KR20060097831A - 압전 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 비틀림 진동자와, 상기 비틀림 진동자에서 발생되는 회전 진동을 중심축의 방사상으로 전파시키는 원통 진동자와, 상기 원통 진동자의 외주면 또는 내주면과 접하도록 결합되는 로터를 포함하여 구성되며, 각기 다른 운동 형태를 갖는 두 가지 압전 진동자를 접착하여 축 회전 구동시킬 수 있고, 압전체의 운동 변위가 원주를 따라 발생되어 축 회전을 위한 마찰력으로만 작용되므로 에너지 손실이 적으며, 축 방향 변위 발생이 없으므로 정밀 제어에 보다 유리하다는 장점이 있다.

초음파, 압전, 진동자, 로터, 방사 진동, 비틀림 진동.

Description

압전 초음파 모터 { Piezoelectric ultrasonic motor }

도 1은 종래의 진행파 방식의 압전 초음파 모터를 도시한 사시도이다.

도 2는 종래의 하이브리드 압전 초음파 모터를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 구동 원리를 도시한 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 일 실시예를 도시한 사시도이다.

도 5는 도 4의 분해 사시도이다.

도 6은 도 4의 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.

도 8은 도 7의 분해 사시도이다.

도 9는 도 7의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 비틀림 진동자 110 : 상단 결합체

112 : 볼트 120, 220 : 전극체

130 : 비틀림 압전체 140 : 하단 결합체

200 : 원통 진동자 210 : 원통형 압전체

222 : 전원 연결부 230 : 프로젝션

232 : 돌기 300 : 로터

310 : 로터의 중심축 400 : 캡

412 : 너트 420 : 베어링

본 발명은 압전 초음파 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각기 다른 운동 성향을 갖는 두 가지 형태의 압전 진동자를 조합하여 비틀림 진동으로부터 회전 운동을 위한 진동 에너지를 발생시킬 수 있도록 구성된 장치에 관한 것이다.

일반적으로 압전 초음파 모터는 20kHz 이상의 주파수로 진동되는 탄성파(Elastic wave)를 스테이터(Stator)를 통해 발진시키고, 발진된 탄성파를 로터(Rotor)로 전달하여 마찰시킴에 따라 구동되는 모터를 말한다. 이와 같은 압전 초음파 모터는 압전 모터(piezoelectric motor)라고도 불리며 페러데이(Faraday)의 전자유도법칙을 응용한 보통의 모터와 달리 자석이나 권선을 필요로 하지 않는다. 압전 초음파 모터의 용도는 저속 회전에서 큰 힘을 필요로 하는 다이렉트 드라이브나 자기 에너지의 영향을 피해야 하는 장치의 구동원 또는 초소형 사이즈의 구동원 등이다.

압전 초음파 모터에는 스테이터의 진동 형태에 따라 크게 정재파 방식 (Stranding wave type)과 진행파 방식(Travelling wave type)으로 구분할 수 있으며, 이러한 압전 초음파 모터는 소형화 및 경량화가 가능하고, 소음 발생이 적으며, 외부로부터 유입되는 전자기장에 의한 영향을 받지 않고, 기존의 전자기 모터에 비하여 에너지 효율이 상대적으로 높으며, 또한 복잡한 기어 구조를 필요로 하지 않는 장점을 가지고 있다.

실용화된 최초의 압전 초음파 모터는 두 개의 압전 진동자와 회전체를 이용한 것으로 1973년 IBM의 에이취. 브이. 바스(H. V. Barth)에 의하여 개발되어 여러 가지 연구가 수행되어왔으나 마모 및 온도에 따른 진동 유지 문제 등으로 인하여 실제적인 적용에는 한계가 있었다. 그러나 1980년대에 접어들면서 반도체 산업 등에서 전자기에 의한 영향을 받지 않는 모터의 개발이 요구됨에 따라 초음파 모터의 개발이 본격화되기 시작하였다.

상기와 같은 압전 초음파 모터의 압전 진동자(Piezoelectric transducer)는 외부 전원에서 공급되는 전기 신호에 따라 세라믹 압전체(Piezoelectric transducer)에서 초음파를 발생시키는 역 압전 현상을 이용하는 것으로 종진동, 횡진동, 비틀림 진동 등 여러 가지 운동 형태의 진동파를 생성시키는 것이 개시되어있으며, 현재 초음파를 이용하는 여러 분야에서 음원 소스로 널리 활용되고 있다.

