KR20110080297A

KR20110080297A - 압전 액추에이팅 장치

Info

Publication number: KR20110080297A
Application number: KR1020100000458A
Authority: KR
Inventors: 한 상 이
Original assignee: 한 상 이
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2011-07-13
Also published as: WO2011083944A2; WO2011083944A3

Abstract

피구동체를 직선 또는 선형 구동하기 위한 압전 액추에이팅 장치가 개시된다. 구동축이 압전진동부재의 최대변위 지점에 법선방향으로 결합된다. 압전진동부재에 톱니파 구동전압이 인가되면, 구동축은 스무드 임팩트 구동 메커니즘(SIDM)에 따라 진퇴를 반복한다. 구동축의 단부나 측부에 연결되거나 일체로 마련되고, 피구동체의 소정부위에 탄성적으로 접촉된 탄성 마찰구동부는 구동축의 진퇴에 부수하여 왕복운동을 하면서 피구동체에 마찰력을 전달한다. 압전 액추에이팅 장치는 그 과정에서 피구동체의 안내면과의 마찰력과 관성력 간의 차이에 의해 피구동체에게 구동력을 제공한다. 그 결과, 피구동체(압전 액추에이터가 고정된 경우)나 압전 액추에이터 장치(피구동체가 고정된 경우)가 원하는 방향으로 직선 운동(피구동체가 선형 안내면을 갖는 경우) 또는 회전운동(피구동체가 원형 안내면을 갖는 경우)을 하게 된다. 압전진동부재의 진동작용점에 결합되어 그 압전진동부재를 진동 가능하게 지지해주는 진동지지부재를 더 구비할 수도 있다. 또한, 구동축의 외측면을 진퇴가능하게 지지하여 구동축의 진퇴운동의 편차가 최소화되도록 안내하는 구동축 안내부를 더 구비할 수도 있다. 구동축과 탄성 마찰구동부 간에 레벨 차이를 주면 선형 이동거리를 길게 할 수 있다.

Description

압전 액추에이팅 장치{Piezoelectric actuating device}

본 발명은 압전 액추에이팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전물질의 역압전효과(inverse piezoelectric effect)에 의해 얻어지는 진동력을 이용하여 직선방향의 구동력을 발생시켜 피구동체와의 결합방식에 따라 그 피구동체를 선형 이동시키거나 회전 운동을 시킬 수 있는 압전 액추에이팅 장치에 관한 것이다.

잘 알려져 있다시피, 압전물질(Piezoelectric material)은 압력(기계적 에너지)을 가하면 전압(전기적 에너지)이 얻어지고(압전효과), 반대로 전압(전기적 에너지)을 가하면 압전물질 내에 압력 변화로 인한 부피나 길이의 증감(기계적 에너지)이 발생한다(역압전효과). 특히 역압전효과를 응용하면 진동 장치나 스피커(진동을 통한 소리 발생)를 구현할 수 있다.

역압전효과를 이용한 종래의 대표적인 액추에이터 예로서, 윤성일 등에 의한 한국 특허등록번호 제10-0443638호의 "소형 압전/전왜 초음파 리니어모터"이다. 그 리니어모터는, 탄성체(20)(금속)에 압전기판(또는 전왜기판)을 단일 또는 이중(unimorph 또는 bimorph) 형태로 부착한 압전구동부의 중앙에 이동축을 부착하고 그 이동축(30)에 이동체(40)를 탑재한 구조로 되어 있다. 반복되는 톱니펄스를 압전기판(또는 전왜기판)에 구동전원으로 인가하여 그 압전기판이 굴곡변위를 일으키고 그에 따라 이동축(30)이 전진과 후진 운동을 반복한다. 그 때, 전진은 후진에 비해 상대적으로 느린 속도여서 이동축(30)이 이동체(40)에 마찰에 의한 전진력을 전달하는데 비해, 후진은 전진이 끝나자마자 곧바로 아주 빠르게 일어나므로 이동체(40)의 전진 관성력과 어우러지면서 이동축(30)은 이동체(40)에 거의 후진력을 제공하지 못한다. 이러한 형태의 운동이 계속 반복됨으로써 이동체(40)는 원하는 방향으로 선형 이동된다.

그런데 윤성일 등의 상기 발명은 이동체(40)의 이동거리에 큰 제약이 있다. 이동체(40)는 이동축(30)의 길이 내에서만 이동이 가능하다. 이동축(30)이 이동체(40)에 삽입된 형태로 결합되어 이동체(40)는 이동축(30)의 외측면과의 마찰력에 의해 이동에 필요한 힘을 제공받는 구조로 되어있기 때문이다. 또한, 그 리니어모터는 압전구동부(10,20)를 고정시키고 이동체(40)를 이동시키는 형태로 동작하는 것을 예정한 것이기 때문이기도 하다. 이동거리를 늘이려면 이동축(30)의 길이를 길게 하는 수밖에 없는데, 압전구동부(10, 20)가 감당할 수 있는 부하에도 한계가 있으므로 이동축(30)의 길이를 마냥 길게 할 수는 없다.

상기 리니어모터에 있어서, 이동축(30)은 간단한 원기둥형 막대로서, 이동체(40)에 힘을 전달하는 부위는 그 외측면이다. 이동축(30)이 이동체(40)에 가하는 힘의 방향은 이동축의 직선운동방향에 대해 수직인데, 그 리니어모터의 구조상 이동축(30)을 그 수직방향으로 밀어주는 힘은 거의 없다. 따라서 이동축(30)과 이동체(40) 간의 최적화된 압착력을 얻기 위해, 마찰재(42)를 중량재(44)로 감싸도록 하고 나아가 중량재(44)와 마찰재(42)의 견고한 결합을 위해 스프링(46)을 중량재(44) 외측에 장착한 형태의 이동체(40) 구조를 개시한다. 하지만, 이동체(40)는 실제 응용에 있어서는 통상적으로 다른 물체를 실어 나르는 운반체 역할을 하는 것임을 고려할 때, 이동체(40)의 중량과 부피는 압전구동부(10, 20)에 과도한 부하로 작용할 수도 있다. 특히 상기 리니어모터가 휴대용 기기에 응용되는 경우, 이동체(40)의 과중량에 따른 에너지 소모량이 민감하게 고려될 수도 있다.

또한, 이동체(40)의 중량과 그에 결합된 다른 물체의 중량에 의한 하중은 이동축(30)의 직선운동 방향과 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어 이동축(30)의 운동방향에 대해 수직으로 하중이 작용하면 이동축(30)의 직선운동방향이 틀어질 수도 있고, 그에 따른 운동 편차로 인해 이동체(40) 등의 운동량이 부정확하고 불안정하게 되는 문제가 있다. 이상과 같은 여러 점들을 고려할 때, 윤성일 등의 리니어모터는 여러 가지 측면에서 개선될 여지가 많다.

이상의 점들을 고려하여, 본 발명은 대상물과의 보다 안정적인 접촉을 통해 구동 편차를 최소화함으로써 그 대상물에 대한 보다 정확하고 안정적으로 구동할 수 있도록 구조적으로 개선된 압전 액추에이팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 구동축의 길이에 제한 받지 않고 원하는 거리만큼 이동할 수 있도록 구조적으로 개선된 압전 액추에이팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 피구동체를 선형 이동시킬 때 그 피구동체의 이동 위치에 상관없이 일정한 크기의 힘을 제공함으로써 피구동체를 안정적이고 균일하게 선형 구동할 수 있는 압전 액추에이팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 피구동체의 구조에 따라 그 피구동체를 선형 구동뿐만 아니라 회전 구동도 할 수 있는 압전 액추에이팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 피구동체를 구동하기 위한 압전 액추에이팅 장치가 제공된다. 이 압전 액추에이팅 장치는, 인가되는 구동전압의 변화에 의해, 고정된 진동작용점을 기준으로 진동을 일으키는 압전진동부재; 상기 압전진동부재가 진동할 때 최대 변위를 일으키는 지점에 하단부가 결합된 채 상기 압전진동부재의 표면에 대해 법선방향으로 연장되어, 상기 압전진동부재가 진동하면 그에 따라 상기 법선방향으로 진퇴를 반복하는 구동축; 상기 구동축의 타측 단부 또는 소정 부위에 연결되거나 결합되고, 상기 피구동체의 소정부위에 탄성적으로 접촉되어 상기 구동축의 진퇴에 부수하여 왕복운동을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부를 구비하여, 상기 피구동체의 안내면과의 마찰력과 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 구동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 피구동체를 구동하기 위한 다른 압전 액추에이팅 장치가 제공된다. 이 압전 액추에이팅 장치는, 인가되는 구동전압의 변화에 의해, 고정된 진동작용점을 기준으로 진동을 일으키는 압전진동부재; 상기 압전진동부재가 진동할 때 최대 변위를 일으키는 지점에 하단부가 결합된 채 상기 압전진동부재의 표면에 대해 법선방향으로 연장되어, 상기 압전진동부재가 진동하면 그에 따라 상기 법선방향으로 진퇴를 반복하는 구동축; 상기 구동축의 타측 단부 또는 소정 부위에 연결되거나 일체로 마련되고, 상기 피구동체의 소정부위에 탄성적으로 접촉되어 상기 구동축의 진퇴에 부수하여 왕복운동을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부; 상기 압전진동부재의 상기 진동작용점에 결합되어 상기 압전진동부재를 진동 가능하게 지지해주는 진동지지부재; 및 상기 진동지지부재의 일측에서 상기 구동축 방향으로 연장되어 상기 구동축을 진퇴가능하게 그 외측면을 지지하여 상기 구동축의 진퇴운동의 편차가 최소화되도록 안내하는 구동축 안내부를 구비하여, 상기 피구동체의 안내면과의 마찰력과 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 구동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 구동전압은 그의 진폭이 완만한 상승에 이은 가파른 하강을 주기적으로 반복하거나 또는 가파른 상승에 이은 완만한 하강을 주기적으로 반복하는 톱니파형이다. 그리고 그 때 상기 압전진동부재는 진동을 일으켜 상기 탄성 마찰구동부가 스무드 임팩트 구동 메커니즘(Smooth Impact Drive Mechanism: SIDM)에 따라 상기 법선방향으로 느린 전진 후 빠른 후퇴를 주기적으로 반복하거나 또는 빠른 전진 후 느린 후퇴를 주기적으로 반복하면서 상기 피구동체의 안내면에 마찰력을 전달하게 하고, 그 결과 상기 액추에이팅 장치는 상기 마찰력과 (상기 피구동체와 상기 압전 액추에이팅 장치 중 적어도 어느 하나의) 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 상기 안내면을 따라 상대 운동을 한다.

