KR101830998B1 - 가동 소자가 정전기력에 의해서만 구동되는 정전기 평행판 액츄에이터 및 이와 연계된 유용한 방법 - Google Patents

가동 소자가 정전기력에 의해서만 구동되는 정전기 평행판 액츄에이터 및 이와 연계된 유용한 방법 Download PDF

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Abstract

액츄에이터 장치가 제공된다. 샘플링 클럭에 따라 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하는 액츄에이터 장치는, 적어도 하나의 액츄에이터 디바이스 및 컨트롤러를 포함한다. 각각의 액츄에이터 디바이스는 가동 소자의 어레이 및 적어도 하나의 전극을 포함하되, 각각의 가동 소자는 작용하는 개개의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하며, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고 상기 적어도 하나의 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생한다. 상기 컨트롤러는 상기 디지털 입력 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 전극 및 상기 개개의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 순서의 전위차를 인가한다.

Description

가동 소자가 정전기력에 의해서만 구동되는 정전기 평행판 액츄에이터 및 이와 연계된 유용한 방법{ELECTROSTATIC PARALLEL PLATE ACTUATORS WHOSE MOVING ELEMENTS ARE DRIVEN ONLY BY ELECTROSTATIC FORCE AND METHODS USEFUL IN CONJUNCTION THEREWITH}
동시 계류 중인 출원에 대한 참조사항
우선권 주장되지 않음. 동시 계류 중인 출원은 다음과 같습니다.
Figure 112012081545369-pct00001
본 발명은 일반적으로 액츄에이터, 보다 상세하게는 스피커에 관한 것이다.
매우 다양한 액츄에이터 및 스피커가 알려져 있다. 위에서 나타낸 바와 같이 출원인의 동시 계류 중인 출원들 중 공개된 일부 건들은 스피커와 같은 최첨단 액츄에이터를 기술하고 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이 베어링이라는 용어는 부품들 간의 굽힘 운동과 같은 속박된 상대 운동을 가능하게 하는 어떠한 장치, 예를 들어 가동 소자를 정지 소자에 연결하고 가동 소자의 움직임 경로 및 정지 위치를 정의하는 장치를 포함하는 것으로 의도된다. 플렉셔 베어링 또는 플렉셔는 굽힘 운동을 가능하게 하는 베어링이다. 플렉셔 베어링은 다른 2개의 부분을 연결하는 유연부를 포함할 수 있으며 통상적으로 간단하고, 저렴하며, 소형이며 마찰이 적다. 플렉셔 베어링은 부스러짐 없이 반복적으로 휘어질 수 있는 물질로 형성된다. 스프링은 이에 한정되는 것은 아니나 압축, 굽힘 또는 신장 이후에 형상을 회복하는 나선형으로 감긴 스트립 또는 와이어와 같은 적절한 탄성 부재를 포함하도록 의도된다. 액츄에이터 소자 어레이에서 (i,j)번째 액츄에이터 소자의 어드레싱(addressing)은 액츄에이터 소자 어레이의 특정 행과 특정 열 사이에서의 전압 인가함을 지칭한다.
본원에서 어레이의 소자가 소자 구동 회로를 포함하는 경우에는 어레이는 "능동" 어레이로 칭하고, 본원에서 어레이의 소자가 소자 구동 회로를 포함하지 않는 경우에는 "수동" 어레이로 칭한다.
'정지하고 있는 위치', '정지 위치' 및 '정지된 위치'라는 용어는 본 명세서에서 일반적으로 동등하게 사용된다. '액츄에이터 소자' 및 '액츄에이팅 소자'라는 용어는 본 명세서에서 일반적으로 동등하게 사용된다
최첨단 스피커 어레이 및 이에 유용한 제어 알고리즘은 Malcom Hawksford의 의해 다음 간행물에 기술된다:
가. "Spatial Distribution Of Distortion And Spectrally Shaped Quantization Noise In Digital Micro-Array Loudspeakers", J. Audio Engl Soc., Vol. 55, No. 1/2, 2007 1월/2월; 및
나. Smart Digital Loudspeaker Arrays", J. Audio Engl Soc., Vol. 51, No. 12, 2003 12월.
"상부" 및 "하부"라는 용어가 사용되는 경우 이는 가동 소자의 궤적의 중점들을 연결하는 면과 같이 가동 소자의 어레이에 의해 정의되는 면의 양측 상의 위치를 나타내기 위하여 단지 편의상 명세서나 도면에 사용된 것으로 인식해야 한다. 많은 응용들에 있어서 중력은 무시해도 될 정도의 힘으로 "상부" 위치가 "하부" 위치의 아래 또는 좌우에 동일하게 잘 배치될 수 있다.
상기 용어들은 선행기술문헌에 나타난 그 정의에 따라 혹은 명세서에 따라, 또는 위에서와 같이 이해할 수 있다.
ANSYS 주식회사의 MEMS 전문용어집에서 딤플(dimple)은 "작은 특징이나 돌기, 일반적으로 MEMS 소자 표면상의 융기된 사각형”이라고 명시하고 있다. 딤플은 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 장치에서 예를 들어, 터치 다운을 제어하는 기계적 정지부로서 이용될 수 있다"라고 명시하고 있다.
명세서 내에서 언급되는 모든 간행물 및 특허문헌의 내용들, 및 거기에 직접적 또는 간접적으로 인용된 간행물 및 특허문헌에 언급된 내용들은 참조로서 여기에 포함된다.
본 발명의 임의의 실시예는 교번자장이나 작용하는 전자기력에 응답할 수 있으며 정전기력은 래치 기능만을 갖는 출원인의 동시 계류 중인 출원들에서 설명된 액츄에이터 소자와는 대조적으로, 전자기력의 관여 없이 작용하는 각각의 제1 정전기력에 응답하여 이동하는 가동 소자를 제공하고자 한다.
본 발명은 전형적으로 적어도 다음의 실시예를 포함한다:
1. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치에 있어서,
적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 도전성 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 대체로 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 작용하는 각각의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하되, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고, 상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스; 및
상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 하나의 전극 및 상기 개개의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 물리적 효과가 상기 신호를 나타내도록 상기 순서의 전위차를 인가하는 컨트롤러를 포함하는 정정기 평행판 액츄에이터 장치.
2. 제1의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자 중 적어도 각각의 하나가 각 축을 따라 움직이는 것은 상기 개개의 가동 소자의 축을 따라 배치된 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 더 제약되며, 상기 기계적 리미터는 극단 위치를 정의하고 상기 가동 소자를 상기 극단 위치를 벗어나서 움직이지 않도록 방지하는 장치.
3. 제2의 실시예에 있어서, 상기 극단 위치 중 하나에 도달한 상기 가동 소자 중 적어도 하나가 상기 기계적 리미터로부터 멀어져 그 이전 위치로 되돌아가는 것을 선택적으로 방지함으로써 상기 가동 소자 중 적어도 하나를 래칭하도록 작동하는 적어도 하나의 래치를 또한 포함하는 장치.
4. 제3의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자의 상기 래치 동작은 상기 전극에 의해 발생하는 제2 정전기력에 의해 영향을 받으며, 상기 제2 정전기력은 상기 제1 정전기력과 동일한 방향으로 작용하는 장치.
5. 제2의 실시예에 있어서, 상기 기계적 리미터 및 상기 전극은 일체로 형성되는 장치.
6. 제2의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자 및 상기 기계적 리미터의 적어도 한 표면에 배치된 적어도 하나의 돌출된 딤플을 가져 상기 가동 소자가 상기 극단 위치에 있을 때 상기 표면들 사이에 간격을 만드는 장치.
7. 제2의 실시예에 있어서, 제1항에서 설명된 제1 정전기력은 상기 가동 소자의 이동 범위를 각각에 따라 상기 기계적 리미터에 의해 정의된 것 보다 더 짧은 범위로 한정하는 방식으로 조절되는 장치.
8. 제1의 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 규칙적인 시간 간격으로 상기 적어도 하나의 전극을 제어하여 액츄에이션 클럭 주파수를 정의하는 장치.
9. 제8의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자의 기계적 공진 주파수가 상기 액츄에이션 클럭 주파수로 조정되는 장치.
10. 제8의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자의 기계적 공진 주파수가 상기 액츄에이션 클럭 주파수의 1/2 보다 작은 장치.
11. 제8의 실시예에 있어서, 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성은 샘플링 클럭에 따라 주기적으로 샘플링되며, 상기 액츄에이션 클럭 주파수는 상기 샘플링 클럭 주파수의 정수배인 장치.
12. 제9의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자의 기계적 공진 주파수는 상기 액츄에이션 클럭 주파수의 1/2/인 장치.
13. 제4의 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 정전기력은 동일한 진폭 및 극성을 갖는 장치.
14. 제4의 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 정전기력은 진폭 및 극성 중 적어도 하나의 점에서 다른 장치.
15. 제1 내지 14항 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 적어도 한 전극이 2 이상의 액츄에이터 소자를 가로질러 연장되고 그 움직임을 제어하는 장치.
16. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하기 위한 액츄에이션 방법에 있어서,
적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스를 제공하는 단계로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 도전성 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 대체로 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 작용하는 개개의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하되, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고, 상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스를 제공하는 단계; 및
컨트롤러를 이용하여 상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 한 전극 및 상기 각각의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하여 상기 물리적 효과가 상기 신호를 나타내도록 상기 순서의 전위차를 인가하는 단계를 포함하는 액츄에이션 방법.
