KR101716513B1 - 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조 - Google Patents

캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 중심으로 마이크로 기계 구성 요소(S)를 회전시키기 위한 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조에 관한 것이며, 액추에이터 구조는, 한편으로 홀더(VS)에 장착되고 다른 한편으로 마이크로 기계 구성 요소(S)가 장착될 수 있는 토션 스프링 장치와, 복수의 회전 구동부(A1, A2, A3; Ai'; A1", A2"; A1"', A2"', A1"", A2"")를 구비한 회전 구동 장치를 구비하며, 이때 토션 스프링 장치는, 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 따라 연장되거나 상기 회전축에 대해 평행하게 연장되는 복수의 토션 스프링(f1, f2, f3; f', fi'; f1", f2", f1a"', f1b"', f2"'; f1a"", f1b"", f2"")을 포함하고, 상기 회전 구동부는 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 중심으로 마이크로 기계 구성 요소(S)의 전체 회전각에 대해 각각의 회전 구동부(A1, A2, A3; Ai'; A1", A2"; A1"', A2"', A1"", A2"")가 일부 기여하기에 적합하도록 토션 스프링 장치(f1, f2, f3; f', fi'; f1", f2"; f1a"', f1b"', f2"'; f1a"", f1b"", f2"")에 연결된다.

Description

캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조{CASCADED MICROMECHANICAL ACTUATOR STRUCTURE}
본 발명은 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조에 관한 것이다.
본 발명 및 본 발명의 기초가 되는 문제점은, 임의의 마이크로 기계 구성 요소에 적용될 수 있음에도 마이크로 미러용의 액추에이터에 기초해서 설명된다.
마이크로 미러는 예컨대 바코드 스캐너, 투영 시스템과 같은 광학적 빔의 편향 시 또는 광학적 데이터 연결부의 스위칭 시에 사용된다. 이 경우 마이크로 미러의 편향에 대해서는 2개의 기본적인 작동 유형이 있다. 공진 작동 유형의 경우 마이크로 미러의 고유 주파수가 여기된다. 이는 에너지 주입이 낮을 경우 매우 높은 미러 경사를 가능하게 한다.
진동 주파수가 항상 마이크로 미러의 공진 주파수 주변의 범위로 정해지고, 이에 상응하게 상기 진동이 항상 정현 곡선과 유사한 함수를 나타내는 것은 바람직하지 못하다. 이는 투영에 적용될 경우 화상(image) 명암도의 분배를 저하시키는데, 그 이유는 빔이 매우 신속하게 화상 중심을 스쳐 지나가는 반면, 매우 천천히 화상 가장자리를 스쳐 지나가기 때문이다.
2차원 스캐너의 경우, 통상적으로 리사주 도형(lissajous figure)에 의해 작업이 실행된다. 이는 투영 레이저의 제어를 위한 화상 처리 시 연산 비용이 매우 많이 든다는 것을 의미한다. 이 경우 화상의 해상도는, 한 줄씩 투영될 경우 마이크로 미러의 수평 진동 주파수로부터 나타날 수도 있는 값에 도달하지 않는다. 또한, 관찰자는 이와 같이 "혼돈스럽게(chaotic)" 구성된 화상을 불편하게 여기는데, 그 이유는 머리를 빨리 움직이면, 상기 화상이 붕괴된 것으로 보이기 때문이다.
이러한 문제점이 발생하지 않는 비디오 화상을 한 줄씩 투영하기 위해서는 하나 이상의 축에서 정적으로 또는 준정적으로 여기될 수 있는 마이크로 미러가 필요하다. 정전력은 인력으로서 뿐만 아니라 척력으로도 작용할 수 있기 때문에, 공진 마이크로 미러에 종종 사용되는, 하나의 평면에서의 전극 구조는 적합하지 않다. 이와 반대로, 상이한 평면에서의 전극은 준정적인 정전 구동기를 구현하기에 적합하다. 이를 위해서는 많은 해결책들이 있다.
WO 2008-071172호에는 하나 이상의 가동 마이크로 미러 요소와, 마이크로 미러를 구동하기 위한 복수의 핑거형 또는 빗형 전극을 내부 영역에 포함하는 마이크로 미러 액추에이터가 설명되어 있으며 상기 전극들은 서로 높이가 오프셋되어 있고, 이 경우 액추에이터는 중간층에 의해 적어도 섹션별로 서로 전기 절연되는 3개 이상의 메인층으로 구성된 층 구조로 형성된다. 서로 적층된 평행한 평면에 빗형 전극들이 상기와 같이 배치되는 것은 OOP 빗[아웃 오브 플레인(Out Of Plane) 빗]으로도 지칭된다.
DE 10 2008 003 344.8호에는 각이 있는 수직의 빗이 마이크로 미러 액추에이터로서 공지되어 있으며, 이때 빗은 하나의 평면에서 구조화된 다음 후속해서 상기 평면으로부터 사전 편향된다.
