KR100818482B1 - 압전 모터 - Google Patents

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KR100818482B1
KR100818482B1 KR1020060100150A KR20060100150A KR100818482B1 KR 100818482 B1 KR100818482 B1 KR 100818482B1 KR 1020060100150 A KR1020060100150 A KR 1020060100150A KR 20060100150 A KR20060100150 A KR 20060100150A KR 100818482 B1 KR100818482 B1 KR 100818482B1
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piezoelectric
resonance frequency
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콕 부르하네틴
이동균
고현필
강병우
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 길이방향과 굴곡방향의 진동의 합성에 의하여 타원운동을 발생하는 압전 모터에 관한 것이다.
본 발명에 의한 압전 모터는 인가되는 전원에 의해 제1의 진동모드와 제2의 진동모드를 동시에 발생시키는 압전체; 및 상기 압전체의 일측에 함몰 형성된 오목부에 일부분이 만입되어 고정되며, 상기 압전체에서 발생한 진동에 의해 타원 운동을 하는 마찰부재; 를 포함하여, 마찰부재의 부착이 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 압전모터의 구동 효율이 증대되며, 마찰부재의 부착 강도가 개선될 뿐만 아니라, 마찰부재의 고정 위치가 일정하여 부착 위치 변화에 따른 공진 주파수 변화를 막을 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
압전모터, 압전체, 마찰부재, 만입 비율, 오목부, 굴곡 진동모드, 신축 진동모드, 타원운동

Description

압전 모터{Piezoelectric motor}
도 1은 종래 기술에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 일반적인 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서,
(a)는 사시도, (b)는 정면도.
도 3은 일반적인 압전 모터의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 도시하는 그래프.
도 4는 일반적인 압전 모터의 주파수에 대한 위상을 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서,
(a)는 분해 사시도, (b)는 결합상태의 사시도. (c)는 정면도.
도 6은 본 발명에 의한 압전 모터의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 압전 모터의 주파수에 대한 위상을 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서,
(a)는 정면도, (b)는 사시도. (c), (d)는 다른 실시예의 정면도.
도 9는 마찰부재를 부착하지 않은 상태에서 압전 모터의 각각의 진동모드에 대한 주파수를 나타내는 그래프.
도 10은 마찰부재를 부착하지 않은 상태에서 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서,
(a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(b)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(c)는 굴곡 진동모드의 반공진 주파수(anti-resonance frequency)에서의 진동모드 형태,
(d)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태.
도 11은 마찰부재의 만입 비율에 따른 압전 모터의 각각의 진동모드에 대한 주파수를 나타내는 그래프.
도 12는 마찰부재의 만입 비율이 0.2일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서,
(a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(b)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(c)는 굴곡 진동모드의 반공진 주파수(anti-resonance frequency)에서의 진동모드 형태,
(d)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태.
도 13은 마찰부재의 만입 비율이 0일 때, 즉 마찰부재가 압전체의 표면에 부착될 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서,
(a)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(b)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태.
도 14는 마찰부재의 만입 비율이 0.8일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형 태를 나타낸 것으로서,
(a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(b)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태,
(c)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100... 압전 모터 110... 압전체
111... 오목부 130... 마찰부재
본 발명은 압전 모터(piezoelectric motor)관한 것으로, 보다 상세하게는 길이방향과 굴곡방향의 진동의 합성에 의하여 타원운동을 발생하는 압전 모터에 관한 것이다.
최근, 전자기 모터를 대신하는 새로운 모터로서 압전체를 이용한 압전모터(압전 초음파 모터)가 주목받고 있다. 압전 모터는 미세 진폭의 고주파 진동을 압전 진동체에 발생시키고, 압전 진동체에 부착된 마찰부재와 슬라이더(또는 로터)의 접촉 마찰을 통하여 이러한 미세 진동을 전달함으로써, 슬라이더(또는 로터)의 미 세 운동을 가능하게 한다. 이러한 압전 모터는 종래의 전자기 모터에 비하여 소형화가 가능하고 분해능이 높고 소음이 적으며 노이즈 발생이 적다는 등 여러 가지 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 통상의 압전 모터는 압전체(10)와, 압전체(10)의 일측에 부착된 마찰부재(30)로 이루어져 있다.
