KR101023581B1

KR101023581B1 - 전자석 컨트롤을 이용한 마이크로 시스템

Info

Publication number: KR101023581B1
Application number: KR1020077017940A
Authority: KR
Inventors: 실벵 파피뉴; 카롤린 꾸띠에; 아말리에 가르니에; 비느와 그레프; 로렌 키에시
Original assignee: 슈나이더 일렉트릭 인더스트리스 에스에이에스
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2011-03-21
Also published as: JP2008527642A; US20080106360A1; CN101138060B; KR20070117546A; CN101138060A; DE602006012620D1; US7724111B2; ATE459974T1; FR2880729A1; EP1836714B1; FR2880729B1; JP4519921B2; EP1836714A1; WO2006072627A1

Abstract

본 발명은 마이크로 시스템에 관한 것이며, 기판(3)에 의해 지지되고, 적어도 하나의 전기회로를 전환하기 위해서 제1 위치와 제2 위치 사이의 자기 효과에 의해 컨트롤 되는 이동 소자를 가진 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')에 있어서, 영구자석 또는 솔레노이드는 상기 이동소자를 상기 제1 위치에 유지하기 위해 제1 균일 자장(B₀)에 종속시키고, 상기 기판(3) 외부의 여자 코일(4, 6)은 상기 이동 소자를 상기 제1 위치에서 제2 위치로 이동시키기 위해 제2 자장(BS₁)에 종속시키며,

솔레노이드 타입이고, 상기 이동 소자를 지지하는 기판을 둘러싸고 있다.

마이크로 액츄에이터, 마이크로 시스템, 여자 코일

Description

전자석 컨트롤을 이용한 마이크로 시스템{Microsystem with electromagnetic control}

본 발명은 외부의 여자(勵磁) 코일(excitation coil)에 의해 작동되는 적어도 하나의 자기(magnetic) 마이크로 액츄에이터를 포함하는 마이크로 시스템에 관한 것이다. 이러한 마이크로 시스템은 전자 단속기(electronic interruptor), 특히 스위치, 컨택터 또는 릴레이 타입(relay type)으로 사용될 수 있다. 이 타입의 마이크로 시스템은 특히 MEMs 기술로 생산되는 데 적합하다.

미국특허 제6320145호는 정자기(靜磁氣) 계전기(magnetostatic relay)를 설명하고 있다. 이 계전기는 자화(磁化)가능하고, 단안정(單安定)한 빔(beam-막대)에 의해 작동한다. 자장(磁場)의 작용하에서 이 빔은 이 자장의 방향으로 정렬되도록 휘어지며, 전기회로를 닫는다. 상기 빔은 탄력성이 있는 물질로 제조되어 있으므로, 자장이나 자기 빔(magnetic beam)이 없을 경우, 기계적 효과에 의해 간단히 최초의 위치로 되돌아간다. 빔에 있어서 최초의 위치로 되돌리는 복원력은, 단순히 기계적 원인에 의한 결과이며, 빔을 제조한 물질의 본래의 성질과, 관련 원소의 구조에 의해 부과되는 것이다.

미국특허 제6469602호와 제6750745호는 전기회로를 열거나 닫는 두 가지 위 치사이에서 쌍안정(bistable)하며, 자화가능(磁化可能)한 빔 장치를 사용하는 자기 마이크로릴레이(magnetic microrelays)를 설명하고 있다. 빔 장치는 전자석에 의해 작동된다. 전기회로는 제1 위치에 있을 때 열리며, 제2 위치에 있을 때 닫힌다. 빔이 제2 위치에 있을 때, 전기회로는 기판상에 배치된 고정된 접점과 접촉하는 상기 빔에 의해 공급된 접점에 의해 닫힌다. 정지하고 있을 경우, 빔은 제1 위치에 있고, 따라서 전기회로는 열린다. 이 정지 위치는 영구자석에 의한 자화가능(磁化可能)한 빔 상에서 생성된 자장(磁場) 때문에 유지된다. 전자석에 전류를 통하게 하면, 전자석은 빔이 제1 위치에서 제2 위치로 전환하도록 하기 위해 방향이 정해진 제2 자장을 생성한다. 빔은 일단 제2 위치가 되면, 전자석은 비활성화되며, 빔은 영구자장의 영향하에서 제2 위치에 유지된다.

