KR20050020381A - 대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터에 관하여 개시된다. 개시된 2축 액츄에이터는, 기판; 상기 기판 상에 고정된 대략 4각형상 변을 가지는 앵커부; 상기 앵커부 내의 양측에서 상기 기판으로부터 이격되어서 각각 서로 마주보는 제1방향으로 구동되는 제1구동부들; 상기 제1구동부들 사이에서 양측에서 서로 마주보는 방향으로 구동되는 제2구동부들; 상기 제2구동부들의 상부에 배치되어 상기 제2방향으로 구동되는 사각형상의 스테이지; 상기 스테이지 및 상기 앵커부로부터 소정거리 이격되며, 상기 각 제1구동부의 상부에서 그 양측에서 서로 마주보게 연장되어 하나의 몸체로 형성된 제3구동부; 상기 제1구동부가 상기 앵커부의 내면에 지지된 제1방향 변형 스프링부; 및 상기 제2구동부가 상기 제3구동부의 내면에 지지되도록 형성된 제2방향 변형 스프링부;를 구비한다. 이에 따르면, 스테이지를 구동부의 상부에 별도로 형성함으로써 구동장치 면적에 대해 스테이지 면적(저장면적)이 현저하게 증가되며, 또한 X 축 및 Y 축 이동시 축간 간섭이 없는 저장장치용 XY 스테이지 마이크로구동기가 된다.

Description

대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터{Two-axis actuator with large stage}

본 발명은 2축 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SPM(Scanning Probe Microscope) 기술을 응용한 데이터 저장 시스템에 사용되는 X-Y 스테이지(stage) 마이크로 구동기(micro actuator)에 관한 것이다.

SPM기술을 응용한 데이터 저장 시스템은 크게 저장 매체인 미디엄(medium), 이를 스테이지 위에 장착하여 XY 방향으로 구동하는 구동기, 미디엄에 정보를 저장하거나 혹은 미디엄에 있는 정보를 읽는 탐침(tip)을 가진 하나 이상의 프로브(probe), 그리고 이러한 정보신호를 처리하는 신호처리부로 이루어진다.

다중 프로브는 동시에 하나 이상의 정보를 저장하거나 읽을 수 있으며 이를 위해 프로브에 있는 탐침은 미디엄에 접근해야 한다. 따라서 프로브는 구동기(actuator) 및 감지기(sensor)를 필요로 한다. 상기 구동기는 프로브의 탐침부를 미디엄에 근접시키도록 프로브를 z 방향으로 변형시키는 역할을 한다. 또한 상기 감지기는 미디엄 위에 저장된 정보에 따라 반응하는 프로브의 변형을 감지하여 정보를 읽는다.

X-Y 방향 등의 2축 이상의 구동을 위해서는, 각 축에 단 방향 구동인 경우 구동부에 최소 3개 이상의 전극이 필요하게 되며 각 축에 양쪽 방향으로 구동을 할 경우 최소 5개의 전극이 필요하게 된다. 미국특허 5,536,988호에는 하나의 실리콘 구조물에서 이러한 여러 전극을 요구하는 구동부를 선택 영역의 열산화 (theraml oxidation) 절연 방식을 이용하여 2축 구동이 가능하게 하였다. 이 방식은 2축 구동시 발생하는 전극 문제를 해결한 방법이지만 복잡한 공정을 요구하게 된다.

미국특허 6,445,107호에는 상기한 문제점을 고려하여 구동부를 하나의 전극을 사용하여 2축 구동이 가능한 싱글 스테이지 마이크로 구동기가 개시되어 있다.

그러나, 상기 특허들에는 미디엄이 놓이는 스테이지가 정전력을 제공하는 구동부와 동일한 평면에 형성되기 때문에 마이크로 구동기 전체에 대한 스테이지 사용영역의 비효율성 문제가 있으며, 따라서 미디엄 면적이 좁아서 정보저장용량이 작아지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 스테이지를 구동부의 상부에 배치함으로써 스테이지의 영역을 확장하여 정보저장용량을 극대화시킬 수 있는 대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 축간 커플링이 없는 대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판;

상기 기판 상에 고정된 대략 4각형상 변을 가지며, 마주보는 한 쌍의 제1방향의 양변에 각각 대응하는 다수의 공간이 형성된 앵커부;

상기 제1방향 변에 수직인 제2방향의 변에 인접한 각 영역에서, 각각 서로 마주보는 상기 제1방향으로 구동되는 제1구동부들;

상기 기판으로부터 상방으로 소정거리 이격되게 설치되며, 상기 제1구동부들 사이에서 상기 제2방향 변에 인접한 각 영역에서 서로 마주보는 상기 제2방향으로 구동되는 제2구동부들;

상기 제2구동부들의 상부에 배치되어 상기 제2방향으로 구동되는 사각형상의 스테이지;

상기 스테이지 및 상기 앵커부로부터 소정거리 이격되며, 상기 각 제1구동부의 상부에서 그 양측에서 서로 마주보게 연장되어 하나의 몸체로 형성되어 상기 제1구동부의 상기 제1방향으로의 구동시 상기 스테이지를 상기 제1방향으로 구동시키는 제3구동부;

상기 제1구동부가 상기 앵커부의 내면에 지지되어서 상기 제1구동부가 상기 제1방향으로의 변형이 가능하도록 형성된 제1방향 변형 스프링부; 및

상기 제2구동부가 상기 제3구동부의 내면에 지지되어서 상기 제2구동부의 상기 제2방향으로의 변형이 가능하도록 형성된 제2방향 변형 스프링부;를 구비하는 대면적 스테이지를 구비한 2축 액츄에이터가 제공된다.

