KR101636909B1 - 압전 초음파 모터 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

압전 초음파 모터와 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 초음파 모터는 인가된 전압 신호에 의해 진행파를 생성하는 압전체와, 압전체에 부착되어 진동하는 진동체와, 진동체와 접촉하여, 진동하는 진동체와의 마찰에 의해 회전 구동하는 회전체를 구비한다. 이 회전체는 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비한 판 스프링 부재와, 판 스프링 부재를 지지하기 위하여 판 스프링 부재와 결합된 지지 부재와, 판 스프링 부재 및 지지 부재에 의해 둘러 쌓인 완충 공간을 구비한다.

Description

압전 초음파 모터 및 이의 제조방법{Piezoelectric ultrasonic motor and method for fabricating the same}
진동체와 회전제의 마찰에 의해 구동력을 갖는 압전 초음파 모터와 이의 제조방법이 개시된다.
압전 초음파 모터는 구동 주파수가 인간이 감지할 수 없는 20kHz 이상의 초음파인 구동 전압을 인가하여 진동체와 회전체의 마찰에 의해 회전 구동하는 모터이다. 압전 초음파 모터는 고속 및 고토오크(high torque)인 전자기 모터와 달리 저속 및 고토오크의 특징을 가지며, 별도의 감속기어 없이 직접 구동이 가능한 특징을 갖는다. 또한, 압전 초음파 모터는 마찰력에 의해 자체 브레이크 기능을 갖추고 있고, 코일이나 자성체를 사용하지 않으므로 전자파가 발생하지 않으며, 정밀한 위치 제어가 가능하고 콤팩트(compact)한 사이즈를 가지므로 정밀 기기 등의 시스템에 적용하기 용이하다. 압전 초음파 모터는 로봇, 의료 장비, 카메라, 반도체 검사 장비, 빌딩 자동화 기기 등 초정밀 위치 제어를 필요로 하는 분야에 이용되고 있다.
통상적인 압전 초음파 모터의 회전체와 진동체는 금속의 절삭 가공으로 제 작되며 진동체의 마찰면의 평탄도가 일정하게 관리되지 않을 경우를 대비하여 접촉체에 스프링 구조를 내재하고 진동체와 회전체를 가압하여 일정한 마찰을 유지한다. 그러나, 절삭 가공에 의해 형성된 회전체의 스프링 구조는 형태가 복잡하고 두께가 얇기 때문에 가공이 용이하지 않고 회전체의 평탄도 관리도 쉽지 않다.
또한 상기 회전체의 내마모 특성을 향상시키기 위하여 진동체와 회전체의 표면에 얇은 내마모 코팅층이 형성될 수 있는데, 금속을 절삭 가공하여 스프링 구조를 형성하면 버르(burr)가 발생하므로, 이 버르를 제거하는 후처리를 행하지 않고 내마모 코팅층을 형성하면 이 버르로 인해 내마모 코팅층의 두께가 일정하게 유지되기 어렵다. 이로 인해 내마모 코팅층의 손상이 부분적으로 촉진되어 회전체의 내마모 특성이 열화되고, 구동 소음이 증대되며, 효율이 저하될 수 있다.
내마모 특성의 열화를 방지하면서도 제조 비용 및 제조 시간의 절감이 가능한 회전체를 갖는 압전 초음파 모터 및 이의 제조방법이 개시된다.
인가된 전압 신호에 의해 진행파를 생성하는 압전체; 상기 압전체에 부착되어 진동하는 진동체; 및, 상기 진동체와 접촉하여, 상기 진동하는 진동체와의 마찰에 의해 회전 구동하는 회전체;를 구비하고, 상기 회전체는 상기 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비한 판 스프링 부재와, 상기 판 스프링 부재를 지지하기 위하여 상기 판 스프링 부재와 결합된 지지 부재와, 상기 판 스프링 부재 및 지지 부재에 의해 둘러 쌓인 완충 공간을 구비한 압전 초음파 모터가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 압전체, 진동체, 및 회전체는 링(ring) 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재는 양 측 모서리가 상기 지지 부재에 결합되고, 상기 지지 부재에 결합되는 양 측 모서리 사이의 굽어진 일부분에 상기 접촉부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 접촉부의 단면은 곡면일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재와 지지 부재는 서로 고유 진동수가 다를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재와 지지 부재 간 소음 또는 마모를 억제하기 위하여 상기 판 스프링 부재와 지지 부재의 결합 부위에 탄성재 또는 내마모재가 개재될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재는 상기 진동체와 접촉되는 상기 접촉부의 일 측면에 내마모 코팅층을 더 구비할 수 있다.
