KR200140954Y1 - 초음파모터 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 초음파모터의 구동장치에 관한 것으로서, 특히 초음파모터의 고정자에 취부된 압전체의 변형력에 의해 구동되는 초음파모터의 구동장치에 관한 것이다. 이 초음파모터 고정자 플랜지의 상하면에 각각 압전체를 취부하여 고정자의 파상진동이 회전자에 유효한 파상진동만이 발생되게한다. 그리고, 고정자와 압전체의 변형이 불필요한 굽힘하중이 발생하여 구조적 수명이 저하되는 것을 방지한 초음파모터의 구동장치이다.

Description

초음파모터 구동장치

제1도는 종래 초음파모터를 나타내는 사시도,

제2도는 제1도의 A-A' 선단면도,

제3(a)도는 종래 초음파모터의 고정자를 절취하여 일정부분만을 나타낸 부분 사시도,

제3(b)도는 제3(a)도의 평면도,

제3(c)도는 제3(a)도의 측면도,

제4도는 본 고안에 따른 초음파모터의 사시도,

제5도는 제4도의 B-B' 선부분을 절취한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 회전축 12 : 회전자

14 : 고정자웨브 16 : 치부(齒部)

18 : 고정자플랜지 20 : 제2압전체

22 : 제1압전체

본 고안은 초음파모터에 관한 것으로서, 특히 초음파모터 고정자플랜지의 상하부면에 접합된 압전체들의 변형력에 의해 파상진동하는 초음파모터의 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 초음파모터는 압전소자의 성질을 이용한 모터이다. 압전소자는 전압이 인가되면 그 인가된 전압의 위상에 따라 길이가 수축하거나 팽창하는 성질이 있다. 이 압전소자의 여러개 연결한 압전체는 서로 다른 위상의 전압이 압전소자들에 인가되면 각각의 압전소자들의 변형력에 의해 파상형태로 진동한다. 이러한 파상진동을 하는 압전체를 고정자의 플랜지(flange) 저부면에 접합하면, 고정자는 압전체와 동일한 위상을 갖고 파상진동한다. 따라서, 초음파모터에 인가되는 전압의 위상변화가 고주파로 변하므로 고정자 또한 고주파로 파상진동한다. 고정자플랜지의 상부로 돌설된 고정자웨브(web)의 치부는 고정자의 파상진동으로 인해 회전자를 마찰시킨다. 이 파상진동에 의한 마찰력은 회전자에 회전력으로 전환되어 회전자를 구동시킨다. 이에 관련된 기존의 초음파모터의 일례를 제1도에 도시한다.

제1도는 종래 초음파모터를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 원판형상의 회전자(12)는 중심부에 회전축(10)을 갖고 있으며, 회전자(12)의 반경방향 저면부에 고정자웨브(14)의 치부(16)가 밀착되어 있다. 이 치부(16)는 초음파모터 구동시 회전자(12)와의 마찰로 인하여 회전자에 회전력을 발생시킴으로써 회전자(12)를 구동시킨다. 치부(16)는 고정자웨브(web)(14)의 끝단에 일정간격으로 원주방향으로 따라 다수개 형성되어 있다. 그리고, 고정자웨브(14)는 고정자플랜지(flange)(18)와 일체형으로 되어 있다. 이 고정자는 고리형상을 하고 있으며, 고정자플랜지(18) 저부면에는 저부면의 투영면적에 해당하는 압전체(20)가 환형으로 접합되어 있다. 압전체(20)는 여러개의 압전소자들로 형성되어 인접한 압전소자들과 상호 분극구조를 갖고 있다. 이 분극구조의 압전체(20)에 서로 다른 위상의 전압을 인가하면 각각의 압전소자는 원주방향으로 수축 또는 팽창하여 고정자를 파상형태로 진동시킨다. 이로 인해, 압전체(20) 상부면에 접합된 고정자는 압전체(20)의 변형력에 의해 파상진동하게 되고, 치부(16)는 회전자(12)의 저면부를 마찰시킨다.

제2도는 제1도의 A-A'단면도로서, 초음파모터가 구동되지 않을 때의 회전자(12)와 고정자 그리고, 압전체(20)의 상태를 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 회전자(12) 반경방향 저면부에는 고정자웨브(14)의 치부(16)상부면이 밀착되어 있다. 이 치부(16)는 고정자웨브(14)의 끝단에 일정간격으로 형성되어 고정자플랜지(18)와 일체로 되어 있으며 고정자플랜지(18) 저면부에는 압전체(20)가 접합되어 있다. 그리고, 고정자플랜지(18)의 두께는 압전체(20)의 두께보다 두껍게 되어 있다.

