KR20090105683A - 전방향성 선형 압전초음파모터 - Google Patents

전방향성 선형 압전초음파모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 압전초음파모터를 이용하여 X- 및 Y-축뿐만 아니라 그 축 사이의 임의의 각도로도 선형운동이 가능한 전방향성 선형 압전초음파모터에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터는, 베이스와, 베이스에 결합되어 있고 각각 독립된 교류 전계가 인가되는 분리된 4개의 압전 세라믹으로 구성되어 기계적 진동을 발생시키는 압전 세라믹 진동체와, 4개의 압전 세라믹에 부착되어 압전 세라믹에 의한 기계적 진동을 전달하기 위한 전달부재와, 전달부재의 단부에 결합되어 있는 팁과, 팁과 마찰하여 구동되는 이동판을 포함한다.
압전효과, 초음파모터, 압전모터, 압전 액츄에이터, 세라믹 진동체, 원환형

Description

전방향성 선형 압전초음파모터{OMNI-DIRECTIONAL LINEAR PIEZOELECTRIC ULTRASONIC MOTOR}
본 발명은 전방향성 선형 압전초음파모터에 관한 것으로서, 구체적으로 하나의 압전초음파모터를 이용하여 X- 및 Y-축뿐만 아니라 그 축 사이의 임의의 각도로도 선형운동이 가능한 전방향성 선형 압전초음파모터에 관한 것이다.
종래에는, 선형 구동력을 얻기 위해서 캠 또는 풀리 등에 의해 회전 운동을 선형운동으로 변환하는 전자기 모터를 사용하였다. 그러나 전자기 모터는 원형운동을 직선운동으로 변환하는 캠 또는 풀리를 이용하여야 하며 또한 별도의 기어박스가 필요하고, 모터의 관성에 의한 슬립현상이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 전자기 모터에 비해 구조가 간단하고 감속기어 없이 구동이 가능한 선형 압전모터(linear piezoelectric motor)가 개발되었다.
압전성을 가지는 결정체에 고주파 전압을 인가하면 결정체가 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 결정체의 고유진동수에 맞추면 공진에 의해 결정체가 진동한다. 이러한 현상을 역압전 효과라고 하며, 역압전 효과에 의한 진동을 이용하여 선형 구동력을 얻는 것이 압전 선형 모터이다. 압전 선형 모터는 저속에 서 토크가 크고 효율이 높고 자계의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 소형 경량화가 가능하고 정밀한 위치제어가 가능한 장점을 갖는다.
하지만, 종래의 압전 선형 모터는 X-축 또는 Y-축의 어느 한 방향으로 직선운동을 하기 때문에, X-축 및 Y축의 양방향 구동을 위해서는 2 개의 선형 압전모터가 필요한 문제점이 있다. 또한, 압전 선형 모터는 X-축과 Y-축 사이의 방향으로 이동하기 위해서 X-축과 Y-축 사이를 지그재그 형태로 반복 이동을 해야 하므로, 그 이동속도가 현저히 감소되고 그 반복 이동을 제어하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 복수 개의 압전 세라믹에 각각 인가하는 교류 전계의 크기, 진동수 및 위상(phase)을 조절함으로써 이동판의 구동력, 구동 속도 및 구동 방향을 조절할 수 있는 전방향성 선형 압전초음파모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터는, 베이스와, 베이스에 결합되어 있고 각각 독립된 교류 전계가 인가되는 분리된 복수개의 압전 세라믹으로 구성되어 기계적 진동을 발생시키는 압전 세라믹 진동체와, 복수개의 압전 세라믹에 부착되어 압전 세라믹에 의한 기계적 진동을 전달하기 위한 전달부재와, 전달부재의 단부에 결합되어 있는 팁과, 팁과 마찰하여 구동되는 이동판을 포함한다.
전방향성 선형 압전초음파모터는 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 크기를 조절하여 이동판의 구동력을 조절할 수 있다.
전방향성 선형 압전초음파모터는 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 진동수를 조절하여 이동판의 구동 속도를 조절할 수 있다.
전방향성 선형 압전초음파모터는 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 위상을 조절하여 이동판의 구동 방향을 조절할 수 있다.
바람직하게는, 압전 세라믹 진동체는 다층으로 적층되어 형성되며, 다층으로 적층된 압전 세라믹 진동체의 각 인접하는 층은 서로의 분극 방향이 반대가 되도록 형성된다.
바람직하게는, 전달부재는 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 기계적 진동을 팁에서 증폭시키기 위해서 콘(cone) 형상을 갖는다.
바람직하게는, 전달부재에는 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 진동을 팁에 독립적으로 전달하고 타원형의 기계적 진동을 발생시키기 위한 슬릿이 형성되어 있다. 또한, 전달부재에는 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 기계적 진동의 X-축 또는 Y-축 변위를 증폭하기 위한 홀이 형성되어 있다.
