KR100318860B1 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
초음파 모터를 개시한다. 이러한 초음파 모터는 탄성 물질로 이루어진 탄성체와, 탄성체의 한쪽 면에 부착되어 있는 압전체를 포함한다. 탄성체의 압전체가 부착되어 있지 않은 면은 특정 곡률 반경을 갖는 오목한 곡면으로 형성되어 있다. 압전체는 두께 방향에 관하여 180°서로 다른 방향으로 분극되어 있고, 압전체의 다른 쪽면에는 전극이 배설되어 있다. 이 전극에 위상이 90°다른 고주파 전압이 인가되면 압전체가 진동하고, 이러한 진동을 통하여 탄성체가 굴곡진동 및 종진동을 수행한다. 탄성체 중앙부의 두께가 가장자리의 두께에 비하여 얇기 때문에 굴곡진동에 의한 변위가 더 크고, 따라서 동일 진동 모드상에서 효율이 향상된다.An ultrasonic motor is started. Such an ultrasonic motor includes an elastic body made of an elastic material and a piezoelectric body attached to one side of the elastic body. The surface on which the piezoelectric body of the elastic body is not attached is formed into a concave curved surface having a specific radius of curvature. The piezoelectric body is polarized in different directions 180 degrees with respect to the thickness direction, and the electrode is arrange | positioned at the other surface of the piezoelectric body. When a high frequency voltage having a phase different from 90 ° is applied to the electrode, the piezoelectric element vibrates, and the elastic body performs bending vibration and longitudinal vibration through this vibration. Since the thickness of the central portion of the elastic body is thinner than the thickness of the edge, the displacement due to the flexural vibration is larger, and thus the efficiency is improved on the same vibration mode.
Description
이 발명은 초음파 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 초음파 모터의 진동 고정자의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly to a structure of a vibration stator of an ultrasonic motor.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 종래의 초음파 모터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a conventional ultrasonic motor will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1c는 종래 초음파 모터의 구조를 도시한 도면으로, 도 1a는 종래 초음파 모터의 평면도이고, 도 1b는 종래 초음파 모터를 P방향으로부터 본 측면도이고, 도 1c는 종래 초음파 모터를 Q방향으로부터 본 측면도이다.Figure 1a to 1c is a view showing the structure of a conventional ultrasonic motor, Figure 1a is a plan view of a conventional ultrasonic motor, Figure 1b is a side view of the conventional ultrasonic motor from the P direction, Figure 1c is a conventional ultrasonic motor in the Q direction It is a side view seen from the.
도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있듯이, 종래 초음파 모터는 탄성체(1)와, 탄성체(1) 윗면에 부착되어 있는 압전소자(2a, 2b)와, 탄성체(1)의 밑면에 형성되어 있는 돌기부(3a, 3b)를 포함한다.As shown in FIGS. 1A to 1C, a conventional ultrasonic motor includes an elastic body 1, piezoelectric elements 2a and 2b attached to an upper surface of the elastic body 1, and protrusions formed on the bottom surface of the elastic body 1. 3a, 3b).
여기에서, 압전소자(2a, 2b)의 윗면에는 전극(도시되지 않음)이 각각 배설되어 있다.Here, electrodes (not shown) are disposed on the upper surfaces of the piezoelectric elements 2a and 2b, respectively.
한편, 탄성체(1)로부터 발생되는 진동은 돌기부(3a, 3b)에 의해 취출된다.On the other hand, the vibration generated from the elastic body 1 is taken out by the projections 3a and 3b.
압전소자(2a, 2b)는 두께 방향에 관하여 180°서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 각 압전소자(2a, 2b)에 형성되어 있는 전극을 통하여 서로 90°(π) 위상이 다른 고주파 전압이 인가된다.The piezoelectric elements 2a and 2b are polarized in opposite directions from each other by 180 ° with respect to the thickness direction, and high frequency voltages having 90 ° (π) phases different from each other through electrodes formed on the piezoelectric elements 2a and 2b are different from each other. Is approved.