미국특허 제6750745에는 동일한 마이크로 액츄에이터(microactuator)가 하나의 동일한 기판상에 놓일 수 있으며, 따라서, 전자석에 의해 동시에 작동될 수 있다. 이 특허에는 코일은 플랫 코일(flat coil)이며, 기판에 통합된다. 상기 마이크로 액츄에이터는 플랫 코일의 여러 면에 놓여 진다. 이러한 장치는 몇 개의 마이크로액츄에이터가 동시에 싱글코일로부터 작동이 되도록 할 수 있지만, 다음과 같은 몇 가지 결점을 가지고 있다.

기판에 통합된 평면코일(planar coil)의 사용은 마이크로 액츄에이터당 필요한 평균기판영역을 증가시켜서, 각 마이크로 액츄에이터에 대한 추가비용이 발생한다.

코일을 기판에 통합시키는 것은 스탭에 평면처리과정을 추가하여, 제조 수율 의 감소와 각 마이크로 액츄에이터에 대한 추가비용을 발생시킨다.

기판에 통합된 코일의 전기저항은 줄 효과(Joule effect)에 의해 마이크로 액츄에이터를 작동시키는 에너지의 일부분을 기판과 전극 내에서 방산되는 열로 전환한다. 이 열 발생의 결과로 스위치, 콘택터 또는 릴레이(relay)로 사용되는 마이크로엑츄에이터의 전기 효율이 떨어지게 된다.

본 발명의 목적은 상기에서 언급된 문제들을 감소시키며, 디자인이 단순하고, 적당한 비용이 들며, 필요하다면, 많은 수의 액츄에이터를 포함하는 마이크로 시스템을 제공하는 데 있다.

이 목적은 기판에 의해 지지되고, 자기 영향(magnetic effect)에 의해 컨트롤되며, 적어도 하나의 전기회로 스위치를 전환하기 위해서 제1 위치와 제2 위치 사이를 이동할 수 있는 이동소자(moving element)를 포함한 자기 마이크로 액츄에이터와, 영구자석 또는 이동소자를 제1 위치에 유지하기 위해서 제1 자장에 종속시키는 전자석과, 전원이 공급되면, 제1 위치로부터 제2 위치로 이동소자를 이동하도록 하기 위해 이동소자를 제2 자장에 종속시킬 수 있는, 기판 외부의 여자(勵磁) 코일을 포함하며, 상기 여자 코일은 솔레노이드 타입이자, 이동소자를 지지하고 있는 기판을 둘러 쌓고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명에 의하면, 마이크로 액츄에이터는 솔레노이드 코일의 중앙에 놓여 진다. 상기에서 언급된 특허의 내용과는 반대로, 본 발명에 의하면, 기판 외부의 코일은 다시 말하면, 기판에 통합되지 않는다. 이로 인해, 상기에서 리스트된 결점의 일부를 감소시켜준다. 구리선을 감거나, 다른 삼차원 패키징 솔루션에 의한 프린트 회로(printed-circuit) 기술로, 외부코일을 제조하면, 통합된 코일의 결점이 없으며, 이 두 가지 기술에 대한 제품 수율은 관리가 매우 잘된다.

하나의 특징에 의하면, 이동소자는 기판상에 설치되며, 세로축을 갖고, 세로축에 수직인 축을 따라서 다양한 위치 사이에 축을 설치할 수 있으며, 자성물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 가진 멤브레인(membrane)으로 구성되어 있다.

종래 기술에서는, 자장은, 예를 들어 기판에 결합된 영구자석에 의해 발생된다. 종래 기술의 마이크로 시스템의 어셈블리(assembly) 동안, 하나의 스텝은 마이크로 액츄에이터에 관한 영구자석을 정확히 위치시키는 것으로 구성되므로 자석에 의해 발생된 자장이 마이크로 액츄에이터의 이동소자에 바람직한 영향을 준다. 본 발명에 의하면, 첫번째로 형성된 자장이 있는 갭(gap)의 사용은 일정하며, 어셈블리 동안의 이러한 스텝을 줄여준다.

알고 있는 대로, 갭 내에 생성된 제1 자장은 일정하며, 마이크로 액츄에이터를 지지하는 기판의 표면에 수직으로 방향이 정해진다. 상기 제1 자장은 그 축을 따라서 멤브레인 내에 자기 컴포넌트(magnetic component)를 발생시킨다. 상기 멤브레인 내의 제1 자장과 자기 컴포넌트로부터 생기는 자기 모멘트(magnetic moment)는 자기 컴포넌트를 한 곳에 유지시킨다. 여자 코일에 의해 생성된 제2 자장은 제1 자장의 방향에 수직이다. 상기 제2 자장은 제1 자장에 의해 생성된 제1 컴포넌트와 대향하는 제2 자장축 상의 멤브레인 내에서 자기 컴포넌트를 발생시킨다. 만일 이 새로운 자기 컴포넌트가 더 큰 진폭(amplitude)을 가진다면, 멤브레인은 다른 위치에 축을 설치하게 된다.

