KR100944203B1 - 특히 광학적 적용을 위한 스위치 장치 - Google Patents

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Abstract

제로 위치(O)와 적어도 하나의 소정 스위치 위치(A,B)사이에서 한정된 궤적을 따라서 움직일 수 있는 가동 요소(2); 상기 가동 요소(2)를 베이스(4)에 연결시키는 탄성 부재(3); 및, 상기 가동 요소(2)가 상기 적어도 하나의 소정 스위치 위치로 그리고/또는 그로부터 이탈되게 움직이도록 정전기력을 발생시키기 위하여 소정 스위치 위치에 인접하여 위치된 적어도 하나의 고정 작동 전극(5,6);을 구비하는 스위치 장치가 개시된다. 고정 작동 전극은 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 가동 요소의 적어도 하나의 가장자리(20a)에 작용하도록 배치된다. 가동 요소, 탄성 부재 및, 작동 전극의 형상은, 가동 요소가 상기 작동 전극과 접촉할 수 없도록, 그리고 스위치 위치가 고정 작동 전극에 의해 가동 요소상에 발생된 측방향의 정전기력과 탄성 부재에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점(E)에 의해 한정되도록 하는 것이다.

Description

특히 광학적 적용을 위한 스위치 장치{Switching device, in particular for optical applications}
본 발명은 전체적으로 마이크로 전자-기계 시스템 또는 소위 MEMS 에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 제로 위치(zero position)와 적어도 하나의 소정 스위치 위치 사이에서 한정된 궤도를 따라서 움직일 수 있는 가동 요소, 가동 요소를 베이스에 연결하는 탄성 부재 및, 상기 적어도 하나의 소정 스위치 위치에 근접하여 위치된 적어도 하나의 정지 작동 전극을 구비하는 스위치 장치에 관한 것이다. 본 발명은 그러한 스위치 장치 및, 적어도 하나의 그러한 스위치 장치를 구비하는 스위치 유니트를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
광학 비임의 경로에 각각 영향을 미치거나 또는 그것을 전환시키는 광범위한 마이크로기계 구조가 공지되어 있다. 그러한 구조들의 목적은 픽셀에 기초한 이미지로부터의 데이터를 제어하고, 처리하고 그리고/또는 저장하는 것이다.
유럽 특허 출원 제 0 510 629 호는 소위 변형 가능한 미러 장치(mirror device) 또는 DMD 에 기초한 편향 가능한 장치를 개시하는데, 이것은 또한 광 비임의 통로에 선택적으로 간섭하거나 또는 변경시키는 셔틀 장치로서 사용된다. 다른 유형의 DMD 에 대하여, 장치에는 제어 가능한 스크린 플레이트가 제공되는데, 이것 은 적절한 비틀림 비임, 캔티레버 비임 또는 힌지에 의해서 피스톤과 유사한 방식으로 기판의 평면을 향하여 움직이거나 또는 축을 중심으로 회전할 수 있다. DMD 의 다른 예들은 예를 들면 미국 특허 제 4,229,732 호 및, 미국 특허 제 5,142,405 호에서 찾아볼 수 있다.
미국 특허 제 5,794,761 호는 광학적 적용을 위한 마이크로 셔터로서 사용될 수 있는 스위치 장치를 개시한다. 도 1 은 스위치 장치의 개략적인 도면이다. 이 문헌에 따르면, 가동 요소(2) 또는 스위치 요소는 2 개의 단부 위치(A 와 B) 사이에서 움직일 수 있어서 스위치 장치의 기판내에 제공된 개구(7)(단부 위치(B)에 위치됨)를 통한 광 비임의 통과를 선택적으로 중지시킨다. 전극(5,6)들은 단부 위치(A 와 B) 에 근접하여 위치된다. 제어 회로(8)는 2 개의 단부 위치들 사이에서 진동 요소(2)를 스위치시키는 유인 및/또는 반발의 정전기력을 발생시키도록 제공된다. 진동 요소(2)는 탄성의 방식으로 (예를 들면, 그것의 단부들중 하나에서 정박 지점(anchoring position) 또는 베이스에 클램핑된 유연성 비임(3)에 의해서) 기판에 부착된다. 보다 상세하게는, 상기 문헌에 따르면, 제로 위치(O)를 향하는 경향의 탄성 복원력이 실질적인 진폭의 범위에서 제어 회로 및, 전극에 의해 발생된 유인의 정전기력보다 큰 값을 가지는 방식으로 비임(3)이 설계된다. 따라서, 응답 시간과 같은 스위치 장치의 특성은 주로 구조의 기계적인 특성에 의해서 결정된다.
"CSEM 과학 및, 기술 보고서 1999"에서 간행된 "폴리실리콘에서의 정전기 마이크로셔터 배열" 99 면에서 G. 페레고 등은 상기 언급된 스위치 장치에서의 향상 을 개시한다. 도 2 는 이러한 다른 스위치 장치에 대한 향상을 개시한다. 전극(5,6)은 유연성 비임(3)의 전체 길이를 따라서 제공되며, 유연성 비임은 진동 요소(2)를 기판에 연결한다. 스토퍼(9)는 비임과 전극 사이의 회로 단락을 회피하기 위하여 그것의 길이를 따라서 유연성 비임(3)의 양측에 더 제공된다.
