KR100824001B1

KR100824001B1 - Ultrasonic motor

Info

Publication number: KR100824001B1
Application number: KR1020060040903A
Authority: KR
Inventors: 윤철호; 강창석; 정태욱; 차현록
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: KR20070108629A

Abstract

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로서, 몸체와, 몸체의 중심으로부터 양측으로 순차적으로 각각 설치되어 몸체를 종방향 및 횡방향으로 진동시키는 제 1 및 제 2 초음파진동수단과, 몸체의 양단으로부터 일체를 이루도록 마련되며, 종방향 및 횡방향의 진동이 서로 일치하는 마디를 세 개 이상 가지도록 함과 아울러 일치하는 마디사이에 서로 일치하는 배를 가지도록 몸체의 길이를 연장시키는 연장부와, 몸체 또는/및 연장부에서 일치하는 마디에 설치되는 다수의 고정수단과, 몸체 또는/및 연장부에서 서로 일치하는 배에 설치되는 다수의 압박팁을 포함한다. 따라서, 본 발명은 구동의 대상물에 가해지는 횡방향 진동이 원하지 않는 종진동 성분없이 순수한 상하 진동만을 하게 됨으로써 이상적인 구동을 가능하도록 하고, 다수의 지점이 고정됨으로써 안정된 지지 구조를 위한 강성을 증가시키며, 일체화를 통한 단일 진동체로 이루어짐으로써 제조가 용이함과 아울러 내구성을 증가시키는 효과를 가지고 있다.The present invention relates to an ultrasonic motor, comprising a body, first and second ultrasonic vibrating means which are respectively installed sequentially from the center of the body to both sides to vibrate the body in the longitudinal and transverse directions, so as to be integrated from both ends of the body. An extension for extending the length of the body such that the longitudinal and transverse vibrations have three or more nodes that coincide with each other, as well as a corresponding belly between the nodes, and / or the body or / and It includes a plurality of fastening means installed on the mating node in the extension and a plurality of compression tips installed in the body or / and the boat to match each other in the extension. Therefore, the present invention enables the ideal drive by the lateral vibration applied to the object of the drive to only pure up and down vibration without unwanted longitudinal vibration component, and increases the rigidity for a stable support structure by fixing a plurality of points, Since it is made of a single vibrating body through integration, it is easy to manufacture and has an effect of increasing durability.

Description

Ultrasonic Motors {ULTRASONIC MOTOR}

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 도시한 평면도이고,1 is a plan view illustrating an ultrasonic motor according to a conventional embodiment;

도 2는 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 도시한 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing an ultrasonic motor according to a conventional embodiment,

도 3은 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터에 구비된 제 1 초음파진동부를 도시한 사시도이고,3 is a perspective view illustrating a first ultrasonic vibration unit provided in an ultrasonic motor according to a conventional embodiment;

도 4는 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터에 구비된 제 2 초음파진동부를 도시한 사시도이고,4 is a perspective view illustrating a second ultrasonic vibration unit provided in an ultrasonic motor according to a conventional embodiment;

도 5는 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터에서 횡방향 진동을 도시한 도면이고,5 is a view showing lateral vibration in an ultrasonic motor according to a conventional embodiment,

도 6은 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터 구동장치를 도시한 평면도이고,6 is a plan view showing an ultrasonic motor driving apparatus according to another embodiment of the prior art,

도 7은 본 발명에 따른 초음파 모터를 도시한 사시도이고,7 is a perspective view showing an ultrasonic motor according to the present invention;

도 8은 본 발명에 따른 초음파 모터를 도시한 단면도이고,8 is a sectional view showing an ultrasonic motor according to the present invention;

도 9는 본 발명에 따른 초음파 모터의 종방향 진동을 도시한 도면이고,9 is a view showing the longitudinal vibration of the ultrasonic motor according to the present invention,

도 10은 본 발명에 따른 초음파 모터의 횡방향 진동을 도시한 도면이고,10 is a view showing the lateral vibration of the ultrasonic motor according to the present invention,

도 11은 본 발명에 따른 초음파 모터의 진동을 측정한 그래프이고,11 is a graph measuring the vibration of the ultrasonic motor according to the present invention,

도 12는 본 발명에 따른 초음파 모터의 하중 특성을 측정한 그래프이고,12 is a graph measuring the load characteristics of the ultrasonic motor according to the present invention,

도 13은 본 발명에 따른 초음파 모터의 위치 제어 결과를 도시한 그래프이다.13 is a graph showing a position control result of the ultrasonic motor according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

110 : 몸체 111 : 축110: body 111: axis

112 : 제 1 스페이서 113 : 제 2 스페이서112: first spacer 113: second spacer

114 : 고정홈 120 : 제 1 초음파진동수단114: fixing groove 120: first ultrasonic vibration means

121 : 제 1 초음파진동체 121a : 제 1 압전판121: first ultrasonic vibrator 121a: first piezoelectric plate

121b : 제 1 전극막 122 : 제 1 전극판121b: first electrode film 122: first electrode plate

130 : 제 2 초음파진동수단 131 : 제 2 초음파진동체130: second ultrasonic vibration means 131: second ultrasonic vibration body

131a : 제 2 압전판 131b : 제 2 전극막131a: second piezoelectric plate 131b: second electrode film

132 ; 제 2 전극판 140 : 연장부132; Second electrode plate 140: extension part

141 : 고정홈 150 : 고정수단141: fixing groove 150: fixing means

151 : 홀더 152 : 삽입홈151: holder 152: insertion groove

160 : 압박팁160: pressure tip

본 발명은 초음파 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동의 대상물에 가해지는 횡방향 진동이 원하지 않는 종진동 성분없이 순수한 상하 진동만을 하도록 하며, 다수의 지점이 고정됨으로써 안정된 지지 구조를 위한 강성을 증가시키는 초음파 모터에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly, to the lateral vibration applied to the object to be driven so as to purely up and down vibration without unwanted longitudinal vibration component, to increase the rigidity for a stable support structure by fixing a plurality of points Relates to an ultrasonic motor.

