KR102256354B1

KR102256354B1 - 압전 드라이브

Info

Publication number: KR102256354B1
Application number: KR1020187029603A
Authority: KR
Inventors: 해리 마쓰; 도미니크 보츠카이
Original assignee: 피직 인스트루멘테 (페이) 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN108780838A; JP2022003867A; WO2017158017A1; JP7208794B2; US11101750B2; DE102016104803A1; JP2019510457A; EP3430652B1; CN108780838B; IL261279A; IL261279B; US20190074778A1; KR20180122423A; EP3430652A1; DE102016104803B4

Abstract

본 발명은, 서로 독립적으로 구동 가능하고, 적어도 두 개의 압전 액추에이터에 의해 각각 작동되는 적어도 두 개의 드라이브 섹션을 구비한 적어도 하나의 압전 드라이브 장치(2), 및 상기 액추에이터에 제어전압이 가해졌을 때, 적어도 하나의 상기 드라이브 섹션에 의해 전진되는 피구동부재(3) 를 포함하고, 상기 드라이브 장치(2)는 대략 삼각형 형태로 구성되고, 그 팁에 상기 드라이브 섹션이 배치되고, 상기 드라이브 장치(2)는, 상기 피구동부재(3)의 전진 방향을 포함하고, 상기 드라이브 장치의 상기 드라이브 섹션 사이에서 연장되는 대칭면에 대해 거울상 대칭이고, 상기 액추에이터에 가해진 제어전압이 없을 때, 상기 드라이브 섹션 중 적어도 하나는 상기 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스되는, 청구항 1의 전제부에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)에 관한 것이다. 피구동부재(3)의 전진에 대한 보다 정확한 제어가 가능하게 하기 위하여, 본 발명에 따르면, 상기 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 가해진 제어전압이 없을 때, 상기 드라이브 섹션 중 적어도 하나는 상기 드라이브 섹션이 상기 피구동부재(3)의 전진을 막도록 상기 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스되고, 상기 드라이브 섹션의 각각은 상기 삼각형의 베이스(201)에 대하여 개별적으로 탄력 있게 장착된다.

Description

압전 드라이브

본 발명은, 서로 독립적으로 구동 가능하고 적어도 두 개의 압전 액추에이터에 의해 각각 작동하는 적어도 하나의 압전 드라이브 장치 및 제어전압이 액추에이터에 가해졌을 때 드라이브 섹션 중 적어도 하나에 의해 전진하는 피구동부재를 포함하는, 청구항 1의 전제부에 따른 압전 스텝퍼 드라이브에 관한 것이다.

청구항 1의 전제부에 따른 압전 스텝퍼 드라이브는 JPH02-146971A에 공지되어 있다.

압전 드라이브 장치들이 각각 두 개의 압전 액추에이터에 의해 작동하고 스프링에 의해 바이어스된 드라이브 섹션을 포함하는, 압전 스텝퍼 드라이브가 US 4,613,782에 공지되어 있다.

관성으로 인하여 피구동부재의 진행의 정밀한 제어가 어렵다는 것이 이러한 압전 스텝퍼 드라이브의 단점으로 드러났다.

본 발명은, 피구동부재의 전진의 보다 정밀한 제어가 가능하도록, 청구항 1의 전제부에 따른 압전 스텝퍼 드라이브를 개선하는 목적을 기초로 한다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 목적으로 달성된다. 본 발명의 유리한 발전(developments)은 종속 청구항에서 청구된다.

본 발명에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(piezoelectric stepper drive)는, 서로 독립적으로 구동 가능하고 적어도 두 개의 압전 액추에이터에 의해 각각 작동되는 적어도 두 개의 드라이브 섹션을 구비한 적어도 하나의 압전 드라이브 장치, 및 액추에이터에 제어전압이 가해졌을 때 적어도 하나의 드라이브 섹션에 의해 전진되는 피구동부재를 포함하고, 액추에이터에 가해진 제어전압이 없을 때 드라이브 섹션 중 적어도 하나는 드라이브 섹션이 피구동부재의 전진을 막도록 피구동부재에 대항해 바이어스된다. 두 드라이브 섹션의 바이어싱 힘은 피구동 부재의 전진 방향(또한, 구동 방향)에 대해 실질적으로 수직으로 또는 정확하게 수직으로 작용하는 것이 바람직하다. 피구동부재에 가해진 바이어싱 힘을 감소시키거나 완전히 상쇄시키기 위해 그리고 피구동부재가 진행 또는 전진 운동하도록 구동력을 전달하기 위해, 드라이브 섹션은 압전 액추에이터에 제어전압을 가하는 것에 의해 독립적으로 편향 가능(deflectable)하다. 각 드라이브 장치의 드라이브 섹션은 피구동부재의 전진 방향에 대해 가로지르거나 수직으로 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 필수 구성요소는 수개의 압전세라믹 액추에이터이고, 수개의 압전세라믹 액추에이터는 각각 연관된 드라이브 섹션에 대해 작동하고, 드라이브 섹션은 이동 가능하게 가이드되는 피구동부재에 대항하여 바이어스된다. 드라이브 섹션과 연관된 두 개의 액추에이터가 작동하는 협력 제어 전압(coordinated control voltages)에 의해, 피구동부재의 전진을 유도하는 드라이브 섹션의 일종의 스텝핑 모션이 얻어진다. 압전 액추에이터의 사용은 현재 가장 작은 스텝핑 및 전진 모션을 가능하게 하여, 높은 모션 해상도가 얻어지며, 1 나노미터보다 작은 해상도가 한번의 스텝핑 모션 이동으로 얻어질 수 있다. 가변 피구동부재 길이에 의해 가변 규제 거리(variable regulating distance)가 얻어질 수 있다.

피구동부재에 대항한 적어도 하나의 드라이브 섹션의 바이어스(bias)는 휴지(rest) 및 오프(off) 상태에서 드라이브의 셀프-록(self-lock)을 제공한다. 그 결과 스위치가 꺼지면 에너지가 소모되지 않고, 가열되지 않고, 기계적으로 안정된 위치를 유지한다. 높은 시간 및 온도 안정성을 요구하는 파워 온 시간이 짧은 어플리케이션은 이러한 특징이 유용하다.

압전세라믹 액추에이터의 움직임 또는 변형은 결정 효과(crystalline effect)에 기반하며 마모가 되는 것이 아니다. 드라이브 섹션을 피구동부재에 결합하는 것은, 피구동부재가 전진될 때 단지 아주 경미한 슬라이딩 마찰 효과를 받게 되는데, 이는 드라이브 섹션의 물리적인 클램핑 및 리프팅에 의해서만 달성된다. 이것은 피구동부재의 진행을 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 스텝퍼 드라이브에 의하면, 드라이브 섹션이 피구동부재로부터 들어 올려지지 않는 피구동부재의 전진 운동도 가능하다.

드라이브 장치가 액추에이터가 삽입되는 변형 가능한 프레임을 포함하는 것이 유리할 수 있으며, 이에 따라 드라이브 섹션에 각각 작용하는 두 개의 액추에이터는 각 단부 중 하나가 프레임의 공통되는 드라이브 섹션에 인접하고, 다른 단부는 프레임의 서포트 섹션에 지지된다. 프레임을 통해 통합된 드라이브 장치는 유연하고 다양한 방식으로 사용될 수 있는 컴팩트 어셈블리를 형성한다.

프레임은 탄성 가변 섹션(elastically deformable section)을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 탄성 가변 섹션의 사용으로, 국부적으로 요구되는 프레임의 유연성 또는 탄성이 선택적으로 달성될 수 있다.

