KR101258309B1

KR101258309B1 - 초음파 리드 스크류 모터를 포함하는 기구

Info

Publication number: KR101258309B1
Application number: KR1020087001060A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 헨더슨; 단 3세 비지아노
Original assignee: 뉴 스케일 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2013-04-25
Also published as: JP2008544315A; EP1897156A4; CN100585897C; EP1897156B1; US20050258714A1; US7170214B2; EP1897156A1; WO2006138091A1; CN101283460A; KR20080042796A

Abstract

본 발명은 나사 샤프트 조립체 구동용 장치에 이동 가능하게 부착된 광학 장치를 포함하는 광학 조립체에 관한 것이다. 상기 나사 샤프트 조립체 구동용 장치는 회전 축을 갖는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 나사 너트를 포함한다. 상기 나사 샤프트 조립체는 상기 나사 너트를 초음파 진동을 받게 하여 상기 나사 샤프트가 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하게 하는 장치를 포함한다.

Description

초음파 리드 스크류 모터를 포함하는 기구{MECHANISM COMPRISED OF ULTRASONIC LEAD SCREW MOTOR}

본 출원은 2003년 9월 8일자로 출원된 미국 출원 번호 10/657,325호의 부분 계속 출원인, 2004년 9월 13일자로 출원된 본 발명의 출원인의 공동 계류 중인 미국 출원 번호 10/918,041호의 부분 계속 출원이다. 따라서, 이들 특허 출원 각각의 내용은 본 명세서에 참고로 인용되어 있다.

촬상 장치와 주사기 펌프 장치는 나사 샤프트(threaded shaft)와 이 나사 샤프트에 결합되는 너트로 구성된 소형 초음파 선형 모터 조립체를 포함한다.

압전, 전기 왜곡, 정전기 또는 전자기 기술을 사용한 트랜스듀서는 나노미터 규모의 정밀 위치 조정에 매우 유용하다. 압전 소자의 경우에, 세라믹으로 형성된 커패시터는 충전 및 방전시에 상을 변화시켜 힘 변환기 또는 위치 작동기를 구성한다. 위치 작동기로서 사용될 때, 압전 세라믹의 상 변화는 인가된 전압에 거의 비례한다. 압전 작동기는 세라믹 길이의 약 0.1% 정도 범위로 제한되며, 이는 통상 수십 마이크로미터의 행정 길이에 해당한다. 압전 작동기의 나노미터 단위의 정밀도와 높은 강성이 매우 유용하지만, 많은 용례에 있어서 보다 큰 행정이 필요하다.

작은 세라믹 상 변화를 "정류"하고 보다 긴 행정을 얻기 위하여 다수의 압전 모터가 개발되었다.

PZT 스텝핑 모터가 미국 특허 제3,902,084호에 기술되어 있으며, 이 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이러한 PZT 스텝핑 모터는 다수의 짧은 압전 작동기 사이클을 합하기 위하여 클램프-전개-클램프-퇴축 동작 시퀀스를 사용한다. 이러한 스텝핑 선형 작동기는 수 킬로헤르츠의 직류 주파수로 작동하여 큰 소음과 진동을 발생시킨다. 전력 공급이 중단되면 위치 확인은 계속할 수 없다. 200 mm의 이동에 대하여 1 나노미터보다 더 좋은 분해능이 얻어진다.

PZT 관성 스틱-슬립(stick-slip) 모터가 미국 특허 제5,410,206호에 기술되어 있으며, 이 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이 모터는 미세 나사 샤프트를 분할 너트를 사용하여 회전시키며, 이 분할 너트는 축을 양 측부에서 붙잡는 "죠(jaws)"를 형성한다. PZT 작동기는 비대칭 교류 구동 신호로 죠를 양방향으로 신속히 이동시킨다. 빠른 죠의 동작은 클램핑 마찰을 극복하여 미끄러짐을 일으킨다. 보다 느린 죠의 동작은 미끄러짐을 일으키지 않고 축을 회전시킨다. 이러한 스틱-슬립 모터는 전술한 스텝핑 모터와 유사한 소음과 진동을 발생시키지만 10배나 느리게 움직이며, 전력 공급이 중단될 때에 제 위치를 유지한다. 25 mm의 이동에 대하여 50 나노미터보다 좋은 분해능이 얻어진다.

초음파 모터는 고속, 높은 토크, 소규모의 정숙한 작동으로 연속적인 운동을 발생시키기 위해 압전-발생 진동을 사용한다.

초기 초음파 압전 모터 중 하나가 미국 특허 제3,176,167호에 기술되어 있으며, 이 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이러한 일방향 회전 모터는 수정 발진기를 사용하여 시계의 기구를 구동시킬 목적으로 얇은 로드를 움직이게 하고 래칫 휠(ratchet wheel)을 구동시킨다.

정재파 초음파 모터의 예가 미국 특허 제5,453,653호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이 모터는 이동면에 대하여 전(前)부하가 걸린 접촉점의 초음파 발진을 일으키기 위해 직사각형의 PZT 플레이트를 사용한다. 상기 PZT 플레이트의 전극 패턴은 교류 신호에 연결되어 있으며, 정합면에 대하여 알짜 힘을 발생시키는데 필요한 진폭과 위상으로 접촉 팁의 2차원적 발진을 일으킨다. 이러한 초음파 모터는 정숙하며, 힘의 약 3분의 1을 발생시키는 동안에는 스텝핑 모터보다 100배 빠르다. 일반적으로 초음파 모터는 정지와 기동시키기 어려워 정밀도에 제약이 있다. 통상적으로 마이크로미터 이하의 분해능을 얻기 위해 폐루프(closed-loop) 제어 방식의 인코더가 필요하다.

나사 로드를 초음파 진동을 사용하여 구동하는 장치가, 예컨대 가츠유키 후지무라의 미국 특허 제6,147,435호에 기술되어 있으며, 이 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이 특허는, "축 방향을 따라 나선형으로 홈 부분이 형성된 스크류 로드; 이 스크류 로드의 양단부를 회전 가능하게 유지하는 한 쌍의 스탠드; 상기 스크류 로드를 부분적으로 둘러싸고 상기 스크류 로드의 축 방향으로 미끄럼 이동 가능한 작업대; 제1 특정 각도에서 상기 스크류 로드의 상기 홈 부분과 접촉하는 제1 진동기와, 특정 압력에서 상기 제1 진동기를 상기 스크류 로드의 상기 홈 부분을 향하게 강제하는 제1 스프링, 그리고 제1 회전 방향으로 상기 스크류 로드를 회전시키도록 전기적으로 활성화될 때 상기 제1 진동기를 진동시키는 제 1 압전 작동기를 구비하고, 상기 작업대의 일측에 고정되며 상기 작업대로부터 상기 스크류 로드까지 연장되는 하나 이상의 제1 스크류 로드 회전 장치; 및 상기 제1 특정 각도와 반대인 제2 특정 각도에서 상기 스크류 로드의 상기 홈 부분과 접촉하는 제2 진동기와, 특정 압력에서 상기 제2 진동기를 상기 스크류 로드의 상기 홈 부분을 향하게 강제하는 제2 스프링, 그리고 제2 회전 방향으로 상기 스크류 로드를 회전시키도록 전기적으로 활성화될 때 상기 제2 진동기를 진동시키는 제2 압전 작동기를 구비하고, 상기 작업대의 타측에 고정되며 상기 작업대로부터 상기 스크류 로드까지 연장되는 하나 이상의 제2 스크류 로드 회전 장치를 포함하는, 초음파 진동에 의해 스크류 로드를 구동하는 기구"를 개시하고 청구한다.

상기 미국 특허 제6,147,435호의 장치는 "제1 스크류 로드 회전 장치"와 "제2 스크류 로드 회전 장치"를 모두 필요로 하는데, 이러한 제1 및 제2 스크류 로드 회전 장치는 상기 특허의 도 3에, 예컨대 (상기 제1 스크류 로드 회전 장치를 포함하는) 요소(16a' 및 16d')와, (상기 제2 스크류 로드 회전 장치를 포함하는) 요소(16b' 및 16c')로서 도시되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호를 다시 참조해 보면, 요소(16a' 및 16d')가 초음파 진동에 의해 활성화될 때, 스크류 로드(2)는 한 방향으로 회전하게 되고; 요소(16b' 및 16c')가 초음파 진동에 의해 활성화될 때, 스크류 로드(2)는 반대 방향으로 회전하게 된다.

상기 요소(16a'/16d' 및 16b'/16c')들은 결코 동시에 활성화되지 않으며, 따라서 에너지가 낭비되고 스크류 로드(2)는 정지상태로 유지되게 될 것이다.

그러나, 요소(16a'/16d' 및 16b'/16c')들이 동시에 활성화되지 않는 경우에 도 에너지 낭비가 일어난다. 불활성 상태의 요소들의 쌍은 여전히 스크류 로드(2) 상의 나사부와 접촉해 있으므로, 드래그 마찰을 일으킨다.

이러한 드래그 마찰은 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 문제점이다. 이 미국 특허의 청구범위 제2항에 기재된 바와 같이, 이러한 문제를 어느 정도 해결하기 위하여 이 미국 특허의 장치는 "상기 제1 및 제2 압전 작동기 중 하나가 전기적으로 활성화될 때, 매우 적은 량의 전류가 상기 제1 및 제2 압전 작동기 중 다른 하나에 공급된다"라고 되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 효율은 매우 높은 것은 아니다.

본 발명의 목적은 미국 특허 제6,147,435호의 기구보다 상당히 더 높은 효율을 갖는 한편, 유사한 크기의 다른 초음파 모터에 의해 통상적으로 얻어지는 것보다 큰 속도, 힘 및 정확도를 제공하는, 나사 샤프트를 초음파 진동에 의해 구동하는 기구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 나사 샤프트를 구동하는 전술한 기구를 포함하는 촬상 장치 및 주사기 펌프 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 나사 샤프트 조립체 구동용 장치에 연결된 광학 요소를 포함하는 광학 조립체로서, 상기 나사 샤프트 조립체 구동용 장치는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 너트를 포함하는 것인 광학 조립체가 제공된다. 나사 샤프트 조립체는 상기 너트를 초음파 진동을 받게 하여 상기 나사 샤프트가 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하게 하는 수단을 포함한다. 나사 샤프트 조립체는 또한 나사 샤프트에 축 방향의 힘을 인가하는 수단을 포함한다.

본 발명에 따르면, 주사기를 포함하는 유체 펌프 조립체로서, 상기 주사기의 플런저는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 너트를 포함하는 나사 샤프트 조립체에 연결되는 것인 유체 펌프 조립체가 제공된다. 나사 샤프트 조립체는 상기 너트를 초음파 진동을 받게 하여 상기 나사 샤프트가 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하게 하는 수단을 포함한다.

본 발명은 또한 모터의 샤프트의 운동을 접선방향의 접촉을 이용하여 희망 지점에서 정지시키고, 모터 샤프트와 너트의 나사부를 함께 움직이지 못하게 하는 일 없이 회전을 정지시키는 기계적인 운동 정지 기구를 제공한다.

