KR100402264B1 - 플래나형 전자기적 엑튜에터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 직교하는 2개의 가동판(12A)(12B)를 갖는 2축 구조의 플래나형 전자기적 엑튜에터(actuator)에 관한 것이다.

1쌍의 정자계 발생수단(4)(5)은 자계가 상기 가동판(12A)(12B)에 작용하도록 상기 가동판(12A)(12B)을 사이에 두고, 상기 가동판(12A)(12B)의 하나의 대각선 방향에 서로 대면하여 배치되어 있고, 상기 가동판(12A)(12B)에 작용하는 구동코일(15A,15B)에 흐르는 전류와의 상호 작용에 기인한 자기력은 상기 가동판(12A, 12B)을 구동한다. 그 결과, 상기 자계 발생소자의 부품 갯수가 줄어들고, 상기 전자기적 엑튜에터의 구조가 간소화되고, 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

플래나형 전자기적 엑튜에터

[도면의 간단한 설명]

도 1은 본 발명에 따른 전자기적 엑튜에터의 일실시예를 도시한 구성도.

도 2는 도 1의 스캐너 본체의 확대도.

도 3은 도 1의 동작설명도.

도 4는 요크(yoke)의 효과를 설명하기 위한 도면으로써, 도 4a는 요크가 없는 경우의 자계 상태를 도시한 도면이고, 도 4b는 요크가 있는 경우의 자계 상태를 도시한 도면.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 반도체 제조기술을 이용하여 소형화를 실현한 플래나형 전자기적 엑튜에터에 관한 것으로, 특히 플래나형 전자기적 엑튜에터(planar type electromagnetic actuator)의 제조비용을 감소시키는 기술에 관한 것이다.

본 발명자은 반도체 제조기술을 이용한 초소형의 플래나형 전자기적 엑튜에터를 앞서 제안했다. 상기 장치는, 예를 들면, 플래나형 갈바노미러(galvanomirror)가 있다(일본특허공개번호 제 5-320524호 및 6-9824호).

이하, 본 발명 플래나형 전자기적 엑튜에터에 대해 설명한다.

상기 전자기적 엑튜에터는 평판형의 가동부(movable portion)와 그 가동부의 상하방향으로 실리콘 기판에 관하여 상기 가동부의 중앙위치에서 요동가능하도록 상기 가동부을 축지하기 위해 토션 바(torsion bar) 구조의 축지부분(axial support portion)이 일체로 형성되는 실리콘 기판을 포함한다. 상기 가동부의 상면 주연부에 전류흐름에 의해 자계를 발생시키기 위해 얇은 동 박막의 평면 코일을 설치한다. 또한, 서로 쌍을 형성하는 정자계 발생소자로서 알맞은 영구자석을 상기 축지부의 축방향과 평행한 상기 가동부 대변의 평면 코일부분에 정자계가 작용하도록 가동부 주변에 설치한다. 상기한 특허 출원에서는, 상기 가동부 대변부분의 상하 각각에 1쌍의 영구자석을 배치하여 쌍을 이루는 영구자석간에 발생하는 정자계가 구동코일을 소정방향으로 횡단하도록 구성하였다.

이러한 전자기적 엑튜에터는, 평면 코일에 전류를 흘려보냄으로써 작동한다. 즉, 가동부의 양측에서는 영구자석간에 의해 가동부의 평면을 따라 평면 코일을 횡단하는듯한 방향으로 정자계가 형성되어져 있어, 상기 정자계중의 평면코일에 전류가 흐르면, 평면 코일의 전류밀도와 자속밀도에 맞춰 가동부 양 끝에, 전류ㆍ자속밀도·힘에 대한 플래밍의 왼손의 법칙에 따른 방향으로, 아래의 식(1)에 나타낸 자기력이 작용하여 가동부가 회동한다.

F= i x B.....(1)

여기서, F는 자기력, i는 구동 코일에 흐르는 전류, B는 자속밀도를 나타낸다.

