KR100817470B1

KR100817470B1 - 압전 선형 모터

Info

Publication number: KR100817470B1
Application number: KR1020060103210A
Authority: KR
Inventors: 강종윤; 윤석진; 정대용; 김현재; 바실욥프 피오트; 최지원
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2008-03-31
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: WO2008050932A1; US8013496B2; US20090251026A1

Abstract

본 발명은 압전 선형 모터에 관한 것으로서, 두개의 압전소자에 위상차를 주어 정재파의 교류 전압을 인가함으로써, 각각의 압전소자와 결합된 탄성체의 중앙 돌출부가 타원형의 변위를 갖고 진동하게 하여 이동자를 선형 이동시킬 수 있어서, 마모가 비교적 적고, 정밀하게 선형 이동 구동을 수행할 수 있는 압전 선형 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 교류 전압을 인가받는 제1 압전소자 및 상기 제1 압전소자에 인가되는 전압과 위상차를 갖는 교류전압을 인가받는 제2 압전소자를 구비한 압전체기판과, 상기 각 압전소자에 결합된 제1 및 제2 탄성체 그리고 상기 제1 및 제2 탄성체의 사이에 돌출되게 형성되고, 전압이 인가되면 타원형의 변위를 가지고 진동하는 중앙 돌출부를 구비한 금속 탄성체와, 상기 금속 탄성체의 중앙 돌출부에 접촉하여 그와 직교한 방향으로 선형 이동하는 이동자를 포함하는 압전 선형 모터를 제공한다. 상기 이동자를 역방향으로 이동시키기 위해서는 제1 압전소자와 제2 압전소자에 인가되는 교류전압의 위상차를 반대로 설정하면 된다.

압전 소자, 선형 모터, 공진 주파수, 탄성률, 역압전효과, 위상차, 타원형 변위

Description

압전 선형 모터{PIEZZO ELECTRIC LINEAR MOTOR}

도 1 및 도 2는 압전소자에 전류가 인가된 경우의 압전소자 변형을 나타낸 개략도.

도 3 및 도 4는 압전소자가 탄성체와 결합한 상태에서 압전소자에 전류가 인가된 경우의 변형을 나타낸 개략도.

도 5는 종래 기술에 의한 압전 선형 모터를 나타낸 개략도.

도 6은 도 5의 압전 선형 모터가 작동하는 과정을 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제1 실시예 구성을 도시한 정면도.

도 8은 도 7에 도시된 압전 선형 모터의 압전체기판 및 탄성지지편으로 이루어진 압전 액츄에이터를 나타낸 사시도.

도 9는 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 액츄에이터 공진 주파수를 나타낸 그래프.

도 10은 도 9의 첫 번째 공진 주파수(f₀₁)에서의 제1 실시예에 따른 액츄에이터 변형 상태를 나타낸 사시도.

도 11은 도 10의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프.

도 12는 도 9의 두 번째 공진 주파수(f₀₂)에서의 제1 실시예에 따른 액츄에이터 변형 상태를 나타낸 사시도.

도 13은 도 12의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프.

도 14는 도 9의 첫 번째 공진 주파수 및 두 번째 공진 주파수의 중간 주파수((f₀₁+f₀₂)/2)에서의 제1 실시예에 따른 액츄에이터 변형 상태를 도시한 사시도.

도 15는 도 14의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프.

도 16은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제2 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 사시도.

도 17은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제3 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 사시도.

도 18은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제4 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100: 압전체기판 101: 제1 압전소자

102: 제2 압전소자 111: 제1 탄성체

112: 제2 탄성체 113: 구동부

120: 이동자 130: 제1 전원

131: 제2 전원 140: 완충 지지체

본 발명은 압전 선형 모터에 관한 것으로서, 특히, 압전소자에 위상차를 주어 교류 전압을 인가함으로써 정방향 구동 및 역방향 구동이 모두 가능하고, 액츄에이터의 구동부가 타원의 변위를 가지도록 구동되어 이동자를 효과적으로 선형 이동시킬 수 있는 압전 선형 모터에 관한 것이다.

