KR100263749B1 - Nonlinearity redution comb electrostatic microactuator - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrostatic microactuator is provided to reduce generation of a vertical floatation between a stator finger and a moving finger, and to reduce a nonlinearity. CONSTITUTION: Fingers(32) are fixed on a stator(30) for alternately receiving positive and negative voltages. A moving body(40) has plural comb shaped bodies(42). Herein, the comb shaped bodies include fingers(44). The number of the fingers on the comb shaped bodies is over number of the fingers on the stator by one. Power is supplied to springs positioned at both ends of the moving body, the stator, and the moving body. In case of change in a transverse gap, a transverse force is reduced for reducing nonlinear element of electrostatic power is reduced.

Description

비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터Nonlinearity Reduction Comb Electrostatic Micro Actuator

본 발명은 빗살형 일렉크로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정자의 핑거 형상을 변경하고 +,- 전압을 교호로 인가하여 고정자의 핑거와 이동자의 핑거사이의 수직 부양의 발생을 감소하고, 비선형성을 저감할 수 있는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.The present invention relates to a comb-type electrostatic micro-actuator, and more particularly, by changing the shape of the stator's finger and alternately applying +,-voltage to reduce the occurrence of vertical flotation between the finger of the stator and the finger of the mover. The present invention relates to a comb-type electrostatic micro actuator capable of reducing nonlinearity.

통상적으로 마이크로 액츄에이터는 크게 전자장방식의 일렉트로마그네틱 마이크로 액츄에이터(Electromagnetic microactuator)와, 정전방식의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(Electorstatic microactuator)로 나누어지는 바, 정전력에 의해 구동되는 초소형의 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 2개의 전극을 미소한 간격으로 대향시키는 단순한 구조로서 마이크로 머쉰을 만들기 쉽고, 치수를 작게 하면 표면에 작용하는 힘인 정전력이 중력 등에 비해 지배적인 힘이 되기 때문에 미소변위생성능력을 가지므로 초정밀위치제어를 구현할 수 있으므로 하드디스크 드라이버(hard disk driver)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등과 같은 극히 정밀한 위치제어가 요구되는 시스템에 가장 널리 사용되고 있다.Micro actuators are generally divided into electromagnetic magnetic microactuators of the electromagnetic field and electrostatic microactuator of the electrostatic method. The actuator is a simple structure in which two electrodes are opposed to each other at small intervals, making it easy to make micromachines. Since position control can be implemented, it is most widely used for systems requiring extremely precise position control such as a hard disk driver head, a micro positioner, and the like.

도 1에는 본 출원인에 의해 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터라는 명칭으로 1997년 5월 13일 출원된 한국 특허 출원 제 97-18439호에 기재된 마이크로 액츄에이터를 개시하고 있다.FIG. 1 discloses the micro actuator described in Korean Patent Application No. 97-18439 filed May 13, 1997 under the name of a comb tooth type electrostatic micro actuator by the present applicant.

개시된 정전 구동기로서의 마이크로 액츄에이터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 좌우 양측에 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자(10)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된다. 전술한 고정자(10) 각각의 복수개의 빗형상체(12)에는 복수개의 핑거(14)가 상방으로 돌출하고 있다. 이와 같은 고정자(10)의 빗형상체(12)사이에는 복수개의 핑거(24)가 하방으로 돌출되어 있는 복수개의 빗형상체(22)를 가지는 이동자(15)가 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the micro actuator as the disclosed electrostatic driver is fixedly installed so that a pair of stators 10 each having a plurality of comb-shaped bodies 12 on both left and right sides face each other at a predetermined distance from each other. . A plurality of fingers 14 protrude upward from the plurality of comb shaped bodies 12 of the stator 10 described above. Between such comb-shaped bodies 12 of the stator 10, a mover 15 having a plurality of comb-shaped bodies 22 in which a plurality of fingers 24 protrudes downward is installed to linearly reciprocate. .

한편, 소정의 탄성계수를 갖는 스프링(17)이 한쌍의 이동자(15)의 좌우에 각각 부착되고, 이 스프링(17)을 지지하고 전원을 공급하는 앵커(19)가 한쌍의 이동자(15)의 상하에 부착된다.On the other hand, a spring 17 having a predetermined modulus of elasticity is attached to the left and right sides of the pair of movers 15, respectively, and an anchor 19 for supporting the spring 17 and supplying power is provided with the pair of movers 15. It is attached up and down.

