KR100450743B1 - Electrostatic Micro Gripper - Google Patents
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Abstract
본 발명은 작은 물체를 이동 및 조립 할 수 있는 초소형 그리퍼(micro gripper)에 관한 것으로서, 특히 정전력을 이용한 초소형 그리퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a micro gripper that can move and assemble a small object, and more particularly, to a micro gripper using electrostatic force.
이를 위한 본 발명은, 대상물체를 정전기력으로 고정하기 위하여 동일 기판위에서 제조된 외부전극 및 내부전극과; 상기 내부전극의 움직임이 가능하도록 상기 기판과 연결되어 상기 내부전극을 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성지지체와; 상기 내부 전극을 상기 대상 물체로부터 소정 거리 이동시켜 상기 대상 물체를 원하는 위치에 놓기 위하여 상기 기판에 상기 외부전극 및 내부전극과 같이 형성된 초소형 액츄에이터를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.The present invention for this purpose, the external electrode and the inner electrode manufactured on the same substrate in order to fix the object with an electrostatic force; At least one elastic support connected to the substrate to support the internal electrodes to support the internal electrodes; And a micro actuator formed on the substrate together with the external electrode and the internal electrode in order to move the internal electrode a predetermined distance from the target object to place the target object at a desired position.
이로써, 본 발명은 상기 내부전극, 외부전극, 탄성지지체 및 초소형 액츄에이터를 초소형기계가공기술을 이용하여 일괄공정에 의하여 대량생산 할 수 있으며, 정전형 그리퍼의 소형화, 대량생산으로 인한 가격절감, 배열배치를 통한 작업속도 향상 등을 할 수 있으므로 초소형 그리퍼 어셈블리의 가격절감 등의 이점을 제공한다.Thus, the present invention can mass-produce the internal electrode, the external electrode, the elastic support and the micro actuator by a batch process using a micro machining technology, the size of the electrostatic gripper, the cost reduction due to the mass production, arrangement arrangement The speed of work can be improved by providing the advantages of cost reduction of the compact gripper assembly.
Description
본 발명은 작은 물체를 이동 및 조립 할 수 있는 초소형 그리퍼(micro gripper)에 관한 것으로서, 특히 정전력을 이용한 초소형 그리퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a micro gripper that can move and assemble a small object, and more particularly, to a micro gripper using electrostatic force.
최근 센서, 액츄에이터, 신호처리 등의 기능을 포함하는 초소형 시스템의 제조 및 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 가지 신호를 계측하는 센서 어레이, 구동 능력을 부여하는 액츄에이터, 신호처리 기능을 수행하는 집적회로 등은 동일 기판에서 동시에 제조될 수 있으나, 대부분의 경우 제조 원가 절감, 공정의 미비 또는 기능 향상 등의 이유로 인하여 다른 기판에서 각각의 부품을 제조한 후 이를 어셈블리를 이용하여 하나의 초소형 시스템을 구현하는 방법이 모색되고 있다.Recently, research on the manufacture and application of ultra-compact systems including functions such as sensors, actuators, signal processing, etc. has been actively conducted. Sensor arrays that measure various signals, actuators that provide drive capability, and integrated circuits that perform signal processing functions can be manufactured on the same substrate at the same time, but in most cases, manufacturing costs can be reduced, process shortages, or functional improvements For this reason, there is a search for a method of manufacturing a single system using an assembly after manufacturing each component on a different substrate.
이러한 초소형 어셈블리(micro assembly)에 있어서, 각각의 센서, 액츄에이터, 신호처리용 소자 등을 이동, 조립할 수 있는 초소형 그리퍼에 대한 연구가 진행되고 있다. 대부분의 기존 초소형 그리퍼에 있어서, 그 구동방식은 열팽창을 이용한 열구동(예를 들어, C. G. Keller and R. T. Howe, "Hexil Tweezers for teleoperated microassembly", Proceedings of IEEE MEMS, pp. 72-77, 1997.), 정전력을 이용한 구동(예를 들어, C.-J. Kim, A. P. Pisano, and R. S. Muller, "Silicon-processed Overhanging Microgripper", J. of Microelectromech. Syst.,Vol. 1, No. 1m pp. 31-36, 1992) 등으로 다양한 구동방식이 보고되고 있지만 실제 대상 물체를 잡는 방법에 있어서는 거시세계에서의 그리퍼와 같은 집게방식을 사용하고 있다.In such a micro assembly, research on a micro gripper capable of moving and assembling each sensor, actuator, signal processing element, and the like, is being conducted. For most existing micro grippers, the driving method is thermal driving using thermal expansion (eg, CG Keller and RT Howe, "Hexil Tweezers for teleoperated microassembly", Proceedings of IEEE MEMS, pp. 72-77, 1997.) , Driving with electrostatic power (eg, C.-J. Kim, AP Pisano, and RS Muller, "Silicon-processed Overhanging Microgripper", J. of Microelectromech. Syst., Vol. 1, No. 1m pp. 31-36, 1992), but a variety of driving methods have been reported, but a gripper method such as a gripper in the macro world is used as a method of catching an actual object.