돌기부(3a, 3b)의 밑면에 첨부한 도 2에 도시되어 있는 이동자(4)를 부착시키고, 스프링(5)을 압전소자(2a, 2b)에 결합시켜 상대 가압하면, 돌기부(3a, 3b)에 의한 타원 운동이 이동자(4)로 전달되고, 이동자(4)는 도시된 화살표 방향으로 이동한다. 또한, 이동자(4) 대신에 고정부재를 설치하면, 초음파 모터 자신이 회전하게 된다.When the mover 4 shown in FIG. 2 attached to the underside of the projections 3a and 3b is attached, and the spring 5 is coupled to the piezoelectric elements 2a and 2b to apply relative pressure, the projections 3a and 3b are provided. The elliptic motion is transferred to the mover 4, which moves in the direction of the arrow shown. In addition, when the fixing member is provided instead of the mover 4, the ultrasonic motor itself rotates.
게다가, 탄성체(1)의 형상을 원형으로 하면 이동자 또는 초음파 모터는 회전구동한다.In addition, when the shape of the elastic body 1 is circular, the mover or the ultrasonic motor rotates.
도 3은 종래 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining the principle of operation of the conventional ultrasonic motor.
도 3에서, 압전소자(2a)에 인가되는 고주파 전압을 A, 압전소자(2b)에 인가되는 고주파 전압을 B라고 한다. 여기에서, 각 압전소자(2a, 2b)가 두께 방향에 관하여 서로 반대방향으로 분극되어 있는 예를 보이지만, 동일 방향으로 분극되어 있어도 좋다.In FIG. 3, the high frequency voltage applied to the piezoelectric element 2a is referred to as A, and the high frequency voltage applied to the piezoelectric element 2b is referred to as B. In FIG. Here, although the piezoelectric elements 2a and 2b are polarized in opposite directions with respect to the thickness direction, the example may be polarized in the same direction.
각 압전소자(2a, 2b)에 고주파 전압이 인가되면, 각 압전소자(2a, 2b)는 고주파 전압의 주파수에 따른 진동을 한다. 이러한 진동은 탄성체(1)에 전달되고, 탄성체(1)는 굴곡진동과 종진동을 한다. 여기에서 굴곡진동이라고 하는 것은 도 1b와 동일 방향으로부터 보는 경우에 탄성체(1)가 도 3의(b)와 같이 진동하는 것을 말하고, 종진동이라고 하는 것은 도 1a와 동일한 방향으로부터 보는 경우에 탄성체(1)가 도 3의(c)와 같이 진동하는 것을 말한다.When a high frequency voltage is applied to each of the piezoelectric elements 2a and 2b, each of the piezoelectric elements 2a and 2b vibrates according to the frequency of the high frequency voltage. This vibration is transmitted to the elastic body 1, and the elastic body 1 is subjected to bending vibration and longitudinal vibration. Here, the bending vibration means that the elastic body 1 vibrates as shown in FIG. 3 (b) when viewed from the same direction as in FIG. 1B, and the longitudinal vibration means that the elastic body (when viewed from the same direction as in FIG. 1A). 1) vibrates as shown in FIG. 3 (c).
탄성체(1)에 발생된 굴곡진동과 종진동은 탄성체(1) 내부에서 합성되고, 탄성체(1)의 돌기부(이하, 구동력 취출부라고 함)(3a, 3b)는 이러한 진동의 합성에 의해 타원운동을 한다.The flexural vibration and longitudinal vibration generated in the elastic body 1 are synthesized inside the elastic body 1, and the protrusions (hereinafter referred to as driving force extracting parts) 3a and 3b of the elastic body 1 are ellipsoids by synthesizing such vibrations. work out.
도 3의(a)는 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압(A, B)의 시간적 변화를 도시한 도면이고, 도시된 시간(t1 ∼ t9)은 각각 π씩 다른 시간을 나타낸다. 또한, 도 3의(a)의 각도(θ)는 고주파 전압의 위상을 나타낸다.FIG. 3A is a diagram showing the temporal change of the high frequency voltages A and B applied to the piezoelectric elements 2a and 2b, and the illustrated times t1 to t9 represent different times of π . In addition, angle (theta) of FIG.3 (a) shows the phase of a high frequency voltage.
도 3의(a)에서 가로축은 종진동 방향으로 인가되는 고주파의 크기를 나타내며, 세로축은 굴곡 방향으로 인가되는 고주파의 크기를 나타낸다.In Figure 3 (a), the horizontal axis represents the magnitude of the high frequency applied in the longitudinal vibration direction, the vertical axis represents the magnitude of the high frequency applied in the bending direction.
