KR100439908B1 - Electrostatic micro actuator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 분해능을 갖는 미세 구동기를 개시한 것으로, 기판 위에 고정되는 빗살 형상의 고정전극과, 고정 전극과 전기적인 상호작용을 통하여 기판 위에서 이동할 수 있는 빗살 형상의 이동전극과, 서로 다른 탄성계수(spring stiffness)를 갖는 다수의 탄성 빔으로 이루어져 상기 이동전극에 연결되는 탄성부재를 포함하여, 고정전극과 이동전극 사이에 인가되는 구동전압에 따라 이동전극의 변위 변화가 낮은 탄성계수를 갖는 탄성 빔으로부터 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a micro driver having a high resolution, comprising: a comb-shaped fixed electrode fixed on a substrate, a comb-shaped moving electrode that can move on a substrate through electrical interaction with the fixed electrode, and different elastic modulus (elastic beam) comprising a plurality of elastic beams having a spring stiffness and connected to the movable electrodes, the elastic beam having an elastic coefficient having a low change in displacement of the movable electrode according to a driving voltage applied between the fixed electrode and the movable electrode Characterized in that sequentially from.
따라서, 본 발명은 정전형 빗살 구동기의 가동전극에 연결되는 탄성부재를 탄성계수가 다른 다층 구조로 설계하여 낮은 구동전압에서도 민감하게 반응할 수 있을 뿐만 아니라 높은 구동전압에서도 안정적으로 동작할 수 있으며, 정전기력 빗살 구동기를 온-오프 스위칭장치뿐만 아니라 높은 분해능으로 정밀하게 위치제어를 하는데 이용할 수 있다.Therefore, the present invention is designed in a multi-layered structure having a different elastic modulus of the elastic member connected to the movable electrode of the electrostatic comb tooth driver can not only react sensitively even at a low driving voltage but also stably operate at a high driving voltage, The electrostatic force comb driver can be used for precise positioning control with high resolution as well as on-off switching devices.
Description
본 발명은 미세 구동기(micro actuator)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄성부재를 탄성계수가 다른 다층 구조로 설계한 높은 분해능을 갖는 미세 구동기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro actuator, and more particularly, to a micro actuator having a high resolution in which an elastic member is designed in a multilayer structure having different elastic modulus.
기록 장치나 광학 시스템의 헤드(head)나 탐침, 렌즈(lens) 등의 위치를 정밀하게 제어할 필요가 있으며 이를 위하여 외부의 서보 시스템(servo system)을 도입하기도 한다. 그러나 외부의 시스템을 도입하는 경우에는 시스템의 부피가 증가할 뿐 아니라 높은 정밀도를 구현하기 위해서는 많은 비용이 요구된다.It is necessary to precisely control the position of the head, the probe, the lens, and the like of the recording apparatus or the optical system, and for this purpose, an external servo system may be introduced. However, the introduction of an external system not only increases the volume of the system but also requires a high cost to achieve high precision.
최근에는 반도체 마이크로 머시닝(micro machining)을 이용한 미세 구동기에 대한 연구가 진행되고 있다. 마이크로 머시닝을 이용한 미세 정밀 구동기는 구동 방식에 따라 정전력, 전자력, 압전 및 열 구동력 구동 방식으로 나눌 수 있으며 이중에서 정전력을 이용한 구동 방식이 대표적이다.Recently, research on a micro driver using semiconductor micro machining has been conducted. The micro-precision driver using micro machining can be divided into constant power, electromagnetic force, piezoelectric and thermal driving force driving methods according to the driving method, and the driving method using the constant power is representative of them.
정전력 구동 방식은 시스템의 축전기(capacitor)에 저장되는 정전 에너지(electrostatic energy)의 변화를 이용한 것으로 그 대표적인 예로는 빗살 구동기(comb drive actuator)를 들 수 있다. 빗살 구동기에 관한 연구로는 P.-F.Indermuehle, C. Linder, J. Brugger, V.P. Jaecklin and N.F. de Rooij의 논문 "표면 프로파일 스캐닝을 위한 집적 탐침을 가지는 뜬 x y - 미세 구동기의 설계 및 제조" ("Design and fabrication of an overhanging xy-microactuator withintegrated tip for scanning surface profiling", Sensors and Actuators A,No. 43, 1994, pp. 346-350)와 P.-F.Indermuehle, and N. F. de Rooij의 논문 "AFM 투영을 위한 XY-미세 스테이지 위에 고 형상비를 가지는 대형 탐침의 집적"("INTEGRATION OF A LARGE TIP WITH HIGH ASPECT RATIO ON AN XY-MICRO STAGE FOR AFM IMAGING", Transducers '95·Eurosensors IX, June 1995, pp. 652-654)을 들 수 있다. 이 구동기는 AFM(atomic force microscopy)에 적용할 목적으로 두 쌍의 빗살 구동기를 수직으로 결합시켜 2차원적인 위치 제어를 할 수 있고 구동기 중앙에 원자 간 인력을 검출할 수 있도록 미세한 탐침을 탑재한 것이다. 그러나 이 구동기는 빠른 응답 특성을 가지고 있는 반면 제작 과정이 복잡하며 최대 이동 거리가 짧은 문제가 있다.The constant power driving method uses a change in electrostatic energy stored in a capacitor of a system, and a representative example thereof is a comb drive actuator. Studies on comb drive include P.-F.Indermuehle, C. Linder, J. Brugger, V.P. Jaecklin and N.F. de Rooij's article "Design and fabrication of an overhanging xy-microactuator within integrated tip for scanning surface profiling", Sensors and Actuators A, No. 43, 1994, pp. 346-350) and in papers by P.-F.Indermuehle, and NF de Rooij "Integration of large probes with high aspect ratios on XY-fine stages for AFM projection" ("INTEGRATION OF A LARGE TIP"). WITH HIGH ASPECT RATIO ON AN XY-MICRO STAGE FOR AFM IMAGING ", Transducers '95 Eurosensors IX, June 1995, pp. 652-654). This driver is a two-dimensional position control by vertically combining two pairs of comb drivers for the purpose of applying to AFM (atomic force microscopy), and equipped with a minute probe in the center of the driver to detect the interatomic attraction. . However, this driver has fast response characteristics, but the manufacturing process is complicated and the maximum travel distance is short.
