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WO2019103411A1 - 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법 - Google Patents

압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2019103411A1
WO2019103411A1 PCT/KR2018/014153 KR2018014153W WO2019103411A1 WO 2019103411 A1 WO2019103411 A1 WO 2019103411A1 KR 2018014153 W KR2018014153 W KR 2018014153W WO 2019103411 A1 WO2019103411 A1 WO 2019103411A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
piezoelectric
piezoelectric actuator
driving
level
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/014153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박성철
이승환
이유형
박완
Original Assignee
주식회사 모다이노칩
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
Priority claimed from KR1020180096221A external-priority patent/KR20190058274A/ko
Application filed by 주식회사 모다이노칩 filed Critical 주식회사 모다이노칩
Publication of WO2019103411A1 publication Critical patent/WO2019103411A1/ko

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for driving a piezoelectric actuator, and more particularly, to an apparatus and method for driving a lead-free piezoelectric actuator.
  • Piezoelectric material generates a piezoelectric effect in which a voltage is generated when a pressure is applied and an inverse piezoelectric effect in which a volume or a length is increased or decreased due to a pressure change in the piezoelectric material when a voltage is applied.
  • Piezoelectric vibration devices are widely employed in various electronic devices such as mobile phones, portable multimedia players (PMPs), game machines, and the like, by using the inverse piezoelectric effect.
  • a piezoelectric vibrating device used in a mobile phone or the like can be used as a haptic feedback means that responds to a touch of a user as vibration.
  • Tactile feedback is a tactile sensation that can be felt by a user's pinger tip (fingertip or stylus pen) when touching an object.
  • the tactile feedback means is a means for displaying a dynamic characteristic (such as a vibration transmitted through a finger when touching a button, a tactile sensation, etc.) in response to a touch of an actual object such as a button when a human touches a virtual object And operation sound) can be reproduced. Therefore, the piezoelectric vibrating device needs to provide sufficient vibration force to enable a person to perceive vibration through a tactile sense.
  • PZT Pb (Zr, Ti) O 3
  • d33 high piezoelectric coefficient
  • Pb lead-free piezoelectric ceramics which do not use lead have been studied.
  • PZT can be shrunk and expanded by being able to be polarized, but the Pb-free piezoelectric material is difficult to be polarized and can only shrink or expand.
  • the actuator using the Pb-free piezoelectric material must be driven in a different manner from the actuator using the PZT.
  • the present invention provides an apparatus and method for driving a piezoelectric actuator using a lead-free piezoelectric material.
  • the present invention provides an apparatus and method for driving a lead-free piezoelectric actuator capable of improving driving characteristics.
  • a piezoelectric actuator driving apparatus including: a driving signal generator for generating a first driving signal for driving a piezoelectric actuator; A level detector for detecting a level of the piezoelectric actuator; A signal regulator for generating a control signal for regulating the first driving signal according to a detected level; And a signal combining unit for adjusting the first driving signal according to the control signal to output a second driving signal.
  • the piezoelectric actuator includes a lead-free piezoelectric actuator.
  • the drive signal generator generates a first drive signal having an amplitude of - from +.
  • the level detecting unit detects at least one of vibration acceleration, voltage, and power consumption of the piezoelectric actuator.
  • the signal combining unit generates a second driving signal having an amplitude of 0V or more.
  • a control unit for comparing the detection level of the piezoelectric actuator with a reference level.
  • the controller controls the signal generator to adjust the level of the first driving signal.
  • a piezoelectric actuator driving method comprising: generating a first driving signal to drive a piezoelectric actuator; Detecting a level of the piezoelectric actuator; Generating a second driving signal by adjusting the first driving signal according to a level of the piezoelectric actuator; And driving the piezoelectric actuator using the second drive driving signal.
  • the piezoelectric actuator includes a lead-free piezoelectric actuator.
  • the first drive signal has an amplitude from - to +.
  • the level of the piezoelectric actuator includes vibration acceleration, voltage, and power consumption.
  • the second driving signal has an amplitude of 0V or more.
  • a lead-free piezoelectric actuator can be driven by a first drive signal generated by a drive signal generator, and an output level of a lead- And may be driven by a second driving signal generated by a combination of the signal and the first driving signal. That is, the lead-free piezoelectric actuator can be driven by the first drive signal if the level of vibration acceleration, power consumption, etc. is greater than or equal to the reference level, and driven by the second drive signal if the level is lower than the reference level. Also, even when the level of the piezoelectric actuator is lower than the reference level even after the second driving signal is applied, the piezoelectric actuator can be driven by generating the third driving signal at a higher level than the second driving signal.
  • FIG. 1 to 5 are views for explaining a piezoelectric vibrating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 are a perspective view and a cross-sectional view, respectively, according to an embodiment of the piezoelectric element used in the present invention.
  • FIGS. 8 to 10 are hysteresis curves of a flexible piezoelectric material and a non-ferroelectric material.
  • 11 and 12 are graphs showing characteristics of a lead-free piezoelectric material according to an applied voltage.
  • FIG. 13 and 14 are block diagrams for explaining a piezoelectric actuator driving apparatus according to embodiments of the present invention.
  • 15 to 21 are graphs of changes in vibration acceleration and power consumption according to variations in driving voltage according to the experimental examples of the present invention.
  • FIG. 22 is a flowchart for explaining a driving method of a piezoelectric actuator according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is an assembled perspective view of a piezoelectric vibrating apparatus according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is an exploded perspective view
  • 3 is an exploded sectional view
  • Fig. 4 is a partial perspective view
  • 5 is a schematic view according to various embodiments of a partial region of the piezoelectric vibrating apparatus.
  • 6 and 7 are a perspective view and a cross-sectional view, respectively, of an example of a piezoelectric element used in the present invention.
  • a piezoelectric vibrating apparatus includes a case 1000 provided with a predetermined space therein, a piezoelectric vibrator 120 provided in an inner space of the case 1000, A weight member 3000 provided in the inner space of the case 1000 and coupled to a part of the piezoelectric vibrating member 2000 to amplify the vibration of the piezoelectric vibrating member 2000, And a fixing member 4000 provided in at least one region of the member 2000 to fix the weight member 3000.
  • the case 1000 may include a lower case 1100 and an upper case 1200 and may have a predetermined space therein. That is, the lower case 1100 and the upper case 1200 are coupled to each other to form the outer shape of the piezoelectric vibrating device, and a predetermined space can be provided therein.
  • the lower case 1100 is provided below the piezoelectric vibrating member 2000 so that at least a part of the piezoelectric vibrating member 2000 is received in the inner space.
  • the lower case 1100 may have a first length that is opposite to the longitudinal direction (i.e., X direction) so that the inner space may be provided along the shape of the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 And both sides opposite to each other in the width direction (i.e., the Y direction) perpendicular to the first direction have a second length, and the first length is longer than the second length.
  • the lower case 1100 may be formed to extend at a predetermined height from at least two sides in the longitudinal direction (i.e., the Z direction). That is, the lower case 1100 may include a substantially rectangular flat portion 1110 and at least one side portion 1120 extending upward from at least two sides of the flat portion 1110. The flat portion 1110 is spaced apart from the piezoelectric vibrating member 2000 by a predetermined distance and can cover the lower side of the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the side portion 1120 may extend upward from at least two regions of the edge of the flat portion 1110.
  • the side surface portion 1120 may extend upward from the long side edge of the flat surface portion 1110.
  • the side surface portion 1120 may extend upward from the four edges of the flat surface portion 1110.
  • at least one region may be formed at a different height.
  • the long side of the side portion 1120 may be formed higher than the short side formed at the short side. Even if the side portion 1120 is manufactured in various shapes, it can be combined with the upper case 1200 to cover the side.
  • the length of the flat portion 1110 may be shorter than the length of the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the piezoelectric vibrating member 2000 may be longer than the length of the lower case 1100, so that at least a part thereof may be exposed to the outside of the lower case 1100.
  • the piezoelectric vibrating member 2000 may be provided to be shorter than the length of the lower case 1100, and may be completely accommodated in the lower case 1100.
  • the shape of the lower case 1100 can be variously modified.
  • the upper case 1200 is provided on the upper side of the weight member 3000 and accommodates therein a weight member 3000 and accommodates at least a part of the piezoelectric vibrating member 2000. That is, the weight member 3000 may be provided in the upper case 1200, and the piezoelectric vibrating member 2000 may be provided in the space between the lower case 1100 and the upper case 1200.
  • the upper case 1200 has two long sides opposing each other so that the inner space can be provided along the shapes of the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 and two short sides opposing each other in a direction orthogonal thereto .
  • the upper case 1200 has two sides opposite to each other in the longitudinal direction (that is, the X direction) and opposite to each other in the width direction (i.e., the Y direction) so that at least one region has the same shape as the lower case 1100 It can have a short shape.
  • the upper case 1200 may be formed to extend downward in at least one region. That is, the upper case 1200 includes a substantially rectangular flat portion 1210, a first extending portion 1220 extending from the edge of the flat portion 1210 toward the lower case 1100, a first extending portion 1220 And a second extending portion 1230 extending in the horizontal direction from the second extending portion 1230.
  • the flat portion 1210 may have two long sides along the longitudinal direction of the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 and two short sides along the width direction of the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 have. Further, the first extending portion 1220 may extend downward from the two edges of the flat portion 1210, or extend downward from at least a portion of the edge. That is, the first extending portion 1220 may extend downward from the short side of the flat portion 1210. The second extending portion 1230 may extend from the first extending portion 1220 to a predetermined length in the horizontal direction. Accordingly, the upper case 1200 may have two regions, which are opposed to each other in the width direction, in a downwardly and curved shape in the horizontal direction.
  • the second extending portion 1230 may be engaged with a predetermined region of the piezoelectric vibrating member 2000.
  • An opening 1235 is formed in a predetermined region of the second extending portion 1230 and an opening 2220 may be formed in the piezoelectric vibrating member 2000 in correspondence thereto.
  • the opening 1235 of the upper case 1200 and the opening 2220 of the piezoelectric vibrating member 2000 are formed for alignment of the upper case 1200 and the piezoelectric vibrating member 2000, Can be used for fixing to the device.
  • the upper case 1200 may be formed with a plurality of third extending portions 1240 extending downward from the two sides opposing each other in the longitudinal direction of the plane portion 1210, that is, the lower side.
  • the third extension part 1240 may be provided at a predetermined width and at a predetermined interval and may contact the side part 1120 of the lower case 1100. That is, the third extended portion 1240 of the upper case 1200 may be provided so that the side portion 1120 of the lower case 1100 is in contact with the outer side or the inner side. The third extending portion 1240 of the upper case 1200 and the side portion 1120 of the lower case 1100 are received in the lower case 1100 And the upper case 1200 are combined to realize a piezoelectric vibrating apparatus.
  • the upper case 1200 has a height of each of the first and third extending portions 1220 and 1240 so as to accommodate the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 between the upper case 1200 and the lower case 1100, May be larger than a part of the height of the member (3000) and the piezoelectric vibrating member (2000).
  • At least one hole may be formed in at least one of the lower case 1100 and the upper case 1200 to connect the external terminal.
  • At least one hole may be formed in at least one of the planar portion 1110 of the lower case 1100 and the planar portion 1210 of the upper case 1200 so that an external terminal for supplying power from the outside may be inserted have.
  • the external terminal can be connected to the piezoelectric element 2100 of the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the piezoelectric vibrating member 2000 may include a diaphragm 2200 and a piezoelectric element 2100 provided on at least one surface of the diaphragm 2200.
  • a piezoelectric vibrating member 2000 generates vibration by an inverse piezoelectric effect in which a bending stress occurs due to voltage application. That is, the piezoelectric element 2100 performs stretching and contraction in the vertical direction according to the applied voltage, and the diaphragm 2200 deforms it by bending deformation to generate vibration in the vertical direction.
  • the piezoelectric element 2100 may include a base, at least one piezoelectric layer provided on at least one side of the base, and an internal electrode.
  • the piezoelectric element 2100 is attached to at least one surface of the diaphragm 2200 using an adhesive or the like. At this time, the piezoelectric element 2100 may be attached to the center of the diaphragm 2200 such that both sides of the diaphragm 2200 remain the same length.
  • the piezoelectric element 2100 may be attached to the upper surface of the diaphragm 2200 and attached to the lower surface of the diaphragm 2200 or may be attached to both upper and lower surfaces of the diaphragm 2200.
  • the piezoelectric element 2100 may be attached to the upper surface of the diaphragm 2200 or may be attached to the lower surface of the diaphragm 2200.
  • the piezoelectric element 2100 and the diaphragm 2200 may be fixed by various methods other than adhesion.
  • the diaphragm 2200 and the piezoelectric element 2100 may be fixed using an adhesive, and the diaphragm 2200 and the side of the piezoelectric element 2100 may be fixed by bonding using an adhesive or the like.
  • the diaphragm 2200 may be made of metal, plastic, or the like, and at least a double structure may be used by laminating different kinds of materials.
  • the piezoelectric element 2100 and the diaphragm 2200 are formed into a substantially rectangular plate shape. That is, the piezoelectric element 2100 and the diaphragm 2200 have a predetermined length, width, and thickness, respectively, and are formed into a shape having one surface and another surface facing each other. At this time, the diaphragm 2200 may be made longer than the piezoelectric element 2100. Also, the diaphragm 2200 can be made longer than the weight member 3000.
  • One side of the diaphragm 2200 is bonded to one side of the piezoelectric element 2100 and the other side of the diaphragm 2200 is in contact with a part of the weight member 3000.
  • the piezoelectric element 2100 is bonded to the lower surface of the diaphragm 2200, and a part of the weight member 3000 can be coupled to the upper surface of the diaphragm 2200.
  • the piezoelectric element 2100 is attached to the upper surface of the diaphragm 2200, the piezoelectric element 2100 and the weight member 3000 may be brought into contact with each other. At this time, the piezoelectric vibrating member 2000 and the weight member 3000 can be fixed by adhesion.
  • the diaphragm 2200 may be formed by extending a predetermined region other than the region bonded to the piezoelectric element 2100 outward. 2, an extension plate 2210 extending outward from the region bonded to the piezoelectric element 2100 is formed and the extension plate 2210 is connected to the second extension portion 1230 of the upper case 1200, As shown in FIG. In other words, the diaphragm 2200 may have a region in contact with the piezoelectric element 2100 and a region in contact with the second extension 1230 of the upper case 100. An opening 2220 may be formed in the extension plate 2210 to correspond to the opening 1235 of the second extension 230 of the upper case 1200.
  • the coupling area outside the diaphragm 2200 may be provided in various shapes. For example, it may have a shape that is curved downwardly and then bent upward again, and is formed flat again on the outside of the bending region, and this region may contact the second extension 220 of the upper case 1200 .
  • the weight member 3000 has a substantially hexahedral shape having a predetermined length, width, and thickness.
  • the weight member 3000 has the contact portion 3100 formed on the side of the piezoelectric vibrating member 2000 and the contact portion 3100 is in contact with the piezoelectric vibrating member 2000. That is, the contact portion 3100 may be provided at a central portion of one surface in the thickness direction of the weight member 3000 facing one surface of the piezoelectric vibrating member 2000, have.
  • the contact portion 3100 may protrude from a central portion of one surface of a weight member 3000 that is horizontally formed so as to be horizontal, and one surface of the weight member 3000 may be formed to be inclined at a predetermined angle from the edge to the middle portion,
  • the contact portion 3100 can be brought into contact with the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the contact portion 3100 and the piezoelectric vibrating member 2000 can be adhered and fixed together with the adhesive member or the like. That is, the weight member 3000 may be provided with an adhesive member between the contact portion 3100 and the piezoelectric vibrating member 2000, so that the weight member 3000 can be primarily fixed to the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the adhesive member may be a tape or a boddle including a double-sided tape, a cushion tape, an epoxy bond, a silicon bond, a silicon pad, or the like. Therefore, the contact portion 3100 is brought into contact with the piezoelectric vibrating member 2000, and the remaining region of the weight member 3000 can be separated from the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the region where the adhesive is applied that is, the contact portion 3100
  • the contact portion 3100 is formed with an indentation (not shown) which is dented according to the coating thickness of the adhesive, and the adhesive can be applied to the inside of the indentation.
