KR100619177B1 - 미소 가동 디바이스 - Google Patents

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KR100619177B1
KR100619177B1 KR1020030051219A KR20030051219A KR100619177B1 KR 100619177 B1 KR100619177 B1 KR 100619177B1 KR 1020030051219 A KR1020030051219 A KR 1020030051219A KR 20030051219 A KR20030051219 A KR 20030051219A KR 100619177 B1 KR100619177 B1 KR 100619177B1
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가토요시치카
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닛뽄 고쿠 덴시 고교 가부시키가이샤
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
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Abstract

고정 전극 기판(8)과 앵커부(23) 및 플렉셔(21)를 거쳐서 지지 프레임(10)에 결합 유지되고, 고정 전극 기판(8)과의 사이에 소정 간격을 갖는 가동 전극판(2)을 갖고, 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2)과의 사이에 교류 구동 회로(60)에 의해 극성이 교번하는 교류 구동 전압을 인가해서 정전기력에 의해 가동 전극판(2)을 구동하고 이것을 고정 전극 기판(8)에 흡착 유지시키는 마이크로 머시닝 기술을 적용하여 제조된 미소 가동 디바이스이다.
고정 전극 기판, 가동 전극판, 지지 프레임, 앵커부, 플렉셔

Description

미소 가동 디바이스{MICROMACHINED MOVING DEVICE}
도 1a는 광 스위치에 응용한 종래의 미소 가동 디바이스의 평면도,
도 1b는 도 1a에서의 1B-1B단면도,
도 2a는 본 발명에 의한 미소 가동 디바이스의 실시예의 평면도,
도 2b는 도 2a 및 도 2c에서의 2B-2B 단면도,
도 2c는 고정 전극 기판의 평면도,
도 3a는 정현파의 구동 전압 파형을 도시한 도면,
도 3b는 직사각형파의 구동 전압 파형을 도시한 도면,
도 3c는 삼각파의 구동 전압 파형을 도시한 도면,
도 4a는 구동 전압 파형의 다른 예를 도시하는 도면,
도 4b는 구동 전압 파형의 또 다른 예를 도시하는 도면,
도 5a는 특정 형상, 치수의 미소 가동 소자의 동작을 시뮬레이션으로 견적하기 위해서 전압을 인가한 구동 전압 파형을 도시한 도면,
도 5b는 상기 구동 전압 파형에 대해서, 시뮬레이션으로 구한 가동 전극판과 고정 전극 기판 사이의 거리의 변화를 도시한 도면,
도 6a는 미소 가동 디바이스의 다른 구성예를 도시하는 평면도,
도 6b는 도 6a 및 6c에서의 6B-6B 단면도,
도 6c는 고정 전극 기판의 평면도,
도 7은 도 3a, 3b 또는 3c의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로의 구성예를 도시하는 블록도,
도 8은 도 4a의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로의 구성예를 도시하는 블록도,
도 9는 도 4a의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로의 다른 구성예를 도시하는 블록도,
도 10은 도 4b의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로의 구성예를 도시하는 블록도,
도 11은 도 4b의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로의 다른 구성예를 도시하는 블록도,
도 12는, 도 11의 교류 구동 회로의 다른 동작예의 각 신호를 도시한 도면.
본 발명은, 미소 가동 디바이스에 관한 것이며, 특히 주기적으로 극성을 변화하는 전압을 고정 전극판과 가동 전극판 사이에 전압을 인가하여 가동 전극판을 구동하는 미소 가동 디바이스의 가동 전극판의 고정 전극 기판에 대한 부착을 방지한 미소 가동 디바이스에 관한 것이다.
도 1a 및 1b를 참조하여 종래의 미소 가동 디바이스를 광 스위치에 응용한 예로서 설명한다. 도 1a는 미소 가동 디바이스의 평면도, 도 1b는 도 1a에서의 선 1B-1B에 따른 단면을 도시한다.
도 1a, 1b에서, 10은 지지 프레임, 23은 앵커부, 21은 플렉셔, 2는 가동 전극판, 8은 고정 전극을 겸한 기판, 2E는 가동 전극 단자, 8E는 고정 전극 단자이다. 가동 전극판(2)은 가동 전극으로서 기능하고, 플렉셔(21) 및 앵커부(23)를 거쳐서 지지 프레임(10)에 결합하고 있다. 힌지로서 기능하는 플렉셔(21)는 테두리 형상으로 구성되어 있어서, 가동 전극판(2)을 도 1b에서 상하 변위 가능하게 탄성적으로 유지하고 있다. 직사각형의 실리콘 단결정판으로 형성된 지지 프레임(10)의 위에 산화 실리콘의 절연층(11)을 형성하고, 그 위에 앵커부(23)와 플렉셔(21)를 가진 가동 전극판(2)이 형성되고, 또한 지지 프레임(10)을 형성하는 실리콘 단결정판을 관통하여 스폿 페이싱 구멍(12)이 형성되어 있다. 즉, 실리콘 단결정판은, 도 1a, 1b에 도시하는 바와 같이 지지 프레임(10)에 가공되고, 이 지지 프레임(10)상에, 도면에 있어서의 좌우양측의 앵커부(23) 및 플렉셔(21), 중앙의 가동 전극판(2)이 도전성 실리콘 단결정으로 형성된다. 좌우 2개의 앵커부(23)의 적어도 한쪽, 여기서는 양쪽의 위에 금속의 가동 전극 단자(2E)가 형성되어 있다. 가동 전극판(2)과 좌우 플렉셔(21)는 스폿 페이싱 구멍(12)의 내측에 위치하고, 가동 전극판(2)의 상면에 미러(3)가 형성되어 있다.
