JP2019015718A - アクチュエータセンサモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】少なくとも一つのセンサと、流体アクチュエータ装置と、をチップ上に統合したモジュール設置であるアクチュエータセンサモジュールを提供する。【解決手段】チップ11と、チップに貼り付ける少なくとも一つのセンサ12と、チップ上にパッケージし、少なくとも一つの通路15を設け、且つ、通路は、センサの一側に位置し、駆動を受けて流体を圧縮して通路から流体を輸送し、センサを通すことで、センサが流体の測定をするアクチュエータと、を包含することを特徴とするアクチュエータセンサモジュール1。【選択図】図1B
Description
本発明は、アクチュエータセンサモジュールに関するものであって、とりわけ電子装置に応用し、環境を測定するアクチュエータセンサモジュールである。
現在、人類が生活上において、例えば一酸化炭素、二酸化炭素、揮発性有機化合物(Volatile Organic Compound、VOC)、PM2.5など環境測定に対する要求は重視されてある傾向にあり、環境の中おいて、これらの気体の露呈は人体にとって好ましくない悪影響を及ぼし、深刻な場合、命に関わることもある。以上より、環境測定の実施は各国から重視されており、目前に迫った重視すべき課題である。
ポータブル式の電子デバイスは、現代の生活上において広範囲に使用及び応用され、不可欠な電子デバイスでもあり、そのためにポータブル式の電子デバイスを利用し、周囲の環境気体を検出できるほか、もしすぐさま測定データ通信を提供できるのであれば、環境内にいる人に注意を促せるほか、迅速に予防や避難でき、環境内の気体曝露によって引き起こる人体の健康への影響や傷害を避けることができるため、ポータブル式電子デバイスを使用して周囲環境を測定することは、非常に良い応用である。
しかしながら、電子装置に提供する外部センサによる環境測定は、使用者により多くの環境情報を提供するが、より良い測定感度、精度については、例えばセンサは、自然の流れを利用するだけでは、安定して確保ができないだけでなく、均一性のあるある流体流通による測定もできず、且つ、環境中の流体が自然流通の流れでセンサに接触し、反応するまで時間がかかるため、測定の効率にも影響する。
以上を鑑みると、どのようにセンサの測定精度に対する解決策を提供し、センサの測定反応速度を向上させることが、現状解決すべき問題点である。
本願発明の主な目的は、少なくとも一つのセンサと、流体アクチュエータ装置と、をチップ上に統合したモジュール設置であるアクチュエータセンサモジュールを提供することであり、流体アクチュエータ装置は流体を早く流通させることができ、並びに安定で、均一性のある流体量を提供することで、センサを安定させ、均一性のある流体量を直接測定させ、且つ、センサの測定反応時間を効果的に短縮し、正確な測定を達成することである。
上述の目的を達成するため、本願発明はより広義な実施様態として、少なくとも一つのチップと、前記チップに取り付けるセンサと、前記チップ上にパッケージされ、前記センサの一側に設置される通路を有し、その駆動を受け、流体を圧縮し、前記通路から流出し、並びに前記センサを通過することで、前記センサが前記流体を受信する流体アクチュエータと、を包含する。
本願発明のメリットを呈するために、典型的な実施例を以下の段落にて詳細に説明する。特に理解すべきは、本願発明は異なる様態上に様々な変化を有し、これらは本願発明の範囲を逸脱するものでなく、且つ明細書及び図に示す内容も説明のために用いるものであり、これに限るものではない。
図1Aと1Bを参照すると、本願発明アクチュエータセンサモジュール1は環境関連パラメータを測定するために電子デバイスに取り付けられるが、これに限らない。前記アクチュエータセンサモジュール1は主に、チップ11と、少なくとも1つのセンサ12と、少なくとも1つのアクチュエータ装置13と、を包含している。前記センサ12は、前記アクチュエータ装置13と、組み合わせてモジュールを設置し、前記アクチュエータ13は、前記センサ12の一側に設置され、少なくとも一つの通路15を有し、前記アクチュエータ13は駆動を受け、流体或いはエネルギを通路15から流出させ、前記センサ12を通過して、前記センサ12が受信した流体を計測する。
