KR100991643B1

KR100991643B1 - 압전 모터 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR100991643B1
Application number: KR1020047014440A
Authority: KR
Inventors: 보니. 비트에벤
Original assignee: 미니스뷔스 에스에이
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2010-11-04
Also published as: AU2003206604A8; US20050127784A1; US7105987B2; HK1081734A1; WO2003079462A2; WO2003079462A3; ATE335302T1; AU2003206604A1; CN1653679A; JP4282487B2; CN100525055C; KR20040097173A; JP2005530464A; DE50304468D1; EP1485985A2; EP1485985B1

Abstract

간극(7)을 형성하는 고정자(1) 및 운전자(4)와, 고정자(1) 또는 운전자(4)에 연결되어 고정자(1) 또는 운전자(4)와 공진체(1,3;4,3)를 형성하는 압전 트랜스듀서(3)를 포함하며, 상기 공진체(1,3;4,3)는 주 진동방향 "H"으로 여기되는 압전모터(6)에 있어서, 고정자(1)가 운전자(4)를 향하여 면하는 연동표면(1a)을 포함하거나, 또는 운전자(4)가 고정자(1)를 향하여 면하는 연동표면을 포함하고, 고정자(1) 또는 운전자(4)는, 전진부재(5)가 적어도 일시적으로 연동표면(1a) 상에 위치하도록 하는 방식으로, 고정자(1)와 운전자(4) 사이의 간극(7)을 브리지하는 탄성의 전진부재(5)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전진부재(5)는 제 1 부분구간(5c) 및 제 2 부분구간(5d)을 포함하며, 상기 부분구간들(5c,5d)이 서로 다른 공진주파수를 갖는다.

압전모터, 연동표면, 전진부재

Description

압전 모터 및 그 구동방법 {PIEZOELECTRIC MOTOR AND METHOD FOR ACTUATING SAME}

본원발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따르는 압전모터에 관한 것이다. 또한 청구범위 제20항에 따른 압전모터의 구동방법에도 관한 것이다.

압전모터는 EP1 098 429 A2에 공지되어 있으며, 여기서 압전모터는 두개 이상의 세로방향 압전 액츄에이터(piezoelectric longitudinal actuator)를 포함하고, 이들 압전 액츄에이터는 서로에 대해 90도로 이동되어 있으며, 환형으로 설계된 커플링 요소(coupling element)에 의해 축 상에 작용함으로써 축이 회전하도록 한다. 각각의 세로방향 압전 액츄에이터를 작동시키기 위해서는, 90도의 일정한 위상관계를 가질 필요가 있는 정현파 전압 신호가 필요하다.

이러한 압전모터는 서로 매치(match)되어야 하는 여러 개의 진동체가 존재한다는 점과, 단지 작은 토크만이 만들어진다는 점, 커플링 요소와 축간에 큰 마모가 발생한다는 점, 및 압전모터가 비교적 비싸다는 점이 단점이다.

본원발명의 목적은 좀더 개량된 압전모터를 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징을 갖는 압전모터에 의해 달성된다. 종속항인 청구범위 제2항 내지 제19항은 또 다른 개량된 구성과 관계된다. 상기 목적은 또한 청구범위 제 20항의 특징을 갖는 압전모터의 구동방법에 의해 달성된다.

상기 목적은 특히, 간극을 형성하는 고정자 및 운전자를 포함하는 압전 모터에 의해 달성되는데, 여기서 고정자 또는 운전자는 고정자 또는 운전자와 함께 공진체를 형성하는 압전 트랜스듀서에 연결되며, 상기 공진체는 주 진동방향으로 여기되며, 고정자가 운전자를 향하여 면하는 연동표면을 포함하거나, 또는 운전자가 고정자를 향하여 면하는 연동표면을 포함하고, 고정자 또는 운전자는 주 진동방향에 대해 기울어져서, 전진부재가 적어도 일시적으로 연동표면 상에 위치하도록 하는 방식으로, 고정자와 운전자 사이의 간극을 브리지하는 탄성의(유연한) 전진부재(5)를 포함한다. 공진체는 전진부재가 진동하는 미세 운동(micro-movement)을 하도록 하여, 전진부재가 주기적으로 연동표면에 추진력을 가하도록 하고, 운전자가 고정자에 대하여 전진 이동을 하도록 하여 운전자가 이동하도록 한다.

특히 유리한 구성에 있어서, 압전모터는 회전자로 설계된 원형의 운전자와 상기 회전자를 둘러싸는 환형의 고정자를 구비하는 회전모터로서 설계된다. 고정자에는 하나 또는 두개의 환형 압전 트랜스듀서가 구비되어 있고, 이러한 압전 트랜스듀서는 고정자와 함께 공진체를 형성한다. 이러한 공진체는 회전자의 회전중심을 향해 반경방향으로 연장하는 주 진동방향을 가지며, 그 결과 공진체는 반경방향으로 연장하는 미세 운동을 하게 된다. 전진부재는 고정자 또는 회전자에 연결되며, 바람직하게는 본질적으로 직선으로 연장하도록 설계되며, 바람직하게는 주 진동방향에 대해 0도 이상, 특히 20도에서 60도사이의 각도를 두고 기울어져 연장한다. 유리한 구성에 있어서, 다수의 전진부재가 회전자 또는 고정자의 원주방향으로 서로 일정하게 간격을 두고 배치되며, 모든 전진부재는 동일한 연동표면에 놓여진다. 전진부재의 정열방식에 따라서 압전모터가 시계방향으로 회전하거나 반시계방향으로 회전하게 된다.

