KR20050041215A - Electrostatic microactuator - Google Patents

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KR20050041215A
KR20050041215A KR1020030076307A KR20030076307A KR20050041215A KR 20050041215 A KR20050041215 A KR 20050041215A KR 1020030076307 A KR1020030076307 A KR 1020030076307A KR 20030076307 A KR20030076307 A KR 20030076307A KR 20050041215 A KR20050041215 A KR 20050041215A
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comb
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constant power
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KR1020030076307A
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권호남
이종현
황일한
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주식회사 나놉스
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Abstract

본 발명은 빗살의 폭이 일정한 기존의 빗살형 구동기와는 달리 빗살의 끝 부분이 넓다는 형태상의 차이가 있다. 대향하는 빗살의 넓은 부분이 서로 마주하면 빗살간의 간격이 좁아지므로 이에 반비례하여 정전력이 커지게 된다. 따라서 빗살의 위치에 따라 정전력의 방향 및 크기가 달라지는 특성을 가진다. 이 특성을 가지는 정전력 구동기가 두 개의 안정위치를 갖는 스프링과 결합될 경우 안정한 디지털 구동을 얻을 수 있다. 따라서 고정 전압 전극 혹은 제 2의 신호 전극이 필요하지 않아 2개의 전극만으로 양방향 구동이 가능하다는 장점이 있다.The present invention is different from the conventional comb-type actuator in which the width of the comb is constant, there is a difference in form that the end of the comb is wide. When the large portions of the opposite combs face each other, the spacing between the combs becomes narrow, so that the electrostatic force increases in inverse proportion to this. Therefore, the direction and size of the electrostatic force vary according to the position of the comb teeth. When the constant power driver having this characteristic is combined with a spring having two stable positions, stable digital driving can be obtained. Therefore, there is no need for a fixed voltage electrode or a second signal electrode, so there is an advantage in that bidirectional driving is possible with only two electrodes.

Description

정전형 마이크로 구동기{Electrostatic microactuator}Electrostatic Microactuator

본 발명은 파장 분할 다중화(WDM: Wavelength Division Multiplex) 방식의 광통신 시스템에서 사용되는 광 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한 개, 행렬화 된 광 소자에 적용하기 위한 구동기 및 광 소자의 구조에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switch used in a wavelength division multiplex (WDM) optical communication system, and more particularly, to a structure of a driver and an optical element for applying to a matrixed optical element. will be.

일반적으로 파장 분할 다중 방식(WDM)은 광 도파로를 이용하는 통신에서, 상이한 파장의 빛을 이용하여 복수의 채널을 동시에 전송하는 방식이다. 이 때 통상적으로 사용되는 단일 모드 광 도파로에서는 감쇠가 적은 1.3um와 1.55um 2종류의 광 파장 영역을 이용한다. 이러한 파장 분할 다중방식의 구현을 위한 장치를 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)라고 하며, 일종의 광 커플러(optical coupler)로써 기능한다. 즉, 이것은 하나의 광 도파로 채널을 빛의 파장에 의해서 분할하여 복수의 통신로로 사용할 수 있게 하는 장치이다. 예를 들면 1.55um 파장으로부터 1.5um 파장을 분리하고 2개의 별도 신호를 각각 다른 파장대로 입력시켜 1개의 광 도파로를 통해서 전송한다. 그리고 수신부는 이렇게 통합된 신호를 받아 2개의 신호로 분리, 감지한다. In general, wavelength division multiplexing (WDM) is a method in which a plurality of channels are simultaneously transmitted using light of different wavelengths in a communication using an optical waveguide. In this case, a single mode optical waveguide commonly used uses two types of optical wavelength ranges of 1.3 μm and 1.55 μm with low attenuation. The apparatus for implementing the wavelength division multiplexing method is called a wavelength division multiplexer, and functions as an optical coupler. That is, this is a device that divides one optical waveguide channel by the wavelength of light so that it can be used as a plurality of communication paths. For example, it separates 1.5um wavelength from 1.55um wavelength and inputs two separate signals with different wavelengths and transmits them through one optical waveguide. The receiver receives the integrated signal and separates it into two signals.

상기와 같은 파장 분할 다중화기의 기능에 대한 메커니즘은 2가지가 있다. 하나는 파장에 따라 굴절, 반사가 달라지는 원리를 이용하는 것이고, 다른 하나는 고정형 혹은 가변형 필터를 채용해서 분리하는 방법을 사용하는 것이다. 즉 한 파장은 필터를 통과하나 다른 파장은 반사하는, 혹은 반대로 한 파장은 반사하고 다른 파장은 통과하는 원리를 이용하는 방법이다. 이 때 상기 파장 분할 다중방식화기로써 광 가감기(optical add/drop multiplexer)가 사용된다. 상기 광 가감기에는 거울 등의 광학소자를 기계적으로 구동해서 빛이 이동하는 길 즉 광로를 차단하거나 변화하는 멤스(MEMS; Micro Electro Mechanical System; 초소형 기전 시스템, 기판 상에 설치되는 구조물을 움직이게 만드는 공정기술 또는 그러한 공정기술로 만들어진 소자)형 광 스위치와 같은 멤스형 광 소자가 많이 사용된다.There are two mechanisms for the function of the wavelength division multiplexer. One uses the principle that the refraction and reflection vary according to the wavelength, and the other uses a separation method using a fixed or variable filter. In other words, one wavelength passes through the filter, but the other reflects, or vice versa. At this time, an optical add / drop multiplexer is used as the wavelength division multiplexer. In the optical regulator, a process of mechanically driving an optical element such as a mirror to move a light path, that is, a MEMS (blocking or changing an optical path) to move a structure installed on a substrate. A MEMS type optical element such as a technology or an element made by such a process technology is often used.

상기 멤스형 광 소자는 삽입 손실, 누화 등이 낮다는 장점으로 인하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 상기 광 소자중 광 스위치는 기본적으로 1 x 2 구성과 2 x 2 등의 단위채널 및 다채널 광 스위치로 구분된다. 아울러 상기 광 소자의 구성에 있어서 도체물질을 도관 혹은 막대의 형태로 제작하여 빛의 전송통로로써 사용하는 것이 광 도파로이다.The MEMS type optical device has been studied a lot because of the low insertion loss, crosstalk, and the like. The optical switch of the optical device is basically divided into a unit channel and a multi-channel optical switch, such as 1 x 2 configuration and 2 x 2. In addition, in the construction of the optical device, it is an optical waveguide that a conductor material is manufactured in the form of a conduit or a rod and used as a light transmission path.