다른 유형의 광학 마이크로 셔터 장치들은 미국 특허 제 4,383,255 호 또는 미국 특허 제 4,564,836 호에서 찾을 수 있다.
상기 모든 선행 기술의 해법에 따르면, 스위치 장치는 유인하는 힘에 의해서 작동되며, 즉, 전극들은 전극들과 진동 요소의 협동하는 가장자리에 실질적으로 직각인 정전기력을 발생시키기 위하여 가동 요소들의 궤적에 대하여 측방향으로 배치된다. 따라서 정지부들은 통상적으로 전극들과 가동 요소 사이의 그 어떤 회로 단락을 방지하는데 뿐만 아니라 가동 요소의 변위를 제한하는데 필요하다.
폴리실리콘(poly-silicon) 표면(또는 다른 재료)과 스토퍼들 사이의 접촉은 광범위한 마모와 파편의 발생에 이를 수 있으며 결국에는 가동 요소가 달라붙게 될 수 있다. 소위 "달라붙는 문제"(또한 모세관의 힘 또는 유기 및, 무기 오염에 기인한 문제를 포함한다)는 잘 알려진 것이며 마이크로기계 스위치 장치에서는 매우 실제적이고 중대한 문제이다. 작은 치수에서는, 습도, 표면에 대전된 전하 또는 다른 근접의 힘(퀀텀 Van de Walls 의 힘)에 기인한 우위 효과(preponderance effect)와 함께, 비율 감소 인자에 역으로 증가한다. 이러한 달라붙는 힘은 활성화의 힘(약 0.2 N/m2)이 아닌 같은 정도의 크기이다. 따라서 이들은 그러한 시스템의 신뢰성에 현저한 영향을 가진다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 해법은 스토퍼가 없는 구조를 고안하는 것이다. 스토퍼가 없이 스위치 장치의 가동 요소의 변위 제어는 버클링(buckling)과 같은 자동 차단 탄성 효과나 구동 레벨에 많이 의존한다. 그러나 버클링 효과를 이용하는 구조는 기술 허용 오차에 매우 민감하며 따라서 제조가 비싸고 복잡하다.
다른 해법은 장치의 표면을 화학적으로 처리하는 것이며 예를 들면 폴리머와 같은 부가적인 층으로 장치를 코팅하는 것이다. 그러나 이러한 해법은 비용 뿐만 아니라 장치의 제조상의 복잡성을 증가시킨다. 더욱이, 이러한 코팅 층의 과도한 마모는 상기의 달라붙는 문제점을 야기한다.
따라서 상기 언급된 달라붙는 문제점과 회로 단락의 문제를 극복하도록 보다 단순하고 보다 신뢰성 있는 해법에 대한 필요성이 존재한다. 따라서 본 발명의 주된 목적은 달라붙는 문제점의 경향이 없으면서 스위치 장치의 가동 요소의 변위를 제어하는데 구동 및, 기술적인 허용 오차에 가능한 한 독립적인 해법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조하는 것이 불필요하게 복잡하지 않은 해법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 매트릭스 구조(matrix configuration)로 배열될 수 있는 스위치 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 청구 범위 제 1 항에 기재된 특징을 가진 스위치 장치가 제공된다.
또한 청구 범위 제 9 항에 기재된 특징을 가진 스위치 장치를 작동시키는 방법뿐만 아니라, 그러한 스위치 장치를 다수 구비한 스위치 유니트도 제공된다.
본 발명의 다른 유리한 구현예들은 종속 청구 범위의 목적이다.
본 발명에 따라서, 그리고 종래 기술의 해법에 비교하여, 작동 전극은 유인하는 정전기력을 발생시키지만 가동 요소의 전방 가장자리(즉, 가동 요소 궤적에 실질적으로 평행한 가장자리)에 작용하지 않도록 가동 요소상에 측방향으로 작용하게 배치되지 않는다. 이러한 구동 원리는 "가장자리 정전 구동"으로 불리울 수 있으며, 즉 (선행 기술의 해법에서와 같이) 작동 전극에 의해 발생된 유인력에 의해 야기되지는 않지만, 가동 요소의 전극과 고정 전극의 협동하는 전방 가장자리에 실질적으로 평행한 측방향의 힘에 의해서 야기된다.
본 발명의 범위에 있어서, 유인하는 정전기력은 전극들의 협동하는 가장자리를 더욱 가깝게 가져오는 경향이 있는 정전기력을 의미하는 반면에, 측방향의 정전기력은 서로에 대하여 전극의 협동하는 가장자리를 정렬하는 경향이 있는 정전기력을 의미한다.
본 발명에 따르면, 스위치 장치는 실제로 상기에 언급된 달라붙는 문제점에 의해 영향을 받지 않는 접촉이 없는 구조로서 설계될 수 있다. 참으로, 가동 요소의 단부 위치들을 한정하기 위해 스토퍼들이 더 이상 필요 없다. 사실상, 가동 요소는 그것의 선택된 위치에 자동으로 안정화되는데 이는 측방향의 정전기력과 장치의 가동 요소에 가해지는 기계적인 스프링의 힘의 합으로부터 초래된 것이다.