17. 제1의 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 액츄에이터 디바이스는 또한,
상기 컨트롤러에 의해 구동되며 제1 기하학적 패턴-이하 “행”이라 칭함-으로 배열되는 제1 다수의 전기적 연결;
상기 컨트롤러에 의해 또한 구동되며 상기 제1 기하학적 패턴과는 상이한 적어도 하나의 다른 기하학적 패턴-이하 “열”이라 칭함-으로 배치되는 적어도 다른 다수의 전기적 연결; 및
다수의 소자 구동 회로들을 포함하되,
상기 제1 및 다른 기하학적 패턴은 하나의 행과 하나의 열이 겹치는 각각의 영역은 하나의 가동 소자를 포함하도록 설계되고,
상기 소자 구동회로 각각은 상기 가동 소자 중 하나를 제어하고 하나의 상기 행 및 상기 열들 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되어,
상기 컨트롤러가 상기 행들 및 상기 열들을 구동함으로써 간접적으로 상기 가동 소자 각각에 작용하는 정전기력을 제어할 수 있도록 하고 이로써 상기 소자 구동회로의 거동을 판정하는 장치.
18. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치에 있어서,
적어도 하나의 액츄에이터 디바이스로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 (a) 작용하는 개개의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하고 (b) 적어도 하나의 래치 위치로 선택적으로 래칭되도록 제한되게 작동하고, 상기 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 액츄에이터 디바이스; 및
상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 하나의 전극 및 상기 개개의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 순서의 전위차를 인가하는 컨트롤러를 포함하는 정정기 평행판 액츄에이터 장치.
19. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하기 위한 정전기 평행판 액츄에이션 방법에 있어서,
적어도 하나의 액츄에이터 디바이스를 제공하는 단계로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 (a) 작용하는 개개의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하고 (b) 적어도 하나의 래치 위치로 선택적으로 래칭되도록 제한되게 작동하고, 상기 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 액츄에이터 디바이스를 제공하는 단계; 및
컨트롤러를 이용하여 상기 디지털 입력 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 전극 및 상기 각각의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하여 상기 순서의 전위차를 인가하는 단계를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이션 방법.
20. 제1의 실시예에 있어서,
상기 가동 소자의 어레이는 제1 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 가동 소자들의 제1 다수의 제1그룹들을 포함하며,
상기 적어도 하나의 전극은 상기 제1 기하학적 패턴과는 상이한 적어도 하나의 제2 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 전극들의 적어도 제2 다수의 제2그룹들로 분리되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함하고,
상기 제1 및 제2 다수의 그룹들 각각은 상기 컨트롤러에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 기하학적 패턴들은 하나의 제1 그룹이 하나의 제2 그룹과 겹치는 각각의 영역은 하나의 가동 소자만을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 제1 그룹들의 각각의 하나와 상기 제2 그룹들의 각각의 하나 사이에 전압을 인가함으로써 상기 어레이 내에 상기 가동 소자 각각에 작용하는 정전기력을 제어하여 상기 가동 소자 각각을 어드레싱하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 장치.
예를 들어 제1 및 제2 그룹은 행과 열을 포함하지만 각 그룹의 구성은 직선일 필요는 없고; 행과 열과 같은 그룹은 서로가 직각으로 또는 다른 0이 아닌 각도로 구성되며; 교차하는 제1 및 제2 그룹간의 각도는 제1 및 제2 그룹 간의 각 교차점에서 동일할 필요가 없다. 행 당 가동 소자의 수는 각각의 행과 같은 제1 그룹과 열과 같은 제2 그룹에 대해 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 각각의 가동 소자가 가동요소 당 2개의 전극을 포함하는 경우 2개의 전극은 서로 다른 패턴으로 각각 선택적으로 배치될 수 있다.
21. 제20의 실시예에 있어서, 상기 액츄에이팅 디바이스는 다수의 어레이를 포함하되, 각각의 어레이는 상기 액츄에이팅 디바이스 내에서 다른 어레이들의 행과 열에 각각 전기적으로 연결되지 않은 행과 열을 가지는 장치.
22. 제20의 실시예에 있어서, 상기 제1 그룹은 행을 포함하고 상기 제2 그룹은 열을 포함하며 상기 행과 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스에 걸쳐 연장되어 상기 행이 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 가동 소자를 포함하고 상기 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 전극을 포함하도록 하는 장치.
23. 제20의 실시예에 있어서, 어레이에서의 각각의 행에 대해 연속하여, 상기 컨트롤러는 주기적으로 (a) 다른 행을 전기적으로 플로팅되게 유지하면서 각각의 행만을 소정의 전위에 연결하며 (b) 상기 각각의 행에서 선택된 가동 소자를 어드레싱하는 장치.
이렇게 배타적으로 연결되고 본원에서 “선택된”이라고도 지칭되는 각각에서, 가동 소자가 어드레싱되는 행은 선택된 행에서 모든 가동 소자, 선택된 행에서 가동 소자의 임의의 서브셋, 선택된 행에서 단일 가동 소자를 포함하거나 가동 소자를 전혀 포함하지 않을 수 있다. 배타적으로 연결된 행에서의 복수의 가동 소자는 그 행이 선택된 채로 남아 있는 동안 동시에 또는 다른 시점에 어드레싱 될 수 있다. 또한 스캐닝도 행과 열이 반대로 된 채로 실행될 수 있다. 컨트롤러는 다른 열은 전기적으로 플로팅한 상태를 유지하면서 하나의 열을 알고 있는 전위에 연결함으로써 열을 주기적으로 “선택”하고, 선택된 행의 선택된 가동 소자를 어드레싱할 수 있으며, 각각의 열에 대하여 이 과정을 반복한다.
24. 제4의 실시예에 있어서, 컨트롤러는 전기적으로 상기 가동 소자를 상기 전극에 연결함으로써 래치된 상태로부터 적어도 하나의 가동 소자를 해제하는 장치.
25. 제1의 실시예에 있어서, 컨트롤러는 상기 가동 소자 및 전극에 의해 형성되는 커패시터 상의 전하를 주기적으로 리프레쉬하는 장치.
26. 제1의 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 가동 소자가 여전히 움직이고 있는 동안에 종료되는 소정의 충전시간 동안 상기 전극 중 적어도 하나와 상기 가동 소자 중 적어도 하나 사이에 전압을 인가하고 이후에 상기 적어도 하나의 가동 소자 및 상기 적어도 하나의 전극에 의해 형성되는 커패시터로 그리고 커패시터로부터 전하가 이동되는 것을 방지함으로써 상기 가동 소자의 적어도 하나에 작용하는 정전기력을 제어하는 장치.
27. 제1의 실시예에 있어서, 각 축을 따라 적어도 하나의 가동 소자의 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 또한 포함하는 장치.
28. 제27의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서는 정전용량 센서를 포함하여 상기 가동 소자 및 전극 사이의 정전용량을 감지하는 장치.
29. 제26의 실시예에 있어서, 각각의 축에 따라 적어도 하나의 가동 소자의 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 또한 포함하는 장치.
30. 제27의 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 위치 센서에 의해 제공되는 정보를 이용하여 각각의 가동 소자의 결함을 검출하는 장치.
31. 제27의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서에 의해 제공되는 위치 정보를 이용하여 적어도 하나의 가동 소자 및 적어도 하나의 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하는 장치.
32. 제29의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서에 의해 제공되는 위치 정보를 이용하여 상기 가동 소자에 대한 충전시간을 조절하는 장치.
33. 제27의 실시예에 있어서, 가동 소자를 선택하여 상기 물리적 효과를 만드는 경우 상기 컨트롤러는 상기 위치 센서에 의해 제공되는 위치 정보를 이용하는 장치.
34. 제29의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서는 정전용량 센서를 포함하여 상기 가동 소자 및 전극 사이의 정전용량을 감지하되, 상기 가동 소자 및 전극 중 적어도 하나가 전기적으로 플로팅되는 동안 상기 정전용량 센서는 가동 소자 및 전극 사이의 전압을 감지하도록 작동하는 전압 센서를 포함하는 장치.
35. 제34의 실시예에 있어서, 상기 전압 센서는 아날로그 비교기를 포함하는 장치.
36. 제34의 실시예에 있어서, 상기 전압 센서는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 장치.
37. 제18의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자는 상기 적어도 하나의 전극에 의해 적어도 하나의 래치 위치로 선택적으로 래칭되는 장치.
38. 제18의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자들 중 적어도 각각의 하나의 움직임은 상기 각각의 가동 소자의 축에 따라 배치된 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 제한되는 장치.
39. 제2의 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 각각의 가동 소자의 축에 따라 배치된 기계적 리미터를 포함하며 리미터는 상기 가동 소자를 제한하도록 작동하는 장치.
40. 제1의 실시예에 있어서, 상기 가동 소자는 제1 래치 및 제2 래치에 의해 선택적으로 래칭되어 해당하는 제1 및 제2 래치 위치에서 상기 가동 소자의 적어도 하나의 서브셋을 래칭하는 장치.
41. 제3의 실시예에 있어서, 각각의 가동 소자는 상기 축을 따라 상기 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 정의되는 적어도 하나의 극단 위치를 가지며 적어도 하나의 가동 소자는 상기 적어도 하나의 극단 위치로 래칭되는 장치.
42. 제3의 실시예에 있어서, 각각의 가동 소자는 상기 축을 따라 상기 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 정의되는 적어도 하나의 극단 위치를 가지며 적어도 하나의 가동 소자는 가동 소자의 극단 위치에 못 미치는 위치로 상기 축을 따라 래칭되는 장치.
43. 제1의 실시예에 있어서,
상기 가동 소자의 어레이는 제1 기하학적 디멘션을 따라 연장되며 그 사이에 전기적으로 연결되는 제1 다수의 행들의 가동 소자들을 포함하며,
상기 전극은 상기 가동 소자의 어레이에 평행하며 제2 기하학적 디멘션을 따라 배열된 가동 소자의 상기 행들에 평행하지 않고 그 사이에 전기적으로 연결된 제2 다수의 열들의 전극들을 포함하는 전극 어레이를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 다수의 열들 중 j번째 열과 I번째 행 간의 전압차를 변경함으로써 물리적 효과를 발생하고 I,j번째 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 상기 다수의 행 중에서 I번째 행의 j번째 소자를 포함하는 I,j번째 소자의 움직임을 지시하는 지를 판정하도록 작동하는 장치.