한편, 최대 이동 거리를 늘이기 위하여 Rob Legtenberg, A W Groeneveld and Elwenspoek는 논문 "대변위용 빗형 구동기" ("Comb-drive actuators for large displacements", J. Micromech. Microeng. 6, 1996, pp. 320-329)에서 접힌 빔 스프링(folded beam spring) 구조를 채용하여 20 V의 전압에서 30 μm의 변위를 가질 수 있는 단방향 빗 모양 구동기를 제안하였다.On the other hand, in order to increase the maximum travel distance, Rob Legtenberg, AW Groeneveld and Elwenspoek, in the paper "Comb-drive actuators for large displacements", J. Micromech.Microeng. 6, 1996, pp. 320-329 In this paper, we propose a unidirectional comb-shaped actuator that can have a displacement of 30 μm at a voltage of 20 V by employing a folded beam spring structure.
그러나 이 방법 역시 제작 과정이 복잡하며 이동 방향이 한정되어 있는 문제점이 있다.However, this method also has a problem that the manufacturing process is complicated and the direction of movement is limited.
이와 같이 정전력을 이용한 삼차원 빗살 구조물은 평판면에 대하여 수직으로 돌출되고 서로 끼워진 구조로 된 한 쌍의 빗살(Comb)에 전압을 가하여 두 빗살 사이에 발생하는 전기력(Electrostatic Force)이 빗살 사이의 상대적인 움직임에 대하여 일정하게 힘을 낼 수 있다.In this way, the three-dimensional comb structure using the electrostatic force is applied to a pair of combs having a structure projecting perpendicularly to the flat surface and fitted to each other, so that the electrostatic force generated between the two comb teeth is relative between the comb teeth. It can be a constant force for movement.
도 1은 마이크로 구조물을 움직이기 위한 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)의 일예를 도시한 것이다.1 shows an example of an electrostatic comb drive for moving a microstructure.
이 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)는 이동 도체판 및 고정 도체판이 각각 반복 구조로 연결된 빗살 구조를 지닌다.This electrostatic comb drive has a comb structure in which a mobile conductor plate and a fixed conductor plate are each connected in a repeating structure.
한 쌍의 빗살(1,2)이 간극 s를 두고 서로 맞물려 있고, 각 빗살(1,2)에 전원(3)이 도선(4,5)을 이용하여 연결되어 있을 때 한쪽의 빗살(2)의 한 핑거(finger)에 작용하는 수평방향의 정전기력(6, Electrostatic Force)은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.One comb (2) when a pair of combs (1,2) are interlocked with a gap s and a power source (3) is connected to each comb (1,2) using conductors (4,5). The horizontal electrostatic force (6, Electrostatic Force) acting on one of the fingers (finger) is represented by the following equation (1).
여기서 ε0, g, h, V 는 각각 진공의 유전율, 지면에 수직인 방향으로 빗살의 높이, 빗살의 사이의 간격, 빗살 사이에 인가되는 전압이다.Where ε 0 , g, h, and V are the permittivity of the vacuum, the height of the comb teeth in the direction perpendicular to the ground, the spacing between the combs, and the voltages applied between the combs.
이와 같은 정전 방식의 감지/구동 방식은 전류의 소모가 극히 적어서, 다른 감지/구동방식을 갖는 센서나 액츄에이터보다 전력 소모가 낮다.The electrostatic sensing / driving method consumes very little current, and thus consumes less power than other sensors or actuators having other sensing / driving methods.
또한, 정전 용량은 압전(piezoelectric) 방식이나 압저항(piezoresitive) 방식에 비해 월등하게 온도 의존성이 낮고, 빠른 응답 특성, 주변 집적 회로(peripheral integrated circuit)와의 집적화에 용이하다.In addition, the capacitance is significantly lower in temperature dependency than the piezoelectric or piezoresitive method, and is easy to integrate with a quick response characteristic and a peripheral integrated circuit.
이와 같은 정전기력 빗살 구동기(Electrostatic Comb Drive)는 실리콘을 근간으로 한 반도체 공정(semiconductor process)을 이용할 수 있기 때문에 구동의안정성(reliability) 및 집적회로(integrated circuit)화에 있어서도 유리하다.Such an electrostatic comb drive is advantageous in driving stability and integrated circuit since it can use a semiconductor process based on silicon.
