KR20170109594A - 일체형 피코모터 장착부 - Google Patents

일체형 피코모터 장착부 Download PDF

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KR20170109594A
KR20170109594A KR1020177023618A KR20177023618A KR20170109594A KR 20170109594 A KR20170109594 A KR 20170109594A KR 1020177023618 A KR1020177023618 A KR 1020177023618A KR 20177023618 A KR20177023618 A KR 20177023618A KR 20170109594 A KR20170109594 A KR 20170109594A
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홍치 리
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뉴포트 코포레이션
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Abstract

콤팩트형 조정식 장착부는 제한된 공간에서 사용하기에 적절한 일체형 구성을 포함할 수 있다. 일부 콤팩트형 조정식 장착부 실시예는 사용 중에 베이스의 외주부 내에 완전히 배치되는 나사형 구동 스크루를 포함할 수 있다. 고밀도 재료로 이루어진 단부 캡이, 콤팩트형 조정식 장착부를 위한 압전 타입 구동 모터의 효율적인 사용을 가능하게 하면서 소정 실시예의 소형화를 촉진하는 데 사용될 수 있다. 내구성을 증대시키기 위해 일부 실시예의 구성요소에 대해 소정 피복이 이용될 수 있다.

Description

일체형 피코모터 장착부
관련특허출원
본 출원은 35 U.S.C. 섹션 119(e)의 규정 하에서 2015년 1월 29일자로 Hongqi Li 명의로 출원된, 발명이 명칭인 “일체형 피코모터 장착부(INTEGRATED PICOMOTOR MOUNT)”인 미국 가출원 제62/109,458호로부터의 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
렌즈, 거울, 파장판(wave plate), 필터, 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating), 프리즘 등과 같은 광학 기구 또는 요소는 종종 광학 시스템, 특히 조정식 장착부를 갖는 실험 광학 시스템에 장착된다. 광학 시스템의 예로는, 광 빔을 하나의 광학 기구로부터 다음 광학 기구로 향하게 하는 광로를 제공하도록 하는 배향으로 베이스에 장착되는 다수의 광학 기구 및 구성요소를 갖는 광학 벤치(bench) 또는 베이스를 들 수 있다. 레이저 또는 다른 광원으로부터 나온 빔은 대체로 상기한 어플리케이션을 위해 이용된다. 그러한 시스템에 있어서, 조정식 장착부는 광학 요소 등을 광학 시스템의 광학 벤치나 다른 구성요소에 견고하게 체결시키고 광학 요소의 배향 및/또는 위치의 약간의 조정을 허용하는 메커니즘을 제공한다. 여러 어플리케이션에 있어서, 조정식 장착부는, 조정 프로세스 동안에 근처 장비를 방해하는 돌출부 없이, 한정된 공간 내에서만 작동 가능해야 한다.
기존의 조정식 장착부 중 일부는 광학 요소가 고정되도록 구성된 제1 플레이트와 제1 플레이트에 인접 배치된 제2 플레이트를 포함할 수 있으며, 제1 플레이트는 제2 플레이트에 대해 이동 가능하다. 몇몇 경우에, 압전형 구동 모터가 제1 플레이트와 제2 플레이트 간의 상대 변위를 구동하기 위해 이들 플레이트들 사이에 연결된 나사를 회전시키는 데 사용될 수 있다. 그러한 여러 장착부에 있어서, 조정식 장착부의 구동 나사, 압전 구동 모터 또는 다른 구성요소는 제1 플레이트와 제2 플레이트 간의 상대 변위 중에 제1 및/또는 제2 플레이트의 외주부 외측으로 연장될 수 있다. 추가로, 압전 구동 모터를 효율적으로 작동시키는 데 요구되는 관성 모멘트의 크기는 대형의 벌키한 장착 디바이스를 초래할 수 있으며, 이는 다양한 어플리케이션에 있어서의 한정된 공간에서의 사용에 부적절할 수 있다. 또한, 그러한 장착 시스템의 일부 구성요소의 외면은 시간이 경과함에 따라 마모될 수 있고, 조정식 장착부의 작동 효율을 감소시킬 수 있다.
효율적으로 작동하고 한정된 공간에서 사용하기 위한 콤팩트한 크기를 허용하는 조절식 장착부가 필요하다. 한정된 공간에서의 사용에 대한 적용성을 더욱 향상시키기 위해, 사용 중에 장착부의 플레이트의 외주부를 넘어 연장되는 장착부의 구동 나사 또는 다른 구성요소를 갖지 않는 조정식 장착부도 또한 필요하다. 장시간에 걸쳐 효율적이고 신뢰성 있는 사용을 위해 내구성 있는 구성요소를 포함하는 조정식 장착부도 또한 필요하다.
콤팩트형 조정식 장착부의 몇몇 실시예는 바닥부에 평탄한 장착면을 갖는 베이스를 포함한다. 조절식 장착부는 또한 하나의 선형 자유도를 제외한 모든 자유도에서 베이스에 대해 실질적으로 고정된 스테이지를 포함하고, 이에 따라 스테이지가 베이스에 대한 예정된 거리에 걸쳐 선형 자유도로 병진 이동할 수 있다. 스테이지는 또한 광학 요소 등의 장착을 위해 스테이지의 상부 상에 평탄한 장착면을 포함할 수 있다. 그러한 스테이지는 또한, 사용 중에 고정식 장착면에 대해 정확하게 재위치 설정되어야만 하는 비광학 구성요소를 장착하는 데 적합할 수 있다. 조정식 장착부는 또한 종축을 갖는 긴 나사형 구동 샤프트, 적어도 하나의 나사홈이 종축을 중심으로 동축으로 배치된 나사형 외면을 갖는 나사형 길이부 및 외면을 갖는 피동부를 포함할 수 있다. 나사형 구동 샤프트는 베이스에 대해 종축을 따라 축방향으로 고정될 수 있고, 사용 중에는 항시 베이스의 외주부 내에 배치될 수 있다. 나사형 구동 샤프트는 또한 베이스에 대해 샤프트의 종축을 가로지르는 방향으로 고정될 수 있고, 베이스에 대해 샤프트의 종축을 중심으로 회전 가능할 수 있다. 조정식 장착부는 스테이지에 고정되는 너트를 더 포함할 수 있으며, 너트는, 나사형 구동 샤프트 주위에 배치되고 내부에 나사형 구동 샤프트의 나사형 외면의 나사홈과 맞물리도록 구성된 맞물림 구조를 포함하는 보어를 포함한다. 너트는, 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전은 너트의 맞물림 구조에 대한 나사형 홈의 회전과, 나사형 구동 샤프트의 회전으로 인해 베이스에 대한 너트 및 스테이지의 종축을 따른 후속하는 축방향 이동을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 종축을 중심으로 하는 회전 방향으로의 너트의 회전을 방지하는 구성으로 스테이지에 고정될 수 있다. 관성 구동 모터는 베이스 내에 배치될 수 있고, 제1 접촉면 및 제2 접촉면을 포함할 수 있으며, 제2 접촉면은 제1 접촉면에 대해 이격되고 거의 대향하는 관계로 배치된다. 몇몇 경우에, 제1 및 제2 접촉면은, 구동 모터의 활성화가 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 왕복동 동작을 부여하여 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전 동작을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 피동부와 작동 가능하게 맞물릴 수 있다. 적어도 하나의 디스크형 단부 캡이 나사형 구동 샤프트의 단부에 고정 관계로 고정될 수 있다. 그러한 단부 캡 실시예는 베이스의 외주부 내에 배치될 수 있고, 고밀도 재료를 포함할 수 있으며, 관성 구동 모터의 효율적인 작동에 충분한 관성 모멘트를 포함할 수 있다.
