KR101374043B1 - Mems 마이크로모터 및 상기 마이크로모터로 구비된시계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 실리콘계의, 결정질 또는 비결정질 재료로 제조된 플레이트에 형성된 MEMS 마이크로모터를 제안하며, 상기 마이크로모터는 기판을 형성하는 하부층 및 하나 이상의 액츄에이터와 로터가 에칭된 상부층을 포함하고, 상기 액츄에이터는 회전 시에 원통형 샤프트(64)에 대해 상기 로터를 구동하며, 상기 샤프트(64)는 상기 플레이트에 연결되고, 상기 샤프트(64)는 상기 플레이트의 홀을 통해 축방향으로 연장되고, 상기 샤프트(64)는 탄성 고정 구조물에 의해 상기 홀에 클램프고정되며 상기 홀 내에 중심이 형성되고, 상기 탄성 고정 구조물은 상기 기판 내에 에칭됨으로써 형성되며 상기 홀의 원주 상에 배열되는 것을 특징으로 한다.
MEMS 마이크로모터, 액츄에이터, 로터, 샤프트, 플레이트, 구동 모듈, 인쇄 회로, 스타일러스, 피니언, 폴

Description

MEMS 마이크로모터 및 상기 마이크로모터로 구비된 시계{MEMS MICROMOTOR AND TIMEPIECE EQUIPPED WITH THIS MICROMOTOR}
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 타입의 마이크로모터와 상기 마이크로모터로 구비된 시계에 관한 것이다.
본 발명은 더 구체적으로, 특히 실리콘계의, 결정질 또는 비결정질 재료로 제조된 플레이트에 형성된 MEMS 마이크로모터에 관한 것이며, 상기 마이크로모터는 기판을 형성하는 하부층 및 하나 이상의 액츄에이터와 로터가 에칭된 상부층을 포함하고, 상기 액츄에이터는 회전 시에 원통형 샤프트에 대해 상기 로터를 구동한다.
래칫으로 구동되는(ratchet-driven) 정전(electrostatic) MEMS 마이크로모터의 로터는 상기 래칫들이 올바르게 작동할 수 있도록 회전 시에 정확하게 안내되어야 한다. 이에 따른 표준 방식은 로터와 상기 로터의 보어(boring)와 같이 동시에 형성된 일체구성된 고정된 액슬을 형성하는 것이다. 상기 실례는 공보 WO 2004/081695호에 기술된다.
일체구성된 액슬과 함께 로터의 보어-축 반경방향 간극은, 통상 80 마이크론의 두께에 대해 5 마이크론 정도인 DRIE(심도 반응성 이온 에칭, Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 명명된 심도 플라즈마 에칭 기법에 의해 구현가능한 최소 컷(minimum cut) 미만일 수 없다. 다른 한편으로, 실리콘 상에서 실리콘의 횡방향 마찰력은 증가된다(μ=0.4).
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 간단하고 경제적으로 해결하기 위한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 이미 언급된 타입의 마이크로모터를 제안하며, 상기 마이크로모터에서 샤프트는 플레이트에 연결되고, 상기 샤프트는 스텝가공되며 상기 플레이트의 홀을 통해 축방향으로 연장되고, 상기 샤프트는 탄성 고정 구조물에 의해 상기 홀에 클램프고정되며 상기 홀 내에 중심이 형성되고, 상기 탄성 고정 구조물은 기판 내에 에칭됨으로써 형성되며 상기 홀의 원주 상에 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그 외의 다른 특징들에 따르면,
-로터는 샤프트의 외부 축방향 벽에 의해 회전 시에 안내되고,
-샤프트의 외부 축방향 벽은 실리콘을 사용하여 마찰을 감소시키도록 코팅처리되어 제공되며,
-샤프트는 프로파일이 가공된 금속성 액슬이고,
-플레이트는 SOI(절연체 상의 실리콘) 타입으로 제조되며,
-로터는 래칫 톱니로 제공되며 액츄에이터는 상기 래칫과 협동하는 폴에 의해 상기 로터를 구동하고,
-마이크로모터는 로터와 동축으로 형성되며 회전 시에 상기 로터의 두께에 제공되는 슬롯 내에 수용된 핀에 의해 상기 로터에 연결되고, 피니언은 샤프트에 의해 회전 시에 안내되며,
-탄성 고정 구조물에 추가하여, 상보적인 고정 수단은 특히 접착 또는 용접으로 플레이트의 샤프트를 고정하기 위하여 제공된다.
