KR100276632B1 - 초음파모터용 압전진동자, 그 장착방법 및 제조방법 및 정재파형 초음파모터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 초음파모터용 압전진동자는 압전진동자소자가 종진동/굴곡진동을 발생시켜 가동요소를 구동할 수 있는 것으로서, 상기 압전진동자는 압전진동자소자로 되며, 또한 탄성부재를 통해 고정구 또는 고정구와 접합하는 수단을 갖는 장착부재와 접합된다. 이 초음파모터용 압전 진동자는 압전진동자소자의 공진특성을 저하하는 일이 없으므로 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 종래에 비해 압전진동자를 초음파모터내에 조립해 넣는 것이 더욱 용이하고 안정하게 이루어지므로 모터 동작시의 안정성과 신뢰성이 현저히 향상된다.
본 발명의 초음파모터는 구동면의 반대측면의 구동방향의 단부 근방에 내마모부재를 구비하는 압전진동자를 포함하며, 상기 압전진동자는 접합재에 의해 자성재료로 된 구동면에 가압되도록 자석과 접합되며, 상기 자석은 구동면과 이격하여 배치되어 있는 정ㅍ재파형 초음파모터이다.
이 초음파모터는 가압기구의 간소화와 모터의 소형화를 달성함과 동시에 높은 구동효율을 확보한다.
Description
[발명의 명칭]
초음파모터용 압전진동자, 그 장착방법 및 제조방법 및 정재파형 초음파모터
[기술분야]
본 발명은 고정구와 접합 가능한 장착부재를 갖춘 초음파모터용 압전진동자, 고정구를 갖춘 초음파모터용 압전진동자, 압전진동자의 장착방법과 제조방법 및 압전진동자를 가압하는 수단으로 자력을 사용하는 정재파형 초음파모터에 관한 것이다.
[배경기술]
근년에는 권선을 필요로 하지 않는 모터, 예컨대 장치의 소형화 등에 유효한 모터로서 초음파모터가 주목을 끌고 있다. 초음파모터는 정재파형과 진행파형으로 분류된다. 진행파형 초음파모터는 회전식 모터로서 보급되어 왔으며, 정재파형 초음파모터는 직선운동 동작모터로서 사용전망이 밝다.
상기와 같은 초음파모터에서는 압전진동자를 고정하여, 이것을 가압할 필요가 있다. 예를 들어 직선운동 동작에 적합한 초음파모터를 구성하는 압전진동자에서는, 예컨대 제16도에 나타낸 바와 같이 레일(22)상에 배치된 압전진동자소자(20)를 지지판(21)에 의해 지지한 후, 나사(23)로 눌러서 조립하였다. 제16도에서 24는 베어링, 25는 마찰재를 나타낸다.
종래의 압전진동자에는 상기한 장착수단이 없으므로, 초음파모터내에 진동자를 조립해 넣을 때에는 압전진동자의 기계적 진동에 손상을 주지 않고 지지판 사이에 압전진동자가 끼워지도록 압전진동자를 지지판 등으로 지지한 후, 상기한 바와 같은 나사 등으로 눌러야 할 필요가 있었다. 그러나 이러한 방법을 이용하면 장기간에 걸쳐 안정한 동작을 유지하기가 어려웠다. 또한 압전진동자를 나사 또는 접착제로 직접 고정구에 고정시키는 방법에는 압전진동자가 고정됨으로써 진동모드간의 이상적인 정합에 손상을 주므로 모터 동작의 특정을 결정하는 진동자의 고유공진주파수가 변화될 뿐 아니라, 기계적 진동에너지가 상기 고정구를 통해서 장치쪽으로 흩어져서 효율의 저하를 초래하는 문제가 있었다.
본 발명자 등은 광범위하고 철저한 검토를 거듭한 결과, 압전진동자를 탄성부재를 통해 장착부재나 고정구와 접합함으로써 상기의 문제가 해결될 수 있다는 것을 발견하였다.
모터의 동작특성은 압정진동자의 고정방법과 압전진동자의 고정위치에 따라 크게 변화한다. 특히 정재파형(멀티모드형) 모터에서는 압전진동자의 고정위치가 2개의 고유진동 특성의 각각에 독립적으로 영향을 미친다. 정재파형 모터에서는 2개의 고유진동의 정합이 중요하므로, 압전진동자의 고유진동이 억제되지 않는 결절부(node part)에서 압전진동자를 고정시키는 것이 효과적인 것으로 생각된다.
고정구를 사용하면 압전진동자를 결절부에 간단히 고정시킬 수 있는 방법이 제공된다. 그러나 이 방법은 어느 정도의 접합면을 필요로 하기 때문에 이상적인 점 고정을 하기가 어렵다. 또한 볼트 등을 사용하여 결절부를 클램프 고정하면 압전진동자를 안정하게 고정하는 것이 어려워지고, 기구도 복잡해진다.
그러므로 고정수단을 갖는 결절부를 갖도록 압전진동자를 가공하는 방법을 생각할 수 있다. 압전세라믹진동자를 소결전 또는 소결후에 가공할 수도 있다. 소결전의 가공은 세라믹진동자의 분말성형이 기계적으로 취약하기 때문에 어려웠다. 한편 소결후의 가공은 초음파가공 등의 특별한 기술을 필요로 하였다.
본 발명자 등은 광범위하고 철저한 검토를 거듭한 결과, 압전진동자 형성시에 결절부가 되는 위치의 적층판소지(green sheet laminate) 측면에 오목부를 형성한 후에, 상기 오목부에 접합부재를 소성 및 고착시키는 방법에 의해 측면의 결절부에 고정수단을 갖는 압전진동자를 제조할 수 있다는 것을 발견하였다.
초음파모터에서는 일반적으로 압전진동자를 구동면에 압입시켜서 나사 또는 스프링 등을 사용하여 기계적으로 가압하여 압전진동자를 고정시킨다. 이 방법은 필요한 부품수를 증가시킬 뿐 아니라 가압기구를 복잡하게 하므로 모터 구조에 대한 재량이 극히 제한을 받는다. 또한 스프링 등의 가압수단이 예컨대 회전자 등과 접촉하여 모터의 효율을 저하시키는 일이 있었다.
따라서 가압수단을 간소화하는 방법이 여러가지로 검토되었다. 예를 들어 일본국 특허공개공보 No.소59(1984)－185179에서는 진동자를 가동자(회전자)에 가압하는 수단으로서 자석을 사용하여 초음파모터내에서 이들이 서로 접촉토록 하는 방법이 제안되어 있다. 여기에 기재된 초음파모터는 구동력을 발생시키기 위하여 진동자와 가동자간의 경계면 전체에 걸쳐 큰 접촉면적을 필요로 하는 진행파－탄성파형의 모터이다. 구동력을 발생하기 위해서는 단위면적당 적어도 소정량의 압력을 인가할 필요가 있다. 그러나 접촉면적이 크면 가압력이 분산되므로, 구동력을 발생하기 위해서 고압력을 인가할 필요가 있다. 상기 공개공보에 실시예에 나타나 있는 바와 같이 자석과 자기체(진동자)간에 개재물(마찰체)이 존재할 경우에는 자기력이 극히 저하되므로, 자기력을 이용한 가압에는 광범위한 접촉면적을 커버할 수 있는 강력한 자석을 필요로 한다. 그러므로 진행파－탄성파형의 모터는 모터를 소형화하는 수단으로서나 진동자와 가동자 서로간을 가압하에 접촉시키는 수단으로서 자석을 사용하는 데 제한을 받는다.
또한 일본국 특허공개공보 No.평4(1992)－88890에는 진행파형 모터를 영구자석과 조합하여 사용함으로써 탄성 가동자와 가동요소간의 가압수단을 필요로 하지 않는 회전식 및 직선운동식 모터가 제안되어 있다. 그러나 여기에 개시된 모터는 상기와 마찬가지의 단점을 가질 뿐 아니라 진동자를 타원형의 형태로 형성하므로 구조의 재량이 부족하다. 또한 직선운동식 모터의 경우에는 가동요소의 성능으로서 자성과 탄성을 아울러 갖는 재료를 필요로 하는 문제가 있다.
본 발명자 등은 광범위하고 철저한 검토를 거듭한 결과, 압전진동자를 자성재료로 된 구동면에 가압하기 위한 자석을 접합부재를 사용하여 접합하고, 이 자석을 구동면과 이격해서 배치한 정재파형 초음파모터에 의해 상기의 문제를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
[발명의 개시]
압전진동자소자가 종진동/굴곡진동을 발생시켜 가동요소를 구동할 수 있는 본 발명의 제1의 초음파모터용 압전진동자에 있어서, 상기 압전진동자는 압전진동자소자와 고정구와 접합하는 수단을 갖는 장착부재로 되며, 상기 압전진동자소자와 장착부재는 탄성부재를 통해 서로 접합된다.
