KR20110086116A - 압전 진동자 및 초음파 모터 - Google Patents

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Abstract

B(1, n) 모드(n은 자연수)의 위상이 90° 다른 2개의 정재파에 의한 진행파를 발생시키는 압전 진동자로서, 압전소자 성형공정, 분극공정 및 제조공정의 간략화를 달성할 수 있으며, 비용을 저감할 수 있는 구조를 얻는다.
진동체(4)의 하면에 (4, 3)n개의 압전소자(5~16)가, B(1, n) 모드의 위상이 90° 다른 2개의 정재파의 합성에 의한 n파 진행파를 발생시키기 위해 마련되어 있고, 상기 진행파의 파장을 λ로 했을 때에, 압전소자(5~16)가 (1/2)λθ에 상당하는 중심각을 차지하는 둘레방향 길이를 가지면서, 또한 복수의 압전소자(5~16)가 (1/4)λθ에 상당하는 중심각을 차지하는 간격을 두고 배치되어 있으며, 각 압전소자는 두께방향으로 분극된 압전체와, 압전체의 양면에 형성된 한쌍의 전극을 가지며, 상기 주회방향에 있어서 압전소자의 압전체의 분극방향이 2개마다 두께방향의 한쪽 또는 다른쪽으로 되어 있는 압전 진동자.

Description

압전 진동자 및 초음파 모터{PIEZOELECTRIC OSCILLATOR AND ULTRASONIC MOTOR}
본 발명은 압전 효과를 이용해서 진행파를 발생시키는 압전 진동자, 및 상기 압전 진동자에서 발생한 진행파를 이용한 초음파 모터에 관한 것이다.
종래, 압전 효과를 이용한 초음파 모터가 여러가지 제안되어 있다. 하기의 특허문헌 1에는 원판상의 진동체의 한 면에 원판상의 압전소자를 부착해서 이루어지는 스테이터(stator)를 가지는 초음파 모터가 개시되어 있다. 도 8(a) 및 (b)는 특허문헌 1에 기재된 초음파 모터를 나타내는 약도적 정면 단면도 및 하면의 압전소자의 분극 구조를 설명하기 위한 진동체의 모식적 평면도이다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 초음파 모터(101)에서는 B(1, 3) 모드의 위상이 서로 90° 다른 2개의 정재파(定在波;standing wave)를 발생시키고, 상기 2개의 정재파의 합성에 의해 진행파가 발생된다.
초음파 모터(101)는 지지판(102)을 가진다. 지지판(102)의 중앙에 중심축(103)이 설치되어 있다. 중심축(103)은 지지판(102)의 중앙으로부터 위쪽으로 뻗어 있다. 중심축(103)에 스테이터(104)가 고정되어 있고, 그로 인해 스테이터(104)는 중심축(103) 및 지지판(102)에 의해 유지되고 있다.
스테이터(104)는 원판상의 진동체(105)와, 진동체(105)의 하면에 부착된 원판상의 압전소자(106)를 가진다. 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 압전소자(106)는 중심각 30°의 12개의 부채꼴 영역으로 구분되어 있다. 각 부채꼴 영역이, 도시한 + 또는 - 기호로 나타내는 바와 같이 두께방향으로 분극되어 있다. +로 나타내고 있는 부채꼴 영역과, -로 나타내고 있는 부채꼴 영역은 두께방향에 있어서 반대방향으로 분극 처리되어 있음을 나타낸다. B(1, n) 모드나 B(0, n) 모드(단, n은 자연수)의 정재파를 발생시켜 n파의 진행파를 얻기 위해서는 4n개의 영역으로 압전체를 분할해야만 한다. 한편 n은 자연수이다. 따라서 특허문헌 1에서는 3파의 진행파를 얻기 위해 압전소자(106)가 12개의 영역으로 구분되어 있다.
