KR19990032953A - 마이크로 액튜에이터의 제어 장치 - Google Patents

마이크로 액튜에이터의 제어 장치 Download PDF

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Abstract

정전 방식의 마이크로 액튜에이터에 소정의 구동 전압을 인가하여, 상기 마이크로 액튜에이터 내부의 이동자와 고정자간에 정전력을 발생시킴으로서, 상기 이동자의 이동을 제어하는 제어 장치에 관한 것으로, 소정 전압에 대응되는 이동자의 이동 변위를 검출하여 이에 대응하는 신호를 발생하는 변위센서(41); 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호와 상기 변위 센서(41)로부터 제공되는 이동자의 이동 변위 신호간의 차이 신호를 발생하는 감산부(42); 감산부(42)에서 출력되는 차이 신호의 레벨이 낮아지는 방향으로 제어하는 제 1 제어부(43); 상기 제 1 제어부(43)에서 발생되는 제 1 전압의 레벨을 증/감하여 상기 마이크로 액튜에이터의 구동 전압으로 제공하되, 상기 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨에 의거한 피드포워드제어를 통해 상기 기준 이동 변위 신호에 대해 선형성을 갖고 있는 정전력과 변위를 생성시키는 역비선형 전압을 생성하는 보상부(45)를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

마이크로 액튜에이터의 제어 장치
본 발명은 마이크로 액튜에이터(micro-actuator)를 제어하는 제어 장치에 관한 것으로, 특히 정전력과 전압의 비 선형성에 대한 역함수를 이용하여 원하는 제어 성능을 구현할수 있는 빗살형(comb) 마이크로 액튜에이터의 제어 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 마이크로 액튜에이터는 크게 전자장 방식의 마이크로 액튜에이터와 정전 방식의 마이크로 액튜에이터로 나뉘어 지는바, 정전력에 의해 구동되는 정전 방식의 초소형의 빗살형 마이크로 액튜에이터는 2 개의 전극을 미소한 갭(gap)으로 대향시키는 단순한 구조로서 마이크로 머신을 만들기 쉽고, 치수를 작게하면 표면에 작용하는 힘인 정전력이 중력 등에 비해 지배적인 힘이 되기 때문에 미소 변위생성능력을 가지므로 초정밀위치제어를 구현할수 있으므로 하드 디스크 드라이브(hard disk drive)의 헤드, 마이크로포지셔너(micro positioner)등과 같은 극히 정밀한 위치 제어가 요구되는 시스템에 널리 사용될수 있다.
이러한 마이크로 액튜에이터는 예를들어, 컴퓨터의 보조 기억장치로서, 내부의 스핀들 모터(spindle motor)에 의해 고속으로 회전하는 디스크의 트랙에 기록된 데이터를 기록 또는 독출하기 위한 자기 헤드를 구비하는 하드 디스크 드라이버의분야에서 강력히 요망되는 것으로, 현재의 기억 용량인 1GB/in2정도에서는 필요없지만 향후 2000년 경에는 가능할 것으로 예상되는 10GB/in2정도의 기억 용량을 요하는 경우에는 반드시 필요하게 된다.
도 1에는 일반적인 하드 디스크 드라이브(100)가 도시된다. 도 1 에서, 로터리(rotary) 액튜에이터(1)는 선회축(2)을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 그 일단에 설치된 보빈(3)이 보이스 코일 모터(voice coil motor)의 작동에 의해 이동함에 따라 타측단에 설치된 서스펜션(5)이 디스크(6)의 양단에서 이동하면서 디스크(6)상의 트랙(track)에 따라 데이터를 기록하거나 독출하게 된다. 이때, 서스펜션(5)의 선단부에는 디스크(6)의 상면을 슬라이드(slide) 이동하는 슬라이더(도면에 도시되지 않았음)가 설치되며, 슬라이더에 자기 헤드를 구비하는 일렉트로스태틱(electrostatic)마이크로 액튜에이터(7)가 장착된다.
이와같이 로타리 액튜에이터는 보이스 코일모터(voice coil motor)라고도 불리우며, 일렉트로스태틱 마이크로 액튜에이터와 함께 듀얼 스테이지(dual stage) 액튜에이터라 불린다.
