KR100464312B1 - 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터를 기재한다. 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터는 고정자와 회전자로 구성되는 전극들 간의 간격을 회전 중심에서부터의 반지름에 무관하게 일정하도록 최적 설계함으로써 평판 모양(Parallel-plate configuration)에서 최대의 구동력을 발생시킬 수 있고 구동범위도 크게 할 수 있다. 특히, 평판 전극을 이용한 회전구동 마이크로액츄에이터에서 전극 모양을 기울어지게 하여 반경에 무관하게 간격이 일정하도록 하거나 지그재그 형으로 하여 반경에 무관하게 간격이 일정하도록 하는 방식으로 최적 설계함으로써 주어진 면적당 구동력을 최대로 증가시킨다.

Description

최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터{A rotary microactuator integrating the optimally curved electrodes}

본 발명은 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터{a rotary microactuator integrating the optimally curved electrodes}에 관한 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 선형(linear) 구동 마이크로액츄에이터의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같은 선형 구동 마이크로액츄에이터는 고정자(10)와 회전자(20)가 일정한 간격으로 나란하게 배치된 구조를 갖는다.반면에, 도 2에 도시된 바와 같은 선형 구동 마이크로액츄에이터는 횡모드(transverse mode)에서 고정자(30)와 회전자(40)를 구동 방향에 대하여 수직인 방향에서 θ_t만큼 기울임(Tilting) 각을 갖는다. 이러한 형태의 마이크로액츄에이터의 전극 구조는 Electronics Letters, 1998 Vol. 34 No. 18, pp1787-1788에서 게재되어 있다.

이들에 비하여, 도 3은 회전 구동 마이크로액츄에이터의 기본 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 회전 구동 정전형 마이크로 액츄에이터의 구동방식은 interdigited configuration (일명 Comb-type)과 평판전극형 등 두 가지로 나눌 수 있다. Interdigited configuration 의 경우에서 발생되는 힘은 두 전극간의 간격에 반비례하는 반면 평판 전극의 경우에 발생되는 힘은 두 전극간의 간격의 제곱수에 반비례하는 특성을 가지고 있다. 따라서 전극간의 간격를 작게하면 할수록 평판전극형의 경우가 Interdigited configuration 의 경우 보다 더 큰 구동력을 갖게된다. 현재 계속 새로운 공정기술이 개발됨에 따라 두 전극간의 간격을 좁혀 가고 있어서 앞으로는 평판 전극형의 잇점이 더 부각될 것이라고 판단된다. 이러한 추세에 맞추기 위해서는 평판 전극에 초점을 맞춰 종전의 평판 전극형의 구동력을 극대화시키는 기술을 강구할 필요가 있다.

실제로 이러한 평판 전극을 이용한 회전 구동 마이크로액츄에이터의 경우는 Journal Microelectromechanical systems, pp141-148, Vol 7. No 2., June1998에서 살펴볼 수 있다. 종래의 회전 구동 마이크로액츄에이터는 도 3에 도시된 바와 같이 평판(Parallel-plate configuration)형의 두 전극 즉 고정자(stator)(100)와 회전자(rotor)(200)가 구동(회전) 방향과 수직되게 배열하고 있다. 이와 같은 회전 구동 마이크로액츄에이터에 있어서는, 외곽으로 갈수록 전극상의 간격이 커지게 된다(구동거리는 반지름에 비례하므로 전극상의 간격도 외곽으로 갈수록 넓힐 수 밖에 없다). 또한, 큰 변위가 요구되는 경우에 전극간의 간격도 커야 되기 때문에 초기의 전극간의 간격이 커야하는 특징을 갖고있다. 따라서 간격이 작아야 큰 구동력을 발생시킬 수 있는 평판 전극의 장점을 충분히 살리지 못하는 문제점을 갖고있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 전극 간의 수직 간격을 내반경으로부터 외반경 까지 반지름에 무관하게 공정상 얻을 수 있는 최소 간격으로 일정하게 유지하도록 제작함으로써, 평판(Parallel-plate configuration) 전극들에서 최대의 구동력을 발생시킬 수 있는 회전 구동 마이크로액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 선형(linear) 구동 마이크로액츄에이터의 구동 원리를 설명하기 위한 도면으로서,

