KR100683934B1 - 초소형 압전 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 이동축을 부착하여 압전효과에 의해 압전체 및 탄성체가 변위됨에 따라 이동축에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서, 압전소자의 발생 변위 및 공진 특성을 모터에 직접적으로 반영하여 구성한 것을 압전 소자를 단순 진동발생 원천으로 사용하여, 주변 구조 물의 고유 진동을 발생시키고, 구조물의 고유 진동에 따른 변위 확대를 이용한 리니어 모터에 관한 것이다.

압전효과, 리니어 모터, 이동체, 샤프트, 마찰력, 선 접촉

Description

초소형 압전 리니어 모터{Micro piezoelectric linear motor}

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 이동체의 일 예를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예의 사시도를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 압전 리니어 모터의 일 실시예의 정면도를 나타낸 것이다.

{도면의 주요부분에 대한 설명}

11 : 탄성체 기판 12 : 압전기판

13 : 지지수단 14 : 샤프트

15 : 이동체 16 : 이송계

17 : 압착링 21: 압전체

22: 샤프트 23: 탄성체 기판

24: 지지수단

본 발명은 카메라 등의 렌즈를 구동하기 위해 사용되는 압전 리니어 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전기판을 탄성체에 부착한 것에 이동축을 부착하여 압전효과에 의해 압전기판 및 탄성체가 변위됨에 따라 이동축에 탑재된 이동체도 함께 선형적으로 진동하는 리니어 모터에 있어서 그 구동성능이 개선된 리니어 모터에 관한 것이다.

모바일폰, PDA 등 휴대용 이동통신 단말기에서 카메라 렌즈를 구동하기 위해 탑재되는 모터는 초소형으로 형성된다. 카메라 렌즈구동용으로 탑재 가능한 초소형 모터 중 전자계 방식의 모터(Stepping Motor)는, 빠른 회전을 직선운동으로 바꾸기 위해 감속기어와 캠(cam)을 사용하여야 하며 정 또는 역회전 시 백레쉬(backlash)가 생겨 오차가 발생하고 전력소모가 크기 때문에 사용에 제한을 받으며, 높은 전류와 열을 발생하는 등의 단점이 있다.

상기와 같은 단점을 해결하기 위해 압전효과를 이용해서 구동되는 리니어 모터가 개발되었다. 압전효과를 이용한 리니어 모터는 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생한 진행파로 구동하는 방법과 종진동(longitudinal vibration)과 횡진동(transversal vibration) 액츄에이터를 결합하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 이동체를 구동하는 정상파형 방법 등이 알려져 있다.

정상파형(standing wave type) 리니어 모터의 기본적인 형태로 서로 다른 동작 양태를 갖는 진동자를 결합하여 발생하는 복수진동을 이용하는 것이 있는데, 이 는 수직방향과 수평방향으로 진동하는 압전 액츄에이터와 상기 압전 액츄에이터의 진동을 동작하는 이동체에 기계적 변위로 전달하는 샤프트로 구성되어 있다.

압전 액츄에이터의 수직방향의 종진동을 샤프트를 통해 이동체에 전달하는 방법으로 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 특히 압전체 기판을 탄성체에 접착 형성하여 탄성체와 압전기판의 굴곡운동을 구동력으로 구동원으로 사용하는 방법이 있다.

도 1은 종래 압전 리니어 모터의 구조를 간략히 나타낸 것이다.

도 1에서 압전 리니어 모터는 탄성체 기판(11)과 상기 탄성체 기판에 접착된 압전기판(12), 상기 탄성체 기판을 하부에서 지지하는 지지수단(13)과 상기 탄성체 기판에 부착되어 상기 탄성체 기판의 굴곡운동을 이동체에 전달하는 샤프트(14), 및 이동체(15)를 포함한다.

상기 탄성체 기판(11)은 일면 또는 양면에 부착된 압전기판(12)이 압전효과에 의해 신장 또는 수축됨에 따라 압전기판과 함께 변형되는데, 탄성체 기판(11)의 주변부가 지지수단(13)에 고정되어 있어서 지지수단(13)에 고정되지 않은 가운데 부분이 위쪽 또는 아래쪽으로 변위한다.

