KR20100039158A - 초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치 - Google Patents

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조진우
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Abstract

초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치가 개시된다. 개시된 초음파 모터는, 일면을 갖는 고정부재; 고정부재의 일면에 대향하게 배치된 이동부재; 및 이동부재의 적어도 일부를 고정부재의 일면에 접촉시킴과 함께 이동부재를 고정부재에 관해 이동하도록 하는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
초음파, 모터, 진동체, 회전, 접촉체, 고정

Description

초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치{Ultrasonic motor and conveying apparatus having the same}
본 발명은 초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성을 가지면서도 높은 토크 효율을 얻을 수 있는 초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 모터, 예를들면, 진행파 타입 모터는 진동을 발생하는 진동체와 진동체가 진동을 할 때 진동체와의 압착면에서 발생하는 마찰력에 의해 회전하는 접촉체를 구비한다. 진동체는 진동을 발생하기 위해 가청주파수 이상의 고주파전압 인가시 압전효과로 인해 변위 또는 변형을 발생하는 전계변환소자층을 구비한다. 진동체는 고정 배치되고, 고정자의 역할을 한다. 접촉체는 진동체의 변형에 따른 진동에 따라 진동체와 마찰하면서 회전하도록 진동체에 대향하게 배치된다. 접촉체는 회전할 수 있게 배치되고, 회전자의 역할을 한다.
하지만, 이러한 종래의 진행파 타입 모터는, 진동체가 고정되고 접촉체가 회전되도록 구성되기 때문에, 진동체를 고정하기 위한 고정부, 및 접촉체가 진동체와 마찰 접촉하면서 회전하도록 지지하기 위한 가압지지부가 필요하다. 또한, 회전토 크를 향상시키기 위해, 접촉체를 진동체의 상면과 하면에 대향하게 배치된 한 쌍의 접촉체로 구성할 경우에는 두 개의 접촉체를 회전토크의 손실 없이 연결하기 위해 두 개의 접촉체를 일체로 연결하는 연결부가 필요하다. 따라서, 모터의 구성이 복잡해 진다.
또한, 종래의 진행파 타입 모터는 진동체가 고정부에 의해 고정되고 접촉체가 진동체의 미세변형에 의해 발생되는 진동에 의해 회전하기 때문에, 회전토크를 발생하는 진동체의 진동이 접촉체에 전달하는 과정에서 감쇄될 수 있다. 따라서, 종래의 초음파 모터는 진동체의 진동이 접촉체에서 전달되는 과정에서의 진동감쇄로 인해 토크효율이 저하될 수 있는 문제가 있었다.
따라서, 간단한 구성을 가지면서도 높은 토크 효율을 얻을 수 있는 새로운 초음파 모터의 개발 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 간단한 구성을 가지면서도 높은 토크 효율을 얻을 수 있는 초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치를 제공하는 데 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시양태에 따르면, 초음파 모터는, 일면을 갖는 고정부재; 고정부재의 일면에 대향하게 배치된 이동부재; 및 이동부재의 적어도 일부를 고정부재의 일면에 접촉시킴과 함께 이동부재를 고정부재에 관해 이동하도록 하는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 이동부재는 고정부재의 일면에 대향하는 복수 개의 돌기를 포함하며, 액츄에이터는 한 개 이상의 돌기를 고정부재의 일면에 접촉시킴과 함께 이동 부재를 고정부재에 관해 이동하도록 할 수 있다.
돌기들은 이동부재의 양측면에 형성될 수 있다. 이 경우, 고정부재는 제1고정부재가 되고, 제1고정부재의 일면은 제1면이 되며, 모터는 제2면을 포함하는 제2고정부재를 포함할 수 있다. 이때, 이동부재는 이동부재의 양측면에 형성된 돌기들이 제1면과 제2면에 각각 대향하도록 제1고정부재와 제2고정부재 사이에 배치될 수 있다. 또, 액츄에이터는 이동부재의 한 개 이상의 돌기를 제1면과 제2면에 접촉시킴과 함께 이동부재를 제1고정부재와 제2고정부재에 관해 이동하도록 할 수 있다.
이동부재와 고정부재는 원형 형태일 수 있다. 선택적으로, 이동부재의 적어도 일부와 고정부재의 적어도 일부는 직선 형태일 수있다.
실시예에서, 액츄에이터는 이동부재에 부착되어 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 포함하며, 이동부재는, 움직일 수 있게 배치되고 진행파에 의해 변형될 수 있는 적어도 하나의 진동체를 포함하며, 고정부재는, 진동체에 대향하게 고정 배치되고 진행파에 의해 진동체가 변형될 때 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함할 수 있다.
여기서, 진동체는 전계변환소자층을 부착한 중공판, 및 중공판에 배치되고, 접촉체와 대향하게 소정간격을 두고 형성된 다수 개의 돌기를 구비한 돌출부를 포함할 수 있다.
