KR101177139B1 - 초음파 리드 나사 모터 - Google Patents

Abstract

회전축을 갖는 치형 샤프트와 그와 결합되는 치형 너트를 포함하는 치형 샤프트 조립체 구동장치. 상기 치형 너트를 초음파 진동시켜 치형 샤프트를 축방향으로 회전시키는 것과 동시에 병진시킨다. 상기 치형 샤프트가 부하에 연결되어 상기 치형 샤프트에 축력을 가한다.

치형 샤프트, 초음파, 리드 나사 모터

Description

초음파 리드 나사 모터{Ultrasonic lead screw motor}

치형 샤프트(threaded shaft) 및 그와 결합된 너트로 구성된 소형 초음파 선형 모터.

피에조(piezoelectrice), 전왜(electrostrictive), 정전(electrostatic) 또는 전자기(electromagnetic) 기술을 사용하는 변환기(transducer)는 나노미터 규모에서 정확한 위치 선정에 매우 유용하다. 피에조 장치의 경우, 세라믹은 충방전될 때 형태를 변화시키는 축전기(capacitor)로 형성되어 힘 변환기 또는 위치 액츄에이터를 만들어 낸다. 위치 액츄에이터로 사용될 때, 피에조 세라믹의 형태 변화는 대략적으로 인가된 전압에 비례한다. 피에조 액츄에이터는 10㎛의 전형적인 행정 길이(stroke length)에 상응하는 세라믹 길이의 약 0.1%의 범위로 제한된다. 피에조 액츄에이터의 높은 경도와 나노미터 정확성이 매우 유용하지만, 많은 용례에서 더 긴 행정이 요구된다.

작은 세라믹 형태 변화를 "조정"하고 더 긴 행정을 만들기 위해 많은 피에조 모터 디자인들이 개발되어 왔다.

PZT(Piezoelectric transducer) 스테핑 모터(stepping motor)가 미국 특허 제3,902,084호에 기술되어 있으며, 상기 미국특허의 전체적인 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 클램프-확장-클램프-수축(clamp-extend-clamp-retract) 작동 순차(operating sequence)를 사용하여 많은 짧은 PZT 액츄에이터 사이클들을 합계한다. 이 스테핑 선형 액츄에이터는 DC로부터 수 킬로헤르츠의 주파수로 작동하며 소음과 진동을 일으킨다. 전원이 꺼졌을 때 위치가 유지되지 않는다. 200mm의 움직임 동안 1 나노미터보다 양호한 레졸루션(resolution)이 얻어진다.

PZT 관성 부착-미끄러짐 모터(inertial stick-slip motor)가 미국 특허 제5,410,206호에 기술되어 있다. 상기 미국 특허의 전체적인 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 스플릿 너트(split nut)를 사용하는 미세-치형 샤프트를 회전시켜 반대측 샤프트를 붙잡는 "조(jaw)"를 형성한다. PZT 액츄에이터는 비대칭 교류 구동 신호와 반대 방향으로 조를 빠르게 움직인다. 빠른 조 움직임은 고정 마찰력(clamping friction)을 극복하여 슬리피지(slippage)를 일으킨다. 조가 더 느리게 움직이면 미끄러지지 않고 샤프트를 회전시킨다. 이 부착-미끄러짐 모터는 상기 스테핑 모터와 유사한 소음과 진동을 만드나 100배 더 느리고 전원이 꺼졌을 때 위치를 유지하고 있다. 25mm의 움직임 동안 50nm 보다 나은 레졸루션을 얻는다.

초음파 모터는 피에조 발생 진동을 이용하여 고속, 높은 토크, 작은 크기 및 조용한 동작으로 계속적인 움직임을 창출한다.

초기 초음파 피에조 모터들 중 하나는 미국 특허 제3,176,167호에 기술되어 있으며, 상기 미국 특허의 전체적인 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있 다. 이 단향성(unidirectional) 회전 모터는 석영 결정 오실레이터(oscillator)를 사용하여 얇은 막대를 움직이고 계기장치를 구동시키는 외부 장치를 갖는 래칫 휠(ratchet wheel)을 구동시킨다.

정상파(standing wave) 초음파 모터의 한 예가 미국특허 제5,453,653호에 기술되어 있으며, 상기 미국특허의 전체적인 내용이 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 구형(rectangular) PZT 판을 이용하여 유동 표면에 대하여 사전 부하된 접촉 점(contact point)의 초음파 진동을 발생시킨다. PZT 플레이트위의 전극 패턴이 교류 신호에 연결되고 필요한 진폭과 상(phase)을 갖는 접촉 팁(tip)의 2차원적 진동을 일으켜서 적용면(mating surface)에 대한 알짜힘(net force)을 일으킨다. 이 초음파 모터는 조용하고 스테핑 모터보다 100배 더 빠른 반면 약 1/3 힘을 생산한다. 일반적으로 초음파 모터는 정확하게 멈추고 시작하는 것이 어렵다. 서브마이크로미터 레졸루션에 도달하기 위해서는 전형적으로 폐루프(closed loop) 제어가 되는 인코더(encoder)이 필요하다.

초음파 진동을 사용하는 나삿니 막대를 구동시키는 장치는 예를 들면 가츠요끼 후지무라(katsuyuki Fujimura)의 미국 특허 제6,147,435호에 기술되어 있다. 본 특허 개시 및 청구항은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 본 특허는 다음을 개시하고 청구한다: "... 초음파 진동으로 나사 막대를 구동시키는 장치로 다음을 포함한다: 축 방향을 따라 나선형으로 형성된 홈 부를 갖는 나사 막대; 상기 나사 막대의 반대 말단을 회전가능하게 유지하는 한 쌍의 스탠드; 상기 나사 막대를 부분적으로 둘러싸고 상기 나사 막대의 축방향으로 미끄러질 수 있는 작동 래 크(work rack); 상기 작동 래크의 일측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 막대로 연장되어 있는 적어도 하나의 제1 나사 막대 회전 장치, 상기 적어도 하나의 제1 나사 막대 회전 장치는 제1 특정 각도로 상기 나사 막대의 상기 홈 부와 접촉하는 제1 진동기, 특정 압력으로 상기 나사 막대의 상기 홈부쪽으로 상기 제1 진동기를 가압하는 제1 스프링 및 상기 제1 진동기를 전기적 활성으로 진동시켜 제1 회전 방향으로 상기 나사 막대를 회전시키는 제1 피에조 엑츄에이터를 포함하며; 및 상기 작동 래크의 다른 측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 막대로 연장되어 있는 적어도 하나의 제2 나사 막대 회전 장치, 상기 적어도 하나의 제2 나사 막대 회전 장치는 상기 제1 특정 각도의 반대로 제2 특정 각도로 상기 나사 막대의 상기 홈부와 접촉하는 제2 진동기, 특정 압력으로 상기 나사 막대의 상기 홈 부쪽으로 상기 제2 진동기를 가압하는 제2 스프링 및 전기적 활성으로 상기 제2 진동기를 진동시켜 제2 방향으로 상기 나사 막대를 회전시키기 위한 제2 피에조 엑츄에이터를 포함한다."