상기 탄성체 기판의 상부에는 샤프트(14)가 부착되는데, 상기 샤프트는 상기 굴곡변위운동에 따라 수직방향으로 진동하며, 이에 따라 이동체(15)가 구동되어 리니어 모터로서의 동작이 수행된다. 상기 탄성체 기판(11) 및 압전기판(12)의 가운데 부분이 위아래로 변위되면, 상기 탄성체 기판의 상부에 부착된 샤프트(14)는 선 형적으로 운동한다. 상기 샤프트의 선형적인 운동을 통해 탄성체 기판 및 압전기판의 굴곡운동이 이동체(15)에 전달되어 이동체가 구동되며, 상기 이동체(15)는 렌즈 등에 직간접적으로 연결되어 렌즈를 구동한다.

상기 이동체(15)는 관성과 마찰에 의하여 움직이는데, 종래의 이동체는 샤프트(14)에 일정한 마찰력을 가지고 접촉되는 이송계와 상기 이송계를 샤프트에 압착시켜 구속하는 구속수단으로 이루어진다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 이동체의 일 예를 나타낸 것으로, 도 1에 나타난 압전 리니어 모터에 포함되는 이동체를 나타낸 것이다.

도 2a는 이동체 부분만을 나타낸 것으로, 상기 이동체는 안쪽의 'ㄴ' 모양의 이송계(16)와 상기 이송계를 샤프트에 압착시키는 바깥쪽의 압착링(17)을 포함한다.

도 2b는 이동체가 샤프트에 접촉된 모습을 나타낸 것으로, 도 2a의 이동체의 이송계(16)가 샤프트(14)에 접촉된 모습을 나타낸 것이다.

상기 이동체는 이송계(16)가 샤프트(14)에 대해 마찰력을 가지고 접촉됨으로써 샤프트의 운동을 전달받아 구동된다. 상기 도 2a 및 도 2b에 나타난 종래의 이동체는 'ㄴ' 형태의 이송계 하나당 샤프트에 2개의 선 접촉으로 접촉되어, 이송계와 샤프트의 접촉이 전체적으로 네 개의 선 접촉으로 이루어진다.

상기와 같이 종래의 이동체는 'ㄴ' 형태 또는 기타의 형태의 이송계가 샤프 트에 선 접촉으로 접촉된다.

따라서, 상기의 선 접촉의 접촉면적을 넓혀 마찰력을 증대시킴으로써 이동체에 탄성체 기판과 압전기판의 굴곡운동이 전달되는 효율을 높이는 것이 바람직하다.

이러한, 종래의 기술은 압전체와 탄성체기판이 적층된 가동부에 대하여 일측에만 샤프트가 설치되므로, 가진시 질량의 편중으로 인하여 상기 압전체에 의해 발생되는 진동을 확대시키는데 제한이 있다.

또한, 종래 기술은 압전체의 작은 발생 변위를 기계적인 확대 기구를 이용하여 증폭시켰지만, 원천이 되는 변위를 크게 하기 위해서 압전체에 인가하는 전압이 커진다는 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 종래의 적층형 압전 액츄에이터를 이용한 모터의 경우에 있어, 압전소자의 발생 변위 및 공진 특성을 모터에 직접적으로 반영하여 구성한 것을 압전 소자를 단순 진동발생 원천으로 사용하여, 주변 구조 물의 고유 진동을 발생시키고, 구조물의 고유 진동에 따른 변 위 확대를 이용한 리니어 모터를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 리니어 모터는 양단이 고정되는 판상의 탄성체 기판; 상기 탄성체 기판의 하부에 부착되는 압전체; 상기 압전체의 하부에 부착되는 웨이트; 및 상기 탄성체 기판의 상부에 설치되는 샤프트를 포함한다.