본 발명은 또한 전술한 특징들 중 어느 한 특징에 따라 제조된 마이크로모터에 의해 회전 시에 구동되는 기어-트레인을 포함하는 시계를 제안한다.
본 발명은 이미 언급된 타입의 마이크로모터를 제안하며, 상기 마이크로모터에서 샤프트는 플레이트에 연결되고, 상기 샤프트는 스텝가공되며 상기 플레이트의 홀을 통해 축방향으로 연장되고, 상기 샤프트는 탄성 고정 구조물에 의해 상기 홀에 클램프고정되며 상기 홀 내에 중심이 형성되고, 상기 탄성 고정 구조물은 기판 내에 에칭됨으로써 형성되며 상기 홀의 원주 상에 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그 외의 다른 특징들에 따르면,
-로터는 샤프트의 외부 축방향 벽에 의해 회전 시에 안내되고,
-샤프트의 외부 축방향 벽은 실리콘을 사용하여 마찰을 감소시키는 코팅처리되어 제공되며,
-샤프트는 프로파일이 가공된 금속성 액슬이고,
-플레이트는 SOI(절연체 상의 실리콘) 타입으로 제조되며,
-로터는 래칫 톱니로 제공되며 액츄에이터는 상기 래칫과 협동하는 폴에 의해 상기 로터를 구동하고,
-마이크로모터는 로터와 동축으로 형성되며 회전 시에 상기 로터의 두께에 제공되는 슬롯 내에 수용된 핀에 의해 상기 로터에 연결되고, 피니언은 샤프트에 의해 회전 시에 안내되며,
-탄성 고정 구조물에 추가하여, 상보적인 고정 수단은 특히 접착 또는 용접으로 플레이트의 샤프트를 고정하기 위하여 제공된다.
본 발명은 또한 전술한 특징들 중 어느 한 특징에 따라 제조된 마이크로모터에 의해 회전 시에 구동되는 기어-트레인을 포함하는 시계를 제안한다.
도 1에서, 본 발명에 따르는 구동 모듈(driving module, 13)로 구비된 손목시계를 포함하는 시계(timepiece, 10)가 도식적으로 도시되며, 여기서 구동 모 듈(13)은 케이싱(casing, 12) 내부에 배열된다.
시계(10)는 크리스탈(crystal, 16)로 밀폐된 시계 케이싱(watch casing, 14), 다이얼(dial, 18) 및 여기서 시계바늘(hand, 20)을 가진 아날로그 디스플레이 수단(analogical display means)을 포함한다. 시계바늘(20)은 예를 들어 감소 수단(reduction means)을 포함하는 기어-트레인(gear-train, 22)에 의해 본 발명에 따른 구동 모듈(13)로 회전 시에 구동될 수 있도록 제공된다. 상기 구동 모듈(13)은 배터리(24)로부터 전원이 공급된다. 케이싱(12), 구동 모듈(13), 기어-트레인(22) 및 배터리(24)는 여기서 플레이트(plate, 26) 상에 장착되며 이들은 함께 시계(10)의 무브먼트(movement, 27)를 형성하고, 상기 무브먼트(27)는 시계 케이싱(14) 내부에 고정된다. 물론, 상기 무브먼트(27)는 그 외의 다른 요소(element)(도시되지 않음)들 특히 집적회로(integrated circuit), 수정(quartz)을 포함하는 시계 베이스(time base), 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 등을 가진 전자 모듈(electronic module)을 포함한다.
도 2에서, 시계(10)의 무브먼트(27)의 일부분 특히 케이싱(12)과 기어-트레인(22)이 상기 플레이트 상에 장착된 플레이트(26)가 도시된다.
구동 모듈(13)은 기어-트레인(22)의 입력 휠(input wheel, 28)로 명명되는 시계 휠(timepiece wheel)과 맞물린다(mesh).
본 발명에 따른 구동 모듈(13)의 다양한 요소들은 도 3 내지 도 7에서 더욱 상세하게 도시된다.
구동 모듈(13)은 예를 들어 실리콘과 같은, 결정질 또는 비결정질 재료로 제 조된 플레이트(30)를 포함하며, 상기 플레이트(30)는 기판(substrate, 32)을 형성하는 하부층(lower layer)과 MEMS(초소형전자정밀기계, Micro Electro Mechanical System) 타입의 마이크로모터(micromotor, 36)가 에칭된(etched) 상부층(upper layer, 34)을 포함한다. 상기 마이크로모터(36)는 여기서 상기 상부층(34)에 에칭된 로터(rotor, 42)를 회전시키는 2개의 액츄에이터(actuator, 38, 40)에 의해 형성된다.