콤팩트형 조정식 장착부의 몇몇 실시예는 베이스와, 스테이지가 선형 자유도로만 병진 이동하도록 단일 선형 자유도를 제외한 모든 자유도에 있어서는 베이스에 대해 고정된 스테이지를 포함한다. 그러한 콤팩트형 조정식 장착부 실시예는 또한 긴 나사형 구동 샤프트를 포함할 수 있으며, 이 나사형 구동 샤프트는 종축, 적어도 하나의 나사홈이 종축을 중심으로 동심으로 배치된 나사형 외면을 갖는 나사형 길이부 및 외면을 갖는 피동부를 포함하며, 나사형 구동 샤프트는 베이스에 대해 종축을 따라 축방향으로 고정되고, 베이스의 외주부 내에 배치되며, 베이스에 대해 종축을 가로지르는 방향으로 고정되며, 베이스에 대해 종축을 중심으로 회전 가능하다. 너트는 스테이지에 고정될 수 있으며, 너트는 나사형 구동 샤프트 둘레에 배치된 보어를 포함한다. 너트의 보어는 내부에, 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전이 베이스에 대해 종축을 따란 너트와 스테이지의 축방향 이동을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 나사형 외면의 나사홈과 맞물리도록 구성된 맞물림 구조를 포함할 수 있다. 관성 구동 모터는 베이스 내에 배치될 수 있고, 관성 구동 모터의 활성화가 적어도 하나의 접촉면의 왕복동 동작을 부여하여 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전 동작을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 피동부와 작동 가능하게 맞물리는 적어도 하나의 접촉면을 포함할 수 있다. 추가로, 적어도 하나의 단부 캡이 베이스의 외주부 내에 배치된 상태로 나사형 구동 샤프트에 대해 고정 관계로 고정될 수 있다. 단부 캡은, 관성 구동 모터의 효율적인 작동에 충분하게 구성된 관성 모멘트를 가질 수 있다.
압전 관성 구동 모터의 몇몇 실시예는 제1 접촉면을 포함하는 제1 지지 요소와 제2 접촉면을 포함하는 제2 지지 요소를 갖는 액추에이터 프레임을 포함할 수 있다. 제2 접촉면은 제1 접촉면에 대해 이격되고 실질적으로 대향 관계로 배치된다. 액추에이터 프레임은 또한 바이어스 스프링 클립을 포함할 수 있으며, 바이어스 스프링 클립은 제1 지지 요소 및 제2 지지 요소와 맞물리며, 제2 접촉면으로부터 멀어지는 제1 접촉면의 수직 변위에 저항하는 탄성 복원력을 제공하도록 구성된다. 액추에이터 프레임은 액추에이터 프레임의 제1 장착면과 액추에이터 프레임의 제2 장착면 사이에 배치되는 압전 요소 공동을 더 포함할 수 있다. 압전 요소는 압전 요소 공동 내에 배치될 수 있다. 압전 요소는 제1 장착면에 고정된 제1 단부와 제2 장착면에 고정된 제2 단부를 가질 수 있다. 압전 요소는 압전 요소로 전달되는 전기 구동 신호에 응답하여 팽창 및 수축하도록 구성될 수 있으며, 압전 요소의 팽창 또는 수축이 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 각각의 거의 평행한 왕복동 변위를 유발하도록 구성된다.
아래의 설명, 실시예, 청구범위 및 도면에서 소정 실시예를 더 설명한다. 실시예의 이들 피쳐(feature)는 예시적인 첨부도면과 함께 취하는 아래의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
도 1은 제어기에 작동 가능하게 커플링되고 광 케이블의 장착면에 고정되는 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 사시 분해도이다.
도 3는 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 스테이지의 저부도이다.
도 4는 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 베이스 및 일부 다른 관련 요소의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 베이스의 평면도이다.
도 6은, 스테이지가 선형 위치로 변위되고, 나사형 너트가 압전 구동 모터를 향해 배치된, 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부의 실시예를 도 1의 선 6-6을 따라 취한 횡단면도이다.
도 6a는 도 6에 표시한 원형부(6A)로 나타낸 나사형 구동 샤프트의 확대도이다.
도 7은, 스테이지가 선형 위치로 변위되고, 나사형 너트가 압전 구동 모터로부터 멀어지게 배치된, 도 6의 콤팩트형 조정식 장착부의 실시예의 횡단면도이다.
도 8은 나사형 구동 샤프트, 압전 구동 모터, 나사형 너트 및 단부 캡과 회전 베어링을 포함하는 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 서브조립체의 사시도이다.
도 9는 도 8의 나사형 구동 샤프트의 사시도이다.
도 10은 나사형 구동 샤프트의 2개 부재 실시예의 사시 분해도이다.
도 11은 도 1의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예의 압전 구동 모터 실시예의 사시도이다.
도 12는 도 11의 압전 구동 모터 실시예의 사시 분해도이다.
도 13은, 예시를 위해 스프링 바이어스 클립이 도시되지 않은 도 11의 압전 구동 모터 실시예의 평면도이다.
도 14는 예시를 위해 스프링 바이어스 클립이 도시되지 않은 도 11의 압전 구동 모터 실시예의 측면도이다.
도 15는 예시를 위해 스프링 바이어스 클립이 도시되지 않은 도 14의 압전 구동 모터 실시예의 단면 사시도이다.
도면은 기술의 실시예를 예시하며, 제한하지는 않는다. 설명의 명확성 및 용이성을 위해, 도면은 실제 축척으로 도시되지 않을 수 있으며, 여러 경우에 특정 실시예의 이해를 용이하게 하기 위해 다양한 양태들이 과장되거나 확대 도시될 수 있다.
본 출원은, 광학 벤치 또는 임의의 다른 적절한 표면의 평탄한 상부 장착면과 같은 안정한 표면에 매우 다양한 디바이스를 장착하기 위해 사용 가능한 소정의 콤팩트형 조정식 장착부 실시예에 관한 것이다. 여기에서 설명되는 실시예는 광학 디바이스나 요소와 같은 디바이스 - 콤팩트형 조정식 장착부의 스테이지의 평탄한 상부 장착면에 장착됨 - 가 광학 벤치 등의 장착면에 대해 정확하고 반복 가능한 방식으로 병진 이동할 수 있게 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 그러한 콤팩트형 조정식 장착부는 광학 테이블과 같은 안정한 장착면에 광학 부품이나 요소를 장착하는 데 사용될 수 있고, 광학 벤치나 광학 벤치 상에 배치된 다른 광학 요소에 대해 광학 요소의 위치를 정확하게 조정할 수 있게 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 장착면을 갖는 스테이지는, 높은 선형 정밀도로 스테이지와 베이스 간의 상대 축방향 병진 이동을 가능하게 하도록 구성된 하나 이상의 정밀 베어링 조립체에 의해 베이스에 커플링될 수 있다. 스테이지와 베이스 간의 상대 선형 변위는, 구동 샤프트의 종축을 중심으로 회전할 수 있고 베이스에 대해 축방향으로 고정된 상태로 유지될 수 있는 나사형 구동 샤프트에 의해 구현될 수 있다.
나사형 너트 등은 나사형 구동 샤프트의 나사부에 작동 가능하게 커플링되고, 또한 스테이지에 대한 나사형 너트의 회전이 제한되도록 스테이지에 고정될 수도 있다. 이러한 방식으로, 나사형 샤프트의 회전은 스테이지와 베이스 간의 상대 선형 변위를 유발한다. 몇몇 실시예에서, 나사형 구동 샤프트는 베이스 내에도 또한 장착되고, 나사형 구동 샤프트의 피동부에 작동 가능하게 커플링되는 압전 구동 모터에 의해 회전될 수 있다. 압전 구동 모터는 구동 신호를 생성하도록 구성되는 제어기 등에 와이어에 의해 커플링될 수 있으며, 제어기는 나사형 구동 샤프트의 피동부에 토크를 부여하도록 압전 구동 모터를 활성화시켜 관성 타입 구동 방법에 의해 나사형 구동 샤프트를 회전시킨다. 이러한 관성 타입 구동 방법은, 소망하는 양의 나사형 구동 샤프트의 각도 변위와 베이스에 대한 나사형 너트의 스테이지의 대응하는 선형 병진 이동을 생성하는 회전 방향과 각도 크기로 나사형 구동 샤프트를 회전시키는 데 이용될 수 있다. 여기에 도시하고 설명하는 예시적인 실시예는 콤팩트형 조정식 장착부의 베이스에 구동 모터와 나사형 구동 샤프트를 갖지만, 이들 요소는 여기에서 도시하거나 고려되는 임의의 실시예의 경우에 나사형 너트가 베이스에 고정되도록 스테이지 내에 적절히 배치될 수 있다.