탄성 가변 섹션 중 적어도 하나는 스프링 섹션(spring section) 또는 플렉셔 힌지(flexure hinge)로 구성되는 것이 유용할 수 있고, 바람직하게는 탄성 가변 섹션 중 적어도 하나는 서포트 섹션 중 적어도 하나와 프레임의 베이스(base)(베어링 포인트; bearing point)의 사이 및/또는 드라이브 섹션 중 적어도 하나와 프레임의 베이스(베어링 포인트) 사이에 배치된다. 특히, 향상된 유연성과 탄성이 프레임의 이러한 영역에 필요하므로, 첫째로, 드라이브 섹션들은 이와 연관된 액추에이터들에 의한 각각의 힘 작용으로 인해 (스텝핑) 모션을 수행할 수 있고, 둘째로, 액추에이터는, 높은 내부 응력, 특히 전단 응력이 생기지 않는 방식, 또는 프레임 내에서 액추에이터의 간단한 배열(alignment) 또는 조립(assembly)이 가능한 각각의 방식으로 프레임에 삽입될 수 있다.

드라이브 장치는 대략 삼각형 형태로 구성되고, 그 팁(tip)에는 드라이브 섹션들이 배치된다. 액추에이터가 적어도 조립식으로 삼각형의 레그(legs)를 형성하는 것이 바람직하고, 관절식으로 삼각형의 베이스(base)에 고정된다. 드라이브 섹션의 각각은 삼각형의 베이스에 대해 개별적으로 탄력 있게(resilient) 또는 탄성 방식으로 장착된다. 프레임은 이등변 삼각형을 형성하는 것이 바람직하고, 삼각형의 팁에는 드라이브 섹션들이 배치되고, 액추에이터가 삼각형의 레그를 형성한다. 서포트 섹션들은 삼각형의 베이스에 고정되는데, 예컨대, 관절식으로 연결되고, 드라이브 섹션의 각각은 탄성 스프링 섹션에 의해 삼각형의 베이스에 개별적으로 연결될 수 있다. 동일한 드라이브 섹션에 작용하는 액추에이터는, 피구동부재의 전진 방향을 포함하는 평면에 수직 및/또는 수평으로 적어도 조립식으로 연장되는 작동 방향으로 작용하는 것이 바람직하다. 동일한 드라이브 섹션에 적용되는 액추에이터들의 작동 방향들은 서로 45도 내지 135도의 각도로, 이상적으로는 90도로 배치되는 것이 바람직하다.

드라이브 장치는 거울상 대칭으로 구성된다. 이러한 변형(variant)은 드라이브 섹션을 통한 구동력이 피구동부재에 균일하게 적용되는 것을 촉진하며, 전진 움직임에서의 불규칙을 최소화한다. 드라이브 장치는, 피구동부재의 전진 방향을 포함하고 동일한 드라이브 장치의 드라이브 섹션들 사이에 연장하는 제1 대칭면에 대하여, 거울상 대칭으로 구성된다.

드라이브 장치가, 피구동부재의 전진 방향에 수직으로 정렬되고 동일한 드라이브 장치의 양 드라이브 섹션들과 교차하는 제2 대칭면에 대하여 거울상 대칭으로 구성되면, 유용할 수 있다.

또한, 스텝퍼 드라이브가 피구동부재의 같은 측 또는 다른 측 상에 배치되는 적어도 두 개의 드라이브 장치를 포함하면 유용할 수 있고, 드라이브 장치들은 거울상 대칭으로 배치되는 것이 바람직하고/바람직하거나 드라이브 섹션들과 관련된 액추에이터들은 거울상 대칭으로 연결된다. 서로 다른 드라이브 장치들의 각 두 개의 드라이브 섹션들에 연관된 액추에이터들이 쌍으로 연결되고, 피구동부재를 향한 전진을 달성하기 위해, 연관된 액추에이터들이 정류된 구동력을 전달하도록 제어 전압으로 작동될 때, 동시에 편향될 수 있다면, 도움이 될 수 있다. 두 드라이브 장치의 배치, 작동 또는 연결에 관한 대칭성은 다음의 대칭면들에서 주어질 수 있다.

- 피구동부재의 전진 방향을 포함하고, 서로 다른 드라이브 장치의 드라이브 섹션들 사이의 피구동부재의 평면에서 연장하는, 제1 대칭면.

- 피구동부재의 전진 방향을 포함하고, 피구동부재의 평면에 수직으로, 각 동일한 드라이브 장치의 드라이브 섹션들 사이에서, 두 드라이브 장치와 각각 교차하는, 제2 대칭면.

- 전진 방향에 수직 및 피구동부재의 평면에 수직으로 연장하고, 양 드라이브 장치의 드라이브 섹션들과 교차하는, 제3 대칭면.

피구동부재가 탄성 가면 방식으로 구성 및/또는 장착되고, 액추에이터에 제어 전압이 없을 때, 탄성 변형으로 인한 복원력에 의해 피구동부재가 드라이브 장치에 대항하여 바이어스되면 유리하다는 점이 증명될 수 있다. 이러한 변형은 드라이브 장치가 피구동부재의 일 측에만 작용하는 경우에 유리하다.

또한, 적어도 하나의 드라이브 장치가 베이스 프레임에 장착되고, 베이스 프레임이, 바람직하게는 플렉셔 힌지(flexure hinge) 형태인, 탄성 가변 섹션을 포함하여, 액추에이터에 제어 전압이 없을 때, 적어도 하나의 드라이브 섹션이 탄성 변형으로 인한 복원력에 의해 드라이브 장치에 대항하여 바이어스되도록, 드라이브 장치가 베이스 프레임에 탄성 장착될 수 있다면 유리하다는 점이 증명될 수 있다.

적어도 하나의 드라이브 장치 및 피구동부재가 같은 베이스 프레임에 배치되고, 적어도 하나의 드라이브 장치 및 피구동부재가 서로에 대하여 탄력성 있게 베이스 프레임에 장착되어도 유용할 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 드라이브 장치 및 피구동부재는 서로 이동 가능하게 탄력 방식으로 연결되는 베이스 프레임의 서로 다른 섹션들 상에 배치되고, 예컨대, 베이스 프레임의 서로 다른 섹션은 하나 이상의 플렉셔 힌지에 의해 연결된다.

또한, 드라이브 장치의 드라이브 섹션 중 하나와 피구동부재 사이의 바이어싱 힘의 증가가 이 드라이브 장치의 또 다른 드라이브 섹션과 피구동부재 사이의 바이어싱 힘의 감소를 유도하도록, 피구동부재가 장착 및/또는 구성되고/구성되거나, 드라이브 장치가 장착되고/장착되거나, 페이스 프레임이 구성되면 유리하다는 점이 증명될 수 있다. 결과적으로, 바이어싱 힘의 감소는 각각의 드라이브 섹션이 피구동부재로부터 완전히 들어올려질 때까지 순전히 기계적인 방식으로 달성되고, 스텝퍼 드라이브의 작동을 상당히 단순화시킨다.

본 발명의 또 다른 측면은, 이상의 실시예들 중 하나에 따른 압전 스텝퍼 드라이브를 작동시키는 방법에 관한 것으로, 이하의 단계들을 포함한다.