각각의 액츄에이터(38, 40)는 플레이트(30)의 평면에 평행한 방향(A1, A2)을 따라 이동가능한 스타일러스(stylus, 44, 46)를 포함한다. 각각의 스타일러스(44, 46)는 상기 스타일러스의 자유 단부(free end)에서 폴(pawl, 48, 50)로 제공되며, 상기 폴은 회전 시에 순차적으로 구동시키기 위하여 로터(42)의 외측 주변 에지(exterior circumferential edge) 상에 제공된 래칫 톱니(ratchet toothing, 52)와 협동(cooperate)하도록 제공된다.
바람직하게, 각각의 스타일러스(44, 46)는 연결된 액츄에이터(38, 40)를 2개의 전체적으로 대칭되는 부분들로 분리하는(cut) 방향(A1, A2)을 따라 연장된다. 제 1 액츄에이터(38)는 스러스트 폴(thrust pawl, 48)을 포함하고 제 2 액츄에이터(40)는 트랙션 폴(traction pawl, 50)을 포함하는 것이 바람직하다.
각각의 액츄에이터(38, 40)는 인터디지티드 콤(interdigited comb)의 정전 타입(electrostatic type)으로 구성되며 실리콘 플레이트(30) 내에 에칭됨으로써 제조된다. 상기 플레이트(30)는 여기서 SOI(절연체 상의 실리콘, Silicon On Insulator) 타입으로 구성되며, 두꺼운 하부 실리콘 기판 층(32), 실리콘 산화 물(silicon oxide) 중간층(intermediate layer, 54) 및 기판(32)보다 얇은 두께를 가진 실리콘 상부층(34)을 포함한다.
각각의 액츄에이터(38, 40)의 고정된 부분(fixed part)은 전자 모듈에 전기적으로 연결되도록 제공된 서플라이 패드(supply pad, 56, 58)를 포함하며, 각각의 액츄에이터(38, 40)의 이동식 부분(movable part)은 사전결정된 전위(potential), 여기서는 0 볼트에서, 상기 이동식 부분들을 배치하는 콘택트 패드(contact pad, 57,59)를 포함한다.
실리콘 플레이트에 형성된 정전 액츄에이터(electrostatic actuator)를 포함하는 마이크로모터는 가령 본 명세서에서 참조문헌으로 구성된 공보 WO 2004/081695호에 기술되고 도시된다. 상기 공보에서, 모터는 실리콘 층에 에칭됨으로써 제조된다. 상기 모터는 휠의 톱니를 회전시키기 위하여 휠의 톱니와 협동하는 구동 핑거(actuating finger)와 톱니 구동 휠(toothed driving wheel)을 포함한다. 각각의 구동 핑거는 고정된 콤(fixed comb)에 제공된 전압의 함수(function)로서 고정된 콤에 대해 변위되는 이동식 콤(movable comb)과 함께 고정된다.
SOI 플레이트를 사용하는 실시예는 상기 언급된 공보에서 도 7A 내지 도 7D에 관해 기술된다.
바람직한 한 실시예에 따르면, 각각의 액츄에이터(38, 40)는 수동형 폴(passive pawl, 49, 51)과 연결되며, 상기 수동형 폴의 래칫 영역(ratcheting zone)은 연결된 폴의 래칫 영역과 맞물림 영역(meshing zone, 70) 사이에 위치된다. 특히 구동 상태에서 그 외의 다른 폴(48, 50)이 변위될 때, 상기 수동형 폴(49, 51)은 정확한 각도로 위치되기 위하여 로터(42)와 탄성적으로 맞물림되어 유지된다.
도 3 내지 도 7에 도시된 실시예에 따르면, 로터(42)는 4 마이크론(micron) 내지 10 마이크론의 직경 간극을 가지며, 폴(48, 50)과 동시에 일체구성되거나 또는 삽입되고 제조된 중앙 평베어링(central plain bearing, 60)에 의해 안내되고(guided), 대략적인 하부 경계(lower limit)는 80 마이크론의 실리콘 층의 두께에 상응한다. 상기 간극보다 현저하게 큰, 즉 통상 20 내지 100 마이크론의 접선방향 코스(tangential course) 상에 작용한다면 상기 폴(48, 50)은 원활히 기능할 것이다. 이는 스타일러스(44, 46)가 편향 스프링(deflecting spring)(도시되지 않음)에 의해 안내되는 가능한 코스의 범위에 해당된다.
