(57)【要約】本発明は、双安定磁気アクチュエータに関するものであって、２つの固定された磁気構造（３２１，３４１）（３２２，３４２）と、可動磁性部材（３６）と、を具備している。可動磁性部材（３６）は、どちらかの磁気構造の端部に向けて、移動することができる。本発明によるアクチュエータは、好ましくは、マイクロアクチュエータという形態とされ、マイクロリレーやマイクロバルブやマイクロポンプ等を製造するために使用することができる。
2004534494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双安定磁気アクチュエータであって、
−第１端部（３５１ ）および第２端部（３５１’，３５２’，３５’）を有した第１開放磁気回路（３４１ ）と、この第１開放磁気回路を囲んでいる第１導体コイル（３２１ ）と、を備えて構成された第１固定磁気構造と、
−第１端部（３５２ ）および第２端部（３５２’ ）を有した第２開放磁気回路（３４２ ）と、この第２開放磁気回路を囲んでいる第２導体コイル（３２２ ）と、を備えて構成された第２固定磁気構造であるとともに、前記第１および第２磁気回路の前記両第１端部（３５１，３５２）が互いに対向して配置されているような、第２固定磁気構造と、
−前記第１導体コイル（３２１ ）と前記第２導体コイル（３２２ ）とのいずれが励起されるかに応じて、第１安定動作位置と第２安定動作位置とのいずれかを取り得るものとされた可動磁性部材（３６）と、
を具備しているとともに、
−前記各磁気回路に関して、前記第１端部がなす面と前記第２端部がなす面とが、互いに垂直に配置され、なおかつ、前記第１および第２磁気回路の各第２端部がなす面どうしが、同一平面に沿って配置されているかまたは同一面を構成するものとされ、
このような場合において、
−前記可動磁性部材（３６）が、前記第１磁気回路の前記第１端部（３５１ ）の近傍に配置され、かつ、前記第２磁気回路の前記第１端部（３５２ ）の近傍に配置され、
−前記可動磁性部材（３６）が、前記第１磁気回路の前記第１端部（３５１ ）に向けてまたは前記第２磁気回路の前記第１端部（３５２ ）に向けて移動可能であるようにして、非磁性手段（３８，３９）に対して固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記第１磁気構造（３２１，３４１）と前記第２磁気構造（３２２，３４２）とが、平面に対して対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材が固定されている前記非磁性手段が、少なくとも１つのフレキシブルな非磁性梁（３８，３９）を有していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記第１および第２磁気回路が、前記対称平面に沿って配置されているとともに互いに共通のものとされた、磁性ブランチ（３０）を有していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記第１および第２磁気構造が、点に対して対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材（３６）が固定されている前記非磁性手段が、少なくとも２つのフレキシブルな対称梁（３８１，３９１）（３８２，３９２）を有していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記可動磁性部材（３６）が、軸（９８）回りに回転可能とされていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータにおいて、
前記導体コイル（３２１，３２２）および前記磁気回路（３４１，３４２，３０，３０１，３０２）が、複数の層内に成膜された材料から形成され、
前記アクチュエータが、マイクロアクチュエータとされていることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双安定磁気アクチュエータに関するものであり、特にマイクロアクチュエータに関するものである。本発明は、マイクロリレー（電気的、または、光学的）、マイクロバルブ、マイクロポンプ、等に応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第９７／３９４６８号明細書には、図１に示すような形態の磁気アクチュエータが開示されている。図１に示すように、このアクチュエータは、中央極部材（１２）とこの極部材を囲んでいる導体コイル（１４）と２つの対称極部材（１６）とを備えてなる磁気回路を、具備している。可動磁性部材（１８）が、中央極部材（１２）に対向して配置されている。
【０００３】
コイル（１４）に電流が流されると、磁力（Ｆ）が、可動磁性部材（１８）に対して作用し、この可動磁性部材を、固定導体部材（１９）上に対して当接させる。この当接によって、電気回路（図示せず）が閉塞される。
【０００４】
このタイプのアクチュエータは、可動部材に対して作用する力（Ｆ）が単一方向だけであるという意味において、単方向的である。したがって、このアクチュエータは、双安定ではなく、単安定である。すなわち、安定な動作位置が、可動部材（１８）が固定部材（１９）に接触するという、ただ１つの位置しかない。
【０００５】