상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 압전진동부재의 상기 진동작용점에 결합되어 상기 압전진동부재를 진동 가능하게 지지해주는 진동지지부재를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 탄성 마찰구동부는 피구동체와의 결합 전에 비해 결합 후의 형상이 변화될(왜곡될) 수 있고 그러한 변화(왜곡)된 형상으로 인해 얻어지는 텐션에 의해 피구동체와 보다 확실한 접촉을 유지하는 구조로 만들어지거나, 또는 상기 구동축의 일부 또는 그 일부에 일체로 연결된 고강성 부재의 외면에 적절한 탄성을 갖는 재질을 도포하거나 그러한 재질로 만든 쉬트로 접합 내지 덮어씌운 형태로 구성되는 것일 수 있다. 그리고 상기 형상 변화로 인해 텐션을 얻은 상기 탄성 마찰구동부의 내부 또는 외부에 체결되어 상기 마찰구동부의 상기 내면을 바깥으로 밀거나 상기 외면을 안쪽으로 밀어주어 상기 마찰구동부의 상기 피구동체에 대한 탄성 접촉력을 강화시켜주는 스프링을 더 구비할 수 있다.

상기 압전진동부재는 상기 구동축의 방향으로 볼 때 상하로 배치되고 상기 구동전압이 인가되면 동기되어 진동을 하도록 구성된 복수 개의 압전진동부재를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 구동축과 상기 탄성 마찰구동부 간에는 레벨 차이가 존재하여, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상대 운동을 하는 동안에 상기 탄성 마찰구동부만 상기 피구동체와 접촉할 뿐 나머지 부분은 상기 피구동체와 부딪히지 않도록 구성될 수 있다.

상기 탄성 마찰구동부의 상기 왕복운동은 앞뒤로 진퇴를 반복하는 선형 왕복운동 또는 시계방향과 반시계방향으로 소정각도만큼 스윙하는 회전 왕복 운동 중 어느 한 가지이다.

상기 압전 액추에이팅 장치에 있어서, 상기 피구동체는 그의 길이방향으로 길게 평행하게 연장된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상기 적어도 1개의 안내면을 따라 선형적인 상대 운동을 구동하는 리니어 모터용 구동수단으로서 기능할 수 있다. 상기 적어도 1개의 안내면은 상기 피구동체의 길이방향으로 길게 마련된 일정한 폭을 가진 요홈부 내부의 양쪽 벽면, 또는 두 개의 평행한 안내레일 사이의 양쪽 벽면, 또는 상기 피구동체의 길이방향으로 길게 마련된 하나의 안내레일의 양쪽 측면일 수 있다.

한편, 상기 압전 액추에이팅 장치에 있어서, 상기 피구동체는 환형으로 마련된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 환형 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 환형의 상대 운동을 구동하는 회전 모터용 구동수단으로서 기능할 수 있다. 그 경우, 상기 적어도 1개의 안내면은 상기 피구동체의 소정 부위에 환형을 이루며 마련된 요홈부 내부의 양쪽 벽면, 또는 반지름이 다른 두 개의 동심 환형 안내레일 사이의 양쪽 벽면, 또는 상기 피구동체의 피구동 디스크의 적어도 어느 한 면에서 환형으로 그려지는 표면 일부일 수 있다.

상기 압전 액추에이팅 장치에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 탄성부재와 상기 탄성부재를 내삽하여 양쪽에서 누르면서 결합되어 상기 탄성부재의 탄성에 의해 서로간의 간격이 신축가능하게 결합되는 두 개의 원판형 부재를 포함하며, 상기 탄성 마찰구동부는 피구동체 사이에 끼워 넣어 상기 두 개의 원판형 부재가 약간 압축되면서 상기 피구동체의 표면에 탄성적으로 접촉되어, 상기 구동축 부재의 진퇴에 부수하여 소정의 각도 범위 내에서 스윙동작을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 형태로 구성될 수 있다.

상기 압전 액추에이팅 장치에 있어서, 상기 압전진동부재와 한 몸체로 결합되어 상기 압전진동부재와 함께 진동하면서 상기 진동의 힘과 변위를 증폭시키는 웨이트부재를 더 구비할 수 있다.

상기 탄성 마찰구동부는 상기 구동축의 연장 방향으로 보아 전후로 또는 좌우로 배치된 복수 개의 탄성 마찰구동부를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.

상기 압전 액추에이팅 장치에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 구동축의 측면 또는 끝부분에 마련된 탄성 부재이고, 상기 피구동체는 상기 구동축에 외삽되어 상기 탄성 마찰구동부를 살짝 누르면서 그것과 밀착되는 형태로 상기 구동축에 결합되며, 그러한 결합에 의해 상기 피구동체는 상기 탄성 마찰구동부가 제공하는 상기 구동력에 의해 이동할 때 상기 구동축에 의해 가이드 되어 그 구동축을 따라 이동하는 것일 수 있다.

본 발명의 압전 액추에이팅 장치는 구동축이 피구동체와 직접 접촉하여 마찰력을 제공하는 방식이 아니라, 구동축에 별도의 탄성 마찰구동부를 마련하여 그 탄성 마찰구동부가 피구동체의 표면과 접촉하여 마찰력을 전달하는 구조를 취한다. 또한 탄성 마찰구동부는 피구동체와 접촉하면서 비접촉 상태의 정상적인 형상에 변화(왜곡)가 생기고 그러한 변화(왜곡)에 의해 피구동체와 탄성적으로 접촉된다. 그러므로 피구동체에 전달하는 힘의 손실을 최소화될 수 있는 장점이 있다. 또한, 외부로부터 원하지 않는 충격 등이 인가되더라도 피구동체와의 안정적인 접촉 상태를 그대로 유지할 수 있어 구동력의 편차가 거의 일어나지 않아 피구동체를 정확하고 안정적으로 구동을 할 수 있다.

본 발명의 압전 액추에이팅 장치는 선형의 피구동체와 조합하여 사용하면 리니어 모터가 되고 원형의 피구동체와 조합하여 사용하면 회전 모터가 된다. 특히 리니어 모터로서 사용하는 경우, 구동축과 탄성 마찰구동부 간에 충분한 레벨 차이를 갖도록 설계하면, 압전 액추에이터가 피구동체에 걸리지 않고 그것의 전체 길이에 걸쳐 이동할 수 있다. 압전 액추에이터의 이동가능 거리가 압전 액추에이터의 구동축의 길이가 아닌 피구동체의 안내면의 길이에 의해 정해진다. 피구동체의 길이를 길게 하면 그만큼 이동가능 거리가 길어진다. 기존의 방식에 비해 훨씬 먼 거리를 이동할 수 있는 것이다.

또한, 종래기술에 따르면, 구동축과 피구동체 간의 안정적인 결합을 유지시켜주는 수단이 없었기에 피구동체가 압전진동부재로부터 멀어질수록 구동축으로부터 제공받는 힘이 약화되어 안정적인 이동은 물론이거니와 균질의 이동도 어려웠던 단점이 있었다. 이에 비해, 피구동체를 압전 액추에이터의 구동축에 외삽시키는 형태로 결합하는 본 발명의 실시예에 따르면, 피구동체는 구동축과 항상 일정한 간격을 유지하면서 그 구동축에 의해 안내되면서 이동을 하게 된다. 또한 그러한 이동과정에서 피구동체는 구동축의 어느 위치에 있든지 상관없이 탄성 마찰구동부로부터 항상 균일한 마찰력(구동력)을 제공받을 수 있어 안정적이고 균질의 이동을 할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터(100)를 도시한 분해사시도와 조립상태도이다.
도 4는 압전진동부재의 구동전원으로 이용하는 톱니파 전압의 파형도이다.
도 5와 6은 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터(200)의 구성을 도시한 분해사시도와 조립상태도이다.
도 7은 제3 실시예에 따른 압전 액추에이터(300)의 구성을 도시한 분해사시도이다.
도 8 내지 도 10은 제4실시예에 따른 압전 액추에이터(400)의 구성을 도시한 분해사시도, 조립상태도, 그리고 위에서 내려본 평면도이다.
도 11 내지 도 13은 제5 실시예에 따른 압전 액추에이터(500)의 분해사시도, 조립상태도 및 정면도이다.
도 14는 제6 실시예에 따른 압전 액추에이터(700)의 구성을 도시한다.
도 15는 제7 실시예에 따른 압전 액추에이터(800)의 구성을 도시한다.
도 16과 도 17은 제8 실시예에 따른 압전 액추에이터(900)의 구성을 도시한 분해사시도와 결합상태도이다.
도 18 내지 20은 제8 실시예의 변형예에 따른 압전 액추에이터의 구성을 도시한 분해사시도, 결합상태도 및 작동상태도이다.
도 21 내지 23은 제8 실시예의 또 다른 변형예에 따른 압전 액추에이터의 구성을 도시한 분해사시도, 결합상태도이다.
도 24와 25는 제9 실시예에 따른 압전 액추에이터(1000)의 구성을 도시한다.
도 26은 제10 실시예에 따른 압전 액추에이터(1100)의 구성을 도시한다.
도 27은 제11 실시예에 따른 압전 액추에이터(1200)의 구성을 도시한다.
도 28은 제12 실시예에 따른 압전 액추에이터(1300)의 구성을 도시한다.
도 29는 제13 실시예에 따른 것으로서, 복수의 압전 액추에이터(1000)를 회전모터 구동수단으로 이용하는 경우를 도시한다.
도 30 및 31은 제14 실시예에 따른 것으로서, 복수의 압전 액추에이터(1405)를 회전모터 구동수단으로 이용하는 다른 경우를 도시한다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다. 도면 부호와 관련하여, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소가 공통적으로 채용되는 경우 그 구성요소에 대해 동일한 도면번호를 부여하였다.

(1) 리니어 모터 구동수단으로서의 응용예

<제1 실시예>

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터(100)를 도시한 분해사시도와 조립상태도이고, 도 4는 압전진동부재의 구동전원으로 이용하는 톱니파 전압의 파형도이다. 압전 액추에이터(100)는 압전진동부재(110), 진동지지부재(120), 구동축부재(130)를 포함한다.

압전진동부재(110)는 기판(112)을 사이에 두고 그 양면에 압전소자층(114, 116)이 접합된 바이모프 구조로서, 전체적으로는 직사각판 모양을 지닌다. 물론 압전진동부재는 기판(112)의 한쪽 면에만 압전소자층이 접합된 유니모프 구조로 만들 수도 있다. 기판(112)은 수평 방향의 신축성은 없고 수직 방향으로의 탄성은 좋은 재질을 이용하는 것이 바람직하며, 도전성이 좋은 금속판으로 기판(112)을 전극단자(118)와 일체형으로 구성할 수도 있다. 압전소자층(114)과 (116) 각각은 단일 층 또는 적층된 복수 층의 압전소자층으로 구성될 수 있다. 각 압전소자층의 양면에는 전극층(비도시)이 각각 접합되면서 두 개의 전극단자(118)에 각각 연결된다. 압전소자층은 PZT 계열의 압전세라믹으로 만드는 것이 바람직하나, 역압전효과를 제공하는 다른 물질을 이용할 수도 있음은 물론이다.