이 초음파모터용 압전진동자에서 압전진동자소자의 고유진동은 탄성부재에 의해 장착부재로부터 탄성적으로 분리되므로, 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없기 때문에 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자를 초음파모터내에 종래의 경우보다 더 용이하고 안정하게 조립해 넣을 수가 있으므로 모터 동작시의 모터의 안정성과 신뢰성을 현저히 증가시킬 수가 있다.
본 발명에서 상기 압전진동자소자는 가동요소의 반대측 면에 내마모부재를 구비한다. 또한 상기 장착부재에는 전기 입력단자를 설치할 수도 있다.
압전진동자소자가 종진동/굴곡진동을 발생시켜 가동요소를 구동할 수 있는 본 발명의 제2의 초음파모터용 압전진동자에 있어서, 상기 압전진동자는 압전진동자소자와 고정구로 되며, 상기 압전진동자소자와 고정구는 탄성부재를 통해 접합된다.
이 초음파모터용 압전진동자에서 압전진동자소자의 고유진동은 탄성부재에 의해 고정구로부터 탄성적으로 분리되므로, 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없기 때문에 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자를 초음파모터내에 종래의 경우보다 더 용이하고 안정하게 조립해 넣을 수가 있으므로 모터 동작시의 모터의 안정성과 신뢰성을 현저히 증가시킬 수가 있다.
본 발명에 의한 압전진동자의 장착방법은 상기 압전진동자소자가 종진동/굴곡진동을 발생하여 가동요소를 구동시킬 수 있도록 압전진동자소자를 탄성부재를 통해 고정구에 접합한다.
이 압전진동자의 장착방법에서는 압전진동자소자의 고유진동이 탄성부재에 의해 고정구로부터 탄성적으로 분리되므로, 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없기 때문에 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자를 초음파모터내에 종래의 경우보다 더 용이하고 안정하게 조립해 넣을 수가 있으므로 모터 동작시의 모터의 안정성과 신뢰성을 현저히 증가시킬 수가 있다.
본 발명에서 사용하는 "고정구"라는 용어는 압전진동자의 고정이나 지지가 가능한 기구, 부품, 장치 또는 기타물품(물체)를 의미한다. 본 발명에서 사용하는 고정구는 압전진동자의 고정이나 지지가 가능하기만 하면 다른 기능도 가질 수 있다.
본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자는 고정구와 접합할 수 있는 반대측 면에 각각 돌출한 봉형상의 접합부재를 갖는 초음파모터용 공소성 적층(cofiring laminated) 압전진동자로 되며, 상기 각 접합부재는 적층 압전진동자의 대응하는 측면의 결절부에 형성된 오목부내에 일부 삽입 고정된다.
이 초음파모터용 압전진동자는 고정구와 접합 가능한 접합부재를 가짐으로써 초음파모터내에 진동자를 용이하게 조립해 넣을 수가 있다. 또한 각 접합부재를 진동의 결절부에 배치함으로써 압전진동자의 고유진동이 억제되는 것을 막을 수 있다.
본 발명에서 상기의 적층 압전진동자는 종진동/굴곡진동을 이용하는 압전진동자인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 초음파모터용 압전진동자의 제조방법은 압전효과를 갖는 세라믹 재료를 주재료로 한 판소지들을 일체적으로 적층하여 적층판 소지를 얻는 다음; 이 적층판 소지의 양측의 압전진동자 형성시에 결절부가 되는 위치에 각각 오목부를 형성한 후 소성하여 세라믹 적층판을 얻은 다음; 이 세라믹 적층판의 대응하는 오목부에 고정구와 접합할 수 있도록 각 봉형상 접합부재의 일단을 삽입 고정시켜서, 양측면 각각으로부터 돌출한 접합부재를 갖는 적층 압전진동자를 얻는 공정으로 이루어진다.
이 초음파모터용 압전진동자의 제조방법에서는 천공가공이 용이하므로 분말성형으로 압전진동자를 제조하는 경우와는 달리 어떤 특별한 기술을 필요로 함이 없이 고정구와 접합할 수 있는 접합부재를 갖는 초음파모터용 압전진동자를 얻을 수가 있다.
본 발명의 제1의 초음파모터는 구동전압이 인가되면 2종의 서로 다른 고유진동 모드를 여기할 수 있는 압전진동자로 된 정재파형 초음파모터이며, 상기 초음파모터는 2종의 고유진동모드를 합성한 타원운동과 압전진동자와 구동면간에 발생하는 마찰력을 구동력으로서 이용하며, 상기 압전진동자는 구동방향으로 대향할 때 구동면의 반대측 면의 구동방향의 단부 근방에 내마모부재를 구비하며, 또한 구동면과 이격해서 배치되며, 또한 접합재에 의해 자성재료로 된 구동면에 가압하도록 자석과 접합(조합되어 일체가 됨)된다.
이 초음파모터는 가압기구의 간소화와 동시에 모드의 소형화를 도모할 수가 있다. 또한 높은 구동효율도 확보 할 수가 있다.
본 발명에서는 상기 접합재를 자성재료로 구성하여 자석의 자기력에 의해 접합재와 접합할 수도 있다. 또 상기 압전진동자는 종진동/굴곡진동 모드를 이용한 적층 압전진동자인 것이 바람직하다. 또한 상기 압전진동자와 접합재를 비접착(비고정) 상태로 서로 접합할 수 있는 것이 바람직하다. 그리고 또한 상기 압전진동자의 접합재를 탄성부재를 통해 서로 접합(조합되어 일체가 됨)하는 것이 바람직하다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자의 제1실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
제2(a)도는 적층 압전진동자의 1형태를 나타낸 개략 측면도; 제2(b)도는 상기 압전진동자를 각 요소로 종방향으로 분할한 것을 나타낸 설명도이다.
제3도는 초음파모터용 압전진동자의 제1실시예의 1모드를 나타낸 설명도이다.
제4도는 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자의 제2실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
제5(a)도는 단일 판의 압전진동자의 1형태를 나타낸 개략 측면도; 제5(b)도는 상기 압전진동자를 각 요소로 종방향으로 분할한 것을 나타낸 설명도; 제5(c)도는 상기 압전진동자의 개략 정면도이다.
제6도는 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자의 제3실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
제7(a)도는 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자의 제4실시예를 나타낸 개략 사시도; 제7(b)도는 제7(a)도의 종단면도이다.
제8도는 두께 0.1mm의 탄성부재를 갖는 초음파모터용 압전진동자가 동작할 경우의 가압력과 이동속도간의 관계를 나타낸 도면이다.
제9도는 두께 0.6mm의 탄성부재를 갖는 초음파모터용 압전진동자가 동작할 경우의 가압력과 이동속도간의 관계를 나타낸 도면이다.
제10(a)도는 본 발명의 제2의 초음파모터용 압전진동자를 적용할 경우의 초음파모터의 1형태를 나타낸 일부절단 개략 측면도; 제10(b)도는 제10(a)도의 일부절단 개략 정면도이다.
제11(a)도는 본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자의 제1실시예를 나타낸 개략 사시도; 제11(b)도는 상기 압전진동자의 개략 단면도이다.
제12(a)도는 제11도의 초음파모터용 압전진동자가 고정구에 고정되었을 경우의 배치를 나타낸 개략 사시도; 제12(b)도는 상기 배치의 개략 정면도이다.
제13(a)도는 본 발명의 제1의 초음파모터의 제1실시 예를 나타낸 개략 정면도; 제13(b)도는 제13(a)도에 나타낸 초음파모터의 개략 사시도이다.
제14도는 제13도에 나타낸 초음파모터의 개략 사시도이다.
제15도는 본 발명에 의한 제2의 초음파모터의 제1실시예를 나타낸 개략 정면도이다.
제16(a)도는 종래의 초음파모터용 압전진동자의 조립방법을 나타낸 개략 측면도; 제16(b)도는 제16(a)도의 개략 정면도이다.
[본 발명의 실시를 위한 최량의 양태]
하기에 도면을 참조하여 본 발명에 의한 제1 및 제2의 초음파모터용 압전진동자와 압전진동자의 장착방법에 대해 설명한다.