또 다른 특징에 의하면, 솔레노이드 타입의 여자 코일은 그 길이에 따라 변하는 턴(turn)의 가변(可變) 밀도를 가진다.

또 다른 특징에 의하면, 여자 코일은 그 각각의 끝 부분에 많은 턴(turn)을 가진다. 이것이 균일한 솔레노이드 내에서 발생된 제2 축상(axial)의 자장을 만들어서, 유용한 솔레노이드의 볼륨을 증가시킨다.

또 다른 특징에 의하면, 제1 자장을 발생시키는 자기 회로의 자기 소스(magnetic source)는 영구자석이거나 전자석 코일이다.

또 다른 특징에 의하면, 기판은 균일한 자장에 종속되며, 방향에 따른 자장선은 자기 마이크로 액츄에이터를 지지하는 기판의 표면에 의해 정해지는 면에 수직이 아니다. 이러한 구조는 멤브레인 상의 자기 모멘트의 증가를 가능하게 하여 마이크로 액츄에이터의 접촉력을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 경향과 관련된 또 다른 장점은 MEMs(Micro Electro Mechanical System) 기술에서 마이크로 시스템을 제조를 위한 공정 시에 명백해진다. 왜냐하면, 이 경우에 있어서, 마이크로 액츄에이터 멤브레인은 균일한 자장을 발생시키는 자기 회로 내에서 희생층의 두께가 아닌, 마이크로 시스템의 배치에 의해 보장되기 때문이다. 따라서 멤브레인과 기판의 사이에 있는 희생층은 얇아야 한다.

본 발명에 의하면, 마이크로 시스템은 두 전기회로의 개폐(開閉)를 컨트롤할 수 있다.

본 발명에 의하면, 마이크로 시스템은 최소한 부분적으로 MEMs 타입 기술로 제조될 수 있다.

상당히 유용한 실시예에 의하면, 기판은 여자 코일에 의해 동시에 작동될 수 있는 복수의 동일한 자기 마이크로 액츄에이터를 지지한다. 기판을 둘러싸고 있는 솔레노이드 타입의 하나의 여자 코일은 마이크로 액츄에이터의 매트릭스에 작용한다. 예를 들어, 마이크로 액츄에이터는 전기 트랙을 통해서 연결되고, 절연 전압(isolation voltage)을 증가시키기 위해 직렬로 배열되거나, 전류의 세기를 감소시키기 위해 병렬로 배열된 마이크로 릴레이(microrelay)이다.

다른 특징과 장점은 다음의, 실례로서 주어지고, 첨부된 도면으로 표현된 실시예에 관한 상세한 설명에서 명백해 질 것이다.

도 1은, 본 발명의 하나의 특정한 실시예에 따른 마이크로 시스템의 사시도이다.

도 2(a)와 2(b)는, 본 발명에 따른 마이크로 시스템에 이용될 수 있는 두 실시예의 다른 변형에 따른 마이크로 액츄에이터의 사시도이다.

도 3(a) 내지 3(c)는 마이크로 액츄에이터 피벗(pivot)의 이동소자를 만들기 위한 다양한 실행 스탭의 측면도이다.

도 4(a)와 4(b)는, 본 발명에 따른 자기 회로의 두 갭 사이에 위치한 마이크로 시스템을 나타낸다.

도 5(a)와 5(b)는, 마이크로 액츄에이터의 접촉력을 향상시키기 위한 두 가지 실시예를 나타낸다.

도 6은, 간단한 방법으로 나타낸, 본 발명에 따른 마이크로 시스템의 솔레노이드 코일에 사용될 수 있는 턴(turn)의 권선(捲線-감기) 예이다.

도 7은, 두 전기회로를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 마이크로 시스템의 동작을 나타낸다.

지금부터 본 발명을 도 1에서 7과 함께 설명한다.

상기에서 언급한 종래 기술에서처럼, 본 발명에 따른 마이크로 시스템은 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')를 사용하는 전기회로의 개폐를 컨트롤한다.

