KR100460330B1 - 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자에 관한 것으로, 가압장치, 압전세라믹스 및 탄성체, 변위확대기구를 가진 진동자와 상기 변위확대기구의 진동전달에 의해 구동되는 회전자로 이루어진 선형 초음파모터에 있어서, 상기 탄성체 상면에는 그 중앙에 설치된 가압장치 양편으로 소정길이의 압전세라믹스를 이격설치하고, 또 그 양편으로 복수개의 압전세라믹스를 소정간격 이격시켜 설치하되, 상기 탄성체의 양쪽 끝에서 소정간격 이격 설치하고, 상기 탄성체 하면에는 그 양쪽 끝에서 소정간격 이격시켜 타원변위가 최대가 되는 위치에 변위확대기구를 설치하고, 상기 가압장치 양편의 압전세라믹스와 대향되게 압전세라믹스를 설치하는 한편, 상기 탄성체 상/하면에 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 그 설치 면에서 서로 상하로 어긋나게 하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 동일하게 하며, 상기 탄성체 상면과 하면에 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파가 서로 어긋나게 전원을 인가하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파로 서로 다르게 전원을 인가하되, 상기 압전세라믹스의 표면에는 은 전극을 입혀 전원을 인가하도록 구성한 것이다.

이와같이 구성함으로써 선형 초음파모터의 진동자의 구조가 간단해지고 또한 타원변위와 추력이 커져 그 효율이 향상되어 어느 기계/기구에 사용하더라도 편리하고 안정되게 적용할 수 있게 되는 것이다.

Description

선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자{Half-bimorph vibrator of linear ultrasonic motor}

본 발명은 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자에 관한 것으로, 특히전체 탄성체 길이비에 대한 압전세라믹스의 각각의 길이비 및 탄성체 상하에 부착되는 압전세라믹스의 위치와 결합형태 그리고 압전세라믹스의 분극방향 및 그에 따른 사인파와 코사인파 전원의 인가방법을 달리하여 구조가 간단하면서 타원변위와 추력을 크게하여 효율을 월등히 향상시킬 수 있도록 한 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 음향진동의 일종으로 인간의 가청범위의 한계를 넘는 진동수가 매초 2 만회 이상으로 소리(20kHz 부터의 음파)로서 사람의 귀에 들리지 않는 음파이다.

압전 세라믹스는 압전현상을 발생시키는 성질을 가진 소자로서, 압전현상이란 일부 결정체가 같고 있는 현상이다. 기계적 압력에 의한 물질의 변형에 비례하여 전기적 에너지가 발생되고, 이의 역작용도 발생되는 현상이다.

즉, 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형 이 일어나는 소자로서 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환이 가능하다.

초음파 모터는 압전세라믹스에 전극을 걸면 발생하는 전기 왜곡 즉, 전기적 에너지가 물리적 에너지(초음파 진동)로 전이되는 현상으로부터 다른 매질과의 마찰을 유도하여 운동에너지로 변환하는 마찰 구동형 모터이다.

즉, 복수개의 압전 소자를 고주파 여진하여 이 진동에서 탄성체 마찰판 등을 통해 구동력을 얻는다.

다시 말해서 수십 KHz(공진 주파수)의 고주파 전압을 압전세라믹스에 가하면 극성에 따라 압전세라믹스가 신축합니다. 이 공진 주파수에 90°위상을 가진 2상의전압을 가하면 진동시킬 수 있는 것이다. 이것을 회전력(추력,구동)으로 변환시킨 것이다.

이는 기존의 자석이나 코일을 필요로 하지 않는 새로운 타입의 모터로서, 그 종류에는 회전형과 리니어형(직선형)등이 있다.

선형(리니어형:직선형) 초음파 모터란 전기적인 신호를 진동자에 인가하면 진동자가 타원진동을 일으켜 회전자를 구동시킨다.

이처럼 진동자의 타원진동이 회전자에 전달되어 진동자와 회전자와의 마찰에 의해 회전자가 구동되기 때문에 선형 초음파모터중 가장 중요하며 생명이라고 까지할 수 있는 구성요소는 진동자이다.