바람직하게는, 이동판은 팁과 접촉하는 면에 형성된 마찰부재를 더 포함한다.
바람직하게는, 마찰부재 및 팁은 내마모성이 우수한 고강도 알루미나(Al2O3)이다.
바람직하게는, 전방향성 선형 압전초음파모터는 압전 세라믹 진동체와 전달부재 사이의 최소 진동 지점에 삽입되는 고정판을 더 포함한다.
본 발명의 전방향성 선형 압전초음파모터에 의하면, 복수개의 압전 세라믹으로 구성된 압전 세라믹 진동체에 서로 같거나 다른 교류 전계를 인가함으로써, 하나의 압전초음파모터에 의해서 이동판의 구동력, 구동 속도 및 구동 방향을 조절할 수 있다. 따라서, 압전초음파모터의 구조가 간단해지고 제조 비용을 절감할 수 있 다. 특히, 압전 초음파모터에 인가되는 교류 전계의 위상을 조절함으로써 X-축 및 Y-축뿐만 아니라, X-축과 Y-축 사이의 임의의 방향으로 이동판을 구동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 선형 압전초음파모터를 360°의 전방향으로 이동가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 압전 세라믹 진동체의 분극 방향과 전기배선도를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 1에 나타낸 압전 세라믹 진동체의 전기신호입력 형태를 나타내는 평면도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)는, 베이스(110)와, 베이스(110)에 결합되어 있고 각각 독립된 교류 전계가 인가되는 분리된 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)으로 구성되어 기계적 진동을 발생시키는 압전 세라믹 진동체(120)와, 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 부착되어 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 의한 기계적 진동을 전달하기 위한 전달부재(140)와, 전달부재(140)의 단부에 결합되어 있는 팁(150), 팁(150)과 마찰하여 구동되는 이동판(170)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)는, 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 위상이 같거나 서로 다른 4개의 교류 전계가 인가되면, 압전 세라믹 진동체(120)에는 시간에 따라 기계적 진동이 발생하여 이동판(170)과 접촉하고 있는 팁(150)에 전달되며, 팁(150)과의 마찰력에 의해 이동판(170)을 선형으로 이동시킨다.
압전 세라믹 진동체(120)는 볼트(130)에 의해서 베이스(110)에 고정된다. 압전 세라믹 진동체(120)는 반파장 변환기로서 교류 전계가 가해지면 압전효과에 의해서 종방향의 기계적 진동을 발생시키는 역할을 한다.
압전 세라믹 진동체(120)는 다층이 적층되어서, 압전 세라믹 진동체(120)가 기계적 진동을 발생시키는데 필요한 구동 전력을 최소화할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 압전 세라믹 진동체(120)의 적층시 제1 압전 세라믹 진동체(120a)와 제2 압전 세라믹 진동체(120b)는 각각의 분극 방향이 반대가 되도록 적층된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 압전 세라믹 진동체(120)는 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)으로 분리되어 있다. 본원에서, 압전 세라믹 진동체(120)를 구성하는 압전 세라믹을 4개로 설명하고 있으나, 본 발명은 그에 한정되지 않는다. 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 서로 다른 교류 전계가 인가되면, 각 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)은 인가된 교류 전계에 따른 기계적 진동을 한다.
전달부재(140)는 압전 세라믹 진동체(120)에 의해 발생한 기계적 진동을 효과적으로 전달하기 위한 구성을 갖는다. 이를 위해서, 전달부재(140)는 기계적 진동을 팁(150)에서 증폭시킬 수 있도록 콘(cone)형상을 갖는다. 기계적 진동은 전달부재(140)의 직경이 넓은 부분에 전달되고, 그 기계적 진동은 직경이 좁은 부분 으로 갈수록 커지게 된다.
또한, 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 의해 발생한 기계적 진동을 팁(150)에 독립적으로 전달하고 타원형의 기계적 진동을 발생시키기 위해서, 전달부재(140)에는 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 대응하는 슬릿(141)이 형성되어 있다. 따라서, 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 의해 발생한 기계적 진동의 고유 특성이 변형되지 않은 상태로 팁(150)에 전달될 수 있다.
게다가, 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 의해 발생한 기계적 진동의 X-축 또는 Y-축 변위를 증폭시키기 위해서, 전달부재(140)의 각 슬릿(141)에는 홀(142)이 형성되어 있다. 슬릿(141)의 단부가 직선으로 이루어진 경우에, 압전 세라믹 진동체(120)에 의해 발생한 기계적 진동은 Z-축 방향으로 우세하다. 하지만, 각 슬릿(141)에 홀(142)을 형성하면, 압전 세라믹 진동체(120)에 의해 발생한 기계적 진동은 홀(142)의 원주를 따라서 X-축 또는 Y-축 방향으로 전달된다. 따라서, 팁(150)에는 Z-축뿐만 아니라 X-축 또는 Y-축 방향의 기계적 진동이 전달된다.