압전소자(106)는 분극된 압전 세라믹판의 양면에 전극을 형성한 구조를 가진다. 압전소자(106)에 교류전압(alternating voltage)을 인가함으로써, 상기와 같이 + 또는 - 기호로 나타낸 각 영역이 반대 위상으로 진동하고, 그로 인해 압전소자(106)에 설치된 진동체(105)가 진동한다. 이 진동으로 인해, 도 8(a)의 파선 A로 나타내는 진동자태와, 파선 B로 나타내는 진동자태 사이에서 변위가 반복되고 B(1, 3) 모드의 정재파가 발생한다. 그리고 위상이 90° 다른 2개의 정재파를 발생시키도록 압전소자(106)를 구동시킴으로써 진동체(105)보다 작은 직경의 진행파가 발생한다.
진동체(105)의 상면에는 상기 진행파가 전파되는 직경방향에 있어서 돌출부(105a)가 형성되어 있고, 돌출부(105a)에 접하도록 진동체(105)의 상면에 도시하지 않은 로터(rotor)가 배치된다. 로터는 중심축(103) 둘레에 회전재(rotating member)가 되도록 중심축(103)에 의해 지지된다. 따라서 상기 진행파의 발생에 의해, 돌출부(105a)에 접촉되어 있는 로터가 중심축(103) 둘레를 회전하게 된다.
한편 상기 B(1, 3) 모드를 포함하는 B(1, n) 모드나 B(0, n) 모드를 이용한 초음파 모터는 하기의 비특허문헌 1에 개시되어 있다.
일본국 공개특허공보 평7-194151호
「정밀제어용 뉴액츄에이터 편람」 일본공업기술진흥협회 단체 액츄에이터 연구부회편 후지테크노시스템 발행 제839페이지∼제841페이지 「확대 기능을 가지는 디스크형 초음파 모터」
특허문헌 1에 기재된 초음파 모터(101)에서는 B(1, 3) 모드의 위상이 90° 다른 2개의 정재파의 합성에 의해 생긴 진행파의 발생에 의해 로터가 회전된다. 이 경우의 회전 효율은 비교적 높지만, 초음파 모터(101)를 얻기 위해서는 대략 원판상의 압전소자(106)를 12개의 영역으로 분할하여 각 영역을 분극해야만 했다. 그 때문에, 압전체의 형성공정이나 분극공정이 복잡하고, 나아가 전극 형성도 복잡해질 수밖에 없었다. 따라서 초음파 모터의 비용을 저감하는 것이 불가능하였다.
본 발명의 목적은 큰 진동 에너지를 얻는 것이 용이한 B(1, n) 모드의 진행파를 이용한 초음파 모터로서, 압전체의 성형공정, 분극공정 및 전극형성공정의 간략화를 도모할 수 있고 비용을 저감할 수 있으며, 게다가 다양한 B(1, n) 모드를 용이하게 이용할 수 있는 초음파 모터를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따르면, 바깥둘레 가장자리가 원 또는 다각형인 판상체(plate-shaped material)로 이루어지는 진동체와, 상기 진동체를 진동시킴으로써 B(1, n) 모드(단, n은 자연수)의 위상이 90° 다른 2개의 정재파의 합성에 의해 발생되며, 주회(周回)하도록 진행하는 n파의 진행파를 발생시키기 위해 상기 진동체의 적어도 한쪽 주면(主面)에 고정되어 있으며, 상기 진행파의 주회방향을 따라 분산 배치된 (4/3)n개의 압전소자를 구비하고, 상기 진행파의 파장에 대응하는 상기 주회방향 중심둘레의 중심각을 λθ로 했을 때에, 각 압전소자가 중심각에서 λθ/2에 대응하는 치수를 가지면서, 이웃하는 압전소자끼리 상기 주회방향을 따라 중심각에서 λθ/4에 대응하는 간격을 두고 배치되어 있고, 각 압전소자는 두께방향으로 분극된 압전체와, 압전체의 양면에 형성된 한쌍의 전극을 가지며, 상기 주회방향에 있어서 압전소자의 압전체의 분극방향이 2개마다 두께방향의 한쪽 또는 다른쪽으로 되어 있는 압전 진동자가 제공된다.
