KR100548054B1 - 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터 - Google Patents
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Abstract
일종의 피에조세라믹(piezoceramic)축 구동 타입의 초음파 모터는 상기 모터의 구동 고정자(stator)로서 압전디스크 장치이며, 여기서 A.C전원은 역(converse)압전효과에 근거한 피에조세라믹의 팽창-수축운동을 형성하도록 공급된다. 배판의 굽힘파동(flexural wave)은 피에조세라믹 진동의 푸시풀력(push-pull force)에 의해 발생된다. 상기 고정자 위의 핀헤드를 다이나믹 축 베어링으로 이용함에 의해, 구동되는 회전자(rotor)는 마찰 접촉력을 가지고 상기 전원을 전달하도록 베어링에 직접 연결된다. 원형(prototype)모터의 회전 속도는 구동 조건인 74 kHz, 전압 +/-10 Vpp, 및 0.2 A 전류에서 3000 rpm 만큼 높아 질 수 있으며, 토크는 대략 0.003 N·m 이다. 이것은 CD 드라이버, 의용생체공학의 구동장치, 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 유용하다.
피에조세라믹, 회전자, 배판, 압전효과, 고정자, 네일, 전하
Description
도1a는 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 디스크 장치의 기초 구조.
도1b는 본 발명에 따른 상기 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 메카니즘도.
도2a는 본 발명에 따른 상기 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 분해사시도.
도2b는 본 발명에 따른 상기 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 사시도.
도2c는 본 발명에 따른 상기 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 측면도.
도3은 상기의 압전 구동장치에 고착되는 카본파우더의 설명도.
도4a는 상기 압전시트가 그 경계에서 20 kHz로 고정되지 않을때 카본파우더의 패턴도.
도4b는 상기 압전시트가 그 경계에서 74 kHz로 고정되지 않을때 카본파우더의 패턴도.
도5a는 상기 압전시트가 ANSYS의 20 kHz로 고정되지 않을 때 시뮬레이션도.
도5b는 상기 압전시트가 ANSYS의 20 kHz로 고정되지 않을 때 시뮬레이션도.
도6은 임피던스와 주파수의 응답도.
도7a는 네일이 고정될 때 ANSYS 시뮬레이션도.
도7b는 네일이 고정될 때 ANSYS 시뮬레이션도.
도8a는 120°분리된 3개의 네일이 첨가된 상기 고정자의 카본파우더의 패턴도.
도8b는 120°분리된 3개의 네일이 첨가된 상기 고정자의 카본파우더의 ANSYS 시뮬레이션도.
도9는 편심운동하는 네일의 설명도.
도10은 보다 적절한 위치의 네일의 설명도.
도11은 상기 획득 보충후 시스템 보드 플롯과 시뮬레이션 출력 신호도.
도12는 모터가 작동할 때 고정자의 등가 회로도.
도13은 모터의 회전속도와 시간사이의 관계도.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1: 압전세라믹 박막 2: 금속배판
203: 고정구 204: 베이스판
205: 베어링 206: 베어링 시트
207: 축 208: 고정자
209: 가중디스크 21: 네일
210: 진동 박시트 22: 회전자
31: 카본파우더 32: 전하
본 발명은 종래의 전자기 모터에 의해 야기되는 전자기 간섭(EMI) 효과를 피할 수 있는 피에조세라믹(piezoceramic) 축 구동 타입의 초음파 모터에 관한 것으로서, 일반적인 초음파 모터의 회전속도가 3000 rpm 이상으로 상승할 수 있는 시계방향으로의 회전과 반시계방향으로의 회전에 있어서의 출력 토션(torsion)불균형을 극복하며, 의용생체공학의 구동장치 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬으로 사용된다.
압전(piezoeletric) 구동장치에서, 압전 세라믹은 중요한 역할을 하는데, 압전특성이 상기 구동장치의 실행을 결정한다. 최근에, 압전재료에 있어서의 진보에 따라, 압전구동장치 중의 하나인 스택(stack) 타입의 구동장치가 정확한 위치 컨트롤을 하는데에 폭넓게 사용된다. 본 발명에 따른 초음파 구동장치는 바이모프(bimorph) 구동장치와 초음파 모터의 혼합모드이며, 이것이 원료로서 유니모프 압전재료를 채택한다.
초음파 모터의 아이디어는 전 소련 과학자에 의해 제안되었는데, 초음파 모터의 최초 실험모델은 1963-1964년에 M.E.Archangelskij, V.Lavrinenko[1]에 의해 설계되었다. 그 후, 초음파 모터의 연구분야에서 발행된 잡지가 다양한 연구방향 뿐만아니라 연구재료를 보여준다. 그러나, 그 대부분은 링 구조의 진행파 타입의 초음파 모터에 촛점을 맞춘다. 최근의 연구는 다음과 같이 분류된다: 구동원리 뿐만아니라 유한요소 방법을 이용하여 진동모드를 분석하는데 따른 수학적 모델 연역, 변형 및 개선 등에 의해 분류된다[2-9].
링 타입 초음파 모터의 수학적 모델연구에 대하여, Oleg Yu. Zharii는 상기 연구가 회전자의 회전속력, 속도, 압전특성, 에너지 전송효율, 등을 계산하는데 사용되는 일련의 이론을 연역하는것을 목적으로 함에 따라 진행파 초음파 모터를 사용할 것을 제안했다[10]. 유한요소 진동모드 분석[11]에 의해, J.W.Krome 및 J.Wallaschek 는 구조적 변형 뿐만아니라 개선을 위해 ANSYS 소프트웨어를 통한 진동모드를 시뮬레이션한다. T.Yamazaki에 의한 비접촉 타입 초음파 모터의 표면 음향은 상기 회전자와 고정자 사이에 에너지를 전달하며 상기 회전자를 스핀하게 한다[12]. 상기 비접촉 초음파는 종래의 접촉 타입 초음파 모터와 비교하여 제한된 속력에서 더 잘 실행된다. Anita M.Flynn 은 강유전체 박막이 상기 압전 초음파 모터에 적용되도록 제조되는 실리콘 웨이퍼상의 모터 고정자 장치로서 마이크로 구동장치를 제조하는데 MEMS 기술을 이용한다[13].
본 발명의 목적은 진행파 뿐만아니라 높은 진폭의 입력 A.C. 전원을 형성하는데 2상 구동전원에 의존하는 종래의 초음파 모터의 설계에서의 제한을 극복한 일종의 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 다른 전자기 장치에 의해 발생되는 전자기 간섭효과를 피할 수 있고, 회전 속력이 3000rpm 이상으로 상승할 수 있는 일반적인 초음파 모터에 대하여 시계방향 및 반시계방향으로 작동시 출력 토션(torsion)불균형을 극복하는 일종의 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터를 제공하는 것으로, 이것은 의용생체공학의 구동장치 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 사용될 수 있다.
본 발명의 상기에 언급된 목적을 얻을 수 있는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 주요 구성성분들은 고정자 위로 핀헤드(pin head)를 다이나믹 축 베어링으로서 이용하는 상기 모터의 구동 고정자로서의 디스크(disc) 타입 압전장치이며, 구동하는 회전자는 축의 바닥 헤드를 베어링에 직접 접촉하여 마찰 접촉력으로 전력을 전송한다. 상기 모터의 설계와 제조는 고정자 진동모드 관측 및 시뮬레이션, 압전재료 임피던스 주파수 반응의 측정, 진행파의 역학적 설계, 시스템 다이나믹 동일화(identification), 균등한 회로 연역(deduction), 뿐만아니라 회전속력과 회전토크의 측정,등등을 포함한다. 원형모터의 회전속력은 74kHz의 주파수, A.C.전압 +/-10Vpp 및 0.2A 전류, 토크가 대략 0.003 N·m 인 구동조건에서 3000 rpm 만큼 높아질 수 있다. 이것은 CD 드라이버, 의용생체공학의 구동장치 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 유용하다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중공구조셀, 축, 회전자 베어링, 고정자 베어링 시트, 가중디스크, 및 스탑 푸시(stop-push)베어링 시트를 포함하며; 상기 회전자 베어링과 고정자 베어링 시트는 상기 중공구조셀의 상하부 측면에서 회전축을 지지하고; 상기 회전축은 가중디스크를 수직으로 관통하고, 회전축의 바닥부는 상기 박판 고정자위의 상기 스탑푸시 베어링위에 안착되며; 회전자축이 지지 가중디스크 상에서 자유롭게 회전하도록 하며 박판 고정자가 입력된 A.C.신호와 출력된 진동에너지에 의해 초음파 주파수 하에서 자유롭게 진동하도록 구동하는 진동박판을 안착한 상기 구조셀의 바닥부를 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터를 제공한다.
