이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전모터를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전모터의 개략적인 정면 사시도이고, 도 4는 도 3의 압전모터의 배면도이며, 도 5는 도 3의 압전모터의 저면도이다.
도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전모터(100)는, 직육면체 형상을 갖는 압전체(110)와, 상기 압전체(110)의 상면에 부착된 한 쌍의 구동부재(121, 122)를 포함한다.
상기 압전체(110)는, 복수의 압전층들(130, 140)과, 최하단의 압전층(140)에 결합된 보호층(150)을 포함한다.
상기 복수의 압전층들(130, 140)은 총 10개가 구비되어 있다. 편의상, 위에서 아래로 카운트할 때 홀수 번째로 적층된 압전층들을 제1 압전층(130)으로, 그리고짝수 번째로 적층된 압전층들을 제2 압전층(140)으로 지칭한다. 따라서, 상기 압 전체(110)는 5개의 제1 압전층(130)과 5개의 제2 압전층(140)이 교대로 배치되며 최하단의 제2 압전층(140)에 하나의 보호층(150)이 결합된 적층 구조를 갖는다. 이러한 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140) 각각의 세부 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 압전층들(130, 140)은 외부로부터 인가된 전압에 의해 기계적인 진동을 발생시키는 압전소자로 형성된 압전판을 각각 포함하고 있다. 따라서 압전층들(130, 140)을 포함하고 있는 압전체(110)는 압전층들(130, 140)에 전압이 인가되면 구동대상물(미도시)을 구동시키는데 필요한 진동을 일으킨다.
상기 압전층들(130, 140) 각각에는 제1 전압 및 제2 전압이 인가되며, 더불어 접지 전압이 인가된다. 이를 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 보호층(150)의 저면에는 외부로부터 제1 전압, 제2 전압 및 접지 전압을 각각 인가받는 제1, 제2 및 제3 베이스 전극(151, 153, 155)이 패턴형성되어 있다. 또한 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 압전체(110)의 정면과 후면에는 제1 내지 제5 연결전극(161~165)이 압전층들(130, 140)을 가로지르도록 패턴형성되어 있다.
이때, 제1 베이스전극(151)은 제1 및 제2 연결전극(161, 162)과 전기적으로 연결되어 있고, 제2 베이스전극(153)은 제3 및 제4 연결전극(163, 164)과 전기적으로 연결되어 있으며, 제3 베이스전극(155)은 제5 연결전극(165)와 전기적으로 연결되어 있다.
그리하여, 제1 베이스전극(151)에 인가된 제1 전압은 제1 및 제2 연결전극(161, 162)을 통하여 압전층들(130, 140) 각각에 인가되며, 제2 베이스전극(153) 에 인가된 제2 전압은 제3 및 제4 연결전극(163, 164)을 통하여 압전층들(130, 140) 각각에 인가되며, 제3 베이스전극(155)에 인가된 접지 전압은 제5 연결전극(165)을 통하여 압전층들(130, 140) 각각에 인가된다.
여기서, 제1 및 제2 전압은 동일한 파형을 갖는 즉, 주파수(frequency)와 진폭(amplitude)가 서로 동일한 전압들이며, 단지 서로 간에 위상차를 갖는다. 이러한 전압들에는 다양한 형태의 파형들이 적용 가능하며, 예로써 제1 전압 및 제2 전압으로서 서로 90°의 위상차를 갖는 사인(sin) 및 코사인(cosin) 파형의 교류 전압이 각각 선택될 수 있다. 또한 접지 전압이 인가되는 상기 제3 베이스전극(155)과 이러한 제3 베이스전극(155)과 연결된 제5 연결전극(165)은 달리 표현하면 접지 전극이라 할 수 있다.