  • the contact portion 3100 may not be located at the center portion of the weight member 3000 and may be moved within 20% from the center portion. So that the vibration frequency and displacement can be adjusted.
  • the weight member 3000 coupled with the piezoelectric vibrating member 2000 vibrates with the vibration of the piezoelectric vibrating member 2000, and loads its own weight on the vibration. When the weight member 3000 is coupled to the piezoelectric vibrating member 2000 so that the weight of the weight member 3000 is increased, the weight of the vibrating member is increased.
  • the vibration power is strengthened.
  • the vibration power is amplified to the maximum.
  • the resonance frequency may have different values depending on physical properties and physical properties of each component such as the piezoelectric vibrating member 2000, the weight member 3000, and the like.
  • the vibrating body produces the largest vibration when vibrating at its natural frequency.
  • the resonance point of the vibrating body is close to the natural frequency of the piezoelectric element 2100, so that when the piezoelectric vibrating member 2000 vibrates at its resonance point at the maximum, The value of the current flowing through the element 2100 is relatively high.
  • the resonance point of the vibrating body is greatly different from the natural frequency of the piezoelectric element 2100, The value of the current flowing through the piezoelectric element 2100 becomes relatively low.
  • a receiving groove 3200 in which the holding member 4000 is received and coupled may be formed on the side surface and the upper surface of the weight member 3000. That is, a recessed recessed groove 3200 is formed in a region of the weight member 3000 to which the fixed member 4000 contacts, and the fixed member 4000 can be inserted and accommodated in the recessed groove 3200.
  • the receiving groove 3200 may be formed to have a depth of about the thickness of the fixing member 4000 and a width of about the width of the fixing member 4000.
  • the side surface and the upper surface of the weight member 3000 can be flush with the fixing member 4000 after the fixing member 4000 is inserted into the receiving groove 3200.
  • the receiving groove 3200 may be formed at a depth larger than the thickness of the fixing member 4000 or may be formed at a small depth.
  • the width of the receiving groove 3200 is formed by the width of the fixing member 4000, so that the weight member 3000 is not moved accordingly. In this way, the fixing member 4000 is inserted into the receiving groove 3200, so that the weight member 3000 can be more firmly fixed.
  • the fixing member 4000 may be provided to enclose the weight member 3000 from at least one region of the piezoelectric vibrating member 2000.
  • the fixing member 4000 may include first and second fixing members 4100 and 4200 extending from two sides of the diaphragm 2200 in the X direction, i.e., a long side.
  • the fixing member 4000 may be provided integrally with the diaphragm 2200.
  • the fixing member 4000 may be manufactured separately from the vibration plate 2200, and then fixed to a region of the vibration plate 2200 by welding or the like. However, it is preferable that the fixing member 4000 is fabricated integrally with the diaphragm 2200.
  • Such a fixing member 4000 may be formed so as to surround the side surface and the upper surface of the weight member 3000 so that the weight member 3000 may be fixed on the piezoelectric vibrating member 2000. That is, the fixing member 4000 may be formed to contact the side surface and the upper surface of the weight member 3000 so as to be bent so as to contact and enclose the weight member 3000.
  • the weight member 3000 is first fixed on the piezoelectric vibrating member 2000 with an adhesive or the like and the weight member 3000 can be more firmly fixed by fixing the weight member 3000 by fixing the member 4000 .
  • At least a part of the bent portion of the fixing member 4000 may be formed to be narrower or thinner than the other region by removing a part of the fixing member 4000.
  • a predetermined width may be removed at a portion contacting the side surface of the diaphragm 2200 to form an opening.
  • the fixing member 4000 may be formed of the same material as the diaphragm 2200, and may be formed of a metal material, for example.
  • the fixing members 4000 may be formed on both sides of the diaphragm 2200, or may be formed of two or more pairs.
  • the fixing member 4000 may be formed on one side of the diaphragm 2200 and the other side opposite to the diaphragm 2200, and may be formed on the other side of the diaphragm 2200, It is possible.
  • the weight member 3000 can be fixed in a plurality of areas by forming the plurality of fixing members 4000 in a plurality of areas, so that the weight member 3000 can be more firmly fixed as compared with a case where the weight member 3000 is fixed in a pair.
  • the fixing member 4000 may be formed with a width of 5% to 50% with respect to the length of the weight member 3000. That is, the width of the fixing member 4000 may be formed to 5% to 50% of the length of the weight member 3000.
  • the width of one fixing member 4000 may be 5% to 50% of the length of the weight member 3000 and the sum of the widths of the plurality of fixing members 4000 may be 5% %. ≪ / RTI > Further, the fixing members 4000 may be formed in various shapes in contact with each other. That is, as shown in FIG. 5A, a protrusion is provided in one region of the first fixing member 4100 and a recess is formed in another region, and the second fixing member 4200 opposed to the first fixing member 4100 has a first fixing The concave portion and the protruding portion may be provided so as to face the projecting portion and the concave portion of the member 4100, respectively. As shown in FIG.
  • the first fixing member 4100 may be provided with a concave portion at the center thereof, for example, and a convex portion may be provided at the second fixing member 4200 so as to face the concave portion.
  • the first fixing member 4100 may be provided with two or more concave portions
  • the second fixing member 4200 may be provided with two or more convex portions facing the concave portions.
  • the first and second fixing members 4100 and 4200 are formed in a saw-tooth shape at their ends, and they can be coupled to each other.
  • the facing area of the first and second fixing members 4100 and 4200 can be increased, 3000) can be further increased.
  • an adhesive or cushioning material may be provided between the fixing member 4000 and the weight member 3000, that is, between the fixing member 4000 and the receiving groove 3200.
  • the bonding force between the fixing member 4000 and the weight member 3000 can be improved by providing the adhesive.
  • the cushioning member the impact due to the engagement of the fixing member 4000 and the weight member 3000 can be alleviated, and noise due to vibration can be reduced.
  • the weight member 3000 provided on the piezoelectric vibrating member 2000 is fixed by using the fixing member 4000 provided on one side of the piezoelectric vibrating member 2000 So that it can be fixed.
  • the fixing member 4000 may be provided to surround the weight member 3000. Therefore, the weight member 3000 can be improved in the bonding force of the weight member 3000 compared with the conventional method in which the weight member 3000 is bonded and fixed using an adhesive agent. Accordingly, the weight member 3000 can be detached . As a result, the function of the piezoelectric vibrating device can be properly implemented even by a strong impact.
  • FIG. 6 and 7 are a perspective view and a cross-sectional view of a piezoelectric element according to an example of the present invention.
  • the piezoelectric element 2100 may be provided in a plate shape having a predetermined thickness.
  • the piezoelectric element 2100 may have a thickness of 0.1 mm to 1 mm.
  • the thickness of the piezoelectric element 2100 may be equal to or less than the thickness range according to the size of the piezoelectric vibrating apparatus.
  • the piezoelectric element 2100 may have a substantially rectangular shape in which the length may be longer or equal to the width.
  • the ratio of the length in the X direction to the width in the Y direction may be 5: 5 to 9: 1.
  • the length of the piezoelectric element 2100 in the X direction is shorter than or equal to the length of the diaphragm 2200 and the width of the diaphragm 2200 in the Y direction is smaller than or equal to the length of the diaphragm 2200.
  • the widths of the first and second shielding plates 22 and 24 may be smaller than or equal to the width of
  • the piezoelectric element 2100 may be provided in various shapes such as a circular shape and an elliptical shape depending on the shape of the piezoelectric vibrating device.
  • the piezoelectric element 2100 includes a base 2110, at least one piezoelectric layer 2121-2128 2120 provided on at least one surface of the base 2110, And at least one internal electrode 2131 to 2139 (2130) That is, the piezoelectric element 2100 may be formed as a bimorph type having a piezoelectric layer 2120 formed on both sides of a base 2110, or formed as a unimorph type having a piezoelectric layer 2120 formed on a surface of a base 2110 . A plurality of piezoelectric layers 2120 may be stacked on one surface of the base 2110 to form a unimorph type so as to increase displacement and vibration force and enable low voltage driving. For example, as shown in FIG.
  • a plurality of piezoelectric layers 2121 to 2128 and 2120 are laminated on one surface and the other surface of a base 2110, and a conductive layer is formed between the piezoelectric layers 2120,
  • the internal electrodes 2131 to 2138 and 2130 may be formed.
  • the conductive layer may be formed on the surface of the piezoelectric layer 2120 to form the surface electrode 2139.
  • at least one of the internal electrodes 2130 may be formed on the surface of the base 2110, wherein the base 2110 may be made of an insulating material.
  • the piezoelectric element 2100 may further include external electrodes 2141, 2142 and 2140 formed on the outside of the multilayer body so as to be connected to the internal electrodes 2130 and may include a base 2110, a plurality of piezoelectric layers 2120, And a cover layer 2150 formed on the surface of the laminate in which the plurality of internal electrodes 2130 are laminated.
  • the base 2110 may use a material having a characteristic capable of generating vibration while maintaining the laminated structure of the piezoelectric layer 2120.
  • the base 2110 may be made of metal, plastic, insulating ceramic, or the like.
  • the base 2110 may not use a different material from the piezoelectric layer 2120 of metal, plastic, insulating ceramic, or the like. That is, the base 2110 may be formed using a material similar to that of the piezoelectric layer 2120. At this time, if the base 2110 is formed of a piezoelectric layer or a metal, the internal electrode 2130 may not be formed on the surface of the base 2110.
  • the base 2110 may have a thickness of 1/3 to 1/150 of the entire thickness of the piezoelectric element 2100.
  • the thickness of the base 2110 may be 2 mu m to 100 mu m.
  • the thickness of the base 2110 is thinner than the entire thickness of the piezoelectric layer 2120, and may be thinner than or equal to the thickness of each of the plurality of piezoelectric layers 2120.
  • the thickness of the base 2110 may be thicker than the thickness of each of the piezoelectric layers 2120.
  • the thickness of the piezoelectric layer 2120 may be thinner or the number of layers of the piezoelectric layer 2120 may be decreased. Therefore, it is preferable that the thickness of the base 2110 is thinner than the entire thickness of the piezoelectric layer 2120 and thinner than or equal to the thickness of each of the plural piezoelectric layers 2120.
  • the base 2110 may be provided on the upper portion or the lower portion as well as the center portion of the piezoelectric element 2100. That is, the base 2110 may be provided on the upper surface or the lower surface of the piezoelectric element 2100.
  • the base 2110 When the base 2110 is provided on one surface of the piezoelectric element 2100, a plurality of piezoelectric layers 2120 and internal electrodes 2130 may be stacked on one surface of the base 2110. That is, the base 2110 can be used as a supporting layer for forming the plurality of piezoelectric layers 2120 and the internal electrodes 2130.
  • two or more bases 2110 may be provided in the piezoelectric element 2100.
  • the base 2110 may be provided at the top and bottom of the piezoelectric element 2100, respectively, or may be provided at the top, center and bottom of the piezoelectric element 2100, respectively.
  • the base 2110 may be provided at any one of the upper and lower portions of the piezoelectric element 2100 and at the central portion thereof.
  • the base 2110 provided on the upper and lower portions of the piezoelectric element 2100 may be made of an insulating material and the surface electrode 2139 and the internal electrode 2130 may be prevented from being oxidized by the insulating base 2110 have. That is, since the surface electrode 2139, the piezoelectric layer 2110, and the like are formed on the insulating base 2110, the insulating base 2110 may be provided so as to cover the surface electrode 2139. Therefore, penetration of oxygen or moisture by the insulating base 2110 can be prevented, and oxidation of the surface electrode 2139 and the internal electrode 2130 can be prevented.
  • the overall thickness of the base 2110 is preferably thinner than the entire thickness of the piezoelectric layer 2120.
  • the cover layer 2150 may not be formed.
  • the insulating base 2110 may be formed on the upper portion and the lower portion of the piezoelectric element 2100, and the cover layer 2150 may be formed to cover the upper portion.
  • the piezoelectric layer 2120 can be formed using a lead-free piezoelectric material.
  • a lead-free piezoelectric material for example, (1-x) Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -xSrTiO 3 can be used as the lead-free piezoelectric material. Where x is 0.24 to 0.30.
  • (1-x) Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -x SrTiO 3 can be formed of BiO 3 , Na 2 O 3 , SrCO 3 and TiO 2 as basic materials, and K 2 CO 3 , BaCO 3 , ZrO 2 , One or more of SnO 2 , La 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 2 and CuO may be added.
  • (1-x) Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -xBi 0.5 K 0.5 TiO 3 can be used as the lead-free piezoelectric material.
  • x is 0.15 to 0.45.
  • (1-x) Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -xBi 0.5 K 0.5 TiO 3 can be formed from BiO 3 , Na 2 O 3 , SrCO 3 , TiO 2 and K 2 CO 3 as basic materials.
  • the piezoelectric layer 2120 is not limited to these materials, and various lead-free piezoelectric materials can be used. That is, the piezoelectric layer 2120 can utilize various kinds of lead-free piezoelectric materials, which increase or decrease in volume or length when a voltage is applied.
  • the piezoelectric layer 2120 may include at least one pore (not shown) formed in at least one region. At this time, the pores may be formed in at least one size and shape. That is, the pores may be irregularly distributed in an irregular shape and size.
  • the internal electrode 2130 may be provided to apply a voltage applied from the outside to the piezoelectric layer 2120. That is, the internal electrode 2130 can apply a power source for driving the piezoelectric layer 2120 to the piezoelectric layer 2120. A power source for driving may be applied to the internal electrode 2130 through the external electrode 2140.
  • the internal electrode 2130 may be alternately connected to the external electrode 2140 formed outside the piezoelectric element 2100. That is, the first, third, fifth and seventh internal electrodes 2131, 2133, 2135 and 2137 are connected to the first external electrode 2141 and the second, fourth, 2132, 2134, 2136, and 2138 may be connected to the second external electrode 2142.
  • the internal electrode 2130 may be formed of a conductive material such as a metal or a metal alloy containing at least one of Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, and Cu. In the case of alloys, for example, Ag and Pd alloys can be used.
  • Al can form aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on its surface during firing and can keep Al inside. That is, when Al is formed on the piezoelectric layer 2120, the Al comes into contact with air. In the subsequent process, the surface is oxidized to form Al 2 O 3 , and the Al remains in the interior. Therefore, the internal electrode 2130 may be formed of Al coated with Al 2 O 3 , which is a porous thin insulating layer on the surface.
  • the internal electrode 2130 may be formed to have a thickness of 1 ⁇ ⁇ to 10 ⁇ ⁇ , for example.
  • the internal electrode 2130 may have a thickness different from that of at least one region, or at least one region may be removed.
  • the same internal electrode 2130 may be formed to be thin or thicker than other regions because the thickness of at least one region is uneven, or at least one region may be removed to expose the piezoelectric layer 2120.
  • the internal electrode 2130 maintains the entirely connected state, so that no problem occurs in the electric conductivity.
  • the other internal electrodes 2130 may be formed in different thicknesses or in different shapes in the same region. That is, among the plurality of internal electrodes 2130, at least one internal electrode 2130 in the same region corresponding to a predetermined length and width in the vertical direction may be formed to have a thickness different from that of the other internal electrodes 2130, Or the like.
  • the other shape may be concave, convex, concave, or the like.
  • the length of the internal electrode 2130 in the X direction and the width in the Y direction may be smaller than the length and width of the piezoelectric element 2100.
  • the internal electrode 2130 may be formed to be smaller than the length and width of the piezoelectric layer 2120.
  • the internal electrode 2130 may be formed with a length of 10% to 97% of the length of the piezoelectric layer 2120 and a width of 10% to 97%.
  • the internal electrodes 2130 may be formed to have an area of 10% to 97% of the area of each of the piezoelectric layers 2120. Meanwhile, the distance between the internal electrodes 2130 of the piezoelectric element 2100 may be 1/3 to 1/30 of the total thickness.
  • the thickness of each of the piezoelectric layers 2120 between the internal electrodes 2130 may be 1/3 to 1/30 of the total thickness of the piezoelectric elements 2100.
  • the distance between the internal electrodes 2130 that is, the thickness of each of the piezoelectric layers 2120 may be 10 mu m to 100 mu m.
  • the driving voltage can be changed by the distance between the internal electrodes 2130, that is, the thickness of the piezoelectric layer 2120, and the driving voltage can be reduced as the distance between the internal electrodes 2130 is closer.