이때, 압전체(10)는 세라믹스 등으로 이루어진 다수의 압전 소자가 적층되어 형성되며, 압전 소자의 면에는 압전체를 복수 개의 진동부로 구분하도록 내부 전극이 형성된다. 이러한 내부 전극의 패턴은 압전체(10)에서 발생하는 진동형태, 진동방향, 마찰부재가 장착되는 개수 및 위치 등을 고려하여 압전소자의 표면에 다양한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 압전체에는 대각선 방향에 위치한 두 개의 진동부(11,14와 12,13)에 동일한 위상의 교번 전압을 인가하기 위하여 내부 전극을 연결하는 와이어 또는 외부 전극(21,22)이 구비된다. 그리고, 압전체(10)의 일측 표면에는 압전체(10)에서 발생한 진동을 외부로 전달하기 위하여 세라믹 재료 또는 초경합금(hard metal) 등으로 이루어진 마찰부재(30)가 부착된다.
일 예로서, 도 1을 참조하면, 압전체(10)는 네 개의 진동부(11,12,13,14)로 분할되며, 와이어 또는 외부전극(21,22)을 통하여 대각선 방향에 위치한 두 개의 진동부(11,14와 12,13)에 동일한 위상의 교번 전압을 인가하게 된다.
이와 같이, 전원이 인가되면 압전체(10)는 2가지 모드의 진동이 발생하게 된다. 일 예로서, 압전체(10)의 길이방향을 따라 신축변형하는 신축 진동모드와 압전체(10)의 두께방향으로 굴곡변형하는 굴곡 진동모드가 발생한다.
이러한 두 가지 모드의 진동이 동시에 발생하면서 마찰부재(30)에는 타원 운동이 발생하게 되고, 이러한 마찰부재(30)의 타원 운동은 슬라이더 또는 로터에 전달되어 슬라이더의 직선 운동 또는 로터의 회전 운동이 가능해진다.
이러한 종래의 압전모터의 경우, 마찰부재가 압전체에 부착될 때 야기되는 질량변화가 압전모터의 구동 주파수에 영향을 미치게 되므로 압전 모터의 전기적 구동 및 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 압전체의 크기가 감소함에 따라 공진 주파수는 증가하게 되며, 예를 들면 5mm 길이의 압전체에 대해 공진 주파수는 300kHz 이상이 된다. 이러한 고주파수의 경우, 마찰부재의 표면에 가해지는 가속도는 200000mm/s2 이상이 된다. 압전체의 표면에 마찰부재가 부착되는 경우, 이러한 가속도는 압전체에 부착된 마찰부재를 이탈(박리)시킬 수 있다는 문제점이 있다. 이를 막기 위해 마찰부재에 접착제의 도포량을 증가시키는 방안이 있으나, 이러한 경우 접착제의 도포량에 따라 공진 주파수가 크게 변화될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 마찰부재를 압전체의 표면에 부착하는 경우에는 마찰부재의 장착위치가 일정하지 않게 되어 압전체의 공진 주파수에 큰 변화가 발생할 수 있다는 문제 점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 마찰부재의 부착이 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 압전 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 마찰부재의 부착 강도를 높일 수 있는 압전 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 마찰부재의 부착 위치를 일정하게 할 수 있어 마찰부재의 부착 위치 변화에 따라 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화할 있는 압전모터를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압전 모터의 효율을 개선할 수 있는 압전 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 인가되는 전원에 의해 길이방향으로 발생하는 제1의 신축진동모드와 두께방향으로 발생하는 제2의 굴곡진동모드를 동시에 발생시키는 압전체; 및 상기 압전체의 일측에 함몰 형성된 오목부에 일부분이 만입되어 고정되며, 상기 압전체에서 발생한 진동에 의해 타원 운동을 하는 마찰부재; 를 포함하는 압전 모터를 제공한다.
바람직하게는, 상기 마찰부재의 두께를 w, 상기 마찰부재가 상기 오목부에 만입된 깊이를 x라 할 때, 만입 비율(x/w)에 관하여 다음의 조건식을 만족할 수 있다.
