KR20070004523A - Ultrasonic lead screw motor - Google Patents

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KR20070004523A
KR20070004523A KR1020067006015A KR20067006015A KR20070004523A KR 20070004523 A KR20070004523 A KR 20070004523A KR 1020067006015 A KR1020067006015 A KR 1020067006015A KR 20067006015 A KR20067006015 A KR 20067006015A KR 20070004523 A KR20070004523 A KR 20070004523A
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threaded
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데이비드 헨더슨
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뉴 스케일 테크놀로지스 인코포레이티드
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    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

An apparatus for driving a threaded shaft assembly that contains a threaded shaft with an axis of rotation and, engaged therewith, a threaded nut. Subjecting the threaded nut to ultrasonic vibrations causes the threaded shaft to simultaneously rotate and translate in the axial direction. The threaded shaft is connected to a load that applies an axial force to the threaded shaft. ® KIPO & WIPO 2007

Description

초음파 리드 나사 모터{Ultrasonic lead screw motor}Ultrasonic lead screw motor

나삿니 샤프트(threaded shaft) 및 그와 결합된 너트로 구성된 모형 초음파 선형 모터.Miniature ultrasonic linear motor consisting of a threaded shaft and its associated nut.

피에조(piezoelectrice), 전의(electrostrictive), 정전(electrostatic) 또는 전자기(electromagnetic) 기술을 사용하는 변환기(transducer)는 나노미터 규모에서 정확한 위치 선정에 매우 유용하다. 피에조 장치의 경우, 세라믹은 충방전될 때 형태를 변화시키는 축전기(capacitor)로 형성되어 힘 변환기 또는 위치 액츄에이터를 만들어 낸다. 위치 액츄에이터로 사용될 때, 피에조 세라믹의 형태 변화는 대략적으로 인가된 전압에 비례한다. 피에조 액츄에이터는 10㎛의 전형적인 행정길이(stroke length)에 상응하는 세라믹 길이의 약 0.1%의 범위로 제한된다. 피에조 액츄에이터의 높은 경도와 나노미터 정확성이 매우 유용한 동안에는, 많은 분야에 이용되기 위해서 더 긴 행정이 필요하다. Transducers using piezoelectric, electrostrictive, electrostatic or electromagnetic techniques are very useful for accurate positioning on the nanometer scale. In the case of piezoelectric devices, the ceramic is formed of a capacitor that changes shape when charged and discharged to create a force transducer or position actuator. When used as a position actuator, the shape change of the piezo ceramic is approximately proportional to the applied voltage. Piezo actuators are limited to a range of about 0.1% of the ceramic length corresponding to a typical stroke length of 10 μm. While the high hardness and nanometer accuracy of piezo actuators are very useful, longer strokes are required to be used in many applications.

작은 세라믹 형태 변화를 "조정"하고 더 긴 행정을 만들기 위해 많은 피에조 모터 디자인들이 개발되어 왔다. Many piezo motor designs have been developed to "tune" small ceramic shape changes and make longer strokes.

PZT(Piezoelectric transducer) 스테핑 모터(stepping motor)가 미국 특허 제3,902,084호에 기술되어 있으며, 상기 미국특허의 전체적인 개시 내용은 본 명세 서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 클램프-확장-클램프-수축(clamp-extend-clamp-retract) 작동 순차(operating sequence)를 사용하여 많은 짧은 PZT 액츄에이터 사이클들을 합한다. 이 스테핑 선형 액츄에이터는 DC로부터 5~6 킬로헤르츠 진동수로 작동하며 소음과 진동을 일으킨다. 전원이 꺼졌을 때 위치가 유지되지 않는다. 200mm의 움직임 동안 1 나노미터보다 더 긴 레졸루션(resolution)이 얻어진다. Piezoelectric transducer (PZT) stepping motors are described in US Pat. No. 3,902,084, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The motor combines many short PZT actuator cycles using a clamp-extend-clamp-retract operating sequence. This stepping linear actuator operates from 5 to 6 kHz frequency from DC, producing noise and vibration. The position is not maintained when the power is turned off. A resolution longer than 1 nanometer is obtained for a movement of 200 mm.

PZT 관성 부착-미끄러짐 모터(inertial stick-slip motor)가 미국 특허 제5,410,206호에 기술되어 있다; 상기 미국 특허의 전체적인 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 스플릿 너트(split nut)를 사용하는 미세-나삿니 샤프트를 회전시켜 반대측 샤프트를 붙잡는 "조(jaw)"를 형성한다. PZT 액츄에이터는 비대칭 교류 구동 신호와 반대 방향으로 조를 빠르게 움직인다. 빠른 조 움직임은 고정 마찰력(clamping friction)을 극복하여 슬리피지(slippage)를 일으킨다. 조가 더 느리게 움직이면 미끄러지지 않고 샤프트를 회전시킨다. 이 부착-미끄러짐 모터는 상기 스테핑 모터와 유사한 소음과 진동을 만드나 100배 더 느리고 전원이 꺼졌을 때 위치를 유지하고 있다. 25mm의 움직임 동안 50nm 보다 나은 레졸루션을 얻는다. PZT inertial stick-slip motors are described in US Pat. No. 5,410,206; The entire disclosure of this US patent is incorporated herein by reference. The motor rotates the fine-threaded shaft using a split nut to form a "jaw" that holds the opposite shaft. PZT actuators move the jaw quickly in the opposite direction to the asymmetrical AC drive signal. Fast jaw movements overcome slipping friction and cause slippage. If the jaw moves slower, it will not slip and rotate the shaft. This attachment-slip motor produces similar noise and vibration as the stepping motor but is 100 times slower and remains in position when powered off. A resolution of better than 50 nm is achieved for a movement of 25 mm.

초음파 모터는 피에조 발생 진동을 이용하여 고속, 높은 토크, 작은 크기 및 조용한 동작으로 계속적인 움직임을 창출한다.Ultrasonic motors use piezo-generated vibrations to create continuous motion with high speed, high torque, small size and quiet motion.

초기 초음파 피에조 모터들 중 하나는 미국 특허 제3,176,167호에 기술되어 있으며, 상기 미국 특허의 전체적인 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있 다. 이 단향성(unidirectional) 회전 모터는 석영 결정 오실레이터(oscillator)를 사용하여 얇은 막대를 움직이고 계기장치를 구동시키는 외부 장치를 갖는 래칫 휠(ratchet wheel)을 구동시킨다. One of the earliest ultrasonic piezo motors is described in US Pat. No. 3,176,167, the entire contents of which are incorporated herein by reference. This unidirectional rotary motor uses a quartz crystal oscillator to drive a ratchet wheel with an external device that moves a thin rod and drives the instrument.

정상파(standing wave) 초음파 모터의 한 예가 미국특허 제5,453,653호에 기술되어 있으며, 상기 미국특허의 전체적인 내용이 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 이 모터는 구형(rectangular) PZT 판을 이용하여 유동 표면에 대하여 사전 부하된 접촉 점(contact point)의 초음파 진동을 발생시킨다. PZT 플레이트위의 전극 패턴이 교류 신호에 연결되고 필요한 진폭과 상(phase)을 갖는 접촉 팁(tip)의 2차원적 진동을 일으켜서 적용면(mating surface)에 대한 알짜힘(net force)을 일으킨다. 이 초음파 모터는 조용하고 스테핑 모터보다 100배 더 빠른 반면 약 1/3 힘을 생산한다. 일반적으로 초음파 모터는 정확하게 멈추고 시작하는 것이 어렵다. 서브마이크로미터 레졸루션에 도달하기 위해서는 전형적으로 폐루프(closed loop) 제어가 되는 인코더(encoder)이 필요하다. An example of a standing wave ultrasonic motor is described in US Pat. No. 5,453,653, the entire contents of which are incorporated herein by reference. The motor uses a rectangular PZT plate to generate ultrasonic vibrations of the contact points preloaded against the flow surface. The electrode pattern on the PZT plate is connected to an alternating signal and causes two-dimensional oscillation of the contact tip with the required amplitude and phase, resulting in a net force on the mating surface. This ultrasonic motor is quiet and 100 times faster than a stepping motor while producing about one third of the force. In general, ultrasonic motors are difficult to stop and start accurately. Reaching a submicrometer resolution typically requires an encoder with closed loop control.

초음파 진동을 사용하는 나삿니 막대를 구동시키는 장치는 예를 들면 가츠요끼 후지무라(katsuyuki Fujimura)의 미국 특허 제6,147,435호에 기술되어 있다. 본 특허 개시 및 청구항은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 본 특허는 다음을 개시하고 청구한다: "... 초음파 진동으로 나사 막대를 구동시키는 장치로 다음을 포함한다: 축 방향을 따라 나선형으로 형성된 홈 부를 갖는 나사 막대; 상기 나사 막대의 반대 말단을 회전가능하게 유지하는 한 쌍의 스탠드; 상기 나사 막대를 부분적으로 둘러싸고 상기 나사 막대의 축방향으로 미끄러질 수 있는 작동 래 크(work rack); 상기 작동 래크의 일측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 막대로 연장되어 있는 적어도 하나의 제1 나사 막대 회전 장치, 상기 적어도 하나의 제1 나사 막대 회전 장치는 제1 특정 각도로 상기 나사 막대의 상기 홈 부와 접촉하는 제1 진동기, 특정 압력으로 상기 나사 막대의 상기 홈부쪽으로 상기 제1 진동기를 가압하는 제1 스프링 및 상기 제1 진동기를 전기적 활성으로 진동시켜 제1 회전 방향으로 상기 나사 막대를 회전시키는 제1 피에조 엑츄에이터를 포함하며; 및 상기 작동 래크의 다른 측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 막대로 연장되어 있는 적어도 하나의 제2 나사 막대 회전 장치, 상기 적어도 하나의 제2 나사 막대 회전 장치는 상기 제1 특정 각도의 반대로 제2 특정 각도로 상기 나사 막대의 상기 홈부와 접촉하는 제2 진동기, 특정 압력으로 상기 나사 막대의 상기 홈 부쪽으로 상기 제2 진동기를 가압하는 제2 스프링 및 전기적 활성으로 상기 제2 진동기를 진동시켜 제2 방향으로 상기 나사 막대를 회전시키기 위한 제2 피에조 엑츄에이터를 포함한다."A device for driving a threaded rod using ultrasonic vibrations is described, for example, in US Pat. No. 6,147,435 to Katsuyuki Fujimura. This patent disclosure and claims are incorporated herein by reference. The present patent discloses and claims: "... a device for driving a screw rod by ultrasonic vibrations comprising: a screw rod having a groove portion formed spirally along an axial direction; rotating the opposite end of the screw rod A pair of stands to hold the work piece; a work rack capable of partially enclosing the screw rod and sliding in an axial direction of the screw rod; fixed to one side of the work rack and the screw from the work rack At least one first threaded rod rotating device extending into the rod, the at least one first threaded rod rotating device having a first vibrator in contact with the groove portion of the threaded rod at a first specific angle, the screw at a specific pressure A first spring for urging the first vibrator toward the groove of the rod and the first vibrator by electrically vibrating A first piezo actuator for rotating said screw rod with said at least one second screw rod rotating device fixed to the other side of said actuation rack and extending from said actuation rack to said screw rod, said at least one The second screw rod rotating device of the second vibrator contacting the groove portion of the screw rod at a second specific angle opposite the first specific angle, pressurizing the second vibrator toward the groove portion of the screw rod at a specific pressure. And a second piezo actuator for vibrating the second vibrator with a second spring and electrically active to rotate the screw rod in a second direction. "