도 2(a)와 2(b)를 참조하면, 마이크로 시스템은 기판(3)에 의해 지지되는 마이크로 액츄에이터 (2, 2')로 구성된다. 기판(3)은 예를 들어 유리, 플라스틱과 같은 재료나, 전원공급용도의 실리콘 또는 세라믹을 기초로 한 뛰어난 열도체(thermal conductor)로 제조된다. 기판(3)은 마이크로 엑츄에이터(2, 2')가 고정된 평평한 표면(30)을 가지고 있다. 알려진 대로(미국특허 제2002/0140533호 참조), 기판(3)은 예를 들어, 전기적으로 연결되게 하여 전기회로를 닫기 위한 적어도 두 개의 전극(31, 32)(도 2(a)와 2(b))을 가진다. 이렇게 하기 위해서, 마이크로 엑츄에이터(2, 2')가 작동될 때, 자기 마이크로 엑츄에이터(2, 2')는 두 개의 전극(21, 21')을 전기적으로 연결할 수 있는 적어도 하나의 이동 접점(moving contact)을 가진다.

도 2(a)에 나타낸 실시예 1의 다른 형태에 있어서, 마이크로 액츄에이터(2)는 세로축(A)을 가지며, 두 개의 평행인 연결 암(arm)(22a, 22b)을 통해서 기판(3) 에 고정된 고정 마운트(23)에 그 축의 끝 중 하나를 통해 연결되는 멤브레인(20)(예를 들어 평행육면체인 멤브레인)으로 이루어진 이동소자를 구비한다. 컨택트(21)는 예를 들어 고정되지 않은 멤브레인(20)의 말단(end) 근처 상에 형성되며, 기판(3)의 표면(30)에 면하고 있다.

멤브레인(20)은 이들 두 연결 암(22a, 22b)에 의해 기판의 표면(30)에 평행이며, 상기 멤브레인(20)의 세로축(A)에 수직인, 전극(31, 32)이 있는 멤브레인(20)의 접촉점에 의해 설명되는 축에 평행이고, 상기 축(P)에 대한 기판(3)에 비례하여 축을 설치할 수 있다.

연결 암(22a, 22b)은 멤브레인(20)과 고정 마운트(23) 사이에 탄력 있는 연결을 형성한다. 이러한 구조에 있어서, 멤브레인(20)은 탄력성 있는 연결 암(22a, 22b)에 의해 피벗(pivot)에 설치된다.

도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 소위 평형 위치에 있어서 연결 암(22a, 22b)은 압력이 가해지지 않으며, 멤브레인(20)은 기판(3)의 표면(30)에 의해 형성된 평면에 평행이다.

도 2(b)에 나타낸 실시예 2의 다른 형태에 있어서, 본 발명에 따른 마이크로 시스템 내에 사용될 수 있는 마이크로 액츄에이터(2')는 경질(硬質)의, 예를 들어 세로축(A')을 가진 평행육면체인 멤브레인으로 이루어진 이동소자를 포함한다. 도 2(b)를 참조하면, 상기 멤브레인(20')은 그 양쪽 사이드와 축(A') 상에 대칭적으로 배치된 두 개의 고정 마운트(23a', 23b')에 상기 멤브레인(20')을 연결하는 두 개의 연결 암(22a', 22b')을 통해서 기판(3)에 고정되어 있다. 이동 컨택트(21')는 예를 들어 멤브레인(20) 말단 근처의 멤브레인(20') 상에 형성되며, 기판(3)의 표면(30)에 면하고 있다.

멤브레인(20')은 이들 두 연결 암(22a', 22b')에 의해 기판의 표면(30)에 평행이고, 상기 멤브레인(20')의 세로축(A')에 수직인, 전극(31', 32')이 있는 멤브레인(20')의 접촉점에 의해 설명되는 축(P')에 평행이고 상기 축(P')이 있는 기판(3)에 비례하여 축을 설치할 수 있다. 바람직하게는, 이 실시예의 다른 형태에 있어서, 멤브레인(20')의 피벗 축(pivot axis)(P')은 평행인 중앙축(mid-axis)에 비례하여 상쇄됨에 따라 피벗 축(pivot axis)(P')의 양 사이드 상의 상기 멤브레인(20') 상에서 상이(相異)한 볼륨의 두 개의 분리된 부분을 특정할 수 있게 한다. 멤브레인(20')의 더 큰 부분인 고정되지 않은 말단(end)은 전기회로를 닫는 컨택트(21')를 가진다. 연결 암(22a', 22b')은 멤브레인(20')과 이들 각각의 고정 마운트(23a', 23b') 사이에 탄력 있는 연결을 형성한다. 이러한 구조에 있어서, 멤브레인(20')은 비틀어 구부린 연결 암(22a', 22b')에 의해 피벗(pivot)에 설치된다. 다른 구조는 완전하게 맞아야 한다. 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 소위 평형 위치에서의 연결 암은 압력이 가해지지 않으며, 멤브레인(20')은 기판(3)의 표면(30)에 의해 형성된 평면에 평행이다.