44. 제43의 실시예에 있어서, 전압원을 이용하여 상기 제2 다수 열 중 j번째 열과 상기 I번째 행 사이에 전압을 인가함으로써 상기 전압차를 변경하는 장치.
45. 제43의 실시예에 있어서, 상기 전압차는 상기 제2 다수 열 중 j번째 열과 상기 I번째 행 간을 단락함으로써 변경하는 장치.
46. 제43의 실시예에 있어서, 상기 행은 상기 열에 수직인 장치.
47. 제20의 실시예에 있어서, 전압원을 이용하여 상기 제2 다수 열의 b번째 열과 a번째 행 사이에 전압을 인가하고, 소정의 시간 이후에 상기 a번째 행과 b번째 열 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제하고 계속해서 전압원을 이용하여 상기 제2 다수 열의 d번째 열과 상기 c번째 행 사이에 전압을 인가하며, 그리고 소정 시간 이후에 c번째 행과 d번째 열 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제함으로써, 물리적 효과를 발생시키고 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 a,b번째 가동 소자 및 c,d번째 가동 소자의 움직임을 지시하는 지를 상기 컨트롤러가 판정하도록 작동하는 장치.
48. 제43의 실시예에 있어서, 소정의 시간 동안 상기 전압이 인가된 후 I번째 행 및 j번째 열 중 적어도 하나가 상기 전압원으로부터 연결 해제되는 장치.
49. 제48의 실시예에 있어서, 상기 시간은 I,j번째 가동 소자가 여전히 움직이는 동안에 종료되는 장치.
몇몇 가동 소자가 움직이는 경우, 이는 제1 가동 소자의 행과 열을 전압원에 연결하고, 일정 시간 기다리며, 제1 가동 소자의 행과 열을 연결 해제한 후 제2 가동 소자에도 동일하게 이를 행하는 식으로 하여 순서대로 스캔될 수 있다. 움직이게 될 (가령) 17개의 가동 소자가 있고 이 중 (가령) 3개가 동일 행과 열 (가령) 1, 2, 8에 있는 경우, 이 행은 상술한 바와 같이 연속적으로 열 1, 2, 8에 해당 행을 연결하기 보다는 열 1, 2, 8의 3개 모두와 동시에 연결될 수 있다. 움직이게 될 가동 소자 모두가 단일 열에 있는 겨우, 단일 열은 가동 소자들 각각이 있는 복수의 행과 연결될 수 있다.
50. 제43의 실시예에 있어서, 상기 축을 따라 상기 I,j번째 소자의 위치를 감지하는 위치 센서를 또한 포함하는 장치.
51. 제50의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서는 정전용량 센서를 포함하는 장치.
52. 제51의 실시예에 있어서, 소정의 시간 동안 상기 전압이 인가된 후 I번째 행 및 j번째 열 중 적어도 하나가 상기 전압원으로부터 연결 해제되며, 상기 시간은 I,j번째 가동 소자가 여전히 움직이는 동안에 종료되고, 상기 정전용량 센서는 I,j번째 가동 소자 및 I,j번째 전극 사이의 전압차에 있어서 시간에 따른 변화를 측정하는 장치.
I,j번째 전극은 가동 소자가 다가오거나 멀어지는 것을 포함한다.
53. 제50의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서에 의해 제공되는 위치 정보를 이용하여 전압원의 전압을 조절하는 장치.
54. 제50의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서에 의해 제공되는 위치 정보를 이용하여 상기 시간의 지속시간을 조절하는 장치.
55. 제50의 실시예에 있어서, 가동 소자가 이상 움직임 패턴을 갖고 있음을 상기 위치 센서가 검출하면, 컨트롤러는 가동 소자를 결함으로 표시하고 상기 가동 소자는 더 이상 이용하지 않는 장치. 이상 움직임 패턴의 예는 가동 소자가 축을 따라 소정의 위치에 전혀 도착하지 않는 경우이다.
56. 제50의 실시예에 있어서, 상기 위치 센서가 서로 다른 가동 소자의 움직임 패턴 사이의 차이점을 검출하면, 상기 위치 센서는 상기 가동 소자의 적어도 한 작동 특징에서의 차이점을 유추하여 가동 소자 선택 시 상기 작동 특징의 차이점을 고려하는 장치. 작동 특징은 예를 들어 주어진 정전기력에 응답하여 가동 소자의 움직임에 의해 발생하는 압력의 양을 포함할 수 있다.
57. 제38의 실시예에 있어서, 상기 기계적 리미터는 가동 소자의 주된 면과 전극의 주된 면 중 적어도 하나 상에 적어도 하나의 돌출 딤플을 포함하는 장치. 주된 = 상기 축에 수직인 면.
58. 제43의 실시예에 있어서, 전압원을 이용하여 상기 제2 다수 열의 b번째 열과 a 및 c번째 행들 사이에 전압을 인가하고, 소정의 시간 이후에 (i) 상기 a 및 c번째 행 둘 다 및 (ii) b번째 열 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제함으로써, 물리적 효과를 발생시키고 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 적어도 a,b번째 가동 소자 및 c,b번째 가동 소자의 움직임을 지시하는 지를 컨트롤러가 판정하도록 작동하는 장치.
59. 제43의 실시예에 있어서, 전압원을 이용하여 상기 제2 다수 열의 b 및 d번째 열들의 각각과 a번째 행 사이에 전압을 인가하고, 소정의 시간 이후에 (i) 상기 b 및 d번째 열 둘 다 및 (ii) a번째 행 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제함으로써, 물리적 효과를 발생시키기고 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 적어도 a,b번째 가동 소자 및 a,d번째 가동 소자의 움직임을 지시하는 지를 컨트롤러가 판정하도록 작동하는 장치.
60. 제1의 실시예에 있어서, 상기 물리적 효과는 소리를 포함하며 상기 속성은 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
61. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하기 위한 정전기 평행판 액츄에이터 장치를 제조하는 방법에 있어서,
적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스 및 컨트롤러를 제공하는 단계를 포함하되,
각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 도전성 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 대체로 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 작용하는 개개의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하되, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고, 상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하며,
컨트롤러는 상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 한 전극 및 상기 각각의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 물리적 효과가 상기 신호를 나타내도록 상기 순서의 전위차를 인가하는, 정전기 평행판 액츄에이터 장치를 제조하는 방법.
62. 제61의 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스를 제공하는 단계는 MEMS 공정을 이용하여 이루어지는 방법.
본문 또는 도면에 나타나는 어떠한 상표도 그 소유자의 소유이며 단지 본원에서는 본 발명의 실시예를 구현할 수 일례를 설명하거나 예시하기 위하여 나타날 뿐이다.
본 발명의 임의의 실시예들이 다음 도면들에 도시된다.
도 1은 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 액츄에이터 장치의 단순화된 기능 블럭도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는, 도 1의 장치에 있어서 개개의 액츄에이터 소자에 대한 단면도이다. 도 2a는 가동 소자와 두 전극 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치(resting position)에 있는 가동 소자를 나타낸다. 도 2b는 한쪽 극단 위치(extreme position)에 래치된 가동 소자를 나타낸다. 도 2c는 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 나타낸다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 도 1의 장치에 있어서 각 액츄에이터 소자의 단면도로서, 액츄에이터 소자는 각각이 기계적 리미터 역할도 하는 두 개의 전극(130 및 140)이 서로 맞은편에 배치되어 있고, 베어링(150)에 의해 매달려 있는 하나의 가동 소자(120)를 포함한다. 가동 소자는 두 개의 스페이서(180 및 190)에 의해 전극들과 이격되어 있다. 도 3a는 가동 소자와 두 전극 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치에 있는 가동 소자를 도시한다. 도 3b는 한쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다. 도 3c는 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 도 1의 장치에 있어서 각 액츄에이터 소자의 단면도로서, 액츄에이터 소자는 베어링(150)에 의해 매달려 있는 하나의 가동 소자(120), 및 서로 맞은편에 배치되어 있는 두 개의 전극(130 및 140), 및 각 전극의 표면 상에 돌출되어 있는 딤플들(210 및 220)을 포함한다. 도 4a는 가동 소자와 두 전극 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치에 있는 가동 소자를 도시한다. 도 4b는 한 전극(130) 상의 딤플들(210)이 가동 소자(120)와 전극(130) 사이에 공극(240)을 형성하면서, 한쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다. 도 4c는 다른 전극(140) 상의 딤플들(220)이 가동 소자(120)와 전극(140) 사이에 공극(250)을 형성한 상태에서, 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다.
도 5는 액츄에이터 디바이스의 단면도로서, 기계적 리미터 역할도 하는 단일 전극(300)과 함께, 베어링(150)에 의해 매달려 있는 하나의 개별 가동 소자(120)를 보여준다. 가동 소자는 단일 스페이서(310)에 의해 전극(300)으로부터 이격되어 있다.
도 6은 각각의 액츄에이터 소자가 가동 소자(120) 및 하나의 전극(300)을 포함하되, 가동 소자들은 행으로 배열되어 있고 전극들은 열로 배열되어 있는 액츄에이터 소자들(110)의 어레이에 대한 단순화된 개략도이다.
도 7은 [i,j]번째 가동 소자(350)를 제어하기 위해 i행(330) 및 j열(340) 사이에 전압이 인가된 도 6의 어레이를 도시한다.
도 8은 i행에 있는 일부 가동 소자들(370)을 제어하기 위해 i행(330)과 일부 열들(360) 사이에 전압이 인가된 도 6의 액츄에이터 디바이스를 도시한다.