前記アクチュエータ装置13は、制御信号を動力装置システム制御できる動力に変換することができ、前記アクチュエータ装置13は、電動アクチュエータ、磁力アクチュエータ、サーマルアクチュエータ、圧電気アクチュエータ及び流体アクチュエータを包含することができる。たとえば、直流モーター、ステッピングモーターなどの電動アクチュエータ、磁気性ソレノイドモーターなどの磁力アクチュエータ、熱ポンプなどのサーマルアクチュエータ、圧電ポンプなどの圧電アクチュエータ、気体ポンプ、液体ポンプなどの流体アクチュエータであるがこれに限らない。
本願発明に係るセンサ12は、以下のようなセンサを含むことができる。温度センサ、揮発性有機化合物センサ(例えば、ホルムアルデヒド、アンモニアを測定するセンサ)、粒子センサ(例えば、PM2.5の粒子センサ)、一酸化炭素センサ、二酸化炭素センサ、酸素センサ、オゾンセンサ、その他の気体のセンサ、湿度センサ、水分センサ、水またはその他液体中もしくは空気中の化合物、もしくは生体物質を測定するセンサ(例えば水質センサ)、その他液体のセンサ、もしくは環境の光を測定するセンサを用いる、また、センサを任意の組み合わせとできるが、これに限らない。
これらの実施例において、前記チップ11は、特定用途向け集積回路(ASIC)の形態(図2Aのような)或いは、システム・オン・チップ(SOC)の形態(図2Bのような)とすることができ、また、前記チップ11は、センサ通路14をエッチングすることができ、並びに前記センサ12は前記センサ通路14上に積載され、且つ前記流体アクチュエータ13は、前記チップ11上に統合してパッケージされ、並びに前記センサ12の一側に通路15を設け、前記センサ通路14と連通している。
図1Aと図1Bを参照すると、本願実施例において、前記アクチュエータセンサモジュール1のアクチュエータ13は、流体アクチェータを採用し、説明を進行するものであり、以下に前記流体アクチュエータ13を本願発明に係るアクチュエータ装置として説明する。本願発明に係る前記流体アクチュエータ13は、圧電アクチュエータポンプの駆動構造とすることができ、或いは、微小電気機械システム(MEMS)ポンプ構造とすることができるがこれに限らない。
本願実施例において、以下に圧電アクチュエータポンプを流体アクチュエータ13として動作説明を行う。
図3A及び図3Bを参照すると、前記流体アクチュエータ13は、吸気板131と、共振板132と、圧電アクチュエータ133と、絶縁片134a、134bと、導電片135等の構造を備えており、そのうち、前記圧電アクチュエータ133は、前記共振片132に対応して設置され、並びに前記吸気板131、前記共振片132、前記圧電モジュール133、前記絶縁片134a、前記導電片135、もう一つの前記絶縁片134bの順序で積み重ねて設置されており、その組み立てた断面図を図5に図示している。
本願に係る実施例において、前記吸気板131は、少なくとも一つの吸気孔131aを有し、前記吸気口131aの数量は4つが好ましいが、これに限らない。前記吸気孔131aは、前記吸気板131を貫通し、流体が装置外から外界圧力作用に応じて、少なくとも一つの前記吸気孔131aから前記流体アクチュエータ13中に提供するために用いられる。前記吸気板131上には、少なくとも一つの合流ガイド131bを有し、前記吸気板131のもう一つの表面にある少なくとも一つの前記吸気孔131aに対応して設置する。前記合流ガイド131bにおける中心交流する場所に中心凹部131cを有し、且つ、前記中心凹部131cは、前記合流ガイド131bと互いに連通し、少なくとも一つの前記吸気孔131aから前記合流ガイド131bの流体引導に進入し、並びに前記中心凹部131cに合流集結し、実際の流体の流れを呈している。本願実施例において、前記吸気板131は、一体形成の前記吸気孔131aと、前記合流ガイド131bと、前記中心凹部131cと、を有し、且つ、前記中心凹部131cにおいて、合流流体に対応した合流チャンバが形成され、流体を一時保存する。これら実施例において、前記吸気板131の材質は、例えば、ステンレス素材から構成されるが、これに限らない。ほかの実施例において、前記中心凹部131cより、構成される合流チャンバの深度は、前記合流ガイド131bと同等の深度であるが、これに限らない。前記共振片132は、フレキシブルな材質から構成され、且つ前記共振片132上には、中空孔洞132cを有し、前記吸気板131の前記中心凹部131cに対応して設置されることで、気体を流通させる。その他の実施例において、前記共振片132は、銅材質から構成されるが、これに限らない。
