KR100376137B1

KR100376137B1 - 원환형 압전초음파 모터

Info

Publication number: KR100376137B1
Application number: KR10-2000-0077156A
Authority: KR
Inventors: 윤석진; 김현재; 정형진; 바실욥프피오트
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2003-03-15
Also published as: US20020074900A1; US6628045B2; JP2002218774A; KR20020046817A

Abstract

본 발명은 종래의 전자기력에 의해 구동되는 모터가 아닌 로봇, 자동화 설비 등에 이용할 수 있는 원환형 압전초음파 모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 압전 세라믹스에 전계를 가함으로써 초음파 대역의 주파수(16kHz 이상)로 변위를 발생시켜 마찰력을 통한 회전력을 얻음으로써 구동되는 원환형 압전초음파 모터에 관한 것이다.

본 발명은 원환형 공진기의 하부에는 압전 세라믹스가 부착되며, 상기 원환형 공진기의 상부에 형성된 돌출부가 탄성 마찰재와 접속하여 회전자에 회전력을 전달하는 원환형 압전초음파 모터에 있어서, M은 상기 원환형 공진기의 무게이고는 상기 돌출부의 전체 무게인 경우인 구성이다.

본 발명에 의하면 모터의 변수들을 유지한 채 회전자의 회전력을 증가시킬 수 있어서, 전체 진동시스템이 움직이는 조건을 향상시키고 전력의 소비를 경감할 수 있다.

Description

원환형 압전초음파 모터 {Ring-type Piezoelectric Ultrasonic Motor}

본 발명은 종래의 전자기력에 의해 구동되는 모터가 아닌 로봇, 자동화 설비 등에 이용할 수 있는 원환형 압전초음파 모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 압전 세라믹스에 전계를 가함으로써 초음파 대역의 영역(16kHz 이상)로 변위를 발생시켜 마찰력을 통한 회전력을 얻음으로써 구동되는 원환형 압전초음파 모터에 관한 것이다.

일반적인 압전초음파 모터의 구동방법으로는 반파장 변환기(half-wave batch converter)에 의해 진동하거나, 보다 작은 단면의 회전축에 대해 1/4 내지는 수 1/4 파장 변환기에 의해 진동하는 고정자(탄성체)로써 구동하는 방법이 알려져 있다.

구동하는 회전축은 효율적으로 움직임에 따라 반파장 변환기의 경방향 진동(longitudinal oscillation)에 의한 에너지는 S₁/S₂≥5(S₁:변환기의 단면적, S₂:회전축 전체 단면적)의 조건에서 이동자가 회전구동으로 변환된다(UK Patent GB 2023965 B Ultrasonic oscillating system, 1978).

초음파 구동의 기본적인 형태는 굴곡진동을 위한 원환형 공진기를 이용하는 것으로, 일측면은 기계적인 진동을 발생시켜 파의 형태로 진행될 수 있도록 해주는 압전 세라믹스가 부착되어 있고 타측면은 마찰재료에 접촉하고 작동하는 회전자에 타원형의 긴계적 변위를 전달하는 돌출부로 구성되어 있다.

원환형 공진기(고정자)의 돌출부에 의한 높이의 증가로 인하여 굴곡진동의 크기가 확대되고, 부분적으로 회전자의 회전력이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 원환형 공진기에 부착되어 있는 방사형 돌출부의 진동 크기를 확대시킴으로써 회전력을 증가시키는 원환형 압전초음파 모터를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 돌출부의 진동진폭과 회전자와 접촉하는 고정자인 원환형 공진기의 진동속도를 확대시키고 회전자와 고정자간의 압착력을 효율적으로 가할 수 있는 원환형 압전초음파 모터를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전초음파 모터의 요부를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1에서 돌출부와 회전자에 미치는 힘을 표시한 상세도이다.

도 3은 도 1에서 돌출부의 구조를 나타내는 상세도이다.

도 4는 도 3에서 공진이 발생한 경우 돌출부와 회전자의 상세도이다.

도 5는 도 3에서 공진이 발생하지 않은 경우 1/4 파장 공진기의 돌출부의 상세도이다.

도 6은 본 발명에 따른 압전초음파 모터의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 원환형 공진기 2 : 압전 세라믹스

3 : 회전자 4 : 마찰재

5 : 돌출부 6 : 구동축

7 : 판스프링 8,14 : 가스켓

9 : 베어링 10 : 보호대

11 : 덮개 12 : 받침대

13 : 누름판

이하 본 발명을 첨부된 도면 도 1 내지 도 6을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 도 1에서 돌출부의 구조를 나타내는 상세도이다.