한편, 상기 가동부가 회동하는 것에 의해 상기 축지부가 꼬여져 스프링 반력이 발생하여, 상기 자기력과 스프링 반력이 균형을 이루는 위치까지 가동부가 회동한다. 상기 가동부의 회동각은 평면 코일에 흐르는 전류에 비례하므로, 평면 코일에 흘려보내는 전류를 제어함으로써 상기 가동부의 회동각을 제어할 수 있다.

따라서, 예를 들어 상기 가동부의 중앙 표면에 미러(mirror)를 설치하면, 상기 축지부의 축에 대하여 수직인 미러면내에 있어, 상기 미러에 입사하는 레이저광의 반사방향을 자유롭게 제어할 수 있어, 상기 미러의 변위각을 연속적으로 반복동작시켜 레이저광의 스캐닝을 행하는 갈바노미러로써 사용할 수 있다.

그런데, 이러한 전자기적 엑튜에터로서는 서로 직교하는 2개의 축지부를 갖는 2축 구조의 것이 있다.

즉, 실리콘 기판에 일체형성하는 가동부를 프레임(frame)의 외측가동판과 이외측가동판의 프레임내에 배치한 평판상의 내측가동판으로 구성한다. 또한, 축지부는 외측가동판을 축지하는 제 1 토션 바와 그 제 1 토션 바와 축의 방향이 직교하며 외측가동판에 대해 내측가동판을 축지하는 제 2 토션 바로 구성한다. 그리고, 외측 및 내측가동판의 상면에 각각 구동 코일을 배치한다.

이 경우, 외측가동판 상면의 구동 코일과 내측가동판 상면의 구동 코일에 대해, 각각 서로 직교하는 정자계를 작용시킬 필요가 있다.

이 때문에, 종래의 2축 구조의 전자기적 엑튜에터의 경우에는 외측가동판 구동용의 영구자석과 내측가동판 구동용의 영구자석을 별도로 설치한 구조였다. 예를 들어, 상기한 특허출원의 예처럼, 가동부의 4개의 각 변의 상하에 각각 1 쌍의 영구자석을 배치하거나, 혹은, 4개의 각 변에 영구자석을 배치하여 서로 대면하는 영구자석을 쌍으로하여 가동부에 대해 서로 직교하는 자계를 발생시킨다. 즉, 종래의 구조에서는 적어도 4개의 영구자석, 바꿔말하면 2쌍의 정자계 발생수단이 필요하였다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명은, 상기와 같은 사실을 감안한 것으로, 1쌍의 정자계 발생수단만으로 가동부에 대하여 서로 직교하는 정자계를 발생시키는 것에 의해, 구조가 간단하고도 제조 비용이 저렴한 전자기적 엑튜에터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명에서는, 반도체 기판과, 프레임상의 외측가동판과 그 외측가동판의 내측에 배치된 내측가동판으로 이루어진 가동부와, 상기 외측가동판을 요동 가능하게 축지하는 제 1 토션 바와 그 제 1 토션 바와 축방향이 직교하고 상기 내측가동판을 요동 가능하게 축지하는 제 2 토션 바로 이뤄지는 축지부를 일체로 형성하고, 상기 외측가동판과 내측가동판의 각 주연부에 설치한 구동 코일과, 그 구동 코일에 정자계를 부여하는 자계 발생수단을 갖추고 상기 구동코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 자기력에 의해 상기 가동부를 구동하는 구성의 전자기적 엑튜에터에 있어, 1쌍의 상기 정자계 발생수단을 상기 가동부의 하나의 대각선 방향에 상기 가동부를 사이에 두고 배치하는 구성으로 하였다.

이러한 구성을 따르면, 쌍을 이루는 정자계 발생수단의 한쪽 방향에서 다른쪽 방향으로 향하는 정자계는 가동부를 비스듬히 횡단한다. 이 정자계의 벡터성분을 분해하면, 가동부의 각 변에 대해 서로 직교하는 2개의 정자계 성분이 얻어진다. 따라서, 이 2개의 정자계 성분에 의해 외측가동판과 내측가동판에 대해 각각자기력을 작용하는 것이 가능해진다.

또, 상기 한 쌍의 정자계 발생수단은, 가동부를 둘러싸고 배치한 자성체로 이루어지는 요크(yoke)에 고정하는 구성으로 하면 좋다.