일반적으로 토크는 회전축에 대한 힘 작용의 거리가 증가함에 따라 상승한다. 예컨대 하나의 평면으로 구성된 스프링에 대해 구조를 틸팅하는 정전 액추에이터의 경우, 이에 따라 수직의 빗형 구조 또는 핑거 구조는 회전축으로부터 가급적 멀리 떨어져서 놓여야 한다. 그러나 아쉽게도 이는, OOP 빗형 전극의 깊이가 주어졌을 경우, 구현될 수 있는 편향이 회전축에 대한 전극 쌍(회전자 및 고정자)의 거리에 따라 좌우된다는 한계를 갖는다. 회전축으로부터 전극이 점점 더 멀리 떨어질수록, 고정자로부터 회전자가 점점 더 미리 빠져 나온다. 상기 지점으로부터는, 에너지가 계속적으로 수득될 수 없기 때문에, 상기 지점은 최대 편향에 상응한다. 다시 말해, 최대 편향은 OOP 전극 구조가 회전축에 더 가깝게 놓일 경우보다 OOP 전극 구조가 회전축으로부터 더욱 멀게 놓일 경우에 더 작다.
도 8a, 도 8b는 공지된 마이크로 기계 빗형 구동 구조를 나타내기 위한 2개의 전극 빗살의 개략적 횡단면도이다.
도 8a, 도 8b에서 도면 부호 E1은 고정점(V)을 중심으로 회전할 수 있거나 선회할 수 있는 전극 빗살(Fd)을 갖는 빗형 전극이 제공된 제1 평면을 표시하며, 상기 빗형 전극은 고정된 전극 빗살(Ff)을 갖는 제2 빗형 전극에 대해 평행하게 놓이고 제2 빗형 전극은 밑에 놓인 제2 평면(E2)에 제공된다. 상기 평면들(E1, E2)은 서로 평행하게 놓인다.
전압(U)이 인가될 경우, 전극 빗살(Fd)은 고정된 전극 빗살(Ff) 내로 삽입된다. 이는, 상기와 같은 삽입 시 2개의 전극(Ff, Fd)의 중첩면이 확대되기 때문에 에너지 감소를 초래한다. 따라서, 상응하는 토크가 회전 가능한 빗형 전극(Fd)에 형성된다. 토크 경로는 도 8b에 도시된 각(α)까지는 안정적이며, 상기 각의 경우 회전 가능한 빗형 전극(Fd)은 고정된 빗형 전극(Ff) 내로 완전히 삽입된다. 면 중첩은, 각(α)을 초과해서는 더 이상 균일하게 증가하지 않는다. α보다 큰 각의 경우 회전 가능한 빗형 전극(Fd)의 하부면은 중첩으로부터 다시 벗어난다. 이는 토크 경로에서 심한 토크 감소로 나타난다.
이러한 관찰로부터, OOP 빗형 전극에 대한 경사각(α)이 빗형 전극 핑거의 길이 및 높이에 의해 정해지는 한계를 갖는다는 것을 분명히 알 수 있다. 높은 빗형 전극은 큰 경사각을 허용하지만, 예컨대 트렌치 에칭 공정으로 제조되는 낮은 빗형 전극 핑거보다 제조하기가 더 어렵다. 긴 빗형 전극 핑거에 의해 토크가 급격히 상승할 수 있지만, 가능한 편향각(α)은 핑거 길이에 따라 감소한다.
도 9는 마이크로 미러의 회전 구동을 위해 공지된 마이크로 기계 빗형 구동 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 9에서 도면 부호 VS는 홀더, 예컨대 기판의 고정된 영역을 표시한다. 토션 스프링(f0)에 의해 빗형 전극 회전 구동부(A)가 연결되며, 상기 구동부의 다른 측에는 회전축(DA0)을 중심으로 회전할 수 있는 마이크로 미러(S)가 장착되고, 토션 스프링(f0)은 상기 회전축을 따라 연장되어 상응하는 복원 모멘트를 제공한다. 빗형 전극 회전 구동부(A)는 회전 가능한 전극 빗살(Fd)을 갖는 회전 가능한 제1 빗형 전극(Da)과, 회전 가능한 전극 빗살(Fd)을 가지며 대향 배치되는, 회전 가능한 제2 빗형 전극(Db)을 포함한다. 회전 가능한 빗형 전극(Da, Db)은 상응하는 고정된 빗형 전극(Fa, Fb)과 상호 작용하며, 고정된 빗형 전극은 마찬가지로 홀더(VS)에 의해 고정되고, 고정된 전극 빗살(Ff)을 포함한다. 도 8을 다시 참조하면, 회전 가능한 빗형 전극(Da, Db)은 평면(E1)에 놓이고 고정된 빗형 전극(Fa, Fb)은 평면(E2)에 놓인다.
