KR20080087582A

KR20080087582A - 2축구동 전자기 액추에이터

Info

Publication number: KR20080087582A
Application number: KR1020070030035A
Authority: KR
Inventors: 고영철; 조진우; 최우혁; 정희문
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-01
Also published as: US7880571B2; KR100911144B1; US20080238592A1

Abstract

본 발명은 2축구동 전자기 액추에이터에 관하여 개시한다. 개시된 2축구동 전자기 액추에이터는, 제1축에 대해서 회동가능하게 형성된 스테이지; 상기 제1축에서 상기 스테이지의 양측을 지지하는 내부프레임; 상기 제1축과 직교하는 제2측에서 상기 내부프레임의 바깥쪽 양측을 지지하는 외부프레임; 상기 제1축 및 제2축 사이로 전기장을 제공하는 자석; 상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제2축방향으로 회동하는 제1신호가 인가되는 제1구동코일; 및 상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제1축방향으로 회동하는 제2신호가 인가되는 제2구동코일;을 구비하며, 상기 제1구동코일 및 제2구동코일을 서로 전기적으로 분리되게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

2축구동 전자기 액추에이터{2-axis driving electromagnetic actuator}

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 2축구동 액츄에이터가 적용된 스캐너(100)를 도시한 평면도이다.

도 2는 도 1의 II-II 선단면도이다.

도 3은 본 발명에 다른 실시예에 따른 2축구동 액츄에이터가 적용된 스캐너(200)를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명의 기계적 저주파 필터인 중간프레임(260)의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 주파수비에 따른 전달도를 도시한 그래프이다.

도 6a는 시간에 따른 합성 모멘트를 도시한 그래프이고, 도 6b는 및 도 6c는 각각 시간에 대한 x2, x1의 변위를 도시한 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따른 2축구동 액츄에이터가 적용된 스캐너(300)를 도시한 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,200,300: 액추에이터 110,210: 스테이지

111,211: 미러면 112,212: 제1토션스프링

120,220: 내부프레임 122,222: 제2토션스프링

130,230: 외부프레임 140,240: 영구자석

151,152: 구동코일 260: 중간프레임

262: 제3토션스프링

본 발명은 전자기 마이크로 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미러면이 형성된 스테이지를 구동하는 구동코일의 구조를 개선한 전자기 마이크로 액추에이터에 관한 것이다.

최근, 디스플레이, 레이저 프린터, 정밀 측정, 정밀 가공 등 다양한 기술 분야에서 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 미소 구조를 가진 전자기 마이크로 액추에이터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 디스플레이 분야에서 상기 전자기 마이크로 액추에이터는 화면상으로 주사광을 편향 반사하기 위한 광스캐너로 사용될 수 있다.

상기 광스캐너는 입사광을 반사하기 위한 미러면을 구비하고, 상기 미러면이 서로 다른 진동축에 대해 요동되면서 광원으로부터 입사된 광을 소정의 화면영역에 대해 수평방향 및 수직방향으로 주사한다. 상기 미러면에 의해 편향된 빔은 수평방향으로 일정한 주사각 범위를 반복하면서 화면상에 다수의 주사선들을 형성하게 되는데, 수평방향으로의 주사각 변화는 고주파로 왕복 진동하는 정현파로 나타낼 수 있다. 한편, 빔 스폿위치를 화면의 상단부에서 하단부로 이동시키며, 일 화면에 대 한 주사가 종료되면 빔 스폿위치를 화면의 상단으로 다시 되돌리기 위해 주사빔은 화면의 수직방향으로도 일정한 주사각도 범위에서 반복하게 된다. 상기 수직주사 신호는 톱니파 함수로 표시된다.

한편, 자기 장치, 예컨대 전자기 자석 또는 영구자석을 구동원으로 사용하는 전자기 액추에이터는, 미러부를 감싸는 구동코일에 자장을 인가하여 미러부를 수평주사 및 수직주사를 한다.

그러나, 하나의 코일에 수평주사를 위한 신호와 수직주사를 위한 신호를 동시에 인가하는 경우, 수평주사신호 및 수직주사신호가 중첩되어서 최대 전류량이 증가되어서 소비전력이 증가된다.

