[논문]소형 압전 초음파 리니어 모터에 관한 연구

고현필; 김상식; 윤석진

소형 압전 초음파 리니어 모터에 관한 연구
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고현필 (한국과학기술연구원 박막재료 연구센터) , 김상식 (고려대학교 전기공학과) , 윤석진 (한국과학기술연구원 박막재료 연구센터)

휴대폰이나 PDA등의 카메라 렌즈구동용으로 탑재 가능한 소형 압전 초음파 리니어 모터를 개발하였다. 선형 동작을 위한 구동력은 압전 세라믹과 1개 또는 2개의 세라믹으로 이루어진 uni- 또는 bimorph 형태의 압전 엑츄에이터에서 얻을 수 있다. 즉 초음파 영역의 펄스형태의 전압을 인가함으로써 정 또는 역의선형 운동과 인가하는 전압의 주기에 따라 정밀한 위치조절이 가능하고 제조공정이 용이하고 구조가 간단한 것을 특징으로 하는 모터이다. 본 연구에서는 소형 압전 초음파 리니어 모터의 원리와 동작특성을 고찰하였다.

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문제 정의

초소형 카메라의 광학 줌 실현을 위해서는 최대 직경 5 mm 이하의 선형 모터의 개발이 이루어져야 한다. 본 실험에서는 휴대용 정보기기에 탑재 가능한 소형 압전 초음파 리니어 모터의 구동원리와 모터의 동특성에 대한 실험결과와 특성에 대해 논의 하였다.

제안 방법

탄성체는 압전 세라믹으로부터 전달되는 진동이 손실없이 직접적으로 전달되고 동작할 수 있는 일정한 두께를 가지는 탄성이 우수한 인청동을 사용하였으며 이동축은 stator 의 중심부에 설치하여 가장 큰 변위를 얻게 설계하였다. 또한 모터가 고정되어 설치되는 기능을 수행 할 수 있도록 탄성체의 외경을 압전 세라믹보다 크게 설계하였다. 이것은 압전 세라믹의 진동에 모터 자체가 움직이지 못하도록 고정 시켜주는 역할을 하기 위해서이다.
관성의 법칙에 의하여 이동될 수 있도록 제작되었다. 모터를 구동시키기 위한 pulse를 얻기 위하여 function generator를 이용하였으며 전압에 따른 모터의 동특성을 살펴보기 위하여 high speed power amplifier를 사용하였고 모터의 force는 digital force gauge를 사용하여 측정하였다.
Force_opt 은 40Vrms 에서의 측정 결과를 나타낸 것이다. 본 논문에서 개발한 소형 압전 초음파 리니어 모터는 전압을 조절함으로써 모터의 속도와 힘을 제어 할 수 있다. 전압이 올라갈수록 선형적으로 힘과 속도가 증가하는 것을 알 수 있었다.
휴대폰이나 PDA등의 카메라 렌즈구동용으로 탑재 가능한 소형 압전 초음파 리니어 모터를 개발하여 동작 특성을 확인하였다. Type I, II로 제작된 모터의 동특성에 비하여 type HI, IV로 제작된 모터의 동특성이 우수함을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

표1 에는 모터에 사용된 압전 세라믹의 특성에 대해 나타내었다. Type I 과 Type IH에는 0.1mm 두께의 탄성체를 사용하였고 Type II 과 Type IV에는 0.2 mm 두께의 탄성체를 사용하였다. 모터의 이동축에 탑재되는 이동체가 선형운동을 하기 위해서는 마찰력이 중요한 변수로 작용된다.
압전 세라믹과 탄성체가 결합되어unimorph 형태로 이루어진 stator와 이동축, 이동체로 구성되어진다. 탄성체는 압전 세라믹으로부터 전달되는 진동이 손실없이 직접적으로 전달되고 동작할 수 있는 일정한 두께를 가지는 탄성이 우수한 인청동을 사용하였으며 이동축은 stator 의 중심부에 설치하여 가장 큰 변위를 얻게 설계하였다. 또한 모터가 고정되어 설치되는 기능을 수행 할 수 있도록 탄성체의 외경을 압전 세라믹보다 크게 설계하였다.

이론/모형

그림 1에서 살펴본 바와 같이 압전 세라믹과 탄성체가 부착된 상태에서 전계가 인가되면, 압전 세라믹과 탄성체의 굴곡 진동이 이동축에 전달되어 이동체가 리니어 운동을 수행하게 된다. 이때 이동체의 변위 원리는 일반적인 물리 현상을 이용한 것으로서 관성의 법칙을 이용하였다.

성능/효과

동작 특성을 확인하였다. Type I, II로 제작된 모터의 동특성에 비하여 type HI, IV로 제작된 모터의 동특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 03로 제작된 stator 굴곡 작용은 05로 제작된 stator의 굴곡 작용에 비해 운동의 폭이 제한을 받기 때문에 구동 시 요구되어지는 전압이 높은 것으로 확인할 수 있었다.
1N 미만이었다. type I 과 type Ⅲ는 상대적으로 force가 작은 type H와 type IV에 비해서 동작 속도가 느린 것을 확인할 수 있었다. 이것은 이동체가 이동축에 탑재 될 때의 압착력과 마찰력은 직접적인 영향을 받아 모터의 동특성에 큰 영향을 주게 되는 것으로 사료 된다.
본 논문에서 개발한 소형 압전 초음파 리니어 모터는 전압을 조절함으로써 모터의 속도와 힘을 제어 할 수 있다. 전압이 올라갈수록 선형적으로 힘과 속도가 증가하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

압전 세라믹에 전기적 신호를 인가하여 기계적 변형이 발생하는 역압전 효과를 이용한 초음파 액츄에이터는 구조가 단순하여 장비나 기기의 초소형, 초경량화가 가능하며, 고 집적, 고 정밀, 소형화 추세에 있는 산업 분야에서 빠른 시간에 고부가가치의 시장이 형성 될 것으로 판단된다.[1, 2] 특히, 특별한 기구적 장치 없이 선형 운동의 구현이 가능한 초음파 리니어 모터가 소형이동통신 단말기에 적용될 경우 기존 모터보다 높은 구동력과 소비 전력이 매우 낮으며, 기어를 사용할 필요가 없고, 소형 경량화가 가능하고 속도와 위치제어를 전기적으로 제어할 수 있으며 정지 시 미끄러짐이 없는 등의 장점이 있어 기존 모터로 적용하기 어려운 새로운 응용이 가능할 것으로 전망된다. 현재 소형 정보기기용 카메라 줌 기능은 디지털 방식을 주로 이용하고 있는데, 줌인에 따라 해상도가 떨어지므로 광학 줌 기능의 개발이 절실히 요구된다.
또한 type Ⅲ는 최소 전압이 39 Vp-p로 구동 되어 구동 드라이버의 소형화에 유리할 것으로 생각된다. 본 실험에서 개발 제작된 모터는 현재 광학줌에 이용되는 모터와는 달리 탑재되는 용도에 따라 모터의 크기와 형태를 용도에 맞게 설계 및 적용할 수 있는 장점을 가지고 있어 정보기기용 휴대 장치에 적용 가능할 것으로 사료 된다.

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