  • the distance between the internal electrodes 2130 that is, the thickness of the piezoelectric layer 2120 exceeds 1/3 of the total thickness of the piezoelectric elements 2100
  • the driving voltage is increased, A high-cost driving IC for driving the vehicle is required, which may cause a rise in cost.
  • the distance between the internal electrodes 2130, that is, the thickness of the piezoelectric layer 2120 is less than 1/30 of the total thickness of the piezoelectric elements 2100, the frequency of occurrence of thickness variations in the process is high and the thickness of the piezoelectric layer 2120 There is a problem that the characteristic deterioration may occur.
  • the external electrode 2140 may be formed to apply the driving voltage of the piezoelectric layer 2120.
  • the external electrode 2140 is formed on at least one surface of the laminate and may be connected to the internal electrode 2130.
  • the external electrodes 2140 may be formed on opposite sides of the laminate in the X direction, that is, the longitudinal direction.
  • the external electrodes 2140 may be formed on two surfaces opposite to each other and on at least one surface adjacent thereto.
  • the external electrodes 2140 may be formed in the laminate through the laminate.
  • the external electrodes 2140 may be formed using printing, vapor deposition, sputtering, plating, or the like, and may be formed of at least one layer.
  • the external electrode 2140 may be formed by a printing method using a conductive paste in a first layer in contact with the layered body, and a second layer formed thereon by a plating method. At least a portion of the external electrode 2140 connected to the internal electrode 2130 may be formed of the same material as the internal electrode 2130.
  • the internal electrode 2130 may be formed of copper, and the first layer of the external electrode 2130 formed on the surface of the multilayer body and contacting the internal electrode 2140 may be formed of copper.
  • the cover layer 2150 may be formed on at least one of the lower and upper surfaces of the laminate. That is, the cover layer 2150 may include at least one of a lower cover layer 2151 formed on the lower portion of the laminate and an upper cover layer 2152 formed on the upper portion of the laminate.
  • the cover layer 2150 may be formed of an insulating material, for example, a non-polarized piezoelectric material.
  • the oxidation of the internal electrode 2130 can be prevented by the cover layer 2150. That is, the cover layer 2140 may be provided so as to cover the exposed surface electrode 2139, and penetration of oxygen or moisture may be prevented by the cover layer 2150 to prevent oxidation of the internal electrode 2130 .
  • the insulating base 2110 when the insulating base 2110 is formed on at least one of the upper portion and the lower portion of the laminate, the insulating base 2110 may function as the cover layer 2150.
  • the cover layer 2150 may be formed on the insulating base 2110.
  • Figs. 8 to 10 are hysteresis curves for comparing the characteristics of the flexible piezoelectric material and the non-flexible piezoelectric material.
  • Figs. 8 (a) and 8 (b) are PE hysteresis curves of a flexible piezoelectric material and a non-ferroelectric material, respectively
  • Figs. 9 10 (a) and 10 (b) are unipolar SE hysteresis curves of the non-coupling piezoelectric material and the flexible piezoelectric material, respectively.
  • the flexible piezoelectric material is a PZT piezoelectric material
  • the non-flexible piezoelectric material is a BNST piezoelectric material.
  • a unipolar type having a piezoelectric layer formed on one surface of a diaphragm and a bipolar type formed on both surfaces of a diaphragm were fabricated using a piezoelectric material and a non-piezoelectric material, and polarization and strain (strain) was measured.
  • FIG. 8 shows polarization ratios of the flexible piezoelectric material and the non-ferroelectric material according to the electric field.
  • the fluorocarbon material has a maximum polarization ratio Pmax of 41.44 mu C / cm < 2 > in an electric field of 3 kV / mm.
  • the non-bonded piezoelectric material has a maximum polarization ratio (Pmax) of 30.59 mu C / cm2 in an electric field of 5 kV / mm and a maximum polarization ratio (Pmax) of 40.48 mu C / And a polarization ratio Pmax.
  • Pmax, Prem and Ec according to the electric field of the flexible piezoelectric material and the non-bonded piezoelectric material are shown in Table 1, respectively.
  • FIG. 9A shows the strain of the bipolar-based piezoelectric material
  • FIG. 10A shows the strain of the unipolar-based piezoelectric material
  • Fig. 9 (b) shows the strain of the bipolar unbonded piezoelectric material
  • Fig. 10 (b) shows the strain of the unipolar bipolar piezoelectric material.
  • the bipolar fused piezoelectric material has a maximum strain (Cmax) of 0.13 mu C / cm < 2 > in an electric field of 3 kV /
  • the material has a maximum strain (Cmax) of 0.14 mu C / cm < 2 > in an electric field of 3 kV / mm.
  • Cmax maximum strain
  • the bipolar unsupported piezoelectric material has a maximum strain (Cmax) of 0.32 ⁇ C / cm 2 in an electric field of 6 kV / mm
  • the non-bonded piezoelectric material has a maximum strain (Cmax) of 0.32 ⁇ C / cm 2 in an electric field of 6 kV / mm.
  • Table 2 shows the maximum strain according to the bipolar and unipolar electric fields of the flexible piezoelectric material and the non-bonded piezoelectric material.
  • a typical piezoelectric material that is, a flexible piezoelectric material, can be used as a permanent piezoelectric material by aligning ferroelectric domains in one direction through a poling process.
  • the polarization principle is due to the cancellation of the depolarization field formed by the charges induced in the electrode corresponding to the polarization induced by rearrangement of the domain.
  • Permanent piezoelectricity induced as a result of polarization is not a new property but is already present before the polarization, but its arrangement is random, and it is not exposed to the outside without going through the alignment process.
  • 11 and 12 are graphs showing the characteristics of the lead-free piezoelectric material according to the applied voltage.
  • 11 is a characteristic graph according to a frequency of an applied voltage having an amplitude of (-) to (+)
  • FIG. 12 is a characteristic graph according to a frequency of an applied voltage having a positive (+) amplitude of 0V or more.
  • Fig. 11A shows a waveform of an applied voltage having an amplitude of (-) to (+), and Figs. 11B to 11D are characteristic graphs according to the frequency of the applied voltage of such a waveform.
  • 11B is a graph when a voltage having an amplitude of -110 V to +110 V is swept at a frequency of 110 Hz to 170 Hz, and the vibration acceleration is 0.986 G at 288 Hz.
  • 11 (c) is a graph when a voltage having an amplitude of -110 V to +110 V is fixedly applied at 144 Hz, and a vibration acceleration is 1.649 G at 288 Hz.
  • 11 (d) is a graph when a voltage having an amplitude of -110 V to +110 V is fixedly applied at 288 Hz, and a vibration acceleration is 0.168 G at 288 Hz.
  • the lead-free piezoelectric material having the initial piezoelectric ceramics characteristic can have a higher vibration acceleration at the same frequency when the voltage is applied with the (+) amplitude. That is, when a voltage having an amplitude of (-) to (+) is applied at a frequency of 288 Hz when a voltage is applied at a frequency of 288 Hz, the vibration acceleration is 0.168 G as shown in FIG. 11 (d) + ≫) is applied, the vibration acceleration is 3.558 G as shown in Fig. 12 (c).
  • FIG. 13 is a block diagram for explaining a drive device of a lead-free piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention. That is, the present invention generates an applied voltage having a positive amplitude to drive the lead-free piezoelectric actuator, and FIG. 13 is a block diagram of the first embodiment for this.
  • the apparatus for driving a lead-free piezoelectric actuator includes a drive signal generator 5100 for generating a first drive signal, a drive signal generator 5100 for driving the drive signal generator 5100, A signal combining section 5200 for combining and amplifying the control signal of the adjusting section 5500, a signal output section 5300 for outputting the driving signal output from the signal combining section 5200 to the lead-free piezoelectric actuator 1000, A level detector 5400 for detecting the level of the PQJ actuator 1000 and a signal controller 5500 for generating a control signal for adjusting the driving signal according to the detection result of the level detector 5400 .
  • the signal combining unit 5200 combines the first driving signal from the driving signal generating unit 5100 and the control signal from the signal adjusting unit 5500 to output a second driving signal.
  • the first driving signal may be a signal having an amplitude of (-) to (+) as shown in FIG. 10 (a)
  • the second driving signal may be a signal having a positive Lt; / RTI >
  • the drive signal generation unit 5100 generates a predetermined first drive signal.
  • the driving signal generating unit 5100 may generate a digital signal, convert it into an analog signal, and provide it to the signal combining unit 5200.
  • the driving signal generator 5100 may include a signal generator (not shown) and a signal converter (not shown).
  • the signal generator generates a digital signal, and the signal converter converts the digital signal provided from the signal generator into an analog signal. That is, the signal generator may be a generator for generating a predetermined pulse signal, and the signal converter may be a digital-analog converter.
  • the signal converting unit 1120 generates a voltage-type analog signal according to the digital level of the digital signal.
  • an analog signal having a size of 0 can be generated according to an intermediate level digital signal, a minimum level can generate an analog signal having a minus maximum value according to the digital signal, and a maximum maximum value Can be generated. Therefore, the drive signal generation section 5100 can output a signal having a waveform as shown in Fig. 11 (a) of +100 V to -100 V, for example.
  • the signal combining unit 5200 transmits the first driving signal generated from the driving signal generating unit 5100 to the signal output unit 5300.
  • the signal combining unit 5200 receives the first driving signal generated from the driving signal generating unit 5100 and the control signal generated from the signal adjusting unit 5500, and combines them. That is, the signal combining unit 5200 supplies the first driving signal from the driving signal generating unit 5100 to the signal output unit 5300 at the initial stage of driving the PZT actuator 1000, After the level is detected, the first driving signal from the driving signal generating unit 5100 and the control signal from the signal adjusting unit 5500 are combined to supply the second driving signal to the signal output unit 5300.
  • the signal combining unit 5200 After the level of the PQJ actuator 1000 is detected, the signal combining unit 5200 combines the first driving signal and the control signal to generate a second driving signal. That is, the signal combining unit 5200 can receive the first driving signal of the waveform shown in FIG. 11A and output the second driving signal of the waveform shown in FIG. 12A. Also, the signal combining unit 5200 may receive the first driving signal and the control signal, combine them, and amplify and output the combined signal. To this end, the signal combining section 5200 may include an amplifying circuit.
  • the driving signal when the first driving signal of the driving signal generating unit 5100 is input to the non-inverting terminal and the control signal is inputted from the signal adjusting unit 5500 to the inverting terminal, the driving signal is combined and amplified, can do. And the second drive signal may be supplied to the signal output unit 5300.
  • the signal output unit 5300 provides the signal output from the signal combining unit 5200, that is, the first drive signal or the second drive signal to the Pb-free piezoelectric actuator 1000.
  • the signal output unit 5300 applies a driving signal to the piezoelectric layer of the PQJ actuator described with reference to FIGS.
  • the signal output unit 5300 can output the drive signal inversion and non-inversion. That is, the non-inverted drive signal and the inverted drive signal can be applied to both ends of the piezoelectric actuator.
  • the driving signal output from the signal output unit 5300 may be a first driving signal or a second driving signal.
  • the signal output unit 5300 can output the first driving signals with two phase difference by 180 degrees, and output the second driving signals with the phase difference of 180 degrees by two driving signals .
  • the non-inverted drive signal may be output at the first output OUT1 of the signal output unit 5300 and the inverted drive signal may be output at the second output OUT2 of the signal output unit 5300 .
  • the non-inverted drive signal may be output, for example, through two inverters 1310 and 1320, and the inverted drive signal may be output via one inverter 5330, for example.
  • a non-inverted driving signal can be output to the first output OUT1 through the first and second inverters 5310 and 5320, and a driving signal inverted through the third inverter 5330 is output to the second output terminal OUT2.
  • the driving signal is filtered and non-inverted by outputting the driving signal through the even number of inverters, and the driving signal is outputted through the odd number of inverters, so that the driving signal can be filtered and inverted.
  • the level detecting section 5400 detects the level of the lead-free piezoelectric actuator 1000.
  • the level detector 5400 can detect vibration acceleration, power consumption, and the like of the PZT actuator 1000. That is, the level detecting section 5400 can detect the characteristic level such as vibration acceleration and power consumption of the PZT actuator 1000 driven according to the first driving signal or the second driving signal, that is, the output level. Meanwhile, in order to detect the level of the vibration acceleration, the level detector 5400 compares the vibration acceleration of the PZT actuator 1000 with the reference vibration acceleration, and outputs a signal to the signal controller 5500 according to the comparison result.
  • the reference vibration acceleration can be set to a predetermined range or a predetermined value in consideration of the vibration sensed appropriately by the user when the PZT actuator 1000 is applied as a haptic device.
  • a predetermined range or a predetermined value in consideration of the vibration sensed appropriately by the user when the PZT actuator 1000 is applied as a haptic device.
  • 2.5G to 3.0G or 3.OG Can be set as the reference vibration acceleration.
  • the reference vibration acceleration may be set in consideration of power consumption, voltage, etc. of the PZT actuator 1000.
  • the reference vibration acceleration may be, for example, the size of the lead-free piezoelectric actuator 1000, the type and size of the electronic device to which the lead-free piezoelectric actuator 1000 is mounted, And the like.
  • the reference vibration acceleration can be set to be low when the Pb-free piezoelectric actuator 1000 is small, the electronic device is small, or the voltage that can be supplied from the electronic device is low. Accordingly, when the detected vibration acceleration is lower than the reference vibration acceleration, a signal for adjusting the level of the driving signal is outputted to the signal adjusting unit 5500.
  • the level detector 5400 may include the detected vibration acceleration as a reference vibration acceleration and a comparator. For example, the detected vibration acceleration signal is input to one terminal (e.g., the + terminal) of the comparator and the reference vibration acceleration is input to the other terminal (e.g., - terminal) of the comparator.
  • the level detector 5400 can compare the power consumption of the lead-free piezoelectric actuator 1000 with the reference power consumption. At this time, the reference power consumption can be set to the power consumption that generates appropriate vibration. However, if the power consumption is too high, the vibration acceleration can be increased, but it is not preferable because the power consumption is large. Therefore, for example, the power consumption capable of generating 3.0 G of vibration acceleration can be set as the reference power consumption. To this end, the level detector 5400 may include a comparator that compares the detected power consumption with the reference power consumption.
  • the level detector 5400 detects power consumption larger than the reference power consumption and generates a signal for adjusting the level of the driving signal, and outputs the signal to the signal controller 5500.
  • the level detector 5400 may include at least one comparator for comparing vibration acceleration and power consumption, respectively. That is, the level detector 5400 can detect any level of vibration acceleration or power consumption by providing one comparator, and can detect the vibration acceleration and the level of power consumption by providing two or more comparators.
  • the level detector 5400 can detect various levels of the PQJ actuator 1000 in addition to vibration acceleration and power consumption.
  • the level detector 5400 may be connected to one end and the other end of the lead-free piezoelectric actuator 1000 to measure the voltage at one end and the other end, respectively.
  • the level detector 5400 may include first and second resistors (not shown) provided at one end and the other end of the lead-free piezoelectric actuator 1000, for example. The first and second resistors can detect the current flowing through the one end and the other end of the lead-free piezoelectric actuator 1000 as a voltage.
  • the level detecting section 5400 may include an analog-to-digital converter for converting the measured voltage. That is, the level detector 5400 can convert the voltage measured in the resistor into a digital signal.
  • the level detecting section 5400 may include a voltage measuring section for measuring the voltage and an analog-to-digital converter for converting the voltage.
  • the signal adjusting unit 5500 generates a control signal according to the signal of the level detecting unit 5400 and supplies the control signal to the signal combining unit 5200. For example, when a + signal is inputted from the level detector 5400, a control signal of a predetermined level is generated and supplied to the signal combiner 5200, and when the - signal is inputted from the level detector 5400, . That is, the signal control unit 5500 may generate a control signal of a predetermined level or may be floating. The control signal thus generated is supplied to the signal combining unit 5200, and the signal combining unit 5200 corrects the first driving signal to generate the second driving signal. Meanwhile, the control signal output from the signal control unit 5500 is output as an analog signal.
  • the signal control unit 5500 may include a digital-to-analog converter.
  • the lead-free piezoelectric actuator can be driven by the first drive signal generated by the drive signal generator, and the output level of the lead- And a second driving signal generated according to a combination of the control signal and the first driving signal.