그러나, 크기가 1mm 정도 이하의 작은 물체에서는 중력과 같은 몸체력(body force)보다는 정전기력, 표면장력 등과 같은 표면 힘(surface force)이 더 중요한 힘으로 작용한다. 그러므로 기존의 초소형 그리퍼에서는 물체를 잡는 것은 비교적 용이하나 물체를 이동 후 어셈블리를 위하여 원하는 위치에 놓을 때에는 공기중의 수분, 먼지, 정전하 등으로 인한 표면장력, 정전기력, 반 데르 발스 힘(Van der Waals force) 등으로 인하여 도 1에 도시된 바와 같이 대상 물체(1)가 그리퍼 집게(2)로부터 떨어지지 않고 그리퍼 집게(2)에 붙어버리는 점착 현상이 발생한다.However, surface force such as electrostatic force, surface tension, and the like act as a more important force on a small object having a size of about 1 mm or less than body force such as gravity. Therefore, it is relatively easy to hold the object in the conventional gripper, but when the object is moved and placed in the desired position for assembly, surface tension, electrostatic force, van der Waals force due to moisture, dust, electrostatic charge in the air, etc. As shown in FIG. 1, a sticking phenomenon occurs in which the object 1 adheres to the gripper tongs 2 without falling from the gripper tongs 2 as shown in FIG. 1.
한편, 오현석 등은(Elektrostatische Greifer fur die Mikromotage, Ph. D thesis, Technische Univ. Braunschweig, 1998) 초소형 어셈블리를 위하여 작은 물체를 정전력을 이용하여 잡고, 물체를 놓을 때에는 물체 내에 형성된 전기장(electric field)을 교란함으로서 물체가 달라붙는 현상을 방지한 초소형 그리퍼를 보고한 바 있다. 이러한 정전형 그리퍼(electrostatic gripper)는 물체 내에 전기장을 형성하기 위한 외부전극 및 내부전극 그리고 이 전극을 구동하기 위한 구동 기구로 이루어지는데, 이를 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 나타내 보였다.On the other hand, Oh Hyun-seok et al. (Elektrostatische Greifer fur die Mikromotage, Ph. D thesis, Technische Univ. Braunschweig, 1998) hold a small object using electrostatic force for a micro-assembly, and the electric field formed in the object when the object is released. We have reported an ultra-small gripper that prevents sticking of objects by disturbing. The electrostatic gripper includes an external electrode and an internal electrode for forming an electric field in an object, and a driving mechanism for driving the electrode, which is schematically shown in FIGS. 2A and 2B.
도 2a는 종래기술에 의한 실린더 형태의 전극을 가지는 정전형 그리퍼의 개략도 및 동작원리를 나타내는데, 도시된 바와 같이 대상물체(11)를 잡을 때에는 외부전극(15) 및 내부전극(16) 사이에 전압을 인가하며 이로 인하여 발생한 전기장에의한 정전기력을 이용하여 대상물체(11)를 잡은 후 원하는 위치에 이동하게 된다.FIG. 2A shows a schematic view and a principle of operation of an electrostatic gripper having a cylindrical electrode according to the prior art. As shown in FIG. 2A, the voltage between the external electrode 15 and the internal electrode 16 when holding the object 11 is shown. It is applied to the target object 11 by using the electrostatic force generated by the resulting electric field and then moved to the desired position.
