KR100649635B1 - 압전 초음파 모터 구동 장치 - Google Patents

압전 초음파 모터 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제조가 용이하면서 자가 발진 및 회전 방향 조정이 가능하여, 환경적 요인에 관계없이 항상 고효율, 고출력 동작이 가능한 압전 초음파 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 소정 형상의 금속체와 상기 금속체의 표면에 부착되는 복수의 압전판을 포함하고, 상기 복수의 압전판의 수축/팽창에 의하여 금속체를 회전시키는 압전 초음파 모터에 있어서, 상기 복수의 압전판중 소정 압전판에 인가되는 전기신호를 자가발진부를 이용하여 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 발진시킴으로서, 전기신호의 주파수 변동을 억제하고, 또한 상기 자가발진부에서 소정 압전판으로 인가되는 전기신호를 지연부를 통해 +90 또는 -90도로 선택 위상지연시킴으로서, 압전 초음파 모터의 회전 방향 조정을 용이하게 한다.
압전 초음파 모터, 압전판, 분극방향, 자가발진, 지연, 위상지연

Description

압전 초음파 모터 구동 장치{Driving device of piezoelectric ultrasonic motor}
도 1은 압전 초음파 모터의 기본 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 종래 압전 초음파 모터 구동 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 종래 압전 초음파 모터의 다른 구동 장치를 보인 회로도이다.
도 4는 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동장치의 제1실시 형태를 나타낸 구성도이다.
도 5의 (a)~(d)는 상기 제1실시형태에 따른 압전 초음파 모터에 있어서, 압전판의 분극방향 및 전기 신호의 관계를 보인 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치의 다른 실시형태를 나타낸 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
40, 60 : 압전 초음파 모터 41, 61 : 금속체
42~45, 62~65 : 압전판 46, 66 : 자가발진부
47, 67 : 지연부 48, 68 : 스위치
49,69 : 제1 지연부 50, 70 : 제2 지연부
INV1,2 : 제1,2 전환기 Rf : 피드백(feedback)저항
CL1,CL2 : 제1,2캐패시터(capacitor)
본 발명은 금속체에 다수의 압전판을 부착하여 압전체의 단순 진동을 선형운동으로 전환하는 압전 초음파 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가 발진에 의한 4 위상 구동을 수행하면서, 환경적 요인에 관계없이 항상 고효율, 고출력 동작이 가능한 압전 초음파 모터의 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로, 압전 초음파 모터(Piezoelectric Ultrasonic Motor)는 전기를 가하면 수축과 팽창이 일어나는 압전 세라믹의 단순 진동을 선형 운동으로 바꾸어 회전 모터 기능을 하도록 한 것으로서, 가볍고 소형으로 제작할 수 있으며, 초음파를 전원으로 사용하기 때문에, 소음이 없을 뿐더러 전자파 장해가 거의 없다는 장점이 있어, 고급 카메라의 렌즈 구동 장치 등에 주로 사용되고 있다.
이러한 압전 초음파 모터는 여러가지 형태로 제안되고 있으며, 도 1에 압전 초음파 모터의 한 예를 도시한다. 상기 도 1을 참조하면, 압전 초음파 모터는, 기본적으로 스테이터(STATOR) 역활을 수행하는 금속체(1)와, 상기 금속체(1)의 표면에 부착되는 다수의 압전판(2~5)으로 이루어진다. 상기 다수의 압전판(2~5)은 전극 (2a~5a)을 통해 전압이 인가되면, 수축 및 팽창 운동한다. 이때, 각 압전판(2~5)의 전기-기계적 공진주파수와 동일한 주파수의 전압이 인가될 경우, 압전판(2~5)의 수축/팽창 운동의 크기는 최대가 된다.
이러한 특징을 갖는 복수의 압전판(2~5)이 상기 금속체(1)에 길이방향으로 부착되는데, 이때 부착되는 압전판(2~5)의 수는 금속체(1)의 형상 및 구동방식에 따라서 달라진다. 이러한 복수의 압전판(2~5)에 각각 소정의 위상차를 갖는 전압신호를 인가시, 압전판(2~5)들이 각각 수축 또는 팽창하면서 금속체(1)에 굴곡변형을 일으켜, 상기 금속체(1)의 중심축을 회전시킨다.
따라서, 압전 초음파 모터에는 상기 복수의 압전판(2~5)에 적절한 구동신호를 인가하기 위한 구동회로가 요구된다.