진동지지부재(120)는 대략 압전진동부재(110)의 길이만큼 연장된 브릿지부(122)의 양끝에 수납홈(126)을 갖는 결합홀더(124)가 각각 일체로 연결된 구조이다. 압전진동부재(110)는 결합홀더(124)의 수납홈(126)에 끼움 결합된다. 압전진동부재(110) 및 브릿지부(122)의 가운데 부분에는 결합공 (119)와 (128)이 각각 마련된다.

구동축부재(130)는 봉형(rod shape)의 구동축(132)과, 이의 하단과 상단에 각각 마련된 고정부(136)와 탄성 마찰구동부(134)를 포함한다. 고정부(136)는 브릿지부(122)의 결합공(128)을 관통하여 압전진동부재(110)의 결합공(119)에 체결됨으로써, 구동축부재(30)가 압전진동부재(110)에 대하여 법선방향으로 연장되는 형태로 결합된다. 탄성 마찰구동부(134)는 내부가 비어있는 원통형 내지 타원통형이고 자체적으로 어느 정도의 탄성력을 지니고 있다. 필요한 경우, 탄성 마찰구동부(134) 내부에는 탄성력을 보강하기 위한 스프링(140)에 설치될 수도 있다. 구동축부재(130)를 압전진동부재(110)에 직접 결합시키는 대신, 결합부(160)를 매개로 하여 결합시킬 수도 있다. 결합부(160)는 압전진동부재(160)에 끼움 결합됨과 동시에 고정부(136)와도 결합됨으로써, 구동축부재(130)를 압전진동부재(110)에 대해 수직되게 결합시켜준다. 결합부(160)를 고비중의 재질로 만들면 그 자체의 무게에 의해 압전진동부재(110)의 진동력과 진폭이 증폭될 수 있다.

이러한 압전 액추에이터(100)는 자신과 조화되는 피구동 대상체(이하, 간략히 '피구동체'라 함)를 필요로 한다. 도 1 내지 3에 도시된 피구동체(150)는 압전 액추에이터(100)가 자신과 접촉하여 자신에게 마련된 소정의 안내면을 따라 이동하거나 그 반대로 자신이 그 안내면을 따라 이동한다. 그 피구동체(150)는 평판형 기부(152)와, 이의 한쪽 면에 기부(152)의 길이방향으로 일정한 간격을 가지면서 나란히 연장되는 2개의 안내레일(154, 156)을 포함한다. 두 안내레일(154, 156) 사이에 탄성 마찰구동부(134)가 삽입된다. 두 안내레일(154, 156)의 마주 보는 두 안내면은 탄성 마찰구동부(134)의 양쪽 외측면과 면접촉을 이룰 수 있는 간격과 높이를 갖는다. 탄성 마찰구동부(134)가 탄성을 지닌 통형 구조이어서 안내레일(154, 156)의 두 안내면과 타이트한 면접촉을 만들 수 있다. 스프링(140)까지 사용하면 그러한 면접촉을 보다 타이트하게 안정적으로 유지할 수 있다. 이러한 안정적인 면접촉에 의해 탄성 마찰구동부(134)는 피구동체(150)에게 마찰력을 제대로 전달할 수 있다.

이와 같은 구조의 압전 액추에이터(100)의 동작 메커니즘은 다음과 같다. 압전진동부재(110)의 전극단자(118)에 예컨대 정현파 교류 구동전압을 걸어주면, 그 교류 구동전압의 한 주기에 대응하여 제1압전소자층(112)과 제2압전소자층(114)은 역압전효과에 의해 다음과 같은 두 가지 상태를 반복한다: 첫째, 제1압전소자층(112)은 y축 방향으로는 (두께가) 수축하면서 x축 방향으로는 (길이가) 팽창함과 동시에, 제2압전소자층(114)은 이와 반대로 y축 방향으로는 (두께가) 팽창하면서 x축 방향으로는 (길이가) 수축하는 제1상태; 및 둘째, 제1압전소자층(112)은 y축 방향으로는 (두께가) 팽창하면서 x축 방향으로는 (길이가) 수축함과 동시에, 제2압전소자층(114)은 이와 반대로 y축 방향으로는 (두께가) 수축하면서 x축 방향으로는 (길이가) 팽창하는 제2상태. 압전진동부재(110)는 그의 양쪽 단부가 진동지지부재(120)에 고정되어 있기 때문에 그 양쪽 단부가 진동작용점이 되고 구동축부재(130)가 결합된 그의 가운데 부분이 최대변위를 일으키는 형태로 진동하게 된다. 압전진동부재(110)는 제1상태에서는 그의 가운데 부분이 +y 방향으로 볼록해지도록 휘어지고, 제2상태에서는 이와 반대로 그 가운데 부분이 -y방향으로 볼록해지도록 휘어진다. 압전진동부재(110)의 이와 같은 휘어짐의 반복(즉, 진동)에 따라 구동축부재(130)도 y축 방향으로 전진과 후퇴 즉, 선형 왕복운동을 반복하게 된다. 정현파처럼 대칭형 구동전압을 이용하는 경우, 구동축부재(130)의 전진과 후퇴가 같은 속력으로 이루어진다. 따라서 탄성 마찰구동부(134)가 안내레일(154, 156)에 전달하는 한 주기 동안의 마찰력의 합력은 영(0)이 되어 피구동체(150)에 대한 압전 액추에이터(100)의 상대 순이동량(a relative net movement)은 영(0)이다.

그런데 예컨대 톱니파형과 같이 파형의 진폭이 시간에 대하여 서서히 증가한 다음 어느 시점에서 갑자기 급속히 감소하는 형태의 전압(도 3의 (A) 참조) 또는 이와 반대 유형으로 변하는 전압(도 3의 (B) 참조)을 구동전압으로 이용하는 경우에는 피구동체(150)에 대하여 압전 액추에이터(100)를 원하는 방향으로 계속 전진시키거나 후퇴시킬 수 있다. 압전 액추에이터(100)의 중량에 의한 관성력과 탄성 마찰구동부(134)와 피구동체(150)의 안내면(154, 156) 사이의 마찰력과의 차이에 의해 압전 액추에이터(100)는 피구동체(150)의 안내면(154, 1565)을 따라 +y 방향 또는 -y 방향으로의 상대 운동을 한다.

구체적으로, 압전진동부재(110)의 전극단자(118)에 도 3의 (A)와 같은 톱니파형의 구동전압을 인가하는 경우를 고려하자. 구동전압이 완만하게 상승하는 구간에서는 그 파형의 기울기에 대응하는 속도로 그 압전진동부재(110)의 가운데 부분이 +y 방향으로 볼록하게 휘어지고 그에 따라 탄성 마찰구동부(134)가 +y 방향으로 전진한다. 탄성 마찰구동부(134)의 전진 속도가 상대적으로 느리므로 마찰력에 의해 피구동체(150)를 +y방향으로 밀게 된다. 즉, 피구동체(150)가 고정된 경우 압전 액추에이터(100)는 -y방향으로 이동하게 된다. 그러다가 구동전압이 급격하게 감소하는 구간에서는 압전진동부재(110)는 매우 빠른 속도로 반대방향으로 휘어지고 그에 따라 탄성 마찰구동부(134)는 -y 방향으로 후퇴한다. 탄성 마찰구동부(134)의 후퇴가 압전 액추에이터(100)의 관성력이 남아있는 상태에서 이루어지고 그것의 후퇴 속도가 전진 속도에 비해 더 빠르므로 탄성 마찰구동부(134)는 피구동체(150)에 대하여 슬립 되면서 자신만 후퇴할 뿐이다. 그러므로 압전 액추에이터(100)는 피구동체(150)에 대해 이동하지 않은 결과가 된다. 결국 압전 액추에이터(100)는 한 주기당 수 nm 내지 수십 nm의 거리를 -y 방향으로 이동할 수 있게 된다. 매주기마다 이와 같은 구동이 반복됨으로써 압전 액추에이터(100)는 피구동체(150)의 안내면(154, 156)을 따라 -y방향으로 이동하게 된다. 이와 같이 관성력을 이용한 구동 메커니즘을 스무드 임팩트 구동 메커니즘(Smooth Impact Drive Mechanism: SIDM)이라 한다. 도 3의 (A)와 같은 톱니파형의 구동전압을 인가하는 경우에는, 압전 액추에이터(100)는 피구동체(150)의 안내면(154, 156)을 따라 +y방향으로 이동한다.

<제2 실시예>

도 5와 6은 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터(200)의 구성을 도시한 분해사시도와 조립상태도이다. 압전진동부재(210)의 한 쪽 끝부분만 진동지지부재(220)에 고정되는 점과, 구동축부재(130)가 압전진동부재(210)의 가운데가 아니라 한쪽 끝 부분에 결합되는 점이 제1 실시예와 다른 점이다. 진동지지부재(220)는 몸체부(222)의 바닥에서 압전진동부재(210)의 최대 진동폭보다 더 높은 위치에 고정슬롯(224)이 마련된다. 압전진동부재(210)의 전극단자(118)가 마련된 일측 단부가 그 고정슬롯(224)에 삽입 고정된다. 압전진동부재(210)의 타측 단부 근처에는 구동축부재(130)와 결합하기 위한 결합공(219)이 마련된다.

톱니파형의 구동전압이 인가되면, 압전진동부재(210)는 진동지지부재(220)에 결합된 단부가 진동작용점이 되고 반대쪽 단부가 최대 변위를 나타내는 형태로 선회운동을 하고, 그에 따라 구동축부재(130)는 SIDM 방식으로 선형 왕복운동을 하여 피구동체(150)를 구동한다. 진동지지부재(220)를 제3의 물체에 고정시킨 경우, 피구동체(150)의 두 안내레일(154, 156)은 탄성 마찰구동부(134)에 대하여 상대운동을 하여 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 직선 이동을 한다.

<제3 실시예>

도 7은 제3 실시예에 따른 압전 액추에이터(300)의 구성을 도시한 분해사시도이다. 압전진동부재(310)가 코인형이라는 점이 제1 실시예와 다른 점이다. 이 코인형 압전진동부재(310)는 원형 기판(312)의 양면에 제1압전소자층(314)과 제2압전소자층(316)이 접합되고, 그 중심에 결합공(318)이 마련된다. 제1 및 제2 압전소자층(314)은 단층 또는 적층된 복수의 압전소자층으로 구성될 수 있으며, 각 압전소자층의 양면에는 구동전압이 인가될 수 있도록 전극층들(비도시)이 마련되고, 그 전극층들은 두 전극단자(318)에 각각 연결된다. 구동축부재(130)는 그의 결합부(136)가 그 결합공(318)에 체결되어 압전진동부재(310)에 수직 결합된다. 진동지지부재(320)는 원형 내지 도우넛형의 기부(322)와, 이의 가장자리 세 곳에서 각각 수직으로 마련된 결합홀더(324)를 갖는다. 압전진동부재(310)는 그의 가장자리 세 곳이 결합홀더(324)에 끼움결합 됨으로써 진동지지부재(320)에 결합된다.