이러한 정전기력 빗살 구동기는 다수의 이동빗살(2, movable comb)를 가지는 가동전극(8)과, 이 가동전극(8)에 접속이 된 하나 이상의 탄성부재(10)와 지지부(9)를 통하여 기판(미도시됨)에 지지되어 있으며, 전술한 이동빗살(2)과 마주보는 위치에 위치하며 이동빗살(2)과 교대로 삽입되는 다수의 고정빗살(1, fixed comb)을 가지는 고정전극(7)을 통하여 기판에 지지되어 있다. 고정빗살(1)과 이동빗살(2)에 전원공급수단(도시하지 않음)을 통하여 전압을 인가하면 수학식 1에 의하여 발생하는 정전력에 의하여 가동전극(8)은 기판에 대하여 수평한 방향으로 직선운동을 한다.The electrostatic force comb driver is provided with a movable electrode 8 having a plurality of movable combs 2, at least one elastic member 10 and a support 9 connected to the movable electrode 8. (Not shown), the fixed electrode (7) having a plurality of fixed combs (1, fixed comb) which is positioned in a position facing the above-described moving comb (2) and alternately inserted with the moving comb (2) It is supported by the substrate through. When voltage is applied to the fixed comb 1 and the moving comb 2 through a power supply means (not shown), the movable electrode 8 moves in a horizontal direction with respect to the substrate due to the electrostatic force generated by Equation 1. Do a linear motion.
한편, 인가된 전압을 끊으면 가동전극(8)과 연결된 탄성부재(10)의 복원력에 의해 원위치로 복귀된다. 이와 같은, 종래의 대부분의 탄성부재(10)는 하나의 판 스프링 또는 같은 탄성계수를 다층(multiple) 스프링으로 설계되어 일정한 탄성계수를 갖는다. 가동전극(8)을 구동하기 위해서는 먼저 탄성부재(10)를 구동할 수 있는 소정의 임계 힘보다 더 높은 구동전압을 인가해야 하며, 탄성부재(10)의 구동전압을 낮추기 위해서는 임계 힘이 낮아야 한다.On the other hand, when the applied voltage is cut off, it is returned to its original position by the restoring force of the elastic member 10 connected to the movable electrode 8. As described above, most conventional elastic members 10 are designed to have one leaf spring or the same elastic modulus as multiple springs to have a constant elastic modulus. In order to drive the movable electrode 8, first, a driving voltage higher than a predetermined threshold force capable of driving the elastic member 10 must be applied, and the threshold force must be low to lower the driving voltage of the elastic member 10. .
그러나 이와 같은 종래의 정전기력 빗살 구동기의 탄성부재는 응답속도에 대한 설계는 쉬운 반면 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전압의 변화에 제곱으로 증가하는 힘에는 둔감하게 된다. 즉, 낮은 구동전압에서는 상대적으로 탄성부재(10)가 너무 강건해서 가동전극(8)의 구동이 안되고, 높은 구동전압에서는 상대적으로 탄성부재(10)가 너무 약해서 급격히 움직이게 되어 입력전압으로 제어하기가 어려운 단점이 있다. 이와 같은 단점은 정전기력 빗살 구동기를 온-오프 스위칭 장치뿐만 아니라 연속적인 수치 변화로 정밀하게 위치 제어되는 높은 분해능을 갖는 구동장치에 적용하는데 기술적인 한계로 다가왔다.However, while the elastic member of the conventional electrostatic force comb driver is easy to design for the response speed, as can be seen in Equation 1, the elastic member is insensitive to the force increasing to the square of the change in voltage. That is, at the low driving voltage, the elastic member 10 is relatively hard to drive the movable electrode 8, and at the high driving voltage, the elastic member 10 is too weak to move rapidly and to be controlled by the input voltage. It has a hard disadvantage. This drawback is a technical limitation in applying the electrostatic force comb driver not only to the on-off switching device but also to a high resolution drive which is precisely position controlled by continuous numerical changes.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해소하기 위한 것으로, 정전형 빗살 구동기의 가동전극에 연결되는 탄성부재를 탄성계수가 다른 다층 구조로 설계하여 낮은 구동전압에서도 민감하게 반응할 수 있을 뿐만 아니라 높은 구동전압에서도 안정적으로 동작할 수 있는 미세 구동기를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above disadvantages, and the elastic member connected to the movable electrode of the electrostatic comb driver can be sensitively reacted even at low driving voltage by designing a multilayer structure having different elastic modulus. It is an object of the present invention to provide a micro driver that can stably operate even at a high driving voltage.
본 발명의 다른 목적은 정전기력 빗살 구동기를 온-오프 스위칭장치뿐만 아니라 높은 분해능으로 정밀하게 위치제어를 할 수 있는 미세 구동기를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a fine driver capable of precisely positioning the electrostatic force comb driver with high resolution as well as on-off switching device.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 높은 분해능을 갖는 미세 구동기에 있어서, 기판 위에 고정되는 빗살 형상의 고정전극과, 상기 고정 전극과 전기적인 상호작용을 통하여 기판 위에서 이동할 수 있는 빗살 형상의 이동전극과, 서로 다른 탄성계수(spring stiffness)를 갖는 다수의 탄성 빔으로 이루어져 상기 이동전극에 연결되는 탄성부재와, 상기 탄성 빔의 일단에 스티킹 방지를 위해 형성되는 스티킹 방지 턱을 포함하여, 상기 고정전극과 상기 이동전극 사이에 인가되는 구동전압에 따라 상기 이동전극의 변위 변화가 낮은 탄성계수를 갖는 상기 탄성 빔으로부터 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a comb-shaped fixed electrode that is fixed on a substrate, and a comb-shaped moving electrode that can move on a substrate through electrical interaction with the fixed electrode. And an elastic member made of a plurality of elastic beams having different spring stiffness and connected to the moving electrode, and an anti-sticking jaw formed at one end of the elastic beam to prevent sticking. According to a driving voltage applied between the fixed electrode and the moving electrode, the displacement change of the moving electrode is characterized in that it is sequentially made from the elastic beam having a low elastic modulus.