본 발명을 명세서, 첨부된 청구범위, 및 유사한 도면 번호가 유사한 요소를 나타내는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 6은 4개의 직사각형 압전 플레이트를 포함하는 모터를 보여주는 도면들로서, 도 1은 이 모터의 사시도이고, 도 2는 이 모터의 분해도이며, 도 3은 이 모터의 단부도이고, 도 4는 이 모터에 대한 전기 접속부를 보여주는 도면이며, 도 5는 도 3의 선 A-A(30)를 따라 취한 모터의 단면도로서, 도 5a는 외부에 전부하가 걸려 있고 모터가 정지되어 있는 상태에서의 나사 결합을 보여주는 확대도(도 5의 47)이고, 도 5b는 도 5a와 동일한 부분을 모터가 작동하고 있는 상태로 보여주는 확대도이며, 도 6은 도 3의 선 B-B(32)를 따라 취한 단면도이다.

도 7 내지 도 12는 4개의 압전 스택을 포함하는 모터를 보여주는 도면들로 서, 도 7은 이 모터의 사시도이고, 도 8은 이 모터의 분해도이며, 도 9는 이 모터의 단부도이고, 도 10은 이 모터에 대한 전기 접속부를 보여주는 도면이며, 도 11은 도 9의 선 A-A(48)를 따라 취한 단면도이고, 도 12는 도 9의 선 B-B(46)를 따라 취한 단면도이다.

도 13 내지 도 17은 4개의 외부 전극을 구비한 압전 튜브를 포함하는 모터를 보여주는 도면으로서, 도 13은 이 모터의 사시도이고, 도 14는 이 모터의 분해도이며, 도 15는 이 모터의 단부도이고, 도 16은 이 모터에 대한 전기 접속부를 보여주는 도면이고, 도 17은 도 15의 선 A-A(56)를 따라 취한 단면도이다.

도 18은 나사 샤프트의 회전과 병진 이동을 보여주는, 도 1의 모터용 나사 너트의 궤도 운동의 개략적인 예시도이다.

도 19는 도 18에 도시된 동작을 일으키는데 필요한 전기 구동 신호의 개략적인 예시도이다.

도 20 내지 도 25는 선형의 스테이지와 일체로 패키징된 도 1의 모터의 용례를 보여주는 도면들로서, 도 20은 모터 조립체의 사시도이고, 도 21은 모터 조립체의 분해도이며, 도 22는 모터 조립체의 단면도이고, 도 23a는 도 20의 배후 측에서 바라본 모터 조립체의 사시도이며, 도 23b는 모터 조립체가 순방향으로 어떻게 회전하고 병진 이동하는지를 보여주는 사시도이고, 도 23c은 모터 조립체가 역방향으로 어떻게 회전하고 병진 이동하는지를 보여주는 사시도이며, 도 24a는 순방향으로 작동하는 선형 스테이지에 일체화된 모터 조립체를 보여주는 도면이고, 도 24b는 역방향으로 작동하는 선형 스테이지에 일체화된 모터 조립체를 보여주는 도면이며, 도 25는 3-축 스테이지 시스템에 일체화된 모터 조립체를 보여주는 도면이다.

도 26 내지 도 29는 도 13 내지 도 17과 유사하게 4개의 외부 전극을 구비한 압전 튜브를 포함하는 모터를 보여주는 도면들로서, 도 26은 이 모터의 사시도이고, 도 27은 이 모터의 분해도이며, 도 28은 이 모터의 단부도이고, 도 29는 도 28의 선 A-A(130)를 따라 취한 단면도이다.

도 30 내지 도 36은 평면 구조의 4개의 압전 스택을 갖는 모터를 보여주는 도면들로서, 도 30은 이 모터의 사시도이고, 도 31은 이 모터의 분해도이며, 도 32는 이 모터의 단부도이고, 도 33은 도 32의 선 A-A(132)를 따라 취한 단면도이며, 도 34는 이 모터에 있어서 하나의 압전 스택에 대한 전기 접속부를 보여주는 도면이고, 도 35는 이 모터에 있어서 4개의 압전 스택에 대한 전기 접속부를 보여주는 도면이며, 도 36의 (a) 내지 (e)는 도 18에 도시된 동적 작동과 유사한 도 30의 모터용 나사 너트의 궤도 운동을 보여주는 개략도로서 나사 샤프트의 회전을 보여주는 도면이다.

도 37 내지 도 42는 모터와 렌즈가 일체화된 광학 정렬 기구를 보여주는 도면들로서, 도 37은 렌즈가 내측에 설치되는 중공형 샤프트를 갖는 도 26의 모터의 사시도이며, 도 38은 이 모터의 단부도이고, 도 39는 도 38의 선 A-A(134)를 따라 취한 단면도이며, 도 40은 렌즈가 내측에 설치되는 중공형 샤프트를 갖는 도 30의 모터의 사시도이고, 도 41은 이 모터의 단부도이며, 그리고 도 42는 도 41의 선 A-A(136)를 따라 취한 단면도이다.

도 43 내지 도 45는 도 40에 도시된 2개의 광학 정렬 기구를 초점면 촬상 장 치와 일체화한 카메라의 자동 초점 및 자동 줌 조립체를 보여주는 도면으로서, 도 43은 카메라 조립체의 사시도이고, 도 44는 이 카메라 조립체의 단부도이며, 도 45는 도 44의 선 A-A(138)를 따라 취한 단면도이다.

도 46 내지 도 48은 광학 렌즈가 회전 방지 핀을 구비한 베어링에 장착되어 렌즈가 병진 이동 가능하지만 회전하지는 못하는 도 43에 도시된 바와 같은 카메라 조립체를 보여주는 도면으로서, 도 46은 이 카메라 조립체의 사시도이고, 도 47은 이 카메라 조립체의 단부도이며, 도 48은 도 47의 선 A-A(140)를 따라 취한 단면도이다.

도 49 내지 도 52는 전체 내부 길이에 나사부가 마련되어 있는 중앙 부재에 대하여 고정 부착된 4개의 직사각형 압전 플레이트를 포함하는 모터(도 1 내지 도 5와 유사함)를 보여주는 도면으로서, 도 49는 이 모터의 사시도이고, 도 50은 이 모터의 분해도이며, 도 51은 이 모터의 단부도이고, 도 52는 도 51의 선 A-A(246)를 따라 취한 모터의 단면도이다.

도 53 내지 도 59B는 디지털 카메라 및 휴대 전화에 사용되는 자동 초점을 제공하는 광학 조립체 내에 일체로 패키징된 도 49의 모터의 용례를 보여주는 도면들로서, 도 53은 자동 초점 렌즈 조립체에 패키징된 모터 조립체의 사시도이고, 도 54는 모터 조립체 패키지의 부분 단면도이며, 도 55는 모터 조립체 패키지의 분해도이고, 도 56은 모터 조립체와 이와 함께 마련되는 완전 퇴축된 상태의 렌즈 기구를 도시하는 부분 단면도이며, 도 57은 모터 조립체가 순방향으로 어떻게 병진 이동하여 그에 상응하게 렌즈 기구를 이동시키는지를 보여주는 부분 단면도이고, 도 58은 모터 조립체가 어떻게 렌즈 기구를 완전히 병진 이동 및 기동시킬 수 있지를 설명하는 부분 단면도이며, 도 59a는 휴대 전화에 통합된 도 53의 모터 조립체 패키지를 보여주는 사시도이고, 도 59b는 모터 조립체 패키지(도 59A의 247)를 확대하여 보여주는 부분 단면도이다.

도 60 내지 도 66은 의료용 유체 펌프에 이용되는 유체 제어 분배용 수단을 제공하는 분배 주사기 내에 일체로 패키징된 도 26의 모터의 용례를 보여주는 도면들로서, 도 60은 주사기 유체 분배 시스템에 패키징된 모터 조립체의 사시도이고, 도 61은 모터 조립체 패키지의 부분 단면도이며, 도 62는 모터 조립체 패키지의 분해도이고, 도 63은 모터 조립체가 주사기의 플런저와 함께 완전히 퇴축되어 주사기 본체의 내부에 유체 체적이 남아있는 것을 허용하는 것을 보여주는 사시도이며, 도 64는 모터 조립체와 함께 마련되는 플런저가 모든 유체 체적을 주사기 본체로부터 강제로 밀어낸 상태로 모터 조립체가 완전히 병진 이동되어 있는 것을 보여주는 사시도이고, 도 65는 의료용 유체 펌프 내에 패키징된 모터 조립체의 사시도이며, 도 66은 의료용 유체 펌프의 하우징 내에 있는 모터 조립체를 보여주는 도 65에 도시된 모터 조립체의 부분 단면도이다.

도 67a 내지 도 71은 본 명세서에 포함되는 모든 모터에 이용될 수 있는 접선방향 운동 제한부를 보여주는 도면들로서, 도 67a는 접선방향 운동 제한부가 일체로 마련된 통상의 모터 조립체를 비결합 상태로 보여주는 사시도이고, 도 67b는 접선방향 운동 제한부(도 67a의 259)의 확대도이며, 도 68a는 접선방향 운동 제한부가 일체로 마련된 통상의 모터 조립체를 결합 상태로 보여주는 사시도이고, 도 68b는 접선방향 운동 제한부(도 68a의 266)의 확대도이며, 도 69a는 접선방향 운동 제한부의 고정부를 보여주는 사시도이고, 도 69b는 접선방향 운동 제한부의 고정부를 상세히 보여주는 측면도이며, 도 70a는 접선방향 운동 제한부의 회전부를 보여주는 사시도이고, 도 70b는 접선방향 운동 제한부의 회전부를 상세히 보여주는 측면도이며, 도 71의 (a) 내지 (d)는 모터가 회전하고 병진 이동하는 경우에 있어서 접선방향 운동 제한부의 작동 단계를 보여주는 도면이다.

실시예의 설명의 앞부분에서는 소형 초음파 선형 모터에 대하여 설명하고, 뒷부분에서는 이러한 모터에 연결된 광학 요소를 포함한 광학 조립체에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에서, 소형 초음파 선형 모터는 리드 스크류를 회전시켜서 선형 운동을 한다. 실린더는 초음파 범위의 제1 벤딩 모드(bending mode) 공진 진동수로 나사 너트를 지지한다. 실린더와 너트는 트랜스듀서에 의해 공진 진동수로 여기되고, 이로 인해 너트가 실린더의 단부에서 궤도 운동을 하게 된다. 트랜스듀서는 압전 소자, 전기 왜곡 소자, 정전 소자, 전자기 소자, 또는 공진을 고무시킬 수 있는 임의의 소자일 수 있다. 실린더의 직각 벤딩 모드를 ± 90°의 위상차로 동시에 여기시켜서 원형의 궤도를 생성하기 위하여 2개 이상의 트랜스듀서가 필요하다. 억지 끼워 맞춤형 나사 샤프트가 너트의 내측에 설치된다. 저마찰 커플링을 통하여 탄성의 축 방향 부하가 나사 샤프트에 인가된다. 너트는 자신의 공진 진동수로 궤도 운동을 하며, 샤프트의 관성은 너트를 중심부에 유지되게 한다. 너트의 궤도 운동은 샤프트를 회전시키고 선형 운동을 일으키는 토크를 발생시킨다. 트랜스듀서에 대해서는 2개 이상 교류 구동 신호가 요구된다. 너트의 원형 궤도 운동을 확보하려면, 구동 진동수는 기계적 진동수를 여기시키고 위상을 제어하여야 한다. 구동 신호의 진폭과 지속시간을 조정하여 속도를 제어한다. 구동 신호 사이의 위상차는 양 또는 음이 될 수 있으며, 이에 따라 너트의 궤도 운동과 샤프트의 회전/병진 이동의 방향이 바뀐다. 이 실시예와 다른 바람직한 실시예는 본 명세서의 나머지 부분에서 보다 상세히 설명될 것이다.

