KR940000689B1 - 압전 구동기 및 그의 구동방법과 이를 이용한 전기모우터 - Google Patents

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왈터 컬프 고든
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로크웰 인터내쇼날 코포레이션
해리 비. 피일드
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Abstract

내용 없음.

Description

압전 구동기 및 그의 구동방법과 이를 이용한 전기모우터
제1a도는 휴지상태에 있는 압전소자의 분극, 전극 및 크기에 관한 설명도.
제1b도는 제1a도의 압전소자에 인가된 전위, 합성전기장 및 전단 각 변형과 스트로크에 관한 설명도.
제2a도는 본 발명에 따라 동일기능의 압전소자를 기능적으로 결합하여 구성한 이층체의 휴지상태를 보인 단면도.
제2b도는 제2a도의 이층제의 전극, 인가된 전위, 합성전기장, 전단변형과 스트로크에 관한 설명도.
제3도는 물체의 위치를 선정하는 적층압전소자 구동기를 보인 단면도.
제4도는 감지부가 포함된 제3도의 구동기를 보인 단면도.
제5a도는 휴지상태에 있는 리프트(lifter)용 이층체의 조립체의 분극, 전극과 전기접속을 보인 단면도.
제5b도는 정 전위가 인가된 제5a도 조립체의 병진운동을 보인 단면도.
제5c도는 부 전위가 인가된 제5a도 조립체의 병진운동을 보인 단면도.
제6a도는 휴지상태에 있는 리프터용 이층체의 두께방향 분극을 보인 단면도.
제6b도는 부 전위가 안기된 제6a도 리프터의 스트로크를 보인 단면도.
제7a도는 휴지상태에 있는 신장 리프터의 분극과 전극을 보인 단면도.
제7b도는 부 전위가 인가된 제7a도 리프터의 스트로크를 보인 단면도.
제8도는 로트(rod)형 물체의 위치를 선정하는 압전 전단 구동기들의 그룹을 보인 사시도.
제9도는 디스크(disk)형 물체의 위치를 선정하는 압전 구동기들의 그룹을 보인 사시도.
제10도는 원추(cone)형 물체의 위치를 선정하는 압전 구동기들의 그룹을 보인 사시도.
제11도는 구형 물체의 위치를 선정하는 압전 구동기들의 그룹을 보인 사시도.
제12도는 판형 물체의 위치를 선정하는 압전 구동기들의 그룹을 보인 사시도.
제13도는 전기 모우터의 압전구동기들과 축의 위치선정을 보인 사시도.
제14도는 압전구동기들이 부착된 물체의 위치 선정을 보인 사시도.
제15도는 일정한 속도의 원활한 위치선정을 위해 부(negutive)피드백을 적용한 압전 위치선정 장치를 보인 구성도.
제16도는 일정한 속도의 원활한 축의 위치선정을 위한 압전모우터 구동기들의 타이밍을 보인 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 블럭(단위체) 20 : 이층체
30 : 압전 전단 구동기 32 : 적층제(압전 전단 동체)
34 : 지지수단 36 : 크라운(마찰면부)
38 : 가동물체 42 : 마찰면
본 발명은 제어가능한 압전 전단 구동장치(piezoelectric shear actuating device)에 관한 것으로 특히 물체에 견인력 (traction forces)과 해제력(release forces)을 가하여 물체가 운동하도록 하는 장치에 관한 것이다.
물체의 구동을 위해 압전 조립체들을 조합한 몇가지의 장치가 알려져 있다. 문헌[Rev. Sci. Instrum. 58(1) (1987.1)]에는 압전소자의 톱니형 (sawtooth-like)의 주기적인 가속과 병진운동 단계의 관성(inertia)에 의해 운동이 이루어지는 다이나믹 압전 병진운동 장치가 상세히 기술되어 있다.
인치웜 구동기(inchworm actuator)(미합중국 특허 제3,902,084호 및 제3,902,085호)로 알려져 있는 압전 선형 구동기를 조합한 다른 장치는 신장형 압전 관상소자(piezolectric tubular elemet)로 구성되어 있는데, 이것은 관상 소자의 단부가 동일축상의 로드 (rod)를 교대로 파지하고 해제하며 관상소자 중앙부가 시기 적절하게 신장과 수축하여 로드를 병진운동시킨다. 특히, 인치웜 구동기는 로드형 물체를 주기적으로 해제, 신장, 파지(gripping), 해제, 수축, 파지하여 물체의 위치선정이 이루어지므로써 로드형 물체가 한 축을 따라 이동한다. 그러나 하나의 신장부(extrending portion)와 두개의 파지부(gripping protion)의 사용으로는 로드형 물체를 일정한 속도로 이동시킬 수 없다.
이때 파지부에는 두께 압전 변형이 사용되고 신장과 수축부(contracting portion)에 신장 압전 변형이 사용된다. 싸이클(cycle)의 해제부분에서는 파지력이 제로(0)로 감소된다. 주기적인 파지와 해제가 축적된 탄성 잠재 에너지를 운동에너지로 전환하거나 역으로 전환하는 주기적인 전환을 일으킨다. 주기적인 에너지 전환은 로드형 물체, 압전구동기, 모든 부속 구조물을 음향적 또는 동적으로 여기시킨다. 로드형 물체의 위치선정은 온도의 변화에 따라 바뀐다. 로드형 물체의 마찰은 로드형 물체의 속도가 제로(9)인 경우를 제외하고 싸이클의 각 파지부분과 해제부분의 시작과 끝에서 일어난다. 전기적 에너지의 기계적 에너지로의 전환 효율은 마찰에 의해 제한된다. 로드형 물체와 접촉하는 인치웜 구동기기의 표면의 사용수명은 마찰에 의해 제한된다. 이 인치웜 구동기의 신장부분은 각 싸이클의 수축부분 중에 인장응력(tensile stress)을 받는다. 이러한 인장응력은 이동질량, 수축력 및 주기수의 조합 범위를 제한한다. 두께 변형 압전부의 파지 스트로크는 싸이클링하는 로드형 물체에 방사상으로 작용하는 힘의 크기를 제한한다. 인치웜 구동기에 의하여 얻어지는 로드형 물체의 최종 위치는 로드형 물체가 구속되지 않으므로 압전부로부터 전하가 제거될 때 상실된다. 정상 작동중에 인치웜 구동기는 로드형 물체가 그의 축을 중심으로 회전하는 것을 막지 못한다.
미합중국 특허 제4,775,815호에 있어서, 모우터의 운동부는 한쪽 방향으로 선형 병진운동한다. 이 운동부는 기계적인 연결에 의하여 가동물체에 고정된다. 가동물체의 병진운동 범위는 기계적인 연결의 어떠한 지레의 작용(leverage)과 조합한 압전 스트로크부터 유도된 운동부의 병진운동 범위보다 작다. 압전 스트로크는 적층된(layered) 구동기 동체부(actuator body portion)의 높이가 증가함으로써 증가된다. 동체부 높이의 증가는 전기적 용량을 높힌다. 전기적 용량의 증가는 주어진 힘과 스트로크의 범위에서 병진운동 속도를 감소시키고, 다른 요소들은 일정한 채 주어진 속도와 스트로크의 범위에서 힘을 감소시킨다. 압전 동체의 높이는 동체의 온도가 변함에 따라 변한다. 병진운동 중에 압전 동체는 굽힘에 의한 인장응력과 운동부에 가해진 힘 또는 운동부에서 발견되는 힘에 의한 전단응력을 받는데, 상기 응력들은 속도, 스트로크 및 힘의 조합에 제한 힘을 가한다. 압전층들의 넓은 면은 상호 전기적으로 절연된다. 운동부와 고정기부 사이의 압전 동체의 단면은 일정하므로 가까이에 있는 질량도 역시 병진운동된다. 즉, 상기 질량의 관성 반작용 응력은 가동물체와 부속 기계적 연결에 의해 가해진 힘에 부가하여 속도, 스트로크와 함의 조합 범위를 제한한다.
이들 압전구동기들은, 예를들어, 병진운동을 처음 일으키는 경우에 있어서 장치내의 정지 마찰한계를 극복하기 위하여 압전튜브에 톱니형(sawtooth) 전기 파형이 반드시 가해져서 플레트폼의 관성 슬라이딩의 원리가 나타나야 하는 점에서 본 발명과 쉽게 구별된다. 인치웜 구동기 조립체 경우 병진운동은 파지와 해제에 의해 단속적(intermittent)이고, 파지력은 매 단계마다 두번씩 풀려진다.
