KR20040101740A

KR20040101740A - 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터

Info

Publication number: KR20040101740A
Application number: KR1020030033450A
Authority: KR
Inventors: 김홍석
Original assignee: 김홍석
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-03

Abstract

본 발명은 고정자(stator)의 진동에 따라 회전하는 회전자(rotor)의 회전운동을 직진운동부품의 직진운동으로 전환할 수 있는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터에 관한 것으로서, 본 발명의 중공형 초음파 모터(300)는, 적어도 일측이 개방되어 내부에 소정의 공간을 갖는 케이스(310)와, 케이스의 일측에 고정되어 외부전압에 의해 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키는 중공형 고정자(320) 및, 중공형 고정자에 대응하여 그 상면에 밀착 설치되어 고정자의 미세변위에 따라 회전하는 회전운동을 그 내부에 삽입되는 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 직진가이드 홈(331)이 적어도 1개 이상 형성된 중공형 회전자(330) 등으로 구성된다. 이렇듯, 본 발명은 고정자의 진동에 따라 회전하는 회전자의 회전운동을 직진운동물품의 직진운동으로 전환할 수 있도록 회전자를 중공형으로 구성함과 더불어 그 내측면에 직진가이드를 구비하여 회전자의 내부에서 직진운동이 이루어짐으로, 종래와 같이 복잡한 직진운동을 위한 구동 메커니즘(모터, 기어렬 및 나선형 축)을 단순화하고 소형화할 수 있다.

Description

직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터{Linear guide built in hollow type ultrasonic motor}

본 발명은 초음파 모터에 관한 것이며, 특히, 고정자(stator)의 진동에 따라 회전하는 회전자(rotor)의 회전운동을 직진운동부품의 직진운동으로 전환할 수 있는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터에 관한 것이다.

초음파 모터를 비롯한 대부분의 모터는 그 회전축에 결합되는 부품들을 회전운동 시키도록 구성되어 있다. 하지만, 많은 부품들은 직진운동을 필요로 하고 있다. 그래서, 종래에는 회전운동 부품인 모터 등에서 제공되는 회전운동을 직진운동으로 전환하는 동력전달 메커니즘을 이용하여 직진운동이 요구되는 부품에 사용하였다.

도 1에는 종래기술에 따른 직진 구동장치의 구성관계가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 직진 구동장치는 회전운동 부품인 모터(110)의 회전력을 모터(110)와 연결되는 적어도 1개 이상의 기어(120)렬을 통해 캠 배럴(130 ; Cam Barrel)까지 전달하고, 그로 인해 캠 배럴(130)이 회전한다. 그러면, 캠 배럴(130)은 그 내부에 형성되는 직진가이드를 통해 직진운동이 요구되는 부품(140)을 직진운동 시키게 된다.

그러나, 상기와 같은 직진 구동장치는 회전운동 부품인 모터(110)와 이러한 모터(110)의 회전운동을 캠 배럴(130)에 전달하기 위한 기어(120)렬 등과 같은 동력전달 부품이 다수개 필요함으로 소형화가 어려울 뿐만 아니라, 기어(120) 등의 제작비용이 상승되는 문제점이 있다.

도 2에는 종래기술에 따른 다른 직진 구동장치의 구성관계가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 직진 구동장치는 회전운동 부품인 모터(210)에 나선형 축(220)을 결합함으로써, 모터(210)가 회전하면 나선형 축(220)도 함께 회전하게 된다. 이 때, 나선형 축(220)에는 회전운동을 직진운동으로 변환하는 나선리드가 가공되어 있어, 모터(210)가 일정한 각도로 회전하면 그에 따라 직진운동이 요구되는 부품(230)을 지정된 양 만큼 직진운동 시키게 된다.

그러나, 상기와 같은 직진 구동장치는 직진운동을 위해 외부에 모터(210)를 설치하고, 이러한 모터(210)로부터 발생한 회전운동을 직진운동으로 변환하는 나선형 축(220)을 설치하는 등, 여러 부품을 이용하여야 함으로 전체 구동구조가 복잡하고 소형화하는데 많은 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고정자의 진동에 따라 회전하는 회전자의 회전운동을 직진운동부품의 직진운동으로 전환할 수 있도록 회전자를 중공형으로 구성함과 더불어 그 내측면에 직진가이드를 구비하여 회전자의 내부에서 직진운동이 이루어지도록함으로써, 직진운동을 위한 구동 메커니즘을 소형화하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 직진 구동장치의 구성관계를 도시한 개략도이고,

도 2는 종래기술에 따른 다른 직진 구동장치의 구성관계를 도시한 개략도이며,

도 3a 및 도 3b는 초음파 모터의 기본원리를 설명하기 위한 개략도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터의 구성관계를 도시한 단면도이며,