고정 전극 기판(8)은 도전성이 주어진 직사각형의 실리콘 단결정판으로 형성되고, 지지 프레임(10)으로부터 일단측이 돌출하고, 그 돌출부의 상면(8s) 상에 금속의 고정 전극 단자(8E)가 형성되어 있다. 가동 전극 단자(2E)와 고정 전극 단자(8E) 사이에는, 도시하고 있지 않은 직류 구동 회로로부터 구동 전압이 인가되어 가동 전극판(2)과 고정 전극 기판(8) 사이의 정전기력에 의해 가동 전극판(2)을 고정 전극 기판(8)에 흡착함으로써 미소 가동 디바이스가 구동된다. 도 1a, 1b에 도시한 이러한 미소 가동 디바이스는 박막 성막 기술 및 에칭 기술을 포함한 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 제조된다.
여기서, 이상의 광 스위치에 의한 스위칭 동작을 설명한다. 4는 출사측 광파이버 또는 광도파로이며, 5'는 입사측 광파이버 혹은 광도파로이다. 도시된 상태는, 출사측 광파이버(4)를 거쳐서 전송되어 온 광이 그 단면으로부터 출사하여 공간을 전파하고, 미러(3)에서 반사하여, 입사측 광파이버(5)에 입사하여 전송되는 상태를 나타낸다. 이 상태를 정상 상태로 하여, 앞의 양 전극(2, 8) 사이에 전압을 인가하여, 양 전극 사이에서 흡인하는 방향의 정전력이 발생하면 가동 전극판(2)은 하향으로 구동되고, 플렉셔(21)가 탄성 변형함으로써 하방으로 변위한다. 가동 전극판(2)이 하방으로 변위함으로써 그 상면에 형성되어 있는 미러(3)도 하방으로 변위하고, 미러(3)는 출사측 광파이버(4) 단면으로부터 출사하는 광의 광로로부터 하방으로 변위하여 벗어난다. 이에 따라, 차단되어 있던 공간 전파광은 직진하여 입사측 광파이버(5')에 입사하고, 이것을 거쳐서 전송된다. 입사측 광파이버(5)에 대한 반사광은 소실한다. 이와 같이, 입사측 광파이버(5)와 입사측 광파이버(5')에 대하여 광로의 전환을 광도파로를 거치는 일없이 공간적으로 실시할 수 있다.
이상의 광 스위치에 있어서, 가동 전극판(2)은 그 판두께가 극히 얇고, 이 가동 전극판(2)을 앵커부(23)에 연결하는 플렉셔(21)의 두께도 극히 얇아서 탄성 복원력이 작다. 더구나, 가동 전극판(2)의 하면은 평활하고, 이에 대향하는 고정 전극 기판(8)의 상면도 평활하기 때문에 서로 흡착한 상태에서의 접촉 면적이 크다. 이들 조건을 기초로, 가동 전극판(2)의 하면이 하방으로 변위하여 고정 전극 기판(8)의 상면에 접촉하면, 밀착한 전극(2, 8)에 대한 대기압, 반데르발스력 등이 작용하여 양자는 서로 흡착하고, 구동 전압을 OFF로 해도 순간적으로는 복원되지 않아서, 스위치 동작을 원활하게 실행하지 않는 경우가 생긴다. 즉, 가동 전극판(2)과 고정 전극 기판(8)이 접촉한 경우, 가동 전극판(2)과 고정 전극 기판(8) 사이의 전압 인가를 제외하더라도 가동 전극판(2)이 본래의 위치에 순간적으로는 복귀하지 않는 부착 현상이 생긴다. 또한, 가동 전극판(2)과 고정 전극 기판(8)이 접촉 도통하면 아크에 의한 화학 반응이 발생하여, 전극 부착의 원인이 되는 것을 생각할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
이 대향하는 면 중 어느 한쪽에 미소 돌기를 형성하여 가동 전극판과 고정 전극 기판 사이의 접촉 면적을 저감함으로써, 이 상호 흡착력을 줄이는 선행 기술의 광 스위치가 예컨대 일본국 특허 출원 공개 No.2001-264650에 개시되어 있다. 그러나, 그 구성을 채용한 경우에도, 흡착 상태에서의 전극간의 도통에 문제가 있다.
