KR0138074B1 - 초음파모터 - Google Patents

초음파모터

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KR0138074B1
KR0138074B1 KR1019930001164A KR930001164A KR0138074B1 KR 0138074 B1 KR0138074 B1 KR 0138074B1 KR 1019930001164 A KR1019930001164 A KR 1019930001164A KR 930001164 A KR930001164 A KR 930001164A KR 0138074 B1 KR0138074 B1 KR 0138074B1
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vibrator
vibration
rotor
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ultrasonic motor
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KR1019930001164A
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다까유끼 쯔기모또
싱이찌 코레에다
Original Assignee
야마지 게이조
캐논 가부시기가이샤
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/106—Langevin motors

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

Abstract

초음파모터는 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자와, 진동으로 구동되는 진동자와 마찰결합하는 접촉부재로 이루어지며, 접촉부재는 접촉부재가 진동으로 구동될 경우 접촉부재에 발생된 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수사이에 차이를 부여하는 소자를 가지고 있다.

Description

초음파모터
제1A 및 1B도는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파모터의 회전자의 평면도 및 단면도
제1C도는 회전자의 진동모오드의 평면도
제2도는 노이즈의 진동스펙트럼
제3도는 종래 회전자의 단면도
제4도는 소음을 일으키는 종래 주회전자링의 진동모오드를 도시한 사시도
제5도는 다른 소음의 진동스펙트럼
제6도는 소음을 일으키는 종래 회전자 접촉스프링의 휨진동모오드
제7도는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파모터의 회전자의 단면도
제8A 및 8B도는 본 발명의 제3실시예에 따른 초음파모터의 회전자의 평면도 및 단면도
제9A 및 9B도는 본 발명의 제4실시예에 따른 초음파모터의 회전자의 평면도 및 단면도
제10A 및 10B도는 본 발명의 제5실시예에 따른 초음파모터의 회전자의 평면도 및 단면도
제11도는 본 발명의 제6실시예에 따른 초음파모터의 진동자의 평면도
제12도는 본 발명의 제7실시예에 따른 초음파모터의 진동자의 평면도
제13도는 구동원으로서 본 발명의 초음파모터를 사용한 장치의 개략 단면도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2:주회전자링h:가압스프링
2a:접촉스프링i:스프링케이스
f:회전출력부재5:직선홈
e:베어링6:스프링수용부재
c:볼트7:진동자
k:고무시이트8:접촉스프링구조
54:기어9:챔퍼부
55:구동부재
본 발명은 초음파모터 또는 작동기에 관한 것으로, 특히, 바아형상탄성체에 설치된 전기기계에너지 변환소자에 전기에너지를 공급함으로써 바아형상 진동자로서의 탄성체를 진동시켜 진동자의 표면입자에 원형 또는 타원운동을 일으킴으로써 진동자에 압압한 이동체를 마찰구동시키는 초음파모터 또는 작동기에 관한 것으로써, 모터 또는 작동기 카메라등의 광학기구와 프린터등의 사무기기에 특히 적합하다.
