KR101096066B1 - 표면 탄성파 센서 및 이를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기 - Google Patents

표면 탄성파 센서 및 이를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두 물체 사이의 커패시턴스(capacitance)의 변화에 따른 표면 탄성파(surface acoustic wave)의 응답 신호 크기 변화를 통해 두 물체 사이의 미소 변위 및 간격을 유, 무선 방식으로 측정할 수 있도록 하는 표면 탄성파 센서, 이 표면 탄성파 센서를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와; 상기 입력 IDT로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와; 상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화를 표면 탄성파의 전기적인 응답신호 형태로 수신하여 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW), 커패시턴스(capacitance), IDT(Inter Digital Transducer), 패턴, 정전용량

Description

표면 탄성파 센서 및 이를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기{Surface acoustic wave sensor, position measurement device and information storage device having the same}
본 발명은 측정 대상의 두 물체 사이의 간격 변화에 의해 발생하는 커패시턴스(capacitance)의 변화를 표면 탄성파(surface acoustic wave)의 응답 신호 크기로 변화시켜 두 물체 사이의 미소 거리 및 변위량을 측정할 수 있는 표면 탄성파 센서와, 이 표면 탄성파 센서를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 나노 마이크로 기술의 급격한 발달은 다양한 형태의 정보 저장을 가능하도록 하였고, 또한 많은 대용량의 정보들을 저장할 수 있는 다양한 형태의 정보 기록 장치들의 혁신적인 발전에 크게 이바지하였다.
이러한 정보 기록 장치들 중 하나인 하드디스크 드라이브는 퍼스널 컴퓨터의 보편화와 다양한 형태의 정보 출연과 더불어 사용자의 요구에 부합하기 위해 소형 화 및 고용량화가 지속적으로 이루어져 왔다.
최근 들어 하드디스크 드라이브 등의 정보 저장 매체는 그 성능 및 정보 저장 용량이 날로 증가되는 추세에 있다. 종래의 일반적인 하드디스크 드라이브 구조는 특허등록 제468731호에도 나타난 바와 같이, 데이터가 저장되는 복수의 디스크들 사이에 슬라이더 유니트가 위치되어 있으며, 상기 슬라이더 유니트에 탑재된 헤드를 통해 디스크의 트랙에 저장된 정보를 읽거나 기록할 수 있도록 되어 있다.
이와 같은 헤드를 탑재한 슬라이더 유니트는 디스크 드라이브의 작동시 회전되는 디스크의 표면으로부터 일정거리 부상(浮上)된 상태로 작동이 이루어지는데, 최근 들어서는 정밀하고 소형화된 기술 수준으로 인해 나노 미터(nano meter) 급의 슬라이더 부상 높이를 갖는 시스템의 채용이 보편화 되어가고 있는 추세이다.
이와 같이 하드디스크와 같은 대용량의 정보 저장 기기가 올바르게 작동하기 위해서는 디스크 표면으로부터 부상된 슬라이더의 높이가 나노 미터 수준으로 안정적으로 유지되어야 하는데, 이를 위해 슬라이더의 부상 높이를 나노 수준으로 정밀하게 측정할 수 있는 계측 시스템이 요구되고, 현재에 이와 같은 슬라이더의 부상 높이 측정은 주로 레이저를 비롯한 광학 센서 등을 이용하여 측정을 하는 방식이 주를 이루고 있었다.
그러나, 상기와 같이 슬라이더의 부상 높이를 측정하기 위한 광학 센서는 복잡한 광학계의 구성이 필수적이고, 이러한 광학계가 하드디스크에 부착될 경우 하드디스크의 부피와 무게가 증가되어, 이에 따른 제작비의 증가와 더불어, 측정된 광학신호의 처리를 위한 별도의 장치를 필요로 하는 문제점이 있었다.
