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KR-20260060792-A - Apparatus for multi-channel piezo actuator driving of SIDM(Smooth Impact Drive Mechanism)

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Abstract

본 발명은 멀티 채널 ＳＩＤＭ 피에죠 액츄에이터 구동 장치에 관한 것으로서, 본 발명은 서로 다른 시간에 공진하는 피에죠 액츄에이터 멀티 채널을 위해 간단한 극성 전환용 스위치를 이용해 구현하되, 피에죠 액츄에이터로의 돌입 전류를 제거해 열 발생과 전력 소모를 줄이며 인가 전압이 커져서 진동 속도를 향상시키는 SIDM 피에죠 액츄에이터 구동 장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 피에죠 액츄에이터 구동에 유리한 톱니파(또는 삼각파) 인가를 위해 고조파 발생을 위한 추가 펄스를 삽입하여 정확한 변위 제어가 가능한 SIDM 피에죠 액츄에이터 구동 장치를 제공할 수 있다.

Inventors

  • 주성준
  • 오창준

Assignees

  • 주식회사 크레파스테크놀러지스

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (8)

  1. 멀티 채널 구동을 위한 피에죠 액츄에이터 구동 장치에 있어서, 제1전압과 제3전압 사이에 직렬 연결되고, 접점이 인덕터의 일단에 연결된 제1메인스위치 및 제2메인스위치; 제2전압과 상기 제3전압 사이에 직렬 연결되고, 접점이 상기 인덕터의 타단에 연결된 제3메인스위치 및 제4메인스위치; 상기 인덕터의 일단과 타단 사이에 직렬 연결된 제1공진스위치, 제1 피에죠 액츄에이터 및 제2공진스위치; 및 상기 인덕터의 일단과 타단 사이에 직렬 연결된 제2 채널 회로를 포함하되, 상기 제2 채널 회로는 상기 인덕터의 일단과 타단 사이에 직렬 연결된 제3공진스위치, 제2 피에죠 액츄에이터 및 제4공진스위치를 포함하는, 상기 제2 채널 회로를 포함하고, 상기 제1공진스위치와 상기 제2공진스위치가 턴온되는 제1 공진 기간에 상기 제1 피에죠 액츄에이터와 상기 인덕터의 연결에 의한 제1 공진 루프를 형성해, 상기 인덕터에 미리 충전된 에너지를 상기 제1 피에죠 액츄에이터로 제공하고, 상기 제3공진스위치와 상기 제4공진스위치가 턴온되는 제2 공진 기간에 상기 제2 피에죠 액츄에이터와 상기 인덕터의 연결에 의한 제2 공진 루프를 형성해, 상기 인덕터에 미리 충전된 에너지를 상기 제2 피에죠 액츄에이터로 제공하는, 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인덕터의 일단과 타단 사이에 직렬 연결된 하나 이상의 추가 채널 회로를 포함하되, 각각의 상기 추가 채널 회로는 상기 인덕터의 일단과 타단 사이에 직렬 연결된 제N 공진스위치, 제N 피에죠 액츄에이터 및 제N+1 공진스위치를 포함하고, 상기 추가 채널 회로의 제N 공진스위치와 상기 제N+1 공진스위치가 턴온되는 제N 공진 기간에 상기 제N 피에죠 액츄에이터와 상기 인덕터의 연결에 의한 제N 공진 