이후 더욱 상세히 설명되는 바와같이, 본 발명의 압전 전단 장치 또는 구동기는 원활하고 연속적인 병진운동을 제공하고, 축방향 부하가 압전 압축을 유지하며, 일정한 수직력이 상기 언급된 압전장치들에서 당면한 진동간섭을 없앤다.
즉, 본 발명의 목적은 정밀한 위치 선정기와 구동기(actuator)로서 광범위하게 적용되는 압전 구동기(piezoelectric actuator)를 제공하는데 있다.
다른 목적은 압전 구동기에 의해 제공된 견인 및 해제의 조합된 실행을 통하여 물체에 힘을 가하거나 운동을 일으키는 압전 구동기를 이용하는데 있다.
또 다른 목적은 압전 구동기가 구동력으로서 작용할 뿐만 아니라 베어링, 연결구(linkages), 지지물(support structures)등 공지의 기계 부품을 대체할 수 있는 압전 구동기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적, 잇점과 본 발명의 새로운 점은 첨부도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 보면 명확하게 이해될 것이다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도면중, 특히 제1a도와 제1b도에서는 압전물질의 블록(block :10)이 개시되어 있는데, 분극 P의 방향이 전극(12), (14)의 평면에 평행하게 놓여져 있다. 이때 전극(12)을 제로전위, 즉 접지전위로 유지하면서 전극(14)에 포지티브 전위 V1를 인가하면 분극 P에 수직하는 전기장 E가 형성된다. 이때 전기장 E에 평행하고 분극 P에 수직인 모든 절단평면은 벡타 P와 E를 포함하는 평면에 수직인 축을 중심으로 한 정 각 변형(positive angular deformation), 즉 전단(shear:θ)을 받게 된다. 한편, 반대극성의 전위가 인가되면 반대방향의 전단을 받게 된다.
전단각은 θ=d15E로 주어지는데, 여기서 d15는 압전전단 계수이고 구조(geometry)와는 관계가 없다. 전기장은 E=V1/H로 나타내며 H는 블럭(10)의 높이이고 구조와 관련있다. 전단변형을 보다 유용하게 표현하면, 전단변형이란 전극(12)이 정지상태로 유지된다고 할 때, 전극(14)로 포지티브 전위 V1를 인가하면 전극(14)의 표면이 화살표(16)로 보인 방향으로 전극(12)와 평행하게 대략 배로 주어진 스트로크 δ만큼 이동하는 것을 말한다. V1의 양극(Bipolar)값은 2δ의 스트로크를 가능하게 한다. 전단 스트로크 는 본 발명의 개시에 매우 중요한 것이다.
d15의 값은 전형적으로 300∼700pm/vo1t이나 10∼20배 이상 높을 수 있다. 실제로 현재 θ의 값은 2밀리 레디안까지 사용되고 있으나 50밀리레디안도 가능하다. 통상 전단 계수는 주어진 압전소자의 다른 모든 분극 모우드 보다 높기 때문에 이것에 의해 최대 변형이 주어진다.
크기 (H,W 및 Y)는 전단 변형 상태에 변형 상태에 관계없이 일정하게 유지된다. 압전 분극 상태는 V1이 양극성(bipolar)일 때 당전도성 물질에서 변되지 않고 분극 유지되나 E의 유용한 값이 P에 평행하지 않을때 분극의 모든 다른 모우드는 강전도성 물질에서 P의 감소, 파괴 또는 심지어 역전을 초래한다. 그러므로 양극성 전기 구동은 보다 큰 전달계수에 의한 증가에 더하여 단극성(monoplar)의 제한돈 분극보다 두배의 유용한 변형을 제공한다.
제2a도와 제2b도는 소위 이층체(dimorph)로 불리는 본 발명의 적층 블럭을 보인 것이다. 제2b도의 구조는 중앙전극(16)에 전위 V1이 인가되어 전극(22),(24)에 대하여 압전부(26)에 전기장 E이 형성되는 이층체(20)의 단면을 보인 것이다. 분극벡터 P는 전극(16)의 양측에서 반향이 다르므로(비평형 분극이므로) 전단 변형 각들(φ)이 동일 방향으로 발생하여 전단 변형을(δ)이 합하여 진다.
이층체는 중앙 전극이 비평행 분극을 형성하기 때문에 주어진 구조와 전기장에서 중앙전극을 사용하지 않는 경우보다 1/2의 전위를 요구한다.
전극(22)와 (24)는 이들 사이의 전위 상태에 관계없이, 그리고 이층체가 부착되는 다른 연결 부재의 전위 상태에 관계없이 그들의 접지전극에 두개 이상의 이층체를 결합하기 위해 접지전위 상태로 유지된다.
접지전극으로 결합된 이층체들은 이층체의 쌍 사이에 단하나의 전도평면만을 필요로 한다. 이층체들 사이에 전기적 절연은 필요치 않다. 이층체들은 융접(fusion bond)될 수 있으며 선택된 제조방법의 형태에 따라 다층의 단일(monolithic) 구조체들로서 제조될 수도 있다.
변형각 φ은 전기장과 압전물질이 적합한 경우 제1b도의 φ와 동일할 것이다 전극(24)이 고정적일 때 전극(22)은 2δ의 스트로크만큼 화살표(28)의 방향으로 병진운동한다. n이층체의 적층체(여기에서 n은 적어도 2이다)의 스트로크는 인가된 전위가 양극성일 때 ±2nδ의 스트로크를 제공한다.
제3도는 지지수단(34)에 부착된 이층체의 적층체(32)로 구성된 독특한 압전 전단 구동기 또는 장치(30)를 보인 것이다. 적층체(32)의 정상부에 고정된 것은 마찰면부(36)이다. 마찰면부(36)는 이후부터 “크라운”(crown)이라고 한다. 이 크라운은 외부로부터 가해지는 수직력 Fn에 의해 위치 선정 물체(38)의 외부 마찰면부와 접촉되어 있다. 도시되지 않은 도선을 통하여 적층제(32)에 전위를 인가함으로써 크라운(36)은 화살표(40) 방향으로 병진운동한다.
접촉면(42)의 비-슬라이딩 마찰(non-slidiinrlg friction)은 적층체에 인가된 전위 변화에 비례하고 T에 평행하는 거리만큼 물체(38)를 병진운동 시킨다. 구동기는 인가된 양극성 전위의 범위에 해당하는 구동기의 스트로크에 비례하는 거리범위만큼 물체를 병진운동 시킨다. 구동기 스트로크의 말단에서는 비-슬라이딩 위치선정 물체의 방향이 역전되어 복귀를 시작함으로써 또 다른 병진운동이 이루어진다.
복귀는 인가된 전위의 역전에 의해 개시되는 접촉면(42)에서의 비 -슬라이딩 접촉에서 슬라이딩 접촉으로의 전이이며, 위치선정되는 물체의 운동 상태가 복귀하는 동안 변경되지 않은 채 방향 T를 유지할 수 있도록 크라운(36)이 충분히 신속하게 병진운동의 방향을 바꾸는 것이다. 접촉면(42)은 구동기 스트로크의 범위내의 어느 점까지 크라운(36)의 신속한 가속에 의해 최대 속도로 이동하고 슬라이딩이 없어지고 비-슬라이딩이 다시 생기는 새로운 위치에서 정지하도록 신속히 감속한다. 수직력 Fn은 복귀하는 동안 일정하게 유지된다. 복귀는 이후에 보다 상세히 설명될 것이다.
제4도는 지지수단(34)에 고정된 제3도의 구동기와 좌표 X,Y 및 Z를 함께 보인 것이다. 구동기 동체(32)는 크라운(36), X방향 압전 전단 감지부(50), Y방향 압전 전단 감지부(52), 수직력 압전 감지부(48), X방향과 Y방향의 병진운동 전단 압전부(44)(46)와, Z방향 병진운동 전단 압전부 또는 압축 변환부(54)로 구성된다. 압축 변환부(54)는 이후부터 “리프터”(lifter)라 칭한다. 비접촉 Y방향 위치 감지기(58)은 지지수단(34)에 대한 크라운(36)의 위치, 속도 및 가속도에 관련된 전기적 신호를 발생한다(X방향 비접촉 위치 감지기는 간명을 위해 생략되었다).
제4도의 설명으로부터 크라운(36)은 상호 직각을 이루는 3방향으로 병진운동이 가능하게 되어 있음을 알수 있다. 감지부는 리프터에 이어서 상세히 설명될 것이다. 복귀는 X방향과 Y방향으로만 적용된다.
리프터(54)의 스트로크는 수직력 Fn을 변화시킨다. 리프터 스트로크가 최대 수직력에 의한 양만름 구동기를 압축하도록 요구되는 스트로크 보다 크다면 리프터는 수직력을 생성할 것이다. 리프터는 구동기의 차등열팽창에 불구하고 수직력을 요구된 크기로 유지한다. 동일 물체에 작용하나 접촉 위치가 다른 부속 구동기들을 조합한 Z방향으로의 병진운동의 물체의 위치를 재선정한다.
