초음파 리드 스크류 모터로 구성된 메커니즘 document_id A220623107827

압전 전왜, 정전 또는 전자기 기술을 사용하는 변환기(transducer)가 나노미터 스케일에서의 정밀한 위치 설정을 위해 매우 유용하다. 압전 장치의 경우에, 세라믹은 충전 및 방전될 때 형상을 변경하여 힘 변환기 또는 위치 액추에이터를 생성하는 커패시터로 형성된다. 위치 액추에이터로서 사용될 때, 압전 세라믹의 형상 변경은 인가 전압에 대략 비례한다. 압전 액추에이터는 수십 마이크로미터의 일반적인 스트로크 길이에 대응하는 세라믹의 길이의 약 0.1%의 범위로 제한된다. 압전 액추에이터의 높은 강성 및 나노미터 정밀도가 매우 유용하지만, 더 많은 스트로크가 다수의 적용에서 요구되고 있다. 무수히 많은 압전 모터 디자인이 작은 세라믹 형상 변경을 "교정"하고 더 긴 스트로크를 발생시키도록 개발되어 왔다. PZT 스텝핑 모터가 미국 특허 제3,902,084호에 설명되어 있고, 이 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있다. 이 모터는 다수의 짧은 PZT 액추에이터 사이클을 함께 합산하도록 클램프-신장-클램프-수축 작동 순서를 사용한다. 이 스텝핑 선형 액추에이터는 DC로부터 수 킬로헤르츠의 주파수에서 작동하고, 이는 시끄러운 노이즈 및 진동을 발생시킨다. 전력이 차단될 때 위치가 유지되지 않는다. 1 나노미터보다 양호한 분해능이 200 mm의 왕복(travel)에 걸쳐 성취된다. PZT 관성 스틱-슬립(stick-slip) 모터가 미국 특허 제5,410,206호에 설명되어 있고, 이 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있다. 이 모터는 분할 너트를 사용하여 미세 나사산 형성 샤프트를 회전시키는데, 이 분할 너트는 대향 단부들에서 샤프트를 파지하는 "조(jaw)"를 형성한다. PZT 액추에이터는 비대칭 교류 구동 신호에 의해 대향 방향으로 조를 신속하게 이동시킨다. 고속 조 이동은 클램핑 마찰을 극복하고 슬립을 발생시킨다. 더 저속의 조 이동은 샤프트를 슬립하지 않고 회전시킨다. 이 스틱-슬립 모터는 상기 스텝핑 모터와 유사한 노이즈 및 진동을 발생시키지만, 100배 더 저속으로 이동하고 전력이 차단될 때 위치를 유지한다. 50 나노미터보다 양호한 분해능이 25 mm의 왕복에 걸쳐 성취된다. 초음파 모터는 높은 속도, 높은 토크, 작은 크기 및 정숙한 작동을 갖는 연속적인 이동을 생성하도록 압전 발생 진동을 사용한다. 가장 초기의 초음파 압전 모터 중 하나가 미국 특허 제3,176,167호에 설명되어 있고, 이 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있다. 이 단방향 회전 모터는 석영 결정 발진기를 사용하여 얇은 로드(rod)를 이동시키고 클럭 메커니즘을 구동하는 목적을 갖는 래칫 휠(ratchet wheel)을 구동한다. 정재파(standing wave) 초음파 모터의 예가 미국 특허 제5,453,653호에 설명되어 있고, 이 미국 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있다. 이 모터는 직사각형 PZT 플레이트를 사용하여 이동 표면에 대해 예비 하중을 받고 있는(preloaded) 접촉점의 초음파 발진을 생성한다. PZT 플레이트 상의 전극 패턴은 교류 전류 신호에 접속되고, 요구 진폭 및 위상을 갖는 접촉 팁의 2차원 발진을 생성하여 결합 표면에 대한 알짜힘(net force)을 발생시킨다. 이 초음파 모터는 정숙하고 스텝핑 모터보다 100배 더 고속이면서 약 1/3의 힘을 발생시킨다. 일반적으로, 초음파 모터는 정지 및 시동이 곤란한데, 이는 정밀도를 제한한다. 폐루프 제어를 갖는 인코더가 일반적으로 1 마이크로미터 이하(sub-micrometer) 분해능을 성취하도록 요구된다. 초음파 진동을 사용하는 나사산 형성 로드를 구동하기 위한 장치는 예를 들면 가츠유키 후지무라(Katsuyuki Fujimura)의 미국 특허 제6,147,435호에 설명되어 있고, 이 특허의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있다. 