본 발명에 따른 특징은 탄성부재의 탄성계수를 다르게 하기 위해 탄성 빔의두께가 얇게 설계된 것과 두껍게 설계된 것을 복수개 연속적으로 지그재그로 연결하여 형성한 것이다.A feature according to the present invention is to form a plurality of thick and designed in a continuous zigzag connected to the thickness of the elastic beam in order to vary the elastic modulus of the elastic member.
또 다른 구조의 탄성부재는 탄성계수를 다르게 하기 위해 지그재그로 연결된 탄성 빔의 길이가 길게 설계된 것과 짧게 설계된 것을 복수개 연결하여 형성한 것이다.In another structure, the elastic member is formed by connecting a plurality of short and long designed elastic beams connected in zigzag in order to change the elastic modulus.
또 다른 구조의 탄성부재는 탄성계수가 다른 복수의 탄성빔이 순차적으로 배열되되, 그 일단이 고정부에 연결되어 분리 형성되며, 상기 탄성빔 중 탄성계수가 가장 낮은 탄성빔의 타단이 상기 지지부에 연결되는 것을 특징으로 한다.In another elastic member, a plurality of elastic beams having different elastic modulus are sequentially arranged, one end of which is connected to a fixed part and formed separately, and the other end of the elastic beam having the lowest elastic modulus among the elastic beams is attached to the support part. It is characterized in that the connection.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
도 1은 종래의 마이크로 구조물을 움직이기 위한 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)의 일예를 도시한 사시도,1 is a perspective view showing an example of an electrostatic comb drive for moving a conventional microstructure (Electrostatic Comb Drive),
도 2는 본 발명에 따른 높은 분해능을 갖는 정전형 미세 구동기의 실시예를 도시한 사시도,2 is a perspective view showing an embodiment of the electrostatic fine driver having a high resolution according to the present invention;
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 사시도,3 is a perspective view showing another embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 사시도(평면도),4 is a perspective view (top view) showing yet another embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 탄성부재의 거동을 나타낸 평면도,5 is a plan view showing the behavior of the elastic member according to the present invention,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성부재의 거동을 나타낸 평면도,6 is a plan view showing the behavior of the elastic member according to another embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성부재의 거동을 나타낸 평면도.7 is a plan view showing the behavior of the elastic member according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 : 고정전극11: fixed electrode
12 : 이동전극12: moving electrode
13 : 탄성부재13: elastic member
14,14' : 탄성빔14,14 ': elastic beam
20,20' : 스티킹 방지턱20,20 ': Sticking bump
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 높은 분해능을 갖는 정전형 미세 구동기의 제 1 실시예이다.2 is a first embodiment of a high resolution electrostatic micro driver according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 높은 분해능을 갖는 미세 구동기는 기판 위에 고정되는 고정전극(11), 고정전극(11)과 전기적인 상호작용을 통하여 기판 위에서 이동할 수 있는 이동전극(12), 서로 다른 탄성계수를 갖는 다수의 탄성빔 즉, 가장 낮은 탄성계수를 갖는 제 1 탄성빔(14a)으로부터 점차적으로 더 높은 탄성계수를 갖는 제 2, 3 탄성빔(14b, 14c)이 지그재그로 연속적으로이동전극(12)에 연결되는 탄성부재(13)로 이루어진다.As shown in FIG. 2, the micro driver having a high resolution according to the present invention includes a fixed electrode 11 fixed on a substrate and a movable electrode 12 that can move on the substrate through electrical interaction with the fixed electrode 11. ), A plurality of elastic beams having different modulus of elasticity, that is, the second and third elastic beams 14b and 14c having gradually higher modulus of elasticity are zigzag from the first elastic beam 14a having the lowest modulus of elasticity. It consists of an elastic member 13 connected to the moving electrode 12 continuously.
본 발명의 실시예에 따른 탄성부재(13)는 이동전극(12)의 중심으로부터 연장된 지지부(16)를 기준으로 양측에 대칭되는 구조로 형성되어 있다. 된다. 각 탄성빔(14)은 그 평면 형상이 "⊂" 또는 "⊃" 모양으로 서로 대면하는 한 쌍의 탄성편으로 이루어지며, 탄성계수를 다르게 하기 위해 제 1 탄성빔(14a)의 두께를 가장 얇게 설계하고 점차적으로 더 높은 탄성계수를 갖도록 더 두껍게 설계된 제 2, 3 탄성빔(14b, 14c)으로 이루어져 있다.The elastic member 13 according to the exemplary embodiment of the present invention is formed in a symmetrical structure on both sides with respect to the support 16 extending from the center of the moving electrode 12. do. Each elastic beam 14 is composed of a pair of elastic pieces whose planar shape faces each other in a "⊂" or "⊃" shape, and the thickness of the first elastic beam 14a is the thinnest in order to change the modulus of elasticity. And second and third elastic beams 14b and 14c designed thicker to design and to gradually have higher modulus of elasticity.
