작은 개수의 구성품을 갖는 카운트 해제 기구

작은 개수의 구성품을 갖는 카운트 해제 기구{Low component count release mechanism}

압전세라믹 구조물들은 견고하고 크기가 작으면서 고정밀도로 동작하는 제품에 사용되어 왔다. 보다 광범위한 용도들에의 적용을 제한하는 인자는, 동작 레벨이 일반적으로 대부분의 중저가 구조물들의 제조상 허용오차가 수용할 수 있는 정도보다 작을 때 발생된다. 이와 관련하여 정밀 기계가공법을 사용하는 것은 장치의 가격을 엄청나게 상승시킴으로써 부가가치가 있는 용도들에만 제한적으로 사용될 수 밖에 없도록 한다.

압전세라믹 장치들의 동작은 다층 구조물을 사용하는 것을 통해서 증진될 수 있었는데, 다만 각 층과, 힘의 손실과 불균형적인 동작 획득 사이에 중대한 효율 손실이 있다. 신호 전달과 광반사 용도로 매우 얇은 층들을 사용하게 되면 매우 큰 동작이 생성되지만, 이러한 접근은 얇은 부재들이 하중에 의해 왜곡되어 그의 기능을 상실하기 때문에 마찰력과 다른 힘들을 극복해야만 하는 매커니즘 용도로는 수용되지 않는다. 강체의 증폭 링크들을 사용하는 것은 벤더(bender) 성분의 초기 동작과 비교해서 피봇에서의 손실이 크기 때문에 수용되지 않는다. 그러므로, 힘의 손실없이 동작을 증폭시키고, 또한 피봇과 이에 결합된 링크들을 최소화하면서 동작과 해제 기능을 결합시키는 시도가 있다. 부가적으로, 상업적으로 생존가능한 매커니즘을 제공하기 위해서, 전체 장치는 조밀하면서 견고해야 한다.

본 발명에 따라 2개의 세라믹 부재로 구성되면서 단층 세라믹과 금속 구조물 내부에서 작동면의 큰 편향을 생성하는 2개의 블레이드를 갖는 액츄에이터가 제공된다.

본 발명을 이해하는 것을 돕기 위해, 바람직한 실시예가 도면들을 참조로 하여 기술된다.

도 1은 본 발명에 따른 액츄에이터의 사시도.

도 2A 내지 도 2C는 도 1에 도시된 액츄에이터의 여러 가지 작동 조건을 나타낸 도면.

도 3A 및 도 3B는 도 1에 도시된 액츄에이터를 바람직하게 사용하는 것을 설명하기 위한 기본 도식도.

도 4A 내지 도 4D는 도 1에 도시된 액츄에이터의 바람직한 용도를 개략적으로 나타낸 도면.

도 5A 내지 도 5C는 도 4의 실시예에서 사용되는 다양한 성분들을 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 형태를 나타낸 사시도.

도 7A 및 도 7B는 본 발명에 따른 액츄에이터의 적용예를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 따른 복수개의 액츄에이터의 적용예를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 따른 복수개의 액츄에이터의 구조를 나타낸 도면.

도 1을 참조로, U자 형상으로 배열된 2개의 블레이드로 구성된 평면형 작동 부재(5)가 제공된다. 각 액츄에이터의 블레이드는 가요부(10)와 강체부(15)를 포함한다. 강체부는 도시된 바와 같이 가장자리들을 접어서 부재의 두께를 변경하거나 또는 강체의 측면에 엠보싱을 형성하는 것으로 제조될 수 있다. 가요부는 평행한 것으로 도시되었지만, 다른 동작을 가능하도록 하기 위해 각이 질 수도 있다. 각 가요부(10)는 적당한 전원에 연결된 압전세라믹 부재(12,13)에 적당한 방법으로 접착되는데, 압전세라믹 부재는 그의 절연 특성이 파괴되지는 않으면서 수축을 일으킬 정도로 충분한 단펄스의 전압을 방전시킬 수 있다. 현재의 세라믹 기술 관점에서, 최대 방전 전압은 부재의 500 내지 1,000V/㎜이다.