상기 압전체는 수개의 압전소자를 상기 샤프트의 변위방향으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 압전체의 단면적은 상기 탄성체 기판보다 작으며, 상기 압전체의 질량중심과 상기 웨이트의 질량중심은 상기 탄성체 기판의 질량중심과 일치하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 샤프트는 원형 또는 다각형의 단면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 샤프트를 감싸서 상기 샤프트와 접촉하는 것에 의해 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 더 포함하고, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전체의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 압전 리니어 모터는 압전체와 탄성체의 형태 및 결합구조를 개선한 것으로, 샤프트 및 이동체 부분은 도 1에 나타난 종래의 압전 리니어 모터의 그것과 크게 다르지 않다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 리니어 모터의 샤프트(22)가 탄성체기판(23)에 고정설치되고, 상기 탄성체 기판(23)의 하부에 설치된 압전체(21) 및 상기 압전체(21)의 하부에 설치되는 웨이트(21)를 도시한 것이다.

도 4는 상기 도 3의 정면도로써, 상기 탄성체 기판(23)과 상기 압전체(21)가 상기 지지수단(24) 내에서 설치된 모습을 명확히 알 수 있도록 한다.

상기 압전체(21)는 수개의 압전소자를 적층하여 형성된 것을 사용하는 것이 수직방향 변위를 크게 할 수 있어 바람직하다. 또한, 압전소자를 적층하여 사용한 경우 저전압으로도 구동할 수 있다.

상기 압전체(21)의 형상은 제한은 없으나, 적층된 압전소자를 사용할 경우 종래 기술에 비하여 다소 두께가 두꺼워진다.

상기 압전체(21)는 상기 탄성체 기판(23)의 하부에 부착 설치되며, 이 때 에폭시와 같은 접착제를 사용할 수 있다.

상기 탄성체 기판(23)은 빔형태의 판으로, 양단이 고정되어 고정단을 이룬다.

상기 탄성체 기판(23)은 본 발명의 압전 리니어 모터가 설치되는 어플리케이션의 하우징에 설치된다. 이 때, 상기 압전 리니어 모터의 작동시 상기 웨이트(21)의 하단과 상기 샤프트(22)의 상단이 변위할 수 있는 충분한 공간이 확보되어야 한다.

상기 탄성체 기판(23)의 중심부분에는 수직변위를 위한 샤프트(22)가 고정설치된다.

상기 샤프트(22)의 크기는 적어도 상기 탄성체 기판(23)의 폭방향을 넘지 않는 크기여야 한다.

상기 샤프트(22)는 상기 탄성체 기판(23)과 에폭시 수지와 같은 접착제 의해 부착될 수 있으며, 일체로 형성되는 것도 가능하다.

본 발명에서는 상기 압전체(21)의 하부에 웨이트(24)를 더 설치하는 것에 주요한 특징이 있다.

상기 웨이트(24)는 비중이 큰 금속제를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 금속을 함유한 고무 등을 사용하여 본 발명의 압전 리니어 모터가 충격을 받을수 있는 충격에 대비할 수 있다.

상기 샤프트(22)가 설치되어 있는 탄성체 기판(23)이 일정한 힘을 전달 받게 되면 구조적인 공진 운동을 하게 된다. 이러한 힘의 공급원으로 상기 압전체(21)를 사용하는 것이며, 상기 압전체(21)의 작은 크기의 진동이 상기 탄성체 기판(23)에 가진역할을 하게 되고, 구조적인 공진에 의하여 발생되는 변위의 크기가 증폭되게 된다. 이 때, 상기 압전체(21)의 아래쪽에 붙어 있는 웨이트(24)는 상기 압전체(21)가 발생시키는 진동을 상기 탄성체 기판(23)과 상기 사프트(22)이 부착되어 있는 구조물쪽으로 전달 시켜주는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 웨이트(24)의 중량 조절로 전체적인 구조물의 공진 주파수 조절도 가능하게 된다.

상기 압전체의 단면적은 상기 탄성체 기판보다 작으며, 상기 압전체의 질량중심과 상기 웨이트의 질량중심은 상기 탄성체 기판의 질량중심과 일치하도록 설치되어야만, 편심으로 인하여 상기 압전체(21)의 진동에 의해 발생하는 가진력이 모멘트를 형성하지 않게 된다.

