KR101100484B1 - 플랫 공명 전기-기계적 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

전기-기계적 모터(1)는 이동되는 몸체(10)의 구동 표면(14)과 실질적으로 평행하게 신장된 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34)을 포함하는 구동 엘리먼트(30)를 갖는다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 제 2 단부(38)에서 고정자(20)의 백본 부분(22)에 강하게 지지된다. 몸체(10)의 구동 표면(13)과 상호 작용에 의해서 몸체(10)를 움직이는, 단일 작동 부분을 갖는 링크 부재(40)는 각각의 전기-기계적 섹션(32,34)의 제 1 단부(36)에 부착된다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 모션의 방향에 실질적으로 수직인 스트로크를 갖는 진동 모드에 여기된다. 링크 부재(40) 및 전기-기계적 섹션(32,34) 사이의 링크(40) 또는 조인트(46,54) 부분은 전기-기계적 섹션(32,34) 그 자체의 벤딩 강성보다 상당히 더 낮은 스트로크의 방향으로의 벤딩 강성을 갖는다.
전기-기계적 모터, 링크 부재, 전기-기계적 섹션, 백본, 고정자

Description

플랫 공명 전기-기계적 구동 장치 {FLAT RESONATING ELECTROMECHANICAL DRIVE UNIT}
본 발명은 일반적으로 전기-기계적 액추에이터(actuator)에 관한 것이고, 특히 공명 주파수 또는 공명 주파수에 근접한 주파수에서 동작하는 소형 전기-기계적 액추에이터에 관한 것이다.
초소형 모터를 제어가능하며 정교하게 위치 지정할 수 있는 수많은 범용 기술적 애플리케이션이 존재한다. 그 중에서, 예컨대 카메라와 같은 휴대용 소비자 장치는 전력 소비를 낮추고, 중량을 낮추며 가격이 저렴해지기를 부가적으로 원한다. 요구되는 모션은 전형적으로 선형이지만 종종 리드-스크류(lead-screw)와 같은 모션-변환 메커니즘과 결합된 회전 모터가 사용된다. 모션의 범위는 대략 몇 밀리미터이다. 하나의 그리고 상기와 동일한 모터 설계에 의해서 상술한 요구가 동시에 만족하기 어렵다.
일반적으로, 솔리드 액추에이터(solid actuator) 재료 및 몇몇 유형의 확장 메커니즘(magnification mechanism)의 사용이 바람직한 소형 모터를 위한 최상의 해결책으로 등장한다. PZT 엘리먼트와 같이 견고한 액추에이터는 매우 높은 에너지 밀도를 가지므로, 모터의 크기는 매우 작게 만들어질 수 있다. 전형적으로, 고에너지 밀도를 갖는 기존 액추에이터 재료는 1/10퍼센트 이상 재료의 형태를 변화시킬 수 없는데, 이것으로는 작은 외부 디멘션(dimension)을 갖는 최상의 구조를 만들기 어렵다. 많은 다양한 해결 방안이 종래 기술에 제안되어왔다. 몇몇 전형적인 예가 이하 논의된다.
미국 특허 6,373,170호에서, 서로에 대해서 주어진 각으로 기울어진 두 개의 분리된 액추에이터 블록이 레일을 구동하기 위하여 연결 구동 패드를 사용한다. 액추에이터는 소위 33-액추에이션(33-actuation)으로 동작한다. 전체적으로 V-형인 유닛은 이동 레일에 수직으로 신장한다. 두 개의 액추에이터는 구동 패드의 타원형 궤도를 제공하는 두 개의 액추에이터 사이의 위상 이동을 갖는 종방향의 기계적인 공명으로 구동된다. 부품을 소형으로 만들 때, 수 밀리미터 정도의 종방향 공명 주파수는 MHz 범위 정도로 발생할 것이다. 많은 애플리케이션에서, 이와 같은 주파수는 전자기적인 간섭을 초래할 것이고, 허용되지 않을 것이다. 또한, 이와 같은 주파수에서 장치를 동작하는 것은 특히 어렵다. 또한, 액추에이터 블록 및 레일 사이의 의미 있는 각을 사용하는, 구조적인 디자인은 소형 모터에 적합하지 않은 어셈블리를 만든다.
미국 특허 5,453,653호에서, 몇 개의 전극을 갖는 하나의 액추에이터 플레이트는 동시에 두 개의 상이한 공명 모드를 갖는 31-액추에이션으로 동작한다. 적용된 전압 신호 사이의 위상 이동이 존재한다면, 액추에이터 플레이트는 타원형 궤도를 발생한다. 하나의 세로 공명 모드가 또한 여기서 사용되기 때문에, 종래 실시예에서와 같은 유사한 문제가 여기서 또한 존재한다. 이런 경우, 벤딩 모드 공명이 거의 동일한 주파수에서 발생해야만 한다는 요구에 의해서 구조가 더 제한되기 때문에, 문제가 매우 더 어려워진다. 더욱이, 이동되는 몸체의 수직 방향의 구조는 소형-크기의 애플리케이션에는 적합하지 않다.
