KR20000019345A - Linear supersonic motor of flat type - Google Patents
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Abstract
Description
이 발명은 평판형 선형 초음파 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 압전체의 분극이 다르게 형성된 평판형 선형 초음파 모터에 관한 것이다.The present invention relates to a flat plate linear ultrasonic motor, and more particularly, to a flat plate linear ultrasonic motor in which the polarization of a piezoelectric body is formed differently.
일반적으로, 평판형 선형 초음파 모터는 구조가 매우 간단하기 때문에 선형 구동을 필요로 하는 응용 분야에 많이 사용되며, 특히 카드 장치나 자동 판매기의 화폐 인식용 장치 등에 사용된다.In general, flat linear ultrasonic motors are widely used in applications requiring a linear drive because of their very simple structure, and are particularly used for card recognition devices and vending machines.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 종래의 평판형 선형 초음파 모터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a conventional planar linear ultrasonic motor will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1c는 종래 평판형 선형 초음파 모터의 구조를 도시한 도면으로, 도 1a는 종래 평판형 선형 초음파 모터의 평면도이고, 도 1b는 종래 평판형 선형 초음파 모터를 P방향으로부터 본 측면도이고, 도 1c는 종래 평판형 선형 초음파 모터를 Q방향으로부터 본 측면도이다.1A to 1C are views illustrating the structure of a conventional flat linear ultrasonic motor, FIG. 1A is a plan view of a conventional flat linear ultrasonic motor, and FIG. 1B is a side view of the conventional flat linear ultrasonic motor viewed from the P direction, Fig. 1C is a side view of a conventional flat linear ultrasonic motor viewed from the Q direction.
도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있듯이, 종래 평판형 선형 초음파 모터는 고정자를 포함하며, 이러한 고정자는 탄성체(1)와, 탄성체(1) 윗면에 부착되어 있는 압전소자(2a, 2b)를 포함한다.As shown in FIGS. 1A to 1C, a conventional flat linear ultrasonic motor includes a stator, which includes an elastic body 1 and piezoelectric elements 2a and 2b attached to an upper surface of the elastic body 1. .
여기에서, 탄성체(1)의 밑면에는 돌기부(3a, 3b)가 형성되어 있다.Here, protrusions 3a and 3b are formed on the bottom surface of the elastic body 1.
또한, 압전소자(2a, 2b)의 윗면에는 전극(도시되지 않음)이 각각 배설되어 있다.In addition, electrodes (not shown) are disposed on the upper surfaces of the piezoelectric elements 2a and 2b, respectively.
한편, 탄성체(1)로부터 발생되는 진동은 돌기부(3a, 3b)에 의해 취출된다.On the other hand, the vibration generated from the elastic body 1 is taken out by the projections 3a and 3b.
압전소자(2a, 2b)는 두께 방향에 관하여 180°서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 각 압전소자(2a, 2b)에 형성되어 있는 전극을 통하여 서로 90°(
돌기부(3a, 3b)의 밑면에 첨부한 도 2에 도시되어 있는 이동자(4)를 부착시키고, 스프링(5)을 압전소자(2a, 2b)에 결합시켜 상대 가압하면, 돌기부(3a, 3b)에 의한 타원 운동이 이동자(4)로 전달되고, 이동자(4)는 도시된 화살표 방향으로 이동한다. 또한, 이동자(4) 대신에 고정부재를 설치하면, 초음파 모터 자신이 회전하게 된다.When the mover 4 shown in FIG. 2 attached to the underside of the projections 3a and 3b is attached, and the spring 5 is coupled to the piezoelectric elements 2a and 2b to apply relative pressure, the projections 3a and 3b are provided. The elliptic motion is transferred to the mover 4, which moves in the direction of the arrow shown. In addition, when the fixing member is provided instead of the mover 4, the ultrasonic motor itself rotates.
게다가, 탄성체(1)의 형상을 원형으로 하면 이동자 또는 초음파 모터는 회전구동한다.In addition, when the shape of the elastic body 1 is circular, the mover or the ultrasonic motor rotates.
도 3은 종래 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining the principle of operation of the conventional ultrasonic motor.
도 3에서, 압전소자(2a)에 인가되는 고주파 전압을 A, 압전소자(2b)에 인가되는 고주파 전압을 B라고 한다. 여기에서, 각 압전소자(2a, 2b)가 두께 방향에 관하여 180°서로 반대방향으로 분극되어 있는 예를 보이지만, 동일 방향으로 분극되어 있어도 좋다.In FIG. 3, the high frequency voltage applied to the piezoelectric element 2a is referred to as A, and the high frequency voltage applied to the piezoelectric element 2b is referred to as B. In FIG. Here, although the piezoelectric elements 2a and 2b are shown to be polarized in opposite directions to each other by 180 ° with respect to the thickness direction, they may be polarized in the same direction.
