KR100586967B1 - 회전형 빗살 구동 액츄에이터 및 이를 이용한 가변 광감쇄기 - Google Patents

회전형 빗살 구동 액츄에이터 및 이를 이용한 가변 광감쇄기 Download PDF

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    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type

Abstract

본 발명은 MEMS 기술에 의해 제공되며 빗살 모양의 전극 사이에 인가되는 인력을 이용한 액츄에이터(Actuator) 및 이를 이용한 광 감쇄기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 회전형 빗살 구동 액츄에이터는, 기판과; 상기 기판 면에 평행한 움직임이 가능하도록 배열되며, 다수의 핑거로 형성되는 빗살 전극을 갖도록 소정의 길이로 형성되는 이동 전극과; 상기 이동 전극에 정전력을 가할 수 있도록, 상기 이동 전극에 대응하는 길이로 형성되며, 상기 이동 전극의 빗살 전극과 서로 대향하며 맞물리도록 배열되는 빗살 전극을 갖고, 상기 기판 상에 고정되는 구동 전극과; 상기 기판에 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일단부의 양 측면에서 상기 이동 전극에 수직하게 연결되는 수직 스프링과; 상기 수직 스프링에 연결되어, 상기 수직 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수직 스프링 앵커와; 주된 부분이 상기 이동 전극의 길이 방향으로 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일 측면에 연결되는 수평 스프링; 및 상기 수평 스프링에 연결되어, 상기 수평 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수평 스프링 앵커를 포함하는 것을 특징으로 한다.
actuator, 회전, 빗살, 광 감쇄기

Description

회전형 빗살 구동 액츄에이터 및 이를 이용한 가변 광 감쇄기{ACTUATOR AND ATTENUATOR MOTIVATED BY ROTATIONAL TYPE COMB}
도 1(a) 내지 도 1(c)는 종래의 빗살 구동 액츄에이터 및 대안의 액츄에이터를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 동작을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 평면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터를 이용한 가변형 광 감쇄기의 평면도.
본 발명은 마이크로 전기기계 장치(Micro Electro Mechanical Systems: 이하 'MEMS'라 칭함) 기술에 의해 제공되는 액츄에이터(Actuator) 및 이를 이용한 광 감쇄기에 관한 것으로, 특히 빗살 모양의 전극 사이에 인가되는 인력을 이용한 액츄에이터 및 광 감쇄기에 관한 것이다.
일반적으로, 빗살 구동 액츄에이터란, 다수의 빗살 모양의 핑거(finger)를 갖는 전극이 서로 대향하여 맞물려 있으면서, 상기 두 전극에 가해지는 전압을 이용하여 상기 전극의 위치를 변형시킬 수 있는 액츄에이터를 말한다.
특히, MEMS 기술을 적용한 빗살 구동 액츄에이터는 단위 면적당 정전력 발생 효율 및 구동 변위에 대한 선형성 등이 우수하다. W.C. Tang 등(US 5,025,346)이 기판면에 평행하게 움직이는 공진 구조체를 개발한 이후 자이로(gyro), 가속도계(accelerometer),기계적필터(mechanical filter), 가변광 감쇄기( variable optical attenuator), 광 스위치(optical switch) 등에 많이 사용되고 있다. 그리고 A.P.Lee 등(US 5,969,848)등은 기판에 수직하게 움직이는 빗살 구동 정정 액츄에이터를 발명하여 corner cube reflector 용 액츄에이터의 대체 응용을 제안하였다. B. Bhin 등(US 6,612,029)은 빗살 전극을 이용해 기판면으로부터 어긋나는 회전 변형을 일으키는 액츄에이터를 발명하였다.
기판면에 평행하게 움직이는 빗살 구동 액츄에이터를 이용해 기판 위에 정렬된 두 개의 광섬유 사이 간격에 마이크로 셔터를 삽입하면 광섬유 간에 전송되는 광량을 제어할 수 있다. 이러한 원리를 적용함으로써, 빗살 구동 액츄에이터를 이용하여 광 가변 감쇄기 또는 광 스위치의 개발이 가능하다.