한편, 도 3의(b)는 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동의 파형도이고, 도 3의(c)는 탄성체(1)에 발생되는 종진동의 파형도이고, 도 3의(d)는 탄성체(1)의 구동력 취출부(3a, 3b)의 타원운동의 파형도이다.3B is a waveform diagram of bending vibration generated in the elastic body 1, and FIG. 3C is a waveform diagram of longitudinal vibration generated in the elastic body 1, and FIG. Is a waveform diagram of the elliptic motion of the driving force extracting portions 3a and 3b of the elastic body 1.
먼저, 시간 t1에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 모두 양의 전압인 고주파 전압(A, B)을 압전소자(2a, 2b)에 인가한다. 이 때, 고주파 전압(A, B)은 가로축에 대하여 서로 대칭이고, 가로축 방향으로 모두 양의 값을 갖는다. 따라서, 고주파 전압(A)에 의해 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과, 고주파 전압(B)에 의해 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 서로 소거되어, 탄성체(1)에는 굴곡진동은 발생하지 않는다. 도 3의(b)에서는 탄성체(1)의 구동력 취출부에서의 굴곡진동의 진폭을 각각 질점 Y1, Z1으로 나타내고, 이러한 질점 Y1, Z1의 진폭은 시간 t1일 때에는 항상 0이 된다.First, at time t1, high frequency voltages A and B, which are both positive voltages, are applied to the piezoelectric elements 2a and 2b, as shown in FIG. At this time, the high frequency voltages A and B are symmetrical with respect to the horizontal axis, and both have positive values in the horizontal axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 by the high frequency voltage A and the bending vibration generated in the elastic body 1 by the high frequency voltage B are canceled, and the bending vibration occurs in the elastic body 1. I never do that. In Fig. 3B, the amplitudes of the bending vibrations at the driving force extracting portion of the elastic body 1 are represented by the quality points Y1 and Z1, respectively, and the amplitudes of the quality points Y1 and Z1 are always zero at time t1.
또한, 시간 t1에서 탄성체(1)에 발생되는 종진동은 도 3의(c)에 도시되어 있듯이, 탄성체(1)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 발생된다. 도 3의(c)에서는 구동력 취출부에서의 종진동의 진폭을 질점 Y2, Z2로 나타내고, 종진동에 의한 탄성체(1)의 신장량은 시가 t1에서 최대가 된다.Further, longitudinal vibration generated in the elastic body 1 at time t1 is generated in the direction in which the elastic body 1 is extended in the longitudinal direction, as shown in FIG. In Fig. 3C, the amplitudes of the longitudinal vibrations at the drive force extraction section are represented by the quality points Y2 and Z2, and the amount of elongation of the elastic body 1 due to the longitudinal vibrations is maximum at the time t1.
도 3의(d)에 도시되어 있듯이, 구동력 취출부(3a)에는 질점 Y1과 Y2를 합성한 질점 Y로 나타낸 진동이 발생되고, 구동력 취출부(3b)에는 질점 Z1과 Z2를 합성한 질점 Z로 나타낸 진동이 발생된다.As shown in Fig. 3 (d), vibration generated by the quality point Y which synthesized the quality points Y1 and Y2 is generated in the driving force extraction unit 3a, and quality point Z which synthesized the quality points Z1 and Z2 is generated in the driving force extraction unit 3b. The vibration shown by is generated.
시간 t2에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 양의 전압이고, 고주파 전압(B)은 0이다. 이 때, 고주파 전압(A)은 가로축 방향으로의 성분만 있고, 고주파 전압(B)은 세로축 방향으로의 성분만 있다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)와 같이 되고, 질점 Y1은 양의 방향으로 굴곡되고, 질점 Z1은 음의 방향으로 굴곡된다. 또한, 시간 t2에서는, 시간 t1과 마찬가지로 탄성체(1)를 종방향으로 신장시키는 방향으로 종진동을 하지만, 그 신장율은 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 시간 t1보다 작습니다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t1으로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t2, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A is a positive voltage and the high frequency voltage B is zero. At this time, the high frequency voltage A has only a component in the horizontal axis direction, and the high frequency voltage B has only a component in the vertical axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 is as shown in FIG. 3 (b), the quality point Y1 is bent in the positive direction, and the quality point Z1 is bent in the negative direction. In addition, at time t2, as in time t1, longitudinal oscillation is performed in the direction in which the elastic body 1 is extended in the longitudinal direction, but the elongation rate is smaller than the time t1 as shown in Fig. 3C. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse direction to the right direction from time t1, as shown to Fig.3 (d).
