체적이 형성된다. 열 처리, 더욱 상세하게는 종래의 연소처리 동안에, 예를 들면 폴리머 재료가 없어진다. 따라서 복제 기술을 이용하여 패턴이 형성된 폴리머 층을 도입함으로써 공간 체적이 형성된다.

모듈 등의 능동 소자의 상부에 적합한 외부의 마찰 층은 동일한 방식으로 포함될 수 있다. 능동 소자의 외부는 가동체와 기계적으로 접촉하는 모듈의 부분이기 때문에, 이것들은 마찰 효과에 노출되는 모듈의 유일한 부분이다. 그러나 운동 작용이 어떤 마찰에 종속되기 때문에 어떤 종류의 접촉이 있어야 한다. 이어서 내마모성 등을 개선하는 한 가지 방법은 능동 소자의 최외곽 부분을 외부 마찰층으로써 피복하는 것이다. 이러한 층은 또한 내마모성 재료층을 하나 또는 몇 개의 층을 최종의 전기 기계적 층의 상부에 추가함으로써 본 발명에 의한 제조방법에 쉽게 도입된다. 마찰층은 이후에 소결 공정 동안에 모듈 속에 집적된다.

제조 과정에서 한 가지 어려운 단계는 열 처리 전에 상이한 적층을 배열하는 것이다. 전체적인 정밀도는 ㎛의 차원 안에 있어야 하기 때문에 해당되는 정밀도는 배열 과정 중에 이루어져야 한다. 만일 특정의 배열 구조(21), 예로서 구멍 안의 쐐기 못(peg)이 또한 필름에 복제된다면, 적층 동안의 배열은 매우 단순화될 수 있다. 도 9로부터 기하학적인 구조는 배열 과정에 도움이 되는 것을 알 수 있다. 도 9에서 연속적인 세 개 층의 특정의 기하학적인 모서리는 21A∼21F로 표시되어 있다. 돌출 모서리(21A, 21B 및 21E)는 아래에 있는 층의 요부(凹部) 모서리(21C, 21D 및 21F)에 각각 대응한다. 이러한 층을 각각의 상부에서 위치 설정할 때, 이러한 모서리는 서로 맞추어져서 층이 정확하게 배열되도록 가이드한다.

Claims (35)