회전 가능한 제1 빗형 전극(Da)과 고정된 제1 빗형 전극(Fa)에 또는 회전 가능한 제2 빗형 전극(Db)과 고정된 제2 빗형 전극(Fb)에 전압차(U)가 인가됨으로써, 회전축(DA0)을 중심으로 회전이 가능한데 즉, 각각 +α 또는 -α까지의 각을 중심으로 회전이 가능하다(도 8 참조).
청구항 1항에 규정된 본 발명의 기초가 되는 개념은 복수의 회전 구동부들이 캐스케이딩됨으로써, 개별 영역들에서 요구되는 최대 편향각이 감소하므로, 회전축에 대한 전극의 거리가 최적화될 수 있다는 데 있다. 따라서, 무엇보다 더 높은 토크 또는 더 낮은 구동 전압이 구현되거나 구동부를 위한 공간 요구가 줄어들 수 있다.
구동 영역의 캐스케이딩은 최대 편향이 작다는 점에 기초해서 개별 영역들의 부하가 줄어들도록, 회전축을 따라(축방향으로) 또는 회전축에 대해 반경 방향으로 구현된다. 축방향 캐스케이딩의 경우, 빗형 전극들은 회전축에 대해 상이한 거리를 두고 놓이며 스프링 요소가 조정됨으로써 연결된다. 상응하는 각각의 구동 영역은 편향각이 작을 경우 토크를 더 많이 형성하거나, 토크가 작을 경우 더 큰 편향을 유도한다.
반경 방향 캐스케이딩의 경우, 프레임에 의해 중간 평면이 삽입된다. 액추에이터는 프레임에 대해 편향되고 프레임은 칩에 대해 편향되므로, 각각의 최대 편향각은 설계에 따라 비례적으로 줄어든다.
회전 구동부 당 편향각이 더 작기 때문에, 개별 영역들은 구성 요소에 대한 위치 및 기능에 맞게 더 많이 조정될 수 있다. 이는 예컨대 더 큰 토크와, 더 낮은 구동 전압, 칩 면적 활용의 개선(전체적으로 공간을 덜 차지하도록) 또는 실제 액추에이터에서의 더 큰 편향각을 위해 이용될 수 있다.
종속항에는 본 발명의 대상의 바람직한 개선예가 제시된다.
바람직한 개선예에 따라, 토션 스프링 장치는 제1 토션 스프링을 포함하며, 상기 토션 스프링의 제1 단부가 홀더에 장착되고, 이때 회전 구동 장치는 제1 토션 스프링의 제2 단부와 제2 토션 스프링의 제1 단부 사이에 장착된 제1 회전 구동부를 포함하며, 회전 구동 장치는 제2 토션 스프링의 제2 단부에 장착된 제2 회전 구동부를 포함한다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 제1 회전 구동부는 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제1 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제1 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 제2 회전 구동부는 회전 가능한 제2 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제2 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제2 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제2 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제1 빗형 전극 장치는 회전 가능한 제2 빗형 전극 장치 및 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제2 빗형 전극 장치보다 회전축으로부터 더 멀리 이격되어 배치된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 회전 구동 장치는 회전 가능한 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 회전 가능한 빗형 전극 장치는 토션 스프링 장치에 의해 홀더에 장착되고, 이때 회전 가능한 빗형 전극 장치의 빗살은 토션 스프링 장치에 장착되어 상기 토션 스프링 장치를 중간에 놓이는 개별 토션 스프링들로 분할하며, 회전 가능한 빗형 전극 장치의 빗살들의 길이는 홀더의 측면으로부터 시작해서 회전축을 따라 연속적으로 감소하므로, 2개의 토션 스프링 사이에 각각 하나의 회전 구동부가 형성된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 제1 회전 구동부는 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제3 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제3 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 제2 회전 구동부는 회전 가능한 제4 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제4 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제4 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제4 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 고정된 제4 빗형 전극 장치는 상기 빗형 전극 장치가 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치와 함께 제1 평면에서 회전하도록, 제1 프레임에 의해 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치에 연결된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 토션 스프링 장치는 제3 및 제4 토션 스프링을 포함하며, 상기 토션 스프링의 각각의 제1 단부는 서로 평행하고 회전축에 대해 평행하게 홀더에 장착되고, 이때 회전 구동 장치는 제3 및 제4 토션 스프링의 각각의 제2 단부에 장착된 제3 회전 구동부를 포함하며, 토션 스프링 장치는 제1 단부가 홀더에 장착된 제5 토션 스프링을 포함하고, 이 경우 회전 구동 장치는 제5 토션 스프링의 제2 단부에 장착된 제4 회전 구동부를 포함한다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 제3 회전 구동부는 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제5 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제5 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 제4 회전 구동부는 회전 가능한 제6 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제6 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제6 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제6 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 고정된 제6 빗형 전극 장치는 상기 빗형 전극 장치가 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치와 함께 제1 평면에서 회전하도록, 제2 프레임에 의해 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치에 연결된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 제4 회전 구동부는 고정된 제7 빗형 전극 장치와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 회전 가능한 제7 빗형 전극 장치를 포함하며, 회전 가능한 제7 빗형 전극 장치는 제1 평면에 배치되고 고정된 제7 빗형 전극 장치는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 고정된 제7 빗형 전극 장치는 상기 빗형 전극 장치가 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치와 함께 제1 평면에서 회전하도록, 제2 프레임에 의해 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치에 연결된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 복수의 토션 스프링들은 상이한 스프링 상수를 갖는다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 캐스케이드 방식으로 구성된 본 발명에 따른 마이크로 기계 액추에이터 구조는 마이크로 기계 구성 요소인 마이크로 미러에 연결된다.