그런데 빗살 구동 방식은 소모되는 전류는 거의 없는 반면 구동력을 높이기 위해 큰 전압이 소모된다. 즉 일정 변위를 발생시키기 위해 높은 전압이 필요하게 되므로, 5V 이하의 일반 디지털 신호로 제어하기 위해서는 부가적으로 전압 증폭 회로 등을 구성해야만 하며, 이로 인하여 소자의 크기가 커지고, 제품의 단가가 높아지는 문제가 있다.
대안으로서는, 일반의 빗살 구동 액츄에이터에 구동 행정을 유지하면서 구동 전압을 낮추는 방법으로는, 첫째 단순히 빗살 전극의 수를 늘리거나, 둘째 액츄에이터의 강성을 낮추는 방법이 있다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 종래의 빗살 구동 액츄에이터 및 대안의 액츄에이터를 도시한 도면이다.
도 1(a)는 W.C. Tang 등(US 5,025,346)이 제시한 빗살 구동 액츄에이터로서, 기판(도시되지 않음) 상에 고정되는 고정 빗살 전극(1)과, 상기 고정 빗살 전극(1)과 대향하여 맞물려 있는 이동 빗살 전극(2)을 포함한다. 상기 이동 빗살 전극(2) 에는 수평축(3)이 수직으로 연결되어 있다. 상기 수평축(3)의 양단부에는 수직 스프링(4,5)이 각각 연결되어 있다. 여기서 상기 고정 빗살 전극(1)과 상기 수직 스프링(4,5)은 앵커(6, 7, 8)에 의하여 기판 상에 고정된다. 이와 같은 구조에서 종래의 빗살 구동 액츄에이터는 기판에 평행하게 움직이고 병진 운동을 하는 특징을 갖는다.
도 1(a)에서 나타난 바와 같이, 스프링 상수 k를 갖는 빗살 구동 액츄에이터에 전압 Vo를 가했을 때 정적인 변위 δ가 발생한다고 가정하자. 이러한 정적인 변위 δ를 발생시키기 위한 전압을 좀더 줄일 수 있다면 전압 증폭회로를 배제할 수 있고 제품의 사이즈를 축소할 수 있어 많은 장점이 있게 된다.
이와 같이 종래의 빗살 구동 액츄에이터에서 구동 전압을 반으로 줄이기 위해서는, 구동력은 구동 전압의 제곱에 비례하므로 구동력을 4배 증가시키거나 강성을 4분의 1로 감소시켜야 한다. 이러한 대안은 다음의 도 1(b) 및 도 1(c)에 나타난다.
도 1(b)는 종래의 빗살 구동 액츄에이터에서 강성을 4분의 1로 줄인 설계(0.25k)를 나타낸다. 그리고 도 1(c)는 종래의 빗살 구동 액츄에이터에서 빗살 전극의 개수를 4배 증가하여 구동력을 4배로 키운 설계를 나타낸다.
이 경우 도 1(a)의 구조체에 대한 공진 주파수가 ω라고 가정하면 도 1(b)의 경우는 0.5ω, 도 1(c)의 경우는 0.5ω에 가까운 값을 보이며 공진 주파수가 떨어진다. 즉 기존의 구조에 비해 외부 진동에 취약한 구조라 할 수 있다.
예를 들어, 원래 20V의 구동 전압에 25um 이동 가능한 빗살 전극 액츄에이터가 있다고 가정하자. 이러한 액츄에이터의 공진 주파수는 약 1kHz 정도로 설계 가능하다. 이 액츄에이터를 빗살 전극 개수와 강성을 변화하여 5V 이내의 구동으로 25um 수준의 구동 행정을 내는 빗살 구동 액츄에이터를 개발하고자 하는 경우에, 빗살 전극의 증가량만큼 액츄에이터의 질량이 증가하고 강성은 낮아지므로 구조체의 공진 주파수가 200Hz 수준 이하로 떨어진다.