이와같은 결합을 가지는 초음파모터의 구동시 고정자의 변형은 다음의 제3도의 (a)도, (b)도 및 (c)도에 도시되어 있다. 제3(a)도는 종래 초음파모터의 압전체(20)를 구성하는 하나의 압전소자에 취부된 고정자의 일부분을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 압전소자에 (+)극의 전압이 인가될 때, 압전소자는 고정자의 원주방향을 따라 늘어나게 되어 고정자플랜지(18)를 전체적으로 오목하게 만곡시킨다. 또한, 압전소자의 변형은 고정자웨브(14)와 고정자플랜지(18)의 결합부분을 만곡시키는 변형력을 발생시킨다. 그러나, 이 부분은 고정자플랜지(18)의 다른 부분과 다른 단면 형상을 가지므로 고정자의 강성이 다른 곳보다 크다. 따라서, 고정자플랜지(18)의 변형은 일정하게 변형하는 압전체(20)와는 달리 불균일한 변형을 일으키게 된다.

이 변형과 고정자를 평면에 도시한 것이 제3(b)도로서, 고정자플랜지(18) 반경방향으로의 양끝단은 압전체(20)의 원주방향 변형력에 저항하는 고정자웨브(14)가 접합된 부분과 접합되지 않은 부분에 대하여 고정자의 강성(stiffness)이 서로 다르게 나타나므로 고정자의 반경방향 양끝단에 표시된 화살표(a,a')를 따라 변형된다. 이같은 변형은 고정자플랜지(18)의 저면부에 접합된 압전체(20)의 변형력이 고정자플랜지(18)에 균일하게 분포되려고 하지만 고정자플랜지(18)의 강성이 고정자웨브(14)가 접합된 분의 강성과 접합되지 않은 부분의 강성이 서로 달라 압전체(20)의 변형력이 고정자플랜지(18)에 불균일하게 분포됨으로써 발생한다. 이로인해, 고정자웨브(14)가 접합된 부분의 변형율과 고정자플랜지(18)의 반경방향 양 끝단부에서의 변형율이 같지않아 양 단부는 화살표(a,a')방향으로 변형된다.

또한, 제3(c)도는 제3(a)도의 측단면도로서, 고정자플랜지(18)의 양단부가 Z-방향으로 불필요한 만곡을 일으키는 것을 화살표(b,b')로 나타내고 있다. 도시한 바와같이, 고정자 측단면은 고정자플랜지(18)의 상부로 고정자웨브(14)가 돌설되어 그 면적이 고정자플랜지(18) 측단면부를 따라 일정하지 않게 되어 변형력에 저항하는 강성이 고정자플랜지부에 일정하게 분포되지 않는다. 그러므로, 압전체(20)의 변형력은 고정자웨브(14)가 형성된 고정자플랜지(18) 부분에서 변형율이 작아지게 되고, 반경방향의 양끝단부에서는 커지게 되어 이 변형율의 차이로 인하여 Z-방향으로 양단부가 화살표(b-b')를 따라 만곡된다.

이상, 설명한 바와 같이 기존의 초음파모터는 압전체가 접합된 고정자의 불균일한 변형율로 인하여 Z-방향으로의 변형이 발생하여 고정플랜지(18)의 양단부는 불필요한 굽힘변형력을 받게 된다. 또한, 고정자플랜지의 고정자웨브 접합부는 강성이 크므로 압전체의 변형력에 의한 굽힘이 작게 발생한다. 그러므로, 고정자플랜지(18)는 불필요한 굽힘과 파상진동을 발생시키는 굽힘에 의해 인장 또는 압축하중이 교번되어 작용하게 된다. 이러한 불필요한 굽힘변형은 고정자를 쉽게 피로(fatigue)시켜 고정자의 취성을 증가시키는 원인이 된다. 또한, 고정자플랜지(18)의 저면부에 접합된 압전체(20)도 피로(fatigue)를 받게 되어 취성이 증가된다. 이로 인해, 고정자와 압전체(20)의 구조적 강도는 저하되고 초음파모터의 수명이 단축된다. 또한, 고정자플랜지(18)와 압전체(20)의 두께차이와 고정자웨브(14)가 접합된 고정자플랜지(18)부분의 강성으로 인하여 초음파모터 구동시 압전체(20)의 변형력은 고정자플랜지(18)을 변형시키는데 큰 변형력이 필요하므로 초음파모터의 구동효율이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 고안의 목적은 고정자플랜지 상하면에 동일한 변형율을 갖는 압전체들을 접합하여, 고정자의 반경방향의 양단부에서 발생하는 불필요한 굽힘변형을 제거시킴으로써 고정자를 파상진동시키는 유효한 굽힘변형만을 갖도록한 초음파모터 구동장치를 제공함에 있다.