미국 특허 제6,147,435호의 장치는 "제1 나사 막대 회전장치" 및 "제2 나사 막대 회전 장치" 둘다를 요구하며; 이들은 예를 들면 구성요소 16a' 및 16d'(그러한 제1 나사 막대 회전 장치를 포함), 및 구성요소 16b' 및 16c'(그러한 제2 나사 막대 회전 장치를 포함)으로서 도 3에 도시된다. 미국 특허 제 6,147,435호를 다시 참조하면, 구성요소 16a' 및 16d'가 초음파 진동에 의해 활성될 때, 상기 나사 막대 2는 한 방향으로 회전되며; 구성요소 16b' 및 16c'가 초음파 진동으로 활성될 때, 상기 나사 막대 2는 그 반대 방향으로 회전한다.The apparatus of US Pat. No. 6,147,435 requires both a "first screw rod rotator" and a "second screw rod rotator"; These are for example shown in FIG. 3 as components 16a 'and 16d' (including such first threaded rod rotating device), and components 16b 'and 16c' (including such second threaded rod rotating device). Referring again to US Pat. No. 6,147,435, when components 16a 'and 16d' are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 is rotated in one direction; When components 16b 'and 16c' are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 rotates in the opposite direction.

구성요소들 16a'/16d', 및 16b'/16c'는 결코 동시에 활성화되지 않으며; 그렇게 하는 것은 에너지를 낭비하는 것일 것이며 상기 나사 막대 2를 정지 상태로 두게 된다. Components 16a '/ 16d', and 16b '/ 16c' are never activated at the same time; Doing so would waste energy and leave the screw rod 2 stationary.

그러나 그러한 구성요소가 16a'/16d' 및 16b'/16c'가 동시에 활성되지 않았을 때에도 에너지 낭비는 있다. 불활성의 구성요소 쌍은 여전히 나사 막대 2의 나삿니에 접촉하고 있어서, 마찰항력(drag friction)을 일으킨다. However, there is a waste of energy even when such components are not active at the same time 16a '/ 16d' and 16b '/ 16c'. Inactive component pairs still contact the threads of threaded rod 2, causing drag friction.

이 마찰 항력은 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 문제이다. 상기 특허의 청구항 2에서처럼, 이 문제를 다소 해결하기 위하여 그러한 특허의 장치는 "... 상기 제1 및 제2 피에조 엑츄에이터중 하나가 전기적으로 활성될 때, 소량의 전류가 상기 제1 및 제2 피에조 엑츄에이터중 다른 것에 공급된다."로 기술되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 효율은 그렇게 높지는 않다. This frictional drag is a problem with the device of US Pat. No. 6,147,435. As in claim 2 of the patent, in order to solve this problem more or less, the device of such patent is “... when one of the first and second piezo actuators is electrically activated, a small amount of current is applied to the first and second. To the other of the piezo actuators. " The efficiency of the device of US Pat. No. 6,147,435 is not so high.

본 발명의 목적은 유사 크기의 다른 초음파 모터로 일반적으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 정확도, 힘 및 속도를 제공하면서도 미국 특허 제6,147,435호의 것보다 실질적으로 더 높은 효율을 갖는, 초음파 진동으로 나삿니 샤프트를 구동시키는 장치를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a threaded shaft with ultrasonic vibrations that provides substantially higher efficiency than that of US Pat. It is to provide a device for driving.

본 발명에 따라, 나삿니 샤프트 및 여기에 맞물린 너트로 이루어진 나삿니 샤프트 조립체를 구동시키는 장치가 제공된다. 이러한 조립체는 상기 너트를 초음파 진동시켜 상기 샤프트가 축방향으로 회전과 동시에 병진하게 하는 수단을 포함한다. 상기 조립체는 또한 상기 샤프트에 대해 축력(axial force)을 가하기 위한 수단들로 구성된다. According to the invention, there is provided an apparatus for driving a threaded shaft assembly consisting of a threaded shaft and a nut engaged therewith. This assembly includes means for ultrasonically vibrating the nut to cause the shaft to translate simultaneously with rotation in the axial direction. The assembly also consists of means for exerting an axial force on the shaft.

본 발명은 본 명세서, 첨가 특허청구범위, 및 도면에 의해 기술되며, 여기서 같은 숫자는 같은 구성요소를 의미한다.The invention is described by the specification, the appended claims, and the drawings, wherein like numerals refer to like components.

도 1 내지 도 6은 4개의 직사각형 피에조 판을 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 1은 그 모터의 사시도이며, 도 2는 그 모터의 확대도이며, 도 3은 그 모터의 말단도이며, 도 4는 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 5는 도 3의 A-A(30) 선을 따른 모터의 절단면도이며, 도 5A는 모터 꺼짐시 외부 프리로드(preload)와의 나사 결합의 확대도(도 5의 47)를 나타내며, 도 5B는 모터 작동시의 도 5A의 동일한 확대도를 나타내며, 도 6은 도 3의 B-B선(32)에 따른 절단면도를 나타내며,1-6 show a motor comprising four rectangular piezo plates: where FIG. 1 is a perspective view of the motor, FIG. 2 is an enlarged view of the motor, FIG. 3 is an end view of the motor, and FIG. 4 5 shows an electrical connection to the motor, FIG. 5 is a cutaway view of the motor along the AA 30 line of FIG. 3, and FIG. 5A is an enlarged view of screw engagement with an external preload when the motor is off (FIG. 5B shows the same enlarged view of FIG. 5A when the motor is operating, FIG. 6 shows a cutaway view along the line BB 32 of FIG.

도 7 내지 도 12는 4개의 피에조 스택(stack)을 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 7은 그 모터의 사시도이며, 도 8은 그 모터의 확대도이며, 도 9는 그 모터의 말단도이며, 도 10은 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 11은 도 9의 A-A 선(48)에 따른 절단면도이며, 도 12는 도 9의 B-B 선(46)에 따른 절단면도이며,7-12 show a motor comprising four piezo stacks: where FIG. 7 is a perspective view of the motor, FIG. 8 is an enlarged view of the motor, FIG. 9 is an end view of the motor, FIG. 10 shows an electrical connection to the motor, FIG. 11 is a cutaway view along line AA of FIG. 9, FIG. 12 is a cutaway view along line BB 46 of FIG. 9,

도 13 내지 도 17은 4개의 외부 전극을 갖는 피에조 튜브를 포함하는 모터를 나타내며: 여기서 도 13은 그 모터의 사시도이며, 도 14는 그 모터의 확대도이며, 도 15는 그 모터의 말단도이며, 도 16은 그 모터에 대한 전기 연결을 나타내며, 도 17은 도 15의 A-A 선(56)에 따른 절단면도이며, 13 to 17 show a motor comprising a piezo tube having four external electrodes: where FIG. 13 is a perspective view of the motor, FIG. 14 is an enlarged view of the motor, and FIG. 15 is an end view of the motor. 16 shows an electrical connection to the motor, FIG. 17 is a cutaway view along line AA of FIG. 15,

도 18은 나삿니 샤프트의 회전 및 병진을 나타내는 도 1의 모터용 나삿니 너트의 궤도 움직임의 개략적 설명도이며,18 is a schematic illustration of the orbital movement of the threaded nut for the motor of FIG. 1 showing the rotation and translation of the threaded shaft;

도 19는 도 18에 나타난 움직임을 만들어내기 위해 필요한 전기 구동 신호의 개략적 설명도이며, FIG. 19 is a schematic illustration of the electric drive signal required to produce the motion shown in FIG. 18,

도 20 내지 도 25는 선형 스테이지(stage)로 포장되고 통합된 도 1의 모터의 응용예들을 나타내며, 여기서 도 20은 모터 조립체의 사시도이며, 도 21은 모터 조립체의 확대도이며, 도 22는 모터 조립체의 절단면도이며, 도 23A는 도 20의 모터 조립체의 반대쪽 사시도이며, 도 23B는 진행 방향으로 모터 조립체가 어떻게 회전하고 병진하는가를 설명하는 사시도이며, 도 23C는 반대 방향으로 상기 모터 조립체가 어떻게 회전하고 병진하는가를 설명하는 사시도이며, 도 24A는 진행 방향으로 선형 스테이지로 통합된 모터 조립체를 나타내며, 도 24B는 반대 방향으로 작동하는 선형 스테이지로 통합된 모터 조립체를 나타내며 도 25는 3-축 스테이지 시스템(three-axis stage system)으로 통합된 모터 조립체를 나타낸다.20-25 show applications of the motor of FIG. 1 packed and integrated into a linear stage, where FIG. 20 is a perspective view of the motor assembly, FIG. 21 is an enlarged view of the motor assembly, and FIG. 22 is a motor. FIG. 23A is an opposite perspective view of the motor assembly of FIG. 20, FIG. 23B is a perspective view illustrating how the motor assembly rotates and translates in the advancing direction, and FIG. 23C is a perspective view of the motor assembly in the opposite direction. 24A shows a motor assembly integrated into a linear stage in the advancing direction, FIG. 24B shows a motor assembly integrated into a linear stage operating in the opposite direction, and FIG. 25 shows a three-axis stage. Represents a motor assembly integrated into a three-axis stage system.

