KR20090104821A - 스티어링 미러 응용들을 위한 고대역폭 선형 액추에이터 - Google Patents

스티어링 미러 응용들을 위한 고대역폭 선형 액추에이터 Download PDF

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KR20090104821A
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coil
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KR1020097014617A
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다렌 알. 라우그흐린
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에이-테크 코포레이션
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Abstract

인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 코일 선형 액추에이터(Coil Linear Actuator)가 개시된다. 액추에이터는 코일 조립체와 자석 조립체를 포함한다. 코일 조립체는 전기적으로 직렬 연결된 복수 개의 PCB 코일들을 포함한다. PCB 코일들은 일렬로 배열되며, 인접한 PCB 코일들은 간격(gap)을 두고 분리되어있다. 각각의 PCB 코일은 보드 부재상 위에 배치된, 종횡비(aspect ratio)가 낮은 다중층(multi-layer)의 코일 부재를 갖는다. 액추에이터 조립체는 일렬로 배열된 복수 개의 자석 유닛들을 포함하며, 인접한 자석 유닛들은 간격을 두고 분리되어 있다. 액추에이터가 조립될 때, PCB 코일들은 자석 유닛들과 서로 교대하는 순서로 배열된다. PCB 코일 선형 액추에이터는 통상적인 슬롯형 보빈 음성 코일 액추에이터(slotted bobbin voice coil actuator)들을 대체하도록 의도된 것으로서, 특히 고속 스티어링 미러(Fast Steering Mirror; FSM) 응용에 유용하다. PCB 코일 선형 액추에이터는 동등한 모터 상수(equivalent motor constant)를 갖는 VCA에 비해, 성능이 향상되고, 무게가 낮으며, 프로파일이 낮은 등의 많은 장점들을 제공한다.
액추에이터, 음성 코일 액추에이터, 고속 스티어링 미러

Description

스티어링 미러 응용들을 위한 고대역폭 선형 액추에이터 {HIGH BANDWIDTH LINEAR ACTUATOR FOR STEERING MIRROR APPLICATIONS}
본 발명은 AFRL/PK8VV Det 8 공군 리써치 연구소가 수주한 계약 FA9453-05-M-0070하에서 정부지원으로 창안된 것으로서, 정부는 본 발명의 권리 일부를 소유한다.
음성 코일 액추에이터(Voice Coil Actuator; VCA)는 고속 스티어링 미러(Fast Steering Mirror; FSM)에 일반적으로 사용되는 액추에이터이다. VCA는 일반적으로 슬롯형 보빈(slotted bobbin) 주위에 감겨진 코일을 포함한다.
통상적인 VCA의 예(10)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 VCA(10)는 하우징(20)과 상기 하우징(20) 내에 배치된 자석 조립체(40) 및 상기 하우징(20) 내에 배치된 코일 조립체(60)을 포함한다. 코일 조립체(60)는 슬롯형 보빈(64) 주위로 감겨진 코일 부재(62)를 포함한다.
통상적인 음성 코일 액추에이터들에 비해 성능이 향상되고, 무게가 낮으며, 프로파일(profile)이 낮은 액추에이터를 제공하는 것이 바람직하다.
인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 코일 액추에이터가 개시된다. 상기 액추에이터는 고속 스티어링 미러(Fast Steering Mirror; FSM)와 같은 디바이스의 베이스부(base side)에 부착시키기 위한 코일 조립체(assembly)와, 상기 FSM의 미러부(mirror side)와 같은 이동부(movable side)에 부착시키기 위한 자석 조립체를 포함한다. 경우에 따라서는, 그 반대로 하여, 코일 조립체가 미러부에 부착되고, 자석 조립체가 기저부에 부착될 수 있다.
코일 조립체는 직렬로 연결된 복수의 PCB 코일들을 포함한다. 각각의 PCB 코일은 복수 개의 코일 층들을 갖는 프로파일이 낮은 타원형 코일 부재를 포함하며, 상기 코일 부재는 코일 조립체의 베이스부에 고정된 기판 부재 위에 배치된다.
액추에이터는 또한 자석 조립체의 기저부에 고정되고, PCB 코일들과 일렬로 위치되는 복수의 자석 유닛들을 갖는 자석 조립체를 포함하며, 상기 PCB 코일들과 상기 자석 유닛들은 액추에이터의 길이 방향을 따라 PCB 코일들과 서로 교대하는 방식으로 배열된다. 상기 자석 유닛들 각각은 서로 극성이 반대인 하부 자석과 상부 자석을 포함하며, 이들 자석들의 자극 축들(polar axes)은 코일 부재들의 평면에 대해 수직이다. 극편(pole pieces)들, 즉 분로들(shunts)은 액추에이터 내에서 자기 회로를 폐쇄(close)하도록 최외곽 자석 유닛들에 있는 자석들 바깥쪽에 위치된다.
