KR20040035804A - 마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치,광스위치 및 광스위치 어레이 - Google Patents

마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치,광스위치 및 광스위치 어레이 Download PDF

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KR20040035804A KR10-2004-7003910A KR20047003910A KR20040035804A KR 20040035804 A KR20040035804 A KR 20040035804A KR 20047003910 A KR20047003910 A KR 20047003910A KR 20040035804 A KR20040035804 A KR 20040035804A
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Abstract

가동판(21)은 굴곡부(27a, 27b)를 통해 기판(11)에 고정되고, 기판(11)에 대하여 상하 이동할 수 있다. 기판(11)은 고정 전극을 겸용한다. 가동판(21)은 기판(11)과의 사이의 전압에 의해 기판(11)과의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제2 전극부(23a, 23b)와, 자계 내에 배치되어 통전에 의해 로렌쯔력을 발생하는 전류 경로(25)를 갖는다. 광경로에 진출 및 후퇴하는 미러(12)가 가동판(21)에 설치되어 있다. 이에 따라, 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고, 가동부의 가동 범위를 넓히고, 더구나, 소비 전력을 저감할 수 있다.

Description

마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치, 광스위치 및 광스위치 어레이{MICRO-ACTUATOR, MICRO-ACTUATOR DEVICE, OPTICAL SWITCH AND OPTICAL SWITCH ARRAY}
마이크로 머시닝 기술의 진전에 따라 여러 가지의 분야에서 액츄에이터의 중요성이 높아지고 있다. 마이크로 액츄에이터가 이용되고 있는 분야의 일례로서, 예컨대, 광통신 등에 이용되어 광경로를 전환하는 광스위치를 예로 들 수 있다. 이러한 광스위치의 일례로서, 예컨대 일본 특허 공개 2001-42233호 공보에 개시된 광스위치를 예로 들 수 있다.
마이크로 액츄에이터는 일반적으로 고정부와, 소정의 힘으로 이동 가능하게 된 가동부를 가지고, 상기 소정의 힘으로 소정의 위치에 유지되도록 되어 있다. 종래의 마이크로 액츄에이터에서는 상기 소정의 힘으로 정전력이 이용되는 경우가 많았다. 예컨대, 일본 특허 공개 2001-42233호 공보에 개시된 광스위치에서 채용되어 있는 마이크로 미러를 이동시키는 마이크로 액츄에이터에서는 정전력에 의해 가동부를 상측 위치(마이크로 미러가 입사광을 반사시키는 위치)와 하측 위치(마이크로미러가 입사광을 그대로 통과시키는 위치)로 이동시켜 그 위치에 유지하고 있다.
이러한 정전력을 이용하는 마이크로 액츄에이터에서는 고정부에 제1 전극부를 배치하고, 가동부에 제2 전극부를 배치하여, 제1 및 제2 전극부 사이에 전압을 인가하여 양자간에 정전력을 발생시킨다.
그러나, 전술한 바와 같은 정전력을 이용하는 종래의 마이크로 액츄에이터에서는 정전력으로 가동부를 이동시켜 정전력으로 소정의 위치에 유지하고 있었기 때문에 가동부의 가동 범위를 넓게 하는 것이 곤란했다.
평행 평판의 전극 사이에 작용하는 정전력(F1)은 유전률(ε), 전위차(V), 전극간 거리(d), 전극 면적(S)을 이용하면 하기의 수학식 1로 나타낸 바와 같이 된다.
수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 전극간 거리(d)가 커지면 그 2승에 반비례하여 정전력(F1)이 급격히 작아진다. 따라서, 상기 종래의 마이크로 액츄에이터에서는 전극간 거리(d)가 어느 거리 이상이 되면 가동부를 이동시키기 어려워지고, 가동부의 가동 범위를 넓히는 것이 곤란했다. 또한, 큰 전극간 거리(d)에 대하여 충분한 정전력(F1)을 얻으려고 하여 전위차(전극간 전압)(V)를 크게 하면 절연내력의 점에서 문제가 생기거나, 고전압 발생부가 필요하게 된다. 또한, 큰 전극간 거리(d)에 대하여 충분한 정전력(F1)을 얻으려고 하여 전극 면적(S)을 크게 하면 치수가 커지고, 소형화라는 마이크로 액츄에이터의 원래 표적인 취지를 손상하게 된다.
그래서, 본 발명자는 연구의 결과, 마이크로 액츄에이터에 있어서 정전력 대신에 로렌쯔력을 이용하는 것을 착상하기에 이르렀다.
로렌쯔력 F2(N)는 자속 밀도를 B(T), 전선의 길이를 L(m), 전류를 I(A)로 하면 하기의 수학식 2로 나타내는 바와 같이 되는 것이 알려져 있다.
F2=I ×B ×L
수학식 2에는 전선의 위치를 규정하는 항목이 없기 때문에 일정한 자속 밀도 중에서는 전선의 위치가 변하더라도 발생하는 로렌쯔력(F2)은 변화하지 않는다.
마이크로 액츄에이터에 있어서 가동부에 상기 전선에 해당하는 전류 경로를 설치하고, 이 전류 경로에 대하여 자장을 걸어, 상기 전류 경로에 전류를 흘리면, 가동부에 로렌쯔력을 작용시킬 수 있다. 가동부의 가동 범위가 종래에 비교해서 넓더라도 그 범위에서 대략 같은 자장을 걸어 두는 것은 예컨대 자석을 이용하는 등에 의해 용이하다. 따라서, 가동부의 가동 범위가 넓더라도 가동부의 위치에 상관없이 가동부에 일정한 힘을 작용시킬 수 있다. 즉, 마이크로 액츄에이터에 있어서 정전력 대신 로렌쯔력을 이용하면 가동부의 위치에 의해서 구동력이 변화되는 정전력을 이용하는 경우와는 달리, 가동부의 위치에 무관하게 일정한 구동력을 얻는 것이 원리적으로 가능하다.
예컨대, 전극 간격이 50 ㎛, 전극 형상이 50 ㎛각(角), 전압이 5 V, 유전률이 1이면 상기 수학식 1의 정전력(F1)은 0.1 nN이 된다. 한편, 50 ㎛각의 전극에 50 ㎛의 길이의 전류 경로를 작성하고, 자속 밀도 0.1 T의 자장을 걸면, 전류를 1 ㎃를 흘렸을 때에 5 nN의 로렌쯔력이 발생한다. 5 nN 이상의 힘을 정전력으로 얻기 위해서는 전극 간격을 7 ㎛ 이하 또는 전극 형상을 350 ㎛각 이상으로 하지 않으면 안되고, 동일한 구동력을 얻기 위해서는 로렌쯔력쪽이 유리하다는 것을 알 수 있다.
또, 예컨대, 20 ㎜각의 네오디뮴철붕소계 자석을 마이크로 액츄에이터로부터 2 ㎜ 떨어진 위치에 배치하면, 0.1 T의 자속 밀도는 용이하게 얻어진다.
이와 같이, 마이크로 액츄에이터에 있어서 정전력 대신에 로렌쯔력을 이용하면 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고, 가동부의 가동 범위를 넓힐 수 있다.
그런데, 마이크로 액츄에이터에 있어서 정전력 대신에 로렌쯔력을 이용하면 새로운 문제가 생기는 것이 판명되었다. 즉, 정전력 대신에 로렌쯔력을 이용하는 경우에는 로렌쯔력에 의해 가동부를 소정 위치까지 이동시키고, 로렌쯔력에 의해 가동부를 그 위치에 계속 유지하게 된다. 따라서, 로렌쯔력을 발생시키기 위한 전류를 항상 흘리게 되기 때문에 소비 전력이 현저히 증대하여 버린다.
예컨대, 대규모 광스위치의 응용에서는 수만개의 액츄에이터를 하나의 광스위치 장치중에 갖기 때문에 각 액츄에이터의 저소비 전력화가 강하게 요구된다. 예컨대, 100 ×100 채널의 광스위치에서는 채널을 선택하기 위한 예컨대 MOS 스위치를 반도체 기판상에 제작하는 것이 필수이다. MOS 스위치의 저항을 10 ㏀이라고 하면 거기에 1 ㎃의 전류를 계속 흘린 경우 하나의 MOS 스위치의 소비 전력은 10 ㎽가 된다. 이것이 1만개이기 때문에 합계는 100 W의 소비 전력이 되어, 발열이 지나치게 크기 때문에 실용상 문제가 있다.
본 발명은 마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치, 광스위치 및 광스위치 어레이에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 광스위치 어레이를 구비한 광스위치 시스템의 일례를 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1 중 광스위치 어레이를 구성하는 하나의 광스위치를 도시하는 개략 평면도이다.
도 3은 도 2 중 X1-X2선을 따른 개략 단면도이다.
도 4는 도 2 중 Y1-Y2선을 따른 개략 단면도이다.
도 5는 도 3에 대응하는 개략 단면도이다.
도 6은 도 1 중 광스위치 어레이를 구성하는 하나의 광스위치의 로렌쯔력용전류와 정전력용 전압과 미러의 위치와의 시간 변화에 의한 관계를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 7은 도 1 중 광스위치 어레이를 도시하는 전기 회로도이다.