본 발명의 일 실시예에서, 모형 초음파 선형 모터는 리드 나사를 회전시켜 선형 움직임을 만든다. 실린더는 초음파 범위로 제1 굽힘 모드(bending mode) 공명 진동수를 갖는 나삿니 너트를 지지한다. 상기 실린더와 너트는 이 공명 진동수에서 변환기에 의해 여기되어 너트를 실린더의 말단에서 벗어나게 한다. 상기 변환기는 피에조, 전의, 정전, 전자기 또는 공명 진동을 자극할 수 있는 어떠한 장치도 될 수 있다. + 또는 - 90도 상 이동성을 갖는 실린더의 직교 굽힘 모드들을 동 시에 자극하여 원형 궤도를 만들기 위하여 적어도 2개의 변환기들 필요하다. 폐-조립 나삿니 샤프트가 너트 내부에 설치된다. 탄성 축상 부하(resilient axial load)가 낮은 마찰 결합을 통해 샤프트에 인가된다. 공명 진동수에서 너트는 궤도를 돌며 샤프트의 관성은 그것을 중심에 유지시킨다. 상기 너트의 궤도는 토크를 일으켜서 샤프트를 회전시키고 선형 움직임을 만든다. 상기 변환기들을 위해 적어도 2개의 교류 구동 신호들이 필요하다. 상기 구동 진동수는 원형 너트 궤도를 완성시키기 위해 기계적 진동수와 조절 상(control phase)을 여기 시켜야만 한다. 구동 신호 진폭과 지속시간(duration)의 변조(modulation)는 속도를 제어한다. 구동 신호들 사이의 상 이동은 + 또는 -일 수 있으며, 이는 너트 궤도의 방향과 샤프트의 회전/병진을 전환시킨다. 이 실시예 및 다른 바람직한 실시예들은 본 명세서에서 좀 더 상세히 기술될 것이다. In one embodiment of the invention, the model ultrasonic linear motor rotates the lead screw to make linear movement. The cylinder supports the threaded nut with a first bending mode resonance frequency in the ultrasonic range. The cylinder and nut are excited by the transducer at this resonant frequency to dislodge the nut from the end of the cylinder. The transducer may be any device capable of stimulating piezo, electrical, electrostatic, electromagnetic or resonance vibrations. At least two transducers are needed to simultaneously excite orthogonal bending modes of a cylinder with + or-90 degree of mobility to create a circular orbit. The closed-assembly threaded shaft is installed inside the nut. A resilient axial load is applied to the shaft through low frictional engagement. At the resonant frequency, the nut orbits and the inertia of the shaft keeps it centered. The trajectory of the nut causes torque to rotate the shaft and make linear movement. At least two AC drive signals are needed for the transducers. The drive frequency must excite the mechanical frequency and control phase to complete the circular nut trajectory. Modulation of the drive signal amplitude and duration controls the speed. The phase shift between the drive signals can be + or-, which reverses the direction of the nut trajectory and the rotation / translation of the shaft. This and other preferred embodiments will be described in more detail herein.

어떤 특별한 이론과 결합하지 않고도, 출원인은 그의 초음파 선형 엑츄에이터들 중 하나의 작동 원리로 실린더형 튜브의 제1 굽힘 공명을 여기시켜, 이로 인해 상기 튜브의 하나 또는 두 개의 말단들을 회전시키는 것 없이 실린더 축 주위를 궤도를 그리며 돌게 한다고 믿는다. 이러한 실시예에서, 상기 튜브의 일 말단은 나삿니 너트를 수용하며 이 너트는 짝 나삿니 샤프트 주위를 궤도를 돌며 마찰을 통해 접선력(tangential force)을 분배하여 그것이 궤도 주위를 도는 것과 같이 나삿니 샤프트를 회전시킨다. 본 나삿니에서의 마찰은 이것이 직접적으로 상기 나사를 구동하기 때문에 유용하다. 이는 종래 리드 나사 구동과 전혀 반대이며, 여기서 상기 나삿니 접촉 마찰은 와류적(parasitic)이며 권취(windup), 뒤틈(backlash) 및 느린 반응을 일으킨다. 본 실시예에서 사용된 나선형 나삿니의 또 다른 중요한 장점은 회전을 진동으로 직접적 전환시키는 것과 함께 커다란 기계적 장점, 즉 축력(axial force)을 확대시키고 선형 속도를 감소시켜, 결과적으로 정확도를 증가시키는 것이다.Without combining with any particular theory, Applicant excites the first bending resonance of the cylindrical tube with the principle of operation of one of its ultrasonic linear actuators, thereby allowing the cylinder axis to be rotated without rotating one or two ends of the tube. It is believed to orbit around. In this embodiment, one end of the tube receives a threaded nut which orbits around the paired shaft and distributes tangential force through friction to rotate the threaded shaft as it turns around the track. Let's do it. Friction at this thread is useful because it drives the screw directly. This is totally the opposite of conventional lead screw driving, where the thread contact friction is parasitic and causes windup, backlash and slow response. Another important advantage of the helical thread used in this embodiment is the direct conversion of rotation to vibration, along with a large mechanical advantage, ie expanding axial force and reducing linear speed, resulting in increased accuracy.

본 실시예에서, 부하(load) 경로의 내부 또는 외부의 변환기는 제1 굽힘 모드를 여기하기 위하여 사용되는 것이 바람직하다. 사용될 수 있는 변환기들은 예를 들면 피에조 구성요소 및 스택, 자기변형(magnetostrictive) 물질, 및 정전 물질 등 몇몇이 있다. 이 리스트는 모든 변환기 물질을 포함하는 것은 아니나 실린더형 튜브의 제1 굽힘 공명 또는 유사하게 형성된 블록(block)을 여기하고 하나 또는 2개의 튜브 말단의 궤도를 완성하기 위하여 사용될 수 있는 그러한 물질 또는 장치라면 어느 것이나 본 발명에서 구현되는 것으로 이해되어야만 한다. 여기에 기술된 실시예들은 피에조 물질을 사용하나 상술한 다른 대체 변환기 물질로도 용이하게 구현될 수 있다. In this embodiment, the transducer inside or outside the load path is preferably used to excite the first bending mode. Some transducers that can be used include, for example, piezo components and stacks, magnetostrictive materials, and electrostatic materials. This list does not include all transducer materials, but if such materials or devices can be used to excite the first bending resonance or similarly formed blocks of a cylindrical tube and complete the trajectory of one or two tube ends, Anything should be understood as being implemented in the present invention. The embodiments described herein use piezo material but can also be readily implemented with other alternative transducer materials described above.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 여기서 기술된 바람직한 실시예에서, 초음파 선형 모터(10)가 묘사되어 있다. 묘사된 실시예에서, 4개의 구형 피에조 판들이 사용되어 초음파 진동을 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 도 1에서는 도시되지 않지만, 다른 수단들이 사용되어 초음파 진동들을 발생시킬 수도 있다. 1-6, in the preferred embodiment described herein, an ultrasonic linear motor 10 is depicted. In the depicted embodiment, four spherical piezo plates are used to generate ultrasonic vibrations. In another embodiment, although not shown in FIG. 1, other means may be used to generate ultrasonic vibrations.

본 명세서에서 사용된 것처럼, 용어 초음파는 20,000 헤르츠를 초과하는 작동 진동수를 의미한다. 하나의 실시예에서, 상기 작동 진동수는 적어도 약 25,000헤르츠이다. 또 다른 실시예에서, 상기 작동 진동수는 적어도 약 50,000헤르츠이 다. 또 다른 실시예에서, 상기 작동 진동수는 적어도 약 100,000헤르츠이다.As used herein, the term ultrasonic waves means operating frequencies in excess of 20,000 hertz. In one embodiment, the operating frequency is at least about 25,000 hertz. In yet another embodiment, the operating frequency is at least about 50,000 hertz. In yet another embodiment, the operating frequency is at least about 100,000 hertz.

본 명세서에서 사용된 것처럼, 용어 선형 모터는 힘 및/또는 변위(displacement)를 발생시켜 실질적으로 직선으로 움직임을 일으키는 엑츄에이터를 의미한다. 예를 들면 미국특허 제5,982,075호(초음파 선형 모터); 제5,134,334호(초음파 선형 모터); 제5,036,245호(초음파 선형 모터); 제4,857,791호(선형 모터)등을 참고할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체적인 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합된다. As used herein, the term linear motor refers to an actuator that generates force and / or displacement to cause movement in a substantially straight line. See, for example, US Pat. No. 5,982,075 (ultrasonic linear motor); 5,134,334 (ultrasonic linear motors); 5,036,245 (ultrasonic linear motors); 4,857,791 (linear motors). The entire disclosure of each of these US patents is incorporated herein by reference.

도 1 내지 도 6을 다시 참고하면, 여기에 기술된 바람직한 실시예에서는 구형 공 팁(26)을 갖는 나삿니 샤프트 12가 회전하고 축력과 움직임을 일으키는 것을 볼 수 있다. Referring again to FIGS. 1-6, it can be seen in the preferred embodiment described herein that a threaded shaft 12 with a spherical ball tip 26 rotates and causes axial force and movement.

상기 나삿니 샤프트(12)는 하우징(14) 내에 이동가능하게 설치되는 것이 바람직하다. 나삿니 샤프트(12)의 길이(15)(도 5 참조)는 적어도 약 10mm 정도 하우징(14)의 길이(13)을 초과하는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 길이 15는 길이 13을 적어도 25mm 정도 초과한다. 또 다른 실시예에서, 길이 15는 길이 13을 적어도 50mm 정도 초과한다. The threaded shaft 12 is preferably installed to be movable in the housing 14. The length 15 (see FIG. 5) of the threaded shaft 12 preferably exceeds the length 13 of the housing 14 by at least about 10 mm. In one embodiment, the length 15 exceeds the length 13 by at least 25 mm. In another embodiment, the length 15 exceeds the length 13 by at least 50 mm.

하나의 실시예에서, 상기 나삿니 샤프트(12)는 하우징(14)의 제1 자연 진동수의 크기 0.2 배보다 더 작은 제1 자연 진동수를 갖는다. 또 다른 실시예에서 나삿니 샤프트(12)의 제1 자연 진동수는 하우징(14)의 제1 자연 진동수의 크기보다 약 0.1배 더 작다. In one embodiment, the threaded shaft 12 has a first natural frequency less than 0.2 times the magnitude of the first natural frequency of the housing 14. In another embodiment, the first natural frequency of the threaded shaft 12 is about 0.1 times less than the magnitude of the first natural frequency of the housing 14.

여기 사용된 것처럼, 용어 제1 자연 진동수는 진동의 제1 정상 모드의 진동 수를 의미한다: 예를 들면 과학과 기술의 용어의 맥그로우-힐 사전 4판 1253p 참조(McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms)(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989.). 또한 유진 A 아발론 등의 기계공을 위한 상표의 표준 핸드북(Eugene A. Avallone et al.'s "Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers")(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978)의 '간단한 시스템의 자연 진동수(Natural Frequencies of Simple System)"들의 5~59p 에서 5~70p을 참고할 수 있다. 또한 미국특허 제 6,125,701호; 제6,591,608호; 제6,525,456호; 제6,439,282호; 제6,170,202호; 제6,101,840호등을 참고할 수 있으며; 이들 미국 특허 각각의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. As used herein, the term first natural frequency means the frequency of the first normal mode of vibration: see, for example, the McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, in terms of science and technology. (McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989.). In addition, the Eugene A. Avallone et al.'S "Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers" (McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978) Reference may be made from 5 to 59 p to 5 to 70 p of "Natural Frequencies of Simple Systems." Also, US Pat. Nos. 6,125,701; 6,591,608; 6,525,456; 6,439,282; 6,170,202; 6,101,840 Reference may be made to the entire disclosure of each of these US patents.