  • a control signal is generated according to the level of the vibration acceleration and the voltage of the PFA, and the control signal and the first drive signal are combined to generate the second drive signal to drive the PFA.
  • the first driving signal may be a signal having a predetermined amplitude from - to +
  • the second driving signal may be a signal having a predetermined amplitude from 0 to +.
  • the vibration acceleration of the lead-free piezoelectric actuator is greater than or equal to the reference vibration acceleration, it is driven by the first driving signal, and if the vibration acceleration is lower than the reference vibration acceleration, it may be driven by the second driving signal.
  • the power consumption of the lead-free piezoelectric actuator is smaller than or equal to the reference power consumption, it is driven by the first drive signal, and if it is larger than the reference consumption power, it can be driven by the second drive signal.
  • the piezoelectric actuator can be driven by generating a third driving signal having a different level from the second driving signal.
  • the vibration acceleration when the vibration acceleration is lower than the reference vibration acceleration even after the second drive signal is applied, a third drive signal larger than the second drive signal can be generated and applied. Even when the second drive signal is applied, And generates and applies a third drive signal lower than the second drive signal when the reference drive power is greater than the reference drive power.
  • the third driving signal may be a signal having a predetermined amplitude from 0 to +.
  • FIG. 14 is a block diagram for explaining a drive device of a lead-free piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention.
  • the driving apparatus for a lead-free piezoelectric actuator includes a driving signal generating unit 5100 for generating a first driving signal, And a signal output unit 5300 for outputting the driving signal output from the signal combining unit 5200 to the lead-free piezoelectric actuator 1000.
  • the signal combining unit 5200 includes a signal combining unit 5200, A level detector 5400 for detecting the level of the lead-free piezoelectric actuator 1000, and a controller for controlling the signal controller 5500 in accordance with the detection result of the level detector 5400 by controlling the drive signal generator 5100, And a signal controller 5500 that generates a control signal for controlling the driving signal according to the control unit 5600.
  • control unit 5600 is further provided in comparison with the first embodiment, and the drive signal generation unit 5100 and the signal control unit 5500 can be controlled by the control unit 5600 .
  • the second embodiment of the present invention will be described focusing on the difference from the first embodiment.
  • the drive signal generation unit 5100 generates a predetermined first drive signal.
  • the driving signal generating unit 5100 may generate a digital signal, convert it into an analog signal, and provide it to the signal combining unit 5200.
  • the driving signal generation unit 5100 may include a signal generation unit 1110 and a signal conversion unit 1200.
  • the signal combining unit 5200 receives the first driving signal generated from the driving signal generating unit 5100 and the control signal generated from the signal adjusting unit 5500, and combines them. That is, the signal combining unit 5200 combines the first driving signal and the control signal to generate the second driving signal.
  • the signal output unit 5300 provides the first driving signal or the second driving signal output from the signal combining unit 5200 to the lead-free piezoelectric actuator 1000.
  • the signal output unit 5300 applies a driving signal to the piezoelectric layer of the PQJ actuator described with reference to FIGS.
  • the level detecting section 5400 detects the level of the lead-free piezoelectric actuator 1000.
  • the level detecting section 5400 can detect the vibration acceleration of the PZT actuator 1000.
  • the level detector 5400 may detect various levels of the PQ actuator 1000 in addition to the vibration acceleration.
  • the level detector 5400 may be connected to one end and the other end of the Pb actuator 1000, The voltage or the power consumption of the battery can be detected.
  • the controller 5600 controls the drive signal generator 5100 to generate the first drive signal from the drive signal generator 5100.
  • the control unit 5600 controls the signal control unit 5500 according to the output of the level detection unit 5400 to generate a control signal from the signal control unit 5500.
  • the control unit 5600 is enabled when power is supplied to the electronic device in which the piezoelectric actuator 1000 is mounted, and controls the drive signal generation unit 5100 so that the drive signal generation unit 5100 generates the first drive signal Respectively.
  • the controller 5600 may adjust the level of the first driving signal. That is, the controller 5600 may control the drive signal generator 5100 to increase or decrease the level of the first drive signal according to the detection result of the level detector 5400.
  • the drive signal generation unit 5100 is controlled to increase the level of the first drive signal, and the power consumption of the piezoelectric actuator 1000 Is higher than the reference consumption power, the driving signal generation unit 5100 is controlled to reduce the level of the first driving signal.
  • the control unit 5600 controls the signal control unit 5500 according to the output of the level detection unit 5400 to generate a control signal from the signal control unit 5500. That is, when the level of the piezoelectric actuator 1000 is determined to be different from the reference level in accordance with the detection signal of the level detector 5400, the controller 5600 controls the signal controller 5500 to generate the control signal.
  • the signal adjusting unit 5500 generates a control signal according to a signal of the control unit 5600 and supplies the control signal to the signal combining unit 5200. For example, when a + signal is input from the control unit 5600, a control signal of a predetermined level is generated and supplied to the signal combining unit 5200, and when the - signal is inputted from the control unit 5600, no control signal is output.
  • the drive voltage of the lead-free piezoelectric actuator is adjusted to a voltage of 0V or more having a predetermined frequency, Driving characteristics such as vibration acceleration can be improved.
  • the characteristics of the lead-free piezoelectric actuator according to various driving voltages were confirmed, and experimental examples of the present invention are described as follows.
  • Table 3 shows the vibration acceleration and power consumption according to the amplitude change of the drive voltage applied to the lead-free piezoelectric actuator.
  • the driving voltage of the Pb piezoelectric actuator was changed from + 60V to -0V, -10V, -20V, -30V, -40V, -50V, and -60V to change the amplitude of the driving voltage from 60V to 120V Respectively.
  • a voltage of +60 V was applied
  • Experimental Example 2 a voltage of -10 V to +60 V was applied
  • Experimental Example 3 a voltage of -20 V to +60 V was applied.
  • the vibration acceleration increases and decreases as shown in [Table 3] and [ Figure 16] when the voltage increases and the amplitude increases. That is, in the case of Experimental Examples 2 and 3, the vibration acceleration increases as compared with Experimental Example 1, but in the case of Experimental Examples 4 to 7, the vibration acceleration decreases as compared with Experimental Example 1.
  • the power consumption increases as shown in [Table 3] and Fig. 17. That is, the power consumption of the second to seventh embodiments is higher than that of the first embodiment. However, it is not desirable to increase the vibration acceleration and the power consumption to be large. Therefore, it is preferable to generate an appropriate vibration acceleration with low power consumption as in the first embodiment.
  • the vibration acceleration and the power consumption in Experimental Example 1 can be set as the reference vibration acceleration and the reference consumption power, and the drive voltage capable of generating the reference vibration acceleration at this reference consumption power can be a voltage having an amplitude of 0 V to 60 V .
  • the present invention detects the levels of vibration acceleration, power consumption and the like of the lead-free piezoelectric actuator and adjusts the drive voltage when these levels are different from the reference level.
  • the driving voltage may be changed as in Experimental Examples 2 to 7 depending on the influence of the temperature and humidity of the actuator driving device and the durability degradation.
  • Table 4 shows the vibration acceleration and the power consumption according to the level change of the driving voltage applied to the PQJ actuator. That is, in Table 4, a driving voltage is applied at an amplitude of 60 V, a voltage of +60 V is applied to Experimental Example 8, a voltage of -10 V to + 50 V is applied to Experimental Example 9, To +40 V, and in Experimental Example 11, a voltage of -30 V to +30 V is applied.
  • the voltage waveforms according to Experimental Examples 8 to 11 are shown in Figs. 18 (a) to 18 (d).
  • the cycles of Experimental Examples 8 to 11 are the same, and Experimental Example 8 is the same as Experimental Example 1 according to [Table 3].
  • FIGS. 19 and 20 vibration acceleration and power consumption according to Table 4 are graphically displayed.
  • Experimental Example 8 Experimental Example 9 Experimental Example 10 Experimental Example 11 (+) Voltage 60 50 40 30 (-) Voltage 0 10 20 30 Vibration acceleration 3.10G 2.16G 1.21G 0.36G Vibration acceleration rate of change standard -60.4% -61.0% -88.3% Power Consumption 0.41 W 0.31 W 0.24 W 0.21 W Power consumption rate of change standard -24.4% -41.5% -49.8%
  • the vibration acceleration decreases as shown in [Table 4] and Fig.
  • the power consumption increases as shown in [Table 4] and Fig. That is, the experimental examples 9 to 11 can reduce the power consumption, but are not preferable because the vibration acceleration is small. In other words, the larger the (-) voltage at the same amplitude, the lower the power consumption but the smaller the vibration acceleration. Therefore, in Experiment 8, the most appropriate vibration acceleration is shown.
  • the present invention detects the levels of vibration acceleration, power consumption and the like of the lead-free piezoelectric actuator, and adjusts the driving voltage level so that these levels are applied to the waveform of Experimental Example 8, for example, .
  • [Table 5] and [Table 6] show vibration acceleration and power consumption according to the driving voltage of the lead-free piezoelectric actuator.
  • the driving voltage was changed from 60V to 70V to 79V. Also, the driving voltage was applied with an amplitude of 0 V or more. For example, a driving voltage of 60V was applied with an amplitude of 60V from OV, and a driving voltage of 70V was applied with an amplitude of 0V to 60V.
  • the driving voltages in [Table 5] and [Table 6] are also indicated as the applied voltage per 1 mm of the piezoelectric element.
  • Experimental Example 12 Experimental Example 13
  • Experimental Example 14 Experimental Example 15
  • Experimental Example 16 Voltage 60V (2 kV / mm) 70 V (2.33 kV / mm) 71 V (2.36 kV / mm) 72V (2.4 kV / mm) 73 V (2.43 kV / mm) Vibration acceleration 3.48G 4.31G 4.44G 4.58G 4.63G Vibration acceleration rate of change standard + 23.8% + 27.7% + 31.6% + 33.1% Power Consumption 0.38 W 0.84 W 0.84 W 1.05 W 1.14 W Power consumption rate of change standard + 121% + 121% + 176% + 200%
  • Experimental Example 17 Experimental Example 18 Experimental Example 19 Experimental Example 20
  • Experimental Example 21 Experimental Example 22 Voltage 74V (2.46 kV / mm) 75V (2.5 kV / mm) 76V (2.53 kV / mm) 77V (2.56 kV / mm) 78V (2.6 kV / mm) 79 V (2.63 kV / mm) Vibration acceleration 4.80G 4.81G 4.95G 5.14G 4.94G 4.88G Vibration acceleration rate of change + 37.9% + 38.3% + 42.3% + 47.9% + 41.9% + 40.3% Power Consumption 1.22 W 1.30 W 1.42 W 1.36W 1.45 W 1.50 W Power consumption rate of change + 221% + 242% + 273% + 257% + 281% + 294%
  • the vibration acceleration increases as the applied voltage increases compared to 60V.
  • the consumption electric potential increases as compared with the applied voltage of 60V.
  • vibration acceleration and power consumption increase as the driving voltage increases.
  • an increase in power consumption may not be a big problem for electronic devices depending on the voltage supplied from the electronic device to which the piezoelectric actuator is mounted, the size of the electronic device, and the like. Therefore, the size and the supply voltage of the lead-free piezoelectric actuator can be adjusted in consideration of the vibration acceleration and power consumption of the lead-free piezoelectric actuator in consideration of the size of the electronic device and the voltage supplied from the electronic device.
  • FIG. 23 is a flowchart for explaining a method of driving the piezoelectric actuator according to the embodiments of the present invention.
  • a method of driving a piezoelectric actuator includes a step S110 of generating a first driving signal, a step S120 of driving a piezoelectric actuator, A step S140 of comparing the level of the piezoelectric actuator with the level of the piezoelectric actuator, and a step S150 of generating the second driving signal according to the level of the piezoelectric actuator.
  • the signal generating unit 5100 generates a first driving signal.
  • the first drive signal may have a predetermined amplitude from - to + and have a predetermined frequency.
  • the first drive signal may be an analog signal having an amplitude of -100V to +100V.
  • the signal generator 5100 may be controlled by the controller 5600 to generate the first driving signal.
  • the first drive signal generated from the signal generator 5100 is applied to the piezoelectric actuator 1000 so that the piezoelectric actuator 1000 can be driven.
  • the first driving signal may be applied through the signal output part 5300 so as to have a phase difference at one end and the other end of the piezoelectric actuator 1000.
  • the level detector 5400 detects the level of the piezoelectric actuator 1000. [ At this time, the level detector 5400 can detect vibration acceleration, power consumption, voltage, etc. of the piezoelectric actuator 1000.
  • the level of the piezoelectric actuator 1000 detected by the level detector 5400 is compared with a reference level.
  • the level comparison may be performed by the level detector 5400 or the controller 5600 may be performed.
  • the level detector 5400 or the controller 5600 may control the signal controller 5500 by comparing the detection level of the piezoelectric actuator 1000 with the comparison level. For example, if the vibration acceleration is lower than the reference vibration acceleration or the voltage is lower than the reference voltage, the signal control unit 5500 is controlled to generate the control signal. Also, when the power consumption is greater than the reference power consumption, the signal control unit 5500 is controlled to generate the control signal. Meanwhile, the controller 5600 may control the signal generator 5100 so that the signal generator 5100 may adjust the level of the first driving signal and output the adjusted level.
  • the signal adjusting unit 5500 generates a control signal according to the level of the piezoelectric actuator 1000, and supplies the control signal to the signal combining unit 5200.
  • the signal combining unit 5200 combines the first driving signal and the control signal to generate a second driving signal.
  • the second driving signal may be a signal having a positive level and having a predetermined amplitude.
  • the piezoelectric actuator 1000 is driven by the second drive signal thus generated, and accordingly, the piezoelectric actuator 1000 can increase the vibration acceleration.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명은 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부; 검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치 및 방법을 제시한다.

Description

압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법
본 발명은 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
압전 물질(Piezoelectric material)은 압력을 가하면 전압이 발생하는 압전 효과와, 전압을 가하면 압전 물질 내에 압력 변화로 인한 부피나 길이가 증감되는 역압전 효과가 발생된다. 압전 진동 장치는 역압전 효과를 이용하여 휴대폰, 휴대용 멀티미디어 재생 장치(Potable Multimedia Player; PMP), 게임기 등과 같은 다양한 전자기기에 널리 채용된다.
휴대폰 등에 사용되는 압전 진동 장치는 사용자의 터치에 진동으로서 반응하는 촉각 피드백(haptic feedback) 수단으로서 이용될 수 있다. 촉각 피드백이란 물체를 만질 때 사용자의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각을 말한다. 촉각 피드백 수단은 가상의 물체(예를 들어, 윈도우 화면의 버튼 표시)를 사람이 만졌을 때 버튼 등의 실제의 물체를 만지는 것과 같은 응답성으로 동적 특성(버튼을 누를 때 손가락으로 전달되는 진동, 촉감과 동작음 등)을 재생할 수 있는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 따라서, 압전 진동 장치는 사람이 촉각을 통해 진동을 인지할 수 있는 충분한 진동력을 제공할 필요가 있다.
한편, 압전 물질로는 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 소재가 많이 이용되었다. PZT 소재는 높은 압전 계수(d33)를 비롯한 우수한 전기적인 특성 등 산업 전반에서 요구되는 성능들이 뛰어난 편이어서 일반적으로 사용되고 있으나, 납(Pb)을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경 문제를 야기한다. 따라서, 최근에는 납을 사용하지 않는 무연 압전 세라믹스가 연구되고 있다.
최근까지 개발된 무연 압전 세라믹스 중에서는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지며, 압전특성이 우수한 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스 재료인 (Bi0.5Na0.5)TiO3(이하, 'BNT'라고 함)와 (Bi0.5K0.5)TiO3(이하,'BKT'라고 함)가 있다. 이들은 강한 압전성과, 실온에서 비교적 큰 잔류분극(remnant polarization, Pr=38μC/㎠), 높은 상전이점을 가지는 장점이 있다. 그러나, 항전계(coercive field, Ec=73kV/cm)가 높고 절연 파괴 전압(breakdown voltage)이 낮아서 분극이 어렵다는 단점으로 인하여 실용적인 소자로 활용되기에는 압전 특성이 미흡하다.
또한, PZT는 분극이 가능하여 수축 및 팽창이 모두 가능하지만, 무연 압전 물질은 분극이 어렵고 수축 또는 팽창만이 가능하다.