도 1은 종래의 진행파 방식의 압전 초음파 모터를 도시한 사시도이고, 도 2는 종래의 하이브리드 압전 초음파 모터를 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 진행파 방식의 압전 초음파 모터는 두 가지 종진동 압전체를 상호 적층하여 상단면이 회전 방향을 따라 물결과 같은 굴곡의 변위를 일으켜 회전 되도록 구성된 것이다.

또한, 축 회전 모터로서 사용되는 종래의 압전 초음파 모터는 주로 비틀림 진동자(22)의 운동을 이용한 것이 대부분이며, 이중 종진동과 비틀림 진동을 발생시키는 두 가지 압전체(22, 26)의 조합에 의해 회전 구동되는 하이브리드 압전 초음파 모터도 개시되어 있다.

상기와 같은 하이브리드 압전 초음파 모터는 도 2에 도시된 바와 같이 중심부에 비틀림 진동 압전체(24)가 결합되는 비틀림 진동자(22)와, 상기 비틀림 진동자(22)의 상단부에 결합되는 다층 구조의 종진동 원판형 압전체(26)를 포함하는 스테이터(20)가 상기 스테이터(20)의 상단에 결합된 로터(10)를 축 회전시킬 수 있도록 구성된다.

상기 로터(10)는 보다 용이한 축회전이 가능하도록 중심축과 결합되는 부위에 베어링(12)이 구비되며, 상기 로터(10)의 하단에 접촉된 상하 종진동 압전체의 신장 운동에 따른 미소 변위 즉, 로터(10) 위치의 복원을 위해 회전축 상단의 스토퍼(30)와 상기 로터(10)의 상단 사이에 스프링(32)을 결합한다.

한편, 상기 비틀림 진동 압전체(24)는 전원이 인가될 때 회전을 교번하는 진동을 발생시키며, 상기 종진동 원판형 압전체(26)는 상하로 교번하는 진동을 발생시킨다. 이러한 상기 압전체(22, 26)들의 운동을 조합하여 로터(10)를 회전시키는 진동 에너지 즉, 초음파 에너지를 발생시키는 원리는 다음과 같다.

예를 들어, 비틀림 진동 압전체(24)가 시계 방향으로 회전할 때 상기 종진동 원판형 압전체(26)를 신장시키고, 반대로 상기 비틀림 진동 압전체(24)가 시계 반 대 방향으로 회전 때 상기 종진동 원판형 압전체(26)를 수축시킬 경우, 상기 로터(10)의 하단면은 종진동 원판형 압전체(26)의 신장 때 시계 방향으로 회전되려는 마찰력을 전달받게 된다.

이때, 스테이터(20)의 표면에서 발생되는 운동은 비틀림 진동 압전체(24)와 종진동 원판형 압전체(26)의 운동이 조합되어 국소적인 회전운동으로 나타나게 되며, 따라서 이에 접하는 로터(10)의 하단면과 마찰을 일으키게 됨에 따라 상기 로터(10)를 한쪽 방향으로만 회전시킬 수 있게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같이 구성되는 종래의 압전 초음파 모터는 다음과 같은 문제가 있다.

종진동 원판형 압전체(26)의 상하 진동과 비틀림 진동자(22)의 비틀림 운동이 조합된 형태로 로터(10)를 회전시키므로 종진동 원판형 압전체(26)에 의해 축방향 종진동이 발생하게 되므로 정밀 제어에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 각기 다른 운동 형태를 갖는 두 가지 진동자를 상호 접착하되 축방향 운동 없이 축 회전 구동시킬 수 있는 압전 초음파 모터를 제공하여 정밀 제어에 보다 유리한 압전 초음파 모터를 제공하는 것이다.

