KR101374645B1

KR101374645B1 - 차량 구동 시스템, 액추에이터 등으로 이용되는 압전 모터

Info

Publication number: KR101374645B1
Application number: KR1020087013975A
Authority: KR
Inventors: 한스 리히터
Original assignee: 베르타 리히터
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2014-03-19
Also published as: WO2007068441A1; CN101371430B; CN101371430A; EP2013965A1; US7638929B2; JP2009531001A; EP2013965B1; JP5155179B2; KR20080075517A; US20080238247A1

Abstract

본 발명은 기준 부재(2) 및 출력 부재(1) 사이에 배치되고 교대로 전기를 공급받는 클램핑 압전 패킷들(8);과 이 클램핑 압전 패킷 각각에 할당되고 서로 반대 방향으로 배치되는 바람직하게는 2개의 스테핑 압전 패킷(9, 10), 또는 하나의 클램핑 압전 패킷(9); 그리고 클램핑 압전 패킷의 길이 방향으로 서로에 대해 이격될뿐 아니라 상기 출력 부재(1)로부터 이격되는 지점들에서 유사 관절식으로 상기 클램핑 압전 패킷(8)과 연결된 기저부와 연결되는 스러스트 베어링(16);을 포함하는 압전 모터에 관한 것이다. 특히 거울 반사의 대칭 방식으로 배치되는 2개의 모터 어셈블리는 특히 하이브리드 차량 구동 시스템의 범위에서 자동차의 구동 풀리 또는 브레이크 디스크의 양 측면에 작용한다.

압전 모터, 기준 부재, 출력 부재, 클램핑 압전 패킷, 스테핑 압전 패킷, 스러스트 베어링, 모터 어셈블리, 브레이크 디스크.

Description

차량 구동 시스템, 액추에이터 등으로 이용되는 압전 모터{PIEZOELECTRIC MOTOR TO BE USED AS A VEHICLE DRIVE SYSTEM, ACTUATOR, AND SIMILAR}

본 발명은 특히 차량 구동 시스템 또는 액추에이터로서 제공되는 압전 모터에 관한 것이다. 다시 말해 본원의 압전 모터는, 높은 구동 출력이 요구되고, 높은 구동력 및/또는 높은 회전 속도가 요구되는 경우에 적용된다. 이와 관련하여 압전 모터는 회전형 구동 장치뿐 아니라 선형 구동 장치로서도 이용될 수 있다.

본 발명의 특별하고 중요한 적용 범위는 예컨대 하이브리드 차량 구동 시스템의 범위에서 브레이크 디스크에 작용하는 전동기로서의 이용에 있다.

중부하용 구동 장치로서도 계획되는, 높은 구동 출력용 압전 구동 모터는 이미 WO 03/005 553 A2로부터 개시되었다.

위의 특허 명세서에 개시된 압전 구동 시스템은, 상대적으로 고정된 기준 부재와 이에 상대적으로 이동되는 출력 부재 사이에 배치되는 압전 엘리먼트 스택(piezo element stack)의 형태로 다수의 압전 패킷(piezo packet)을 포함한다. 이런 압전 패킷은 기준 부재와 출력 부재 사이의 고정력을 선택적으로 생성하는 역할을 하며, 따라서 클램핑 압전 패킷으로서 지시된다. 이 클램핑 압전 패킷은 각각 압전 엘리먼트 스택 어셈블리의 일측 단부로 기준 부재에 고정되고, 타측 단부 로는 출력 부재 상에 지지되기만 할 뿐, 고정되지는 않는다. 서로 나란하게 배치되는 클램핑 압전 패킷들의 열의 배향은 출력 부재 및 기준 부재 간 상대 운동 방향에 대해 횡방향으로 진행된다.

마찬가지로 각각 압전 엘리먼트 스택으로서 형성되고 자체 기능으로 인해 스테핑 압전 패킷으로서 지시되는 추가의 압전 패킷들은 스택 높이 방향에서 클램핑 압전 패킷의 스택 높이 방향에 대해 수직으로, 그리고 기준 부재 및 출력 부재 간 상대 운동 방향으로 배향된다. 이런 스테핑 압전 패킷들은 각각 자체 압전 엘리먼트 어셈블리의 일측 단부로 재차 기준 부재에 고정되며, 그리고 타측 단부로는 할당되는 클램핑 압전 패킷(또는 할당되는 하위의 클램핑 압전 패킷 그룹)의 단부 중 출력 부재 상에 지지되는 그런 단부와 결합된다.