しかしながら、双安定磁気アクチュエータは、公知である。 M.Sc.H.Ren 氏他による“A Bistable Microfabricated Magnetic Cantilever Microactuator with Permanent Magnet”と題する Reports of the 5ｔｈ International Conference on icrosystem Technologies 96, Potsdam 17-19 September 1996, pages 799-801という文献には、図２に示すようなアクチュエータが開示されている。このアクチュエータは、永久磁石（２０）と、この永久磁石から延出された２つの磁性ブランチ（２２，２４）と、これら磁性ブランチのそれぞれを囲んでいる導体コイル（２３，２５）と、を備えている。磁性材料から形成されたフレキシブル梁（２６）が、磁気回路を完成している。したがって、磁気回路は、フレキシブル梁（２６）によって形成されるとともにブランチ（２２，２４）のそれぞれの端部に位置した２つのエアギャップを備えている。これらエアギャップの各々内に存在する磁束は、永久磁石（２０）と、各コイル（２３，２５）内を流れる電流と、の相互作用の合計となる。
【０００６】
梁（２６）の端部に対して印加される力（Ｆ１，Ｆ２）は、導体コイル（２３，２５）のいずれに対して電流が流されるかに応じて、一方向または他方向のいずれかにもたらされる。したがって、このアクチュエータは、双方向的である。好ましくは、双安定である。
【０００７】
この双安定アクチュエータは、欠点を有している。可動部材（２６）が、磁気回路と一体的に形成されていることにより、可動部材の動きが、限定される。加えて、磁性部材の撓みに由来する可動部材の移動度が、小さい。
【特許文献１】
国際公開第９７／３９４６８号明細書
【非特許文献１】
M.Sc.H.Ren 氏他による“A Bistable Microfabricated MagneticCantilever Microactuator with Permanent Magnet”と題する Reports of the 5ｔｈInternational Conference on Microsystem Technologies 96, Potsdam 17-19 September1996, pages 799-801という文献
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、上記欠点を克服することである。
【０００９】
本発明は、可動部材の移動度合いが増大されているとともに、可動部材の動きやすさが改良されているような、双安定アクチュエータを提供する。この目的は、可動部材を、磁気回路の一部を形成していないようなフレキシブル手段に対して固定することによって、得られる。
【００１０】
より詳細には、本発明の主題は、双安定磁気アクチュエータであって、
−第１端部および第２端部を有した第１開放磁気回路と、この第１開放磁気回路を囲んでいる第１導体コイルと、を備えて構成された第１固定磁気構造と、
−第１端部および第２端部を有した第２開放磁気回路と、この第２開放磁気回路を囲んでいる第２導体コイルと、を備えて構成された第２固定磁気構造であるとともに、第１および第２磁気回路の両第１端部が互いに対向して配置されているような、第２固定磁気構造と、
−第１導体コイルと第２導体コイルとのいずれが励起されるかに応じて、第１安定動作位置と第２安定動作位置とのいずれかを取り得るものとされた可動磁性部材と、
を具備しているとともに、
−各磁気回路に関して、第１端部がなす面と第２端部がなす面とが、互いに垂直に配置され、なおかつ、第１および第２磁気回路の各第２端部がなす面どうしが、同一平面に沿って配置されているかまたは同一面を構成するものとされ、
このような場合において、
−可動磁性部材が、第１磁気回路の第１端部の近傍に配置され、かつ、第２磁気回路の第１端部の近傍に配置され、
−可動磁性部材が、第１磁気回路の第１端部に向けてまたは第２磁気回路の第１端部に向けて移動可能であるようにして、非磁性手段に対して固定されている、
ようなアクチュエータである。
【００１１】
導体コイルと磁気回路とは、マイクロエレクトロニクスにおける技術を使用して、形成することができる。その場合、本発明によるアクチュエータは、マイクロアクチュエータとされる。
【００１２】
導体コイルは、エッチング形成された複数のチャンバ内に配置された複数の導体テープからなる複数の層から構成することができる。磁気回路は、『ソフトな』磁性材料、あるいは、『ハードな』磁性材料、あるいは、ヒステリシス材料、からなる層を使用して形成することができる。ソフトな磁性材料は、印加された磁界に対して線形的に磁化する（鉄、ニッケル、鉄−ニッケル、鉄−コバルト、鉄−シリコン、等）。ハードな磁性材料は、印加された磁界に無関係であるような、固定された磁化を有している（フェライト、サマリウム−コバルト、ネオジウム−鉄−ボロン、白金−コバルト）。ヒステリシス材料は、ソフトな磁性材料とハードな磁性材料との間の性質を有している。ヒステリシス材料は、印加される励起磁界が解除されたときにでも、磁化を維持することができる。
【００１３】
２つの磁気構造は、様々な形態をなすことができ、例えば、平面に対して、あるいは、点に対して、対称なものとすることができる。
【００１４】
可動部材の動きに関しては、並進的な移動（あるいは、準並進的な移動）とすることも、また、回転移動とすることも、できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の説明は、マイクロアクチュエータに関するものである。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく、以下の例を変形したアクチュエータを得ることができる。