광 스위치와 같은 광 소자의 주요한 방식은 거울을 이동시켜 빛의 방향을 바꾸어 주는 것이다. 거울 등과 같은 마이크로 구조체의 이동을 위한 종래의 구동기에는 정전력을 이용한 빗살형 구동기 혹은 평행판 구동기 등이 있다. 이러한 정전력 구동기는 전기신호가 차단되면 구동기를 지지하는 스프링의 반력에 의해 원위치로 돌아오기 때문에, 계속 전압을 인가해야 구동상태를 유지한다는 단점이 있다. 한편, 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링을 이용하여 전원이 차단되어도 현재의 위치를 유지하는 마이크로 구동기가 있다. 그런데 이 구동기의 위치를 변화시키기 위해서는 접지 전극, 고정전압 전극과 신호 전극 등 3개의 전극이 필요하다.The main method of optical devices, such as optical switches, is to move the mirror to change the direction of light. Conventional drivers for the movement of microstructures, such as mirrors, include comb-type drivers or parallel plate drivers using electrostatic force. Since the constant power driver returns to its original position by the reaction force of the spring supporting the driver when the electric signal is blocked, there is a disadvantage in that the driving state is maintained only when the voltage is continuously applied. On the other hand, there is a micro driver that maintains the current position even when the power is cut off using a spring having two stable positions. However, in order to change the position of this driver, three electrodes, a ground electrode, a fixed voltage electrode, and a signal electrode, are required.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 한 개, 어레이 혹은 행렬화 된 광 스위치에 적용하기 위한 구동기 및 광 소자의 구조에 관한 것이다. 삽처럼 끝 부분이 넓은 빗살은 빗살간의 위치에 따라 전방 혹은 후방으로 움직인다. 구동기는 두 개의 안정위치를 갖는 스프링 구조와 결합하여 접지 전극 외에 한 개의 신호 전극을 사용해서 양방향으로 구동가능하다. The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and relates to the structure of a driver and an optical element for application to one, array or matrixed optical switch. The wide comb, like a shovel, moves forward or backward, depending on the position of the comb. The driver can be driven in both directions using one signal electrode in addition to the ground electrode in combination with a spring structure having two stable positions.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages, and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings.

다음으로는 본 발명에 따른 정전형 마이크로 구동기에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략한다.Next, the electrostatic micro driver according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations will be omitted when it is determined that the detailed descriptions may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.

도 1은 종래의 광 스위치에 대한 구조에 관한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a structure of a conventional optical switch.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 광 스위치에서는 수직으로 마주보는 광 도파로(11) 4개, 45도의 반사면을 가지는 한 개의 거울(12) 및 거울을 지탱하는 스프링(14) 및 구동기(10)로 구성되어 있다. 도 1의 좌측 개념도와 같이 거울이 빛의 경로에 들어가며 빛을 반사시켜 빛이 나온 광 도파로와 90도 각도에 위치한 광 도파로로 빛이 들어간다. 도 1 및 이하 그림에서 편의상 빛의 경로(13)는 하나만 나타내었으며, 다른 하나의 빛은 표시된 빛의 경로(13)와 같은 원리로 진행 및 반사한다. 한편 도 1의 우측 개념도와 같이 거울이 빛의 경로에서 빠져 나오면 빛은 거울을 만나지 않으므로 빛이 나온 광 도파로의 맞은 편 광 도파로로 들어간다. As shown in FIG. 1, in a conventional optical switch, four optical waveguides 11 facing vertically, one mirror 12 having a reflecting surface of 45 degrees, and a spring 14 and a driver supporting the mirror 10 are provided. It consists of). As shown in the left conceptual diagram of FIG. 1, a mirror enters a light path and reflects light to enter an optical waveguide positioned at a 90 degree angle with the optical waveguide from which the light is emitted. In FIG. 1 and the following figures, only one light path 13 is shown for convenience, and the other light travels and reflects on the same principle as the light path 13 shown. On the other hand, when the mirror exits from the path of light as shown in the right conceptual diagram of FIG. 1, since the light does not meet the mirror, the light enters the opposite waveguide of the light waveguide from which the light is emitted.

도 1에 나타낸 바와 같이 광 스위치의 주요한 방식은 거울을 이동시켜 빛의 방향을 바꾸어 주는 것이다. 거울을 이동시키기 위해 주로 사용되는 구동기는 정전력을 이용한 빗살형 구동기 혹은 평행판 구동기이다. 종래의 구동기는 전기신호를 계속 인가해야 구동상태를 유지할 수 있다. 그것은 전기신호가 차단되면 구동기를 지지하는 스프링의 반력에 의해 원위치로 돌아오기 때문이다. As shown in Fig. 1, the main method of the optical switch is to move the mirror to change the direction of light. The driver mainly used to move the mirror is a comb-type driver or a parallel plate driver using a constant power. The conventional driver may maintain the driving state only by continuously applying an electric signal. This is because when the electric signal is cut off, it is returned to its original position by the reaction force of the spring supporting the actuator.

도 2는 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링을 채용한 광 스위치의 구조도이다. 2 is a structural diagram of an optical switch employing a spring having two stable positions.

두 개의 안정위치를 갖는 스프링 구조는 전원이 차단되어도 위치를 유지할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 이 스프링을 채용한 구동기는 많은 수의 전극을 필요로 한다. 구동위치 및 원위치로 움직이기 위한 신호를 전달하기 위해 접지 전극 외에 두 개의 신호 전극이 필요하기 때문이다. 하지만 어레이 혹은 행렬 형태로 사용되는 광 스위치는 최소의 신호 전극만을 사용하여야 한다. 따라서 이에 적합한 구동기가 필요하다. The spring structure having two stable positions has the advantage that the position can be maintained even if the power is cut off. However, actuators employing this spring require a large number of electrodes. This is because, in addition to the ground electrode, two signal electrodes are required to transmit signals for driving and returning to the home position. However, an optical switch used in an array or matrix form should use only a small number of signal electrodes. Therefore, a suitable driver is required.

도 3은 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링의 위치에 따른 반력의 개념도와 구동을 위해 인가하는 전기신호의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of a reaction force according to a position of a spring having two stable positions and a conceptual diagram of an electric signal applied for driving.

