초음파 리드 스크류 모터를 포함한 장치 document_id A220623051346

압전기적 전기 왜곡, 정전기적 또는 전자기 기술을 사용한 트랜스듀서는 나노미터 규모의 정밀 위치 조정에 매우 유용하다. 압전 소자의 경우에, 세라믹으로 형성된 커패시터는 충전 및 방전시에 상을 변화시켜 하중 변환기 또는 위치 작동기를 구성한다. 위치 작동기로서 사용될 때, 압전 세라믹의 상변화는 인가된 전압에 거의 비례한다. 압전 작동기들은 세라믹 길이의 약 0.1% 정도 범위로 제한되며, 그 길이는 통상 수십 마이크로미터의 행정 길이에 해당한다. 압전 작동기의 나노미터 단위의 정밀도와 높은 강성이 매우 유용하지만, 많은 용례에 있어서 보다 큰 행정이 필요하다. 작은 세라믹 상변화를 교정하고 보다 긴 행정을 얻기 위하여 많은 압전 모터가 개발되었다. 압전 스텝핑 모터가 미국 특허 제3,902,084호에 개시되어 있으며, 이 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 압전 스텝핑 모터는 많은 짧은 압전 작동기 사이클을 늘이기 위하여 클램프-확장-클램프-수축 동작 시퀀스를 사용한다. 이러한 스텝핑 선형 작동기는 직류로부터 수 킬로헤르츠까지의 주파수로 작동하여 큰 소음과 진동을 발생시킨다. 전력 공급이 중단되면 위치 확인은 계속할 수 없다. 200 mm의 이동에 대하여 1 나노미터보다 더 좋은 해상도가 얻어진다. 압전 관성 스틱-슬립(stick-slip) 모터가 미국 특허 제5,410,206호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이 모터는 스플릿 너트를 사용하여 미세 나사가 형성된 축을 회전시키며, 상기 스플릿 너트는 축의 양단부를 파지하는 "죠(jaws)"를 형성한다. 압전 작동기는 비대칭적인 교류 구동 신호로 죠를 양방향으로 신속히 이동시킨다. 빠른 죠의 이동은 클램핑 마찰을 극복하여 미끄러짐을 일으킨다. 보다 느린 죠의 움직임은 미끄러짐을 발생하지 않고 축을 회전시킨다. 이러한 스틱-슬립 모터는 상술한 스텝핑 모터에서와 유사한 소음과 진동을 발생하지만, 100배나 느리게 움직이며 전력 공급이 중단될 때에도 제위치를 유지한다. 25mm의 이동에 대하여 50 나노미터보다 좋은 해상도가 얻어진다. 초음파 모터들은 고속, 높은 토크, 소규모의 정숙한 작동으로 연속적인 움직임을 발생시키도록 압전기 발생 진동을 사용한다. 초기의 초음파 압전 모터의 하나가 미국 특허 제3,176,167호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이러한 일방향 회전 모터는 수정 결정 오실리에이터를 사용하여 시계 장치를 구동시킬 목적으로 가느다란 로드를 움직이게 하고 래치트 휠(ratchet wheel)을 구동시킨다. 정재파 초음파 모터의 예가 미국 특허 제5,453,363호에 개시되어 있으며, 그 내용을 본 명세서에서 참고로 인용한다. 상기 모터는 장방형의 압전 플레이트를 사용하여 이동면에 대하여 전부하가 걸린 접촉점의 초음파 진동을 발생시킨다. 상기 압전 플레이트의 전극 패턴은 교류 신호에 연결되어 있으며 접촉면에 대하여 순힘(net force)을 발생시키기 위해 요구되는 진폭과 위상으로 접촉 팁의 2차원적 진동을 발생시킨다. 이러한 초음파 모터는 조용하게 동작하며, 힘의 약 3분의 1을 발생하는 동안에는 스텝핑 모터보다 100배 빠르다. 일반적으로 초음파 모터들은 정지와 기동이 어려워 정밀도에 제약이 있다. 