[조건식] 0.1 ≤ x/w ≤ 0.5
또한 바람직하게는, 상기 압전체의 오목부는 상기 압전체에 복수 개 형성되며, 상기 마찰부재는 상기 각각의 오목부에 만입되어 고정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 마찰부재는 원형 단면 또는 각형 단면을 가질 수 있으며, 상기 압전체에서 외부로 돌출된 부분이 곡면을 포함할 수도 있다.
삭제
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 2는 일반적인 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서, (a)는 사시도, (b)는 정면도이고, 도 3은 일반적인 압전 모터의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 도시하는 그래프이며, 도 4는 일반적인 압전 모터의 주파수에 대한 위상을 도시하는 그래프이다.
또한, 도 5는 본 발명에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서, (a)는 분해 사시도, (b)는 결합상태의 사시도. (c)는 정면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 압전 모터의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 도시하는 그래프이며, 도 7은 본 발명에 의한 압전 모터의 주파수에 대한 위상을 도시하는 그래프이다.
그리고, 도 8은 본 발명에 의한 압전 모터의 구조를 나타내는 것으로서, (a)는 정면도, (b)는 사시도. (c), (d)는 다른 실시예의 정면도이고, 도 9는 마찰부재를 부착하지 않은 상태에서 압전 모터의 각각의 진동모드에 대한 주파수를 나타내는 그래프이고, 도 10은 마찰부재를 부착하지 않은 상태에서 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타내는 개략도이고, 도 11은 마찰부재의 만입 비율에 따른 압전 모터의 각각의 진동모드에 대한 주파수를 나타내는 그래프이고, 도 12는 마찰부재의 만입 비율이 0.2일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타내는 개략도이고, 도 13은 마찰부재의 만입 비율이 0일 때, 즉 마찰부재가 압전체의 표면에 부착될 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타내는 개략도이며, 도 14는 마찰부재의 만입 비율이 0.8일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 압전 모터(100)는 인가되는 전원에 의해 제1의 진동모드와 제2의 진동모드를 동시에 발생시키는 압전체(110)와, 상기 압전체(110)의 일측에 함몰 형성된 오목부(111)에 일부분이 만입되어 고정되며, 상기 압전체(110)에서 발생한 진동에 의해 타원 운동을 하는 마찰부재(130)를 포함하여 구성된다.
이러한 압전체(110)는 다수의 압전소자를 적층하여 형성되며, 압전소자의 표 면에 내부 전극 패턴을 적절히 설정하여 제1의 진동모드와 제2의 진동모드, 예를 들어 압전체(110)의 길이방향으로 발생하는 신축 진동모드와 압전체(110)의 두께방향으로 발생하는 굴곡 진동모드를 발생시키게 된다. 그러나, 이러한 제1 및 제2의 진동모드는 이에 한정되는 것은 아니며, 마찰부재(130)에 타원 진동을 발생시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 한편, 이러한 압전체(110)의 내부 전극, 외부 전극 및 적층구조는 다양한 방식으로 널리 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 압전체(110)의 일측에 형성된 오목부(111)에 마찰부재(130)를 만입시켜 고정함으로써, 마찰부재(130)의 부착이 압전체(110) 또는 압전 모터(100)의 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여 압전체(110a)에 일면에 마찰부재(130a)가 부착된 일반적인 압전 모터에서 마찰부재(130a)의 부착이 압전체(110a)의 공진 주파수에 미치는 영향에 대해 살펴 본다.
도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 일반적인 압전 모터(100a)는 다수의 압전소자가 적층되어 형성된 압전체(110a)와 상기 압전체(110a)의 일측(115a)에 부착된 마찰부재(130a)로 이루어진다.
도 3은 마찰부재(130a)를 압전체(100a)에 부착하기 전과 압전체(100a)의 표면에 부착한 후의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 나타내며, 도 4는 마 찰부재(130a)를 압전체(100a)에 부착하기 전과 압전체(100a)의 표면에 부착한 후의 위상(phase)과 어드미턴스(admittance)의 관계를 나타낸다.