각 압전소자(2a, 2b)에 고주파 전압이 인가되면, 각 압전소자(2a, 2b)는 고주파 전압의 주파수에 따른 진동을 한다. 이러한 진동은 탄성체(1)에 전달되고, 탄성체(1)는 굴곡진동과 종진동을 한다. 여기에서 굴곡진동이라고 하는 것은 도 1b와 동일 방향으로부터 보는 경우에 탄성체(1)가 도 3의b와 같이 진동하는 것을 말하고, 종진동이라고 하는 것은 도 1a와 동일한 방향으로부터 보는 경우에 탄성체(1)가 도 3의(c)와 같이 진동하는 것을 말한다.When a high frequency voltage is applied to each of the piezoelectric elements 2a and 2b, each of the piezoelectric elements 2a and 2b vibrates according to the frequency of the high frequency voltage. This vibration is transmitted to the elastic body 1, and the elastic body 1 is subjected to bending vibration and longitudinal vibration. Here, the bending vibration means that the elastic body 1 vibrates as shown in FIG. 3B when viewed from the same direction as in FIG. 1B, and the longitudinal vibration refers to the elastic body 1 when viewed from the same direction as in FIG. 1A. Is vibrating as shown in FIG. 3 (c).
탄성체(1)에 발생된 굴곡진동과 종진동은 탄성체(1) 내부에서 합성되고, 탄성체(1)의 돌기부(이하, 구동력 취출부라고 함)(3a, 3b)는 이러한 진동의 합성에 의해 타원운동을 한다.The flexural vibration and longitudinal vibration generated in the elastic body 1 are synthesized inside the elastic body 1, and the protrusions (hereinafter referred to as driving force extracting parts) 3a and 3b of the elastic body 1 are ellipsoids by synthesizing such vibrations. work out.
도 3의(a)는 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압(A, B)의 시간적 변화를 도시한 도면이고, 도시된 시간(t1 ∼ t9)은 각각
도 3의(a)에서 가로축은 종진동 방향으로 인가되는 고주파의 크기를 나타내며, 세로축은 굴곡 방향으로 인가되는 고주파의 크기를 나타낸다.In Figure 3 (a), the horizontal axis represents the magnitude of the high frequency applied in the longitudinal vibration direction, the vertical axis represents the magnitude of the high frequency applied in the bending direction.
한편, 도 3의(b)는 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동의 파형도이고, 도 3의(c)는 탄성체(1)에 발생되는 종진동의 파형도이고, 도 3의(d)는 탄성체(1)의 구동력 취출부(3a, 3b)의 타원운동의 파형도이다.3B is a waveform diagram of bending vibration generated in the elastic body 1, and FIG. 3C is a waveform diagram of longitudinal vibration generated in the elastic body 1, and FIG. Is a waveform diagram of the elliptic motion of the driving force extracting portions 3a and 3b of the elastic body 1.
먼저, 시간 t1에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 모두 양의 전압인 고주파 전압(A, B)을 압전소자(2a, 2b)에 인가한다. 이 때, 고주파 전압(A, B)은 가로축에 대하여 서로 대칭이고, 가로축 방향으로 모두 양의 값을 갖는다. 따라서, 고주파 전압(A)에 의해 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과, 고주파 전압(B)에 의해 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 서로 소거되어, 탄성체(1)에는 굴곡진동은 발생하지 않는다. 도 3의(b)에서는 탄성체(1)의 구동력 취출부에서의 굴곡진동의 진폭을 각각 질점 Y1, Z1으로 나타내고, 이러한 질점 Y1, Z1의 진폭은 시간 t1일 때에는 항상 0이 된다.First, at time t1, high frequency voltages A and B, which are both positive voltages, are applied to the piezoelectric elements 2a and 2b, as shown in FIG. At this time, the high frequency voltages A and B are symmetrical with respect to the horizontal axis, and both have positive values in the horizontal axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 by the high frequency voltage A and the bending vibration generated in the elastic body 1 by the high frequency voltage B are canceled, and the bending vibration occurs in the elastic body 1. I never do that. In Fig. 3B, the amplitudes of the bending vibrations at the driving force extracting portion of the elastic body 1 are represented by the quality points Y1 and Z1, respectively, and the amplitudes of the quality points Y1 and Z1 are always zero at time t1.
또한, 시간 t1에서 탄성체(1)에 발생되는 종진동은 도 3의(c)에 도시되어 있듯이, 탄성체(1)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 발생된다. 도 3의(c)에서는 구동력 취출부에서의 종진동의 진폭을 질점 Y2, Z2로 나타내고, 종진동에 의한 탄성체(1)의 신장량은 시가 t1에서 최대가 된다.Further, longitudinal vibration generated in the elastic body 1 at time t1 is generated in the direction in which the elastic body 1 is extended in the longitudinal direction, as shown in FIG. In Fig. 3C, the amplitudes of the longitudinal vibrations at the drive force extraction section are represented by the quality points Y2 and Z2, and the amount of elongation of the elastic body 1 due to the longitudinal vibrations is maximum at the time t1.
