KR100712591B1

KR100712591B1 - Omni-directional ultrasonic piezoelectric actuator system

Info

Publication number: KR100712591B1
Application number: KR1020050109193A
Authority: KR
Inventors: 윤석진; 김달영; 김현재; 강종윤
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-04-30
Also published as: WO2007058467A1

Abstract

본 발명은 이동자를 2차원 평면 내에서 임의의 방향으로 구동시킬 수 있는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제1 반파장 공진기와, 제1 반파장 공진기에 인가된 교류 전계와 90°의 위상차를 갖는 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제2 반파장 공진기와, 제1 및 제2 반파장 공진기를 연결하는 제1 진동빔을 구비하는 제1 액츄에이터와; 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제3 반파장 공진기와, 제3 반파장 공진기에 인가된 교류 전계와 90°의 위상차를 갖는 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제4 반파장 공진기와, 제1 액츄에이터의 진동빔에 교차 결합하며 제3 및 제4 반파장 공진기를 연결하는 제2 진동빔을 구비하는 제2 액츄에이터와; 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터의 진동빔의 교차 부분에 결합되며, 이동대상체를 마찰 구동시키기 위한 구동 부재를 포함하는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템을 제공한다.An object of the present invention is to provide an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system capable of driving a mover in an arbitrary direction in a two-dimensional plane. To achieve this object, the present invention provides a longitudinal direction by applying an alternating electric field. A first half-wave resonator for generating vibration, a second half-wave resonator for generating longitudinal vibration by application of an alternating electric field having a phase difference of 90 ° with an alternating electric field applied to the first half-wave resonator, and A first actuator having a first vibrating beam connecting the first and second half-wave resonators; For generating longitudinal vibration by application of a third half-wave resonator for generating longitudinal vibration by the application of an alternating electric field and an alternating electric field having a phase difference of 90 ° with the alternating-current field applied to the third half-wave resonator A second actuator having a fourth half-wave resonator and a second vibration beam cross-coupled to the vibrating beam of the first actuator and connecting the third and fourth half-wave resonators; Provided is an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system coupled to an intersection of a vibrating beam of a first actuator and a second actuator and including a drive member for frictionally driving a moving object.

압전 세라믹스, 초음파 모터, 교류 전계, 교차형 진동빔, 전방향 구동 Piezoelectric Ceramics, Ultrasonic Motors, Alternating Current Fields, Cross Vibration Beams, Omni-directional Driving

Description

Omni-directional ultrasonic piezo actuator system {OMNI-DIRECTIONAL ULTRASONIC PIEZOELECTRIC ACTUATOR SYSTEM}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템의 개략적인 사시도이다.1 is a schematic perspective view of an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템의 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 측면도이다.FIG. 2 is a side view for describing an operation of an actuator of the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system of FIG. 1.

도 3a 내지 도 3d는 이동자의 2차원 평면 내에서의 전방향 구동을 나타낸 평면도이다.3A to 3D are plan views showing the omnidirectional driving of the mover in the two-dimensional plane.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템100: omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system

110, 120 : 액츄에이터110, 120: Actuator

111, 112, 121, 122 : 칼럼부재111, 112, 121, 122: column member

111a, 112a, 121a, 122a : 반파장 공진기111a, 112a, 121a, 122a: half-wave resonator

113, 123 : 진동빔113, 123: vibration beam

130 : 구동 부재130: drive member

140 : 이동자140: mover

본 발명은 압전 세라믹스에서 발생된 진동을 진동빔에 전달하고 진동빔에 접촉한 이동자를 마찰 구동시키기 위한 초음파 압전 액츄에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이동자를 2차원 평면 내에서 임의의 방향으로 구동시킬 수 있는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic piezoelectric actuator for transferring vibration generated in piezoelectric ceramics to a vibrating beam and for frictionally driving the mover in contact with the vibrating beam, and more particularly, driving the mover in any direction within a two-dimensional plane. The present invention relates to an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system.

일반적으로, 초음파 압전 액츄에이터는 초음파 모터 또는 압전 모터로 불리우며, 압전 현상을 일으키는 소자에 전기 입력을 가하여 미소한 탄성 진동을 일으키고, 이 진동을 마찰력에 의해 이동자의 기계적인 변위로 실현하는 마찰 구동형 액츄에이터이다.In general, ultrasonic piezoelectric actuators are called ultrasonic motors or piezoelectric motors, and are friction-driven actuators that generate microelastic vibrations by applying an electrical input to a piezoelectric element, and realize this vibration as a mechanical displacement of the mover by frictional force. to be.

이러한 초음파 압전 액츄에이터는 기존의 전자식 모터와는 달리 철심과 코일과 같은 자기 회로가 필요없는 단순한 구조를 가지며, 별도의 전동 수단 없이 직접 이동자의 속도와 위치를 전기적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 정지시에도 미끄러짐이 없는 장점을 가져, 현재 그 개발이 활발히 이루어지고 있다. 초음파 압전 액츄에이터는 이동자의 구동 형태에 따라 회전형과 선형 등으로 구분될 수 있다.Unlike conventional electric motors, these ultrasonic piezoelectric actuators have a simple structure that does not require magnetic circuits such as iron cores and coils. The ultrasonic piezoelectric actuators can not only control the speed and position of the mover directly without a separate transmission means, Edo has no slip, and its development is being actively carried out. The ultrasonic piezoelectric actuator may be classified into a rotary type and a linear type according to the driving type of the mover.

초음파 압전 선형 액츄에이터의 하나의 예로서, 서로 다른 동작 모드를 가지는 진동자를 진동빔으로 서로 연결하고, 각 진동자에서 발생된 종진동에 의한 진동빔의 기계적 변위를 마찰력을 이용해 이동자의 기계적 변위로 실현시키는 진동빔 구동형 초음파 압전 선형 액츄에이터가 있다.As an example of an ultrasonic piezoelectric linear actuator, vibrators having different modes of operation are connected to each other by vibrating beams, and mechanical displacements of the vibrating beams caused by longitudinal vibration generated in each vibrator are realized by the mechanical displacement of the mover using frictional force. There is a vibration beam driven ultrasonic piezoelectric linear actuator.

