KR101251779B1 - 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 그 구성은, 내부가 관통되는 사각기둥형상으로 형성되는 탄성부와, 상기 탄성부의 각각의 기둥면의 내면에 형성되는 압전부와, 상기 탄성부의 각각의 모서리에 접촉하는 회전링 형상의 로터와, 상기 압전부에 구동전압을 공급하는 전원공급수단을 포함하고, 상기 각각의 압전부는 서로 반대의 분극을 가지고, 상기 전원공급수단으로부터 상기 압전부에 전원이 인가되어 로터의 회전동작이 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

초음파 모터{A Ultrasonic Motor}

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전체의 역압전 효과를 이용하여 압전체의 진동을 탄성체에서 확대하여 일정한 방향성을 가지는 변위를 일으켜 로터를 회전시키는 초음파 모터에 관한 것이다.

최근 급속한 산업의 발달과 함께 현대 산업사회의 패러다임이 IT, NT 등과 같은 고부가가치의 지식기반 산업과 높은 정밀도를 요구하는 첨단 제조업 분야를 중심으로 재편됨에 따라, 제품의 고집적도 및 생산성의 극대화, 고효율화를 뒷받침할 수 있는 새로운 원리와 방식이 도입된 모터의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.

기존의 전자식 모터는 그것을 구성하고 있는 자성 및 도전재료 등의 특성제한으로 비약적인 진보는 기대할 수가 없으므로 새로운 원리와 방식이 도입된 액추에이터의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

최근 활발한 연구가 진행되고 있는 분야 중 대표적인 것으로 압전체의 진동을 이용한 초음파 모터이다. 압전체는 페로브스카이트 구조를 가짐으로써 소자자체의 전기적인 입력에 따라 기계적인 진동을 발생한다. 압전체에서 발생된 진동은 탄성체를 통해 확대되고 이는 진동자와 이동자의 사이에 발생하는 마찰력을 회전력으로 변환하여 초음파모터로 사용한다.

초음파모터는 모터의 구조와 진동 형상에 의해 분류가 가능하며, 단일 진동형태에 의해 정재파와, 진행파형 초음라모터로 구분된다. 이러한 모터의 경우 모터의 구조에 따라 특정한 주파수를 가지는 전기적인 입력이 가해지면, 공진이 발생하고 모터의 진동은 증가한다.

이때, 인가되는 전기적인 입력은 초음파영역대의 주파수를 가지는 교류전원이며, 모터의 공진 주파수 또한 사용되는 압전체의 크기 및 두께, 모터의 형상 및 재질에 의해 결정되어 진다.

기존의 진행파형 초음파모터의 경우 공진주파수에서 발생하는 진동형태를 이용하지 않고, 근처 주파수대역에서 발생하는 진행파형 진동모드를 이용하여 모터로 적용하여 사용한다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 초음파모터는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 초음파모터의 구조는 압전체(20)과 이와 부착되어진 탄성체(10)와 슬라이더(30)로 구성되고, 압전체의 분극방향이 도 1b에 도시된 바와 같은 구조를 가진다.

압전체(20)에 전압을 인가하면 압전체의 진동에 의해 탄성체(10)에 일정한 방향으로 진행파를 일으키게 되고, 발생한 진행파는 슬라이드와 접촉하여 진행파의 반대방향으로 슬라이드 이동하게 된다. 하지만, 탄성체에 매우 많은 이빨(12)구조를 가져 복잡하고, 이를 서로 다른 분극 방향을 가지게 하는 것은 더욱 어려워 제작이 어려워지는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단하게 제조할 수 있는 초음파 모터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부가 관통되는 사각기둥형상으로 형성되는 탄성부와, 상기 탄성부의 각각의 기둥면의 내면에 형성되는 압전부와, 상기 탄성부의 각각의 모서리에 접촉하는 회전링 형상의 로터와, 상기 압전부에 구동전압을 공급하는 전원공급수단을 포함하고, 상기 각각의 압전부는 서로 반대의 분극을 가지고, 상기 전원공급수단으로부터 상기 압전부에 전원이 인가되어 로터의 회전동작이 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 탄성부는 정사각형기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 압전부는 서로 마주보는 쌍의 압전부의 분극이 서로 반대인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 압전부는, 서로 마주보는 두 쌍 중 어느 한 쌍에 공급되는 전원과 나머지 한 쌍에 공급되는 전원이 90°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명인 초음파 모터는 다음과 같은 효과를 가진다.