도 3은 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 것으로, 탄성부재(13)를 복수의 탄성빔(14')으로 지그재그로 연결하되 길이가 짧은 탄성빔(14')일수록 탄성계수가 크기 때문에 제 1' 탄성빔(14'a)의 길이를 가장 길게 설계하고 점차적으로 더 높은 탄성계수를 갖도록 제 2', 3' 탄성빔(14'b, 14'c)의 길이를 짧게 형성하는 구조로 형성한 것이다.Figure 3 shows a second embodiment according to the present invention, because the elastic modulus is connected to the elastic member 13 in a zigzag with a plurality of elastic beams 14 'but the shorter length of the elastic beam 14' The length of the first 'elastic beam 14'a is designed to be the longest and the length of the second' and 3 'elastic beams 14'b and 14'c is shortened so as to gradually have a higher elastic modulus. It is formed.
또한, 본 발명에 따르면 각 탄성빔(14,14')의 일단에 각 탄성빔(14, 14')의 면과 면이 닿을 경우 스티킹(sticing)이 발생할 수 있기 때문에 스티킹 방지를 위한 스티킹 방지턱(15, 15')이 형성된다. 이와 같은 스티킹 방지턱(15, 15')은 탄성빔(14,14')의 탄성 변위에 대한 기구학적 제한을 주어 이동범위에 제한을 주는 것이다.In addition, according to the present invention, when the surface and the surface of each of the elastic beams 14 and 14 'contact one end of each of the elastic beams 14 and 14', sticking may occur. King bumps 15 and 15 'are formed. The sticking bumps 15 and 15 'may be used to limit the moving range by giving kinematic limits to the elastic displacement of the elastic beams 14 and 14'.
한편, 탄성부재(13)의 일단은 지지부(16)에 연결되며, 타단은 고정부(17)에 연결되어 있다.On the other hand, one end of the elastic member 13 is connected to the support 16, the other end is connected to the fixing portion 17.
도 2 및 도 3에서 본 발명에 따른 제 1 스티킹 방지턱(15a, 15'a)은 제 1 탄성빔(14a, 14'a)의 시단에 수직방향으로 돌출되어 형성되며, 탄성 변형 시 대면하는 제 1 탄성빔(14a, 14'a)의 말단에 닿을 때까지의 범위 내에서 변형되며, 제 1 스티킹 방지턱(15a, 15'a)은 제 1 탄성빔(14a, 14'a)이 변형되는 탄성 변위의 크기를 기구학적으로 제한한다. 한편, 제 2 스티킹 방지턱(15b, 15'b)은 제 2 탄성빔(14b, 14'b)의 시단에 수직으로 돌출되어 형성되며, 제 2 탄성빔(14b, 14'b)이 변형되는 탄성 변위의 크기를 제한한다. 이와 같이, 제 3 스티킹 방지턱(15c, 15'c)도 제 3 탄성빔(14c, 14'c)의 시단에 형성되어 제 3 탄성빔(14c, 14'c)이 탄성되는 탄성 변위의 크기를 제한한다.In FIGS. 2 and 3, the first sticking bumps 15a and 15'a are formed to protrude perpendicularly to the starting ends of the first elastic beams 14a and 14'a. The first elastic beams 14a and 14'a are deformed within the range until they reach the ends of the first elastic beams 14a and 14'a, and the first elastic beams 14a and 14'a are deformed. Kinematically limit the magnitude of the elastic displacement that is made. Meanwhile, the second sticking bumps 15b and 15'b are formed to protrude perpendicularly to the start ends of the second elastic beams 14b and 14'b, and the second elastic beams 14b and 14'b are deformed. Limits the magnitude of elastic displacement. In this manner, the third sticking bumps 15c and 15'c are also formed at the beginning of the third elastic beams 14c and 14'c, so that the third elastic beams 14c and 14'c are elastic. Restrict
예시도면에서 스티킹 방지턱(15, 15')이 각 탄성빔(14, 14')의 시단에 설치되는 것을 보이고 있으나, 반대로 대향하는 위치에 있는 탄성빔(14, 14')의 말단에 설치하는 것도 가능하다. 예를 들어 제 1 스티킹 방지턱(15a, 15'a)이 제 1 탄성빔(14a, 14'a)의 말단에 수직방향으로 돌출되어 형성되더라도 동일한 작용을 얻을 수 있다.In the exemplary drawing, the sticking bumps 15 and 15 'are installed at the ends of the elastic beams 14 and 14', but are provided at the ends of the elastic beams 14 and 14 'at opposite positions. It is also possible. For example, even if the first sticking bumps 15a and 15'a are formed to protrude perpendicularly to the ends of the first elastic beams 14a and 14'a, the same effect can be obtained.
도 4는 본 발명에 따른 제 3 실시예를 나타낸 평면도로서, 탄성부재(23)의 탄성빔(24)을 서로 분리시켜 형성한 구조에 특징이 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 탄성빔(24a)을 제외하고, 제 2 탄성빔(24b) 및 제 3 탄성빔(24c)은 서로 분리된 구조이며 그 일단이 각각 고정부재(17)에 독립적으로 고정되어 있다. 한편, 제 1 탄성빔(24a)의 일단은 지지부(16)에 연결되며, 타단은 고정부(17)에 연결되어 있다.4 is a plan view showing a third embodiment according to the present invention, which is characterized by a structure formed by separating the elastic beams 24 of the elastic member 23 from each other. As shown, except for the first elastic beam 24a, the second elastic beam 24b and the third elastic beam 24c are separated from each other, and one end thereof is independently fixed to the fixing member 17. It is. Meanwhile, one end of the first elastic beam 24a is connected to the support part 16, and the other end is connected to the fixing part 17.