추가의 바람직한 개선예의 경우, 회전 구동 장치는 복수의 전극들을 포함하며, 상기 전극들은 이중 전극으로서 제1 및 제2 평면에 구현되므로 두 방향으로의 각 편향을 허용한다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며 이하의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 5a, 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 편향 거동을 나타내기 위한 개략적 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 편향 거동을 나타내기 위한 개략적 횡단면도이다.
도 8a, 도 8b는 공지된 마이크로 기계 빗형 구동 구조를 나타내기 위한 2개의 전극 빗살의 개략적 횡단면도이다.
도 9는 마이크로 미러의 회전 구동을 위해 공지된 마이크로 기계 빗형 구동 구조의 개략적 횡단면도이다.
도면들에서 동일한 도면 부호들은 동일한 부품 또는 기능이 동일한 부품을 표시한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 1에서 3개의 회전 구동부(A1, A2, A3)는 캐스케이드 방식으로 접속되거나 서로 축방향으로 접속된다. 회전축(DA)을 따라 연장된 제1 토션 스프링(f1)에 의해, 제1 회전 구동부(A1)가 홀더(VS), 예컨대 반도체 기판에 연결된다. 제1 회전 구동부(A1)는 회전축(DA)으로부터 제1 거리(d1)를 두고 중심 영역의 대향 배치된 측면에 제공되는, 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치(D1A, D1B)를 포함한다. 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A, D1B)는 복수의 전극 빗살(FD)을 포함한다. 회전 가능한 빗형 전극 장치(F1A, F1B)와 상호 작용하도록, 고정된 빗형 전극 장치(F1A, F1B)가 대향 배치된 측면에 제공되며, 고정된 빗형 전극 장치(F1A, F1B)의 전극 빗살(FF)은 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A, D1B)의 핑거들(FD) 사이에 각각 놓인다.
회전축(DA)을 따라 연장된 제2 토션 스프링(f2)에 의해, 제1 회전 구동부(A1)에는 제2 회전 구동부(A2)가 연결되며, 제2 회전 구동부의 회전 가능한 양측의 빗형 전극 장치(D2A, D2B)와 고정된 빗형 전극 장치(F2A, F2B)는 회전축(DA)으로부터 거리(d2)를 두고 배치되고, 이때 거리(d2)는 거리(d1)보다 짧다.
마찬가지로, 회전축(DA)을 따라 연장된 제3 토션 스프링(f3)에 의해, 제2 회전 구동부(A2)에는 제3 회전 구동부(A3)가 연결되며, 제3 회전 구동부의 고정된 빗형 전극 장치(F3A, F3B) 또는 회전 가능한 빗형 전극 장치(D3A, D3B)는 회전축(DA)에 더 가까이 놓이지만 거리(d3)을 두고 놓인다. 부분적으로만 도시된 마이크로 미러(S)는 제3 회전 구동부(A3)에 연결된다.
회전 구동부(A1, A2, A3)의 회전 가능한 빗형 전극 장치들은 고정된 빗형 전극 장치의 평면(E2) 상부에 놓이는 평면(E1)에 놓인다(도 8 참조).
예컨대 제1 회전 구동부(A1)의 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A)와 고정된 빗형 전극 장치(F1A)에 전압이 인가되면, 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A)는 고정된 빗형 전극 장치(F1A) 내로 삽입된다. 물론 제2 및 제3 회전 구동부(A2, A3)가 회전축(DA)에 더 가까이 놓인 빗형 전극 장치를 포함하기 때문에, 사전 편향이 구현되지만, 회전 가능한 전극 장치(D2A, D3A)가 상응하는 고정된 빗형 전극 장치(F2A 또는 F3A) 내로 완전히 삽입되는 것은 구현되지 않는다.
제2 회전 구동부(A2)의 고정된 빗형 전극 장치(F2A)와 회전 가능한 빗형 전극 장치(D2A)에 전압이 상응하게 인가되면, 상기 지점에서도 제3 회전 구동부(A3)의 완전한 삽입 및 추가의 사전 편향이 구현된다.