이때, 진동체의 중공판은 회전운동하거나 직선운동하도록 배치될 수 있다.
중공판이 회전운동하도록 배치될 경우, 중공판은 원형 형태로 형성되고, 중 공판이 직선운동하도록 배치될 때, 중공판은 타원형 형태로 형성된 것이 바람직하다. 또, 중공판이 직선부분들을 갖는 타원형 형태로 형성될 경우, 돌출부는 중공판의 직선부분들 중 한 부분에만 배치되어, 진행파에 의해 중공판이 변형될 때 접촉체와 마찰접촉하여 중공판이 직선운동하도록 구성될 수 있다.
전계변환소자층은 중공판의 제1면과 제2면 중의 적어도 한 면에 부착된 압전소자층이고, 돌출부는, 중공판의 내주면 또는 외주면에 배치되고 제1면과 제2면 중에서 적어도 한 면에 형성된 다수 개의 돌기를 구비한 링일 수 있다. 이때, 압전소자층은 PZT(Lead zirconate titanate); BaTiO3; PbTiO3, Pb[ZrxTi1-x]O3; KNbO3; LiNbO3; LiTaO3; NaxWO3; Ba2NaNb5O5; Pb2KNb5O15; PVDF(Polyvinyldene fluoride)과 같은 폴리머; 및 KNN(Sodium potassium noibate) 및 BiFeO3와 같은 무연 압전세라믹(Lead-free piezoceramics)으로 구성된 군에서 선택된 하나로 형성될 수 있다.
압전소자층이 중공판의 제1면과 제2면에 각각 부착된 제1 및 제2 압전소자층으로 구성될 경우, 제1 및 제2 압전소자층은 서로 전극배열이 일치하도록 배치되고, 시간적인 위상차가 없고 크기와 주파수가 일치하는 교류전압이 인가될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 압전소자층의 각각은, +전극과 -전극이 교대로 분극된 제1페이스(A)와 제2페이스(B)로 나눠지고, 제1페이스(A)와 제2페이스(B) 사이에는 λ/4(여기서, λ는 원주방향의 한 파장의 길이) 및 3λ/4 만큼 갭을 두도록 배치된 전극배열을 가지는 것이 바람직하다.
선택적으로, 제1 및 제2 압전소자층은 서로 λ/4의 공간적인 위상차가 갖는 전극배열을 가지도록 배치되고, 각각 90도의 시간적인 위상차를 가지고 크기와 주파수가 일치하는 교류전압이 인가될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 압전소자층의 각각은 2n(여기서, n은 원주방향으로 생성되는 진행파의 파장수) 개의 전극이 +극과 -극으로 교대로 분극된 전극배열을 가지는 것이 바람직하다.
다수 개의 돌기가 링의 제1면과 제2면 각각 배치된 복수 개의 제1 및 제2돌기로 구성될 경우, 복수 개의 제1돌기는 복수 개의 제2돌기와 크기, 개수 및 배열이 동일하게 형성된 것이 바람직하다.
접촉체는 진동흡수체를 통해 고정될 수 있다. 진동흡수체는 진동흡수재와 탄성스프링 중에서 적어도 하나로 구성된 것이 바람직하다.
실시예에서, 적어도 하나의 진동체는 한 개의 진동체로 구성되고, 적어도 하나의 접촉체는 각각 진동체의 제1면과 제2면에 대향하게 배치된 두 개의 접촉체로 구성될 수 있다. 선택적으로, 적어도 하나의 진동체는 한 개의 진동체로 구성되고, 적어도 하나의 접촉체는 진동체의 제1면과 제2면중의 하나에 대향하게 배치된 한 개의 접촉체로 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 진동체는 두 개의 진동체로 구성되고, 적어도 하나의 접촉체는 두 개의 진동체를 사이에 끼운 형태로 배치된 세 개의 접촉체로 구성될 수 있다. 이 경우, 두 개의 진동체는 각각 다른 출력 회전축에 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에 따른 초음파 모터를 구비한 이송장치는, 회전할 수 있게 배치되고, 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 구비하는 적어도 하나의 진동체, 및 진동체에 대향하게 고정 배치되고, 진행파에 의해 진동체가 변형될 때 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함하는 초음파 모터; 및 초음파 모터와 연결되고, 진동체의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 이송대상물에 전달하는 운동변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 운동변환유닛은, 진동체와 함께 회전하도록 진동체와 결합되고, 직선운동 가이드슬롯를 구비하는 캠 배럴, 및 이송대상물에 연결되고, 직선운동 가이드슬롯에 삽입된 가이드 돌출부를 포함할 수 있다
실시예에서, 이송대상물은 카메라렌즈 경통내에 배치된 초점렌즈일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따른 초음파 모터를 구비한 이송장치는, 움직일 수 있게 배치되고, 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 구비하는 적어도 하나의 진동체, 및 진동체에 대향하게 고정 배치되고, 진행파에 의해 상기 진동체가 변형될 때 상기 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함하는 위에서 기재한 바와 같은 초음파 모터; 및 초음파 모터와 연결되고, 진동체의 운동을 이송대상물에 전달하는 운동변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 초음파 모터 및 그것을 구비한 이송장치를 첨부도면에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(1)를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 초음파 모터(1)는 진행파 타입 중공형 초음파 모터로써, 하우징(10), 진동체(20), 및 접촉체(30)를 구비한다.
