KR100478516B1 - 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터 - Google Patents

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KR100478516B1 KR10-2001-0054999A KR20010054999A KR100478516B1 KR 100478516 B1 KR100478516 B1 KR 100478516B1 KR 20010054999 A KR20010054999 A KR 20010054999A KR 100478516 B1 KR100478516 B1 KR 100478516B1
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Abstract

본 발명은 압전 가진기를 이용한 스텝모터에 관한 것으로서,
압전 재료요소의 역압전 효과에 의한 전단변형에 의해 비틀림변위를 발생시키는 원통형 비틀림형 압전 가진기와; 변위 확대를 위한 공진 수단이 되는 토션바와; 자신이 회전자 역할을 수행하는 내측 베어링과, 내측베어링의 외경에 위치하여 역회전을 방지하는 외측베어링으로 구성되어 가진기에서 발생되는 미소의 회전변위를 스텝 또는 연속 회전 변위로 전환하는 한 쌍의 일 방향 베어링 조합을 포함하여 이루어지는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공한다.
또한, 변위 확대 기구로서의 토션바를 생략하고 상기 비틀림형 압전 가진기의 고정단 반대 쪽에 일 방향 베어링을 연결하고, 그 내경과 압전가진기의 내경을 관통하는 회전자를 두며, 그 회전자의 일단 또는 적절한 위치에 또 하나의 일 방향 베어링을 위치하도록 하여 역회전을 방지하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터; 및
상기 토션바를 구비하는 경우와 마찬가지로 토션바를 구비하며, 그 끝단에 한방향 베어링을 조정하고, 상기 베어링을 고정하고 베어링 내경에 회전자가 위치하도록 하고, 상기 회전자의 다른 일단 또는 적절한 위치에 추가로 한 방향 베어링을 적용하여 역회전을 방지하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공함으로써, 정밀 스텝 및 연속 회전 변위를 갖는 압전 모터를 제공할 수 있고 마찰 손실에 의한 내구성 문제와 회전변위를 발생을 위한 입력을 보다 간단하게 구성할 수 있게 된다.

Description

비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터{Micro-stepping moter using piezoelectric torsional actuator}
본 발명은 압전 가진기를 이용한 스텝모터에 관한 것으로, 특히 압전 가진기에서 발생되는 미소의 회전변위를 확대할 수 있는 토션바와 한 쌍의 일 방향 베어링을 조합하여 연속적인 회전변위를 발생하거나 또는 다단의 미세각으로 회전변위를 발생시킬 수 있도록 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 모터라고도 불리는 압전 모터는 구동 원리에 따라 진행파형 압전모터(Travellin wave type piezoelectric motiors)와 정재파형 압전모터(Stranding wave type piezoelectric motors)로 구분될 수 있다. 이러한 두 가지의 경우 모두 고정자(stator)와 회전자 사이에 의해 발생되는 타원형 운동과 고정자와 회전자의 간의 마찰력에 의해 모터의 회전력을 얻게 된다.
이러한 압전모터는 소형화 및 경량화가 가능하고 소음 발생이 적으며, 또한 외부로부터 유입되는 전자기장에 의한 영향을 받지 아니하며, 기존의 전자기 모터에 비하여 에너지 효율이 상대적으로 높고 또한 복잡한 기어 구조를 필요로 하지 않는 장점을 가지고 있다.
실용화된 최초의 압전모터는 두 개의 압전 진동체와 회전체를 이용한 것으로 1973년 IBM의 에이취. 브이. 바스(H. V. Barth)에 의하여 개발되어 여러 가지 연구가 수행되어왔으나 마모 및 온도에 따른 진동 유지 문제 등으로 인하여 실제적인 적용에는 한계가 있었던 실정이다. 그러나 1980년 대에 접어들면서 반도체 산업 등에서 전자기에 의한 영향을 받지 않는 모터의 수요가 발생됨에 따라 압전모터의 개발이 본격화되었다.
그러나 이와 같은 압전모터는 마찰력에 의해 구동되기 때문에 마모와 내구성에 따른 문제를 내포하고 있으며, 또한 가진입력으로 발생되는 위상차를 갖도록 해야하는 복잡한 설계상의 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 기존의 압전모터와는 다른 원리인 비틀림형 압전 가진기와 변위 확대 기구인 토션바 및 한쌍의 일 방향 베어링을 조합하여, 마찰에 의한 내구성 저하 문제 및 위상차에 따른 입력의 복잡함을 해결할 수 있도록 하는 정밀 스텝모터를 제공하는 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은,
짝수로 이루어지는 다수개의 압전요소를 원통형으로 나열하여 분극방향이 수직방향으로 서로 엇갈리도록 결합하고,
상기 각각의 압전요소가 접촉하는 측면 결합부위를 전극으로 형성하여 인접하는 압전요소들이 서로 반대 극성을 갖도록 함으로써, 상기 각 압전요소가 일관된 미소 회전 변위를 발생하도록 하는 비틀림형 압전 가진기를 구동원으로 하는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3에서 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기 및 이를 이용한 정밀 스텝모터의 구조가 도시되어 있다.