루프를 형성해, 상기 인덕터에 미리 충전된 에너지를 상기 제N 피에죠 액츄에이터로 제공하는, 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 피에죠 액츄에이터에 대한 정방향 구동과 부방향 구동 사이 또는 상기 부방향 구동과 상기 정방향 구동 사이에, 각각의 공진 기간에서 상기 공진 루프의 형성 전에, MOSEFET로 이루어진 상기 제1공진스위치의 제1 기생 다이오드 및 MOSEFET로 이루어진 상기 제2공진스위치의 제2 기생 다이오드 중, 상기 인덕터에 흐르는 전류 방향의 기생 다이오드 및 타측의 공진스위치의 턴온에 의한 사전루프를 형성하여, 이어지는 상기 공진 루프 순간에 상기 인덕터에 흐르는 전류의 불연속을 없애도록 구동하는 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 피에죠 액츄에이터에 대한 정방향 구동과 부방향 구동 사이 또는 상기 부방향 구동과 상기 정방향 구동 사이에, 각각의 공진 루프의 형성 기간이 지난 후에, MOSEFET로 이루어진 상기 제1공진스위치의 제1 기생 다이오드 및 MOSEFET로 이루어진 상기 제2공진스위치의 제2 기생 다이오드 중, 상기 인덕터에 흐르는 전류 방향의 기생 다이오드 및 타측의 공진스위치의 턴온에 의한 사후루프를 형성하여 상기 인덕터에서 상기 피에죠 액츄에이터로의 잔류 전류의 방전이 이루어지도록 한 후, 상기 제1공진스위치와 상기 제2공진스위치가 턴오프되도록 구동하는 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 피에죠 액츄에이터는 피에죠 소자에 결합된 구동 로드와 상기 구동 로드에 삽입되는 슬라이더를 포함하며, 구동 신호에 의해 상기 피에죠 소자를 구동하여 상기 구동 로드의 진동을 구동함으로써, 상기 슬라이더의 스틱-슬립 구동에 따른 전진과 후진을 통해 상기 슬라이더의 위치 변위를 제어하기 위한 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1전압 및 제2전압은 소스 전압에 연결된 순방향 다이오드의 출력측의 전압인 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1전압은 소스 전압에 직렬 연결되며 그 접점이 소스 전극인 제1 MOSEFET 및 제2 MOSEFET의 출력측의 전압이고, 상기 제2전압은 소스 전압에 직렬 연결되며 그 접점이 소스 전극인 제3 MOSEFET 및 제4 MOSEFET의 출력측의 전압이며, 상기 제1 및 제2 MOSEFET는 상기 제1 및 제4 메인스위치와 동시에 턴온되고, 상기 제3 및 제4 MOSEFET는 상기 제2 및 제3 메인스위치와 동시에 턴온되는 피에죠 액츄에이터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 피에죠 액츄에이터 양단에 구동 신호가 구형파로 입력되며, 상기 구형파의 구동 주파수의 한 주기 내의 하이 구간의 합 및 로우 구간의 합의 크기에 따라 상기 피에죠 액츄에이터 진동의 전진 또는 후진이 결정되고, 상기 구동 주파수의 한 주기 내의 로우 구간의 중간 시점에, 고조파 발생을 위해 삽입된 추가 펄스를 포함하는 피에죠 액츄에이터 구동 장치.