미국 특허 제6,147,435호의 장치는 "제1 나사 막대 회전장치" 및 "제2 나사 막대 회전 장치" 둘다를 요구하며; 이들은 예를 들면 구성요소 16a' 및 16d'(그러한 제1 나사 막대 회전 장치를 포함), 및 구성요소 16b' 및 16c'(그러한 제2 나사 막대 회전 장치를 포함)으로서 도 3에 도시된다. 미국 특허 제 6,147,435호를 다시 참조하면, 구성요소 16a' 및 16d'가 초음파 진동에 의해 활성될 때, 상기 나사 막대 2는 한 방향으로 회전되며; 구성요소 16b' 및 16c'가 초음파 진동으로 활성될 때, 상기 나사 막대 2는 그 반대 방향으로 회전한다.

구성요소들 16a'/16d', 및 16b'/16c'는 결코 동시에 활성화되지 않으며; 그렇게 하는 것은 에너지를 낭비하는 것일 것이며 상기 나사 막대 2를 정지 상태로 두게 된다.

그러나 그러한 구성요소가 16a'/16d' 및 16b'/16c'가 동시에 활성되지 않았을 때에도 에너지 낭비는 있다. 불활성의 구성요소 쌍은 여전히 나사 막대 2의 나삿니에 접촉하고 있어서, 마찰항력(drag friction)을 일으킨다.

이 마찰 항력은 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 문제이다. 상기 특허의 청구항 2에서처럼, 이 문제를 다소 해결하기 위하여 그러한 특허의 장치는 "... 상기 제1 및 제2 피에조 엑츄에이터중 하나가 전기적으로 활성될 때, 소량의 전류가 상기 제1 및 제2 피에조 엑츄에이터중 다른 것에 공급된다."로 기술되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 효율은 그렇게 높지는 않다.

본 발명의 목적은 유사 크기의 다른 초음파 모터로 일반적으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 정확도, 힘 및 속도를 제공하면서도 미국 특허 제6,147,435호의 것보다 실질적으로 더 높은 효율을 갖는, 초음파 진동으로 치형 샤프트를 구동시키는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 치형 샤프트 및 여기에 맞물린 너트로 이루어진 치형 샤프트 조립체를 구동시키는 장치가 제공된다. 이러한 조립체는 상기 너트를 초음파 진동시켜 상기 샤프트가 축방향으로 회전과 동시에 병진하게 하는 수단을 포함한다. 상기 조립체는 또한 상기 샤프트에 대해 축력(axial force)을 가하기 위한 수단들로 구성된다.

본 발명은 본 명세서, 첨가 특허청구범위, 및 도면에 의해 기술되며, 여기서 같은 숫자는 같은 구성요소를 의미한다.

도 1 내지 도 6은 4개의 직사각형 피에조 판을 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 1은 그 모터의 사시도이며, 도 2는 그 모터의 확대도이며, 도 3은 그 모터의 말단도이며, 도 4는 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 5는 도 3의 A-A(30) 선을 따른 모터의 절단면도이며, 도 5A는 모터 꺼짐시 외부 프리로드(preload)와의 나사 결합의 확대도(도 5의 47)를 나타내며, 도 5B는 모터 작동시의 도 5A의 동일한 확대도를 나타내며, 도 6은 도 3의 B-B선(32)에 따른 절단면도를 나타내며,

도 7 내지 도 12는 4개의 피에조 스택(stack)을 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 7은 그 모터의 사시도이며, 도 8은 그 모터의 확대도이며, 도 9는 그 모터의 말단도이며, 도 10은 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 11은 도 9의 A-A 선(48)에 따른 절단면도이며, 도 12는 도 9의 B-B 선(46)에 따른 절단면도이며,

도 13 내지 도 17은 4개의 외부 전극을 갖는 피에조 튜브를 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 13은 그 모터의 사시도이며, 도 14는 그 모터의 확대도이며, 도 15는 그 모터의 말단도이며, 도 16은 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 17은 도 15의 A-A 선(56)에 따른 절단면도이며,