이와 같은 본 발명의 목적은 압전체를 구성하는 압전소자들의 원주방향 변형력에 의해 고정자가 파상진동하게 되고, 이 파상진동하는 고정자에 의해 회전자가 구동되는 초음파모터 구동장치에 있어서, 상기 고정자의 상면과 저면에 대칭적으로 각각 취부되어 고정자를 파상진동시키는 압전체들을 포함하는 초음파모터 구동장치를 구비함으로써 달성 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

제4도는 본 고안에 따른 초음파모터를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 회전축(10)과 일체형으로 형성된 원판형상의 회전자(12)는 고정자의 치부(16)의 상부면에 안착되어 있다. 이 치부(16)는 고정자의 웨브(14)에 원주방향을 따라 일정간격으로 일체로 형성되어 있다. 또한, 고정자 웨브(14)는 고정자플랜지(18)에 일체형으로 구성되어 있다. 그리고, 고정자플랜지(18)의 상부면에 원주방향을 따라 제1압전체(22)가 접합되어 있고, 그 저부면에 제2압전체(20)가 접합되어 있다. 이들의 취부상태를 좀더 자세히 설명하기 위하여 제4도의 B-B' 부분을 절취한 단면도를 참조하여 상세히 설명한다.

제5도는 본 고안에 따른 초음파모터의 B-B'부분을 절취한 단면도이다. 도시한 바와 같이, 중심부에 회전축(10)이 일체형으로 형성된 회전자(12)는 고정자웨브(14)의 치부(16)면 상부에 밀착된다. 이 치부(16)는 고정자웨브(14)의 끝단에 원주방향을 따라 일정한 가격으로 형성되어 있고, 고정자웨브(14)는 고정자플랜지(18)와 일체형으로 되어 있다. 그리고, 압전체는 고정자플랜지(18) 상부면과 저부면에 각각 접합되는 제1압전체(22)와 제2압전체(20)고 구성된다. 특히, 제1압전체(22)와 제2압전체(20)의 분극구조는 상호 동일한 구조를 가지며, 이 압전체들은 고정자플랜지(18) 상하부면의 동일한 위치에 같은 분극구조를 갖고 있다. 아울러, 고정자플랜지의 두께는 제1압전체가 접합되는 두께만큼 감소하여 압전체들 사이에 접합되어 있다.

이와같은 결합을 가지는 초음파모터는 고정자플랜지(18) 상하부면에 접합된 제1압전체(22)와 제2압전체(20)에 동일한 위상의 전압이 인가되어 구동된다. 그러면 제1압전체(22)와 제2압전체(20)의 분극구조가 같으므로 원주방향을 따라 동일한 변형이 발생한다. 따라서, 이들 압전소자들과 인접한 각각의 압전소자들은 서로 다른 위상의 전압이 인가되어 다른 방향의 변형력들이 발생한다. 즉, 이들 압전소자에 발생하는 변형력들은 고정자플랜지(18)의 상하부면에서 동일한 위상으로 상호 중첩되어 파상진동하게된다. 이 중첩된 파상진동으로 인하여 고정자웨브(14)에 형성된 치부(16)는 회전자(12)의 저면부를 마찰하여 회전자(12)를 회전시키게 된다.

이상 서술한 바와 같이, 본 고안에 따른 초음파모터 구동장치는 고정자플랜지의 상하면에 접합된 제1압전체와 제2압전체의 동일한 위상의 파상진동으로 인하여 고정자플랜지의 파상진동이 중첩된다. 즉, 치부의 파상진동은 상호 중첩되고, 회전자를 마찰하는 치부의 마찰력을 증가시킨다. 이때, 증가된 마찰력은 회전자의 회전력을 증가시키게 되는 효과를 갖는다. 더욱이, 고정자플랜지의 두께도 기존의 고정자플랜지보다 얇으므로 변형에 대한 응답성은 향상되고 상하의 압전체들의 변형력들은 중첩되어 초음파모터의 구동효율을 증가시킨다. 아울러, 본 고안에 따른 초음파모터의 구동장치에서 고정자플랜지의 변형은 플랜지 저면부에 접합된 제2압전체의 변형률과 상부면에 접합된 제1압전체의 변형률이 같게 된다. 그러므로, 고정자에는 불필요한 굽힘변형력이 제거되고 회전자에 파상진동만을 발생시키는 유효한 굽힘변형력이 발생된다. 뿐만아니라, 이들 압전체들은 고정자플랜지 반경방향의 양단부에서 발생하는 Z-방향의 불필요한 굽힘변형력이 제거됨으로써, 굽힘력에 의한 고정자와 압전체의 피로가 현저히 줄어드는 효과를 갖는다. 이상에 기인하여, 본 장치는 궁극적으로 초음파모터의 고정자와 압전체의 수명을 향상시키는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 압전체를 구성하는 압전소자들의 원주방향 변형력에 의해 고정자가 파상진동하게 되고, 이 파상진동하는 고정자에 의해 회전자가 구동되는 초음파모터 구동장치에 있어서, 상기 고정자의 상면과 저면에 대칭적으로 각각 취부되어 고정자를 파상진동시키는 압전체들을 포함하는 초음파모터 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압전체들의 변형율은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 초음파모터 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 압전체들의 분극구조는 상기 고정자에 취부되는 각각의 위치에서 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파모터 구동장치.