로터(42)의 토크(torque)는 크랭크(crank)와 유사한 시스템에 의해 피니언(pinion, 62)에 전달된다. 로터(42) 바로 위에 배치된 상기 피니언(62)은 로터와 동축으로 형성되며, 중앙 샤프트(central shaft, 64)에 의해 안내된다. 상기 피니언(62)은 로터(42)의 슬롯(slot, 68) 내에 결합된 핀(pin, 66)으로 제공된다. 작동 간극(operating clearance, cl_pin, cl_rot, cl_pi)는 도 7의 도면에 도시된 바와 같이 피니언(62)과 로터(42)의 다양한 요소들 사이에 제공된다. 따라서 로터(42)와 피니언(62)은 각도상으로는 커플결합되지만 횡방향으로는 독립적이며, xy 평면에서의 간극은 로터(42)를 위한 베어링(60) 및 피니언(62)을 위한 샤프트(64)에 의해 점유된다(taken up). 따라서 하중(load)으로 인한 횡방향 반작용력(reaction force)은 로터(42)의 레벨(level)에서 베어링(60)에 의해 흡수(taken up)되지 않고 샤프트(64)에 의해 피니언(62)의 안내로 흡수된다. 이에 따라 마이크로모터(36)의 미세가공된 요소들은 예컨대 충돌 시에 시계 요소들에 의해 가해진 상대적으로 큰 힘들로부터 보호된다.
피니언(62)은 플레이트(30)의 외측 주변 에지(72)에 근접하게 배치된 맞물림 영역(70) 내에서 기어-트레인(22)의 입력 휠(28)과 맞물리도록 제공된다.
바람직한 한 실시예에 따르면, 로터(42)는 맞물림 영역(70)에 상응하는 외측 주변 에지(72)와 상기 로터(42)의 톱니(52) 사이의 거리(D)를 최소화시키기 위하여 플레이트(30) 상에 제공된다. 게다가, 피니언(62)의 외측 직경은 상기 맞물림 영역(70)에서 플레이트(30)에 대해 돌출되도록 로터(42)의 직경보다 약간 더 크다.
도 7의 도면을 간단하게 하기 위하여, 단지 4개의 슬롯(68)을 포함하는 로터(42)와 오직 4개의 핀(66)을 가진 피니언(62)이 도시된다. 특히 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에 따르면, 8개의 슬롯(68)과 8개의 핀(66)이 제공된다.
바람직한 한 실시예에 따르면, 로터(42)를 포함한 각각의 폴(48, 50)의 래칫 영역의 각위치(angular position)는 맞물림 영역(70)에 대해 각도를 형성하도록 오프셋 배열(offset)된다. 각각의 폴(48, 50)의 래칫 영역은 축(x'x)에 대해 각도(β)를 형성한다. 주어진 상태에서, 각도(α)는 결합 시에 슬롯(68)의 에지에 대해 접하는 핀(66)을 통과하는 반경과 상기 축(x'x) 사이에 형성된 각도를 나타낸다(도 7 참조).
그 뒤, 피니언(62), 로터(42)의 주어진 반경 및 핀(66)의 서클(circle)을 위한 모든 파라미터{α, β, j_rot, j_pi, j_group}을 적절하게 선택함으로써 기계적 에너지를 로터(42)로부터 피니언(62)로 전달하는 데 있어서 효율성이 개선될 것이다. 따라서 β=45°인 본 발명의 특정 경우를 위해, 간극들이 적절하게 조정된다면, 4개의 핀을 가진 시스템을 위한 효율성은 85%에 근접하게 될 것이며, 이로 인해 로터(42)와 피니언(62)이 서로 접착(glued)된 경우에 비해 효율성이 개선된다. 사실, 후자의 경우에서, 모든 하중들은 베어링(60)의 레벨에서 횡방향 실리콘-실리콘 마찰력 형태로 제공될 것이며, 기판(32)과 로터(42)의 원주 사이에서는 피벗팅 토크(pivoting torque)로 인해 수직 마찰력 형태로 제공될 것이다. 하지만 상기 실리콘-실리콘 마찰력은 건정적계수(dry static coefficient)가 0.4에 접근할 때는 다소 바람직하지 못하다.
상기 전달 방법으로 인해 하중에 따라서 토크와 속도를 적절하게 형성하기 위하여 피니언(62)의 직경은 가변될 수 있다. 더구나 피니언(62)이 충분히 크고 플레이트(30)의 주변 에지(72)를 초과하여 돌출된다면, 컷(cut)에 의한 맞물림은 단순화되며, 구동 모듈(13)은 모듈 방식으로 즉 구동된 휠(28)을 해체/재조립하지 않고 시계(10)의 플레이트(26) 상에서 조립될 수 있다.
