CN115152140A - 超声波线性马达 - Google Patents
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Abstract
公开了根据一个实施方式的超声波线性马达。超声波线性马达包括：振动体，该振动体包括弹性体以及第一压电元件和第二压电元件，第一压电元件和第二压电元件附接至弹性体的两侧；分别布置在振动体的两端部的第一配重体和第二配重体；移动轴，其联接至振动体的中心部并且沿着压电元件的位移移动；以及移动体，其插入移动轴并在移动轴上移动。
Description
技术领域
本发明涉及在振动体的两个侧端部上设置配重的超声波线性马达。
背景技术
超声波马达与广泛使用的常规电子马达相比，由于超声波马达以相对低的速度生成高扭矩，因此具有各种优点：不需要减速器，每单位重量生成的机械输出高，启动和停止快速，而且超声波马达可以结构紧凑和轻便，并且因为超声波马达独立于磁场，所以不存在诸如电磁感应的问题，并且当使用超声波马达时，速度是恒定的，等等。因此，超声波马达被用于各种领域。
近来，随着对移动设备的相机变焦放大倍率的竞争的加速，正在积极地对各种概念的超声波马达诸如旋转超声波马达和线性超声波马达进行研究，以应用于相机。
图1是示出根据传统技术的超声波线性马达的视图。
参照图1，在根据传统技术的超声波线性马达中，压电元件(120)附接至弹性体(110)的上部和下部，移动轴(200)垂直地附接至附接至上部的压电元件(120)，并且移动体(300)联接至移动轴(200)并在移动轴上移动。
这种基于惯性的超声波马达的问题在于，与基于摩擦的超声波马达相比，速度较低，每相同体积的具有圆形形状的压电元件的谐振频率相对较高，谐振位移降低，并且驱动器集成电路(IC)的负载增加。
[相关技术]
(专利文献1)韩国注册专利公开第10-0768890号
(专利文献2)韩国注册专利公开第10-0683933号
发明内容
技术问题
本发明旨在提供在振动体的两个侧端部上设置配重的超声波线性马达。
技术解决方案
本发明的一个方面提供了一种超声波线性马达，其包括：振动体，该振动体包括弹性体以及附接至弹性体的两个表面的第一压电元件和第二压电元件；设置在振动体的两个侧端部上的第一配重和第二配重；移动轴，其联接至振动体的中心部并且根据压电元件中的每个压电元件的位移而移动；以及移动体，其安装至移动轴并在移动轴上移动。
第一配重可以设置在第一压电元件的一个上端部上，并且第二配重可以设置在第一压电元件的另一上端部上。
第一配重可以设置在第二压电元件的一个下端部上，第二配重可以设置在第二压电元件的另一下端部上。
第一配重可以设置在振动体的一个侧表面部上，第二配重可以设置在振动体的另一个侧表面部上。
第一配重可以设置在第一压电元件的两个侧表面部中的每个上，并且第二配重可以设置在第二压电元件的两个侧表面部中的每个上。
第一压电元件和第一配重可以设置在弹性体的一个表面上，而第二压电元件和第二配重可以设置在弹性体的另一表面上。
超声波线性马达还可以包括：连接构件，电信号通过所述连接构件施加至弹性体、第一压电元件和第二压电元件，其中，连接构件可以包括连接至弹性体的一侧的第一连接构件，连接至第一压电元件的一侧的第二连接构件和连接至第二压电元件的一侧的第三连接构件。
第二连接构件可以设置在第一配重和第一压电元件之间或设置在第二配重和第一压电元件之间。
第三连接构件可以设置在与第二配重对应的第二压电元件的下部上，或者设置在与第一配重对应的第一压电元件的下部上。
第一压电元件和第二压电元件中的每个的长度可以是其宽度的两倍或更多倍，第一压电元件和第二压电元件中的每个的厚度可以是该长度的1/10或更小，并且弹性体的厚度可以是第一压电元件或第二压电元件的厚度的1倍至1.5倍。
配重的长度可以是第一压电元件或第二压电元件的长度的1/5或更小，配重的厚度可以小于1mm，并且配重的材料可以是不锈钢。
移动轴的直径可以在第一压电元件或第二压电元件的宽度的1/3至3/5的范围内，并且移动轴的长度可以是弹性体的长度的2.5倍至3.5倍。
有益效果
根据实施方式，由于振动体形成为四边形，与传统的形成为圆形的振动体相比，超声波线性马达可以在空间上优化。
根据实施方式，由于配重设置在振动体的两个侧端部上，因此可以通过附加的配重来增大惯性力，从而能够提高移动速度。
附图说明
图1是示出根据传统技术的超声波线性马达的视图。
图2是示出根据本发明一个实施方式的超声波线性马达的视图。
图3是示出图2所示的移动轴的截面的视图。
图4a和图4b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第一结构的视图。
图5a和图5b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第二结构的视图。
图6a和图6b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第三结构的视图。
图7a和图7b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第四结构的视图。