예컨대, 고정 전극 기판(8)의 표면에 산화 실리콘과 같은 절연층을 형성하여 전극간의 도통을 방지하더라도, 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2)간에 전압 인가 중에 그 절연층이 대전하고, 이 대전에 의해 가동 전극판(2)에 정전 흡인력이 작용하여 전압을 무인가로 했을 때에도 그 순간에 가동 전극판(2)이 본래의 위치에 복귀하지 않고, 복귀에 시간 지연이 발생한다. 그런데, 이 경우 고정 전극 기판(8)의 표면 전면에 절연층을 형성하지 않고, 가동 전극판(2)과 접촉하는 미소 돌기(8p)만을 절연체에 의해 구성함으로써 절연층이 대전하는 것의 영향을 저감하는 것은 가능하지만, 영향을 전무로 하는 것은 할 수 없다.
본 발명의 목적은, 미소 가동 디바이스의 가동 전극판의 고정 전극 기판에 대한 부착을 방지 가능한 미소 가동 디바이스를 제공하는 것이다. 본 발명에 의한 미소 가동 디바이스는,
고정 전극 수단과,
상기 고정 전극 수단과 간격을 두고 대향하여 탄성적으로 지지된 가동 전극 수단과, 상기 고정 전극 수단과 상기 가동 전극 수단에 접속되어 입력 제어 신호에 응답하여 이들 사이에 부여하는 교류 구동 전압을 발생하는 교류 구동 회로,
를 포함하고, 입력 제어 신호에 응답하여 상기 고정 전극 수단과 상기 가동 전극 수단 사이에 전압을 인가하여 정전기력에 의해 상기 가동 전극 수단을 구동하여 이것을 상기 고정 전극 수단에 흡착, 개방시키도록 구성되어 있다.
이 구성을 채용함으로써, 복잡한 형상 구조의 가동 전극 수단 및 고정 전극 수단을 구성할 필요없이 가동 전극판의 고정 전극 기판에 대한 부착을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예를 도 2a, 2b, 2c를 참조하여 이하에 설명한다. 실시예에 있어서, 도 1a, 1b에 있어서의 부분과 공통하는 부분에는 같은 참조번호를 부여하고 있다. 즉, 10은 지지 프레임, 23은 앵커부, 21은 플렉셔, 2는 가동 전극판, 8p은 미소 돌기, 8은 고정 전극 기판을 가리키고 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는 고정 전극 기판(8)의 상면에 산화 실리콘 피막으로 이루어지는 절연피막(85)이 형성되어 있다.
도 2a는 평면도를 도시하고, 도 2b는 단면도를 도시하고, 도 2c는 절연피막(85)으로 덮인 고정 전극 기판(8)의 평면도를 도시한다. 도 2b의 단면도에 있어서, 지지 프레임(10), 가동 전극판(2)에 대한 단면은 도 2a에 있어서의 선 2B-2B에 따른 단면을 도시하지만, 고정 전극 기판(8)에 대한 단면은 도 2c에 있어서의 선 2B-2B에 따른 단면을 도시하고 있다.
본 실시예에 있어서는 고정 전극 기판(8)은 고정 전극으로서 기능하고, 그 상면의 가동 전극판(2)과 대향하는 영역에 적어도 4개, 여기서는 5개의 돌기(81)가, 중앙과 그 주위에 이방성 에칭에 의해 형성되고, 고정 전극 기판(8)의 상면 전체에 걸쳐서 산화 실리콘의 절연피막(85)이 형성되어 있다. 돌기(81)는 절연피막(85)으로 피복되어 미소 돌기(8p)를 형성하고 있다. 고정 전극 단자(8E)는 그 단자(8E)를 형성하는 영역의 절연피막(85)을 에칭에 의해 제거하여 고정 전극 기판(8)을 노출시키고, 그 노출면상에 형성된다. 고정 전극 기판(8)의 위에 형성된 절연피막(85)을 사이에 두고 프레임(10)이 붙여지고, 그 프레임(10)의 상면에는 절연피막(11)을 사이에 두고 가동 전극판(2)의 앵커부(23)가 형성되어 있다. 앵커부(23)에는 플렉셔(21)를 통해서 가동 전극판(2)이 유지되어 있다. 이에 따라, 가동 전극판(2)은 지지 프레임(10)을 통해서 고정 전극 기판(8)과의 사이에 소정 간격을 두고 유지되어 있다. 그 밖의 구성은 도 1a, 1b에 도시한 종래예와 마찬가지다.
