KR950002401B1 - 초음파모우터 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명의 초음파모우터의 실시예의 주요부구성을 표시한 사시도.
제 2 도는 본 발명의 제 1 의 실시예에 있어서의 이동체의 구조를 표시한 단면도.
제 3 도는 본 발명의 제 2 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 4 도는 본 발명의 제 3 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 5 도는 본 발명의 제 4 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 6 도는 본 발명의 제 5 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 7 도는 본 발명의 제 6 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 8 도는 본 발명의 제 7 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제 9 도는 본 발명의 제 8 의 실시예에 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제10도는 본 발명의 제 9 의 실시예 있어서의 주요구성을 표시한 사시도.
제11도는 종래의 원환형(圓環型) 초음파모우터의 주요구성부를 표시한 분해 사시도.
제12도는 종래의 원환형 초음파모우터의 이동체의 구조를 표시한 단면도.
제13도는 초음파모우터의 동작원리도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1),(14),(30),(40) : 탄성기판 (1a),(14a),(30a),(40a) : 돌기체
(2),(15),(31),(41) : 압전체(압電體)
(3),(16),(32),(42) : 진동체 (4) : 탄성체
(5) : 마찰재
(6),(13),(23),(50),(51),(52),(53),(54),(55),(56),(57) : 이동체
(10),(20) ; 이동체비임부(梁部) (11),(21) : 이동체 제 1 돌기부
(12),(22) : 이동체 제 2 돌기부
본 발명은, 압전세라믹 등의 압전체를 사용해서 탄성파를 여진(勵振)하므로서 구동력을 발생하는 초음파모우터, 상세하게는 초음파모우터의 이동체의 재질과 구조에 관한 것이다.
최근, 압전체를 사용해서 구성한 진동체에 탄성진동을 여진하고, 이것을 구동력으로한 초음파모우터가 주목되어 있다.
이하, 도면을 참조하면서 초음파모우터의 종래기술에 대해서 설명한다.
제11도는, 종래의 원환형 초음파모우터의 일부잘린 사시도이다. 동도면에 있어서, (3)은 복수개의 돌기체(1a)를 가진 원환형 탄성기판(1)의 바닥면에 원환형 압전체(2)를 맞붙여서 구성한 원환형 진동체이다. (6)은 원환형 탄성체(4)에 내마모성의 마찰재(5)를 결합한 이동체로서, 진동체(3)에 가압접촉해서 설치되어 있다.
여기서, 상기의 초음파모우터의 종래예에 있어서는 탄성체(4)의 재질로서는 종래는 철강, 스테인레스강 등의 금속이 사용되어 있고, 이 탄성체(4)에 내마모성의 마찰재(5)를 접착 등의 방법에 의해 결합하므로서, 초음파모우터의 이동체(6)을 구성하고 있다. 또, 본 출원인은 마찰재(5)의 재질로서, 적어도 탄소섬유와 수지로 구성하므로서, 장기 신뢰성에 뛰어난 초음파모우터를 실현할 수 있는 것을 제안하였다.(일본국 특개소 62-58887호 공보)
또, 본건 출원인이 제안한 탄성체에 특정한 마찰재를 결합한 이동체외에도, 다른 이동체구성으로서, 이동체(6)을 알루미늄 및 알루미늄합금으로 구성하고, 제12도에 표시한 바와같이, 이동체(6)의 구조치수를 특정 범위내에 설정하므로서, 이상음을 발생하지 않고, 조용하고 또한 구동효율이 놓은 초음파모우터를 실현하는 것이 제안되어 있다(일본국 특개소 63-174581호 공보)
여기서 상기 실시예에 공통해서 말할 수 있는 것은, 이동체의 재질을 금속으로 구성하고 있는 것이며, 초음파모우터가 진동체와 이동체를 가압접촉시키기 때문에, 이동체의 재질로서는, 금속 등의 고탄성율의 재료 아니면, 이동체에 가압력이 가해졌을때에 기계강도적으로 문제가 있다고하는 사상이 있었던 것으로 생각된다. 따라서 초음파모우터의 이동체를 수지단독으로 구성한다고하는 발상은 지금까지 존재하고 있지 않았다.
다음에, 이상과 같이 구성된 원환형 초음파모우터에 대해서, 이하 그 동작에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 제13도는 초음파모우터의 동작원리를 표시한 것이다. 먼저, 압전체(2)에는 2조의 구동전극이 구성되어 있으며, 상기 구동전극에 소정의 위상차를 가진 2개의 교류전압을 각각 인가하면 압전체(2)는 신축 진동을 하고, 탄성기판(1)은 신축에 대해서 저항하도록 작용하므로, 바이메탈과 마찬가지의 효과에 의해서, 유연진동의 진행파가 진동체(3)으로 여진된다.진동체(3)의 표면의 임의의 점은 유연진동의 진행파에 의해 타원궤적을 그리며 운동한다. 돌기체(1a)는 이 타원궤적의 횡방향의 변위(제13도중 S)를 확대한다. 진동체(3)의 돌기체(1a)에 가압접촉해서 설치된 이동체(6)은 확대된 횡방향이 변위에 의해서 마찰력을 개재해서 구동되어서 회전한다.