높은 내부 모션 확장이 벤딩 모드에서 성취되기 때문에 압전기 바이모프(bimorph) 엘리먼트가 다수의 애플리케이션에 사용되어 왔다. 매우 작은 크기가 필요로 되는 애플리케이션에 의도된 모터가 스웨덴 특허 SE9300305-1호에 도시되어 나타내진다. 순환형 또는 선형 이동이 이동되는 물체에 직접 접촉한 바이모프 엘리먼트를 갖는 단계적인 모션에 의해 수행된다. 본 발명에서, 바이모프 엘리먼트는 바이모프 엘리먼트의 접촉점이 두 개의 디멘션에서 움직이는, 즉, 바이모프가 벤딩 및 종방향 둘 다에 사용되는 이와 같은 방법으로 구동된다.
독일 특허 DD 143 682호에서, 압전식 스틱-슬립(stick-slip) 모터가 개시된다. 강철/압전 엘리먼트 샌드위치로 구성된 두 개의 바이모프는 중간 수동 강철부로 연결된다. 수동부에 연결된 레버는 구동되는 힐(wheel)에서 동작한다. 바이모프의 동형 동조 벤딩이 힐을 구동하기 위해서 사용되는 반면에 정 반대의 위상 벤딩은 수동부를 회전하고 휠 상의 접촉 압력을 변화시킨다. 그러나 이런 구조는 이동되는 몸체 주변의 공간이 제한된 곳에서 애플리케이션에는 적합하지 않다.
미국 특허 5,089,740호에서, 바이모프에 기초한 구동 메커니즘이 개시된다. 연결 모션 패턴을 갖는 바이모프의 복잡한 게이트-형태 배열의 장치가 제시되는데, 이것은 비교적 높은 강도를 갖는다. 그러나 전체 장치가 공간을 차지하고, 장치의 부분을 사용하면 연결 모션의 장점이 없어질 것이다.
미국 특허 6,392,328호는 여러 개의 전극을 갖는 액추에이터 빔을 갖는 장치를 개시한다. 빔은 31-액추에이션으로 두 개의 상이한 공명 모드에서 동작하는데, 이것은 빔에 평행하게 방향 지어진 레일에 접촉하여 두 개의 구동 패드의 타원형 궤도를 발생한다. 빔은 빔의 중앙부 내의 지지체에 부착된다. 또한, 여기서 종방향 공명이 사용되는데, 이것은 상술된 단점을 가져온다. 더욱이, 하나의 이상의 구동 패드 사용에 따라 액추에이터 장치의 길이에 관련해서 최대 스텝 길이(step length)가 제한된다.
미국 특허 6,437,485호에서, 구동되는 몸체 주변의 제한된 측부 공간에 적합한 액추에이터 배열이 개시된다. 몇 개의 전극을 포함하는 몸체에 실질적으로 평행하게 배열된 하나의 액추에이터 빔은 기본 공명 주파수에 가까운 31-액추에이션으로 동작한다. 빔은 실질적으로 단부에서 베이스에 반하여 지지되고, 단일 구동 패드는 빔의 중앙에 배열된다. 빔의 두 개의 측면에 비대칭 전압 공급 및 주파수가 다소 이탈된 공명이 구동 패드의 2차원 궤도를 성취하기 위해서 사용된다. 이런 구성은 많은 장점을 갖는다. 그것은 몸체 부근에 매우 작은 측부 공간을 필요로 하고, 단일 구동 패드의 사용은 긴 스트로크(stroke)를 가능하게 하며, 근접한-공명 동작은 전자적 요구를 감소시킨다. 그러나 이것은 충분한 효율을 성취하는 것이 비교적 어렵다.
본 발명의 목적은 소형화에 적합한 전기-기계적 액추에이터 시스템, 특히 작은 측부 신장을 갖는 전기-기계적 액추에이터 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 부가적인 목적은 전자기적인 방사 간섭을 야기하지 않고 동작할 수 있는 전기-기계적 액추에이터 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 증진된 효율성 및 스트로크를 갖는 전기-기계적 액추에이터 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 첨부된 특허 청구항에 따라 액추에이터 시스템에 의해서 성취된다. 일반적으로, 액추에이터 시스템은 이동되는 몸체의 구동 표면에 실질적으로 평행하게 신장된 두 개의 전기-기계적 섹션을 포함하는 구동 엘리먼트를 갖는다. 전기-기계적 섹션은 하나의 단부에서 고정자의 백본(backbone) 부분에 단단히 지지된다. 몸체의 구동 표면과 링크 부재의 상호작용에 의해서 몸체를 움직이는 단일 작동 섹션을 갖는 링크 부재는 각각의 전기-기계적 섹션의 제 2 단부 사이에 부착된다. 전기-기계적 섹션은 몸체의 모션 방향에 실질적으로 수직인 스트로크를 갖는 진동 모드에 여기되기 쉽다. 링크 및 전기-기계적 섹션 사이의 링크 또는 조인트 부분은 전기-기계적 섹션의 스트로크 방향으로 벤딩 강성을 갖는데, 상기 벤딩 강성은 그들의 전기-기계적 섹션의 벤딩 강성보다 상당히 낮다. 이와 같은 배열로 인해 각각의 전기-기계적 섹션은 진동이 격리된다. 전기-기계적 섹션은 바람직하게 전기-기계적 재료 볼륨의 모노모프(monomorph), 바이모프 또는 멀티모프(multimorph)이다. 링크 부재는 바람직하게 구부릴 수 있는 섹션으로 상호 연결된 다수의 강한 섹션을 포함한다.
