KR102671955B1

KR102671955B1 - 초음파 액추에이터 및 이러한 초음파 액추에이터를 구비한 모터

Info

Publication number: KR102671955B1
Application number: KR1020227003924A
Authority: KR
Inventors: 라인하르트 휘브너
Original assignee: 피직 인스트루멘테 (페이) 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2024-06-05
Also published as: JP2022538683A; US20220254983A1; US11793080B2; DE102019118198B3; KR20220028116A; WO2021004583A1; JP2024079688A; EP3994737B1; CN114128125A; EP3994737A1

Abstract

본 발명은 베이스(3), 상기 베이스와 기하학적으로 유사한 커버 표면(4), 및 상기 베이스와 상기 커버 표면을 상호 연결하는 사이드 표면(side surface)(5)을 갖는 플레이트(2) 형태이고, 상기 플레이트는 전기 기계 재료(electromechanical material)를 포함하고 전극 (6, 6', 7, 7')은 상기 플레이트의 주기적인 변형을 여기하기(exciting) 위해 상기 베이스와 상기 베이스 반대편의 커버 표면에 배치되며, 상기 베이스(3)는 상기 사이드 표면(side surface)(5)의 접촉부(contact portions)(50, 50')를 형성하는 적어도 2개의 서로 평행하게 배치된 사이드(8, 8')를 포함하고, 상기 베이스의 서로 평행하게 배치된 2개의 사이드(8, 8’)는, 사이드(8, 8')의 각 끝점을 상호 연결하는 연결선(connecting lines)(9, 9')과 함께, 상기 베이스에 내접된(inscribed) 평행사변형(10)을 형성하는 초음파 액추에이터에 있어서, 상기 내접된 평행사변형(10)에서 인접하는(abutting) 사이드들 사이의 각도는 90°이외로 정의된 초음파 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 초음파 액추에이터를 구비하는 모터에 관한 것이다.

Description

초음파 액추에이터 및 이러한 초음파 액추에이터를 구비한 모터

본 발명은 베이스, 베이스와 기하학적으로 유사한 커버 표면, 및 베이스와 커버 표면을 상호 연결하는(interconnecting) 사이드(side) 또는 측면(lateral surface)을 갖는 플레이트 형태의 초음파 액추에이터에 관한 것이다. 여기서 플레이트는 전기 기계 재료(electromechanical material)를 포함하고 전극은 플레이트의 주기적인 변형을 여기하기(exciting) 위해 베이스와 베이스 반대편의 커버 표면에 배치된다. 베이스는 서로 평행하게 배치된 적어도 2개의 사이드를 갖고, 이는 사이드 표면의 접촉섹션(contact sections)을 정의한다. 서로 평행하게 배치된 베이스 표면의 2개의 사이드는, 서로 평행하게 배치된 사이드의 각 끝점을 상호 연결하는 연결선(connecting lines)과 함께, 청구항 1항의 통칭의 용어에 따른, 베이스에 내접된 평행사변형을 형성한다. 본 발명은 또한 초음파 모터를 형성하는 이러한 초음파 액추에이터를 구비한 모터에 관한 것이다.

이와 관련하여, 상기 및 또한 이하에서 사용되는 용어 "전기 기계 재료"는 전압을 인가하고 상응하는 전기장을 생성할 때 기계적인 변형을 수행하는 재료로 이해되어야 한다. 특히, 이는 압전 세라믹 재료와 같은 압전 특성을 갖는 재료뿐만 아니라 예를 들어 정전기적 특성을 갖는 재료도 포함한다.

이러한 초음파 액추에이터 또는 이를 포함하는 초음파 모터는 소형 카메라, 휴대전화 또는 스마트폰의 렌즈, 소형 저장 장치 및 유사한 장치와 같이 에너지 소비가 적은 소형의 저렴한 장치에 사용될 수 있으며, 이는 작은 치수, 높은 위치 정확도와 구동에 의한 낮은 에너지 소모가 필요하다.

초음파 모터용 초음파 액추에이터는 US 5 672 930 및 US 5 665 918로 공지되어 있으며, 이는 압전 여기 플레이트(piezoelectric excitation plates)가 결합되고, 공진체(resonant body)로 구성되는 복잡한 복합 진동기로 마련된다. 이러한 액추에이터는 상대적으로 구조가 복잡하고 제조 비용이 비싸다는 단점이 있다. 따라서 소형화 장치에 사용하기 위한 저가의 양산품으로(mass-produced)는 배제된다.

또한, 문헌 US 6 765 335 B2an에는 공진체(resonant body)가 직사각형 형상의 압전플레이트로 형성되는 초음파 모터용 초음파 액추에이터가 공지되어 있다. 이러한 초음파 액추에이터는 심플한 디자인과 쉽게 제어 가능한 제조기술이 특징이여서, 저가의 대량 생산품으로 적합하다. 하지만, 이러한 초음파 액추에이터의 단점은 작동 시 상대적으로 높은 전력이 필요하여 에너지 소비가 증가한다는 것이다. 따라서, 이러한 초음파 액추에이터는 낮은 에너지 소모를 필요로 하는 소형화 장치들에서는 사용이 또한 배제된다.