앵커(19)로부터 이동자(15)의 상하에 각각 전압이 인가되면, 고정자(10)와 이동자(15)사이의 전위차에 의해 이동자(15)가 탄력있게 이동된다. 이때 발생되는 정전력F은 인가전압(V) 대 정전력(F)사이의 식은 다음과 같다.When voltage is applied to the mover 15 from above and below the anchor 19 respectively, the mover 15 is elastically moved by the potential difference between the stator 10 and the mover 15. The generated constant power F is the equation between the applied voltage (V) and the constant power (F) is as follows.

F=F(x)+F(t)F = F (x) + F (t)

Figure 1019970049200_B1_M0002
Figure 1019970049200_B1_M0002

여기서, n은 핑거의 수이고, εo 는 공기중에서 8.854×10-12인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g1는 고정자 핑거의 선단과 이동자 빗형상체의 기저면까지의 갭이고, g2는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 빗형상체의 바닥면까지의 갭이고, lf 는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한값이고, lb 는 고정자 빗형상체의 폭길이이고, 도 2에서 gω는 고정자의 핑거와 핑거사이의 거리의 합이고, ω는 고정자의 빗형상체의 두께이다.Where n is the number of fingers ε o Is the material constant of 8.854 × 10 -12 in air, V is the voltage, t is the thickness of the finger, g is the gap between each side of the finger of the stator and the finger of the mover, y is the displacement of movement, g 1 Is the gap from the tip of the stator finger to the base surface of the mover comb, g 2 is the gap from the bottom of the mover comb to the bottom of the stator comb, l f Is the width of each finger of the mover finger times the number of fingers, l b Is the width of the stator comb, in FIG. 2 g ω is the sum of the distance between the finger of the stator and the finger, and ω is the thickness of the comb of the stator.

이러한 종래의 마이크로 액츄에이터는 전압이 인가되면, 정전기력은 인가되는 전압의 제곱에 비례하므로, 전압의 음양(-,+)에 관계없이, 고정자에는 +전압이 인가되고, 이동자는 접지되어 있으므로, 언제나 당기는 힘만을 생성하게 되어, 이동자는 고정자가 있는 방향으로 움직이게 되지만, 고정자의 핑거와 이동자의 핑거사이에서는 수직 부양(Vertical Levitation)이 발생하는 단점이 있었고, 또한, 트랜스버스 갭 g1, g2이 작아질수록 정전력은 커지지만, 그에 따라 비선형성도 커지는 문제가 있었다.In the conventional micro-actuator, when a voltage is applied, the electrostatic force is proportional to the square of the applied voltage. Therefore, regardless of the negative and negative voltages of the voltage, the positive voltage is applied to the stator and the mover is grounded. Since only the force is generated, the mover moves in the direction of the stator, but there is a disadvantage in that vertical Levitation occurs between the finger of the stator and the mover's finger, and the transverse gaps g 1 and g 2 are small. As the electrostatic power increases, the nonlinearity also increases.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 고정자의 핑거 형상을 변경하고 +,- 전압을 교호로 인가하여 고정자의 핑거와 이동자의 핑거사이의 수직 부양의 발생을 감소하고, 비선형성을 저감할 수 있는 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to change the shape of the stator's finger and alternately apply + and − voltages to generate vertical flotation between the finger of the stator and the finger of the mover. It is to provide a comb-type electrostatic micro actuator that can reduce the amount and reduce the nonlinearity.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 복수개의 열에 배열되고, 각 열마다 n개의 핑거가 상호 소정 이격된 거리를 두고 고정설치되어 +,- 전압이 교호로 인가되는 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, the nonlinear reduced comb type electrostatic micro actuator of the present invention is arranged in a plurality of rows, and n fingers are fixedly installed at a predetermined distance from each other so that the + and − voltages alternately. A mover having an applied stator, a plurality of comb-shaped bodies, n + 1 fingers being formed for each comb-shaped member, and linearly reciprocating between the fingers of the pair of stators; With a pair of springs respectively attached to both ends of the mover, characterized in that consisting of a pair of anchors for supplying power to the stator and the mover, each supporting the spring.