제 1 탄성빔(24a)은 앞서 설명한 평면 형상이 "⊂" 또는 "⊃" 모양으로 서로 대면하는 한 쌍의 탄성편으로 이루어지는 구조로 이루어져 있으며, 제 2탄성빔(24b) 보다 더 낮은 탄성계수를 갖도록 설계되어 있다. 제 2 탄성빔(24b) 및 제 3 탄성빔(24c)은 제 1 탄성빔(24a)보다 더 높은 탄성계수를 갖도록 설계되며, 각 탄성빔 사이의 간격은 탄성 변위를 고려하여 적절한 간격을 유지하도록 설계되어, 탄성 부재(23)은 이동전극(12)의 구동은 1차적으로 제 1 탄성빔(24a)에서 탄성 변형이 이루어지고 그에 의해 제 1 탄성빔(24a)의 일단이 제 2 탄성빔(24b)의 일단에 닿은 이후에는 제 1 탄성빔(24a)와 제 2 탄성빔(24b)에 의해 탄성 변형이 이루어지며, 그에 의해 제 2 탄성빔(24b)의 일단이 제 3 탄성빔(24c)의 일단에 닿은 이후에는 제 1, 2, 3 탄성빔(24a,24b,24c)에 의해 탄성 변형이 이루어지게 된다.The first elastic beam 24a has a structure consisting of a pair of elastic pieces facing each other in a planar shape as described above in a "⊂" or "⊃" shape, and has a lower elastic modulus than the second elastic beam 24b. It is designed to have. The second elastic beam 24b and the third elastic beam 24c are designed to have a higher modulus of elasticity than the first elastic beam 24a, and the spacing between each elastic beam is to maintain an appropriate interval in consideration of elastic displacement. The elastic member 23 is designed such that the driving of the moving electrode 12 is primarily performed by the elastic deformation of the first elastic beam 24a so that one end of the first elastic beam 24a is the second elastic beam ( After reaching one end of 24b, elastic deformation is performed by the first elastic beam 24a and the second elastic beam 24b, whereby one end of the second elastic beam 24b is the third elastic beam 24c. After reaching one end of the elastic deformation is performed by the first, second, third elastic beams (24a, 24b, 24c).
한편, 앞선 실시예에서 설명한 경우와 마찬가지로 각 탄성빔(24)간의 스티킹 방지를 위해 탄성 변형 시 면 접촉되는 부분에 스티킹 방지턱(25a, 25b, 25c)이 형성됨은 당연하다.On the other hand, as in the case described in the previous embodiment, it is natural that the sticking bumps 25a, 25b, and 25c are formed at portions in contact with the surface when elastic deformation is performed to prevent sticking between the elastic beams 24.
지금까지 설명한 본 발명에 따른 탄성빔(14, 14', 24)의 두께 또는 길이는 이동전극(12)을 정전기력으로 구동할 때 전압의 변화에 제곱으로 증가하는 힘에 대하여 탄성빔(14, 14', 24)의 복원력도 그에 비슷하게 증가할 수 있는 정도로 설계함으로써 미세 구동기의 구동전압에 대한 선형성 및 분해능을 향상시킬 수 있다.The thickness or length of the elastic beams 14, 14 ', 24 according to the present invention described so far is the elastic beams 14, 14 with respect to a force that increases squarely with a change in voltage when the moving electrode 12 is driven with electrostatic force. ', 24) can be similarly increased to improve the linearity and resolution of the drive voltage of the micro driver.
이하, 본 발명에 따른 정전형 미세 구동기의 동작을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the electrostatic micro driver according to the present invention will be described.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄성부재(13)의 거동을 도시한 확대도로서, 이동전극(12)에 가장 낮은 범위의 구동전압 범위 V1이 인가될 때에는 탄성부재(13) 중 가장 낮은 탄성계수(k1)로 설계된 제 1 탄성빔(14a)에서 탄성변형이 일어나게 되며, 제 1 탄성빔(14a)의 일단에 형성된 제 1 스티킹 방지핀(15a)이 제 2 탄성빔(14b)의 일단에 닿아 더 이상 제 1 탄성빔(14a)의 탄성변형이 기구학적으로 제한을 받게되는 변위 D1의 범위 내에서 미세 구동기가 움직인다. 이어서, V1보다는 높은 범위의 구동전압 V2가 인가될 때에는 k1보다는 더 높은 탄성계수(k2)로 설계된 제 2 탄성빔(14b)에서 탄성변형이 일어나 변위 D2의 범위 내에서 미세 구동기가 작동된다. 이때, 제 1 탄성빔(14a)은 제 2 탄성빔(14b)에 접촉된 채로 연동되므로 V2의 구동전압 범위에서는 탄성체가 아닌 단순히 고정된 구조체(structure)로서의 의미밖에 없다. 이와 같은 동작은 더 높은 구동전압 범위 V3에서 K3의 탄성계수로 설계된 제 3 탄성빔(14c)에서도 동일하게 동작된다.5 is an enlarged view showing the behavior of the elastic member 13 according to the first embodiment of the present invention. When the driving voltage range V 1 of the lowest range is applied to the moving electrode 12, the elastic member 13 is applied. Elastic deformation occurs in the first elastic beam 14a designed to have the lowest modulus of elasticity k 1 , and the first anti-sticking pin 15a formed at one end of the first elastic beam 14a is the second elastic beam. The fine actuator moves within the range of the displacement D 1 , which reaches one end of 14b and no longer causes the elastic deformation of the first elastic beam 14a to be kinematically restricted. Then, the fine actuator from the second inner elastic deformation up displacement range of D 2 in the acoustic beam (14b) is designed with a higher modulus (k 2), rather than k 1 When subjected to a drive voltage V 2 in the high range than V 1 Is working. At this time, since the first elastic beam 14a is interlocked while being in contact with the second elastic beam 14b, the first elastic beam 14a is not merely an elastic body but merely a fixed structure in the driving voltage range of V 2 . This operation is equally operated in the third elastic beam 14c designed with an elastic modulus of K 3 in the higher driving voltage range V 3 .