실제로, 종래 기술을 이용한 빗살 구동 액츄에이터를 제작하여 실험한 결과 구동 행정이 25um일 경우 가해진 전압은 20V 수준이고 이때의 공진 주파수는 900Hz 이 된다. 이 구동 전압을 디지털 신호로 구동 가능하도록 5V 이하로 낮추고 구동 행정을 25um로 유지할 수 있다면, 앞서 설명한 가변 광 감쇄기 등의 응용에서 구동 전압 증폭 회로가 배제되고 제품 크기가 축소되어 높은 제품 경쟁력을 확보할 수 있다. 그런데 종래의 기술을 사용하여 설계 제작한 경우 공진 주파수가 250Hz 미만으로 실험되어(빗살 전극 개수 8배 증가, 강성 1/2 감소) 외부 진동에 따라 응답의 변동이 생기고 구조체 자체 무게에 의해서도 응답 드리프트가 발생하는 등 제품 구현에 한계가 있다.
게다가, 광통신 망에서 광신호의 파워를 조절하기 위한 광 감쇄기에 대하여, 위와 같은 종래의 빗살 구동 액츄에이터를 이용하는 경우에, 단순히 빗살의 개수를 증가하거나 스프링의 강성을 감소시켜 전압대비 구동 행정을 높이는 방법은 구조체의 공진 주파수를 낮추어 외부 진동에 따라 민감하게 변동하는 문제점을 갖는다. 즉, 광 감쇄기는 입사되는 빛을 일정한 광량으로 감쇄해야 하지만, 외부 진동이 가해지는 경우에는 광 감쇄기의 기본 기능을 만족하지 못하는 등의 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 추가적인 회로가 없어도, 낮은 구동 전압을 이용하여 원하는 구동 행정을 얻을 수 있는 액츄에이터를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 소형으로 용이하게 구현할 수 있으면서도, 원하는 구동행정을 얻을 수 있는 액츄에이터를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 소형으로 제작될 수 있으면서도, 낮은 전압을 이용하여 입사되는 빛을 일정한 광량으로 조절할 수 있는 가변형 광 감쇄기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전형 빗살 구동 액츄에이터는, 기판과; 상기 기판 면에 평행한 움직임이 가능하도록 배열되며, 다수의 핑거로 형성되는 빗살 전극을 갖도록 소정의 길이로 형성되는 이동 전극과; 상기 이동 전극에 정전력을 가할 수 있도록, 상기 이동 전극에 대응하는 길이로 형성되며, 상기 이동 전극의 빗살 전극과 서로 대향하며 맞물리도록 배열되는 빗살 전극을 갖고, 상기 기판 상에 고정되는 구동 전극과; 상기 기판에 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일단부의 양 측면에서 상기 이동 전극에 수직하게 연결되는 수직 스프링과; 상기 수직 스프링에 연결되어, 상기 수직 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수직 스프링 앵커와; 주된 부분이 상기 이동 전극의 길이 방향으로 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일 측면에 연결되는 수평 스프링;및 상기 수평 스프링에 연결되어, 상기 수평 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수평 스프링 앵커를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이동 전극에 연결된 빗살 전극과, 상기 구동 전극에 연결된 빗살 전극은 회전 이동이 발생하여도 서로 간섭이 발생하지 않도록 상기 이동 전극 상의 회전점을 중심으로 동심원으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수직 스프링은 상기 이동 전극 상의 회전점(29)을 중심으로 하여 서로 대칭되는 구조로 배열되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 수평 스프링의 일단은 수직으로 꺾여서 상기 이동 전극의 일측면에 연결되고, 타단은 역시 수직으로 꺾여서 수평 스프링 앵커에 연결되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다른 회전형 빗살 구동 액츄에이터는, 상기 이동 전극상의 회전점에 인접한 단부에, 상기 이동 전극의 길이 방향으로 평행하게 배열되는 보조 수평 스프링;및 상기 보조 수평 스프링에 연결되어, 상기 수평 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 보조 수평 스프링 앵커를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수평 스프링은 접힌 미앤더 라인(meander line) 구조로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 회전형 빗살 구동 액츄에이터는, 상기 액츄에이터에 병진 운동 방향의 진동 잡음이 발생하는 경우, 그 가진력이 상기 이동 전극 상의 회전점에 작용하도록, 상기 이동 전극 상의 회전점에 인접한 단부에 소정의 무게를 갖는 대응 질량을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변형 광 감쇄기는, 상술 한 회전형 빗살 구동 액츄에이터와; 상기 기판 상에 배열되며, 빛이 입사되는 송신 광섬유와; 상기 송신 광섬유와 동일축선 상에 배열되며, 상기 빛이 출력되는 수신 광섬유와; 일단이 상기 이동 전극 상의 회전점과 먼 단부에 연결되며, 타단은 상기 빛을 차단하기 위한 구조로 형성되어 상기 수신 광섬유로 출력되는 빛을 조절할 수 있는 마이크로 셔터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20)는 실리콘 기판(21)과, 빗살 모양의 이동 전극(22) 및 고정 전극(23)과, 수직 스프링(24, 24a)과 수평 스프링(26) 및 이들을 고정하기 위한 앵커(25, 25a, 27)를 포함한다.