여러 변형예(variant)에 따르면,
-로터(42)는 베어링(60)과 폴들에 매칭(matching)을 보장하기 위하여 액츄에이터(38, 40)와 같이 동일한 기판(32) 상에서 및 제자리에 미세가공되며,
-그 외의 또 다른 변형예는 동일한 웨이퍼(wafer) 또는 또 다른 웨이퍼 상에서 개별적으로 로터(42)를 제조하는 단계를 포함하고, 그 뒤, 상기 로터(42)는 플레이트(30) 또는 스테이터(stator) 상에 조립된다. 이로 인해 로터가 베어링(60)에 의해 안내되는 경우 반경방향 간극(radial clearance)이 감소될 수 있으며,
-변형예의 군(family)은 DRIE 기계가공(레이저 절삭(laser cutting), EDM, LIGA, 미세주입법(microinjection) 등) 이외의 방법으로 미세가공되는 피니언(62) 및/또는 로터(42)에 의해 형성되고, 그 뒤, 상기 스테이터에 대해 플레이트(30) 상에 조립되며,
-변형예의 그 외의 또 다른 군은 피니언(62) 및/또는 로터(42)에서 제 2 포토리소그라피 레벨(second photolithographic level)에 의해 형성된 핀(66)에 의해 구성된다.
본 발명에 따른 구동 모듈(13)은 상기 모듈(13)의 잔여부(rest)를 개조(modify)하지 않고 다양한 직경을 가진 피니언(62)을 사용하도록 허용함으로써 하중에 대해 적합성(adaptation)을 위해 증가된 모듈성(increased modularity)을 허용한다. 따라서 이미 구동 모듈(13) 내로 일체구성되고 회전 시에 마이크로모터(36)에 연결된 피니언(62)이 존재하기 때문에 시계의 기어-트레인(22)에 연결하기 위한 기계적 인터페이스(mechanical interface)가 이미 존재함으로써, 조립체를 위한 증가된 모듈성이 구현된다.
피니언(62)은 황동(brass)과 같은 금속으로 제조될 수 있으며, 이에 연결된 핀도 또한 금속으로 제조될 수 있다. 상기 피니언(62)은 또한 몰딩가공에 의해 핀(66)과 단일 부분으로 플라스틱 재료로 제조될 수 있다. 플라스틱 재료 상에 몰딩가공된 금속 핀(66)을 포함한 플라스틱 재료로 제조된 피니언(62)도 또한 가능하다.
구체적으로 도 4 및 도 5에 나타난 실시예에 따르면, 피니언(62)의 회전축은 프로파일이 가공된 금속(profile-turned metal)로 제조된 스텝가공된 샤프트(stepped shaft, 64)에 의해 형성되며, 상기 프로파일이 가공된 금속은 기판(32) 내에 형성된 제 1 홀(first hole, 74)을 통해 플레이트(30) 내로 삽입되며 케이싱(12)의 플레이트(106) 내에 형성된 제 2 홀(76) 내로 구동된다. 상기 실시예에서, 샤프트(64) 상에 제공된 반경방향 힘은 플레이트(106)에 의해 흡수된다.
샤프트(64)는 하측 단부 섹션(78)을 포함하며, 상기 하측 단부 섹션(78)과 하측 중간 섹션(80)은 플레이트(30)의 하측 면에 대해 축방향으로 접하고 상부를 향하여 배향된 제 1 숄더 표면(shoulder surface, 82)과 경계를 형성한다. 상기 하측 중간 섹션(80)은 제 1 홀(74)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지며 상기 홀(74)로 연장된다. 상기 샤프트는 인접한 하측 중간 섹션(80)보다 약간 작은 직경을 가진 상측 중간 섹션(84)을 포함하며, 회전 시에 안내하기 위하여 피니언(62)의 보어(86)로 연장된다. 상측 단부 섹션(88)과 함께 상측 중간 섹션(84)은 고정 링(fixing ring, 92)이 축방향으로 접하는 제 2 숄더 표면(90)과 경계를 형성하며, 상기 고정 링은 상측 단부 섹션(88) 상으로 구동된다.
베어링(60)에 대해 샤프트(64)의 중심형성을 결정하는 제 1 홀(74)과 동일한 방식으로 포토리소그리피 에칭 공정에 의해 형성되는 베어링(60)에 의해 로터(42)의 회전 안내(rotational guidance)가 형성됨에 따라, 상기 로터(42), 베어링(60), 피니언(62) 및 샤프트(64)의 중심형성(centring)이 매우 훌륭하게 구현된다.