하우징(10)은 원통체(12)일 수 있다. 원통체(12)의 상부면에는 중앙에 개구(14)가 형성되고, 개구(14) 주위의 상측에는 축지지 보스(16)가 형성되어 있다. 축지지 보스(16)에는 출력 회전축(18)이 개구(14)를 통해 지지베어링(17)에 의해 지지된다.
진동체(20)는 본 발명에 따라 이동부재의 역할을 하는 것으로, 후술하는 바와 같이 액츄에이터(Actuator)의 역할을 하는 전계변환소자층(27)의 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)에 대한 가청주파수 이상의 고주파 교류전압 인가시 미세 변위 또는 변형되어 진동을 발생하고, 이에 의해 접촉체(30)와 마찰 접촉하면서 회전한다. 이를 위해, 진동체(20)는 중공 원판(21)과 돌출부(24)를 구비한다.
중공 원판(21)은 회전력 전달 대상물과 연결된 출력 회전축(18)과 함께 회전하도록 중앙홀(22)에서 고정 슬리브(23)에 고정된다. 고정 슬리브(23)는 출력 회전축(18)의 하부에 키이(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다. 이러한 중공 원판(21)은 스테인리스 스틸 또는 청동재로 형성될 수 있다.
고주파 교류전압 인가시 미세 변위 또는 변형되어 진동을 발생하기 위해, 중공 원판(21)은 고주파전압 인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층(27)을 구비한다. 고주파 모터(1)의 토크 효율을 배가시키기 위해, 전계변환소자층(27)은 중공 원판(21)의 상면과 하면에 각각 부착된 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)으로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)의 각각은 +극과 -극이 교대로 분극되어 전압인가시 압전효과로 인해 미세 변위 또는 변형되어 진동을 발생하는 중공 원판 으로 형성된다. 중공원판은 PZT(Lead zirconate titanate); BaTiO3; PbTiO3, Pb[ZrxTi1-x]O3(Lead zirconate titanate); KNbO3; LiNbO3; LiTaO3; NaxWO3; Ba2NaNb5O5; Pb2KNb5O15; PVDF(Polyvinyldene fluoride)와 같은 폴리머; 또는 KNN(Sodium potassium noibate) 및 BiFeO3와 같은 무연 압전세라믹(Lead-free piezoceramics)으로 형성될 수 있다. 또한, 중공 원판은 약 0.1 내지 1mm, 바람직하게는 0.3mm 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)은 전극배열이 서로 일치하거나 일정한 공간적인 위상차를 가지도록 배치될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 서로 전극배열이 일치하도록 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)을 배치할 경우, 제1 및 제2 압전전소자층(28, 29)의 각각은 +극과 -극이 교대로 분극된 전극을 갖는 제1페이스(A)와 제2페이스(B)로 나눠진다. 제1페이스(A)와 제2페이스(B)에는 각각 정현파가 발생하도록 각각 크기와 주파수가 일치하는 sine 및 cosine 형태의 교류전압을 인가된다. 두 개의 정현파가 합해져서 하나의 균일한 진행파를 형성하기 위해서는 두 개의 정현파가 공간적으로 λ/4(λ; 원주방향으로 생성되는 진행파의 한 파장길이)의 위상차가 존재해야하므로, 제1페이스(A)와 제2페이스(B)는 서로 λ/4 와 3λ/4 만큼 갭을 두고 배치되고, 제1페이스(A)와 제2페이스(B) 사이의 갭에는 전압이 인가되지 않고 센싱부(도시하지 않음)와 연결되거나 접지된다.
이와 같이 형성된 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)은 전극배열이 서로 일치하 도록 중공 원판(21)의 상면과 하면에 각각 배치 부착되고, 동일 페이스(A 또는 B)에는 시간적 위상차가 없고 크기와 주파수가 동일한 교류전압이 인가된다. 따라서, 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)에는 하나의 진행파가 생성되고, 이에 의해, 제1 및 제2 압전소자층(28, 29)은 진행파 형태(물결 모양)의 미세 변위 또는 변형을 발생한다.