도 18은 치형 샤프트의 회전 및 병진을 나타내는 도 1의 모터용 치형 너트의 궤도 움직임의 개략적 설명도이며,

도 19는 도 18에 나타난 움직임을 만들어내기 위해 필요한 전기 구동 신호의 개략적 설명도이며,

도 20 내지 도 25는 선형 스테이지(stage)로 포장되고 통합된 도 1의 모터의 응용예들을 나타내며, 여기서 도 20은 모터 조립체의 사시도이며, 도 21은 모터 조립체의 확대도이며, 도 22는 모터 조립체의 절단면도이며, 도 23A는 도 20의 모터 조립체의 반대쪽 사시도이며, 도 23B는 진행 방향으로 모터 조립체가 어떻게 회전하고 병진하는가를 설명하는 사시도이며, 도 23C는 반대 방향으로 상기 모터 조립체가 어떻게 회전하고 병진하는가를 설명하는 사시도이며, 도 24A는 진행 방향으로 선형 스테이지로 통합된 모터 조립체를 나타내며, 도 24B는 반대 방향으로 작동하는 선형 스테이지로 통합된 모터 조립체를 나타내며 도 25는 3-축 스테이지 시스템(three-axis stage system)으로 통합된 모터 조립체를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에서, 소형 초음파 선형 모터는 리드 나사를 회전시켜 선형 움직임을 만든다. 실린더는 초음파 범위로 제1 굽힘 모드(bending mode) 공진 주파수를 갖는 치형 너트를 지지한다. 상기 실린더와 너트는 이 공진 주파수에서 변환기에 의해 여기되어 너트를 실린더의 말단에서 벗어나게 한다. 상기 변환기는 피에조, 전왜, 정전, 전자기 또는 공명 진동을 자극할 수 있는 어떠한 장치도 될 수 있다. + 또는 - 90도 상 이동성을 갖는 실린더의 직교 굽힘 모드들을 동시에 자극하여 원형 궤도를 만들기 위하여 적어도 2개의 변환기를 필요로 한다. 폐-조립 치형 샤프트가 너트 내부에 설치된다. 탄성 축상 부하(resilient axial load)가 낮은 마찰 결합을 통해 샤프트에 인가된다. 공진 주파수에서 너트는 궤도를 돌며 샤프트의 관성은 그것을 중심에 유지시킨다. 상기 너트의 궤도는 토크를 일으켜서 샤프트를 회전시키고 선형 움직임을 만든다. 상기 변환기들을 위해 적어도 2개의 교류 구동 신호들이 필요하다. 상기 구동 주파수는 원형 너트 궤도를 완성시키기 위해 기계적 주파수와 조절 상(control phase)을 여기 시켜야만 한다. 구동 신호 진폭과 지속시간(duration)의 변조(modulation)는 속도를 제어한다. 구동 신호들 사이의 상 이동은 + 또는 -일 수 있으며, 이는 너트 궤도의 방향과 샤프트의 회전/병진을 전환시킨다. 이 실시예 및 다른 바람직한 실시예들은 본 명세서에서 좀 더 상세히 기술될 것이다.

어떤 특별한 이론과 결합하지 않고도, 출원인은 그의 초음파 선형 엑츄에이터들 중 하나의 작동 원리로 실린더형 튜브의 제1 굽힘 공명을 여기시켜, 이로 인해 상기 튜브의 하나 또는 두 개의 말단들을 회전시키는 것 없이 실린더 축 주위를 궤도를 그리며 돌게 한다고 믿는다. 이러한 실시예에서, 상기 튜브의 일 말단은 치형 너트를 수용하며 이 너트는 짝 치형 샤프트 주위를 궤도를 돌며 마찰을 통해 접선력(tangential force)을 분배하여 그것이 궤도 주위를 도는 것과 같이 치형 샤프트를 회전시킨다. 본 나삿니에서의 마찰은 이것이 직접적으로 상기 나사를 구동하기 때문에 유용하다. 이는 종래 리드 나사 구동과 전혀 반대이며, 여기서 상기 나삿니 접촉 마찰은 와류적(parasitic)이며 권취(windup), 뒤틈(backlash) 및 느린 반응을 일으킨다. 본 실시예에서 사용된 나선형 나삿니의 또 다른 중요한 장점은 회전을 진동으로 직접적 전환시키는 것과 함께 커다란 기계적 장점, 즉 축력(axial force)을 확대시키고 선형 속도를 감소시켜, 결과적으로 정확도를 증가시키는 것이다.

본 실시예에서, 부하(load) 경로의 내부 또는 외부의 변환기는 제1 굽힘 모드를 여기하기 위하여 사용되는 것이 바람직하다. 사용될 수 있는 변환기들은 예를 들면 피에조 구성요소 및 스택, 자기변형(magnetostrictive) 물질, 및 정전 물질 등 몇몇이 있다. 이 리스트는 모든 변환기 물질을 포함하는 것은 아니나 실린더형 튜브의 제1 굽힘 공명 또는 유사하게 형성된 블록(block)을 여기하고 하나 또는 2개의 튜브 말단의 궤도를 완성하기 위하여 사용될 수 있는 그러한 물질 또는 장치라면 어느 것이나 본 발명에서 구현되는 것으로 이해되어야만 한다. 여기에 기술된 실시예들은 피에조 물질을 사용하나 상술한 다른 대체 변환기 물질로도 용이하게 구현될 수 있다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 여기서 기술된 바람직한 실시예에서, 초음파 선형 모터(10)가 묘사되어 있다. 묘사된 실시예에서, 4개의 구형 피에조 판들이 사용되어 초음파 진동을 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 도 1에서는 도시되지 않지만, 다른 수단들이 사용되어 초음파 진동들을 발생시킬 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 것처럼, 용어 초음파는 20,000 헤르츠를 초과하는 작동 주파수를 의미한다. 하나의 실시예에서, 상기 작동 주파수는 적어도 약 25,000헤르츠이다. 또 다른 실시예에서, 상기 작동 주파수는 적어도 약 50,000헤르츠이다. 또 다른 실시예에서, 상기 작동 주파수는 적어도 약 100,000헤르츠이다.

본 명세서에서 사용된 것처럼, 용어 선형 모터는 힘 및/또는 변위(displacement)를 발생시켜 실질적으로 직선으로 움직임을 일으키는 엑츄에이터를 의미한다. 예를 들면 미국특허 제5,982,075호(초음파 선형 모터); 제5,134,334호(초음파 선형 모터); 제5,036,245호(초음파 선형 모터); 제4,857,791호(선형 모터)등을 참고할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체적인 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합된다.

도 1 내지 도 6을 다시 참고하면, 여기에 기술된 바람직한 실시예에서는 구형 공 팁(26)을 갖는 치형 샤프트 12가 회전하고 축력과 움직임을 일으키는 것을 볼 수 있다.

상기 치형 샤프트(12)는 하우징(14) 내에 이동가능하게 설치되는 것이 바람직하다. 치형 샤프트(12)의 길이(15)(도 5 참조)는 적어도 약 10mm 정도 하우징(14)의 길이(13)을 초과하는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 길이 15는 길이 13을 적어도 25mm 정도 초과한다. 또 다른 실시예에서, 길이 15는 길이 13을 적어도 50mm 정도 초과한다.

하나의 실시예에서, 상기 치형 샤프트(12)는 하우징(14)의 제1 자연 주파수의 크기 0.2 배보다 더 작은 제1 자연 주파수를 갖는다. 또 다른 실시예에서 치형 샤프트(12)의 제1 자연 주파수는 하우징(14)의 제1 자연 주파수의 크기보다 약 0.1배 더 작다.