톱니파형의 구동전압이 전극단자(318)에 인가되면, 압전진동부재(310)는 진동지지부재(320)에 붙잡힌 가장자리 부위가 진동작용점이 되고 그의 가운데 부분이 최대변위를 일으키는 형태로 진동을 한다. 앞의 실시예에서 설명한 것처럼 구동축부재(130)는 압전진동부재(310)에 의해 SIDM방식으로 구동되어 피구동체(150)에 마찰력을 전달한다. 그에 따라, 피구동체(150)가 고정된 경우에는 압전 액추에이터(300)가 피구동체(150)를 따라 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 계속 이동하고, 압전 액추에이터(300)를 고정시킨 경우에는 피구동체(150)가 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 계속 이동하게 된다. 압전진동부재를 정사각형 디스크 형태로 변형해도 같은 방식으로 구동된다.

<제4 실시예>

도 8 내지 도 10은 제4실시예에 따른 압전 액추에이터(400)의 구성을 도시한 분해사시도, 조립상태도, 그리고 위에서 내려본 평면도이다. 보다 큰 구동력을 얻기 위해 압전진동부재(110) 2개를 앞뒤로 나란히 배치한 이중 압전진동부재(410)를 채용한 점에 특징이 있다. 구동축부재(430)는 구동축(432)의 상단에는 중공(438) 원통형 탄성 마찰구동부(437)가 연결되고 구동축(432)의 하단에는 결합부가 연결된다. 탄성 마찰구동부(437)는 그 내부가 중공(438) 상태이고 약간의 연성을 갖는 재질로 만들어져서, 외부에서 가해지는 힘에 대해 탄성적으로 반발한다. 결합부는 구동축(432)의 끝에 마련된 제1스토퍼(433)와, 구동축(432)과 동일축선 상으로 연장된 결합축(434), 그 결합축(434)의 중간 지점에 배치되는 스페이서(436), 그리고 그 결합축(434) 하단에 마련된 제2스토퍼(435)를 포함한다. 두 개의 압전진동부재(410)는 제1스토퍼(433)와 스페이서(436) 사이 및 스페이스(436)와 제2스토퍼(435) 사이의 결합축(434)에 각각 결합된다. 결합부는 도 8에 439번으로 표시된 것과 같이, 몸체가 구동축(432)의 하단에 연결되고, 그 몸체에는 두 개의 압전진동부재(410)가 끼움 결합되는 두 개의 슬롯이 마련된 형태로 구성될 수도 있다.

두 개의 압전진동부재(410)는 진동지지부재(420)에 진동가능하게 결합된다. 진동지지부재(420)는 압전진동부재(410)보다 길이가 더 긴 직사각 판형의 기부(421)와, 이의 양단에 마련된 체결공(422)에 나사(427)로 각각 체결되는 결합홀더(423)를 갖는다. 결합홀더(423)는 몸체의 수직면의 소정 높이에 두 개의 고정슬롯(424, 425)이 마련되고, 몸체의 바닥면에 체결공(426)이 마련된다. 압전진동부재(410)는 그 양측 단부가 그 고정슬롯(425, 425)에 각각 삽입 고정됨으로써 진동지지부재(420)에 결합된다. 제2스토퍼(436)의 후진 공간을 제공하기 위해 기부(421)의 가운데 부위에 구멍(428)을 마련할 수도 있다. 탄성 마찰구동부(437)는 피구동체(150)의 안내레일(154, 156)에 끼움삽입 된다.

한 쌍의 압전진동부재(410) 각각에 동일한 톱니파형의 구동전원을 인가하면, 두 압전진동부재(410)는 결합홀더(423)에 고정된 그 양쪽 단부가 진동작용점이 되어 가운데 부분이 최대변위를 일으키면서 동기적으로 진동을 한다. 그 진동은 구동축부재(430)를 '느린 전진과 빠른 후퇴를 반복'하게 하거나 또는 '빠른 전진과 느린 후퇴를 반복'하게 한다. 그에 따라 피구동체(150)와 결합된 압전 액추에이터(400)는 구동축부재(430)가 SIDM방식으로 전진과 후퇴를 반복하는 선형 왕복운동을 하면서 스스로 선형 이동을 하거나(피구동체(150)가 고정된 경우) 또는 피구동체(150)를 선형 이동시킨다(압전 액추에이터(400)가 고정된 경우). 이 압전 액추에이터(400)는 두 개의 압전진동부재(410)로 구동하므로 보다 큰 구동력을 얻을 수 있다.

앞에서 설명한 제1 내지 제4 실시예의 압전 액추에이터(100, 200, 300, 400)도 탄성 마찰구동부(134, 437)가 구동축(132, 432)에 대하여 일직선상에 위치하는 것이 아니라 충분한 높이의 단차(레벨 차이)를 가지도록 설계를 변경하면, 압전 액추에이터(100, 200, 300, 400)는 피구동체(150)에 대하여 선형 상대운동을 할 때 서로 간에 걸리지 않고 그 피구동체(150)의 전체 길이를 이동할 수 있음은 물론이다. 이하에서 설명하는 제5 실시예의 압전 액추에이터(500)는 이러한 개념으로 설계한 것이다.

<제5 실시예>

도 11 내지 도 13은 제5 실시예에 따른 압전 액추에이터(500)의 분해사시도, 조립상태도 및 정면도이다. 이 실시예의 특징은 구동축 안내부가 더 마련된다는 점과 구동축부재(530)의 구동축(532)과 탄성 마찰구동부(534) 간에 레벨 차이를 갖는다는 점이다.

진동지지부재(520)는 직사각판 모양의 기저부(521)의 양단에 각각 마련된 두 개의 결합공(522)에 두 개의 결합홀더(423)가 나사(427)로 체결된다. 그리고 이 진동지지부재(520)에 구동축 안내부가 일체로 마련된다. 구체적으로, 구동축 안내부는 진동지지부재(520)의 기부(521)의 상측 중간 부위에서 구동축(532) 방향으로 연장된 안내판(524)과, 그 안내판(524)의 단부에서 아래쪽으로 직각으로 절곡된 제1안내편(525)을 포함한다. 또한, 기저부(521)와 제1안내편(525) 사이에 제2안내판(527)을 더 마련될 수도 있다. 제1안내편(525)과 제2안내편(527)의 가운데 부위에는 제1관통공(526)과 제2관통공(528)이 각각 마련된다. 압전진동부재(110)는 그 양 단부가 결합홀더(423)에 마련된 슬롯에 끼움결합 됨으로써, 진동지지부재(520)에 진동가능하게 지지된다.

구동축부재(530)는 구동축(532)과, 이의 하단부에 마련된 결합부(536)와, 구동축(532)의 축선과 탄성 마찰구동부(534) 간의 레벨 차이를 제공하기 위해 구동축(532)의 상단부에서 상방으로 절곡된 단차부(533)와, 그 단차부(533) 끝에 상방으로 연장된 U자 형상의 탄성 마찰구동부(534)를 포함한 구조로 마련된다. 탄성 마찰구동부는 예컨대 타원통 형상이나 기타 다른 형상(단차부(533)에서 다시 구동축(532) 방향으로 절곡시켜 그 방향으로 누운 U자형 또는 원통 내지 타원통형의 탄성 마찰구동부)으로 설계 변경이 가능함은 물론이다.

구동축부재(530)는 구동축(532)이 제1관통공(526)과 제2관통공(528)을 관통하여 제1안내편(525)과 제2안내편(527)에 (진퇴가 방해 없이 보장되도록) 느슨하게 지지된 채, 그의 결합부(536)가 압전진동부재(110)의 결합공(119)에 결합된다.

이러한 구조의 압전 액추에이터(500)는 예컨대 도시된 피구동체(550)에 맞물린다. 피구동체(550)는 기부(552)의 저면에 안내레일(554)이 길이방향으로 길게 연장된 구조일 수 있다. 이 경우, 탄성 마찰구동부(534)는 그 양 팔부가 안내레일(554)의 양 측면을 감싸는 형태로 접촉된다. 탄성 마찰구동부(534)와 안내레일(554) 간의 결합력을 강화하기 위해 탄성 마찰구동부(534)의 바깥 면에 체결되어 안쪽으로 밀어주는 U자형의 탄성스프링(538)을 이용할 수도 있다. 탄성 마찰구동부(534)는 피구동체(150)에도 적용될 수 있음은 물론이다. 이 경우 결합력 강화를 위환 U자형 탄성스프링은 탄성 마찰구동부(534)의 안쪽 면에 체결되어 바깥쪽으로 밀어주는 것을 사용하면 된다.

톱니파 구동전압을 압전진동부재(110)에 인가하여 SIDM 방식으로 피구동체(550)를 구동하는 메커니즘은 앞의 실시예들과 같다. 이 실시예의 특징은 그러한 SIDM 방식의 구동에 있어서 구동축(532)이 구동축 안내부(524, 525,526, 528)에 의해 안내됨으로써 y축 방향으로 전진과 후퇴의 선형 왕복운동을 항상 일정하게 할 수 있다는 점이다. 구동축 안내부가 있으므로 해서 구동축(532)의 선형운동이 불균일(예: 구동축의 왕복경로에 편차가 생기고 그에 따라 피구동체에 전달하는 힘에도 차이가 생겨 주기 당 이동거리가 일정하지 않게 되는 문제)하게 될 수 있는 여지를 원천적으로 막을 수 있다.

탄성 마찰구동부(534)와 구동축(532) 간의 레벨 차이로 인해 탄성 마찰구동부(534)가 구동축(532)보다 더 높은 지점에 위치하므로 압전 액추에이터(500)는 피구동체(550)에 대하여 상대 운동을 하는 동안에 탄성 마찰구동부(534)와만 접촉할 뿐 나머지 부분은 상기 피구동체(550)와 부딪히지 않아 피구동체(550)의 길이의 전 구간에 걸쳐 걸림이 없이 상대 이동을 할 수 있다.

또한, 보다 큰 구동력을 얻기 위해 압전 액추에이터(500)를 피구동체(550)의 길이방향을 따라 일렬로 복수 개 배치한 형태로 이용할 수도 있다. 주어진 설치 조건에 따라 그 복수개의 압전 액추에이터(500)는 같은 방향으로 배치하거나 또는 서로 마주보도록 반대방향으로 배치할 수 있다. 구동축부재(530)의 단차부(533)의 길이와 구동축(532)의 길이가 짧은 구조와 긴 구조의 2개의 압전 액추에이터(500)를 상하로 배치한 형태로 이용할 수도 있을 것이다.

