KR102526806B1 - 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터 - Google Patents

양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 진동체의 진동을 증폭 진동시키기 위해 양방향 정전기력 및 전자기력을 발생시키는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터에 관한 것이다. 이를 위해 제1 고전압 신호의 인가에 의해 제1 정전기력을 발생시키는 상부 정전기력 발생부, 제1 고전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 고전압 신호의 인가에 의해 제2 정전기력을 발생시키는 하부 정전기력 발생부, 제1 저전압 신호의 인가에 의해 제1 전자기력을 발생시키는 상부 전자기력 발생부, 제1 저전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 저전압 신호의 인가에 의해 제2 전자기력을 발생시키는 하부 전자기력 발생부, 제1,2 정전기력 및 제1,2 전자기력의 발생에 따라 진동을 발생시키는 진동 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터가 개시된다.

Description

양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터{Actuator using bi-directional electrostatic and electromagnetic}
본 발명은 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동체의 진동을 증폭 진동시키기 위해 양방향 정전기력 및 전자기력을 발생시키는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터에 관한 것이다.
종래의 특허문헌(대한민국 등록특허공보 10-1861620, 대한민국 등록특허공보 10-1917614)에 기재된 단방향 정전기력을 이용한 액추에이터는 단방향 정전기력을 이용(특히 공진주파수 및 맥놀이 주파수를 이용함에 의해서도)하기 때문에 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 진동체의 진동 폭이 작을 뿐만 아니라, 진동 폭을 크게 하기 위해서는 더 높은 고전압을 인가해야 하며 특히 고전압을 적어도 1.5kV 이상 인가해야 하는 문제점이 있다. 액추에이터는 고전압의 크기가 크면 클수록 회로의 복잡성과 액추에이터가 장착되는 장치에 적용되기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1861620 대한민국 등록특허공보 10-1917614 일본국 공개공보 JP 2011-206634 대한민국 등록특허공보 10-1549494 일본국 공개공보 JP 07132598 대한민국 공개공보 10-2016-0069752 "Capacitive RF MEMS switch dielectric charging and reliability : a critical review with recommendations”,WM van Spengen, J.Micromech. Microeng. 22 (2012) 074001(2012.6.22.)
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 양방향 정전기력 및 전자기력을 제공함으로써 종래에 비해 낮은 고전압 하에서도 더욱 큰 진폭을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 제1 고전압 신호의 인가에 의해 제1 정전기력을 발생시키는 상부 정전기력 발생부, 제1 고전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 고전압 신호의 인가에 의해 제2 정전기력을 발생시키는 하부 정전기력 발생부, 제1 저전압 신호의 인가에 의해 제1 전자기력을 발생시키는 상부 전자기력 발생부, 제1 저전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 저전압 신호의 인가에 의해 제2 전자기력을 발생시키는 하부 전자기력 발생부, 제1,2 정전기력 및 제1,2 전자기력의 발생에 따라 진동을 발생시키는 진동 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 제1 고전압 신호와 제2 고전압 신호는 180도의 위상 차이가 나며, 제1 저전압 신호와 제2 저전압 신호는 180도의 위상 차이가 나며, 제1 고전압 신호와 제1 저전압 신호, 제2 고전압 신호와 제2 저전압 신호는 서로 위상 동기된다.
또한, 제1 고전압 신호와 저전압 신호는 반주기 동안 인가되며, 제2 고전압 신호와 저전압 신호는 제1 고전압 신호와 제1 저전압 신호가 인가되지 않는 나머지 반주기 동안 서로 교차 인가된다.
또한, 제1,2 고전압 신호와 제1,2 저전압 신호는 양의 교류 값을 가진다.
또한, 제1 정전기력 및 제1 전자기력이 반주기 동안 생성됨으로써 진동 발생부를 상측방향으로 당기어 증폭된 탄성 진동력을 제공하고, 제2 정전기력 및 제2 전자기력이 나머지 반주기 동안 생성됨으로써 진동 발생부를 하측방향으로 당기어 증폭된 탄성 진동력을 제공하며, 제1,2 정전기력에 의해 양방향 정전기력이 발생되고, 제1,2 전자기력에 의해 양방향 전자기력이 발생된다.
또한, 기 설정된 직류 고전압을 생성 및 공급하는 고전압 발생부, 제1,2 고전압 신호와 제1,2 저전압 신호를 생성하도록 제1,2 고전압 제어신호 및 제1,2 저전압 제어신호를 생성하는 제어부, 제1 고전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지는 제1 고전압 신호를 생성하여 상부 정전기력 발생부에 공급하는 상부 전극 고전압 신호 생성부, 제2 고전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지면서 제1 고전압 신호와 180도 위상 차이가 나는 제2 고전압 신호를 생성하여 하부 정전기력 발생부에 공급하는 하부 전극 고전압 신호 생성부를 더 포함한다.
