KR19990045630A - 진동형 액츄에이터 및 진동형 구동장치 - Google Patents

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Abstract

진동형 액츄에이터는 적어도 3개의 상이한 방향의 진동변위를 발생하는 진동부재와 이 진동부재에 접촉하는 접촉부재를 포함한다. 진동형 액츄에이터에서는, 적어도 3개의 상이한 방향의 진동변위는 진동부재에서 여기되어 합성진동을 생성하고 또한 소망의 방향으로 상대적인 이동을 진동부재와 접촉부재에 제공한다.

Description

진동형 액츄에이터 및 진동형 구동장치
본 발명은, 진동을 각각 이용하는, 진동형 액츄에이터 및 진동형 구동장치에 관한 것이다.
다수의 축주위의 운동을 생성하는 진동형 액츄에이터로서, 예를 들면 정밀공학회지(Vol. 61, No.3, pp.1227∼1230, 1995) 또는 일경미케니컬(No. 5, pp. 26∼27, 1997. 4. 28.)에 개시된 구면진동형 액츄에이터가 제안되고 있다.
이와 같은 구면진동형 액츄에이터는 직각으로 교차하는 3개의 축중에서 2개의 축이나 3개의 축의 주위에 구면구동부재(로터)를 회전시킨다. 진동(예를 들면, 진행파)을 사용함으로써 1개의 축에 대해서 회전력을 각각 생성하는 복수의 진동부재(스테이터)가 이동부재에 가압접촉한 상태로 배치되어 있다.
현재 개발중인 이와 같은 구면진동형 액츄에이터는, 4개의 진동부재를 사용한 2자유도타입(two-degree of freedom type)과 3개의 진동부재를 사용한 3자유도타입을 포함한다.
구면진동형 액츄에이터에 의해 사용된 진동부재의 예로서, 카메라의 자동초점렌즈를 구동하기 위해 사용하는 링형상진동형 액츄에이터의 진동부재가 있다. 도 16은 이 진동부재의 사시도이다. 진동부재(19)는 압전세라믹으로 제조된 압전소자(19b)로 형성된 저면부를 가진 링형상탄성부재(19a)를 가진다. 압전소자는 적절한 위상차(반파장의 기수배의 위상차)를 가진 2상의 구동소자로 형성된다. 이들의 2상 구동소자는 적절한 위상차(예를 들면, 90˚)를 가지는 교류신호에 의해 구동되고, 따라서, 휨(벤딩)진행파가 주변방향을 따라서 탄성부재(19a)에 형성된다. 도시되지 않은 접촉부재는 도시되지 않는 가압수단에 의해 탄성부재(19a)와 접촉되고, 따라서 접촉부재와 진동부재는 진행파의 방향에 대향하는 방향을 따라서 상대이동을 한다. 진동부재(19)가 고정되면, 접촉부재는 이동부재로서 회전한다.
구면진동형 액츄에이터에서는, 예를 들면 도 17에 도시한 바와 같은 2자유도타입의 구면진동액츄에이터에서는, 진동부재(19)의 중심선을 회전축으로서 사용함으로써 두쌍의 대향진동부재(19)가 구면이동부재의 주위에 배치되어 2자유도의 이동을 행한다.
다수의 축의 주위에서 운동을 생성하는 진동형 액츄에이터의 다른 예로서는, Third International Conference on Motion and Vibration Control, Chiba, September 1, 1996, pp. K9-K15의 논문에 기재되어 있는 압전운동기구(piezoelectric manipulator)가 제안되고 있다. 압전운동기구의 구조는 도 18에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 압전운동기구는, 진동부재(19)와, 축방향을 따라서 대향단부에 진동부재(19)위에 배치된 반구형상의 이동부재(20a),(20b)로 구성되어 있다. 진동부재(19)는 실린더형 탄성부재와 압전소자로 구성되어 있다. 분할된 전극(도시되지 않음)은 진동부재(19)의 주위에 형성된다. 반구형상의 이동부재(20a),(20b)는 진동부재(19)에 배치된 스프링(21)에 의해서 서로 잡아당기고, 따라서 진동부재(20a),(20b)는 진동부재(19)의 대향개구단부와 항상 접촉된다.
탄성부재(19)에 의해 여기된 진동을 조정하기 위하여 적절한 교류신호를 분할전극에 인가함으로써, 진동부재(19)의 개구단부와 접촉되어 있는 반구면형상의 이동부재(20a),(20b)는 단일의 진동부재(19)에 의해 구동된다.
구동원리에 의하면, 반구면이동부재(20a),(20b)와 진동부재(19)사이의 접촉점에서 타원운동을 형성한다. 각 전극에 인가된 교류전압을 변동시킴으로써, 복수의 이동면내의 타원운동이 형성되어 반구면형상의 로터는 소망의 방향으로 구동될 수 있다.
그러나, 도 17에 도시된 종래의 구면형성의 진동형 액츄에이터는 복수의 진동부재를 가지므로, 이하의 불리한 점이 지금까지 보고되었다.
(1) 복수의 진동부재는 1개의 축의 주위를 회전하기 위해 사용되므로, 각각의 진동부재가 동일한 특성을 가지도록 하는 것이 필요하다.
(2) 복수의 진동부재는 진동부재의 주변을 따라서 존재하므로, 액츄에이터를 컴팩트화하기 어렵고, 또한 공간이용율이 낮아진다.
(3) 진동에 기여하지 않는 다른 축에 대한 진동부재는 진동부재와 가압접촉되므로, 회전에 대한 저항이 생성되고 효율과 열발생의 문제가 발생한다.
도 18에 도시된 관형상의 진동부재를 가지는 종래의 진동형 액츄에이터에 대해서는 하기의 불리한 점이 보고되어 있다.
(1) 구동방향에 정합되는 교류신호가 진동부재의 주변영역위에 형성된 복수의 전극에 인가되어야 하므로, 각각의 전극에 대한 신호는 상이하고 또한 제어는 복잡하게 된다.
(2) 반구형상의 이동부재(20a),(20b)는, 스프링(21)에 의해 서로 잡아당김으로써, 실린더형 진동부재(19)와 가압접촉된다.
도 1(A)는 본 발명의 제 1실시예에 의한 진동부재의 사시도
도 1(B)는 본 발명의 제 1실시예에 의한 종진동의 1차모드를 도시한 그래프
도 1(C), 도 1(D)는 본 발명의 제 1실시예에 의한 횡진동의 2차모드를 도시한 그래프
도 2(A)는 본 발명의 제 2실시예에 의한 진동부재의 사시도
도 2(B)는 본 발명의 제 2실시예에 의한 종진동의 1차모드를 도시한 그래프
도 2(C), 도 2(D)는 본 발명의 제 2실시예에 의한 횡진동의 2차모드를 도시한 그래프
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 5는 본 발명의 제 5실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 6은 본 발명의 제 6실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 7은 본 발명의 제 7실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 8은 본 발명의 제 8실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 9는 본 발명의 제 9실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 단면도
도 10은 도 9에 도시된 진동부재의 분해사시도
도 11(A), 도 11(B)는 도 9의 진동부재를 지지한 상태에 있는 것을 도시한 측면도와 상면도
도 12는 본 발명의 제 10실시예를 도시한 측면도
도 13은 본 발명의 제 11실시예를 도시한 측면도
도 14는 본 발명의 제 12실시예를 도시한 사시도
도 15는 본 발명의 제 13실시예를 도시한 측면도
도 16은 링형상의 진동부재의 사시도
도 17은 종래의 구면진동형 액츄에이터
도 18은 종래의 진동형 액츄에이터의 단면도
도 19는 제 9실시예의 진동형 액츄에이터를 구동하는 구동기의 회로도
도 20은 도 19에 도시된 출력회로의 회로도
도 21(A)는 제 14실시예에 의한 상이한 방향의 진동변위를 도시한 진동부재의 사시도
도 21(B)는 제 14실시예에 의한 압전소자의 평면도
도 22(A)는 제 15실시예에 의한 진동부재의 사시도
도 22(B)는 제 15실시예에 의한 압전소자의 장착방향을 도시한 도면
도 22(C), 도 22(D)는 제 15실시예에 의한 진동부재의 변위를 도시한 도면
도 23은 도 22(A), 도 22(B), 도 22(C) 및 도 22(D)에 도시된 접촉부재 및 진동부재를 유지하는 흡인유지수단을 도시한 도면
도 24(A)는 제 16실시예에 의한 진동부재의 사시도
도 24(B), 도 24(C), 도 24(D)는 진동부재의 변위를 도시한 도면
도 25는 제 17실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 정면단면도
도 26(A)는 본 발명의 제 18실시예에 의한 진동형 액츄에이터를 도시한 도면으로서, 도 26(B)의 선(26A-26A)을 따라서 취한 단면도
도 26(B)는 본 발명의 제 18실시예에 의한 진동형 액츄에이터를 도시한 도면으로서, 도 26(A)의 상면도
도 27(A)는 본 발명의 제 19실시예에 의한 진동형 액츄에이터를 도시한 도며으로서, 도 27(B)의 선(27A-27A)을 따라서 취한 단면도
도 27(B)는 본 발명의 제 19실시예에 의한 진동형 액츄에이터를 도시한 도면으로서, 도 27(A)의 측면도
도 28은 본 발명의 제 20실시예의 원리를 도시한 벡터도
도 29는 본 발명의 제 20실시예의 원리를 도시한 벡터도
도 30은 제 20실시예의 구동회로의 블록도
<도면의 주요부분에 대한 설명>
1, 101, 201, 202, 301, 302, 401∼403: 탄성부재
2, 102, 206, 306, 406: 이동부재
3, 103, 203, 204, 404, 405: 압전소자
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i: 압전소자판
303a∼303d, 205a∼205d: 압전소자
4: 상부탄성부재 4a: 상부
4b: 상부오목부 4c: 홈
5a: 중간탄성부재 5b: 저면부탄성부재
5c: 제 1탄성부재 5d: 제 2탄성부재
5e: 제 3탄성부재 6, 407: 체결볼트
6a: 넥(홈) 7: 영구자석
8: 코일 9: 지지판
9a: 중간영역 10: 접촉부재
11: 관형상의 탄성칼라 12, 13: 전극판
14: 시이트 15: 지지대
16: 동작암 17: 섀시
18: 카메라 19: 진동부재
19a: 탄성부재 19b: 압전소자
20a, 20b: 이동부재 21: 스프링
30: 지지부재 40, 50, 60: 진동형 액츄에이터
41: 제어시스템 42, 43: 이동부재
100, 200, 300, 400: 진동부재 408: 호스
410: 케이스 411: 지지부재
412, 420: 상부덮개 413: 볼베어링
414: 코일스프링 415, 424: 푸셔
422: 벨리빌리스프링 423: 볼베어링푸셔
1101: CPU 1102: 발진기
1103: 위상시프터 1104: 선택절환스위치
1105: 출력회로 1106: 검출회로
1107: 펄스폭제어기 1108: 회전검출기
1303a∼1303d: 분극영역
본 발명의 한측면에 의하면, 적어도 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 진동발생수단으로 형성된 진동부재를 포함하는 진동형 액츄에이터에 있어서, 진동부재에 합성진동을 부여하기 위해 3개의 방향으로 진동변위를 공급함으로써, 진동부재와 이 진동부재와 접촉하는 접촉부재사이에 소망의 방향으로 상대적인 운동이 발생하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터를 제공한다.