- A 단계: 상기 적어도 하나의 제2 드라이브 섹션과 연관된 상기 제2 액추에이터를 작동시키고, 선택적으로 상기 적어도 하나의 제1 드라이브 섹션과 연관된 상기 제1 액추에이터를 작동시켜, 상기 제1 드라이브 섹션에 의해 상기 피구동부재에 가해진 바이어싱 힘이 감소되거나 상쇄되는 단계;

- B 단계: 상기 제2 액추에이터를 작동시켜 상기 제2 드라이브 섹션이 상기 피구동부재에 구동력을 전달하고, 상기 피구동부재는 구동방향으로 전진되는 단계;

- C 단계: 상기 제1 드라이브 섹션 및 상기 제2 드라이브 섹션은 상기 피구동부재의 구동 방향으로 서로 오프셋되어 있고, 상기 제1 드라이브 섹션과 상기 피구동부재 사이의 접촉이 회복되도록, 상기 제2 액추에이터에 가해진 상기 제어전압을 변경하고, 선택적으로 상기 제1 액추에이터에 가해진 상기 제어전압을 변경하는 단계;

- D 단계: 상기 제1 액추에이터를 작동시키고, 선택적으로 상기 제2 액추에이터를 작동시켜, 상기 제2 드라이브 섹션에 의해 상기 피구동부재에 가해진 바이어싱 힘이 감소되거나 상쇄되는 단계;

- E 단계: 상기 제1 액추에이터를 작동시켜, 상기 제1 드라이브 섹션이 상기 피구동부재에 구동력을 전달하고, 상기 피구동부재는 구동 방향으로 전진하는 단계;

- F 단계: 상기 제2 드라이브 섹션과 상기 피구동부재 사이의 접촉이 회복되도록, 상기 제1 액추에이터에 가해진 상기 제어전압을 변경시키고, 선택적으로 상기 제2 액추에이터에 가해진 상기 제어전압을 변경시키는 단계;를 포함하고, 선택적으로

- A 단계 내지 F 단계의 반복을 포함하고, 상기 제2 드라이브 섹션이 상기 피구동부재의 구동 방향 전진을 야기하고 상기 제1 드라이브 섹션이 상기 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하게 상기 제2 액추에이터 및 상기 제1 액추에이터가 작동되도록, B 단계가 각 반복마다 수정된다.

"선택적으로"라는 말은 A 단계 및 D 단계에서 각각 제1 액추에이터 또는 제2 액추에이터의 추가적인 작동이 선택적으로 수행되는 것을 가리키고, 각 다른 액추에이터에 가해진 제어 전압과 비교하여 위상 시프트된(phase-shifted) 또는 반전된 위상(inversely phased)의 제어 전압으로 작동되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명된 방법은, 피구동부재의 전체 전진 동안 적어도 하나의 드라이브 섹션이 각각 피구동부재와 접촉하는 것을 보장한다. 이 전진은, 한 발씩 지면과 접촉하는, 인간의 걷는 동작과 유사한 흐름 동작(flowing motion)이다. 그러므로, 피구동부재의 전진 동작은 최적으로 제어되고, 피구동부재의 관성으로 인한 의도하지 않은 전진이 없어진다. 동시에, 피구동부재의 중량으로 인한 의도치 않은 움직임이 감소하거나 없어진다. 액추에이터는 액추에이터의 공진 주파수의 바깥쪽이고 특히 더 낮은, 바람직하게는 아주 낮은 주파수에서 작동한다. 추가적으로, 이 주파수는 20 kHz 미만이다.

이상에서 설명한 방법이, B 단계에서 제1 드라이브 섹션이 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하도록 추가적으로 제1 액추에이터의 작동을 포함하고/포함하거나, E 단계에서 제2 액추에이터가 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하도록 제2 액추에이터가 추가적으로 작동하면, 유리하다는 점이 증명될 수 있다. 이로써 얻어지는 드라이브 섹션들의 복원 동작은 훨씬 더 효과적이고 특히 보다 동적인 드라이브 장치를 생성한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 측면도로서, 두 개의 동일한 드라이브 장치가 피구동부재의 서로 다른 측에 반대로 배치된 거울상 대칭으로 배치되고, (a)는 가려진 윤곽선이 보이지 않게 도시된 것이고, (b)는 가려진 윤곽선이 보이도록 도시된 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 드라이브 장치의 사시도이다.
도 3은 무전압 상태(de-energized state)에서 출발한 피구동부재의 진행 중 피구동부재와 드라이브 섹션의 움직임 순서의 개략도(a 내지 j)를 서로 다른 시점에서 보여주는 도면이다.
도 4는, 두 개의 동일한 드라이브 장치가 겹쳐지는 방식으로 서로 수평으로 및 인접하게 오프셋 되어 배치되고, 같은 측으로부터 피구동부재에 작용하도록 된, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브용 드라이브 장치의 배치의 다양한 도면(a 내지 c)이다.
도 5는, 피구동부재가 고정된 베어링에 대해 롤링 방식으로 장착되고, 드라이브 장치가 같은 측에서 피구동장치에 작용하는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 다양한 측면도(a 내지 c)이고, (a)는 제2 실시예에 따른 본 발명의 스텝퍼 드라이브의 상세 측면도이고, (b)는 액추에이터에 가해진 제어 전압이 없을 때 에너지가 없는 상태의 (a)의 스텝퍼 드라이브의 개략적인 측면도이고, (c)는 드라이브 섹션 중 적어도 하나와 연관된 액추에이터가 제어 전압으로 작동된 상태의 (b)의 스텝퍼 드라이브의 개략적인 측면도이고, 이 드라이브 섹션과 피구동부재 사이의 바이어싱 힘의 증가와 드라이브 장치를 지지하는 베이스 프레임의 변형에 의해, 각각의 드라이브 섹션은 피구동부재로부터 멀어지도록 가압하고, 다른 드라이브 섹션은 피구동부재로부터 들어올려진다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브를 위한 드라이브 장치의 다른 배치의 상면도이고, 도면 (a)에 따른 두 개의 드라이브 장치는 서로 거울상 대칭으로 인접하게 배치 또는 연결되고, 도면 (b)에 따르면 서로 평행하게 오프셋되어 배치 또는 연결된다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 측면도이고, 드라이브 장치의 배치는 제2 실시예와 동일하게 형성되지만, 피구동장치는 회전 디스크로서 구성되고, 드라이브 장치는 회전 디스크로서 구성된 피구동장치에 실질적으로 반경방향으로 같은 측에서 작용한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시에에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 측면도이고, 피구동부재는 탄성 가변 방식으로 장착되고, 드라이브 장치는 같은 측에서 피구동장치에 작용한다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 상면도(도면(a)) 및 측면도(도면 (b))이고, 피구동부재의 전진 운동을 위한 특별한 가이드 장치를 포함하고, 가이드 장치는 피구동부재에 대한 드라이브 장치의 자기 정렬(self-alignment)가 가능하게 한다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

제1 실시예 (도 1 내지 도 3)

도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)는 도 2에 도시한 바와 같이 서로 독립적으로 구동 가능하고 각각 두 개의 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 의해 작동되는 두 개의 드라이브 섹션(21, 22)을 각각 포함하는 서로 동일하게 구성된 압전 드라이브 장치(2)들을 포함한다. 이들은 예컨대 3 x 3 x 13.5 mm의 치수를 갖는 직육면체 형 액추에이터(213, 214, 223, 224)이다. 드라이브 장치(2)들은 그들 사이에 피구동부재(3)를 수용하기 위해 서로 마주 보도록 배치되고, 거울상 대칭으로 연결되고, 액추에이터(213, 214, 223, 224)가 각각의 제어 전압으로 작동될 때 피구동부재(3)는 드라이브 섹션(21, 22) 중 적어도 하나에 의해 전진한다. 도 1의 (b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 플렉셔 힌지(flexure hinge) 형태의 탄성 가변 섹션들을 포함하는 실질적으로 정사각형인 베이스 프레임(4)에 장착된다. 플렉셔 힌지들이 서로 클램핑되어 베이스 프레임(4)의 부분들이 서로 연결되므로, 드라이브 장치(2)들은 피구동부재(3)에 대해 조절 가능한 나사의 사용에 의해, 구체적으로 도시되지 않은 방식으로, 도 1에서 바이어스 된다.