또한 기존의 슬라이더의 부상 높이 측정은 청정 룸(Clean room) 내에서 하드디스크의 개봉을 통해, 디스크를 회전시킨 후 슬라이더를 부상시켜, 이때를 하드디스크가 실제 정보를 기록 또는 재생할 때의 상황과 같다는 가정하에 측정이 이루어져 왔다. 따라서 실제 하드디스크의 작동 상태에서의 측정은 거의 이루어지지 못했고, 또한 측정을 하기 위해서는 반드시 청정 룸(Clean room)을 이용해야 하는 문제점을 가지고 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 두 측정 대상물 사이의 커패시턴스의 변화에 따른 표면 탄성파의 응답신호의 크기 변화를 통해 두 물체 사이의 변위 및 간격을 용이하게 측정할 수 있는 표면 탄성파 센서, 그리고 이 표면 탄성파 센서를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 탄성파 센서는, 외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT(Inter Digital Transducer)와; 상기 입력 IDT로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와; 상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화를 표면 탄성파의 전기적인 응답신호 형태로 수신하여 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결될 수 있다.
그리고, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)가 될 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위치 측정 장치는, 서로 이격된 2개의 측정 대상물 사이의 거리를 측정할 수 있는 위치 측정 장치에 있어서, 상기 2개의 측정 대상물 사이의 거리를 정전용량 변화에 따른 표면 탄성파의 응답특성의 변화를 통해 감지할 수 있는 표면 탄성파 센서를 구비하되, 상기 표면 탄성파 센서는, 외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와; 상기 입력 IDT 로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와; 상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화를 표면 탄성파의 전기적인 응답신호 형태로 수신하여 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결될 수 있다.
그리고, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)가 될 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정보 저장 기기는, 데이터가 저장되는 디스크와, 상기 디스크에 저장된 데이터를 읽거나 기록할 수 있는 헤드를 탑재한 슬라이더를 구비한 정보 저장 기기에 있어서, 상기 디스크 표면으로부터 슬라이드의 부상(浮上) 높이를 측정할 수 있는 표면 탄성파 센서를 구비하되, 상기 표면 탄성파 센서는, 외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와; 상기 입력 IDT 로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와; 상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화를 표면 탄성파의 전기적인 응답신호 형태로 수신하여 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결될 수 있다.
그리고, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)가 적용될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 두 물체 사이의 거리의 변화에 따른 커패시턴스(capacitance) 변화와 이에 따른 표면 탄성파(surface acoustic wave) 응답의 변화를 통해 두 물체 사이의 미소 변위 또는 간극을 용이하게 측정할 수 있 다. 