상기 한 쌍의 구동부재(121, 122)는 상기 압전체(110)의 상면에 설치되며 이격거리를 가지고 서로 평행하게 배치된다. 구체적으로는 한 쌍의 구동부재(121, 122)는 압전체(110)의 최상층에 배치된 제1 압전층(130)의 상면에 설치되며, 구동하고자 하는 구동대상물(미도시)과 접촉하도록 배치된다. 그리하여 한 쌍의 구동부재(121, 122)는 압전체(110)의 진동에 연동하여 진동함으로써 접촉된 구동대상물에 X 방향의 마찰구동력을 제공한다.
여기서 구동대상물이라는 용어는 압전모터(100)에 의해 궁극적으로 구동하고자 하는 목적물 또는 그러한 목적물과 기구적으로 연결되어 압전모터(100)의 구동력을 목적물에 전달하는 구동력 전달부재를 포함하는 의미로서 사용한다. 예를 들어, 본 실시예의 압전모터(100)가 줌렌즈의 렌즈경통을 구동하는 렌즈이송장치에 적용되는 경우, 한 쌍의 구동부재(121, 122)는 구동 목적물인 렌즈경통과 접촉하도록 배치되거나 렌즈경통에 연결된 구동력 전달부재에 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 압전체(110)에 구비된 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140)에 대해 도 6 내지 8을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 6은 도 3의 압전모터의 정면 분해 사시도이고, 도 7은 도 3의 압전모터의 후면 분해 사시도이며, 도 8은 도 6에 도시된 제1 압전층의 A-A 선에 따른 단면도와 도 6에 도시된 제2 압전층의 B-B 선에 따른 단면도를 함께 도시한 도면이다.
도 6 및 7을 참조하면, 전술한 바와 같이 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140)은 서로 번갈아 적층된다. 그리고 압전체(110)의 최상층으로 배치되는 제1 압전층(130)에는 한 쌍의 구동부재(121, 122)가 설치되며, 최하층으로 배치되는 제2 압전층(140)에는 전술한 보호층(150)이 결합된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 압전층들(130, 140)과 보호층(150)의 전측면에는 각각 제1, 제5 및 제3 서브 연결전극(161a, 165a, 163a)가 패턴형성되어 있다. 그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 압전층들(130, 140)과 보호층(150)의 후측면에는 각각 제2 및 제4 서브 연결전극(162a, 164a)이 패턴형성되어 있다. 이러한 제1 내지 제5 서브 연결전극(161a~165a)은 각각 전술한 제1 내지 제5 연결전극(161~165)을 형성하는 단위체이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 압전층(130)은, 직사각의 플레이트 형상을 갖는 압전판(131)과, 압전판(131)의 하면에 패턴형성된 제1 내지 제4 전극(132a~132d)과, 압전판(131)의 상면에 패턴형성된 제5 전극(133)을 포함한다.
상기 압전판(131)은 외부 전압이 인가되는 진동을 일으키는 압전소자로 형성된다. 그리고 압전판(131)은 길이방향을 따라 좌측으로부터 우측으로 순차적으로 배열된 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)로 구성된다.
이러한 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)은, 하면에는 상기 제1 내지 제4 전극(132a~132d)이 각각 자리잡고 있으며, 상면에는 공통적으로 제5 전극(133)이 자리잡고 있다. 이러한 제1 내지 제5 전극(132a~132d, 133)은 각각 전술한 제1 내지 제5 서브 연결전극(161a~165a) 각각에 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 및 제2 전극(132a, 132b)에는 제1 베이스전극(151)과 연결된 제1 및 제2 서브 연결전극(161a, 162a)을 통하여 제1 전압이 인가되고, 제3 및 제4 전극(132c, 132d)에는 제2 베이스전극(153)과 연결된 제3 및 제4 서브 연결전극(163a, 164a)을 통하여 제2 전압이 인가되며, 제5 전극(133)은 접지전극인 제3 베이스전극(155)와 연결된 제5 서브 연결전극(165a)을 통하여 접지 전압이 인가된다.
