KR101124807B1 - 압전 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 초음파 모터에 관한 것으로 보다 상세하게는 압전 소자에 인가되는 전계에 따라 압전 소자가 부착된 탄성체에 발생되는 물리적 변위를 이용하여 이동체를 선형 혹은 회전 구동하는 압전 초음파 모터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 구동방향과 동일하도록 배치되는 제1 압전체와 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 중심축에 수직인 선상에서 중심축에 근접 또는 이격되는 방향으로 배치되는 제2 압전체와 일면 또는 양면에 제1 압전체와 제2 압전체가 부착되고 일단이 고정되는 기역자(ㄱ자) 형상의 탄성체 고정자로 구성된 최소한 한 개의 압전 구동부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 동일 구조의 압전 구동부를 사용하여 추가되는 부품의 부가 없이 선형 및 회전 운동을 일으킬 수 있는 압전 초음파 모터를 제작할 수 있고 구조가 간단하다는 장점을 갖는다.

Description

압전 초음파 모터{Piezoelectric Ultrasonic Motor}

본 발명은 압전 초음파 모터에 관한 것으로 보다 상세하게는 압전 소자에 인가되는 전계에 따라 압전 소자가 부착된 탄성체에 발생되는 물리적 변위를 이용하여 이동체를 선형 혹은 회전 구동하는 압전 초음파 모터에 관한 것이다.

압전 초음파 모터는 유전체의 일종인 압전소자에 전계를 인가하면 압전소자에 물리적 변위가 발생되는 역압전 효과를 이용한 모터를 말한다. 수정이나 로셀염 등의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하여 전압이 발생하는 현상을 직접 압전 효과라고 하며, 이와 반대로 전압을 인가하면 결정판이 물리적 변형을 일으키는 현상을 역압전 효과라 한다. 직접 압전 효과와 역압전 효과 모두를 압전 효과(Piezoelectric Effect)라 한다. 이러한 압전 효과를 발생하는 소자를 압전소자라 하며, 대표적인 압전소자에는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)의 화합물인 PZT가 있다. 기존의 자계를 이용한 전자력 모터는 대체로 소비전력이 크고 발열 및 전자적인 잡음이 있으며 중량에 대한 Power 비가 작다는 결점이 있다. 전계를 이용하는 압전 초음파 모터는 전자파 및 자계의 영향을 받지 않으며, 전자력 모터에 비해서 고 토크, 저 구동 전력, 구조가 간단하여 소형화가 가능한 장점이 있어서 카메라의 자동 초점 조절 모터, 로보트의 관절 구동 모터, 각종 정밀 기기의 위치 제어에 사용되고 있다.

기존의 압전 리니어 모터는 양단이 고정된 압전체의 중심부에 이동축을 부착하고 이동축을 선형 왕복운동 하게 함으로써 이동 축에 구비된 이동체를 선형 이동시키는 구조이다. 또 기존의 압전 회전 모터는 환원형(Ring type), 원판형(Disk type) 고정자에 발생되는 표면 진행파를 이용하여 가압 접촉된 이동체를 진동 회전시키는 구조로 각각 이동체의 지지가 어려운 단점, 질량이 크게 되는 단점이 있다. 본 발명은 보다 단순한 구조와 압전체의 진동으로 고정자가 이동자를 직접 선형 혹은 회전 구동할 수 있는 압전 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 양상에 따라 본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 구동방향과 동일하도록 배치되는 제1 압전체와 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 중심축에 수직인 선상에서 중심축에 근접 또는 이격되는 방향으로 배치되는 제2 압전체와 일면 또는 양면에 제1 압전체와 제2 압전체가 부착되고 일단이 고정되는 기역자(ㄱ자) 형상의 탄성체 고정자로 구성된 최소한 한 개의 압전 구동부를 포함하여 구성된다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 PCB(Printed Circuit Board)에 실장되어 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라 본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 이동체의 외주 면이나 일 측면 또는 양 측면에 베어링이나 마찰재를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 동일 구조의 압전 구동부를 사용하여 추가되는 부품의 부가 없이 선형 및 회전 운동을 일으킬 수 있는 압전 초음파 모터를 제작할 수 있고 구조가 간단하다는 장점을 갖는다.