정상부에 크라운이 있는 피라미드형 구동기는 구동기에 의해 가속되고 감속되는 질량을 줄이고 나아가서 구동기의 복귀 실행 시간을 줄인다.
제5a도는 휴지상태에 있는 Z방향 병진운동 압전부(54), 즉 리프터의 바람직한 실시형태의 단면을 보인 것이다. 이 리프터는 리프터 병진운동이 요구되는 방향에 평행하게 높인 접지 전극들(22)와 작용전극들(16)을 갖는 두개 이상의 교대로 이층체(20)로 구성된다. 압전전단 분극의 방향은 화살표 P로 보였다. 접지전극(22)은 이층체의 외부로 교대로 연장되고 리프터 양측의 구동기부(60)(62)에 고정된다. 전극(16)에 포지티브 전압을 인가함으로써 화살표 E로 보인 방향으로 전기장 E을 형성하여 인접한 구동기(60)에 대하여 거리+δ만큼 화살표(64)로 보인 방향(제5b도 참조)으로 구동기부(62)를 병진운동케 한다. 정(+) 부호는 적층체가 압축될 때 복귀 평면에 수직인 병진운동이 정방향으로 행하여지는 것을 보인 것이다. 제5c도에서 보인 바와같이 네가티브 전압이 인가될 때에 -δ병진이 이루어기고 구동기부(62)는 화살표(66)의 방향으로 병진운동한다. 이층체의 외측으로 연장된 전극(22)의 거리는 작용전극(16)의 변부(edge)와 인접한 구조물(60,62) 사이에 전기적인 절연이 이루어질 수 있는 충분한 거리이다.
전극(22)의 인접쌍 사이에 이층체의 수를 2배로 하면 동일한 전압을 인가하는 경우에 스트로크가 두배로 될 것이며 동일한 전기창의 세기가 형성되는 경우에는 인가전압은 반이 될 것이다.
리프터 스트로크 δ는 병진운동의 방향에서 측정한 이층체의 크기에 관계없다. 그 크기는 압전물질의 전단강도와 가해진 그리고 잔존하는 전단응력에 의해 부가된 제한에 상응하게 작게 만들 수 있다.
전단 리프터는 완전한 양극성 스트로크의 반에 일치하는 휴지 위치를 갖는다. 휴지 수직력과 휴지 스트로크는 각각 최대 작동값의 반이다. 휴지상태의 반(半) 수직력은 전력이 제거될 때에 가동물체의 위치를 유지한다. 마찬가지로 장치의 초기 구조는 리프터의 최대 정(+) 스크로크(적층체 압축)가 일어날 때 얻을 수 있는 값보다 적은 값으로 휴지상태의 내부응력을 제한한다.
제6a도는 이층체(20)가 P방향으로 분극된 휴지상태의 두께 변형 리프터의 단면을 보인 것이다. 리프터는 인접한 구동기부(60,62)에 고정되어 있다. 제6b도에서 보인 바와같이 전극(16)에 부(-) 전위를 인가할 때에 화살표(66)의 방향으로 상승이 일어나며, 상승 스트로크는 +δ이다. 이미 언급한 바와같은 이유로 인가 전위는 전기장이 분극 P의 방향과 평행하기 때문에 단일극성으로 제한된다. 압전 두게 계속 d33은 전단계수 d15보다 작으므로 동일한 구조와 전기장 세기하에서 두께 스트로크는 전단 스트로크 보다 작다. 이 리프터의 휴지상태 두께는 완전한 전위가 인가된 때보다 작다. 두께 리프터는, 최대 리프터 스트로크가 압축 예비 부하에 기인한 장치내의 구동기의 압축편차보다 큰 경우와 전력이 제거될 때 가동물체를 해제한다.
제7a도는 절연체(68)에 의하여 인접 구동기부(60)(62)로부터 전기적으로 절연된 신장변형 압전 이층체(20)로 구성된 휴지상태의 리프터의 단면을 보인 것이다. 제7b도에서는 보인 바와같이 작용전극에 네가티브 전위가 인가될 때에 이것은 화살표(64)로 보인 방향으로 구동기부(60)에 대하여 구동기부(62)의 병진운동을 시켜 신장 스트로크-δ가 일어나게 한다. 전력이 제거될 때 리프터는 최대의 이층체 압축의 상태를 유지하여 휴지상태의 리프터는 가동물체의 위치선정 제어가 유지된다. 인가전위는 두께 리프터의 경우와 같이 단극성으로 제한된다. 구조와 인가된 전기장을 유사하게 하였을 때 신장 압전계수 d31이 세개의 압전계수 중에서 가장 작은 값을 가지므로 두께 및 전단 리프터 보다 작은 스트로크를 갖는다.
전단, 두께 및 신장변형 리프터는 구동기의 사용에 적합하도록 스트로크의 크기, 스트로크의 방향 및 스트로크의 휴지상태와 인가된 수지력을 조절하여 동일한 구동기내에서 어떤 조합으로 사용될 수 있다.
구동기의 동체에서 리프터 부분의 위치는 리프터가 큰 가속도로 구동기 동체부를 병진운동시켜야 하는 경우를 제외하고는 중요하지 않으며, 리프터의 위치는 가속되어야 할 구동기의 질량을 최소화하는 위치에 리프터의 위치를 선정함으로써 가장 유리하게 성취된다.
제8도는 위치가 선정될 보형(bar-like) 물체(62)의 외면에 구동기(32)가 작용하는 실시형태를 보인 것이다. 지지수단은 간명을 위해 도시되지 않았다. 봉형 물체는 예를들어 화살표(40)로 보인 바와같은 병진운동과 제8도의 촤상단에 예시된 바와같은 X,Y,Z축을 중심으로 하는 회전에 의한 위치선정을 요구하는 기계적 부조립체일 수 있다. 이러한 위치선정은 협력하여 작용하는 세개 이상의 구동기에 의하여 이루어진다.
외부 가이드(도시되지 않음)가 있건 없건 간에 이 봉형 물체는 각 구동기(32)가 각기 다른 시간에 복귀하는 경우 항상 위치선정이 제어된다. 이미 언급된 바와같이 각 복귀는 중력과 같은 외부 작용력과 역 복귀 마찰력에 의해 봉형 물체가 충분한 거리를 이동하기 위해서 요구되는 시간보다 짧은 시간이 요구된다. 역 복귀 마찰력은 복귀하지 않은 구동기의 마찰 뿐만 아니라 봉형 물체의 관성에 의해 저지된다.
제9도는 세개 이상의 구동기(32)가 위치선정될 디스크형 물체(66)의 외부 경사면(64)에 작용하는 실시형태를 보인 것이다. 지지수단은, 간명을 위하여 도시되지 않았다. 예를들어 디스크는 상호 수직인 X,Y,Z축에 평행한 병진운동과 X, Y,Z축을 중심으로한 회전에 의한 위치선정을 요구하는 기계적 부조립체일 수 있으나 화살표(40)로 보인 한 축선을 중심으로 하여 무제한 회전이 이루어질 수 있게 된 기계적 부조립체일 수도 있다. 크라운과 디스크 변부 사이의 접촉의 이중선(double line) 접촉이다. 크라운은 디스크의 지지기능과 위치선정 기능의 모두를 제공하므로 다른 베어링이나 가이드는 필요치 않다. 하나의 구동기 안의 리프터는 차등 열팽창을 조절하고 모든 구동기들 내부의 리프터부는 서로 협력하여 디스크의 가장 넓은 면이 평행하게 위치선정되도록 작용한다. 리프터부는 원하는 변형이 이루어지도록 하고 반대방향과 디스크 변부의 적당한 위치에서 변형을 가함으로써 원치 않는 변형을 보정하도록 디스크에 가해지는 방사상 힘의 변경을 허용한다. 후자는 거울 또는 렌즈(model lens)와 같은 광학 기술에 보통 관련되어 있다. 디스크가 광학 회절격자(grating)인 경우 복귀 없는 구동자들은 수 백 헤르츠의 주파수로 두 각과 축방향으로 회전격자의 위치를 선정하는 반면에 복귀 있는 구동자들은 낮은 주파수로 위치를 선정하며, 정적인 정렬을 위해 구동기들을 회절격자를 일반적으로 클로킹(clocking)이라고 불리는 방향(40)으로 회전시킨다.