또한, 원하는 위치에 대상물체(11)를 놓을 때에는 전극(15, 16) 사이에 인가되는 전압을 제거시킴과 동시에 움직임이 가능한 내부 전극(16)을 구동 기구를 이용하여 대상 물체로부터 멀리 이동시킴으로서 대상물체(11) 내에 형성된 전기장을 교란시켜 대상물체(11)를 그리퍼(10)로부터 떨어지도록 한다.In addition, when the target object 11 is placed at a desired position, the voltage applied between the electrodes 15 and 16 is removed, and the movable internal electrode 16 is moved away from the target object using a driving mechanism. The electric field formed in the object 11 is disturbed so that the object 11 is separated from the gripper 10.
도 2b에 상기와 같은 정전형 그리퍼(10)를 이용하여 대상물체(11)를 잡는 개념도를 나타내 보였다. 도 2b에 도시한 정전형 그리퍼(10)는 대상물체(11)를 기존의 기계적인 방법이 아니라 정전기력을 이용하여 잡음으로서 대상물체(11)의 파손을 방지할 수 있으며 곡선 또는 임의의 모양을 가지는 작은 물체를 효과적으로 잡을 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 기존의 초소형 그리퍼에서와 같이 대상 물체가 그리퍼에 점착되는 문제점을 내부전극의 이동으로 해결하는 장점을 가지고 있다.FIG. 2B shows a conceptual diagram of holding the target object 11 using the electrostatic gripper 10 as described above. The electrostatic gripper 10 shown in FIG. 2B can prevent the object 11 from being damaged as a noise by using the electrostatic force rather than the conventional mechanical method, and has a curved or arbitrary shape. It has the advantage of effectively catching small objects. In addition, as in the conventional micro gripper, the problem that the target object adheres to the gripper has the advantage of solving the movement of the internal electrode.
그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 정전력을 이용한 그리퍼는 통상적인 기계가공기술을 이용하여 제작되었으므로 그 부피를 최소화하기가 어려우며 개별적으로 제조되므로 제조 가격 및 배열 배치에 있어서 제한점을 가지는 문제점이 있었다.However, since the gripper using the electrostatic force according to the prior art as described above is manufactured using a conventional machining technique, it is difficult to minimize the volume and is manufactured separately, thereby having a problem in manufacturing price and arrangement arrangement.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 종래기술의 부피 및 가격과 같은 단점을 해결하기 위한 것으로 초소형기계가공기술을 이용하여 제조될 수 있는 정전력을 이용한 초소형 그리퍼를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a micro gripper using electrostatic force that can be manufactured by using a micromachining technique to solve the disadvantages such as the volume and the price of the prior art. .
도 1은 종래기술에 따른 기계적인 방식의 그리퍼에서 대상물체가 그리퍼에 달라붙는 현상을 나타낸 개념도.1 is a conceptual diagram showing a phenomenon in which the object is stuck to the gripper in the gripper of the mechanical method according to the prior art.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래기술에 따른 정전형 그리퍼의 개략도 및 동작 예시도.2A and 2B are schematic views and operation examples of the electrostatic gripper according to the prior art, respectively.
도 3은 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 사시도.3 is a perspective view of an ultra-small gripper using the electrostatic force according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도.4 is a plan view of the ultra-small gripper using the electrostatic force according to the present invention.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 동작 예시도.5A and 5B are diagrams illustrating the operation of the ultra-small gripper using the electrostatic force according to the present invention, respectively.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도.6 is a plan view of the ultra-small gripper using the electrostatic force of another embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도.7 is a plan view of a micro gripper using an electrostatic force according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100, 200, 300 : 그리퍼(gripper) 105 : 기판100, 200, 300: Gripper 105: substrate
115 : 외부전극 116 : 내부전극115: external electrode 116: internal electrode
203, 221, 303 : 탄성지지체 205 : 외부전극 제3 코일부203, 221, 303: elastic support 205: external electrode third coil portion
207 : 가동부 전극 208 : 고정코일부207: movable part electrode 208: fixed coil part
223 : 내부전극 코일부 206, 225, 306 : 액츄에이터223: internal electrode coil portion 206, 225, 306: actuator
