KR20070040536A - 초소형 압전 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 샤프트를 부착하여 압전효과에 의해 압전기판 및 탄성체가 변위됨에 따라 샤프트에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서, 상기 압전기판과 상기 탄성체의 부착에 사용되는 접착제의 누설로 인해 상기 샤프트의 부착위치 및 부착방향이 변하지 않도록 상기 탄성체 기판과 상기 샤프트의 부착부분의 형상을 변형시켜 모터의 구동성능을 개선한 리니어 모터에 관한 것이다.

압전효과, 리니어 모터, 탄성체 기판, 샤프트, 접착제

Description

초소형 압전 리니어 모터{Micro piezoelectric linear motor}

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 2는 종래 압전 리니어 모터에서 탄성체 기판 및 압전 기판에 샤프트가 부착된 모습의 일 예를 나타낸 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예에서 탄성체 기판 및 압전기판에 샤프트가 부착된 모습을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 압전 리니어 모터의 다른 실시예에서 탄성체 기판 및 압전기판에 샤프트가 부착된 모습을 나타낸 것이다.

{도면의 주요부분에 대한 설명}

11, 31, 41 : 탄성체 기판 12, 32a, 32b, 42a, 42b : 압전기판

13 : 지지수단 14, 34, 44 : 샤프트

15 : 이동체

33, 43 : 탄성체 기판과 샤프트 사이의 빈 틈

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 샤프트를 부착하여 압전효과에 의해 압전기판 및 탄성체가 변위됨에 따라 샤프트에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서 그 구동성능이 개선된 리니어 모터에 관한 것이다.

모바일폰, PDA 등 휴대용 이동통신 단말기에서 카메라 렌즈를 구동하기 위해 탑재되는 모터는 초소형으로 형성된다. 카메라 렌즈구동용으로 탑재 가능한 초소형 모터 중 전자계 방식의 모터(Stepping Motor)는, 빠른 회전을 직선운동으로 바꾸기 위해 감속기어와 캠(cam)을 사용하여야 하며 정 또는 역회전 시 백레쉬(backlash)가 생겨 오차가 발생하고 전력소모가 크기 때문에 사용에 제한을 받으며, 높은 전류와 열을 발생하는 등의 단점이 있다.

상기와 같은 단점을 해결하기 위해 압전효과를 이용해서 구동되는 리니어 모터가 개발되었다. 압전효과를 이용한 리니어 모터는 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생한 진행파로 구동하는 방법과 종진동(longitudinal vibration)과 횡진동(transversal vibration) 액츄에이터를 결합하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 이동체를 구동하는 정상파형 방법 등이 알려져 있다.

정상파형(standing wave type) 리니어 모터의 기본적인 형태로 서로 다른 동작 양태를 갖는 진동자를 결합하여 발생하는 복수진동을 이용하는 것이 있는데, 이는 수직방향과 수평방향으로 진동하는 압전 액츄에이터와 상기 압전 액츄에이터의 진동을 동작하는 이동체에 기계적 변위로 전달하는 샤프트로 구성되어 있다.

압전 액츄에이터의 수직방향의 종진동을 샤프트를 통해 이동체에 전달하는 방법으로 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 특히 압전체 기판을 탄성체에 접착 형성하여 탄성체와 압전기판의 굴곡운동을 구동력으로 구동원으로 사용하는 방법이 있다.

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 1에서 압전 리니어 모터는 탄성체 기판(11)과 상기 탄성체 기판에 접착된 압전기판(12), 상기 탄성체 기판을 하부에서 지지하는 지지수단(13)과 상기 탄성체 기판에 부착되어 상기 탄성체 기판의 굴곡운동을 이동체에 전달하는 샤프트(14), 및 이동체(15)를 포함한다.

상기 탄성체 기판(11)은 일면 또는 양면에 부착된 압전기판(12)이 압전효과에 의해 신장 또는 수축됨에 따라 압전기판과 함께 변형되고, 이때 탄성체 기판(11)의 주변부는 지지수단(13)에 고정되어 있으며, 가운데 부분이 위쪽 또는 아래쪽으로 변위한다.

