KR101396748B1 - 넓은 주파수 범위의 전기 기계식 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

공통 액츄에이터 백본(5)에 의해 상호 접속되는 2 이상의 바이몰프, 모노몰프 또는 멀티몰프 전자 기계식 작동 요소(6)를 이용하는 전자 기계식 모터(1)가 개시된다. 이 작동 요소(6)는, 제각기, 길이 방향(L), 즉 작동 요소(6)의 주요 연장 방향 및, 휨 방향, 즉 작동 요소(6)의 벤딩의 양방으로 제어 가능하다. 여러 작동 요소(6)는 또한 개별적으로 제어될 수 있다. 액츄에이터(3)의 치수는 바람직하게는 어떤 주파수 부근의 공진 주파수로 선택된다. 작동 요소(6)는, 액츄에이터와 이동될 본체(2) 간의 어떤 접촉부가 형성되는 상호 작용 부분(7)을 구비한다. 미세 위치 결정 및 공진 모션의 양방에서 잘 동작하기 위해, 상호 작용 부분(7)은 작용 요소(6)와 이동될 본체(2) 간의 음향파의 전달을 부분적으로 억압하도록 배치된다.
전자 기계식 액츄에이터, 액츄에이터 백본, 작동 요소, 상호 작용 부분

Description

넓은 주파수 범위의 전기 기계식 액츄에이터{WIDE FREQUENCY RANGE ELECTROMECHANICAL ACTUATOR}
본 발명은 전기 기계식 액츄에이터 장치 및 이와 같은 장치를 설계하는 방법에 관한 것이다.
상당히 소형화된 모터에 대한 필요성을 가진 수많은 애플리케이션이 존재한다. 예컨대, 소비자 제품에서, 상당한 소형, 경량, 저 전력 소비 및 저가의 모터가 전형적으로 요구된다. 모션 범위(motion range)는 종종 밀리미터의 정도이고, 마이크로미터의 요구된 정확도를 갖는다. 많은 성능의 특성, 예컨대, 고속, 조용한 모션, 저 전력 소비, 쉬운 제어식 위치 결정(positioning) 및 고 위치 결정 정확도가 전형적으로 요구되며, 이들은 어느 정도까지는 양립하지 않는다(contradictory).
동시에 비교적 쉽게 제어되는 상당히 정확한 위치 결정에 도달하기 위해, "워킹(walking)" 메카니즘, 스틱 슬립(stick-slip) 메카니즘, "관성" 위치 결정 또는 스테핑(stepping) 메카니즘과 같은 여러 모션 메카니즘이 선택된다. 이와 같은 원리에 따라 동작하는 대부분의 장치에 대한 공통적인 것은, 이들이 액츄에이터와 이동될 본체(body) 간의 고도의 정적 접촉(static contacting)을 수반하는 것이다. 위치 정확도는 이런 정적 접촉에 크게 의존한다. 그러나, 속도는 종종 비교적 느리 고, 장치는 종종 비교적 시끄럽게 할 수 있는 서브울트라소닉(sub-ultrasonic) 주파수로 동작하며, 전력 효율은 비교적 불량하다. 이와 같은 장치의 전형적인 예는 미국 특허 제6,798,117호에 개시되어 있다.
고속 및 고 전력 효율에 도달하기 위해, 다른 모션 메카니즘이 전형적으로 이용된다. 이들 메카니즘의 대부분에 대한 공통적인 것은 이들이 하나의 방식 또는 다른 방식의 기계적 공진을 이용하는 것이다. 액츄에이터 및/또는 이동될 본체는 이에 의해 진동으로 여기되어, 전형적으로 액츄에이터와 이동될 본체 간의 경험한 마찰을 감소시킨다. 전력 효율은 일반적으로 높게 된다. 대부분의 경우에, 기하학적 치수는, 선택된 주파수가 인간에 대해 동작을 비교적 조용하게 하는 초음파 범위 내에 있도록 한다. 그러나, 예컨대, 개시 및 종료 시퀀스의 위치 정확도 및/또는 쉬운 제어는 달성하기가 곤란하다. 이와 같은 장치의 전형적인 예는 미국 특허 출원 제2005/0073219호에 개시되어 있다.
US 5,345,137에서, 작동 요소(actuating element)의 다차원 모션을 고려하는 초음파 진동자 설계가 개시되어 있다. US 6,066,911에서는, US 5,345,137에 제공되는 요소와의 많은 유사성을 가진 초음파 구동 요소가 개시되어 있다. 그러나, 여기서는, 차례로 배치되는 많은 작동 요소는 조합된 초음파 주파수 모션을 달성하기 위해 이용된다.
나중에 미국 특허 제6,798,117호에는, US 6,066,911에서와 유사한 주요 기하학적 설계가 대신에 이점으로 미세 제어 워킹 메카니즘에 이용될 수 있음을 나타내었다. 그러나, 양호한 동작 특성을 달성하기 위해, 여러 상세 설계가 바람직할 수 있다. 지금까지, 종래 기술의 전자 기계식 액츄에이터는 미세 위치 결정 메카니즘 및 고속 공진 메카니즘의 양방과 함께 잘 동작하지 않는다.
종래 기술의 전자 기계식 액츄에이터에 따른 일반적 문제는, 전자 기계식 액츄에이터가 선택적으로 미세 위치 결정 메카니즘 및 고속 공진 메카니즘과 함께 동작하도록 하는 적절한 설계가 존재하지 않는다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 미세 위치 결정 메카니즘 및 고속 공진 메카니즘의 양방에 따라 동작할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 미세 위치 결정 메카니즘 장치 및 고속 공진 메카니즘 장치의 양립하지 않는 설계 특징 간에 동작 가능한 절충(compromises)을 찾는 것이다.
상기 목적은 포함된 특허청구범위에 따른 장치 및 방법에 의해 달성된다. 일반적으로, 공통 액츄에이터 백본(backbone)에 의해 상호 접속되는 2 이상의 바이몰프(bimorph), 모노몰프 또는 멀티몰프 전자 기계식 작동 요소를 이용하는 일반적 설계가 이용된다. 이 작동 요소는, 제각기, 길이 방향, 즉 작동 요소의 주요 연장 방향 및, 휨 방향, 즉 작동 요소의 벤딩(bending)의 양방으로 제어 가능하다. 여러 작동 요소는 또한 개별적으로 제어될 수 있다. 액츄에이터 치수는 바람직하게는, 이들 2개의 모션 모드에 어떤 주파수 부근의 공진 주파수를 제공하도록 선택된다. 작동 요소는, 액츄에이터와 이동될 본체 간의 어떤 접촉부(contact)가 형성되는 상호 작용 부분을 구비한다. 미세 위치 결정 및 공진 모션의 양방에서 동작하기 위해, 상호 작용 부분은 작용 요소와 이동될 본체 간의 음향파의 전달을 부분적으로 억압하도록 배치된다.
바람직하게는, 전자 기계식 바이몰프, 모노몰프 또는 멀티몰프 볼륨과 상호 작용 부분 간에 음향 임피던스에서 상당한 부정합(mismatch)이 존재한다. 마찬가지로, 음향파의 전달의 억압이 작동 요소와 액츄에이터 백본 사이, 또는 액츄에이터 백본과 액츄에이터 고정자 부분 사이에 제공되고, 액츄에이터 백본을 지지한다. 바람직한 실시예에서, 상호 작용 부분은 미세 위치 결정 및 고속 공진 모션의 요구 간의 절충인 탄력성(elasticity)을 갖는다. 상호 작용 부분 및 작용 요소의 길이 방향 억압은 작용 요소의 최대 길이 방향 익스텐션(extension)의 10% 및 90% 내에 있어야 한다. 마찬가지로, 상호 작용 부분 및 작용 요소의 횡 전단(transversal shearing)은 작용 요소의 최대 벤딩 스트로크(stroke)의 10% 및 90% 내에 있어야 한다. 또한 바람직한 실시예에서, 상호 작용 부분을 포함하는 작용 요소는 길이 방향 진동 및/또는 벤딩 진동의 공진에 20, 더욱 바람직하게는 10 이하의 Q-값을 제공하도록 설계된다.
