KR19990026887A - 선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱마이크로 액츄에이터 - Google Patents

선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱마이크로 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거를 정전력과 전압에 대한 비선형을 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

선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터
본 발명은 빗살형 일렉크로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어가 필요할 때 마다, 필요한 만큼의 전압을 인가하므로서 양방향 제어시 적은 면적으로 스프링에 가해지는 힘을 경감할 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 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.
도 1에는 본 출원인에 의해 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터라는 명칭으로 1997년 5월 13일 출원된 한국 특허 출원 제 97-18439호에 기재된 마이크로 액츄에이터를 개시하고 있다.
개시된 정전 구동기로서의 마이크로 액츄에이터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 좌우 양측에 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자(10)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된다. 전술한 고정자(10) 각각의 복수개의 빗형상체(12)에는 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(15)가 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된다.
한편, 소정의 탄성계수를 갖는 스프링(17)이 한쌍의 이동자(15)의 좌우에 각각 부착되고, 이 스프링(17)을 지지하고 전원을 공급하는 앵커(19)가 한쌍의 이동자(15)의 상하에 부착된다.
앵커(19)로부터 이동자(15)의 상하에 각각 전압이 인가되면, 고정자(10)와 이동자(15)사이의 전위차에 의해 이동자(15)가 탄력있게 이동된다. 이때 발생되는 정전력F은 인가전압(V) 대 정전력(F)사이의 식은 다음과 같다.
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.
이 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 마이크로 액츄에이터는 전압이 인가되면, 정전기력은 인가되는 전압의 제곱에 비례하므로, 전압의 음양(+,-)에 관계없이, 고정자에 +전압이 인가되고, 이동자는 접지되어 있으므로, 언제나 당기는 힘만을 생성하게 되어, 이동자는 고정자가 있는 방향으로 움직이게 된다. 이러한 상태에서, 한쪽 방향만이 아니라 양쪽 방향 즉, 좌우로 모두 움직이게 하기 위해서는 마이크로 액츄에이터가 움직일 수 있는 변위, 예를 들어 제어에 필요한 범위의 변위의 중간 위치에 해당하는 전압을 이미 인가한 상태에서 제어에 필요한 만큼의 전압을 가감하여 좌우로 움직이게 하였다. 하지만, 이와 같은 종래의 마이크로 액츄에이터는 제어전에 이미 전압을 인가한 상태가 계속 유지되어야 하므로 스프링에 무리가 간다는 단점이 있었다. 이와 달리, 제어전에 미리 전압을 인가하지 않기 위해 두 개의 마이크로 액츄에이터를 사용한다 하더라도, 공간을 많이 차지 한다는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 고정자에 대해 소망하는 방향으로 이동자가 이동하도록 제어에 필요한 만큼의 전압을 인가하여 스프링에 무리를 주지 않고, 공간도 적게 차지하는 선택적 전압 인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선택적 전압 인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 일방향으로 돌출 형성되며, 상하 한쌍의 빗형상체씩 상기 핑거가 서로 대향되게 고정설치된 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 상하 양방향으로 돌출 형성되어, 상기 상하로 대향하여 고정 설치된 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 상기 상하 한쌍의 대향하여 고정 설치된 고정자중 소망하는 제어방향의 고정자에만 제어에 필요한 양만큼의 전압을 인가하는 선택 수단과, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고,
도 2는 도 1의 고정자 및 이동자사이에 발생하는 정전력을 설명하기 위한 확대도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고,
도 4는 도 3의 고정자 및 이동자사이에 전압을 인가하여 양방향 제어를 설명하기 위한 확대도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,30 ; 고정자 12,22 ; 빗형상체
14,24 ; 스트레이트형 핑거 15,40 ; 이동자
17 ; 스프링 19 ; 앵커
32,34 ; 빗형상체 36,38 ; 핑거
42 ; 빗형상체 44,46 ; 핑거
50 ; 절환 스위치 52,54 ; 스위치 단자
94 ; 톱형상 핑거 104,110 ; 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 선택적 전압 인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고, 도 4 는 도 3의 고정자 및 이동자사이에 전압을 인가하여 양방향 제어를 설명하기 위한 확대도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 도 3으로부터 잘 알 수 있는 바와 같이, 고정자(30)와 이동자(40)이외에는 도 1과 마찬가지의 구성이므로, 이동자(40)의 양단에 각각 부착된 스프링(17)과, 이 스프링(17)을 지지하는 앵커(19)에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 고정자(30)는 상하 한쌍씩 고정 설치된 복수개의 빗형상체(32)(34)를 가지며, 각 빗형상체(32)(34)마다 n 개의 핑거(36)(38)가 일방향으로 돌출 형성되어, 상하의 빗형상체(32)(34)의 각각의 핑거(36)(38)는 서로 대향되어 있다.
한편, 이동자(40)는 상기 상하 한쌍씩 고정 설치된 고정자(30)의 빗형상체(32)(34)사이에 각각이 배열되는 복수개의 빗형상체(42)를 가지고, 각 빗형상체(42)마다 n + 1 개의 핑거(44)(46)가 상하 양방향으로 돌출 형성되어, 핑거(44)는 고정자(30)의 상부 빗형상체(32)의 핑거(36)사이에서, 핑거(46)는 고정자(30)의 하부 빗형상체(34)의 핑거(38)사이에서 선형적으로 상하 왕복운동한다.
또한 본 발명의 빗살형 일렉트릭스테틱 마이크로 액츄에이터는 도 4에 도시된 바와 같이, 이동자(40)의 양방향 제어를 위해 선택 수단으로서의 절환 스위치(50)를 구비한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 선택적 전압인가에 의한 양방향 제어 작동을 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고정자(30)의 상부 빗형상체(32)는 단자(52)에 접속되고, 하부 빗형상체(34)는 단자(54)에 접속되어, 각 빗형상체(32)(34)는 절환 스위치(50)에 의해 선택적으로 +전원에 접속되는 반면, 이동자(40)의 빗형상체(42)의 각각은 접지 단자에 연결되어 있으므로, 소망하는 방향, 예를 들어, 이동자(40)를 상부로 이동하고자 하면, 고정자(30)의 상부 빗형상체(32)의 단자(52)로 절환 스위치(50)를 절환하여 제어에 필요한 양의 전압을 인가하고, 반대로 하부로 이동하고자 하면, 고정자(30)의 하부 빗형상체(34)의 단자(54)로 절환 스위치(50)를 절환하여 전압을 선택적으로 인가하여 제어한다.
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 선택적 전압인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 의하면, 전압이 미리 인가된 상태에서 제어를 실행해야 하는 종래에 비해, 소망하는 방향에 따라 선택적으로 필요한 전압을 인가하는 것만으로, 양방향 제어가 가능하므로 스프링에 무리한 힘이 가해지는 것이 방지되며, 두 대의 마이크로 액츄에이터를 사용하는 경우보다 적은 면적에서 실행될 수 있는 효과를 가진다.

