KR101716424B1 - 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스피리컬(Spherical) 모터에 관한 것으로, 상세하게는 초음파 모터의 마찰력을 이용하여 토크 성능이 향상되고 반응 속도가 빠르며, 정지 시 다른 외부의 힘을 사용하지 않는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터에 관한 발명이다.

Description

초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터{Spherical motor using ultrasonic motor}

본 발명은 스피리컬(Spherical) 모터에 관한 것으로, 상세하게는 초음파 모터의 마찰력을 이용하여 토크 성능이 향상되고 반응 속도가 빠르며, 정지 시 다른 외부의 힘을 사용하지 않는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터에 관한 발명이다.

기존 다자유도 회전 구동 시스템의 경우, 단일 자유도를 갖는 전기 모터와 링크 시스템을 이용하여 회전 운동을 구현하였다. 일반적인 전기 모터의 경우 고속, 저토크의 특성을 갖기 때문에 고토크를 구현하기 위해서는 감속 기어를 사용하는데 이는 큰 부피와 무게를 가지는 단점이 있었다. 또한, 여러 모터를 결합하게 되어 복잡한 구조를 가지며 백래쉬(Backlash)도 발생하게 된다. 이러한 형태의 다자유도 회전 구동 시스템은 자유도를 쉽게 증가시킬 수 있으나 크기가 크고 복잡하여 정확한 회전을 구현하기 어렵다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 설계된 것으로 다자유도 회전축이 하나의 점에서 교차하게 되는 구형의 다자유도 회전 구동기를 스피리컬(Spherical) 모터 혹은 구형 모터라 한다.

스피리컬 모터는 다자유도의 회전 운동을 하나의 조인트에서 구현하여 부피와 중량을 감소시키고 기어와 링크를 사용하지 않으므로 백래시(Backlash), 탄성 변형 등을 제거하여 정밀도 향상이 가능하다. 또한, 구조가 간단하고 기구학적 특성이 간단하여 소형화, 경량화, 정밀화가 가능하다.

기존의 전자기형 스피리컬 모터의 경우 코일을 통해 발생하는 자기장과 영구자석 간의 상호력으로 토크를 발생시키거나 로렌츠 힘을 이용하여 토크를 발생시켜서 회전 운동을 구현하였다.

하지만 이러한 시스템의 경우 어떤 위치에서 정지 시에 지속적인 정지 토크를 발생시키기 때문에 모터로서의 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

한국등록특허 KR1372392

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 정지 시 외부 힘을 필요로 하지 않는 초음파 모터의 원리를 이용하여, 효율적이며 고토크의 모터를 제공하는데 목적이 있다.

구의 형태이며, 분극 된 압전 소자와 탄성체로 구성되어 상기 압전 소자에 교류 전압을 인가하면 상기 탄성체에 기계적 굴곡이 발생하게 되는 고정자와 상기 고정자와 접촉되어 있으며 상기 고정자와의 마찰에 의해 회전되는 회전자를 포함하는 초음파모터를 이용하여 다자유도 회전운동이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 3자유도의 회전축이 각각 분리된(Decoupled) 구조로서 다른 축과의 간섭 없이 분리된 구동으로 인해 각 축 제어가 용이하며, 정밀한 회전 모션과 균일한 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 마찰력을 이용한 초음파 모터를 적용함으로써 정지 시에 추가적인 외부 힘을 가하지 않아 효율적이고 안정적인 정지 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파모터의 원리를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 가이드부의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 고정자의 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 제1축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 제2축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 제3축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 스피리컬 모터의 개념도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파모터의 원리를 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 초음파 모터는 고정자와 회전자 사이의 마찰력을 이용하는 구동기이다. 상기 고정자는 분극된 압전 소자와 탄성체로 구성되는데, 상기 압전 소자에 고주파 교류 전압을 인가하면 상기 탄성체에 기계적 굴곡이 발생하게 된다. 상기 압전 소자에 가해지는 교류 전압에 의해 상기 고정자의 단면은 타원 회전을 하게 되고, 상기 고정자와 접촉된 상기 회전자는 상기 고정자와의 마찰에 의해 회전하게 된다.

상기 초음파 모터를 이용한 본 발명의 스피리컬 모터는 크게 외부 커버(2), 가이드부(4), 제1, 2, 3축(10, 20, 30)의 구성요소로 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 가이드부의 개념도를 도시하고 있다.