도 1은 일반적인 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고,1 is a block diagram showing a general comb-type electrostatic micro actuator,

도 2는 도 1의 고정자 및 이동자사이에 발생하는 정전력을 설명하기 위한 확대도이고,FIG. 2 is an enlarged view illustrating electrostatic force generated between the stator and the mover of FIG. 1;

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고,3 is a block diagram showing a nonlinear reduced comb type electrostatic micro actuator according to an embodiment of the present invention,

도 4는 20V의 전압이 인가된 경우의 도 1의 액츄에이터와 도 3의 액츄에이터의 비선형성을 나타내는 그래프이다.4 is a graph illustrating nonlinearity of the actuator of FIG. 1 and the actuator of FIG. 3 when a voltage of 20 V is applied.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 ; 고정자 12,22 ; 빗형상체10; Stator 12,22; Comb

14,24 ; 핑거 15 ; 이동자14,24; Finger 15; Mover

17 ; 스프링 19 ; 앵커17; Spring 19; anchor

20, 30 ; 고정자 32 ; 핑거20, 30; Stator 32; Finger

40 ; 이동자 42 ; 빗형상체40; Mover 42; Comb

44 ; 핑거44; Finger

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the nonlinear reduced comb type electrostatic micro actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고, 도 4 는 20V의 전압이 인가된 경우의 도 1의 액츄에이터와 도 3의 액츄에이터의 비선형성을 나타내는 그래프이다.3 is a block diagram illustrating a nonlinear reduced comb type electrostatic micro actuator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a nonlinearity of the actuator of FIG. 1 and the actuator of FIG. 3 when a voltage of 20 V is applied. A graph representing.

도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는 고정자(30)가 복수개의 열에 배열되고, 각 열마다 n개의 핑거(32)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 고정설치되며, 각 열의 핑거(32)마다 +,- 전압이 교호로 인가되고, 이동자(40)가 수개의 빗형상체(42)를 가지며, 각 빗형상체(42)마다 n + 1 개의 핑거(44)가 형성되어, 상기 고정자(30)의 각 열마다의 핑거(32)사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 것이외에는 도 1의 구성과 같으므로, 이동자(40)의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링(17)과, 고정자(30) 및 이동자(40)에 전원을 공급하고, 스프링(17)의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커(19)에 대한 설명은 편의상 생략하였다.In the nonlinear reduced comb type electrostatic micro actuator according to the preferred embodiment of the present invention as shown in FIG. 3, stators 30 are arranged in a plurality of rows, and n fingers 32 are spaced from each other by a predetermined distance. Fixed installation at a predetermined distance, +,-voltage is alternately applied to each finger 32 of each row, and the mover 40 has several comb-shaped bodies 42, and n + 1 for each comb-shaped body 42 Four fingers 44 are formed, and the same as the configuration of FIG. 1 except that linearly reciprocating movements are linearly provided between the fingers 32 of each row of the stator 30. A pair of springs 17 attached to both ends, a pair of anchors 19 for supplying power to the stator 30 and the mover 40 and supporting each of the springs 17 are omitted for convenience. .

이와같이 고정자(30)가 빗살형체없이 핑거(32)만으로 구성된 본 발명에 따른 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 발생되는 정전력은 다음식과 같다.Thus, the electrostatic force generated in the comb-type electrostatic micro-actuator according to the present invention in which the stator 30 is composed of only the fingers 32 without the comb-shaped body is as follows.

Figure 1019970049200_B1_M0003
Figure 1019970049200_B1_M0003

여기서, n은 핑거의 수이고, εo 는 공기중에서 8.854×10-12인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g1는 고정자 핑거의 선단과 이동자 핑거의 하단까지의 갭이고, g2는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 핑거의 상단까지의 갭이고, lf 는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한값이고, lb 는 제 1 고정자 핑거부터 제 n 고정자 핑거까지의 폭길이이고, gω는 고정자의 핑거와 핑거사이의 거리의 합이고, ω는 고정자의 빗형상체의 두께이다.Where n is the number of fingers ε o Is the material constant of 8.854 × 10 -12 in air, V is the voltage, t is the thickness of the finger, g is the gap between each side of the finger of the stator and the mover's finger, y is the displacement of movement, g 1 Is the gap between the tip of the stator finger and the bottom of the mover finger, g 2 is the gap from the bottom of the mover comb to the top of the stator finger, l f Is the width of each finger of the mover finger times the number of fingers, l b Is the width from the first stator finger to the nth stator finger, g ω is the sum of the distance between the finger of the stator and the finger, and ω is the thickness of the comb-shaped body of the stator.

이와 같이 본 발명은 식(1)과 달리, 트랜스버스 갭(transverse gap)이 변하게 되면, 그에 따라 비선형성을 좌우하는 트랜스버스 포스의 부분, 즉

Figure 1019970049200_B1_M0001
이 감소하게 되므로, 정전력의 비선형적인 요소가 감소하게 된다.Thus, the present invention, unlike equation (1), when the transverse gap (transverse gap) is changed, that is, the portion of the transverse force that influences the nonlinearity, that is,
Figure 1019970049200_B1_M0001
 Since this decreases, the nonlinear component of the electrostatic force is reduced.