상기 이동 전극(22)은 상기 실리콘 기판(21)위에서, 기판(21)으로부터 임의의 간격을 갖고 떨어져서 기판(21) 면에 평행한 움직임이 가능하도록 배열된다. 그리고 상기 이동 전극(22)은 수평 방향으로 길게 형성되며, 정전력으로 구동될 수 있도록 다수의 핑거(finger)로 이루어지는 빗살 전극이 형성된다.
상기 구동 전극(23)은 상기 이동 전극(22)에 정전력을 가할 수 있도록 다수의 핑커로 이루어지는 빗살 전극이 형성되며, 상기 기판(21) 상에 산화막(28a)에 의하여 고정된다. 상기 구동 전극(23)은 역시 수평 방향으로 상기 이동 전극(22)에 대응하는 길이로 형성된다. 이때 상기 이동 전극(22)과 상기 구동 전극(23)에 형성된 빗살 전극은 서로 대향하며 맞물리는 구조를 갖도록 배열된다.
상기 이동 전극(22)의 일단부의 양 측면에는 수직 스프링(24, 24a)이 연결된다. 상기 수직 스프링(24, 24a)은 상기 기판(21)에 평행하게 배열되며 상기 이동 전극(22)의 길이 방향에 수직한 수직하게 연결된다. 그리고 상기 수직 스프링(24, 24a)은 상기 이동 전극(20) 상의 회전점(29)을 중심으로 하여 서로 대칭되는 구조로 배열되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 수직 스프링(24, 24a)의 타단에는 상기 수직 스프링(24, 24a)을 지지하기 위한 수직 스프링 앵커(25, 25a)가 각각 연결된다. 상기 수직 스프링 앵커(25, 25a)는 각각 상기 기판(21) 상에 산화막(28b)에 의하여 고정된다.
상기 수평 스프링(26)은 주된 부분이 상기 이동 전극(22)의 길이 방향으로 평행하게 배열된다. 그리고 상기 수평 스프링(26)의 일단은 수직으로 꺾여서 상기 이동 전극(22)의 일측면에 연결되고, 타단은 역시 수직으로 꺾여서 수평 스프링 앵커(27)에 연결된다. 상기 수평 스프링 앵커(27)는 상기 수평 스프링(26)을 지지하는 기능을 하며, 상기 기판(21) 상에 산화막(28c)에 의하여 고정된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 동작을 도시한 도면이다.
도 3(a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20)에 회전 변위가 없는 경우를 도시한 도면이다. 반면에, 도 3(b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20)에 회전 변위(δ)가 발생한 경우를 도시한 도면이다.