이러한 미소 가동 디바이스는 반도체 실리콘으로 이루어지는 원재료 기판에 순차적으로 박막 성막 기술 및 에칭 기술을 포함한 마이크로 머시닝 기술을 적용함으로써 제조된다. 이하의 설명에서는, 고정 전극 기판(8) 및 가동 전극판(2)을 포함하는, 100으로 나타낸 가동 기구 전체를 미소 가동 소자라고 부르기로 한다. 본 발명에서는 또한, 교류 구동 회로(60:도 2b)가 설치되어서, 미소 가동 소자(100)의 가동 전극 단자(2E:도 2a 참조)와 고정 전극 단자(8E) 사이에 교류 구동 전압을 인가한다. 도 2b에서는 고정 전극 단자(8E)는 보이지 않기 때문에, 편의적으로 고정 전극 기판(8)에 교류 구동 회로(60)를 접속하여 도시하고 있다. 이하의 설명에서는, 미소 가동 소자(100)와 교류 구동 회로(60)를 합쳐서 본 발명의 미소 가동 디바이스라고 부른다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 고정 전극 기판(8) 및 앵커부(23)를 전극으로 해서 이들 사이에 주기적으로 극성을 변화하는 전압을 인가하는 교류 구동 회로(60)가 설치되어, 주기적으로 극성을 변화하는 전압을 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 가하여 가동 전극판(2)을 구동하도록 구성되어 있다. 여기서, 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 전압을 인가하여 정전기력에 의해 가동 전극판(2)을 구동하고 고정 전극 기판(8)에 가동 전극판(2)을 흡착 유지시킨 상태를 제 1 상태(ST1)라고 하고, 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 전압을 인가하지 않고 양자를 동전위로 해서 플렉셔(21)의 복원력에 의해 가동 전극판(2)을 고정 전극 기판(8)으로부터 간격을 두고 유지한 상태(복귀 상태)를 제 2 상태(ST2)라고 하며, 인가된 제어 신호(Sc)에 따라 두 상태 사이를 교류 구동 회로(60)에 의해 전환하여 제어한다.
교류 구동 회로(60)는, 외부로부터 인가되는 제어 신호(Sc)에 응답하여 교류의 구동 신호(SD)를 발생한다. 구동 신호(SD)의 파형으로서는, 예컨대 도 3a에 도시하는 정현파 전압 파형이어도 되고, 도 3b에 도시하는 직사각형파 전압 파형이어도 되고, 도 3c에 도시하는 삼각파 전압 파형이어도 된다. 제 2 상태(ST2)에서는 인가 전압을 OFF로 한다.
종래, 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 전압을 인가하는 전압은 극성이 변화하지 않는 직류 전압이었다. 그 때문에, 분위기 중의 이온의 가동 전극판(2) 및 고정 전극 기판(8)의 계면으로의 부착에 의해 대전이 발생하고, 직류 구동 전압을 오프로 해도 잔류 이온에 의한 대전이 유지되는 것이, 가동 전극판의 접착의 한가지 원인이 되었던 것으로 생각된다. 본 발명에서는 직류 전압 대신에 도 3a, 3b, 3c에 도시되는 것과 같은 주기적으로 극성을 변화하는 교류 전압을 인가하여 가동 전극판(2)을 구동함으로써, 분위기 중의 이온의 가동 전극판(2) 및 고정 전극 기판(8)의 전극 계면으로의 부착을 방지하기 때문에, 미소 가동 디바이스의 가동 전극판(2)의 고정 전극 기판(8)에 대한 부착을 막을 수 있다.
이와 같이, 교류 전압에 의해서도 충분히 가동 전극판(2)을 정전기력에 의해 구동하여 고정 전극 기판(8)에 흡착 유지시키는 제 1 상태(ST1)를 실현할 수 있다. 또한, 한쪽 극성만의 전압에 의해 가동 전극판(2)을 고정 전극 기판(8)에 대하여 구동 흡인해 놓은 종래예와 비교하여, 교류 전압에 의해 가동 전극판(2)을 구동 흡인하는 본 발명은, 전압 인가 중에 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이의 절연 피막(85)에 대전하는 이온이 적어져서, 이 대전에 기인한 가동 전극판(2)의 복귀의 시간 지연은 작아진다.
교류 구동 전압 파형으로서는 도 4a에 도시하는 바와 같이 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 전압을 인가하는 주기적으로 극성이 변화하는 전압은, 시점(ts)의 전압 인가 개시 직후에, 가동 전극판(2)이 제 2 상태(ST2)로부터 제 1 상태(ST1)로 변위하는 천이 기간(PT)만, 고정 전극 기판(8)에 가동 전극판(2)을 흡착시키는 데 필요한, 충분히 큰 교류 전압(VT)으로 하고, 천이 후에는 흡착 상태를 유지할 수 있지만 전압(VT)보다 낮은 전압(VS)으로 해도 된다. 또는, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 도 4a에 있어서의 천이 기간(PT)의 전압을 극성이 변화하지 않는 직류 전압 파형으로 해도 된다. 이 경우에는 가동 전극판(2)의 전환 속도를 도 4a의 경우보다 높일 수 있다.