종래에는, 선형 구동력을 얻기 위해서 캠 또는 링크에 의해 회전 운동을 선형운동으로 변환하는 전자기 모터를 사용하거나, 솔레노이드 모터를 사용하였다. 그러나 캠 등을 이용한 회전모터를 사용한 선형 모터는 부피가 크고 정밀도가 낮은 문제점이 있었고, 솔레노이드 모터의 경우에는 이동자의 선형 이동 범위 전체를 솔레노이드로 형성하여야 하므로 이동자의 변위가 매우 제한적일 수밖에 없었다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 전자기 선형 모터에 비해 구조가 간단하고 저속으로 구동이 가능하며, 솔레노이드 모터에 비해 변위의 제한도 적은 압전 선형 모터(piezzo electric linear motor)가 대두되었다.

일반적으로 압전소자 하나의 결정판에 의한 압전기는 극히 미약하나 금속박을 삽입하여 이것을 몇 장 겹치면 충분한 전기량을 얻을 수 있다. 이를 통해 기계적인 변형을 전기적으로 변환시킬 수 있어서, 마이크로폰이나 전축용 픽업 등에 오래전부터 이용되고 있다. 반대로, 압전성을 가지는 결정판에 고주파 전압을 걸면 판이 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 판의 고유진동수에 맞추면 공진(共振)하여 판이 강하게 진동한다. 이러한 현상을 역압전효과(逆壓電效果)라고 하며, 이것에 의해 강력하고 안정된 기계적인 진동이 얻어진다. 이러한 역압전효과에 의한 진동을 이용하여 선형 구동력을 얻는 것이 압전 선형 모터이다.

일반적으로 압전/전왜 모터는 초음파 모터라고도 불리며, 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 형태의 구동원이다. 압전 모터는 저속의 높은 구동력을 발생시키며 자계의 영향을 받지 않을 뿐 아니라 기어, 캠 등의 복잡한 구동 전달 부품이 거의 사용되지 않으므로 그 구조가 간단하고, 진동에 의해 발생하는 음파는 초음파로서 않아 저소음으로 구동할 수 있으며, 나노미터까지 정밀한 위치제어를 할 수 있다는 특징이 있다.

압전 선형 모터는 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생된 진행파로 구동되는 방식과, 종진동 정재파(standing wave)와 횡진동 정재파를 결합하여 구동되는 액츄에이터를 사용하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 선형 이동을 구현하는 방식이 있다. 진행파로 구동되는 선형모터의 경우 압전 세라믹을 금속의 탄성체에 맞붙인 고정자와 이동자를 마주 접촉시켜 탄성체에 발생하는 진동파를 이용하는 것이고, 정재파 방식의 모터는 각 고정자의 고유진동수에 해당하는 주파수의 전압을 압전체에 가하여 압전체의 진동파에서 구동력을 얻도록 구성된다. 정재파 방식의 모터가 더 고효율이며, 제어회로의 구조를 간단하게 구성할 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 종래 기술에 따른 압전 선형 모터를 상세히 설명한다. 도 5 및 도 6의 선형모터는 정재파로 구동되는 형태의 선형 모터의 예를 든 것이다. 도 1 및 도 2는 압전소자에 전류가 인가된 경우의 압전소자 변형을 나타낸 개략도이고, 도 3 및 도 4는 압전소자가 탄성체와 결합한 상태에서 압전소자에 전류가 인가된 경우의 변형을 나타낸 개략도이며, 도 5 및 도 6은 종래 기술에 의한 압전 선형 모터와 그 동작과정을 나타낸 개략도이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전소자(1)에 전원(30)을 연결하여 전압을 인가하면 압전소자(1)에 변형이 발생한다. 도 1과 도 2는 압전소자 각각의 분극 방향이 반대인 경우를 나타낸 것으로서 수축 또는 팽창의 기계적 변위를 갖는다. 즉, 압전소자(1)의 분극 방향과 인가되는 전압의 방향이 같은 경우 압전소자(1)는 z방향으로 팽창, x방향으로는 수축하게 되고(1'), 압전소자(1)의 분극 방향과 인가되는 전압의 방향이 반대가 되는 경우 압전소자(1)는 x방향으로 팽창, z방향으로는 수축하게 된다(1").

