KR100263752B1

KR100263752B1 - 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱마이크로 액츄에이터

Info

Publication number: KR100263752B1
Application number: KR1019970049203A
Authority: KR
Inventors: 연제욱
Original assignee: 김덕중; 사단법인고등기술연구원연구조합
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2000-08-16
Also published as: KR19990026889A

Abstract

본 발명은 비선형성 저감 구조의 빗살형체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링을 지지하는 앵커로 이루어진 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하도록 서로 다른 크기로 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 비선형성을 저감하는 구조의 빗살형체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 의하면, 핑거의 크기를 서로 달리함으로서 정전력을 증가시켜서 이동변위를 크게하고, 그 이동변위의 선형성을 개선시키게 됨에 따라 제어가 용이해지므로, 하드디스크 드라이버(hard disk driver)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.

Description

비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터

본 발명은 빗살형 일렉크로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 크기의 핑거를 사용하여 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하여 제어성능을 향상할 수 있는 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.

통상적으로 마이크로 액츄에이터는 크게 전자장방식의 일렉트로마그네틱 마이크로 액츄에이터(Electromagnetic microactuator)와, 정전방식의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(Electrostatic microactuator)로 나누어지는 바, 정전력에 의해 구동되는 초소형의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 2개의 전극을 미소한 간격으로 대향시키는 단순한 구조로서 마이크로 머시닝을 만들기 쉽고, 치수를 작게 하면 표면에 작용하는 힘인 정전력이 중력 등에 비해 지배적인 힘이 되기 때문에 미소변위생성능력을 가지므로 초정밀위치제어를 구현할 수 있어서 하드디스크 드라이버(hard disk driver)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등과 같은 극히 정밀한 위치제어가 요구되는 시스템에 가장 널리 사용되고 있다.

이러한 마이크로 엑츄에이터는 예를 들어, 컴퓨터의 보조기억장치로서, 내부의 스핀들모터에 의해 고속으로 회전하는 디스크의 트랙에 기록된 데이터를 기록 또는 독출하기 위한 자기헤드(magnetic head)를 구비하는 하드디스크 드라이브의 분야에서 강력히 요망되는 것으로, 현재의 기억용량이 1 GB/in²정도에서는 필요없지만, 향후 2000년경에 가능할 것으로 예상하는 10 GB/ in²정도의 기억용량을 요하는 경우에는 반드시 필요한 것이 된다.

도 1 은 종래의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 마이크로 액츄에이터는, 좌우 양측에 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자(10)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된다. 전술한 한쌍의 고정자(10)의 복수개의 빗형상체(12)의 각각에는 복수개의 핑거(14)가 상방으로 돌출하고 있다. 이와 같은 고정자(10)의 빗형상체(12)사이에는 복수개의 핑거(24)가 하방으로 돌출되어 있는 복수개의 빗형상체(22)를 가지는 이동자(20)가 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된다.

한편, 소정의 탄성계수를 갖는 스프링(30)이 한쌍의 이동자(20)의 좌우에 각각 부착되고, 이 스프링(30)을 지지하고 전원을 공급하는 앵커(40)가 한쌍의 이동자(20)의 상하에 부착된다.

핑거(14)의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 스트레이트형상으로 그 크기가 모두 동일하므로, 앵커(40)로부터 이동자(20)의 상하에 각각 전압이 인가하여, 전자장해석을 행하면, 도 3에 도시된 바와 같은 전위선(potential lines) 상태가 되고, 고정자(10)와 이동자(20)사이의 전위차에 의해 이동자(20)가 탄력있게 이동된 후에는 도 4에 도시된 바와 같은 전위선 상태가 된다.

즉, 종래의 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 그 정전력F이 다음 식과 같이, 이동자(13)의 이동변위X 및 스프링계수K에 비례한다.

F = K x X

하지만, 핑거의 길이가 일정하므로, 이에 따라 변위가 증가되어 점차 오버랩됨에 따라 트랜스버스 갭에 의하여 트랜스버스 효과가 커져서 힘의 크기가 비선형적으로 증가하였다. 즉, 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 정전력은 핑거와 핑거사이에 발생하는 힘F(x)에 소위 트랜스버스 포스(transverse force)F(t)가 부가되는 것으로, 다음과 같이 계산된다.

여기서, n은 핑거의 수이고,

ε_o

는 공기중에서 8.854×10^-12인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g1는 고정자 핑거의 선단과 이동자 빗형상체의 기저면까지의 갭이고, g2는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 빗형상체의 바닥면까지의 갭이고, lf는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한 값이고, lb는 고정자 빗형상체의 폭길이이다.