도 1은 고정자와 회전자가 일정한 간격으로 구동 방향과 수직방향으로 나란하게 배치된 구조를 갖는 기존의 선형 구동 마이크로액츄에이터의 구조를 보여주는 도면이고,

도 2는 고정자와 회전자를 구동 방향에 대하여 수직인 방향에서 θ_t만큼 기울임(Tilting) 각을 갖도록 형성한 기존의 선형 구동 마이크로액츄에이터의 구조를 보여주는 도면이며,

도 3은 종래의 회전 구동 마이크로액츄에이터의 기본 동작 원리를 설명하기 위한 도면이며,

도 4은 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이며,

도 5는 도 4의 동작 원리가 적용되도록 제작된 회전자 및 고정자를 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터의 구조를 보여주는 도면,

그리고 도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 보여주는 도면들로서,

도 6 및 도 7은 직선형의 마디가 지그재그 형태로 배치된 회전자와 고정자의 제작 원리를 설명하는 도면들,

도 8 및 도 9는 각각 도 6 및 도 7의 직선형 마디를 갖는 지그재그 회전자와 고정자의 실시예를 보여주는 도면들,

도 10 및 도 11은 각각 반경에 대한 접선 기울임각이 반경 r에 따라 연속적으로 변화되도록 형성된 곡선형의 마디가 지그재그 형태로 배치된 회전자와 고정자의 제작 원리를 설명하는 도면들,

도 12는 도 7 및 도 9에 도시된 회전자 및 고정자가 설치된 회전 구동 마이크로액츄에이터를 보여주는 도면,

도 13은 도 11의 원리에 의해 제작된 회전자 및 고정자가 설치된 회전 구동 마이크로액츄에이터를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 고정자 20. 회전자