도 5a, 5b는 도 4a에 도시한 정현파 전압을 미소 가동 소자(100)의 특정한 형상 및 치수의 고정 전극 기판(8)과 가동 전극판(2) 사이에 전압을 인가한 경우의 인가 전압 파형과, 가동 전극판(2)의 고정 전극 기판(8)에 대한 거리의 변화를 시 뮬레이션에 의해 구한 결과를 도시한다. 구동 전압 파형의 주파수는 1kHz이며, 5msec의 천이 기간(PT)에는 100V로 하고, 그 후의 유지 상태에서는 30V로 하고 있다. 상기 특정한 예의 미소 가동 디바이스의 경우의 제 2 상태(ST2)에 있어서, 전압 인가 개시 직후의 가동 전극판(2)의 흡착에 최저한 필요한 전압은 약 80V이지만, 도 5a에 있어서는 천이 기간(PT)이 5msec이하로 되는 것 같은 전환 속도를 얻기 위해서, 이보다 높은 100V의 전압을 인가하고 있다. 구동 전환 후의 흡착 유지 전압은 30V 정도로 충분하다. 구동 전환 후의 흡착 유지 전압을 전환에 필요한 전압보다 낮게 유지함으로써, 미소 가동 디바이스의 소비 전력을 절감할 수 있다.
본 발명에 의한 미소 가동 디바이스에 있어서의 대향하는 가동 전극판(2)과 고정 전극 기판(8)의 조는 교류 구동 회로(60)에 대하여 등가적으로 캐패시터와 레지스터의 직렬 접속으로 간주할 수 있어서, 구동 전압의 주파수가 높아질수록 캐패시터에 걸리는 전압이 낮아져서 전극간의 흡인력이 작아진다. 따라서, 구동 전압의 주파수를 있는 값보다 높게 하면, 복귀 상태(제 2 상태(ST2))의 가동 전극판(2)을 고정 전극 기판(8)에 흡착시킬 수 없고, 혹은 가동 전극판(2)을 흡착한 상태(제 1 상태(ST1))로 유지할 수 없다. 이 주파수의 임계값은 스위칭시인지, 흡착 유지시인지에 따라 다르고, 또한 전극판(2, 8) 사이의 갭, 전극판(2, 8) 및 힌지(21)의 형상, 사이즈, 탄성 정수, 전기 저항 등에 따라 다르기 때문에, 일률적으로 결정할 수 없지만, 대강 100kHz 이하일 필요가 있고, 실용적인 주파수는 수 kHz 이하가 바람직하다. 요구되는 스위칭 속도를 예컨대 5msec 이하로 하는 것이면 구동 전압은 200Hz 이상이 바람직하다.
도 6a, 6b, 6c는 도 2a, 2b, 2c의 실시예의 변형예를 도시한다. 도 2a, 2b, 2c의 실시예에 있어서는 고정 전극 기판(8)은 미소 가동 소자(100) 전체를 지지하는 기판도 구성하고 있지만, 이 변형예에 있어서는 고정 전극(8')은 고정 전극 기판(8)의 표면에 형성되는 절연피막(85)의 상면에, 도 6c에 도시하는 바와 같이 미소 돌기(8p)를 피하여 고정 전극 단자(8E)와 연속하여 금속에 의해 성막 형성되어 있다. 미소 돌기(8p)는 이 고정 전극(8')으로부터 위로 돌출하고 있고, 가동 전극판(2)이 흡착되면 미소 돌기(8p)와 가동 전극판(2)이 접촉한다. 그 밖의 구성은 도 2a, 2b, 2c의 실시예와 마찬가지다. 교류 구동 회로(60)로부터의 구동 전압은 이 고정 전극(8')과 일체로 형성된 고정 전극 단자(8E)와 가동 전극판(2) 사이에 인가된다. 고정 전극(8')으로서 금속 전극을 사용함으로써 전기 저항을 작게 할 수 있기 때문에, 응답 속도를 높일 수 있어서, 손실을 더 작게 할 수 있다.
도 7은 도 2a, 2b, 2c 및 도 6a, 6b, 6c에 도시한 실시예에 있어서의 미소 가동 소자(100)에 부여하기 위한 도 3a, 3b, 3c에 도시한 단순한 교류 파형 전압을 발생하는 교류 구동 회로(60)의 구성예를 도시한다. 발진기(61)는 정현파(도 3a) 또는 직사각형파(도 3b) 또는 삼각파(도 3c)의 신호를 발생하여, 스위치(62)를 통해서 증폭기(63)에 인가된다. 증폭기(63)는 이 파형 신호를 소정의 전압으로 증폭하여, 구동 신호(SD)로 미소 가동 소자(100)에 부여한다. 스위치(62)는 외부로부터 인가된 제어 신호(Sc)에 의해 온·오프 제어되어서, 미소 가동 소자(100)에 인가되 는 구동 신호(SD)가 온·오프 제어된다.