또한, 인가된 전압 신호에 의해 진행파를 생성하는 압전체에 진동체를 부착하는 단계; 상기 진동체와의 마찰에 의해 회전 구동하는 회전체를 준비하는 단계; 및, 상기 회전체를 상기 진동체에 접촉시키는 단계;를 구비하고, 상기 회전체를 준비하는 단계는, 상기 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비한 판 스프링 부재를 준비하는 단계와, 상기 판 스프링 부재를 지지 부재에 결합하는 단계를 구비한 압전 초음파 모터의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면,상기 판 스프링 부재는 금속 다이캐스팅(die-casting) 또는 금속판의 프레스 가공에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재를 준비하는 단계는 상기 접촉부의 단면을 곡면으로 형성하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 판 스프링 부재를 준비하는 단계는 상기 진동체와 접촉되는 상기 접촉부의 일 측면에 내마모 코팅층을 형성하는 단계를 구비할 수 있다.
개시된 본 발명의 실시예에 따르면, 회전체 중에서 적어도 진동체와 접촉하는 부분은 절삭 가공에 의하지 않고 제조될 수 있다. 따라서, 제조 시간 및 제조 비용의 절감이 가능하며 회전체의 내마모성 향상으로 기대 수명이 연장 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 초음파 모터 및 이의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 모터를 도시한 부분 절개 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 접촉체를 도시한 부분 절개 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 접촉체를 도시한 단면도이다. 도 4는 도 2의 접촉체의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 초음파 모터(100)는 압전체(101)와, 상기 압전체(101)에 부착된 진동체(105)와, 상기 진동체(105)와 접촉한 회전체(110)를 구비한다. 상기 압전 초음파 모터(100)는 압전체(101), 진동체(105), 및 회전체(110)가 모두 링(ring) 형상이고, 전체적으로도 링 형상인 압전 초음파 모터로서, 링(ring)형 또는 중공(中空)형 압전 초음파 모터로도 불리운다.
상기 압전체(101)는 20kHz 이상의 초음파 구동 전압의 인가에 의해 진동한다. 이 진동은 링 형상의 압전체(101)의 원주 방향으로 진행파를 형성한다. 상기 진동체(105)는 상기 압전체(101)의 진동에 의해 진동한다. 상기 진동체(105)의 소재로는 예컨대, 스테인리스 스틸 또는 인청동 등의 금속이 사용될 수 있다.
상기 회전체(110)는 상기 진동체(105)와 접촉하여, 압전체(101)의 진동에 의해 진동하는 진동체(105)와의 마찰에 의해 회전 중심(C)에 대해 회전한다. 구체적 으로 진동체(105)의 진동에 의해 형성되는 진행파는 링 형상 진동체(105)의 원주 방향으로 진행하고, 상기 회전체(110)는 이 진행파의 방향으로 움직이게 되어 결과적으로 회전 중심(C)에 대해 회전하게 된다. 압전체(101)에 인가되는 구동 전압의 극성에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전 방향이 전환된다.
상기 회전체(110)는 진동체(105)와 접촉되는 접촉부(125)를 구비한 판 스프링 부재(120)와, 상기 판 스프링 부재(120)를 지지하기 위하여 상기 판 스프링 부재(120)와 결합된 지지 부재(112)와, 상기 판 스프링 부재(120) 및 지지 부재(112)에 의해 둘러 쌓인 완충 공간(130)을 구비한다. 상기 판 스프링 부재(120)는 예컨대, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지며, 일정한 두께(t)를 갖는다. 상기 판 스프링 부재(120)는 링(ring) 형상으로 이어진 골(gully)이 형성되도록 굽어진 스프링 보디(121)와, 상기 스프링 보디(121)의 외측면에 형성된 내마모 코팅층(123)을 구비한다. 금속을 다이캐스팅(die-casting)하거나, 금속판을 프레스 가공하여 상기 스프링 보디(121)를 예컨대, 도 2에 도시된 형상으로 형성할 수 있다. 다만 상기 스프링 보디(121)를 형성하는 방법은 예시된 다이캐스팅이나 프레스 가공에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법이 적용될 수도 있다.
