KR100656411B1 - 압전 진동 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 재료를 이용한 압전 진동 모터에 관한 것이다. 상기 압전 진동 모터는, 금속 튜브와, 상기 금속 튜브의 측면에 부착되며 양면에 전극이 구비된 복수의 판형 압전체로 이루어지고, 인가되는 교류 전압에 따른 전기적 신호를 기계적 워블 운동으로 전환하기 위한 고정자와; 중심부에 통공을 구비하고, 상기 고정자의 내경에 삽입되어 마찰 접촉하는 편심 회전자와; 상기 금속 튜브와 편심 회전자의 통공을 관통하여, 고정자와 편심 회전자를 회전축 방향으로 정렬시키기 위한 축봉과; 상기 축봉의 일단에 설치되어 상기 편심 회전자를 고정자에 밀착시키기 위한 탄성 부재를 포함하고, 상기 복수의 판형 압전체는 0˚~180˚ 사이의 면각을 가지며, 각각에 대하여는 서로 다른 위상을 갖는 교류 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
압전 모터, 진동 모터, 모바일 기기

Description

압전 진동 모터{VIBRATION MOTOR USING PIEZOELECTRIC MATERIALS}
도 1은 종래의 기술에 의한 VCM 진동 모터의 사진.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동 모터의 결합 사시도.
도 3은 상기 도 2에 따른 압전 진동 모터의 분리 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고정자의 사시도.
도 5는 서로 다른 위상을 갖는 교류 전압에 의해 도 4의 고정자가 행하는 워블 운동을 나타낸 도면.
도 6은 상기 도 2 및 도 3에 따른 진동 모터의 동작 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 압전 진동 모터에 사용되는 압전체의 분극 배열을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따라 금속 튜브의 단면 형상을 달리한 고정자의 단면도.
도 9는 본 발명에 따라 압전체의 배열을 달리한 고정자의 단면도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동 모터의 사시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100:고정자 110:금속튜브
120,120a,120b:압전체 130:전극
122:단판형 압전체 124:적층형 압전체
130, 130′:전극 131:내부전극
200:편심 회전자 201:통공
202:돌출부 300:축봉
310, 310＇:축받이 311:홈
312: 삽입부 400:탄성부재
400＇:나일론 너트
본 발명은 압전 재료를 이용한 압전 진동 모터에 관한 것으로, 특히 저전력 소모, 소형화 및 경량화가 가능하여 무선 호출기, 휴대폰 등의 모바일 기기에 유리하게 적용될 수 있고, 대량 생산에 유리한 간단한 구조의 압전 진동 모터에 관한 것이다.
종래 휴대폰과 같은 휴대용 단말기에 사용되는 진동 모터는, 도 1에 도시된 바와 같이 영구자석, 코일 등으로 이루어진 VCM(Voice Coil Motor)이 일반적으로 사용되어 왔다. 상기 VCM은 사용이 간단하지만, 배터리의 전력 소모가 많아 휴대용 단말기 사용시간을 늘이는데 한계가 있었다.
또한 현재 사용되고 있는 VCM은 도 1에 나타낸 바와 같이 구조가 복잡하여 그 제조 및 조립 공정 또한 여러 단계를 거쳐야 하기 때문에 불량률이 크고 자동 공정을 이용한 대량 생산이 용이하지 않은 문제가 있다.
최근에 진동 모터의 소형화, 저전력화의 목적으로 압전성 소재를 이용한 진동 모터의 개발에 관심이 집중되고 있으나 아직 구체적인 개시예가 없는 실정이다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 저전력 소모, 소형화 및 경량화가 가능하여 무선 호출기, 휴대폰 등의 모바일 기기에 특히 유리하게 적용될 수 있고, 대량 생산에 유리한 간단한 구조의 압전 진동 모터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 금속 튜브와, 상기 금속 튜브의 측면에 부착되며 양면에 전극이 구비된 복수의 판형 압전체로 이루어지고, 인가되는 교류 전압에 따른 전기적 신호를 기계적 워블 운동으로 전환하기 위한 고정자와;
중심부에 통공을 구비하고, 상기 고정자의 내경에 삽입되어 마찰 접촉하는 편심 회전자와;
상기 금속 튜브와 편심 회전자의 통공을 관통하여, 고정자와 편심 회전자를 회전축 방향으로 정렬시키기 위한 축봉과;
상기 축봉의 일단에 설치되어 상기 편심 회전자를 고정자에 밀착시키기 위한 탄성 부재를 포함하고,
상기 복수의 압전체는 0˚~180˚ 사이의 면각을 가지며, 각각에 대하여 서로 다른 위상을 갖는 교류 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
(2) 상기 압전체는 d31 모드를 이용한 단판형 압전체를 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동 모터.