그러나 상기 종래예와 같이, 탄성체에 내마모성의 마찰재를 결합한 구성의 이동체에 있어서는, 모우터의 외부부하에 의해서 마찰재가 횡방향(진행파의 진행방향)으로 크게 탄성변형하는 것을 방지하기 위하여, 마찰재의 두께를 얇게 하였을 때에는, 소음의 발생을 수반하여 출력전달효율이 저하하는 경우가 있다고하는 문제점을 가지고 있었다. 이것은, 마찰재의 두께를 얇게하므로서, 이동체의 종방향의 탄성변형이 지나치게 작아지기 때문에, 균일접촉을 실현할 수 없게 되는 것과, 불요진동에 대한 감쇠가 작아지는 것에 기인하는 것이며, 실용상 큰 문제점으로 된다.
또 진동체와 이동체와의 접촉면의 탄성변형에 의한 출력전달손실을 방지하기 위하여, 접촉면에 금속이나 세라믹 등의 고탄성율의 재료를 사용하였을 경우에는 가압시의 종방향의 탄성변형이 지나치게 작아지기 때문에, 균일접촉을 실현하는 것이 곤란하게 되어, 소음의 발생을 수반하여 출력전달효율이 저하한다고 하는 문제점을 가지고 있었다.
한편, 상기 문제점의 해결수단으로서, 이동체를 금속재료로 구성하는 동시에 구조치수를 특정범위내에 한정하므로서, 이동체와 전동체와의 접촉상태를 개선한 또하나의 종래예에 있어서는, 이동체의 접촉부가 마모하므로서 특성열화를 일으키고, 장기신뢰성에 뒤떨어진다고 하는 문제점을 가지고 있었다.
또 상기 2개의 종래예와 같이, 내마모성의 마찰재를 금속 등의 탄성체에 결합하므로서 이동체를 구성하였을 경우, 또는 금속단체로 구성하였을 경우에 있어서는, 금속재료는 비중이 크기때문에 이동체의 중량이 크게 되고, 결과로서 모우터의 총중량이 크게되므로서, 초음파모우터의 경량화를 도모할 때에 한계가 발생하게 된다. 또, 마찰재와 탄성체와의 결합때문에 공정이 번잡하거나 , 금속재료를 상기와 같이 특정치수로 기계가공하기 위한 공정이 번잡함과 동시에 코스트업이 되어 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결할 수 있는 초음파모우터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 초음파모우터는, 이동체를 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유 강화수지복합체 단체(單體)에 의해 구성하고, 또한 이동체의 가압방향으로 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게한 구조로 한다.
이동체의 가압방향으로 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게한 구조로 하므로서, 진동체와 이동체와의 접촉면의 꾸불거림을 흡수하기 위한 효과(면보정효과)을 가지게하여, 안정적인 균일접촉을 확보할 수 있기 때문에, 진동체에 의한 유연진동의 진행파를 효율좋게 이동체로 전달할 수 있다.
또, 이동체를 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지 복합체로 구성하므로서, 이 복합체가 내마모성에 뛰어남과 동시에, 탄소섬유를 사용하므로서, 마찰접촉면에 알맞은 윤활성을 부여하는 효과가 있기 때문에, 장시간의 구동에 있어서도 안정된 모우터특성을 유지하는 것이 가능하게 되며, 장기신뢰성에 뛰어난 초음파모우터를 실현할 수 있다.
또, 이동체를 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지복합체 단체로 구성하므로서, 마찰재를 금속탄성체에 결합한 구성과 비교해서, 이동체의 부품접수를 삭감하고, 접착공정을 생략하므로서 제조공정을 간략화할 수 있는 동시에 , 이동체의 중량을 저감할 수 있고, 따라서 초음파모우터의 경량화와 저코스트화를 실현할 수 있다. 이하 본 발명의 실시예에 대해서, 첨부도면을 참조하면서, 상세히 설명한다.
초음파모우터는 제13도에 표시한 동작원리를 사용해서, 압전체와 탄성기판으로 이루어진 진동체에 수미크론정도의 진폭(제13도중 S)의 유연진동의 진행파를 여진하고, 이 진행파에 의한 횡방향변위(제13도중 S)를 돌기체에서 확대하여, 돌기체 선단부에 가압접촉해서 설치된 이동체를 구동하는 모우터이다.
