KR200149142Y1 - 2중구조의 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 모터에 관한 것으로, 특히 압전재료에 의해 가진되는 적절한 고정자의 형상과 이에 따른 가압기구의 설치로 하나의 고정자로 기어와 같은 감속기구 없이 2개 이상의 서로 다른 회전수를 얻을 수 있는 기능을 갖는 초음파 모터에 관한 것이다. 종래의 초음파 모터는 하나의 회전속도만을 얻을 수 있었다. 본 고안에 따른 초음파 모터는 스프링에 의해 고정자에 서로 다른 마찰력으로 접촉되는 회전자 2개를 따로 설치하여 제 1축과 제 2축을 서로 다른 회전속도로 구동시킬 수 있게 되어 있다. 본 고안은 마찰력을 이용하는 초음파 모터의 제조기술에 응용 가능하다.

Description

2축구조의 초음파 모터

제1도는 일반적인 초음파 모터의 내부 구성을 나타낸 도면.

제2도는 제1도 압전체의 분극구조를 따타낸 도면.

제3도는 제1도 고정자의 진동상태와 회전자의 회전원리를 설명하기 위한 도면.

제4도는 제1도 진동체 이빨 표면의 반경방향의 변위분포를 설명하기 위한 그래프.

제5도는 본 고안에 따른 초음파 모터의 내부구조를 나타낸 단면도.

제6도는 제5도 진동체의 반경에 따른 변위분포를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 케이스 111 : 제 1축 설치공

112 : 제 2축 설치공 120 : 제 1축

130 : 제 2축 140 : 고정자

141 : 나사 142 : 진동체

143 : 압전체 144 : 제 1이빨

145 : 제 2이빨 151: 제 1베어링

152 : 제 2베어링 153 : 제 3베어링

160 : 제 1회전자 161 : 제 1테두리

162 182 : 마찰재 163 : 제 2베어링 설치홈

171 : 제 1탄성부재 172 : 제 2탄성부재

180 : 제 2회전자 181 : 제 2테두리

본 고안은 모터에 관한 것으로, 특히 압전재료에 의해 가진되는 적절한 고정자의 형상과 이에 따른 가압기구의 설치로 하나의 고정자로 기어와 같은 감속기구 없이 2개 이상의 서로 다른 회전수를 얻을 수 있는 기능을 갖는 초음파 모터에 관한 것이다.

일반적으로 초음파 모터는 압전체가 진동체 밑면에 붙여져서 이루어진 고정자와 이 고정자 위에서 진동되는 고정자와 접촉되어 마찰력으로 고정자의 진동에너지를 회전운동에너지로 변환하는 회전자를 구비하고 있다. 이와같은 초음파 모터에는 여러가지 형태의 것이 있으나 그 중 실용성이 가장 높다고 인정되는 것은 링 타입(ring type)의 초음파 모터이다.

제1도는 일반적인 초음파 모터의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 제1도 모터는 케이스(10)를 구비하고 있다. 이 케이크(10)에는 모터의 축을 설치하기 위한 축 설치공(11)이 형성되어 있다. 이 축 설치공(11)에는 제 1 베어링(21)이 삽입되어 있고, 이 제 1베어링(21)에는 축(30)이 결합되어 있다. 또한, 케이스(10)의 내부에는 축(30)의 끝단을 지지하여 축(30) 끝단이 움직이지 않고 제자리에서 원활하게 회전될 수 있도록 하기 위한 축 지지홈(12)이 형성되어 있다. 이 축 지지홈(12)의 표면에는 축(30)이 관통하는 제 2베어링(22)이 설치되어 있다. 이 제 2베어링(22)에는 접시 스프링(40)이 결합되어 있다. 제1도에서 접시 스프링(40)아랫쪽의 축(30)에는 회전자(50)가 결합되어 있고,이 회전자(50)의 상면에 접시 스프링(40)의 일측 끝단이 고정되어 있다. 즉, 접시 스프링(40)의 다른 일측 끝단은 제 2베어링(22)에 결합되어 있으므로 회전자(50)가 회전되면 같은 방향으로 회전된다.

회전자(50)는 전체적으로 대략 원판 모양을 하고 있으며 그 아래에 설치된 고정자(60)와 접촉되는 부분에는 마찰력을 크게 하기 위한 마찰재(51)가 부착되어 있다.

제1도에서 회전자(50) 아래의 케이스(10) 내면에는 나사(61)등에 의해 고정자(60)가 결합되어 있다. 이 고정자(60)는 전체적으로 원형의 모양을 이루고 있으며 소정 분극구조로 이루어진 압전체(62)와 이 압전체(62) 상면에 부착된 진동체(63)로 구성되어 있다. 이 진동체(63)에는 원주면을 따라 일정 높이로 이빨(64)들이 소정 간격을 두고 배치되어 있는데 이는 제3도를 보면 알 수 있다.