대한민국 특허 등록 공보 제10-0483804호는, 한 쌍의 압전 세라믹스에 각각 90°의 위상차를 갖는 sine과 cosine의 두 개의 고주파 전류 전계를 가함으로써, 이와 연결된 진동빔(shaking beam)에 타원형의 기계적 변위를 발생시켜 마찰력을 통해 이동자를 선형으로 구동하는 압전 선형 초음파 모터를 개시한다. 상기 특허 문헌에 의하면, 다수의 압전 세라믹스를 가지는 한 쌍의 반파장 변환기의 교호적 진동으로 진동빔의 타원형 궤적의 변위를 발생시키고 이 변위를 마찰력을 이용해 이동자의 선형 운동으로 실현하는 선형 압전 초음파 모터가 제공된다.Korean Patent Registration Publication No. 10-0483804 discloses an elliptic mechanical displacement on a shaking beam connected to a pair of piezoelectric ceramics by applying two high frequency current fields, sine and cosine, each having a phase difference of 90 °. Disclosed is a piezoelectric linear ultrasonic motor that linearly drives the mover through friction. According to the said patent document, the linear piezoelectric ultrasonic motor which generate | occur | produces the displacement of the elliptical trajectory of a vibration beam by the alternating vibration of a pair of half-wavelength transducer which has many piezoelectric ceramics, and realizes this displacement by the linear motion of a mover using a frictional force. Is provided.

또한, 대한민국 특허 공개 공보 제2004-0092005호는, 복수쌍의 압전 세라믹스에 90°의 위상차를 갖는 두개의 고주파 전류 전계를 가함으로써 이와 연결된 2개 이상의 진동빔(shaking beam)에 타원형의 기계적 변위를 발생시켜 마찰력을 통해 이동자를 선형으로 구동하는 복합 압전선형 초음파모터를 개시한다. 상기 특허 문헌에 의하면, 진동빔의 개수에 따라 구동력이 비례하게 증대될 수 있는 선형 압전 초음파 모터가 제공된다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0092005 discloses an elliptic mechanical displacement of two or more shaking beams connected thereto by applying two high frequency current fields having a phase difference of 90 ° to a plurality of pairs of piezoelectric ceramics. Disclosed is a complex piezoelectric linear ultrasonic motor which generates and linearly drives a mover through friction. According to the patent document, there is provided a linear piezoelectric ultrasonic motor in which the driving force can be proportionally increased according to the number of vibration beams.

그러나, 상기 특허 문헌에 개시된 선형 압전 초음파 모터는 진동빔이 배향된 방향의 1축 방향으로의 이동자의 선형 구동만이 가능할 뿐, 2차원 평면 내에서의 이동자의 전방향 구동이 불가능하다는 문제점이 있다. 아울러, 2차원 평면 내에서의 전방향 구동을 실현하기 위해서는, 복수개의 선형 압전 초음파 모터를 이동자의 구동 방향마다 설치해야하므로, 이동자를 구동하기 위한 액츄에이터 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.However, the linear piezoelectric ultrasonic motor disclosed in the patent document has a problem that only the linear driving of the mover in the uniaxial direction of the direction in which the vibration beam is oriented is possible, and the omnidirectional driving of the mover in the two-dimensional plane is impossible. . In addition, in order to realize omnidirectional driving in the two-dimensional plane, since a plurality of linear piezoelectric ultrasonic motors must be provided for each driving direction of the mover, there is a problem that an actuator system for driving the mover becomes complicated.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 단일 시스 템만으로 이동자의 2차원 평면 내에서의 전방향 구동이 수행될 수 있는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and an object thereof is to provide an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system in which omnidirectional driving in a two-dimensional plane of a mover can be performed with only a single system.

위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템은, 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제1 반파장 공진기와, 상기 제1 반파장 공진기에 인가된 교류 전계와 90°의 위상차를 갖는 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제2 반파장 공진기와, 상기 제1 및 제2 반파장 공진기를 연결하는 제1 진동빔을 구비하는 제1 액츄에이터와; 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제3 반파장 공진기와, 상기 제3 반파장 공진기에 인가된 교류 전계와 90°의 위상차를 갖는 교류 전계의 인가에 의해 종방향 진동을 발생시키기 위한 제4 반파장 공진기와, 상기 제1 액츄에이터의 진동빔에 교차 결합하며 상기 제3 및 제4 반파장 공진기를 연결하는 제2 진동빔을 구비하는 제2 액츄에이터와; 상기 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터의 진동빔의 교차 부분에 결합되며, 이동대상체를 마찰 구동시키기 위한 구동 부재를 포함한다.In order to achieve the above object and other objects, the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system according to a preferred embodiment of the present invention, the first half-wave resonator for generating longitudinal vibration by the application of an alternating electric field, A second half-wave resonator for generating longitudinal vibration by application of an alternating electric field applied to a first half-wave resonator and an alternating electric field having a phase difference of 90 °, and a first connecting second half-wave resonator; A first actuator having a first vibrating beam; Generating longitudinal vibration by application of a third half-wave resonator for generating longitudinal vibration by the application of an alternating electric field and an alternating electric field having a phase difference of 90 ° with the alternating current applied to the third half-wave resonator A second actuator having a fourth half-wave resonator and a second vibration beam coupled to the vibrating beam of the first actuator and connecting the third and fourth half-wave resonators; It is coupled to the intersection of the vibration beam of the first actuator and the second actuator, and includes a drive member for frictionally driving the moving object.

여기서, 상기 반파장 공진기는 적어도 하나의 압전 세라믹스인 것이 바람직하다. 또한, 상기 반파장 공진기는 다수의 압전 세라믹스가 적층된 압전 세라믹스 적층체이고, 상기 압전 세라믹스 적층체 내의 각각의 압전 세라믹스는 분극 방향이 서로 반대가 되도록 적층된 것이 바람직하다.Here, the half-wave resonator is preferably at least one piezoelectric ceramic. In addition, the half-wave resonator is a piezoelectric ceramic laminate in which a plurality of piezoelectric ceramics are stacked, and each piezoelectric ceramic in the piezoelectric ceramic laminate is laminated so that the polarization directions thereof are opposite to each other.

또한, 상기 제1 및 제2 액츄에이터는 독립적으로 구동되는 것이 바람직하며, 상기 제1 액츄에이터에 인가되는 교류 전계와 상기 제2 액츄에이터에 인가되는 교 류 전계의 크기는 서로 다른 것이 보다 바람직하다.In addition, the first and second actuators are preferably driven independently, and it is more preferable that the magnitude of the alternating electric field applied to the first actuator and the alternating electric field applied to the second actuator are different from each other.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)의 개략적인 사시도이다.1 is a schematic perspective view of an omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)은 이동자(미도시)의 1축 방향의 구동을 발생시키기 위한 제1 액츄에이터(110)와, 상기 제1 액츄에이터(110)와 동일하게 구성되고 서로 교차하도록 결합되어 2차원 평면내에서의 이동자의 임의의 방향의 구동을 발생시키기 위한 제2 액츄에이터(120)를 구비한다. 제1 액츄에이터(110)는 90°의 위상차를 가지는 교류 전계가 각각 인가되는 제1 및 제2 반파장 공진기(111a, 112a)와 이들을 서로 연결하는 제1 진동빔(113)을 구비한다. 제1 액츄에이터(110)와 마찬가지로, 제2 액츄에이터(120)는 90°의 위상차를 가지는 교류 전계가 각각 인가되는 제3 및 제4 반파장 공진기(121a, 122a)와 이들을 서로 연결하는 제2 진동빔(123)을 구비한다. 본 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)에 구비된 제1 및 제2 액츄에이터(110, 120)는 기본적인 구성 및 작동 방식이 동일하므로, 제1 액츄에이터(110)가 예시된 도 2를 참조하여 액츄에이터의 기본적인 동작에 대해서 설명한다.The omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 is configured to be the same as the first actuator 110 and to intersect with the first actuator 110 for generating a axial drive of a mover (not shown). A second actuator 120 is provided for generating driving in any direction of the mover in the two-dimensional plane. The first actuator 110 includes first and second half-wave resonators 111a and 112a to which an alternating electric field having a phase difference of 90 ° is applied, and a first vibration beam 113 connecting them to each other. Like the first actuator 110, the second actuator 120 has a third and fourth half-wave resonators 121a and 122a to which an alternating electric field having a phase difference of 90 ° is applied, and a second vibration beam connecting them to each other. 123 is provided. Since the first and second actuators 110 and 120 provided in the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 according to the present exemplary embodiment have the same basic configuration and operation method, FIG. 2 illustrates the first actuator 110. The basic operation of the actuator will be described with reference.