도 2은 미국특허번호 2,439,499호에서 제안된 2 위상 구동 방법에 따른 막대형 압전 초음파 모터의 구동회로를 도시한 것으로서, 60Hz의 전원전압을 트랜스포머(6)을 통해 변압하여 압전판(2,3)에 인가하며, 인덕터(7)와 캐패시터(capacitor)(8)로 이루어진 위상 이동 회로에 의하여 상기 트랜스포머(6)에서 출력되는 전압의 위상을 90도 이동(쉬프트, shift)시켜 다른 압전판(4,5)에 인가한다.
상술한 구동회로의 경우, 외부에서 인가되는 전원전압의 변화에 따라서 압전판(2~5)에 인가되는 구동신호의 주파수가 변동될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 압전 초음파 모터의 경우, 압전판(2~5)의 전기-기계적 공진 주파수를 갖는 구동전압을 인가하여야만 최대 효율 및 출력을 얻을 수 있는데, 상술한 종래의 구동회로 의 경우, 외부 환경적 요인 또는 제품간 주파수 편차에 의하여 공진 주파수 변화가 발생시, 양산성 및 구동 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 자가 발진 기능을 구현하여 환경적 요인, 제품간 주파수 편차에 관계없이 전기-기계적 공진주파수와 동일한 주파수의 구동신호를 인가할 수 있도록 연구되었으며, 도 3는 그러한 기능을 갖는 구동회로를 나타낸 것이다.
상기 도 3을 참조하면, 종래의 개선된 구동회로는, 압전 초음파 모터(30)에 병렬로 피드백(feedback)저항(Rf)과 전환기(인버터,INV)를 연결하고, 상기 압전 초음파 모터(30)와 접지사이에 캐패시터(CL1,CL2)를 형성하여 구성되는 것으로써, 상기 캐패시터(CL1,CL2)의 용량성분과 상기 압전 초음파 모터(30)에서 발생하는 용량성분 및 피드백(feedback)저항(Rf)의 저항성분에 의한 RC 발진이 이루어지며, 이때 발진주파수는 상기 캐패시터(CL1,CL2) 및 압전 초음파 모터(30)의 용량성분과 피드백(feedback)저항(Rf)의 저항성분에 의해 결정되는 것으로서, 상기 피드백(feedback)저항(Rf)의 저항값 및 캐패시터(CL1,CL2)의 용량값을 적절히 조절함에 의하여, 상기 압전 초음파 모터(30)의 전기-기계적 공진주파수와 일치시킬 수 있다.
이와 같이, 발진주파수가 상기 압전 초음파 모터(30)의 전기-기계적 공진주파수로 세팅되면, 이후 환경적 요인이나 부품편차에 관계없이 해당 압전체 모터(30)에는 항상 설정된 공진주파수의 구동신호가 인가되어, 항상 최대 효율 및 출력을 얻을 수 있게 된다.
이때, 상기 전환기(인버터, INV)는 상기 압전 초음파 모터(30)의 양측 압전판(32),(33 또는 34) 에 전달되는 신호를 위상 반전시킴으로서, 상기 두 압전판(32),(33 또는 34)에 180도 위상차의 구동신호가 인가되도록 한다.
더하여, 종래에는 구동시 회전방향의 조정이 가능하도록 하기 위하여, 압전 초음파 모터(30)는 금속체(31)의 일 측면에 공통 압전판(32)을 형성하고, 상기 공통 압전판(32)이 형성된 측면과 마주보는 금속체(31)의 다른 측면을 분할하여 두 개의 압전판(33,34)를 형성하여 구성한다. 그리고, 상기 공통 압전판(32)을 전환기(인버터, INV)의 일측 단자에 연결하고, 상기 압전판(33,34)를 스위치(SW)를 통해 전환기(인버터, INV)의 다른 단자에 연결하도록 한다.
상기 구성에 있어서, 스위치(SW)를 제어하여 전환기(인버터, INV)의 출력과 상부의 압전판(33)을 연결하면, 공통 압전판(32)과 상부의 압전판(33)이 수축/팽창하면서 금속체(31)에 굴곡변형을 일으켜 시계방향으로 회전하게 되고, 반대로, 스위치(SW)에 의하여 전환기(인버터, INV)와 하부의 압전판(34)이 연결되는 경우, 공통 압전판(32)과 하부의 압전판(34)이 수축/팽창하면서 금속체(31)에 굴곡변형을 일으켜 반시계방향으로 회전하게 된다.