본 발명은, 그의 다른 목적 및 이점과 함께, 첨부한 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조로 최상으로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 실시예의 블록도이다.
도 2는 상이한 조건 동안 작용 요소의 길이 방향 익스텐션의 관계의 개략도이다.
도 3은 상이한 공진 Q 값의 영향을 설명한 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 액츄에이터의 실시예의 블록도이다.
도 5는 도 4의 액츄에이터의 작동 요소의 진동 상태의 개략도이다.
도 6A-C는 상이한 경계 조건을 가진 빔에 대한 휨 공진 모드의 도시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예의 블록도이다.
도 8은 도 7의 액츄에이터의 진동 상태의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 액츄에이터의 또 다른 실시예의 블록도이다.
도 10은 도 9의 액츄에이터의 진동 상태의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예의 블록도이다.
도 12는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 흐름도이다.
본 발명은 미세 위치 결정 동작 동안 대 고속 공진 동작 동안 상호 작용의 기본 메카니즘으로의 많은 새로운 통찰력(insights)에 기초로 한다. 전자 기계식 바이몰프를 포함하고, 공통 액츄에이터 백본에 의해 상호 접속되는 2개의 작동 요소를 이용하는 설계가 또한 공진 장치에 이용되도록 적어도 제안된 미세 위치 결정 및 유사한 설계에 성공적으로 이용되었으므로, 상세한 설명은 주로 이와 같은 장치에 관계한다.
도 1은 이와 같은 액츄에이터 설계의 기본적 실시예를 도시한다. 전자 기계식 모터(1)는 이동될 본체(2)에 대한 모션을 달성하도록 배치된 액츄에이터(3)를 포함한다. 이 실시예에서, 액츄에이터(3)는 공통 액츄에이터 백본(5)에 기계적으로 접속되는 2개의 작동 요소(6)를 포함한다. 작동 요소(6)는 때때로, 액츄에이터 백 본(5)에 대향하는 작동 요소의 단부에 배치되는 상호 작용 부분(7)에 의해 본체(2)와 접촉한다. 액츄에이터 백본은 전형적으로 액츄에이터(3)의 하우징을 구성하는 액츄에이터 고정자 부분(4)에 의해 지지된다. 작동 요소(6)는 작동 요소를 따라 주요 익스텐션을 가진 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프로서 배치되는 전자 기계식 활동 볼륨(active volumes)(8)을 포함한다. 본 실시예에서는, 바이몰프가 도시된다.
전자 기계식 활동 볼륨(8)은, 본 실시예에서와 대부분의 뒤따른 예에서, 압전 재료를 포함한다. 그러나, 또한, 전왜(electrostrictive) 재료와 같은 다른 타입의 전자 기계 재료는 작동 요소를 구성하기 위해 이용할 수 있다. 본 실시예에서, 활동 볼륨(8)은 압전 바이몰프이며, 여기서, 이 바이몰프의 2개의 부분은 다층 스택(stack)의 압전 층 및 여기 전극에 의해 형성된다.압전 층의 전극은 이 실시예에서 작동 요소(6)의 주요 익스텐션에 수직으로, 즉 본질적으로 주요 변위 방향과 병렬로 지향된다. 선택적 실시예에서, 다수의 전극을 가진 활동 볼륨은 또한 주요 변위 방향으로 지향될 수 있다. 바이몰프의 상이한 부분을 상이한 전압 신호로 여기함으로써, 작동 요소(6)는 길이 방향 L으로 구부려지거나 연장되거나 압축될 수 있다. 즉, 상호 작용 부분은 본체의 주요 변위 방향(9)에 병렬로 및 거기에 수직으로 이동될 수 있다.
고속 및 효율적인 동작을 달성하는 하나의 방식은 하나 또는 수개의 공진 모드에 대응하는 주파수로 모터를 구동시키는 것이다. 특히, 하나의 길이 방향 공진 모드가 본질적으로 하나 이상의 휨 공진 모드와 동일한 공진 주파수를 갖도록 모터 를 설계하기에 편리하다. 그런 식으로, 상호 작용 부분(7)의 올림 및 해제(lifting and releasing)를 유발시키는 길이 방향 이동 및, 본체(2)의 변위를 유발시키는 휨 이동의 양방은 소정의 인가된 전압 신호에 대해 확대될 수 있다. 물론, 공진 모드 중 하나만을 이용하는 모터를 설계하는 것이 가능하다. 이 설계는 보통 컴퓨터를 이용한 수많은 방법으로 행해지고, 캔틸레버(cantilever)에 대한 길이 방향 모드에 대한 주파수의 대충 추정치(rough estimate)는 다음과 같다:
Figure 112009001264815-pct00001
여기서, L은 캔틸레버의 길이이고, Y는 Young의 모듈이며, ρ는 밀도이다. 휨 공진 모드는 다음의 도움으로 추정될 수 있다:
Figure 112009001264815-pct00002
여기서, t는 두께이고, Kn은 순위 n의 모드에 대한 상수이다. 이들 상수 Kn은 공진 순위 n 뿐만 아니라 캔틸레버의 경계 조건에 상당히 의존한다.
동시 길이 방향 및 휨 공진을 위한 모터를 설계하기 위해서는, 작동 요소의 적절한 주파수를 획득하도록 길이가 먼저 선택된다. 청취할 수 없는 범위, 예컨대 20 kHz 보다 큰 주파수를 선택하는 것이 바람직하다. 둘째로, 이 요소의 두께는 휨 공진을 길이 방향 공진과 일치하게 하도록 선택된다. 상기 관계, 이상적인 슬렌더 캔틸레버(slender cantilever)에 대한 두께에 따르면, 두께는 대략 다음에 따라 선택되어야 한다:
Figure 112009001264815-pct00003
(1)
상수 Kn는 모터가 어떻게 설계되는 지에 깊이 관계되며, 이에 대해서는 아래에 더 설명될 것이다. 이런 두께의 선택은 배킹(backing)에 잘 형성된 부착물을 가진 이상적 슬렌더 작동 요소에만 최적이어야 한다. 그러나, 이 두께는 다른 경우에 대해서도 근사치로서 이용될 수 있어, 공진을 미세 조정하는데 어떤 동조가 실제로 필요하다.
본 발명에 따르면, 상호 작용 부분은 이와 같은 액츄에이터에서 매우 중대한 구성 요소인 것으로 발견되었다.
미세 워킹 성능을 분석하려고 할 시에, 액츄에이터의 전체 이용 가능한 신장 변화가 작동 요소가 수축될 시에 이동될 본체와 확실히 접촉하지 않도록 하기에 충분히 커야 한다는 제한이 있음이 발견되었다. 환언하면, 작동 요소가 새로운 "스텝(step)"을 개시하기 위한 원래의 위치로 복귀할 시에, 그것은 어떤 마찰 없이 자유롭게 이동하도록 허용되어야 한다. 이것은 표면의 평탄도(coplanarity) 뿐만 아니라 액츄에이터의 어떤 상호 작용 부분에도 약간의 제한을 가한다. 워킹 메카니즘에 의해 제어된 위치 결정을 달성하기 위해, 상호 작용 부분은 레그 익스텐션(leg extension)의 작은 부분 내에서 동일 평면(coplanar)일 필요가 있다. 길이 방향으로의 어떤 요소의 익스텐션이 추정되면, 레그는 바람직하게는 워킹 동안에 양호한 제어를 보증하기 위해 이 값의 10분의 1 내의 평면이어야 한다.