여기 사용된 것처럼, 용어 제1 자연 주파수는 진동의 제1 정상 모드의 주파수를 의미한다: 예를 들면 과학과 기술의 용어의 맥그로우-힐 사전 4판 1253p 참조(McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms)(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989.). 또한 유진 A 아발론 등의 기계공을 위한 상표의 표준 핸드북(Eugene A. Avallone et al.'s "Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers")(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978)의 '간단한 시스템의 자연 주파수(Natural Frequencies of Simple System)"들의 5~59p 에서 5~70p을 참고할 수 있다. 또한 미국특허 제 6,125,701호; 제6,591,608호; 제6,525,456호; 제6,439,282호; 제6,170,202호; 제6,101,840호등을 참고할 수 있으며; 이들 미국 특허 각각의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다.

도면에 묘사된 실시예들에서, 너트(16)의 궤도 움직임은, 도 18에서 가장 잘 설명된 것처럼, 두 개의 정상적인 진동 모드의 존재로 인해 발생하며 이들 진동 모드들은 축 중앙선(도 2 참조)에 평행한 평면에 있으며 각기 서로 직교한다.

이들 2개의 직교하는 정상 진동 모드들은 활성화된 변환기(플레이트 18, 20, 22, 및 24와 같음)와 하우징(14)의 상호작용에 의해 발생하며; 그리고 그러한 상호작용은 너트(16)의 궤도 움직임을 일으키며 치형 샤프트(12)의 회전과 병진을 번갈아 일으킨다.

한 실시예에서, 너트(16)의 제1 자연 공진 주파수는 모터 조립체(10)의 작동 주파수의 크기의 적어도 5배인 것이 바람직하다. 그러므로 상기 너트(16)는 실질적으로 강체인 것이 바람직하다.

한 실시예에서, 치형 샤프트(12)는 실질적으로 스테인레스 스틸 금속으로 제조된다. 본 실시예에서, 치형 샤프트(12)는 실질적으로 황동(brass) 금속으로 제조된 치형 너트(16)와 맞물린다.

마멸(abrasion) 및 마손(galling)을 최소화하기 위하여 치형 샤프트(12) 및 치형 너트(16) 용 재료들을 결합하여 사용하는 것이 바람직하다는 것이 분명하다. 마멸과 마손을 최소화하기 위해 재료들을 다르게 결합하는 것 또한 본 발명에서 사용될 수 있다.

도 1을 다시 참조하여, 치형 샤프트(12)는 바람직하게는 나선형 홈의 형태로 구성되는 복수의 나삿니(17)로 이루어져 있다. 하나의 실시예에서, 상기 나삿니(17)는 인치당 약 250 나삿니보다 적은 피치(pitch)를 가지며, 바람직하게는 인치당 약 200 나삿니보다 적다. 또 다른 실시예에서, 상기 나삿니(17)은 인치당 약 100 나삿니보다 적은 피치를 갖는다. 본 실시예의 하나의 양태에서, 상기 나삿니(17)는 인치당 약 40~80 나삿니의 피치를 갖는다.

상기 나삿니(17)는, 도 18에서 가장 잘 설명된 것처럼, 너트(16)의 내부 나삿니(19)와 맞물리는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 실시예에서는, 내부 나삿니(19)의 피치는 외부 나삿니(17)의 피치와 실질적으로 동일하다.

설명의 단순화를 위하여, 상기 나삿니(17, 19)는 전체적으로 맞물려진 것으로 나타나고 있지만(도 5A, 도 5B 및 도 18은 제외), 나삿니 (17, 19)들 사이의 상대 틈새(diametrical clearance)는 나삿니(17) 및/또는 나삿니 19의 나삿니 깊이(33/35)의 약 0.5 배보다 작은 것이 바람직하다. 이 상대 틈새는 도 5A에 잘 설 명되어 있다. 상기 상대 틈새를 결정하기 위한 수단들은 잘 알려져 있다. 미국 특허 제6,145,805호; 제5,211,101호; 제4,781,053호; 제4,277,948호; 제6,257,845호; 제6,142,749호등을 참고할 수 있으며; 이들 미국 특허의 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 또한 상술한 "기계공을 위한 상표 표준 핸드북"의 8-9 et seq.("Machine Elements")를 참고할 수 있다.

도 5A를 참고하면, 나삿니 17과 19 사이의 맞물림의 바람직한 모드가 기술되어 있다. 본 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 나삿니 17의 각각은 팁(29)를 가지며, 나삿니 19는 팁 31을 갖는다. 추가적으로, 나삿니 17 및 19 각각은 나삿니 깊이 33 및 35를 각각 갖는다.

다시 도 1을 참고하면, 여기에 묘사된 바람직한 실시예에서, 치형 샤프트(12)의 회전은 진동 하우징(14)에 연결된 치형 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 만들어진다. 묘사된 실시예에서, 상기 치형 너트(16)은 상기 하우징(14)에 연결되는 것이 바람직하다. 이것은 도 2에 잘 설명되어 있다.

도 2를 참고하면, 여기에 묘사된 바람직한 실시예에서, 상기 너트(16)는 구멍(orifice:11) 내에 설치되는 것을 볼 수 있다. 상기 너트(16)은 종래의 수단, 예를 들면 압입 척(press fit), 및/또는 접착 수단 등에 의해 구멍(11) 내에 고정된다.

도 1 및 도 2에 묘사된 바람직한 실시예에서, 너트(16)는 실린더형 너트이다. 또 다른 실시예에서, 도시되지는 않았지만 너트(16)는 사각형, 육각형(hexagonal shape), 팔각형(octagonal shape) 등을 가질 수 있는 다각형 너트이 다.

도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 그에 묘사된 바람직한 실시예에서 다수의 세라믹 플레이트들(18)이, 이하 참조, 하우징(14)의 외부 표면(37)에 부착된 것을 볼 수 있다.

상기 세라믹 플레이트들은 전압, 특히 전압의 변화에 따라 그들 각각의 길이를 변화시키는 것이 바람직하다. 여기에서 사용되고, 명세서 여기 저기서 기술된 것처럼, 이들 세라믹 플레이트들은 "활성 세라믹 플레이트들"로 기술될 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 세라믹 플레이트들(18)은 피에조 플레이트, 정전 플레이 트 및 그의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 토론의 단순화를 위해서, 적어도 도 1 및 2의 실시예는 피에조 플레이트들과 관련하여 기술될 것이다.

