JP2004534494A - 双安定磁気アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、双安定磁気アクチュエータに関するものであり、特にマイクロアクチュエータに関するものである。本発明は、マイクロリレー(電気的、または、光学的)、マイクロバルブ、マイクロポンプ、等に応用することができる。
【背景技術】
【0002】
国際公開第97/39468号明細書には、図1に示すような形態の磁気アクチュエータが開示されている。図1に示すように、このアクチュエータは、中央極部材(12)とこの極部材を囲んでいる導体コイル(14)と2つの対称極部材(16)とを備えてなる磁気回路を、具備している。可動磁性部材(18)が、中央極部材(12)に対向して配置されている。
【0003】
コイル(14)に電流が流されると、磁力(F)が、可動磁性部材(18)に対して作用し、この可動磁性部材を、固定導体部材(19)上に対して当接させる。この当接によって、電気回路(図示せず)が閉塞される。
【0004】
このタイプのアクチュエータは、可動部材に対して作用する力(F)が単一方向だけであるという意味において、単方向的である。したがって、このアクチュエータは、双安定ではなく、単安定である。すなわち、安定な動作位置が、可動部材(18)が固定部材(19)に接触するという、ただ1つの位置しかない。
【0005】
しかしながら、双安定磁気アクチュエータは、公知である。 M.Sc.H.Ren 氏他による“A Bistable Microfabricated Magnetic Cantilever Microactuator with Permanent Magnet”と題する Reports of the 5th International Conference on icrosystem Technologies 96, Potsdam 17-19 September 1996, pages 799-801という文献には、図2に示すようなアクチュエータが開示されている。このアクチュエータは、永久磁石(20)と、この永久磁石から延出された2つの磁性ブランチ(22,24)と、これら磁性ブランチのそれぞれを囲んでいる導体コイル(23,25)と、を備えている。磁性材料から形成されたフレキシブル梁(26)が、磁気回路を完成している。したがって、磁気回路は、フレキシブル梁(26)によって形成されるとともにブランチ(22,24)のそれぞれの端部に位置した2つのエアギャップを備えている。これらエアギャップの各々内に存在する磁束は、永久磁石(20)と、各コイル(23,25)内を流れる電流と、の相互作用の合計となる。
【0006】
梁(26)の端部に対して印加される力(F1,F2)は、導体コイル(23,25)のいずれに対して電流が流されるかに応じて、一方向または他方向のいずれかにもたらされる。したがって、このアクチュエータは、双方向的である。好ましくは、双安定である。
【0007】
この双安定アクチュエータは、欠点を有している。可動部材(26)が、磁気回路と一体的に形成されていることにより、可動部材の動きが、限定される。加えて、磁性部材の撓みに由来する可動部材の移動度が、小さい。
【特許文献1】
国際公開第97/39468号明細書
【非特許文献1】
M.Sc.H.Ren 氏他による“A Bistable Microfabricated MagneticCantilever Microactuator with Permanent Magnet”と題する Reports of the 5thInternational Conference on Microsystem Technologies 96, Potsdam 17-19 September1996, pages 799-801という文献
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の目的は、上記欠点を克服することである。
【0009】
本発明は、可動部材の移動度合いが増大されているとともに、可動部材の動きやすさが改良されているような、双安定アクチュエータを提供する。この目的は、可動部材を、磁気回路の一部を形成していないようなフレキシブル手段に対して固定することによって、得られる。
【0010】
より詳細には、本発明の主題は、双安定磁気アクチュエータであって、
−第1端部および第2端部を有した第1開放磁気回路と、この第1開放磁気回路を囲んでいる第1導体コイルと、を備えて構成された第1固定磁気構造と、
−第1端部および第2端部を有した第2開放磁気回路と、この第2開放磁気回路を囲んでいる第2導体コイルと、を備えて構成された第2固定磁気構造であるとともに、第1および第2磁気回路の両第1端部が互いに対向して配置されているような、第2固定磁気構造と、
−第1導体コイルと第2導体コイルとのいずれが励起されるかに応じて、第1安定動作位置と第2安定動作位置とのいずれかを取り得るものとされた可動磁性部材と、
を具備しているとともに、
−各磁気回路に関して、第1端部がなす面と第2端部がなす面とが、互いに垂直に配置され、なおかつ、第1および第2磁気回路の各第2端部がなす面どうしが、同一平面に沿って配置されているかまたは同一面を構成するものとされ、