상술한 모터 타입은 작동 요소와 이동될 본체 간의 어떤 마찰 동작에 기초로 한다. 따라서, 이와 같은 액츄에이터는 이동될 본체에 대해 상호 작용 부분을 누르는 어떤 타입의 수직력(normal force)을 필요로 한다. 상호 작용 부분이 매우 탄력적이면, 수직력은 상호 작용 부분 (및 어느 정도까지는 또한 전자 기계식 볼륨)을 압축한다. 너무 높은 수직력, 또는 매우 부드러운 상호 작용 부분은 상호 작용 부분이 작용 요소의 어떤 익스텐션에서 본체로부터 해제할 수 없게 할 것이다. 그래서, 어떤 워킹 모션을 전혀 실행할 수 없다. 환언하면, 작용 요소의 이용 가능한 길이 방향 익스텐션이, 어떤 마진(margin)으로, 의도된 최대 수직력에 대해 노출될 시에 액츄에이터의 어떤 압축을 초과해야 하므로, 상호 작용 부분은 너무 탄력적일 수 없다.
더욱이, 준정적(quasi-static) 미세 워킹 동안에, 단단하고 딱딱한 상호 작용 부분이 바람직할 수 있다. 작동 요소 및 상호 작용 부분의 어떤 탄력은 워킹 동작에서 스텝 길이를 감소시키며, 결과로서, 속도등을 감소시킬 것이다. 미세 위치 제어, 예컨대, 위치 분해능(resolution)은 또한 딱딱한 레그, 특히 딱딱한 상호 작용 부분으로 많이 개선된다.
한편, 공진 성능을 분석하려고 할 시에, 단단하고 딱딱한 상호 작용 부분이 회피될 수 있음이 발견되었다. 단단한 상호 작용 부분을 가진 작동 요소의 공진 모션은 전형적으로 상호 작용 표면을 상당히 마모시킬 것이다. 또한, 모터가 필연적으로 내부 전력 손실을 가지므로, 그것은 작동 요소에서 모터 하우징으로 열을 운반할 필요가 있다. 이것은 미세 위치 결정 동안보다 고속 동작 시에 더욱 중요하다. 더욱이, 많은 경우에, 매우 조용한 상호 작용 부분을 가진 공진 액츄에이터의 동작은, 이동될 본체의 특성, 특히 그의 표면, 구동 조건, 수직력 등과 같이 제어하기가 곤란할 수 있는 많은 요소에 상당히 의존할 것이다. 이것은 어떤 모터, 특히, 튼튼하고, 여러 응용에 적응 가능한 모터에 바람직하지 않을 수 있다. 예컨대, 공진 주파수가 구동 조건에 의해 영향을 받으면, 그것은 전력 효율을 가능한 양호하게 이용하기 위해 공진 주파수를 추적하는 구동 전자 장치를 가질 필요가 있다. 그러나, 이와 같은 구동 전자 장치는 복잡하고 값이 비싸다.
이상적으로, 모터 동작에 이용되는 공진기는 소량의 공진 에너지가 공진기 및 공진 주파수에 영향이 없거나 거의 없이 출력 작업에 이용되도록 구성되어야 한다. 이것은, 워킹 메카니즘에 최적인 모터가 전형적으로 공진 동작에 덜 적절하다는 이유이다. 따라서, 태스크(task)는 양방의 동작 모드에 액셉트 가능한 절충을 찾는 것이다.
액츄에이터 백본에 의해 상호 접속되는 작동 요소에 기초로 하는 장치에서, 공진 동작은, 상호 작용 부분이 작동 요소와 이동될 본체 간의 음향파의 전달을 부분적으로 억압하기 위해 배치될 시에 잘 되는 것으로 보인다. 이것은 이들 음향파의 영향을 감소시키고, 반사되어, 공진 동작 시에 이동될 본체에 의해 수정될 것이다. 이것은, 나머지 작동 요소에 비해 음향 임피던스의 비교적 큰 부정합을 갖는 상호 작용 부분을 이용하여 달성될 수 있다. 가장 간단한 구성은 상이한 밀도 및/또는 탄성률을 가진 상호 작용 부분을 이용하는 것이다. 상호 작용 부분의 단면이 길이 방향을 따라 계단식으로 변화하면, 음향파는 또한 상당한 범위까지 반사될 것이다.
공진 동작에서, 공진은 작동 요소를 통해 전파하는 일련의 음향파로서 볼 수 있다. 이들 음향파는 여러 경계 및 공진 조건에서 반사되고, 정재파(standing waves)는 여러 파 간의 정의 간섭(positive interference)에 의해 형성된다. 이동될 본체와의 어떤 접촉 없이, 본질적으로 모든 음향파는 반사된다. 무시해도 좋은 정도의 량의 음향 에너지는 주변 미디어에서 압력파로서 생략된다. 그러나, 작동 요소가 본체와 접촉하면, 이 조건은 변화된다. 작동 요소의 나머지와 동일한 음향 임피던스를 가진 상호 작용 부분을 가짐으로써, 작동 요소에서 이용 가능한 음향 에너지의 큰 부분은 본체로 전달될 수 있고, 그 역으로도 전달될 수 있다. 접촉 의존 동작(contact dependent behaviour)을 회피하고, 안정 및 로버스트(robust) 동작을 획득하기 위해, 바람직하게는, 음향 요소와 이동될 본체 간의 음향 부정합이 있어야 한다.
그러나, 작동 요소 그 자체 내의 고유 반사(inherent reflection)를 증대시킴으로써, 음향 에너지의 전달은 감소될 수 있다. 이상적인 경우에, 인터페이스에서의 음향파의 반사율 R은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112009001264815-pct00004
여기서,
Figure 112009001264815-pct00005
은 인터페이스의 각 측면 상의 볼륨의 음향 임피던스이고, 투과율 T는 다음과 같다:
T = 1 - R
이때, 음향 임피던스의 차는 더욱 많은 에너지를 반사시킬 수 있음을 알 수 있다. 공진 본체(resonating body)의 기계적 운동으로서 저장되는 에너지는 크게 형성될 수 있으며, 작은 부분 만이 인터페이스를 통해 전달된다. 따라서, 상호 작용 부분의 음향 임피던스와 작동 요소의 나머지의 음향 임피던스 간의 큰 부정합은 본체와 작동 요소 간의 에너지의 교환을 감소시킨다. 바람직하게는, 부정합율은 50%보다 크다. 그러나, 부정합율은, 약간의 에너지가 본체의 이동 동작을 실행하기 위해 충분히 휨 방향으로 전달되도록 하기에 충분히 커야 한다. 특히 길이 방향으로 음향 에너지의 교환을 감소시킴으로써, 공진 동작 상의 본체의 영향은 또한 감소되어, 공진 주파수를 추적하기 위한 필요성을 감소시키거나 완전히 제거한다.
더욱이, 음향 임피던스 Z는 대략 다음과 같다:
Figure 112009001264815-pct00006
여기서, Y는 탄성률이고, ρ은 밀도이다. 이것은 주요 작동 요소의 전자 기계 재료보다 더 탄력적인 상호 작용 부분이 이와 같은 임피던스 부정합을 발생시킨다는 것을 의미한다. 상호 작용 부분의 증대된 탄력성이 또한 마모의 문제를 감소시키므로, 약간의 탄력적 상호 작용 부분이 바람직하다. 그러나, 강직성(stiffness)은 적절한 미세 위치 동작을 확실히 할만큼 충분히 커야 한다.
전형적으로, 상호 작용 부분은 이상적 워킹 상호 작용 부분보다 더욱어 탄력적이어야 한다. 양호한 절충은, 주어진 수직력에 대해 레그의 전체 길이 방향 익스텐션의 부분인 상호 작용 부분의 길이 방향 형상 변화를 부여하는 탄력성을 갖는 것이다. 이것은 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 좌측 부분에서는, 액츄에이터가 언로드(unload) 및 언익스텐드(unextend)되는 상황이 도시된다. 작동 요소의 전자 기계 부분은 길이 L0를 가지며, 상호 작용 부분은 D0의 두께를 갖는다. 도 2의 중간 부분에는, 액츄에이터가 수직력 F로 로드(load)되는 상황이 도시된다. 작동 요소의 전자 기계 부분은 길이 L1로 압축되었으며, 상호 작용 부분은 그의 두께를 D1로 축소시켰다. 작동 요소의 전자 기계 부분의 압축은 C1 = LO - L1이고, 상호 작용 부분의 압축은 C2 = D0 - D1이다. 도 2의 우측 부분에는, 작동 요소가 길이 방향으로 여기되어, 작동 요소의 전자 기계 부분에 길이 L2를 부여하지만, 상호 작용 부분은 여전히 본질적으로 D1의 두께를 갖는다. 따라서, 작동 요소의 최대 익스텐션은 E = L2 - L1이다. 이 설명에서, 워킹 메카니즘으로 동작할 수 있도록 하기 위해, 가장 우측 상황의 상호 작용 부분의 표면은 가장 좌측 상황의 상호 작용 부분의 표면 위에 있어야 함을 알 수 있다. 환언하면:
L0 + D0 < L2 + D1
이는 아래와 동등하다. 즉,
L0 - L1 + D0 - D1 < L2 - L1
또는
C2 + C1 < E.