도면에 묘사된 실시예들에서, 너트(16)의 궤도 움직임은, 도 18에서 가장 잘 설명된 것처럼, 두 개의 정상적인 진동 모드의 존재로 인해 발생하며 이들 진동 모드들은 축 중앙선(도 2 참조)에 평행한 평면에 있으며 각기 서로 직교한다. In the embodiments depicted in the figure, the orbital movement of the nut 16 occurs due to the presence of two normal vibration modes, as best described in FIG. 18, which are at the axis centerline (see FIG. 2). They are in parallel planes and are orthogonal to each other.

이들 2개의 직교하는 정상 진동 모드들은 활성화된 변환기(플레이트 18, 20, 22, 및 24와 같음)와 하우징(14)의 상호작용에 의해 발생하며; 그리고 그러한 상호작용은 너트(16)의 궤도 움직임을 일으키며 나삿니 샤프트(12)의 회전과 병진을 번갈아 일으킨다. These two orthogonal steady vibration modes are generated by the interaction of the activated transducer with the activated transducer (such as plates 18, 20, 22, and 24); And such interaction causes orbital movement of the nut 16, alternating rotation and translation of the threaded shaft 12.

한 실시예에서, 너트(16)의 제1 자연 공명 진동수는 모터 조립체(10)의 작동 진동수의 크기의 적어도 5배인 것이 바람직하다. 그러므로 상기 너트(16)는 실질적으로 단단한 몸체인 것이 바람직하다. In one embodiment, the first natural resonance frequency of the nut 16 is preferably at least five times the magnitude of the operating frequency of the motor assembly 10. Therefore, the nut 16 is preferably a substantially rigid body.

한 실시예에서, 나삿니 샤프트(12)는 실질적으로 스테인레스 스틸 금속으로 제조된다. 본 실시예에서, 나삿니 샤프트(12)는 실질적으로 황동(brass) 금속으로 제조된 나삿니 너트(16)와 맞물린다. In one embodiment, the threaded shaft 12 is made of substantially stainless steel metal. In this embodiment, the threaded shaft 12 meshes with a threaded nut 16 made of substantially brass metal.

마멸(abrasion) 및 마손(galling)을 최소화하기 위하여 나삿니 샤프트(12) 및 나삿니 너트(16) 용 재료들을 결합하여 사용하는 것이 바람직하다는 것이 분명하다. 마멸과 마손을 최소화하기 위해 재료들을 다르게 결합하는 것 또한 본 발명에서 사용될 수 있다. It is clear that it is desirable to use a combination of materials for the threaded shaft 12 and threaded nut 16 in order to minimize abrasion and galling. Different combinations of materials to minimize wear and tear can also be used in the present invention.

도 1을 다시 참조하여, 나삿니 샤프트(12)는 바람직하게는 나선형 홈의 형태로 구성되는 복수의 나삿니(17)로 이루어져 있다. 하나의 실시예에서, 상기 나삿니(17)는 인치당 약 250 나삿니보다 적은 피치(pitch)를 가지며, 바람직하게는 인치당 약 200 나삿니보다 적다. 또 다른 실시예에서, 상기 나삿니(17)은 인치당 약 100 나삿니보다 적은 피치를 갖는다. 본 실시예의 하나의 양태에서, 상기 나삿니(17)는 인치당 약 40~80 나삿니의 피치를 갖는다. Referring again to FIG. 1, the threaded shaft 12 consists of a plurality of threads 17, preferably configured in the form of a spiral groove. In one embodiment, the thread 17 has a pitch less than about 250 threads per inch, preferably less than about 200 threads per inch. In another embodiment, the threads 17 have a pitch less than about 100 threads per inch. In one aspect of this embodiment, the threads 17 have a pitch of about 40 to 80 threads per inch.

상기 나삿니(17)는, 도 18에서 가장 잘 설명된 것처럼, 너트(16)의 내부 나삿니(19)와 맞물리는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 실시예에서는, 내부 나삿니(19)의 피치는 외부 나삿니(17)의 피치와 실질적으로 동일하다.The thread 17 is preferably engaged with the internal thread 19 of the nut 16, as best described in FIG. 18. In one preferred embodiment, the pitch of the inner thread 19 is substantially the same as the pitch of the outer thread 17.

설명의 단순화를 위하여, 상기 나삿니(17, 19)는 전체적으로 맞물려진 것으로 나타나고 있지만(도 5A, 도 5B 및 도 18은 제외), 나삿니 (17, 19)들 사이의 상대 틈새(diametrical clearance)는 나삿니(17) 및/또는 나삿니 19의 나삿니 깊이(33/35)의 약 0.5 배보다 작은 것이 바람직하다. 이 상대 틈새는 도 5A에 잘 설 명되어 있다. 상기 상대 틈새를 결정하기 위한 수단들은 잘 알려져 있다. 미국 특허 제6,145,805호; 제5,211,101호; 제4,781,053호; 제4,277,948호; 제6,257,845호; 제6,142,749호등을 참고할 수 있으며; 이들 미국 특허의 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. 또한 상술한 "기계공을 위한 상표 표준 핸드북"의 8-9 et seq.("Machine Elements")를 참고할 수 있다. For the sake of simplicity, the threads 17, 19 are shown as fully engaged (except for FIGS. 5A, 5B and 18), but the diametrical clearance between the threads 17, 19 is threaded. (17) and / or less than about 0.5 times the thread depth 33/35 of the thread 19. This relative clearance is well illustrated in Figure 5A. Means for determining the relative clearance are well known. US Patent No. 6,145,805; 5,211,101; 5,211,101; 4,781,053; 4,277,948; 4,277,948; 6,257,845; 6,257,845; 6,142,749, etc .; The disclosures of each of these US patents are incorporated herein by reference. See also, 8-9 et seq. ("Machine Elements"), above, "A Trademark Standard Handbook for Mechanics."

도 5A를 참고하면, 나삿니 17과 19 사이의 맞물림의 바람직한 모드가 기술되어 있다. 본 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 나삿니 17의 각각은 팁(29)를 가지며, 나삿니 19는 팁 31을 갖는다. 추가적으로, 나삿니 17 및 19 각각은 나삿니 깊이 33 및 35를 각각 갖는다. Referring to FIG. 5A, a preferred mode of engagement between threads 17 and 19 is described. As can be seen from this figure, each of the threads 17 has a tip 29, and the threads 19 have a tip 31. In addition, threads 17 and 19 each have thread depths 33 and 35, respectively.

다시 도 1을 참고하면, 여기에 묘사된 바람직한 실시예에서, 나삿니 샤프트(12)의 회전은 진동 하우징(14)에 연결된 나삿니 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 만들어진다. 묘사된 실시예에서, 상기 나삿니 너트(16)은 상기 하우징(14)에 연결되는 것이 바람직하다. 이것은 도 2에 잘 설명되어 있다. Referring again to FIG. 1, in the preferred embodiment depicted herein, the rotation of the threaded shaft 12 is made by the ultrasonic trajectory of the threaded nut 16 connected to the vibration housing 14. In the embodiment depicted, the threaded nut 16 is preferably connected to the housing 14. This is well illustrated in FIG.

도 2를 참고하면, 여기에 묘사된 바람직한 실시예에서, 상기 너트(16)는 구멍(orifice:11) 내에 설치되는 것을 볼 수 있다. 상기 너트(16)은 종래의 수단, 예를 들면 압입 척(press fit), 및/또는 접착 수단 등에 의해 구멍(11) 내에 고정된다. Referring to FIG. 2, in the preferred embodiment depicted herein, it can be seen that the nut 16 is installed in an orifice 11. The nut 16 is fixed in the hole 11 by conventional means, for example a press fit, and / or an adhesive means.

도 1 및 도 2에 묘사된 바람직한 실시예에서, 너트(16)는 실린더형 너트이다. 또 다른 실시예에서, 도시되지는 않았지만 너트(16)는 사각형, 육각형(hexagonal shape), 팔각형(octagonal shape) 등을 가질 수 있는 다각형 너트이 다. In the preferred embodiment depicted in FIGS. 1 and 2, the nut 16 is a cylindrical nut. In another embodiment, although not shown, the nut 16 is a polygonal nut that may have a square, hexagonal shape, octagonal shape, or the like.

도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 그에 묘사된 바람직한 실시예에서 다수의 세라믹 플레이트들(18)이, 이하 참조, 하우징(14)의 외부 표면(37)에 부착된 것을 볼 수 있다. Referring again to FIGS. 1 and 2, in the preferred embodiment depicted therein, a number of ceramic plates 18 can be seen attached to the outer surface 37 of the housing 14, see below.

상기 세라믹 플레이트들은 전압, 특히 전압의 변화에 따라 그들 각각의 길이를 변화시키는 것이 바람직하다. 여기에서 사용되고, 명세서 여기 저기서 기술된 것처럼, 이들 세라믹 플레이트들은 "활성 세라믹 플레이트들"로 기술될 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 세라믹 플레이트들(18)은 피에조 플레이트, 정전 플레이 트 및 그의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 토론의 단순화를 위해서, 적어도 도 1 및 2의 실시예는 피에조 플레이트들과 관련하여 기술될 것이다. It is preferable that the ceramic plates change their respective lengths in accordance with a voltage, in particular a change in voltage. As used herein and described herein, these ceramic plates may be described as "active ceramic plates." In one embodiment, the ceramic plates 18 are selected from the group consisting of piezo plates, electrostatic plates and mixtures thereof. For simplicity of discussion, at least the embodiment of FIGS. 1 and 2 will be described with reference to piezo plates.

도 2에 묘사된 실시예에서, 4개의 피에조 플레이트들(18, 20, 22 및 24)은 하우징의 외부 표면(37)에 결합되며, 각 피에조 플레이트의 전극들(21 및 23)의 전기 구동 신호들을 교체시켜 여기될 때 너트(16) 오비탈 진동을 일으킨다(도 4 참조). In the embodiment depicted in FIG. 2, four piezo plates 18, 20, 22 and 24 are coupled to the outer surface 37 of the housing and the electrical drive signal of the electrodes 21 and 23 of each piezo plate. The nuts 16 orbital oscillate when excited by replacing them (see FIG. 4).

하나의 실시예에서, 단지 두 개의 피에조 플레이트들, 플레이트 18 및 20이 사용된다. 또 다른 실시예에서, 8개 이상의 피에조 플레이트들이 사용된다. 얼마나 많은 피에조 플레이트들이 사용되는 것과는 관계없이 충분한 수의 그러한 플레이트들이 사용되어 직교 평면 39 및 41내 내 움직임을 여기시킨다(도 2 참조). In one embodiment, only two piezo plates, plates 18 and 20 are used. In another embodiment, eight or more piezo plates are used. Regardless of how many piezo plates are used, a sufficient number of such plates are used to excite movement in orthogonal planes 39 and 41 (see FIG. 2).