图8a至图8c是用于描述连接构件设置在振动体上的形式的视图。
图9a至图9d是示出超声波线性马达的性能比较结果的曲线图。
图10是用于描述根据实施方式的超声波线性马达的安装状态的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。
然而，本发明的技术精神不限于将被描述的一些实施方式，并且可以以各种不同的形式实施，而且实施方式的至少一个或更多个部件可以在技术精神的范围内选择性地组合、替换和使用。
另外，除非通过上下文另外清楚并具体地定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)可以被解释为具有对本领域技术人员而言惯常理解的含义，并且通常使用的术语比如在常用字典中定义的那些术语的含义将通过考虑相关技术的上下文含义进行解释。
另外，在本发明的实施方式中使用的术语仅是在描述性意义上考虑的而不是为了限制本发明。
在本说明书中，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式包括其复数形式，并且在描述“A、B和C中的至少一个(或者一个或更多个)”的情况下，这可以包括A、B和C的所有可能组合中的至少一种组合。
另外，在本发明的部件的描述中，可以使用诸如“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”和“(b)”之类的术语。
这些术语仅是为了将一个元件与另一元件区分开，并且元件的本质、顺序等不受这些术语的限制。
另外，应当理解的是，当一个元件被称为“连接”或“联接”至另一元件时，这种描述可以包括该元件直接连接或联接至另一元件的情况；以及该元件通过设置在该元件与另一元件之间的又一元件而连接或联接至该另一元件的情况。
另外，当任何一个元件被描述为形成或设置在另一元件“之上或之下”时，这种描述包括两个元件彼此直接接触地形成或设置的情况以及一个或更多个其他元件介于这两个元件之间的情况。另外，当一个元件被描述为形成在另一元件“之上或之下”时，这种描述可以包括一个元件相对于另一元件形成在上侧或下侧的情况。
在实施方式中，提出了一种新结构，其中振动体形成为四边形，移动轴联接至振动体的中心部，并且配重设置在振动体的两个侧端部上。
图2是示出根据本发明的一个实施方式的超声波线性马达的视图，图3是示出图2中示出的移动轴的截面的视图，以及图4a和图4b是示出其上设置有图2中示出的配重的振动体的第一结构的视图。
参照图2至图4b，根据本实施方式的超声波线性马达可以形成为其中配重(100a)设置在包括弹性体(110)和压电元件(120)的振动体(100)的两个侧端部上的结构。
压电元件(120)可以附接至弹性体(110)的两个表面。本发明不限于压电元件附接至弹性体(110)的两个表面的情况，并且压电元件可以附接至弹性体(110)的一个表面。
铝(Al)、黄铜(Brass)和不锈钢(Stainless)可以用作弹性体(110)的材料。在这种情况下，不锈钢的概念可以是包括SS(不锈钢)、STS(钢型不锈钢)和SUS(不锈钢用钢)的概念。
压电元件(120)可以包括附接至弹性体(110)的一个表面的第一压电元件(120a)和附接至弹性体(110)的另一表面的第二压电元件(120b)。
弹性体(110)和压电元件(120)可以使用导电环氧树脂彼此附接和联接。在这种情况下，导电环氧树脂的附接厚度可以在2μm至20μm的范围内。
电极可以烧结并形成在压电元件(120)的两个表面上。在这种情况下，电极可以是Ag电极，但不必限于此。电极中的每个的厚度可以是2.5μm或更小，并且压电陶瓷和电极之间的公差可以在50μm至200μm的范围内。
压电元件(120)的在第一轴向方向上的长度可以被设计成大于压电元件(120)的在垂直于第一轴向方向的第二轴向方向上的宽度。在这种情况下，第一轴向方向可以是X轴向方向，并且第二轴向方向可以是Y轴向方向。可替选地，第一轴向方向可以是Y轴向方向，并且第二轴向方向可以是X轴向方向。压电元件(120)的长度可以是宽度的两倍或更多倍。例如，长度可以在4mm至5mm的范围内，宽度可以在2mm至2.5mm的范围内。
压电元件(120)的厚度可以被设计成小于压电元件(120)的长度。压电元件(120)的厚度可以是长度的1/10或更小。例如，长度可以在4mm至5mm的范围内，厚度可以在0.1mm至0.5mm的范围内。
一个压电元件(120)的厚度可以被设计成小于弹性体(110)的厚度，并且两个压电元件(120)的总厚度可以被设计成大于弹性体(110)的厚度。弹性体(110)的厚度可以是压电元件(120)的厚度的1倍至1.5倍。例如，压电元件的厚度可以在0.1mm至0.5mm的范围内，弹性体(110)的厚度可以在0.1mm至0.75mm的范围内。
可以使用粘合树脂将移动轴(200)附接和联接至压电元件(120)的上部。移动轴(200)的长度可以被设计成弹性体(110)的长度的2.5倍至3.5倍。