진동체를 각기둥형상으로 만들고 각각의 내면에 압전체를 구비시켜, 구조가 간단하여, 제작이 용이해지는 효과가 있다.

그리고, 외부 변위를 이용함으로써 케이스와 로터를 따로 필요로 하지 않으며, 케이스를 직접 로터로서 사용할 수 있어, 구조가 간단해지는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 진행파형 초음파 모터를 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 초음파 모터를 구성하는 탄성부와 압전부를 보인 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 초음파 모터의 압전부의 분극과 인가되는 전원을 보인 구조도.
도 4는 본 발명에 의한 초음파 모터에서 발생되는 진동방향을 보인 구조도.
도 5는 본 발명에 의한 초음파 모터를 구성하는 압전체에 인가되는 90도 위상차에 따른 진동자의 진동 형상을 보인 구조도.
도 6은 본 발명에 의한 초음파 모터의 진동자에서 발생하는 변위의 크기 및 형상을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 의한 광선 조사기의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 관통되는 사각기둥형상으로 형성되는 탄성부(50)와, 상기 탄성부(50)의 각각의 기둥면의 내면에 형성되는 압전부(51,52,53,54)와, 상기 탄성부(50)의 각각의 모서리(70,71,72,73)에 접촉하는 회전링 형상의 로터(100)와, 상기 압전부(51,52,53,54)에 구동전압을 공급하는 전원공급수단(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 본 발명에 의한 초음파 모터에는 탄성부(50)가 마련된다. 상기 탄성부(50)는 철, 스테인레스, 황동, 알루미늄과 같은 금속재질로 형성될 수 있으며, 아래에서 설명될 로터(100)에 직접 진동을 전달하는 역할을 한다.

또한, 상기 탄성부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 관통되는 사각기둥형상으로 형성된다. 즉, 상기 사각기둥의 외측면의 모서리 부분(70,71,72,73)이 로터(100)의 내측면에 접촉되면서 동력을 전달하게 된다.

상기 탄성부(50)는 정사각형 기둥형상으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 이는 로터(100)에 동력을 전달하도록 접촉이 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 탄성부(50)에는 압전부(51,52,53,54)가 마련된다. 상기 압전부(51,52,53,54)는 기계적 품질계수가 큰 납 티탄산 지르콘산연 계열의 압전 세라믹스가 사용될 수 있다. 상기 압전부(51,52,53,54)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 탄성부(50)의 각각의 기둥면의 내측면에 상기 압전부(51,52,53,54)가 부착된다. 즉, 4개의 압전부(51,52,53,54)가 각각의 면에 부착될 수 있다.

상기 압전부(51,52,53,54)는 4개로 구성되며, 도 2및 도 3에 도시된 바와 같이 각각 다른 분극을 가지도록 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 압전부는 서로 마주보는 쌍의 압전부(51,52,53,54)의 분극이 서로 반대로 구성되도록 할 수 있다. 이는 전원공급수단에서 교류전원이 인가될 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 탄성부(50)의 서로 대응되는 면이 같은 방향으로 진동이 발생하도록 하기 위함이다.

또한, 상기 압전부(51,52,53,54)의 상하면에는 전극(62)이 형성될 수 있으며, 상기 전극(62)으로 아래에서 설명되는 전원공급수단으로부터 교류전원이 전기적으로 연결되어 공급된다.

그리고, 상기 탄성부(50)의 외측에는 로터(100)가 마련된다. 상기 로터(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 링 형상으로 형성되어, 상기 탄성부(50)의 외측면의 모서리(70,71,72,73)와 상기 로터(100)의 내측면이 접촉되도록 하여, 상기 탄성부(50)에서 발생되는 진동으로 상기 로터(100)가 회전되도록 한다.

다음으로, 상기 압전부(51,52,53,54)에 구동전압을 공급하는 전원공급수단이 마련된다. 상기 전원공급수단은 상기 압전부(51,52,53,54)의 전극(62)에 교류전원을 공급하는 역할을 한다. 특히, 상기 전원공급수단은 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 두 쌍의 압전부(51,52,53,54) 중 어느 한 쌍에 공급되는 교류전원과 나머지 한 쌍에 공급되는 전원이 서로 90도의 위상차를 가지도록 한다.

즉, 상기 전원공급수단은 어느 한 쌍의 압전부(51,53)에 싸인파형의 교류전원이 공급되면, 나머지(52,54)에는 코사인파형의 교류전원이 공급되도록 할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 초음파 모터의 작용을 상세하게 설명한다.

