KR101648805B1 - 압전형 스텝 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압전형 스텝 모터는 압전 작동기, 상기 압전 작동기의 선형 운동을 회전 링크의 회전 운동으로 변환하는 회전 변환부, 그리고 상기 회전 링크에 의한 회전 운동을 회전축으로 전달하고, 상기 회전축을 일정 각도로 단계적으로 회전시키는 적어도 하나 이상의 단방향 클러치를 포함한다.

Description

압전형 스텝 모터{PIEZOELECTRIC STEPPING MOTOR}

본 발명은 선형 운동을 회전 운동으로 변환하는 압전형 스텝 모터에 관한 것이다.

압전 모터(piezoelectric motor)는 압전 작동기를 이용하여 전기에너지를 역학적 운동으로 변환하는 장치로, 응답속도가 빠르고, 고토크, 고정밀 제어 및 저소음의 특성을 갖는 모터이다.

기존의 압전형 스텝 모터는 전원공급부, 회전자, 고정자, 구동 바이모르프(bimorph) 압전셀과 고정부재로 구성된다(대한민국 공개특허공보 1999-0036171호).

그러나, 이러한 압전형 스텝 모터에서는 상기 바이모르프 압전셀과 회전자의 접촉으로 인해 각변위의 스텝이 일정하지 않게 된다.

그리고, 압전형 스텝 모터의 고정자는 고정자와 마찰하며 작동하는 원통형 회전자를 가지는 압전 중공 실린더로 포함할 수 있다.

그러나, 이러한 압전형 스텝 모터는 회전자와 고정자의 전위와 방사방향 진동을 통해 작동하므로, 회전자의 일정한 각변위와 정확한 위치설정이 불가능하다. 또한, 압전형 스텝 모터는 많은 부품수를 필요로 하고, 압전 소자의 가격이 높으며, 설계와 고정 유닛의 제조 과정이 복잡하기 때문에 대량 생산이 쉽지 않은 어려움이 있다.

본 발명은 적층형 압전 작동기에 의한 축방향의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하는 압전형 스텝 모터를 제안하고자 한다.

본 발명의 압전형 스텝 모터는 압전 작동기, 상기 압전 작동기의 선형 운동을 회전 링크의 회전 운동으로 변환하는 회전 변환부, 그리고 상기 회전 링크에 의한 회전 운동을 회전축으로 전달하고, 상기 회전축을 일정 각도로 단계적으로 회전시키는 적어도 하나 이상의 단방향 클러치를 포함한다.

상기 회전 변환부는, 소정의 각도로 회전하는 회전 링크, 상기 압전 작동기와 상기 회전 링크를 연결하고, 상기 압전 작동기의 변형에 따라 상기 회전 링크에 회전력을 전달하는 적어도 하나 이상의 연결 링크를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나 이상의 연결 링크는, 상기 압전 작동기의 양단에 접촉되고, 상기 압전 작동기의 변형에 따라 움직이는 적어도 한 쌍의 제1 연결 링크, 상기 제1 연결 링크와 연결되는 적어도 한 쌍의 제2 연결 링크, 그리고 상기 제2 연결 링크와 연결되어 움직이고, 상기 회전 링크를 회전 시키는 적어도 한 쌍의 제3 연결 링크를 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 제1 연결 링크는, 상기 압전 작동기에 의해 움직일 때, 각각의 피봇점을 중심으로 회전할 수 있다.

상기 적어도 한 쌍의 제2 연결 링크는, 상기 회전 링크를 중심으로 대칭되는 두 쌍의 연결 링크를 포함하며, 상기 두 쌍의 연결 링크는 비대칭으로 회전할 수 있다.

상기 회전 변환부는, 상기 회전 링크 또는 상기 연결 링크들을 연결하여 회전 변위를 전달하는 적어도 하나 이상의 힌지부를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나 이상의 단방향 클러치는, 상기 회전 링크와 연결되고, 제1 방향으로 회전하는 제1 단방향 클러치, 그리고 회전축 부재를 중심으로 상기 제1 단방향 클러치와 대향하여 배치되고, 상기 제1 방향과 반대 방향으로 역회전하는 제2 단방향 클러치를 포함할 수 있다.