타당한 마진(margin)으로, 상호 작용 부분 및 작동 요소의 길이 방향 압축은 이때 작동 요소의 최대 길이 방향 익스텐션의 90% 미만, 바람직하게는 75% 미만이어야 한다.
상술한 공진 동작에 필요로 되는 강직성은 또한 대응하는 용어로 표현될 수 있다. 상호 작용 부분 및 작동 요소의 길이 방향 압축은 작동 요소의 최대 길이 방향 익스텐션의 10%보다 커야 하며, 바람직하게는 25%보다 커야 한다.
어느 정도까지는, 이전의 논의는 접선 탄력성(tangential resilience), 즉 벤딩/휨 방향에 타당하다. 상호 작용 부분의 (및 작동 요소의) 전단(shear)/벤딩 변형은, 모터의 바람직한 접선력 출력에서 작동 요소의 전체 접선 이동의 부분일 뿐이어야 한다. 또한, 여기서, 실제적인 상한치는 90%, 바람직하게는 75%이지만, 아래에 기술되는 바와 같이, 하한치는 존재하지 않는다. 응용에 따라, 바람직한 접선 이동의 부분은 길이 방향 탄력성 및 접선 탄력성에 대해 상이하고 개별적으로 선택될 수 있는데, 그 이유는 공진 동작이 더욱 로버스트하고, 큰 부분을 가진 응용 환경에는 둔감할 것이며, 보다 작은 부분으로 위치 결정 성능이 개선될 것이다. 어떤 경우에, 이 응용은 고 출력을 요구하고, 이 경우에, 접선 탄력성의 선택은 더욱 중대할 것이다.
본체와 액츄에이터 간의 음향파의 전달의 부분적 억압은 여러 구동 조건 상의 공진 주파수 의존(dependence)을 감소시키는데 도움을 준다. 그러나, 또한, 다른 설계 특성은 유사한 결과를 부여할 수 있다. 공진의 양호성(goodness) (Q)은 종종 공진에서의 어떤 변위와 정적 조건에서의 동일한 변위 간의 비에 밀접하게 관계된다. 다른 공통 정의(common definition)는 공진 주파수의 공진 동작의 반치 전폭(full-width half-maximum) 측정치 간의 비를 이용하는 것이다. 무슨 정의가 이용되든 무관하게, 고 Q를 가진, 즉 고도의 인핸스먼트(enhancement)를 가진 공진은 또한 공진이 일어나는 범위가 좁다. 고-Q 공진이 전자 기계식 모터에 이용되면, 동 작은 주파수의 변화에 매우 민감하게 된다. 그러나, Q 값을 일부러 감소시킴으로써, 액셉트 가능한 인핸스먼트가 달성되는 주파수 범위가 증대될 것이다.
이것은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 곡선(100)으로 도시된 고-Q 공진은 공진 주파수 fr 주변의 비교적 협대역 주파수 범위(narrow frequency range) △f1 내에서 달성할 수 있다. 문제의 량, 예컨대, 공진 진동 스트로크의 동적 값은, 정적 스트로크에 대한 δ1sta과 비교되는 바와 같이, δ1dyn으로 증대된다. 곡선(101)으로 도시된 저 Q 값을 가진 공진은 저 최종 인핸스먼트(lower ultimate enhancement) δ2dyn을 제공한다. 그러나, 액셉트 가능한 인핸스먼트는 대신에 광대역 주파수 범위 △f2 내에 제공된다. 상술한 바에 비추어, 상호 작용 부분 타입 및 음향 임피던스는, 주어진 애플리케이션 내의 구동 조건의 주어진 변동에 대해 가능한 한 작게 주파수 시프트를 행하도록 선택될 수 있다. 획득된 가능 주파수 시프트는 이때 공진기의 적절한 Q 값을 선택하는데 이용될 수 있다. 작은 주파수 시프트로, Q 값은 조건이 변화할 시에 성능을 너무 많이 느슨하게 하지 않고 약간 높게 선택될 수 있다. 유사하게, 큰 주파수 시프트로, Q 값은, 조건이 변화할 시에 어떤 성능이 적어도 확실히 획득될 수 있도록 하기 위해 약간 낮게 선택될 수 있다.
실제적 실험 및 설계 고려로부터, 약 10의 Q 값을 가진 공진이 전형적인 것임이 발견되었다. 실제적으로 이용 가능한 Q 값에 대한 타당한 범위는 5 내지 25인 것으로 추정될 수 있다.
Q 값을 변화시키는 하나의 방법은, 일반적인 경우에, 중간 구성 요소, 상호 작용 부분 및 하우징에서 뿐만 아니라 작동 요소 및 백본의 양방에서, 공진 내의 고 및 저 Q 값 물질의 비율을 변화시키는 것이다. 다른 방법은 음향 에너지의 어떤 부분이 공진기로부터 주변 구성 요소로 소산하도록 하는 것이다. 예컨대, 하우징은 전형적으로 세라믹 유닛을 보호할 중합체로 채워지고, 이것은 Q 값을 감소시키는 댐핑 효과를 가질 것이다. 압전 세라믹 재료 (piezoceramic material) 그 자체는 또한 기계적 Q-값에 대해 선택될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 액츄에이터(3)의 한 실시예를 도시한 것이다. 액츄에이터(3)는 공통 백본(5)에 부착된 2개의 "레그" 또는 작동 요소(6)를 포함한다. 본 실시예에서, 작동 요소(6)는 접착제(11)에 의해 백본에 부착된다. 그러나, 다른 실시예에서, 여러 다른 부착 방법, 예컨대, 경납땜(brazing), 납땜 및 동시 소결(co-sintering)이 또한 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 작동 요소(6)와 백본(5) 간의 접착제(11)는, 그의 붙임(fastening) 특성 이외에, 또한 백본(5)의 음향 동작으로부터 작동 요소(6)의 음향 동작을 적어도 부분적으로 분리할 것이다. 작동 요소(6)의 진동 특성은 이때 주로 내부 요소 특성에 의존하고, 백본 특성에는 최소 범위까지만 의존할 것이다. 그러나. 백본(5)에 직면하는 작동 요소(6)의 단부(13)는 그의 모션 시에 제한을 받을 것이다.
도시된 액츄에이터(3)는 선형적이고, 2개의 작동 요소(6)는 (이 도면에 도시되지 않은) 이동될 본체의 주요 변위 방향(9)에서 차례로 한 줄로 배치된다. 선택적 실시예에서, 회전 액츄에이터는, 예컨대, 3개의 그런 유닛을 원형으로 조립함으로써 형성될 수 있다. 작동 요소(6)는 본질적으로 휨 공진, 즉 벤딩과 동일한 주파 수에서 길이 방향 공진을 갖도록 치수가 정해진다. 전형적으로, 제 1 기본적 길이 방향 공진 톤이 이용된다. 이들 작동 요소(6)가 위상 시프트된 신호, 예컨대 정현파 신호로 구성될 시에, 작동 요소(6)의 상부 상의 상호 작용 부분(7)은 타원형 궤도(14)를 따라 이동할 것이다. 이 실시예에서, 작동 요소(6)는 원치 않은 공진 모드를 회피할 두께보다 너 넓을 것이다. 백본(5)은, 접착제(12) 또는 어떤 다른 부착 방법으로, 이 실시예에서 또한 액츄에이터 하우징인 액츄에이터 고정자 부분(4)에 대해 고정될 것이다. 액츄에이터 고정자 부분(4)은, 이 실시예에서, 고 강직성을 가진 재료로 형성되는 것은 별문제로 하고, 고 강직성을 갖도록 형상이 이루어지고, 공진 유닛, 즉 작동 요소(6) 및 어느 제한된 정도까지는 백본(5)과, 액츄에이터 고정자 부분(4) 그 자체 간에 음향 부정합을 생성시킨다. 상술한 일반적인 논의에 따라, 치수 및 재료는, 이동될 본체가 선택된 수직력 F 및 원하는 출력 접선력 T로 상호 작용 부분(7)에 대해 눌려질 시에 공진 주파수의 작은 차를 획득하도록 선택된다. 이런 식으로, 액츄에이터는 특정 애플리케이션에서 잘 동작할 것이다.