스프링이 하나의 안정 위치에서 다른 안정위치로 변형할 때, 스프링의 각 위치에서의 스프링 반력의 크기는 도 3의 상부 개념도에 나타낸 것처럼 나타난다. 여기서 +, -는 그 반력의 방향을 나타낸다. 따라서 스프링을 다른 안정상태로 변위이동하기 위해서는 도 3의 하부 개념도에 나타낸 것처럼 반력이 0인 지점이 약간 지날 때까지 신호를 준 후 신호를 차단하면 된다. 반대 방향으로 움직이기 위해서는 마찬가지로 반력이 0인 지점이 약간 넘을 때까지 반대의 힘을 가하는 신호를 주어야 한다. 종래의 연구자들은 돌아오는 방향의 힘을 주기 위해 도 2에 나타낸 것과 같이 빗살을 쌍으로 제작하여 구동하였다.When the spring deforms from one stable position to another, the magnitude of the spring reaction force at each position of the spring appears as shown in the upper conceptual diagram of FIG. 3. Where + and-indicate the direction of the reaction force. Accordingly, in order to displace the spring to another stable state, as shown in the lower conceptual diagram of FIG. 3, the signal may be blocked until the point where the reaction force is 0 is slightly passed. To move in the opposite direction, you must also give a signal to apply the opposite force until the point where the reaction force is zero. In the related art, the researchers prepared and operated a pair of comb teeth as shown in FIG. 2 to give a force in the return direction.

도 4는 종래의 정전력 구동기의 빗살이다.4 is a comb of a conventional constant power driver.

정전력 구동기는 두 전극간에 전압이 인가되면 (41)방향으로 구동하게 된다. 이때 정전력의 크기는 빗살간의 간격(31)에 반비례하여 변화하며, 빗살의 폭(36)에는 거의 영향 받지 않는다. 다만 빗살이 놓일 수 있는 구간이 일정하다면, 빗살의 폭(36)과 빗살간의 간격(31)의 합이 클 수록 빗살의 개수가 적어진다.The constant power driver is driven in the (41) direction when a voltage is applied between the two electrodes. At this time, the magnitude of the electrostatic force changes in inverse proportion to the spacing 31 between the comb teeth, it is hardly affected by the width 36 of the comb teeth. However, if the section in which the comb teeth can be placed is constant, the larger the sum of the width 36 of the comb teeth and the spacing 31 between the comb teeth, the smaller the number of comb teeth.

도 5는 본 발명에 따른 삽 모양의 빗살이다.5 is a shovel-shaped comb teeth in accordance with the present invention.

삽 모양의 빗살은 도 5와 같이 삽모양 빗살의 좁은 폭(37)과 넓은 폭(38)을 갖는다. 도 5의 상부 개념도와 같이 빗살이 바깥쪽에 있을 때는 (41)방향으로 정전력이 발생하여 (41)방향으로 진행한다. 즉, 삽모양 빗살간의 좁은 간격(32)에 반비례하여 (41)방향의 정전력을 발생한다. 그런데 도 5의 하부 개념도와 같이 빗살이 안쪽에 있을 때는 빗살간의 좁은 간격(32)에 반비례하여 (42)방향의 정전력이 발생하나, 삽모양 빗살에서 넓은 간격(33)에 반비례한 정전력의 방해를 받는다. 즉, 삽모양 빗살에서 넓은 간격(33)에 반비례한 정전력은 (42) 방향과 반대편으로 진행하려는 힘을 제공한다. The shovel-shaped comb has a narrow width 37 and a wide width 38 of the shovel-shaped comb as shown in FIG. When the comb teeth are on the outside as shown in the upper conceptual diagram of FIG. 5, the electrostatic force is generated in the (41) direction and proceeds to the (41) direction. That is, the electrostatic force in the (41) direction is generated in inverse proportion to the narrow gap 32 between the shovel combs. However, when the comb teeth are inward as shown in the lower conceptual diagram of FIG. 5, electrostatic force occurs in the (42) direction in inverse proportion to the narrow spacing 32 between the comb teeth, but the electrostatic force inversely proportional to the wide spacing 33 in the shovel-shaped comb teeth. Get disturbed. That is, the electrostatic force inversely proportional to the wide spacing 33 in the shovel comb provides the force to proceed in the opposite direction to the (42) direction.

따라서 두 개의 안정한 형태를 갖는 스프링, 폭이 넓은 부분과 좁은 부분으로 이루어져 있는 일련의 빗살로 구성된 이동빗살, 폭이 넓은 부분과 좁은 부분으로 이루어져 있는 일련의 빗살로 구성된 고정빗살, 스프링과 이동 빗살의 좁은 부분을 연결하여 빗살 간에 발생한 동력을 스프링에 전달하는 연결부, 연결부와 맞닿지 않은 스프링의 한 부분과 고정 빗살의 좁은 부분을 고정하기 위한 고정부, 고정빗살 및 이동빗살에 전원을 인가하기 위한 2개의 전극을 가지는 전원부로 구성된 것을 특징으로 하는 정전력 구동기를 제작할 수 있다. 이 구동기는 펄스형태의 입력 신호로 연결부가 두개의 안정한 위치를 교대로 왕복하는 특징을 가진다. Thus, two stable springs, a mobile comb composed of a series of combs composed of wide and narrow sections, a fixed comb composed of a series of combs composed of a wide section and a narrow section, a spring and a mobile comb Connecting part for connecting the narrow part to transfer power generated between the comb teeth to the spring, fixing part for fixing the narrow part of the spring and the fixing comb that is not in contact with the connecting part, 2 for applying power to the fixing comb and moving comb. It is possible to manufacture a constant power driver, characterized in that consisting of a power supply having a number of electrodes. The driver is characterized by a pulsed input signal that the connection alternately reciprocates between two stable positions.

이하 설명에서 상기의 정전력 구동기를 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기라 칭한다.In the following description, the constant power driver is referred to as a constant power driver having a shovel-shaped comb.

도 6은 본 발명에 따른 삽 모양의 빗살의 넓은 폭에 따라 발생하는 정전력의 크기이다.6 is the magnitude of the electrostatic force generated according to the wide width of the shovel-shaped comb teeth according to the present invention.

도 6과 같이 빗살이 놓일 수 있는 구간이 일정하다면, 빗살이 바깥쪽에서 안쪽으로 진행할 때는 빗살의 폭에 반비례하여 감소한다. 이것은 일정구간에서의 빗살의 개수가 적어지기 때문이며, 빗살간의 간격이 일정하다고 했을 때 정전력이 빗살의 개수에 비례하기 때문이다. 그런데 도 6에 있는 것처럼 넓은 폭의 값이 일정한 값 이하가 되면 되돌아오는 방향의 힘은 음의 값을 갖는다. 이것은 정전력이 구동방향으로 작용하게 됨을 의미한다. 또한 넓은 폭이 커짐에 따라 정전력이 계속 증가하지 않고, 정전력이 최대값을 가진 후 감소하게 된다. 최대의 정전력을 갖는 넓은 폭의 값은 빗살의 좁은 폭과 좁은 간격 등에 의해 결정된다.If the section where the comb teeth can be placed as shown in Figure 6 is constant, when the comb proceeds from the outside to the inside decreases in inverse proportion to the width of the comb teeth. This is because the number of comb teeth in a certain section decreases, and the electrostatic force is proportional to the number of comb teeth when the interval between comb teeth is constant. However, as shown in FIG. 6, when the wide width becomes less than or equal to the constant value, the force in the return direction has a negative value. This means that the electrostatic force acts in the driving direction. Also, as the width increases, the constant power does not continuously increase, but decreases after the constant power reaches its maximum value. The wide width value with the maximum electrostatic force is determined by the narrow width and narrow spacing of the comb teeth.

