KR100353456B1 - 압전형스텝모터 - Google Patents

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Abstract

압전형 스텝 모터는 원통형 하우징(1), 고정장치 및 가동부(4)를 구비한다. 상기 고정장치는 한 개의 세로면에 앞뒤로 배열된 적어도 두 개의 회전-시프팅-고정 압전형 장치들(2,3)로 구성되며, 각 압전형 장치들(2,3)은 회전 압전 셀(5), 시프팅 압전 셀(6), 고정 압전 셀(7) 및 인슐레이터(8)에 의하여 분리된 마찰 요소(9)로 구성된다.

Description

압전형 스텝 모터
고정자와 전기적으로 상호작용하는 원통형 회전자를 갖춘 압전형의 중공(中空) 원통으로 구성된 압전형 모터는 공지된 기술이다(舊소련 공개특허 제573828호).
그러나, 상기 모터는 원통형 회전자의 직선 변위에 영향을 주지 않는다.
내부에 체결된 고정장치 및 구동부재를 가진 가동부(movable part)를 구비한 하우징으로 구성된 압전형 직선 스텝 모터도 또한 공지된 기술이다(舊소련 공개특허 제720576호).
그러나, 상기 압전형 모터는 복잡한 디자인으로 구성되며, 가동부의 직선 변위만을 실행하며, 가동부를 회전시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 기본 목적은 구성상의 실시예에 의하여 디자인 및 제조기술이 단순화되어, 모터의 힘이 증가되고 회전·직선변위 및 복합운동(동시 회전 및 직선 변위)중에 가동부의 위치 결정 정밀도가 증가되는 압전형 스텝 모터를 안출하는데 있다.
상기 목적은 내부에 체결된 고정장치 및 가동부를 구비한 하우징으로 구성된압전형 스텝 모터를 제공하므로써 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 모터에 있어서, 상기 고정장치는 하우징내에 한 개의 세로면에 앞뒤로 배열된 적어도 두개의 회전-시프팅-고정 압전형 장치(rotary-shifting-fixing piezoelectric units)로 구성되는데, 각 압전형 장치는 회전 압전 셀(rotary piezoelectric cell), 고정 압전 셀(fixing piezoelectric cell) 및 인슐레이터에 의하여 분리된 마찰 요소(friction element)를 구비한다. 또는 상기 고정장치는 적어도 한 개의 가로면에 배열되고 섹터의 형태를 한 적어도 두쌍의 회전-시프팅-고정 압전형 장치로 구성될 수 있다.
상기 하우징은 가동적이며, 상기 압전형 장치는 정지 회전자(stationary rotor)에 체결된다.
상기 압전 셀은 압전 링 혹은 그 섹터의 세트의 형태로 구성되었는데, 이 압전 셀의 전극은 교대로 병렬로 연결되어 있으며, 이경우 각 연속 압전 링 혹은 섹터의 분극 방향이 이전의 링 혹은 섹터의 분극 방향과 정반대가 된다.
상기 압전형 장치사이의 틈새는 탄성 절연재로 채워지는 것이 바람직하다.
상기의 특허청구된 스텝 모터의 이러한 구성상의 실시예는 모터에 의하여 생기는 힘과 가동부의 위치 결정 정밀도가 증가하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 전기 모터에 관한 것으로, 특히 압전형 스텝 모터에 관한 것이다.
도 1은 특허청구된 압전형 스텝 모터의 정면도(제1실시예);
도 2는 도 1에 나타난 모터의 종단면도;
도 3은 상기 모터의 제2실시예의 정면도;
도 4는 도 3에 나타난 모터의 종단면도;
도 5는 상기 모터의 제3실시예의 정면도;
도 6은 도 5에 나타난 모터의 종단면도;
도 7은 상기 모터의 제4실시예의 정면도;
도 8은 도 7에 나타난 모터의 종단면도;
도 9 내지 도 14는 가동부의 직선변위를 갖는 압전형 스텝 모터의 구동단계를 보여주는 종단면도;
도 15는 상기 모터의 가동부의 회전중에 두 개의 압전형 장치의 단면도;
도 16 내지 도 20은 가동부의 회전중에 압전형 스텝 모터의 또다른 구동단계를 보여준다.