본 경우의 피구동부재(3)는 각각 피구동부재(3)의 이동 방향 또는 전진 방향에 평행하게 연장되는 길이 방향 모서리를 갖는 선형의 거의 직육면체 형의 구성이다. 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 가해진 제어 전압이 없을 때, 본 발명에 따른 드라이브 섹션(21, 22)는 피구동부재(3)의 진행을 막도록 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스 된다. 모든 드라이브 섹션(21, 22)의 바이어싱 힘(biasing force)는 피구동부재(3)의 전진 방향에 수직으로 작용한다.

제어 전압이 각각 연관된 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 작용하게 함으로써, 드라이브 섹션(21,22)은 그들이 피구동부재(3)에 가하는 바이어싱 힘을 증가시키거나 감소시키거나 완전히 없애기 위하여 독립적으로 편향(deflect)되거나 이동될 수 있고, 피구동부재(3)의 진행을 달성하기 위해 피구동부재(3)에 구동력을 전달할 수 있다. 각 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션(21, 22)들은 피구동부재(3)의 전진 방향에 수직으로 인접하게 (도 1의 방향에서 보았을 때, 하나가 다른 하나의 뒤에 오도록, 즉 겹치는 방식으로) 배치된다.

플렉셔 힌지들이 베이스 프레임(4)과 일체로 형성되는 베이스 프레임(4)의 특별한 구성으로 인해, 또는 베이스 프레임(4) 상의 드라이브 장치(2)들의 각각의 배치로 인해, 제1 드라이브 섹션(21)과 피구동부재(3) 사이의 바이어싱 힘은 적절한 제어 전압을 가하여 제2 드라이브 섹션(22)과 피구동부재(3) 사이의 바이어싱 힘을 증가시키는 방식에 의해 감소되거나 완전히 상쇄될 수 있다. 제2 드라이브 섹션(22)가 피구동부재(3)에 대해 가압하는 바이어싱 힘을 증가시킴으로써, 드라이브 장치(2)를 통해 베이스 프레임(4) 상에 작용하는 결과적인 반력은 드라이브 장치(2)가 배치된 베이스 프레임(4)의 일부분이 베이스 프레임(4)의 나머지 움직이지 않는 일부에 대해 변위를 야기한다. 이는 유사한 방식으로 드라이브 장치(2)의 변위를 야기하여, 제1 드라이브 섹션(21)과 이와 연관된 액추에이터(213, 214)가 작동되지 않거나 위상 이동(phase-shift) 또는 위상 반전(inversely phased) 방식으로 작동될 가능성이 있고, 들어올려 질 수 있다 (드라이브 섹션이 완전히 들어올려진 특별한 경우에 기초한 전술한 작동 모드가 개략적으로 도시된 도 5c 참조).

상술한 효과, 즉, 제1 드라이브 섹션(21)에 의해 피구동부재(3)에 작용하는 바이어싱 힘을 감소시키거나 완전히 상쇄시키는 효과를 증폭시키기 위하여, 제1 드라이브 섹션(21)과 연관된 액추에이터(213, 214)들은 제2 드라이브 섹션(22)와 연관된 액추에이터(223, 224)와 반대인 위상의 제어 전압으로 작동되는 것이 바람직하다. 그러나, 제2 드라이브 섹션(22)에 할당된 액추에이터(223, 224)만 제어 전압으로 작동하고, 제1 드라이브 섹션(21)에 할당된 액추에이터(213, 214)은 제어 전압으로 작동하지 않아도 이미 상술한 효과가 일어나는 것도 본 발명의 범위에 속한다.

설명된 경우에, 피구동부재(3)는 실질적으로 강성(rigid)이고, 각각의 드라이브 섹션(21, 22)의 증가된 바이어싱 힘으로 인해 되돌아 오거나 수축하지 않는다고 가정한다.

그러나, 피구동부재(3)가 제어 전압의 작용에 기인한 제1 액추에이터(213, 214)의 연장과 함께 되돌아오는 것과, 변형되지 않은 상태(즉, 제어 전압이 없는 상태)에 대응하는 연관된 제1 드라이브 섹션(21)의 편향으로 인해, 피구동부재(3)의 일부에 탄성이 달성될 가능성도 있다. 결과적으로, 제어 전압이 제2 액추에이터(223, 224)에 없는 경우, 원래 위치에 남아있는 제2 드라이브 섹션(22)은 피구동부재(3)로부터 분리된다. 전술한 효과, 즉 제2 드라이브 섹션(22)에 의해 피구동부재(3)에 가해진 바이어싱 힘을 더 감소시키거나 완전히 상쇄시키는 효과를 향상시키기 위하여, 제2 드라이브 섹션(22)에 연관된 액추에이터(223, 224)는 제1 드라이브 섹션(21)에 연관된 액추에이터(213, 214)에 가해진 제어 전압에 반대인 위상의 제어 전압으로 작동되는 것이 바람직하다.

물론, 이상의 설명은 제1 드라이브 섹션(21) 대신에 제2 드라이브 섹션(22)이 피구동부재(3)에서 들어올려지는 것에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 스텝퍼 드라이브에 사용된 하나의 드라이브 장치(2)를 도시한다.

드라이브 섹션(21, 22)에 작용하는 각 2개의 액추에이터(213, 214, 223, 224)가, 이들의 각 단부 중 하나가 이들에게 공통인 드라이브 섹션(21, 22)에 대하여 인접하고, 다른 단부가 프레임(20)의 서포트 섹션(215, 216, 225, 226)에 대하여 지지되도록, 액추에이터(213, 214, 223, 224)는 변형 가능한 프레임(20)에 삽입될 수 있다.

프레임(20)은 대략 이등변 삼각형의 형태로 형성되고, 그 팁에 드라이브 섹션(21, 22)이 배치된다. 삼각형을 바라보는 방향에서, 액추에이터(213, 214, 223, 224)는 하나가 다른 하나의 뒤에 서로 오프셋 되어 평행하게 배치되고, 같은 길이를 가지는 삼각형의 레그(leg)를 형성한다. 서포트 섹션(215, 216, 225, 226)은 삼각형의 모서리(corners)에 배치되고, 삼각형의 빗변(hypotenuse)에 대응하는 프레임의 베이스(base, 201)에 플렉셔 힌지(212, 222)에 의해 관절식으로 연결된다. 탄성 스프링 섹션은 드라이브 섹션(21, 22)의 각각을 삼각형의 베이스에 개별적으로, 또한 일체로 연결한다. 같은 드라이브 섹션(21, 22)에 작용하는 액추에이터(213, 214, 223, 224)들은 각각 상대에 대하여 90도 각도의 작동 방향으로 작용하고, 각도의 꼭지점(apex)은 각각의 드라이브 섹션(21, 22)의 영역에 위치된다.