도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 전극배열이 서로 일정한 공간적인 위상차를 가지도록 제1 및 제2 압전소자층(28', 29')을 배치할 경우, 제1 및 제2 압전전소자층(28', 29')의 각각은 2n(여기서, n은 원주방향으로 생성되는 진행파의 파장수) 개의 전극이 +극과 -극으로 교대로 분극되어 형성된다. 이와 같이 형성된 제1 및 제2 압전전소자층(28', 29')은 전극배열이 서로 λ/4의 공간적인 위상차를 가지도록 중공 원판(21)의 상면과 하면에 각각 배치 부착되고, 각각 90도의 시간적인 위상차를 가지고 크기와 주파수가 일치하는 교류전압이 인가된다. 따라서, 제1 및 제2 압전소자층(28', 29')에는 하나의 진행파가 형성되고, 이에 의해, 제1 및 제2 압전소자층(28', 29')은 진행파 형태의 미세 변위 또는 변형을 발생한다.
제1 및 제2 압전전소자층(28, 29; 또는 28', 29')에 전압을 인가하기 위해, 제1 및 제2 압전전소자층(28, 29; 또는 28', 29')의 전극에는 가요성 인쇄회로기판(도시하지 않음)(Flexible printed circuit board : FPCB)의 연결부가 연결되고, 이에 의해 외부전원로부터 전압이 공급된다. FPCB는 진동체(20)의 중공 원판(21)이 일정한 회전각도 범위, 예를들면, 현재 초음파모터가 많이 사용되는 일안렌즈 반사식 카메라의 교환렌즈에 초음파 모터를 장착할 때 필요한 약 ±140도의 각도범위에 서 회전할 경우에는 꼬임이나 중공 원판(21)의 운동을 방해하지 않는다. 만일, 중공 원판(21)의 회전 운동량이 FPCB가 허용할 수 있는 범위를 넘거나 계속적으로 회전을 해야 하는 경우는 중공 원판(21)과 접착되지 않은 제1 및 제2압전소자층(28', 29')의 노출표면(제1 및 제2압전소자층(28', 29') 적용시) 또는 중공 원판(21)의 내주면(제1 및 제2압전소자층(28, 29) 적용시)에 원형 접점을 갖는 PCB를 부착하고 PCB의 원형 점점에 브러시를 접촉하도록 하는 전원공급장치를 사용하여 외부전원으로부터 전압이 항상 공급되게 할 수 있다.
돌출부(24)는 중공 원판(21)이 제1 및 제2 압전소자층(28, 28; 또는 28', 29')의 미세 변위 또는 변형에 의해 진동할 때 접촉체(30)와 마찰 접촉하는 진동체(20)의 표면에 발생하는 타원운동의 진폭을 크게 하여 중공 원판(21)을 회전시키는 회전력을 발생한다. 이를 위해, 돌출부(24)는 접촉체(30)와 대향하게 중공 원판(21)에 배치되고, 다수 개의 돌기(26)를 구비한 환형 링(25)으로 구성된다. 환형 링(25)은 중공 원판(21)의 내주면 또는 외주면에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 환형 링(25)이 중공 원판(21)의 외주면에 배치된 것으로 예시하였다.
다수 개의 돌기(26)는 환형 링(25)의 상면 및 하면에 각각 형성된 복수 개의 제1 및 제2돌기(26a, 26b)를 구비한다. 복수 개의 제1 및 제2돌기(26a, 26b)는 환형 링(25)의 상면과 하면에 소정간격을 두고 슬릿(26c)을 형성하는 것에 의해 형성될 수 있다.
복수 개의 제1 및 제2돌기(26a, 26b)는 서로 동일한 크기, 개수 및 배열을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 설계에 따라, 다른 크기, 개수 및 배열을 가지도록 형성될 수도 있음은 물론이다.
접촉체(30)는 고정부재의 역할을 하는 것으로써, 위에서 설명한 바와 같이 중공 원판(21)이 제1 및 제2 압전소자층(28, 29; 28', 29')에 의해 진행파 형태의 미세 변위 또는 변형을 발생하면서 진동할 때 돌출부(24)와 마찰 접촉하여 돌출부(24)가 중공 원판(21)을 회전시키는 회전력을 발생하는 것을 돕는다. 이를 위해, 접촉체(30)는 회전운동을 하지 않도록 진동체(20)에 대향하게 하우징(10)의 내부에 고정 배치된다.
접촉체(20)는 제1 및 제2 접촉체(40, 50)를 구비한다. 제1 및 제2 접촉체(40, 50)는 각각 진동체(20)의 중공원판(21)과 대응하는 형태의 중공 원판으로 구성된다. 제1 및 제2 접촉체(40, 50)는 각각 주변 가장자리에 제1 및 제2돌출부(26a, 26b)와 접촉하도록 배치된 제1 및 제2 접촉링(41, 51)을 구비한다.