본 발명에 따르면, 장치의 형상은 측방향 정전기력의 기여를 향상시키도록 선택된다. 더욱이, 선행 기술 해법에 비교하여, 장치의 스위치 위치는 장치 가동 요소상의 전극에 의해 발생된 측방향 정전기력과 가동 요소를 장치의 베이스 부재에 연결하는 탄성 부재에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점에 의해 결정된다. 이러한 측방향 정전기력과 기계적인 스프링 힘의 합으로부터 초래된 힘은 그것의 평형 지점 둘레에서 역전 지점(inversion point)을 나타낸다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 구현예에 따라서, 스위치 장치는 광 비임의 통과를 선택적으로 차단하는 셔터 장치로서 사용되는데, 스위치 장치에는 개구가 제공되며, 개구는 스크린 플레이트에 의해서 개방되거나 또는 폐쇄된다.
본 발명은 광 비임의 통과를 중단시키거나, 조절하거나 또는 제어하도록 광학적 적용에 유리하게 적용될 수 있지만, 특정 유형의 적용예에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 면, 특징 및, 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 구현예들과 비 제한적인 예들에 대한 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 선행 기술의 제 1 스위치 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 스위치 장치의 공지된 향상을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 스위치 장치의 제 1 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 스위치 장치의 가동 요소상에 가해지는 기계적인 스프링 힘과 측방향 정전기력의 전개를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 도 3 의 스위치 장치에 유사한 4 개의 스위치 장치의 배열을 구비하 는 2 차원 스위치 장치를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 스위치 장치의 제 2 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 6a 는 도 6 의 구현예에 대한 변형을 개략적으로 도시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 스위치 장치의 제 3 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 스위치 장치의 제 4 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 9 는 빗살 형상의 전극 구조를 구비하는 본 발명에 따른 스위치 장치의 제 5 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 상이한 적용 가능한 셔터 블레이드 구조를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 제 1 구현예를 구성하는 스위치 장치를 개략적으로 도시한다. 플레이트(20) 형태인 스크린을 구비하는 가동 요소(2)는 탄성의 로드 또는 비임(3)의 일 단부에 부착된다. 탄성 비임(3)의 다른 단부는 고정 지점 또는 베이스(4) 안에 클램프(clamp)되어 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 탄성 비임(3)은 제로(zero) 또는 휴지 위치(O)에서, 여기에서 설명의 목적으로 표시된 축 "x"을 따라서 연장된다. 스크린 플레이트(20)와 비임(3)은 진동하는 기계적인 시스템을 형성하는데, 여기에서 스크린 플레이트(20)가 움직일 수 있으며, 여기에서는 참조 부호 A 와 B 로 표시된 2 개의 소정 스위치 위치들 사이에서, 축 "x"에 수직인 축 "y" 에 실질적으로 평행한 방향을 따라서 움직인다. 단지 하나 또는 2 개 이상의 소정 스위치 위치들이 한정될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 본 발명에 따르면, 스크린 플레이트의 궤적은 만곡된 경로를 따르며 엄격하게 이야기해서 축(y)에 평행하지 않다. 그러나 스크린 플레이트(20)의 궤적의 곡률 정도는 비임(3)의 실제 길이에 따르며, 따라서 비임의 길이가 가동 요소의 전체적인 경로에 비교하여 충분히 높다면 제한될 수 있다는 점이 주목될 것이다. 단순화의 목적을 위해서, 가동 요소의 궤적이 실질적으로 축(y)에 평행한 것으로 가정될 것이다.
스크린 플레이트(20)를 변위시키기 위한 고정 작동 전극(5,6)은 위치(A,B)에 근접하여 각각 배치된다. 작동 전극(5,6) 및, 전극에 의해 덮여지는 스크린 플레이트(20)는 스위치 장치를 스위치시킬 수 있는 제어 회로(8)에 전기적으로 연결된다. 전극들중 각 하나는 소위 전방 가장자리(5a,6a)를 구비하는데, 이것은 스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a)와 협동한다. 휴지 위치(O)에서, 스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a)는 작동 전극(5,6)의 전방 가장자리와 부분적으로 중첩될 수 있다.
작동 전극(6)에 근접하여, 스크린 플레이트(20)가 단부 위치에 있을 때 노출되고 그리고 스크린 플레이트(20)가 단부 위치(B)에 있을 때 덮혀지는 개구(7)가 있다. 이러한 방식으로, 광학적 광 비임에 대한 경로가 개방되거나 중단됨으로써 스위치 장치는 광학 셔터로서 작용한다.