본 발명의 요부인 비틀림형 압전가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 일 실시예로서,
짝수로 이루어지는 다수개의 압전요소(111)를 원통형으로 나열하여 분극방향이 수직방향으로 서로 엇갈리도록 결합하고, 일단이 고정부(113)에 의해 유동되지 않도록 고정되며,
상기 각각의 압전요소(111)가 접촉하는 측면 결합부위를 전극(2)으로 형성하여 인접하는 압전요소(111)들이 서로 반대 극성을 갖도록 함으로써, 상기 각 압전요소(111)가 일관된 미소 회전 변위를 발생하도록 하는 비틀림형 압전 가진기(110)와;
상기 비틀림형 압전 가진기(110)의 고정단 반대측의 자유단에 부착되어 가진기에서 발생하는 회전변위를 전달하는 연결판(112)과, 이 연결판(112)에서 발생되는 회전변위를 증폭시키는 공진수단(120) 및 공진수단(120)에 이루어지는 회전변위를 일 방향으로 제어하기 위한 베어링(130)으로 구성되는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공한다.
상기 비틀림형 압전 가진기(110)는 각각의 압전요소(111)에 가해지는 전기장에 의해 일정한 방향으로 미소한 회전 변위를 일으키게 되고, 이때 전기장을 교번으로 연속하여 입력하게 되면 자유단에 θ1의 회전각을 갖는 비틀림 운동이 발생된다. 이러한 회전변위는 이하 설명되는 연결판(112)에 전달된다.
상기 연결판(112)은 원형 플레이트 형상으로 상기 비틀림형 압전 가진기(110)의 일 측단부면 즉, 자유단에 장착된다. 그리고, 상기 연결판(112)의 중앙에는 공진수단이 수직으로 회전 가능하도록 연결되며, 상기 공진수단은 원통체인 비틀림형 압전 가진기(110)의 중앙 구멍에 삽입되는 형태로 비틀림형 압전 가진기(110)의 방향과 동일한 방향으로 결합된다.
이와 같은 공진수단은 탄성변위를 일으킬 수 있는 부재이며, 이러한 공진수단의 일 종류로 토션바(120)를 이용하여 결합하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 공진수단이 되는 상기 토션바(120)는 연결판(112)에 의해 회전력을 받게 되는 데, 이때 상기 연결판(112)의 회전변위 값은 비틀림형 압전 가진기와 토션바(120)의 공진점을 일치 시킴으로써 증폭된다. 다시 말하면, 토션바(120)는 재질 자체가 갖는 탄성력에 의해 연결판(112)의 회전력을 전달받아 연결판(112)의 회전변위 이상으로, 즉 θ2의 값으로 회전을 하게 된다.
상기 토션바(120)의 다른 일 측 단부에는 베어링(130)이 장착된다. 좀더 구체적으로 설명하면, 상기 베어링(130)은 각각 일 방향으로만 회전이 가능하며 회전방향이 서로 반대인 내측 베어링(131)과 외측 베어링(132)으로 구성되는 일 방향 베어링 조합(130)인 것을 특징으로 하며, 토션바(120)의 단부는 상기 내측 베어링(131)의 내경에 결합되고, 외측 베어링(132)은 상기 내측 베어링(131)의 외경에 위치하는 것으로 고정부(133)에 의해 유동되지 않도록 고정된다.
상기 내측 베어링(131)의 회전 방향과 외측 베어링(132)의 회전 방향은 서로 반대가 되도록 하며, 상기 내측 베어링(131)의 회전 방향은 토션바(120)의 회전 방향과 동일한 회전 방향을 갖는다. 즉, 토션바(120)의 회전 변위에 대하여 내측 베어링(131)의 정지방향은 반대가 되고, 내측 베어링(131)의 정지 방향과 동일하게 토션바(120)가 회전하는 경우 토션바(120)는 내측 베어링(131)에 대하여 미끄러져 헛돌게 되며, 상기 내측 베어링(131)과 외측 베어링(132)은 서로 정지 방향이 반대로 구성된다.
좀더 구체적으로 설명을 하면, 토션바(120)가 내측 베어링(131)의 회전방향으로 회전을 하는 경우 토션바(120)와 내측 베어링(131)은 함께 회전하고, 내측 베어링(131) 회전방향의 반대방향, 즉 내측 베어링(131)의 정지 방향으로 토션바(120)가 회전하는 경우 토션바(120)는 내측 베어링(131)에 대하여 미끄러져 헛돌게 되며, 상기 내측 베어링(131)은 외측 베어링(132)과 반대 방향의 정지 방향을 갖기 때문에 정지된 상태를 유지하게 된다.
