KR100728374B1 - 초소형 압전 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 이동축을 부착하여 압전효과에 의해 압전체 및 탄성체가 변위됨에 따라 이동축에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서, 상기 압전체의 변위방향과 상기 탄성체의 변위방향을 직각으로 하여, 전체의 높이를 줄이고, 저전압으로 구동이 가능하도록 그 구동성능을 개선한 리니어 모터에 관한 것이다.

압전효과, 리니어 모터, 이동체, 샤프트, 마찰력, 선 접촉

Description

초소형 압전 리니어 모터{Micro piezoelectric linear motor}

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 이동체의 일 예를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예의 사시도를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예의 투시도를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예의 작동모습을 나타낸 것이다.

{도면의 주요부분에 대한 설명}

11 : 탄성체 기판 12 : 압전기판

13 : 지지수단 14 : 샤프트

15 : 이동체 16 : 이송계

17 : 압착링 20: 샤프트

21: 적층형 압전체 22: 샤프트

23: 탄성체 기판 24: 지지수단

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 이동축을 부착하여 압전효과에 의해 압전기판 및 탄성체가 변위됨에 따라 이동축에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서 그 구동성능이 개선된 리니어 모터에 관한 것이다.

모바일폰, PDA 등 휴대용 이동통신 단말기에서 카메라 렌즈를 구동하기 위해 탑재되는 모터는 초소형으로 형성된다. 카메라 렌즈구동용으로 탑재 가능한 초소형 모터 중 전자계 방식의 모터(Stepping Motor)는, 빠른 회전을 직선운동으로 바꾸기 위해 감속기어와 캠(cam)을 사용하여야 하며 정 또는 역회전 시 백레쉬(backlash)가 생겨 오차가 발생하고 전력소모가 크기 때문에 사용에 제한을 받으며, 높은 전류와 열을 발생하는 등의 단점이 있다.

상기와 같은 단점을 해결하기 위해 압전효과를 이용해서 구동되는 리니어 모터가 개발되었다. 압전효과를 이용한 리니어 모터는 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생한 진행파로 구동하는 방법과 종진동(longitudinal vibration)과 횡진동(transversal vibration) 액츄에이터를 결합하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 이동체를 구동하는 정상파형 방법 등이 알려져 있다.

정상파형(standing wave type) 리니어 모터의 기본적인 형태로 서로 다른 동작 양태를 갖는 진동자를 결합하여 발생하는 복수진동을 이용하는 것이 있는데, 이는 수직방향과 수평방향으로 진동하는 압전 액츄에이터와 상기 압전 액츄에이터의 진동을 동작하는 이동체에 기계적 변위로 전달하는 샤프트로 구성되어 있다.

압전 액츄에이터의 수직방향의 종진동을 샤프트를 통해 이동체에 전달하는 방법으로 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 특히 압전체 기판을 탄성체에 접착 형성하여 탄성체와 압전기판의 굴곡운동을 구동력으로 구동원으로 사용하는 방법이 있다.

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 1에서 압전 리니어 모터는 탄성체 기판(11)과 상기 탄성체 기판에 접착된 압전기판(12), 상기 탄성체 기판을 하부에서 지지하는 지지수단(13)과 상기 탄성체 기판에 부착되어 상기 탄성체 기판의 굴곡운동을 이동체에 전달하는 샤프트(14), 및 이동체(15)를 포함한다.

상기 탄성체 기판(11)은 일면 또는 양면에 부착된 압전기판(12)이 압전효과에 의해 신장 또는 수축됨에 따라 압전기판과 함께 변형되는데, 탄성체 기판(11)의 주변부가 지지수단(13)에 고정되어 있어서 지지수단(13)에 고정되지 않은 가운데 부분이 위쪽 또는 아래쪽으로 변위한다.

상기 탄성체 기판의 상부에는 샤프트(14)가 부착되는데, 상기 샤프트는 상기 굴곡변위운동에 따라 수직방향으로 진동하며, 이에 따라 이동체(15)가 구동되어 리 니어 모터로서의 동작이 수행된다. 상기 탄성체 기판(11) 및 압전기판(12)의 가운데 부분이 위아래로 변위되면, 상기 탄성체 기판의 상부에 부착된 샤프트(14)는 선형적으로 운동한다. 상기 샤프트의 선형적인 운동을 통해 탄성체 기판 및 압전기판의 굴곡운동이 이동체(15)에 전달되어 이동체가 구동되며, 상기 이동체(15)는 렌즈 등에 직간접적으로 연결되어 렌즈를 구동한다.