또 다른 유리한 구성에 있어서, 전진부재는 직선으로 연장되도록 설계되지 않고, 예리한 굴곡부를 통해 서로 연결되는 제 1 부분구간 및 제 2 부분구간을 포함한다. 제 1 및 제 2 부분구간은 서로 다른 공진 주파수(고유 주파수)를 가지며, 이로써 회전식 압전모터는 공진체의 주파수에 따라서 시계방향 또는 반시계방향 회전을 실행하게 된다. 상기 두 개의 부분구간은 모터가 작동하게 되면 자유롭게 진동하게 된다. 동시에 제 1 부분구간은 연결된 고정자 또는 회전자에 대하여 진동하게 되며, 제 2 부분구간은 제 1 부분구간에 대하여 진동하며 연동표면에 작동하게 된다.

또 다른 유리한 구성에 있어서, 본원발명에 따른 압전모터는 선형모터로서 설계되며, 고정자는 선형으로 연장하며 운전자는 선형 방향을 따라 이동가능하게 장착된다.

본원발명에 따른 압전모터는 다음과 같은 장점을 갖는다:

시계방향, 반시계방향, 또는 양방향으로 회전하도록 구성될 수 있다.

최대 토크 및 속도가 연동표면에 대한 전진부재의 연동각에 의하여 결정될 수 있다.

연동표면이 비교적 크기때문에 연동표면에 작용하는 전진부재는 단지 조금 마모될 뿐이다.

전진부재는 두드리는 작용이 없이 연동표면 상에 작용하므로 마모가 적어진다.

여러 개의 공진체를 사용하는 공지의 압전모터와 달리 단지 하나의 공진체만을 사용하여 작동하므로, 기계적 공진회로의 튜닝(tuning)을 매우 간단하게 한다.

구조가 매우 간단하다.

제조비용이 비교적 저렴하다.

매우 작고 조용하며, 또한 대부분 슬립(slip)이 없이 작동되며, 회전각을 정교하게 조절할 수 있다.

축은 어떠한 벤딩 모멘트(bending moment)도 없이 구동될 수 있다.

낮은 회전 속도에서 작동하며 높은 토크를 가질 수 있으므로 트랜스미션 기어(transmission gear)없이도 작동 가능하다.

수 밀리세컨드(millisecond) 대의 짧은 준비 시간과 정지시간을 갖는다.

구조적 체적이 적다.

전자기장을 거의 방출하지 않는다.

효율이 높다.

본원발명에 따른 장치의 몇 가지 실시예가 이하에서 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1a는 반경방향으로 진동하는 고정자의 측면도 및 수축된 상태를 도시하고 있다.

도 1b는 반경방향으로 진동하는 고정자의 측면도 및 확대된 상태를 도시하고 있다.

도 1c는 절단선 A-A를 따른 고정자의 단면도이다.

도 2a는 반경방향으로 진동하는 또 다른 고정자의 측면도 및 확대된 상태를 도시하고 있다.

도 2b는 반경방향으로 진동하는 또 다른 고정자의 측면도 및 수축된 상태를 도시하고 있다.

도 2c는 절단선 B-B를 따른 고정자의 단면도이다.

도 3a는 반시계방향으로 회전하는 회전자의 측면도이다.

도 3b는 반시계방향으로 회전하는 회전자의 도식적인 측면도이다.

도 4는 시계방향으로 회전하는 회전자의 측면도이다.

도 5a는 반시계방향으로 회전하고 있는, 양방향으로 회전할 수 있는 회전자의 측면도이다.

도 5b는 시계방향으로 회전하고 있는, 양방향으로 회전할 수 있는 회전자의 측면도이다.

도 5c는 전진부재를 구비하는 회전자를 도식적으로 나타내고 있다.

도 5d는 또 다른 전진부재의 상세도이다.

도 6은 양방향으로 회전할 수 있는 회전자의 측면도이다.

도 7은 고정자의 주파수 특성 및 그 공진 곡선을 나타내고 있다.

도 8은 고정자의 제 1 및 제 2 공진 곡선을 나타내고 있다.

도 9a는 마운팅(mounting)을 구비하지 않은, 내부 운전자로서 설계된 압전모터의 측면도이다.

도 9b는 절단선 C-C를 따른, 도 9a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 10a는 마운팅(mounting)을 구비한, 내부 운전자로서 설계된 압전모터의 측면도이다.

도 10b는 절단선 D-D를 따른, 도 10a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 11a는 마운팅(mounting)을 구비하지 않은, 내부 운전자로서 설계된 다른 압전모터의 측면도이다.

도 11b는 절단선 E-E를 따른, 도 11a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 12a는 마운팅(mounting)을 구비하지 않은, 외부 운전자로서 설계된 압전모터의 측면도이다.

도 12b는 절단선 F-F를 따른, 도 12a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 13a는 마운팅(mounting)을 구비한, 외부 운전자로서 설계된 압전모터의 측면도이다.

도 13b는 절단선 G-G를 따른, 도 13a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 14a는 공동의 운전자를 구비한, 내부 운전자로서 설계된 압전모터의 측면도이다.

도 14b는 절단선 H-H를 따른, 도 14a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 15a는 반시계방향 및 시계방향 회전을 위한 선형모터의 측면도이다.

도 15b는 절단선 I-I를 따른, 도 15a에 도시된 압전모터의 단면도이다.

도 16a, 16b, 16c는 다소 수정된 형태의 압전모터 실시예를 나타내고 있다.

도 17a는 반시계방향 및 시계방향 회전을 위한 다른 선형모터의 측면도이다.