EP 2 153 476 B1에 공지된 초음파 액추에이터는 비교적 단순한 디자인과 동시에 높은 작동 안정성 또는 안전함과 함께 낮은 전력 소비를 갖는다는 점에서 상기 기재된 문제를 실제로 해결할 수 있다. 그럼에도 불구하고, EP 2 153 476 B1에 개시된 초음파 액추에이터와 함께, 상응하는 초음파 모터의 실현은 특히 이러한 모터의 아마추어(armature)의 구조와 관련하여 더 높은 비용과 관련이 있다. 이 경우, 영구적으로 안정적인 작동에 필요한 아마추어의 전체 이동 거리(travel distance)에 걸쳐 초음파 액추에이터에 대한 로터(rotor)의 일정한 접촉력을 실현하는 것은 비교적 비용이 많이 드는 것으로 판명되었다.

따라서 본 발명의 목적은 단순한 디자인 및 낮은 전기 에너지 소모와 함께, 간단하게 구성되지만 영구적으로 안정적인 모터를 실현하는 특성을 갖는 초음파 액추에이터를 마련하는 것이며, 이는 특히 대량 생산 및 조립이 용이할 수 있고 소형화(miniaturizability) 할 수 있으며 우수한 확장성(scalability)을 가진다.

이러한 목적은 처음에 기재된 유형의 초음파 액추에이터에 의해 해결되며, 이는 베이스에 내접된 평행사변형에 대해 인접하거나 가깝거나 이웃하는 사이드 사이의 각 경우에 90°에서 벗어나는 각도가 포함된다. 즉, 구체적으로 내접된 평행사변형은 직각 평행사변형이 아니다.

내접된 평행사변형의 특정 형상으로 인해, 서로 평행하게 배치된 각 사이드는 직각 평행 사변형의 경우와 같이, 각각의 사이드 법선(normals)을 따라 시프트함으로써 완전히 중첩될 수 없다. 즉, 해당 사이드의 중심을 각각 통과하는 법선은 교차하지 않고 평행하게 배치되며, 서로 오프셋된다(offset). 이러한 경우에, 힘이 측면의 대응하는 사이드에 의해 형성된 접촉부(contact portions) 또는 접촉 표면(contact surfaces)에 대해 법선을 따라 작용하는 경우-예를 들어, 초음파 액추에이터의 접촉부 또는 접촉 표면에 대해(against) 초음파 액추에이터로 이동되는 아마추어의 주행 표면(running surfaces)의 가압(pressing)으로 인해- 초음파 액추에이터를 회전시키려는 토크(torque)가 발생한다. 주행 표면에 작용하는 해당 카운터 토크는 가이드(guide part) 또는 그것의 가이드부 (guide portions)의 정의된 접촉력을 생성하는데 사용될 수 있고, 가이드부는 가이드 장치의 가이드 부재(guide elements)에 대해(against) 아마추어에 연결되거나 통합된다. 이러한 방식으로, 해당 초음파 모터의 최적화된 동작을 위해 필요한 초음파 액추에이터에 가해지는 기계적인 예압(preload) 및 상술한 가이드 장치의 가이드 부재에 대한 가이드부의 접촉 압력(contact pressure) 및, 바람직하게 슬라이딩 가이드(sliding guide)는 주행 표면을 통해 동시에 실현될 수 있고, 이는 예를 들어, 아마추어의 일체형 부품(integral part)이다.

이와 관련하여, 내접된 평행사변형의 더 큰 내각이 93°와 105° 사이, 바람직하게는 95°와 99° 사이의 값을 갖는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 내접된 평행사변형의 더 작은 내각은 87°와 75° 사이의 값 및 바람직하게는 85°와 81° 사이의 값들을 갖는다. 이러한 내접된 평행사변형의 기하학적 구조를 구비하여, 아마추어의 주행표면이 초음파 액추에이터의 접촉부(contact portions)에 대해(against) 가압되는 해당 초음파 모터의 경우, 초음파 액추에이터의 영구적이고 안정적인 작동에 유리한 카운터 토크는 아마추어에 연결된 가이드 장치에 적용될 수 있다. 반면에 더 큰 내각에 대해 더 작은 값을 사용하면, 이러한 목적에 충분한 토크 또는 카운터 토크가 더 이상 달성되지 않을 수 있다. 더 큰 내각의 값이 클수록, 초음파 액추에이터의 덜 안정적일 뿐만 아니라 덜 정의된 진동이 발생하여 위치 정확도가 더 낮아지고 해당 초음파 모터가 더 불규칙한 구동을 하게 된다.

