KR20110001033A - 초음파 모터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파 모터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 L1B2 모드 초음파 모터는, 압전 물질로 이루어지는 활성 적층부와, 활성 적층부 아래에 배치되고, 최하위층으로서 접촉부 형상을 갖는 비활성부를 포함한다. 활성 적층부는, 최상위층에 외부 전극 3개가 평행하게 간격을 두고 나란히 배치되며, 각 압전층의 외부 측면에는 전기원을 전송받기 위해 상위층의 전극과 연결되어 높이 방향으로 평행한 전극 3개가 나란히 배치되고, 최상위층의 첫 번째 아래층의 윗면 전극 1개가 측면의 전극과 연결되어 접지되며, 최상위층의 두 번째 아래층의 윗면 전극 형상은 분할된 형태로써 각 전극 영영에 일정 위상차를 갖는 전기원이 인가되고, 각 분할 전극은 적어도 한쪽 측면의 서로 다른 전극과 각각 연결되고, 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 분극 방향이 서로 반대 방향이며, 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 구조가 반복되면서 아래 방향으로 적층되도록 구성함을 특징으로 한다.
초음파 모터, 압전 진동자, 1B2 모드
Description
본 발명은 초음파 모터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
초음파 모터는 휴대폰, 디지털 카메라, 개인 휴대용 정보단말기(Personal Data Assistant: PDA), 노트북용 카메라 등과 같은 다양한 전자 제품의 기계적 구동을 위해 사용될 수 있는 일종의 소형 액추에이터(actuator)이다. 구체적으로, 자동 초점(Auto Focus: 이하 AF라고 칭한다), 광학식 손 떨림 보정(Optical Image Stabilize: OIS), 줌(zoom), 셔터 등을 위해 사용될 수 있다.
소형화, 안정적 동작, 신뢰성 보장, 대량 생산 가능성 등은 압전 방식의 초음파 모터를 개발하고 설계하여 제조하는 데 고려되어지는 사항들이다.
액추에이터는 두 가지 방식으로 크게 구분된다.
첫째, 전자기를 이용하는 방식의 액추에이터가 있다. 이 액추에이터는 자석과 코일 사이의 전자기력을 이용하는 보이스 코일 모터(voice coil motor), 스텝 모터 등이 있다.
둘째, 압전 물질을 이용하는 방식의 액추에이터가 있다. 이 액추에이터는 전기장에 의해 기계적 변위를 발생시키거나 기계적 변형에 의해 전압을 발생시키는 압전 재료를 이용한다. 즉, 압전 재료에 전기원을 인가하여 압전 재료에 기계적 변형을 발생시키고 외부에서 기계적 압력을 인가함으로써 접촉부와 마찰력을 발생시켜 구동한다. 이와 같은 액추에이터로는 L1B2 모드(Longitudinal or Bending Mode) 초음파 모터, SIDM(Smooth Impact Drive Mechanism) 등이 있다. 캔틸레버(cantilever) 등을 이용하는 다양한 종류/형태의 압전 액추에이터가 있다.
그런데 전자기를 이용하는 방식은 자석과 코일 사이의 전자기력을 이용하기 때문에 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 구체적으로, 모터 자체의 전력 소모가 크다. 또한 소형화하는 데 어려움이 있다. 뿐만 아니라, 분해능이 낮으며, 전자기장도 발생한다. 그리고 액추에이터가 정지했을 때 위치를 유지하는 정지 토크가 없다. 이것은 이동 단말기 등의 카메라 AF용으로 사용할 경우에 렌즈의 위치 유지를 위해 모터와 제어부의 지속적인 구동 및 전력 소모를 요구하는 요인이 되며, 이동 기기에서는 치명적인 단점이 될 수 있다. 또한 재현성의 문제가 있다. 즉, 이동 단말기의 방향 전환 시 중력에 의해 부하량 변동이 발생되며 이로 인해 모터 재현성의 문제가 발생한다.
압전 물질을 이용하는 방식은 상기한 전자기를 이용하는 방식과 대비해볼 때 전력 소모, 크기, 분해능, 전자기장 발생 등의 측면에서는 우월성을 가지고 있지 만, 소형화, 신뢰성, 안정성, 대량 생산, 가격 등의 측면에서 여전히 개선의 여지를 가지고 있다.
도 1은 종래의 L1B2 초음파 모터의 외부 구조를 나타내는 도면이다.