상기 판 스프링 부재(120)는 양 측 모서리(128)가 상기 지지 부재(112)에 결합되고, 상기 양 측 모서리(128) 사이의 일부분에 바깥쪽으로 돌출되게 굽어진 접촉부(125)가 형성된다. 상기 접촉부(125)의 단면은 곡면(도 3 참조)으로 진동체(105)와의 접찰 시에 충격 집중이 완화되므로 진동체(105)와의 접촉으로 인한 마모가 완화될 수 있다. 또한, 상기 접촉부(125)를 포함하는 스프링 보디(121)가 절 삭 가공에 의해 형성되는 것이 아니어서 특별한 후처리 공정이 없어도 상기 내마모 코팅층(123)이 균일한 두께로 형성될 수 있다.
상기 지지 부재(112)는 일정한 폭(w)을 가진 링 형상의 부재로서, 상기 판 스프링 부재(120)의 양 측 모서리(128)가 안착 및 결합되는 안착홈(114)을 구비한다. 상기 지지 부재(112)는 스틸 등의 금속이나 고무 등으로 이루어질 수 있다. 상기 지지 부재(112)와 판 스프링 부재(120)는 불필요한 공진(resonance)을 피하여 소음 및 진동을 줄일 수 있도록 고유 진동수가 서로 다른 부재일 수 있다.
상기 판 스프링 부재(120)를 지지 부재(112)에 고정 결합하는 방법은 다양한 변형예가 가능하다. 예컨대, 명확히 도시되진 않았으나 상기 안착홈(114)과 모서리(228)를 접착제로 접착하거나, 볼트(bolt)를 이용하여 안착홈(114)에 모서리(228)를 고정하거나, 안착홈(114)과 모서리(228) 둘 중에 하나에 돌기를 형성하고 다른 하나에 그에 대응되는 홈을 형성하고 상기 돌기를 상기 홈에 수용되도록 밀어 넣어 판 스프링 부재(120)를 지지 부재(112)에 고정할 수도 있다. 한편, 도시되진 않았으나 압전 초음파 모터(100)의 작동 시에 상기 판 스프링 부재(120)와 지지 부재(112) 간 소음 또는 마모를 억제하기 위하여 상기 판 스프링 부재(120)와 지지 부재(112)의 결합 부위에 탄성체 또는 내마모재가 개재될 수도 있다.
판 스프링 부재(120)와 지지 부재(112)의 결합에 의해 회전체(110)의 내부에는 완충 공간(130)이 마련된다. 상기 완충 공간(130)으로 인하여 판 스프링 부재(120)의 접촉부(125)가 진동체(105)와 이상(異常) 접촉되더라도 상기 판 스프링 부재(120)가 탄성 복원 가능하게 변형될 수 있다. 따라서, 진동체(105)와 판 스프 링 부재(120)의 접촉 시에 양 자 사이에 일정한 압력이 유지될 수 있다.
압전 초음파 모터(100)는 도 3에 도시된 회전체(110)를 대신하여 도 4에 도시된 회전체(210)를 구비할 수도 있다. 상기 도 4에 도시된 회전체(210)는 도 3에 도시된 회전체(110)와 공통점이 많으므로 이하에서는 차이점 위주로 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 회전체(210) 또한, 도 3의 회전체(110)와 마찬가지로 진동체(105)와 접촉되는 접촉부(225)를 구비한 판 스프링 부재(220)와, 상기 판 스프링 부재(220)를 지지하기 위하여 상기 판 스프링 부재(220)와 결합된 지지 부재(212)와, 상기 판 스프링 부재(220) 및 지지 부재(212)에 의해 둘러 쌓인 완충 공간(230)을 구비한다. 상기 판 스프링 부재(220)는 스프링 보디(221)와 그 외측면에 형성된 내마모 코팅층(223)을 구비한다. 상기 스프링 보디(221)는 그 단면이 곡면인 접촉부(225)를 가지며 대략 V자 형상이다. 따라서, 금속판을 프레스 가공하거나 금속을 다이캐스팅하여 스프링 보디(221)를 형성하는 경우에 도 3에 도시된 스프링 보디(121)에 비해 단면의 형태가 단순하여 금형(mold) 제작이 용이하며, 결과적으로 제조 비용을 더욱 절감할 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 3을 다시 참조하여 상기 압전 초음파 모터(100)의 제조방법을 설명한다. 상기 압전 초음파 모터(100)의 제조방법은 압전체(101)에 진동체(105)를 부착하는 단계와, 회전체(110)를 준비하는 단계와, 상기 회전체(110)를 상기 진동체(105)에 접촉시키는 단계를 구비한다. 상기 회전체(110)를 준비하는 단계는 접촉부(125)를 구비한 판 스프링 부재(120)를 준비하는 단계와, 상기 판 스프링 부재(120)를 지지 부재(112)에 결합하는 단계를 구비한다. 상기 판 스프링 부 재(120)를 준비하는 단계는 스프링 보디(121)를 준비하는 단계와, 상기 스프링 보디(121)의 바깥쪽 측면에 내마모 코팅층(123)을 형성하는 단계를 구비한다. 이로 인하여 진동체(105)와 접촉되는 상기 접촉부(125)의 일 측면에 내마모 코팅층(123)이 형성된다.