그런데, 상술한 압전 초음파 모터 구동회로의 경우도, 앞서의 경우와 마찬가지로 2 위상 구동방식으로서, 자가 발진에 의하여 주파수 변화를 해결할 수 는 있으나, 상기 구조의 경우 압전 초음파 모터(30)의 금속체(31)를 접지연결하여야 하는데, 금속체(31)에 압전판(32,33,34)이 붙어있기 때문에, 접지를 위한 전극 형성이 어렵다는 문제점이 발생한다. 또한, 모터의 회전 방향 변형을 위하여 압전 초음 파 모터의 구조를 변형시킨 것으로서, 다른 구조의 압전 초음파 모터에 있어서 회전 방향의 변형이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 제조가 용이하면서 자가 발진 및 회전 방향 조정이 가능하며, 환경적 요인에 관계없이 항상 고효율, 고출력 동작이 가능한 압전 초음파 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치는, 소정 형상의 금속체와 상기 금속체의 표면에 부착되며 전기신호 인가시 수축/패창하여 상기 금속체를 회전시키는 복수의 압전판으로 이루어진 압전 초음파 모터: 상기 압전 초음파 모터의 전기-기계적 공진주파수로 발진하여 상기 모터의 소정 압전판에 인가되는 전기신호의 주파수를 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 유지시키는 자가 발진부; 및 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 90도 또는 -90도로 지연시켜 상기 압전초음파 모터의 다른 압전판으로 인가하는 지연부로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 압전 초음파 모터 구동 장치는 지연부를 이용하여 구동신호를 위상 지연을 변형함에 의해서, 회전 방향을 바꾸는 것으로서, 어떠한 구조의 압전 초음파 모터에도 적용가능하다.
특히, 상기 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치에 있어서, 상기 압전 초음파 모터는 90도 각도로 배치되는 제1,2압전판을 구비할 수 있으며, 또한, 상기 압전 초음파 모터는 상호 마주보도록 형성된 제1,2압전판, 제3,4압전판을 구비하여, 2상 구동방식 및 4상 구동방식으로 구동될 수 있다.
상기 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치에 있어서, 복수의 압전판이 제1,2압전판으로 이루어진 경우, 상기 자가 발진부는 상기 제1압전판과 접지사이에 구비되는 제1캐패시터; 상기 압전초음파모터의 금속체와 접지사이에 구비되는 제2캐패시터; 상기 제1 캐패시터와 제1압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 금속체의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및 상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기로 이루어지고, 상기 지연부는, 요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치; 및 상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제2압전판에 인가하는 제1,2지연부로 이루어진다.
또한, 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치에 있어서, 상기 복수의 압전판이 제1~제4압전판으로 이루어진 경우, 상기 자가 발진부는, 상기 제1압전판 및 제2 압전판에 일단이 동시에 연결되고, 타단은 접지되는 제1캐패시터; 상기 압전초음파모터의 금속체와 접지사이에 구비되는 제2캐패시터; 상기 제1 캐패시터와 제1,2압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 금속체의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및 상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기로 이루어질 수도 있고, 상기 제1압전판과 접지사이에 구비되는 제1캐패시터; 상기 제2압전판과 접지사이에 구비되는 제2캐패시터; 상기 제1 캐패시터와 제1압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 제2압전판의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및 상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기로 이루어질 수 도 있다. 이때, 상기 지연부는, 요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치; 및 상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제3,4 압전판에 동시에 인가하는 제1,2지연부로 이루어지거나, 요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치; 및 상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제3 압전판에 인가하는 제1,2지연부; 상기 제1 또는 제2지연부로부터 상기 제3압전판으로 전달되는 전기 신호를 180도 위상 반전시켜 제4압전판으로 인가하는 제2전환기로 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전 초음파 모터의 구동회로에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치의 바람직한 실시형태를 나타낸 것으로서, 상기 도 4를 참조하여 압전 초음파 모터 구동 장치는 금속체(41)과 상기 금속체(41)의 외부면에 부착되는 제1~제4 압전판(42~45)를 포함하여 이루어지는 압전 초음파 모터(40)와, 상기 압전판(42~45)의 전기-기계적 공진주파수로 발진하여 소정 압전판에 인가되는 전기신호의 주파수를 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 유지시키는 자가 발진부(46)와, 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부(46)의 발진신호를 90도 또는 -90도로 지연시켜 복수 압전판중 다른 압전판으로 인가하는 지연부(47)로 이루어진다.