상기 제1구동부는, 상기 기판으로부터 소정 거리 상방으로 이격되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되며, 상기 제2방향 변에 나란하게 배치된 복수의 제1 구동프레임;

상기 기판 상의 상기 공간에서 서로 대향하는 방향으로 연장되며, 상기 제1 구동프레임들과 교호적으로 나란히 배치되는 다수의 제1 고정프레임;

상기 제1 구동프레임에서 구동 방향쪽으로 연장되는 제1 구동 콤 전극; 및

상기 제1 고정 프레임에서 상기 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제1 고정 콤 전극;을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제1방향 변형 스프링부는,

상기 제1 구동프레임의 양단을 상기 앵커부의 상기 제1방향 변에 연결하는 스프링일 수 있다.

또한, 상기 제1방향 변형 스프링부는,

상기 앵커부의 제1방향변과, 상기 변에 대응되는 제3구동부의 외측을 연결하는 스프링일 수 있다.

한편, 상기 본 발명의 2축 액츄에이터는, 상기 제1구동프레임들의 중앙을 연결하는 제1 메인프레임;을 더 구비하며,

상기 제1 고정프레임들은 상기 제1 메인프레임의 양측에 배치될 수 있다.

상기 제2구동부는, 상기 제1방향변에 나란한 방향으로 배치된 복수의 제2 고정프레임;

상기 제2 고정프레임의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 대응되는 상기 제1방향변 방향으로 연장된 제2 메인프레임;

상기 제2 메인프레임의 상기 단에 연결되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되는 제1 지지빔;

상기 제2 메인프레임의 양측에서 상기 제2 고정프레임들과 교호적으로 나란히 배치되며 그 상부가 상기 스테이지에 연결되는 복수의 제2 구동프레임;

상기 제2 구동프레임들의 바깥쪽 단들을 각각 연결하는 제3 메인프레임;

상기 제2 구동 프레임에 마련되는 것으로 상기 대응되는 제1방향 변과 반대 방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극; 및

상기 제2 고정 프레임에 마련되는 것으로 상기 제2 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극;을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제2방향 변형 스프링부는, 상기 제2방향의 상기 스테이지의 측면 및 상기 제3구동부의 내측면 사이에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 2축 액츄에이터에 있어서, 상기 제3 메인프레임의 바깥쪽으로 소정 거리 이격된 위치에서 그 상부가 상기 제3구동부에 연결된 제2 지지빔;을 더 구비하며,

상기 제2방향 변형 스프링부는 상기 제2지지빔의 측면 및 상기 제3 메인프레임 사이에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 지지빔 및 상기 대응되는 제1방향변 사이에 제1방향 변형 스프링이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1 메인프레임의 단 및 대응되는 제3 메인프레임 사이에는 그들을 연결하는 제2방향 변형스프링이 더 형성된 것이 바람직하다.

상기 제3구동부에는 다수의 개구부가 형성된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예의 2축 액츄에이터에 있어서, 상기 제1구동부는,

상기 기판 상의 상기 공간에서 서로 대향하는 방향으로 연장되어 상기 제2방향변에 나란하게 배치된 복수의 제1 고정프레임;

상기 기판으로부터 소정 거리 상방으로 이격되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되며, 상기 제1 고정프레임과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제1 구동프레임;

상기 제1 구동프레임에서 구동방향쪽으로 연장되는 제1 구동 콤 전극; 및

상기 제1 고정 프레임에서 상기 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제1 고정 콤전극;을 구비하는 것이 바람하다.

상기 제1 고정프레임들의 중앙을 연결하는 제1 메인프레임;을 더 구비하며,

상기 제1 구동프레임들은 상기 제1 메인프레임의 양측에 배치될 수 있다.

또한, 상기 제2구동부는, 상기 제1방향 변에 나란한 방향으로 배치된 복수의 제2 고정프레임;

상기 제2 고정프레임의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 상기 제1방향변 방향으로 연장된 제2 메인프레임;

상기 제2 메인프레임의 단에 연결되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되는 제1 지지빔;

그 상부가 상기 스테이지에 연결되며, 상기 제2 메인프레임의 양측에서 상기 제2 고정프레임들과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제2 구동프레임;

상기 제2 구동프레임들의 바깥쪽 단들로부터 각각 소정 거리 이격되게 제2방향으로 배치되며, 그 상부가 제3구동부에 연결된 제3 메인프레임;

상기 제2 구동 프레임에 마련되는 것으로 상기 대응되는 제1방향 변과 반대방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극; 및

상기 제2 고정 프레임에 마련되는 것으로 상기 제2 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극;을 구비할 수 있다.