제1도에서 구체적으로 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자(1)는 압전진동자소자(10)와 접합수단(14)을 갖는 장착부재(12)로 되며, 압전진동자소자(10)와 장착부재(12)는 탄성부재(11)를 통해 서로 접합되어 있다. 압전진동자소자(10)는 내마모부재(13a, 13b)가 형성된 활주면(sliding face)을 갖는다.
압전진동자소자(10)는 후술하는 바와 같이 종진동/굴곡진동(종진동모드와 굴곡진동모드의 조합모드)을 이용한 압전진동자이다. 여기에 구동전압을 인가하면, 예를 들어 가동요소와 구동면에 대향한 압전진동자소자(10)의 면(활주면)의 구동방향의 전단부 및 후단부에 타원운동이 생겨서 일정방향으로 구동력이 발생한다. 제1도에 나타낸 압전진동자소자(10)에서는 구동력이 화사표 방향 또는 그 반대방향으로 발생한다.
거의 구동방향에 수직하게 배치된 직선형상의 내마모부재(13a, 13b)는 압전진동자소자(10)의 구동방향의 전단부와 후단부에 형성된다. 본 실시예에서는 직선형상의 내마모부재(13a, 13b)가 압전진동자소자(10)의 활주면의 각 단부에 형성되어 있으나, 평면형상의 내마모부재를 활주면의 구동방향의 전단부 및 후단부 형성하거나, 평면형상의 내마모부재를 본 발명의 활주면 전체에 걸쳐서 형성할 수도 있다.
내마모부재(13a, 13b)의 예로서는 소다, 납, 붕산염(예; Pyrex(상표명)), 크라운, 부싯돌, 중 부싯돌, 석영유리 등의 유리류; 알루미나, 산화지르코늄, 탄화규소, 질산규소, 탄화텅스텐, 탄화티탄 등의 세라믹류를 함유한 각종 재료를 들수 있다. 이들중에서도 석영유리가 특히 바람직하다.
내마모부재(13a, 13b)의 표면조도는 낮은 것이 바람직하다. 특히 그 중심선 평균조도(Ra)가 촉침법(tracer method)에 의해 표면조도계로 측정하여 5~50Å의 범위가 바람직하다.
상기의 내마모부재(13a, 13b)는 압전진동자소자(10)의 활주면상에 접착제 등을 사용하여 배치할 수가 있다.
장착부재(12)는 압전진동자소자(10)의 상부면에 탄성부재를 개재시켜 배치한다.
초음파모터용 압전진동자(1)를 고정하는 고정구와 접합시키기 위한 접합수단인 나사구멍(14)은 장착부재(12)의 상부면에 형성된다. 본 실시예에서는 초음파모터용 압전진동자(1)가 볼트에 의해 고정구에 고정된다.
본 실시예에서의 장착부재(12)는 거의 직방체의 형상을 하고 있으나, 본 발명에 사용되는 장착부재(12)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적이 달성되는 한, 각종 형상을 채용할 수가 있다. 또한 본 실시예에서는 접합수단이 장착부재(12)의 상부면에 형성된 나사구멍(암나사)으로 되어 있으나, 본 발명의 장착부재(12)의 상부면에 형성되는 접합수단은 이에 한정되는 것은 아니며, 핀구멍, 나사(수나사), 원통돌기 등과 같은 종래의 접합수단의 어느 것이나 채용할 수가 있다. 상기의 접합수단은 장착부재(12)의 상부면의 중앙부위에 형성하는 것이 바람직하다. 접합수단을 장착부재(12)의 중앙부위에 형성하면 압전진동자의 구동효율의 저하를 최소화할 수가 있다.
장착부재(12)의 예로서는 알루미늄합금, 황동 및 스테인리스강, 기타 철계 합금 등의 금속류; 알루미나, 산화지르코늄, 탄화규소, 질산규소, 산화마그네슘 등의 세라믹류; 폴리아미드, 폴리이미드, 페놀수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설피드 등의 합성수지 등을 함유한 각종 재료를 들 수 있다.
압전진동자소자(10) 상부면의 거의 전체와 장착부재(12)의 저면의 거의 전체는 탄성부재(11)를 통해 서로 접합되어 압전진동자소자(10)와 장착부재(12)를 일체로 형성한다.
탄성부재(11)가 될 수 있는 탄성재료의 예로서는 실리콘, 부타디엔, 스티렌/부타디엔, 이소프렌, 에틸렌/프로필렌, 부틸, 아크릴로니트릴/부타디엔, 카르복시니트릴, 아크릴, 수소첨가 니트릴, 우렌탄고무 등을 들 수가 있다.
탄성부재(11)의 두께는 일반적으로 약 0.1~2.5mm, 바람직하기로는 약 0.1~1mm이다.
탄성부재(11)는 접착제 등을 사용하여 압전진동자와 접합함과 동시에 장착부재(12)와 접합할 수 있다. 상기 대신에 자체 접합능력이 있는 탄성부재(11)를 사용하여 접합할 수도 있다.
압전진동자소자(10)는 종진동/굴곡진동을 이용하는 압전진동자이다. 본 실시예에서의 압전진동자는 적층 압전진동자이다.
적층 압전진동자는 제2(b)도에 나타낸 바와 같이 5개의 구동요소로 분류되는데, 상부에 요소 A 및 B, 중앙에 요소 C, 하부에 요소 A′ 및 B′가 각각 배치된다. 각 구동요소중에서 요소 A, A′, B 및 B′는 제2의 굴곡진동 여기용이고, 요소 C는 제1의 종진동 여기용이다.
제2(a)도 및 (c)도에서 요소 A, A′, B, B′ 및 C의 각각은 주로 압전효과를 갖는 재료로 된 복수의 세라믹판(3)의 적층판이며, 인접하는 세라믹판(3) 사이에 내부전극(2a 또는 2b)이 개재되어 있다. 압전진동자소자(10)의 서로 반대되는 각 측면에서 외부전극(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)이 형성되고, 다른 측면에는 외부전극(5)이 형성되어 있다.
각 요소 A, A′, B 및 B′는 적층 세라믹판(3)으로 형성되며, 인접하는 세라믹판(3) 사이에는 각 내부전극(2b)이 개재되어 있다. 요소 A는 요소 B와 또 요소 A′는 요소 B′와 세라믹판(3)의 세로방향의 대략 중앙에서 절연부(4b)에 의해 분리된다.
요소 A에서는 내부전극(2b)의 짧은 측방향의 일단을 하나씩 걸러서 외부전극(5c)에 접속시킨다. 외부전극(5c)에 접속되지 않은 각 내부전극(2b)은 그 짧은 측방향의 일단을 외부전극(5)에 접속시킨다. 요소 A′에서는 내부전극(2b)의 짧은 측방향의 일단을 하나씩 걸러서 외부전극(5d)에 접속시킨다. 외부전극(5d)에 접속되지 않은 각 내부전극(2b)은 그 짧은 측방향의 일단을 외부전극(5)에 접속시킨다.
요소 B에서는 내부전극(2b)의 짧은 측방향의 일단을 하나씩 걸러서 외부전극(5b)에 접속시킨다. 외부전극(5b)에 접속되지 않은 각 내부전극(2b)은 그 짧은 측방향의 일단을 외부전극(5)에 접속시킨다. 요소 B′에서는 내부전극(2b)의 짧은 측방향의 일단을 하나씩 걸러서 외부전극(5e)에 접속시킨다. 외부전극(5e)에 접속되지 않은 각 내부전극(2b)은 그 짧은 측방향의 일단을 외부전극(5)에 접속시킨다.
요소 C는 인접하는 세라믹판(3)사이에 개재된 각 내부전극(2a)을 갖는 세라믹판(3)의 적층판으로 되며, 거기에는 요소 A 및 B와는 달리 절연부가 형성되지 않는다. 요소 C에서는 내부전극(2a)의 짧은 측방향의 일단을 하나씩 걸러서 외부전극(5a)에 접속시킨다. 외부전극(5a)에 접속되지 않은 각 내부전극(2a)은 그 짧은 측방향의 일단을 외부전극(5)에 접속시킨다.
제2(c)도에서 복수의 절연부(4a)가 요소 A, A′, B, B′ 및 C의 대응하는 내부전극에 형성되어 적층방향으로 좌우교대로 위치하게 된다. 본 발명에서는 절연부를 좌우 교대로 배치하는 것이 반드시 필요한 것은 아니며, 절연부의 위치가 적측방향으로 인접하는 2개의 세라믹판 사이에서 서로 교대로 되고, 2개의 세라믹판 사이의 서로의 위치가 거기에 개재된 다른 세라믹판의 경우와 동일하기만 하면 충분하다. 절연부(4a)는 일반적으로 갭(간극)으로 된다. 제2(a)도에는 절연부(4a)가 도시되어 있지 않다.