한편, 미러부를 지지하는 내부프레임과 내부프레임을 지지하는 외부프레임에 각각 수평주사코일과 수직주사코일을 형성하는 경우에는 수평주사코일이 미러부로부터 거리가 짧아지며 따라서 회전모멘트가 감소한다. 이는 구동각도를 감소시키며, 또한 좁은 면적을 갖는 영역에 고주파 수평주사코일을 형성함으로써 일부분의 열적 변형을 초래할 수 있다.

광스캐너를 이용하여 외부에 위치한 스크린에 영상을 투사하기 위해서는 미러를 수평 토션축을 중심으로, 예를 들어 60Hz의 톱니파 형태로 진동시키고, 수직 토션축을 중심으로 비교적 고주파인 약 20KHz의 사인파로 진동시켜 주사선을 스크린에 투사할 수 있다. 즉, 수직 토션축의 고주파 진동은 스크린 상에서 주사선을 수평으로 주사하며, 수평 토션축의 저주파 진동은 스크린 상에서 주사선을 수직으로 주사하여 2차원적인 영상을 스크린 상에 구현할 수 있다.

미러의 수평 토션축을 중심으로 진동할 수 있는 질량의 공진주파수를 약 1 kHz 정도로 설계하고, 수직 토션축을 중심으로 진동할 수 있는 질량의 공진주파수를 20KHz 정도로 설계한 경우, 내부 프레임의 코일에 60Hz 톱니파 전류와 수평 공진주파수인 20kHz전류를 변조하여 흘려주게 되면 외부에서 걸어준 자기장에 수직인 방향으로 모멘트가 발생하게 된다. 이러한 모멘트는 수직 토션축과 수평 토션축으로 분배되어 미러를 구동하는데 사용된다. 미러는 합성된 모멘트로 인하여 수직 토션축을 중심으로 약 20KHz에서 공진하게 되므로 60Hz 성분의 톱니파에는 반응하지 않으며, 수평 토션축을 중심으로 60Hz의 톱니파 형태로 구동되게 된다.

그러나, 수평 토션축에 작용하는 모멘트에는 60Hz의 톱니파 성분 뿐만 아니라 20kHz의 사인파 성분이 존재하므로, 수직 스캔시 20kHz의 미세한 떨림이 존재한다는 문제점이 있다. 즉, 수평 토션축 및 수직 토션축은 각각 저주파 신호(60Hz) 및 고주파 신호(20KHz)에 의하여 독립적으로 진동하여야 하나, 수평 토션축의 저주파 신호 상에 고주파 신호가 진동에 영향을 주어 미세한 떨림이 발생하게 된다.

이러한 떨림은 주사선이 원하는 위치에 주사되지 못함으로써 해상도를 해치는 주된 원인이 된다. 즉, 수직 스캔시 고주파로 인한 떨림 현상으로 인하여 수평 주사선이 서로 겹치게 되어 고해상도를 구현할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 고주파 떨림으로 인한 문제는 비단 스캐너에서만 문제되는 것이 아니라, 정밀한 위치 제어가 필요한 액추에이터 전반에 걸친 문제이다. 이를 위하여 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)를 회로적으로 구성하는 방법을 생각할 수 있지만, 별도의 전자 부품이 필요하다.

본 발명의 목적은 수평주사신호와 수직주사신호가 인가되는 구동코일을 구별하여 형성한 2축구동 전자기 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수평주사신호인 고주파 신호가 저주파 신호인 수직주사신호에 영향을 미치는 것을 감소시키는 저주파 통과필터를 구비한 2축구동 전자기 액추에이터를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 2축구동 전자기 액추에이터는,

제1축에 대해서 회동가능하게 형성된 스테이지;

상기 제1축에서 상기 스테이지의 양측을 지지하는 내부프레임;

상기 제1축과 직교하는 제2측에서 상기 내부프레임의 바깥쪽 양측을 지지하는 외부프레임;

상기 제1축 및 제2축 사이로 전기장을 제공하는 자석;

상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제2축방향으로 회동하는 제1신호가 인가되는 제1구동코일; 및

상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제1축방향으로 회동하는 제2신호가 인가되는 제2구동코일;을 구비하며, 상기 제1구동코일 및 제2구동코일을 서로 전기적으로 분리되게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1구동코일 및 상기 제2구동코일은 교번적으로 형 성될 수 있으며, 상기 제1구동코일 및 제2구동코일은 같은 수로 권취될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 제1구동코일에는 고주파 신호가 인가되며, 상기 제2구동코일에는 저주파 신호가 인가된다.