도 2는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)의 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면도로서, 제1 액츄에이터(110)와 이에 접촉하도록 배치되어 마찰 구동되는 이동대상체인 이동자(140)가 도시되어 있다. 제1 및 제2 반파장 공진기(111a, 112a)는 제1 및 제2 칼럼부재(111, 112)에 각각 구비되며, 제1 진동빔(113)은 이들 칼럼부재의 일단을 서로 연결한다.2 is a schematic side view for explaining the operation of the actuator of the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100, the first actuator 110 and the mover 140, which is disposed to contact and frictionally driven is shown have. The first and second half-wave resonators 111a and 112a are provided in the first and second column members 111 and 112, respectively, and the first vibration beam 113 connects one end of these column members to each other.

본 실시예에서의 반파장 공진기는 압전 세라믹스로서 구성되며, 압전 세라믹스는 각 칼럼부재에 단지 하나 또는 도면에 도시된 바와 같이 다수가 적층되어 형성된 압전 세라믹스 적층체의 형태로서 구성될 수 있다. 각 칼럼부재(111, 112)를 서로 연결하는 진동빔(113) 상에 마찰력을 통해 이동자(140)를 구동시키기 위한 구동 부재(130)가 결합되어 있다.The half-wave resonator in this embodiment is configured as piezoelectric ceramics, and the piezoelectric ceramics may be configured in the form of a piezoelectric ceramic laminate formed by stacking only one of each column member or as shown in the drawing. A driving member 130 for driving the mover 140 through a frictional force is coupled to the vibration beam 113 connecting the column members 111 and 112 to each other.

칼럼부재(111, 112)는 공히 기초부(111b, 112b)와, 기초부 상에 배치된 반파장 공진기(111a, 112a)와, 반파장 공진기 상에 배치되고 진동빔(113)을 안착시키기 위한 연결부(111c, 112c)를 각각 구비할 수 있다.The column members 111 and 112 are both the base portions 111b and 112b, the half-wave resonators 111a and 112a disposed on the base portion, and the half-wave resonators disposed on the base portion to mount the vibration beam 113. The connection parts 111c and 112c may be provided, respectively.

기초부(111b)는 금속으로 이루어질 수 있고, 제1 액츄에이터의 기초로서의 역할을 한다. 반파장 공진기(111a)를 이루는 각각의 압전 세라믹스는 전계가 인가되면 20㎑ 이상의 초음파 진동을 발생시키며, 낮은 구동 전압을 얻기 위해 각각의 압전 세라믹스의 분극방향이 반대가 되도록 배치되어 있다. 연결부(111c, 112c)는 그 위에 배치된 진동빔(113)을 지지하며, 진동을 확대시키는 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 기초부(111b)를 음향저항이 큰 금속으로 구성하고 연결부(111c)를 음향저항이 작은 금속으로 구성하면, 진동빔(113)의 진동이 확대될 수 있다.The base 111b may be made of metal and serves as a base of the first actuator. Each piezoelectric ceramic constituting the half-wave resonator 111a generates ultrasonic vibrations of 20 Hz or more when an electric field is applied, and is arranged such that the polarization directions of the piezoelectric ceramics are reversed in order to obtain a low driving voltage. The connecting portions 111c and 112c support the vibration beam 113 disposed thereon, and may have a configuration for enlarging the vibration. For example, when the base portion 111b is made of a metal having a high acoustic resistance and the connecting portion 111c is made of a metal having a low acoustic resistance, the vibration of the vibration beam 113 may be enlarged.

칼럼부재(111)와 동일하게 칼럼부재(112)를 구성하고, 칼럼부재(111, 112)를 서로 연결하도록 이들의 일단에 진동빔(113)이 결합되어 있다. 이렇게 구성된 제1 액츄에이터(110)의 각 칼럼부재(111, 112)에 구비된 반파장 공진기(111a, 112a)에 동일한 주파수를 가지며 위상차가 90°인 서로 다른 2상의 교류 전계 F₁sinωt 및 F₁cosωt를 인가하면, 반파장 공진기(111a, 112a)는 각기 종방향 진동하고, 이 진동은 진동빔(113)에 전달되며, 이 진동의 협동에 의해 진동빔(113)에는 타원형 궤적의 기계적 변위가 발생한다.The column member 112 is configured similarly to the column member 111, and a vibration beam 113 is coupled to one end thereof so as to connect the column members 111 and 112 to each other. The two-phase alternating current fields F ₁ sinωt and F ₁ having the same frequency and having a phase difference of 90 ° in the half-wave resonators 111a and 112a provided in the column members 111 and 112 of the first actuator 110 configured as described above. When the cosωt is applied, the half-wave resonators 111a and 112a vibrate longitudinally, respectively, and the vibrations are transmitted to the vibration beam 113. The vibration of the vibration beam 113 causes the mechanical displacement of the elliptical trajectory to be applied. Occurs.

예컨대, 일측의 칼럼부재(111)의 반파장 공진기(111a)에 F₁sinωt의 교류 전계를 인가하고 타측의 칼럼부재(112)의 반파장 공진기(112a)에 F₁cosωt의 교류 전계를 인가한 것으로 가정한다.For example, an alternating electric field of F ₁ sinωt is applied to the half-wave resonator 111a of the column member 111 on one side, and an alternating electric field of F ₁ cosωt is applied to the half-wave resonator 112a of the other column member 112. Assume that

칼럼부재(111)의 반파장 공진기(111a)는 F₁sinωt의 교류 전계의 인가에 따라서 sine파의 1주기 동안 수축과 확대를 발생시킨다. 또한, 칼럼부재(112)의 반파장 공진기(112a)는 F₁cosωt의 교류 전계의 인가에 따라서 반파장 공진기(111a)의 수축 및 확대의 주기를 T라 할 때 T/4 만큼 빠르거나 늦은 수축과 확대를 발생시킨다.The half-wave resonator 111a of the column member 111 generates contraction and enlargement during one cycle of the sine wave according to the application of an alternating electric field of F ₁ sinωt. In addition, the half-wave resonator 112a of the column member 112 contracts as fast or late as T / 4 when the cycle of contraction and expansion of the half-wave resonator 111a is T according to the application of an alternating electric field of F ₁ cosωt. Causes overexpansion.