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기의 압전소자(1)를 금속 탄성체(10)와 결합하는 경우, 압전소자와 탄성체의 탄성률 차에 의해, 팽창 또는 수축의 변형은 굴곡 변위로 바뀐다. 도 3은 압전소자(1)의 분극과 전계가 같은 방향인 경우로서 -z방향으로 압전소자(1)와 탄성체(10)가 휘어지며, 분극과 전계가 반대 방향인 경우에는 도 3과 같이 z방향으로 압전소자(1)와 탄성체(10)가 휘어진다. 도 1 내지 도 4에서는 횡진동을 도면으로 표현하였으나, 종진동의 경우도 동일하다.

도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래 기술에 따른 통상적인 압전 선형 모터는 압전소자(1), 상기 압전소자와 결합한 고정자로서의 탄성체(10), 상기 압전소자(1)에 교류 전압을 인가하는 전원(30) 및 상기 탄성체(10)의 진동에 의해 이동하 는 이동자(20)로 이루어진다.

상기와 같이 이루어진 종래의 압전 선형 모터에 전압이 가해지면 압전소자(1)는 정재파 형태로 진동하는데, 횡진동은 상기 탄성체(10)가 이동자(20)와 밀착 또는 이완을 반복하도록 진동시키고, 종진동은 탄성체가 이동자(20)의 선형 이동 방향과 직교한 방향으로 진동을 반복하게 한다. 즉, 도 5와 같이 압전소자(1)의 횡진동에 의해 탄성체(10)가 이동자(20)와 밀착함과 동시에, 종진동은 도 5 우측에 표시된 화살표 방향으로 일어나게 되어, 탄성체(10)는 이동자(20)를 화살표 방향으로 선형 이동시킨다. 반대로, 횡진동에 의해 탄성체(10)가 이동자(20)에서 멀어짐과 동시에, 종진동은 선형 이동 방향에 직교하게 일어나 이동자(20)는 이동하지 않는다. 따라서, 이와 같은 종진동과 횡진동의 결합이 반복적으로 일어나, 전체적으로 도 5의 화살표 방향으로 이동자가 이동하게 된다.

상기와 같은 종래기술에 따른 압전 선형 모터는 탄성체와 이동자의 접촉에 의해 마모가 심해서 수명이 줄어들 수 있는 문제점이 있다.

또한, 마모가 진행되는 동안 탄성체에서 이동자로의 변위 전달이 달라지게 되므로 정밀한 이동을 수행하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 하나의 압전소자에서는 횡진동과 종진동의 결합 진동모드가 하나이므로 역방향의 선형이동을 구현할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 두개의 압전소자에 위상차를 주어 교류 전압을 인가함으로써, 각각의 압전소자와 결합된 탄성체의 중앙 돌출부가 타원형의 변위를 갖고 진동하게 하여 이동자를 선형 이동시킬 수 있어서, 마모가 비교적 적고, 정밀한 이동과정을 수행할 수 있는 압전 선형 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 각 압전소자에 인가되는 전압의 위상차를 반대로 하여 역방향으로의 구동이 용이한 압전 선형 모터를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 교류 전압을 인가받는 제1 압전소자 및 상기 제1 압전소자에 인가되는 전압과 위상차를 갖는 교류전압을 인가받는 제2 압전소자를 구비한 압전체기판과, 상기 각 압전소자에 결합된 제1 및 제2 탄성체 그리고 상기 제1 및 제2 탄성체의 사이에 돌출되게 형성되고, 전압이 인가되면 타원형의 변위를 가지고 진동하는 중앙 돌출부를 구비한 금속 탄성체와, 상기 금속 탄성체의 중앙 돌출부에 접촉하여 그와 직교한 방향으로 선형 이동하는 이동자를 포함하는 압전 선형 모터를 제공한다.