도면을 참고하면, 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)가 도 1의 장착면(12)과 광학 벤치(14)에 고정되어 있는 것으로 도시되어 있다. 예시를 위해, 일반적인 광학 요소(16)가 콤팩트형 조정식 장착부(10)에 있는 스테이지(20)의 상부 장착면 형태의 장착면에 고정된 것으로 도시되어 있다. 콤팩트형 조정식 장착부(10)는 와이어 하니스(22)에 의해 제어기(24)에 커플링되며, 제어기는 와이어 하니스(22)를 통해 도 2에 도시한 바와 같은 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 압전 관성 구동 모터(26)와 같은 관성 구동 모터로 전송되는 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)는 평탄한 구성을 가질 수 있는 베이스(28)이 바닥부 상에 장착면(30)을 갖는 베이스(28)를 포함한다. 베이스(28)의 바닥 상의 장착면(30)은 도 6 및 도 7에서 볼 수 있다. 베이스(28)는 또한, 베이스를 장착면(12)에 고정하는 데 사용 가능한 장착 파스너가 통과하기에 적절한 하나 이상의 장착 구멍(32)(도 2 내지 도 5 참고)을 포함할 수 있다. 복수 개의 장착 구멍(32)을 포함하는 실시예에 있어서, 장착 구멍(32)들은, 광학 벤치(14)의 장착면(12)에 있는 대응하는 나사 구멍 등의 주기적인 또는 규칙적인 간격과 일치하는 주기적인 또는 규칙적인 이격 배치로 이격될 수 있다. 그러한 주기적인 간격은, 중심이 1 인치 전체 증분으로 배치되는 장착 구멍(32)을 포함할 수 있다.
도면에 도시한 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)는, 단일 선형 자유도를 제외한 모든 자유도로 베이스(28)에 대해 실질적으로 고정된 스테이지(20)를 포함한다. 이러한 맥락에서 “실질적으로 고정된”이라는 용어의 사용은, 베어링, 레이스, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 구성요소의 베어링이나 접촉면 등의 결함이나 공차로 인한 우연한 이동을 제외하고는 고정됨을 의미한다. 이러한 방식으로, 스테이지(20)는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같은 베이스(28)에 대하여 예정된 거리에 걸쳐 선형 자유도로 병진 이동할 수 있다. 베이스(28)와 스테이지(20) 간의 상대 선형 동작은 베이스(28)와 스테이지(20) 사이에 작동 가능하게 배치된 적어도 하나의 선형 베어링 조립체에 의해 제어되고 촉진될 수 있다. 도면에 도시한 실시예에 있어서, 선형 볼 베어링 조립체 쌍이 베이스(28)와 스테이지(20)의 각각의 베어링 레이스(bearing race) 사이에 작동 가능하게 배치된다. 특히, 제1 선형 볼 베어링 조립체(34)는 베이스(28)의 제1 베어링 레이스(36)와 스테이지(20)의 제1 베어링 레이스(38) 사이에 작동 가능하게 배치된다. 제2 선형 볼 베어링 조립체(40)는 도 2에 도시한 바와 같이 베이스(28)의 제2 베어링 레이스(42)와 스테이지(20)의 제2 베어링 레이스(44) 사이에 작동 가능하게 배치된다. 베어링 조립체는 복수 개의 나사형 스크루(45)에 의해 제위치에 포획될 수 있다. 도시한 실시예의 경우, 베어링 레이스(36, 38, 42, 44)는, 서로 평행하게 그리고 스테이지의 단일 선형 자유도에 평행하게 연장되는 직선 홈형 구조이다. 스테이지(20)의 본체 밑면은, 베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 이동을 저해하거나 방해할 수 있는 베이스와 관련된 구조에 대한 클리어런스(clearance)를 제공하는 하나 이상의 릴리프 슬롯(relief solt)을 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우, 제1 단부 캡 릴리프 슬롯(46)과 제2 단부 캡 릴리프 슬롯(48)은 스테이지(20)의 바닥면에 절결된다. 제1 단부 캡 릴리프 슬롯(46)과 제2 단부 캡 릴리프 슬롯(48)은 각각의 제1 단부 캡(50)과 제2 단부 캡(52)의 외주면을 위한 클리어런스를 제공하도록 구성될 수 있으며, 제1 단부 캡과 제2 단부 캡은 디스크 형상 구성을 가질 수 있고, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)의 대향 단부에 고정된다. 몇몇 경우, 제1 및 제2 단부 캡 릴리프 슬롯(46, 48)은 원통 섹션 형상과 도 3에 도시한 바와 같은 스테이지 본체(20)의 공칭 바닥면(56)에 의해 형성된 평면으로부터 측정했을 때에 약 0.01 인치 내지 약 0.1 인치의 깊이를 가질 수 있다.
몇몇 경우에, 베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 선형 병진 이동의 범위는 베이스(28)와 스테이지(20) 사이에 배치된 슬롯-핀 구조에 의해 결정될 수 있다. 특히, 선형 동작 범위는 스테이지(20)의 바닥면(56)에 있는 종방향 슬롯(58)의 길이 및 위치와, 종방향 슬롯(58)에 고정되고 베이스(28)의 상부면으로부터 종방향 슬롯(58) 내로 상향 연장되는 정합 핀(60)에 의해 제어될 수 있다. 핀(60)과 종방향 슬롯(58)은, 핀(60)이 스테이지(20)와 베이스(28) 사이에서 더 이상의 이동이 방지되는 지점인 종방향 슬롯(58)의 양 단부에 도달할 때까지 슬롯(58) 내에서 자유롭게 슬라이딩하도록 서로 크기가 정해진다. 종방향 슬롯(58)은 베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 변위의 선형 자유도에 평행하게 배향된다. 슬롯-핀 구조에 추가하여, 베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 선형 동작 범위는 나사형 구동 샤프트(54)의 나사부(64)에 걸친 나사형 너트(62)의 대응하는 선형 범위와 베이스(28)의 나사형 구동 샤프트 공동(66)의 경계 내에서의 나사형 너트(62)의 공간 한계에 의해 제한될 수 있다. 특히, 도 6은 스테이지(20)가 (도 1에 도시한 바와 같은) 중립 또는 중심 위치로부터, 나사형 너트(62)가 압전 구동 모터(26)를 향해(또는 도면에서 좌측으로) 배치되는 선형 위치로 변위되는 것을 보여준다. 도 7은 스테이지(20)가 중립 또는 중심 위치로부터, 나사형 너트(62)가 압전 구동 모터(26)로부터 멀어지게(또는 도면에서 우측으로) 배치되는 선형 위치로 변위되는 것을 보여준다.
도시한 스테이지 실시예(20)는 또한 광학 요소 등의 장착을 위해 스테이지의 상부 상에 상부 장착면(18)과 같은 장착면을 포함할 수 있다. 상부 장착면(18)은 표준 광학 부품 및 고정구를 장착하기에 적절한 평탄한 구성을 가질 수 있다. 그러한 스테이지 실시예(20)는 또한, 사용 중에 고정식 장착면(12)에 대해 정확하게 재위치 설정되어야만 하는 비광학 부품을 장착하는 데 적합할 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 베이스(28)와 스테이지(20)는 스테인리스강을 포함하는 강, 알루미늄, 탄소섬유 복합재 등을 포함하는 복합재와 같은 임의의 적절한 고강도의 안정한 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 콤팩트형 조정식 장착부(10)는 베이스(28)의 바닥면(30)으로부터 스테이지(20)의 상부 스테이지 장착면(18)까지 약 0.3 인치 내지 약 1 인치의 높이를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 콤팩트형 조정식 장착부(10)는 병진 이동 방향을 따라 (그리고 스테이지(20)가 도 1에 도시한 바와 같이 베이스(28)와 축방향으로 정렬되는) 약 0.75 인치 내지 약 4 인치의 횡방향 외부 치수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예의 경우에, 콤팩트형 조정식 장착부(10)는 병진 이동 방향을 따라 (그리고 스테이지가 베이스(28)와 정렬되는) 약 1.5 인치 내지 약 3 인치의 횡방향 외부 치수를 가질 수 있다.
