KR20030076037A

KR20030076037A - 압전 선형초음파모터

Info

Publication number: KR20030076037A
Application number: KR1020020015680A
Authority: KR
Inventors: 윤석진; 김현재; 최지원; 강종윤; 이동균; 바실욥프피오트
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-09-26
Also published as: US20030178915A1; JP3751273B2; JP2003284364A; KR100483804B1; US6984920B2

Abstract

본 발명은 압전 세라믹스에서 발생하는 20 kHz이상의 초음파 진동을 이용하여 구동력을 얻는 선형모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 한 쌍의 압전 세라믹스에 각각 90°의 위상차를 갖는 sin, cos 두 개의 고주파 전류 전계를 가함으로써 이와 연결된 진동빔에 타원형의 기계적 변위를 발생시켜 마찰력을 통해 이동자를 선형으로 구동하는 압전 선형초음파 모터에 관한 것이다.

본 발명은 기계적인 진동을 발생시키는 다수 개의 압전 세라믹스와, 상기 압전 세라믹스 하부에 위치하여 진동의 크기를 확대시키는 혼과, 상기 압전 세라믹스가 볼트에 의해 압착되는 금속재로 이루어지는 한 쌍의 반파장 변환기와; 상기 반파장 변환기에 연결된 진동빔의 중앙에 형성되고 반파장 변환기에 서로 다른 2상을 갖는 고주파 교류 전계를 가하면 타원형 기계적 변위를 발생시키는 돌출부와; 상기 돌출부에 접촉되어 돌출부와의 마찰력을 통해 선형적으로 구동하는 이동자로 구성된다.

Description

압전 선형초음파모터 {Piezoelectric Linear Ultrasonic Motor}

본 발명은 압전 세라믹스에서 발생하는 20 kHz이상의 초음파 진동을 이용하여 구동력을 얻는 선형모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 한 쌍의 압전 세라믹스에 각각 90°의 위상차를 갖는 sin, cos 두 개의 고주파 전류 전계를 가함으로써 이와 연결된 진동빔(shaking beam)에 타원형의 기계적 변위를 발생시켜 마찰력을 통해 이동자를 선형으로 구동하는 압전 선형초음파모터에 관한 것이다.

비교적 짧은 거리를 이동하는 솔레노이드 등과 같은 전기구동 모터의 경우 기어나 풀리를 사용하여 회전을 선형운동으로 바꾸어야 하며 큰 힘을 필요로 하는 경우 부피가 크고 매우 무거워진다.

또한, 이와 같은 전자계 구동모터는 높은 전류와 열 발생 등의 단점을 가지고 있다.

특히, 열 발생은 자동차의 엔진과 같은 주변 온도가 매우 높은 경우 전자계 구동모터는 큰 장애를 가져오게 된다.

낮은 전력 소모와 경량이며 선형 운동을 기어없이 직접 얻을 수 있고 속도와 위치제어를 전기적으로 제어할 수 있음은 물론 정 또는 역방향으로 움직임이 가능하고 정지시 미끄러짐이 없는 등의 장점을 가지고 있는 선형초음파모터는, 일반적으로 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생된 진행파로 구동하는 방법과, 종진동(longitudinal vibration)과 횡진동(transversal vibration) 액츄에이터를 결합하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 이동자를 구동하는 정재파형 방법이 알려져 있다.

상기 정재파형(stnading wave type) 선형초음파모터의 기본적인 형태는 서로 다른 동작모드를 갖는 진동자를 결합하여 발생하는 복수진동을 이용하는 것으로, 수직방향과 수평방향으로 진동하는 액츄에이터와 동작하는 이동자에 기계적인 변위를 전달하는 접촉부로 구성된다.

압전진동자의 종진동은 이동자와 접촉하고 있는 진동부분(접촉부)에 전달되고 이동자와 접촉부분의 마찰로 이동자가 구동하게 된다.

이러한 진동전달에는 여러 가지 방법이 제안되고 있지만 효과적인 구동력 전달 메카니즘과, 연속적인 구동시에 마모 등으로 인한 일정한 진동진폭을 확보하기가 어렵기 때문에 실용화가 되지 못하는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 2개의 두께방향 초음파진동을 하는 압전 액츄에이터에 각각 위상차가 90°인 sin과 cos 교류전원을 인가함으로써 직접 직선운동을 얻을 수 있고, 교류전원의 위상을 바꾸어 줌으로써 정·역의 이동이 가능하며, DC 직류전원을 인가함으로써 nm급의 정밀도를 갖는 정밀 위치제어가 가능한 압전 선형초음파모터를 제공하는데 목적이 있는 것이다.