바람직하게는, 압전 세라믹 진동체(120)에 의해 발생한 기계적 진동의 저항을 최소화할 수 있도록 베이스(110) 및 전달부재(140)는 음향저항이 작은 금속으로 구성될 수 있다.
팁(150) 단부는 전달부재(140)로부터 전달받은 기계적 진동에 의해서 타원형의 변위를 갖는다. 팁(150)은 이동판(170)과의 마찰에 의한 마모를 감소시키고 내 구성이 우수한 알루미나(Al2O3)로 구성되는 것이 바람직하다.
이동판(170)은 팁(150)과 접촉되어 있어서 팁(150) 단부의 타원형 변위에 의해서 일방향으로 선형 이동한다. 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의한 마모를 감소시키고 내구성이 우수한 알루미나(Al2O3)로 구성된 마찰부재(171)를 포함한다. 마찰부재(171)는 이동판(170)이 팁(150)과 접촉하는 면에 형성된다. 마찰부재(171)의 반대측에는 이동판(170)의 이동을 가이드하면서 지지하는 지지부재(172)가 구비된다. 지지부재(172)로서 볼 베어링이 채용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)는 압전 세라믹 진동체(120)와 전달부재(140) 사이의 최소 진동 지점에 삽입되는 고정판(160)을 더 포함한다. 압전 세라믹 진동체(120)는 파장이 λ/2 인 진동을 발생시키기 때문에, 팁(150) 단부에서 최대 진폭의 진동이 발생하고 파장이 λ/4 인 지점에서는 진동이 발생하지 않는다. 따라서, 고정판(160)은 압전 세라믹 진동체(120)의 파장이 λ/4 인 지점에 삽입된다. 고정판(160)은 전방향성 선형 압전초음파모터(100)를 외부에 장착하는데 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)는, 압전 세라믹 진동체(120)의 4개의 압전 세라믹(U1, U2, U3, U4)에 인가되는 교류 전계의 크기, 진동수 및 위상을 조절함으로써 이동판(170)의 구동력, 구동 속도 및 구동 방향을 조절할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선 형 압전초음파모터(100)의 동작을 설명한다. 도 4 내지 도 8은 "ALTIA"라는 시뮬레이션 툴을 이용한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)의 동작 상태를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 압전 세라믹 진동체(120)에 의해 발생한 기계적 진동에 의해서 전방향성 선형 압전초음파모터(100) 전체가 진동을 하며, 팁(150)에서의 변위가 최대이다.
도 5는 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100sinωt [V], U2=100cosωt [V], U3=100sinωt [V], U4=100cosωt [V] 의 교류 전계가 인가된 경우의 그래프이다. 도시한 바와 같이, 팁(150)은 X-Z 평면상에서 시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (+)X-축 방향으로 이동한다. 이와 반대로, 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100cosωt [V], U2=100sinωt [V], U3=100cosωt [V], U4=100sinωt [V] 의 교류 전계가 인가되면, 팁(150)은 X-Z 평면상에서 반시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (-)X-축 방향으로 이동한다.
도 6은 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100sinωt [V], U2=100sinωt [V], U3=100cosωt [V], U4= 100cosωt [V] 의 교류 전계가 인가된 경우의 그래프이다. 도시한 바와 같이, 팁(150)은 Y-Z 평면상에서 시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (+)Y-축 방향으 로 이동한다. 이와 반대로, 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100cosωt [V], U2=100cosωt [V], U3=100sinωt [V], U4= 100singωt [V] 의 교류 전계가 인가되면, 팁(150)은 Y-Z 평면상에서 반시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (-)Y-축 방향으로 이동한다.
도 7은 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=0 [V], U2=100sinωt [V], U3=0 [V], U4=100cosωt [V] 의 교류 전계가 인가된 경우의 그래프이다. 도시한 바와 같이, 팁(150)은 X1-Z 평면상에서 시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다(여기서, "X1-축"은 X-축과 45°를 이루는 축을 나타냄). 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (+)X1-축 방향으로 이동한다. 이와 반대로, 압전 세라믹(120)에 U1=0 [V], U2=100cosωt [V], U3=0 [V], U4=100sinωt [V]의 교류 전계가 인가되면, 팁(150)은 X1-Z 평면상에서 반시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서 이동판은 (-)X1-축 팁(150)과의 마찰에 의해 방향으로 이동한다.
