KR19980083237A - 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 정전력과 전압에 대한 비선형형을 보상함으로서 소망하는 제어성능을 얻을 수 있는 형상으로, 예를 들어, 연속으로 이어지는 삼각형형상, 일정간격의 삼각형형상, 일정간격으로 선단이 라운드된 형상, 일정간격의 톱형상으로 설계함으로서, 마이크로 액츄에이터가 요구체적을 추적할 수 있는 정도로 큰 정전력이 발생되어 이동변위가 커지게 되고, 또한 그 이동변위가 선형성을 가지므로서 제어가 용이하므로, 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 빗살형 일렉크로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 핑거의 형상을 변경함으로서 정전력(electrostatic force)을 증가시키고 정전력과 전압에 대한 비선형을 보상함으로서 소망하는 제어성능을 얻을 수 있는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.
통상적으로 마이크로 액츄에이터는 크게 전자장방식의 일렉트로마그네틱 마이크로 액츄에이터(Electromagnetic microactuator)와, 정전방식의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(Electorstatic microactuator)로 나누어지는 바, 정전력에 의해 구동되는 초소형의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 2개의 전극을 미소한 갭 간격으로 대향시키는 단순한 구조로서 마이크로 머시닝을 만들기 쉽고, 치수를 작게 하면 표면에 작용하는 힘인 정전력이 중력 등에 비해 지배적인 힘이 되기 때문에 미소변위생성능력을 가지므로 초정밀위치제어를 구현할 수 있으므로 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등과 같은 극히 정밀한 위치제어가 요구되는 시스템에 가장 널리 사용되고 있다.
이러한 마이크로 엑츄에이터는 예를 들어, 컴퓨터의 보조기억장치로서, 내부의 스핀들모터에 의해 고속으로 회전하는 디스크의 트랙에 기록된 데이터를 기록 또는 독출하기 위한 자기헤드(magnetic head)를 구비하는 하드디스크 드라이브의 분야에서 강력히 요망되는 것으로, 현재의 기억용량이 1 GB/in2정도에서는 필요없지만, 향후 2000년경에 가능할 것으로 예상하는 10 GB/ in2정도의 기억용량을 요하는 경우에는 반드시 필요한 것이 된다.
도 1 은 일반적인 하드디스크 드라이브(10)를 도시한 것으로써, 로터리 엑츄에이터(rotary actuator)(1)는 선회축(2)을 중심으로 회전가능하게 설치되고, 그 일단에 설치된 보빈(3)이 보이스코일모터(voice coil motor)의 작동에 의해 이동함에 따라 타측단에 설치된 서스펜션(5)이 디스크(6)의 양단에서 이동하면서 디스크(6)상의 트랙(track)에 데이터를 기록하거나 독출하게 된다. 이때, 서스펜션(5)의 선단부에는 자기헤드를 구비하는 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(7)가 마련되고, 이 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(7)의 하측에는 디스크(6)의 상면을 슬라이드 이동하는 슬라이더(도시하지 않음)가 설치된다. 이와 같이 로타리 액츄에이터는 보이스 코일 모터라고도 불리며, 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터와 함께 듀얼 스테이지 액츄에이터라 불린다.(Dual Stage System)
따라서 마이크로 액츄에이터(7)는 자기헤드(magnetic head)가 고속으로 회전하는 디스크(6) 표면의 기류에 의하여 상승되어 미세한 간극을 유지한채 이동하면서 디스크(6)상의 트랙에 데이터를 기록하거나 독출하게 된다. 즉, 디스크(6)에 데이터를 기록하거나 또는 읽으려고 할 때, 어느 위치를 읽거나 써야 하는지 알기 위하여 로터리 엑츄에이터(1)는 서스펜션(5)을 디스크(6)의 트랙(track)에 왕복운동시키면서 데이터를 시킹(seeking)하게 되고, 그 다음 서스펜션(5) 선단부에 설치된 마이크로 액츄에이터(7)가 다이렉트 신호(direct signal)에 의해 자기헤드를 미세하게 이동시켜 자기헤드가 찾고자 하는 데이터의 정확한 위치에 오도록 하므로써 데이터를 서치(search)하게 된다.
도 2는 이러한 하드디스크 드라이브에 사용되는 종래의 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 도시한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는, 좌우 양측에 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자(10)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된다. 전술한 한쌍의 고정자(10)의 복수개의 빗형상체(12)의 각각에는 복수개의 핑거(14)가 상방으로 돌출하고 있다. 이와 같은 고정자(10)의 빗형상체(12)사이에는 복수개의 핑거(24)가 하방으로 돌출되어 있는 복수개의 빗형상체(22)를 가지는 이동자(20)가 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된다.