특정의 이론을 들지 않더라도, 본 출원인은 그의 초음파 선형 작동기 중 하나의 작동 원리가, 원통형 튜브의 제1 벤딩 공진의 여기이며, 이러한 여기는 원통형 튜브의 한쪽 단부 또는 양단부가 회전하지 않으면서 원통형의 축 둘레로 궤도 운동을 하게 하는 것으로 확신한다. 본 실시예에서, 튜브의 일단부는 나사 너트를 수용하고, 이 너트는 맞물리는 나사 샤프트 둘레로 궤도 운동을 하며, 마찰을 통하여 접선방향 힘을 부여하여, 나사 너트가 궤도 운동을 할 때 나사 샤프트를 회전시킨다. 나사부에서의 마찰은 스크류를 직접 구동시키기 때문에 유용하다. 이는 나사부의 접촉 마찰이 의존적이며 감김, 백래쉬(backlash) 및 느린 응답을 야기하는 통상의 리드 스크류 구동부와는 크게 대조적이다. 본 실시예에서 사용된 나선형 나사부의 다른 중요한 이점은, 기계적으로 큰 장점을 갖는 회전의 병진 운동으로의 직접적인 변환인데, 이는 축 방향 힘을 확대시키고 선형 속도를 감소시키며, 결과적으로 정확도를 증대시킨다.

이 실시예에서, 부하 경로의 내측 또는 외측 어느 쪽에서도 트랜스듀서는 제 1 벤딩 모드를 여기시키는데 바람직하게 사용된다. 사용될 수 있는 트랜스듀서를 몇 가지 예로 들면, 압전 소자 및 스택과, 자기 왜곡 재료, 그리고 정전기 재료가 있다. 이와 같이 열거한 예는 모든 트랜스듀서 재료를 포함하지 않지만, 원통형 튜브나 이와 유사한 형상의 블럭의 제1 벤딩 공진을 여기시키는데 사용될 수 있거나 또는 튜브의 한쪽 단부 혹은 양단부의 궤도 운동을 달성하는데 사용될 수 있는 임의의 재료 또는 기구가 본 발명에서 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 기술된 실시예는 압전 재료를 사용하지만, 전술한 다른 트랜스듀서 재료로도 용이하게 실시될 수 있다.

도 1 내지 도 6과 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 초음파 선형 모터(10)가 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 초음파 진동을 발생시키기 위하여 4개의 직사각형 압전 플레이트를 사용한다. 도 1에 도시되지 않은 다른 실시예에서는 초음파 진동을 발생시키기 위하여 다른 수단이 사용될 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 초음파란 용어는 20,000 헤르츠를 초과하는 작동 진동수를 의미한다. 일 실시예에서 작동 진동수는 적어도 약 25,000 헤르츠이다. 다른 실시예에서 작동 진동수는 적어도 약 50,000 헤르츠이다. 또 다른 실시예에서 작동 진동수는 적어도 약 100,000 헤르츠이다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 선형 모터란 용어는 발생 힘 및/또는 변위에 의하여 실질적으로 직선의 운동을 하는 작동기를 지칭한다. 이에 대해서는, 예를 들어 미국 특허 제5,982,075호(초음파 선형 모터), 제5,134,334호(초음파 선형 모터), 제5,036,245호(초음파 선형 모터), 제4,857,791호(선형 모터) 등을 참조할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체 내용을 본 명세서에서 참고로 인용한다.

도 1 내지 도 6과 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 다시 참조하면, 구형의 볼 팁(26)을 구비한 나사 샤프트(12)가 회전하여 축 방향 힘과 운동을 발생시킨다는 것이 명백해질 것이다.

나사 샤프트(12)는 하우징(14) 내에 운동 가능하게 배치되는 것이 바람직하다. 나사 샤프트(12)의 길이(15)(도 5 참조)는 하우징(14)의 길이(13)를 적어도 10 mm 만큼 초과하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 길이(15)는 길이(13)를 적어도 25 mm 만큼 초과한다. 다른 실시예에서, 길이(15)는 길이(13)를 적어도 50 mm 만큼 초과한다.

일 실시예에서, 나사 샤프트(12)는 제1 고유 진동수를 갖는데, 이 고유 진동수는 하우징(14)의 제1 고유 진동수의 약 0.2배 미만이다. 다른 실시예에서, 나사 샤프트(12)의 제1 고유 진동수는 하우징(14)의 제1 고유 진동수의 약 0.1배 미만이다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 고유 진동수란 용어는 제1의 정상 모드 진동의 진동수를 의미한다. "맥그로우-힐 과학 및 기술 용어 사전"의 제4판 제1253면 참조(맥그로우-힐 출판사, 뉴욕, 뉴욕, 1989). 또한, Eugene A. Avallone 등의 "Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers"(맥그로우-힐 출판사, 뉴욕, 뉴욕, 1978)의 "단순계의 고유 진동수" 제5-59면 내지 제5-70면 참조. 또한, 미국 특허 제6,125,701호, 제6,591,608호, 제6,525,456호, 제6,439,282호, 제6,170,202호, 제6,101,840호 등도 참조할 수 있는데, 이들 미국 특허 각각의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

도면에 도시된 실시예에서, 너트(16)의 궤도 운동은 도 18에 가장 잘 도시된 바와 같이, 축의 중심선(도 2 참조)에 평행한 평면들에서 서로 직각으로 작용하는 두 개의 정상 모드 진동의 존재하에 발생된다. 이러한 직각을 이루는 두 개의 정상 모드의 진동은 활성화된[예컨대, 플레이트(18, 20, 22 및 24) 등과 같은] 트랜스듀서와 하우징(14)의 상호작용에 의해 제공되며, 이러한 상호 작용은 나사 너트(16)의 궤도 운동을 일으키고, 이러한 궤도 운동은 다시 나사 샤프트(12)를 회전 및 병진 이동시킨다.

일 실시예에서, 나사 너트(16)의 제1 고유 공진 진동수는 모터 조립체(10)의 작동 진동수의 적어도 5배인 것이 바람직하다. 따라서, 나사 너트(16)는 실질적으로 강체인 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 나사 샤프트(12)는 사실상 스테인레스강과 같은 금속으로 제조된다. 이 실시예에서, 나사 샤프트(12)는 사실상 황동과 같은 금속으로 제조되는 나사 너트(16)와 맞물린다.

분명히 알 수 있듯이, 마모 및 마멸을 최소화하도록 나사 샤프트(12)와 나사 너트(16)용 재료의 조합을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 마모 및 마멸을 최소화하는 다른 재료들의 조합도 본 발명에서 사용될 수 있다.

도 1을 다시 참조해보면, 나사 샤프트(12)는 바람직하게는 나선형 홈 형태인 복수의 나사부(17)를 포함한다는 것이 명백해질 것이다. 일 실시예에서, 나사부(17)의 피치는 인치당 약 250개 미만의 나사산, 바람직하게는 인치당 약 200개 미만 나사산이다. 다른 실시예에서, 나사부(17)의 피치는 인치당 약 100개 미만의 나사산이다. 본 실시예의 한 가지 양태에서, 나사부(17)의 피치는 인치당 약 40개 내지 약 80개의 나사산이다.

나사부(17)는 도 18에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이(또한 도 36 참조), 나사 너트(16)의 암나사부(19)와 맞물리는 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시예에서, 암나사부(19)의 피치는 수나사부(17)의 피치와 실질적으로 같다.

도시의 간략화를 위하여, (도 5a, 도 5b, 도 18 및 도 36을 제외하고는) 나사부(17)와 나사부(19)가 전체적으로 맞물린 상태로 도시되어 있지만, 나사부(17)와 나사부(19) 사이의 직경 방향 간극은 나사부(17) 및/또는 나사부(19)의 나사골 깊이(33/35)의 약 0.5배 미만인 것이 바람직하다. 이러한 직경 방향의 간극은 도 5a에 가장 잘 도시되어 있다. 이러한 직경 방향의 간극을 측정하는 수단은 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,145,805호, 제5,211,101호, 제4,781,053호, 제4,277,948호, 제6,257,845호, 제6,142,749호 등을 참조할 수 있는데, 이들 미국 특허 각각의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 예를 들어, 전술한 "Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers"의 제8-9면(이하 참조)의 "Machine Elements"를 참조할 수 있다.

도 5a를 참조하면, 나사부(17)와 나사부(19) 사이에 있어서의 한 가지 바람직한 맞물림 모드가 도시되어 있다. 도면에서 명백해지는 바와 같이, 나사부(17)의 각각은 팁(29)을 갖고, 나사부(19)의 각각도 팁(31)을 갖는다. 또한, 나사부(17)와 나사부(19) 각각은 나사골 깊이(33 및 35)을 각각 갖는다.

도 1과 이 도면에 도시된 바람직한 실시예를 다시 참조하면, 진동 하우징(14)에 연결된 나사 너트(16)의 초음파 궤도 운동에 의해 나사 샤프트(12)의 회전이 일어난다는 것은 명백해질 것이다. 도시된 실시예에서, 나사 너트(16)는 하우징(14)에 연결되는 것이 바람직하다. 이는 도 2에 가장 잘 도시되어 있다.

도 2와 이 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 나사 너트(16)는 오리피스(11) 내에 배치된다는 것이 명백해질 것이다. 나사 너트(16)는 예를 들어 압력 끼워 맞춤 및/또는 접착 수단 등과 같은 통상적인 수단으로 오리피스(11) 내에 고정된다.

도 1과 도 2에 도시된 바람직한 실시예에서, 나사 너트(16)는 원통형 너트이다. 도면에 도시되지는 않았지만, 다른 실시예에서 나사 너트(16)는 사각형상, 육각형상, 팔각형상 등을 갖는 다각형 너트이다.

도 1 및 도 2와 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 다시 참조하면, 복수 개의 세라믹 플레이트(18)(이하 참조)가 하우징(14)의 외면(37)에 부착된다는 것은 명백해질 것이다.