더욱이, 표면 탄성파의 적절한 중심 주파수 선택을 통해 전체적으로 크기의 조절이 가능하며, 측정에 있어서는 하드 디스크와 같이 나노미터 수준의 초정밀 계측이 필요한 경우를 포함하여, 공간상의 제약으로 인해 계측이 어려운 부분에 초기에 적용하여, 향후의 실시간 감시 및 진단을 위한 시스템에 적용하여 사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 측정 대상물 사이의 거리의 변화에 따른 커패시턴스 변화와 이에 따른 표면 탄성파 장치의 전기응답을 이용한 센서 이외에도, 입출력 IDT의 구조 특성으로 인한 초고주파 대역 통과 필터로 동시에 구현될 수 있는 장점이 있고, 특히, 표면 탄성파 센서의 입력 또는 출력 IDT에 외부에서 인가되는 신호를 무선으로 수신하거나 출력 IDT에서의 신호를 외부로 송신할 수 있는 안테나를 연결하여 구성함으로써, 유선 또는 무선의 방식으로 두 물체 사이의 거리 및 변위를 용이하게 측정할 수 있는 장점 이외에도 측정의 대상이 되는 두 물체의 다양한 형상과 거리에 따른 물체간의 전기용량(Capacitance)의 변화 관계와 이에 따른 표면 탄성파 장치의 전기 응답의 변화를 이용하여 다양한 외부 조건에 대해서도 손쉽게 거리 또는 변위를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 출력 IDT 와 접속되는 두 물체 중에서 어느 한쪽 부분이 도전체 또는 유전체로 구성되어 있을 경우 보다 쉽고 간단하게 초정밀 계측을 할 수 있고, 다양한 형태의 대상물의 형상에 따른 정전용량 특성을 이용하여 두 물체 사이의 미세 거리 및 변위를 손쉽게 측정할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 두 물체 사이의 미세한 간격 변화에 따라 발생하는 커패시턴스(capacitance) 변화를 표면 탄성파의 전기적인 응답신호 형태로 수신하여, 나노미터(nano meter) 수준의 미세 변위량을 유선 또는 무선 방식으로 효과적으로 측정할 수 있는 표면 탄성파 용량성 센서, 그리고 이 표면 탄성파 용량성 센서를 구비한 위치 측정 장치 및 정보 저장 기기를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 탄성파 용량성 센서의 기본적인 구조를 도시한 회로 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 탄성파 용량성 센서는 압전기판(101)과, 상기 압전기판(101) 위에 증착되는 2개의 입,출력 IDT(Inter Digital Transducer)(102)(103)으로 이루어져 있으며, 상기 입력 IDT(102)에는 외부의 전원(106)이 연결되고 상기 출력 IDT(103)에는 실제 측정 대상물의 변위 측정에 이용되는 용량성부하(Capacitive load)(107) 및 특성부하(108)가 병렬 연결된 회로구성을 이루고 있다. 이때 특성 부하(108)는 유선의 센서로 구현되었을 경우 계측기의 측정 특성부하에 해당하며, 무선 센서로 구현되었을 경우에는 안테나의 특성 부하로 적용된다.
구체적으로, 상기 압전기판(101)은 압전특성(Piezoelectricity)을 갖는 LiNbO3 등의 소재로 구성되며, 상기 압전기판(101) 위에는 금속 소재로 이루어진 2 개의 입,출력 IDT(102)(103)가 표면 탄성파의 전파방향(propagating direction)을 따라서 서로 일정거리 이격된 상태로 배치된다.
즉, 상기 압전기판(101)의 일측 끝단에는 외부 전원(106)으로부터 인가되는 전압 신호에 의해 압전기판(101)에 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT(Inter Digital Transducer)(102)가 패터닝(patterning)되고, 타측 끝단에는 상기 입력 IDT(102)로부터 전달된 표면 탄성파의 일부를 계속 진행시킴과 아울러 표면 탄성파의 다른 일부를 상기 표면 탄성파의 진행방향과 반대방향으로 반사시키는 반사파를 생성할 수 있는 출력 IDT(103)가 패터닝된다.
이때, 상기 출력 IDT(103)에서는 입력 IDT(102)를 통해 외부로부터 인가된 전압신호에 의해 발생한 표면 탄성파가 진행하여 도달할 때, 일부는 반사되어 입력 IDT(102)로 진행하지만, 일부는 흡수되어 압전 효과에 의해 표면의 변위에 비례하는 크기의 전하를 발생시키게 되는데, 상기 출력 IDT (103)에는 용량성 부하(107)가 회로 연결되어 실제 측정 대상물의 간극 측정시 상기 측정 대상물 사이의 간극 변화에 따라 발생하는 용량성 부하(107)의 캐패시턴스(capacitance) 값의 변화와, 이에 따른 출력 IDT에서의 응답을 입력 또는 출력 IDT(102),(103)에 연결된 계측기 또는 안테나를 통해 유선 또는 무선의 방법으로 대상물 사이의 간극을 측정할 수 있도록 되어 있다.
신호의 측정은 크게 표면 탄성파 발생 후 출력 IDT(103)에서 반사되어 입력 IDT(102)로 재입사되는 신호를 측정하는 방법과 출력 IDT(103)에서 흡수되어 발생한 전하가 서로 이격되어 구성되어 있는 용량성 부하를 통과할 때 걸리게 되는 부 하 양단에서의 전압을 측정하는 방법으로 할 수 있으며, 상기 각각의 방법에 있어서 입력 또는 출력 IDT에 안테나의 부착을 통하여, 측정을 위한 기준 신호와 측정된 신호의 송수신 또는 측정된 신호의 송신이 가능하다.