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼는, 대상물체를 정전기력으로 고정하기 위하여 동일 기판위에서 제조된 외부전극 및 내부전극과; 상기 내부전극의 움직임이 가능하도록 상기 기판과 연결되어 상기 내부전극을 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성지지체와; 상기 내부 전극을 상기 대상 물체로부터 소정 거리 이동시켜 상기 대상 물체를 원하는 위치에 놓기 위하여 상기 기판에 상기 외부전극 및 내부전극과 같이 형성된 초소형 액츄에이터를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다. 즉, 본 발명에 따른 초소형 정전형 그리퍼는, 초소형기계가공기술을 이용하여 같은 기판위에서 제조된 외부전극 및 내부전극과; 상기 내부전극이 대상물체로부터 멀리 움직일 수 있도록 기판과 연결되어 내부전극을 지지하는 탄성지지체와; 상기 내부 전극을 움직일 수 있도록 하는 초소형기계가공기술을 이용하여 제작된 초소형 액츄에이터를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the micro gripper using the electrostatic force according to the present invention includes an external electrode and an internal electrode manufactured on the same substrate to fix an object with an electrostatic force; At least one elastic support connected to the substrate to support the internal electrodes to support the internal electrodes; In order to move the internal electrode a predetermined distance from the target object and to place the target object in a desired position, the substrate includes a micro actuator formed together with the external electrode and the internal electrode. That is, the micro electrostatic gripper according to the present invention comprises: an external electrode and an internal electrode manufactured on the same substrate using a micro machining technique; An elastic support connected to a substrate to support the internal electrode so that the internal electrode can move away from an object; It comprises a micro actuator manufactured using a micro machining technology to move the internal electrode.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the micro gripper using the electrostatic force according to the present invention. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
도 3은 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 동작 예시도이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예의 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼의 평면도이다.3 is a perspective view of a micro gripper using an electrostatic force according to the present invention, Figure 4 is a plan view of a micro gripper using an electrostatic force according to the present invention, Figures 5a and 5b is a microminiature using the electrostatic power according to the present invention, respectively An example of the operation of the gripper. 6 is a plan view of a micro gripper using an electrostatic force according to another embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a plan view of a micro gripper using an electrostatic force according to another embodiment of the present invention.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼(100)를 구성하는 외부전극(115), 내부전극(116), 탄성지지체(221), 초소형 액츄에이터(225)는 기판미세가공기술(Bulk micromachining), 표면미세가공기술(surface micromachining)과 같은 실리콘 등 반도체 기술을 기반으로 하는 기술 또는 리가기술(LIGA: in german, Lithographie, Galvanoformung, Abformung))과 같은 통상적인 초소형기계가공기술(microelectromechanical system 기술, MEMS기술)을 이용하여 제조된다. 도 3에서 부재번호 227은 외부전극(115)에서의 정전력을 위한 외부전극 코일부이고, 223은 내부전극(116)에서의 정전력을 위한 내부전극 코일부이며, 105는 내부전극(116) 및 외부전극(115), 탄성지지체(221) 등이 형성되는 기판이다. 도시한 바와 같이, 액츄에이터(225)는 탄성지지체(221)와 내부전극코일부(223)가 합쳐진 구조이다.First, referring to FIG. 3, the external electrode 115, the internal electrode 116, the elastic support 221, and the micro actuator constituting the micro gripper 100 using the electrostatic force according to the first embodiment of the present invention ( 225) is a conventional technology such as Liga technology (LIGA: in german, Lithographie, Galvanoformung, Abformung) or technology based on semiconductor technology such as silicon such as bulk micromachining and surface micromachining. It is manufactured using phosphorus microelectromechanical system technology (MEMS technology). In FIG. 3, reference numeral 227 denotes an external electrode coil unit for electrostatic power in the external electrode 115, 223 denotes an internal electrode coil unit for electrostatic power in the internal electrode 116, and 105 denotes an internal electrode 116. And an external electrode 115, an elastic support 221, and the like. As shown, the actuator 225 has a structure in which the elastic support 221 and the internal electrode coil portion 223 are combined.