한편, 소정의 탄성계수를 갖는 스프링(30)이 한쌍의 이동자(20)의 좌우에 각각 부착되고, 이 스프링(30)을 지지하고 전원을 공급하는 앵커(40)가 한쌍의 이동자(20)의 상하에 부착된다.
앵커(40)로부터 이동자(20)의 상하에 각각 전압이 인가되면, 고정자(10)와 이동자(20)사이의 전위차에 의해 이동자(20)가 탄력있게 이동된다. 이때 발생되는 정전력F은 다음 식과 같이, 이동자(13)의 이동변위X 및 스프링계수K에 비례한다.
F = K x X
그러나, 이와 같이 구성된 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는, 빗형상체의 핑거의 구조가 스트레이트형상으로 구성되어 있기 때문에, 이동 변위가 적으므로 정전력이 약하였다. 즉, 스트레이트형상의 핑거사이에 발생되는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 정전력은 핑거와 핑거사이에 발생하는 힘F(x)에 소위 트랜스버스 포스(transverse force)F(t)가 부가되는 것으로, 다음과 같이 계산된다.
여기서, n은 핑거의 수이고,는 공기중에서 8.854×10-12인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g1는 고정자 핑거의 선단과 이동자 빗형상체의 기저면까지의 갭이고, g2는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 빗형상체의 바닥면까지의 갭이고, lf는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한값이고, lb는 고정자 빗형상체의 폭길이이다.
따라서, 정전력은 전압의 제곱에 비례하지만, 트랜스버스갭 (g1, g2)이 크면 클수록 이동변위X의 선형성이 좋지 않으므로 최적의 제어성능을 낼수 없다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 고정자 및 이동자의 전위차에 의해 발생되는 정전력을 증가시켜 같은 전압에서도 이동변위를 크게하거나 전압인가시 정전력이 발생하였을 때의 이동자의 이동변위가 선형성(linearity)을 갖도록하여 제어성능을 개선할 수 있는 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.
상기의 목적은 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 빗형상체의 사이에서 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 스프링을 지지하면서 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하는 수단으로 이루어진 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전압의 인가시 발생되는 정전력을 증가하는 형상으로 변형한 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
도 1 은 일반적인 하드디스크 드라이브를 개략적으로 도시하는 평면도이고,
도 2 는 도 1의 하드디스크 드라이브에 사용된 종래의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 도시하는 구성도이고,
도 3 은 도 2의 고정자 및 이동자에 일정간격으로 형성된 스트레이트형 핑거를 나타내는 확대도이고,
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 고정자에 일정간격으로 형성된 사다리꼴형상의 핑거를 나타내는 확대도이고,
도 5 는 같은 크기의 구조에서의 도 4의 본 발명의 일실시예의 사다리꼴형상의 핑거와 도 3의 종래의 스트레이트형상의 핑거에 20 볼트의 전압을 인가시 정전력과 이동변위의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6 은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 고정자 및 이동자에 연속으로 이루어져서 형성된 삼각형형상의 핑거를 나타내는 확대도이고,
도 7 은 본 발명의 또다른 일실시예에 따라 고정자 및 이동자에 일정간격으로 형성된 삼각형형상의 핑거를 나타내는 확대도이고,
도 8 은 본 발명의 또다른 일실시예에 따라 고정자 및 이동자에 일정간격으로 형성된 선단이 라운드된 형상의 핑거를 나타내는 확대도이고,
도 9 은 본 발명의 또다른 일실시예에 따라 고정자 및 이동자에 일정간격으로 형성된 톱형상의 핑거를 나타내는 확대도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 ; 고정자12,22 ; 빗형상체
14,24 ; 스트레이트형 핑거20 ; 이동자
30 ; 스프링40 ; 앵커
50 ; 고정자54 ; 사다리꼴 핑거
70,90 ; 이동자64 ; 삼각형 핑거
80,100 ; 고정자84 ; 선단이 라운드된 핑거
94 ; 톱형상 핑거104110 ; 스프링
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 고정자에 일정간격으로 형성된 사다리꼴형상의 핑거를 나타내는 확대도이고, 도 5 는 같은 크기의 구조에서의 도 4의 본 발명의 일실시예의 사다리꼴형상의 핑거와 도 3의 종래의 스트레이트형상의 핑거에 20 볼트의 전압을 인가시 정전력과 이동변위의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 도 2에 도시된 바와 마찬가지로, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자(10)가 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지고, 각 빗형상체(12)마다 n 개의 핑거(14)가, 바람직하게는 197개의 핑거가 형성되어 있고, 이동자(50)는 복수개의 빗형상체(52)를 가지고, 각 빗형상체(52)마다 n + 1 개의 핑거(54)가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자(10)의 핑거(12)사이에서 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 소정의 탄성계수를 가진 스프링(30)이 상기 이동자(20)에 부착되며, 이 스프링(30)은 상기 고정자(10) 및 이동자(20)에 전원을 공급하는 앵커(40)에 지지되어 있다. 