(3) 상기 압전체는 d33 모드를 이용한 적층형 압전체인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동 모터.
(4) 상기 탄성 부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동 모터.
(5) 상기 탄성 부재는 나일론 너트인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동 모터.
(6) 상기 압전체는 압전성 물질로서 PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질) 다결정 세라믹 물질이거나,
PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질) 및 PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 - 납 티타네이트계 물질)로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나로서, 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 강유전성 단결정 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동 모터.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.
[화학식 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 압전 진동 모터의 전체적인 구조와 동작에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동 모터의 결합 사시도이다. 본 발명에 따른 압전 진동 모터는, 워블(wobble) 운동을 행하는 고정자(100), 고정자(100)의 일단에 밀착하여 접촉되는 편심 회전자(200), 고정자(100)와 편심 회전자(200)를 회전축 방향으로 정렬시키기 위한 축봉(300), 및 편심 회전자(200)를 고정자(100)에 밀착시키기 위한 탄성 부재(400)를 포함한다.
도 3은 상기 도 2에 따른 압전 진동 모터의 분리 사시도이다. 도면을 참조할 때, 상기 축봉(300)의 양단에는 축받이(310)가 구비될 수 있으며, 이러한 축받이(310)는 압전 진동 모터의 케이스 또는 적용 대상인 휴대폰 등의 외장 케이스 내측 에(도면 미도시)에 고정된다. 하단의 축받이(310)는 그 일부가 금속 튜브의 내경으로 삽입될 수 있는 형상으로 되어 있으며 이러한 축받이의 삽입부(312)는 금속 튜브와 접착되어 고정자를 고정 지지하게 된다. 상단의 축받이(310＇)는 축봉(300) 및 스프링 탄성 부재(400)를 지지한다. 축받이(310, 310＇)의 중심에는 축봉(300)을 수용하여 선회 가능하도록 지지하기 위한 홈(311)이 형성되어 있다.
상기 편심 회전자(200)는 스프링 탄성 부재(200)에 의해 고정자(100)의 단부측으로 밀착되고, 후술하는 고정자(100)에서 형성된 워블(wobble) 운동이 마찰력에 의해 편심 회전자(200)의 회전 운동으로 전달됨으로써 진동을 발생시키게 된다. 편심 회전자(200)는 그 일부가 금속 튜브의 통공(111) 내측에 삽입될 수 있도록 테이퍼진 형상을 가지며, 중심부에는 축봉(300)을 관통시키기 위한 통공(201)이 형성되며, 회전자(200)의 무게 중심을 중심부에서 외측으로 이동시키기 위한 돌출부(202)가 주연으로부터 연장 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고정자(100)의 사시도이다. 평평하게 절삭 또는 연마 가공된 금속 튜브(110)의 외부면 부분에는, 두 개의 판형 압전체(120: 120a, 120b)가 90˚의 면각(θ)을 이루며 부착되어 있다. 이러한 고정자(200)는 X, Y 방향으로 유니모프 액츄에이터와 동일한 원리로 전장에 가해져서 압전체(120)의 길이가 변함에 따라 압전체(120)와 금속 튜브(110)가 휘어지는 굽힘 모드(bending mode)로 변위를 일으키게 되는데, 작은 전기적 신호에서 큰 변위를 얻기 위해서는 압전체(120)가 갖는 공진 주파수와 동일한 주파수의 전기적 신호를 가해 주어야 한다. 이 경우 공진 주파수와 주된 변위가 일어나는 방향의 압전체의 길이의 곱이 일정한 값을 갖기 때문에 압전체의 크기가 정해지면 공진주파수도 정해진다. 예컨대, 금속 튜브(110)의 내경을 0.8mm, 외경을 1.6mm, 그리고 길이를 6.0mm, 압전체(120)의 크기를 1mm×6mm×0.3mm정도로 했을 때, 주된 진동의 방향을 6mm쪽이 되는데 이때 공진주파수는 128 kHz ~132 kHz 정도에서 형성된다.
상기 두 개의 압전체의 면각은 90˚로 제한되는 것은 아니며, 서로 다른 위상으로 각각의 압전체(120a, 120b)에 인가되는 교류 전압에 의해 고정자(100)가 워블 운동을 할 수 있다면, 각각의 압전체(120a, 120b)는 평행한 경우를 제외하고 0˚~180˚ 사이의 임의의 면각을 가질 수 있다.