상기 가이드부(4)는 돔 형태의 제2축 회전자(22)와 상기 제2축 회전자(22) 주위를 감싸는 일정 높이의 제1축 회전자(12)와 제1축(10), 제2축(20), 제3축(30)을 포함하여 구성된다. 상기 제1축(10)과 상기 제2축(20)은 서로 직교하며, 상기 제3축(30)은 상기 제1, 2축(10, 20)과 수직되게 위치하여 어느 한 축이 다른 축과 서로 분리된(Decoupled) 회전력이 발생되는 구조가 되도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 고정자의 개념도를 도시하고 있다.

각축에 설치되는 고정자(14, 24, 34)의 한쪽 단면에는 톱니 형태가 형성되어 상기 톱니 형태가 형성된 면이 각각의 고정자 마찰면(16, 26, 36)과 마주보도록 설치되며, 각각의 상기 고정자(14, 24, 34)와 상기 고정자 마찰면(16, 26, 36)은 일정 거리 이격하여 위치되어진다. 상기 제1축 고정자(14)와 상기 제2축 고정자(24)는 원형으로, 마찰되는 면을 넓게 하여 생성된 마찰력으로 고토크를 구현할 수 있도록 하며, 상기 제3축 고정자(34)는 원호형으로 마찰면(36)에 맞는 크기와 형태로 구성된다.

도 4는 본 발명에 따른 제1축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도를 도시하고 있다.

상기 제1축(10)에는 2개의 제1축 고정자(14)가 설치되며, 2개의 상기 제1축 고정자(14)는 상기 제2축 회전자(22)를 중심으로 서로 마주보도록 설치된다. 상기 제1축 고정자(14)는 일정거리 이격된 상기 제1축 회전자(12)와 상기 외부 커버(2) 사이를 연결하는 상기 제1축(10)에 끼워지는 것으로, 상기 제1축 회전자(12)에서 제1축 고정자(14)가 설치되는 부분에는 상기 제1축 고정자(14)의 외경보다 큰 제1축 고정자 마찰면(16)이 형성되고, 상기 외부 커버(2)에서 상기 제1축 고정자(14)가 설치되는 부분에는 상기 제1축 고정자(14)의 외경보다 큰 제1축 고정자 설치면(18)이 형성된다.

도 5는 본 발명에 따른 제2축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도를 도시하고 있다.

상기 제2축(20)에는 2개의 제2축 고정자(24)가 상기 제1축 고정자(14)와 90도 간격으로 설치되어, 2개의 상기 제2축 고정자(24)가 상기 제2축 회전자(22)를 중심으로 서로 마주보도록 설치된다. 상기 제2축 고정자(24)는 일정거리 이격된 상기 제1축 회전자(12)와 상기 제2축 회전자(22) 사이를 연결하는 상기 제2축(20)에 끼워지는 것으로, 상기 제2축 회전자(22)에서 상기 제2축 고정자(24)가 설치되는 부분에는 상기 제2축 고정자(24)의 외경보다 큰 제2축 고정자 마찰면(26)이 형성되고, 상기 제1축 회전자(12)에서 상기 제2축 고정자(24)가 설치되는 부분에는 상기 제2축 고정자(24)의 외경보다 큰 제2축 고정자 설치면(28)이 형성된다.

도 6은 본 발명에 따른 제3축 회전을 위한 회전자와 고정자의 개념도를 도시하고 있다.

원기둥 형태의 제3축 회전자(32) 둘레에는 90도 간격으로 4개의 제3축 고정자(34)가 설치되며, 상기 제3축 회전자(32)에서 상기 제3축 고정자(34)가 설치되는 부분이 상기 제3축 고정자 마찰면(36)이 된다. 상기 제3축(30)은 상기 제3축 회전자(32)의 윗단면 중심에 설치되는 것으로, 상기 제2축 회전자(22)에서 상기 제1축(10)과 상기 제2축(20)이 만나는 지점과 수직인 부분을 관통하여 새워진다. 상기 제3축 고정자(34)는 상기 제2축 회전자(22)의 내벽에 형성된 제3축 고정자 설치면(38)에 접착되어 고정된다.

도 7은 본 발명에 따른 스피리컬 모터의 개념도를 도시하고 있다.

상기 가이드부(4)와 상기 외부 커버(2)는 상기 제1축(10)으로 인해 연결되며 상기 가이드부(4)가 상기 외부 커버(2)에 끼워지는 형태로 조립되어 전체적으로 구의 형태를 하게 된다.

이와 같은 구조로 인해 각 축은 완전히 분리되어 각각의 상기 회전자(12, 22, 32)가 각각의 상기 축(10, 20, 30)에 대해 회전하는 다자유도 회전 운동이 가능한 스피리컬 모터가 완성된다.

