KR100710140B1

KR100710140B1 - 나노 포지셔닝 액추에이터

Info

Publication number: KR100710140B1
Application number: KR1020050049728A
Authority: KR
Inventors: 노종석; 이창환
Original assignee: 주식회사 삼화양행
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2007-04-23
Also published as: KR20060128359A

Abstract

본 발명은 나노 포지셔닝 액추에이터(Nano Positioning Actuator)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터는 전압의 인가여부에 따라 선택적으로 팽창, 수축을 반복하는 압전체와, 압전체의 양단부에 연결되는 제1 및 제2 전자석을 포함하고, 제1 전자석은 바닥과 접촉하는 제1 접촉다리를 구비하며, 제2 전자석은 바닥과 접촉하는 제2 및 제3 접촉다리를 구비하여, 바닥과 세 지점에서 접촉하는 것을 특징으로 한다. 이러한 나노 포지셔닝 액추에이터에 의하면 진동을 방지하면서 액추에이터를 구동시킬 수 있게 된다.

나노, 액추에이터, 압전체, 전자석, 진동

Description

나노 포지셔닝 액추에이터{Nano Positioning Actuator}

도 1은 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터를 나타내는 사시도이고,

도 2는 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터의 측면도이고,

도 3은 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터에서 전원을 인가하는 순서를 나타내는 도면이고,

도 4a 내지 4d는 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터에서 전원을 인가함에 따라 이동하는 동작을 순서대로 나타내는 도면이고,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터를 나타내는 사시도이고,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터에서 제1 전자석을 나타내는 도면이고,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터에서 제2 전자석을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...압전체 20...제1 전자석

22...제1 접촉다리 30...제2 전자석

32...제2 접촉다리 34...제3 접촉다리

100...나노 포지셔닝 액추에이터

본 발명은 나노 포지셔닝 액추에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동작 시 진동이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지는 나노 포지셔닝 액추에이터에 관한 것이다.

일반적으로 하드 디스크, 정밀 현미경, LCD 패널, 의료 장치, Micro-manufacturing system과 같은 장치들에서는 정밀한 움직임이 가능한 액추에이터를 필요로 한다. 근래에는 정밀 위치 제어가 가능하며, 단순한 구조를 가지며, 소음이 없는 등의 장점을 가지고 있는 나노 포지셔닝 액추에이터가 이러한 정밀 장치들에 사용되고 있다.

도 1 및 2에는 이러한 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터(1)의 개략적인 구조가 나타나 있다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 종래의 나노 포지셔닝 액추에이터(1)는 압전체(2)와 압전체(2)의 양단부에 연결된 두 개의 전자석(4)(6)을 구비한다. 여기서, 압전체(2)는 전압을 인가하면 길이가 팽창하고 전원을 차단하면 다시 원래의 길이로 수축하는 성질을 가지며, 각 전자석(4)(6)은 바닥과 접촉하는 한 쌍의 다리(4a)(4b)(6a)(6b)를 구비한다. 액추에이터(1)는 이러한 압전체(2)의 성질 을 이용하여 이동하게 되는데, 도 3 및 4a 내지 4d에 액추에이터(1)의 이동과정이 도시된다.

도 3은 액추에이터(1)의 압전체(2) 및 전자석(4)(6)에 전원을 인가하는 순서를 나타내는 도면이고, 도 4a 내지 4d는 전원의 인가에 따라 이동하는 액추에이터(1)를 나타내는 평면도이다.

도 3 및 4a 내지 4d를 참조하면, 시간 t₀에서는 좌측 전자석(4)에만 전원을 인가한다. 따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 좌측 전자석(4)은 전기력에 의해 바닥에 달라붙어 고정되며, 액추에이터(1)도 마찬가지로 고정된다. 이어서, 시간 t₁에서 압전체(2)에 전원을 인가하면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 압전체(2)의 고유한 성질에 의해 압전체(2)가 화살표방향으로 팽창하게 된다. 압전체(2)가 팽창하는 동안에 액추에이터(1)는 좌측 전자석(4)에 고정되어 있으므로, 압전체(2)는 우측으로 팽창하게 되며, 우측 전자석(6)은 압전체(2)가 팽창함에 따라 바닥을 슬라이딩하면서 지나게 된다.

압전체(2)가 충분히 팽창하여 시간 t₂에 이르게 되면, 좌측 전자석(4)의 전원을 차단하고 우측 전자석(6)에 전원을 인가한다(도 4c 참조). 이에 의해, 좌측 전자석(4)은 바닥에 고정되지 않으며, 대신 우측 전자석(6)이 전기력에 의해 바닥에 달라붙어 고정된다. 이어서, 시간 t₃에 이르게 되면, 압전체(2)의 전원을 차단한다. 압전체(2)는 전원을 차단하게 되면 원래 길이로 수축하는 성질을 가지므로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 압전체(2)가 수축하게 된다. 이 경우, 액추에이터(1) 는 우측 전자석(6)에 고정된 상태이므로, 압전체(2)가 수축함에 따라, 좌측 전자석(2)이 바닥을 슬라이딩하면서 지나게 된다. 따라서, 도 4a와 비교해 볼 때, 도 4d의 액추에이터(1)는 압전체(1)의 팽창량 만큼 우측으로 이동을 하게 된다.