도 6은 본 발명에 따른 압전초음파 모터의 단면도이다.

원환형 공진기(1) 일측면의 돌출부(5)는 굴곡 진동을 위한 공진기의 역할을하며, 그 돌출부(5)의 수는 수학식 1 조건에 의해 결정된다.

여기서 M은 원환형 공진기(1,(탄성체))의 무게이며,는 돌출부(5)의 전체 무게이다.

구동시 회전수는 원환형 공진기(1)의 굴곡 진동에 관련된 진동주파수의 크기를 이용하여 증가시킬 수 있다.

원환형 공진기(1) 부분과 원환형 공진기(1)의 돌출부(5)의 무게의 선택은 상기 수학식 1에 의해 결정되고, 이때 필요로 하는 압력(P)에 의해 진동의 감쇠를 막을 수 있으며 신뢰성 있는 초음파 모터의 작동을 확보할 수 있으면 전체 진동시스템의 운동력이 증진된다.

상기 돌출부(5)는 굴곡 진동을 위한 1/4파장 공진기로서 역할을 하며, 그 수는 원환형 공진기(1)의 반파장 부분의 무게가 돌출부(5)의 총 무게에 5배 보다 적지 않도록 설정된다.

이때 도 3에서 A=λ/2, λ=원환형 공진기의 굴곡진동 파장이다.

상기 돌출부(5)의 공진조건은 수학식 2와 같다.

여기서 r는 구동축의 반경, c는 음속, k는 진동의 형태, l은 구동축의 길이이다.

상술한 조건을 만족하는 압전초음파 모터는 다음과 같은 구성을 갖는다.

원환형 공진기(1)의 하측면에는 탄성 왜형의 진행파가 발생하는 얇은 원환형의 압전 세라믹스(2)가 부착되고 상측면에는 돌출부(5)가 형성되어, 상기 돌출부(5)에 압력에 의해 압축력이 가해지도록 접합되어 있는 회전자(3)는 박막의 마찰재(4)에 의해 덮혀지며 상기 원환형 공진기(1)와 회전자(3)의 동축상에는 구동축(6)이 베어링(9)에 축삽되되, 상기 베어링(9)은 덮개(11)와 받침대(12)에 의해 고정된다.

본 발명을 좀 더 상세히 설명하면, 초음파 구동을 위한 모터는 원환형 공진기(1)를 가지며, 그의 아래쪽 면은 얇은 원환형 압전 세라믹스(2)가 부착된다.

본 발명에서 상기 부착 수단으로는 80∼100℃용 땜납 또는 90∼110℃ 경화용 에폭시를 사용하였다.

상기 압전 세라믹스(2)는 탄성 왜형의 진행파를 발생하는 역할을 하며, 압력(P)에 의해 회전자(3)는 돌출부(5)와 압축력이 가해지도록 접합되어 있는 얇은 막 형태의 마찰재(4)에 의해 덮여 있다.

상기 원환형 공진기(1)의 위쪽 면은 돌출부(5)가 형성된다.구동축(6)은 베어링(9)에 의해 원활한 회전을 위해 원환형 공진기(1)와 회전자(3)를 한 축상에 위치되도록 하며, 상기 베어링(9)은 덮개(11)와 받침대(12)에 의해 견고히 고정되어 회전력을 구동축(6)에 전달하는 역할을 한다.

상기 회전자(3)의 상부에는 탄성력을 갖는 판스프링(7)이 접촉되어 회전자(3)에 일정한 크기로 가압하게 된다.

또한 상기 원환형 공진기(1)와 회전자(3) 사이에는 적정한 압착력을 조절할 필요가 있는 바, 이를 위해 상기 베어링(9)을 상부에서 누르는 누름판(13)과 상기 덮개(11) 사이에 금속 재질의 가스켓(14)이 개재된다.

또한 초음파 모터의 구동시 기계적인 잡음이 발생하고 원환형 공진기(1)와 회전자(3) 사이에는 진동이 발생하는 바, 이를 방지하기 위해 상기 회전자(3)와 판스프링(7) 사이에 고무 재질의 가스켓(8)을 개재시킴이 바람직하고, 상기 가스켓(8)은 탄성 차단재(acoustic insulator) 역할을 한다.