도 17b, 17c, 17d는 각각 절단선 J-J를 따른 단면도로서, 도 17a에 따른 선형모터의 다양한 변형예를 나타내고 있다.

이하에서 사용되는 고정자와 운전자(runner) 또는 회전자는 서로 바뀌어 사용될 수 있는데, 이는 운전자 또는 회전자로 지시되는 부분이 고정식으로 배치된다면 고정자로 지시되는 모터의 고정된 부분도 모터의 회전부 또는 운전자가 될 수 있기 때문이다.

도 1a와 도 1b에는 금속이나 세라믹으로 된 원형 고리모양의 고정자(1)와, 고정자의 양측면 상에 배치되어 고정자에 단단하게 연결되어 있는 두개의 환형 압전 트랜스듀서(transducer)로 구성된 공진체(resonator;1,3)가 도시되어 있다. 공진체(1,3)는 중심(4a)에 대해 축방향 대칭으로 설계되며, 여기된 상태에서 주 진동 방향 "H" 를 갖거나 또는 중심(4a)에 대해 반경방향으로 이동하는 미세운동(micro-movement)을 갖도록 설계된다. 동시에 공진체(1,3)는 도 1a에 점선으로 도시된 것과 같이 전체적으로 수축을 하거나, 또는 도 1b에 점선으로 도시된 것과 같이 전체적으로 확장을 하는 방식으로 설계된다.

도 1c는 선 A-A를 따른 공진체(1,3)의 단면을 도시하고 있다.

도 2a 및 도 2b에는 또 다른 공진체(1,3)가 도시되어 있다. 이 공진체(1,3) 는, 도 1a, 1b에 도시된 실시예와 대비하여, 중심(4a)에 대해 반경방향으로 이동하는 주 진동방향 "H" 에서, 공진체(1,3)의 고리부 두께가 도 2a에 점선으로 도시된 것과 같이 증가하거나, 도 2b에 점선으로 도시된 것과 같이 감소하도록 여기된다.

도 2c는 선 B-B를 따른 공진체(1,3)의 단면을 도시하고 있다.

도 3에는 도 1a, 1b, 2a, 및 2b에 도시된 공진체(1,3)를 포함하는 압전모터(6)가 상세하게 도시되어 있다. 공진체(1,3)는 내부로 향하는 연동 표면(1a)을 포함한다. 공진체(1,3)는 주 진동방향 "H" 으로 여기되어 연동 표면(1a)이 이 방향으로 진동하게 된다. 점선으로 도시된 연동 표면(1b)은 공진체(1,3)가 최대로 수축된 시점에서의 연동 표면(1a)의 위치를 나타낸다. 회전 중심(4a)을 갖는 원형의 회전자(4)는 고정자(1) 안에 간극(7)을 두고 배치되어 있다. 탄성의 전진부재(advance element;5)는 주 진동방향 "H" 에 대해 각 "α" 로 기울어져서 회전자의 표면에 배치되어 있다. 초기 위치에서, 연동 표면은 (1a)로 표시된 곳에 위치하며 전진 부재(5)는 (5a)로 표시된 곳에 위치한다. 전진 부재(5)는, 연동 표면(1a)이 (1b)로 표시된 위치로 이동하는 동안, 구부러져서 (5b)로 표시된 추진 위치로 이동하게 된다. 연동 표면(1a)과 전진 부재(5) 사이의 마찰력이 충분히 크기때문에, 연동 표면이 (1a)의 위치로부터 (1b)의 위치로 수축하는 동안, 연동 표면(1a,1b)의 동일한 위치에 지지되도록 유지되며, 이로 인해 전진 부재(5)는 회전자(4)에 왼쪽으로 향하는 힘을 가하게 되고, 그 결과 회전자(4)는 "D" 의 방향으로 반시계방향 회전을 하게 된다. 연동 표면이 (1b)의 위치로부터 (1a)의 위치로 전진하는 진동 운동을 할 때에 공진체(1,3)는 큰 가속을 받게 된다. 이 때문에 전진 부재(5)와 연동 표면 (1a,1b) 간의 마찰력은 매우 적어지게 되어, 전진하는 진동 운동 동안에는 회전방향 "D" 로 작용하는 힘이 회전자(4)에 거의 가해지지 않거나 또는 전혀 가해지지 않게 되고, 그 결과 회전자는 본질적으로 이동이 없게 된다. 그러나, 후속해서 발생되는 공진체(1,3)의 수축에 의해서, 회전자(4)는 전진 부재(5)에 의해 "D" 방향으로 다시 회전하게 된다. 공진체(1,3)가 주 진동방향에서 진동하는 한, 회전자(4)는 "D"의 방향을 따라 반시계방향으로 회전하게 된다. 공진체(1,3)가 정지하게 되면, 회전자(4)는 더이상 회전을 하지 않게 된다. 따라서, 압전 모터(6)는 무한히 회전 및 정지를 반복하게 된다.

도 3b는 도 3a에 도시된 압전모터(6)의 이동방식을 세부적으로 다시 도시하고 있다. 연동표면(1a)을 갖는 공진체(1,3)는 반경방향으로 거리 Δrs 만큼 수축하여, 연동표면이 "1b"로 표시된 곳에 위치하게 된다. 이와 동시에 전진부재는 초기위치(5a)로부터 추진위치(5b)로 이동하게 되며, 전진부재(5)의 단부(5f)는 ΔUR 만큼 회전방향으로 이동하게 되어, 회전자(4)에 놓여있는 단부(5f)가 이러한 양만큼 회전자(4)를 회전시키게 된다.