상기 압전체기판과 제1 및 제2 탄성체는 이동자와 평행한 방향으로 배치될 수 있으며, 이때, 상기 각 금속 탄성체의 양단에 외측으로 돌출 형성된 액츄에이터 지지편을 더 구비하여, 이를 통해 케이싱 등에 고정될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 탄성체의 사이를 연결하는 액츄에이터 지지편을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자는 중앙 돌출부를 중심으로 이동 방향에 대해 소정 각도로 접혀져 배치되고, 상기 금속 탄성체는 제1 및 제2 압전소자에 결합하여 동일한 각도로 접혀져 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 압전소자에 인가되는 전압과 제2 압전소자에 인가되는 전압 은 90°의 위상차를 가질 수 있다. 이때, 상기 제1 압전소자에 인가되는 전압은 V₀ sin ωt이고, 제2 압전소자에 인가되는 전압은 V₀ cos ωt로서 제1 압전소자에 제2 압전소자보다 90°빠른 위상차를 갖는 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 한편 이동자를 반대로 선형 이동시키기 위해서는 제2 압전소자에 인가되는 전압이 제1 압전소자에 인가되는 전압에 비해 90°빠른 위상차를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자에 인가되는 전압의 주파수는 액츄에이터의 공진 주파수들 사이의 영역에서 선택된 주파수인 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1 및 제2 압전소자에 인가되는 전압의 주파수는 첫 번째 공진 주파수와 두 번째 공진 주파수의 중앙의 주파수로 선택하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 이동자가 중앙 돌출부와 접촉되는 면의 타 측면에 이동자의 이동을 가이드 하면서 지지하고 이동자와 중앙 돌출부의 접촉시 충격을 완충하는 완충지지체를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 도 7 내지 도 18을 참조하여 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 여러 실시예를 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제 1실시예 구성을 도시한 정면도이고, 도 8은 제1 실시예의 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 압전체기판 및 탄성지지편으로 이루어진 압전 액츄에이터를 나타낸 사시도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 제1 및 제2 전원(131, 132)을 구비한 전원부(130)와, 상기 각 전원부에서 각각 전압을 인가받는 제1 및 제2 압전소자(101, 102)로 이루어진 압전체기판(100)과, 상기 각 압전소자에 결합된 제1 및 제2 탄성체(111, 112) 그리고 상기 제1 및 제2 탄성체의 중앙부분에 압전체기판(100)의 배치방향과 수직한 방향으로 돌출되게 형성되어 전원부(130)에서 전압이 인가되면 타원형의 변위를 가지고 진동하는 중앙 돌출부(113)를 구비한 금속 탄성체(110) 및, 상기 금속 탄성체(110)의 중앙 돌출부(113)에 접촉하는 이동자(120)을 포함한다. 이하, 상기 압전체기판(100)과 이에 결합된 금속 탄성체(110)가 결합한 것을 압전 액츄에이터라 한다.

상기 이동자(120) 반대편에는 이동자의 이동을 가이드 하면서 지지하고, 이동자(120)와 중앙 돌출부(113)가 접촉할 때의 충격을 완충하는 완충지지체(140)가 구비된다.

본 실시예에서 상기 압전체기판(100: 101, 102)과 제1 및 제2 탄성체(111, 112)는 이동자와 평행한 방향으로 배치된다. 이하, 이러한 이동자와 평행한 방향을 횡방향, 그에 수직한 방향을 종방향으로 정의한다.

상기 중앙 돌출부(113)을 타원형의 변위를 가지도록 진동시키기 위해서는 상기 제1 전원(131)과 제2 전원(132)에서 인가되는 전압에 위상차를 주어야하는데, 본 실시예에서 제1 전원(131)에서는 V = V₀ sin ωt의 교류전압이 인가되고, 제2 전원(132)에서는 V = V₀ cos ωt의 교류전압이 인가되어 제1 전원(131)의 전압과 제2 전원(132)의 전압은 90°의 위상차를 갖는다.