바아형상초음파모터는 바아형상진동자의 표면입자를 여기시켜 원형 또는 타원형운동을 형성함으로써 진동자에 압압된 이동체를 마찰구동시킨다.
원형 또는 타원운동의 크기는 기껏해야 수㎛정도이므로, 진동자와 회전자는 진동자의 전체주위면에 걸쳐 접촉상태를 유지하도록, 상기 크기를 충분히 커버하도록 높은 접촉면 정밀도를 가지도록 가공되어야만 한다. 그러나, 실제로, 진동자 및 회전자는 가공비율을 고려해볼 때 이런 높은 정밀도를 가질수 없고, 이 때문에, 회전자의 접촉부에 스프링특성을 부여하여, 진동자의 전체주위면에 걸쳐 접촉상태를 유지한다.
상기 구동원리에 따른 초음파모터는 저속에서 높은 토오크를 발휘하는 모터특성을 가진다.
그러므로, 모터를 감속하기 위한 기어가 필요없으므로, 기어소음문제를 해결해야만 하고 정숙을 요하는 카메라등의 제품에 초음파모터가 활용된다.
그러나, 초음파모터는 종종 구동시 소음을 발생한다. 이런 소음은 모터를 구동할때의 진동이외에 모터에서 발생되는 다른 진동에 기인하며, 진행파에도 기인한다.
본 출원인은 이런 진동에 대한 각종 대응책을 제안하였으나, 여전히 약간의 소음이 존재한다.
제2도는 구동시 소음이 발생한 것을 관축한 진동스펙트럼을 마이크로폰을 사용하여 나타낸 관측결과이다. 제2도에 있어서, 1f는 진동자의 구동주파수, 2f는 주파수 1f의 2배의 주파수성분, 4f는 소음을 발생할때의 가청주파수범위(20KHz) 이하)에서의 주파수이다.
이들주파수는 3f-1f=4f의 관계를 만족시킨다. 구동주파수는 구동진동을 발생하기 위해 공급된 AC신호의 주파수이므로f만큼 변위한다. 변위된 주파수를 fs로 표현하면, 1fs=1f+f , 2fs=2f+2f …를 만족시키도록 변하며, 반면에, 주파수 4f, 3f는 4fs=4f-f 및 3fs=3f,를 만족시키도록 변한다.
그러므로, 소음의 진동스펙트럼은 주파수 3f와 구동주파수간의 차이주파수(4fs=3f-1f-f)에 대응하고, 주파수 3f는 고유진동으로 간주될 수 있다.
이런 고유진동을 실험함으로써, 고유진동은 제3도에 나타낸 주(主)회전자링(2)의 휨진동이라는 것을 알았다. 제4도는 주회전자링(2)의 사시도로써, 제4도에 있어, 실선은 주회전자링(2)이 변형되기 이전을, 점선은 휨진동모드를 나타낸다. 접촉스프링(2a)(제3도 참조) 또한 제4도에는 나타내지 않았지만 주회전자링부(2)를 쫓아 휨변형된다.
본 발명의 목적은 이러한 주회전자링(2)의 진동발생을 방지하는 것이다.
또한, 상기 소음이외에 다른소음도 가끔 발생된다.
제5도는 이런 소음의 진동스펙트럼을 나타낸 것으로, 주파수 1f, 2f, 3f 및 4f의 각각은 구동진동(1f), 구동주파수의 2배의 주파수를 가진 진동(2f), 소음을 일으키는 고유진동(3f) 및 제2도와 같은 소음진동(f)의 스펙트럼을 나타낸다.
그러나, 제5도에 있어서 이들 주파수는 4f=1f-(2f-3f)를 만족시킨다.
고유진동 3f를 실험한바, 고유진동은 제3도에 나타낸 회전자 접촉스프링(2a)의 휨진동임이 밝혀졌다. 제6도는 접촉스프링(2a)의 진동모오드를 나타낸 것이다.
이 모오드에 있어서, 주회전자링(2)의 변형은 매우 작고, 단지 접촉스프링부(2a)만이 제4도에 나타낸 휨모오드와는 다른 휨진동을 받는다.
본 발명의 목적은 이들 소음성분의 발생을 방지하기 위해 상기 주회전자링부와 회전자접촉스프링부의 휨진동의 발생을 방지하는 것이다.
이들 소음성분을 발생하는 휨진동은 진행파이다.
진행파는 2개의 고유진동 즉, sin 및 cos모오드를 합성함으로써 발생한다.