일반적으로, 카메라의 줌 기구 등과 같이 작은 물체를 구동시키는 수단으로서 초음파 모터가 사용되고 있는데, 근래에는 정밀한 가공장치, 측정장치 또는 반도체의 제조공정에 사용되는 노광장치, 검사장치, 분석장치에서 위치 결정이나 반송 등에 이용되는 스테이지의 구동수단으로 이용되는 등 산업분야에서 초음파 모터가 활용되는 영역이 확대되는 추세이다.In general, an ultrasonic motor is used as a means for driving a small object, such as a zoom mechanism of a camera. In recent years, the positioning of the exposure apparatus, the inspection apparatus, the analysis apparatus used in the precision processing apparatus, the measuring apparatus, or the semiconductor manufacturing process The area in which ultrasonic motors are utilized in the industrial field, such as being used as driving means for stages used for conveyance, etc., is increasing.

종래의 초음파 모터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a conventional ultrasonic motor is as follows.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 도시한 평면도이고, 도 2는 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터를 도시한 단면도로서, 일본 특허청에 출원되어 2002년 8월 16일 공개된 특개2002-233169호의 "초음파 모터"이다. 도시된 바와 같이, 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터(10)는 금속축(11)의 중앙에 플랜지부(12)가 구비되고, 금속축(11)의 양단으로부터 각각 제 1 초음파진동부(13), 스페이서(14), 제 2 초음파진동부(15)를 순차적으로 끼운 다음 고정부재(16)로 고정시키며, 고정부재(16)마다 압박팁(17)이 설치된다.1 is a plan view illustrating an ultrasonic motor according to an exemplary embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an ultrasonic motor according to an exemplary embodiment of the present invention, which is filed with the Japanese Patent Office and published on August 16, 2002. 2002-233169 "Ultrasonic Motor". As shown, the ultrasonic motor 10 according to the conventional embodiment is provided with a flange portion 12 in the center of the metal shaft 11, each of the first ultrasonic vibration unit (from both ends of the metal shaft 11 ( 13), the spacer 14, and the second ultrasonic vibration unit 15 are sequentially inserted and then fixed by the fixing member 16, the pressing tip 17 is provided for each fixing member (16).

금속축(11)은 중앙에 원형의 플랜지부(12)가 구비되는 바(bar) 형상을 가지고, 청동이나 스테인리스 등의 금속에 의하여 형성되며, 양단에 수나사부(11a)가 형성된다. 따라서, 금속축(11)은 수나사부(11a)에 고정부재(16)가 나사 결합됨으로써 플랜지부(12)를 사이에 두고 제 1 초음파진동부(13), 스페이서(14), 제 2 초음파진동부(15)가 순차적으로 밀착되도록 고정된다.The metal shaft 11 has a bar shape in which a circular flange portion 12 is provided at the center, and is formed of a metal such as bronze or stainless steel, and male threads 11a are formed at both ends. Accordingly, the metal shaft 11 is screwed to the male screw portion 11a by the fixing member 16 so that the first ultrasonic vibrating portion 13, the spacer 14, and the second ultrasonic wave are formed with the flange portion 12 interposed therebetween. The eastern part 15 is fixed to be in close contact with each other sequentially.

제 1 초음파진동부(13)는 도 3에 도시된 바와 같이, 링형상의 압전판(13b) 양면에 전극막(13c)을 각각 구비함과 아울러 판두께 방향에 분극 처리한 한 쌍의 초음파진동체(13a)와, 초음파진동체(13a)사이에 배치하는 링형상의 전극판(13d)으로 이루어지고, 한 쌍의 초음파진동체(13a)는 서로의 분극방향이 대향하도록 배치되어 있다.As shown in FIG. 3, the first ultrasonic vibration unit 13 includes a pair of ultrasonic vibrations each having electrode films 13c on both sides of the ring-shaped piezoelectric plate 13b and polarized in the plate thickness direction. It consists of the ring-shaped electrode plate 13d arrange | positioned between the sieve 13a and the ultrasonic vibrating body 13a, and a pair of ultrasonic vibrating bodies 13a are arrange | positioned so that mutual polarization directions may oppose.

스페이서(14)는 금속축(11)의 외경보다 약간 큰 지름을 가지는 알루미늄 등의 금속관 형상으로 이루어진다.The spacer 14 has a metal tube shape such as aluminum having a diameter slightly larger than the outer diameter of the metal shaft 11.

제 2 초음파진동부(15)는 도 4에 도시된 바와 같이, 링형상을 한 압전판(15b)의 양면에 반원상의 전극막(15c,15d)을 각각 구비하고, 판두께 방향에 걸치는 분극 방향을 반전시키며, 분극 처리한 한 쌍의 초음파진동체(15a)와, 초음파진동체(15a)사이에 배치되는 링형상의 전극판(15e)으로 이루어지고, 한 쌍의 초음파진동체(15a)는 서로의 분극방향이 대향하도록 배치되어 있다.As shown in Fig. 4, the second ultrasonic vibration unit 15 has semicircular electrode films 15c and 15d on both surfaces of the ring-shaped piezoelectric plate 15b, respectively, and has a polarization direction covering the plate thickness direction. And a pair of ultrasonic vibrators 15a subjected to polarization and a ring-shaped electrode plate 15e disposed between the ultrasonic vibrators 15a, and the pair of ultrasonic vibrators 15a It is arrange | positioned so that the polarization direction of each other may face.