시간 t3에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 양의 전압이고, 고주파 전압(B)은 음의 전압이 된다. 이 때 고주파 전압(A, B)은 세로축에 대하여 서로 대칭이고, 세로축 방향으로 모두 양의 값을 갖는다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)에 도시되어 있는 것과 같이 발생되고, 질점 Y1의 굴곡량은 양의 방향으로 최대가 되고, 질점 Z1의 굴곡량은 음의 방향으로 최대가 된다. 또한, 이 경우의 종진동은, 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 0이 된다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t2로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t3, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A is a positive voltage and the high frequency voltage B is a negative voltage. At this time, the high frequency voltages A and B are symmetrical with respect to the vertical axis, and both have positive values in the vertical axis direction. Accordingly, the bending vibration generated in the elastic body 1 is generated as shown in FIG. To the maximum. In addition, the longitudinal vibration in this case becomes zero, as shown to Fig.3 (c). Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t2, as shown to Fig.3 (d).
시간 t4에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A)은 0되고, 고주파 전압(B)은 음의 전압이 된다. 이 때, 고주파 전압(A)은 세로축 방향의 성분만 있고, 고주파 전압(B)은 가로축 방향의 성분만 있다. 따라서, 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동은 도 3의(b)에 도시되어 있는 것처럼 발생되고, 질점 Y1은 양의 방향으로 굴곡되고, 질점 Z1은 음의 방향으로 굴곡된다. 또한, 시간 t4에서는, 도3의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)를 수축하는 방향으로 종진동한다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t3로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t4, as shown in Fig. 3A, the high frequency voltage A becomes 0 and the high frequency voltage B becomes a negative voltage. At this time, the high frequency voltage A has only a component in the vertical axis direction, and the high frequency voltage B has only a component in the horizontal axis direction. Therefore, the bending vibration generated in the elastic body 1 is generated as shown in Fig. 3B, the material point Y1 is bent in the positive direction, and the material point Z1 is bent in the negative direction. Further, at time t4, as shown in Fig. 3C, the longitudinal oscillation is performed in the direction in which the elastic body 1 is contracted. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t3, as shown to Fig.3 (d).
시간 t5에서는, 도 3의(a)에 도시되어 있듯이, 고주파 전압(A, B)은 모두 음의 전압이 되기 때문에, 도 3의(b)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)는 굴곡진동을 일으키지 않는다. 또한, 이 경우에도 탄성체(1)는 수축되는 방향으로 종진동이 발생되고, 도 3의(c)에 도시되어 있듯이 탄성체(1)가 수축량은 최대가 된다. 따라서, 질점 Y, Z는 모두, 도 3의(d)에 도시되어 있듯이 시간 t4로부터 우측방향으로 45°타원상으로 이동한다.At time t5, since the high frequency voltages A and B are both negative voltages as shown in Fig. 3A, the elastic body 1 does not cause bending vibration as shown in Fig. 3B. Do not. Also in this case, longitudinal vibration occurs in the direction in which the elastic body 1 is contracted, and as shown in Fig. 3C, the elastic body 1 has a maximum shrinkage amount. Therefore, the quality points Y and Z both move in the 45 degree ellipse shape to the right direction from time t4, as shown to Fig.3 (d).
이하, 마찬가지로, 시간 t6 내지 t9의 경우에도 탄성체(1)에 굴곡진동과 종진동이 발생하고, 그 결과, 질점 Y, Z는 우측방향으로 45°씩 타원상으로 이동한다.Hereinafter, similarly, in the case of the times t6 to t9, the bending vibration and the longitudinal vibration occur in the elastic body 1, and as a result, the quality points Y and Z move in the ellipse phase by 45 ° in the right direction.
이와 같이, 초음파 모터에서는 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 합성에 의해, 탄성체(1)의 구동력 취출부(3a, 3b)에 타원운동을 발생하고, 이러한 타원 운동에 의해 이동자(4)가 이동하게 된다.As described above, in the ultrasonic motor, elliptic motion is generated in the driving force extracting portions 3a and 3b of the elastic body 1 by combining the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 1, and the mover ( 4) will move.