게다가, 베어링(60)에 마주보는 피니언(62)의 하측 면은 벌지(bulge, 94)를 포함하며, 상기 벌지(94)는, 특히 피벗팅 시에, 피니언(62)이 로터(42)에 대해 축방향으로 접하는 것을 방지하고 로터(42)의 고장(impairment)을 방지한다.
도 8 및 도 9는 그 외의 또 다른 바람직한 실시예를 도시하며, 상기 실시예에서 샤프트(64)는 제 1 홀(74) 주위의 기판(32)에 제공된 탄성 고정 구조물(elastic fixing structure, 96)에 의해 하중-끼워맞춤(force-fit) 방식으로 플레이트(30)에 장착된다. 상기 실시예에서, 상기 샤프트(64) 상에 제공된 반경방향 힘들은 기판(32)과 이에 따라 탄성 고정 구조물(96)에 의해 흡수된다.
여기서 탄성 고정 구조물(96)은 플레이트(30)의 후방 면에 리소그라피에 의해 형성된 가요성 블레이드(flexible blade, 98)에 의해 형성된다. 폴(48, 50)과 로터(42)를 포함하는 상부층(34)을 위해 전방 면의 리소그라피는 후방 면의 리소그라피에 대해 매우 정확하게 일렬로 정렬되고 중심이 형성되기 때문에(1 마이크론 미만의 오차) 그 결과로서 반경방향 간극이 1 마이크론으로 감소될 수 있기 때문에 플레이트(30)와 단일 부분으로 제조된 액슬(axle)보다 더 정확하게 안내되고 중심이 형성된다.
상기 정확한 배열과 중심형성으로 인해, 베어링(60) 없이도 로터(42)가 회전 시에 샤프트(64)에 의해 직접 안내될 수 있다. 따라서 상기 샤프트(64)는 회전 시에 로터(42)와 피니언(62)을 안내할 수 있다. 샤프트(64)가 매우 제한된 제조 오차를 획득할 수 있는 프로파일 가공 공정(profile-turing)으로 제조되기 때문에 매우 정확한 조립체가 구현되며 특히 액츄에이터(38, 40)의 안정적인 작동이 보장된다. 그 뒤 로터(42)는 샤프트(64)의 외부 축방향 벽(external axial wall)에 의해 안내 된다.
최종적으로, 샤프트(64)는 상보적인 고정 수단(complementary fixing means)에 의해, 특히 도 8에 도시된 용접용 심(welding seam, 99)에 의해 기판(32)에 용접하거나 또는 심지어 부착시킴으로써 플레이트(30)에 고정될 수 있다.
샤프트(64)에 대한 마찰의 문제점들은 부분들 사이의 마찰을 감소시킬 수 있도록 샤프트(64)의 외부 축방향 벽 상에 고체 박층(solid thin layer)을 침전(deposition)시킴으로써 해결될 수 있다.
탄성 고정 구조물(96)은 특히 공보 CH 695 395호에 기술되고 도시된 실례들로부터 또는 플레이트(30) 상에서 샤프트(64)의 정확한 중심형성과 클램핑고정(clamping)을 보장할 수 있는 그 외의 다른 구조물, 예컨대 자유 단부를 가진 가요성 텅(flexible tongue)에 의해 형성된 구조물들로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 특히 도 3에서, 액츄에이터(38, 40)는 서로 대략 90°의 각도를 형성하여 도시되고, 구동 모듈(13)은 플레이트(30)의 외측 윤곽에 의해 형성된 일반적인 "V"자 형태를 가지도록 상기 각도의 이등분선(bisector)은 로터(42)의 회전축(z'z)과 맞물림 영역(70)을 통과하여, 상기 윤곽은 최적화된다.
플레이트(30)는 로터(42)와 2개의 횡방향 부분(102, 104)을 수용하는 중앙 부분(100)을 포함한다. 상기 플레이트(30)의 외측 윤곽은 전체적으로 2개의 직사각형들의 인터섹션(intersection)에 상응하며, 상기 2개의 직사각형은 서로 직교하며 2개의 횡방향 부분(102, 104)을 형성하고, 이와 함께 가로방향 직사각형(transverse rectangle)은 중앙 부분(100)을 형성하며, 상기 가로방향 직사각형 은 그 외의 다른 2개의 직사각형들의 각각에 대해 45°의 각도를 형성하여 도시된다. 각각의 횡방향 부분(102, 104)의 표면의 주요 부분(major part)은 액츄에이터(38, 40)에 의해 점유되는 반면 중앙 부분(100)의 표면의 주요 부분은 로터(42)에 의해 점유된다. 맞물림 영역(70)은 상기 중앙 부분(100)의 주변 에지(72)들 중 한 에지에 근접하게 제공된다.