여기에서, 판두께 방향에 걸치는 분극 방향을 반전시키고 분극 처리한다는 것은 압전판(15b) 양측의 전극막(15c)간과 압전판(15b) 양측의 전극막(15d)간에 실시되는 분극 처리의 분극 방향을 다르게 할 수 있는 것을 말한다.Here, the polarization direction inverted and polarized in the plate thickness direction means that the polarization direction of the polarization treatment performed between the electrode films 15c on both sides of the piezoelectric plate 15b and the electrode films 15d on both sides of the piezoelectric plate 15b. Say something you can do differently.

제 2 초음진동부(15)는 금속축(11)의 중심에 대하여 반원상의 전극막(15c,15d)이 양측에 위치하고, 압전판(15b), 전극막(15c,15d), 전극판(15e)의 배치 위치 및 압전판(15b)의 분극방향이 플랜지부(12)를 중심에 두고 좌우측에 위치한다.In the second supersonic vibration part 15, semicircular electrode films 15c and 15d are located at both sides with respect to the center of the metal shaft 11, and the piezoelectric plates 15b, electrode films 15c and 15d and electrode plates 15e. ) And the polarization direction of the piezoelectric plate 15b are located on the left and right sides with the flange 12 as the center.

이와 같은 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터(10)는 금속축(11)의 플랜지부(12)를 고정하는 것과 동시에 플랜지부(12), 스페이서(14), 및 고정부재(16)를 접한 상태로 제 1 초음파진동부(13)를 구성하는 전극판(13d)에만 교류 전압을 인가하면 초음파 모터(10)를 축방향으로 신축 진동, 즉 종방향으로 진동시키게 되고, 제 2 초음파진동부(15)를 구성하는 전극판(15e)에만 교류 전압을 인가하면 초음파 모터(10)에 대하여 휨 진동, 즉 횡방향으로 진동시키게 되며, 제 1 및 제 2 초음파진동부(13,15)의 전극판(13d,15e)에 교류 전압을 각각 인가하면 주파수가 동일함과 아울러 위상을 다르게 하는 교류 전압을 인가하는 것에 의해 고정부재(16)에 구비되는 압박팁(17)을 타원 운동시킬 수 있다. Ultrasonic motor 10 according to the conventional embodiment such as fixing the flange portion 12 of the metal shaft 11 and at the same time contact the flange portion 12, the spacer 14, and the fixing member 16. When an alternating voltage is applied only to the electrode plate 13d constituting the first ultrasonic vibration unit 13 in a state, the ultrasonic motor 10 is vibrated in the longitudinal direction, that is, in the longitudinal direction, and the second ultrasonic vibration unit ( When an alternating voltage is applied only to the electrode plate 15e constituting the 15, the bending motor vibrates in the transverse direction with respect to the ultrasonic motor 10, and the electrode plates of the first and second ultrasonic vibration parts 13 and 15 are applied. When an alternating voltage is applied to 13d and 15e, respectively, the pressing tip 17 provided in the fixing member 16 can be elliptically moved by applying an alternating voltage having the same frequency and different phases.

이 때, 제 1 및 제 2 초음파진동부(13,15)의 전극판(13d,15e)에 위상을 반전시킨 교류 전압을 각각 인가하면 압박팁(17)을 역방향으로 타원 운동시킬 수 있다.At this time, when the alternating voltage of the inverted phase is applied to the electrode plates 13d and 15e of the first and second ultrasonic vibrators 13 and 15, respectively, the pressing tip 17 can be elliptically moved in the reverse direction.

도 6은 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터 구동장치를 도시한 단면도로서, 일본 특허청에 출원되어 2003년 6월 13일 공개된 특개2003-169485의 "초음파 모터 구동장치"이다. 도시된 바와 같이, 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터 구동장치(20)는 초음파 모터(30)와, 초음파 모터(30) 양단을 하나의 점으로 지지하는 한 쌍의 공진부재(40)로 이루어진다.FIG. 6 is a cross-sectional view of an ultrasonic motor driving apparatus according to another exemplary embodiment, which is an "ultrasound motor driving apparatus" of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-169485 filed on June 13, 2003. As shown, the ultrasonic motor driving apparatus 20 according to another exemplary embodiment includes an ultrasonic motor 30 and a pair of resonant members 40 supporting both ends of the ultrasonic motor 30 with one point. .

초음파 모터(30)는 종래의 일 실시예에서와 마찬가지로, 금속축(31)의 중앙에 플랜지부(32)를 구비하고, 금속축(31)의 양단으로부터 각각 제 1 초음파진동부(33), 스페이서(34), 제 2 초음파진동부(35)를 순차적으로 끼운 다음 이들을 고정부재(36)로 고정시키며, 고정부재(36)에 압박팁(37)이 각각 설치되고, 플랜지부(32)에 끼워지는 홀더(38)가 마련되며, 홀더(38)에 초음파 모터(30)를 압박하기 위하여 예압을 인가하는 스프링(39)이 탄성력을 제공하도록 설치되고, 금속축(31) 의 양단이 공진부재(40)에 의해 하나의 점으로 지지된다.Ultrasonic motor 30 has a flange portion 32 in the center of the metal shaft 31, as in one conventional embodiment, and the first ultrasonic vibration portion 33, respectively from both ends of the metal shaft 31, The spacer 34 and the second ultrasonic vibration unit 35 are sequentially inserted and then fixed to the fixing member 36, and the pressing tips 37 are respectively installed on the fixing member 36, and the flanges 32 are disposed on the fixing member 36. A holder 38 to be fitted is provided, and a spring 39 for applying a preload to press the ultrasonic motor 30 to the holder 38 is provided to provide an elastic force, and both ends of the metal shaft 31 are resonating members. It is supported by 40 at one point.