따라서 현재 진동자의 개발을 위하여 연구가 진행되면서 여러가지 형태의 탄성체와 압전세라믹스가 결합된 진동자가 출시되고 있다.

하지만 이러한 선형 초음파모터는 유니몰프(unimorph)형 진동자를 사용하는 것이 거의 주종을 이루고 있는데, 유니몰프형 진동자는 그 구조는 간단하지만 타원변위와 추력이 약하여 효율이 낮은 문제점이 있었다.

또한, 적층형 진동자는 타원변위와 추력은 양호하지만 구조가 복잡한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 탄성체에 부착되는 압전 세라믹스의 크기, 위치, 결합형태 및 압전세라믹스의 분극방향에 따라 인가되는 전원의 형태를 달리하여 탄성체의 굴곡진동(횡파)과 종진동(종파) 모드를 동시에 이용하는 다중모드의 합성파(진행파)의 진동조건을 극대화시켜 구조가 간단하면서 타원변위와 추력을 크게하여 효율을 향상시킴으로써 종래 효율저하와 구조복잡의 문제점을 해소하고 또한 어느 기계/기구에 사용하더라도 편리하고 안정되게 적용할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 가압장치, 압전세라믹스 및 탄성체, 변위확대기구를 가진 진동자와 상기 변위확대기구의 진동전달에 의해 구동되는 회전자로 이루어진 선형 초음파모터에 있어서, 상기 탄성체 상면에는 그 중앙에 설치된 가압장치 양편으로 소정길이의 압전세라믹스를 이격설치하고, 또 그 양편으로 복수개의 압전세라믹스를 소정간격 이격시켜 설치하되, 상기 탄성체의 양쪽 끝에서 소정간격 이격 설치하고, 상기 탄성체 하면에는 그 양쪽 끝에서 소정간격 이격시켜 타원변위가 최대가 되는 위치에 변위확대기구를 설치하고, 상기 가압장치 양편의 압전세라믹스와 대향되게 압전세라믹스를 설치하는 한편,

상기 탄성체 상/하면에 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 그 설치 면에서 서로 상하로 어긋나게 하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 동일하게 하며, 상기 탄성체 상면과 하면에 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파가 서로 어긋나게 전원을 인가하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파로 서로 다르게 전원을 인가하되, 상기 압전세라믹스의 표면에는 은 전극을 입혀 전원을 인가하도록 구성함으로써 달성되는 것이다.

도 1은 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 사시도

도 2는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 정면도

도 3은 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자와 회전자의 결합사시도

도 4는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 굴곡진동모드의 상태도

도 5는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 종진동모드의 상태도

도 6은 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 1주기에 따른 거동형태도

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 진동자 11,11a,11b : 압전세라믹스

12 : 탄성체 13 : 변위확대기구

20 : 가압장치 30 : 회전자

이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 바람직한 실시예의 도면을 통하여 상세하게 기술하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자를 보인 정면도이고, 도 3은 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자와 회전자의 결합사시도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 굴곡진동모드를 보인 것이고, 도 5는 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 종진동모드를 보인 것이며, 도 6은 본 발명에 의한 하프-바이몰프형 진동자의 파형 1주기에 따른 거동형태를 나타낸 것이다.

본 발명은 가압장치(Preload), 압전세라믹스(Piezoceramics) 및 탄성체(Elastic-body), 변위확대기구(Projection)를 가진 진동자와 상기 변위확대기구의 진동전달에 의해 구동되는 회전자(Slider)로 이루어진 선형 초음파모터에 있어서,

상기 탄성체(12) 상면에는 그 중앙에 설치된 가압장치(20) 양편으로 소정길이의 압전세라믹스(11a)를 이격설치하고, 또 그 양편으로 복수개의 압전세라믹스(11)를 소정간격 이격시켜 설치하되, 상기 탄성체(12)의 양쪽 끝에서 소정간격 이격 설치하고,