도 3의(d)에 도시되어 있듯이, 구동력 취출부(3a)에는 질점 Y1과 Y2를 합성한 질점 Y로 나타낸 진동이 발생되고, 구동력 취출부(3b)에는 질점 Z1과 Z2를 합성한 질점 Z로 나타낸 진동이 발생된다.As shown in Fig. 3 (d), vibration generated by the quality point Y which synthesized the quality points Y1 and Y2 is generated in the driving force extraction unit 3a, and quality point Z which synthesized the quality points Z1 and Z2 is generated in the driving force extraction unit 3b. The vibration shown by is generated.
시간 t2에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 양의 전압이고, 고주파 전압(B)은 0이다. 이 때, 고주파 전압(A)은 가로축 방향으로의 성분만 있고, 고주파 전압(B)은 세로축 방향으로의 성분만 있다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)와 같이 되고, 질점 Y1은 양의 방향으로 굴곡되고, 질점 Z1은 음의 방향으로 굴곡된다. 또한, 시간 t2에서는, 시간 t1과 마찬가지로 탄성체(1)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 종진동을 하지만, 그 신장율은 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 시간 t1보다 작습니다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t1으로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t2, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A is a positive voltage and the high frequency voltage B is zero. At this time, the high frequency voltage A has only a component in the horizontal axis direction, and the high frequency voltage B has only a component in the vertical axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 is as shown in FIG. 3 (b), the quality point Y1 is bent in the positive direction, and the quality point Z1 is bent in the negative direction. In addition, at time t2, as in time t1, longitudinal oscillation is performed in the direction in which the elastic body 1 is extended in the longitudinal direction, but the elongation rate is smaller than the time t1 as shown in Fig. 3C. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse direction to the right direction from time t1, as shown to Fig.3 (d).
시간 t3에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 양의 전압이고, 고주파 전압(B)은 음의 전압이 된다. 이 때 고주파 전압(A, B)은 세로축에 대하여 서로 대칭이고, 세로축 방향으로 모두 양의 값을 갖는다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)에 도시되어 있는 것과 같이 발생되고, 질점 Y1의 굴곡량은 양의 방향으로 최대가 되고, 질점 Z1의 굴곡량은 음의 방향으로 최대가 된다. 또한, 이 경우의 종진동은, 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 0이 된다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t2로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t3, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A is a positive voltage and the high frequency voltage B is a negative voltage. At this time, the high frequency voltages A and B are symmetrical with respect to the vertical axis, and both have positive values in the vertical axis direction. Accordingly, the bending vibration generated in the elastic body 1 is generated as shown in FIG. To the maximum. In addition, the longitudinal vibration in this case becomes zero, as shown to Fig.3 (c). Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t2, as shown to Fig.3 (d).
시간 t4에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 0되고, 고주파 전압(B)은 음의 전압이 된다. 이 때, 고주파 전압(A)은 세로축 방향의 성분만 있고, 고주파 전압(B)은 가로축 방향의 성분만 있다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)에 도시되어 있는 것처럼 발생되고, 질점 Y1은 양의 방향으로 굴곡되고, 질점 Z1은 음의 방향으로 굴곡된다. 또한, 시간 t4에서는, 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)를 수축하는 방향으로 종진동한다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t3로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t4, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A becomes 0 and the high frequency voltage B becomes a negative voltage. At this time, the high frequency voltage A has only a component in the vertical axis direction, and the high frequency voltage B has only a component in the horizontal axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 is generated as shown in Fig. 3B, the material point Y1 is bent in the positive direction, and the material point Z1 is bent in the negative direction. In addition, at time t4, as shown in FIG.3 (c), it longitudinally oscillates in the direction which shrink | contracts the elastic body 1. In FIG. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t3, as shown to Fig.3 (d).
시간 t5에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A, B)은 모두 음의 전압이 되기 때문에, 도 3의(b)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)는 굴곡진동을 일으키지 않는다. 또한, 이 경우에도 탄성체(1)는 수축되는 방향으로 종진동이 발생되고, 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)가 수축량은 최대가 된다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t4로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t5, since the high frequency voltages A and B are both negative voltages as shown in Fig. 3A, the elastic body 1 does not cause bending vibration as shown in Fig. 3B. Do not. Also in this case, longitudinal vibration occurs in the direction in which the elastic body 1 is contracted, and as shown in Fig. 3C, the elastic body 1 has a maximum shrinkage amount. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t4, as shown to Fig.3 (d).
이하, 마찬가지로, 시간 t6 내지 t9의 경우에도 탄성체(1)에 굴곡진동과 종진동이 발생하고, 그 결과, 질점 Y, Z는 우측방향으로 45°씩 타원상으로 이동한다.Hereinafter, similarly, in the case of the times t6 to t9, the bending vibration and the longitudinal vibration occur in the elastic body 1, and as a result, the quality points Y and Z move in the ellipse phase by 45 ° in the right direction.