도 5는 도 4에 도시된 직진가이드의 구체적인 구성관계를 도시한 사시도이고,

도 6은 도 4에 도시된 중공형 초음파 모터에 직진운동부품이 결합된 상태를 도시한 단면도이며,

도 7은 본 발명의 초음파 모터의 작동에 따른 직진운동부품의 작동관계를 도시한 단면도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

300 : 중공형 초음파 구동장치 310 : 케이스

311 : 내측 턱 320 : 중공형 고정자

330 : 중공형 회전자 331 : 직진가이드 홈

340 : 회전자 지지 베어링 350 : 스프링

360 : 직진가이드 부재 361 : 가이드 홈

370 : 직진운동부품 371 : 돌출형 가이드

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 적어도 일측이 개방되어 내부에 소정의 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 일측에 고정되어 외부전압에 의해 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키는 고정자 및, 상기 고정자에 대응하여 그 상면에 밀착 설치되어 고정자의 미세변위에 따라 회전하는 회전자를 포함하는 초음파 모터에 있어서, 상기 고정자는 중앙부분이 비어 있는 중공형 고정자이고, 상기 회전자는 상기 중공형 고정자와 상호 관통하도록 서로 대응하는 내외경을 가지며 직진운동부품이 직진이동할 수 있는 충분한 길이는 갖는 중공형 회전자이며, 상기 중공형 회전자의 내측면에는 그 회전력을 그 내부에 삽입되는 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 직진가이드 홈이 적어도 1개 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 초음파 모터는 정재파 방식과 진행파 방식으로 구분되는데, 본 발명은 진행파 방식의 초음파 모터의 원리를 이용한 것이다. 진행파 방식의 초음파 모터는 코일 모터와는 달리 고정자가 진동하면 고정자와 회전자의 압착면에 발생하는 마찰력에 의해 회전자가 회전하는 모터로서, 그 기본원리를 도 3a 및 도 3b를 통해 살펴보면 다음과 같다.

도 3a 및 도 3b는 진행파 방식의 초음파 모터의 기본원리를 설명하기 위한 개략도이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 초음파 모터는 압전소자에 전압을 인가하면 탄성체에 변위가 발생하는데, 이 변위가 진행파형이 되도록 전압을 sin, cos 형태로 인가하면 고정자에 밀착되어 있는 회전자가 탄성체와의 마찰을 통해 회전하게 된다. 상기 압전소자는 주로 압전 세라믹이라고도 하는 것으로서, 세라믹 판과 진행파 발생을 위한 전압의 인가를 위한 전극으로 구성된다. 이러한 압전소자는 세라믹 판을 원형으로 제작하고, 여기에 여러 개의 +전극과 -전극으로 분극한 것이다. 따라서, 압전소자 각각의 +전극과 -전극에 sin파형과 cos파형을 90°차이를 두고 인가하면 탄성체를 통해 진행파 형태(물결 모양)의 미세변위를 얻을 수 있고, 이러한 미세 변위가 회전자의 회전력으로 변환된다.

아래에서는, 상기와 같은 기본원리를 이용하여 구성한 본 발명에 따른 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터의 구성관계를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 직진가이드의 구체적인 구성관계를 도시한 사시도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중공형 초음파 모터(300)는, 적어도 일측 일부분이 개방되어 내부에 소정의 공간을 갖는 케이스(310)와, 상기 케이스(310)의 내측 하면에 고정되는 중공형 고정자(320)와, 상기 중공형 고정자(320)에 대응하여 그 상면에 밀착하여 설치되며 그 내측면에 적어도 1개 이상의 직진가이드 홈(331)이 형성된 중공형 회전자(330)와, 상기 중공형 회전자(330)의 원활한 회전운동이 가능하도록 중공형 회전자(330)를 지지하는 회전자 지지 베어링(340)과, 상기 중공형 회전자(330)와 회전자 지지 베어링(340)의 사이에 삽입 설치되어 중공형 회전자(330)가 중공형 고정자(320)에 밀착되도록 하는 스프링(350) 및, 상기 중공형 회전자(330)의 내부에 삽입되어 케이스(310)의 일측에 고정되며 직진가이드 홈(331)에 대응하는 가이드 홈(361)이 형성된 중공형 직진가이드 부재(360)로 구성된다.

상기 케이스(310)는 그 내부에 삽입 설치되는 각 구성요소들을 지지하고 보호하는 역할을 하는 것으로서, 적어도 일측 일부분이 개방된 원통형으로 구성된다. 즉, 케이스(310)는 일측의 전면이 모두 개방되지 않고 내측 둘레를 따라 내측 턱(311)이 형성되도록 일부분만이 원형으로 개방되는 형태를 갖는다. 이러한 케이스(310)는 일측의 일부분만이 개방되지 않고, 양 쪽의 일부분이 모두 개방되도록 구성하여도 무방하다.