본 발명의 목적은 단일의 진동부재를 사용함으로써 다수의 자유도의 구동력을 발생시키는데 있다.
(제 1실시예)
도 1(A) 내지 도 1(D)는 본 발명의 제 1실시예를 도시한다.
도 1(A) 내지 도 1(D)는 제 1실시예의 진동형 액츄에이터의 구동원리를 도시한다. 단일의 진동부재를 구성하는 실린더형상의 탄성부재(1)사이에, 압전소자(3)가 견고하게 샌드위치되어 있다. 압전소자(3)는 도 1(B) 내지 도 1(D)에 도시한 바와 같은 변위를 형성하기 위한 전기-기계에너지변환소자로서 기능한다. 압전소자는, 예를 들면, 필요한 전극판을 개재한 상태로 복수의 단판 압전소자(single-plate piezoelectric element)가 적층되어 있다. 필요한 대응 압전소자판을 구동하기 위하여 각 전극판에 교류신호를 인가한다.
본 실시예에서는, 압전소자(3)는 교류신호의 인가시에 축방향으로 팽창/압축변위를 반복한다. 압전소자(3)는 제 1 내지 제 3압전소자를 포함한다. 제 1압전소자는, 도 1B에 도시한 바와 같이, 직각으로 교차하는 x, y, z축방향 중에서 z축방향을 따라서 세로방향의 진동이 여기된다. 제 2압전소자는, 도 1(C)에 도시한 바와 같이, z-x평면내에서 횡(굴곡)진동을 여기한다. 제 3압전소자는, 도 1(D)에 도시한 바와 같이, z-y평면내에서 횡(굴곡)진동을 여기한다. 제 1압전소자는 두께방향을 따라서 균일하게 분극화한다. 제 2, 3압전소자는 직경의 두께방향을 따라서 직경의 대향 단부위에 대향극성을 가지도록 분극화된다.
90˚의 위상차를 가지는 교류신호는 제 2, 제 3압전소자에 인가되는 경우, 진동부재의 두 굴곡운동은 합성되어, 진동부재의 표면위에 z축(x-y평면내에)의 주위에 타원운동을 형성한다. 이 경우에, x, y축의 주위의 진동부재의 고유진동수는 일반적으로 동일하므로, 교류신호의 주파수로서 고유진동수를 가지는 교류신호가 제 2, 3압전소자에 인가되는 경우 타원진동이 생성될 수 있다.
다음에, z축방향으로 진동부재의 고유진동수와 대략 동일한 주파수를 가지는 교류신호가 제 1압전소자가 인가되는 경우, 진동부재는 소정의 주기동안 1차모드의 세로진동을 반복한다.
이 경우에, 진동부재의 세로방향의 진동의 주기와 대략 동일한 주기동안 진동부재를 여기시키기 위해 교류신호를 제 2압전소자에 인가하는 경우, y축 방향에 대한 x축방향의 구동력을 얻기 위하여 x-z평면내에 있는 진동부재의 표면점위에서 타원운동을 생성한다. 이 경우에, z축방향의 진동부재의 고유진동수는 x-z평면내에서 1차굴곡진동의 고유진동수와 상이하다. 따라서, 본 실시예에서는, 도 1(C)에 도시한 바와 같이, 제 2압전소자는 x축방향으로 굴곡진동의 고유진동수에서 2차모드로 구동되고, 따라서 세로방향의 진동의 주기가 굴곡진동의 주기와 일치되도록 한다.
마찬가지로, 진동부재의 세로방향의 진동의 주기와 대략 동일한 주기에서 진동부재를 여기시키기 위하여 제 3압전소자에 교류신호를 인가하는 경우, x축방향에 대한 y축방향의 구동력을 얻기 위하여 타원운동이 y-z평면내에 진동부재의 표면점위에 발생된다. 이 경우에, z축방향의 진동부재의 고유진동수는 y-z평면내의 굴곡진동의 고유진동수와 상이하다. 따라서, 본 실시예에서는, 도 1(D)에 도시한 바와 같이, 제 3압전소자는 y축방향으로 굴곡진동의 고유진동수에서 2차모드로 구동되고, 따라서 길이방향의 진동주기가 굴곡진동의 주기와 일치되도록 한다.
특히, 진동부재(1)의 고유진동수에 가까운 주파수를 가지는 교류신호 즉, 교류전압을 제 1 내지 제 3압전소자에 인가함으로써, 도 1(B) 내지 도 1(D)에 도시한 바와 같이 고유진동수를 가지는 가로 또는 세로(굴곡)진동을 가지도록 진동부재가 여기될 수 있다.
교류신호를 두 개의 제 2, 제 3압전소자에 인가함으로써, 진동부재(1)의 세로방향의 진동과 직각으로 교차하는 2타입의 가로방향(굴곡)진동이 합성하여 진동부재(1)의 표면위에 타원진동을 발생한다. 예를 들면, 도 1(B)에 도시된 모드와 도 1(C)에 도시된 모드의 합성에 의해 x-z평면내에 타원운동을 발생하거나, 또는 도 1B에 도시된 모드와 도 1(D)에 도시된 모드의 합성에 의해 y-z평면내에 타원운동을 발생하거나, 또는 도 1(C)에 도시된 모드와 도 1(D)에 도시된 모드의 합성에 의해 x-y평면내에 타원운동을 발생한다.
따라서, 진동부재에 가압접촉하는 이동부재는 복수의 방향으로 구동될 수 있다.
종래의 압전소자형 액츄에이터에 대한 구동원리에 의하면, 1축의 주위에 탄성소자의 표면위의 타원운동은, 진동부재를 구성하는 압전소자의 2상구동성분과 상이한 위상을 가지는 교류신호를 인가함으로써 발생된다. 그러나, 본 실시예에서는, 3상 압전소자(제 1 내지 제 3압전소자)의 조합에 의해 직교하는 3개 평면내에서 3개의 축주위에 타원운동이 발생하도록 한다. 따라서, 직교하는 3평편내의 진동부재를 단일의 진동부재에 의해 구동할 수 있는 진동형 액츄에이터를 실현하는 것이 가능하고 또한 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
(제 2실시예)
도 1(A) 내지 도 1(D)에 도시된 제 1실시예의 진동형 액츄에이터의 진동부재는 실린더형상이다. 제 2실시예에서는, 진동부재는 직사각입방체로 구성되어 있다. 압전소자(3)는 직사각입방체의 탄성부재(1)측에 접착제로 접착된다.
본 실시예에서는, 예를 들면, 횡(굴곡)진동을 발생하는 제 2, 제 3압전소자가 직4각입방체의 탄성부재(1)의 인접한 양측에 접착되어 있다. 따라서, 제 2, 제 3압전소자는 90˚의 위상차를 가지도록 배치될 수 있다. 세로방향의 진동을 생성하는 제 1압전소자는 접착제에 의해 나머지의 한쪽에 접착된다.
또한 본 실시예에서는, 제 1실시예에서 사용된 것과 마찬가지의 교류신호가 제 1 내지 제 3압전소자에 인가된다. 교류신호가 제 1압전소자에 인가될때에는, 진동부재는 도 2(B)에 도시한 바와 같이 세로방향의 진동을 발생하고, 교류신호가 제 2압전소자에 인가될때에는, 진동부재는 도 2(C)에 도시한 바와 같이 굴곡진동을 발생하고, 또한 교류신호가 제 3압전소자에 인가될 때에는 도 2(D)에 도시한 바와 같이 굴곡진동을 발생한다.
따라서, 제 1실시예와 마찬가지로, 3타입의 진동중에서 2개의 진동의 합성에 의해 직교하는 3개의 평면에 구동력을 제공할 수 있다.
본 실시예에서는, 직사각입방체의 사이드위에 압전소자를 접촉함으로써 진동부재가 형성될 수 있으므로, 진동부재는 용이하게 형성될 수 있다. 더우기, 인접한 사이드에 굴곡진동을 발생하는 2개의 압전소자를 접착함에 의해서만, 두 압전소자의 위치(위상차)를 형성할 수 있다.
제 1, 제 2실시예에서는, 진동부재가 고정되는 경우, 이동부재로서 사용되고 또한 진동부재의 구동면에 가압접촉되는 접촉부재(도 1(A), 도 2(A)에서 점선으로 표시됨)에 수직의 3축방향으로 구동력이 공급될 수 있다. 이에 반해서, 접촉부재가 고정되는 경우, 직교하는 3축의 방향을 따라서 접촉부재에 대한 구동력이 진동부재에 공급될 수 있다.
(제 3실시예)
도 3은 본 발명의 제 3실시예를 도시한다.
제 3실시예의 진동형 액츄에이터의 기본구조는 도 1(A) 내지 도 1(D)에 도시된 제 1실시예의 구조와 마찬가지이다. 중앙동공부를 구비한 중앙의 탄성부재(5a)와 암나사(fermale thread)로 형성된 내부표면을 가지는 중간동공부를 구비한 상부탄성부재(4)사이 및 중간탄성부재(5a)와 저면부탄성부재(5b)사이에 압전소자(3)가 배치된다. 중간축부재로서 기능하고 또한 저면부탄성부재(5b)의 사이드로부터 삽입되는 체결볼트(6)는 상부탄성부재(4)의 암나사와 결합된다. 따라서, 압전소자(3)는 상부탄성부재(4)와 중간탄성부재(5a)사이 및 중간탄성부재(5a)와 저면부탄성부재(5b)사이에 견고하게 샌드위치되고, 이들의 구성요소는 일체적으로 결합된다.