상기 탄성체 기판의 상부에는 샤프트(14)가 부착된다. 상기 샤프트는 상기 굴곡변위운동에 따라 수직방향으로 진동하며, 이에 따라 이동체(15)가 구동되어 리 니어 모터로서의 동작이 수행된다. 상기 탄성체 기판(11) 및 압전기판(12)의 가운데 부분이 위아래로 변위되면, 상기 탄성체 기판의 상부에 부착된 샤프트(14)는 선형적으로 운동한다. 상기 샤프트의 선형적인 운동을 통해 탄성체 기판 및 압전기판의 굴곡운동이 이동체(15)에 전달되어 이동체가 구동되며, 상기 이동체(15)는 렌즈 등에 직간접적으로 연결되어 렌즈를 구동한다.

도 2는 종래 압전 리니어 모터에서 탄성체 기판 및 압전 기판에 샤프트가 부착된 모습의 일 예를 나타낸 것으로, 도 1의 예에서 탄성체 기판 및 압전기판과 샤프트가 접촉되는 부분을 자세히 나타낸 것이다.

상기 예에서 탄성체 기판(11)의 양면에는 압전기판이 부착되는데, 상기 탄성체 기판(11)의 위쪽에는 가운데에 통공이 형성된 환형의 압전기판(12a)이 부착되고, 아래쪽에는 디스크 형상의 압전기판(12b)이 부착된다. 상기 탄성체 기판(11)은 가운데에 통공이 형성되어 있다.

상기 예에서 샤프트(14)는 탄성체 기판(11)과 상기 탄성체 기판(11)의 위쪽에 부착된 압전기판(12a)에 형성된 통공을 통과하며, 상기 탄성체 기판(11)에 형성된 통공의 측벽면 및 상기 탄성체 기판의 아래쪽에 부착된 압전기판(12b)의 윗면에 부착된다. 상기 탄성체 기판(11)의 통공은 그 단면이 상기 샤프트(14)의 단면과 일치하는 형상과 면적으로 형성되며, 상기 예에서 상기 샤프트(14) 단면의 형상은 원형이다. 상기 샤프트는 탄성체 기판(11) 및 압전기판(12a, 12b)에 대해 수직인 방향으로 서 있도록 부착되며, 상기 샤프트는 압전효과에 의한 탄성체 기판 및 압전 기판의 굴곡운동에 연동되어 수직방향의 선형운동을 하므로, 상기의 수직인 방향으로 정확히 부착되고 정확한 수직방향으로 운동하는 것이 그 선형운동의 효율 및 성능에 큰 영향을 끼친다.

상기 탄성체 기판(11)과 압전기판(12a, 12b)은 에폭시로 부착되는데, 압전 리니어 모터가 구동함에 따라 상기 탄성체 기판(11)과 상기 압전기판(12a)의 사이에서 에폭시가 흘러나온다. 상기 흘러나온 에폭시는 상기 탄성체 기판(11) 위에서 상기 압전기판(12a)과 상기 샤프트(14) 사이의 공간에 개재된다.

상기 압전기판(12a)과 상기 샤프트(14) 사이의 공간에 개재된 에폭시는 상기 샤프트(14)의 주위를 따라 불균등하게 개재되고, 상기 샤프트(14)에 소정의 접착력을 작용함으로써, 상기 샤프트(14)가 탄성체 기판 및 압전기판에 대해 수직방향으로 운동하는 것을 방해하고, 상기 샤프트(14)의 운동이 계속될수록 상기 샤프트의 부착방향 및 부착위치에도 영향을 준다.