진동체(20)로부터의 진동이 하우징(10)에 전달되는 것을 방지하기 위해, 제1 및 제2 접촉체(40, 50)는 진동흡수체(60)를 통해 하우징(10)의 내부 상면과 내부 바닥면에 각각 고정 배치된다. 진동흡수체(60)는 진동흡수재(61)와 탄성스프링(63)으로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 진동흡수체(60)는 진동흡수재(61)와 탄성스프링(63) 모두로 구성되는 것으로 예시 및 설명하였지만, 설계에 따라 진동흡수재(61)와 탄성스프링(63) 중에서 하나로만 구성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 제1 및 제2접촉체(40, 50)는 진동흡수체(60)에 의해 하우징(10)에 지지 고정되므로, 종래의 초음파 모터와 같이 접촉체들을 서로 연결하기 위한 연결부를 필요로 하지 않는다. 따라서, 초음파 모터(1)의 구성이 간단해 진다.
또한, 제1 및 제2접촉체(40, 50)가 고정되고 진동체(20)가 회전하므로, 종래의 초음파 모터와 같이 회전토크를 발생하는 진동체의 진동이 접촉체에 전달되는 과정에서 감쇄되어 토크효율이 저하되는 문제가 방지된다.
이상에서, 본 발명에 따른 초음파 모터(1)는 상면과 하면에 전계변환소자층(27)을 구비한 한 개의 진동체(20)와 진동체(20)의 상하에 대향 배치된 두 개의 접촉체(40, 50)를 포함하는 것으로 예시 및 설명하였으나, 진동체(20)가 움직일 수 있게 배치되고 접촉체(30; 40, 50)가 고정 배치된 본 발명의 기본원리 또는 개념을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 형태로 실시될 수 있음은 물론이다. 예를들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 모터(1')는 설계에 따라 전계변환소자층(27')을 구비한 한 개의 진동체(20')와 전계변환소자층(27')에 대향하게 배치된 한 개의 접촉체(30')로 구성될 수 있다. 이 경우, 전계변환소자층(27')은 진동체(20')의 하면에만 형성된다. 또, 진동체(20')의 하부에는 진동체(20')를 접촉체(30')에 압착하여 접촉체(30')와 마찰 접촉하면서 회전하도록 지지하기 위한 가압지지부(80)가 설치된다. 가압지지부(80)는 압력판(83), 접시스프링(85) 및 탄성부재(87)로 구성된다. 압력판(83)은 출력 회전축을 지지하는 베어링(81) 상부에 배설된다. 접시스프링(85)은 압력판(83) 위에 위치하여 진동체(20')를 접촉체(30')에 압착시킨다. 탄성부재(87)는 접시스프링(85)의 탄성에 의한 압력을 진동체(20')에 골고루 분포시킨다.
또, 도 6에 도시한 바와 같이, 초음파 모터(1")는, 각각 상면과 하면에 전계변환소자층(27)을 구비한 두 개의 진동체(20a, 20b)와 전계변환소자층(27)과 대향 하게 두 개의 진동체(20a, 20b) 사이에 배치된 세 개의 접촉체(30a, 30b, 30c)로 구성될 수 있다. 이 경우, 두 개의 진동체(20a, 20b)는 각각 다른 출력 회전축, 즉, 제1 및 제2 출력 회전축(18a, 18b)에 고정되어, 서로 다른 회전력 전달 대상물(도시하지 않음)에 회전력을 전달할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 모터(1)는 진동체(20, 20', 20a, 20b)가 접촉체(30, 30', 30a, 30b, 30c)와 마찰 접촉하여 회전운동하는 회전형 모터에 적용하는 것으로만 예시 및 설명하였지만, 위에서 언급한 본 발명의 기본원리 또는 개념을 벗어나지 않는 범위내에서 다른 형태의 모터에도 적용될 수 있음은 물론이다. 예를들면, 도 7 및 도 8a에 도시한 바와 같이, 초음파 모터는 진동체(20", 또는 20"')가 직선부분들(21a, 21b)의 상면에 돌출부(26')를 형성하고 하면에 전계변환소자층(27")를 형성한 타원 형태의 중공판을 포함하거나, 상면과 하면에 전계변환소자층(27a")을 형성한 타원 형태의 중공판(21')과 직선부분들(21a', 21b')의 상면과 하면에 돌출부(26a')를 형성한 타원형 링(25')을 포함하도록 구성하고, 접촉체가 직선부분들(21a, 21b; 21a', 21b')의 한 곳에만 접촉하도록 구성하면, 진동체(20", 또는 20"')가 접촉체와 마찰접촉하여 직선운동을 하는 리니어 모터에도 적용할 수 있다. 즉, 도 8b에 도시한 바와 같이, 진동체(20"')가 중공판(21')과 타원형 링(25')을 포함하는 경우, 진동체(20"')를 회전축에 관해 회전할 수 있게 고정하지 않고 가이드부(도시하지 않음)에 의해 직선이동할 수 있게 고정하고, 접촉체(30a', 30b')를 직선부분들(21a', 21b')중의 하나에 형성된 돌출부(26a')와 대향하도록 고정 배치하면, 전계변환소자층(27a")에 전압이 인가될 때 진동체(20"')가 접촉체(30a', 30b')와 마찰 접촉하여 직선운동을 하는 리니어 모터로도 구현될 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 4b를 참조하여 위와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(1)의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 진동체(20)의 전계변환소자층(27)의 제1 및 제2 압전소자층(28, 29; 또는 28', 29')의 각각에 위상차가 없는 교류전압 또는 90도의 시간적인 위상차를 가지는 교류전압이 인가되면, 제1 및 제2 압전소자층(28, 29; 또는 28', 29')에는 하나의 진행파가 생성되고, 이에 의해, 제1 및 제2 압전소자층(28, 29; 또는 28', 29')은 진행파에 의해 물결형태의 미세 변위 또는 변형을 발생한다. 그 결과, 제1 및 제2 압전소자층(28, 29; 또는 28', 29')을 상면과 하면에 부착한 진동체(20)의 중공 원판(21) 역시 진행파 형태의 미세 변위 또는 변형을 발생하면서 진동한다.
