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초록
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압전 소자는 부피에 비해 발생 힘이 크고 빠른 응답 특성을 갖기 때문에, 최근 압전 소자를 이용한 모터의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 발생 변위가 작아, 압전소자의 직접적인 변위 특성을 이용하는 것에 한계가 있다. 따라서 큰 변위를 확보하기 위해, 바이메탈을 사용하거나 한 개 이상의 압전 소자를 사용한 모터가 연구되었다. 본 연구를 통해 제안된 선형 모터는 구동부의 첫 번째 모드 형상을 이용하기 때문에 낮은 구동 주파수에서 작동이 가능하다. 또한 한 개의 압전 소자를 사용하여, 구동 주파수와 구동부의 공진 주파수 비에 따라 모터의 방향을 제어할 수 있도록 고안되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, a piezo actuator based linear motor has been actively studied because of its higher power density, compactness and quick response. However, the characteristic of small displacement makes the application of a piezo actuator limitative. In order to overcome this limitation, some actuation me...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 타원형 운동을 유발하기 위해 두 개 이상의 PZT를 사용 하거나[4][5], 바이메탈의 변형률 차를 이용하여 굽힘 운동을 발생 시키는 방법[6]등이 주로 사용된다. 본 연구는 모터의 구동 시스템을 간소화하기 위해 PZT 한 개를 이용한 선형 모터를 제안한다. 기존에 이미 PZT 한 개를 사용하여, PZT를 지지하는 구조물의 모드 형상을 이용하는 모터가 상용화 되어 있으나[7], 수십 kHz 이상의 구동 주파수를 필요로 한다.

가설 설정

  • PZT 선형 모터 구동부의 방향성을 예측하기 위해, 구동부의 모델을 x방향 1자유도로 가정하고, ANSYS v12.0을 사용하여 입력 주파수 300Hz~1kHz 사이의 x방향 변위를 해석하였다. 또한 y방향의 변위는 입력 주파수의 위상과 일치한다는 가정 하에, y방향 변위를 계산하여, y 방향 변위에 대한 x방향 변위 값을 Fig 4에 도시 하였다.
  • 0을 사용하여 입력 주파수 300Hz~1kHz 사이의 x방향 변위를 해석하였다. 또한 y방향의 변위는 입력 주파수의 위상과 일치한다는 가정 하에, y방향 변위를 계산하여, y 방향 변위에 대한 x방향 변위 값을 Fig 4에 도시 하였다. y방향 변위가 증가하는 구간이 앞서 설명한 밀림 현상이 일어나는 구간이며, 이 때 x방향 변위의 변화 양상을 살펴보면, 구동부의 공진 주파수인 573.
  • 또한 실제, PZT 액추에이터의 진동에 의해 나타나는 구동부 끝의 응답은 x, y방향의 2자유도계지만, 구동부의 감쇠비 ζ가 0.01에 가깝게 설계되었고, PZT 액추에이터의 발생 변위가 15µm(100V)로 매우 작기 때문에, 구동부 끝의 y방향 응답은 PZT 액추에이터의 신호와 같다고 가정할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압전소자를 액추에이터에 적용하였을 경우, 얻을 수 있는 이점은? 이러한 압전소자를 액추에이터에 적용하였을 경우, 얻을 수 있는 이점은 다음과 같다. PZT 액추에이터는 일반적인 액추에이터와 달리 기어가 필요 없으며, 부피 및 중량 대비 큰 출력을 얻을 수 있다. 또한 구동 및 정지에 즉각적인 반응을 할 수 있고, 출력 변위가 작기 때문에 정밀한 위치제어가 가능하다[1]. 이러한 PZT 액추에이터의 특성 때문에 최근 이를 이용한 항공우주용 모터의 개발이 활발하게 이루어지고 있다[2].
압전 소자는 어떤 특성을 가지고 있는가? 압전 소자는 전원을 인가하면 분극 방향을 따라 변형이 일어나는 특성이 있다. 이러한 압전소자를 액추에이터에 적용하였을 경우, 얻을 수 있는 이점은 다음과 같다.
PZT 모터의 한계는? 특히, Elliptec, Nanomotion, Phsikinstrument 같은 회사들은 PZT를 이용한 모터를 제작하여 상용화하고 있다[3]. 하지만 PZT가 발생시키는 작은 변위와 구동부의 마찰에 의한 마모, 높은 구동 주파수 등의 한계가 있기 때문에 PZT 모터의 성능 향상을 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 일반적인 PZT 모터의 특징은 스테이터의 타원형 움직임에 의해 로터의 직선 운동 혹은 회전 운동이 발생된다는 것이다.
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참고문헌 (9)

  1. Scott L. Sharp, "Design of a linear ultrasonic piezoelectric motor", 2006, pp. 1-16. 

  2. P. Janker, F. Claeyssen, B. Grohmann, M. Christmann, T. Lorkowski, R. LeLetty, O. Sosniki, A. Pages, "New Actuators for Aircraft and Space Applications", ACTUATOR 2008, 2008, pp. 346-354. 

  3. T. Hemsel, M. Mracek, J. Twiefel, P. Vasiljev, "Piezoelectric linear motor concepts based on coupling of longitudinal vibrations", Ultrasonics 44 (2006), 2006, pp. e591-e596. 

  4. Sadayuki Ueha and Minoru Kurosawa, "Ultrasonic Motors", 1988 IEEE Ultrasonic Symposium, 1988, pp. 519-522. 

  5. James Friend, Member, IEEE, Kentaro Nakamura, and Sadayuki Ueha, "A Traveling-Wave, Modified Ring Linear Piezoelectric Microactuator with Enclosed Piezoelectric Elements-The "Scream" actuator", IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Vol. 52, No. 8, 2005, pp. 1343-1353. 

  6. Hyun-Phill Ko, Kyong-Jae Lee, Kyoung-Ho Yoo, Chong-Yun Kang, Sangsig Kim and Seok-Jin Yoon, "Analysis of Tiny Piezoelectric Ultrasonic Linear Motor", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 5B, 2006, pp. 4782-4786. 

  7. www.elliptec.de/ 

  8. Daniel J. Inman, Engineering Vibration 2nd Edition, Korean language Edition, 2002, pp. 105-116. 

  9. Leonard Meirovitch, Analytical methods in vibrations, 1967, pp. 436-463. 

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