요소 A, A′, B 및 B′의 각 세라믹판(3)의 적층판수는 일반적으로 2~30, 바람직하기는 3~20개이다. 요소 C의 세라믹판(3)의 적층판수도 일반적으로 2~30, 바람직하기는 3~20이다.
세라믹판(3)은 압전효과를 갖는 재료(압전재료)로 된다. 그 적합한 예로서는 PZT계 세라믹, PbTiO3등의 PbTiO3계 세라믹 등의 압전효과를 갖는 세라믹을 들 수 있다. PZT계 세라믹의 적합한 예로서는 PZT 및 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3－Pb(Zn1/3Nb2/3)O3－PbTIO3－PbZrO3계 세라믹을 들 수 있다.
상기 압전진동자소자(10)는 예를 들어 다음과 같은 방법에 의해 제조할 수 있다.
예를 들어, 우선 주성분인 소성 세라믹 분말에 용매, 결합제 및 가소제를 첨가해서 혼합하여 슬러리를 제조한다.
용매로서 물을 사용할 경우에는, 결합제로는 히드록시에틸셀루로스, 메틸셀루로스, 폴리비닐 알콜, 왁스윤활제, 카르복시메틸셀루로스 등을 사용하고, 가소제로는 글리세롤, 폴리알킬 글리콜, 소르비탄산 에스테르, 트리에틸렌 글리콜, 석유, 폴리올 등을 사용된다. 한편 용매로서 에틸알콜, 메틸 에틸 케톤, 벤젠 또는 톨루엔 등의 유기용매를 사용할 경우에는, 결합제로서 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐부티랄, 셀루로스 아세테이트 등을 사용하고, 가소제로서 디부틸 프탈레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤 등을 사용한다.
얻어지는 슬러리는 닥터 블레이드법(doctor blade technique) 등에 의해 박판으로 형성한 후, 소정의 형상으로 절단하여 판소지를 얻는다. 이 판소지를 건조하고, 소정의 형상으로 절단하여 세라믹판 전구체를 얻는다. 이 세라믹판 전구체의 두께는 특히 제한되지 않으나, 0.02~2mm, 특히 0.05~0.5mm의 범위가 바람직하다.
판소지의 바람직한 제조방법은 물을 용매로 사용하고 압출에 의해 판을 얻는 방법이다. 이 방법은 결합제 및/또는 가소제의 첨가량을 줄이기가 용이할 뿐 아니라 세라믹판 전구체가 건조상태에서 서로 접착하는 것을 줄일 수가 있다. 따라서 세라믹판 전구체의 적층 및 소성시에 인접하는 상하 세라믹판 전구체가 절연부(4a, 4b)에서 접착하는 것을 방지할 수 있으므로, 상기 부분이 갭(절연부)을 안정하게 형성하기가 용이해진다. 그러나 절연부(4a, 4b)를 안정하게 형성하기 위한 판소지는 첨가하는 결합제와 가소제의 종류와 양을 적절하게 선택한다면, 유기용매를 사용한 압출법 또는 유기용매 또는 물을 사용한 닥터 블레이드법에 의해서도 얻을 수가 있다.
첨가하는 결합제와 가소제의 종류와 양 및 판소지의 건조조건은 세라믹판 전구체의 화합물을 50~150℃, 20~200kg/cm2하에서 가압하여 얻는 착화합물의 인장전단접합강도(tensile shear bond strength)가 세라믹판 그 자체의 인장강도보다 10% 이하, 바람직하기로는 5% 이하가 되도록 선택한다.
물을 용매로 한 압출법에 의해 판소지를 제조할 때에는 결합체를 소성분말의 100중량부 기준으로 일반적으로 1~10중량부, 바람직하기로는 1~5중량부의 양으로 첨가한다. 또한 가소제도 소성분말의 100중량부 기준으로 일반적으로 1~10중량부, 바람직하기로는 1~5중량부의 양으로 첨가한다.
박형의 내부전극(2a, 2b)은, 예를 들어 세라믹판 전구체의 표면을 금속도료로 도장하여 형성할 수 있다. 내부전극(2a, 2b)의 형성에 적합한 금속의 예로서는 백금, 팔라듐, 은－팔라듐합금, 은 등을 들 수 있다. 세라믹판 전구체는 적층된 형태에서 소성되기 때문에 내부전극(2a, 2b)을 형성하는 금속도료로서 세라믹판 전구체의 소성온도에서 소성(baking)할 수 있는 금속도료를 선택할 것이 요망된다. 예를 들어 소성후의 세라믹판(3)과 내부전극(2a, 2b)간의 접착력을 향상시키기 위하여 분말 산화지르코늄, 분말유리, 상기 압전재료 등의 분말을 금속도료와 혼합한다.
금속도료를 세라믹판 전구체의 표면에 도장시에는, 세라믹판 전구체의 외주 단부에 비도장 부분을 마련하여, 그 부분을 내부전극(2b)의 단부에 있는 절연부(4a)로서 사용한다. 또 세라믹판 전구체의 세로방향 중앙에 비도장 부분을 마련하여 그 부분을 내부전극(2a, 2b)사이에 있는 절연부(4b)로서 사용한다. 또한 다른 세라믹판 전구체의 외주단부에 비도장 부분을 마련하여, 그 부분을 내부전극(2a)의 단부에 있는 절연부(4a)로서 사용한다. 절연부(4a)의 형상과 위치는 특히 제한은 없으며, 세라믹판 전구체의 한 귀퉁이에 형성할 수도 있다.
상기 내부전극(2a, 2b)의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 0.5~20μm, 특히 1~10μm의 범위가 바람직하다. 금속도료의 도장은 스크린인쇄법 또는 롤러인쇄법에 의해 실시한다.
내부전극(2b)이 각각 형성된 상기 복수의 세라믹판 전구체는 절연부(4a)가 적측방향의 좌우에 교대로 위치하게 하여 요소 A 및 B가 될 적층 A－B를, 요소 A′ 및 B′가 될 적층 A′－B′를 각각 생성하도록 서로 적층된다. 한편 내부전극(2a)이 각각 형성된 상기 복수의 세라믹판 전구체는 절연부(4a)가 적층방향의 좌우에 교대로 위치하게 하여 요소 C가 될 적층 C를 생성하도록 서로 적층된다. 생성된 적층 A－B, 적층 C 및 적층 A′－B′를 이 순서대로 쌓아올려서 세라믹판 전구체의 적층판을 얻는다.
이 적층판을 소정의 온도에서 가열 프레스, 탈지 및 소성하여 접촉접합한 다음, 적층판에 내부전극(2a, 2b)을 베이킹함으로써 세라믹판(3)과 각 내부전극(2a, 2b)간을 접합한다. 다음에 상기 적층판을 탈지하기 전에 소정의 크기로 절단한다. 대신에 절단을 소성한 후에 할 수도 있다. 상기의 적층판 소성시에는 인접하는 상하의 세라믹판(3)이 서로 접착되는 일이 없으므로 절연부(4a, 4b)를 안정하게 형성할 수가 있다.
제2(a)도 및 (c)도에서 압전진동자소자(10)의 한 측면에는 요소 C의 내부전극(2a)이 하나씩 걸러서 외부전극(5a)에 접속되어 있고, 요소 A의 내부전극(2b)이 하나씩 걸러서 외부전극(5c)에 접속되어 있고, 요소 A′의 내부전극(2b)이 하나씩 걸러서 외부전극(5d)에 접속되어 있고, 요소 B의 내부전극(2b)이 하나씩 걸러서 외부전극(5b) 접속되어 있고, 요소 B′의 내부전극(2b)이 하나씩 걸러서 외부전극(5e)에 접속되어 있다. 압전진동자소자(10)의 반대측에는 내부전극(2a, 2b)이 하나씩 걸러서 외부전극(5)에 접속되어 있다. 외부전극(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)은 서로 절연되어 있다.
외부전극(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)의 각각은 압전진동자소자(10)의 세로방향의 측면에 전극재료를 부착하여 베이킹함으로써 형성된다.
외부전극(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)에 사용하는 전극재료는 특별히 제한되지 않으며, 은이나 땜납 등을 적절히 이용할 수 있다.
외부전극(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)에 전압을 가하면 압전진동자소자(10)의 적층방향으로 전계가 인가된다. 전계가 인가되면 요소 A 및 B뿐만 아니라 요소 A′ 및 B′도 서로 반대방향으로 신축하여 제2의 굴곡진동을 여기하고, 한편 요소 C는 독립적으로 신축하여 제1의 종진동을 여기한다.