본 발명의 PCB 코일 액추에이터는 공지된 음성 코일 액추에이터(Voice Coil Actuator; VCA)들에 비하여 여러가지 장점들을 제공하는 바, 이러한 장점들은 다음을 포함한다:
코일 권선이 없는 매우 신뢰성 있는 제조.
빠른 응용 정합(application matching)을 가능하게 하는 모듈화 설계.
단축된 조립 시간.
더욱 단순한 전자기계적 인터페이스(Interface).
병렬 및/또는 직렬 권선 조합이 PCB 코일 위에서 직접 점프됨.
코일 조립체의 장착 베이스부로의 뛰어난 열전도도.
매우 높은 충격 및 진동 내성.
높은 강성(high regidity)으로 인한 뛰어난 고주파 성능.
도 1은, 통상적인 음성 코일 액추에이터의 사시도.
도 2는, 도 1의 음성 코일 액추에이터의 보빈(Bobbin)과 음성 코일의 사시도.
도 3은, 본 발명의 구현에 따른 PCB 코일 선형 액추에이터의 측면 부분도.
도 4는, 도 3의 PCB 코일 선형 액추에이터의 코일 조립체의 사시도.
도 5는, 도 4의 코일 조립체의 PCB 코일의 평면도.
도 6은 도 5의 PCB 코일의 코일 부재들의 적층부의 단면도.
도 7은 도 6의 코일 부재들의 적층들 간의 전기적 배선을 보이는 개략도로서, 여기서 적층들은 서로 직렬로 연결되어있다.
도 8A 내지 도 8C는, 각각 도 4의 코일 조립체의 코일 베이스의 평면도, 저면도, 측면도 및 단부도.
도 9A 및 도 9B는 각각 도 4의 코일 조립체의 코일 클램프의 평면도 및 측면 도.
도 10A 및 도 10B는 각각 도 4의 코일 조립체의 코일 격리부재의 평면도 및 측면도.
도 11은 도 3의 PCB 코일 선형 액추에이터의 자석 조립체의 사시도.
도 12A 및 12B는 도 11의 자석 조립체의 자석의 두 면들의 사시도.
도 13A 내지 도 13C는 각각 도 11의 자석 조립체의 자석 베이스의 평면도, 저면도, 측면도 및 단부도.
도 14A 및 도 14B는 각각 도 11의 자석 조립체의 내측 하부 자석 클램프의 평면도 및 측면도.
도 15A 및 도 15B는 각각 도 11의 자석 조립체의 내측 자석 지지체의 평면도 및 측면도.
도 16A 및 도 16B는 각각 도 11의 자석 조립체의 내측 상부 자석 클램프의 평면도 및 측면도.
도 17A 및 도 17B는 각각 도 11의 자석 조립체의 외측 하부 자석 클램프의 평면도 및 측면도.
도 18A 및 도 18B는 각각 도 11의 자석 조립체의 외측 자석 지지체의 평면도 및 측면도.
도 19A 및 도 19B는 각각 도 11의 자석 조립체의 외측 상부 자석 클램프의 평면도 및 측면도.
도 20A 및 도 20B는 각각 도 11의 자석 조립체의 극편을 형성하는 자석 분로 의 평면도 및 측면도.
도 21은 PCB 코일 선형 액추에이터의 크기 응답을 보이는 그래프.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로한 하기의 상세한 설명에 의해 잘 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 코일 선형 액추에이터가 도 1 내지 도 21을 참조하여 하기 문단들에서 기술된다. 이러한 액추에이터는 고속 스티어링 미러(FSM) 응용에 특히 유용하나, 다른 용도들도 구상될 수 있다.