본 실시예에서는, 상부탄성부재(4)와 중간탄성부재(5a)사이에 배치된 압전소자(3)가 진동부재의 세로방향의 진동을 여기하는 제 1압전소자이고, 중간탄성부재(5a)와 저면부탄성부재(5b)사이에 배치된 압전소자(3)는, x-z평면내에 있는 진동부재의 세로방향의 굴곡진동을 여기하는 제 2압전소자와 y-z평면내에 있는 진동부재의 세로방향의 굴곡진동을 여기하는 제 3압전소자이다. 제 2, 제 3압전소자는 90˚의 위치적인 위상차를 가지도록 배치된다.
상부탄성부재(4)의 상부단부는 진동부재의 축방향에 경사진 내부테이퍼표면을 가지고, 내부테이퍼표면은 구면형상의 이동부재(2)에 접촉되어 있다.
따라서, 본 실시예에서도 제 1실시예와 마찬가지로, 2방향의 굴곡진동과 세로방향의 진동중에서 두 개의 진동의 합성에 의해 구면부재(2)가 x, y, z축의 주위를 회전하게 할 수 있다.
예를 들면, 도 1(C)에 도시된 모드와 도 1(D)에 도시된 모드의 조합에 의해 z축주위에 이동부재(2)를 회전시킬 수 있고, 또한 도 1(B)에 도시된 모드와 도 1(C)에 도시된 모드의 조합에 의해 y축주위에 이동부재(2)를 회전시킬 수 있고, 또한 도 1(B)에 도시된 모드와 도 1(D)에 도시된 모드의 조합에 의해 x축주위에 이동부재(2)를 회전시킬 수 있다.
(제 4실시예)
도 4는 본 발명의 제 4실시예이다.
제 4실시예의 진동형 액츄에이터의 기본구조는 도 3에 도시된 제 3실시예의 구조와 마찬가지이다. 제 3실시예와 다른 점은, 직교하는 3개의 평면내의 타원운동으로 구동시키는 상부(4a)위의 이동부재(2)는 평탄한 평면형상을 가진다.
본 실시예에서는, 상부탄성부재(4)의 상부와 접촉하는 가압접촉된 이동부재(2)는 x축방향, y축방향 및 z축주위로 운동한다. 예를 들면, 제 1압전소자를 구동함으로써 생성된 z축방향의 세로방향의 진동과 제 2압전소자를 구동함으로써 생성된 x-z평면내의 가로방향의 진동은 대략 90˚의 위상차로 여기되는 경우, x-z평면의 진동부재의 상부(4a)에서 타원운동이 발생하고, 상구(4a)와 접촉하는 이동부재(2)는 x축방향으로 직선으로 이동한다.
z축방향의 세로방향의 진동과 y-z평면내의 가로방향의 진동이 대략 90˚의 위상차로 여기되는 경우, y-x평면내의 상부(4a)에서 타원운동이 발생하고 또한 상부(4a)와 접촉하는 이동부재(2)는 y축방향으로 직선으로 이동한다.
또한, x-z평면과 y-z평면내의 가로방향의 진동이 대략 90˚의 위상차로 여기되는 경우, x-y평면내의 상부(4a)에서 타원운동이 발생되고 또한 상부(4a)와 접촉하는 이동부재(2)는 z축의 주위를 회전한다.
(제 5실시예)
도 5는 본 발명의 제 5실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 상부탄성부재(4)의 상부오목부(4b)위에 장착된 영구자석(7)의 자력에 의해, 도 3에 도시된 제 3실시예의 진동형 액츄에이터의 진동부재의 방향으로 구면형상의 이동부재(2)를 잡아당겨서, 상기 진동부재에 대해서 상기 이동부재를 가압한다.
(제 6실시예)
도 6은 본 발명의 제 6실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 상부탄성부재(4)의 외부주변영역에 형성된 홈(4c)에 배치된 코일(8)을 통하여 에너지화된 전자석의 자력에 의해, 도 3에 도시된 제 3실시예의 진동형 액츄에이터의 진동부재의 방향으로 구면형상의 이동부재(2)를 잡아당겨서 상기 진동부재에 대해 상기 이동부재를 가압한다. 진동부재의 주위에 배치된 지지부재(30)위에 코일이 배치되어 있다. 진동부재로부터 연장되어 있는 지지판(9)의 최종단부는 지지부재(30)에 접속되어 있다.
코일(8)은, 자기회로를 구성하는 한, 진동부재의 주위의 임의의 영역에 배치되어도 된다.
(제 7실시예)
도 7은 본 발명의 제 7실시예를 도시한다.
본 실시예는, 도 3에 도시된 제 3실시예의 진동형 액츄에이터의 진동부에 대한 구면형상의 이동부재(2)의 접촉성능을 개선하려는 것이다. 이동부재(2)와 상부탄성부재(4)사이의 접촉영역은, 접촉영역 근처에 있는 상부탄성부재(4)의 상부오목부(4b)위에 탄성부재로 형성된 접촉부재(10)를 장착함으로써, 넓게된다.
따라서, 이동부재(2)와 진동부재와의 접촉은 안정화되어, 출력토오크는 증가되고 또한 구성요소의 동작오차의 허용범위가 넓게될 수 있다.
도 5에 도시된 제 5실시예와 마찬가지로, 제 5실시예에서는, 영구자석(7)은 상부탄성부재(4)의 상부오목부(4b)위에 설치되고 또한 영구자석(7)의 자력에 의해 진동부재의 방향으로 구면형상의 이동부재(2)를 잡아당겨서 상기 진동부재에 대해 상기 이동부재를 가압한다.
(제 8실시예)
도 8은 본 발명의 제 8실시예를 도시한다.
본 실시예는 제 7실시예와 마찬가지로 도 3에 도시된 제 3실시예의 진동형 액츄에이터의 진동부재에 대한 구면형상의 이동부재(2)의 접촉성능을 개선하려는 것이다. 진동부재의 상부탄성부재(4)의 상부오목부(4b)는 관형상의 탄성칼라(elastic tubular collar)(11)로 형성되어 있다.
본 실시예에서는, 이동부재(2)는 도시되지 않은 가압수단의 다소의 탄성력에 의해 관형상의 탄성칼라(11)에 접촉된다. 따라서, 칼라(11)와 이동부재(2)의 구면의 접촉영역이 넓게될 수 있다. 이에 의해, 진동부재와 이동부재(2)의 접촉이 안정화되므로, 출력토오크가 증가되고 구성요소의 동작 오차의 허용범위가 넓게 된다.
도 5에 도시된 제 5실시예와 마찬가지로, 제 8실시예에서는, 영구자석(7)은 상부탄성부재(4)의 상부오목부(4b)위에 설치되고 또한 영구자석(7)의 자력에 의해 진동부재의 방향으로 구면형상의 이동부재(2)를 잡아당겨 상기 진동부재에 대해 상기 이동부재를 가압한다.
(제 9실시예)
도 9, 도 10, 도 11(A) 및 도 11(B)는 본 발명의 제 9실시예를 도시한다.
이 실시예는 실린더형상의 진동부재의 특정한 구조를 도시한다. 상부탄성부재(4)의 아래에, 제 1탄성부재(5c)가 직접 배치되어 있다. 세로방향의 진동을 여기하는 압전소자판(3a),(3b)과, 진동을 검출하는 압전소자판(3c)과, 진동부재를 지지하는 지지판(9)과, 압전소자판(3a)과 접촉하는 전극판으로서 또한 기능하는 중간영역(9a) 및 전극판(12Z),(12S-Z),(13)은, 제 1탄성부재(5c)와 제 2탄성부재(5d)사이에 배치되어 있다. 가로방향의 (굴곡)진동을 여기하는 압전소자판(3e),(3f),(3g),(3h)과, 진동을 검출하는 압전소자판(3d),(3i), 전극판(12SA), (12A),(12SB),(12B),(13) 및 시이트(sheet)(14)는, 제 2탄성부재(5d)와 제 3탄성부재 (5e)사이에 배치되어 있다. 상부탄성부재(4)의 중공부의 내부표면에 형성된 암나사와 체결볼트(6)의 상부나사를 결합함으로써, 상부탄성부재(4), 제 1탄성부재(5c), 제 2탄성부재(5d), 제 3탄성부재(5e), 압전소자판(3a) 내지 (3i), 전극판(12),(13) 및 시이트(14)는, 모두 도 10에 도시한 장착상태로 일체적으로 샌드위치되어, 진동부재를 구성한다. 전극판(13)은 접지전극으로서 사용된다.
중간전극판영역(9a)으로부터 도 11(A)와 도 11(B)에 도시된 고정부재(30)까지 방사적으로 연장되어 있는 암부분을 고정함으로써, 지지판(9)은 진동부재를 지지한다. 진지판(9)의 형상이 진동부재자체의 고유진동수에 영향을 주지않는 한 지지판(9)은 판형상과 다른 형상으로 하여도 된다. 확실히, 지지판(9)은 전극판으로서 또한 기능하지 않아도 된다.
압전소자판(3d),(3e),(3f)과 압전소자판(3g),(3h),(3i)은 각 판의 좌우측에 반대극성을 가지도록 분극되고, 또한 압전소자판(3d),(3e),(3f)은 압전소자판(3g),(3h),(3i)의 굴곡방향과 상이한 90˚의 위상차로 배치된다. 시이트(14)의 대향하는 쪽에 각각 배치되어 있는, 전극판(12)으로부터 제 2탄성부재(5d)를 전기적으로 절연시키도록 또는 전극판(12)으로부터 제 3탄성부재(5e)로부터 전기적으로 절연시키도록, 시이트(14)는 절연성이 있다.
상기한 바와 같이 구성된 진동부재의 고유진동수에 가까운 주파수를 가지는 교류전압을, 나중에 설명하는 바와 같이 도 19에 도시된 구동회로로부터, 압전소자판(3a),(3b)사이에 샌드위치된 전극판(12(12Z))에 인가하는 경우, 이들의 압전소자판(3a),(3b)은 두께방향으로 팽창과 수축을 반복하여 진동부재에 세로방향의 진동을 여기한다. 압전소자판(3c)은, 압전소자판(3a),(3b)에 의해 발생된 세로방향의 진동 때문에 응력을 가지고 또한 기전력을 발생한다. 압전소자판(3c)에 접속된 전극판(12(12SZ))에 의해 픽업된 교류전압은 진동을 검출하기 위해 사용된다.