도 7은 본 발명에서 두 개의 안정 위치를 갖는 스프링의 구동 원리를 나타낸 개념도이다. 7 is a conceptual diagram illustrating a driving principle of a spring having two stable positions in the present invention.

두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링의 임팩트(충격)응답은 도 7의 상부 개념도에 나타난 것과 같이 그 충격의 크기에 따라 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 먼저, 스프링에 가해지는 충격이 작을 때는 (56)과 같이 임계힘 이하의 임펄스(충격) 응답 특성을 나타내며, 스프링의 안정 위치가 변하지 않는다. 한편, 스프링에 가해지는 충격이 클 때는 임계힘 이상의 임펄스(충격) 응답 특성(57)을 나타내며 두 번째 안정한 위치(58)의 변위이동이 나타난다. The impact response of the spring with two stable positions can be divided into two types according to the magnitude of the impact, as shown in the upper conceptual diagram of FIG. 7. First, when the impact applied to the spring is small, impulse (impact) response characteristics below the critical force are shown as shown in (56), and the stable position of the spring does not change. On the other hand, when the shock applied to the spring is large, the impulse (shock) response characteristic 57 of the critical force or more is exhibited, and the displacement movement of the second stable position 58 appears.

구동기가 도 5의 상부 개념도와 같이 바깥에서 안쪽으로 진행하는 경우, 삽 모양의 빗살에서 발생하는 정전력(62)은 도 7의 중앙 개념도에 나타낸 것처럼 대략 (62)와 같이 변화한다. 왜냐하면 빗살에간에 발생하는 정전력은 빗살간 대향면적의 변화에 의해서 나타나게 되는데, 빗살이 (41) 방향으로 진행할수록 빗살간의 대향면적 증가분이 작아지기 때문이다. 빗살이 빗살의 넓은 부분을 지나치면 진행하는 방향과 반대 방향의 힘이 발생한다. 이 힘이 도 7의 상부 개념도에 나타낸 것과 같이 점선으로 나타낸 스프링의 반력보다 절대값이 크면 스프링의 안정한 상태를 바꿀 수 있다. 상기와 같은 원리로 도 7의 하부 개념도에 나타낸 것과 같이 한 개의 전극으로부터 들어온 펄스 형태의 전압은 스프링의 위치에 따라 정(+), 부(-)의 힘을 가지며, 순차적으로 스프링의 안정한 위치를 바꾼다.When the driver proceeds from the outside to the inward as in the upper conceptual diagram of FIG. 5, the electrostatic force 62 occurring at the shovel-shaped comb changes as approximately 62 as shown in the central conceptual diagram of FIG. 7. Because the electrostatic force generated between the comb teeth is caused by the change of the counter area between the comb teeth, as the comb teeth progress toward (41), the increase in the counter area between the comb teeth becomes smaller. When the comb passes over a wide part of the comb, it generates a force in the opposite direction of travel. If this force is greater than the reaction force of the spring indicated by the dotted line as shown in the upper conceptual diagram of Fig. 7, the stable state of the spring can be changed. As shown in the lower conceptual diagram of FIG. 7, the pulse-type voltage from one electrode has positive (+) and negative (-) forces depending on the position of the spring, and sequentially stabilizes the spring. Change.

도 8~15는 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기에 대한 실례의 하나이다. 도 8은 두 빗살간의 상대위치에 따른 정전력의 크기를 유한요소법에 따라 모사 해석한 것이다. 빗살의 좁은 폭은 4μm이고 길이는 49μm이며, 넓은 폭은 25μm이고 길이는 38μm이다. 빗살간의 넓은 폭이 교차하고 있을 때의 간격은 3μm이다. 전체 빗살의 수는 300쌍이고, 40V의 구동전압을 인가했을 때의 해석결과이다. 그림에서 보는바와 같이 전압이 인가되었을 경우 빗살이 초기위치에서 약 40μm정도의 변위 이동을 할 때까지는 양의 크기를 가지는 정전력이 발생하고, 40μm 이상의 상대변위가 나타났을 때는 음의 크기를 가지는 정전력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이 때 나타나는 최대 양의 정전력의 크기는 약 110μN이고, 최대 음의 정전력의 크기는 -60μN 정도이다.8 to 15 are examples of the constant power driver having a shovel-shaped comb proposed in the present invention. 8 is a simulation of the magnitude of the electrostatic force according to the relative position between two comb teeth according to the finite element method. The comb teeth are 4μm narrow and 49μm long, 25μm wide and 38μm long. The interval when the wide width of the comb teeth intersects is 3 m. The total number of comb teeth is 300 pairs, which is an analysis result when a driving voltage of 40V is applied. As shown in the figure, when voltage is applied, positive electrostatic force is generated until the comb teeth move about 40μm from the initial position, and when the relative displacement is more than 40μm, positive electrostatic force occurs. It can be seen that power is generated. At this time, the magnitude of the maximum positive constant power is about 110 μN and the magnitude of the maximum negative constant power is about -60 μN.

도 9는 두 개의 안정위치를 가지는 스프링 구조의 실례에 대한 모사 해석한 결과이다. 스프링 구조체는 16kN/m 전체수평강성과 800kNm 전체회전강성을 갖는다. 도 9의 상부 개념도는 각 변위 위치에서 스프링 구조체에 저장되는 변형에너지의 크기를 나타내고, 도 9의 하부 개념도는 임의의 변위를 유지하기 위해서 스프링 구조체에 가해주어야 할 힘의 크기를 나타낸다. 그림에서 보듯이 약 38μm의 변위 이동이 나타날 때 까지는 스프링의 변위이동방향과 나란한 방향으로 힘을 가해주어야 하지만, 38μm이상의 변위 상태를 유지하기 위해서는 변위이동 방향과 반대방향으로 힘을 가해주어야 함을 알 수 있다. 이 때 변위이동을 위해서 필요한 힘은 외부 구동기에서 가해주어야 하고, 도 9의 상부 개념도로부터 초기위치로부터 변위가 증가함에 따라 결국 65μm에서 두번째 에너지 안정위치가 나타남을 알 수 있다. 9 is a simulation result of an example of a spring structure having two stable positions. The spring structure has 16kN / m total horizontal stiffness and 800kNm total rotational stiffness. The upper conceptual diagram of FIG. 9 shows the magnitude of the strain energy stored in the spring structure at each displacement position, and the lower conceptual diagram of FIG. 9 shows the magnitude of the force that must be applied to the spring structure to maintain any displacement. As shown in the figure, force should be applied in the direction parallel to the displacement movement direction of the spring until the displacement movement of about 38μm appears, but to maintain the displacement state of 38μm or more, it should be applied in the opposite direction to the displacement movement direction. Can be. At this time, the force required for the displacement movement should be applied by the external driver, and it can be seen from the upper conceptual diagram of FIG. 9 that the second energy stable position appears at 65 μm as the displacement increases from the initial position.