도 4는, 전원공급수단으로부터 압전부(51,52,53,54)에 전원이 공급될 때, 초음파모터의 탄성부(50)의 진동 방향을 보여준다. 압전부(51,52,53,54)가 부착되어진 탄성부(50)를 하나의 바로 볼 때, 도 3에서의 분극 방향과 90도 위상차 전원을 통해 탄성부(50)의 바에서 굴곡 진동이 발생하게 된다.

발생된 굴곡 진동은 탄성부(50)의 네 모서리부분(70,71,72,73)으로 전달하게 되며, 전달된 진동은 타원형태의 변위를 나타낸다. 발생된 진동은 탄성부(50)의 바깥모서리 부분에서 로터(100)에 접촉하게 되며, 상기 로터(100)를 회전시키게 된다.

상기 탄성부(50)의 네 모서리 부분에서의 타원변위 방향은 동일한 방향을 가지며 이와 접촉된 로터(100) 또한 동일한 방향을 가지게 된다. 이때의 진동 형상은 도 3에서 예시되었던 압전부(51,52,53,54)의 분극방향과 인가되는 90도 위상차의 교류전원에 의해서 발생된다.

도 5를 참조하여, 인가되는 정현파의 경우 가청주파수 20[kHz] 이상의 교류전원을 사용한다. 인가되는 90도 위상차의 한 주기를 t0에서 t3까지로 볼 때, 각 주기별 진동자의 진동형상은 그림과 같다. t0에서는 cos신호의 교류전원이 인가되게 되며, 이때 탄성부(50)의 압전부는 X축을 기준으로 동일한 한쪽 방향의 분극 방향을 가지며 진동하는 형태 또한 동일한 진동형상을 보인다. t1에서도 동일하게 sin의 교류전원이 인가되며 Y축을 기준으로 동일한 분극 방향을 가지는 압전체 또한 동일한 진동형상을 가진다.

이 탄성부(40)의 기둥면은 서로 직교하게 되며 이때 연속적인 교류전원이 인가됨에 의해 탄성부(50)의 기둥면은 굴곡진동을 발생하게 된다. 발생한 진동은 탄성부(50)의 모서리(70,71,72,73)에 전달되며, 이때의 진동형상은 도 5에서와 같다.

도 6을 참조하여, 압전 해석 프로그램인 ATILA를 사용하여 10Vrms의 전원이 인가 시 발생하는 변위의 크기 및 형상을 나타낸 것이다. 압전(51,52,53,54)부에 인가되는 전원 및 분극 방향은 도 3에서와 동일한 것이다.

각각의 네 모서리부분(70,71,72,73)에서는 형태는 다르나 동일한 변위의 크기를 가지는 타원형태의 변위가 발생하며, 대각선으로 마주보는 변위의 크기 및 형상은 동일하다. 발생하는 탄성부(50)의 변위는 1 마이크로미터단위의 크기로 매우 작으나, 가청주파수 20[kHz]이상의 신호를 통하여 초당 20000번 이상의 진동을 발생시킨다. 도 6에서의 변위 크기는 탄성부(50)의 크기 및 압전부의 크기 및 전원의 주파수에 의해 변위의 크기 및 형태는 달라질 수 있음은 물론이다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

50: 탄성부 51,52,53,54: 압전부
100: 로터

Claims (4)

1. 내부가 관통되는 사각기둥형상으로 형성되는 탄성부;
   상기 탄성부의 각각의 기둥면의 내면에 형성되는 압전부;
   상기 탄성부의 각각의 모서리에 접촉하는 회전링 형상의 로터;
   상기 압전부에 구동전압을 공급하는 전원공급수단;
   을 포함하고,
   상기 각각의 압전부는 서로 마주보는 쌍이 서로 반대의 분극을 가지되, 서로 마주보는 쌍에서 일방의 분극 방향은 상기 탄성부의 내측을 향하고 서로 마주보는 쌍에서 타방의 분극 방향은 상기 탄성부의 외측을 향하도록 하고, 상기 전원공급수단으로부터 상기 압전부에 전원이 인가되어 로터의 회전동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 탄성부는 정사각형기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 압전부는, 서로 마주보는 두 쌍 중 어느 한 쌍에 공급되는 전원과 나머지 한 쌍에 공급되는 전원이 90°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
   
   
   

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