도 3 및 도 4에서 A'로 표시된 그래프는 마찰부재(130a)를 압전체(110a)에 부착하기 전의 압전체(110a)의 진동특성을 나타내고, B'로 표시된 그래프는 마찰부재(130a)를 압전체(110a)에 부착한 후의 압전체(110a)의 진동특성을 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 마찰부재(130a)를 압전체(110a)에 부착하기 전(A')에는 길이방향의 신축 진동모드가 326kHz 주변에서 공진 주파수를 갖고, 334kHz 주변에서 반공진 주파수(anti-resonance frequency)를 가지며, 두께방향의 골곡 진동모드가 332kHz 주변에서 반공진 주파수를 가지고 333kHz 주변에서 공진 주파수를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 마찰부재(130a)를 압전체(110a)에 부착하기 전(A')에는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드가 제1의 진동모드인 길이방향의 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 위치하게 된다.
그러나, 마찰부재(130a)를 압전체(110a)의 표면에 부착한 후(B')에는 길이방향의 신축 진동모드가 314kHz 주변에서 공진 주파수를 갖고, 318kHz 주변에서 반공진 주파수를 가지며, 두께방향의 골곡 진동모드가 299kHz 주변에서 공진 주파수를 가지고 301kHz 주변에서 반공진 주파수를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 마찰부재(130a)를 압전체(110a)에 부착한 후(B')에는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드가 제1의 진동모드인 길이방향의 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이를 벗어난 지점에 위치하게 된다.
즉, 마찰부재(130a)를 압전체(110a)의 표면에 부착한 경우에는 제2의 굴곡 진동모드가 마찰부재(130a)의 질량에 의한 영향을 상대적으로 많이 받아 제2의 굴곡 진동모드의 감소량이 제1의 신축 진동모드보다 훨씬 더 커지게 된다. 이로 인해 제2의 굴곡 진동모드의 주파수는 제1의 신축 진동모드 공진 주파수보다 작게 된다.
이러한 경우에는, 마찰부재(130a)의 부착에 의한 질량 효과가 압전모터(100a)의 구동 주파수에 영향을 큰 미치게 되어 진동 특성에 큰 변화를 가져오게 되므로 압전 모터를 효과적으로 구동하고 제어하기 어렵게 된다.
더욱이, 제1의 신축 진동모드 공진 주파수와 제2의 굴곡 진동모드 공진 주파수의 간격이 멀어짐으로써 압전체(110a)의 진동효율이 크게 저하되어 압전 모터(100a)의 구동효율이 저하된다.
그러나, 본 발명에서와 같이, 압전체의 오목부에 마찰부재를 만입시켜 고정하는 경우에는 마찰부재의 부착이 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 압전 모터(100)에서 마찰부재(130)의 부착이 압전체(110)의 공진 주파수에 미치는 영향에 대해 살펴 본다.
도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 압전 모터(100)는 다수의 압전소자가 적층되어 형성되고 일측(115)에 함몰 형성된 오목부(111)를 구비하는 압전체(110)와, 상기 오목부(111)에 만입되어 고정되는 마찰부재(130)를 포함하여 구성된다.
이러한 마찰부재(130)는 내부 전극 패턴에 따른 압전체(110)의 진동 특성에 따라 압전체(110)에 복수 개 부착될 수 있으나, 본 명세서에서는 하나의 마찰부재(130)가 설치된 경우에 대해 살펴본다.
도 6은 마찰부재(130)를 압전체(100)에 부착하기 전과 압전체(100)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 후의 주파수와 어드미턴스(admittance)의 관계를 나타내며, 도 7은 마찰부재(130)를 압전체(100)에 부착하기 전과 압전체(100)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 후의 위상(phase)과 어드미턴스(admittance)의 관계를 나타낸다.