2개 그룹의 클램핑 압전 패킷과 2개 그룹의 스테핑 압전 패킷이 존재한다. 이들은 전기에 의해 제어되되, 이런 제어는, 각각 일측 그룹의 클램핑 압전 패킷들이 활성화되어, 다시 말해 팽창될 수 있도록 전기를 공급받아, 해당하는 클램핑 압전 패킷들이 출력 부재에 고정되며, 그에 반해 타측 그룹의 클램핑 압전 패킷들은 비활성화되어, 다시 말해 출력 부재와 고정되지 않으면서 고정 해제 위치로 전환되는 방식으로 이루어진다. 그런 다음 고정된 클램핑 압전 패킷 그룹에 할당되는 그룹의 스테핑 압전 패킷들이 활성화되고, 그럼으로써 해당하는 스테핑 압전 패킷들은 팽창되고, 그에 따라 클램핑 압전 패킷들의 단부 중 출력 부재에 고정되는 단부들은 출력 부재의 이동 방향으로 대응하는 거리만큼 변위된다. 그렇게 함으로써 출력 부재는 타측 클램핑 압전 패킷 그룹의 클램핑 압전 패킷들이 해제 위치로 전 환된 조건에서 대응하는 거리만큼 이동하게 된다. 그런 후에 제어가 전환되는데, 다시 말해 앞서 고정된 클램핑 압전 패킷들이 고정 해제 위치로 전환되고, 마찬가지로 해당하는 스테핑 압전 패킷들도 고정 해제 위치로 전환되며, 그럼으로써 앞서 고정된 클램핑 압전 패킷들은 고정 위치로부터 해제되면서 그 초기 위치로 복귀하는 반면에, 이와 동시에 앞서 고정 해제 위치에 있었던 타측 그룹의 클램핑 압전 패킷들은 활성화됨으로써 고정 위치로 전환되고, 그런 후에 대응하는 스테핑 압전 패킷들도 활성화된다. 이와 같은 방식으로 두 그룹의 클램핑 압전 패킷들은 각각 할당되는 스테핑 압전 패킷들과 함께 선택적으로 이용됨으로써 연속적인 스텝 순서를 생성하며, 그럼으로써 출력 부재는 단계적으로 이동하게 된다. 이런 압전 패킷들의 제어는 수 킬로헤르츠, 예컨대 25kHz의 주파수 범위에서 이루어지기 때문에, 대개 기준 부재에 상대적인 출력 부재의 유사 연속 이동(quasi-continuous movement)이 제공된다.

WO 03/005 553으로부터 개시되는 압전 구동 장치의 경우, 기준 부재는 "반경질(semi-rigid)"의 브리지형 플레이트를 통해 클램핑 압전 패킷들의 고정된 스택 단부들과 결합된다. 이와 관련하여 "반경질"은, 브리지형 플레이트가 정적 상태에서 최소한 클램핑 압전 패킷들의 길이 허용오차 범위 및 팽창 행정 범위 내에서 클램핑 압전 패킷들의 스택 높이 차이에 탄력적으로 적응하지만, 그러나 작동 주파수에서의 동적 상태에서는 본질적으로 강성으로 거동하는 것을 의미한다. 이는 압전 패킷들의 이동이 특히 작다는 지식을 기초로 한다. 압전 패킷의 가용한 팽창 거리는 거의 스택 높이의 1000분의 1이다. 따라서 클램핑 압전 패킷들의 스택 높이가 약 20mm인 경우, 팽창 변위는 약 20마이크로미터가 된다. 다른 한편으로 구동 장치 자체의 기계적 부품의 허용오차는 고정밀 방식으로 제조되는 경우 항시 100분의 1밀리미터 범위이다. 또한, 압전 패킷들의 스택 높이도 제조 허용오차에 따르며, 그럼으로써 압전 패킷들이 일렬로 서로 나란하게 배치될 시에, 이 모든 압전 패킷들은 상기 허용오차 범위 이내에서 서로 다른 높이를 갖게 된다. WO 03 005 553에 따른 배치는 위와 같은 사실을 "반경질" 브리지의 제공을 통해 고려했으며, 따라서 상기와 같이 높은 구동 출력에 적합한 압전 구동 장치의 실질적인 기능성을 위한 전제조건을 제공하고 있다. 다시 말해 클램핑 압전 패킷들이 기준 부재와 출력 부재 사이에서 항시 팽팽한 예압 조건에서 고정됨으로써 기능에 필요한 전제 조건이 제공되는 것이다. 왜냐하면, 위의 팽팽한 예압 조건에서 고정되지 않으면, 가용한 팽창 행정 조건에서 출력 부재를 이동시키기 위해 요구되는 고정력과, 그에 따라 필요한 마찰력이 달성되지 못할 수도 있기 때문이다. 클램핑 압전 패킷들의 자유 단부들이 지지되는 출력 부재는 "반경질"의 브리지와 관련하여 강성으로 형성된다.

본 발명의 목적은, 압전 구동 장치에 대해 WO 03/005 553으로부터 개시된 원리에 있어서, 특히 상기 압전 구동 장치의 경제적인 실제 생산성을 고려하고, 전기 구동 장치와 내연 구동 장치 사이에서 선택적으로 전환 가능한 하이브리드 구동 시스템을 자동차에 장착하기 위한 경향의 관점에서, 특히 하이브리드 구동 장치 개념의 범주에서 전기 구동 장치로서 이용하는 점을 고려하면서 상기 원리를 개량하는 것에 있다. 또한, 이와 관련하여 내연 구동 장치만을 장착한 자동차에서도 개조성을 고려해야 하며, 그에 따라 본 발명의 추가 목적은 자동차의 브레이크 디스크(또는 이에 유사한 구동 풀리)에 작용하는 구동 장치로서 상기 압전 구동 시스템을 형성하는 것에 있다.

상기 목적의 본질적인 관점은, 각각의 적용 목적에 따라 낮거나 높은 구동 속도, 또는 경우에 따라서는 광범위한 범위에서 변경 가능한 구동 속도가 생성될 수 있거나, 또는 낮은 속도에서도 극히 높은 구동력이 생성될 수 있는 방식으로, 압전 모터의 배치를 형성하는 것에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 압전 구동 장치와 관련하여 청구항 제1항에 지시된 구성에 의해 달성된다. 본 발명의 구현예 및 개선 실시예는 종속항들의 대상이다.

따라서 청구항 제1항에서 그 핵심 내용으로 설명된 발명은, 각각 클램핑 압전 패킷들 중 어느 하나의 클램핑 압전 패킷에 할당되어 마찰 고정 방식으로 상호 간에 고정되는 독립된 브리지 엘리먼트들의 형상으로, 또는 상기 하나의 클램핑 압전 패킷에 할당되어 재료 브리지를 통해 일체형으로 서로 연결되는 브리지 엘리먼트들의 형상으로 제공되고, WO 03/005 553으로부터 기본적으로 개시되는 "반경질" 브리지의 구조적인 구성을 그 내용으로 하고 있다.