상기 이동체(15)는 관성과 마찰에 의하여 움직이는데, 종래의 이동체는 샤프트(14)에 일정한 마찰력을 가지고 접촉되는 이송계와 상기 이송계를 샤프트에 압착시켜 구속하는 구속수단으로 이루어진다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 이동체의 일 예를 나타낸 것으로, 도 1에 나타난 압전 리니어 모터에 포함되는 이동체를 나타낸 것이다.

도 2a는 이동체 부분만을 나타낸 것으로, 상기 이동체는 안쪽의 'ㄴ' 모양의 이송계(16)와 상기 이송계를 샤프트에 압착시키는 바깥쪽의 압착링(17)을 포함한다.

도 2b는 이동체가 샤프트에 접촉된 모습을 나타낸 것으로, 도 2a의 이동체의 이송계(16)가 샤프트(14)에 접촉된 모습을 나타낸 것이다.

상기 이동체는 이송계(16)가 샤프트(14)에 대해 마찰력을 가지고 접촉됨으로써 샤프트의 운동을 전달받아 구동된다. 상기 도 2a 및 도 2b에 나타난 종래의 이동체는 'ㄴ' 형태의 이송계 하나당 샤프트에 2개의 선 접촉으로 접촉되어, 이송계와 샤프트의 접촉이 전체적으로 네 개의 선 접촉으로 이루어진다.

상기와 같이 종래의 이동체는 'ㄴ' 형태 또는 기타의 형태의 이송계가 샤프트에 선 접촉으로 접촉된다.

따라서, 상기의 선 접촉의 접촉면적을 넓혀 마찰력을 증대시킴으로써 이동체에 탄성체 기판과 압전기판의 굴곡운동이 전달되는 효율을 높이는 것이 바람직하다.

이러한, 종래의 기술은 압전체와 샤프트가 길이방향으로 설치되므로, 전체 높이를 줄이는 데 있어서, 제한이 있다.

특히, 적층형 압전소자를 사용하는 압전 리니어 액츄에이터의 경우, 샤프트와 상기 적층형 압전소자가 동일축선상에 설치되므로, 전체 길이가 길어지는 단점을 가지고 있다.

이러한, 압전 리니어 액츄에이터의 전체 높이를 줄이는 것은, 상기 압전 리니어 액츄에이터가 사용되는 제품의 두께 등의 사이즈를 줄일 수 있어, 최근의 소형화되는 전자제품에 크게 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 탄성체와 압전체의 변위방향을 상호 직각방향으로 함으로 써, 전체 높이를 줄일 수 있는 압전 리니어 모터를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 리니어 모터는 마주보는 벽체가 형성된 지지수단; 상기 지지수단의 일측벽에 맞닿아서 신장되는 압전체; 일단이 상기 압전체와 맞닿고 타단이 상기 지지수단의 타측벽에 맞닿도록 절곡되어 형성되서 상기 압전체의 신장에 의한 변위를 그 방향에 직각되는 방향으로 전환하는 탄성체; 및 상기 탄성체의 상부에 설치되는 샤프트를 포함한다.

상기 탄성체는 상기 압전체의 신장에 의한 변위를 그 직각방향으로 전환할 때, 상기 압전체의 신장에 의한 변위보다 큰 폭으로 변위시키는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 탄성체는 양단부가 동일한 각으로 절곡된 플레이트인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 탄성체는 양단부의 절곡된 각은 45~90도인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성체는 수직으로 변위하는 부분에 대하여 대칭으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 샤프트는 원형 또는 다각형의 단면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지지수단은 상기 압전체 및 탄성체에 의해 맞닿는 마주보는 벽 외에, 상기 탄성체의 변형을 가이드하도록 상기 탄성체의 변위방향과 나란한 방향으 로 마주보는 벽이 더 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 압전체는 수개의 압전소자를 변위방향으로 적층하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 샤프트를 감싸서 상기 샤프트와 접촉하는 것에 의해 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 더 포함하고, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전체의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 압전 리니어 모터는 압전체와 탄성체의 형태 및 결합구조를 개선한 것으로, 샤프트 및 이동체 부분은 도 1에 나타난 종래의 압전 리니어 모터의 그것과 크게 다르지 않다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 리니어 모터의 샤프트(22)가 탄성체 (23)에 고정설치되고, 상기 탄성체(23)와 맞닿는 압전체(21) 및 상기 탄성체(23)와 압전체(21)을 감싸고 있는 지지수단(24)를 도시한 것이다.