본 발명의 몇몇 장점이 있다. 모션 방향에 수직인 측부 신장이 매우 작게 행해질 수 있기 때문에, 기하학적인 디자인이 소형 액추에이터 시스템에 매우 적합하다. 더욱이, 벤딩 모드 진동을 사용하면 MHz 범위보다 훨씬 낮은 주파수에서 더 작은 액추에이터 시스템이 동작하는 것이 또한 가능하다. 전기-기계적인 구부릴 수 있는 섹션의 강한 지지체뿐만 아니라 낮은 벤딩 강성의 링크 및/또는 링크 조인트는 또한 섹션의 독립적인 공명 동작을 용이하게 하여 효율적인 파워 동작을 이끈다.
본 발명은, 본 발명의 부가적인 목적 및 장점과 함께, 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 언급함으로써 최상으로 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 실시예의 개략도;
도 2a-2d는 도 1에 따르는 모터의 동작 시퀀스에 상이한 상황을 도시하는 개략도;
도 3은 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 다른 실시예의 개략도;
도 4는 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 또 다른 실시예의 개략도;
도 5a-5c는 본 발명과 함께 사용 가능한 전기-기계적 섹션의 실시예의 개략도;
도 6은 모노모프 섹션을 사용하여 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 실시예의 사시도;
도 7a, 7b는 본 발명과 함께 사용 가능한 전기-기계적 섹션 및 링크 부재의 실시예의 개략도;
도 8은 두 개의 구동 엘리먼트를 갖는 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 실시예의 개략도;
도 9는 전기-기계적 섹션의 측면에서 지지되는 전기-기계적 모터의 전기-기계적 고정자의 사시도; 및
도 10은 모션 방향에 수직 방향을 가리키는 전기-기계적 섹션을 갖는 전기-기계적 모터의 전기-기계적 고정자의 사시도.
도 1에서, 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터(1)의 실시예가 도시된다. 전기-기계적 모터(1)는 전기-기계적 고정자(20) 및 이동되는 몸체(10)를 포함한다. 화살표(12)는 전기-기계적 고정자(20)에 대한 몸체(10)의 이동을 나타낸다. 전기-기계적 고정자(20)는 백본 부분(22) 및 구동 엘리먼트(30)를 포함한다. 구동 엘리먼트(30)는 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34) 및 링크 부재(40)를 포함한다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 실질적으로 변위 방향(12)에 평행하게 길어져 신장된다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 각각의 제 2 단부(38)에서 백본 부분(22)에 의해 강하게 지지된다. 링크 부재(40)는 전기-기계적 섹션(32,34)의 대향하는 각각의 제 1 단부(36)를 연결한다.
탄력 수단(24)은 백본 부분(22) 및 선형 베어링 수단(26)을 통해 수직 항력(28)으로 몸체(10)에 대향하여 구동 엘리먼트(30)를 가압한다.
링크 부재(40)는 본 실시예에서 각각의 구부릴 수 있는 섹션(46,54)으로 구성된 조인트로 각각의 전기-기계적 섹션(32,34)에 부착된 두 개의 강한 부재(48,50)를 포함한다. 강한 부재(48)는 다른 구부릴 수 있는 섹션(50)에 의해 상호 연결된다. 링크 부재(40)는 적어도 종종, 몸체(10)의 상호 작용 표면(14)과 접 촉하는 단일 작동 부분(42)을 포함한다. 이런 접촉에 의해서, 작동 부분(42)은 상호 작용 표면(14)과 상호 작용하여, 몸체(10)가 변위 방향(12)으로 이동하도록 한다. 작동 부분(42)은 본 실시 예에서 구동 패드로 구성된다.
전기-기계적 섹션(32, 34)은 전기-기계적 활성 재료, 바람직하게는 전기-기계적 볼륨에 걸쳐서 전압을 인가하기 위한 전극을 제공하는 압전기 세라믹을 포함한다. 이와 같은 전압 애플리케이션은 전기-기계적 볼륨의 형태를 변화시킨다. 전기-기계적 섹션(32,24)의 실제 디자인에 따라서, 상이한 모션의 유형이 생길 수 있다. 전기-기계적 섹션(32,34)의 바람직한 실시예의 세부사항이 이하 더 자세히 논의될 것이다. 그러나 여기서 우리는 벤딩 진동이 전기-기계적 섹션(32,34)에 여기될 수 있는 방법으로 전기-기계적 섹션(32,34)이 배열된다는 것을 인식해야만 한다. 이런 벤딩 진동은 실질적으로 변위 방향(12) 및 상호작용 표면(14)에 수직 방향인 스트로크를 갖는다.