도 2에 묘사된 실시예에서, 4개의 피에조 플레이트들(18, 20, 22 및 24)은 하우징의 외부 표면(37)에 결합되며, 각 피에조 플레이트의 전극들(21 및 23)의 전기 구동 신호들을 교체시켜 여기될 때 너트(16) 오비탈 진동을 일으킨다(도 4 참조).

하나의 실시예에서, 단지 두 개의 피에조 플레이트들, 플레이트 18 및 20이 사용된다. 또 다른 실시예에서, 8개 이상의 피에조 플레이트들이 사용된다. 얼마나 많은 피에조 플레이트들이 사용되는 것과는 관계없이 충분한 수의 그러한 플레이트들이 사용되어 직교 평면 39 및 41내 내 움직임을 여기시킨다(도 2 참조).

설명의 단순화를 위하여, 4개의 피에조 플레이트들 18, 20, 22 및 24가 설명될 것이다. 이들 플레이트들은 그 플레이트들이 외부 표면(37)과 완전히 접촉하도 록 하우징(14)의 대응 외부 표면(37)에 결합되는 것이 바람직하다.

피에조 플레이트들(18)은, 이하 참조, 도 4에 잘 도시된 것처럼 전극 21 및 23에 의해 전압원에 연결된다. 묘사의 단순성을 위해서, 전극 21과 23의 연결은 단지 피에조 플레이트에 관하여 도시되며, 다른 피에조 플레이트들에 관한 연결은 이와 동등하게 이루어진다.

도 4를 참고하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예를 참고하여, 4개의 전극들(23) 모두 접지(25)에 연결된 것이 보여질 것이다. 이 실시예에서, 상기 피에조 물질은 낮은 유전 손실(dielectric loss) 및 높은 탈분극 전압(depollng voltage)를 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성(hard)" 조성물이다. 그러므로, 예를 들면 그 하나로는 오하이오주 베드퍼드의 모간 맥트락(Morgan Matroc)사에 의해 "PZT-4"로 시판되는 피에조 고체 물질을 사용할 수 있다. 이 바람직한 물질은 전형적으로 몇 가지 중요한 성질을 갖는다.

그러므로, 상기 바람직한 물질은 약 20,000 헤르츠보다 큰 주파수에서 약 1%, 바람직하게는 0.5%보다 낮은 유전 손실 인자를 갖는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 상기 유전 손실 인자는 약 20,000 헤르츠보다 큰 주파수에서 약 0.4%이다.

그러므로, 바람직한 재료는 적어도 약 250 pC/N(picoCoulomb/Newton's), 바람직하게는 적어도 약 270pC/N의 d33 피에조 전하 계수(piezoelectric charge coefficient)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 바람직한 재료는 약 285pC/N의 d33 피에조 전하 계수를 갖는다.

그러므로, 바람직한 재료는 적어도 약 -90pC/N, 더욱 바람직하게는 적어도 약 -105pC/N의 d31 피에조 전하 계수를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 d31 피에조 전하 계수는 약 -115pC/N이다.

하나의 실시예에서, 바람직한 재료는 적어도 약 2500 pC/N의 d33 피에조 전하 계수 및 적어도 약 900pC/N의 d31 피에조 전하 계수를 갖는 단결정 재료이다.

몇 가지 적당한 재료의 논의를 위해, 제한되는 것은 아니나 설명을 위하여 참고문헌으로 예를 들면 미국 특허 제3,736,532호 및 3,582,540호를 들 수 있다. 이들 미국특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다.

추가적인 설명에 의해, 낮은 유전 손실 피에조 물질이 당업자에게 알려져 있다. 미국 특허 제5,792,379호(낮은 손실 PZT 세라믹 조성물)을 예로 참조할 수 있으며; 상기 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

하나의 실시예에서, 상기 피에조 물질은 단결정 피에조 물질이다. 이들 물질들은 종래 기술에 알려져 있다. 미국 특허 제5,446,330호; 제5,739,624호; 제5,814,917호; 제5,763,983호(단결정 피에조 변압기); 제5,739,626호; 제5,127,892호 등을 참조할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고로 통합되어 있다.

도 4를 다시 참고하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예에서, 피에조 플레이트들(18, 20, 22 및 24)의 축 길이는 인가된 전압(Vx/86 및 Vy/88)과 d₃₁ 피에조 전하 계수에 비례하여 변한다.

피에조 플레이트들(18, 22 및 20, 24)은 각각 쌍으로 작용하여 하우징(14)를 굴곡시키며(도 1 및 2 참조) 그리고 궤도 공명(orbital resonance)을 여기 시킨다. 전기 구동 신호들(86 및 88)을 분극 방향(poling direction: 43)으로 교대로 플레이트들(20, 24 및 18, 22)에 각각 인가하는 것이 바람직하다. 당업자에게 잘 알려진 것처럼, 분극 방향(43)은 피에조 물질내 쌍극자(dipole)가 제조중에 배열되는 방향이다. 예를 들면 미국 특허 제 5,605,659호(세라믹 피에조 플레이트를 분극시키는 방법); 제5,663,606호(피에조 엑츄에이터를 분극시키는 장치); 제5,045,747호(피에조 세라믹을 분극하는 장치) 등을 참고할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 통합되어 있다.

각각의 플레이트 쌍 18, 22 및 20, 24에 대하여, 전기장은 하나의 플레이트에는 분극 방향(43)에 관하여 양성이고 반대 플레이트에는 분극 방향(43)에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx86은 플레이트 20, 24에 인가되는 것이 바람직하며 하나의 플레이트에서 팽창 그리고 다른 플레이트에서 수축이 동시에 일어나서, 평면(39)(도 2 참조), 그리고 X 방향 72a/72b(도 18 참조)으로 하우징(14)을 구부린다(도 18 참조). 유사한 방법으로 구동 신호 Vy88이 플레이트 18, 22에 인가되고 평면 41(도 2 참조), 및 Y 방향 74a/74b(도 18 참조)으로 하우징(14)을 구부린다.

상기 치형 너트(16)의 반대쪽 상기 하우징 말단(45)은 치형 샤프트(12)의 외부 직경 및 붓싱(bushing)의 내부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 붓싱(28)을 지지하는 것이 바람직하다(도 2 참조). 상기 치형 샤프트(12)는 탄성 축력(27)을 지지하며(도 5 및 도 6 참조), 이 축력은 마찰이 적은 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형 볼 팁(26)을 통해 인가된다.