<제6 실시예>

도 14는 제6 실시예에 따른 압전 액추에이터(700)의 구성을 도시한다. 제5 실시예의 압전 액추에이터(500)와 비교할 때 구동축부재(730)의 구조가 다르고 나머지 구성은 동일하다. 구동축부재(730)가 제5실시예의 구동축부재(530)와 다른 점은 탄성 마찰구동부가 2개 마련된다는 점이다. 즉, 탄성 마찰구동부(734)는 'ㄷ'자 모양의 단차부(733)의 양단에 2개의 U자형 탄성 마찰구동부(734-1, 734-2)가 일체로 연결된 구조를 갖는다. 단차부(733)는 구동축(732)의 상단부에 대해 수직이 되게 결합된다. 이 압전 액추에이터(700)와 조합될 수 있는 피구동체는 예컨대 도 1에 도시된 두 개의 안내레일(154, 156)을 갖는 피구동체(150)일 수 있다. 피구동체(150)의 안내레일(154)과의 마찰력을 강화하기 위해 각 탄성 마찰구동부(734-1, 734-2)의 외측 또는 내측에는 U자형 스프링이 더 부가될 수 있음은 물론이다. 이의 구동 메커니즘은 앞의 실시예들과 다를 바가 없다. 구동축(732)을 정면에서 보았을 때 탄성 마찰구동부(734-1, 734-2)는 안내판(524)보다 더 높은 위치에 배치되어, 압전 액추에이터(700)는 피구동체(150)의 전체 길이에 걸쳐 이동하는 것이 가능하다.

<제7 실시예>

도 15는 제7 실시예에 따른 압전 액추에이터(800)의 구성을 도시한다. 이것 역시 제5 실시예의 압전 액추에이터(500)와 비교할 때 구동축부재(830)의 구조가 다르고 나머지 구성은 동일하다. 2개의 U자형 탄성 마찰구동부(834-1, 834-2)가 구동축부재(830)의 구동축(832)의 상단이 아니라 측면의 소정 위치에서 구동축(832)에 대하여 수직 연장된 단차부(833)에 연결된다. 이것의 구동 메커니즘도 앞의 실시예들과 같으며, 단차부(833)를 충분히 길게 하면 압전 액추에이터(800)가 피구동체에 걸리지 않고 그것의 전체 길이에 걸쳐 이동할 수 있다.

<제8 실시예>

도 16과 도 17은 제8 실시예에 따른 압전 액추에이터(900)의 구성을 도시한 분해사시도와 결합상태도이다. 이 실시예는 압전 액추에이터(900)가 카메라 렌즈 구동메커니즘으로 응용된 예에 관한 것이다. 구동축부재(930)가 진동지지부재(420: 421, 423, 427)에 고정된 압전진동부재(110)의 최대변위 지점(즉, 가운데 지점)에 수직 결합되는 것은 이전 실시예들과 같다. 물론 압전진동부재(110)는 진동지지부재(420)를 매개하지 않고 직접 카메라 본체(비도시)에 고정될 수도 있다. 구동축부재(930)는 측면의 일부가 각이 지고 봉 형상으로 길게 연장된 구동축(932)과, 압전진동부재(110)와 결합하기 위해 구동축(932)의 하단에 마련된 고정부(933)와, 구동축(932)의 측면의 임의의 지점에 탄성 마찰구동부(939)가 마련된다. 탄성 마찰구동부(939)는 그의 일측 단부가 구동축(932)의 측면에 고정된 채 바깥쪽으로 비스듬히 약간 연장된 다음 구동축(932)의 측면과 거의 평행하게 연장되는 탄성판이다. 구동축(932)은 측면의 일부를 길이방향을 따라 디컷하거나 홈을 만들고, 그 일부와 접촉하는 피구동체(950)의 부분도 그에 대응되는 짝모양으로 만들어, 피구동체(950)가 구동축(932)을 따라 이동할 때 구동축(932)의 원주방향으로 회전하지 못하도록 하는 것이 바람직하다. 피구동체(950)는 렌즈(953)가 장착되는 렌즈브라켓(952)과, 그 렌즈브라켓(952)과 결합되어 한 몸으로 연결된 활주이동부(954)로 구성된다. 이 활주이동부(954)는 렌즈브라켓(952)의 가장자리의 한 지점에서 수직으로 소정길이 직립한 기판부(955)와, 그 기판부(955)의 상단과 하단에서 렌즈브라켓(952)과 반대쪽으로 수직 연장된 제1 및 제2 결합부(956, 957)로 구성된다. 그 제1 및 제2 결합부(956, 957)는 가운데 지점에 결합공(958, 959)이 각각 마련되어 그것을 통해 구동축(932)에 활주가능하게 외삽된다. 활주이동부(954)가 구동축(932)에 끼워진 상태에서는 도 17에 도시된 것처럼 활주이동부(954)의 기판부(955)의 안쪽 면이 탄성 마찰구동부(939)와 맞닿아 누르는 상태가 유지된다.

압전진동부재(110)에 톱니파와 같은 구동전원이 공급되면 구동축(932)이 SIDM 방식으로 진퇴하고, 그에 부수하여 탄성 마찰구동부(939)는 자신과 탄성 접촉되어 있는 활주이동부(954)의 기판부(955) 안쪽 면에 힘을 가하여 피구동체(950)가 구동축(932)을 타고 활주 이동하도록 한다. 피구동체(950)가 구동축(932)을 따라 이동하는 방향은 구동전원의 파형에 따라 결정된다. 피구동체(950)가 이동하는 경로 상에는 예컨대 디지털 카메라의 촬상소자 모듈(960)이 그 카메라 본체(비도시)에 고정되어 있다. 피구동체(950)가 구동축(932)을 따라 이동함에 따라 렌즈(953)와 촬상소자 모듈(960) 간의 이격거리가 조정된다. 기판부(955)의 길이는 피구동체(950)의 이동거리를 제한하는 요소이므로 필요한 이동거리를 고려하여 적절히 정할 필요가 있다.

특히 본 실시예에 따른 압전 액추에이터는 앞의 실시예들과는 다른 독특한 특징을 지닌다. 피구동체인 활주이동부(954)는 구동축(932)에 외삽되어 탄성 마찰구동부(939)를 약간 누르면서 그것과 접촉되는 형태로 구동축(932)에 결합된다는 점이다. 그러한 결합에 의해 활주이동부(954)는 탄성 마찰구동부(939)가 제공하는 구동력에 의해 이동할 때 구동축(932)에 의해 가이드 되어 그 구동축(932)을 따라 이동한다. 구동축(932)은 피구동체에 대하여 가이드축의 역할도 병행한다. 그리고 피구동체가 구동축(932)의 어느 지점으로 이동하는지 관계없이 탄성 마찰구동부(939)로부터 항상 일정한 크기의 구동력(마찰력)을 제공받을 수 있다.

도 18 내지 20에는 제8 실시예의 변형예에 따른 압전 액추에이터 장치의 구성을 도시한다. 제8 실시예에 비해 구동축부재(1930)와 피구동체(1950)의 구조에서 차이가 있다. 구동축부재(1930)는 원형 봉 형상으로 만들어진 구동축(1932)과, 구동축(1932)의 하단에 마련되어 압전진동부재(110)의 최대변위 지점과 결합되는 결합부(1933), 그리고 구동축(1932)의 대략 가운데 부분에 체결되어 축방향으로의 움직임이 없도록 고정되는 탄성 마찰구동부(1939)를 포함한다. 구체적으로, 구동축(1932)은 대략 가운데 높이에서 소정 길이 구간을 나머지 길이 구간에 비해 굵기가 더 가늘게 만든다. 그리고 그 얇은 구간에는 탄성 마찰구동부로 기능하는 반원형의 판스프링(1939)이 체결된다. 구동축(1932)을 축방향에서 봤을 때 판스프링(1939)의 표면이 구동축(1932)의 굵은 부분의 높이보다 좀 더 높다. 피구동체(1950)는 중공 원통형으로 마련된다. 피구동체(1950)의 중공의 반지름은 구동축(1932)의 굵은 부분의 반지름보다는 크고 구동축(1932)의 중심축선에서 판스프링(1939)의 바깥표면까지의 지름보다는 작은 정도의 크기로 만든다. 구동축(1932)에 판스프링(1939)이 체결된 상태에서, 중공 원통형 피구동체(1950)를 구동축(1932)에 외삽하면, 피구동체(1950)의 중공의 내측면이 판스프링(1939)을 누르면서 밀착된다. 판스프링(1939)은 자체의 탄성에 의해 그의 바깥면이 피구동체(1950)의 중공면과 밀착된 상태를 유지한다.

이러한 결합 상태에서, 압전진동부재(110)에 도 4에 도시된 것과 같은 톱니파형 구동전압을 인가하여 진동시키면, 구동축(1932)과 판스프링(1939)은 빠른 전진(또는 빠른 후퇴)과 느린 후퇴(또는 느린 전진)를 주기적으로 반복하게 된다. 그리고 그러한 전진과 후퇴의 반복 움직임에 의해 피구동체(1950)는 구동축(1932)을 따라 이동하게 된다. 피구동체(1950)를 움직이게 하는 힘은 피구동체(1950)와 판스프링(1932) 즉, 탄성 마찰구동부 간의 마찰력과 피구동체(1950) 자신의 운동관성력 간의 차이에 해당하는 힘이다. 도 20의 (a)와 (b)는 압전진동부재(110)를 기준으로 피구동체(1950)가 구동축(1932)을 따라 가장 멀리 이동한 상태와 가장 가까이 접근한 상태를 각각 도시하고 있다.

이 변형예는 앞의 제8 실시예와 같은 장점을 갖는다. 즉, 피구동체(1950)는 구동축(1932)에 외삽된 결합상태를 이루므로 항상 구동축(1932)의 안내를 받으면서 안정적으로 이동을 하게 된다. 또한 위치에 상관없이 판스프링(1939)으로부터 거의 일정한 크기의 마찰력을 전달받을 수 있어 균일한 이동을 할 수 있다.

다음으로, 도 21 내지 23은 제8 실시예의 또 다른 변형예에 따른 압전 액추에이터 장치의 구성을 도시한다. 이 변형예도 제8 실시예에 비해 구동축부재(2930)의 구성에서 차이를 가진다. 구동축부재(2930)는 원형 봉 형상의 구동축(2932)과, 이 구동축(2932)의 하단에 마련되어 압전진동부재(110)의 최대 변위지점과 결합되는 결합부(2933), 그리고 구동축(2932)의 상단부에 고정되며 중공 원통형 피구동체(2950)의 내부 중공면과 접촉을 이루어 마찰력을 전달하는 U자형 탄성 판재(2939)를 포함한다. U자형 탄성 판재(2939)는 탄성 마찰구동부로 기능한다. U자형 탄성 판재(2939)는 그 가운데 바닥부가 구동축(2932)의 상면에 고정되고, 그 바닥부의 양단에서 위로 연장된 두 날개부의 바깥면은 구동축(2932)의 상면을 약간 벗어나는 정도의 간격을 갖는다. 피구동체(2950)와의 보다 확실한 접촉상태를 유지할 수 있도록, U자형 탄성판재(2930)의 두 날개부는 끝쪽으로 가면서 약간 더 벌어진 형태로 만드는 것이 바람직하다. 피구동체(2950)의 중공부의 지름은 구동축(2932)의 지름보다 약간 크고 U자형 탄성 판재(2939)의 두 날개부의 최대 이격 간격보다는 작게 만든다. 피구동체(2950)가 구동축(2932)에 외삽되면, 피구동체(2950)의 중공면은 U자형 탄성 판재(2939)에 밀착된다.