도 8은 도 7 중 각 단자에 공급하는 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 1 중 광스위치 어레이의 각 공정을 모식적으로 도시하는 개략 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 1 중 광스위치 어레이의 다른 각 공정을 모식적으로 도시하는 개략 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예인 광스위치 어레이를 구성하는 하나의 광스위치를 도시하는 개략 평면도이다.
도 12는 도 11 중 X3-X4선을 따른 개략 단면도이다.
도 13은 도 11 중 Y3-Y4선을 따른 개략 단면도이다.
도 14는 도 12에 대응하는 개략 단면도이다.
도 15는 도 12에 대응하는 다른 개략 단면도이다.
도 16은 도 11에 도시하는 하나의 광스위치의 로렌쯔력용 전류와 정전력용 전압과 미러의 위치와의 시간 변화에 의한 관계를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예인 광스위치 어레이를 도시하는 전기 회로도이다.
도 18은 도 17 중 각 단자에 공급하는 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.
발명의 개시
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고 가동부의 가동 범위를 넓힐 수 있고, 더구나, 소비 전력을 저감할 수 있는 마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치, 광스위치 및 광스위치 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 더욱 연구한 결과, 마이크로 액츄에이터에 있어서 정전력의 이용과 로렌쯔력의 이용을 결합할 수 있도록 구성함으로써 전술한 목적을 달성할 수 있는 것을 발견했다. 즉, 고정부와 상기 고정부에 대하여 이동할 수 있도록 설치된 가동부를 구비한 마이크로 액츄에이터에 있어서, 가동부에 정전력을 작용시켜 얻도록 하기 위한 전극부를 고정부 및 가동부에 각각 설치하고, 가동부에 로렌쯔력을 작용시키기 위한 전류 경로를 가동부에 설치해 둠으로써 전술한 목적을 달성할 수 있는 것을 발견했다.
이 수단을 채용함으로써, 예컨대, 가동부의 전극부와 고정부의 전극부와의 거리가 큰 경우에는 로렌쯔력에 의해서만 가동부를 이동시키고, 가동부의 전극부와 고정부의 전극부와의 거리가 작아진 경우에는 정전력에 의해서만 가동부를 유지하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고 가동부의 가동 범위를 넓힐 수 있고, 더구나, 소비 전력을 저감할 수 있다.
정전력 구동에서는 전기적으로는 콘덴서의 충방전을 행하고 있기 때문에 소비 전력은 충방전시 즉 전압의 변화 시점에서만 발생한다. 따라서, 광스위치 등에 이용하는 마이크로 액츄에이터와 같이 가동부가 빈번히 이동하지 않고 가동부가 소정 위치(고정부의 전극부와 가동부의 전극부와의 사이의 거리가 작은 위치)에 유지되어 있는 기간이 비교적 긴 경우에는 가동부를 소정 위치에 유지하기 위한 힘을 정전력만으로 발생시키면 대폭 소비 전력을 저감시킬 수 있는 것이다. 예컨대, 전극사이의 용량이 10 ㎊이고, 전압이 5 V이며, 가동부의 이동이 1분마다 한 번 발생하는 경우, 정전 구동분의 소비 전력은 4.2 ㎺가 된다. 이 마이크로 액츄에이터가 1만개인 경우, 합계의 정전 구동분의 소비 전력은 42 nW가 된다. 또한, 고정부의 전극부와 가동부의 전극과의 사이의 거리가 작은 위치에서는 양자간의 전압이 비교적 낮고 또한 전극 면적이 비교적 좁더라도 충분한 크기의 정전력을 얻을 수 있다.
로렌쯔력 구동에서는 가동부의 위치에 무관하게 일정한 구동력을 얻을 수 있기 때문에 로렌쯔력으로 가동부를 이동시키면 가동 범위를 넓힐 수 있다. 로렌쯔력의 소비 전력은 예컨대, 전술한 예와 같이 채널을 선택하기 위한 온칩의 MOS 스위치의 저항을 10 ㏀이라고 하면 이 MOS 스위치에 1 ㎃의 전류를 1분마다 10 msec(가동부의 이동 기간에 해당) 흘린 경우, 로렌쯔력 구동분의 소비 전력은 1.7 ㎼가 된다. 마이크로 액츄에이터가 1만개인 경우, 합계의 로렌쯔력 구동분의 소비 전력은 17 ㎽가 되고, 전술한 상시 로렌쯔력 구동하는 경우의 소비 전력 100 W에 비교해서 대폭 저감된다. 전체로서의 소비 전력중의 대부분은 로렌쯔력이 차지하지만, 실용상 큰 문제가 될 정도는 아니다.
이와 같이, 마이크로 액츄에이터 중에 정전력을 발생시키는 구조와 로렌쯔력을 발생시키는 구조의 양방을 탑재함으로써, 예컨대, 가동부를 소정 위치에 유지하기 위한 힘은 정전력으로 발생시켜 소비 전력을 저감하는 한편, 가동 전극과 고정 전극의 간격이 넓을 때에는 로렌쯔력으로 액츄에이터를 구동하여, 고전압의 인가나 전극 면적의 확대를 억제하면서 가동 범위를 확대하는 것이 가능해진다.
본 발명은 이상 설명한 본 발명자의 연구 결과에 의한 새로운 지견에 기초하여 이루어진 것이다.
즉, 상기 목적을 달성하기 위한 제1 발명은 (a) 고정부와, 상기 고정부에 대하여 이동할 수 있도록 설치된 가동부를 구비하고, (b) 상기 고정부는 제1 전극부를 가지고, (c) 상기 가동부는 상기 제1 전극부와의 사이의 전압에 의해 상기 제1 전극부와의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제2 전극부와, 자계 내에 배치되어 통전에 의해 로렌쯔력을 발생하는 전류 경로를 갖는 마이크로 액츄에이터이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제2 발명은 상기 제1 발명으로서 상기 가동부가 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 가동부가 박막으로 형성되어 있기 때문에 가동부를 소형 경량화할 수 있고, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 가동부를 반도체 프로세스에 의해 제조할 수 있기 때문에 제조 비용을 저감할 수 있는 동시에, 어레이화가 용이하다.
상기 목적을 달성하기 위한 제3 발명은 상기 제1 발명 또는 제2 발명으로써상기 전류 경로가 상기 정전력이 증대하는 제1 위치에 상기 가동부를 이동시키는 방향으로 로렌쯔력을 발생할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 가동부를 유지하는 위치로 가동부를 이동시키는 데 필요한 로렌쯔력을 효율적으로 가할 수 있기 때문에 로렌쯔력을 발생시키기 위한 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제4 발명은 상기 제3 발명으로써 상기 가동부가 상기 제1 위치와 상기 정전력이 저하 또는 소실하는 제2 위치와의 사이를 이동할 수 있는 동시에, 상기 제2 위치에 복귀하고자 하는 복귀력이 발생하도록 설치된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 정전력이 미치지 않는 위치까지 가동부가 이동할 수 있기 때문에 가동부의 가동 범위를 넓게 잡을 수 있다. 또한, 가동부가 제2 위치에 이동할 때는 복귀력으로 이동하기 때문에 그 이동에 필요한 전력이 불필요해진다.
상기 목적을 달성하기 위한 제5 발명은 상기 제4 발명으로써 (a) 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부가 대향하여 배치되고, (b) 상기 가동부는 상기 가동부가 상기 제1 위치에 위치할 때에는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 간격이 좁아지는 동시에 상기 가동부가 상기 제2 위치에 위치할 때에는 상기 간격이 넓어지도록 스프링성을 갖는 스프링성부를 통해 상기 고정부에 대하여 기계적으로 접속되고, (c) 상기 복귀력이 상기 스프링성부에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서도 정전력이 미치지 않는 위치까지 가동부가 이동할 수 있기 때문에 가동부의 가동 범위를 넓게 잡을 수 있다. 또한, 가동부가 제2 위치에이동할 때는 복귀력으로 이동하기 때문에 그 이동에 필요한 전력이 불필요해진다.
상기 목적을 달성하기 위한 제6 발명은 상기 제1 발명 또는 제2 발명으로써 상기 고정부는 제3 전극부를 가지고, 상기 가동부는 상기 제3 전극부와의 사이의 전압에 의해 상기 제3 전극부와의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제4 전극부를 갖는 것이다.
본 발명에 있어서는 가동부의 가동 범위를 더욱 넓힐 수 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 제7 발명은 상기 제6 발명으로써 상기 제2 전극부와 상기 제4 전극부가 겸용된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 구성이 단순해지기 때문에 가동부를 경감할 수 있고, 또, 제조 공정도 적어지기 때문에 제조 비용을 저감할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제8 발명은 상기 제6 발명 또는 제7 발명으로써 상기 전류 경로는 상기 제1 및 제2 전극부사이에 발생하는 정전력이 증대한 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이에 발생하는 정전력이 저하 또는 소실하는 제1 위치, 및, 상기 제1 및 제2 전극부사이에 발생하는 정전력이 저하 또는 소실하는 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이에 발생하는 정전력이 증대한 제2 위치에 각각 상기 가동부를 이동시키는 각 방향으로 로렌쯔력을 발생할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 가동부를 유지하는 위치로 가동부를 이동시키는 데 필요한 로렌쯔력을 효율적으로 가할 수 있기 때문에 로렌쯔력을 발생시키기 위한 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제9 발명은 상기 제8 발명으로써 상기 가동부는 상기 제1 및 제2 위치사이의 소정 위치에 복귀하고자 하는 복귀력이 발생하도록 설치된 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 가동부가 소정의 위치로 이동할 때에 복귀력으로 이동하기 때문에 그 이동에 필요한 전력이 불필요해진다.
