KR100954529B1 - 원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파회전모터 - Google Patents

원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파회전모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파 회전모터에 관한 것으로서, 더미부를 형성하지 않고 동일한 크기의 압전세라믹 구획을 원환형으로 배치하여 모든 지점에서의 회전력이 동일하며, 출력이 높은 위한 원환형 압전 초음파 공진기 및 이를 이용한 압전 초음파 회전모터를 제공한다.
본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기는 원환형이며, 인가되는 교류 전계의 파장의 1/4 길이마다 구획되는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 압전 세라믹은 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위마다 교대로 분극되고, 상기 각 구획들에는 정현파 교류전계 및 그와 위상차를 갖는 교류전계가 교대로 인가된다.
압전세라믹, 위상차, 공진기, 모터, 초음파, 진행파, 고정자, 회전자

Description

원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파 회전모터{A RING TYPE PIEZOELECTRIC ULTRASONIC RESONATOR AND A PIEZOELECTRIC ULTRASONIC ROTARY MOTOR USING THEREOF}
본 발명은 원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파 회전모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 세라믹스에 서로 다른 2상의 교류 전계를 인가함으로써 원환형 공진기에 타원의 기계적 변위를 발생시켜 회전자를 회전시킬 수 있는 원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파 회전모터에 관한 것이다.
일반적으로 압전 초음파 모터는 저속이지만 높은 토크로 직접구동이 가능하며, 빠른 응답시간을 가지며, 폭넓은 속도 영역에서 사용될 수 있고, 이동자와 고정자가 압착되어 미끄럼 없이 제어가 가능하여 정밀위치제어가 가능하며, 무게에 비해 높은 출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 이러한 압전 초음파 모터는 회전 모터 및 선형모터에 모두 사용될 수 있다. 회전모터의 공진기로서 원환형의 압전 초음파 공진기가 사용될 수 있으며, 이는 카메라 렌즈 구동용 모터, 공중전화기의 카드이송용 모터, 자동차의 접이식 사이드 미러의 구동모터, 자동차의 가동식 헤드레스 트의 동력원, 롤 커튼 권취모터, 리모컨 스테레오의 볼륨용 모터 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 회전 압전 초음파 모터의 공진기로서, 원환형 공진기(ring type resonator)가 사용된다.
이하, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 설명한다. 도 1은 종래기술에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 원환형 초음파 공진기의 압전세라믹은 복 수개로 구획된다. 대부분의 구획(10)은 인가되는 전계의 1/2파장 길이이며, 교대로 분극된다. 복 수개의 구획 중 하나는 제1 더미부(dummy portion)(11)이며, 인가되는 전계의 3/4 파장 길이로 형성되며, 분극되지 않는다. 제1 더미부(11)와 마주보는 구획인 제2 더미부(12)는 인가되는 전계의 1/4 파장 길이로 형성되며, 분극되지 않는다.
제1 더미부 및 제2 더미부(11, 12)를 기준으로 양편 구획들에는 90도의 위상차를 갖는 정현파의 교류 전계가 인가된다. 즉, 도면에서 제1 더미부(11)와 제2 더미부(12)의 우측의 구획들(1)에는 A sin wt의 교류전계가 인가되고, 좌측의 구획들(2)에는 A cos wt의 교류전계가 인가된다. 전계가 인가되면, 각 구획들은 진동한다. 제1 더미부 및 제2 더미부(11, 12)의 길이가 서로 다르기 때문에 구획들의 진동이 간섭되어 진행파(traveling wave)가 형성된다. 즉, 모든 구획의 길이가 동일하면 정지파가 형성되지만, 제1 및 제2 더미부(11, 12)에 의해 진행파가 형성된다.
이와 같은 종래기술에 따른 원환형 압전 초음파 공진기는 전계가 인가되지 않고서 수동적으로 진동하는 더미부가 있기 때문에, 각 지점에서의 회전력이 고르 지 못할 수 있으며, 더미부에서는 출력이 0이어서 공진기의 전체적인 출력이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 더미부를 형성하지 않고 동일한 크기의 압전세라믹 구획을 원환형으로 배치하여 모든 지점에서의 회전력이 동일하며, 출력이 높은 원환형 압전 초음파 공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기는 원환형이며, 인가되는 교류 전계의 파장의 1/4 길이마다 구획되는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 압전 세라믹은 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위마다 교대로 분극되고, 상기 각 구획들에는 정현파 교류전계 및 그와 위상차를 갖는 교류전계가 교대로 인가된다. 상기 압전 세라믹의 구획의 개수는 4의 정수배이어서, 원주의 길이가 파장의 정수배이다.