이때 스프링 구조체의 변위를 증가시키기 위한 구동기로서 일반적인 빗살형 정전력 구동기가 사용될 수 있는데, 이 경우 전진구동과 후진구동 모두 가능하기 위해서는 적어도 3개 이상의 전극이 필요하다. 하지만 스프링 구조체의 구동기로서 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기를 사용할 경우 여러 가지 장점을 기대할 수가 있다. 먼저 두 개의 전극으로도 전진과 후진 구동이 모두 가능하다. 그리고 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기로부터 얻을 수 있는 정전력의 크기가 스프링 구조체를 구동하기 위해 필요한 변위에 따른 힘의 크기와 유사하기 때문에, 적절한 순간에 전압을 ON/OFF를 함으로써 구조체가 가지는 과도응답의 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. In this case, a general comb-type constant-power driver may be used as a driver for increasing the displacement of the spring structure. In this case, at least three or more electrodes are required to enable both forward driving and backward driving. However, when using the electromotive force driver having a shovel-shaped comb proposed by the present invention as a driver of the spring structure can be expected a number of advantages. First, both electrodes can be driven forward and backward. In addition, since the magnitude of the electrostatic force obtained from the shovel-shaped electrostatic force driver is similar to the magnitude of the force according to the displacement required to drive the spring structure, the structure has to be turned on and off at an appropriate moment. The advantage is that the magnitude of the transient response can be reduced.

도 10은 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기에 인가한 펄스 형태의 전압을 나타낸다. 도 10에서와 같이 동일 전극에 대해서 t0초 동안 전압을 인가하면 전진구동을 하게 되고, 다음 펄스에서 다시 t1초 동안 전압을 인가하게 되면 후진구동을 하게 된다. 이 때 t0와 t1는 임의의 값을 사용할 수는 없고, 도 1과 도 2에 제시한 것과 같이 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기와 스프링 구조체가 가지는 변위와 힘의 관계에 따라 적절한 값을 사용해야 한다. Figure 10 shows the voltage of the pulse type applied to the constant power driver having a shovel-shaped comb proposed in the present invention. As shown in FIG. 10, when the voltage is applied to the same electrode for t0 seconds, forward driving is performed, and when the voltage is applied for t1 second again in the next pulse, backward driving is performed. At this time, t0 and t1 cannot use arbitrary values, and as shown in FIGS. 1 and 2, an appropriate value should be used according to the relationship between displacement and force of the spring power structure and the constant power driver having a shovel-shaped comb. do.

도 11은 스프링 구조체의 감쇠계수가 0.0002 Nsec/m라 가정하고 t0를 5msec라 했을 때의 전진구동에 대한 과도상태응답 해석결과이다. 도 11 상부 2개의 개념도는 시간에 따른 변위와 속도를 해석한 그림이다. 도 11 하부 3개의 개념도는 각 시간에 있어서 삽모양의 빗살을 가진 정전력 구동기에 발생한 정전력의 크기(Fy_spade)와 변위 증가로 인해 나타나는 스프링 구조체의 저항력의 크기(Fy_reaction), 그리고 이 두 힘으로부터 구한 유효 힘의 크기(Fy_net)를 나타낸 그림이다. 도 11 상부 2개의 개념도에서 보듯이 시간에 증가함에 따라서 변위는 증가하지만, 전압이 인가되고 있는 t0초 동안은 스프링 구조체의 변위량이 도 9에서 얻은 두 번째 에너지 안정위치가 아니라, Fy_spade와 Fy_reaction의 두 힘이 평형을 이루는 위치로 수렴하고 있는 것을 알 수 있다. t0 이후에 전압이 인가되지 않게 되면, 스프링 구조체는 다시 한번 과도상태를 거치고, 결국 두 번째 에너지 안정위치인 65μm로 수렴하는 것을 알 수 있다. FIG. 11 is a transient response response analysis result for forward driving when a damping coefficient of the spring structure is assumed to be 0.0002 Nsec / m and t0 is 5msec. 11 is a conceptual diagram of the displacement and the velocity with time. The lower three conceptual diagrams of Fig. 11 show the magnitude of the constant power (Fy_spade) generated by the constant power driver with a shovel-shaped comb at each time, the magnitude of the resistive force (Fy_reaction) of the spring structure due to the increased displacement, and from these two forces. This figure shows the magnitude of the obtained effective force (Fy_net). As shown in the upper two conceptual diagrams of FIG. 11, the displacement increases with time, but during the t0 seconds when voltage is applied, the displacement of the spring structure is not the second energy stable position obtained in FIG. 9, but Fy_spade and Fy_reaction. You can see that the force is converging to the equilibrium position. If no voltage is applied after t0, the spring structure once again undergoes a transient and eventually converges to the second energy stable position, 65 μm.

도 12는 동일한 스프링 구조체와 5msec의 t1에 대해서 두 번째 에너지 안정위치로부터 후진구동을 하는 경우에 대한 해석결과이다. 도 10에서 후진구동의 경우 필요한 힘의 크기가 전진구동에 비해서 작은데도 불구하고 초기 에너지 안정위치로 변위이동이 나타나지 않았는데, 이것은 도 8에서 보듯이 삽모양의 빗살을 가진 정전력 구동기가 에너지 불안정상태가 나타나는 40μm 부근에서 큰 양의 정전력의 값을 가지기 때문이다. 따라서 스프링 구조체는 후진 방향으로 변위가 증가하다가 에너지 불안정점 부근에서의 Fy_net이 상당히 큰 양의 값을 가지기 때문에, 결국 도 11의 전진구동에서와 같이 Fy_spade와 Fy_reaction의 두 힘이 평형을 이루고 있는 위치로 수렴하고 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 t1 이후에 전압이 인가되지 않게 되면, 스프링 구조체는 다시 한번의 과도상태를 거치고, 결국 두 번째 에너지 안정위치인 65μm로 수렴하는 것을 알 수 있다. 12 is an analysis result for the case of driving backward from the second energy stable position with respect to the same spring structure and t1 of 5 msec. In the case of the backward drive in FIG. 10, the displacement movement does not appear to the initial energy stable position even though the magnitude of the force required is smaller than that of the forward drive. As shown in FIG. 8, the constant power driver with the shovel-shaped comb teeth has an energy instability. This is because it has a large amount of constant power in the vicinity of 40 μm. Therefore, since the spring structure has increased displacement in the reverse direction and Fy_net has a very large value near the energy instability point, the spring force is in a position where both forces of Fy_spade and Fy_reaction are in equilibrium as in the forward driving of FIG. You can see that it is converging. When no voltage is applied after t1, the spring structure goes through another transient state and eventually converges to the second energy stable position, 65 μm.