한편, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄성부재(13)의 거동을 나타낸 확대도로서, 이동전극(12)에 가장 낮은 범위의 구동전압 범위 V'1이 인가될 때에는 탄성부재(13) 중 가장 낮은 탄성계수(K'1)로 설계된 제 1' 탄성빔(14'a)에서 탄성변형이 일어나게 되며, 제 1' 스티킹 방지턱(15'a)이 제 2' 탄성빔(14'b)의 일단에 닿아 더 이상 제 1' 탄성빔(14'a)의 탄성변형이 기구학적으로 제한을 받게되는 변위 D'1의 범위 내에서 미세 구동기가 움직인다. 이어서, V'1보다는 높은 범위의 구동전압 V'2가 인가될 때에는 k'1보다는 더 높은 탄성계수(k'2)로 설계된 제 2' 탄성빔(14'b)에서 탄성변형이 일어나 변위 D'2의 범위 내에서 미세 구동기가 작동된다.이때, 제 1' 탄성빔(14'a)은 제 2' 탄성빔(14'b)에 접촉된 채로 연동되므로 V'2의 구동전압 범위에서는 탄성체가 아닌 단순히 고정된 구조체(structure)로서 움직이게 된다.6 is an enlarged view illustrating the behavior of the elastic member 13 according to the second exemplary embodiment of the present invention. When the driving voltage range V ′ 1 of the lowest range is applied to the moving electrode 12, the elastic member ( 13, the elastic deformation occurs in the first 'elastic beam 14'a designed with the lowest modulus of elasticity K' 1 , and the first 'sticking bump 15'a is the second' elastic beam 14. The micro actuator moves within the range of displacement D ' 1 where it reaches one end of' b) and the elastic deformation of the first 'elastic beam 14'a is no longer kinematically restricted. Subsequently, when a driving voltage V ' 2 of a higher range than V' 1 is applied, elastic deformation occurs in the second 'elastic beam 14'b designed to have a higher modulus of elasticity k' 2 than k ' 1. "the fine actuator is operated in the range of 2. in this case, the first, resilient beams (14'a) of the second, elastic beam, so interlocked while being brought into contact with (14'b) V, the driving voltage range of the elastic member Instead of simply moving as a fixed structure.
이러한 본 발명에 따른 탄성부재(13)에 의한 이동전극(12)의 변위 변화는 낮은 탄성계수로 설계된 탄성빔(14, 14')으로부터 순차적으로 복원력을 발생시켜 이 복원력과 전극 사이의 정전기력이 평형을 이루는 지점에서 이동전극(12)의 이동이 멈추게 되는 것이다.The displacement change of the movable electrode 12 by the elastic member 13 according to the present invention generates a restoring force sequentially from the elastic beams 14 and 14 'designed with a low elastic modulus so that the restoring force and the electrostatic force between the electrodes are balanced. At this point, the movement of the moving electrode 12 is stopped.
한편, 도 7 본 발명의 제 3 실시예에 따른 탄성부재(23)의 거동을 도시한 확대도로서, 이동전극(12)에 가장 낮은 범위의 구동전압 범위 V1이 인가될 때에는 탄성부재(23) 중 가장 낮은 탄성계수(k1)로 설계된 제 1 탄성빔(24a)에서 탄성변형이 일어나게 되며, 제 1 탄성빔(24a)의 일단에 형성된 제 1 스티킹 방지핀(25a)이 제 2 탄성빔(24b)의 일단에 닿아 더 이상 제 1 탄성빔(14a)의 탄성변형이 기구학적으로 제한을 받게된다. 이어서, V1보다는 높은 범위의 구동전압 V2가 인가될 때에는 k1보다는 더 높은 탄성계수(k2)로 설계된 제 2 탄성빔(24b)까지 탄성변형이 일어나 미세 구동기가 작동된다. 이와 같은 동작은 더 높은 구동전압 범위 V3에서 K3의 탄성계수로 설계된 제 3 탄성빔(24c)에서도 동일하게 동작된다.On the other hand, Figure 7 is an enlarged view showing the behavior of the elastic member 23 according to the third embodiment of the present invention, when the driving voltage range V 1 of the lowest range is applied to the moving electrode 12, the elastic member 23 In the first elastic beam 24a designed to have the lowest modulus of elasticity k 1 , elastic deformation occurs, and the first anti-sticking pin 25a formed at one end of the first elastic beam 24a is the second elastic modulus. Touching one end of the beam 24b no longer causes the elastic deformation of the first elastic beam 14a to be kinematically restricted. Subsequently, when a driving voltage V 2 of a higher range than V 1 is applied, elastic deformation occurs up to the second elastic beam 24b designed to have a higher elastic modulus k 2 than k 1 to operate the fine driver. The same operation is also applied to the third elastic beam 24c designed with an elastic modulus of K 3 in the higher driving voltage range V 3 .