본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터(2, 2')의 두 가지 실시예의 다른 형태는 마이크로 시스템에 더 할 나위 없이 적합하다. 다음의 설명은 실시예 1과 실시예 2의 다른 형태에 따른 상기 마이크로 액츄에이터에 모두 적용될 수 있다.

본 발명에서 설명된 마이크로 액츄에이터(2, 2')는 MEMs 평면복제(planar duplication)기술에 의해 생산될수 있다. 이것은 상호작용공정에 있어서 연속층의 퇴적에 의한 생산이 이러한 물건의 제조에 아주 적합하기 때문이다. 이 경우에 있어서, 멤브레인(20, 20')과 암(22a, 22b, 22a', 22b')은 물질의 같은 층으로부터 얻어진다. 그러나, 또 다른 구조에 있어서, 연결 암(22a, 22b, 22a', 22b')과 멤브레인(20, 20')의 하부층(lower layer)은 금속층으로부터 얻을 수 있다. 자장에 민감한 물질의 층은 멤브레인(20, 20')의 상부를 생성하기 위해 상기 금속층 상에 퇴적된다. 이러한 구조는 연결 암(22a, 22b, 22a', 22b')의 기계적 특성을 사용에 의해 최대한 활용되게 하며, 자장에 민감한 물질보다 기계적으로 더 적합한 물질로 멤브레인(20, 20') 피벗(pivot)을 만들게 한다. 더욱이, 금속층은 전기회로를 닫는 컨택트로서 작용할 수 있다. 자장에 민감한 물질은 예를 들어 연질(軟質)의 자석타입과 철과 니켈의 합금(퍼멀로이, Ni₈₀Fe₂₀)을 예로 들 수 있다.

본 발명의 원리를 지금부터 하기에 도 2(a)에 나타낸 마이크로 액츄에이터의 실시예 1과 함께 설명하지만, 이것은 도 2(b)에 나타낸 실시예 2에 따른 마이크로 액츄에이터에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

도 1과 도 3(a) 내지 도 3(c)를 참조하면, 멤브레인(20)의 피벗(pivot) 축(P)에 대한 멤브레인(20) 피벗은 멤브레인(20)을 솔레노이드의 외부 여자 코일이나 평편 타입에 의해 생성된 자장에 종속시킴으로써 만들 수 있다. 멤브레인(20)은 따라서 두 개의 가장자리 위치를 택할 수 있다.

도 3(a) 내지 도 3(c)를 참조하면, 액츄애이터의 실시예 1만이 나타내어진 첫 번째 가장자리 위치(도 3(a)와 도3(b))에 있어서, 컨택트(21)를 가진 멤브레인(20)의 말단(end)은 올라가 있으며, 전극(31, 32)에 눌려 닿아 있지 않다. 따라서 전기회로는 열린다. 두 번째 가장자리 위치(도 3(c))에 있어서, 컨택트(21)를 가진 멤브레인(20)의 말단(end)은 전극(31, 32)에 눌려 닿아 있다. 이 두 번째 가장자리 위치에 있어서, 전기회로는 닫힌다.