또한 본 발명은 압전 세라믹스에 발생하는 종방향 진동을 확대하고 효율적으로 이동자에 타원형의 진동을 전달할 수 있는 선형초음파모터의 구조와, 고정자와 이동자간의 내마모성 물질을 채택함으로써 마찰에 따른 마모발생을 억제할 수 있는 압전 선형초음파모터를 제공하는데 목적이 있는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기계적인 진동을 발생시키는 다수 개의 압전 세라믹스와, 상기 압전 세라믹스 하부에 위치하여 진동의 크기를 확대시키는 혼과, 상기 압전 세라믹스가 볼트에 의해 압착되는 금속재로 이루어지는한 쌍의 반파장 변환기와; 상기 반파장 변환기에 연결된 진동빔의 중앙에 형성되고 반파장 변환기에 서로 다른 2상을 갖는 고주파 교류 전계를 가하면 타원형 기계적 변위를 발생시키는 돌출부와; 상기 돌출부에 접촉되어 돌출부와의 마찰력을 통해 선형으로 구동하는 이동자로 구성되는 압전 선형초음파모터를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 선형초음파모터의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1에 나타낸 반파장 변환기의 구조를 나타내는 상세도이다.

도 3은 도 1에 나타낸 압전 세락믹의 적층 및 전기배선도이다.

도 4는 본 발명에 따른 선형초음파모터의 동작원인 진동빔(shaking beam) 동작을 나타내는 상세도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 혼20 : 압전 세라믹스

30 : 금속재40 : 볼트

50 : 돌출부60 : 마찰재

70 : 이동자 80 : 반파장 변환기

90 : 진동빔

이하 본 발명을 첨부된 도면 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 반파장 변환기의 구조를 나타내는 상세도로서, 반파장 변환기(80)의 혼(10)은 압전 액츄에이터에서 발생한 진동의 크기를 확대시키는 역할을 하며 상기 혼(10)의 길이(l)는 수학식 1에 의해 결정된다.

여기서 λ는 압전 세라믹스(20)를 포함한 압전 액츄에이터의 파장 길이이며 l은 l₀와 l₃의 합이다.

구동시 압전 세라믹스(20)를 포함한 액츄에이터와 혼의 길이가 파장의 1/4일때 최대의 진동 특성을 나타낸다.

선형초음파모터의 전체 길이에서 혼(10)의 길이는 상기 수학식 1에 의해 결정되며, 종방향 진동을 위한 반파장 공진기로서 역할을 하는 상기 반파장 변환기(80)에서 발생하는 진동의 크기는 수학식 2와 같다.

여기서 d₃₃은 압전상수, U는 인가 전압, α는 k*l(k :파동수, l:길이), Y는 영률,는 부하계수이다.

상기 영률(Y)는 수학식 3과 같다.

여기서,이고,

이다.

상술한 조건을 만족하는 반파장 변환기(80)로 이루어진 선형초음파모터는 도 1의 구성을 갖는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선형초음파모터는 2개의 반파장변환기(80), 혼(10), 그리고 진동빔(90)으로 구성된 구조를 이용하는 것으로, 각각의 혼(10)의 끝에 위치한 반파장 변환기(80)에는 기계적인 진동을 발생시키는 복수 개의 압전 세라믹스(20)가 볼트(40)에 의해 금속재(30)에 압착되고, 진동빔(90)의 중앙에는 타원형 기계적 변위를 전달하는 돌출부(50)로 구성된다.

이동자(70)는 내마모성이 있는 마찰재(60)를 포함하고 있으며 돌출부(50)와스프링의 힘(P)에 의해 압착된다.

좀 더 상세히 설명하면, 선형초음파모터가 종방향 진동을 하는 2개의 반파장 변환기(80)로 구성되어 상기 반파장 변환기(80)의 양측에서 서로 다른 2상()을 갖는 교류전계를 인가하면 돌출부(50)에서 타원형 기계적 변위가 발생한다.

또한 정밀한 위치 이동의 경우, 압전 세라믹스(20)에 DC 직류전원을 인가함으로써 정밀위치제어를 확보할 수 있으며 또한 교류전원과 직류전원을 적절히 인가하면 nm의 정밀도를 확보할 수 있다.

상기 압전 세라믹스(20)는 종방향 진동을 발생하는 역할을 하며, 낮은 구동전압을 얻기 위해 서로 분극방향이 반대가 되도록 적층하여 볼트(40)에 의해 혼(10)과 금속재(30) 사이에 압착 고정된다.

