KR20010026195A - 선형 엑튜에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엑튜에이션 변위를 정확히 제어하고 또한, 변위를 크게 할 수 있는 마이크로 엑튜에이터를 제공하기 위한 것으로서, 소정 형상의 제 1 요철부를 가지고 정전기력에 의해 구동되는 제 1 엑튜에이터와, 소정 형상의 제 2 요철부를 가지고 상기 제 1 요철부와 대응되도록 형성되어 상기 제 1 요철부의 구동력이 상기 제 2 요철부로 인가되어 다른 구동 방향을 갖는 제 2 엑튜에이터를 포함하여 구성되며, 엑튜에이터의 변위 및 속도를 제어 할 수 있으며 변위의 크기를 용이하게 증가시킬 수 있다.

Description

선형 엑튜에이터{linear actuator}

본 발명은 미세 구조물(microstructures)에 관한 것으로, 특히 빗면의 미끄러짐 효과를 이용한 선형 엑튜에이터에 관한 것이다.

최근 반도체 일괄 공정에 기초한 미세 구조물(microstructures) 제작 기술의 발전으로 인하여, 각종 센서 및 엑튜에이터, 광학 부품, 고주파 부품 등이 초소형으로 실리콘 등의 기판상에 집적된 형태로 제작되고 있다.

이 중에서도 선형 엑튜에이터는 미세 구조물에 변위를 갖도록 하는 장치로써, 마이크로 그리퍼(microgripper), 마이크로 스위치(microswitch), 마이크로 공진기, 마이크로 컨베이어 시스템, 마이크로 광스위치(micro optical switch) 등의 많은 응용분야에 활용되고 있다.

이러한 선형 엑튜에이터의 응용분야가 넓어지면서 각 응용분야에 적합하도록 다양한 구동방식과 형태로 발전을 거듭하고 있다.

현재 대표적인 구동방식으로는 정전기력을 이용한 콤(comb)형 엑튜에이터(comb actuator)와, 물질의 열팽창 차이를 이용한 엑튜에이터(thermal actuator), 그리고 기판과 구조물의 마찰력을 이용한 엑튜에이터(scratch drive actuator)등 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

첫째로 정전기력을 이용한 콤(comb)형 엑튜에이터(comb actuator)는 인가전압에 의해 구동되는 방식으로 간단한 구조로 구조물의 변위를 발생시킬 수 있고 엑튜에이션 동작시 전력소모가 매우 적어, 마이크로 공진기, 마이크로 그리퍼 등 매우 많은 분야에 응용되고 있다.

둘째로 물질의 열팽창 차이를 이용한 엑튜에이터는 상기 첫 번째 엑튜에이터보다 매우 큰 변위를 필요로 할 때 사용된다.

셋째로 기판과 구조물의 마찰력을 이용한 엑튜에이터는 비교적 적은 전압으로 큰 변위를 가진다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 엑튜에이터는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 상기 첫 번째 엑튜에이터(comb actuator)는 구동전압과 변위 간의 관계가 비선형적이고, 그 동작의 변위가 작다.

둘째, 상기 두 번째 엑튜에이터(thermal actuator)는 동작 속도가 느리고, 물질의 열팽창을 이용하기 때문에 구동에 따른 전력 소모가 많으며, 엑튜에이터에 열이 많이 발생하게 된다.

셋째, 상기 세 번째 엑튜에이터(scratch actuator)는 엑튜에이션 방향이 한 방향으로 제한되고, 경첩(hinge) 구조를 이용하기 때문에 제작 공정이 복잡하며 동작 속도가 늦다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 엑튜에이션 변위를 크게 하고, 상기 변위를 정확히 제어할 수 있는 선형 엑튜에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 빗면의 미끄러짐을 이용한 엑튜에이터의 구성도 및 동작도

도 2 는 본 발명에 따른 빗면의 미끄러짐을 이용한 엑튜에이터의 실시예

도 3 은 본 발명에 따른 콤형 엑튜에이터의 구동력을 이용한 빗면 미끄러짐 엑튜에이터의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 21, 31 : 주 엑튜에이터 12, 22, 23 : 보조 엑튜에이터