상기 실시형태에 있어서, 압전 초음파 모터(40)은 제1~제4압전판(42~45)로 이루어진 4개의 압전판을 구비하지만, 상기 압전판의 수는 앞서 설명한 바와 같이 구동방식이나 금속체(41)의 형상에 따라서 달라질 수 있다.
그리고, 상기 자가발진부(46) 및 딜레이부(47)의 회로구성은 구동 방식이 2상 구동방식인지 4상 구동방식인지에 따라서 달라질 수 있는데, 상기 도 4에서는 4상 구동방식으로 구성된 예를 보인다.
즉, 4상 구동방식인 경우, 상기 자가발진부(46)는 상기 압전 초음파 모터(40)의 서로 대향하는 제1,2 압전판(42,43)을 각각 접지시키는 제1,2캐패시터(CL1,CL2)와, 상기 압전 초음파 모터(40)의 제1 압전판(42)에 일단이 연결되고 제2 압전판(43)에 저항(R)을 통해 타단이 연결되는 피드백(feedback)저항(Rf)와, 상기 피드백(feedback)저항(Rf)에 병렬로 연결되는 제1전환기(INV1)로 이루어진다.
그리고, 지연부(47)는 상기 제1전환기(INV1)의 출력측에 공통접점이 연결되며 2개의 선택단자를 갖는 스위치(48)와, 상기 스위치(48)의 2개 선택단자에 각각 연결되고 출력단이 상기 압전 초음파 모터(40)의 제3 압전판(44)에 연결되며 입력신호에 대하여 각각 90도/-90도의 위상지연을 수행하는 제1,2지연부(49,50)와, 상기 제1,2지연부(49,50)에서 상기 제3 압전판(44)으로 전달되는 전기 신호를 위상 반전시켜 상기 제4압전판(45)에 인가하는 제2전환기(INV2)로 이루어진다.
상기 도 4에 보인 실시형태의 경우, 금속체(41)를 별도로 접지시킬 필요가 없으며, 또한 압전판(41~45)의 구조변경없이도, 스위치(48)와 제1,2지연부(49,50)를 이용하여 간단하게 회전 방향의 변경이 가능하게 된다.
이하 상기 설명한 압전 초음파 모터 구동 장치의 작용을 설명한다.
상기 자가발진부(46)은 상기 압전 초음파 모터(40)와 제1,2캐패시터(CL1,CL2)의 용량성분, 그리고, 피드백(feedback)저항(Rf)의 저항 성분 등에 의하여 RC 발진을 수행하며, 이때 압전 초음파 모터(40)의 용량성분은 고정된 값이므로, 상기 제1,2캐패시터(CL1,CL2)의 용량값과 피드백(feedback)저항(Rf)의 저항값을 조정함으로서, 압전 초음파 모터(40)의 전기-기계적 공진주파수와 동일한 발진주파수를 얻을 수 있다.
따라서, 상기 압전 초음파 모터(40)에 전기신호를 인가하면, 상술한 RC 발진작용에 의하여, 제1 압전판(42)으로 상기 발진주파수의 정현파로 이루어진 소정 레벨 전압신호가 인가되고, 제1 전환기(INV1)가 상기 제1압전판(42)으로 인가되는 전압 신호를 위상 반전시켜 제2 압전판(43)으로 인가하는 작용을 수행함으로서, 상기 제2 압전판(43)에는 상기 제1 압전판(42)에 인가되는 전압신호와 주파수는 동일하면서 위상은 반전되어 있는 전압신호가 인가된다.
이어서, 상기 자가발진부(46)의 발진 신호는 지연부(47)의 스위치(48)를 통해 제1,2 지연부(49,50)중 하나로 인가된다. 상기 제1지연부(49)와 제2지연부(50)는 각각 90도, -90도의 위상 지연 특성을 갖는다.
상기 스위치(48)의 선택동작에 따라서 상기 자가발진부(46)로부터 인가된 전기신호는 90도 혹은 -90도로 위상 지연된다.