아울러, 본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적에 국한되지 않으며, 언급되 지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 초음파 모터는, 비틀림 진동자와, 상기 비틀림 진동자에서 발생되는 회전 진동을 중심축의 방사상으로 전파시키는 원통 진동자와, 상기 원통 진동자의 외주면 또는 내주면과 접하도록 결합되는 로터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원통 진동자의 하단은 상기 비틀림 진동자의 상단과 접하도록 적층되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원통 진동자의 외주면 또는 내주면과 상기 로터의 결합 부위 사이에는 상기 로터와 접촉되는 부위에 다수의 돌기가 형성된 원통형 프로젝션이 삽입 안착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압전 초음파 모터의 상단에는 상기 원통 진동자가 외부로 노출되지 않도록 형성되어 상기 비틀림 진동자와 고정 결합되는 캡이 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 구동 원리를 도시한 개략도이다.

본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 압전현상을 이용하여 회전 진동을 발생 시키는 비틀림 진동자(100)와, 압전현상을 이용하여 축을 기준으로 방사되는 반경 방향의 방사 진동을 발생시키는 원통 진동자(200)의 운동을 조합하여 일 방향으로의 연속적인 회전이 가능하도록 구성된다.

상기 비틀림 진동자(100)는 압전 현상(Piezoelectric effect)을 이용한 것 외에도 자왜 현상(magnetostriction)을 이용하는 것도 있으나 바람직하게는 일반적으로 널리 사용되는 공지의 볼트 체결형 랑주방형 변환기(BLT: bolt-clamped Langevin type transducer) 형태에 압전 비틀림 원판을 결합한 것을 이용함이 바람직하며, 상기 원통 진동자(200)는 원통 형상으로 형성되는 세라믹 압전체의 내벽면과 외벽면에 전극이 칠해져있어 방사파를 발생시키는 원통형 압전 변환기를 이용함이 바람직하다.

상기와 같은 두 가지 다른 형태의 초음파를 발생시키는 진동자를 조합하여 회전 운동을 위한 초음파를 발생시키는 원리는 다음과 같다.

비틀림 진동자(100) 위에 원통 진동자(200)의 일단이 결합되어 있고, 상기 원통 진동자(200)의 외주면에 로터(300)가 삽입되어 상기 외주면을 따라 회전 가능하게 결합되어 있다고 가정할 경우, 상기 비틀림 진동자(100)가 시계 방향 회전의 진동을 시작할 때 상기 원통 진동자(200)의 변위가 바깥 방향으로 확대되는 운동을 시작하면, 그 원통 진동자(200)의 외주면에 결합된 로터(300)에 도시된 바와 같이 비틀림 진동자(100)로부터 발생되는 회전 진동이 전달되어 로터(300)가 시계 방향으로 회전하게 된다.

반대로 상기 비틀림 진동자(100)가 반 시계 방향 회전의 진동을 시작할 때는 상기 원통 진동자(200)의 변위가 안쪽 방향으로 축소되는 운동을 시작하면, 로터(300)와 원통 진동자(200)의 외주면은 상호간의 접촉이 미소간격 이탈되어 비틀림 진동자(100)로부터 발생되는 회전 진동을 로터(300)로 전달할 수 없게 되므로 로터(300)가 반 시계 방향으로 회전되지 않게 된다.

따라서, 상기와 같은 시계 방향 운동과 반 시계 방향 운동이 반복되어 연속적으로 이루어지면, 상기 로터(300)는 연속적으로 시계 방향 회전될 수 있게 된다.

아울러, 로터(300)를 반 시계 방향으로 회전시키고자 할 경우도 상기와 같은 원리에 의해 회전됨은 물론이며, 상기 로터(300)를 원통 진동자(200)의 내주면에 결합시켜 내주면의 진동 변위를 이용하는 것도 가능함은 물론이다.

도 4는 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 분해 사시도이며, 도 6은 도 4의 단면도이다.

본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 회전 진동을 발생시키는 비틀림 진동자(100)와, 상기 비틀림 진동자(100)에서 발생되는 회전 진동을 중심축의 방사상으로 전파시키는 원통 진동자(200)와, 상기 원통 진동자(200)의 외주면과 접하도록 결합되는 로터(300)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 원통 진동자(200)의 하단은 상기 비틀림 진동자(100)의 상단과 접하도록 적층되며, 압전체용 접착제에 의해 상호 접합되도록 결합된다.