도 5는 도 4의 실시예의 작동 요소(6) 중 하나의 주요 진동 특성을 도시하지만, 관찰자에 보기 쉽도록 하기 위해 크기가 상당히 확대되어 있다. 여기서, 벤딩 또는 휨 모션은 타원형 경로로 상호 작용 부분을 이동하기 위해 길이 방향 팽창/수축 모션과 조합할 수 있음을 볼 수 있다. 다른 작동 요소는, 제 1 작동 요소에 대해 미리 정해진 위상 시프트를 가진 어떤 애플리케이션에서 유사한 방식으로 구동될 수 있다.
이전에 본 개시물에서, 휨 모션의 공진은 바람직하게는 길이 방향 팽창/수축의 공진과 조합됨을 알게 되었다. 그러나, 휨 진동은 비교적 복잡하고, 일부 부가적 설명이 유용할 수 있다. 도 6A에서, 연속적인 균일한 캔틸레버 빔(50)이 도시된다. 이 실시예에서, 빔(50)은 기초부(fundament)(55)에 대한 제 1 단부(52)에 고정되며, 이는 빔(50)의 진동 동작을 제한한다. 이에 의해, 빔(50)은 어떤 변위를 나타내지 못하게 되거나 제 1 단부(52)에서 기울기도 나타내지 못하게 된다. 대조적으로, 빔(50)의 제 2 단부(51)는 이동이 자유로우며, 즉 변위 및 기울기의 양방이 허용된다.
제 1 공진 진동 모드(70)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(extreme stroke)(61, 62)로 설명된다. 제 1 노드(60), 즉, 중심선(76) 상에 항상 위치되는 빔(50)의 포인트는 기초부(55)에 대한 부착 포인트에, 즉 제 1 단부(52)에 제공된다. 제 1 진동 모드(70)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=1를 가진 빔(50)의 기초 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 모든 부분이 항상 동일한 방향으로 스트로크(63)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 제 2 단부(51)가 상향으로 구부려질 시에, 빔(50)의 모든 내부 부분은 또한 (제 1 노드의 포인트를 제외하고) 중심선(76) 위에 위치된다. 진동 모드(70)는, 식(1)에 적용될 시에 상수 K1 free와 관련된다. 약한 슬렌더 빔의 경우, K1 free
Figure 112009001264815-pct00007
3.52.
제 2 공진 진동 모드(71)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(68, 69)로 설명된다. 제 1 노드(60)는 또한 여기서 기초부(55)에 대한 부착 포인트에, 즉 제 1 단부(52)에 제공된다. 제 2 진동 모드(71)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=2를 가진 빔(50)의 2차 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 2개의 섹션이 항상 대향한 방향으로 동시 스트로크(64, 65)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 제 2 단부(51)가 상향으로 구부려질 시에 (65), 빔(50)의 일부 내부 부분은 역시 중심선(76) 아래에 위치된다(64). 이것은 전형적으로 빔의 내부의 노드(66)를 생성시킨다. 진동 모드(71)는, 식(1)에 적용될 시에 상수 K2 free와 관련된다. 약한 슬렌더 빔의 경우, K2 free
Figure 112009001264815-pct00008
22.0.
기초 공진 주파수를 이용하여 작동 요소의 두께를 조절하는 문제를 고려하면, 필요로 되는 두께는 길이보다 약 50% 크게 됨을 이해한다. 이것은 전형적인 설계로는 달성하기가 약간 곤란할 수 있다. (더욱이, 상수의 계산은 이런 관계가 적절치 않음을 나타낼 수 있는 엷은 캔틸레버를 추정하였다). 그러나, 2차 공진의 사용은, 설계 관점에서 더욱 타당할 수 있는 1/4의 순위에서 작동 요소의 두께와 길이 간의 비율을 제공한다.
그러나, 작동 요소의 휨 진동은 실제적으로 상술한 바와 같이 이상적이지 않다. 작동 요소가 그의 제 2 단부에서 이동될 본체와 상호 작용하므로, 다른 경계 조건은 적어도 진동 사이클의 일부 동안에 유효하다. 도 6B에서, 다른 연속적인 균일한 캔틸레버 빔(50)이 도시된다. 이 실시예에서, 빔(50)은 기초부(55)에 대한 제 1 단부(52)에 고정되며, 이는 빔(50)의 진동 동작을 제한한다. 이에 의해, 빔(50) 은 어떤 변위를 나타내지 못하게 되거나 제 1 단부(52)에서 기울기도 나타내지 못하게 된다. 빔(50)의 제 2 단부(51)는, 변위가 제한되는 반면에, 제 2 단부의 기울기가 허용되는 식으로 본체(56)와 접촉해 있다. 이 경계는 강제 힌지 기능성(forced hinge functionality)을 나타내는 원형(53)으로 표시된다.
제 1 공진 진동 모드(72)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(61, 62)로 설명된다. 제 1 노드(60)는 전과 같이 제 1 단부(52)에 제공된다. 제 2 노드(67)는 경계 조건의 결과로서 제 2 단부(51)에 제공된다. 제 2 진동 모드(72)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=1를 가진 빔(50)의 기초 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 모든 부분이 항상 동일한 방향으로 스트로크(63)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 내부의 한 부분이 상향으로 구부려질 시에, 빔(50)의 모든 내부 부분은 또한 (제 1 및 2 노드의 포인트를 제외하고) 중심선(76) 위에 위치된다. 진동 모드(72)는, 식(1)에 적용될 시에 상수 K1 tilt와 관련된다. 약한 슬렌더 빔의 경우, K1 tilt
Figure 112009001264815-pct00009
15.4.
제 2 공진 진동 모드(73)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(68, 69)로 설명된다. 제 1 노드(60)는 또한 여기서 제 1 단부(52)에 제공되고, 제 2 노드(67)는 제 2 단부(51)에 제공된다. 제 2 진동 모드(73)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=2를 가진 빔(50)의 2차 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 2개의 섹션이 항상 대향한 방향으로 스트로크(64, 65)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 한 섹션이 상향으로 구부려질 시에 (65), 빔(50)의 일부 내부 부분은 역시 중심선(76) 아래에 위치된다(64). 이것은 전형적으로 빔의 내부의 노드(66)를 생성시킨다. 진동 모드(73)는, 식(1)에 적용될 시에 상수 K2 tilt와 관련된다.
도 6C에서는, 또 다른 연속적인 균일한 캔틸레버 빔(50)이 도시된다. 이 실시예에서, 빔(50)은 기초부(55)에 대한 제 1 단부(52)에 고정되며, 이는 빔(50)의 진동 동작을 제한한다. 이에 의해, 빔(50)은 어떤 변위를 나타내지 못하게 되거나 제 1 단부(52)에서 기울기도 나타내지 못하게 된다. 빔(50)의 제 2 단부(51)는 마찬가지로 변위도 기울기도 허용되지 않는 식으로 본체(56)와의 접촉에 의해 고정된다.