상기 탄성체(12) 하면에는 그 양쪽 끝에서 소정간격 이격시켜 타원변위가 최대가 되는 위치에 변위확대기구(13)를 설치하고, 상기 가압장치(20) 양편의 압전세라믹스(11a)와 대향되게 압전세라믹스(11b)를 설치하는 한편,

상기 탄성체(12) 상/하면에 설치된 압전세라믹스(11,11a,11b)의 분극방향은 그 설치 면에서 서로 상하로 어긋나게 하고, 상기 대향되게 설치된압전세라믹스(11a,11b)의 분극방향은 동일하게 하며, 상기 탄성체(12) 상면과 하면에 설치된 압전세라믹스(11,11a,11b)에는 사인파와 코사인파가 서로 어긋나게 전원을 인가하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스(11a,11b)에는 사인파와 코사인파로 서로 다르게 전원을 인가하되, 상기 압전세라믹스(11,11a,11b)의 표면에는 은 전극을 입혀 전원을 인가하도록 구성한 것이다.

상기 탄성체(12)의 길이비에 따른 압전세라믹스(11,11a,11b)의 길이비의 구성은 도 1의 일실시예에서 처럼 탄성체(12)의 전체 길이비가 65라고 했을 때, 탄성체(12) 상면의 4개의 압전세라믹스(11,11a)의 길이비는 각각 15로 하고, 그 사이간격과 양쪽단 간격비는 1로 하며, 탄성체(12) 상면과 대향설치된 하면의 2개의 압전세라믹스(11b)의 길이비는 각각 15로 하고, 양쪽단에서 변위확대기구(13) 각각의 간격비는 11로 하고, 상기 각각의 변위확대기구(13)와 압전세라믹스(11b)의 간격비는 6으로 하는 것이 바람직하다.

상기처럼 탄성체(12)의 길이에 대한 압전세라믹스(11,11a,11b)의 길이를 정한 것은 타원변위를 얻기위하여 굴곡진동과 종진동을 동시에 사용하기 때문에 탄성체(12) 크기에 따라 부착되는 압전세라믹스(11,11a,11b)의 크기가 중요하기 때문이다.

그리고 변위확대기구(13)의 상기 설치위치는 보통 탄성체(12)끝에서 17%에 해당되는 지점으로 타원변위가 최대가 되는 위치이기 때문이다. 상기 변위확대기구(13)는 사람의 다리에 해당되는 곳이며, 그 자리에 롤러(미도시)를 부착하여 변위를 전달시킬 수도 있다.

한편, 압전세라믹스(11,11a,11b)의 분극방향과 인가전원의 형태를 상기처럼 구성한 이유는 굴곡진동(횡파)과 종진동(종파)을 동시에 이용하는 다중모드진동(진행파)의 경우 압전세라믹스(11,11a,11b)의 분극방향과 인가전원의 형태에 따라서 타원변위가 현격한 차이를 보이기 때문에 타원변위를 최대로 해주기 위함이다.

여기서 분극이란 세라믹스에 압전성을 주기 위해 자발분극의 방향을 배열시키는 것으로써 세라믹스가 전기를 띄게 하는 것이다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

도 1과 2는 상술한 바처럼 본 발명의 하프-바이몰프형 진동자의 사시도와 정면도를 나타낸 것이다. 여기서 도 2는 압전세라믹스의 분극방향에 따른 인가전원을 나타낸 것으로, 압전세라믹스에 그 분극방향을 표시하였고, 각각의 압전세라믹스에 그 인가전원의 파형을 나타내었다.

도 3은 본 발명의 진동자에 가압장치와 회전자를 결합하여 나타낸 것이고, 도 4와 5는 진동자의 설계후 유한요소 해석에서 진동자의 진동해석을 하면 굴곡진동과 종진동 형태를 볼 수 있다.

도 11은 본 발명의 바이몰프형 진동자의 1주기에 따른 거동형태를 보인 것으로서, 굴곡진동과 종진동모드를 사용하는 선형 초음파모터의 동작원리를 나타내며,진동자의 양쪽 변위확대기구에서 타원변위가 형성되어 회전함을 알 수 있다.