프레임(20)과 일체로 형성되는 스프링 섹션(211, 221)은 피구동부재(3)를 구동하는 데에 필요한 드라이브 섹션(21, 22)이 가동성(movability)을 갖게 한다. 동시에, 스프링 섹션(211, 221)은, 플렉셔 힌지(212, 222)와 같이, 드라이브 섹션(21, 22)들의 인접 표면을 정렬시키고 액추에이터(213, 214, 223, 224)의 단부면(end surface)에 대하여 서포트 섹션(215, 216, 225, 226)을 정렬시켜, 액추에이터들이 프레임(20)에 클램핑된 것 또는 스텝퍼 드라이브의 작동으로 인해, 의도치 않은 힘, 특히 전단력(shear forces) 또는 인장력(tensile forces)이, 액추에이터들에 개입되지 않도록 한다. 액추에이터(213, 214, 223, 224)의 압전 세라믹 재료는 이들의 파괴(destruction)를 유도할 수 있는 이러한 힘들에 매우 민감하기 때문이다.

스프링 섹션(211, 221)은, 드라이브 섹션(21, 22)을 관통하여 베이스(201)에 대하여 수직으로 연장되는 Z-평면에서 탄성(resilient) 방식으로 작용하고, 전진 방향으로 각 드라이브 섹션(21, 22)의 탄성 변형(resilient deflection)을 허용한다.

이하에서, 스프링 섹션(211, 221)의 구성 및 동작 모드는 제1 드라이브 섹션(21)에 연관된 제1 스프링 섹션(211)에 기초하여 설명한다. 두 스프링 섹션(211,221)은 동일하게 구성되므로, 이하의 설명은 제2 드라이브 섹션(22)에 연관된 제2 스프링 섹션(221)에도 적용된다.

제1 스프링 섹션(211)은 삼각형 프레임(20)의 팁(tip)에 웨지(wedge) 섹션(211a)을 포함하고, 웨지 섹션(211a)의 팁(tip)은 프레임(20)의 베이스(201)을 향하여 아래방향을 가리킨다. 드라이브 섹션(21)의 프릭션 노우즈(friction nose, 210)는 웨지 섹션(211a)의 편평한 측에 배치된다. 웨지 섹션(201a)은 베이스(201)를 향하는 측에서 리브 형태의 웹(web, 211b)으로 변하고(transition), 웹(211b)은 베이스(201)를 향하는 반대 측에서 또 다른 웨지 섹션(211c)에 의해 붙어 있다. 두 웨지 섹션(211a, 211c)의 각각의 팁은 서로 마주보고 그 단부에서 웹(211b)을 정의한다. 웹(211b)은 휘어지게(flexurally) 변형 가능하고 2 개의 웨지 섹션(211a, 211c) 사이에 플렉셔 힌지를 형성한다. 웨지 섹션(211c)의 편평한 측은 링 형상의 제1 플레이트 패키지(211d)로 개방된다. 플레이트 패키지(211d)는 Z 방향으로 탄 성적으로 형성되며 타원형 링을 형성하며, 장축(major axis)은 베이스(201)에 평행하고 Z 평면에 수직하게 연장되고, 단축(minor axis)은 드라이브 섹션(21)의 프릭션 노우즈(210)를 관통하여 베이스(201)에 수직인 Z 평면에서 연장된다. 정육면체 형 또는 직육면체 형의 클램핑 블록(211e)이 플레이트 패키지(211d)의 베이스(201)를 향하는 측에 형성되고, 클램핑 블록(211e)은 베이스(201)의 오목부에 대응하여 (Z 방향으로) 변위 가능하게 가이드된다. 클램핑 블록(211e)은 제1 플레이트 패키지(211d)와 제2 플레이트 패키지(211f)를 연결하고, 후자를 통해 베이스(201)에 연결된다. 제2 플레이트 패키지(211f)는 두 개의 웹 형상의 플레이트를 포함하고, 웹 형상의 플레이트는 클램핑 블록(211e)의 서로 다른 측에 베이스(201)에 실질적으로 평행하게 돌출하고 단부 측에서 베이스(201)에 연결된다. 제2 플레이트 패키지(211f)는 제1 플레이트 패키지(211d)와 마찬가지로, Z 방향으로 탄성 변형 가능하게 형성된다. 제1 플레이트 패키지(211d)에 비하여, 제2 플레이트 패키지(211f)의 플레이트들은 더 작은 단면을 갖는 한편 더 긴 길이를 갖는다. 결과적으로, 제2 플레이트 패키지(211f)의 Z 방향의 탄성 계수(modulus of resilience), 즉 제2 플레이트 패키지(211f)의 Z 방향의 변형에 필요한 힘은 제1 플레이트 패키지(211d)의 탄성 수보다 작다. 클램핑 블록(211e)에는 내측 나사산(internal thread)이 마련되며 외측에 나사산이 형성된 조정 가능한 나사에 의해 베이스(201)에 고정되고, 베이스(201)로부터 클램핑 블록(211e)의 거리를 조절하기 위하여, 조정 가능한 나사는 클램핑 블록(211e)으로부터 멀어지는 방향의 베이스(201)의 측면으로부터 조작되는 것이 바람직하다. 스프링 섹션은 프레임(20)의 재료로부터 일체로 형성된다. 프레임의 재료는 탄성 특성을 갖는 플라스틱 재료가 바람직하다.

클램핑 블록(211e)과 베이스(201) 사이의 거리를 감소시킴으로써, 드라이브 섹션(21)은 베이스(201)를 향하는 방향으로 당겨져, 웨지 섹션(211a)은 서로 인접한 두 액추에이터에 가압력(pressing force)를 가한다. 클램핑 블록(211e)과 베이스(201) 사이의 거리를 증가시킴으로써, 액추에이터는, 액추에이터의 세라믹 재료의 민감성 때문에 방지되어야 하는 인장력을 받을 가능성이 있다.

이하에서는, 도 3의 (a) 내지 (j)를 참조하여 제1 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 작동 방법을 설명한다. 작동 방법은 다음의 단계들을 포함한다.

A 단계: 전진 방향을 따라 도시된 (a) 및 전진 방향에 수직으로 도시된 (b)에 도시된, 액추에이터에 제어 전압이 가해지지 않고, 두 개의 대향하여 배치된 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션(21, 22)이 피구동부재(3)에 바이어싱 힘을 작용하며 피구동부재(3)를 막으면서 피구동부재(3)와 접하고 있는, 무전압(de-energized) 상태 또는 휴지(resting) 상태에서 시작하여, 이른바 제2 액추에이터가 대향하여 배치된 제2 드라이브 섹션(22)에 의해 제어 전압으로 작동되어, 제2 드라이브 섹션(22)에 의해 피구동부재(3)에 가해진 바이어싱 힘이 증가된다. 이른바 제1 액추에이터는 대향하여 배치된 제1 드라이브 섹션(21)에 의해 동시에 위상 이동되거나(phase-shifted) 반전된 위상(inversely phased)의 제어 전압으로 작동되는 것이 바람직하다. 드라이브 장치가 각각 장착됨으로 인해, 제2 드라이브 섹션(22)에 의해 피구동부재(3)에 가해지는 바이어싱 힘의 증가가 드라이브 섹션(21)에 의해 피구동부재에 가해지는 바이어싱 힘의 감소를 야기하고, 제1 액추에이터의 추가적인 위상이 반전된 작동이 선택적으로 피구동부재(3)에 가해지는 바이어싱 힘의 추가적인 감소를 유도하여, 드라이브 섹션(21)은 결국 피구동부재(3)로부터 완전히 들어올려진다 ((c) = 전진 방향을 따라 도시; (d) = 전진 방향에 수직으로 도시).