前記圧電アクチュエータ133は、懸浮吊1331と、外枠1332と、少なくとも1つのフレーム1333と、圧電片1334と、から組み立てられ、そのうち、前記圧電片1334は、前記懸吊板1331の第一表面1331cに貼り付けられ、電圧を加えることで変形させ、前記懸吊板1331を駆動し、湾曲振動させるために用いられ、少なくとも一つの前記フレーム1333は、前記懸吊板1331と、前記外枠1332と、の間に連接し、本願実施例において、前記フレーム1333は、前記懸吊板1331と前記外枠1332と、の間に連接し、その両端は前記外枠1332と、前記懸吊板1331にそれぞれ連接し、弾性支持を提供しており、且つ前記フレーム1333と、前記懸吊板1331及び前記外枠1332と、の間には、更に少なくとも一つの間隙1335を有し、少なくとも一つの前記間隙1335は、前記流体通路15を互いに連通し、流体が流通するために用いられる。特筆すべきは、前記懸吊板1331と、前記外枠1332と、前記フレーム1333と、の形態及び数量は、上述の実施例に限らず、且つ、実際の要求によって変化できる。その他に、前記外枠1332は、前記懸吊板1331の外側を囲繞して設置され、且つ、電気的連接するために用いる外向き凸出している導電ピン1332cを有するが、これに限らない。
前記懸浮吊1331は階段状の構造であり(図4に示す)、即ち、前記懸浮吊1331の第二表面1331bは、更に凸部1331aを有し、前記凸部1331aは円形凸起構造とすることができるが、これに限らない。前記懸浮板1331の前記凸部1331aは、前記外枠1332の第二表面1332aと、同一の平面にあり、且つ、前記懸浮吊1331の前記第二表面1331b及び前記フレーム1333の第二表面1333aもまた、同一平面上にあり、前記懸浮板1331の前記凸部1331a及び前記外枠1332の前記第二表面1332aは、前記懸浮板1331の前記第二表面1331b及び支持体1333の前記第二表面1333aとの間に特定の深度を有している。前記懸浮板1331の前記第一表面1331cは、前記外枠1332の前記第一表面1232b及び、前記フレーム1333の前記第一表面1233bは、同一の平面構造を有し,前記圧電片1334は、平坦な前記懸吊板1331の前記第一表面1331cに貼り付けられている。他の実施例において、前記懸吊板1331の形状は、両面が平面である板状正方形構造とすることもできるが、これに限らず、実際の状況に応じて変更することができる。いくつかの実施例において、前記懸吊板1331と、前記フレーム1333と、前記外枠1332は、一体形成構造とすることができ、且つ、ステンレス鋼などの金属板から構成することができるが、これに限らない。また、他の実施例においては、前記圧電片1334の長辺は、前記懸吊板1331の長辺よりも小さい。他の実施例においては、前記圧電片1334の長辺は、前記懸吊板1331の長辺と同等であり、且つ、前記懸吊板1331に対応する板状正方形構造に設計されるが、これに限らない。
本願実施例において、図3A示すように、前記流体アクチュエータ13にある前記絶縁片134a、導電性片135、もう一つの前記絶縁片134bの順に前記圧電アクチュエータ133下部に対応して配置され、且つ、形態は、前記圧電アクチュエータ133の前記外枠1332の形態と、おおよそ同じである。これらの実施において、前記絶縁片134a、124bは、例えばプラスチック等の絶縁素材から構成されるがこれに限らず、機能絶縁を提供するものである。その他の実施例において、前記導電片135は、例えば金属材質などの導電性材質から構成されるがこれに限らず、導電効能を提供するものである。本願実施例において、前記導電性片135に導電ピン135aを設置し、導電効能を実現してもよい。