본 발명의 다른 실시에에 따른 액추에이터는, 상기 내부 프레임 및 상기 스테이지 사이에는 설치된 중간프레임을 더 구비하며, 상기 중간프레임은 상기 내부 프레임에 상기 제2축 방향으로 형성된 토션스프링에 의해 연결된다.

상기 중간프레임에는 상기 스테이지를 상기 제2축방향으로 회동하는 제3신호가 인가되는 제3구동코일; 및

상기 스테이지를 상기 제1축방향으로 회동하는 제4신호가 인가되는 제4구동코일;이 더 형성될 수 있으며, 상기 제3구동코일 및 제4구동코일은 서로 전기적으로 분리되게 형성된다.

상기 제3구동코일 및 상기 제4구동코일은 교번적으로 형성되며, 상기 제3구동코일 및 제4구동코일은 대략 같은 수로 권취된다.

상기 제3구동코일에는 고주파 신호가 인가되며, 상기 제4구동코일에는 저주파 신호가 인가된다. 또한, 상기 제3구동코일은 상기 제1구동코일에 연결되며, 상기 제4구동코일은 상기 제2구동코일에 연결될 수 있다.

상기 중간프레임의 고유 진동수는 상기 스테이지의 고유진동수의 1/

이하일 수 있다.

상기 스테이지 상에는 광을 편향주사하는 미러면이 형성된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세 히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 스캐너(100)는 상면에 미러면(111)이 형성된 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110)를 지지하는 내부프레임(120) 및 상기 내부프레임을 지지하는 외부프레임(130)을 구비한다. 상기 외부프레임(130)의 양측에는 한쌍의 자석, 예컨대 영구자석(140)이 배치되어 있다. 상기 영구자석(140) 대신에 전자기 자석이 사용될 수 있다.

상기 스테이지(110)와 상기 내부프레임(120) 사이에는 제1축 방향으로 형성된 제1토션스프링(112)이 형성되어 있다. 상기 제1토션스프링(112)을 중심으로 상기 스테이지(110)는 상기 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향으로 회동될 수 있다. 상기 스테이지(110) 및 상기 제1토션스프링(112)은 고주파 진동에 적합하도록 각각 질량 및 탄성 강성(elastic stiffness)을 가지도록 설계된다.

상기 내부프레임(120) 및 외부프레임(130) 사이에는 제2축방향으로 형성된 제2토션스프링(122)이 형성되어 있다. 상기 내부프레임(120) 및 상기 제2토션스프링(122)은 저주파 전동에 적합하도록 각각 질량 및 탄성 강성을 가지도록 설계된다.

상기 한쌍의 영구자석(140)은 상기 제1축 방향 및 제2축 방향 사이에 마주보도록 배치되며 따라서 화살표 B 와 같은 방향으로 자장을 형성한다.

상기 내부프레임(120)에는 서로 전기적으로 분리된 두 개의 구동코일(151, 152)이 형성된다. 도 1의 II-II 선단면도인 도 2를 참조하면, 제1구동코일(151)과 제2구동코일(152)이 교번적으로 형성된 것을 볼 수 있다.

상기 제1구동코일(151)은 전극패드(P1)로부터 제2토션스프링(122)을 지나 내부프레임(120) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 다시 제2토션스프링(122)을 지나 전극패드(P2)로 돌아온다.

상기 제2구동코일(152)은 전극패드(P3)로부터 제2토션스프링(122)을 지나 내부프레임(120) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 다시 제2토션스프링(122)을 지나 전극패드(P4)로 돌아온다.

상기 제1구동코일(151)에는 고주파, 예컨대 20 kHz 주파수의 전류가 인가되며, 이에 따라 상기 영구자석(140)에 의해 인가되는 자장에 의해서 스테이지(110)는 로렌쯔 힘에 의해 공진 회동운동을 한다.

상기 제2구동코일(152)에는 저주파, 예컨대 60 Hz 주파수의 전류가 인가되며, 이에 따라 상기 영구자석(140)에 의해 인가되는 자장에 의해 내부프레임(120)은 비공진 운동, 즉 직선운동을 하며, 이에 따라 제1토션스프링(112)에 연결된 스테이지(110)도 비공진 운동을 한다.