상기와 같이 샤프트가 수직방향으로 정확하게 운동하지 못하고 부착 방향도 달라지는 경우, 상기 샤프트에 의해 상기 탄성체 기판의 굴곡운동이 상기 샤프트의 수직방향의 선형운동으로 변환되는 효율이 떨어져 압전 리니어 모터의 전체적인 구동성능이 저하되는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 압전기판과 탄성체 기판의 접착방식을 달리하거나 또는 접착물질의 특성을 변화시키는 방법 이외에 압전 리니어 모터의 구조를 개선하여 모터의 구동성능을 향상시킬 필요가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 샤프트와 탄성체 기판 및 압전기판의 부착부분의 형태를 개선한 압전 리니어 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 압전 리니어 모터는 양면에 전극이 형성된 판형의 압전기판; 양면에 전극이 형성되고 판형이며 가운데에 상하를 관통하는 통공이 형성된 압전기판; 상부에 상기 통공이 형성된 압전기판이 부착되고 하부에 상기 판형의 압전기판이 부착되며 한가운데에 상하를 관통하는 통공이 형성된 탄성체 기판; 상기 탄성체 기판의 하부에 위치하고 상기 탄성체 기판의 외곽이 고정되어 상기 탄성체 기판을 지지하는 지지수단; 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면 또는 상기 탄성체 기판의 하부에 부착되는 상기 압전기판 상부에 일측이 접착되어 고정되고 상기 탄성체 기판 및 압전기판의 변형에 연동되어 선형 운동하는 샤프트; 및 상기 샤프트와 접촉되고 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 포함하고, 상기 탄성체 기판에 형성된 통공은 상기 통공이 형성된 압전기판에 형성된 통공보다 크기가 더 크며, 상기 통공은 상기 탄성체 기판의 윗면 상에서의 단면적이 상기 탄성체 기판의 아랫면 상에서의 단면적보다 더 크도록 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면은 높이 방향으로의 일부 또는 전부가 윗부분이 아랫부분에 대해 통공의 중심부로부터 바깥쪽을 향해 기울어진 경사면으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 샤프트는 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면과 탄성체 기판의 아랫면 상의 통공의 종단을 따라서 서로 빈틈없이 접촉되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 샤프트의 단면은 원형 또는 다각형인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 이동체는 상기 샤프트를 감싸도록 접촉되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전기판의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것이 바람직하다.

본 발명의 압전 리니어 모터는 샤프트와 탄성체 기판 및 압전기판이 부착되는 부위의 형태를 개선한 것으로, 샤프트와 탄성체 기판 및 압전기판의 부착부분을 제외한 다른 부분은 도 1에 나타난 종래의 압전 리니어 모터의 그것과 크게 다르지 않다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예에서 탄성체 기판 및 압전기판에 샤프트가 부착되는 부분을 나타낸 것이며, 상기 실시예에서 샤프트가 탄성체 기판 및 압전기판에 부착되는 부분을 제외한 나머지 부분의 구성은 도 1에 나타난 종래의 압전 리니어 모터의 그것과 큰 차이가 없다.

상기 실시예에서 탄성체 기판(31), 압전기판(32a, 32b), 및 샤프트(34) 각각의 구성과 형상은 도 1에 나타난 압전 리니어 모터에 구비된 것과 크게 다르지 않다. 도 3a에서 탄성체 기판(31)은 그 상하에 각각 압전기판(32a, 32b)이 부착되어 있으며 한가운데에는 상하를 관통하는 통공이 형성되어 있다. 상기 탄성체 기판(31)의 상부에 부착된 압전기판(32a)은 가운데에 상기 탄성체 기판에 형성된 통공보다 단면적이 더 큰 통공이 형성된 환형의 기판이며, 상기 탄성체 기판(31)의 하부에 부착된 압전기판(32b)은 통상적인 판의 형상의 기판이다. 상기 샤프트의 단면은 원형이고, 상기 탄성체 기판(31)과 압전기판(32a)에 형성된 통공은 원형의 단면을 가진다.

상기 탄성체 기판(31)에 형성된 통공은 상기 탄성체 기판(31)의 윗면 상에서의 단면적이 상기 탄성체 기판(31)의 아랫면 상의 단면적보다 더 크도록 형성되며, 상기 통공의 측벽면은 높이 방향으로의 전부가 윗부분이 아랫부분에 대해 통공의 중심으로부터 바깥쪽을 향해 기울어진 경사면으로 형성된다.

상기 통공은 그 단면이 원이며, 상기 통공의 단면인 원은 탄성체 기판의 높이 방향을 따라 그 크기가 일정하지 않고 위쪽에서 아래쪽으로 반지름이 일정하게 감소하여 상기 통공의 측벽면이 경사면이 되도록 한다. 상기 통공의 단면인 원은 상기 탄성체 기판의 아랫면에서는 샤프트(34)의 단면과 완전히 동일한 형상과 크기가 되어, 상기 탄성체 기판의 아랫면의 종단을 따라서 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면과 상기 샤프트(34)가 서로 빈틈없이 접촉한다.