반파장 공진기(111a, 112a)의 수축과 확대는 각자의 연결부(111c, 112c)를 통해서 진동빔(113)의 양단에 전달된다. 결국, 진동빔(113)의 각각의 단부는 각자의 반파장 공진기(111a, 112a)의 90°위상차를 가지는 수축과 확대에 대응하는 하강과 상승을 경험하게 되고, 또한 진동빔(113)이 각각의 칼럼부재(111, 112)를 서로 연결시키고 있어서 일측의 수축과 타측의 팽창이 있는 경우 수축된 쪽으로 진동빔(113)이 기울게 될 것이므로, 진동빔(113) 상의 임의의 질점은 타원형 궤적의 기 계적 변위를 발생시킨다.The contraction and enlargement of the half-wave resonators 111a and 112a are transmitted to both ends of the vibration beam 113 through the respective connecting portions 111c and 112c. As a result, each end of the vibrating beam 113 experiences the falling and rising corresponding to the contraction and enlargement having the 90 ° phase difference of the respective half-wave resonators 111a and 112a, and the vibrating beam 113 is respectively The column members 111 and 112 are connected to each other, so if there is contraction on one side and expansion on the other side, the vibrating beam 113 will be inclined toward the contracted side, so that any material point on the vibrating beam 113 is an elliptical trajectory. Generates mechanical displacements.

즉, 각각의 반파장 공진기(111a, 112a)에 90°의 위상차를 가지는 동일한 주파수의 교류 전계를 인가하면, 진동빔(113)은 시간에 따라 순차적으로 타원형 궤적을 이루면서 진동한다. 이 때, 반파장 공진기(111a, 112a)에 의해 발생되는 진동빔(113)의 진동은 20㎑ 이상의 초음파 주파수 대역이면서 진동빔의 구조에 의해서 결정되는 공진 주파수인 것이 바람직하다.That is, when an alternating electric field of the same frequency having a phase difference of 90 ° is applied to each of the half-wave resonators 111a and 112a, the vibration beam 113 vibrates while forming an elliptical trajectory sequentially over time. At this time, the vibration of the vibration beam 113 generated by the half-wave resonators 111a and 112a is preferably a resonant frequency determined by the structure of the vibration beam while being an ultrasonic frequency band of 20 Hz or more.

진동빔(113)의 중앙 부분에는 이동자(140)와 접촉하여 이동자(140)를 마찰 구동하는 구동 부재(130)가 결합되어 있다. 진동빔(113) 상의 임의의 질점이 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시키므로, 구동 부재(130)가 또한 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시킨다. 구동 부재(130)와 이동자(140)는 이들 사이에 마찰력이 개입된 상황에서 서로 접촉하고 있으므로, 구동 부재(130)가 이동자(140)에 타원형 궤적의 절반 동안 접촉하여 이동자(140)를 타원형의 궤적의 진행방향으로 밀어내어 이동자(140)의 일방향의 운동이 실현되며, 이 때의 이동자(140)의 구동 방향은 진동빔(113)의 배향에 따르게 된다. 여기서, 구동 부재(130)는 마찰에 의한 마모를 감소시키고 수명을 연장시키기 위해 내마모성 재질로 이루어질 수 있으며, 구동 부재(130)와 이동자(140)의 마찰 접촉을 확실히 하도록, 이동자(140) 상에 마찰재(141)가 구비될 수도 있다.A driving member 130 that is in contact with the mover 140 and frictionally drives the mover 140 is coupled to the central portion of the vibration beam 113. Since any material point on the vibrating beam 113 generates a mechanical displacement of the elliptical trajectory, the drive member 130 also generates a mechanical displacement of the elliptical trajectory. Since the driving member 130 and the mover 140 are in contact with each other in a situation in which friction force is interposed therebetween, the drive member 130 contacts the mover 140 for half of the elliptical trajectory, thereby making the mover 140 elliptical. By moving in the direction of movement of the trajectory, movement in one direction of the mover 140 is realized, and the driving direction of the mover 140 at this time depends on the orientation of the vibration beam 113. Here, the drive member 130 may be made of a wear-resistant material to reduce the wear caused by friction and to extend the life, and on the mover 140 to ensure frictional contact of the drive member 130 and the mover 140. The friction material 141 may be provided.

도 2에 나타낸 제1 액츄에이터(110)는 x축 방향으로 배향되어 있다. 따라서, 구동 부재(130)의 타원형 궤적의 변위에 의해 실현되는 이동자(140)의 구동은 x축을 따른 어느 일 방향의 직선 운동으로 실현된다. 여기서, 어느 일측의 위상을 180°변환시키면, 예컨대 반파장 공진기(112a)에 F₁cos(ωt±π)의 교류 전계를 인가하면, 반파장 공진기(111a)에 F₁sinωt의 교류 전계를 인가하고 반파장 공진기(112a)에 F₁cosωt의 교류 전계를 인가하는 것과는 달리, 진동빔(113)은 반대방향의 타원형 궤적의 진동을 발생시키게 되고, 이에 따라 이동자(140)는 반대방향으로 x축을 따라서 구동된다.The first actuator 110 shown in FIG. 2 is oriented in the x-axis direction. Therefore, the driving of the mover 140 realized by the displacement of the elliptical trajectory of the drive member 130 is realized by linear movement in one direction along the x axis. Wherein, when converting the phase of the one side 180 °, for example, is applied to ac electric field of the F ₁ cos (ωt ± π) in the half-wave resonator (112a), applying an alternating electric field of the F ₁ sinωt the half-wave resonator (111a) Unlike applying an alternating electric field of F ₁ cosωt to the half-wave resonator 112a, the vibration beam 113 generates vibration of an elliptical trajectory in the opposite direction, and thus the mover 140 moves the x-axis in the opposite direction. Thus driven.

따라서, 각 반파장 공진기(111a, 112a)에 동일한 주파수의 90°위상차를 가지는 2상의 교류 전계를 인가하거나 어느 일측에 인가되는 교류 전계의 위상을 180°변환시킴으로써, 진동빔(113)의 배향 방향을 따라서 이동자(140)를 구동시키는 마찰 구동형의 초음파 액츄에이터가 얻어질 수 있다.Accordingly, the orientation direction of the vibration beam 113 is applied to each of the half-wave resonators 111a and 112a by applying an alternating current of two phases having a 90 ° phase difference of the same frequency or by converting the phase of an alternating current field applied to either side by 180 °. Accordingly, a friction driven ultrasonic actuator for driving the mover 140 can be obtained.