도 9는 [i,j]번째 가동 소자(350)를 해제하기 위해 i행(330)이 전기적으로 j열(340)에 연결된 도 8의 액츄에이터 디바이스를 도시한다. 각각의 전극(380)에 전기적으로 연결되지 않은 이전에 래치된 가동 소자는 여전히 래치된 채로 남아있다.
도 10은 각 가동 소자가 두 개의 전극을 가지되, 가동 소자들(120)은 행으로 배열되어 있고 상부 전극들(130)과 하부 전극들(140)은 개별적 열들(각각 410 및 420)에 배열되어 있는 액츄에이터 디바이스의 단순화된 개략도이다.
도 11은 단일 전극(300)을 갖는 가동 소자(120), 및 액츄에이터 소자 어레이의 한 행(510) 및 한 열(520)에 전기적으로 연결된 단면(one-sided) 소자 구동 회로(500)를 포함하는 단면 매트릭스 어레이 소자의 단순화된 개략도이다.
도 12는 두 개의 전극(130 및 140)을 갖는 가동 소자(120), 및 액츄에이터 소자 어레이의 한 행(510) 및 두 개의 열(521 및 522)에 전기적으로 연결된 양면(two-sided) 소자 구동 회로(530)를 포함하는 능동 양면 매트릭스 어레이 소자의 단순화된 개략도로서, 여기서 각 열이 두 전극들 중 하나를 제어한다.
도 13은 복수의 “서브-어레이”(601 내지 604)를 포함하는 액츄에이팅 디바이스의 단순화된 개략도이다. 각 서브-어레이는 일반적으로, 각 액츄에이터 소자가 자신의 전용 행과 열을 갖지만, 하나의 컨트롤러(50)에 의해 제어되는 액츄에이터 소자 어레이를 포함한다.
도 14는 복수의 액츄에이터 어레이들(611, 612, 613 및 614)을 포함하는 “수퍼-어레이”의 단순화된 개략도로서, 수퍼-어레이의 제1 행에 있는 모든 어레이들 중 p개 행들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하고, 수퍼-어레이의 제2 행에 있는 모든 어레이들 중 p개 행들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하는 등의 방식으로 제어가 이루어진다.
도 15a, 15b 및 15c는 가동 소자와 전극 간 상호 정전용량의 변화, 이들 간 전압의 변화, 상호 정전용량에 저장된 전하량, 및 그로 인해 가동 소자에 작용하는 정전기력을 본 발명의 임의의 실시예들에서 가동 소자와 전극 간 이격 거리의 함수로써 도시한 그래프들이다.
도 16a 및 도 16b는 전극(300)에 대한 가동 소자(120)의 위치에 관한 임의의 정보를 제공하기 위한 임의 형태의 전압 센서들(710 및 720)을 포함하는 단면 액츄에이터 소자의 단순화된 개략도이다.
도 17은 액츄에이터 소자들 간에 전극들이 공유된 어레이에서, 소자 구동 회로를 가지는 양면 액츄에이터 소자의 단순화된 개략도이다.
도 18은 도 17을 참조하여 상술한 복수의 양면 액츄에이터 소자들을 포함하는 액츄에이터 어레이의 단순화된 개략도이다.
도 1은 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 액츄에이터 장치의 단순화된 기능 블럭도이다. 도 1의 장치는 물리적 효과를 발생하도록 작동되며, 적어도 그 하나의 속성은 샘플링 클럭에 따라 주기적으로 샘플링된 디지털 입력 신호의 적어도 한 특징과 부합한다. 이 장치는 예를 들어 도 2a 내지 도 5에 도시된 복수의 액츄에이터 소자들을 포함하는 적어도 하나의 액츄에이터 어레이(100), 및 디지털 입력 신호를 수신하고 액츄에이터 어레이 내의 액츄에이터 소자들을 제어하도록 작동되는 컨트롤러(50)를 포함한다. 각 액츄에이터 소자는 가동 소자와 관련 베어링, 전극 및 전극과 가동 소자 간의 스페이서를 포함할 수 있고, 본원에 도시되고 설명된 바와 같은 모든, 가동 소자의 동작에 대한 기계적 리미터 및/또는 딤플들 및/또는 소자 구동 회로를 선택적으로 포함할 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 양면 액츄에이터 소자의 단면도이다. 액츄에이터 소자는 플렉셔 또는 스프링과 같은 적절한 베어링(150) 수단에 의해 액츄에이터 소자의 정지 부분에 기계적으로 연결되는 가동 소자(120)를 포함한다. 베어링(150)은 가동 소자(120)가 이동할 수 있는 축(125)을 정의하고, 가동 소자(120)가 다른 방향으로 이동하는 것을 방지하고, 가동 소자(120)의 정지 위치를 정의한다. 액츄에이터 소자는 가동 소자(120)의 서로 맞은편 상에 배치된 두 개의 전극(130 및 140)을 더 포함한다. 디지털 입력 신호에 따라, 도 1의 컨트롤러(50)(미도시)는 가동 소자와 두 전극 간에 전압을 인가할 수 있고, 따라서 정전기력을 발생시켜 가동 소자를 그 정지 위치로부터 멀리 그리고 각 전극 쪽으로 유도할 수 있다. 한 쌍의 기계적 리미터(160 및 170)는 일반적으로 가동 소자(120)가 축(125)을 따라 이동하는 것을 양 방향으로 제한한다. 가동 소자(120)는 스페이서들(180 및 190)에 의해 리미터들(160 및 170)로부터 이격된다.
도 2a는 가동 소자(120)와 두 전극(130 및 140) 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치에 있는 가동 소자(120)를 도시한다. 도 2b는 한쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다. 도 2c는 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는, 도 2a 내지 도 2c의 별도로 형성된 기계적 리미터들(160 및 170)이 생략되고 전극들(130 및 140)이 각각 기계적 리미터 역할도 하는 점을 제외하면, 도 2a 내지 도 2c의 액츄에이터 소자와 유사한 액츄에이터 소자의 단면도이다. 이 실시예는 가동 소자와 두 전극 간의 전기적 단락을 막기 위해, 대기 중에 노출된 실리콘 표면 상에 존재하는 자연산화막과 같은 페시베이션(passivation)을 필요로 한다. 대안적으로, 제조 공정 단계들 중 한 단계에서 비-자연 페시베이션막들을 추가할 수도 있다. 도 3a는 가동 소자와 두 전극 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치에 있는 가동 소자를 도시한다. 도 3b는 한쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다. 도 3c는 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다.
이 실시예의 특별한 장점은 제조 공정이 도 2a 내지 도 2c에 따른 액츄에이터 소자에 대한 제조 공정보다 통상 더 단순하고 비용 효율이 더 높다는 점에 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 각각이 가동 소자(120)와 대향하는 딤플들(210 및 220)이 전극들(130 및 140)의 표면 상에 각각 형성되어 있는 것을 제외하면, 도 3a 내지 도 3c의 장치와 유사한 액츄에이터 소자의 단면도이다. 결과적으로, 가동 소자(120)가 한쪽 극단 위치에 있을 때, 가동 소자는 전극들(130 또는 140)의 대향 표면 전체와 접촉하지 않고, 대신 전극들(130 또는 140) 상에 각각 형성된 딤플들(210 또는 220)과만 접촉해서 공극(240)과 같은 간극을 형성한다. 본 발명의 장치가 보통 대기 중에서 작동되므로 “공극”이란 용어는 본원에서 단지 예로써 사용되었지만, 그러한 경우일 필요는 없으며 대안적으로, 예를 들어, 장치가 임의의 다른 적절한 매개체 중에서 작동될 수 있는 것으로 이해된다.
또한, 딤플들은 전극들(210 및 220) 대신에 가동 소자(120)의 표면 상에 형성될 수 있는 것으로 이해된다.
이 실시예의 특별한 장점은, 공극들(240 및 250)이 가동 소자들과 전극들 간 공간으로 공기를 빠르게 흐르게 할 수 있기 때문에, 그리고/또는 딤플들(210 및 220)이 예를 들어, 스퀴즈 필름 효과(squeeze film effects)로 인한 매우 강한 결합을 방지하기 때문에, 그 극단 위치로부터 가동 소자들(120)을 해제하는 것이 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c의 실시예보다 통상 더 용이하다는 점이다. 이것은 도 2a 내지 도 2c의 실시예에 대해서도 그럴 수 있지만, 딤플을 만드는 것이 별도의 기계적 리미터 층을 만드는 것보다 통상 더 용이하고 비용 효율이 더 높다. 도 4a는 가동 소자와 두 전극 사이에 전압이 인가되지 않은 정지 위치에 있는 가동 소자를 도시한다. 도 4b는 한쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다. 도 4c는 다른 쪽 극단 위치에 래치된 가동 소자를 도시한다.
도 5는 본 발명의 임의의 실시예들에 따라 구성되고 작동되는 단면 액츄에이터 소자의 단면도이다. 액츄에이터 소자는 일반적으로 도 3a의 액츄에이터 소자와 유사하고, 또한 정지 위치에서 도시되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 도 3a에서는 한 쌍의 전극들과 대응하는 한 쌍의 스페이서들이 제공되는 반면, 도 3a와 달리, 단일 전극(300)과 단일 스페이서(310)만을 포함하는 한쪽 면이라는 것이다. 유사하게, 도 2a 내지 도 2c 및 도 4a 내지 도 4c의 액츄에이터 디바이스들의 단면 형태가 제공될 수 있다고 이해된다. 수평에 대해 본원에서 도시되고 설명된 디바이스들의 방향은 도시된 바와 같을 필요는 없다고 이해된다. 따라서, 예를 들면, 도 2a 내지 도 2b의 장치는 도시된 바와 같이 층들이 수평으로 배치될 수 있고, 또는 예를 들어 층들이 수직으로 배치될 수 있다. 또한, 도 5의 장치는 그런 면으로 설정될 수 있거나 또는 바람직하다면, 그 반대로 보다는 전극층(300)이 가동 소자(120)의 위에 있도록 역전될 수 있다. 임의의 실시예들에 따르면, 베어링(150)에 의해 가동 소자에 작용하는 힘과 전극 또는 전극들에 의해 발생되는 정전기력은 중력보다 10의 몇 승배 더 크기 때문에 중력은 무시할 수 있다.