본 발명의 제 1 구현예에 따라서 그리고 종래 기술의 해법에 비교하여, 전극들은 스크린 플레이트(20)의 측방향 가장자리상(즉, 스크린 플레이트의 궤적에 실질적으로 직각인 가장자리)에 작용하도록 배치되지 않지만 스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a), 즉, 스크린 플레이트 궤적에 실질적으로 평행한 가장자리, 또는 도 3 에서 축 "y" 에 실질적으로 평행한 방향을 따라서 연장된 가장자리에 작용하도록 배치된다. 이러한 구동 원리는 "가장자리 정전기 구동"으로 불리울 수 있으며, 즉, (선행 기술 해법에서와 같은) 작동 전극에 의해 발생된 유인력에 의해 야기되지는 않지만, 고정 전극과 스크린 플레이트의 전극의 협동하는 전방 가장자리에 실질적으로 평행한 측방향의 힘에 의해 야기되는 스크린 플레이트(20)의 운동이다.
평행한 구성에 있어서 2 개의 전극들에 가해지는 측방향의 정전기력이 2 개 전극들 사이에 존재하는 갭(gap)에 역으로 비례한다는 점을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 진동 장치는 정전기 구동에서의 포화에 의해서 자동으로 안정화되며, 즉, 구조는 스크린 플레이트(20)의 단부 위치를 제한하는데 그 어떤 정지부를 필요로 하지 않는다. 이것은 작동 전극에 대한 구조의 붕괴나 회로 단락뿐만 아니라 정지부에 대한 구조의 달라붙음이 그에 의해서 방지되기 때문에 종래 기술의 해법과 관련하여 상당한 장점을 구성한다. 그럼에도 불구하고 스토퍼들이 외부 충격에 대하여 구조를 보호하기 위하여 선택적으로 제공될 수도 있다.
보다 특별하게는, 가동 요소가 작동 전극들중 어느 하나와도 접촉할 수 없도록 그리고 탄성 부재에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘과 고정 작동 전극에 의하여 가동 요소상에 발생된 측방향의 정전기력 사이의 평형 지점에 의해 각각 한정되도록 가동 요소, 탄성 부재 및, 고정 작동 전극의 형상이 선택된다. 이러한 측방향의 정전기력과 기계적인 스프링의 힘의 합으로부터 초래된 힘은 이러한 평형 지 점의 둘레에 반대 방향을 가진다.
도 4 는 본 발명의 바람직스러운 구현예에 따라서 평형 지점(참조 부호 E 로 표시됨)에 근접하여 측방향 정전기력(곡선 a)과 기계적인 스프링 힘(곡선 b, 실질적으로 선형인 곡선)의 전개를 개략적으로 도시한다. 바람직스럽게는, 측방향의 정전기력이 평형 지점에 근접하여 강도의 가파른 강하를 나타내는 방식으로 가동 요소, 탄성 부재 및, 고정 작동 전극의 형상이 선택된다. 이러한 특성은 도 5에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 이러한 구조가 매트릭스 구성에서 사용될 수 있게 하는 기초이다.
더욱이, 작동 전극에 의해 발생된 유인의 정전기력은 "측방향의 파도타기(lateral surfing)"으로서 간주될 수 있는 스크린 플레이트(20)상의 작용을 발생시킨다. 사실상, 유인하는 정전기력은 스크린 플레이트(20)를 작동된 전극을 향하여 유인하는 경향이 있다. 그러나 스크린 플레이트(20)는 비임(3)에 의해서 유지되기 때문에, 플레이트(20)는 가동 요소(2)를 그것의 선택 위치로 더 당기는 토크를 받게 된다.
소정의 위치(A,B)에서, 그것의 선택 위치 둘레에서의 스크린 플레이트(20)의 진동은 스크린 플레이트(20)상에 가해지는 기계적인 스프링의 힘과 측방향의 정전기력의 합으로부터 초래된 힘의 역전에 기인하여 정전기적으로뿐만 아니라 공기에 의해서 유리하게 댐핑된다. 스크린 플레이트는 측방향 정전기력의 기여에 기인하여 실질적으로 움직이기 때문에 이러한 댐핑이 본 발명에 따라서 달성되며, 그러한 댐핑 효과는 유인하는 유형의 구동 원리에 기초한 종래의 시스템으로는 달성될 수 없 다는 점이 강조되어야만 한다.
스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a), 즉, 스크린 플레이트(20)의 최외측 가장자리가 바람직스럽게는 만곡된 형상으로 설계됨으로써 스크린 플레이트(20)와 전극(5,6)들 사이의 갭이 감소될 수 있으며, 그에 의해서 작동 전극과 가동 요소 사이에서 회로 단락이 발생될 우려 없이 장치의 감도가 증가된다.
작용 전극(5,6)과 스크린 플레이트(20) 사이의 갭에서의 감소는 스위치 장치의 감도를 증가시킨다는 점이 이해될 것이다. 그와 관련하여, 구동 감도 프로파일은 전극 형상의 적절한 선택에 의해서 용이하게 조절될 수 있다. 도 3 에 있어서, 작용 전극(5,6)은 경사진 가장자리를 가지는 것으로 도시되었지만, 전극들은 예를 들면 스크린 플레이트 축의 말단의 외피(envelope)와 실질적으로 맞추어진 만곡된 형상, 또는 단계화된 형상과 같은 그 어떤 적절한 형상을 나타낼 수 있다는 점이 명확히 이해될 것이다.