공진부재(40)는 호른(horn) 형상을 한 호른부(41)에 공진주파수를 조정하는 공진부(42)가 마련되고, 호른부(41)와 공진부(42) 사이에 플랜지부(43)가 마련되며, 청동이나 스테인레스 스틸 등의 금속에 의하여 호른부(41), 공진부(42) 및 플랜지부(43)가 일체로 형성되어 초음파 모터(30)의 공진주파수와 실질적으로 일치되는 공진주파수로 공진되도록 설계되어 있다.The resonating member 40 is provided with a resonator 42 for adjusting the resonant frequency in the horn 41 having a horn shape, and the flange 43 between the horn 41 and the resonator 42. And a horn portion 41, a resonator portion 42, and a flange portion 43 are integrally formed by a metal such as bronze or stainless steel to substantially match the resonant frequency of the ultrasonic motor 30. It is designed to resonate in frequency.

호른부(41)는 선단에 삼각추 형태의 지지돌기(44)가 초음파 모터(30)의 금속축(31)에 형성되는 "V"자 홈에 삽입됨으로써 초음파 모터(30)를 일점 지지한다.The horn portion 41 supports the ultrasonic motor 30 by inserting a triangular-vertical support protrusion 44 at the distal end into a “V” -shaped groove formed in the metal shaft 31 of the ultrasonic motor 30.

그러므로, 이와 같은 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터 구동장치(20)는 초음파 모터(30)를 구동시키면 초음파 모터(30)를 지지하는 한 쌍의 공진부재(40)의 공진주파수를 초음파 모터(30)의 공진주파수와 실질적으로 일치시킬 수 있다.Therefore, when the ultrasonic motor driving apparatus 20 according to another conventional embodiment of the present invention drives the ultrasonic motor 30, the ultrasonic motor (resonance frequency of the pair of resonating members 40 supporting the ultrasonic motor 30 may be changed. Can substantially match the resonant frequency of 30).

그러나, 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터(10)는 아래와 같은 문제점을 가지고 있었다.However, the ultrasonic motor 10 according to the related art has the following problems.

첫째, 플랜지부(12)에 대한 일점 지지만으로는 지지부위에 대한 강성을 확보하기 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.First, only one point for the flange portion 12 had a problem that it is difficult to secure the rigidity for the support portion.

둘째, 도 5에 도시된 바와 같이, 횡진동에 의한 양쪽 압박팁(17)에서의 타원궤적의 불균형을 발생하는 문제점을 가지고 있었다. 즉, 횡진동에 의한 마찰력 제어성분은 순수한 상하진동만이 필요하며, 횡진동이 순수하게 상하진동 성분만을 가지게 되는 경우 이상적인 진동을 발생시키지만, 이러한 종래의 초음파 모터(10)는 횡진동에 의해 압박팁(17)이 상하진동 성분뿐만 아니라 좌우진동 성분도 함유하고 있어 양측에 각각 위치하는 압박팁(17)의 궤적(a,b)이 서로 동일하지 않게 됨으로써 이상적인 구동을 어렵게 할 뿐만 아니라 양측의 압박팁(17)이 동일한 궤적(a,b)을 가지지 않게 되어 어느 하나의 압박팁(17)이 다른 하나의 압박팁(17)의 운동을 방해하게 되는 문제점을 가지고 있었다.Second, as shown in FIG. 5, there was a problem of generating an imbalance of elliptic trajectories in both pressing tips 17 due to lateral vibration. That is, the frictional force control component due to the lateral vibration only needs pure up and down vibration, and when the lateral vibration has only the pure up and down vibration component, it generates an ideal vibration, but such a conventional ultrasonic motor 10 has a compression tip by lateral vibration. (17) contains not only the upper and lower vibration components but also the left and right vibration components, so that the trajectories a and b of the pressing tips 17 located on both sides are not identical to each other, thereby making it difficult to drive an ideal drive. 17) does not have the same trajectory (a, b) has a problem that any one of the pressing tip 17 interferes with the movement of the other pressing tip (17).

또한, 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터의 구동장치(20)는 초음파 모터(30)를 공진부재(40)에 의해 지지함으로써 초음파 모터(30)의 지지구조에 대한 강성을 높일 수 있으나, 초음파 모터(30)와 동일한 공진주파수를 갖도록 공진부재(40), 특히 호른부(41)를 제작하는데 어려움을 가지며, 호른부(41) 선단의 지지돌기(44)와 초음파 모터(30)의 금속축(31)간에 구동시 발생되는 마모로 인해 초음파 모터(30)의 일점 지지를 힘들게 할 뿐만 아니라 이로 인해 성능 및 내구성을 현저하게 저하시키며, 종래의 일 실시예에 따른 초음파 모터(10)와 동일한 횡진동에 의한 양측 압박팁(37)간의 타원궤적 불균형을 발생시키는 문제점을 가지고 있었다.In addition, the driving apparatus 20 of the ultrasonic motor according to another exemplary embodiment may increase the rigidity of the supporting structure of the ultrasonic motor 30 by supporting the ultrasonic motor 30 by the resonance member 40, It is difficult to fabricate the resonating member 40, in particular the horn portion 41 to have the same resonant frequency as the motor 30, the support shaft 44 of the tip of the horn portion 41 and the metal shaft of the ultrasonic motor 30 Not only makes it difficult to support one point of the ultrasonic motor 30 due to abrasion generated when driving between the 31, thereby significantly lowering performance and durability, and the same width as that of the ultrasonic motor 10 according to a conventional embodiment. There was a problem of generating an elliptic trajectory imbalance between the two pressing tips 37 due to vibration.