한편, 상기 제3구동부의 하부에서 상기 제2고정프레임의 바깥쪽 단에 대응되게 설치되어 상기 단에 연결되는 제2 지지빔을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 2축 액츄에이터의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 분해 사시도로서 구동부 및 스테이지부의 연결을 위한 연결부의 형상을 함께 도시하였으며, 도 2는 도 1의 투시 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A 선 단면도로서 연결부 및 스테이지부를 포함한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 2축 액츄에이터는 기판(substrate, 10)과, 기판(10) 상에서 제1방향으로 구동되는 제1구동부 및 상기 제1방향에 수직방향인 제2방향으로 구동되는 제2구동부를 포함하는 구동부(11)와, 상기 구동부(11)에 연결되어 2축으로 운동하는 스테이지부(70)와, 상기 구동부(11) 및 스테이지부(70)의 사이에 배치되어서 이들을 연결시키는 연결부(90)를 구비한다. 상기 구동부(11) 및 스테이지부(70)는 도전체이며 상기 연결부(90)는 절연층으로 형성되는 것이 바람직하다.

기판(10) 상에는 고정된 대략 4각형상의 변을 가지며, 마주보는 한 쌍의 제1방향의 양변에 각각 대응하는 다수의 공간이 형성된 앵커부(20)가 설치된다.

상기 앵커부(20)는 제2방향 변(21)과, 각 제2방향 변(21)의 양측에서 제1방향으로 서로 마주보는 방향으로 소정 거리 나란하게 연장된 제1 부분(22)과, 상기 제1 부분(22) 사이에서 제1 방향으로 나란하게 배치된 제2 부분(23)을 포함하는 제1방향 변을 구비한다. 이들 앵커부(20)는 연결부(90)를 통하여 상기 스테이지부(70)에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 제2방향 변(21) 또는 제1 부분(22)에는 하나의 구동부 전극패드(actuating part electrode pad, 27)가 마련되며, 각각의 제2 부분(23)에는 고정부 전극패드(fixed part electrode pad, 28)가 마련된다.

상기 앵커부(20) 안에는 제1구동부 및 제2구동부가 배치된다. 제1구동부는 제2방향 변(21)에 인접한 영역에 각각 형성되며, 상기 제2구동부는 상기 제1구동부들 사이에 배치된다.

상기 제1구동부는, 상기 제2방향 변(21)과 나란하게 배치되는 복수의 제1 구동프레임(40)과, 상기 제1 구동프레임(40)과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제1 고정프레임(30)과, 상기 제1 구동프레임(40)에서 반대측의 제2방향 변(21)을 향하여 연장된 제1 구동 콤 전극(43)과, 상기 제1 고정 프레임(30)에서 상기 구동 콤 전극(43)과 교호적으로 나란하게 배치되는 제1 고정 콤 전극(33)을 구비한다.

상기 제1 구동프레임(40)은 기판(10)으로부터 소정 거리 상방으로 이격되어 있으며, 그 상부는 후술하는 제3구동부(도 4의 72)에 연결된다. 상기 제2방향 변(21)에 근접한 제1 구동프레임(40)의 양단은 상기 제1 부분(22)에 각각 제1방향 변형 스프링(45)으로 연결된다. 일측의 제1 구동프레임들(40)은 그들의 중앙을 연결하는 제1 구동 메인프레임(41)에 연결되며, 상기 제1 메인프레임(41) 및 후술하는 제2 메인프레임(61) 사이에는 제2방향 변형스프링(46)이 연결된다.

상기 제1 부분(22) 및 제2 부분(23) 사이에는 이들과 전기적으로 분리된 프레임(31)이 배치되어 있으며, 이 프레임(31)의 양측에 제1 고정프레임들(30)의 단들이 연결되어 통전된다. 이 제1 고정프레임1(30) 및 프레임(31)은 기판(10) 상에 고정되어 있지만 상기 스테이지부(70)로부터는 소정 거리 이격되어 있다. 상기 제1 프레임(31)에는 고정부 전극패드(38)가 마련된다.

상기 제2구동부는 기판(10)으로부터 상방으로 소정 거리 이격되게 설치된다. 상기 제2구동부는, 인접한 각 제1방향변 영역에서 상기 제1방향변에 나란한 방향으로 배치된 제2 고정프레임들(50)과, 상기 제2 고정프레임들(50)의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 대응되는 상기 제1방향변 방향으로 연장된 제2 메인프레임(51)과, 상기 제2 메인프레임(51)의 단에 연결되며, 그 상부가 제3구동부(72)에 연결되는 제1 지지빔(54)과, 상기 제2 메인프레임(51)의 양측에서 상기 제2 고정프레임들(50)과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 구동프레임들(60)과, 상기 제2 구동프레임들(60)의 바깥쪽 단들을 각각 연결하는 제3 메인프레임(61)을 구비한다. 상기 제2 구동 프레임(60)에는 대응되는 제1방향변 방향과 반대 방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극(63)이 형성되어 있으며, 상기 제2 고정 프레임(50)에는 상기 제2 구동 콤 전극(63)과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극(53)이 형성되어 있다.