이와 같이, 초음파 모터에서는 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 합성에 의해, 탄성체(1)의 구동력 취출부(3a, 3b)에 타원운동을 발생하고, 이러한 타원 운동에 의해 이동자(4)가 이동하게 된다.As described above, in the ultrasonic motor, elliptic motion is generated in the driving force extracting portions 3a and 3b of the elastic body 1 by combining the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 1, and the mover ( 4) will move.
또한, 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압의 주파수를 변화시키면 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 주파수가 변화하기 때문에, 구동력 취출부(3a, 3b)의 타원운동의 주파수도 변화하고, 따라서 이동자(4)의 이동속도도 변화한다.In addition, if the frequency of the high frequency voltage applied to the piezoelectric elements 2a and 2b changes, the frequency of the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 1 changes, so that the elliptic motion of the driving force extracting portions 3a and 3b is changed. The frequency also changes, and thus the moving speed of the mover 4 also changes.
결국, 초음파 모터에서 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압을 제어함에 따라 초음파 모터의 속도를 제어할 수가 있다.As a result, the speed of the ultrasonic motor can be controlled by controlling the high frequency voltage applied to the piezoelectric elements 2a and 2b in the ultrasonic motor.
한편, 초음파 모터는 어느 주파수에서나 다 구동되는 것이 아니라 각 공진 주파수에서 효율이 높게 구동된다. 이 때, 구동 주파수로는 초음파 영역인 20,000Hz를 넘는 고주파수가 사용된다.On the other hand, the ultrasonic motor is not driven at any frequency, but is driven with high efficiency at each resonant frequency. At this time, a high frequency exceeding 20,000 Hz which is an ultrasonic range is used as the driving frequency.
공진 주파수일 때 초음파 모터의 변위 특성, 즉 굴곡진동 방향 또는 종진동 방향의 변위가 커지고, 이 때, 탄성체(1) 표면에서 볼 때 공진 모드에서 굴곡진동 방향의 변위가 각 표면에 따라 동일하지 않으며, 이에 따라 표면에서 가장 대변위 진폭을 갖는 변위점을 찾은 후, 그 최대 변위점에 첨부한 도 4에 도시되어 있듯이, 변위 확대 기구를 설치하면 효율이 향상된다.At the resonant frequency, the displacement characteristics of the ultrasonic motor, that is, the displacement in the bending vibration direction or the longitudinal vibration direction become large, and at this time, the displacement in the bending vibration direction in resonant mode when viewed from the surface of the elastic body 1 is not the same for each surface. Accordingly, after finding the displacement point having the largest displacement amplitude on the surface, as shown in FIG. 4 attached to the maximum displacement point, the efficiency of the displacement expansion mechanism is improved.
그러나 종래의 평판형 선형 초음파 모터는 원환형이나 원판형 초음파 모터에 비하여 구조가 간단한데 반하여 효율이 낮다는 문제점이 있다. 즉, 원환형이나 원판형 초음파 모터는 고정자와 이동자의 접촉이 면 접촉이므로 고정자의 초음파 진동에 의한 구동력이 거의 대부분 이동자에 전달되는데 비해, 종래 평판형 선형 초음파 모터는 이동자와의 접촉이 선 접촉이므로 압전소자의 초음파 진동에 의해 고정자 표면에 발생되는 진동의 거의 대부분이 소실되므로 효율이 떨어지는 것이다.However, the conventional plate-type linear ultrasonic motor has a problem in that the efficiency is low as compared with the simple structure of the annular or disc-shaped ultrasonic motor. That is, in the annular or disc-shaped ultrasonic motor, the contact between the stator and the mover is a surface contact, so that the driving force due to the ultrasonic vibration of the stator is almost transmitted to the mover, whereas in the conventional flat type linear ultrasonic motor, the contact with the mover is a linear contact. Since most of the vibration generated on the stator surface by the ultrasonic vibration of the piezoelectric element is lost, the efficiency is inferior.
또한, 상기한 바와 같이 고정자에 변위 확대 기구를 설치함으로써 이동자에 전달되는 구동력을 증가시켜 효율을 향상시키고 있으나, 고정자에 변위 확대 기구를 설치하여야 하기 때문에 평판형 선형 초음파 모터의 박형화에 문제가 되고 있다.In addition, as described above, the displacement expansion mechanism is installed on the stator to increase the driving force transmitted to the mover, thereby improving efficiency. However, since the displacement expansion mechanism must be installed on the stator, there is a problem in thinning a linear linear ultrasonic motor. .
따라서, 이 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고정자의 종진동 방향의 변위를 확대시켜 구동 효율을 향상시키는 평판형 선형 초음파 모터를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a flat type linear ultrasonic motor which improves driving efficiency by expanding the displacement of the stator in the longitudinal vibration direction to solve the above problems.