B 단계: 도면 (c) 및 (d)에 도시된 상태에서 시작하여, 피구동부재(3)와 접해있을 때 제2 드라이브 섹션(22)이 피구동부재(3)에 전진 방향으로 구동력을 전달하고, 이에 따라 피구동부재(3)가 제1 드라이브 섹션(21)에 대하여 전진하도록, 제2 액추에이터가 제어 전압으로 작동된다 ((e) = 전진 방향을 따라 도시; (f) = 전진 방향에 수직으로 도시). 동시의 제1 액추에이터의 위상 시프트 또는 반전 위상 작동에 의해, 제1 드라이브 섹션(21)은 전진 방향에 반대인 방향으로 움직임을 수행할 수 있고, 이로써 스텝 사이즈를 증가시킬 수 있다. 이제, 제1 및 제2 드라이브 섹션(21, 22)은 피구동부재(3)의 전진 방향을 따라 서로 (약간) 오프셋 되어 배치된다.

C 단계: 도면 (e) 및 (f)에 도시된 상태에서 시작하여, 제2 액추에이터에 가해진 제어 전압 및 선택적으로 제1 액추에이터에 가해진 제어 전압은 드라이브 섹션(21)과 피구동부재(3) 사이의 접촉을 복구시키도록 전환되어, 제1 및 제2 드라이브 섹션(21, 22)은 피구동부재(3)의 전진 방향으로 이격되어 피구동부재(3)와 접촉하고 피구동부재(3)에 바이어싱 힘을 가한다 ((g) = 전진 방향을 따라 도시; (h) = 전진 방향에 수직으로 도시).

D 단계: 도면 (g) 및 (h)에 도시된 상태에서 시작하여, 피구동부재(3)에 가해진 바이어싱 힘이 상쇄된 상태에서, 이제 제2 드라이브 섹션(22)과 피구동부재(3) 사이의 접촉이 해제되는 방식으로 제1 액추에이터 및 선택적으로 제2 액추에이터가 제어 전압으로 작동되고, 제1 드라이브 섹션(21)은 피구동부재(3)에 접한 상태로 피구동부재(3)에 바이어싱힘을 계속 가한다 ((i) = 전진 방향을 따라 도시; (j) = 전진 방향에 수직으로 도시).

E 단계: 도면 (i) 및 (j)에 도시된 상태에서 시작하여, 제1 드라이브 섹션(21)이 피구동부재(3)와 접촉한 상태에서 전진 방향으로 피구동부재(3)에 구동력을 전달하는 방식으로, 제1 액추에이터는 제어 전압으로 작동되고, 피구동부재(3)는 드라이브 섹션(22)의 제2 쌍에 대하여 상대적으로 전진된다. 동시에 제2 액추에이터는, 피구동부재(3)로부터 들어올려진 상태, 즉 비접촉 상태의 제2 드라이브 섹션(2)이 전진 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 동작을 수행하는 방식으로, 제어 전압으로 작동되는 것이 바람직하다.

F 단계: 제1 액추에이터에 가해진 제어 전압의 변화 및 선택적으로 제2 액추에이터에 가해진 제어 전압의 변화는 이제 제2 드라이브 섹션과 피구동부재(3) 사이의 접촉을 회복시키도록 수행된다.

피구동부재(3)의 선형 전진은 전술한 스텝퍼 드라이브 단계 A 내지 F를 반복하여 수행함으로써 달성될 수 있다. 이른바 아날로그 모드는, 피구동부재(3)의 움직임이 드라이브 섹션(21, 22)이 평행하게 작동되고 편향되는(deflected) 것과 같은 방향으로 영향을 받는 스텝퍼 드라이브 단계들을 따를 수 있어, 주로 액추에이터의 최대 연장으로 제한된, 피구동부재(3)의 매우 작은 이동만이 가능하지만, 매우 고해상도의 정확도를 제공할 수 있다. 목적 위치에 다다른 후에, 피구동부재(3)에 가해진 바이어스로 인해 액추에이터는 무전압 상태로 들어가서 유지될 수 있다.

제2 실시예 (도 4 내지 도 6)

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브를 위한 두 개의 인접한 드라이브 장치(2)의 배치를 다양한 도면(a 내지 c)으로 보여준다. 두 개의 동일한 드라이브 장치(2)는 서로 겹쳐지는 방식으로 서로 인접하고 평항하게 오프셋되어 배치되고, 같은 측으로부터 피구동부재(3)에 작용하도록 구성된다. 두 개의 드라이브 장치(2)는 대략 직육면체 형상의 하우징과 일체로 형성된 베이스 프레임(4) 상에서 평행하게 서로 오프셋 되도록 배치되고, 베이스 프레임(4)은 플렉셔 힌지 형태의 탄성 가변 섹션을 포함하고, 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션은 현재 도시되어 있지 않은 피구동부재에 대하여 바이어스될 수 있고, 드라이브 장치(2)의 탄성 장착을 허용하는 허용할 수 있다. 각 드라이브 섹션은 하우징의 대응하는 개구를 통해 돌출되고, 피구동부재에 작용할 수 있도록 노출되며, 일 직선을 따라 배치된다. 드라이브 장치(2)들의 삼각 프레임의 각각의 베이스는 하우징에 대해 고정되고, 특히 하우징 상에 나사 결합된다. 하우징의 열린 측은은 각 패널에 의해 커버될 수 있다.

도 5의 (a)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 측면도를 도시하고, 여기서 피구동부재(3)는 고정된 베어링에 대하여 롤링하도록 장착되고, 베이스 프레임(4)에 장착된 드라이브 장치는 같은 측으로부터 피구동부재(3)에 작용한다. 도면 (b)는 도면 (a)에서 액추에이터에 제어 전압이 없을 때 무전압 상태에서 스텝퍼 드라이브의 개략적인 측면도를 도시한다. 드라이브 장치(2)는 위치가 고정된 베이스 프레임(4)의 제1 섹션(41)에 배치되고, 베이스 프레임(4)의 제1 섹션(41)은 베이스 프레임(4)의 제2 섹션에(43)에 플렉셔 힌지를 통해 연결되고 상대적으로 탄성 장착된다. 도면 (c)는, 도면 (b)에서 제2 드라이브 섹션(22)과 관련된 액추에이터가 제어 전압으로 작동하여 바이어싱 힘을 증가시킴으로써 제2 드라이브 섹션(22)이 피구동부재(3)을 밀고 플렉셔 힌지(42)의 변형이 피구동부재(3)로부터 멀어지는 방향으로 밀도록 하며, 이로 인해 제1 드라이브 섹션(21)은 피구동부재(3)로부터 들어올려지는 상태의 스텝퍼 드라이브의 개략적인 측면도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브를 위한 드라이브 장치(2)의 다른 배치의 상면도이다. 도면 (a) 및 도면 (b)에서 드라이브 섹션들을 A와 B로 표시한 것은 드라이브 섹션(21, 22)의 움직임의 태양과 관계가 있고, 같은 글자로 표시된 드라이브 섹션들은 유사하게 움직임을 수행하고 각 관련 액추에이터들은 같은 상(in-phase)으로 작동된다. 도면 (a)에 따르면, 드라이브 장치(2)의 액추에이터들은 서로에 대하여 거울상 대칭으로 작동되고(BAAB 배치), 한편 도면 (b)에 따르면, 액추에이터들은 서로 평행하게 오프셋되어 작동된다(ABBA배치). 공통인 드라이브 장치(3)의 두 드라이브 섹션(21, 22)이 같은 방향 또는 같은 위상(in-phase)으로 작동됨에 따라, 현재 도시되지 않은, 드라이브 섹션(21, 22)과 관련된 액추에이터들을 작동시키는 방법도 가능하지만, 드라이브 장치(2)의 액추에이터들의 작동 신호의 위상은 다른 드라이브 장치(2)(AABB 배치)의 액추에이터들의 작동 신호의 위상과 다르다. 도면 (a)에 따른 작동은 피구동부재에 힘이 대칭으로 가해짐으로 인해 가장 큰 장점이 있다.

