KR100549642B1 - 액츄에이터 - Google Patents

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KR100549642B1
KR100549642B1 KR1020030016130A KR20030016130A KR100549642B1 KR 100549642 B1 KR100549642 B1 KR 100549642B1 KR 1020030016130 A KR1020030016130 A KR 1020030016130A KR 20030016130 A KR20030016130 A KR 20030016130A KR 100549642 B1 KR100549642 B1 KR 100549642B1
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츠카모토가즈유키
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후지제롯쿠스 가부시끼가이샤
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Abstract

액츄에이터는 제 1 요크판, 제 2 요크판, 자석, 코일, 촉각 제공 부재 및 코일 고정 부재를 구비한다. 제 1 요크판 및 제 2 요크판은 외형이 대략 정사각형의 평판 형상으로서 서로 대략 평행하게 설치된다. 자석은 제 2 요크판에 대향하는 제 1 요크판의 면에 고정 설치된다. 코일은 자석과 제 2 요크판 사이에 동작 가능하게 설치되고, 코일 고정 부재에 의해 일체로 고정되어 있다. 자석이 발생하는 자계에 의해 코일에 전자력이 발생하고, 코일 고정 부재에 지지된 촉각 제공 부재가 움직인다.
액츄에이터, 요크판, 촉각 제공 부재

Description

액츄에이터{ACTUATOR}
도 1은 제 1 실시예에 의한 액츄에이터의 전체 사시도.
도 2는 도 1에 나타내는 액츄에이터의 I-I 단면을 나타내는 측단면도.
도 3은 도 1에 나타내는 액츄에이터로부터 촉각 제공 부재를 제거한 사시도.
도 4는 도 1에 나타내는 액츄에이터로부터 촉각 제공 부재 및 제 2 요크판을 제거한 사시도.
도 5는 제 1 실시예에서의 코일과 자석의 위치 관계를 나타내는 평면도.
도 6은 도 1에 나타내는 액츄에이터의 측면도.
도 7a는 종래의 액츄에이터의 내부에 발생하는 자속을 설명하기 위한 개략도이고, 도 7b는 제 1 실시예에 의한 액츄에이터의 내부에 발생하는 자속을 설명하기 위한 개략도.
도 8은 제 1 실시예에 있어서, 제 2 요크판에 설치된 개구부를 나타내는 개략적인 평면도.
도 9는 제 2 실시예에 의한 액츄에이터의 일부분의 사시도.
도 10은 제 2 실시예에 의한 액츄에이터의 측면도.
도 11은 제 3 실시예에 의한 액츄에이터의, 도 1에 나타낸 I-I 단면과 동일한 위치에서의 단면을 나타내는 측단면도.
도 12는 제 3 실시예에 의한 액츄에이터로부터 촉각 제공 부재를 제거한 사시도.
도 13은 제 3 실시예에서의, 코일과 자석의 위치 관계를 나타내는 평면도.
도 14는 제 4 실시예에 의한 액츄에이터의, 도 1에 나타낸 I-I단면과 동일한 위치에서의 단면을 나타내는 측단면도.
도 15는 제 5 실시예에 의한 액츄에이터로부터 촉각 제공 부재 및 제 1 요크판을 제거한 사시도.
도 16은 제 5 실시예에 의한 액츄에이터의, 도 1에 나타낸 I-I 단면과 동일한 위치에서의 단면을 나타내는 측단면도.
도 17은 제 2 비교예에서의 추력 FX, FY 및 FZ와, 간격 d1 및 간격 d2의 비 d2/d1의 관계를 나타내는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1…액츄에이터
10…제 1 요크판
20…제 2 요크판
31 ~ 34…자석
41 ~ 44…코일
51 ~ 54…스터드
70…촉각 제공 부재
71…코일 고정 부재
본 발명은 코일 및 자석을 포함하는 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로, 액츄에이터는 제 1부재에 대해 상대적으로 제 2부재가 운동한다. 이 운동에 의해서, 이 제 2부재에 고정된 샘플 등을 이동시킬 수 있거나 이 제 2부재에 접촉한 사람의 손가락끝 등에 대해 촉각을 줄 수 있다. 이와 같은 액츄에이터의 구동 기구로서 여러 가지 것이 제안되고 있다.
그 중에서도, 코일 및 자석을 포함하는 액츄에이터는 자석의 주위의 자속(magnetic flux) 중에 존재하는 코일에 전류가 흐르는 것으로 상기 코일의 도선에 전자력이 작용되는 현상을 이용한 것이다. 자석이 고정된 제 1부재에 대해 상대적으로 코일이 고정된 제 2부재가 운동한다. 이와 같은 액츄에이터는 특히, 제 2부재가 일정 평면상을 2 차원 운동할 수 있는 점에서 주목된다.
이와 같은 액츄에이터를 이용한 장치로서는 일본 특개2000-330688호 공보에 기재한 정보 수감(受感) 장치가 있다. 이 장치는 평면형의 2 차원 액츄에이터를 마우스에 탑재하고, PC의 화면과 연동해 촉각 정보를 제공하는 장치이다. 이 액츄에이터는 베이스의 위에 자석군을 고정하고, 이 위에 코일군을 홀드한 코일 홀더를 배치하고, 이 코일 홀더의 4측을 외측에서 탄성 부재로 지지하는 구성을 갖는다.
상기한 액츄에이터를 마우스등 소형의 장치에 일체로 사용하는 경우, 마우스가 대형화해 조작성이 악화된다. 이를 회피하기 위해서는 액츄에이터를 소형화해 일반적인 마우스 내부에 수용할 수 있도록 할 필요가 있다.
한편, 마우스에 일체로 된 액츄에이터를 이용해 촉각을 제공하는 경우, 제 2부재의 추력을 향상시킴으로써, 촉각의 제공 성능을 높일 수 있다. 예를 들면, 자석 면적을 크게 하여 코일에 주는 자계를 강하게 함으로써 제 2부재의 추력을 강화하는 것이 가능하다. 그러나 자석 면적을 크게 하면 액츄에이터가 대형화하기 때문에, 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해서 된 것으로, 추력을 향상할 수 있음과 동시에, 소형화가 가능한 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 액츄에이터는 대략 평판 형상의 제 1 요크판과, 제 1 요크판과 대략 평행하게 설치된 대략 평판 형상의 제 2 요크판과, 제 2 요크판에 대향한 제 1 요크판의 면에 고정 설치된 복수의 자석과, 제 1 요크판에 대향한 제 2 요크판의 면에 평행하게 설치된 복수의 코일과, 복수의 코일을 일체로 고정하는 코일 고정 부재를 구비한다.
제 1 요크판과 대략 평행하게 설치된 제 2 요크판을 구비함으로써, 제 1 요크판에 설치된 복수의 자석으로부터 연장하는 자속은 제 2 요크판으로 끌린다. 이 때문에, 자속의 Z 방향 성분(자석의 극의 중앙 부근에서의 자속의 방향 성분)에 대한 X, Y 방향 성분(XY 평면에 평행인 방향 성분)의 비가 작아진다. 그 결과 코일의 도선에 작용하는 전자력의, X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 따라서 자속은 X, Y 방향으로 변위하는 복수의 코일에 대해 효율 좋게 작용한다. 그 결과 자속당 추력, 즉 자석 면적당 추력이 커진다. 즉 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 추력을 향상할 수 있음과 동시에, 액츄에이터의 소형화가 가능하게 된다.
코일의 도선에 작용하는 전자력의, X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작게 됨으로써 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 경사가 억제된다. 또 복수의 코일 및 코일 고정 부재와 다른 부재 사이의 저항이 억제됨으로써, 복수의 코일 및 코일 고정 부재는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
제 1 요크판 및 제 2 요크판을 구비함으로써, 복수의 자석으로부터 연장하는 자속은 요크판이 존재하는 방향으로 끌리거나 요크판 내부를 통과한다. 따라서 액츄에이터 외부로 새는 자속을 억제할 수 있다.