상기 중공구조셀은 L-형의 역학적 구조체로 대체될 수 있는 것이 바람직하고 상기 지지 중공구조셀의 양단면은 수직축을 나타내는 상기 회전자축에 직교하는 구조이다. 그리고 상기 중공구조셀의 상부에 있는 상기 지지 회전축 메카니즘은 상기 베어링과 연결되는 구조이다.
또한 본 발명은 압전장치를 구성하는 원형(round) 금속배판으로 형성되는 초음파 구동장치를 이용하는 방법으로서, 박판(thin plate) 압전장치의 공진상태하에서 방사 및 아크 방향의 두개의 기하학적 직교 정재파 또는 진행파를 구비하고,
종래의 다중 전극에 의해 구동되는 진행파 대신에 축구동력을 형성하는 직교 진동파를 이용하며 모터용 3상 구동 진행파가 구동점 파장의 전파차이에 따라 발생되는 것을 특징으로 하는 피에조 세라믹 축 구동(shaft-driving) 타입의 초음파 모터를 구동하기 위한 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 작동상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
본 발명에 의해 제공된 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 압전 세라믹 박막(1)과 탄성이 있는 금속 배판(back plate)(2)로 구성된 디스크 모양의 단순한 구조의 압전시트를 이용하며, 상기 구조는 도1a 에서 볼 수 있는 것처럼 전류소모가 더 적을 뿐만아니라 더 안정한 진동운동을 한다.
피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 상기 압전 구동장치의 진동을 적용하는데 사용하며 상기 금속 배판위의 고정네일의 도움으로 타이트하게 맞대어 있는 두개의 합성 페이스트시트(paste sheets)를 가지고 상기 다이나믹 에너지의 출력을 가이드하며, 대칭되는 120°갭(gap)을 가지고 상기 원형 박시트(thin-sheet)의 외부 링에 세개의 네일(21)로 타이트하게 잠그며, 구동체인 원판의 박시트의 편심 위치에 네일로 잠그며, 회전자(22)는 도1b 에서 보여 주는 것처럼 디스크의 무게중심을 관통하는 축을 포함한다.
도2a 내지 도2d 를 참조하면, 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 고정구(203)와 베이스판(204)으로 구성된 중공(hollow)구조셀을 포함하며, 상기 주요 몸체의 상하부 측면에는 회전자의 축(207)을 지지하는데 사용되는 회전자 베어링(205)과 고정자 베어링 시트(206)가 있으며, 회전자의 상기 축(207)은 가중디스크(209)를 수직으로 관통하여 연결된다. 상기 중공구조셀(203)은 도2b에서 알 수 있듯이 L-형의 역학적 구조체로서 구비되는 것이 가장 바람직하고 동시에 상기 중공구조셀의 양단면은 수직축을 나타내는 상기 회전자축(207)에 직교하는 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 한편 상기 중공구조셀(203)의 상부에 있는 상기 지지 회전축(207) 메카니즘은 상기 베어링(205)과 연결되는 구조이다. 상기 축의 중심 바닥은 다음의 특성을 가진 고정자(208)의 베어링 시트(206)에 안주되는데, 그 특성으로 상기 주요몸체의 구조셀의 바닥부에는 상기 회전자의 축(207)를 A.C.신호에 의해 초음파 주파수 하에서 자유롭게 진동하는 박판 고정자를 구동하기 위해 가중디스크(209)를 지지하면서 자유롭게 회전하도록 하며 진동 에너지의 출력을 가이드하는 진동 박시트(210)가 있으며, 입력된 A.C.전원의 최적의 작동주파수 범위는 20 kHz - 200 kHz 이다.
상기 박 디스크의 진동은 진행파 모드와 정재파 모드로 대략 분류된다. 참고 문헌을 보면, 포함된 진동모드 관측은 주로 레이저 간섭이다; 그러나, 본 발명은 작동원리가 편광 후 압전재료의 본래 커패시턴스 특성인 금속 배판에서의 파동요동(fluctuation)을 관측하는데 카본파우더를 이용한다. 도3 에서 볼 수 있는 것처럼, 높은 주파수의 전기장이 압전시트에 적용될 때, 카본파우더(31)를 상기 배판(12)에 분사한다. 카본파우더(31)는 전기장에 의해 축적되고 정착된 전하(charge)에 의해 금속 배판(12)에 점착된다.
정재파 모드에서 카본파우더는 마디환과 마디 직경선에 집중되어, 도4a, 도4b, 도7a, 도7b, 도8a, 도8b 에서 볼 수 있는 것처럼, 파동과 마디로 구성된 모드도면을 직접 관측할 수 있다. 마이켈슨 간섭방법을 적용한 관측된 진동모드 방법과 비교하면, 이 연구에서 사용된 개발 방법은 직접적이고 단순하고 효율적인 전 분야 관측 기능을 갖는다; 상기 디스크의 진동을 관측하는데 카본 개발방법을 이용하므로서, 박 시트상의 주요 진동모드가 카본파우더 도면의 명료도에 의해 진행파 모드인지 정재파 모드인지 여부를 대략 판단할 수 있으며 여기서 카본파우더는 반사파에 따른 다이나믹한 도면을 보여준다; 반면에, 파동이 운동중이고 강성재료를 가진 굴절 네일을 터치할 때, 파동 마디상의 카본파우더는 원판위에서 반대방향을 향해 분포된 정재파 모드 도면이 되도록 분포된 카본파우더 도면을 볼 수도 있으며, 이는 반사파가 존재한다는 증거이다. 패터닝 방법에 의해 관측된 카본파우더의 분배모드와 유한요소 방법의 적용에 의해 시뮬레이션된 초음파 진동모드의 분배모드를 비교하면, 플레인 외의 (out-of-plane)진폭과 변위와 금속 배판의 변형방향을 계산할 수 있다.
초음속 모터에 대한 많은 수학방정식이 알려졌다. 그러나, 초음속 구동장치의 물리적 모델이 매우 복잡하고 구조가 수정됨에 따라 변하기 때문에, FEM 소프트웨어 ANSYS 는 초음속 구동장치의 거동(behavior)을 분석하고 시뮬레이트하곤 했다. 그것이 물리적 모델에 의해 세워진 수학방정식으로 하는 것보다 더 실용적이고 빠르다; 게다가, 상기 드라이버의 기초 설계원리가 구조설계의 방향을 가이드함을 입증할 수 있는 피에조세라믹에 의해 구동된 금속 배판의 다이나믹한 반향모드를 얻을 수 있다. 그래서, 유한요소 분석이 필요한 것이다. 다시 말하면, 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하는데 ANSYS 유한요소 분석 소프트웨어를 사용하는 주요 목적은 다음과 같다: (1) 최소의 시간으로 초음속 구동장치의 최상의 설계를 얻기 위한 것이다; (2) 초음속 구동장치에 대한 다수 재료의 영향을 시뮬레이트 할 수 있다; (3) 금속판에서의 진동조건의 변화를 명백하게 알 수 있다. 유한요소 분석은 두 부류로 나누어 질 수 있다: 모드(modal)분석 및 조화(harmonic)분석; 모드분석이 압전시트의 고유 공진주파수를 실행할 수 있는 반면 조화분석은 도5에서 보여주는 것처럼 입력된 A.C.전압의 다이나믹한 반향을 계산할 수 있다. 입력된 A.C.전압의 주파수에서, 상기 압전시트는 최대 출력전원을 얻을 수 있다; 게다가, 획득한 모드형태는 도5a 및 도5b 에서 보여주는 것처럼, 카본파우더 패터닝에 의해 얻어진 것과 비교될 수 있다.