제10도는 위치선정될 원추형 물체(68)의 외면에 전단 구동기(32)가 작용하는 실시형태를 보인 것이다. 압전구동기를 지지하는 지지수단은 간명을 위하여 도시되지 않았다. 예를들어 원추형 물체는 상호 수직인 X,Y,Z축 방향에 대하여 평행한 병진운동과 X, Y,Z축을 중심으로한 회전에 의한 위치선정을 요구하는 기계적 부조립체일 수 있으나, 화살표(40) 방향으로 보인 바와같이 한 축선을 중심으로 하여 회전하는 기계적 부조립체일 수 있다. 이러한 위치선정은 구동기의 조합에 의하여 수행되며, 각 구동기는 압전 전단 변형에 의하여 이루어지는 X, Y, Z축에 평행한 병진운동을 제공한다. 크라운과 원추형 물체면 사이의 접촉은 선접촉이나 헤르치안(Hertzion) 접촉일 수 있다. 크라운은 중력과 같은 힘이 도면의 하측으로 작용할 때 원추형 물체의 지지기능 및 위치선정 기능 모두를 제공한다. 따라서 다른 베어링이나 가이드는 필요치않다. 각 구동기에서 리프터와 접선(tangenter) 압전부는 원추형 물체의 축방향 위치를 조절한다. 원추형 물체의 표면에 접선 방향으로 작용하는 접선 압전부는 원추형 물체를 회전시킨다. 크라운들과 원추형 물체의 표면과의 마찰접촉의 형태에 의하여 부여된 한계 내에서 원추형 물체는 그 대칭축에 수직인 축들을 중심으로 회전한다.
제11도는 세개 이상의 전단 구동기(32)가 위치선정될 구형물체(70)의 외면에 작용하는 실시형태를 보인 것이다. 구동기의 지지수단은 간명을 위하여 도시되지 않았다. 예를들어 이 구형 물체는 상호 수직인 X,Y,Z축 방향 대하여 평행한 병진운동과 X,Y,Z축을 중심으로한 회전에 의한 위치선정을 요구하는 기계적 부조립체일 수 있으나 화살표(40)로 보인 바와같이 이미 언급된 본래의 세축을 중심으로 한 회전에 구애받지 않는 회전을 요구하는 기계적 부조립체일 수 있다. 이러한 위치선정은 구동기의 조합에 기계적 조합에 의하여 이루어지고 각 구동기는 압전전단 변형에 의하여 X,Y,Z축 상의 병진운동이 이루어진다. 크라운과 구형 물체표면 사이의 접촉은 헤르치안 접촉으로 작은 원 또는 타원 접촉이다. 크라운은 중력과 같은 힘이 도면의 하측으로 작용할 때 구체를 지지하고 위치선정하는 모든 기능을 제공한다. 도면에서 도시되지 않은 가상적인 사면체의 정점에 위치하는 제4의 구동기는 외력과 구속없이 구형 물체를 한정한다. 다른 베어링 또는 가이드는 필요로 하지 않는다. 각 구동기 안의 리프터 압전부는 구형 물체상의 수직력을 조절한다. 접선 압전부는 세개의 수직축을 중심으로 한 구형 물체의 회전을 수행한다. 상호 수직인 세개의 축을 따른 작은 병진운동은 구동기들의 리프터와 접선 압전운동의 조합에 의해 수행된다.
제12도에서는 지지수단(34)에 대하여 화살표(40)로 보인 방향으로 위치선정될 판형 물체의 밑 표면의 평면상에 세개의 구동기(32)가 작용하는 실시예를 보인 것이나, 주로 판형 물체 평면에 있어서 위치선정은 판형 물체의 표면의 연장과 구동기 접촉기 궤적(foot print)에 의해서 제한된다. 또한 판형 물체는 판형 물체의 넓은 면에 수직인 어느 축선을 중심으로 회전할 수 있고 판형 물체의 넓은 면에 수직인 어느 축선을 중심으로 회전할 수 있고 판형 물체의 넓은 면의 연장에 의해 제한된 위치선정을 다시한다. 이 실시형태는 하나 이상의 구동기가 도면의 판형 물체의 위 표면에 부가되어 작용하면 중력이나 외부 수직력 수단 없이 작동한다. 이 장치는 도시되지 않은 판형 물체의 위치선정 탐지수단과 조합하여 집적회로 마스크 정열, 광학 현미경 표본 위치선정과 터널링(tunnelling) 전자 현미경의 표본 위치선정에 적용할 수 있다.
여러개가 일치되어 작용하는 구동기의 리프터부는 이 리프터의 스트로크와 동일한 범위에서 판형물체를 병진운동시킨다. 적당히 다른 전위를 가하여 작용시키면 리프터는 두 수직축선을 중심으로 하여 판형물체를 작은 각도로 회전시킨다. 요약컨데 위치선정은 모두 6개 방향을 이루어지며 그중에서 3개 방향의 운동이 크다.
제12도의 실시형태는 반대로 될 수 있다. 즉 판형물체(38)가 고정되는 반면에 구동기(32)와 일체로된 지지수단(34)이 이동될 수 있다.
제13도는 짝수의 압전구동기(32)가 지지수단(34)에 고정되고 측(72)을 위치선정하며 파지하는 실시형태를 보인 것이다. 직경 방향으로 마주보는 구동기가 한 쌍으로 구동되고 복귀될 때 축에 가해지는 힘은 대칭이 된다. 구동기가 전기적으로 두 그룹, 예를들어 짝수 그룹과 홀수그룹으로 연결되면 각 구동기의 스트로크 방향을 위해서 필요한 최소의 전원수는 두개가 된다.
축(72)은 구동기의 접선방향 구동운동이 일어날 때 마치 사람이 펼친 손바닥 사이에 연필을 굴리는 것과 같이 곡선 화살표(40)로 보인 방향으로 마주보는 구동기 크라운 사이에서 구르게 된다. 또한 동시적으로 일어나는 구동기 그룹의 복귀는 축의 원활한 위치선정을 수행한다. 구동기 크라운의 축방향 운동으로 축은 직선 화살표(40)로 보인 바와같이 축방향으로 병진운동한다. 리프터부는 축에 가해지는 수직력을 제어하여 차등 열팽창을 보정한다. 또한 리프터는 축의 축선을 요구한 바대로 정렬시키며, 예를들어, 요동하는 회전기기에서 비-평행상태를 보정하기 위해 축의 회전중에 축이 임의의 형상의 폐쇠 곡선을 추적하도록 한다. 크라운은 리프터에 의하여 높은 빈도로 제어하는 유체막 두께를 갖는 정수력 또는 동수력 유체 베어링일 수 있다.
제14도는 압전 구동기(32)가 위치선정될 바퀴와 같은 물체(76)의 표면(74)에 부착되고, 구동기 크라운이 지지수단(34)의 마찰면(78)에 접하며 그의 둘레를 완전히 이동하는 다른 실시형태를 보인 것이다. 예를들어, 위치가 선정될 물체는 상호수직인 X,Y,Z축 방향에 대하여 평행한 병진운동을 필요로 하거나 X,Y,Z축을 중심으로한 회전을 필요로 하는 광학소자일 수 있다. 이러한 위치선정은 서로 협력하여 작용하는 구동기들에 의하여 수행된다. 복귀에 의한 운동은 물체(76)가 광학소자인 경우에 축방향 위치를 조절하는데, 부하와 모멘트의 위치가 위치선정에 대하여 변경되지 않으므로 광학소자는 위치선정에 대하여 변경되지 아니한다.
물체의 원활한 위치선정은 제14도, 제15도 및 제16도에 관련하여 설명된 바와같이 이루어진다. 제14도의 각 구동기의 위치에서, 각 구동기는 두개 이상의 구동기 그룹으로 대체될 수 있으며 각 그룹은 제16도에서 충분히 설명되는 원활한 작동방법을 적용하기 위하여 앞의 단일 구동기 일때의 마찰지지면(78)과 같은 부분에 작용한다. 구동기 그룹의 이용은 원활한 작동과, 큰 부하의 지지능력 및 이들 잇점의 조합을 위한 보다 큰 구조적인 강도를 얻기 위하여 전기에서 설명된 모든 실시형태에 적용될 수 있다.
제9도의 실시형태를 전용한 위치선정 장치의 개략도인 제15도에서는 제어수단(80)가 선형 전력증폭기일 수 있는 전원(82)을 보이고 있다. 이 실시예에는 요동하지 않고 일정한 각 속도로 디스크(66)의 위치를 선정하는 방법을 보인 것이다. 구동기들은 따로따로 복귀한다. 제4도의 접선력 변환기(50)는 크라운의 접선마찰력과 복귀 과정에서 크라운의 질량과 감지소자의 질량 일부의 가속도에 의한 관성 반작용력의 합인 전기적 신호를 발생한다. 감지소자로부터의 신호는 가속도-마찰증폭기(acceleration-friction amplifier)에 의해 컨디션닝된다. 컨디션닝(conditioning)은 크라운 및 감지부의 질량과 탄성 특성의 보상을 포함한다.