그리고, 종래의 다른 실시예에 따른 초음파 모터의 구동장치(20)는 초음파 모터(30)의 공진 주파수가 예압, 열 등의 외부 요인에 의해 변하게 될 때, 초음파 모터(30)는 공진 시스템에 의한 지지 메커니즘이 고정된 공진 주파수만을 가지게 되어 안정적인 구동을 어렵게 하는 문제점을 가지고 있었다.In addition, when the resonant frequency of the ultrasonic motor 30 is changed by external factors such as preload and heat, the ultrasonic motor 30 is driven by the resonant system. The support mechanism had only a fixed resonant frequency and had a problem of making stable driving difficult.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구동의 대상물에 가해지는 횡방향 진동이 원하지 않는 종진동 성분없이 순수한 상하 진동만을 하게 됨으로써 이상적인 구동을 가능하도록 하고, 다수의 지점이 고정됨으로써 안정된 지지 구조를 위한 강성을 증가시키며, 일체화를 통한 단일 진동체로 이루어짐으로써 제조가 용이함과 아울러 내구성을 증가시키는 초음파 모터를 제공하는데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to enable ideal driving by allowing lateral vibration applied to an object to be driven to perform pure up and down vibration only without unwanted longitudinal vibration components, The fixed point increases the rigidity for a stable support structure, and is made of a single vibrating body through integration to provide an ultrasonic motor that is easy to manufacture and increases durability.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 초음파 모터에 있어서, 몸체와, 몸체의 중심으로부터 양측으로 순차적으로 각각 설치되어 몸체를 종방향 및 횡방향으로 진동시키는 제 1 및 제 2 초음파진동수단과, 몸체의 양단으로부터 일체를 이루도록 마련되며, 종방향 및 횡방향의 진동이 서로 일치하는 마디를 세 개 이상 가지도록 함과 아울러 일치하는 마디사이에 서로 일치하는 배를 가지도록 몸체의 길이를 연장시키는 연장부와, 몸체와 연장부 중 어느 하나 또는 이들 모두에서 일치하는 마디에 설치되는 다수의 고정수단과, 몸체와 연장부 중 어느 하나 또는 이들 모두에서 서로 일치하는 배에 설치되는 다수의 압박팁을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for realizing the above object, the ultrasonic motor, the body, and the first and second ultrasonic vibration means which are respectively installed in each side sequentially from the center of the body to vibrate the body in the longitudinal and transverse directions, It is provided to be integral from both ends of the body, and extends the length of the body to have three or more nodes in which the longitudinal and transverse vibrations coincide with each other, as well as the corresponding belly between the matching nodes. Part, a plurality of fastening means installed on the corresponding mat in any one or both of the body and the extension, and a plurality of compression tips installed in the belly corresponding to each other in either or both of the body and the extension. Characterized in that.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 초음파 모터를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 초음파 모터를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 모터(100)는 몸체(110)와, 몸체(110)의 중심으로부터 양측으로 순차적으로 각각 설치되는 제 1 및 제 2 초음파진동수단(120,130)과, 몸체(110)의 양단으로부터 일체로 연장되는 연장부(140)와, 몸체(110)와 연장부(140) 중 어느 하나 또는 이들 모두에 설치되는 다수의 고정수단(150) 및 다수의 압박팁(160)을 포함한다.7 is a perspective view showing an ultrasonic motor according to the present invention, Figure 8 is a cross-sectional view showing an ultrasonic motor according to the present invention. As shown, the ultrasonic motor 100 according to the present invention is the body 110, the first and second ultrasonic vibration means (120, 130) are sequentially installed to both sides from the center of the body 110, and the body ( Extension portion 140 integrally extending from both ends of the 110, a plurality of fixing means 150 and a plurality of pressure tips 160 installed on any one or both of the body 110 and the extension portion 140 It includes.

몸체(110)는 양단에 연장부(140)가 각각 연결되는 축(111)과, 축(111)의 중심에 마련되는 제 1 스페이서(112)와, 축(111)에서 제 1 및 제 2 초음파진동수단(120,130)사이마다 마련되는 제 2 스페이서(113)를 포함한다.The body 110 includes a shaft 111 at which both ends of the extension 140 are connected, a first spacer 112 provided at the center of the shaft 111, and first and second ultrasonic waves at the shaft 111. The second spacer 113 is provided between the vibration means (120, 130).

축(111)은 연장부(140)중 어느 하나와 일체를 이루고 나머지 하나의 연장부(140)와 나사 결합 또는 억지 끼움에 의해 연결되거나, 양단이 연장부(140) 각각에 나사 결합 또는 억지 끼움에 의해 연결될 수 있다.The shaft 111 is integral with any one of the extensions 140 and is connected to the other extension 140 by screwing or forcing, or both ends are screwed or forcibly fitted to each of the extensions 140. Can be connected by.

제 1 스페이서(112)는 제 1 초음파진동수단(120)사이에 간격을 유지시키도록 축(111)의 중심에 나사 결합이나 억지 끼움 또는 축(111)과 함께 처음부터 일체를 이루도록 제작될 수 있다. The first spacer 112 may be manufactured to be integral with the screw coupling or interference fit or the shaft 111 in the center of the shaft 111 so as to maintain a gap between the first ultrasonic vibration means 120 from the beginning. .

제 2 스페이서(113)는 제 1 스페이서(112)의 양측에 위치하게 되며, 축(111)에 나사 결합 또는 억지 끼움 등의 방식에 의해 설치되어 제 1 및 제 2 초음파진동수단(120,130)사이의 간격을 유지시킨다.The second spacer 113 is positioned on both sides of the first spacer 112, and is installed on the shaft 111 by a screw coupling or an interference fit method such that the second spacer 113 is disposed between the first and second ultrasonic vibration means 120 and 130. Keep the gap.

제 1 및 제 2 초음파진동수단(120,130)은 몸체(110)의 중심으로부터 양측으로 순차적으로 각각 설치되도록 제 1 스페이서(112)를 중심으로 하여 축(111)에 끼워지거나 나사 결합에 의해 설치되며, 이들 사이에 제 2 스페이서(113)가 위치하게 된다.The first and second ultrasonic vibration means (120, 130) are fitted to the shaft 111 around the first spacer (112) or installed by screwing so that they are sequentially installed from the center of the body 110 to both sides, respectively, The second spacer 113 is positioned between them.