베이스 또는 베이스에 평행하게 배치되고 기하학적으로 유사하며 바람직하게는 동일한 형상인 커버 표면은 팔각형이고, 각 경우에 사다리꼴 및 바람직하게는 이등변 사다리꼴에 의해 내접된 평행사변형의 양사이드에 인접하는 것이 유리할 수 있다. 각 사다리꼴의 베이스(예: 아랫변)는 내접된 평행사변형의 각각의 더 긴 사이드(예: 장변)와 일치한다. 결과적으로 초음파 액추에이터의 각기둥 형상(prismatic shape)은 비교적 저렴한 재료 비용으로 아마추어를 구동하는데 사용할 수 있는 특히 효과적인 변형의 여기(excitation)를 가능하게 한다.

이등변 사다리꼴의 경우, 사다리꼴의 대각선 길이는 사이드 또는 그 사다리꼴의 베이스에 대향하는 베이스와 다른 사다리꼴의 베이스 사이의 거리와 실질적으로 동일한 것이 유리할 수 있다. 이러한 기하학적 비율은 너비가 높이의 두 배 미만인 초음파 액추에이터를 초래하고, 이에 따라 초음파 액추에이터는 상대적으로 더 작은 공간(footprint)을 차지하게 되어 재료가 적게 필요된다. 또한, 이러한 초음파 액추에이터의 기하학적 비율은 사용되는 진동 모드에서 3차원으로 중첩되도록(superimposed) 한다. 사용된 진동 모드가 사라지지 않으면서 진동 모드의 1차원이 외부 영향에 의해 억제될 수 있다. 이에 따라 외부 영향과 액추에이터의 기계적 환경에 반하는(against) 모터의 전체적인 견고성(robustness)이 증가한다.

본 발명은 또한 상술한 초음파 액추에이터를 구비하고 초음파 액추에이터를 고정적으로 장착하는 장착 장치(mounting device) 및 초음파 액추에이터에 대해 이동 가능하고 그와 직접 또는 간접 마찰 접촉하는 아마추어를 포함하는 모터에 관한 것이다. 여기서 장착 장치는 상이한 영역에서 초음파 액추에이터와 접촉하는 적어도 4개의 유지부(retaining portions)를 포함하고, 그 중 2개의 유지부는 기계적으로 강성(stiff)인 강성 유지부(stiff retaining portions)를 형성하고, 적어도 4개의 유지부 중 다른 2개의 유지부는 탄성적인 특성(resilient properties)을 갖는 탄성 유지부(resilient retaining portions)를 형성한다.

이 경우, 강성 유지부와 탄성 유지부는 각각 서로 비스듬하게 대향하여(opposite) 배치되는 것이 유리할 수 있다.

또한, 장착 장치는 2개의 또 다른 유지부를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 2개의 다른 유지부는 각각의 강성 유지부와 각각의 탄성 유지부에 의해 접촉되는 사이드 표면의 영역 사이에 위치된 초음파 액추에이터의 사이드 표면의 영역 사이에서 접촉한다.

일실시예에서, 모터는 아마추어가 2개의 길고(elongated) 평행한 주행 표면을 포함하도록 구성될 수 있고, 주행 표면은 접촉부에서 초음파 액추에이터와 직접 또는 간접적으로 접촉하여 후자(latter)(초음파 액추에이터)를 그 사이에서 고정한다. 접촉부를 통해 도입된 고정력(clamping forces)의 결과로서, 초음파 액추에이터의 특정 기하학적 형상으로 인해 토크가 초음파 액추에이터에 작용하고, 이에 따라 후자(latter)는 장착 부재(mounting element)의 각각의 강성 유지부(rigid retaining portion)에 대해(against) 측면(lateral surface)의 각 부에서 압력을 받는다.

이 경우에, 아마추어는 서로 이격된 적어도 2개의 가이드부(guide portions)를 구비하는 가이드(guide part)를 포함하는 것이 유리하며, 가이드부는 가이드 부재와 결합되거나 슬라이딩 운동(sliding movement)을 할 수 있다. 가이드 부재의 경우, 이들은 분리 마련될 수 있으며, 가이드부의 경우, 이들은 바람직하게 장착 장치의 일체형 부품(integral part)으로 마련될 수 있다. 가이드부는 바람직하게 가이드와 일체로 형성되고, 가이드는 바람직하게 아마추어와 일체로 형성된다.

이하는 본 발명에 따른 대응하는 도면과 관련하여 초음파 액추에이터 및 해당 모터의 실시예에 대한 기재이며, 동일한 참조 부호는 다른 도면의 동일한 부분을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 액추에이터의 베이스의 평면도이다.
도 2a 및 2b는 도 1에 따른 초음파 액추에이터의 다른 사시도이다.
도 3는 도 1 및 도 2에 따른 초음파 액추에이터를 구비한 모터의 실시예의 사시도이다.
도 4는 도 3에 따른 모터의 초음파 액추에이터의 장착 장치를 도시한 것이다.
도 5는 도 3에 따른 모터의 측면도이다.
도 6은 도 1 및 도 2에 따른 초음파 액추에이터를 구비한 모터의 일실시예에 대한 사시도이다

도 1은 본 발명에 따른 초음파 액추에이터(1)의 베이스(3)를 평면도로 도시하며, 이는 팔각플레이트(2) 또는 팔각기둥(octagonal prism)의 형상을 가진다. 베이스(3) 반대편의 커버 표면은 도 1에서 보이지 않지만 베이스(3)와 동일한 형상이며, 베이스(3)와 커버 표면을 상호 연결하는 사이드 표면(5)은 베이스(3)와 커버 표면에 수직으로 배치된다. 여기서, 베이스(3)의 형상 및 커버 표면이 기하학적 유사성을 가지면서 서로 상이할 경우, 사이드 표면(5)이 베이스(3) 또는 커버 표면에 수직으로 배치되지 않는 초음파 액추에이터(1)의 실시예 또한 고려될 수 있다.