Claims (3)

  1. 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서,
    각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 일방향으로 돌출 형성되며, 상하 한쌍의 빗형상체씩 상기 핑거가 서로 대향되게 고정설치된 고정자와,
    복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 상하 양방향으로 돌출 형성되어, 상기 상하로 대향하여 고정 설치된 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와,
    상기 상하 한쌍의 대향하여 고정 설치된 고정자중 소망하는 제어방향의 고정자에만 제어에 필요한 양만큼의 전압을 인가하는 선택 수단과,
    소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링과,
    상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적 전압 인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 선택 수단은 절환 스위치인 것을 특징으로 하는 선택적 전압 인가에 의한 양방향 제어의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.
  3. 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 일방향으로 돌출 형성되며, 상하 한쌍의 빗형상체씩 상기 핑거가 서로 대향되게 고정설치된 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 상하 양방향으로 돌출 형성되어, 상기 상하로 대향하여 고정 설치된 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커로 이루어진 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 양방향 제어 방법에 있어서,
    상기 상하 한쌍의 대향하여 고정 설치된 고정자중 소망하는 제어방향의 고정자에만 제어에 필요한 양만큼의 전압을 인가하여 양방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 양방향 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100513715B1 (ko) * 2000-12-20 2005-09-07 삼성전자주식회사 마이크로 스위칭 소자
KR100734285B1 (ko) * 2004-11-10 2007-07-02 삼성전자주식회사 하드 디스크 드라이브의 마이크로-액츄에이터 조립체와이를 구비한 헤드 짐발 조립체

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