본 발명의 제1실시예에 따른 특허청구된 압전형 스텝 모터는 원통형 하우징(1, 도 1), 두 개의 압전형 장치(2 및 3, 도 2)의 형태로 된 고정장치 및 원통형 로드(rod)의 형태로 된 가동부(4)를 구비한다. 회전-시프팅-고정 장치(rotary-shifting-fixing units)인 상기 압전형 장치(2 및 3)는 각기 상호연결된(예를 들면, 아교로 붙여진) 요소들, 즉 회전 압전 셀(5), 시프팅 압전 셀(6), 고정 압전 셀(7), 인슐레이터(8) 및 마찰 요소(9)로 구성되어 있다.
상기 회전 압전 셀(5)은 그 축을 중심으로 상기 가동부(4)가 회전하도록 하며, 그 초기 분극의 벡터는 상기 모터의 세로 축에 대하여 비스듬히 확장된다.
상기 시프팅 압전 셀(6)은 상기 모터의 세로 축에 대하여 비스듬한 방향인초기 분극의 벡터를 가지며, 상기 가동부(4)가 상기 모터의 세로 축을 따라서 이동하도록 한다.
상기 고정 압전 셀(7)은 상기 가동부(4)를 고정시키며, 그 초기 분극의 벡터는 상기 모터의 세로 축에 대하여 수직으로 (방사상으로) 향해있다.
상기 마찰 요소(9)는 상기 압전형 장치(2 및 3)의 고정 압전 셀에 의하여 가동부(4)를 단단하게 고정시켜주는 분할 링(split ring)으로 구성된다.
상기의 각 압전 셀은 와이어(도시 안 됨)에 연결된 전극을 갖는다.
상기 압전형 장치(2 및 3)사이의 틈새는 탄성 절연재(10)로 채워진다.
상기 압전형 스텝 모터의 다른 실시예도 가능하다.
도 3 및 도 4에 나타난 모터의 제2실시예에 있어서, 상기 압전형 장치(2 및 3)는 한 개의 가로면에 위치하며, 섹터의 형태로 이루어진다.
상기 모터의 제3실시예는 상기 원통형 하우징(11)이 움직이는 동안에 상기 가동부(4, 도 5 및 도 6)가 정지해있으며, 상기 압전형 장치(2 및 3)는 상기 원통형 로드(4, 정지 회전자)에 체결된다는 점에서 제1실시예와 다르다.
제4실시예에서, 원통형 하우징(11)이 회전하여 그 축을 따라 움직이는 동안에 상기 가동부(4, 도 7 및 도 8)는 또한 정지한 상태이다. 이때, 상기 압전형 장치(2 및 3)는 한 개의 가로면에 위치하여 상기 원통형 로드에 체결된다.
다음은 본 발명에 따른 모터의 작용에 대한 설명이다.
상기 회전 압전 셀(5)의 전극에 정(正)전압이 인가되자마자, 역압전효과(inverse piezoelectric effect)에 의하여 상기 링의 내부가직경라인(diametral line) A1A2에 비례하는 시계반대방향으로 각도 α를 통하여 회전을 하게 되며, 반면에 부(負)전압을 인가하면, 상기 링의 내부가 직경라인 A1A2에 비례하는 시계방향으로 각도 α를 통하여 회전을 한다. 상기 시프팅 압전 셀(6)의 전극에 정(正)전압을 인가하면, 역압전효과에 의하여 상기 내부가 링의 외부에 비례하는 좌측으로 이동하는 반면에, 부(負)전압이 인가되면, 상기 내부가 링의 외부에 비례하는 우측으로 이동하게 된다. 한편 정(正)전압이 인가된 상기 고정 압전 셀(7)은 상기 가동부(4)를 고정시키며, 부(負)전압이 인가되면 상기 가동부(4)로부터 떨어져 밀려난다.
상기 압전형 스텝 모터는 다양한 형태의 이동, 즉 가동부의 직선변위, 회전운동, 복합 직선 및 회전 운동, 이러한 것들의 복합된 형태의 이동을 하게된다.
구동 싸이클은 여섯 개의 단계로 이루어진다.
상기 가동부(4)가 직선 변위중의 상기 모터의 작용은 도 9 내지 도 14에 나타나있다.