베이스(3)의 팔각형 형상과 초음파 액추에이터의 해당 기둥 형상(prismatic shape)은 서로 구별할 수 있는 8개의 섹션을 갖는 사이드 표면(5)을 생성하고, 여기서 사이드(8, 8')는 사이드 표면(5)의 접촉부(50, 50')을 형성한다. 접촉부(50, 50')는 초음파 액추에이터에 의해 구동되는 해당 초음파 모터의 부재(element)와 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 마련된다.

베이스(3)의 더 짧은 사이드 중 2개, 즉 사이드(8, 8')은 평행하게 배치되고 서로 이격되어 있으며, 각각의 사이드 법선을 따라 사이드가 이동함으로써 사이드(8, 8')는 완전히 중첩될 수 없다. 즉, 연장된 방향에서 볼 때, 사이드(8, 8')는 서로 상쇄되도록(offset) 배치된다. 해당 방식으로, 사이드(8, 8') 각각의 대응하는 끝점을 상호 연결하는 두 개의 연결선(9, 9')은 베이스(3)에 내접된 평행사변형(10)을 생성하며, 평행사변형은 직사각형이 아니고 또는 인접하거나 가까운 사이드 사이에서 90°에서 벗어나는 각도를 포함한다(enclose). 이 경우 평행사변형의 더 큰 두 각(11)은 97°이고, 결과적으로 평행사변형의 더 작은 각은 83°가 된다.

내접된 평행사변형(10)의 양 사이드에서, 베이스(3)에 대해 각각의 이등변 사다리꼴(12, 12')이 붙어 있고(adjoin), 그 각각의 베이스(13, 13')는 각각의 연결선(9, 9')에 상응하는 내접 평행사변형(10)의 각각의 긴 사이드와 일치한다. 사다리꼴(12, 12')의 각 대각선(14)의 길이는 이 사다리꼴의 베이스(13, 13')에 대향하는(opposite) 사이드(16, 16')와 각각의 다른 사다리꼴(12, 12’)의 베이스(13, 13') 사이의 최단 거리(15)와 실질적으로 동일하다. 본 발명의 경우에서, 베이스(3) 형상의 더 짧은 사이드를 나타내는 사이드(16, 16')은 각각의 사다리꼴(12, 12')의 베이스(13, 13')에 평행하게 배치된다.

내접된 평행사변형(10)이 직각 평행사변형에서 벗어나기 때문에, 베이스(13, 13')에 대향하는 직각 사다리꼴의 사이드(16, 16')의 중심점으로부터 연장되고 그에 평행한 측면 법선은 교차하지 않고 평행하게 연장되고 서로 이격된다.

도 2a는 도 1에 따른 초음파 액추에이터(1)를 주로 베이스(3)를 향한 사시도로 나타낸 것이다. 동일하게 형성된 2개의 전극(6, 6')은 서로 거울상으로 배치되어 팔각형 베이스(3)에 위치하며, 중간 분리 갭에 의해 서로 분리되어 전기적으로 절연된다. 베이스(3)의 사이드(8, 8')에 접촉부(50, 50')가 형성되며, 또한 베이스(3)의 더 긴 사이드는 사이드 표면(5)의 부(portions)(52, 52', 54, 54')를 형성하는 반면, 베이스(3)의 나머지 2개의 더 짧은 사이드(16, 16')은 사이드 표면(5)의 부(portions)(56, 56')를 형성하거나 정의한다.

도 2b는 다른 관점에서 도 1의 초음파 액추에이터를 도시한 사시도로, 주로 커버 표면(4)이 보이도록 도시한 것이다. 베이스(3)에서와 마찬가지로 두 개의 동일한 형상의 미러 이미지 전극(7, 7')이 커버 표면(4)에 위치하며, 이들 또한 중간 분리 갭에 의해 서로 이격되어 서로 전기적으로 절연된다. 커버 표면의 두 개의 전극(7, 7')은 베이스(3)에 장착된 두 개의 전극(6, 6')에 대해 거울상으로 배치된다. 베이스(3)와 커버 표면(4)에 각각 두 개 이상의 전극을 배치하는 것을 생각할 수 있다. 나아가, 베이스 상의 전극들의 수는 커버 표면 상의 전극들의 수와 다를 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 전극이 베이스에 배치되지만, 하나의 전극만 커버 표면에 배치될 수 있다.