Description

멀티 채널 ＳＩＤＭ 피에죠 액츄에이터 구동 장치 {Apparatus for multi-channel piezo actuator driving of SIDM(Smooth Impact Drive Mechanism)} 본 발명은 피에죠 액츄에이터 구동 장치에 관한 것으로서, 특히, 부드러운 피에죠 액츄에이터 진동 방식의 구동이 가능한 SIDM(Smooth Impact Drive Mechanism) 피에죠 액츄에이터 다수 채널을 구동하기 위한 장치에 관한 것이다. 도 1은 종래의 피에죠 액츄에이터의 구동 회로(50)를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 종래의 피에죠 액츄에이터 구동 회로(50)에서는, 피에죠 액츄에이터(Pz)의 등가 캐패시터에 전원(10, 20) 사이의 메인 스위치(MT1, MT4)를 통해 충전했다가 공진 스위치(AT1, AT2)가 턴온되어 공진 인덕터(LR)와 피에죠 액츄에이터(Pz)의 등가 캐패시터의 공진을 통해 상기 캐패시터의 전압 극성을 바꾸고, 반대쪽의 메인 스위치(MT2, MT3)를 턴온하여 피에죠 액츄에이터(Pz)의 등가 캐패시터에 초기 돌입 전류가 유입되는 크기를 줄일 수 있도록 구동된다. 이때 이론적으로 공진 회로(AT1, AT2, LR)에 저항이 0일 경우 상기 캐패시터의 전압은 크기가 같고 극성이 반대인 전압이 충전된다. 이때 공진 인덕터(LR)의 인덕턴스(L)의 최대 전류(i)와 상기 캐패시터의 커패시턴스(C)에 따라, 커패시턴스(C)에 유입되는 최대 전압(V)은 다음 수식과 같이 주어진다. 그러나, 공진 회로 스위치(AT1, AT2)의 내부 저항과 인덕터(LR)의 내부 저항 등으로 인하여 에너지 손실이 일어나게 되고 이러한 손실로 인하여 공진 시에 상기 캐패시터에 유입되는 반대 극성의 전압이 전원(10) 전압의 크기 보다 낮게 된다. 상기 캐패시터의 반대 극성의 전압이 줄어들수록 메인 스위치(MT1, MT4 / MT2, MT3)를 턴온할 때 상기 캐패시터로의 돌입 전류가 커지게 되고 이 전류의 크기는 큰 전력 손실과 함께 EMI 노이즈의 발생 원인이 되는 등 여러가지 면에서 피에죠 액츄에이터(Pz) 구동 동작들을 악화시키게 된다. 본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다. 도 1은 종래의 피에죠 액츄에이터의 구동 회로를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 피에죠 액츄에이터의 구성 요소에 대한 예시다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피에죠 액츄에이터 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피에죠 액츄에이터 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 구동 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 5는 본 발명의 구동 장치의 제1 채널과 제2 채널의 구동 상태를 설명하기 위한 참조 도면이다. 도 6은 본 발명의 각 채널의 피에죠 액츄에이터에 인가되는 구동 신호와 변위를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 피에죠 액츄에이터의 전달 함수에 대한 보드 다이어그램의 예시이다. 도 8은 본 발명의 구동 신호에서 구동 주파수의 한 주기 내의 로우 구간의 중간 시점에, 고조파 발생을 위해 삽입된 추가 펄스를 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 본 발명의 구동 신호에 추가 펄스가 삽입되지 않은 경우의 피에죠 액츄에이터에 실제 인가되는 신호 파형의 예시이다. 도 10은 본 발명의 구동 신호에 추가 펄스가 삽입되는 경우의 피에죠 액츄에이터에 실제 인가되는 신호 파형의 예시이다. 도 11은 도 9의 추가 펄스가 삽입되지 않은 경우의 구동 신호의 부분 확대와 피에조 변위를 나타낸다. 도 12는 도 10의 추가 펄스가 삽입되는 경우의 구동 신호의 부분 확대와 피에조 변위를 나타낸다. 이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 도 2는 본 발명의 피에죠 액츄에이터의 구성 요소에 대한 예시다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 멀티 채널 피에죠 액츄에이터는, 각 채널에 대한, 피에죠 소자(10), 피에죠 소자(10)에 결합된 구동 로드(20), 및 구동 로드(20)에 삽입된 슬라이더(30)를 포함할 수 있다. 