따라서 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기로 두 개의 에너지 안정위치를 가지는 스프링 구조체를 구동하기 위해서는 t0와 t1가 모두 적절한 값을 가져야 한다. 그런데 도 8에서 보듯이 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 크기가 변위의 증가에 대해서 비대칭 구조를 이루고 있고, 도 9의 스프링 구조체 또한 전진구동과 후진구동에 필요한 힘의 크기 또한 비대칭을 이루고 있기 때문에, 전진구동과 후진구동 각각에 대해서 필요한 t0와 t1는 다른 값을 가지게 된다. 본 실례의 경우에 있어서는 전진 구동에서의 t0는 0.23msec 이상이 되어야 하고, 후진 구동에서의 t1는 0.4msec와 0.53msec 사이의 값을 가져야 한다. 도 13과 도 14는 t0와 t1를 모두 0.4msec와 0.53msec의 중간 값인 0.465msec로 하였을 때의 해석결과를 나타낸다. Therefore, in order to drive a spring structure having two energy stable positions with a constant power driver having a shovel-shaped comb proposed in the present invention, both t0 and t1 should have appropriate values. However, as shown in FIG. 8, the electrostatic force having a shovel-shaped comb has an asymmetrical structure with respect to the displacement, and the spring structure of FIG. 9 also has an asymmetrical magnitude of the force required for the forward drive and the reverse drive. The t0 and t1 needed for forward and reverse drive respectively have different values. In the case of this example, t0 in the forward drive should be 0.23 msec or more, and t1 in the reverse drive should have a value between 0.4 msec and 0.53 msec. 13 and 14 show the analysis results when both t0 and t1 are 0.465 msec, which is an intermediate value between 0.4 msec and 0.53 msec.

도 15는 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살형 정전력 구동기와 일반적인 빗살형 정전력 구동기를 두 개의 안정위치를 가지는 스프링 구동체에 사용했을 때에 나타나는 변위를 비교한 것이다. 일반적인 빗살형 정전력 구동기에 대해서는 펄스형태의 전압인가방식이 아니라 연속적인 전압인가방식으로 구동되고, 빗살형 정전력 구동기의 전진방향 최대 힘인 110μN이 작용한다고 가정하여 얻은 해석결과이다. 그림에서 보듯이 과도상태에서 나타나는 오버슈트의 정도에 있어서, 일반적인 빗살형 정전력 구동기의 경우가 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살형 정전력 구동기보다 2배 이상의 값이 나타났다. 따라서 보다 안정하게 구동이 가능함을 알 수 있다. FIG. 15 compares the displacements occurring when the shovel-shaped comb-type constant power driver and the general comb-type constant-power driver proposed by the present invention are used in a spring drive body having two stable positions. The general comb-type constant power driver is driven by continuous voltage application instead of the pulse type voltage application method, and it is an analysis result obtained by assuming that the maximum force in the forward direction of the comb-type constant power driver is 110 μN. As shown in the figure, in the degree of overshoot occurring in the transient state, the value of the general comb-type constant power driver is more than twice that of the shovel-shaped comb-type constant power driver proposed in the present invention. Therefore, it can be seen that the driving can be more stable.

본 발명은 빗살의 폭이 일정한 기존의 빗살형 구동기와는 달리 빗살의 끝 부분이 넓다는 형태상의 차이가 있다. 대향하는 빗살의 넓은 부분이 서로 마주하면 빗살간의 간격이 좁아지므로 이에 반비례하여 정전력이 커지게 된다. 따라서 빗살의 위치에 따라 정전력의 방향 및 크기가 달라지는 특성을 가진다. 이 특성을 가지는 정전력 구동기가 두 개의 안정위치를 갖는 스프링과 결합될 경우 안정한 디지털 구동을 얻을 수 있다. 따라서 고정 전압 전극 혹은 제 2의 신호 전극이 필요하지 않아 2개의 전극만으로 양방향 구동이 가능하다는 장점이 있다.The present invention is different from the conventional comb-type actuator in which the width of the comb is constant, there is a difference in form that the end of the comb is wide. When the large portions of the opposite combs face each other, the spacing between the combs becomes narrow, so that the electrostatic force increases in inverse proportion to this. Therefore, the direction and size of the electrostatic force vary according to the position of the comb teeth. When the constant power driver having this characteristic is combined with a spring having two stable positions, stable digital driving can be obtained. Therefore, there is no need for a fixed voltage electrode or a second signal electrode, so there is an advantage in that bidirectional driving is possible with only two electrodes.

이하 설명에서 삽모양의 빗살형 정전력 구동기와 두 개의 안정위치를 가지는 스프링을 포함하여 두개의 전극만으로 구동체가 두개의 위치를 바꿀수 있고 안정하게 위치할 수 있는 특징을 가진 구동기를 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기라 칭한다.In the following description, a shovel-shaped comb-type constant-power driver and a spring having two stable positions include a shovel-shaped comb-type actuator having a feature that the drive body can be stably positioned with two electrodes only by two electrodes. The constant power is referred to as two stable drivers.