도 4는 도 3a에 도시된 압전모터(6)의 수정된 실시예를 도시하고 있는데, 여기서 전진부재(5)는, 도 3a에 따른 실시예와 비교하여, 주 진동방향 "H" 와 관련하여 반대방향으로 이동하도록 배치되어 있다. 이로써, 회전자(4)는 공진체(1,3)가 진동하는 동안 "D"의 방향으로 회전하게 되며, 따라서 시계방향의 회전을 하게 된다. 전진부재(5)의 배치를 제외한 나머지 구성은 도 3a에 도시된 압전모터(6)와 동일하다.

도 5a와 도 5b는 도 4에 도시된 실시예와 달리 예리한 굴곡부로 회전하는 전지부재를 포함하는 압전모터(6)를 도시하고 있다. 전진부재(5)는 회전자(4)에 연결된 제 1 부분구간(5c)과 상기 제 1 부분에 연결되어 주 진동방향 "H" 와 관련하여 반대방향으로 이동하는 제 2 부분구간(5d)을 포함하고 있다.

도 5c는 도 5a와 도 5b에 도시된 전진부재(5)를 도식적으로 상세히 도시하고 있다.

도 5d는 제 1 부분구간(5c), 제 2 부분구간(5d)에 있는 협소지점(narrowing location; 5e), 및 제 2 부분구간(5d)이 끝나는 지점인 단부(5f)를 구비하여 예리한 굴곡부로 작동하는 전진부재(5)의 한 실시예를 도시하고 있다. 전진부재(5)는 운전자 또는 회전자(4)에 고정되게 연결되어 있다. 협소지점(5e)은 반드시 필요한 요소는 아니며, 상기 부분구간들의 진동 특성에 영향을 주도록 임의의 방식으로 배치될 수 있다.

예리한 굴곡부로 회전하는 전진부재(5)는 이하에서 좀더 상세히 기술되는 것과 같은 기술적 특성을 갖는다. 제 1 부분구간(5c)은 제 1 고유 공진 주파수 (natural resonant frequency; f1)를 갖는다. 제 2 부분구간(5d)은 제 2 고유 공진 주파수 (natural resonant frequency; f2)를 갖는다. 상기 두 부분구간(5c,5d)은 상기 두개의 고유 공진 주파수(f1,f2)가 서로 다른 값을 갖도록 설계되어 서로 기계적으로 결합되어 있다. 전체 전진부재(5)는 공진체(1,3)에 의하여 진동이 야기되어, 주파수 "f"로 진동하게 된다.

도 6에는 예리하게 굴곡된 다수의 전진부재(5)가 간격을 두고 표면에 배치된 회전자의 한 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 구성으로서는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 압전모터(6)가 도 6에 도시된 회전자(4)를 포함하는 것이 좋다.

도 7은 여기 주파수 "f" 의 함수로서 전진부재(5)의 진동 진폭을 도시하고 있다. 이 예에서 전진부재(5)는 100kHz 대의 공진 주파수를 갖는다.

도 8은 도 5a 및 도 5b에 도시된 압전모터(6)에 사용되는 예로서, 여기 주파수 "f" 의 함수로서 공진체(1,3)의 진동 진폭을 도시하고 있다. 예로서, 공진체(1,3)는 100kHz 및 300kHz의 고유주파수를 갖는다.

도 7 및 도 8을 비교하면, 도 5a 및 도 5b에 도시된 압전모터(6)는 공진체(1,3) 및 전진부재(5)가 100kHz 대에서 공진하도록 설계된 것을 알 수 있다. 이하에서 계속 기술되는 기술적 효과는 특히 흥미롭다. 전진부재(5)는 100kHz의 공진 주파수 이하, 예를 들어 도시된 바와 같이 90kHz에서 제 1 부분구간이 상응하는 높은 진폭으로 공진하도록 설계된다. 그 공진 주파수 밖에서 여기되는 제 2 부분구간(5d)이 단지 약간의 변형 또는 형상 변화를 갖는 반면에 제 1 부분구간(5c)은 상대적으로 크게 변형되는 이러한 공진 특성이 도 5b에 도시되어 있다. 이에 따라 회전자(4)는 회전방향 "D" 를 따라 반시계방향으로 회전하게 된다.

또한, 전진부재(5)는 100kHz의 공진 주파수 이상, 예를 들어 도시된 바와 같이 110kHz에서 제 2 부분구간(5d)이 상응하는 높은 진폭으로 공진하도록 설계된다. 그 공진 주파수 밖에서 여기되는 제 1 부분구간(5c)이 단지 약간의 변형 또는 형상 변화를 갖는 반면에 제 2 부분구간(5d)은 상대적으로 크게 변형되는 이러한 공진 특성이 도 5a에 도시되어 있다. 이에 따라 회전자(4)는 회전방향 "D" 를 따라 시계 방향으로 회전하게 된다. 따라서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 압전모터(6)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 여기 주파수에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다. 따라서 본원발명에 따른 이러한 압전모터의 구성은 압전모터가 양 회전방향으로 구동될 수 있다는 점과, 회전방향이 선택될 수 있다는 점, 및 회전방향이 예를 들어 작동 중에 일정하게 변화될 수도 있다는 장점을 갖게 된다.

도 9a는 내부 운전자 형태로서 설계된 압전모터(6)의 측면을 도시하고 있으며, 이 압전모터는 고정자에 체결수단(1c)이 구비된 공진체(1,3), 전기 공급 도선(8)을 구비한 환형 압전 트랜스듀서(3a,3b), 및 원주방향에서 간격을 두고 배치된 다수의 전진부재(5)를 구비하는 회전자를 갖으며, 여기서 상기 회전자는 회전 중심(4a)에 대해 회전하게 된다.