또한, 도 2에 도시되지는 않았지만, 구동 부재(130)와 이동자(140)의 일정 힘 하에서의 접촉을 보장하기 위해, 칼럼부재(111, 112)의 기초부(111b, 112b) 측 또는 이동자(140) 측에, 이동자(140)와 액츄에이터(110)를 서로를 향해 가압하는 가압수단이 제공될 수도 있으며, 이러한 가압 수단으로서 압축 스프링, 판 스프링 등이 채용될 수 있다.In addition, although not shown in FIG. 2, in order to ensure contact between the driving member 130 and the mover 140 under a constant force, the bases 111b and 112b of the column members 111 and 112 or the mover 140. On the) side, a pressing means for pressing the mover 140 and the actuator 110 toward each other may be provided, and a compression spring, a leaf spring, or the like may be employed as the pressing means.

이렇게 하여, 제1 액츄에이터(110)에 의해 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)에 의한 1축 방향의 이동자(140)의 구동이 실현된다.In this way, the drive of the mover 140 in the uniaxial direction by the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 is realized by the first actuator 110.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)은 동일한 구성의 액츄에이터가 서로 교차하도록 결합되어 있다. 도 1을 다시 참조하면, 제1 액츄에이터(110)와 제2 액츄에이터(120)는 이들의 진동빔(113, 123)이 서로 교차하도록, 바람직하게는 서로 직각으로 교차하도록 배치되며, 진동빔(113, 123)을 통해 서로 결합되어 있다.The omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 according to the preferred embodiment of the present invention is coupled so that actuators of the same configuration cross each other. Referring back to FIG. 1, the first actuator 110 and the second actuator 120 are arranged such that their vibration beams 113 and 123 cross each other, preferably at right angles to each other, and the vibration beam 113. , 123).

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 액츄에이터(110)의 제1 진동빔(113)의 배향을 x축으로 하고, 제2 액츄에이터(120)의 제2 진동빔(123)의 배향을 y축으로 한 경우, 제1 진동빔(113) 상의 임의의 질점은 x-z 평면 내에서의 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시키고, 제2 진동빔(123) 상의 임의의 질점은 y-z 평면 내에서의 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시킨다.Accordingly, as shown in FIG. 1, the orientation of the first vibration beam 113 of the first actuator 110 is set as the x-axis, and the orientation of the second vibration beam 123 of the second actuator 120 is y. In the case of an axis, any material point on the first vibration beam 113 generates a mechanical displacement of the elliptical trajectory in the xz plane, and any material point on the second vibration beam 123 is an elliptical trajectory in the yz plane. Causes mechanical displacement.

제1 액츄에이터(110)의 반파장 공진기(111a, 112a)에만 90°위상차의 동일 주파수의 교류 전계 F₁sinωt와 F₁cosωt를 각각 인가시키면, 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)에 의한 이동자(도 1에는 미도시)의 구동은 x축을 따르는 어느 일방향으로 발생되고, 인가된 교류 전계 중 하나를 180°변환시키면, 이동자는 x축을 따라서 반대방향으로 구동된다.When the alternating current fields F ₁ sinωt and F ₁ cosωt of the same frequency of 90 ° phase are respectively applied only to the half-wave resonators 111a and 112a of the first actuator 110, the mover by the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 ( 1 is generated in one direction along the x axis, and when one of the applied alternating current fields is converted by 180 degrees, the mover is driven in the opposite direction along the x axis.

또한, 제2 액츄에이터(120)의 반파장 공진기(121a, 122a)에만 90°위상차의 동일 주파수의 교류 전계 F₂sinωt와 F₂cosωt를 각각 인가시키면, 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)에 의한 이동자의 구동은 y축을 따르는 어느 일방향으로 발생되고, 인가된 교류 전계 중 하나를 180°변환시키면, 이동자는 y축을 따라서 반대방향으로 구동된다.In addition, when the AC electric fields F ₂ sinωt and F ₂ cosωt of the same frequency of 90 ° phase difference are respectively applied only to the half-wave resonators 121a and 122a of the second actuator 120, the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 The movement of the mover is generated in one direction along the y axis, and when one of the applied alternating electric fields is converted 180 degrees, the mover is driven in the opposite direction along the y axis.

또한, 제1 액츄에이터(110)의 반파장 공진기(111a, 112a)에 90°위상차의 동일 주파수의 교류 전계 F₁sinωt와 F₁cosωt를 각각 인가하고, 제2 액츄에이터(120) 의 반파장 공진기(121a, 122a)에 90°위상차의 동일 주파수의 교류 전계 F₂sinωt와 F₂cosωt를 각각 인가하는 경우, 제1 진동빔(113)은 x-z 평면 내에서의 타원형 궤적의 변위를 발생시키고 제2 진동빔(123)은 y-z 평면 내에서의 타원형 궤적의 변위를 발생시키게 되며, 결국 진동빔들(113, 123)의 교차 부분에 배치된 구동 부재(130)는 진동빔들(113, 123)의 각각의 변위의 합성에 의해 x-z 평면과 y-z 평면 사이의 임의의 평면 내에서의 타원형 궤적의 변위를 발생시키게 된다. 따라서, 이러한 변위를 발생시키는 구동 부재(130)에 의해 구동되는 이동자(140)는 x-y 평면 내에서 x축과 y축을 벗어나 임의의 방향으로 구동될 수 있다.In addition, an AC electric field F ₁ sinωt and F ₁ cosωt of the same frequency of 90 ° phase difference are respectively applied to the half-wave resonators 111a and 112a of the first actuator 110, and the half-wave resonator of the second actuator 120 is applied. When applying alternating current fields F ₂ sinωt and F ₂ cosωt of the same frequency at 90 ° phase difference to 121a and 122a, respectively, the first vibration beam 113 generates the displacement of the elliptical trajectory in the xz plane and the second vibration. The beam 123 generates a displacement of the elliptical trajectory in the yz plane, and as a result, the driving member 130 disposed at the intersection of the vibration beams 113 and 123 may be formed in each of the vibration beams 113 and 123. The composition of the displacements of causes the displacement of the elliptical trajectory in any plane between the xz and yz planes. Accordingly, the mover 140 driven by the driving member 130 which generates such a displacement may be driven in any direction outside the x and y axes in the xy plane.