어셈블리의 기하 구조를 선택함으로써, 특히 스테핑 압전 패킷과 기저부(foot) 사이뿐 아니라, 기저부와 스러스트 베어링(thrust bearing) 사이에 제공되는 연결 위치의 상대적인 위치 결정을 선택함으로써, 출력 부재의 작용점에서 스테핑 압전 변위와 기저부 변위 사이의 "변환비"는 각각의 적용 목적에 최적화되어 부합하게 조정될 수 있다.

자동차 구동 시스템으로서 적용하는 경우, 본 발명에 따라 특히 클램핑 압전 패킷들에는 각각 2개의 스테핑 압전 패킷이 할당된다. 이 스테핑 압전 패킷들은 서로 반대 방향으로 배치되고, 각각의 클램핑 압전 패킷의 기저부에서 짧은 거리만큼 클램핑 압전 패킷들의 스택 방향으로 변위된 작용선 및 작용점을 가지며, 그리고 클램핑 압전 패킷의 기저부에서 작용하는 스테핑 압전 패킷들의 작용점 간 간격은 출력 부재 측 기저부 단부와 이 기저부 단부 바로 다음에 위치하는 작용점 간 간격의 수배에 상응한다. 이처럼 스테핑 압전 패킷들의 서로 반대되는 변위 이동에 의해, 그리고 두 작용점과 출력 부재, 그리고 이 출력 부재 바로 다음에 위치하는 작용점 간 간격의 거리 비율에 의해서, 스테핑 압전 패킷들의 변위 행정과 비교하여 출력 부재에서의 스텝 행정을 확대하는 기계적 지렛대 비율이 달성된다. 그렇게 함으로써 자동차 구동 시스템으로서 이용될 시 압전 패킷들의 대응하는 작업 주파수에서 예컨대 브레이크 디스크를 통해 휠 액슬에 직접 전달됨에 따라 분명하게 200km/h 이상의 속도가 달성될 수 있게 된다. 그 외에도 서로 반대 방향으로 향하는 스테핑 압전 패킷들의 제어에 의한 위상 변위를 통해 속도 제어도 간단하게 실현될 수 있다.

본 발명의 상세 내용, 개선 실시예 및 적용 가능성은 다음에서 첨부한 도면에 따라 예시로서 더욱 상세하게 설명된다.

도1은 디스크 상에 작용하는 이중 압전 구동 시스템을 개략적으로 도시한 측 면도이다.

도2는 도1에 따른 구동 어셈블리를 도시한 정면도이다.

도3은 도1 및 도2에 따른 압전 구동 시스템이 적용되는 하이브리드 구동 어셈블리를 도시한 개략도이다.

도4A 및 도4B는 회전형 구동 장치로서 출력축 상에 작용하는 본 발명에 따른 압전 구동 시스템을 각각 도시한 측면도 및 정면도이다.

도5A 및 도5B는 웜기어 스핀들 상에 작용하고 액추에이터로서 이용될 수 있는 본 발명에 따른 압전 구동 시스템을 각각 도시한 측면도 및 정면도이다.

도6A 및 도6B는 본 발명에 따른 선형 압전 구동 시스템을 각각 도시한 측면도 및 평면도이다.

도7은 클램핑 압전 패킷 맞물림을 물림 해제하기 위한 릴리스 장치를 도시한 개략도이다.

도8은 본 발명에 따른 압전 구동 장치용 압전 패킷에 속하는 압전 엘리먼트 스택의 압전 엘리먼트들의 전기 접속 구성을 도시한 개략도이다.

도9는 도1과 유사하지만, 압전 모터 어셈블리를 다소 간소화한 실시예를 도시한 개략도이다.

도1 및 도2는 이중 압전 구동 시스템을 측면도(도1) 및 평면도(도2)로 각각 도시하고 있다. 이중 압전 구동 시스템은 브레이크 디스크(1) 또는 구동 풀리의 양 측면에 작용한다. 도1은 브레이크 디스크를 테두리 면으로부터 바라보고 도시 하고 있으며, 도2는 그 브레이크 디스크의 횡단면을 도시하고 있다. 도1의 화살표는 브레이크 디스크(1)의 이동 방향을 지시한다.

도1 및 도2에 도시한 이중 압전 구동 시스템은 브레이크 디스크(1)의 양 측면에 거울 반사 대칭 방식으로 배치되는 2개의 개별 구동 장치로 구성되고, 이 개별 구동 장치들은 집게를 형성하는 공동의 프레임(2)을 통해 서로 결합된다.

이중 구동 시스템의 각각의 구동 장치는 각각 지지 부재(3)를 구비하는 일련의 4개의 압전 스택 어셈블리를 포함한다. 도1에서는 상기와 같이 해당하는 지지 부재(3)를 구비한 압전 패킷 어셈블리의 측면도를 볼 수 있으며, 도2에서는 각각 서로 나란하게 배치되는 4개의 지지 부재(3)의 열을 확인할 수 있다. 이 지지 부재들은 각각의 압전 패킷 어셈블리를 내포한다. 이중 구동 시스템의 개별 구동 장치의 지지 부재들(3)은 도1에서 알 수 있듯이 각각 브리지(4)를 통해 일체형으로 서로 연결된다.

각 열의 4개의 지지 부재(3)는, 도2로부터 알 수 있듯이, 각각 중간에 스페이서 와셔(5)가 개재된 상태에서, 웜기어 스핀들(6) 및 인장 너트(7)에 의해 마찰 고정 방식으로 서로 고정된다. 각각의 개별 구동 장치의 지지 부재들로서 위와 같이 서로 고정되는 지지 부재들(3)은 각각 최초에 언급한 WO 03/005 553 A2에 기본적으로 개시된 "반경질" 브리지의 브리지 요소를 형성한다.