도 1은 압전체가 부착된 탄성체의 변위 원리를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 3은 본 발명의 압전 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 압전 회전 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 6는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 압전 리니어 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 7은 본 발명에 따른 회전운동과 직선 운동을 구현하는 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

먼저, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명에 따른 압전체의 굴곡 변위 원리를 개략적으로 설명하기로 한다.

도 1(a)에 도시된 바와 같이 탄성체 고정자(20)에 부착된 압전체(10)의 분극 방향이 화살표 P의 방향과 같은 경우, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 압전체(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 같을 때에는 길이 방향으로 수축이 일어나게 되어 일단이 고정된 탄성체 고정자의 끝단은 위쪽 방향으로 변위를 나타내게 된다. 그리고, 도 1(c)에 도시된 바와 같이 압전체(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 반대가 될 때에는 길이 방향으로 팽창이 일어나게 되어 일단이 고정된 탄성체 고정자(20)의 끝단은 아래쪽 방향으로 변위를 나타내게 된다. 상기 탄성체 고정자(20)는 압전체(10)로 부터 전달되는 진동이 손실없이 직접적으로 전달되고 동작할 수 있는 일정한 두께를 가지는 탄성특성이 우수한 금속물질이라면 사용이 가능하며, 인청동 재질이 이에 속한다.

이상 압전체(10)에 전압을 인가한 경우 굴곡 변위 원리를 설명하였으나 압전체(10)가 아니라 전왜체를 사용한 경우에도 동일한 굴곡 변위 현상이 발생하게 된다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도 2(a)는 압전 초음파 모터의 평면도, 도 2(b)는 압전 초음파 모터 S 방향에서 본 측면도, 도 2(c)는 압전 초음파 모터를 F 방향에서 본 측면도이다. 여기에서 압전체(10a, 10b)의 양면에는 전극이 부착되어 있고(도시되지 않음) 전압 인가를 위한 전선의 soldering이 가능하다. 또한 압전체(10a, 10b)는 도전성 에폭시 수지와 같은 접착제를 도포하고 탄성체 고정자(20)에 열경화하여 고정시킬 수 있다. 탄성체 고정자(20)는 베이스(40)에 장착시 탄성체 고정자(20) 자체의 탄성으로 오토포커스 렌즈 어셈블리(80) 질량의 10배 정도의 정지 마찰력을 극복할 수 있도록 배치하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 압전 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이다. 압전체(10a, 10b)의 분극 방향이 도 1(a)에 도시된 바와 같을때, 도 2(a)의 제1 압전체(10a)에 구동전원A(200)를 통하여 도 3(a) A와 같은 정현파 전압을 인가하고, 도 2(a)의 제2 압전체(10b)에 구동전원B(201)를 통하여 도 3(a) B와 같이 도 3(a) A와 90도 위상 차를 갖는 정현파 전압을 인가하면, 오토포커스 렌즈 어셈블리(80) 중심부로의 방향을 z축, 오토포커스 렌즈 어셈블리(80) 축방향을 y축으로 가정했을시, 도 2(a)의 탄성체 고정자(20)의 끝단은 도 3(b)와 같이 처음 0의 위치에서 시간에 따라 t1→t2→t3→t4의 궤적을 따라 이동을 반복하여 오토포커스 렌즈 어셈블리(80)는 탄성체 고정자(20)의 끝단과 오토포커스 렌즈 어셈블리(80)는 측면의 가이드(85)에 작용하는 마찰력에 의해 아래 방향으로 선형 이동한다.

도 3(a)와 반대 극성의 정현파 전압을 인가하면 탄성체 고정자(20)의 끝단은 도 3(b)에서 처음 0의 위치에서 시간에 따라 t3→t2→t1→t4의 궤적을 따라 이동을 반복하여 오토포커스 렌즈 어셈블리(80)는 탄성체 고정자(20)의 끝단과 오토포커스 렌즈 어셈블리(80)는 측면의 가이드(85)에 작용하는 마찰력에 의해 윗 방향으로 선형 이동한다.