이때, 제1 전원(131)에서 V = V₀ cos ωt의 교류전압을 인가하고, 제2 전원(132)에서 V = V₀ sin ωt의 교류전압을 인가하면 중앙 돌출부(113)는 역방향으로 동일한 타원을 그리며 진동하게 되므로 간단하게 이동자(120)를 역방향으로 이동시킬 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 액츄에이터 공진 주파수를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 9의 첫 번째 공진 주파수(f₀₁)에서의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 변형 상태를 나타낸 사시도이며, 도 11은 도 10의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 12는 도 9의 두 번째 공진 주파수(f₀₂)에서의 제1 실시예에 따른 액츄에이터 변형 상태를 나타낸 사시도이고, 도 13은 도 12의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 14는 도 9의 첫 번째 공진 주파수 및 두 번째 공진 주파수의 중간 주파수((f₀₁+f₀₂)/2)에서의 제1 실시예에 따른 액츄에이터 변형 상태를 도시한 사시도이며, 도 15는 도 14의 주파수에서 압전 선형 모터의 액츄에이터 구동부 작동 변위를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 10 및 도 12 및 도 14는 유한요소 프로그램인 ATILA를 이용하여 각 주파수에서 압전 액츄에이터의 변형된 모습을 시뮬레이션한 결과이다.

도 9를 살펴보면, 본 발명의 압전 액츄에이터는 여러 개의 공진 주파수를 갖는다는 것을 알 수 있다. 다만, 도 9에서는 두 번째 공진 주파수까지만을 표시하였 다.

도 10에 도시된 바와 같이, 첫 번째 공진 주파수(f₀₁)에서 시뮬레이션한 결과에서는 각 압전소자에 인가되는 전압이 90°의 위상차를 가짐에도 불구하고 제1 압전소자(101)와 제1 탄성체(111)가 제2 압전소자(102)와 제2 탄성체(112)와 거의 동일한 모양으로 진동한다. 중앙 돌출부(113)의 변위는 도 11에 나타내었는데, 종방향의 변위는 매우 크지만, 횡방향의 변위가 매우 적어서 이동자를 횡방향으로 이동시키기에는 부적합한 진동 변위임을 알 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 두 번째 공진 주파수(f₀₂)에서 시뮬레이션한 결과에서는 각 압전소자에 인가되는 전압이 90°의 위상차를 가짐에도 불구하고 제1 압전소자(101)와 제1 탄성체(111)가 제2 압전소자(102)와 제2 탄성체(112)와 180°의 위상차를 가지는 형상으로 진동한다. 중앙 돌출부(113)의 변위는 도 13에 나타내었는데, 횡방향의 변위는 매우 크지만, 종방향의 변위가 매우 적어서 이동자를 이동시키기 위한 중앙돌출부와 이동자의 마찰력을 충분히 이끌어내는데는 부적합한 진동 변위임을 알 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 첫 번째 공진 주파수(f₀₁) 및 두 번째 공진 주파수(f₀₂)의 중간 주파수((f₀₁+f₀₂)/2)에서 시뮬레이션한 결과에서는 각 압전소자에 인가되는 전압이 90°의 위상차를 가지며, 이에 따라 제1 압전소자(101)와 제1 탄성체(111)가 제2 압전소자(102)와 제2 탄성체(112)와 90°의 위상차를 가지는 형상으로 진동한다. 중앙 돌출부(113)의 변위는 도 15에 나타내었는데, 횡방향으로 긴 타 원형의 변위를 가지며 진동한다. 횡방향의 변위는 이동자(120)를 이동시키기에 충분히 길며, 종방향의 변위 또한 이동자(120)와 중앙 돌출부(113) 간의 마찰력을 충분히 이끌어 낼 수 있는 정도의 변위이다. 즉, 인가되는 전압의 주파수는 인접한 공진 주파수의 중간 영역의 주파수를 선택하는 것이 바람직하고, 횡방향의 변위를 충분히 얻기 위해서는 두 번째 공진 주파수에 가깝게, 반대로 종방향의 변위를 충분히 얻기 위해서는 첫 번째 공진 주파수에 가깝게 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 첫 번째 공진 주파수와 두 번째 공진 주파수의 중앙의 주파수를 선택하여 횡방향으로 긴 타원형의 변위를 얻을 수 있었다.

도 16은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제2 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 사시도이고, 도 17은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제3 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 제2 실시예와 제3 실시예는 기본적으로 제1 실시예와 동일한 구성을 가지되, 액츄에이터 지지용 고정부를 더 가지는 구성이다. 즉, 상기 중앙 돌출부(113)의 변위는 진폭이 0일 때 원래의 위치에 고정되어야 하므로 지지부를 구비시킨 것이다.