각각의 지지 부재(3)는 3개의 압전 패킷, 다시 말해 클램핑 압전 패킷(8), 제1 스테핑 압전 패킷(9), 및 제2 스테핑 압전 패킷(10)으로 구성되는 어셈블리를 내포한다. 압전 패킷들(8, 9, 10)은 각각 개략적으로만 도시되어 있다.

클램핑 압전 패킷(8)은 브레이크 디스크(1)의 평면에 대해 수직으로 연장되는 압전 엘리먼트 스택 방향으로 지지 부재(3)와 브레이크 디스크(1)에서 지지되는 기저부(11) 사이에 배치된다. 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)은 각각 브레이크 디스크(1)의 평면에 대해 평행할 뿐 아니라 서로에 대해서도 평행하게 연장되는 압전 엘리먼트 스택 방향을 가지며, 그리고 각각은 지지 부재(3)와 기저부(11) 사이에 배치된다. 이와 관련하여 기저부(11)와의 연결 위치들은 기저부(11)의 길이방향으로 서로 오프셋 되어 있다.

기저부(11)에 대한 두 스테핑 압전 스택(9, 10)의 연결 위치들 또는 작용점들의 간격은 도1에 d1로 표시되어 있으며, 그리고 브레이크 디스크(1)와, 이 브레이크 디스크에 가장 가까이 위치하는 스테핑 압전 스택(9) 및 기저부(11) 간의 연결 위치 사이의 간격은 도1에 d2로 표시되어 있다. 따라서 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)이 활성화될 시에 이 스테핑 압전 패킷들의 팽창 행정이 추가되고, 기저부(11)는 각도에 따라 그에 상응하게 변위되며, 그리고 도1로부터 알 수 있듯이 간격(d2)이 간격(d1)의 수배에 이르는 상황으로 인해 대응하는 지렛대 비율이 생성됨으로써 기저부(11)의 단부 중 브레이크 디스크(1)에 인접하는 단부의 변위 거리는 스테핑 압전 패킷(9)과 연결되는 기저부(11)의 연결 위치의 변위 거리의 수배에 상응하는 그런 구성이 제공된다.

모든 클램핑 압전 패킷의 기저부들(11)은 정적 상태에서 프레임(2)에 의해 브레이크 디스크(1) 쪽에 고정된다. 이는 도1에서 상대적으로 잘 확인할 수 있다. 프레임(2) 내에는, 이동 가능한 중간 플레이트(13)에 작용하는 강력한 공동의 예압 스프링(12)이 위치한다. 그리고 프레임 일측 면의 중간 플레이트(13), 프레임 타측 면의 프레임 자체, 그리고 지지 부재(3)들 각각의 사이에는 인장 스프링(14)이 배치된다. 따라서 지지 부재들(3)의 어셈블리는 작동 주파수에서의 동적 상태에서 최초에 언급한 "반경질" 브리지와 같이 거동하며, 그 결과 각각의 개별 구동 장치에서 총 4개의 압전 패킷 어셈블리로 구성되는 제1 및 제2의 2조 그룹의 클램핑 압전 패킷들 각각에 선택적으로 가압될 시에 항시 가압된 쌍의 클램핑 압전 패킷(8)은 브레이크 디스크(1)와 마찰 고정 방식으로 접촉하며, 그에 반해 각각의 타측의 클램핑 압전 패킷 쌍은 순간적으로 브레이크 디스크(1)로부터 분리된다.

기저부(11)는 도1에 도시된 횡단면 입구 부분에서 알 수 있듯이 스테핑 압전 패킷(10)과의 연결 위치 영역에서 횡단면 수축 부분에 도시한 "조인트"를 통해 클램핑 압전 스택(8)의 기저부 측 단부와 결합된다. 상기 조인트는 클램핑 압전 패킷(8)의 스택 축에 상대적으로 기저부(11)를 각도에 따라 변위시키는 것을 가능케 한다.

앞서 도1과 관련하여 설명한 바와 같이 서로 반대 방향으로 기능하고 평행하게 오프셋 되는 작용선 및 작용점을 가지면서 기저부(11)에 배치되는 2개의 스테핑 압전 패킷(9, 10)을 포함하는 압전 패킷 어셈블리는, 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)의 제어부의 상대적인 위상 위치를 제어함으로써 압전 패킷들의 제어 주파수를 동일하게 유지하면서, 출력 부재의, 본 실시예에서는 브레이크 디스크(1)의 이동 속도 및 이동 방향의 제어를 가능케 한다. (모든) 압전 패킷들의 제어 주파수의 유지는, 출력 부재 상에서, 즉 브레이크 디스크(1) 상에서 지지하는 클램핑 압전 패 킷과 지지하지 않는 클램핑 압전 패킷 간의 전환이 출력 부재의 속도에 의존하지 않으면서 연속적으로 이루어질 수 있도록 하기 위해 필요하다.

두 스테핑 압전 패킷(9, 10)이 동일한 위상으로 제어되면, 그들의 팽창 변위가 완전하게 추가되면서, 디스크(1) 상에서 기저부(11)의 최대 스텝 크기가 달성된다. 지렛대 비율을 고려하면서 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)의 제어부의 상대적인 위상 위치를 변경함으로써, 디스크(1) 상의 기저부(11)에 제공되는 스텝 길이가 변경될 수 있고, 그에 따라 스텝 주파수가 동일하게 유지될 시에 생성되는 디스크(1) 속도도 변경될 수 있다. 또한, 클램핑 압전 패킷들을 제어하기 위해 스테핑 압전 패킷들의 제어 위치 위치를 변경함으로써 디스크의 회전 방향도 전환될 수 있다.