상기 도 3(a) 및 도 3(b)에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 회전형 빗살구동 액츄에이터(20)는 상기 구동 전극(23)에 전압(Vs=V0)을 가할 경우 상기 이동 전극(22)이 회전점(29)을 중심으로 회전하며 구동된다. 도 3(a)에서 나타난 바와 같이, 상기 이동 전극(22)의 길이 방향에 수직한 방향으로 구비된 보 스프링인 상기 수직 스프링(24, 24a)은 그 기하학적 구조상 상기 이동 가능 전극(22)이 수평 방향(x방향)으로 병진 운동(translational motion)하거나 상기 회전점(10)을 중심 으로 회전 운동할 경우는 강성이 작고, 상기 이동 전극(22)이 수직 방향(y방향)으로 병진 운동하는 경우에는 매우 큰 강성으로 운동을 방해한다.
또한 상기 이동 전극(22)의 길이 방향에 평행하게 구비된 보 스프링인 상기 수평 스프링(26)은 상기 이동 전극(22)이 회전하거나 수직 방향(y 방향)으로 병진 운동하는 경우에는 강성이 작고 수평 방향(x 방향)으로 병진 운동할 경우에는 매우 큰 강성으로 운동을 방해한다.
이와 같이 본 발명에 따른 액츄에이터(22)는 상기 수직 스프링(24, 24a)과 상기 수평 스프링(26)이 동시 구비하고 있으므로, 상기 이동 전극(22)은 상기 회전점(29)을 중심으로 회전하는 모드만 낮은 강성으로 안내되고, 이 외의 모든 평면상의 병진 운동은 제한된다.
도 3(b)에 나타난 바와 같이, 상기 이동 전극(22), 수직 스프링(24, 24a), 수평 스프링(26), 수직 스프링 앵커(25, 25a), 수평 스프링 앵커(27)로 구성된 구조체(structure)는 접지 상태로 연결되고 상기 구동 전극(23)에 V0의 전위차를 가하면 상기 구동 전극(23)과 이동 전극(22) 사이에 정전력이 가해져, 상기 이동 전극(22)이 상기 회전점(10)을 중심으로 회전 구동 된다. 이와 같이 상기 이동 전극(22)이 회전 구동함에 따라, 상기 이동 전극(22)은 원래의 위치로부터 일정한 거 리(δ)만큼 변위가 발생한다. 이러한 이동 전극(22)이 이동하는 거리(δ)는 상기 이동 전극의 수평 방향(x방향)에 대한 길이를 변화시킴으로써 조절할 수 있으며, 또한 상기 구동 전극(23)에 가해지는 전압을 임의로 조절함으로써 조절할 수도 있다.
상기 이동 전극(22)에 연결된 빗살 전극과 상기 구동 전극(23)에 연결된 빗살 전극은 회전 이동이 발생하여도 서로 간섭이 발생하지 않도록 상기 회전점(10)을 중심으로 원호를 따라서 곡선의 형태를 이동될 수 있도록 동심원으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(40)는 수평 방향(x방향)의 보 스프링인 보조 수평 스프링(41) 및 보조 수평 스프링 앵커(42)가 추가된다. 상기 보조 수평 스프링 앵커(42)는 상기 기판(21) 상에 산화막(43)에 의하여 고정된다.
이와 같이 상기 회전형 빗살 구동 액츄에이터(40)는 상기 이동 전극(22) 상의 상기 회전점(29)에 인접한 단부에서 상기 이동 전극(22)의 길이 방향과 평행하게 연결되는 보조 수평 스프링(41)과, 상기 보조 수평 스프링(41)을 지지하기 위한 보조 수평 스프링 앵커(42)를 갖게 됨으로써, 상기 이동 전극(22)의 수평 방향(x방향)에 대한 움직임을 더욱 큰 강성으로 제한할 수 있다.
또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(40)는 수평 스프링(44)이 접힌 미앤더 라인(meander line) 구조로 형성될 수 있다. 이러한 미앤더 라인 구조의 수평 스프링(44)은 상기 제2 실시예뿐만 아니라 본원의 다른 실시예에서 나타나는 모든 액츄에이터에 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터의 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(50)는 회전점(29)을 중심으로 상기 이동 전극(22)의 반대 방향에 대응 질량(mass)(51)을 더 포함한다. 상기 대응 질량(51)은 상기 기판(21)에 고정되지 않고서, 상기 회전점(29)이 무게 중심이 되도록 일정한 무게를 갖는다.