도 4는 상기 도 3의 투시도로써, 상기 탄성체(23)와 상기 압전체(21)가 상기 지지수단(24) 내에서 설치된 모습을 명확히 알 수 있도록 한다.

상기 도 5는 상기 지지수단(24)을 제거한 상태의 단면도이다.

상기 압전체(21)는 도 5에 도시된 바와 같이, 수개의 압전소자를 적층하여 형성된 것으로 이는 공지의 기술과 동일한 구성이다.

본 발명에서는 상기 압전체(21)의 설치방향을 상기 샤프트(22)의 변위방향과 직각을 이루도록 하는데 그 특징이 있다.

도 5와 같이 상기 압전체(21)를 변위방향이 수평이 되도록 눕히고, 상기 압전체(21)에 단면에는 탄성체(23)이 맞접하고 있다.

상기 탄성체(23)는 상기 압전체(21)에 고정설치되거나, 단순히 접촉만 할 수도 있다.

상기 탄성체(23)는 여러가지 모양이 가능하며, 상기 압전체(21)의 수평방향의 변위를 수직방향의 변위로 변위시키면서 그 변위량을 확대시킬 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서의 탄성체(23)는 대략 마루가 평평한 산모양을 하고 있으며, 길이방향으로 긴 플레이트의 양단부를 동일한 각도로 절곡하여 형성한 것이다.

상기 양단부의 절곡된 각도는 한정되지 않으나, 45보다 작으면 상기 압전체 (21)에 의해 작용되는 힘이, 수평력과 수직력으로 분배될 때 수평력이 수직력보다 커서 상기 압전체에 큰 전압을 가하여야 하므로, 상기 양단부의 절곡된 각도는 45보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 양단부의 절곡된 각도가 90도보다 큰 경우, 상기 탄성체(23)의 설치가 동역학적으로 불안해지고, 상기 압전체(21)의 신장운동이 상기 탄성체(23)의 수직운동으로 변환되지 않게 된다.

따라서, 상기 탄성체(23) 양단의 굴곡된 각도는 45~90인 것이 바람직하다.

상기 탄성체(23)의 양단부를 절곡할 때 대칭이 되도록 하여야만, 상기 탄성체(23)의 중심부가 수직방향으로만 변위할 수 있다.

상기 탄성체(23)는 탄성계수가 높으면서, 반복하여 사용하여도 그 물성이 변하지 않는 재료가 바람직하다.

상기 탄성체(23)와 상기 압전체(21)는 서로 맞닿은 상태에서 지지수단(24)에 설치된다.

상기 지지수단(24)은 적어도 상기 탄성체(23)와 상기 압전체(21)의 수평방향으로 발생하는 힘을 받아줄 수 있도록 상기 압전체(21)의 변위방향으로 마주보는 벽이 형성된다.

또한, 상기 지지수단(24)은 상기 탄성체(23)의 변형시 상기 압전체(21)의 변위방향의 수평면 상에서의 직각방향으로 변형되는 것을 막기 위한 안내를 하는 두개의 벽이, 상기 압전체(21)의 변위방향에 수평면 상에서 직각방향으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 탄성체(23) 및 상기 압전체(21)는 상기 지지수단(24) 내에서 이탈되지 않도록 상기 지지수단(24)과 접착제 등을 이용하여 고정하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 개구부가 형성된 상자형의 지지수단(24)을 이용하고 있다.

상기 탄성체(23)의 중심부분에는 수직변위를 위한 샤프트(22)가 고정설치된다.

상기 샤프트(22)의 크기는 적어도 상기 탄성체(23)의 폭방향을 넘지 않는 크기여야 하며, 상기 탄성체(23)의 높이 올라온 부분(마루)보다 작아야 한다.

상기 샤프트(22)는 상기 탄성체(23)와 에폭시 수지와 같은 접착제 의해 부착될 수 있으며, 일체로 형성되는 것도 가능하다.