접촉부(50, 50')는 초음파 액추에이터(1)의 각 표면들을 나타내며, 아마추어(armature)와 같이 초음파 액추에이터(1)에 대해 이동 또는 조정되는 부재(element)와 직접 접촉할 수 있다. 다만, 직접적인 접촉은 일반적으로 마찰 특성이 다소 떨어지는 초음파 액추에이터(1)의 전기기계 재료의 마모(wear)를 증가시킬 수 있으므로, 바람직하게는 마찰 및 마모 특성에 대해 최적화된 접촉부(50, 50')에 마찰 부재(friction elements)가 마련된다. 접촉부(50, 50')에 마찰 부재가 마련된 경우, 초음파 액추에이터의 접촉부(50, 50') 및 초음파 액추에이터(1)에 대해 이동 또는 조정될 부재 사이에는 간접적인 접촉이 이루어질 수 있다.

도 3은 도 1 및 2에 따른 초음파 액추에이터(1)를 사용하여 선형 드라이브(linear drive)로 구현된 모터(100)에 대한 잠재적 실시예의 사시도이다. 여기서, 초음파 액추에이터는 장착 장치(110)에 삽입되고, 그 상태로 더 높은 레벨의 고정 부재(higher-level stationary element) 예를 들어, 베이스에 연결됨으로써, 도 3에서는 보이지 않는 방식으로, 초음파 액추에이터는 고정적으로 장착될 수 있다.

아마추어(120)는 상호 일체로 형성되고 서로 평행하게 배치되는 2개의 긴(elongated) 주행 표면(122, 122')을 갖는 공간적으로(spatially) 구조화된 시트(sheet)의 형태로 초음파 액추에이터에 대해 반대로 또는 상대적으로 이동 가능하게 배치되며, 이에 따라 마찰 부재(friction elements)를 통해, 도 3에서는 보이지 않지만, 초음파 액추에이터의 접촉부(50, 50')에 의해 초음파 액추에이터에 간접적으로 접촉한다.

이러한 디자인으로 인해 아마추어(120)는, 무엇보다도, 특정한 탄성 특성을 갖게 되고, 더불어 - 아마추어(120)에 장착 장치(110)를 삽입한 후 - 주행 표면(122, 122')이 가압되거나 마찰 부재 또는 접촉부(50, 50')에 대해(against) 정의된 힘으로 가압된다. 이 힘은 한편으로는 초음파 액추에이터가 안정적이고 정의된 작동에 필요한 예압을 받는 것을 보장하고, 다른 한편으로는 - 본 발명에 따른 초음파 액추에이터의 기하학적 구조로 인해 - 초음파 액추에이터가 반시계 방향의 토크를 받는 것을 보장한다. 따라서 장착 장치(110)에 대한 초음파 액추에이터가 확실히 가압되며, 그 결과 초음파 액추에이터는 그 안에서 견고하게 유지될 수 있다.

따라서 초음파 액추에이터에 가해지는 토크는 시계 방향의 카운터-토크를 발생시키며, 이는 아마추어(120)에 작용한다. 2개의 가이드부(guide portions)(125, 125')가 아마추어(120)와 일체로 마련되고, 2개의 가이드부는 서로 이격되어 있으며 다른 형상을 가진다. 도 3에서는 보이지 않는 2개의 베어링부(bearing portions)(126, 126')는 서로 대향하여(opposite) 배치된다. 가이드부(125, 125') 및/또는 베어링부(126, 126')는 별도의 구성요소(components)로서 마련하고, 예를 들어 나사(screw) 또는 접착 연결(adhesive connection)에 의해 이들을 아마추어(120)에 연결하는 것 또한 고려 할 수 있다.

가이드부(125, 125')는 서로 평행하게 배치되고 강철로 제조된 2개의 둥근 막대형 가이드 부재(rod-shaped guide elements)(130, 130')와 슬라이딩 결합(sliding engagement)된다. 세라믹으로 제조된 가이드 부재(130, 130')를 사용하는 것도 동일하게 고려할 수 있다. 가이드부를 구비하는 가이드(guide part) (124)는, 가이드 부재(130, 130')와 함께, 슬라이딩 가이드(sliding guide)를 형성한다. 슬라이딩 가이드는 주행 표면(122, 122')의 형상에 의해 이미 생성된 마찰 및 초음파 액추에이터의 마찰 부재(friction elements)와의 접촉 상황을 보상하여(compensate) 아마추어(120)의 선형 운동(linear movement)을 보다 정밀하게 만드는 역할을 한다.

아마추어(120)에 작용하는 카운터 토크는 가이드부(125, 125')가 도 3의 상부 가이드 부재(130)와 정의된 접촉을 하도록 보장한다. 가이드부(125, 125') 각각은 가이드 부재(130)가 통과하는 구멍을 갖는다. 가이드부(125, 125')의 단면은 원형이 아니지만 각각 V자형(V-shaped) 영역을 갖는다. V자형 영역의 두 측면(flanks)은 가이드 부재(130)를 지지하는 역할을 한다. 도 3의 좌측 가이드부(left-hand guide portion)(125)의 경우 V자형 부(V-shaped portion)가 아래쪽을 가리키고 있는 반면, 도 3의 우측 가이드부(125')의 경우에는 V자형 부가 위쪽을 가리킨다. 아마추어(120)에 작용하는 카운터 토크에 의해 가이드부(125, 125')의 V자형 부 또는 그 측면(flanks)은 정의된 힘으로 가이드 부재(130)를 지지한다(bear). 따라서 동시에, 정의된 상호 정렬(mutual alignment)이 가이드 부재(130) 및 가이드부(125, 125') 사이에서 발생된다.