중공 원판(21)이 진동함에 따라, 중공 원판(21)의 외주면에 부착된 돌출부(24)의 환형 링(25) 역시 진동하며, 이에 의해 환형링(25)의 상면과 하면에 형성된 복수 개의 제1 및 제2돌기(26a, 26b)는 접촉체(30; 40, 50)와 함께 마찰 접촉하면서 중공 원판(21)을 회전시킨다.
중공 원판(21)이 회전함에 따라, 중공 원판(21)을 고정한 출력 회전축(18)은 회전하고, 출력 회전축(18)에 연결된 회전력 전달대상물(도시하지 않음)은 회전한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(1)가 적용된 이송장치(100)를 도시한다.
이송장치(100)는 초음파 모터(101)와 운동변환유닛(120)을 포함한다.
초음파 모터(101)는 이송대상물, 예를들면, 카메라의 렌즈 경통(103)의 외주면에 설치된 브라켓(105) 둘레에 설치된다. 초음파 모터(101)는 제1 및 제2접촉체(40, 50)가 진동흡수체(60)에 의해 브라켓(105)에 고정 설치되고, 중공 원판(21)이 출력 회전축(18)에 고정되지 않고 운동변환유닛(120)에 연결된 점을 제외하고는 도 1 내지 도 4b에 관하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(1)와 동일하다. 따라서, 초음파 모터(101)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
운동변환유닛(120)은 초음파 모터(101)의 회전력을 받는 회전력 전달대상물로써, 초음파 모터(101)의 진동체(20)에 연결된다. 운동변환유닛(120)은 진동체(20)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 직선운동을 필요로 하는 이송대상물인, 렌즈 경통(103)내에 배치된 좌우로 이동할 수 있게 초점렌즈(107)에 전달한다. 이를 위해, 운동변환유닛(120)은 캠 배럴(125)과 가이드 돌출부(135)를 구비한다.
캠 배럴(125)은 카메라렌즈 경통(103)내에 회전할 수 있게 배치되고, 진동체(20)와 함께 회전하도록 진동체(20)의 중공원판(21)과 연결부(115)를 통해 결합된다. 연결부(115)은 제1원통(115a)에서는 중공원판(21)의 내주면에 나사 결합되고, 제2원통(115b)에서 캠 배럴(125)의 외주면 상부에 나사 결합된다. 연결원판(115c)은 경통(103)의 개구(103a)를 관통하여 배치되고, 제1원통(115a)과 제2원통(115b) 사이를 연결한다.
캠 배럴(125)에는 가이드돌출부(135)를 수용하는 직선운동 가이드슬롯(128)이 형성되어 있다. 직선운동 가이드슬롯(128)은 캠 배럴(125)이 진동체(20)에 의해 회전할 때 그 내부에 삽입된 가이드돌출부(135)를 직선이동, 즉 좌우로 이동시킬 수 있도록 하는 형태로 형성된다.
가이드돌출부(135)는 직선운동 가이드슬롯(128)에 삽입되도록 초점렌즈(107)의 외주면의 고정브라켓(136)에 고정된다. 가이드돌출부(135)는 캠 배럴(125)이 회전할 때 직선운동 가이드슬롯(128)을 따라 좌우로 이동하여, 초점렌즈(107)를 좌우로 이동시킨다.