종래의 L1B2 초음파 모터는 접촉 팁(tip)의 안착을 위한 홈 가공 및 이를 위한 비활성부가 하단에 필요하며, L1B2 모드의 왜곡을 최소화하기 위해 상단에도 동일 두께의 비활성부가 존재해야 한다. 이는 전체 두께의 증가 요소가 되며, 소형화에 있어 불리하다. 또한 상단/하단의 비활성부로 인하여 변위의 저하를 초래하고, 이는 모터 성능의 저하로 이어진다. 부연하면, 하단의 비활성부는 접촉 재질의 안정적 안착을 역할을 위해 반드시 필요하며, 모드의 왜곡을 피하기 위해 상단에 하단과 대칭적인 비활성부를 필요로 하는데 이와 같은 상/하단의 비활성부는 소형화 및 성능 등의 측면에서 불리한 역할을 하고 있다.
따라서 본 발명은 기존의 전자기 혹은 압전 물질 이용 방식 액추에이터가 갖는 문제점들을 해결한 초음파 모터를 제공한다.
또한 본 발명은 비활성부를 하층에만 사용 가능한 초음파 모터를 제공한다.
또한 본 발명은 별도의 접촉 매질 가공 및 접합을 필요로 하지 않는 초음파 모터를 제공한다.
본 제1발명은 L1B2 모드 초음파 모터가, 압전 물질로 이루어지는 활성 적층부와, 상기 활성 적층부 아래에 배치되고, 최하위층으로서 접촉부 형상을 갖는 비활성부를 포함하며, 상기 활성 적층부는, 상기 최상위층에 외부 전극 3개가 평행하게 간격을 두고 나란히 배치되며, 각 압전층의 외부 측면에는 전기원을 전송받기 위해 상위층의 전극과 연결되어 높이 방향으로 평행한 전극 3개가 나란히 배치되고, 상기 최상위층의 첫 번째 아래층의 윗면 전극 1개가 측면의 전극과 연결되어 접지되며, 상기 최상위층의 두 번째 아래층의 윗면 전극 형상은 분할된 형태로써 각 전극 영영에 일정 위상차를 갖는 전기원이 인가되고, 각 분할 전극은 적어도 한쪽 측면의 서로 다른 전극과 각각 연결되고, 상기 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 분극 방향이 서로 반대 방향이며, 상기 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 구조가 반복되면서 아래 방향으로 적층되도록 구성함을 특징으로 한다.
본 제2발명은 초음파 모터 제조 방법이, 금속 재질의 비활성부를 적층형 압전 세라믹 원판에 접합하는 과정과, 상기 접합된 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
본 제3발명은 초음파 모터 제조 방법이, 세라믹 재질의 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 소결과 동시에 접합하는 과정과, 상기 접합된 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전자기를 이용하는 방식의 높은 전력 소모, 소형화 어려움, 낮은 분해능, 전자기장 발생, 정지시 위치 유지 불가능, 위치 차에 따른 재현성 문제 등을 해결한다. 또한 비활성부를 하층에만 사용 가능하고, 비활성부를 접촉부로 이용한 압전 세라믹 및 전극 패턴의 배열을 통해 액추에이터의 부피를 줄이며, 공정 및 부품을 줄여 제조원가를 절감하는 효과가 있다. 또한 본 발명은 액추에이터 단품의 신뢰성과 안정성이 우수하며 제작 공정의 단순화를 꾀함으로써 수율을 높이고 제조원가를 절감하는 효과도 있다. 또한 본 발명은 안정적인 2점 접촉 선형 운동 방식을 이용하여 신뢰성과 안정성을 높이는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 외부 구조를 나타내는 도면이다.
도시된 초음파 모터는 비활성부를 하층에만 사용 가능한 압전 세라믹의 분극 방향 및 전극 패턴의 배열을 갖는다. 구체적으로, L1B2 모드를 발생시키기 위한 압전체로 이루어진 적층 구간과 접촉 매질 역할을 동시에 수행하는 비활성부로 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터는 별도로 접촉 재질을 가공하지 않아도 된다. 접합 공정 없이 비활성부가 회전자와의 접촉부 역할을 수행할 수 있기 때문이다.
여기서 전기원 S1 ~ S3는 각각 sin(wt), 접지(GND), cos(wt)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터를 전술한 도 1의 종래 초음파 모터와 비교해보면, 고유의 L1B2 생성 원리/구조로 인하여 접촉 팁 역할을 하는 하단부의 비활성부 만으로도 L1B2 모드의 왜곡이 발생하지 않는다. 다시 말해, 접촉 재질 역할을 위해 하단부의 비활성부가 필요는 하지만, 종래 초음파 모터처럼 상단에 하단과 동일 두께의 비활성부가 필요하지는 않다. 또한 하단부의 비활성부가 단순히 접촉 재질 역할만을 하는 것이 아니라 효과적인 벤딩 모드 발생 및 성능 향상에 기여한다. 또한 종래 초음파 모터와 다르게, 상층의 비활성부가 필요 없어 서 전체 두께를 얇게 할 수 있으며, 소형화에 있어서 유리하고, 동일 두께에서 적은 적층 수로 동급 성능을 발휘 할 수 있다. 예를 들어, 종래의 경우 활성층이 20층이라면, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 활성층이 14층만 있어도 동일한 성능을 발휘한다. 이로써, 적층 수는 재료 원가에 비례하므로, 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 세부 구조를 나타내는 도면이다.