각 크라운 근처에는 도시되지 않은 지지수단에 대하 크라운이 접선 위치에 비례하는 전기적 신호를 발생하는 비접촉(non-contacting) 감지기(58)가 있다. 위치신호는 컨디션닝된 다음 복귀중 크라운의 가속도에 비례하는 신호를 유도하도록 이중으로 차등조절된다.
차등증폭기는 측정된 가속도-마찰 신호로부터 유도된 가속도 신호를 추출하여 복귀 크라운에 인가된 마찰력에만 비례하는 신호를 발생한다. 마찰신호는 역전(invert)되고, 둘로 나누어지며, 복귀하지 않는 다른 두 구동기에 외부로부터 인가된 위치선정신호 X와 합하여 진다. 합산 넥트워크는 전력 증폭기에 신호를 보낸다. 각 비복귀 구동기에 역전된 복귀 마찰 신호의 반을 중첩시키는 것은 복귀를 수행하는 구동기에 의해 디스크에 인가되는 네가티브 토오크의 한 증분을 보상하기 위해 디스크에 포지티브 토오크의 반 증분 두개를 가산하는 것이다. 상호 상보적이지 않은 세개의 토오크가 제로(0) 토오크에 가산되어 디스크가 복귀에도 불구하고 일정한 토오크로 구동되게 한다.
두개의 비복귀 구동기에 토오크의 반 증분을 가하는 것은 비복귀 크라운의 접선 마찰력의 초과를 배제하여 구름운동(rolling)으로부터 미끄럼운동(sliding)으로의 원치않은 전이를 배제한다.
적어도 3개의 구동기의 수직력이 전 싸이클을 통하여 일정하게 유지될 때에 디스크의 안정된 회전을 얻을 수 있다. 일정한 수직력은 저장된 탄성 에너지의 해제와 재인가를 하여 구조적인 진동의 발생을 최소화한다. 이 실시형태에서 수직력을 조절하기 위한 리프터는 필요치 않으나 차등열팽창을 보상하거나 일부 광학 소자에서와 같이 디스크의 의도적인 변형을 위해 수직력을 변화시키는데 사용될 수 있다. 복귀중의 마찰에너지 소실은 크라운 가속도를 증가시킴으로써 감소된다. 외부로 인가된 위치선정 신호 X는 복귀 사이의 길거나 짧은 압전 전단 스트로크로 조절된다. 짧은 스트로크는 크라운 마찰면상의 크라운 접촉 재배치 거리 위치선정에 대한 디스크의 크기를 줄이고 인가된 수직력에 의해 구동기 크라운부에 가하여진 모멘트의 변화를 줄인다.
장치를 작동하는 상기 언급된 방법의 어떤 조합이 사용되는 경우, 디스크 회전을 광학소자 위치선정에 적합토록 원활하고 정밀하게 이루어진다. 디스크는 거울, 회절격자 또는 렌즈일 수 있다. 각 구동기의 각 접선부분이 디스크의 축방향으로 작용할 경우, 적절한 전력 증폭기들의 부가되면, 광학소자의 회전 위치선정 두 방향과 축방향 위치선정 한 방향이 이루어질 수 있다.
가동물체의 마찰면이 규격화되는 경우, 여러가지 유사한 물체의 위치선정을 위해 동일 구동기와 관련된 전기장치가 사용될 수 있을 것이다.
제16도는 제13도에서 보인 전기 모우터의 압전 구동기에 인가된 전위의 함수로서의 시간좌표를 보인 것이다. 이 실시예에서 구동기는 두셋트, 즉 짝수와 흘수로 나누어진 구동기가 전기적으로 연결되었으며, 두개의 선형 접선증폭기와 두개의 선형 리프터 증폭기에 의하여 교대로 구동된다. 접선 압전부는 축에 대하여 접선방향으로 작용하고 리프터 압전부는 축의 표면에 대하여 수직으로 작용한다. 또한 제15도를 참조하며, 이 실시형태에서 보인 바와같이 축 위치 감지기는 제어수단에 축위치 및 축 각속도 신호를 제공하다.
각 접선 증폭기는 각 리프터 증폭기가 크라운과 축 사이의 수직력을 변화시키기 위해 전위변화 eLO를 제공하는 동안 최대 전위 ±ehr를 제공한다. 전위 변화는 모우터의 차등 열 팽창을 보상하기 위해서 부동한다. 접선 증폭기로 부터의 전위는 회전속도 e′와 전위가속도
Figure kpo00002
을 갖는다. 리프터 증폭기는 회전속도
Figure kpo00003
와 전위가 속도
Figure kpo00004
를 공급한다. 짝수 구동기가 홀수 구동기와 교대로 축에 토오크를 가한다. 제16도의 시간 좌표에서 보인 바와같이, 짝수 구동기는 싸이클의 초기에 축을 파지하고, 접선 증폭기의 일정한 회전속도를 이용하여 축을 시간 0으로 부터 t1까지 일정한 속도로 회전시킨다. 짝수 구동기는 t13에 t14까지 일정한 속도로 축을 파지하고 회전시킨다. 좌표의 중앙 부분 tr은 싸이클의 복귀 부분을 나타낸다.
교대로 작용하는 양 세트의 구동기는, 복귀시간 tr이 싸이클 시간 t14의 반일 때 축에 일정한 토오크를 가하며, 짝수 구동기의 타이밍은 사이클 시간의 반만큼, 즉 t1/2만큼 홀수 구동기의 그것과 다르다. 그래서 홀수 구동기에 의한 토오크가 축에서 제거된 때에 짝수 구동기에 의한 토오크가 축에 가해지기 시작한다. 접선부의 일정한 회전속도는 크라운이 상대 운동(relative motion)없이 축표면을 따르게 한다. 크라운이 단순히 축표현을 따라가는 것은 축에 토오크를 가하는 것은 아니지만 필요시 마찰을 피하는 것이다.
축에 토오크를 가하기 위하여 토오크 전위 er가 접선 전위에 부가된다. 토오크 전위의 변화는 일정한 전압 가속도
Figure kpo00005
와 일정한 전압 감속도-
Figure kpo00006
로 이루어진다. 이미 언급된 바와같이,
Figure kpo00007
전위 er는 수직력과 크라운 마찰면과 축 사이의 비-슬라이딩 마찰계수의 곱으로 제한한다.
이 장치의 작동효율은 구동기의 전기적 손실, 회전손실 및 마찰손실에 의하여 제한된다. 전기적 손실과 회전손실은 무시될 수 있으므로 마찬손실이 감소된 때 작동효율은 높아진다. 높은 효율의 작동은, 접촉이 끊어질 때 크라운과 축 사이의 마찰을 제거하기 위해 복귀 개시 전에, t1과 t3사이에 구동기의 접선부로 부터 토오크 전위
Figure kpo00008
가 제거될 것을 요구한다. 마찬가지로 복귀가 완료된 후, t11과 t13사이에 토오크 전위
Figure kpo00009
가 인가될 것이 요구된다. 토오크가 축에 가하여지는 동안, 축의 마찰력을 가해진 접선방향의 힘보다 작은 값으로 감소 시키는 것을 비-슬라이딩 크라운 접촉에서 슬라이딩 크라운 접촉으로의 원치않는 전이를 일으킬 것이다. 이와같은 원치않는 전이는 일정 속도전위에 토오크 인가와 제거를 중첩시킴으로써, 즉 원치 않는 상대운동을 제거하기 위해 축을 따라 가게 함으로써 피할 수 있다.
복귀는 일정한 전위가속과 감속을 수행한다. 복귀중의 마찰은 축에 대한 크라운의 평균속도를 가능한한 크게함으로써 줄일 수 있다. 평균속도는 보다 높은 전압가속도 값에 의해 증가한다. 평균 슬라이딩 속도의 보다 높은 값은 슬라이딩 마찰 접선력이 슬라이딩 속도의 대수(logarithm)에 거의 비례하여 감소되므로 마찰을 줄인다. 복귀 마찰은 t3와 t5시간 사이에 eLO만큼 제거하고 t9과 tH사이에 eLO을 다시 가하여 리프터 전위를 바꿈으로써 수직력 Fn을 감소시켜 줄 일 수 있다. 수직력을 바꾸는 동안에 크라운은 동일한 표면속도로 축을 따르므로 마찰을 일으키는 크라운과 축표면 사이의 상대 운동이 일어나지 않는다.