즉, 일정한 형상을 갖는 외관(미도시)이 상기 스텝모터(100) 전체를 감싸도록 구성하고, 내측 베어링(131)을 상기 외관의 일 측으로 관통되게 연장하도록 구성하면, 상기 스텝모터(100)는 항상 일정한 일 방향으로만 회전되는 작동을 할 수 있다.
또한, 한 쌍의 조합으로 이루어지는 상기 일 방향 베어링 조합(130)을 구성하는 상기 내측 베어링(131)은 회전자의 역할을 하며, 상기 외측 베어링(132)은 역회전을 억제하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 다른 실시예의 구성을 나타내는 사시도이다.
이러한 실시예에서, 상기 비틀림형 압전 가진기(110)와,
원형 플레이트 형상으로 상기 비틀림형 압전 가진기의 일 측단면에 장착되어 상기 비틀림형 압전 가진기(110)에 의해 회전변위를 일으키는 연결판(112)과;
상기 연결판(112)의 중앙에 원통체인 비틀림형 압전 가진기의 중앙 구멍에 삽입되는 상태로 수직하게 회전 가능하도록 연결되어 연결판(112)에서 발생되는 회전변위를 증폭시키는 공진수단(120)과;
상기 공진수단(120)의 단부에 결합되는 제1베어링(170a)과;
상기 제1베어링(170a)의 내경에 일단이 위치되도록 장착되는 회전자(180)와;
상기 회전자(180)의 다른 일단 또는 적절한 위치에 결합되어 고정부(171)에 의해 고정되는 제 2베어링(170b)으로 구성되는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공한다.
상기 공진수단은 이전 실시예에서와 마찬가지로 토션바(120)로 구성되며,
상기 제 2 베어링(170a,170b)은 이전 실시예에서 와는 달리 고정부 (171)에 의해 유동되지 않도록 고정되는 단일체로 구성되어 역회전을 방지하는 일 방향 베어링인 것을 특징으로 한다.
상기 토션바(120)가 일 방향으로 회전하면 이에 결합된 제1 베어링(170a)과 회전자(180)가 함께 회전하고 이 때 회전자(180)는 제2 베어링(170b)에 대해 헛돌게 된다. 토션바(120)가 반대방향으로 회전을 하면 제1베어링이 회전자(180)에 대해 헛돌게 되고 회전자(180)는 제2 베어링(170b)에 의해 정지되도록 정지 방향을 구성하여 일 방으로만 스텝모터가 작동할 수 있다.
특히, 상기 제 1베어링(170a)의 내경에 위치하게 되는 상기 회전자(180)의 일 끝단은 이전 실시예를 구성하는 한 쌍으로 구성되는 일 방향 베어링 조합(130)의 내측 베어링(131)과 같은 역할을 수행함으로써, 정회전 시에는 토션바(120)와 함께 회전하며, 역회전 시에는 회전자(180) 내부에서 상기 토션바(120)에 결합된 제1 베어링(170a)에 대해 미끄러져 헛돌게 되고 고정되어 있는 제2 베어링(170b)에 의해 정지상태를 유지하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 또 다른 실시예의 구성을 나타내는 사시도 이다.
이러한 실시예에서, 원통형으로 구성되어 일단이 고정부(113)에 고정되는 상기 비틀림형 압전 가진기(110)와;
상기 비틀림형 압전 가진기(110)의 고정단 반대측의 자유단에 부착되는 동일한 내경을 갖는 제 1베어링(140)과;
상기 제 1베어링(140)이 부착된 비틀림형 압전 가진기(110)를 관통하도록 삽입되는 회전자(160); 및
회전자(160)의 일 단부에 장착되며, 고정부(151)에 의해 고정되는 제2베어링(150)으로 구성되는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터를 제공한다.
상기 제1 및 제2베어링은 각각 단일체로 구성되어 역회전을 방지하는 일 방향 베어링인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 있어서는 비틀림형 압전 가진기(110)에 의한 회전변위 θ1와 동일한 회전변위로 회전자(160)가 회전되며, 도 2에 도시된 스텝모터와 동일하게 작동될 수 있다.
즉, 비틀림형 압전 가진기(110)과 이에 결합된 제 1베어링(140) 및 제2 베어링(150)에 대하여 회전자(160)는 일 방향으로는 미끄러져 회전되게 회전 방향을 구성하며, 역방향으로는 제 1베어링(140) 및 제 2베어링(150)에 의하여 회전자(160)의 회전이 억제되어 정지하게 됨으로써 항상 일 방향으로만 회전되게 된다.