따라서, 진동체에 의한 유연진동의 진행파를 효율좋게 이동체에 전달하고, 또한 장기신뢰성을 확보하기 위해서는 이하의 항목을 만족시킨 이동체와 진동체와의 접촉상태를 실현할 필요가 있다.
① 이동체가, 진동체에 의한 유연진동의 진행파의 파장레벨에서의 마크로적 길이에 있어서, 동적탄성을 가질 것. 이것은 이동체를 진행파의 모든 파도의 정점부분 근처에 균일 접촉시켜서, 진동체에 의한 유연진동의 진행파를 효율좋게 이동체로 전달하기 위하여 필요하다.
이 동작탄성의 목표로서는 가압시의 이동체재료의 종방향의 탄성변형량이, 진행파의 진폭이하의 범위내에서, 될 수 있는 한 진동체의 진폭정도로 되는 것이 바람직하다. 따라서, 이동적탄성의 최적한 값은 일의적으로는 정의할 수 없고, 초음파모우터의 가압력 및 압전체에 의해서 여진되는 진행파의 파수에 의해서 변화하는 것이며, 초음파모우터의 구동조건에 따른 최적설계가 필요하다.
② 이동체가, 진동체에 의한 유연진동의 진행파의 접촉부근처(제13도중 A) 레벨에서의 미크로적 길이에 있어서, 강성을 가질 것. 이것은, 이동체접촉부의 탄성변형에 의한 출력전달손실을 저감하기 위하여 필요하다.
이 강성의 목표로서는 진행파의 횡방향변위에 의한 이동체의 횡방향의 탄성변형을 될 수 있는 한 억제할 필요가 있고, 일예로서는 이동체재료의 굽힘탄성율로서, 1000kg/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 또, 상기 횡방향변위에 추가해서, 외부부하에 의한 이동체의 횡방향의 탄성변형도 억제할 필요가 있고, 이동체에 필요한 강성의 최적치는 임의적으로는 정의할 수 없고, 초음파모우터의 구동조건에 따른 최적설계가 필요하다.
③ 이동체가, 알맞은 윤활성을 가질 것. 이것은, 안정된 마찰상태를 유지하는 동시에, 마모를 저감하기 위하여 필요하다.
이 윤활의 목적으로서는, 이동체재료의 이동마찰계수가 0.15∼0.40의 범위내인 것이 바람직하다.
④ 이동체가, 초음파모우터의 가압력에 따른 정적탄성을 가질것. 이것은, 이동체와 진동체와의 접촉면의 파동을 흡수하고, 균일접촉을 확보하기 위하여 필요하다.
이 정적탄성의 목표로서는 진동체의 기계가공정밀도 및 이동체의 성형정밀도 또는 모우터의 가압력에 의해 다르나, 가압시의 이동체의 변형량을 1∼10μm 정도로 하는 것이 바람직하다.
여기서 종래의 방법에서는, 금속제의 탄성체에 상기 4가지의 조건을 만족하는 내마모성의 마찰재를 결합하거나, 또는 금속제의 이동체를 조건 3이외의 조건을 만족하게 하는 구조로 하고, 내마모성의 향상을 위하여 접촉부표면을 표면처리한다고 하는 어느 하나의 발상밖에 없었다. 이것은, 초음파모우터가 진동체와 이동체를 가압접촉시키기 위하여, 이동체의 재질로서는, 금속 등의 고탄성율의 재료아니면, 이동체에 가압력이 가해졌을 때에 기계강도적으로 문제가 있다고하는 사고방식이 있었던 것으로 생각된다. 따라서 초음파모우터의 이동체를 수지단체로 구성할 수 있다고하는 발상은 지금까지 존재하지 않았다.
본 발명은 상기 항목에 착안하여, 이동체의 재질을 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지 복합체 단체로 하므로서, 탄소섬유에서 미크로적 길이의 강성을 높이는 동시에, 수지성분에서 미크로적 길이의 동적탄성을 가지게 하고 있다. 여기서, 탄소섬유를 사용하는 이유로서는 유리섬유 등의 무기섬유에 비해서 동일섬유함유량에서, 이동체의 강성을 향상시키는 효과가 크고, 따라서 보다 적은 섬유함유량에 의해서 이동체의 강성을 높일수 있는 동시에, 이동체의 기계적강도를 향상시킬 수 있다. 또 상기에 더하여, 탄소섬유를 사용하므로서 마찰계면에 알맞은 윤활성을 부여하고 있다.
또, 이동체의 구조를 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게한 구조로하므로서, 이동체와 진동체와의 접촉면의 파동을 흡수하고, 균일접촉을 확보하고 있다.