모터의 작동 동안에, 볼 26을 통해 바람직하게 전달된 축력(27)은 약 0.1~약 100N인 것이 바람직하다. 축력(27)은 출력 구동력(output driving force)에 유사한 크기인 것이 바람직하다.

구형 볼(26)(도 2 참조)은 치형 샤프트(12)를 그의 부하(27)에 낮은 마찰 토크(frictional torque)로 결합시키는 하나의 수단이다(도 5 참조). 당업자에게 자명한 것으로, 당업자는 회전 치형 샤프트로부터 이동 부하까지의 움직임을 결합시키기 위하여 다른 수단을 사용할 수 있다. 그러므로 예를 들면, 한 사람은 롤링 구성요소 베어링(rolling element bearing)을 사용할 수도 있고, 한 사람은 치형 샤프트(12) 등의 평표면과 접촉하는 아치형 부하(arcuate load)를 사용할 수도 있다. 미국 특허 제5,769,554호(운동학적 결합 방법), 제6,325,351호[정확한 도구들을 위한 매우 감쇠된 운동학적 결합(damped kinematic coupling for precision instrument)]를 참조할 수 있다; 이들 특허 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면 치형 너트(16) 반대쪽의 하우징(14)의 말단(45)은 플랜지들을 통합하는데, 이들 플랜지들은 정지 커버(58)의 연결점이다(도 21). 상기 샤프트(12) 및 너트(16) 상의 나삿니 피치는 궤도 접선력 및 움직임을 축력 및 축 움직임으로 전달한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워(off-power) 유지력(holding force)을 최적화하기 위하여 선택될 수 있다.

도 7 내지 12를 참조하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예에서는, 초음파 선형 모터(30)는 4개의 피에조 스택(36, 40 및 42)(도 7 및 8 참조)을 사용하여 초음파 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 구형 볼 팁(26)을 갖는 치형 샤프트(12)는 회전하여 축력 및 축 움직임을 만든다. 진동 실린더(32)에 연결된 치형 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 상기 회전이 일어난다. 4개의 피에조 스택들(36, 38, 40 및 42)은 치형 너트의 반대쪽 실린더의 말단에 결합되고 베이스 링(34)에 결합된다. 4개의 스택(36)는, 이하 참조, 내부 스택 리드를 갖는 공지의 조립체 및 전기적 내부 연결 방법(44)을 사용하여 구조되며 상기 내부 스택 리드는 공통 접지(35)에 함께 연결되는 것이 바람직하다. 상기 스택의 축 길이는 인가된 전압 및 d₃₃ 피에조 전하 계수에 비례하여 변한다. 피에조 물질은 낮은 유전 손실 및 높은 분극 전압을 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성(Hard)" 조성물이다. 전기 구동 신호들(86 및 88)을 교대로 각 피에조 스택(44)의 외부 리드에 연결하고 상기 너트의 궤도 진동을 역기시킨다. 피에조 스택 36 및 40 및 38 및 42는 각각 함께 쌍으로 작동하여 상기 튜브를 회전시키고 궤도 공명을 여기시킨다. 전기 구동 신호 Vx86 및 Vy88을 교대로 스택 38, 42 및 36, 40에 각각 분극 방향으로 연결한다. 각 스택 쌍 38, 42와 36, 40에 대하여 상기 전기장은 하나의 스택에서 분극 방향(poling direction: 43)에 대하여 양성이고 반대편 스택에서는 분극방향에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx 86은 스택 38, 42에 인가되어 한 스택에 팽창 그리고 그 반대 스택에 수축을 동시에 일으킨다; 그래서 이것은 X 방향 72a/72b(도 18 참조)으로 상기 튜브를 회전시킨다. 유사한 방법으로, 상기 구동 신호 Vy(88)가 스택 36, 40에 인가되고 Y 방향(74a/74b)으로 상기 튜브의 말단을 이동시킨다(도 18 참조). 상기 치형 너트(16)의 반대쪽 베이스 링(34)은 붓싱 내부 직경 및 치형 샤프트의 외부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 붓싱(28)을 지지한다. 치형 샤프트(12)는 적은 마찰을 일으키는 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형볼 팁(26)을 통해 적용된 유연한 축력(27)을 지지한다. 상기 베이스 링(34)은 고정커버(stationary cover: 58)을 위한 연결점이다(도 21). 상기 샤프트(12) 및 너트(16)의 나삿니 피치는 궤도 접선력 및 접선 움직임을 축력 및 축 움직임으로 전환한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워 유지력을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.

도 13 내지 17을 참고로 하면, 상기 초음파 선형 모터(50)는 사분원 전극(quadrant electrodes)들을 갖는 피에조 튜브(54)를 사용하여 초음파 진동을 발생시킨다. 구형 볼 팁(26)을 갖는 치형 샤프트(12)가 회전하고 축력과 축 움직임을 생성시킨다. 진동 피에조 튜브(54)에 연결된 치형 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 상기 회전이 일어난다. 상기 튜브의 내부 직경은 접지(63)된 연속 전극(continuous electrode:61)이며, 상기 튜브의 외부 직경은 4개의 별도의 전극(60, 62, 64 및 66)으로 나누어진다. 상기 피에조 물질은 낮은 유전 손실 및 높은 탈분극 전압을 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성" 조성물이다. 각 전극(60, 62, 64 및 66) 하부의 피에조 튜브 부의 축 길이는 인가된 전압 및 d₃₁ 피에조 전하 계수(piezoelectric charge coefficient)와 비례하여 변한다. 전극 구역들(electrode section: 60, 64 및 62, 66)은 각각 쌍으로 함께 작용하여 상기 튜브를 구부리고 상기 궤도 공명을 여기시킨다. 전기 구동 신호(86 및 88)들을 교대로 플레이트 60, 64 및 62, 66에 각각 분극 방향(43)으로 인가시킨다. 각 전극 쌍(60, 64 및 62, 66)에 대하여 상기 전극장은 한 전극에서는 분극 방향에 대하여 양성이고 반대쪽 전극에서는 분극 방향에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx86을 전극 60, 64에 인가하고 하나의 전극하에서는 팽창 그리고 반대쪽 전극하에서는 수축을 동시에 일으킨다: 그리하여 이것은 상기 튜브를 X 방향 72a/72b(도 18 참조)로 구부린다. 유사한 방법으로 상기 구동 신호 Vy 88이 플레이트(62, 66)에 인가되고 상기 튜브를 Y 방향 74a/74b방향으로 구부린다(도 18 참조).