상기 목적을 달성하기 위한 제10 발명은 상기 제9 발명으로써 (a) 상기 제1 전극부는 상기 가동부에 대한 한편의 측에서 상기 제2 전극부와 대향하여 배치되고, (b) 상기 제3 전극부는 상기 가동부에 대한 다른쪽의 측에서 상기 제4 전극부와 대향하여 배치되며, (c) 상기 가동부는 상기 가동부가 상기 제1 위치에 위치할 때에는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 제1의 간격이 좁아지는 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이의 제2의 간격이 넓어지고, 상기 가동부가 상기 제2 위치에 위치할 때에는 상기 제1의 간격이 넓어지는 동시에 상기 제2의 간격이 좁아지도록 스프링성을 갖는 스프링성부를 통해 상기 고정부에 대하여 기계적으로 접속되고, (d) 상기 복귀력이 상기 스프링성부에 의해 발생는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서도 가동부가 소정의 위치로 이동할 때에 복귀력으로 이동하기 때문에 그 이동에 필요한 전력이 불필요해진다.
상기 목적을 달성하기 위한 제11 발명은 상기 제1 발명 내지 제5 발명 중 어느 하나의 마이크로 액츄에이터와, 상기 자계를 발생시키는 자계 발생부와, 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치이다.
본 발명에 있어서는 로렌쯔력의 크기나 발생의 타이밍을 제어하는 것이 가능하게 되기 때문에 적당한 조건으로 마이크로 액츄에이터를 구동할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제12 발명은 상기 제11 발명으로써 (a) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서 또는 상기 로렌쯔력 및 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치로 이동하도록 상기 전압 및 상기 전류를 제어하고, (b) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치에 유지되도록 상기 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 제1 위치로 가동부를 이동할 때에만 로렌쯔력을 발생하기 위한 전력이 필요하게 되지만, 가동부를 제1 위치에 유지하는 데에는 정전력만을 이용하기 때문에 유지에 필요한 소비 전력을 저감할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제13 발명은 상기 제6 발명 내지 제10 발명 중 어느 하나의 마이크로 액츄에이터와, 상기 자계를 발생시키는 자계 발생부와, 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치이다.
본 발명에 있어서는 로렌쯔력의 크기나 발생의 타이밍을 제어하는 것이 가능하게 되기 때문에 적당한 조건으로 마이크로 액츄에이터를 구동할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제14 발명은 상기 제13 발명으로써 (a) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서, 또는, 상기 로렌쯔력 및 상기 제1 및 제2 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치로 이동하도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하고, (b) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제2 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서, 또는, 상기 로렌쯔력 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제2 위치로 이동하도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하며, (c) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치에 유지되도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하고, (d) 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제2 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 제3 및 제4 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제2 위치에 유지되도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는, 제1 위치로 가동부를 이동할 때에만 로렌쯔력을 발생하기 위한 전력이 필요하게 되지만, 가동부를 제1 위치에 유지하는 데에는 정전력만을 이용하기 때문에 유지에 필요한 소비 전력을 저감할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제15 발명은 상기 제1 발명 내지 제10 발명 중 어느 하나의 마이크로 액츄에이터와, 상기 가동부에 설치된 미러를 구비한 것을 특징으로 하는 광스위치이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제16 발명은 상기 제15 발명인 광스위치를 복수 구비하고, 상기 복수의 광스위치가 2차원형으로 배치된 것을 특징으로 하는 광스위치 어레이이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제17 발명은 상기 제16 발명으로써 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로이며, 상기 복수의 광스위치의 각 행마다의 행선택 신호 및 상기 복수의 광스위치의 각 열마다의 열선택 신호에 응답하여 선택된 행 및 열의 광스위치에 대하여 상기 전류 및 상기 전압의 제어를 하는 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예의 예인 마이크로 액츄에이터, 및, 이것을 이용한 마이크로 액츄에이터 장치, 광스위치 및 광스위치 어레이에 관해서 도면을 참조하여 설명한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 광스위치 어레이(1)를 구비한 광스위치 시스템의 일례를 도시하는 개략 구성도이다. 설명의 편의상, 도 1에 도시한 바와 같이 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축을 정의한다(후술하는 도면에 관해서도 마찬가지이다.). 광스위치 어레이(1)의 기판(11)의 면이 XY 평면과 평행으로 되어 있다. 또, 설명의 편의상, Z축 방향의 +측을 상측, Z축 방향의 -측을 하측이라고 한다.
이 광스위치 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 광스위치 어레이(1)와, M개의 광입력용 광파이버(2)와, M개의 광출력용 광파이버(3)와, N개의 광출력용 광파이버(4)와, 광스위치 어레이(1)에 대하여 후술하는 바와 같이 자계를 발생하는 자계 발생부로서의 자석(5)과, 광경로 전환 상태 지령 신호에 응답하여 상기 광경로 전환 상태 지령 신호가 나타내는 광경로 전환 상태를 실현하기 위한 제어 신호를 광스위치 어레이(1)에 공급하는 외부 제어 회로(6)를 구비하고 있다. 도 1에 도시하는 예에서는 M=3, N=3으로 되어 있지만, M 및 N은 임의의 수이어도 좋다.
본 실시예에서는 자석(5)은 도 1에 도시한 바와 같이 Y축 방향의 +측이 N극에 -측이 S극에 착자된 판형의 영구 자석이며, 광스위치 어레이(1)의 하측에 배치되고, 광스위치 어레이(1)에 대하여 자력선(5a)으로 나타내는 자계를 발생하고 있다. 즉, 자석(5)은 광스위치 어레이(1)에 대하여 Y축 방향을 따라서 그 -측을 향하는 대략 균일한 자계를 발생하고 있다. 그렇지만, 자계 발생부로서 자석(5) 대신에 예컨대, 다른 형상을 갖는 영구 자석이나 전자석 등을 이용하여도 좋다.
광스위치 어레이(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 기판(11)과, 기판(11)상에 배치된 M×N개의 미러(12)를 구비하고 있다. M개의 광입력용 광파이버(2)는 기판(11)에 대한 X축 방향의 한쪽의 측에서 X축 방향으로 입사광을 유도하도록 XY 평면과 평행한 면내에 배치되어 있다. M개의 광출력용 광파이버(3)는 M개의 광입력용 광파이버(2)와 각각 대향하도록 기판(11)에 대한 다른쪽의 측에 배치되고, 광스위치 어레이(1)의 어느 미러(12)에 의해서도 반사되지 않고서 X축 방향으로 진행하는 빛이 입사하도록 XY 평면과 평행한 면내에 배치되어 있다. N개의 광출력용 광파이버(4)는 광스위치 어레이(1) 중 어느 미러(12)에 의해 반사되어 Y축 방향으로 진행하는 빛이 입사하도록 XY 평면과 평행한 면내에 배치되어 있다. M ×N개의 미러(12)는 M개의 광입력용 광파이버(2)의 출사 광경로와 광출력용 광파이버(4)의 입사 광경로와의 교차점에 대하여 후술하는 마이크로 액츄에이터에 의해 진출 및 후퇴 가능하게 Z축 방향으로 직선 이동할 수 있도록 2차원 매트릭스형으로 기판(11)상에 배치되어 있다. 또, 본 예에서는 미러(12)의 방향은 그 법선이 XY 평면과 평행한 면내에서 X축과 45°를 이루도록 설정되어 있다. 그렇지만, 그 각도는 적절하게 변경하는 것도 가능하고, 미러(12)의 각도를 변경하는 경우에는 그 각도에 따라서 광출력용 광파이버(4)의 방향을 설정하면 좋다. 또, 이 예에 있어서는 미러(12)를 구동하는 기구가 마이크로 액츄에이터로 되어 있다.
이 광스위치 시스템의 광경로 전환 원리 자체는 종래의 2차원 광스위치의 광경로 전환 원리와 마찬가지다.
다음에, 도 1 중 광스위치 어레이(1)의 단위 소자로서의 하나의 광스위치의 구조에 관해서 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 2는 하나의 광스위치를 도시하는 개략 평면도이다. 도 3은 도 2 중 X1-X2선을 따른 개략 단면도이다. 도 4는 도 2 중 Y1-Y2선을 따른 개략 단면도이다. 도 5는 도 3에 대응하는 개략 단면도이며, 미러(12)가 하측에 유지된 상태를 도시하고 있다. 또, 도 3은 미러(12)가 상측에 유지된 상태를 도시하고 있다.