L1 ~ Ln은 활성 적층부를 구성하는 압전층을 나타낸다. 최상층 L1에서 외부 소스(source)인 전기원 S1 ~ S3는 각각 sin(wt), 접지(GND), sin(wt + θ)일 수 있다. L2의 분극방향과 L3의 분극방향은 서로 반대 방향이다. 설명의 편의상, L2와 L3를 한 쌍이라고 칭할 때, 이와 같은 쌍이 짝수 개 반복되어 활성 적층부를 형성한다. 최하위층인 비활성부에는 전기원이 연결되지 않는다.
도시된 바에 따르면, L1B2 모드 초음파 모터는 활성 적층부와 비활성부를 포함한다. 비활성부는 활성 적층부 아래에 배치되고, 최하위층으로서 접촉부 형상 C1과 C2를 갖는다. 최하위층은 금속 재질 혹은 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 활성 적층부는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 활성 적층부의 구성을 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
최상위층(1번 층) L1에는 외부 전극 3개 S1 ~ S3가 평행하게 간격을 두고 나란히 배치된다. 각 압전층의 외부 측면에는 전기원을 전송하기 위해 상위층의 전극 과 연결되어 높이 방향으로 평행한 전극 3개 E1 ~ E3가 나란히 배치된다. 최상위층의 첫 번째 아래층(2번 층) L2의 윗면 전극 1개가 측면의 전극과 연결되어 접지되며, 최상위층의 두 번째 아래층(3번 층) L3의 윗면 전극 형상은 분할된 형태로써 각 전극 영영에 일정 위상차를 갖는 전기원이 인가되고, 각 분할 전극은 적어도 한쪽 측면의 서로 다른 전극과 각각 연결된다. 예를 들어, 최상위층의 두 번째 아래층 L3의 윗면 전극 형상은 1/2로 분할된 형태일 수 있으며, 각각의 전극 영영에 인가되는 전기원이 90도의 위상차를 가질 수 있다. 최상위층의 첫 번째 아래층 L2와 두 번째 아래층 L3의 분극 방향은 서로 반대 방향이다. 최상위층의 첫 번째 아래층 L2 및 두 번째 아래층 L3의 구조와 같은 구조가 반복되면서 아래 방향으로 적층된다.
도 4와 도 5는 각각 비활성부가 금속 재질 혹은 세라믹인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터를 가공하는 방법을 나타내는 도면이다.
전술한 도 2 혹은 도 3과 같은 단품 액추에이터를 생산할 때, 최하위층인 비활성부를 금속 재질로 구성하는 경우에는 도 4와 같이 프레스나 단조를 통해 제작된 금속 비활성부를 적층형 압전 세라믹 원판에 접합한 후, 이 접합된 비활성부와 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱한다. 이와 같은 방법을 통해 단품의 수율을 높일 수 있다. 또한 이 방법은 공정 및 가격 측면에서도 유리하다. 비활성부를 구성할 수 있는 금속 재질에는 예를 들어 인청동(phosphor bronze), SUS(Stainless Steel), 알류미늄, 니켈 등이 있다.
비활성부를 세라믹 재질로 구성하는 경우에는 도 5와 같이 비활성부를 적층형 압전 세라믹 원판의 소결과 동시에 접합한 후, 접합된 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱한다. 이 방법 역시 단품의 수율을 높일 수 있고, 공정 및 가격 측면에서 유리하다. 비활성부를 구성할 수 있는 세라믹 재질에는 예를 들어 압전 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 규소 등이 있다.
압전(piezoelectric) 현상은 전기에너지와 기계에너지가 상호 변환되는 현상을 말한다. 일반적으로 정압전 효과와 역압전 효과 모두 압전 현상이라 부른다. 이와 같은 현상은 압전 효과가 큰 로셀염 혹은 티타산 바륨 등에서 발생한다. 정압전 효과(혹은 1차 압전 효과)는 기계적 변형을 가함으로써 전계가 발생되는 것이다. 역압전 효과(혹은 2차 압전 효과)는 전계를 가하여 기계적 변형을 일으키는 현상이다.