30. 고정자 40. 회전자

100. 고정자 200. 회전자

300. 고정자 400. 회전자

500. 고정자 600. 회전자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터는, 회전 구동을 위한 두 전극으로서 고정자 및 회전자를 구비한 회전 구동 마이크로액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 회전자는, 최대 회전 구동력을 발생시키기 위하여, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 무관하게 상기 회전자 및 고정자의 법선 방향의 간격이 일정하도록 상기 반경에 따라 연속적으로 변하는 접선 기울임 각을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 고정자와 회전자를 제작함에 있어서 공정상으로 만들 수 있는 상기 두 전극 간의 최소 간격을 g_f라 하고, 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 전기장 속에서 구조물의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 반경을 r이라 하며, 이 반경 r에 따른 상기 접선 기울임 각을라 할 때,로 표시되고, 전기장 속에서 상기 두 전극의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 두 전극의 최내측 위치 까지의 거리가 되는 내반경을 r₁이라하며, 상기 두 전극의 최외측 위치 까지의 거리가 되는 외반경을 r₂라하며, 상기 내반경과 외반경 사이의 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 상기 요구되는 구동각 θ₀사이에서 상기 회전자의 중심축으로부터 상기 두 전극이 각각 위치하는 임의의 점 까지의 거리가 되는 전극 위치 반경을 r*라 하며,상기 내반경 축으로부터 상기 전극 위치 반경 r*가 이루는 전극 위치 각을 θ_e(r*)라 할 때,로 표시되는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터는, 회전 구동을 위한 전극으로서 고정자 및 회전자를 구비한 회전 구동 마이크로액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 회전자는, 최대 회전 구동력을 발생시키기 위하여, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 무관하게 상기 두 전극의 법선 방향으로 등간격을 유지하도록 지그재그 형상으로 주름지게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 고정자 및 회전자는 상기 회전자 쪽의 외반경으로 갈수록 더욱 예리하게 주름이 잡혀 각 마디의 원주 방향으로의 폭이 일정하도록 형성하되, 상기 고정자 및 회전자의 지그재그 각 마디는, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 따라 연속적인 기울임 각을 갖도록 형성된 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 지그재그 고정자와 회전자의 각 마디를 제작함에 있어서 공정상으로 만들 수 있는 상기 두 전극 간의 최소 간격을 g_f라 하고, 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 전기장 속에서 상기 두 전극의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 반경을 r이라 하며, 이 반경 r축에 대한 상기 접선 기울임 각을라 할 때,로 표시되고, 상기 두 전극의 최내측 위치 까지의 거리가 되는내반경을 r₁이라하며, 상기 두 전극의 최외측 위치 까지의 거리가 되는 외반경을 r₂라하며, 상기 내반경과 외반경 사이의 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 상기 요구되는 구동각 θ₀사이에서 상기 회전자의 중심축으로부터 상기 두 전극이 각각 위치하는 임의의 점 까지의 거리가 되는 전극 위치 반경을 r*라 하며, 상기 내반경 축으로부터 상기 전극 위치 반경 r* 축과 이루는 전극 위치 각을 θ_e(r*)라 할 때,로 표시되도록 형성된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 최적 형상의 판 전극을 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터는 횡모드 정전 마이크로액츄에이터(Transverse mode electrostatic microactuator)에서 전극의 기울임(Tilting) 각의 효과를 제시하고 다음으로 이러한 효과를 공정기술과 연관지어 회전 구동(Rotary microactuator)에 적용하여 구동력을 최대화시킨다. 즉, 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터는 기본적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 횡모드(transverse mode)에서 고정자(100)와 회전자(200)를 구동 방향에 대한 수직방향에서 θ_t만큼 기울임(Tilting)이는데 그 특징이 있다. 이와 같이, 회전자와 고정자를 회전 구동 마이크로액츄에이터에 기울어지게 설치하는 원리를 본 발명에서 구체적으로 제시하고자 하며 이를 상세하게 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같은 선형 구동 마이크로액츄에이터에서 기울임각을 갖는 고정자와 회전자의 동작 원리를 살펴보고, 이 원리를 회전 구동에 적용하기로 한다.

도 2의 선형 구동 마이크로액츄에이터에서, 구동방향을 - 방향으로 설정하면 - 방향의 전극 간의 초기 간격은 구동의 안정성(stability)을 만족시키기 위해서 초기 간격을 아래 수학식 1에 나타난 바와 같이 구동범위의 n배로 설정한다. 평판 전극일 경우 n의 값으로 3을 갖는다.

여기서, x₀는 액츄에이터에 요구되는 구동 거리이다. 도 2에서, g₀는 구동방향 쪽으로의 간격이고, g_n은 고정자와 회전자 간의 수직 간격이다. 구동력의 차이를 비교하면 다음과 같다.

도 1의 마이크로액츄에이터(제1형)와 도 2의 마이크로액츄에이터(제2형)의 두 경우에 있어서, 구동력의 차이의 정확한 비교를 위해서 구동방향과 수직되는 y방향의 전극의 높이는 L_t로 동일하게 설정하고, 구동력은 구동 방향과 동일하여야 하므로 x 방향의 힘을 산출한다.

먼저, 제1형 마이크로액츄에이터의 구동력 F₁은 수학식 2에 나타난 바와 같다.

다음에, 제2형 마이크로액츄에이터의 구동력 F₂는 수학식 3에 나타난 바와 같다.

따라서, 제1형 마이크로액츄에이터의 구동력 F₁과 제2형 마이크로액츄에이터의 구동력 F₂의 비를 구하면 수학식 4에 나타난 바와 같다.

여기서, h는 평판의 높이이고, ε₀는 유전율, V는 구동전압을 나타낸다. 위의 비교식(수학식 4)에서 알 수 있듯이, 제2형의 힘(Force)은 기울임 각(tilting angle)을 증가시킬수록 그 힘이 제1형에 비해 증가됨을 알 수 있다. 즉, 기울임 각의 증가는 두 전극 간의 간격을 감소시키므로 구동력을 증가시킨다. 따라서, 기울임 각을 계속 증가시키면 구동력을 무한대로 증가시킬 수 있는 것으로 판단되나 두 전극 간의 수직 거리인 전극 간의 간격은 공정상으로 구현할 수 있는 최소 간격이 있어 최대 구동력은 공정상의 한계로 다음 수학식 5와 같이 정해진다.