따라서, 무연 압전 물질을 이용한 액추에이터는 기존의 PZT를 이용한 액추에이터와는 다른 방식으로 구동되어야 한다.
[선행기술문헌]
한국등록특허 제10-1333792호
본 발명은 무연 압전 물질을 이용한 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 구동 특성을 향상시킬 수 있는 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 압전 액추에이터 구동 장치는 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부; 검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함한다.
상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함한다.
상기 구동 신호 생성부는 -로부터 +의 진폭을 갖는 제 1 구동 신호를 생성한다.
상기 레벨 검출부는 상기 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압, 소비 전력 중 적어도 하나를 검출한다.
상기 신호 조합부는 0V 이상의 진폭을 갖는 제 2 구동 신호를 생성한다.
상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 제어부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 신호 생성부를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨이 조절되도록 한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 압전 액추에이터 구동 방법은 제 1 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시키는 과정; 상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정; 상기 압전 액추에이터의 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 생성하는 과정; 및 상기 제 2 구동 구동 신호를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 구동시키는 과정을 포함한다.
상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함한다.
상기 제 1 구동 신호는 -로부터 +의 진폭을 갖는다.
상기 압전 액추에이터의 레벨은 진동 가속도, 전압, 소비 전력을 포함한다.
상기 제 2 구동 신호는 0V 이상의 진폭을 갖는다.
상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 과정과, 상기 검출 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 상기 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하는 과정을 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치 및 방법은 구동 신호 생성부에서 생성된 제 1 구동 신호에 의해 무연 압전 액추에이터가 구동될 수 있고, 무연 압전 액추에이터의 출력 레벨을 검출하여 생성된 제어 신호와 제 1 구동 신호의 조합으로 생성된 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 즉, 무연 압전 액추에이터는 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨이 기준 레벨보다 크거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 레벨보다 작으면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 또한, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 압전 액추에이터의 레벨이 기준 레벨보다 낮을 경우에도 제 2 구동 신호보다 높은 레벨의 제 3 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다.
따라서, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 등의 구동 특성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 무연 압전 액추에이터가 장착된 전자기기의 햅틱 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 사시도 및 단면도.
도 8 내지 도 10은 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 히스테리시스 곡선.
도 11 및 도 12는 인가 전압에 따른 무연 압전 물질의 특성을 나타낸 그래프.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도.
도 15 내지 도 21는 본 발명의 실험 예들에 따른 구동 전압의 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력의 변화 그래프.
도 22는 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 결합 사시도이고, 도 2는 분해 사시도이다. 또한, 도 3은 분해 단면도이며, 도 4는 부분 사시도이다. 그리고, 도 5는 압전 진동 장치의 일부 영역의 다양한 실시 예에 따른 개략도이다. 또한, 도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 예에 따른 사시도 및 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 내부에 소정 공간을 마련하는 케이스(1000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되어 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(2000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되고 압전 진동 부재(2000)의 일부분에 결합되어 압전 진동 부재(2000)의 진동을 증폭시키는 웨이트(weight) 부재(3000)와, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역에 마련되어 웨이트 부재(3000)를 고정하기 위한 고정 부재(4000)를 포함할 수 있다.
1. 케이스
케이스(1000)는 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)를 포함하여 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치의 외형을 이루며, 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다.
하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 하측에 마련되어 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 내부 공간에 수용되도록 한다. 이러한 하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 예를 들어 길이 방향(즉 X 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 1 길이를 갖고, 이와 직교하는 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 2 길이를 가지며, 제 1 길이가 제 2 길이보다 긴 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이에 대응되는 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비에 대응되는 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 하부 케이스(1100)는 길이 방향의 적어도 두 변으로부터 위쪽 방향(즉 Z 방향)으로 소정 높이로 연장 형성될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)는 대략 직사각형 형태의 평면부(1110)와, 평면부(1110)의 적어도 두 변으로부터 상측으로 연장된 적어도 하나의 측면부(1120)를 포함할 수 있다. 평면부(1110)는 압전 진동 부재(2000)와 소정 간격 이격되어 압전 진동 부재(2000)의 하측을 커버할 수 있다. 측면부(1120)는 평면부(1110)의 가장자리의 적어도 두 영역으로부터 상측으로 연장 형성될 수 있다. 예를 들어, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 장변 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 물론, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 여기서, 측면부(1120)가 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 연장 형성될 경우 적어도 하나 이상의 영역이 서로 다른 높이로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 측면부(1120) 중에서 장변에 형성된 것이 단변에 형성된 것보다 높게 형성될 수 있다. 이렇게 측면부(1120)가 다양한 형상으로 제작되더라도 상부 케이스(1200)와 결합되어 측면이 커버될 수 있다. 한편, 평면부(1110)의 길이는 압전 진동 부재(2000)의 길이보다 짧을 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000)는 하부 케이스(1100)의 길이보다 길게 마련될 수 있고, 그에 따라 적어도 일부가 하부 케이스(1100) 외측으로 노출될 수 있다. 물론, 압전 진동 부재(2000)가 하부 케이스(1100)의 길이보다 짧게 마련되어 하부 케이스(1100) 내부에 완전히 수용될 수도 있다. 이와 같이 하부 케이스(1100)의 형상은 다양하게 변형 가능하다.
상부 케이스(1200)은 웨이트 부재(3000) 상측에 마련되어 내부에 웨이트 부재(3000)가 수용되고, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 수용된다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 상부 케이스(1200)의 내부에 마련될 수 있고, 압전 진동 부재(2000)는 하부 및 상부 케이스(1100, 1200) 사이의 공간에 마련될 수 있다. 이러한 상부 케이스(1200)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 서로 대향되는 두 변이 길고, 이와 직교하는 방향으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와 적어도 일 영역이 동일 형상을 갖도록 길이 방향(즉 X 방향)의 서로 대향되는 두 변이 길고, 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상을 가질 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 적어도 일 영역에서 아래쪽 방향으로 연장 형성될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 대략 직사각형의 평면부(1210)와, 평면부(1210)의 가장자리로부터 하부 케이스(1100) 방향으로 연장된 제 1 연장부(1220)와, 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 연장된 제 2 연장부(1230)를 포함할 수 있다. 평면부(1210)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이 방향을 따라 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비 방향을 따라 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 두 가장자리로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있고, 가장자리의 적어도 일부로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있다. 즉, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 단변으로부터 하측으로 연장 형성될 수 있다. 또한, 제 2 연장부(1230)는 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 소정 길이로 연장 형성될 수 있다. 따라서, 상부 케이스(1200)는 너비 방향으로 대향되는 두 영역이 하측 및 수평 방향으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 이러한 제 2 연장부(1230)는 압전 진동 부재(2000)의 소정 영역과 결합될 수 있다. 한편, 제 2 연장부(1230)의 소정 영역에 개구(1235)가 형성되며, 이에 대응하여 압전 진동 부재(2000)에도 개구(2220)가 형성될 수 있다. 상부 케이스(1200)의 개구(1235)와 압전 진동 부재(2000)의 개구(2220)는 상부 케이스(1200)와 압전 진동 부재(2000)의 정렬을 위해 형성되며, 압전 진동 장치의 조립 후 이를 전자장치에 고정하기 위해 이용될 수 있다. 한편, 상부 케이스(1200)는 평면부(1210)의 길이 방향으로 서로 대향되는 두변, 즉 장변에서 하측으로 연장된 복수의 제 3 연장부(1240)가 형성될 수 있다. 제 3 연장부(1240)는 소정 폭 및 소정의 간격으로 마련될 수 있으며, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)에 접촉될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)를 외측 또는 내측에서 접촉되도록 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)가 마련될 수 있다. 따라서, 내부에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용하고 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)와 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)이 접촉되어 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치가 구현될 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와의 사이에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용할 수 있도록 제 1 및 제 3 연장부(1220, 1240) 각각의 높이가 웨이트 부재(3000) 및 압전 진동 부재(2000)의 일부 높이보다 클 수 있다. 한편, 하부 케이스(1100) 및 상부 케이스(1200)의 적어도 하나에는 적어도 하나의 홀(미도시)을 형성하여 외부 단자를 연결할 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 평면부(1110) 및 상부 케이스(1200)의 평면부(1210)의 적어도 어느 하나에는 적어도 하나의 홀이 형성되어 외부로부터 전원을 공급하기 위한 외부 단자가 인입될 수 있다. 외부 단자는 압전 진동 부재(2000)의 압전 소자(2100)와 연결될 수 있다.
2. 압전 진동 부재
압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)과, 진동판(2200)의 적어도 일면에 마련된 압전 소자(2100)를 포함할 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 전압 인가에 따라 굽힘 응력이 발생하는 역압전 효과에 의해 진동을 발생시킨다. 즉, 압전 소자(2100)는 인가되는 전압에 따라 수직 방향으로 신축 운동을 하고, 진동판(2200)은 이를 굽힘 변형으로 변형하여 수직 방향으로 진동을 발생시킨다. 여기서, 압전 소자(2100)는 베이스와, 베이스의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층 및 내부 전극을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100)에 대해서는 도 6 및 7 등을 이용하여 추후 더욱 상세히 설명한다. 압전 소자(2100)는 접착제 등을 이용하여 진동판(2200)의 적어도 일면에 부착된다. 이때, 진동판(2200)의 양측이 동일 길이로 잔류하도록 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 중앙부에 부착될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수 있고, 진동판(2200)의 하면에 부착될 수도 있으며, 진동판(2200)의 상하 양면에 부착될 수도 있다. 즉, 본 실시 예는 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 하면에 부착되는 경우를 도시하여 설명하고 있지만, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수도 있고, 진동판(2200)의 상면 및 하면에 부착될 수도 있다. 여기서, 압전 소자(2100)와 진동판(2200)은 접착 이외에 다양한 방법으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)를 점착제를 이용하여 점착하고, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)의 측면을 접착제 등을 이용하여 접착함으로써 고정할 수도 있다.
진동판(2200)은 금속, 플라스틱 등을 이용하여 제작할 수 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 대략 직사각형의 판 형상으로 제작된다. 즉, 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 각각 소정의 길이, 너비 및 두께를 가지고, 서로 대향되는 일면 및 타면을 갖는 형상으로 제작된다. 이때, 진동판(2200)이 압전 소자(2100)보다 길게 제작될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 웨이트 부재(3000)보다 길게 제작될 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)의 일면이 압전 소자(2100)의 일면과 접착되고, 진동판(2200)의 타면이 웨이트 부재(3000)의 일부와 접촉된다. 즉, 진동판(2200)의 하면에 압전 소자(2100)가 접착되고, 진동판(2200)의 상면에 웨이트 부재(3000)의 일부가 결합될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 상면에 부착되는 경우 압전 소자(2100)와 웨이트 부재(3000)가 접촉되어 결합될 수도 있다. 이때, 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)는 접착에 의해 고정될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접착된 영역 이외의 소정 영역이 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 압전 소자(2100)와 접착된 영역 외측으로 연장된 연장판(2210)이 형성되고, 연장판(2210)은 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(1230)에 접촉될 수 있다. 다시 말하면, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접촉되는 영역 및 상부 케이스(100)의 제 2 연장부(1230)와 접촉되는 영역으로 이루어질 수 있다. 또한, 연장판(2210)에는 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(230)의 개구(1235)와 대응되도록 개구(2220)가 형성될 수 있다. 한편, 진동판(2200) 외측의 결합 영역, 즉 연장판(325)은 다양한 형상으로 마련될 수도 있다. 예를 들어, 하측으로 구부러진 후 다시 상측으로 구부러진 형상을 가질 수도 있고, 굴곡 영역의 외측으로 다시 평탄하게 형성되고, 이 영역이 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(220)에 접촉될 수 있다.
3. 웨이트 부재
웨이트 부재(3000)는 소정의 길이와 너비, 그리고 두께를 갖는 대략 육면체의 형상을 갖는다. 또한, 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 측으로 접촉부(3100)가 형성되고, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)와 접촉된다. 즉, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)의 일면과 대면하는 웨이트 부재(3000)의 두께 방향의 일면의 중앙부에 마련될 수 있으며, 그에 따라 압전 진동 부재(2000)의 중앙부에 접촉될 수 있다. 접촉부(3100)는 수평을 이루도록 평탄하게 마련된 웨이트 부재(3000)의 일면 중앙부에 돌출되어 마련될 수 있고, 웨이트 부재(3000)의 일면이 가장자리로부터 중앙부로 소정 각도로 경사지게 형성되고 중앙부의 가장 높은 부분이 접촉부(3100)가 되어 압전 진동 부재(2000)와 접촉될 수 있다. 이때, 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000)는 접착 부재 등에 따라 접착되어 고정될 수 있다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000) 사이에 접착 부재가 마련되어 웨이트 부재(3000)가 압전 진동 부재(2000)에 1차 고정될 수 있다. 여기서, 접착 부재는 양면 테이프, 쿠션 테이프, 에폭시 본드, 실리콘 본드, 실리콘 패드 등을 포함하는 테이프나 본드류를 이용할 수 있다. 따라서, 접촉부(3100)가 압전 진동 부재(2000)와 접촉되고, 웨이트 부재(3000)의 나머지 영역은 압전 진동 부재(2000)와 이격될 수 있다. 그런데, 접착제의 종류 및 그에 따른 특성에 따라 접착제를 두껍게 도포해야 할 수도 있는데, 접착제 도포 두께에 따라 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 간격이 멀어지고, 그에 따라 압전 진동 장치의 두께가 증가할 수 있다. 따라서, 접착제가 도포되는 영역, 즉 접촉부(3100)는 접착제의 도포 두께에 따라 내부로 움푹 파인 오목부(미도시)가 형성되고, 오목부 내측에 접착제가 도포될 수 있다. 한편, 접촉부(3100)는 웨이트 부재(3000)의 중앙부에 위치하지 않을 수도 있고 중앙부로부터 20% 이내에서 이동될 수 있다. 그에 따라 진동 주파수 및 변위를 조절할 수 있다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)와 결합되는 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000)의 진동에 의해 그와 함께 진동하면서 자신의 무게를 그 진동에 실어준다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)에 웨이트 부재(3000)가 결합되어 웨이트 부재(3000)의 무게가 실리면 진동체의 무게가 늘어난 결과가 되어 압전 진동 부재(2000)가 단독으로 진동할 때에 비해 공진 주파수는 감소하는 대신에 반면 진동력은 강화된다. 특히, 교류 구동 전압의 특정 주파수에서는 진동력이 최대로 증폭된다. 공진 주파수는 압전 진동 부재(2000), 웨이트 부재(3000) 등의 각 구성 요소의 물리적 재원과 물성적 특징에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 진동체는 자신의 고유 진동수에서 진동을 할 때 가장 큰 진동을 일으킨다. 진동체가 웨이트 부재(3000) 없이 압전 진동 부재(2000) 단독으로 구성된 경우 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수에 가깝기 때문에 압전 진동 부재(2000)가 그 공진점에서 최대 진동할 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값이 상대적으로 높다. 이에 비해, 진동체가 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 결합체로 구성된 경우, 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수와는 크게 멀어져서 그 진동체가 그 공진점에서 최대 진동을 일으킬 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값은 상대적으로 낮아진다. 또한, 압전 진동 부재(2000)에 흐르는 전류가 전자의 경우보다 후자의 경우가 낮기 때문에 진동체에 웨이트 부재(3000)를 이용할 경우 전력 소모량을 크게 줄일 수 있다. 한편, 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에는 고정 부재(4000)가 수용되어 결합되는 수용 홈(3200)이 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)가 접촉되는 웨이트 부재(3000)의 영역에는 오목하게 패인 수용 홈(3200)이 형성되고, 수용 홈(3200) 내에 고정 부재(4000)가 삽입되어 수용될 수 있다. 이러한 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께 정도의 깊이와 고정 부재(4000)의 폭 정도의 폭으로 형성될 수 있다. 따라서, 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200)에 삽입된 후 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면은 고정 부재(4000)와 평면을 이룰 수 있다. 물론, 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께보다 큰 깊이로 형성될 수도 있고 작은 깊이로 형성될 수도 있다. 그러나, 수용 홈(3200)의 폭은 고정 부재(4000)의 폭으로 형성되고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)가 움직이지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200) 내에 삽입되어 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다.
