KR20070004894A - 인라인 전자기 액추에이터 - Google Patents

Abstract

예를 들어 튜브 등 유체 채널의 벽면에 주기적인 핀칭(pinching)과 이완(releasing)을 유발시키는 형태의 마이크로 펌프용 전자기 액추에이터가 개시된다. 적어도 하나의 영구 자석이 유체 채널의 벽면에 위치하고, 채널에 방사상 대칭인 코일에 의해 발생하는 자기장의 영역 내에 배치된다. 영구 자석은 채널을 통한 유체의 유동을 유발하도록 유체 채널의 벽면을 누르고 이완시키는 작용을 한다.

Description

인라인 전자기 액추에이터{IN-LINE ACTUATOR FOR ELECTROMAGNETIC OPERATION}

본 출원서는 2004년 3월 25일 제출된 임시 출원 제60/574,432호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용은 인용하는 것으로 본 명세서에 포함된다.

미국 특허 제6,254,355호와 제6,679,687호는, 채널을 따라 유체가 흐르도록 하기 위해 유동 채널 단면의 내부 영역의 압축을 이용하는 마이크로 펌프(microfluidic pump)를 교시하고 있다. 이 펌프는 초소형화될 수 있으며, 미세 가공 기술(micro machining technique)을 사용하여 제작할 수 있다. 기본적으로, 상기 채널을 따라 유체 유동을 유발하도록 채널의 소정 영역을 특정 방식으로 압축한다.

전술한 특허는 채널을 압축하는 다양한 방법을 교시하고 있다.

본 출원서는, 채널의 일부가 압축되는 것을 필요로 하는 형태의 마이크로 펌프 액추에이터를 형성하기 위해 인라인 코일(in-line coil)을 사용하는 전자기 액추에이터를 설명한다. 본 명세서에 개시된 기술에 따르면, 자기장이 채널의 축선을 따라 배향(配向)되어 펌프를 작동시키기 위한 압축을 수행하기 위해 사용될 수도 있다.

이들 양태(樣態)와 다른 양태들은 첨부한 도면을 참고하여 기술될 것이고,

도 1은 펌핑 시스템을 작동시키는, 튜브를 기반으로 한 펌프와 자기 코일 및 액추에이터를 도시하며,

도 2 및 도 3은 펌프 내에서의 힘 특성 곡선을 도시하고,

도 4는 튜브의 탄성 벽에 매설되어 있는 액추에이터를 도시하며,

도 5는 매설되어(encased) 튜브의 주위를 완전히 둘러싸는 펌핑 액추에이터를 도시하고,

도 6은 튜브의 대향측에 있는 액추에이터를 도시하며,

도 7은 액추에이터와 코일 모두가 상기 튜브 벽면 속에 매설되어 있는 실시예를 도시한 것이다.

본 명세서에 개시된 실시예들은 마이크로 펌프의 자기 조작(magnetic actuation)을 이용한다. 이들 기술은 채널 벽면을 압축하도록 액추에이터를 구동하는 이동성 자기장 구배를 형성한다. 실시예에서, 상기 채널은 가요성 튜브로 이루어진다. 영구 자석과 같은 강자성 재료가 튜브의 벽면에 결합된다. 소형화와 대칭성을 용이하게 구현하도록 작동 구조(actuation arragement)를 원통형 대칭으로 만들 수 있다.

한 가지 양태에 따르면, 구배가 있는 자기장에서 자기 모멘트의 상호작용을 이용한다. 이 상호작용력은 텐서 관계식(tensor relation)으로 설명된다.

식에서 벡터

은 자기적 모멘트를 나타내고 벡터

는 자기적 모멘트의 위치에서의 자기장을 나타낸다.

식 1은 다음과 같이 3개의 직교하는 방향의 힘으로 전개될 수 있다.

이 식은 실시예에서 자석 상에서의 관련 힘들을 나타내고 있다.

도 1은 실시예를 도시하고 있다. 튜브(100)는 펌핑 힘을 받게 될 요소를 형성한다. 상이한 유체 특성을 갖는 또 다른 튜브(140)가 제1 튜브(100)에 부착된다. 그러나, 보다 일반적으로는, 이들 튜브(100, 140)가 임의의 유체 채널일 수도 있다.