도시한 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)는 긴 나사형 구동 샤프트(54)를 포함하며, 긴 나사형 구동 샤프트(54)는 종축(68), 나사형 외면(70) - 적어도 하나의 나사홈(72)이 종축(68)을 중심으로 나사형 구동 샤프트(54)의 나사형 외면(70) 상에 동심으로 배치됨 - 을 갖는 나사형 길이부(64), 및 피동부(74)를 갖는다. 몇몇 경우에, 나사형 구동 샤프트(54)의 나사형 외면(70)은 나사형 외면(70)의 윤활성 및 내구성을 향상시키기 위해 질화물 피복을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 피동부(74)는 도 9에 도시한 바와 같은 홈형 외면(76)일 수 있는 외면을 포함할 수 있다. 홈형 외면(76)은, 홈형 외면(76)에 배치 및/또는 형성되는 둘레 홈을 포함할 수 있다. 압전 구동 모터(26)의 제1 접촉면(78) 및 제2 접촉면(80)은 대응하는 제1 및 제2 홈형 접촉면(82, 84)(도 11 참고)을 가질 수 있고, 제1 및 제2 홈형 접촉면(82, 84)은, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 나사형 구동 샤프트(54)의 피동부(74)의 홈형 외면(76)에 맞물리도록 구성된 홈을 포함한다. 압전 구동 모터(26)의 홈형 제1 및 제2 접촉면(82, 84)은, 피동부(74)에 있는 홈형 외면(76)의 리지(86)가 접촉면(78, 80)에 있는 홈형 표면(82, 84)의 밸리(88) 내에 배치되도록 또는 그 반대가 되도록 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 피동부(74)의 홈형 외면(76)과 맞물리도록 구성될 수 있다. 그러한 구성은, 압전 구동 모터(26)와 나사형 구동 샤프트(54)의 피동부(74) 사이의 안정하고 일관된 기계적 커플링을 유지하는 데 유용할 수 있다. 몇몇 나사형 구동 샤프트 실시예(54)의 경우, 나사부(64)의 축방향 길이는 약 0.5 인치 내지 약 3 인치일 수 있고, 피동부(74)의 축방향 길이는 약 0.1 인치 내지 약 1 인치일 수 있으며, 나사형 구동 샤프트(54)의 전체 축방향 길이는 약 1 인치 내지 약 3인치일 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 나사형 구동 샤프트(54)의 나사형 길이(64)는 6-80 UNS-3A 타입 나사 상세 등을 지닌 나사형 외면(70)을 포함할 수 있다. 추가로, 피동부(74)에 있는 외면(76)의 홈 구조는 제로 피치각을 갖는 8-36 UNF-2A 나사에 대응하는 나사와 일치할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 나사 타입이 나사부(64)나 피동부(84)를 위해 이용될 수 있다. 비홈형 외면(76)도 또한 몇몇 경우에 피동부에 적합할 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)는 스테인리스강을 포함하는 강, 알루미늄, 탄소섬유 복합재 등을 포함하는 복합재와 같은 임의의 적절한 고강도의 안정한 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 나사형 길이부(64)의 나사형 외면(70) 및/또는 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 피동부(74)의 홈형 외면(76)은, 나사형 외면(70)의 윤활성, 내구성 또는 임의의 다른 소망하는 특징을 향상시키도록 질화물 피복(90)과 같은 (도 6a에 도시한 바와 같은) 피복을 가질 수 있다.
몇몇 경우에, 나사형 구동 샤프트(54)는 도 9에 도시한 나사형 구동 샤프트 실시예(54)와 같은 연속 재료의 모놀리식 단일 부재로 형성될 수 있다. 다른 경우에, 도 10에 도시한 나사형 구동 샤프트 실시예(54) 등을 위해 2개 이상의 서브부품으로 나사형 구동 샤프트를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 도 10에 도시한 나사형 구동 샤프트 실시예(54)의 경우, 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 주 샤프트(96)의 피동부 단부(94)에 고정되는 슬리브(92) 상에 피동부(74)가 포함된다. 도 10의 나사형 구동 샤프트(54)의 분해도가 주 샤프트로부터 분리된 슬리브(92)를 보여준다. 슬리브(92)는 용접, 솔더링, 브레이징, 접착제 접합, 억지끼워맞춤, 스웨트 핏(sweat fit ) 등을 포함하는 상기한 실시예에 적합한 임의의 방식으로 주 샤프트(96)에 고정될 수 있다. 그러한 2개 부재 실시예는 나사형 구동 샤프트(54)의 프로세싱 또는 제조와 나사형 구동 샤프트(54)의 나사부(64) 및 피동부(74)를 위한 상이한 재료의 사용을 가능하게 하는 것을 용이하게 하는 데 유용할 수 있다.
나사형 구동 샤프트(54)는 베이스(28)에 대해 종축을 따라 축방향으로 고정되고 사용 중에 그리고 베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 선형 방식 변위 중에 줄곧 베이스(28)의 외주부(98)(도 5에서 점선으로 나타냄) 내에 배치될 수 있다. 베이스(28)의 외주부(98) 내에 나사형 구동 샤프트(54)를 유지하는 것에 의해, 콤팩트형 조정식 장착부(10)가 사용 및 조정 중에 컴팩트하게 유지되며, 이에 의해 제한된 공간에서의 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 사용을 용이하게 하고, 또한 장착부(10)에 인접한 구조에 의해 장착부(10)의 작동을 방해할 우려를 저감시킨다. 나사형 구동 샤프트(54)는 또한 베이스(28)에 대해 나사형 샤프트(54)의 종축(68)을 가로지르는 방향으로 고정될 수 있고, 베이스(28)에 대해 나사형 구동 샤프트(54)의 종축(68)을 중심으로 회전 가능할 수 있다. 나사형 구동 샤프트(54)가 하나의 회전 자유도를 제외한 모든 자유도에서 고정되는 구성은, 도 2 및 도 8에 도시한 제1 회전 베어링(100) 및 제2 회전 베어링(102)과 같은 한 쌍의 회전 베어링을 사용하여 나사형 구동 샤프트(54)를 베이스(28)에 장착하는 것에 의해 달성될 수 있다. 제1 및 제2 회전 베어링(100, 102)은 볼 베어링을 포함할 수 있다. 각각의 회전 베어링(100, 102)은, 베이스(28)의 대응하는 보어(104, 106)의 각각의 내면 내에 단단히 끼워맞춤되도록 구성된 원통 외측 프로파일을 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 단단한 끼워맞춤은, 장착부(10)가 소망하는 공간 동작 공차 내에서 작동할 수 있기에 충분한 꼭 끼워맞춤(close fit)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 이러한 꼭 끼워맞춤 관계는 억지끼워맞춤이나 슬립 끼워맞춤을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 회전 베어링(100, 102) 각각은, 도 2에 도시한 바와 같은 베이스(28)의 대응하는 제1 보어(104) 및 제2 보어(106)의 축(110)과 정렬되고 동일선상에 있는 회전축(108)을 포함할 수 있다. 콤팩트형 조정식 장착부(10)가 작동 구성일 때, 나사형 구동 샤프트(54)의 종축(68), 2개 회전 베어링(108)의 회전축 및 베이스(28)에 있는 제1 및 제2 보어(104, 106)의 회전축 모두가, 베이스(28)의 본체에 있는 구동 샤프트 공동(66) 내에서의 그 종축(68)을 중심으로 나사형 구동 샤프트(54)의 원활한 회전을 용이하게 하도록 서로 동일선상에 있을 것이다.