또한, 상부 전극 고전압 신호 생성부는 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 충전 신호를 생성하는 상부 전극 충전 신호 생성부, 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 방전 신호를 생성하는 상부 전극 방전 신호 생성부, 상부 전극 충전 신호의 입력에 따라 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 제1 교류 고전압을 생성하는 상부 전극 제1 스위칭부, 제1 교류 고전압을 반주기 동안 상부 정전기력 발생부에 공급하고, 상부 전극 방전 신호의 입력에 따라 나머지 반주기 동안 상부 정전기력 발생부에 충전된 전하를 방전시키는 상부 전극 제2 스위칭부를 포함하며,
하부 전극 고전압 신호 생성부는 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 충전 신호를 생성하는 하부 전극 충전 신호 생성부, 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 방전 신호를 생성하는 하부 전극 방전 신호 생성부, 하부 전극 충전 신호의 입력에 따라 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 제1 교류 고전압에 비해 180도 위상 차이가 나는 제2 교류 고전압을 생성하는 하부 전극 제1 스위칭부, 제2 교류 고전압을 제1 교류 고전압이 인가되지 않는 반주기 동안 하부 정전기력 발생부에 공급하고, 하부 전극 방전 신호의 입력에 따라 나머지 반주기 동안 하부 정전기력 발생부에 충전된 전하를 방전시키는 하부 전극 제2 스위칭부를 포함한다.
또한, 반주기 동안에 어느 하나의 정전기력 발생부에는 교류 고전압이 인가되고 나머지 하나의 정전기력 발생부에는 충전된 전하가 방전되는 순서를 서로 교차 반복한다.
또한, 진동 발생부는 질량부, 질량부의 내측에 삽입 고정되어 제1,2 저전압 신호의 인가에 따라 제1,2 전자기력을 발생시키는 자석부를 포함한다.
또한, 제1 저전압 신호와 제2 저전압 신호의 전류는 서로 반대방향으로 인가됨으로써 자석부와 함께 제1,2 전자기력을 생성시킨다.
또한, 제1 저전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지는 제1 저전압 신호를 생성하여 상부 전자기력 발생부에 공급하는 상부 전극 저전압 신호 생성부, 제2 저전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지면서 제1 저전압 신호와 180도 위상 차이가 나는 제2 저전압 신호를 생성하여 하부 전자기력 발생부에 공급하는 하부 전극 저전압 신호 생성부를 더 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 양방향 정전기력 및 전자기력을 제공함으로써 종래에 비해 낮은 고전압 하에서도 진동체의 진폭을 더욱 크게 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터의 구성을 대략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하부 정전기력 발생부 및 하부 전자기력 발생부를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상부 정전기력 발생부의 상부 전극부 및 하부 정전기력 발생부의 하부 전극부에 인가되는 제1,2 교류 고전압을 각각 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1,2 교류 고전압을 생성시키기 위한 구성을 대략적으로 나타낸 도면이고,
도 5(a) 및 도 5(b)는 종래의 단방향 정전기력을 이용한 액추에이터의 인가 신호 및 진동 폭을 나타낸 도면이고, 도 5(c) 및 도 5(d)는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 정전기력을 이용한 액추에이터의 인가 신호 및 진동 폭을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 정전기력 액추에이터 및 종래의 단방향 정전기력 액추에이터의 진동 폭 및 가속력을 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력 상부 전극부, 정전기력 하부 전극부, 전자기력 상부 전극부, 전자기력 하부 전극부에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 또한, 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터(10)는 수직방향으로 탄성 진동하는 진동부(310)에 양방향 정전기력 및 전자기력을 제공함으로써 탄성 진동을 더욱 증폭시키는 액추에이터이다. 이때, 양방향은 어느 하나의 정전기력과 다른 하나의 정전기력의 방향이 서로 반대이고, 어느 하나의 전자기력과 다른 하나의 전자기력의 방향이 서로 반대인 것을 의미한다. 따라서, 어느 하나의 정전기력과 전자기력의 방향이 동일하고, 다른 하나의 정전기력과 전자기력의 방향의 방향이 동일하다. 이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터(10)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1, 도 2 및 에 도시된 바와 같이 상부 정전기력 발생부(100), 상부 전자기력 발생부(700), 상부 간격부(200), 진동 발생부(300), 하부 간격부(400), 하부 정전기력 발생부(500), 하부 전자기력 발생부(800)를 포함한다. 이에 더해 도 4에 도시된 바와 같이 정전기력 발생부(100,500)에 인가되는 고전압 신호를 생성하는 고전압 발생부(610), 제어부(620), 상부 전극 고전압 신호 생성부(630), 하부 전극 고전압 신호 생성부(640)룰 포함한다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상부 전극 저전압 신호 생성부(650), 하부 전극 저전압 신호 생성부(660)를 포함한다.