상기 압전 세라믹의 각 구획에 인가되는 교류전계는 인접한 구획에 대해 90도의 위상차를 갖는 것이 바람직하다.
상기 압전 세라믹에는 상기 분극단위의 첫 번째 구획들에는 외측으로 제1 전극이 형성되고, 상기 분극단위의 두 번째 구획들에는 내측으로 제2 전극이 형성되며, 상기 제1 전극과 제2 전극은 구획들에 교대로 하나씩 접속되어 상기 제1 전극에 인가되는 교류전계가 제2 전극에 인가되는 교류전계에 비해 90도 느린 위상차를 갖는 경우 상기 압전세라믹이 시계 방향으로 진행파를 생성한다. 상기 제1 전극에 인가되는 교류전계가 제2 전극에 인가되는 교류전계에 비해 90도 빠른 위상차를 갖는 경우 상기 압전세라믹이 반시계 방향으로 진행파를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 초음파 회전모터는 원환형이며, 인가되는 교류 전계의 파장의 1/4 길이마다 4의 정수배의 개수로 구획되는 원환형 압전 초음파 공진기와; 상기 압전세라믹에 접촉하여 압전세라믹의 진동이 전달되는 고정자와; 상기 고정자의 진동에 의해 발생하는 마찰력에 의해 회전하는 회전자와; 상기 회전자의 중심에 부착된 회전축과; 상기 압전세라믹, 고정자, 및 회전자를 수용하고 상기 회전축이 외부로 돌출 될 수 있도록 수용하는 하우징을 포함한다. 이 때, 상기 압전 세라믹은 두 개의 구획으로 이루어지는 분극단위마다 교대로 분극되고, 상기 각 구획들에는 정현파 교류전계 및 그와 90도의 위상차를 갖는 정현파 교류전계가 교대로 인가된다.
상기 회전자 하부에는 고정자와 직접 마찰하는 마찰링이 결합된다. 상기 고정자는 상기 원환형 압전 초음파 공진기와 접촉하는 베이스부와, 상기 베이스부에서 상기 회전자측으로 돌출된 돌기로 이루어져, 상기 돌기가 상기 마찰링과 접촉한 상태에서 변형하여 마찰링에 마찰력을 제공하는 것이 바람직하다.
상기 회전자를 고정자측으로 가압하는 판스프링을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전세라믹에 더미부를 형성하지 않고 동일한 길이로 구획하여, 각 구획들을 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위마다 교대로 분극시키고 각 구획에 90도의 위상차를 갖는 정현파 교류전계를 교대로 인가함으로써, 모든 지점에서의 에너지가 균일하며, 공진기의 출력이 높아지는 효과가 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기의 일 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기(101)는 고정자(102)와 압착되며, 공진기(101)의 진동이 고정자(102)에 그대로 전달된다. 공진기(101)의 진행파는 고정자(102)에도 진행파를 형성하며, 이러한 파장이 마찰력으로 변환되어 회전자(도시하지 않음)를 회전시키는 것이다. 압전 초음파 공진기는 인가되는 전계의 1/4 파장 길이마다 구획된 압전 세라믹을 포함하며, 구획(110)은 두 개씩 교대로 분극된다. 압전 초음파 공진기(101)의 둘레길이는 파장의 정수배이고, 따라서, 압전세라믹의 원주길이는 인가되는 전계의 파장의 정수배이다. 구획(110) 들의 외측에는 제1 전극(120)이 구비되어 정현파 교류전계가 인가되고, 인접한 구획(110)에는 내측에 제2 전극(130)이 구비되어 제1 전극에서 인가되는 전계에 대해 90도 느린 위상차를 갖는 정현파의 교류전계가 인가된다. 본 실시예에서, 두 개의 구획(110)들이 교대로 분극된다. 도면에서 (+) 또는 (-)는 세라믹의 수직방향으로 분극된 형태를 나타낸다. 두 개의 인접한 구획이 동일한 방향으로 분극되면, 그 다음의 두 개의 인접한 구획은 그들과 반대 방향으로 분극된다. 한편, 구획(110)들의 내측에서 A sin wt의 교류전계가 인가되고, 인접한 구 획(110)에는 외측에서 A cos wt의 교류전계가 인가되는데, 이러한 전류는 각 구획들에 교번적으로 인가된다. 즉, 하나의 구획에 정현파 교류전류가 인가되면, 인접한 구획에는 90도 빠르거나 느린 위상차를 갖는 교류전계가 인가된다. 결과적으로, (-) 분극과 sin파동, (+) 분극과 cos파동, (+) 분극과 sin파동, (-) 분극과 cos파동이 연속적으로 대응한다.