본 발명에 따른 압전 진동자의 어느 특정한 국면에 따르면, 상기 복수의 압전소자가, 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 진동의 안티노드(antinode)상에 위치하도록 마련되어 있다. 이 경우에는 보다 효과적으로 위상이 다른 2개의 정재파를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 압전 진동자의 다른 특정한 국면에서는, 상기 복수의 압전소자가, 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 환상(環狀)의 노드(node)보다 내측에 위치해 있는 상기 정재파의 진동의 안티노드상에 배치되어 있다. 이 경우에는 상기 정재파를 한층 더 효율적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 압전 진동자의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 압전 진동자가, 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 환상의 진동의 노드보다 외측에는 이르지 않도록 상기 노드보다 내측에 마련되어 있다. 이 경우에는 진동의 노드보다 외측에 압전 진동자가 이르지 않기 때문에, 역상(逆相)의 정재파의 발생을 억제할 수 있어 구동 효율의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전소자의 평면형상은 특별히 한정되지 않지만, 본 발명의 다른 특정한 국면에 따르면 압전소자는 직사각형의 평면형상을 가진다. 이 경우에는 마더(mother) 압전체로부터 복수의 압전소자를 용이하면서도 높은 생산성으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 압전소자의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 진동체의 상기 로터와 접촉되는 쪽의 면에, 상기 진동체의 면으로부터 돌출하도록 마련된 접촉자가 더 구비되어 있다. 돌출되어 있는 접촉자의 선단에 로터 등의 구동되는 부재가 접촉됨으로써 로터 등을 한층 더 효율적으로 구동시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 접촉자로서, 상기 진동체의 주면에 있어서, 상기 B(1, n) 모드의 진동의 진행파가 전파되는 영역인 원환상(圓環狀)의 영역에 분산 배치된 복수의 접촉자가 마련되어 있다. 이 경우에는 한층 더 효율적으로 로터 등을 구동할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 모터는 본 발명에 따라 구성된 압전 진동자로 이루어지는 스테이터와, 상기 스테이터에 접촉되도록 배치되어 있으며, 스테이터에 따라 발생한 진행파에 의한 진동을 받아 회전되는 로터를 구비한다.
본 발명에 따른 압전 진동자에서는 판상체로 이루어지는 진동체의 적어도 한쪽 주면에 (4/3)n개의 압전소자가 진행파의 주회방향을 따라 상기 특정한 관계가 되도록 분산 배치되어 있기 때문에, B(1, n) 모드의 위상이 다른 2개의 정재파의 합성에 의해 생긴 진행파가 발생된다. 이 진행파는 B(0, n) 모드의 정재파의 합성에 의한 진행파를 이용한 경우보다 진동체에 있어서 큰 변위를 만들어낸다. 따라서 로터 등의 압전 진동자에 의해 구동되는 부재를 효율적으로 회전 구동시킬 수 있다.
게다가 복수의 압전소자가 진동체의 적어도 한쪽 주면에 상기 특정한 관계가 되도록 고정되어 있는 구조를 가지는 것뿐이고, 더구나 B(1, n) 모드의 위상이 90° 다른 2개의 정재파의 합성에 의해 생기는 n파의 진행파를 발생시키기 위해 (4/3)n개의 단일 분극의 압전소자를 고정하기만 하면 되기 때문에, 1개의 원환상 혹은 원판상의 4n 분할된 분극 영역을 가지는 압전소자를 이용한 종래예에 비해, 압전소자의 성형공정, 분극공정 및 전극형성공정을 대폭으로 간략화할 수 있어 비용을 대폭으로 저감할 수 있게 된다.
도 1(a) 및 (b)는 본 발명의 하나의 실시형태의 초음파 모터의 스테이터를 나타내는 사시도 및 평면도이고, (c)는 스테이터에 있어서 발생하는 2개의 정재파를 설명하기 위한 스테이터의 정면도이다.
도 2(a)는 본 발명의 하나의 실시형태의 초음파 모터의 스테이터에 고정되는 압전소자의 구조를 설명하기 위한 압전소자의 정면 단면도이고, (b)는 압전소자의 치수 및 압전소자간의 거리를 설명하기 위한 모식적 평면도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 모터의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시형태에 있어서, 압전 진동자에 있어서 발생하는 B(1, 9) 모드의 정재파의 진동의 환상의 노드를 N 및 변위가 가장 큰 안티노드(D)의 위치를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따라서 B(1, 3) 모드의 정재파를 이용한 압전 진동자에 있어서의 위상이 서로 90° 다른 B(1, 3) 모드의 2개의 정재파를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시형태의 변형예에 있어서의 압전소자의 위치와 정재파와의 관계를 설명하기 위한 모식적 정면도이다.