32, 33, 34, 35 : 가동전극부 36 : 고정전극부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선형 엑튜에이터의 특징은 소정 형상의 제 1 요철부를 가지고 정전기력에 의해 구동되는 제 1 엑튜에이터와, 소정 형상의 제 2 요철부를 가지고 상기 제 1 요철부와 대응되도록 형성되어 상기 제 1 요철부의 구동력이 상기 제 2 요철부로 인가되어 다른 구동 방향을 갖는 제 2 엑튜에이터를 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명에 따른 또 다른 특징은 제 1, 2 요철부의 한쪽 끝이 경사면을 가지는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 빗면의 미끄러짐을 이용하여 구동력과 수직한 방향으로의 변위를 유발하도록 하고, 구동 전압 또는 구동 전류를 구형파(square wave) 형태의 교류로 인가함으로써 구형파의 횟수로 변위의 크기를 제어하고, 구동 전압의 주파수 조절로 구동속도의 제어가 가능하도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 선형 엑튜에이터의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 빗면의 미끄러짐을 이용한 엑튜에이터의 구성도 및 동작도를 나타낸 것으로, 도 1을 보면 요철의 한쪽 끝이 경사면을 가지는 주 엑튜에이터(11)와 보조 엑튜에이터(12)로 구성된다.

이와 같이 구성된 엑튜에이터의 동작을 보면 도 1 (b)와 같이 일직선상에 각각 요철의 경사면에 대응하여 주 엑튜에이터(11)와 보조 엑튜에이터(12)가 일정 거리를 두고 위치하게 된다.

이어 도 1 (c)와 같이 상기 보조 엑튜에이터(12)가 인가전압에 의해 주 엑튜에이터(11) 방향인 아래 방향으로 변위를 일으키고, 그에 따라 각 엑튜에이터의 빗면 형태를 띈 요철부분은 서로 접한 상태가 된다.

그리고 지속적으로 보조 엑튜에이터(12)가 주 엑튜에이터(11) 쪽으로 변위를 가지면, 도 1 (d)와 같이 주 엑튜에이터(11)와 보조 엑튜에이터(12)가 접한 빗면에서 미끄러짐이 발생하여, 보조 엑튜에이터(12)는 주 엑튜에이터(11) 방향인 아래 방향으로 변위를 갖고, 주 엑튜에이터(11)는 빗면이 바라보는 방향과 반대 방향인 오른쪽 방향으로 변위를 갖게 된다.

이어 도 1 (e)와 같이 주 엑튜에이터(11)의 변위는 보조 엑튜에이터(12)와 접한 영역이 없어질 때까지 지속되며, 상기 접한 영역이 없어질 경우에는 도 1 (f)와 같이 주 엑튜에이터(11)의 움직임이 멈추고 보조 엑튜에이터(12)는 변위된 반대 방향인 위쪽으로 이동하게 된다.

그리고 도 1 (g)와 같이 보조 엑튜에이터(12)는 처음의 위치로 돌아가서 다음의 엑튜에이션을 위한 대기 상태가 된다.

이와 같이 보조 엑튜에이터(12)의 1 회 왕복운동으로 주 엑튜에이터(11)는 보조 엑튜에이터(12)에 형성된 요철부분의 폭 만큼 움직이게 된다.

결과적으로 상기 엑튜에이터는 보조 엑튜에이터(12)의 구동력이 빗면의 미끄러짐 효과를 이용하여 주 엑튜에이터(11)로 전달되는 것으로, 보조 엑튜에이터(12)의 구동력 방향과 주 엑튜에이터(11)의 변위가 90도의 차이를 가지게 된다.

도 2 는 본 발명에 따른 빗면의 미끄러짐을 이용한 엑튜에이터의 실시예를 나타낸 것으로, 도 2를 보면 주 엑튜에이터(21)의 변위 방향과 수직인 방향으로 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)가 설치되어 있으며, 상기 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)가 각각 1 회의 왕복운동을 하였을 때의 주 엑튜에이터 변위를 나타내었다.

이와 같이 구성된 주 엑튜에이터(21)가 변위되는 동작을 살펴보면 먼저, 도 2 (a)와 같이 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)는 대기 상태로 있게 된다.

이때, 상기 제 1 보조 엑튜에이터(22)의 요철은 주 엑튜에이터(21)의 요철과 일직선상에 대응되어 있고, 제 2 보조 엑튜에이터(23)의 요철은 주 엑튜에이터(21)의 요철과 비켜서 대응되어 있다.