그런데, 본 발명인 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기가 안정위치를 바꾸는데 필요한 시간의 영역은 유일하지 않다. 그것은 원인은 다음과 같다. 마이크로 구조체가 본 발명의 구동기에 의해 움직이다가 정전력이 차단되면 스프링의 반력을 최소화 하는 방향에 있는 안정 위치로 이동한다. 오버슈터들이 나타나는 시간은 구조체및 주변 요인에 따라 일정하지만, 입력 정전력의 크기 및 시간에 따라 과도 상태를 뛰어넘는 오버슈트의 개수가 달라지기 때문이다. 즉, 입력 정전력의 크기가 제 1 안정위치에서 제 2 안정위치로 제 2 안정위치에서 제 1 안정위치로 움직이기에 필요한 최소 힘이 되었을 때는 오버슈트는 각 구동 단계에서 유일하다. 따라서 이 오버슈터가 과도 상태를 뛰어 넘는 시간동안 전압을 인가하면 안정위치가 바뀐다. 그런데, 정전력이 너무 커서 오버슈트에 의해 제 1 안정위치에서 과도상태를 넘어 제 2안정위치쪽으로 이동하다가 다시 과도상태를 넘어 제 1 안정위치쪽으로 이동하는 시간동안 정전력이 가해지면 제 1 안정위치쪽으로 이동한다. 또한 이 보다 시간이 더 길어서 다시 과도상태를 넘어 제 2 안정위치쪽으로 이동했을 때 정전력이 차단되면, 제 2 안정위치쪽으로 정착된다. 이와 같은 원리로, 제 1 안정위치에서 제 2 안정위치로, 혹은 제 2 안정위치에서 제 1 안정위치로 이동하는 시간의 영역 개수는 과도상태를 넘을 수 있는 오버 슈트의 개수 만큼이 된다.However, the area of time required for the present invention to change the stable position of two shovel-shaped comb-type electrostatic stable drivers is not unique. It causes the following. When the microstructure is moved by the actuator of the present invention and the electrostatic force is cut off, the microstructure moves to a stable position in a direction that minimizes the reaction force of the spring. The time overshoots are constant depending on the structure and surrounding factors, but the number of overshoots beyond the transient state depends on the size and time of the input electrostatic force. That is, when the magnitude of the input electrostatic force becomes the minimum force necessary to move from the first stable position to the second stable position to the first stable position, the overshoot is unique in each driving step. Therefore, if this overshooter applies voltage for a time exceeding the transient state, the stable position changes. However, when the electrostatic force is so large that the electrostatic force is applied during the time of moving from the first stable position to the second stable position beyond the transient state to the second stable position by the overshoot and again to the first stable position by the overshoot, the first stable position To the side. In addition, if the electrostatic force is interrupted when the time is longer and moves to the second stable position beyond the transient state again, it is settled toward the second stable position. With this principle, the number of zones of time moving from the first stable position to the second stable position or from the second stable position to the first stable position is equal to the number of overshoots that can exceed the transient state.

한편, 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기가 제작시 위치하는 제 1의 안정위치에서 제 2의 안정위치로 이동한 후 제 1의 안정위치로 변형하기 위한 힘보다 정전력의 크기가 작거나 정전력이 크더라도 t1의 시간 영역 외(상기의 실시예에서는 0.4msec 미만)의 시간동안 신호 전압을 인가하여 제작시의 위치가 아닌 제 2의 위치에서 제 1의 안정위치로 이동하지 않게 되는 범위에서 구동 영역을 가지는 정전력 구동기로 활용할 수 있다. On the other hand, the magnitude of the electrostatic force is smaller than the force for deforming to the first stable position after moving from the first stable position to the second stable position where the shovel-shaped comb-type electrostatic two stable actuators are located during manufacture. A range in which the signal voltage is applied for a time outside the time region of t1 (less than 0.4 msec in the above embodiment) even when the electrostatic force is large so as not to move from the second position to the first stable position instead of the manufacturing position. It can be utilized as a constant power driver having a driving area in.

또한, 제 1의 안정 위치에서 제 2의 안정위치로 이동하기 위한 힘을 본 구동기에서 발생하는 정전력으로 충족하여 제 2의 안정위치로 이동한 다음, 제 2의 안정위치에서 제 1의 안정위치로 이동하지 않게 되는 범위에서 구동 영역을 가지는 열 탄성 구동기 등으로 활용할 수 있다.In addition, the force for moving from the first stable position to the second stable position is satisfied with the electrostatic force generated by the driver and moved to the second stable position, and then the first stable position from the second stable position. It can be utilized as a thermoelastic actuator having a driving region in the range that does not move to.

더불어, 제 1의 안정위치에서 제 2의 안정위치로 이동할 때는 물리적, 화학적, 자기적 등의 외력으로 이동한 후 제 2의 안정위치에서 제 1의 안정위치로 이동하지 않게 되는 범위에서 구동 영역을 가지는 열 탄성 구동기 등으로 활용할 수 있다.In addition, when moving from the first stable position to the second stable position, the driving region is moved within a range that does not move from the second stable position to the first stable position after moving with an external force such as physical, chemical, or magnetic. The branch can be utilized as a thermoelastic actuator or the like.

그리고, 제 1의 안정위치에서 제 2의 안정위치로 이동할 때는 물리적, 화학적, 자기적 등의 외력으로 이동한 후 제 2의 안정위치에서 제 1의 안정위치로 이동할 때 본 발명의 동작 원리로 위치 변화를 하는 방식을 채용할 수 있다. In addition, when moving from the first stable position to the second stable position, when moving to the first stable position from the second stable position after moving to an external force such as physical, chemical, magnetic, etc. You can adopt a way to make a change.

또한, 삽 모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기의 구동방향은 구동기를 지지하는 부분의 수평면 방향에 국한되지 않고, 수직 방향으로 응용 가능하다.In addition, the driving direction of the shovel-shaped comb-type electrostatic two stable driver is not limited to the horizontal plane direction of the portion supporting the driver, it can be applied in the vertical direction.

도 16은 본 발명에 따른 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 스위치 구조도이다.16 is a schematic view of an optical switch employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two-stable actuator according to the present invention.

도 16은 수직으로 마주보는 광 도파로(11) 4개, 45도의 반사면을 가지는 한 개의 거울(12) 및 거울을 지탱하며 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링(15) 및 삽 모양의 빗살을 가진 정전력 구동기(40)로 광 스위치를 구성한 것이다. 본 발명의 구동기에 신호를 인가하여 거울(12)이 빛 경로의 교차부위를 드나들도록 하면 도 16의 좌,우 개념도와 같이 빛의 경로를 바꿀수 있다.FIG. 16 shows four vertically facing optical waveguides 11, one mirror 12 with a reflecting surface of 45 degrees, and a spring 15 bearing two stable positions and a shovel-shaped comb teeth that bear the mirrors. The optical switch is configured by the power driver 40. By applying a signal to the driver of the present invention to allow the mirror 12 to enter the intersection of the light path, it is possible to change the light path as shown in the left and right conceptual diagram of FIG.

이와 같이 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기, 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2-4개의 광 도파로, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기의해 움직이며 빛의 경로를 변경하기 위한 거울로 구성된 것을 특징으로 하는 광 스위치를 제작할 수 있다.Thus, two shovel-shaped static power two-stable actuators, two to four optical waveguides facing each other directly or through several mirrors, are moved by a shovel-shaped comb-type static power two-stable actuators facing each other. And it is possible to manufacture an optical switch, characterized in that composed of a mirror for changing the path of light.