여기서, g_f는 공정상으로 만들 수 있는 전극간의 최소 간격이다. 그리고 이 때에 기울임 각은 다음과 수학식 6과 같이 결정지어진다.

이러한 동작 원리를 회전구동 마이크로액츄에이터(Rotary microactuator)에 적용할 경우 어떠한 장점을 얻을 수 있는가에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 회전 구동 마이크로액츄에이터의 경우에 종전의 기본적 개념 설계(Journal of Microelectromechanical systems, Vol 7. No 2.,pp 141-148, June1998)는 다음과 같다. 도 3은 기존의 개념 설계 형태를 보여주는 회전구동 마이크로액츄에이터(Rotary microactuator)로서, 방사 대칭이다.

액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀, 중심부(회전자의 중심축으)로부터 임의의 반지름 r의 위치에서 요구되는 구동거리(θ방향)를 x₀라고하면 x₀은 다음 수학식 7과 같이 정해진다.

x₀= rθ₀

그리고 요구되는 구동 방향(θ방향)쪽의 초기 간격는 위에 이미 언급했듯이 구동 안정성(stability)을 만족시키기 위하여 다음 수학식 8과 같이 정해진다.

= nrθ₀

여기서, 임의의 반지름 r의 위치에서 길이가 Δr 인 차성분(differential element)를 선택하여 회전중심으로부터의 토오크(T)를 산출하면 위의 횡모드(Transverse mode) 중에 제1형에서 발생시킬 수 있는 힘과 유사하게 다음 수학식 9와 같이 산출된다.

여기서,는 구동시에 구동 방향쪽으로의 두 전극간 간격이다.

한편, 본 발명에 따른 마이크로액츄에이터는 위의 횡모드(Transverse Mode) 중에서 제2형의 기울임(Tilting) 개념을 적용한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 공정상으로 만들 수 있는 전극의 최소 간격이 g_f라고 할 때 전극의 길이가인 구간에서 최대 토오크를 발생시키기 위하여 반경 방향에 대한 필요한 접선 기울임 각(tilting angle)을 산출하면 다음 수학식 10과 같이 정해진다.

여기서, g_f는 공정상으로 만들 수 있는 두 전극(고정자와 회전자) 간의 최소 간격이다. θ₀는 액츄에이터에 요구되는 구동각이고, n은 전기장 속에서 구조물(회전자 및 고정자)의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)이다. r은 반경이며, r에 따른 상기 접선 기울임 각을라 한다. 단, 위의 코사인 인버스(Cosine inverse) 함수의 argument가 1보다 클 경우 기울임 각 θ_t는 0°가 된다. 반경에 따라 수학식 10과 같이 연속적으로 변화되는 기울임각을 적용할 때 길이가인 구간에서의 차성분을 선택하여 발생되는 토오크는 다음 수학식 11과 같이 산출된다.

이러한 수학식 11과 수학식 9에서 구동력의 상대적 비를 볼 때, 그 비는 수학식 4에서 보여준 비와 동일하다. 전극의 접선 기울임(tilting) 각을 수학식 10에서 보여준 바와 같이 회전 중심으로부터 각 반지름에 대해 연속적으로 변화시켜 전극의 모양을 최적설계를 하면 최대의 구동력을 발생시킬 수 있다. 이 때 두 전극의 최적 설계는 도 4에 도시된 바와 같다. 도 4를 살펴보면 구동 방향쪽의 간격은 반지름이 증가할수록 구동 방향쪽의 간격은 커지나 전극 간의 수직거리는 반지름에 무관하게일정하게 유지됨을 알 수 있다. 최적 설계되는 전극의 모양은 도 4에 도시된 바와 같이 회전의 중심을 원통 좌표계(Cylindrical Coordinate System)의 중심으로 잡고 원점으로부터 전극의 임의의 점까지의 거리를 r*로 하여 전극 위치각(electrodeposition angle) θ_e(r*)을 표현하면 다음 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 전극 위치각(electrode position angle) θ_e(r*)은 전극의 시작점을 지나는 반경축(내반경 r₁)을 기준으로 하고 전극상의 임의의 점을 지나는 반경축(r*)가 이루는 각으로 정의한다.