먼저, 도 1을 참고하면 베이스 기재(11,12)의 내측에는 상부 정전기력 발생부(100), 상부 전자기력 발생부(700)와 하부 정전기력 발생부(500), 하부 전자기력 발생부(800)가 배치된다. 상부 정전기력 발생부(100)와 하부 정전기력 발생부(500)또는 상부 전자기력 발생부(700)와 하부 전자기력 발생부(800)의 사이 공간에는 질량부(310)가 배치되어 양방향 정전기력 및 전자기력의 발생에 따라 질량부(310)가 상하 진동하게 된다. 이때, 상부 정전기력 발생부(100)는 질량부(310)를 기준으로 상측방향의 정전기력(Fe1)을 발생시키며, 상부 전자기력 발생부(700)는 질량부(310)를 기준으로 상측방향의 전자기력(Fm1)을 발생시킨다. 하부 정전기력 발생부(500)는 질량부(310)를 기준으로 하측방향의 정전기력(Fe2)을 발생시키며, 하부 전자기력 발생부(800)는 질량부(310)를 기준으로 하측방향의 전자기력(Fm2)을 발생시킨다.
따라서 질량부(310)가 상측방향으로 탄성 진동하는 경우에는 상측방향의 정전기력(Fe1) 및 전자기력(Fm1)을 제공하여 질량부(310)의 탄성 진동을 상측방향으로 더욱 증폭시키며, 질량부(310)가 하측방향으로 탄성 진동하는 경우에는 하측방향의 정전기력(Fe2) 및 전자기력(Fm2)을 제공하여 질량부(310)의 탄성 진동을 하측방향으로 더욱 증폭시킨다.
상부 정전기력 발생부(100)는 정전기력 상부 전극부(110)와 상부 절연 필름부(120)를 포함한다. 정전기력 상부 전극부(110)는 상부 절연 필름부(120) 내에 포함된다. 상부 정전기력 발생부(100)는 질량부(310)를 기준으로 상측방향에 배치된다. 또한, 상부 정전기력 발생부(100)와 대응되는 하부 정전기력 발생부(500)는 정전기력 하부 전극부(510)와 하부 절연 필름부(520)를 포함한다. 정전기력 하부 전극부(510)는 하부 절연 필름부(520) 내에 포함된다. 하부 정전기력 발생부(500)는 질량부(310)를 기준으로 하측방향에 배치된다.
상부 전자기력 발생부(700)는 전자기력 상부 전극부(710)를 포함한다. 전자기력 상부 전극부(710)는 상부 절연 필름부(120) 내에 포함되면서 정전기력 상부 전극부(110) 보다 도 1을 기준으로 상측에 위치한다. 또한, 하부 전자기력 발생부(800)는 전자기력 하부 전극부(810)를 포함한다. 전자기력 하부 전극부(810)는 하부 절연 필름부(520) 내에 포함되면서 정전기력 하부 전극부(110) 보다 도 1을 기준으로 하측에 위치한다.
한편, 상부 정전기력 발생부(100) 및 상부 전자기력 발생부(700)를 상부 진동 생성부라 하고, 하부 정전기력 발생부(500) 및 하부 전자기력 발생부(800)를 하부 진동 생성부라 한다. 질량부(310)의 상측방향 탄성 진동을 위해 상부 진동 생성부와 질량부(310) 사이에는 기 설정된 상측방향 진동 공간(상부 진동 생성부와 질량부 사이의 떨어진 거리)이 형성된다. 또한, 질량부(310)의 하측방향 탄성 진동을 위해 질량부(310)와 하부 진동 생성부 사이에는 기 설정된 하측방향 진동 공간(질량부와 하부 진동 생성부 사이의 떨어진 거리)이 형성된다.