본 발명의 일측면은 회전자상에 발생하여 소음을 일으키는 진행파의 발생을 방지하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은, 축대칭형상을 지니는 주회전자링 및 회전자접촉스프링을 형상적으로 적당하게 비축대칭형상으로 함으로써, 상기 진동모오드의 sin 및 cos 모오드의 고유진동수에 큰 차이를 부여하여, 동일주파수에서 양 모오드가 여기되는 것, 즉, 진행파의 여기를 어렵게하여, 소음의 발생을 억제하는 것이다.
제1A~1C도는 본 발명의 제1실시에에 따른 초음파모우터 또는 작동기의 회전자를 도시한 것으로, 제 1A도는 회전자의 평면도, 제1B도는 제1A도의 A-A선을 자른 단면도이다. 제1A도 및 1B도에 있어서, 주회전자링(2)의 2개의 상부주위부에는 직선홈(5)이 형성되어 있다. 진행파에 의해 제1A~제1C도에 나타낸 회전자를 구동하는 바아형상 고정자 및, 고정자에 있어서 진행파를 발생하는 기타 부재는 예를들면, 미국특허 제 5,124,611호 또는 4,562,374호에 기재된 것과 실질적으로 동일하므로 이에 대해 상세한 설명은 생략하였다. 고정자에서 발생한 진행파로 구동되는 회전자(2,2a)에 홈(5)을 형성하면, sin 및 cos모오드는 제1C도에 나타낸 위치에서 발생한다. 홈(5)는 sin 모오드의 진동의 앤티노이드(anti-mode)위치에 대응하는 위치에 형성되므로 모오드강성은 상당히 감소되고, 이와같이해서 sin 모오드의 고유진동수는 크게 낮아진다. 그러나, 홈(5)은 cos 모오드의 노오드위치에 대응하는 위치에 형성되어 있으므로, cos 모오드의 고유진동수의 감소는 비교적 작다.
그 결과, 2개의 고유진동수는 그들 사이에 차이를 가진다. 보다 상세하게 말하면, 홈 형성전에 있어서는, 2개의 모오드의 고유진동수가 54KHz에서 서로 일치하고 있으나, 홈형성후에는, sin모오드의 고유진동수는 51KHz,cos모오드의 고유진동수는 53KHz으로 낮아져, 2개의 고유진동수 사이에는 25KHz의 진동수차이가 발생한다. 상기 언급한 공지의 고정자(또는 진동자)로 회전자(2,2a,5)를 구동하면, 주회전자링의 휨고유진동의 발생으로 야기된 소음이 감소한다. 본 실시예에 있어서, 홈(5)은 2개의 위치에 형성되어 있으나, 등각피치로 분리된 4개의 위치에 형성되어 있을 경우, 2개모오드간의 진동수차이가 증가하여 소음방지효과를 향상시킬 수 있다.
제7도는 본 발명의 제2실시예에 따른 모터의 링형상회전자부의 주요부의 단면도이다. 제7도에 있어서, (6)은 Fe, Zn등의 금속으로 형성된 회전자(2,2a)가압용스프링(도시안함)을 수용하는 부재이며, 회전자(2,2a)에 접착하여 일체화되어 있으나 회전자(2,2a,6,50)는 중심축 CA를 가진다.
제1A도에서와 같이 직선홈(50)이 스프링수용부재(6)의 상부에 형성되어 제1실시예와 같은 효과를 얻는다.
이 방법에 있어서, 회전자와 일체화된 다른 부재를 활용함으로서 제1실시에와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제8A 및 8B도는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 것이다. 본 실시예는 링형상회전자와 접촉부 스프링의 휨진동발생으로 야기되는 소음의 발생에 대한 대책으로, 제8A도는 진동자와 접촉하는 쪽에서 본 회전자의 평면도이고, 제8B도는 일부 종단면도이다. 회전자의 접촉스프링부 각부에 홈(51)가 형성되어 상술한 바와같은 이유에 의해 소음이 방지된다. 링형상회전자(2,2a,51)는 중심축CA을 가진다.
제9A 및 9B도는 본 발명의 제4실시예를 도시한 것이다.
본 실시예에 있어서, 진동자(7)에 접촉스프링구조(8)를 형성한 것으로, 이것은 미국특허 제 4,562,374호의 제2도 또는 제5,124,611호에 기재된 것과 동일하며, 이부분에서 발생된 휨진동으로 야기된 소음은 홈(52)에 의해 방지된다.