콤팩트형 조정식 장착부(10)는 너트(62)를 포함하며, 이 너트는 스테이지(20)에 고정되는 나사형 너트(62)일 수 있고, 나사형 구동 샤프트(54) 주위에 배치되는 보어(112)를 포함하며, 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 나사부(64)의 나사형 외면(70)에 있는 나사홈(72)과 맞물리도록 구성된 너트의 보어 내에 맞물림 구조를 포함한다. 너트(62)는, 나사형 구동 샤프트(54)의 종축(68)을 중심으로 한 회정 방향으로의 너트(62)의 회전을 방지하는 구성으로 스테이지(20)에 고정될 수 있다. 도면에 도시한 실시예의 경우, 나사형 너트(62)는 한 쌍의 나사형 스크루(114)(도 6 참고)에 의해 스테이지(20)에 고정된다; 그러나, 접착제 접합, 용접, 솔더링, 브레이징 등을 포함하는 임의의 다른 적절한 부착 수단이 이용될 수 있다. 도면에 도시한 구성에서, 나사형 너트(62)의 맞물림 구조는, 나사형 구동 샤프트(54)의 나사부(64)의 나사에 대응하는 너트(62)의 나사에 의해 나사형 너트(62)에 있는 보어(112)의 나사형 내면을 포함한다. 너트(62)의 나사형 내부 보어는, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 선형 이동의 정황성 또는 반복성에 영향을 줄 수 있는 백래쉬 또는 다른 요인을 최소화하기 위해 나사형 구동 샤프트(54)의 나사형 외면(80)과 정확하게 맞물리도록 크기가 정해질 수 있다. 그러한 실시예의 경우, 베이스(28)에 대한 나사형 구동 샤프트(54)의 회전은 맞물림 구조(너트에 있는 보어의 나사형 내면)에 대한 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 나사형 외면(70)의 나사홈(72)의 회전과, 나사형 구동 샤프트(54)의 회전으로 인한 베이스(28)에 대한 나사형 구동 샤프트(54)의 종축(68)을 따른 너트(62)와 스테이지(20)의 후속하는 축방향 이동을 일으킨다. 몇몇 실시예의 경우, 너트(62)는 스테인리스강을 포함하는 강, 알루미늄, 탄소섬유 복합재 등을 포함하는 복합재와 같은 임의의 적절한 고강도의 안정한 재료로 형성될 수 있다. 너트(62)는 또한 너트(62)의 자가 윤활 특성을 향상시키기 위해 알루미늄 브론즈와 같은 브론즈를 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
콤팩트형 조정식 장착부(10)의 몇몇 실시예의 경우, 관성 구동 모터(26)는 나사형 구동 샤프트(54)에 회전 동작을 부여하는 데 사용될 수 있고, 이에 따라 베이스(28)에 대해 스테이지(20)를 병진 이동시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 관성 구동 모터(26)는 베이스(28)의 구동 모터 공동(116) 내에 배치되는 압전 구동 모터(26)를 포함한다. 몇몇 경우, 압전 구동 모터(26)는, 피동부(74)의 외면(76)에 대한 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 사이의 왕복동 동작을 허용하도록 그리고 베이스(28)에 대한 제1 및 제2 접촉몬(78, 80)(도 11 참고) 사이에 배치되는 축(118)을 중심으로 한 관성 구동 모터(26) 자체의 회전을 방지하도록 베이스(28)에 고정될 수 있다. 압전 관성 구동 모터(26)는 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)을 포함하고, 제2 접촉면(80)은 제1 접촉면과 이격되고, 대향 또는 실질적으로 대향하는 관계로 배치된다. 제1 및 제2 접촉면(78, 80)은 나사형 구동 샤프트(54)의 피동부(74)와 작동 가능하게 맞물릴 수 있으므로, 관성 구동 모터(26)의 활성화가 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 간의 왕복동 동작을 부여함으로써 베이스(28)에 대한 나사형 구동 샤프트(54)의 회전 동작을 일으킨다. 압전 구동 모터(26)의 제1 및 제2 접촉면(78, 80)이 일반적으로 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 피동부(74)의 외면(76)과 맞물리도록 구성되기 때문에, 제2 접촉면(80)으로부터 제1 접촉면(78)의 분리는 기본적으로 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 피동부(74)의 외측 횡방향 치수(또는 직경)에 의해 결정될 것이다. 그러나 몇몇 경우에, 압전 구동 모터의 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 사이의 공칭 횡방향 거리는 약 1 mm 내지 약 5 mm일 수 있다.
몇몇 경우에, 관성 구동 모터 시스템의 효율적인 작동을 달성하도록 나사형 구동 샤프트 조립체를 위한 충분한 관성 모멘트를 제공하기 위해, 적어도 하나의 단부 캡이 나사형 구동 샤프트(54)의 단부에 고정 관계로 고정될 수 있다. 관성 구동 시스템의 효율적인 작동은 일반적으로, 나사형 구동 샤프트(54)가 아래에서 설명하는 바와 같이 몇몇 경우에 거의 동작이 없는 상태로 유지되는 동안에 접촉면(78, 80)이 나사형 구동 샤프트(54) 위에서 슬립하게 하기에 충분한 각 관성(angular inertia)을 가짐을 의미한다. 각각의 단부 캡 또는 단부 캡(50, 52)들은 나사형 볼트나 스크루, 용접, 솔더링, 브레이징, 접착제 접합 등과 같은 임의의 적절한 방법이나 디바이스에 의해 나사형 구동 샤프트(54)나 나사형 구동 샤프트(54)의 관련 구조에 고정될 수 있다. 그러한 단부 캡 실시예(50, 52)는 베이스(28)의 외측 측방 둘레부 내에 배치될 수 있고, 고밀도 재료를 포함할 수 있으며, 관성 구동 모터(26)의 효율적인 작동에 충분한 관성 모멘트를 포함할 수 있다. 예시된 조정식 장착부 실시예(10)의 경우, 제1 디스크 형상 단부 캡(50)은 나사형 구동 샤프트(54)의 제1 단부(120)에 고정되고, 제2 디스크 형상 단부 캡(52)은 나사형 구동 샤프트의 제2 단부(122)에 고정된다. 제1 단부 캡(50) 및 제2 단부 캡(52) 각각은 베이스(28)의 외측 측방 둘레부(98) 내에 배치되어, 장착부 프로파일의 소형화를 유지하고, 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 사용 및 조정 중에 인접한 디바이스 또는 구조를 방해하는 것을 방지한다. 몇몇 실시예의 경우, 제1 단부 캡(50)과 제2 단부 캡(52) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 전체적으로 스테인리스강의 밀도 이상의 밀도를 갖는 재료를 포함하거나 이러한 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 경우, 제1 단부 캡(50)과 제2 단부 캡(52) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 전체적으로 텅스텐의 밀도 이상의 밀도를 갖는 재료를 포함하거나 이러한 재료로 형성될 수 있고, 텅스텐으로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단부 캡(50, 52)은 스테인리스강의 밀도 이상의 밀도를 갖는 고밀도 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 단부 갭(50, 52)들 중 어느 하나 또는 양자 모두는 각각 약 2 mm 내지 약 6 mm, 보다 구체적으로는 약 4 mm 내지 약 5 mm의 외경, 약 0.5 mm 내지 약 1 mm의 내경, 약 1 mm 내지 약 3 mm의 높이, 약 0.015 g/mm3 내지 약 0.02 g/mm3, 보다 구체적으로는 약 0.016 g/mm3 내지 약 0.018 g/mm3의 밀도 및 약 20 gmm2 내지 약 30 gmm2의 관성 모멘트를 가질 수 있다. 몇몇 경우, 제1 및 제2 단부 캡(50, 52) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 각각 약 10 gmm2 내지 약 15 gmm2의 관성 모멘트를 가질 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 단부 캡(50, 52)은 약 10 gmm2 내지 15 gmm2의 조합된 관성 모멘트, 보다 구체적으로는 약 20 mmg2 내지 약 30 gmm2의 조합된 관성 모멘트를 가질 수 있다.