세라믹 플레이트(18)(이하 참조)는 전압이 인가되면, 특히 전압의 변화를 겪게 되면, 각각의 길이가 변화하는 것이 바람직하다. 이러한 세라믹 플레이트는 본 명세서에 기재된 바와 같이 "능동형 세라믹 플레이트"라고 할 수 있다. 일 실시예에서, 능동형 세라믹 플레이트(18)(이하 참조)는 압전 플레이트, 전기 왜곡 플레이트, 및 이들의 혼합체로 이루어진 그룹에서 선택된다. 설명의 간략화를 위하여, 적어도 도 1과 도 2의 실시예는 압전 플레이트와 관련하여 기술될 것이다.

도 2에 도시된 실시예에서, 4개의 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)는 하우징의 외면(37)에 접합되며, 각각의 압전 플레이트 상의 전극(21 및 23)에 교류 구동 신호를 인가함으로써(도 4 참조) 여기될 때 나사 너트(16)의 궤도 진동을 일으킨다.

일 실시예에서는, 두 개의 압전 플레이트(18 및 20) 만이 사용된다. 다른 실시예에서는, 8개 이상의 압전 플레이트가 사용된다. 얼마나 많은 압전 플레이트가 사용되는지에는 관계없이, 직각을 이루는 평면(39 및 41)에서의 운동을 여기시키기에 충분한 수의 압전 플레이트가 사용된다(도 2 참조).

설명의 간략화를 위하여, 4개의 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)에 대하여 설명한다. 이들 압전 플레이트는 하우징(14)의 외면(37)과 완전히 접촉하도록 하우징(14)의 대응 외면(37)에 접합되는 것이 바람직하다.

압전 플레이트(18)(이하 참조)는 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이 전극(21 및 23)에 의해 전압 공급원에 연결된다. 설명의 간략화를 위하여, 전극(21 및 23)의 연결은 압전 플레이트(20)에 대해서만 도시되어 있지만, 다른 압전 플레이트에 대하여도 동종의 연결이 실시될 수 있음은 물론이다.

도 4와 이 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 4개의 내측 전극(23) 모두가 접지부(25)에 연결되어 있음이 명백해질 것이다. 이 실시예에서, 압전 재료는 낮은 유전 손실과 높은 탈분극 전압을 갖는, 흔히 이용가능한 "경질" 조성물이다. 따라서, 예를 들어 미국 오하이오주 베드스포드 소재의 Morgan Matroc company에서 "PZT-4"로 시판하는 압전 재료를 사용할 수 있다. 이러한 바람직한 재료는 통상적으로 몇 가지 중요한 특성을 갖는다.

따라서, 바람직한 재료는 약 20,000 헤르츠보다 큰 진동수에서 약 1% 미만, 바람직하게는 약 0.5% 미만의 유전 손실율을 갖는 것이다. 일 실시예에서, 유전 손실율은 약 20,000 헤르츠보다 큰 진동수에서 약 0.4%이다.

따라서, 바람직한 재료는 적어도 약 250 피코쿨롱/뉴턴, 바람직하게는 적어도 약 270 피코쿨롱/뉴턴의 d33 압전 전하 계수를 갖는다. 일 실시예에서, 바람직한 재료는 약 285 피코쿨롱/뉴턴의 d33 압전 전하 계수를 갖는다.

따라서, 바람직한 재료는 적어도 약 -90 피코쿨롱/뉴턴, 더 바람직하게는 적어도 약 -105 피코쿨롱/뉴턴의 d31 압전 전하 계수를 갖는다. 일 실시예에서, d31 압전 전하 계수는 약 -115 피코쿨롱/뉴턴이다.

일 실시예에서, 바람직한 재료는 적어도 약 2500 피코쿨롱/뉴턴의 d33 압전 전하 계수와, 적어도 약 900 피코쿨롱/뉴턴의 d31 압전 전하 계수를 갖는 단결정 재료이다.

예시를 위한 것이지 한정을 위한 것이 아닌, 적당한 몇몇 재료에 대해서는 예컨대 미국 특허 제3,736,532호와 제3,582,540호를 참조할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체 내용은 참고로 본 명세서에서 인용된다.

추가적인 예시를 위해, 그리고 당업자에게 알려진 바와 같이, 유전 손실이 낮은 압전 재료는 당업자에게 알려져 있다. 예컨대, 미국 특허 제5,792,379호의 "저손실 PZT 세라믹 조성물"을 참조할 수 있으며, 이 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

일 실시예에 있어서, 압전 재료는 단결정 압전 재료이다. 이러한 재료는 해당 분야에 알려져 있다. 예컨대, 미국 특허 제5,446,330호, 제5,739,624호, 제5,814,917호, 제5,763,983호(단결정 압전 트랜스포머), 제5,739,626호, 제5,127,982호 등을 참조할 수 있다. 이들 각각의 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

도 4와 이 도면에 도시된 바람직한 실시예를 다시 참조하면, 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)의 축 방향 길이는 인가된 전압(Vx/86 및 Vy/88)과 d31 압전 전하 계수에 비례하여 변화된다.

명백한 바와 같이, 압전 플레이트(18, 22 및 20, 24)는 쌍을 이루어 하우징(14)을 굽히고(도 1과 도 2 참조) 궤도 공진을 여기시키도록 함께 작용한다. 교류 구동 신호(86 및 88)는 각각 분극 방향(43)으로 압전 플레이트(20, 24 및 18, 22)에 인가되는 것이 바람직하다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 분극 방향(43)은 제조중에 압전 재료에서 쌍극자가 정렬되는 방향이다. 예를 들어, 미국 특허 제5,605,659호(세라믹 압전 플레이트의 분극 방법), 제5,663,606호(압전 작동기 분극 장치), 제5,045,747호(압전 세라믹 분극 장치) 등을 참조할 수 있다. 상기 미국 특허 각각의 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

각 압전 플레이트 쌍(18, 22 및 20, 24)에 있어서, 전기장은 한 플레이트의 분극 방향(43)에 대해서는 양이고 그 대향측 플레이트의 분극 방향(43)에 대해서는 음이다. 바람직하게는, 구동 신호(Vx 86)가 압전 플레이트(20, 24)에 인가됨과 동시에 한 플레이트에서 팽창이 일어나고, 그 대향측 플레이트에서 수축이 일어나서, 평면(39)(도 2 참조)에서 그리고 X 방향(72a/72b)(도 18 참조)으로 하우징(14)이 굽어지게 된다. 유사한 방식으로, 구동신호(Vy 88)가 압전 플레이트(18, 22)에 인가되면 평면(41)(도 2 참조)에서 그리고 Y 방향(74a/74b)(도 18 참조)으로 하우징(14)이 굽어지게 된다.

나사 너트(16)의 반대편에 있는 하우징 단부(45)는 부싱 내경과 나사 샤프트(12)의 외경 사이에 작은 간극을 두도록 가이드 부싱(28)을 지지하는 것이 바람직하다(도 2 참조). 나사 샤프트(12)는 작은 마찰을 일으키는 단단한 평탄면을 사용하여 구형의 볼 팁(26)을 통해 인가되는 탄성의 축 방향 힘(27)을 지지한다(도 5와 6 참조).

모터(10)의 작동중에 볼(26)을 통해 전달되는 것이 바람직한 축 방향의 힘(27)은 약 0.1 내지 약 100 뉴턴인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 축 방향의 힘(27)이 출력 구동력과 같은 크기라는 것이 명백해질 것이다.

구형의 볼(26)(도 2 참조)은 나사 샤프트(12)를 그 로드(load)(27)(도 5 참조)에 대해 저마찰 토크로 연결하는 한 수단이다. 운동을 회전하는 나사 샤프트로부터 이동 로드에 연결하는 다른 수단을 사용할 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 예를 들어 당업자는 구름 요소 베어링을 사용할 수도 있고, 나사 샤프트(12)의 평탄한 면과 접촉하는 원호 형상의 로드를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,769,554호(기구학적 연결 방법)와 제6,325,351호(정밀 기계용의 크게 감쇄되는 기구학적 연결) 등을 참조할 수 있으며, 이들 미국 특허 각각의 전체 내용은 참고로 본원의 명세서에 인용된다.

도 1과 도 2를 참조하면, 나사 너트(16)의 반대편에 있는 하우징(14)의 단부(45)는 고정 커버(58)(도 21 참조)용 연결 지점인 플랜지를 포함한다. 나사 샤프트(12)와 나사 너트(16)의 나사부 피치는 궤도 운동의 접선방향의 힘과 운동을 축 방향의 힘과 운동으로 변환한다. 이 피치는 힘의 확대, 속도의 감소, 분해능 향상 및 전력 공급의 중단시 힘 유지 등을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.

도 7 내지 도 12와 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 초음파 선형 모터(30)는 초음파 진동을 발생시키기 위해 4개의 압전 스택(36, 38, 40 및 42)(도 7 및 도 8 참조)을 사용하는 것이 바람직하다. 구형의 볼 팁(26)을 구비한 나사 샤프트(12)는 회전하며 축 방향의 힘과 운동을 일으킨다. 회전은 진동 실린더(32)에 연결된 나사 너트(16)의 초음파 궤도 운동에 의해 생성된다. 4개의 압전 스택(36, 38, 40 및 42)은 나사 너트의 반대편 위치하는 실린더의 단부에 접합되고 베이스 링(34)에 접합된다. 4개의 스택(36)(이하 참조)은, 내측 스택의 리드선이 바람직하게는 공통의 접지부(35)에 함께 연결되도록, 공지의 조립 및 전기 접속 방법(44)을 사용하여 구성된다. 스택(36)(이하 참조)의 축 방향 길이는 인가된 전압과 d33 압전 전하 계수에 비례하여 변한다. 압전 재료는 통상적으로 이용가능한 낮은 유전 손실과 높은 탈분극 전압을 갖는 "경질" 조성물이다. 교류 구동 신호(86 및 88)가 각 압전 스택(44)의 외측 리드선에 연결되고 너트의 궤도 진동을 여기시킨다. 압전 스택(36 및 40과 38 및 42)은 각각 쌍으로 작용하여, 튜브를 회전시키고 궤도 공진을 여기시킨다. 교류 구동 신호(Vx 86 및 Vy 88)는 스택(38, 42 및 36, 40) 각각에 분극 방향(43)으로 인가된다. 각 쌍의 스택(38, 42 및 36, 40)의 경우, 전기장은 한 스택에 있어서 분극 방향(43)에 대해서는 양이며, 반대편 스택에 있어서 분극 방향에 대하여 음이다. 구동 신호(Vx 86)는 스택(38, 42)에 인가되는 동시에 한 스택에서 팽창을 일으키고 반대편 스택에서 수축을 일으키며, 그에 따라 구동 신호는 튜브를 X 방향(72a/72b)으로 회전시킨다(도 18 참조). 유사한 방식으로, 구동 신호(Vy 88)는 스택(36, 40)에 인가되고 튜브의 단부를 Y 방향(74a/74b)으로 이동시킨다(도 18 참조). 나사 너트(16)의 반대편에 있는 베이스 링(34)은 나사 샤프트의 외경과 부싱 내경 사이에 작은 간극을 두도록 가이드 부싱(28)을 지지한다. 나사 샤프트(12)는 낮은 마찰을 일으키는 경질 평탄면을 사용하여 구형의 볼 팁(26)을 통해 인가되는 탄성의 축 방향 힘(27)을 지지한다. 베이스 링(34)은 고정 커버(58)용의 연결 지점이다(도 21 참조). 나사 샤프트(12)와 나사 너트(16)의 나사부 피치는 궤도 운동의 접선방향의 힘과 운동을 축 방향의 힘과 운동으로 변환한다. 피치는 힘의 확대, 속도 감소, 분해능 향상 및 전력 공급의 중단시 힘 유지를 최적화하도록 선택된다.