또한, 압전 모터는, 브레이크 디스크(1)가 모터를 "밀어 움직이는(push)" 구성에 의해 발전기로서 기능할 수 있다. 이런 경우 발전기로서 기능하는 압전 모터는, 배터리에 저장되어 이후 모터 작동을 위한 구동 에너지로서 이용될 수 있는 에너지를 생성한다. 특히 하이브리드 구동 개념의 범주에서 차량 구동 시스템으로서 본 발명에 따른 압전 모터를 이용할 시에, 이 압전 모터는 특히 경사 구간 주행 및 정상 제동 과정 시에 제동을 위해 이용될 수 있고, 그에 따라 유압 브레이크는 예컨대 비상 제동과 같은 강한 제동이 이루어질 때에만 이용된다.

도3은 도1 및 도2에 따라 브레이크 디스크에 작용하는 이중 압전 모터를 탑재한 자동차의 하이브리드 구동 어셈블리를 블록 회로도의 형태로 도시하고 있다.

도면은 본 실시예 따라 개략적으로만 도시되고 그 전체가 20으로 지시되는 이중 압전 모터, 마찬가지로 브레이크 디스크(1)에 작용하는 유압 브레이크(21), 그리고 개략적으로 도시된 차량의 내연기관(22)과 함께 브레이크 디스크(1)를 도시하고 있다. 액셀러레이터 페달 또는 가속 페달은 23으로 표시되고, 브레이크 페달은 24로 표시되어 있다. 압전 모터(20)를 통한 전기 구동 장치와 내연 구동 장치 사이의 전환부는 본 실시예에서 도시되지 않는다. 왜냐하면, 그런 전환 장치는 하이브리드 차량 구동 시스템에서 공지된 사항이며, 본 발명의 대상에 속하지 않기 때문이다.

차량이 내연기관(22)으로 주행 된다면, 압전 모터는 분리되는데, 다시 말해 브레이크 디스크(1)로부터 물림이 해제된다. 이런 분리가 실현될 수 있는 방법에 대해서는 이후에 재차 설명된다.

차량이 압전 모터(20)를 통해 구동된다면, 압전 모터는 또한 작동 브레이크로서 기능하고, 그런 다음 전류를 소모하는 대신에 생성하는 발전기로서 기능한다. 브레이크 라인(25)에는 제동 압력 센서(26)가 연결된다. 이 제동 압력 센서는 신호 라인(27)을 통해 조정기(28)(governer)와 연결된다. 조정기(28)는 제동 압력에 반응하고, 그 외에도 브레이크 디스크(1)의 회전 속도를 검출하는 타코미터(29)로부터 속도 신호를 수신하며, 그리고 그에 따라 압전 모터(20)의 작동을, 특히 스테핑 압전 패킷들의 제어부의 위상 위치를 조절한다. 또한, 배터리(30) 또는 배터리 어셈블리가 매우 개략적으로만 조정기(28)의 내부에 블록으로서 도시되어 있다. 배터리 또는 배터리 어셈블리는 물론 몸체가 조정기 내에 배치되는 것이 아니라, 임의의 위치에 배치될 수 있으며, 그리고 압전 모터(20)에 에너지를 공급하거나, 또는 제동 과정 중 브레이크 디스크(1)를 밀 시에 발전기로서 기능하는 압전 모 터(20)에서 생성되는 전기 에너지를 흡수하여 저장한다.

강력한 제동 시에, 특히 제동 압력이 대량으로 상승하는 비상 제동 과정 중에, 브레이크 라인(25)에 배치되는 초과 압력 밸브(31)가 개방되며, 그런 다음 유압 브레이크(21)도 가압 되어 작동을 개시한다.

도4A 및 도4B는 각각 측면도(도4A) 및 정면도(도4B)로 축(35)을 회전시키기 위한 압전 구동 시스템으로서 적용되는 실시예를 도시하고 있으며, 압전 구동 시스템은 단면도로만 도시되어 있다. 마찬가지로 도5A 및 도5B는 각각 측면도(도5A)와 정면도(도5B)로 웜기어 스핀들(36)을 회전시키기 위한 압전 구동 시스템으로서 적용되는 실시예를 도시하고 있으며, 클램핑 압전 패킷들의 기저부들(11)은 웜기어 스핀들(36)의 나사산에 맞물린다. 이런 구성은 높은 제어력을 위한 액추에이터로서 적합하다.

도4A, 도4B, 도5A 및 도5B에서 압전 패킷 어셈블리는 각각 완전하게 도시된 것이 아니라, 절개되어 도시되어 있다. 왜냐하면, 그에 따른 압전 패킷 어셈블리는 도1에 따른 각각의 개별 구동 장치의 어셈블리와 동일하기 때문이다. 자명한 사실로서, 본 실시예에 따라 축을 회전시키거나, 또는 스핀들을 회전시키기 위한 적용을 위해 목적에 더욱 부합하게는, 축 원주부 또는 스핀들 원주부에 작용하는 클램핑 압전 패킷들의 압력을 보상할 수 있도록, 직경 방향으로 서로 마주보고 위치하는 2개의 압전식 개별 구동 장치의 형태로 이중 구동 시스템이 적용될 수 있다.