이와 같은 각각의 피에죠 액츄에이터는 PWM 구동 신호(V)에 의해 구동 로드(20)를 진동시켜 슬라이더(30)의 위치 변위가 이루어지도록 제어 가능한 소자로서, 카메라 모듈의 초점 조절, 자동차 연료 분사 등 정밀 모션 제어를 위해 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들어, PWM 구동 신호(V)를 피에죠 소자(10)에 인가하면, 피에죠 소자(10)는 상기 구동 신호(V)에 의해 구동 로드(20)를 전진 방향 또는 후진 방향으로 진동시킬 수 있다. 이때, 슬라이더(30)는 구동 로드(20)에 끼워져 미끄럼 운동하도록 결합되어 있되, 구동 로드(20)의 전진 방향 또는 후진 방향으로의 이동이 천천히 이루어지도록 제어하면 구동 로드(20)와 슬라이더(30) 사이의 마찰력이 슬라이더(30)의 관성력 보다 커서 구동 로드(20)와 슬라이더(30)가 하나되어 같이 이동하도록 구성되며(스틱 상태라고 함), 구동 로드(20)의 전진 방향 또는 후진 방향으로의 이동이 임계값 보다 빠르도록 제어하면 구동 로드(20)와 슬라이더(30) 사이의 마찰력이 슬라이더(30)의 관성력 보다 작아 슬라이더(30)는 제자리에 있고 구동 로드(20)는 미끄러지듯이 이동(슬립 상태라고 함)하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 방법으로 구동 로드(20)의 전진 방향 또는 후진 방향으로 진동 속도를 적절히 제어하여 슬라이더(30)의 상대적인 위치 변위를 제어할 수 있게 된다. 상기 PWM 구동 신호(V)가 서로 다른 시간에 멀티 채널 피에죠 액츄에이터의 각 채널을 구동하도록 함으로써, 각각의 구동 로드(20)의 전진 방향 또는 후진 방향으로 진동 속도를 적절히 제어하여, 멀티 채널 피에죠 액츄에이터 구동 장치를 구현할 수 있다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피에죠 액츄에이터 구동 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다. 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피에죠 액츄에이터 구동 장치(100)는, 제1 피에죠 액츄에이터(151)를 구동하기 위하여, 제1메인스위치(MT1), 제2메인스위치(MT2), 제3메인스위치(MT3), 제4메인스위치(MT4), 제1공진스위치(AT1), 인덕터(LR) 및 제2공진스위치(AT2)를 구비하는 회로를 포함한다. 또한, 피에죠 액츄에이터 구동 장치(100)는 제2 피에죠 액츄에이터(152)를 구동하기 위하여, 제2 채널 회로(152, BT1, BT2)를 더 포함할 수 있다. 제1메인스위치(MT1)와 제2메인스위치(MT2)는, 제1전압(111)과 제3전압(120) 사이에 직렬 연결되고, 그 접점이 인덕터(LR)의 일단에 연결된다. 제3메인스위치(MT3)와 제4메인스위치(MT4)는, 제2전압(112)과 제3전압(120) 사이에 직렬 연결되고, 그 접점이 인덕터(LR)의 타단에 연결된다. 제1공진스위치(AT1), 제1 피에죠 액츄에이터(151) 및 제2공진스위치(AT2)는 인덕터(LR) 일단과 타단 사이에 직렬 연결된다. 상기 제1전압(111)은 소스 전압(190)에 직렬 연결되며 그 접점이 소스 전극인 제1 MOSEFET(DT1) 및 제2 MOSEFET(DT2)의 출력측의 전압이고, 상기 제2전압(112)은 소스 전압(190)에 직렬 연결되며 그 접점이 소스 전극인 제3 MOSEFET(DT3) 및 제4 MOSEFET(DT4)의 출력측의 전압이다. 이하에서 설명하는 바와 같이 제1 및 제2 MOSEFET(DT1, DT2)는 상기 제1 및 제4 메인스위치(MT1, MT4)와 동시에 턴온되고, 상기 제3 및 제4 MOSEFET(DT3, DT4)는 상기 제2 및 제3 메인스위치(MT2, MT3)와 동시에 턴온될 수 있도록 스위칭될 수 있다. 이와 같은 MOSEFET들(DT1, DT2, DT3, DT4)은 인덕터(LR)의 양단 중 어느 한쪽이 제1전압(111) 또는 제2전압(112) 중 어느 전압 보다 큰 경우에도, 메인스위치들(MT1, MT3)의 기생 다이오드(D)의 동작과 함께 인덕터(LR)와 소스 전압(190)이 단락되어 전류가 누설되지 못하도록 방지할 수