제1 및 제2 코일 세트(102, 104)를 상기 튜브(100)의 둘레에 감는다. 상기 코일(102, 104)은 코일들의 전기적 조작이 가능하도록 전기적으로 연결된다.

상기 코일들은, 도 1에 튜브(100)를 따라 도시된 바와 같이, x축 축선을 따라서 방위각으로 대칭적으로 감을 수도 있다. 또한, 어떤 양태에서는, 이들 코일 의 자기장이 서로 동일한 위상으로 에너지를 받도록, 이들 코일을 서로 전기적으로 연결할 수도 있다. 코일들은 축대칭의 자기장을 만드는데, 이 자기장은 도 1에 도시된 자력선(110)을 근사적으로 따른다. 자기적 피영향부(120)는 코일의 대칭축에 평행이 되도록 자기장에 위치한다. 실시예에서, 피영향부는 도 1의 x축에 그 자기장(122)이 위치하는 영구 자석일 수 있다. 영구 자석 요소(120)는, 예를 들어, 거의 원통 단면의 형상일 수도 있지만 또한 다른 형상일 수도 있다. 실시예에서, 영구 자석은 방사상으로 대칭이다.

반경방향, 원주방향 그리고 z축 방향을 따라 반경만큼 감은 단일 코일에 의한 장(場)에 대해 원통형 좌표계를 사용한 이론적 수식들은 공지되어 있다.

식 중 K와 E는 각각 완전한 제1종 및 제2종 타원 적분(elliptic integral)으로서 다음과 같다.

이 수식들은 도 1의 코일 구성에 대해 자기장 및 자기장 구배의 정확한 값을 수치적으로 평가하기 위해 이용된다.

실시예에서, 자석(120)은 유체 채널의 외측면과 접촉하고 있다. 자기적 모멘트는 X축을 따라 배향하여, 자석 상의 z방향의 힘은 다음과 같다.

도 2는 z축을 따라 2개의 코일들(102, 104) 사이에 중심이 자리하는 자기장의 x 성분의 값에 대한 그래프이다. 등식 11로부터의 힘 곡선은 z축을 따라 도 3의 그래프와 같이 도시된다. 힘 곡선은 근사적으로 "1"에서 분명한 최소값을 갖는 것을 주목하라.

코일을 통해 교류 전류가 지나가면 z-축 방향을 따라 자석(120)에 교번 힘(alternating force)이 발생한다. 펌핑 작동을 최대화하고 변조시키기 위해, 이 교류 전류는 시스템의 고조파(harmonic)에 동조될 수도 있다. 자석(120)은 임의의 바람직한 방법, 예를 들어 접착 등의 몇 가지 다른 결합방법으로 외측면에 부착될 수 있다.

도 4는 영구 자석 요소(400)가 유체 채널의 벽면 속에 매설된 실시예를 도시 하고 있다. 유체 채널(402)은 벽(404)과 함께 도시되어 있다. 상기 벽(404)은 영역(406) 내에서 포켓 세그먼트(pocket section)를 포함한다. 영구 자석 요소(400)는 그 포켓 세그먼트에 매설된다. 영구 자석 요소는 완전한 방사상 링 형태를 취하거나 그 링의 임의의 세그먼트에 의해 형성되는 임의의 형태를 취할 수도 있다. 이 부분은 링을 짝수 개 혹은 홀수 개의 세그먼트로 바꿀 수 있으며 각 세그먼트는 임의의 형상을 취할 수도 있다.

도 4는 단일 자석 요소(400)를 도시하고 있다.

도 5는 튜브의 내벽(502)과 외벽(506) 사이에 형성된 완전한 링 형태의 강자성 재료(500)를 구비한 실시예를 도시하고 있다. 이것은 튜브 벽에 매설된 임의의 개수의 개별적인 자석 조각일 수도 있다. 도 5의 실시예에서, 자석 요소는 원통형으로 대칭이다.

도 6에 도시된 또 다른 실시예는 제1 자석 요소(600)와, 튜브의 대향측에 있는 추가적인 자석 요소(602)를 구비한다.