도 6 및 도 7에서 A로 표시된 그래프는 마찰부재(130)를 오목부(111)가 형성된 압전체(110)에 부착하기 전의 압전체(110)의 진동특성을 나타내고, B로 표시된 그래프는 마찰부재(130)를 압전체(100)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 후의 압전체(110)의 진동특성을 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 마찰부재(130)를 오목부(111)가 형성된 압전체(110)에 부착하기 전(A)에는 길이방향의 신축 진동모드가 333kHz 주변에서 공진 주파수를 갖고, 338kHz 주변에서 반공진 주파수(anti-resonance frequency)를 가지며, 두께방향의 골곡 진동모드가 335kHz 주변에서 반공진 주파수를 가지고 336kHz 주변에서 공진 주파수를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 마찰부재(130)를 오목부(111)가 형성된 압전체(110)에 부착하기 전(A)에는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드가 제1의 진동모드인 길이방향의 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 위치하게 된다.
그리고, 마찰부재(130)를 압전체(110)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 후(B)에는 길이방향의 신축 진동모드가 317kHz 주변에서 공진 주파수를 갖고, 324kHz 주변에서 반공진 주파수(anti-resonance frequency)를 가지며, 두께방향의 골곡 진동모드가 319kHz 주변에서 반공진 주파수를 가지고 321kHz 주변에서 공진 주파수를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 마찰부재(130)를 압전체(110)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 후(B)에도 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드가 제1의 진동모드인 길이방향의 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 위치하게 된다.
즉, 마찰부재(130)를 압전체(110)의 오목부(111)에 만입시켜 고정한 경우에는 마찰부재(130)의 질량이 제1의 신축 진동모드와 제2의 굴곡 진동모드에 동시에 비슷한 정도의 영향을 미치게 되므로, 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드가 제1의 진동모드인 길이방향의 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 위치하게 된다.
따라서, 마찰부재(130)의 부착 전후에 압전체(110) 또는 압전모터(100)의 진동특성이 일정하게 유지되므로, 압전 모터를 효과적으로 구동하고 제어할 수 있다는 이점이 있게 된다. 더욱이, 제1의 신축 진동모드 공진 주파수와 제2의 굴곡 진동모드 공진 주파수의 간격이 인접한 상태를 유지하므로 압전체(110)의 진동효율이 유지되어 압전 모터(100)의 구동효율이 도 2의 경우보다 현저히 증가하게 된다.
또한, 마찰부재(130)와 압전체(110)가 접촉하는 면적이 넓으므로 마찰부재(130)의 부착 강도가 크게 개선될 뿐만 아니라, 마찰부재(130)를 압전체(110)의 오목부(111)에 위치시킴으로써 마찰부재(130)의 고정 위치가 일정하여 부착 위치 변화에 따른 공진 주파수 변화를 막을 수 있다는 이점이 있게 된다.
다음으로, 도 8 내지 도 14를 참조하여, 마찰부재(130)가 압전체(110)의 오목부(111)에 삽입되는 깊이, 즉 마찰부재(130)의 만입 비율이 공진 주파수에 미치는 영향에 대해 살펴 본다.
도 8(a) 내지 도 8(d)를 참조하면, 마찰부재(130)의 두께를 w, 마찰부재(130)가 오목부(111)에 만입된 깊이를 x라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 모터(100)는 만입 비율(x/w)에 관하여 다음의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.
[조건식] 0.1 ≤ x/w ≤ 0.5
먼저, 도 9 및 도 10을 참조하여 마찰부재(130)가 압전체(110)에 장착되기 전의 압전체(110)의 주파수 특성에 대해 살펴본다.
이하의 데이터는 유한요소해석 프로그램인 ATILA를 사용하여 얻은 것이다.
도 9에서, LR(◆)은 제1의 진동모드인 신축 진동모드의 공진 주파수, LA(●)는 제1의 진동모드인 신축 진동모드의 반공진 주파수, FR(◇)은 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드의 반공진 주파수, FA(○)는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드의 반공진 주파수를 나타낸다.
또한, 도 10에서, (a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (b)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (c)는 굴곡 진동모드의 반공진 주파수(anti-resonance frequency)에서의 진동모드 형태, (d)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태를 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, 마찰부재(130)가 압전체(110)에 장착되기 전에는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드의 공진 주파수[FR(◇)]와 반공진 주파수[FA(○)]가 제1의 진동모드인 신축 진동모드의 공진 주파수[LR(◆)]와 반공진 주파수[LA(●)] 사이에 위치하게 된다.