예를 들어, 상기 스위치(48)가 제1지연부(49)에 연결된 선택단자를 선택하는 경우, 상기 제1전환기(INV1)의 출력신호는 제1지연부(49)로 입력되어, 90도 위상 지연되어 출력되며, 상기 90도 위상 지연된 신호는 압전초음파 모터(40)의 제3 압전판(44)과 제2전환기(INV2)로 각각 인가된다. 그리고, 상기 제2전환기(INV2)는 상기 제3압전판(44)으로 인가된 전기 신호는 위상반전시켜 압전 초음파 모터(40)의 제4 압전판(45)에 인가한다. 즉, 상기 제3 압전판(44)와 제4 압전판(45)에는 상호 180도의 위상차를 갖는 신호가 인가된다.
상기에 의하여, 제1~제4 압전판(42~45)에는 동일 주파수(발진주파수임)이며 90도의 위상차를 갖는 전압신호가 차례대로 인가되며, 이와 같이 압전 초음파 모터(40)에 4 위상의 구동신호가 인가되어 금속체(41)이 굴곡변형을 일으켜 금속체(41)의 중심축을 회전시킨다.
다음으로, 상기 스위치(48)가 제2지연부(49)에 연결된 선택단자를 선택하는 경우, 상기 자가 발진부(46)의 발진 신호는 제2지연부(50)에 의해 -90도 위상 지연된 후 제3 압전판(44) 및 제2전환기(INV2)로 인가되며, 상기 제2전환기(INV2)는 입력된 신호를 다시 180도 위상반전시켜 제4 압전판(45)으로 인가한다. 따라서, 상기 제3,제4 압전판(44,45)에는 상호 180도의 위상차를 갖는 전압신호가 인가되는데, 이때, 상기 제1지연부(49)가 선택된 경우와는 반대가 되며, 결과적으로, 제1지연부(49)가 선택된 경우와는 반대방향으로 압전 초음파 모터(40)가 구동하게 된다.
상기 동작을 도 5를 참조하여 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 구동회로에 의해 압전 초음파 모터(40)의 구동신호를 예시한 경우로서, (a),(c)는 스위치(48)가 제1지연부(49)를 선택하는 경우의 예이고, (b),(d)는 스위치(48)가 제2지연부(50)를 선택하는 경우의 예이다. 더하여, (a),(b)는 제1~제4압전판(42~45)의 분극방향이 중심점에서 외부방향으로 되어 있는 경우이고, (c),(d)는 제1~제4압전판(42~45)의 분극방향이 외부에서 중심방향으로 이루어진 경우이다.
먼저, 도 5의 (a)를 참조하면, 스위치(48)에서 제1지연부(49)를 선택하는 경우, 제1 압전판(42)~제4 압전판(45)에는 시계방향 순으로 각각 90도의 위상차를 갖는 사인파(+sin), 코사인파(+cos), -사인파(-sin), -코사인파(-cos)가 인가된다. 반대로, 스위치(48)에서 제2지연부(50)를 선택하는 경우, 도 5의 (b)와 같이, 제1 압전판(42)에서 제4 압전판(45)에는 반시계방향 순으로 각각 90도의 위상차를 갖는 사인파(+sin), 코사인파(+cos), -사인파(-sin), -코사인파(-cos)가 인가된다. 도 4에 보인 압전 초음파 구동 장치의 경우, 압전 초음파 모터(40)의 제1 ~ 제4 압전판 (42~45)에는 90도의 위상차를 갖는 4상의 구동전압이 인가되어, 압전 초음파 모터(40)의 금속체(41)에 굴곡변형을 일으키고, 이에 따라서 금속체(41)의 중심축에 연결되는 로터(도시생략)가 회전하게 되며, 특히 스위치(48)의 선택에 따라서, 도 5의 (a) 또는 (b)와 같이, 제3,4 압전판(44,45)에 인가되는 신호의 위상이 바뀌어, 회전방향이 시계 또는 반시계방향으로 변경된다.
도 5의 (c), (d)는 상기 도 5의 (a), (b)에 보인 것과 분극방향만 달라질 뿐 구동원리는 동일하다. 즉, 스위치(48)에서 제1지연부(49)를 선택하는 경우, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 압전판(42)~제4 압전판(45)에는 시계방향 순으로 각각 90도의 위상차를 갖는 사인파(+sin), 코사인파(+cos), -사인파(-sin), -코사인파(-cos)가 인가된다. 반대로, 스위치(48)에서 제2지연부(50)를 선택하는 경우, 도 5의 (d)와 같이, 제1 압전판(42)에서 제4 압전판(45)까지 반시계방향 순으로 각각 90도의 위상차를 갖는 사인파(+sin), 코사인파(+cos), -사인파(-sin), -코사인파(-cos)가 인가된다. 이에 압전 초음파 모터(40)의 금속체(41)에 굴곡변형이 일어나, 상기 금속체(41)의 중심축이 회전하게 된다. 이때 상기 제1~제4 압전판(42~45)의 분극방향이 도 5의 (a),(b)와 반대이므로, 동일 조건에서 금속체(41)의 굴곡변형이 반대로 나타나서, 구동신호의 인가상태가 동일한 경우 회전방향은 상기 도 5의 (a),(b)의 경우와는 반대가 된다.