제2 실시예는 제1 및 제2 탄성체(111, 112)의 양단에 액츄에이터 지지편(214)을 외측으로 돌출 형성하여 케이스 등의 고정 구조에 액츄에이터를 고정시킬 수 있도록 하였다.

제3 실시예는 제1 및 제2 탄성체(111, 112)의 사이를 연결하는 액츄에이터 지지편(114)을 구비시켜 액츄에이터를 고정시킬 수 있다.

도 18은 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 제4 실시예 구성 중 액츄에이터를 나타낸 정면도이다.

도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전원(431, 432)을 구비한 전원부(430)와, 상기 각 전원부에서 각각 전압을 인가받으며, 횡방향에 대해 θ 각도로 접혀져 배치되는 제1 및 제2 압전소자(401, 402)를 구비한 압전체기판(400)과, 상기 각 압전소자에 결합된 제1 및 제2 탄성체(411, 412) 그리고 상기 제1 및 제2 탄성체의 중앙부분에 종방향으로 돌출되게 형성되어 전원부(430)에서 전압이 인가되면 타원형의 변위를 가지고 진동하는 중앙 돌출부(413)를 구비한 금속 탄성체(410)와, 상기 금속 탄성체(410)의 중앙 돌출부(413)에 접촉하는 이동자(420)을 포함한다.

상기 이동자(420) 반대편에는 이동자의 이동을 가이드 하면서 지지하고 이동자(420)와 중앙 돌출부(413)의 접촉시 충격을 완충하는 완충지지체(440)가 구비된다.

이는 압전 선형 모터는 특정 제품의 부품으로 사용될 수 있기 때문에, 전체에서 선형 모터가 배치되는 위치 크기 등을 고려하여 다르게 설계할 수 있도록 한 것이다.

전술한 실시예에서 횡방향 선형 모터의 예를 들어 설명하였으나, 중앙 돌출부(113) 단부를 횡방향을 향하도록 형성하고, 이동자(120)를 종방향으로 배치함으로써 종방향의 선형 모터로 설계할 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 압전 선형 모터의 작용효과를 설명한다.

동일한 재료 및 형상으로 이루어진 두개의 압전소자에 위상차가 있는 교류 전압을 걸어주면, 각각의 압전 소자는 위상차를 두고 진동하게 된다. 그러나 두 압전소자의 중앙부를 연결해 주는 경우에는 그 중앙부는 기본적으로 타원형의 변위를 그리며 진동하게 된다. 즉, 상기 중앙 돌출부(113)는 타원형의 변위를 그리며 진동한다. 이러한 중앙 돌출부(113)의 타원형 변위의 진동은 이동자(120)와 마찰하면서, 이동자(120)를 노를 저어 이동하는 것과 같은 원리로 횡방향으로 이동시키게 된다.

다만, 전술한 바와 같이, 공진 주파수에서는 중앙 돌출부(113)의 진동 변위가 종방향 또는 횡방향으로 강하게 나타나기 때문에 타원형의 진동이라기보다는 직선의 진동에 가까우므로, 인가되는 전압의 주파수는 공진 주파수를 피하는 것이 바람직하며, 횡방향의 이동을 위해서는 횡방향으로 긴 타원으로 진동할 수 있는 주파수를 선택하고, 종방향의 이동을 위해서는 종방향으로 긴 타원으로 진동할 수 있는 주파수를 선택할 수 있다.

또한, 주파수를 조절함으로써 중앙돌출부의 횡방향 변위를 조절하여 이동자(120)의 이동속도를 조절할 수 있다.

또한, 제4 실시예와 같이, 압전체기판(400)을 횡방향에 대해 90°로 접는다 하더라도, 중앙 돌출부의 변위는 제1 실시예에서 본 바와 같은 타원형의 변위를 만들며 진동하게 된다. 즉, 압전 선형 모터를 얇고 긴 공간에 배치해야 하는 경우에는 제1 실시예와 같이 설계하는 것이 바람직하고, 좁은 구역에 배치해야 하는 경우에는 제4 실시예와 같이 설계하는 것이 바람직하다.