통상적으로 마이크로미터 이하의 해상도를 얻기 위해 폐루프(closed-loop) 제어방식의 엔코더가 필요하다. 초음파 진동을 사용하여 나사 형성된 로드를 구동하는 장치의 예가 카즈유키 후지무라의 미국 특허 제6,147,435호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용을 본 명세서에서 참고로 인용한다. 상기 특허는, 축방향으로 나선형의 요홈부가 형성된 스크류 로드; 스크류 로드의 양단부를 회전가능하게 지지하는 한쌍의 스탠드; 스크류 로드를 부분적으로 둘러싸고 스크류 로드의 축방향으로 슬라이드 가능한 작동 래크(rack); 제1의 특정 각도에서 스크류 로드의 요홈부와 접촉하는 제1 진동자와, 소정 압력에서 스크류 로드의 요홈부를 향해 상기 제1 진동자를 압박하는 제1 스프링과, 제1 회전 방향으로 스크류 로드를 회전시키도록 전기적으로 활성화될 때 상기 제1 진동자를 진동시키는 제1 압전 작동기를 구비하고, 작동 래크의 일측에 고정되고 작동 래크로부터 스크류 로드까지 연장된 적어도 하나의 제1 스크류 로드 회전장치; 및 제1 특정 각도와 반대의 제2 특정 각도에서 스크류 로드의 요홈부와 접촉하는 제2 진동자와, 소정 압력에서 스크류 로드의 요홈부를 향하여 제2 진동자를 압박하는 제2 스프링과, 스크류 로드를 제2 방향으로 회전시키기 위하여 전기적으로 활성화될 때 제2 진동자를 진동시키는 제2 압전 작동기를 구비하고, 상기 작동 래크의 타측에 고정되고 상기 작동 래크로부터 스크류 로드까지 연장된 적어도 하나의 제2 스크류 로드 회전장치를 포함하는 초음파 진동에 의해 스크류 로드를 구동하는 장치를 개시하고 청구되어 있다. 상기 미국 특허 제6,147,435호의 장치는 "제1 스크류 로드 회전장치"와 "제2 스크류 로드 회전장치"를 모두 필요로 하며, 그 제1 및 제2 스크류 로드 회전장치는 상기 특허공보의 도 3에, 예컨대 (제1 스크류 로드 회전장치를 구성하는) 요소(16a', 16d')와, (제2 스크류 로드 회전장치를 구성하는) 요소(16b', 16c')로서 도시되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호에 있어서, 요소(16a',16d')들이 초음파 진동에 의해 활성화될 때, 스크류 로드(2)가 일방향으로 회전하게 되며; 요소(16b', 16c')들이 초음파 진동에 의해 활성화될 때, 스크류 로드(2)는 반대 방향으로 회전하게 된다. 요소(16a'/16d'와 16b'/16c')들은 결코 동시에 활성화되지 않으며, 따라서 에너지가 낭비되고 스크류 로드(2)가 정지상태로 유지되게 한다. 그러나, 요소(16a'/16d'와 16b'/16c')들이 동시에 활성화되지 않을 때라도, 에너지가 소모된다. 그러한 불활성 상태의 요소들의 쌍은 여전히 스크류 로드(2)와 접촉하게 됨으로써 정지 마찰을 일으킨다. 이러한 정지 마찰은 상기 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 문제점이다. 상기 미국특허의 청구범위 제2항에 기재된 바와같이, 이러한 문제를 어느 정도 해결하기 위하여 상기 미국 특허에 개시된 장치는 "제1 및 제2 압전 작동기들중 하나가 전기적으로 활성화될 때, 매우 적은 량의 전류가 제1 및 제2 압전 작동기들중 다른 하나에 공급된다"라고 되어 있다. 상기 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 효율은 매우 높은 것은 아니다.