상기 제2 단방향 클러치 또는 상기 회전축 부재는, 상기 제1 단방향 클러치가 상기 회전 링크를 따라 상기 제1 방향으로 회전했다가 원위치로 복원될 때, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전할 수 있다.

본 발명의 압전형 스텝 모터는 압전 작동기의 변형에 따라 일방향으로 회전 또는 역회전하는 회전자, 그리고 상기 회전자가 상기 일방향으로 회전 또는 역회전하도록 상기 회전자를 고정하는 고정자를 포함하며, 상기 회전자는, 상기 압전 작동기의 선형 운동을 회전 운동으로 변환한다.

상기 회전자는, 전압을 인가받아 길이방향으로 변형되는 압전 작동기, 상기 압전 작동기의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하여 전달하는 회전 변환부, 그리고 상기 회전 변환부에 의해 소정의 각도로 회전하는 회전 링크를 포함할 수 있다.

상기 회전 변환부는, 상기 압전 작동기와 상기 회전 링크를 연결하고, 각각의 쌍이 상기 회전 링크를 중심으로 대칭되는 복수개의 연결 링크, 그리고 상기 회전 링크 또는 상기 복수개의 연결 링크와 연결되어 회전 변위를 전달하는 복수개의 힌지부를 포함할 수 있다.

상기 회전 변환부는, 상기 회전 링크를 중심으로 대칭되는 두 쌍의 연결 링크를 포함하며, 상기 두 쌍의 연결 링크가 비대칭으로 회전할 수 있다.

상기 고정자는, 상기 회전자의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하는 회전축 부재를 포함할 수 있다.

상기 고정자는, 상기 회전자의 회전 링크와 연결되고, 상기 회전축 부재가 삽입되는 제1 단방향 클러치, 그리고 상기 회전축 부재가 삽입되고, 제1 단방향 클러치와 대향하여 배치되는 제2 단방향 클러치를 더 포함할 수 있다.

상기 고정자는, 상기 제1 단방향 클러치 및 상기 제2 단방향 클러치가 서로 반대 방향으로 회전하여 상기 회전축 부재를 회전시킬 수 있다.

상기 압전 작동기에 전압을 공급하도록 전원 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 전압의 크기 또는 주파수를 조절하여 상기 회전 링크 또는 상기 회전축 부재에 대한 회전각, 회전 속도, 토크 또는 분해능 중 적어도 하나 이상을 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 압전형 스텝 모터는 압전 작동기의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하고, 압전 작동기에 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 제어함으로써, 기존의 압전형 스텝 모터에 비해, 간단한 구조체로 소형화 및 대량생산이 유리하고, 각변위와 정확한 위치설정이 가능한 환경을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 압전형 스텝 모터는 압전 작동기의 압전소자의 재료 특성 자체를 작동원으로 사용하므로, 압전 작동기의 성능과 일정 시간 동안 압전 작동기에 인가되는 전압과 주파수의 조절을 통하여 압전 모터의 회전각, 회전 속도, 토크, 분해능을 쉽게 제어할 수 있는 환경을 제공한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터의 정면도를 도시한 도면이다.
도 3는 도 2의 압전형 스텝 모터를 A-B 절단선을 따라 절단한 평면도를 도시한 도면이다.
도 4은 도 3에 따른 압전형 스텝 모터의 평면도에서 회전 링크의 회전 작동 상태를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터에 대하여 상세하게 설명한다.

우선, 압전 모터(piezoelectric motor)는 압전 작동기를 이용하여 전기에너지를 역학적 운동으로 변환하는 장치로, 응답속도가 빠르고 고토크, 고정밀 제어, 저소음의 특성을 갖는 모터이다. 그리고, 압전 모터는 압전재의 재료 특성 자체를 직접적인 작동원으로 이용함으로서 보다 간단한 구조로 소형화가 가능하기 때문에, 종래의 전자기 모터를 대신하여 여러 분야에 응용이 되고 있다.