그리고 도 2 (b)와 같이 인가 전압에 의해 제 1 보조 엑튜에이터(22)가 왕복 운동을 하게 된다.

그에 따라 주 엑튜에이터(21)는 제 1 보조 엑튜에이터(22)의 요철의 폭 만큼 주 엑튜에이터(21)에 형성된 빗면의 반대 방향으로 이동한다.

이어 도 2 (c)와 같이 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)가 대기상태가 이루어진다.

이때는 제 1 보조 엑튜에이터(22)의 요철이 주 엑튜에이터(21)의 요철과 비켜서 대응되게 되고, 제 2 보조 엑튜에이터(23)의 요철은 주 엑튜에이터(21)와 일직선상에 대응되게 된다.

그리고 도 2 (d)와 같이 다른 제 2 보조 엑튜에이터(23)가 인가 전압에 의해 왕복운동을 하여 상기 주 엑튜에이터(21)를 제 2 보조 엑튜에이터(23)의 요철의 폭 만큼 주 엑튜에이터(21)에 형성된 빗면의 반대 방향으로 이동시킨다.

이와 같이 상기 제 1 보조 엑튜에이터(22)와 제 2 보조 엑튜에이터(23)를 순차적으로 서로 교차하며 왕복운동을 함으로써 주 엑튜에이터(21)의 변위를 조절한다.

그리고 주 엑튜에이터(21)의 이동되는 거리를 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)의 요철의 폭을 임으로 선택하여 형성함으로써 미세하게 조절한다.

또한 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)의 왕복운동은 주 엑튜에이터(21)의 요철부분을 상하로 서로 어긋나게 형성하거나, 또는 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23) 각각을 서로 어긋나게 형성함으로써, 가능하게 된다.

이와 같이 형성함으로써, 상기 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23) 중 어느 하나가 1 회 왕복 운동을 종료한 후에, 또 다른 제 2, 1 보조 엑튜에이터(23)(22)중 어느 하나와 주 엑튜에이터(21)의 요철이 서로 마주보게 되고, 이어 상기 또 다른 제 2, 1 보조 엑튜에이터(23)(22)중 어느 하나의 1 회 왕복 운동에 의해 주 엑튜에이터(21)로 구동력이 전달되게 된다.

따라서, 상기 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)의 연속되는 왕복운동으로 주 엑튜에이터(21)의 계속적인 움직임을 발생하게 한다.

도 3 은 본 발명에 따른 콤형 엑튜에이터의 구동력을 이용한 빗면 미끄러짐 엑튜에이터의 구성도로써, 도 3을 보면 콤 구조를 가지고 기판상에 형성된 고정전극부(36)와, 상기 고정전극부(36)와 동일한 평면상에 형성되어 인가전압에 따라 상기 콤 구조와 상호 교차하여 구동되는 가동전극부(32)(33)(34)(35)로 구성된 보조 엑튜에이터(22)(23)와, 상기 보조 엑튜에이터(22)(23)의 상하의 움직임에 따라 좌우로 움직이는 주 엑튜에이터(31)로 구성된다.

도 3 에 구성된 엑튜에이터의 동작을 보면 보조 엑튜에이터(22)(23)는 정전기력을 이용하여 상기 고정전극부(36)와 가동전극부(32)(33)(34)(35)에 전압차가 형성되어, 그에 따른 정전기력에 의하여 가동전극부(32)(33)(34)(35)가 고정전극부(36) 쪽으로 움직이게 된다.

이 가동전극부(32)(33)(34)(35)의 움직임에 의하여 주 엑튜에이터(31)의 변위가 발생한다.

상기 도 2에서 설명한 두 개의 제 1, 2 보조 엑튜에이터(22)(23)와 하나의 주 엑튜에이터(21)는 한쪽 방향으로만 변위를 가질 수 있는데 반하여, 도 3은 네 개의 보조 엑튜에이터를 사용하여 양쪽 방향으로 변위를 가질 수 있도록 제작하였다.

즉, 주 엑튜에이터(31)에 형성된 요철의 빗면을 서로 반대되게 일련의 요철을 설계함으로써, 양방향으로 변위를 가질 수 있는 빗면 미끄러짐 엑튜에이터를 제작하였다.