2차원 평면 내에서의 전방향 구동은 기본적으로 x축 방향의 구동과 y축 방향의 구동의 합이므로, 4개의 반파장 공진기(111a, 112a, 121a, 122a)에 각각 적절한 교류 전계를 인가하여 2개의 수직으로 교차된 진동빔들(113, 123)을 동시에 구동시킴으로써, 2차원 평면 내에서의 임의의 방향의 구동을 실현할 수 있다.Since omnidirectional driving in a two-dimensional plane is basically the sum of driving in the x-axis direction and driving in the y-axis direction, an appropriate alternating electric field is applied to each of the four half-wave resonators 111a, 112a, 121a, and 122a. By simultaneously driving the two vertically intersecting vibrating beams 113 and 123, driving in any direction in the two-dimensional plane can be realized.

도 3a 내지 도 3d는 각 액츄에이터에 인가되는 교류 전계에 따라 이동자가 구동되는 방향을 설명하기 위한 개략적인 평면도로서, 화살표(A1 내지 A4)는 구동 부재(130)에 의해 구동되는 이동자(미도시)의 운동 방향을 나타낸다.3A to 3D are schematic plan views for explaining a direction in which the mover is driven according to an alternating electric field applied to each actuator, and arrows A1 to A4 are movers (not shown) driven by the driving member 130. Indicates the direction of movement.

도 3a를 참조하면, 제1 액츄에이터(110)와 제2 액츄에이터(120)는 이들의 진동빔들(113, 123)이 서로 직각으로 교차하도록 배치되어 결합되어 있다. 이하에서는, 제1 액츄에이터의 제1 진동빔(113)이 놓인 방향을 x축 방향으로 하고, 제2 액츄에이터의 제2 진동빔(123)이 놓인 방향을 y축 방향으로 하여 설명을 계속하며, 이러한 방향 관계는 도 3b 내지 도 3c에서도 동일하다.Referring to FIG. 3A, the first actuator 110 and the second actuator 120 are disposed and coupled such that their vibration beams 113 and 123 cross at right angles to each other. Hereinafter, description will be continued with the direction in which the first vibration beam 113 of the first actuator is placed in the x-axis direction, and the direction in which the second vibration beam 123 of the second actuator is in the y-axis direction. The direction relationship is the same also in FIGS. 3B to 3C.

도 3a에 있어서, 제1 액츄에이터(110)의 양측의 반파장 공진기(미도시)의 각각에 90°위상차를 가지는 교류 전계 F₁sinωt 및 F₁cosωt가 인가되면, 제1 진동빔(113)은 x축을 따르는 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시킨다. 여기서, 타원형 궤적의 진행방향은 우에서 좌로 시작되어 다시 좌에서 우로 돌아가는 방향인 것으로 가정한다. 제1 액츄에이터(110)에의 교류 전계 인가와 동시에, 제2 액츄에이터(120)의 양측의 반파장 공진기(미도시)의 각각에 90°위상차를 가지는 교류 전계, F₂sinωt 및 F₂cosωt가 인가되면, 제2 진동빔(123)은 y축을 따르는 타원형 궤적의 기계적 변위를 발생시킨다. 여기서, 타원형 궤적의 진행방향은 상에서 하로 시작되어 다시 하에서 상으로 돌아가는 방향인 것으로 가정한다.In FIG. 3A, when AC fields F ₁ sinωt and F ₁ cosωt having a 90 ° phase difference are applied to each of the half-wave resonators (not shown) on both sides of the first actuator 110, the first vibration beam 113 is applied. Generate a mechanical displacement of the elliptical trajectory along the x axis. Here, it is assumed that the progress direction of the elliptical trajectory is a direction starting from the right to the left and going back from the left to the right. When an alternating electric field is applied to the first actuator 110 and an alternating electric field having a 90 ° phase difference, F ₂ sinωt and F ₂ cosωt is applied to each of the half-wave resonators (not shown) on both sides of the second actuator 120. The second vibration beam 123 generates a mechanical displacement of the elliptical trajectory along the y axis. Here, it is assumed that the advancing direction of the elliptical trajectory is a direction starting from the bottom of the phase and returning to the bottom again.

이와 같이 각각의 액츄에이터(110, 120)에 교류 전계가 인가되면, 진동빔들(113, 123)의 교차 부분에 배치된 구동 부재(130)는 제1 진동빔(113)의 x축을 따르는 타원형 궤적의 변위와 제2 진동빔(123)의 y축을 따르는 타원형 궤적의 변위의 합에 의한 타원형 궤적의 변위를 발생시키며, 이 때의 타원형 궤적의 진행방향은 x-y 평면의 1사분면에서 3사분면으로 시작되어 다시 3사분면에서 1사분면으로 돌아가는 방향이 된다. 따라서, 구동 부재(130)의 의해 마찰 구동되는 이동자는 화살표(A1)의 방향과 같이 x-y 평면의 1사분면에서 3사분면으로 구동된다.As described above, when an alternating electric field is applied to each of the actuators 110 and 120, the driving member 130 disposed at the intersection of the vibration beams 113 and 123 may have an elliptical trajectory along the x axis of the first vibration beam 113. The displacement of the elliptical trajectory is generated by the sum of the displacement of the elliptical trajectory along the y axis of the second oscillation beam 123, and the advancing direction of the elliptical trajectory starts from the first quadrant of the first quadrant of the xy plane. Again, from the third quadrant to the first quadrant. Thus, the mover frictionally driven by the drive member 130 is driven from one quadrant of the x-y plane to three quadrants in the direction of the arrow A1.

도 3b는 제1 액츄에이터(110)의 타원형 궤적의 진행방향이 반대가 되도록 일측의 반파장 공진기에 인가되는 교류 전계의 위상을 180°로 변환한 상태를 나타낸 다. 즉, 제1 액츄에이터(110)의 양측의 반파장 공진기에 F₁sinωt 및 F₁cos(ωt±π)의 교류 전계를 인가하면, 제1 진동빔(113)의 타원형 궤적의 진행방향은 도 3a의 경우와는 반대로 될 것이고, 이 때의 구동 부재(130)의 진동의 타원형 궤적의 진행 방향은 x-y 평면의 2사분면에서 4사분면으로 시작되어 다시 4사분면에서 2사분면으로 돌아가는 방향이 된다. 따라서, 이동자는 x-y 평면의 2사분면에서 4사분면으로 구동된다.3B illustrates a state in which the phase of the alternating current field applied to the half-wave resonator of one side is converted to 180 ° such that the traveling direction of the elliptical trajectory of the first actuator 110 is reversed. That is, the half-wave resonator on both sides of the first actuator (110) F ₁ sinωt and F ₁ cos (ωt ± π) is applied an alternating electric field, a first screed 113 Figure 3a traveling direction of the elliptical locus of the In this case, the driving direction of the elliptical trajectory of the vibration of the driving member 130 starts from the second quadrant of the xy plane to the fourth quadrant and then returns from the fourth quadrant to the second quadrant. Thus, the mover is driven from quadrant 2 to quadrant 4 of the xy plane.