상기 각각의 실시예에 있어서, 홈을 형성함으로써, 2개의 성분 즉, 회전자에서 발생한 진동의 sin 및 cos 모오드가 서로 상이한 고유진동수를 가지도록하여 회전자내 진행파의 발생을 방지하여 소음을 감소시킨다. 제10A도 및 제10B에 도시한 바와같이, 회전자는 회전자(2,2a)의 측면에 챔퍼부(9)를 형성하여 비축대칭형상을 가지고 sin 및 cos모오드가 서로 상이한 고유진동수를 가지게하므로써 주회전자링(2)과 접촉스프링(2a)에 대해 동시에 소음방지대책을 취한다거나, 제11도에 표시한 바와같이, 스크류등의 질향(10)을 회전자(2,2a)에 부가할 수도 있다.
상기 각각의 실시예에 있어서, 2개의 주위부에 홈을 형성하므로써 소음에 대한 대책을 실시하는것이나, 소음을 야기하는 모오드가 3차 또는 4차휨진동인 경우, 등각피치로 3개 또는 6개의 홈, 4개 또는 8개의 홈을 형성하는 것이 바람직하다.
소음성분이 2차 및 3차진동에 의해 발생한 경우, 2개의 등피치홈 및 3개의 등피치홈을 형성함으로써 2개의 진동으로 야기되는 소음성분에 대한 대책을 세울수 있다.
또, 3차 휨진동에 대한 8개의 등피치홈(11-1)~(11-8)을 형성하지 않아도, 예를들어, 제12도에 도시한 바와같이, 일부의 홈(11-4),(11-6),(11-7)을 생략하여도 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제13도는 본 발명에 의한 초음파모터의 조립상태를 도시하는 일실시예의 개략단면도로, 모터는 스프링케이스(i)의 외주부에 직선형상홈(50A)을 가지고 있고, 또한, 구동원으로서 상기 초음파모터를 채용한 장치(본 실시예에서는 카메라)의 개략단면도이다.
상기 미국특허 제5,124,611호에 개시된 바와 같이, 진동자구조체(b1),(b2)는 A 및 B상 압전소자(a1),(a2) 및 전극판을 개재하여 볼트(c)로 체결되어 바아형상진동자를 구성하고 있다.
일시적인 상차이를 가지는 전기신호가 압전소자(a1),(a2)에 공급되면, 진동자의 축을 포함하는 복수의 다른 평면에서 휨진동이 발생하고, 진동자의 표면에 회전이 형성된다.
회전자(r)는 주회전자링(2) 및 회전자접촉스프링(2a)으로 형성되어, 가압스프링(h) 및 스프링케이스(i)를 개재하여 진동자(b1, b2, a1,a2, c)의 구동면에 압압되어 있다. 회전출력부재(f)는 그 외주면에 기어부가 형성되어 있고, 베어링(e)에 의해 축방향으로 지지되는 한편, 스프링케이스(i)부에 형성된 직선형상홈에 느슨하게 삽입된 2개의 돌기부를 지녀, 회전자(r)와 일체적으로 회전한다. 고유부재(g)는 볼트(c)의 선단부에 고정되어 스크류등에 의해 고정체(예를들면, 렌즈통의 고정실린더)(j)에 고무시이트(k)를 개재하여 부착되어 있다.
기어(54)는 큰기어부(54a), 작은 기어부(54b)로 구성되어 있으며, 큰기어부(54a)는 회전출력부재(f)의 기어부와 맞물려 바아형상초음파모터의 출력을 추출한다. 구동부재(예를들면, 카메라의 렌즈통(55)는 기어부(55a)를 가지고 작은기어부(54a)와 맞물리고, 예를들면 오토포커스(AF)기능을 달성하도록 초음파모터에 의해 회전한다. 슬릿판(56)는 기어(54)와 일체로 회전하고, 포토커플러(57)는 기어(54)의 회전을 검출한다.
상술한 바와 같이, 바아형상초음파모터 또는 작동기에서 발생하는 소음에는, 이동체, 예를들면, 주회전자링에서 발생한 휨진동에 의한 소음성분, 회전자의 접촉스프링부에서 발생한 휨진동에 의한 소음성분이 있고, 이들 소음성분을 야기하는 고유진동모오드(sin 및 cos모오드)는 주회전자링 또는 접촉스프링부에 홈을 형성하거나 질량을 부가함으로서 이들 사이에 주파수차이를 가지도록하여 소음발생을 방지할 수 있다.
상기 각각의 실시예에 있어서, 진동자는 고정되고, 회전자는 움직이나, 이와 반대로, 본 발명은 이동진동자를 가지는 작동기에도 적용할 수 있다. 물론, 이 경우, 고정부재 sin 및 cos모오드사이의 고유주파수차이를 부여하는 홈등을 형성한다.

