KR100657979B1 - 버클에 견디는 열 벤드 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 벤드 액츄에이터(7)에 관한 것으로 다음을 포함한다. 고정된 기판(2)에 고정하기 위한 제1 앵커부(9); 상기 제1 앵커부(9)에 근거리 단부가 고정되고 움직일 수 있는 원거리 단부로 연장된 제1 열전도성 능동 빔 부재(10); 상기 제1 능동 빔 부재(10)와 평행하게 연장되기 위해 상기 제1 앵커부(9)에 유사하게 근거리 단부가 고정된 제2 빔 부재(12)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 빔 부재는 각각 상기 제1 앵커부(9)에서 떨어진 각각의 원거리 단부에서 직접 또는 간접으로 서로 연결되어 있고; 상기 제1 열전도성 능동 빔 부재(10)는 미로의 전도성 통로(14)를 형성하기 위해 배열되며, 이러한 미로의 전도성 통로는 상기 고정된 근거리 단부와 움직일 수 있는 원거리 단부 사이에 연장된 방향에서 결합된 유효길이를 가지고 있고 이는 양 단부 사이의 유효한 직선 통로를 두배로 초과한다.

액츄에이터, 열 벤드(Thermal Bend), 버클(Buckle), 기판, 능동 빔(Active Beam).

Description

버클에 견디는 열 벤드 액츄에이터{BUCKLE RESISTANT THERMAL BEND ACTUATORS}

본 발명은 열 벤드 액츄에이터(Thermal Bend Actuators)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종래 구조를 사용함으로 인하여 작동시 좌굴(Buckling) 되기 쉬운 저 전력의 연신 장치의 설계에 일반적으로 사용되기 적합한 벤드 액츄에이터의 구조에 관한 것이다.

본 발명은, 주로 상대적인 온도 편차에 민감하게 하여 주위의 조건에 대해 덜 민감하도록 하기 위해 동일한 재질의 평행 전도성 빔들을 이용하는 일시적인(Transient) 열 벤드 액츄에이터와 함께 사용하기 위해 개발되어져 왔으며, 이하에서 이 바람직한 응용을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 개념이, 예를 들면 전기기계 열 스위치(Thermal Switch)들을 구비한 바이메탈식 액츄에이터를 포함하는 비일시적인(Non-transient) 열 벤드 액츄에이터에도 동등하게 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 마이크로전기기계 시스템(Micro-electro Mechanical Systems, MEMS)의 제작 및 설계 과정중 일반적으로 직면하는 문제들을 극복하기 위한 수단으로 개발되어져 왔는데, 이는 집적회로의 CMOS 과정을 응용하여 상이한 재질의 박막 층(Thin Film Layer)을 연속적으로 증착(Depositing)하고 에칭(Etching)하는 다단계의 과정을 통해 발생된다.

일반적으로, MEMS에 사용되는 일시적인 열 벤드 액츄에이터는, 서로 연결되고 평행한 간격으로 이격된 열적으로 절연된 층이나 전도성 재질의 빔(Beam)들을 실리콘 같은 비 전도성 구조 재질의 주변 층에 증착함으로써 형성된다.

이러한 액츄에이터들을 구현하는 장치를 구동시키기 위한 전력을 최소화 하기 위해서는, 비교적 긴 구동 아암(Arm)을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 레버 장치의 원거리(Distal) 자유단부에서의 최대 변위를 확대하여 필요한 작용력을 얻는 것과, 액츄에이터를 효과적으로 구동시키기 위해 필요한 전압과 전류의 양을 조정하는 것이 균형을 이루도록 하기 위한 것이다.

그러한 장치를 모델링 할때, 액츄에이터의 평행빔 부재의 지지되지 않은 길이를 길게 할수록 어느 정도의 좌굴(Buckling)이 발생할 가능성이 높아진다는 것은 예견되어 알려져 왔으며, 그러한 좌굴은 많은 인자들에 의해 결정이 되어진다.