도 3은 PCB 코일 선형 액추에이터(100)을 도시한다. 액추에이터(100)는 코일 조립체(110)과 자석 조립체(150)를 포함한다. 이제, 상기 코일 조립체(110)와 자석 조립체(150)를 상세하게 기술한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 코일 조립체(110)는 코일 조립체 베이스(base)(120) 위에 일렬로 배치된 복수의 PCB 코일(112)들을 포함하여, 인접한 코일(112)들 간에 간격(gap)(114)이 형성된다. 상기 PCB 코일(112)들은 전기적으로 직렬로 연결되어 있다. 도 3, 도 4, 및 도 8A 내지 8C에서 도시된 것과 같이 상기 코일 조립체 베이스(120)는 장착공(mounting hole)(122)들을 사용하여 FSM 장치(300)의 베이스(302)에 장착될 수 있다. 도 3, 도 8A 및 도 8C에서 도시되듯이, 상기 베이스 부재(120)는 PCB 코일(112)들의 하부를 지지하기 위한 지지 홈(retaining slot)(124)들을 포함한다. 상기 코일 조립체(110)는 코일 격리부 재(standoff)(126)들을 더 포함한다(도 4, 도 10A 및 도 10B에서 도시됨). 상기 코일 격리부재(126)는 베이스 부재(120)의 대향면들(opposing sides)을 따라 2열로 배치되고, 체결구(fastening hole)(130 및 132)를 통해 상기 베이스 부재(120)에 부착되고, PCB 코일(112)들의 길이 방향 단부(longitudinal end)들을 지지하기 위한 지지 홈(134)들을 포함한다. 도 9A 및 도 9B에서 도시된 한 쌍의 코일 클램프(clamp)(136)들은 베이스 부재(120)의 대향면들을 따라 2열로 배치되고, 체결구들(130 및 138) 및 정합 나사(matching screw)(도시되지 않음)들을 통해 코일 격리부재(126a, 126b)들의 상부 끝의 단부에 체결된다. (도시되지 않은) 나사들이, 코일 격리부재(126a, 126b)들을 베이스 부재(120)에 체결시키기 위해 사용된다. 상기 코일 클램프들은 지지 홈(140)들 안에 있는 PCB 코일(112)들의 상부 가장자리를 고정하도록 위치된다.
도 5 내지 도 7에서 설명되듯이, 각각의 PCB 코일(112)은 보드 부재, 즉 PCB 보드(118)에 장착된 프로파일이 낮고 실질적으로 평평한 코일 부재(116)를 포함한다. 상기 코일 부재(116)는 상기 보드 부재(118)의 표면 위에 실질적으로 타원형으로 감겨져 있으며, 하나가 다른 하나 위에 쌓아져 있는 직렬 연결의 다중의 코일 층들(116a 내지 116h)을 포함한다. 상기 층들(116a 내지 116h)은 적층(도시되지 않음)을 통해 서로 절연된다. 도 7에서 도시되었듯이, 개개의 코일 층들은 직렬로 연결되었으며, 코일의 쌍들이 서로 이어져(bridged) 있다. 주어진 예에서, 각각의 코일 부재(116)는 보드마다 8번의 턴(turn)(권회)을 갖도록 형성된 8개의 코일 층들을 포함한다. 맨 위 층(116a)으로부터 다섯 번째 중간층(116f)으로의 배 선(interconnect)과, 제 2 중간층(116b)으로부터 여섯 번째 중간 층(116g)으로의 배선 등은 보드 부재(118)을 통한 전도성 비아(conductive via)를 갖는다. 앞의 네 개의 층들(116a 내지 116d)에는 층당 2번의 턴이 있으며, 상기 앞의 네 개의 층들(116a 내지 116d)은 다음 네 개의 층들(116e-116h)과 병렬로 연결된다. 상기에서 기술된 형성에 따른 PCB 코일은 0.04 인치 정도의 두께를 가질 것이다. 하나의 특정한 PCB 코일의 구현이 위에서 기술되었다 할지라도, 다양한 층 및 턴(권회)의 개수, 다양한 층간 연결 방식(scheme) 및 다양한 모양과 크기를 갖는 다른 실시예들도 가능함이 이해될 것이다.
도 3과 도 11을 보면, 자석 조립체(150)는 상기 자석 조립체(150)의 내부 영역(area)에 내측 자석 유닛(160)들 및 상기 자석 조립체(150)의 말단들에 외측 자석 유닛(180)들을 포함한다. 자석 유닛들(160 및 180)은 단일의 열로 배열되고, 자석 조립체 베이스(200)에 고정된다. 따라서 인접한 자석 유닛들(160 및 180)은 PCB 코일(112)을 수용하기 위한 간격(152)에 의해 분리된다. 도 11 및 도 13A 내지 도 13B에서 도시된 것과 같이, 베이스 부재(200)는 장착공(192)을 사용하여 FSM 장치(300)의 미러(304)에 장착될 수 있다. 어떤 바람직한 경우에 있어서는, 코일 조립체(110)의 베이스 부재(120)를 FSM 미러 면(304)에 장착하고, 자석 조립체의 베이스 부재(200)를 FSM 베이스(302)에 장착하는 것도 가능하다.