도 7은 본 발명의 초음파 모터의 변형예에 있어서의 스테이터의 평면도이다.
도 8(a) 및 (b)는 종래의 B(1, n) 모드의 진행파를 이용한 초음파 모터를 설명하기 위한 모식적 정면도 및 스테이터의 하면에 부착된 압전판의 분극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 명확히 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 초음파 모터의 정면도이다. 초음파 모터(1)는 본 발명의 실시형태로서의 압전 진동자로 이루어지는 스테이터(2)와, 스테이터(2)에 의해 회전 구동되는 로터(3)를 가진다. 로터(3)는 본 실시형태에서는 대략 원판상의 형상을 가지며, 상기 원판의 중심을 둘레로 회전 구동된다. 로터(3)는 금속, 세라믹스 또는 합성 수지 등의 적절한 강성재료로 형성된다. 본 실시형태에서는 스테이터(2)에 있어서, 후술하는 위상이 시간적 및 위치적으로 90° 다른 B(1, 9) 모드의 2개의 정재파가 발생되고, 상기 2개의 정재파의 합성에 의한 진행파가 생기기 때문에 상기 진행파에 의해 로터(3)가 회전 구동된다.
도 1(a) 및 (b)는 스테이터(2)의 외관을 나타내는 사시도 및 평면도이고, 도 1(c)는 스테이터(2)에 있어서 발생하는 정재파를 설명하기 위한 모식적 정면도이다.
스테이터(2)는 판상의 탄성체로 이루어지는 진동체(4)를 가진다. 진동체(4)는 중앙에 관통구멍(4c)을 가지는 원판상의 형상을 가진다. 단, 진동체(4)는 원환상의 형상을 가지고 있어도 된다.
또한 원이나 원환에 한하지 않고, 진동체(4)의 평면형상은 정육각형, 정팔각형, 또는 정십각형 등의 정다각형 형상이어도 된다.
상기 진동체(4)는 본 실시형태에서는 인 청동에 의해 형성되어 있다. 단, 진동체(4)는 반드시 인 청동 등의 금속으로 이루어질 필요는 없다. 진동체(4)는 세라믹스, 실리콘재료 또는 합성 수지 등의 다른 탄성체에 의해 형성되어 있어도 된다. 상기 진동체(4)는 펀칭(punching) 가공 등에 의해 용이하게 정확한 형상으로 형성될 수 있다.
진동체(4)의 하면(4b)상에는 복수의 압전소자(5∼16)가 부착되어 있다. 도 2는 압전소자(5)를 모식적으로 나타내는 확대 정면 단면도이다. 압전소자(5)는 두께방향으로 분극 처리된 압전체(5a)와, 압전체(5a)의 양면에 형성된 제1 전극(5b)과, 하면에 형성된 제2 전극(5c)을 가진다. 상기 압전체(5a)는 티탄산지르콘산납계 세라믹스와 같은 압전 세라믹스 혹은 압전 단결정 등의 적절한 압전재료에 의해 형성될 수 있다.
제1, 제2 전극(5b, 5c)은 Al, Ag, Cu 또는 이들의 합금 등의 적절한 금속재료로 이루어진다.
압전소자(6∼16)도 압전소자(5)와 마찬가지로 구성되어 있다. 단, 후술하는 B(1, 9) 모드의 위상이 90° 다른 2개의 정재파를 여진시키기 위해, 둘레방향에 있어서 2개 간격으로, 압전소자의 압전체의 분극방향이 압전체의 두께방향에 있어서 반대방향으로 되어 있다. 즉, 압전소자(5, 6)에 있어서 하면에서 상면을 향하는 방향으로 압전체(5a)가 분극 처리되어 있을 경우, 압전소자(7, 8)에서는 압전체는 상면에서 하면을 향하는 방향으로 분극 처리되어 있다. 도 1(b)에서, 압전체의 상면에서 하면을 향하는 방향의 분극방향을 +, 하면에서 상면으로 분극 처리되어 있는 방향을 -로 나타내게 된다.