그러나, 도 11 내지 도 14를 참조하면, 마찰부재(130)가 압전체(110)에 장착된 후의 압전체(110)의 주파수 특성은 만입 비율(x/w)에 따라 크게 변화함을 알 수 있다.
도 9에서와 마찬가지로, 도 11에서, LR(◆)은 제1의 진동모드인 신축 진동모드의 공진 주파수, LA(●)는 제1의 진동모드인 신축 진동모드의 반공진 주파수, FR(◇)은 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드의 반공진 주파수, FA(○)는 제2의 진동모드인 굴곡 진동모드의 반공진 주파수를 나타낸다.
또한, 도 12는 마찰부재의 만입 비율이 0.2일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서, (a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (b)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (c)는 굴곡 진동모드의 반공진 주파수(anti-resonance frequency)에서의 진동모드 형태, (d)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태를 도시하고 있다.
그리고, 도 13은 만입 비율(x/w)이 0인 경우, 즉 마찰부재(130)가 압전체(110)의 일측 표면에 부착된 경우에 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서, (a)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (b)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태를 나타내고 있다.
또한, 도 14는 마찰부재의 만입 비율이 0.8일 때 압전 모터의 각각의 진동모드 형태를 나타낸 것으로서, (a)는 신축 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태, (b)는 신축 진동모드의 반공진 주파수에서의 진동모드 형태, (c)는 굴곡 진동모드의 공진 주파수에서의 진동모드 형태를 도시하고 있다.
먼저, 도 11과 도 13을 참조하면, 만입 비율(x/w)이 대략 0.1 보다 작은 경우에는 제2의 굴곡 진동모드의 공진 주파수[FR(◇)] 및 반공진 주파수[FA(○)]가 제1의 신축 진동모드의 공진 주파수[LR(◆)] 및 반공진 주파수[LA(●)]보다 작게 되어 커플링 효과(coupling effect)를 기대할 수 없어 진동 효율이 저하된다.
또한, 도 11과 도 14를 참조하면, 만입 비율(x/w)이 대략 0.5 보다 큰 경우에는 제2의 굴곡 진동모드의 공진 주파수[FR(◇)] 및 반공진 주파수[FA(○)]가 제1의 신축 진동모드의 공진 주파수[LR(◆)] 및 반공진 주파수[LA(●)]보다 크게 되어 커플링 효과(coupling effect)를 기대할 수 없어 진동 효율이 저하된다.
그러나, 도 11과 도 12를 참조하면 만입 비율(x/w)이 대략 0.1 내지 0.5 사이의 범위에 있는 경우에는 제2의 굴곡 진동모드의 공진 주파수[FR(◇)] 및 반공진 주파수[FA(○)]가 제1의 신축 진동모드의 공진 주파수[LR(◆)] 및 반공진 주파 수[LA(●)] 사이의 범위에 위치하게 되므로, 커플링 효과(coupling effect)가 발생하게 되고 이로 인해 진동 효율이 크게 향상된다.
즉, 압전체(110) 및 마찰부재(130)의 재질 특성과 크기에 따라 약간의 차이가 있을 수 있지만, 만입 비율(x/w)이 대략 0.1 내지 0.5 사이에 있는 경우에는 마찰부재(130)의 질량에 의한 영향이 제1의 신축 진동모드와 제2의 굴곡 진동모드의 진동변화에 비슷한 정도로 미치므로, 신축 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 굴곡 진동모드의 공진 주파수와 반공진 주파수가 위치하여 커플링 효과(coupling effect)가 발생하여 진동 효율이 극대화되며 압전 모터(100)의 구동을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 마찰부재(130)의 부착에 따른 마찰부재(130)의 질량에 의한 영향이 제1의 신축 진동모드와 제2의 굴곡 진동모드의 진동변화에 비슷한 정도로 미친다는 점에서, 오목부(111)가 압전체(110)에 복수 개 형성되고 마찰부재(130)가 각각의 오목부(111)에 만입되어 고정되는 경우에도 만입 비율(x/w)이 대략 0.1 내지 0.5 사이에 있는 경우 커플링 효과(coupling effect)가 유지될 수 있어 진동 효율의 극대화가 가능할 것이다.