이러한 결합 상태에서, 압전진동부재(110)를 톱니파형 구동전압으로 진동시키면, 피구동체(2950)는 U자형 탄성 판재(2939)로부터 SIDM방식으로 마찰력을 전달받아 그 마찰력과 자신의 운동관성력 간의 차이의 힘을 받아 구동축(2932)을 따라 이동하게 된다. 이 경우에도 피구동체(2950)는 구동축(2932)과 외삽 결합된 상태에 있으므로 항상 그 구동축(2932)의 안내를 받으면서 이동을 하게 되어, 안정적이고 균일한 이동을 할 수 있다.

위에서 설명한 제8실시예의 변형예에서, 구동축은 그것의 바깥면의 일부를 길이방향으로 디컷하여 만들고, 이에 대응하여 피구동체의 구동축과의 결합면도 짝형상으로 디컷하여 만들어서, 피구동체는 구동축의 길이방향으로만 활주 이동할 수 있도록 하고 구동축의 원주방향으로는 회전하지 못하도록 구속되도록 하는 것이 바람직하다.

위에서 설명한 압전 액추에이터들은 선형의 피구동체를 구동대상으로 한 선형구동수단(즉, 리니어 모터)으로 이용하는 경우를 예로 하여 설명하였지만, 반드시 그러한 용도에 한정되는 것이 아니다. 피구동체의 형상에 따라 회전구동수단(즉, 회전 모터)으로도 기능할 수 있다. 또한 탄성 마찰구동부와 접촉하여 상대운동을 하는 피구동체 부위의 형상이 임의의 곡선주로인 경우에는 그것을 따라 활주하는 활주구동수단으로서 기능할 수 있다. 또한, 효과적인 회전구동이나 활주구동을 위해 위의 설명을 바탕으로 압전 액추에이터의 구조를 적합하게 변경할 수도 있다. 이하에서는 본 발명의 압전 액추에이터를 회전구동수단으로 이용하는 응용예들에 대해서 설명한다.

(2) 회전 모터 구동수단으로서의 응용예

<제9 실시예>

도 24와 25에 도시된 압전 액추에이터(1000)는 예컨대 제5 실시예에 따른 압전 액추에이터(500)의 구성과 실질적으로 거의 동일하다. 다만, 구동축부재(1030)의 탄성 마찰구동부(1034)가 원통형 모양이고 다른 형상의 단차부(1033)를 채용하는 점만 다를 뿐이다. 탄성 마찰구동부(1034)는 구조 및/또는 재질 특성상 자체적으로 어느 정도의 탄성을 가진다. 탄성 마찰구동부(1034)의 측벽을 탄성적으로 지지해주기 위해, 탄성 마찰구동부(1034) 내부에 반원형 판스프링(1038)을 내장시킬 수도 있다.

피구동체(1050)는 원판형 내지 원통형 몸체(1052)의 중심에서 구동축(1056)이 수직으로 연장되고 그 몸체(1052)의 상면에 구동축(1056) 둘레를 한 바퀴 포위하는 환형 내지 링형 피구동홈(1054)이 형성된다. 압전 액추에이터(1000)는 구동축부재(1030)가 그 피구동체(1050)의 상면을 가로질러 덮으면서 탄성 마찰구동부(1034)가 피구동홈(1054) 안에 끼움 삽입되는 형태로 결합된다. 탄성 마찰구동부(1034)의 외측면 두 곳이 피구동홈(1054)의 좌우 측벽면과 접촉된다.

톱니파형의 구동전압이 압전진동부재(110)에 인가되어 구동축부재(1030)가 SIDM 방식으로 전진과 후퇴를 계속적으로 반복하면서 탄성 마찰구동부(1034)가 피구동홈(1054)의 좌우 측벽면에 마찰력을 전달한다. 그 마찰력에 의해 피구동체(1050)는 회전축(1056)을 중심으로 구동전압 파형이 규정하는 한쪽 방향(+θ방향 또는 -θ방향)으로만 회전하도록 강제된다. 그에 따라 회전을 하게 된다.

회전 구동을 당하는 피구동체의 형상이나 구조는 응용예에 따라 다양할 수 있다. 구동축부재의 구조 특히 탄성 마찰구동부의 구조 및 그 탄성 마찰구동부와 구동축 간에 단차를 주기 위한 단차부의 길이나 연장방향 등은 피구동체의 형상이나 구조에 적합하도록 설계될 필요가 있다.

<제10 실시예>

예컨대 도 26에 도시된 것처럼 피구동체(1150)가 원판형 내지 원통형 본체(1152)의 상면에 회전축(1156)을 중심으로 하여 그것을 한 바퀴 포위한 환형 피구동벽체(1154)가 마련된 구조인 경우를 고려하자. 압전 액추에이터(1100)의 구동축부재(1130)는 구동축(1132)의 끝부분에서 아래쪽으로 향해 입이 벌어진 U자형 탄성 마찰구동부(1134)가 연결된다. 그 탄성 마찰구동부(1134)의 벌어진 입에 환형 피구동벽체(1154)가 삽입되는 형태로 압전 액추에이터(1100)와 피구동체(1150)가 결합된다. 탄성 마찰구동부(1134)의 바깥쪽에 U자형 판스프링(1138)을 체결시켜 탄성 마찰구동부(1134)가 환형 피구동벽체(1154)의 양 측면에 보다 확실하게 접촉하도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조와 결합관계에 의하면, 압전 액추에이터(1100)의 구동축부재(1130)는 SIDM방식으로 구동됨에 따라 직선상으로 전진과 후퇴를 반복하고, 그에 따라 탄성 마찰구동부(1134)는 환형 피구동벽체(1154)를 같은 방향으로 계속 밀거나 또는 당기게 된다. 그러면 피구동체(1150)는 회전축(1156)을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.

<제11 실시예>

또 다른 응용예로서, 도 27에 도시된 것과 같이 피구동체(1250)가 원판형 내지 원통형 본체(1252)의 상면에 회전축(1256) 방향으로 약간 이격되어 본체(1152)와 평행한 피구동 디스크(1254)가 마련된 구조인 경우를 고려하자. 위와 마찬가지로 압전 액추에이터(1200)의 탄성 마찰구동부(1234)가 이 피구동 디스크(1254)를 SIDM 방식으로 밀거나 당김으로써 피구동체(1250)를 회전 구동시킬 수 있다. 이를 위해, 구동축부재(1230)는 구동축(1232)의 끝 부분에 입이 좌측 또는 우측 방향으로 향하는 U자형 탄성 마찰구동부(1234)가 일체로 연결된 구조로 만들어진다. 피구동 디스크(1254)가 압전 액추에이터(1200)의 탄성 마찰구동부(1234)의 입 안으로 끼움 삽입됨으로써, 압전 액추에이터(1200)와 피구동체(1250)가 결합된다. U자형 스프링(1238)을 그 탄성 마찰구동부(1234)에 체결하여 탄성 마찰구동부(1234)와 피구동 디스크(1254) 간의 접촉력을 강화하는 것은 앞의 예와 같다.

<제12 실시예>

또 다른 예로서, 도 28에 도시된 것과 같이 피구동체(1350)가 원판형 내지 원통형 본체(1352)의 측면 둘레를 따라 소정 깊이의 환형 피구동홈(1356)이 마련된 구조를 고려하자. 이에 적합한 압전 액추에이터(1300)의 구동축부재(1330)로는, 구동축(1332)의 끝 부분에 입이 좌측 또는 우측 방향으로 향하는 U자형 탄성 마찰구동부(1334)가 일체로 연결된 구조가 그 일 예가 될 수 있다. 탄성 마찰구동부(1334)는 환형 피구동홈(1356)에 삽입되어 그 탄성 마찰구동부(1334)의 양쪽 외측면이 환형 피구동홈(1356)의 양 측벽에 접촉된다. 이들 간의 접촉력을 강화하기 위해 탄성 마찰구동부(1334)의 입안에 코일 스프링(1338)을 삽입하는 것이 바람직하다. 이러한 구조와 결합에 의해서도, 압전 액추에이터(1300)는 SIDM방식에 따라 피구동체(1350)를 회전 구동시킬 수 있다.

<제13 실시예>

위에서 예시한 여러 가지 압전 액추에이터들에 있어서, 피구동체에 보다 큰 회전력을 전달하기 위해 하나의 피구동체에 복수 개의 압전 액추에이터를 결합할 수도 있다. 그 예가 도 29에 도시되어 있다. 즉, 피구동체(1050)의 피구동홀(1054) 안에 네 개의 압전 액추에이터(1000)를 결합한 형태이다. 동일한 구동전원을 이용하면 이들 네 개의 압전 액추에이터(1000)들은 그들의 구동축부재가 동기적으로 진퇴하게 되고, 그에 따라 4배의 회전력을 얻을 수 있다. 또한, 피구동체(1050) 본체(1052)의 저면에도 피구동홀(1054)을 하나 더 마련하고, 복수 개의 압전 액추에이터(1000)를 그 상하면의 피구동홀(1054)에 결합시키면 더 큰 구동력을 얻을 수 있을 것이다. 다른 압전 액추에이터들과 피구동체에 대해서도 마찬가지이다.

<제14 실시예>

도 30과 31에 도시된 회전 모터용 압전 액추에이터(1400)는 피구동체(1450)에 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부(1430)의 구조가 다른 실시예에 비해 다소 독특하다. 탄성 마찰구동부(1430)는 환형 트렌치부재(1435)와 환형 덮개부재(1440)를 갖는다. 환형 트렌치부재(1435)는 환형 바닥부와 이의 양쪽 가장자리를 따라 직립한 환형의 측벽부들로 구성되고, 상부는 개방된다. 이 환형 트렌치부재(1435)의 환형 바닥부의 세 지점에 결합봉(1437)이 고정되고, 바깥쪽 측벽부의 바깥면의 네 곳에는 결합돌출부(1439)가 반경방향으로 연장된다. 각 결합봉(1437)에는 코일스프링(1438)이 외삽된다. 또한, 환형 덮개부재(1440)에는 세 군데에 결합공이 마련되어 그곳을 통해 나사(14367)가 고정되어 결합봉(1437)에 체결된다. 결합공의 깊이를 나사(1436)의 머리 두께보다 더 깊게 하여 나사(1436)의 머리가 환형 덮개부재(1440)의 상면보다 더 낮은 위치에 있도록 한다. 이러한 나사 결합에 의해 환형 트렌치부재(1435)와 환형 덮개부재(1440)가 결합된다. 그러한 결합상태에서 코일스프링(1438)은 환형 트렌치부재(1435)와 환형 덮개부재(1440)를 반대방향으로 밀어 서로 간에 최대로 이격되도록 탄성적으로 지지한다.