제2도는 제1도 압전체의 분극구조를 나타낸 도면이다. 제1도 진동 체의 밑면에는 제2도에 도시된 바와같은 분극구조로 이루어진 압전체(62)가 접합되어 있다. 이 압전체(62)는 진동체를 일정 방향으로 진동시키기 위한 것이다. 제2도에 나타낸 바와같이 분극처리된 압전체(62)에 한쪽에는 sin(ωt), 다른 한쪽에는 cos(ωt)인 교류전압을 인가하면 압전체는 수축, 인장을 하여 진동체의 표면에는 일정방향으로 진행하는 굽힘진동이 발생되는데, 이러한 상태는 제3도를 보면 알 수 있다. 여기서, λ는 일정 크기의 각을 나타낸다.

즉, 압전체(62)에 의해 제1도 진동체(63)가 일정방향으로 진동되고, 회전자(50)는 진동체(63)의 이빨(64)에 접촉되어 회전되게 된다. 회전자(50)의 회전원리는 제 3도를 참조하여 상세히 설명한다.

제3도는 제1도 고정자의 진동상태와 회전자의 회전원리를 설명하기 위한 도면이다. 제3도에서 위에서 설명한 바와같은 압전체(62)에 전압을 인가하면 진동체(63)에는 제3도에 도시된 바와같은 제 1화살표(65)방향으로 진행하는 굽힘진동이 발생된다. 인가되는 교류전압의 각 주파수 ω는 큰 진폭을 얻기 위해 진동체(63)의 고유주파수와 일치하도록 하는 것이 좋다. 이때, 진동체(63)의 이빨(64) 표면은 제3도에 도시된 바와같이 타원(66)궤적을 그리게 되며 여기에 접촉되는 마찰재(51)를 구비하는 회전자(50)는 진동체(63)의 이빨(64)면과의 접촉점에서 발생하는 마찰력에 의해 회전하게 된다. 회전자(50)의 회전방향은 진동체(63) 즉, 고정자(60)의 굽힘진동의 진행방향과 반대방향인 제 2화살표(67) 방향이 된다.

제4도는 제1도 진동체 이빨 표면의 반경방향의 변위분포를 설명하기 위한 그래프이다. 제4도에는 진동체의 반경방향의 일단면의 변위분포가 그래프로 표시되어 있다. 제4도에서 가로축은 진동체,즉 고정자의 반경, 세로축은 진동체의 변위 즉, 이빨표면의 변위를 나타낸다. 제4도에서 알 수 있는 바와같이 진동체는 중심에서 멀어질수록 더 큰 변위를 일으킨다는 사실을 알 수 있다. 여기서, r₁은 제1도 고정자(60)의 중심에서 이빨(64)의 내면까지의 반경이고, r₂는 제1도 고정자(60)의 중심에서 이빨(64)의 외면까지의 반경이다.

이상, 제1도 내지 제4도를 통하여 설명한 바와같은 종래의 초음파 모터는 고정자 이빨의 진폭이 최대가 되는 지점에 회전자를 설치하여 하나의 고정자로 부터 하나의 회전속도만을 얻을 수 있었다.

본 고안의 목적은 하나의 고정자로 2개 이상의 서로 다른 회전속도를 얻을 수 있는 초음파 모터를 제공하는데 있다.

이와같은 본 고안의 목적은 연속적인 분극구조로 이루어져 교류전압이 인가되면 진동되는 압전체를 구비하는 초음파 모터에 있어서, 상기 압전체에 접합되어 상기 압전체의 진동에 따라 일정방향으로 긴동되고 원주를 따라 소정 간격을 두고 이빨들이 다수 형성되어 있는 진동체, 상기 이빨 표면의 제 1원주면에 제 1마찰력으로 접촉되어 제 1회전속도로 회전되고 제 1모터축이 연결된 제 1회전자 및 상기 이빨표면의 제 2원주면에 제 2마찰력으로 접촉되어 제 2회전속도로 회전되고 제 2모터축이 연결된 제 2회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터에 의해 달성 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

제5도는 본 고안에 따른 초음파 모터의 내부구조를 나타낸 단면도이다. 제5도 모터는 케이스(110)를 구비하고 있다. 이 케이스(110)에는 모터의 제 1축(120)을 설치하기 위한 제 1축 설치공(111)과 제 2축(130)을 설치하기 위한 제 2축 설치공(112)이 마주보고 각각 형성되어 있다.