상기한 내부 및 외부 전극(116)(115), 탄성지지체(221), 및 액츄에이터(225)의 재질은 실리콘, 다결정 실리콘, 및 니켈 등의 금속으로 제조할 수 있다. 또한 전극(116)을 구동하기 위한 초소형 액츄에이터(225)의 구동방법은 정전기력을 이용한 구동, 열팽창을 이용한 구동 등 기존의 다양한 초소형 액츄에이터 구동 방식을사용할 수도 있다.The internal and external electrodes 116 and 115, the elastic support 221, and the actuator 225 may be made of metal such as silicon, polycrystalline silicon, and nickel. In addition, the method of driving the micro actuator 225 for driving the electrode 116 may use a variety of conventional micro actuator driving methods such as driving using electrostatic force and driving using thermal expansion.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전형 그리퍼(100)를 도시한 평면도이다. 본 발명에 따른 초소형 그리퍼(100)는 동일 기판(105)위에서 제조된 내부전극(116)과 외부전극(115), 그리고 내부전극(116)이 움직일 수 있도록 기판(105)과 내부전극(116)을 지지하는 두 개의 탄성지지체(221), 또한 외부전극(115), 탄성지지체(221)를 지지하며 상기 각 구조물(115)(116)에 전압 또는 전류를 걸어주기 위하여 기판(105)에 고정된 전극코일부(223)(227), 내부전극(116)을 움직이게 하기 위한 초소형 액츄에이터(225)로 이루어진다. 본 발명의 제1 실시예에 의한 초소형 액츄에이터(225)는 내부전극 코일부(223)를 통하여 인가된 전류로 인한 열로 인하여 발생한 가는(thin) 탄성지지체(203)의 열 팽창을 이용한 열구동 액츄에이터(Electrothermal actuator)로 하였다.4 is a plan view illustrating the electrostatic gripper 100 according to the first embodiment of the present invention. The micro gripper 100 according to the present invention has a substrate 105 and an internal electrode 116 such that the internal electrode 116 and the external electrode 115, and the internal electrode 116, which are manufactured on the same substrate 105 can move. Two elastic supports 221 for supporting the external electrode 115, the elastic support 221 is fixed to the substrate 105 to apply a voltage or current to each of the structures (115, 116) The electrode coil parts 223 and 227 and the micro actuator 225 for moving the internal electrode 116 are formed. The ultra-small actuator 225 according to the first embodiment of the present invention is a thermal drive actuator using the thermal expansion of the thin elastic support 203 generated by the heat due to the current applied through the internal electrode coil unit 223 ( Electrothermal actuator).
도 5a에 도시된 바와 같이 전극코일부(223)(227)에 전원을 인가함으로서 내부전극(116)과 외부전극(115) 사이에 정전력이 발생하며 그리퍼(100)는 유도된 전기장에 의하여 대상물체(미도시)를 잡고 원하는 위치까지 이동하게 된다. 또한, 원하는 위치에 대상물체를 놓을 때에는 도 5b에 도시된 바와 같이 전극코일부(223)(227) 사이에 인가된 전원을 제거함과 동시에 내부전극 코일부(223)를 통하여 전원을 인가함으로서 발생한 주울 열(Joule heating)에 의하여 탄성지지체(221)가 팽창하며 이때 선팽창에 의한 변형에 의하여 내부전극(116)이 뒤로 이동하는 것을 이용한다.As shown in FIG. 5A, electrostatic power is generated between the internal electrode 116 and the external electrode 115 by applying power to the electrode coil parts 223 and 227, and the gripper 100 is subjected to an electric field induced by the induced electric field. Holds an object (not shown) and moves to a desired position. In addition, when the target object is placed in a desired position, as shown in FIG. 5B, a joule generated by removing power applied between the electrode coil parts 223 and 227 and applying power through the internal electrode coil part 223. The elastic support 221 expands by Joule heating, and the internal electrode 116 moves backward by deformation due to linear expansion.