액츄에이터는 복수의 자석과 복수의 코일 사이의 간격 d1이 제 2 요크판과 복수의 코일 사이의 간격 d2보다 넓어도 좋다. 간격 d1과 간격 d2 사이에 d1 > d2의 관계가 존재함으로써, 자석의 단부 부근에서는 자속의 방향이 Z 축 방향과는 다르지만, 상기 자석으로부터 떨어진 대응하는 코일의 도선의 위치에서는, 자속의 Z 방향 성분에 대한 X, Y 방향 성분의 비가 작다. 그 결과 코일의 도선에 작용하는 전자력은 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 따라서 제 1 요크판에 대한 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 XY 평면상의 상대적인 변위의 범위가 넓어도, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 경사가 억제되고, 또 복수의 코일 및 코일 고정 부재와 다른 부재 사이의 저항이 억제되므로 복수의 코일 및 코일 고정 부재는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
또는 액츄에이터는 복수의 자석과 복수의 코일 사이의 간격 d1이 제 2 요크판과 복수의 코일 사이의 간격 d2와 동일하거나, 보다 좁아도 좋다. 복수의 코일 및 코일 고정 부재와 자석의 간격이 좁을수록, 복수의 코일 부근의 자속 밀도가 늘어난다. 따라서 간격 d1과 간격 d2와의 사이에 d1 ≤ d2의 관계가 존재함으로써, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 추력을 더욱 향상할 수 있다.
액츄에이터는 복수의 자석중 서로 인접하는 2 개의 자석 사이의 경계에 설치된 자성체를 더 구비하여도 좋다. 이 경우 자석의 단부 부근에서는 자속의 방향이 Z 축 방향과는 다르지만, 서로 인접하는 2 개의 자석의 접합부의 자속은 대부분이 자성체 내를 흐른다. 그 결과 자석과 코일 사이의 공간에 있어서, 자속의 Z 방향 성분에 대한 X, Y 방향 성분의 비가 작게 되어 코일의 도선에 작용하는 전자력은 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 따라서 제 1 요크판에 대한 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 XY 평면상의 상대적인 변위의 범위가 넓어도, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 경사가 억제된다. 복수의 코일 및 코일 고정 부재와 다른 부재 사이의 저항이 억제되어, 복수의 코일 및 코일 고정 부재는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
액츄에이터는 제 1 요크판 및 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고, 코일 고정 부재 중 개구부에 대향하는 부분에 개구부를 관통하도록 설치되고, 개구부의 내부 치수보다도 작은 외부 치수를 갖는 기둥부를 더 구비하여도 좋다. 이에 따라 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위가 제한되기 때문에, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하기 위한 부재를 따로 설치할 필요가 없어져, 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
액츄에이터는 개구부가 제 2 요크판에 설치되어도 좋다. 이에 따라, 제 1 요크판에는 개구부를 설치하지 않아도 된다. 제 1 요크판에 설치되는 자석의 크기를 변함없이 유지할 수 있으므로, 개구부를 설치해도 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 추력에 영향을 주지 않는다.
액츄에이터는 개구부의 끝이 기둥부와 접촉하는 부분, 또는 기둥부의 끝이 개구부와 접촉하는 부분이 완충 부재로 이루어져도 좋다. 이에 따라 개구부의 끝이 기둥부와 접촉할 때의 충격을 완화할 수 있다.
액츄에이터는 코일 고정 부재가 제 1 요크판 및 제 2 요크판의 양쪽 또는 어느 한쪽에 설치된 기둥부를 구비하고, 기둥부의 외부 치수보다도 큰 외부 치수를 갖고, 기둥부의 주위를 둘러싸도록 설치된 주위 부재를 더 구비하여도 좋다. 이 주위 부재에 의해서 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위가 제한되기 때문에, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하는 부재를 따로 설치할 필요가 없어지고, 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
액츄에이터는 제 1 요크판 및 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고, 주위 부재가 개구부에 인접하여 설치되어도 좋다. 이에 따라 주위 부재가 기둥부의 주위를 적당히 둘러쌀 수 있으므로, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하고 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
액츄에이터는 주위 부재가 기둥부와 접촉하는 부분, 또는 기둥부가 주위 부재와 접촉하는 부분에 설치된 완충 부재를 더 포함해도 좋다. 이에 따라 주위 부재가 기둥부와 접촉할 때의 충격을 완화할 수 있다.
액츄에이터는 제 1 요크판과 제 2 요크판 사이에 고정 설치되고, 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하는 제한 부재를 더 구비하여도 좋다. 이에 따라, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위가 제한되기 때문에, 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하는 부재를 따로 설치할 필요가 없어지고, 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
액츄에이터는 제한 부재 중 코일 고정 부재와 접촉하는 부분, 또는 코일 고정 부재 중 제한 부재와 접촉하는 부분이 완충 부재로 이루어져도 좋다. 이에 따라 제한 부재와 코일 고정 부재가 접촉할 때의 충격을 완화할 수 있다.
액츄에이터는 제 1 요크판 및 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고, 코일 고정 부재 중 개구부에 대향하는 부분에 개구부를 관통하도록 설치되고, 개구부의 내부 치수보다도 작은 외부 치수를 갖는 기둥부와, 개구부의, 코일 고정 부재측과는 반대측에 위치하도록 기둥부에 고정된 촉각 제공 부재를 더 구비하여도 좋다. 이에 따라 촉각 제공 부재에 접촉하는 손가락끝 등에 대해 촉각 정보를 제공할 수 있다.
액츄에이터는 코일 고정 부재와, 제 1 요크판 또는 제 2 요크판의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 더 구비하여도 좋다. 액츄에이터가 이와 같은 위치 검출 수단을 구비함으로써, 제 1 또는 제 2 요크판에 대한 코일 고정 부재의 상대 위치를 검출할 수 있다. 그리고 검출한 상대 위치에 의거하여, 코일에 흘리는 전류를 제어함으로써 코일 고정 부재의 움직임을 제어하는 것이 가능하게 된다.
이하 첨부 도면을 참조해 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 도면의 설명에서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제 1 실시예)
본 발명에 따른 액츄에이터의 제 1 실시예에 대해서 설명한다. 도 1 ~ 도 6은 각각 제 1 실시예에 관한 액츄에이터(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1은 액츄에이터(1)의 전체 사시도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 액츄에이터(1)의 I-I단면을 나타내는 측단면도이다. 도 3은 액츄에이터(1)에서 촉각 제공 부재(70)를 제거한 사시도이다. 도 4는 액츄에이터(1)에서 촉각 제공 부재(70) 및 제 2 요크판(20)을 제거한 사시도이다. 도 5는 코일(41 ~ 44)과 자석(31 ~ 34)의 위치 관계를 나타내는 평면도이다. 도 6은 액츄에이터(1)의 측면도이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 액츄에이터(1)는 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)을 구비하고 있다. 제 1 요크판(1) 및 제 2 요크판(20)은 자성체로 이루어진다. 제 1 요크판(10)의 형상은 대략 정사각형의 평판 형상이다. 제 2 요크판(20)은 대략 정사각형의 평판의 4 코너를 비스듬하게 노치한 형상이다. 제 2 요크판(20)의 4 코너를 노치하고 있는 것은 장착시의 간섭을 막기 위함이다. 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)은 서로 평행한 위치에 설치되어 있고, 4본의 스터드(51 ~ 54)에 의해 서로의 4 코너가 고정되어 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 2 요크판(20)은 대략 중앙 부분에 직사각형의 개구부(20a)를 갖는다. 개구부(20a)의 내벽에는 충격을 완화하는 재료로 이루어지는 완충 부재(21)가 설치되어 있다.
