4 접점을 갖는 초음파 모터{ULTRASONIC MOTOR WITH FOUR CONTACT}

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부에 접촉하고 있는 기구물을 회전시키는 초음파 모터에 관한 것이다.

초음파 모터(Ultrasonic motor)는 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 모터로서, 저속의 높은 토크를 발생시키며 자계의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 기어를 사용하지 않는 단순 구조로서 소음이 적으며 마이크로 및 나노미터 수준의 정밀한 위치제어에 적합한 바, 많은 연구가 진행되고 있다.

이러한 초음파 모터는 고주파 전압을 가함으로써 발생되는 복수의 전극의 초음파 진동력에서 일정방향의 구동력(driving force: 회전력)을 얻는 원리로 작동되며, 20kHz 이상 초음파 영역의 구동주파수를 사용하는 전기력 모터이다.

초음파 모터는 크게 정지파 방식과 진행파 방식으로 구분될 수 있으며, 전자의 경우는 각 진동자의 고유진동수에 해당하는 주파수의 전압을 압전체의 진동파에서 구동력을 얻는 구조다. 그리고 후자의 경우는 압전체를 금속의 압전체에 맞붙인 진동자를 회전자에 접촉시켜 압전체에 발생하는 종파와 횡파에 의한 진행파에서 구동력을 얻는 구조다.

관련하여 초음파 모터의 일예가 특허문헌 1,2에 개시되어 있다. 특히, 특허문헌 2에서는 L자형 압전 초음파 모터를 개시하고 있는데, 상기 압전 초음파 모터는 L자형의 베이스에 대하여 한쪽에는 사인(Sine) 신호를 다른 한 쪽에는 코사인(Cosine) 신호를 인가하여 상기 베이스 모서리 부분에 타원 변형을 유도함으로써, 상기 모서리와 접촉하는 물체를 이동시키는 구조를 갖는다. 그런데 상기 특허문헌 2에 개시된 L자형 압전 초음파 모터의 경우에는 L자형의 몰드를 사용하여 소자를 성형하여야 하는데 몰드에 압력을 인가한 후에 소자를 수거할 때에 상기 소자의 각 모서리(edge) 부분에 스트레스가 집중되는 바, 소자에 크랙(crack)이 발생할 가능성이 클 뿐더러 L자형의 몰드 제작에 따른 공정 복잡화 문제등이 발생하므로 소자의 정밀도 및 내구성이 약해질 가능성이 높고, 공정 비용이 증가하는 문제가 있었다.

본 발명의 실시예들은 소자 정밀도 및 내구성이 우수하며, 하나의 일체형 압전체를 이용하므로 종래 초음파 모터에 비해 상대적으로 간단한 구조를 지녀 공정 효율성 측면에서 유리한 초음파 모터를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 사각기둥형으로 형성되고 두께 방향으로 분극되는 일체형 압전체; 및 전원 인가를 위해 상기 압전체의 네 모서리 부분을 제외한 테두리면에 각각 형성되는 전극부를 포함하고, 상기 전극부에는 이웃하는 전극부와 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압이 각각 인가되는 초음파 모터가 제공될 수 있다.

또한, 상기 압전체의 네 모서리 부분을 접점으로 하여 내측에 상기 압전체를 수용하는 링형상의 기구물을 더 포함하고, 상기 전극부에 전원 인가시에 상기 기구물이 상기 압전체의 중앙을 기준으로 회전할 수 있다.

또한, 상기 일체형 압전체의 분극 방향에 따라 상기 전극부에 인가되는 전압의 종류가 달라질 수 있으며, 상기 초음파 모터는 복수 개가 적층될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 초음파 모터는 사각기둥형의 일체형 압전체를 베이스로 하는 바, 공지의 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 양산 라인을 활용하여 쉽게 제작 가능할 뿐더러 베이스 제조시 크랙이 발생할 우려가 없으므로 소자의 정밀도 및 내구성 저하를 방지할 수 있다.

또한, 압전체의 테두리면에 전극을 각각 마련하고 이들에 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압을 인가함으로써, 간단한 구조를 통해서 압전체의 네 모서리 부분을 접점으로 배치되는 기구물을 회전시킬 수 있으므로 공정 효율성 측면에서 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 초음파 모터의 외측에 기구물이 배치된 경우를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 초음파 모터의 모서리에서 발생하는 타원 운동을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(100)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 초음파 모터(100)의 외측에 기구물(200)이 배치된 경우를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 초음파 모터(100)의 모서리에서 발생하는 타원 운동을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 초음파 모터(100)는 일체형 압전체(110)와, 압전체(110)의 테두리면에 각각 마련되는 복수의 전극(121,122,123,124)을 포함하는 전극부(120)를 포함한다.