도 8은 도 4a에서 도시한 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로(60)의 구성예를 도시한다. 이 예에서는, 제어 전압 발생기(64)가 인가된 입력 제어 신호(SC)에 응답하여 이득 제어 신호(SG)를 발생하고, 가변 이득 증폭기(63A)에 인가되어 그 이득을 제어한다. 이득 제어 신호(SG)는 미리 정한 기간(PT)만, 미리 정한 제 1 전압(VH)으로 유지되고, 그 후에는 입력 제어 신호(SC)가 오프로 될 때까지 제 1 전압(VH)보다 낮은 제 2 전압(vL)으로 유지되는 신호이다. 가변 이득 증폭기(63A)는 발진기(61)로부터의 교류 신호를 이득 제어 신호(SG)에 의하여 지정된 이득으로 증폭하여 구동 신호(SD)를 미소 가동 소자(100)에 부여한다. 이 예에서는, 도 4a에 도시하는 바와 같이 이득 제어 신호(SG)의 전압이 제 1 전압(VH)일 때에는 가변 이득 증폭기(63A)는 입력 교류 신호를 가동 전극판과 고정 전극판(8)이 소정 시간내에 흡착하는 것 같은 소정의 전압(VT)으로 증폭하고, 이득 제어 신호(SG)가 제 2 전압(vL)일 때에는 전압(VT)보다 낮지만 전극판(2, 8)의 흡착 상태를 유지할 수 있는 전압(VS)으로 증폭한다. 이득 제어 신호(SG)가 0V인 경우에는, 이득 증폭기(63A)의 출력은 0V가 된다. 도 8에 있어서, 발진기(61)는 정현파 대신에 직사각형파 또는 삼각파를 발생해도 된다. 이하에 나타내는 교류 구동 회로의 예에 있어서도 마찬가지이다.
도 9는 도 4a의 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로(60)의 다른 실시예를 도시한다. 이 예에서는, 도 8에 있어서의 가변 이득 증폭기(63A) 대신에 상술한 2개의 이득을 각각의 증폭기(63B, 63C)에 설정하여, 발진기(61)의 출력을 이들 2개의 증폭기(63B, 63C)에 부여한다. 이들 증폭기의 출력은 셀렉터(65)의 2개의 단자(C1, C2)에 인가된다. 제어 전압 발생기(64)는 입력 제어 신호(SC)에 응답하여 기간(PT) 동안 전압(vc)의 선택 신호(SS)를 출력하고, 그 후 선택 신호(SS)는 전압(-vc)이 되고, 제어 신호(Sc)가 0V로 되면 선택 신호(SS)는 0V가 된다. 셀렉터(65)는 전압(vc)이 인가되고 있는 동안에, 단자(C1)를 출력 단자(COUT)에 접속하여, 증폭기(63B)의 출력 전압을 미소 가동 소자(100)에 부여하고, 선택 신호(SS)가 전압(-vC)이 되면 단자(C2)를 출력 단자(COUT)에 접속하여 증폭기(63C)의 출력 전압을 미소 가동 소자(100)에 부여한다. 선택 신호(SS)의 전압이 0V이 되면 셀렉터(65)는 접지 단자(C3)를 출력 단자(COUT)에 접속한다. 셀렉터(65)는 증폭기(63B, 63C)의 전단에 설치해도 된다.
도 10은 도 4b에 도시한 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로(60)의 실시예이다. 이 실시예에서는, 도 9의 실시예에 있어서 증폭기(63B) 대신에 미리 정한 직류 전압을 출력하는 직류 전원(DC 전원:66)으로 대체한 구성으로 되어 있다. 교류 신호를 발생하는 발진기(61)의 출력은 증폭기(63)를 거쳐서 셀렉터(65)의 단자(C1)에 인가되고, DC 전원(66)으로부터의 직류 전압은 셀렉터의 단자(C2)에 인가된다. 단자(C3)는 접지되어 있다. 선택 신호(SS)에 의한 셀렉터(65)의 동작은 도 9의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
도 11은 도 10과 같이 도 4b에 도시한 구동 전압 파형을 발생하는 교류 구동 회로(60)의 다른 구성예를 도시한다. 이 실시예에서는 발진기(61)의 출력은 가변 이득 증폭기(63A)에 의해 증폭되고, 그 출력은 DC 전원의 출력직류 전압과 가산 증폭기(67)에 의해 가산되어 미소 가동 소자(100)에 인가된다. 제어 전압 발생기(64)는 입력 제어 신호(SC)에 응답하여 기간(PT) 동안에 0V로 유지하고, 그 후 제어 신호(SC)가 오프로 될 때까지 소정 전압(VH)으로 유지하는 이득 제어 신호(SG)를 발생한다. 가변 이득 증폭기(63A)는 이득 제어 신호(SG)가 0V인 기간은 0V를 출력하고, 이득 제어 신호(SG)가 소정 전압(VH)이 되면 가동 전극판(2)의 흡착 상태를 유지 가능한 전압(VS)의 구동 신호(SD)를 출력한다. 제어 전압 발생기(64)는 이득 제어 신호(SG)와 반대 논리인 전압, 즉, 이득 제어 신호(SG)가 VH일 때에 저레벨(0V), 이득 제어 신호(SG)가 0V일 때 고레벨의 전압 제어 신호(SG')를 DC 전원(66)에 부여한다. DC 전원(66)은 전압 제어 신호(SG')가 저레벨일 때는 0V를 출력하고, 고 레벨일 때는 소정 전압(VT)을 출력하여, 가산 증폭기(67)에서 가변 이득 증폭기(63A)의 출력과 가산되어 미소 가동 소자(100)에 인가된다.