또 액츄에이터(1)는 촉각 제공 부재(70) 및 코일 고정 부재(71)를 구비한다. 코일 고정 부재(71)는 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20) 사이에, 이들 요크판(10, 20)과 평행하게 동작할 수 있도록 설치된다. 코일 고정 부재(71)는 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)과 대략 평행하게 서로 직교하는 2 방향으로 연장하는 판상부(plate portion)를 갖고 있다. 또한 코일 고정 부재(71)는 판상부의 대략 중앙으로부터 제 2 요크판(20)의 개구부(20a)를 관통하도록 각(角)기둥 형상으로 뚫고 나온 기둥부(71a)를 갖는다. 촉각 제공 부재(70)는 기둥부(71a)의 선단에 고정되고, 제 1 요크판과 대향하는 면과는 반대측에 위치하는 제 2 요크판(20)의 면에, 코일 고정 부재(71)와 함께 동작 가능하게 설치된다. 촉각 제공 부재(70)의 형상은 중앙 부근이 두꺼운 원판상이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 이 액츄에이터(1)는 4 개의 코일(41 ~ 44)을 구비하고 있다. 코일(41 ~ 44)은 제 2 요크판(20)의 제 1 요크판(10)과 대향하는 면에 대략 평행이 되도록, 코일 고정 부재(71)의 코일 홀더부(71b)에 일체로 고정된다. 도 2를 참조하면, 코일 홀더부(71b)는 코일 고정 부재(71)의 판상부의 4단부에서 제 1 요크판(10)을 향해 신장하고, 코일(41 ~ 44)의 캐비티(cavity) 부분을 관통한다. 제 1 요크판(10)을 제 1 부재로 하면, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 제 1 부재에 대해 상대적으로 변위 가능한 제 2 부재로서 기능한다.
도 4를 참조하면, 액츄에이터(1)는 제 2 요크판(20)에 대향하는 제 1 요크판(10)의 면에 고정 설치된 4 개의 자석(31 ~ 34)을 구비하고 있다.
도 5에 4 개의 자석(31 ~ 34) 및 4 개의 코일(41 ~ 44)의 상대적 위치 관계를 나타내고 있다. 제 1 요크판(10)의 중심 위치를 원점으로 하는 XYZ 직교 좌표계를 상정한다. X 축 및 Y 축 각각은 제 1 요크판(10)의 대응하는 측에 평행하다.
4 개의 자석(31 ~ 34)은 스터드(51 ~ 54)가 설치되는 영역을 제외한 영역에서 제 2 요크판(20)에 대향하는 제 1 요크판(10) 면에 고정되어 있다. 4 개의 자석(31 ~ 34)은 서로 닮은꼴의 평판 형상의 것으로서, Z 축에 대해 대칭성을 갖도록 제 1 요크판(10)에 배치되어 있다.
자석(31)은 X 좌표값이 +이고 Y 좌표값도 +인 영역에, 그 자속의 일부가 코일(41) 및 코일(42)의 양쪽을 관통하도록 설치되어 있다. 자석(32)은 X 좌표값이 -이고 Y 좌표값이 +인 영역에, 그 자속의 일부가 코일(42) 및 코일(43)의 양쪽을 관통하도록 설치되어 있다. 자석(33)은 X 좌표값이 -이고 Y 좌표값도 -인 영역에, 그 자속의 일부가 코일(43) 및 코일(44)의 양쪽을 관통하도록 설치되어 있다. 자석(34)은 X 좌표값이 +이고 Y 좌표값이 -인 영역에, 그 자속의 일부가 코일(44) 및 코일(41)의 양쪽을 관통하도록 설치되어 있다. 이들 중, 자석(31) 및 자석(33)의 각각은 제 2 요크판(20)에 대향하는 측이 S극이 되도록 배치된다. 자석(32) 및 자석(34)은 제 2 요크판(20)에 대향하는 측이 N극이 되도록 배치되어 있다.
4 개의 코일(41 ~ 44)은 서로 닮은꼴로, 제 2 요크판(20)으로부터의 거리가 서로 동일해지도록 또한 Z 축에 대하여 대칭성을 갖도록, 코일 고정 부재(71)에 고정되어 배치되어 있다. 코일(41)은 X 좌표값이 +인 영역에 X 축에 걸쳐서 설치되어 있다. 코일(42)은 Y 좌표값이 +인 영역에 Y 축에 걸쳐서 설치되어 있다. 코일(43)은 X 좌표값이 -인 영역에 X 축에 걸쳐서 설치되어 있다. 코일(44)은 Y 좌표값이 -인 영역에 Y 축에 걸쳐서 설치되어 있다. 코일(41)과 코일(43)은 원점 부근을 통과하는 도선에 의해 전류의 방향이 반대로 되도록 서로 결선되어 있다. 코일(42)과 코일(44)은 원점 부근을 통과하는 도선에 의해 전류의 방향이 반대로 되도록 서로 결선되어 있다.
자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 상대적인 위치 관계에 대해서 요약하면 이하와 같다. 코일(41)은 자석(34) 및 자석(31)이 만드는 자계에 대해서, 주로 X 축에 평행한 방향으로 전류가 횡단하도록 설치되어 있다. 코일(42)은 자석(31) 및 자석(32)이 만드는 자계에 대해서, 주로 Y 축에 평행한 방향으로 전류가 횡단하도록 설치되어 있다. 코일(43)은 자석(32) 및 자석(33)이 만드는 자계에 대해서, 주로 X 축에 평행한 방향으로 전류가 횡단하도록 설치되어 있다. 코일(44)은 자석(33) 및 자석(34)이 만드는 자계에 대해서, 주로 Y 축에 평행한 방향으로 전류가 횡단하도록 설치되어 있다.
코일(41 ~ 44)의 도선으로 동선(銅線)을 이용해도 좋다. 경량화를 위해서, 동도금된 알루미늄선을 이용하는 것도 적합하다. 자석(31 ~ 34)은 보자력 및 잔류 자속 밀도가 큰 것이 바람직하다. 예를 들면 NdFeB 자석이 적합하다.
코일(41 ~ 44)에 흐르는 전류의 크기 및 방향에 따라 자석(31 ~ 34)이 만드는 자계와 코일(41 ~ 44)의 도선 사이로 플레밍의 왼손의 법칙에 따른 전자력이 발생한다. 이에 따라 코일(41 ~ 44)에 추력이 발생한다. 그리고 자석(31 ~ 34)이 고정된 제 1 요크판(10)에 대해서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)가 이동된다. 그리고 이 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)가 이동됨으로써 기둥부(71a)에 고정된 촉각 제공 부재(70)와 접촉하고 있는 조작자의 손가락 등에 촉각이 제공된다.
도 6은 Y 방향으로 본 액츄에이터(1)의 측면도이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 제 1 요크판(10)의 4 코너에 설치되어 있는 스터드(51 ~ 54)는 각각의 일단이 제 1 요크판(10)에, 타단이 제 2 요크판(20)에 고정되므로 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20)을 고정하는 역할을 한다. 본 실시예의 액츄에이터(1)는, 자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d1이 제 2 요크판(20)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d2보다 넓도록 구성되어 있다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(1)는 이하의 이점을 갖는다. 즉 자성체로 이루어지는 제 2 요크판(20)을 제 1 요크판(10)과 대략 평행하게 구비함으로써, 제 1 요크판(10)에 설치된 복수의 자석(31 ~ 34)으로부터 연장하는 자속은 제 2 요크판(20)에 의해 끌려 Z 방향으로 접근한다. 이 때문에 자속의 Z 방향 성분에 대한 X, Y 방향 성분의 비가 작아진다. 그 결과 각각의 코일(41 ~ 44)에 작용하는 전자력의 Z 방향 성분은 X, Y 방향 성분에 비해서 작게 된다.