전기-기계적 섹션(32,34)이 섹션의 제 2 단부(38)에서 백본 부분(22)에 강하게 지지되기 때문에, 이런 벤딩 진동은 전기-기계적 섹션(32,34)의 제 1 단부(36)가 본질적으로 화살표(43)로 나타내진 바와 같이 위 아래로 움직이도록 할 것이다. 이와 같은 모션은 또한 링크 부재(40)를 움직이게 할 것이다. 그러나 구부릴 수 있는 섹션(46, 54)의 감소된 벤딩 강성 때문에, 실제 진동은 다른 전기-기계적 섹션(32,34)에 걸쳐서 이동되지 않을 것이다. 다시 말하면, 링크 단부의 위치는 실제로 전기-기계적 섹션(32,34)의 상부 위치에 의해 결정될 것이지만, 진동 그 자체는 링크(40)의 모션에 더 영향을 주지 않을 것이다. 이것은 상이한 전기-기계적 섹션(32,34)이 독립적인 진동 작용을 가질 수 있게 한다. 전기-기계적 섹션(32,34) 중 하나의 벤딩 진동이 다른 하나에 비해 다른 위상을 갖는다면, 링크 부재(40)는 작동 부분(42)이 폐쇄 화살표(44)로 나타내진 바와 같이, 타원형 경로로 움직이도록 할 것이다.
도 2a-2d는 이와 같은 모션을 더욱 자세히 도시할 것이다. 이 도면에서, 전기-기계적 섹션(32,34)의 종방향 스트로크의 움직임을 시각화하기 위해서 매우 과장된다. 실제로, 스트로크는 전기-기계적 섹션(32,34)의 두께의 단지 일부이다.
도 2a에서, 왼쪽 전기-기계적 섹션(34)은 전기-기계적 섹션(34)이 직선 방향으로 여기된다. 그러나 오른쪽 전기-기계적 섹션(32)은 그 대신에 도면에서 섹션의 제 2 단부를 약간 위쪽으로 구부리는 방향으로 여기된다. 이런 전기-기계적 섹션(32,34)의 형태는 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34)이 직선인 작동 부분(42)의 위치에 관하여 다소 대칭축의 왼쪽에 위치되고 약간 올려지는 결과를 가져온다. 이런 상태로부터, 두 개의 전기적인 섹션(32,34)이 아래쪽으로 구부러지는 결과를 가져오고, 작동 부분(42)에 화살표(60)로 나타내지는 방향의 모션이 제공된다.
도 2b에서, 전기-기계적 섹션(34)은 아래로 구부러지고, 오른쪽 전기-기계적 섹션(32)은 섹션의 직선 형태로 회복되었다. 이것은 작동 부분의 위치가 여전히 대칭축의 왼쪽인 결과를 가져오지만, 현재 도 2a보다는 약간 더 낮다. 이런 상태로부터, 왼쪽 전기-기계적 섹션(34)이 위쪽으로 구부러지기 시작하는 반면에, 오른쪽 전기-기계적 섹션(34)이 섹션의 아래쪽으로 구부러지는 모션이 계속된다. 작동 부분(42)에 화살표(62)로 나타내지는 방향의 모션이 제공된다.
도 2c에서, 왼쪽 전기-기계적 섹션(34)은 다시 직선이 되고, 오른쪽 전기-기계적 섹션(32)은 아래로 구부러진다. 이것은 작동 부분(42)의 위치가 도 2a에서보다 더 낮게 되지만 현재 대칭선의 오른쪽에 존재한다. 이런 상태로부터, 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34)이 위쪽으로 구부러지는 결과를 가져오고, 작동 부분(42)에 화살표(64)에 의해 나타내지는 방향의 모션이 제공된다.
도 2d에서, 왼쪽 전기-기계적 섹션(34)은 다시 직선이 되고, 오른쪽 전기-기계적 섹션(32)은 아래쪽으로 구부러진다. 이것은 작동 부분의 위치가 여전히 대칭축의 오른쪽에 존재하지만, 현재 도 2a와 거의 동일한 레벨이다. 이런 상태로부터, 왼쪽 전기-기계적 섹션(34)은 아래로 구부러지기 시작하는 반면에, 오른쪽 전기-기계적 섹션(32)은 섹션의 위쪽으로 구부러지는 모션이 계속된다. 작동 부분(42)은 화살표(66)로 나타내지는 방향으로 주어진 모션을 갖는다.