本願実施例において、図5に示すように、前記流体アクチュエータ13は、前記吸気板131、前記共振片132、前記圧電アクチュエータ133、前記絶縁片134a、前記導電片135、もう一つの前記絶縁片134bの順で、積み重ねてなり、且つ前記共振片132と、前記圧電アクチュエータ133と、の間には間隙hを有しており、本願実施例において、前記共振片132及び前記圧電アクチュエータ133の前記外枠1332周辺との間にある前記間隙hに、例えば導電性ペーストなどの充填剤を充填することで、前記共振片132と、前記圧電アクチュエータ133にある前記懸吊板1331の凸部1331aと、の間の間隙hが深度を維持でき、流体を導引し、迅速に流動することができ、且つ、前記懸吊板1331の前記凸部1331aと、前記共振片132と、が適切な距離を互いに保持するため、干渉が減少し、騒音が発生も低減する。もう一つの実施例において、前記圧電アクチュエータ133の前記外枠1332の高度を上げることもでき、これにより、前記共振片132と組み立てる際に間隙が増加するが、これに限らない。
図5、図3A及び図3Bを参照すると、本願実施例において、前記進気板131、前記共振板132、前記圧電アクチュエータ133の順に組み立てた後、前記共振片132は、可動部132a及び固定部132bを有し、前記可動部132aは、前記進気板131と共に合流流体のチャンバを形成することができ、且つ、前記共振片132と、前記圧電アクチュエータ133と、の間に第一チャンバ130を形成し、流体を一時的保存するために用いられ、前記第一チャンバ130は、前記共振片132の前記中空洞孔132cを通じて、前記進気板131の前記中心凹部131cがチャンバと互いに連通し、且つ前記第一チャンバ130の両側は、前記圧電アクチュエータ133の前記フレーム1333と間にある前記間隙1335により、通路15と互いに連通している。
図3Aと、図3Bと、図5と、図6A乃至6Eを参照すると、本願発明に係る前記流体アクチュエータ13の動作過程を以下に簡単に示す。前記流体アクチュエータ13が作動した際、前記圧電アクチュエータ133は、圧電駆動して前記フレーム1333により支持され、垂直方向に往復振動を実施する。図6Aに示すように、前記圧電アクチュエータ133が圧電駆動を受け、下向きに振動した際、前記共振片132は、軽くて薄いプレート状構造であり、前記圧電アクチュエータ133が振動した時、前記共振片132も共振に追随して湾曲振動変形し、即ち前記共振片132が対応する前記中心凹部131c部分もまた、追随して湾曲振動変形し、即ち、前記中心凹部131cの部分は、前記共振片132の前記可動部132aに対応し、前記圧電アクチュエータ133が下向に湾曲した際、前記共振片132は、前記中心凹部131cの前記可動部132aに対応し、流体の投入及び、押圧及び圧電アクチュエータ133の振動のリードし、前記圧電アクチュエータ133に追随して、下向きに湾曲振動変形することで、前記吸気板131上に少なくとも一つの前記吸気口131aから流体が進入し、少なくとも一つの前記合流ガイド131bを通して、中心である前記中心凹部131cに合流し、前記共振片132上と、前記中心凹部131cに対応して設置される前記中空孔洞132cと、が、下向きに前記第一チャンバ130中に流入する。その後、前記圧電アクチュエータ133の振動を受けて、前記共振片132も、追随して共振し、垂直往復振動を実施しており、図6Bに示すように、前記共振片132の前記可動部132aも、追随して下向きに振動し、並びに前記圧電アクチュエータ133の前記懸吊板1331の前記凸部1331a上に張り付き、当接することで、前記懸吊板1331の前記凸部1331a意外のエリアと、前記共振片132の両側の固定部132bと、の間にある合流チャンバ間の距離は小さくならず、並びに、前記共振片132の変形により、前記第一チャンバ130の体積は圧縮され、前記第一チャンバ130中を流れる流通空間を閉鎖し、流体が押圧され、その両側に流動し、前記圧電アクチュエータ133の前記フレーム1333の間にある前記間隙1335を下向きに通り超えて流動する。その後、図6Cに示すように、前記共振片132の前記可動部132aは、上向きに湾曲振動変形して、初期位置に戻り、且つ、前記圧電アクチュエータ133は、電圧駆動を受け、上向きに振動し、同様に前記第一チャンバ130の胎生期を押圧することで、前記圧電アクチュエータ133は上向きに上昇し、前記第一チャンバ130内の流体が両側に流れることができ、流体が前記吸気板131上の少なくとも一つの前記吸気孔131aから進入し、前記中心凹部131cにより形成されるチャンバ内に流入される。