A miniaturized multiple actuation device is of great interest in optics, biology and nanotechnology, and it is important to implement it readily in a small size. For the adaptive optics, precise multiple positioning device is required for compensation of a misalignment caused by extreme operating environment and mechanical shock and vibration. Another example of multiple actuations in optics is a compact zoom lens system. Recently, it is considered as a promising component for portable electronic devices, but it has an obstacle to be commercialized due to difficulty of long stroke lens movements in a small size. In the field of biology and nanotechnology, miniature stages are crucial for micro-factory, nano-size probe fabrication and cell manipulation. There have been extensive researches for a novel actuation device based on new materials and actuation methods. The material based approach uses the deformation of the material itself by external excitation signal. Various mechanical transducers were reported such as piezoelectric material, magnetostrictive material, shape memory alloy (SMA), ionic polymer-metal composite (IPMC), dielectric elastomer (DEA) and conducting polymer actuator. Miniaturized actuator can be made by these materials, but the usage is very restricted because of their inherent limitation of dynamic performances. The second approach is based on dynamic analysis of the end-effector and actuation method of mechanical transducer. In the spirit of minimalism, the smallest possible set of hardware elements are used to readily implement multiple actuations in a small size. In the literature, multiple objects manipulation in a plate, 3 rotational motion of a sphere, and 1 translational and 1 rotational motion is respectively obtained with minimalist device by dynamic analysis.
In this study, an actuation method of multiple sliders with a single smooth impact drive mechanism (SIDM) is newly proposed. With a great simplicity by using minimalist device (i.e. just a single actuator, a driving circuit and a lead wire for multiple linear actuations), multiple linear motions can be readily and cost-effectively implemented in a small size. The actuation method is achieved by deriving dynamic response of a slider induced by a piezoelement excitation. A conventional SIDM consists of a piezo-element, a driving rod, a slider with a friction member and a driving circuit. The dynamic models of each component were established and combined for a SIDM model. Especially, the friction was accounted as an important component in SIDM dynamics because the SIDM is operated by the stick and slip of friction induced by repetitive expansion and shrinkage of the piezoelement. In the circumstances of repetitive forward and backward motion within a μm range stroke between the contact surfaces, the dynamic friction has a crucial role. For this reason, LuGre friction model, which captures most of the friction behavior, is adopted. To resolve the nonlinear velocity characteristics at high operating frequency region, the effect of rod vibration to the friction and the transmissibility is investigated, and design guide is suggested for proper operation of SIDM.
From the dynamic analysis of SIDM, the stick and slip condition is derived, and a mode chart is newly introduced. The mode chart helps to logically design an input signal profile with an expansion mode and a shrinkage mode of the piezoelement. Using the mode chart, two actuation methods of multiple sliders are suggested by a proper input voltage profile design. One is the sequential positioning of sliders. It can move multiple sliders to desired positions, but each slider cannot move independently. The other one is independent actuation method of dual-slider. It can move each slider independently, but the number of independent movement of sliders is limited by two. The simulation and experiments are conducted for demonstrating the proposed method. Moreover, a prototype compact zoom lens system utilizing dual-slider SIDM was developed.