압전 모터는 일반적인 자석이나 권선을 필요로 하는 모터와 달리 압전 작동기에 고주파의 전압을 가하여 압전 소자를 고주파로 진동시키어 이 움직임을 일정 방향으로의 구동력으로 변형시킨 회전 운동 원리를 사용한다. 이러한, 압전 모터의 종류로는, 로터가 회전하는 회전형 압전 모터, 압전 리니어 모터 등이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 압전형 스텝 모터는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 압전 작동기(110)의 축방향 선형 운동을 회전 운동으로 변환시켜 회전축 부재(160)를 단일 방향으로 단계적으로 회전시키는 장치이다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 연결 링크의 비대칭 구조와 힌지부를 이용해 일정 각도의 회전 운동과 역회전 운동으로 변환하고, 단방향 클러치 베어링 한 쌍을 연결하여 회전축을 단일 방향으로 단계적으로 회전시킨다.

이러한, 압전형 스텝 모터(100)는 본 발명의 한 실시예에 따라 적층형 압전 작동기(110), 선형 및 회전 운동 컨버터를 포함하는 회전 변환부(120), 한 쌍의 단방향 클러치 베어링(140), 150), 회전축 부재(160) 및 클러치 베어링을 고정하는 고정부(170) 등을 포함한다.

압전 작동기((110)는 전원 공급부(미도시)로부터 전압을 인가받아 변형되며, 본 발명의 한 실시예에 따라 수평 방향의 길이방향으로 늘어난다.

그리고, 회전 변환부(120)는 압전 작동기((110)의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하고, 이때의 회전력을 회전축 부재(160)에 전달한다. 여기서, 회전축 부재(160)는 본 발명의 한 실시예에 따라 회전자의 회전 방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다.

회전 변환부(120)는 선형 운동을 회전 운동으로 변환하는 선형 및 회전 운동 컨버터를 포함하며, 압전 작동기((110)의 선형 운동을 회전 운동으로 변환시키기 위하여 선형 변위를 확대시키고, 운동 방향의 변화를 유도한다. 회전 변환부(120)는 내부에 적층형의 압전 작동기를 삽입하고, 폐루프로 연결한 비대칭의 연결 링크 장치 사이에서 적층형 압전 작동기의 선형 모드를 회전 운동으로 변환한다.

예를 들어, 회전 변환부(120)는 압전 작동기((110)의 움직임을 도 2의 회전 링크(130)에 전달하고, 회전 링크(130)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 그리고, 회전 링크(130)와 연결된 제1 단방향 클러치 베어링(140)은 반시계 방향으로 일정 각도 회전했다가 원상태로 복원된다.

이때, 제1 단방향 클러치 베어링(140)과 맞물려 배치된 제2 단방향 클러치 베어링(150)은 회전축 부재(160)가 제1 단방향 클러치 베어링(140)을 따라 반시계 방향으로 회전하는 것을 방지한다. 그리고, 제2 단방향 클러치 베어링(150)은 제1 단방향 클러치 베어링(140)이 원상태로 복원하기 위해 다시 시계 방향으로 회전될 때에 회전축 부재(160)를 시계 방향으로 회전시킨다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터의 정면도를 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 압전형 스텝 모터를 A-B 절단선을 따라 절단한 평면도를 도시한 도면이다. 도 4은 도 3에 따른 압전형 스텝 모터의 평면도에서 회전 링크의 회전 작동 상태를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 회전 변환부(120)는 회전 링크(130) 및 복수개의 연결 링크(122, 123, 124, 125, 126, 128)을 포함한다.

회전 링크(130)는 제1 단방향 클러치 베어링(140)과 연결되고, 소정의 각도로 회전한다.