또한, 상기 판 스프링 부재(120)를 준비하는 단계는 접촉부(125)의 단면을 곡면으로 형성하는 단계를 구비한다. 이 단계는 상기 스프링 보디(121)가 단면이 곡면 형상인 접촉부(125)를 갖도록 형성하는 단계를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 접촉부(125)의 단면이 곡면이 되도록 금속판을 프레스 가공하거나, 금속을 다이캐스팅함으로써 접촉부(125)의 단면이 곡면인 스프링 보디(121)를 형성할 수 있다. 판 스프링 부재(120), 및 지지 부재(112)에 대해서는 앞서 이미 설명하였으므로 중복된 설명은 생략한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 모터를 도시한 부분 절개 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 접촉체를 도시한 부분 절개 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 접촉체를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 접촉체의 변형예를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 ...압전 초음파 모터 101 ...압전체
105 ...진동체 110 ...회전체
112 ...지지 부재 114 ...안착홈
120 ...판 스프링 부재 121 ...스프링 보디
123 ...내마모 코팅층 125 ...접촉부
128 ...모서리 130 ...완충 공간

Claims (11)

  1. 인가된 전압 신호에 의해 진행파를 생성하는 압전체;
    상기 압전체에 부착되어 진동하는 진동체; 및,
    상기 진동체와 접촉하여, 상기 진동하는 진동체와의 마찰에 의해 회전 구동하는 회전체;를 구비하고,
    상기 회전체는,
    골이 형성되도록 굽어진 형상을 가지며 상기 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비한 판 스프링 부재;와, 상기 판 스프링 부재의 양단에 결합되어 상기 골을 덮는 지지 부재;를 포함하며,
    상기 골이 완충 공간이 되는, 압전 초음파 모터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압전체, 진동체, 및 회전체는 링(ring) 형태인 압전 초음파 모터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재는 양 측 모서리가 상기 지지 부재에 결합되고, 상기 지지 부재에 결합되는 양 측 모서리 사이의 굽어진 일부분에 상기 접촉부가 형성된 압전 초음파 모터.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 접촉부의 단면은 곡면인 압전 초음파 모터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재와 지지 부재는 서로 고유 진동수가 다른 압전 초음파 모터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재와 지지 부재 간 소음 또는 마모를 억제하기 위하여 상기 판 스프링 부재와 지지 부재의 결합 부위에 탄성재 또는 내마모재가 개재되는 압전 초음파 모터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재는 상기 진동체와 접촉되는 상기 접촉부의 일 측면에 내마모 코팅층을 더 구비한 압전 초음파 모터.
  8. 인가된 전압 신호에 의해 진행파를 생성하는 압전체에 진동체를 부착하는 단계;
    상기 진동체와의 마찰에 의해 회전 구동하는 회전체를 준비하는 단계; 및,
    상기 회전체를 상기 진동체에 접촉시키는 단계;를 구비하고,
    상기 회전체를 준비하는 단계는, 상기 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비한 판 스프링 부재를 준비하는 단계와, 상기 판 스프링 부재를 지지 부재에 결합하는 단계를 구비하고,
    상기 판 스프링 부재는 골이 형성되도록 굽어진 형상을 가지며 상기 진동체와 접촉되는 접촉부를 구비하고,
    상기 지지 부재는 상기 판 스프링 부재의 양단에 결합되어 상기 골을 덮으며,
    상기 골은 완충 공간이 되는,
    압전 초음파 모터의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재는 금속 다이캐스팅(die-casting) 또는 금속판의 프레스 가공에 의해 형성된 압전 초음파 모터의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재를 준비하는 단계는 상기 접촉부의 단면을 곡면으로 형성하는 단계를 구비한 압전 초음파 모터의 제조방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재를 준비하는 단계는 상기 진동체와 접촉되는 상기 접촉부의 일 측면에 내마모 코팅층을 형성하는 단계를 구비한 압전 초음파 모터의 제조방법.
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