상기 제2 고정프레임(50) 및 제2 메인프레임(51)은 제3구동부(72)에 고정된 제1 지지빔(54)에 의해서 지지된다. 상기 제1 지지빔(54) 및 제2 부분(23) 사이에는 제1 방향 변형 스프링(55)이 배치될 수 있다.

상기 제2 구동프레임들(60)은 연결부(90)를 통해서 스테이지부(70)의 스테이지(도 4의 71 참조)에 연결되어서 정전기력에 의해 제2방항으로 이동된다. 상기 제3 메인프레임(61)의 중앙 바깥쪽에는 전술한 바와 같이 상기 제2방향 변형 스프링(46)이 연결되며, 그 양측에는 제2방향 변형 스프링(65) 및 제2지지빔(64)이 연결된다. 상기 제2지지빔(64)은 스테이지부(70)의 제3구동부(도 4의 72)에 연결된다.

도 4는 도 1의 스테이지부(70)의 평면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 스테이지부(70)는, 제2구동부에 의해서 제2방향으로 구동하는 사각형상의 스테이지(71)와, 앵커부(20)의 상부에서 4각형상의 변을 가지는 프레임부(73)와, 상기 스테이지(71) 및 프레임부(73) 사이에서 상기 제2구동부의 제2구동프레임들(60)의 상부에 각각 연결되며 마주보는 양측에서 서로 연장되어 하나의 몸체를 이루는 제3구동부(72)를 구비한다. 상기 스테이지(71) 및 상기 제3구동부(72) 사이에는 제2방향 변형 스프링(74)이 연결되며, 상기 제3구동부(72) 및 상기 프레임부(73) 사이에는 제1방향 변형 스프링(75)이 연결될 수 있다. 상기 스테이지(71)는 하부의 제2 구동프레임(60)의 이동에 따라서 제2방향으로 이동하며, 제3구동부(72)는 제1구동프레임(40)의 이동에 따라서 제1방향으로 이동된다. 따라서 스테이지(71)는 제1방향 및 제2방향으로 서로 간의 축간 커플링이 생기지 않게 2축 방향으로 이동이 가능하다.

도 5는 도 1의 연결부(90)의 평면도이다. 상기 연결부(90)는 구동부(11) 및 스테이지부(70) 사이에서 상기 구동부(11)의 구동력을 상기 스테이지부(70)에 전달하면서 이들 구동부(11) 및 스테이지(70) 사이의 절연을 위하여 연결되는 부분을 나타낸 것으로서, 연결되는 부분의 구동부(11)의 참조번호와 동일한 번호를 사용하였다.

도 5를 참조하면, 앵커부(20), 제1구동프레임(40), 제2구동프레임(60)과, 제1 지지빔(54) 및 제2 지지빔(64)이 스테이지부(70)에 연결됨을 알 수 있다.

상기 스테이지(71)를 평면상의 X-Y 방향으로 이동시키기 위하여 구동 콤 전극(43, 63) 및 대응되는 고정 콤 전극(33, 53) 사이의 전압차(drop voltage)로 인한 정전기력(electrostatic force)을 이용한다.

정전기력의 방향은 각 구동 방향으로 발생하며 상기 스테이지(71)를 중심으로 오른쪽인 양의 X 방향, 왼쪽인 음의 X 방향, 윗 쪽인 양의 Y 방향, 아래쪽인 음의 Y 방향으로 네 방향으로 작용하게 된다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 작동시 인가되는 전압 인가 구조를 보인 평면도이다. 도 6을 참조하면, 제1 구동프레임(40) 및 제2 구동프레임(60)과 앵커부(20)는 서로 전기적으로 연결되어 있으며 앵커부의 제2방향 변(21)에 이들 구동프레임(40,60)에 전압을 인가하는 전극패드(27)가 마련되어 있다. 그리고, 각 프레임(31)에는 전극패드(38)가 형성되어 있으며, 일측의 두 개의 전극패드(38)에 X축 구동전압을 인가하게 된다. 제2 고정프레임(50)은 인접한 앵커부(20)의 제2부분(23)과 전기적으로 연결되어 있으며, 제2부분(23)에는 해당 제2 고정프레임(50)에 소정의 구동전압을 인가하는 전극패드(28)가 마련된다. 정전기력의 크기는 각 방향에 따라 독립적으로 형성된 고정부 전극들(28,38)에 각각 인가되는 전압(Va,Vb,Vc,Vd)과 하나의 구동부 전극(27)에 인가되는 전압(Ve)과의 차이에 의해 각기 조절이 되며, 이 전압차이는 상기 스테이지(71)의 이동량을 조절한다.