압전체(110)는 전계 인가시에 기계적 변형을 수반하는 압전 물질을 의미한다. 압전체(110)는 전계 인가시에 그 형태가 늘어나거나 줄어드는 변형을 일으키며, 이러한 압전체(110)의 종류로는 PbZrO ₃ , PbTiO ₃ , KNbO ₃ , NaNbO ₃ , BiTiO ₃ , NaTiO ₃ 또는 BaTiO ₃ 등이 있다. 물론, 압전체(110)가 상기 나열된 물질로 한정되는 것은 아니다.

압전체(110)는 도 1에 도시된 것과 같이 사각기둥형으로 일체형을 가지도록 형성된다. 즉, 압전체(110)는 복수의 압전체가 결합한 형태가 아니라 그 자체로 사각기둥형을 가지도록 형성된다. 이와 같은 형태의 압전체(110)를 형성하는 것은 복수개의 압전체를 각각 형성한 후에 이들을 결합하는 형태보다 제조공정의 효율성을 증가시키며, 공지의 MLCC 라인을 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

구체적으로 압전체(110)는 소정의 두께를 가지며(예컨대 1mm 두께) 상부면 및 하부면이 플랫한 형태의 육면체 형태를 가질 수 있다. 이 때 상부면 및 하부면은 정사각형 형태일 수 있다(각 변의 길이는 예컨대 10mm). 압전체(110)의 외측에 배치되는 기구물(200, 도 2 참고)과의 접촉이 용이하게 이루어지기 위함이다. 한편, 압전체(110)를 사각기둥형으로 형성함에 따라, 양산 MLCC 라인을 사용하여 컷팅할 경우 베이스 제조시 크랙이 발생할 우려가 없으므로 전체 소자의 정밀도 및 내구성 저하를 방지할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, L자형 베이스를 제조하는 것에 비해 공정이 보다 간단해 지는 바, 공정 효율성을 높일 수 있다.

도 2를 참조하면, 압전체(110)와 기구물(200)은 압전체(110)의 네 모서리 부분(111,112,113,114) 지점에서 접촉한다. 여기에서 기구물(200)은 링형상을 이루며(예컨대 로터) 압전체(110)의 네 모서리 부분(111,112,113,114)을 접점으로 하여 내측에 압전체(110)를 수용한다. 즉 압전체(110)의 네 모서리 부분(111,112,113,114)이 기구물(200)의 내측과 접촉한다(총 4개의 접점). 본 명세서에서는 도 1을 기준으로 도면 부호 111로 표기된 모서리를 제1 모서리부(111)라고 칭하고, 제1 모서리부(111)부터 반시계 방향으로 배치된 모서리 부분을 각각 제2 모서리부(112), 제3 모서리부(113), 제4 모서리부(114)로 칭하기로 한다.

압전체(110)는 전극부(120)에 인가된 전원에 따라 기계적 변형을 일으키고, 이러한 변형을 외측에 배치된 기구물(200)에 전달함으로써 기구물(200)을 회전시키는 기능을 한다. 구체적으로는 압전체(110)의 변형에 따라 네 모서리 부분(111,112,113,114)에서는 타원 운동이 일어나며, 상기 타원 운동에 의해 기구물(200)이 압전체(110)의 중심을 기준으로 하여 회전한다.

한편, 압전체(110)는 두께 방향으로 분극한다. 이때, 압전체(110)의 분극 방향은 동일하거나 다를 수 있다. 예컨대, 전계 방향이 지면을 기준으로 수직 방향이라고 할 때에, 압전체(110)의 전기적 분극 방향(도 1에서 a로 표기됨)은 상기 전계 방향과 동일하고 기계적 변형 방향 역시 전기적 분극 방향(a)과 수평(평행)한 방향으로 형성될 수 있다(이와 같이 Z축 방향 분극 및 Z축 방향 변위를 가지는 전극을 33모드로 칭하기도 함.)