도 3과 도 12에서 도시되었듯이, 내측 자석 유닛(160) 각각은 제 1, 즉 하부 자석(162)과 제 2, 즉 상부 자석(164)을 포함한다. 상기 하부 자석(162)과 상기 상부 자석(164)은 그것들의 자극 축이 코일 부재(116)들의 면들에 대해 수직이고, 그 것들이 서로 상반되는 자극 방위(polar orientation)("N"과 "S"에 의해 표시됨)를 갖도록 배치된다. 도 3 및 도 14A 내지 도 16B를 참조하면, 내측 자석 유닛(160)은 내측 하부 자석 클램프(166)(도 14A 및 도 14B), 내측 중앙 자석 지지체(holder)(168)(도 15A 및 도 15B) 및 내측 상부 자석 클램프(170)(도 16A 및 도 16B)를 더 포함한다. 상기 내측 하부 자석 클램프(166)와 내측 상부 자석 클램프(170)는 실질적으로 막대 모양이다. 상기 내측 중앙 자석 지지체(168)은 실질적으로 H 모양이고, 수평 부분(168a)과 상기 수평 부분(169a)의 마주보는 양 끝단에 위치한 수직 부분(168b)들을 가진다. 상기 내측 하부 자석 클램프(166)와 내측 상부 자석 클램프(177)는 각각 체결구들(166a, 168c 및 170a) 및 이에 부합하는 체결자(matching fastener)(도시되지 않음)들을 통해 내측 중앙 자석 클램프(168)의 수직 부분(168b)의 하부와 상부의 양 끝에 부착된다. 따라서, 상기 상부 자석(164)은 내측 상부 자석 클램프(170)와 내측 중앙 자석 지지체(168)의 사이에 고정되는 반면에, 상기 하부 자석(162)은 내측 하부 자석 클램프(166)와 내측 중앙 자석 지지체(168)의 사이에 고정된다. 상기 내측 하부 자석 클램프(166)는 체결구(166b) 및 베이스(200)에 있는 부합 구멍(도시되지 않음)에 삽입되는 체결자(도시되지 않음)에 의해 자석 조립체 베이스(200)에 부착된다.
도 3, 도 12A 및 도 12B에서 보여지듯이, 각각의 외측 자석 유닛(180) 또한 제 1, 즉 하부 자석(162)과 제 2, 즉 상부 자석(164)을 포함한다. 상기 하부 자석(162)과 상기 상부 자석(164)은 그것들의 자극 축이 코일 부재(116)들의 면들에 대해 수직이며, 그것들이 서로 상반되는 자극 방위("N"과 "S"에 의해 표시됨)를 갖 도록 배치된다. 상기 외측 자석 유닛(180)은 극편(pole piece), 즉 분로(shunt)(182)를(도 20A 및 도 20B) 더 포함한다. 도 3 및 도 17A 내지 도 19B를 참조하면, 외측 자석 유닛(160)은 외측 하부 자석 클램프(186)(도 17A 및 도 17B), 외측 중앙 자석 지지체(188)(도 18A 및 18B) 및 외측 상부 자석 클램프(190)(도 19A 및 19B)를 더 포함한다. 상기 외측 하부 및 외측 상부 자석 클램프(186과 190)는 대체적으로 막대 모양이다. 외측 중앙 자석 지지체(188)는 본질적으로 H 모양이며, 수평 부분(188a)과 상기 수평 부분(188a)의 마주보는 양 끝단에 위치한 수직 부분(188b)들을 가진다. 상기 외측 하부 자석 클램프(186)와 외측 상부 자석 클램프(190)는 각각 체결구들(186a, 188c 및 190a)을 통해서 외측 중앙 자석 지지체(188)의 수평 부분(188b)의 하부와 상부의 양 끝에 부착한다. 따라서, 상기 상부 자석(164)은 외측 상부 자석 클램프(190)와 외측 중앙 자석 지지체(190)의 사이에 고정되는 반면에, 고정 상기 하부 자석(162)은 외측 하부 자석 클램프(186)와 외측 중앙 자석 지지체(188)의 사이에 고정된다. 극편(182)은 외측 자석 유닛(180) 내에서 상부 자석(162)과 하부 자석(164)의 바깥쪽에 위치되고, 외측 하부 자석 클램프(186)와 외측 상부 자석 클램프(190) 사이에 고정된다. 상기 외측 하부 자석 클램프(186)는 체결구들(187과 194)을 가지고 자석 조립체 베이스(200)에 부착된다.