구체적으로는 상기 적층 압전진동자소자(10)는 예를 들어 다음과 같은 방법으로 구동된다.
압전진동자소자(10)는 요소 A 및 B뿐만 아니라 요소 A′ 및 B′도 각각 반대방향으로 분극(poling)하고, 요소 A, A′ 및 C는 서로 동일한 방향으로 분극한다. 이와 같은 상태에서 요소 A, A′, B 및 B′에는 주파수 sin ω t(ω는 각 주파수)의 구동전압이 인가되고, 요소 C에는 주파수 cos ω t(ω는 각 주파수)의 구동전압이 인가된다. 이에 따라 요소 A, A′, B 및 B′는 굴곡진동을 여기하고, 요소 C는 신축진동을 여기함으로써 압전진동자소자(10)가 구동방향에서 보아 그 단부에서 타원운동을 하여 주어진 방향으로 구동력을 발생한다. 이 구동력은 압전진동자소자의 활주면과 가동요소 등의 사이의 접촉점 또는 내마모부재(13a, 13b)와 가동요소 등의 사이의 접촉면에 전달되어, 이 접촉점에서 발생한 마찰력에 의해 압전진동자소자(10)가 초음파모터로서 구동된다.
본 발명에 의한 초음파모터용 압전진동자는 예를 들어 제3도에 나타낸 바와 같이 조립된다. 제3도에서 초음파모터용 압전진동자(1)는 볼트(26)에 의해 고정구(29)에 고정된 채로 레일(가동요소)(22)상에 장착되어, 스프링(27a, 27b)에 의해 하측방향으로 가압된다. 제3도에서 28은 베어링을 표시한다.
본 발명에 의한 초음파모터용 압전진동자에서 압전진동자소자는 탄성재료를 통해 접합수단을 갖는 장착부재에 접합되므로 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없기 때문에 모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자소자의 조립을 종래에 비해 더욱 용이하고 안정하게 실시할 수 있으므로 모터 동작의 안성성과 신뢰성이 현저히 향상된다.
본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자의 1실시예를 상기에 설명하였으나, 본 발명에서는 각종의 변형례를 적용할 수 있으며, 예를 들어 제4도에 나타낸 바와 같이 단판으로 된 압전진동자소자(10a)를 압전진동자소자로 채용한다거나, 그 측면에 접합수단으로서 핀구멍(14a)을 갖는 장착부재(12a)를 장착부재로 사용할 수도 있다.
본 실시예에서는 단판 압전진동자소자(10a)를 압전진동자소자로 채용하고, 그 측면에 접합수단으로서 핀구멍(14a)을 갖는 장착부재(12a)를 장착부재로 사용하며, 초음파모터용 압전진동자(1a)를 핀에 의해 고정구에 고정한다.
본 실시예에서의 장착부재(12a)는 거의 직방체의 형상을 가지나, 본 발명에서 사용하는 장착부재(12a)의 형상은 이에 제한되지 않으며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한 각종의 형상을 채용할 수가 있다. 또한 본 실시예에서의 접합수단은 장착부재(12a)의 2개의 서로 반대 측면에 형성된 핀구멍의 개구를 통한 것이지만, 본 발명에서는 장착부재(12a)의 2개의 서로 반대 측면에 형성된 접합수단에만 한정되는 것은 아니며, 나사구멍(암나사), 나사(수나사), 원통형 돌기부 등과 같은 종래의 접합수단중의 어느 것이든 채용할 수가 있다. 상기의 접합수단은 장착부재(12a)의 각 측면의 중앙부위에 형성하는 것이 바람직하다. 접합수단을 장착부재(12a)의 각 측면의 중앙부위에 형성하면 압전진동자의 구동효율의 저하를 최소화할 수가 있다.
압전진동자로 사용하는 단판 압전진동자(10a)는 주로 압전효과를 갖는 재료로 된 세라믹으로 형성되며, 제5(b)도에 나타낸 바와 같이 상부에 요소 A 및 B, 하부에 요소 A′ 및 B′가 배치되는 4개의 구동요소로 분류된다.
제5(a) 및 (c)도에서 단판 압전진동자소자(10a)의 1측 면상에는 외부전극(5c, 5d, 5b, 5a)이 요소 A, A′, B 및 B′상에 각각 형성되어 있다. 단판 압전진동자소자(10a)의 반대 측면에는 단판 압전진동자의 반대 측면의 거의 전면에 걸쳐서 외부전극(5)이 형성되어 있다. 외부전극(5a, 5b, 5c, 5d)은 서로 절연되어 있다.
단판 압전진동자(10a)의 외부전극(5a, 5b, 5c, 5d)에 전압을 가하면 단판 압전진동자(10a)의 두께방향으로 전계가 인가된다. 이 전계가 인가되면 요소 A, A′, B 및 B′는 각각 신축을 함으로써 종진동/굴곡진동을 여기한다.
구체적으로는 상기의 단판 압전진동자(10a)는, 예를 들어 다음과 같은 방법으로 구동된다.
압전진동자(10a)의 요소 A 및 A′에는 주파수 sin ω t(ω는 각주파수)의 구동전압이 인가되고, 요소 B 및 B′에는 주파수 cos ω t(ω는 각주파수)의 구동전압이 인가된다. 이에 따라 단판 압전진동자(10a)는 구동방향에서 보아 그 단부에서 타원운동을 하여 소정의 방향으로 구동력을 발생한다. 제4도에서 구동력은 화살표 또는 그 반대방향으로 발생한다. 이 구동력은 단판 압전진동자(10a)의 활주면과 가동요소 등의 사이의 접촉점 또는 내마모부재(13a, 13b)와 가동요소 등의 사이의 접촉점에 전달되어, 이 접촉점에서 발생한 마찰력에 의해 단판 압전진동자(10a)가 초음파모터로서 구동된다.
본 실시예에서 압전진동자소자는 탄성재료를 통해서 접합수단을 갖는 장착부재에 접합됨으로써 상기 제1실시예와 동일한 기능과 효과를 얻을 수가 있다.
제6도의 실시예에서는 상기 제1실시예에 나타낸 초음파모터용 압전진동자(1)의 장착부재(12)의 측면에 전기 입력단자(16)가 설치되어 있다. 상기 단자는 전선 등의 도전재료에 의해 외부전극(5a, 5b, 5c)에 전기적으로 접속된다. 전선 등의 도전재료에 의해 외부전극(5c)은 외부전극(5d)과 전기적으로 접속되고, 외부전극(5b)은 외부전극(5e)과 전기적으로 접속된다.
본 실시예에서 압전진동자소자는 탄성재료를 통해 접합수단을 갖는 장착부재에 접합됨으로써 상기 제1실시예와 동일한 기능과 효과를 얻을 수가 있다. 또한 본 실시예에서는 전기 입력단자가 설치되어 있으므로 전원과의 접속을 용이하게 실행할 수가 있다.
제7도의 실시예에서는 상기 제2실시예에 나타낸 초음파모터용 압전진동자(1a)의 장착부재(12a)의 측면에 전기입력단자(16)가 설치되어 있다. 상기 단자는 전선 등의 도전재료에 의해 외부전극(5, 5b, 5c)에 전기적으로 접속된다. 전선 등의 도전재료에 의해 외부전극(5c)은 외부전극(5d)과 전기적으로 접속되고, 외부전극(5b)은 외부전극(5a)과 전기적으로 접속된다.
본 실시예에서 압전진동자소자는 탄성재료를 통해 접합수단을 갖는 장착부재에 접합됨으로써 상기 제1실시예와 동일한 기능과 효과를 얻을 수가 있다. 또한 본 실시예에서는 전기 입력단자가 설치되어 있으므로 전원과의 접속을 용이하게 실행할 수가 있다.
아래에 본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자를 포함한 직선운동 모터의 실험례에 대해 더욱 상세히 설명한다.
상기 제1실시예에서 설명한 초음파모터용 압전진동자를 제3도와 같이 조립하여 직선운동 모터를 구성하였다.
압전진동자소자는 적층방향으로 요소 A, A′, B 및 B′의 각각에 13개의 내부전극을 가지며, 요소 C에 14개의 내부전극을 가진 적층 압전진동자이었다. 이 적층 압전진동자는 각각 두께가 115μm인 40개의 세라믹판을 가진 적층판으로 되며, 이 적층 압전진동자의 크기는 길이가 21.0mm, 폭이 4.8mm, 높이가 5.4mm이었다. 압전진동자의 상부와 하부에는 각 절연층이 형성되었다. 탄성부재를 형성하는 재료로는 규소고무를 사용하였다.