따라서, 정전력은 전압의 제곱

V²

에 비례하지만, 트랜스버스갭 (g1, g2)이 크면 클수록 이동변위X의 선형성이 좋지 않으므로 최적의 제어성능을 낼수 없다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 서로 다른 크기의 핑거를 사용하여 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하여 제어성능을 향상할 수 있는 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.

상기의 목적은 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링을 지지하는 앵커로 이루어진 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하도록, 상기 고정자의 빗형상체에 형성된 핑거는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 감소하는 반면, 상기 이동자의 빗형상체에 형성된 핑거는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 증가하거나, 상기 고정자의 빗형상체에 형성된 핑거는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 증가하는 반면, 상기 이동자의 빗형상체에 형성된 핑거는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 감소하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고,

도 2는 도 1의 빗형상체의 핑거를 확대하여 나타낸 상세도이고,

도 3은 전압인가시의 전자장해석 결과에 의한 전위선(potential lines)이 도시된 상태도이고,

도 4는 이동자의 이동에 의해 변위가 증가하였을 경우의 전위선을 도시한 상태도이고,

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체의 상세도이고,

도 6은 도 3과 마찬가지의 전위선이 도시된 상태도이고,

도 7은 도 4와 마찬가지의 전위선을 도시한 상태도이고,

도 8은 본 발명에 바람직한 다른 일 실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체의 상세도이고,

도 9는 도 6과 마찬가지의 전위선이 도시된 상태도이고,

도 10은 도 7와 마찬가지의 전위선을 도시한 상태도이고,

도 11은 변위(stroke)대 힘(force)의 관계를 나타내는 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 ; 고정자 12,22 ; 빗형상체

14,24 ; 핑거 20 ; 이동자

30 ; 스프링 40 ; 앵커

100,300 ; 고정자 120,220 ; 빗형상체

140,240 ; 핑거 200,400 ; 이동자

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 비선형성 저감 구조의 빗살형체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 상세히 설명하면 본 발명의 빗살형체는 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하도록 서로 다른 크기로 되어 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 나타내는 것이고, 도 6은 전압인가시의 전위선을 도시하고, 도 7은 이동자 이동시의 전위선을 도시하고 있다.

도 5에 있어서, 본 발명의 일실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체는 고정자(100)의 빗형상체(120)에 형성된 핑거(140)는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 감소되는 반면, 이동자(200)의 빗형상체(220)에 형성된 핑거(240)는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 증가하므로, 도 6에 도시된 바와 같은 전위선의 상태를 취하며, 전압이 인가되면, 이동자(200)의 이동에 따라 도 7과 같은 전위선의 상태를 취하게 된다.

이와 달리, 도 8에는 본 발명에 바람직한 다른 일 실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 나타내고 있으며, 도 9는 전압인가시의 전위선의 상태를 나타내고, 도 10은 이동자의 이동시의 전위선의 상태를 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗형상체는 고정자(300)의 빗형상체(320)에 형성된 핑거(340)는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 증가하는 반면, 이동자(400)의 빗형상체(320)에 형성된 핑거(340)는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 감소하므로, 도 9에 도시된 바와 같은 전위선의 상태를 취하며, 전압이 인가되면, 이동자(400)의 이동에 따라 도 10과 같은 전위선의 상태를 취하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 비선형성 저감 구조의 빗살형체와 종래의 빗살형체와의 비선형성을 도 11에서는 변위(stroke)대 힘(force)의 관계의 그래프로 나타내고 있다.

도 11의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 5의 실시예와, 도 8의 본발명의 실시예에 따른 빗살형체가 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 빗살형체의 선형성보다 훨씬 좋음을 알 수 있다.

이상과 같이 개시된 실시예는 단지 예시적 의미일 뿐 제한적 의미를 갖는 것은 아니며 청구범위와 균등한 의미를 갖는 모든 변형예들 또한 본 발명의 범주내에 포함될 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 비선형성을 저감하는 구조의 빗살형체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 의하면, 핑거의 크기를 서로 달리함으로서 정전력을 증가시켜서 이동변위를 크게하고, 그 이동변위의 선형성을 개선시키게 됨에 따라 제어가 용이해지므로, 하드디스크 드라이버(hard disk driver)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.

Claims

각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링을 지지하는 앵커로 이루어진 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서,

상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전위에 따라 발생하는 힘의 크기에 있어서의 비선형성을 저감하도록 서로 다른 크기로 한 것을 특징으로 하는 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자의 빗형상체에 형성된 핑거는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 감소되고, 상기 이동자의 빗형상체에 형성된 핑거는 양단에서 중앙부분으로 가면서 핑거의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자의 빗형상체에 형성된 핑거는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 증가하고, 상기 이동자의 빗형상체에 형성된 핑거는 일단에서 타단으로 가면서 핑거의 크기가 감소하는 것을 특징으로 하는 비선형성 저감 구조의 빗형상체를 가지는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.