도6A 및 도6B는 각각 측면도(도6A) 및 정면도(도6B)로 본 발명에 따라 선형 구동 장치로서 구현되는 압전 구동 시스템을 도시하고 있다. 이 압전 구동 시스템은 개별 구동 장치로서 도시되지만, 마찬가지로 이중 구동 시스템으로 형성될 수도 있다. 이런 어셈블리는 도1에 따른 각각의 개별 구동 장치의 어셈블리에 상응하지만, 본 실시예의 경우 프레임(2)은 단지 개별 구동 장치의 지지 부재들(3)을 예압 하기 위한 용도로만 이용되는 텐터 프레임(tenter frame)으로서 구현된다. 그러나 그 프레임은 물론 이중 구동 시스템으로 확장할 시에 기본적으로 도1에 공동의 프레임으로서 제공되는 바와 같이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따라 출력 부재는 플레이트(37)로서 도시되어 있지만, 레일 또는 로드일 수도 있다.

모든 어셈블리에 대해 다음 사항이 적용된다.: 도시한 실시예에서 압전 구동 시스템, 특히 압전 패킷 어셈블리는 고정자에, 다시 말해 어셈블리에서 상대적으로 고정되는 기준 부재에 배치되고, 클램핑 압전 스택의 기저부들(11)은 출력 부재에 작용한다. 그에 반해 어셈블리는 기본적으로 운동학적으로 전환될 수 있는데, 다시 말해 압전 패킷 어셈블리는 출력 부재, 즉 이동 가능한 부재에 배치되고, 클램핑 압전 패킷들의 기저부들(11)은 기준 부재에서 지지되며, 그리고 출력 부재는 기준 부재에 상대적으로 이동하는 방식으로 전환될 수 있다.

모든 도면에 도시한 압전 구동 시스템은 또한 릴리스 장치를 포함한다. 이 릴리스 장치는, 예컨대 이미 언급한 바와 같이, 차량의 구동 장치가 내연 기관에 의해 이루어질 때, 브레이크 디스크(1)로부터 압전 모터의 작용 맞물림의 물림 해제, 또는 기타 출력 부재의 작용 맞물림의 물림 해제를 가능케 한다. 릴리스 장치의 구성 및 작동 방법은 이하에서 도6A 및 도7에 따라 설명된다. 도1에도 릴리스 장치가 도시되어 있지만, 명료성을 이유로 도1에는 부재 번호가 표시되어 있지 않다.

도6으로 부터 분명하게 알 수 있듯이, 각각의 스프링(14)은 간접적으로 직접 지지 부재에 작용하는 것이 아니라, 압력판(50) 및 롤러(51)를 통해 그 지지 부재에 작용한다. 이와 관련하여, 롤러(51)는 지지 부재(3)의 견부(52)에 안착된다.

추가로 도6A로부터 알 수 있듯이, 프레임(2)은 지지 부재(3)의 견부(52)와 동일한 평면상에 견부(53)를 구비한다. 모든 지지 부재(3)의 롤러들(51)은 공동의 작동 로드를 통해 각각의 지지 부재(3)의 견부(52) 상에 안착되는 정상 위치와 도6A에서 우측으로 변위되어 프레임(2)의 견부(53) 상에 안착되는 위치 사이에서 변위될 수 있으며, 더욱 정확하게 말하면 이런 변위는 지지 부재에 대한 평면도를 도시하는 도7에서 확인되는 2개의 판 스프링(54)에 의해 이루어진다. 이 두 판 스프링(54)은 도7에 도시한 바와 같이 외부 방향을 향해 돌출되는 정상 위치에서 예압된다. 또한, 도7에 개략적으로만 도시되고 선택적으로 작동될 수 있는 전자석(55)은 작동 시에 두 판 스프링(54)을 견인하고, 그에 따라 그 판 스프링들(54)을 신장시킨다. 이처럼 일측에서 지지 부재들(3)(또는 프레임의 적합한 위치)에 고정되고 타측에서는 롤러(51)를 작동시키는 로드의 단부 중 각각의 축방향 단부와 연결되는 판 스프링들(54)은, 토글 레버와 같이 작용한다. 전자석(55)에 의한 견인에 의해 판 스프링들(54)이 신장될 시에, 로드와의 연결 위치들(56)은 판 스프링들(54)의 더욱 큰 신장 갈이로 인해 도7에서 오른쪽 방향으로 이동하며, 이런 점은 도6A에 볼 수 있는 롤러(51)가 지지 부재들(3)의 견부(52)로부터 프레임(2)의 견부(53)로 이동하게끔 한다. 그런 다음 지지 부재들(3)은 더 이상 지지되지 않으면서, 출력 부재 쪽으로, 도6A에 따라서는 플레이트(37) 쪽으로 예압 되며, 그럼으로써 출력 부재는 압전 패킷 어셈블리의 기저부들(11) 하부에서 자유롭게 이동할 수 있게 된다.

도8은 자체 전기 단자들과 자체 전기 제어부를 구비한 압전 엘리먼트 스택 형태로 이루어진 압전 패킷의 구성을 기본도로 도시하고 있다.

전기 제어 어셈블리는 LC 발진 회로로서 형성되는데, 다시 말해 커패시터로서의 압전 소자(41)와 발진 코일(40)을 구비한 LC 발진 회로로서 형성된다. 이와 같은 제어부에 의해, 발진 회로 내에는 단지 각각 소모되는 에너지가 다시 공급되기만 하면 되고, 그에 반해 압전 패킷들을 팽창 및 견인하기 위해 필요한 기본적인 에너지 교환은 발진 회로 내부에서 이루어진다.

도시한 어셈블리의 경우 본질적인 상황에 따라, 압전 소자들(41) 사이의 분리 층들로부터 유도되는 접속 돌기들(42)이 압전 패킷과 이격될 시에 비로소 공동의 도체(43 또는 44)와 연결되며, 그럼으로써 접속 돌기들(42)은 압전 패킷의 팽창 진동을 흡수하며, 따라서 공동의 도체와의 연결 위치들과, 압전 소자들에 대한 접속 돌기들의 접속 위치들은 진동 부하를 받지 않게 된다.