이를 구체적으로 설명하면, 입력 IDT(102)를 통해 입사한 신호와 이 신호로 인해 발생한 표면 탄성파가 출력 IDT(103)에서 반사되어 입력 IDT(102)로 재입사하게 되는 경우에, 입력 IDT(102) 인가 신호와 출력 IDT(103)에서 반사되어 입력 IDT(102)로 재입사하는 신호의 비율을 측정하게 된다. 이때, 출력 IDT(103)에 연결된 부하의 임피던스 값에 따라 출력 IDT(103)에서 반사되어 입력 IDT(102)로 재 입사되는 신호의 크기는 출력 IDT(103)에 이격되어 연결되어 있는 용량성 부하 임피던스의 크기에 따라 변하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 입력 IDT(102)로 재입사하는 신호의 측정을 통해 용량성 부하로 작용하고 있는 물체간의 간극을 측정할 수 있다. 이때, 입력 IDT(102)에 기준 신호를 인가하는 방법은 유선 또는 무선의 방법을 통해 가능하며, 무선으로 구현 시 입력 IDT에 안테나를 연결함으로써 기준 입력 신호와 반사되어 입력 IDT(102)에 재입사되는 신호의 무선 송수신이 가능하다. 또 다른 측정 방법은, 입력 IDT(102)에 신호 인가 후 발생하여 진행한 표면 탄성파가 출력 IDT(103)에서 흡수되어 전하를 발생시킬 때, 이 전하가 출력 IDT(103)와 연결된 서로 이격되어 용량성 부하로 작용하고 있는 두 물체 사이의 간극 간에 전압 신호를 발생시키게 되는데, 이때의 입력 신호와 출력 IDT(103) 흡수 신호의 비율을 측정하는 것이다. 출력 신호의 크기는 서로 이격되어 용량성 부하로 작용하고 있는 두 물체간의 임피던스의 크기에 따라 변하는 특징을 가지고 있다. 따라서, 출력 IDT(103)의 흡수 신호의 측정을 통해 간극을 측정할 수 있으며, 이 때 신호의 측정은 유선 또는 무선의 방법을 통해 가능하며, 무선으로 구현 시 출력 IDT(103)에 이격된 두 물체와 병렬로 안테나를 연결함으로서, 출력신호의 무선 송신이 가능하다.
이와 같은 구성과 방법에 따라, 입력 또는 출력 IDT(102)(103) 에서의 유선 또는 무선의 방법으로 신호의 측정을 통해, 서로 이격된 두 물체간의 미소 간극의 측정이 가능하며, 이때, 상기 입,출력 IDT(102)(103)가 위치한 상기 압전기판(101)의 양쪽 끝단에는 표면 탄성파 신호의 반사 특성을 좋게 할 수 있도록 하는 반사부(Reflector) 또는 표면 탄성파 흡수재(104)(105)가 구비될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 표면 탄성파 용량성 센서를 도시한 것으로서, 무선방식으로 두 측정 대상물 사이의 변위를 측정할 수 있는 표면 탄성파 용량성 센서 구조를 보여주고 있다.
본 발명에 따른 무선방식의 표면 탄성파 용량성 센서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부에서 인가되는 기준신호의 수신 및 출력 반사 신호를 송신할 수 있도록 입력 IDT 전극(102) 부분에 송, 수신용 안테나(109)가 연결되어 구성될 수 있다.
따라서, 유선 또는 무선의 방법을 통해, 외부에서 인가되는 RF(Radio frequency) 신호가 입력 IDT(102)에 전달되면, 압전기판(101)의 재질적 특성에 의해 응력-발진의 과정이 반복되면서 표면 탄성파가 생성되고, 상기 입력 IDT(102)으로부터 생성된 표면 탄성파는 출력 IDT(103)으로 진행된다. 그리고 상기 출력 IDT(103)으로 진행된 표면 탄성파의 일부는 그 진행방향으로 계속해서 진행하게 되고, 동시에 상기 진행 방향과 반대 방향의 반사파를 생성시키게 된다.