제 1 공진 진동 모드(74)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(61, 62)로 설명된다. 제 1 노드(60)는 전과 같이 제 1 단부(52)에 제공된다. 제 2 노드(67)는 경계 조건의 결과로서 제 2 단부(51)에 제공된다. 여기서, 경계 조건이 도 4B와 상이하므로, 특히 제 2 노드(67)에 근접한 빔의 스트로크는 또한 상이함에 주목한다. 제 1 진동 모드(74)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=1를 가진 빔(50)의 기초 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 모든 부분이 항상 동일한 방향으로 스트로크(63)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 내부의 한 부분이 상향으로 구부려질 시에, 빔(50)의 모든 내부 부분은 또한 (제 1 및 2 노드의 포인트를 제외하고) 중심선(76) 위에 위치된다. 진동 모드(74)는, 식(1) 에 적용될 시에 상수 K1 fix와 관련된다. 약한 슬렌더 빔의 경우, K1 fix
Figure 112009001264815-pct00010
22.4.
제 2 공진 진동 모드(75)는 질적으로 정지 빔의 중심선(76)의 2개의 극단 스트로크(68, 69)로 설명된다. 제 1 노드(60)는 또한 여기서 제 1 단부(52)에 제공되고, 제 2 노드(67)는 제 2 단부(51)에 제공된다. 제 2 진동 모드(75)는, 상술한 경계 조건, 즉 순위 n=2를 가진 빔(50)의 2차 휨 공진 진동이다. 이것은 또한 빔의 2개의 섹션이 항상 대향한 방향으로 스트로크(64, 65)를 나타낸다는 사실로 보여질 수 있다. 환언하면, 빔의 한 섹션이 상향으로 구부려질 시에 (65), 빔(50)의 일부 다른 내부 부분은 역시 중심선(76) 아래에 위치된다(64). 이것은 전형적으로 빔의 내부의 노드(66), 즉 제로 스트로크 크기를 나타내는 내부 위치를 생성시킨다. 진동 모드(75)는, 식(1)에 적용될 시에 상수 K2 fix와 관련된다.
작동 요소가 이동될 본체와 접촉하지 않고 이동할 시에, 도 6A의 조건은 이 상황을 아주 잘 기술하는 것으로 추정된다. 그러나, 작동 요소가 이동될 본체와 접촉할 시에, 아마 도 6B 및 6C의 조건과 유사한 여러 조건이 생성할 수 있다. 이해될 수 있듯이, 공진 주파수가 제 2 단부를 어떻게 고정하는지에 매우 민감하므로, 자유단(free end) 구성의 기초 휨 캔틸레버 주파수를 이용하는 것이 매우 곤란할 것이다. 그러나, 이용된 주파수를, (K2 free에 대응하는) 자유단을 가진 빔의 제 2 공진 주파수의 영역으로 동조시킴으로써, 이들 문제는 상당히 감소된다. 이 공진 주파수가 도 6B 또는 6C에 따라 빔의 기초 공진 주파수의 부근에 있으므로, 도 6A의 2차 진동 모드와, 도 6B 또는 6C와 약간 유사한 기초 진동 모드 간의 전달이 용이해진다. 양방의 경우에, 적용된 주파수는 공진 주파수에 가까워, 양호한 인핸스먼트 특성을 나타낸다. 환언하면, 상수 K2 free, K1 tilt 및 K1 fix는 비교적 서로 근접해 있다.
또한 유사한 주파수를 가지는 고차(higher order) 벤딩 진동 모드를 발견할 가능성이 있다. 현재, 제로 스트로크 크기를 나타내는 각 작동 요소 내에서 단지 하나의 내부 위치를 가진 벤딩 진동 모드는 대부분의 모터 설계에서 가장 실제적인 선택이다. 그러나, 상수 Km free, Kn tilt 및 Kn fix 간의 동일한 유익한 유사성(similarity)을 나타내는 고차 조합은 어떤 특정 모터 설계에서 이용되며, 전형적으로 m=n+1이다. 환언하면, 2개의 고정단(fixed end) 또는 하나의 고정단 및 하나의 힌지(hinged)단을 가진 빔의 제 2 벤딩 진동 모드는, 제 1 벤딩 진동 모드, 즉 하나의 고정단 및 하나의 자유단을 가진 빔의 순위보다 낮은 순위, 전형적으로 하나의 스텝이다.
또한, 작동 요소의 두께가 유사한 주파수에서 길이 방향 공진을 부여하도록 조정되면, 양호한 구동 특성은 작동 요소로부터 예상된다.
백본은 모터 또는 액츄에이터의 중요한 부분이고, 그것은 수개의 기능을 갖는다. 본 발명에서, 고속 운동은 공진에 의해 행해지고, 공진기는 항상 어느 정도까지는 백본을 포함할 것이다. 도 4의 실시예에서, 접착제는 이런 의존 성(dependency)을 감소시키지만, 항상 의존성이 약간 남아 있을 것이다. 물론, 공진 상태에 있는 부분만이 작동 요소 자신이지만, 기계적 진동이 어느 정도까지는 작동 요소와 가장 근접한 기계적 접촉 상태인 구성 요소를 항상 수반하는 모터를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 일부 실시예에서, 백본 그 자체는 진동자의 여기 시에 더욱 중요한 역할을 하도록 설계될 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 액츄에이터(3)는 공통 백본(5)에 부착되는 4개의 "레그" 또는 작동 요소(6)를 포함한다. 본 실시예에서, 작동 요소(6)는, 동시 소결에 의해, 음향파가 고도로 백본(5)과 교환되도록 하는 인터페이스(15)를 제공하는 백본에 부착된다. 이것은 작동 요소(6)와 백본(5) 간의 음향 커플링이 매우 양호하고, 전체 액츄에이터(3)가 백본(5)과 작동 요소(6)의 양방에서 모션을 포함하는 모드에서 진동하는 것을 의미한다. 백본(5)은 이 실시예에서 비전자 기계 활성 물질을 포함하고, 어떤 진동은 인터페이스(15)에서 기계적 접속을 통해 작동 요소의 전자 기계 볼륨의 동작에 의해 여기된다. 작동 요소 내의 활성 물질은, 인터페이스(15)에서 백본(5)의 벤딩에 영향을 미치는 횡 수축을 나타낸다. 따라서, 백본(5)은 진동에 수동으로 관여하도록 허용된다.
대신에, 백본(5)과 액츄에이터 고정자 부분(4) 간의 음향 커플링, 이 실시예에서는 하우징이 약하게 형성된다. 본 실시예에서, 백본(5)은 하우징에 부착된 피벗 지지대(16) 상에 위치되며, 이는, 피벗 지지대(16)의 위치에서 노드를 갖는 백본(5)의 벤딩 모드가 장려된다는 것을 의미하며, 그 이유는 음향 에너지의 상당한 소량이 이와 같은 경우에 액츄에이터 고정자 부분(4)으로 전달되기 때문이다. 피벗 지지대(16)는 2개의 중앙 작동 요소의 외부에 대칭으로 배치되지만, 2개의 외부 작동 요소의 내부에 배치된다. 선택적 실시예에서, 피벗 지지대는, 간단히 하우징 표면에 대해 지지하는 백본(5)의 부분으로서 설계될 수 있다.
도 8은 도 7의 액츄에이터의 일부 가능 진동 모드를 도시한다. 백본은 본래 피벗 지지대의 위치에 있는 노드와 함께 본질적으로 벤딩 모션을 실행한다. 이와 같은 벤딩은 작동 요소(6)가 길이 방향으로 위아래로 이동하도록 할 것이다. 이 실시예에서, 길이 방향 모션은, 공진 동작 중에, 작동 요소 그 자신의 팽창/수축을 대신할 수 있거나, 조합이 활용될 수 있다. 공진 주파수의 어떤 대응(correspondence)이 고려될 필요가 없고, 작동 요소를 설계할 더욱 큰 자유도(a larger degree of feedom)가 있을 것이다. 그러나, 길이 방향 팽창을 이용하는 가능성은 적어도 저 주파수에서 남아 있을 필요가 있는데, 그 이유는 이와 같은 팽창이 미세 위치 결정 중에 이용되기 때문이다. 작동 요소 그 자신의 벤딩 공진은, 이동될 본체에 변위 방향의 모션을 제공하는데 이용될 수 있는 모션을 달성할 가능성을 제공한다.