설명의 단순화를 위하여, 4개의 피에조 플레이트들 18, 20, 22 및 24가 설명될 것이다. 이들 플레이트들은 그 플레이트들이 외부 표면(37)과 완전히 접촉하도 록 하우징(14)의 대응 외부 표면(37)에 결합되는 것이 바람직하다.For simplicity of explanation, four piezo plates 18, 20, 22 and 24 will be described. These plates are preferably coupled to the corresponding outer surface 37 of the housing 14 such that the plates are in complete contact with the outer surface 37.

피에조 플레이트들(18)은, 이하 참조, 도 4에 잘 도시된 것처럼 전극 21 및 23에 의해 전압원에 연결된다. 묘사의 단순성을 위해서, 전극 21과 23의 연결은 단지 피에조 플레이트에 관하여 도시되며, 다른 피에조 플레이트들에 관한 연결은 이와 동등하게 이루어진다. Piezo plates 18 are connected to the voltage source by electrodes 21 and 23, as well shown below in FIG. 4. For simplicity of depiction, the connection of electrodes 21 and 23 is only shown with respect to the piezo plate, and the connection with respect to the other piezo plates is made equivalent.

도 4를 참고하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예를 참고하여, 4개의 전극들(23) 모두 접지(25)에 연결된 것이 보여질 것이다. 이 실시예에서, 상기 피에조 물질은 낮은 유전 손실(dielectric loss) 및 높은 탈분극 전압(depollng voltage)를 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성(hard)" 조성물이다. 그러므로, 예를 들면 그 하나로는 오하이오주 베드퍼드의 모간 맥트락(Morgan Matroc)사에 의해 "PZT-4"로 시판되는 피에조 고체 물질을 사용할 수 있다. 이 바람직한 물질은 전형적으로 몇 가지 중요한 성질을 갖는다. Referring to FIG. 4, with reference to the preferred embodiment described herein, it will be seen that all four electrodes 23 are connected to ground 25. In this embodiment, the piezo material is a generally available "hard" composition with low dielectric loss and high depollng voltage. Thus, for example, one may use a piezo solid material marketed as "PZT-4" by Morgan Matroc of Bedford, Ohio. This preferred material typically has several important properties.

그러므로, 상기 바람직한 물질은 약 20,000 헤르츠보다 큰 진동수에서 약 1%, 바람직하게는 0.5%보다 낮은 유전 손실 인자를 갖는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 상기 유전 손실 인자는 약 20,000 헤르츠보다 큰 진동수에서 약 0.4%이다.Therefore, the preferred material preferably has a dielectric loss factor of less than about 1%, preferably less than 0.5%, at frequencies greater than about 20,000 hertz. In one embodiment, the dielectric loss factor is about 0.4% at frequencies greater than about 20,000 hertz.

그러므로, 바람직한 재료는 적어도 약 250 pC/N(picoCoulomb/Newton's), 바람직하게는 적어도 약 270pC/N의 d33 피에조 전하 계수(piezoelectric charge coefficient)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 바람직한 재료는 약 285pC/N의 d33 피에조 전하 계수를 갖는다. Therefore, the preferred material has a d33 piezoelectric charge coefficient of at least about 250 pC / N (picoCoulomb / Newton's), preferably at least about 270 pC / N. In one embodiment, the preferred material has a d33 piezo charge coefficient of about 285 pC / N.

그러므로, 바람직한 재료는 적어도 약 -90pC/N, 더욱 바람직하게는 적어도 약 -105pC/N의 d31 피에조 전하 계수를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 d31 피에조 전하 계수는 약 -115pC/N이다. Therefore, preferred materials have a d31 piezo charge coefficient of at least about -90 pC / N, more preferably at least about -105 pC / N. In one embodiment, the d31 piezo charge coefficient is about −115 pC / N.

하나의 실시예에서, 바람직한 재료는 적어도 약 2500 pC/N의 d33 피에조 전하 계수 및 적어도 약 900pC/N의 d31 피에조 전하 계수를 갖는 단결정 재료이다. In one embodiment, the preferred material is a single crystal material having a d33 piezo charge coefficient of at least about 2500 pC / N and a d31 piezo charge coefficient of at least about 900 pC / N.

몇 가지 적당한 재료의 논의를 위해, 제한되는 것은 아니나 설명을 위하여 참고문헌으로 예를 들면 미국 특허 제3,736,532호 및 3,582,540호를 들 수 있다. 이들 미국특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고적으로 통합되어 있다. For discussion of some suitable materials, reference is made, for example, to US Pat. Nos. 3,736,532 and 3,582,540 for purposes of explanation. The entire disclosures of these US patents are incorporated herein by reference.

추가적인 설명에 의해, 낮은 유전 손실 피에조 물질이 당업자에게 알려져 있다. 미국 특허 제5,792,379호(낮은 손실 PZT 세라믹 조성물)을 예로 참조할 수 있으며; 상기 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. By further description, low dielectric loss piezomaterials are known to those skilled in the art. U.S. Patent No. 5,792,379 (Low Loss PZT Ceramic Composition) may be referred to by way of example; The entire disclosure of these US patents is incorporated herein by reference.

하나의 실시예에서, 상기 피에조 물질은 단결정 피에조 물질이다. 이들 물질들은 종래 기술에 알려져 있다. 미국 특허 제5,446,330호; 제5,739,624호; 제5,814,917호; 제5,763,983호(단결정 피에조 변압기); 제5,739,626호; 제5,127,892호 등을 참조할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고로 통합되어 있다. In one embodiment, the piezo material is a single crystal piezo material. These materials are known in the art. US Patent No. 5,446,330; No. 5,739,624; 5,814,917; 5,814,917; 5,763,983 (Single Crystal Piezo Transformer); 5,739,626; 5,739,626; 5,127,892, and the like. The entire disclosure of each of these US patents is incorporated herein by reference.

도 4를 다시 참고하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예에서, 피에조 플레이트들(18, 20, 22 및 24)의 축 길이는 인가된 전압(Vx/86 및 Vy/88)과 d31 피에조 전하 계수에 비례하여 변한다.Referring again to FIG. 4, in the preferred embodiment depicted here, the axial length of the piezo plates 18, 20, 22 and 24 is dependent on the applied voltages (Vx / 86 and Vy / 88) and d 31 piezo charge coefficients. Change proportionally.

피에조 플레이트들(18, 22 및 20, 24)은 각각 쌍으로 작용하여 하우징(14)를 굴곡시키며(도 1 및 2 참조) 그리고 궤도 공명(orbital resonance)을 여기 시킨다. 전기 구동 신호들(86 및 88)을 분극 방향(poling direction: 43)으로 교대로 플레이트들(20, 24 및 18, 22)에 각각 인가하는 것이 바람직하다. 당업자에게 잘 알려진 것처럼, 분극 방향(43)은 피에조 물질내 쌍극자(dipole)가 제조중에 배열되는 방향이다. 예를 들면 미국 특허 제 5,605,659호(세라믹 피에조 플레이트를 분극시키는 방법); 제5,663,606호(피에조 엑츄에이터를 분극시키는 장치); 제5,045,747호(피에조 세라믹을 분극하는 장치) 등을 참고할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 통합되어 있다. The piezo plates 18, 22 and 20, 24 respectively act in pairs to bend the housing 14 (see FIGS. 1 and 2) and to excite orbital resonance. It is preferred to apply the electric drive signals 86 and 88 to the plates 20, 24 and 18, 22, respectively, alternately in the polarizing direction 43. As is well known to those skilled in the art, polarization direction 43 is the direction in which dipoles in the piezo material are arranged during manufacture. For example, US Pat. No. 5,605,659 (method of polarizing ceramic piezo plates); 5,663,606 (apparatus for polarizing piezo actuators); No. 5,045,747 (apparatus for polarizing piezo ceramics) may be referred to. The disclosures of each of these US patents are incorporated herein by reference.

각각의 플레이트 쌍 18, 22 및 20, 24에 대하여, 전기장은 하나의 플레이트에는 분극 방향(43)에 관하여 양성이고 반대 플레이트에는 분극 방향(43)에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx86은 플레이트 20, 24에 인가되는 것이 바람직하며 하나의 플레이트에서 팽창 그리고 다른 플레이트에서 수축이 동시에 일어나서, 평면(39)(도 2 참조), 그리고 X 방향 72a/72b(도 18 참조)으로 하우징(14)을 구부린다(도 18 참조). 유사한 방법으로 구동 신호 Vy88이 플레이트 18, 22에 인가되고 평면 41(도 2 참조), 및 Y 방향 74a/74b(도 18 참조)으로 하우징(14)을 구부린다. For each plate pair 18, 22 and 20, 24, the electric field is positive with respect to the polarization direction 43 on one plate and negative with respect to the polarization direction 43 on the opposite plate. The drive signal Vx86 is preferably applied to the plates 20, 24 and simultaneously expands in one plate and contracts in the other, so that the plane 39 (see FIG. 2) and in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18). The housing 14 is bent (see FIG. 18). In a similar manner, the drive signal Vy88 is applied to the plates 18, 22 and bends the housing 14 in the plane 41 (see FIG. 2), and in the Y direction 74a / 74b (see FIG. 18).

상기 나삿니 너트(16)의 반대쪽 상기 하우징 말단(45)은 나삿니 샤프트(12)의 외부 직경 및 붓싱(bushing)의 내부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 붓싱(28)을 지지하는 것이 바람직하다(도 2 참조). 상기 나삿니 샤프트(12)는 탄성 축력(27)을 지지하며(도 5 및 도 6 참조), 이 축력은 마찰이 적은 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형 볼 팁(26)을 통해 인가된다.The housing end 45 opposite the threaded nut 16 preferably supports a guide bushing 28 having a small gap between the outer diameter of the threaded shaft 12 and the inner diameter of the bushing (FIG. 2). The threaded shaft 12 supports the elastic axial force 27 (see FIGS. 5 and 6), which is applied through a spherical ball tip 26 using a hard, flat surface with low friction.

모터의 작동 동안에, 볼 26을 통해 바람직하게 전달된 축력(27)은 약 0.1~약 100N인 것이 바람직하다. 축력(27)은 출력 구동력(output driving force)에 유사한 크기인 것이 바람직하다. During operation of the motor, the axial force 27 preferably transmitted through the ball 26 is preferably about 0.1 to about 100N. The axial force 27 is preferably similar in magnitude to the output driving force.