따라서 마이크로 액튜에이터(7)는 자기 헤드가 고속으로 회전하는 디스크(6) 표면의 기류에 의하여 상승되어 미세한 간극을 유지한채 이동하면서 디스크(6)상의 트랙에 데이터를 기록하거나 독출하는데 사용된다. 즉, 디스크(6)에 데이터를 기록하거나 또는 디스크(6)상의 데이터를 독출할려고 할 때, 어느 위치를 읽거나 써야 하는지 알기 위하여 로터리 액튜에이터(1)는 서스펜션(5)을 디스크(6)의 트랙에 왕복 운동시키면서 데이터를 탐색하게 되고, 그 다음 서스펜션(5) 선단부에 설치된 마이크로 액튜에이터(7)가 자기 헤드를 미세하게 이동시켜 자기 헤드가 찾고자 하는 데이터의 정확한 위치에 오도록 함으로서, 데이터를 탐색하게 된다.
도 2에는 이러한 하드디스크 드라이버에 적용되는 정전 방식의 빗살형 마이크로 액튜에이터에 대한 세부 구조도가 도시된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 정전 방식의 빗살형 마이크로 액튜에이터는 좌, 우 양측에 각각 다수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정 설치된다. 또한 한쌍의 고정자(10)의 다수개의 빗형상체(12) 각각에는 다수개의 핑거(14)가 상방향으로 돌출되어 있다. 이와같은 고정자(10)의 빗형상체(12) 사이에는 다수개의 핑거(24)가 하방향으로 돌출되어 있는 다수개의 빗형상체(22)를 가지는 이동자(20)가 선형적으로 왕복 운동이 가능하게 설치된다.
한편, 소정의 탄성 계수를 갖는 스프링(30)이 이동자(20)의 좌,우에 각각 부착되고, 이 스프링(30)을 지지하는 앵커(anchor)(50)가 이동자(20)의 상,하에 부착된다.
이와같은 구조로 이루어진 마이크로 액튜에이터의 고정자(10)와 이동자(20) 사이에 전압을 인가하면 고정자(10)와 이동자(20)사이의 전위차에 의거하여 이동자(20)가 탄력있게 이동된다.
즉, 고정자(10)와 이동자(20)사이에 소정의 구동 전압을 제공하면, 고정자(10)와 이동자(20)간에는 소정의 정전력이 발생하고, 이때 발생된 정전력에 의거하여 이동자(20)가 이동하게 되는 것이다.
여기에서, 고정자(10)와 이동자(20)사이의 구동 전압(V)과 정전력(Fe)간에는 다음과 같은 관계가 성립된다.
이때, 도 3을 참조하면, ε0 는 공기의 유전 상수, t는 핑거(14,24)의 두께, g는 고정자(10) 핑거(14)의 측면과 이동자(20) 핑거(24)의 측면간의 간극, g1은 고정자(10) 핑거(14)의 팁(tip)부분과 이동자(20) 빗형상체(22)간의 간극, 그리고 이동자(20) 핑거(24)의 팁(tip)부분과 고정자(10) 빗형상체(12)간의 간극이며, g2는 고정자(10)의 빗형상체(12)와 이동자(20) 빗형상체(22)간의 간극, lf 는 핑거(14,24)의 폭, lb 는 고정자(10) 빗형상체(12)의 끝단과 이동자(20) 빗형상체(22)의 끝단간의 폭, y1은 마이크로 액튜에이터의 변위를 나타낸다.
또한, n1 은 간극 g의 간극수를 나타내고, n2 는 간극 g1의 간극수를 나타내며, n3 은 간극 g2의 간극수를 나타낸다.
이와같은 수학식 1을 참조하면, 정전력(Fe)은 입력 전압(V)과 마이크로 액튜에이터의 변위(y1)의 함수이고, 입력 전압(V)에 대해 비 선형성을 갖고 있음을 알수 있다.