도 2a-2d로 도시된 주기는 예컨대, 도 1에서 루프(44)로 나타내지는 바와 같이, 작동 부분(42)에 대한 타원형 경로의 결과를 가져온다. 작동 부분(42)은 적어도 종종 몸체(10)의 상호작용 표면(14)에 연결되기 때문에, 작동 부분(42)의 타원형 모션은 몸체(10)의 왼쪽 모션을 발생한다. 작동 메커니즘은 일반적인 경우에 쿠와시-스태틱(quasi-static) 단계적인 모션 또는 다이나믹한 원리에 기초할 수 있다.
구성의 전력 효율성을 증진시키기 위해서, 전기-기계적 섹션(32,34)에서 기계적인 공명이 사용되는 것이 바람직하다. 전기-기계적 섹션(32,34)의 모션이 변위 방향(12)에 실질적으로 수직인 스트로크를 갖는 벤딩 모션이기 때문에, 기계적인 공명은 벤딩 모드 공명인 것이 바람직하다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 도 2a-2d로 나타내지는 바와 같이 동일한 주파수에서 구동되는 것이 바람직하고, 본래 동일한 주파수에서 공명을 가지며, 전기-기계적 섹션(32,34)은 서로에 대해 대칭인 것이 바람직하다.
그러나 동일한 주파수에서 공명을 갖는 두 부분의 기계적인 배열을 구동하면, 일반적으로 공명 사이의 상호 작용이 일어날 것이고, 적합하지 않거나 제어가 힘든 상태가 발생할 수 있다. 그러므로 간략하게 상술된 바와 같이 본 발명에 따라 기계적으로 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34)의 진동을 격리하는 것이 중요하다. 구부릴 수 있는 섹션(46,50 및 54)은 진동 필터로서 동작하기 때문에, 링크 부재(40)는 어떤 문제도 만들지 않는다. 이런 실시예에서 링크 부재(40) 그 자체 및/또는 구부릴 수 있는 섹션(46,54)인 전기-기계적 섹션과 적합한 조인트는 본 발명에 따라 적어도 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 일부분을 갖는다. 이 일부분은 상기 두 개의 전기-기계적 섹션의 벤딩 강성과 비교되고 상술된 바와 같은 벤딩 모드를 위한 것이다. 진동을 더 격리하기 위해서, 전기-기계적 섹션(32,34)은 백본 부분(22)에 기계적이고 바람직하며 또한 강하게 지지된다. 그러므로 백본을 지나 전송되는 임의의 기계적인 진동 에너지는 매우 작다.
이 맥락에서, 유사한 효과를 성취하기 위해서 미국 특허 6,437,485 호의 액추에이터를 변형하는 것이 대체로 가능할 것이지만 완전히 대향하는 수단을 갖는다는 것이 언급될 수 있다. 원래 부착점의 디자인으로 인해 백본으로 전송되는 진동은 존재하지 않는다. 여기서 그 대신 두 개의 전기-기계적 엘리먼트를 연결하는, 예컨대, 상당히 더 높은 강성을 갖는 재료 또는 강성 효과를 갖는 구조를 갖는 재료로 구성된 섹션이 매우 강하게 디자인된다면, 진동 부분을 연결하는 이런 강한 부분은 간섭을 또한 감소시킬 것이다. 어떤 애플리케이션에서, 미국 특허 6,437,485 호의 보호하에 여전히 커버되는 이런 배열이 충분하지만, 일반적인 경우에, 이와 같이 효율적인 강한 부분이 디자인되는 것이 어렵다고 여겨진다.
도 3은 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 다른 실시예의 일부를 도시한다. 도면의 해석을 간단하게 하기 위해서, 구동 엘리먼트(30) 및 백본 부분(22)에 구동 엘리먼트를 지지하는 것만을 도시한다. 이런 실시예에서, 링크 부재(40)는 두 개의 레버(47,53)를 더 포함한다. 레버(47)의 하나의 단부는 제 1 전기-기계적 섹션(32)의 외측 단부(36)에 단단히 부착되는 반면에, 다른 것은 구부릴 수 있는 섹션(46)에 부착된다. 유사하게, 레버(53)의 하나의 단부는 제 2 전기-기계적 섹션(34)의 외측 단부(36)에 단단히 부착되는 반면에, 다른 것은 구부릴 수 있는 섹션(54)에 부착된다. 이런 레버(47,53)는 전기-기계적 섹션 스트로크의 확장기(magnifier)로서 동작할 것이다. 게다가, 레버(47,53) 및 강한 부재(48,52)의 길이를 조절함으로써, 링크 부재(40)의 기하학적인 형태가 작동 부분(42)의 대부분 임의의 원하는 모션에 적응될 수 있다. 측부 신장은 종래 기술 시스템에 비해 여전히 매우 작게 유지될 수 있다.
이런 실시예에서, 전기-기계적 섹션(32,34) 사이의 조인트는 다소 강해서, 레버(47,53) 위로 현재 진동을 전한다. 그러나 현재 링크 부재(40)의 내부 부분인 구부릴 수 있는 섹션(46,54)은 여전히 진동 필터로서 적합하다.