또는 압전체(110) 의 전기적 분극 방향(a)은 상기 전계 방향과 동일하고 기계적 변형 방향은 전기적 분극 방향과 수직 방향으로 형성될 수도 있다(이와 같이 Z축 방향 분극 및 X축 방향 변위를 가지는 전극을 31모드로 칭하기도 함).

관련하여, 도 1에서는 압전체(110)가 두께 방향으로 분극되고 분극 방향(a)을 동일하게 윗 방향으로 표시하고 있으나, 분극 방향(a)은 이에 한정되지 않고 아랫 방향으로 형성되는 것도 가능하며, 각각의 테두리면마다 분극 방향을 상이하게 형성하는 것도 가능하다. 다만, 설명의 편의를 위해서 본 명세서에서는 압전체(100)가 두께 방향으로 분극되며, 분극 방향이 동일한 경우를 중심으로 설명하도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 전극부(120)는 압전체(110)의 테두리면에 각각 마련된다. 여기에서 테두리면은 압전체(110)의 테두리 중에서 네 모서리 부분(111,112,113,114)을 제외한 부분을 의미한다. 전극부(120)는 압전체(110)의 테두리면에 각각 마련되므로, 초음파 모터(100)는 총 4개의 전극(121 내지 124)을 구비하게 되며 본 명세서에서는 도 1을 기준으로 도면 부호 121로 표기된 전극을 제1 전극(121)이라 칭하고, 제1 전극(121)부터 반시계 방향으로 배치되는 전극들을 각각 제2 전극(122), 제3 전극(123), 제4 전극(124)으로 칭하기로 한다.

이에 따라 제1 모서리부(111)는 제1 전극(121) 및 제4 전극(124) 사이에 놓여지고, 제2 모서리부(112)는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 사이에 놓여지고, 제3 모서리부(113)는 제2 전극(122) 및 제3 전극(123) 사이에 놓여지고, 제4 모서리부(114)는 제3 전극(123) 및 제4 전극(124) 사이에 놓여진다.

전극부(120)는 압전체(110)의 테두리면에 각각 부착되거나 인쇄됨으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 모터(100)에서는 사각기둥형의 압전체(110)에 전극부(120)를 부착 또는 인쇄하여 상대적으로 간단한 공정으로 제조 가능하므로, 종래 초음파 모터의 제조에 비해 공정 효율성이 우수하다는 장점이 있다(종래 초음파 모터의 경우, 각각의 압전 세라믹을 제조한 후에 탄성체에 부착하고 상기 압전 세라믹에 전극을 부착하는 방식을 이용함).

전극부(120)는 압전체(110)의 테두리면에 형성되는 접지전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 예컨대 압전체(110)의 테두리면의 일면에는 접지전극이 형성되고, 타면에는 전극(제1 전극 내지 제4 전극 중 어느 하나)이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 접지전극 및 전극은 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금을 포함하여 형성될 수 있으며, 추가적으로 하소 세라믹 분말을 함유할 수 있다.

예를 들어 상기 접지전극 및 전극은 압전체(110)의 일면 및 타면(테두리면 기준)에 각각 금속 페이스트를 도포함으로써 형성할 수 있다. 예컨대 도 1을 기준으로 압전체(110)의 테두리면을 기준으로 상부면에는 전극(제1 전극 내지 제4 전극 중 어느 하나)이 형성되고, 하부면에는 접지전극이 형성될 수 있다. 물론 접지전극과 전극의 위치는 서로 바뀔 수도 있다.

전극부(120)는 전원공급수단(미도시)로부터 교류전원이 전기적으로 연결되어 상기 교류전원을 공급받는다. 즉 각각의 전극(121 내지 124)에 신호 전압이 인가되며, 상기 교류전원은 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압일 수 있다.

이 때, 전극들(121 내지 124)은 이웃하는 전극들(121 내지 124)과 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압이 각각 인가된다. 예컨대 도 1에서와 같이 압전체(110)가 두께 방향으로 분극되고 분극 방향이 동일한 경우에 있어서, 제1 전극(121)에 사인(Sine) 신호 전압이 인가되고, 제2 전극(122)에 코사인(Cosine) 신호 전압이 인가되고, 제3 전극(123)에 (-)사인 신호 전압이 인가되고, 제4 전극(124)에 (-)코사인 신호 전압이 각각 인가될 수 있다. 이 경우 제1 전극(121)은 이웃하는 제2 전극(122) 및 제4 전극(124)과 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압이 각각 인가되는 것이며, 나머지 전극(122,123,124)들도 역시 마찬가지다. 물론 상기 인가된 신호는 일예에 불과하며, 위상 차가 90°가 되도록 다양한 조합의 신호 인가 방식이 존재할 수 있다.