도 13 내지 도 17를 참조하면, 초음파 선형 모터(50)는 사분원 전극을 갖는 압전 튜브(54)를 사용하여 초음파 진동을 발생시킨다. 구형의 볼 팁(26)을 구비한 나사 샤프트(12)는 회전하고 축 방향 힘과 운동을 발생시킨다. 회전은 진동 압전 튜브(54)에 연결된 나사 너트(16)의 초음파 궤도 운동에 의해 발생된다. 튜브의 내경은 연속 전극(61)이고 접지부(63)에 접지되며, 튜브의 외경은 4개의 독립된 전극(60, 62, 64 및 66)으로 분할되어 있다. 압전 재료는 통상적으로 이용가능한 낮은 유전 손실과 높은 탈분극 전압을 갖는 "경질" 조성물이다. 압전 튜브 중에서 각 전극(60, 62, 64 및 66)의 밑에 있는 부분의 축 방향 길이는 인가된 전압과 d31 압전 전하 계수에 비례하여 변화된다. 전극 섹션(60, 64 및 62, 66)은 각각 쌍으로 함께 작용하여 튜브(54)를 굽히고 궤도 공진을 여기시킨다. 교류 구동 신호(86 및 88)는 압전 플레이트(60, 64 및 62, 66)에 분극 방향(43)으로 각각 인가된다. 각 전극(60, 64 및 62, 66) 쌍의 경우, 전기장은 한 전극에 있어서 분극 방향에 대하여 양이고, 반대편 전극에 있어서 분극 방향에 대하여 음이다. 구동 신호(Vx 86)는 전극(60, 64)에 인가되는 동시에 한 전극에서 팽창을 일으키고 반대편에 있는 전극에서 수축을 일으키므로, 튜브느 X 방향(72a/72b)으로 굽혀진다(도 18 참조). 유사한 방식으로, 구동 신호(Vy 88)는 압전 플레이트(62, 66)에 인가되고 튜브를 Y 방향(74a/74b)으로 굽힌다(도 18 참조).

나사 너트(16)의 반대편에 있는 튜브 단부는 베이스 플랜지(52)에 접합되고 부싱 내경과 나사 샤프트의 외경 사이에 작은 간극을 두도록 가이드 부싱(28)을 유지시킨다. 나사 샤프트(12)는 낮은 마찰을 일으키는 경질 평탄면을 사용하여 구형의 볼 팁(26)을 통해 인가되는 탄성의 축 방향 힘(27)을 지지한다. 베이스 플랜지는 고정 커버(58)용 연결 지점이다(도 21 참조). 나사 샤프트(12)와 나사 너트(16)의 나사부 피치는 궤도 운동의 접선방향의 힘과 운동을 축 방향의 힘과 운동으로 변환시킨다. 피치는 힘의 확대, 속도 감소, 분해능 향상 및 전력 공급의 중단시 힘 유지를 최적화하도록 선택될 수 있다.

도 18과 도 19를 참조하면, 모터(10)(도 1 참조) 작동과, 그러한 작동을 실시하기 위해 사용된 대응 구동 신호(86 및 88)가 도시되어 있다(도 36 또한 참조). 압전 플레이트 쌍은 함께 작용하는데, 한 쌍(70)은 팽창되는 한편 다른 쌍(69)은 동시에 수축하여 하우징이 굽혀진다. 교류 구동 신호(Vx 86 및 Vy 88)는 원형의 궤도 운동을 형성하도록 동일한 진폭(90/91)과 90도의 위상차(92)를 갖는 사인파인 것이 바람직하다. 양의 위상차(92)는 나사 너트(16)의 양의 궤도 운동 방향을 일으키고, 나사 샤프트(12)의 양의 회전(96) 및 병진 이동(98)을 일으키는 반면에, 음의 위상차(92)는 나사 너트(16)의 음의 궤도 운동 방향을 일으키고, 나사 샤프트의 음의 회전 및 병진 이동을 일으킨다. 하나의 회전 방향에 있어서 모터의 단일 궤도 운동 사이클과, 대응하는 구동 신호의 진폭(90 및 91)은 90°의 증분(76, 78, 80, 82 및 84)에 순차적으로 도시되어 있다. 원통형 벤딩과 궤도 운동은 X 방향(72a/72b)과 Y 방향(74a/74b)으로 도시되어 있다. 너트는 나사 샤프트의 측부와 한 위치(73a)에서 접촉하고 그 반대편의 측부에서 간극(73b)을 두고 있어(도 5b 참조), 이러한 접촉은 접선방향의 힘과 운동을 부여하는데, 이 접선방향의 힘과 운동을 통해 나사 샤프트(12)는 각 궤도 운동 사이클마다 회전(96) 및 병진 이동(98)을 작은 크기로 하게 된다. 사이클당 회전 및 이동의 크기는 궤도 운동의 진폭, 나사 샤프트에 작용하는 힘(27)의 크기, 및 나사부의 마찰 계수와 표면 마무리 등과 같은 다수의 인자에 따라 좌우된다. 너트와 샤프트의 접촉부(73a)에서 제로-슬립 조건이 달성되면, 사이클당 이동은 공칭적으로 나사부간의 직경 방향의 간극에 비례한다. 일반적으로, 구동 진폭(90 및 91)이 증가하면, 궤도 운동이 직경이 증대되고, 나사 샤프트(12)와 나사 너트(16) 사이의 수직 접촉력이 증대되며, 미끄러짐은 감소되고, 속도가 증가되며, 토크/힘은 증가된다.

초음파 진동수는 주기[도 19의 주기(94a 및 94b) 참조]의 역이며, 이러한 초음파 진동수는 두 구동 신호에 있어서 동일하고, 하우징(14)의 제1 벤딩 공진 진동수와 매칭된다.

도 20 내지 도 25를 참조하면, 모터 조립체(100)는 모터(10)를 커버(58) 및 널링(knurled) 노브(102)와 통합한 것이다. 모터(10) 내에는 나사 샤프트(112)가 배치된다. 도 21에 가장 잘 도시된 바와 같이, 나사 샤프트(112)는 나사 샤프트(12)(도 1 참조)와 유사하지만, 일체로 부착된 매끈한 스핀들(113)을 갖는 점에서 다르다. 스핀들(113)은 널링 노브(102)에 부착되도록 되어 있다. 커버(58)는 플랜지(45)에서 모터(10)에 부착되도록 되어 있다. 널링 노브(102)는 커버(58)와 접촉하지 않고도 나사 샤프트(112)를 회전 및 병진 이동시킨다.

도 21은 모터 조립체(100)의 분해도이다. 도 22는 모터 조립체(100)의 단면도이다.

도 23a, 도 23b 및 도 23c는 모터 조립체(100)를 예시한다. 도 23a는 도 20의 배후측에서 본 모터 조립체(100)의 사시도이다. 도 23b는 노브(102)와 샤프트(112)가 시계 방향(103)으로 회전하고 화살표(105) 방향으로 병진 이동하는 모터 조립체(100)의 동작을 예시한다. 이와 대조적으로, 도 23c는 노브(102)와 샤프트(112)가 반시계 방향(107)으로 회전하고 화살표(109) 방향으로 병진 이동하는 모터 조립체(100)의 동작을 예시한다.

표현의 단순화를 위하여, 모터 조립체의 여러 구성 요소에 대한 물리적인 전기 접속 수단이 도면에서 생략되어 있음은 명백해질 것이다.

또한, 널링 노브(102)가 존재함으로써, 모터 조립체(100)를 전기적 수단으로 이동시키는 것을 대신하여 혹은 이에 추가하여 수동 수단으로 모터 조립체(100)를 이동시킬 수 있게 된다는 것도 명백해질 것이다. 따라서, 예를 들어 모터 조립체(100)는 사용자에게 통상의 수동 조정 수단뿐만 아니라 부가적인 전기적 자동 조정 수단을 제공하는 마이크로미터 구동 대체품으로서 사용될 수 있다.

도면에 도시되지 않은 일 실시예에서, 널링 노브(102)는 모터 조립체의 제2의 기계적 이동 수단을 제공할 수 있게 외부 모터에 기계적으로 연결된다.

도 24a와 도 24b는 선형 병진 스테이지(104a/104b)에 연동식으로 연결된 모터 조립체(100)를 포함하는 조정 가능한 선형 스테이지를 예시한다. 이 실시예에서, 모터 조립체(100)의 커버(58)는 하측 스테이지 부분(104b)에 부착되고, 볼(26)은 상측 스테이지 부분(104a)에 접촉한다. 널링 노브(102)가 시계 방향(103)으로 움직이면, 화살표 방향(105)의 선형 운동이 발생된다는 것은 명백해질 것이다. 반대로, 널링 노브(102)가 반시계 방향(107)으로 움직이면, 화살표 방향(109)의 선형운동이 발생된다.

도 24a와 도 24b에 개략적으로 도시된 실시예에서, 핀(115 및 116)을 포함하는 스프링 조립체(111)가 병진 스테이지(104a/104b)를 화살표 방향(109)으로 편향시킨다. 도시된 실시예에서, 핀(115)은 조립체의 가동 상부(104a)에 부착되고, 핀(116)은 조립체의 고정 하부(104b)에 부착된다. 스프링 조립체(111)는 축 방향 힘(27)을 발생시키는데 사용될 수 있음은 명백해질 것이다(도 5 및 도 6 참조).

도 25는 X, Y 및 Z 축에서 스테이지(106a, 106b 및 106c)를 이동시킬 수 있 는 미세 조작기(120)의 사시도이다.

본 발명은 바람직한 형태를 어느 정도 상세히 기술하였지만, 본 명세서의 바람직한 형태에 대한 기술 내용은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 세부 구조에서 변화될 수 있음과, 부품의 다른 조합 및 구성이 있을 수 있음은 물론이다.

본 명세서의 이전 부분에서는 회전축을 가진 나사 샤프트와, 이 축에 맞물리는 나사 너트로 구성된 나사 샤프트 조립체를 구동하는 장치가 기술되어 있으며, 여기서 상기 조립체는 나사 너트가 초음파 진동을 받게 하여 나사 샤프트가 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하도록 하는 수단을 포함한다. 나사 샤프트 조립체가 진동하게 함으로써 나사 너트가 회전과 동시에 병진 이동하게 하는 수단을 포함하는 유사한 장치를 구성할 수 있음은 명백해질 것이다.