케이스(110)의 내부에는 고정자(140)가 나사(141)등으로 케이스(110)에 고정설치되어 있다. 이 고정자(140)는 전체적으로 원형의 모양을 하고 있으며, 진동체(142)와 그 아랫면에 부착된 압전체(143)로 구성되어 있다. 이 압전체(143)는 제2도에 도시된 바와같은 종래의 것을 사용여도 상관없다. 진동체(142)의 일측 표면에는 제 1이빨(144)과 제 2이빨(145)이 소정 반경의 원주를 따라 각각 형성되어 있다. 물론, 반드시 제 1이빨(144)과 제 2이빨(145)을 각각 설치하여야 하는 것은 아니다.

제 1축 설치공(111)의 안쪽 표면에는 제 1베어링(151)이 설치되어 있다. 이 제 1베어링(151)에는 제 1축(120)이 삽입되어 있다. 제 1축(120)에는 제 1회전자(160)와 제 1탄성부재(171)가 결합되어 있다. 제1탄성부재(171)로는 코일 스프링이 적당하다. 제 1탄성부재(171)는 제 1베어링(151)과 제 1회전자(160) 사이에서 제 1회전자(160)에 제 1탄성력을 제공한다.

제 1회전자(160)는 제5도에서 알 수 있는 바와같이 가장자리를 따라 형성된 제 1테두리(161)로 둘러싸인 원판모양으로 구성하는 것이 좋다. 이 제 1테두리 (161)의 끝단에는 마찰재(162)가 부착되어 있다. 이 마찰재(162)는 제 1회전자(160) 아래에 설치되어 있는 고정자(140)의 제 1이빨(144)과 접촉되는 부분으로 마찰력을 좋게하기 위한 것이다. 이와같은 제 1회전자(160)에는 제 2베어링(152)이 안착될 수 있는 제 2베어링 안착홈(163)이 중앙부분에 형성되어 있다. 이 제 2베어링(152)에는 제 1축(120)이 삽입되어 있고, 제 2탄성부재(172)가 결합되어 있다. 제 2탄성부재(172)로는 접시 스프링이 적당하다.

제 2축 설치공(112)에는 제 3베어링(153)이 삽입되어 있다. 이 제 3베어링(153)에는 제 2축(130)이 결합되어 있다. 이와같은 제 2축(130)에는 제 2회전자(180)가 고정되어 있다. 이 제 2회전자(180)는 제 2베어링(152)에 결합되어 있는 제 2탄성부재(172)에 의해 제 2탄성력을 받고 있다. 이 제 2회 전자(180)에도 가장자리를 따라 제 2테두리(181)가 형성되어 있고, 고정자(140)의 제2이빨(145)과 접촉되는 부분에는 마찰재(182)가 부착되어 있다. 즉, 제2회전자(180)는 일정 방향으로 진동되는 고정자(140)의 제2이빨(145)과의 마찰력에 의해 회전된다.

제2도에서 설명한 바와같은 압전체(143)의 한쪽에는 sin(ωt), 다른 한 쪽에는 cos(ωt)인 교류전압을 인가하면 압전체는 수축, 인장을 하여 진동체(142)의 표면에는 일정방향으로 진행하는 굽힘진동이 발생되는데, 이러한 상태는 제3도에서 설명한 바와같고 제 1,제 2회전자(160, 180)가 회전되는 원리 또한 제3도에서의 설명과 동일하다. 여기서, 제 1회전자(160)는 제 1 탄성부재(171)의 제 1탄성력을 받고 있고, 제 2회전자(180)는 제 2탄성부재(172)의 제 2탄성력을 받고 있는 상태이다. 따라서 제 1회전자(160)와 제 1이빨(144)과의 접촉 마찰력은 제 1탄성부재(171)의 탄성력의 크기에 의존하고, 제 2회전자(180)와 제 2이빨(145)과의 접촉 마찰력은 제 2탄성부재(172)의 탄성력의 크기에 의존하게 된다. 즉, 제 1, 제 2탄성부재(171, 172)의 탄성력을 조정하므로써 제 1회전자(160)와 제 1이빨(144)간의 마찰력과 제 2회 전자(180)와 제 2이빨(145)간의 마찰력을 서로 다르게 조정할 수 있다. 이에 따라 제 1회전자(160)의 회전속도와 제 2회전자(180)의 회전속도를 서로 다르게 할 수 있게 된다. 즉, 동일 고정자(140)로 부터 2개의 축을 서로 다른 속도로 회전시킬 수 있다. 이때의 제 1이빨(144)과 제 2이빨(145)의 변위분포는 제6도를 보면 알 수 있다.