압전 재료 매개변수의 정확성을 입증하기 위해서, 유한요소 분석 소프트웨어를 이용하여 상기 압전시트의 고유 공진주파수와 반공진주파수를 계산하며 측정된 값과 비교를 행한다; 유한요소 방법을 사용한 고유 공진주파수에 의해 계산된 값이 HP 임피던스 분석기를 사용하여 측정된 값과 대략적으로 같은 결과가 나온다면, 이는 상기 시뮬레이트 압전계수가 실제값에 매우 가깝다는 것을 의미한다. 계산은 다음과 같이 설명된다:
입력 임피던스는 다음으로 정의된다:
여기서, I 는 전류, V 는 값이 1 volt인 입력 전압값, Q는 압전시트 전극하에서 전압 1 volt에 의해 유도된 총전하량, ω는 각주파수를 나타낸다.
도6은 HP임피던스 분석기를 사용하여 얻은 임피던스 대 주파수 반향과 유한요소 분석 소프트웨어를 사용한 계산결과이다. 압전시트의 고유 공진주파수는 유한요소 분석 소프트웨어를 통해 67.5 kHz 가 된다고 계산된 반면에, 에러율 6.9%의 임피던스 분석기에 의해 측전된 고유 공진주파수 값은 72.5 kHz 이다. 상기의 결과는 유한요소 시뮬레이션에서 채택된 재료계수는 실제 압전재료의 계수와 똑같지는 않으나 비슷하다는 것을 설명하며, 이는 유한요소 분석 소프트웨어의 시뮬레이션에 의해 얻어진 압전계수에 대하여 보다 나은 정정될 것이 남아 있다는 것을 의미한다. 상기 도면으로부터 유한요소 분석 소프트웨어를 사용한 계산에 의해 얻어진 값이 임피던스 분석미터를 사용하여 측정된 것보다 더 높다는 것을 알 수 있으며, 유한요소방법에 의해 시뮬레이트할 때, 상기 재료의 특성과 구조적 댐핑(damping)이 고려되지 않기 때문에, 시뮬레이트된 값은 측정된 값보다 더 높다. 게다가, 고유 공진주파수의 드리프트는 압전시트의 지리적 구조모델이 ANSYS 에서 세워질때 주로 판단되며, 비록 다른 재료 매개변수가 개별적으로 입력될지라도 금속 배판과 압전 세라믹 박막은 합성분석을 실행하는데 있어서 같은 고체로 보여진다; 그러나, 사실, 압전시트는 금속 배판위에 실버글루(silver glue)로 접착된 압전세라믹으로 만들어지므로, 압전 시뮬레이션의 가장 근접한 실제조건은 금속 배판에서 파동의 성질을 분석하기 위해 압전재료 특성을 가진 SOLID5 에 의해 SHELL63의 형상함수를 사용하는 것이다; 그래서 압전 및 금속재료 계수 및 모델작도(construction)때는 언제나 더 정확한 시뮬레이션을 얻기 위하여 수정을 요함을 알 수 있다. 그러나, 요약하면, 상기의 에러는 작동분석의 기초가 되기에 충분한 본 연구의 분석에서 상기 특징에 실제적인 어떠한 영향도 주지 않는다.
일반적으로, 박(thin)디스크의 주요 진동형태는 방사 모드이며, 압전 세라믹의 진동방향에 대해 반경(R)방향 뿐만아니라 두께방향이 있다; 전압이 적용될 때, 박디스크는 R 방향을 향하여 연장된다; 게다가, Possion 비율로 두께방향으로 줄어들기 때문에, 마디환의 환들이 박디스크상에 나타나며, 환 타입의 마디수는 도5a 및 도5b 에서 보여주는 것처럼, 주파수 증가만큼 상승할 것이며, 환 마디의 위치는 Bessel 함수의 값과 거의 같다. 원판 고정자에서 파동방정식은 다음과 같이 비축대칭 자유진동형태로써 나타내 진다:
만약 a 가 원판의 반경이라면, 진동특성해는 변수분리법과 알려진 경계조건을 이용하여 방정식(2)에서 처럼 결정된다:
여기서, n 은 마디 직경선의 수를 나타낸다. 비축대칭 자유진동조건하에서, 원판의 파동방정식은 방정식(2)의 n 에 의해 결정되는 차수로 대략 0-차 Bessel함수는 아니다. Bessel 함수는 감소하는 진폭을 가진 진동함수이며 카본파우더 패터닝을 사용하여 관측된 것과 같은 주기적 진동특성을 가진 대략 주기함수이다. 진동면이 아크(arc)방향에서 정재파를 형성하므로, n 값은 마디선 수에 의해 결정된다.
카본파우더 패터닝 실험에 의해 도면에 따라 상기의 언급된 결과를 이용하고 유한요소 다이나믹 시뮬레이션에 의해 관측됨에 따라, 파동방정식은 압전박막의 비축대칭 진동의 조건하에서 n차인 제1 Bessel 함수에 속한다고 결론지을 수 있다.
카본파우더 실험과 FEM 시뮬레이션에 의해 얻은 정재파 모드는 두개의 경계조건에서 토의될 수 있다: (a) 경계가 자유단일때 초음파 진동모드에 대한 음향주파수; (b) 네일이 놓여지고 경계로 지지될때 압전시트의 진동모드의 변수.
(a) 자유경계조건
도4a 와 도4b 는 자유단 음향주파수의 범위 및 초음파 주파수 범위하에서 발생되는 정재파 카본파우더 도면이며, 도5a 와 도5b 는 대응되는 FEA 진동모드 시뮬레이션도이고, 상기 카본파우더 도면으로부터 음향주파수하에서의 도면이 대략 마디위치를 구별지을 수 있다는 것을 알 수 있으며, 초음파 주파수 하에서 링모양의 마디 분포를 명백하게 볼 수 있다. 박시트가 음향주파수하에서 작동하기 때문에, 진동에 의한 출력전원은 초음파 범위의 전원보다 작고 파장은 주파수가 강화함에 따라 짧아진다. 여기서 마디위치로 이동하는 카본파우더의 에너지는 거리에 직접 비례하므로, 파장이 짧을 수록 카본파우더의 이동거리도 짧아지며, 이는 초음파 도면이 더 잘 보이는 이유를 설명한다: 파장에 의해 영향을 받는데다가, 카본파우더 도면의 선명도는 주로 출력전원에 의해 영향을 받는다. 그래서 박시트는 카본파우더 패터닝을 통해 명백하게 표면 진동이 관측될 수 있기 때문에, 이상적인 고정자 구동전압 주파수는 더 큰 출력전압을 가지므로 100 kHz 이하이다.
(b) 지지된 경계조건하에서
도7a 와 도7b 는 디스크의 외부단에 네일이 첨가되어 진폭이 0 이 될때의 카본파우더 도면과 시뮬레이션 도면을 보여준다. 상기 도면으로부터 링모양의 마디분포 이외에 방사형 마디분포를 명백하게 볼 수 있고 관측할 수 있다. 그러한 현상은 두 방향의 정재파 운동이 있음을 보여주는데, 하나는 방사 방향을 따른 링모양의 분포를 형성하는 것이고, 다른 하나는 아크면을 따른 방사 분포를 형성하는 것이다. 네일이 고정되기 때문에, 매체의 더 큰 상대 밀도에 대한 굴절기이며, 굴절조건은 명백한 방사 마디 분포를 만드는 회절조건보다 더 크다; 게다가, 방사형 링 또는 방사형 링 정상의 위치에 있는 네일을 따라 다른 정재파 모드가 발생한다. 그래서 압전 구동장치의 다이나믹한 전송모드를 설계하도록 박판 진동의 스타일을 바꾸는데 네일을 이용할 수 있다.