도 7a는 종래의 액츄에이터의 내부에 발생하는 자속을 설명하기 위한 개략도이다. 도 7b는 액츄에이터(1)의 내부에 발생하는 자속을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7a를 참조하면, 종래의 액츄에이터는 베이스(101) 및 베이스(201)를 구비하고 있고, 베이스(101)의 면 위에 자석(33, 34)이 고정되어 있다. 자석(33)은 상면(top surface)이 S극이 되도록, 자석(34)은 상면이 N극이 되도록 설치되어 있다. 자석(33)의 상면으로부터 방사된 자력선(도 7a에서 점선으로 표시)은 자석(33)의 하면을 향해 직선으로 뻗거나, 자석(34)의 상면에 포물선상으로 끌리기도 한다. 자석(33, 34)의 상면에 대해 수직인 자력선은 거의 없다. 이에 따라 코일(44)에 발생하는 추력 F는 X 방향 성분 FX에 대해서, Z 방향 성분 FZ가 상대적으로 커진다. 추력 F가 일정하다고 하면, Z 방향 성분 FZ가 클수록 X 방향 성분 FX의 절대치가 작아진다. 즉 코일(44)을 X 방향으로 이동시키는 추력이 작아진다.
이와 비교하여, 도 7b를 참조하면 자석(33)의 상면으로부터 방사된 자력선은 자석(33)의 상면에 대해 대략 수직으로 나아가, 제 2 요크판(20)의 내부를 통과하여, 자석(34)의 상면을 향해 자석(34)의 상면에 대해 대략 수직으로 끌린다. 이에 따라, 코일(44)에 발생하는 추력 F는 X 방향 성분 FX가 지배적으로 되고, X 방향 성분 FX에 대한 Z 방향 성분 FZ(도시하지 않음)의 비(ratio)가 작아진다. 또한 Y 방향의 추력에 대해서도 X 방향에서와 마찬가지 방식으로 설명할 수 있다.
상술한 바와 같이 액츄에이터(1)가, 자성체로 이루어지는 제 2 요크판(20)을 제 1 요크판(10)과 거의 평행하게 구비함으로써, X, Y 방향으로 변위하는 코일(41 ~ 44)에 대해 자속이 효율 좋게 작용하기 때문에, 자속당 X, Y 방향으로의 추력, 즉 자석 면적당 X, Y 방향의 추력이 커진다. 따라서 자석 면적을 크게 하는 일이 없이 추력을 강화하는 것이 가능해져서 복수의 코일 및 코일 고정 부재의 추력을 향상할 수 있다. 발명자의 해석에 의하면 액츄에이터가 제 2 요크판(20)을 구비함으로써, 약 1.7 배의 추력 향상을 달성할 수 있다. 액츄에이터가 충분한 추력을 갖고 있는 경우에는 자석을 작게 함으로써 액츄에이터의 소형화가 가능해진다.
일본 특개 2000-330688호 공보에 나타나는 정보 수감 장치에 이용되는 종래의 액츄에이터에서는, 각각의 코일의 도선에 작용하는 전자력의 방향은 자석이 형성하는 자속의 방향에 의존한다. 즉 자석의 극의 중앙 부근에서 자속의 방향이 일정 방향(Z 축 방향이라 가정함)으로 평행하면, 그곳에 존재하는 코일의 도선에 작용하는 전자력은 Z 축 방향에 대해서 수직인 XY 평면의 성분만을 포함한다. 한편 자석의 단부 부근에서는 자속의 방향이 Z 축 방향과는 다르므로, 그곳에 존재하는 코일의 도선에 작용하는 전자력은 XY 평면의 성분을 포함할 뿐만 아니라, Z 축 방향의 성분을 포함한다.
그 결과 일본 특개 2000-330688호 공보의 종래의 액츄에이터에서 제 1 부재에 대해 상대적으로 제 2 부재가 일정 평면(XY 평면)상을 2 차원 운동할 수 있다고는 해도, 자석의 단부 부근에 코일의 도선이 존재할 때에는 Z 방향 성분을 포함하는 전자력의 작용에 의해 제 2 부재가 Z 축 방향으로도 운동하는 경우가 있다. 그 결과 종래의 액츄에이터에서는 제 2 부재가 기울거나 제 2 부재가 다른 부재와 접촉해 저항이 발생하여, 의도한 본래의 동작을 안정되게 달성할 수 없는 경우가 있다. 자석의 단부 근처에 코일의 도선이 위치할 정도로 제 2 부재가 크게 변위할 경우에 이와 같은 문제는 크다.
이와 같은 문제를 가진 종래의 액츄에이터에 비해서, 본 실시예에 의한 액츄에이터(1)에 의하면, 코일(41 ~ 44)의 도선에 작용하는 전자력의 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 전자력의 Z 방향 성분이 코일(41 ~ 44) 중 하나의 도선에 작용하여 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)에 대해 코일(41 ~ 44)이 경사지게 한다. 전자력의 X 또는 Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아짐에 따라 코일(41 ~ 44)과 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제된다. 그리고 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제됨으로써, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)와, 예를 들면 자석(31 ~ 34)이나 제 2 요크판(20) 등과 같은 다른 부재 사이의 마찰 저항이 억제된다. 따라서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해진다. 이 효과는 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 상대적인 변위가 제 1 요크판(10)에 대해 광범위할 때 현저하다.
액츄이터를 일체로 한 마우스는 PC의 인터페이스로서 사용되기 때문에, ID 카드 등과 같은 자기 카드나 플로피 디스크 등과 같은 자기 기록 미디어에 접근할 기회가 많게 된다. 따라서 액츄에이터의 자석으로부터 누설되는 자속이 자기 카드나 자기 기록 미디어 내부의 데이터를 파괴하지 않도록 액츄에이터로부터의 자속 누설을 극력 억제할 필요가 있다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(1)는 자성체로 이루어지는 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)을 구비하며, 이들 사이에 자석(31 ~ 34)이 배치되어 있다. 이에 따라 복수의 자석(31 ~ 34)으로부터 연장하는 자속은 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20) 방향으로 끌려들고, 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20)의 내부를 통과하기 때문에(도 7b 참조), 액츄에이터(1) 외부로의 자속 누설을 억제할 수 있다. 발명자의 해석에 의하면, 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)을 사용함으로써 최대 약 90%까지 자속 누설을 감소시킬 수 있었다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(1)에 있어서, 간격 d1과 간격 d2에 d1 > d2의 관계가 존재한다. 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)를 안정되게 변위 동작시킬 필요가 있을 때에는 액츄에이터(1)에서 상기 관계를 충족시키는 것이 바람직하다. 이 경우에 자석(31 ~ 34) 중 어느 하나의 단부 부근에서는 자속의 방향이 Z 축 방향과는 다르지만, 상기 자석으로부터 Z 방향으로 떨어진 코일(41 ~ 44) 중 어느 하나의 코일의 도선의 위치에서는 자속의 Z 방향 성분에 대한 X, Y 방향 성분의 비가 작다. 그 결과 코일(41 ~ 44)의 도선에 작용하는 전자력은 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 따라서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제된다. 이 효과는 제 1 요크판(10)에 대한 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 XY 평면상의 상대적인 변위의 범위가 넓은 경우에 특히 현저하다. 그리고 코일(41 ~ 44)과 코일 고정 부재(71) 및 다른 부재 사이의 저항이 억제됨으로써, 코일(41 ~ 44)과 코일 고정 부재(71)의 안정된 변위 동작이 가능해진다.
한편 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 추력을 더욱 향상시킬 필요가 있을 때에는 간격 d1과 간격 d2에 d1 ≤ d2의 관계가 존재하는 것이 바람직하다. 코일(41 ~ 44)이 자석(31 ~ 34)에 가까워질수록 코일(41 ~ 44) 부근의 자속 밀도가 늘어난다. 특히 자석(31 ~ 34)의 단부 부근에서는 현저하다. 간격 d1과 간격 d2에 d1 ≤ d2의 관계를 충족시킴으로써 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 추력을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(1)에서는, 제 2 요크판(20)의 중앙 부분에 개구부(20a)가 설치되어 있고, 코일 고정 부재(71)의 기둥부(71a)가 이 개구부(20a)를 관통하고 있다. 액츄에이터는 이와 같은 구조를 구비하는 것이 바람직하다. 이 구조는 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하기 때문에, 예를 들어 일본 특개 2000-330688호 공보에 기재된 바와 같이, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하는, 외측에서 코일 홀더(coil holder)를 지지하는 탄성 부재와 같은 별도의 부재를 설치할 필요가 없어진다. 따라서 액츄에이터를 소형화할 수 있다. 이 경우에 액츄에이터의 최대 외형 크기는 복수의 코일(41 ~ 44) 크기에 각 방향으로의 가동 범위를 더한 크기가 된다.