마지막으로, 고정된 제3 빗형 전극(F3A) 및 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치(D3A)에 인가된 전압에 의해, 제3 회전 구동부는 전체 편향각에 도달하도록 작은 잔여각만큼 작은 토크로써 편향된다.
상기 실시예에서 3개의 회전 구동부(A1, A2, A3)에 제공될 힘은 도 9에 따른 공지된 회전 구동부와 비교해서 더 작은데, 그 이유는 상기 힘이 3개의 회전 구동부에 분배되기 때문이다.
상기 제1 실시예의 경우, 총 3개의 회전 구동부(A1, A2, A3)가 동일한 각 편향에 기여한 다음, 토션 스프링(f1, f2, f3)의 스프링 상수가 상응하게 조정된다는 점에서 최적화가 실행될 수 있다. 다른 한편으로, 토션 스프링(f1, f2, f3)의 스프링 상수가 동일한 경우 조정된 토크가 제공되는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 2에 따른 제2 실시예의 경우, 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A', D1B')가 홀더(VS)에 장착되는 데 사용되는 토션 스프링(f')이 제공된다. 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A', D1B')의 전극 빗살(FD')은, 마찬가지로 홀더(VS)에 장착되고 제1 실시예에서와 마찬가지로 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A', D1B')보다 더 깊숙이 놓인 평면(E2)에 제공되는 고정된 빗형 전극 장치(F1A', F1B')의 전극 빗살(FF')과 상호 작용한다. 빗형 전극 장치(D1A', D1B')의 우측 측면에서는, 마이크로 미러(S)가 토션 스프링(f')에 장착된다.
상기 실시예에서, 전극 빗살의 길이는 홀더(VS)로부터 시작해서 마이크로 미러(S)의 방향으로 회전축(DA')을 따라, 시작하는 길이(l1)에서부터 끝나는 길이(l2)까지 연속적으로 감소한다. 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A', D1B')의 전극 빗살(FD')이 토션 스프링(f')에 장착된 이후, 전극 빗살은 빗형 전극 장치(D1A', D1B')의 길이에 걸쳐서 토션 스프링을 개별 토션 스프링(fi')으로 분할하므로, 2개의 토션 스프링들(fi') 사이에 회전 구동부(Ai')가 각각 형성된다.
이로써 각각의 핑거(FD')는 토션 스프링(f')을 조금 더 많이 최대 편향각으로 이동시키므로 후속 핑거(FD')가 사전 편향된다. 도시된 바와 같이, 제3 회전축(DA')에 대한 핑거(FD')의 최대 거리(DL)은 토션 스프링(f')이 점점 편향됨에 따라 단축되는데, 이는 마이크로 미러(S)가 소정의 편향각에 이를 때까지, 설명한 바와 같이 차동 구동부(Ai')의 더 큰 연속적인 편향에 도달하기 위함이다. 본 실시예에서도, 핑거(FF') 내로의 핑거(FD')의 최대 삽입각은 고정된 빗형 전극 장치(F1A', F1B')의 고정된 평면(E2)에 의해 제한된다.
이 시점에서, 도 1에 따른 제1 실시예와 도 2에 따른 제2 실시예 사이의 최적화된 중간 방법을 선택하는 것도 물론 가능하다는 것을 언급해 둔다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이다.
도 3에 도시된 제3 실시예의 경우, 캐스케이드 방식의 2개의 회전 구동부(A1", A2")에는 각각의 빗형 전극 장치가 제공된다. 제1 회전 구동부(A1")는 토션 스프링(f1")에 의해 홀더(VS)에 연결된 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A", D1B")를 포함한다. 회전 가능한 상기의 빗형 전극 장치(D1A", D1B")와 상호 작용하도록, 홀더(VS)에 장착되고 더 깊숙한 평면(E2)에 놓이는, 고정된 빗형 전극 장치(F1A", F1B")가 제공된다. 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A", F2B")는 프레임(R")에 의해 제1 회전 구동부(A1")에 연결된다.
영역(R1 또는 R2)에서, 프레임(R")은 상부 평면(E1)으로부터 하부 평면(E2)으로 안내되거나 스텝화된다. 영역(R3 또는 R4)은 하부 평면(E2)에서 연장된다. 대안적으로, R"은 안정성의 이유로 2개의 평면(E1, E2)에서 구현될 수도 있으며, 고정된 빗형 전극 장치(F2A", F2B")의 핑거만이 하부 평면(E2)에서 구현될 수 있다.
이러한 구조에 의해, 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A")가 제1 회전 구동부를 통해 사전 편향되므로, 고정된 균일한 고정자 평면(E2)은 더 이상 나타나지 않는다. 다시 말해, 고정된 빗형 전극 장치(F2A", F2B")와 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A", D1B")의 상대적 배치는 (제1 실시예와 달리) 제1 회전 구동부의 영향 하에 획득된다.