도 1a 내지 도 1c는 종래 초음파 모터의 구조를 도시한 도면이고,1a to 1c is a view showing the structure of a conventional ultrasonic motor,
도 2는 종래 초음파 모터에 의하여 구동되는 이동자를 도시한 도면이고,2 is a view showing a mover driven by a conventional ultrasonic motor,
도 3은 종래 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이고,3 is a view for explaining the principle of operation of the conventional ultrasonic motor,
도 3은 종래 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이고,3 is a view for explaining the principle of operation of the conventional ultrasonic motor,
도 4는 종래 초음파 모터에 변위 확대 기구가 설치되어 있는 도면이고,4 is a view in which a displacement expanding mechanism is installed in a conventional ultrasonic motor;
도 5a 내지 도 5d는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터의 구조를 도시한 도면이고,5a to 5d is a view showing the structure of a flat linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention,
도 6은 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이고,6 is a view for explaining the principle of operation of the plate-shaped linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention,
도 7은 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터에 가압기구가 부착된 도면이다.7 is a view in which the pressurization mechanism is attached to a flat plate linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.
상기한 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 탄성체의 한쪽 면에 결합되어 있는 압전체의 중앙부를 압전체의 길이 방향으로 분극시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the central portion of the piezoelectric body which is coupled to one side of the elastic body is polarized in the longitudinal direction of the piezoelectric body.
여기에서, 압전체의 길이 방향으로 분극되어 있는 압전체의 중심부를 사이에 두고 압전체의 좌우 양쪽 부분은 압전체의 두께 방향에 관하여 서로 반대 방향으로 분극되어 있다.Here, both left and right portions of the piezoelectric body are polarized in opposite directions with respect to the thickness direction of the piezoelectric body with the central portion of the piezoelectric material polarized in the longitudinal direction of the piezoelectric body interposed therebetween.
서로 다른 방향으로 분극되어 있는 각 압전체에 위상이 서로 다른 고주파 전압이 인가되면 압전체가 진동하고, 이러한 진동에 의하여 탄성체가 굴곡진동 및 종진동이 합성된 타원운동을 수행한다.When a high frequency voltage having a different phase is applied to each piezoelectric element polarized in different directions, the piezoelectric vibrates, and the elastic body performs an elliptic motion in which flexural vibration and longitudinal vibration are combined.
이 때, 압전체에 인가되는 위상이 서로 다른 고주파 전압의 전위차에 의해 압전체의 길이 방향으로 분극되어 있는 압전체의 중심부는 종진동을 수행하여 탄성체의 종진동의 변위를 확대시켜주고, 따라서 전체적인 타원운동의 변위가 확대된다.At this time, the center portion of the piezoelectric body polarized in the longitudinal direction of the piezoelectric body by the potential difference of the high frequency voltages having different phases applied to the piezoelectric body performs longitudinal vibration to enlarge the displacement of the longitudinal vibration of the elastic body, thus reducing the overall elliptic motion. The displacement is magnified.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention may be easily implemented by those skilled in the art with reference to the accompanying drawings.
도 5a 내지 도 5d는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터의 구조를 도시한 도면으로, 도 5a는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터의 저면도이고, 도 5b는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터를 R방향으로부터 본 측면도이고, 도 5c는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터를 S방향으로부터 본 측면도이고, 도 5d는 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터를 R방향으로부터 보았을 때, 압전체의 분극 방향을 도시한 도면이다.5A to 5D show the structure of a flat plate linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention. FIG. 5A is a bottom view of the flat plate linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a side view of the plate-type linear ultrasonic motor according to the embodiment of the present invention seen from the R direction, and FIG. 5C is a side view of the plate-shaped linear ultrasonic motor according to the embodiment of the present invention seen from the S direction, and FIG. 5D is an embodiment of the present invention. Is a view showing the polarization direction of the piezoelectric body when the planar linear ultrasonic motor according to the present invention is viewed from the R direction.
도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터는 직사각형 평판 중앙부 양측에 홈이 형성되어 있는 탄성체(10)와, 탄성체(10)와 동일한 형상으로 탄성체(10)의 한쪽 면에 부착되어 있는 압전체(20a, 20b, 20c)를 포함한다.As shown in FIGS. 5A to 5D, the plate-type linear ultrasonic motor according to the embodiment of the present invention has an elastic body 10 having grooves formed at both sides of a central portion of a rectangular flat plate, and the elastic body 10 having the same shape as the elastic body 10. Piezoelectric body 20a, 20b, 20c attached to one side of the "
여기에서, 중앙부의 압전체(20c)는 도 5d에 도시되어 있듯이, 탄성체(10)의 길이 방향으로 분극되어 있고, 중앙부의 압전체(20c)를 통하여 서로 연결되는 양쪽 압전체(20a, 20b)는 중앙부의 압전체(20a, 20b)의 두께 방향에 관하여 서로 반대 방향으로 분극되어 있다.Here, the piezoelectric body 20c in the center portion is polarized in the longitudinal direction of the elastic body 10, as shown in FIG. 5D, and both piezoelectric bodies 20a and 20b connected to each other through the piezoelectric body 20c in the center portion are formed in the center portion. The piezoelectric bodies 20a and 20b are polarized in opposite directions with respect to the thickness direction.