탄성 마찰구동부(1430) 조립체는 그 외측면에 마련된 네 개의 결합돌출부(1439)를 통해 예컨대 4개의 압전 액추에이터(1405)와 결합된다. 이러한 결합을 위해, 압전 액추에이터(1405)는 구동축(1432)의 끝 부분에 결합돌출부(1439)와 나사(1433) 결합을 이루는 결합부(1434)가 마련된다. 압전 액추에이터(1405)는 이 점을 제외하고는 다른 실시예의 구성과 동일하다.

탄성 마찰구동부(1430) 조립체는 또한 피구동부재(1450)와 결합된다. 피구부재(1450)는 중심에 각진 결합공(1452)이 마련된 제1 피구동부재(1450-1)와, 반지름이 서로 다른 두 개의 동심 원판(1456, 1458)이 상하로 배치되어 한 몸체를 이루며 그 중심에는 결합축(1454)이 직립 고정된 제2피구동부재(1450-2)를 갖는다. 제2 피구동부재(1450-2)의 상부 원판(1458)에 탄성 마찰구동부(1430)가 외삽된다. 그런 상태에서 제1 피구동부재(1450-1)의 결합공(1452)에 제2 피구동부재(1450-2)의 결합축(1454)을 삽입하여 제1 및 제2 피구동부재(1450-1, 1450-2)를 결합한다. 제1피구동부재(1450-1)와 제2 피구동부재(1450-2) 사이에 탄성 마찰구동부(1430)가 삽입 결합된다. 환형 덮개부재(1440)의 상면 전체는 제1 피구동부재(1450-1)의 저면과 면접촉을 이루고, 환형 트렌치부재(1435)의 저면 전체는 제2 피구동부재(1450-2)의 하부 원판(1456)의 상면과 면접촉을 이룬다.

그런데 탄성 마찰구동부(1430)의 두께가 상부 원판(1458)의 두께보다 조금 더 두껍도록 한다. 그러한 두께 차이로 인해, 탄성 마찰구동부(1430)의 환형 덮개부재(1440)와 환형 트렌치부재(1430)는 제1 및 제2 피구동부재(1450-1, 1450-2)에 눌려 그들 간의 간격이 다소 줄어들게 된다. 하지만 코일 스프링(1438)의 탄성 지지력에 의해 탄성 마찰구동부(1430)의 환형 덮개부재(1440)와 환형 트렌치부재(1430)는 각각 제1 피구동부재(1450-1)와 제2 피구동부재(1450-2)에 더욱 밀착된다. 즉, 피구동부재(1450)는 탄성 마찰구동부(1430)의 환형 트렌치부재(1435)의 저면 및 환형 덮개부(1440)의 상면과 각각 탄성적으로 접촉된다.

이와 같은 접촉 상태에서, 압전진동부재(110)에 예컨대 톱니파형을 지닌 구동전원을 공급하여 각 압전 액추에이터(1405)를 SIDM 방식으로 구동한다. 각 압전 액추에이터(1405)의 진동지지부재는 고정된다. 그러면 구동축부재(1430)는 SIDM 방식으로 진퇴를 반복하게 된다. 도 30 및 31과 같은 결합상태에서, 만약 도 4의 (A)에 도시된 것과 같이 진폭이 완만한 상승과 가파른 하강을 나타내는 형태의 톱니파형 전압을 구동전원으로 이용하여 구동축부재(1430)가 (상대적으로) 느린 전진과 (상대적으로) 빠른 후퇴를 주기적으로 반복하도록 구동되면, 탄성 마찰구동부(1430) 역시 시계방향으로의 (상대적으로) 느린 회전과 반시계방향으로의 (상대적으로) 빠른 회전을 주기적으로 반복하는 운동 즉, 소정의 미세한 각도 범위 내에서 시계방향과 반시계 방향으로 스윙하는 회전 왕복운동을 하게 된다. 그에 따라 탄성 마찰구동부(1430)의 상면 및 하면과 각각 접촉되어 있는 제1 피구동부재(1450-1) 및 제2 피구동부재(1450-2)는 접촉 표면을 통해 전달되는 마찰력과 운동관성력의 차이에 의해 시계방향으로의 회전만을 지속하게 된다. 반대로, 도 4의 (B)에 도시된 것과 같은 톱니파형 전압을 구동전원으로 이용하면 구동축부재(1430)는 빠른 전진과 느린 후퇴를 주기적으로 반복하게 되고(즉, 상기 회전 왕복운동을 반복하고), 그에 따라 제1 피구동부재(1450-1) 및 제2 피구동부재(1450-2)는 반시계방향으로의 회전만을 지속하게 된다. 도 30과 31에 도시된 압전액추에이터(1400)는 회전 모터로서 기능할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 압전 액추에이터의 다양한 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 평균적인 지식을 가진 기술자라면 이상의 설명에 의거하여 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변형을 할 수 있을 것이다.

예를 들어, 피구동체와 직접 접촉하여 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부는 위 실시예에서 제시한 형상으로만 한정되는 것은 아니다. 탄성 마찰구동부가 피구동체와의 결합 전에 비해 결합 후의 형상이 변화될(왜곡될) 수 있고(예컨대, 찌그러지거나 벌어지는 등의 변화) 그러한 변화(왜곡)된 형상으로 인해 얻어지는 텐션에 의해 피구동체와 보다 확실한 접촉을 유지할 수 있다면, 탄성 마찰구동부의 형상을 다양하게 취할 수 있다. 물론 탄성 마찰구동부는 파괴 없이 형상 변화를 일으킬 수 있고 그러한 형상 변화를 통해 탄성력이 얻어질 수 있는 재질로 만들 필요가 있다. 탄성 마찰구동부는 이처럼 형상의 특이성에 따른 구조적 탄성력을 얻는 방식 외에도, 재료적 탄성력을 얻는 방식으로 구성할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 구동축의 일부 또는 그 일부에 일체로 연결된 고강성 부재의 외면에 적절한 탄성을 갖는 재질을 도포 내지 그러한 재질로 만든 쉬트로 접합 내지 덮어씌운 형태로 구성하는 것이 한 가지 예가 될 수 있다.

또한, 진동지지부재는 압전진동부재의 가장자리 부위나 양끝 부분을 잡아서 지지해주는 부분(예컨대 결합홀더(423))이 탄성을 갖도록 변경하는 것도 바람직하다. 그러면 압전진동부재가 발생시킨 진동의 힘과 변위는 그러한 탄성 결합홀더에 의해 증폭된다. 결국 구동축의 진퇴운동의 행정(stroke) 길이가 더 길어지는 이점이 있다.

이상의 설명에서는 압전 액추에이터가 별도의 진동지지부재에 고정되는 것으로 설명하였지만, 별개의 독립된 구성요소로서의 진동지지부재가 반드시 필요한 것은 아니다. 압전 액추에이터가 설치되는 대상물 자체에 진동지지부재의 역할을 할 수 있는 구조가 마련된 경우라면 그 구조에 압전 액추에이터를 고정시킬 수도 있기 때문이다.

위의 실시예에서 제시한 탄성 마찰구동부의 여러 가지 구조(양 팔의 일측은 서로 연결되고 타측은 소정간격 벌어지면서 연장된 집게형 내지 U자형, 또는 내부에 공동이 마련된 환형 또는 원통형 구조)는 예시한 것에 불과하다. 탄성 마찰구동부는 피구동체와의 결합 전에 비해 결합 후의 형상이 변화될(왜곡될) 수 있고 그러한 변화(왜곡)된 형상으로 인해 얻어지는 텐션에 의해 피구동체와 보다 확실한 접촉을 유지하는 구조를 가지면 되므로, 이런 요건을 충족하는 다른 구조로도 탄성 마찰구동부를 변형할 수 있을 것이다. 또한, 탄성 마찰구동부는 탄성을 갖는 재료를 이용하여 만들 수도 있다. 예컨대. 구동축의 일부 또는 그 일부에 일체로 연결된 고강성 부재의 외면에 적절한 탄성을 갖는 재질을 도포하거나 그러한 재질로 만든 쉬트로 접합 내지 덮어씌운 형태로 구성할 수도 있을 것이다.

또한, 압전 액추에이터의 구조의 다른 변형예로서, 압전진동부재의 중앙을 고정시켜 진동작용점으로 삼고, 가장자리부위의 적어도 두 지점을 잡아서 압전진동부재의 상면을 가로질러 연결하는 브릿지와, 그 브릿지의 소정부위에서 압전진동부재의 상면에 대해 법선방향으로 연장되는 구동축과, 이 구동축의 상단 또는 측면에 연결되고 피구동체와 탄성적으로 접촉하면서 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부를 갖는 형태로 구성할 수도 있다.

본 발명이 개시한 여러 가지 압전 액추에이터는 피구동체의 구조나 형태, 설치조건 등에 따라 다양한 구동 내지 운동을 필요로 하는 데 널리 이용될 수 있다. 예를 들어, 선형 내지 곡선형 안내면을 가진 피구동체와 결합하여 압전 액추에이터가 그러한 안내면을 따라 선형이동 내지 곡선이동을 하거나(피구동체를 고정시킨 경우) 반대로 그 피구동체를 그렇게 이동시키는 리니어모터로 이용될 수 있다. 또한, 압전 액추에이터는 환형 안내면을 가진 피구동체와 결합되어 그 피구동체를 회전시키거나 또는 스스로가 그러한 피구동체의 환형 안내면을 따라 회전운동 하는 회전모터로도 이용될 수 있다.