상기 자석들(162와 164)은, 예를 들면, 35 MGOe 네오디늄(Neodymium) 붕소(Boron) 철(Iron) (NdBFe) 에너지적(Energy Product) 자석일 수 있다. 더 고성능을 위해, 상기 자석들(162와 164)은 50 MGOe NdBFe 영구 자석일 수 있다. 높은 온도에서의 작동을 위해, 고 에너지 물품인 사마륨(Samarium) 코발트(Cobalt) 자석 들(162, 164)이 사용될 수 있다. 다른 종류의 자석들 또한 사용될 수 있다. 극편은, 예를 들면 C1008과 같이 쉽게 입수가능한 탄소강(Carbon steel)으로 만들어질 수 있다. C1008은 약 18,000 Gauss의 포화 자속 밀도(saturation flux density)를 갖는다. 그러나, 극편(182)을 Hiperco 50A(바나듐 퍼멘더(Vanadium Permendur)라고도 알려짐)로 구성함으로써 더 높은 성능이 달성될 수 있다. Hiperco 50A는 최대 23,000 Gauss의 포화 자속 밀도를 갖는다. 더 높은 자속 밀도 때문에, 자속 밀도의 비율만큼 Hiperco 50A가 C1008보다 덜 필요할 것인 바, 이는 액추에이터의 무게를 줄이게 될 것이다.
코일 베이스 부재(120), 코일 격리부재(128a 및 128b) 및 코일 클램프(160) 뿐만 아니라, 자석 조립체(e)의 다른, 자성을 갖지 않는 부재들은(예를 들면, 자석 조립체 베이스(200), 하부 자석 체결구(166 및 186), 중앙 자석 지지체(168 및 188) 및 상부 자석 체결구(170 및 190))는 알루미늄이나 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 가능한 재료 중 하나는 Torlon(폴리이미드-아미드(Polyimide-amide), PIA)이다. Torlon은 굳고(Strong), 고온 내성을 가지며, C1008 및 네오디움 자석의 열 팽창 계수와 매우 가까운 열 팽창 계수를 보인다. 알루미늄은 Torlon보다 더 굳다. 그러나 두 배로 무겁다. 무게, 구조적 강성(rigidity) 및 비용과 같은 설계 고려사항들에 기반하여 이러한 것들 또는 다른 재료들이 사용될 수 있다.
도시된 실시예에 따르면, 다섯 개의 내측 자석 유닛(160)들 및 두 개의 외측 자석 유닛(180)들을 포함하는 일곱 개의 자석 유닛들이 제공된다. 따라서 전부 14개의 자석들을 제공한다. 자석 조립체(150)는 코일 조립체(110)를 염두에 두고 설 계되었다. 액추에이터(100)가 조립될 때(도 3), 코일 조립체(110)와 자석 조립체(150)는 결부되어(interface), 코일 조립체 베이스(120)과 자석 조립체 베이스(200)은 서로 마주보는 면에 위치하고, PCB 코일들은 인접한 자석 유닛(160 및 180)들 사이의 간격(152)들로 삽입되고, 내측 자석 유닛(160)들은 외측 PCB 코일(112)들의 바깥쪽에 위치된다. 따라서, PCB 코일(112)들과 자석 유닛(160 및 180)들은 액추에이터(100)의 길이 방향을 따라 서로 교차하는 방식으로 배열된다. 액추에이터(100)는 다양한 갯수의 PCB 코일들과 자석 유닛(160 및 180)들을 갖는 유사한 구성들을 통해 확대되거나 축소될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
작동에 있어, 전류가 PCB 코일(112)들에 가해질 때, 상기 코일(112)들은 자석 구조체(160 및 180)들에 의해서 생성되는 자기장들과 상호작용하는 자기장을 생성하고, 그것에 의하여 FSM(300)의 미러 면(304)에 가해진 전류에 비례하는 움직임(movement)을 제공한다. 액추에이터에 가해지는 힘은 다음 공식에 의해 정해진다:
F(newtons) = NILB
상기 수식에서:
N = 유효한 턴(Turn)의 수
I = PCB 코일로 흘러들어가는 전류(amps)
L = 자기장에 수직인 1 턴(미터)의 유효 길이(Effective Length)
B = PCB 코일을 통해 수직으로 인가되는 평균 자기장 자속 밀도(tesla)
본 발명에 따른 액추에이터의 성능 특성과 이익은 다음의 예를 통해 인식될 수 있을 것이다.
예
프로토타입(prototype) PCB 코일 선형 액추에이터를 FSM 응용(application)을 위해 평가하였다. 액추에이터에 대한 몇몇 중요 파라미터(key parameter)들은, ±0.032 in. (0.8 mm)의 필요 스트로크(stroke), 코일 조립체와 자석 조립체 사이의 0.020 in. (0.5 mm)의 간격 및 50 Newton보다 큰 최대 힘(peak force)이 있다. 프로토타입에 대한 그 이상의 파라미터들은 아래와 같다.