본 발명에 따르면, 가급적 될 수 있는 데로 균일한 제1 자장(B₀)은 마이크로 액츄에이터(2)를 가진 기판(3)에 적용된다. 이 제1 자장(B₀)은 기판의 표면(30)에 수직인 자장 라인(field line)을 가진다. 도 3(a) 내지 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 제1 자장(B₀)의 자장 라인은 기판(3)의 표면(30)을 향한다. 제1 자장(B₀)은 영구자석이나 전자석에 의해 발생될 수 있다. 자기 소스로서 영구자석(5) 또는 전자석 코일(5')을 가지는 자기회로는 제1 자장(B₀)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 4(a)와 4(b)에 나타낸 바와 같이, 이 자기회로는 영구자석(5)(도 4(a)) 또는 전자기 코일(5')(도 4(b))과, 영구자석(5) 또는 전자석 코일(5')의 양 사이드 상에 평행으로 배치된 두 개의 갭(gap) 부분(50, 51)으로 만들어졌으며, 갭 부분 사이에서 제1 자장(B₀)이 생성된다. 이러한 자기회로는 갭 내에서 제1 균일 자장(B₀)을 생성하는 데 사용될 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 전류원(電流源)에 연결된 솔레노이드 타입의 외부 여자 코일(4)은 기판(3)과 기판(3)에 의해 지지되는 마이크로 액츄에이터(2)를 둘 러싸서, 멤브레인(20)의 움직임을 그 두 위치 사이에서 컨트롤한다. 따라서 마이크로 액츄에이터(2)는 그 중앙 채널 내의 여자 코일(4) 중심에 배치된다. 여자 코일(4)에 있어서, 전류의 흐름은 멤브레인(20)이 그 한 위치로부터 다른 위치로 축을 설치하도록 한다. 여자 코일(4)을 통해서 흐르는 전류의 방향은 멤브레인(20)이 그 가장자리의 위치 중 한쪽, 또는 다른 쪽에 축을 설치할지를 결정한다. 단순화와 검사를 용이하게 하기 위해 여자 코일(4)은 도 3(a) 내지 도 3(b)에 나타내지 않다. 그러나, 도 1에 나타낸 바와 같이, 이들 도면(도 3(a) 내지 도 3(b))에 있어서, 여자 코일(4)이 마이크로 액츄에이터를 둘러싸고 있다는 것을 명심해두어야 할 것이다.

마이크로 액츄에이터(2)를 지지하고, 솔레노이드 여자 코일로 둘러싸인 기판(3)은 제1 자장(B₀)의 영향을 받는, 예를 들어 상기의 도 4(a)와 4(b)와 함께 설명된 자기회로의 갭 내에 배치된다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 제1 자장(B₀)은 멤브레인(20) 내에서 그 세로축(A)을 따라 자기 컴포넌트(BP₀)를 처음으로 발생시킨다. 멤브레인(20) 내에서 발생되는 제1 자장(B₀)과 자기 컴포넌트(BP₀)에 의한 자기 모멘트는 멤브레인(20)을 그 가장자리위치 중, 한 위치 내에, 예를 들어 제1 위치(도 3(a)) 또는 제2 위치(도 3(b))에 유지한다. 제1 위치에서는, 멤브레인(20)의 접촉부가 올라가고, 전기회로는 열린다. 제2 위치에서는, 멤브레인(20)에 포함된 컨택트(21)가 두 개의 전극(31, 32)을 전기적으로 연결하며, 회로는 닫힌다.

처음에 제1 위치(도 3(a))에 있도록 고려된 멤브레인(20)에 있어서, 제2 위 치로의 전환은 다음과 같은 방법으로 일어난다:

도 3(b)를 참조하면, 기판(3)을 둘러싸고 있는 솔레노이드 여자 코일(4) 내에서 정해진 방향으로의 전류의 흐름은, 제2 자장(BS₁)을 발생시키며, 그 방향은 기판(3)에 평행하고, 여자 코일(4)로 흘러드는 전류의 방향에 의해 좌우되는 멤브레인(20)의 피벗 축(P)에 수직이다. 여자 코일(4)에 의해 생성된 제2 자장(BS₁)은 멤브레인(20)의 자기층(magnetic layer) 내에서 그 세로축(A)을 따라 자기 컴포넌트(BP₁)를 발생시킨다. 알맞은 방향으로 전류가 흘러들면, 이 새로운 자기 컴포넌트(BP₁)는 제1 자장(B₀)에 의해 멤브레인(20)의 자기층 내에서 발생되는 자기 컴포넌트(BP₀)에 대항하게 된다. 만일 여자 코일(4)에 의해 발생된 자기 컴포넌트(BP₁)가 제1 자장(B₀)에 의해 발생된 것보다 강도가 높으면, 제1 자장(B₀)과 이 자기 컴포넌트(BP₁)에 의한 자기 모멘트는 반대로 되며, 멤브레인(20)으로 하여금 제1 위치에서 제2 위치로 축을 설치하게 한다.