이 광스위치는 전술한 미러(12) 및 고정부로서의 상기 기판(11) 외에, 기판(11)에 대하여 이동할 수 있도록 설치된 가동부로서의 가동판(21)을 구비하고 있다. 기판(11)에는 가동판(21)이 진입하는 영역이 되는 오목부(13)가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 기판(11)으로서 실리콘 기판 등의 반도체 기판이 이용되고, 기판(11)에 있어서의 가동판(21)과의 대향 부분이 제1 전극부를 구성하고 있다. 그렇지만, 기판(11)과는 별도로, 기판(11)상에 금속막 등에 의해 제1 전극부를 형성하여도 좋다.
가동판(21)은 박막으로 구성되고, 하측 절연막(22)과, 하측 절연막(22)상에 형성된 2개의 제2 전극부(23a, 23b)와, 하측 절연막(22)상에 형성되어 전극부(23a, 23b)를 각각 기판(11)의 소정 개소에 전기적으로 접속하기 위한 배선 패턴(24a, 24b)의 일부와, 하측 절연막(22)상에 형성되어 도 1 중 자석(5)에 의해 발생한 자계 내에 배치되어 통전에 의해 로렌쯔력을 발생하는 전류 경로로서의 코일층(25)과, 이들 상측을 덮는 상측 절연막(26)을 갖고 있다. 제2 전극부(23a, 23b)는 상기제1 전극부를 구성하고 있는 기판(11)과의 사이의 전압에 의해 기판(11)과의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 것이다.
절연막(22, 26)으로서는 예컨대, SiN막 또는 SiO2막 등을 이용할 수 있다. 전극부(23a, 23b), 배선 패턴(24a, 24b) 및 코일층(25)으로서는 예컨대, Al막 등의 금속막 등을 이용할 수 있다. 또, 전극부(23a, 23b), 배선 패턴(24a, 24b)의 일부, 및 코일층(25)은 상측 절연막(26)으로 덮여있기 때문에 도 2에서는 원래 숨은선으로 나타내야 하지만, 도면 표기의 편의상, 상측 절연막(26)으로 숨은 부분도 실선으로 나타내고 있다. 단, 코일층(25)에 있어서의 미러(12)로 숨겨진 부분은 숨은선으로 나타내고 있다.
본 실시예에서는 가동판(21)의 X축 방향의 양단부가 스프링성을 갖는 스프링성부로서의 굴곡부(27a, 27b)와, 앵커부(28a, 28b)를 각각 이 순서를 통하여 기판(11)에 있어서의 오목부(13)의 주변부에 기계적으로 접속되어 있다. 굴곡부(27a, 27b) 및 앵커부(28a, 28b)는 가동판(21)으로부터 그대로 연속하여 연장된 하측 절연막(22), 상기 배선 패턴(24a, 24b)의 나머지의 부분, 코일층(25)을 각각 기판(11)의 소정 개소에 전기적으로 접속하기 위한 배선 패턴(29a, 29b), 및 상측 절연막(26)으로 구성되어 있다. 또, 배선 패턴(29a, 29b)은 코일층(25)을 구성하는 금속막 등이 그대로 연속하여 연장된 것으로 되어 있다. 배선 패턴(24a, 24b, 29a, 29b)은 앵커부(28a, 28b)에 있어서 하측 절연막(22)에 형성한 구멍(도시하지 않음)을 통해 기판(11)의 소정 개소에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 배선패턴(24a, 24b)은 기판(11)에 형성된 배선(도시하지 않음)에 의해 전기적으로 공통에 접속되어 있다.
굴곡부(27a, 27b)는 도 2에 도시한 바와 같이 평면에서 보아 꼬불꼬불 구부러진 형상을 하고 있다. 이에 따라, 가동판(21)은 상하로(Z축 방향으로) 이동할 수 있게 되어 있다. 즉, 본 실시예에서는 가동판(21)은 가동판(21)에 정전력 및 로렌쯔력이 작용하고 있지 않을 때에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력(복귀력)에 의해 복귀하는 상측 위치(제2 위치)(도 3 및 도 4 참조)와, 가동판(21)이 기판(11)의 오목부(13)에 진입하여 그 바닥에 접촉하는 하측 위치(제1 위치)(도 5 참조)와의 사이를 이동할 수 있게 되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시하는 상측 위치에서는 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부로서의 기판(11)과의 간격이 넓어져 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 저하 또는 소실한다. 도 5에 도시하는 하측 위치에서는 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부로서의 기판(11)과의 간격이 좁아져 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 증대한다.
코일층(25)은 상기 정전력이 증대한 도 5에 도시하는 하측 위치에 가동판(21)을 이동시키는 방향(아래 방향)으로 로렌쯔력을 발생할 수 있도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 도 1 중 자석(5)에 의해 Y축 방향을 따라서 그 일측을 향하는 자계가 발생되고 있기 때문에 코일층(25)은 도 1에 도시한 바와 같이 X축 방향으로 연장되도록 배치되어 있다.
미러(12)는 가동판(21)의 상면에 직립하여 고정되어 있다. 전술한 바와 같이, 미러(12)의 반사면의 방향은 그 법선이 XY 평면과 평행한 면내에서 X축과 45°를 이루도록 설정되어 있다.
전술한 광스위치의 구조 중 미러(12) 이외의 구성 요소에 의해서 미러(12)를 구동하는 마이크로 액츄에이터가 구성되어 있다.
다음에, 하나의 광스위치에 착안하여 그 제어 방법의 일례와 이것에 의한 광스위치의 동작에 관해서 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 하나의 광스위치의 코일층(25)에 흘러 로렌쯔력을 일으키는 전류(이하, 「로렌쯔력용 전류」라고 한다)와, 상기 광스위치의 제1 전극부[기판(11)]와 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와의 사이에 정전력을 일으키는 양자간의 전압(이하, 「정전력용 전압」이라고 한다.)과, 상기 광스위치의 미러(12)의 위치[따라서, 가동판(21)의 위치]와의 시간 변화에 의한 관계를 도시하는 타이밍 차트이다.
맨 처음에, 로렌쯔력용 전류가 제로인 동시에 정전력용 전압이 제로이며, 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 의해 미러(12)가 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 상측 위치에 유지되어 있었다고 한다. 이 상태에서는 도 3에 도시한 바와 같이 입사광은 미러(12)로 반사되어 지면 전방으로 진행한다.
그 후, 시각 T1에 있어서 미러(12)의 위치를 도 5에 도시하는 하측 위치로 전환하도록 제어를 시작한다. 즉, 시각 T1에 있어서 로렌쯔력용 전류를 +I로 한다. 여기서, +I는 코일층(25)에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강하게 또한 하향의 로렌쯔력을 발생시키는 전류이다.
미러(12)는 이 로렌쯔력에 의해 서서히 하강하고, 가동판(21)이 기판(11)에 접촉한 시각 T2에서 정지하고, 도 5에 도시하는 하측 위치에 유지된다.
이대로 로렌쯔력에 의해서 미러(12)를 하측 위치에 계속 유지하는 것이 아니라, 시각 T3에서 정전력용 전압을 V로 한 후에, 시각 T4에서 로렌쯔력용 전류를 제로로 한다. 여기서, V는 적어도 미러(12)가 하측 위치에 위치하고 있을 때에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강한 정전력을 발생시키는 전압이다. 기간 T2-T3에서는 로렌쯔력에 의해서만 미러(12)가 하측 위치에 유지되고, 기간 T3-T4에서는 로렌쯔력 및 정전력에 의해 미러(12)가 하측 위치에 유지되며, 시각 T4 이후에서는 정전력에 의해서만 미러(12)가 하측 위치에 유지된다. 기간 T2-T4는 미러(12)의 하측 위치에의 유지를 로렌쯔력으로부터 정전력으로 전환하는 말하자면 하측 유지의 과도기간이며, 기간 T4 이후가 말하자면 하측 유지의 정상기간이다.
미러(12)가 하측 위치에 유지된 기간에서는 도 5에 도시한 바와 같이 입사광은 미러(12)로 반사되는 일없이 그대로 통과하여 출사광이 된다.
그 후, 시각 T5에 있어서 미러(12)의 위치를 도 3 및 도 4에 도시하는 상측 위치로 전환하도록 제어를 시작한다. 즉, 시각 T5에 있어서 정전력용 전압을 제로로 한다. 그 결과, 미러(12)는 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 의해 비교적 급격히 도 3 및 도 4에 도시하는 상측 위치로 되돌아가, 상기 스프링력에 의해 상측 위치에 계속 유지된다.
이와 같이, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 기판(11)(제1 전극부)와의 사이의 간격이 클 때에 미러(12)의 위치[가동판(21)의 위치]에 크기가 의존하지 않는 로렌쯔력에 의해 미러(12)를 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 대항하여 하측 위치로 이동시키고 있다. 따라서, 정전력을 높이기 위해 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고 가동판(21)의 가동 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 기판(11)(제1 전극부)와의 사이의 간격이 작아진 하측 위치의 유지의 정상 상태에서는 정전력에 의해서만 미러(12)를 하측 위치에 유지하고 있기 때문에 소비 전력을 저감할 수 있다.