상기 샤프트(34)는 상기 탄성체 기판(31)의 하부에 부착된 압전기판(32b)에 그 일측이 부착되어 고정되며, 상기 탄성체 기판(31)과는 탄성체 기판의 아랫면 부근에서 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면과 접촉한다.

도 3b는 도 3a에 대해서 탄성체 기판(31)과 샤프트(34) 사이의 부착 부분을 자세히 나타낸 것이다.

상기 통공은 그 단면인 원이 탄성체 기판의 높이 방향을 따라서 일정한 크기를 갖도록 형성되지 않고 측벽면이 경사면이 되도록 형성되며, 상기 샤프트(34)는 그 길이방향으로 단면의 크기가 일정하도록 형성된다. 이에 따라 상기 샤프트(34)와 상기 탄성체 기판(31)의 측벽면 사이에는 빈 틈(33)이 형성된다.

상기 탄성체 기판(31)과 상기 압전기판(32a)을 부착하는데 이용된 에폭시 등 접착제가 상기 샤프트(34) 쪽으로 흘러나오면, 상기 에폭시는 상기 탄성체 기판과 샤프트 사이의 빈 틈(33)에 개재됨이 상당하다. 이 경우 상기 에폭시가 상기 샤프 트의 수직운동 및 부착위치 등에 주는 영향이 많이 줄어들어, 종래 상기 에폭시가 흘러나옴으로 인해 샤프트가 탄성체 기판 및 압전기판에 대해 정확하게 수직 방향으로 운동, 부착, 고정되지 않던 문제점이 해결되며, 모터의 구동성능이 향상된다.

도 4는 본 발명의 압전 리니어 모터의 다른 실시예에서 탄성체 기판 및 압전기판에 샤프트가 접착되는 부분을 나타낸 것이다.

도 4에 나타난 실시예는 도 3b에 나타난 것에 대해서 탄성체 기판(41)에 형성된 통공의 측벽면의 형상에 있어서 차이가 있으며, 다른 부분의 구성에 있어서는 큰 차이가 없다.

상기 실시예에서 탄성체 기판(41)에 형성된 통공은 상기 탄성체 기판(41)의 윗면 상에서의 단면적이 상기 탄성체 기판(41)의 아랫면 상의 단면적보다 더 크도록 형성되며, 상기 통공의 측벽면은 높이 방향으로의 일부분에 있어서만 윗부분이 아랫부분에 대해 통공의 중심으로부터 바깥쪽을 향해 기울어진 경사면으로 형성된다.

상기 통공은 그 단면이 원이고, 상기 통공의 단면은 윗면으로부터 아랫면 쪽으로 상기 탄성체 기판의 높이 방향으로 소정의 길이를 따라서 반지름이 일정하게 감소하며, 상기 통공의 측벽면은 상기 탄성체 기판의 윗면으로부터의 상기 탄성체 기판의 높이 방향으로 상기 소정의 길이 만큼에 해당하는 일부분이 경사면으로 형성된다.

상기 샤프트(44)는 상기 탄성체 기판(41)의 하부에 부착된 압전기판(42b)에 그 일측의 종단면이 부착되며 상기 탄성체 기판(41)에 형성된 통공의 측벽면에 일측의 종단면의 주변부가 부착되어 고정된다.

상기 도 3b의 실시예와는 샤프트(44)와 탄성체 기판(41)이 서로 접촉, 부착되는 면적이 더 큰 점에 있어서 차이가 있으며, 상기 샤프트(44)와 상기 탄성체 기판(41) 사이에 빈 틈(43)이 형성되는 점, 탄성체 기판(41)과 압전기판(42a)을 부착하는 데 사용된 에폭시 등 접착제가 흘러나오면 상기 빈 틈(43)에 개재됨이 상당하여 샤프트(44)의 상하운동, 부착위치 및 부착방향에 영향을 주지 않는 점, 및 그 결과로 모터의 구동성능이 향상되는 점은 크게 다르지 않다.