이렇게 생성된 반사파를 이용한 측정 방법으로, 후술되는 도 4에서 보는 바와 같이, 반사파는 다시 입력 IDT(102)으로 전달되며 상기 입력 IDT(102)에 인가된 반사파들은 다시 전기적 신호(무선 응답 신호)로 변환된 후 안테나(109)를 통해 외부의 송수신장치(300)로 전송하게 되고, 송수신장치(300)에서는 믹서(301) 및 신호처리기(302)를 거쳐 사용자가 판독할 수 있는 데이터 형태로 컴퓨터(303)에 저장된다.
이와 같은 구성을 갖는 표면 탄성파 용량성 센서는 전원공급장치가 필요 없이도 입력 IDT(102)에 인가되는 RF신호를 통하여 측정에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성이 가능하며, 감지된 위치신호를 무선으로 외부의 송수신장치에 전송할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 유,무선 방식의 표면 탄성파 용량성 센서에 적용될 수 있는 입,출력 IDT(102)(103)의 다양한 패턴을 예시한 패턴도로서, 대역특성과 사용 용도에 따라 적절한 형태의 IDT 패턴의 선택을 통한 센서의 제작이 가능함을 보여주고 있다.
이와 같은 IDT의 패턴은 사진식각(Photolithography) 기술을 사용하여 압전기판(101) 표면에 빗과 같은 구조의 형태로 형성되며, 상기 입,출력 IDT(102)(103)의 재질로는 주로 알루미늄 재질이 적용되어 500Å ~2000Å 정도의 두께로 증착된다.
이렇게 빗 형태로 맞물려 있는 전극 쌍을 구비한 입,출력 IDT (102)(103)는 IDT의 두께에 의해 그 중심주파수가 정해지고, IDT의 전극 쌍의 수와 IDT의 길이에 의해 통과대역폭과 센서의 감도에 영향을 미치는 특성을 갖고 있다. 따라서, 본 발명은 도 3에 나타낸 다양한 실시 예 형태와 같이 입,출력 IDT (102)(103)의 전극 쌍 개수 및 형태를 다양하게 변경하여 다양한 통과 대역폭과 감도를 갖는 표면 탄성파 센서로 구현할 수 있다.
한편, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서에 의한 간격 측정 원리를 이용하여 두 물체 사이의 위치(또는 거리, 변위)를 측정할 수 있는 위치 측정 장치에 적용할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 위치 측정 장치에는 전술된 도 1 또는 도 2에 도시한 구조와 같은 형태의 표면 탄성파 용량성 센서가 구비될 수 있는바, 상기 표면 탄성파 용량성 센서의 출력 전극을 두 측정 대상물에 연결하여 두 물체 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량 변화와, 이에 따른 입,출력 IDT를 통해 출력되는 전압 값의 변화를 통해 유, 무선 방식으로 두 측정 대상물 사이의 거리를 측정할 수 있게 된다.
아울러, 상술한 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서는 하드 디스크 등과 같은 다양한 형태의 정보 저장 기기에 채택되어 사용될 수 있는데, 정보 저장 기기 내부에서 회전하는 자기 디스크 위에서 활주되는 슬라이더의 부상 높이를 감지하여 정보저장기기의 안정적인 동작을 위한 실시간 부상 높이 감시 시스템으로 적용과 더불어 디스크와 슬라이더 사이가 최적 간격으로 유지될 수 있도록 하기 위한 제어 시스템에 또한 적용이 가능하다.