또한, 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압의 주파수를 변화시키면 탄성체(1)에 발생되는 굴곡진동과 종진동의 주파수가 변화하기 때문에, 구동력 취출부(3a, 3b)의 타원운동의 주파수도 변화하고, 따라서 이동자(4)의 이동속도도 변화한다.In addition, if the frequency of the high frequency voltage applied to the piezoelectric elements 2a and 2b changes, the frequency of the bending vibration and the longitudinal vibration generated in the elastic body 1 changes, so that the elliptic motion of the driving force extracting portions 3a and 3b is changed. The frequency also changes, and thus the moving speed of the mover 4 also changes.
결국, 초음파 모터에서 압전소자(2a, 2b)에 인가되는 고주파 전압을 제어함에 따라 초음파 모터의 속도를 제어할 수가 있다.As a result, the speed of the ultrasonic motor can be controlled by controlling the high frequency voltage applied to the piezoelectric elements 2a and 2b in the ultrasonic motor.
한편, 초음파 모터는 어느 주파수에서나 다 구동되는 것이 아니라 각 공진 주파수에서 효율이 높게 구동된다. 이 때, 구동 주파수로는 초음파 영역인 20,000Hz를 넘는 고주파수가 사용된다.On the other hand, the ultrasonic motor is not driven at any frequency, but is driven with high efficiency at each resonant frequency. At this time, a high frequency exceeding 20,000 Hz which is an ultrasonic range is used as the driving frequency.
공진 주파수일 때 초음파 모터의 변위 특성, 즉 굴곡진동 방향 또는 종진동 방향의 변위가 커지고, 이 때, 탄성체(1) 표면에서 볼 때 공진 모드에서 굴곡진동 방향의 변위가 각 표면에 따라 동일하지 않으며, 이에 따라 표면에서 가장 대변위 진폭을 갖는 변위점을 찾은 후, 그 최대 변위점에 첨부한 도 4에 도시되어 있듯이, 변위 확대 기구를 설치하면 최대의 효율을 얻을 수가 있다.At the resonant frequency, the displacement characteristics of the ultrasonic motor, that is, the displacement in the bending vibration direction or the longitudinal vibration direction become large, and at this time, the displacement in the bending vibration direction in resonant mode when viewed from the surface of the elastic body 1 is not the same for each surface. Therefore, after finding the displacement point having the largest displacement amplitude on the surface, as shown in FIG. 4 attached to the maximum displacement point, the maximum displacement efficiency can be obtained.
한편, 초음파 모터에서의 진동 고정자는 탄성체(1)와 압전소자(2a, 2b)로 이루어지고, 첨부한 도 5는 종래 진동 고정자의 한 예를 도시한 도면이다.On the other hand, the vibration stator in the ultrasonic motor is composed of an elastic body 1 and the piezoelectric elements (2a, 2b), Figure 5 is a diagram showing an example of a conventional vibration stator.
도 5에 도시되어 있듯이, 탄성체(1)의 길이는 40mm이고, 폭은 10mm이고, 그리고 두께는 2.5mm이다. 탄성체(1)에 부착되어 있는 압전소자(2a, 2b)의 각 길이는 10mm이고, 각 폭은 탄성체(1)의 폭과 마찬가지로 10mm이고, 각 두께는 0.5mm이다.As shown in FIG. 5, the elastic body 1 has a length of 40 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 2.5 mm. Each length of the piezoelectric elements 2a and 2b attached to the elastic body 1 is 10 mm, each width is 10 mm similar to the width of the elastic body 1, and each thickness is 0.5 mm.
도 6은 도 5의 진동 고정자에 고주파 전압을 인가한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a result of applying a high frequency voltage to the vibration stator of FIG. 5.
도 6에 도시되어 있듯이, 도 5의 진동 고정자에 25411.5Hz의 고주파 전압을 2상 구동한 결과, 변위 전의 진동 고정자(점선)가 25411.5Hz의 고주파 전압에 의해 굴곡진동과 종진동의 합성에 의한 타원운동이 발생하여 변위된 것(실선)을 알 수가있다.As shown in Fig. 6, as a result of driving a two-phase drive of a high frequency voltage of 25411.5 Hz to the vibrating stator of Fig. 5, the vibrating stator (dotted line) before displacement causes an ellipse by combining bending vibration and longitudinal vibration by a high frequency voltage of 25411.5 Hz. You can see that the motion occurred and displaced (solid line).