한편, 양쪽 압전체(20a, 20b)의 탄성체(10)가 부착되어 있지 않은 다른쪽 면에는 전극(도시되지 않음)이 각각 배설되어 있다.On the other hand, electrodes (not shown) are disposed on the other surface to which the elastic bodies 10 of both piezoelectric bodies 20a and 20b are not attached.
양쪽 압전체(20a, 20b)에 형성되어 있는 전극을 통하여 서로 90°(
도 6은 이 발명의 실시예에 따른 평판형 선형 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining the principle of operation of the plate-shaped linear ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.
도 6에서, 압전체(20a)에 인가되는 고주파 전압을 A, 압전체(20b)에 인가되는 고주파 전압을 B라고 한다.In Fig. 6, the high frequency voltage applied to the piezoelectric body 20a is A, and the high frequency voltage applied to the piezoelectric body 20b is B.
도 6의(a)는 압전체(20a, 20b)에 인가되는 고주파 전압(A, B)의 시간적 변화를 도시한 도면이고, 도시된 시간(t0 ∼ t7)은 각각
한편, 도 6의(b)는 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동의 파형도이고, 도 6의(c)는 탄성체(10)에 발생되는 종진동의 파형도이고, 도 6의(d)는 고주파 전압 A와 B 사이의 전위차에 의해 탄성체(10)에 발생되는 종진동의 파형도이고, 도 6의(e)는 탄성체(10)의 타원운동의 파형도이다.6B is a waveform diagram of bending vibration generated in the elastic body 10, and FIG. 6C is a waveform diagram of longitudinal vibration generated in the elastic body 10, and FIG. Is a waveform diagram of the longitudinal vibration generated in the elastic body 10 by the potential difference between the high frequency voltages A and B, and FIG. 6E is a waveform diagram of the elliptic motion of the elastic body 10.
먼저, 시간 t0에서는, 도 6의(a)에 도시되어 있듯이, 양의 고주파 전압(A)이 압전체(20a)에 인가되고, 0의 전압인 고주파 전압(B)이 압전체(20b)에 인가된다. 따라서, 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동은 고주파 전압(A)에 의해서만 발생된다. 도 6의(b)에서는 탄성체(10)의 굴곡진동의 진폭을 각각 질점 U1, V1으로 나타내고, 이러한 질점 U1의 진폭은 시간 t0일 때 음의 방향으로 굴곡되고, 질점 V1은 양의 방향으로 굴곡된다.First, at time t0, as shown in Fig. 6A, a positive high frequency voltage A is applied to the piezoelectric body 20a, and a high frequency voltage B of zero voltage is applied to the piezoelectric body 20b. . Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 10 is generated only by the high frequency voltage A. FIG. In FIG. 6B, the amplitudes of the bending vibrations of the elastic body 10 are represented by the material points U1 and V1, respectively. The amplitudes of the material points U1 are bent in the negative direction at time t0, and the material points V1 are bent in the positive direction. do.
또한, 시간 t0에서 탄성체(10)에 발생되는 종진동은 도 6의(c)에 도시되어 있듯이, 탄성체(10)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 발생된다. 또한, 고주파 전압 A의 전위가 고주파 전압 B의 전위보다 높기 때문에 고주파 전압(A, B) 사이의 전위차에 의하여 탄성체(10)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 도 6의(d)에 도시되어 있듯이, 종진동이 발생된다.Further, the longitudinal vibration generated in the elastic body 10 at time t0 is generated in the direction in which the elastic body 10 is elongated in the longitudinal direction, as shown in FIG. In addition, since the potential of the high frequency voltage A is higher than the potential of the high frequency voltage B, as shown in FIG. 6 (d) in the direction in which the elastic body 10 is extended in the longitudinal direction by the potential difference between the high frequency voltages A and B. FIG. In addition, longitudinal vibrations occur.
따라서, 도 6의(e)에 도시되어 있듯이, 탄성체(10)에는 굴곡진동과 종진동이 합성되어 질점 U, V로 나타낸 진동이 발생된다.Therefore, as shown in FIG. 6E, the flexural vibration and the longitudinal vibration are combined with the elastic body 10 to generate vibrations represented by the quality points U and V. FIG.