상기 프로토타입 PCB 코일 선형 액추에이터는 두께가 0.040 in. 이고, 보드 당 여덟 번의 턴에 상당하는 여섯 개의 8층 PCB 코일들을 사용한다. PCB 코일들은 직렬로 연결되어서 그 결과로 48번의 유효한 턴(effective turn)이 된다. 각각의 PCB 코일의 풋프린트(foot print)는 3.00 in. × 0.675 in. 이다. 나아가 상기 프로토타입은 14개의 35 MG NdBFe 자석(길이는 2 in. 이고, 폭은 약 3/8 in.)들과 C1008 극편들을 사용한다. 상기 액추에이터의 자기를 띄지 않는 구조상 부재는 알루미늄으로 구성된다. 제 1 프로토타입의 예상 시험 결과 및 실제 시험 결과는 통상적인 음성 코일 액추에이터(VCA)의 시험 결과들과 대비되어 아래 표 1에 나타나 있다.
액추에이터 파라미터 기호 통상적인 음성 코일 액추에이터 PCB 코일 액추에이터 단위
전기에 관한 것 실제
힘 상수 (Force Constant) KF 5.8 2.54 NewTons/Amp
모터 상수 (Motor Constant) KM 2.8 4.33
Figure 112009042545238-PCT00001
역 기전력 상수 (Back EMF Constant) KB 5.8 2.54 Volts(meter/sec)
공칭 힘 (Nominal Force) Fnom 6.75 10.61 Newtons
공칭 힘에서의 전압 (Voltage @ Nominal Force) Vnom 5.12 1.43 Volts
공칭 힘에서의 전류 (Current @ Nominal Force) Inom 1.164 4.18 Amps
공칭 힘에서의 전력 (Power @ Nominal Force) Pnom 6.0 6.0 Watts
최대 힘 (20% 듀티 사이클) (Peak Force 20% Duty Cycle) Fpk 33.8 53.4 Newtons
최대 힘에서의 전압 (Voltage @ Peak Force) Vpk 26.2 7.2 Volts
최대 힘에서의 전류 (Current @ Peak Force) Ipk 5.8 21.05 Amps
최대 힘에서의 전력 (Power @ Peak Force) Ppk 152 152 Watts
지름 12"의 빔 스티어링 미러를 위한 액추에이터당 21N의 요구되는 힘을 위한 전압 (Voltage for 21N Req'd Force per Actuator for 12" Dia BSM) 15.93 2.84 Volts
지름 12"의 빔 스티어링 미러를 위한 액추에이터 당 21N의 요구되는 힘을 위한 전류 (Current for 21N Req'd Force per Actuator for 12" Dia BSM) 3.62 8.28 Amps
지름 12"의 빔 스티어링 미러를 위한 액추에이터당 21N의 요구되는 힘을 위한 전력 (Power for 21N Req'd Force per Actuator for 12" Dia BSM) 57.68 23.50 Watts
직류 권선 저항 (DC Winding Resistance) Rc 4.4 0.343 Ω
권선 인덕턴스 (Winding Inductance) Lc 1.4 0.044 milli-Henries
기계에 관한 것
공칭 액추에이터 길이 (Nominal Actuator Length) Lnom 1.56 (30.62) 0.887 (22.4) inch(millimeters)
코일 무게 mcoil 25 67.0 grams
자석 무게 mmag 196 142.0 grams
액추에이터 총 무게 mact 221 209.0 grams
코일 각 부의 틈새 (Clearance Each Side of Coil) ±0.020 (±0.51) ±0.020 (±0.51) inch (millimeters)
스트로크 (Stroke) ±0.20 (±5.08) ±0.032 (±0.81) inch (millimeters)
베이스로의 코일 열전도도 (Coil Thermal Resistance to Base) φTH 5.0 <5.0 °C/Watt
표 1. PCB 코일 선형 액추에이터 프로토타입의 실제 성능 vs 예측 성능
표 1에 따르면, 액추에이터는 실험된 것과 같이, 다음과 같은 특성을 나타낸다.
힘 상수 - 2.54 Newtons/AMP
모터 상수 - 4.33 Newtons/Watt1/2
권선 저항(Winding Resistance) - 0.343 ohms
권선 인덕턴스(Winding Inductance) - < 0.044 - milli-Henries
액추에이터 길이(Nominal Actuator Length) - 0.887 in. (22.4 mm)
코일 무게(베이스 측) - 67.0 g
자석 무게(미러 측) - 142.0 g
총 액추에이터 무게 - 209 g
전기적 시 상수(Electrical Time Constant) (L/R) - 128 μsec
도 21은 액추에이터 크기 응답(Magnitude Response) 그래프이며, 프로토타입 시험의 결과를 보여준다.