도 6은 행과 열로 배열된 복수의 단면 액츄에이터 소자들(110)을 포함하는 액츄에이터 어레이의 단순화된 개략도로서, 상기 단면 액츄에이터 소자들은 각 액츄에이터 소자(110)가 하나의 전극(300)만을 갖는 것을 특징으로 한다. 도시된 바와 같이, 액츄에이터 소자들 간의 전기적 연결은 가동 소자들(120)이 가령 어레이의 열들을 따라서 전기적으로 연결되고, 전극들(300)은 가령 어레이의 행들을 따라서 전기적으로 연결되도록 하는 것이 일반적이다. 도 1의 컨트롤러(50)(미도시)는 임의의 선택된 행과 열 사이에 전압이 인가될 수 있도록 일반적으로 어레이와 관련되어 작동된다.
도 7은 3행과 3열 사이의 컨트롤러(미도시)에 의해 전압이 인가된 도 6의 액츄에이터 디바이스를 도시하며, 도시된 바와 같이, 다른 모든 액츄에이터 소자들은 정지 위치에 남아 있는 반면, (3,3) 액츄에이터 소자의 가동 소자(120)는 액츄에이터 소자 (3,3)의 단일 전극(300) 쪽으로 이동하는 결과를 초래한다.
도 8은 3행 및 2, 3, 및 (q-1)열 사이의 컨트롤러(미도시)에 의해 전압이 인가된 도 6의 액츄에이터 디바이스를 도시하며, 도시된 바와 같이, 이러한 3 이외의 다른 모든 액츄에이터 소자들은 정지 위치에 남아 있는 반면, (3,2), (3,3) 및 (3,q-1) 액츄에이터 소자들은 대응되는 단일 전극(300), 즉, 액츄에이터 소자들 (3,2), (3,3) 및 (3,q-1) 각각의 단일 전극 쪽으로 각각 이동하는 결과를 초래한다.
도 9는 제3 행이 제3 열에 단락 된 후, 도 8의 액츄에이터 디바이스를 도시한다. 도시된 바와 같이, 액츄에이터 소자들 (3,2) 및 (3,q-1)은, 그 회로들이 개방된 상태이어서 전하가 이 두 개의 액츄에이터 소자들 상에 유지되기 때문에 도 8에 도시된 것처럼 그들의 이전 위치에 남아 있다. 그러나, 액츄에이터 소자 (3,3)는, 그 전극과 그 가동 소자 간 전압, 및 그로 인해 이 가동 소자에 작용하는 정전기력이 이제는 0 이기 때문에 정지 위치로 돌아온다.
도 10은 행과 열로 배열된 복수의 양면 액츄에이터 소자들(110)을 포함하는 액츄에이터 어레이의 단순화된 개략도로서, 상기 양면 액츄에이터 소자들은 각 액츄에이터 소자(110)가 한 쌍의 전극들(130 및 140)을 갖는 것을 특징으로 한다. 도시된 바와 같이, 액츄에이터 소자들 간의 전기적 연결은 통상 다음과 같다. (a) 가동 소자들(120)은 가령 어레이의 행들을 따라서 전기적으로 연결된다; (b) 제1 세트의 전극들(130)은 가령 어레이의 제1 세트의 열들(410)을 따라서 전기적으로 연결된다; 그리고 (c) 제2 세트의 전극들(140)은 가령 어레이의 제2 세트의 열들(420)을 따라서 전기적으로 연결된다. 컨트롤러(50)(미도시)는 임의의 선택된 행과 열 사이에 전압이 인가될 수 있도록 일반적으로 어레이와 관련되어 작동된다.
도 11은 단면 소자 구동 회로(500)가 개별 단면 액츄에이터 소자가 속한 어레이의 행(510) 및 열(520)에 전기적으로 연결된 것을 제외하면, 도 6의 액츄에이터 소자들(110) 중 개별 소자와 일반적으로 유사한 단면 액츄에이터 소자의 단순화된 개략도이다. 도 11의 액츄에이터 소자들 중 하나, 일부, 또는 전부는 도시된 바와 같이 소자 구동 회로(500)를 포함할 수 있거나, 또는 소자들의 군들이 단일 구동 회로를 공유할 수 있다는 것으로 이해된다. 소자 구동 회로(500)는 예를 들어, 컨트롤러로부터 행들과 열들을 따라서 어레이 내의 각 소자 구동 회로로 전송되는 저전압 신호들의 제어 하에 상대적으로 높은 전압, 예컨대 수십 볼트의 전압이 전극(300)과 가동 소자(120) 간에 인가되도록 하는 레벨 쉬프트 기능을 가질 수 있다. 이러한 높은 전압은 응용분야의 요구에 따라 액츄에이터 소자들을 구동하는 데 유용할 수 있다.
이 실시예의 특별한 장점은 컨트롤러(미도시)가 3.3 V와 같이, 디지털 회로망에 보통 사용되는 전압에서 작동되는 완전히 저전압 디바이스를 포함할 수 있어, 컨트롤러(50)를 제조하는 데 더 비용 효율을 높게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 소자 구동 회로(500)는 물리적으로 동시에 어드레싱 될 수 있는 것보다 더 많은 액츄에이터 소자들의 효과적인 동시 제어를 가능하게 하는 메모리 기능을 가질 수 있는데, 이는 메모리 기능 때문에 심지어 소자가 더 이상 어드레싱 되지 않을 때에도 액츄에이터 소자들 (i,j)이 그 정지 위치 외의 위치를 유지할 수 있기 때문이다.
도 12는 양면 소자 구동 회로(530)가 개별 양면 액츄에이터 소자가 속한 어레이의 행(510) 및 열들(521 및 522)에 전기적으로 연결된 것을 제외하면, 도 10의 액츄에이터 소자들 중 개별 소자와 일반적으로 유사한 양면 액츄에이터 소자(두 개의 전극을 갖는 액츄에이터 소자)의 단순화된 개략도이다. 도 10의 양면 액츄에이터 소자들 중 하나, 일부, 또는 전부는 도시된 바와 같이 소자 구동 회로(530)를 포함할 수 있거나, 또는 소자들의 군들이 단일 구동 회로를 공유할 수 있다는 것은 이해된다. 소자 구동 회로(530)는 가동 소자(120)와 두 전극(130 및 140) 간에 인가되는 전압을 제어하고, 도 11의 소자 구동 회로(500)와 관련하여 전술한 임의의 기능 또는 그 전부를 가질 수 있다.
도 13은 도 1의 액츄에이터 장치의 단순화된 개략도로서, n=4인 가동 소자들의 어레이들(601, 602, 603 및 604)과 같은 복수의 액츄에이터 어레이들이 제공되고, 모두 단일 컨트롤러(50)에 의해 제어된다. 특히, 하나의 어레이 중 p개 행들 각각 및 q개 열들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하고, 각각의 어레이들에 대해 그런 식으로 계속하여, p × q 액츄에이터 소자들의 n개 어레이들에 대해 총 n(p+q)의 전기적 연결이 컨트롤러에 제공된다. 도시된 실시예에서, n = 4, p = q = 9 이다.
도 14는 도 1의 액츄에이터 장치의 단순화된 개략도서, n=4인 가동 소자들의 어레이들(611, 612, 613 및 614)과 같은 복수의 동일 어레이들이 제공되고, 모두 단일 컨트롤러(50)에 의해 제어된다. 하지만, 도 14에서는, 도 13과 대조적으로, 어레이들 자체가 본원에서 P × Q “수퍼-어레이”로 명칭된 하나의 어레이 내에 배열되어 있어, 수퍼-어레이의 제1 행에 있는 모든 어레이들 중 p개 행들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하고, 수퍼-어레이의 제2 행에 있는 모든 어레이들 중 p개 행들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하는 식으로 계속하여, 수퍼-어레이의 마지막 제P 행에 있는 모든 어레이들 중 p개 행들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어한다. 유사하게, 수퍼-어레이의 제1 열에 있는 모든 어레이들 중 q개 열들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하고, 수퍼-어레이의 제2 열에 있는 모든 어레이들 중 q개 열들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어하는 식으로 계속하여, 수퍼-어레이의 마지막 제Q 열에 있는 모든 어레이들 중 q개 열들 각각을 컨트롤러에서 하나의 전기적 연결이 제어한다. 일반적으로 p×q 액츄에이터 어레이들의 P×Q “수퍼-어레이”에 대해 총 (P×p + Q×q)의 전기적 연결이 제공된다. 도시된 실시예에서, n = 4, p = q = 9; P = Q = 2 이다.
도 15a는 도 1 내지 도 14와 관련하여 전술한 것들과 같은 가동 소자와 액츄에이터 소자의 전극 간 상호 정전용량을 그들 간의 이격 거리의 함수로 나타낸 그래프이다. 그래프의 특정 값들은 둘 다 300 ㎛의 직경을 갖는 가동 소자와 전극을 가지며, 유전체가 공기인 평행판 캐패시터로서 모델링되는 예시적인 원형 액츄에이터 소자에 관하여 그래프로 나타냈다.
도 15b는 도 15a의 평행판 캐패시터 사이의 전압, 및 캐패시터에 저장된 전하를 이격 거리의 함수로 도시한다. 도시된 예에서, 초기에, 3 ㎛의 이격 거리에서, 컨트롤러는 캐패시터 사이에 50 V의 전압을 인가한다. 이격 거리는 이후 시간이 지남에 따라 감소한다. 이격 거리가 1 ㎛에 다다른 후에, 컨트롤러는 전극 또는 가동 소자에 전기적 연결을 개방하여 전하가 더 이상 캐패시터로 들어가거나 나갈 수 없다. 이 시점으로부터, 가동 소자와 전극 간 전압은 이격 거리가 감소함에 따라 감소한다.