제3 실시예(도 7)

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 측면도이고, 드라이브 장치(2) 및 하우징 내의 그 배치는 제2 실시예와 동일하게 형성되는 동일한 방법으로 구성되고, 다만 피구동부재(3)는 회전 디스크로서 구성되고 드라이브 장치(2)는 회전 디스크로서 구성되는 피구동부재(3)에 실질적으로 반경방향으로 같은 측으로부터 작동한다. 특히 드라이브 장치의 드라이브 섹션의 평행 배치가 회전 디스크로서 디자인된 피구동부재(3)에 선접촉하게 하는 데에 유리하며, 평행하게 나란히 놓인 드라이브 장치의 수를 증가시킴으로서, 이로써 동시에 마찰 표면에 결합된 드라이브 섹션을 증가시킴으로서, 구동력이 증가될 수 있다.

제4 실시예(도 8)

도 8은 도 2에 따른 드라이브 장치(2)를 구비한 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 측면도이고, 피구동부재(3)는 플렉셔 힌지를 포함하는 프레임에 탄성 방식으로 장착된다.

본 발명에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 구성 및 작동 원리는 다음과 같이 다른 방식으로 설명될 수 있다.

본 발명은 적어도 하나의 드라이브 장치(2)를 구비한 셀프-록킹 스텝퍼 드라이브(1) 및 이것에 의해 구동되는 요소(피구동부재)를 제공하고, 각 드라이브 장치(2)는 적어도 네 개의 전기기계적 액추에이터(213, 214, 223, 224)가 삽입되는 탄성 가변 섹션을 구비한 프레임(20)을 포함하고, 각각 관련된 액추에이터(213, 214 또는 223, 224)는 프레임(20)의 공통되는 드라이브 섹션(21, 22)에 일 단부가 인접하고, 다른 단부는 프레임(20)의 각각의 서포트 섹션(215, 216 또는 225, 226)에 대하여 지지된다. 액추에이터(213, 214 또는 223, 224)의 무전압 상태에서 각각, 드라이브 섹션(21, 22)은 구동될 요소(피구동 부재)(3)에 대하여 가압된다.

본 발명에 따른 스텝퍼 드라이브는 휴지 상태에서 셀프-록킹이고 제어 전압이 필요한 작동이 없기 때문에 열이 발생되지 않는다. 이는 비자력(non-magnetic) 및 진공 양립성(vacuum-compatible) 작동 원리에 기초한다.

제5 실시예(도 9)

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스텝퍼 드라이브의 상면도(도면 (a)) 및 측면도(도면 (b))이다. 드라이브 장치(2)는 이전의 실시예들 중 하나의 드라이브 장치와 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 본 발명에서, 피구동부재(3)는 바람직하게는 정확하게 또는 실질적으로 직육면체 형 바디(30)를 포함하고, 면적이 가장 큰 측면들이 첫째로 드라이브 장치(2)를 향하고, 둘째로 가이드 장치(5)를 향한다. 피구동장치(3)의 전진 방향(V)은 바디(30)의 면적이 가장 작은 측면에 수직 및/또는 바디(30)의 다른 측면에 평행이다. 드라이브 장치(2)를 향하는 바디(30)의 전면에 피구동장치(3)의 활주면(31)이 배치되고, 활주면(running surface, 31)은 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션과 상호작용하고, 드라이브 섹션에 의해 구동된다. 활주면(31)은 활주 채널(running channel)로서 구성되고, 피구동장치(3)의 전진 방향(V)에 평행하게 정렬되어, 드라이브 섹션에 기인한 피구동부재(3)의 드라이브 장치(2)에 상대적인 전진이 피구동부재(3)의 전진 방향(V)으로 가이드된다.

피구동장치(3)의 전진 방향(V)에 평행한 웹(32)이 가이드 장치(5)를 향하는 바디(30)의 후면 상에서, 예컨대 그 가운데에서 연장한다. 피구동부재(3)의 전진 방향(V)에 수직인 도 9의 (a)에서, 이 웹(32)은 팁이 가이드 장치(5)를 향하고/향하거나 두 플랭크가 바디(30)의 후면에 대하여 예각, 예컨대 45도로 정렬되는 실질적으로 삼각형 단면 프로파일을 가진다.

가이드 장치(5)는 긴 실질적으로 직육면체 형 바디(50)를 포함하고, 바디(50)의 가장 긴 면은 피구동부재(3)의 전진 방향(V)에 정확히 또는 실질적으로 평행이다. 직육면체 기초 형상으로부터 출발하여, 가이드 장치(5)의 바디(50)는 피구동부재(3)를 직접적으로 향하는 면과 그 인접 측면 사이에 경사면(51)을 포함하고, 경사면(51)은 피구동부재(3)의 후면과 바람직하게는 정확히 또는 실질적으로 45도의 예각을 형성한다. 총 4 개의 롤러(4)는 가이드 장치(5)의 이러한 경사면에 장착된다. 롤러(52)의 회전 축은 각각 가이드 장치(5)의 경사면 중 하나에 수직이고 피구동부재(3)의 후면에 바람직하게는 정확히 또는 실질적으로 45도의 예각으로 정렬된다. 롤러(52)의 회전 축 및 측면은 피구동부재(3)의 웹(52) 상의 플랭크에 매치되고, 피구동부재(3)의 움직임과 함께, 롤러(52)는 피구동부재(3)의 웹(32)의 각 플랭크 상에서 전진 방향(V)을 따라 구른다. 피구동부재(3) 및/또는 가이드 장치(5)는 피구동부재(3)의 전진 방향을 포함하고 같은 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션들 사이에 연장하는 대칭 면에 대하여 거울상 대칭으로 형성/배치되는 것이 바람직하다. 피구동부재(3), 가이드 장치(5) 및 드라이브 장치(2)의 상호작용은 피구동부재(3)에 대한 드라이브 장치(2)의 독립적인 정렬을 가능하게 한다.