시간 t1에서는, 도 6의(a)에 도시되어 있듯이, 모두 양의 전압인 고주파 전압(A, B)이 압전체(20a, 20b)에 인가된다. 따라서, 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동은 도 6의(b)에 도시되어 있는 것과 같이 발생되고, 질점 U1의 굴곡량은 음의 방향으로 최대가 되고, 질점 V1의 굴곡량은 양의 방향으로 최대가 된다. 또한, 이 경우의 종진동은, 도 6의(c)에 도시되어 있듯이, 0이 된다. 또한, 고주파 전압(A, B) 사이의 전위차가 0이므로 도 6의(d)에 도시되어 있듯이 압전체(20c)에 의한 탄성체(10)의 종진동도 0이 된다. 따라서, 질점 U, V는 모두, 도 6의(e)에 도시되어 있듯이 시간 t0로부터 좌측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t1, as shown in Fig. 6A, high frequency voltages A and B, which are both positive voltages, are applied to the piezoelectric bodies 20a and 20b. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 10 is generated as shown in Fig. 6B, the bending amount of the material point U1 is maximized in the negative direction, and the bending amount of the material point V1 is the positive direction. To the maximum. In addition, the longitudinal vibration in this case becomes zero, as shown to Fig.6 (c). Further, since the potential difference between the high frequency voltages A and B is zero, the longitudinal vibration of the elastic body 10 due to the piezoelectric body 20c is also zero, as shown in Fig. 6D. Therefore, the quality points U and V both move in a 45 degree ellipse to the left direction from time t0, as shown to Fig.6 (e).
시간 t2에서는, 도 6의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 0이 되고, 고주파 전압(B)은 양의 최대값이 된다. 따라서, 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동은 도 6의(b)에 도시되어 있는 것처럼 발생되어, 질점 U1은 음의 방향으로 굴곡되고, 질점 V1은 양의 방향으로 굴곡된다. 또한, 시간 t4에서는, 도 6의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(10)를 수축하는 방향으로 종진동한다. 또한, 고주파 전압 B의 전위가 고주파 전압 A의 전위보다 높기 때문에 고주파 전압(A, B) 사이의 전위차에 의하여 탄성체(10)를 종방향으로 수축시키는 방향으로 도 6의(d)에 도시되어 있듯이, 종진동이 발생된다. 따라서, 질점 U, V는 모두, 도 6의(e)에 도시되어 있듯이 시간 t1으로부터 좌측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t2, as shown in Fig. 6A, the high frequency voltage A becomes 0 and the high frequency voltage B becomes a positive maximum value. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 10 is generated as shown in Fig. 6B, so that the material point U1 is bent in the negative direction and the material point V1 is bent in the positive direction. In addition, at time t4, as shown in FIG.6 (c), it longitudinally oscillates in the direction which shrink | contracts the elastic body 10. FIG. Further, since the potential of the high frequency voltage B is higher than the potential of the high frequency voltage A, as shown in FIG. 6 (d) in the direction in which the elastic body 10 is contracted in the longitudinal direction by the potential difference between the high frequency voltages A and B. FIG. In addition, longitudinal vibrations occur. Therefore, the quality points U and V both move in the 45 degree ellipse shape to the left direction from time t1, as shown to Fig.6 (e).
시간 t3에서는, 도 6의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 음의 전압이고, 고주파 전압(B)은 양의 전압이며, 각 전압의 크기는 동일하다. 고주파 전압(A)에 의해 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동과, 고주파 전압(B)에 의해 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동은 서로 소거되어, 탄성체(10)에는 굴곡진동은 발생하지 않는다. 따라서, 질점 U1, V1의 진폭은 시간 t3일 때에는 항상 0이 된다. 또한, 시간 t3에서는, 도 6의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(10)를 수축하는 방향으로 종진동한다. 또한, 고주파 전압 B의 전위가 고주파 전압 A의 전위보다 높고, 전위차가 최대가 되기 때문에 고주파 전압(A, B) 사이의 전위차에 의하여 탄성체(10)를 종방향으로 수축시키는 방향으로 도 6의(d)에 도시되어 있듯이, 종진동이 발생된다. 이 때의 종진동은 압전체(20a, 20b)에 의한 종진동과 압전체(20c)에 의한 종진동이 더해져서 최대의 종진동 변위가 발생한다. 따라서, 질점 U, V는 모두, 도 6의(e)에 도시되어 있듯이 시간 t2로부터 좌측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t3, as shown in Fig. 6A, the high frequency voltage A is a negative voltage, the high frequency voltage B is a positive voltage, and the magnitude of each voltage is the same. The bending vibration generated in the elastic body 10 by the high frequency voltage A and the bending vibration generated in the elastic body 10 by the high frequency voltage B are canceled, and the bending vibration does not occur in the elastic body 10. . Therefore, the amplitudes of the material points U1 and V1 always become 0 at the time t3. In addition, at time t3, as shown in FIG.6 (c), it longitudinally oscillates in the direction which contracts the elastic body 10. FIG. In addition, since the potential of the high frequency voltage B is higher than the potential of the high frequency voltage A, and the potential difference becomes the maximum, the elastic body 10 is contracted in the longitudinal direction by the potential difference between the high frequency voltages A and B. As shown in d), longitudinal vibration occurs. At this time, the longitudinal vibration by the piezoelectric bodies 20a and 20b is added to the longitudinal vibration by the piezoelectric bodies 20c, so that the maximum longitudinal vibration displacement occurs. Therefore, the quality points U and V both move 45 degrees ellipse on the left side from time t2, as shown to Fig.6 (e).