상기 자석 요소는 퍼멀로이, NdFeB, AlNiCo 및 SmCo를 포함하는 임의의 강자성 재료로 형성될 수도 있으나, 이들로 한정하는 것은 아니다.

도 7에 도시된 또 다른 실시예에서는, 탄성 튜브 벽 속에 유도 코일(inductive coil)(700, 702)이 매설되어 있다. 전선(704)은 코일들(700, 702) 사이에서 연장될 수도 있다. 단일 자석(710)이 도시되어 있다. 그러나, 단일 자석은 본 명세서에 도시되고 기술된 임의의 다른 형상을 사용할 수도 있다. 이것은 모든 부품이 튜브 속에 매립된 보다 조밀한 구조를 형성할 수도 있다.

실시예에서, 펌프는 약 2.8 mm²의 단면적을 갖는 튜브의 탄성 영역으로 이루어질 수도 있다. 이것은 약 0.5 mm²의 면적을 갖는 단단한 유리 부분과 연결된다. 펌프의 탄성 영역은 대략 220 kPa의 영률(Young's Modulus)을 갖는 실리콘 고무로 구성된다. 계면에서 더 큰 강성의 재료와 관련된 비대칭 핀칭(asymmetric pinching)에 의해 제공되는 임피던스 부정합에 의해 파동 반사가 일어난다.

상기 코일은 48 ma의 진폭과 -24 ma의 오프셋(offset)을 갖는 50 Hz의 구형파를 입력 파형으로 받는다. 상기 코일은 도 1에 도면부호 130으로 도시된 가변 전원에 의해 에너지를 받을 수도 있다. 필요한 유동 속도와 유동 방향의 주파수는 사용된 재료의 물성, 벽 두께 및 세그먼트의 길이에 종속된다. 이들 물성들은 수학적으로 계산되거나 또는 대안으로, 전력 공급 및 주파수 발생을 가변적으로 하여 최적의 물성을 실험적으로 결정할 수도 있다.

전술한 상세한 설명에서 비록 몇 가지 실시예만이 개시되었지만, 다른 수정도 가능하며, 이 설명은 그러한 모든 수정, 보다 구체적으로는, 당업자가 예측가능한 어떠한 수정도 포괄하도록 의도되어 있다. 예를 들어, 위에서는 유체 채널이 튜브인 것으로 기술되어 있지만, 몇몇 방법으로 변형이 가능한 한, 임의의 형태의 어떠한 유체 채널도 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 실시예에서는 유탄성형 펌프(hydroelastic type pump)용 벽을 압축하기 위하여 전술한 시스템을 이용하는 것을 설명하였지만, 이 시스템은 유체 채널이 압축을 필요로 하는 모든 용례에 이용될 수 있다. 예를 들어, 이것은 밸브용 채널을 완전하게 핀치(pinch) 하는 데 사용되거나, 예를 들어 가변 유동 제한 장치와 같이 유동을 제한하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이것은, 예를 들어 연동 펌프(peristaltic pump) 내의 소정 부분을 압축하는 데 사용될 수도 있다.

더불어, "하기 위한 수단"이라는 용어를 사용하는 청구범위만이 제35 USC 112조의 제6항의 규정 하에 해석되도록 의도되어 있다. 또한, 어떠한 한정도, 그것이 청구범위에 명시적으로 포함되지 않는다면, 청구항을 한정하려는 의도로 읽혀서는 안 된다는 것을 의미한다.

Claims (24)

1. 유체 채널을 형성하는 벽;