제 1 초음파진동수단(120)은 링형상의 제 1 압전판(121a) 양면에 제 1 전극막(121b)을 각각 구비함과 아울러 판두께 방향에 분극 처리한 한 쌍의 제 1 초음파 진동체(121)와, 제 1 초음파진동체(121)사이에 배치하는 링형상의 제 1 전극판(122)으로 이루어지고, 한 쌍의 제 1 초음파진동체(121)는 서로의 분극방향이 대향하도록 배치되어 있다.The first ultrasonic vibrating means 120 includes a pair of first ultrasonic vibrating bodies each provided with a first electrode film 121b on both surfaces of a ring-shaped first piezoelectric plate 121a and polarized in a plate thickness direction ( 121 and a ring-shaped first electrode plate 122 disposed between the first ultrasonic vibrator 121 and the pair of first ultrasonic vibrators 121 are arranged so that their polarization directions face each other. It is.

제 2 초음파진동부(130)는 링형상을 한 제 2 압전판(131a)의 양면에 반원형상의 제 2 전극막(131b)을 각각 구비하고, 판두께 방향에 걸치는 분극 방향을 반전시키고, 분극 처리한 한 쌍의 제 2 초음파진동체(131)와, 제 2 초음파진동체(131)사이에 배치되는 링형상의 제 2 전극판(132)으로 이루어지고, 한 쌍의 제 2 초음파진동체(131)는 서로의 분극방향이 대향하도록 배치되어 있다.The second ultrasonic vibration unit 130 is provided with semicircular second electrode films 131b on both surfaces of the ring-shaped second piezoelectric plate 131a, and reverses the polarization direction across the plate thickness direction, thereby polarizing the film. A pair of second ultrasonic vibrators 131 and a ring-shaped second electrode plate 132 disposed between the second ultrasonic vibrators 131, and a pair of second ultrasonic vibrators 131 Are arranged so that the polarization directions of each other face each other.

연장부(140)는 몸체(110)의 양단으로부터 일체를 이루도록 연장되고, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 몸체(110)와 함께 진동함으로써 발생되는 종방향 및 횡방향의 진동이 서로 일치하는 마디(N₁,N₂,N₃)를 세 개 이상 가지도록 함과 아울러 서로 일치하는 마디(N₁,N₂,N₃)사이에 서로 일치하는 배(A₁,A₂), 즉 진폭이 최대가 되는 지점을 가지도록 몸체(110)의 길이를 연장시킨다.The extension part 140 extends integrally from both ends of the body 110, and as shown in FIGS. 9 and 10, longitudinal and transverse vibrations generated by vibrating together with the body 110 coincide with each other. node _{_{(N 1, N 2, N}} 3) the node that also the well agree with each other so as to have three or more _{_{(N 1, N 2, N}} 3) times (a _1, a ₂₎ to coincide with each other between which, that is, The length of the body 110 is extended to have a point where the amplitude is maximum.

고정수단(150)은 다수, 바람직하게는 세 개 이상으로 이루어지며, 몸체(110)와 연장부(140) 중 어느 하나 또는 이들 모두에서 일치하는 마디(N₁,N₂,N₃)에 각각 설치됨으로써 몸체(110) 및 연장부(140)를 고정시킨다.The fixing means 150 is made up of a plurality, preferably three or more, each of the nodes (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) corresponding to any one or both of the body 110 and the extension 140 The body 110 and the extension 140 are fixed by being installed.

고정수단(150)은 본 실시예에서 몸체(110)와 연장부(120) 중 어느 하나 또는 이들 모두에서 일치하는 마디(N₁,N₂,N₃) 부위, 예컨대, 몸체(110)의 중심인 제 1 스페이서(112)와 연장부(140) 각각에 형성되는 고정홈(114,141)에 진동 방향에 교차하는 방향으로 끼워지도록 "ㄷ"자 형상의 삽입홈(152)을 가지는 홀더(151)이다.Fixing means 150 is a node (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) in the present embodiment coincide in any one or both of the body 110 and the extension 120, for example, the center of the body 110 Is a holder 151 having an insertion groove 152 having a "c" shape to fit in the direction intersecting the vibration direction in the fixing grooves 114 and 141 formed in each of the first spacer 112 and the extension part 140. .

압박팁(160)은 다수, 바람직하게는 두 개로 이루어져서 스테이지와 같은 구동의 대상물(1)을 압박하게 되며, 몸체(110)와 연장부(140) 중 어느 하나 또는 이들 모두에서 서로 일치하는 배(A₁,A₂)에 각각 설치된다.Compression tip 160 is composed of a plurality, preferably two to press the object 1 of the drive, such as a stage, the belly (consistent with each other in any one or both of the body 110 and the extension 140 ( A ₁ , A ₂ ) respectively.

이와 같은 구조로 이루어진 초음파 모터의 동작은 다음과 같이 이루어진다.The operation of the ultrasonic motor having such a structure is performed as follows.