도 3(c)와 같이 제2 압전체(10b)에 도 3(c) B와 같은 반파 정류된 정현파 전압이 인가되면 탄성체 고정자(20)의 끝단은 도 3(d)와 같이 변경된 t1→t2→t3→t4의 궤적을 따라 동작한다. 여기에서 t3 ~ t1는 제1 압전체(10a)의 진동에 의해 유발된 변위, t4 ~ t2는 제2 압전체(10b)의 진동에 의해 유발된 변위이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 PCB에 장착된 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도 4(a)는 상하 운동을 구현하기 위한 압전 리니어 모터의 평면도, 도 4(b)는 상하 운동 압전 리니어 모터의 구동부를 S 방향에서 본 측면도, 도 4(c)는 상하 운동 압전 리니어 모터의 구동부를 F 방향에서 본 측면도이다. 도 4(d)는 탄성체 고정자(20)의 양면에 제1 압전체(10a), 제2 압전체(10b)가 부착된 압전 리니어 모터의 구동부를 S 방향에서 본 측면도, 도 4(e)는 탄성체 고정자(20)의 양면에 제1 압전체(10a), 제2 압전체(10b)가 부착된 압전 리니어 모터의 구동부를 F 방향에서 본 측면도이다.

도 2(a)의 압전 초음파 모터는 장착 면적을 최소화 시키기 위해 탄성체 고정자(20)의 측면에서 오토포커스 렌즈 어셈블리(80)와 접촉하는 구조이고, 도 4(a)의 압전 초음파 모터는 탄성체 고정자(20)의 끝단으로 이동체(30)와 접촉하는 구조이다. 도 4(a)의 압전 초음파 모터의 경우 도 2(a)의 압전 초음파 모터와 동작 원리가 동일하므로 자세한 설명은 여기서는 생략한다.

도 4와 같이 이동체의 구동을 필요로 하는 전자기기의 PCB에 본 발명의 압전 초음파 모터를 Soldering 혹은 나사 체결 등을 통하여 직접 장착시 전자기기의 부피를 줄일 수 있고 제조원가를 절감할 수 있다. 또한 압전구동부를 추가로 배치하는 경우 구동 토크를 증가시킬 수 있다.

도 4(d)와 도 4(e)는 탄성체 고정자(20)의 양면에 압전체를 부착한 바이모프(Bimorph) 구조로 구동시 인가 전압을 낮출 수 있다. 또한 각 면의 압전체는 분극방향을 적절히 조합하여 진동 변위가 최대가 되도록 배치할 수 있다.

도 5와 도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 지지 수단으로 베어링이나 마찰재가 배치된 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도 5는 압전 구동부B(101)에 의해 구동되는 회전 이동체(30)의 외주 면에 베어링(70)이 배치된 압전 회전 모터를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 6(a)는 압전 구동부B(101)에 의해 구동되는 선형 이동체(30)의 일 측면에 마찰재(90)가 배치된 압전 리니어 모터를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 6(b)는 압전 구동부B(101)를 S 방향에서 본 측면도, 도 6(c)는 압전 구동부B(101)를 F 방향에서 본 측면도이다. 도 6(d)는 베어링(70)의 측면도, 도 6(e)는 마찰재(90)의 측면도이다

도 5와 도 6(a)의 압전 구동부B(101)의 동작 원리는 위에 설명한 압전 구동부A(101)의 동작 원리와 유사하다. 제1 압전체(10a)에 구동전원A(200)를 통하여 도 3(a) A와 같은 정현파 전압을 인가하고, 제2 압전체(10b)에 구동전원B(201)를 통하여 도 3(a) B와 같이 도 3(a) A와 90도 위상 차를 갖는 정현파 전압을 인가하면, 이동체(30) 중심부로의 방향을 z축, 도 5(b) 선형 이동체(30)의 축방향을 y축으로 가정했을시, 도 5(a)와 도 5(b)의 탄성체 고정자(20)의 끝단은 도 3(b)와 같이 처음 0의 위치에서 시간에 따라 t1→t2→t3→t4의 궤적을 따라 이동을 반복하여 이동체(30)는 탄성체 고정자(20)의 끝단과 이동체(30) 측면에 작용하는 마찰력에 의해 A 방향으로 회전 또는 선형 이동한다.

