KR100407897B1 - 기동자석형 ｖｃｍ을 이용한 정밀 액츄에이터스테이지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치에 관한 것으로, 중공축 및 상기 중공축이 중심 부위에 고정되는 코일로 이루어져 플레이트 안측의 관통부위에 양측이 노출되도록 고정 배치되는 기동유도유닛 및 상기 코일의 자력에 기초하여 상기 중공축을 중심으로 상대적인 직선구동 및 회전이 가능하도록 상기 중공축에 대칭되게 끼워지는 한쌍의 요크 및 상기 요크에 각각 자기력으로 결합되고, 상기 중공축의 양단에 각각 끼움 결합되어 코일에 서로 다른 극성으로 대면하는 기동자석으로 이루어지는 기동유닛으로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 기동유도유닛은 3개가 상호 60°의 각도로 삼각구도를 취하여 상기 플레이트에 배치되는 것이 바람직하다.

Description

기동자석형 ＶＣＭ을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치{A Fine Actuator Stage Using Moving Magnet Type Of VCM}

본 발명은 액츄에이터를 위한 스테이지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 다층구조를 극복할 수 있도록 액츄에이터가 플레이트에 삼각구도로 배치되며, 기동자석을 전류가 인가되는 코일에 대치시킴으로써, 상대적인 자기력의 변화로 상기 코일에 대한 상기 기동자석의 상대적인 자기부양이 실현되어 보다 원활한 직선구동 및 회전이 가능하게 되며, 궁극적으로 정밀하고 신속한 구동이 실현될 수 있는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치에 관한 것이다.

일반적으로 정밀구동에 적용되는 구동기 또는 액츄에이터는 가장 일반적인 소형의 전기모터에서부터 압전소자를 이용한 것, 전자기유도의 원리를 이용한 것에까지 다양한다. 이 중 전자기유도의 원리를 이용한 종래의 정밀구동기는 보통 VCM이라 일컫어지는 리니어모터를 이용한 것이 대표적이다.

이러한 상기 VCM(Voice Coil Motor 이하 VCM)은 스피커의 진동원리를 구동기에 적용한 것으로써, 코일에 인가되는 전류의 극성에 따라 기동자가 왕복운동을 하는 것이이다.

상기 VCM이 적용되어 실현된 구동기로는 크게 기동코일형과 기동자석형이 있는데, 상기 기동코일형은 자석의 상대적인 자력에 대해 코일이 왕복운동하는 것이며, 상기 기동자석형은 코일의 상대적인 자력에 대해 자석이 왕복운동하는 것이다.

이 중 상기 종래의 기동코일형의 VCM구동기는 권선이 복잡하며, 상기 코일이 구동하기 때문에, 힘의 작용점이 시시각각 변화하는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래의 기동자석형의 VCM구동기는 직선구동은 가능하지만, 일축을 중심으로 하는 회전운동의 범위가 작은 문제점이 있다.

아울러, 상기 기동자석형의 VCM구동기가 원활하게 구동되기 위해서는 다층구조를 이루어야 하기 때문에, 그 무게 및 부피가 비교적 커서 적용되는 분야의 범위가 국한되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 도출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 일지점을 중심으로 상대적인 직선구동 및 회전이 가능한 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치를 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 제 2목적은 코일의 유도전류에 따라 자기부양되는 기동자석이 중공축을 중심으로 상대적인 직선구동 및 회전이 가능한 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 중공축(12) 및 상기 중공축(12)이 중심 부위에 고정되는 코일(11)로 이루어져 소정두께의 플레이트(20) 안측의 관통부위에 양측이 노출되도록 고정 배치되는 기동유도유닛(10); 및

상기 코일(11)의 자력에 기초하여 상기 중공축(12)을 중심으로 직선구동 및 회전이 가능하도록 상기 중공축(12)에 대칭되게 끼워지는 한쌍의 요크(32, Yoke) 및 상기 요크(32)에 각각 자기력으로 결합되고, 상기 중공축(12)의 양단에 각각 끼움 결합되어 상기 코일(11)에 대해 서로 다른 극성으로 대면하는 기동자석(31)으로 이루어지는 기동유닛(30);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치에 의하여 달성된다.