즉, 표면 탄성파 용량성 센서의 한 전극을 하드 디스크 드라이버의 슬라이더 에 부착하고, 다른 한 전극을 도전성 물질로 이루어진 미디어(자기 디스크)에 전기적으로 접속시켜 상기 미디어로부터의 슬라이더의 부상 높이에 따른 전기용량에 따른 표면 탄성파 기판의 응답특성의 변화를 통해 슬라이더의 기록 매체로부터의 부상 높이를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 탄성파 용량성 센서의 간격 측정 원리를 이용하여 하드 디스크 드라이버의 슬라이더 부상 높이를 측정하는 모습을 보여주고 있다. 또한, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 하드 디스크 드라이버의 슬라이더 헤드 부분을 A 및 B 방향으로 바라본 모습을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 하드 디스크에는 회전하고 있는 자기 디스크(202)에 저장된 데이터를 읽거나 기록할 수 있도록 헤드가 디스크(202) 표면으로부터 일정 거리 부상(浮上)된 위치에 놓이게 되는데, 이러한 헤드는 디스크(202) 위에서 선회되는 슬라이더(206)의 끝단에 탑재되어 있다.
표면 탄성파 용량성 센서의 출력 IDT(103)는 상기 자기 디스크(202) 및 슬라이더(206)와 연결되어 헤드(미도시)와 같은 높이로 위치되는 전극 끝단(204; 평행판 capacitor의 한 면)에 각각 접속되는데, 상기 디스크(202)와 헤드 사이의 간격(Gap) 변화에 따라 커패시턴스(C) 변화가 발생하면 표면 탄성파 센서의 입,출력 IDT(102)(103)를 통해 반사되어 변화된 전압 신호 형태로 수신되어 슬라이더 헤드의 디스크(202) 표면으로부터의 부상 높이를 측정할 수 있게 된다.
이와 같은 방식을 통해 헤드의 부상 높이를 측정하여 디스크(202) 표면으로부터의 헤드의 활주 상태를 결정할 수 있고 헤드와 디스크(202) 사이의 만족스런 간격유지 조건의 결정을 위한 이론적 또는 실험적 연구에 적용이 가능하다. 참고로, 도 6의 A는 평행판 capacitor의 한 면에 접속되는 부분으로서, 헤드와 같은 높이에 있는 전극 끝단의 면적을 나타내고, ε는 디스크(202)와 헤드 사이에 있는 유전체(여기서는 공기를 말함)의 유전율을 나타낸다.
이와 같이 본 발명은 표면 탄성파 센서의 기본 원리를 이용하여 기준이 되는 하나의 측정 대상물로부터 다른 측정 대상물 사이에서 거리에 따라 변하는 정전 용량의 변화와 이에 따른 표면 탄성파 장치의 전기적인 응답의 변화를 측정하게 됨으로써 하드 디스크와 같이 나노미터 수준의 초정밀 헤드 부상의 높이를 갖는 장치에 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선방식 표면 탄성파 용량성 센서의 구조를 도시한 구성도이고, 도 8은 도 7의 무선방식 표면 탄성파 용량성 센서에 의한 하드디스크 드라이버의 슬라이더 부상 높이를 측정하는 모습을 보여주는 사용 상태도이다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선방식의 표면 탄성파 용량성 센서는, 외부에서 인가되는 기준신호의 수신 및 출력 반사 신호를 송신할 수 있도록 입력 IDT(102) 부분에 송, 수신용 안테나(109)와 용량성 부하(107)가 연결되고, 출력 IDT(103)에 전원을 연결하여 구성할 수 있다.
이러한 구성에 따라, 상기 출력 IDT(103)에서 발생 후 진행하여 입력 IDT(102)에서 흡수되는 진행파는 입력 IDT(102)에서 전기적 신호로 변환되어 서로 이격 되어 입력 IDT(102)와 연결되어 있는 용량성 부하인 디스크(202)와 슬라이더 헤드 사이의 캐패시턴스를 측정하게 되고, 상기 측정된 신호는 상기 용량성 부하와 병렬로 연결된 안테나(109)를 통해 외부의 수신장치(300)로 전송하게 되며, 수신장치(300)에서는 믹서(301) 및 신호처리기(302)를 거쳐 사용자가 판독할 수 있는 데이터 형태로 컴퓨터(303)에 저장되며, 이와 같은 상기의 과정들을 통해 두 물체 사이의 거리를 무선방식으로 측정할 수 있게 되는 것이다. 이와 같이, 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서는 전원공급장치가 필요 없이도 입력 IDT(102)에 인가되는 RF신호를 통하여 측정에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성이 가능하며, 감지된 위치신호를 무선으로 외부의 송수신장치에 전송할 수 있는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서를 이용하여 측정 가능한 다양한 형태의 측정 대상물을 예시한 것이다.