이하, 도면에 따라서 상기 이동체구조로 하기 위한 일실시예에 대해서 상세한 설명을 행한다.
제 1 도는 본 발명의 일실시예인 초음파모우터의 주요부구성도이다.
동도면a에 있어서 (13)은, 양쪽끝지지조건의 비임구조로 하므로서, 가압방향으로 탄성을 가지게한 이동체이다. 상세하게는 이동체비임부분(10)과, 비임부분(10)의 양단부로부터 뻗어나온 이동체 제 1 돌기부(11)과, 진동체(16)과의 접촉면쪽의 비임부분(10)으로부터 뻗어나온 이동체 제 2 돌기부(12)에 의해 구성된 이동체이다. 또 (16)은 직 4각형 형상의 돌기체(14a)를 가진 탄성기판(14)에 , 압전체(15)를 결합한 진동체이다. 또 이동체 제 1 돌기부(11)의 A면에서 진동체(16)과 가압하고, 이동체 제 2 돌기부(12)에서 진동체(15)과 접촉시키므로서, 초음파모우터를 구성하고 있다.
여기서, 이동체 제 2 돌기부의 폭 W에 대해서는, 0.3mm 미만의 경우에는 이 이동체 제2돌기부에 압력이 집중하고, 이동체의 마모가 가속되어 장기신뢰성에 문제가 있는 동시에, 2.0mm 보다 큰 경우에는, 접촉상태의 상위에 의해 모우터특성에 불균일을 발생하고, 안정된 균일접촉을 확보하는 것이 곤란하게 되기 때문에, 0.3 이상 2.0 이하의 범위내에 설정할 필요가 있다.
또, 동도면b에 있어서(23)은, 한쪽끝지지조건의 비임구조로 하므로서, 가압방향으로 탄성을 가지게한 이동체이다. 상세하게는 이동체비임부분(20)과, 비임부분(20)의 한쪽의 한쪽끝부분으로부터 뻗어나온 이동체 제 1 돌기부(21)과, 비임부분(20)의 다른쪽의 한쪽끝부분으로부터 뻗어나온 이동체 제 2 돌기부(22)에 의해 이동체이다. 또 (16)은 직 4각형 형상의 돌기체(14a)를 가진 탄성기판(14)에 압전체(15)를 결합한 진동체이다. 또 이동체 제1돌기부(11)의 B면에서 진동체(16)과 가압하고, 이동체 제2돌기부(12)에서 진동체(16)과 접촉시키므로서, 초음파모우터를 구성하고 있다.
여기서, 한쪽끝지지조건의 비임구조의 이동체의 구조를 더 상세하게 설명하기 위하여, 이동체의 단면도를 제 2 도에 표시한다. 동도면에 있어서, 이동체비임부분의 길이를 L, 이동체비임부분의 두께를 T, 이동체 제 2 돌기부의 폭을 W, 이동체 제 2 돌기부의 높이를 H로 하면, 진동체에 의한 유연진동의 진행파를 효율좋게 이동체에 전달하기 위해서는 상기 치수를 특정범위에 설정할 필요가 있다. 먼저, 이동체비임부분의 길이 L와 이동체비임부분의 두께 T와의 비 L/T에 대해서는 이 비가 2 이상의 경우에는 이동체의 기계적강도가 부족하는 동시에 이동체비임부분의 공진에 의해 출력절단효율을 저하시켜 버리기 때문에, 2 미만으로 설정할 필요가 있다. 다음에, 이동체 제 2 돌기부의 높이 H와 이동체비임부분의 두께 T와의 비 H/T에 대해서는 이 비가 2보다 큰 경우에는 이동체의 기계적강도가 부족하는 동시에 외부부하가 가해졌을때에 이동체 제 2 돌기부가 변형하므로서 출력전달효율을 저하시켜 버리기 때문에 2 이하로 설정할 필요가 있다. 또, 이동체 제 2 돌기부의 폭 W에 대해서는 0.3mm 미만의 경우에는 이 이동체 제 2 돌기부에 압력이 집중하고, 이동체의 마모가 가속되어 장기신뢰성에 문제가 있는 동시에 2.0mm보다 큰 경우에는 접촉상태의 상위에 의해 모우터특성에 불균일이 발생하고, 안정된 균일접촉을 확보하는 것이 곤란하게 되기 때문에, 0.3 이상 2.0 이하의 범위내에 설정할 필요가 있다.
또, 상기 이동체(13),(23)에 필요한 강성 및 가압방향의 탄성은 초음파모우터의 가압력에 의해서 다르기 때문에, 탄소섬유강화수지복합체에 포함되는 탄소섬유의 함유량 및 이동체비임부분의 길이 또는 두께를 조정하므로서, 이동체(13)(23)의 강성 및 가압방향의 탄성을 조정할 수 있다.
