KR20030084828A - 볼트 조임 방법을 이용한 풍차형 초음파 회전 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 모터의 고정자를 이루는 압전세라믹과 금속탄성체를 볼트에 의해 결합한 풍차형 초음파 회전 모터에 관한 것이다. 기존의 풍차형 초음파 모터는 고정자의 결합을 접착제를 사용하여 이루었다. 하지만 접착제를 사용하게 되면 초음파 세척과 같은 번거로운 제작공정이 필요하고, 접착을 하는 데 있어서 숙련된 기술이 필요하며, 진동과 열에 의해 접착강도가 떨어지거나 심지어는 접착이 파괴되는 단점을 가지고 있다. 본 발명은 풍차형 초음파 모터에서 고정자의 결합을 볼트 조임 방식을 이용하여 언급된 문제점들을 해결하는 데 그 목적이 있다. 그래서 본 발명의 풍차형 초음파 모터에서는 원환형 압전세라믹과 금속탄성체에 볼트가 체결될 구멍을 가공하여, 볼트와 너트에 의한 체결로 고정자를 완성하였다. 그리고 회전자는 안정한 지지구조를 위해 밑 부분이 끝이 잘린 원뿔의 형상을 하고 있다. 압전세라믹의 양단에 주파수가 고정자의 고유 주파수와 일치하는 교류전원이 인가되면 고정자는 공진하게 된다. 여기서 원판형태의 고정자는 경방향 진동모드로 진동하게 되고, 이 때 금속탄성체를 팔들이 회전자를 가격해서 회전자를 돌리게 된다. 본 발명으로 인해 보다 제작이 용이하고 안정한 특성을 가지는 회전형 초음파 모터를 제공하는데 가장 큰 효과를 기대할 수 있다. 그래서 본 모터의 생산비용의 절감과 수명연장을 통한 경쟁력이 확보될 것이다.

Description

볼트 조임 방법을 이용한 풍차형 초음파 회전 모터{The windmill type ultrasonic rotary motor using bolted method}

초음파 모터는 전자기 모터와는 달리 기계적인 진동을 이용하여 동작하는 모터이다. 본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 모터의 고정자를 이루는 압전세라믹과 금속탄성체를 볼트에 의해 결합한 풍차형 초음파 회전모터에 관한 것이다. 풍차형 초음파 모터는 회전자를 직접적으로 구동하는 고정자의 금속탄성체가 마치 풍차의 형상을 가지고 있다. 본 모터는 1상의 교류입력을 필요로 하는 정재파형 초음파 모터에 속하며, 매우 단순한 구조로 초소형 모터로서의 잠재력이 매우 크다. 본 모터에서 가장 근본적인 구동력은 일반적인 초음파 모터와 같이 압전세라믹의 진동이다. 그래서 압전세라믹에서 발생하는 진동의 힘을 금속탄성체를 거쳐 최종적으로 회전자에 원활하게 전달하는 것이 모터의 동작에 있어서 가장 중요한 부분이다. 그러기 위해서는 압전세라믹과 금속탄성체를 결합하는 방법이 우선적으로 고려되어져야 한다.

일반적으로 초음파 모터는 고정자의 진동이 원인이 되어 발생한 타원궤적과 고정자와 회전자의 접촉면에서의 발생하는 마찰에 의해 구동하게 된다. 풍차형 초음파 모터는 두께 방향으로 분극된 고리형태의 압전세라믹의 경방향 진동모드를 이용하여, 이와 결합된 금속탄성체의 팔들이 타원궤적을 만든다. 본 금속탄성체의 팔들은 회전자와 접촉을 이루며, 여기서 발생하는 마찰력에 의해 회전자를 회전시킨다.

기존의 풍차형 초음파 모터는 압전세라믹과 금속탄성체를 에폭시(epoxy) 즉, 접착제를 이용하여 결합한다. 이와 같이 고정자를 결합하는 데 있어서 접착제를 이용할 경우 여러 가지 문제점들이 나타난다.

우선 양호한 접착을 위해서는 접착면의 이물질을 제거해야 하므로 초음파 세척과정이 필요하다. 그리고 접착층의 두께는 본 모터의 기계적인 측성을 좌우하므로 접착을 하는데 있어서 별도의 기술이 요구된다. 또한 접착제는 고정자의 진동과발생하는 열에 의해 결합강도가 약해지거나 심지어는 결합이 파괴될 수도 있다. 이러한 문제점들은 전체적인 제작과정을 어렵게 만들며 본 모터의 특성을 저하하는 주된 원인이 된다.

본 발명은 풍차형 초음파 모터의 고정자의 결합 즉, 압전세라믹과 금속탄성체의 결합을 볼트 조임 방법을 이용함으로 해서, 위에서 언급한 기존의 풍차형 초음파 모터의 문제점들을 해결하기 위함이다. 그리하여 보다 제작이 용이하며 안정된 특성을 가지는 풍차형 초음파 모터를 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.