도 3은 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기에 전계를 인가한 경우의 진동 변위를 나타내는 그래프이다. 도 2와 같은 분극과 전계의 연속적인 배치에 의해 형성된 변위는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
ξ 1 (x,t) = Ae jwt coskx
ξ 2 (x,t) = Ae jwt +π/2 cosk (x+λ/4)
ξ 3 (x,t) = Ae jwt +π cosk (x+λ/2)
ξ 3 (x,t) = Ae jwt2 +3π/2 cosk (x+3λ/4)
여기서 A는 진폭, t는 시간, w는 진동수, k(=w/c)는 파수(wave number), c는 파동의 진행 속도이며, λ는 파장을 나타낸다.
도 3은 이러한 변위를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 시간(t)에 따라 각 구획에서의 변위가 변하며 진동한다. 최대 진폭의 위치를 살펴보면, 상기와 같은 원환형 압전 초음파 공진기의 진동은 S 방향으로 진행하는 진행파임을 확인할 수 있다.
통상적으로 압전 세라믹 공진기는 금속 등으로 이루어진 탄성체 기판의 표면에 세라믹 압전물질이 적층되어 형성되지만, 이러한 구조는 공지된 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기의 동작 및 작용, 효과를 설명한다.
도 4는 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기의 변형을 시간에 따라 도시한 사시도이고, 도 5는 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기에 인가되는 전계를 반대로 하여 인가한 경우의 원환형 압전 공진기의 변형을 시간에 따라 도시한 사시도이다.
전계가 인가되면, 원환형 압전 초음파 공진기가 변형하게 된다. 인가되는 전계가 일정주기의 정현파의 형태이기 때문에, 변형 또한 일정 주기를 갖는 진동변형이다. 전술한 바와 같이, 진동은 진행파이다.
도 4는 압전세라믹의 구획들 중 동일한 분극을 갖는 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위들의 첫 번째 구획들에 A cos wt의 교류전계가 인가되고, 두 번째 구획에 A sin wt의 교류전계가 인가된 경우이다. 이러한 경우 시계방향으로 파동이 전달된다.
도 5는 반대로 분극단위의 첫 번째 구획들에 A sin wt의 교류전계가 인가되고, 두 번째 구획들에 A sin wt의 교류전계가 인가된 경우이다. 이러한 경우 반시계방향으로 파동이 전달된다. 즉, 전계의 조절로 회전방향을 변화시킬 수 있으며, 효과적으로 회전방향을 제어할 수 있다.
원환형 압전 초음파 공진기의 구획들은 모두 동일한 간격을 가지기 때문에 제조가 용이하다. 또한, 더미부가 없기 때문에 모든 구획들이 진동하여 출력이 현저히 증가하는 장점이 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 압전 초음파 공진기가 적용된 압전 초음파 회전모터를 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 이용한 압전 초음파 회전모터를 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 이용하여 회전자를 회전시키는 과정을 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 모터의 회전모듈은 원환형 압전 초음파 공진기(101)와, 이에 접촉하는 고정자(102)와, 원판형의 회전자(104)와, 회전자(104)에 회전력을 제공하기 위하여, 회전자(104)에 결합되고, 고정자(102)와 접촉하여 마찰력을 제공받는 마찰링(103)과, 회전자(104)를 고정자(102) 측으로 가압하는 판스프링(105)과, 회전축(106)을 포함한다. 고정자(102)는 원환형 압전 초음파 공진기(101)와 접촉하는 베이스부(102a)와, 베이스부(102a)에서 회전자(104)측으로 돌출된 돌기(102b)로 이루어지며, 돌기(102b)가 마찰링(103)과 접촉한 상태에서 변형하여 마찰링(103)에 마찰력을 제공한다.