도 9는 본 발명에 따른 액츄에이터(3)의 모터의 또 다른 실시예를 도시한다. 액츄에이터(3)는 또한 본 실시예에서 공통 백본(5)에 부착되는 4개의 "레그" 또는 작동 요소(6)를 포함한다. 그러나, 이 경우에, 작동 요소(6)는 노드로부터 분리되는 위치에 배치된다. 백본은 2 이상의 상이한 진동 모드를 고려하도록 액츄에이터 고정자 부분(4) 상에 비대칭으로 배치된다. 따라서, 본 실시예는 또한 공진기 내에서 백본을 활동적으로 이용한다.
도 10은 도 9의 액츄에이터의 일부 가능 진동 모드를 도시한다. 백본은 본질적으로 벤딩 모션을 실행한다. 노드가 작동 요소(6)에 대해 비대칭으로 위치되므로, 이와 같은 벤딩은 작동 요소(6)가 길이 방향으로 위아래로 이동하도록 하고, 동시에 전진 및 후진의 기울기 모션을 나타내도록 할 것이다. 전과 같이, 이 실시예에서, 길이 방향 모션은, 공진 동작 중에, 작동 요소 그 자신의 팽창/수축을 대신할 수 있거나, 조합이 활용될 수 있다. 그러나, 길이 방향 팽창을 이용하는 가능성은 적어도 저 주파수에서 남아 있을 필요가 있는데, 그 이유는 이와 같은 팽창이 미세 위치 결정 중에 이용되기 때문이다. 본 실시예에서, 기울기 모션은 작동 요소 자신의 벤딩 공진과 조합되 수 있고, 이동될 본체에 변위 방향의 모션을 제공하는데 이용될 수 있는 모션을 달성하는데 이용된다.
도 11은 본 발명에 따른 액츄에이터(3)의 모터의 또 다른 실시예를 도시한다. 액츄에이터(3)는 도 4의 액츄에이터와 약간 닮았지만, 2개의 다른 작동 요소(6A) 사이에 중간 작동 요소(6B)가 제공된다. 측면 작동 요소(6A)는 미세 위치 결정 뿐만 아니라 도 4의 액츄에이터에 대해 기술된 것과 유사하게 공진 고속 운동에 이용된다. 중간 작동 요소(6B)는 미세 위치 결정을 위해서만 이용되고, 고속 운동 중에는 전혀 활성화되지 않는다. 소프트 압전 세라믹이 이용되면, 공진 중에 활성화된 작동 요소(6A)는 항상 중간 작동 요소(6B) 위로 연장하여, 중간 작동 요소(6B)와, 고속 운동 중에 이동될 본체 간에 접촉이 없을 것이다. 고속 운동이 완료되면, 작동 요소(6B)는 계단식으로 최종 미세 위치 결정을 하는데 이용된다. 이런 작동 요소는 또한 최상으로 가능한 미세 위치 결정 성능을 갖기 위해 더욱 강직 한 상호 작용 부분을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본체의 미세 위치 결정은 여러 방식으로 실행될 수 있다. 예컨대, 도 4의 실시예에 대해, 표준 워킹 방법은 쉽게 구현되며, 여기서, 하나의 작동 요소는 항상 본체와 접촉하지만, 다른 작동 요소는 초기 위치로 리셋한다. 이와 같은 워킹 메카니즘은 많은 다른 종래 기술의 문서, 예컨대 미국 특허 제6,798,117호에 논의되어 있다. 그러나, 유사한 실시예지만, 더욱 많은 작동 요소를 가진 실시예가 또한 가능하다.
그러나, 미세 위치 결정 운동 전략은 여러 방식으로 선택될 수 있으며, 그 중 일부는 아래에 기술된다. 2개의 작동 요소만을 가진 이들 설정에 따른 이점은 작동 요소의 평탄화(planarization)가 필요치 않는다는 것이다.
하나의 선택적인 미세 위치 결정 운동 전략에서, 양방의 작동 요소는 본체와 접촉하여 함께 이동되어, 본체를 변위시킬 것이다. 그러나, 어떤 거리 후에, 작동 요소는 다시 이들의 개시 형상으로 복구될 필요가 있다. 그 후, 작동 요소는 상호 작용 부분이 본체에 대해 슬립(slip)하도록 고 가속화 역방향으로 이동된다. 그 후, 작동 요소는 완전 마찰 접촉(스틱(stick))으로 다시 서서히 순방향(forward)으로 이동된다. 이런 타입의 스틱-슬립 메카니즘은 적당한 접선 및 수직력에 적절하다.
다른 선택적 미세 위치 결정 운동 전략에서, 양방의 작동 요소는, 복원 단계에서, 고 가속화 역방향 및 하향으로 동시에 이동됨으로써, 상호 작용 부분이 해제되거나, 적어도 수직력이 감소되도록 한다. 마찰이 적거나 없는 본체와 상호 작용 부분 간의 상대 운동이 존재할 것이다. 그 후, 상호 작용 부분은 서서히 순방향 및 상향으로 이동됨으로써, 본체는 다시 변위된다. 이 사이클은 고 수직력이 약간 수반될 시에 적절한다.
또 다른 선택적 미세 위치 결정 운동 전략에서, 작동 요소는 개별적으로 및 원칙적으로 단번에 이동된다. 하나의 작동 요소는 마찰 계수를 감소시키도록 고정되거나 더욱 더 진동하는 반면에, 다른 작동 요소는 본체를 순방향으로 이동한다. 본체를 이동시킨 작동 요소에 대한 사이클의 복귀 부분은 역방향 및 하향 운동의 조합에 의해 형성된다. 이 방법에 따른 이점은 고정 작동 요소가 대부분의 수직력을 지지하여, 이전의 것보다 더 높은 수직력으로 동작할 수 있게 할 것이다.
본 발명에 따른 설계 방법의 실시예의 주요 단계는 도 12에 도시되어 있다. 이 절차는 단계(200)에서 개시한다. 단계(210)에서, 이동될 본체에 접촉하기 위한 상호 작용 부분을 가진 2 이상의 작동 요소, 이 작동 요소를 기계적으로 접속하는 액츄에이터 백본 및, 이 액츄에이터 백본을 기계적으로 지지하는 액츄에이터 고정자 부분을 구비한 전자 기계식 액츄에이터가 설계된다. 작동 요소는, 여기 시에 형상 변화를 나타내는 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨을 포함한다. 이 형상 변화는, 액츄에이터 백본과 상호 작용 부분 간에 지향되는 길이 방향으로의 치수 변화 및, 이 길이 방향에 수직이고, 이동될 본체의 주요 변위 방향에 평행한 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨의 벤딩의 치수 변화를 포함한다. 단계(212)에서, 상호 작용 부분은, 작동 요소와 이동될 본체 간의 음향파의 전달을 부분적으로 억압하기 위해 배치된다. 이 절차는 단계(219)에서 종료된 다.
본 발명에 따른 설계 방법의 실시예의 주요 단계는 도 13에 도시되어 있다. 이 절차는 단계(220)에서 개시한다. 단계(222)에서, 전기 신호는 그의 형상 변화의 여기를 위해 2 이상의 작동 요소에 인가된다. 이 형상 변화는, 액츄에이터 백본과 상호 작용 부분 간에 지향되는 길이 방향으로의 치수 변화 및, 이 길이 방향에 수직이고, 이동될 본체의 주요 변위 방향에 평행한 작동 요소의 벤딩의 치수 변화를 포함한다. 인가된 전기 신호의 주파수는 벤딩의 벤딩 진동 공진 뿐만 아니라 치수 변화의 길이 방향 진동 공진의 부근에 있도록 선택된다. 이 절차는 단계(229)에서 종료된다.