각각이 120°떨어져 있는 세개의 반향 네일의 배치에서, 도8a 와 도8b 는 금속 배판에서의 마디분포를 보여준다. 회전자에 의해 작동된 푸시력은 고정자상의 파동운동에 의해 전송되므로, 접촉위치는 진폭이 최대인 위치에 안주되어야 한다. 또한 접촉점으로 전달된 모멘텀은 3방향으로부터 푸시력을 이용하여 도9 에서 보여주는 것처럼 네일에 편심진자를 발생하게 한다. 만약 네일 자체로 관측한다면, 네일의 주위에 파동이 존재한다고 가정할 수 있다. 그래서 도10 은 이상적인 접촉점의 배치도이다.
기초 작동원리는 다음과 같이 요약된다: 전기적 에너지와 역학적 에너지 변환의 매체로서 압전시트를 사용하는 것. 압전시트에 A.C.전압이 가해질때, 역학적 파동을 발생시켜 방사 및 아크방향을 따라 전송하도록 금속 배판을 팽창하고 수축하게 하는 역 압전효과에 의한 팽창 수축 관계를 통해서 밀어당기는 힘을 발생한다. 네일의 재료실행과 Ni 합금으로 제조된 금속 배판의 재료실행의 차이 때문에, 파동의 전송동안에, 네일은 반사점이 된다. 세개의 외부 네일에 의해 구성된 반사점을 이용하므로서, 반사파는 편심운동하는 네일이 스윙하는 원의 중심까지 되돌아 오도록 가이드 될 수 있으며, 카본파우더와 시뮬레이션도는 도8a 및 도8b 에서 각각 보여준다. 반사파의 워킹(walking)거리가 돌아오는데 위상차가 생기도록 하며, 적절한 구동점을 선택한다면, 상기 위치의 상기 점을 순환하는 3상 진행파가 형성되며 회전자를 회전시키도록 회전 축를 향해 토크를 제공하는 3상 구동 목적을 달성한다.
즉 도2d의 세라믹 박막에 펄스전압신호를 인가할 때 금속배판은 역 압전효과에 기반하는 팽창-수축 모션을 발생하고 금속배판은 방사와 일반적인 상태 외부로 전파하는 에너지 파형을 진동 및 생성하는 압전세파믹 박막의 푸쉬풀력에 의해 구동된다. 그리고 네일은 도1d에 도시된 바와 같이 파형전파동안 반사점으로 되기 때문에 금속배판에서에서의 세개의 네일에 의해 형성되는 반사점은 중앙으로 에너지 파형을 가이드하고 반사하게 된다.
상기 네일의 편심위치는 세개의 대칭 에너지 파형을 위한 다른 경로를 생성하도록 설계되기 때문에 에너지 파형은 위상차를 갖는 파복(波腹,antinode)에 이른게 된다. 편심위치의 베어링 시트가 적합하게 선택된다면 베어링 시트는 도1e에 도시되는 바와 같이 스핀하는 회전자와 축을 구동하는 베어링 시트를 진행파 환형과 교차하는 세개의 위상을 일으키게 된다. ANSYS 시물레이션 플롯에 의하면 편심의 네일은 네일 주변의 반사파형을 교차하는 세개의 위상을 생성하며 반사파형을 교차하는 세개의 위상 위치는 편심의 네일 주변에 현저한 회전력을 형성하는 다른 사이클에서의 변화를 지속한다.
한편 세개의 반사파는 동시에 공진모드에서 겹쳐지는 것과 Φ1 Φ2 Φ3 의 세개의 위상차로 단일 전기신호에 의해 여자되는 것이 가정될 수 있으며 여기서 공간상의 위상변이는 약 제3 파장(λ/3)이 된다.
명확하게 분류되지는 않는 온도 상승, 파동요동, 등을 인식함에 따른 압전재료에 대한 다수의 변수가 여전히 존재하므로, 그러한 시스템을 수립하는데 종래의 복잡한 물리적 모델을 사용한다면, 모터의 다이나믹을 완전하고 정확하게 묘사할 수 없다. 그러나, 본 실험의 디자인은 모터가 상기 시스템의 작도 뿐만아니라 부수적인 등가회로 연역에 대한 기초로 작동할 때 상기 압전 구동장치의 양단부에 전압과 전류 신호를 획득하므로서 그러한 시스템의 다이나믹한 이동 기능을 해결한다.
1 MHz 의 표본 주파수가 입력 전압과 출력 전류 신호를 획득하는데 적용되며, 이것은 방정식 (3)의 차수(5/5)를 가진 분리 전달함수 G(B)를 합성할 수 있다.
(3)
방정식(3)을 방정식(4)로 만들기 위해 부분 방정식법을 사용하면, 상관계수는:
K= 0.0926 (4)
표의 (c)에서, λ5 는 1차 전달함수이며, 압전 세라믹 자체가 캐퍼시턴스 재료이므로, 상기 제1차 함수의 λ5 다이나믹 모드는 세라믹 억제 캐퍼시턴스의 특성에 의해 야기된다; (b)의 λ3,4 다이나믹 모드는 압전 세라믹의 공진영역인 72 kHz 와 거의 같은 대략 64.3 kHz 의 공진주파수를 가지며, 상기 다이나믹 모드는 상기 공진 영역의 실행을 나타낸다고 언급된다.
(a)의 λ1,2 다이나믹 모드, 공진주파수 383.69 kHz 가 상기 모터의 작동주파수와 상이하므로, 상기의 다이나믹 모드는 상기 시스템의 안정성에 영향을 주는 주요 문제는 아니다. 상기 시스템의 특성과 큰 상관관계가 있는 λ3,4 및 λ5 다이나믹 모드는 유지하는 반면에 λ1,2 다이나믹 모드를 제거하면, 원래 시스템의 다이나믹 전달함수는 식(5)로서 수정된다.
게다가, 차수 감소후 시스템 전달값(B=1 또는 w=0)의 등가 개념에 따라, D.C.이득은 보상값으로 -0.021가 되는 것으로 해석된다. 이것을 방정식(5)에 대입하면 절충한 이후의 시스템 전달함수 G*(B)는 방정식(6)에 나타난 바와 같이 해석된다.
도11은 본 전달함수에 대한 본 시스템의 시뮬레이션이며, 도면으로부터 관측된 시뮬레이션 전류와 실제 신호에 대해 에러가 없음이 관측된다.
표본 시간이 짧기 때문에, 방정식(7)의 별개 시스템은 방정식(8),(9),(10)에서 알 수 있는 바와 같이 겹선형(bilinear) 전달방법을 통해서 연속시스템의 전달함수로 전달될 수 있다.
(7)
그러나, 상기 연속시스템의 마지막 다이나믹 전달함수는 다음과 같은 방정식으로 주어진다.
상기 방정식의 결과를 이용하여 도12의 초음파 모터의 등가 회로모델이 연역될 수 있으며, 여기서 장치의 각 값은 다음과 같다: Cd= 148.8 nF, Rd= 2.781 Ω, Cm= 89.6 nF, Rm1= 37.3 Ω, Rm2= -9.943 Ω, Lm=48.8 μH, RL= -8.15 Ω. 압전 세라믹 자체가 고정자의 진동을 전압출력으로 전달할 수 있는 직접적인 압전효과를 갖기 때문에, 세라믹은 작동시스템에 대한 전압 피드백의 특성을 가지며, RL 은 일반적인 물리적 압전모델에 대해 사라지는 네가티브 레지스터(negative resister)의 등가회로의 특성을 정확하게 반영한다.