여기서, 상기 기동유도유닛(10)은 3개가 상호 60°의 각도로 삼각구도를 취하도록 상기 플레이트(20)에 배치되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 기동자석(31)은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장이 발생 및 유지될 수 있는 영구자석인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기동자석(31)은 상기 코일(11)을 중심으로 대칭되도록 상기 요크(32)에 각 한쌍씩 두쌍이 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치의 정면도,

도 2는 상기 스테이지장치의 분리사시도,

도 3은 본 발명에 따른 결합된 기동유도유닛 및 기동유닛의 사시도,

도 4는 상기 결합된 기동유도유닛 및 기동유닛의 정면도,

도 5는 도 4의 A-A선에 따른 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 따른 부호의 설명 >

10: 기동유도유닛 11: 코일

12: 중공축 20: 플레이트

30: 기동유닛 31: 기동자석

32: 요크 100: 정밀 액츄에이터 스테이지장치

본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치의 설명에 앞서, 본 발명에서 일관되게 사용하고 있는 VCM(Voice Coil Motor)이란 " 가동자가 왕복 운동을 하는 모터"로서, 일반적인 다이나믹 스피커의 진동원리를 발전시켜 응용한 일종의 리니어 모터라 할 수 있다. 이는 영구자석의 자기장중에 위치한 보이스 코일에 전류를 인가하면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 자기장과 전류의 직각 방향으로 힘이 발생하게 되는 것을 응용하여 플로피 디스크 드라이브나 하드디스크드라이브의 구동기로서 사용된다.

다음으로는 본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치의 정면도이고, 도 2는 상기 스테이지장치의 분리사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 결합된 기동유도유닛 및 기동유닛의 사시도이고, 도 4는 상기 결합된 기동유도유닛 및 기동유닛의 정면도이며, 도 5는 도 4의 A-A선에 따른 단면도이다.

도 1, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와같이, 상기 스테이지장치(100)는 로렌츠의 법칙에 의거하여 이루어진 것으로, 전류가 인가되면 자기력을 발현하는 코일(11)과 일반적인 영구자석의 성격을 띠는 기동자석(31) 사이의 자기장에 따라 상기 기동자석(31)이 상기 코일(11)의 상대적인 직선구동 또는 회전이 가능하도록 하는 전자기유도에 의한 자기부양의 원리를 정밀구동분야에 적용하기 위한 것이다.

이러한 상기 스테이지장치(100)는 중공축(12) 및 상기 중공축(12)이 중심부위에 위치하는 코일(11)로 이루어져 플레이트(20) 안측의 관통부위에 양측이 노출되도록 고정되는 기동유도유닛(10)과, 상기 중공축(12)에 끼워지는 한쌍의 요크(32,Yoke) 및 상기 각 요크(32)에 자기력으로 결합되어 상기 코일(11)의 양측에 자기적으로 대응하는 두쌍의 기동자석(31)으로 이루어지는 기동유닛(30)으로 구성된다.여기서, 상기 기동유도유닛(10)은 상기 플레이트(20)에 고정되며, 인가되는 전류로 자기력을 발현하도록 여러번 권취되는 도선으로 덩어리를 이루어 전자석처럼 기능하는 코일(11)과, 상기 코일(11)의 중앙에 고정되는 중공축(12)으로 이루어진다.

아울러, 상기 기동유닛(30)은 중공축(12)을 통해 상기 기동유도유닛(10)에 연결되는데, 상기 한쌍의 요크(32)는 상기 중공축(12)의 양측에 고정된다.

그리고, 상기 기동자석(31)은 상기 중공축(12)을 중심으로 대칭되게 상기 각 요크(32)의 안측면에 부착되어 결국 상기 요크(32)와 더불어 상기 코일(11)에 대한 상대적인 자기력으로 구동하는 것이다.

이 때, 상기 기동자석(31)은 상기 코일(11)에 대해 서로 다른 극성으로의 대면 즉, N극 대 S극과 같이 서로 다른 극성이 상기 코일(11)을 사이에 두고 대치하는 구도를 취하게 되며, 상기 요크(32) 및 중공축(12)과 더불어 수평방향(X,Y축방향)으로 직선구동될 수 있다.

또한, 상기 기동자석(31)은 상기 코일(11)에 인가되는 전류의 극성 및 크기가 제어됨으로써, 상기 중공축(12,Z축)을 중심으로 상기 중공축(12) 및 요크(32)와 더불어 소망하는 회전각도(θ)만큼 회전될 수 있다.

이는 자속의 흐름속에 전류가 흐를 경우 힘의 방향은 자속 및 전류의 방향에 수직하다는 로렌츠의 법칙에 기인하는 것으로, 상기 코일(11)에 대한 상기 기동자석(31)의 자기력에 의해 상호간에 미는 힘이 발생하게 되고, 결국 뉴턴의 제 3법칙인 작용-반작용의 법칙에 따라 상기 기동자석(31) 및 요크(32)는 상기 코일(11)에 대해 상대적으로 일정한 간격으로 벌어지게 되며, 이는 결국 자기력에 의한 부양현상이라 할 수 있다.