더욱이, 블레이드(2)와 전방 가장자리(20a)의 형상은 전극에 맞는 그 어떤 다른 적절한 형상 및, 가동 요소에 작용하는 힘의 최적화된 전개를 나타낼 수 있다는 점이 명확하게 이해될 것이다. 예를 들면 도 10a 내지 도 10d 를 참조한다.
상기의 스위치 장치는 당해 기술 분야에서 공지된 마이크로 기계 가공 기술에 따라서 (예를 들면, 실리콘 또는 유리와 같은 투명 재료로 만들어진) 기판에서 통상적으로 제조된다. 예를 들면, (도 3에서 스크린 플레이트(20)와 비임(3)과 같은) 자유 직립 구조들이 소위 희생층(sacrificial layer) 기술을 사용하여 통상적으로 제조될 수 있는데, 즉, 스위치 장치의 가동 구조가 처음에 희생층 또는 스페 이서의 상부에 형성되고 그리고 이러한 희생층의 부분들이 차후에 스위치 장치의 필요한 부분들을 해제하도록 제거된다.
스크린 플레이트(20)는 실질적으로 정사각형(대략 35 x 35 m2 의 표면적과, 약 2 m 의 두께를 가짐)이며 비임(3)(약 350 내지 400 m 의 길이와 약 2.5 x 2 m2 의 단면을 가짐)의 단부에 부착된다. 스크린 플레이트(20)와 비임(3)은 예를 들면 금속 또는 폴리실리콘(또는 그 어떤 다른 결정질 또는 다결정질 재료)으로 만들어질 수 있다. 길고 가느다란 비임(3)은 기판의 평면에 실질적으로 평행한 평면에서 스크린 플레이트(20)의 진동 운동을 허용하도록 탄성적으로 변형될 수 있다.
위의 예에서, 작동 전극(5,6)은 스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a)(스크린 플레이트(20)의 최외측 가장자리)와 협동한다.그러나, 이러한 가장자리가 실질적으로 가동 요소의 궤적에 평행하다면 본 발명에 따른 구동 원리는 가동 요소(2)의 그 어떤 다른 적절한 가장자리에 적용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
본 발명에 따른 스위치 장치는 바람직스럽게는 개별적으로 사용되지 않지만 다른 동일하거나 또는 가능하게는 상이한 장치들과 결합되어 배열을 형성하도록 사용될 것이다. 이러한 스위치 장치들은 사각형 또는 벌집 배치와 같은 규칙적인 2 차원의 격자(grid)를 형성하도록 배치될 수 있으며 통상적으로 행과 열의 선을 사용하여 어드레스(address)된다. 설명의 목적으로, 도 5 는 (도 3 의 스위치 장치와 유사한) 4 개의 스위치 장치(S1 내지 S4)를 개략적으로 도시하는데, 이들은 2 개의 행(row)과 2 개의 열(column)로 배치되어 있다. 스위치 장치(S1 및, S3)의 2 개 작 용 전극들은 2 개 열의 선들(column lines)(A1,B1)로 함께 각각 연결된다. 유사하게는, 스위치 장치(S2,S4)의 2 개 작동 전극들이 2 개의 열 선들(A2,B2)에 의해서 함께 연결된다. 한편으로 스위치 장치(S1,S2)의, 다른 한편으로 스위치 장치(S3,S4)의 베이스들이 행의 선들(row lines)(R1,R2)상에서 각각 함께 연결된다.
각 스위치 장치들은 적절한 행과 열의 선들을 선택적으로 활성화시킴으로써 개별적으로 어드레스될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 도 5 의 특정 배치는 순수하게 예시적인 것이며 전혀 제한적인 것이 아니고, 스위치 장치들은 실제적으로 기판상에서 그러한 장치들의 밀도를 증가시키도록 가능한 한 작은 공간을 취하는 방식으로 조직될 것이다.
특정한 구현예와 관련하여 본 발명이 설명되었지만, 이러한 구현예들이 본 발명을 제한하는 것으로 의미되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 참으로, 다양한 변형 및/또는 적합화된 예가 첨부된 청구 범위로부터 이탈함이 없이 당업자들에게 명백해질 것이다. 예를 들면, 제안된 구현예들은 단지 2 개의 단부 위치들 사이에서 움직일 수 있는 가동 요소를 구비하는 구조에 필수적으로 제한되는 것은 아니다. 정지부들이 더 이상 필요하지 않기 때문에, 장치에 적절한 수의 전극들이 구비된다면 3 개 또는 그 이상의 소정 위치들 사이에서 스위치되도록 가동 요소를 제어하게끔 완벽하게 고안될 수 있다. 도 6 은 본 발명의 제 2 구현예를 개략적으로 도시한다. 상기 도면에 도시된 스위치 장치는 스크린 플레이트(2)를 베이스(4)에 연결시키는 탄성 부재가 이러한 특정의 예에서 실질적으로 "E" 형상을 가지는 접혀진 비임 구조로 구성된다는 점에서 도 3 의 스위치 장치와 실질적으로 상이하다. 이러한 접혀진 비임 구조는 비임(3)의 제 1 쌍(그러나 단일의 비임이 사용될 수 있다)을 구비하는데, 이것은 베이스(4)로부터 중간 부재(32)로 기판의 5 평면에 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. (실질적으로 도 3 의 비임(3)에 대응하는) 제 2 의 비임(3)은 중간 부재(32)로부터 스크린 플레이트(20)로 제 1 의 방향에 실질적으로 반대인 제 2 의 방향으로 연장된다. 스크린 플레이트(20)를 베이스(4)에 탄성적으로 연결시키는 접혀진 비임 구조의 형상은 도 5 에 도시된 것이 아닌 그 어떤 다른 적절한 형태를 취할 수 있다. 특히, 중간 부재(32)는 기판 표면상에서 일부 공간을 절감하기 위하여 크기가 감소될 수 있으며, 제 1 비임(30)은 도 6a 에 도시된 바와 같이 약간 경사진 방식으로 연장될 수 있다. 이러한 후자의 구성은 같은 기판상에 보다 높은 밀도의 스위치 장치가 수용될 수 있게 한다.