도 8은 제 2 요크판(20)에 설치된 개구부(20a)를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 8에 있어서, 코일 고정 부재(71)의 기둥부(71a)는 제 2 요크판(20)의 개구부(20a)의 대략 중앙에 도시되어 있다. 여기서 기둥부(71a)의 X, Y 방향의 폭을 W로 하면, 이 기둥부(71a)가 X 축의 + 방향 및 - 방향으로 거리 A만큼 이동하도록 가동 범위를 제한하는 경우, 개구부(20a)의 X 방향의 폭은 W + 2A가 된다. Y 방향으로 대해서도 마찬가지이다.
본 실시예에서는 개구부(20a)가 제 2 요크판(20)에 설치되어 있다. 따라서 제 1 요크판(10)에는 개구부를 설치하지 않아도 되기 때문에, 자석(31 ~ 34)의 크기가 감소하지 않는다. 즉 개구부(20a)의 형성이 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 추력에 영향을 주지 않는다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(1)에서와 같이 개구부(20a)에 완충 부재(21)를 설치하는 것이 바람직하다. 따라서 기둥부(71a)가 개구부(20a)의 단부와 접촉할 때의 충격, 보다 상세하게는 불쾌한 충격음이나 과도한 충격감을 완화할 수 있다. 또한 기둥부(71a) 자체가 완충 부재로 이루어지는 경우에도 마찬가지 효과가 얻어진다.
(제 2 실시예)
다음에 본 발명에 따른 액츄에이터의 제 2 실시예에 대해서 설명한다. 도 9 및 도 10은 제 2 실시예에 따른 액츄에이터(2)의 구성을 도시하고 있다. 보다 상세하게는, 도 9는 액츄에이터(2)의 일부분의 사시도이며, 도 10은 액츄에이터(2)의 측면도이다. 이 제 2 실시예에 따른 액츄에이터(2)의 개략적인 구성은 상술한 제 1 실시예에 따른 액츄에이터(1)와 마찬가지로 제 1 요크판(10), 제 2 요크판(20), 4 개의 자석(31 ~ 34), 4 개의 코일(41 ~ 44), 코일 고정 부재(71) 및 4 개의 스터드(51 ~ 54)를 구비하고 있다. 이들 구성 요소의 형상은 제 1 실시예의 경우와 마찬가지이다.
도 9에는 (액츄에이터(2)로부터 제 2 요크판(20), 4 개의 코일(41 ~ 44) 및 4 개의 스터드(51 ~ 54)를 빼고), 액츄에이터(2)를 구성하는 제 1 요크판(10), 4 개의 자석(31 ~ 34) 및 4 개의 자성체(61 ~ 64)를 사시도로 도시하였다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 액츄에이터(2)는 제 1 실시예의 것과 비교하면, 4 개의 자성체(61 ~ 64)가 더 설치되어 있는 점에서 상이하다. 본 실시예에서도 제 1 실시예와 마찬가지로 마찬가지로 XYZ 직교 좌표계를 상정한다.
자성체(61 ~ 64)는 서로 닮은꼴로서, 단면 형상이 반원형인 막대기 형상의 것이다. 자성체(61)는 서로 인접하는 자석(34)과 자석(31)의 경계를 따라서 뻗어, 곡면이 제 2 요크판(20)에 대향하도록, 자석(34) 및 자석(31) 각각의 면에 고정되어 설치되어 있다. 자성체(62)는 서로 인접하는 자석(31)과 자석(32)의 경계를 따라서 뻗어, 곡면이 제 2 요크판(20)에 대향하도록, 자석(31) 및 자석(32) 각각의 면에 고정되어 설치되어 있다. 자성체(63)는 서로 인접하는 자석(32)과 자석(33)의 경계를 따라서 뻗어, 곡면이 제 2 요크판(20)에 대향하도록, 자석(32) 및 자석(33)의 면에 고정되어 설치되어 있다. 자성체(64)는 서로 인접하는 자석(33)과 자석(34)의 경계를 따라서 뻗어, 곡면이 제 2 요크판(20)에 대향하도록 자석(33) 및 자석(34)의 면에 고정되어 설치되어 있다.
도 10에 액츄에이터(2)를 Y 축 방향으로 보았을 때의 측면도를 나타내고 있다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 각각의 자성체(61 ~ 64)는 단면 형상이 반원형의 막대기 형상의 것으로서, 평탄면이 자석(31 ~ 34) 중 2 개와 접하고 있고, 곡면이 제 2 요크판(20)에 대향하고 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 자성체(61 ~ 64)의 제 2 요크판(20)에 대향하는 면의 형상은 각없이 매끄러운 것이 적합하다. 이는 각으로부터의 자속 누설의 집중을 억제할 수 있다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(2)에 있어서, 4 개의 자석(31 ~ 34) 중 서로 인접하는 2 개의 자석의 경계에 자성체(61 ~ 64) 중의 어느 하나가 설치되어 있다. 따라서 자석(31 ~ 34) 중의 어느 하나의 자석의 단부 부근에서는 자속의 방향이 Z 축 방향과는 다르지만, 서로 인접하는 2 개의 자석 사이의 자속 대부분은 자성체(31 ~ 34) 내를 흐른다. 그 결과 자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 공간에 있어서, 자속의 Z 방향 성분에 대한 X, Y 방향 성분의 비가 작게 되어, 각 코일(41 ~ 44)의 도선에 작용하는 전자력의 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작아진다. 따라서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제된다. 그리고 코일(41 ~ 44)과 코일 고정 부재(71) 및 다른 부재 사이의 마찰 저항이 억제되어 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해진다. 이 효과는 제 1 요크판(10)에 대한 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 XY 평면상의 상대적인 변위의 범위가 넓은 경우에 특히 현저해진다.
(제 3 실시예)
본 발명에 따른 액츄에이터의 제 3 실시예에 대해서 설명한다. 도 11 ~ 도 13은 제 3 실시예에 따른 액츄에이터(3)의 구성을 나타내는 도면이다. 액츄에이터(3)는 도 1에 나타낸 액츄에이터(1)와 마찬가지의 외관을 갖는다. 도 11은 도 1에 나타낸 I-I 단면과 동일한 위치에서의 액츄에이터(3)의 단면을 나타내는 측단면도이다. 도 12는 액츄에이터(3)에서 촉각 제공 부재(70)를 제거한 사시도이다. 도 13은 코일(45 ~ 48)과 자석(35 ~ 38)의 위치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 이 액츄에이터(3)는 제 1 요크판(11) 및 제 2 요크판(20)을 구비하고 있다. 제 1 요크판(11)의 형상은 대략 정사각형의 평판 형상이고, 중앙 부분에 대략 직사각형의 개구부(11a)를 갖는다. 제 2 요크판(20)의 형상 및 제 2 요크판(20)과 제 1 요크판(11)의 위치 관계는 제 1 실시예에 나타낸 것과 마찬가지이다.
본 실시예에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 제 2 요크판(20)의 개구부(20a)에는 주위 부재(75)가 설치되어 있다. 주위 부재(75)의 형상은 대략 정사각형이고, 내측 영역이 개구부(20a)와 중첩하도록 제 2 요크판(20) 위에 설치되어 있다. 주위 부재(75)는 외부 치수가 코일 고정 부재(71)의 기둥부(71a)의 외부 치수보다도 크게 형성되어 있고, 기둥부(71a)의 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다. 주위 부재(75)는 내부 치수가 제 2 요크판(20)의 개구부(20a)의 치수보다도 작게 형성되어 있음과 동시에, 외부 치수가 개구부(20a)의 치수보다도 크게 형성되어 있다. 주위 부재(75)의 내벽의 전면에는 충격을 완화하는 재료로 이루어지는 완충 부재(76)가 설치되어 있다.