상측방향 진동 공간과 하측방향 진동 공간의 이격 거리는 도 1에 도시된 상부 간격부(상부 스페이서,200)와 하부 간격부(하부 스페이서,400)에 의해 이격이 조절된다. 상부 간격부(200)는 상부 진동 생성부와 진동 발생부(300) 사이 공간에 배치되어 상측방향 진동 공간이 마련되고, 하부 간격부(400)는 진동 발생부(300)와 하부 진동 생성부 사이 공간에 배치되어 하측방향 진동 공간이 마련된다. 상측방향 진동 공간과 하측방향 진동 공간의 각 이격 거리는 액추에이터(10)의 장착 환경에 따라 서로 달리 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 상측 방향 진동 공간에서는 상부 진동 생성부(100,700)에 의해 상측방향의 정전기력(Fe1) 및 전자기력((Fm1)이 발생되며, 하측 방향 진동 공간에서는 하부 진동 생성부(500,800)에 의해 하측방향의 정전기력(Fe2) 및 전자기력((Fm2)이 발생된다.
진동 발생부(300)는 질량부(질량체,310), 탄성부(방사형 빔 스프링부,320), 지지부(330) 및 자석부(311)를 포함한다. 질량부(310)는 질량을 가지는 몸체로서 그라운드와 전기적으로 접속된다.
질량부(310)의 내측에는 도 1에 도시된 바와 같이 자석부(311)가 배치된다. 자석부(311)는 영구자석으로서 상술한 상부 및 하부 전자기력 발생부(700,800)와 연동 되어 양방향 전자기력을 생성한다.
탄성부(320)는 질량부(310)의 외곽 둘레방향에 슬릿 홈(도면 미도시)을 포함하도록 형성됨으로써 질량부(310)가 탄성 진동하도록 한다. 지지부(330)는 질량부(310)가 탄성부(320)를 통해 탄성 지지되도록 한다. 즉, 진동 발생부(300)의 가장 외곽은 지지부(330)가 배치되고, 질량부(310)가 가장 중심에 배치되며, 질량부(310)와 지지부(330)의 사이 공간에 탄성부(320)가 형성된다.
도 2는 하부 진동 생성부이다. 도 2(a)는 정전기력 하부 전극부(510) 및 하부 절연 필름부(520)를 나타낸 것으로서 고전압 신호가 인가되며, 도 2(b)는 전자기력 하부 전극부(810) 및 하부 절연 필름부(520)를 나타낸 것으로서 저전압 신호가 인가된다. 상부 진동 생성부는 도 2의 하부 진동 생성부와 동일하며 인가 신호의 위상만 180도 다르다(도 7 참조).
전자기력 하부 전극부(810)는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 인가된 제2 저전압 신호의 전류가 원 둘레 방향으로 회전하도록 형성된다. 전자기력 상부 전극부(710)는 인가된 제1 저전압 신호의 전류가 원 둘레 방향으로 회전하도록 형성된다. 다만, 제1 저전압 신호의 전류 방향과 제2 저전압 신호의 전류 방향은 서로 반대방향으로 흐르도록 인가되는 것이 바람직하다.
상술한 상부 및 하부 진동 생성부에 인가되는 고전압 신호는 정전기력을 발생시키기 위한 고전압 신호이고, 저전압 신호는 전자기력을 발생시키기 위한 저전압 신호이다. 다만, 저전압 신호는 상술한 바와 같이 상부 및 하부 진동 생성부에 각각 인가될 때 전류의 방향이 서로 다르다.
도 3에 도시된 바와 같이 한 주기(T)를 기준으로 반주기 동안에는 위상이 180도 앞서는 제1 교류 고전압(HVcos(2πft+θ))이 정전기력 상부 전극부(110)에 인가되고, 나머지 반주기 동안에는 제1 교류 고전압에 비해 위상이 180도 뒤지는 제2 교류 고전압(HVcos(2πft))이 정전기력 하부 전극부(510)에 인가된다. 여기서 위상이 180도 앞선다는 의미는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 교류 고전압이 먼저 반주기 동안 인가되고 난 후에 뒤이어서 제2 교류 고전압이 나머지 반주기 동안 인가되는 것을 의미한다. 따라서 정전기력 상부 전극부(110)와 정전기력 하부 전극부(510)는 각각 180도 위상 차를 가지면서 반주기 동안 양의 값을 가지는 교류 고전압이 인가되며, 이를 순차적으로 반복 인가한다.
한편, 180도 위상 차를 가지면서 순차적으로 반주기 동안 제1 교류 고전압과 제2 교류 고전압을 교차 반복 인가하기 위해서는 위상을 정밀하게 맞추어 정전기력 상부 전극부(110) 및 정전기력 하부 전극부(510)에 인가하여야 한다.