このような場合において、
−可動磁性部材が、第1磁気回路の第1端部の近傍に配置され、かつ、第2磁気回路の第1端部の近傍に配置され、
−可動磁性部材が、第1磁気回路の第1端部に向けてまたは第2磁気回路の第1端部に向けて移動可能であるようにして、非磁性手段に対して固定されている、
ようなアクチュエータである。
【0011】
導体コイルと磁気回路とは、マイクロエレクトロニクスにおける技術を使用して、形成することができる。その場合、本発明によるアクチュエータは、マイクロアクチュエータとされる。
【0012】
導体コイルは、エッチング形成された複数のチャンバ内に配置された複数の導体テープからなる複数の層から構成することができる。磁気回路は、『ソフトな』磁性材料、あるいは、『ハードな』磁性材料、あるいは、ヒステリシス材料、からなる層を使用して形成することができる。ソフトな磁性材料は、印加された磁界に対して線形的に磁化する(鉄、ニッケル、鉄−ニッケル、鉄−コバルト、鉄−シリコン、等)。ハードな磁性材料は、印加された磁界に無関係であるような、固定された磁化を有している(フェライト、サマリウム−コバルト、ネオジウム−鉄−ボロン、白金−コバルト)。ヒステリシス材料は、ソフトな磁性材料とハードな磁性材料との間の性質を有している。ヒステリシス材料は、印加される励起磁界が解除されたときにでも、磁化を維持することができる。
【0013】
2つの磁気構造は、様々な形態をなすことができ、例えば、平面に対して、あるいは、点に対して、対称なものとすることができる。
【0014】
可動部材の動きに関しては、並進的な移動(あるいは、準並進的な移動)とすることも、また、回転移動とすることも、できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下の説明は、マイクロアクチュエータに関するものである。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく、以下の例を変形したアクチュエータを得ることができる。
【0016】
図3に示す実施形態は、対称面を有したデバイスに対応している。第1磁気構造は、円形部分(341 )と対称面に沿って配置された直線部分(30)とから構成された第1開放磁気回路と、この第1開放磁気回路を囲んでいる第1導体コイル(321 )と、を備えている。第2磁気構造は、同様に、円形部分(342 )と先のものと同じ直線部分でありしたがって第1および第2磁気構造において共通のものとされた直線部分(30)とから構成された第2開放磁気回路と、この第2開放磁気回路を囲んでいる第2導体コイル(322 )と、を備えている。
【0017】
第1磁気構造は、図面がなす平面に対して垂直な面を有した第1端部(351 )を備えている。第2磁気構造は、図面がなす平面に対して垂直な面を有した第1端部(352 )を備えている。これら2つの構造は、第2端部を備えている。第2端部は、図示の実施形態においては、直線部分(30)の端部(35’)から構成されている。第2端部がなす面は、各第1端部がなすそれぞれの面に対して、垂直である。
【0018】
部分(341,342)がなす円形形状は、明らかに例示に過ぎないものであって、本発明の範囲内においては、矩形や他の形状の回路を選択することもできる。
【0019】
このデバイスは、可動磁性部材(36)によって完成される。可動磁性部材(36)は、第1および第2磁気回路の両第1端部(351,352)の間に、および、これらと第2端部(35’)との間に、配置されている。可動磁性部材(36)は、ベース(40)内に嵌め込まれた共にフレキシブルな2つの非磁性梁(38,39)に対して固定されている。当然のことながら、梁として、1つの部材を使用することも、また、3つ以上の部材を使用することも、できる。
【0020】
このデバイスの機能は、以下のようなものである。図3に示すように、マイクロアクチュエータは、静止状態とされる。左側のコイル(321 )に電流を流すと、左側の磁気回路(341 )が、励起され、可動磁性部材(36)が、左側に向けて引っ張られる。これにより、左側のエアギャップが閉塞され、第1磁気回路が形成される。右側のコイル(322 )に電流を流すと、右側の磁気回路(342 )が、励起され、可動磁性部材(36)が、右側に向けて引っ張られる。これにより、右側のエアギャップが閉塞され、第2磁気回路が形成される。
【0021】
したがって、例示したマイクロアクチュエータは、実際に、2つの安定な動作位置を有している。磁気コイルをなす材料の組成に応じて(例えば、ヒステリシス材料の場合)、可動磁性部材(36)は、コイルに対しての供給が中止されたにしても、その位置を維持することができる。しかしながら、可動磁性部材(36)は、また、初期状態に復帰することもできる(例えば、軟磁性材料の場合)。ヒステリシス材料の場合には、可動磁性部材(36)を初期状態に復帰させるためには、コイルに対して適切な向きに電流を流すことによって、磁気回路を消磁する必要がある。
【0022】