이와 같은 동작을 계속해서 반복하여 액추에이터(1)가 우측으로 이동을 하게 된다. 한편, 좌측 전자석(2)과 우측 전자석(6)에 전원을 인가하는 순서를 바꾸게 되면 액추에이터(1)가 좌측으로 이동을 하게 됨을 알 수 있다.

그런데, 이와 같은 종래의 액추에이터(1)에서는 좌우측 전자석(4)(6)의 네 개의 다리(4a)(4b)(6a)(6b) 중에 하나는 바닥과 접촉하지 않는 구조적인 문제점을 수반한다. 액추에이터(1)와 바닥을 아무리 정밀하게 가공하더라도, 미세한 변위에 의해 전자석의 네 개의 다리(4a)(4b)(6a)(6b) 중에 하나는 바닥과 떨어지게 되기 때문이다. 이와 같이, 좌우측 전자석(4)(6)의 네 개의 다리(4a)(4b)(6a)(6b) 중에 하나가 바닥과 떨어지게 되면, 액추에이터(1)가 이동하는 경우에 바닥과 접촉하지 않는 다리에 의해 액추에이터(1)가 진동을 하게 된다. 즉, 전자석(4)(6)에 교대로 전원이 인가되는 경우에 바닥과 접촉하지 않는 다리 부위가 바닥을 슬라이딩하면서 이동하는 것이 아니라, 바닥과의 차이만큼 접촉과 이격을 반복하기 때문이다. 따라서, 종래의 액추에이터는 이동하는 중에 진동을 하게 되며, 이러한 진동은 정밀한 제어기기에 주로 사용되는 나노 포지셔닝 액추에이터에 있어서는 치명적인 문제점이 되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 전자석과 바닥을 초정밀 가공하고, 전자석과 압전체를 초정밀 결합해야하지만, 이러한 초정밀 가공은 제작비를 대폭적으로 상승시키는 또 다른 문제점을 수반한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 이동하는 중에 진동이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지는 나노 포지셔닝 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 전원의 인가여부에 따라 선택적으로 팽창, 수축을 반복하는 압전체와, 상기 압전체의 양단부에 연결되는 제1 및 제2 전자석을 포함하고, 상기 제1 전자석은 바닥과 접촉하는 제1 접촉다리를 구비하며, 상기 제2 전자석은 바닥과 접촉하는 제2 및 제3 접촉다리를 구비하여, 바닥과 세 지점에서 접촉하는 것을 특징으로 하는 나노 포지셔닝 액추에이터의 구조에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제2 전자석은 상기 제2 및 제3 접촉다리의 사이의 공간에 형성되는 연결다리를 더 포함하고, 상기 압전체의 양단부가 상기 제1 전자석의 제1 접촉다리와 상기 제2 전자석의 연결다리에 연결된다.

또한, 상기 제1 전자석은, 전원이 인가되는 경우에 바닥과 플럭스 라인(flux line)을 형성하는 플럭스다리를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 제1 전자석의 제1 접촉다리는 상기 플럭스다리에 비해 0.3 내지 0.5 ㎜ 정도 길면 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절하게 정의 되었다. 따라서, 이들의 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그러므로, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 5는 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터(100)를 나타내는 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터(100)는 압전체(10)와 압전체(10)의 양측 단부에 결합되는 제1 및 제2 전자석(20)(30)을 포함한다.

압전체(10)는 전원을 인가하면 팽창하고 전원을 차단하면 원래의 길이로 수축하는 성질을 갖는다. 이러한 압전체(10)는 수정 또는 티탄산 바륨으로 제조하지만, 이에 한정되지는 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 재질이 채용될 수 있다.

제1 및 제2 전자석(20)(30)는 압전체(10)의 좌우측 양쪽 단부에 결합된다. 도 6은 제1 전자석(20)을 나타내는 정면도이고, 도 7은 제2 전자석(30)을 나타내는 정면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1 전자석(20)은 바닥(미도시)과 접촉하는 제1 접촉다리(22)와, 제1 접촉다리(22)의 좌우에 나란하게 배치되어 전원이 인가되면 바닥과 플럭스 라인(flux line)을 형성하기 위한 한 쌍의 플럭스다리(24)를 구비함으로써, 전체적으로 "E"자 형상을 가진다.

제1 접촉다리(22)는 제1 전자석(20)의 중앙부에 형성되며, 바닥과 접촉하여 전원이 인가되는 경우 전기력에 의해 바닥에 달라붙어 고정된다. 제1 전자석(20)의 제1 접촉다리(22)가 바닥에 고정됨으로써, 액추에이터(도 5참조)(100) 전체가 고정된다. 또한, 압전체(10)의 일단이 제1접촉다리(22)의 상단에 연결되어, 압전체(10)가 전원의 인가에 의해 팽창, 수축을 반복하는 경우, 제1 전자석(20)도 압전체(10)에 의해 움직이게 된다.