일단 멤브레인(20)이 축을 설치하면, 여자 코일(4)에 더 이상 전원을 공급할 필요가 없다. 본 발명에 따르면, 여자 코일(4)에 의해 생성된 제2 자장(BS₁)은 일시적이며, 한 위치에서 다른 위치로 멤브레인(20) 피벗(pivot)을 만들 경우에만 유용한 것이다. 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 멤브레인(20)은 그 안에서 새로운 자기 컴포넌트(BP₂)를 생성하는 제1 자장(B₀)의 영향하에서 제2 위치 내에 유지된다. 제1 자장(B₀)과 멤브레인(20) 내에서 발생된 자기 컴포넌트(BP₂) 사이에서 생성된 새로운 자기 모멘트는 멤브레인(20)이 제2 위치에 남아 있도록 한다.

일단 멤브레인(20)이 제2 위치에 축을 설치하면, 멤브레인(20)이 가진 컨택트(21)는 기판(3) 상에 존재하는 두 개의 전극(31, 32)을 전기적으로 연결하며, 전기회로는 닫힌다.

전기회로를 열기 위해서, 멤브레인(20)은 다시 제1 위치에 축이 설치되어야만 한다. 전류는 상기에서 정해진 반대방향으로 여자 코일(4)로 흘러든다. 여자 코일(4)에 의해 생성된 자장은 따라서 이전의 제2 자장(BS₁)에 반대방향으로 방향이 결정된다. 이 자장은 세로축(A)를 따라 멤브레인(20) 내에서 자기 컴포넌트(BP₂)에 대항하는 자기 컴포넌트를 발생시킨다. 만일 이 새로운 자기 컴포넌트의 강도가 자기 컴포넌트(BP₂)보다 높으면 제1 자장(B₀)과 이 새로운 컴포넌트에 의한 자기 모멘트는 멤브레인(20)이 제1 위치로 전환되도록 한다.

멤브레인(20)이 축을 설치하도록 하기 위해서 여자 코일(4)로 흘러들게 되는 전류의 세기는 여자 코일(4)를 구성하고 있는 다수의 턴(turn)과 여자 코일(4)에 따른 자장의 밀도에 의해 좌우된다.

도 6을 참조하여, 본 발명에 따르면, 솔레노이드 여자 코일(4)은 그 길이에 따라 변화하는 턴(turn)(40)의 밀도를 가진다. 다수의 턴(40)은 여자 코일(4)의 중앙보다 끝 부분에 더 많다. 따라서 솔레노이드 내에서 발생한 여자코일(4)의 전체길이를 덮는 자장은 매우 균일하다. 여자 코일(4)에 의해 발생되는 자장(예를 들어 도 3(b)의 BS₁)의 높은 균일도는 솔레노이드 내에서 유용한 볼륨을 증가시킬 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 솔레노이드 타입의 여자 코일(4)은 프린트 회로 기술이나 구리배선 권선(winding) 기술에 의해 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 멤브레인(20)과 기판(3) 사이의 접촉력을 향상시키면 제1 자장(B₀)과 멤브레인(20) 내에서 발생된 컴포넌트 사이에 존재하는 자기 모멘트가 증가된다. 이렇게 함으로써, 제1 자장(B₀)의 방향과 기판(3)의 표면(30) 사이의 각(角)(X)는 변화된다(도 5(a)와 5(b) 참조). 각(X)는 90°와는 달라야 한다. 자장 라인(field line)의 방향과 마이크로 액츄에이터를 지지하는 기판의 표면(30)사이에서 만들어진 각은 영구 자장(perment field)의 방향으로 기울어진 기판(3)을 갖거나(도 5(a)), 또는 갭 내에서 자장을 발생시키는 특별한 형태를 두 개의 갭 부분(50, 51)이 취하게 함으로써 고정될 수 있으며, 자장의 방향은 각(X)로 기판(3)의 표면(30) 쪽으로 기울어진다. 도 5(b)를 참조하면, 각 갭 부분은 기울어질 수 있거나, 다른 실시예에 있어서(도시하지 않음), 이들 각 갭 부분(50, 51)은 구부러 질 수 있다. 도 7에 나타낸 실시예의 다른 형태에 따르면, 본 발명에 따른 마이크로 시스템은 두 개의 분리된 전기회로를 컨트롤하는 데 사용된다. 이 실시예에 따르면, 제1 전기회로의 전극(31a)을 갖는 제1 기판(3a)과 예를 들어 제1 기판(3a) 상에 위치하며, 그것과 평행인 제2 기판(3b)은 제2 전기회로의 전극(31b)을 갖는다. 본 발명에 따라서 멤브레인이 움직이지 않고(정지하고) 있을 때, 전극(31a, 31b)은 마이크로 액츄에이터(2)의 멤브레인(20)의 세로축(A)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 두 개의 기판은 예를 들어 연결소자(5)를 통하여 연결된다. 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터(2)는 적어도 어느 하나의 기판(3a, 3b)에 고정된다. 따라서 멤브레인(20)의 축 설치는, 하나 또는 다른 전기회로를 각각의 가장자리위치에서 닫기 위해, 두 개의 가장자리위치 사이에서 가능하다. 안정 위치(도 7에 직선으로 나타냄)에서, 두 개의 전기회로는 열리며, 멤브레인(20)은 두 개의 기판(3a, 3b)에 평행이다. 제1 가장자리 위치(도 7에 점선으로 나타냄)에서, 멤브레인(20)은 제1 전기회로를 닫기 위해 제1 전극(31a)과 접촉하게 되며, 반대로 제2 가장자리 위치(도 7에 점선으로 나타냄)에서, 멤브레인(20)은 제2 전기회로를 닫기 위해 제2 전극(31b)과 접촉하게 된다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 마이크로 시스템은 상기에서 설명한 대로, 솔레노이드 여자 코일(4)의 중앙에 배치된 매트릭를 형성하는 복수의 동일한 마이크로 액츄에이터(2, 2')로 구성된다. 솔레노이드 여자 코일(4)의 활성화로부터 나오는 동일한 작동 에너지를 가지므로, 직렬 또는 병렬로 배열된 다수의 자기 마이크로 액츄에이터가 동시에 작동할 수 있다. 마이크로 액츄에이터(2, 2')는 예를 들어 몇 개의 병렬로 된 열(row)에 따라 편성된다. 따라서, 여자 코일(4, 6)에 전원을 공급함으로써, 하나의 열 또는 몇 열의 모든 마이크로 액츄에이터(2, 2')가 동시에 작동할 수 있다.