이 때, 굴곡진동의 변위가 탄성체(1) 표면에 따라 동일하지 않기 때문에, 탄성체(1) 표면에 따라 변위량을 알 수 있도록 첨부한 도 7과 같이 탄성체(1) 표면을 색지수로 나타낸다.At this time, since the displacement of the bending vibration is not the same according to the surface of the elastic body 1, the surface of the elastic body 1 is represented by the color index as shown in FIG.
도 7에 도시되어 있듯이, 탄성체(1) 표면의 굴곡진동 방향의 변위를 색지수로 나타낼 경우, 그 변위에 따라 색지수가 다르게 나타난다.As shown in FIG. 7, when the displacement in the bending vibration direction of the surface of the elastic body 1 is represented by a color index, the color index is different depending on the displacement.
도 7에 나타나있는 색지수에서 그 변위가 가장 큰 영역은 AH로 표시된 영역으로 약 9.552E-08mm 정도의 변위를 나타낸다.In the color index shown in FIG. 7, the largest displacement is the area indicated by AH, which represents a displacement of about 9.552E-08 mm.
초음파 모터에서 굴곡진동 방향으로의 변위 특성을 향상시키는데에는 압전소자(2a, 2b)의 재료 특성에 의존하거나 공진주파수에 관련되어 있기 때문에 많은 어려움이 있다.There are many difficulties in improving the displacement characteristic in the direction of bending vibration in the ultrasonic motor because it depends on the material properties of the piezoelectric elements 2a and 2b or is related to the resonance frequency.
한편, 탄성체(1) 표면에 변위 확대 기구를 설치하여 변위 효율을 높이지만, 이 때의 변위는 종진동 방향의 진동 특성에 국한되는 문제점이 있다.On the other hand, although the displacement expansion mechanism is provided on the surface of the elastic body 1 to increase the displacement efficiency, the displacement at this time is limited to the vibration characteristics in the longitudinal vibration direction.
따라서, 이 발명의 목적은 진동 고정자의 굴곡진동 방향의 변위가 확대된 초음파 모터를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor in which the displacement of the vibration stator in the bending vibration direction is enlarged.
도 1a 내지 도 1c는 종래 초음파 모터의 구조를 도시한 도면이고,1a to 1c is a view showing the structure of a conventional ultrasonic motor,
도 2는 종래 초음파 모터에 의하여 구동되는 이동자를 도시한 도면이고,2 is a view showing a mover driven by a conventional ultrasonic motor,
도 3은 종래 초음파 모터의 동작 원리를 설명하는 도면이고,3 is a view for explaining the principle of operation of the conventional ultrasonic motor,
도 4는 종래 초음파 모터에 변위 확대 기구가 설치되어 있는 도면이고,4 is a view in which a displacement expanding mechanism is installed in a conventional ultrasonic motor;
도 5는 종래 초음파 모터의 진동 고정자의 일예를 도시한 도면이고,5 is a view showing an example of a vibration stator of a conventional ultrasonic motor,
도 6은 도 5의 진동 고정자에 고주파 전압을 인가한 결과를 도시한 도면이고,6 is a view showing a result of applying a high frequency voltage to the vibration stator of FIG.
도 7은 도 6의 진동 고정자의 변위를 색지수로 나타낸 도면이고,7 is a view showing the displacement of the vibration stator of Figure 6 in the color index,
도 8은 이 발명의 실시예에 따른 초음파 모터의 진동 고정자의 구조를 도시한 도면이고,8 is a view showing the structure of the vibration stator of the ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention,
도 9는 도 8의 진동 고정자에 고주파 전압을 인가한 결과를 도시한 도면이고,FIG. 9 is a diagram illustrating a result of applying a high frequency voltage to the vibration stator of FIG. 8;
도 10은 도 9의 진동 고정자의 변위를 색지수로 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating displacement of the vibration stator of FIG. 9 by color index.
상기한 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 탄성체 중심부의 굴곡진동 방향의 무게를 적게 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized by reducing the weight of the bending vibration direction of the elastic body.