상술한 실시예는 본 발명의 몇몇 예시적인 예들로서 이해될 수 있다. 당업자는, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 이들 실시예에 대한 여러 수정, 조합 및 변경이 행해질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 여러 실시예에서의 여러 부분의 솔루션은 기술적으로 가능한 다른 구성에 조합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범주는 첨부한 청구범위로 규정된다.

Claims (24)

  1. 이동될 본체(2)에 접촉하기 위한 상호 작용 부분(7)을 가진 각각의 2 이상의 작동 요소(6; 6B);
    상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)를 기계적으로 접속하는 액츄에이터 백본(5) 및;
    상기 액츄에이터 백본(5)을 기계적으로 지지하는 액츄에이터 고정자 부분(4)을 포함하는데,
    상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)는 각각 여기 시에 형상 변화를 나타내는 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨(8)을 포함하고;
    상기 형상 변화는, 상기 액츄에이터 백본(5)과 상기 상호 작용 부분(7) 간에 지향되는 길이 방향(L)으로의 치수 변화 및, 상기 길이 방향(L)에 수직이고, 이동될 상기 본체(2)의 주요 변위 방향(9)에 평행한 상기 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨(8)의 벤딩의 치수 변화를 포함하는 전자 기계식 액츄에이터(3)에 있어서,
    상기 상호 작용 부분(7)은 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 각각과 이동될 상기 본체(2) 간의 음향파의 전달을 부분적으로 억압하기 위해 배치되며;
    상기 상호 작용 부분(7)은 이동될 상기 본체(2)와 상기 전자 기계식 액츄에이터(3) 간의 요구된 수직력에서 상기 길이 방향(L)의 상기 치수 변화의 최대치와, 상기 요구된 수직력에서의 상기 작동 요소(6; 6B)의 길이 방향 압축 간의 차의 10%와 90%의 사이인 길이 방향 압축을 부여하는 탄력성을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 작용 부분(7)은 상기 작동 요소(6; 6B)의 음향 임피던스와 상당히 상이한 음향 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상호 작용 부분(7)의 상기 음향 임피던스는 상기 작동 요소(6; 6B)의 상기 음향 임피던스와 50% 이상 상이한 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 작용 부분(7)은 이동될 상기 본체(2)와 상기 전자 기계식 액츄에이터(3) 간의 원하는 출력 접선력에서 상기 상호 작용 부분(7)에서의 상기 벤딩의 최대 스트로크와, 상기 원하는 출력 접선력에서의 상기 작동 요소(6; 6B)의 상기 주요 변위 방향(9)의 전단 간의 차의 10%와 90%의 사이인, 상기 주요 변위 방향(9)에 전단을 부여하는 탄력성을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    이동될 상기 본체(2)의 변위 중에 벤딩 진동의 주요 부분은 각각의 상기 작동 요소(6; 6B) 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 작동 요소(6; 6B)는 상기 액츄에이터 백본(5)의 음향 임피던스와 상당히 상이한 음향 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 작동 요소(6; 6B)는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)와 상기 액츄에이터 백본(5) 간의 음향파의 전달을 적어도 부분적으로 억압하기 위해 배치된 수단(11)에 의해 상기 액츄에이터 백본(5)에 기계적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    이동될 상기 본체(2)의 변위 중에 벤딩 진동은 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)와 상기 액츄에이터 백본(5)의 양방을 수반하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 액츄에이터 백본(5)은 상기 액츄에이터 고정자 부분(4)과 상기 액츄에이터 백본(5) 간의 음향파의 전달을 적어도 부분적으로 억압하기 위해 배치된 수단(12, 16)에 의해 상기 액츄에이터 고정자 부분(4)에 기계적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치수 변화는 주파수에서 길이 방향 진동 공진을 가지며;
    상기 벤딩은 상기 길이 방향 진동 공진의 상기 주파수의 부근의 벤딩 진동 공진을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 길이 방향 진동 공진의 상기 주파수의 상기 부근의 상기 벤딩 진동 공진은 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)가 동일한 각각의 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 제 2 부분의 동시 스트로크에 비교되는 대향 방향의 스트로크를 나타내는 제 1 부분을 갖는 벤딩 진동 모드에 대응하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 길이 방향 진동 공진의 상기 주파수의 상기 부근의 상기 벤딩 진동 공진은 제로 스트로크 크기를 나타내는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)내에서 단지 하나의 내부 위치만을 항상 가진 벤딩 진동 모드에 대응하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수의 상기 부근의 상기 벤딩 진동 공진은 제로 스트로크 크기를 나타내는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)내에서 하나 이상의 내부 위치를 적어도 어떤 순간에 가진 벤딩 진동 모드에 대응하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)는
    Figure 112013095827683-pct00027
    의 부근의 범위 내에서 선택되는 상기 벤딩 진동의 방향의 두께 t를 갖는데,
    여기서, L은 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 길이이고, Kn은 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 순위 n의 벤딩 진동의 상수인 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 벤딩 진동의 상수는 15 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 벤딩 진동의 상수는 한 단에서 고정되고, 대향 단에서 자유인 작동 요소에 대한 2차 공진 진동의 벤딩 진동의 상수의 부근에 있는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터.
  17. 전자 기계식 모터(1)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 전자 기계식 액츄에이터(3) 및;
    이동될 본체(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 모터
  18. 이동될 본체(2)에 접촉하기 위한 상호 작용 부분(7)을 제각기 가진 2 이상의 작동 요소(6; 6B) 및, 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)를 기계적으로 접속하는 액츄에이터 백본(5)을 가진 전자 기계식 액츄에이터(3)를 구동하는 방법으로서, 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 각각의 상기 상호 작용 부분(7)은 상기 액츄에이터 백본(5)에 대향하는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 각각의 단부에 위치되는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법에 있어서,
    형상 변화의 여기를 위해 각각의 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨(8)에 전기 신호를 인가하는 단계(222); 및
    상기 상호 작용 부분(7)의 탄력성에 의해, 이동될 상기 본체(2)와 상기 전자 기계식 액츄에이터(3) 간의 동작 중의 요구된 수직력(N)에서 상기 길이 방향(L)의 상기 치수 변화의 최대치와, 동작 중의 상기 요구된 수직력(N)에서의 상기 작동 요소(6; 6B)의 길이 방향 압축 간의 차의 10%와 90%의 사이인 길이 방향 압축을 부여하는 단계를 포함하는데;
    상기 형상 변화는, 상기 액츄에이터 백본(5)과 상기 상호 작용 부분(7) 간에 지향되는 길이 방향(L)으로의 치수 변화 및, 상기 길이 방향(L)에 수직이고, 이동될 상기 본체(2)의 주요 변위 방향(9)에 평행한 상기 전자 기계 모노몰프, 바이몰프 또는 멀티몰프 볼륨(8)의 벤딩의 치수 변화를 포함함으로써;
    상기 인가된 전기 신호의 주파수는 상기 벤딩의 벤딩 진동 공진 뿐만 아니라 상기 치수 변화의 길이 방향 진동 공진의 부근에 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 인가된 전기 신호의 상기 주파수는 자유 상호 작용 부분(7)을 가진 작용 요소의 제 1 벤딩 진동 모드의 공진 주파수와, 변위 제한 및 기울기 제한(tilting restrictions) 중 하나 이상으로 노출되는 상호 작용 부분(7)을 가진 작용 요소의 제 2 벤딩 진동 모드의 공진 주파수의 양방의 부근에 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 벤딩 진동 모드는 상기 제 1 벤딩 진동 모드의 순위보다 낮은 순위인 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)가 대향 방향의 스트로크를 나타내는 제 1 부분을 갖는 상기 제 1 벤딩 진동 모드는 동일한 각각의 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)의 제 2 부분의 동시 스트로크에 비교되는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 벤딩 진동 모드는 제로 스트로크 크기를 나타내는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)내에서 단지 하나의 내부 위치만을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 벤딩 진동 모드는 적어도 어떤 순간에 제로 스트로크 크기를 나타내는 상기 2 이상의 작동 요소(6; 6B)내에서 하나 이상의 내부 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기계식 액츄에이터의 구동 방법.
  24. 삭제
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