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.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 중앙 돌출부만이 이동자와 접촉하여 불필요한 마모를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 타원형 변위의 장반경과 단반경을 주파수 조절로 변경할 수 있어서, 원하는 마찰력으로 원하는 길이만큼 이동자를 정밀하게 이동시킬 수 있으며, 인가되는 전압의 위상차를 반대로 하여 간단히 이동자를 역방향으로 이동시킬 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 압전 선형 모터의 구조가 간단하고 압전체 기판 및 금속 탄성체를 모터의 위치 또는 부피에 따라 소정 각도로 변형 시킬 수 있어서, 모터의 형상을 효과적으로 설정할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims

제1 압전소자 및 제2 압전소자를 구비한 압전체기판과;

상기 각 압전소자에 결합된 제1 및 제2 탄성체 그리고 상기 제1 및 제2 탄성체의 사이에 돌출되게 형성되는 중앙 돌출부를 구비한 금속 탄성체와;

상기 금속 탄성체의 중앙 돌출부에 접촉하는 이동자를 포함하며,

상기 제1 압전소자에 교류전압이 인가되고 상기 제2 압전소자에 상기 제1 압전소자에 인가되는 교류전압에 대해 위상차를 갖는 교류 전압이 인가되면 상기 중앙돌출부는 타원형의 변위를 가지고 진동하고,

상기 중앙돌출부가 타원형의 변위로 진동하면 상기 이동자는 상기 중앙돌출부와의 마찰력에 의해 선형 이동하는

압전 선형 모터.
제1항에 있어서,

상기 이동자를 역방향으로 이동시키기 위해서 제1 압전소자와 제2 압전소자에 반대의 위상차를 갖는 교류전압이 인가되는

압전 선형 모터.
제2항에 있어서,

상기 이동자를 정방향으로 구동하는 경우 제1 압전소자에는, 제2 압전소자에 인가되는 전압에 비해 위상차가 90° 빠른 정현파 교류전압이 인가되고,

상기 이동자를 역방향으로 구동하는 경우 제2 압전소자에는, 제1 압전소자에 인가되는 전압에 비해 위상차가 90° 빠른 정현파 교류전압이 인가되는

압전 선형 모터.
제1항에 있어서,

상기 압전체기판과 제1 및 제2 탄성체는 이동자와 평행한 방향으로 배치되는

압전 선형 모터.
제4항에 있어서,

상기 금속 탄성체는 상기 제1 및 제2 탄성체의 양단에 외측으로 돌출 형성된 지지편을 더 구비하는

압전 선형 모터.
제4항에 있어서,

상기 금속 탄성체는 상기 제1 및 제2 탄성체를 연결하는 지지편을 더 구비하는

압전 선형 모터.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 압전소자는 중앙 돌출부를 중심으로 이동 방향에 대해 소정 각도로 접혀 배치되고,

상기 제1 및 제2 탄성체는 제1 및 제2 압전소자에 각각 결합하여 상기 제1 및 제2 압전소자와 동일한 각도로 접혀 배치되는

압전 선형 모터.
제7항에 있어서,

상기 제1 및 제2 압전소자와 금속 탄성체는 중앙 돌출부를 중심으로 이동자에 직교하게 접혀져 배치되는

압전 선형 모터.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 압전소자에 인가되는 교류전압의 주파수는 상기 압전체기판과 금속 탄성체가 결합하여 이루어진 액츄에이터의 인접한 두 공진 주파수 사이의 영역에서 선택된 주파수인

압전 선형 모터.
제9항에 있어서,

상기 제1 및 제2 압전소자에 인가되는 교류전압의 주파수는 첫 번째 공진 주파수와 두 번째 공진 주파수의 중간의 주파수로 선택된

압전 선형 모터.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동자가 중앙 돌출부와 접촉되는 면의 타 측면에 이동자의 이동을 가이드 하면서 지지하고 이동자와 중앙 돌출부의 접촉시 충격을 완충하는 완충지지체를 더 포함하는

압전 선형 모터.