상술한 구성을 이루어진 원환형 공진기(1)의 동작은 도 1에 나타난 것과 같이, 압전 세라믹스(2)에서 발생하는 순수한 기계적 공진이 압전 세라믹스(2)의 서로 다른 2상(相)에 의한 타원형의 기계적 공진으로 변환하여 발생한다.

굴곡파의 분포를 갖는 상기 돌출부(5)는 회전자(3) 구동을 위한 버팀목 역할을 하며 그의 상부에 회전자(3)를 접촉하여 회전자(3)를 회전시키게 된다.

상기 돌출부(5)의 기술적인 해결은 도 4에 나타난 바와 같이 공진시에 돌출부(5)가 원환형 부분의 공진주파수에 해당하는 굴곡 진동을 주는 공진기로서 역할을 하는 것이며, 비공진시에는 도 5에 나타난 바와 같이 거리 a이상의 돌출부(5)를 휘게 하여 돌출부(5)가 공진점에 있지 못하게 된다.

상기 돌출부(5)가 휘어져 연결되면 회전자(3)의 구동방향으로 있는 돌출부(5) 상부의 진동 크기는 증가하며 이는 돌출부(5)의 상부에 함께 붙어 있는 회전자(3)와 마찰재(4) 사이의 마찰에 의한 상호작용으로 회전자(3)의 기계적 변화를 가져오게 된다.

도 4 및 도 5에 거리의 크기 a를 이용하여 회전 주파수를 증가시키게 된다.

상기 원환형 공진기(1)의 연속된 환 부분의 질량과 필요로 되는 압력(P)의 작용에서 반파장 공진기의 돌출부사이의 관계에서 진동의 감쇠는 생기지 않으며 신뢰성 있는 초음파 모터의 작동이 보장된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 구동의 사용은 본 발명에 따른 모터의 변수들을 유지한 채 회전자(3)의 회전력을 증가시킬 수 있어서, 전체 진동시스템이 움직이는 조건을 향상시키고 전력의 소비를 경감할 수 있다.

본 발명에 의하여 제안된 초음파 모터는 무소음, 소형, 경량, 저소비전력, 저속, 그리고 토오크가 크다는 장점을 가지고 있기 때문에 종래의 모터가 가지고 있는 단점을 보완할 수 있어서 반도체 제조장비 및 광학장비 등의 정밀위치제어 구동소자, 로봇의 관절 구동 모터, 전동 블라인더 및 커텐용 구동 모터와 같은 각종 산업용 및 무기추진체계의 구동부와 같은 군사용으로 광범위하게 이용될 수 있으며, 그 외에도 큰 회전력을 필요로 하며 반영구적인 내장형 모터의 용도에 적합한 효과가 있다.

Claims

원환형 공진기(1)의 하측면에는 탄성 왜형의 진행파가 발생하는 얇은 원환형의 압전 세라믹스(2)가 부착되고 상측면에는 돌출부(5)가 형성되어, 상기 돌출부(5)에 압력에 의해 압축력이 가해지도록 접합되어 있는 회전자(3)는 박막의 마찰재(4)에 의해 덮혀지며 상기 원환형 공진기(1)와 회전자(3)의 동축상에는 구동축(6)이 베어링(9)에 축삽되되, 상기 베어링(9)은 덮개(11)와 받침대(12)에 의해 고정되고 상기 회전자(3)의 상부에는 탄성력을 갖는 판스프링(7)이 접촉되는 원환형 압전초음파 모터에 있어서:

M은 상기 원환형 공진기(1)의 무게이고는 상기 돌출부(5)의 전체 무게인 경우,임을 특징으로 하는 원환형 압전초음파 모터.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 마찰재(4)와 회전자(3)간의 적절한 압착력을 유지할 수 있도록, 상기 베어링(9)을 상부에서 누르는 누름판(13)과 상기 덮개(11) 사이에 금속 재질의 가스켓(14)이 개재됨을 특징으로 하는 원환형 압전초음파 모터.
청구항 1에 있어서, 상기 원환형 공진기(1)와 회전자(3) 사이에 발생하는 진동을 방지하기 위해 회전자(3)와 판스프링(7) 사이에 고무 재질의 가스켓(8)이 개재되어 탄성 차단재(acoustic insulator) 역할을 함을 특징으로 하는 원환형 압전초음파 모터.
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