접속 돌기들(42)은 바람직하게는 압전 소자와 동일한 폭을 가지며, 그럼으로써 그 접속 돌기들은 면적이 넓게 형성된다. 따라서 접속 돌기들은 압전 소자들 내에 생성된 열을 방출하기 위한 방열판(heat sinker)의 역할을 한다. 접속 돌기들(42)은 지금까지의 실무와 반대로 압전 소자들의 테두리에 접속될 뿐 아니라, 열 방출을 개선함과 더불어 표피 효과(skin effect)를 활용할 수 있도록 하기 위해, 도8에서 분명하게 알 수 있듯이, 구리 포일로서 압전 스택 내부에까지 돌출된다.

도9는 도1과 유사하게 측면도로 압전 모터의 이중 구동 시스템을 도시하고 있다. 이런 압전 모터들은 브레이크 디스크(1) 또는 기타 구동 풀리의 양 측면에 작용한다. 그러나 압전 모터의 구성은 도1에 따른 어셈블리와 반대로 다소 간소화된다. 도9에 따른 어셈블리의 경우, 각각의 클램핑 압전 패킷(8)에 단 하나의 스테핑 압전 패킷(9)만이 할당되며, 그리고 도1에 존재하는 제2 스테핑 압전 패킷(10)은 기준 부재(2)에 고정된 스러스트 베어링(16)에 의해 대체된다. 스러스트 베어링(16)은 유사 조인트(17)(quasi-joint)를 통해 기저부와 연결되고, 유사 조인트는 클램핑 압전 패킷을 향해 기저부(11)의 연결부로부터 약간 이격된다. 여기서 유사 조인트는 인접한 두 개의 구성을 서로 연결시킬 수 있는 기계적 연결부이다. 스테핑 압전 패킷(9)과 기저부(11) 간의 연결은 마찬가지로 유사 조인트를 통해 스러스트 베어링(16)과의 연결부와, 출력 부재(1)와 맞물리는 기저부 단부 사이에서 선택되는 위치에서 이루어진다. 스테핑 압전 패킷(9) 및 스러스트 베어링(16)과 기저부(11)의 연결 위치들의 상대적인 위치 결정에 의해, 변환비가, 다시 말해 출력 부재에 작용하는 기저부 단부의 스텝 길이에 대한 스테핑 압전 패킷의 팽창 거리의 비율이 조정되거나 선택될 수 있다.

도9에 따른 실시예의 경우, 비록 도1에 따른 어셈블리와 비교하여, 배치되는 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)의 변위부의 위상 변위에 의해 최대 속도 및 속도 제어 특성의 손실이 발생하기는 하지만, 간소화된 어셈블리는 경제적이면서도 소형이며, 수많은 적용에 대해서도 충분한 기능을 제공한다.

모든 실시예에서, 속도 제어는, 자연히 "반경질"의 브리지의 기능에 의해 제공되는 한계 이내에서 클램핑 및 스테핑 압전 패킷들의 제어 주파수의 주파수 변경에 의해 이루어지거나, 또는 스테핑 압전 패킷들의 행정, 즉 그 패킷들의 팽창의 변경에 의해, 또는 스테핑 압전 패킷들의 제어 전압의 변경에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명에 따라, 반경질 브리지의 강성을 예컨대 압전 패킷들의 선택된 제어 주파수에, 또는 기타 작동 조건에 부합하게 적응할 수 있도록 하기 위해, 도면에 미도시한 조정 기구로 상기 반경질 브리지의 강성을 변경할 수도 있다. 이와 같이 반경질 브리지의 강성 조정은, 고정된 인장력을 갖는 고정된 기계식 인장 기구(예: 인장 나사, 디스크 스프링 어셈블리 등) 대신에, 압전 액추에이터를 이용하면서, 브리지 부재들을 형성하는 지지 부재들(3)을 변경함으로써 달성될 수 있다. 이와 관련하여 압전 액추에이터는 자체 변위를 야기하는 전기 전압을 가변식으로 공급받음으로써 다소 강하게 팽창되고, 그에 따라 다소 강하게 인장 하는 압력을 브리지 부재들에 공급한다. 인장 변화를 위해서는 매우 짧은 거리만으로도 충분하기 때문에, 압전 액추에이터를 이용한 조정 메커니즘은 그 인장 변화에 우수한 적합성을 나타낸다.

본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서, 다양한 변형과 변경이 가능하다. 상기 실시예는 볼 발명을 제시하려는 것일 뿐 본 발명이 이러한 실시예에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 실시예보다는 첨부된 청구에 의해 제시되며, 청구의 범위 및 그와 동일한 의미 내에서 만들어진 다양한 변형은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 간주한다.

Claims

기준 부재(2)와 출력 부재(1) 사이에 상대 운동을 생성하기 위한 압전 모터로서, 상기 기준 부재(2)와 상기 출력 부재(1) 사이에 배치되고, 출력 부재 및 기준 부재 사이의 상대 운동 방향에 대해 수직으로 배향되며, 그리고 각각은 자체의 일측 단부로 상기 기준 부재(2)에 고정되고, 자체의 타측 단부로는 기저부(11)를 통해 출력 부재(1)에 마찰 고정 방식으로 지지하되, 교호적으로 전기를 공급받는 적어도 2개의 그룹을 포함하는 다수의 클램핑 압전 패킷(8);

또한, 압력 예압 하에 상기 기준 부재(2)에 지지되는 브리지로서, 상기 클램핑 압전 패킷(8)들의 고정된 단부가 지지되되, 정적 상태에서는 클램핑 압전 패킷들의 길이 허용오차를 보상할 정도로 충분한 탄성을 가지지만, 압전 공급 주파수에서의 동적 상태에서는 거동하는 반경질 형태로 형성되는 상기 브리지;