각 싸이클의 복귀부분이 가능한 짧은 것이 바람직한 경우, 복귀는 접선 전력 증폭기로 부터의 유용한 최대 전압 가속도가
Figure kpo00010
인 점에서 이루어지므로 가장 빠른 축 회전속도를 얻는다.
이미 언급된 바와같이 일정한 토오크를 얻은 때에 각 사이클 중축상에서 행해진 유용한 일은 축의 접선력, 복귀사이의 크라운에 의한 이동거리, 싸이클 수 및 어느 순간에 결합된 크라운의 수(이 경우는 반이된다)의 곱이다. 이 장치의 마력은 싸이클 시간이 HZ, 크기는 인치, 힘은 파운드로 주어질 때, 상기의 곱을 6600으로 나눈 값이다. 싸이클 수는 t14의 역수이다. 장치의 최대 일정 토오크 출력은 싸이클 시간이 가능한 한 짧을 때 나온다. 최소의 싸이클 시간은 접선 및 리프터 증폭기 전압 가속도에 최대 유효값을 사용함으로써 얻어진다. 접선 전압 회전속도
Figure kpo00011
은 일정한 토오크 작동에 의해 결정된 특정 값이며, 통상의 전형증폭기로 부터 이용할 수 있는 값보다 작다.
높은 접선 전압 회전속도의 값은 축에 일정하지 않은 토오크를 초래하나 어느 정도 큰 출력을 낸다. 최대의 일정치 않은 토오크 출력을 내는 전압 회전속도 값이 있다. 최대 출력보다 높은 회전속 값, 즉 일정치 않은 토오크 값은 싸이클 시간의 작은 부분이 토오크 인가에 사용되므로 작은 출력을 발생한다. 전 싸이클이 탈토오크, 리프터 및 복귀부로 구성되므로 출력을 발생하지 않는 더 높은 회전속도의 값이 있다.
교대로 작용하는 두 셋트의 구동기가 있는 전기 실시예에서, 스태틱(static) 토오크의 경우 모든 구동기가 축에 결합되고 복귀가 이루어지지 않으므로 스태틱 토오크는 런닝(running)토오크의 두배가 된다. 비-슬라이딩 마찰계수가 일정한 때, 모우터의 최대 런닝토오크는 축의 속도에 무관하다. 발생된 출력은 축속도의 선형함수이다. 축속도는 싸이클 수에 좌우되고, 또한 이미 언급한 바와같이 회전속도와 증폭기의 전압가속도에 따라 좌우된다. 모우터의 속도는 스텝 수(step freguency), 전압 회전속도와 전압가속도의 어떤 조합을 변형시킴으로써 바귄다. 모우터 속도는 무한정 긴 시간당 1회전으로 부터 분당 수천회전까지의 범위이다.
리프터 스트로크는 축에 대하여 방사상 방향인 장치부의 편차에 따라 좌우된다. 출력은 수직력에 선형적으로 종속된다. 수직력의 증가는 동기와 지지수단과의 편차의 증가를 가져오고, 이것은 리프터 스트로크의 증가를 가져온다. 리프터 스트로크의 증가는 리프팅 시간을 증가시키고, 이것은 싸이클 시간을 증가시키고, 출력의 감소를 가져온다. 모터의 구조가 고정적일 때, 리프터 스트로크의 증가는 대형 리프터를 필요로 하고, 이것은 접선 부분의 크기를 감소시키며 주어진 최대 작동 전압에서 접선 스트로크의 크기를 감소시킨다.
수직력은 장치에 사용된 재질의 강도에 의하여 제한된다. 최대응력은 크라운과 축 사이의 선접촉(line contact)에서 일어난다. 모우터의 예에서 크라운은 축이 정원형의 원통인데 반하야, 평면인 마찰면을 갖고 있는 것으로 추측된다. 접촉응력의 감소는 원통부 크라운의 마찰면을 축의 곡률반경보다 약간 큰 곡률반경을 갖게 만듬으로써 이루어진다. 구동기의 리프터 압전부는 싸이클의 모든 부분중에서 필요한 보다 복잡한 크라운 운동을 생성하기 위해 접선부와 협력하여 작용한다. 만곡형 크라운 마찰면의 기계적 잇점을 단위 크라운 접선 운동에 의해 보다 바른 축회전이 생긴다는 점에서 얻어진다.
접촉응력은 축의 직경에 따라서 좌우된다. 직경이 증가하면 접촉응력은 감소한다. 축의 직경이 증가하면 장치의 토오크가 선형적으로 증가하는 반면에 축의 회전속도가 감소된다. 출력은 구동기의 크기가 일정하면 변화하지 않는다. 제13도에서 보인 것과 같은 압전모우터는 축속도는 낮으나 큰 토오크를 요구하는 분야에서 보다 적합하다.
축은 언제나 구동기의 적어도 반 부분에 파지되어 있고 파지하는 크라운과 축 사이에는 간극이 없기 때문에 베어링을 필요로 하지 아니한다. 더욱이 압전 구동기에 의하여 수행되는 베어링은 종래의 베어링보다 강하고 더 간극이 작다. 따라서 통상의 베어링을 부가하는 것은 비효율적이다. 회전축에서 하우징의 외면까지 장치의 모든 재료는 고체상태이다. 높은 탄성율을 갖는 고체물질은 장치의 낮은 기계적 유연성(compliance)이 요구될 때 사용된다. 이 장치는 전기적인 제어하의 상대운동을 허용하는 고체물질인 것이 최상이다.
제13도에 보인 바와같이, 축의 회전 및 축방향의 운동이 용이하게 이루어지므로 이 실시형태를 로보트에 적용할 수 있다.
본 발명의 어떤 실시형태에서도 강자성체나 자기장이 사용되고 있지 아니하므로 강력한 자기장에서도 안정하고 효과적으로 작동한다.
산업용 가변속 변환기와 같이 마찰구동에서 사용되는 윤활유가 사용될 수 있으나, 압전구동기는 윤활유가 필요치 않으며 고 진공조건에서 작동하고 고 진공조건을 오염시키지 않는다.
압전 소자로 구성된 압전구동기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 전환기로서 동일하게 작용한다. 예를들어 하나 이상의 바퀴에 본 발명의 모우터 실시형태를 변형한 자동차의 브레이크를 밟으면, 종래처럼 운동에너지를 열로 소모하지 않고 자동차 운동에너지의 대부분을 밧데리나 다른 전기충전기에 저장할 수 있다. 제16도에서 보인 실선(solid) 곡선은, 제동에너지를 재생하는 경우에 점선으로 보인 제로(0)-토오크 곡선의 좌측으로 이동한다.
제16도의 시간좌표는 일정한 토오크 운전을 위해 50% 복귀와 50% 토오킹을 보인다.
각 구동기에 별도의 접선 및 리프터 증폭기를 부가하는 것은 어느 순간에 단 한 쌍의 복귀 구동기만을 갖는 어떤 n개의 구동기 모우터의 작동을 가능케 한다. 일정한 토오크 운전은 각 싸이클의 복귀부가 전체 싸이클 시간의 2/n을 점유하는 것을 필요로 한다. 고정된 복귀시간이 주어지면, 더 긴 싸이클 시간은 축의 회전속도를 느리게 하지만 토오크는 높아지게 된다.
압전모우터가 축과 크라운 사이의 접촉 스트레스가 적도록 적절히 설계되고, 모우터 작동이 적절히 인가된 전압과 시간을 이용할 때, 장치의 수명은 단축될 이유가 없다. 이들 조건하에서 운전시 압전모우터의 효율은 효율이 92%인 강자성체 모우터에 비하여 99% 이상이 예상되며 그 차이는 강자성체 모우터에 있어서의 베어링 손실과 기생전류 손실에 의한 것이다.