図4A〜図4Iは、本発明によるマイクロアクチュエータに関する製造プロセスを示している。例えばシリコン製とされたような基板(50)において(図4A)、複数のチャンバを、エッチング形成し、これらチャンバを、導体材料によって充填することによって、第1レベルに配置された複数の導体(52)からなる層を形成する。このアセンブリを平坦化する。そして、絶縁層(54)を成膜し、この絶縁層(54)上に、いわゆる犠牲層をなす絶縁層(56)(例えば、SiO2 製)を形成する。
【0023】
その後(図4B)、樹脂層(58)を成膜する。この樹脂層内において、磁性材料層を成膜し(図4C)、これにより、磁気回路(60)と、将来的な可動部材(62)と、を形成する。その後、複数のパターンを絶縁する(図4D)。
【0024】
続いて、さらなる樹脂層(66)を成膜し(図4E)、アセンブリを平坦化する(図4F)。
【0025】
絶縁層(70)(図4G)と、樹脂層と、を成膜する。その樹脂層内に、新たな複数のチャンバを、エッチング形成し、これらチャンバを、導体材料によって充填することによって、第2レベルにおいて、複数の導体(74)からなる第2層を形成する。これら2つの層内の各導体どうしを、接続部材(図示せず)によって互いに接続することによって、磁性部材を囲むコイルを得る。
【0026】
得られたアセンブリを平坦化し(図4H)、パターンどうしを絶縁する。
【0027】
その後、犠牲層(56)をエッチングし(図4I)、中空空間(78)を形成して、可動部材(62)を解放する。
【0028】
図5は、本発明を、電気的マイクロリレーという実施形態に対して応用した例を示している。このデバイスは、図3において既に説明した各手段を備えており、同じ符号が付されている。このデバイスは、さらに、両磁気回路の各第1端部(351,352)がなすそれぞれの面上に配置された電気コンタクト(80,82)と、3つのコンタクトパッド(91,92,93)と、各コンタクトパッドとコンタクト(80,82)およびベース(40)とを接続している3つの通路(94,95,96)と、を備えている。先の例の場合と同様に、2つの磁気回路の第2端部は、共通部分(30)の端部(35’)から構成されている。
【0029】
左側のコイル(321 )に電流を流すと、可動磁性部材(36)が、左側に向けて引っ張られ、これにより、電気回路(91,93)が閉塞する。右側のコイル(322 )に電流を流すと、可動磁性部材(36)が、右側に向けて引っ張られ、これにより、電気回路(92,93)が閉塞する。
【0030】
図5においては、各電気コンタクトは、概略的に図示されているに過ぎない。実際、各通路は、それぞれ対応するコンタクトパッドを、アクチュエータを駆動するためのコンタクトを収容し得るマイクロリレーの周縁部に向けて移動させることができる。
【0031】
図6は、本発明によるマイクロアクチュエータの他の実施形態を示している。この場合には、両磁気回路の中央ブランチどうしは、図3の場合のように単一のブランチ(30)としては、連結されていない。そうではなく、2つの個別のブランチ(301,302)とされている。ブランチ(301,302)は、それぞれ第2端部(351’,352’)を有している。第2端部(351’,352’)がなす各面は、互いに平行な平面に沿って延在しているとともに、第1端部(351,352)がなす面に対して垂直である。したがって、磁束漏洩が低減されている。
【0032】
図8は、中心対称性を有した実施形態を示している。言い換えれば、2つの構造(301,321,341)(302,322,342)が、デバイスの中心をなす点に関して、対称とされている。可動磁性部材(36)は、2組をなす2つのフレキシブル梁(381 ,391 )(382,392)を介して、2つのベース(401,402)に対して対称的に接続することができる。
【0033】
最後に、図7は、可動磁性部材(36)が軸(98)回りに回転可能とされているような実施形態を示している。可動磁性部材(36)は、コイル(321 または322 )のいずれに電流を流すかによって、2つの磁気回路(341,342)のどちらかの端部(351 または352 )の下方に位置することができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】従来技術による単安定アクチュエータを示す図である。
【図2】従来技術による双安定アクチュエータを示す図である。
【図3】本発明による双安定マイクロアクチュエータの特定の実施形態を示す図である。
【図4A】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4B】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4C】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4D】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4E】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4F】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4G】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4H】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図4I】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図5】マイクロリレーに対する応用を示す図である。