도 3c는 제2 액츄에이터(120)의 타원형 궤적의 진행방향이 반대가 되도록 일측의 반파장 공진기에 인가되는 교류 전계의 위상을 180°로 변환한 상태를 나타낸다. 즉, 제2 액츄에이터(110)의 양측의 반파장 공진기에 F₂sinωt 및 F₂cos(ωt±π)의 교류 전계를 인가하면, 제2 진동빔(123)의 타원형 궤적의 진행방향은 도 3a의 경우와는 반대로 될 것이고, 이 때의 구동 부재(130)의 진동의 타원형 궤적의 진행 방향은 x-y 평면의 4사분면에서 2사분면으로 시작되어 다시 2사분면에서 4사분면으로 돌아가는 방향이 된다. 따라서, 이동자는 x-y 평면의 4사분면에서 2사분면으로 구동된다.3C shows a state in which the phase of the alternating current field applied to the half-wave resonator on one side is converted to 180 ° such that the traveling direction of the elliptical trajectory of the second actuator 120 is reversed. That is, the half-wave resonator on both sides of the second actuator (110) F ₂ sinωt and F ₂ cos (ωt ± π) is applied to ac electric field, the second is Fig. 3a traveling direction of the elliptical locus of the oscillating beam 123 of In this case, the direction of the elliptical trajectory of the vibration of the driving member 130 starts at the second quadrant in the fourth quadrant of the xy plane and then returns to the fourth quadrant in the second quadrant. Thus, the mover is driven from quadrant 4 to quadrant 2 of the xy plane.

도 3d는 제1 액츄에이터(110)의 타원형 궤적의 진행방향이 반대가 되고 제2 액츄에이터(120)의 타원형 궤적의 진행방향이 반대가 되도록, 제1 액츄에이터(110)에 F₁sinωt 및 F₁cos(ωt±π)의 교류 전계를 인가하고, 제2 액츄에이터(120)에 F₂sinωt 및 F₂cos(ωt±π)의 교류 전계를 인가한 상태를 나타낸다. 이 경우, 진동빔들(113, 123)의 변위의 합에 의한 구동 부재(130)의 변위의 타원형 궤적의 진 행방향은 x-y 평면의 3사분면에서 1사분면으로 시작되어 다시 1사분면에서 3사분면으로 돌아가는 방향이 될 것이고, 이동자는 x-y 평면에서 3사분면에서 1사분면으로 구동된다.Figure 3d is the first actuator is a traveling direction of the elliptical locus opposite of 110, so that is opposite to the traveling direction of the elliptical locus of the second actuator 120, first actuator 110 F ₁ sinωt and F ₁ cos applying an alternating electric field of the (ωt ± π), and shows a state of applying an alternating electric field of ₂ sinωt F and F ₂ cos (ωt ± π) the second actuator (120). In this case, the advancing direction of the elliptical trajectory of the displacement of the drive member 130 by the sum of the displacements of the vibration beams 113, 123 starts from one quadrant of the third quadrant of the xy plane and then again from one quadrant to three quadrants. It will be in the return direction, and the mover will be driven from quadrant 1 to quadrant 1 in the xy plane.

위에서 설명한 바와 같이, 서로 교차하도록 결합된 제1 및 제2 액츄에이터(110, 120)에 구비된 4개의 반파장 공진기(111a, 112a, 121a, 122a)에 각각 적절한 교류 전계를 인가하여 2개의 수직 교차된 진동빔들(113, 123)을 동시에 구동시킴으로써, 이동자는 x-y 평면 내에서 x축 방향, y축 방향, x축 또는 y축과 45°의 각을 이루는 방향의 다축방향의 구동을 수행할 수 있다.As described above, two vertical crossovers are applied to each of the four half-wave resonators 111a, 112a, 121a, and 122a provided in the first and second actuators 110 and 120 coupled to cross each other. By simultaneously driving the vibrating beams 113 and 123, the mover can perform driving in the xy plane in the x-axis direction, the y-axis direction, the x-axis direction, or the multi-axis direction in the direction that forms an angle of 45 ° with the y-axis. have.

한편, 위에서 기술한 이동자의 구동 방향은 x축을 따라는 2개의 방향, y축을 따르는 2개의 방향, x-y 평면의 2사분면과 4사분면에 걸치면서 x축 또는 y축과 45°의 각도를 이루는 2개의 방향, x-y 평면의 1사분면과 3사분면에 걸치면서 x축 또는 y축과 45°의 각도를 이루는 2개의 방향의 총 8개의 방향인 것으로 설명되었다. 이것은 각각의 반파장 공진기에 인가되는 교류 전계가 동일 주파수이면서 위상이 서로 다른 경우이다.Meanwhile, the driving directions of the mover described above are two directions along the x-axis, two directions along the y-axis, and two angles of 45 ° with the x-axis or y-axis over two quadrants and four quadrants of the xy plane. Direction, which has been described as a total of eight directions in two directions spanning the first and third quadrants of the xy plane and at an angle of 45 ° to the x or y axis. This is the case where the alternating electric field applied to each half-wave resonator is the same frequency and different in phase.

이 때, 각각의 반파장 공진기에 인가되는 교류 전계의 크기를 달리하면, 예컨대 어느 일 측의 액츄에이터에 인가되는 교류 전계보다 작은 진폭을 가지는 교류 전계를 타측의 액츄에이터에 인가하면, 이동자는 보다 다양한 방향으로 구동될 수 있다.At this time, if the magnitude of the alternating electric field applied to each half-wave resonator is different, for example, if an alternating electric field having an amplitude smaller than the alternating electric field applied to one of the actuators is applied to the other actuator, the mover may have more various directions. Can be driven.

예를 들면, 제1 액츄에이터(110)의 양측의 반파장 공진기에 F₁sinωt 및 F₁cosωt의 교류 전계를 각각 인가하고, 제2 액츄에이터(120)의 양측의 반파장 공진기에 F₂sinωt 및 F₂cosωt의 교류 전계를 각각 인가하는 상황에서, F₂가 F₁보다 작다면, 이동자의 구동 방향은 x축을 따르는 방향과 x축과 45°의 각을 이루는 방향 사이의 임의의 방향이 될 것이다.For example, an alternating electric field of F ₁ sinωt and F ₁ cosωt is applied to the half-wave resonators on both sides of the first actuator 110, and F ₂ sinωt and F to the half-wave resonators on both sides of the second actuator 120, respectively. _In the case of applying an alternating electric field of ₂ cosωt, if F ₂ is smaller than F ₁ , the driving direction of the mover will be any direction between the direction along the x axis and the angle of 45 ° to the x axis.