도 7은 본 발명에 따른 2축 액츄에이터의 작동 원리를 설명하기 위한 단순 모형도이며, 도 8은 양의 X 축 방향으로 스테이지가 구동되는 원리를 보여주는 2축 액츄에이터의 단순 모형도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 스테이지(71)를 양의 X방향으로 구동할 경우, 음의 X방향에 위치한 고정 콤 전극(33c)과 구동 콤 전극(43c)의 전압차로 발생하는 정전기력(82)에 의해 제1 구동프레임(40c)이 양의 X 방향으로 이동하게 된다. 이때 제1 구동프레임(40), 제1 지지빔(54) 및 제2 지지빔(64)에 연결된 제3구동부(도 4의 72)가 양의 X 방향으로 이동하게 되므로, 제1방향 변형 스프링들(45a, 45c, 55b, 55d)과 스테이지부(70)의 제1방향 변형 스프링(75)이 X 방향(제1방향)으로 변형하게 되어 제1 구동 프레임(40) 및 제3구동부(72)가 양의 X 방향으로 이동할 수 있도록 한다. 제2방향 변형 스프링들(65b,65d,46) 및 스테이지부(70)의 제2방향 변형 스프링(74)은 상기 제1 구동 프레임(40) 및 제3구동부(72)가 이동시 X 방향과 평행한 방향으로 배열이 되어 있어서 인장력(tension force)을 받으며 변형없이 양의 X 방향의 구동방향으로 이동된다. 따라서, 스테이지(71)는 제1 구동프레임(40)의 이동 방향으로 이동하게 된다. 한편, 도 8의 참조번호 80은 양의 X방향으로 구동할 경우 변하기 전의 형상을 나타낸 것이며, 참조번호 81은 양의 X 방향으로 변한 후의 형상을 도시한 것이다.

도 9는 양의 Y 축 방향으로 스테이지가 구동되는 원리를 보여주는 2축 액츄에이터의 단순 모형도이다. 도 7 및 도 9를 참조하면, 음의 Y방향에 위치한 구동 콤 전극(63b)과 고정 콤 전극(53b)의 전압차로 발생하는 정전기력(87)에 의해 제2 구동프레임(60b)이 양의 Y 방향으로 이동하게 된다. 이때 제2 구동프레임(60b)에 연결된 스테이지(71)가 양의 Y 방향으로 이동하게 되므로, 제2방향 변형 스프링들(65b,65d,46)과 스테이지부(70)의 제2방향 변형 스프링(74)이 Y 방향(제2방향)으로 변형하게 되어 제3 구동프레임(60b) 및 스테이지(71)가 양의 Y 방향으로 이동할 수 있도록 한다. 제1방향 변형 스프링들(45a, 45c, 55b, 55d) 및 스테이지부(70)의 제1 방향 변형 스프링(75)은 상기 제2 구동 프레임(60) 및 스테이지(71)의 이동과는 무관하게 변형없이 이동되지 않는다. 도 9의 참조번호 85는 양의 Y 방향으로 구동할 경우 변하기 전의 형상을 나타낸 것이며, 참조번호 86은 양의 Y 방향으로 변한 후의 형상을 도시한 것이다.

상기 X 방향 구동과 Y 방향 구동을 위한 정전기력(82,87)이 함께 작용되는 경우 스테이지(71)는 그 자신이 Y 방향으로 이동되면서, 제3구동부(72)의 X 방향 이동에 따라서 X 방향으로 위치가 이동된다. 따라서 스테이지(71)는 2축으로 구동이 되며, 그 작동원리는 실질적으로 X 방향 이동과 Y 방향 이동을 단순 결합한 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 평면도로서, 연결부 및 스테이지부를 제외한 구동부의 평면도이며, 도 11은 도 10의 스테이지부의 평면도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 2축 액츄에이터는 기판(substrate, 110)과, 기판(110) 상에서 제1방향으로 구동되는 제1구동부 및 상기 제1방향에 수직방향인 제2방향으로 구동되는 제2구동부를 포함하는 구동부(와, 상기 구동부(에 연결되어 2축으로 운동하는 스테이지부(170)와, 상기 구동부 및 스테이지부(170)의 사이에 배치되어서 이들을 연결시키는 연결부(미도시)를 구비한다. 상기 구동부 및 스테이지부(170)는 도전체이며, 상기 연결부는 절연층으로 형성되는 것이 바람직하다.

기판(110) 상에는 고정된 대략 4각형상의 변을 가지며, 제1방향의 변은 제2방향 변(121)과 분리되게 설치되며, 한 쌍의 제1방향 변은 서로 대응되는 다수의 부분들로 구성된 앵커부(120)가 설치된다. 상기 앵커부(120)는 연결부를 통하여 상기 스테이지부(170)에 연결되는 것이 바람직하다. .

상기 앵커부(120) 안에는 제1구동부 및 제2구동부가 배치된다. 제1구동부는 제2방향 변(121)에 인접한 영역에 각각 형성되며, 상기 제2구동부는 상기 제1구동부들 사이의 상기 제1방향 변에 인접한 영역에 각각 배치된다.