구형 볼(26)(도 2 참조)은 나삿니 샤프트(12)를 그의 부하(27)에 낮은 마찰 토크(frictional torque)로 결합시키는 하나의 수단이다(도 5 참조). 당업자에게 자명한 것으로, 당업자는 회전 나삿니 샤프트로부터 이동 부하까지의 움직임을 결합시키기 위하여 다른 수단을 사용할 수 있다. 그러므로 예를 들면, 한 사람은 롤링 구성요소 베어링(rolling element bearing)을 사용할 수도 있고, 한 사람은 나삿니 샤프트(12) 등의 평표면과 접촉하는 아치형 부하(arcuate load)를 사용할 수도 있다. 미국 특허 제5,769,554호(운동학적 결합 방법), 제6,325,351호[정확한 도구들을 위한 매우 감쇠된 운동학적 결합(damped kinematic coupling for precision instrument)]를 참조할 수 있다; 이들 특허 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. The spherical ball 26 (see FIG. 2) is one means of coupling the threaded shaft 12 to its load 27 with low frictional torque (see FIG. 5). As will be apparent to those skilled in the art, one skilled in the art can use other means to combine movement from the rotating threaded shaft to the moving load. Thus, for example, one person may use a rolling element bearing, and one person may use an arcuate load that contacts a flat surface, such as a threaded shaft 12. See US Pat. No. 5,769,554 (kinematic coupling method), 6,325,351 (damped kinematic coupling for precision instrument); The disclosures of each of these patents are incorporated herein by reference.

도 1 및 도 2를 참고하면 나삿니 너트(16) 반대쪽의 하우징(14)의 말단(45)은 플랜지들을 통합하는데, 이들 플랜지들은 정지 커버(58)의 연결점이다(도 21). 상기 샤프트(12) 및 너트(16) 상의 나삿니 피치는 궤도 접선력 및 움직임을 축력 및 축 움직임으로 전달한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워(off-power) 유지력(holding force)을 최적화하기 위하여 선택될 수 있다. 1 and 2, the end 45 of the housing 14 opposite the threaded nut 16 incorporates the flanges, which are the connection points of the stop cover 58 (FIG. 21). The thread pitch on the shaft 12 and nut 16 transmits the orbital tangential force and movement in axial force and axial movement. The pitch can be selected to optimize force expansion, speed reduction, resolution increase and off-power holding force.

도 7 내지 12를 참조하여, 여기 묘사된 바람직한 실시예에서는, 초음파 선형 모터(30)는 4개의 피에조 스택(36, 40 및 42)(도 7 및 8 참조)을 사용하여 초음파 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 구형 볼 팁(26)을 갖는 나삿니 샤프트(12)는 회전하여 축력 및 축 움직임을 만든다. 진동 실린더(32)에 연결된 나삿니 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 상기 회전이 일어난다. 4개의 피에조 스택들(36, 38, 40 및 42)은 나삿니 너트의 반대쪽 실린더의 말단에 결합되고 베이스 링(34)에 결합된다. 4개의 스택(36)는, 이하 참조, 내부 스택 리드를 갖는 공지의 조립체 및 전기적 내부 연결 방법(44)을 사용하여 구조되며 상기 내부 스택 리드는 공통 접지(35)에 함께 연결되는 것이 바람직하다. 상기 스택의 축 길이는 인가된 전압 및 d33 피에조 전하 계수에 비례하여 변한다. 피에조 물질은 낮은 유전 손실 및 높은 분극 전압을 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성(Hard)" 조성물이다. 전기 구동 신호들(86 및 88)을 교대로 각 피에조 스택(44)의 외부 리드에 연결하고 상기 너트의 궤도 진동을 역기시킨다. 피에조 스택 36 및 40 및 38 및 42는 각각 함께 쌍으로 작동하여 상기 튜브를 회전시키고 궤도 공명을 여기시킨다. 전기 구동 신호 Vx86 및 Vy88을 교대로 스택 38, 42 및 36, 40에 각각 분극 방향으로 연결한다. 각 스택 쌍 38, 42와 36, 40에 대하여 상기 전기장은 하나의 스택에서 분극 방향(poling direction: 43)에 대하여 양성이고 반대편 스택에서는 분극방향에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx 86은 스택 38, 42에 인가되어 한 스택에 팽창 그리고 그 반대 스택에 수축을 동시에 일으킨다; 그래서 이것은 X 방향 72a/72b(도 18 참 조)으로 상기 튜브를 회전시킨다. 유사한 방법으로, 상기 구동 신호 Vy(88)가 스택 36, 40에 인가되고 Y 방향(74a/74b)으로 상기 튜브의 말단을 이동시킨다(도 18 참조). 상기 나삿니 너트(16)의 반대쪽 베이스 링(34)은 붓싱 내부 직경 및 나삿니 샤프트의 외부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 붓싱(28)을 지지한다. 나삿니 샤프트(12)는 적은 마찰을 일으키는 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형볼 팁(26)을 통해 적용된 유연한 축력(27)을 지지한다. 상기 베이스 링(34)은 고정커버(stationary cover: 58)을 위한 연결점이다(도 21). 상기 샤프트(12) 및 너트(16)의 나삿니 피치는 궤도 접선력 및 접선 움직임을 축력 및 축 움직임으로 전환한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워 유지력을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.With reference to FIGS. 7-12, in the preferred embodiment depicted here, the ultrasonic linear motor 30 uses four piezo stacks 36, 40, and 42 (see FIGS. 7 and 8) to generate ultrasonic vibrations. desirable. Threaded shaft 12 with spherical ball tip 26 rotates to create axial force and axial movement. The rotation takes place by the ultrasonic trajectory of the threaded nut 16 connected to the vibrating cylinder 32. Four piezo stacks 36, 38, 40 and 42 are coupled to the end of the cylinder opposite the threaded nut and to the base ring 34. The four stacks 36 are constructed using a known assembly with internal stack leads and an electrical internal connection method 44, see below, wherein the internal stack leads are preferably connected together to a common ground 35. The axial length of the stack varies in proportion to the applied voltage and d 33 piezo charge coefficient. Piezomaterials are generally available "hard" compositions with low dielectric loss and high polarization voltage. Electrical drive signals 86 and 88 are alternately connected to the external leads of each piezo stack 44 and counter-orbital vibration of the nut. Piezo stacks 36 and 40 and 38 and 42 respectively work together in pairs to rotate the tube and excite orbital resonance. The electrical drive signals Vx86 and Vy88 are alternately connected to stacks 38, 42, 36 and 40 in the polarization direction, respectively. For each stack pair 38, 42 and 36, 40 the electric field is positive for the polarization direction 43 in one stack and negative for the polarization direction in the opposite stack. The drive signal Vx 86 is applied to stacks 38 and 42 to simultaneously expand in one stack and contract in the opposite stack; So this rotates the tube in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18). In a similar manner, the drive signal Vy 88 is applied to stacks 36 and 40 and moves the end of the tube in the Y direction 74a / 74b (see FIG. 18). The base ring 34 opposite the threaded nut 16 supports a guide bushing 28 having a small gap between the bushing inner diameter and the outer diameter of the threaded shaft. The threaded shaft 12 supports a flexible axial force 27 applied through a spherical ball tip 26 that uses a hard, flat surface that produces less friction. The base ring 34 is a connection point for a stationary cover 58 (FIG. 21). The thread pitch of the shaft 12 and nut 16 converts orbital tangential and tangential movements into axial and axial movements. The pitch may be selected to optimize force expansion, speed reduction, resolution increase and off-power holding force.

도 13 내지 17을 참고로 하면, 상기 초음파 선형 모터(50)는 사분원 전극(quadrant electrodes)들을 갖는 피에조 튜브(54)를 사용하여 초음파 진동을 발생시킨다. 구형 볼 팁(26)을 갖는 나삿니 샤프트(12)가 회전하고 축력과 축 움직임을 생성시킨다. 진동 피에조 튜브(54)에 연결된 나삿니 너트(16)의 초음파 궤도에 의해 상기 회전이 일어난다. 상기 튜브의 내부 직경은 접지(63)된 연속 전극(continuous electrode:61)이며, 상기 튜브의 외부 직경은 4개의 별도의 전극(60, 62, 64 및 66)으로 나누어진다. 상기 피에조 물질은 낮은 유전 손실 및 높은 탈분극 전압을 갖는 일반적으로 이용가능한 "경성" 조성물이다. 각 전극(60, 62, 64 및 66) 하부의 피에조 튜브 부의 축 길이는 인가된 전압 및 d31 피에조 전하 계수(piezoelectric charge coefficient)와 비례하여 변한다. 전극 구역들(electrode section: 60, 64 및 62, 66)은 각각 쌍으로 함께 작용하여 상기 튜브를 구부리고 상기 궤도 공명을 여기시킨다. 전기 구동 신호(86 및 88)들을 교대로 플레이트 60, 64 및 62, 66에 각각 분극 방향(43)으로 인가시킨다. 각 전극 쌍(60, 64 및 62, 66)에 대하여 상기 전극장은 한 전극에서는 분극 방향에 대하여 양성이고 반대쪽 전극에서는 분극 방향에 대하여 음성이다. 구동 신호 Vx86을 전극 60, 64에 인가하고 하나의 전극하에서는 팽창 그리고 반대쪽 전극하에서는 수축을 동시에 일으킨다: 그리하여 이것은 상기 튜브를 X 방향 72a/72b(도 18 참조)로 구부린다. 유사한 방법으로 상기 구동 신호 Vy 88이 플레이트(62, 66)에 인가되고 상기 튜브를 Y 방향 74a/74b방향으로 구부린다(도 18 참조).Referring to Figures 13-17, the ultrasonic linear motor 50 generates ultrasonic vibrations using a piezo tube 54 having quadrant electrodes. Threaded shaft 12 with spherical ball tip 26 rotates and generates axial force and axial movement. The rotation is caused by the ultrasonic trajectory of the threaded nut 16 connected to the vibrating piezo tube 54. The inner diameter of the tube is a continuous electrode 61 grounded 63, and the outer diameter of the tube is divided into four separate electrodes 60, 62, 64 and 66. The piezo material is a generally available "hard" composition with low dielectric loss and high depolarization voltage. The axial length of the piezotube section below each electrode 60, 62, 64 and 66 varies in proportion to the applied voltage and d 31 piezoelectric charge coefficient. Electrode sections 60, 64 and 62, 66 each work together in pairs to bend the tube and excite the orbital resonance. Electrical drive signals 86 and 88 are alternately applied to plates 60, 64, 62 and 66 in polarization direction 43, respectively. For each electrode pair 60, 64 and 62, 66 the electrode field is positive for the polarization direction at one electrode and negative for the polarization direction at the opposite electrode. The drive signal Vx86 is applied to electrodes 60, 64 and simultaneously causes expansion under one electrode and contraction under the opposite electrode: this bends the tube in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18). In a similar manner the drive signal Vy 88 is applied to the plates 62, 66 and the tube is bent in the Y direction 74a / 74b direction (see FIG. 18).