따라서, 고정자(10)와 이동자(20)사이에 소정의 구동 전압을 제공하고, 이때 발생된 정전력에 의거하여 이동자(20)를 이동시키도록 제어하는데 있어서, 정전력이 입력전압에 대해 비선형성을 갖고 있으므로, 종래에는 정전 방식의 마이크로 액튜에이터에 대한 위치 제어를 정밀하게 할수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 정전력과 입력전압간 비선형성의 역함수를 이용하여, 보다 정밀한 위치제어를 수행할 수 있는 마이크로 액튜에이터의 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 정전 방식의 마이크로 액튜에이터에 소정의 구동 전압을 인가하여, 상기 마이크로 액튜에이터 내부의 이동자와 고정자간에 정전력을 발생시킴으로서, 상기 이동자의 이동을 제어하는 제어 장치에 있어서: 상기 소정 전압에 대응되는 이동자의 이동 변위를 검출하여 이에 대응하는 신호를 발생하는 변위센서; 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호와 상기 변위 센서로부터 제공되는 이동자의 이동 변위 신호간의 차이 신호를 발생하는 감산부; 상기 감산부에서 출력되는 차이 신호의 레벨이 낮아지는 방향으로 제어하는 제 1 제어부; 상기 제 1 제어부에서 발생되는 제 1 전압의 레벨을 증/감하여 상기 마이크로 액튜에이터의 구동 전압으로 제공하되, 상기 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨에 의거한 피드포워드제어를 통해 상기 기준 이동 변위 신호에 대해 선형성을 갖고 있는 정전력과 변위를 생성시키는 역비선형 전압을 생성하는 보상부를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 하드 디스크 구조도,
도 2는 빗살형 마이크로 액튜에이터의 세부 구성도,
도 3은 도 2의 부분 확대도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 액튜에이터의 제어 장치에 대한 블럭 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40 : 마이크로 액튜에이터 41 : 변위 센서
42 : 감산부 43,451 : 제어부
45 : 보상부 46 : 증폭부
452 : 가산부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빗살형 마이크로 액튜에이터의 제어 장치에 대한 블록 구성도가 도시된다.
도 4에서, 참조번호 40은 도 2 에 도시된 구조의 마이크로 액튜에이터를 나타낸다. 또한, 변위 센서(41)는 마이크로 액튜에이터(40)의 이동자의 이동 변위(y1)를 검출하여 이에 대응하는 신호를 감산부(42)의 일입력단에 제공하고, 감산부(42)의 타입력단에는 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호가 제공된다.
제 1 제어부(43)의 제어 전압(V1)은 감산부(42)로부터 입력되는 신호의 레벨에 의해 결정되어, 보상부(45)에 제공된다.
한편, 참조번호 45는 보상부로서, 본원 발명의 가장 특징적인 점이라 할수 있는, 피드포워드제어에 의한 제어 성능 개선 작용을 한다. 보상부(45)는 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호가 입력되는 제 2 제어부(451)와, 가산부(452)로 구성된다.
여기에서, 제 2 제어부(451)는 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호를 입력으로하여 제 2 제어 전압(V2)을 발생한다. 가산부(452)는 제 1 제어부(43)의 출력과 제 2 제어부(451)의 출력을 가산하여 후단의 증폭부(46)에 제공하고, 증폭부(46)는 가산부(452)로부터 입력되는 전압을 증폭하여 마이크로 액튜에어터(40)의 구동 전압으로 제공한다.
이와 같이 구성된 빗살형 마이크로 액튜에이터의 제어 장치에 대한 동작 설명은 다음과 같다.
먼저, 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호가 외부로부터 감산부(42)에 제공되면, 감산부(42)는 변위 센서(41)에서 제공되는 마이크로 액튜에이터(40)의 이동자의 이동 변위(y1)에 대응하는 신호와의 차분을 연산하여 제 1 제어부(43)에 제공한다. 이때, 초기 상태에서는 마이크로 액튜에이터(40)의 이동자(20)의 이동 변위(y1)가 0일 것이므로, 초기상태에서의 감산부(42)의 출력은 실질적으로 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호와 같은 신호일 것이다.
제 1 제어부(43)는 감산부(42)의 출력 레벨을 검출한후, 감산부(42)의 출력 레벨에 대응되게 설정된 전압(V1)을 제공하고, 제 1 제어부(43)의 전압(V1)은 가산부(453)를 경유한후 증폭부(46)에서 증폭되어 마이크로 액튜에이터(40)에 인가된다.