진동부재의 고유진동수에 가까운 주파수를 가지는 교류전압이 압전소자판(3e),(3f)사이에 샌드위치된 전극판(12(12A))에 인가되는 경우, 이들의 기판(3e),(3f)은 직경의 두께방향으로 팽창과 수축을 반복하여 진동부재에 가로방향의 진동을 여기한다.
압전소자(3d)는, 압전소자판(3e),(3f)에 의해 여기된 진동부재의 가로방향의 진동 때문에 응력을 가지고, 또한 기전력을 발생한다. 압전소자판(3d)에 접속된 전극판(12,(12AS))에 픽업된 교류전압은 진동을 검출하기 위해 사용된다. 진동부재의 고유진동수에 가까운 주파수를 가지는 교류전압은, 압전소자판(3d),(3e)에 대해 90˚의 위상차를 가지는 위치에 위치하는 압전소자판(3g),(3h)사이에 샌드위치된 전극판(12(12B))에, 인가되는 경우, 직경에 의해 분할된 이들 기판(3g),(3h)의 양측부분은 직경방향의 두께방향으로 팽창과 수축을 반복하여, 가로방향의 (굴곡)진동을 진동부재에 여기한다. 압전소자판(3i)은, 압전소자판(3g),(3h)에 의해 여기된 진동부재의 가로방향의 (굴곡)진동 때문에 응력을 가지고, 또한 기전력을 발생시킨다. 압전소자판(3i)에 접속된 전극판(12(12SB))에 의해 픽업된 교류전압이 진동을 검출하기 위해 사용된다.
세로방향의 진동을 발생하는 압전소자판(3a)∼(3c)의 위치는 세로진동의 1차모드의 노드에 대응한다. 가로방향의 진동을 발생하는 압전소자판(3d)∼(3i)의 위치는 가로방향의 진동의 제 2모드의 앤티노드(antinode)에 대응한다.
상부탄성부재(4)의 외부주변영역에 형성된 넥(홈)(4c)은, 고유진동의 진폭을 증가하고 또한 고유진동수를 낮출수 있다. 체결볼트(중앙축)(6)에 형성된 넥(홈)(6a)은, 주로 세로방향의 진동의 고유진동수를 낮출 수 있다.
도 19는 상기한 진동부재를 구동하는 구동회로의 블록도이다. (1101)은 전체시스템을 제어하는 CPU이고, (1102)는 발진기이고, (1103)은 위상시프터이고, (1104)는 선택절환스위치이다. (1105)는 구동파형을 형성하는 출력회로이고, 이 출력회로(1105)는 도 20에 도시한 회로로 각각 형성된다. 출력회로(1105Z),(1105 A),(1105B)는, 교류전압(교류신호)이 압전소자(3a),(3b),(3e),(3f),(3g),(3h)에 각각 인가되는 전극판(12Z),(12A),(12B)에 접속된다. 이들의 압전소자는, z축방향으로 세로방향의 진동을 발생하고, x-z평면내에서 가로방향의 (굴곡)진동을 발생하고, z-y평면내에서 가로방향의 (굴곡)진동을 발생한다.
CUP(1101)로부터의 명령에 따라서, 선택절환스위치(1104)는 출력(Z),(A),(B)중에서 두 개의 출력을 선택하여 발진기(1102)와 위상시프터(1103)로부터 2개의 신호를 공급한다. 이와 같은 방식으로, 3개의 축중에서 1개의 축의 주위를 회전하는 것을 선택할 수 있다.
(1107)은 펄스폭을 제어하는 펄스폭제어기이고, 펄스폭제어기는 압전소자에 인가될 교류전압의 진폭을 제어할 수 있다. 펄스폭을 변경하여 교류전압을 독립적으로 변경함으로써, 각 타원궤적의 수직/수평비(단축에 대한 장축의 비)를 변경할 수 있다.
타원체적의 크기는, 진동부재의 고유진동수에 가깝거나 또는 멀게 발진기(1102)의 발진주파수를 설정하여 진동부재의 진동의 진폭을 변경함으로써, 변경될 수 있다.
z축방향의 세로방향의 진동의 진폭과 위상정보, z-x평면과 z-y평면내의 가로방향의 (굴곡)진동의 진폭과 위상정보 및 압전소자판(3c),(3d),(3i)의 각각의 진동에 대응하는 이들의 전압은, 전극판(12SZ),(12SA),(12SB)에 의해 검출되고, 또한 검출회로(1106)로부터 CPU(1101)에 공급된다.
공급된 정보에 따라서, CPU(1101)는 펄스폭제어기(1107), 위상시프터(1103), 발진기(1102)를 제어하고, 이에 의해 타원궤적을 제어하여 소망의 형상을 가진다.
상기 제어에 의해 다음의 동작이 가능하게 된다.
1. 진동부재의 속도분포는 이동방향으로 변화하므로, 이동부재의 속도는 변화될 수 있다.
2. 마찰력분포가 변화하므로, 최소의 마찰손실을 가지는 타원궤적을 형성할 수 있다. 예를 들면, 타원궤적의 경사에 대해서, 타원궤적의 축은 이동부재의 구표면을 수직으로 교차하도록 제어하는 것이 바람직하다. 특히, 도 3에 도시된 탄성부재(4)의 내부주위표면의 (축방향에 경사진)반경방향으로 타원궤적을 발생함으로써 효율을 개선할 수 있다.
또는, 도시되지 않은 회전검출기와 파워메터로부터 신호를 피드백함으로써 최대의 효율을 가지는 타원궤적의 상태로 진동부재를 구동할 수 있다.
3. 이동부재와 진동부재의 접촉상태(정상방향의 변위와 속도)가 또한 변화하므로, 최소의 충격으로 접촉상태를 제공하고 또한 플러터사운드(flutter sound) 등의 비정상 잡음을 발생하지 않는 타원궤적을 형성할 수 있다.
(제 10실시예)
도 12는 본 발명의 제 10실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 예를 들면, 도 9에 도시된 지지판(9)을 포함하는 진동부재를 소망의 방향으로 움직일 수 있는 지지대(15)에 의해 지지판(9)이 지지된다. 다수의 자유도의 운동을 행할 수 있는 관절에 다수의 자유도의 진동형 액츄에이터를 적용할 수 있도록, 지지대(15)는 관형상을 가지고 또한 로보트팔등에 장착된다.
(제 11실시예)
도 13은 본 발명의 제 11실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 나중에 설명할 도 21(A), 도 21(B) 내지 도 27(A), 도 27(B), 도 27(C)에 도시된 실시예와 상기 실시예중에서 어느 한 실시예와 동일한 2개의 직렬접속된 진동형 액츄에이터(40)가 좌, 우 동작암으로써 사용된다. 동작암은 동작글로브를 사용하여 제어시스템(14)에 의해 원격제어된다. 인간의 관절의 각도변화를 판독할 수 있는 동작암(16)과 제어시스템(41)의 조합에 의해 액츄에이터를 구동하는 원격구동시스템은 이미 알려져 있다. 따라서, 이들의 구성요소의 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예의 동작암은 다음과 같이 구성되어 있다. 인접하는 단부측위의 진동형 액츄에이터(40)의 이동부재(42)는, 구면형상을 가지고 또한 최외단부측위의 진동형 액츄에이터(40)의 저면단부위에 설치된다. 최외단부측위의 진동형 액츄에이터(40)의 이동부재(43)는 동작핑거부분을 가지는 막대형성을 가진다(이동부재(43)는 진동부재의 상부탄성부재의 접촉영역에 구면을 가진다). 이동부재(42),(43)는 인간의 관절에 대응하는 위치의 동작암위에 설치된다. 이와 같은 방식으로, 인간의 운동을 실현하는 원격동작기계(로보트)를 실현할 수 있다. 원격동작기계는 인가의 운동과 같이 이동할 수 있는 기계이다.
이와 같은 원격동작기계는 복강경수술(laparoscopic surgery)이나 미소수술(microsurgery)에 사용되어도 된다. 복강결수술은, 환자의 신체를 절단하는 일없이, 인간의 몸체 삽입된 내시경과 핀셋을 사용하는 수술이다.
본 실시예를 상기와 같이 적용함으로써, 인간의 손을 인간의 내부에 삽입함이 없이, 환자의 복부의 내부에 인간손의 복잡한 운동을 실현할 수 있다. 따라서, 종래의 복강경수술보다 정밀한 수술이 가능하게 된다. 미소수술은 미세한 생물조직에 대해서 미세한 수술을 행하는 수술이다. 현재, 미소수술은 현미경을 사용하여 인간의 손으로 직접 행하고 있다. 원격동작기계를 사용하여 환자측의 스케일과 기계측의 스케일을 변경함으로써, 인간의 손으로 행하게 어려운 미세수술을 달성할 수 있다.
(제 12실시예)
도 14는 본 발명의 제 12실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 나중에 설명할 도 21(A), 도 21(B) 내지 도 27(A), 도 27(B), 도 27(C)에 도시된 실시예와 상기 실시예중에서 어느 한 실시예와 마찬가지인 복수의 진동형 액츄에이터(50)(다수의 자유도의 진동형 액유에이터)가 섀시(17)위에 설치되고 또한 구면형상의 이동부재가 사용된다. 이와 같은 방식으로, 섀시(17)는 x-y평면내에서 병진운동과 회전운동을 포함하는 소망의 방향으로 이동될 수 있다. 도 14에 도시된 예에서는, 다수의 자유도의 진동형 액츄에이터(50)의 이동부재(2)가 도시되지 않은 마루에 접촉하여도, 이들은 높은 위치에 설치된 레일의 하부표면과 접촉하여 현가형 이동기구(suspension type motion mechanism)를 실현한다.
(제 13실시예)
도 15는 본 발명의 제 13실시예를 도시한다.
본 실시예에서는, 나중에 설명할 도 21(A), 도 21(B) 내지 도 27(A), 도 27(B), 도 27(C)에 도시된 실시예와 상기 실시예중에서 어느 한 실시예와 마찬가지인 진동형 액츄에이터(50)(다수의 자유도의 진동형 액츄에이터)의 구면형이동부재(2)에 카메라(18)가 설치되고, 이에 의해 모니터카메라, 컴퓨터 등에 화상정보를 입력하는 촬상소자를 실현한다.