한편, 본 실시형태에서는 상기 주회방향에 있어서, 압전소자(5, 6)조의 옆에 압전소자(7, 8)조가 배치되어 있었지만, 예를 들면 압전소자(5, 6)조와 압전소자(7, 8)조 사이에, 압전체가 상기 플러스 방향 또는 마이너스 방향으로 분극되어 있는 1개의 압전소자가 배치되어 있어도 된다. 혹은 예를 들면 압전소자(5, 6)조와, 압전소자(7, 8)조 중 어느 하나에 있어서 1개의 압전소자가 누락되어 있어도 된다. B(1, 9) 모드의 정재파의 여진 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않지만, 이와 같이 1개 또는 몇 개의 압전소자가 부분적으로 부가 또는 누락되어 있는 구조는 본 발명의 범위에서 배제되지 않는다.
상기 압전소자(5∼16)는 진동체(4)의 하면에 도시하지 않은 적절한 접합재에 의해 고정되어 있다. 이러한 접합재로서는 적절한 접착제나 금속으로 이루어지는 접합재료 등을 예시할 수 있다.
또한 복수의 압전소자(5∼16)에 교류전압을 인가하기 위해, 압전소자(5∼16)의 하면의 제2 전극이 적절히 배선된다. 또한 압전소자의 상면에 마련된 제1 전극에 대해서는 공통 접속된다.
상기 압전소자(5∼16)는 본 실시형태에서는 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 직사각형의 평면형상을 가진다. 따라서 큰 마더 압전체의 양면에 전극을 형성하고 두께방향으로 분극한 후에 직사각형의 형상을 가지도록 분단함으로써, 다수의 압전소자(5∼16)를 용이하면서도 높은 정밀도로 형성할 수 있다. 따라서 분극공정의 간략화를 달성할 수 있다. 또한 복수의 압전소자(5∼16)를 진동체(4)의 하면에 부착하기만 하면 되기 때문에, 스테이터(2)의 제조공정의 간략화 및 비용 저감을 달성할 수 있다. 따라서 초음파 모터(1)의 비용을 낮출 수 있다.
상기 복수의 압전소자(5∼16)는 진동체(4) 내에 있어서 어느 둘레방향을 따라 분산 배치되어 있다. 보다 구체적으로는 B(1, 9) 모드의 정재파가 발생하는 원환상 영역을 따라, 발생하는 진행파의 파장에 대응하는 중심각을 λθ로 했을 때에, 도 2(b)에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 각 압전소자(5, 6)는 (1/2)λθ에 상당하는 중심각을 차지하는 둘레방향길이(W)를 가지면서, 또한 복수의 압전소자(5, 6)는 (1/4)λθ에 상당하는 중심각을 차지하는 간격(S)을 두고 배치되어 있다. 나머지 압전소자(7∼16)도 마찬가지로 배치되어 있다.
보다 구체적으로는, 본 실시형태에는 원판상의 진동체(4)의 바깥둘레 가장자리(4d)보다 내측의 일점쇄선으로 도 1(b)에 나타내는 가상 원(D)을 따라 상기 진행파가 전파된다. 따라서 복수의 압전소자(5∼16)의 진동체(4)에 있어서의 직경방향 위치는 압전소자(5∼16)의 중심이 가상 원(D)상에 위치하도록 압전소자(5∼16)가 위치 결정되어 있다.
상기 스테이터(2)에 있어서, 압전소자(5∼16) 중 제1 압전소자 그룹(5, 7, 9, 11, 13, 15)과, 제2 압전소자 그룹(6, 8, 10, 12, 14, 16)에 있어서, 시간적으로 위상이 다른 2개의 고주파 전압을 인가함으로써 위치적 및 시간적 위상이 90° 어긋난 B(1, 9) 모드의 2개의 정재파가 발생한다. 이 2개의 정재파가 합성되어 진행파가 발생한다. 즉, 상기 가상 원(D)상을 전파하는 진행파가 발생하게 된다.