상술한 바와 같이 외부전극(115), 내부전극(116), 탄성지지체(221), 초소형액츄에이터(225)는 동일 기판(105)에서 동시에 제조할 수 있으므로 작은 크기로 여러개를 동시에 제조할 수 있으며 간단한 공정으로 정전형 그리퍼(100)를 제조할 수 있으므로 공정 단가를 크게 낮출 수 있다. 또한, 외부전극(115)과 내부전극(116) 사이의 갭(gap)을 수 마이크론 정도로 제조할 수 있으므로 내부전극(116)과 외부전극(115) 사이에 생성되는 전기장의 크기를 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.As described above, since the external electrode 115, the internal electrode 116, the elastic support 221, and the micro actuator 225 can be manufactured simultaneously on the same substrate 105, they can be manufactured simultaneously in a small size and simple. Since the electrostatic gripper 100 can be manufactured by the process, the process cost can be greatly reduced. In addition, since a gap between the external electrode 115 and the internal electrode 116 may be manufactured to about several microns, the size of the electric field generated between the internal electrode 116 and the external electrode 115 may be increased. It has advantages
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전형 그리퍼(200)를 도시한 평면도이다. 내부전극(116)은 마름모 모양의 탄성지지체(203)에 의하여 기판(105)에 고정된 내부전극 제3 코일부(205)에 지지되어 있으며 외부전극(115)은 기판(105)에 고정된 외부전극 코일부(227)에 의하여 지지되어 있다. 또한, 기판(105)에 고정된 내부전극 고정코일부(208)과 제3 코일부(205)에 인가된 전압에 의하여 가동부 전극(movable electrode)(207)이 고정코일부(fixed electrode; 208)쪽으로 움직일 수 있도록 구성된다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 초소형 액츄에이터(206)는 고정코일부(208), 가동부 전극(207), 탄성지지체(203), 가동부 전극(207)에 전압을 인가하기 위한 제3 코일부(205)로 구성되어 있으며 고정코일부(208)과 가동부 전극(207)사이에 발생한 정전인력으로 인하여 풀-인(pull-in) 현상이 일어나는 것을 이용하는 정전형 액츄에이터(electrostatic actuator)이다.6 is a plan view illustrating an electrostatic gripper 200 according to a second embodiment of the present invention. The internal electrode 116 is supported by the internal electrode third coil part 205 fixed to the substrate 105 by the rhombic elastic support 203, and the external electrode 115 is externally fixed to the substrate 105. It is supported by the electrode coil part 227. In addition, the movable electrode 207 is fixed by an internal electrode fixing coil part 208 fixed to the substrate 105 and a voltage applied to the third coil part 205. It is configured to move toward. The ultra-small actuator 206 according to the second embodiment of the present invention includes a third coil part 206 for applying a voltage to the fixed coil part 208, the movable part electrode 207, the elastic support 203, and the movable part electrode 207. 205 and an electrostatic actuator that uses a pull-in phenomenon due to electrostatic force generated between the fixed coil portion 208 and the movable electrode 207.
도 6에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전형 그리퍼(200)를 이용하여 작은 대상물체를 잡을 때에는 외부전극 코일부(204)과 제3 코일부(205)을 통하여 전압을 인가함으로써 내부전극(116)과 외부전극(115) 사이에 전기장을 발생시킨다. 또한, 대상물체를 원하는 위치에 놓을 때에는 외부전극 코일부(204)과 제3코일부(205)에 가해준 전압을 제거함과 동시에, 고정코일부(208)과 제3 코일부(205)사이에 전압을 인가한다. 이때, 고정코일부(208)과 제3코일부(205) 사이의 전압으로 인하여 고정코일부(208)과 가동부 전극(207) 사이에 정전기력이 발생하고 발생한 정전기력에 의하여 고정코일부(208)와 가동부 전극(207) 사이의 갭(gap)이 감소한다. 갭의 감소는 탄성지지체(203)가 수평선 방향에 대하여 기울어진 각도에 의하여 증폭이 되어 내부전극(201)이 수직선 방향으로 이동하여 대상물체로부터 멀리 떨어지게 한다.When catching a small object using the electrostatic gripper 200 according to the second embodiment of the present invention shown in Figure 6 by applying a voltage through the external electrode coil portion 204 and the third coil portion 205 An electric field is generated between the internal electrode 116 and the external electrode 115. In addition, when the target object is placed in a desired position, the voltage applied to the external electrode coil portion 204 and the third coil portion 205 is removed, and between the fixed coil portion 208 and the third coil portion 205. Apply voltage. At this time, electrostatic force is generated between the fixed coil part 208 and the movable electrode 207 due to the voltage between the fixed coil part 208 and the third coil part 205 and the fixed coil part 208 and The gap between the movable electrode 207 is reduced. The gap is amplified by the angle at which the elastic support 203 is inclined with respect to the horizontal direction so that the internal electrode 201 moves away from the object by moving in the vertical direction.