(제 14실시예)
도 21(A), 도 21(B)는 진동형 액츄에이터와 그 구동원리의 제 14실시예를 도시한다. 단일의 진동부재(100)를 구성하는 실린더형 탄성부재(101),(102)사이에, 도 21(B)에 도시한 바와 같이 4개의 분극화된 영역으로 분할되고 전기-기계에너지변환소자로서 기능하는 압전소자(103)가 견고하게 샌드위치되어 있다(압전소자(103)는 동일한 위상을 가지는 4개의 분극화된 영역으로 각각 분할된 복수의 압전소자판이 적층되어 있다). 압전소자(103)의 각각의 분극영역을 독립적으로 구동하는 교류신호(전압)이 인가될 수 있다. 이동부재(102)에 대해 접촉영역(구동영역)을 구성하는 진동부재의 내부주변의 표면(100a)은 진동부재의 축방향에 대해서 경사지게 설정되고, 또한 구면 이동부재(102)는 진동부재(100)의 내부측으로 다소 인입된다.
압전소자(103)의 분극영역(A) 내지 (D)은 동일한 영역을 가진다. z축 방향으로 진동부재(100)를 변위시키기 위해 다음의 교류신호를 공급한다:
VA=VB=VC=VD=sin ωt
VA=VC=sin ωt or VB=VD=sin ωt
x축방향으로 진동부재(100)를 변위하기 위해(z-x평면내에서 굴곡진동을 행하기 위해)다음의 교류신호가 인가된다.
VA=sin ωt, VC=-sin ωt, or
VA=cos ωt, VC=-cos ωt
y축의 방향으로 진동부재(100)를 변위시키기 위해 (z-y평면내에서 굴곡진동을 행하기 위해)다음의 교류신호가 인가된다.
VB=sin ωt, VD=-sin ωt, or
VB=cos ωt, VD=-cos ωt
이들의 교류신호의 인가시에, 진동부재(100)는 도 21(A)에 도시한 바와 같이 z축, x축, y축방향으로 변위된다. 1차모드를 z축방향의 진동에 설정하고 2차모드를 x축과 y축방향의 진동에 설정함으로써 각각의 축의 진동이 공진한다.
주변부의 홈 때문에 작은 강성률을 가지는 제 1부분(101a)은, x축과 y축방향의 진동의 노드 및 굴곡(벤딩)진동의 변위를 향상시키는 서버에 대응한다.
주변부의 홈 때문에 작은 강성률을 가지는 제 2부분(101b)은, z축방향의 진동의 노드 및 세로방향의 진동의 변위를 향상시키는 서버에 대응한다.
도 21(A), 도 21(B)에 도시된 실시예는 제 1내지 제 13실시예와 같이 세로방향의 진동에 공천하는 전기-기계에너지변환소자를 필요로 하지 않는다. 복수의 분극영역에 교류신호를 선택적으로 공급함으로써, 3축방향으로 진동부재(100)의 변위가 근본적으로 가능하다.
다음에, 각각의 축의 주위에 구면이동부재(102)를 회전하기 위해 교류신호를 공급하는 것에 대하여 설명한다.
x축의 주위에 이동부재(102)를 회전하기 위해, z축과 y축방향의 변위가 예를 들면 90˚의 위상차로 부여된다. 즉, 다음의 교류신호가 대응분극영역(A)∼(D)에 공급된다.
VA=VB=VC=VD=sin ωt (z축방향의 변위)
VB=cos ωt, VD=-cos ωt (y축방향의 변위)
따라서, 다음의 교류신호는 분극영역(A)∼(D)에 공급된다.
VA=sin ωt
VB=sin ωt+cos ωt= sin(ωt+π/4)
VC=sin ωt
VD=sin ωt-cos ωt= sin(ωt-π/4)
y축의 주위에 이동부재(102)를 회전하기 위하여, z축과 x축방향의 변위가 예를 들면 90˚의 위상차로 부여된다. 즉, 다음의 교류신호는 대응분극영역(A)∼(D)에 공급된다.
VA=VB=VC=VD=sin ωt (z축방향의 변위)
VA=sin ωt, VC=-sin ωt (x축방향의 변위)
따라서, 다음의 교류신호(z축 방향의 변위+x축방향의 변위)가 분극영역(A)∼(D)에 공급된다.
VA= sin(ωt+π/4)
VB=sin ωt
VC= sin(ωt-π/4)
VD=sin ωt
z축의 주위에 이동부재(102)를 회전하기 위해, x축과 y축방향의 변위가 예를 들면 90˚의 위상차로 부여된다. 즉, 다음의 교류신호(x축방향의 변위+y축방향의 변위)를 대응분극영역(A)∼(D)에 공급한다.
VA=sin ωt
VB=cos ωt
VC=-sin ωt
VD= -cos ωt
z축방향으로 변위를 부여할 때에, 압전소자(103)의 분극영역(A),(C)만을 사용하는 경우, 각각의 분극영역에 대한 교류신호는 다음과 같이 변화한다.
즉, x축주위의 회전을 위해서는, 다음의 교류신호가 공급된다.
VA=VC=sin ωt
VB=cos ωt
VD=-cos ωt
y축주의의 회전을 위해서는, 다음의 교류신호가 공급된다.
VA=cos
VB=sin ωt
Vc=-cos ωt
VD=sin ωt
z축 주위의 회전을 위해서는, 다음의 교류신호가 공급된다.
VA=sin ωt
VB=cos ωt
VC=-sin ωt
VD=-cos ωt
위상차가 90˚로부터 변화하면, 진동부재(100)의 구동영역과 이동부재(102)사이의 접촉각에 정합하는 높은 토오크로 진동부재를 구동할 수 있도록 타원이동의 형상을 변경한다.
(제 15실시예)
도 22(A) 내지 도 22(D)는 제 15실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 구조 및 변위모드를 도시한다.
본 실시예에서는, 실리더형 탄성부재(201)와 디스크형 탄성부재는 서로 결합하여 단일의 진동부재(200)를 구성한다. 탄성부재(201)는, 전기-기계에너지변환소자로서의 압전소자(203),(204)가 견고하게 샌드위치된 2개의 퍼스(piece)로 실제로 분할되어 있다. 디스크형 탄성부재(202)는 탄성부재(202)의 표면에 설치된 전기기계에너지변환소자로서의 4개의 압전소자(205a)∼(205d)를 가진다.
압전소자(203)는, 도 22(C)에 도시한 바와 같이 x방향의 구동부분으로서 역할하는 탄성부재(201)를 변위시키고, 또한 도 10에 도시한 압전소자(3e),(3f)의 기능과 동일한 기능을 제공한다. 압전소자(204)는 y방향으로 구동부분으로서 역할하는 탄성부재(201)를 변위시키고, 또한 도 10에 도시한 압전소자(3g),(3h)의 기능과 동일한 기능을 제공한다. 압전소자(203),(204)는 90˚만큼 시프트된 분극위상을 가진다.
압전소자(205a)∼(205d)는 모두 동일한 분극극성을 가지고 또한 도 22D에 도시한 바와 같이 디스크형 탄성부재(202)를 구부리고, 이에 의해 z축방향으로 구동부분으로서 역할하는 탄성부재(201)를 변위시킨다.
제 14실시예와 마찬가지인 구면이동부재(206)는 구동부분으로서 역할하는 탄성부재(201)에 접촉한다. 예를 들면, 90˚의 위상시프트를 가지는 교류신호를 압전소자(204),(205a)∼(205d)에 공급함으로써, 이동부재(206)는 x축의 주위를 회전할 수 있다. 예를 들면 90˚의 위상시프트를 가지는 교류신호를 압전소자(203), (205a)∼(205d)에 공급함으로써, 이동부재(206)는 y축의 주위를 회전할 수 있다.
z축의 주위에 이동부재(206)를 회전하기 위해, 예를 들면 90˚의 위상시프트를 가지는 교류신호를 압전소자(203),(204)에 공급한다.
이동부재(206)의 중력의 방향에 관계없이 이동부재(206)가 항상 탄성부재(201)와 가압접촉되게 하기 위하여, 영구자석(210)은 도 23에 도시한 바와 같이 탄성부재(201)에 설치되고 또한 이동부재(206)자체는 자성재료로 제조된다. 이들의 방법에 의해, 중력의 방향에 관계없이, 영구자석이기 때문에 이동부재(201)는 항상 진동부재(200)와 가압접촉되게 할 수 있다.
타원운동의 형상은, 위상시프트를 90˚와 상이하게 설정함으로써, 이로운 효과로 변경될 수 있다.
(제 16실시예)
도 24(A) 내지 도 24(D)는 제 16실시예에 의한 진동형 액츄에이터의 구조와 변위모드를 도시한다.
본 실시예에서는, 실린더형 탄성부재(301)와 디스크형 탄성부재(302)를 서로 결합하여 단일의 진동부재(300)를 구성한다. 영구자석(도시되지 않음)은 탄성부재(301)에 설치되고, 따라서 자석재료로 제조된 이동부재(306)가 영구자석의 입력에 의해 진동부재(300)와 항상 가압접촉되게 된다.
탄성부재(302)는 탄성부재(302)의 표면위에 설치된 전기-기계에너지변환소자로서 4개의 압전소자(분극영역)(303a)∼(303d)를 가진다. 압전소자(303a)∼(303d)에 교류신호를 선택적으로 공급함으로써, 구동부분으로서 역할하는 탄성부재(301)는 도 24(B) 내지 도 24(D)에 도시한 바와 같이 x축, y축, z축방향으로 변위될 수 있다.
x축주위에 이동부재(306)를 회전하기 위해, 예를 들면 90˚의 위상차를 가지는, y축방향의 변위(도 24(C))와 z축방향의 변위(도 24(D))를 부여한다. y축주위에 이동부재(306)를 회전하기 위해, 예를 들면 90˚의 위상차를 가지는, x축방향의 변위(도 24(B))와 z축방향의 변위(도 24(D))를 부여한다. z축주위에 이동부재(306)를 회전하기 위해, 예를 들면 90˚의 위상차를 가지는, x축방향의 변위(도 24(B))와 y축방향의 변위(도 24(C))를 부여한다. 위상시프트를 90˚와 상이하게 설정함으로써, 타원운동의 형상이 변화하여 이로운 결과를 가져온다.
압전소자(303a)∼(303d)에 교류신호를 공급하는 것은 제 14실시예와 마찬가지이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하다.
(제 17실시예)
도 25는 제 17실시예에 의한 진동형 액츄에어터의 구조를 도시한다.