상기 진행파가 발생했을 경우, 진동체(4)는 도 1(c)에 파선 E로 나타내는 진동자태와, 파선 F로 나타내는 진동자태 사이에서 진동을 반복한다. 이 경우, 도 1(c)로부터 명백한 바와 같이, 압전소자(7, 12)의 진동체(4)의 직경방향 중심에 위치하는 부분에 있어서, 진동체(4)가 위아래로 가장 크게 변위하게 된다. 즉, 진동체(4)에 있어서 가장 변위가 큰 부분은 상기 가상 원(D)상의 값이다. 이 가상 원(D)은 상기 B(1, 9) 모드의 정재파의 진동의 안티노드에 상당한다.
한편 도 4에 모식적 평면도로 나타내는 바와 같이, 가상 원(D)의 외측에 상기 정재파의 진동의 노드에 상당하는 환상의 노드(N)가 존재한다. 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 이 진동의 노드(N)에서는 변위가 거의 생기지 않고, 환상의 노드(N)의 외측에 있어서도 크게 변위하는 진동의 안티노드 부분이 존재한다.
본 실시형태에서는 압전소자(5∼16)는 상기 진동의 안티노드에 상당하는 가상 원(D)상에 위치하고 있으면서, 진동의 노드(N)보다 외측에는 이르지 않는다. 노드(N)보다 외측에 압전소자(5∼16)가 이르고 있으면, 역상으로 구동되는 부분에도 압전소자(5∼12)가 위치하게 되고 여진 효율이 낮아져 바람직하지 않다.
단, 진동의 노드(N)의 외측에, 압전소자(5∼16) 각각 반대극성으로 분극된 압전소자를 마련해도 된다. 예를 들면 도 6에 압전소자(7, 13)가 마련되어 있는 부분에서 나타내는 바와 같이, 압전소자(7, 13)의 외측에 압전소자(7A, 13A)를 마련해도 된다. 그 경우에는 진동의 노드(N)의 양쪽에 위치해 있는 압전소자를 구동하여 진행파를 발생시키는 것도 가능하다.
본 실시형태에서는 상기 압전소자(5∼16)의 진동체(4)에 있어서의 직경방향위치는 상기 압전소자(5∼16)의 중심이 상기 가상 원(D)상에 위치하도록 압전소자(5∼16)가 위치 결정되어 있다. 바꿔 말하면, 압전소자(5∼16)의 중심이, B(1, 9) 모드의 진행파가 발생한 경우의 진동의 정점이 되는 위치에 위치 결정되어 있다. 따라서 압전소자(5∼16)를 구동시킴으로써 상기 B(1, 9) 모드의 진행파를 효율적으로 여진시킬 수 있다. 또한 이 가상 원(D)상에 후술하는 복수의 접촉자가 배치되어 로터의 회전 효율을 높일 수 있게 되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 상기 복수의 압전소자(5∼16)에 있어서는 진동체(4)의 한 면의 중심에 대하여, 전술한 제1 압전소자 그룹(5, 7, 9, 11, 13, 15)과, 제2 압전소자 그룹(6, 8, 10, 12, 14, 16)이 대칭으로 배치되어 있다. 따라서 스테이터(2)의 제조 편차가 생기거나, 혹은 로터(3)의 가압상태가 언밸런스하게 되어 있는 경우라도 이들의 영향을 받기 어렵다. 따라서 초음파 모터(1)의 동작 안정성을 높일 수 있다.
또한 B(1, n) 모드의 진행파를 이용했을 경우, 공지의 B(0, n) 모드의 진행파를 이용한 경우에 비해 효율을 높일 수 있다. 이것은 B(1, n) 모드의 진행파에 의해 진동체가 진동한 경우의 변위가 가장 큰 부분, 즉 상기 진행파가 전파되는 부분은 원판상 진동체의 바깥둘레 가장자리보다 내측이 된다. 그 때문에, 원판상의 진동체의 바깥둘레 가장자리를 전파하는 B(0, n) 모드의 진행파를 이용한 경우와 비교해서, 진동하는 영역이 직경방향에 있어서 넓어지므로 진동 에너지가 크고, 또한 변위가 가장 커지는 부분에서의 변위량이 커진다. 따라서 B(0, n) 모드의 진행파를 이용한 경우에 비해, B(1, n) 모드의 진행파를 이용함으로써 스테이터(2)에 접촉되는 로터를 효율적으로 회전 구동시킬 수 있다.