탄성체 중심부의 굴곡진동 방향의 무게를 적게 하는 것은 탄성체 중심부의두께를 가장자리에 비하여 얇게 하거나, 탄성체 중심부의 재료를 가장자리의 재료에 비하여 무게가 적은 것을 사용함으로서 가능하다.The weight in the direction of the bending vibration of the elastic body can be reduced by making the thickness of the elastic body thinner than the edges or by using the material of the elastic body lower than the edge material.
탄성체 중심부의 두께를 가장자리에 비하여 얇게 하여 탄성체 중심부의 무게를 적게 함으로써, 탄성체 중심부의 굴곡진동 방향의 변위가 확대된다.By making the thickness of the elastic body center thinner than the edges to reduce the weight of the elastic body center, the displacement in the bending vibration direction of the elastic body center is expanded.
탄성체의 한쪽 면에는 고주파 전압이 인가될 때 진동하는 압전체가 결합되어 있고, 압전체가 결합되어 있지 않은 탄성체의 다른쪽 면을 특정한 곡률 반경을 갖는 곡면으로 형성하여 탄성체 중심부의 두께를 가장자리에 비하여 얇게 형성할 수 있다.One side of the elastic body is coupled to a piezoelectric vibrating when a high frequency voltage is applied, and the other side of the elastic body that is not coupled to the piezoelectric body is formed into a curved surface having a specific radius of curvature so that the thickness of the center of the elastic body is thinner than the edges. can do.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention may be easily implemented by those skilled in the art with reference to the accompanying drawings.
도 8은 이 발명의 실시예에 따른 초음파 모터의 진동 고정자의 구조를 도시한 도면이다.8 is a view showing the structure of the vibration stator of the ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 초음파 모터의 진동 고정자는 한쪽 면이 오목한 곡면으로 형성되어 있는 탄성체(10)와, 탄성체(10)의 다른쪽 면에 부착되며 세라믹(ceramic) 등으로 만들어진 압전체(20a, 20b)를 포함한다.As shown in FIG. 8, the vibrating stator of the ultrasonic motor according to the exemplary embodiment of the present invention is attached to the elastic body 10 having one surface formed with a concave curved surface, and attached to the other surface of the elastic body 10. Piezoelectric bodies 20a and 20b made of or the like.
여기에서, 탄성체(10)의 한쪽 면에 형성되어 있는 곡면은 중심점(O)을 중심으로 하고, 곡률 반경(r)이 101mm인 곡면이다. 이 발명의 실시예에서 이러한 곡면만을 한정하는 것은 아니다.Here, the curved surface formed in one surface of the elastic body 10 is a curved surface centering on the center point O and having a curvature radius r of 101 mm. In the embodiment of the present invention is not limited only to this curved surface.
탄성체(10)의 길이는 40mm이고, 폭은 10mm이고, 두께는 가장 두꺼운 가장자리의 두께가 2.5mm인 반면에, 가장 얇은 중심부의 두께는 0.5mm이다.The length of the elastic body 10 is 40 mm, the width is 10 mm, the thickness is 2.5 mm in thickness of the thickest edge, while the thickness of the thinnest center is 0.5 mm.
각 압전체(20a, 20b)의 길이는 10mm이고, 폭도 10mm이고, 두께는 일정하게 0.5mm이다.Each piezoelectric body 20a, 20b has a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.5 mm.
이와 같이, 탄성체(10) 중심부의 두께가 다른 부분에 비하여 얇기 때문에 굴곡진동 방향의 무게는 탄성체(10) 중심부에서 가장 적다.As described above, since the thickness of the central portion of the elastic body 10 is thinner than other portions, the weight in the bending vibration direction is the smallest in the central portion of the elastic body 10.
압전체(20a, 20b)의 탄성체(10)와 결합되지 않은 면에는 전극(도시되지 않음)이 각각 배설되어 있다.Electrodes (not shown) are disposed on the surfaces of the piezoelectric bodies 20a and 20b that are not joined to the elastic body 10, respectively.
압전체(20a, 20b)는 두께 방향에 관하여 서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 각 압전체(20a, 20b)에 형성되어 있는 전극을 통하여 서로 90°위상이 다른 고주파 전압이 인가된다.The piezoelectric bodies 20a and 20b are polarized in opposite directions with respect to the thickness direction, and high frequency voltages having different 90 ° phases are applied through electrodes formed on the piezoelectric bodies 20a and 20b.