【００１６】
図３に示す実施形態は、対称面を有したデバイスに対応している。第１磁気構造は、円形部分（３４１ ）と対称面に沿って配置された直線部分（３０）とから構成された第１開放磁気回路と、この第１開放磁気回路を囲んでいる第１導体コイル（３２１ ）と、を備えている。第２磁気構造は、同様に、円形部分（３４２ ）と先のものと同じ直線部分でありしたがって第１および第２磁気構造において共通のものとされた直線部分（３０）とから構成された第２開放磁気回路と、この第２開放磁気回路を囲んでいる第２導体コイル（３２２ ）と、を備えている。
【００１７】
第１磁気構造は、図面がなす平面に対して垂直な面を有した第１端部（３５１ ）を備えている。第２磁気構造は、図面がなす平面に対して垂直な面を有した第１端部（３５２ ）を備えている。これら２つの構造は、第２端部を備えている。第２端部は、図示の実施形態においては、直線部分（３０）の端部（３５’）から構成されている。第２端部がなす面は、各第１端部がなすそれぞれの面に対して、垂直である。
【００１８】
部分（３４１，３４２）がなす円形形状は、明らかに例示に過ぎないものであって、本発明の範囲内においては、矩形や他の形状の回路を選択することもできる。
【００１９】
このデバイスは、可動磁性部材（３６）によって完成される。可動磁性部材（３６）は、第１および第２磁気回路の両第１端部（３５１，３５２）の間に、および、これらと第２端部（３５’）との間に、配置されている。可動磁性部材（３６）は、ベース（４０）内に嵌め込まれた共にフレキシブルな２つの非磁性梁（３８，３９）に対して固定されている。当然のことながら、梁として、１つの部材を使用することも、また、３つ以上の部材を使用することも、できる。
【００２０】
このデバイスの機能は、以下のようなものである。図３に示すように、マイクロアクチュエータは、静止状態とされる。左側のコイル（３２１ ）に電流を流すと、左側の磁気回路（３４１ ）が、励起され、可動磁性部材（３６）が、左側に向けて引っ張られる。これにより、左側のエアギャップが閉塞され、第１磁気回路が形成される。右側のコイル（３２２ ）に電流を流すと、右側の磁気回路（３４２ ）が、励起され、可動磁性部材（３６）が、右側に向けて引っ張られる。これにより、右側のエアギャップが閉塞され、第２磁気回路が形成される。
【００２１】
したがって、例示したマイクロアクチュエータは、実際に、２つの安定な動作位置を有している。磁気コイルをなす材料の組成に応じて（例えば、ヒステリシス材料の場合）、可動磁性部材（３６）は、コイルに対しての供給が中止されたにしても、その位置を維持することができる。しかしながら、可動磁性部材（３６）は、また、初期状態に復帰することもできる（例えば、軟磁性材料の場合）。ヒステリシス材料の場合には、可動磁性部材（３６）を初期状態に復帰させるためには、コイルに対して適切な向きに電流を流すことによって、磁気回路を消磁する必要がある。
【００２２】
図４Ａ〜図４Ｉは、本発明によるマイクロアクチュエータに関する製造プロセスを示している。例えばシリコン製とされたような基板（５０）において（図４Ａ）、複数のチャンバを、エッチング形成し、これらチャンバを、導体材料によって充填することによって、第１レベルに配置された複数の導体（５２）からなる層を形成する。このアセンブリを平坦化する。そして、絶縁層（５４）を成膜し、この絶縁層（５４）上に、いわゆる犠牲層をなす絶縁層（５６）（例えば、ＳｉＯ２ 製）を形成する。
【００２３】
その後（図４Ｂ）、樹脂層（５８）を成膜する。この樹脂層内において、磁性材料層を成膜し（図４Ｃ）、これにより、磁気回路（６０）と、将来的な可動部材（６２）と、を形成する。その後、複数のパターンを絶縁する（図４Ｄ）。
【００２４】
続いて、さらなる樹脂層（６６）を成膜し（図４Ｅ）、アセンブリを平坦化する（図４Ｆ）。
【００２５】
絶縁層（７０）（図４Ｇ）と、樹脂層と、を成膜する。その樹脂層内に、新たな複数のチャンバを、エッチング形成し、これらチャンバを、導体材料によって充填することによって、第２レベルにおいて、複数の導体（７４）からなる第２層を形成する。これら２つの層内の各導体どうしを、接続部材（図示せず）によって互いに接続することによって、磁性部材を囲むコイルを得る。
【００２６】
得られたアセンブリを平坦化し（図４Ｈ）、パターンどうしを絶縁する。
【００２７】
その後、犠牲層（５６）をエッチングし（図４Ｉ）、中空空間（７８）を形成して、可動部材（６２）を解放する。
【００２８】
図５は、本発明を、電気的マイクロリレーという実施形態に対して応用した例を示している。このデバイスは、図３において既に説明した各手段を備えており、同じ符号が付されている。このデバイスは、さらに、両磁気回路の各第１端部（３５１，３５２）がなすそれぞれの面上に配置された電気コンタクト（８０，８２）と、３つのコンタクトパッド（９１，９２，９３）と、各コンタクトパッドとコンタクト（８０，８２）およびベース（４０）とを接続している３つの通路（９４，９５，９６）と、を備えている。先の例の場合と同様に、２つの磁気回路の第２端部は、共通部分（３０）の端部（３５’）から構成されている。
【００２９】
左側のコイル（３２１ ）に電流を流すと、可動磁性部材（３６）が、左側に向けて引っ張られ、これにより、電気回路（９１，９３）が閉塞する。右側のコイル（３２２ ）に電流を流すと、可動磁性部材（３６）が、右側に向けて引っ張られ、これにより、電気回路（９２，９３）が閉塞する。