   유체 채널에 대하여 원통형 대칭인 적어도 하나의 코일; 및

   상기 벽과 접촉하여 위치하며, 상기 유체 채널 영역에서 자기장에 의해 움직이도록 상기 코일의 자기장 내의 영역에 위치하는 피영향부

   를 포함하는 전자기 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일은 피영향부의 제1 측부에 제1 코일부와, 피영향부의 제2 측부에 제2 코일부를 포함하며, 상기 제1 코일부와 제2 코일부는 모두 유체 채널에 대하여 원통형 대칭인 것인 전자기 액추에이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 코일부와 제2 코일부 사이에 전기 접속부를 더 포함하는 것인 전자기 액추에이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코일을 구동하는 전원에 대한 접속부를 더 포함하는 것인 전자기 액추에이터.
5. 제4항에 있어서, 상기 전원은 상기 적어도 하나의 코일을 교류 전류로 구동하고, 상기 교류 전류의 적어도 하나의 파라미터를 조절하는 장치를 더 포함하는 전자기 액추에이터.
6. 제5항에 있어서, 상기 교류 전류의 적어도 하나의 파라미터는 상기 교류 전류의 주파수인 것인 전자기 액추에이터.
7. 제1항에 있어서, 상기 피영향부는 상기 벽 속에 매설되어 위치하는 영구 자석인 것인 전자기 액추에이터.
8. 제1항에 있어서, 상기 코일의 적어도 일부가 상기 벽 속에 매설되어 위치하는 것인 전자기 액추에이터.
9. 제1항에 있어서, 상기 코일의 적어도 일부가 상기 벽 속에 매설되어 위치하는 것인 전자기 액추에이터.
10. 제1항에 있어서, 상기 유체 채널은 제1 유체 특성을 갖는 채널이며, 상기 전자기 액추에이터는 제2 유체 특성을 갖고 상기 제1 유체 채널과 연결되어 펌핑 기구를 형성하는 제2 채널을 더 포함하는 것인 전자기 액추에이터.
11. 제1항에 있어서, 상기 피영향부는 유체 채널에 대하여 원통형 대칭인 영구 자석인 것인 전자기 액추에이터.
12. 유체 채널에 의해 형성되는 축선을 따라 연장되는 자력선을 갖는 자기장을 그 축선을 따라 형성하는 단계와,

    상기 유체 채널과 접촉해 있는 자기장의 피영향부가 움직이게 하도록 상기 자기장을 이용하는 단계

    를 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 자기장을 형성하는 단계는 상기 축선을 따라 연장되는 제1 코일부와 제2 코일부를 사용하는 것을 포함하며, 상기 피영향부는 상기 제1 코일부와 제2 코일부 사이에 있는 것인 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 자기장을 형성하는 단계는 유체 채널의 벽 속에 자기장 코일을 매설하는 것을 포함하는 것인 방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 자기장을 이용하는 단계는 유체 채널을 형성하는 벽 속에 적어도 하나의 영구 자석을 매설하는 것을 포함하는 것인 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 자기장을 이용하는 단계는 유체 채널을 형성하는 벽 속에 적어도 하나의 영구 자석을 매설하는 것을 포함하는 것인 방법.
17. 제13항에 있어서, 상기 자기장을 형성하는 단계는 유체 채널에 대하여 원통형 대칭인 코일부를 사용하는 것을 포함하는 것인 방법.
18. 제13항에 있어서, 상기 제1 코일부와 제2 코일부를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
19. 제13항에 있어서, 제1 코일부와 제2 코일부를 서로 동일한 위상으로 구동하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
20. 제12항에 있어서, 유체를 펌핑하도록 영구 자석의 움직임을 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
21. 제1 특성을 갖는 제1 유체 채널;

    제1 유체 채널과 연결되며 제1 특성과는 상이한 제2 특성을 갖는 제2 유체 채널; 및

    제1 유체 채널에 대하여 방사상 대칭인 코일부를 구비하고, 상기 코일부의 자기장 영역 내에서 형성된 자기적 피영향부를 구비하며, 상기 자기적 피영향부는 제1 유체 채널을 압축하도록 작동하여 제1 유체 채널 내의 유체가 제2 유체 채널에 대해 펌핑되도록 하는 것인 상기 제1 유체 채널 상의 액추에이터

    를 포함하는 펌핑 시스템.
22. 제21항에 있어서, 상기 코일부는 제1 유체 채널의 벽 속에 매설되는 것인 펌핑 시스템.
23. 제21항에 있어서, 상기 자기적 피영향부는 제1 유체 채널의 벽 속에 매설되는 것인 펌핑 시스템.
24. 제23항에 있어서, 상기 자기적 피영향부는 영구 자석인 것인 펌핑 시스템.

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