移动轴(200)的直径可以被设计成小于压电元件(120)的宽度。移动轴(200)的直径可以在压电元件(120)的宽度的1/3至3/5的范围内。例如，压电元件(120)的宽度可以在2mm至2.5mm的范围内，并且移动轴(200)的直径可以在0.7mm至1.5mm的范围内。
移动体(300)与移动轴(200)摩擦配合，并且可以通过由于移动轴(200)的线性移动而生成的摩擦力在移动轴(200)上移动，即向前或向后移动。在这种情况下，可以存在连接移动体(300)和移动轴(200)的机械联接构件，并且机械联接构件可以允许移动体保持在移动轴上的物理压力。
参照图3，具有外径和内径的通孔可以形成在根据实施方式的移动轴(200)的中心部中。内径的尺寸可以在外径尺寸的25％至40％的范围内。此处，描述了其中移动轴具有内径的情况的一个示例，但是本发明不必限于此。
配重(100a)可以设置在振动体(100)的两个侧端部上。不锈钢(Stainless)、黄铜(BRASS)或钨(W)可以用作配重(100a)的材料。优选地，不锈钢可以用作配重(100a)的材料。
参照图4a至图4b，根据实施方式的配重(100a)可以包括第一配重(100a1)和第二配重(100a2)，并且第一配重(100a1)和第二配重(100a2)可以设置在形成振动体(100)的第一压电元件(120a)的上部的两个侧端部上。
第一配重(100a1)和第二配重(100a2)可以具有相同的尺寸和重量。第一配重(100a1)和第二配重(100a2)具有相同的尺寸和重量的原因在于，当它们的尺寸和重量不同时，特性可能改变。
通过改变压电元件的外部，即，将外部从传统的圆形改变为四边形，可以预期性能改善。模拟结果如下[表1]所示。
[表1]
如表1所示，通过改变压电元件的外部并增加配重，位移大大增加。由于位移的增加，可以提高移动速度。因此，与传统的音圈马达VCM相比，可以解决较低移动速度的缺点。示出了在3V的电压和12V的电压下的移动速度的示例。这表明，即使在相对较低电压的3V的电压下，也提高了移动速度，因此通过改变外部并增加配重可以进行低电压驱动。图5a和图5b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第二结构的视图。参照图5a和图5b，根据实施方式的配重(100a-1)可以包括第一配重(100a1-1)和第二配重(100a2-1)，并且第一配重(100a1-1)和第二配重(100a2-1)可以设置在形成振动体(100)的第二压电元件(120b)的下部的两个侧端部上。
第一配重(100a1-1)和第二配重(100a2-1)可以具有相同的尺寸和重量。
图6a和图6b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第三结构的视图。
参照图6a和图6b，根据实施方式的配重(100a-2)可以包括第一配重(100a1-2)和第二配重(100a2-2)，并且第一配重(100a1-2)和第二配重(100a2-2)可以设置在振动体(100)的两个侧表面上。
例如，第一配重(100a1-2)可以设置在包括弹性体(110)和压电元件(120)的振动体(100)的一个侧表面上并与其联接，第二配重(100a2-2)可以设置在包括弹性体(110)和压电元件(120)的振动体(100)的另一个侧表面上并与其联接。
第一配重(100a1-2)的结合面的尺寸与振动体(100)的所述一个侧表面的尺寸相同，第二配重(100a2-2)的结合面的尺寸与振动体(100)的所述另一个侧表面的尺寸相同。
第一配重(100a1-2)和第二配重(100a2-2)可以具有相同的尺寸和重量。
图7a和图7b是示出其上设置有图2所示配重的振动体的第四结构的视图。
参照图7a和图7b，根据实施方式的配重(100a-3)可以包括多个第一配重(100a1-3)和多个第二配重(100a2-3)，并且多个第一配重(100a1-3)和多个第二配重(100a2-3)可以设置在振动体(100)的两个侧表面上。
第一配重(100a1-3)和第二配重(100a2-3)可以具有相同的尺寸和重量。
第一配重(100a1-3)可以包括第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)，第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)可以设置在第一压电元件(120a)的两个侧表面上，第二配重(100a2-3)可以包括第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)，并且第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)可以设置在第二压电元件(120b)的两个侧表面上。
弹性体(110)的长度大于压电元件(120a)和(120b)中的每个的长度，并且与压电元件(120a)和设置在压电元件(120a)的两个侧表面上的第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)的总长度相同。