도 9b는 절단선 C-C 에 따른 도 9a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 고정자(1) 및 압전 트랜스듀서(3a,3b)를 구비한 공진체(1,3) 및 전진부재(5)와 중심에 배치된 축(4b)을 구비하는 회전자(4)가 도시되어 있다.

도 10a에는 축(4b)이 도 9a에 도시된 실시예와는 달리 베어링(9)에 장착되어 있는 압전모터(6)의 측면을 도시하고 있다.

도 10b는 절단선 D-D 에 따른 도 10a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 고정자(1) 및 압전 트랜스듀서(3a,3b)를 구비한 공진체(1,3) 및 전진부재(5)와 베어링(9)에 장착되어 중심에 배치된 축(4b)을 구비하는 회전자(4)가 도시되어 있다.

도 11a에는 또 다른 압전모터의 측면이 도시되어 있으며, 여기서 압전모터의 공진체(1,3)는 도 9a에 도시된 실시예와 달리 두개의 고정자(1) 및 그 사이에 배치 된 압전 트랜스듀서(3)를 포함하고 있다.

도 11b는 절단선 E-E 에 따른 도 11a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 두개의 고정자(1) 및 그 사이에 배치된 압전 트랜스듀서(3)를 구비한 공진체(1,3) 및 전진부재(5)와 중심에 배치된 축(4b)을 구비하는 회전자(4)가 도시되어 있다.

도 12a는 외부 운전자 형태로서 설계된 압전모터(6)의 측면을 도시하고 있으며, 이 압전모터는 고정자가 체결수단(1c)에 의해 단단히 고정되어 있고 두개의 디스크형 압전 트랜스듀서(3a,3b)에는 전기 공급 도선(8)이 구비되어 있는 공진체(1,3) 및 원주방향을 따라 간격을 두고 배치된 다수의 전진부재(5)를 구비하는 회전자를 갖으며, 여기서 상기 회전자는 공동의 운전자(hollow runner)로서 설계되어 회전 중심(4a)에 대해 회전가능하게 된다. 전진부재(5)는 내부로 돌출하도록 배치되어 공진체(1,3)의 원형 외부표면에 놓여지게 된다.

도 12b는 절단선 F-F 에 따른 도 12a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 고정자(1) 및 압전 트랜스듀서(3a,3b)를 구비한 공진체(1,3) 및 전기 도선(8)을 구비한 체결수단(1c)이 도시되어 있다. 전진부재(5)를 구비한 회전자(4)는 외부 운전자로서 설계되고 공진체(1,3)의 외부표면에 배치된다.

도 13a에는 외부 운전자형으로서 설계된 또 다른 압전모터의 측면이 도시되어 있다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 실시예와 달리 압전 트랜스듀서(3a,3b)를 구비하는 고정자(1) 및 회전자(4)는 축(4b)을 구비하는 공통의 베어링(9)에 장착되어 있다.

도 13b는 절단선 G-G 에 따른 도 13a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 고정자(1) 및 압전 트랜스듀서(3a,3b)를 구비하여 베어링에 고정된 공진체(1,3) 및 전진부재(5)를 구비한 회전자(4)가 축(4b)에 장착되어 있는 것이 도시되어 있다. 축(4b)은 베어링(9)에 고정되어 연결되어 있다.

도 14a에는 또 다른 압전모터(6)의 측면이 도시되어 있으며, 압전모터의 회전자(4)는 도 9a에 도시된 실시예와는 달리 공동의 운전자(4)로서 설계되어 있다.

도 14b는 절단선 H-H 에 따른 도 14a의 단면을 도시하고 있으며, 여기에는 공진체(1,3) 및 공동의 운전자로서 설계된 회전자(4)가 도시되어 있다.

도 15a는 본원발명에 따른 압전모터(6)를 선형 모터로서 설계하는 방법의 원리를 도식적으로 도시하고 있다. 압전 요소를 여기시키기 위한 전기적 연결 또는 압전 요소의 샌드위치(sandwich) 구성은 도시되어 있지 않다.

도 15b는 절단선 I-I에 따른 도 15a의 선형모터의 단부를 도식적으로 나타내고 있다. 운전자(4)는 직사각형의 판형으로 설계된다. 각각의 경우에서, 압전 트랜스듀서(3a,3b)는 운전자(4)의 양측면에 배치되며, 여기서 운전자(4)와 트랜스듀서(3a,3b)는 주 진동방향 "H" 를 갖는 공진체(4,3)를 형성한다. 운전자(4)는 주 진동방향 "H" 에 수직으로 연장하는 이동 방향에서 이동가능하도록 고정자(1)에 장착되어 있으며, 그 상부와 하부 각각에 연동표면(1a)을 갖는다. 고정자(1)는 다수의 전진부재(5)를 포함하며, 이러한 전진부재들은 운전자(4)를 향해 돌출하도록 배치되고, 또한 운동방향 "B" 을 따라 간격을 두고 배치되어 있다. 도 5a ~ 5d에 상세히 도시된 바와 같이, 전진부재(5)는 예리한 굴곡부를 갖도록 설계되며, 또한 도 7에 도시된 공진특성을 갖는다. 이에 의해서 운전자(4)는, 공진체(4,3)의 여기 주파수 에 따라, 도 15a에 도시된 선형 모터(6)에서 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동하게 된다.