본 발명의 제3 실시예와 같이 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(50)에 대응 질량을 구성할 경우 외부로부터 어떠한 병진 운동 방향의 진동 잡음이 발생하여도 그 가진력이 무게 중심 즉 상기 회전점(29)에 작용하게 되므로 가진에 의한 액츄에이터(50)에의 모멘트 발생을 제거할 수 있다. 상기 대응 질량(51)을 갖는 회전형 빗살 구동 액츄에이터(50)는 외부 가진에 의한 회전 운동 발생을 최소화 할 수 있고, 앞서 설명한 바와 같이 수직 스프링(24, 24a)과 수평 스프링(26)의 작용으로 병진 운동에는 매우 높은 강성을 가지므로 외부 진동에 둔감한 특징을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20, 40, 50)는 저전압 구동에도 대변위가 발생 가능한 특징을 지니고 있으며, SOI (silicon on insulator) 웨이퍼를 이용한 MEMS 공정으로 제작 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터를 이용한 가변형 광 감쇄기의 평면도이다. 도 6(a)는 빗살 구동 엑츄에이터에 회전 변이가 발생하지 않은 경우를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변형 광 감쇄기(60)는 광통신 망에서 광신호의 파워를 조절하는 기능을 한다. 상기 광 감쇄기(60)는 위에서 설명한 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20, 40, 50)를 이용하며, 마이크로 셔터(Micro Shutter)(61)와, 광섬유로 이루어지는 송신 광섬유(62) 및 수신 광섬유(63)를 더 포함한다. 상기 마이크로 셔터(61)와 상기 송수신 광섬유(62, 63)는 상기 실리콘 기판(21) 상에 배열된다. 여기서 도 6에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20)가 도시되어 있으나, 상기 제2 및 제3실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(40, 50)를 적용할 수도 있다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 회전형 빗살 구동 엑츄에이터(20, 40, 50)의 구성 및 작용은 위에서 이미 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략될 것이다.
그리고 상기 송신 광섬유(62)로부터 입사되는 빛(64)이 상기 수신 광섬유(64)를 통하여 출력될 수 있도록, 상기 송신 광섬유(62)와 수신 광섬유(63)의 광축은 동일 직선상에 배열된다.
도 6(a)에 나타난 바와 같이, 상기 마이크로 셔터(61)는 그 일단이 회전형 빗살 구동 액츄에이터의 상기 이동 전극(22) 상의 회전점(29)과 먼 단부에 연결되며, 타단은 상기 송신 광섬유(62)와 수신 광섬유(63) 사이에 위치하여 빛(64)을 차단하는 기능을 한다. 즉, 전압이 가해지지 않은 상태에서 상기 마이크로 셔터(61)는 상기 송신 광섬유(62)와 수신 광섬유(63) 사이의 광로를 가로막고 빛을 차단하여 광량을 최대한 감쇄한다. 이때 상기 마이크로 셔터(61)의 단부는 빛의 진행을 차단 또는 반사할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
도 6(b)는 빗살 구동 엑츄에이터에 회전 변이가 발생한 경우를 도시한 도면이다. 도 6(b)에서와 같이 구동 전극(23)에 전압이 가해지면 액츄에이터의 이동 전극(22)은 회전 이동을 하고, 상기 마이크로 셔터(61)는 빛(64)을 가로막았던 광 경로에서 후진하여 상기 수신 광섬유(63)로 삽입되는 광량을 최대화, 즉 광량의 감쇄를 최소화한다. 또한 상기 구동 전극(23)에 가해지는 전압을 임의로 조절함으로써 광통신 신호를 제어할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 회전형 빗살 구동 액츄에이터에 따르면, 추가적인 회로가 없어도, 낮은 구동 전압을 이용하여 원하는 구동 행정을 얻을 수 있는 이점이 있다. 즉, 회전형 빗살 구동 액츄에이터를 외부 진동에 둔감한 공진 영역에서 설계한 후 5V 이하의 낮은 전압을 가해 회전 변위를 발생하여도 액츄에이터 끝점의 선형 변위가 얻고자 하는 구동 행정(예 25um)에 못 미칠 경우 액츄에이터의 이동 전극의 길이를 증가하여 얻고자 하는 변위를 증폭할 수 있다. 따라서 외부 진동에 영향을 적게 받으면서도 낮은 전압으로도 원하는 선형 변위를 발생할 수 있게 된다. 실제 설계 제작을 통해 구현한 5V 구동 25um 행정의 회전형 빗살 구동 액츄에이터의 공진 주파수는 1.4kHz로 실험되어 외부 진동에 대해 둔감한 응답 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