상기 실시형태에서는 상기 스테이터(2)에 있어서, 진동체(4)의 상면(4a)상에, 로터(3)를 보다 효과적으로 회전 구동시키기 위해 복수의 접촉자가 진동체(4)의 상면(4a)으로부터 위쪽으로 돌출 형성되어 있다. 보다 구체적으로는 진동체(4)의 상면(4a)상에, 가상 원(D)이 마련되어 있는 위치에 원환상 벽(17)이 형성되어 있다. 원환상 벽(17)의 상면에는 진동체(4)의 직경방향으로 연장되는 복수의 컷팅(17a)이 둘레방향에 있어서 소정의 간격을 두고 마련되어 있다. 이 이웃하는 컷팅(17a, 17a) 사이의 돌출부가 1개의 접촉자(17b)를 구성하고 있다. 따라서 복수의 접촉자(17b)가 진동체(4)의 상면(4a)으로부터 위쪽으로 돌출하도록 마련되어 있다. 복수의 접촉자(17b)는 상기 진행파인 B(1, n) 모드의 진행파가 전파되는 경로상에 분산 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 복수의 접촉자(17b)는 가상 원(D)의 둘레방향을 따라 분산 배치되어 있으며, 전술한 가장 변위가 큰 부분에 배치되어 있다.
접촉자(17b)는 진동체(4)측에서 진동체(4)로 멀어지는 방향으로 돌출 형성되어 있기 때문에, 진동체(4)에 있어서, B(1, n) 모드의 진행파가 생성되고, 가상 원(D)에서 위치하는 부분에 있어서, 진동체(4)가 변위했을 경우, 접촉자(17b)의 선단은 보다 크게 변위하게 된다.
한편, 도 1(a)에 나타낸 관통구멍(4c)은 예를 들면 로터(3) 및 스테이터(2)를 축으로 하는 중심축을 삽입 통과시키기 위해 마련되어 있다. 이러한 관통구멍(4c)과 동일한 관통구멍이 로터(3)에도 마련되어 있다. 따라서 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 중심축(18)과 베이스 플레이트(base plate)(19)를 포함하는 유지 부재에 의해 스테이터(2) 및 로터(3)를 유지할 수 있다. 이 경우, 로터(3)는 관통구멍(3a)에 있어서 중심축의 둘레에 회전 자유롭게 지지되고, 스테이터(2)는 진동체(4)의 관통구멍(4c)에 있어서, 중심축(18)에 고정되게 된다. 중심축(18)은 적절히 베이스 플레이트(19)에 고정되어 있다.
상기 중심축(18)으로서는 금속 혹은 세라믹스 등의 다른 적절한 강성재료에 의해 형성할 수 있다.
한편 상기 실시형태의 초음파 모터(1)에서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만 압전소자(5∼16)가 직사각형의 평면형상을 가지고 있었는데, 도 5에 나타내는 변형예와 같이 평면형상이 원형인 압전소자(25∼36)를 이용해도 된다. 원형의 압전소자(25∼36)도 또한 직사각형의 압전소자(5∼16)와 마찬가지로 용이하게 형성할 수 있다. 단, 마더 압전체로부터의 수율을 높이기 위해서는 전술한 직사각형의 압전소자(5∼16)가 바람직하다.
또한 상기 실시형태는 B(1, 9) 모드의 진행파를 이용한 예를 나타냈지만, 다른 B(1, n) 모드를 이용해도 된다. 예를 들어 B(1, x) 모드를 이용할 경우에는 (4/3)x개의 압전소자를 둘레방향으로 분산 배치하면 된다.