압전체(20a, 20b)에 고주파 전압이 인가되면, 각 압전체(20a, 20b)는 고주파 전압의 주파수에 따른 진동을 하게 되고, 이러한 진동은 탄성체(10)에 전달되고, 탄성체(1)는 굴곡진동과 종진동을 한다.When a high frequency voltage is applied to the piezoelectric bodies 20a and 20b, each of the piezoelectric bodies 20a and 20b vibrates according to the frequency of the high frequency voltage, and this vibration is transmitted to the elastic body 10, and the elastic body 1 is a bending vibration. And longitudinal vibration.
도 9는 도 8의 진동 고정자에 고주파 전압을 인가한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a result of applying a high frequency voltage to the vibration stator of FIG. 8.
도 9에 도시되어 있듯이, 도 8의 진동 고정자에 10185Hz의 고주파 전압을 2상 구동한 결과, 변위 전의 진동 고정자(점선)가 10185Hz의 고주파 전압에 의해 굴곡진동과 종진동의 합성에 의한 타원운동이 발생하여 변위된 것(실선)을 알 수가 있다.As shown in FIG. 9, as a result of driving two-phase driving a high frequency voltage of 10185 Hz to the vibration stator of FIG. It can be seen that it is generated and displaced (solid line).
이 때, 굴곡진동의 변위가 탄성체(10) 표면에 따라 동일하지 않기 때문에, 탄성체(10) 표면에 따라 변위량을 알 수 있도록 첨부한 도 10과 같이 탄성체(1) 표면을 색지수로 나타낸다.At this time, since the displacement of the bending vibration is not the same according to the surface of the elastic body 10, the surface of the elastic body 1 is represented by the color index as shown in FIG.
도 10에 도시되어 있듯이, 탄성체(10) 표면의 굴곡진동 방향의 변위를 색지수로 나타낼 경우, 그 변위에 따라 색지수가 다르게 나타난다.As shown in FIG. 10, when the displacement in the bending vibration direction of the surface of the elastic body 10 is represented by a color index, the color index is different according to the displacement.
도 10에 나타나있는 색지수에서 그 변위가 가장 큰 영역은 AN로 표시된 영역으로 약 1.851E-07mm 내지 약 1.993E-07mm 정도의 변위를 나타낸다.In the color index shown in FIG. 10, the area with the largest displacement is an area indicated by AN and represents a displacement of about 1.851E-07 mm to about 1.993E-07 mm.
이러한 변위는 종래의 변위에 비하여 확대된 것으로, 변위가 가장 큰 영역 뿐만아니라 그 이외의 영역에서도 종래의 변위에 비하여 확대되는 것으로 나타난다.This displacement is enlarged as compared with the conventional displacement, and appears to be enlarged as compared with the conventional displacement not only in the region where the displacement is largest but also in other regions.
이와 같이, 탄성체(10)에서 무게가 적은 부분의 굴곡진동의 변위가 무게가 큰 부분의 굴곡진동의 변위보다 크다는 것을 알 수 있다.In this way, it can be seen that the displacement of the bending vibration of the light weight portion of the elastic body 10 is greater than the displacement of the bending vibration of the weight portion.
따라서, 탄성체(10)의 굴곡진동의 변위가 확대됨으로써, 동일 공진주파수의 사용에 따른 효율이 향상되고, 동일 공진모드에서 사용 공진주파수가 하향된다.Therefore, the displacement of the bending vibration of the elastic body 10 is expanded, so that the efficiency of using the same resonance frequency is improved, and the use resonance frequency is lowered in the same resonance mode.
또한, 구동 주파수 하향으로 압전체(20a, 20b)의 부담이 작아져서 초음파 모터의 수명이 길어지고, 초음파 모터 구동 회로 제작이 용이해진다.In addition, the burden on the piezoelectric bodies 20a and 20b decreases as the driving frequency decreases, so that the life of the ultrasonic motor is long, and the manufacturing of the ultrasonic motor driving circuit becomes easy.
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 탄성체의 한쪽 면을 오목한 곡면 형상으로 형성함으로써, 탄성체(10)의 굴곡진동의 변위가 확대되는 초음파 모터를 제공할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, by forming one surface of the elastic body in a concave curved shape, it is possible to provide an ultrasonic motor in which the displacement of the bending vibration of the elastic body 10 is expanded.
비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.Although this invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments disclosed above, but also includes various modifications and equivalents within the scope of the following claims.
Claims (2)
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