그리고 각각은 하나의 클램핑 압전 패킷(8)에 할당되고, 출력 부재 및 기준 부재 사이의 상대 운동 방향에 대해 평행하게 배치될 뿐 아니라, 각각은 자체의 일측 단부로 기준 부재에 고정되고, 자체 타측 단부로는 상기 할당된 클램핑 압전 패킷의 기저부(11)와 결합되는 다수의 스테핑 압전 패킷(9, 10)을 포함하는 압전 모터에 있어서,

상기 클램핑 압전 패킷(8)은 유사 조인트를 통해 각각 할당되는 기저부(11)와 연결되고,

추가로 상기 기저부(11)는 상기 할당되는 클램핑 압전 패킷(8)과의 연결 위치로부터 이격된 위치에서 추가의 유사 조인트를 통해 스러스트 베어링(16)과 연결되며, 그리고

상기 각각 할당되는 스테핑 압전 패킷(9)은, 상기 스러스트 베어링(16)과의 연결 위치와 상기 기저부(11)의 출력 부재 측 단부 사이에, 또는 클램핑 압전 패킷과의 연결 위치 사이에 설정되는 위치에서 상기 기저부(11)와 연결되고,

상기 유사 조인트는 상기 기저부(11)를 상기 클램핑 압전 패킷(8)과 연결시키고, 상기 기저부(11)를 상기 스러스트 베어링(16)과 연결시키는 기계적 연결부인 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 스러스트 베어링(16)은 제 2 스테핑 압전 패킷(10)에 의해 대체되며, 그에 따라 상기 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)은 서로 반대 방향으로 배향되면서, 각각의 클램핑 압전 패킷(8)의 길이 방향으로 오프셋 된 작용선을 구비하여 배치되며, 그리고 상기 기저부(11)와 상기 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)의 연결 위치들은, 상기 출력 부재(1)에 대한 상기 기저부(11)의 작용점으로부터, 그리고 서로로부터 상기 클램핑 압전 패킷(8)의 길이 방향으로 이격되며,

상기 길이 방향은 각각의 상기 클램핑 압전 패킷(8)이 서로 이어지는 방향인 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 클램핑 압전 패킷(8)과 상기 기저부(11) 간에 유사 조인트를 통한 연결은 기저부의 횡단면 입구 부분에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 2 항에 있어서,

상기 기저부(11)의 단부 중 상기 출력 부재(1)에 작용하는 단부와 상기 출력 부재에 더욱 가까이에 위치하는 스테핑 압전 패킷 연결 위치 사이의 간격은 상기 기저부(11)와 상기 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)의 연결 위치들의 상호 간 이격 간격의 기 설정된 수치의 배에 상응하는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 2 항에 있어서,

상기 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)은 상기 클램핑 압전 패킷(8)과 동기화되어 전기를 공급받으나,

상기 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)은 서로에 대해서는 상대적으로 다른 위상의 전기를 공급받고, 가변의 위상 위치를 갖는 클램핑 압전 패킷에 대해서는 상대적으로 다른 위상의 전기를 공급받는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 반경질 브리지는 각각의 클램핑 압전 패킷(8)에 할당되는 다수의 개별 부재(3)로 분리되고, 이 개별 부재들은 마찰 고정식 예압부(5, 6, 7)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 6 항에 있어서,

상기 반경질 브리지의 부재(3)들은 출력 부재 및 기준 부재 사이의 상대 운동 방향으로 일 측면을 향해 상기 클램핑 압전 패킷(8)들의 종축으로부터 오프셋 되어 함께 고정되며, 그리고 상기 부재들 각각은 상기 클램핑 압전 패킷(8)들의 종축으로부터 타 측면을 향해 상대 운동 방향으로 오프셋 된 위치에서 개별적으로 압력 예압 하에 상기 기준 부재(2)와 연결되며,

상기 종축은 상기 클램핑 압전 패킷(8)들이 서로 이어지는 축인 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 6 항에 있어서,

상기 브리지의 각각의 부재(3)는 각각의 클램핑 패킷(8)과 이에 대응하는 두 스테핑 압전 패킷(9, 10)을 수납하는 지지 부재로서 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 1 항에 있어서,

거울 반사 대칭 방식으로, 또는 직경 방향으로 서로 마주보는 방식으로 배치되고, 상기 출력 부재(1, 35, 36, 37)의 측면 중 서로 반대되거나 직경 방향으로 서로 마주보는 두 측면에 작용하며, 그리고 공동의 기준 부재(2)를 통해 서로 연결되는 2개의 개별 모터 어셈블리로 구성되는 이중 어셈블리로서 형성되는 압전 모터.
제 9 항에 있어서,

상기 두 개별 모터 어셈블리는 회전하는 차량 윈도우 또는 휠 구동 풀리 또는 브레이크 디스크의 양 측면에 작용하는 것을 특징으로 하는 압전 모터.
제 10 항에 있어서,

압력 센서(26)를 통해 차량의 브레이크 라인 내 제동 압력을 검출하고, 이 검출된 제동 압력에 따라 압전 모터를, 배터리(30)에 생성된 전기 에너지를 저장하면서, 상기 브레이크 디스크에 의한 구동을 이용하는 발전기 작동 모드로 전환하는 전기 제어 장치(28)를 구비하여, 자동차의 휠 브레이크 디스크에 작용하는 압전 모터.
제 6 항에 있어서,

반경질 브리지의 부재들(3)의 예압은 인장력을 생성하는 압전 패킷을 이용하여 인장력이 변경되는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 모터.