이러한 구성에 의해, 가동판을 횡단하는 일 없이 정자계 발생수단의 주위에서 새는(leak) 정자계의 무효성분을 줄일 수 있어, 정자계 발생수단의 표율을 높일 수 있다.

또, 상기 1쌍의 정자계 발생수단은 N극과 S극을 서로 대면시켜서 배치한 영구자석으로 하였다.

이러한 구성에 의해, 전자석등을 이용하는 경우와 비교해 구조를 간소화할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 보다 커다란 자계를 작용시킬 수 있어, 자기력을 크게할 수 있다.

상기 가동부의 내측가동판 중앙표면에 반사 미러를 설치하여 갈바노미러로 하였다.

상기 갈바노미러의 구체적인 구성으로는, 상기 반사 미러를 설치한 가동부와, 축지부 및 구동코일을 갖춘 스캐너 본체와, 그 스캐너 본체를 둘러싸는 프레임상의 자성체로 이뤄지는 요크와, 그 스캐너 본체의 하나의 대각선 방향에 해당 스캐너 본체를 사이에 두고 상기 요크에 고정되어진 영구자석을 절연기판상에 배치하여, 그 절연기판에 상기 구동코일과 전기적으로 접속하는 복수의 전기단자 핀을 부착하는 구성으로 하였다.

[발명의 구성]

이하,본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 전자기적 엑튜에터를 갈바노미러에 적용한 일실시예의 구성을 도 1에 나타낸다.

본 실시예의 전자기적 엑튜에터인 갈바노미러(1)은, 도 1에서 도시된 바와 같이 절연기판(2)의 중앙부에 실리콘 기판과 같은 반도체 기판에 가동부와 축지부를 일체형성한 스캐너 본체(10)가 절연기판(2)상에 45°의 각도를 가지고 비스듬히 배치되어졌다. 절연기판(2)의 상면 주위에는 순수 철과 같은 자성체로 이루어진 프레임상의 요크(3)가 설치되어졌다. 서로에 대면하는 요크(3)의 두번 내측에는 정자계 발생수단으로 1쌍의 영구자석(4)(5)가 설치되어져 있다. 영구자석(4)(5)는 S극과 N극이 대면하여 한쪽의 영구자석(4) 또는 (5)로부터 다른 쪽의 영구자석(5) 또는 (4)를 향하여 상기 스캐너 본체(10)을 횡단하는 정자계가 발생하도록 되어있다. 이 실시예에서는, 영구자석(4)로부터 영구자석(5)를 향해 정자계가 발생한다.

절연기판(2)에는 전기단자 핀으로서의 4개의 연결핀(6a∼6d)가 부착되어, 각 연결핀(6a∼6d)은 절연기판(2)상에 형성되어진 4개의 본딩패드(7a∼7d)와 전기적으로 접속하고 있다. 각 본딩패드(7a∼7d)에는 도선(8a∼8d)를 통해 뒤에서 상술하는 스캐너 본체(10)의 각 평면코일(15A)(15B)가 접속되어져있다. 예를 들면, 연결핀 6a, 6b 및 6c, 6d를 각각 쌍으로하여, 한 쪽을 +극, 다른 한 쪽을 -극으로하여 연결핀 6a,6d를 통해 후술하는 외측가동판 12A의 평면코일 15A에 통전하고, 연결핀 6c,6d를 사이에 두고 후술하는 내측가동판 12B의 평면코일 15B에 통전하도록 구성된다.

다음으로 전기스케너 본체(10)의 구성에 대해 도 2를 참고하여 설명한다.

이 스캐너 본체(10)는 실리콘 기판(11) 프레임상의 외측가동판(12A)과 평판상의 내측가동판(12B)으로 이뤄지는 가동부와, 서로 축방향이 직교형성되어 외측가동판(12A)를 축지하는 각 제 1 토션 바(13A), (13A)와 외측가동판(12A)에 대해 내측가동판(12B)를 축지하는 각 제 2 토션 바(13B), (13B)로 이뤄지는 축지부를 이방성 에칭에 의해 일체형성한다. 덧붙여, 실리콘 기판(11)의 두께에 비교하여 가동부의 두께는 가동부가 축지부 둘레로 요동할 수 있도록 얇게 형성되어 있다.