압전세라믹 부재에는 폴링(poling)이라는 제조 공정중에 전기가 충전된다. 이러한 공정 결과로 알 형태의 부재 분자들은 전기장에 응답하여 한 방향으로 정렬된다. 결과적으로, 부재의 크기가 전압이 인가되지 않고 분자들이 임의의 방향을 향하고 있는 것으로부터 인가된 전압에 의해 변경된다. 폭보다 길이가 길면서 깊이보다 폭이 긴 부재의 평면부는 이러한 조건하에서 연장된다. 이러한 부재의 평면부를 금속박판과 같은 견고한 베이스에 고정하는 것에 의해서, 자동으로 온도가 조절되는 바이메탈과 같은 동일한 방법으로 신축 작용에 의해 곡률 형상으로 전환된다. 가요성이 증가하는 것과 같이, 세라믹은 제 1 가요부(12)의 전면과 제 2 가요부(13)의 후면에 부착된다.

실시예에 도시된 각 부분의 극성은 동일한 전극이 블레이드에 접촉하여, 전도성 부재로 제조되는 블레이드가 충전과 방전 공정용인 하나의 전극으로 작용하게 된다. 따라서, 분할된 면의 외측면은 동일극이 되고, 원한다면 전기적으로 연결될 수도 있다. 이러한 배치를 통해서, 세라믹 부분들은 그를 가로지르는 전압과 그의 극성에 비례하여 신축하게 된다.

액츄에이터의 가요부는 도 1에 도시된 장치의 측면을 도시한 도 2A 내지 도 2C를 참조로 하여 다음과 같이 작동한다.

액츄에이터는 적당한 고정된 표면인 지점(60)에 고정된다. 도 2A에서는 작동부들이 구동되지 않은 상태를 도시하고 있고, 도 2B에서는 전압이 제 1 가요 부재에 인가되어 세라믹이 수축하면서 구부러진 것을 도시하고 있다. 곡선부의 단부 변위는 초기 변위(d1)를 일으키는 강체부에 의해 증폭된다. 액츄에이터의 제 2 가요부는 제 1 가요부에 만곡부(35)에 의해 견고히 연결되어 있으므로, 제 2 가요부는 제 1 가요부의 빔 단부와 동일한 각도를 이루게 되므로써, 직선부가 곡률 반경과 접선을 이루게 된다. 도 2C는 동일 전압이 제 2 세라믹 부분에 인가되어 그의 다리부가 구부러진 것을 도시하고 있다. 세라믹의 제 2 다리부가 조립체의 타측상에 있기 때문에, 단일 다리부의 변위 2배인 U자 형상의 자유단 변위(d2)를 일으키는 2개의 만곡이 합쳐지게 된다. 길이 비율을 변형하여 특정한 적용에 적합한 힘과 변위의 다른 균형을 생성할 수 있다.

전술된 공정은 절대 운동이 아니라 강체인 전체 빔 조립체를 변화시키는 상대 운동을 생성한다. 따라서, 자유단(85)의 시점과 종점은 휘어진 면에서 초기 하중에 의해 규정된다. 하중을 변경하는 것은 빔을 구부러지게 한다. 제조 공차내로 유지하는 것을 달성하기 위해, 액츄에이터에는 구부러진 방향과 수직하는 방향으로 하중이 인가되어야 한다.

도 3A와 도 3B에 피봇 링크(27)가 매우 간단하게 배열된 것이 도시되었는데, 피봇 링크는 액츄에이터(5)가 작동하지 않을 때, 도 3A에 도시된 하중(29)에 의해 지지된 빔이 되는 압축 부재를 형성할 정도의 길이를 갖는다. 작동중에는, 도 3B에 도시된 바와 같이, 첨단부가 빔의 단부로부터 멀리 이동하여 피봇(28)을 중심으로 빔의 단부가 회전하는 것을 가능하게 한다. 이러한 구조는 부피가 커진다는 단점은 있지만, 성분들이 서로 수직하게 위치되게 한다.