상기 치형 너트(16)의 반대편 상기 튜브 말단은 베이스 플랜지(base flange: 52)에 결합되고 상기 부싱 내부 직경과 상기 치형 샤프트 외부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 부싱(28)을 붙잡는다. 상기 치형 샤프트(12)는 작은 마찰력을 일으키는 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형 볼 팁(26)을 통해 인가된 유연한 축력(27)을 지지한다. 상기 베이스 플랜지는 정지 커버(58)의 연결점이다(도 21 참조). 상기 샤프트(12) 및 너트(16)의 나사 피치는 상기 궤도 접선력 및 움직임을 축력 및 움직임으로 전환한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워 지지력을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.

도 18 및 도 19를 참고로 하여, 상기 모터(10)(도 1 참조) 작동 및 그러한 작동에 영향을 주는데 사용된 대응하는 구동 신호 (86 및 88)가 도시된다. 상기 피에조 플레이트 쌍은 함께 작동하여, 하나가 확장하면서(70), 다른 것은 동시에 수축(69)하여 하우징을 구부린다. 상기 교류 구동 신호 Vx(86) 및 Vy(88)은 원형 궤도를 생성하도록 동일한 진폭(90/91) 및 90도 상 이동(92)을 갖는 사인형이 바람직하다. 양성 상이동(92)은 양성 너트(16) 궤도 방향 및 양성 샤프트(12) 회전(96)/병진(98)을 생성하는 반면, 음성 상이동(92)은 음성 궤도 방향 및 음성 샤프트 회전/병진을 생성한다. 회전의 한 방향에 대해, 모터의 하나의 궤도 사이클, 및 그의 대응하는 구동 신호 진폭(90 및 91)은 연속적으로 90도 증가(76, 78, 80, 82 및 84)하는 것으로 나타난다. 상기 실린더형 굽힘과 궤도 움직임이 X 72a/72b 및 Y 74a/74b 방향으로 나타난다. 상기 너트는 반대 측면에 틈(73b)이 생기는 하나의 위치(74a)에서 치형 샤프트의 측면과 접촉하며, 이로 인해 상기 접촉으로 접선력과 움직임을 분배하여 상기 샤프트(12)가 각 궤도 사이클에 대하여 소량 회전(96) 및 병진(98)하게 한다. 사이클당 회전과 병진의 크기는 궤도 진폭, 상기 샤프트에 작용하는 힘(27)의 크기, 및 마찰계수를 포함하여 많은 인자들과 나삿니의 표면 마무리에 따라 달라진다. 만약 제로-스립(zero-slip) 조건이 상기 너트 및 샤프트의 접촉(73a) 사이에서 달성될 수 있다면, 상기 사이클당 움직임은 일반적으로 나삿니들 사이의 직경 틈에 비례한다. 일반적으로 구동 진폭(90 및 91)이 증가함에 따라 상기 궤도 직경이 증가하고, 상기 샤프트(12)와 너트(16) 사이의 정상적인 접촉력이 증가하고, 슬립페이지(Slippage)가 감소하고 속도가 증가하고, 그리고 토크/힘이 증가한다.

상기 초음파 주파수는 주기의 역수이다(도 19의 주기 94a 및 94b 참조); 그리고 그러한 초음파 주파수는 두 개의 신호들에 대해 동일한 것이 바람직하며 상기 하우징(14)의 제1 굽힘 공진 주파수와 일치한다.

도 20 내지 25를 참조하여 상기 모터 조립체(100)는 커버(58) 및 널링 놉(knurled knob: 102)을 갖는 복합체 모터(10)이다. 치형 샤프트(112)는 상기 모터(10) 내에 설치된다. 도 21에 잘 도시된 것처럼, 상기 치형 샤프트(112)는 치형 샤프트(12)에 유사하나(도 1 참조) 그에 통합적으로 부착된 평활 방추(smooth spindle: 113)을 갖는 점에 차이가 있다. 상기 방추(113)는 널링 놉(102)에 부착되도록 적용된다. 커버(58)는 플랜지(45)에서 모터(10)에 부착된다. 널링 놉(102)이 회전하고 접촉 커버(58)없는 샤프트(112)와 함께 병진한다.

도 21은 모터 조립체(100)의 확대도이다. 도 22는 모터 조립체(100)의 단면도이다.

도 23A, 23B 및 23C는 상기 모터 조립체(100)를 나타낸다. 도 23A는 도 20으로부터 뒤집혀진 모터 조립체(100)의 사시도이다. 도 23B는 상기 놉(102)과 샤프트(112)의 시계방향(103)으로의 회전과 화살표(105) 방향으로의 병진을 하는 모터 조립체(100)의 동작을 설명한다. 비교하면, 도 23C는 상기 놉(102)과 샤프트(112)의 시계 반대 방향(107)으로의 회전과 화살표(109)방향으로의 병진을 하는 모터 조립체(100)의 동작을 설명한다.

설명의 단순화를 위하여, 상기 모터 조립체들의 여러 가지 구성요소들에 전기적으로 연결하는 물리적 수단은 도면으로부터 제거하였다는 것이 분명할 것이다.

또한, 상기 널링 놉(102)의 존재로 인해 전기적 수단으로 그러한 모터 조립 체(100)를 움직이는 것 외에, 또는 이에 대체하여 수동적 수단으로 상기 모터 조립체(100)를 움직일 수 있게 한다는 것이 분명하다. 그러므로, 예를 들면 상기 조립체(100)는 전기적으로 자동화된 추가적 조정 수단뿐만 아니라 수동적 종래의 조정 수단 모두를 사용자가 사용할 수 있는 마이크로미터의 구동 대체장치로 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 도시되지는 않았지만, 널링 놉(102)은 기계적으로 외부 모터에 연결되어 조립체의 기계적 움직임의 제2 수단이 될 수 있게 한다.