이때, 본원 발명에 대한 이해를 보다 쉽게 하기 위하여 상술한 보상부(45)에 대한 작용은 이후에 설명하기로 한다. 즉, 도 4 와 같은 구성에서, 보상부(45)가 작용하지 않을 경우와, 보상부(45)가 작용할 경우를 대비해 봄으로서, 본원 발명을 보다 쉽게 이해할수 있을 것이다.
증폭부(46)에서 출력된 전압은 마이크로 액튜에이터(40) 내부의 고정자 핑거와 이동자 핑거간에 정전력을 발생시키고, 발생된 정전력에 의해 이동자의 변위(y1)를 제어한다.
이동자의 변위(y1)는 변위 센서(41)에 의해 감지되고, 변위 센서(41)에 의해 소정의 신호로 변환된 뒤 감산부(42)로 제공된다. 따라서, 감산부(42)는 기준 이동 변위(y2)에 대응하는 신호와 변위 센서(41)에서 제공되는 마이크로 액튜에이터(40)의 이동자의 이동 변위(y1)에 대응하는 신호와의 차분을 연산하여 제 1 제어부(43)에 제공한다. 제 1 제어부(43)는 감산부(42)에서 출력되는 차분 신호의 레벨을 검출하여, 차분 신호의 레벨에 대응되게 제어 전압(V1)을 제공한다. 이때, 제어 전압(V1)은 감산부(42)에서 출력하는 차분 신호의 레벨이 이전의 레벨보다 낮추어지도록 작용한다.
제 1 제어부(43)에 의해 제 1 제어 전압(V1)이 생성된후, 가산부(452)와 증폭부(46)를 경유하여 마이크로 액튜에이터(40)에 제공되고, 이에따라 마이크로 액튜에이터(40)의 이동자의 변위(y1)는 이전 상태에 비해, 기준 이동 변위(y2)에 보다 더 가깝게 접근하게 된다.
이와같이, 제 1 제어부(43)는 감산부(42)에서 출력되는 차분 신호가 0이되는 방향으로 제어 전압(V1)을 반복 제공한다. 즉, 제 1 제어부(43)는 변위 센서(41)에서 출력되는 신호가 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨을 추적하도록 제어함으로서, 결과적으로 변위 센서(41)에서 출력되는 신호의 레벨이 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨과 일치하도록 제어하는 작용을 하는 것이다.
여기까지는 도 4에서, 보상부(45)가 아무런 작용을 하지 않은 상태에서의 동작을 설명하였다. 그런데, 이와같이, 보상부(45)가 아무런 작용을 하지 않을 경우, 상술한 수학식 1에 나타난 바와 같이 정전력(Fe)과 마이크로 액튜에이터(40)에 입력되는 전압(V)에 대한 비 선형성으로 인하여 불충분한 제어 성능을 갖게 된다.
따라서 본원 발명에서는 이러한 제어 성능을 개선하기 위해서, 보상부(45)를 구비한 것으로, 이에 대한 동작 및 작용을 설명한다.
보상부(45)는 피드포워드 제어를 통해, 제 1 제어부(43)에서 출력되는 전압(V1)을 보상하는 작용을 하는 것으로, 외부로부터 제공되는 기준 이동 변위(y2) 신호가 제 2 제어부(451)에 입력된다.
제 2 제어부(451)는 외부로부터 제공되는 기준 이동 변위(y2) 신호의 레벨을 검출하여, 기준 이동 변위(y2) 신호의 레벨에 대응되게 설정된 전압이 출력되도록 한다. 즉, 제 2 제어부(451)는 기준 이동 변위(y2) 신호의 레벨에 대응한 제어 전압(V2)을 생성하여 가산부(452)에 제공하는 것이다.
이때, 보상부(45)가 피드포워드제어작용을 하기 위해서는 수학식 1의 역함수가, 아래의 수학식 2와 같이 정의되어야 한다.
여기에서, FL 은 기준 이동 변위(y2) 신호에 소정의 게인(gain) KF을 승산하여 생성한 선형 정전력이고, y2 는 기준 이동 변위이다.
또한 여기서, 소정의 게인 KF는 마이크로 액튜에이터의 스프링(30)으로 인한 스프링력(=스프링 강성(Ks)×변위(y1))에 근거하여 근본적으로 스프링 강성과 같은 값이다. 그러나 증폭부(46)가 고려되어야 하므로 증폭부(46)의 DC 게인을 Ka라 하고 스프링 강성을 Ks라 하면, 소정의 게인 KF는 으로 정의된다.