레일의 평균 이동속도는 상기와 같은 구조의 직선운동 모터를 사용하여 탄성부재의 두께, 구동전압, 구동주파수가 각각 0.1mm, 5Vp－p, 76.61kHz의 조건하에서 가압력을 약 150~750gf의 범위로 변화시키면서 측정하였다. 그 결과를 제8도에 나타낸다.
가압력은 초음파모터용 압전진동자를 레일에 가압하여 압력 게이지(force gauge)로 측정하였다. 이동거리는 110mm, 레일 중량은 38.7g이었다.
또한 레일의 평균 이동속도는 탄성부재의 두께, 구동전압, 구동주파수가 각각 0.6mm, 5Vp－p, 76.40kHz의 조건하에서 가압력을 약 190~700gf의 범위로 변화시키면서 상술한 바와 같은 방법으로 측정하였다. 그 결과를 제9도에 나타낸다.
탄성부재의 두께가 0.1mm인 초음파모터용 압전진동자에서 가압력이 약 650~730gf의 범위내일 때, 레일의 이동속도가 최대(좌측방향으로 50mm/s, 우측방향으로 30mm/s)가 되었다. 한편 탄성부재의 두께가 0.6mm인 초음파모터용 압전진동자에서는 가압력이 약 610~700gf의 범위내일 때, 레일의 이동속도가 최대(좌측방향으로 106mm/s, 우측방향으로 55mm/s)가 되었다.
구동주파수 75~79kHz에서, 압력을 300~600gf로 변화시킬 경우에 탄성부재가 직접 압전진동자소자에 접속된 초음파모터용 압전진동자의 동작은 구동주파수 75~79kHz에서, 압력을 300~600gf로 변화시켰을 경우에 확인되었으나, 직선운동 동작은 확인되지 않았다.
다음에 본 발명에 의한 제2의 초음파모터용 압전진동자를 설명한다.
제10도에서, 본 발명에 의한 제2의 초음파모터용 압전진동자(1b)는 예컨대 압전진동자소자(10b)와 고정구(31)로 되며, 압전진동자소자(10b)는 탄성부재(11)를 통해 고정구(31)와 접합되어 일체를 형성한다. 예를 들면 접착제를 사용하여 압전진동자소자(10b)를 탄성부재(11)에 접속하고, 이 탄성부재(11)를 고정구(31)에 접속한다. 접합재 대신에 그 자체가 접합능력을 갖는 탄성부재(11)를 사용하여 접합할 수도 있다.
압전진동자소자를 탄성부재를 통해 고정구에 접합하면, 이 탄성부재에 의해 압전진동자소자와 고정구의 고유진동수가 탄성분리한다. 그러므로 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없어서, 모터 동작의 안정성과 신뢰성을 현저히 향상시킬 수가 있다.
본 발명에서 압전진동자소자(10b)는 적층 압전진동자 또는 단판 압전진동자의 어느 것이어도 좋다.
본 발명에 의한 상기의 초음파모터용 압전진동자(1b)는 제10도에 나타낸 바와 같이 초음파모터내에 조립된다. 가동용소(33)는 압전진동자소자(10b)의 활주면에 설치된 내마모부재(13a, 13b)와 접촉하고, 롤러(35)에 의해 지지되며, 스프링(37)에 의해 압전진동자소자(10b)를 누를 수 있도록 배치되어 있다.
본 발명에 의한 제2의 초음파모터용 압전진동자에서 압전진동자소자는 탄성재료를 통해 접합수단을 갖는 장착부재에 접합되므로 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없기 때문에 모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자소자의 조립을 종래에 비해 더욱 용이하고 안정하게 실시할 수 있으므로 모터 동작의 안성성과 신뢰성이 현저히 향상된다.
본 발명에 의한 제2의 초음파모터용 압전진동자의 1실시예를 상기에 설명하였다. 그러나 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 개념의 범위내에서는 각종 변형이 가능함은 물론이다.
다음에 본 발명의 제3의 초음파모터용 압전진동자 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다.
제11도에서 본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자(1c)는 그 결절부에 서로 반대되는 양 측면을 가지며, 이 양측면에 고정구와 접합시키기 위한 봉형상의 각 접합부재(7a, 7b)가 돌출한 공소성 적층 압전진동자이다.
압전진동자소자(10)는 상술한 종진동/굴곡진동을 이용한 적층 압전진동자이다. 여기에 구동전압을 가하면 압전진동자소자(10)의 가동요소의 반대측 면(활주면)의 단부에 타원운동이 여기되어, 구동력이 고정방향으로 발생한다. 제11도에서 구동력은 화살표 또는 그 반대방향으로 발생한다.
구동방향에 거의 수직으로 배치된 직선형상의 내마모부재(13a, 13b)는 압전진동자소자(10)의 활주면의 구동방향의 전단부 및 후단부에 형성된다. 본 실시예에서는 직선형상의 내마모부재(13a, 13b)가 압전진동자소자(10)의 활주면의 각 단부에 형성되어 있으나, 평면형상의 내마모부재를 활주면의 구동방향의 전단부 및 후단부 근방에 형성하거나, 평면형상의 내마모부재를 본 발명의 활주면 전체에 걸쳐서 형성할 수도 있다.
압전진동자소자(10)의 서로 반대되는 한쌍의 측면의 결절부는 고정구와 접합시키기 위한 봉형상의 각 접합부재(7a, 7b)가 설비되어 그들 측면으로부터 돌출한다. 여기서 사용하는 "결절부"라는 용어는 압전진동자에 구동전압을 가하여 종진동/굴곡진동인 고유진동을 여기하였을 때, 증폭이 0이 되는 지역을 의미한다.
압전진동자소자(10)의 서로 반대되는 측면의 결절부에는 오목부(9a, 9b)가 각각 형성된다. 각 접합부재(7a, 7b)의 일단은 대응하는 오목부(9a, 9b)에 고정되고, 다른 단은 측면으로부터 돌출한다. 제11(b)도에는 접합부재(7a, 7b)의 나사산은 도시되어 있지 않다.
본 실시예의 접합부재(7a, 7b)에는 각각 나사산이 형성되어 있으나, 본 발명에서 사용하는 접합부재는 나사산을 형성하지 않은 원통형 부재이어도 된다. 또한 오목부(9a, 9b)는 관통구멍으로 하고, 접합부재는 하나의 봉으로 할 수도 있다.
본 발명에 의한 상기의 초음파모터용 압전진동자(1c)는, 예를 들어 제12도에 나타낸 바와 같은 고정구에 접합한다.
제12도에서 고정구로서 그 단부에 접합부재(7a, 7b)를 각각 삽입하기 위한 절삭부(notch)(43a, 43b)(도시하지 않음)가 있으며, 그 상부에 나사(수나사)(42)가 있는 그 형상의 부재(41)를 고정구(40)로 채용한다. 초음파모터용 압전진동자(1c)의 접합부재(7a, 7b)를 대응하는 절삭부(43a, 43b)내에 삽입하고 대응하는 너트(45a, 45b)로 고정한다.
본 발명에 의한 초음파모터용 압전진동자는 고정구와 접합할 수 있는 접합부재를 가지고 압전진동자소자를 고정하므로 압전진동자를 초음파모터에 안정하게 고정하는 것이 용이해진다. 또한 각 접합부재는 압전진동자의 결절부에 배치되므로 압전진동자의 고유진동이 억제되지 않는다.
본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자의 1실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명은 그것에만 한정되는 것은 아니며, 각종의 변형이 가능함은 물론이다. 각종 형태의 적층 압전진동자를 압전진동자소자로서 채용할 수가 있다.
본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자는, 예를 들어 다음과 같은 방법으로 제조할 수가 있다.
본 발명에 의한 상기의 초음파모터용 압전진동자에 사용하는 압전진동자소자는 제2도에 나타낸 적층 압전진동자와 유사한 구조를 가지며, 상술한 것과 대략 동일한 방법으로 제조할 수가 있다.
구체적으로는 우선 상기 제1 및 제2의 초음파모터용 압전진동자에 사용한 압전진동자소자의 제조와 동일한 방법에 의해 판소지를 얻는다. 이 판소지의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 0.02~2mm, 특히 0.05~2mm의 범위가 바람직하다.