또, 전술한 예에서는 시각 T2와 시각 T4와의 사이의 시각 T3에서 정전력용 전압을 V로 하고 있지만, 기간 T1-T4의 어느 시점에서 정전력용 전압을 V로 해도 좋고, 시각 T1의 전에 정전력용 전압을 V로 해도 좋다. 또한, 가동판(21)이 상측 위치에 위치하고 있을 때에 정전력용 전압을 V로 했을 때에 발생하는 정전력이 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 작은 것이면 시각 T5의 후에 가동판(21)이 상측 위치로 이동한 후에는 상측 유지 기간에 있어서도 정전력용 전압을 V로 하여도 좋다. 후술하는 도 8의 예에 있어서의 우측의 전압 리프레시 기간은 이러한 경우에 해당한다.
도 1에 도시하는 광스위치 어레이(1)는 전술한 단위 소자로서의 도 2 내지 도 5에 도시하는 광스위치를 복수개 구비하고, 이들 광스위치가 2차원 매트릭스로 배치되어 있다. 또한, 도 1에 도시하는 광스위치 어레이(1)에는 이들 광스위치의 각각에 대하여 전술한 바와 같은 제어를 적은 개수의 제어선으로 실현하기 위해 복수의 스위칭 소자를 포함하는 도 7에 도시하는 회로가 탑재되어 있다. 도 7은 광스위치 어레이(1)를 도시하는 전기 회로도이다.
도 7에서는 설명을 간단히 하기 위해서 9개의 광스위치를 3행 3열로 배치하고 있다. 그렇지만, 그 수는 하등 한정되는 것이 아니라, 예컨대 100행 100열의 광스위치를 갖는 경우에도 원리는 동일하다.
도 2 내지 도 5에 도시하는 단일 광스위치는 전기 회로적으로는 1개의 콘덴서[제2 전극(23a)과 제1 전극{기판(11)}가 이루는 콘덴서와, 제2 전극(23b)과 제1 전극{기판(11)}이 이루는 콘덴서가 병렬 접속된 합성 콘덴서에 해당]과, 1개의 코일[코일층(25)에 해당]로 간주할 수 있다. 도 7에서는 m행 n열의 광스위치의 콘덴서 및 코일을 각각 Cmn 및 Lmn으로 표기하고 있다. 예컨대, 도 7 중 좌측 위의(1행 1열의) 광스위치의 콘덴서 및 코일을 각각 C11 및 L11로 표기하고 있다.
제어선의 개수를 줄이기 위해서 도 7에 도시하는 회로에서는 콘덴서(Cmn) 및 코일(Lmn)에 대하여 각각 열선택 스위치(Mmnb, Mmnd)와 행선택 스위치(Mmna, Mmnc)가 설치되어 있다. 콘덴서(Cmn)의 일단이 행선택 스위치(Mmna)의 일단에 접속되고, 행선택 스위치(Mmna)의 타단이 열선택 스위치(Mmnb)의 일단에 접속되며, 열선택 스위치(Mmnb)의 타단은 전압 제어 스위치(MC1)의 일단 및 MC2의 일단에 접속되어 있다. 콘덴서(Cmn)의 타단은 그라운드에 접속되어 있다. 전압 제어 스위치(MC1)의 타단은 클램프 전압(VC)에 접속되고, 전압 제어 스위치(MC2)의 타단은 그라운드에 접속되어 있다.
또한, 코일(Lmn)의 일단이 행선택 스위치(Mmnc)의 일단에 접속되고, 행선택 스위치(Mmnc)의 타단이 열선택 스위치(Mmnd)의 일단에 접속되며, 열선택 스위치(Mmnd)의 타단은 전류 제어 스위치(MC3)의 일단에 접속되어 있다. 코일(Lmn)의 타단은 그라운드에 접속되어 있다. 전류 제어 스위치(MC3)의 타단은 상기 전류(+I)를 공급하는 전류원(I1)의 일단에 접속되고, 전류원(I1)의 타단은 그라운드에 접속되어 있다.
스위칭 소자로서의 열선택 스위치(Mmnb, Mmnd), 행선택 스위치(Mmna, Mmnc), 전압 제어 스위치(MC1, MC2) 및 전류 제어 스위치(MC3)는 예컨대, 기판(11)으로서 실리콘 기판을 이용한 경우 기판(11)에 형성한 N형 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있다.
1행째의 행선택 스위치(M11a, M11c, M12a, M12c, M13a, M13c)의 게이트는 단자(V1)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 2행째의 행선택 스위치의 게이트는 단자(V2)에, 3행째의 행선택 스위치의 게이트는 단자(V3)에 각각 접속되어 있다.
1열째의 열선택 스위치(M11b, M11d, M21b, M21d, M31b, M31d)의 게이트는 단자(H1)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 2열째의 열선택 스위치의 게이트는 단자(H2)에, 3행째의 열선택 스위치의 게이트는 단자(H3)에 각각 접속되어 있다.
다음에, 각 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3)에 인가하는 전압의 타이밍 차트의 일례를 도 8에 도시한다. 도 8에 있어서 시각 t1 이전은 모든 광스위치의 콘덴서(Cmn)를 클램프 전압(VC)에 바이어스하는 전압 리프레시 기간이다. 따라서, 이 기간에서는 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3)는 전부 하이 레벨이 되고, 모든 열선택 스위치(Mmnb, Mmnd) 및 행선택 스위치(Mmna, Mmnc)가 도통 상태로 되어 있다. 또한, 이 기간에서는 단자(C1)가 하이 레벨이고 단자(C2)가 로우 레벨이 되고, 전압 제어 스위치(MC1)가 도통 상태이고 전압 제어 스위치(MC2)가 불도통 상태로 되어 있다. 또, 단자(C3)는 로우 레벨이 되고, 전류 제어 스위치(MC3)가 불도통 상태로 되어 있다. 전압 리프레시 기간에서는 미러(12)는 상측 위치 및 하측 위치 중 어느 하나에 유지되어 있다. 도 8의 예에서는 시각 t1 이전의 전압 리프레시 기간에서는 미러(12)가 하측 위치에 유지되어 있다.
그런데, 본 실시예에서는 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3)에 인가하는 신호(전압)는 도 1 중 외부 제어 회로(6)로부터 제어 신호로서 공급된다. 외부 제어 회로(6)는 예컨대, 광경로 전환 상태 지령 신호에 기초하여 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치를 조사하고, 상기 변경하여야 할 광스위치의 하나씩에 관해서 상태 변경 기간을 하나씩 순차 설정해 나간다. 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치가 없는 경우에는 상기 전압 리프레시 기간을 설정한다. 또한, 상태 변경 기간을 복수 설정하는 경우(즉, 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치의 수가 2개 이상인 경우)에는 각 상태 변경 기간의 사이에 전압 리프레시 기간을 설정하여도 좋고, 설정하지 않아도 좋다. 예컨대, 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치의 수가 3개인 경우에는 상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간 →상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간 →상태 변경 기간을 설정하여도 좋고, 연속하여 상태 변경 기간을 설정하여도 좋다. 그리고, 설정한 각 상태 변경 기간에 있어서는 대응하는 광스위치에 관해서 지령된 광경로 전환 상태에 따라서 전술한 도 6에 도시한 바와 같은 제어가 실현되도록 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3)에 인가하는 신호를 공급한다. 또, 외부 제어 회로(6)를 광스위치 어레이(1)에 탑재하여도 되는 것은 물론이다.
도 8은 외부 제어 회로(6)에 의해 전압 리프레시 기간 →1행 1열의 광스위치에 관한 상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간이 설정된 예이다. 도 8의 예에서는시각 t1 이전의 전압 리프레시 기간에서는 미러(12)가 하측 위치에 유지되어 있다. 시각 t1에서 1행 1열의 광스위치에 관한 상태 변경 기간이 시작되고, 단자(V2, V3, H2, H3)가 로우 레벨이 되어 콘덴서(C11) 이외의 콘덴서가 분리된다. 다음에, 시각 t3에서 단자(C2)가 하이 레벨이 되어 C11에 충전되어 있던 전하가 방전되어, 정전력용 전압이 제로가 된다. 이 시각 t3은 도 6 중 시각 T5에 대응하고 있다. 이것에 의해서, 정전력이 없어져 미러(12)는 도 3 및 도 5에 도시하는 상측 위치에 이동하여 유지된다. 다음에, 시각 t4에서 단자(C2)가 로우 레벨이 되고, 또 시각 t5에서 단자(C1)가 하이 레벨이 된다. 그 후, 시각 t6에서 상기 상태 변경 기간을 종료하고, 전압 리프레시 기간이 된다.
시각 t1로부터 시각 t6까지의 기간에서는 1행 1열 이외의 광스위치의 미러(12)의 하측 위치의 유지는 각 콘덴서에 남아 있는 전하에 의해서 발생하는 전압에 의하고 있다. 따라서 각 콘덴서는 MOS 스위치가 비도통 상태에서 전하의 누설이 작아지도록 제작하는 것이 바람직하다.