이 특허는 "초음파 진동에 의해 나사 로드를 구동하기 위한 메커니즘으로서, 그 축방향을 따라 나선형으로 형성된 홈부(groove portion)를 구비하는 나사 로드와, 상기 나사 로드의 대향 단부들을 회전 가능하게 유지하는 한 쌍의 스탠드(stand)와, 상기 나사 로드를 부분적으로 둘러싸고 나사 로드의 축방향에서 활주 가능한 작동 래크(rack)와, 상기 작동 래크의 일 측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 로드로 연장되는 적어도 하나의 제1 나사 로드 회전 장치로서, 상기 적어도 하나의 제1 나사 로드 회전 장치는 제1 특정 각도로 상기 나사 로드의 상기 홈부와 접촉하는 제1 진동기, 특정 압력에서 상기 나사 로드의 상기 홈부를 향해 상기 제1 진동기를 압박하는 제1 스프링 및 제1 회전 방향에서 상기 나사 로드를 회전시키도록 전기적 활성화시에 상기 제1 진동기를 진동시키기 위한 제1 압전 액추에이터를 포함하는 적어도 하나의 제1 나사 로드 회전 장치와, 상기 작동 래크의 다른 측면에 고정되고 상기 작동 래크로부터 상기 나사 로드로 연장되는 적어도 하나의 제2 나사 로드 회전 장치로서, 상기 적어도 하나의 제2 나사 로드 회전 장치는 상기 제1 특정 각도에 대향하는 제2 특정 각도로 상기 나사 로드의 상기 홈부와 접촉하는 제2 진동기, 특정 압력에서 상기 나사 로드의 상기 홈부를 향해 상기 제2 진동기를 압박하는 제2 스프링 및 제2 회전 방향에서 상기 나사 로드를 회전시키도록 전기적 활성화시에 상기 제2 진동기를 진동시키기 위한 제2 압전 액추에이터를 포함하는 적어도 하나의 제2 나사 로드 회전 장치를 포함하는 메커니즘"을 개시하고 청구하고 있다. 미국 특허 제6,147,435호의 장치는 "제1 나사 로드 회전 장치" 및 "제2 나사 로드 회전 장치"의 모두를 필요로 하고, 이들은 예를 들면 요소(16a', 16d')(이러한 제1 나사 로드 회전 장치를 포함함) 및 요소(16b', 16c')(이러한 제2 나사 로드 회전 장치를 포함함)로서 도 3에 도시되어 있다. 미국 특허 제6,147,435호를 재차 참조하면, 요소(16a', 16d')가 초음파 진동에 의해 활성화될 때, 나사 로드(2)가 일 방향으로 회전하게 되고, 요소(1b', 16c')가 초음파 진동에 의해 활성화될 때 나사 로드(2)는 대향 방향으로 회전하게 된다. 요소(16a'/16d' 및 16b'/16c')는 결코 동시에 활성화되지 않고, 이와 같이 수행하는 것은 에너지를 낭비할 수 있고, 나사 로드(2)가 정지 상태로 유지할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 요소(16a'/16d' 및 16b'/16c')가 동시에 활성화되지 않을 때에도, 에너지의 낭비가 있다. 요소의 비활성 쌍은 여전히 나사 로드(2) 상의 나사산에 접촉하고 따라서 드래그 마찰(drag friction)을 발생시킨다. 드래그 마찰은 미국 특허 제6,147,435호의 장치에 있어서의 문제점이다. 이 특허의 청구항 2에 설명되어 있는 바와 같이, 이 문제점을 어느 정도 해결하기 위해, 이러한 특허의 장치에서, "... 상기 제1 및 제2 압전 액추에이터 중 하나가 전기적으로 활성화될 때, 매우 소량의 전류가 상기 제1 및 제2 압전 액추에이터의 다른 하나에 공급된다." 미국 특허 제6,147,435호의 장치의 효율은 매우 높지는 않다. 본 발명의 목적은 미국 특허 제6,147,435호의 효율보다 상당히 더 높은 효율을 가지면서 유사한 크기의 다른 초음파 모터에 의해 일반적으로 성취되는 것보다 더 높은 정밀도, 힘 및 속도를 제공하는 초음파 진동에 의해 나사산 형성 샤프트를 구동하기 위한 메커니즘을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 나사산 형성 샤프트를 구동하기 위한 전술된 메커니즘으로 구성된 촬영 장치를 제공하는 것이다.