도 24A 및 24B는 선형 이전 스테이지(linear translation stage) 104a/104b에 동작가능하게 연결된 모터 조립체들(100)로 이루어진 적용가능한 선형 스테이지들(106)을 설명한다. 이 실시예에서 모터 조립체(100)의 커버(58)는 하부 스테이지 부(104b)에 연결되며 볼(26)은 상부 스테이지 부(104a)에 접촉한다. 널링 놉(102)이 시계 방향(103)으로 움직일 때, 화살표(105) 방향으로의 선형 움직임이 일어난다. 반대로, 널링 놉(102)이 시계 반대 방향(107)로 움직일 때, 화살표(109) 방향으로의 선형 움직임이 일어난다.

도 24A 및 도 24B에 대략적으로 설명된 하나의 실시예에서, 핀들(115, 116)로 이루어진 스프링 조립체(111)(점선으로 윤곽 도시됨)는 화살표(109) 방향으로 이전 스테이지(104a/104b)를 바이어스를 건다. 묘사된 실시예에서, 핀(115)은 조립체의 이동가능한 상부(104a)에 부착되고, 상기 핀 116은 조립체의 고정된 하부(104b)에 부착된다. 상기 스프링 조립체(111)는 상기 축력(27)을 생산하기 위해 생산될 수 있다는 것이 명백하다(도 5 및 도 6 참조).

도 25는 그의 스테이지(106a 106b, 및 106c)를 X, Y 및 Z 축으로 움직일 수 있는 미세조작기(micromanipulator: 120)의 사시도이다.

본 발명은 어느 특정의 바람직한 형태로 기술되었지만, 본 발명의 바람직한 형태의 개시 내용은 구성의 세부적인 사항은 변경될 수 있으며, 부품의 다른 결합 및 배열은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고도 다시 제작할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 명세서의 이전 부분에서, 회전축을 갖는 치형 샤프트와, 그와 함께 결합된 치형 너트로 이루어진 치형 샤프트 조립체를 구동하는 장치를 기술하며, 여기서 상기 조립체는 상기 치형 너트를 초음파 진동에 적용시키기 위한 수단을 포함하며 그로 인해 상기 샤프트가 축 방향으로 회전과 병진을 동시에 할 수 있게 한다. 어떤 사람은 상기 치형 샤프트 조립체를 진동시키는 수단으로 이루어진 대응 수단을 제조할 수도 있으며, 이로 인해 상기 치형 너트가 회전과 동시에 병진을 할 수 있게 한다.

본 발명은 유사 크기의 다른 초음파 모터로 일반적으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 정확도, 힘 및 속도를 제공하면서도 미국 특허 제6,147,435호의 것보다 실질적으로 더 높은 효율을 갖는 초음파 진동으로 나사 샤프트를 구동시키는 장치를 제공하는 것이다.

Claims (20)

1. 회전축을 갖는 치형 샤프트와, 이 치형 샤프트와 결합된 치형 너트로 구성되는 조립체를 구동시키는 치형 샤프트 조립체 구동 장치로서,

   a. 상기 조립체는, 상기 치형 너트를 초음파 진동시켜 너트의 일측은 회전축을 향하는 방향으로, 그리고 너트의 반대측은 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 너트를 구부리는 한편 상기 치형 너트를 궤도 방향으로 이동시킴으로써, 상기 너트를 통하여 상기 치형 샤프트를 축방향으로 회전시키면서 동시에 병진시킬 수 있는 수단을 포함하며,

   b. 상기 치형 샤프트는 상기 축방향으로 부하에 작동가능하게 연결되며,

   c. 상기 조립체는 또한 축력을 상기 치형 샤프트에 인가하는 수단을 포함하는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 조립체는 상기 치형 너트를 궤도 방향으로 움직이게 하는 수단을 포함하는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 치형 너트는 강체인 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 치형 샤프트 조립체가 배치되는 하우징을 더 포함하는 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 치형 너트는 상기 하우징에 부착되는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 하우징은 초당 20,000 사이클을 초과하는 제1 굽힘 공진 주파수를 가지며, 제1 굽힘 모드는 상기 회전축에 평행한 평면에 있는 것을 특징으로 하는 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 하우징은 상기 제1 굽힘 공진 주파수와 동일한 제2 굽힘 공진 주파수를 가지며, 제2 굽힘 모드는 상기 제1 굽힘 모드에 대해 직각인 평면에 있는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 치형 너트를 궤도 방향으로 움직이게 하는 수단이 전기 에너지를 힘으로 변환시키는 적어도 두 개의 피에조 변환기로 이루어진 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
9. 회전축을 갖는 치형 샤프트와, 이 치형 샤프트와 결합된 치형 너트로 구성되는 조립체를 구동시키는 치형 샤프트 조립체 구동 장치로서,

   a. 상기 조립체는 상기 치형 너트를 초음파 진동시켜 너트의 일측은 회전축을 향하는 방향으로, 그리고 너트의 반대측은 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 너트를 구부리는 한편 상기 치형 너트를 궤도 방향으로 이동시킴으로써, 상기 너트를 통하여 상기 치형 샤프트를 축방향으로 회전시키면서 동시에 병진시킬 수 있는 수단을 포함하며,

   b. 상기 치형 샤프트는 상기 축방향으로 부하에 작동가능하게 연결되며,

   c. 상기 조립체는 또한 축력을 상기 치형 샤프트에 인가하는 수단을 포함하고,

   d. 상기 너트를 통한 회전은 적어도 360°를 거쳐 일어나는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
10. 회전축을 갖는 치형 샤프트와, 이 치형 샤프트와 결합된 치형 너트로 구성되는 조립체를 구동시키는 치형 샤프트 조립체 구동 장치로서,

    a. 상기 조립체는 상기 치형 너트를 초음파 진동시켜 너트의 일측은 회전축을 향하는 방향으로, 그리고 너트의 반대측은 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 너트를 구부리는 한편 상기 치형 너트를 궤도 방향으로 이동시킴으로써, 상기 너트를 통하여 상기 치형 샤프트를 축방향으로 회전시키면서 동시에 병진시킬 수 있는 수단을 포함하며,

    b. 상기 치형 샤프트는 상기 축방향으로 부하에 작동가능하게 연결되며, 그리고

    c. 상기 조립체는 또한 축력을 상기 치형 샤프트에 인가하는 수단을 포함하며,

    d. 상기 너트를 통한 상기 축방향으로의 회전 및 병진은 상기 초음파 진동의 어느 하나의 진폭의 진폭에 비례하는 거리에 걸쳐 일어나는 것인 치형 샤프트 조립체 구동 장치.
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