전극들(121 내지 124)에 전압이 인가되면 압전체(110)는 두께 및 길이 방향으로 팽창 변형 또는 수축 변형을 일으킨다(종방향 진동 또는 횡방향 진동). 그리고 제1 전극(121) 내지 제4 전극(124)에는 상술한 것과 같이 위상 차가 90°인 정현파 신호 전압이 인가되므로, 상기 위상 차이에 의하여 제1 전극(121) 내지 제4 전극(124)이 전압 인가에 따라 순차적으로 종방향 진동 또는 횡방향 진동을 한다. 이 때, 두 개의 전극 사이에 놓여지는 제1 모서리부(111) 내지 제4 모서리부(114)는 이웃하는 전극(120)의 종방향 진동 및 횡방향 진동의 결합에 의해 타원 운동을 한다. 그리고 상기 타원 운동은 제1 모서리부(111) 에서부터 제4 모서리부(114)까지 순차적으로 일어난다. 타원 운동이 순차적으로 일어난다 함은 제1 모서리부(111) 내지 제4 모서리부(114)가 이루는 타원 변위가 순차적으로 패턴화 됨을 의미한다. 따라서 제1 모서리부(111) 내지 제4 모서리부(114)와 접촉하고 있는 기구물(200)이 회전될 수 있다.

도 3을 참고하여 예를 들면, 상술한 것과 같이 제1 전극(121)에 사인(Sine) 신호 전압이 인가되고, 제2 전극(122)에 코사인(Cosine) 신호 전압이 인가되고, 제3 전극(123)에 (-)사인 신호 전압이 인가되고, 제4 전극(124)에 (-)코사인 신호 전압이 인가될 때, 제1 전극(121)에는 사인 신호 전압에 따라 순차적으로 (+), (+), (-), (-) 전압이 인가되고, 제2 전극(122)에는 코사인 신호 전압에 따라 순차적으로 (+), (-), (-), (+) 전압이 인가되고, 제3 전극(123)에는 (-)사인 신호 전압에 따라 순차적으로 (-), (-), (+), (+) 전압이 인가되고, 제4 전극(124)에는 -코사인 신호 전압에 따라 순차적으로 (-), (+), (+), (-) 전압이 인가된다.

그리고 전극들(121 내지 124)에 인가되는 전압에 따라 압전체(110)의 각 테두리면들이 각각 종방향 진동 또는 횡방향 진동을 하게 되고, 제1 모서리부(111) 내지 제4 모서리부(114)는 각각 (-cosine)-(sine), (sine)-(cosine), (cosine)-(-sine), (-sine)-(-cosine)의 형태로 타원변위가 형성되는 바, 외측에 접촉하는 기구물(200, 도 2 참고)을 회전시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 모터(100)는 일체형 압전체를 베이스로 하는 바, 공지의 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 양산 라인을 활용하여 쉽게 제작 가능할 뿐더러 베이스 제조시 크랙이 발생할 우려가 없으므로 소자의 정밀도 및 내구성 저하를 방지할 수 있다.

또한, 압전체(110)의 테두리면에 전극(121 내지 124)을 각각 마련하고 이들에 위상 차가 90°정현파 신호 전압을 인가함으로써, 간단한 구조를 통해서 압전체의 네 모서리 부분(111 내지 114)을 접점으로 배치되는 기구물을 회전시킬 수 있는 바, 공정 효율성 측면에서 우수하다.

본 발명에 따른 초음파 모터(100)는 단판형 또는 복수개가 적층되는 적층형으로 형성될 수 있으며, 카메라 렌즈의 광학 줌(zoom), 오토 포커싱 등에 활용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 초음파 모터(100)는 상술한 초음파 모터(100)가 복수 개 적층된 형태를 가질 수 있다. 예컨대 일체형 압전체(110)가 수직 방향으로 적층되며, 압전체(110)들에는 전극부(120)가 각각 형성될 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등의 형태로 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.

100: 초음파 모터 110: 압전체
111,112,113,114: 모서리부 120: 전극부
121,122,123,124: 전극