상기에 기재된 실시예들에 있어서, 압전 트래스듀서(3)는 도 15a 및 도 15b에 도시된 실시예에서와 유사하게 운전자(4)에 배치될 수 있다.

도 17a는 선형 모터(6)로서의 본원발명의 바람직한 실시예를 도식적으로 나타내고 있다. 운전자(4)는 전진부재(5)를 포함하고 있으며, 고정자(1)는 적어도 하나의 압전 트랜스듀서(3)를 포함하고 있다. 그 밖의 특징들은, 특별히 언급되지 않는 한, 도 15에 따른 실시예와 유사하게 구성된다.

도 17b는 절단선 J-J를 따라 도 17a에 따른 선형 모터(6)의 단부를 도식적으로 나타내고 있다. 바람직하게는 고정자(1)가 제 1 암 페어(arm pair)(11,11')와 제 2 암 페어(12,12')를 구비하는 "H" 형의 단면부를 포함한다. 제 1 암 페어(11,11')는 채널(channel)을 형성하고, 운전자(4)는 그 안에서 이동하게 된다. 연동표면(1a)은 H형 단면부의 연결부(13)로부터 떨어져서 제 1 암 페어(11,11')의 내부 측면에 위치한다. 제 2 암 페어(12,12')는 또 다른 채널(channel)을 형성하고, 그 안에는 적어도 하나의 압전 트랜스듀서(3)가 배치된다. 공진체의 주 진동방향 "H"은 운전자(4)의 이동방향 또는 고정자의 주 확장부에 대해 수직이다. 만약 압전 트랜스듀서가 여러 개라면, 이러한 압전 트랜스듀서들은 상기 주 확장부의 방향을 따라 서로 간격을 두고 배치된다. 선형 모터(6)가 작동하게 되면, 상기 하나 이상의 압전 트랜스듀서(3)의 진동은 제 2 암 페어(12,12')로 전달되고, 다시 지렛대의 원리에 의해 제 2 암 페어로부터 제 1 암 페어(11,11')로 전달된다. 이러한 이유로 인해, H형 단면부의 연결부(13)에 대해 암 페어(11,11',12,12')의 진동이 혀용되도 록 고정자는 일정한 유연성을 갖는다.

도 17c 및 도 17d는 각각 U자형의 단면부를 갖는 도 17a에 따른 형태의 선형 모터(6)의 단면을 도식적으로 나타내고 있다. 하나 이상의 압전 트랜스듀서(3)가 U자형 단면부의 저부(base part;14)에 연결되거나, 또는 상기 저부의 내측면(도 17c) 또는 외측면(도 17d)상에서 저부에 부착된다. 바람직하게는, 하나 이상의 압전 트랜스듀서(3)가 주 진동방향 "H" 에서 저부(14)의 일부 또는 적어도 대략 전체에 걸쳐 연장한다. 공진체(3,4)는 두개의 안정된 공진 주파수를 갖는다. 압전 트랜스듀서(3)를 제 1 공진 주파수, 예를 들어 20kHz로 여기하면, U자형 단면부의 저부(14) 및 암 페어(11,11') 전체에 걸쳐 진동 및 굽힘이 발생한다. 제 2 공진 주파수, 예를 들어 30kHz로 여기하면, 저부(14)는 비교적 진동하지 않으며, 오직 암 페어(11,11')의 전체에만 진동이 발생한다. 이러한 두개의 공진 주파수는 운전자(4)의 전진부재(5)의 공진 주파수와 매치(match)되며, 따라서 운전자를 좌측 또는 우측으로 이동시키게 된다. 다른 모든 실시예에서와 마찬가지로 이러한 실시형태에 있어서, 여기 또는 공진 주파수는 인간의 가청영역 밖에 있는 것이 좋으며, 바람직하게는 16kHz 또는 20kHz 이상인 것이 좋다.

도면에서 주 진동방향 "H"에 수직한 고정자의 연장부는 1mm 에서 3mm 또는 30mm 사이의 범위에 있는 것이 바람직하며, 운전자(4)의 폭, 즉 연동표면(1a) 간의 거리는 1mm 에서 3mm 또는 20mm 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다. 단면적이 1mm² 이고 확장부가 수 센티미터가 되도록 구현할 수 있다. 본원발명의 바람직한 실 시예에서, 암 페어(11,11',12,12') 중의 하나 또는 양 암 페어 각각에 있어서 암 중 하나는 다른 하나와 다른 고유 주파수를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 암 페어의 제 1 암(11)은, 제 1 암 페어의 제 2 암(11')의 주 진동방향 두께 "d₂"와 다른 주 진동방향 두께 d₁을 갖는다. 이에 대한 대안 또는 부가로서, 제 1 암 페어의 제 1 암(11)은, 제 1 암 페어의 제 2 암(11')의 레버 암(lever arm) "l₂"와 다른 레버 암 "l₁"을 갖는다. 이러한 실시예는 무엇보다도, 암(11,11') 치수의 허용오차에 대한 높은 요구를 충족시킬 필요가 없다는 장점을 갖는다.

연동표면(1a)과 전진부재(5) 사이의 마찰 연결을 향상시키거나 마찰값을 증가시키기 위하여, 예를 들어 전진부재(5) 상의 해당 표면이 (연삭, 굽힘 가공 또는 일체적으로 형성된 확장부에 의하여) 확대될 수 있다. 이러한 표면들은 한정된 표면 조도(roughness), 마이크로-투씽(micro-toothing)을 갖거나, 또는 적당한 재질의 결합으로 구성될 수 있다.