Claims (62)

  1. 물체(38)에 근접한 마찰면(42)을 갖는 크라운(36), 2) 지지수단(34)에 의해 지지되는 면을 갖는 저면과, 3) 상기 크라운(36)과 상기 저면 사이에 일체로 배치되는 적어도 하나의 압전 전단 동체(32)로 구성되어 물체(38)에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  2. 제1항에 있어서, 1) 상기 지지면의 위치에 대하여 상기 크라운(36)의 상대 위치를 결정하는 감지수단(50,52), 2) 상기 물체(38)와 상기 크라운(36)의 근접위치를 조절하기 위한 수단(44,46,54), 3) 상기 물체(38)와 상기 크라운(36) 사이의 물리적 접촉력을 탐지하고 측정하기 위한 수단(48)과, 4) 상기 압전장치(30)를 작동시키고 상기 물체(38)에 속도와 가속력을 가하도록 상기 압전장치(30)에 전위를 인가하기 위한 수단(82)이 더 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)와 상기 크라운(36)의 근접위치를 조절하기 위한 상기 수단(44,46,54)은 1) 직각 방향의 접선으로 작용하는 압전전단 작동부(44, 46)와, 2) 상기 물체 (38)의 구조 변화나 상기 장치(30)의 구조 변화에 관계없이 원하는 값의 수직력은 유지하기 위한 압전 리프터부(54)가 더 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압전 리프터부(54)는, 리프터 병진 운동의 방향에 평행한 접지전극(22)과 인가전극(16)을 갖는 적어도 두개의 이층체(20)로 더 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)와 상기 크라운(36) 사이의 물리적 접촉력을 탐지하고 측정하기 위한 상기 수단은, 압전압축 변환부(54), 직각 방향의 압전전단 감지부(50,52)와, 비접촉형-직각방향의 크라운 접선위치 탐지수단(58)으로 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 압전구동기(30)를 작동시키고 상기 물체(38)에 힘을 가하도록 상기 압전구동기(3)에 전위를 인가하는 상기 수단이 제어수단(80)과 전원(82)으로 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  7. 제2항에 있어서, 압전전단 동체(32)가 피라미드 구조를 가짐을 특징으로 하는 압전구동기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 봉형 물체(62)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  9. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 디스크형 물체(66)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  10. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 거울(66,68,38,76)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  11. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 렌즈(66,68,38,76)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  12. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 광학 회절격자(66,68,38,76)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  13. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 원추형 물체(68)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  14. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 구형 물체(70)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  15. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 판형 물체(38)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  16. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 회로 마스크(38)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  17. 제2항에 있어서, 상기 물체 (38)가 광학 현미경의 표본(38)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  18. 제2항에 있어서, 상기 물체 (38)가 터널링 전자 현미경의 표본(38)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  19. 제2항에 있어서, 상기 물체 (38)가 바퀴(76)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  20. 제2항에 있어서, 상기 물체(38)가 회전축(72)임을 특징으로 하는 압전구동기.
  21. 1) 마찰면을 갖는 회전 및 병진운동이 가능한 축(72)과, 2) 상기 축(72)과 결합한 압전구동기들(32), 상기 압전구동기들(32)는 ① 상기 축의 마찰면에 근접한 마찰면(42)을 갖는 크라운(36)과, ② 지지수단(34)에 의해 지지되는 면을 갖는 저면을 포함하는 적어도 하나의 압전동체(32), ③상기 지지구조(34)에 대하여 상기 크라운(36)의 마찰면(42)의 위치를 결정하는 감지수단(50,52), ④ 상기 축의 마찰면에 대하여 상기 크라운 마찰면(42)의 위치를 조절하기 위한 수단(44,46,54), ⑤ 상기 축(72)과 상기 크라운 마찰면(42) 사이의 물리적 접촉력을 탐지하고 측정하기 위한 수단(48)과, ⑥ 상기 구동기들(32)를 작동하기 위한 수단(82)으로 구성되며, 3) 상기 축(72)에 접선 방향으로 작용하는 선형 증폭기(80), 상기축(72) 표면에 수직으로 작용하는 리프터 증폭기(80)와, 4) 상기 축(72)을 작동시키기 위하여 상기 구동기들(32)에 전위를 인가하기 위한 수단(82)으로 구성되어 축(72)를 회전시키기는 것을 특징으로 하는 제 1항의 압전 구동기를 이용한 전기 모우터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 축(72)에 대하여 크라운 마찰면(42)의 위치를 조절하기 위한 수단은, 1) 상기 축표면에 접선 방향으로 작용하는 압전전단부(44), 2) 상기 축표면에 축 방향으로 작용하는 압전전단부(46)와, 3) 상기 축(72)의 구조 변화에 관계없이 원하는 값의 수직력을 유지하기 위하여 상기 축표면에 방사상으로 작용하는 압전 리프터부(54)가 더 구성됨을 특징으로 하는 전기 모우터.
  23. 제21항에 있어서, 상기 축(72)과 상기 크라운(36) 사이의 물리적 접촉력을 탐지하고 측정하기 의한 상기 수단은, 1) 상기 축(72)에 대하여 수직인 힘을 탐지하기 위한 압전 압축 변환부(54), 2) 상기 축(72)에 대하여 접선 방향인 힘을 탐지하기 위한 압전 전단 변환부(50), 3) 상기 축(72)에 대하여 축방향인 힘을 탐지하기 위한 압전전단 변환부(52), 4) 상기 축(72)에 대하여 접선 방향인 크라운의 위치를 탐지하기 위한 비접촉 크라운 위치 탐지수단(58)과, 5) 상기 축(72)에 대하여 축 방향인 크라운의 위치를 탐지하기 위한 비접촉 크라운 위치 탐지수단(58)으로 구성됨을 특징으로 하는 전기 모우터.
  24. 제21항에 있어서, 상기 모우터를 작동시키고 상기 축(72)에 힘을 가하도록 상기 모우터에 전위를 인가하는 상기 수단이, 제어수단(80)과 전원(82)으로 구성됨을 특징으로 하는 전기 모우터.
  25. 1) 물체 (38)에 근접하여 적어도 하나의 압전장치(32)를 배치하는 단계 2) 상기 압전장치(32)를 작동시키는 단계 3) 상기 물체(38)와 상기 장치(32)의 크라운 마찰면(42)이 상호 작용하는 단계 4) 상기 가동 물체(38)의 표면에 압전장치(32)을 연속적으로 작용시켜 크라운 마찰면(42)의 비-슬라이딩 병진운동과 복귀 작용이 교대로 이루어지도록 함으로써 가동 물체(38)의 표면에 대한 반복적인 마찰작용으로 원활한 접선 방향 병진운동을 일으키는 단계, 5) 상기 가동물체(38)의 표면과 상기 장치의 크라운 접촉면(42) 사이의 슬라이딩 마찰을 줄이기 위해 복귀속도를 크게하는 단계, 6) 복귀하는 동안 수직력을 줄이므로서 복귀마찰을 감소시키는 단계와, 7) 위치 감지기(50,52), 힘 감지 기 (48)와 부속 전기회로(80,82)를 적절히 사용하여 상기 물체 (38)의 복귀력을 제거하는 단계로 구성되어 물체 (38)에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 구동방법 .
  26. 1) 상부 접지전극(22)과 하부 접지전극(24)을 포함하는 제 1 이층체 (20)로 구성되는 제 1압전부 2) 상기 제 1이층체(20)에 대하여 각도로 작용하고 상기 상부 접지전극(22)에 일체인 제2압전부(10) 3) 상기 이층체 (20)와 상기 제 2압전부(10) 모두에 대하여 각도로 작용하고 상기 하부 접지전극(24)에 일체인 제 3압전부(10)와 4) 각각의 압전부에서 전기장을 독립적으로 제어하는 수단(80,82)으로 구성되어, 세개의 각으로 배치된 방향으로 독립적으로 제어 가능한 운동을 제공할 수 있는 압전구동기.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제2압전부(10)가 제 2이층체 (20)로 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제3압전부(10)가 제 3이층체 (20)로 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제3이층체(20)가 리프터로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  30. 제28항에 있어서, 하나의 이층체(20)는 리프터이고 다른 두개의 이층체(20)는 전단으로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  31. 제29항에 있어서, 리프터가 두께 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  32. 제29항에 있어서, 리프터가 신장 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  33. 제29항에 있어서, 리프터가 전단 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  34. 제26항에 있어서, 각각의 압전부가 나머지 두개의 압전부에 대하여 직각으로 작동함을 특징으로 하는 압전 구동기.
  35. 1) 제1이층체(20)와 압전부를 가로질러 전위가 발생되도록 위치된 인가전극(16)으로 구성되는 제1압전부(44,46), 2) 상기 제 1압전부의 운동면에 대하여 각도로 작동하고 상기 제 1 압전부(44,46)의 접지전극(22)에 일체로 된 제2압전부(54)와, 3) 상기 제1 및 제2압전부의 전기장을 독립적으로 제어하기 위한 수단(80,82)으로 구성되어 두개의 각으로 배치된 면에서 독립적으로 제어가능한 운동을 제공할 수 있는 압전 구동기.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제2압전부(54)가 이층체(20)인 것을 특징으로 하는 압전구동기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1압전부(44,46)와 상기 제2압전부(54)가 직각으로 배치된 면에 작용하는 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  38. 제36항에 있어서, 하나의 압전부(54)는 두께 모우드로 작용하는 리프터이고, 다른 압전부(44,46)은 전단 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  39. 제36항에 있어서, 하나의 압전부(54)는 신장 모우드로 작용하는 리프터이고, 다른 압전부(44, 46)은 전단 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  40. 제36항에 있어서, 두개의 압전부(54)(44,46) 모두가 전단 모우드로 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  41. 제35항에 있어서, 상기 제1압전부(44,46)과 제 2압전부(54)가 직각으로 배치된 면에 작용함을 특징으로 하는 압전구동기.