도 9a는 측정 대상물이 서로 평행한 두 평행판인 경우로서, 평팽판의 면적(S)와 커패시턴스(C)를 알면 두 평행판 사이의 거리(d)를 구할 수 있고, 측정 대상물이 도 9b 및 9c와 같이 원(圓) 또는 구(球)인 경우 원 또는 구의 면적과 커패시턴스를 알게 되면 각각의 직경(d)을 측정할 수 있다. 또한, 도 9d는 측정 대상물의 형상이 각각 직경 2a와 2b를 가지는 구형의 도체일 경우로서, 전체 커패시턴스(C)를 알면 관계식에 의해 거리(c)를 알 수 있다. 그리고, 도 9f와 같이 반경이 a이고, 전체 길이가 L인 두 개의 도선이 평행하게 놓여 있는 형상일 경우 두 도선간의 커패시턴스 C를 측정하면 도시된 관계식에 의해 간극 b를 측정할 수 있게 된다. 이를 표면 탄성파 용량성 센서에 적용 시에는 측정 대상물에서 a와 L은 정해지므로, b의 변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화와 그에 따른 표면 탄성파의 응답의 변화를 통해 간극 b를 측정할 수 있게 된다. 또한, 도 9g 및 9h와 같이, 길이가 L이고 반경이 a인 도선과 평행하게 놓인 평판 사이에는 도시된 관계식과 같은 커패시턴스 관계가 성립한다. 즉, 간극을 측정하려는 대상물들의 형태가 위의 두 그림처럼, 도선과 나란히 놓인 판의 형태로 되어 있다면, 위에 표현된 관계식에 의해, 거리 b에 따른 커패시턴스 관계가 성립하므로, 도선의 반경 a와 길이 L이 정해지면 정전용량 C와의 관계에 의해, 간극 b를 측정할 수 있다. 특히, 도 9h의 경우, b 또는 c만 정해지면 전체 정전 용량과의 관계를 통해 b 또는 c의 변화에 따른 C값의 변화를 통해, 그 거리 또는 간극을 측정할 수 있다. 이를 표면 탄성파 센서에 적용할 경우. 커패시턴스(C)의 변화에 따른 표면 탄성파 응답의 변화를 통해 그 간극을 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서의 간극 측정원리를 이용하게 되면, 서로 이격된 2개의 평행판 사이의 거리를 측정할 수 있는 것을 비롯하여, 원(圓)이나 구(球) 형태를 갖는 물체의 직경, 또는 2개의 구(球)나 봉(棒) 사이의 거리 등 다양한 형태를 갖는 도전성 또는 유전성 물체 사이의 거리를 유,무선 방식으로 측정 가능한 장점을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 탄성파 용량성 센서의 구조를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 무선방식 표면 탄성파 용량성 센서의 구조를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 유,무선 방식의 표면 탄성파 용량성 센서에 적용될 수 있는 입,출력 IDT의 다양한 패턴을 예시한 패턴도.
도 4는 본 발명에 따른 표면 탄성파 용량성 센서의 간격 측정 원리를 이용하여 하드디스크 드라이버의 슬라이더 부상 높이를 측정하는 모습을 보여주는 사용 상태도.
도 5 및 도 6은 도 4의 슬라이더 헤드 부분을 A 및 B 방향으로 바라본 모습을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 무선방식 표면 탄성파 용량성 센서의 구조를 도시한 구성도.