도 16a, 16b, 및 16c는, 각각 평면도로, 본원발명에 따른 다소 수정된 공간 구성의 피에조모터(piezomotor)를 도시하고 있다. 이해를 돕기 위하여, 본 실시예에서 외부 운전자로서 작동하는 회전자 및 본 실시예에서 공진체로서 작동하는 고정자가 각각, 그리고 결합되어 도시되어 있다.

도 16a에 따라 설계된, 금속판(10)과 결합된 피에조세라믹 링(piezoceramic ring; 3)은 반경방향의 수축 및 확장이 되풀이 되도록 교류전압에 의하여 진동하게 된다. 피에조세라믹 링(3)과 금속판의 형상을 적당하게 선택하므로써, 예를 들어 고정부가 배치되어 있는 중시 "+" 에 대해 비틀림 진동(torsion oscillation)이 발생하게 된다. 피에조세라믹 링의 반경방향 진동 및 비틀림에 의한 회전방향 진동의 두개의 진동이 중첩되었을 때, 금속판의 외부 측면상에 있는 점 "X"는 변형된 금속판의 외면에 있는 점선(10') 상의 점 "X'" 까지 곡선 경로를 왕복하게 된다. 두번째 점선(3')은 피에조세라믹 링의 변형을 나타낸다. 중첩된 변형에 의하여, 링의 외측과 접촉하는 부분, 예를 들어 전진부재를 구비한 외부 운전자는 이동을 하게 된다. 이러한 구성은 상기 실시예들에서 이미 몇 번이나 설명된 바와 같이 단지 하나의 피에조세라믹 링으로 설계되거나 또는 두개의 피에조세라믹 링 사이의 샌드위치형으로 설계될 수 있다.

환형으로 배치된 다수의 전진부재(5)를 구비하는, 도 16b에 따라 설계된 외부 운전자(유사한 형태의 도 12a 참조)는, 전진부재(5)가 비틀려서 진동하는 공진체에 대하여(필수적이지는 않지만), 예를 들어 이 실시예에서는, 확대된 접촉면을 갖도록 설계된다(여러 가지 고유 주파수의 다양한 부분을 갖는 전진부재와 혼동되지 않아야 한다. 이러한 전진부재는 구동되기 위해서 상기 부분의 오직 단부만을 접촉시킨다). 도 16c에 도시된 바와 같이, 고정자(1,3)와 외부 운전자(4)를 결합시킴으로써, 중첩된 진동을 갖는 이러한 구동의 원리를 이해할 수 있다.

모터의 작동:

본원발명에 따른 압전모터(6)는 운전자 및 고정자(1)를 포함하며, 여기서 고정자(1) 또는 운전자(4)는 압전적으로(piezoelectrically) 여기되어 주 진동방향 "H" 로 진동하게 되며, 바람직하게는 상기 압전모터가, 고정자(1)가 운전자(4)를 향해 면하는 연동표면을 포함하거나 또는 운전자(4)가 고정자(1)를 향해 면하는 연동표면(1a)을 포함하도록, 주 진동방향 "H"에 대해 수평으로 연장하며 연동표면(1a)방향으로 향하는 전진부재(5)를 고정자(1) 또는 운전자(4)가 포함하도록, 그리고 진동에 의해 전진부재(5)가, 운전자(4)가 고정자(1)에 대해 이동하도록 하는 방식으로, 연동표면(1a)과 접촉하게 되도록 작동한다.

모터를 작동시키기 위한 또 다른 방법에서는, 전진부재가 제 2 부분구간(5d) 및 제 1 부분구간(5c)을 포함하며, 제 1 부분구간(5c)은 주 진동방향 "H"에 대하여 기울어져 연장하며, 제 2 부분구간(5d)은 제 1 부분구간(5c)과 반대로 주 진동방향 "H"에 대해 기울어져 연장하며, 제 1 및 제 2 부분구간(5c,5d)은 서로 다른 공진 주파수를 가지며, 운전자(4)는 운전자(4)의 연동하는 진동 주파수에 따라 고정자(1)에 대해 한 방향으로 이동하거나 이와 반대 방향으로 이동한다.

이상에서 기술된 실시예의 형태들은 어느 부분이 공진체로 설계되는가에 따라 크게 두개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 한 그룹은, 전진 부재 또는 전진 부재들이 배치된 부분이 공진체로 형성되어 공진체가 상기 전진부재에 의하여 스프링 장착 방식으로 지지되고, 상기 전진부재가 접촉 위치에 의해 다른 부분을 구동하도록 작동하는 것이다. 또 다른 그룹은 전진부재에 마주하여 위치한 부분이 공진체로 형성되어 공진체의 이동이 접촉 위치에 의해 구동하도록 작동하는 것이다.

본원발명에 따른 압전모터는 그 적절한 특성으로 인해, 예를 들어 측정기술과 관련된 장치, 광학 장치, 및 측정 기구 또는 태코미터(tachometer) 등에 사용될 수 있다.