상기 제3축 회전자(32)의 상기 제3축(30)에 대한 회전은 360도 회전이 가능하며, 상기 제1축 회전자(12)의 상기 제1축(10)에 대한 회전과 상기 제2축 회전자(22)의 상기 제2축(20)에 대한 회전은 360도 회전이 아닌 상기 회전자가 상기 축의 양쪽으로 흔들거리는 틸팅(Tilting) 회전이 가능하도록 구성된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 외부 커버
4 : 가이드부
10 : 제1축
12 : 제1축 회전자
14 : 제1축 고정자
16 : 제1축 고정자 마찰면
18 : 제1축 고정자 설치면
20 : 제2축
22 : 제2축 회전자
24 : 제2축 고정자
26 : 제2축 고정자 마찰면
28 : 제2축 고정자 설치면
30 : 제3축
32 : 제3축 회전자
34 : 제3축 고정자
36 : 제3축 고정자 마찰면
38 : 제3축 고정자 설치면

Claims (16)

1. 구의 형태이며,
   분극된 압전 소자와 탄성체로 구성되어, 상기 압전 소자에 교류 전압을 인가하면 상기 탄성체에 기계적 굴곡이 발생하게 되는 고정자;와
   상기 고정자와 접촉되어 있으며, 상기 고정자와의 마찰에 의해 회전되는 회전자;를 포함하는 초음파모터;를 이용하고,
   상기 고정자의 한쪽 단면은 톱니 형태를 가지며,
   상기 압전 소자에 가해지는 교류 전압에 의해 상기 고정자의 단면은 타원 회전을 하고,
   돔 형태의 제2축 회전자와 상기 제2축 회전자 주위를 감싸는 일정 높이의 제1축 회전자와 제1축, 제2축, 제3축으로 구성되는 가이드부를 포함하며,
   어느 한 축이 다른 축과 서로 분리된(decoupled) 회전력이 발생되어,
   다자유도 회전운동이 가능한 것
   을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1축과 상기 제2축은 서로 직교하며, 상기 제3축은 상기 제1, 2축과 수직인 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1축에는 2개의 제1축 고정자가 설치되며, 2개의 상기 제1축 고정자는 상기 제2축 회전자를 중심으로 서로 마주보도록 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1축 고정자는 일정거리 이격된 상기 제1축 회전자와 외부 커버 사이를 연결하는 제1축에 끼워지는 것으로,
   상기 제1축 회전자에서 제1축 고정자가 설치되는 부분에는 상기 제1축 고정자의 외경보다 큰 제1축 고정자 마찰면이 형성되고, 상기 외부 커버에서 상기 제1축 고정자가 설치되는 부분에는 상기 제1축 고정자의 외경보다 큰 제1축 고정자 설치면이 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2축에는 2개의 제2축 고정자가 상기 제1축 고정자와 90도 간격으로 설치되며, 2개의 상기 제2축 고정자는 상기 제2축 회전자를 중심으로 서로 마주보도록 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2축 고정자는 일정거리 이격된 상기 제1축 회전자와 상기 제2축 회전자 사이를 연결하는 상기 제2축에 끼워지는 것으로,
    상기 제2축 회전자에서 상기 제2축 고정자가 설치되는 부분에는 상기 제2축 고정자의 외경보다 큰 제2축 고정자 마찰면이 형성되고, 상기 제1축 회전자에서 상기 제2축 고정자가 설치되는 부분에는 상기 제2축 고정자의 외경보다 큰 제2축 고정자 설치면이 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
11. 제10항에 있어서,
    원기둥 형태의 제3축 회전자 둘레에는 90도 간격으로 4개의 제3축 고정자가 설치되며, 상기 제3축 회전자에서 상기 제3축 고정자가 설치되는 부분이 상기 제3축 고정자 마찰면이 되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제3축은 상기 제3축 회전자의 윗단면 중심에 설치되는 것으로,
    상기 제2축 회전자에서 상기 제1축과 상기 제2축이 만나는 지점과 수직인 부분을 관통하여 세워지는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
13. 제12항에 있어서,
    상기 고정자의 단면 중 톱니 형태를 갖는 단면이 상기 각 회전자의 상기 마찰면과 마주보도록 설치되며, 각각의 상기 고정자와 마찰면은 일정 거리 이격하여 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
14. 제13항에 있어서,
    상기 가이드부와 외부 커버는 상기 제1축으로 인해 연결되어 상기 가이드부가 상기 외부 커버에 끼워지는 형태로 조립되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1축 고정자와 상기 제2축 고정자는 원형이며, 상기 제3축 고정자는 원호형인 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
16. 제14항에 있어서,
    상기 제3축 고정자는 상기 제2축 회전자의 내벽에 형성된 제3축 고정자 설치면에 접착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 초음파모터 원리를 이용한 스피리컬 모터.
    

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