본 실시예에서는, 복수의 실린더형 탄성부재(401),(402),(403)은 단일의 진동부재(400)를 구성한다. 탄성부재(401),(402)사이에 압전소자(404)가 샌드위치되고, 또한 탄성부재(402),(403)사이에 압전소자(405)가 샌드위치된다. 결합수단으로서 기능하는 볼트(407)에 의해 이들의 3개의 탄성부재(401)∼(403)는 서로 결합된다. (406)은 구면이동부재이다.
본 실시예의 특징은 진동부재(400)와 전동부재(406)사이의 가압접촉이 공기흡입에 의해 확실하게 하는데 있다. 특히, 호스(408)는 진동부재(400)의 구동부근처에 있는 홈(401a)에 삽입되고, 또한 홈내의 공기는 호스(408)를 통하여 흡입되어, 구동부 근처의 흡인력을 발생한다. 따라서, 중력의 방향에 관계없이, 이동부재가 항상 진동부재(400)와 가압접촉되는 것이 가능하다.
(410)은 케이스이다. 탄성부재(401),(402)사이에 샌드위치된 지지부재(411)의 최외단부는 케이스(410)에 고정되고, 이에 의해 진동부재(400)를 지지한다.
(제 18실시예)
제 18실시예는, 제 17실시예의 변형예이고, 또한 도 26(A)에 도시한 바와 같이 이동부재(406)가 진동부재(400)의 구동부와 가압접촉하기 위한 상이한 구조를 가진다.
특히, 상부돔덮개(412)는 볼베어링(413)에 의해 케이스(410)의 상부부분위에 회전가능하게 설치된다. 4개의 푸셔(415)는 상부덮개(412)위에 이동가능하게 설치되고, 푸셔(415)는 코일스프링(414)에 의해 진동부재(400)의 방향으로 이동부재(406)를 가압한다. 푸셔(415)에 의한 이 가압력은 중력의 방향에 무관하게 가동부재(406)가 진동부재(400)와 가압접촉하게 한다. 진동부재(400)는 지지부재(411)에 의해 케이스(410)에 의해 지지된다.
구동부재(406)의 실제적인 구동부로서 역할하는 돌기(406a)는 덮개(412)의 상부로 연장된다. 이동부재(406)를 임의의 방향으로 회전시키기 위하여, 상부덮개(406)는 도 26(B)에 도시된 바와 같이 크로스노치(cross notch)(412a)를 형성한다.
이동부재(406)의 돌기(406)는 노치(412a)에 삽입되고 또한 상부케이스(412)는 케이스(410)에 회전가능하게 결합된다. 따라서, 돌기(406a)가 임의의 방향으로 회전하여도, 돌기(406a)가 제한없이 노치(412a)에 인입되도록 상부덮개(412)가 또한 회전된다.
(제 19실시예)
제 19실시예는, 제 18실시예의 변형예이고, 또한 도 27(A)에 도시한 바와 같이, 벨리빌리스프링(belleville spring)(422)의 아래에 볼베어링푸셔(423)가 개재된 상태에서 벨리빌리스프링(422)이 설치된 볼베어링(413)에 의해 케이스(410)의 상부부분에서 상부덮개(420)가 회전가능하게 설치되어 있다. 벨리빌리스프링(422)은 케이스(410)를 향해서 하부방향으로 상부덮개(420)를 밀어, 가압접촉방향으로 이동부재(406)와 진동부재(400)를 에너지화한다.
상부덮개(420)의 내부면위에 형성된 3개의 고정푸셔(424)에 의해 이동부재(406)를 진동부재에 가압접촉하게 된다.
도 27(B)에 도시한 바와 같이, 상부덮개(420)는 일반적으로 Y문자형상의 노치(420a)를 가진다. 이 노치(420a)의 기능은 도 26(B)에 도시된 노치(412a)와 동일한 기능을 가진다. 도 27(C)는 진동형 액츄에이터의 외부형상을 도시한다.
도 26(A), 도 26(B), 도 27(A), 도 27(B), 도 27(C)에 도시된 상부덮개(412),(420)를 가지는 실시예에서는, 이동부재(406)는, 상부덮개에 실질적으로 덮혀서, 접촉된 경우 기름이나 먼지에 의해 발생될 마찰계수의 변화를 방지할 수 있다.
(제 20실시예)
본 실시예에서는, 이동부재는 임의의 소망의 각도로 회전할 수 있다. 도 29에 도시된 점선은 x-z평면내에서 x축으로부터 z축으로 각도(θ1)만큼 경사진 축이고, 도 29에 도시된 실선은 x-y평면내에서 x축으로부터 y축으로 각도(θ2)만큼 경사진 축이다.
x, y, z의 기준축중에서 2개의 기준축으로부터 θ1이나 θ2의 각도만큼 경사진 축에 대한 회전을 실현할 수 있는 경우, 임의의 방향의 임의의 축주위의 회전을 실현할 수 있다.
특정한 예로서, x축으로부터 각도(θ1),(θ2)만큼 경사진 축주위의 회전을 실현하는 방법에 대하여 설명한다.
도 28에 도시한 바와 같이, x-z평면내에서 x축으로부터 각도(θ1)만큼 경사진 축주위의 회전을 다음과 같이 정의할 수 있다.
ωθ1=Aωx+Bωz
여기서, B/A=tanθ1이고, ｜ωx｜=｜ωz｜이다.
도 29에 도시한 바와 같이, x-y평면내에서 x축으로부터 각도(θ2)만큼 경사진 축주위의 회전을 다음과 같이 정의할 수 있다.
ωθ2=Cωx+Dωy
여기서, D/C=tanθ2이고, ｜ωx｜=｜ωy｜이다.
각도 (θ1+θ2)만큼 경사진 축주위의 회전을 다음과 같이 정의할 수 있다.
ω(θ1+θ2)=ωθ1+ωθ2=Aωx+Bωy+Cωz
여기서, B/A=tan θ2이고, C/A=tan θ1이다.
다음의 설명에서는, 위상차를 90˚로 우선가정한다.
도 1(A) 내지 도 1(D), 도 2(A) 내지 도 2(D) 및 도 3 내지 도 10에 도시된 진동형 액츄에이터를 사용하고, 또한 소망의 각도를 가지는 축주위에 진동부재를 구동하기 위해 도 10에 도시된 전극(12A),(12B),(12Z)에 공급되는 교류신호에 대하여 설명한다.
x축주위의 회전(ωx)은 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12Z=sin ωt(Z방향)
V12B=cos ωt(Y방향)
y축주위의 회전(ωy)은 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12Z=sin ωt(Z방향)
V12A=cos ωt(X방향)
z축주위의 회전(ωz)은 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12A=sin ωt(X방향)
V12B=cos ωt(Y방향)
다음에, x-z평면내에 x축으로부터 각도(θ1)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12A=B sin ωt
V12B=A cos ωt+B cos ωt=(A+B)cos ωt
V12Z=A sin ωt
여기서, B/A=tan θ1이다.
x-y평면내에 x축으로부터 각도(θ2)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12A= D cos ωt
V12B= C cos ωt
V12Z= C sin ωt + D sin ωt=(C+D) sin ωt
여기서, D/C=tan θ2이다.
각도(θ1+θ2)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
V12A=B cos ωt + C sin ωt = sin(ωt+α)
V12B=A cos ωt + C cos ωt = (A + C) cos ωt
V12Z=A sin ωt + B sin ωt = (A + B) sin ωt
여기서, B/A=tan θ2, B/C=tan α이고, C/A=tan θ1이다.
다음에, 도 21(A), 도 21(B), 도 24(A) 내지 도 24(D)에 도시된 진동형 액츄에이터를 사용하고, 또한 각각의 압전소자의 분극영역(A)∼(D)에 공급되는 교류신호에 대하여 설명한다.
VA∼VD는, 도 21(B)의 분극영역(A)∼(D)에 대응하고 또한 도 24(A)의 압전소자(303a)∼(303d)에 대응한다.
x-z평면내에서 x축으로부터 각도(θ1)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
VA=A sin ωt + B sin ωt = (A+B) sin ωt
VB=A cos ωt + B cos ωt = (A+B) cos ωt
VC=A sin ωt - B sin ωt = (A-B) sin ωt
VD=- A cos ωt- B cos ωt= -(A+B) cos ωt
여기서, B/A=tanθ1이다.
x-y평면내에서 x축으로부터 각도(θ1)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
VA=C sin ωt + D cos ωt = sin (ωt +θ2)
VB=C cos ωt - D sin ωt = cos (ωt +θ2)
VC=C sin ωt - D cos ωt = - sin (-ωt+θ2)
VD=-C cos ωt + D sin ωt = - cos (ωt+θ2)
여기서, D/C=tan θ2이다.
각도 (θ1+θ2)만큼 경사진 축주위의 회전이 다음의 교류신호에 의해 실현될 수 있다.
VA=A sin ωt + B cos ωt + C sin ωt
=(A + C) sin ωt + B cos ωt
= sin (ωt +α)
VB=A cos ωt + B sin ωt + C cos ωt
=(A + C) cos ωt + B sin ωt
= cos (-ωt +α)
VC=A sin ωt - B cos ωt + C sin ωt
=(A - C) sin ωt + B cos ωt
= sin (-ωt +β)
VD=-A cos ωt + B sin ωt - C cos ωt
=-(A + C) cos ωt + B sin ωt
=- cos (ωt +α)
여기서, B/A=tan θ2이고, C/A=tan θ1이고, tan α=B/A+C이고, tan β=B/(A-C)이다.
도 30은 도 21(A), 도 21(B), 도 24(A) 내지 도 24(D)에 도시된 진동부재를 구동하는 구동기회로를 도시하는 블록도이다.
(1101)은 전체시스템을 제어하는 CPU이고, (1102)는 발진기이고, (1103A), (1103B)는 위상시프터이고, (1104)는 선택절환스위치이다.
(1105Z),(1105A),(1105B)는 구동파형을 형성하는 출력회로이다. 출력회로(1105Z),(1105A),(1105B)는, 분극영역(1303a)∼(1303d)에 접속되어 교류전압(신호)을 공급한다. 이들의 압전소자는 z, x, y축 방향으로 진동을 여기한다.
진동부재의 진동진폭은, 발진기(1102)의 발진주파수를 진동부재의 고유진동수 부근이나 이 고유진동수로부터 멀리 설정함으로써, 변경될 수 있다.
(1107)은 펄스폭을 제어하는 펄스폭제어기이고, 펄스폭제어기는 압전소자에 인가될 교류전압의 진폭을 제어할 수 있다. 펄스폭을 제어함으로써, 교류전압과 진동진폭이 각각의 전압과 진폭에 대해서 독립적으로 변경될 수 있다.