비교에 따르면, 전형적인 예의 VCA는 다음의 파라미터들을 가진다.
힘 상수 - 5.8 Newtons/AMP
모터 상수 - 2.8 Newtons/Watt1/2
권선 저항(Winding Resistance) - 4.4 ohms
권선 인덕턴스(Winding Inductance) - < 1.4 - milli-Henries
공칭 액추에이터 길이(Nominal Actuator Length) - 1.56 in. (39.62 mm)
코일 무게(베이스 측) - 25.0 g
자석 무게(미러 측) - 196.0 g
총 액추에이터 무게 - 221 g
전기적 시상수(Electrical Time Constant) (L/R) - 318 μsec
상기로 부터, 상기 프로토타입은 본 발명의 액추에이터 설계에 의하여 월등한 성능이 제공됨을 증명한다는 것과, 효율의 임계 영역에서 예측된 성능보다 뛰어난 실제 성능을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 실제 모터 상수는 4.33 newtons/watt1/2로 계산되었고, 이는 거의 동일한 총 액추에이터 무게를 갖는 통상적인 VCA에 비해 54% 높다. 모터 상수는 액추에이터의 전체적인 효율을 가리킨다. 본 예에서의 VCA는 더 효율적인 턴을 갖는다. 그 결과 훨씬 적은 효율로도 높은 힘 상수를 갖는다. 또한, 상기 PCB 코일 액추에이터는 턴의 유효 횟수를 늘림으로써 더 높은 힘 상수를 갖도록 설정될 수 있다. 그러나 이 경우에 있어, 상기 방식은 상당히 낮은 저항의 액추에이터를 위한 것이다(0.343 ohms 대 예제 VCA의 4.4 ohms). 모터 상수는 다음과 같은 힘 상수와 저항의 함수이다 : Km = Kf/R1/2
상기 PCB 코일 액추에이터 프로토타입은 21 newtons의 힘을 생성하도록 설계되었다. 예를 들면, 21 newtons의 힘을 생성하는데 VCA는 56.68 watts의 전력을 요구하는데 비해, 시험된 프로토타입은 단지 23.5 watts의 전력만을 요구한다. 따라서, 프로토타입은 같은 힘을 생성하는데 있어, VCA가 요구하는 전력의 단지 41%만을 필요로 한다. 부가적으로, VCA의 시상수 318 μsec에 비해 상기 시험된 프로토타입은 218 μsec의 시상수를 갖는다. 상기 프로토타입의 실험 결과에 따른 시 상수는 1 kHz 폐 회로(Loop)에서 현재 사용되고 있는 시상수의 40%이다, 따라서 상기 발명의 액추에이터가 2 kKz 폐 회로에 접속하기 위해 사용될 수 없다고 믿을 이유는 없다.
PCB 코일 액추에이터의 성능은 바나듐 퍼멘더 및 50 MGOe 자석과 같은 고성능 재료들을 사용함으로써 향상될 수 있다.
위에서 기술된 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어서의 최적 실시예를 설명함과 아울러, 당업자로 하여금 본 발명을 상기 또는 다른 실시예에서 그리고 본 발명의 특정한 응용 또는 이용에 요구되는 다양한 변형들과 함께 활용할 수 있도록 의도된 것이다. 따라서, 상기 설명은 본 발명을 여기에서 개시한 형태로만 한정하도록 의도된 것이 아니다. 또한, 첨부된 특허청구범위는 상세한 설명에서 명시적으로 정의되지 않은 대안적인 실시예들을 포괄하도록 해석되어야하는 것으로 의도된것이다.