바람직하게, 영역(56, 57, 58, 59)은 로터(42)의 축(z'z)에 대해 맞물림 영역(70)으로부터 마주보는 측부 상에서 중앙 부분(100) 상에 배열된다.
구동 모듈(13)의 "V"자 형태로 인해, 사용된 플레이트(30)의 표면에 대해 마이크로모터(36)의 효율성을 최적화할 수 있으며 마이크로모터(36)와 구동 모듈(13)을 제조하기 위하여 사용된 결정질 또는 비결정질 재료의 표면을 최적화할 수 있는 장점을 가진다. 따라서, 도 10에 도식적으로 도시된 바와 같이, 플레이트(30)가 실리콘 웨이퍼(101)로부터 제조될 때, "V"자 형태로 인해 주어진 실리콘 표면으로부터 획득된 마이크로모터(36)의 개수를 최대화시키기 위하여 웨이퍼의 표면 상의 플레이트(30)의 삽입된 복제(interleaved replication)가 가능하다. 특히, 도 10에 나타난 실시예에 따르면, 플레이트(30)는 셰브론 방식으로(in the manner of chevron) 평행한 칼럼(column)에서 웨이퍼 상에 배열될 수 있으며, 상기 칼럼들 중 서로 인접하게 배치된 2개의 칼럼(Cn, Cn+1)은 마주보는 방향으로 배향된다. 게다가 2개의 인접하게 배치된 칼럼(Cn, Cn+1)의 2개의 인접한 플레이트(30)는 일렬로 정렬된 인접한 횡방향 부분(102)을 가진다.
바람직하게, 2개의 액츄에이터(38. 40)에 의한 각도는 90°와 140°사이에서 형성된다. 상기 각도가 크면 클수록 웨이퍼(100) 상의 플레이트(30)의 삽입(interleaving)은 더욱 최적화되지만, 큰 각도는 액츄에이터(38, 40)의 기계적 효율을 저해하는 각각의 대칭축(A1, A2)에 대해 상기 액츄에이터(38, 40)의 스타일러스(44, 46)를 변위시키도록 요구된다.
도면들에 도시된 실시예에 따르면, 구동 모듈(13)을 포함하는 케이싱(12)은 시계(10)의 요소 상에, 여기서는 무브먼트의 플레이트(12) 상에 고정되어야 하도록 제공된 하부 플레이트(106)를 포함하며, 상기 구동 모듈(13)의 플레이트(30)는 상기 하부 플레이트(106) 상에 장착된다. 상기 케이싱(12)은 보호용 캡(protective cap, 108)을 포함하며, 상기 보호용 캡(108)은 여기서 나사(screw, 109)에 의해 하부 플레이트(106) 상에 고정되는 구동 모듈(13)을 커버(cover)하고 상기 하부 플레이트(106)에 대해 구동 모듈(13)을 보유한다.
여기서 하부 플레이트(106)의 상측 면은 구동 모듈(13)의 플레이트(30)가 실질적으로 상보적으로 수용되는 중공부(hollow) 또는 하우징(housing, 110)을 포함한다.
상기 캡(108)은 외측 주변 에지들 중 한 에지에 개방된 노치(open notch, 112)를 포함하며, 하부 플레이트(106) 상에 상기 캡(108)이 조립된 후에 피니언(62)은 상기 노치(112) 내에 수용된다.
바람직하게는, 인쇄 회로(printed circuit, 114)는 마이크로모터(36)의 패드(56, 57, 58, 59)에 의해 상기 마이크로모터(36)를 시계(10)의 전자 모듈에 전기적으로 연결할 수 있도록 하부 플레이트(106)와 캡(108) 사이에 개재된다(intercalated).
한 변형예(도시되지 않음)에 따르면, 무브먼트(27)의 조립을 용이하게 하며 구동 수단(driving means)에 필요한 공간을 최소화하기 위하여 특히 부품들의 개수를 최소화하기 위하여, 구동 모듈(13)은 케이싱(12) 없이 플레이트(26) 상에 직접 장착될 수 있다. 보호용 요소는 구동 모듈의 부품들을 보호하기 위하여 구동 모듈(13) 상에 제공될 수 있다.