또한 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)은 각각 어느 한 방향으로 분극되는데, 방향이 순차적으로 반전되는 분극방향들(134a~134d)을 갖는다. 즉, 제1 및 제3 진동셀(131a, 131c)의 분극방향(134a, 134c)은 하방이며, 제2 및 제4 진동셀(131b, 131d)의 분극방향(134b, 134d)은 상방이다. 다른 실시예에서는, 본 실시예와 반대로, 제1 및 제3 진동셀(131a, 131c)의 분극방향(134a, 134c)은 상방이고, 제2 및 제4 진동셀(131b, 131d)의 분극방향(134b, 134d)은 하방일 수 있다.
상기와 같은 전극들의 배치 및 분극방향들에 의해, 압전판(131)의 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)은 서로 다른 위상의 진동변위를 갖게 된다. 즉, 제1 전압이 인가되는 제1 및 제2 진동셀(131a, 131b)의 진동변위와 제2 전압이 인가되는 제3 및 제4 진동셀(131c, 131d)의 진동변위 사이에는 제1 전압과 제2 전압의 위상차에 대응하는 위상차가 발생된다. 또한, 제1 진동셀(131a)과 제2 진동셀(131b)은 동일하게 제1 전압이 인가되지만, 서로 반대방향으로 분극되어 있으므로 그 진동변위들 간에 180°의 위상차가 발생된다. 마찬가지로, 제3 진동셀(131c)과 제4 진동셀(131d)도 동일한 제2 전압이 인가되지만, 서로 반대방향으로 분극되어 있으므로 그 진동변위들 간에 180°의 위상차가 발생된다.
도 8을 또한 참조하면, 상기 제2 압전층(140)은 전술한 제1 압전층(130)과 물리적으로 완전히 동일한 구조를 갖는다.
따라서 제2 압전층(140)도, 제1 압전층(130)과 마찬가지로, 제1 내지 제4 진동셀(141a~141d)을 구비하는 압전판(141)과, 제1 내지 제4 전극(142a~142d)과, 제5 전극(143)을 포함한다. 또한, 제1 및 제2 전극(142a, 142b)에는 제1 및 제2 서브 연결전극(161a, 162a)을 통하여 제1 전압이 인가되고, 제3 및 제4 전극(142c, 142d)에는 제3 및 제4 서브 연결전극(163a, 164a)을 통하여 제2 전압이 인가되며, 제5 전극(143)은 제5 서브 연결전극(165a)과 연결됨으로써 접지 전압이 인가된다.
다만 제2 압전층(140)은 제1 압전층(130)이 압전체(110)의 길이방향(X 방향)을 축으로 180°반전(회전)된 것과 같은 배치를 갖는다.
이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 압전층(140)의 제1 내지 제4 전극(142a~142d)은 이웃하는 제1 압전층(130)의 제1 내지 제4 전극(132a~132d)과 마주보도록 배치되며, 제2 압전층(140)의 제5 전극(접지전극, 143)은 제1 압전 층(130)의 제5 전극(접지전극, 133)과 서로 반대 방향을 향하도록 배치된다. 또한, 제2 압전층(140)의 제1 내지 제4 진동셀(141a~141d)의 분극방향들(144a~144d)은 각각 제1 압전층(130)의 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)의 분극방향들(134a~134d)과 반대가 된다.
이때, 제2 압전층(140)은 제1 압전층(130)이 X 방향에 대해 반전된 것과 같은 배치를 갖더라도, 제2 압전층(140)의 제1 내지 제4 진동셀(141a~141d)의 분극방향들(144a~144d)도 함께 반전되므로, 제2 압전층(140)의 제1 내지 제4 진동셀(141a~141d)의 진동변위들은 각각 제1 압전층(130)의 제1 내지 제4 진동셀(131a~131d)의 진동변위들과 동일하게 된다.