도 3에 있는 제1,2 교류 고전압의 전압 크기는 설치 환경에 따라 대략 0.5 k ~ 4kV의 전압이 인가될 수 있다. 다만, 본 발명에서는 양방향 정전기력이 발생되어 질량부(310)를 탄성 증폭 진동시키기 때문에 기존에 비해 더욱 낮은 고전압을 인가하면서도 더욱 큰 폭으로 진동시킬 수 있는 장점이 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 고전압 발생부(610)는 대략 1.5kV의 직류 고전압을 생성하여 상부 전극 제1 스위칭부(633)로 공급한다.
제어부(620)는 제1 교류 고전압(HVcos(2πft+θ))와 제2 교류 고전압(HVcos(2πft))을 생성하도록 제1,2 고전압 제어신호를 생성한다. 생성된 제1 고전압 제어신호는 각각 상부 전극 충전 신호 생성부(631)와 상부 전극 방전 신호 생성부(632)로 전송된다. 또한, 생성된 제2 고전압 제어신호는 각각 하부 전극 충전 신호 생성부(641)와 하부 전극 방전 신호 생성부(642)로 전송된다.
상부 전극 고전압 신호 생성부(630)는 제1 고전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지는 제1 고전압 교류 신호를 생성하여 정전기력 상부 전극부(110)에 공급한다. 또한, 하부 전극 고전압 신호 생성부(640)는 제2 고전압 제어신호에 따라 양의 값을 가지면서 제1 고전압 교류 신호와 180도 위상 차이가 나는 제2 고전압 교류 신호를 생성하여 정전기력 하부 전극부(510)에 공급한다. 상부 전극 고전압 신호 생성부(630)와 하부 전극 고전압 신호 생성부(640)를 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
상부 전극 고전압 신호 생성부(630)는 상부 전극 충전 신호 생성부(631), 상부 전극 방전 신호 생성부(632), 상부 전극 제1 스위칭부(633), 상부 전극 제2 스위칭부(634)를 포함한다.
상부 전극 충전 신호 생성부(631)는 제어부(620)에서 수신한 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 충전 신호를 생성한다. 상부 전극 방전 신호 생성부(632)는 제어부(620)에서 수신한 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 방전 신호를 생성한다. 상부 전극 충전 신호 생성부(631) 및 상부 전극 방전 신호 생성부(632)는 구체적으로 디지털-아날로그 변환기와 증폭기로 각각 구성될 수 있다.
상부 전극 제1 스위칭부(633)는 상부 전극 충전 신호의 입력에 따라 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 제1 교류 고전압을 생성한다. 이때 생성되는 제1 교류 고전압은 양의 값을 가지는(즉, 음의 값을 가지지 않는) 교류 고전압 신호이다.
상부 전극 제2 스위칭부(634)는 상부 전극 제1 스위칭부(633)에서 제공되는 제1 교류 고전압을 반주기 동안 정전기력 상부 전극부(110)에 공급하고, 상부 전극 방전 신호의 입력에 따라 정전기력 상부 전극부(110)를 나머지 반주기 동안 그라운드와 전기적으로 접속시켜 정전기력 상부 전극부(110)에 충전된 전하를 방전시킨다. 이때, 정전기력 상부 전극부(110)를 그라운드에 전기적으로 접속시켜 줌으로써 정전기력 상부 전극부(110)에 충전된 전하를 순간적으로 신속히 방전시켜줄 수 있어 상측방향의 정전기력(Fe1)이 빨리 소멸되어 교차 생성되는 하측방향의 정전기력(Fe2)에 의해 질량부(310)가 하측방향으로 탄성 증폭 진동하는 것을 방해하지 않게 할 수 있는 장점이 있다.
하부 전극 고전압 신호 생성부(640)는 하부 전극 충전 신호 생성부(641), 하부 전극 방전 신호 생성부(642), 하부 전극 제1 스위칭부(643), 하부 전극 제2 스위칭부(644)를 포함한다.
하부 전극 충전 신호 생성부(641)는 제어부(620)에서 수신한 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 충전 신호를 생성한다. 하부 전극 방전 신호 생성부(642)는 제어부(620)에서 수신한 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 방전 신호를 생성한다. 하부 전극 충전 신호 생성부(641) 및 하부 전극 방전 신호 생성부(642)는 구체적으로 디지털-아날로그 변환기와 증폭기로 각각 구성될 수 있다.