상기 각각의 판형 압전체(120a, 120b) 양면에는 전극(130)이 구비되어 있으며, 전극(130)을 통해 인가되는 교류 전압의 방향에 따라 그 길이 방향으로 신장되거나 또는 수축됨으로써 길이가 일정한 금속 튜브가 상대적으로 길이 방향에 수직하게 굽힘 운동(bending)을 하게 된다. 따라서 일단(축받이(310)에 접착 고정되는 부분)이 고정된 금속 튜브의 타단(편심회전자(200)에 접촉되는 부분)은 압전체 120a에 의해 X 방향으로, 압전체 120b에 의해서는 Y 방향으로 각각 변위된다. 이 경우, 각각의 판형 압전체(120a, 120b)에 인가되는 교류 전압의 위상을 달리하면, 금속 튜브의 타단은 X 및 Y 방향으로 교류 전압의 세기에 따라 굽힘의 정도가 변하면서 교대로 변위 운동을 하게 되어 전체적으로 중심 C를 기준으로 팽이와 같은 워블 운동을 하게 된다.
도 5는 서로 다른 위상을 갖는 교류 전압에 의해 도 4의 고정자가 행하는 워블 운동을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는, 두 개의 압전체(120a, 120b) 각각에 인가되는 위상이 다른(90˚의 위상차) 교류 전압의 파형을 나타낸다. 도면에서, ACa는 압전체 120a에, ACb는 압전체 120b에 각각에 인가되는 교류 전압을 나타낸다. 각각의 판형 압전체(120a, 120b)에는 90˚의 위상차를 갖는 동일 형태의 교류 전압이 인가되며, 시간에 따라 달라지는 교류 전압의 세기 및 방향에 따라 고정자(110)는 X, Y 방향으로 △X 및 △Y 만큼 각각 변위된다. 결과적으로 편심 회전자(200)에 접촉되는 고정자(110) 단부의 중심 C는 고정자(110)의 축방향으로 바라볼 때 도 5의 (b)에 따른 원 궤도를 돌며 회전하게 된다.
이 경우, 고정자(110) 단부의 회전 방향은 인가되는 교류 전압의 위상차에 의해 결정되며, 회전 모양은 교류 전압의 위상차와 각 방향 단독으로의 최대 변위에 의해 결정된다.
도 6은 상기 도 2 및 도 3에 따른 진동 모터의 동작 상태를 나타내기 위한 도면이다. 도면에서는 모터의 동작 상태를 명확히 나타내기 위하여 고정자(100)와 편심 회전자(200)만을 도시하였다. Z 축은 진동 모터의 회전축을, X 축은 압전체 120a의 굽힘 방향을, 지면에 수직한 Y축(도면 미도시)은 압전체 120b의 굽힘 방향을 각각 나타낸다. 설명의 편의상 도 6에서 각각의 압전체 120a 및 120b에 인가되는 교류 전압은 도 5(a)와 마찬가지로 90˚의 위상차를 갖는 것으로 가정한다.
도 6의 (a)를 참조할 때, 교류 전압이 인가되지 않은 상태에서 고정자(100)의 상단부 면은 기준 X-Y 평면과 수평을 이루며, 도 6의 (b) 내지 (e)에 도시된 바와 같이, 교류 전압의 인가 시간대별로 고정자(100)가 X 및 Y 축 방향으로 교대로 굽힘 운동을 하게 된다. 도 6의 (b) 내지 (e)에서, 굽힘 상태에 있는 고정자(100)의 상단부 면은 기준 X-Y 평면에 대하여 소정 각도 기울어지고 이에 따라 고정자(100)에 접촉하고 있는 편심 회전자(200)의 돌출부(202)도 고정자(100)가 기울어지 방향으로 시간이 경과함에 따라 정렬되어 회전하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 압전 진동 모터에 사용되는 압전체의 분극 배열을 도시한 도면이다. 도면에서, 화살표는 압전체의 분극 방향을 나타낸다. 도 7의 (a)는, d31 변위 모드를 갖는 단판형 압전체(122)로서 압전체의 변위가 분극 방향에 대하여 수직으로 이루어지는 형태를 나타낸다. 이 경우, 교류 전압을 인가하기 위한 전극(130)은 단판형 압전체(122)의 옆면에 부착된다.
이에 대하여 도 7의 (b)는, d33 변위 모드를 갖는 적층형 압전체(124)로서 압전체의 변위가 분극 방향에 대하여 수평으로 이루어지는 형태이다. 적층형 압전체(124)를 구성하는 각 부분은 서로 반대 방향으로 분극되어 있으며, 전체 압전체(124)의 옆면에 공통 전극(130′)이 부착되고 어느 하나의 공통 전극으로부터 반대편 공통 전극 부근까지 복수의 내부 전극(131)이 교대로 삽입되어 있다.