매커니즘의 전체 부피를 줄이기 위해서, 다른 배치 구조가 도 4A 내지 도 4D에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 시어(sear:90)가 제공된다. 시어(90)는 적당한 방법으로 제조된 축(71), 축과 중심이 일치하는 역회전 방지용 톱니(pawl tooth:73) 및 또한 축과 중심이 일치하는 제동면(74)을 갖는다.

축(71)은 제 1 탄성 빔(30)에 연결되는데, 제 1 탄성 빔은 스프링(78) 또는 원래부터 굴곡성을 갖는 부재와 같은 에너지원에 의해 위치 A에 바이어스(bias)된다. 위치 A는 "오프"로 명해진다.

반대 방향으로 작동하는 제 1 빔(30)보다 스프링 바이어스가 강한 제 2 탄성 빔(41)이 제공된다. 2개의 빔이 도 4B에 도시된 위치를 통해서 피봇 결합된다면, 스프링의 합산력은 피봇암(30)을 도 4C에 도시된 위치 B, "온"으로 명해지는 위치로 이르게 한다. 도 4B에 도시된 시어 상부에 있는 역회전 방지용 톱니(73) 하부를 지나가도록 위치된 제 2 암(41)은 그의 한 부분에 디텐트 톱니(75)를 갖는다.

도 1에 도시된 압전세라믹 액튜에이터(5)는 빔의 회전 중심으로부터 멀리 떨어져 위치하는 자유단을 갖는 제 2 탄성 빔(41)에 부착되어서, 제 2 빔의 선회축에 방사상이 되면서 축의 축방향에 접선을 이루게 된다. 도 4C에 도시된 구조에서, 디텐트 톱니(75)는 시어의 축 전면에 있고 액츄에이터 팁은 그의 하부에 있게 되어, 디텐트 톱니는 액츄에이터 팁상에 압축력을 가하는 회전을 전달한다. 액츄에이터는 이러한 힘이 너무 작아서 액츄에이터 다리부가 휘어지지 않을 정도의 구조로 이루어진다.

도 4A에서, 피봇암은 암(41)으로부터 자유롭고 따라서 "오프" 위치로 바이어스된다. 시어는 피봇암에 대체로 직교하는 스프링에 의해 바이어스된다. 한편, 시어에는 도 4B의 조건에 따른 위치로 시어를 회전시켜 접근하게 하는 보조 캐밍면(camming face)이 제공될 수도 있다.

도 4B에서, 디텐트 톱니(75)가 시어(73)의 역회전 방지용 톱니 위를 지나는 동안, 제 2 암은 일반적인 방법, 즉 손이나 다른 힘에 의해 눌려지게 된다. 축으로부터 제동면까지의 반경은 이러한 위치에서 시어 축으로부터 액츄에이터(85)의 팁까지의 반경보다 길다. 티텐트 톱니의 상부 통로에서 역회전 방지용 톱니가 롤링하여 회전하는 것을 방지하는 티텐트 톱니에 의해 역회전 방지용 톱니가 완전히 통과하게 되는 치합 위치에 도달하면, 시어는 회전하고 액츄에이터의 팁은 제동면(74)에 반하여 낙하하게 된다.

2개의 암을 치합시키는데 사용된 작동력이 해제되면, 제 2 암의 스프링력은 2개의 암을 평행사변형 형태가 되게 하므로써, 시어는 제동면에 대한 액츄에이터의 존재 때문에 회전할 수가 없게 된다. 제 1 빔은 이제 "온" 조건이 되고, 이 조건이 도 4C에 도시되어 있다.

도 4D에서, 매커니즘은 액츄에이터의 팁(85)이 제동면(74)을 제거하도록 함과 아울러 시어의 역회전 방지용 톱니(73)를 티텐트 톱니(75)로부터 회전하는 것을 허용하면서 매커니즘을 붕괴시킬 정도로 충분한 액츄에이터(5)의 굴곡에 의해 해제된다.