도 11의 실시예에 있어서, 도 12에 도시하는 바와 같이 가변 이득 증폭기(63A)에 대한 이득 제어 신호(SG)는 입력 제어 신호(SC)의 상승과 동시에 상승하는 신호라고 하면, 기간(PT)에 있어서의 구동 신호(SD)는 DC 전원(66)부터의 직류 전압으로 바이어스가 인가된 교류 전압 파형이 된다.
상술한 설명으로부터 분명한 본 발명의 원리에 의하면, 사용하는 미소 가동 소자(100)로서는 도 2a, 2b, 2c 및 도 6a, 6b, 6c에 도시한 것에 한정될 필요는 없고, 고정 전극과 가동 전극을 가진 종래예의 것 같은 타입의 미소 가동 소자어도 되고, 그것들에 교류 구동 회로를 적용함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 미소 가동 디바이스의 원리적 구성은 고정 전극 수단과, 그 고정 전극 수단과 간격을 두고 탄성적으로 유지되는 가동 전극 수단과, 이들 고정 전극 수단과 가동 전극 수단 사이에 교류 구동 전압을 인가하는 교류 구동 회로를 갖는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 미소 가동 디바이스에 있어서의 인가 전압의 온 오프에 대한 가동 전극판의 응답 속도를 감안하여, 전압원이 발생하는 교류 전압의 주기를 극단적으로 크게 하지 않는 한, 교류 전압의 영교차시에 가동 전극판에 대한 정전 흡인력이 감소하여 가동 전극판의 유지가 불안정하게 될 염려가 없고, 교류 전압에 따라서도 충분히 가동 전극판을 정전기력에 의해 구동하여 고정 전극 기판에 흡착 유지시키는 제 1 상태를 실현할 수 있다. 그리고, 한쪽 극성만의 전압에 의해 가동 전극판을 고정 전극 기판에 대하여 구동 흡인해 놓은 종래예와 비교하여, 교류 전압에 의해 가동 전극판을 구동 흡인하는 본 발명은 전압인가 중에 고정 전극 기판과 가동 전극판 사이의 절연피막에 대전하는 이온이 적어져서, 이 이온의 대전에 기인한 가동 전극판의 복귀의 시간 지연은 작아진다.
주기적으로 극성을 변화하는 전압을, 제 2 상태로부터 제 1 상태로 변화하는 천이 기간만, 고정 전극 기판에 가동 전극판을 흡착 유지시키는데 필요한 흡착 유지 전압과 비교하여 크게 함으로써, 가동 전극판의 전환 속도를 높이는 동시에, 미소 가동 디바이스의 소비 전력을 절감할 수 있다.