또한, 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치는 2상 구동방식에 의해서 모터 구동을 수행할 수 도 있다.
도 6은 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치의 다른 실시형태를 나타낸 것으로서, 2상 구동 방식인 경우를 도시한다.
상기 도 6을 참조하면, 압전 초음파 모터 구동 장치는, 상기 도 4와 마찬가지로, 금속체(61)과 상기 금속체(61)의 외부면에 부착되는 제1~제4 압전판(62~65)를 포함하여 이루어지는 압전 초음파 모터(60)와, 상기 압전판(62~65)의 전기-기계적 공진주파수로 발진하여 상기 압전판(62~65)에 인가되는 전기신호의 주파수를 압전판(62~65)의 전기-기계적 공진주파수로 유지시키는 자가 발진부(66)와, 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부(66)의 발진신호를 90도 또는 -90도로 위상 지연시켜 복수 압전판(62~65)중 소정 압전판으로 인가하는 지연부(67)로 이루어진다.
다만, 상기 자가발진부(66)와 지연부(67)의 회로 구성에 있어서 상기 도 4의 경우와 다소 차이가 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 자가발진부(66)는 상기 제1압전판(62) 및 제2 압전판(63)에 일단이 동시에 연결되고, 타단은 접지되는 제1캐패시터(CL1)와, 상기 압전초음파모터(60)의 금속체(61)와 접지사이에 구비되는 제2캐패시터(CL2)와, 상기 제1 캐패시터(CL1)와 제1,2압전판(62,63)의 접점과, 상기 제2캐패시터(CL2)와 금속체(61)의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항(Rf)와, 상기 피드백(feedback)저항(Rf)에 병렬로 연결되는 제1전환기(인버터, INV1)로 이루어지고, 상기 지연부(67)는 요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부(66)의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치(68)와, 상기 스위치(68)의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치(68)를 통해 입력된 전기 신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제3,4 압전판(64,65)에 동시에 인가하는 제1,2지연부(69,70)로 이루어진다.
상기 도 6에 보인 압전 초음파 모터 구동 장치는, 2상 구동방식으로서, 금속체(61)에 부착된 압전판중, 서로 마주보는 한 쌍의 압전판(62,63),(64,65)에 동일한 신호를 인가하며, 이때, 상기 제1~제4압전판(62~65)는 상기 도 4의 실시형태와는 다른 분극방향을 갖게 된다. 즉, 제1~제4압전판(62~65)가 금속체(61)의 중심방향에 외부로 향하거나, 외부에서 중심방향으로 향하는 분극방향을 갖게 되는데, 이때 제1,2압전판(62,65)이 동일한 분극방향을 가지며, 제3,4압전판(62,65)이 동일한 분극방향을 갖는다.
이에 상기 제1~제4압전판(62~65)는 전기신호가 인가되면 상기 도 4와 같은 형태로 수축/팽창 운동하고, 이에 금속체(61)에 굴곡변형을 일으켜 그 중심축이 회전하도록 한다. 그외, 상기 자가발진부(66) 및 지연부(67)의 작용은 도 4에 보인 것과 동일하다.
더하여, 상기 도 6에 보인 압전 초음파 구동 모터에 있어서, 압전 초음파 모터(60)는 2개의 압전판만을 구비할 수 도 있다. 예를 들어, 상기 도 6에 있어서 상호 마주보는 두 압전판(62,63),(64,65)중 하나를 제거할 수 도 있다. 이 경우, 자가발진부(66) 및 지연부(67)의 구성 및 작용은 동일하다.