따라서, 총 네 개의 보조 엑튜에이터(22)(23)가 필요하며, 한 방향으로의 변위가 필요한 응용 분야에서는 두 개의 보조 엑튜에이터(22)(23)와 하나의 주 엑튜에이터(31)로 구성하고, 양방향으로의 변위가 필요한 응용 분야에서는 네 개의 보조 엑튜에이터(22)(23)와 하나의 주 엑튜에이터(31)로 구성한다.

그리고, 요철 폭이 다른 보조 엑튜에이터(22)(23)를 별도로 구성하여 확장함으로써 주 엑튜에이터(31)의 변위를 수 마이크로미터 이하의 정밀도로, 수십 마이크로미터 이상의 움직임을 선택하여 조절한다.

이와 같이, 주 엑튜에이터(31)의 변위는 보조 엑튜에이터(22)(23)의 요철의 폭의 크기로 제어함으로써, 상기 보조 엑튜에이터(22)(23)의 1 회 왕복운동에 의해 주 엑튜에이터(31)의 단위 변위가 결정된다.

그리고, 보조 엑튜에이터(22)(23)로부터 주 엑튜에이터(31)로 힘을 전달하는 요철의 수를 증감시킴으로써 최대 변위량의 크기를 제어한다.

따라서, 미세가공기술이 허용하는 한계까지 많은 요철을 제작하여 최대 변위량을 크게 함으로써, 종래의 엑튜에이터들의 단점인 변위량이 작다는 점이 극복된다.

그리고, 주 엑튜에이터(32)는 보조 엑튜에이터(22)(23)의 왕복 운동에 의한 구동력으로 동작하므로 보조 엑튜에이터(22)(23) 왕복 운동의 속도를 증감하며 주 엑튜에이터(32)의 동작속도 또한 제어한다.

이와 같은 빗면 미끄러짐 엑튜에이터는 전력소모가 적고 직선 방향으로 긴 거리의 엑튜에이션이 필요한 응용분야에 적용가능하며, 엑튜에이터의 변위의 속도 및 단위 길이를 정수배로 조절 가능하다.

또한 주 엑튜에이터(31)가 어느 한 위치에서 고정되어 외력에 의한 변위가 없어야 하는 경우에는 마지막으로 동작한 보조 엑튜에이터(22)(23)의 구동 상태를 유지시킨다.

이렇게 함으로써, 주 엑튜에이터(31)의 요철과 보조 엑튜에이터(22)(23)의 요철이 서로 깍지 낀 형태를 유지하여 외력에 의한 주 엑튜에이터(31)의 변위를 막게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 선형 엑튜에이터는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 요철 빗면의 미끄러짐 효과를 이용하여 엑튜에이터의 변위 및 속도를 제어 할 수 있으며 변위의 크기를 용이하게 증가시킬 수 있다.

둘째, 요철의 폭인 수 마이크로미터 정도의 일정한 거리를 기본 단위로 하여 구동하므로 각 단위의 정수배에 해당하는 변위를 정확하게 제어할 수 있다.

셋째, 외력에 의한 불필요한 엑튜에이터의 변위를 제거할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 소정 형상의 제 1 요철부를 가지고 정전기력에 의해 구동되는 제 1 엑튜에이터와,

   소정 형상의 제 2 요철부를 가지고 상기 제 1 요철부와 대응되도록 형성되어 상기 제 1 요철부의 구동력이 상기 제 2 요철부로 인가되어 다른 구동 방향을 갖는 제 2 엑튜에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 엑튜에이터는 콤 구조를 가지고 기판상에 형성된 고정전극부와,

   상기 고정전극부와 동일한 평면상에 형성되어 인가전압에 따라 상기 콤 구조와 상호 교차하며 구동되는 가동전극부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 엑튜에이터는 상기 제 1 요철부에 대응하여 소정의 형상을 갖는 제 2 요철부와,

   상기 제 2 요철부와 연결되어 상기 제 1 요철부에서 전달된 구동력을 외부로 전달하는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1, 2 요철부의 한쪽 끝이 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1, 2 요철부의 경사면이 45 도인 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 요철부 및 제 2 요철부의 폭을 임의로 선택하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 엑튜에이터.