제2 회전 구동부(A2")는 제2 토션 스프링(f2")에 의해 제1 회전 구동부(A1")에 연결되며, 사전 편향될 수 있고 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A", F2B")와 상호 작용하는 회전 가능한 제2 빗형 전극(D2A", D2B")을 포함한다. 제2 회전 구동부(A2")에는 회전 미러(S)가 장착된다.
상기 실시예에서, 각각의 회전 구동부(A1", A2")는 회전축(DA")을 중심으로 동일한 상대각만큼 편향되어야 하지만, 개별 회전 구동부(A1", A2")는 작은 각만을 이동한다. 따라서 토크가 상승할 수 있으며, 필요한 토크의 총합은 더 작다.
(도시되지 않은) 추가의 실시예는, 예컨대 중앙 영역의 중심에 이미 시작점이 놓임으로써, 부분적으로 구동 영역(A1") 내에 토션 스프링을 통합한다. 따라서, 축방향 길이뿐만 아니라, 바람직하지 못한 진동 모드가 발생하는 경향도 감소할 수 있다. 도 3에서, 2개의 회전 구동부(A1", A2")는 캐스케이드 방식으로 구성되며, 추가의 등급화도 물론 가능하다. 이러한 실시예는 제1 또는 제2 실시예와 비교할 때 비교적 약간 더 복잡한데, 그 이유는 토션 스프링(f1", f2")에 의해 연장되는 공급 라인의 수가, 고정자 영역(F2A", F2B") 역시 상기 토션 스프링에 의해 접촉되어야 함으로 인해, 증가하기 때문이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이며 도 5a, 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 편향 거동을 나타내기 위한 개략적 횡단면도이다.
제4 실시예의 경우, 마찬가지로 제1 회전 구동부(A1"')와 제2 회전 구동부(A2"')가 제공되며 이들은 물론 평행하게 접속된다. 제1 회전 구동부(A1"')는, 회전축(DA"')에 대해 평행하고 상기 회전축으로부터 이격되게 연장된 토션 스프링(f1a"', f1b"')에 의해 홀더(VS)에 연결된다. 제1 회전 구동부(A1"')는 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"')와, 고정된 빗형 전극 장치(F1A"', F1B"')를 포함하며, 이때 고정된 빗형 전극 장치는 나머지 실시예들과 마찬가지로 더 깊은 평면(E2)에 제공된다.
마이크로 미러(S)가 고정된 제2 회전 구동부(A2"')는 별도의 토션 스프링(f2"')에 의해 홀더(VS)에 연결되며 제1 회전 구동부(A1"')와 무관하게 회전할 수 있다. 이를 위해, 고정된 빗형 전극 장치(F2A"')와 상호 작용하는 회전 가능한 빗형 전극 장치(D2A"')는 프레임(R"')에 의해 제1 회전 구동부(A1"')에 연결된다. 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A"', F2B"')는 제1 회전 구동부(A1"')의 제1 평면(E1)에 놓인다.
상기 실시예에서, 도 5a에 따른 회전 가능한 빗형 전극 장치(D2A"')의 전극 빗살은 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A"')에 대해 편향되며, 프레임(R"')은 정지 위치에 있다. 회전 가능한 빗형 전극 장치(D2A"')의 전극 빗살이, 캐스케이드 구동부를 갖지 않는 경우의 예컨대 7°와 비교할 때, 프레임(R"')에 대해 예컨대 5°의 더 작은 각(α1a)을 형성함으로써, 회전 가능한 빗형 전극 장치(D2A"')의 전극 빗살은 회전축(DA"')으로부터 더 멀리 위치할 수 있으며 더 큰 토크가 형성될 수 있다. 고정된 제1 전극 장치(F1A"')와 상호 작용하는, 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치(D1A"')에 의해 프레임(R"')이 나머지 칩에 대해 추가로 액추에이팅됨으로써, 총합으로 목표각에 도달될 수 있으며, 본원에서 상기 각은 도 5b에 α2로서 도시된다. 이때 목표각(α2)은 통상 α1a와 α1b의 총합보다 작다. 도시된 실시예의 경우, 각 α1a은 5°이며 각 α1b은 3°인 반면, 각 α2는 대략 7°내지 8°이다. 구동부(A1"', A2"')의 크기는 스프링력과 구동력의 총합에 상응하게 설계되어야 한다.
프레임(R3"') 또는 고정된 빗형 전극 장치에 대한 빗형 구동부의 상대적인 작은 편향에 의해, 회전축(DA"')에 대한 거리뿐만 아니라 이로써 실현될 수 있는 토크가 상승할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 개략적 횡단면도이며, 도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조의 편향 거동을 나타내기 위한 개략적 횡단면도이다.