이하, 이와 같이 구성된 이송장치(100)의 동작을 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 초점렌즈(107)의 초점을 조절하기 위해, 초음파 모터(101)가 도시하지 않은 카메라의 조절스위치를 통해 온되어 도 1 내지 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이 동작되면, 연결부(115)를 통해 진동체(20)의 중공 원판(21)과 연결된 캠 배럴(125)은 중공 원판(21)과 함께 회전한다.
캠 배럴(125)이 회전하면, 직선운동 가이드슬롯(128) 내부에 삽입된 가이드돌출부(135)는 직선운동 가이드슬롯(128)을 따라 좌우로 이동하고, 이에 따라 가이드돌출부(135)를 고정한 초점렌즈(107)는 역시 좌우로 이동한다.
이와 같이 초점렌즈(107)가 이동하여 초점렌즈(107)의 초점이 조절된 후, 초음파 모터(101)가 카메라의 조절스위치를 통해 오프되면, 초점렌즈(107)의 초점조절 동작은 완료된다.
이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 도시하는 단면도,
도 2는 도 1에 도시한 초음파 모터의 진동체를 도시하는 사시도,
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시한 초음파 모터의 진동체의 전계변환소자층의 제1 및 제2 압전소자층의 전극배열의 한 예를 예시하는 평면도,
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시한 초음파 모터의 진동체의 전계변환소자층의 제1 및 제2 압전소자층의 전극배열의 다른 예를 예시하는 평면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터의 변형예를 예시하는 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터의 다른 변형예를 예시하는 단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터의 또 다른 변형예에 적용되는 진동체를 예시하는 사시도,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터의 또 다른 변형예에 적용되는 진동체 및 그것을 적용한 예를 간략히 예시하는 시시도 및 단면도, 및
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터가 적용된 이송장치를 중심선에 관해 절반만을 예시하는 부분 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1, 1', 1", 101: 초음파 모터 10: 하우징
18, 18a, 18b: 출력 회전축 20, 20', 20", 20"', 20a, 20b: 진동체
21: 중공 원판 26, 26', 26a, 26a', 26b: 돌출부
27, 27', 27", 27a": 전계변환소자층 28, 28', 29, 29': 압전소자층
30,30',30a, 30a', 30b, 30b', 30c: 접촉체
100: 이송장치 103: 경통
107: 초점렌즈 120: 운동변환유닛
125: 캠 배럴 128: 직선운동 가이드슬롯
135: 가이드 돌출부

Claims (32)

  1. 일면을 갖는 고정부재;
    상기 고정부재의 상기 일면에 대향하게 배치된 이동부재; 및
    상기 이동부재의 적어도 일부를 상기 고정부재의 상기 일면에 접촉시킴과 함께 상기 이동부재를 상기 고정부재에 관해 이동하도록 하는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동부재는 상기 고정부재의 상기 일면에 대향하는 복수 개의 돌기를 포함하며,
    상기 액츄에이터는 한 개 이상의 상기 돌기를 상기 고정부재의 상기 일면에 접촉시킴과 함께 상기 이동부재를 상기 고정부재에 관해 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 돌기들은 상기 이동부재의 양측면에 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정부재는 제1고정부재이고, 상기 제1고정부재의 상기 일면은 제1면이 며,
    상기 모터는 제2면을 포함하는 제2고정부재를 포함하며,
    상기 이동부재는 상기 이동부재의 상기 양측면에 형성된 상기 돌기들이 상기 제1면과 제2면에 각각 대향하도록 상기 제1고정부재와 상기 제2고정부재 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액츄에이터는 상기 이동부재의 한 개 이상의 상기 돌기를 상기 제1면과 상기 제2면에 접촉시킴과 함께 상기 이동부재를 상기 제1고정부재와 상기 제2고정부재에 관해 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 이동부재는 원형 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고정부재는 원형 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이동부재의 적어도 일부는 직선 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고정부재의 적어도 일부는 직선 형태인 것을 특징으 로 하는 초음파 모터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 이동부재에 부착되어 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 포함하며,
    상기 이동부재는, 움직일 수 있게 배치되고 상기 진행파에 의해 변형될 수 있는 적어도 하나의 진동체를 포함하며,
    상기 고정부재는, 상기 진동체에 대향하게 고정 배치되고 상기 진행파에 의해 상기 진동체가 변형될 때 상기 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 진동체는,
    상기 전계변환소자층을 부착한 중공판; 및
    상기 중공판에 배치되고, 상기 접촉체와 대향하게 소정간격을 두고 형성된 다수 개의 돌기를 구비한 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  12. 제10항에 있어서, 상기 진동체는 회전운동과 직선운동 중의 한 운동을 할 수 있게 배치된 것을 특징으로 초음파 모터.
  13. 제11항에 있어서, 상기 중공판은 원형 형태와 타원형 형태 중의 한 형태로 형성된 것을 특징으로 초음파 모터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중공판은 직선부부들을 갖는 타원형 형태로 형성되며,
    상기 돌출부는 중공판의 직선부분들 중의 적어도 한 부분에만 배치된 것을 특징으로 초음파 모터.