접선 기울임 각(Tilting Angle)을 도 4에 도시된 바와 같이 연속적으로 변화시켰을 경우의 전체 구동력과 전극을 도 3에 도시된 바와 같이 구동방향에 수직으로 배열하였을 경우(접선 기울임각이 항상 0°인 경우)의 전체 구동력 T₁의 상대적 비를 구해보면 다음 수학식 13과 같이 표시된다.

여기서, r₂는 전극의 외반경(Outer-radius)이고, r₁은 내반경(Inner-radius)이다(도 4 및 도 5 참조). 일례로 r₂= 1300 μm, r₁= 650 μm, g^*= 1.5 μm, θ₀= 0.0024 (요구되는 구동범위)일 경우에 제1형과 제2형의 구동력을 비교하면 제2형이 제1형에 비해 구동력이 2.34배로 증가됨을 알 수 있다. 이러한 구동력에 관한 수학식 13에서 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동력 T₂에 대한 산출식은 아래의 수학식 14로 표시되고, 이 수학식 14를 살펴보면 구동 범위(θ₀)에 관계없이 구동력이 발생됨을 알 수 있다.

따라서, 접선 기울임각을 조절하면 안정성을 만족시키면서 구동할 수 있는 범위를 증가시킬 수 있다. 따라서 선형성도 증가되는 장점이 있다.

이상과 같이, 수학식 10에 표시된 접선 기울임각을 갖도록 제작된 회전자(400)와 고정자(300)가 설치된 회전구동 마이크로액츄에이터가, 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로액츄에이터이다. 도면에서, r₁은 내반경(Inner-radius)이고, r₂는 전극의 외반경(Outer-radius)이다. 또한, r*는 회전자의 회전 중심축으로부터 전극 상의 임의의 점을 지나는 임의의 반경이고, θ_t는 접선 기울임각이며, θ_e는 전극 위치각(electrode position angle)이다.

한편, 도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터의 또 다른 실시예에 관한 도면들로서, 회전자 및 고정자가 지그재그형으로 형성된 구조를 갖는 실시예에 관한 도면들이다. 이와 같이, 회전자 및 고정자를 지그재그형으로 구성하게 되면 회전축으로부터의 위치(반경)에 따른 회전자와 고정자 사이에 작용하는 정전기적 반발력(혹은 인력)이 효율적으로 회전 구동 토오크로 전환되어전극 전체의 회전운동이 원활하게 일어난다. 즉, 도 5의 실시예에서와 같이 두 전극이 일정한 간격을 유지하면서 연속적인 접선 기울임 각을 갖도록 설치되면 내반경에 가까울수록 두 전극 사이의 대부분의 반발력(혹은 인력)이 회전 토오크로 작용하나 외반경으로 멀어질수록 두 전극 간의 반발력(혹은 인력)은 회전 토오크로 작용하기 보다는 두 전극 간의 척력(혹은 인력)으로 작용하여 두 전극 간의 간격을 벌어지게(좁혀지게) 만드는 힘으로 작용하므로, 두 전극을 지그재그 형으로 꺾어서 여러개의 마디로 형성하면 반경축 방향의 힘은 서로 상쇄되어 이러한 문제점은 해결된다. 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 등간격의 반경에 대하여 직선형의 두 전극의 각 마디들이 동일한 간격을 유지할려면, 도 6에 도시된 바와 같이, 외반경 쪽으로 갈수록 두 전극을 더욱 기울어지게 하여야 한다. 이러한 마디들을 지그재그 형으로 배치하면 우측에 도시된 바와 같이 외반경 쪽으로 갈수록 회전 방향으로의 마디 폭이 넓어지는 회전자와 고정자가 형성된다.