액츄에이터(3)는 코일 고정 부재(71)를 더 구비한다. 코일 고정 부재(71)의 구성은 제 1 실시예의 코일 고정 부재(71)의 구성과 마찬가지이다.
액츄에이터(3)는 4 개의 코일(45 ~ 48)을 구비하고 있다. 도 11을 참조하면, 코일(45 ~ 48)은 제 1 요크판(11)과 대향하는 제 2 요크판(20) 면과 대략 평행하도록 코일 고정 부재(71)의 코일 홀더부(71b)에 일체로 고정된다. 액츄에이터(3)는 4 개의 자석(35 ~ 38)을 더 구비하고 있다. 4 개의 자석(35 ~ 38)은 제 2 요크판(20)에 대향하는 제 1 요크판(11)의 면에 고정 설치되어 있다.
액츄에이터(3)는 기판(73), 2 차원 수광 소자(74) 및 발광 소자(72)를 구비하고 있다. 발광 소자(72)는 코일 고정 부재(71)에 설치된 기둥부(71a)의, 촉각 제공 부재(70)가 고정되어 있는 끝과는 반대측의 끝에, Z 축의 -방향을 향해 광(光)을 출사하도록 설치되어 있다. 발광 소자(72)로부터 출사된 광은 제 1 요크판(11)의 개구부(11a)를 통과한다.
2 차원 수광 소자(74)는 그 수광면에 입사하는 광의 입사 위치를 특정하기 위한 소자다. 2 차원 수광 소자(74)로서는, 예를 들면 2 차원 PSD(position-sensitive detector)나 2 차원 포토 다이오드 어레이 등을 이용하면 좋다. 2 차원 수광 소자(74)는 발광 소자(72)로부터 출사되어 개구부(11a)를 통과한 광을 받는 위치에 설치된다. 2 차원 수광 소자(74)의 수광면의 형상은, 예를 들면 도 13에 나타내는 바와 같이 대략 정사각형이다. 기판(73)은 제 1 요크판(11)의 자석(35 ~ 38)이 고정되어 있는 면과는 반대측의 면에 대향하여, 제 1 요크판(11)과 거의 평행하게 설치되어 있다. 개구부(11a)에 면(face)하는 기판(73)의 면상에는 2 차원 수광 소자(74)가 고정되어 있다.
발광 소자(72) 및 2 차원 수광 소자(74)는 코일 고정 부재(71)와 제 1 요크판(11)의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단으로서 기능한다. 이는 다음과 같이 이루어진다. 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)의 위치가 변화하면, 코일 고정 부재(71)에 설치된 발광 소자(72)로부터 출사되는 광이 조사되는 위치도 변화한다. 그리고 광이 조사되는 위치의 변화를 2 차원 수광 소자(74)에서 검출함으로써, 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)의 위치 변화를 검출한다. 발광 소자(72)와 수광 소자(74) 사이에 렌즈 등의 광학 부품을 구비해도 좋다.
도 13에 4 개의 자석(35 ~ 38) 및 4 개의 코일(45 ~ 48)의 상대적 위치 관계를 나타내고 있다. 4 개의 자석(35 ~ 38)은 제 2 요크판(20)에 대향하는 제 1 요크판(11)의 면상에서, 스터드(51 ~ 54)가 설치되는 영역 및 개구부(11a)를 제외한 영역에 고정되어 있다. 4 개의 자석(35 ~ 38)은 서로 닮은꼴의 평판 형상의 것으로서, Z 축에 대하여 대칭성을 갖도록 제 1 요크판(11)에 배치되어 있다.
4 개의 코일(45 ~ 48)은 서로 닮은꼴로, 제 2 요크판(20)으로부터의 거리가 서로 동일해지도록 또한 Z 축에 대하여 대칭성을 갖도록, 코일 고정 부재(71)에 고정되어 배치되어 있다. 코일(45 ~ 48)은 각각의 코일이 원점 부근에서 결선되어 있지 않은 구성이 제 1 실시예와 다르다. 코일(45 ~ 48)과 자석(35 ~ 38)의 위치 관계는 제 1 실시예와 마찬가지이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
코일(45 ~ 48)은 서로 독립적으로 전류를 흘릴 수 있다. 그리고 코일(45 ~ 48)에 흐르는 전류의 크기 및 방향에 따라, 자석(31 ~ 34)이 만드는 자계와 코일(45 ~ 48)의 도선 사이로 플레밍의 왼손 법칙에 따른 전자력이 발생한다. 이에 따라 제 1 요크판(11)에 대해서, 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)가 이동된다. 그리고 기둥부(71a)에 고정된 촉각 제공 부재(70)에 접촉하고 있는 조작자의 손가락 등에 촉각 정보가 제공된다. 본 실시예에서는 제 1 실시예와 달리, 코일(45 ~ 48)에 독립적으로 전류를 흘릴 수 있기 때문에 회전 운동 등 복잡한 움직임의 촉각을 제공하는 것도 가능하다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(3)는 이하의 효과를 갖는다. 즉 자성체로 이루어지는 제 2 요크판(20)을 제 1 요크판(11)과 대략 평행하게 구비함으로써, 자석(35 ~ 38)의 면적을 크게 하는 일이 없이 추력을 강화하는 것이 가능해지고, 코일(45-48) 및 코일 고정 부재(71)의 추력을 실제로 향상시킬 수 있어, 액츄에이터의 소형화가 가능하게 된다. 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제되므로, 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)와, 예를 들면 자석(35 ~ 38)이나 제 2 요크판(20) 등과 같은 다른 부재 사이의 마찰 저항이 억제된다. 따라서 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(3)는 자성체로 이루어지는 제 1 요크판(11) 및 제 2 요크판(20)을 구비하며, 이들 사이에 자석(35 ~ 38)이 배치되어 있다. 따라서 액츄에이터(3) 외부로의 자속 누설을 억제할 수 있다.
액츄에이터(3)는 기둥부(71a)의 주위를 둘러싸도록 설치된 주위 부재(75)를 구비한다. 액츄에이터는 이와 같은 주위 부재를 구비하는 것이 바람직하다. 주위 부재(75)가 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하므로, 제 1 실시예에서와 마찬가지로 액츄에이터를 소형화할 수 있다. 주위 부재(75)를 개구부(20a)에 설치함으로써, 주위 부재(75)가 기둥부(71a)를 효과적으로 둘러쌀 수 있고, 코일(45 ~ 48) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한해 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(3)의 경우와 같이, 주위 부재(75)의 내벽, 즉 기둥부(71a)와 접촉하는 주위 부재(75) 부분에 완충 부재(76)를 설치하면 좋다. 따라서 접촉시의 충격을 완화할 수 있다. 또한 주위 부재(75) 자체가 완충 부재로 이루어져도, 마찬가지의 효과가 얻어진다.
액츄에이터(3)는 코일 고정 부재(71)와, 제 1 요크판(11) 또는 제 2 요크판(20)의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 구비하면 좋다. 본 실시예에서 위치 검출 수단은 발광 소자(72) 및 2 차원 수광 소자(74)로 이루어진다. 이와 같은 위치 검출 수단에 의해 코일 고정 부재(71)와 요크판(11 또는 20)의 상대 위치를 검출할 수 있다. 검출된 상대 위치에 의거해 코일(45 ~ 48)에 흘리는 전류를 제어함으로써 코일 고정 부재(71)의 움직임, 즉 촉각 제공 부재(70)의 움직임을 제어할 수 있다.
(제 4 실시예)
본 발명에 따른 액츄에이터의 제 4 실시예에 대해서 설명한다. 제 4 실시예에 따른 액츄에이터(4)는 도 1에 나타낸 액츄에이터(1)와 마찬가지의 외관을 갖는다. 도 14는 도 1에 나타낸 I-I 단면과 동일한 위치에서의 액츄에이터(4)의 단면을 나타내는 측단면도이다.