가이드부(125, 125')의 V자형 부의 측면 또는 다리(legs)가 가이드 부재(130)에 대해 가압되는 힘은 아마추어(120)의 주행 표면(122, 122')을 통해 초음파 액추에이터(1)에 작용하는 힘에 의해 영향을 받을 수 있다. 이에 따라 힘은 아마추어(120)의 시트 금속의 탄성 특성과 아마추어의 기하학적 구조(geometries) 및 초음파 액추에이터의 기하학적 구조에 주로 의존한다. 이러한 힘과 초음파 액추에이터에 최종적으로 작용하는 토크가 높을수록, 아마추어에 작용하는 해당 카운터 토크가 커진다. 가이드부(125, 125')가 더 멀리 서로 이격될수록, 레버 길이(lever lengths)의 증가로 인해 가이드 부재(130)에 대한) 가이드 부(125, 125')의 V자형 구역(regions)의 측면 또는 다리의 접촉력은 낮아진다. 따라서, 이러한 접촉력(contact forces)의 조정은 가이드부(125, 125')의 간격에 의해 또한 이루어질 수 있다.

이러한 방식으로 형성된 슬라이딩 베어링(sliding bearing) 또는 슬라이딩 가이드(sliding guide)는 조립이 용이하고, 구현이 비교적 간단하여 이에 따라 전체적으로 비용이 낮아진다.. 접촉력(contact forces)은, 특히, 초음파 액추에이터가 작용해야만 하는 낮은 마찰 저항이 발생하도록 조정될 수 있다. 이와 동시에, 이러한 슬라이딩 가이드는 높은 기계적인 부하를 견딜 수 있고 높은 주행 정확도(running accuracy)를 나타낼 수 있다.

도 4는 분리된 방식 및 이에 따라 도 3에 따른 모터의 세부사항으로서 도 1 및 도 2에 따른 초음파 액추에이터(1)가 내부에 삽입된 장착 장치(110)만 도시한 것이다. 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone)(PEEK)로 제조된 장착 장치(110)는 사이드 표면(5)의 각 부(portions)(52, 52', 54, 54', 56, 56')에서 초음파 액추에이터와 접촉하는 총 6개의 유지부(111, 111', 112, 112', 113, 113')를 구비한다. 따라서 장착장치는 초음파 액추에이터를 단단히 고정하거나 유지할 수 있다. 장착 장치(110)를 위한 다른 재료로서, 예를 들어 폴리옥시메틸렌(POM) 또는 폴리아미드(PA)와 같은 중합체 재료(polymeric materials)도 동등하게 고려할 수 있다.

초음파 액추에이터와 접촉하는 2개의 유지부는 더 긴 사이드 표면부(side surface portions)(52', 54)에서 기계적으로 덜 탄력적인 따라서 강성으로 마련되며이에 상응하여 강성 유지부(stiff retaining portions)(111, 111')를 형성하는 반면, 마찬가지로 더 길지만 상이한 사이드 표면부(52, 54')에서 초음파 액추에이터와 접촉하는 2개의 다른 유지부는, 기계적으로 탄성을 갖는 따라서 탄성 특성을 가지며 이에 상응하여 탄성 접촉부(resilient contact portions)(112, 112')를 형성한다. 유지부(113, 113')은 더 짧은 사이드 표면부(56, 56')에서 초음파 액추에이터와 접촉하고 또한 낮은 기계적 탄성을 갖는다.

아마추어(120)의 주행 표면(122, 122')으로부터 2개의 마찰 부재(20)에 작용하는 힘(F)은 도 4에 표시되어 있고, 초음파 액추에이터(1)에 작용하는 토크(M)와 마찬가지로 초음파 액추에이터를 반시계 방향으로 회전시키려 한다. 이러한 토크(M)로 인해 사이드 표면부(side face portions)(52', 54)는 강성 접촉부(stiff contact portions)(111, 111')에 더 강하게 가압되는 반면에 후자(latter)는 이에 따라 더 확고히 지지된다. 동시에, 사이드 표면 부(52, 54')는 작용 토크(acting torque)(M)로 인해 탄성 접촉부(112, 112')로부터 멀어지려고 하지만, 이들의 탄성 특성은 이러한 사이드 표면부(52, 54')와의 일정한 접촉을 보장하며, 그 결과 사이드 표면부(52, 54')에 대한(aginst) 탄성 접촉부(112, 112')에 가해지는 힘(pressing force)은 작용 토크(M)와는 무관하다.