본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터는 인가되는 전계에 의해 폭넓은 주파수 대역에서 빠른 응답 특성을 보이는 압전요소의 비틀림 힘을 이용하여 구성한 비틀림형 압전 가진기와 일 방향 베어링을 조합한 정밀 스텝모터를 구성함으로써, 정밀 스텝 및 연속 회전 변위를 갖는 압전 모터를 제공할 수 있고 마찰 손실에 의한 내구성 문제와 회전변위를 발생을 위한 입력을 보다 간단하게 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 일 실시예의 구성을 나타낸 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 일실시예를 구성하는 한 쌍의 일 방향 베어링 조합을 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 다른 실시예의 구성을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터의 또 다른 실시예의 구성을 나타내는 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
100 ... 정밀 스텝모터 110 ... 비틀림형 압전 가진기
111 ... 압전요소 112 ... 연결판
113,133,151,171 ... 고정부
120 ... 토션바 130:... 일 방향 베어링 조합
131 ... 내측 베어링 132 ... 외측 베어링
160,180 ... 회전자

Claims (12)

  1. 압전 가진기를 이용한 스텝모터에 있어서,
    짝수로 이루어지는 다수개의 압전요소(111)를 원통형으로 나열하여 분극방향이 수직방향으로 서로 엇갈리도록 결합하고 상기 압전요소(111)가 접촉하는 각각의 측면 결합부위를 전극(2)으로 형성하여 인접하는 압전요소(111)들이 서로 반대 극성을 갖는 압전 가진기(110)와, 상기 압전 가진기(110)의 일 측단면에 장착되는 연결판(112)과, 상기 압전 가진기(110)의 중앙 구멍에 삽입되어 연결판(112)에 고정되는 공진 수단 및 각각 일 방향으로만 회전 가능한 내측 베어링(131)과 외측 베어링(132)으로 이루어지는 베어링 조합(130)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공진수단은 소정의 길이를 갖는 토션바(120)인 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 베어링 조합(130)은 상기 토션바(120)에 토션바와 동일한 회전방향과 정지방향을 가지도록 결합되는 내측 베어링(131)과, 상기 토션바(120)와 반대의 회전방향과 정지방향을 가지며 고정부(133)에 의해 유동되지 않도록 고정되는 외측 베어링(132)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 일 방향 베어링 조합(130)은 상기 비틀림 압전 가진기(110)와 토션바(120)에서 발생하는 미소 비틀림 변위를 스텝 또는 연속 회전 변위로 전환하는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 일 방향 베어링 조합(130)을 구성하는 상기 내측 베어링(131)은 회전자의 역할을 하며, 상기 외측 베어링(132)은 역회전을 억제하는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림형 압전 가진기(110)와,
    원형 플레이트 형상으로 상기 비틀림형 압전 가진기(110)의 일 측단면에 장착되어 상기 비틀림형 압전 가진기(110)에 의해 회전변위를 전달하는 연결판(112)과;
    상기 연결판(112)의 중앙에 원통체인 비틀림형 압전 가진기(110)의 중앙 구멍에 삽입되는 상태로 수직하게 회전 가능하도록 연결되어 연결판(112)에서 발생되는 회전변위를 증폭시키는 공진수단과;
    상기 공진수단의 단부에 결합되며, 공진 수단(120)의 회전변위를 일 방향으로만 회전자(180)에 전달하는 제1 베어링(170a)과;
    상기 제1베어링(170a)의 안쪽에 일단이 위치되도록 장착되는 회전자(180)와;
    상기 회전자(180)의 다른 일단 또는 적절한 위치에 결합되어 고정부(171)에 의해 고정되는 제 2베어링(170b)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 공진수단은 토션바(120)임을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 베어링(170b)은 고정부(171)에 의해 유동되지 않도록 고정되어 역회전을 방지하는 일 방향 베어링인 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  10. 제 7항에 있어서,
    제1 베어링(170a)의 내경에 위치하는 상기 회전자(180)는 일방향으로는 제1 베어링(170a)과 함께 회전하며, 역방향으로는 제1 베어링(170a)에 대해 헛돌고 제2 베어링(170b)에 의해 고정되어 회전이 억제되는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    원통형으로 구성되어 고정부(113)에 고정되는 상기 비틀림형 압전 가진기(110)와;
    상기 비틀림형 압전 가진기(110)의 일 측 단부에 부착되는 동일한 내경을 갖는 제 1베어링(140)과;
    상기 제 1베어링(140)이 부착된 비틀림형 압전 가진기(110)를 관통하도록 삽입되는 회전자(160); 및
    회전자(160)의 일 단부에 장착되며, 고정부(151)에 의해 고정되는 제2베어링(150)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 베어링(140,150)은 각각 단일체로 구성되어 역회전을 방지하는 일 방향 베어링인 것을 특징으로 하는 비틀림형 압전 가진기를 이용한 정밀 스텝모터.
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