상기 좌굴 모드(Mode)를 예견하고 그러한 좌굴을 허용할 수 있도록 만족스럽게 작동 설계를 하는 것이 가능하기는 하지만, 이는 장치의 동작에 있어서 덜 효율적이고 그리고/또는 덜 예측가능한 모드를 초래할 가능성이 있다.

따라서, 좌굴을 최소화하기 위해 액츄에이터의 유효한 빔 부분을 강화하기 위한 시도가 바람직한 종래의 기술 관행 이었다. 이러한 시도는, 두 액츄에이터 빔들 사이에 그리고 간혹 두 빔들을 지나 가로질러 연장되는 강화 스트럿(Strut)과 다른 보강구조를 형성하는 것을 포함하는 많은 방식에 의해 행해져 왔다. 그러나, 이 방식은 두 가지 결점이 있다. 첫째, 상기 부가적인 구조 부재와 레버의 일반적인 강화는 높은 구동 전력 요구를 초래할 수 있다. 더욱이, 능동빔(Active Beam) 부재에 접촉되는 부재의 추가적인 질량은, 히트 싱크(Heat Sink)로 작용하게 되어 가열중 열손실을 증가시킴으로써 장치를 구동하기 위해 필요한 전력을 다시 증가시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 하나 또는 그 이상의 결점들을 극복하거나 적어도 감소키거나, 적어도 유용한 대안을 제공할 수 있는 열 벤드 액츄에이터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 다음을 포함하는 열 벤드 액츄에이터가 제공된다:

고정된 기판(Substrate)에 고정하기 위한 제1 앵커부(Anchor Portion);

상기 제1 앵커부에 근거리 단부(Proximal End)가 고정되고 움직일 수 있는 원거리 단부(Distal End)로 연장된 제1 열전도성 능동 빔(Active Beam) 부재;

상기 제1 능동빔 부재와 평행하게 연장되기 위해 상기 제1 앵커부에 유사하게 근거리 단부가 고정된 제2 빔 부재를 포함하며, 상기 제1 및 제2 빔 부재는 각 각 상기 제1 앵커부에서 떨어진 각각의 원거리 단부에서 직접 혹은 간접으로 서로 연결되어 있고;

상기 제1 열전도성 능동빔 부재는 미로의(Labyrinthine) 전도성 통로를 형성하기 위해 배열되는데, 이러한 미로의 전도성 통로는 상기 고정된 근거리 단부와 가동의 원거리 단부사이에서 연장된 방향에서 결합된 유효 길이를 가지고 있고 이는 양단부 사이의 유효한 직선 통로를 초과한다.

"유효 길이(Effective Length)" 라는 용어는, 굽힘을 야기시키는 열팽창이 발생하는 전도성 통로의 가열부를 지칭하는데 사용된다.

제1의 바람직한 실시예에서, 상기 미로 통로는 상기 각각의 근거리 단부와 원거리 단부 사이에 평행한 방향으로 연장되도록 복수의 평행 스트립(Strip)을 형성하기 위해 배열되며, 상기 스트립은 하나의 통로를 형성하기 위해 연속적으로 상호 연결된다. 바람직한 실시예에서 이 통로가 박막 층 위에 형성됨에 따라, 이는 상기 능동 빔 부재를 가로 질러 연장되는 사각의 물결 타입 패턴(Pattern)을 형성하게 된다.

상기 미로 통로는 상기 앵커 부에 인접한 능동 빔의 근거리 단부에서 시작하여 끝나는 것이 바람직하며, 이는 장치의 고정부로부터 힘이 상기 능동 빔 부재로만 공급될 필요가 있도록 하기 위한 것이다. 제1 실시예에서, 이로 인하여 평행하여 연속적으로 상호연결된 짝수의 스트립을 갖는 구조를 형성하게 된다.