【図6】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図7】回転軸を有しているような他の実施形態を示す図である。
【図8】中心対称性を有しているような他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【0035】
30 直線部分(磁性ブランチ)
321 第1導体コイル
322 第2導体コイル
351 第1端部
351’ 第2端部
352 第2端部
352’ 第2端部
35’ 第2端部
36 可動磁性部材
38 フレキシブルな非磁性梁(非磁性手段)
381 フレキシブルな対称梁
382 フレキシブルな対称梁
39 フレキシブルな非磁性梁(非磁性手段)
391 フレキシブルな対称梁
392 フレキシブルな対称梁
98 軸
Claims (8)
- 双安定磁気アクチュエータであって、
−第1端部(351 )および第2端部(351’,352’,35’)を有した第1開放磁気回路(341 )と、この第1開放磁気回路を囲んでいる第1導体コイル(321 )と、を備えて構成された第1固定磁気構造と、
−第1端部(352 )および第2端部(352’ )を有した第2開放磁気回路(342 )と、この第2開放磁気回路を囲んでいる第2導体コイル(322 )と、を備えて構成された第2固定磁気構造であるとともに、前記第1および第2磁気回路の前記両第1端部(351,352)が互いに対向して配置されているような、第2固定磁気構造と、
−前記第1導体コイル(321 )と前記第2導体コイル(322 )とのいずれが励起されるかに応じて、第1安定動作位置と第2安定動作位置とのいずれかを取り得るものとされた可動磁性部材(36)と、
を具備しているとともに、
−前記各磁気回路に関して、前記第1端部がなす面と前記第2端部がなす面とが、互いに垂直に配置され、なおかつ、前記第1および第2磁気回路の各第2端部がなす面どうしが、同一平面に沿って配置されているかまたは同一面を構成するものとされ、
このような場合において、
−前記可動磁性部材(36)が、前記第1磁気回路の前記第1端部(351 )の近傍に配置され、かつ、前記第2磁気回路の前記第1端部(352 )の近傍に配置され、
−前記可動磁性部材(36)が、前記第1磁気回路の前記第1端部(351 )に向けてまたは前記第2磁気回路の前記第1端部(352 )に向けて移動可能であるようにして、非磁性手段(38,39)に対して固定されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項1記載のアクチュエータにおいて、
前記第1磁気構造(321,341)と前記第2磁気構造(322,342)とが、平面に対して対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項2記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材が固定されている前記非磁性手段が、少なくとも1つのフレキシブルな非磁性梁(38,39)を有していることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項2記載のアクチュエータにおいて、
前記第1および第2磁気回路が、前記対称平面に沿って配置されているとともに互いに共通のものとされた、磁性ブランチ(30)を有していることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項1記載のアクチュエータにおいて、
前記第1および第2磁気構造が、点に対して対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項5記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材(36)が固定されている前記非磁性手段が、少なくとも2つのフレキシブルな対称梁(381,391)(382,392)を有していることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項1記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材(36)が、軸(98)回りに回転可能とされていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のアクチュエータにおいて、
前記導体コイル(321,322)および前記磁気回路(341,342,30,301,302)が、複数の層内に成膜された材料から形成され、
前記アクチュエータが、マイクロアクチュエータとされていることを特徴とするアクチュエータ。
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