KR20080010238A - 압전 선형 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중심이 V형태로 구성된 진동자의 양쪽 가장자리에 압전세라믹을 부착하여 90도의 위상차를 가지는 교류전압을 인가하여 선형의 변형을 얻어내는 초음파 모터에 관한 것이다. 본 발명의 초음파 모터의 진동자는 하나의 탄성체(11)와 다수개의 압전세라믹으로 구성된다. 하나의 압전세라믹에 진동자의 공진주파수에 해당하는 주파수를 교류전압으로 인가하고 타 위치에 부착된 압전세라믹에는 90도의 위상차를 가진 동일한 주파수의 교류전압을 인가하여 진동자의 중심점에 타원궤적을 일으키게 진동자를 구성하였다. 진동자 중심점의 타원궤적운동이 슬라이더를 타격하여 직선운동을 유도하게 구성된다.

이러한 압전선형 초음파 모터는 구조가 간단하고 소형에서 정밀도와 고 토크를 유지하므로 소형의 기기나 장치에 활용이 용이하다.

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Description

압전 선형 초음파 모터{Piezo ultrasonic linear motor}

도 1은 본 발명의 선형 초음파 모터 진동자의 사시도

도 2는 본 발명의 선형 초음파 모터의 진동자와 슬라이더가 결합된 정면도

도 3은 본 발명의 선형 초음파 모터의 1주기에 따른 거동 형태도

도 4는 두 쌍의 압전세라믹을 탄성체에 결합시킨 초음파 모터의 진동자의 정면도

도 5는 두 쌍의 적층형 압전세라믹을 탄성체에 결합시킨 초음파 모터의 진동자의 정면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 탄성체 12: 슬라이더

13: 진동자와 슬라이더의 접합점 21a,21b,22a,22b: 압전세라믹

본 발명은 두 개의 압전 진동자를 결합하여 구성된 선형 초음파 모터에 관한 것으로 더 상세하게는 양 끝이 고정된 두 개의 바이몰프(bimorph)형 압전진동자에 90도의 위상차를 가지는 20kHz이상의 두 개의 고주파 교류 전계를 가함으로써 슬라 이더가 접촉되어 있는 진동자의 중심에 타원형의 진동변위를 얻어내어 슬라이더와의 마찰력을 통해 선형으로 모터를 구동하는 선형 초음파 모터에 관한 것이다. 일반적인 선형의 전자기력 모터는 자석과 코일의 자기력을 이용하므로 보조기구물이 없이는 자석의 크기이하의 위치제어가 불가능 하다. 정밀한 위치제어를 위해 기어나 별도의 장치가 필요하게 되므로 부피가 크고 무게가 무거워 진다. 또한 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 주는 장치가 필요하므로 정지신호가 들어갔을 때 응답속도가 느리며 소형화되었을 때 열 발생이 크고 효율이 떨어진다.

압전세라믹 재료 자체의 변위를 이용하여 변위를 얻어내는 선형 초음파 모터는 분자단위의 변위를 이용하므로 다양한 구조와 형태로 제작이 가능하다. 그러나 세라믹 자체의 변위는 미소하므로 별도의 변위확대기구가 포함 되어야 한다. 일반적인 압전 진동자의 경우 두께방향 진동모드나 굽힘진동모드를 이용한 변위 확대기구가 있다. 두께방향 진동모드를 이용한 압전 진동자는 다층의 압전세라믹 혹은 단층의 압전세라믹에 금속과 같은 진동자를 부착하여 두께방향의 압전변위를 이용하여 변위를 발생시키는 장치로 응답속도가 빠르지만 변위가 미소하다. 굽힘진동을 이용하는 압전진동자는 금속의 진동판에 압전세라믹을 부착하여 금속판의 굽힘진동을 이용하는 장치로 보다 큰 변위를 얻을 수 있지만 변위의 방향이 바뀌는 순간의 진동자의 변위지연이 발생 하므로 응답속도가 느리다. 이러한 단순한 굽힘진동모드나 두께방향진동모드를 이용하는 초음파 모터의 경우 속도가 느리거나 원하는 응답속도를 얻어낼 수 없어 실용화에 한계가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명은 큰 변위를 얻을 수 있는 두 개의 굽힘진동모드를 이용하는 바이몰프(bimorph)형 압전진동자를 한 쌍으로 하여 두 개의 진동자를 V형태로 연결하여 진동자를 구성한다. 하나의 진동자가 다른 하나의 진동자를 구속시켜 바이몰프형 진동자의 변위지연시간을 없애 주므로 속도와 토크를 높일 수 있다. 또한 V형 진동자가 탄성을 가지므로 일정한 마찰력 유지를 압력유지용 스프링을 필요로 하지 않으므로 구조가 간단하고 소형화가 가능하므로 다양한 기구나 구조물에서 선형의 운동을 얻어내는데 이용될 수 있는 것을 목적으로 한다. 또한 90도의 위상차를 가지는 두 개의 교류전계를 인가하여 변위를 얻어내므로 정역방향의 전환이 쉬우며 마찰을 이용하는 초음파 모터 고유의 특성인 빠른 응답특성과 고 정밀도의 선형 변위를 제공하고자 한다.