【００３０】
図５においては、各電気コンタクトは、概略的に図示されているに過ぎない。実際、各通路は、それぞれ対応するコンタクトパッドを、アクチュエータを駆動するためのコンタクトを収容し得るマイクロリレーの周縁部に向けて移動させることができる。
【００３１】
図６は、本発明によるマイクロアクチュエータの他の実施形態を示している。この場合には、両磁気回路の中央ブランチどうしは、図３の場合のように単一のブランチ（３０）としては、連結されていない。そうではなく、２つの個別のブランチ（３０１，３０２）とされている。ブランチ（３０１，３０２）は、それぞれ第２端部（３５１’，３５２’）を有している。第２端部（３５１’，３５２’）がなす各面は、互いに平行な平面に沿って延在しているとともに、第１端部（３５１，３５２）がなす面に対して垂直である。したがって、磁束漏洩が低減されている。
【００３２】
図８は、中心対称性を有した実施形態を示している。言い換えれば、２つの構造（３０１，３２１，３４１）（３０２，３２２，３４２）が、デバイスの中心をなす点に関して、対称とされている。可動磁性部材（３６）は、２組をなす２つのフレキシブル梁（３８１ ，３９１ ）（３８２，３９２）を介して、２つのベース（４０１，４０２）に対して対称的に接続することができる。
【００３３】
最後に、図７は、可動磁性部材（３６）が軸（９８）回りに回転可能とされているような実施形態を示している。可動磁性部材（３６）は、コイル（３２１ または３２２ ）のいずれに電流を流すかによって、２つの磁気回路（３４１，３４２）のどちらかの端部（３５１ または３５２ ）の下方に位置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来技術による単安定アクチュエータを示す図である。
【図２】従来技術による双安定アクチュエータを示す図である。
【図３】本発明による双安定マイクロアクチュエータの特定の実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｂ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｃ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｄ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｅ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｆ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｇ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｈ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図４Ｉ】本発明によるマイクロアクチュエータの製造プロセスにおける各ステップを示す図である。
【図５】マイクロリレーに対する応用を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図７】回転軸を有しているような他の実施形態を示す図である。
【図８】中心対称性を有しているような他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
３０    直線部分（磁性ブランチ）
３２１   第１導体コイル
３２２   第２導体コイル
３５１   第１端部
３５１’ 第２端部
３５２   第２端部
３５２’ 第２端部
３５’  第２端部
３６    可動磁性部材
３８    フレキシブルな非磁性梁（非磁性手段）
３８１   フレキシブルな対称梁
３８２   フレキシブルな対称梁
３９    フレキシブルな非磁性梁（非磁性手段）
３９１   フレキシブルな対称梁
３９２   フレキシブルな対称梁
９８    軸
【国際公開パンフレット】
2004534494.tif 000003
2004534494.tif 000004
2004534494.tif 000005
2004534494.tif 000006
2004534494.tif 000007
2004534494.tif 000008
2004534494.tif 000009
2004534494.tif 000010
2004534494.tif 000011
2004534494.tif 000012
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2004534494.tif 000015
2004534494.tif 000016
2004534494.tif 000017
2004534494.tif 000018
2004534494.tif 000019
2004534494.tif 000020
2004534494.tif 000021
2004534494.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534494.tif 000023
2004534494.tif 000024
【国際調査報告】
2004534494.tif 000025
2004534494.tif 000026
2004534494.tif 000027
2004534494.tif 000028
2004534494.tif 000029
2004534494.tif 000030