4. 고정 부재
고정 부재(4000)는 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역으로부터 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 X 방향의 두 측면, 즉 장변으로부터 연장되어 마련된 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)를 포함할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 마련될 수 있다. 물론, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 별도로 제작된 후 진동판(2200)의 일 영역에 용접 등의 방법으로 고정될 수도 있다. 그러나, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면을 감싸도록 형성되어 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정시킬 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에 접촉되어 꺽어져 웨이트 부재(3000)를 접촉되어 감싸도록 형성될 수 있다. 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 접착제 등에 의해 1차 고정되는데, 고정 부재(4000)가 웨이트 부재(3000)를 감싸 고정함으로써 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)의 꺽어지는 부분의 적어도 일부는 고정 부재(4000)의 일부가 제거되어 다른 영역보다 폭이 좁거나 얇게 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 진동판(2200)의 측면과 접촉되는 부분에 소정 폭이 제거되어 개구가 형성될 수 있다. 이렇게 고정 부재(4000)의 적어도 일부분이 제거됨으로써 고정 부재(4000)의 꺽임을 용이하게 할 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)를 더욱 밀착하여 고정할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 동일 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금속 재질로 형성될 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 양측에 한쌍 형성될 수도 있고, 둘 이상 복수의 쌍으로 형성될 수도 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 각각 하나씩 형성될 수도 있고, 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 소정 간격 이격되어 복수 형성될 수도 있다. 고정 부재(4000)가 복수의 쌍으로 형성됨으로써 웨이트 부재(3000)를 복수의 영역에서 고정할 수 있고, 그에 따라 한쌍으로 고정하는 경우에 비해 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 길이에 대해 5% 내지 50%의 폭으로 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)의 폭은 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%로 형성될 수 있다. 이는 하나의 고정 부재(4000)의 폭이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있고, 복수의 고정 부재(4000)의 폭의 합이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있다. 또한, 고정 부재(4000)는 서로 맞닿는 부분이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)의 일 영역에 돌출부가 마련되고 타 영역에 오목부가 마련되며, 이와 대향되는 제 2 고정 부재(4200)는 제 1 고정 부재(4100)의 돌출부 및 오목부에 각각 대향되어 오목부 및 돌출부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 예를 들어 중앙부에 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 볼록부가 마련될 수 있다. 그리고, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 둘 이상의 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 둘 이상의 볼록부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)는 각각의 말단이 톱니 모양으로 형성되고 이들이 대향되어 결합될 수 있다. 이렇게 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 서로 맞닿는 말단부를 다양한 형상으로 형성함으로써 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 대면하는 면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)의 고정력을 더욱 증가시킬 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000) 사이, 즉 고정 부재(4000)와 수용 홈(3200) 사이에는 접착제 또는 쿠션재가 마련될 수 있다. 접착제가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 쿠션재가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합에 의한 충격을 완화시킬 수 있고, 진동에 의한 소음을 감소시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 압전 진동 부재(2000) 상에 마련되는 웨이트 부재(3000)를 압전 진동 부재(2000)의 일측에 마련된 고정 부재(4000)를 이용하여 고정할 수 있다. 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 따라서, 웨이트 부재(3000)를 접착제를 이용하여 접착 고정하는 종래에 비해 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전자기기의 낙하 등의 충격에 의해서도 웨이트 부재(3000)가 이탈되지 않도록 할 수 있다. 결국, 강한 충격에 의해서도 압전 진동 장치의 기능을 제대로 구현할 수 있다.
이어서, 본 발명의 압전 진동 부재(2000)로 이용되는 압전 소자(2100)에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 압전 소자의 사시도 및 단면도이다.
2.1. 압전 소자의 일 예
도 6에 도시된 바와 같이, 압전 소자(2100)는 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)는 0.1㎜∼1㎜의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 압전 진동 장치의 크기 등에 따라 압전 소자(2100)의 두께는 상기 두께 범위 이하이거나 이상일 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 대략 사각형의 형상을 가질 수 있는데, 이때 길이가 폭보다 길거나 같을 수 있다. 예를 들어, X 방향으로의 길이와 Y 방향으로의 폭의 비율이 5:5∼9:1일 수 있다. 이때, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)보다 작거나 같은 사이즈로 마련될 수 있는데, X 방향으로의 길이가 진동판(2200)의 길이보다 짧거나 같고, Y 방향으로의 폭이 진동판(2200)의 폭보다 좁거나 같도록 마련될 수 있다. 물론, 압전 소자(2100)는 압전 진동 장치의 형태에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 마련될 수 있다.
이러한 압전 소자(2100)는 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)와, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층(2121∼2128; 2120)과, 압전층(2120) 상에 형성된 적어도 하나의 내부 전극(2131∼2139; 2130)을 포함할 수 있다. 즉, 압전 소자(2100)는 베이스(2110)의 양면에 압전층(2120)이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 베이스(2110)의 일면에 압전층(2120)이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 또한, 변위와 진동력을 증가시키고, 저전압 구동을 가능하게 하기 위해 베이스(2110)의 일면 상에 압전층(2120)을 복수로 적층하고 유니모프 타입으로 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)의 일면 및 타면 상에 복수의 압전층(2121 내지 2128; 2120)이 적층 형성되고, 압전층(2120) 사이에 도전층이 형성되어 복수의 내부 전극(2131 내지 2138; 2130)이 형성될 수 있다. 또한, 도전층은 압전층(2120)의 표면에 형성되어 표면 전극(2139)이 형성될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)의 적어도 하나는 베이스(2110)의 표면 상에 형성될 수도 있는데, 이때 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130)과 연결되도록 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2141, 2142; 2140)을 더 포함할 수 있고, 베이스(2110), 복수의 압전층(2120) 및 복수의 내부 전극(2130)이 적층된 적층체의 표면에 형성된 커버층(2150)을 더 포함할 수 있다.
베이스(2110)는 압전층(2120)이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등을 이용할 수 있다. 한편, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등의 압전층(2120)과 이종의 물질을 이용하지 않을 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전층(2120)과 동종의 물질을 이용하여 마련될 수도 있다. 이때, 베이스(2110)가 압전층 또는 금속으로 마련될 경우 베이스(2110)의 표면에는 내부 전극(2130)이 형성되지 않을 수 있다. 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 전체 두께 대비 1/3 내지 1/150의 두께로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)의 두께가 300㎛일 경우 베이스(2110)의 두께는 2㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 이때, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고, 복수로 적층된 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같을 수 있다. 물론, 베이스(2110)의 두께가 압전층(2120) 각각의 두께보다 두꺼울 수도 있다. 그러나, 베이스(2110)가 두꺼울수록 압전층(2120)의 두께가 얇아지거나 압전층(2120)의 적층 수가 적어지므로 압전 현상이 적게 발생할 수 있다. 따라서, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고 복수로 이루어진 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같은 것이 바람직하다. 한편, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 중앙부 뿐만 아니라 상부 또는 하부에 마련될 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 표면 또는 하부 표면에 마련될 수 있다. 베이스(2110)가 압전 소자(2100)의 일 표면에 마련되면 베이스(2110)의 일면 상에 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)이 적층될 수 있다. 즉, 베이스(2110)가 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 형성하기 위한 지지층으로 이용될 수 있다. 또한, 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 내부에 둘 이상 마련될 수도 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 각각 마련되거나, 압전 소자(2100)의 상부, 중앙부 및 하부에 각각 마련될 수도 있다. 물론, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부의 어느 하나와 중앙부에 베이스(2110)가 마련될 수도 있다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 마련되는 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 절연성 베이스(2110) 상에 표면 전극(2139), 압전층(2110) 등이 형성되므로 절연성 베이스(2110)가 표면 전극(2139)를 덮도록 마련될 수 있다. 따라서, 절연성 베이스(2110)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 이렇게 둘 이상의 베이스(2110)가 마련되는 경우에도 베이스(2110)의 전체 두께는 압전층(2120) 전체 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 절연성 베이스(2110)가 마련되는 경우 커버층(2150)이 형성되지 않을 수 있다. 그러나, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 절연성 베이스(2110)가 형성되고 그 상부를 덮도록 커버층(2150)이 형성될 수도 있다.
압전층(2120)은 무연 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 무연 압전 물질로서 (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xSrTiO3를 이용할 수 있다. 여기서 x는 0.24 내지 0.30이다. (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xSrTiO3는 BiO3, Na2O3, SrCO3, TiO2를 기본 물질로 형성할 수 있으며, 첨가제로서 K2CO3, BaCO3, ZrO2, SnO2, La2O3, Nb2O5, Ta2O5, MnO2, CuO 중 하나 또는 그 이상이 첨가될 수 있다. 또한, 무연 압전 물질로서 (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3를 이용할 수 있다. 여기서, x는 0.15 내지 0.45이다. (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3는 BiO3, Na2O3, SrCO3, TiO2, K2CO3를 기본 물질로 형성할 수 있다. 그러나, 압전층(2120)은 이러한 물질에 한정되지 않고 다양한 무연 압전 물질을 이용할 수 있다. 즉, 압전층(2120)은 전압을 가하면 부피나 길이의 증감이 발생하는 다양한 종류의 무연 압전 물질을 이용할 수 있다. 한편, 압전층(2120)은 적어도 일 영역에 형성된 적어도 하나의 기공(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 기공은 적어도 하나의 크기 및 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 기공은 불규칙한 형상 및 크기로 불규칙하게 분포될 수 있다.
내부 전극(2130)은 외부로부터 인가되는 전압을 압전층(2120)에 인가하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 구동을 위한 전원을 압전층(2120)에 인가할 수 있다. 구동을 위한 전원은 외부 전극(2140)을 통해 내부 전극(2130)으로 인가될 수 있다. 이러한 내부 전극(2130)은 압전 소자(2100) 외부에 형성된 외부 전극(2140)과 교대로 연결되도록 형성될 수 있다. 즉, 제 1, 제 3, 제 5 및 제 7 내부 전극(2131, 2133, 2135, 2137)은 제 1 외부 전극(2141)과 연결되고, 제 2, 제 4, 제 6 및 제 8 내부 전극(2132, 2134, 2136, 2138)은 제 2 외부 전극(2142)과 연결될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 한편, Al은 소성 중 표면에 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 형성되고 내부는 Al을 유지할 수 있다. 즉, Al을 압전층(2120) 상에 형성할 때 공기와 접촉하게 되는데, 이러한 Al은 이후 공정에서 표면이 산화되어 Al2O3가 형성되고, 내부는 Al을 그대로 유지한다. 따라서, 내부 전극(2130)은 표면에 다공성의 얇은 절연층인 Al2O3로 피복된 Al로 형성될 수 있다. 물론, Al 이외에 표면에 절연층, 바람직하게는 다공성의 절연층이 형성되는 다양한 금속이 이용될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)은 예를 들어 1㎛∼10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 다르게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 형성될 수 있다. 즉, 동일 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 불균일하여 다른 영역보다 얇거나 두껍게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 압전층(2120)이 노출되도록 형성될 수도 있다. 그러나, 내부 전극(2130)의 적어도 일 영역의 두께가 얇거나 적어도 일 영역이 제거되더라도 전체적으로 연결된 상태를 유지하므로 전기 전도성에는 전혀 문제가 발생되지 않는다. 또한, 다른 내부 전극(2130)은 동일 영역에서 서로 다른 두께로 형성되거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 내부 전극(2130) 중에서 수직 방향으로 소정의 길이 및 폭에 해당하는 동일 영역의 적어도 하나의 내부 전극(2130)이 다른 내부 전극(2130)과는 다른 두께로 형성될 수 있고, 다른 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 다른 형상은 오목하거나 볼록하거나 패인 형상 등으로 포함할 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 X 방향의 길이 및 Y 방향의 폭이 압전 소자(2100)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 즉. 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이의 10% 내지 97%의 길이와 10% 내지 97%의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 압전층(2120) 각각의 면적 대비 10% 내지 97%의 면적으로 각각 형성될 수 있다. 한편, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130) 사이의 거리가 전체 두께 대비 1/3 내지 1/30일 수 있다. 즉, 내부 전극(2130) 사이의 압전층(2120) 각각의 두께는 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3 내지 1/30일 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100) 두께가 300㎛일 경우 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120) 각각의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께에 의해 구동 전압이 변경될 수 있으며, 내부 전극(2130) 사이의 거리가 가까울수록 구동 전압은 감소될 수 있다. 그런데, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3을 초과할 경우 구동 전압이 증가하게 되고, 그에 따라 높은 구동 전압을 생성하기 위한 고비용의 구동 IC가 필요하게 되어 원가 상승의 원인이 될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/30 미만이면 공정상 두께 편차 발생 빈도가 높고 그에 따라 압전층(2120)의 두께가 일정하지 않아 특성 저하의 문제가 발생될 수 있다.
외부 전극(2140)은 압전층(2120)의 구동 전압을 인가하기 위해 형성될 수 있다. 이를 위해 외부 전극(2140)은 적층체의 적어도 일 표면에 형성되며, 내부 전극(2130)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 X 방향, 즉 길이 방향으로 적층체의 대향되는 두 면에 각각 형성될 수 있다. 물론, 외부 전극(2140)은 서로 대향되는 두 면과, 이와 인접한 적어도 한 면에 연장 형성될 수 있다. 또한, 외부 전극(2140)은 적층체를 관통하여 적층체 내부로 형성될 수도 있다. 이러한 외부 전극(2140)은 인쇄, 증착, 스퍼터링, 도금 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 적층체와 접촉되는 제 1 층이 도전성 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성되고, 그 상부에 제 2 층이 도금 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)과 연결되는 외부 전극(2140)의 적어도 일부 영역은 내부 전극(2130)과 동일 재질의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)이 구리로 형성되고, 적층체의 표면에 형성되며 내부 전극(2140)과 접촉되는 외부 전극(2130)의 제 1 층이 구리로 형성될 수 있다.
커버층(2150)은 적층체의 하부 및 상부 표면에 적어도 하나 형성될 수 있다. 즉, 커버층(2150)은 적층체의 하부에 형성된 하부 커버층(2151) 및 적층체의 상부에 형성된 상부 커버층(2152) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 커버층(2150)은 절연성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 분극되지 않은 압전 물질로 형성될 수 있다. 이러한 커버층(2150)에 의해 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 커버층(2140)이 외부로 노출된 표면 전극(2139)을 덮도록 마련될 수 있고, 커버층(2150)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 한편, 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 절연성 베이스(2110)가 형성되는 경우 이러한 절연성 베이스(2110)가 커버층(2150)으로 기능할 수 있다. 그러나, 절연성 베이스(2110) 상에 커버층(2150)이 형성될 수도 있다.
도 8 내지 도 10은 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 특성을 비교하기 위한 히스테리시스 곡선이다. 도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 P-E 히스테리시스 곡선이고, 도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 바이폴라 S-E 히스테리시스 곡선이며, 도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 무연계 압전 물질 및 유연계 압전 물질의 유니폴라 S-E 히스테리시스 곡선이다. 여기서, 유연계 압전 물질은 PZT계 압전 물질이며, 무연계 압전 물질은 BNST계 압전 물질이다. 또한, 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질을 이용한 압전층을 진동판의 일면 상에 형성한 유니폴라형과 진동판의 양면 상에 형성한 바이폴라형을 각각 제작하고 전기장에 따른 분극률(polarization)과 변형률(strain)을 측정하였다.
도 8은 전기장에 따른 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 분극률을 나타낸 것이다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 41.44μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)를 갖는다. 이에 비해, 도 8(b)에 도시된 바와 같이 무연계 압전 물질은 5kV/㎜의 전기장에서 30.59μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)을 갖고, 6kV/㎜의 전기장에서 40.48μC/㎠의 최대 분극률(Pmax)을 갖는다. 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 전기장에 따른 Pmax, Prem 및 Ec를 각각 표 1에 나타내었다.