도 5는 도 3에 따른 모터를 측면도로 도시한 것이며, 시야 방향(viewing direction)은 구동 방향과 일치한다. 여기서, 특히, 가이드부(125, 125')와 베어링부(126)의 단면 형상 및 가이드 부재(130, 130')와의 결합 상황(engagement situation)이 예시된다. 도 5의 전방 가이드부(forward-facing guide portion)(125)은 아래쪽을 향하는 V자형 부(downward-facing V-shaped portion)를 갖고, 가이드 부재(130)는 V자형 부의 양쪽 측면(flanks) 또는 다리(legs) 상에 놓이거나 지지된다. 도 5의 후방 가이드부(rearward-facing guide portion)(125')는 일부만 보여지고, 위쪽을 향하는 V자형 부(upward-facing V-shaped portion)를 가지며, 가이드 부재(130)는 또한 여기에 이러한 V자형의 양쪽 측면 또는 다리 상에 놓여 진다. 따라서, 아마추어에 작용하는 - 아마추어를 통해 초음파 액추에이터에 작용하는 토크에 기인한- 카운터 토크는 가이드부(125, 125')에서 가이드 부재(130)를 가압하는 동시에 정렬하는(align) 역할을 한다. 가이드부(125, 125')에 대향해서(opposite) 각각의 베어링부(bearing portion)(126, 126')는 있지만, 그 중에서 전방을 향하는 베어링부(forward-facing bearing portion)(126)만을 볼 수 있다. 이는 가이드 부재(130')가 유격을 가지고(with clearance) 장착되는 직각의 홈-형상의 리세스(groove-shaped recess)를 갖는다. 베어링부(126')은 베어링부(126)와 동일한 단면의 기하학적 구조(geometry)를 갖는다. 베어링부(126, 126')는 가이드 부재(130)에 고정적으로 연결된 아마추어(120)의 베어링(124)이 회전하는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 6은 도 1 및 도 2에 따른 초음파 액추에이터(1)을 구비하는 선형 드라이브(linear drive)로서 구현되는 모터(100)에 대한 다른 잠재적 실시예의 사시도이다 여기서, 장착 장치(110)는, 도 3 또는 도 4와 동일하게 구성된, 일체로 형성된 긴(elongated) 가이드부(116, 116')를 포함하며, 이들은 공간적으로 구조화된 금속 시트 형태의 아마추어(120)와 일체로 형성된 곡선의(curved) 또는 각진 바(anlged bar)형태의 가이드부(125, 125')에 지지된다. 도 6에서는 가이드부(125)만을 볼 수 있다. 도 3 및 도 5의 가이드 부재(130)의 기능을 가짐(taking over)으로써 지지 장치(110)와 일체로 형성된 가이드부(116, 116')에 의해 본 발명에 따른 초음파 액추에이터를 구비하는 모터는 훨씬 더 콤팩트(compact)한 디자인이 가능하고, 더 적은 수의 구성요소(components)를 가지며 또한 조립이 더 쉽고 더 빠르다.

참조 부호 목록:
1: 초음파 액추에이터
2: 플레이트
3: (플레이트(2)의) 베이스(base)
4: (플레이트(2)의) 커버 표면(cover surface)
5: (플레이트(2)의) 사이드 표면(side surface)
6, 6': 전극
7, 7': 전극
8, 8': (베이스(3)의) 측면(sides)
9, 9': 연결선(connecting lines)
10: (베이스(3)에 내접된) 평행사변형
11: (내접된 평행사변형(10)의) 더 큰 내각
12, 12': (베이스(3)의) 사다리꼴
13, 13': (사다리꼴(12, 12')의) 베이스(base)
14: (사다리꼴의(12, 12')의) 대각선(diagonal)
15: (사다리꼴(12, 12')의 베이스(13, 13')에 대향하는 변(16, 16') 및 다른 사다리꼴의 베이스 사이의) 거리
16, 16': (사다리꼴(12, 12')의 베이스(13, 13')에 대향하는) 사이드(side)
20: 마찰 부재(friction element)
50: (사이드 표면(5)의) 접촉부(contact portions)
52, 52': (사이드 표면(5)의) 부(portions)
54, 54': (사이드 표면(5)의) 부(portions)
56, 56': (사이드 표면(5)의) 부(portions)
100: 모터
110: (모터(100))의 장착 장치(mounting device)
111, 111': (홀딩 장치(110)의) 강성 유지부(stiff retaining portions)
112, 112': (홀딩 장치(110)의) 탄성 유지부(resilient retaining portions)
113, 113': (홀딩 장치(110)의) 유지부(retaining portions)
116, 116': (홀딩 장치(110)의) 가이드부(guide portions)
120: 아마추어(armature)
122, 122': (아마추어(120)의) 주행 표면(running surfaces)
125, 125': (아마추어 (120)의) 가이드부(guide portions)
126, 126': (아마추어(120)의) 베어링부(bearing portions)
130, 130': 가이드 부재(guide elements)