그리고, 상기 중공형 고정자(320)는 케이스(310)의 내측 하면에 고정되는 것으로서, 통상의 초음파 모터의 고정자와 동일한 역할을 하도록 구성된다. 즉, 중공형 고정자(320)는 중공형이며 원형의 세라믹 판에 여러 개의 +전극과 -전극이 분극된 압전소자와, 이러한 압전소자의 상면에 설치되어 압전소자에 인가되는 전압에 의해 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키는 탄성체로 구성된다. 즉, 본 발명의 중공형 고정자(320)는 통상의 초음파 모터의 고정자와 같이 압전소자 각각의 +전극과 -전극에 90°차이를 두고 sin파형과 cos파형으로 외부전원이 인가되면, 탄성체가 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키도록 구성된다.

그리고, 상기 중공형 회전자(330)는 중공형 고정자(320)에 대응하는 단면을갖도록 구성되어 중공형 고정자(320)의 탄성체의 상면에 밀착하여 설치되는 것으로, 소정의 길이를 갖는 원통형으로 구성된다. 즉, 중공형 회전자(330)는 중공형 고정자(320)의 내외경에 각각 대응하는 단면 형태를 갖는다. 또한, 중공형 회전자(330)의 내측면에는 적어도 1개 이상의 직진가이드 홈(331)이 형성되어 있다. 이러한 직진가이드 홈(331)은 중공형 회전자(330)의 회전운동을 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 역할을 하는 것으로서 유선 형태를 갖는다. 이 때, 직진가이드 홈(331)은 중공형 회전자(330)의 1회전 이전에 그 선단에서 끝단까지 이동할 수 있는 길이 및 형태로 형성된다. 즉, 본 발명의 직진가이드 홈(331)은 그 선단에서 끝단까지 이동하는데 중공형 회전자(330)가 약 0.3회전하도록 구성하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명의 직진가이드 홈(331)은 그 선단에서 끝단까지 이동하는데 회전하는 중공형 회전자(330)의 회전정도를 한정할 필요는 없으며, 단지 1회전 이전에 이동하도록 구성하면 된다.

또한, 본 발명의 중공형 회전자(330)의 내측면에는 그 회전력을 그 내부에 삽입되는 다른 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 다른 직진가이드 홈(332)이 적어도 1개 이상 더 형성될 수도 있다. 이 때, 다른 직진가이드 홈(332)은 상기 직진가이드 홈(331)과 같이 유선 형태를 갖도록 구성되지만, 다른 유선각을 갖도록 구성된다.

상기와 같은 직진가이드 홈(331, 332)은 중공형 회전자(330)의 내측면에 등간격으로 다수개 형성하여도 무방하다. 도 4 및 도 5에는 직진가이드 홈(331, 332)이 중공형 회전자(330)의 내측면에 3개씩 형성된 것이 일례로 도시되어 있다.

상기와 같이 구성된 중공형 회전자(330)는 통상의 초음파 모터의 회전자와 동일하게 작동한다. 즉, 중공형 회전자(330)는 중공형 고정자(320)의 압전소자에 외부전원이 인가되어 탄성체가 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키고, 그로 인해 회전하게 된다.

그리고, 상기 회전자 지지 베어링(340)은 중공형 회전자(330)의 원활한 회전운동이 가능하도록 중공형 회전자(330)를 지지하는 역할을 하는 것으로서, 중공형 회전자(330)가 회전운동이 가능하도록 설치되면 굳이 설치할 필요는 없다. 하지만, 중공형 회전자(330)의 원활한 회전운동을 위해 회전자 지지 베어링(340)을 설치하는 것이 바람직하다. 이 때, 회전자 지지 베어링(340)은 그 일측이 스프링(350) 또는 중공형 회전자(330)에 밀착되고, 타측은 케이스(310)의 내측 턱(311)에 밀착되도록 설치된다.

그리고, 스프링(350)은 중공형 회전자(330)와 회전자 지지 베어링(340)의 사이에 삽입 설치되어 중공형 회전자(330)가 중공형 고정자(320)에 밀착되도록 하는 것으로서, 중공형 회전자(330)가 중공형 고정자(320)에 밀착 가능하도록 설치되면 굳이 설치할 필요는 없다. 하지만, 중공형 회전자(330)가 중공형 고정자(320)에 양호하게 밀착되도록 스프링(350)을 설치하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 중공형 직진가이드 부재(360)는 중공형 회전자(330)의 내부에 삽입되어 케이스(310)의 일측에 고정되며 직진가이드 홈(331, 332)들에 각각 대응하는 가이드 홈(361, 362)들을 갖도록 구성되어, 직진운동부품들이 각각 직진운동할 수 있도록 가이드하는 역할을 한다. 따라서, 이러한 중공형 직진가이드부재(360)는 직진운동부품에 직진운동을 가이드할 수 있도록 구성되어 케이스(310)의 일측에 고정될 수 있다면, 굳이 설치할 필요는 없다. 즉, 본 발명은 직진운동부품이 직진운동을 가이드할 수 있도록 구성되면, 중공형 회전자(330)의 직진가이드 홈(331)만을 통해서도 회전운동을 직진운동으로 전환할 수 있다.