도 4에서, 본 발명에 따르는 전기-기계적 모터의 또 다른 실시예의 구동 엘리먼트(구동 엘리먼트)(30) 및 백본 부분(22)이 도시된다. 이런 실시예에서, 백본 부분(22)은 작동 부분(42)의 양쪽 측면에서 신장된다. 전기-기계적 섹션(32,34)은 제 2 단부(38)에서 백본 부분(22)에 지지되어, 이 실시예에서 외부를 향한다. 이런 실시예에서 내측 섹션의 제 1 단부(36)는 링크 부재(40)에 연결된다. 백본(22)의 진동 격리 동작은 이런 실시예에 매우 효과적이다. 그러나 이런 실시예는 약간 더 큰 측부 공간을 필요로 한다고 여겨진다.
전기-기계적 섹션은 본 발명에서 벤딩 모션을 발생해야 하기 때문에 동작 부분에 몸체를 움직이기에 적합한 모션 경로를 제공하도록 결합된다. 도 5a는 본 발명에 사용 가능한 전기-기계적 섹션(70)의 하나의 실시예를 도시한다. 전기-기계적 섹션(70)은 압전기 재료로 만들어진 두 개의 볼륨(74,76)을 포함한다. 이런 볼륨(74,76)은 전기-기계적 섹션(70)의 주된 신장 방향을 따라 서로 평행하게 신장하므로, 전형적인 바이모프 섹션을 형성한다. 전극(73,75,77)은 볼륨의 각각의 측면에서뿐만 아니라 볼륨 사이에 제공된다. 그러므로 서로 독립적인 압전기 볼륨(74,76)에 걸쳐 전압이 인가되는 것이 가능함으로써, 압전기 볼륨(74,76)이 그들의 형태를 변화시키도록 한다. 두 개의 볼륨(74,76)에 걸쳐서 다른 크기 또는 다른 부호의 전압을 인가함으로써, 바이모프 섹션(70)이 구부러진다. 이와 같은 바이모프 구성은 종래 기술에 널리 공지된 바와 같다.
본 발명에 사용 가능한 전기-기계적 섹션(80)의 다른 실시예가 도 5b에 도시된다. 여기서 압전기 재료로 만들어진 네 개의 볼륨(82,84,86,88)은 중간 전 극(81,83,85,87,89) 즉, 멀티모프 배열과 평행하게 적층된다. 적합한 전압을 인가함으로써, 전기-기계적 섹션(80)은 구부러진다.
본 발명에 사용 가능한 전기-기계적 섹션(90)의 또 다른 실시예가 도 5c에서 도시된다. 여기서, 하나의 단일 압전기 볼륨(93)이 금속 플레이트(92)에 부착된다. 전극(94)은 압전기 볼륨(93)의 대향면에 배열된다. 전압은 금속 플레이트(92) 및 전극(94) 사이에 인가될 수 있으므로, 압전기 볼륨(93)의 형태가 변화된다. 압전기 볼륨(93)이 실질적으로 금속 플레이트를 갖는 볼륨의 전체 길이를 따라 부착되기 때문에, 압전기 볼륨(93)이 신장하고 축소됨에 따라 전체 전기-기계적 섹션(90)이 벤딩된다. 그러므로 이와 같은 모노모프 섹션(90)은 또한, 본 발명에 사용 가능하다.
예를 들어 도 5c에서, 금속-압전기 샌드위치 배열이 진동기를 선-장착하여, 그 결과 압전 세라믹은 항상 압축 상태일 것이다. 이것은 깨지기 쉬운 실패에 대한 위험을 감소시킬 것이기 때문에, 높은 장점이다. 압전 세라믹 금속은 그 후에 신장 및 압축 상태 대신에 두 개의 압축 상태 사이에서 진동할 것이다.
당업자가 이해한 바와 같이, 하나 또는 몇몇 층의 비-전기-기계적 재료를 갖는 몇몇 층의 전기-기계적 재료의 결합이 또한 사용 가능하다. 비-전기-기계적 재료는 금속 세라믹, 강화된 중합체 등일 수 있다.
모노모프 전기-기계적 섹션을 사용하는 고정자(20)의 실시예가 도 6에 사시도로 도시된다. 전기-기계적 엘리먼트(32,34)는 각각의 외측 단부에서 백본 부분(22)에 부착되기 때문에, 기본 구조는 도 4와 유사하다. 금속 플레이트(92), 링 크 부재(40) 및 백본(22)은 이런 실시예에서 매우 동일한 금속 플레이트의 바깥쪽에 가공된다. 그 후에 전기-기계적 동적 재료(93)는 금속 플레이트(92)의 상부에 놓인다. 작동 부분(42)은 또한 적합한 재료로 커버될 수도 있다.