다음에, 본 발명을 구체적 실시예에 의해서, 더 상세히 설명한다.
[실시예1]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리페닐렌 설파이드수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 제 2 도에 있어서 이동체비임부분의 길이 L와 이동체비임부분의 두께 T와의 비 L/T가 0.88, 이동체 제 2 돌기부의 높이 H와 이동체비임부분의 두께 T와의 비 H/T가 1.18, 이동체 제 2 돌기부의 폭 W가 1.0mm에 설정한 한쪽끝지지조건의 비임구조를 가진 이동체를 얻었다. 다음에, 이 이동체를 외경이 ψ48mm의 원환형 진동체에, 0.5kgf의 접시스프링을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서 원환형 초음파모우터를 구성하였다. 이 원환형 초음파 모우터를 구동시켰을 때에는 최대효율 44%를 확보할 수 있었던 동시에, 100만 회전구동후도 특성열화는 확인되지 않았다.
한편, 비교를 위하여 알루미늄을 기계가공하므로서, 제11도에 있어서 플랜지부의 길이와 플랜지부의 두께 t1과의 비 L/ t1이 6.5, 이동체접촉부의 높이 t2와 플랜지부의 두께 t1과의 비 t2/ t1이 2.5, 이동체본체부의 높이 T1이 3.2mm, 이동체본체부의 폭이 2.0mm인 이동체를 제작한 후, 이동체접촉부의 내마모성 향상을 위하여, 접촉부표면에 저온알루마이트처리를 실시하므로서 비교용 이동체를 얻었다. 다음에, 실시예와 마찬가지의 진동체를 사용하여, 이 비교용 이동체를 동일한 가압력으로 가압접촉해서 설치하므로서 원환형 초음파모우터를 구성하였다. 이 원환형 초음파모우터를 구동시켰을 때에는, 최대효율 20%정도 밖에 얻을수 없고, 또한 20만 회전전후부터 회전이 불안정하게 되고, 경시적으로 모우터효율이 저하하였다.
또, 이동체의 중량을 비교해보면, 알루미늄의 비중이 2.70인데 대해서, 본 실시예의 이동체재료의 비중은 1.45이기 때문에, 동일치수의 이동체를 구성하였을 경우, 이동체의 중량을 약 절반으로 하는 것이 가능하며, 초음파모우터의 경량화에 크게 기여할 수 있다.
또, 이동체의 구조치수를 특정범위내에 한정하기 위하여, 알루미늄을 기계가공하거나, 또는 내마모성을 향상시키기 위하여, 접촉부표면을 알루마이트처리하거나 하는 번잡한 공정을 필요로하지 않고, 특정한 이동체재료를 사출성형 등의 방법에 의해 형성형할뿐인 간소한 공정으로 할 수 있다.
또한 상기 실시예에 있어서는 이동체와 진동체와의 가압력이 0.5kgf의 경우에 대해서 표시하였으나, 이동체의 구조치수를 제 2 도에 표시한 범위내에서 최적화하므로서 가압력이 0.3kgf∼3kgf의 범위에 있어서, 어떤 가압력에 있어서도 최대효율 40% 이상 얻게되는 것을 확인하였다.
[실시예2]
먼저, 복수개의 직4각형 형상돌기체(30a)를 가진 스테인레스강제의 원환형 탄성기판(30)의 바닥면에 원환형 압전체(31)을 접착하므로서, 원환형 진동체(32)를 구성하였다. 다음에, 30%중량의 탄소섬유와 70중량%의 폴리페닐렌살파이드수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.45인 탄소섬유강화 수지복합체로 이루어진 이동체(50)을 얻었다. 또, 이동체(50)을 진동체(32)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 3 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(50)은 제 3 도b표시한 바와같이, 진동체(32)의 바닥면의 폭을 W로 하면, W/2의 길이를 가진 이동체비임부분과, W/4의 폭을 가진 이동체 제 1 돌기부와, W/6의 폭을 가진 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하고, W/6의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
또한, 이동체비임부분의 길이는 상기 치수에 한정되는 것은 아니고, 이동체비임부의 최적길이 또는 이동체비임부분의 최적두께(도면중 t1) 및 이동체 제 2 돌기부의 최적높이(도면중 t2)는, 초음파모우터의 가압력에 의해서 다르기 때문에, 이동체비임부분의 길이 또는 두께 및 이동체 제 2 돌기부의 높이를 조정하므로서, 이동체(50)의 가압방향의 탄성을 조정하는 것이 중요하다.
상기 이동체비임부분의 길이 및 이동체 제 2 돌기부의 폭, 이동체비임부분의 두께, 이동체 제 2 돌기부의 높이를 초음파모우터의 가압력에 따라서 최적화하므로서, 실시예 1과 동등한 효과를 얻을수 있다.