이러한 스테이지(110)의 공진운동과 내부프레임(120)의 직선운동에 따른 스테이지(110)의 직선운동은 각각 디스플레이의 수평주사 및 수직주사에 이용된다. 따라서, 스테이지(110) 상의 미러면(111)에 레이저 광이 조사되면 이 광은 스크린(미도시) 상에서 수평으로 주사되면서 수직면으로 주사되므로, 스크린 상에 2차원적인 영상을 구현한다.

본 발명에서의 제1구동코일(151)과 제2구동코일(152)은 서로 전기적으로 분리되어 있어서, 각각의 구동코일(151, 152)에는 수평주사 신호와 수직주사 신호가 분리되어서 인가된다. 이러한 제1구동코일(151) 및 제2구동코일(152)은 내부프레임(120)에 교번적으로 형성되어 있기 때문에 스테이지(110)에 인가되는 모멘트의 암(arm)이 증가하며, 따라서 수평주사를 위한 스테이지(110)의 구동각도가 증가될 수 있다. 따라서 제1구동코일(151)에 인가되는 최대 전류량이 감소한다. 이는 구동코일(151,152)의 단면적 감소를 가져오므로 동일한 면적에서의 구동코일(151,152)의 권취수를 증가시킬 수 있게 한다.

또한, 미러면(111)이 형성된 스테이지(110)에는 구동코일(151,152)이 형성되지 않으므로 질량이 적은 스테이지(110)가 그 위에 형성된 구동코일에 의해서 열적 변형이 일어나는 것을 방지한다.

도 3을 참조하면, 스캐너(200)는 상면에 미러면(211)이 형성된 스테이지(210)와, 상기 스테이지(210)를 지지하는 내부프레임(220) 및 상기 내부프레임을 지지하는 외부프레임(230)과 상기 내부프레임(220) 및 스테이지(210) 사이에 배치된 중간프레임(260)을 구비한다. 상기 외부프레임(230)의 양측에는 한쌍의 자석, 예컨대 영구자석(240)이 배치되어 있다.

상기 스테이지(210)와 상기 중간프레임(260) 사이에는 제1축 방향으로 형성된 제1토션스프링(212)이 형성되어 있다. 상기 제1토션스프링(212)을 중심으로 상 기 스테이지(210)는 상기 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향으로 회동될 수 있다. 상기 스테이지(210) 및 상기 제1토션스프링(212)은 고주파 진동에 적합하도록 각각 질량 및 탄성 강성(elastic stiffness)을 가지도록 설계된다.

상기 중간프레임(260) 및 내부프레임(220) 사이에는 제2축방향으로 형성된 제3토션스프링(262)이 형성되어 있다.

상기 내부프레임(220) 및 외부프레임(230) 사이에는 제2축방향으로 형성된 제2토션스프링(222)이 형성되어 있다. 상기 내부프레임(220) 및 상기 제2토션스프링(222)은 저주파 전동에 적합하도록 각각 질량 및 탄성 강성을 가지도록 설계된다. 상기 제2토션스프링(222) 및 상기 제3토션스프링(262)은 동일한 축 상에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 한쌍의 영구자석(240)은 상기 제1축 방향 및 제2축 방향 사이에 마주보도록 배치되며 따라서 화살표 B 와 같은 방향으로 자장을 형성한다.

상기 내부프레임(220)에는 서로 전기적으로 분리된 두 개의 구동코일(251, 152)이 형성된다. 제1구동코일(251)과 제2구동코일(252)이 교번적으로 형성된다.

상기 제1구동코일(251)은 전극패드(P1)로부터 제2토션스프링(222)을 지나 내부프레임(220) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 다시 제2토션스프링(222)을 지나서 전극패드(P2)로 돌아온다.

상기 제2구동코일(252)은 전극패드(P3)로부터 제2토션스프링(222)을 지나 내부프레임(220) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 제2토션스프링(222)을 지나서 전극패드(P4)로 돌아온다.

상기 제1구동코일(251)에는 고주파, 예컨대 20 kHz 주파수의 전류가 인가되며, 이에 따라 상기 영구자석(240)에 의해 인가되는 자장에 의해서 스테이지(210)는 로렌쯔 힘에 의해 공진 회동운동을 한다.

상기 제2구동코일(252)에는 저주파, 예컨대 60 Hz 주파수의 전류가 인가되며, 이에 따라 상기 영구자석(240)에 의해 인가되는 자장에 의해 내부프레임(220)은 비공진 운동, 즉 직선적으로 회동을 하며, 이에 따라 제3토션스프링(262)에 의해 내부프레임(220)에 연결된 중간프레임과, 제1토션스프링(212)에 연결된 스테이지(210)도 비공진 운동을 한다.