상기 초음파 모터의 회전속력의 토크를 측정하는 방법은 초기부터 작동을 안정화 시킬 뿐만아니라 멈추도록 브레이크를 거는것이며, 여기서 회전속력과 시간과의 관계는 그 가속도가 변한다는 것을 의미하는 곡선으로 나타난다. 그러나, 시간에 브레이크 걸어 멈출 때까지의 작동 안정화 주기동안, 그 속력변화는 선형적이며, 이는 속력감소가 일정하다는 것을 의미한다. 상기의 가속도가 변하는 현상은 다이나믹 전달이 건식마찰(dry friction)모델의 특성을 따른다는 것을 입증하며, 이것은 압전 구동장치 고정자가 작동주기 동안 상대적인 운동에 의해 발생된 마찰력을 통해 회전자의 작동을 푸시하거나 브레이크 건다는 것을 의미한다. 그래서 회전자의 속력이 상승함에 따라, 고정자의 범위는 마찰력과 균형을 이룬 푸시력을 야기하는 회전자에 비해 작은 상대속력을 가지며, 여기서 토크 출력은 0 이다; 모터 작동이 멈출때, 상기 고정자는 일정한 마찰력을 줄 뿐인 회전자를 향한 진동에 대해 운동에너지를 제공하는 것을 멈춘다.
종래의 초음파 모터의 제한을 타파한 본 발명의 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 설계에 진행파 및 높은 진폭의 전압입력을 만들기 위해 2상 구동전원에 의존한다; 등가회로를 만드는데 있어서, 압전물질에 대응하는 회로에서의 각 캐퍼시터, 인덕터 또는 레지스터의 의미를 더 연구할 수 있다면, 모터 작동에 의해 야기되는 온도상승효과를 억제할 것이며 또한 일반적인 초음파 모터의 시계방향 및 반시계방향으로 작동시 출력 토션 불균형 조건을 극복할 것이다. 여기서 회전속력은 3000 rpm 이상으로 상승될 수 있고 이는 의용생체공학의 구동장치, 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 사용될 수 있다.
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본 발명의 상기 실시예에 있어서 많은 변화와 수정이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 가해질 수 있다. 따라서, 과학과 실용기술의 진보를 증진시키기 위해서 본 발명이 발표되는 것이며, 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한되도록 의도 되었다.
상기 중공구조셀은 L-형의 역학적 구조체로 대체될 수 있는 것이 바람직하고 상기 지지 중공구조셀의 양단면은 수직축을 나타내는 상기 회전자축에 직교하는 구조이다. 그리고 상기 중공구조셀의 상부에 있는 상기 지지 회전축 메카니즘은 상기 베어링과 연결되는 구조이다.
또한 본 발명은 압전장치를 구성하는 원형(round) 금속배판으로 형성되는 초음파 구동장치를 이용하는 방법으로서, 박판(thin plate) 압전장치의 공진상태하에서 방사 및 아크 방향의 두개의 기하학적 직교 정재파 또는 진행파를 구비하고,
종래의 다중 전극에 의해 구동되는 진행파 대신에 축구동력을 형성하는 직교 진동파를 이용하며 모터용 3상 구동 진행파가 구동점 파장의 전파차이에 따라 발생되는 것을 특징으로 하는 피에조 세라믹 축 구동(shaft-driving) 타입의 초음파 모터를 구동하기 위한 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 작동상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
본 발명에 의해 제공된 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 압전 세라믹 박막(1)과 탄성이 있는 금속 배판(back plate)(2)로 구성된 디스크 모양의 단순한 구조의 압전시트를 이용하며, 상기 구조는 도1a 에서 볼 수 있는 것처럼 전류소모가 더 적을 뿐만아니라 더 안정한 진동운동을 한다.
피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 상기 압전 구동장치의 진동을 적용하는데 사용하며 상기 금속 배판위의 고정네일의 도움으로 타이트하게 맞대어 있는 두개의 합성 페이스트시트(paste sheets)를 가지고 상기 다이나믹 에너지의 출력을 가이드하며, 대칭되는 120°갭(gap)을 가지고 상기 원형 박시트(thin-sheet)의 외부 링에 세개의 네일(21)로 타이트하게 잠그며, 구동체인 원판의 박시트의 편심 위치에 네일로 잠그며, 회전자(22)는 도1b 에서 보여 주는 것처럼 디스크의 무게중심을 관통하는 축을 포함한다.
도2a 내지 도2d 를 참조하면, 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 고정구(203)와 베이스판(204)으로 구성된 중공(hollow)구조셀을 포함하며, 상기 주요 몸체의 상하부 측면에는 회전자의 축(207)을 지지하는데 사용되는 회전자 베어링(205)과 고정자 베어링 시트(206)가 있으며, 회전자의 상기 축(207)은 가중디스크(209)를 수직으로 관통하여 연결된다. 상기 중공구조셀(203)은 도2b에서 알 수 있듯이 L-형의 역학적 구조체로서 구비되는 것이 가장 바람직하고 동시에 상기 중공구조셀의 양단면은 수직축을 나타내는 상기 회전자축(207)에 직교하는 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 한편 상기 중공구조셀(203)의 상부에 있는 상기 지지 회전축(207) 메카니즘은 상기 베어링(205)과 연결되는 구조이다. 상기 축의 중심 바닥은 다음의 특성을 가진 고정자(208)의 베어링 시트(206)에 안주되는데, 그 특성으로 상기 주요몸체의 구조셀의 바닥부에는 상기 회전자의 축(207)를 A.C.신호에 의해 초음파 주파수 하에서 자유롭게 진동하는 박판 고정자를 구동하기 위해 가중디스크(209)를 지지하면서 자유롭게 회전하도록 하며 진동 에너지의 출력을 가이드하는 진동 박시트(210)가 있으며, 입력된 A.C.전원의 최적의 작동주파수 범위는 20 kHz - 200 kHz 이다.
상기 박 디스크의 진동은 진행파 모드와 정재파 모드로 대략 분류된다. 참고 문헌을 보면, 포함된 진동모드 관측은 주로 레이저 간섭이다; 그러나, 본 발명은 작동원리가 편광 후 압전재료의 본래 커패시턴스 특성인 금속 배판에서의 파동요동(fluctuation)을 관측하는데 카본파우더를 이용한다. 도3 에서 볼 수 있는 것처럼, 높은 주파수의 전기장이 압전시트에 적용될 때, 카본파우더(31)를 상기 배판(12)에 분사한다. 카본파우더(31)는 전기장에 의해 축적되고 정착된 전하(charge)에 의해 금속 배판(12)에 점착된다.
정재파 모드에서 카본파우더는 마디환과 마디 직경선에 집중되어, 도4a, 도4b, 도7a, 도7b, 도8a, 도8b 에서 볼 수 있는 것처럼, 파동과 마디로 구성된 모드도면을 직접 관측할 수 있다. 마이켈슨 간섭방법을 적용한 관측된 진동모드 방법과 비교하면, 이 연구에서 사용된 개발 방법은 직접적이고 단순하고 효율적인 전 분야 관측 기능을 갖는다; 상기 디스크의 진동을 관측하는데 카본 개발방법을 이용하므로서, 박 시트상의 주요 진동모드가 카본파우더 도면의 명료도에 의해 진행파 모드인지 정재파 모드인지 여부를 대략 판단할 수 있으며 여기서 카본파우더는 반사파에 따른 다이나믹한 도면을 보여준다; 반면에, 파동이 운동중이고 강성재료를 가진 굴절 네일을 터치할 때, 파동 마디상의 카본파우더는 원판위에서 반대방향을 향해 분포된 정재파 모드 도면이 되도록 분포된 카본파우더 도면을 볼 수도 있으며, 이는 반사파가 존재한다는 증거이다. 패터닝 방법에 의해 관측된 카본파우더의 분배모드와 유한요소 방법의 적용에 의해 시뮬레이션된 초음파 진동모드의 분배모드를 비교하면, 플레인 외의 (out-of-plane)진폭과 변위와 금속 배판의 변형방향을 계산할 수 있다.