  42. 1) 물체(38)에 근접하여 적어도 하나의 압전 전단장치(32)를 배치하는 단계, 상기 압전 전단 장치는, ① 상기 물체(38)에 근접한 마찰면(42)을 갖는 크라운(36), ② 지지구조(34)에 의해 지지되는 면을 갖는 저면, ③ 상기 크라운(16)과 상기 저면 사이에 일체로 배치된 적어도 하나의 압전전단 동체(32)와 ④ 상기 압전전단 동체(32)에 전위를 인가하기 위한 수단(80,82)로 구성되며, 2) 상기 압전전단 동체(32)가 전단되고 상기 크라운 마찰면(42)이 제1방향으로 움직이도록 하기 위하여 상기 압전전단 동체 32)에 전위를 인가하는 단계, 3) 상기 물체(38)의 월활한 접선방향 병진운동이 마찰에 의해 일어나도록 상기 물체(38)와 상기 크라운 마찰면(42)을 상호작용 시키는 단계, 4) 상기 압전전단 동체(32) 내의 전위를 역전시키는 단계와 5) 상기 물체(38)와 상기 크라운(36) 사이의 슬라이등 마찰을 감소시키기에 충분한 속도로 상기 크라운(36)의 접선방향 병진운동을 복귀시키는 단계로 구성되어 물체(38)에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 구동방법.
  43. 제42항에 있어서, 1) 상기 장치에 압전 리프터(54)를 결합하는 단계와 2) 상기 리프터(54)에 독립적으로 제어가능한 전위를 인가하여 비-슬라이딩 접촉과 슬라이딩 접촉을 용이하게 하도록 상기 물체(38)에 대한 수직력을 변화시키는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  44. 제43항에 있어서, 위치 감지기(50, 52), 힘 감지기(48)와 부속 전기회로를 적절히 이용하여 크라운(36)의 위치와 운동을 제어하는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  45. 제42항에 있어서, 적어도 두개의 압전전단 장치(32)을 마주보는 형태로 상기 물체(48)에 근접하여 배치시키는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  46. 제45항에 있어서, 1) 상기 제 1압전전단 동체에 평행한 면에 직각이며 독립적으로 작용하는 제2압전 전단 동체를 상기 제1압전 장치에 결합하는 단계와, 2) 상기 제2압전전단 동체에 원하는 전위를 인가함으로써 상기 크라운(36)을 바람직하게 배치하는 단계를 더 포함된 것을 특징으로 하는 구동방법.
  47. 제42항에 있어서, 1) 상기 제1압전전단 동체에 평행한 면에 직각이며 독립적으로 작용하는 제2압전 전단 동체를 상기 압전장치에 결합하는 단계와, 2) 상기 제2압전전단 동체에 원하는 전위를 인가함으로써 상기 크라운(36)을 바람직하게 배치하는 단계와 더 포함된 것을 특징으로 하는 구동방법.
  48. 1) 물체(38)에 근접한 마찰면(42)을 갖는 크라운(36), 2) 지지구조(34)에 의해 지지되는 면을 갖는 저면, 3) 상기 크라운(36)과 상기 저면 사이에 일체로 배치되는 적어도 하나의 분극된 압전 스트립(strip : 32)으로 구성되어 상기 물체에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 압전구동기.
  49. 제48항에 있어서, 1) 물체(38)의 위치에 대하여 크라운(36)의 상대 위치를 결정하는 감지수단(58), 2) 물체(38)과 크라운(36)의 근접 위치를 조절하기 위한 수단(54), 3) 물체(38)와 크라운(36) 사이의 물리적 접촉력을 검출하고 측정하기 위한 수단(48), 4) 상기 구동기를 작동시키고 상기 물체(38)에 힘을 가하기 위해 상기 구동기에 전위를 인가하는 수단(80,82)으로 구성됨을 특징으로 하는 압전구동기.
  50. 1) 상기 물체(38)에 근접한 마찰면(42)을 갖는 크라운(36)과 지지구조(34)에 의해 지지되는 면을 갖는 저면을 포함하는 적어도 하나의 분극된 압전 스트립과, 상기 물체(38)에 대하여 크라운(36)의 위치를 결정하는 감지수단(58)과, 상기 물체(38)에 대하여 크라운 마찰면(42)의 위치를 조절하기 위한 수단(44,46)과, 상기 물체(38)과 크라운 마찰면(47) 사이의 물리적 접촉력을 검출하고 측정하기 위한 수단(48)과, 압전구동기를 작동시키기 위한 수단(80,82)을 포함하는 적어도 하나의 압전구동기를 물체에 근접하여 배치하는 단계, 2) 상기 압전 구동기를 작동하는 단계, 3) 상기 압전 구동기의 크라운 마찰면(42)과 상기 물체(38)을 상호작용 시키는 단계, 4) 상기 압전 구동기의 크라운 마찰면(42)과 상기 가동물체(38)의 표면부의 슬라이딩 속도 작용(sliding velocity action)에 의해 가동물체(38)의 표면에 반복적인 슬라이딩 마찰을 일으키는 단계와, 5) 상기 압전 구동기의 크라운 마찰면(42)과 상기 가동물체(38)의 표면 사이의 논-슬라이딩 마찰을 극복하도록 상기 슬라이딩 마찰 속도(sliding friction velocit)를 증가시키는 단계로 구성되어 물체(38)에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 구동방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 논-슬라이딩의 원활한 병진운동이 1) 상기 크라운 마찰면(42)의 속도와 상기물체(38)의 속도를 일치시키는 단계, 2) 상기 크라운 마찰면(42)과 상기 물체(38)를 접촉시키는 단계와 (3)상기 크라운 마찰면(42)을 통해 상기 물체(38)에 힘을 가하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 구동방법.
  52. 제51항에 있어서, 1) 상기 구동기에 압전 리프터(54)를 결합하는 단계, 2) 상기 리프터(54)에 독립적으로 조절가능한 전위를 가하여 논-슬라이딩과 슬라이딩 접촉을 용이하게 하기 위하여 상기 물체(38)에 수직력을 바꾸는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  53. 제52항에 있어서, 위치 감지기(50,52), 힘 감지기(48)과 부속 전기회로(80.82)의 적절한 사용에 의해 크라운(36)의 위치 및 운동을 제어하는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  54. 제50항에 있어서. 적어도 두개의 압전 전단 구동기를 마주보는 형태로 상기 물체(38)에 근접하여 위치시키는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 구동방법.
  55. 제54항에 있어서, 1) 상기 압전구동기 안에, 상기 제 1압전 전단 동체와 평행한 평면에 직각이고 독립적으로 작용하는 제 2압전 전단 동체를 결합하는 단계와 2) 필요한 때 상기 제 2압전 전단 동체에 필요한 전위를 가하여 상기 크라운(38)을 위치시키는 단계가 더 포함됨을 륵징으로 하는 구동방법.
  56. 1) 압전부(10)에 전위가 발생되도록 배선된 접지전극(22)과 포지티브전극(16)을 갖는 제1전압부(10), 2) 상기 접지전극(22)에 일체로 결합되어 있으며 상기 제1압전부의 운동평면에 대하여 일정한 각을 갖고 작용하는 제2압전부(10), 3) 상기 제1 및 제2압전부의 전장을 독립적으로 제어하는 수단(80,82)으로 구성되어 각져서 배치된 두개의 평면에 독립적으로 제어가 가능한 운동을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제1 및 제2압전부(10)가 직각으로 배치된 평면에서 작용하는 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  58. 제57항에 있어서, 하나의 압전부(54)가 두께 모우드로 작용하는 리프터이고 다른 압전부(44,46)가 전단 모우드로 작용하는 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  59. 제56항에 있어서, 상기 제2압전부(10)가 이층체(20)인 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  60. 제59항에 있어서, 상지 제2압전부(10)가 이층체(20)인 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
  61. 제60항에 있어서, 인접 압전부(10)의 접지전극(22)에 일체로 결합되어 있으며, 상기 제1 및 제2압전부(10)의 운동 평면에 대하여 각으로 작용하는 제3압전부(10)가 더 포함됨을 특징으로 하는 압전 구동기.
  62. 제61항에 있어서, 상기 제3압전부(10)가 이층체(20)인 것을 특징으로 하는 압전 구동기.
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