링크 부재(40)는 구조 및 재료 둘 다를 고려하여 많은 다양한 방법으로 디자인될 수 있다. 도 7a는 전기-기계적 섹션(90) 및 링크 부재(40) 배열의 실시예의 측면도를 도시하는데, 이것은 많은 애플리케이션에 바람직하다. 전기-기계적 섹션(90)은 도 5c와 같이, 금속 플레이트(92) 및 각각의 압전기 볼륨(93)을 포함한다. 링크 부재(40)는 금속 플레이트(92)의 통합된 부분으로서 제조된다. 벤딩 섹션(46,50,54)은 더 얇은 두께를 갖는 섹션으로서 금속 플레이트에 성형된다. 강한 부재(48,52)는 금속 플레이트(92)의 원래 두께를 갖는다. 도 7a에 도시된 바와 같은 구성은 제조하기에 매우 저렴할 수 있다.
구부릴 수 있는 섹션으로서 플레이트 두께를 감소하는 것을 보완하는 대신에 또는 보완하는 것으로서, 또한 폭이 효율적으로 감소될 수 있다. 도 7b는 도 7a에서와 같이 유사한 배열의 상단부를 도시한다. 여기서, 구부릴 수 있는 섹션(46,50,54)은 노치(notch)(98) 또는 구멍(96)을 도입함으로써, 재료의 감소된 효율적인 폭이 주어진다.
주변보다 더 낮은 벤딩 강성을 갖는 부분을 제공하는 다른 방법은 더 부드러운 메탈을 사용하는 것이다. 예를 들어, 도 6을 참조하여, 전기-기계적 섹션(32,34)의 제 1 단부(36)가 금속에 의해 링크 부재(40)에 결합된다면, 전기-기계적 섹션(32,34)으로서 동일한 횡단면을 갖지만, 상당히 더 부드럽고, 유사한 진동 격리가 성취될 것이다.
도 1에서, 몸체의 하나의 측면에 구동 엘리먼트를 갖는 모터 배열이 도시된다. 그리고 선형 베어링은 탄력 수단(24)으로부터 몸체를 자유롭게 움직이도록 사용될 수 있다. 대안적인 배열이 도 8에 도시된다. 여기서 두 개의 구동 엘리먼트(30A,30B)는 몸체(10)의 대향하는 측면에 위치된다. 구동 엘리먼트는 하나의 백본 일부(22A,22B)에 부착되고, 탄력 수단(24)에 의해서 차례로 모두 압력이 가해진다. 공동 작용할 수 있는 방법으로 두 개의 구동 엘리먼트를 동작시킴으로써, 베어링 배열의 사용이 불필요해진다.
구동 패드는 이동되는 몸체로부터 구동 패드를 해방하기에 충분히 높고, 작동 동안에 주기 시간의 거의 반의 접촉 시간을 주기에 충분히 낮은 용수철 상수를 갖는 탄성체이어야만 한다. 전형적으로, 패드의 용수철 상수는 고정자의 진동 부분에 동일한 용수철 상수로서 매그니튜드(magnitude)의 동일한 순서로 구성될 것이다.
도 9는 전기-기계적 섹션(32,34)이 횡단 연결자(57)에 의해 백본(22)에 연결되는 곳에서, 전기-기계적 모터의 고정자(20)를 도시한다. 각각의 전기-기계적 섹션(32,34)의 각 측면의 하나의 횡단 연결자(57)는 백본(22)에 비스듬한 링크를 형성한다. 횡단 연결자(57)는 백본에 단단히 부착되지만, 적합한 탄성 특성을 횡단 연결자 스스로 제공할 수도 있다. 횡단 연결자(57)는 전기-기계적 섹션의 제 2 단부(38)에서 또는 가깝게, 그리고 적어도 제 1 단부(36) 보다 제 2 단부(38)에 더 가깝게 부착된다. 실제로 제 2 단부(38)로부터 약간 떨어져 부착된 경우에, 전기- 기계적 섹션(32,34)의 자유로운 단부는 대체로 전기-기계적 섹션(32,34)의 필요로 되는 전동 특성을 성취하기 위해서 사용될 수 있다.
횡단 연결자는 도 9에서 다른 기계적인 지지체로 교환되어, 유사한 탄성 응답을 제공한다. 예를 들어, 구동 엘리먼트 아래에 백본 플레이트를 사용하여, 구동 엘리먼트는 도 9에 도시된 바와 같이 전기-기계적 섹션의 제 2 단부(38)로부터 동일한 거리에서 리지(ridge)에 부착될 수 있다. 리지는 우선 구동 엘리먼트 신장에 직교 방향으로 방향 지어진다. 이런 연결자가 구동 엘리멘트만큰 작은 폭 및 길이를 갖는 모터를 만들기에 가능한 반면, 높이는 도 9에 도시된 실시예에 비해 다소 증가한다. 백본 및 지지체는 애플리케이션에서 크기 제한에 관하여 선택된다.