[실시예3]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리에테르살폰수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.47인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(51)을 얻었다. 또, 이동체(51)을 실시예(2)와 마찬가지의 진동체(32)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 4 도a에 표시한바와 같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(51)은 제 4 도b에 표시한 바와같이, 진동체(32)의 바닥면의 폭을 W로 하면, W/2의 길이를 가진 이동체비임부분과, W/4의 폭을 가진 이동체 제 1 돌기부와, W/6의 폭을 가진 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하는 동시에 이동체 제 2 돌기부를 이동체비임부분의 안둘레쪽으로 형성하고, W/6의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
구체적으로는 이동체 제 2 돌기부를 이동체비임부분의 안둘레쪽으로 형성하므로서, 이동체의 바깥둘레쪽에 안둘레쪽보다도 보다 큰 면보정효과를 가지게 하는 것이 가능하며, 원환형 진동체의 직경방향의 진폭이 바깥둘레쪽편이 보다 크다고하는, 직경방향의 진폭을 고려한 이동체의 설계를 행할 수 있다.
[실시예 4]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리페닐렌살파이드수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.45인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(51)을 얻었다. 또, 이 이동체(52)을 실시예 2와 마찬가지의 진동체(32)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 5 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(52)은 제 5 도b에 표시한 바와같이, 진동체(32)의 바닥면의 폭을 W로하면, 3W/8의 길이를 가진 이동체비임부분과, 비임부분의 바깥둘레로부터 뻗어나온 3W/8의 폭을 가진 이동체 제 1 돌기부와, 비임부분의 안둘레로부터 뻗어나온 W/4의 폭을 가진 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하고, W/4의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
또한, 이동체비임부의 길이는 상기 치수에 한정되는 것은 아니고, 이동체비임부분 최적길이 및 이동체비임부분의 최적두께(도면중 t1) 및 이동체 제 2 돌기부의 최적높이(도면중 t2)는, 초음파모우터의 가압력에 의해서 다르기 때문에, 이동체비임부분의 길이 또는 두께 및 이동체 제 2 돌기분의 높이를 조정하므로서, 이동체(52)의 가압방향의 탄성을 조정하는 것이 중요하다.
상기 이동체비임부분의 길이 및 이동체 제 2 돌기부의 폭,이동체비임부분의 두께, 이동체 제 2 돌기부의 높이를 초음파모우터의 가압력에 따라서 최적화하므로서, 실시예 1 과 동등한 효과를 얻을수 있다.
[실시예5]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리에테르에테르케톤수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.44인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(53)을 얻었다. 또, 이 이동체(53)을 실시예(2)와 마찬가지의 진동체(32)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 6 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(53)은 제 6 도b에 표시한 바와같이, 진동체(32)의 바닥면의 폭을 W로 하면, 도면중 W/4의 길이를 가진 이동체비임부분과, 비임부분의 안둘레로부터 뻗어나온 W/4의 폭을 가진 이동체 제 1 돌기부와, 비임부분의 바깥둘레로부터 뻗어나온 W/4의 폭을 가진 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하고, W/4의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
구체적으로는 이동체 제 2 돌기부를 이동체비임부분의 바깥둘레쪽으로 형성하므로서, 이동체의 외경치수를 작게하는 것이 가능하며, 보다 소형 경량화된 이동체의 설계를 행할 수 있다.
[실시예 6]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리에테르살폰수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.47인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(54)을 얻었다. 또, 이 이동체(54)을 실시예2와 마찬가지의 진동체(32)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 7 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(54)은 제 7 도b에 표시한 바와같이, 진동체(32)의 바닥면의 폭을 W로 하면, W/4의 길이를 가진 이동체비임부분과, 비임부분의 바깥둘레로부터 뻗어나온 3W/8의 폭을 가진 이동체 제 1 돌기부와, 비임부분의 바깥둘레로부터 뻗어나온 W/3의 폭을 가진 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하는 동시체, 이동체 비임부분의 접촉면쪽으로 테이퍼를 형성하고, W/3의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
상기한 바와같이, 이동체비임부분의 접촉면쪽에 테이펴를 형성하므로서, 이동체 접촉부의 강성을 높이는 동시에 면보정효과를 증대시키는 것이 가능하게 된다.