상기 나삿니 너트(16)의 반대편 상기 튜브 말단은 베이스 플랜지(base flange: 52)에 결합되고 상기 부싱 내부 직경과 상기 나삿니 샤프트 외부 직경 사이에 작은 틈을 갖는 가이드 부싱(28)을 붙잡는다. 상기 나삿니 샤프트(12)는 작은 마찰력을 일으키는 단단하고 평편한 표면을 사용하는 구형 볼 팁(26)을 통해 인가된 유연한 축력(27)을 지지한다. 상기 베이스 플랜지는 정지 커버(58)의 연결점이다(도 21 참조). 상기 샤프트(12) 및 너트(16)의 나사 피치는 상기 궤도 접선력 및 움직임을 축력 및 움직임으로 전환한다. 상기 피치는 힘 확대, 속도 감소, 레졸루션 증가 및 오프-파워 지지력을 최적화하기 위해 선택될 수 있다. The tube end opposite the threaded nut 16 is coupled to a base flange 52 and holds a guide bushing 28 having a small gap between the bushing inner diameter and the threaded shaft outer diameter. The threaded shaft 12 supports a flexible axial force 27 applied through a spherical ball tip 26 that uses a hard, flat surface that produces a small frictional force. The base flange is the connection point of the stop cover 58 (see FIG. 21). The thread pitch of the shaft 12 and the nut 16 converts the orbital tangential force and movement into axial force and movement. The pitch may be selected to optimize force expansion, speed reduction, resolution increase and off-power bearing capacity.

도 18 및 도 19를 참고로 하여, 상기 모터(10)(도 1 참조) 작동 및 그러한 작동에 영향을 주는데 사용된 대응하는 구동 신호 (86 및 88)가 도시된다. 상기 피에조 플레이트 쌍은 함께 작동하여, 하나가 확장하면서(70), 다른 것은 동시에 수축(69)하여 하우징을 구부린다. 상기 교류 구동 신호 Vx(86) 및 Vy(88)은 원형 궤도를 생성하도록 동일한 진폭(90/91) 및 90도 상 이동(92)을 갖는 사인형이 바람직하다. 양성 상이동(92)은 양성 너트(16) 궤도 방향 및 양성 샤프트(12) 회전(96)/병진(98)을 생성하는 반면, 음성 상이동(92)은 음성 궤도 방향 및 음성 샤프트 회전/병진을 생성한다. 회전의 한 방향에 대해, 모터의 하나의 궤도 사이클, 및 그의 대응하는 구동 신호 진폭(90 및 91)은 연속적으로 90도 증가(76, 78, 80, 82 및 84)하는 것으로 나타난다. 상기 실린더형 굽힘과 궤도 움직임이 X 72a/72b 및 Y 74a/74b 방향으로 나타난다. 상기 너트는 반대 측면에 틈(73b)이 생기는 하나의 위치(74a)에서 나삿니 샤프트의 측면과 접촉하며, 이로 인해 상기 접촉으로 접선력과 움직임을 분배하여 상기 샤프트(12)가 각 궤도 사이클에 대하여 소량 회전(96) 및 병진(98)하게 한다. 사이클당 회전과 병진의 크기는 궤도 진폭, 상기 샤프트에 작용하는 힘(27)의 크기, 및 마찰계수를 포함하여 많은 인자들과 나삿니의 표면 마무리에 따라 달라진다. 만약 제로-스립(zero-slip) 조건이 상기 너트 및 샤프트의 접촉(73a) 사이에서 달성될 수 있다면, 상기 사이클당 움직임은 일반적으로 나삿니들 사이의 직경 틈에 비례한다. 일반적으로 구동 진폭(90 및 91)이 증가함에 따라 상기 궤도 직경이 증가하고, 상기 샤프트(12)와 너트(16) 사이의 정상적인 접촉력이 증가하고, 슬립페이지(Slippage)가 감소하고 속도가 증가하고, 그리고 토크/힘이 증가한다.Referring to FIGS. 18 and 19, the operation of the motor 10 (see FIG. 1) and the corresponding drive signals 86 and 88 used to influence such operation are shown. The piezo plate pairs work together, one expanding (70) and the other constricting (69) at the same time to bend the housing. The AC drive signals Vx 86 and Vy 88 are preferably sinusoidal having the same amplitude 90/91 and 90 degree phase shift 92 to create a circular trajectory. Positive phase shift 92 produces positive nut 16 orbital direction and positive shaft 12 rotation 96 / translation 98, while negative phase shift 92 has negative orbital direction and negative shaft rotation / translation. Create For one direction of rotation, one orbital cycle of the motor, and its corresponding drive signal amplitudes 90 and 91, appear to be continuously increasing 90 degrees (76, 78, 80, 82, and 84). The cylindrical bending and orbital movements appear in the X 72a / 72b and Y 74a / 74b directions. The nut contacts the side of the threaded shaft at one position 74a where a gap 73b is created on the opposite side, thereby distributing tangential forces and movements into the contact so that the shaft 12 with respect to each orbital cycle. Minor rotation 96 and translation 98. The magnitude of rotation and translation per cycle depends on the surface finish of many factors and threads, including orbital amplitude, magnitude of force 27 acting on the shaft, and coefficient of friction. If a zero-slip condition can be achieved between the contact 73a of the nut and the shaft, the movement per cycle is generally proportional to the diameter gap between the threads. In general, as the driving amplitudes 90 and 91 increase, the raceway diameter increases, the normal contact force between the shaft 12 and the nut 16 increases, slippage decreases and speed increases. , And torque / force increases.

상기 초음파 진동수는 주기의 역수이다(도 19의 주기 94a 및 94b 참조); 그 리고 그러한 초음파 진동수는 두 개의 신호들에 대해 동일한 것이 바람직하며 상기 하우징(14)의 제1 굽힘 공명 진동수와 일치한다. The ultrasonic frequency is the inverse of the period (see periods 94a and 94b of FIG. 19); And such an ultrasonic frequency is preferably the same for the two signals and coincides with the first bending resonance frequency of the housing 14.

도 20 내지 25를 참조하여 상기 모터 조립체(100)는 커버(58) 및 널링 놉(knurled knob: 102)을 갖는 복합체 모터(10)이다. 나삿니 샤프트(112)는 상기 모터(10) 내에 설치된다. 도 21에 잘 도시된 것처럼, 상기 나삿니 샤프트(112)는 나삿니 샤프트(12)에 유사하나(도 1 참조) 그에 통합적으로 부착된 평활 방추(smooth spindle: 113)을 갖는 점에 차이가 있다. 상기 방추(113)는 널링 놉(102)에 부착되도록 적용된다. 커버(58)는 플랜지(45)에서 모터(10)에 부착된다. 널링 놉(102)이 회전하고 접촉 커버(58)없는 샤프트(112)와 함께 병진한다. 20 to 25, the motor assembly 100 is a composite motor 10 having a cover 58 and a knurled knob 102. The threaded shaft 112 is installed in the motor 10. As best shown in FIG. 21, the threaded shaft 112 is similar to the threaded shaft 12 (see FIG. 1), except that it has a smooth spindle 113 integrally attached thereto. The spindle 113 is applied to attach to the knurled knob 102. The cover 58 is attached to the motor 10 at the flange 45. The knurled knob 102 rotates and translates with the shaft 112 without the contact cover 58.

도 21은 모터 조립체(100)의 확대도이다. 도 22는 모터 조립체(100)의 단면도이다. 21 is an enlarged view of the motor assembly 100. 22 is a cross-sectional view of the motor assembly 100.

도 23A, 23B 및 23C는 상기 모터 조립체(100)를 나타낸다. 도 23A는 도 20으로부터 뒤집혀진 모터 조립체(100)의 사시도이다. 도 23B는 상기 놉(102)과 샤프트(112)의 시계방향(103)으로의 회전과 화살표(105) 방향으로의 병진을 하는 모터 조립체(100)의 동작을 설명한다. 비교하면, 도 23C는 상기 놉(102)과 샤프트(112)의 시계 반대 방향(107)으로의 회전과 화살표(109)방향으로의 병진을 하는 모터 조립체(100)의 동작을 설명한다.23A, 23B and 23C show the motor assembly 100. FIG. 23A is a perspective view of the motor assembly 100 upside down from FIG. 20. 23B illustrates the operation of the motor assembly 100 to rotate the knob 102 and shaft 112 clockwise 103 and to translate in the direction of the arrow 105. In comparison, FIG. 23C illustrates the operation of the motor assembly 100 to rotate the knob 102 and the shaft 112 in the counterclockwise direction 107 and to translate in the direction of the arrow 109.

설명의 단순화를 위하여, 상기 모터 조립체들의 여러 가지 구성요소들에 전기적으로 연결하는 물리적 수단은 도면으로부터 제거하였다는 것이 분명할 것이다. For simplicity of description, it will be apparent that the physical means for electrically connecting the various components of the motor assemblies have been removed from the drawings.

또한, 상기 널링 놉(102)의 존재로 인해 전기적 수단으로 그러한 모터 조립 체(100)를 움직이는 것 외에, 또는 이에 대체하여 수동적 수단으로 상기 모터 조립체(100)를 움직일 수 있게 한다는 것이 분명하다. 그러므로, 예를 들면 상기 조립체(100)는 전기적으로 자동화된 추가적 조정 수단뿐만 아니라 수동적 종래의 조정 수단 모두를 사용자가 사용할 수 있는 마이크로미터의 구동 대체장치로 사용될 수 있다. It is also clear that the presence of the knurled knob 102 makes it possible to move the motor assembly 100 by manual means in addition to or in place of moving such motor assembly 100 by electrical means. Thus, for example, the assembly 100 can be used as a micrometer's drive replacement device that allows the user to use both manual and manual adjustment means as well as electrically automated additional adjustment means.

하나의 실시예에서, 도시되지는 않았지만, 널링 놉(102)은 기계적으로 외부 모터에 연결되어 조립체의 기계적 움직임의 제2 수단이 될 수 있게 한다. In one embodiment, although not shown, the knurled knob 102 may be mechanically connected to an external motor to become a second means of mechanical movement of the assembly.