도 7 은 본 발명의 제 3 구현예를 도시한다. 이러한 구현예에서, 스위치 장치(1)에는 실질적으로 선형의 방식으로 스크린 플레이트(20)를 안내하는 수단이 제공된다. 이러한 목적을 위해서, 도 3 의 단일 비임 구조가 평행하거나 또는 팬토그래프(pantograph)와 같은 구조로 대체된다. 이러한 평행한 비임 구조는 도면 번호 35 및, 36 으로 표시된 평행한 유연성 비임의 쌍에 의해서 용이하게 실현될 수 있다. 그러한 평행한 구성은 스크린 플레이트(20)가 선형으로 안내되게 하고 상기에 설명된 해법들의 경우로서 더 이상 회전되지 않게 한다. 스크린 플레이트(20)의 전방 가장자리(20a)는 따라서 만곡될 필요가 없으며 스크린 플레이트(20)와 작동 전극(5,6)들 사이의 갭은 거의 일정하게 유지될 수 있다.
방금 설명된 평행 구조는 도 8 의 제 4 구현예에 의해서 설명된 바와 같은 도 6 의 접혀진 비임 구조체와 결합될 수 있다. 스크린 플레이트(20)를 베이스(4)에 연결시키는 탄성의 부재는 베이스(4)(이러한 예에서는 실제로 2 개의 베이스들이 있다)로부터 중간 부재(32)로 연장되는 평행한 유연성 비임(33,34)의 제 1 쌍과, 중간 부재(32)로부터 스크린 플레이트(20)로 반대 방향으로 연장되는 평행한 유연성 비임(35,36)의 제 2 쌍을 구비한다. 여기에서 다시, 스크린 플레이트와 작동 전극(5,6) 사이의 갭은 일정하게 유지될 수 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 스위치 장치의 예를 도시하며, 이들에는 빗살 형상의 전극 구조들이 구비되어서, 이러한 장치가 실질적으로는 도 8 의 장치와 유사하다. 빗살 형상의 구조(25)는 가동 요소(2)의 각 측부상에 제공되며 작동 전극(5,6)상에 각각 제공된 빗살 형상의 구조(55,65)와 상호 작용한다. 빗살 형상 구조(25,55 및, 65)의 각 치(tooth)는 가동 요소 궤적에 실질적으로 평행한 방향으로 연장되며, 치를 가동 요소(2) 또는 작동 전극(5,6)에 각각 연결시키는 부분의 것보다 큰 치수 또는 직경의 단부 부분(25a,55a,65a)을 구비한다. 따라서, 접선상의 정전기력은 가동 요소(2)의 각 치에 있는 작동 전극에 의해 발생될 것이다.
도 9 의 예에서, 베이스(4)를 중간 부재(32)에 연결시키는 평행한 유연성 비임(33,34)의 쌍은 중간 부재(32)를 가동 요소(2)에 연결시키는 평행한 유연성 비임(35,36)의 제 2 쌍 사이에 위치된다. 따라서 베이스(4)는 외부의 충격에 대하여 보안 정지부로서 유익하게 작용할 수 있다.
도 9 의 스위치 장치의 장점은 구조의 높은 공기 댐핑이 빗살 형상 구조의 치(tooth)들 사이에서 달성될 수 있다는 점에 있다. 빗살 형상 구조에 의해 증가된 정전기 브레이크와 관련하여, 이러한 공기 댐핑은 장치의 응답 시간을 감소시키는데 기여한다.
도 10a 내지 도 10d 는 본 발명의 범위내에서 상이한 셔터 블레이드(16)를 도시한다.
바람직한 본 발명의 구현예에서 셔터 블레이드(16)의 "모서리"는 블레이드의 중량과 크기를 최소화시키도록 만곡되거나/둥글게되어야 한다는 점이 주목되어야 한다.
중량/형태와 관련된 최적의 블레이드 설계는, 일단 관련된 전극에 의해 블레이드가 활성화된다면 보다 빠르고 보다 용이한 블레이드의 가속을 용이하게 한다.