복수개의 연결 링크(122, 123, 124, 125, 126, 128)는 압전 작동기(110)와 회전 링크(130)를 연결하고, 압전 작동기(110)의 변형에 따라 회전 링크(130)에 회전력을 전달한다. 그리고, 복수개의 연결 링크(122, 123, 124, 125, 126, 128)는 각각 복수개의 힌지부(z)를 통해 연결되고, 압전 작동기(110)의 선형 운동으로부터 회전력을 생성시켜 회전 링크(130)에 전달한다.

여기서, 한 쌍의 제1 연결 링크(122, 123)는 압전 작동기(110)의 양단에 접촉되고, 압전 작동기(110)의 변형에 따라 움직인다. 이때, 제1 연결 링크(122, 123)는 각각 피벗 지점(x, y)를 중심으로 각각 서로 다른 방향으로 회전하며 회전력을 생성한다.

그리고, 제2 연결 링크(126, 128)는 제1 연결 링크(122, 123) 및 제3 연결 링크(124, 125)를 연결하고, 제1 연결 링크(122, 123)에 의한 회전력을 제3 연결 링크(124, 125)에 전달한다.

여기서, 제2 연결 링크(126, 128)는 각각은 회전 링크(130) 회전 링크를 중심으로 대칭되며, 연결 링크(126)의 쌍과 연결 링크(128) 쌍이 비대칭으로 회전하며 제3 연결 링크(124, 125)에 회전력을 전달한다.

제3 연결 링크(124, 125)는 2 연결 링크(126, 128)로부터 전달된 움직임을 통해 회전 링크(130)를 반시계 방향으로 회전시킨다.

그리고, 도 2 및 도 3을 참조하면, 회전 변환부(120)는 회전 링크(130)의 상하부에 각각 쌍으로 배치된 제2 연결 링크(126, 128)들을 포함하며, 이때의 제2 연결 링크(126, 128)들은 회전 링크(130)의 중심을 대칭으로 배치하여 연결한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 압전 작동기에 전압을 공급하도록 전원 공급부(미도시)와 를 전원 공급부를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다. 그리고, 제어부는 전원 공급부의 전압의 크기 또는 주파수를 조절하여 상기 회전 링크(130) 또는 회전축 부재(160)에 대한 회전각, 회전 속도, 토크 또는 분해능 중 적어도 하나 이상을 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 압전 작동기(110)의 인가전압을 조정하면 발생하는 선형 변위를 조정할 수 있고, 복수개의 힌지부(z)를 사용하였기 때문에 복원력이 작용하여 일정 각도 회전 후 적층형 압전 작동기의 축방향 선형 변위의 감소에 따라 역회전이 가능하다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 압전 작동기(110)의 축방향 선형모드의 주파수를 조종에 따라 일정 각도의 회전과 역회전운동의 반복 속도 조절이 가능하다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 이렇게 발생된 일정 각도의 회전과 역회전의 반복을 한 방향으로 단계적으로 회전시키기 위해서 한 쌍의 단방향 클러치 베어링들(140, 150)을 역방향으로 연결한다.

그리고, 단방향 클러치 베어링들(140, 150)은 바깥 하우징이 시계방향과 반시계방향으로 회전축을 중심으로 회전이 가능하지만, 내부의 회전축에는 한 방향으로만 회전될 수 있다.

제1 단방향 클러치 베어링(140)은 회전 링크(130)와 부착되고, 회전 링크(130)와 같이 일정 각도의 회전과 역회전을 반복하게 된다. 그리고, 제1 단방향 클러치 베어링(140)에 삽입된 회전축 부재(160)가 제1 단방향 클러치 베어링(140)과 함께 역방향으로 회전하는 것을 방지하기 위하여 제2 단방향 클러치 베어링(150)을 제1 단방향 클러치 베어링(140)과 반대방향에 배치한다.

그리고, 회전축 부재(160)가 제2 단방향 클러치 베어링(150)에 삽입되고, 제2 단방향 클러치 베어링(150)가 고정부(170)에 고정된다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터(100)는 회전 링크(130)에 부착된 제1 단방향 클러치 베어링(140)이 일정 각도로 회전과 역회전을 반복할 때, 회전축 부재(160)가 어느 한 방향으로 일정 각도로 회전한다.