도 8은 본 발명에 따라 금속 튜브의 단면 형상을 달리한 고정자의 단면도이다. 본 발명에 있어서, 고정자(100)를 구성하는 금속 튜브(110)의 단면 형상은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 압전 진동 모터에 사용되는 고정자(100)는 관형의 금속 튜브(110)의 측면에 적어도 2이상의 압전체(120)가 부착되는 구조로서, 각각의 압전체의 면이 평행하지 아니하고 인가되는 교류 전압에 위상차가 있으면 워블 운동을 통한 진동 모드를 구현할 수 있기 때문에, 금속 튜브의 단면 형상 은 특별히 제한되지 않으며 X 및 Y 방향의 고유 진동수 조절을 위해서 원형 이외에 임의의 형상으로 제작될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 압전체의 배열을 달리한 고정자의 단면도이다. 서로 수직 방향으로 배열된 두 개의 압전체(120a, 120b)에 대하여 각각에 대응하는 두 개의 압전체(120a', 120b')를 금속 튜브(110)의 반대편에 추가로 구비할 경우 도 2 및 도 3에 따른 압전 진동 모터보다 더 큰 진동을 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동 모터의 사시도이다. 도 2와는 달리, 스프링 탄성 부재(400) 대신 나일론 너트(400＇)를 사용할 수도 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압전체(120)의 압전성 물질은 기존에 널리 사용되는 PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질)의 다결정 세라믹이거나 압전 특성이 우수한 압전성 단결정 세라믹 물질로 구성될 수 있다.
특히, 본 발명에서 사용되는 강유전성 단결정 물질로는 PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 -납 티타네이트계 물질)이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 강유전성 단결정 물질은 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.
[화학식 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.
이러한 조성의 단결정 물질은 본 발명의 출원인이 선행하여 출원한 대한민국 특허출원 제2003-47458호에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있다. 특허출원 제2003-47458호에 개시된 내용은 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다.
상기 화학식 1과 화학식 2의 조성을 갖는 단결정재료는 종래의 PZT 세라믹이나 다결정 박막보다 압전변형계수가 크기 때문에 동일한 인가전압에 대해 그 변형의 정도가 더 크다. 이는 압전 진동 모터에 적용될 경우, 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환시 더 큰 진동을 얻을 수 있어 바람직하다. 또한 전기기계결합계수가 높기 때문에 소비전력 대비 에너지 변환 효율이 높아질 수 있어 유리하다. 또한 단결정이기 때문에 원자 및 분자들이 주어진 공간에서 규칙적으로 가장 밀집하여 배열할 수 있어 미세 가공이 가능하다.
본 발명에 따른 단결정 물질 중 PMN-PT 단결정과 종래의 PZT 세라믹 및 PVDF와의 압전 특성을 아래의 표 1에서 비교하였다.
물 성 PVDF PZT-5A PZT-5H PMN-PT 단결정
밀도 (kg/m3) 1780 7750 7500 8000
유전상수 12 1600 3400 >5000
유전손실 (%) - 2 2 < 0.5
전기기계결합계수(k33)(%) 11 70.5 75 93
압전변형계수(d33)(pC/N) 30 374 593 >2200
표 1은 실측값을 표시한 것이며, IEEE standard에 따라 공진법(resonant measurement)을 이용한 측정하였다. 또한, 전압에 따른 변형값을 직접적으로 측정하기 위해 광간섭계(interferometric measurement), LVDT를 이용하여 직접적으로 d33을 측정하는 방법들도 이용하였다. 여기서, d33은 두께 모드(Thickness)의 압전변형계수를 나타낸다.
상기 물성들이 압전 진동 모터의 성능에 미치는 영향에 대하여 설명한다. 일반적으로 압전 특성을 갖는 재료에 전계를 인가할 때 발생하는 변형량은 아래의 식 (1)로 표시될 수 있다.
Figure 112005013035001-pat00001
------------- 식 (1)
여기서,
S = 변형률
Lo = 변형전 길이 [m]
△L = 변형량 [m]
E = 전계 강도 [V/m]
dij = 압전변형계수 [pV/m]
을 각각 나타낸다.
상기 식 (1)로부터 압전 재료의 변위는 압전변형계수(dij)에 비례함을 알 수 있다.