이 경우, 상기 압전형 장치(2 및 3)의 시프팅 압전 셀(6) 및 고정 압전 셀(7)은 모터의 작용에 관여한다. 첫 번째 단계는 도 9에 도시된 상기 압전형 장치(2 및 3)의 압전 셀(6 및 7)의 위치에 상응한다. 압전형 장치(2)의 압전 셀(6 및 7)과 압전형 장치(3)의 압전 셀(7)에 정(正)전압이 인가되는 반면에 압전형 장치(3)의 압전 셀(6)에는 부(負)전압이 인가되어 상기 압전형 장치(2)의 압전 셀(6)이 좌측으로 이동하며 상기 압전형 장치(3)의 압전 셀(6)은 우측으로 이동한다. 상기 회전 압전 셀(5)은 직선 변위에 관여하지 않으며, 직선변위를 하는 모터의 작용중에 변화하지 않는 위치를 확보한다.
두 번째 단계에서, 부(負)전압이 상기 고정 압전 셀(7, 도 10)에 인가되며, 상기 가동부(4)로 떨어져 밀려난다.
세 번째 단계에서, 부(負)전압이 상기 압전형 장치(2)의 시프팅 압전 셀(6, 도 11)에 인가되어, 이 우측으로 이동한 셀은 상기 고정 압전 셀(7) 및 가동부(4)를 한 단계 앞으로 옮긴다. 동시에, 정(正)전압이 인가된 상기 압전형 장치(3)의 시프팅 압전 셀(5)은 상기 고정 압전 셀(7)과 함께 좌측으로 이동하게 된다.
네 번째 단계에서는 정(正)전압이 상기 가동부(4)를 고정시키는 압전형 장치(3)의 고정 압전 셀(7, 도 12)에 인가된다.
다섯 번째 단계에서, 부(負)전압을 상기 압전형 장치(2)의 고정 압전 셀(7, 도 13)에 인가하여, 이 셀이 상기 가동부(4)로부터 떨어져 밀려난다.
여섯 번째 단계에서, 상기 압전형 장치(2 및 3)는 분리된다. 즉, 정(正)전압이 상기 압전형 장치(2)의 시프팅 압전 셀(6, 도 14)의 전극에 인가되어, 이 셀이 좌측으로 움직이는 반면에, 부(負)전압이 상기 압전형 장치(3)의 시프팅 압전 셀(6)에 인가되어서 상기 고정 압전 셀(7) 및 가동부(4)와 함께 우측으로 이동하게 된다. 상기 가동부(4)는 하나 더 많은 단계로 움직이게 된다. 이러한 과정중에 구동 싸이클이 끝나게 되며, 상기 가동부가 두 단계 앞으로 옮겨지게 된다.
따라서, 직선변위의 과정은 이와 동일한 순서로 계속된다.
상기 가동부(4)의 회전중에 모터의 작용은 도 15 내지 도 20에 나타난 것과같이 영향을 받게 된다.
도 15는 첫 번째 단계에 해당하는 위치를 보여준다. 상기 압전형 장치(2 및 3)의 회전 압전 셀(5) 및 고정 압전 셀(7)은 이 작용에 관여한다. 상기 압전 셀(6)은 작용하지 않으며, 작용의 과정에서 변화하지 않는 위치를 확보하게 된다. 정(正)전압이 상기 압전형 장치(2)의 압전 셀(5 및 7)에 인가되어, 상기 회전 압전 셀(5)은 시계반대방향으로 각도 α에 대하여 상기 고정 압전 셀(7)을 옮기며, 상기 압전 셀(7)은 상기 가동부(4)를 고정시킨다. 부(負)전압이 상기 압전형 장치(3)의 회전 압전 셀(5)에 인가되면, 이 압전 셀은 시계방향으로 각도 α에 대하여 상기 고정 압전 셀(7)을 옮기며, 상기 고정 압전 셀(7)은 상기 가동부(4)를 고정시킨다.
두 번째 단계에서 부(負)전압이 인가된 압전형 장치(3)의 고정 압전 셀(7, 도 16)은 상기 가동부(4)로 부터 떨어져 밀려난다.
세 번째 단계에서, 부(負)전압이 압전형 장치(2)의 회전 압전 셀(5, 도 17)에 인가되어 시계방향으로 각도 2α를 통하여 상기 고정 압전 셀(7)과 가동부(4)를 회전시킨다. 이러한 과정중에 정(正)전압이 상기 압전형 장치(3)의 회전 압전 셀(5)에 인가되어서 상기 고정 압전 셀(7)이 시계반대방향으로 각도 2α를 통하여 회전하게 된다.