도 15c는 도 15a 및 도 15b의 가동 소자에 작용하는 정전기력을 전극으로부터의 이격 거리의 함수로 도시한다. 초기에, 전극과 가동 소자 사이에 일정한 전압이 인가된 상태에서, 정전기력은 이격 거리가 감소함에 따라 증가한다. 그러나, 컨트롤러가 전기적 연결을 개방한 후, 정전기력은 이격 거리가 더 감소함에 따라 일정하게 유지된다.
도 16a 및 도 16b는 전압 센서를 포함하는 단면 액츄에이터 소자들의 단순화된 개략도이다. 도 1에 도시된 컨트롤러의 일부일 수 있거나 또는 도 11의 단면 소자 구동 회로(500)와 동일할 수 있는 전극 구동 회로(700)가 제공된다. 전극 구동 회로(700)는 초기에 전극(300)과 가동 소자(120)에 의해 형성된 캐패시터를 0이 아닌 전압으로 충전하고, 이어서 가동 소자 또는 전극 중 적어도 하나의 연결을 끊어 캐패시터 내로 또는 밖으로 전하가 전혀 이동하지 못하도록 한다. 이후 가동 소자(120)가 전극(300) 쪽으로 또는 전극(300)으로부터 멀리 임의 이동하면, 커패시터 상의 전압을 각각 감소하게 하거나 또는 증가하게 한다. 전압 센서는 가동 소자(120)의 위치에 관한 정보를 제공하면서 이러한 전압의 변화를 감지할 수 있다.
도 16a에서, 전압 센서는 전극과 가동 소자 간 전압이 기준 전압보다 높은지 또는 낮은지를 나타내는 이진 신호를 포함하는 센스 출력을 갖는 아날로그 비교기(170)이다.
도 16b에서, 전압 센서는 이진수 대신 다중 레벨, 통상적으로 전극과 가동 소자 간 전압의 수치 표현을 포함하는 센스 출력을 갖는 아날로그-디지털 변환기(720)이다.
도 17은 액츄에이터 소자들 간에 전극들이 공유된 어레이에서, 소자 구동 회로(532)를 갖는 양면 액츄에이터 소자의 단순화된 개략도이다. 제1 전극(130)은 제1 전위(533)에 연결되고, 제2 전극(140)은 제2 전위(534)에 연결되고, 소자 구동 회로(532)는 가동 소자(120)에 전기적으로 연결된 하나의 출력만을 갖는다.
임의의 실시예에 따르면, 정상 작동 상태에서 상부 전극과 하부 전극 간 전압은 실질적으로 일정하거나, 또는 액츄에이션 클럭 주파수보다 10의 몇 승배 낮은 속도로 변한다. 소자 구동 회로(532)는, 예를 들어, 가동 소자(120)를 제1 전위(533)와제2 전위(534) 중 하나에 연결할 수 있는 디지털 CMOS 푸시-풀 출력 단계를 포함한다. 가동 소자(120)가 제1 전위(533)에 연결될 때, 가동 소자와 제1 전극(130) 간 전압은 0 이고 가동 소자(120)와 제2 전극(140) 간 전압은 0이 아니어서, 가동 소자(120)를 제2 전극(140) 쪽으로 끌어당기는 정전기력을 발생시킨다. 마찬가지로, 가동 소자(120)가 제2 전위(534)에 연결될 때, 가동 소자와 제2 전극(140) 간 전압은 0이고 가동 소자(120)와 제1 전극(130) 간 전압은 0이 아니어서, 가동 소자(120)를 제1 전극(130) 쪽으로 끌어당기는 정전기력을 발생시킨다.
도 5 또는 도 11에 도시된 것들과 같은 단면 액츄에이터 소자들은 대안적으로 액츄에이터 소자들 간에 공유되는 전극들로 구성될 수 있다. 소자 구동 회로(532)는 CMOS 이외에, 제한적인 것은 아니지만 양극 트랜지스터들과 같은 기술들을 이용해 구현될 수 있다. 소자 구동 회로의 출력은 전술한 바와 같이 두 개의 레벨로 제한되기 보다는 연속적으로 변할 수 있다. 소자 구동 회로의 출력은 (본 기술분야에서 “3-상태” 또는 “하이-Z”로 알려진) 하이-임피던스 상태를 가질 수 있고, 도 15b와 관련하여 전술한 바와 같이, 가동 소자(120)와 두 전극들에 의해 형성된 평행판 캐패시터의 쌍 안으로 또는 밖으로 전하가 전혀 이동하지 못하도록 한다.
도 18은 도 17과 관련하여 복수의 전술된 양면 액츄에이터 소자들을 포함하는 액츄에이터 어레이의 단순화된 개략도이다. 임의의 실시예들에 따르면, 각 액츄에이터 소자의 제1 전극(130)은 다른 모든 액츄에이터 소자의 제 1 전극, 및 제1 전위(533)에 전기적으로 연결되고, 마찬가지로, 각 액츄에이터 소자의 제2 전극(140)은 다른 모든 액츄에이터 소자의 제2 전극, 및 제2 전위(534)에 전기적으로 연결된다.
도 18의 실시예에 대한 특별한 장점은, 도 6 및 도 10에 도시된 액츄에이터 어레이들 또는 도 11 및 도 12에 도시된 것들과 같은 액츄에이터 소자 어레이들은 각 액츄에이터 소자의 전극들 간의 전기 절연을 포함하는 반면, 임의의 제1 전극들 또는 임의의 제2 전극들 간 전기 절연이 필요하지 않다는 점이다. 따라서, 도 18의 모든 전극들은 가동 소자들(120)의 양면 상에 배치되어, 도핑 실리콘 또는 알루미늄과 같은 전기 전도성 물질로 이루어진 두 개의 연속층들로써 구현될 수 있고, 이러한 층들을 전기적으로 절연된 영역들로 나눌 필요가 전혀 없다. 이로 인해 더 용이하고 비용 효율이 더 높은 제조 공정이 가능하다.
도 1의 컨트롤러(50)와 같이 본원에 도시되고 기술된 컨트롤러들을 구현하기에 적합한 제어 알고리즘을 이제 설명한다. 일반적으로, 컨트롤러는 통상 샘플링 클럭에 따라 샘플링 된 디지털 입력 신호의 함수로써 상기 액츄에이터 디바이스 내의 각 가동 소자 위치를 제어한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 디지털 입력 신호의 범위는, 신호가 가정할 수 있는 값들의 수는 장치에서 액츄에이터 소자들의 수와 같고 샘플링 클럭은 액츄에이션 클럭과 동일한 주파수를 가질 수 있도록 될 수 있다. 이 경우, 컨트롤러는 디지털 입력 신호의 각 데이터 워드가 임의의 위치에 있는 가동 소자들의 수를 결정하는 알고리즘을 구현할 수 있다.
예를 들면, 단면 액츄에이터 소자들을 사용하는 장치에서, 장치 내에 래치된 가동 소자들의 수가 컨트롤러에 의해 받아진 디지털 입력 신호의 가장 최근의(가장 최근에 받은) 데이터 워드에 의해 표현되는 수와 항상 동일하도록 개별 가동 소자들을 래치하거나 또는 해제할 수 있다. 대안적으로, 알고리즘은 래치되지 않은 가동 소자들의 수가 가장 최근에 받은 데이터 워드와 동일하도록 될 수 있다. 양면 액츄에이터 소자들의 실시예들에서, 알고리즘은 제1 극단 위치로 래치된 가동 소자들의 수, 또는 대안적으로 제2 극단 위치로 래치된 가동 소자들의 수가 가장 최근 받은 데이터 워드와 동일하도록 될 수 있다. 대안적으로, 컨트롤러는 디지털 입력 신호의 각 데이터 워드가 각각의 축을 따라서 이동될(예를 들어, 상승 또는 하강될) 다수의 액츄에이터 소자들을 결정하는 알고리즘을 구현할 수 있다.
디지털 입력 신호를 더 정확하게 재생하기 위해, 다른 제어 알고리즘들도 역시 액츄에이터 소자들의 임펄스 응답을 고려할 수 있다. 제어 알고리즘은 “Volume And Tone Control In Direct Digital Speakers”이라는 제목으로 출원인들이 출원하여 계류 중인 출원 일련번호 WO2007/135679에서 기술된 것처럼, 제한되는 것은 아니지만 볼륨 및 톤 제어와 같은 추가적 신호 처리 기능들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 디지털 입력 신호가 가정하는 값들의 수는 장치에서 액츄에이터 소자들의 수와 상이할 수 있고, 따라서 컨트롤러는 디지털 입력 신호를 가능한 액츄에이터 소자들의 수로 맞추기 위해 축척(scaling) 기능을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 샘플링 클럭은 액츄에이션 클럭과 상이할 수 있고, 따라서 컨트롤러는 샘플링 클럭을 액츄에이션 클럭으로 맞추기 위해 리샘플링, 샘플링 속도 변환, 보간 또는 데시메이션 기능을 포함할 수 있다.
장치에서 액츄에이터 소자들의 수가 디지털 입력 신호가 취할 수 있는 값들의 수보다 적고 액츄에이션 클럭 주파수가 샘플링 클럭 주파수보다 높을 때, 정량화 노이즈 효과를 최소화하고 액츄에이터 디바이스의 효과적인 분해능을 증가시키기 위해 오버샘플링, 노이즈 쉐이핑, 및 시그마-델타 변조와 같은 공지 기술들이 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 앞서 참조한 M.Hawksford에 의한 특허가 참조된다.