상기 표 1을 참조할 때, PMN-PT 단결정의 압전변형계수(d33)가 PVDF의 약 70배 이상, PZT 세라믹의 약 4배 이상의 큰 값을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 PMN-PT 단결정을 이용한 압전 진동 모터는 종래의 PVDF 또는 PZT 세라믹을 이용한 경우보다 동일한 입력 전압에 대하여 4~70배 이상의 진동량 증가를 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 압전 진동 모터는 종전의 압전 진동 모터보다 1/70~1/4배 이하의 낮은 전압으로 동일 크기의 진동량을 얻을 수 있으므로, 소형화, 저전력화가 요구되는 모바일 기기에 유리하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 진동 모터에 사용된 PMN-PT 단결정은, 표 1에서 알 수 있듯이 높은 전기기계결합계수를 갖기 때문에 종래의 PVDF 폴리머 및 PZT 세라믹보다 소비전력대비 에너지 효율이 향상되어 압전 진동 모터의 저전력화, 소형화가 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 구체적 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명을 목적으로 할 뿐이고, 당업자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경과 수정을 가할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 압전 진동 모터는 기존의 VCM형 진동 모터에 비해 전력 소모, 소형화 및 경량화가 가능하여 무선 호출기, 휴대폰과 같은 모바일 기기에 특히 유리하게 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 압전 진동 모터는 구조가 간단하여 제조시 불량률을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 및 조립 공정을 단순 자동화하여 대량 생산에 유리하다.
또한 본 발명에 따른 압전 진동 모터는 압전체 재료로서 PMN-PT와 같은 압전 단결정 재료를 사용함으로써 보다 큰 진동량을 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 금속 튜브와, 상기 금속 튜브의 측면에 부착되며 양면에 전극이 구비된 복수의 판형 압전체로 이루어지고, 인가되는 교류 전압에 따른 전기적 신호를 기계적 워블 운동으로 전환하기 위한 고정자와;
    중심부에 통공을 구비하고, 상기 고정자의 내경에 삽입되어 마찰 접촉하는 편심 회전자와;
    상기 금속 튜브와 편심 회전자의 통공을 관통하여, 고정자와 편심 회전자를 회전축 방향으로 정렬시키기 위한 축봉과;
    상기 축봉의 일단에 설치되어 상기 편심 회전자를 고정자에 밀착시키기 위한 탄성 부재를 포함하고,
    상기 복수의 판형 압전체는 0˚~180˚ 사이의 면각을 가지며, 각각에 대하여는 서로 다른 위상을 갖는 교류 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전체는 d31 모드를 이용한 단판형 압전체를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전체는 d33 모드를 이용한 적층형 압전체인 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 나일론 너트인 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전체는 압전성 물질로서 PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질) 다결정 세라믹 물질이거나,
    PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질) 및 PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 - 납 티타네이트계 물질)로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나로서, 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 강유전성 단결정 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 모터.
    [화학식 1]
    s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
    [P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,
    [M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,
    [N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,
    [T]은 산화 티탄(TiO2)이고,
    [L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,
    x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,
    y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
    z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
    p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,
    s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.
    [화학식 2]
    [1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,
    [1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3
    [1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,
    [1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3
    [1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3
    x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,
    y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,
    Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,
    l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,
    m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN107026557B (zh) * 2016-02-01 2023-10-27 深圳市科曼医疗设备有限公司 音圈电机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0579844A (ja) * 1990-11-29 1993-03-30 Tokin Corp 圧電振動ジヤイロ
JPH08286093A (ja) * 1995-04-14 1996-11-01 Minolta Co Ltd 電気機械変換素子を使用した駆動装置
KR100206076B1 (ko) * 1994-02-09 1999-07-01 가네꼬 히사시 진동모터 및 그의 진동 발생 방법
KR20040107506A (ko) * 2002-04-25 2004-12-20 임머숀 코퍼레이션 회전식으로 조화 운동하는 질량체를 이용한 촉각 피드백

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0579844A (ja) * 1990-11-29 1993-03-30 Tokin Corp 圧電振動ジヤイロ
KR100206076B1 (ko) * 1994-02-09 1999-07-01 가네꼬 히사시 진동모터 및 그의 진동 발생 방법
JPH08286093A (ja) * 1995-04-14 1996-11-01 Minolta Co Ltd 電気機械変換素子を使用した駆動装置
KR20040107506A (ko) * 2002-04-25 2004-12-20 임머숀 코퍼레이션 회전식으로 조화 운동하는 질량체를 이용한 촉각 피드백

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112165274A (zh) * 2020-09-24 2021-01-01 南京工程学院 基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机
CN112165274B (zh) * 2020-09-24 2021-11-30 南京工程学院 基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机

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