본 발명의 압전 리니어 모터에서도 도 1에 나타난 것과 같이, 압전체(21)의 수축 또는 신장에 따라 상기 압전체(21)가 설치된 탄성체 기판(23)이 상하 방향으로 진동, 굴곡운동하며, 상기 탄성체 기판(23)의 상부에 일측이 부착된 샤프트(22)가 상기 굴곡운동에 연동되어 상하 방향으로 선형 운동한다.

상기 샤프트(22)는 상기 탄성체의 굴곡운동을 이동체(도시생략)에 보다 효율적으로 전달하기 위해 가는 원형의 단면을 갖는 원기둥 또는 다각형의 단면을 갖는 막대의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 샤프트에 접촉된 이동체는 상기 샤프트와 연동되어 선형 운동하는데, 상기 샤프트의 일부 이상을 감싸도록 상기 샤프트에 접촉되어 있어 상기 샤프트와 상기 이동체 사이에는 소정의 마찰력이 발생한다. 상기 이동체는 상기 샤프트와 일체로 운동하거나 또는 상기 샤프트와의 마찰력과 운동의 계속에 따른 관성력의 상호작용에 따라 상기 샤프트 상에서 이동하면서 운동할 수도 있다.

예를 들어 상기 마찰력보다 상기 관성력이 더 큰 경우에는 상기 이동체는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지면서 운동할 수도 있고, 마찰력이 매우 큰 경우에는 샤프트에 대한 상대적 위치가 크게 달라지지 않으면서 운동할 수도 있다. 본 발명에서는 특히 상기 마찰력을 증대시키며, 이는 샤프트와 이동체가 일체로 운동할 필요가 있는 경우에 보다 유용하다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에서 제안한 구조적인 공진을 이용하는 압전 리니어 모터는 기존의 압전 세라믹을 직접적으로 사용하는 모터와는 달리 구조물의 공진을 이용함으로써, 압전 세락믹의 크기 및 발생하는 변위등에 대한 영향을 감소 시킬수 있는 독립적인 모터라고 할 수 있다.

모터의 소형화 관점에서 볼때 일정한 힘과 변위를 만족 해야 하는 압전 모터는 세라믹의 크기가 매우 중요한 요소로 고려되어 왔으나 이러한 구조적인 공진 모터에서는 세라믹은 일정한 힘과 변위만을 공급해주는 원천으로 사용함으로써, 크기면에서 장점을 지니게 되고, 압전 세라믹의 관점에서 볼때는 세라믹의 작은 변위를 구조적인 공진을 이용하여 증폭시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한 아래쪽에 부착되어 있는 가진질량을 이용하여 공진 주파수 조절 및 발생 변위등을 조절 할 수 있는 장점도 있다.

이러한 압전 리니어 모터는 압전 세라믹에 의해 구현 및 제어 여부가 판가름 되던 기존 모터들과는 달리 압전 세라믹의 영향을 감소시킴으로써, 소형화 및 구성의 자유도를 증가 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (5)

1. 양단이 고정되는 판상의 탄성체 기판; 상기 탄성체 기판의 하부에 부착되는 압전체; 상기 압전체의 하부에 부착되는 웨이트; 및 상기 탄성체 기판의 상부에 설치되는 샤프트를 포함하는 압전 리니어 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 압전체는 수개의 압전소자를 상기 샤프트의 변위방향으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 압전체의 단면적은 상기 탄성체 기판보다 작으며, 상기 압전체의 질량중심과 상기 웨이트의 질량중심은 상기 탄성체 기판의 질량중심과 일치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
4. 제1항에 있어서, 상기 샤프트는 원형 또는 다각형의 단면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.
5. 제1항에 있어서, 상기 샤프트를 감싸서 상기 샤프트와 접촉하는 것에 의해 상기 샤프트의 운동에 따라 선형 운동하는 이동체를 더 포함하고, 상기 이동체는 상기 샤프트가 상기 압전체의 변형에 연동되어 선형 운동함에 있어서 상기 이동체와 상기 샤프트 사이의 마찰력보다 상기 이동체의 관성력이 더 큰 경우에는 상기 샤프트를 따라 미끄러져 이동하여 상기 샤프트에 접촉되는 위치가 달라지는 것을 특징으로 하는 압전 리니어 모터.

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