도 26 내지 도 29는 본 발명의 다른 바람직한 모터(142)의 개략도이다. 도 26 내지 도 29를 참조하면, 초음파 선형 모터(142)는 사분원 전극을 갖는 압전 튜브(144)를 사용하여 초음파 진동을 발생시킨다. 모터(142) 및 튜브(144)는 모터(50) 및 튜브(54)와 유사하다(도 13 내지 도 17 참조). 구형의 볼 팁(26)을 갖는 나사 샤프트(12)는 회전하여 축 방향 힘과 운동을 일으킨다. 이러한 회전은 진동 압전 튜브(144)에 연결된 나사 너트(152)의 초음파 궤도 운동에 의해 발생된다. 튜브의 내경부는 접지부(63)에 접지된 연속 전극(61)이다. 튜브(54)와 튜브(144) 사이의 차이점은, 전극(61)이 튜브의 양단부 주위를 둘러싸서 각 단부의 외경에 전극 링(146)을 형성한다는 점이다. 튜브의 외경부는 4개의 독립된 전극(60, 62, 64 및 66)으로 분할되어 있다. 압전 재료는 낮은 유전 손실과 높은 탈분극 전압을 갖 는 흔히 이용 가능한 "경질" 조성물이다. 압전 튜브 중에서 각 전극(60, 62, 64 및 66)의 밑에 있는 부분의 축 방향 길이는 인가된 전압과 d31 압전 전하 계수에 비례하여 변화된다. 전극 섹션(60, 64 및 62, 66)은 쌍으로 작용하여 튜브(144)를 벤딩시키고 궤도 공진을 여기시킨다. 모터(50)에 대하여 전술한 바와 같이, 교류 구동 신호(86 및 88)는 전극(60, 64 및 62, 66)에 각각 분극 방향(43)으로 인가된다. 각 전극 쌍(60, 64 및 62, 66)에 있어서, 전기장은 한 전극에 있어서 분극 방향에 대하여 양이고 반대편 전극에 있어서 분극 방향에 대하여 음이다. 구동 신호(Vx 86)는 전극(60, 64 및 62, 66)에 인가되어, 한 전극의 밑에서는 팽창을 일으키는 동시에 반대편 전극의 밑에서는 수축을 일으키며, 따라서 튜브를 X 방향(72a/72b)으로 벤딩시킨다(도 18 참조). 유사한 방식으로, 구동 신호(Vy 88)는 전극(62, 66)에 인가되고 튜브를 Y 방향(74a/74b)으로 벤딩시킨다(도 18 참조).

도 26을 다시 참조하면, 나사 너트(152)의 반대편에 있는 튜브 단부는 나사 샤프트의 외경과 부싱의 내경 사이에 작은 간극을 두도록 가이드 부싱(150)에 접합된다. 장착 플랜지(148)는 노드점에서 튜브(144)의 외경부에 접합된다. 노드점은 튜브가 공진할 때 최소의 움직임을 갖는 튜브 상의 축 방향 위치이다. 나사 샤프트(12)와 나사 너트(152)의 나사부 피치는 궤도 운동의 접선방향의 힘과 운동을 축 방향의 힘과 운동으로 변환한다. 피치는 힘의 확대, 속도의 감소, 분해능 향상 및 전력 공급의 중단시 힘 유지를 최적화하도록 선택될 수 있다.

도 30 내지 도 36은 본 발명의 모터(154)의 다른 바람직한 실시예를 보여준다. 도 30 내지 도 36과 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 초음파 선형 모터(154)는 평면에서 90°의 간격을 두고 반경 방향으로 배향된 4개의 압전 스택(162, 164, 166 및 168)을 사용하여 초음파 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 구형의 볼 팁(26)을 갖는 나사 샤프트(12)는 회전하고 축 방향의 힘과 운동을 일으킨다. 탄성 요소(160)를 통해 4개의 압전 스택(162, 164, 166 및 168)에 연결된 나사 너트(156)의 초음파 궤도 운동에 의해 회전이 발생되는데, 여기서 스택은 베이스 플랜지(158)에 접합되어 있다. 4개의 스택(162)(이하 참조)은 잘 확립되어 있는 조립 및 전기 접속 방법(170)을 이용하여 압전 플레이트(172)로 구성되고, 리드선은 공통의 접지부(174)에 함께 연결되는 것이 바람직하다. 스택(162)(이하 참조)의 길이는 인가되는 전압(69, 70)과 d33 압전 전하 계수에 비례하여 변화된다. 압전 재료는 낮은 유전 손실과 높은 탈분극 전압을 갖는 흔히 이용 가능한 "경질" 조성물이다. 교류 구동 신호(86 및 88)는 각 압전 스택의 리드선에 연결되어 너트의 궤도 진동을 여기시킨다. 압전 스택(162)(이하 참조)은 쌍으로 함께 작용하여 너트(156)를 각각 궤도 공진(76, 78, 80, 82, 84)으로 동작시킨다. 교류 구동 신호(Vx 86 및 Vy 88)는 스택(162, 166 및 164, 168)에 각각 분극 방향(176)으로 인가된다. 각 스택의 쌍(162, 166 및 164, 168)에서는, 전기장이 한 스택에 있어서 분극 방향(176)에 대해 양이고 그 반대편 스택에 있어서 분극 방향에 대해 음이다. 구동 신호(Vx 86)는 스택(162, 166)에 인가되어, 한 스택에서 팽창을 일으키는 동시에 반대편 스택에서는 수축을 일으키고, 따라서 너트(156)를 X 방향(72a/72b)으로 병진 이동시킨다. 유사한 방식으로, 구동 신호(Vy 88)는 스택(164, 168)에 인가되어 너트(156)를 Y 방향(74a/74b)으로 병진 이동시킨다. 도면에 도시되지는 않 았지만, 전술한 것과 동일한 너트(156)의 궤도 공진을 일으키는 데에, 압전 스택(162)(이하 참조)과는 다른 작동기 구성이 사용될 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 이러한 작동기로는 인가되는 전압과 d31 압전 전하 계수(d31)에 비례하여 길이가 변화되는 압전 플레이트, 전자기 솔레노이드나 음성 코일, 정전기 인력, 또는 초음파 진동 운동을 일으킬 수 있는 그 밖의 변환기 등이 있다. 나사 샤프트(12)와 너트(156) 상의 나사부 피치는 궤도 운동의 접선방향 힘과 운동을 축 방향의 운동과 힘으로 변환한다. 피치는 힘의 확대, 속도 감소, 분해능 향상 및 전력 공급의 중단시 힘 유지를 최적화하도록 선택될 수 있다.

도 37 내지 도 39는 본 발명의 모터(142) 중 하나를 포함하는 광학 조립체(180)를 도시하고 있다. 이들 도면에서 명백히 알 수 있듯이, 도시된 실시예에서 렌즈(184)는 회전 대칭이며 그 중심선(204)이 나사형 중공 샤프트(182)의 회전축(204)과 일치한다.

도 37 내지 도 39와 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 광학 정렬 기구(180)는 모터(142)를 샤프트(182)와 통합한 것으로, 이 샤프트는 중공형 중심부를 갖고 광학 요소(184)가 샤프트의 중심선(204)에 정렬되어 접합되어 있다. 광학 요소(184)는 투과성, 반사성, 오목, 볼록을 비롯한 다수의 타입의 것이거나, 복수의 광학 요소로 이루어진 조립체일 수 있다. 모터(142)를 통해 중공형 샤프트(182) 및 광학 요소(184)는 부호(202)로 표시된 바와 같이 회전 및 병진 이동하게 되어, 초점 길이 또는 초점을 변화시키는 기능을 위한 정밀한 광학적 정렬을 달성한다.

도 37 내지 도 39에 도시된 실시예에서는, 광학 요소(184)가 사용된다. 이 실시예에서, 광학 요소는 렌즈이다. 광학 요소(184)는 가동 광학 요소인 것이 바람직하다. 당업자에게 공지된 많은 가동 광학 요소를 사용할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,612,664호(광 경로 보정 장치), 제3,958,117호(거리 측정 및 자동 초점 장치), 제4,184,759호(사진기), 제4,629,308호(가변 확대 복사기용 렌즈 및 셔터 위치 조정용 기구), 제5,296,943호(다-경로 전자 카메라 조립체), 제5,894,371호 (가변 초점 렌즈용 초점 기구), 제5,969,886호(렌즈 배럴 및 광학 장치), 제6,236,448호(투사 노광 시스템), 제6,445,514호(마이크로-위치 조정용 광학 요소), 제6,606,426호(빔 정렬 시스템), 제6,678,240호 등을 참조할 수 있다. 이들 미국 특허 출원 각각의 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

다른 예로서, 종래의 모터를 이용하는 종래의 카메라에 본 발명의 선형 모터를 하나 이상 사용할 수 있다. 따라서, 예로서 미국 특허 제5,091,781호(카메라 이동 장치), 제5,157,435호(비디오 카메라용 자동 초점 장치), 제5,357,308호(자동 줌 카메라 및 그 구동 방법), 제5,434,621호(자동 줌 장치용 물체 추적 장치), 제5,943,513호(카메라 줌 장치) 등에 기술된 하나 이상의 카메라에서 종래 기술의 모터를 대체할 수 있다. 이들 미국 특허 각각의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다.

도 40 내지 도 42는 다른 바람직한 광학 정렬 기구(186)를 보여준다. 도 40 내지 도 42와 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 광학 정렬 기구(186)는 모터(154)를 샤프트(182)와 통합한 것으로, 이 샤프트는 중공형 중심부 를 갖고 광학 요소(184)가 샤프트의 중심선에 정렬되어 접합되어 있다. 광학 요소(184)는 투과성, 반사성, 오목, 볼록을 비롯한 다수의 타입의 것이거나, 복수의 광학 요소로 이루어진 조립체일 수 있다. 모터(154)를 통해 중공형 샤프트(182) 및 광학 요소(184)는 부호(202)로 표시된 바와 같이 회전 및 병진 이동하게 되어, 초점 길이 또는 초점을 변화시키는 기능을 위한 정밀한 광학적 정렬을 달성한다.

도 43 내지 도 45는 또 다른 바람직한 광학 조립체(188)를 보여준다. 도 43 내지 도 45와 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 카메라 자동 초점 및 자동 줌 조립체(188)는 광학 정렬 기구(186)와 유사한 2개의 광학 정렬 기구(194 및 196)를 CCD 어레이와 같은 초점면 촬상 장치(192) 및 하우징(190)과 통합한 것이다. 광학 정렬 기구(196)는 촬상 장치(192)에 가장 근접해 있고 전동 렌즈를 포함하며, 이 광학 정렬 기구는 촬상 장치(192)와 렌즈(200)에 대하여 렌즈(198)를 병진 이동시켜 카메라 줌을 변화시킨다. 이 실시예에서, 줌 렌즈(198)의 직경은 촬상 장치(192)와 초점 렌즈(200)의 직경 보다 커서, 광학 정렬 기구(196)는 간섭 없이 병진 이동할 수 있다. 광학 정렬 기구(194)는 촬상 장치(192)의 반대편에서 광학 정렬 기구(196)에 인접해 있고 전동 렌즈(200)를 포함하며, 이 광학 정렬 기구는 렌즈(198)와 촬상 장치(192)에 대하여 렌즈(200)를 병진 이동시켜 카메라 초점을 변화시킨다. 이 실시예에서, 초점 렌즈(200)의 직경은 줌 렌즈(198)의 직경 보다 작아서, 광학 정렬 기구(194)의 병진 이동시 간섭을 배제한다. 광학 요소(198 및 200)의 중심선은 중심선(204)과 일치하고 촬상 장치(192)의 촬상면에 대해 직각을 이룬다. 광학 요소(198 및 200)는 회전하는 동시 에 병진 이동한다(도면 부호 202 참조). 이 실시예에서, 광학 요소(198 및 200)는 중심선(204)을 중심으로 회전 대칭이다.