하부 전극 제1 스위칭부(643)는 하부 전극 충전 신호의 입력에 따라 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 제1 교류 고전압에 비해 180도 위상 차이가 나는 제2 교류 고전압을 생성한다. 이때 생성되는 제2 교류 고전압은 양의 값을 가지는(즉, 음의 값을 가지지 않는) 교류 고전압 신호이다.
하부 전극 제2 스위칭부(644)는 하부 전극 제1 스위칭부(643)에서 제공되는 제2 교류 고전압을 제1 교류 고전압에 비해 180도 위상이 늦어지는 반주기 동안(즉, 제1 교류 고전압이 인가되지 않는 180도 위상이 늦어지는 반주기 동안) 정전기력 하부 전극부(510)에 공급하고, 하부 전극 방전 신호의 입력에 따라 정전기력 하부 전극부(510)를 나머지 반주기 동안 그라운드와 전기적으로 접속시켜 정전기력 하부 전극부(510)에 충전된 전하를 방전 방전시킨다. 방전시키는 이유는 상술한 바와 같다.
도 5는 종래의 단방향 정전기력 액추에이터에 의한 진동과 본 발명에 따른 양방향 정전기력 액추에이터에 의한 진동을 비교 설명한 도면이다. 도 5(a) 및 도5(b)의 단방향 정전기력 액추에이터에 의해 생성된 진동에 비해 도 5(c) 및 도 5(d)의 양방향 정전기력 액추에이터에 의해 생성된 진동이 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 시뮬레이션 결과에서도 알 수 있는 바와 같이 기존의 단방향에 비해 진동 및 가속력이 양방향 일 때 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 정전기력 및 전자기력을 함께 이용하므로 도 5 및 도 6에 도시된 진동에 비해 더 큰 진동을 생성시킬 수 있다.
도 3 및 도 7을 참고하여 상술한 설명을 종합하면, 정전기력 상부 전극부(110)에는 반주기 동안(T/2 시간 동안) 제1 교류 고전압 신호(HV|cos(2πft+ θ)|)이 인가 되고, 정전기력 하부 전극부(510)에는 나머지 반주기 동안(T/2 시간 동안) 제2 교류 고전압 신호(HV|cos(2πft)|)가 인가 된다. 이때, 나머지 반주기 동안에는 제2 교류 고전압 신호가 인가되면서 동시에 정전기력 상부 전극부(110)이 방전되고, 순차적으로 다음 반주기 동안에는 제1 교류 고전압 신호가 인가되면서 동시에 정전기력 하부 전극부(510)이 방전된다. 따라서 반주기 동안에 어느 하나의 전극부에는 교류 고전압 신호가 인가되고 나머지 하나의 전극부에는 충전된 전하가 방전되는 순서를 서로 교차 반복한다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이 전자기력 상부 전극부(710)에는 반주기 동안(T/2 시간 동안) 제1 교류 저전압 신호(V|cos(2πft+ θ)|)가 인가 되고, 전자기력 하부 전극부(810)에는 나머지 반주기 동안(T/2 시간 동안) 제2 교류 저전압 신호Vh|cos(2πft)|)가 인가 된다. 따라서 어느 하나의 전극부에 반주기 동안 교류 저전압 산호가 인가되면 나머지 하나의 전극부에는 다음 반주기 동안 교류 저전압신호가 인가됨으로써 순서를 서로 교차 반복한다.
또한, 제1 교류 고전압 신호와 제1 교류 저전압 신호는 인가 전압의 위상이 서로 동일하며, 따라서 동시에 각각 정전기력 상부 전극부(110)와 전자기력 상부 전극부(710)에 인가된다. 제2 교류 고전압 신호와 제2 교류 저전압 신호는 인가 전압의 위상이 서로 동일하며, 따라서 동시에 각각 정전기력 하부 전극부(510)와 전자기력 하부 전극부(810)에 인가된다. 다만, 제1 교류 고전압 신호와 제1 교류 저전압 신호 대비 제2 교류 고전압 신호와 제2 교류 저전압 신호는 서로 위상 차이가 180도 나도록 인가되는 것이 바람직하다.
한편, 제어부(620)는 제1,2 고전압 제어신호 및 제1,2 저전압 제어신호를 생성한다. 상부 전극 저전압 신호 생성부(650)는 제어부(620)의 제1 저전압 제어신호의 입력에 따라 반주기 동안 양의 값을 가지는 제1 교류 저전압 신호를 생성하여 전자기력 상부 전극부(710)에 공급한다.