  15. 제11항에 있어서, 상기 전계변환소자층은 상기 중공판의 제1면과 제2면 중의 적어도 한 면에 부착된 압전소자층을 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 압전소자층은 PZT(Lead zirconate titanate); BaTiO3; PbTiO3, Pb[ZrxTi1-x]O3; KNbO3; LiNbO3; LiTaO3; NaxWO3; Ba2NaNb5O5; Pb2KNb5O15; PVDF(Polyvinyldene fluoride)과 같은 폴리머; 및 KNN(Sodium potassium noibate) 및 BiFeO3와 같은 무연 압전세라믹(Lead-free piezoceramics)으로 구성된 군에서 선택된 하나로 형성된 것을 특징으로 초음파 모터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 압전소자층은 상기 중공판의 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 부착된 제1 및 제2 압전소자층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 압전소자층은 서로 전극배열이 일치하도록 배치되고, 시간적인 위상차가 없고 크기와 주파수가 일치하는 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압전소자층의 각각은, +전극과 -전극이 교대로 분극된 제1페이스(A)와 제2페이스(B)로 나눠지고, 제1페이스(A)와 제2페이스(B) 사이에는 λ/4(여기서, λ는 원주방향의 한 파장의 길이) 및 3λ/4 만큼 갭을 두도록 배치된 전극배열을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 압전소자층은 상기 중공판의 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 부착된 제1 및 제2 압전소자층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 압전소자층은 서로 λ/4의 공간적인 위상차가 갖는 전극배열을 가지도록 배치되고, 각각 90도의 시간적인 위상차를 가지고 크기와 주파수가 일치하는 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압전소자층의 각각은 2n(여기서, n은 원주방향으로 생성되는 진행파의 파장수) 개의 전극이 +극과 -극으로 교대로 분극된 전극배열을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
  21. 제11항에 있어서, 상기 돌출부는, 상기 중공판의 내주면과 외주면 중의 하나에 배치되고, 제1면과 제2면 중에서 적어도 한 면에 형성된 다수 개의 돌기를 구비한 링을 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 다수 개의 돌기는 상기 링의 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 형성된 복수 개의 제1 및 제2돌기를 포함하며,
    상기 복수 개의 제1돌기는 상기 복수 개의 제2 돌기와 크기, 개수 및 배열이 동일하게 형성된 것을 특징으로 초음파 모터.
  23. 제10항에 있어서, 상기 접촉체는 진동흡수체를 통해 고정된 것을 특징으로 초음파 모터.
  24. 제23항에 있어서, 상기 진동흡수체는 진동흡수재와 탄성스프링 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  25. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동체는 한 개의 진동체를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 접촉체는, 각각 상기 진동체의 제1면과 제2면에 대향하게 배치된 두 개의 접촉체를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  26. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동체는 한 개의 진동체를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 접촉체는, 상기 진동체의 제1면과 제2면 중의 하나에 대향하게 배치된 한 개의 접촉체를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  27. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동체는 두 개의 진동체를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 접촉체는, 상기 두 개의 진동체를 사이에 끼운 형태로 배치된 세 개의 접촉체를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모터.
  28. 제27항에 있어서, 상기 두 개의 진동체는 각각 다른 출력 회전축에 고정된 것을 특징으로 초음파 모터.
  29. 회전할 수 있게 배치되고, 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 구비하는 적어도 하나의 진동체, 및 상기 진동체에 대향하게 고정 배치되고, 상기 진행파에 의해 상기 진동체가 변형될 때 상기 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함하는 초음파 모터; 및
    상기 초음파 모터와 연결되고, 상기 진동체의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 이송대상물에 전달하는 운동변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터를 구비한 이송장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 운동변환유닛은,
    상기 진동체와 함께 회전하도록 상기 진동체와 결합되고, 직선운동 가이드슬롯를 구비하는 캠 배럴; 및
    상기 이송대상물에 연결되고, 상기 직선운동 가이드슬롯에 삽입된 가이드 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터를 구비한 이송장치.
  31. 제29항에 있어서, 상기 이송대상물은 카메라 렌즈 경통내에 배치된 초점렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터를 구비한 이송장치.
  32. 움직일 수 있게 배치되고, 전압인가시 진행파를 생성하는 전계변환소자층을 구비하는 적어도 하나의 진동체, 및 상기 진동체에 대향하게 고정 배치되고, 상기 진행파에 의해 상기 진동체가 변형될 때 상기 진동체와 마찰 접촉하는 적어도 하나의 접촉체를 포함하는 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 모터; 및
    상기 초음파 모터와 연결되고, 상기 진동체의 운동을 이송대상물에 전달하는 운동변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터를 구비한 이송장치.
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