도 46 내지 도 48은 또 다른 바람직한 광학 조립체(206)를 보여준. 도 46 내지 도 48과 이들 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하면, 비회전 광학 렌즈가 필요한 상황을 위하여, 병진 이동(208)은 가능하지만 회전하지 않는 광학 렌즈(198 및 200)를 갖는 카메라 자동 초점 및 자동 줌 조립체(206)가 설명되어 있다. 상기 카메라 자동 초점 및 자동 줌 조립체(206)는, 회전 및 병진 운동(202)을 하는 광학 렌즈(198 및 200)를 구비한 조립체(188)와 유사하지만, 볼 베어링과 같은 저마찰 회전 베어링(212)을 통해 모터의 나사 샤프트(182)에 연결된 렌즈 장착 샤프트(210)를 포함한다. 핀(214)은 각 렌즈 장착 샤프트(210)의 단부에 연결되고 중심선(204)에 대해 수직하게 배향된다. 상기 핀(214)은 하우징(190)의 고정 슬롯(216)에 맞물려서 핀(214), 렌즈 장착 샤프트(210) 및 렌즈(198 및 200)의 회전을 방지하지만, 핀(214), 렌즈 장착 샤프트(210) 및 렌즈(198 및 200)가 중심선(204)에 평행하게 축 방향(208)으로의 병진 이동하는 것은 허용한다.

도 26 내지 도 48에 도시된 광학 조립체는 본 발명의 선형 모터를 이용하는 많은 가동 광학 요소를 단지 예시하는 것임은 당업자에게 명백할 것이다.

도 49 내지 도 52와 이들 도면에 도시된 실시예를 참조하면, 모터(230)는 도 1 내지 도 5와 도 18에 도시된 모터(10)와 유사하고, 모터 본체(235)를 포함하며, 이 모터 본체 상에는 장착 플랜지(231)가 있다. 장착 플랜지는 얇고, 바람직하게는 두께가 0.25 mm 내지 0.50 mm이며, 진동의 진폭이 최소화되는 모터(230)의 제1 벤딩 공진의 노드점에 가능한 한 가까이 위치하는 것이 바람직하다. 모터 본체(235)에는 그 전체 길이를 가로지르는 종방향 나사 구멍(235a)이 마련되고, 대응하는 나사부를 갖는 나사 샤프트(232)가 나사 구멍을 통과하여, 나사 샤프트(232) 상의 둥근 회전면(233)이 나사 구멍(235a)으로부터 돌출한다. 이 실시예에서는 모터 본체(235)의 전체 길이에 나사부(235a)가 형성되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서는 모터 길이의 일부분에만 나사부가 형성되어 있고, 나머지 길이 부분은 나사 샤프트(232)와 원활하게 헐거운 끼워 맞춤을 이룰 수 있음은 물론이다. 직사각형 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)는 점착 공정을 통해 모터 본체(235) 상에 고정 부착된다.

도 50을 참조하면, 직사각형 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)는 모터 본체(235)의 평탄한 장착면(235b)에 부착된다는 것이 명백해질 것이다.

도 49 내지 도 52에 도시된 실시예에서, 장착 플랜지(231)는 직사각형 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)를 방해하지 않는 크기로 이루어진 외부 레이디얼 프로파일(231a) 및 리세스(231b)를 갖지만, 도 51에 가장 잘 도시된 바와 같이 다양한 장착 옵션을 제공하고 다양한 압전 플레이트 외형을 받아들이도록 임의의 프로파일로 이루어질 수 있다. 모터(230)는 모터(10)와 전기적 및 기계적으로 동일한 방식으로 작동한다(도 1 내지 도 5, 도 18 및 도 19 참조). 직사각형 압전 플레이트(18, 20, 22 및 24)의 여기를 통해 야기되는 운동은 모터(10)에 관하여 기술한 바와 동일하며, 이후에 발생하는 모터 본체(235)의 벤딩은 나사 샤프트(233)의 회전(260a)과 유효한 선형 병진 이동(260b)을 일으킨다.

도 53 내지 도 59b를 참조하면, 모터(230)는 광학 조립체(236)와 통합되어 있다. 광학 조립체(236)는 자동 초점 모듈의 특성을 가질 수 있으며, 이러한 특성은 카메라 및 휴대 전화 등과 같이 시판되어 있는 디지털 촬상 제품에 있는 것이다. 도 53을 참조하면, 모터(230)는 하우징(237) 및 커버(238)로 싸여 있고, 개구(240)를 통과한 광을 받아들이는 렌즈 조립체(239)를 작동시킨다. 하우징(237) 및 커버(238)는 사출 성형 플라스틱으로 이루어질 수 있다.

도 54는 광학 조립체(236)의 구성 요소를 보여주는 부분 단면도이다. 개구(240)에 들어가서 렌즈(239)를 통과하여 나아가는 광은 센서(241) 상에 상으로 맺힌다. 이러한 센서(241)는 CCD 또는 CMOS 기술을 이용하는 디지털 이미지 센서를 포함할 수 있다. 모터(230)는 장착 플랜지(231)를 통해 하우징(237)에 고정 부착된다. 장착 플랜지(231)는 하우징(237) 내에 몰딩된 부분에 의해 자리를 잡을 수 있고, 열 스탬핑 등과 같이 통상적으로 행해지는 공정을 통해 고정될 수 있다. 나사 샤프트(232)는 회전(260a)할 수 있게 되고, 이후에는 여유 구멍(237a)을 통해 병진 이동(260b)할 수 있게 된다. 도면에 뚜렷이 드러나 있지 않은 나사 샤프트(232)의 둥근 팁(233)이 상측 렌즈 플렉셔(242)에 대해 안착되어, 센서(241)에 대한 렌즈(239)의 위치를 변경하는 수단을 제공한다. 렌즈(239)의 운동을 작은 진폭에 대해서 실질적으로 직선 운동인 원호-선형 운동(260c)으로 유도하는 4절 링크를 형성하기 위해, 렌즈(239)는 일면에서 상측 렌즈 플렉셔(242)에 대해 고정 부착되어 있고 반대측 면에서 하측 렌즈 플렉셔(243)에 대해 고정 부착되어 있다. 상측 렌즈 플렉셔(242)와 하측 렌즈 플렉셔(243)는 광화학 에칭 또는 와이어 방전 가 공 등과 같이 상용되고 있는 공정을 통해 생산된 스프링 강 등의 탄성 재료로 구성된다. 이들 부재는 예하중력(260d)이 항상 샤프트의 팁(233)에 가해지도록 예비 벤딩된다. 상측 렌즈 플렉셔(242)와 하측 렌즈 플렉셔(243)는 스페이서(244)에 의해 이격된 채로 유지되고, 렌즈(239)의 장착에 관한 작업은 나사 샤프트(232)의 병진 이동이 도 56, 도 57 및 도 58에 가장 잘 도시되어 있는 운동(260c)을 일으키도록 이루어진다.

도 55를 참조하면, 광학 조립체(236)는 모든 구성 요소가 한 방향에서 순차적으로 장착될 수 있는 방식으로 조립된다. 센서(241)는 하우징(237)의 센서 리셉터클(237b)에 설치된다. 모터(230)는 하우징(237)의 모터 기둥부(237d)에 고정 부착된다. 상측 렌즈 플렉셔(242) 및 하측 렌즈 플렉셔(243)와 스페이서(244)는 접착제 또는 압력 끼워 맞춤 등과 같은 기계적인 수단을 통해 렌즈(239)에 부착된다. 스페이서(244)는 하우징(237)의 스페이서 샤프트(237c) 둘레 상에 끼워 맞춰진다. 렌즈(239)의 방위는 상측 렌즈 플렉셔(242) 상의 위치 설정용 평탄부(245)와 스페이서 샤프트(237c) 상의 대응하는 부분을 통해 유지될 수 있다. 커버(238)는 하우징(237)의 커버 레지(cover ledge)(237e) 상에 설치된다.

도 56 내지 도 58을 참조하여, 이 실시예의 작동을 상세히 기술한다. 도 56은 나사 샤프트(232)가 여유 구멍(237a) 안으로 완전 퇴축되어 있는 것과, 예비 벤딩된 플렉셔(242 및 243)가 둥근 회전면(233)(도시 생략)에 예하중력(260d)을 가하고 있는 것을 보여주는 부분 단면도이다. 렌즈는 움직임(260c)을 갖고, 센서(241)에 가장 가까운 위치로 이동한다. 도 57은 나사 샤프트(232)가 약간의 회전 운 동(260a) 및 이에 따른 병진 이동(260b)을 하게 되어, 플렉셔(242 및 243)를 유효하게 들어올리고 렌즈(239)를 센서(241)에서 더 멀어진 위치로 이동시키는 운동(260c)을 일으키는 것을 보여주는 부분 단면도이다. 도 58은 나사 샤프트(232)가 추가적인 회전 운동(260a) 및 이에 따른 병진 이동(260b)을 하게 되어, 운동(260c)을 일으키고 렌즈(239)를 센서(241)로부터 가장 멀리 떨어지는 곳까지 이동시키는 것을 보여주는 부분 단면도이다.

도 59a 및 도 59b를 참조하면, 광학 조립체(236)가 휴대 전화(248)에 설치된다는 것은 명백해질 것이다. 표현의 단순화를 위하여, 광학 조립체(236) 및 휴대 전화(248)의 여러 구성 요소에 대한 물리적인 전기 접속 수단이 도면에서 생략되어 있다.

도 60 내지 도 66을 참조하면, 모터(142)는 주사기 조립체(249)와 통합된다. 주사기 조립체(249)는 의료 산업에 있어서 상업적 이용 가능성을 갖는 것일 수 있고, 착용식 유체 펌프 등과 같은 제품류에 사용될 수 있다. 도 60은 주사기 조립체(249)와 이에 통합된 모터(142)(도 61에 가장 잘 도시됨)의 사시도이다. 모터(142)는 주사기 본체(250)와 결합되어 있는 주사기 플런저(251)에 수용된다. 나사 샤프트(12)의 둘레에는 회전 베어링(254)이 끼워져 있고, 나사 샤프트는 베이스(252)에 고정적으로 수납되어 있다. 도 61은 작동 상태의 모터(142)가 나사 샤프트(12)를 저마찰 베어링(254)의 내측에서 회전시키도록 모터(142)가 주사기 플런저(251)와 결합되어 있는 실시예의 부분 단면도이다. 베어링(254)은 샤프트의 회전을 허용하지만, 모터(142)를 병진 이동(260b)시키는 샤프트(12)의 병진 이 동(260b)을 방지한다. 모터(142)는 주사기 플런저(251)에 부착되어 있으므로, 모터(142)와 주사기 플런저(251)는 함께 병진 이동(260b)하지만 회전하지는 않는다.