위상시프터(1103A),(1103)는 발진기(1102)로부터의 출력신호의 위상을 변경할 수 있다.
제 20실시예에 나타난 식에 의해 부여된 전압과 위상차를 가지는 3개의 교류전압을 인가함으로써, 소망의 축주위의 회전이 실현될 수 있다.
압전소자(103(303))에 의해 생성된 z, x, y축 방향으로 진동의 진폭과 위상차 및 진동에 대응하는 전압이 검출회로(1106)로부터의 검출신호(12SZ),(12SA), (12SB)로서 CPU(1101)에 공급된다.
공급된 정보에 따라서, CPU(1101)는 펄스폭제어기(1107), 위상시프터(1103A),(1103B) 및 발진기(1102)를 제어하고, 이에 의해 각각의 진동이 소정의 진폭과 위상차를 가지도록 제어된다.
회전검출기(1108)로부터의 신호는 CPU(1101)에 피드백되고 따라서 회전축과 회전수는 한층더 정밀하게 제어될 수 있다.
검출회로(1106)로부터 공급된 정보에 따라서 펄스폭제어기(1107), 위상시프터(1103A),(1103B)등을 제어함으로써, 진동의 타원궤적의 형상이 소망하는 바와 같이 제어될 수 있다.
상기 제어에 의해 다음의 동작이 가능하게 된다.
1. 진동부재의 속도분포가 운동방향으로 변경되므로, 이동부재의 속도는 변경될 수 있다.
2. 마찰력분포가 변경되므로, 최소의 마찰손실을 가지는 타원궤적을 형성할 수 있다. 예를 들면, 타원궤적의 경사에 대해서는, 타원궤적의 축이 이동부재의 구면과 직교하도록 제어된다. 특히, 도 21(A)에 도시된 탄성부재(100)의 내부주변표면(100a)의 반경방향으로(축방향에 경사지게) 타원궤적을 생성함으로써 효율을 개선할 수 있다.
대안으로, 도시되지 않는 회전검출기와 파워미터로부터의 신호를 피드백함으로써, 최대효율을 가지는 타원궤적의 상태에서 진동부재를 구동할 수 있다.
3. 이동부재와 진동부재의 접촉상태(정상방향의 변위와 속도)가 또한 변화하므로, 접촉상태에 최소의 충격이 제공되고 플러터음과 같은 비정상적인 잡음을 발생하지 않는 타원궤적을 형성할 수 있다.
상기 설명한 제 14실시예 내지 제 20실시예의 진동형 액츄에이터는 도 13 내지 도 15에 도시된 진동형 액츄에이터로 대치되어도 된다.
x, y축의 원점이 도 21(B)에 도시한 바와 같이 압전소자의 분극영역의 중심에 설정되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
진동부재는 이동부재에 상대적으로 이동되어도 된다.
상기한 실시예에 의하면, 진동부재와 이동부재 사이의 상대적 이동을 소망의 방향으로 형성할 수 있다. 단일의 진동부재가 사용되므로, 액츄에이터의 공간이 절약될 수 있다. 진동부재와 접촉부재사이의 상대적인 이동이 임의의 방향으로 설정할 수 있다. 예를 들면, x, y, z축방향 주위의 회전으로 설정할 수 있고, 경사방향의 이동으로 설정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 응용분야를 한층더 넓게 확장할 수 있다.
또한, 전기-기계에너지변환소자 자체의 배열의 단순화, 필요한 공간의 감소 및 용이하게 신호를 인가하는 수단, 즉, 라인배열이 실시예에 의해 달성된다.
또한, 진동부재의 접촉면이 구면접촉부재를 구동할 수 있으므로, 접촉부재가 부분적인 구면영역을 가지고 있는 한, 접촉부재는 다수의 자유도로 이동될 수 있다.
또한, 진동부재에 여기된 진동에 악영향을 주지않고, 진동부재는 지지될 수 있다.
또한, 다수의 자유도 진동형 액츄에이터를 사용하는 컴팩트진동형 구동장치를 실현할 수 있다. 따라서, 인간의 손에 의해 접근하기 어려운 좁은 공간에 사용되는 의료장치 등의 미세수술을 행할 수 있다.
또한, 이동부재가 가압수단에 의해 접촉부재와 가압접촉되므로, 이들 사이의 가압접촉이 신뢰성있게 유지될 수 있다.
또한, 접촉부재는 일정한 흡인력에 의해 진동부재에 접촉되므로, 이동부재는 안정한 가압력하에서 구동될 수 있다.
또한, 공기를 신뢰성있게 흡입하여 진동부재에 대해 접촉부재가 흡입되고 가압될 수 있다.
또한, 접촉부재는 정압력으로 진동부재에 대해서 가압될 수 있으므로, 가압력이 용이하게 제어될 수 있다. 또한, 유지부재를 사용함으로써, 접촉부재와 진동부재사이의 접촉영역에 먼지 등이 부착하는 것을 방지할 수 있다. 유지부재는 1개의 자유도로 이동가능하므로, 다른 자유도에서의 이동이 용이하게 대응적으로 가능하다.
또한, 구동표면의 각도에 따라서 사용시에 3종류의 진동중에서 적어도 한종류진동의 위상차를 조정함으로써, 접촉부재를 구동하기에 적합한 타원운동이 진동부재위에서 발생할 수 있도록 진동부재의 진동각도를 변경할 수 있다.
진동부재의 가로, 세로 진동의 고유진동수가 서로 일치하게 되므로, 직교하는 3개의 평면내에서 진동부재의 각 점위에서 타원운동이 생성될 수 있다. 진동부재의 각 지점위에서의 타원운동을 접촉부재에 결합함으로써, 접촉부재는 다수의 자유도의 이동을 행할 수 있다. 단일의 진동부재가 사용되므로, 액츄에이터의 공간은 절약될 수 있고, 또한 복수의 진동부재가 종래의 경우와 동일한 특성을 가지도록 할 필요는 없다.
또한, 진동부재의 세로방향의 진동의 고유진동수를 낮추는 것이 가능하고, 또한 세로방향과 가로방향의 진동의 고유진동수를 일반적으로 일치시킬 수 있다.
또한, 주로 가로방향의 진동의 고유주파수를 조정함으로써, 세로방향의 1차진동모드와 가로방향의 2차진동모드의 고유진동수를 일반적으로 일치시킬 수 있다. 따라서, 진동부재의 세로방향의 1차진동모드와 가로방향의 2차 진동모드를 이용하는 다수의 자유도의 진동형 액츄에이터를 실현할 수 있다.
또한, 주로 세로방향의 진동의 고유주파수를 조정함으로써, 세로방향의 1차진동모드와 가로방향의 2차진동모드를 일반적으로 일치시킬 수 있다. 따라서, 진동부재의 세로방향의 1차진동모드와 가로방향의 2차진동모드를 이용하는 다수의 자유도의 진동형 액츄에이터를 실현할 수 있다.

Claims (68)

  1. 적어도 3개의 다른 방향으로 진동변위를 발생하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재를 포함하는 진동형 액츄에이터에 있어서,
    적어도 3개의 다른 방향의 진동변위는 상기 진동부재에서 여기되어 합성진동을 발생하고 또한 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합성진동은, 상기 진동부재의 구동부분에서 소망의 방향으로 원형 또는 타원형운동을 형성하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재는 대략 서로 직교하는 3개의 축방향으로 진동변위를 독립적으로 발생할 수 있고, 또한 시간위상차를 3개의 축방향으로 상기 진동변위에 부여함으로써 합성진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 진동부재는 대략 서로 직교하는 3개의 축방향으로 진동변위를 독립적으로 발생할 수 있고, 또한 3개의 축방향으로 시간위상차를 상기 진동변위에 부여함으로써, 합성진동이 발생되는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재는, 세로방향의 진동과, 복수의 상이한 가로방향의 진동을 여기시키는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 진동부재는, 세로방향의 진동과, 복수의 상이한 가로방향의 진동을 여기시키는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재는, 굴곡진동만을 사용함으로써 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 진동부재는, 굴곡진동만을 사용함으로써 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  9. 적어도 3개의 상이한 방향으로 탄성부재에 진동변위를 여기하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 진동부재와,
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재를 구비한 진동형 액츄에이터에 있어서,
    상기 진동부재의 3개의 상이한 방향중에서 상기 진동부재의 적어도 2개의 상이한 방향으로 진동변위를 선택적으로 결합하여 형성된 합성진동은 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 소망의 방향으로 상대이동하고, 또한 상기 전기-기계에너지변환소자는 상이한 방향의 진동변위를 위해 일반적으로 사용된 분극영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 진동부재에서 발생된 상기 합성진동은 상기 진동부재의 구동부분에서 소망의 방향으로 원형이나 타원형운동을 형성하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  11. 제 9항에 있어서, 대략 서로 직교하는 3개의 축방향의 진동변위중에서 적어도 2개의 축방향의 진동변위에 시간위상차를 부여함으로써, 상기 진동부재는 합성진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  12. 제 10항에 있어서, 대략 서로 직교하는 3개의 축방향의 진동변위중에서 적어도 2개의 축방향의 진동변위에 시간위상차를 부여함으로써, 상기 진동부재는 합성진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 진동부재는, 복수의 분극영역을 선택적으로 결합함으로써, 상기 진동부재의 상기 구동부분에서 각각, 세로방향의 진동과, 복수의 상이한 가로방향의 진동을 발생하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 진동부재는, 복수의 분극영역을 선택적으로 결합함으로써, 상기 진동부재의 상기 구동부분에서 각각, 세로방향의 진동과, 복수의 상이한 가로방향의 진동을 발생하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 탄성부재는 일반적으로 막대형상으로서 형성되고, 상기 전기-기계에너지변환소자의 각각은, 적어도 4개로 분할된 분극영역을 포함하고 또한 상기 탄성부재의 축방향의 위치에서 상기 탄성부재와 반작용적으로 접촉하고, 적어도 2개의 상기 분극영역은 2개의 방향으로 진동변위를 발생하기 위해 일반적으로 사용되고, 또한 상이한 위상을 가지는 교류신호는 진동변위의 방향을 변경하기 위해 일반적으로 사용되는 2개의 분극영역중에서 적어도 한 개의 분극영역에 인가되고 이에 의해 상기 진동부재의 세로방향의 진동변위와 가로방향의 진동변위사이를 절환하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 탄성부재는, 일반적으로 막대형상으로서 형성되고, 상기 전기기계에너지변환소자의 각각은, 적어도 4개로 분할된 분극영역을 포함하고 또한 상기 탄성부재의 축방향의 위치에서 상기 탄성부재와 반작용적으로 접촉하고, 적어도 2개의 상기 분극영역은 2개의 방향으로 진동변위를 발생하기 위해 일반적으로 사용되고, 또한 상이한 위상을 가지는 교류신호는 진동변위의 방향을 변경하기 위해 일반적으로 사용되는 2개의 분극영역중에서 적어도 한 개의 분극영역에 인가되고 이에 의해 상기 진동부재의 세로방향의 진동변위와 가로방향의 진동변위사이를 절환하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  17. 제 9항에 있어서, 상기 탄성부재는 일반적인 막대형상과 일반적인 디스크형상의 조합인 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 탄성부재는 일반적인 막대형상과 일반적인 디스크형상의 조합인 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 탄성부재는 일반적인 막대형상과 일반적인 디스크형상의 조합인 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  20. 제 1항에 있어서, 적어도 3개의 상이한 방향의 상기 진동변위의 조합성분사이의 비율을 변경함으로써 상기 진동부재와 상기 접촉부재는 소망의 방향으로 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  21. 제 3항에 있어서, 3개의 축방향의 상기 진동변위의 조합성분사이의 비율을 변경함으로써 상기 진동부재의 축방향에 경사진 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  22. 제 6항에 있어서, 3개의 축방향의 상기 진동변위의 조합성분사이의 비율을 변경함으로써 상기 진동부재의 축방향에 경사진 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재가 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  23. 제 8항에 있어서, 3개의 축방향의 상기 진동변위의 조합성분사이의 비율을 변경함으로써, 상기 진동부재의 축방향에 경사진 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재가 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  24. 제 9항에 있어서, 3개의 상이한 방향의 상기 모든 진동변위를 결합한 합성진동을 사용함으로써 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재가 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  25. 