전기장[kV/㎜] Pmax[μC/㎠] Prem[μC/㎠] Ec[kV/㎜]
무연계 압전 물질 5 37.59 9.14 1.02
6 40.68 10.52 1.14
유연계 압전 물질 3 41.44 36.43 1.21
도 9(a) 및 도 9(b)는 전기장에 따른 바이폴라 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 변형률을 나타낸 것이고, 도 10(a) 및 도 10(b)는 전기장에 따른 유니폴라 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 변형률을 나타낸 것이다. 즉, 도 9(a)에는 바이폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었고, 도 10(a)에는 유니폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었다. 또한, 도 9(b)에는 바이폴라 무연계 압전 물질의 변형률을 나타내었고, 도 10(b)에는 유니폴라 유연계 압전 물질의 변형률을 나타내었다. 도 9(a)에 도시된 바와 같이 바이폴라 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 0.13μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖고, 도 10(a)에 도시된 바와 같이 유니폴라 유연계 압전 물질은 3kV/㎜의 전기장에서 0.14μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖는다. 이에 비해, 도 9(b)에 도시된 바와 같이 바이폴라 무연계 압전 물질은 6kV/㎜의 전기장에서 0.32μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖고, 도 10(b)에 도시된 바와 같이 유니폴라 무연계 압전 물질은 6kV/㎜의 전기장에서 0.32μC/㎠의 최대 변형률(Cmax)을 갖는다. 유연계 압전 물질 및 무연계 압전 물질의 바이폴라 및 유니폴라의 전기장에 따른 최대 변형률을 표 2에 나타내었다.
전기장[kV/㎜] 바이폴라 유니폴라
Smax[μC/㎠]
무연계 압전 물질 6 0.32 0.31
유연계 압전 물질 3 0.13 0.14
일반적인 압전 재료, 즉 유연계 압전 재료는 분극화(Poling) 처리를 통해 강유전 분역들을 한 방향으로 정렬해 주면 영구 압전체(Permanent piezoelectrics)로 사용할 수 있다. 분극화 원리는 분역의 재배열 결과 유도되는 분극량과 일치하는 전극에 유도된 전하들이 형성하는 탈분극(depolarization field)이 상쇄하는데 기인한다. 분극화의 결과 유도되는 영구 압전성은 없던 성질이 새로 만들어지는 것이 아니라 분극화 이전에도 이미 미세하게 존재하고 있었으나 그 배열이 무작위여서 정렬 과정을 통하지 않고는 외부로 드러나지 않을 뿐이다.한편, 전기장이 가해지지 않은 상태에서는 어떤한 형태이든 거시적으로 상유전 상태를 유지하다가 특정 세기 이상의 전기장이 가해질 때 강유전 상이 유도될 수 있는 재료가 있다. 이러한 재료들은 이중 분극 이력 곡선을 수반하며, 잔류 변형이 없어 일방향 사이클에서 재료가 가질 수 있는 최대 변형값을 수반한다. 분극 및 변형 이력 곡선을 보이는 재료들에서는 아예 없거나 무사할 수 있는 정도로 작은 압전 특성이 전기장의 인가와 함께 증폭되는데 이런 의미에서 이들 재료를 통칭하여 초기압전(Incipient piezoelectricity) 세라믹스라고 부른다.
도 11 및 도 12는 인가 전압에 따른 무연 압전 물질의 특성을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 11은 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이고, 도 12는 0V 이상의 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이다.
도 11(a)는 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압의 파형을 도시하고, 도 11(b) 내지 도 11(d)는 이러한 파형의 인가 전압의 주파수에 따른 특성 그래프이다. 도 11(b)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 110㎐ 내지 170㎐의 주파수로 스윕(sweep) 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 0.986G이다. 또한, 도 11(c)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 144㎐로 고정 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 1.649G이다. 그리고, 도 11(d)는 -110V 내지 +110V의 진폭을 갖는 전압을 288㎐로 고정 인가할 경우의 그래프로서, 288㎐에서 진동 가속도가 0.168G이다.
이에 비해, 도 12(a)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 60V의 전압, 즉 0V 내지 60V의 진폭을 갖는 전압을 144㎐의 주파수로 고정 인가할 경우 도 12(b)에 도시된 바와 같이 144㎐에서 진동 가속도가 0.154G이다. 또한, 도 12(c)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 60V의 전압을 288㎐로 고정 인가할 경우 288㎐에서 진동 가속도가 3.558G이다.
따라서, 초기 압전 세라믹스 특성을 갖는 무연 압전 물질은 전압을 (+)의 진폭으로 인가할 경우 동일 주파수에서 더 높은 진동 가속도를 가질 수 있다. 즉, 288㎐의 주파수로 전압을 인가할 경우 288㎐의 주파수에서 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 전압을 인가하면 도 11(d)에 도시된 바와 같이 진동 가속도가 0.168G이고, (+)의 진폭을 갖는 전압을 인가하면 도 12(c)에 도시된 바와 같이 진동 가속도가 3.558G이다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도이다. 즉, 본 발명은 (+)의 진폭을 갖는 인가 전압을 생성하여 무연 압전 액추에이터를 구동하며, 도 13은 이를 위한 제 1 실시 예의 블럭도이다.
도 13를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부(5100)와, 구동 신호 생성부(5100)의 구동 신호와 신호 조절부(5500)의 제어 신호를 조합 및 증폭하는 신호 조합부(5200)와, 신호 조합부(5200)로부터 출력된 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 출력하는 신호 출력부(5300)와, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출하는 레벨 검출부(5400)와, 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부(5500)를 포함할 수 있다. 여기서, 신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터의 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 출력한다. 이때, 제 1 구동 신호는 도 10(a)에 도시된 바와 같이 (-)로부터 (+)의 진폭을 갖는 신호일 수 있고, 제 2 구동 신호는 도 11(a)에 도시된 바와 같이 (+)의 진폭을 갖는 신호일 수 있다.
구동 신호 생성부(5100)는 소정의 제 1 구동 신호를 생성한다. 구동 신호 생성부(5100)는 디지털 신호를 생성한 후, 이를 아날로그 신호로 변환하여 신호 조합부(5200)로 제공할 수 있다. 이를 위해 구동 신호 생성부(5100)는 신호 생성부(미도시) 및 신호 변환부(미도시)를 포함할 수 있다. 신호 생성부는 디지털 신호를 생성하고, 신호 변환부는 신호 생성부로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 즉, 신호 생성부는 소정의 펄스 신호를 생성하는 제너레이터일 수 있으며, 신호 변환부는 디지털-아날로그 변환부일 수 있다. 신호 변환부(1120)는 디지털 신호의 디지털 레벨에 따라 전압 형태의 아날로그 신호를 생성한다. 예를 들어, 중간 레벨의 디지털 신호에 따라 크기가 0인 아날로그 신호를 생성할 수 있으며, 최소 레벨이 디지털 신호에 따라 마이너스 최대치의 아날로그 신호를 생성할 수 있고, 최대 레벨의 디지털 신호에 따라 플러스 최대치의 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 구동 신호 생성부(5100)는 예를 들어 +100V 내지 -100V의 도 11(a)에 도시된 바와 같은 파형의 신호를 출력할 수 있다.
신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호를 신호 출력부(5300)으로 전달한다. 또한, 신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터 생성된 제어 신호를 입력하여 이들을 조합한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 구동 초기에는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호를 신호 출력부(5300)에 공급하고, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨 검출 후에는 구동 신호 생성부(5100)로부터의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터의 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 신호 출력부(5300)에 공급한다. 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨이 검출된 후 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 도 11(a)에 도시된 파형의 제 1 구동 신호를 입력하여 도 12(a)에 도시된 파형의 제 2 구동 신호를 출력할 수 있다. 또한, 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 입력하여 이를 조합한 후 증폭하여 출력할 수 있다. 이를 위해 신호 조합부(5200)는 증폭 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비반전 단자로 구동 신호 생성부(5100)의 제 1 구동 신호가 입력되고 반전 단자로 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호를 입력하여 이를 조합 및 증폭한 후 제 2 구동 신호를 출력할 수 있다. 제 2 구동 신호는 신호 출력부(5300)에 공급될 수 있다.
신호 출력부(5300)는 신호 조합부(5200)로부터 출력된 신호, 즉 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 제공한다. 예를 들어, 신호 출력부(5300)는 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명한 무연 압전 액추에이터의 압전층에 구동 신호를 인가한다. 이때, 신호 출력부(5300)는 구동 신호를 반전 및 비반전시켜 출력할 수 있다. 즉, 비반전된 구동 신호와 반전된 구동 신호를 압전 액추에이터의 양단에 인가할 수 있다. 여기서, 신호 출력부(5300)로부터 출력되는 구동 신호는 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호일 수 있다. 즉, 신호 출력부(5300)는 제 1 구동 신호를 서로 180도 위상차가 나도록 하여 2개의 구동 신호로 출력할 수 있고, 제 2 구동 신호를 서로 180도 위상차가 나도록 하여 2개의 구동 신호로 출력할 수 있다. 이때, 비반전된 구동 신호는 신호 출력부(5300)의 제 1 출력단(OUT1)에서 출력될 수 있고, 반전된 구동 신호는 신호 출력부(5300)의 제 2 출력단(OUT2)에서 출력될 수 있다. 비반전된 구동 신호는 예를 들어 두개의 인버터(1310, 1320)를 통해 출력될 수 있고, 반전된 구동 신호는 예를 들어 하나의 인버터(5330)를 통해 출력될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 인버터(5310, 5320)를 통해 비반전된 구동 신호가 제 1 출력단(OUT1)으로 출력될 수 있고, 제 3 인버터(5330)를 통해 반전된 구동 신호가 제 2 출력단(OUT2)으로 출력될 수 있다. 짝수개의 인버터를 통해 구동 신호가 출력됨으로써 구동 신호가 필터링 및 비반전되고, 홀수개의 인버터를 통해 구동 신호가 출력됨으로써 구동 신호가 필터링 및 반전될 수 있다.
레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력 등을 검출할 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 따라 구동하는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력 등 특성 레벨, 다시 말하면 출력 레벨을 검출할 수 있다. 한편, 진동 가속도의 레벨을 검출하기 위해 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도와 기준 진동 가속도를 비교하고, 비교 결과에 따라 신호 조절부(5500)에 신호를 출력한다. 여기서, 기준 진동 가속도는 무연 압전 액추에이터(1000)가 햅틱 소자로 적용되었을 때 사용자가 적절하게 느끼는 진동을 고려하여 소정 범위 또는 소정 수치로 설정할 수 있으며, 예를 들어 2.5G 내지 3.0G 또는 3.OG를 기준 진동 가속도로 설정할 수 있다. 이때, 기준 진동 가속도는 무연 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력, 전압 등을 더 고려하여 설정할 수도 있다. 그러나, 이러한 기준 진동 가속도는 하나의 예로서, 무연 압전 액추에이터(1000)의 사이즈, 무연 압전 액추에이터(1000)가 장착되는 전자기기의 종류, 사이즈, 그리고 전자기기로부터 무연 압전 액추에이터(1000)에 공급할 수 있는 전압 등에 따라 달라질 수 있다. 즉, 무연 압전 액추에이터(1000)가 작거나, 전자기기가 소형이거나, 전자기기에서 공급할 수 있는 전압이 낮으면 기준 진동 가속도를 낮게 설정할 수 있다. 따라서, 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 구동 신호의 레벨을 조절하기 위한 신호를 신호 조절부(5500)에 출력한다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 검출된 진동 가속도를 기준 진동 가속도와 비교기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교기의 일 단자(예를 들어 + 단자)에 검출된 진동 가속도의 신호가 입력되고 비교기의 타 단자(예를 들어 - 단자)에 기준 진동 가속도가 입력된다. 따라서, 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 + 레벨의 신호가 출력되고 검출된 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 높으면 - 레벨의 신호가 출력될 수 있다. 또한, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력을 기준 소비 전력과 비교할 수 있다. 이때, 기준 소비 전력은 적절한 진동을 발생시키는 소비 전력으로 설정할 수 있다. 그런데, 소비 전력이 너무 높으면 진동 가속도는 증가시킬 수 있지만, 전력 소비가 많아 바람직하지 않다. 따라서, 예를 들어 3.0G의 진동 가속도를 발생시킬 수 있는 소비 전력을 기준 소비 전력으로 설정할 수 있다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 검출된 소비 전력을 기준 소비 전력과 비교하는 비교기를 포함할 수 있다. 이때, 레벨 검출부(5400)는 기준 소비 전력보다 큰 소비 전력을 검출하여 구동 신호의 레벨을 조절하기 위한 신호를 생성하여 신호 조절부(5500)에 출력한다. 한편, 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도, 소비 전력을 각각 비교하는 비교기가 적어도 하나 마련될 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 하나의 비교기가 마련되어 진동 가속도, 소비 전력 중 어느 하나의 레벨을 검출할 수 있고, 둘 이상의 비교기가 마련되어 진동 가속도 및 소비 전력의 레벨을 검출할 수 있다.
한편, 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도, 소비 전력 이외에 무연 압전 액추에이터(1000)의 다양한 레벨을 검출할 수 있다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 접속되어 일단 및 타단의 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 레벨 검출부(5400)는 예를 들어 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 마련된 제 1 및 제 2 저항(미도시)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 저항은 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 흐르는 전류를 전압으로 검출할 수 있다. 또한, 레벨 검출부(5400)는 측정된 전압을 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 즉, 레벨 검출부(5400)는 저항에서 측정된 전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다. 결국, 레벨 검출부(5400)는 전압을 측정하는 전압 측정부와, 전압을 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
신호 조절부(5500)는 레벨 검출부(5400)의 신호에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)로부터 + 신호가 입력되면 소정 레벨의 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)로 공급하고, 레벨 검출부(5400)로부터 - 신호가 입력되면 제어 신호를 출력하지 않는다. 즉, 신호 조절부(5500)는 소정 레벨의 제어 신호를 생성하거나 플로팅될 수 있다. 이렇게 생성된 제어 신호를 신호 조합부(5200)에 공급되고, 신호 조합부(5200)에서 제 1 구동 신호를 보정하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 한편, 신호 조절부(5500)로부터 출력되는 제어 신호는 아날로그 신호로 출력되며, 이를 위해 신호 조절부(5500)는 디지털-아날로그 변환기를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 구동 신호 생성부에서 생성된 제 1 구동 신호에 의해 무연 압전 액추에이터가 구동될 수 있고, 무연 압전 액추에이터의 출력 레벨을 검출하여 생성된 제어 신호와 제 1 구동 신호의 조합에 따라 생성된 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 이때, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압 등의 레벨에 따라 제어 신호가 생성되고, 제어 신호와 제 1 구동 신호가 조합되어 제 2 구동 신호가 생성되어 무연 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다. 여기서, 제 1 구동 신호는 -로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수있고, 제 2 구동 신호는 0으로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다. 예를 들어, 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 크거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 진동 가속도보다 작으면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 또한, 무연 압전 액추에이터의 소비 전력이 기준 소비 전력보다 작거나 같으면 제 1 구동 신호에 의해 구동되고, 기준 소비 전력보다 크면 제 2 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 한편, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 압전 액추에이터의 레벨이 기준 레벨보다 낮거나 높을 경우에도 제 2 구동 신호와 다른 레벨의 제 3 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮을 경우 제 2 구동 신호보다 큰 제 3 구동 신호를 생성하여 인가할 수 있고, 제 2 구동 신호가 인가된 후에도 소비 전력이 기준 소비 전력보다 큰 경우 제 2 구동 신호보다 낮은 제 3 구동 신호를 생성하여 인가할 수 있다. 이때, 제 3 구동 신호는 0으로부터 +로 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 무연 압전 액추에이터의 구동 장치는 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부(5100)와, 구동 신호 생성부(5100)의 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)의 제어 신호를 조합 및 증폭하는 신호 조합부(5200)와, 신호 조합부(5200)로부터 출력된 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 출력하는 신호 출력부(5300)와, 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출하는 레벨 검출부(5400)와, 구동 신호 생성부(5100)를 제어하고 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하는 제어부(5600)와, 제어부(5600)에 따라 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부(5500)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예에 비해 제어부(5600)가 더 마련되며, 제어부(5600)에 의해 구동 신호 생성부(5100) 및 신호 조절부(5500)가 제어될 수 있다. 이하, 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예와 차이나는 부분을 중심으로 설명한다.
구동 신호 생성부(5100)는 소정의 제 1 구동 신호를 생성한다. 구동 신호 생성부(5100)는 디지털 신호를 생성한 후, 이를 아날로그 신호로 변환하여 신호 조합부(5200)로 제공할 수 있다. 이를 위해 구동 신호 생성부(5100)는 신호 생성부(1110) 및 신호 변환부(1200)를 포함할 수 있다.