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전형 그리퍼(300)를 도시한 평면도이다. 내부전극(116)은 4개의 가는 빔으로 이루어진 탄성지지체(303)에 의하여 기판(105)에 고정된 좌우측 고정코일부(205)에 지지되어 있으며 외부전극(115)은 기판(105)에 고정된 외부전극 코일부(227)에 의하여 지지되어 있다. 또한, 기판(105)에 고정된 내부전극용 중앙 고정코일부(208)와 좌우측 고정코일부(205)에 인가된 전압에 의하여 가동부 전극(207)이 중앙 고정코일부(208)쪽으로 움직일 수 있도록 구성된다. 본 발명의 제3 실시예에 의한 초소형 액츄에이터(306)는 중앙 고정코일부(208), 가동부 전극(207), 탄성지지체(303), 가동부 전극(207)에 전압을 인가하기 위한 좌우측 고정코일부(205)로 구성되어 있으며 중앙 고정코일부(208)와 가동부 전극(207)을 각각 빗살 모양(comb)으로 교차 배열하여 두 전극사이에 발생한 정전인력으로 인하여 가동부 전극(207)이 수직 방향으로 이동하는 것을 이용하는 정전형 액츄에이터(comb drive actuator)이다.7 is a plan view illustrating an electrostatic gripper 300 according to a third embodiment of the present invention. The inner electrode 116 is supported by the left and right fixing coil portions 205 fixed to the substrate 105 by the elastic support 303 composed of four thin beams, and the outer electrode 115 is fixed to the substrate 105. It is supported by the external electrode coil part 227. In addition, the movable part electrode 207 is moved toward the center fixed coil part 208 by the voltage applied to the central fixed coil part 208 and the left and right fixed coil part 205 for the internal electrode fixed to the substrate 105. It is composed. The micro actuator 306 according to the third embodiment of the present invention has left and right fixed coil parts for applying a voltage to the central fixed coil part 208, the movable part electrode 207, the elastic support 303, and the movable part electrode 207. 205, and the center fixed coil portion 208 and the movable electrode 207 are arranged in a comb cross shape, respectively, and the movable electrode 207 moves in the vertical direction due to the electrostatic force generated between the two electrodes. It is an electrostatic actuator (comb drive actuator) using.
도 7에 도시한 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전형 그리퍼(300)를 이용하여작은 대상물체를 잡을 때에는 외부전극 코일부(227)와 좌우측 고정코일부(205)를 통하여 전압을 인가함으로서 내부전극(116)과 외부전극(115) 사이에 전기장을 발생시킨다. 또한, 대상물체를 원하는 위치에 놓을 때에는 외부전극 코일부(227)와 좌우측 고정코일부(205)에 가해준 전압을 제거함과 동시에, 중앙 고정코일부(208)와 좌우측 고정코일부(205) 사이에 전압을 인가한다. 이때, 중앙 고정코일부(208)와 좌우측 고정코일부(205) 사이의 전압으로 인하여 중앙 고정코일부(208)와 가동부 전극(207) 사이에 정전기력이 발생하고 발생한 정전기력에 의하여 중앙 고정코일부(208)와 가동부 전극(207) 사이의 갭(gap)이 감소한다. 본 발명의 제3 실시예에 있어서 이와 같은 가동부 전극(207) 및 중앙 고정코일부(208)는 빗살(comb electrode) 모양의 전극으로 서로 교차 설치되어 가동부 전극(207)과 중앙 고정코일부(208) 사이의 유효 면적을 증가시켜 정전기력을 증가시키는 구조를 가진다. 갭의 감소에 따라 내부전극(116)이 수직방향으로 이동하여 대상물체로부터 멀리 떨어지게 한다.When catching a small object using the electrostatic gripper 300 according to the third embodiment of the present invention shown in Figure 7 by applying a voltage through the external electrode coil portion 227 and the left and right fixed coil portion 205 An electric field is generated between the internal electrode 116 and the external electrode 115. In addition, when the target object is placed in a desired position, the voltage applied to the external electrode coil part 227 and the left and right fixed coil parts 205 is removed, and between the center fixed coil part 208 and the left and right fixed coil parts 205. Apply voltage to At this time, due to the voltage between the central fixed coil portion 208 and the left and right fixed coil portion 205, an electrostatic force is generated between the central fixed coil portion 208 and the movable electrode 207 and the central fixed coil portion ( The gap between 208 and the movable electrode 207 is reduced. In the third embodiment of the present invention, the movable part electrode 207 and the central fixed coil part 208 are intersected with each other as comb electrode-shaped electrodes to move the movable part electrode 207 and the central fixed coil part 208. It has a structure to increase the electrostatic force by increasing the effective area between). As the gap decreases, the internal electrode 116 moves in the vertical direction to move away from the object.