본래 선형 초음파모터는 크게 진동자(10)와 회전자(30) 및 가압장치(20)로 나눌 수 있고, 진동자(10)는 다시 탄성체(12)와 압전세라믹스(11,11a,11b) 및 변위확대기구(13)로 구성되어 있는데, 도 1의 진동자(12)에 도 3에 나타낸 것처럼 가압장치(20)로 적당한 압력으로 가압하여 진동자(10)를 고정시키고, 도 2와 같이 탄성체(12) 상면의 압전세라믹스(11,11a)의 분극방향을 서로 어긋나게 정하고, 탄성체(12) 하면의 압전세라믹스(11b)의 분극방향은 그 상면의 압전세라믹스(11a)의 분극방향과 동일하게 정한 후, 전원은 사인파와 코사인파가 서로 어긋나게 가하면 도 4와 5에 나타낸 것처럼 탄성체(12)에는 눈에 보이지 않는 굴곡진동과 종진동이 동시에 발생하게 되며, 이들 진동이 합성되어 결국 변위확대기구(13)에 타원변위가 형성되면 도 6에 나타낸 바와같이 타원형 진동이 생기게 되고 이에 따라 회전자(30)의 진행방향으로 진동이 커지게 된다.

이때, 양측의 변위확대기구(13)가 회전자(30)에 접촉하게 되어 마찰이 일어나고 이에 따라 상기한 진동에 의한 마찰로 회전자(30)가 미끄러지듯 이동하게 되는 것이다. 물론, 진동자(20)의 타원변위와 추력(미는 힘)이 크면 클수록 회전자의 구동속도는 빨라진다.

이와같이 선형 초음파모터의 진동자로 사용하기 위한 진동자를 하프-바이몰프형으로 하면 종래 유니몰프형(구조간단-타원변위와 추력약함)이나 적층형(구조복잡-타원변위와 추력양호) 진동자보다 첫째, 진동자의 구조가 간단하여 제작이 용이하므로 어떠한 기계기구에도 쉽게 적용할 수 있고, 둘째, 타원변위와 추력이 크고 소비전력이 적기 때문에 효율이 월등히 향상된다.

Claims (3)

1. 탄성체 상면에는 그 중앙에 설치된 가압장치 양편으로 소정길이의 압전세라믹스를 각각 이격설치하고, 또 그 양편으로 상기 소정길이와 동일길이의 압전세라믹스를 소정간격 이격시켜 설치하되, 상기 탄성체의 양쪽 끝에서 소정간격 이격 설치하고, 상기 탄성체 하면에는 그 양쪽 끝에서 소정간격 이격시켜 타원변위가 최대가 되는 위치에 변위확대기구를 설치하고, 상기 가압장치 양편의 첫번째 압전세라믹스와 대향되게 각각 상기 소정길이와 동일길이의 압전세라믹스를 설치하는 한편, 상기 탄성체 상/하면에 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 그 설치 면에서 서로 상하로 어긋나게 하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스의 분극방향은 동일하게 하며, 상기 탄성체 상면과 하면에 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파가 서로 어긋나게 전원을 인가하고, 상기 대향되게 설치된 압전세라믹스에는 사인파와 코사인파로 서로 다르게 전원을 인가하도록 하프-바이몰프형 진동자에 있어서,

   상기 탄성체의 전체 길이비가 65라고 했을 때, 탄성체 상면의 4개의 압전세라믹스의 길이비는 각각 15로 하고, 그 사이간격과 양쪽단 간격비는 1로 하며, 상기 탄성체 상면과 대향설치된 하면의 2개의 압전세라믹스의 길이비는 각각 15로 하고, 양쪽단에서 변위확대기구 각각의 간격비는 11로 하고, 상기 각각의 변위확대기구와 압전세라믹스의 간격비는 6으로 한 것을 특징으로 하는 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 변위확대기구를 롤러로 구성한 것을 특징으로 하는 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자.