또한, 블레이드는 본 발명에 따라서 필연적으로 원형인 관련 전달 경로를 포괄/차단할 수 있어야 한다는 점도 주목되어야 한다.
즉, 본 발명에 따라서, 셔터 기판내 광 전달 경로는 필요하다면 원형이 아닌 단면을 가질 수 있다.
본 발명은 광학 장치에서 광 비임의 전달을 중단시키는 스위치 장치등으로 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 제로 위치(O)와 미리 결정된 스위치 위치(A,B)사이에서 정해지는 궤적을 따라서 움직일 수 있는 가동 요소(2);
    상기 가동 요소(2)를 베이스(4)에 연결시키고, 상기 가동 요소가 상기 제로 위치(O)와 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B) 사이에서 움직일 수 있게 허용하는 탄성 부재(3); 및,
    상기 가동 요소(2)가 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)로 또는 그로부터 이탈되게 움직이도록 정전기력을 발생시키기 위하여 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 인접하여 위치된 고정 작동 전극(5,6);을 구비하고,
    상기 고정 작동 전극(5,6)들에 의한 정전기력이, 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 상기 가동 요소(2)의 가장자리(20a)에 작용하도록, 상기 고정 작동 전극(5,6)이 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 근접하게 배치되고, 상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(3) 및, 상기 고정 작동 전극(5,6)의 기하 형상은, 상기 가동 요소(2)가 상기 작동 전극(5,6)과 접촉할 수 없도록, 그리고 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)가 상기 고정 작동 전극(5,6)에 의해 상기 가동 요소(2)상에 발생된 정전기력과 상기 탄성 부재(3)에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점(E)에 의해 정해지도록 하는 것이며, 평형 지점(E)에서 상기 정전기력과 상기 기계적인 스프링의 힘은 같은 크기를 가지되 반대로 작용하는, 스위치 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(3) 및, 상기 고정 작동 전극(5,6)의 기하 형상은, 상기 정전기력이 상기 평형 지점(E)에 근접하여 가파르게 감소되도록 되어 있는, 스위치 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 장치는 마이크로머신 구조(micro-machine structure)의 형태로 제조되며, 상기 스위치 장치는 기판(10)을 더 구비하고, 상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(3) 및, 상기 작동 전극(5,6)은 상기 기판으로 마이크로머신 가공(micro-machined)되는, 스위치 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판(10)은 결정질 또는 다결정질 재료로 만들어지는, 스위치 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판은 금속으로 만들어지는, 스위치 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 요소(2)는, 상기 기판(10)의 평면에 실질적으로 평행한 평면에서 움직일 수 있는 스크린 플레이트(20)의 형태로 만들어지는, 스위치 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    개구(7)가 상기 기판(10)의 평면에 제공되고, 상기 개구(7)는 상기 가동 요소가 상기 미리 결정된 스위치 위치(B)에 있는지의 여부에 따라서 상기 스크린 플레이트(20)에 의해서 폐쇄되거나 또는 개방되는, 스위치 장치.
  8. 제 1 항에 따른 스위치 장치를 복수개로 구비하는, 스위치 장치.
  9. 제로 위치(O)와 미리 결정된 스위치 위치(A,B)사이에서 정해지는 궤적을 따라서 움직일 수 있는 가동 요소(2);
    상기 가동 요소(2)를 베이스(4)에 연결시키고, 상기 가동 요소가 상기 제로 위치(O)와 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B) 사이에서 움직일 수 있게 허용하는 탄성 부재(3, 30, 32; 32', 33, 34, 35, 36 ); 및,
    상기 가동 요소(2)가 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)로 또는 그로부터 이탈되게 움직이도록 정전기력을 발생시키기 위하여 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 인접하여 위치된 고정 작동 전극(5,6);을 구비하는, 스위치 장치로서,
    상기 고정 작동 전극(5,6)들에 의한 정전기력이 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 상기 가동 요소(2)의 가장자리(20a)에 작용하도록, 상기 고정 작동 전극(5,6)이 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 근접하게 배치되고, 상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(3, 30, 32; 32', 33, 34, 35, 36 ) 및, 상기 고정 작동 전극(5,6)의 기하 형상은, 상기 가동 요소(2)가 상기 작동 전극(5,6)과 접촉할 수 없도록, 그리고 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)가 상기 고정 작동 전극(5,6)에 의해 상기 가동 요소(2)상에 발생된 정전기력과 상기 탄성 부재(3, 30, 32; 32', 33, 34, 35, 36 )에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점(E)에 의해 정해지도록 하는 것이며, 평형 지점(E)에서 상기 정전기력과 상기 기계적인 스프링의 힘은 같은 크기를 가지되 반대로 작용하고,
    상기 탄성 부재(3, 30, 32; 32', 33, 34, 35, 36)는, 기판(10)의 평면에 실질적으로 평행하게 상기 베이스(4)로부터 중간 부재(32;32')로 연장되는 제 1 비임(30;33,34) 및, 상기 베이스(4)를 향하는 방향에서 상기 중간 부재(32;32')로부터 상기 가동 요소(2)로 연장되는 제 2 비임(3;35,36)을 구비하는, 접혀진 비임 구조를 포함하고,
    상기 중간 부재(32;32')가 상기 제 1 비임(30;33,34) 및 상기 제 2 비임(3;35,36)의 단부들과 교차됨으로써, 상기 중간 부재(32;32')는 상기 제 1 비임(30;33,34)을 상기 제 2 비임(3;35,36)에 연결하는, 스위치 장치.