또한, 상기 지그재그형 두 전극의 각 마디의 회전방향으로의 폭을 동일하게 하려면 직선형의 두 전극의 각 마디들이 반경 방향으로 동일하게 나누어지지 않아야 한다. 즉, 외반경 쪽으로 갈수록 두 전극 마디의 기울임 각이 일정하도록 하면서 동일한 간격을 유지할려면, 도 7에 도시된 바와 같이, 외반경 쪽으로 갈수록 반경 방향으로의 두 전극 마디의 배치 폭을 더욱 좁게 하여 두 전극 마디가 회전 방향에 대하여 더욱 기울어지도록 하여야 한다. 이러한 마디들을 지그재그 형으로 배치하면 우측에 도시된 바와 같이 각 마디들이 동일한 회전 방향으로의 폭을 갖는회전자와 고정자가 형성된다.

도 8은 도 6에 도시된 바와 같은 원리로 형성된 지그재그형 회전자 및 고정자의 구조를 보여주고, 도 9는 도 7에 도시된 바와 같은 원리로 형성된 지그재그형 회전자 및 고정자의 구조를 보여준다.

도 10은 도 4의 반경에 대하여 연속적으로 변화하는 접선 기울임각을 갖는 두 전극을 반경에 대하여 등간격으로 꺾어 만든 마디들로 이루어진 구조를 보여준다. 이는 두 전극이 동일한 간격을 유지하면서 외반경 쪽으로 갈수록 더욱더 연속적으로 회전 방향에 대하여 기울어지게 만든 구조이다. 이러한 중심축으로부터의 연속적으로 기울임각을 갖는 마디들을 지그재그 형으로 배치하면 우측에 도시된 바와 같이 외반경 쪽으로 갈수록 회전 방향으로의 마디 폭이 넓어지는 회전자와 고정자가 형성된다.

도 11은 도 4의 반경에 대하여 연속적으로 변화하는 접선 기울임각을 갖는 두 전극을 회전 방향으로의 각 마디 폭이 일정하도록 꺾어 만든 마디들로 이루어진 구조를 보여준다. 이 것 역시 두 전극이 동일한 간격을 유지하면서 외반경 쪽으로 갈수록 더욱더 연속적으로 회전 방향에 대하여 기울어지게 만든 구조로서, 중심축으로부터의 연속적으로 기울임각을 갖는 각 마디들을 회전 방향으로의 배치 폭이 일정하도록 꺾어 지그재그 형으로 배치하면 우측에 도시된 바와 같이 반경에 관계없이 회전 방향으로의 마디 폭이 일정한 회전자와 고정자가 형성된다.

도 12는 도 7(도 9)에 도시된 바와 같은 원리로 제작된 직선형의 지그재그 마디로 구성된 회전자 및 고정자를 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터의 실시예를보여주는 도면이고, 도 13은 도 11에 도시된 바와 같은 원리로 제작된 연속적 기울임각을 갖는 지그재그 마디로 구성된 회전자 및 고정자를 갖는 회전 구동 마이크로액츄에이터의 실시예를 보여주는 도면이다.

이러한 지그재그형 회전자 및 고정자를 갖는 실시예서는 고정자(500)와 회전자(600) 사이에 작용하는 반발력(혹은 인력) 중 이웃하는 마디에서 반경 방향으로 작용하는 성분은 서로 상쇄(F_L⊥+F_H⊥=0)되기 때문에 회전 방향으로 작용하는 성분(F_m) 만이 회전 토오크로 작용하여 한층 효율적이고 원활한 회전운동이 이루어진다(도 9 참조).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터는 고정자와 회전자로 구성되는 전극들 간의 간격을 공정상의 최소 간격으로 회전 중심에서부터의 반지름에 무관하게 일정하도록 수학식 10에 표시된 바와 같이 연속적으로 기울여 제작함으로써 주어진 평판 면적당 최대의 구동력을 발생시킬 수 있다. 전극 간의 수직 간격이 동일하게 설계됨으로써 제조 공정이 용이하다. 또한, 고정자와 회전자 간의 요구되는 구동범위에 무관하게 구동력이 발생되므로 기존의 마이크로액츄에이터에서 구동 거리가 작은 경우에서만 큰 구동력을 얻을 수 있었음과는 달리 본 발명에 따른 회전 구동 마이크로액츄에이터에서는 구동 범위에 제한을 받지않는 장점이 있다. 따라서, 선형성을 증가시킬 수 있다. 주름진 전극 형태의 경우는 전그 자체의 변형을 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 회전 구동을 위한 두 전극으로서 고정자 및 회전자를 구비한 회전 구동 마이크로액츄에이터에 있어서,