[실시예 7]
먼저, 복수개의 사다리꼴형상 돌기체(40a)를 가진 스테인레이스강제의 원환형 탄성기판(40)의 바닥면에 원환형 압전체(41)을 접착하므로서, 원환형 진동체(42)를 구성하였다. 다음에, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리페닐렌살파이드수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이1.45인 탄소섬유강화 수지복합체로 이루어진 이동체(55)을 얻었다. 또, 이 이동체(55)를 진동체(42)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 8 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(55)은 제 8 도b에 표시한 바와같이, 진동체(42)의 바닥면의 폭을 W로 하면, W/2의 길이를 가진 이동체비임부분과, W/4의 폭을 가진 이동체돌기부에 의해 구성하고, W/4의 폭으로 진동체(42)와 접촉시키고 있다.
또한, 이동체비임부분의 길이는 상기치수에 한정되는 것은 아니고, 이동체비임부분의 최적길이 및 이동체 비임부분의 길이 및 두께를 조정하므로서, 이동체(55)의 가압방향의 탄성을 조정하는 것이 중요하다.
상기 이동체비임부분의 길이, 이동체비임부분의 두께를 초음파모우터의 가압력에 따라서 최적화하므로서, 실시예 1과 동등한 효과를 얻을수 있다.
[실시예 8]
먼저 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리에테르에테르케톤수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.44인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(56)을 얻었다. 또, 이 이동체(56)을 실시예 7와 마찬가지의 진동체(42)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제 9 도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(56)은 제 9 도b에 표시한 바와같이, 진동체(42)의 바닥면의 폭을 W로 하면, W/2의 길이를 가진 이동체비임부분과, W/4의 폭을 가진 이동체돌기부에 의해 구성하는 동시에, 이동체비임부분의 접촉면쪽으로 테이퍼를 형성하고, W/4의 폭으로 진동체(42)와 접촉시키고 있다.
상기와 같이, 이동체비임부분의 접촉면쪽으로 테이퍼를 형성하므로서, 이동체 접촉부의 강성을 높이는 동시에 면보정효과를 증대시키는 것이 가능하게 된다.
[실시예 9]
먼저, 30중량%의 탄소섬유와 70중량%의 폴리에테르살폰수지와의 혼련물을 사출성형하므로서, 원환형상이고 비중이 1.47인 탄소섬유강화수지복합체로 이루어진 이동체(57)을 얻었다. 또, 이 이동체(57)을 실시예 7와 마찬가지의 진동체(42)에 접시스프링(도시생략)을 사용해서 가압접촉해서 설치하므로서, 제10도a에 표시한 바와같은 원환형 초음파모우터를 구성하였다.
이 이동체(57)은 제10도b에 표시한 바와같이, 진동체(42)의 바닥면의 폭을 W로 하면, 2W/3의 길이를 가진 이동체비임부분과, W/6의 폭을 가진 이동체돌기부에 의해 구성하는 동시에, 이동체비임분의 이면쪽으로 각도가 다른 테이퍼를 형성하고, W/4의 폭으로 진동체(32)와 접촉시키고 있다.
구체적으로는 이동체의 바깥둘레쪽의 테이퍼를 안둘레쪽보다도 크게 하므로서, 이동체의 바깥둘레쪽에 안둘레쪽보다도 보다 큰 면보정효과를 가지게 하는 것이 가능하며, 원환형 진도체의 직경방향의 진폭이 바깥둘레쪽편이 보다 크다고 하는, 직경방향의 진폭을 고려한 이동체의 설계를 행할 수 있다.
상기 9종의 실시예에 표시한 바와같이, 이동체를 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지복합단체로 구성하므로서, 종래의 원환형 초음파모우터와 같이, 마찰재를 금속탄성체에 결합하기 위한 접착공정을 필요로하지 않고, 또한 사출성형 또는 압축성형등의 방법에 의해서, 금형을 사용해서 용이하게 성형하는 것이 가능하다.
또, 상기 구성으로 하므로서, 이동체를 종래의 원환형 초음파모우터와 같이 마찰재를 스테인레스강제탄성체에 결합해서 구성한 동일치수의 이동체에 비교해서, 이동체의 중량을 저감하는 것이 가능하다.
이상 구체적 실시예에 대해서 설명해왔으나. 상기 9종의 구체적 실시예에 있어서, 이동체를 구성하는 탄소섬유강화수지복합체에 포함되는 턴소섬유의 함유량은 초음파모우터의 가압력에 따라서 조정가능하나, 섬유함유량이 5중량% 미만의 경우에는 강성향상을 위한 효과가 부족하는 동시에, 이동체의 마찰접촉면의 내 마모성이 부족하다. 섬유함유량이 50중량%을 초과하는 경우에는, 성형방법 또는 수지의 유동성에 의해서도 다르나, 성형이 곤란하게 되는 동시에 성형물의 기계적 강도가 무르게되기 때문에, 5중량% 이상 50중량%이하의 범위일 필요가 있다. 이동체에 필요하게 되는 재료특성, 이동체의 성형성, 이동체의 코스트 등으로, 종합적으로 판단하면, 15중량% 이상 35중량% 이하인 것이 바람직하다.