초음속 모터에 대한 많은 수학방정식이 알려졌다. 그러나, 초음속 구동장치의 물리적 모델이 매우 복잡하고 구조가 수정됨에 따라 변하기 때문에, FEM 소프트웨어 ANSYS 는 초음속 구동장치의 거동(behavior)을 분석하고 시뮬레이트하곤 했다. 그것이 물리적 모델에 의해 세워진 수학방정식으로 하는 것보다 더 실용적이고 빠르다; 게다가, 상기 드라이버의 기초 설계원리가 구조설계의 방향을 가이드함을 입증할 수 있는 피에조세라믹에 의해 구동된 금속 배판의 다이나믹한 반향모드를 얻을 수 있다. 그래서, 유한요소 분석이 필요한 것이다. 다시 말하면, 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하는데 ANSYS 유한요소 분석 소프트웨어를 사용하는 주요 목적은 다음과 같다: (1) 최소의 시간으로 초음속 구동장치의 최상의 설계를 얻기 위한 것이다; (2) 초음속 구동장치에 대한 다수 재료의 영향을 시뮬레이트 할 수 있다; (3) 금속판에서의 진동조건의 변화를 명백하게 알 수 있다. 유한요소 분석은 두 부류로 나누어 질 수 있다: 모드(modal)분석 및 조화(harmonic)분석; 모드분석이 압전시트의 고유 공진주파수를 실행할 수 있는 반면 조화분석은 도5에서 보여주는 것처럼 입력된 A.C.전압의 다이나믹한 반향을 계산할 수 있다. 입력된 A.C.전압의 주파수에서, 상기 압전시트는 최대 출력전원을 얻을 수 있다; 게다가, 획득한 모드형태는 도5a 및 도5b 에서 보여주는 것처럼, 카본파우더 패터닝에 의해 얻어진 것과 비교될 수 있다.
압전 재료 매개변수의 정확성을 입증하기 위해서, 유한요소 분석 소프트웨어를 이용하여 상기 압전시트의 고유 공진주파수와 반공진주파수를 계산하며 측정된 값과 비교를 행한다; 유한요소 방법을 사용한 고유 공진주파수에 의해 계산된 값이 HP 임피던스 분석기를 사용하여 측정된 값과 대략적으로 같은 결과가 나온다면, 이는 상기 시뮬레이트 압전계수가 실제값에 매우 가깝다는 것을 의미한다. 계산은 다음과 같이 설명된다:
입력 임피던스는 다음으로 정의된다:
여기서, I 는 전류, V 는 값이 1 volt인 입력 전압값, Q는 압전시트 전극하에서 전압 1 volt에 의해 유도된 총전하량, ω는 각주파수를 나타낸다.
도6은 HP임피던스 분석기를 사용하여 얻은 임피던스 대 주파수 반향과 유한요소 분석 소프트웨어를 사용한 계산결과이다. 압전시트의 고유 공진주파수는 유한요소 분석 소프트웨어를 통해 67.5 kHz 가 된다고 계산된 반면에, 에러율 6.9%의 임피던스 분석기에 의해 측전된 고유 공진주파수 값은 72.5 kHz 이다. 상기의 결과는 유한요소 시뮬레이션에서 채택된 재료계수는 실제 압전재료의 계수와 똑같지는 않으나 비슷하다는 것을 설명하며, 이는 유한요소 분석 소프트웨어의 시뮬레이션에 의해 얻어진 압전계수에 대하여 보다 나은 정정될 것이 남아 있다는 것을 의미한다. 상기 도면으로부터 유한요소 분석 소프트웨어를 사용한 계산에 의해 얻어진 값이 임피던스 분석미터를 사용하여 측정된 것보다 더 높다는 것을 알 수 있으며, 유한요소방법에 의해 시뮬레이트할 때, 상기 재료의 특성과 구조적 댐핑(damping)이 고려되지 않기 때문에, 시뮬레이트된 값은 측정된 값보다 더 높다. 게다가, 고유 공진주파수의 드리프트는 압전시트의 지리적 구조모델이 ANSYS 에서 세워질때 주로 판단되며, 비록 다른 재료 매개변수가 개별적으로 입력될지라도 금속 배판과 압전 세라믹 박막은 합성분석을 실행하는데 있어서 같은 고체로 보여진다; 그러나, 사실, 압전시트는 금속 배판위에 실버글루(silver glue)로 접착된 압전세라믹으로 만들어지므로, 압전 시뮬레이션의 가장 근접한 실제조건은 금속 배판에서 파동의 성질을 분석하기 위해 압전재료 특성을 가진 SOLID5 에 의해 SHELL63의 형상함수를 사용하는 것이다; 그래서 압전 및 금속재료 계수 및 모델작도(construction)때는 언제나 더 정확한 시뮬레이션을 얻기 위하여 수정을 요함을 알 수 있다. 그러나, 요약하면, 상기의 에러는 작동분석의 기초가 되기에 충분한 본 연구의 분석에서 상기 특징에 실제적인 어떠한 영향도 주지 않는다.
일반적으로, 박(thin)디스크의 주요 진동형태는 방사 모드이며, 압전 세라믹의 진동방향에 대해 반경(R)방향 뿐만아니라 두께방향이 있다; 전압이 적용될 때, 박디스크는 R 방향을 향하여 연장된다; 게다가, Possion 비율로 두께방향으로 줄어들기 때문에, 마디환의 환들이 박디스크상에 나타나며, 환 타입의 마디수는 도5a 및 도5b 에서 보여주는 것처럼, 주파수 증가만큼 상승할 것이며, 환 마디의 위치는 Bessel 함수의 값과 거의 같다. 원판 고정자에서 파동방정식은 다음과 같이 비축대칭 자유진동형태로써 나타내 진다:
만약 a 가 원판의 반경이라면, 진동특성해는 변수분리법과 알려진 경계조건을 이용하여 방정식(2)에서 처럼 결정된다:
여기서, n 은 마디 직경선의 수를 나타낸다. 비축대칭 자유진동조건하에서, 원판의 파동방정식은 방정식(2)의 n 에 의해 결정되는 차수로 대략 0-차 Bessel함수는 아니다. Bessel 함수는 감소하는 진폭을 가진 진동함수이며 카본파우더 패터닝을 사용하여 관측된 것과 같은 주기적 진동특성을 가진 대략 주기함수이다. 진동면이 아크(arc)방향에서 정재파를 형성하므로, n 값은 마디선 수에 의해 결정된다.
카본파우더 패터닝 실험에 의해 도면에 따라 상기의 언급된 결과를 이용하고 유한요소 다이나믹 시뮬레이션에 의해 관측됨에 따라, 파동방정식은 압전박막의 비축대칭 진동의 조건하에서 n차인 제1 Bessel 함수에 속한다고 결론지을 수 있다.
카본파우더 실험과 FEM 시뮬레이션에 의해 얻은 정재파 모드는 두개의 경계조건에서 토의될 수 있다: (a) 경계가 자유단일때 초음파 진동모드에 대한 음향주파수; (b) 네일이 놓여지고 경계로 지지될때 압전시트의 진동모드의 변수.