이와 같이, 제1 액츄에이터(110)의 반파장 공진기에 각각 인가되는 90°의 위상차를 가지는 동일 주파수의 교류 전계와, 제2 액츄에이터(120)의 반파장 공진기에 각각 인가되는 90°의 위상차를 가지는 동일 주파수의 교류 전계를 적절하게 제어함으로써, 예컨대, 제1 액츄에이터(110) 측에만 해당 교류 전계를 인가하거나, 제2 액츄에이터(120) 측에만 해당 교류 전계를 인가하거나, 제1 및 제2 액츄에이터(110, 120) 모두에 해당 교류 전계를 인가하거나, 두 액츄에이터에 교류 전계가 인가되는 상황에서 어느 한 액츄에이터에 인가되는 교류 전계 중 일측의 위상을 180°변환시키거나, 양 액츄에이터에 인가되는 교류 전계 중 일측의 위상을 180°변환시키거나, 양 액츄에이터에 교류 전계가 인가되는 상황에서 인가되는 교류 전계의 크기를 변화시키거나 함으로써, 이동자는 x-y 평면 내에서 임의의 방향으로 구동될 수 있다.As described above, AC fields having the same frequency as 90 ° applied to the half-wave resonators of the first actuator 110 and 90 ° applied to the half-wave resonators of the second actuator 120 are provided. By appropriately controlling AC fields of the same frequency, for example, the AC field is applied only to the first actuator 110 side, the AC field is applied only to the second actuator 120 side, or the first and second actuators ( 110, 120) apply the corresponding alternating electric field to both, or in the situation that the alternating electric field is applied to both actuators, the phase of one side of the alternating electric field applied to one of the actuators is changed by 180 °, or the alternating electric field applied to both actuators. By changing the phase of one side by 180 °, or by changing the magnitude of the alternating electric field applied when the alternating electric field is applied to both actuators, It is in the x-y plane can be driven in any direction.

한편, 위에서 설명한 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)에서는 진동빔들(113, 123)이 서로 직각으로 교차하도록 배치되어 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 진동빔들이 90°미만의 각도로 서로 교차하도록 배치된 경우에도 위에서 기술한 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)과 유사한 기능이 수행될 수 있음이 이해될 것이다.Meanwhile, in the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 described above, the vibration beams 113 and 123 are arranged to cross at right angles to each other, but the present invention is not limited thereto. For example, it will be appreciated that similar functions to the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 described above can be performed even when the vibrating beams are arranged to cross each other at an angle of less than 90 °.

또한, 본 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)은 2개의 액츄에이터(110, 120)가 진동빔들(113, 123)이 서로 직각으로 교차하여 결합된 구성을 가지지만, 3개 또는 4개의 액츄에이터를 채용하고 이들 액츄에이터의 진동빔들이 서로 교차하도록 구성하여도 위에서 기술한 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템(100)과 유사한 기능이 수행될 수 있다.In addition, the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 according to the present embodiment has a configuration in which the two actuators 110 and 120 are coupled to each other by vibrating the beams 113 and 123 at right angles to each other. A similar function to the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system 100 described above can be performed even if four actuators are employed and the vibrating beams of these actuators cross each other.

한편, 액츄에이터의 타원형 궤적의 진행 방향을 반대로 하기 위해, cosine 파형의 교류 전계의 위상을 180°변환시킨 것으로 설명되었지만, cosine 파형의 교류 전계는 그대로 두고 sine 파형의 교류 전계의 위상을 180°변환시킨 경우에도, 액츄에이터의 타원형 궤적의 진행 방향이 반대로 되는 것은 당연하다.On the other hand, in order to reverse the direction of the elliptical trajectory of the actuator, it was explained that the phase of the alternating current of the cosine waveform is 180 °, but the phase of the alternating current of the sine waveform is 180 ° while leaving the alternating current of the cosine waveform. Even in this case, it is natural that the traveling direction of the elliptical trajectory of the actuator is reversed.

위에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템에 의하면, 전력 소모가 작고 경량이며 기어와 같은 전동 장치 없이 이동자의 속도와 위치를 전기적으로 제어할 수 있는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템이 얻어진다.According to the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system according to the preferred embodiment of the present invention described above, the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system capable of controlling the speed and position of the mover without power consumption such as a gear is small and light weight. Obtained.

또한, 상기 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템이 일축 방향의 구동을 발생시킬 수 있는 액츄에이터 2개가 서로 교차하도록 배치되어 결합된 구성을 가지므로, 단일의 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템에 의해, x-y 평면 내에서의 일축 방향, 이에 수직한 축의 방향 및 이들 양축 사이의 임의의 방향으로 이동자를 구동시킬 수 있는 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템이 제공된다.In addition, since the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system has a configuration in which two actuators capable of generating uniaxial driving are arranged to intersect with each other, a single omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system is used in the xy plane. An omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system is provided that can drive the mover in one direction, the direction perpendicular to it, and any direction between these two axes.

이러한 전방향성 초음파 압전 액츄에이터 시스템은 로봇용 관절 시스템이나, 나노수준의 정밀 위치 제어를 필요로 하는 반도체 공정용의 나노정밀도 XY 스테이지, 반도체 소자의 집적을 위한 얼라인먼트 기기인 스테퍼, 위성용 망원경 조정장치 등에 응용될 수 있다.This omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system is applied to robot joint system, nano precision XY stage for semiconductor process requiring nano-level precision position control, stepper which is alignment device for integration of semiconductor device, and satellite telescope control device. Can be.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims

Generating longitudinal vibration by applying a first half-wave resonator for generating longitudinal vibration by the application of an alternating electric field and an alternating electric field having a phase difference of 90 ° with the alternating-current field applied to the first half-wave resonator. A first actuator having a second half-wave resonator and a first oscillation beam connecting the first and second half-wave resonators;

Generating longitudinal vibration by application of a third half-wave resonator for generating longitudinal vibration by the application of an alternating electric field and an alternating electric field having a phase difference of 90 ° with the alternating current applied to the third half-wave resonator A second actuator having a fourth half-wave resonator and a second vibration beam coupled to the vibrating beam of the first actuator and connecting the third and fourth half-wave resonators;

A driving member coupled to an intersection of the vibration beams of the first actuator and the second actuator, and for frictionally driving the moving object;

Omni-directional ultrasonic piezoelectric actuator system comprising a.

The method of claim 1,

And the half-wave resonator is at least one piezoelectric ceramic.

The method of claim 1,

And the half-wave resonator is a piezoelectric ceramic laminate in which a plurality of piezoelectric ceramics are stacked, and each piezoelectric ceramic in the piezoelectric ceramic laminate is laminated so that polarization directions are opposite to each other.

The method of claim 1,

And the first and second actuators are driven independently.

The method of claim 4, wherein

The magnitude of the alternating electric field applied to the first actuator and the alternating electric field applied to the second actuator is different from the omnidirectional ultrasonic piezoelectric actuator system.