この後、図6Dに示すように、前記共振片132は、前記圧電アクチュエータ133の駆動を受けて上向きに上昇して振動し、上向きに共振ており、この際、前記共振片132の前記可動部132aも追随して上向きに振動し、流体が前記吸気板131上の少なくとも一つの前記吸気孔131aに進入し続けるのを、低減し、前記中心凹部131cにより形成されるチャンバ内に流入する。最後に、図6Eに示すように、前記共振片132の前記可動部132aも、初期位置に戻り、実施様態からわかるように、前記共振片132が垂直往復振動する際、前記圧電アクチュエータ133と、の間の間隙hは、垂直変位最大距離を増加させており、言い換えると、前記二つの構造間に前記間隙hを設置することで、前記共振片132において共振時に、最大振幅の上下変位をガッ性させることができる。前記流体アクチュエータ13の流道設計中に圧力勾配を発生させることで、流体が高速で流動し、並びに流道進出方向の抵抗の差異を通して、流体は、吸引端から排出端に輸送され、流体輸送作業を完成させており、即ち、排出端の圧力状態下において、流体は、前記通路15を流入し続けることができ、並びに消音効果も達成でき、図6Aから図6Eにおける前記流体アクチュエータ13の動作を繰り返すことで、前記流体アクチュエータ13は外から内へ流体輸送を発生することができる。
以上により、前記流体アクチュエータ13の動作を理解するために、前記進気板131、前記共振板132、前記圧電アクチュエータ133、前記絶縁片134a、前記導電片135、もう一つの前記絶縁片134b、の順序で積み重ねて設置され、また、図1A、図1Bに示すように前記流体アクチュエータ13は、前記チップ11上にパッケージされ、前記流体アクチュエータ13は、駆動を受けて流体を圧縮し、前記通路14から流道を発生し、図1Bに示すように、矢印で示された方向に流道し、前記センサ12を通過し、前記流体アクチュエータ13を介して流体を導引し、並びに安定し、均一した流体の流通量を直接前記センサ12まで輸送し、前記センサ12が、安定性、均一した流通量を直接測定することができるために、前記センサ12の反応時間を効果的に短縮でき、正確な測定を達成し、産業価値を有する。
以上により、本願発明に係るアクチュエータセンサモジュールは、少なくとも一つのセンサと、アクチュエータが、チップ上に統合されるモジュール装置であり、流体アクチュエータは、流体の流量を加速することができ、そして流通を促進しながら、安定して均一した流量を提供し、センサに安定性をもたらせ、均一した流体の流通量を直接監視しながら、またセンサの測定反応時間を効果的に短縮し、正確な測定を達成でき、本願発明のアクチュエータセンサモジュールは、電子装置産業において、価値があると思慮されるため、特許申請をするものである。
本願発明に属する技術分野において通常の知識を有する者であればさまざまな工夫と修飾が可能であるが、それらはいずれも本願発明の特許請求の範囲が求める保護を逸脱するものではない。
1 アクチュエータセンサモジュール
11 チップ
12 センサ
13 アクチュエータ装置、流体アクチュエータ
130 第一チャンバ
131 吸気板
131a 吸気孔
131b 合流ガイド
131c 中心凹部
132 共振片
132a 可動部
132b 固定部
132c 中空孔洞
133 圧電アクチュエータ
1331 懸吊板
1331a 凸部
1331b 第二表面
1331c 第一表面
1332 外枠
1332a 第二表面
1332b 第一表面
1332c 導電ピン
1333 フレーム
1333a 第二表面
1333b 第一表面
1334 圧電片
1335 間隙
134a、134b 絶縁片
135 導電片
135a 導電ピン
h間隙
14センサ通路
15通路
11 チップ
12 センサ
13 アクチュエータ装置、流体アクチュエータ
130 第一チャンバ
131 吸気板
131a 吸気孔
131b 合流ガイド
131c 中心凹部
132 共振片
132a 可動部
132b 固定部
132c 中空孔洞
133 圧電アクチュエータ