풍차형 초음파 모터에서 압전세라믹과 금속탄성체의 결합은 접착재의 사용을 생략하고 볼트 조임 방식을 채택하는 것이 바람직하다.

그리고 압전세라믹과 금속탄성체의 결합에서 볼트 조임 방식을 이용할 경우, 볼트의 체결을 고려한 새로운 형상의 압전세라믹과 금속탄성체의 구조가 채택되어야 한다.

여기서 압전세라믹의 경방향 진동모드를 원활히 전달하기 위해서는 세라믹의 내부에 직접적으로 볼트를 체결하는 것이 바람직하다.

또한 볼트를 사용할 경우 전원이 인가되었을 때 볼트를 통해 발생하는 합선을 방지하기 위해 적절한 절연처리가 요구된다.

도 1은 본 발명 풍차형 초음파 모터의 부품을 도시한 도면

도 2은 본 발명 풍차형 초음파 모터의 조립을 도시한 도면

도 3는 본 발명 풍차형 초음파 모터의 단면을 도시한 도면

도 4는 본 발명 풍차형 초음파 모터에서 고정자의 동작을 도시한 도면

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 압전세라믹 2 : 금속탄성체

3 : 볼트 4 : 너트

5 : 회전자 6 : 베어링

7 : 커버

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에서 제안된 풍차형 초음파 모터의 부품도이며, 도2는 본 모터의 조립도이다. 도1과 도2에서, 우선 두께 방향으로 분극된 원환형 압전세라믹(1) 위에 네 개의 팔을 가지는 금속링 형상의 금속탄성체(2)를 올린다. 본 모터의 고정자를 이루는 압전세라믹(1)과 금속탄성체(2)의 결합을 기존에는 접착제를 사용하여 이루었으나, 본 발명에서는 볼트(3)와 너트(4)를 이용하여 체결한다. 그래서 압전세라믹과(1)과 금속탄성체(2)는 볼트(3)의 체결을 고려한 구멍이 가공되었다. 그리고 본 구멍은 금속탄성체(2)의 팔이 시작하는 부위에 위치한다. 다음으로 금속탄성체(2)의 팔들의 중앙에 회전자(5)를 올려놓고, 베어링(6)을 회전자(5)에 끼운 후, 원통형상의 커버(7)를 씌우면 본 모터의 구성이 완료된다.

도3은 본 모터의 단면도이다. 도3과 같이 회전자(5)의 밑부분 즉, 금속탄성체(2)의 팔과 접촉을 이루는 부분은 끝이 좁아지는 형상으로 가공되어야 안정적인 지지구조를 이룰 수 있다. 그리고 회전자(5)는 베어링(6)의 내륜과만 접촉을 이루어야 베어링과의 마찰이 최소화 되어 원활한 회전을 이룬다. 또한 진동의 원활한 전달을 위해 볼트(3)와 너트(4)는 강하게 조여져야 하며, 압전세라믹(1)의 윗면과 아랫면의 두 전극이 볼트(3)에 의해 합선되는 것을 방지하기 위하여, 볼트(3)와 압전세라믹(3)의 표면에 절연코팅이 요구된다.

도4에서는 고정자의 동작을 확인할 수 있다. 압전세라믹(1)의 양단에 교류전원이 인가되면 고정자는 원판이 수축과 팽창을 반복하는 경방향 진동모드로 진동하게 된다. 여기서 모터가 구동될 만큼 큰 진동변위를 얻기 위해서는 인가되는 전원의 주파수와 고정자의 고유 주파수를 일치시켜 기계적이 공진을 유발해야 한다. 고정자가 공진되면 금속 탄성체(2)의 팔들은 타원궤적을 만들어서 마치 나사를 돌리는 것과 같이 회전자(5)를 가격하게 되고, 회전자(5)와 금속탄성체(2)의 팔들과의 접촉점에서 발생하는 마찰력에 의해 회전자(5)는 회전하게 된다.

본 발명은 기존의 풍차형 초음파 모터의 고정자를 체결하는 방식에서 접착제를 사용하지 않고 볼트 조임 방법을 이용함으로 해서, 보다 제작이 용이하고 안정한 특성을 가지는 회전형 초음파 모터를 제공하는 데 가장 큰 효과를 기대할 수 있다. 본 모터의 용이한 제작과정으로 인해 제품의 생산비용을 절감을 기대할 수 있다. 그리고 보다 안정한 구조로 인해 제품의 수명연장을 기대할 수 있다. 또한 본 모터는 고급의료장비나 로봇 등과 같이 초소형 모터가 필요한 곳에 응용될 것으로 사료된다.

Claims (1)

1. 앞에서 언급된 바와 같이, 압전세라믹과 금속탄성체의 결합을 볼트로 체결하고, 경방향 진동모드로부터 금속탄성체의 팔들이 타원궤적을 일으켜서 회전자를 가격하는 풍차형 초음파 모터의 고정자,

   고정자와 접촉을 이루는 부분이 끝이 잘린 원뿔 형상을 하고 있어 안정한 지지구조를 가지는 풍차형 초음파 모터의 회전자.