상기 제1구동부는, 상기 제2방향 변(121)과 나란하게 배치되는 복수의 제1 구동프레임(140)과, 상기 제1 구동프레임(140)과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제1 고정프레임(130)과, 상기 제1 구동프레임(140)에서 반대측의 제2방향 변(121)을 향하여 연장된 제1 구동 콤 전극(143)과, 상기 제1 고정 프레임(130)에서 상기 구동 콤 전극(143)과 교호적으로 나란하게 배치되는 제1 고정 콤 전극(133)을 구비한다.

상기 제1고정프레임(130)은 기판(110)에 고정되게 설치되며 그 상방에 설치되는 스테이지부(170)으로부터 이격된다. 상기 각 일측의 제1 고정프레임들(130)은 그들의 중앙을 연결하는 제1 메인프레임(134)에 연결되어서 대응되는 제2방향 변(121)에 연결되며, 상기 제1 구동프레임(140)은 상기 제1 메인 프레임(134)의 양측에 배치된다.

상기 제1 구동프레임(140)은 기판(110)으로부터 소정 거리 상방으로 이격되어 있으며, 그 상부는 후술하는 제3구동부(도 11의 172)에 연결부를 통해서 연결된다. 상기 제1 구동프레임(140)의 바깥쪽 단은 인접한 제1방향 변의 제1부분(122)에 제1방향 변형 스프링(145)으로 연결되어서 통전된다.

상기 제2구동부는 기판(110)으로부터 상방으로 소정 거리 이격되게 설치된다. 상기 제2구동부는, 인접한 각 제1방향 변의 영역에서 상기 제1방향 변에 나란한 방향으로 배치된 제2 고정프레임들(150)과, 상기 제2 고정프레임들(150)의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 대응되는 상기 제1방향 변의 방향으로 연장된 제2 메인프레임(151)과, 상기 제2 메인프레임(151)의 단에 연결되며, 그 상부가 제3구동부(도 11의 172)에 연결되는 제1 지지빔(154)과, 상기 제2 메인프레임(151)의 양측에서 상기 제2 고정프레임들(150)과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 구동프레임들(160)과, 상기 제2 구동프레임들(160)의 바깥쪽 단들을 제2방향 변형스프링(165)를 매개로 각각 연결하는 제3 메인프레임(161)을 구비한다. 상기 제2 구동 프레임(160)에는 대응되는 제1방향 변의 방향과 반대 방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극(163)이 형성되어 있으며, 상기 제2 고정 프레임(150)에는 상기 제2 구동 콤 전극(163)과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극(153)이 형성되어 있다.

상기 제2 고정프레임(150)의 양단에는 제2지지빔(164)이 설치되며, 이 제2지지빔들(164)은 제3구동부(172)에 연결되어 지지된다.

상기 제3 메인프레임(161)은 그 상부가 제3구동부(172)에 연결되어 제1방향으로 구동되는 제2 구동프레임(160)을 지지한다. 상기 제3 메인프레임(161)의 단은 제1방향 변의 제2부분(123)에 제1방향 변형 스프링(156)에 의해 연결된다.

상기 제2 고정프레임(150) 및 제2 메인프레임(151)은 제3구동부(172)에 고정된 제1 지지빔(154) 및 제2지지빔(164)에 의해서 지지된다. 상기 제1 지지빔(154) 및 제3 부분(124) 사이에는 제1 방향 변형 스프링(155)이 배치될 수 있다.

상기 제1~제3부분들(122,123,124)는 제1방향 변에 위치하며 서로 인접한 다른 부분과 분리되게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제2 구동프레임들(160)은 연결부(190)를 통해서 스테이지부(170)의 스테이지(171)에 연결되어서 정전기력에 의해 제2방향으로 이동된다.

도 11을 참조하면, 상기 스테이지부(170)는, 제2구동부에 의해서 제2방향으로 구동하는 사각형상의 스테이지(171)와, 앵커부(120)의 상부에서 4각형상의 변을 가지는 프레임부(173)와, 상기 스테이지(171) 및 프레임부(173) 사이에서 상기 제2구동부의 제2구동프레임들(160)의 상부에 각각 연결되며 마주보는 양측에서 서로 연장되어 하나의 몸체를 이루는 제3구동부(172)를 구비한다. 상기 스테이지(171) 및 상기 제3구동부(172) 사이에는 제2방향 변형 스프링(174)이 연결되며, 상기 제3구동부(172) 및 상기 프레임부(173) 사이에는 제1방향 변형 스프링(175)이 연결될 수 있다. 상기 스테이지(171)는 하부의 제2 구동프레임(160)의 이동에 따라서 제2방향으로 이동하며, 제3구동부(172)는 제1구동프레임(140)의 이동에 따라서 제1방향으로 이동된다. 따라서 스테이지(171)는 제1방향 및 제2방향으로 서로 간의 축간 커플링이 생기지 않게 2축 방향으로 이동이 가능하다.

상기 변형 스프링들은 S 형상 또는 폴디드 스프링(folded spring)으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제3구동부(172)에는 다수의 개구부(176)가 형성되어서 스테이지부(170)의 무게가 줄어들므로 고유주파수(natural frequency)를 향상시킬 수 있다. 또한, 폴디드 스프링의 채용으로 스테이지가 선형적으로 구동이 된다.