상기와 같은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예는 다결정 실리콘을 이용한 표면미세가공기술, 단결정 실리콘을 이용한 기판미세가공기술, 방사광 X-선을 이용한 리가(LIGA) 기술, 실리콘 건식식각기술(deep reactive ion etching)등을 이용하여 용이하게 제조할 수 있다. 또한 내부전극(116)과 외부전극(115) 사이에 발생한 정전기력은 전극사이의 거리가 감소할수록, 전극의 면적이 넓을수록 증가하므로 고(高) 종횡비 구조물을 제작할 수 있는 기술인 리가기술, 또는 실리콘 건식식각기술을 이용하여 금속 또는 저항이 낮은 실리콘 기판을 이용하여 정전형 그리퍼를 제조하는 것이 바람직하다.As described above, the first to third embodiments of the present invention include surface microfabrication technology using polycrystalline silicon, substrate microfabrication technology using single crystal silicon, liga (LIGA) technology using radiant X-rays, and silicon dry etching technology (deep reactive ion etching) and the like can be easily manufactured. In addition, the electrostatic force generated between the inner electrode 116 and the outer electrode 115 increases as the distance between the electrodes decreases and as the area of the electrode increases, so that a high aspect ratio structure can be manufactured, such as Riga technology or silicon dry type. It is desirable to manufacture an electrostatic gripper using a metal or silicon substrate with low resistance using etching techniques.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 정전력을 이용한 초소형 그리퍼는, 종래기술의 부피 및 가격과 같은 단점을 해결하기 위한 것으로 초소형기계가공기술을 이용하여 제조될 수 있는 이점을 제공한다.As described above, the ultra-small gripper using the electrostatic force according to the present invention is to solve the disadvantages such as the volume and the price of the prior art, and provides an advantage that can be manufactured using the micro-machining technology.
한편, 본 발명은 센서, 액츄에이터, 신호처리 칩 등 작은 대상물체를 같은 기판상에서 제조된 외부전극 및 내부전극으로부터 발생한 정전기력을 이용하여 잡고, 원하는 위치에서 정전력을 제거함과 동시에 내부전극을 외부전극 및 내부전극과 같은 기판에서 동시에 제조된 초소형 액츄에이터를 이용하여 멀리 이동시켜 대상물체를 놓음으로서 작은 물체를 잡을 때 발생하는 점착현상을 제거할 수 있는 이점을 제공한다.On the other hand, the present invention is to hold a small object such as a sensor, actuator, signal processing chip using the electrostatic force generated from the external electrode and the internal electrode manufactured on the same substrate, remove the electrostatic force at the desired position and at the same time the internal electrode and the external electrode and By using a micro actuator manufactured at the same time on the same substrate as the internal electrode to move away by placing the object to provide an advantage that can be eliminated the adhesion phenomenon occurs when catching a small object.
다른 한편, 본 발명은 MEMS기술을 이용하여 정전형 초소형 그리퍼를 제작하므로 그리퍼를 소형화 및 대량생산 할 수 있으며, 이를 배열배치(arrayed microgripper) 할 수 있으므로 그리퍼 어셈블리의 속도 및 가격을 낮출 수 있는 이점을 제공한다.On the other hand, the present invention is to produce an electrostatic micro gripper using MEMS technology to reduce the size and mass production of the gripper, it can be arranged array (arrayed microgripper) has the advantage of lowering the speed and price of the gripper assembly to provide.
즉, 본 발명에 의해 초소형기계가공기술을 이용하여 제조되는 정전형 그리퍼는 동일 기판위에서 동시에 여러개를 제작할 수 있으므로 그리퍼 생산원가를 절감할 수 있으며 제작된 초소형 그리퍼를 배열배치하여 동시에 여러개의 대상물체를 이동하여 초소형 어셈블리의 속도 및 원가를 낮출 수 있는 이점을 제공한다.That is, according to the present invention, the electrostatic grippers manufactured by using the micromachining technology can be manufactured on the same substrate at the same time, thereby reducing the production cost of the grippers and by arranging the manufactured micro grippers at the same time. This provides the advantage of lowering the speed and cost of compact assemblies.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
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