바람직하게, 제1 능동 빔 부재 그리고/또는 제2 빔 부재 각각은 그 근거리 단부에서 하나 또는 그 이상의 탭(Tab)으로 형성된 제1 앵커 요소를 가지며, 제2 앵커 요소도 유사하게 상기 액츄에이터가 연결될 장치의 가동 레버에 고정되기 위하여 하나 또는 그 이상의 탭으로 형성된다.

바람직하게, 상기 열 벤드 액츄에이터는 제2 빔 부재가 제1 부재와 동일한 재질로 형성되고, 제1 능동 빔 부재의 작동 부분에 평행하게 연장된 부분을 따라 본질적으로 동일한 물리적 형상을 갖는 순간적인 열 벤드 액츄에이터인데, 상기 앵커부에서 떨어진 상기 빔들의 단부는 그 사이로 연장된 중간의 비전도성 물질에 의해 간격을 가진 상태로 유지된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 목적으로만 설명한다.

도1은, 본 발명에 따른 순간적인 열 벤드 액츄에이터의 제1 실시예에 있어서 귀환 또는 홈(Home) 위치를 도시한 잉크젯 패들 분사 장치(Paddle Ejector Mechanism)의 투시 단면도이고;

도2는, 도1 장치의 활성화된 위치를 도시한 투시단면도이며;

도3은, 상기 도면에 도시된 장치의 측단면도와, 하측의 열전도성 능동 빔(Active Beam) 부재의 평면도를 함께 나타낸 것이고;

도4는, 상기 도면에 도시된 장치의 측단면도와, 제2 수동 빔(Passive Beam) 부재를 형성하는 층(Layer)의 평면도를 함께 나타낸 것이며;

도5는, 도3의 능동 층(Active Layer)을 도시한 투시도이고;

도6은, 도4의 수동 층(Passive Layer)을 도시한 투시도이다.

첨부된 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예는, MEMS 기술을 이용하여 생산된 잉크젯 패들(Paddle) 분사 장치(1)이며, 이 구조는 집적회로의 CMOS 과정을 응용하여 상이한 재질의 박막 층(Thin Film Layer)을 연속적으로 증착(Depositing) 하고 에칭(Etching) 하는 다단계의 과정을 통해 형성된다.

상기 장치(1)는, 일반적으로 시스템을 조정하기 위해 사용되는 마이크로 일렉트로닉스(Micro Electronics)를 포함하는 부분인 CMOS 기판(2) 위에 형성된다. 상기 잉크젯 분사장치(1)는 출구구멍(4)을 갖는 잉크 챔버(3)를 포함한다. 분사 패들(Paddle, 5)은 상기 챔버(3)내에 배열되며 이는 레버 아암(6)에 의해 상기 기판(2)을 향하거나 기판에서 멀어지는 방향으로 움직이게 된다. 상기 아암(6)은, 개략적으로 7로 도시된 중간의 열 벤드 액츄에이터 장치를 통해 상기 기판(2)에 장착된다.

상기 액츄에이터 장치(7)는, 사용시 상기 기판(2)에 고정되며 개략적으로 9로 도시된 제1 앵커부를 포함한다. 제1 열전도성 능동빔 부재(10)는 상기 앵커부(9)와 연결되어 있고 그로부터 연장되어 있다. 상기 능동빔 부재의 위로 간격을 가지고 연장된 것이, 비활동성의, 제2 빔 부재인데, 이는 그 근거리 단부(Proximal End)가 상기 제1 앵커부(9)에 유사하게 고정된다.

상기 하부 능동빔(10)의 형상은 도3과 도5에 가장 잘 도시되어 있다. 상기 빔의 작동부는 상기 앵커부(9)와 상기 레버 아암(6)의 가장 가까운 단부 사이의 간격에 걸쳐 있으며, 이는 도면에서 한쌍의 점선 사이의 지역으로 도시된 바와 같이 다양한 평면도에서 구동부(13)로 표시되어 있다.