회전모듈은 모터의 하우징(107) 내에 수용되며, 회전축(106)은 하우징(107)에 구비된 베어링(108)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 원환형 압전 초음파 공진기(101)는 전선(109)으로 전계를 공급받으며, 이는 하우징(107)에 결합한다. 전계의 공급은 PCB를 이용하여 이루어질 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 돌기(102b)는 진행하는 파동에 따라 원판 형상의 회전자(104)에 마찰력을 제공한다. 회전자(104)는 판스프링(105)에 의해 하중 P로 가압되어 압박된다. 도 7의 (a)는 초기 상태를 보여주는 것이고, (b)는 원환형 압전 초음파 공진기의 변형에 따라 고정자(102)가 변형하고, 이에 따라 회전자(104)가 이동하는 것을 보여주는 것이다. 고정자는 회전하지 않고 진동에 의해 변형하여 진행파를 생성한다. 고정자(102)의 변형에 따라 돌기(102b)가 상측으로 이동하면, 회전자(104)는 일정압력(P)로 압박되기 때문에 돌기(102b)가 회전방향으로 변형하며, 마찰링(103)에 회전방향으로 마찰력을 제공한다. 마찰링(103)과 이에 결합한 회전자(104)는 돌기(102b)의 변형에 의해 밀려 회전방향으로 변위가 발생한다. 따라서, 회전자(104)가 회전하게 된다. 이러한 회전모터는 종래기술에 따른 회전모터에 비하여 출력이 높고 토크가 강하며 정밀하게 제어될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 도시한 평면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 도시한 평면도,
도 3은 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기에 전계를 인가한 경우의 진동 변위를 나타내는 그래프,
도 4는 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기의 변형을 시간에 따라 도시한 사시도,
도 5는 도 2의 원환형 압전 초음파 공진기에 인가되는 전계를 반대로 하여 인가한 경우의 원환형 압전 공진기의 변형을 시간에 따라 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 이용한 압전 초음파 회전모터를 도시한 단면도, 그리고
도 7은 본 발명에 따른 원환형 압전 초음파 공진기를 이용하여 회전자를 회전시키는 과정을 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
101: 원환형 압전 초음파 공진기 102: 고정자
104: 회전자 106: 회전축
107: 하우징 108: 베어링
109: 전선 110: 구획
120: 제1 전극 130: 제2 전극

Claims (8)

  1. 원환형이며, 인가되는 교류 전계의 파장의 1/4 길이로 구획되는 압전 세라믹을 포함하며,
    상기 압전 세라믹은 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위마다 교대로 반대 극성으로 분극되어 상기 분극단위가 연속적으로 배치되고,
    정현파 교류전계 및 그와 위상차를 갖는 교류전계가 연속적으로 배치되어 상기 각 구획들에 교대로 인가되는
    원환형 압전 초음파 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 세라믹의 구획의 개수는 4의 정수배인
    원환형 압전 초음파 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 세라믹의 상기 각 구획에 인가되는 상기 교류전계는 인접한 구획에 대해 90도의 위상차를 갖는
    원환형 압전 초음파 공진기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 세라믹의 상기 분극단위의 첫 번째 구획들에는 외측으로 제1 전극이 형성되고, 상기 분극단위의 두 번째 구획들에는 내측으로 제2 전극이 형성되며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 구획들에 교대로 하나씩 접속되어, 상기 제1 전극에 인가되는 교류전계가 상기 제2 전극에 인가되는 교류전계에 비해 90도 느린 위상차를 갖는 경우 상기 압전세라믹이 시계 방향으로 진행파를 생성하며, 상기 제1 전극에 인가되는 교류전계가 상기 제2 전극에 인가되는 교류전계에 비해 90도 빠른 위상차를 갖는 경우 상기 압전세라믹이 반시계 방향으로 진행파를 생성하는
    원환형 압전 초음파 공진기.
  5. 원환형이며, 인가되는 교류 전계의 파장의 1/4 길이로 구획되는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 압전세라믹은 두 개의 구획으로 이루어진 분극단위마다 교대로 반대 극성으로 분극되어 상기 분극단위가 연속적으로 배치되고, 정현파 교류전계 및 그와 위상차를 갖는 교류전계가 연속적으로 배치되어 상기 각 구획들에 교대로 인가되는 원환형 압전 초음파 공진기와;
    상기 압전세라믹에 접촉하여 상기 압전세라믹의 진동이 전달되는 고정자와;
    상기 고정자의 진동에 의해 발생하는 마찰력에 의해 회전하는 회전자와;
    상기 회전자의 중심에 부착된 회전축과;
    상기 압전세라믹, 상기 고정자, 및 상기 회전자를 수용하고 상기 회전축이 외부로 돌출 될 수 있도록 수용하는 하우징을 포함하는
    압전 초음파 회전 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전자 하부에는 상기 고정자와 직접 마찰하는 마찰링이 결합된
    압전 초음파 회전 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고정자는 상기 원환형 압전 초음파 공진기와 접촉하는 베이스부와,
    상기 베이스부에서 상기 회전자측으로 돌출된 돌기로 이루어지며,
    상기 돌기가 상기 마찰링과 접촉한 상태에서 변형하여 상기 마찰링에 마찰력을 제공하는
    압전 초음파 회전 모터.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자를 상기 고정자측으로 가압하는 판스프링을 더 포함하는 압전 초음파 회전 모터.
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