상기 스테이지(171)를 평면상의 X-Y 방향으로 이동시키기 위하여 구동 콤 전극(143, 163) 및 대응되는 고정 콤 전극(133, 153) 사이의 전압차(drop voltage)로 인한 정전기력(electrostatic force)을 이용하며, 그 동작원리는 제1 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 구동기에서 프로브는 항상 미디엄상의 동일 위치에 접근하게 된다. 프로브가 새로운 정보를 읽거나 쓰기 위해서는, 미디엄의 위치가 프로브가 근접하는 위치에 상대적으로 변해야 하며 이는 미디엄을 장착한 스테이지의 마이크로구동기에 의해서 구현된다. 즉 데이터의 입출력은 프로브에 의해, 데이터의 저장 위치는 스테이지 마이크로구동기에 의해 결정된다. 스테이지 마이크로구동기는 미디엄이 동일 평면 상에 2 자유도 운동을 하도록 구동하게 된다.

전술한 본 발명에 따른 마이크로 구동기는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에서 구현이 가능하며, 콤 형태(comb type) 구조물의 정전력(electrostatic force)을 이용하여 구동하게 된다.

본 발명에 따른 마이크로 구동기는 스테이지를 구동부의 상부에 별도로 형성함으로써 구동장치 면적에 대해 스테이지 면적(저장면적)을 현저하게 증가시켰으며, 또한 X 축 및 Y 축간 이동시 간섭을 없앤 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 저장장치용 XY 스테이지 마이크로구동기가 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 투시 평면도이다.

도 3은 도2의 A-A 선 단면도로서 연결부 및 스테이지부를 포함한 도면이다.

도 4는 도 1의 스테이지부의 평면도이다.

도 5는 도 1의 연결부의 평면도이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 작동시 인가되는 전압 인가 구조를 보인 평면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 2축 액츄에이터의 작동 원리를 설명하기 위한 단순 모형도이다.

도 8은 양의 X 축 방향으로 스테이지가 구동되는 원리를 보여주는 2축 액츄에이터의 단순 모형도이다.

도 9는 양의 Y 축 방향으로 스테이지가 구동되는 원리를 보여주는 2축 액츄에이터의 단순 모형도이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2축 액츄에이터의 평면도이다.

도 11은 도 10의 스테이지부의 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

10,110: 기판 11: 구동부

20,120: 앵커부 21,121: 제2 방향변

30,130: 제1 고정프레임 33,133: 제1 고정 콤 전극

40,140: 제1 구동프레임 43,143: 제1 구동 콤 전극

50,150: 제2 고정프레임 53,153: 제2 고정 콤 전극

60,160: 제2 구동프레임 63,163: 제2 구동 콤 전극

70,170: 스테이지부 71,171: 스테이지

72, 172: 제3 구동부 90: 연결부

Claims (21)

1. 기판;

   상기 기판 상에 고정된 대략 4각형상 변을 가지며, 마주보는 한 쌍의 제1방향의 양변에 각각 대응하는 다수의 공간이 형성된 앵커부;

   상기 제1방향변에 수직인 제2방향의 변에 인접한 각 영역에서, 각각 서로 마주보는 상기 제1방향으로 구동되는 제1구동부들;

   상기 기판으로부터 상방으로 소정거리 이격되게 설치되며, 상기 제1구동부들 사이에서 상기 제2방향변에 인접한 각 영역에서 서로 마주보는 상기 제2방향으로 구동되는 제2구동부들;

   상기 제2구동부들의 상부에 배치되어 상기 제2방향으로 구동되는 사각형상의 스테이지;

   상기 스테이지 및 상기 앵커부로부터 소정거리 이격되며, 상기 각 제1구동부의 상부에서 그 양측에서 서로 마주보게 연장되어 하나의 몸체로 형성되어 상기 제1구동부의 상기 제1방향으로의 구동시 상기 스테이지를 상기 제1방향으로 구동시키는 제3구동부;

   상기 제1구동부가 상기 앵커부의 내면에 지지되어서 상기 제1구동부가 상기 제1방향으로의 변형이 가능하도록 형성된 제1방향 변형 스프링부; 및

   상기 제2구동부가 상기 제3구동부의 내면에 지지되어서 상기 제2구동부의 상기 제2방향으로의 변형이 가능하도록 형성된 제2방향 변형 스프링부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1구동부는,

   상기 기판으로부터 소정 거리 상방으로 이격되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되며, 상기 제2방향변에 나란하게 배치된 복수의 제1 구동프레임;

   상기 기판 상의 상기 공간에서 서로 대향하는 방향으로 연장되며, 상기 제1 구동프레임들과 교호적으로 나란히 배치되는 다수의 제1 고정프레임;

   상기 제1 구동프레임에서 구동방향쪽으로 연장되는 제1 구동 콤 전극; 및

   상기 제1 고정 프레임에서 상기 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제1 고정 콤전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1방향 변형 스프링부는,