第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)中的每个的长度可以被设计成压电元件(120a)的长度的1/5或更小，并且可以小于1mm。第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)中的每个的宽度与压电元件(120a)的宽度相同。第十一配重(100a11-3)和第十二配重(100a12-3)中的每个的厚度可以是1mm或更小。
弹性体(110)的长度大于压电元件(120a)和(120b)中的每个的长度，并且与压电元件(120b)和设置在压电元件(120b)的两个侧表面上的第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)的总长度相同。
第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)中的每个的长度可以被设计成压电元件(120b)的长度的1/5或更小，并且可以小于1mm。第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)中的每个的宽度与压电元件(120b)的宽度相同。第二十一配重(100a21-3)和第二十二配重(100a22-3)中的每个的厚度可以是1mm或更小。
参照图4a至图7b描述的配重的数量、形状和布置位置仅是示例，并且配重的数量、形状和布置位置不一定限于此，并且可以根据设计目的进行各种改变。
图8a至图8c是用于描述连接构件设置在振动体上的形式的视图。
参照图8a，电信号可以通过根据实施方式的连接构件施加至形成振动体100的弹性体(110)、第一压电元件(120a)和第二压电元件(120b)。连接构件可以包括第一连接构件(11)、第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)。
第一连接构件(11)可以设置在导电弹性体(110)上，第二连接构件(12a)可以设置在第一压电元件(120a)与第一配重(110a1)之间，并连接至形成在第一压电元件(120a)上的电极，第三连接构件(12b)可以设置在第二压电元件(120b)的下部并连接至形成在第二压电元件(120b)上的电极。
第一连接构件(11)、第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)可以使用粘合构件附接和联接。在这种情况下，粘合构件不一定必须是导电材料，并且可以形成为具有3μm至10μm的厚度。
第一连接构件(11)可以设置在弹性体(110)的一侧的中心部上以从弹性体(110)的一侧突出。
第三连接构件(12b)可以设置在第二压电元件(120b)的下部，与第二配重(110a2)对应。因此，第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)可以基于第一连接构件(11)设置在第一连接构件(11)的一侧和另一侧。
第二连接构件(12a)与第一连接构件(11)的间隔距离和第三连接构件(12b)与第一连接构件(11)的间隔距离相同，第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)的尺寸和重量可以相同。
柔性印刷电路板(FPCB)可以用作连接构件。
参照图8b，根据实施方式的第一连接构件(11)可以设置在弹性体(110)上，第二连接构件(12a)可以设置在第一压电元件(120a)与第二配重(110a2)之间，第三连接构件(12b)可以设置在第二压电元件(120b)的下部。
第一连接构件(11)可以设置在弹性体(110)的一侧的中心部上以从弹性体(110)的一侧突出。
第三连接构件(12b)可以设置在第二压电元件(120b)的下部，与第一配重(110a1)对应。因此，第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)可以基于第一连接构件(11)设置在第一连接构件(11)的一侧和另一侧。
参照图8c，根据实施方式的第一连接构件(11)可以设置在弹性体(110)上，第二连接构件(12a)可以设置在第一压电元件(120a)与第一配重(110a1)之间以及第一压电元件(120a)与第二配重(110a2)之间，第三连接构件(12b)可以设置在第二压电元件(120b)的一个下端部和另一下端部上。
第一连接构件(11)可以设置在弹性体(110)的一侧的中心部上以从弹性体(110)的一侧突出。
第三连接构件(12b)可以设置在与第一配重(110a1)对应的第二压电元件(120b)的所述一个下端部和与第二配重(110a2)对应的第二压电元件(120b)的所述另一下端部上。因此，第二连接构件(12a)和第三连接构件(12b)可以基于第一连接构件(11)设置在第一连接构件(11)的一侧和另一侧。也就是说，根据本实施方式的连接构件考虑重心而设置。
参照图8a至图8c描述的连接构件的数量和布置位置仅是示例，并且连接构件的数量和布置位置不必限于此，并且可以根据设计目的而不同地改变。
图9a至图9d是示出超声波线性马达的模拟结果的曲线图。