정전기형 미세 구동기에서 인가 전압(Va)과 이동전극(12)의 이동 변위(Xd)와의 관계는 다음과 같다.The relationship between the applied voltage Va and the moving displacement Xd of the moving electrode 12 in the electrostatic micro driver is as follows.
여기에서 g, h, N은 각각 빗 모양 전극의 전극 살 사이의 간격, 전극살의 높이 및 개수이며, k는 탄성부재(13)의 탄성계수이다. 이 식에서 알 수 있듯이 이동전극(12)의 이동 변위(Xd)는 인가 전압의 제곱에 비례하며, 인가전압의 제곱은 또한 정전기력에 비례한다.Where g, h and N are the spacing between the electrode flesh of the comb-shaped electrode, the height and the number of electrode teeth, respectively, and k is the elastic modulus of the elastic member 13. As can be seen from this equation, the displacement Xd of the moving electrode 12 is proportional to the square of the applied voltage, and the square of the applied voltage is also proportional to the electrostatic force.
식 2에 나타난 바와 같이, 미세 구동기의 이동 변위를 키우기 위해서는 전극 살 간의 간격에 대한 전극살의 높이의 비(h/g)를 크게 하고 전극살의 갯수를 늘리고, 전극 살 간 간격(g)을 줄이거나 전극살의 높이(h)를 높게 하고 전극을 다단으로 배치하여 전극살의 수(N)을 늘리는 것이 바람직하지만 이는 공정 상의 한계 및 미세 구동기의 부피 증가로 인해 제한적인 반면에, 본 발명에서 제시한 바와 같이, 탄성 계수가 작은 탄성빔(14, 14')부터 탄성 계수가 높은 탄성빔(14, 14')이 다단으로 구성된 탄성부재(13)에 의하면 미세 구동기의 낮은 구동전압으로도 이동 변위를 키울 수 있어 공정상의 한계 및 부피 증가의 문제를 극복할 수 있다.As shown in Equation 2, in order to increase the displacement of the micro driver, the ratio of the height of the electrode to the spacing between electrodes is increased (h / g), the number of electrodes is increased, and the spacing between electrodes (g) is decreased or It is desirable to increase the number of electrode bars (N) by increasing the height (h) of the electrode bars and arranging the electrodes in multiple stages, but this is limited due to the process limitations and the increase in the volume of the micro driver, but as shown in the present invention According to the elastic member 13 having a plurality of stages of elastic beams 14 and 14 'having a small modulus of elasticity and elastic beams 14 and 14' having a high modulus of elasticity, movement displacement can be increased even at a low driving voltage of the micro driver. It can overcome the problem of process limitation and volume increase.
더불어 본 발명에 따른 미세 구동기는 넓은 범위의 구동전압에서 동작할 수 있으며, 구동전압에 대한 미세 구동기의 분해능을 높일 수 있어 미세 구동기의 제어에 유리하다.In addition, the micro driver according to the present invention can operate at a wide range of driving voltage, and can increase the resolution of the micro driver with respect to the driving voltage, which is advantageous for the control of the micro driver.
한편, 본 발명에 따른 스티킹 방지턱(15, 15', 25)는 탄성빔(14, 14', 24)의 변위에 대한 기구학적 제한을 줌으로써 탄성부재(13)의 동작을 원활하게 함은 물론, 스티킹 방지턱(15, 15', 25)의 높이 조절을 통해 변위 제어를 손쉽게 할 수 있다.On the other hand, the sticking bumps 15, 15 ', 25 according to the present invention provides a kinematic limitation on the displacement of the elastic beams 14, 14', 24, as well as smoothly operating the elastic member 13 By controlling the height of the sticking bumps 15, 15 ′ and 25, displacement control can be easily performed.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.In the above description, it should be understood that those skilled in the art can only make modifications and changes to the present invention without changing the gist of the present invention as it merely illustrates a preferred embodiment of the present invention.
따라서, 본 발명은 정전형 빗살 구동기의 가동전극에 연결되는 탄성부재를 탄성계수가 다른 다층 구조로 설계하여 낮은 구동전압에서도 민감하게 반응할 수 있을 뿐만 아니라 높은 구동전압에서도 안정적으로 동작할 수 있으며, 정전기력 빗살 구동기를 온-오프 스위칭장치뿐만 아니라 높은 분해능으로 정밀하게 위치제어를 하는데 이용할 수 있다.Therefore, the present invention is designed in a multi-layered structure having a different elastic modulus of the elastic member connected to the movable electrode of the electrostatic comb tooth driver can not only react sensitively even at a low driving voltage but also stably operate at a high driving voltage, The electrostatic force comb driver can be used for precise positioning control with high resolution as well as on-off switching devices.
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