적용분야에 따라, 주어진 시간에 어떤 구체적인 구동 소자들이 래치되거나 또는 해제되는지 선정하는 데 여러 가지 상이한 기준이 사용될 수 있다. 예를 들면, 출원인들이 출원하여 계류 중인 출원 일련번호 WO2007/135678(“Direct digital speaker apparatus having a desired directivity pattern”)에서 기술된 바람직한 지향성 패턴을 생성시키기 위해, 컨트롤러는 액츄에이터 디바이스에서 특정 위치들을 차지하고 있는 구동 소자들을 선택할 수 있다. 대안적으로, 소자 부정합(주지 용어)의 효과를 최소화 하기 위해, 컨트롤러는 의사 랜덤(psuedo-random) 방식으로 가동 소자들을 선택할 수 있다. 또한 다른 선택은 제어 알고리즘을 단순화 하는 방식으로 컨트롤러가 가동 소자들을 선택하는 것이다. 이들 또는 임의의 다른 선택 기준들이 조합될 수도 있다.
컨트롤러는 상기 디지털 입력 신호를 수용하기 위한 산업 표준 인터페이스, 예컨대 I2S, AC’97, HAD, 또는 SLIM버스 인터페이스(이들은 모두 알려진 용어이고, 상표일 수 있다)를 포함할 수 있다.
가동 소자들 및 전극 또는 전극들은 통상 도핑 단결정 실리콘, 도핑 다결정 실리콘, 또는 알루미늄 같은 전기 전도성 물질로 제조되거나 또는 전기 전도층을 적어도 포함한다. 가동 소자들과 전극들 간 공간 층들은 통상 이산화 실리콘 같은 전기 절연 물질로 제조되거나 또는 전기 절연층을 적어도 포함한다. 정전기력이 없는 상태에서 베어링들이 어떠한 영구적 변형도 하지 않고, 정전기력이 가해지지 않았을 때 가동 소자들이 항상 정확히 동일한 정지 위치로 되돌아오도록, 베어링들은 통상 소성 변형을 하지 않고 탄성 변형이 가능한 재료, 예컨대 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 알루미늄과 같은 재료로 제조된다.
본원에서 기술한 액츄에이터 디바이스들 비용 효율적 대량 생산은 예를 들어 다음과 같이 달성될 수 있다. (본 기술분야에서는 “패브”(fabs)로 알려진) 기존 마이크로제조 플랜트에서, 6 인치 또는 8 인치 직경과 같은 산업 표준 치수의 웨이퍼 예컨대, 실리콘 또는 알루미늄 웨이퍼 또는 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼들이 상당량의 액츄에이터 디바이스 제조용 기판으로 사용될 수 있다. 바람직한 액츄에이터 디바이스 크기 및 웨이퍼 크기에 따라, 한 장의 웨이퍼가 수십, 수백 또는 그 이상의 액츄에이터 디바이스들을 제조하기에 충분한 표면적을 가질 수 있다. 대안적으로, 큰 액츄에이터 디바이스가 요구될 경우, 액츄에이터 디바이스는 한 장의 웨이퍼 전체 표면을 채우도록 설계될 수 있다. 그럼에도 불구하고 예를 들어 도 13 및 도 14와 관련하여 설명된 바와 같이, 각각이 하나의 전체 웨이퍼를 채우면서, 몇 개의 큰 액츄에이터 디바이스 어레이들을 하나의 장치로 결합함으로써 더 큰 액츄에이터 디바이스가 구성될 수 있다. 웨이퍼들은 예를 들어 한 번에 25장의 웨이퍼를 처리하는 산업 표준 배치 크기로, 이러한 배치 크기를 위해 설계된 기존 패브 설비를 이용하여 처리될 수 있다.
액츄에이터 디바이스 제조 공정은 통상 연속 공정 단계들을 포함하여, 결과적으로 완전히 갖춰진 액츄에이터 디바이스들이 제조된다. 각 공정 단계는 반도체 또는 MEMS 산업에서 알려진 기술을 따르며, 그것을 위해 적합한 장비는 제한적인 것은 아니지만, 포토리소그래피, 에칭, 열산화, 화학 기상 증착, 트렌치 분리, 이온 주입, 및 확산과 같이 상업적으로 구할 수 있다. 통상 각 공정 단계는 하나의 단계에서 동시에 동일한 웨이퍼 상에서 모든 액츄에이터 디바이스들 중 모든 액츄에이터 소자들에 대한 임의의 특징을 생성한다. 예를 들면, 웨이퍼 상의 모든 액츄에이터 소자들 중 모든 베어링들은 하나의 에칭 공정에서 형성될 수 있고, 웨이퍼 상의 모든 전극들은 전기 전도성을 개선하기 위해 하나의 이온 주입 또는 확산 공정에서 도핑될 수 있고, 및/또는 웨이퍼 상의 모든 전극들 또는 모든 가동 소자들은 하나의 트렌치 분리 단계에서 전기적으로 서로 분리될 수 있다.
본원에서 기술된 컨트롤러의 비용 효율적 대량 생산은 예를 들어 CMOS와 같은 산업 표준 기술을 이용하여, 컨트롤러를 주문형 반도체(ASIC - 주지용어)로 구현함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 기존의, 규격 전자 부품들은 컨트롤러의 일부 또는 모든 부품들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 전자 부품들은 제한적인 것은 아니지만, FPGA, CPLD, DSP 또는 마이크로프로세서(모두 주지용어)와 같은 집적회로; MOSFET, 양극 트랜지스터, 다이오드, 또는 패시브와 같은 개별 전자 부품; 또는 집적 회로와 개별 전자 부품의 임의의 조합을 제한적인 것은 아니지만 포함할 수 있다. 컨트롤러의 임의의 부품들은 하드웨어에 내장된 전자 회로가 아닌 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 이러한 소프트웨어 부품들은 제한적인 것은 아니지만 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 DSP와 같은 임의의 적절한 엔진에 의해 실행될 수 있고, 네이티브 기계 코드, 제한적인 것은 아니지만 C, C++, 또는 Perl과 같은 고급 수준의 프로그래밍 언어, 제한적인 것은 아니지만, MATLAB과 같은 모델링 언어, 또는 제한적인 것은 아니지만 Verilog 또는 VHDL과 같은 임의의 하드웨어 기술 언어를 포함하는 임의의 적절한 프로그래밍 언어로 쓰여질 수 있다.
컨트롤러 및 액츄에이팅 디바이스를 포함한 전체 장치를 형성하는 것은 동일한 웨이퍼 상에서 하나의 다이로 제조하는 것을 포함할 수 있다. 액츄에이터 디바이스의 바람직한 크기, 컨트롤러의 크기 및 웨이퍼 크기에 따라, 하나의 웨이퍼는 많은 수의 이러한 장치들 또는 단지 하나의 이러한 장치들을 제공할 수 있다. 대안적으로, 컨트롤러의 부품들은, 별개의 집적회로로 제조된 다른 부품들을 가지고, 관련된 액츄에이터 디바이스와 동일한 다이의 부품으로 제조될 수 있고, 기존, 규격 전자 부품들로부터 제조되거나 또는 소프트웨어로 구현되거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 컨트롤러의 일부 또는 모든 부분들이 액츄에이터 디바이스와 별개로 집적회로로 제조될 때, 컨트롤러 및 액츄에이터 디바이스 두 개의 별개 제조 공정은 각각 공정 흐름, 공정 형상, 공정 단계의 수, 마스크 수 또는 임의의 다른 특징이 상이할 수 있다. 이로 인해 예를 들어 최저 전반 비용, 최소 크기, 최고 생산량(주지용어), 또는 임의의 다른 요구 성질을 달성하기 위해 각 제조 공정이 별개로 최적화될 수 있다.
대안적인 구현에서, 동일한 소자들이 비의무적이고 불필요한 것으로 정의될 수 있고, 또는 심지어 완전히 제거될 수 있기 때문에, “의무적인”, “필수적인”, “필요” 및 “반드시”와 같은 용어는 명확성을 위해 본원에 기술된 특정 구현 또는 적용의 문맥 내에서 이루어진 구현 선택을 의미하며, 제한적인 것으로 의도된 것은 아닌 것으로 이해된다.
본원에 기술된 임의의 기능들, 예컨대 가동 소자 제어 기능들은 바람직하다면 소프트웨어로 구현될 수 있다고 이해된다.
별개 실시예들의 문맥에서 기술된 본 발명의 특징들은 하나의 실시예로 조합되어 제공될 수도 있다. 반대로, 하나의 실시예 문맥에서 간결성을 위해 또는 임의의 순서로 기술된 방법 단계를 포함한 본 발명의 특징들은 별개로 또는 임의의 적절한 부조합으로 또는 상이한 순서로 제공될 수 있다. 본원에 사용된 “예를 들면”은 제한적인 것으로 의도되지 않은, 구체적 예의 의미로 사용되었다.
본원에 기술되고 도시된 명세서와 도면에서, 시스템 및 그 부유닛으로 기술되거나 도시된 기능들은 방법 및 그 단계로서 제공될 수도 있고, 방법 및 그 단계로서 기술되거나 도시된 기능들은 시스템 및 그 부유닛으로서 제공될 수도 있는 것으로 이해된다. 도면에서 다양한 소자들을 도시하는데 사용된 축척은 표현의 명확성을 위해 단지 예시적 및/또는 적절한 것이며, 제한적인 것으로 의도된 것은 아니다.