参照图9a和图9b，其示出了当使用传统技术的超声波线性马达并且使用由不锈钢材料形成的移动轴时，在压电元件与移动轴的连接部和移动轴的端部的谐振频率或驱动频率和z轴位移的模拟结果。
如图9a所示，其显示驱动频率为84.5kHz。
如图9b所示，示出了连接部的z轴位移和端部的z轴位移随时间急剧减小，并且连接部的z轴位移与端部的z轴位移相比显著小。
参照图9c和图9d，其示出了当使用根据实施方式的超声波线性马达并且使用由不锈钢材料形成的移动轴时，压电元件与移动轴的连接部和移动轴的端部的驱动频率和z轴位移的模拟结果。
如图9c所示，其示出了驱动频率为28.3kHz，当与传统技术的马达相比时，该驱动频率偏移至低频带中的频率。由于驱动频率与驱动电压的大小成比例，所以当驱动频率偏移至低频带中时，可以降低功耗。
如图9所示，示出了连接部的z轴位移和端部的z轴位移随时间逐渐减小，并且连接部的z轴位移和端部的z轴位移基本相同。
由于这种不锈钢材料较重，尽管可能发生位移的减小和谐振的变化，但由于配重的增加而引起的位移的减小和弹性体的谐振的变化可以最小化。
图10是用于描述根据实施方式的超声波线性马达的安装状态的视图。
参照图10，根据实施方式的超声波线性马达可以用于调节例如数字单镜头反光(DSLR)相机的变焦，移动轴可以插入形成在壳体(10)上的支撑构件(10a，10b)中，并使用固定构件(11a，11b)固定。
例如，橡胶环或树脂(resin)可以用作固定构件(11a，11b)。
虽然上面已经参照本发明的示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的范围内，可以对本发明进行各种修改和改变。
[附图标记]
100：振动体
110：弹性体
120：压电元件
100a：配重
200：移动轴
300：移动体
Claims (13)
1.一种超声波线性马达，包括：
振动体，其包括弹性体以及第一压电元件和第二压电元件，所述第一压电元件和所述第二压电元件附接至所述弹性体的两个表面；
设置在所述振动体的两个侧端部上的第一配重和第二配重；
移动轴，其联接至所述振动体的中心部并且根据所述压电元件中的每个压电元件的位移而移动；以及
移动体，其安装至所述移动轴并在所述移动轴上移动。
2.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中：
所述第一配重设置在所述第一压电元件的一个上端部上；以及
所述第二配重设置在所述第一压电元件的另一上端部上。
3.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中：
所述第一配重设置在所述第二压电元件的一个下端部上；以及
所述第二配重设置在所述第二压电元件的另一下端部上。
4.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中：
所述第一配重设置在所述振动体的一个侧表面部上；以及
所述第二配重设置在所述振动体的另一个侧表面部上。
5.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中：
所述第一配重设置在所述第一压电元件的两个侧表面部中的每个上；以及
所述第二配重设置在所述第二压电元件的两个侧表面部中的每个上。
6.根据权利要求5所述的超声波线性马达，其中：
所述第一压电元件和所述第一配重设置在所述弹性体的一个表面上；以及
所述第二压电元件和所述第二配重设置在所述弹性体的另一表面上。
7.根据权利要求1所述的超声波线性马达，还包括连接构件，电信号通过所述连接构件施加至所述弹性体、所述第一压电元件和所述第二压电元件，
其中，所述连接构件包括：
连接至所述弹性体的一侧的第一连接构件；
连接至所述第一压电元件的一侧的第二连接构件；以及
连接至所述第二压电元件的一侧的第三连接构件。
8.根据权利要求7所述的超声波线性马达，其中，所述第二连接构件设置在所述第一配重与所述第一压电元件之间或设置在所述第二配重与所述第一压电元件之间。
9.根据权利要求8所述的超声波线性马达，其中，所述第三连接构件设置在与所述第二配重对应的所述第二压电元件的下部上，或者设置在与所述第一配重对应的所述第一压电元件的下部上。
10.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中：
所述第一压电元件和所述第二压电元件中的每个的长度是其宽度的两倍或更多倍；以及
所述第一压电元件和所述第二压电元件中的每个的厚度是所述长度的1/10或更小。
11.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中，所述配重的长度是所述第一压电元件或所述第二压电元件的长度的1/5或更小。
12.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中，所述配重的厚度小于1mm。
13.根据权利要求1所述的超声波线性马达，其中，所述配重的材料是不锈钢。
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