도 11에 예시한 압전 관성 구동 모터 실시예(26)를 다시 참고하면, 관성 구동 모터(26)는 제1 접촉면(78)을 포함하는 제1 지지 요소(126)와 제2 접촉면(80)을 포함하는 제2 지지 요소(128)를 포함하는 액추에이터 프레임(124)을 포함한다. 제2 접촉면(80)은 제1 접촉면(78)에 대해 이격되고 대향 또는 실질적으로 대향 관계로 배치된다. 바이어스 스프링 클립(130)이 제1 지지 요소(126) 및 제2 지지 요소(128)의 횡방향 홈(131)과 맞물리며, 제2 접촉면(80)으로부터 멀어지는 제1 접촉면(78)의 수직방향 변위를 저지하는 탄성 복원력을 제공하도록 구성된다. 압전 요소 공동(132)(도 12, 도 13 및 도 15 참고)가 액추에이터 프레임(124)의 제1 장착면(134)과 액추에이터 프레임의 제2 장착면(136) 사이에 배치되고, 압전 요소(138)를 수용하도록 크기가 정해진다. 압전 요소(138)는, 압전 요소(138)의 제1 단부가 제1 장착면(134)에 고정되고 압전 요소(138)의 제2 단부가 제2 장착면(136)에 고정되도록 압전 요소 공동(132) 내에 배치된다. 압전 요소(138)는 제어기(24)로부터 배선 하니스(22)를 통해 압전 요소(138)로 전달되는 전기 구동 신호에 응답하여 팽창 및 수축하도록 구성될 수 있으므로, 압전 요소(138)의 팽창 또는 수축이 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 간의 각각의 거의 평행한 왕복동 변위를 유발한다. 이러한 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 간의 왕복동 상대 변위는 관성 구동 수단에 의해 나사형 구동 샤프트(54)의 회전을 유발한다. 이러한 맥락에서 “실질적으로 평행한 왕복동 변위”라는 구절의 사용은, 제1 및 제2 접촉면(78, 80) 각각이 나사형 구동 샤프트(54)와 여전히 접촉하면서, 제1 및 제2 접촉면(78, 80)이 서로에 대해 전후방으로 이동한다는 것을 의미한다. 접촉면(78,80)들은 반드시 서로 완전히 평행할 필요는 없을 수 있으며, 이에 따라 완전히 평행한 왕복동 상대 변위가 이루어질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예의 경우, 접촉면(78, 80)은 약 10도 이내로 서로 평행해야만 한다.
몇몇 경우, 액추에이터 프레임(124)의 제1 및 제2 지지 요소(126, 128)는 몇몇 경우에 고강도 탄성재의 단일 부재로부터 절단되거나 다른 방식으로 형성된 단일 프레임 부재로 형성될 수 있다. 상기한 액추에이터 프레임(124) 또는 임의의 다른 적절한 프레임 부재는 제1 지지 요소(126)와 제2 지지 요소(128) 사이에 배치되고 커플링되는 재료 단면이 감소된 하나 이상의 힌지 섹션(140)을 포함할 수 있다. 그러한 힌지 섹션(140)은, 힌지 섹션(140)에서의 액추에이터 프레임 재료의 탄성 변형에 의해 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 간의 상대 왕복동 평행 변위를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 감소된 재료 단면은 힌지 섹션(140)에 바로 인접한 액추에이터 프레임(124)의 단면에 비해 감소된다. 몇몇 경우, 인접한 공칭 액추에이터 프레임 재료 단면에 대한 힌지 섹션(140)의 재료 단면 감소는 약 1 % 단면 감소 내지 약 30 % 단면 감소, 보다 구체적으로는 약 5 % 단면 감소 내지 약 25 % 단면 감소일 수 있다.
몇몇 경우, 압전 요소(138)는 압전 결정으로서 구성된다. 압전 요소(138)는 직사각형, 정사각형, 원통형 등과 같은 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 몇몇 경우, 압전 요소(138)는 약 1 mm 내지 약 20 mm, 보다 구체적으로는 약 4 mm 내지 6 mm의 축방향 길이를 가질 수 있다. 더욱이, 압전 요소(138)는 약 1 mm 내지 약 5 mm, 보다 구체적으로는 약 2mm 내지 4 mm의 횡방향 치수를 가질 수 있다. 도 13 내지 도 15에 도시한 압전 요소(138)는 액추에이터 프레임의 압전 요소 공동(132)에 있는 액추에이터 프레임(124) 내에 배치된다. 제1 장착면과 제2 장착면 사이의 공간은 몇몇 경우에 압전 요소 공동(132)을 형성하는 역할을 할 수 있다. 압전 요소(138)는 임의의 적절한 압전 재료로 제작될 수 있다. 예컨대, 압전 요소(138)는 석영, 베를리나이트, 토르말린, 바륨 티타네이트, 리튬 탄탈레이트 또는 임의의 다른 적절한 압전 재료로 제작될 수 있다.
베이스(28)에 대한 스테이지(20)의 이동 중에, 제어기(24)에 의해 압전 요소(138)로 전송되는 전기 구동 신호의 구성은, 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 주어진 구동 사이클 동안에 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)와 상호작용하는 범위를 결정할 수 있다. 제1 구동 사이클은, 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80) 간의 상대 왕복동 동작 중에 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)를 제1 각도 방향으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 제1 구동 사이클은, 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 조정식 광학 장착부의 나사형 구동 샤프트(54)와 맞물려 이 구동 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키도록 구성되는 제2 전기 구동 신호를 포함할 수 있다. 제1 구동 사이클은 또한, 제1 접촉면(78) 및 제2 접촉면(80)이 나사형 구동 샤프트(54)의 관성으로 인해 움직임이 없거나 거의 움직임이 없는 상태로 유지되는 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)와, 단부 캡(50, 52)과 같이 나사형 구동 샤프트에 고정된 관련 구조 위에서 슬립하도록 구성되는 제2 전기 구동 신호를 포함할 수 있으며, 제2 전기 구동 신호는 접촉면(78, 80)에 의해 나사형 구동 샤프트(54)에 인가되는 회전력보다 크다. 본문에서 “실질적으로 움직임이 없는”이라는 구절의 사용은, 접촉면(78, 80)들이 나사형 샤프트(54)와 접촉하면서 서로 상대적인 왕복동 동작으로 이동하기 때문에 나사형 샤프트가 거의 틀림없이 약간 움직인다는 것을 나타낸다. 그러나, 나사형 샤프트(54)가 실질적으로 움직임이 없는 상태로 유지된다는 것은 나사형 샤프트(54)의 이동이 접촉면(78, 80)들의 움직임보다 훨씬 덜하다는 것을 의미한다. 몇몇 경우, 나사형 샤프트(54)의 그러한 우연한 움직임은 접촉면(78, 80)들의 움직임의 약 30 % 미만일 수 있다.
제2 구동 사이클은 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 샤프트(54)를 제2 각도 방향으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 제2 구동 사이클은, 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 움직임이 없는 상태로 유지되는 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54) 위에서 슬립하도록 구성되는 제1 전기 구동 신호를 포함할 수 있다. 제2 구동 사이클은 또한, 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)와 맞물려 이 구동 샤프트를 제2 각도 방향으로 회전시키도록 구성되는 제2 전기 구동 신호를 포함할 수 있다.
제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)와 적절하게 그리고 제어 가능하게 맞물려, 구동 샤프트를 회전시키게 하기 위해, 전기 구동 신호는, 최대 또는 최소의 각각의 인가 전압에 도달할 때까지 인가 전압을 천천히 증가 또는 감소시키도록 구성될 수 있다. 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)의 비교적 느린 왕복동 동작은 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)의 관성력을 극복하는 바이어스 스프링 클립(130)에 의해 인가되는 복원력을 초래하고, 이에 의해 나사형 구동 샤프트(54)가 후속 회전되도록 하는 제1 접촉면(78) 및 제2 접촉면(80)과 조정식 광학 장착부(10)의 나사형 샤프트 간의 맞물림이 이루어진다.
제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)이 콤팩트형 조정식 장착부(10)의 나사형 구동 샤프트(54)에 있는 피동부(74)의 외면(76) 위에서 슬립하게 하기 위해, 전기 구동 신호는, 인가 전압의 크기를 신속히 증가 또는 감소시키도록 구성될 수 있다. 제1 접촉면(78)과 제2 접촉면(80)의 비교적 신속한 왕복동 동작은, 바이어스 스프링 클립(130)에 의해 인가되는 복원력을 극복하는 나사형 구동 샤프트의 관성력을 초래하도록 구성될 수 있다. 이것은 제1 접촉면(78) 및 제2 접촉면(80)과 나사형 구동 샤프트(54) 간의 슬립을 유발하여, 나사형 구동 샤프트(54)가 후속하여 고정 상태를 유지하게 한다. 여기에서 설명되는 압전 구동 모터(26)의 임의의 실시예의 작동은, 2003년 5월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 “측정 시스템을 지닌 폐쇄 루프 무버 조립체(Closed Loop Mover Assembly with Measurement System)”인 Zeigler 등에게 허여된 미국 특허 제6,911,763호 - 참조에 의해 전체 내용이 여기에 포함됨 - 에 설명된 것과 같은 관성 피동 시스템으로서 작동하도록 구성될 수 있다. 전술하고 예시한 관성 구동 모터(26)는 압전 관성 구동 모터(26)이지만, 여기에서 고려되는 콤팩트형 조정식 장착부 실시예를 위해 임의의 적절한 관성 타입 구동 모터가 사용될 수 있다. 예컨대, 마그네토-제한 타입 관성 구동 모터가 사용될 수 있다.