1. 전기장의 영향을 받으면 형상을 변경함으로써 비공진의 간단한 단계들의 반복에 의하여 물체에 대한 작동이 생성되는 전기 기계적 재료를 포함하는 액추에이터 또는 모터에 있어서, 상기 액추에이터 또는 모터는 상기의 전기 기계적 재료에 집적된 전극을 갖는 적어도 하나의 단일체 모듈을 포함하고, 상기의 단일체 모듈은 적어도 하나의 수동부(1) 및 적어도 하나의 능동 소자(2)를 가지며, 그에 따라서 적어도 하나의 능동 소자(2)에 상기 물체에 대한 적어도 두 개의 독립된 접점이 형성되어, 그 접점은 상기 단일체 모듈의 상기 수동부(1)에 대하여 적어도 두 개의 독립된 방향으로 서로 독립적으로 위치를 정할 수 있어서, 상기의 단일체 모듈이 그 자체로 또는 기타와 결합하여 상기의 동작을 생성하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기의 접점은 상이한 능동 소자(2)에 위치하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기의 접점은 단일체 모듈의 상기 수동부(1)에 대하여, 독립된 세 방향으로, 서로 독립적으로 위치를 정할 수 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
4. 제1항에 있어서, 단일체 모듈의 상기 접점은 상기 단일체 모듈 또는 부착된 장치의 베이스 평면에 대하여 경사진 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
5. 제4항에 있어서, 상기 물체는 쐐기(wedge) 형상인 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
6. 제5항에 있어서, 상기 물체는 탄성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
7. 제5항에 있어서, 상기 물체는 탄성 구조인 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
8. 제1항에 있어서, 상기 단일체 모듈의 구형(球形)의 접점 구조를 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
9. 제4항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기의 단일체 모듈 간의 통상적인 힘을 생성하는 데에 사용되는 벨로우(bellow) 형상의 튜브를 특징으로 하는 액추에이터, 또는 모터.
10. 제1항에 있어서, 상기 단일체 모듈은 상기 물체에 대해 압압(押壓)되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
11. 제10항에 있어서, 상기 단일체 모듈은 상기 물체에 대하여 중력, 정전력, 분자력, 원자력 또는 점력에 의하여 압압되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
12. 제10항에 있어서, 상기 단일체 모듈은 상기 물체에 대하여 자력(磁力)에 의하여 압압되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
13. 제10항에 있어서, 상기 단일체 모듈은 상기 물체에 대하여 스프링 탄성력에 의하여 압압되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
14. 제1항에 있어서, 다수의 단일체 모듈을 포함하는 액추에이터 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기의 단일체 모듈 간의 통상적인 힘을 생성하는 데에 사용되는 벨로우 형상의 튜브(4)를 특징으로 하는 액추에이터 시스템.
16. 제14항에 있어서, 액체 등의 이송에 사용되는 중앙의 튜브(6)를 특징으로 하는 액추에이터 시스템.
17. 제1항에 있어서, 적어도 두 개의 단일체 모듈을 포함하는 액추에이터 시스템으로서, 상기 모듈의 능동 소자는 상기 물체(10)의 적어도 두 개의 축 동작에 사용되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 시스템.
18. 제1항에 있어서, 삼차원의 공동(cavity)이 상기 단일체 모듈에 일체로 형성되어, 내부 지렛대 작용을 생성하고, 공동은 비어 있거나 또는 적절한 재료로써 채워져 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
19. 제18항에 있어서, 상기 단일체 모듈의 베이스 장치는 두 방향 또는 세 방향으로 구부러진 구조(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
20. 제18항에 있어서, 상기의 내부 지렛대 작용은 적어도 두 개의 종단부에 고정되는 아아치 형의 구조(12)에 의한 것으로서, 힘 및 변위 이동이 본질적으로 상기의 아아치 형 구조(12)의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
21. 제19항에 있어서, 상기의 내부 지렛대 작용은 곡면의 막(膜) 또는 판(板) 구조를 사용하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
22. 제18항에 있어서, 상기의 공동은 고무 등의 재료로써 채워지는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
23. 선행의 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단일체 모듈은 또한 위상 전이 전압과 여러 가지 피드백을 생성하는 전자 제어 장치 및 예로서 힘과 위치를 측정하는 센서의 전자 통신 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터.
24. 전기장의 영향을 받으면 형상을 변경하는 전기 기계적 재료로 되어 있는 액추에이터 또는 모터를 간단한 단계들의 반복에 의하여 작동시키는 단계를 포함하는 액추에이터 또는 모터의 구동방법에 있어서, 상기의 작동 단계는 적어도 하나의 단일체 모듈을 자체적으로 또는 기타의 단일체 모듈과 결합하여 구동시키는 추가적인 단계를 포함하고, 상기 단일체 모듈은 상기 전기 기계적 재료에 일체로된 전극을 가지면서, 상기 단일체 모듈의 수동부에 대하여 적어도 두 개의 독립된 방향으로 서로 독립적으로 위치를 정할 수 있는 적어도 두 개의 독립된 접점을 갖는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터의 구동방법.
25. 제24항에 있어서, 적어도 하나의 단일체 모듈의 구동으로써 회전 동작을 경사된 동작으로 전환하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터의 구동방법.
26. 제24항에 있어서, 적어도 두 개의 단일체 모듈을 작동하는 상기 단계는 중앙의 튜브에서 액체를 이송하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터의 구동방법.
27. 제26항에 있어서, 상기의 이송 단계는 상기의 단일체 모듈에 의하여 제어되는 수축의 이동으로 인한 연동동작에 의하여 실행되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터의 구동방법.
28. 전기장의 영향을 받으면 형상을 변경하는 전기 기계적 재료로 된 액추에이터 또는 모터의 제조방법으로서, 전기 기계적 재료에 복합적인 전극 배열을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 있어서, 상기 방법은 기하학적인 형상을 상기 전기 기계적 재료의 생소지에 복제하는 것을 포함함을 특징으로 하는 액추에이터 또는 모터의 제조방법.
29. 제28항에 있어서, 상기의 복제 단계에 앞서 상기의 전기 기계적 재료를 전극층으로써 피복하는 단계를 특징으로 하는 제조방법.
30. 제28항에 있어서, 기하학적인 형상을 상기의 생소지에 복제하는 단계로서, 상기 기하학적 형상이 하나의 생소지를 다른 생소지의 정렬에 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
31. 제28항에 있어서, 상기의 복제 단계로써 상기의 생소지에 층간의 전극 접속을 위한 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
32. 제28항에 있어서, 가소성 변형 공정으로써 전극층을 접속하는 단계를 특징으로 하는 제조방법.
33. 제28항에 있어서, 상기의 복제 단계는 비전기 활성적 재료층의 형성을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
34. 제28항에 있어서, 외부 마찰층의 형성 단계를 특징으로 하는 제조방법.
35. 제28항에 있어서, 상기의 복제 단계는 공간 체적의 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.