이러한 스테이지(210)의 공진운동과 내부프레임(220)의 직선운동에 따른 스테이지(210)의 직선운동은 각각 디스플레이의 수평주사 및 수직주사에 이용된다. 따라서, 스테이지(210) 상의 미러면(211)에 레이저 광이 조사되면 이 광은 스크린(미도시) 상에서 수평으로 주사되면서 수직면으로 주사되므로, 스크린 상에 2차원적인 영상을 구현한다.

본 발명에서의 제1구동코일(251)과 제2구동코일(252)은 서로 전기적으로 분리되어 있어서, 각각의 구동코일(251, 152)에는 수평주사 신호와 수직주사 신호가 분리되어서 인가된다. 이러한 제1구동코일(251) 및 제2구동코일(252)은 내부프레임에 교번적으로 형성되어 있기 때문에 스테이지(210)에 인가되는 모멘트의 암(arm)이 증가하며, 따라서 수평주사를 위한 스테이지(210)의 구동각도가 증가될 수 있다. 따라서 제1구동코일(251)에 인가되는 최대 전류량이 감소한다. 이는 구동코일의 단면적 감소를 가져오므로 동일한 면적에서의 구동코일의 권취수를 증가시킬 수 있게 한다.

또한, 미러면(211)이 형성된 스테이지(210)에는 구동코일이 형성되지 않으므로 질량이 적은 스테이지(210)가 그 위에 형성된 구동코일에 의해서 열적 변형이 일어나는 것을 방지한다.

도 4는 본 발명의 기계적 저주파 필터인 중간프레임(260)의 작용을 설명하기 위한 도면이며, 도 3의 구성을 가지는 본 발명의 스캐너(200)를 모사하였으며, 도 3의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 중간프레임(260) 및 스테이지(210)의 질량을 m1, 제3토션스프링(262)의 회전강성을 k1, 댐핑 상수를 c1이라 하고, 내부프레임(220)의 질량을 m2, 제2토션스프링(222)의 회전 강성을 k2, 댐핑 상수를 c2로 정한다. 스캐너(200)는 수학식 1과 같이 모델링 될 수 있다.

여기서, 스테이지(210) 및 중간프레임(260)의 움직임을 고찰하기 위하여 이들의 고유진동수를 ωn이라 정한다. 이 ωn은 스테이지(210)와 중간프레임(260)이 제3토션스프링(262)을 중심으로 진동할 때의 고유주파수이다. 스캐너(100)와 같은 2차 시스템에서 힘 F로 인한 m2의 진동은 톱니파 형태의 저주파 성분과 사인파 형 태의 고주파 성분으로 나뉜다. 이때 m1의 진동량 x1은 m2의 진동량과 주파수에 의하여 정해진다. 일반적으로 크기가 Ain, 구동주파수 ωd인 진동이 지지대(외부프레임)에 인가될 때 지지대에 연결된 스프링-질량-댐퍼 시스템의 응답특성은 도 5와 같이 알려져 있으며, 이때, 주파수비(Frequency ratio) 및 전달도 (transmissibility)는 수학식 2 및 3과 같이 정의한다.

주파수 비 = ωd/ωn

전달도 = Aout / Ain

이때, Aout 은 지지대의 진동에 의한 질량의 진동에 대한 진폭을 나타낸다. 도 5에서 x축은 주파수 비이며, y축은 전달도를 로그 스케일(log scale)로 도시한 그림이다.

도 5를 참조하면, 지지대에 고유주파수와 동일한 진동을 발생시키는 외부입력을 부여하였을 경우(x축이 1인 점), 가장 큰 진폭이 나타내며, 고유주파수보다 훨씬 낮은 주파수를 가진 진동이 입력되면 전달도는 1에 가까워진다. 한편, 주파수 비가

보다 클 경우에는 전달도가 1 이하인 완충영역(6)으로 진입하게 된다. 곡선 3은 고무나 실리콘과 같이 낮은 감쇠값을 갖는 경우의 특성 곡선이고, 곡선 4는 높은 감쇠값을 갖는 경우의 특성곡선이다. 감쇠값에 상관없이 주파수비가 보다 크면 완충영역(6)으로 진입하게 되며, 완충영역(6)은 고주파 성분이 필터링되는 영역이라고 말할 수 있다. 다시 말하면, 외부에서 전달되는 고주파 진동에 둔 감해 지기 위해서는 시스템의 고유주파수를 외부에서 전달되는 고주파 진동수에 비해 1/

이하가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 기계적 저주파 통과필터의 작용을 도 3을 예시적으로 설명한다. 도 6a는 시간에 따른 합성 모멘트를 도시한 그래프이고, 도 6b는 및 도 6c는 각각 시간에 대한 x2, x1의 변위를 도시한 그래프이다.