  10. 제로 위치(O)와 미리 결정된 스위치 위치(A,B)사이에서 정해지는 궤적을 따라서 움직일 수 있는 가동 요소(2);
    상기 가동 요소(2)를 베이스(4)에 연결시키고, 상기 가동 요소가 상기 제로 위치(O)와 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B) 사이에서 움직일 수 있게 하는 탄성 부재(35', 36'; 32', 33, 34, 35, 36 ); 및,
    상기 가동 요소(2)가 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)로 또는 그로부터 이탈되게 움직이도록 정전기력을 발생시키기 위하여 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 인접하여 위치된 고정 작동 전극(5,6);을 구비하는, 스위치 장치로서,
    상기 고정 작동 전극(5,6)들에 의한 정전기력이 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 상기 가동 요소(2)의 가장자리(20a)에 작용하도록, 상기 고정 작동 전극(5,6)이 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 근접하게 배치되고, 상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(35', 36'; 32', 33, 34, 35, 36 ) 및, 상기 고정 작동 전극(5,6)의 기하 형상은, 상기 가동 요소(2)가 상기 작동 전극(5,6)과 접촉할 수 없도록, 그리고 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)가 상기 고정 작동 전극(5,6)에 의해 상기 가동 요소(2)상에 발생된 정전기력과 상기 탄성 부재(35', 36'; 32', 33, 34, 35, 36 )에 의해 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점(E)에 의해 정해지도록 하는 것이며, 평형 지점(E)에서 상기 정전기력과 상기 기계적인 스프링의 힘은 같은 크기를 가지되 반대로 작용하고,
    상기 탄성 부재(35', 36';33, 34, 35, 36)는 상기 가동 요소(2)를 안내하기 위한 평행한 구조를 구비함으로써, 그것의 궤적이 실질적으로 선형(linear)인, 스위치 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가동 요소(2)와 상기 작동 전극(5,6)은 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 방향으로 연장된 복수개의 치(tooth)를 구비한 빗살 형상의 구조(25,55,65)를 각각 구비하고, 각 치는 단부 부분(25a,55a,65a)과, 상기 단부 부분(25a,55a,65a)을 상기 가동 요소(2) 또는 상기 작동 전극(5,6)에 각각 연결시키는 베이스 부분을 구비하고, 상기 베이스 부분은 상기 단부 부분(25a,55a,65a)보다그들의 폭을 따라서 작게 되어 있으며,
    상기 가동 요소(2)에 연결된 상기 단부 부분(25a)들은, 상기 미리 결정된 위치(A)에서 상기 고정 작동 전극(5)에 연결된 상기 단부 부분(55a)들 사이에 삽입되거나, 또는 상기 미리 결정된 위치(B)에서 상기 고정 작동 전극(6)에 연결된 상기 단부 부분(65a)들 사이에 삽입되는, 스위치 장치.
  12. 삭제
  13. 제로 위치(O)와 미리 결정된 스위치 위치(A,B)사이에서 정해지는 궤적을 따라서 움직일 수 있는 가동 요소(2);
    상기 가동 요소를 베이스(4)에 연결시키고, 상기 가동 요소가 상기 제로 위치(O)와 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B) 사이에서 움직일 수 있게 허용하는, 탄성 부재(3); 및,
    상기 가동 요소(2)가 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)로 또는 그로부터 이탈되게 움직이도록 야기하는 정전기력을 발생시키기 위하여 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 인접하여 위치된 고정 작동 전극(5,6);을 구비하는 스위치 장치의 작동 방법으로서,
    상기 방법은:
    상기 고정 작동 전극(5,6)들에 의한 정전기력이, 가동 요소의 궤적에 실질적으로 평행한 상기 가동 요소(2)의 가장자리(20a)에 작용하도록, 상기 고정 작동 전극(5,6)을 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)에 근접되게 배치시키는 단계; 및,
    상기 가동 요소(2)가 상기 작동 전극(5,6)과 접촉할 수 없도록, 그리고 상기 미리 결정된 스위치 위치(A,B)가 상기 고정 작동 전극(5,6)에 의해서 상기 가동 요소(2)상에 발생된 정전기력과 상기 탄성 부재(3)에 의해서 발생된 기계적인 스프링의 힘 사이의 평형 지점에 의해 정해지도록, 상기 가동 요소(2), 상기 탄성 부재(3) 및, 상기 고정 작동 전극(5,6)의 기하 형상을 선택하는 단계로서, 평형 지점(E)에서 상기 정전기력과 상기 기계적인 스프링의 힘은 같은 크기를 가지되, 반대로 작용하는 단계;를 구비하는, 스위치 장치를 작동시키는 방법.
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