Claims (16)

  1. 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자와, 상기 진동자의 진동으로 구동되고 상기 진동자와 마찬결합되는 접속부재로 이루어지고, 상기 접촉부재는 상기 진동자의 진동으로 구동될 경우, 상기 접촉부재에서 발생한 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수사이에 차이를 부여하는 진동잡음억제소자를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접촉부재는 링형상부재인 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 접촉부재의 상기 진동잡음억제소자는 링형상부재가 비축대칭형상을 가지도록 하는 소자인 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 접촉부재의 상기 진동잡음억제 소자는 상기 접촉부재부에 설치된 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 접촉부재의 상기 진동잡음억제 소자는 상기 접촉부재부에 설치된형상홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 진동자는 진동소자와 일시적인 상차이를 가지는 각 전기신호에 반응하여 진동소자의 축을 포함하는 다른 평면에 휨진동을 발생하도록 한쌍의 전기-기계에너지 변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  7. 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자와 상기 진동자의 진동으로 구동되고, 상기 진동자와 마찰결합되는 접촉부재와, 상기 접촉부재 및 상기 진동자중의 하나와 맞물려 시스템부를 움직이는 출력전송부재로 이루어지고, 상기 접촉부재는, 상기 진동자의 진동으로 구동될 경우, 상기 접촉부재에서 발생한 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수사이에 차이를 부여하는 진동잡음억제소자를 가지는 것을 특징으로하는 초음파시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 접촉부재는 링형상부재인 것을 특징으로 하는 초음파시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 접촉부재의 상기 진동잡음억제소자는 상기 접촉부재에 설치된 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 접촉부재의 상기 진동잡음억제소자는 상기 접촉부재에 설치된 직선형상홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파시스템.
  11. 상기 진동자는 진동소자와, 일시적인 상차이를 가지는 전기신호에 반응하여 진동소자의 축을 포함하는 다른 평면에 휨진동을 발생하도록 한쌍의 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파시스템.
  12. 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자를 가지는 초음파모터용회전자장치에 있어서, 상기 진동자의 진동으로 구동되고, 상기 진동자와 마찰결합되는 회전자부재를 포함하고, 상기 회전자부재는, 상기 진동자와 진동으로 구동될 경우, 상기 회전자부재에서 발생한 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수사이에 차이를 부여하는 소자를 가진 것을 특징으로하는 회전자장치.
  13. 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자와, 일시적인 상차이를 가지는 각 전기신호에 반응하여, 진동자의 축을 포함하는 다른 평면에 휨진동을 발생함으로써 결합된 2개의 휨진동의 진동이 상기 진동자에 발생되도록 하는 한쌍의 전기-기계에너지변환소자와, 상기 진동자의 진동으로 회전하고, 상기 진동자와 마찰결합하는 회전자로 이루어지고, 상기 회전자는 회전할 때 상기 회전자에서 발생한 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수사이에 차이를 부여하는 제1소자 및 상기 진동자에 대해 상기 회전자를 압압하는 압압부재를 지지하는 제2소자를 가지는 것을 특징으로하는 초음파모터.
  14. 제13상에 있어서, 상기 제1소자는 상기 제2소자부에 설치된 홈으로 형성되는 것을 특징으로하는 초음파모터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 진동자는 바아형상부재이고, 상기 회전자는 링형상부재로 바아형상진동자의 상부면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 초음파모터.
  16. 인가된 전기신호에 반응하여 진동을 발생하는 진동자와, 일시적인 상차이를 가지는 각 전기신호에 반응하여, 진동자의 축을 포함하는 다른 평면에 휨진동을 발생함으로써 결합된 2개의 휨진동의 진동이 상기 진동자에 발생되도록 하는 한쌍의 전기-기계에너지변환소자와, 상기 진동으로 회전하고, 상기 진동자와 마찰결합하는 회전자로 이루어지고, 상기 회전자는 회전할 때 상기 회전자에서 발생한 진동의 sin 및 cos모오드의 고유진동수 사이에 차이를 부여하도록 회전자의 방사상방향으로 뻗는 홈 및, 상기 진동자에 대해 상기 회전자를 압압하는 압압부재를 지지하는 지지부재를 가지는 것을 특지으로하는 초음파모터.
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