도 6에 따른 제5 실시예의 경우, 마찬가지로 제1 및 제2 회전 구동부(A1"", A2"")가 제공된다.
제4 실시예에서와 같이, 제1 회전 구동부(A1"")는 제1 및 제2 토션 스프링(f1A"", f1B"")에 의해 홀더(VS)에 연결된다. 제1 회전 구동부는 회전 가능한 빗형 전극 장치(D1A"", D1B"")를 포함하며, 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치는 더 깊숙하게 놓인 평면(E2)에 제공된, 고정된 제1 빗형 전극 장치(F1A"", F1B"")와 상호 작용한다.
제1 회전 구동부(A1"")에는, 제2 회전 구동부(A2"")의 회전 가능한 제2 빗형 전극 장치(D2A"', D2B"")와 상호 작용하는 고정된 제2 빗형 전극 장치(F2A"", F2B"")가 프레임(R"")에 의해 장착되며, 이때 제2 회전 구동부(A2"")는 토션 스프링(f2"")에 의해 홀더(VS)에 연결된다. 이와 관련해서, 제5 실시예는 도 4에 따른 제4 실시예와 동일하다.
제5 실시예의 경우, 마찬가지로 프레임(R"")에 제공되며 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치(D3A"", D3B"")와 상호 작용하는 고정된 제3 빗형 전극 장치(F3A"", F3B"")가 추가로 제공되고, 이때 회전 가능한 제3 빗형 전극 장치는 추가의 프레임(ZR"")에 의해 제2 회전 구동부(A2"")에 연결된다.
도 7a 내지 도 7c을 참조하면, 상기 실시예의 경우 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치(D1A"")가 고정된 제1 빗형 전극 장치(F1A"")와 상호 작용함으로써 도 7a에 따른 정지 위치로부터 시작해서 프레임(R"")이 각(β1)만큼 사전 편향된다. 후속 단계에서는 회전 가능한 제2 빗형 전극 장치(D2A"")도 회전 가능한 제1 빗형 전극 장치(D1A"")에 대해 편향되며, 이는 각(β2)만큼의 편향을 유도한다.
회전축(DA4"")이 토션 요소와 프레임(R"")으로부터 변수 d*/tan(최대 목표각) 만큼 변위됨으로써, 십자 형태로 접속된 이중 전극의 상부 및 하부 층은 최대 목표각일 경우 완전히 중첩되며, 이는 도 7b에 도시된 바와 같다. 이러한 중첩은 축방향 영역뿐만 아니라, 전체 프레임 또는 전체 토션 요소에 적용된다. 그러나 2개의 회전축 사이에 놓이지 않는 빗형 전극들은 서로 당기는 것이 아니라, 서로 지나쳐서 안내된다. 이는, 목표각의 경우 십자형 회로에서 마찬가지로 에너지 최소화를 유도하므로, 빗형 구동부는 전체적으로 프레임(R"") 상에서 편향에 기여한다. 그러나 축에서 먼 빗들은 편향을 보완할 수만 있으며, 편향 방향은 축에 가까운 빗에 의해 사전 설정되어야 한다. 각 당 중첩면이 증가하는 것은, 회전축에 대한 거리와 무관하며 즉, 토크는 빗 수에 대해 선형으로, 또한 회전축으로부터 반경 방향으로 먼 쪽으로 상승한다. 그러나 핑거는 고정자로부터 완전히 벗어나지 않아서 연결될 수 없다. 도 7c에는 회전 가능한 핑거(D3A"")를 위한 고정자가 도시되어 있다.
바람직한 실시예를 기초로 본 발명이 전술되었을지라도, 본 발명은 이에 국한되지 않으며 다양한 방식으로 변형될 수 있다.
상술한 실시예에서는 편향될 마이크로 기계 요소가 마이크로 미러였지만, 본 발명에 따른 마이크로 기계 액추에이터 구조는 편향될 다른 마이크로 기계 요소에도 적용될 수 있다.
또한, 핑거 전극 구조 대신에 플레이트 전극 구조 또는 그 외의 전극 구조도 여기에 사용될 수 있다.