홀 효과 회전 위치 센서(256)가 베이스(252)에 통합되어 샤프트(12)의 회전을 측정한다. 이 실시예에서는 오스트리아 Microsystems에서 모델 AS5040로 시판하고 있는 자기 회전 인코더가 도시되어 있다. 용량, 인덕턴스, 광학 측정 및 간섭 측정을 비롯한 그 밖의 감지 방법을 이용하는 다수의 다른 타입의 위치 센서가 포함될 수 있음은 물론이다. N극과 S극을 대향하는 반원부 상에 갖는 영구 자석(255)이 샤프트(12)의 단부에 접합된다. 샤프트(12)가 회전할 때, 변화하는 자기장은 센서(256)에 의해 측정되고, 회전량은 디지털 전기 신호로 변환되며, 이 디지털 전기 신호는 인코더 회로 기판(253)에 의해 전송된다.

도 62를 참조하면, 분해도가 도시되어 있다. 인코더 회로 기판(253)과 이에 장착된 인코더(256)는 베이스(252) 내에 조립되고, 이 베이스에는 회전 베어링(254)이 장착된다. 자석(255)은 센서(256)로부터 고정 간극을 두고서 나사 샤프트(12)에 영구적으로 설치된다. 주사기 플런저(251)의 둘레에는 주사기 본체(250)가 유지된다.

도 63 및 도 64를 참조하여, 상기 실시예의 작동을 상세히 설명한다. 도 63은 도 61에 가장 잘 도시되어 있는 완전 퇴축된 모터(142)와, 다량의 유체가 점유할 수 있는 빈 영역(257)을 주사기 본체(250) 내에 제공하는 주사기 플런저(251)를 보여준다. 도 64는 도 61에 가장 잘 도시되어 있는 완전 전개된 모터(142)와, 주사기 본체(250) 내에 도 63의 빈 영역(257)이 존재하게 한 이후에 이 주사기 본 체(250) 내의 임의의 유체를 퍼징하는 주사기 플런저(251)를 보여준다.

도 65 및 도 66을 참조하면, 주사기 조립체(249)가 유체 펌프 등과 같이 의료 산업에서 상용되고 있는 제품에 설치될 것이라는 것은 명백해질 것이다. 표현의 단순화를 위하여, 인코더 회로 기판(253) 및 모터(142)의 여러 구성 요소에 대한 물리적인 전기 접속 수단이 도면에서 생략되어 있다. 특히 도 66을 참조하면, 회전 방지 탭(251a)이 탭 안착부(258a)와 맞물려서 모터(142)의 작동 중에 주사기 플런저(251)의 회전을 방지하도록, 주사기 플런저가 유체 펌프(258) 내에 자리 잡고 있다.

도 67a 내지 도 71을 참조하여, 모든 실시예에서 나사부를 잠금 고정하는 일 없이 순방향 및 역방향 이동을 기계적으로 제한하는 바람직한 방법인 접선방향 운동 제한부(261)를 설명한다. 도 67a는 접선방향 운동 제한부(261)의 사시도이다. 나사 샤프트(12)는 전개되어 있고, 단부 캡(264)과 손잡이(265)는 분리되어 있다. 고정 탭(262)과 회전 탭(263)은 맞물려 있지 않다. 도 67b는 접선방향 운동 제한부(261)(도 67a의 259)의 확대도이다. 도 68a는 접선방향 운동 제한부(261)의 사시도이다. 나사 샤프트(12)는 퇴축되어 있고, 단부 캡(264)과 손잡이(265)는 서로 밀접해 있다. 고정 탭(262)과 회전 탭(263)은 맞물려 있다. 도 68b는 접선방향 운동 제한부(261)(도 68a의 266)의 확대도이다.

도 69a 내지 도 70b를 참조하면, 접선방향 운동 제한부(261)의 구성 요소가 도시되어 있다. 도 69a는 단부 캡(264)과 고정 탭(262)의 사시도이다. 도 69b는 단부 캡(264)과 고정 탭(262)의 측면도이다. 도 70a는 손잡이(265)와 회전 탭(263)의 사시도이다. 도 70b는 손잡이(265)와 회전 탭(263)의 측면도이다.

도 71의 (a) 내지 (d)를 참조하여, 접선방향 운동 제한부(261)의 작동을 상세히 설명한다. 도 71의 (a)는 나사 샤프트(12)가 전개되어 있고 단부 캡(264)과 손잡이(265)가 분리되어 있는 것을 보여주는 측면도이다. 고정 탭(262)과 회전 탭(263)은 맞물려 있지 않다. 도 71의 (b) 및 (c)는 이후의 진행을 보여주는 측면도로서, 나사 샤프트(12)는 회전(260a) 및 병진 이동(260b)하기 시작하고, 그 결과 단부 캡(264)과 손잡이(265)는 서로 가까워지기 시작한다. 고정 탭(262)과 회전 탭(263)은 맞물려 있지 않다. 도 71의 (d)는 단부 캡(264)과 손잡이(265)이 접촉하도록 나사 샤프트(12)가 회전(260a) 및 병진 이동(260b)한 것을 보여주는 측면도이다. 고정 탭(262)과 회전 탭(263)은 맞물려 있고, 샤프트(12)의 운동은 나사부에 축 방향 부하를 크게 일으키는 일 없이 그리고 이후에 모터의 작동을 방지하는 잠금 고정을 일으키는 없이 정지된다.

상세히 설명된 본 발명에 대하여, 청구 범위의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 많은 변경과 변형을 실시할 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

나사 샤프트 조립체 구동용 장치로서, 회전 축을 갖는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 나사 너트를 포함하고, 상기 나사 샤프트 조립체는 상기 나사 너트를 초음파 진동을 받게 하여 상기 나사 샤프트가 상기 나사 너트를 통해 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하게 하며 그에 따라 상기 축 방향으로 축 방향의 힘을 인가하는 수단을 구비하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제1항에 있어서, 상기 나사 샤프트는 상기 축 방향으로 로드(load)에 작동적으로 연결되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제2항에 있어서, 상기 로드는 이동 가능한 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제3항에 있어서, 상기 로드는 렌즈, 이미지 센서 및 플렉셔(flexure)를 구비하는 광학 조립체를 포함하고, 상기 플렉셔는 상기 렌즈를 상기 이미지 센서의 위치에 대하여 축 방향을 따라 선형 안내하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제4항에 있어서, 상기 광학 조립체를 구비하는 카메라를 더 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제5항에 있어서, 상기 축 방향의 힘을 통해 광학 장치가 이동하게 되며, 상기 광학 장치는 상기 렌즈, 상기 이미지 센서, 줌 렌즈 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제6항에 있어서, 전화기를 더 포함하고, 상기 카메라는 상기 전화기 내에 배치되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제1항에 있어서, 지지 하우징을 더 포함하고, 상기 나사 샤프트는 저마찰 베어링에 연동식으로 연결되며, 이 저마찰 베어링은 회전을 허용하고 축 방향 운동을 방지하며, 로드가 상기 나사 너트 및 상기 지지 하우징에 연결되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제8항에 있어서, 상기 로드는 주사기 내에 위치하는 가동 플런저를 구비하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제1항에 있어서, 상기 나사 샤프트의 이동 크기를 측정하는 측정 수단을 더 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제10항에 있어서, 상기 나사 샤프트의 이동 크기를 측정하는 측정 수단은 홀 효과 자기 센서를 구비하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제10항에 있어서, 상기 나사 샤프트의 위치는 센서를 이용하여 측정되고, 상기 센서는 용량형 센서, 유도형 센서, 광학 센서 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제9항에 있어서, 상기 주사기를 구비하는 약품 전달 장치를 더 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제1항에 있어서, 상기 나사 샤프트는 양의 축 방향과 음의 축 방향 모두로 병진 이동하도록 작동적으로 구성되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제14항에 있어서, 접선방향 운동 제한부를 더 포함하고,

(a) 상기 나사 너트와 상기 나사 샤프트는 나사부를 포함하며,

(b) 상기 접선방향 운동 제한부는 상기 나사부 상에 있어서의 축 방향 부하를 증대시키지 않으면서 상기 회전을 방지하도록 구성되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제15항에 있어서, 상기 접선방향 운동 제한부는 상기 나사 너트 상에 배치된 제1 노치와 상기 나사 샤프트 상에 배치된 제2 노치를 구비하고, 이들 노치는 각각 상기 제1 노치가 상기 제2 노치와 맞물려서 상기 나사 너트 및 상기 나사 샤프트의 죄어짐을 방지하도록 작동적으로 구성되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제1항에 있어서, 상기 초음파 진동을 발생시키는 수단을 더 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
나사 샤프트 조립체 구동용 장치로서, 회전 축을 갖는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 나사 너트를 포함하고, 상기 나사 너트와 상기 나사 샤프트는, 초음파 진동에 노출되는 경우에 상기 나사 샤프트가 상기 나사 너트를 통해 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하여 상기 축 방향으로 축 방향의 힘을 인가하도록 작동적으로 구성되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
나사 샤프트 조립체 구동용 장치로서, 회전 축을 갖는 나사 샤프트와 이 나사 샤프트에 결합되는 나사 너트를 포함하고,

(a) 상기 나사 샤프트 조립체는 상기 나사 너트를 초음파 진동을 받게 하여 상기 나사 샤프트가 상기 나사 너트를 통해 회전과 동시에 축 방향으로 병진 이동하게 하며 그에 따라 상기 축 방향으로 축 방향의 힘을 인가하는 수단을 구비하는 것이고,

(b) 상기 너트를 통한 상기 회전과 상기 축 방향으로의 상기 병진 이동은 임 의의 단일 진폭을 갖는 상기 초음파 진동의 진폭보다 큰 거리에 걸쳐 일어나는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제19항에 있어서, 상기 나사 샤프트는 상기 축 방향으로 로드에 작동적으로 연결되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제20항에 있어서, 상기 로드는 렌즈 및 센서를 구비하고, 상기 축 방향의 힘은 집속 요소를 이동시키며, 상기 집속 요소는 상기 렌즈, 상기 센서 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제19항에 있어서, 상기 나사 샤프트의 이동 크기를 측정하는 측정 수단을 더 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제20항에 있어서, 상기 로드는 주사기를 포함하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.
제15항에 있어서, 상기 나사 샤프트는 선단부와 말단부를 갖고, 상기 선단부와 말단부는 양자 모두 상기 접선방향 운동 제한부를 각각 구비하는 것인 나사 샤프트 조립체 구동용 장치.