상기 압전기판은 상기 탄성체 기판의 상부 또는 하부 가운데 일면 또는 양면에 부착될 수 있다. 상부 또는 하부의 압전기판은 미리 분극처리될 수 있으며, 압전기판의 분극 방향 및 압전기판에 인가되는 전계의 방향에 따라 각기 그 수축 및 신장 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부의 압전기판이 모두 같은 방향으로 분극되고, 상부 및 하부의 압전기판에 접지 전위가 인가되는 가운데의 탄성체 기판에 대해 같은 전위가 인가되는 경우, 상부 및 하부의 압전기판은 수축 또는 신장 여부가 서로 반대가 되며, 전위에 따라 수축 또는 신장 여부가 결정된다.

상기 압전기판의 수축 또는 신장에 따라 상기 압전기판 및 압전기판이 접착된 탄성체 기판은 상하 방향으로 진동, 굴곡운동하며, 상기 탄성체 기판 또는 압전기판의 상부에 일측이 부착된 샤프트는 상기 굴곡운동에 연동되어 상하 방향으로 선형 운동한다. 상기 샤프트는 상기 탄성체 기판 및 압전기판의 굴곡운동을 이동체 에 보다 효율적으로 전달하기 위해 가는 원형 또는 다각형 형상의 단면을 가지는 것으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 샤프트에 접촉된 이동체는 상기 샤프트와 연동되어 선형 운동하는데, 상기 샤프트의 일부 이상을 감싸도록 상기 샤프트에 접촉되어 있어 상기 샤프트와 상기 이동체 사이에는 소정의 마찰력이 발생한다. 상기 이동체는 상기 샤프트와 일체로 운동하거나 또는 상기 샤프트와의 마찰력과 운동의 계속에 따른 관성력의 상호작용에 따라 상기 샤프트 상에서 이동하면서 운동할 수도 있다. 예를 들어 상기 마찰력보다 상기 관성력이 더 큰 경우에는 상기 이동체는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지면서 운동할 수도 있다.

상기 샤프트와 상기 탄성체 기판 및 압전기판 사이의 부착부분의 형태 및 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 형상을 제외하면, 샤프트, 이동체, 탄성체 기판, 압전기판, 지지수단 각각의 구성, 굴곡운동의 발생 등은 도 1에 나타난 종래의 압전 리니어 모터의 그것과 크게 다르지 않은 바, 도면을 참조하는 설명은 생략한다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 탄성체 기판과 압전기판이 부착에 사용된 접착제가 압전기판과 샤프트 사이로 흘러나와도, 탄성체 기판과 샤프트 사이의 공간에 개재되어 샤프트의 부착위치 및 부착방향에 영향을 주지 않아, 모터의 구동성능이 향상된다.

Claims (6)

1. 양면에 전극이 형성된 판형의 압전기판;

   양면에 전극이 형성되고 판형이며 가운데에 상하를 관통하는 통공이 형성된 압전기판;

   상부에 상기 통공이 형성된 압전기판이 부착되고 하부에 상기 판형의 압전기판이 부착되며 한가운데에 상하를 관통하는 통공이 형성된 탄성체 기판;

   상기 탄성체 기판의 하부에 위치하고 상기 탄성체 기판의 외곽이 고정되어 상기 탄성체 기판을 지지하는 지지수단;

   상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면 또는 상기 탄성체 기판의 하부에 부착되는 상기 압전기판 상부에 일측이 접착되어 고정되고 상기 탄성체 기판 및 압전기판의 변형에 연동되어 선형 운동하는 샤프트; 및

   상기 샤프트와 접촉되고 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 포함하고,

   상기 탄성체 기판에 형성된 통공은 상기 통공이 형성된 압전기판에 형성된 통공보다 크기가 더 크며, 상기 통공은 상기 탄성체 기판의 윗면 상에서의 단면적이 상기 탄성체 기판의 아랫면 상에서의 단면적보다 더 크도록 형성된 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면은 높이 방향으 로의 일부 또는 전부가 윗부분이 아랫부분에 대해 통공의 중심부로부터 바깥쪽을 향해 기울어진 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 샤프트는 상기 탄성체 기판에 형성된 통공의 측벽면과 탄성체 기판의 아랫면 상의 통공의 종단을 따라 서로 빈틈없이 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 샤프트의 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 이동체는 상기 샤프트를 감싸도록 접촉되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전기판의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.

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