비록 피봇과 강체부가 도식적으로 도시되었지만, 이것은 설명을 위한 것이다. 도 5A는 액츄에이터(5), 해제면(85), "온" 스프링(42) 및 티텐트 톱니(75)가 어떠한 방법으로 하나의 금속판을 프레싱하여 형성될 수 있는지를 도시하고 있고, 반면에 도 5B는 제 1 빔(30)과 그의 스프링 기능(78)이 다른 하나의 성분으로부터 형성될 수 있는지를 도시하고 있다.

전기 보호용으로 이러한 장치를 사용하게 되면, 도 5C에 도시된 바와 같이 접촉점들을 개폐하는 간편한 수단을 제공하면서, 매커니즘 그 자체용 고정부를 지탱하는 몰딩 또는 회로판을 포함하는 피봇암은 절연 브릿지에 의해 결합된 2개의 단일 전도성 빔이 될 수 있는데, 절연 브릿지는 제 1 빔(30)상에 있는 이동 접촉점(33)과 전유물로서 비접촉 부분상에 형성된 고정 접촉점(34)을 갖는 것에 의해 시어에 연결된다.

압전세라믹 액츄에이터(5)와 제동면(85)간의 계면에 대한 접선 각도를 도입하는 것에 의해서, 조립체를 원래부터 불안정하게 만드는 것이 가능하므로, 빔의 강도를 높이면서 장치의 리셋을 허용하기 위해 압전세라믹 성분에 전원이 인가되어야만 한다.

도 1에 도시된 장치는 도 6에 도시된 포크나 다리부의 수를 증가시키는 것에 의해 보다 강한 강성으로 제조될 수 있다.

도 1에 도시된 장치의 경우에, 액츄에이터는 금속판 또는 유사한 강성 부재을 프레싱하는 것에 의해 형성된다. 도 1 및 도 6에서 동일하거나 또는 유사한 부분에는 동일한 도면부호가 매겨지고, 따라서 상세한 설명은 생략된다. 단부면(85)은 직사각형 구조물의 단부벽 하나로 형성되는데, 직사각형 구조물의 측벽은 2개의 텅(tongue:62)에 의해 형성되고, 도면부호 15인 반대되는 측벽은 도 1에 관하여 개시된 방법에 의해 강성이 강화된다.

중앙 텅(63)의 단부(60)는 이러한 경우를 제외하고는 전술된 바와 같이 고정되는데, 중앙 텅(63)은 측벽을 형성하는 텅(62)보다는 짧다. 측벽을 형성하는 텅(62) 상부에 있는 압전세라믹 장치는 장치의 동일 평면상에 있고, 반면에 중앙 텅(63) 상부에 있는 압전세라믹은 반대편에 있게 된다.

이러한 구조는 양방향으로의 작동을 가능하게 하면서 도 1에 도시된 액츄에이터보다 보다 높은 강성을 갖게 한다.

도 1과 도 5 및 도 6에 도시된 액츄에이터 장치는 후술될 전자역학 장치 용도와 이의 가능한 구조물에 사용될 수 있고, 도 1, 도 5 또는 도 6에 도시된 압전 액츄에이터 장치는 전유물로서 통합될 수도 있다.

도 7A 및 도 7B는 누전차단기(residual current device: RCD) 또는 접지고장회로차단기(ground fault current indicator: GFCI)의 기본 구조를 도시하고 있다. 이러한 경우에, 압전 액츄에이터 장치는 도면부호 70으로 나타내어진다.

매커니즘은 플런저(73)을 갖는 푸시 버튼 형태의 세팅부가 통과하는 지지면(71)을 포함한다. 푸시 버튼(72)을 스프링(74)에 의해 상부로 바이어스된다.

플런저(72)의 단부에는 도 7B에 상세히 도시된 걸림부(latching part)(74)가 제공되는데, 걸림부는 회전가능하게 마운트된 빔(76)의 단부내에 있는 다른 걸림부(75)에 치합되고, 빔은 스프링(77)에 의해 푸시 버튼(72)상에서 바이어스의 방향과 반대 방향으로 지지면(71)으로부터 바이어스된다.