상기와 같이, 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치는, 2개의 압전판 을 구비한 초음파 모터에도 적용할 수 있으며, 4개의 압전판을 구비한 초음파 모터에도 적용할 수 있는 등, 도 3에 보인 종래 구성에 비하여, 압전 초음파 모터의 구성이 자유롭다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 압전 초음파 모터 구동 장치는, 4상 구동방식 및 2상 구동 방식을 모두 적용할 수 있는 것으로서, 자가 발진에 의하여 구동신호의 주파수를 압전 초음파 모터에 구비된 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 유지시킴으로서, 구동시 항상 최대 효율 및 최대 출력을 얻을 수 있는 우수한 효과가 있으며, 더하여, 스위치와 딜레이회로를 통해 압전판간에 인가되는 전기신호의 위상을 변화시킴으로서, 압전 초음파 모터의 구조 변경없이도 간단하게 회전 방향의 변경할 수 있으며, 특히, 4상 구동방식의 경우 압전초음파모터의 금속체를 접지시킬 필요가 없어서, 제조를 용이하게 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 소정 형상으로 이루어져 스테이터로서 작용하는 금속체와, 상기 금속체의 표면에 부착되며 전기신호 인가시 수축/팽창하여 상기 금속체를 회전시키는 복수의 압전판을 포함하는 압전 초음파 모터;
    상기 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 발진하여, 상기 복수의 압전판중에서 소정 압전판에 인가되는 전기신호의 주파수를 압전판의 전기-기계적 공진주파수로 유지시키는 자가 발진부; 및
    회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 90도 또는 -90도로 지연시켜 복수 압전판중 다른 압전판으로 인가하는 지연부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압전판은 금속체에 상호 90도 각도로 배치되는 제1,2압전판을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압전판은 금속체의 표면에 상호 마주보도록 형성된 제1,2압전판, 제3,4압전판인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 자가 발진부는
    상기 제1압전판과 접지사이에 구비되는 제1캐패시터;
    상기 압전초음파모터의 금속체와 접지사이에 구비되는 제2캐패시터;
    상기 제1 캐패시터와 제1압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 금속체의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및
    상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 지연부는
    요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치; 및
    상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제2압전판에 인가하는 제1,2지연부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제1,2 압전판의 분극방향은 금속체의 중심점에서 외부를 향하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제1,2압전판의 분극방향은 외부에서 금속체의 중심점을 향하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 자가 발진부는
    상기 제1압전판 및 제2 압전판에 일단이 동시에 연결되고, 타단은 접지되는 제1캐패시터;
    상기 압전초음파모터의 금속체와 접지사이에 구비되는 제2캐패시터;
    상기 제1 캐패시터와 제1,2압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 금속체의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및
    상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 자가 발진부는
    상기 제1압전판과 접지사이에 구비되는 제1캐패시터;
    상기 제2압전판과 접지사이에 구비되는 제2캐패시터;
    상기 제1 캐패시터와 제1압전판의 접점과, 상기 제2캐패시터와 제2압전판의 접점사이에 구비되는 피드백(feedback)저항; 및
    상기 피드백(feedback)저항에 병렬로 연결되는 제1전환기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 지연부는
    요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치; 및
    상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제3,4 압전판에 동시에 인가하는 제1,2지연부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터 구동 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 지연부는
    요구된 회전방향에 따라서 상기 자가 발진부의 발진신호를 2개의 선택단자중 하나로 출력하는 스위치;
    상기 스위치의 2개 선택단자에 각각 연결되어 상기 스위치를 통해 입력된 전압신호를 각각 90도/-90도로 위상 지연시키고, 상기 위상 지연된 신호를 상기 제3 압전판에 인가하는 제1,2지연부; 및
    상기 제1 또는 제2지연부로부터 상기 제3압전판으로 전달되는 전기 신호를 180도 위상 반전시켜 제4압전판으로 인가하는 제2전환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
  12. 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제1,3 압전판의 분극방향은 금속체의 중심에서 외부를 향하고, 상기 제2,4압전판의 분극방향은 각각 마주보는 제1,3압전판과 분극방향과 동일한 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
  13. 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제1,3 압전판의 분극방향은 외부에서 금속체의 중심을 향하고, 상기 제2,4압전판의 분극방향은 각각 마주보는 제1,3압전판과 분극방향과 동일한 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
  14. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제1~제4 압전판의 분극방향은 금속체의 중심에서 외부를 향하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
  15. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제1,3 압전판의 분극방향은 외부에서 금속체의 중심을 향하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
  16. 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자가발진부는
    제2캐패시터와 피드백(feedback)저항 및 제1전환기의 사이에 소정 용량값의 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 모터의 구동 장치.
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