판소지의 바람직한 제조방법으로는 물을 용매로 사용하여 압출에 의해 판을 얻는 방법이다. 이 방법은 결합제 및/또는 가소제의 첨가량을 줄이기가 용이할 뿐 아니라 소성시에 판소지가 서로 접착하는 것을 줄일 수가 있다. 따라서 판소지의 적층 및 소성시에 인접하는 상하 판(3)이 절연부(4a, 4b)에서 접착하는 것을 방지할 수 있으므로, 상기 부분의 갭(절연부)을 안정하게 형성하기가 용이해진다. 그러나 절연부(4a, 4b)를 안정하게 형성하기 위한 판소지는 첨가하는 결합제와 가소제의 종류와 양을 적절하게 선택한다면, 유기용매를 사용한 압출법 또는 유기용매 또는 물을 사용한 닥터 블레이드법에 의해서도 얻을 수가 있다.
박형의 내부전극(2a, 2b)은, 예를 들어 세라믹판 전구체의 표면을 금속도료로 도장하여 형성할 수 있다. 내부전극(2a, 2b)의 형성에 적합한 금속의 예는 상술한 바와 같다.
판소지는 적층된 후에 소성되므로 내부전극(2a, 2b)을 형성하는 금속도료로서 세라믹 소성온도에서 소성할 수 있는 금속도료를 선택할 것이 요망된다. 예를 들어 소성후의 판소지와 내부전극(2a, 2b)간의 접착력을 향상시키기 위하여 분말 산화지르코늄, 분말 유리, 상기 압전재료의 분말을 금속도료와 혼합한다.
금속도료를 판소지의 표면에 도장할 때에는, 판소지의 외주 단부에 도장하지 않는 부분을 마련하여, 내부전극(2b)의 단부에 있는 절연부(4a)로서 사용하는 부분을 형성한다. 또 판소지의 세로방향 중앙에 비도장 부분을 마련하여, 그 부분을 내부전극(2a, 2b) 사이에 있는 절연부(4b)로서 사용한다. 또한 다른 판소지의 외주 단부에 비도장 부분을 마련하여, 내부전극(2a)의 단부에 있는 절연부(4a)로서 사용한다. 절연부(4a)의 형상과 위치는 특별히 제한은 없으며, 판소지의 한 귀퉁이에 형성할 수도 있다.
상기 내부전극(2a, 2b)의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 0.5~20μm, 특히 1~10μm의 범위가 바람직하다. 금속도료의 도장은 스크린인쇄법 또는 롤러인쇄법에 의해 실시한다.
내부전극(2b)이 각각 형성된 상기 복수의 판소지는 절연부(4a)가 적층방향의 좌우에 교대로 위치하게 하여 요소 A 및 B가 될 적층 A－B를, 요소 A′ 및 B′가 될 적층 A′－B′를 각각 생성하도록 서로 적층된다. 한편 내부전극(2a)이 각각 형성된 상기 복수의 판소지는 절연부(4a)가 적층방향의 좌우에 교대로 위치하게 하여 요소 C가 될 적층 C를 생성하도록 서로 적층된다. 생성된 적층 A－B, 적층 C 및 적층 A′－B′를 이 순서대로 쌓아올려서 판소지의 적층판을 얻는다.
그 후에 생성된 판소지 적층판의 서로 반대되는 한쌍의 측면의 결절부가 될 위치에 오목부를 형성한다. 즉 판소지 적층판으로부터 제조된 압전진동자소자의 서로 반대되는 한쌍의 측면의 결절부에 오목부를 형성한다.
이 오목부가 형성된 적층판을 소정의 온도에서 탈지 및 소성하여 세라믹 적층판을 얻은 다음, 이 세라믹 적층판에 내부전극(2a, 2b)을 소성함으로써, 세라믹판(3)과 각 내부전극(2a, 2b)간을 접합한다. 다음에 상기 적층판을 탈지하기 전에 소정의 크기로 절단한다. 대신에 절단을 소성한 후에 할 수도 있다. 상기의 적층판 소성시에는 인접하는 상하의 세라믹판이 서로 접착되는 일이 없으므로 절연부(4a, 4b)를 안정하게 형성할 수가 있다.
이렇게 얻은 세라믹 적층판(압전진동자)의 오목부를 필요에 따라 절삭가공하여, 고정구에 접합할 수 있는 각 봉형상의 일단을 대응하는 오목부에 고정시킨다. 오목부에 접하부재를 고정할 때에는 접착제 등을 사용할 수 있다.
각 외부전극(5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e)은 압전진동자소자(10)의 세로방향의 측면에 전극재료를 도장하고, 이를 소성함으로써 용이하게 형성할 수가 있다.
이렇게 하여 서로 반대되는 측면을 가지며, 이 측면으로부터 고정구와 접합할 수 있는 봉형상의 각 접합부재가 돌출하는 압전진동자가 얻어진다.
다음에 본 발명의 제1의 초음파모터에 대해 설명한다.
제13도에서 본 실시예의 초음파모터(50)는 대략 장방향의 접합재료(51)의 면의 중앙부위에는 압전진동자소자(10)가 배치되고, 동일 측면의 서로 반대되는 각 측면의 근방에는 자석(52a, 52b)이 각각 배치되어 있다.
접합재료(51)는 합성수지 또는 금속 등으로 된다. 본 발명에서는 접합재료(51)가 대략 장방형이지만, 본 발명에 사용하는 접합재료의 형상은 압전진동자소자(10)와 자석(52a, 52b)을 접합하는 데 적합한 것인 한, 특히 제한을 받지 않는다. 예컨대 접합재료(51)를 봉형상으로도 할 수 있다. 또한 본 실시예에서는 압전진동자소자(10)가 배치되는 접합재료(51)의 거의 중앙에 채널이 형성되어 있으나, 본 발명에서는 이 채널을 반드시 필요로 하는 것은 아니다.
압전진동자소자(10)는 접착제 등을 사용하여 접합재료(51)에 접합(고정)할 수도 있고, 접합하지 않는(비고정) 상태로 할 수도 있다. 이 경우에, 예를 들어 평판형상의 접합재료(51)의 하면상의 압전진동자소자(10)의 상부구조에 일치하는 오목부를 형성하고, 이 오목부에 압전진동자소자(10)의 상부를 느슨하게 고정시킬 필요가 있다.
압전진동자소자(10)는 상술한 바와 같이 종진동/굴곡진동을 이용한 압전진동자이다. 여기서 구동전압을 가하면 압전진동자소자(10)의 구동면의 반대측 면(활주면)의 양단부에 타원운동이 여기됨으로써, 구동력이 고정방향으로 발생한다. 제13(b)도에서 초음파모터(50)는 화살표 또는 그 반대방향으로 이동한다.
구동방향에 거의 수직으로 배치된 직선형상의 내마모부재(13a, 13b)는 압전진동자소자(10)의 활주면 구동방향의 전단부 및 후단부, 즉 압전진동자소자(10)에 구동력이 주어지는 위치에 배치된다. 자석(52a, 52b)은 구동면(55)과 이격하여 배치된다. 즉 자석(52a, 52b)은 상기 내마모부재(13a, 13b)만이 구동면(55)과 접촉할 수 있도록 배치된다.
자석(52a, 52b)은 일반적으로 접합재료(51)의 일면에 접착제로 접합된다. 그러나 접합재료(51)가 자성재료일 경우에 자석(52a, 52b)은 접합재료(51)와 자기력에 의해 접합(흡인)시킬 수가 있다.
본 발명의 초음파모터에서는 압전진동자소자를 자성재료로 된 구동면에 가압하는 수단으로 자석을 사용하므로 가압기구를 간소화 할 수가 있다.
또한 압전진동자소자의 활주면의 특정위치에 내마모부재가 형성되어 구동면과의 접촉부분을 제한하므로, 구동을 방해하는 어떤 불필요한 마찰저항이나 반대방향으로 유기되는 타원운동의 영향을 방지할 수가 있다. 이렇게 하여 구동효율이 향상된다. 또한 압력을 가하기 위해 작은 자석을 사용하면 되므로 초음파모터의 소형화를 달성할 수가 있다.
본 발명의 초음파모터 구동용으로 사용되는 구동면은 그것이 원활하고, 자성재료로 되는 한 제한받지 않는다. 구동면은 수평방향뿐 아니라 수직방향의 구동도 가능하다. 또한 적어도 2개 이상의 압전진동자소자를 조합하면 이동의 제한을 받는 일이 없이 X－Y평면상에서 자유롭게 이동이 가능하다. 그리고 베어링에 직접 가압하는 단순한 기구의 회전모터로 구성할 수도 있다.
본 발명의 초음파모터를 상술하였으나, 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니며, 각종 변형이 가능하다. 예를 들어 제15도에 나타낸 바와 같이 압전진동자소자(10)를 탄성부재(11)를 통해 접합재료(51)와 접합시킨 제2의 초음파모터를 제공할 수도 있다.