1331 懸吊板
1331a 凸部
1331b 第二表面
1331c 第一表面
1332 外枠
1332a 第二表面
1332b 第一表面
1332c 導電ピン
1333 フレーム
1333a 第二表面
1333b 第一表面
1334 圧電片
1335 間隙
134a、134b 絶縁片
135 導電片
135a 導電ピン
h間隙
14センサ通路
15通路
Claims (10)
- チップと、
前記チップに貼り付ける少なくとも一つのセンサと、
前記チップ上にパッケージし、少なくとも一つの通路を設け、且つ、前記通路は、前記センサの一側に位置し、駆動を受けて流体を圧縮して前記通路から流体を輸送し、前記センサを通すことで、前記センサが前記流体の測定をするアクチュエータと、を包含することを特徴とするアクチュエータセンサモジュール。 - 前記チップは、特定用途向け集積回路、システム・オン・チップのうちの一つであり、前記センサと、前記流体アクチュエータとは、その上にパッケージされ、組み付けられていることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記チップ上には、更にセンサ通路がエッチングされ、前記センサは、前記センサ通路に搭載され、並びに前記アクチュエータと、前記通路は互いに連通していることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記センサは、酸素センサ、一酸化炭素センサ、二酸化炭素、温度センサ、液体センサ、湿度センサのうちの一つ、或いは、いずれかの組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記センサは、液体センサ、オゾンセンサ、光センサのうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記センサは、マイクロセンサ、揮発性有機物センサのうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記アクチュエータを、流体アクチュエータとすることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記アクチュエータを、微小電気機械システムポンプとすることを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータセンサモジュール。
- 前記流体アクチュエータは、
少なくとも一つの吸気孔と、少なくとも一つの合流ガイドと、合流チャンバを構成する中心凹部を有し、そのうち、前記吸気孔は流体を導入し、前記合流ガイドは前記吸気孔に対応し、且つ前記吸気孔の流体を前記中心凹部に構成する合流チャンバに引導する吸気板と、
中空孔洞が対応する前記合流チャンバと、且つ、前記中空孔洞の周辺は可動部を有する共振片と、
前記共振片に相対して設置される圧電アクチュエータと、を包含しており、
そのうち、前記共振片と、前記圧電アクチュエータと、の間に第一チャンバを形成する間隙を有し、前記圧電アクチュエータが駆動した際、流体は前記吸気板にある少なくとも一つの前記吸気孔より導入され、少なくとも一つの前記合流ガイドを経て、前記中心凹部に集合し、前記共振片にある前記中空孔洞を通して、前記第一チャンバ内へ進入し、前記圧電アクチュエータと、前記共振片にある可動部により、共振を発生し、流体を輸送することを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータセンサモジュール。 - 第一表面と、第二表面と、を有し、且つ湾曲振動ができる懸吊板と、
前記懸吊板の外側を囲繞する外枠と、
前記懸吊板と、前記外枠と、の間を連接し、弾性支持を提供する少なくとも一つのフレームと、
長辺と有し、前記長辺が前記懸吊板の長辺より、小さい或いは同等であり、且つ、前記懸吊板の前記第一表面上に張り付き、電圧を加えることで前記懸吊板を駆動して湾曲振動する圧電片と、を包含することを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータセンサモジュール。
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