도 8은 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100sinωt [V], U2=0 [V], U3=100cosωt [V], U4=0 [V] 의 교류 전계가 인가된 경우의 그래프이다. 도시한 바와 같이, 팁(150)은 X2-Z 평면상에서 시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다(여기서, "X2-축"은 X-축과 -45°를 이루는 축을 나타냄). 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (+)X2-축 방향으로 이동한다. 이와 반대로, 압전 세라믹 진동체(120)에 U1=100cosωt [V], U2=0 [V], U3=100sinωt [V], U4=0 [V] 의 교류 전계가 인가되면, 팁(150)은 X2-Z 평면상에서 반시계방향으로 이동하는 타원형의 변위를 나타낸다. 따라서, 이동판(170)은 팁(150)과의 마찰에 의해 (-)X2-축 방향으로 이동한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터(100)는 압전 세라믹(120)에 인가되는 위상을 조절함으로써, 상술한 방향 이외에도 이동판(170)을 360°의 전방향으로 이동시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 선형 압전초음파모터의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 압전 세라믹 진동체의 분극 방향과 전기배선도를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 압전 세라믹 진동체의 전기신호입력 형태를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 전방향성 선형 압전초음파모터의 작동 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3에서 U1=100sinωt [V], U2=100cosωt [V], U3=100sinωt [V], U4=100cosωt [V] 의 교류 전계를 인가했을 때, 팁에서의 X-, Y-, Z-축 방향에 따른 변위를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3에서 U1=100sinωt [V], U2=100sinωt [V], U3=100cosωt [V], U4= 100cosωt [V] 의 교류 전계를 인가했을때, 팁에서의 X-, Y-, Z-축 방향에 따른 변위를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 3에서 U1=0 [V], U2=100sinωt [V], U3=0 [V], U4=100cosωt [V] 의 교류 전계를 인가했을 때, 팁에서의 X-, Y-, Z-축 방향에 따른 변위를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 3에서 U1=100sinωt [V], U2=0 [V], U3=100cosωt [V], U4=0 [V]의 교류 전계를 인가했을 때, 팁에서의 X-, Y-, Z-축 방향에 따른 변위를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전방향성 선형 압전초음파모터
110 : 베이스 120 : 압전 세라믹 진동체
130 : 볼트 140 : 전달부재
141 : 슬릿 142 : 홀
150 : 팁 160 : 고정판
170 : 이동판 171 : 마찰부재

Claims (12)

  1. 베이스와,
    상기 베이스에 결합되어 있고 각각 독립된 교류 전계가 인가되는 분리된 복수개의 압전 세라믹으로 구성되어 기계적 진동을 발생시키는 압전 세라믹 진동체와,
    상기 복수개의 압전 세라믹에 부착되어 상기 압전 세라믹에 의한 기계적 진동을 전달하기 위한 전달부재와,
    상기 전달부재의 단부에 결합되어 있는 팁과,
    상기 팁과 마찰하여 구동되는 이동판을 포함하는
    전방향성 선형 압전초음파모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 크기를 조절하여 상기 이동판의 구동력을 조절할 수 있는
    전방향성 선형 압전초음파모터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 진동수를 조절하여 상기 이동판의 구동 속도를 조절할 수 있는
    전방향성 선형 압전초음파모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 압전 세라믹의 각각에 인가되는 교류 전계의 위상을 조절하여 상기 이동판의 구동 방향을 조절할 수 있는
    전방향성 선형 압전초음파모터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압전 세라믹 진동체는 다층으로 적층되어 형성되는 전방향성 선형 압전초음파모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다층으로 적층된 압전 세라믹 진동체의 각 인접하는 층은 서로의 분극 방향이 반대가 되도록 형성된 전방향성 선형 압전초음파모터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전달부재는 상기 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 기계적 진동을 상기 팁에서 증폭시키기 위해서 콘(cone) 형상을 갖는 전방향성 선형 압전초음파모터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전달부재에는 상기 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 진동을 상기 팁에 독립적으로 전달하고 타원형의 기계적 진동을 발생시키기 위한 슬릿이 형성되어 있는 전방향성 선형 압전초음파모터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전달부재에는 상기 압전 세라믹 진동체에 의해 발생한 기계적 진동의 X-축 또는 Y-축 변위를 증폭하기 위한 홀이 형성되어 있는 전방향성 선형 압전초음파모터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이동판은 상기 팁과 접촉하는 면에 형성된 마찰부재를 더 포함하는 전방향성 선형 압전초음파모터.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서, 상기 팁은 내마모성이 우수한 고강도 알루미나(Al2O3)인 전방향성 선형 압전초음파모터.
  12. 제1항에 있어서, 상기 압전 세라믹 진동체와 상기 전달부재 사이의 최소 진동 지점에 삽입되는 고정판을 더 포함하는 전방향성 선형 압전초음파모터.
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