여기에서 설명하는 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 시스템에서 사용될 수 있다. 폐쇄형 루프 시스템 실시예의 경우, 콤팩트형 조정식 장착부(10) 상에 위치 측정 시스템을 포함하는 것이 유용할 수 있다. 몇몇 경우, 콤팩트형 조정식 장착부(10)는 베이스(28)와 스테이지(20) 사이에 작동 가능하게 커플링되는 선형 엔코더(143)를 포함할 수 있다. 그러한 선형 엔코더(143)는 베이스(28)와 스테이지(20) 간의 상대 변위를 측정하도록 구성될 수 있다. 폐쇄 루프 시스템에서 사용하기 위한 선형 엔코더(143)를 포함하는 몇몇 장착부 실시예의 경우, 선형 엔코더(143)의 엔코더 스트립(144)은 (도 3에 도시한 바와 같이) 스테이지(20)에 고정될 수 있고, 선형 엔코더(143)의 리더(146)는 (도 2에 도시한 바와 같이) 작동 중에 엔코더 스트립(144)을 판독할 수 있는 위치에서 엔코더 스트립(144)에 인접하게 베이스(28)에 고정될 수 있다. 몇몇 경우, 선형 엔코더(143)는 도면에 도시한 바와 같은 광학 선형 엔코더와 같은 광학 선형 엔코더를 포함할 수 있다. 선형 엔코더(143)를 사용하는 콤팩트형 조정식 장착부 실시예(10)의 경우, 엔코더 리더(146)가 와이어 하니스(22)나 다른 적절한 신호 전송 도관을 통해 제어기(24)와 작동적으로 통신하게 하는 것도 또한 유용할 수 있다. 제어기(24)는 선형 엔코더(143)로부터의 위치 신호를 처리하고 압전 구동 모터(26)에 대한 적절한 구동 신호를 생성하도록 구성된 프로세서(148)를 포함할 수 있다. 선형 타입 엔코더(143)가 도시되어 있지만, 회전식 엔코더, 간섭계 등을 포함하는, 베이스나 다른 적절한 구조에 대한 스테이지의 상대 위치를 측정하는 다른 적절한 수단이 사용될 수도 있다.
상기 상세한 설명에 관하여, 여기에서 사용되는 유사한 참조부호는 동일하거나 유사한 치수, 재료 및 구성을 가질 수 있는 유사한 요소들을 지칭할 수 있다. 특정 양태의 실시예를 예시하고 설명하였지만, 설명한 실시예의 사상과 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 상세한 설명에 의해 제한되지 않는다.
여기에 인용되는 각각의 특허, 특허 출원 및 공보 전부는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 상기 특히, 특허 출원, 공보 및 문헌의 인용은 이들 중 어느 것도 관련 선행 기술임을 인정하는 것도 아니고, 이들 문서의 내용이나 날짜에 대한 승인을 구성하는 것도 아니다.
기술의 기본 양태로부터 벗어나는 일 없이 전술한 실시예에 대한 수정이 이루어질 수 있다. 기술은 하나 이상의 특정 실시예를 참고하여 상당히 상세하게 기술되었지만, 본 출원서에 특별히 개시된 실시예에 대한 변형이 이루어질 수 있으며, 이러한 수정 및 개선은 기술의 범위 및 사상에 속한다. 여기에 예시적으로 기재된 기술은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소(들) 없이도 적설히 실시될 수 있다. 이에 따라, 예컨대 여기에서 “포함하는”, “주로 …으로 구성되는” 및 “…으로 구성되는”이라는 구문은 다른 2개의 구문 중 어느 하나로 대체될 수 있다. 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로서 사용되는 것이지 제한하는 것은 아니며, 이러한 용어 및 표현의 사용은 도시되고 설명된 피쳐(feature) 또는 그 일부의 등가물을 배제하지 않으며, 기술의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 단수 형태의 용어는, 문맥상 하나의 요소 또는 1개보다 많은 요소를 설명하는 것이 분명하지 않으면 하나의 요소 또는 복수의 요소(예컨대, “시약”은 하나 이상의 시약을 의미할 수 있음)를 지칭할 수 있다. 대표적인 실시예와 선택적 피쳐로 본 기술을 구체적으로 개시하였지만, 여기에 개시된 개념의 수정 및 변형이 이루어질 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 본 기술의 범위 내에 속하는 것으로 고려될 수 있다.
본 기술의 특정 실시예는 후속하는 청구범위에 기술된다.

Claims (28)

  1. 콤팩트형 조정식 장착부로서,
    바닥부 상에 장착면을 포함하는 베이스;
    하나의 선형 자유도를 제외한 모든 자유도에서 베이스에 대해 실질적으로 고정되고, 이에 따라 베이스에 대한 예정된 거리에 걸쳐 선형 자유도로 병진 이동하며, 상부에 장착면을 포함하는 스테이지;
    종축, 적어도 하나의 나사홈이 종축을 중심으로 동심으로 배치된 나사형 외면을 갖는 나사형 길이부 및 외면을 갖는 피동부를 포함하는 긴 나사형 구동 샤프트로서, 베이스에 대해 종축을 따라 축방향으로 고정되고, 베이스의 외주부 내에 배치되며, 베이스에 대해 종축을 가로지르는 방향으로 고정되며, 베이스에 대해 종축을 중심으로 회전 가능한 긴 나사형 구동 샤프트;
    스테이지에 고정되며, 나사형 구동 샤프트 주위에 배치되고 내부에 나사형 구동 샤프트의 나사형 외면의 나사홈에 맞물리도록 구성된 맞물림 구조를 포함하는 보어를 포함하는 너트로서, 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전이 너트의 맞물림 구조에 대한 나사홈의 회전과, 베이스에 대한 너트와 스테이지의 종축을 따른 축방향 이동을 유발하도록, 나사형 구동 샤프트의 종축을 중심으로 한 회전 방향으로의 너트의 회전을 방지하는 구성으로 스테이지에 고정되는 너트;
    제1 접촉면 및 제2 접촉면을 포함하고 베이스 내에 배치되는 관성 구동 모터로서, 제2 접촉면은 제1 접촉면에 대해 이격되고 대향 관계로 배치되고, 제1 및 제2 접촉면은, 관성 구동 모터의 활성화가 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전 동작을 유발하는 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 왕복동 동작을 부여하도록 나사형 구동 샤프트의 피동부와 작동 가능하게 맞물리는 것인 관성 구동 모터; 및
    나사형 구동 샤프트의 단부에 고정 관계로 고정되는 적어도 하나의 단부 캡으로서, 베이스의 외주부 내에 배치되고, 고밀도 재료를 포함하며, 관성 구동 모터의 효율적인 작동에 충분한 관성 모멘트를 포함하는 적어도 하나의 단부 캡
    을 포함하는 콤팩트형 조정식 장착부.