상기 외측가동판(12A)상면에는 동 박막과 같은 구동코일로서의 평면코일(15A)(도면에서는 모식적으로 한 줄의 선으로 도시됨)가 전주(electro-typing)코일법 등을 이용하여 형성되어, 각 제 1 토션 바(13A),(13A)의 한쪽을 통하여 실리콘 기판(11) 위의 1쌍의 외측전극단자(14A),(14A)에 전기적으로 접속하고 있다. 또, 내측가동판(12B)의 상면 주요부에는 구동코일로서의 평면코일(15B)(도면에서는 모식적으로 한 줄의 선으로 도시됨)이 평면코일(15A)과 같은 방법으로 형성되어, 각 제 2 토션 바(13B),(13B)의 한쪽으로 부터 외측가동판(12A)를 거쳐 각 제 1 토션 바(13B),(13B)의 한쪽으로부터 외측가동판(12A)부분을 거쳐 각 제 1 토션 바(13A),(13A)의 다른 쪽을 통해 실리콘 기판(11)위의 내측 전극단자(14B),(14B)에 전기적으로 접속하고 있다. 또, 내측가동판(12B)의 상면중앙부에는 알루미늄증착과 같은 방법에 의하여 전반사 미러(16)가 형성되어져 있다. 상기 1쌍의 외측전극단자(14B),(14B)는 평면코일(15A),(15B)와 동일하게 전주코일법등으로 형성되어진다.

다음으로, 이러한 구성을 갖는 전자기적 엑튜에터의 동작에 대해서 설명한다.

영구자석(4)에서 발생한 자계는 절연기판(2)상의 스캐너 본체(10)을 횡단하여 영구자석(5)을 향한다. 이 자계의 벡터성분을 분해하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 자계 H에는 스캐너 본체(10)의 평면내에서 서로 직교하는 횡성분 자계 H1과 종성분 자계 H2가 존재한다. 본 실시예의 경우, 횡성분 자계 H1은 외측가동판(12A)를 축지하는 각 제 1 토션 바(13A),(13A)의 축방향과 직각방향이고, 종성분 자계 H2는 내측가동판(12A)를 축지하는 각 제 2 토션 바(13B),(13B)의 축방향과 직각방향이 된다.

이에 따라, 외측가동판(12A)의 평면 코일(15A)에 연결핀(6a)(6b)를 통하여 전류를 홀려보내면, 이 전류와 상기 횡성분 자계 H1과의 작용에 의해, 전기 식(1)를 기초로 하여 자기력 F가 발생해서 외측가동판(12A)가 구동된다. 또한, 마찬가지로, 내측가동판(12B)의 평면코일(15B)에 연결핀(6c)(6d)를 통하여서 전류를 흘려보내면, 이 전류와 상기 종성분 자계 H2와의 작용에 의해, 전기 식(1)에 기초하여 자기력 F가 발생해서 내측가동판(12B)가 구동된다.

따라서, 외측가동판(12A)과 내측가동판(12B)를 한 쌍의 영구자석(4)(5)만으로 구동하는 것이 가능해 종래와 같이 외측가동판 구동용과 내측가동판 구동용으로 각각 별도로 영구자석을 설치해야 할 필요가 없다. 이로 인해, 전자기적 엑튜에터의 부품 갯수를 줄일 수 있음과 함께 구조도 간소화 할 수 있어, 전자기적 엑튜에터의 제조 비용을 절감할 수 있다.

또한, 요크(3)을 설치함으로써, 영구자석(4)(5)에 의해 발생되는 자계의 효율을 높일 수 있어 커다란 자기력을 얻을 수 있다.

즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 영구자석(4)(5)의 주위에, 스캐너 본체(10)을 횡단하지 않고 가동부의 구동에 관계하지 않는 점선으로 나타낸 것과 같은 무효자계가 존재하는 데, 요크(3)을 설치함으로써, 도 4b에 도시된 것과 같이, 이 무효자계를 유효자계 H로서 다른 쪽의 영구자석측에 유도할 수가 있어, 무효자계의 양을 줄여 스캐너 본체(10)을 횡단하여 가동부의 구동에 관여하는 도면에서 실선으로 나타낸 유효자계를 증가시키는 일이 가능해진다. 따라서, 동일 특성의 영구자석을 이용한 경우, 요크(3)을 설치함으로서, 요크를 설치하지 않은 경우와 비교해 영구자석의 효율을 높일 수가 있어, 커다란 자기력을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 정자계 발생수단으로서 전자석을 이용하여도 좋으나, 전자석의 경우에는 통전용의 배선이 필요해지므로, 본 실시예처럼 영구자석을 이용하는 편이 구조가 간단해지므로 보다 큰 자계 H를 얻을 수 있어 자기력을 증대시킬 수 있다.

게다가, 본 실시예에서는 전자기적 엑튜에터로서 플래나형 갈바노미러에 적용시킨 예를 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 본 발명에 따른 서로 직교하여 축지되어진 2개의 가동판을 갖는 가동부의 대각선 방향에, 1쌍의 정자계 발생수단을 배치하는 구성으로 하였기 때문에, 1쌍의 정자계 발생수단만으로 2개의 가동판을 구동시킬 수 이써, 전자기적 엑튜에터의 부품갯수를 절감함과 함께 구조의 간소화를 이룰수 있어, 전자기적 엑튜에터의 제조 비용을 대폭적으로 낮출 수 있다. 또한, 요크를 설치하였으므로, 정자계 발생수단의 효율을 높일 수 있어 가동부의 구동력을 증대할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명은 이러한 종류의 초소형의 플래나형 전자기적 엑튜에터를 응용하는 기기의 간소화 및 저비용등을 이룰 수 있어 산업상의 이용가능성이 크다.

Claims (6)

1. 반도체 기판과; 상기 반도체 기판상에 프레임상의 외측가동판과 그 외측가동판의 내측에 배치된 내측가동판으로 형성된 가동부와; 상기 외측가동판을 요동 가능하게 축지하는 제 1 토션 바와 그 제 1 토션 바와 축방향이 직교하며, 상기 내측 가동판을 요동 가능하게 축지하는 제 2 토션 바로 일체형성된 축지부와; 상기 외측 가동판과 내측가동판의 각 주연부에 설치한 구동코일과; 상기 구동코일에 정자계를 부여하는 자계 발생수단과; 상기 구동코일에 전류를 흘려보냄으로서 발생하는 자기력에 의해 상기 가동부를 구동하는 구성으로 된 전자기적 엑튜에터에 있어, 1쌍의 상기 정자계 발생수단을 상기 가동부의 하나의 대각선 방향에 상기 가동부를 사이에 두고 배치됨을 포함하여 구성된 플래나형 전자기적 엑튜에터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 1 쌍의 정자계 발생수단은 가동부를 둘러싸고 배치한 자성체로 이뤄지는 요크에 고정되어 형성된 것을 특징으로 하는 플래나형 전자기적 엑튜에터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 1 쌍의 정자계 발생수단은 N극과 S극을 서로 대면시켜서 배치한 영구자석인 것을 특징으로 하는 플래나형 전자기적 엑튜에터.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 영구자석이 화토류 자석인 것을 특징으로 하는 플래나형 전자기적 엑튜에터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 가동부의 내측가동판 중앙 표면에 반사 미러를 갖춘 갈바노미러를 사용한 것을 특징으로 하는 플래나형 전자기적 엑튜에터.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 갈바노미러는 상기 반사미러를 설치한 가동부와, 축지부 및 구동코일을 갖춘 스캐너 본체와, 그 스캐너 본체를 둘러싸는 프레임상의 자성체로 이루어진 요크와, 그 스캐너 본체의 하나의 대각선 방향에 상기 스캐너 본체를 사이에 두고 상기 요크에 고정된 영구자석를 절연기판상에 배치하여, 그 절연기판에 상기 구동코일과 전기적으로 접속하는 복수의 전기단자핀을 부착한 구성인 것을 특징으로 하는 플래나형 전자기적 엑튜에터.

Images