1 압전 스테퍼 드라이브
2 드라이브 장치
20 (드라이브 장치의) 프레임
21 제1 드라이브 섹션
210 (제1 드라이브 섹션의) 접촉 섹션 (프릭션 노우즈)
211, 221 스프링 섹션
211a 제1 웨지 섹션
211b 웹
211c 제2 웨지 섹션
211d 제1 플레이트 패키지
211e 클램핑 블록
211f 제2 플레이트 패키지
212, 222 플렉셔 힌지
213, 214 (제1 드라이브 섹션의) 액추에이터
215, 216 (제1 드라이브 섹션의) 서포트 섹션
22 제2 드라이브 섹션
220 (제2 드라이브 섹션의) 접촉 섹션 (프릭션 노우즈)
223, 224 (제2 드라이브 섹션의) 액추에이터
225, 226 (제2 드라이브 섹션의) 서포트 섹션
3 피구동부재
30 바디
31 웹
32 활주면
4 베이스 프레임
41 제1 섹션
42 플렉서블 섹션
43 제2 섹션
5 가이드 장치
50 바디
51 경사면
52 롤러
V 전진 방향

Claims

서로 독립적으로 구동 가능하고, 적어도 두 개의 압전 액추에이터(piezoelectric actuator; 213, 214, 223, 224)에 의해 각각 작동되는 적어도 두 개의 드라이브 섹션(drive section; 21, 22)을 구비한 적어도 하나의 압전 드라이브 장치(piezoelectric drive apparatus; 2); 및
상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 제어전압이 가해졌을 때, 적어도 하나의 상기 드라이브 섹션(21, 22)에 의해 전진되는 피구동부재(3);를 포함하고,
상기 압전 드라이브 장치(2)는 삼각형 형태로 구성되고, 그 팁에 상기 드라이브 섹션(21, 22)이 배치되고,
상기 압전 드라이브 장치(2)는, 상기 피구동부재(3)의 전진 방향을 포함하고, 상기 압전 드라이브 장치의 상기 드라이브 섹션(21, 22) 사이에서 연장되는 면에 대해 거울상 대칭이고,
상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 가해진 제어전압이 없을 때, 상기 드라이브 섹션(21, 22) 중 적어도 하나는 상기 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스(biased)되고,
상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 가해진 제어전압이 없을 때, 상기 드라이브 섹션(21, 22) 중 적어도 하나는 상기 드라이브 섹션이 상기 피구동부재(3)의 전진을 막도록 상기 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스(biased)되고,
상기 드라이브 섹션(21, 22)의 각각은 삼각형 모형의 상기 압전 드라이브 장치의 베이스(base; 201)에 대하여 개별적으로 탄력 있게(resilient) 장착되는, 압전 스텝퍼 드라이브(piezoelectric stepper drive; 1).
제1항에 있어서,
상기 압전 드라이브 장치(2)는 상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)가 삽입되는 변형 가능한 프레임(20)을 포함하고, 드라이브 섹션(21, 22)에 각각 작용하는 상기 두 개의 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)는 각 단부 중 하나가 상기 프레임(20)의 공통되는 상기 드라이브 섹션(21, 22)에 인접하고, 다른 단부는 상기 프레임의 서포트 섹션(215, 216, 225, 226)에 지지되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제2항에 있어서,
상기 프레임(20)은 탄성 가변 섹션(elastically deformable section)을 포함하는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제3항에 있어서,
상기 탄성 가변 섹션 중 적어도 하나는 스프링 섹션(spring section) 또는 플렉셔 힌지(flexure hinge)로 구성되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 있어서,
상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)가 적어도 조립식으로 삼각형 모형의 상기 압전 드라이브 장치의 레그(leg)를 형성하고 삼각형 모형의 상기 압전 드라이브 장치의 베이스(201)에 관절식(articulated manner)으로 고정되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 있어서,
상기 압전 스텝퍼 드라이브(1)는 상기 피구동부재(3)의 같은 측 또는 서로 다른 측에 배치되는 적어도 두 개의 압전 드라이브 장치(2)를 포함하는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 있어서,
상기 피구동부재(3)는 탄성 가변 방식으로 구성 및/또는 장착되고, 상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 상기 제어전압이 없을 때 탄성 변형으로 인한 복원력에 의하여 상기 압전 드라이브 장치(2)에 대항하여 바이어스되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 압전 드라이브 장치(2)는 베이스 프레임(4)에 배치되고,
상기 베이스 프레임(4)은, 탄성 가변 섹션을 포함하여, 상기 압전 드라이브 장치(2)는, 상기 압전 액추에이터(213, 214, 223, 224)에 제어전압이 없을 때, 상기 압전 드라이브 장치(2)의 드라이브 섹션(21, 22) 중 적어도 하나가 탄성 변형으로 인해 복원력에 의하여 상기 피구동부재(3)에 대항하여 바이어스되는, 탄성 방식으로 상기 베이스 프레임(4)에 장착될 수 있는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 있어서,
상기 압전 스텝퍼 드라이브(1)는 상기 압전 드라이브 장치(2)에 대하여 전진 방향(V)으로 상기 피구동부재(3)를 가이드하는 가이드 디바이스(5)를 포함하는, 압전 스텝퍼 드라이브(1).
제1항에 따른 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 작동 방법으로서,
a A 단계: 상기 압전 액추에이터(213,214,223,224)의 적어도 하나의 제2 드라이브 섹션(22)과 연관된 제2 압전 액추에이터 (223, 224)를 작동시키고, 선택적으로 상기 드라이브 섹션(21, 22)의 적어도 하나의 제1 드라이브 섹션(21)과 연관된 제1 압전 액추에이터(213,214)를 작동시켜, 상기 제1 드라이브 섹션(21)에 의해 상기 피구동부재(3)에 가해진 바이어싱 힘이 감소되거나 상쇄되는 단계;
b. B 단계: 상기 제2 압전 액추에이터(223, 224)를 작동시켜 상기 제2 드라이브 섹션(22)이 상기 피구동부재(3)에 구동력을 전달하고, 상기 피구동부재(3)는 구동방향으로 전진되는 단계;
c. C 단계: 상기 제1 드라이브 섹션(21) 및 상기 제2 드라이브 섹션(22)은 상기 피구동부재(3)의 구동 방향으로 서로 오프셋되어 있고, 상기 제1 드라이브 섹션(21)과 상기 피구동부재(3) 사이의 접촉이 회복되도록, 상기 제2 압전 액추에이터(223, 224)에 가해진 상기 제어전압을 변경하고, 선택적으로 상기 제1 압전 액추에이터(213, 214)에 가해진 상기 제어전압을 변경하는 단계;
d. D 단계: 상기 제1 압전 액추에이터(213, 214)를 작동시키고, 선택적으로 상기 제2 압전 액추에이터(223, 224)를 작동시켜, 상기 제2 드라이브 섹션(22)에 의해 상기 피구동부재(3)에 가해진 바이어싱 힘이 감소되거나 상쇄되는 단계;
e. E 단계: 상기 제1 압전 액추에이터(213, 214)를 작동시켜, 상기 제1 드라이브 섹션(21)이 상기 피구동부재(3)에 구동력을 전달하고, 상기 피구동부재(3)은 구동 방향으로 전진하는 단계;
f. F 단계: 상기 제2 드라이브 섹션(22)과 상기 피구동부재(3) 사이의 접촉이 회복되도록, 상기 제1 압전 액추에이터(213, 214)에 가해진 상기 제어전압을 변경시키고, 선택적으로 상기 제2 압전 액추에이터(223, 224)에 가해진 상기 제어전압을 변경시키는 단계;를 포함하고, 선택적으로
g. A 단계 내지 F 단계의 반복을 포함하고, 상기 제2 드라이브 섹션(22)이 상기 피구동부재(3)의 구동 방향 전진을 야기하고 상기 제1 드라이브 섹션(21)이 상기 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하게 상기 제2 압전 액추에이터(223, 224) 및 상기 제1 압전 액추에이터(213, 214)가 작동되도록, B 단계가 각 반복마다 수정되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 작동 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 드라이브 섹션(21)이 상기 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하도록, B 단계가 상기 제1 액추에이터(213, 214)의 작동을 추가적으로 포함하고,
E 단계에서, 상기 제2 드라이브 섹션(22)이 상기 구동 방향에 실질적으로 반대인 방향으로 움직임을 수행하도록, 상기 제2 액추에이터(223, 224)가 추가적으로 작동되는, 압전 스텝퍼 드라이브(1)의 작동 방법.
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