본 발명의 압전 리니어 모터에서도 도 1에 나타난 것과 같이, 압전체의 수축 또는 신장에 따라 상기 탄성체가 상하 방향으로 진동, 굴곡운동하며, 상기 탄성체 의 상부에 일측이 부착된 샤프트가 상기 굴곡운동에 연동되어 상하 방향으로 선형 운동한다.

상기 샤프트(22)는 상기 탄성체의 굴곡운동을 이동체에 보다 효율적으로 전달하기 위해 가는 원형의 단면을 갖는 원기둥 또는 다각형의 단면을 갖는 막대의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 샤프트에 접촉된 이동체는 상기 샤프트와 연동되어 선형 운동하는데, 상기 샤프트의 일부 이상을 감싸도록 상기 샤프트에 접촉되어 있어 상기 샤 프트와 상기 이동체 사이에는 소정의 마찰력이 발생한다. 상기 이동체는 상기 샤프트와 일체로 운동하거나 또는 상기 샤프트와의 마찰력과 운동의 계속에 따른 관성력의 상호작용에 따라 상기 샤프트 상에서 이동하면서 운동할 수도 있다.

예를 들어 상기 마찰력보다 상기 관성력이 더 큰 경우에는 상기 이동체는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지면서 운동할 수도 있고, 마찰력이 매우 큰 경우에는 샤프트에 대한 상대적 위치가 크게 달라지지 않으면서 운동할 수도 있다. 본 발명에서는 특히 상기 마찰력을 증대시키며, 이는 샤프트와 이동체가 일체로 운동할 필요가 있는 경우에 보다 유용하다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 적층형 압전 액츄에이터를 이용하였으므로, 종래 비적층형 압전 리니어 모터에 비하여 저전압 구동이 가능하다.

또한, 발생 변위와 발생력을 증가시키기 위하여 적층 층수를 증가시키는 방법을 이용하던 적층형 액츄에이터의 경우 카메라 모듈에 적용 시 높이 방향의 커다란 단점을 지니고 있으나, 본 발명에서는 이러한 높이 방향으로 증가하는 액츄에이 터를 수평방향으로 눕히고, 운동 방향을 다시 수직방향으로 전환시키기 위하여, 탄성체 구조물을 이용하였다. 따라서, 탄성체와 접합되어 있는 이동축이 위아래로 진동을 하게 되고, 이동축을 따라 이동체가 움직이게 된다.

또한, 본 발명에서 사용되는 탄성체는 적층형 압전 액츄에이터가 저전압 구동 시 발생시키는 미소 변위를 대 변위로 증폭시켜주는 역할도 하게 된다.

높이 방향으로의 증가를 발생시키지 않고, 저전압을 이용하여 구동이 가능한 초소형 압전 리니어 모터는 카메라 모듈 적용 시 커다란 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.

Claims (9)

1. 마주보는 벽체가 형성된 지지수단; 상기 지지수단의 일측벽에 맞닿아서 신장되는 압전체; 일단이 상기 압전체와 맞닿고 타단이 상기 지지수단의 타측벽에 맞닿도록 절곡되어 형성되서 상기 압전체의 신장에 의한 변위를 그 방향에 직각되는 방향으로 전환하는 탄성체; 및 상기 탄성체의 상부에 설치되는 샤프트를 포함하는 압전 리니어 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄성체는 상기 압전체의 신장에 의한 변위를 그 직각방향으로 전환할 때, 상기 압전체의 신장에 의한 변위보다 큰 폭으로 변위시키는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성체는 양단부가 동일한 각으로 절곡된 플레이트인 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
4. 제3항에 있어서, 상기 탄성체는 양단부의 절곡된 각이 45~90인 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
5. 제1항에 있어서, 상기 탄성체는 수직으로 변위하는 부분에 대하여 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
6. 제1항에 있어서, 상기 샤프트는 원형 또는 다각형의 단면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
7. 제1항에 있어서, 상기 지지수단은 상기 압전체 및 탄성체에 의해 맞닿는 마주보는 벽 외에, 상기 탄성체의 변형을 가이드하도록 상기 탄성체의 변위방향과 나란한 방향으로 마주보는 벽이 더 형성된 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
8. 제1항에 있어서, 상기 압전체는 수개의 압전소자를 변위방향으로 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
9. 제1항에 있어서, 상기 샤프트를 감싸서 상기 샤프트와 접촉하는 것에 의해 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 더 포함하고, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전체의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.

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