본 실시예에서는 압전진동자소자(10)의 활주면과 반대되는 면의 거의 전체가 탄성부재(11)를 통해 접합재료(51)와 접합된다.
탄성부재(11)의 두께는 일반적으로 약 0.1~2.5mm, 바람직하기로는 약 0.1~1mm의 범위이다.
탄성부재(11)는 접착제 등을 사용하여 압전진동자소자(10)와 접합할 수 있으며, 또한 접합재료(51)와도 접합할 수가 있다.
본 발명의 상기 초음파모터에서는 압전진동자소자를 자성재료로 된 구동면에 가압하는 수단으로 자석을 사용하며, 또 압전진동자소자의 활주면상에 내마모부재가 형성되어 구동면과의 접촉부분이 제한되므로, 상기 제1실시예의 경우와 동일한 기능과 효과를 발휘한다.
또한 본 발명의 초음파모터에서 압전진동자소자는 탄성부재를 통해 접합재료와 접합되므로, 압전진동자소자의 고유진동이 탄성부재에 의해 접합재료로부터 탄성적으로 분리될 수 있다. 따라서 압전진동자소자의 공진특성이 열화되는 일이 없으므로 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬수가 있다.
상기 제1실시예에서 설명한 바와 같이 초음파모터를 사용하여 시험을 실시하였다. 압전진동자소자는 요소 A, A′, B, B′의 각각에 13개의 내부전극을, 요소 C에 14개의 내부전극을 적층방향으로 갖는 적층 압전진동자였다. 적층 압전진동자는 두께가 각각 115μm인 40개의 세라믹판의 적층으로 되며, 적층 압전진동자의 크기는 길이가 21.0mm, 폭이 4.8mm, 높이가 5.4mm이었다. 압전진동자의 상부 및 하부에는 각 절연층이 형성되었다. 접합재료는 수지로 되며, 크기가 25mm×28mm이었다. 자석에 의해 인가된 압력은 285gf, 초음파모터의 중량은 16g이었다.
상기 구성의 초음파모터는 구동전압4Vp－p에서 수직으로 배치된 원활한 자성재료면을 이동하여, 수평방향으로 55mm/s, 수직방향으로 26mm/s의 이동속도를 얻었다.
[발명의 효과]
본 발명에 의한 제1의 초음파모터용 압전진동자는 압전진동자소자의 공진특성의 열화가 거의 없으므로 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자소자의 조립을 종래의 경우에 비해 보다 용이하고 안정하게 할 수 있으므로 모터 동작의 안정성과 신뢰성이 현저히 향상된다.
본 발명에 의한 제2의 초음파모터용 압전진동자는 압전진동자소자의 공진특성의 열화가 거의 없으므로 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수가 있다. 또한 압전진동자소자의 조립을 종래의 경우에 비해 보다 용이하고 안정하게 할 수 있으므로 모터 동작의 안정성과 신뢰성이 현저히 향상된다.
본 발명에 의한 압전진동자소자의 장착방법은 압전진동자의 공진 특성이 거의 열화하지 않으므로 초음파모터를 높은 효율로 동작시킬 수 있을 뿐 아니라 모터 동작의 안정성과 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 제3의 초음파모터용 압전진동자는 고정구와 접합할 수 있는 접합부재를 가지므로 초음파모터에 진동자를 조립해 넣기가 용이해진다. 또한 접합부재는 진동의 결절부에 배치되므로 압전진동자의 고유진동이 억제되지 않는다.
본 발명에 의한 초음파모터용 압전진동자의 제조방법은 어떤 특별한 기술을 필요로 하지 않으며, 고정구와 접합할 수 있는 접합부재를 갖는 초음파모터용 압전진동자의 제조에도 적용할 수가 있다.
본 발명의 제1 및 제2의 초음파모터는 가압기구의 간소화와 모터의 소형화를 실현할 뿐 아니라 높은 고구동효율을 확보할 수 있다. 특히 제2의 초음파모터는 압전진동자소자의 공진특성의 열화가 거의 없으므로 구동효율을 더욱 높여 준다.
Claims (13)
- 압전재료와 전극재료로 구성되는 압전진동자소자에 종진동/굴곡진동을 발생시켜 가동요소를 구동하는 정재파형 초음파모터용 압전진동자에 있어서, 상기 압전진동자는 압전진동자소자와, 고정구와의 접합을 위한 수단을 갖는 장착부재를 포함하며, 상기 압전진동자소자와 상기 장착부재는 탄성접착제를 통해 서로 접합되며, 상기 압전진동자소자 자체가 진동을 여기함으로써 종진동/굴곡진동을 발생하는 것이 특징인 정재파형 초음파모터 압전진동자.
- 제1항에 있어서, 내마모부재가 상기 압전진동자소자의 가동요소의 반대측 면에 배치되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터용 압전진동자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장착부재는 전기 입력단자를 구비하는 것이 특징인 정재파형 초음파모터용 압전진동자.
- 압전재료와 전극재료로 구성되는 압전진동자소자에 종진동/굴곡진동을 발생시켜 가동요소를 구동하는 정재파형 초음파모터용 압전진동자에 있어서, 상기 압전진동자는 압전진동자소자와 고정구를 포함하며, 상기 압전진동자소자와 상기 고정구는 탄성접착제를 통해 접합되며, 상기 압전진동자소자 자체가 진동을 여기함으로써 종진동/굴곡진동을 발생하는 것이 특징인 정재파형 초음파모터용 압전진동자.
- 정재파형 압전진동자의 장착방법에 있어서, 압전진동자소자를 탄성접착제를 통해 고정구에 접합하여서 되며, 상기 압전진동자소자는 그 자체가 진동을 여기함으로써 종진동/굴곡진동을 발생하여 가동요소를 구동할 수 있는 것이 특징인 정재파형 압전진동자의 장착방법.
- 정재파형 초음파모터용 압전진동자에 있어서, 상기 진동자는 고정구와 접합할 수 있도록 반대측 면에 각각 돌출한 봉형상의 접합부재들을 갖는 초음파모터용 공소성 적층 압전진동자로 되며, 상기 각 접합부재는 상기 적층 압전진동자의 대응하는 측면의 결절부에 형성된 오목부내에 부분적으로 삽입 고정되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터용 압전진동자.
- 제6항에 있어서, 상기 적층 압전진동자는 종진동/굴곡진동을 이용하는 진동자인 것이 특징인 정재파형 초음파모터용 압전진동자.
- 각각 압전효과를 갖는 세라믹 재료를 주재료로 하여 이루어진 판소지들을 일체적으로 적층함으로써 적층판소지를 얻는 공정과; 상기 적층판 소지의 양측면에서 압전진동자의 형성시에 결절부가 되는 위치상에 각각의 오목부를 형성한 후, 상기 적층판 소지를 소성함으로써 세라믹 적층판을 얻는 공정과; 상기 세라믹 적층판의 대응하는 오목부에 고정구와 접합할 수 있도록 각 봉형상 접합부재의 일단을 삽입 고정시킴으로써, 각 측면으로부터 돌출한 상기 접합부재를 갖는 적층 압전진동자를 얻는 공정을 포함하는 것이 특징인 초음파모터용 압전진동자의 제조방법.
- 정재파형 초음파모터에 있어서, 상기 초음파 모터는 구동전압이 인가될 때, 2종의 서로 다른 고유진동 모드를 여기할 수 있는 압전진동자를 포함하고, 상기 초음파모터는 또한 상기 2종의 고유진동모드를 합성한 타원운동, 및 압전진동자와 구동면간에 발생하는 마찰력을 구동력으로서 이용하며, 상기 압전진동자는 상기 구동면의 반대측면에서 구동방향의 단부 근방에 내마모부재를 구비하고, 또한 자성재료로 된 상기 구동면을 향해 가압되도록 접합재에 의해 자석과 접합되며, 상기 자석은 상기 구동면으로부터 이격하여 배치되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터.
- 제9항에 있어서, 상기 접합재료가 자성재료로 됨으로써, 상기 자석이 자기력에 의해 상기 접합재료와 접합되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터.
- 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 압전진동자는 종진동/굴곡진동을 이용하는 적층 압전진동자인 것이 특징인 정재파형 초음파모터.
- 제9항~제11항중의 어느 1항에 있어서, 상기 압전진동자 및 상기 접합재료는 비접착(비고정) 상태로 서로 접합되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터.
- 제9항~제12항중의 어느 1항에 있어서, 상기 압전진동자 및 상기 접합재료는 탄성부재를 통해 서로 접합되는 것이 특징인 정재파형 초음파모터.
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