전류 통로(14)는 도면상에서 음영된 선과 화살표로 도시되어 있으며, 이는 상기 구동부(13)내에서 연장된 미로부(15)과 함께 표시되어 있다. 이 부위내에 다수의 평행 스트립(Strip)이 있는데, 이는 근거리 단부에서 복수의 탭(18)으로 형성된 제1 앵커 요소(17)와, 잉크젯 분사장치(1)의 가동 레버 아암(6)에 고정되기 위해 유사하게 복수의 탭(20)으로 형성된 제2 앵커 요소(19) 사이에서 연장되어 있다. 두개의 근거리 단부 탭(18)이 전기 접촉부 21과 22를 형성하기 위해 연장되어 있다.

설명된 실시예에서, 열 벤드 액츄에이터는 일시적인 열 벤드 액츄에이터이고, 제2 비활동성 빔 부재(12)는 상기 능동 부재와 동일한 재질로 형성되고 제1 능동빔 부재의 구동부에 평행하게 연장된 미로부를 따라 본질적으로 동일한 물리적 형상을 가지며, 이는 구동부(13)에 평행하게 곧게 연장된 장치의 일부분을 형성한다. 따라서, 상기 능동 빔(10)과 비활동성 빔(12)을 형성하는 증착된 층들의 전체 크기, 모양, 형상은 아주 다르나, 상기 구동부와 일치하는 관련된 장소에서는 동등하다. 상기 능동 빔과 비활동성 빔들의 양 단부에서의 탭의 상대적인 크기는, 장치의 구동과 관련해서는 중요하지 않고, 이는 순수히 다른 관련없는 제작상의 고려에 의한 결과로 발생하게 된다.

사용시, 전류가 전기 접촉부(21)로 적용된다. 상기 전류가 구동부(13)내 미 로부(15)의 감소된 단면을 통과함에 따라, 증가된 저항은 상기 스트립(16)의 근거리 단부와 원거리 단부의 방향으로 상대적인 열팽창을 야기시키고, 액츄에이터(7)의 하부에 차등의 스트레스(Stress)를 주게 되어 레버를 기판(2)에 대하여 상부방향으로 굽히게 만든다. 이는 순차적으로 분사 패들(Paddle, 5)을 출구 구멍(4)을 향해 상방향으로 들어올리는 레버 아암(6)을 선회시키게 됨으로써 도2에 도시된 바와 같이 잉크 방울을 챔버(3)로 부터 밀어내게 된다. 전류의 적용이 중단되면, 능동 빔(10)은 식게되고 도1에 도시된 바와 같이 홈(Home)위치로 귀환하게 되며, 동시에 잉크 방울이 상기 구멍(4)으로 부터 이탈하게 된다.

이러한 방식으로, 종래 기술에 비해 짧지만 잠재적으로 넓은 활성 장치에 의해 동일한 효과를 갖는 열 활성력(Actuation Force)이 달성되어, 작동시 발생할 수 있는 좌굴의 가능성 그리고/또는 정도를 현저하게 감소시킬 수가 있다.

본 발명이 하나의 특정한 실시예를 참조하여 기재되었으나, 이 분야에서 숙련된 자라면 본 발명이 다양한 다른 형태로 구체화 될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 고정된 기판(Substrate)에 고정하기 위한 제1 앵커부(Anchor Portion);

   상기 제1 앵커부에 근거리 단부(Proximal End)가 고정되고 움직일 수 있는 원거리 단부(Distal End)로 연장된, 전기적으로 활성화된, 제1 열전도성 능동 빔 (Active Beam) 부재;

   상기 제1 능동 빔 부재와 평행하게 연장되게 하기 위해 상기 제1 앵커부에 유사하게 근거리 단부가 고정된 제2 빔 부재를 포함하며, 상기 제1 및 제2 빔 부재는 각각 상기 제1 앵커부에서 떨어진 각각의 원거리 단부에서 직접 또는 간접으로 서로 연결되어 있고;