다음에, 본 실시예인 광스위치 어레이(1)의 제조 방법의 일례에 관해서 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 도 9 및 도 10의 각 도면은 이 제조 공정을 모식적으로 도시하는 개략 단면도이며, 도 4에 대응하고 있다.
우선, 상기 기판(11)이 되어야 하는 실리콘 기판(31)에 도 7 중 스위치(Mmna, Mmnb, Mmnc, Mmnd, MC1, MC2, MC3)가 되는 MOS 트랜지스터(도시하지 않음)를 통상의 MOS 프로세스로 형성한다. 또한, 실리콘 기판(11)에 도 7에 도시하는 회로를 실현하는 데 필요한 배선(도시하지 않음)을 형성한다. 이 상태의기판(31)의 표면에 SiO2막(32)을 성막한다. 다음에, SiO2막(32)상에 하측 절연막(22)이 되어야 하는 SiN막(33)을 성막한다. 또, SiO2막(32) 및 SiN막(33)에는 기판(31)에 형성한 MOS 트랜지스터에 배선 패턴(24a, 24b, 29a, 29b)을 접속하여야 할 곳에 접속용 구멍을 포토 에칭법에 의해 형성해 둔다. 이 상태의 기판(31)상에 전극부(23a, 23b), 배선 패턴(24a, 24b, 29a, 29b) 및 코일층(25)이 되어야 하는 Al막(34)을 증착법 등에 의해 형성한 후, 포토 에칭법에 의해 패터닝하여, 이들의 형상으로 한다. 그 후, 상측 절연막(26)이 되어야 하는 SiN막(35)을 성막하여, 포토 에칭법에 의해 SiN막(33, 35)을 가동판(21), 굴곡부(27a, 27b) 및 앵커부(28a, 28b)의 형상으로 패터닝한다(도 9a).
다음에, 도 9a에 도시하는 상태의 기판(31)상에 SiO2막(36)을 성막한다. 그리고, SiO2막(36)에 있어서의 미러(12)를 형성하여야 할 곳, 및, SiO2막(32, 36)에 있어서의 에칭 홀을 형성하여야 할 곳을 제거한다(도 9b).
계속해서, 도 9b에 도시하는 상태의 기판에 레지스트(37)를 두껍게 칠한다. 여기서, 레지스트(37)를 노광, 현상하여 미러(12)가 성장되는 영역을 레지스트(37)로 형성한다(도 9c). 그 후, 전해도금에 의해 미러(12)가 되어야 하는 Au, Ni 그 밖의 금속(38)을 성장시킨다(도 10a).
다음에, 레지스트(37)를 제거한 후, KOH 용액을 에칭 홀을 통해 주입하고, 기판(31)의 일부를 제거한다(도 10b). 마지막으로, 잔존하고 있는 SiO2막(32, 36)을제거한다. 이에 따라, 본 실시예인 광스위치 어레이(1)가 완성된다.
[제2 실시예]
도 11은 본 발명의 제2 실시예인 광스위치 어레이의 단위 소자로서의 하나의 광스위치를 도시하는 개략 평면도이다. 도 11에 있어서 상측 전극부(41)는 원래 실선으로 나타내야 하지만, 이해를 쉽게 하기 위해서 상상선으로 나타내고 있다. 도 12는 도 11 중 X3-X4선을 따른 개략 단면도이다. 도 13은 도 11 중 Y3-Y4선을 따른 개략 단면도이다. 도 14는 도 12에 대응하는 개략 단면도이며, 미러(12)가 상측에 유지된 상태를 도시하고 있다. 도 15는 도 12에 대응하는 개략 단면도이며, 미러(12)가 하측에 유지된 상태를 도시하고 있다. 또, 도 12 및 도 13은 전술한 도 3 및 도 4와 같이 가동판(21)에 정전력 및 로렌쯔력이 작용하고 있지 않을 때에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력(복귀력)에 의해 복귀하는 위치에 위치하는 상태를 도시하고 있지만, 본 실시예에서는 이 위치를 중립 위치라고 부른다.
도 11 내지 도 15에 있어서 도 1 내지 도 5 중의 요소와 동일 또는 대응하는 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 중복하는 설명은 생략한다.
본 실시예인 광스위치 어레이는 도 1에 도시하는 광스위치 시스템에 있어서 광스위치 어레이(1) 대신에 이용할 수 있는 것이다. 본 실시예인 광스위치 어레이가 도 1 중 광스위치 어레이(1)와 다른 곳은 그 단위 소자로서의 하나의 광스위치에 있어서 가동판(21)의 상측에 배치된 상측 전극부(제3 전극부)(41)가 추가되어 있는 점이다.
상측 전극부(41)는 폴리실리콘을 재료로 하여 형성되어 있다. 도 11 내지 도15에 있어서 42a, 42b는 상측 전극 앵커부, 43a, 43b는 상승부, 44는 상측 전극부(41)의 중앙부에 형성된 관통 구멍을 도시한다. 상측 전극부(41)는 상승부(43a, 43b) 및 상측 전극 앵커부(42a, 42b)와 일체로 구성되고, 상승부(43a, 43b) 및 상측 전극 앵커부(42a, 42b)를 이 순서를 통해 기판(11)에 있어서의 오목부(13)의 주변부에 기계적으로 접속되어 있다. 이와 같이, 상측 전극부(41)는 기판(1)에 대하여 고정되어 있기 때문에 상측 전극부(41)는 기판(1)과 함께 고정부를 구성하고 있다.
본 실시예에서는 가동판(21)의 전극부(23a, 23b)가 제1 전극부[기판(11)] 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제2 전극부뿐만 아니라, 상측 전극부(제3 전극부)(41)와의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제4 전극부로서도 겸용되고 있다. 그렇지만, 이러한 겸용을 행하지 않고서, 예컨대, 가동판(21)에 있어서 절연막(26)상에 상기 제4 전극부가 되는 금속막 등을 형성하고, 또 그 위에 절연막을 형성하여도 좋다.
또한, 본 실시예에서는 가동판(21)은 가동판(21)이 상기 중립 위치로부터 상측에 이동하여 상측 전극부(41)에 접촉하는 상측 위치(제2 위치)(도 14 참조)와, 가동판(21)이 기판(11)의 오목부(13)에 진입하여 그 바닥에 접촉하는 하측 위치(제1 위치)(도 15 참조)와의 사이를 이동할 수 있게 되어 있다. 도 14에 도시하는 상측 위치에서는 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부로서의 기판(11)과의 간격이 넓어져, 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 저하 또는 소실하고, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(제3 전극부)(41)와의 사이의 간격이 좁아져, 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 증대한다. 한편, 도 15에 도시하는 하측 위치에서는 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부로서의 기판(11)과의 간격이 좁아져, 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 증대하고, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(제3 전극부)(41)와의 사이의 간격이 넓어져, 양자간에 발생할 수 있는 정전력은 저하 또는 소실한다.
본 실시예에서는 제1 전극부[기판(11)]와 제3 전극부로서의 상측 전극부(41)가 전기적으로 공통 접속되어 있다. 이에 따라, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)를 기준으로 하여 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부[기판(11)]와의 사이, 및, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제3 전극부로서의 상측 전극부(41)와의 사이에 동시에 동일한 전압이 인가되도록 되어 있다. 그렇지만, 제1 전극부[기판(11)]와 제3 전극부로서의 상측 전극부(41)와 전기적으로 접속하지 않고, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제1 전극부(기판(11))와의 사이, 및, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 제3 전극부로서의 상측 전극부(41)와의 사이에 각각 독립적으로 전압을 인가할 수 있도록 하여도 좋다.
또, 도 11 내지 도 15에 도시하는 광스위치의 구조 중 미러(12) 이외의 구성 요소에 의해서 미러(12)를 구동하는 마이크로 액츄에이터가 구성되어 있다.
다음에, 본 실시예에 있어서 하나의 광스위치에 착안하여 그 제어 방법의 일례와 이것에 의한 광스위치의 동작에 관해서 도 16을 참조하여 설명한다. 도 16은 하나의 광스위치의 코일층(25)에 흘러 로렌쯔력을 일으키는 전류(이하, 「로렌쯔력용 전류」라고 한다)와, 상기 광스위치의 제1 전극부[기판(11)]와 가동판(21)의제2 전극부(23a, 23b)와의 사이 및 상기 광스위치의 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 상부 전극부(제3 전극부)와의 사이에 각각 정전력을 일으키는 각 사이의 동일한 전압(이하, 「정전력용 전압」이라고 한다.)과, 상기 광스위치의 미러(12)의 위치(따라서, 가동판(21)의 위치)와의 시간 변화에 의한 관계를 도시하는 타이밍 차트이다.
맨 처음에, 로렌쯔력용 전류가 제로인 동시에 정전력용 전압이 V이며, 가동판(21)의 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(41)와의 사이의 정전력에 의해 미러(12)가 도 14에 도시한 바와 같이 상측 위치에 유지되어 있던 것으로 한다. 이 때, 전압(V)은 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(41)와의 사이의 정전력이 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강해지도록 설정되어 있다. 이 상태에서는 도 14에 도시한 바와 같이 입사광은 미러(12)로 반사되어 지면 전방으로 진행한다.