Claims

간극(7)을 형성하는 고정자(1) 및 운전자(4)와,

고정자(1) 또는 운전자(4)에 연결되어 고정자(1) 또는 운전자(4)와 공진체(1,3; 4,3)를 형성하는 압전 트랜스듀서(3)를 포함하며,

상기 공진체(1,3; 4,3)는 주 진동방향 "H"으로 여기되는 압전모터(6)에 있어서,

고정자(1)는 운전자(4)를 향하여 면하는 연동표면(1a)을 포함하거나, 또는 운전자(4)는 고정자(1)를 향하여 면하는 연동표면을 포함하며,

고정자(1) 또는 운전자(4)는, 전진부재(5)가 적어도 일시적으로 연동표면(1a) 상에 위치되도록 하는 방식으로, 고정자(1)와 운전자(4) 사이의 간극(7)을 브리지하는 탄성의 전진부재(5)를 포함하고,

상기 전진부재(5)는 제 1 부분구간(5c) 및 제 2 부분구간(5d)을 포함하며,

상기 부분구간(5c, 5d)들은 서로 다른 공진주파수를 갖고,

제 1 부분구간(5c)과 제 2 부분구간(5d)은 예리한 굴곡부에서 연결되며,

제 1 부분구간(5c)은 주 진동방향 "H"에 대하여 기울어져 연장되고, 제 2 부분구간(5d)은 제 1 부분구간(5c)과 반대로 주 진동방향 "H"에 대하여 기울어져 연장되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항에 있어서,

상기 압전모터는 선형모터로서 구성되고,

공진체(1,3; 4,3)는 주 진동방향 "H"에 대해 수직으로 연장되는 운동방향 "B"를 가지며,

연동표면(1a)은 운동방향 "B"으로 연장되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항에 있어서,

상기 압전모터는 회전자로서 형성된 원형의 운전자(4)를 구비하는 회전형 모터로서 구성되고,

공진체(1,3; 4,3)의 주 진동방향 "H"은 운전자(4)의 회전중심을 향해 반경방향으로 향하며,

연동표면(1a)은 원형으로 연장되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제3항에 있어서,

고정자(1)는 환형으로 구성되고,

압전 트랜스듀서(3)는 고정자(1)에 고정되게 연결되며,

주 진동방향 "H"는 고정자(1)의 곡률중심을 향해 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

전진부재(5)는 직선으로 연장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

전진부재(5)는 고정자(1) 또는 운전자(4)의 일부인 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

전진부재(5)는 주 진동방향 "H"에 대한 경사각도 "α"를 포함하고,

상기 경사각도는 0°에서 45°사이인 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

다수의 전진부재(5)들이 고정자(1) 또는 운전자(4) 상에 연속적으로 잇따라서 배치되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
삭제
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 부분구간(5c)과 제 2 부분구간(5d)은 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

공진체(1,3; 4,3)는, 고정자(1) 또는 운전자(4)가 가운데 배치되고, 고정자(1) 또는 운전자(4)의 양 측면 상에 각각 하나의 압전 트랜스듀서(3)가 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

공진체(1,3; 4,3)는, 압전 트랜스듀서(3)가 가운데 배치되고, 압전 트랜스듀서의 양 측면 상에 각각 고정자(1) 또는 운전자(4)가 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

운전자(4)는 외부 운전자로서 구성되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

운전자는 베어링 위치(9)에 장착되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제2항에 있어서,

고정자(1)는 선형으로 연장되고,

공진체(1,3; 4,3)는 판형으로 형성되며,

공진체(1,3; 4,3)는 고정자(1)에 대하여 선형으로 이동가능한 방식으로 장착되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제2항에 있어서,

압전 트랜스듀서(3)는 고정자(1)와 함께 공진체(1,3)를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제16항에 있어서,

운전자(4)는 고정자(1)에 대하여 선형으로 이동가능한 방식으로 장착되고, 하나 이상의 전진부재(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제16항 또는 제17항에 있어서,

고정자(1)는 두 개의 채널을 형성하는 H자형의 단면부를 갖고,

운전자(4)는 제 1 채널에 선형으로 이동가능한 방식으로 장착되며,

하나 이상의 압전 트랜스듀서(3)가 제 2 채널에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
제16항 또는 제17항에 있어서,

고정자(1)는 채널을 형성하는 U자형의 단면부를 갖고,

운전자(4)는 상기 채널에 선형으로 이동가능한 방식으로 장착되며,

하나 이상의 압전 트랜스듀서(3)가 U자형 단면부의 저부(14)에 부착되는 것을 특징으로 하는 압전모터.
고정자(1) 및 운전자(4)를 포함하며,

고정자(1) 또는 운전자(4)가 압전적으로 여기되어 주 진동방향 "H"으로 진동하는 압전모터(6)를 구동하기 위한 방법에 있어서,

고정자(1)는 운전자(4)를 향하여 면하는 연동표면(1a)을 포함하거나, 또는 운전자(4)는 고정자(1)를 향하여 면하는 연동표면을 포함하고,

고정자(1) 또는 운전자(4)는 연동표면(1a) 방향으로 향하는 전진부재(5)를 포함하며,

전진부재(5)는 제 1 부분구간(5c) 및 제 2 부분구간(5d)을 포함하고,

제 1 부분구간(5c)은 주 진동방향 "H"에 대하여 기울어져 연장되며,

제 2 부분구간(5d)은 제 1 부분구간(5c)과 반대로 주 진동방향 "H"에 대하여 기울어져 연장되고,

제 1 부분구간(5c)과 제 2 부분구간(5d)은 서로 다른 공진 주파수를 가지며,

진동으로 인해 전진부재(5)는, 운전자(4)가 고정자(1)에 대하여 이동되도록 하는 방식으로, 연동표면(1a)과 접촉하게 되고,

운전자(4)는, 연동하는 진동 주파수에 따라, 고정자(1)에 대해 한 방향 또는 이에 반대되는 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 압전모터를 구동하기 위한 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 압전모터를 시간 측정기술 장치, 사진 장치, 측정 기구 또는 태코미터에 사용하는 압전모터 사용방법.
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