본 발명의 구성과 실시 예를 도면을 통하여 기술하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 선형 초음파 모터의 진동자를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 선형 초음파 모터의 진동자와 슬라이더를 결합한 형태의 정면도이고 도 3은 본 발명의 진동자의 1주기에 따른 거동의 변형을 나타낸 것이다. 본 발명은 도 1과 같이 탄성체(11), 압전세라믹(21a, 22a)으로 구성된다. 하나의 압전세라믹(21a)에 진동자의 공진주파수에 해당하는 주파수를 교류전압으로 인가하고 타 위치에 부착된 압전세라믹(22a)에는 90도의 위상차를 가진 동일한 주파수의 교류전압을 인가한다. 두 개의 압전세라믹에 인가되는 교류전압의 위상차로 인하여 도 3과 같이 한 주기동안 슬라이더와 진동자가 접촉되는 진동자의 중심점에 타원형태의 궤적을 그리며 움직이게 되고 진동자의 중심점(31)이 슬라이더를 타격하여 슬라이더를 움직이게 한다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 분극이 된 압전세라믹에 전압을 가하면 인가되는 전압의 위상에 따라 진동자의 휘어지는 방향이 변하게 된다. 분극방향이 동일한 두개의 세라믹(21a,22b)이 부착된 진동자(11)에 90도의 위상차를 가지는 교류전압을 인가하면 한 주기동안 진동자의 변형은 도 3에서와 같다. 전압이 인가되지 않은 상태에서 진동자와 슬라이더는 서로 접촉된 상태가 된다. 여기에 같은 방향의 전압이 인가되는 시점인 t1에서는 두 개의 압전세라믹(21a,22a)이 아래로 휘어지게 되어 탄성체의 중심점(31)은 타원궤적의 최하점에 위치하게 된다. 각각의 세라믹에 인가되는 전압의 방향이 반대가 되는 t3에서는 좌측의 압전세라믹(21a)는 아래로 휘어지고, 우측의 압전세라믹(22a)는 위쪽방향으로 휘어지게되므로 진동자의 줌심점(31)이 타원궤적의 최 우측에 위치하게 된다. 압전세라믹(21a,22a)에 인가되는 전압이 t1과 반대가 되는 t5에서는 두개의 세라믹(21a,22a)이 위쪽방향으로 휘어지게 되므로 진동자의 줌심점(31)이 슬라이더의 상측에 위치한 타원궤적의 최상점에 위치하게 된다. 또한 전압이 t3과 반대 방향으로 인가되는 t7에서는 진동자의 중심점(31)이 최 좌측에 위치하게 된다. 그러므로 90도의 위상차를 가지는 두 개의 신호가 각각의 압전세라믹에 인가하게 되면 교류전압의 한 주기 동안 진동자의 중심점(31)은 타원궤적의 움직임으로 슬라이더를 타격하게 되어 슬라이더의 선형운동을 이끌어 낸다.

이상에서와 같이 본 발명은 기존의 전자기형 모터에 비하여 구조가 간단하고 소형화가 용이하다. 또한 마찰에 의한 구동방식이므로 정지토크가 강하여 브레이크를 필요로 하지 않으며 응답속도가 빠르다. 기존의 종방향 진동을 이용한 압전 진동자에 비하여 변위가 크므로 속도가 빠르고, 유니몰프(unimorph)형태의 진동자에 비하여 응답속도와 정밀도가 우수하다. 이러한 특성을 이용하여 소형의 기구물에 대한 이동용 xy스테잇지, 광학기기등의 위치제어장치로의 응용이 용이하다.

Claims (3)

1. 도 1과 같이 V형 홈이 파여진 탄성체의 홈의 양 측면에 압전세라믹이 부착된 형태의 진동자에 위상이 다른 교류전압을 세라믹에 인가하여 변위를 얻어내는 초음파 모터
2. 제 1항의 형태를 가진 진동자에 부착된 압전세라믹이 다수층의 적층형을 이루고 있은 진동자를 이용한 초음파 모터
3. 제 1항의 진동자의 V형 홈의 각도가 180도 미만을 이루고 V형 홈의 중심부가 삼각형, 혹은 원호의 형태를 이루는 진동자

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