(a) 자유경계조건
도4a 와 도4b 는 자유단 음향주파수의 범위 및 초음파 주파수 범위하에서 발생되는 정재파 카본파우더 도면이며, 도5a 와 도5b 는 대응되는 FEA 진동모드 시뮬레이션도이고, 상기 카본파우더 도면으로부터 음향주파수하에서의 도면이 대략 마디위치를 구별지을 수 있다는 것을 알 수 있으며, 초음파 주파수 하에서 링모양의 마디 분포를 명백하게 볼 수 있다. 박시트가 음향주파수하에서 작동하기 때문에, 진동에 의한 출력전원은 초음파 범위의 전원보다 작고 파장은 주파수가 강화함에 따라 짧아진다. 여기서 마디위치로 이동하는 카본파우더의 에너지는 거리에 직접 비례하므로, 파장이 짧을 수록 카본파우더의 이동거리도 짧아지며, 이는 초음파 도면이 더 잘 보이는 이유를 설명한다: 파장에 의해 영향을 받는데다가, 카본파우더 도면의 선명도는 주로 출력전원에 의해 영향을 받는다. 그래서 박시트는 카본파우더 패터닝을 통해 명백하게 표면 진동이 관측될 수 있기 때문에, 이상적인 고정자 구동전압 주파수는 더 큰 출력전압을 가지므로 100 kHz 이하이다.
(b) 지지된 경계조건하에서
도7a 와 도7b 는 디스크의 외부단에 네일이 첨가되어 진폭이 0 이 될때의 카본파우더 도면과 시뮬레이션 도면을 보여준다. 상기 도면으로부터 링모양의 마디분포 이외에 방사형 마디분포를 명백하게 볼 수 있고 관측할 수 있다. 그러한 현상은 두 방향의 정재파 운동이 있음을 보여주는데, 하나는 방사 방향을 따른 링모양의 분포를 형성하는 것이고, 다른 하나는 아크면을 따른 방사 분포를 형성하는 것이다. 네일이 고정되기 때문에, 매체의 더 큰 상대 밀도에 대한 굴절기이며, 굴절조건은 명백한 방사 마디 분포를 만드는 회절조건보다 더 크다; 게다가, 방사형 링 또는 방사형 링 정상의 위치에 있는 네일을 따라 다른 정재파 모드가 발생한다. 그래서 압전 구동장치의 다이나믹한 전송모드를 설계하도록 박판 진동의 스타일을 바꾸는데 네일을 이용할 수 있다.
각각이 120°떨어져 있는 세개의 반향 네일의 배치에서, 도8a 와 도8b 는 금속 배판에서의 마디분포를 보여준다. 회전자에 의해 작동된 푸시력은 고정자상의 파동운동에 의해 전송되므로, 접촉위치는 진폭이 최대인 위치에 안주되어야 한다. 또한 접촉점으로 전달된 모멘텀은 3방향으로부터 푸시력을 이용하여 도9 에서 보여주는 것처럼 네일에 편심진자를 발생하게 한다. 만약 네일 자체로 관측한다면, 네일의 주위에 파동이 존재한다고 가정할 수 있다. 그래서 도10 은 이상적인 접촉점의 배치도이다.
기초 작동원리는 다음과 같이 요약된다: 전기적 에너지와 역학적 에너지 변환의 매체로서 압전시트를 사용하는 것. 압전시트에 A.C.전압이 가해질때, 역학적 파동을 발생시켜 방사 및 아크방향을 따라 전송하도록 금속 배판을 팽창하고 수축하게 하는 역 압전효과에 의한 팽창 수축 관계를 통해서 밀어당기는 힘을 발생한다. 네일의 재료실행과 Ni 합금으로 제조된 금속 배판의 재료실행의 차이 때문에, 파동의 전송동안에, 네일은 반사점이 된다. 세개의 외부 네일에 의해 구성된 반사점을 이용하므로서, 반사파는 편심운동하는 네일이 스윙하는 원의 중심까지 되돌아 오도록 가이드 될 수 있으며, 카본파우더와 시뮬레이션도는 도8a 및 도8b 에서 각각 보여준다. 반사파의 워킹(walking)거리가 돌아오는데 위상차가 생기도록 하며, 적절한 구동점을 선택한다면, 상기 위치의 상기 점을 순환하는 3상 진행파가 형성되며 회전자를 회전시키도록 회전 축를 향해 토크를 제공하는 3상 구동 목적을 달성한다.
즉 도2d의 세라믹 박막에 펄스전압신호를 인가할 때 금속배판은 역 압전효과에 기반하는 팽창-수축 모션을 발생하고 금속배판은 방사와 일반적인 상태 외부로 전파하는 에너지 파형을 진동 및 생성하는 압전세파믹 박막의 푸쉬풀력에 의해 구동된다. 그리고 네일은 도1d에 도시된 바와 같이 파형전파동안 반사점으로 되기 때문에 금속배판에서에서의 세개의 네일에 의해 형성되는 반사점은 중앙으로 에너지 파형을 가이드하고 반사하게 된다.
상기 네일의 편심위치는 세개의 대칭 에너지 파형을 위한 다른 경로를 생성하도록 설계되기 때문에 에너지 파형은 위상차를 갖는 파복(波腹,antinode)에 이른게 된다. 편심위치의 베어링 시트가 적합하게 선택된다면 베어링 시트는 도1e에 도시되는 바와 같이 스핀하는 회전자와 축을 구동하는 베어링 시트를 진행파 환형과 교차하는 세개의 위상을 일으키게 된다. ANSYS 시물레이션 플롯에 의하면 편심의 네일은 네일 주변의 반사파형을 교차하는 세개의 위상을 생성하며 반사파형을 교차하는 세개의 위상 위치는 편심의 네일 주변에 현저한 회전력을 형성하는 다른 사이클에서의 변화를 지속한다.
한편 세개의 반사파는 동시에 공진모드에서 겹쳐지는 것과 Φ1 Φ2 Φ3 의 세개의 위상차로 단일 전기신호에 의해 여자되는 것이 가정될 수 있으며 여기서 공간상의 위상변이는 약 제3 파장(λ/3)이 된다.
명확하게 분류되지는 않는 온도 상승, 파동요동, 등을 인식함에 따른 압전재료에 대한 다수의 변수가 여전히 존재하므로, 그러한 시스템을 수립하는데 종래의 복잡한 물리적 모델을 사용한다면, 모터의 다이나믹을 완전하고 정확하게 묘사할 수 없다. 그러나, 본 실험의 디자인은 모터가 상기 시스템의 작도 뿐만아니라 부수적인 등가회로 연역에 대한 기초로 작동할 때 상기 압전 구동장치의 양단부에 전압과 전류 신호를 획득하므로서 그러한 시스템의 다이나믹한 이동 기능을 해결한다.
1 MHz 의 표본 주파수가 입력 전압과 출력 전류 신호를 획득하는데 적용되며, 이것은 방정식 (3)의 차수(5/5)를 가진 분리 전달함수 G(B)를 합성할 수 있다.
방정식(3)을 방정식(4)로 만들기 위해 부분 방정식법을 사용하면, 상관계수는:
표의 (c)에서, λ5 는 1차 전달함수이며, 압전 세라믹 자체가 캐퍼시턴스 재료이므로, 상기 제1차 함수의 λ5 다이나믹 모드는 세라믹 억제 캐퍼시턴스의 특성에 의해 야기된다; (b)의 λ3,4 다이나믹 모드는 압전 세라믹의 공진영역인 72 kHz 와 거의 같은 대략 64.3 kHz 의 공진주파수를 가지며, 상기 다이나믹 모드는 상기 공진 영역의 실행을 나타낸다고 언급된다.
| (다이나믹 모드) | (a) λ1,2 | (b) λ3,4 | (c) λ5 |
| λi | -0.7177±0.6437i | 0.8794±0.3735i | -0.0943 |
| gi | -0.0185±0.0075i | 0.0031±0.0075i | -0.1782 |
| 고유주파수(fn) | 383.69 kHz | 64.33 kHz | -- |
| 코너 주파수(fb) | -- | -- | 625 kHz |
| 댐핑비율(ζ) | 0.0152 | 0.1129 | -- |
(a)의 λ1,2 다이나믹 모드, 공진주파수 383.69 kHz 가 상기 모터의 작동주파수와 상이하므로, 상기의 다이나믹 모드는 상기 시스템의 안정성에 영향을 주는 주요 문제는 아니다. 상기 시스템의 특성과 큰 상관관계가 있는 λ3,4 및 λ5 다이나믹 모드는 유지하는 반면에 λ1,2 다이나믹 모드를 제거하면, 원래 시스템의 다이나믹 전달함수는 식(5)로서 수정된다.