도 8은 BLT(Bolt clamped Langevin-type Transducer) 방식으로 구성된 종진동 횡진동 혼성의 초음파 모터(100)를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 모터(100)는 안정성 문제와 지지부 문제를 해결하기 위해 종래의 초음파 선형 모터에 비해 일 예로 3배가 길게 설계되고, 제 1 및 제 2 초음파진동부(13,15)의 전극판(13d,15e)에 주파수가 동일함과 아울러 위상을 다르게 하는 교류 전압을 인가하는 것에 의해 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 몸체(110)와 연장부(140)는 함께 진동하여 3차 종진동 모드와 6차 횡진동 모드, 그리고 두 공진모드의 공유점인 3점의 노드(N₁,N₂,N₃)를 가지게 된다.8 shows an ultrasonic motor 100 of longitudinal vibration lateral vibration hybridization configured in a BLT (Bolt clamped Langevin-type Transducer) method. As shown, the ultrasonic motor 100 according to the present invention is designed to be three times longer than the conventional ultrasonic linear motor in order to solve the stability problem and the support problem, and the first and second ultrasonic vibration unit 13, As shown in FIGS. 9 and 10, the body 110 and the extension part 140 are applied to the electrode plates 13d and 15e of FIG. 15 by applying an AC voltage having the same frequency and different phases. It vibrates together to have a third longitudinal vibration mode, a sixth lateral vibration mode, and three nodes (N ₁ , N ₂ , N ₃ ), which are common points of the two resonance modes.

이 때, 종방향 진동은 기계적 구동력을 발생시키고, 횡방향 진동은 마찰력을 조절함으로써 스테이지 등과 같은 구동의 대상물(1)을 구동시킨다. 즉, 두 가지 모드의 진동이 90도의 위상차를 가지고 발생할 때 압박팁(160)에서 타원형의 궤도 운동이 발생하게 되며, 이러한 압박팁(160)은 고정수단(150)의 메커니즘에 의해 구동 대상물(1)의 반대쪽에서 가압되며, 접촉점의 마찰력에 의해 한 방향으로 구동 대상물(1)을 구동시킨다.At this time, the longitudinal vibration generates a mechanical driving force, and the lateral vibration drives the driving object 1 such as a stage by adjusting the frictional force. That is, when two modes of vibration occur with a phase difference of 90 degrees, an elliptical orbital motion occurs at the compression tip 160, and the compression tip 160 is driven by the mechanism of the fixing means 150. Pressurized from the opposite side), and drives the driving object 1 in one direction by the frictional force of the contact point.

이러한 본 발명에 따른 초음파 모터(100)는 하나의 실시예로서, 몸체(110)의 지름이 200mm 이고, 몸체(110)와 연장부(140)의 길이가 240mm 이며, 제 1 및 제 2 초음파진동수단(120,130) 각각이 종방향 진동과 횡방향 진동을 발생시키도록 다른 형태의 제 1 및 제 2 압전판(PZT)(121a,131a)을 가지는데, 제 1 및 제 2 압전판(PZT)(121a,131a)의 크기는 일예로 외경이 20mm이고, 내경이 10mm이며, 두께가 2mm이고, 두 개의 알루미나 세라믹의 압박팁(160)이 연장부(140)에 부착되어 마찰 구동부가 되며, 몸체(110)의 중심뿐만 아니라 양측의 연장부(140)를 각각 고정시킴으로써 세 개의 지점(N₁,N₂,N₃)이 지지되도록 하고, 지지되는 지점(N₁,N₂,N₃)이 두 진동 모드의 공유점이 되며, 이러한 진동은 레이져 진동계를 사용하여 측정하여 도 11에 도시하였다. 도 11에 도시된 바와 같이, 몸체(110)와 연장부(140)의 고정된 지점(N₁,N₂,N₃)은 두 진동 모드의 공유점이다. The ultrasonic motor 100 according to the present invention is an embodiment, the diameter of the body 110 is 200mm, the length of the body 110 and the extension 140 is 240mm, the first and second ultrasonic vibration Each of the means 120 and 130 has different types of first and second piezoelectric plates (PZTs) 121a and 131a to generate longitudinal and transverse vibrations, the first and second piezoelectric plates (PZT) ( 121a and 131a have an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 10 mm, a thickness of 2 mm, and two alumina ceramic pressing tips 160 attached to the extension 140 to form a friction driving part. By fixing the extension portions 140 on both sides as well as the center of the 110, three points (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) are supported, and the supported points (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) are two It becomes a common point of the vibration mode, and this vibration is shown in FIG. 11 by using a laser vibrometer. As shown in FIG. 11, the fixed points N ₁ , N ₂ , N _{3 of the} body 110 and the extension 140 are shared points of the two vibration modes.

이와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모터(100)의 하중 특성에 대한 측정 결과는 도 12에 나타낸 바와 같으며, 이 때의 구동주파수는 31.93 ㎑였으며, 이는 종방향 진동과 횡방향 진동의 공진주파수에 매우 근사한 값에 해당하며, 비하중 상태에서 종진동 구동 전압이 137V이고, 예압이 435N일 때, 최고 속도는 0.45m/s이며, 최대 출력은 75N이었다. 이 조건에서 최대 효율은 32%였다.As such, the measurement result of the load characteristics of the ultrasonic motor 100 according to the embodiment of the present invention is shown in Figure 12, the driving frequency at this time was 31.93 kHz, which is the longitudinal vibration and the lateral vibration It corresponds to a value very close to the resonant frequency, and the maximum speed was 0.45 m / s and the maximum power was 75 N when the longitudinal vibration driving voltage was 137 V and the preload was 435 N under no load. Maximum efficiency at this condition was 32%.

또한, 초음파 모터(100)에 의한 제어 시스템은 50nm의 분해능을 가지고 구동 대상물(1)에서 면의 위치를 검출하기 위해 광학 선형 엔코더를 사용했고, 엔코더에서 나오는 위치 정보신호는 되먹임하여 PID 제어기를 통해 Motion board(NI PCI7304)에 전송된다. 전압 신호는 함수 발생기에 인가되며, 함수발생기는 진폭 변조(AM)를 한 후 전압신호를 종방향 진동과 횡방향 진동 모드의 제 1 및 제 2 압전판(PZT)(121a,131a)에 인가하였으며, 본 발명에 따른 초음파 모터(100)에 의한 제어 시스템의 성능 평가를 위하여 사이클 시험을 실행하였다. In addition, the control system by the ultrasonic motor 100 uses an optical linear encoder to detect the position of the plane on the driving object 1 with a resolution of 50 nm, and the position information signal from the encoder is fed back through a PID controller. It is sent to the motion board (NI PCI7304). The voltage signal is applied to the function generator. The function generator performs amplitude modulation (AM) and then applies the voltage signal to the first and second piezoelectric plates (PZTs) 121a and 131a in the longitudinal vibration and the lateral vibration modes. In order to evaluate the performance of the control system by the ultrasonic motor 100 according to the present invention, a cycle test was performed.