이와는 반대로 상기 코일(11)이 상기 기동자석(31) 및 요크(32)에 대해 상대적으로 자기부양되는 것도 가능하며, 결국 자기력에 의해 코일(11)과 기동자석(31) 사이의 자기력에 의해 코일(11)과 기동자석(31) 사이의 상대적인 자기부양이 실현될 수 있다.이 때, 상기 코일(11)과 상기 기동자석(31) 사이의 공기가 상기 기동자석(31)의 원활한 구동을 위한 베어링의 역할을 하게 되기 때문에, 공기에 의한 미소한 마찰 외에는 구동을 방해하는 어떠한 다른 방해요인은 발생되지 않는다.

따라서, 상기 기동자석(31) 및 상기 요크(32)는 대면하는 상기 코일(11)에 대해 그 사이에 존재하는 공기층을 베어링으로 하여 자기부양하게 되며, 이 때 상기 기동자석(31) 및 요크(32)는 중공축(12)에 끼워져 일체로 수평운동 또는 회전운동이 가능하다.

한편, 상기 기동유도유닛(10)은 총 3개가 상호 60°의 각도로 정삼각형 구도를 취하도록 상기 플레이트(20)에 배치되어 이에 따라 배치상으로 상호 대칭을 이루게 된다.

아울러 상기 기동유도유닛(10)에 연결되는 상기 기동유닛(30) 또한 상호 60°를 갖는 정삼각형의 구도를 취하게 되어 대칭을 이루게 되어 대칭을 이루게 된다.

이 때 상기 각 기동유도유닛(10)의 코일(11)에 전류가 인가되면 고정된 코일(11)에 대해 상대적으로 기동자석(31) 및 요크(32)가 중공축(12)과 더불어 자기력에 의한 상호 이격이 가능해지며, 이를 통해 직선구동 및 회전이 가능하다.이상에서와 같은 본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치(100)에서, 상기 기동유도유닛(10)은 상기 플레이트(20)에서 총 3개로 정삼각구도를 취하는 형태 외에, 그 개수를 달리하여 2개가 한쌍으로 대칭이 되는 형태, 4개가 정사각형의 구도를 취하는 형태, 5개가 정오각형의 구도를 취하는 형태 등 임의로 필요에 따라 그 취하는 배치 형태를 달리하여 사용할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치에 따르면, 코일이 구동되어 힘의 작용점이 변경되는 기존의 액츄에이터 형태와는 달리 자석이 기동하기 때문에, 힘의 작용점이 고정되어 보다 정밀한 구동이 가능하며, 가동에 따라 발생하는 열에 의한 오차가 감소되는 특징이 있다.

아울러, 기동유닛 및 기동유도유닛으로 이루어진 액츄에이터가 상호 60°(또는 120°)의 각도를 유지하는 정삼각구도를 취하기 때문에, 다층으로 배치할 필요가 없어 무게 및 부피가 비교적 작아져 보다 응용분야가 넓어지며, 조립 및 제작이 용이해지는 효과가 있다.

또한, 전류가 인가되어 전자석처럼 기능하는 코일에 대한 기동자석의 상대적인 자기력으로 상기 기동자석 및 요크의 상대적인 자기부양이 가능하여 중공축과 더불어 중공축을 중심으로 원활하게 직선구동 및 회전운동을 할 수 있는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (4)

1. 중공축(12) 및 상기 중공축(12)이 중심 부위에 고정되는 코일(11)로 이루어져 소정두께의 플레이트(20) 안측의 관통부위에 양측이 노출되도록 고정 배치되는 기동유도유닛(10); 및

   상기 코일(11)의 자력에 기초하여 상기 중공축(12)을 중심으로 직선구동 및 회전이 가능하도록 상기 중공축(12)에 대칭되게 끼워지는 한쌍의 요크(32) 및 상기 요크(32)에 각각 자기력으로 결합되고, 상기 중공축(12)의 양단에 각각 끼움 결합되어 상기 코일(11)에 대해 서로 다른 극성으로 대면하는 기동자석(31)으로 이루어지는 기동유닛(30);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기동유도유닛(10)은 3개가 상호 60°의 각도로 삼각구도를 취하도록 상기 플레이트(20)에 배치되는 것을 특징으로 하는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기동자석(31)은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장이 발생 및 유지될 수 있는 영구자석인 것을 특징으로 하는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 기동자석(31)은 상기 코일(11)을 중심으로 대칭되도록 상기 요크(32)에 각 한쌍씩 두쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 기동자석형 VCM을 이용한 정밀 액츄에이터 스테이지장치.