이에 대해 제1 압전층(130)의 제1 진동셀(131a)과 제2 압전층(140)의 진동셀(141a)을 예로 들어 추가적으로 설명하면 다음과 같다. 도 8을 참조하면, 제1 압전층(130)의 제1 진동셀(131a)은 하면에 형성된 제1 전극(132a)를 통하여 제1 전압을 인가받으며, 제2 압전층(140)의 제1 진동셀(141a)은 상면에 형성된 제1 전극(142a)을 통하여 마찬가지로 제1 전압을 인가받는다.
이처럼 제1 압전층(130)의 제1 진동셀(131a)과 제2 압전층(140)의 제1 진동셀(141a)은 제1 전극(132a, 142a)이 형성된 위치가 서로 반대가 되므로, 동일한 제1 전압을 인가받는 두 진동셀(131a, 141a)의 진동변위 사이에는 180°의 위상차가 발생한다. 하지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 압전층(130)의 제1 진동셀(131a)의 분극방향(134a)와 제2 압전층(140)의 제1 진동셀(141a)의 분극방향(144a)이 서로 반대이므로, 두 진동셀(131a, 141a)의 진동변위 사이에는 180°의 위상차가 추가적으로 발생한다.
이처럼 두 진동셀(131a, 141a)의 진동변위 사이에는 전체적으로 360°의 위상차가 발생되나, 360°의 위상차는 위상차가 없음을 의미하는 것과 같으므로 결과적으로 동일한 제1 전압을 인가받는 두 진동셀(131a, 141a)의 진동변위는 동일해진다. 같은 원리로, 제1 압전층(130)의 제2 내지 제4 진동셀(131b~131d)와 제2 압전층(140)의 제2 내지 제4 진동셀(141b~141d)은 진동변위가 서로 동일하게 된다.
이와 같이 압전체(110)에 적층되는 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140)은 동일한 물리적 구조를 가지므로, 압전모터(100) 제조시 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140)에 대한 설계를 달리할 필요가 없는 이점이 있다.
또한 제2 압전층(140)은 제1 압전층(130)이 X 방향을 중심축으로 하여 상하면이 반전된 것과 같은 배치를 갖도록 적층됨으로써, 어느 압전층(130, 140)의 제1 내지 제4 전극(132a~132d ; 142a~142d)이 이웃한 다른 압전층(140, 130)에 형성된 접지전극인 제5 전극(143 ; 133)의 접촉을 방지하는 절연막을 추가적으로 마련하지 않아도 되는 이점이 있다. 이에 대해 부연 설명하면, 도 8에서와 달리 제2 압전층(140)의 상하면이 반전되지 않고 제1 압전층(130)과 동일한 방식으로 적층된 경우, 제1 압전층(130)의 제1 내지 제4 전극(132a~132d)과 제2 압전층의 접지전극인 제5 전극(143)이 접촉되므로, 이러한 접촉을 방지하기 위해 제1 압전층(130)과 제2 압전층(140) 사이에는 추가적인 절연막이 필요하게 된다.
도 8에서 미설명된 부호 135 및 145는 각각 제1 및 제2 압전층(130 ; 140)에 구비된 압전판(131 ; 141)의 상하면에서 제1 내지 제5 전극들(132a~132d, 133 ; 142a~142d, 143)이 형성되지 않은 영역에 커버하는 절연막들이다.
본 실시예의 압전모터(100)의 동작을 앞서 참조된 도 3 내지 8과 함께 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 도 3의 압전모터에 구비된 압전체와 유사구조를 갖는 압전체의 진동모습을 촬영한 사시도이다. 도 9에 도시된 압전체(110')는 본 실시예의 압전체(110)와 비교하여 압전층의 개수에서만 차이가 있다. 하지만, 도 9의 압전체(110')는 본 실시예의 압전모터(110)와 나머지 구성들은 동일하므로, 도 9의 압전체(110')로부터 본 실시예의 압전모터(110)가 진동하는 모습을 이해할 수 있다.
우선 압전체(110)의 보호층(150) 하면에 형성된 제1 및 제2 베이스전극(151, 153, 도 5 참조)에 위상차(예로써 90°)를 갖는 제1 및 제2 전압을 각각 인가한다.