Claims (10)

  1. 고정 전극 수단,
    상기 고정 전극 수단과 간격을 두고 평행하게 대향하여, 상기 고정 전극의 대향하는 평면에 수직인 방향으로 접근 또는 이반하는 것이 가능하도록 탄성적으로 지지된 가동 전극 수단, 및
    상기 고정 전극 수단과 상기 가동 전극 수단에 접속되어 입력 제어 신호의 온 또는 오프에 응답하여 이들 사이에 부여하는 교류 구동 전압의 발생을 온 또는 오프하고, 상기 고정 전극 수단과 상기 가동 전극 수단 사이에 상기 교류 구동 전압을 인가하여 정전기력에 의해 상기 가동 전극 수단을 구동하여 이것을 상기 고정 전극 수단에 흡착, 개방시키는 교류 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 전극 수단은 그 상면에, 상기 가동 전극 수단과 간격을 두고 대향하는 적어도 4개의 미소 돌기와, 상기 미소 돌기 상으로부터 상기 고정 전극 수단 상면에 걸쳐서 형성된 절연피막을 가진 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 전극 수단은 그 상면에 걸쳐서 형성된 절연피막과, 상기 절연피막 상에 상기 가동 수단에 대향하여 형성된 고정 전극을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 고정 전극 수단은 그 상면에 상기 절연피막으로 피복된 적어도 4개의 미소 돌기가, 상기 고정 전극으로부터 위로 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는 주기적으로 극성을 변화하는 정현파, 직사각형파, 삼각파 중 어느 하나의 교류 신호를 상기 교류 구동 전압의 적어도 일부로서 발생하는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 교류 구동 전압을 출력하는 가변 이득 증폭기, 및
    상기 입력 제어 신호에 응답하여 미리 정한 기간에 상기 교류 신호를 상기 고정 전극 수단에 상기 가동 전극 수단을 흡착시키는 제 1 전압으로 증폭하고, 그 후에는 상기 입력 제어 신호가 오프로 될 때까지 상기 가동 전극 수단의 흡착 상태를 유지하도록 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 증폭하도록 상기 가변 이득 증폭기의 이득을 제어하는 이득 제어 신호를 발생하는 제어 전압 발생기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 고정 전극 수단에 상기 가동 전극 수단을 흡착시키는 제 1 전압으로 증폭하는 제 1 증폭기,
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 가동 전극 수단을 흡착 상태로 유지하는 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 증폭하는 제 2 증폭기,
    상기 제 1 증폭기의 출력과, 상기 제 2 증폭기의 출력과, 접지 전압 중 어느 하나를 선택하여 상기 교류 구동 전압으로서 출력하는 셀렉터, 및
    상기 입력 제어 신호에 응답하여, 미리 정한 기간에 상기 제 1 증폭기의 출력을 선택하고, 그 후 상기 제 2 증폭기의 출력을 선택하여, 상기 입력 제어 신호가 오프로 되면 상기 접지 전압을 선택하도록 상기 셀렉터를 제어하는 선택 제어 신호를 발생하는 제어 전압 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는
    상기 고정 전극 수단에 상기 가동 전극 수단을 흡착시키는 제 1 직류 전압을 출력하는 직류 전원,
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 가동 전극 수단을 흡착 상태로 유지하는 상기 제 1 직류 전압보다 낮은 제 2 교류 전압으로 증폭하는 증폭기,
    상기 직류 전원의 출력과, 상기 증폭기의 출력과, 접지 전압 중 어느 하나를 선택하여 상기 교류 구동 전압으로서 출력하는 셀렉터, 및
    상기 입력 제어 신호에 응답하여 미리 정한 기간에 상기 직류 전원의 출력을 선택하고, 그 후 상기 증폭기의 출력을 선택하여, 상기 입력 제어 신호가 오프로 되면 상기 접지 전압을 선택하도록 상기 셀렉터를 제어하는 선택 제어 신호를 발생하는 제어 전압 발생기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는
    상기 고정 전극 수단에 상기 가동 전극 수단을 흡착시키는 직류 전압을 출력하는 직류 전원,
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 가동 전극 수단의 흡착 상태를 유지하는 교류 전압을 출력하는 가변 이득 증폭기,
    상기 직류 전원으로부터의 직류 전압과 상기 가변 이득 증폭기로부터의 출력 전압을 가산하여, 가산 결과를 상기 교류 구동 전압으로서 출력하는 가산 증폭기, 및
    상기 입력 제어 신호에 응답하여 미리 정한 기간에 상기 직류 전압을 출력하도록 상기 직류 전원을 구동하는 제 1 전압 제어 신호와, 상기 입력 제어 신호에 응답하여 상기 미리 정한 기간에 0V를 출력하고, 그 후 상기 흡착 상태를 유지하는 교류 전압을 출력하도록 상기 가변 이득 증폭기의 이득을 제어하는 제 2 전압 제어 신호를 발생하는 제어 전압 발생기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 구동 회로는
    상기 고정 전극 수단에 상기 가동 전극 수단을 흡착시키는 직류 전압을 출력하는 직류 전원,
    상기 발진기로부터의 상기 교류 신호를 증폭하여 상기 가동 전극 수단의 흡착 상태를 유지하는 교류 전압을 출력하는 가변 이득 증폭기,
    상기 직류 전원으로부터의 직류 전압과 상기 가변 이득 증폭기로부터의 출력 전압을 가산하여, 가산 결과를 상기 교류 구동 전압으로서 출력하는 가산 증폭기, 및
    상기 입력 제어 신호에 응답하여 미리 정한 기간에 상기 직류 전압을 출력하도록 상기 직류 전원을 구동하는 제 1 전압 제어 신호와, 상기 입력 제어 신호에 응답하여 상기 흡착 상태를 유지하는 교류 전압을 출력하도록 상기 가변 이득 증폭기의 이득을 제어하는 제 2 전압 제어 신호를 발생하는 제어 전압 발생기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 가동 디바이스.
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