   상기 전기적으로 활성화된 제1 열전도성 능동 빔 부재는, 고정된 근거리 단부와 움직일 수 있는 원거리 단부 사이에서 연장된 방향으로 결합된 유효길이를 가지고, 양 단부 사이의 유효한 직선 통로를 초과하는 미로의(Labyrinthine) 전도성 통로를 형성하기 위해 배열되며;

   상기 전기적으로 활성화된 제1 열전도성 능동 빔 부재는, 그 근거리 단부에 형성된 제1 앵커요소와 그 원거리 단부에 형성된 제2 앵커요소를 가지는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터(Thermal Bend Actuator).
2. 제 1항에 있어서,

   상기 미로 통로는, 상기 각각의 근거리 단부와 원거리 단부 사이에서 평행한 방향으로 연장되도록 복수의 평행 스트립(Strip)을 형성하기 위해 배열되고, 상기 스트립은 하나의 통로를 형성하기 위해 연속적으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 미로 통로는, 고정부로부터만 전력이 공급될 필요가 있도록 하기 위해 상기 앵커부에 인접한 능동 빔의 근거리 단부에서 시작하여 끝나는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 앵커 요소들은 앵커 탭(Tab)인 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
5. 제 4항에 있어서,

   각 앵커 탭들은 하나 또는 두개의 스트립(Strip)을 고정하는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 능동 빔의 근거리 단부 각 측면에 있는 앵커 탭들은 활성전류를 위한 전기 접촉면을 제공하기 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
7. 제 1항에 있어서,

   일시적인(Transient) 열 벤드 액츄에이터로 작동되도록 배열되고, 제2 빔 부재가, 제1빔 부재와 동일한 재질로 형성되고 제1 능동 빔 부재의 작동부에 평행하게 연장된 부분을 따라 본질적으로 동일한 물리적 형상을 가지며, 앵커부에서 떨어진 상기 빔들의 단부는, 그 사이로 연장된 중간의 비전도성 물질에 의해 간격을 가진 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
8. 고정된 기판(Substrate)을 고정하기 위한 제1 앵커부(Anchor Portion);

   상기 제1 앵커부에 근거리 단부(Proximal End)가 고정되고 움직일 수 있는 원거리 단부(Distal End)로 연장된, 전기적으로 활성화된, 제1 열전도성 능동 빔 (Active Beam) 부재;

   상기 제1 능동 빔 부재와 평행하게 연장되게 하기 위해 상기 제1 앵커부에 유사하게 근거리 단부가 고정된 제2 빔 부재를 포함하며, 상기 제1 및 제2 빔 부재는 각각 상기 제1 앵커부에서 떨어진 각각의 원거리 단부에서 직접 또는 간접으로 서로 연결되어 있고;

   상기 전기적으로 활성화된 제1 열전도성 능동 빔 부재는, 고정된 근거리 단부와 움직일 수 있는 원거리 단부 사이에서 연장된 방향으로 결합된 유효길이를 가지고, 양 단부 사이의 유효한 직선 통로를 초과하는 미로의(Labyrinthine) 전도성 통로를 형성하기 위해 배열되며;

   제2 빔 부재는, 제1빔 부재와 동일한 재질로 형성되고 제1 능동 빔 부재의 작동부에 평행하게 연장된 부분을 따라 본질적으로 동일한 물리적 형상을 가지며, 앵커부에서 떨어진 상기 빔들의 단부는, 그 사이로 연장된 중간의 비전도성 물질에 의해 간격을 가진 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 미로 통로는, 상기 각각의 근거리 단부와 원거리 단부 사이에서 평행한 방향으로 연장되도록 복수의 평행 스트립(Strip)을 형성하기 위해 배열되고, 상기 스트립은 하나의 통로를 형성하기 위해 연속적으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 미로 통로는, 상기 장치의 고정부로만 힘이 공급될 필요가 있도록 하기 위해 상기 앵커부에 인접한 능동 빔의 근거리 단부에서 시작하여 끝나는 것을 특징으로 하는 열 벤드 액츄에이터.

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