도 14를 참조하면, 액츄에이터(4)는 자성체로 이루어지는 제 1 요크판(11) 및 제 2 요크판(20)을 구비한다. 제 1 요크판(11)(제 1 실시예에서는 도면 부호 10으로 지정됨) 및 제 2 요크판(20)의 상호 위치 관계는 제 1 실시예에서의 위치 관계와 마찬가지이다. 본 실시예에서는, 제 1 요크판(11)은 중앙 부분에 직사각형의 개구부(11a)를 갖고, 제 2 요크판(20)은 개구부를 가지지 않는다는 점에서 제 1 실시예와 차이가 있다.
액츄에이터(4)는 4 개의 코일(41 ~ 44) 및 4 개의 자석(35a ~ 38a)을 구비하고 있다. 이들 구성 및 상호 위치 관계는 제 1 실시예와 마찬가지이므로, 그 상세한 설명은 생략한다. 액츄에이터(4)는 코일(41 ~ 44)을 고정하는 코일 홀더부(71b)를 갖는 코일 고정 부재(71)를 구비하고 있다. 코일 홀더부(71b)는 코일 고정 부재(71)의 4 단부로부터 제 2 요크판(20)을 향해 신장하고, 코일(41 ~ 44)의 캐비티(cavity) 부분을 관통한다. 코일(41 ~ 44)은 각각 코일 홀더부(71b)에 고정되어 있다. 코일 고정 부재(71)는 코일 고정 부재(71)의 중앙 부분에서 제 1 요크판(11)의 개구부(11a)를 관통하도록 각기둥 형상으로 뚫고 나온 기둥부(71a)를 더 갖는다. 촉각 제공 부재(70)가 기둥부(71a)의 선단에 고정되어 있다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(4)는 이하의 효과를 갖는다. 즉 액츄에이터(4)가 자성체로 이루어지는 제 1 요크판(11)을 제 2 요크판(20)과 대략 평행하게 구비함으로써 자석(35a ~ 38a) 면적을 크게 하는 일이 없이 추력을 강화하는 것이 가능해지고, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 추력을 향상할 수 있어 액츄에이터의 소형화가 가능하게 된다. 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제되므로 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)와, 예를 들면 자석(35a ~ 38a)이나 제 2 요크판(20) 등과 같은 다른 부재 사이의 마찰 저항이 감소하게 된다. 따라서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
본 실시예에서는, 촉각 제공 부재(70)가 설치되는 측을 위쪽(top)으로 정의하면, 2 개의 요크판 중 위쪽에 있는 요크판에 자석(35a ~ 38a)이 설치되어 있다. 환언하면 자석(34a ~ 38a)이 설치되는 제 1 요크판(11)은 제 2 요크판(20)에 대해 위쪽에 위치하고 있다. 그리고 제 1 요크판(11)에는 개구부(11a)가 설치되고, 기둥부(71a)는 개구부(11a)를 관통하고 있다. 이와 같이 액츄에이터는 제 1 요크판에 개구부를 구비해도 좋다. 위쪽의 요크판에 자석을 설치하면, 전자 부품 등 자기(magnetism)에 의해 악영향을 받는 부품을 액츄에이터 하측에 설치할 때 특히 유리하다. 이는 액츄에이터 하측에서 자속의 누설이 없기 때문에 전자 부품 등이 악영향을 받지 않기 때문이다.
(제 5 실시예)
본 발명에 따른 액츄에이터의 제 5 실시예에 대해서 설명한다. 도 15 및 도 16은 제 5 실시예에 따른 액츄에이터(5)의 구성을 나타내는 도면이다. 액츄에이터(5)는 도 1에 나타낸 액츄에이터(1)와 마찬가지의 외관을 갖는다. 도 15는 액츄에이터(5)에서 촉각 제공 부재(70) 및 제 2 요크판(20)을 제거한 사시도이다. 도 16은 도 1에 나타낸 I-I 단면과 동일한 위치에서의 액츄에이터(5)의 단면을 나타내는 측단면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 액츄에이터(5)는 제 1 요크판(10), 제 2 요크판(20), 4 개의 자석(31 ~ 34), 4 개의 코일(41 ~ 44), 스터드(51 ~ 54), 완충 부재(55 ~ 58), 촉각 제공 부재(70) 및 코일 고정 부재(71)를 구비한다. 이들 중 제 1 요크판(10), 제 2 요크판(20), 4 개의 자석(31 ~ 34), 4 개의 코일(41 ~ 44) 및 촉각 제공 부재(70)의 구성은 제 1 실시예에서의 구성과 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예는 코일 고정 부재(71)의 형상이 다른 실시예와 차이가 있다. 구체적으로 코일 고정 부재(71)는 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)과 대략 평행하고, 대략 정사각형의 판의 4 코너를 정사각형에서 잘라낸 형상의 제한부(71c)를 갖고 있다. 제한부(71c)의, 정사각형에서 잘라낸 형상의 4 코너에는 접촉면(71d)이 형성되어 있다. 코일 고정 부재(71)는 제한부(71c)의 대략 중앙으로부터 제 2 요크판(20)의 개구부(20a)를 관통하도록 각기둥 형상으로 뚫고 나온 기둥부(71a)를 더 갖는다. 촉각 제공 부재(70)는 기둥부(71a)의 선단에 고정되고, 제 1 요크판(10)에 대향하는 제 2 요크판(20)의 면과는 반대측의 면에, 코일 고정 부재(71)와 함께 동작 가능하게 설치된다. 코일 고정 부재(71)는 제한부(71c)로부터 제 1 요크판(10)을 향해 신장하고, 코일(41 ~ 44)의 캐비티 부분을 관통하는 코일 홀더부(71b)를 더 갖고 있다. 코일(41 ~ 44)은 각각 코일 홀더부(71b)에 고정되어 있다.
스터드(51 ~ 54)는 제 1 요크판(10) 및 제 2 요크판(20)의 4 코너를 서로 고정하고 있다. 환언하면 스터드(51 ~ 54)는 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20) 사이에 고정 설치되어 있다. 스터드(51 ~ 54)는 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한한다. 코일(41 ~ 44)에 전자력이 발생하어 코일 고정 부재(71)가 소정의 거리를 움직이면 스터드(51 ~ 54) 중의 어느 하나와 제한부(71c)의 접촉면(71d)이 접촉하고, 코일 고정 부재(71)의 움직임이 멈춘다. 이와 같이 하여 스터드(51 ~ 54)는 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하는 제한 부재로서 이용된다.
완충 부재(55 ~ 58)는 각각 스터드(51 ~ 55)의 측면을 가리도록 설치된다. 완충 부재(55 ~ 58)는 충격을 완화하는 재료로 이루어지고, 스터드(51 ~ 55)와 접촉면(71d)이 접촉할 때의 충격을 완화한다.
본 실시예에 의한 액츄에이터(5)는 이하의 효과를 갖는다. 즉 자성체로 이루어진 제 2 요크판(20)과 제 1 요크판(11)을 대략 평행하게 구비함으로써, 자석(31 ~ 34) 면적을 크게 하는 일이 없이 추력을 강화하는 것이 가능해지고, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 추력을 실제적으로 향상할 수 있음과 동시에, 액츄에이터의 소형화가 가능하게 된다. 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제되므로 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)와, 예를 들면 자석(31 ~ 34)이나 제 2 요크판(20) 등과 같은 다른 부재 사이의 마찰 저항이 억제된다. 그 결과 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해진다.
액츄에이터는 제 1 요크판(10)과 제 2 요크판(20) 사이에 고정 설치되고, 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하기 위한, 예를 들면 스터드(51 ~ 54)와 같은 제한 부재를 구비해도 좋다. 이와 같은 제한 부재에 의해서 제 1 ~ 제 4 실시예에서의 개구부(20a 또는 11a)와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 즉 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위가 제한되기 때문에, 코일 고정 부재(71)의 외측에 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 제한하는 부재를 따로 설치할 필요가 없어지고 액츄에이터를 소형화할 수 있다.