이러한 시험은 엔코더로부터 허용오차 안의 10개의 안정적인 위치 데이터를 얻은 후에, 방향을 바꾸어 스텝 운동을 하여 구동의 대상물(1)은 주어진 위치 정도를 가진 채 반복적으로 왕복 운동을 하게 된다. 이 때, PID 피드백 제어를 통해100nm 정도를 가진 위치 제어 결과를 도 13에 나타내었다. 이 때, 구동 대상물(1)의 질량은 6kg이고, 구동력은 10N이며, 속도는 200mm/s이고, 목표 위치는 리셋위치에서 ±50mm였다. 그 결과 속도 변동이 정상 상태에서 프로그램된 속도의 0.5%안에서 이루어지는 뛰어난 효과를 확인할 수 있다.This test obtains 10 stable position data within the tolerance from the encoder and then changes direction to step the movement so that the driving object 1 repeatedly reciprocates with the given position. At this time, the position control result having a degree of about 100nm through the PID feedback control is shown in FIG. At this time, the mass of the driving object 1 was 6 kg, the driving force was 10 N, the speed was 200 mm / s, and the target position was ± 50 mm at the reset position. The result is an excellent effect of speed fluctuations within 0.5% of the programmed speed at steady state.

그러므로, 본 발명에 따른 초음파 모터(100)에서와 같이, 하나의 진동자가 가지는 세 공유점(N₁,N₂,N₃)에 고강성을 띄는 지지부를 가짐으로써 확실한 지지를 가능하도록 하는 반면, 종방향 진동 및 횡방향 진동의 두 진동 모드에 전혀 영향을 미치지 않으며, 몸체(110)의 지름이 20mm인 초음파 모터(100)를 이용하여 기계적 최대 출력은 75N이고, 비하중 상태에서 0.45m/s의 속도를 얻었다. 또한, 본 발명의 초음파 모터(100)에 PID 피드백 제어 시스템을 적용시켜 6kg의 구동 대상물(1)을 100nm의 정도를 가지고 200mm/s로 위치 제어를 달성 할 수 있다.Therefore, as in the ultrasonic motor 100 according to the present invention, by having a support that exhibits a high rigidity at the three common points (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) that one vibrator has, it is possible to ensure reliable support, It has no influence on the two vibration modes of longitudinal vibration and lateral vibration, and the mechanical maximum power is 75 N using the ultrasonic motor 100 having a diameter of the body 110 at 20 mm, and 0.45 m / s under no load. Got the speed. In addition, by applying the PID feedback control system to the ultrasonic motor 100 of the present invention it is possible to achieve the position control at 200mm / s with the driving object 1 of 6kg with a degree of 100nm.

이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 구동의 대상물에 가해지 는 횡방향 진동이 원하지 않는 종진동 성분없이 순수한 상하 진동만을 하게 됨으로써 이상적인 구동을 가능하도록 하고, 다수의 지점이 고정됨으로써 안정된 지지 구조를 위한 강성을 증가시키며, 일체화를 통한 단일 진동체로 이루어짐으로써 제조가 용이함과 아울러 내구성을 증가시킨다.As described above, according to the preferred embodiment of the present invention, the lateral vibration applied to the object to be driven allows purely up and down vibration without unwanted longitudinal vibration components, thereby enabling ideal driving, and stable support by fixing a plurality of points. Increasing the rigidity for the structure, it is made of a single vibrating body through integration to facilitate the manufacture and increase the durability.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 모터는 구동의 대상물에 가해지는 횡방향 진동이 원하지 않는 종진동 성분없이 순수한 상하 진동만을 하게 됨으로써 이상적인 구동을 가능하도록 하고, 다수의 지점이 고정됨으로써 안정된 지지 구조를 위한 강성을 증가시키며, 일체화를 통한 단일 진동체로 이루어짐으로써 제조가 용이함과 아울러 내구성을 증가시키는 효과를 가지고 있다. As described above, the ultrasonic motor according to the present invention enables the ideal drive by the lateral vibration applied to the object to be driven only by pure vertical vibration without the unwanted longitudinal vibration component, and a stable support structure by fixing a plurality of points Increasing the rigidity for, and made of a single vibrating body through integration has the effect of increasing durability and ease of manufacture.

Claims

In the ultrasonic motor,

Body,

First and second ultrasonic vibration means which are respectively installed sequentially from the center of the body to both sides to vibrate the body in the longitudinal and transverse directions;

The length of the body is provided so as to be integrally formed from both ends of the body, and to have three or more nodes in which longitudinal and transverse vibrations coincide with each other, and to have a belly corresponding to each other between the corresponding nodes. An extension to extend,

A plurality of fixing means installed in the matching node in any one or both of the body and the extension;

A plurality of pressure tips installed on the boat to match each other in any one or both of the body and the extension portion

Ultrasonic motor comprising a.

The method of claim 1,

The body,

Shafts having the extension portions connected to both ends thereof,

A first spacer provided at the center of the shaft,

A second spacer provided between said first and second ultrasonic vibration means on said axis;

Ultrasonic motor comprising a.

The method of claim 1,

The fixing means,

Any one or both of the body and the extension portion is a holder that is fitted in the direction crossing the vibration direction in the fixing groove formed in the matching node portion

Ultrasonic motor, characterized in that.