신호 조합부(5200)는 구동 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호와 신호 조절부(5500)로부터 생성된 제어 신호를 입력하여 이들을 조합한다. 즉, 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다.
신호 출력부(5300)는 신호 조합부(5200)로부터 출력된 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 무연 압전 액추에이터(1000)에 제공한다. 예를 들어, 신호 출력부(5300)는 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명한 무연 압전 액추에이터의 압전층에 구동 신호를 인가한다.
레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 예를 들어, 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도를 검출할 수 있다. 레벨 검출부(5400)는 진동 가속도 이외에 무연 압전 액추에이터(1000)의 다양한 레벨을 검출할 수 있는데, 예를 들어 레벨 검출부(5400)는 무연 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 각각 접속되어 일단 및 타단의 전압 또는 소비 전력을 검출할 수 있다.
제어부(5600)는 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 구동 신호 생성부(5100)로부터 제 1 구동 신호가 생성되도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 출력에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하여 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호가 생성되도록 한다. 먼저, 제어부(5600)는 압전 액추에이터(1000)가 장착된 전자기기에 전원이 공급되면 인에이블되어 구동 신호 생성부(5100)를 제어하고 그에 따라 구동 신호 생성부(5100)가 제 1 구동 신호를 생성하도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 제 1 구동 신호의 레벨을 조절할 수도 있다. 즉, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 검출 결과에 따라 제 1 구동 신호의 레벨을 증가시키거나 감소시키도록 구동 신호 생성부(5100)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도가 기준 진동 가속도보다 낮으면 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨을 증가시켜 생성하도록 하고, 압전 액추에이터(1000)의 소비 전력이 기준 소비 전력보다 높으면 구동 신호 생성부(5100)를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨을 감소시켜 생성하도록 한다. 또한, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 출력에 따라 신호 조절부(5500)를 제어하여 신호 조절부(5500)로부터 제어 신호가 생성되도록 한다. 즉, 제어부(5600)는 레벨 검출부(5400)의 검출 신호에 따라 압전 액추에이터(1000)의 레벨이 기준 레벨과 다른 것으로 판단하면 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다.
신호 조절부(5500)는 제어부(5600)의 신호에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 예를 들어, 제어부(5600)로부터 + 신호가 입력되면 소정 레벨의 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)로 공급하고, 제어부(5600)로부터 - 신호가 입력되면 제어 신호를 출력하지 않는다.
상기한 바와 같이 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력, 전압 등의 레벨을 검출한 후 무연 압전 액추에이터의 구동 전압을 소정의 주파수를 갖는 0V 이상의 전압으로 조절하고, 그에 따라 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 등의 구동 특성을 향상시킬 수 있다. 다양한 구동 전압에 따른 무연 압전 액추에이터의 특성을 확인하였으며, 본 발명의 실험 예들을 설명하면 다음과 같다.
[표 3]에는 무연 압전 액추에이터에 인가되는 구동 전압의 진폭 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. [표 3]에 나타낸 바와 같이 무연 압전 액추에이터의 구동 전압을 +60V와, -0V, -10V, -20V, -30V, -40V, -50V, -60V로 변화시켜 구동 전압의 진폭을 60V 내지 120V로 변화시켰다. 실험 예 1은 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 2는 -10V 내지 +60V의 전압이 인가되고, 실험 예 3은 -20V 내지 +60V의 전압이 인가된다. 또한, 실험 예 4는 -30V 내지 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 5는 -40V 내지 +60V의 전압이 인가되고, 실험 예 6은 -50V 내지 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 7은 -60V 내지 +60V의 전압이 인가된다. 이러한 실험 예들에 따른 전압 파형이 도 15(a) 내지 도 15(g)에 도시되었다. 이때, 실험 예들의 주기는 동일하다. 또한, 도 16 및 도 17에는 [표 3]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 각각 그래프로 표시하였다.
실험예 1 실험예 2 실험예 3 실험예 4 실험예 5 실험예 6 실험예 7
(+) 전압 60 60 60 60 60 60 60
(-) 전압 0 10 20 30 40 50 60
진동 가속도 3.10G 3.55G 3.27G 2.69G 2.18G 1.23G 1.25G
진동 가속도 변화율 기준 +15.5% +5.48% -13.2% -29.7% -60.3% -59.8%
소비 전력 0.41W 0.45W 0.59W 0.71W 1.03W 1.33W 1.64W
소비 전력변화율 기준 +18.9% +37.2% +56.7% +64.0% +72.6% +75.0%
(-) 전압이 증가하여 진폭이 크면 [표 3] 및 도 16에 나타낸 바와 같이 진동 가속도가 증가하다 감소하게 된다. 즉, 실험 예 2 및 3의 경우 실험 예 1에 비해 진동 가속도가 증가하지만, 실험 예 4 내지 7의 경우 실험 예 1에 비해 진동 가속도가 감소한다. 그리고, (-) 전압이 증가하여 진폭이 클수록 [표 3] 및 도 17에 나타낸 바와 같이 소비 전력이 증가하게 된다. 즉, 실험 예 2 내지 7은 실험 예 1에 비해 소비 전력이 증가하게 된다. 그런데, 진동 가속도가 증가하더라고 소비 전력이 크면 바람직하지 않으므로 실험 예 1과 같이 소비 전력이 적으면서 적절한 진동 가속도를 발생시키는 것이 바람직하다. 따라서, 실험 예 1의 진동 가속도 및 소비 전력을 기준 진동 가속도 및 기준 소비 전력으로 설정할 수 있으며, 이러한 기준 소비 전력으로 기준 진동 가속도를 발생시킬 수 있는 구동 전압이 0V로부터 60V의 진폭의 전압일 수 있다. 결국, 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨을 검출하고 이들 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 구동 전압을 조절하게 된다. 한편, 실험 예 1과 같이 구동 전압이 인가되더라도 액추에이터 구동 장치의 온도 및 습도에 따른 영향, 그리고 내구성 저하 등의 원인에 따라 구동 전압이 예를 들어 실험 예 2 내지 7과 같이 변화될 수 있는데, 이렇게 구동 전압이 변화되더라도 구동 전압 변화에 따른 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도와 소비 전력을 검출하고 실험 예 1의 조건으로 구동 전압을 조절함으로써 무연 압전 액추에이터의 특성을 유지할 수 있다.
[표 4]에는 무연 압전 액추에이터에 인가되는 구동 전압의 레벨 변화에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. 즉, [표 4]는 60V의 진폭으로 구동 전압이 인가되는데, 실험 예 8은 +60V의 전압이 인가되며, 실험 예 9는 -10V 내지 +50V의 전압이 인가되고, 실험 예 10은 -20V 내지 +40V의 전압이 인가되며, 실험 예 11은 -30V 내지 +30V의 전압이 인가된다. 이러한 실험 예 8 내지 11에 따른 전압 파형이 도 18(a) 내지 도 18(d)에 도시되었다. 여기서, 실험 예 8 내지 11의 주기는 동일하며, 실험 예 8은 [표 3]에 따른 실험 예 1과 동일하다. 또한, 도 19 및도 20에는 [표 4]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 그래프로 표시하였다.
실험예 8 실험예 9 실험예 10 실험예 11
(+) 전압 60 50 40 30
(-) 전압 0 10 20 30
진동 가속도 3.10G 2.16G 1.21G 0.36G
진동 가속도변화율 기준 -60.4% -61.0% -88.3%
소비 전력 0.41W 0.31W 0.24W 0.21W
소비 전력변화율 기준 -24.4% -41.5% -49.8%
(-) 전압이 증가하면 [표 4] 및 도 19에 나타낸 바와 같이 진동 가속도가 감소하게 된다. 또한, (-) 전압이 증가하면 [표 4] 및 도 20에 나타낸 바와 같이 소비 전력이 증가하게 된다. 즉, 실험 예 9 내지 11은 소비 전력을 줄일 수 있지만, 진동 가속도가 작아 바람직하지 않다. 다시 말하면, 동일 진폭에서 (-) 전압이 클수록 소비 전력을 줄일 수 있지만, 진동 가속도가 작아지게 된다. 따라서, 실험 예 8의 경우 가장 적절한 진동 가속도를 나타낸다. 결국, 본 발명은 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도, 소비 전력 등의 레벨을 검출하고 이들 레벨이 예를 들어 실험 예 8의 레빌이 되도록 실험 예 8의 파형으로 전압이 인가되도록 구동 전압 레벨을 조절하게 된다.
[표 5] 및 [표 6]는 무연 압전 액추에이터의 구동 전압에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 나타내었다. 구동 전압은 60V, 70V 내지 79V로 변화시켰다. 또한, 구동 전압은 0V 이상의 진폭으로 인가되었다. 예를 들어, 60V의 구동 전압은 OV로부터 60V의 진폭으로 인가되었고, 70V의 구동 전압은 0V로부터 60V의 진폭으로 인가되었다. 한편, [표 5] 및 [표 6]의 구동 전압은 압전 소자 1㎜당 인가 전압으로도 표시하였다. 예를 들어, 60V의 전압이 인가되는 경우 압전 소자 1㎜당 2㎸의 전압이 인가되고, 70V의 전압이 인가되는 경우 압전 소자 1㎜당 2.33㎸의 전압이 인가된다. 즉, 압전 소자의 두께를 동일하게 하고 압전 소자에 인가되는 구동 전압을 다르게 할 경우의 특성을 [표 5] 및 [표 6]에 나타내었다. 한편, 도 21 및 도 22에는 [표 5] 및 [표 6]에 따른 진동 가속도 및 소비 전력을 그래프로 표시하였다.
실험예 12 실험예 13 실험예 14 실험예 15 실험예 16
전압 60V(2㎸/㎜) 70V(2.33㎸/㎜) 71V(2.36㎸/㎜) 72V(2.4㎸/㎜) 73V(2.43㎸/㎜)
진동 가속도 3.48G 4.31G 4.44G 4.58G 4.63G
진동 가속도 변화율 기준 +23.8% +27.7% +31.6% +33.1%
소비 전력 0.38W 0.84W 0.84W 1.05W 1.14W
소비 전력변화율 기준 +121% +121% +176% +200%
실험예 17 실험예 18 실험예 19 실험예 20 실험예 21 실험예 22
전압 74V(2.46㎸/㎜) 75V(2.5㎸/㎜) 76V(2.53㎸/㎜) 77V(2.56㎸/㎜) 78V(2.6㎸/㎜) 79V(2.63㎸/㎜)
진동 가속도 4.80G 4.81G 4.95G 5.14G 4.94G 4.88G
진동 가속도 변화율 +37.9% +38.3% +42.3% +47.9% +41.9% +40.3%
소비 전력 1.22W 1.30W 1.42W 1.36W 1.45W 1.50W
소비 전력변화율 +221% +242% +273% +257% +281% +294%
[표 5] 및 [표 6], 그리고 도 21에 나타낸 바와 같이 60V에 비해 인가 전압이 증가할수록 진동 가속도는 증가한다. 그러나, [표 5] 및 [표 6], 그리고 도 22에 나타낸 바와 같이 인가 전압이 증가할수록 60V의 인가 전압에 비해 소비 전격이 증가한다. 상기한 바와 같이 구동 전압이 증가함에 따라 진동 가속도 및 소비 전력이 증가한다. 그러나, 압전 액추에이터가 장착되는 전자기기로부터 공급되는 전압, 전자기기의 사이즈 등에 따라 소비 전력의 증가가 전자기기에 큰 문제가 되지 않을 수 있다. 따라서, 전자기기의 사이즈, 전자기기로부터 공급되는 전압 등을 고려하고 무연 압전 액추에이터의 진동 가속도 및 소비 전력을 고려하여 무연 압전 액추에이터의 사이즈와 공급 전압을 조절할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 액추에이터의 구동 방법은 제 1 구동 신호를 생성하는 과정(S110)과, 압전 액추에이터를 구동하는 과정(S120)과, 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정(S130)과, 압전 액추에이터의 레벨을 비교하는 과정(S140)과, 압전 액추에이터의 레벨에 따라 제 2 구동 신호를 생성하는 과정(S150)를 포함할 수 있다.
S110 : 신호 생성부(5100)에 의해 제 1 구동 신호가 생성된다. 제 1 구동 신호는 -로부터 +까지 소정의 진폭을 갖고 소정의 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동 신호는 -100V로부터 +100V까지의 진폭을 갖는 아날로그 신호가 출력될 수 있다. 또한, 신호 생성부(5100)는 제어부(5600)에 의해 제어되어 제 1 구동 신호를 생성할 수 있다.
S120 : 신호 생성부(5100)로부터 생성된 제 1 구동 신호는 압전 액추에이터(1000)에 인가되어 압전 액추에이터(1000)가 구동될 수 있다. 이때, 제 1 구동 신호는 신호 출력부(5300)를 통해 압전 액추에이터(1000)의 일단 및 타단에 위상차를 갖도록 인가될 수 있다.
S130 : 제 1 구동 신호가 인가되어 압전 액추에이터(1000)가 구동되면 레벨 검출부(5400)에 의해 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 검출한다. 이때, 레벨 검출부(5400)는 압전 액추에이터(1000)의 진동 가속도, 소비 전력, 전압 등을 검출할 수 있다.
S140 : 레벨 검출부(5400)에서 검출된 압전 액추에이터(1000)의 레벨을 기준 레벨과 비교한다. 이때, 레벨 비교는 레벨 검출부(5400)가 실시할 수도 있고, 제어부(5600)가 실시할 수도 있다. 레벨 검출부(5400) 또는 제어부(5600)는 압전 액추에이터(1000)의 검출 레벨과 비교 레벨을 비교하여 신호 조절부(5500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 진동 가속도가 기준 진동 가속도다 낮거나, 전압이 기준 전압조다 낮으면 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다. 또한, 소비 전력이 기준 소비 전력보다 큰 경우 신호 조절부(5500)를 제어하여 제어 신호가 생성되도록 한다. 한편, 제어부(5600)는 신호 생성부(5100)를 제어하여 신호 생성부(5100)가 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하여 출력하도록 할 수 있다.
S150 : 신호 조절부(5500)는 압전 액추에이터(1000)의 레벨에 따라 제어 신호를 생성하여 신호 조합부(5200)에 공급한다. 신호 조합부(5200)는 제 1 구동 신호와 제어 신호를 조합하여 제 2 구동 신호를 생성한다. 제 2 구동 신호는 + 레벨을 가지며 소정의 진폭을 갖는 신호일 수 있다. 이렇게 생성된 제 2 구동 신호에 의해 압전 액추에이터(1000)가 구동되고, 그에 따라 압전 액추에이터(1000)이 진동 가속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.

Claims (13)

  1. 압전 액추에이터를 구동시키기 위한 제 1 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성부;
    상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 레벨 검출부;
    검출된 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 신호 조절부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 출력하는 신호 조합부를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 구동 신호 생성부는 -로부터 +의 진폭을 갖는 제 1 구동 신호를 생성하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 레벨 검출부는 상기 압전 액추에이터의 진동 가속도, 전압, 소비 전력 중 적어도 하나를 검출하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 신호 조합부는 0V 이상의 진폭을 갖는 제 2 구동 신호를 생성하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 제어부를 더 포함하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제어부는 상기 신호 생성부를 제어하여 제 1 구동 신호의 레벨이 조절되도록 하는 압전 액추에이터 구동 장치.
  8. 제 1 구동 신호를 생성하여 압전 액추에이터를 구동시키는 과정;
    상기 압전 액추에이터의 레벨을 검출하는 과정;
    상기 압전 액추에이터의 레벨에 따라 상기 제 1 구동 신호를 조절하여 제 2 구동 신호를 생성하는 과정; 및
    상기 제 2 구동 구동 신호를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 구동시키는 과정을 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 무연 압전 액추에이터를 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 구동 신호는 -로부터 +의 진폭을 갖는 압전 액추에이터 구동 방법.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 레벨은 진동 가속도, 전압, 소비 전력을 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
  12. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 제 2 구동 신호는 0V 이상의 진폭을 갖는 압전 액추에이터 구동 방법.
  13. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 압전 액추에이터의 검출 레벨과 기준 레벨을 비교하는 과정과,
    상기 검출 레벨이 기준 레벨과 다를 경우 상기 제 1 구동 신호의 레벨을 조절하는 과정을 더 포함하는 압전 액추에이터 구동 방법.
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