또한, 상기 원통 진동자(200)에서 방출되는 초음파 에너지를 전달 시켜주기 위해, 상기 원통 진동자(200)의 외주면과 상기 로터(300)의 결합 부위 사이에는 상기 로터(300)와 접촉되는 부위에 다수의 돌기(232)가 형성된 원통형 프로젝션 (230)(Projection)이 삽입 안착되는 것이 바람직하다.

상기 원통형 프로젝션(230)은 비틀림 진동자(100)와 원통 진동자(200)를 통해 조합되는 로터(300)의 회전을 위한 초음파 진동 변위가 상기 다수의 돌기(232)들에 의해 더욱 큰 변위로 증폭되도록 구비되는 부품으로써, 이외에도 초음파 진동 변위를 증폭시켜줄 수 있는 다른 여러 가지 형상이 있을 수 있으며, 아울러 프로젝션(230)의 형상이 전술한 바와 같이 한정되지 않음을 밝혀둔다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 모터의 세부적인 구성은 다음과 같다.

상기 비틀림 진동자(100)는 초음파의 전파가 잘 이루어지는 재질로 구성된 상단 결합체(110)와 하단 결합체(140)의 사이에 두 개의 비틀림 압전체(130)와 전극체(120)들이 회로적으로 연결되도록 적층되어 구성된다.

또한, 상기 원통 진동자(200)는 내주면과 외주면에 전극층이 형성되는 원통형 압전체(210)와, 상기 원통형 압전체(210)의 상기 내주면과 외주면을 감싸는 형상으로 접촉되는 전극체(220)를 포함하여 구성된다.

상기 원통 진동자(200)의 하단은 상기 비틀림 진동자(100)의 상단 즉, 상단 결합체(110)의 상단과 접하도록 결합되어 상기 비틀림 진동자(100)로부터 발생되는 회전 진동이 전파될 수 있도록 하며, 상기 원통 진동자(200)의 외주 표면에는 다수의 돌기(232)를 갖는 프로젝션(230)이 삽입 체결된다.

또한, 상기 로터(300)는 상기 프로젝션(230)의 돌기(232) 형성 부위와 접하도록 삽입 체결되어 원통 진동자(200) 외주면의 진동 변위가 바깥 방향으로 확대되 는 운동을 시작할 때 상기 프로젝션(230)과 압착되며, 이때 상기 원통 진동자(200)의 하단에 결합되는 비틀림 진동자(100)의 회전 방향으로 회전하게 된다. 반대로 상기 원통 진동자(200) 외주면의 진동 변위가 안쪽 방향으로 축소되는 운동을 시작할 때는, 상기 로터(300)와 상기 프로젝션(230)과의 압착이 풀려져 비틀림 진동자(100)로부터 전파되는 회전 진동이 상기 로터(300)로 전달되지 못하게 되어 로터(300)가 회전하지 않게 된다.

또한, 상기 압전 초음파 모터의 상단에는 상기 원통 진동자(200)가 외부로 노출되지 않도록 형성되어 상기 비틀림 진동자(100)와 고정 결합되는 캡(400)(Cap)이 구비된다.

상기 캡(400)은 상기 로터(300)의 중단 내부로 삽입되어 상기 비틀림 진동자(100)의 상단으로 돌출되는 볼트(112)와 너트(412)를 결합함으로써 체결되며, 상기 로터(300)의 회전을 안내하는 가이드 역할을 하도록 구비되는 부분이다.

상기 원통 진동자(200)의 전극체(220)는 전도성이 우수한 구리 등으로 이루어진 금속판을 이용하며 원통형 압전체(210)의 내주면과 외주면에 전체에 접촉되도록 결합된다. 이러한 각각의 전극체(220)에는 전원인가를 위한 전원 연결부(222)가 형성되며, 이들 전원 연결부(222)는 캡(400)의 일단을 관통하여 캡(400)의 내부에 위치되는 것이 보다 쉽게 전원을 인가할 수 있게 되므로 바람직하다.