한편, 플럭스다리(24)는 바닥과 소정 간격만큼 이격되도록 형성되어, 제1 전자석(20)에 전원이 인가되는 경우 바닥과 제1 전자석(20) 간의 플럭스 라인을 형성하는 역할을 하게 된다. 비록, 도면에는 플럭스 다리(24)가 제1 접촉다리(22)의 양측에 두 개가 형성된 것으로 도시되었지만, 이에 한정되지 않으며 적절한 개수의 플럭스 다리가 형성될 수도 있다.

이와 같이, 플럭스다리(24)가 바닥과 접촉하지 않도록 하기 위하여, 제1 접촉다리(22)가 플럭스다리(24)보다 길게 제작되는데, 예로서 0.3 내지 0.5 ㎜ 정도 길게 제작될 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 전자석(30)은 그 상단부에 압전체(10) 의 타단이 연결되는 연결다리(36)와, 연결다리(36)의 양측에 바닥과 접촉하도록 수직하게 연장된 제2 및 제3 접촉다리(32)(34)를 구비한다.

제2 및 제3 접촉다리(32)(34)는 바닥과 접촉하여, 제2 전자석(30)에 전원이 인가되는 경우에 전기력에 의해 바닥에 달라붙어 고정된다. 연결다리(36)는 한 쌍의 접촉다리(32)(34)의 중앙부에 형성되어 압전체(10)와 연결된다.

도 5를 다시 참조하면, 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터(100)는 바닥과 세 지점에서 접촉한다. 즉, 제1 전자석(20)의 제1 접촉다리(22)와 제2 전자석(30)의 제2 및 제3 접촉다리(32)(34)에서 바닥과 접촉하게 된다. 엑추에이터(100)의 제1 접촉다리(22)와 제2 및 제3 접촉다리(32)(34)는 평면적으로 정삼각형 또는 이등변삼각형의 형태로 배치되게 된다. 즉, 3개의 접촉다리(22, 32, 34)와 바닥과의 접촉점이 삼각형의 꼭지점을 이루게 되는 것이다.

이와 같이, 바닥과 세 지점에서 접촉을 하게 되면, 제1 전자석(20)의 제1 접촉다리(22)와 제2 전자석(30)의 제2 및 제3 접촉다리(32)(34)가 모두 바닥과 완전하게 접촉을 하게 된다. 즉, 만일 제1 전자석(20)의 제1 접촉다리(22)와 제2 전자석(30)의 제2 및 제3 접촉다리(32)(34) 중에 어느 하나의 다리가 바닥과 떨어지게 된다면, 그 떨어진 다리를 향해 액추에이터(100)가 기울어지게 되므로, 모든 접촉다리(22)(32)(34)가 바닥과 접촉하게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터(100)는 바닥과 세 지점에서 완전하게 접촉을 하게 되므로, 이동하는 중에 접촉다리의 들뜸으로 인한 진동을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 포지셔닝 액추에이터를 사용하게 되면, 액추에이터를 정밀하게 가공할 필요가 없으므로 제조비용을 상승시키지 않으면서 이동 중에 진동을 발생시키지 않고 부드럽게 이동하는 것이 가능해진다.

Claims

전원의 인가여부에 따라 선택적으로 팽창, 수축을 반복하는 압전체(10)와,

상기 압전체(10)의 양단에 각각 결합되는 제1 전자석(20) 및 제2 전자석(30)을 포함하고,

상기 제1 전자석(20)은 바닥과 접촉하도록 상기 압전체(10)에 수직한 방향으로 연장되는 제1 접촉다리(22)를 구비하며, 상기 제2 전자석(30)은 바닥과 접촉하도록 서로 소정 간격을 두고 상기 압전체(10)에 수직한 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2 접촉다리(32) 및 제3 접촉다리(34)를 구비하여, 전체적으로 바닥과 세 지점에서 접촉하는 것을 특징으로 하는 나노 포지셔닝 액추에이터.
제1항에 있어서,

상기 압전체(10)의 일단은 상기 제1 접촉다리(22)에 연결되고, 상기 압전체(10)의 타단은 상기 제2 및 제3 접촉다리(32, 34) 사이에 연결되어, 상기 제1 , 제2 및 제3 접촉다리(22, 32, 34)가 평면적으로 정삼각형 또는 이등변 삼각형의 배치 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 나노 포지셔닝 액추에이터.
제1항에 있어서,

상기 제1 전자석(20)은, 전원이 인가되는 경우에 바닥과 플럭스 라인(flux line)을 형성하도록 상기 제1 접촉다리(22)보다 짧은 길이를 가지면서 상기 제1 접촉다리(22)의 양측에 배치되는 한 쌍의 플럭스다리(24)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 포지셔닝 액추에이터.