Claims

베이스(3), 상기 베이스와 기하학적으로 유사한 커버 표면(4), 및 상기 베이스와 상기 커버 표면을 상호 연결하는 사이드 표면(side surface)(5)을 갖는 플레이트(2) 형태이고,
상기 플레이트는 전기 기계 재료(electromechanical material)를 포함하고 전극 (6, 6', 7, 7')은 상기 플레이트의 주기적인 변형을 여기하기(exciting) 위해 상기 베이스와 상기 베이스 반대편의 커버 표면에 배치되며,
상기 베이스(3)는 상기 사이드 표면(side surface)(5)의 접촉부(contact portions)(50, 50')를 형성하는 적어도 2개의 서로 평행하게 배치된 사이드(8, 8')를 포함하고, 상기 베이스의 서로 평행하게 배치된 2개의 사이드(8, 8’)는, 사이드(8, 8')의 각 끝점을 상호 연결하는 연결선(connecting lines)(9, 9')과 함께, 상기 베이스에 내접된(inscribed) 평행사변형(10)을 형성하는 초음파 액추에이터에 있어서,
상기 내접된 평행사변형(10)에서 인접하는(abutting) 사이드들 사이의 각도는 90°이외로 정의되는 것을 특징으로 하는 초음파 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 내접된 평행사변형의 더 큰 내각(11)은 93°와 105°사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 액추에이터.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 베이스(3)는 팔각형이고 사다리꼴(12, 12')은 상기 내접된 평행사변형(10)의 각 사이드에 인접하고, 각 사다리꼴(12, 12')의 베이스(13, 13')는 상기 내접된 평행사변형(10)의 더 긴 사이드와 각각 일치하는 것을 특징으로 하는 초음파 액추에이터.
제3항에 있어서,
상기 각 사다리꼴(12, 12')은 이등변 사다리꼴(isosceles trapezoid)인 것을 특징으로 하는 초음파 액추에이터.
제4항에 있어서,
상기 사다리꼴(12, 12')의 각 대각선(14)의 길이는 상기 사다리꼴(12, 12')의 상기 베이스(13, 13')와 대향하는(opposite) 사이드(16, 16')와 각각의 다른 상기 사다리꼴(12, 12')의 상기 베이스(13, 13') 사이의 거리(15, 15')와 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 액추에이터.
제1항에 따른 초음파 액추에이터(1)를 포함하고, 상기 초음파 액추에이터와 마찰 접촉(frictional contact)하고 상기 초음파 액추에이터에 대해 이동 가능한 아마추어(120) 및 상기 초음파 액추에이터를 고정적으로 유지하는 장착 장치(110)를 포함하는 모터.
제6항에 있어서,
상기 장착 장치(110)는 사이드 표면(5)의 다른 부(different portions)(52, 52', 54, 54)에서 상기 초음파 액추에이터와 접촉하는 적어도 4개의 유지부(retaining portions)(111, 111', 112, 112')를 포함하고, 그 중 2개의 유지부는 기계적으로 강성(rigid)이며 강성 유지부(111, 111')를 형성하고, 그 중 다른 2개의 유지부는 탄성 특성을 가지며 탄성 유지부(112, 112')를 형성하는 것을 특징으로 하는 모터.
제7항에 있어서,
상기 강성 유지부(111, 111') 및 상기 탄성 유지부(112, 112')는 각각 서로에 대해 비스듬히(obliquely) 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
제7항에 있어서,
상기 장착 장치(110)는 2개의 다른 유지부(113, 113')를 더 포함하고, 상기 2개의 다른 유지부는 각각의 상기 강성 유지부(111, 111')와 각각의 상기 탄성 유지부(112, 112')에 의해 접촉되는 상기 사이드 표면(5)의 영역 사이에 위치된 상기 초음파 액추에이터의 상기 사이드 표면(5)의 각 부(portion)(56, 56')에 접촉하는 것을 특징으로 하는 모터.
제6항에 있어서,
상기 아마추어(120)는 2개의 길이방향으로 서로 평행한 주행표면(122, 122')을 포함하고 상기 주행표면(122, 122')은 상기 초음파 액추에이터의 접촉부(contact portions)(50, 50')에서 상기 초음파 액추에이터에 직접 또는 간접적으로 접촉하며 토크가 상기 초음파 액추에이터에 작용하여 그 사이로 상기 초음파 액추에이터를 고정하고(clamp), 이에 따라 각각의 경우 강성 접촉부(rigid contact portion)와 접촉하는 사이드 표면(5)의 부(portion)(52, 52', 54, 54')가 압력을 받는 것을 특징으로 하는 모터.
제6항에 있어서,
상기 아마추어(120)는 서로 이격된 적어도 2개의 가이드부(guide portions)(125, 125')를 포함하고, 상기 가이드부(125, 125')는 서로 분리되어 마련된 가이드 부재(130, 130')와 접촉하거나 상기 가이드부(125, 125')와 상기 가이드 부재(130, 130') 또는 가이드부(116, 116') 사이에서 슬라이딩 상대 운동(sliding relative movement)이 가능하게 하기 위해 상기 장착 장치(110)의 상기 가이드부(116, 116')와 접촉하는 것을 특징으로 하는 모터.