그러나, 만입 비율(x/w)이 0.1보다 작은 경우에는 제2의 굴곡 진동모드가 마찰부재(130)의 질량에 의한 영향을 상대적으로 많이 받아 제2의 굴곡 진동모드의 감소량이 제1의 신축 진동모드보다 훨씬 더 커지게 되고, 이로 인해 제2의 굴곡 진 동모드의 주파수는 제1의 신축 진동모드의 공진 주파수 및 반공진 주파수보다 작게 되어 커플링 효과(coupling effect)를 기대할 수 없어 진동 효율이 저하된다는 문제점이 있다..
그리고, 만입 비율(x/w)이 0.5보다 큰 경우에는 제1의 신축 진동모드가 마찰부재(130)의 질량에 의한 영향을 상대적으로 많이 받아 제1의 신축 진동모드의 감소량이 제2의 굴곡 진동모드의 경우보다 훨씬 더 커지게 되고, 이로 인해 제2의 굴곡 진동모드의 주파수는 제1의 신축 진동모드의 공진 주파수 및 반공진 주파수보다 더 크게 되어 커플링 효과(coupling effect)를 기대할 수 없어 진동 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
즉, 만입 비율(x/w)이 0.1보다 작은 경우 및 0.5보다 큰 경우에는 마찰부재(130)의 부착에 의한 질량 효과가 압전모터(100)의 구동 주파수에 큰 영향을 미치게 되어 진동 특성에 큰 변화를 가져오게 되므로 압전 모터를 효과적으로 구동하고 제어하기 어렵게 된다는 문제점이 있다.
도 8을 참조하여, 마찰부재(130)의 형상에 대해 살펴본다.
도 8(a), 도 8(c) 및 도 8(d)에 도시된 바와 같이, 마찰부재(130)의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 즉, 마찰부재(130)는 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 각형단면을 가질 수도 있고, 도 8(c)에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가질 수도 있다.
그러나, 마찰부재(130)가 슬라이더 또는 로터와 접촉하여 타원 진동을 전달한다는 점에서, 상기 마찰부재(130)는 압전체(110)에서 외부로 돌출된 부분이 곡면 을 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 도 8(c) 및 도 8(d)에 도시된 바와 같이, 원형 또는 타원형 단면을 갖거나 외측으로 돌출된 부분이 반원형 또는 타원형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 마찰부재를 압전체의 오목부에 만입시켜 고정함으로써 마찰부재의 부착이 공진 주파수에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 마찰부재의 부착이 이루어지더라도 신축모드와 굴곡모드의 공진 주파수가 근접된 상태를 유지하므로 압전 모터의 구동 효율이 증대된다는 효과가 있게 된다.
그리고 본 발명에 의하면, 마찰부재가 압전체와 접촉하는 면적이 넓으므로 마찰부재의 부착 강도가 개선될 뿐만 아니라, 마찰부재를 압전체의 오목부에 위치시킴으로써 마찰부재의 고정 위치가 일정하여 부착 위치 변화에 따른 공진 주파수 변화를 막을 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (6)

  1. 인가되는 전원에 의해 길이방향으로 발생하는 제1의 신축진동모드와 두께방향으로 발생하는 제2의 굴곡진동모드를 동시에 발생시키는 압전체;
    상기 압전체의 일측에 함몰 형성된 오목부에 일부분이 만입되어 고정되며, 상기 압전체에서 발생한 진동에 의해 타원 운동을 하는 마찰부재;
    를 포함하는 압전 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰부재의 두께를 w, 상기 마찰부재가 상기 오목부에 만입된 깊이를 x라 할 때, 만입 비율(x/w)에 관하여 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
    [조건식] 0.1 ≤ x/w ≤ 0.5
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전체의 오목부는 상기 압전체에 복수 개 형성되며,
    상기 마찰부재는 상기 각각의 오목부에 만입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마찰부재는 원형 단면 또는 각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마찰부재는 상기 압전체에서 외부로 돌출된 부분이 곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
  6. 삭제
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