백본은 일반적으로 강성으로 고려되지만, 가능한 많이 모터를 소형화하는 것이 목적이기 때문에, 더 작은 백본은 어느 정도까지 모터의 공명 진동에 영향을 미친다. 표준 해결방안은 모터의 작동 주파수에 가까운 공명 진동이 존재하지 않을 이와 같은 방법으로 백본을 디자인하는 것이다. 백본에서 더 높은 강성은 연결자에 비해 백본 강성을 고려하는 것이 합당하다. 지지체의 위치뿐만 아니라 연결자 탄성력은 모터 기능에 대해 중요하고, 성능 및 견고함에 대해 최적화되어야만 한다. 지지체의 위치는 링크 부재의 수 및 구부릴 수 있는 섹션 내의 탄력성과 같은 팩터(factor)에 달려있고 전형적으로 CAD/시뮬레이션 소프트웨어가 최적의 디자인을 결정하기 위해서 사용된다.
결과적으로, 도 10은 진동하는 전기-기계적 섹션(32,34)이 실제 모션 방향(12)에 수직으로 위치된 곳에 고정자(20)를 도시한다. 전기-기계적 섹션(32,34) 은 위아래 방향으로 진동하고, 링크 부재(40)는 도면에 도시된 바와 같이, 고정자(20)의 위에 주로 위치된 몸체가 움직이도록 작용한다. 그러나 진동하는 전기-기계적 섹션(32,34)에 수직인 위치 지정은 많은 애플리케이션에서 많은 공간을 차지하는 형태를 만든다.
다양한 수정 및 변경이 청구항에 의해 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 행해질 수도 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.
참조
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미국 특허 5,453,653호
미국 특허 6,373,170호
미국 특허 6,392,328호
미국 특허 6,437,485호
스웨덴 특허 9300305-1호
독일 특허 DD 143 682호

Claims (15)

  1. 구동 엘리먼트(30) 및 백본 부분(22)을 갖는 고정자(20); 및
    상기 구동 엘리먼트(30)가 몸체(10)와 상호 작용함으로써 주된 변위 방향(12)으로 이동되는 상기 몸체(10)를 포함하는 전기-기계적 모터(1)로서;
    상기 구동 엘리먼트(30)는 상기 주된 변위 방향(12)에 평행한 주된 신장 방향으로 신장된 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)을 갖고, 상기 백본 부분(22)에 연결되며;
    상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)은 상기 주된 변위 방향(12)과 수직인 스트로크를 갖는 진동 모드에서 여기되고;
    상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)은 링크 부재(40)를 통해 각각의 제 1 단부(36)에서 서로 상호 연결되며;
    상기 링크 부재(40)는 상기 몸체(10)와 상호 작용하는 단일 작동 부분(42)을 갖는 전기-기계적 모터에 있어서,
    상기 링크 부재(40) 및 상기 각각의 제 1 단부(36) 사이의 각각의 조인트(46,54); 및
    상기 링크 부재(40)의 부분(50) 중 하나 이상은,
    상기 스트로크의 방향에, 상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)의 벤딩 강성(bending stiffness)보다 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)은 상기 각각의 제 1 단부(36)보다 상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)의 각각의 제 2 단부(38)에 더 가까운 각각의 연결점에서 상기 백본(22)에 연결되며, 상기 각각의 제 2 단부(38)는 상기 각각의 제 1 단부(36)에 필수적으로 대향하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연결점이 상기 백본 부분(22)의 주요 부분과 관련되어 고정되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)는 각 위치에서 실질적으로 상기 각각의 제 2 단부(38)와 강하게 연결되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 부분이 상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)에 비해 상기 스트로크 방향으로 감소된 디멘션을 갖는 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 부분이 상기 두 개의 전기-기계적 섹션(32,34;90)에서보다 더 부드러운 재료를 갖는 섹션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 링크 부재(40)가 상기 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 두 부분에 연결되는 하나의 강한 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 링크 부재(40)가 제 1 구부릴 수 있는 섹션(50)에 의해 연결된 두 개의 강한 부재(48,52)를 포함하고, 상기 작동 부분(42)이 상기 제 1 구부릴 수 있는 섹션(50)에 또는 부근에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 상당히 더 낮은 벤딩 강성의 부분이 상기 강한 부재(48,52) 및 상기 전기-기계적 섹션(32,34;90) 사이에, 각각, 제 2 및 제 3 구부릴 수 있는 섹션(46,54)에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 링크 부재(40)가 상기 제 2 및 제 3 구부릴 수 있는 섹션(46,54) 및 상기 전기-기계적 섹션(32,34;90) 사이에 각각, 강한 레버(47,53)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 강한 레버(47,53), 상기 강한 부재(48,52) 및 구부릴 수 있는 섹션(46,54) 중 하나 이상은 벤딩 노치(98) 또는 구멍(96)이 제공된 금속 플레이트(92)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기-기계적 섹션(32,34;90)이 바이모프 섹션, 모노모프 섹션 및 멀티모프 섹션의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 엘리먼트(30) 및 상기 몸체(10) 사이에 수직 항력(28)을 적용하기 위해서 구성된 탄력 수단(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  14. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결점이 상기 구동 엘리먼트(30)의 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
  15. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결점이 상기 구동 엘리먼트(30)의 상부 또는 하부에 있는 것을 특징으로 하는 전기-기계적 모터.
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