  2. 제1항에 있어서, 베이스와 스테이지 사이에 작동 가능하게 배치되는 적어도 하나의 선형 베어링 조립체를 더 포함하는 콤팩트형 조정식 장착부.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 선형 베어링 조립체는 베이스와 스테이지의 각각의 베어링 레이스(bearing race) 사이에 배치되는 선형 볼 베어링 조립체 쌍을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  4. 제1항에 있어서, 너트의 맞물림 구조는, 나사형 구동 샤프트의 나사형 외면에 정확히 맞물리도록 크기가 정해진 너트의 나사형 내부 보어를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  5. 제1항에 있어서, 나사형 구동 샤프트에 있는 나사형 길이부의 나사형 외면은 나사형 외면의 윤활성과 내구성을 향상시키는 질화물 피복을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  6. 제1항에 있어서, 관성 구동 모터는 압전 구동 모터를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  7. 제1항에 있어서, 나사형 구동 샤프트의 피동부는 그 외면에 배치되는 둘레 홈을 포함하고, 관성 구동 모터의 제1 및 제2 접촉면은 피동부의 둘레 홈에 맞물리도록 구성된 홈을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 단부 캡은 스테인리스강의 밀도 이상의 밀도를 갖는 고밀도 재료를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 단부 캡은 텅스텐의 밀도 이상의 밀도를 갖는 재료를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  10. 제9항에 있어서, 적어도 하나의 단부 캡은 텅스텐을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  11. 제1항에 있어서, 나사형 구동 샤프트의 제1 단부에 고정되는 제1 디스크 형상 단부 캡과, 나사형 구동 샤프트의 제2 단부에 고정되는 제2 디스크 형상 단부 캡을 포함하며, 각각의 단부 캡은 베이스의 외측 측방 둘레 내에 배치되고, 각각의 단부 캡은 텅스텐 밀도 이상의 밀도를 갖는 재료를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  12. 제11항에 있어서, 단부 캡은 약 10 gmm2 내지 약 15 gmm2의 조합된 관성 모멘트를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  13. 제11항에 있어서, 단부 캡은 약 20 gmm2 내지 약 30 gmm2의 조합된 관성 모멘트를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  14. 제1항에 있어서, 스테이지는 베이스의 바닥면으로부터 스테이지의 장착면까지 약 0.3 인치 내지 약 1 인치의 높이를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  15. 제1항에 있어서, 스테이지는 병진 이동 방향을 따라 그리고 스테이지가 베이스와 정렬되는 약 0.75 인치 내지 약 4 인치의 횡방향 외부 치수를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  16. 제15항에 있어서, 스테이지는 병진 이동 방향을 따라 그리고 스테이지가 베이스와 정렬되는 약 1.5 인치 내지 약 3 인치의 횡방향 외부 치수를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  17. 제1항에 있어서, 베이스와 스테이지는 알루미늄을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  18. 제1항에 있어서, 나사형 구동 샤프트는 스테인리스강을 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  19. 제1항에 있어서, 선형 구동 모터는, 피동부의 외면에 대한 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 왕복동 동작을 허용하도록 그리고 베이스에 대한 제1 및 제2 접촉면 둘레에서의 관성 구동 모터의 회전을 방지하도록 베이스에 고정되는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  20. 제6항에 있어서, 관성 구동 모터는 압전 관성 구동 모터를 포함하고, 압전 관성 구동 모터는
    액추에이터 프레임으로서,
    제1 접촉면을 포함하는 제1 지지 요소,
    제1 접촉면에 대해 이격되고 실질적으로 대향 관계로 배치되는 제2 접촉면을 포함하는 제2 지지 요소,
    제1 지지 요소 및 제2 지지 요소와 맞물리며, 제2 접촉면으로부터 멀어지는 제1 접촉면의 수직 변위에 저항하는 탄성 복원력을 제공하도록 구성되는 바이어스 스프링 클립, 및
    액추에이터 프레임의 제1 장착면과 액추에이터 프레임의 제2 장착면 사이에 배치되는 압전 요소 공동
    를 포함하는 액추에이터 프레임; 및
    압전 요소 공동 내에 배치되는 압전 요소로서, 제1 장착면에 고정되는 제1 단부를 갖고, 제2 장착면에 고정되는 제2 단부를 가지며, 압전 요소에 전송되는 전기 구동 신호에 응답하여 팽창 및 수축하도록 구성되고, 압전 요소의 팽창 또는 수축이 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 각각의 실질적으로 평행한 왕복동 변위를 유발하도록 구성되는 것인 압전 요소
    를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  21. 제20항에 있어서, 액추에이터 프레임은 제1 지지 요소와 제2 지지 요소 사이에 배치되고 커플링되는, 재료 단면이 감소된 힌지 섹션을 더 포함하고, 힌지 섹션은 힌지 섹션에서의 액추에이터 프레임 재료의 탄성 변형에 의해 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 상대 왕복동 평행 변위를 허용하도록 구성되는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  22. 제6항에 있어서, 압전 구동 모터의 제1 접촉면과 제2 접촉면 사이의 공칭 횡방향 거리는 약 2 mm 내지 약 5 mm인 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  23. 제1항에 있어서, 베이스와 스테이지 사이에 작동 가능하게 커플링되고, 베이스와 스테이지 간의 상대 변위를 측정하도록 구성된 선형 엔코더를 더 포함하는 콤팩트형 조정식 장착부.
  24. 제23항에 있어서, 선형 엔코더의 엔코더 스트립이 스테이지에 고정되고, 선형 엔코더의 리더가, 작동 중에 엔코더 스트립을 판독할 수 있는 위치에서 엔코더 스트립에 인접하게 베이스에 고정되는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  25. 제23항에 있어서, 선형 엔코더는 광학 선형 엔코더를 포함하는 것인 콤팩트형 조정식 장착부.
  26. 콤팩트형 조정식 장착부로서,
    베이스;
    선형 자유도로만 병진 이동하도록 단일 선형 자유도를 제외한 모든 자유도에 있어서는 베이스에 대해 고정된 스테이지;
    종축, 적어도 하나의 나사홈이 종축을 중심으로 동심으로 배치된 나사형 외면을 갖는 나사형 길이부 및 외면을 갖는 피동부를 포함하는 긴 나사형 구동 샤프트로서, 베이스에 대해 종축을 따라 축방향으로 고정되고, 베이스의 외주부 내에 배치되며, 베이스에 대해 종축을 가로지르는 방향으로 고정되고, 베이스에 대해 종축을 중심으로 회전 가능한 긴 나사형 구동 샤프트;
    스테이지에 고정된 너트로서, 나사형 구동 샤프트 주위에 배치되고, 내부에 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전이 베이스에 대해 종축을 따른 너트와 스테이지의 축방향 이동을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 나사형 외면의 나사홈과 맞물리도록 구성된 맞물림 구조를 포함하는 보어를 포함하는 너트;
    베이스 내에 배치되는 관성 구동 모터로서, 관성 구동 모터의 활성화가 적어도 하나의 접촉면의 왕복동 동작을 부여하여 베이스에 대한 나사형 구동 샤프트의 회전 동작을 유발하도록 나사형 구동 샤프트의 피동부와 작동 가능하게 맞물리는 적어도 하나의 접촉면을 포함하는 관성 구동 모터; 및
    나사형 구동 샤프트에 고정 관계로 고정되는 적어도 하나의 단부 캡으로서, 베이스의 외주부 내에 배치되고, 관성 구동 모터의 효율적인 작동에 충분한 관성 모멘트를 포함하는 적어도 하나의 단부 캡
    을 포함하는 콤팩트형 조정식 장착부.
  27. 압전 관성 구동 모터로서,
    액추에이터 프레임으로서,
    제1 접촉면을 포함하는 제1 지지 요소,
    제1 접촉면에 대해 이격되고 실질적으로 대향 관계로 배치되는 제2 접촉면을 포함하는 제2 지지 요소,
    제1 지지 요소 및 제2 지지 요소와 맞물리며, 제2 접촉면으로부터 멀어지는 제1 접촉면의 수직 변위에 저항하는 탄성 복원력을 제공하도록 구성되는 바이어스 스프링 클립, 및
    액추에이터 프레임의 제1 장착면과 액추에이터 프레임의 제2 장착면 사이에 배치되는 압전 요소 공동
    를 포함하는 액추에이터 프레임; 및
    압전 요소 공동 내에 배치되는 압전 요소로서, 제1 장착면에 고정되는 제1 단부를 갖고, 제2 장착면에 고정되는 제2 단부를 가지며, 압전 요소에 전송되는 전기 구동 신호에 응답하여 팽창 및 수축하도록 구성되고, 압전 요소의 팽창 또는 수축이 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 각각의 실질적으로 평행한 왕복동 변위를 유발하도록 구성되는 것인 압전 요소
    를 포함하는 압전 관성 구동 모터.
  28. 제27항에 있어서, 액추에이터 프레임은 제1 지지 요소와 제2 지지 요소 사이에 배치되고 커플링되는, 재료 단면이 감소된 힌지 섹션을 더 포함하고, 힌지 섹션은 힌지 섹션에서의 액추에이터 프레임 재료의 탄성 변형에 의해 제1 접촉면과 제2 접촉면 간의 상대 왕복동 평행 변위를 허용하도록 구성되는 것인 압전 관성 구동 모터.
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