제6도는 제5도 진동체의 반경에 따른 변위분포를 나타낸 도면으로서, 진동체의 반경방향의 일단면의 변위분포가 그래프로 표시되어 있다. 제6도에서 가로축은 진동체 즉, 고정자의 반경, 세로축은 고정자 이빨의 변위를 나타낸다. 제6도에서 알 수 있는 바와같이 제5도 진동체(142)는 중심에서 멀어질수록 더 큰 변위를 일으킨다는 사실을 알 수 있다. 여기서 고정자(140)의 중심에서 제 1이빨(144)의 내면까지의 반경은 r₁, 제 2이빨(145)의 내면까지의 반경은 r₂이다. 즉, 제5도 진동체(142)의 제 1이빨(144)의 변위량은 제 2이빨(145)의 변위량에 비해 상대적으로 크다. 제 2이빨(145)과 제 2회전자(180)간의 마찰력은 제 1이빨(144)과 제 1회전자(160)간의 마찰력에 비해 상대적으로 작게 된다. 즉, 제 1이빨(144)과 제 1회전자(160)간의 마찰력과 제 2이빨(145)과 제 2회전자(180)간의 마찰력이 서로 다른값을 갖는다.

이와같은 상태에서 제 1탄성부재(171)와 제 2탄성부재(172)의 탄성력을 조절하므로써 제 1회전자(160)와 제 1이빨(144)간의 접촉 마찰력과 제 2회전자(180)와 제 2이빨(145)간의 접촉 마찰력을 많은 차이가 나게 조절할 수 있다. 제5도의 경우를 예로 들면, 제 1탄성부재(171)의 탄성력을 제 2탄성부재(172)의 탄성력보다 훨씬 더 크게 조절하면 제 1이빨(144)과 제 1회전자(160)간의 접촉 마찰력은 상대적으로 매우 커진다. 반면에 이 경우 제 2이빨(145)과 제 2회전자(180)간의 접촉 마찰력은 상대적으로 매우 작아진다. 그러므로 제 1,제 2이빨(144, 145)과의 마찰력에 의해 회전력을 전달받는 제 1회전자(160)와 제 2회전자(180)의 서로 다른 회전속도도 용이하게 얻을 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 따른 초음파 모터에서는 하나의 고정자로 2개의 모터축을 서로 다른 속도로 각각 회전 시킬 수 있다. 물론, 경우에 따라서는 1개의 모터축을 제 1회전자 또는 제 2회전자에 선택적으로 연결하므로써 별도의 감속기 없이 모터축을 서로 다른 속도로 회전 시킬 수도 있다.

Claims (8)

1. 연속적인 분극구조로 이루어져 교류전압이 인가되면 진동되는 압전체를 구비하는 초음파 모터에 있어서, 상기 압전체에 접합되어 상기 압전체의 진동에 따라 일정방향으로 진동되고 원주를 따라 소정 간격을 두고 이빨들이 다수 형성되어 있는 진동체 ; 상기 이빨 표면의 제 1원주면에 제 1마찰력으로 접촉되어 제 1회전속도로 회전되고 제 1모터축이 연결된 제 1회전자; 및 상기 이빨표면의 제 2원주면에 제 2마찰력으로 접촉되어 제 2회전속도로 회전되고 제 2모터축이 연결된 제 2회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1축이 통과되는 제 1관통구와 상기 제 1 관통구의 맞은편에 설치되고 상기 제 2축이 통과되는 제 2관통구를 구비하고, 상기 제 1, 제 2회전자 및 상기 고정자를 보호하기 위한 케이스; 상기 제 1회전자와 상기 케이스 사이의 상기 제 1모터축에 설치되어 상기 제 1회전자와 상기 이빨의 표면에 제 1마찰력으로 접촉되도록 상기 제 1회전자를 제 1탄성력으로 지지하는 제 1탄성부재; 및 상기 제 1회전자와 상기 제 2회전자 사이에 회전 가능하게 설치되고 상기 제 2회전자가 상기 이빨의 표면에 제 2마찰력으로 접촉되도록 상기 제 2회전자를 제 2탄성력으로 지지하는 제 2탄성부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1탄성부재는 코일 스프링이고, 상기 제 2 탄성부재는 접시 스프링인 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2탄성부재는 상기 제 1축에 결합된 베어링에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 진동체의 표면에는 제 1원주면을 따라 소정 간격을 두고 배치되어 상기 제 1회전자에 접촉되는 제 1이빨들과 제 2원주면을 따라 소정 간격을 두고 배치되어 상기 제 2회전자에 접촉되는 제 2이빨들이 구분되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
6. 제 5항에 있어서, 상기 제 1이빨과 상기 제 2이빨은 높이가 서로 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
7. 제 6항에 있어서, 상기 제 1이빨은 상기 제 2이빨보다 바깥쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
8. 제 1항에 있어서, 상기 이빨의 표면에 접촉되는 상기 제 1, 제 2회 전자의 접촉면에는 마찰력을 좋게하기 위한 마찰재 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.