본 발명의 제1구동코일(251) 및 제2구동코일(252)에 전류를 인가하면, 내부프레임(220)에 제1구동코일(251)에 의한 고주파 모멘트와 제2구동코일(252)에 의한 저주파 모멘트가 발생된다. 저주파 모멘트의 수직 구동신호가 대략 60Hz 정도이고, 고주파 모멘트의 고주파 신호가 대략 20KHz 정도인 경우의 합성 모멘트를 도 6a에 도시하였다.

내부프레임(220)이 제2토션스프링(222)을 중심으로 진동하게 되는 공진주파수를 약 1kHz 정도로 설계하고, 제1토션스프링(212)을 중심으로 스테이지(210)가 진동하는 공진주파수를 약 20KHz 정도로 설계한다. 내부프레임(220)에 가해진 합성모멘트는 수평주사 성분과 수직주사 성분으로 내부프레임(220)을 제1축방향과 제2축방향으로 진동시킨다. 제1토션스프링(212)을 중심으로 한 내부프레임(220)의 진동은 60Hz와 20kHz 성분을 모두 포함하는데, 이 진동은 미러의 공진주파수 20kHz와 일치하므로 전달율이 매우 커지게 된다. 그러므로 미러(122)는 공진을 하게 되어 제1토션스프링(212)을 중심으로 큰 변위를 보이게 되고 사인파 형태의 진동을 하게 된다.

한편, 제2토션스프링(222)을 중심으로 한 내부프레임(220)의 진동도 60Hz와 20kHz 성분을 모두 포함하며, 내부프레임(220)의 공진주파수가 예컨대 1kHz로 설계된 경우, 20kHz 성분은 미약하게 존재하면서 60Hz 톱니파 형태의 진동성분이 주로 나타나게 된다.

이때, 내부프레임(220)의 변위(x2)는 도 6b에 도시된 바와 같이, 톱니파 형태를 보이지만 고주파 모멘트에 의한 미세한 고주파 진동이 발생된다. 하지만, 제3토션스프링(262)을 중심으로 진동하는 중간프레임(260)과 스테이지(210)의 공진주파수를 20kHz의 1/

이하, 예컨대 8kHz로 설계하는 경우에는 도 6c에 도시된 바와 같이, 중간프레임(260)과 스테이지(210)의 움직임은 고주파 성분이 대부분 필터링되어 그 떨림이 약 1/10로 현격히 줄어 든 것을 시뮬레이션으로 확인할 수 있다. 이는 20kHz의 내부프레임(220)의 진동성분은 8kHz의 공진주파수를 가진 중간프레임(260)과 스테이지(210)에 잘 전달되지 않기 때문이다. 즉, 중간프레임(260)과 제3토션스프링(262)의 기계적 구조가 저주파 통과필터(low pass filter) 역할을 수행함으로써, 스테이지(210)가 제2토션스프링(222)을 중심으로 고주파 진동을 하는 것을 차단시킬 수 있는 것이다. 이에 따라, 수평 주사선간의 수직 이격 거리가 일정하여 서로 겹침 현상을 없애서 해상도를 향상시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따른 2축구동 액츄에이터가 적용된 스캐너(300)를 도시한 평면도이다. 도 3의 액츄에이터와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 7을 참조하면, 스캐너(300)를 구동하는 제1구동코일(251') 및 제2구동코일(252')는 중간프레임(260) 상에도 연장되어서 형성된다. 중간프레임(260) 상에서 의 제1구동코일(251') 및 제2구동코일(252')은 전기적으로 분리되어 형성된다. 제1구동코일(251')과 제2구동코일(252')이 교번적으로 형성된다.