게다가, 차수 감소후 시스템 전달값(B=1 또는 w=0)의 등가 개념에 따라, D.C.이득은 보상값으로 -0.021가 되는 것으로 해석된다. 이것을 방정식(5)에 대입하면 절충한 이후의 시스템 전달함수 G*(B)는 방정식(6)에 나타난 바와 같이 해석된다.
도11은 본 전달함수에 대한 본 시스템의 시뮬레이션이며, 도면으로부터 관측된 시뮬레이션 전류와 실제 신호에 대해 에러가 없음이 관측된다.
표본 시간이 짧기 때문에, 방정식(7)의 별개 시스템은 방정식(8),(9),(10)에서 알 수 있는 바와 같이 겹선형(bilinear) 전달방법을 통해서 연속시스템의 전달함수로 전달될 수 있다.
그러나, 상기 연속시스템의 마지막 다이나믹 전달함수는 다음과 같은 방정식으로 주어진다.
상기 방정식의 결과를 이용하여 도12의 초음파 모터의 등가 회로모델이 연역될 수 있으며, 여기서 장치의 각 값은 다음과 같다: Cd= 148.8 nF, Rd= 2.781 Ω, Cm= 89.6 nF, Rm1= 37.3 Ω, Rm2= -9.943 Ω, Lm=48.8 μH, RL= -8.15 Ω. 압전 세라믹 자체가 고정자의 진동을 전압출력으로 전달할 수 있는 직접적인 압전효과를 갖기 때문에, 세라믹은 작동시스템에 대한 전압 피드백의 특성을 가지며, RL 은 일반적인 물리적 압전모델에 대해 사라지는 네가티브 레지스터(negative resister)의 등가회로의 특성을 정확하게 반영한다.
상기 초음파 모터의 회전속력의 토크를 측정하는 방법은 초기부터 작동을 안정화 시킬 뿐만아니라 멈추도록 브레이크를 거는것이며, 여기서 회전속력과 시간과의 관계는 그 가속도가 변한다는 것을 의미하는 곡선으로 나타난다. 그러나, 시간에 브레이크 걸어 멈출 때까지의 작동 안정화 주기동안, 그 속력변화는 선형적이며, 이는 속력감소가 일정하다는 것을 의미한다. 상기의 가속도가 변하는 현상은 다이나믹 전달이 건식마찰(dry friction)모델의 특성을 따른다는 것을 입증하며, 이것은 압전 구동장치 고정자가 작동주기 동안 상대적인 운동에 의해 발생된 마찰력을 통해 회전자의 작동을 푸시하거나 브레이크 건다는 것을 의미한다. 그래서 회전자의 속력이 상승함에 따라, 고정자의 범위는 마찰력과 균형을 이룬 푸시력을 야기하는 회전자에 비해 작은 상대속력을 가지며, 여기서 토크 출력은 0 이다; 모터 작동이 멈출때, 상기 고정자는 일정한 마찰력을 줄 뿐인 회전자를 향한 진동에 대해 운동에너지를 제공하는 것을 멈춘다.
종래의 초음파 모터의 제한을 타파한 본 발명의 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 설계에 진행파 및 높은 진폭의 전압입력을 만들기 위해 2상 구동전원에 의존한다; 등가회로를 만드는데 있어서, 압전물질에 대응하는 회로에서의 각 캐퍼시터, 인덕터 또는 레지스터의 의미를 더 연구할 수 있다면, 모터 작동에 의해 야기되는 온도상승효과를 억제할 것이며 또한 일반적인 초음파 모터의 시계방향 및 반시계방향으로 작동시 출력 토션 불균형 조건을 극복할 것이다. 여기서 회전속력은 3000 rpm 이상으로 상승될 수 있고 이는 의용생체공학의 구동장치, 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 사용될 수 있다.
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본 발명의 상기 실시예에 있어서 많은 변화와 수정이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 가해질 수 있다. 따라서, 과학과 실용기술의 진보를 증진시키기 위해서 본 발명이 발표되는 것이며, 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한되도록 의도 되었다.
본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 종래의 기술에 비해 다음과 같은 이점을 갖는다:
1. 종래의 초음파 모터의 제한을 타파한 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 디자인에 진행파 및 높은 진폭의 전압입력을 만들기 위해 2상 구동전원에 의존한다.
2. 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 종래의 전자기계로부터 야기되는 전자기 간섭효과를 레지스트 할 수 있으며, 일반적인 초음파 모터의 시계방향 및 반시계방향으로 작동시 출력 토션 불균형 조건을 극복할 것이다.
3. 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 회전속력은 3000 rpm 이상으로 상승될 수 있고 이는 의용생체공학의 구동장치, 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 사용될 수 있다.
1. 종래의 초음파 모터의 제한을 타파한 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 디자인에 진행파 및 높은 진폭의 전압입력을 만들기 위해 2상 구동전원에 의존한다.
2. 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터는 종래의 전자기계로부터 야기되는 전자기 간섭효과를 레지스트 할 수 있으며, 일반적인 초음파 모터의 시계방향 및 반시계방향으로 작동시 출력 토션 불균형 조건을 극복할 것이다.
3. 본 발명에 따른 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터의 회전속력은 3000 rpm 이상으로 상승될 수 있고 이는 의용생체공학의 구동장치, 또는 컴퓨터 CPU의 냉각팬에서 사용될 수 있다.
Claims (6)
- 피에조 세라믹 축 구동(shaft-driving) 타입의 초음파 모터를 구동하기 위한 방법에 있어서,상기 방법은 압전장치를 구성하는 원형(round) 금속배판으로 형성되는 초음파 구동장치를 이용하는 방법으로서, 박판(thin plate) 압전장치의 공진상태하에서 방사 및 아크 방향의 두개의 기하학적 직교 정재파 또는 진행파를 구비하고,종래의 다중 전극에 의해 구동되는 진행파 대신에 축구동력을 형성하는 직교 진동파를 이용하며 모터용 3상 구동 진행파가 구동점 파장의 전파차이에 따라 발생되는 것을 특징으로 하는 피에조 세라믹 축 구동(shaft-driving) 타입의 초음파 모터를 구동하기 위한 방법.
- 중공구조셀, 축, 회전자 베어링, 고정자 베어링 시트, 가중디스크, 및 스탑 푸시(stop-push)베어링 시트를 포함하며;상기 회전자 베어링과 고정자 베어링 시트는 상기 중공구조셀의 상하부 측면에서 회전축을 지지하고; 상기 회전축은 가중디스크를 수직으로 관통하고, 회전축의 바닥부는 상기 박판 고정자위의 상기 스탑푸시 베어링위에 안착되며;회전자축이 지지 가중디스크 상에서 자유롭게 회전하도록 하며 박판 고정자가 입력된 A.C.신호와 출력된 진동에너지에 의해 초음파 주파수 하에서 자유롭게 진동하도록 구동하는 진동박판을 안착한 상기 구조셀의 바닥부를 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 중공구조셀은 L-형의 역학적 구조체로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 지지 중공구조셀의 양단면은 수직축을 나타내는 상기 회전자축에 직교하는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 중공구조셀의 상부에 있는 상기 지지 회전축 메카니즘은 상기 베어링과 연결되는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터.
- 제 2 항에 있어서, 입력된 A.C.전원의 최적(optimum) 작동주파수는 20 kHz ~ 200 kHz 인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 축 구동 타입의 초음파 모터.
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