네 번째 단계에서는 정(正)전압이 상기 압전형 장치(2)의 고정 압전 셀(7, 도 18)에 인가되어 상기 가동부(4)를 고정시킨다.
다섯 번째 단계에서, 부(負)전압이 상기 압전형 장치(2)의 고정 압전 셀(7, 도 19)에 인가되면, 이 셀은 상기 가동부(4)로 부터 떨어져 밀려난다.
여섯 번째 단계에서는 정(正)전압이 시계반대방향으로 각도 2α를 통하여 회전하는 상기 압전형 장치(2)의 회전 압전 셀(5, 도 20)에 인가된다. 부(負)전압이 상기 압전형 장치(3)의 회전 압전 셀(5)에 인가되면, 이 셀은 시계방향으로 각도 2α를 통하여 상기 가동부(4)를 회전시킨다.
상기 가동부(4)는 매구동싸이클당 각도 4α를 통하여 회전한다. 따라서, 싸이클이 반복되어 상기 가동부(4)는 시계방향으로 회전하게 된다.
인가되는 전압의 극성을 바꿔주므로써 상기 고정 압전 셀은 역전운동(reversing motion)을 하게 된다.
상기의 특허청구된 압전형 스텝 모터는 단순한 디자인과 제조기술로 구성되며, 소형의 크기와 가벼운 무게로 구성되며, 가동부에 커다란 힘이 작용된다. 또한 가동부의 직선 변위와 회전을 복합시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 보다 확실한 이해를 돕기위하여 특정의 한정된 용어가 사용되었다. 그러나, 본 발명은 허용된 용어에 의하여 한정되지 않으며, 이러한 용어들은 유사한 방법으로 구동하며 동일한 기술적 문제의 해결에 사용되는 장치에 대하여 상응하는 모든 용어를 포함한다.
비록 본 발명이 그 구현을 위하여 바람직한 형태와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위를 벗어나지 않는 변경 및 수정이 가능하며, 관련 기술을 습득한 사람들은 쉽게 본 발명을 이해할 수 있다는 것은 자명하다.
상기의 변경 및 수정은 본 발명 및 첨부된 청구의 범위의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 것으로 여겨진다.
본 발명은 전기공학, 텔레미케닉스(telemechanics), 라디오 엔지니어링 및 자동화(automation) 분야에서 슬레이브 메카니즘(slave mechanism)으로써 사용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 고정장치가 하우징(1)내에 한 개의 세로면에 앞뒤로 배열된 적어도 두 개의 회전-시프팅-고정 압전형 장치들(2,3)로 구성되며, 상기 압전형 장치들(2,3) 사이의 틈새가 탄성 절연재(10)로 채워지고, 각 압전형 장치들(2,3)은 회전 압전 셀(5), 시프팅 압전 셀(6), 고정 압전 셀(7) 및 인슐레이터(8)에 의하여 분리된 마찰 요소(9)로 구성된 것을 특징으로 하는, 내부에 체결된 고정장치 및 가동부(4)를 구비한 하우징(1)으로 구성된 압전형 스텝 모터.
  2. 고정장치가 적어도 한 개의 가로면에 배열되고 섹터의 형태를 한 적어도 두쌍의 회전-시프팅-고정 압전형 장치들(2,3)로 구성되며, 각 압전형 장치들(2,3)은 회전 압전 셀(5), 시프팅 압전 셀(6), 고정 압전 셀(7) 및 인슐레이터(8)에 의하여 분리된 마찰 요소(9)로 구성된 것을 특징으로 하는, 내부에 체결된 고정장치 및 가동부(4)를 구비한 하우징(1)으로 구성된 압전형 스텝 모터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가동부(4)는 가동적이며, 상기 압전형 장치들(2,3)은 정지 회전자에 체결되는 것을 특징으로 하는 압전형 스텝 모터.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 압전 셀들(5,6,7)은 압전 링 혹은 그 섹터의 세트의 형태로 구성되며, 이 압전 셀의 전극은 교대로 병렬로 연결되어 있으며, 이경우 각 연속 압전 링 혹은 섹터의 분극 방향이 이전의 링 혹은 섹터의 분극 방향과 정반대가 되는 것을 특징으로 하는 압전형 스텝 모터.
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