하부 전극 저전압 신호 생성부(660)는 제어부(620)의 제2 저전압 제어신호에 따라 나머지 반주기 동안(제1 저전압 신호와 180도 위상 차이) 양의 값을 가지는 제2 교류 저전압 신호를 생성하여 전자기력 하부 전극부(810)에 공급한다.
이때, 제1 교류 저전압 신호의 전류 방향과 제2 교류 저전압 신호의 전류 방향은 양방향 전자기력을 생성하기 위해 서로 전류 방향이 반대가 되도록 인가 하는 것이 바람직하다.
본 발명을 설명함에 있어 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다. 또한, 상술한 본 발명의 구성요소는 본 발명의 설명의 편의를 위하여 설명하였을 뿐 여기에서 설명되지 아니한 구성요소가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 추가될 수 있다.
상술한 각부의 구성 및 기능에 대한 설명은 설명의 편의를 위하여 서로 분리하여 설명하였을 뿐 필요에 따라 어느 한 구성 및 기능이 다른 구성요소로 통합되어 구현되거나, 또는 더 세분화되어 구현될 수도 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성 또는 본 발명의 각 구성에 대한 결합관계에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
10 : 양방향 정전기력 액추에이터
11,12 : 베이스 기재
100 : 상부 정전기력 발생부
110 : 정전기력 상부 전극부
120 : 상부 절연 필름부
200 : 상부 간격부
300 : 진동 발생부
310 : 질량부
311 : 자석부
320 : 탄성부 또는 방사형 빔 스프링부
330 : 지지부
400 : 하부 간격부
500 : 하부 정전기력 발생부
510 : 정전기력 하부 전극부
520 : 하부 절연 필름부
610 : 고전압 발생부
620 : 제어부
630 : 상부 전극 고전압 신호 생성부
631 : 상부 전극 충전 신호 생성부
632 : 상부 전극 방전 신호 생성부
633 : 상부 전극 제1 스위칭부
634 : 상부 전극 제2 스위칭부
640 : 하부 전극 고전압 신호 생성부
641 : 하부 전극 충전 신호 생성부
642 : 하부 전극 방전 신호 생성부
643 : 하부 전극 제1 스위칭부
644 : 하부 전극 제2 스위칭부
650 : 상부 전극 저전압 신호 생성부
660 : 하부 전극 저전압 신호 생성부
700 : 상부 전자기력 발생부
710 : 전자기력 상부 전극부
800 : 하부 전자기력 발생부
810 : 전자기력 하부 전극부

Claims (11)

  1. 제1 고전압 신호의 인가에 의해 제1 정전기력을 발생시키는 상부 정전기력 발생부,
    상기 제1 고전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 고전압 신호의 인가에 의해 제2 정전기력을 발생시키는 하부 정전기력 발생부,
    제1 저전압 신호의 인가에 의해 제1 전자기력을 발생시키는 상부 전자기력 발생부,
    상기 제1 저전압 신호와 위상 차이가 나는 제2 저전압 신호의 인가에 의해 제2 전자기력을 발생시키는 하부 전자기력 발생부,
    상기 제1,2 정전기력 및 제1,2 전자기력의 발생에 따라 진동을 발생시키는 진동 발생부를 포함하며,
    상기 상부 정전기력 발생부 및 상부 전자기력 발생부는 각각 정전기력 상부 전극부 및 전자기력 상부 전극부를 포함하고, 상기 하부 정전기력 발생부 및 하부 전자기력 발생부는 각각 정전기력 하부 전극부 및 전자기력 하부 전극부를 포함하며,
    상기 전자기력 상부 전극부가 정전기력 상부 전극부 보다 상측에 배치되며,
    상기 전자기력 하부 전극부가 정전기력 하부 전극부 보다 하측에 배치되며,
    상기 제1 고전압 신호와 제2 고전압 신호는 180도의 위상 차이가 나며,
    상기 제1 저전압 신호와 제2 저전압 신호는 180도의 위상 차이가 나며,
    상기 정전기력 상부 전극부에 입력되는 상기 제1 고전압 신호와 상기 전자기력 상부 전극부에 입력되는 상기 제1 저전압 신호는 위상 동기되며,
    상기 정전기력 하부 전극부에 입력되는 상기 제2 고전압 신호와 상기 전자기력 하부 전극부에 입력되는 상기 제2 저전압 신호는 서로 위상 동기되는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 저전압 신호의 전류 방향과 제2 저전압 신호의 전류 방향은 서로 반대방향으로 흐르도록 인가되는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 고전압 신호와 상기 저전압 신호는 반주기 동안 인가되며,
    상기 제2 고전압 신호와 상기 저전압 신호는 상기 제1 고전압 신호와 제1 저전압 신호가 인가되지 않는 나머지 반주기 동안 서로 교차 인가되는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1,2 고전압 신호와 제1,2 저전압 신호는 양의 교류 값을 가지는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 정전기력 및 제1 전자기력이 상기 반주기 동안 생성됨으로써 상기 진동 발생부를 상측방향으로 당기어 증폭된 탄성 진동력을 제공하고,