도 8은 도 7의 무선방식 표면 탄성파 용량성 센서에 의한 하드디스크 드라이버의 슬라이더 부상 높이를 측정하는 모습을 보여주는 사용 상태도.
도 9는 본 발명의 표면 탄성파 용량성 센서를 이용하여 측정 가능한 다양한 형태의 측정 대상물을 예시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 압전기판 102,103 : 입,출력 IDT
104,105 : 표면 탄성파 흡수재 106 : 외부전원
107 : 용량성 부하 109 : 안테나
200 : 하드디스크 202 : 디스크
203 : (Capacitor의) 전극 끝단 206 : 슬라이더

Claims (9)

  1. 외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와;
    상기 입력 IDT 로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와;
    상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며,
    상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화에 따라, 표면 탄성파 발생 후 출력 IDT에서 반사되어 입력 IDT로 재입사되는 신호를 측정하거나, 출력 IDT에서 흡수되어 발생한 전하가 서로 이격되어 구성되어 있는 측정 대상물을 통과할 때 걸리게 되는 서로 이격된 2개의 측정대상물 양단에서의 전압을 측정하여, 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결된 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  4. 서로 이격된 2개의 측정 대상물 사이의 거리를 측정할 수 있는 위치 측정 장치에 있어서,
    상기 2개의 측정 대상물 사이의 거리를 정전용량 변화에 따른 표면 탄성파의 응답특성의 변화를 통해 감지할 수 있는 표면 탄성파 센서를 구비하되,
    상기 표면 탄성파 센서는,
    외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와;
    상기 입력 IDT 로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와;
    상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며,
    상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화에 따라, 표면 탄성파 발생 후 출력 IDT에서 반사되어 입력 IDT로 재입사되는 신호를 측정하거나, 출력 IDT에서 흡수되어 발생한 전하가 서로 이격되어 구성되어 있는 측정 대상물을 통과할 때 걸리게 되는 서로 이격된 2개의 측정대상물 양단에서의 전압을 측정하여, 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결된 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)인 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
  7. 데이터가 저장되는 디스크와, 상기 디스크에 저장된 데이터를 읽거나 기록할 수 있는 헤드를 탑재한 슬라이더를 구비한 정보 저장 기기에 있어서,
    상기 디스크 표면으로부터 슬라이드의 부상(浮上) 높이를 측정할 수 있는 표면 탄성파 센서를 구비하되,
    상기 표면 탄성파 센서는,
    외부에서 인가된 신호에 의해 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 입력 IDT와;
    상기 입력 IDT로부터 발생하여 전달된 표면 탄성파를 흡수하여 전기신호로 바꾸거나 반사시키는 출력 IDT와;
    상기 입력 및 출력 IDT가 패터닝되는 압전 탄성재질의 기판을 포함하여 이루어지며,
    상기 출력 IDT를 서로 이격된 2개의 측정 대상물에 각각 연결하여 접속시킨 후, 상기 측정 대상물 사이의 간격 변화에 따라 발생하는 정전용량(capacitance) 변화에 따라, 표면 탄성파 발생 후 출력 IDT에서 반사되어 입력 IDT로 재입사되는 신호를 측정하거나, 출력 IDT에서 흡수되어 발생한 전하가 서로 이격되어 구성되어 있는 측정 대상물을 통과할 때 걸리게 되는 서로 이격된 2개의 측정대상물 양단에서의 전압을 측정하여, 상기 측정 대상물 사이의 미소 거리 및 변위를 측정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 정보 저장 기기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 입력 또는 출력 IDT에는 외부에서 인가되는 무선신호를 수신하거나 출력 신호를 송신할 수 있는 안테나가 연결된 것을 특징으로 하는 정보 저장 기기.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 출력 IDT와 접속되는 2개의 측정 대상물 중 적어도 어느 하나는 도전체(導電體) 또는 유전체(誘電體)인 것을 특징으로 하는 정보 저장 기기.
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