Claims (16)

  1. 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 코일을 포함하는 조립체(Assembly); 및
    적어도 한 개의 자석 유닛을 포함하는 자석 조립체를 포함하며,
    상기 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판 코일은 전자기장을 생성하도록 배치되고, 상기 자석 유닛은 상기 전자기장과 상호작용(interaction)하는 자기장을 생성하도록 배치된 자석을 적어도 1개 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판 코일은 PCB 위에 배치된 실질적으로 편평한 코일 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 코일 부재는 하나의 위에 다른 하나가 적층된 복수 개의 코일 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수 개의 코일 층들은 여덟 개의 코일 층들로 이루어지며, 상기 여덟 개의 코일층 중에서 앞의 네 개의 층들 각각은, 상기 여덟 개의 코일층중 뒤의 네 개의 층들과 병렬로 연결된 두 개의 턴(turn)을 가진 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판은 서로 전기적으로 직렬로 연결된 복수 개의 인쇄된 회로 기판 코일을 포함하고, 상기 적어도 한 개의 자석 유닛은 복수 개의 자석 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 자석은 하나가 다른 하나 위에 적층된 제 1 자석과 제 2 자석을 포함하며, 상기 제 1 자석과 상기 제 2 자석은 상기 적어도 한 개의 코일 부재의 표면 평면에 수직인 자극축들(polar axes)을 가지며, 상기 제 1 자석과 상기 제 2 자석은 서로 반대되는 자극을 가진 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 액추에이터의 단부들에 배치되어, 상기 액추에이터의 자성을 띈 회로(Circuit)를 폐쇄(Close)하는, 자성을 띄지않는 극편(pole pieces)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 코일 조립체는:
    상기 코일 조립체를 미러 및 고속 스티어링 미러 장치(Fast Steering Mirror Device)의 베이스 중 하나에 고정시키도록 배치된 제 1 베이스 부재; 및
    상기 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판 코일을 상기 제 1 베이스 부재에 고정시키도록 배치된 적어도 한 개의 코일 클램프를 포함하며,
    상기 자석 조립체는:
    상기 자석 조립체를 상기 미러 및 상기 고속 스티어링 미러 장치의 베이스 중 다른 하나에 고정시키도록 배치된 제 2 베이스 부재; 및
    상기 적어도 한 개의 자석을 상기 제 2 베이스 부재에 고정시키도록 배치된 적어도 1개의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  9. 전자기장을 생성하기 위해 배치된 복수 개의 인쇄 회로 기판 코일들을 포함하는 코일 조립체; 및
    인접한 것들 사이에 간격(Gap)두고 일렬로 배치된 복수 개의 자석 유닛들을 포함하는 자석 조립체를 포함하며,
    상기 인쇄 회로 기판 코일은 상기 인쇄된 회로 기판 코일들 중 인접한 것들 사이에 간격을 두고 일렬로 배치되고, 상기 자석 유닛들 각각은 자기장을 생성하도록 배치된 적어도 한 개의 자석을 포함하며,
    상기 자석 유닛들과 상기 인쇄 회로 기판 코일들은 상기 액추에이터의 길이 방향을 따라 서로 교대하는 방식으로 배치되며, 상기 자석 유닛들 중 안쪽의 것들은 상기 인쇄 회로 기판 코일들 중 상기 인접한 것들 사이의 상기 간격안에 배치되고, 상기 회로 기판 코일들은 상기 자석 유닛들 중 상기 인접한 것들 사이의 상기 간격 안에 배치되고, 상기 자석 유닛들 중 바깥쪽의 것들은 상기 인쇄 회로 기판 코일들 중 가장 바깥쪽의 것들의 바깥쪽인, 상기 액추에이터의 단부들(Ends)에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 코일 조립체는:
    상기 코일 조립체를 미러 및 고속 스티어링 미러 장치의 베이스 중 하나에 고정시키도록 배치된 제 1 베이스 부재; 및
    상기 인쇄 회로 기판 코일들을 상기 제 1 베이스 부재에 고정시키도록 배치된 코일 클램프를 포함하고,
    상기 자석 조립체는:
    상기 자석 조립체를 상기 미러 및 상기 고속 스티어링 미러 장치의 베이스 중 다른 하나에 고정시키도록 배치된 제 2 베이스 부재; 및
    상기 자석 유닛들을 상기 제 2 베이스 부재에 고정시키도록 배치된 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 액추에이터의 단부들에 배치되어, 상기 액추에이터의 자성을 띈 회로를 폐쇄하는, 자성을 띄지 않는 극편들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 인쇄 회로 기판 코일은 PCB 위에 배치된 실질적으로 편평한 코일 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 코일 부재는 하나의 위에 다른 하나가 적층된 복수 개의 코일 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 복수 개의 코일 층들은 여덟 개의 코일 층들로 이루어지고, 상기 여덟 개의 코일층 중 앞의 네 개의 층들 각각은 상기 여덟 개의 코일층 중 뒤의 네 개의 층들과 병렬로 연결된 두 개의 턴을 가진 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 코일들은 서로 전기적으로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 자석은 하나가 다른 하나의 위에 적층된 제 1 자석과 제 2 자석을 포함하며, 상기 제 1 자석과 상기 제 2 자석은 상기 적어도 한 개의 코일 부재의 표면 평면에 수직인 자극축들을 가지며, 상기 제 1 자석과 상기 제 2 자석은 서로 반대되는 자극을 가진 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
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