압전 액츄에이터(70)는 걸림부(75)에 고정되고, 또한 도 7B에 도시된 액츄에이터의 단부(85)내에 있는 어퍼처(80)가 걸림부(74)의 단부상에 있는 돌출부(81)를 수용하여 배열되도록, 배치된다.

걸림부(74,75)는 표면(74A,75A)에 의해 상호 치합되고, 계면 각도 a는 스프링(74,77)으로 인해 파열력 H가 생성될 정도이다. 액츄에이터(70)로부터 핀(81)상에 가해지는 파열력 H는 액츄에이터(70)에 의해 저지되고, 액츄에이터의 단부(85)는 도 7A의 화살표 Ⅰ 방향으로 이동되어야만 하는데, 이것은 압전 액츄에이터(70)이 적당하게 구동되거나 또는 반대로 구동이 정지되는 것에 의해 달성될 수 있다.

RCD 또는 릴레이인 경우에, 이동가능한 접촉점들은 플런저(73)의 이동에 대해 이동되어서 플런저의 연장부에 직접 부착되거나 또는 다른 적당한 매커니즘에 간접적으로 부착될 수 있다.

스프링(77)은 빔(76) 용도로 원래부터 탄성을 갖는 부재 형태일 수 있다.

도 1에 도시된 액츄에이터를 사용하는 다른 장치가 도 8에 도시되어 있다. 도 8은 액츄에이터(5)의 단부(85)가 어떠한 방식으로 역학적으로 증폭되는지를 도시하고 있다.

이러한 경우에, 2개의 액츄에이터(5)는 적당한 지지체(80)에 고정되면서 그의 자유단(85)이 반대 방향으로 이동하도록 배열된다. 피봇(86)이 지지체(80)와 2개의 암(87)상에 제공되고, 암은 피봇(86)에 마운트된다. 암은 액츄에이터(5)의 자유단(85)에 치합되도록 배열된 캠 표면(88)을 갖는다.

액츄에이터(5)들의 동시 작동은 서로를 파지하는 방향으로 암들을 이동하게 한다. 암은 스프링에 의해 제공된 바이어스 또는 액츄에이터(5)가 반대 방향으로 작동하는 것에 의해 개방 조건으로 복귀될 수 있다.

전술된 액츄에이터 구조는 도 9에 도시된 배치 구조로 예를 든 것과 같이, 간편하면서 비용이 저렴한 방법으로 다출력 액츄에이터 장치를 제공하는데 유용하다. 다수의 동일한 액츄에이터는 스트립(90)의 길이를 따라 연결된 그의 고정 단부(50)를 갖으면서 형성된다. 따라서, 각 액츄에이터의 자유단(85)은 종이의 평면 내부 또는 외부로 개별적으로 이동될 수 있다.

스트립(90)은 설비가 사용되는 용도에 의존하는 액츄에이터 설비를 편리한 방법으로 마운트하는데 사용된다. 한 예로, 스트립(90)은 점선(91)으로 나타낸 바와 같이, 액츄에이터의 2개의 고정암 상부 위치에서 구부러져서 액츄에이터의 단부들이 자유 공간내에 있도록 될 수 있다.

이러한 2개의 설비가 서로 반대 방향으로 배치된다면, 도 8에 도시된 그립퍼와 유사한 다층 그립퍼가 형성될 수도 있다.

액츄에이터의 기본 구조는 다른 목적으로 설계된 전기적으로 제어되는 다수의 액츄에이터를 제공할 수 있다는 것을 알 수가 있다. 액츄에이터는 금속판을 프레스하여 형성되기 때문에, 액츄에이터는 여러 가지 형상 또는 여러 조합으로 형성될 수 있다. 한 예로, 두 개의 액츄에이터는 두 방향으로 동작이 제어되는 용도로 형성될 수 있다.