110: 압전진동부재
120: 진동지지부재
130: 구동축부재
134: 탄성 마찰구동부
140: 스프링
150: 피구동체

Claims

피구동체를 구동하기 위한 압전 액추에이터 장치로서,
인가되는 구동전압의 변화에 의해, 고정된 진동작용점을 기준으로 진동을 일으키는 압전진동부재;
상기 압전진동부재가 진동할 때 최대 변위를 일으키는 지점에 하단부가 결합된 채 상기 압전진동부재의 표면에 대해 법선방향으로 연장되어, 상기 압전진동부재가 진동하면 그에 따라 상기 법선방향으로 진퇴를 반복하는 구동축; 및
상기 구동축의 타측 단부 또는 소정 부위에 연결되거나 결합되고, 상기 피구동체의 소정부위에 탄성적으로 접촉되어 상기 구동축의 진퇴에 부수하여 왕복운동을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부를 구비하여,
상기 피구동체의 안내면과의 마찰력과 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 구동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동전압은 그의 진폭이 완만한 상승에 이은 가파른 하강을 주기적으로 반복하거나 또는 가파른 상승에 이은 완만한 하강을 주기적으로 반복하는 톱니파형이고, 그 때 상기 압전진동부재는 진동을 일으켜 상기 탄성 마찰구동부가 스무드 임팩트 구동 메커니즘(Smooth Impact Drive Mechanism: SIDM)에 따라 상기 법선방향으로 느린 전진 후 빠른 후퇴를 주기적으로 반복하거나 또는 빠른 전진 후 느린 후퇴를 주기적으로 반복하면서 상기 피구동체의 안내면에 마찰력을 전달하게 하고, 그 결과 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 마찰력 및 상기 피구동체와 상기 압전 액추에이팅 장치 중 적어도 어느 하나의 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 상기 안내면을 따라 상대 운동을 하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전진동부재의 상기 진동작용점에 결합되어 상기 압전진동부재를 진동 가능하게 지지해주는 진동지지부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동축을 진퇴가능하게 그 외측면을 지지하여 상기 구동축의 진퇴운동의 편차가 최소화되도록 안내하는 구동축 안내부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제3항에 있어서, 상기 진동지지부재는, 기부와, 상기 기부에서 같은 방향으로 연장되어 상기 압전진동부재의 상기 진동작용점 부위와 결합되고 상기 압전진동부재가 상기 기부와 닿지 않은 상태에서 진동하도록 지지해주는 복수 개의 결합홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는, 피구동체와의 결합 전에 비해 결합 후의 형상이 변화될(왜곡될) 수 있고 그러한 변화(왜곡)된 형상으로 인해 얻어지는 텐션에 의해 피구동체와 보다 확실한 접촉을 유지하는 구조로 만들어지거나, 또는 상기 구동축의 일부 또는 그 일부에 일체로 연결된 고강성 부재의 외면에 적절한 탄성을 갖는 재질을 도포하거나 그러한 재질로 만든 쉬트로 접합 내지 덮어씌운 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제6항에 있어서, 상기 형상 변화로 인해 텐션을 얻은 상기 탄성 마찰구동부의 내부 또는 외부에 체결되어 상기 마찰구동부의 상기 내면을 바깥으로 밀거나 상기 외면을 안쪽으로 밀어주어 상기 마찰구동부의 상기 피구동체에 대한 탄성 접촉력을 강화시켜주는 스프링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전진동부재는 상기 구동축의 방향으로 볼 때 상하로 배치되고 상기 구동전압이 인가되면 동기되어 진동을 하도록 구성된 복수 개의 압전진동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동축과 상기 탄성 마찰구동부 간에는 레벨 차이가 존재하여, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상대 운동을 하는 동안에 상기 탄성 마찰구동부만 상기 피구동체와 접촉할 뿐 나머지 부분은 상기 피구동체와 부딪히지 않는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부의 상기 왕복운동은 앞뒤로 진퇴를 반복하는 선형 왕복운동 또는 시계방향과 반시계방향으로 소정각도만큼 스윙하는 회전 왕복 운동 중 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 피구동체는 그의 길이방향으로 길게 평행하게 연장된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상기 적어도 1개의 안내면을 따라 선형적인 상대 운동을 구동하는 리니어 모터용 구동수단으로서 기능할 수 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제11항에 있어서, 상기 적어도 1개의 안내면은 상기 피구동체의 길이방향으로 길게 마련된 일정한 폭을 가진 요홈부 내부의 양쪽 벽면, 또는 두 개의 평행한 안내레일 사이의 양쪽 벽면, 또는 상기 피구동체의 길이방향으로 길게 마련된 하나의 안내레일의 양쪽 측면인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 피구동체는 환형으로 마련된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 환형 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 환형의 상대 운동을 구동하는 회전 모터용 구동수단으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제13항에 있어서, 상기 적어도 1개의 안내면은 상기 피구동체의 소정 부위에 환형을 이루며 마련된 요홈부 내부의 양쪽 벽면, 또는 반지름이 다른 두 개의 동심 환형 안내레일 사이의 양쪽 벽면, 또는 상기 피구동체의 피구동 디스크의 적어도 어느 한 면에서 환형으로 그려지는 표면 일부인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 탄성부재와 상기 탄성부재를 내삽하여 양쪽에서 누르면서 결합되어 상기 탄성부재의 탄성에 의해 서로간의 간격이 신축가능하게 결합되는 두 개의 원판형 부재를 포함하며,
상기 탄성 마찰구동부는 피구동체 사이에 끼워 넣어 상기 두 개의 원판형 부재가 약간 압축되면서 상기 피구동체의 표면에 탄성적으로 접촉되어, 상기 구동축 부재의 진퇴에 부수하여 소정의 각도 범위 내에서 스윙동작을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전진동부재와 한 몸체로 결합되어 상기 압전진동부재와 함께 진동하면서 상기 진동의 힘과 변위를 증폭시키는 웨이트부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 구동축의 연장 방향으로 보아 전후로 또는 좌우로 배치된 복수 개의 탄성 마찰구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 구동축의 측면 또는 끝부분에 마련된 탄성 부재이고,
상기 피구동체는 상기 구동축에 외삽되어 상기 탄성 마찰구동부를 살짝 누르면서 그것과 밀착되는 형태로 상기 구동축에 결합되며, 그러한 결합에 의해 상기 피구동체는 상기 탄성 마찰구동부가 제공하는 상기 구동력에 의해 이동할 때 상기 구동축에 의해 가이드 되어 그 구동축을 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터 장치.
피구동체를 구동하기 위한 압전 액추에이터 장치로서,
인가되는 구동전압의 변화에 의해, 고정된 진동작용점을 기준으로 진동을 일으키는 압전진동부재;
상기 압전진동부재가 진동할 때 최대 변위를 일으키는 지점에 하단부가 결합된 채 상기 압전진동부재의 표면에 대해 법선방향으로 연장되어, 상기 압전진동부재가 진동하면 그에 따라 상기 법선방향으로 진퇴를 반복하는 구동축;
상기 구동축의 타측 단부 또는 소정 부위에 연결되거나 일체로 마련되고, 상기 피구동체의 소정부위에 탄성적으로 접촉되어 상기 구동축의 진퇴에 부수하여 왕복운동을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 탄성 마찰구동부;
상기 압전진동부재의 상기 진동작용점에 결합되어 상기 압전진동부재를 진동 가능하게 지지해주는 진동지지부재; 및
상기 진동지지부재의 일측에서 상기 구동축 방향으로 연장되어 상기 구동축을 진퇴가능하게 그 외측면을 지지하여 상기 구동축의 진퇴운동의 편차가 최소화되도록 안내하는 구동축 안내부를 구비하여,
상기 피구동체의 안내면과의 마찰력과 관성력 간의 차이에 의해 상기 피구동체에 대하여 구동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터 장치.
제19항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는, 상기 피구동체와의 결합 전에 비해 결합 후의 형상이 변화될(왜곡될) 수 있고 그러한 변화(왜곡)된 형상으로 인해 얻어지는 텐션에 의해 피구동체와 보다 확실한 접촉을 유지하는 구조로 만들어지거나, 또는 상기 구동축의 일부 또는 그 일부에 일체로 연결된 고강성 부재의 외면에 적절한 탄성을 갖는 재질을 도포하거나 그러한 재질로 만든 쉬트로 접합 내지 덮어씌운 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 형상 변화로 인해 텐션을 얻은 상기 탄성 마찰구동부의 내부 또는 외부에 체결되어 상기 마찰구동부의 상기 내면을 바깥으로 밀거나 상기 외면을 안쪽으로 밀어주어 상기 마찰구동부의 상기 피구동체에 대한 탄성 접촉력을 강화시켜주는 스프링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 구동축과 상기 탄성 마찰구동부 간에는 레벨 차이가 존재하여, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상대 운동을 하는 동안에 상기 탄성 마찰구동부만 상기 피구동체와 접촉할 뿐 나머지 부분은 상기 피구동체와 부딪히지 않는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 피구동체는 그의 길이방향으로 길게 평행하게 연장된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 상기 적어도 1개의 안내면을 따라 선형적인 상대 운동을 구동하는 리니어 모터용 구동수단으로서 기능할 수 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 피구동체는 환형으로 마련된 적어도 1개의 안내면을 가지고, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 적어도 1개의 환형 안내면과 탄성 접촉을 이루어 상기 마찰력을 전달함에 따라, 상기 압전 액추에이팅 장치는 상기 피구동체에 대하여 환형의 상대 운동을 구동하는 회전 모터용 구동수단으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 압전진동부재에 인가되는 전압은 한 주기의 파형이 완만한 경사 구간과 가파른 경사 구간으로 구성된 톱니파 신호이어서,
상기 완만한 경사 구간의 파형이 인가되는 동안에는, 상기 압전진동부재의 상기 구동축과 결합된 부분은 그 구간의 파형의 기울기에 대응하여 상대적으로 느리게 제1방향으로 이동하고, 그에 의해 상기 탄성 마찰구동부가 마찰력을 상기 이동 레일에 전달하여 상기 이동 레일을 상기 제1방향으로 미는 제1동작과,
상기 가파른 경사 구간의 파형이 인가되는 동안에는, 상기 압전진동부재의 상기 구동축과 결합된 부분은 그 구간의 파형의 기울기에 대응하여 상대적으로 빠르게 상기 제1방향과 반대방향으로 이동하고, 그에 의해 상기 탄성 마찰구동부는 관성이 작용하고 있는 상기 이동 레일에 마찰력을 거의 전달하지 못하여 상기 이동 레일은 정지한 상태에서 자신만 상기 반대방향으로 이동하는 제2동작을 교대로 반복하는 이른바 스무드 임팩트 구동 메커니즘(smooth impact drive mechanism)에 따라 상기 이동 레일을 이동시키는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부의 상기 왕복운동은 앞뒤로 진퇴를 반복하는 선형 왕복운동 또는 시계방향과 반시계방향으로 소정각도만큼 스윙하는 회전 왕복 운동 중 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 탄성부재와 상기 탄성부재를 내삽하여 양쪽에서 누르면서 결합되어 상기 탄성부재의 탄성에 의해 서로간의 간격이 신축가능하게 결합되는 두 개의 원판형 부재를 포함하며,
상기 탄성 마찰구동부는 피구동체 사이에 끼워 넣어 상기 두 개의 원판형 부재가 약간 압축되면서 상기 피구동체의 표면에 탄성적으로 접촉되어, 상기 구동축 부재의 진퇴에 부수하여 소정의 각도 범위 내에서 스윙동작을 하면서 상기 피구동체에 마찰력을 전달하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이팅 장치.
제19항에 있어서, 상기 탄성 마찰구동부는 상기 구동축의 측면 또는 끝부분에 마련된 탄성 부재이고,
상기 피구동체는 상기 구동축에 외삽되어 상기 탄성 마찰구동부를 살짝 누르면서 그것과 밀착되는 형태로 상기 구동축에 결합되며, 그러한 결합에 의해 상기 피구동체는 상기 탄성 마찰구동부가 제공하는 상기 구동력에 의해 이동할 때 상기 구동축에 의해 가이드 되어 그 구동축을 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터 장치.