본 발명의 그 외의 다른 특징들과 장점들은 제한되지 않는 실례로서 제공된 첨부된 도면들에 관하여 하기 상세한 설명을 읽음으로써 더욱 자명하게 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 시계를 도식적으로 도시한 부분도.
도 2는 MEMS 마이크로모터를 포함하는 구동 모듈로 구비된 도 1에 따른 시계의 무브먼트를 부분적으로 도시한 투시도.
도 3은 도 2의 구동 모듈을 도식적으로 도시한 상부도.
도 4는 도 2의 구동 모듈과 상기 구동 모듈을 둘러싸는 케이싱을 도시한 분해 조립 투시도.
도 5는 평면(5-5)에 따라 축방향 섹션에 따라 축방향 섹션을 확대하여 도시한 도면이며, 상기 도면에서 구동 모듈의 일부분이 도식적으로 도시되고 샤프트에 대해 마이크로모터의 로터와 피니언의 회전식 조립체(rotational assembly)가 도시된다.
도 6은 평면(X'X)에 따라 축방향 섹션을 도식적으로 도시한 도면이며, 상기 도면에서 핀을 사용하여 모터에 의해 피니언의 구동부(driving)가 도시된다.
도 7은 핀을 사용하여 로터에 의해 피니언의 구동부를 도식적으로 도시한 상부도.
도 8은 평면(X'X)에 따라 축방향 섹션을 도시한 도면이며, 상기 도면에서 로터에 대해 샤프트 조립체의 변형예가 도시된다.
도 9는 탄성 고정 구조물을 도식적으로 도시한 하부도이며, 상기 탄성 고정 구조물은 도 8의 조립체에 따른 샤프트을 클램프고정하고 중심형성을 위하여 플레이트에 제공된다.
도 10은 실리콘 웨이퍼를 도식적으로 도시하고 상기 웨이퍼 상에 복수의 마이크로모터의 배열(arrangement)의 실례를 도시한 상부도.

Claims (9)

  1. 기판(32)을 형성하는 하부층 및 하나 이상의 액츄에이터(38, 40)와 로터(42)가 에칭된 상부층(34)을 포함하고, 상기 액츄에이터(38, 40)는 회전 시에 원통형 샤프트(64)에 대해 상기 로터(42)를 구동하며, 실리콘계의, 결정질 또는 비결정질 재료로 제조된 플레이트(30)에 형성된 MEMS 마이크로모터(36)에 있어서,
    -상기 샤프트(64)는 상기 플레이트(30)에 연결되고
    -상기 샤프트(64)는 스텝가공되며 상기 플레이트(30)의 홀(74)을 통해 축방향으로 연장되고,
    -상기 샤프트(64)는 탄성 고정 구조물(96)에 의해 상기 홀(74)에 클램프고정되며 상기 홀(74) 내에 중심이 형성되고, 상기 탄성 고정 구조물(96)은 상기 기판(32) 내에 에칭됨으로써 형성되며 상기 홀(74)의 원주 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 MEMS 마이크로모터(36).
  2. 제 1 항에 있어서, 로터(42)는 샤프트(64)의 외부 축방향 벽에 의해 회전 시에 안내되는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  3. 제 1 항에 있어서, 샤프트(64)의 외부 축방향 벽은 실리콘을 사용하여 마찰을 감소시키도록 코팅처리되어 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  4. 제 1 항에 있어서, 샤프트(64)는 프로파일이 가공된 금속성 액슬(axle)인 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  5. 제 1 항에 있어서, 플레이트(30)는 SOI(절연체 상의 실리콘) 타입으로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  6. 제 1 항에 있어서, 로터(42)는 래칫 톱니로 제공되며 액츄에이터(38, 40)는 상기 래칫과 협동하는 폴(48, 50)에 의해 상기 로터(42)를 구동하는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  7. 제 1 항에 있어서, 마이크로모터(36)는 로터(42)와 동축으로 형성되며 회전 시에 상기 로터(42)의 두께에 제공되는 슬롯(68) 내에 수용된 핀(66)에 의해 상기 로터(42)에 연결되고, 피니언(62)은 샤프트(64)에 의해 회전 시에 안내되는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  8. 제 1 항에 있어서, 탄성 고정 구조물(96)에 추가하여, 상보적인 고정 수단은 접착 또는 용접으로 플레이트(30)의 샤프트(64)를 고정하기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로모터(36).
  9. 제 1 항에 따른 마이크로모터(36)에 의해 회전 시에 구동되는 기어-트레 인(22)을 포함하는 시계(10).
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