그 후, 시각 T1에 있어서 미러(12)의 위치를 도 15에 도시하는 하측 위치로 전환하도록 제어를 시작한다. 즉, 시각 T1에 있어서 정전력용 전압을 제로로 한다. 그 결과, 미러(12)는 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 의해 비교적 급격히 도 12 및 도 13에 도시하는 중립 위치로 되돌아간다.
그 후, 시각 T2에 있어서 로렌쯔력용 전류를 +I로 한다. 여기서, +I는 코일층(25)에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강하게 또한 하향의 로렌쯔력을 발생시키는 전류이다.
미러(12)는 이 로렌쯔력에 의해 서서히 하강하고, 가동판(21)이 기판(11)에 접촉한 시각 T3에서 정지하여, 도 15에 도시하는 하측 위치에 유지된다.
이대로 로렌쯔력에 의해서 미러(12)를 하측 위치에 계속 유지하는 것이 아니라, 시각 T4에서 정전력용 전압을 V로 한 후에, 시각 T5에서 로렌쯔력용 전류를 제로로 한다. 여기서, 전압(V)은 전술한 값과 동일하지만, 미러(12)가 하측 위치에 위치하고 있을 때에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강한 정전력을 발생시키는 전압으로 설정되어 있다. 기간 T3-T4에서는 로렌쯔력에 의해서만 미러(12)가 하측 위치에 유지되고, 기간 T4-T5에서는 로렌쯔력 및 정전력에 의해 미러(12)가 하측 위치에 유지되며, 시각 T5 이후에서는 정전력에 의해서만 미러(12)가 하측 위치에 유지된다. 기간 T3-T5는 미러(12)의 하측 위치에의 유지를 로렌쯔력으로부터 정전력으로 전환하는 말하자면 하측 유지의 과도기간이며, 기간 T5 이후가 말하자면 하측 유지의 정상기간이다.
미러(12)가 하측 위치에 유지된 기간에서는 도 15에 도시한 바와 같이 입사광은 미러(12)로 반사되는 일없이, 그대로 통과하여 출사광이 된다.
그 후, 시각 T6에 있어서 미러(12)의 위치를 도 14에 도시하는 상측 위치로 전환하도록 제어를 시작한다. 즉, 시각 T6에 있어서 정전력용 전압을 제로로 한다. 그 결과, 미러(12)는 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 의해 비교적 급격히 도 12 및 도 13에 도시하는 중립 위치로 되돌아간다.
그 후, 시각 T7에 있어서 로렌쯔력용 전류를 -I로 한다. 여기서, -I는 코일층(25)에 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력보다 강하게 또한 상향의 로렌쯔력을 발생시키는 전류이다.
미러(12)는 이 로렌쯔력에 의해 서서히 상승하고, 가동판(21)이 상측전극부(41)에 접촉한 시각 T8에서 정지하여, 도 14에 도시하는 상측 위치에 유지된다.
이대로 로렌쯔력에 의해서 미러(12)를 상측 위치에 계속 유지하는 것이 아니라, 시각 T9에서 정전력용 전압을 V로 한 후에, 시각 T10에서 로렌쯔력용 전류를 제로로 한다. 기간 T8-T9에서는 로렌쯔력에 의해서만 미러(12)가 상측 위치에 유지되고, 기간 T9-T10에서는 로렌쯔력 및 정전력에 의해 미러(12)가 상측 위치에 유지되며, 시각 T10 이후에서는 정전력에 의해서만 미러(12)가 상측 위치에 유지된다. 기간 T8-T10은 미러(12)의 상측 위치에의 유지를 로렌쯔력으로부터 정전력으로 전환하는 말하자면 상측 유지의 과도기간이며, 기간 T10 이후가 말하자면 상측 유지의 정상기간이다.
이와 같이, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 기판(11)(제1 전극부)와의 사이의 간격이 클 때에 미러(12)의 위치[가동판(21)의 위치]에 크기가 의존하지 않는 로렌쯔력에 의해 미러(12)를 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 대항하여 하측 위치에 이동시키고 있다. 또한, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(41)(제3 전극부)와의 사이의 간격이 클 때에 미러(12)의 위치에 크기가 의존하지 않는 로렌쯔력에 의해 미러(12)를 굴곡부(27a, 27b)의 스프링력에 대항하여 상측 위치에 이동시키고 있다. 따라서, 정전력을 높이기 위해 높은 전압을 걸거나 소형화를 손상하거나 하지 않고, 가동판(21)의 가동 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 기판(11)(제1 전극부)과의 사이의 간격이 작아진 하측 위치의 유지의 정상 상태, 및, 가동판(21)의 제2 전극부(23a, 23b)와 상측 전극부(41)(제3 전극부)와의 사이의 간격이 작아진 상측 위치의 유지의 정상 상태에서는 정전력에 의해서만 미러(12)를 상측 위치에 유지하고 있기 때문에 소비 전력을 저감할 수 있다.
또, 전술한 예에서는 시각 T3과 시각 T5와의 사이의 시각 T4에서 정전력용 전압을 V로 하고 있지만, 기간 T1-T4의 어느 시점에서 정전력용 전압을 V로 해도 좋다. 마찬가지로, 전술한 예에서는 시각 T8과 시각 T10과의 사이의 시각 T9에서 정전력용 전압을 V로 하고 있지만, 기간 T6-T9의 어느 시점에서 정전력용 전압을 V로 해도 좋다.
본 실시예인 광스위치 어레이(1)는 전술한 단위 소자로서의 도 11 내지 도 15에 도시하는 광스위치를 복수개 구비하고, 이들 광스위치가 2차원 매트릭스로 배치되어 있다. 또한, 본 실시예인 광스위치 어레이(1)에는 이들 광스위치의 각각에 대하여 전술한 바와 같은 제어를 적은 개수의 제어선으로 실현하기 위해 복수의 스위칭 소자를 포함하는 도 17에 도시하는 회로가 탑재되어 있다. 도 17은 본 실시예인 광스위치 어레이를 도시하는 전기 회로도이다. 도 17에 있어서 도 7 중의 요소와 동일 또는 대응하는 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 중복하는 설명은 생략한다.
도 17에 도시하는 회로가 도 7에 도시하는 회로와 다른 곳은 전류 제어 스위치(MC4), 및, 상기 전류 -I를 공급하는 전류원(I2)이 추가되어 있다. 전류 제어 스위치(MC4)의 일단이 열선택 스위치(Mmnd)의 타단에 접속되고, 전류 제어 스위치(MC4)의 타단이 전류원(I2)의 일단에 접속되며, 전류원(I2)의 타단은 그라운드에 접속되어 있다. 전류 제어 스위치(MC4)의 게이트는 단자(C4)에 접속되어 있다.
또, 도 17에 있어서 m행 n열의 광스위치의 콘덴서(Cmn)는 제2 전극(23a)과 제1 전극[기판(11)]이 이루는 콘덴서와, 제2 전극(23b)과 제1 전극[기판(11)]이 이루는 콘덴서와, 제2 전극(23a)과 상측 전극부(41)(제3 전극부)가 이루는 콘덴서와, 제2 전극(23b)과 상측 전극부(41)가 이루는 콘덴서가 병렬 접속된 합성 콘덴서에 해당하고 있다.
다음에, 각 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3, C4)에 인가하는 전압의 타이밍 차트의 일례를 도 18에 도시한다. 도 18에 있어서 시각 t1 이전은 모든 광스위치의 콘덴서(Cmn)를 클램프 전압(VC)에 바이어스하는 전압 리프레시 기간이다. 따라서, 이 기간에서는 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3)는 전부 하이 레벨이 되고, 모든 열선택 스위치(Mmnb, Mmnd) 및 행선택 스위치(Mmna, Mmnc)가 도통 상태가 되어 있다. 또한, 이 기간에서는 단자(C1)가 하이 레벨이고 단자(C2)가 로우 레벨이 되고, 전압 제어 스위치(MC1)가 도통 상태이고 전압 제어 스위치(MC2)가 불도통 상태가 되어 있다. 또한, 단자(C3, C4)는 로우 레벨이 되고, 전류 제어 스위치(MC3, MC4)가 불도통 상태로 되어 있다. 전압 리프레시 기간에서는 미러(12)는 상측 위치 및 하측 위치 중 어느 하나로 유지되어 있다.