코일 고정 부재(71)가 가동 범위의 끝까지 이동했을 때에는 제 1 요크판(10)의 일측선 및 제 2 요크판(20)의 일측선에 의해 제한되는 면보다도 외측에, 코일 고정 부재(71)가 일부 돌출해도 좋다. 이에 따라 코일 고정 부재(71)의 가동 범위를 크게 할 수 있다.
본 실시예에 따른 액츄에이터(5)의 경우에서와 같이, 스터드(51 ~ 55)의 측면, 즉 코일 고정 부재(71)의 접촉면(71d)과 접촉하는 부분에 완충 부재(55 ~ 58)를 설치하면 좋다. 이에 따라 접촉시의 충격을 완화할 수 있다. 스터드(51 ~ 55) 자체가 완충 부재로 이루어져도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 완충 부재가 코일 고정 부재(71)의 접촉면(71d) 위에 설치되어 있어도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
(제 1 예)
여기서 본 발명에 의한 액츄에이터의 제 1 예와 제 1 비교예를 비교하여 설명한다. 제 1 예는 상기 제 1 실시예를 실시한 것이다. 제 1 예에서는 자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d1 및 제 2 요크판(20)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d2의 비 d1:d2를 3:1로 했다. 이에 대해서 제 1 비교예에서는 간격 d1 및 간격 d2의 비 d1:d2를 1:3으로 했다.
각각의 제 1 예 및 제 1 비교예에서, X 축 및 Y 축의 양쪽에 대해 45 도 방향(즉 좌표 원점에서 스터드(51)로 향하는 방향)으로 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)를 변위시키는 추력이 발생하도록 코일(41 ~ 44)에 전류를 흘렸다. 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)가 원점에서 어느 일정한 위치까지 이동했을 때 생성된 추력의 각 방향 성분의 크기를 조사했다.
그 결과 제 1 비교예에서는 추력의 X 방향 성분 FX에 대한 Z 방향 성분 FZ의 비(즉 FZ/FX)의 절대치는 2.0였다. 이에 대해서 제 1 예에서 FZ/FX의 절대치는 1.55였다.
제 1 예와 제 1 비교예를 비교하면, 제 1 예에서의 비(FZ/FX)의 절대치가 제 1 비교예에서의 비(FZ/FX)의 절대치보다 작은 것을 알 수 있다. 이와 같이 제 1 비교예와 비교해, 제 1 예에서 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)에 발생하는 추력은 X, Y 방향 성분에 대한 Z 방향 성분의 비가 작았다. 따라서 제 1 비교예와 비교하여 제 1 예에서는 제 1 요크판(10)에 대한 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 억제되고, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)와 다른 부재 사이의 저항이 억제되어 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능했다.
(제 2 예)
다음에 본 발명에 따른 액츄에이터의 제 2 예를 설명한다. 제 2 예 또한 상기 제 1 실시예를 실시한 것이다.
도 17은 제 2 예에서의 추력 FX, FY 및 FZ와, 간격 d1 및 간격 d2의 비 d2/d1의 관계를 나타내는 그래프이다. 제 2 예에서는 비 d2/d1을 약 0.5 ~ 19의 범위로 변화시키고, X 축 및 Y 축의 양쪽에 대해 45 도의 방향으로 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)를 변위시키는 추력이 발생하도록 코일(41 ~ 44)에 전류를 흘렸다. (원점에서 출발한) 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)가 (각각 X, Y 방향으로) 일정한 위치까지 이동했을 때의 추력 FX, FY 및 FZ의 크기를 조사했다. 도 17로부터 판단하면, 비 d2/d1이 작을수록, 추력의 X 방향 성분 FX, Y 방향 성분 FY 및 Z 방향 성분 FZ의 모두의 절대치도 작게 되었지만, 비(FZ/FX)의 절대치도 작게 되었다. 특히 비 d2/d1이 1 미만인 때, 즉 자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d1이 제 2 요크판(20)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d2보다 넓을 때에, 비(FZ/FX)의 절대치가 충분하게 작게 되었다. 그 결과 간격 d1을 간격 d2보다 넓게 설치함으로써 비(FZ/FX)의 절대치가 충분하게 작게 되어, 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 경사가 적당히 억제된다. 이 효과는 제 1 요크판(10)에 대한 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)의 XY 평면상의 상대적인 변위의 범위가 넓은 경우에 특히 현저해진다. 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)와 다른 부재 사이의 저항이 억제되어 코일(41 ~ 44) 및 코일 고정 부재(71)는 안정된 변위 동작이 가능해지는 것으로 판단된다.
추력 FX, FY의 크기를 우선하는 경우에는 비 d2/d1을 크게 하는 것이 효과적이다. 특히 비 d2/d1이 1 이상인 때, 즉 자석(31 ~ 34)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d1이 제 2 요크판(20)과 코일(41 ~ 44) 사이의 간격 d2와 동일하거나 좁은 경우에 효과적이다.
이상 상세하게 설명했던 대로, 본 발명에 의하면 액츄에이터의 추력을 향상할 수 있음과 동시에 소형화가 가능하게 된다.

Claims (14)

  1. 대략 평판 형상의 제 1 요크판(yoke plate)과,
    상기 제 1 요크판과 대략 평행하게 설치된 대략 평판 형상의 제 2 요크판과,
    상기 제 2 요크판에 대향한 상기 제 1 요크판의 면에 고정 설치된 복수의 자석과,
    상기 제 1 요크판에 대향한 상기 제 2 요크판의 면에 평행하게 설치된 복수의 코일과,
    상기 코일이 일체로 고정된 코일 고정 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석과 상기 코일 사이의 간격이 상기 제 2 요크판과 상기 코일 사이의 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석과 상기 코일 사이의 간격이 상기 제 2 요크판과 상기 코일 사이의 간격보다 좁거나 동일한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석 중 서로 인접하는 2 개의 자석 사이의 경계에 설치된 자성체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요크판 및 상기 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고,
    상기 코일 고정 부재는 상기 개구부에 대향하는 부분에 상기 개구부를 관통하도록 설치되고, 상기 개구부의 내부 치수보다도 작은 외부 치수를 갖는 기둥부를 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 제 2 요크판에 설치된 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상기 기둥부와 접촉하는 개구부의 끝 부분, 또는 상기 기둥부가 상기 개구부의 끝과 접촉하는 부분에 설치된 완충 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 고정 부재는 상기 제 1 요크판 및 상기 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 설치된 기둥부를 구비하고,
    상기 기둥부의 외부 치수보다도 큰 외부 치수를 갖고, 상기 기둥부의 주위를 둘러싸도록 설치된 주위 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 요크판 및 상기 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고,
    상기 주위 부재가 상기 개구부에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 주위 부재가 상기 기둥부와 접촉하는 부분, 또는 상기 기둥부가 상기 주위 부재와 접촉하는 부분에 설치된 완충 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요크판과 상기 제 2 요크판 사이에 고정 설치되고, 상기 코일 고정 부재의 가동 범위를 제한하는 제한 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제한 부재가 상기 코일 고정 부재와 접촉하는 부분, 또는 상기 코일 고정 부재가 상기 제한 부재와 접촉하는 부분에 설치된 완충 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요크판 및 상기 제 2 요크판의 한쪽 또는 양쪽에 개구부가 설치되고,
    상기 코일 고정 부재는 상기 개구부에 대향하는 부분에 상기 개구부를 관통하도록 설치되고, 상기 개구부의 내부 치수보다도 작은 외부 치수를 갖는 기둥부를 포함하며,
    상기 개구부측에 상기 코일 고정 부재측과는 반대측에 위치하도록 상기 기둥부에 고정된 촉각 제공 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요크판 또는 상기 제 2 요크판 중의 어느 하나와 상기 코일 고정 부재의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
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