Claims (62)

  1. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 적어도 한 속성의 물리적 효과를 발생하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치에 있어서,
    적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 도전성 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 작용하는 각각의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하되, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고, 상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스; 및
    상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 하나의 평판 전극 및 상기 개개의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 물리적 효과가 상기 신호를 나타내도록 상기 순서의 전위차를 인가하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 장치는 각 축을 따라 적어도 하나의 가동 소자의 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 또한 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 위치 센서에 의해 제공되는 정보에 기초하여 상기 적어도 하나의 가동 소자에서 결함을 검출하도록 작동하는,
    정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가동 소자 중 적어도 각각의 하나가 각 축을 따라 움직이는 것은 상기 개개의 가동 소자의 축을 따라 배치된 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 더 제약되며, 상기 기계적 리미터는 극단 위치를 정의하고 상기 가동 소자를 상기 극단 위치를 벗어나서 움직이지 않도록 방지하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 극단 위치 중 하나에 도달한 상기 가동 소자 중 적어도 하나가 상기 기계적 리미터로부터 멀어져 그 이전 위치로 되돌아가는 것을 선택적으로 방지함으로써 상기 가동 소자 중 적어도 하나를 래칭하도록 작동하는 적어도 하나의 래치를 또한 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가동 소자의 어레이는 제1 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 가동 소자들의 제1 다수의 제1그룹들을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 전극은 상기 제1 기하학적 패턴과는 상이한 적어도 하나의 제2 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 전극들의 적어도 제2 다수의 제2그룹들로 분리되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 다수의 그룹들 각각은 상기 컨트롤러에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 기하학적 패턴들은 하나의 제1 그룹이 하나의 제2 그룹과 겹치는 각각의 영역은 하나의 가동 소자만을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 제1 그룹들의 각각의 하나와 상기 제2 그룹들의 각각의 하나 사이에 전압을 인가함으로써 상기 어레이 내에 상기 가동 소자 각각에 작용하는 정전기력을 제어하여 상기 가동 소자 각각을 어드레싱하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액츄에이터 디바이스는 다수의 어레이를 포함하되, 각각의 어레이는 상기 액츄에이터 디바이스 내에서 다른 어레이들의 행과 열에 각각 전기적으로 연결되지 않은 행과 열을 가지는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 그룹은 행을 포함하고 상기 제2 그룹은 열을 포함하며 상기 행과 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스에 걸쳐 연장되어 상기 행이 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 가동 소자를 포함하고 상기 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 전극을 포함하도록 하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 어레이 내 각각의 행에 대해 연속하여, 주기적으로 (a) 다른 모든 행들을 전기적으로 플로팅되게 유지하는 동안 개개의 행만을 소정의 전위에 연결하고 (b) 상기 개개의 행에서 선택된 가동 소자를 어드레싱하도록 작동하는 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 가동 소자를 선택하여 상기 물리적 효과를 만드는 경우 상기 위치 센서에 의해 제공된 위치 정보를 사용하기 위해 작동되는 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  9. 적어도 한 속성이 주기적으로 샘플링되는 디지털 입력 신호의 적어도 한 특성에 부합하는 물리적 효과를 발생하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치에 있어서,
    적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스로서, 각각의 액츄에이터 디바이스는 제1면을 정의하는 도전성 가동 소자의 어레이 및 상기 제1면에 평행한 제2면을 정의하는 적어도 하나의 평판 전극을 포함하며, 각각의 가동 소자는 작용하는 각각의 제1 정전기력에 응답하여 각 축을 따라 앞뒤로 번갈아 이동하도록 제한되게 작동하되, 각각의 가동 소자는 정지 위치를 가지며 상기 제1 정전기력에 의해서만 정지 위치로부터 멀어지도록 구동되고, 상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이 중 적어도 하나의 개개의 가동 소자로 제어된 시간적 순서의 전위차들을 인가하도록 작동하여 상기 제1 정전기력을 선택적으로 발생하는, 적어도 하나의 정전기 평행판 액츄에이터 디바이스; 및
    상기 디지털 입력 신호를 수신하고 이에 따라 상기 적어도 하나의 평판 전극 및 상기 개개의 가동 소자 중 적어도 하나를 제어하도록 작동하여 상기 물리적 효과가 상기 신호를 나타내도록 상기 순서의 전위차를 인가하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 가동 소자의 어레이는 제1 기하학적 디멘션을 따라 연장되며 그 사이에 전기적으로 연결되는 제1 다수의 행들의 가동 소자들을 포함하며,
    상기 평판 전극은 상기 가동 소자의 어레이에 평행하며 제2 기하학적 디멘션을 따라 배열된 가동 소자의 상기 행들에 평행하지 않고 그 사이에 전기적으로 연결된 제2 다수의 열들의 전극들을 포함하는 전극 어레이를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 다수의 열들 중 j번째 열과 I번째 행 간의 전압차를 변경함으로써 물리적 효과를 발생하고 I,j번째 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 상기 다수의 행 중에서 I번째 행의 j번째 소자를 포함하는 I,j번째 소자의 움직임을 지시하는 지를 판정하도록 작동하며, 또한 상기 축을 따라 상기 I,j번째 소자의 위치를 감지하는 위치센서를 더 포함하되, 상기 위치 센서는 가동 소자가 이상 움직임 패턴을 가지고 있음을 상기 컨트롤러에 알리고, 상기 컨트롤러는 그 가동 소자를 결함으로 표시하여 상기 가동 소자는 더 이상 이용하지 않는, 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 다수 열 중 j번째 열과 상기 I번째 행 사이에 전압을 인가하기 위하여 작동되도록 제어되는 전압원을 또한 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제2 다수 열 중 j번째 열과 상기 I번째 행을 단락함으로써 상기 전압차를 변경하기 위한 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 행은 상기 열에 수직인 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 소정의 시간 동안 전압을 인가한 후 I번째 행 및 j번째 열 중 적어도 하나가 연결 해제되는 전압원을 제어하기 위한 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    전압원을 제어하기 위한 상기 장치는 상기 시간이 I,j번째 가동 소자가 여전히 움직이는 동안 종료되는 것을 특징으로 하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 위치 센서는 정전용량 센서를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 컨트롤러가 I번째 행 및 j번째 열 중 적어도 하나가 [a]전압원으로부터 연결 해제되도록 작동한 이후 상기 컨트롤러가 전압이 소정의 시간 동안 인가되도록 작동하며, 상기 시간은 I,j번째 가동 소자가 여전히 움직이는 동안 종료되고, 상기 정전용량 센서는 I,j번째 가동 소자 및 I,j번째 전극 사이에 전압차에 있어서 시간에 따른 변화를 측정하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  17. 제9항에 있어서,
    전압원을 제어하여 상기 제2 다수 열의 b번째 열과 a 및 c번째 행들 사이에 전압을 인가하고, 소정의 시간 이후에 (i) 상기 a 및 c번째 행 둘 다 및 (ii) b번째 열 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제함으로써, 물리적 효과를 발생시키고 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 적어도 a,b번째 가동 소자 및 c,b번째 가동 소자의 움직임을 지시하는 지를 상기 컨트롤러가 판정하도록 작동하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 전압원을 제어하여 상기 제2 다수 열 중 b번째와 d번째 열들 각각 및 a번째 행 사이에 전압을 인가하고, 소정의 시간 이후에 (i) 상기 b번째 및 d번째 열 둘 다 및 (ii) a번째 행 중 적어도 하나를 상기 전압원으로부터 연결 해제함으로써, 물리적 효과를 발생시키고 가동 소자의 움직임을 유도하기 위하여 적어도 a,b번째 가동 소자 및 a,d번째 가동 소자의 움직임을 지시하는 지를 상기 컨트롤러가 판정하도록 작동하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 효과는 소리를 포함하며, 상기 속성은 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 가동 소자 중 적어도 각각의 하나가 각 축을 따라 움직이는 것은 상기 개개의 가동 소자의 축을 따라 배치된 적어도 하나의 기계적 리미터에 의해 더 제약되며, 상기 기계적 리미터는 극단 위치를 정의하고 상기 가동 소자를 상기 극단 위치를 벗어나서 움직이지 않도록 방지하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 극단 위치 중 하나에 도달한 상기 가동 소자 중 적어도 하나가 상기 기계적 리미터로부터 멀어져 그 이전 위치로 되돌아가는 것을 선택적으로 방지함으로써 상기 가동 소자 중 적어도 하나를 래칭하도록 작동하는 적어도 하나의 래치를 또한 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 가동 소자의 어레이는 제1 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 가동 소자들의 제1 다수의 제1그룹들을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 전극은 상기 제1 기하학적 패턴과는 상이한 적어도 하나의 제2 기하학적 패턴으로 배열된 전기적으로 상호 연결된 전극들의 적어도 제2 다수의 제2그룹들로 분리되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 다수의 그룹들 각각은 상기 컨트롤러에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 기하학적 패턴들은 하나의 제1 그룹이 하나의 제2 그룹과 겹치는 각각의 영역은 하나의 가동 소자만을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 제1 그룹들의 각각의 하나와 상기 제2 그룹들의 각각의 하나 사이에 전압을 인가함으로써 상기 어레이 내에 상기 가동 소자 각각에 작용하는 정전기력을 제어하여 상기 가동 소자 각각을 어드레싱하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 액츄에이터 디바이스는 다수의 어레이들을 포함하며, 각각의 어레이는 상기 액츄에이터 디바이스 내에서 다른 어레이의 행과 열에 각각 전기적으로 연결되지 않은 행과 열을 가지는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 제1 그룹은 행을 포함하고 상기 제2 그룹은 열을 포함하며 상기 행과 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스에 걸쳐 연장되어 상기 행이 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 가동 소자를 포함하고 상기 열은 2 이상의 액츄에이터 디바이스 내에 위치한 전극을 포함하도록 하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 어레이에서의 각각의 행에 대해 연속하여, 주기적으로 (a) 다른 모든 행을 전기적으로 플로팅되게 유지하면서 각각의 행만을 소정의 전위에 연결하며 (b) 상기 각각의 행에서 선택된 가동 소자를 어드레싱하도록 작동하는 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 가동 소자를 선택하여 상기 물리적 효과를 만드는 경우 상기 위치 센서에 의해 제공된 위치 정보를 사용하기 위해 작동되는 장치를 포함하는 정전기 평행판 액츄에이터 장치.
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