그러면 제1 전압은, 압전체(110)의 정면에 형성된 제1 연결전극(161, 도 3 참조)을 통하여 압전층들(130, 140)의 제1 전극(132a, 142a, 도 8 참조)에 인가되며, 동시에 압전체(110)의 후면에 형성된 제2 연결전극(162, 도 4 참조)을 통하여 압전층들(130, 140)의 제2 전극(132b, 142b, 도 8 참조)에 인가된다.
한편 제2 전압은, 압전체(110)의 정면에 형성된 제3 연결전극(163, 도 3 참조)을 통하여 압전층들(130, 140)의 제3 전극(132c, 142c, 도 8 참조)에 인가되며, 동시에 압전체(110)의 후면에 형성된 제4 연결전극(164, 도 4 참조)을 통하여 압전층들(130, 140)의 제4 전극(132d, 142d, 도 8 참조)에 인가된다.
이때 압전층(130, 140)에 형성된 제5 전극들(133, 143, 도 8 참조)은 압전체(110)의 정면에 형성된 제5 연결전극(165, 도 3 참조)을 통하여 보호층(150)의 하면에 형성된 접지전극인 제3 베이스전극(155, 도 5 참조)와 연결되어 있어 접지전극으로서 작용한다.
제1 및 제2 전압이 압전층들(130, 140)에 인가됨에 따라, 본 실시예의 압전체(110)은 도 9에 도시된 압전체(110')와 동일한 양상으로 진동을 하게 된다. 즉, 압전체(110)는 길이방향(X 방향)의 신축진동과 두께방향(Z 방향)의 굽힘진동이 조합된 진동변위를 일으킨다. 이러한 압전체(110)의 진동에 연동하여 압전체(110)의 상면에 설치된 한 쌍의 구동부재(121, 122, 도 3 참조)가 함께 진동하며, 이때 한 쌍의 구동부재(121, 122)에 접촉된 구동대상물은 구동부재(121, 122)로부터 X 방향의 마찰구동력을 받아 X 방향으로 구동된다.
본 실시예의 압전모터(100)의 성능을 검증하기 위해, 도 1에 도시된 종래의 압전모터(10)와 비교하는 테스트를 수행하였다. 본 테스트에 사용된 본 실시예의 압전모터(100)와 종래의 압전모터(10)는 동일한 크기를 가지며 인가되는 전압들도 동일하다. 단지 본 실시예의 압전모터(100)는 각 압전층들(130, 140)이 네 개의 진동셀을 가짐에 비하여 종래의 압전모터(10)의 각 압전층들(21)은 단지 두 개의 진동셀을 갖는다.
상기 테스트의 수행 결과를 도 10 및 11에 그래프로 도시하였다. 도 10은 종래의 압전모터의 변형량을 인가되는 전압의 주파수에 따라 도시한 그래프이며, 도 11은 도 3의 압전모터의 변형량을 인가되는 전압의 주파수에 따라 도시한 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이 종래의 압전모터(10)의 대략 1.9 X 10-6 m의 최대 변형량을 나타냈으며, 도 11에 도시된 바와 같이 본 실시예의 압전모터(100)는 대략 2.6 X 10-6 m의 최대 변형량을 나타냈다. 이처럼 동일 조건에서 본 실시예의 압전모터(100)의 최대 변형량이 종래의 압전모터(10)의 최대 변형량보다 대략 0.7 X 10-6 m 더 크게 나타났으며, 이로부터 본 실시예의 압전모터(100)의 성능이 종래보다 더 향상됨을 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 실시예의 압전모터(100)에 의하면 적층된 압전층(130 ; 140)들 각각에 네 개의 진동셀들(131a~131d ; 141a~141d)을 구비함으로써, 각각의 압전층에 단지 두 개의 진동셀들이 구비된 종래의 압전모터에 비해 성능이 보다 향상될 수 있다.