제 24항에 있어서, 적어도 3개의 상이한 방향의 상기 진동변위의 조합성분사이의 비율을 변경함으로써 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  26. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  27. 제 3항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  28. 제 5항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  29. 제 7항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  30. 제 9항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  31. 제 20항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  32. 제 24항에 있어서, 상기 진동부재에 대한 상기 접촉부재의 접촉영역은 구면을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  33. 제 1항에 있어서, 상기 접촉부재와 접촉하고 있는 구동부분을 가지는 상기 진동부재의 적어도 일부는 일반적으로 막대형상부분을 가지고, 또한 상기 일반적인 막대형상부분은 진동변위를 향상시키는 작은 강성률의 부분으로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  34. 제 9항에 있어서, 상기 접촉부재와 접촉하고 있는 구동부분을 가지는 상기 진동부재의 적어도 일부는 일반적으로 막대형상부분을 가지고, 또한 상기 일반적인 막대형상부분은 진동변위를 향상시키는 작은 강성률의 부분으로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  35. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재는 상기 진동부재의 반경의 외부방향으로 연장된 지지암을 가진 지지부재를 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  36. 제 9항에 있어서, 상기 진동부재는 상기 진동부재의 반경의 외부방향으로 연장된 지지암을 가진 지지부재를 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  37. 탄성부재에서 복수의 상이한 가로방향의 진동과 세로방향의 진동을 여기하는 탄성부재와 반작용적으로 접촉하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재를 구비한 진동형 액츄에이터에 있어서,
    복수의 상이한 가로방향의 진동과 세로방향의 진동중에서 적어도 두종류의 진동의 선택적인 조합에 의해 형성된 합성진동은 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동시키고, 상기 세로방향의 진동은 1차모드이고, 또한 상기 복수의 상이한 가로방향의 진동은 2차모드인 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 탄성부재는 막대형상으로서 일반적으로 형성되고, 상기 세로방향의 진동의 고유진동수는, 중앙영역의 축부재의 직경과 축부재에 형성된 홈의 형상이나 직경을 변경함으로써, 변동되는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  39. 제 37항에 있어서, 상기 세로방향의 진동의 고유진동수와 상기 복수의 상이한 가로방향의 진동의 고유진동수는 서로 대략 일치하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  40. 적어도 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재를 포함하는 진동형 액츄에이터에 있어서,
    적어도 2개의 상이한 방향의 진동변위는 상기 진동부재에서 여기되어 합성진동을 발생하고 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하고, 또한 합성진동을 위해 사용된 상기 진동변위중에서 적어도 한 방향의 상기 진동변위의 위상차를 조정함으로써, 상기 진동부재의 진동각도가 변동되는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  41. 제 1항에 있어서, 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 가압하는 가압기구를 부가하여 포함한 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  42. 제 9항에 있어서, 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 가압하는 가압기구를 부가하여 포함한 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  43. 제 37항에 있어서, 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 가압하는 가압기구를 부가하여 포함한 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  44. 제 40항에 있어서, 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 가압하는 가압기구를 부가하여 포함한 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  45. 제 41항에 있어서, 상기 가압기구는 자력에 의해 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  46. 제 42항에 있어서, 상기 가압기구는 자력에 의해 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  47. 제 43항에 있어서, 상기 가압기구는 자력에 의해 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  48. 제 44항에 있어서, 상기 가압기구는 자력에 의해 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  49. 제 41항에 있어서, 상기 가압기구는 공기를 흡인함으로써 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  50. 제 42항에 있어서, 상기 가압기구는 공기를 흡인함으로써 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  51. 제 43항에 있어서, 상기 가압기구는 공기를 흡인함으로써 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  52. 제 43항에 있어서, 상기 가압기구는 공기를 흡인함으로써 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 잡아당겨서 가압하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  53. 제 41항에 있어서, 상기 가압기구는, 상기 접촉부재가 이동가능한 상태에서 상기 진동부재에 대하여 상기 접촉부재를 탄성적으로 가압하는 가압부재와, 상기 가압부재로부터 반작용력을 수용하는 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  54. 제 42항에 있어서, 상기 가압기구는, 상기 접촉부재가 이동가능한 상태에서 상기 진동부재에 대하여 상기 접촉부재를 탄성적으로 가압하는 가압부재와, 상기 가압부재로부터 반작용력을 수용하는 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  55. 제 43항에 있어서, 상기 가압기구는, 상기 접촉부재가 이동가능한 상태에서 상기 진동부재에 대하여 상기 접촉부재를 탄성적으로 가압하는 가압부재와, 상기 가압부재로부터 반작용력을 수용하는 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  56. 제 44항에 있어서, 상기 가압기구는, 상기 접촉부재가 이동가능한 상태에서 상기 진동부재에 대하여 상기 접촉부재를 탄성적으로 가압하는 가압부재와, 상기 가압부재로부터 반작용력을 수용하는 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 액츄에이터.
  57. 적어도 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재와;
    구동부재를 포함하는 진동형 구동장치에 있어서,
    적어도 3개의 상이한 방향의 진동변위는 상기 진동부재에서 여기되어 합성진동을 발생하고 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하고, 또한 상기 구동부재는 상기 진동부재와 상기 접촉부재중 어느 하나에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  58. 적어도 3개의 상이한 방향으로 탄성부재의 진동변위를 여기하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재와;
    구동부재를 포함하는 진동형 구동장치에 있어서,
    상기 진동부재의 3개의 상이한 방향중에서 상기 진동부재의 적어도 2개의 상이한 방향의 진동변위를 선택적으로 조합하여 형성된 합성진동은 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하고, 상기 전기-기계에너지변환소자는 상이한 방향의 진동변위를 위해 일반적으로 사용된 분극영역을 포함하고, 또한 상기 구동부재는 상기 진동부재와 상기 접촉부재중에서 어느 하나에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  59. 탄성부재에서 복수의 상이한 가로방향의 진동과 세로방향의 진동을 여기시키는 탄성부재와 반작용적으로 접촉하는 전기-기계에너지변환소자를 포함하는 진동부재와;
    상기 진동부재에 접촉하는 접촉부재와;
    구동부재를 포함하는 진동형 구동장치에 있어서,
    상기 복수의 상이한 가로방향의 진동과 상기 세로방향의 진동중에서 적어도 두 종류의 진동을 선택적으로 조합하여 형성된 합성진동은 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동시키고, 상기 세로방향의 진동은 1차모드이고, 상기 복수의 상이한 가로방향의 진동은 2차모드이고, 상기 구동부재는 상기 진동부재와 상기 접촉부재중에서 어느 하나에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  60. 적어도 3개의 상이한 방향으로 진동변위를 발생하는 진동부재와;
    상기 진동부재와 접촉하는 접촉부재와;
    구동부재를 포함하는 진동형 구동장치에 있어서,
    적어도 2개의 상이한 방향의 진동변위는 상기 진동부재에서 여기되어 합성진동을 발생하고 소망의 방향으로 상기 진동부재와 상기 접촉부재를 상대이동하고, 합성진동을 위해 사용된 상기 진동변위중에서 적어도 한 방향의 상기 진동변위의 위상차를 조정함으로써, 상기 진동부재의 진동각도를 변경하고, 또한 상기 구동부재는 상기 진동부재와 상기 접촉부재중에서 어느 하나에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  61. 제 57항에 있어서, 진동형 구동장치는 다수의 자유도의 운동을 행하는 팔의 관절부분을 구성하는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  62. 제 58항에 있어서, 진동형 구동장치는 다수의 자유도의 운동을 행하는 팔의 관절부분을 구성하는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  63. 제 59항에 있어서, 진동형 구동장치는 다수의 자유도의 운동을 행하는 팔의 관절부분을 구성하는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  64. 제 60항에 있어서, 진동형 구동장치는 다수의 자유도의 운동을 행하는 팔의 관절부분을 구성하는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  65. 제 61항에 있어서, 진동형 구동장치는 원격동작수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  66. 제 62항에 있어서, 진동형 구동장치는 원격동작수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  67. 제 63항에 있어서, 진동형 구동장치는 원격동작수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
  68. 제 64항에 있어서, 진동형 구동장치는 원격동작수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 진동형 구동장치.
KR1019980051198A 1997-11-27 1998-11-27 진동형액츄에이터및진동형구동장치 KR100347124B1 (ko)

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JP1998-74698 1998-03-23
JP10074698A JPH11220891A (ja) 1997-11-27 1998-03-23 振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置
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