상기 제1구동코일(251')은 전극패드(P1)로부터 제2토션스프링(222)을 지나 내부프레임(220) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 다시 제3토션스프링(262)을 지나 중간프레임(260) 상에서 수회 권취된 후, 제3토션스프링(262), 내부프레임(220) 및 제2토션스프링(222)를 지나서 전극패드(P2)로 돌아온다.

상기 제2구동코일(252')은 전극패드(P3)로부터 제2토션스프링(222)을 지나 내부프레임(220) 상에서 수회 내지 수십회 권취된 후, 제3토션스프링(262), 내부프레임(220) 및 제2토션스프링(222)를 지나서 전극패드(P4)로 돌아온다.

중간프레임(260)에도 구동코일(251',252')을 권취할 수 있으므로 구동력을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 수직주사용 구동코일과 수평주사용 구동코일이 교번적으로 설치되므로, 코일의 길이가 짧아져서 코일의 저항이 줄며 이는 소비전력의 감소를 가져온다.

또한, 수평주사용 구동코일과 수직주사용 구동코일에 신호를 분리하여 인가하기 때문에 최대전류량이 감소되어 소비전력이 감소된다. 이러한 최대전류량의 감소는 코일의 단면적을 줄이며, 따라서 단위면적당 코일 권취수를 증가시켜서 구동력을 증가시킬 수 있다.

또한, 외부 입력 중 특정 고주파 성분을 제거하는 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)의 특성을 구비한 기계적인 구조를 제공하는 효과가 있다. 또한, 전자적인 제어가 필요없어서 별도의 부품을 소요하지 않으면서 비교적 간단한 기계적인 설계 변경만으로 저주파 통과 필터를 제공하여 생산성이 높고 추가적인 비용 소모가 거의 없는 외부 입력에 의해 구동되는 효과가 있다.

또한, 고주파의 간섭을 효과적으로 배제하여 고주파로 인한 떨림 현상을 제거할 수 있어서 정밀한 위치 제어가 가능하고, 스캐너에 응용시 주사선간의 수직 이격 거리가 일정하게 유지할 수 있어서 주사선의 상호간 겹침 현상으로 인한 해상도의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져 야 할 것이다.

Claims

제1축에 대해서 회동가능하게 형성된 스테이지;

상기 제1축에서 상기 스테이지의 양측을 지지하는 내부프레임;

상기 제1축과 직교하는 제2측에서 상기 내부프레임의 바깥쪽 양측을 지지하는 외부프레임;

상기 제1축 및 제2축 사이로 전기장을 제공하는 자석;

상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제2축방향으로 회동하는 제1신호가 인가되는 제1구동코일; 및

상기 내부프레임에 형성되며, 상기 스테이지를 상기 제1축방향으로 회동하는 제2신호가 인가되는 제2구동코일;을 구비하며, 상기 제1구동코일 및 제2구동코일을 서로 전기적으로 분리되게 형성된 것을 특징으로 하는 2축구동 전자기 액추에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 제1구동코일 및 상기 제2구동코일은 교번적으로 형성된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 2 항에 있어서,

상기 제1구동코일 및 제2구동코일은 같은 수로 권취된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 제1구동코일에는 고주파 신호가 인가되며,

상기 제2구동코일에는 저주파 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 스테이지 및 내부프레임 사이에는 중간프레임이 더 설치되며,

상기 중간프레임은 상기 내부 프레임 및 상기 외부 프레임에 상기 제2축 방향으로 형성된 토션스프링에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 중간프레임에는 상기 스테이지를 상기 제2축방향으로 회동하는 제3신호가 인가되는 제3구동코일; 및

상기 스테이지를 상기 제1축방향으로 회동하는 제4신호가 인가되는 제4구동코일;이 형성되며, 상기 제3구동코일 및 제4구동코일은 서로 전기적으로 분리되게 형성된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 제3구동코일 및 상기 제4구동코일은 교번적으로 형성된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 제3구동코일 및 제4구동코일은 같은 수로 권취된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 제3구동코일에는 고주파 신호가 인가되며,

상기 제4구동코일에는 저주파 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 제3구동코일은 상기 제1구동코일은 연결되며, 상기 제4구동코일은 상기 제2구동코일에 연결된 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 6 항에 있어서,

상기 중간프레임의 고유 진동수는 상기 스테이지의 고유진동수의 1/
이하인 것을 특징으로 하는 액추에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 스테이지 상에는 광을 편향주사하는 미러면이 형성된 것을 특징으로 하는 액추에이터.