소형 다자유도 구동 장치는 광학, 생물학, 나노과학 등에서 그 필요성으로 인해 큰 관심을 끌고 있다. 또한 다자유도 구동을 작은 공간에 쉽게 적용할 수 있는 것이 중요하다. 예를 들어, 응용광학 분야에서는 극도의 작동 환경과 기계적인 충격과 진동으로 인한 광학 부품의 정렬이 어긋나는 것을 보상하기 위해 정밀한 다수의 위치보정 장치가 필요하다. 광학 분야의 다자유도 구동이 필요한 또 다른 예는 소형 줌렌즈 시스템이다. 최근에 소형 줌렌즈 시스템은 휴대용 전자 기기에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 하지만 렌즈 구동을 위해 작은 크기에 긴 구동 거리를 구현해야하는 문제로 인해 실제로 구현하기 힘든 점이 있다. 생물학과 나노과학 분야에서는 마이크로팩토리, 나노크기의 탐침 제작, 세포 조작 등을 위해서 다자유도 구동이 필요하다. 이를 위해서 새로운 재료 또는 구동방법을 이용하여 소형 다자유도 구동을 구현하려는 연구가 수행되어왔다. 새로운 구동 재료를 기반한 접근방법은 외부 신호로 인해 재료 자체가 변형되는 특징을 이용한다. 압전소자, 자기변형물질, 형상기억합금, 이온성 고분자-금속 복합체, 유전식 엘라스토머, 전도성 폴리머 등을 이용한 소형 구동기가 보고되었다. 하지만 이러한 재료 기반의 구동기는 재료 자체의 특성으로 인한 구동 성능의 한계로 인해 그 상용이 제한적이다. 두 번째 접근방법은 구동기와 말단장시 사이의 관계에 대한 동역학 해석을 바탕으로 소형 다자유도 구동을 구현하는 것이다. 작은 크기에 쉽게 다자유도 구동을 구현하기 위하여 최소화된 구성요소를 사용한다. 평면상에 다수의 물체를 4개의 구동기만으로 구현한 연구, 3자유도 회전 운동을 일체형으로 구현한 연구, 하나의 선형 운동과 하나의 회전운동을 최소한의 구성요소를 사용하여 얻은 연구가 보고되었다.
본 논문에서는 하나의 스무즈 임팩트 구동기 (SIDM)를 이용하여 다수의 슬라이더를 구동하는 방 법을 제안한다. 최소한의 구성 요소 (즉, 다수의 슬라이더 구동에 하나의 압전소자, 하나의 구동회로, 하나의 도선만 사용된다.)를 사용하여 작은 크기에 쉽고 적은 비용으로 다수의 선형 움직임을 얻어낼 수 있다.
다자유도 구동 방법은 압전소자와 슬라이더의 움직임에 대한 동역학적 관계로부터 얻을 수 있다. 스무즈 임팩트 구동기는 압전소자, 구동 막대, 마찰로 결합되어있는 슬라이더, 구동회로로 구성된다. 각각의 구성요소에 대한 동역학 모델로부터 스무즈 임팩트 구동기를 모델링하였다. 이 구동기는 압전 소자의 반복적인 팽창과 수축에 의한 마찰의 스틱과 슬립으로 구동되기 때문에 모델링에 있어 마찰이 중요한 요소가 된다. 즉, 두 접촉 표면 간에 μm 이내의 반복적인 움직임으로 인해 동적 마찰 특성이 구동 특성을 결정하는데 큰 영향을 미친다. 이러한 이유로 마찰의 동적 특성을 잘 표현하는 LuGre 마찰 모델을 사용하였다. 또한 고주파수에서 비선형적인 슬라이더의 움직임을 분석하여 구동 막대의 진동이 마찰력 및 구동변위 전달력에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 바탕으로 스무즈 임팩트 구동기의 선형적인 구동을 위한 설계 가이드를 제시하였다.
모델링 결과를 바탕으로 슬라이더의 움직임을 결정하는 스틱과 슬립이 일어나는 조건을 유도하였 으며, 이 스틱-슬립 조건을 바탕으로 모드 차트를 제시하였다. 모드 차트를 이용하면 압전소자의 팽창과 수축 구간에서 원하는 슬라이더의 움직임을 얻기위한 입력구동파형을 쉽게 설계할 수 있다. 다수의 슬라이더에 대해 모드 차트를 적용하여 다자유도 슬라이더 구동을 위한 두 가지 방법을 제안하였다. 첫 번째 방법은 순차적으로 슬라이더를 위치시키는 방법이다. 이 방법은 다수의 슬라이더를 원하는 위치에 위치시킬 수 있는 장점이 있으나, 각각의 슬라이더를 독립적으로 구동할 수는 없는 단점이 있다. 두 번째 방법은 두 개의 슬라이더를 독립적으로 구동하는 방법이다. 이 방법은 두 개의 슬라이더를 독립적으로 구동할 수 있는 장점이 있다. 하지만 독립적으로 구동될 수 있는 슬라이더의 갯수가 두 개로 제한되는 단점이 있다. 제안된 두 가지 구동방법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였으며, 첫 번째 방법을 이용하여 소형 줌렌즈 시스템을 개발하였다.