도 24A 및 24B는 선형 이전 스테이지(linear translation stage) 104a/104b에 동작가능하게 연결된 모터 조립체들(100)로 이루어진 적용가능한 선형 스테이지들(106)을 설명한다. 이 실시예에서 모터 조립체(100)의 커버(58)는 하부 스테이지 부(104b)에 연결되며 볼(26)은 상부 스테이지 부(104a)에 접촉한다. 널링 놉(102)이 시계 방향(103)으로 움직일 때, 화살표(105) 방향으로의 선형 움직임이 일어난다. 반대로, 널링 놉(102)이 시계 반대 방향(107)로 움직일 때, 화살표(109) 방향으로의 선형 움직임이 일어난다. 24A and 24B illustrate applicable linear stages 106 comprised of motor assemblies 100 operably connected to a linear translation stage 104a / 104b. In this embodiment the cover 58 of the motor assembly 100 is connected to the lower stage portion 104b and the ball 26 is in contact with the upper stage portion 104a. When the nulling knob 102 moves clockwise 103, a linear movement in the direction of the arrow 105 occurs. Conversely, when the nulling knob 102 moves in the counterclockwise direction 107, linear movement in the direction of the arrow 109 occurs.

도 24A 및 도 24B에 대략적으로 설명된 하나의 실시예에서, 핀들(115, 116)로 이루어진 스프링 조립체(111)(점선으로 윤곽 도시됨)는 화살표(109) 방향으로 이전 스테이지(104a/104b)를 바이어스를 건다. 묘사된 실시예에서, 핀(115)은 조립체의 이동가능한 상부(104a)에 부착되고, 상기 핀 116은 조립체의 고정된 하부(104b)에 부착된다. 상기 스프링 조립체(111)는 상기 축력(27)을 생산하기 위해 생산될 수 있다는 것이 명백하다(도 5 및 도 6 참조).In one embodiment, outlined in FIGS. 24A and 24B, the spring assembly 111 (contoured in dashed lines) consisting of pins 115 and 116 is moved to the previous stage 104a / 104b in the direction of the arrow 109. Bias. In the depicted embodiment, the pin 115 is attached to the movable top 104a of the assembly, which pin 116 is attached to the fixed bottom 104b of the assembly. It is clear that the spring assembly 111 can be produced to produce the axial force 27 (see FIGS. 5 and 6).

도 25는 그의 스테이지(106a 106b, 및 106c)를 X, Y 및 Z 축으로 움직일 수 있는 미세조작기(micromanipulator: 120)의 사시도이다. 25 is a perspective view of a micromanipulator 120 capable of moving its stages 106a 106b and 106c in the X, Y and Z axes.

본 발명은 어느 특정의 바람직한 형태로 기술되었지만, 본 발명의 바람직한 형태의 개시 내용은 구성의 세부적인 사항은 변경될 수 있으며, 부품의 다른 결합 및 배열은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고도 다시 제작할 수 있다는 것을 알 수 있다. While the invention has been described in any particular preferred form, the teachings of the preferred form of the invention may vary in details of construction and other combinations and arrangements of parts may be made again without departing from the spirit of the invention. It can be seen that it can be produced.

본 명세서의 이전 부분에서, 회전축을 갖는 나삿니 샤프트와, 그와 함께 결합된 나삿니 너트로 이루어진 나삿니 샤프트 조립체를 구동하는 장치를 기술하며, 여기서 상기 조립체는 상기 나삿니 너트를 초음파 진동에 적용시키기 위한 수단을 포함하며 그로 인해 상기 샤프트가 축 방향으로 회전과 병진을 동시에 할 수 있게 한다. 어떤 사람은 상기 나삿니 샤프트 조립체를 진동시키는 수단으로 이루어진 대응 수단을 제조할 수도 있으며, 이로 인해 상기 나삿니 너트가 회전과 동시에 병진을 할 수 있게 한다.In an earlier part of this specification, a device for driving a threaded shaft assembly comprising a threaded shaft having an axis of rotation and a threaded nut engaged therewith, wherein the assembly provides a means for applying the threaded nut to ultrasonic vibrations. And thereby allow the shaft to rotate and translate simultaneously in the axial direction. One may manufacture a corresponding means consisting of means for vibrating the threaded shaft assembly, which allows the threaded nut to translate simultaneously with rotation.

본 발명은 유사 크기의 다른 초음파 모터로 일반적으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 정확도, 힘 및 속도를 제공하면서도 미국 특허 제6,147,435호의 것보다 실질적으로 더 높은 효율을 갖는 초음파 진동으로 나사 샤프트를 구동시키는 장치를 제공하는 것이다. The present invention provides a device for driving a screw shaft with ultrasonic vibrations having substantially higher efficiency than that of US Pat. No. 6,147,435 while providing higher accuracy, force and speed than would normally be achieved with other ultrasonic motors of similar size. To provide.

Claims (20)

회전축을 갖는 나삿니 샤프트, 이와 결합된 나삿니 너트로 이루어지며, 여기서A threaded shaft with a shaft of rotation, a threaded nut engaged therewith, where a. 상기 조립체가 상기 나삿니 너트를 초음파 진동시켜 상기 나삿니 샤프트를 축방향으로 회전시키면서 동시에 병진시킬 수 있는 수단을 포함하며, a. Said assembly comprising means for ultrasonically vibrating said threaded nut to simultaneously translate said threaded shaft while axially rotating it; b. 상기 나삿니 샤프트가 부하에 작동가능하게 연결되며, 그리고b. The threaded shaft is operably connected to the load, and c. 상기 조립체가 또한 상기 축력을 상기 나삿니 샤프트에 인가시키는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동 장치.c. And said assembly further comprises means for applying said axial force to said threaded shaft. 제1항에 있어서, 상기 조립체가 상기 나삿니 너트를 궤도 방향으로 움직이게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.2. A screw shaft assembly drive according to claim 1 wherein said assembly comprises means for moving said screw nut in an orbital direction. 제1항에 있어서, 상기 나삿니 너트가 실질적으로 단단한 몸체인 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.2. The threaded shaft assembly drive of claim 1 wherein said threaded nut is a substantially rigid body. 제1항에 있어서, 상기 장치가 상기 나삿니 샤프트 조립체가 설치되는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.The drive mechanism of claim 1 wherein the device further comprises a housing in which the threaded shaft assembly is installed. 제4항에 있어서, 상기 나삿니 너트가 상기 하우징에 부착되는 것을 특징으 로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.5. The threaded shaft assembly drive of claim 4 wherein said threaded nut is attached to said housing. 제5항에 있어서, 상기 하우징이 초당 20,000 사이클 이상의 제1 굽힘 공명 진동수를 가지며, 상기 제1 굽힘 모드가 상기 회전축에 평행한 면으로 놓여있는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.6. A screw shaft assembly drive according to claim 5 wherein said housing has a first bending resonance frequency of at least 20,000 cycles per second and said first bending mode lies in a plane parallel to said axis of rotation. 제6항에 있어서, 상기 하우징이 상기 제1 굽힘 공명 진동수와 동일한 제2 굽힘 공명 진동수를 가지며, 상기 제2 굽힘 모드가 상기 제1 굽힘 모드에 대해 직각면에 놓여있는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.7. The threaded shaft assembly of claim 6, wherein the housing has a second bending resonance frequency equal to the first bending resonance frequency, and wherein the second bending mode lies on a plane perpendicular to the first bending mode. Drive system. 제6항에 있어서, 상기 장치가 초당 적어도 약 20,000 궤도의 진동수로 상기 나삿니 너트를 궤도 돌게 하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.7. The threaded shaft assembly drive of claim 6, wherein the device further comprises means for orbiting the threaded nut at a frequency of at least about 20,000 orbits per second. 제8항에 있어서, 상기 장치가 상기 회전축에 실질적으로 평행인 방향으로 상기 나삿니 샤프트를 움직이게 하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.9. The threaded shaft assembly drive of claim 8 wherein the device further comprises means for moving the threaded shaft in a direction substantially parallel to the axis of rotation. 제8항에 있어서, 상기 회전축에 실질적으로 평행인 방향으로 상기 나삿니 샤프트를 움직이게 하면서 상기 나삿니 샤프트를 회전시키는 수단을 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.9. The drive unit of claim 8 further comprising means for rotating said threaded shaft while moving said threaded shaft in a direction substantially parallel to said axis of rotation. 제7항에 있어서, 상기 나삿니 너트를 궤도 돌게 하는 상기 수단이 전기 에너지를 힘으로 변환시키는 적어도 2개의 변환기로 이루어진 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.8. A screw shaft assembly drive according to claim 7, wherein said means for orbiting said threaded nut comprises at least two transducers for converting electrical energy into force. 제11항에 있어서, 상기 변환기가 피에조 변환기, 전의 변환기, 자기변형 변환기, 정전 변환기, 전자기 변환기 및 그의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.12. A screw shaft assembly drive according to claim 11 wherein said transducer is selected from the group consisting of piezo transducers, former transducers, magnetostrictive transducers, electrostatic transducers, electromagnetic transducers and mixtures thereof. 제12항에 있어서, 상기 변환기가 피에조 변환기인 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.13. The threaded shaft assembly drive of claim 12 wherein the transducer is a piezo transducer. 제13항에 있어서, 상기 피에조 변환기가 피에조 플레이트인 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.14. A screw shaft assembly drive according to claim 13 wherein said piezo transducer is a piezo plate. 제14항에 있어서, 상기 피에조 플레이트가 약 20,000헤르츠보다 더 큰 진동수에서 약 1%보다 적은 유전 손실 인자를 갖는 피에조 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.15. The threaded shaft assembly drive of claim 14, wherein the piezo plate is made of piezo material having a dielectric loss factor of less than about 1% at frequencies greater than about 20,000 hertz. 제14항에 있어서, 여기서 상기 피에조 플레이트는 약 20,000헤르츠보다 더 큰 진동수에서 약 0.5%보다 더 작은 유전 손실 인자를 갖는 피에조 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.15. The threaded shaft assembly drive of claim 14 wherein the piezo plate is comprised of a piezo material having a dielectric loss factor of less than about 0.5% at a frequency greater than about 20,000 hertz. 제1항에 있어서, 상기 나삿니 샤프트가 인치당 약 40~250 나삿니의 나사 피치를 갖는 복수의 나삿니로 이루어진 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.2. The drive mechanism of Claim 1 wherein said threaded shaft consists of a plurality of threads having a thread pitch of about 40 to 250 threads per inch. 제1항에 있어서, 상기 나삿니 샤프트가 하우징 내에 설치되며, 상기 나삿니 샤프트가 놉에 연결되는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.The drive mechanism of claim 1 wherein said threaded shaft is installed in a housing and said threaded shaft is connected to a knob. 제18항에 있어서, 상기 장치가 상기 나삿니 샤프트와 상기 하우징에 연결된 이동가능한 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나삿니 샤프트 조립체 구동장치.19. The drive mechanism of claim 18 wherein the device further comprises a movable stage coupled to the threaded shaft and the housing. 서로 인접하는 적어도 2개의 이동가능한 스테이지로 이루어지며, 상기 적어도 2개의 이동가능한 스테이지 각각이 청구항 19의 장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.An apparatus comprising at least two movable stages adjacent to each other, wherein each of the at least two movable stages consists of the apparatus of claim 19.
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