또한 본 발명에 따르면, 회전형 빗살 구동 액츄에이터를 소형으로 용이하게 구현할 수 있으면서도, 원하는 구동행정을 얻을 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 회전형 빗살 구동 액츄에이터를 이용하여 소형의 광 감쇄기를 용이하게 구현할 수 있으며, 게다가 낮은 전압을 이용하여 입사되는 빛을 일정한 광량으로 조절하여 출력되는 빛을 조절할 수 있는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 면에 평행한 움직임이 가능하도록 배열되며, 다수의 핑거로 형성되는 빗살 전극을 갖도록 소정의 길이로 형성되는 이동 전극;
    상기 이동 전극에 정전력을 가할 수 있도록, 상기 이동 전극에 대응하는 길이로 형성되며, 상기 이동 전극의 빗살 전극과 서로 대향하며 맞물리도록 배열되는 빗살 전극을 갖고, 상기 기판 상에 고정되는 구동 전극;
    상기 기판에 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일단부의 양 측면에서 상기 이동 전극에 수직하게 연결되는 수직 스프링;
    상기 수직 스프링에 연결되어, 상기 수직 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수직 스프링 앵커;
    주된 부분이 상기 이동 전극의 길이 방향으로 평행하게 배열되며, 상기 이동 전극의 일 측면에 연결되는 수평 스프링;및
    상기 수평 스프링에 연결되어, 상기 수평 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 수평 스프링 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이동 전극에 연결된 빗살 전극과, 상기 구동 전극에 연결된 빗살 전극은 회전 이동이 발생하여도 서로 간섭이 발생하지 않도록 상기 이동 전극 상의 회전점을 중심으로 동심원으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수직 스프링은 상기 이동 전극 상의 회전점(29)을 중심으로 하여 서로 대칭되는 구조로 배열되는 것을 특징을 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수평 스프링의 일단은 수직으로 꺾여서 상기 이동 전극의 일측면에 연결되고, 타단은 역시 수직으로 꺾여서 수평 스프링 앵커에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이동 전극상의 회전점에 인접한 단부에, 상기 이동 전극의 길이 방향으 로 평행하게 배열되는 보조 수평 스프링;및
    상기 보조 수평 스프링에 연결되어, 상기 수평 스프링을 지지하며 상기 기판에 고정되는 보조 수평 스프링 앵커를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  7. 제1항에 있어서, 수평 스프링은 접힌 미앤더 라인(meander line) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터에 병진 운동 방향의 진동 잡음이 발생하는 경우, 그 가진력이 상기 이동 전극 상의 회전점에 작용하도록, 상기 이동 전극 상의 회전점에 인접한 단부에 소정의 무게를 갖는 대응 질량을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 빗살 구동 액츄에이터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회전형 빗살 구동 액츄에이터;
    상기 기판 상에 배열되며, 빛이 입사되는 송신 광섬유;
    상기 송신 광섬유와 동일축선 상에 배열되며, 상기 빛이 출력되는 수신 광섬 유;
    일단이 상기 이동 전극 상의 회전점과 먼 단부에 연결되며, 타단은 상기 빛을 차단하기 위한 구조로 형성되어 상기 수신 광섬유로 출력되는 빛을 조절할 수 있는 마이크로 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 광 감쇄기.
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