압전 모터는 압전체의 역압전 효과를 이용하는 액추에이터로서 전자기 모터와 다른 구동원과 동작원리로 인해 고유의 특성과 장점을 가지고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액추에이터는 여러 가지 형태의 압전 액추에이터 중에서 인간의 가청 주파수대역을 넘는 20KHz 이상의 기계적 진동으로 동작하는 초음파 모터에 적용하는 것이 이상적이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 기본 구동 원리를 나타내는 도면이다.
압전 액추에이터 중 하나인 초음파 모터는 압전 세라믹으로 이루어진 진동 자(vibrator) 100에 전기원 S1 ~ S3를 인가하여 진동자 100에 기계적 변형을 발생시켜 진동자 100과 회전자(rotor) 200의 접촉부에서 타원 운동(elliptical motion) Em을 발생시킨다. 이와 동시에, 외부에서 기계적 압력(mechanical force) MF를 가함으로써 진동자 100과 회전자 200 사이에 마찰력을 발생시켜 구동한다. 여기서 전기원 S1 ~ S3는 각각 sin(wt), 접지(GND), sin(wt + θ)일 수 있다.
L1B2는 이와 같은 진동자의 타원 운동을 발생시킬 수 있는 여러 가지 진동 모드 중 하나이다. 여기서 L은 압전 진동자의 길이방향 모드 즉, 경도 모드(longitudinal mode)를 의미한다. B는 밴딩 모드(bending mode)를 의미한다. 그리고 숫자는 진동 모드의 차수를 의미한다.
진동자의 L 모드와 B 모드를 중첩함으로써 타원 운동이 발생하게 되는데, 원하는 진동 모드를 발생시키기 위해서는 형상의 지배를 받는 공진 주파수를 진동자에 전기원으로 인가한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 L1B2 모드의 형상을 나타내는 도면이다.
(a)는 L1 모드를 나타낸 것이고, (b)는 B2 모드를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 L1B2 모드 그래프를 나타내는 도면이다.
각 그래프는 제1경도 모드와 제2밴딩 모드에서 경도의 위치에 따른 변위의 관계를 나타낸다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 L1B2 초음파 모터의 외부 구조를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 외부 구조를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 세부 구조를 나타내는 도면
도 4는 비활성부가 금속 재질인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터를 가공하는 방법을 나타내는 도면
도 5는 비활성부가 세라믹인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터를 가공하는 방법을 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 기본 구동 원리를 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 L1B2 모드의 형상을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 모터의 L1B2 모드 그래프를 나타내는 도면
Claims (8)
- L1B2 모드 초음파 모터에 있어서,압전 물질로 이루어지는 활성 적층부와,상기 활성 적층부 아래에 배치되고, 최하위층으로서 접촉부 형상을 갖는 비활성부를 포함하며,상기 활성 적층부는,상기 최상위층에 외부 전극 3개가 평행하게 간격을 두고 나란히 배치되며,각 압전층의 외부 측면에는 전기원을 전송받기 위해 상위층의 전극과 연결되어 높이 방향으로 평행한 전극 3개가 나란히 배치되고,상기 최상위층의 첫 번째 아래층의 윗면 전극 1개가 측면의 전극과 연결되어 접지되며,상기 최상위층의 두 번째 아래층의 윗면 전극 형상은 분할된 형태로써 각 전극 영영에 일정 위상차를 갖는 전기원이 인가되고, 각 분할 전극은 적어도 한쪽 측면의 서로 다른 전극과 각각 연결되고,상기 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 분극 방향이 서로 반대 방향이며,상기 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 구조가 반복되면서 아래 방향으로 적층되도록 구성함을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 제1항에 있어서,상기 압전 물질이 압전 세라믹임을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 제1항에 있어서,상기 비활성부에는 전기원이 연결되지 않도록 구성함을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 제1항에 있어서,상기 최상위층의 두 번째 아래층의 윗면 전극 형상은 1/2로 분할된 형태이고, 각각의 전극 영영에 인가되는 전기원이 90도의 위상차를 갖도록 구성함을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 제1항에 있어서,상기 최상위층의 첫 번째 아래층과 두 번째 아래층의 구조가 짝수 개 반복되어 아래로 적층되도록 구성함을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 제1항에 있어서,상기 최하위층이 금속 재질 혹은 세라믹 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 초음파 모터.
- 초음파 모터 제조 방법에 있어서,금속 재질의 비활성부를 적층형 압전 세라믹 원판에 접합하는 과정과,상기 접합된 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 초음파 모터 제조 방법.
- 초음파 모터 제조 방법에 있어서,세라믹 재질의 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 소결과 동시에 접합하는 과정과,상기 접합된 비활성부와 적층형 압전 세라믹 원판을 동시에 다이싱하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 초음파 모터 제조 방법.
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