   상기 제1 구동프레임의 양단을 상기 앵커부의 상기 제1방향 변에 연결하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1방향 변형 스프링부는,

   상기 앵커부의 제1방향 변과, 상기 변에 대응되는 제3구동부의 외측을 연결하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1구동프레임들의 중앙을 연결하는 제1 메인프레임;을 더 구비하며,

   상기 제1 고정프레임들은 상기 제1 메인프레임의 양측에 배치된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
6. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제2구동부는,

   상기 제1방향 변에 나란한 방향으로 배치된 복수의 제2 고정프레임;

   상기 제2 고정프레임의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 대응되는 상기 제1방향변 방향으로 연장된 제2 메인프레임;

   상기 제2 메인프레임의 상기 단에 연결되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되는 제1 지지빔;

   상기 제2 메인프레임의 양측에서 상기 제2 고정프레임들과 교호적으로 나란히 배치되며 그 상부가 상기 스테이지에 연결되는 복수의 제2 구동프레임;

   상기 제2 구동프레임들의 바깥쪽 단들을 각각 연결하는 제3 메인프레임;

   상기 제2 구동 프레임에 마련되는 것으로 상기 대응되는 제1방향 변과 반대 방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극; 및

   상기 제2 고정 프레임에 마련되는 것으로 상기 제2 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2방향 변형 스프링부는,

   상기 제2방향의 상기 스테이지의 측면 및 상기 제3구동부의 내측면 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제3 메인프레임의 바깥쪽으로 소정 거리 이격된 위치에서 그 상부가 상기 제3구동부에 연결된 제2 지지빔;을 더 구비하며,

   상기 제2방향 변형 스프링부는 상기 제2지지빔의 측면 및 상기 제3 메인프레임 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1 지지빔 및 상기 대응되는 제1방향변 사이에 제1방향 변형 스프링;이 더 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 메인프레임의 단 및 대응되는 제3 메인프레임 사이에는 그들을 연결하는 제2방향 변형스프링;이 더 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제3구동부에는 다수의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 제1구동부는,

    상기 기판 상의 상기 공간에서 서로 대향하는 방향으로 연장되어 상기 제2방향변에 나란하게 배치된 복수의 제1 고정프레임;

    상기 기판으로부터 소정 거리 상방으로 이격되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되며, 상기 제1 고정프레임과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제1 구동프레임;

    상기 제1 구동프레임에서 구동방향으로 연장되는 제1 구동 콤 전극; 및

    상기 제1 고정 프레임에서 상기 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제1 고정 콤 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제1방향 변형 스프링부는,

    상기 각 제1 구동프레임의 단을 상기 앵커부의 상기 제1방향변에 연결하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 제1방향 변형 스프링부는,

    상기 앵커부의 제1방향변과, 상기 변에 대응되는 제3구동부의 외측을 연결하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
15. 제 12 항에 있어서,

    상기 제1 고정프레임들의 중앙을 연결하는 제1 메인프레임;을 더 구비하며,

    상기 제1 구동프레임들은 상기 제1 메인프레임의 양측에 배치된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
16. 제 12 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 제2구동부는,

    상기 제1방향 변에 나란한 방향으로 배치된 복수의 제2 고정프레임;

    상기 제2 고정프레임의 중앙부를 연결하며, 그 일단이 상기 제1방향변 방향으로 연장된 제2 메인프레임;

    상기 제2 메인프레임의 단에 연결되며, 그 상부가 상기 제3구동부에 연결되는 제1 지지빔;

    그 상부가 상기 스테이지에 연결되며, 상기 제2 메인프레임의 양측에서 상기 제2 고정프레임들과 교호적으로 나란히 배치되는 복수의 제2 구동프레임;

    상기 제2 구동프레임들의 바깥쪽 단들로부터 각각 소정 거리 이격되게 제2방향으로 배치되며, 그 상부가 제3구동부에 연결된 제3 메인프레임;

    상기 제2 구동 프레임에 마련되는 것으로 상기 대응되는 제1방향 변과 반대방향으로 연장되는 제2 구동 콤 전극; 및

    상기 제2 고정 프레임에 마련되는 것으로 상기 제2 구동 콤 전극과 교호적으로 나란히 배치되는 제2 고정 콤 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 제3구동부의 하부에서 상기 제2고정프레임의 바깥쪽 단에 대응되게 설치되어 상기 단에 연결되는 제2 지지빔을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 제2방향 변형 스프링부는,

    상기 제2방향의 스테이지의 측면 및 상기 제3구동부의 내측면 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 제2 변형 스프링부는,

    제2 구동프레임의 상기 제2방향 변을 대향하는 각 단을 대응되는 제3 메인프레임의 측면에 연결하는 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
20. 제 16 항에 있어서,

    상기 제3 메인프레임의 단 및 대응되는 제1방향변 사이에 제1방향 변형 스프링;이 더 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.
21. 제 12 항에 있어서, 상기 제3구동부에는 다수의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 2축 액츄에이터.