그런데, 본 실시예에서는 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3, C4)에 인가하는 신호(전압)는 도 1 중의 외부 제어 회로(6)에 해당하는 외부 제어 회로에서 제어 신호로서 공급된다. 이 외부 제어 회로는 도 1 중의 외부 제어 회로(6)와같이 예컨대, 광경로 전환 상태 지령 신호에 기초하여 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치를 조사하고, 상기 변경하여야 할 광스위치의 하나씩에 관해서 상태 변경 기간을 하나씩 순차 설정해 나간다. 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치가 없는 경우에는 상기 전압 리프레시 기간을 설정한다. 또한, 상태 변경 기간을 복수 설정하는 경우(즉, 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치의 수가 2개 이상인 경우)에는 각 상태 변경 기간의 사이에 전압 리프레시 기간을 설정하여도 좋고 설정하지 않아도 좋다. 예컨대, 현재의 위치 상태로부터 변경하여야 할 광스위치의 수가 3개인 경우에는 상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간 →상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간 →상태 변경 기간을 설정하여도 좋고, 연속하여 상태 변경 기간을 설정하여도 좋다. 그리고, 설정한 각 상태 변경 기간에 있어서는 대응하는 광스위치에 관해서 지령된 광경로 전환 상태에 따라서 전술한 도 6에 도시한 바와 같은 제어가 실현되도록 단자(V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3, C4)에 인가하는 신호를 공급한다. 또, 외부 제어 회로(6)를 광스위치 어레이(1)에 탑재하여도 되는 것은 물론이다.
도 18은 외부 제어 회로(6)에 의해 전압 리프레시 기간 →1행 1열의 광스위치에 관한 상태 변경 기간 →전압 리프레시 기간이 설정된 예이다. 도 18의 예에서는 시각 t1 이전의 전압 리프레시 기간에서는 미러(12)가 상측 위치 및 하측 위치 중 어느 하나에 유지되어 있다. 시각 t1에서 1행 1열의 광스위치에 관한 상태 변경 기간이 시작되고, 단자(V2, V3, H2, H3)가 로우 레벨이 되어 콘덴서(C11) 이외의 콘덴서가 분리된다. 다음에, 시각 t3에서 단자(C2)가 하이 레벨이 되어, C11에 충전되어 있던 전하가 방전되고, 정전력용 전압이 제로가 된다. 이것에 의해서, 정전력이 없어져, 미러(12)는 도 12 및 도 13에 도시하는 중립 위치로 이동한다. 다음에, 시각 t4에서 단자(C2)가 로우 레벨이 된 후, 시각 t5에서 단자(C3)가 하이 레벨이 되어 코일(L11)에 전류(+I)가 흐른다. 이동시키는 방향이 반대일 때에는 C3 대신에 C4를 하이 레벨로 하여 -I가 흐른다. 다음에, 시각 t6에서 단자(C1)가 하이 레벨 콘덴서(C11)를 재차 클램프 전압(VC)에 충전함으로써 클램프가 행해진다. 다음에, 시각 t7에서 단자(C3)를 로우 레벨 코일(L11)의 전류를 멈춘다. 그 후, 시각 t8에서 상기 상태 변경 기간을 종료하고, 전압 리프레시 기간이 된다.
또, 본 실시예인 광스위치 어레이는 기본적으로 상기 제1 실시예인 광스위치 어레이(1)와 같이 제조할 수 있다. 본 실시예에서는 상측 전극부(41)가 부가되어 있기 때문에 가동판(21)과 상부 전극부(41)와의 사이의 간격에 해당하는 희생층의 형성을 한 후에, 상부 전극부(41)를 형성하는 등의 변경을 적절하게 행하면 좋다.
전술한 각 실시예에 있어서 전극부사이에 높은 전압을 건다고 하면, 도 7, 도 8 중 MOS 트랜지스터의 내압을 높게 할 필요가 있다. 그러나, 내압이 높은 MOS 트랜지스터는 평면적인 사이즈가 커져, 칩의 소형화가 곤란해진다. 이것에 대하여, 전술한 각 실시예에서는 전극부사이에 높은 전압을 걸 필요가 없기 때문에 평면적인 사이즈가 작은 MOS 트랜지스터를 이용할 수 있고, 이 점으로부터도 소형화를 도모할 수 있다.
이상, 본 발명의 각 실시예에 관해서 설명했지만 본 발명의 범위는 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 전술한 각 실시예는 복수의 광스위치를 2차원형으로 배치한 광스위치 어레이의 예이지만, 본 발명은 하나의 광스위치만이라도 좋다. 또한, 전술한 각 실시예는 본 발명인 마이크로 액츄에이터를 광스위치에 적용한 예이지만, 그 용도에 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 마이크로 액츄에이터, 마이크로 액츄에이터 장치는 예컨대, 마이크로 머시닝에 의해서 제조된 장치 등 미소한 구조의 장치를 구동하는 데 사용할 수 있다. 본 발명의 광스위치 및 광스위치 어레이는 예컨대, 광통신 등에 사용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 고정부와, 상기 고정부에 대하여 이동할 수 있도록 설치된 가동부를 구비하고,
    상기 고정부는 제1 전극부를 가지고,
    상기 가동부는 상기 제1 전극부와의 사이의 전압에 의해 상기 제1 전극부와의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제2 전극부와, 자계 내에 배치되어 통전에 의해 로렌쯔력을 발생하는 전류 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가동부가 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 경로가 상기 정전력이 증대하는 제1 위치에 상기 가동부를 이동시키는 방향으로 로렌쯔력을 발생할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가동부가 상기 제1 위치와 상기 정전력이 저하 또는 소실하는 제2 위치와의 사이를 이동할 수 있는 동시에, 상기 제2 위치에 복귀하도록 하는 복귀력이 발생하도록 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부가 대향하여 배치되고,
    상기 가동부는 상기 가동부가 상기 제1 위치에 위치할 때에는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 간격이 좁아지는 동시에 상기 가동부가 상기 제2 위치에 위치할 때에는 상기 간격이 넓어지도록 스프링성을 갖는 스프링성부를 통해 상기 고정부에 대하여 기계적으로 접속되며,
    상기 복귀력이 상기 스프링성부에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고정부는 제3 전극부를 가지고, 상기 가동부는 상기 제3 전극부와의 사이의 전압에 의해 상기 제3 전극부와의 사이에 정전력을 발생할 수 있는 제4 전극부를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 전극부와 상기 제4 전극부가 겸용된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전류 경로가 상기 제1 및 제2 전극부사이에 발생하는 정전력이 증대하는 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이에 발생하는 정전력이 저하 또는 소실하는 제1 위치 및, 상기 제1 및 제2 전극부사이에 발생하는 정전력이 저하 또는 소실하는 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이에 발생하는 정전력이 증대하는 제2 위치에 각각 상기 가동부를 이동시키는 각 방향으로 로렌쯔력을 발생할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가동부가 상기 제1 및 제2 위치사이의 소정 위치에 복귀하고자 하는 복귀력이 발생하도록 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 전극부가 상기 가동부에 대한 한쪽의 측에 있어서 상기 제2 전극부와 대향하여 배치되고,
    상기 제3 전극부가 상기 가동부에 대한 다른쪽의 측에 있어서 상기 제4 전극부와 대향하여 배치되며,
    상기 가동부는 상기 가동부가 상기 제1 위치에 위치할 때에는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 제1의 간격이 좁아지는 동시에 상기 제3 및 제4 전극부사이의 제2의 간격이 넓어지고, 상기 가동부가 상기 제2 위치에 위치할 때에는 상기 제1의 간격이 넓어지는 동시에 상기 제2의 간격이 좁아지도록 스프링성을 갖는 스프링성부를 통해 상기 고정부에 대하여 기계적으로 접속되고,
    상기 복귀력이 상기 스프링성부에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  11. 제1항에 기재한 마이크로 액츄에이터와,
    상기 자계를 발생시키는 자계 발생부와,
    상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서 또는 상기 로렌쯔력 및 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치로 이동하도록 상기 전압 및 상기 전류를 제어하고,
    상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치에 유지되도록 상기 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치.
  13. 제6항에 기재한 마이크로 액츄에이터와,
    상기 자계를 발생시키는 자계 발생부와,
    상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부가 상기 가동부를 상기 제1 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서 또는, 상기 로렌쯔력 및 상기 제1 및 제2 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치로 이동하도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하고,
    상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제2 위치로 이동시킬 때는 상기 로렌쯔력에 의해서 또는, 상기 로렌쯔력 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제2 위치로 이동하도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압, 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압 및 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 제어하며,
    상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제1 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 제1 및 제2 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제1 위치에 유지되도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하고,
    상기 제어부는 상기 가동부를 상기 제2 위치에 유지하고 있는 적어도 정상적인 유지 상태에 있어서는 상기 제3 및 제4 전극부사이의 상기 정전력에 의해서 상기 가동부가 상기 제2 위치에 유지되도록 상기 제1 및 제2 전극부사이의 전압 및 상기 제3 및 제4 전극부사이의 전압을 제어하는 동시에, 상기 전류를 흘리지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 장치.
  15. 제1항에 기재한 마이크로 액츄에이터와, 상기 가동부에 설치된 미러를 구비한 것을 특징으로 하는 광스위치.
  16. 제15항에 기재한 광스위치를 복수 구비하고, 상기 복수의 광스위치가 2차원형으로 배치된 것을 특징으로 하는 광스위치 어레이.
  17. 제16항에 있어서, 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로로써, 상기 복수의 광스위치의 각 행마다의 행선택 신호 및 상기 복수의 광스위치의 각 열마다의 열선택 신호에 응답하여 선택된 행 및 열의 광스위치에 대하여 상기 전류 및 상기 전압의 제어를 행하는 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 광스위치 어레이.
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