상기 금속재(30)의 상부에는 탄성력을 갖는 2개의 판스프링으로 선형초음파모터를 일정한 압력으로 이동자(70)에 압착시킨다.

또한 선형초음파모터 구동시 기계적인 잡음이 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 판스프링과 덮개 사이에 고무 라이닝이 삽입된다.

본체의 내부 측면은 금속재(30)와 케이스의 접촉부분에서 잡음이 발생하는 것을 방지하기 위해 테프론과 같은 열가소성 물질로 덮는다.

상기 돌출부(50)는 마찰에 의한 마모를 감소시키고 수명을 연장하기 위해 내마모성이 있는 바나듐-카바이드(Vanadium-carbide)로 제작되고, 이와 접하는 마찰재(60)로는 견고한 Al₂O₃세라믹스가 사용된다.

상기 혼(10)은 음향저항(acoustic resistance)의 크기가 작은 티타늄 합금이 사용되고 금속재(30)는 음향저항이 큰 금속류가 사용되어 돌출부(50)에서의 진동 크기가 확대된다.

상술한 구성으로 이루어진 선형초음파모터의 동작은 도 4에 나타난 것과 같이, 반파장 변환기(80)에 동일한 주파수를 갖는 서로 다른 2상의 교류 전계를 인가하면 혼(10)의 각각의 압전 세라믹스(20)에서 수축과 확대가 발생함에 따라 진동빔(90)의 정중앙에 위치한 돌출부(50)는 시간에 따라 순차적으로 타원 궤적을 형성하고, 이와 접촉하는 이동자(70)는 선형적으로 움직이게 된다.

이때 한쪽 반파장 변환기(80)의 위상을 180°변환시키면 이동자(70)의 방향이 반대가 된다.

또한 돌출부(50)의 길이를 늘리면 이동속도를 증가시킬 수 있으나 발생력을 감소하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 선형초음파모터는 구동전압을 작게 하고 이동자(70)의 발생력과 이동속도를 증가시킬 수 있어서, 전체 진동시스템의 동작조건을 향상시키고 전력의 소비를 경감할 수 있다.

본 발명에 의한 선형초음파모터는 기존의 전자기적 구동을 하는 모터에 비해 질량대비 힘이 우수하며 직접 구동방식이고 윤활유 등이 필요없다.

특히, 빠른 속도(0.1ms)의 응답성과 nm급의 높은 정밀도를 나타내는 특성을 가지고 있어서 정밀위치 제어를 필요로 하는 XYZ 스테이지(stage), 반도체 소자의 집적을 위한 얼라인먼트 기기인 스테퍼(stepper), 위성용 망원경 등에 부착되어 정밀한 위치제어를 위한 액츄에이터 소자로 응용이 가능하다.

Claims

기계적인 진동을 발생시키는 다수 개의 압전 세라믹스와, 상기 압전 세라믹스 하부에 위치하여 진동의 크기를 확대시키는 혼과, 상기 압전 세라믹스가 볼트에 의해 압착되는 금속재로 이루어지는 한 쌍의 반파장 변환기와;

상기 반파장 변환기에 연결된 진동빔(shaking beam)의 중앙에 형성되고 반파장 변환기에 서로 다른 2상을 갖는 고주파 교류 전계를 가하면 타원형 기계적 변위를 발생시키는 돌출부와;

상기 돌출부에 접촉되어 돌출부와의 마찰력을 통해 선형으로 구동하는 이동자를;

포함하는 압전 선형초음파모터.
청구항 1에 있어서, 상기 압전 세라믹스는 분극방향이 반대가 되도록 적층됨을 특징으로 하는 압전 선형초음파모터.
청구항 1에 있어서, 상기 혼의 길이는 수학식 4에 의해 결정됨을 특징으로 하는 압전 선형초음파모터.

(여기서 λ는 압전 세라믹스를 포함한 액츄에이터 파장 길이).
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 혼은 음향저항의 크기가 작은 티타늄합금인 것을 특징으로 하는 압전 선형초음파모터.
청구항 1에 있어서, 상기 이동자와 접촉되는 돌출부는 1개이고, 바나듐-카바이드 재질임을 특징으로 하는 압전 선형초음파모터.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 돌출부와 이동자 사이에는 Al₂O₃세라믹스 재질의 마찰재가 개재됨을 특징으로 하는 압전 선형초음파모터.