또, 동실시예에 있어서는, 강화섬유의 종류로서, 탄소섬유를 사용하였으나, 상기 탄소섬유에 탄소섬유이외의 무기섬유를 조합해서 사용하는 것도 마찬가지로 가능하며, 또 이동체의 윤활성을 조정하기 위하여, 상기 섬유에 그래파이트분말, 4분화에틸렌분말, 황화몰리브덴분말, 불화흑연분말 등의 무기충전재를 조합하는 것도 가능하다.
또, 상기 9종의 구체적 실시예에 있어서, 탄소섬유강화수지복합체를 구성하는 수지로서, 폴리페닐렌술파이드수지, 폴리에테르에테르케톤수지, 폴리에테르술폰수지 등의 열가소성수지를 사용하였으나, 이들에 한정 되는 것은 아니다. 이 탄소섬유강화수지복합체를 구성하는 수지를 선정할 때의 목표로서는 내열성이 150℃ 이상이며, 열변형온도가 높은 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 이 이유로서는 수지의 내열성이 150℃ 이하이며, 열변형온도가 낮은 수지를 사용하였을 경우에는 이동체의 마찰접촉부의 마모가 촉진되고, 모우터성능의 열화를 일으키는 등, 장기신뢰성을 확보하는 일이 곤란하게 된다. 상기 관점에 의거하면, 실시예에 표시한 수지이외에 폴리술폰수지, 폴리알릴레이트수지, 폴리아미드이미드수지, 폴리에테르이미드수지, 폴리이미드수지, 전방향족 폴리에스테르수지 등의 열가소성수지 또는 페놀수지, 비스말레이미드·트리아진수지, 폴리이미드수지 등의 열경화성수지를 사용하는 것도 마찬가지로 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 이동체의 재질을 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지복합체단체로 하고, 이동체의 구조를 이동체의 가압방향으로 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게한 구조로 하는 것의 종합결과로서, 이하의 효과를 얻게되는 것이다.
① 출력전달효율이 높은 초음파모우터를 실현할 수 있다.
② 장기신뢰성에 뛰어난 초음파모우터를 실현할 수 있다.
③ 이동체의 제조공정을 간략화 할 수 있다.
④ 초음파모우터를 경량화 할 수 있다.
Claims (7)
- 탄성기판에 압전체(電體)를 결합한 진동체에, 이동체를 가압접촉시키고, 상기 진동체에 유연진동의 진행파를 여진하므로서, 상기 진동체와 상기 이동체와의 사이의 마찰력을 개재해서, 상기 이동체를 이동시키는 초음파모우터에 있어서, 상기 이동체를 적어도 탄소섬유를 사용해서 강화한 탄소섬유강화수지복합체 단체(單體)에 의해 구성하고, 또한 상기 이동체의 가압방향으로, 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게한 구조로 하는 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
- 제 1 항에 있어서, 탄소섬유강화수지복합체에 포함되는 탄소섬유의 함유량이 5중량% 이상 50중량% 이하인 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
- 제 1 항에 있어서, 탄소섬유강화수지복합체를 구성하는 수지의 내열성이 150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
- 제 1 항에 있어서, 이동체의 가압방향으로, 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게 하는 수단으로서, 이동을 양쪽끝지지조건의 비임()구조로 하는 것을 특징으로하는 초음파모우터.
- 제 4 항에 있어서, 이동체비임부분과, 비임부분의 양단부로부터 뻗어나온 이동체 제 1 돌기부와, 진동체와의 접촉면쪽의 비임부분으로부터 뻗어나온 이동체 제 2 돌기부에 의해 구성하고, 또한 이동체 제 2 돌기부의 폭을 W로 하였을 때,0.3mmW2.0mm로 설정한 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
- 제 1 항에 있어서, 이동체의 가압방향으로, 초음파모우터의 가압력에 따른 탄성을 가지게 하는 수단으로서, 이동체를 한쪽끝지지조건의 비임구조로 하는 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
- 제 6 항에 있어서, 이동체비임부분과, 비임부분의 한쪽의 한쪽끝부분으로부터 뻗어나온 이동체 제 1 돌기부와, 비임부분의 다른쪽의 한쪽끝부분으로부터 뻗어나온 이동체 제 2 돌기부에 의해 이동체를 구성하고, 또한 이동체비임부분의 길이를 L, 이동체비임부분의 두께를 T, 이동체 제 2 돌기부의 폭을 W, 이동체 제 2 돌기부의 높이를 H로 하였을 때,L/T2, H/T2, 0.3mmW2.0mm로 설정한 것을 특징으로 하는 초음파모우터.
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