또한 도 5는 본 발명에 의해 발생되는 진행파를 보다 이해하기 쉽게 설명하기 위한 모식적 평면도이다. 여기서는 3파의 정재파 X 및 Y가 나타나 있다. 즉, 원판상의 압전 진동체(41) 내에 있어서, 4개의 압전소자(42∼45)가 중심각 30°의 각도를 두고 배치되어 있다. 각 압전소자(42∼45)는 60°의 중심각을 차지하는 주회방향 치수를 가진다. 즉, 3파의 정재파 X, Y가 여진되므로, 진행파의 파장에 대한 중심각은 120°가 되기 때문에, 각 압전소자의 주회방향 치수는 중심각에서 120°/2=60°에 대응하는 치수를 가지며, 이웃하는 압전소자가 120°/4=30°의 중심각에 대응하는 간격을 두고 떨어져 있다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 위상이 90° 다른 3파의 정재파 X, Y가 여진되고 양자가 합성되어 진행파가 발생한다.
한편 도 5의 A+, A-, B+, B-는 압전체의 분극방향을 나타내고, +는 두께방향에 있어서 상면에서 하면을 향해 분극되어 있는 것을 나타내며, -는 반대방향으로 분극되어 있는 것을 나타낸다.
또한 A는 제1 그룹의 압전소자(42, 44)인 것을 나타내고, B는 제2 그룹의 압전소자(43, 45)인 것을 나타낸다.
도 5에서는 도시를 용이하게 하기 위해 3파의 예를 나타냈지만, 상기 실시형태의 9파의 경우에도 마찬가지로 위상이 90° 다른 2개의 정재파가 여진되고 양자의 합성에 의해 진행파가 발생한다.
상기와 같이, B(1, n) 모드를 이용한 초음파 모터에 널리 본 발명을 적용할 수 있어, 본 발명에 따라 분극 조작 및 제조공정의 간략화를 꾀하여 비용을 저감할 수 있게 된다.
1 초음파 모터
2 스테이터
3 로터
3a 관통구멍
4 진동체
4a 상면
4b 하면
4c 관통구멍
4d 바깥둘레 가장자리
5∼16 압전소자
5a 압전체
5b 제1 전극
5c 제2 전극
7A, 13A 압전소자
17 원환상 벽
17a 컷팅
17b 접촉자
18 중심축
19 베이스 플레이트
25∼36 압전소자
41 압전 진동체
42∼45 압전소자

Claims (8)

  1. 바깥둘레 가장자리가 원 또는 다각형인 판상체로 이루어지는 진동체와,
    상기 진동체를 진동시킴으로써 B(1, n) 모드(단, n은 자연수)의 위상이 90° 다른 2개의 정재파의 합성에 의해 발생하고, 또한 주회(周回)하도록 진행하는 n파의 진행파를 발생시키기 위해 상기 진동체의 적어도 한쪽 주면(主面)에 고정되어 있으며, 상기 진행파의 주회방향을 따라 분산 배치된 (4/3)n개의 압전소자를 포함하고,
    상기 진행파의 파장에 대응하는 상기 주회방향 중심둘레의 중심각을 λθ로 했을 때에, 각 압전소자가 중심각에서 λθ/2에 대응하는 치수를 가지면서, 또한 이웃하는 압전소자끼리 상기 주회방향을 따라 중심각에서 λθ/4에 대응하는 간격을 두고 배치되어 있으며,
    각 압전소자는, 두께방향으로 분극된 압전체와, 압전체의 양면에 형성된 한쌍의 전극을 가지며, 상기 주회방향에 있어서 압전소자의 압전체의 분극방향이 2개마다 두께방향의 한쪽 또는 다른쪽으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 압전소자가 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 진동의 안티노드(antinode)상에 위치하도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 압전소자가, 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 환상의 노드보다 내측에 위치해 있는 상기 정재파의 진동의 안티노드상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압전 진동자가, 상기 B(1, n) 모드의 정재파의 환상의 진동의 노드보다 외측에는 이르지 않도록 상기 노드보다 내측에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전소자가 직사각형의 평면형상을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동체의 한쪽 주면으로부터 돌출하도록 마련된 접촉자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접촉자로서, 상기 진동체의 한쪽 주면에 있어서, 상기 진행파가 전파되는 영역인 원환상의 영역에 분산 배치된 복수의 접촉자를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 압전 진동자로 이루어지는 스테이터와,
    상기 스테이터에 접촉되도록 배치되어 있고, 상기 스테이터에 있어서 발생한 진행파에 의한 진동을 받아 회전되는 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모터.
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