이러한 본 발명에 따른 비선형성의 저감 효과는 도 4로 부터도 명백히 알 수 있는 바, 도 4를 참조하여 20V의 전압을 인가한 경우의 정전력대 변위의 비선형성을 살펴보면, 도 4에 있어서, 도 1의 종래의 핑거 형상에 따른 비선형성은 실선으로 도시되고, 본 발명에 따른 핑거 형상에 따른 비선형성을 점선으로 도시된 것으로, 변위가 3μm일 때, 종래의 핑거형상은 비선형적인 요소가 현저한 반면, 본 발명에 따른 핑거 형상은 비선형적인 요소가 확실하게 저감되었음을 보여주고 있다.Such a reduction effect of nonlinearity according to the present invention can be clearly seen from FIG. 4. Referring to FIG. 4, the nonlinearity of the displacement of the electrostatic force band when applying a voltage of 20V is illustrated in FIG. 4. The nonlinearity according to the conventional finger shape of 1 is shown by the solid line, and the nonlinearity according to the finger shape according to the present invention is shown by the dotted line. When the displacement is 3 μm, the conventional finger shape is remarkably nonlinear, The finger shape according to the invention shows that the nonlinear element is reliably reduced.

이상과 같이 개시된 실시예는 단지 예시적 의미일 뿐 제한적 의미를 갖는 것은 아니며 청구범위와 균등한 의미를 갖는 모든 변형예들 또한 본 발명의 범주내에 포함될 것이다.The embodiments disclosed above are merely exemplary and not meant to be limiting, and all modifications having equivalent meanings to the claims will be included within the scope of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 의하면, 고정자의 핑거 형상을 변경하고 +,- 전압을 교호로 인가하여 고정자의 핑거와 이동자의 핑거사이의 수직 부양의 발생을 감소하고, 비선형성을 저감할 수 있는 효과를 가진다.As described above, according to the non-linear reduction comb-type electrostatic micro actuator of the present invention, the vertical shape between the stator's finger and the mover's finger by changing the shape of the stator's finger and applying alternating positive and negative voltages. It has the effect of reducing the occurrence and reducing the nonlinearity.

Claims (2)

빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서,In the comb-type electrostatic micro actuator, 복수개의 열에 배열되고, 각 열마다 n개의 핑거가 상호 소정 이격된 거리를 두고 고정설치되어 +,- 전압이 교호로 인가되는 고정자와,A stator arranged in a plurality of rows, each of which has n fingers fixedly spaced apart from each other by a predetermined distance, and the + and − voltages are alternately applied; 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 고정자의 각 열마다의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와,A mover having a plurality of comb-shaped bodies, and n + 1 fingers are formed in each comb-shaped member, the linearly reciprocating movement can be performed linearly between the fingers of each row of stators; 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자의 양단에 각각 부착된 한쌍의 스프링과,A pair of springs each having a predetermined modulus of elasticity and attached to both ends of the mover; 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링의 각각을 지지하는 한쌍의 앵커로 이루어진 것을 특징으로 하는 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.And a pair of anchors that supply power to the stator and the mover and support each of the springs. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자의 핑거형상에 의해 발생되는 정전력은 다음식과 같은 것을 특징으로 하는 비선형성 저감 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터.2. The nonlinear reduced comb tooth electrostatic micro actuator according to claim 1, wherein the electrostatic force generated by the finger shape of the stator is represented by the following equation.
Figure 1019970049200_B1_M0003
Figure 1019970049200_B1_M0003
 여기서, 여기서, n은 핑거의 수이고, εo 는 공기중에서 8.854×10-12인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g1는 고정자 핑거의 선단과 이동자 핑거의 하단까지의 갭이고, g2는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 핑거의 상단까지의 갭이고, lf 는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한값이고, lb 는 제 1 고정자 핑거부터 제 n 고정자 핑거까지의 폭길이이고, gω는 고정자의 핑거와 핑거사이의 거리의 합이고, ω는 고정자의 빗형상체의 두께이다.Where n is the number of fingers, ε o Is the material constant of 8.854 × 10 -12 in air, V is the voltage, t is the thickness of the finger, g is the gap between each side of the finger of the stator and the finger of the mover, y is the displacement of movement, g 1 Is the gap between the tip of the stator finger and the bottom of the mover finger, g 2 is the gap from the bottom of the mover comb to the top of the stator finger, l f Is the width of each finger of the mover finger times the number of fingers, l b Is the width from the first stator finger to the nth stator finger, g ω is the sum of the distance between the finger of the stator and the finger, and ω is the thickness of the comb-shaped body of the stator.
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