   상기 고정자 및 회전자는, 최대 회전 구동력을 발생시키기 위하여, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 무관하게 상기 회전자 및 고정자의 법선 방향의 간격이 일정하도록 상기 반경에 따라 연속적으로 변하는 접선 기울임 각을 갖도록 형성되며,

   상기 고정자와 회전자를 제작함에 있어서 공정상으로 만들 수 있는 상기 두 전극 간의 최소 간격을 g_f라 하고, 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 전기장 속에서 구조물의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 반경을 r이라 하며, 이 반경 r에 따른 상기 접선 기울임 각을라 할 때,

   로 표시되는 것을 특징으로 하는 회전 구동 마이크로액츄에이터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 고정자와 회전자를 제작함에 있어서 공정상으로 만들 수 있는 상기 두 전극 간의 최소 간격을 g_f라 하고, 전기장 속에서 상기 두 전극의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 두 전극의 최내측 위치 까지의 거리가 되는 내반경을 r₁이라하며, 상기 두 전극의 최외측 위치 까지의 거리가 되는 외반경을 r₂라하며, 상기 내반경과 외반경 사이의 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 상기 요구되는 구동각 θ₀사이에서 상기 회전자의 중심축으로부터 상기 두 전극이 각각 위치하는 임의의 점 까지의 거리가 되는 전극 위치 반경을 r*라 하며, 상기 내반경으로부터 상기 전극 위치 반경 r*가 이루는 전극 위치 각을 θ_e(r*)라 할 때,

   로 표시되는 것을 특징으로 하는 회전 구동 마이크로액츄에이터.
4. 회전 구동을 위한 전극으로서 고정자 및 회전자를 구비한 회전 구동 마이크로액츄에이터에 있어서,

   상기 고정자 및 회전자는, 최대 회전 구동력을 발생시키기 위하여, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 무관하게 상기 두 전극의 법선 방향으로 등간격을 유지하도록 지그재그 형상으로 주름지게 형성되며,

   상기 고정자 및 회전자의 지그재그 각 마디는, 상기 회전자의 중심축으로부터 반경에 따라 연속적인 기울임 각을 갖도록 형성되며,

   상기 지그재그 고정자와 회전자의 각 마디를 제작함에 있어서 공정상으로 만들 수 있는 상기 두 전극 간의 최소 간격을 g_f라 하고, 상기 액츄에이터에 요구되는 구동각을 θ₀라 하며, 전기장 속에서 상기 두 전극의 정적 안정성(static stability)을 만족시키기 위한 팩터(factor)를 n이라하며, 상기 반경을 r이라 하며, 이 반경 r 축에 대한 상기 접선 기울임 각을라 할 때,

   로 표시되는 것을 특징으로 하는 회전 구동 마이크로액츄에이터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 고정자 및 회전자는 상기 반경의 일정한 길이 마다 지그재그 형상의 각 마디로 주름지게 형성된 것을 특징으로 하는 회전 구동 마이크로액츄에이터.
6. 제4항에 있어서,

   상기 고정자 및 회전자는 상기 회전자 쪽의 외반경으로 갈수록 더욱 예리하게 주름이 잡혀 각 마디의 원주 방향으로의 폭이 일정하도록 형성된 것을 특징으로 하는 회전 구동 마이크로액츄에이터.
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