기본적으로, 상술한 실시예들은 각각 개별 전극 구동부 즉, 각각 제1 평면 또는 제2 평면에서의 회전 가능한 그리고 고정된 핑거 전극들에 의해 설명된다. 그러나 이는 예컨대 프레임 또는 마이크로 기계 요소의 한 방향으로의 편향만을 가능하게 한다. 모든 실시예들은, 회전 가능한 그리고 고정된 핑거 전극들이 각각 2개의 평면에서 구현되지만 서로 전기 절연된 영역으로서 구현되는 이중 전극에 의해서도 구현될 수 있다. 상이한 영역들이 상응하게 접속됨으로써 두 방향으로 편향이 구현될 수 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 중심으로 마이크로 기계 구성 요소(S)를 회전시키기 위한 캐스케이드 방식의 액추에이터 구조이며,
    액추에이터 구조는,
    한편으로 홀더(VS)에 장착되고 다른 한편으로 마이크로 기계 구성 요소(S)가 장착될 수 있는 토션 스프링 장치[이때 토션 스프링 장치는, 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 따라 연장되거나 상기 회전축에 대해 평행하게 연장되는 복수의 토션 스프링(f1, f2, f3; f', fi'; f1", f2"; f1a"', f1b"', f2"'; f1a"", f1b"", f2"")을 포함한다]와,
    복수의 회전 구동부(A1, A2, A3; Ai'; A1", A2"; A1"', A2"', A1"", A2"")를 구비한 회전 구동 장치를 구비하며, 상기 회전 구동부는 회전축(DA; DA'; DA"; DA"'; DA"")을 중심으로 마이크로 기계 구성 요소(S)의 전체 회전각에 대해 각각의 회전 구동부(A1, A2, A3; Ai'; A1", A2"; A1"', A2"', A1"", A2"")가 일부의 회전각을 기여하도록 토션 스프링 장치(f1, f2, f3; f', fi'; f1", f2", f1a"', f1b"', f2"'; f1a"", f1b"", f2"")에 연결되고,
    토션 스프링 장치는 제3 및 제4 토션 스프링(f1a"', f1b"'; f1a"", f1b"")을 포함하며, 상기 토션 스프링의 각각의 제1 단부는 서로 평행하고 회전축(DA"'; DA"")에 대해 평행하게 홀더(VS)에 장착되고, 회전 구동 장치는 제3 및 제4 토션 스프링(f1a"', f1b"'; f1a"", f1b"")의 각각의 제2 단부에 장착된 제3 회전 구동부(A1"'; A1"")를 포함하며, 토션 스프링 장치는 제1 단부가 홀더(VS)에 장착된 제5 토션 스프링(f2"'; f2"")을 포함하고, 이 경우 회전 구동 장치는 제5 토션 스프링(f2"'; f2"")의 제2 단부에 장착된 제4 회전 구동부(A2"'; A2"")를 포함하는, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
  7. 제6항에 있어서, 제3 회전 구동부(A1"; A1"')는 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"'; D1A""; D1B"")와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제5 빗형 전극 장치(F1A"', F1B"'; F1A"", F1B"")를 포함하며, 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"'; D1A""; D1B"")는 제1 평면에 배치되고 고정된 제5 빗형 전극 장치(F1A"', F1B"'; F1A"", F1B"")는 제2 평면에 배치되며, 제4 회전 구동부(A2"'; A2"")는 회전 가능한 제6 빗형 전극 장치(D2A"', D2B"'; D2A"", D2B"")와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 고정된 제6 빗형 전극 장치(F2A"', F2B"'; F2A"", F2B"")를 포함하며, 회전 가능한 제6 빗형 전극 장치(D2A"', D2B"'; D2A"", D2B"")는 제1 평면에 배치되고 고정된 제6 빗형 전극 장치(F2A"', F2B"'; F2A"", F2B"")는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 고정된 제6 빗형 전극 장치(F2A"', F2B"'; F2A"", F2B"")는 상기 빗형 전극 장치가 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"'; D1A""; D1B"")와 함께 제1 평면에서 회전하도록, 제2 프레임(R"'; R"")에 의해 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"'; D1A""; D1B"")에 연결되는, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
  8. 제7항에 있어서, 제4 회전 구동부(A2"")는 고정된 제7 빗형 전극 장치(F3A"")와, 상기 빗형 전극 장치와 상호 작용하는 회전 가능한 제7 빗형 전극 장치(D3A"")를 포함하며, 회전 가능한 제7 빗형 전극 장치(D3A"")는 제1 평면에 배치되고 고정된 제7 빗형 전극 장치(F3A"")는 제2 평면에 배치되며, 이 경우 고정된 제7 빗형 전극 장치(F3A"")는 상기 빗형 전극 장치가 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A"', D1B"'; D1A""; D1B"")와 함께 제1 평면에서 회전하도록, 제2 프레임(R"'; R"")에 의해 회전 가능한 제5 빗형 전극 장치(D1A""; D1B"")에 연결되는, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 토션 스프링들(f1, f2, f3; f', fi'; f1", f2", f1a"', f1b"', f2"'; f1a"", f1b"", f2"")은 상이한 스프링 상수를 갖는, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 기계 액추에이터 구조는 마이크로 기계 구성 요소(S)인 마이크로 미러(S)에 연결된, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
  11. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동 장치는 복수의 전극들을 포함하며, 상기 전극들은 이중 전극으로서 제1 및 제2 평면에 구현되므로 두 방향으로의 각 편향을 허용하는, 캐스케이드 방식의 마이크로 기계 액추에이터 구조.
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