즉, 이다.
따라서, 제 2 제어부(451)는 기준 이동 변위(y2) 신호가 입력되면 이에 대한 레벨을 검출한후 수학식 2에 의거한 전압(V2)이 발생되도록 하여, 가산부(452)에 입력한다. 즉, 선형 정전력과 선형 변위를 생성하기 위한 역비선형성 전압(V2)를 생성시키는것이며, 이는 결국 입력 전압과 정전력의 관계는 비선형이지만, 정전력과 액튜에이터의 변위(y1)의 관계는 선형인 것을 역으로 이용하여, 선형 정전력과 선형 변위를 생성시키기 위한 역비선형 전압(V2)을 생성시키는 것이다.
가산부(452)는 제 1 제어부(43)의 출력 전압(V1)과 제 2 제어부(451)의 출력 전압을 가산하여 증폭부(46)에 제공하고, 증폭부(46)는 입력되는 전압(V1+V2)을 증폭하여 마이크로 액튜에이터(40)에 구동 전압(V)으로 인가한다.
여기에서, 증폭부(46)에 입력되는 전압(V1+V2)은 제 1 제어부(43)의 출력 전압(V1)이 피드포워드제어에 의해 개선된 제어 전압이라 할수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 마이크로 액튜에이터에 대해 피드포워드제어를 수행함으로서, 마이크로 액튜에이터에 인가되는 제어 전압과 정전력간의 비선형성에 대한 역함수가 포함되도록하여 제 1 제어부만으로는 달성할수 없는 만족스러운 제어 효과를 구현함으로서, 초정밀 위치제어를 할수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 정전 방식의 마이크로 액튜에이터에 소정의 구동 전압을 인가하여, 상기 마이크로 액튜에이터 내부의 이동자와 고정자간에 정전력을 발생시킴으로서, 상기 이동자의 이동을 제어하는 제어 장치에 있어서:
    상기 소정 전압에 대응되는 이동자의 이동 변위를 검출하여 이에 대응하는 신호를 발생하는 변위센서(41);
    외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호와 상기 변위 센서(41)로부터 제공되는 이동자의 이동 변위 신호간의 차이 신호를 발생하는 감산부(42);
    상기 감산부(42)에서 출력되는 차이 신호의 레벨이 낮아지는 방향으로 제어하는 제 1 제어부(43);
    상기 제 1 제어부(43)에서 발생되는 제 1 전압의 레벨을 증/감하여 상기 마이크로 액튜에이터의 구동 전압으로 제공하되, 상기 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨에 의거한 피드포워드제어를 통해 상기 기준 이동 변위 신호에 대해 선형성을 갖고 있는 정전력과 변위를 생성시키는 역비선형 전압을 생성하는 보상부(45)를 구비하여 구성한 마이크로 액튜에이터의 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상부(45)는:
    상기 외부로부터 입력되는 기준 이동 변위 신호의 레벨에 의거하여, 상기 기준 이동 변위 신호에 대해 선형성을 갖고 있는 정전력과 변위를 생성시키는 역비선형 전압을 발생하는 제 2 제어부(451);
    상기 제 1 제어부(43)에서 출력되는 제 1 전압과 상기 제 2 제어부(451)에서 출력되는 역 비선형 전압을 가산하여 상기 구동 전압으로 제공하는 가산부(4524)로 구성된 마이크로 액튜에이터의 제어장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 마이크로 액튜에이터는 :
    빗살형 마이크로 액튜에이터인 마이크로 액튜에이터의 제어장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100434543B1 (ko) * 2001-12-12 2004-06-05 삼성전자주식회사 마이크로 소자에 사용되는 운동 확대 시스템
KR100699855B1 (ko) * 2004-07-29 2007-03-27 삼성전자주식회사 마이크로 액츄에이터 스트로크 감도를 조정하기 위한 방법및 장치
KR100872121B1 (ko) * 2007-05-22 2008-12-05 삼성전기주식회사 액츄에이터 동작 감지 장치, 그 방법 및 이를 수행하는프로그램이 기록된 기록 매체

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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