또한, 상기 로터(300)와 상단 결합체(110) 사이에 상호간의 마찰을 감소시켜줄 수 있도록 베어링(420)을 체결하는 것도 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 모터는, 사 용하고자 하는 목적에 따라 캡(400) 또는 로터(300)의 형상을 변화시켜 축 회전 구동을 필요로 하는 여러 다양한 분야에서 적용시킬 수 있음은 물론이며, 따라서 상기 캡(400) 또는 로터(300)의 형상 변화에 따라 나타날 수 있는 다른 부수적인 효과도 모두 본 발명의 범위에 포함되어 있음을 본 발명의 기술 분야에 종사하는 통상의 전문가라면 이해할 수 있을 것이다.

아울러, 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 원통형 압전체(210)와 비틀림 압전체(130)의 운동 변위는 각각 반경 방향과 원주를 따라 발생되는 변위이므로 상하향 운동 변위(축 방향 변위)가 최소화되어 종래의 압전 초음파 모터에 비해 정밀 제어에 더욱 유리하게 적용될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 분해 사시도이며, 도 9는 도 7의 단면도이다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 압전 초음파 모터는 회전 진동을 발생시키는 비틀림 진동자(100)와, 상기 비틀림 진동자(100)에서 발생되는 회전 진동을 중심축의 방사상으로 전파시키는 원통 진동자(200)와, 상기 원통 진동자(200)의 내주면과 접하도록 결합되는 로터(300)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 원통 진동자(200)의 하단은 상기 비틀림 진동자(100)의 상단과 접하도록 적층되며, 압전체용 접착제에 의해 상호 접합되도록 결합된다.

본 발명에 따른 다른 실시예의 압전 초음파 모터는 상기 원통 진동자(200)은 내주면에서 중심축으로 방사되는 초음파 에너지를 이용하는 것으로서, 이를 전달 시켜주기 위해 상기 원통 진동자(200)의 내주면과 상기 로터(300)의 결합 부위 사 이에 다수의 돌기(232)가 형성된 원통형 프로젝션(230)이 삽입 안착되는 것이 바람직하다.

상기 로터(300)의 중심축(310)은 압전 초음파 모터의 상단에 결합되는 캡(400)의 중심을 관통하도록 결합되며, 상기 로터(300)의 중심축(310) 부근을 하향으로 요입한 홈을 형성하고 상기 홈 내부로 베어링(420)을 삽입 체결함으로써 로터(300)의 회전을 원활하게 하는 것이 바람직하다.

상기 비틀림 진동자(100)는 전술한 일 실시예에서의 비틀림 진동자(100)와 마찬가지로 하나 이상의 비틀림 압전체(130)와, 상기 비틀림 압전체(130)를 회로적으로 연결하도록 전극체(120)를 적층하고, 상기 상단 결합체(110)와 하단 결합체(140)를 결합함으로써 구성된다.

상기 원통 진동자(200)의 구성 또한 전술한 일 실시예에서의 원통 진동자(200)와 거의 유사하며, 이러한 상기 원통 진동자(200)는 상기 비틀림 진동자(100)의 상단 결합체(110) 내부로 삽입 안착된다.

상기 원통 진동자(200)가 외부로 노출되지 않도록 형성되어 상기 비틀림 진동자(100)와 고정 결합되는 캡(400)은 상기 상단 결합체(110)의 상단에 형성되는 볼트(112)가 관통공에 삽입되어 너트(412)에 의해 체결되도록 함이 바람직하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이 다.

본 발명에 따른 압전 초음파 모터는 각기 다른 운동 형태를 갖는 두 가지 진동자를 상호 접착하여 축 회전 구동시킬 수 있고, 압전체의 운동 변위가 원주를 따라 발생되어 축 회전을 위한 마찰력으로만 작용되므로 에너지 손실이 적으며, 축방향 변위의 발생량이 적으므로 정밀 제어에 보다 유리하다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 비틀림 진동자(100)와;

   상기 비틀림 진동자(100)에서 발생되는 회전 진동을 중심축의 방사상으로 전파시키는 원통 진동자(200)와;

   상기 원통 진동자(200)의 외주면 또는 내주면과 접하도록 결합되는 로터(300);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 원통 진동자(200)의 하단은 상기 비틀림 진동자(100)의 상단과 접하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 원통 진동자(200)의 외주면 또는 내주면과 상기 로터(300)의 결합 부위 사이에는 상기 로터(300)와 접촉되는 부위에 다수의 돌기(232)가 형성된 원통형 프로젝션(230)이 삽입 안착되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터.

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