물론, 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서, 다른 실시예와 세부적인 개량을 생각할 수 있으며, 마찬가지로 동등한 방법의 사용을 생각하는 것도 가능하다.

Claims

기판(3)에 의해 지지되고, 자기 영향에 의해 컨트롤 되며, 적어도 하나의 전기회로를 전환하기 위해서 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 이동가능한 이동 소자를 포함하는 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')와;

상기 이동소자를 제1 자장(B₀)에 종속시켜서 상기 제1 위치에 유지하기 위한 영구자석 또는 전자석과;

전원이 공급되면, 상기 이동 소자가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 이동하도록 하기 위해 상기 이동 소자를 제2 자장(BS₁)에 종속시킬 수 있는 상기 기판(3) 외부의 여자 코일(4, 6)(excitation coil)을 포함하며, 상기 여자 코일은 솔레노이드 타입이고, 상기 이동소자를 지지하는 상기 기판을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 이동 소자는 상기 기판(3) 상에 설치된 세로축(A, A')을 가지며, 상기 세로축(A, A')에 수직인 축(P, P')를 따라서 여러 위치 사이에 축을 설치할 수 있고, 자성을 띤 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 갖는 멤브레인(20, 20')을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1 항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 자장(B₀)은 균일하며, 상기 이동 소자가 설치된 상기 기판(3)의 평평한 표면(30)에 수직으로 방향이 정해지는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')를 지지하는 상기 기판(3)은, 갭(gap)(50, 51)과 상기 제1 자장(B₀)을 발생시킬 수 있는 자기 소스(magnetic source)를 포함하는 자기회로 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제4항에 있어서,

상기 자기 소스는 영구자석(5)인 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제4항에 있어서,

상기 자기 소스는 전자석 코일(5')인 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 여자 코일(4)은 그 길이에 따라 턴(turn)(40)의 가변(可變) 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제7항에 있어서,

상기 여자 코일(4)은 그 각각의 끝 부분에 다수의 턴(40)을 가진 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제1 자장(B₀)은 상기 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')를 지지하는 상기 기판(3)의 표면(30)에 의해 정해진 평면에 수직이 아닌 방향을 따르는 자장 라인을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 마이크로 시스템은 두 전기회로의 개폐(開閉)를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 마이크로 시스템은 MEMs 타입 기술로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.
제1항에 있어서,

상기 기판(3)은 상기 여자 코일(4)에 의해 동시에 작동될 수 있는 복수의 동일한 자기 마이크로 액츄에이터(2, 2')를 지지하는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템.