하지만, 회전축 부재(160)는 제2 단방향 클러치 베어링(150)과의 마찰에 의하여 상기 어느 한 방향과 반대인 역방향으로 역회전을 하지 않게 되면서 일정 각도의 단계적인 회전이 가능하다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터는 기존의 압전형 스텝 모터에 비해, 간단한 구조체로 소형화 및 대량생산이 유리하므로 다양한 산업분야에 적용할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 압전형 스텝 모터는 압전 작동기의 압전소자의 재료 특성 자체를 작동원으로 사용하므로, 압전 작동기의 성능과 압전 작동기에 일정 시간동안 인가되는 전압과 주파수를 조절을 통하여 압전 모터의 회전각, 회전 속도, 토크, 분해능을 쉽게 제어할 수 있는 환경을 제공한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 이러한 기록 매체는 서버뿐만 아니라 사용자 단말에서도 실행될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

1. 전압을 인가받아 수평 방향의 길이방향으로 변형되는 압전 작동기,
   상기 압전 작동기의 선형 운동을 회전 링크의 회전 운동으로 변환하는 회전 변환부, 그리고
   상기 회전 링크에 의한 회전 운동을 회전축 부재로 전달하고, 상기 회전축 부재를 일정 각도로 단계적으로 일방향으로 회전시키는 적어도 하나 이상의 단방향 클러치
   를 포함하는
   상기 회전 변환부는,
   상기 압전 작동기와 상기 회전 링크를 연결하고, 상기 압전 작동기의 길이 방향의 변형에 따라 상기 수평 방향으로 이동하는 복수의 연결 링크들,
   상기 회전 링크 및 상기 복수의 연결 링크들을 연결하며, 상기 복수의 연결 링크들이 이동에 따라 상기 회전 링크로 회전력을 전달하는 복수의 힌지부들, 그리고
   상기 압전 작동기가 상기 길이 방향으로 변형되는 경우, 상기 회전축 부재의 회전축을 중심으로 소정의 각도로 회전하되, 상기 회전력에 의해 타방향으로 회전하고, 상기 압전 작동기가 복원되는 경우, 상기 일방향으로 회전하는 회전 링크
   를 포함하는 압전형 스텝 모터.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 복수의 연결 링크들은,
   상기 압전 작동기의 양단에 접촉되고, 상기 압전 작동기의 변형에 따라 움직이는 적어도 한 쌍의 제1 연결 링크,
   상기 제1 연결 링크와 연결되는 적어도 한 쌍의 제2 연결 링크, 그리고
   상기 제2 연결 링크와 연결되어 움직이고, 상기 회전 링크를 회전 시키는 적어도 한 쌍의 제3 연결 링크
   를 포함하는 압전형 스텝 모터.
4. 제3항에서,
   상기 한 쌍의 제1 연결 링크는,
   상기 압전 작동기에 의해 움직일 때, 각각의 피봇점을 중심으로 회전하는 압전형 스텝 모터.
5. 제3항에서,
   상기 적어도 한 쌍의 제2 연결 링크는,
   상기 회전 링크를 중심으로 대칭되는 두 쌍의 연결 링크를 포함하며, 상기 두 쌍의 연결 링크는 비대칭으로 회전하는 압전형 스텝 모터.
6. 삭제
7. 제1항에서,
   상기 적어도 하나 이상의 단방향 클러치는,
   상기 회전 링크와 연결되고, 제1 방향으로 회전하는 제1 단방향 클러치, 그리고
   회전축 부재를 중심으로 상기 제1 단방향 클러치와 대향하여 배치되고, 상기 제1 방향과 반대 방향으로 역회전하는 제2 단방향 클러치
   를 포함하는 압전형 스텝 모터.
8. 제7항에서,
   상기 제2 단방향 클러치 또는 상기 회전축 부재는,
   상기 제1 단방향 클러치가 상기 회전 링크를 따라 상기 제1 방향으로 회전했다가 원위치로 복원될 때, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전하는 압전형 스텝 모터.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제

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