아래에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명의 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터를 이용하는 일례에 대해 상세히 설명하겠다.

도 6은 도 4에 도시된 중공형 초음파 모터에 1개의 직진운동부품이 결합된 상태를 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 초음파 모터의 작동에 따른 직진운동부품의 작동관계를 도시한 단면도이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중공형 직진가이드 부재(360)의 내부에 직진운동부품(370)을 삽입한다. 이 때, 직진운동부품(370)의 표면에는 직진가이드 부재(360)의 가이드 홈(361)을 통해 중공형 회전자(330)의 직진가이드 홈(331)에 끼워지는 돌출형 가이드(371)가 가이드 홈(361) 및 직진가이드 홈(331)에 대응하여 돌출 형성된다. 따라서, 중공형 고정자(320)의 압전소자에 외부전원이 인가되면 탄성체가 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키고, 그로 인해 중공형 회전자(330)는 회전하게 된다. 그러면, 직진운동부품(370)은 그 돌출형 가이드(371)가 직진가이드 부재(360)의 가이드 홈(361)에 의해 회전하지 못하면서 중공형 회전자(330)의 직진가이드 홈(331)을 따라 이동하기 때문에 직진운동을 하게 된다.

상기와 같이 구성되어 작동하는 본 발명의 중공형 초음파 모터(300)는 소형카메라 등과 같은 광학 메커니즘을 비롯하여, 소형화가 요구되는 여러 부분에 사용할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터는 고정자의 진동에 따라 회전하는 회전자의 회전운동을 직진운동물품의 직진운동으로 전환할 수 있도록 회전자를 중공형으로 구성함과 더불어 그 내측면에 직진가이드를 구비하여 회전자의 내부에서 직진운동이 이루어짐으로, 종래와 같이 복잡한 직진운동을 위한 구동 메커니즘(모터, 기어렬 및 나선형 축)을 단순화하고 소형화할 수 있다. 따라서, 본 발명은 소형 카메라 등과 같은 광학 메커니즘의 소형화가 가능하고, 구성부품의 간소화 및 구조의 단순화를 통해 비용절감이 가능한 광학 메커니즘을 구현할 수 있다.

이상에서 본 발명의 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

적어도 일측이 개방되어 내부에 소정의 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 일측에 고정되어 외부전압에 의해 물결 모양의 진행파 형태로 미세변위를 일으키는 고정자 및, 상기 고정자에 대응하여 그 상면에 밀착 설치되어 고정자의 미세변위에 따라 회전하는 회전자를 포함하는 초음파 모터에 있어서,

상기 고정자는 중앙부분이 비어 있는 중공형 고정자이고,

상기 회전자는 상기 중공형 고정자와 상호 관통하도록 서로 대응하는 내외경을 가지며 직진운동부품이 직진이동할 수 있는 충분한 길이는 갖는 중공형 회전자이며,

상기 중공형 회전자의 내측면에는 그 회전력을 그 내부에 삽입되는 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 직진가이드 홈이 적어도 1개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제1항에 있어서, 상기 중공형 회전자의 내측면에는 그 회전력을 그 내부에 삽입되는 다른 직진운동부품의 직진운동으로 전환하는 다른 직진가이드 홈이 적어도 1개 이상 더 형성되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제2항에 있어서, 상기 직진가이드 홈들은 유선형이며, 그 유선각이 서로 다른 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제1항에 있어서, 상기 중공형 회전자와 상기 케이스의 사이에는 상기 중공형 회전자의 원활한 회전운동이 가능하도록 지지하는 회전자 지지 베어링이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제4항에 있어서, 상기 중공형 회전자와 상기 회전자 지지 베어링의 사이에는 상기 중공형 회전자를 상기 중공형 고정자에 양호하게 밀착시키는 스프링이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제1항에 있어서, 상기 중공형 회전자의 내부에는 상기 직진가이드 홈에 대응하는 가이드 홈이 형성된 중공형 직진가이드 부재가 더 삽입되어 상기 케이스의 일측에 고정되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 중공형 회전자의 내부에는 상기 직진가이드 홈들에 각각 대응하는 가이드 홈들이 각각 형성된 중공형 직진가이드 부재가 더 삽입되어 상기 케이스의 일측에 고정되는 것을 특징으로 하는 직진가이드를 구비한 중공형 초음파 모터.