고정자(50)의 핑거(54)는 도 4에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 형상으로 형성되므로서 이동자(10)의 핑거(14)의 측면과 고정자(50)의 핑거(54)의 측면사이의 갭, 즉 g가 작게될 뿐만 아니라, 고정자(50)의 핑거(54)의 폭길이, 즉 lf가 증가되므로, 정전력이 크게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 작동은 이동자(10) 및 고정자(50)에 대략 10-40 볼트의 전압이 인가되면, 큰 정전력에 의해 이동자(10)가 고정자(50)쪽으로 많이 이동하여 고정자 핑거의 선단과 이동자 빗형상체의 기저면까지의 갭, 즉 g1이 더욱 줄어들게 되어 오버랩(overlap)되는 부분이 많아지며, 오버랩이 크면 클수록 정전력은 이론치보다 커진다는 프린징효과(fringing effect)에 의해 도 5에 도시된 바와 같이, 이동변위의 선형성이 양호해지므로 제어가 용이하게 된다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 고정자 및 이동자에 형성된 핑거의 형상을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 이동자(70) 및 고정자(80)각각의 빗형상체(72,82)의 핑거(64)는 도 6에서는 연속으로 이어지는 삼각형형상이고, 도 7에서는 일정하게 간격진 삼각형형상이고, 도 8의 핑거(84)는 일정간격으로 선단이 라운드된 형상으로 변형되어, 도 4와 마찬가지로 오버랩되는 부분이 커지게되므로, 정전력이 크게 되어 이동변위가 커지게 되고, 또한 그 이동변위가 선형성을 가지므로서 제어가 용이하게 된다.
한편, 도 9에서는 이동자 및 고정자(90,100)의 빗살형체(92,102)에 형성된 핑거(94,104)를 톱형상으로 변형하는 것으로, 핑거(94,104)에는 좌우로 돌출된 톱니(96,106)가 형성되어, 톱니상호간에 서로 교차하고 있으며, 이동자(90)의 좌우에 소정의 탄성계수를 가지는 스프링(110)이 부착되어, 이동자(90)는 좌우이동이 가능하다. 이동자와 고정자(90,100)에 전압이 인가되면, 전위차에 의해 이동자(90)와 고정자(100)의 각 빗살형체(92,102)사이에 정전력이 발생할 뿐만아니라, 톱니의 사이에서도 정전력이 발생하여 종래의 스트래이트형 핑거보다 큰 정전력이 커지므로, 이동변위가 커지게 되고, 또한 그 이동변위가 선형성을 가지므로서 제어가 용이하게 된다.
이상과 같이 개시된 실시예는 단지 예시적 의미일 뿐 제한적 의미를 갖는 것은 아니며 청구범위와 균등한 의미를 갖는 모든 변형예들 또한 본 발명의 범주내에 포함될 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 의하면, 핑거의 형상을 변형하므로서 정전력을 증가시켜서 이동변위를 크게하고, 그 이동변위의 선형성을 개선시키게 됨에 따라 제어가 용이해지므로, 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.
Claims (6)
- 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링을 지지하는 앵커로 이루어진 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서,상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 전압의 인가시 발생되는 정전력을 증가하는 형상으로 변형한 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정자의 빗형상체에 형성된 핑거는 일정간격의 사다리꼴형상인 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성된 핑거는 연속해서 인접하는 삼각형형상인 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성된 핑거는 일정간격의 삼각형형상인 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성된 핑거는 일정간격으로 선단이 라운드된 형상인 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성된 핑거는 일정간격의 톱형상으로 좌우로 돌출한 톱니를 각각 가지며, 상기 이동자는 그 핑거의 톱니가 상기 고정자의 핑거의 톱니사이에서 선형적으로 좌우 왕복운동이 가능하게 설치되고, 스프링은 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
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|---|---|---|---|
| KR1019970018439A KR19980083237A (ko) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터 |
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| KR1019970018439A KR19980083237A (ko) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터 |
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| KR19980083237A true KR19980083237A (ko) | 1998-12-05 |
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| KR1019970018439A KR19980083237A (ko) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터 |
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| KR (1) | KR19980083237A (ko) |
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| KR100301844B1 (ko) * | 1999-07-14 | 2001-11-01 | 구자홍 | 정전 구동형 마이크로-미러 소자 및 그를 이용한 광 픽업 장치 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
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