이하, 마찬가지로, 시간 t4 내지 t7의 경우에도 압전체(20a, 20b)에 의하여 탄성체(10)에 굴곡진동과 종진동이 발생하고, 또한 압전체(20c)에 의하여 종진동이 발생하여, 그 결과 질점 U, V는 좌측방향으로 45°씩 타원상으로 이동한다.Similarly, bending time and longitudinal vibration are generated in the elastic body 10 by the piezoelectric bodies 20a and 20b also in the case of the times t4 to t7, and longitudinal vibration is generated by the piezoelectric body 20c. , V moves to the ellipse by 45 ° to the left.
이와 같이, 평판형 선형 초음파 모터에서는 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 합성에 의해, 탄성체(10)의 표면에 타원운동을 발생하는데, 고주파 전압(A, B) 사이의 전위차에 의해 탄성체(10)에 발생되는 종진동이 더해져서 결과적으로 탄성체(10)에 발생되는 타원운동의 변위가 확대된다.As described above, in the plate-type linear ultrasonic motor, elliptic motion is generated on the surface of the elastic body 10 by the combination of the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 10. The potential difference between the high frequency voltages A and B By this, longitudinal vibration generated in the elastic body 10 is added, and as a result, the displacement of the elliptic motion generated in the elastic body 10 is expanded.
한편, 도 7에 도시되어 있듯이, 탄성체(10)의 압전체(20a, 20b, 20c)가 부착되지 않은 면에 이동자(도시되지 않음)를 부착시키고, 탄성체(10)의 중앙부에 고정핀(30)을 설치하고, 이 고정핀(30)을 지지대(40)의 중앙에 고정시키고, 탄성체(10)에서 발생하는 진동에 영향을 미치지 않으면서 탄성체(10)와 이동자(도시되지 않음)를 가압하도록 판스프링(50)을 압전체(20a, 20b, 20c)와 지지대(40) 사이에 결합시킨다.Meanwhile, as shown in FIG. 7, a mover (not shown) is attached to a surface on which the piezoelectric bodies 20a, 20b, and 20c of the elastic body 10 are not attached, and the fixing pin 30 is disposed at the center of the elastic body 10. Plate to fix the fixing pin 30 to the center of the support 40 and pressurize the elastic body 10 and the mover (not shown) without affecting the vibration generated in the elastic body 10. The spring 50 is coupled between the piezoelectric bodies 20a, 20b, 20c and the support 40.
여기에서, 판스프링(50)은 반원 형상을 갖고, 양쪽 끝부분은 나사로 지지대(40)에 고정된다.Here, the leaf spring 50 has a semi-circular shape, both ends are fixed to the support 40 with a screw.
이와 같이, 탄성체(10)와 이동자가 상대 가압되면, 탄성체(10)에 의한 타원 운동이 이동자로 전달되고, 이동자는 이동하게 된다. 또한, 이동자 대신에 고정부재를 설치하면, 평판형 선형 초음파 모터 자신이 회전하게 된다.As such, when the elastic body 10 and the mover are relatively pressurized, the elliptic motion by the elastic body 10 is transmitted to the mover, and the mover moves. In addition, when the fixing member is provided in place of the mover, the flat linear ultrasonic motor itself rotates.
게다가, 탄성체(10)의 형상을 원형으로 하면 이동자 또는 초음파 모터는 회전구동한다.In addition, when the shape of the elastic body 10 is circular, the mover or the ultrasonic motor rotates.
또한, 탄성체(10) 표면의 마찰재의 두께 감소에 따른 탄성체(10)와 이동자의 가압력을 일정하게 유지해주고, 정속 운전이나 일정 토오크를 유지해준다.In addition, the pressing force of the elastic body 10 and the mover according to the decrease in the thickness of the friction material on the surface of the elastic body 10 is kept constant, and constant speed operation or constant torque is maintained.
한편, 압전체(20a, 20b)에 인가되는 고주파 전압의 주파수를 변화시키면 탄성체(10)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 주파수가 변화하기 때문에, 탄성체(10)의 타원운동의 주파수도 변화하고, 따라서 이동자의 이동속도도 변화한다.On the other hand, when the frequencies of the high frequency voltages applied to the piezoelectric bodies 20a and 20b are changed, the frequencies of the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 10 change, so that the frequency of the elliptic motion of the elastic body 10 also changes. Therefore, the moving speed of the mover also changes.
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 탄성체의 한쪽 면에 결합되어 있는 압전체의 중앙부를 압전체의 길이 방향으로 분극시킴으로써, 탄성체의 종진동 방향의 변위를 확대시켜 구동 효율을 향상시키는 평판형 선형 초음파 모터를 제공할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, by flattening the central portion of the piezoelectric body coupled to one surface of the elastic body in the longitudinal direction of the piezoelectric body, the flat linear ultrasonic waves improve the driving efficiency by expanding the displacement in the longitudinal vibration direction of the elastic body. Can provide a motor.
비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.Although this invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments disclosed above, but also includes various modifications and equivalents within the scope of the following claims.
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