도 3(a)와 반대 극성의 정현파 전압을 인가하면 탄성체 고정자(20)의 끝단은 도 3(b)에서 처음 0의 위치에서 시간에 따라 t3→t2→t1→t4의 궤적을 따라 이동을 반복하여 이동체(30)는 탄성체 고정자(20)의 끝단과 이동체(30) 측면에 작용하는 마찰력에 의해 B 방향으로 회전 또는 선형 이동한다.

본 발명의 압전 초음파 모터는 사용 용도에 따라 도 5나 도 6(a)와 같이 압전 구동부의 수량를 줄이고, 대신 탄성체 고정자(20)의 끝단과 이동체(30) 표면과의 적절한 정지 마찰력을 확보하고 이동체의 지지 수단으로 이동체의 외주 면이나 이동체의 일 측면 또는 양 측면에 베어링(70)이나 비금속 브레이크 재로 만든 마찰재(90)를 배치하여 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 회전운동과 직선 운동을 구현하는 압전 초음파 모터를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도 7과 같이 압전 구동부A(100)과 압전 구동부B(101)를 함께 배치하고 압전 구동부A(100)에 구동 신호를 인가하면 원형축 형태의 이동체(30)은 축 방향으로 직선 운동을 하고, 압전 구동부B(101)에 구동 신호를 인가하면 원형축 형태의 이동체(30)은 회전 운동을 한다.

본 명세서에서는 압전체(10a, 10b)에 인가되는 구동 신호로 정현파로 설명하였으나, 구형파, 삼각파 등의 기타 다양한 파형의 신호가 구동신호로 사용될 수 있을 것이다. 또한 압전체(10a, 10b)에 인가되는 구동 신호의 위상차는 90도로 설명하였으나 그외 소정의 위상 차로 인가할 수 있으며, 복수 개의 압전 구동부(100,101)가 배치되는 경우 시간 차를 조절하여 각각의 압전 구동부(100,101)를 구동함으로써 압전 초음파 모터의 구동 토크를 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만 여기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주에 벗어남이 없이 당업자라면 자명하게 도출 가능한 많은 변형 예들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의해 해석되어져야 한다.

10 : 압전체 혹은 전왜체
10a : 제1 압전체 혹은 전왜체
10b : 제2 압전체 혹은 전왜체
20 : 탄성체 고정자
25 : 고정단
30 : 이동체
40 : 베이스
45 : PCB
50 : Solder Pad
60 : 연결선
70 : 베어링
80 : 오토포커스 렌즈 어셈블리
85 : 가이드
90 : 마찰재
100 : 압전 구동부A
101 : 압전 구동부B
200 : 구동 전원A
201 : 구동 전원B

Claims (3)

1. 양면에 형성된 전극으로부터 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 구동방향과 동일하도록 배치되는 제1 압전체와;
   양면에 형성된 전극으로부터 인가되는 전계에 의해 발생되는 물리적 변위가 이동체의 중심축에 수직인 선상에서 중심축에 근접 또는 이격되는 방향으로 배치되는 제2 압전체와;
   일면 또는 양면에 제1 압전체와 제2 압전체가 부착되고 일단이 고정되는 기역자(ㄱ자) 형상의 탄성체 고정자로 구성된 최소한 한 개의 압전 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 구동부가;
   PCB(인쇄 회로 기판)에 직접 실장되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 이동체의 외주 면이나 일 측면 또는 양 측면에 베어링이나 마찰재를 더포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.
   

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