    상기 제2 정전기력 및 제2 전자기력이 상기 나머지 반주기 동안 생성됨으로써 상기 진동 발생부를 하측방향으로 당기어 증폭된 탄성 진동력을 제공하며,
    상기 제1,2 정전기력에 의해 양방향 정전기력이 발생되고,
    상기 제1,2 전자기력에 의해 양방향 전자기력이 발생되는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  6. 제 4 항에 있어서,
    기 설정된 직류 고전압을 생성 및 공급하는 고전압 발생부,
    제1,2 고전압 신호와 제1,2 저전압 신호를 생성하도록 제1,2 고전압 제어신호 및 제1,2 저전압 제어신호를 생성하는 제어부,
    상기 제1 고전압 제어신호에 따라 상기 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 기초로 상기 양의 값을 가지는 제1 고전압 신호를 생성하여 상기 상부 정전기력 발생부에 공급하는 상부 전극 고전압 신호 생성부,
    상기 제2 고전압 제어신호에 따라 상기 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 기초로 상기 양의 값을 가지면서 상기 제1 고전압 신호와 180도 위상 차이가 나는 제2 고전압 신호를 생성하여 상기 하부 정전기력 발생부에 공급하는 하부 전극 고전압 신호 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 전극 고전압 신호 생성부는,
    상기 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 충전 신호를 생성하는 상부 전극 충전 신호 생성부,
    상기 제1 고전압 제어신호에 따라 상부 전극 방전 신호를 생성하는 상부 전극 방전 신호 생성부,
    상기 상부 전극 충전 신호의 입력에 따라 상기 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 제1 교류 고전압을 생성하는 상부 전극 제1 스위칭부,
    상기 제1 교류 고전압을 반주기 동안 상기 상부 정전기력 발생부에 공급하고, 상기 상부 전극 방전 신호의 입력에 따라 나머지 반주기 동안 상기 상부 정전기력 발생부에 충전된 전하를 방전시키는 상부 전극 제2 스위칭부를 포함하며,
    상기 하부 전극 고전압 신호 생성부는,
    상기 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 충전 신호를 생성하는 하부 전극 충전 신호 생성부,
    상기 제2 고전압 제어신호에 따라 하부 전극 방전 신호를 생성하는 하부 전극 방전 신호 생성부,
    상기 하부 전극 충전 신호의 입력에 따라 상기 고전압 발생부에서 제공되는 직류 고전압을 스위칭하여 상기 제1 교류 고전압에 비해 180도 위상 차이가 나는 제2 교류 고전압을 생성하는 하부 전극 제1 스위칭부,
    상기 제2 교류 고전압을 상기 제1 교류 고전압이 인가되지 않는 반주기 동안 상기 하부 정전기력 발생부에 공급하고, 상기 하부 전극 방전 신호의 입력에 따라 나머지 반주기 동안 상기 하부 정전기력 발생부에 충전된 전하를 방전시키는 하부 전극 제2 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  8. 제 3 항에 있어서,
    반주기 동안에 어느 하나의 정전기력 발생부에는 교류 고전압이 인가되고 나머지 하나의 정전기력 발생부에는 충전된 전하가 방전되는 순서를 서로 교차 반복하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 발생부는,
    질량부,
    상기 질량부의 내측에 삽입 고정되어 상기 제1,2 저전압 신호의 인가에 따라 상기 제1,2 전자기력을 발생시키는 자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 저전압 신호와 제2 저전압 신호의 전류는 서로 반대방향으로 인가됨으로써 상기 자석부와 함께 상기 제1,2 전자기력을 생성시키는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 저전압 제어신호에 따라 상기 양의 값을 가지는 제1 저전압 신호를 생성하여 상기 상부 전자기력 발생부에 공급하는 상부 전극 저전압 신호 생성부,
    상기 제2 저전압 제어신호에 따라 상기 양의 값을 가지면서 상기 제1 저전압 신호와 180도 위상 차이가 나는 제2 저전압 신호를 생성하여 상기 하부 전자기력 발생부에 공급하는 하부 전극 저전압 신호 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 정전기력 및 전자기력을 이용한 액추에이터.
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