또한 상기 광 스위치를 혼합하여 1 x N 혹은 M x N (M, N은 자연수)의 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 스위치를 제작할 수 있다.In addition, the optical switch can be manufactured by mixing the optical switch and using the matrix in the form of 1 x N or M x N (where M and N are natural numbers).

도 17은 본 발명에 의한 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 필터 구조도이다.17 is an optical filter structure diagram employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two-stable actuator according to the present invention.

도 17과 같이 특정 파장의 신호를 투과시키거나 반사시키는 다층박막(81)을 삽 모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기에 의해 마주보는 광 도파로(11) 사이에 드나들도록 할 수 있다. 도 17의 좌측 개념도와 같이 다층박막(81)이 광 경로에서 빠져있으면 광 도파로(11)간에 모든 파장의 신호가 전송된다. 그런데, 도 17의 우측 개념도와 같이 광 경로 사이로 들어가면 다층박막(81)의 특성에 따라 일정 파장영역 내에서 특정 파장의 신호만 투과하고, 나머지 신호는 반사하는 특성을 갖는다. 혹은 그 반대로 특정 파장의 신호만 제거하는 기능으로도 사용할 수 있다. As shown in FIG. 17, the multilayer thin film 81 that transmits or reflects a signal having a specific wavelength may pass between the optical waveguides 11 facing each other by a constant power driver having a shovel-shaped comb. As shown in the left conceptual diagram of FIG. 17, when the multilayer thin film 81 is removed from the optical path, signals of all wavelengths are transmitted between the optical waveguides 11. However, as shown in the conceptual diagram on the right side of FIG. 17, only signals having a specific wavelength are transmitted within a predetermined wavelength region according to the characteristics of the multilayer thin film 81, and the remaining signals reflect. Or vice versa, it can be used to remove only signals of a specific wavelength.

이와 같이 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2개의 광 도파로, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기에 의해 움직이며 전달 혹은 반사되는 빛의 파장을 조절하는 다층 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 광 필터를 제작할 수 있다.Thus, two optical waveguides facing each other directly or through several mirrors are multi-layered to control the wavelength of light transmitted and reflected by two stabilizer-driven comb-type electrostatic stable drivers in the space where the optical waveguides face each other. It is possible to manufacture an optical filter comprising a thin film.

또한 상기의 광 필터를 혼합하여 1 x N 혹은 M x N (M, N은 자연수)의 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 필터를 제작할 수 있다.In addition, the optical filter may be manufactured by mixing the above optical filters and using them in a matrix form of 1 x N or M x N (where M and N are natural numbers).

도 18은 본 발명에 의한 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 감쇠기 구조도이다.Fig. 18 is a structural diagram of an optical attenuator employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two stable driver according to the present invention.

도 18과 같이 빛을 반사시키거나 차단하는 역할로 광 도파로(11) 간에 전송되는 빛의 세기를 조절하는 차단부(91)를 마주보는 광도파로 사이에 드나들도록 할 수 있다. 도 18의 좌측 개념도와 같이 차단부(91)가 광 경로에서 빠져 있으면 광 도파로(11)간에 모든 신호가 전송된다. 그런데, 도 18의 우측 개념도와 같이 광 경로 사이로 들어가면 일정량의 빛만 투과하고, 나머지 빛은 투과하지 못하게 되어, 결국 두 광도파로 간에 전송되는 빛의 양을 조절할 수 있다. As shown in FIG. 18, light may be reflected or blocked between the optical waveguides facing the blocking unit 91 for adjusting the intensity of light transmitted between the optical waveguides 11. As shown in the left conceptual diagram of FIG. 18, when the blocking unit 91 is omitted from the optical path, all signals are transmitted between the optical waveguides 11. However, as shown in the conceptual diagram on the right side of FIG. 18, only a certain amount of light is transmitted through the optical path, and the remaining light is not transmitted, thereby adjusting the amount of light transmitted between the two optical waveguides.

이와 같이 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기, 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2개의 광 도파로, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기에 의해 움직이며 전달되는 빛의 세기를 조절하기 위한 거울 혹은 셔터로 구성된 것을 특징으로 하는 광 감쇠기Thus, two shovel-shaped constant-power stable drivers, two optical waveguides facing each other directly or through several mirrors, are moved by a shovel-shaped comb-type constant-power two-stable actuators facing each other. Light attenuator, characterized in that consisting of a mirror or shutter to adjust the intensity of the transmitted light

또한 상기의 광 감쇠기를 혼합하여 1 x N 혹은 M x N (M, N은 자연수)의 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 감쇠기를 제작할 수 있다.In addition, the optical attenuator can be manufactured by mixing the above optical attenuators and using them in a matrix form of 1 x N or M x N (where M and N are natural numbers).

한편 상기의 광 스위치, 광 필터, 광 감쇠기를 2종류 이상 혼합하여 사용한 것을 특징으로 하는 광 소자를 제작할 수 있다.On the other hand, the optical element characterized by mixing two or more types of said optical switch, optical filter, and optical attenuator can be used.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention.

이상과 같은 본 발명에 의하여, 어레이 혹은 행렬화 된 광 스위치에 적용하기 위한 구동기 및 광 소자의 구조를 제안하였다. 본 발명은 빗살의 끝 부분이 넓다는 형태상의 차이에 의해 빗살의 위치에 따라 정전력의 방향 및 크기가 달라지는 특성을 가진다. 이 특성을 가지는 정전력 구동기가 두 개의 안정위치를 갖는 스프링과 결합될 경우 안정한 디지털 구동을 얻을 수 있다. 따라서 고정 전압 전극 혹은 제 2의 신호 전극이 필요하지 않아 2개의 전극만으로 양방향 구동이 가능하다는 장점이 있다. 비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다. According to the present invention as described above, a structure of a driver and an optical element for applying to an array or matrixed optical switch has been proposed. The present invention has the characteristic that the direction and the size of the electrostatic force vary according to the position of the comb teeth by the shape difference that the end of the comb teeth is wide. When the constant power driver having this characteristic is combined with a spring having two stable positions, stable digital driving can be obtained. Therefore, there is no need for a fixed voltage electrode or a second signal electrode, so there is an advantage in that bidirectional driving is possible with only two electrodes. Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

도 1은 종래의 광 스위치에 대한 구조에 관한 개념도,1 is a conceptual diagram related to a structure of a conventional optical switch;

도 2는 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링을 채용한 광 스위치의 구조도,2 is a structural diagram of an optical switch employing a spring having two stable positions;

도 3은 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링의 위치에 따른 반력의 개념도와 구동을 위해 인가하는 전기신호의 개념도,3 is a conceptual diagram of a reaction force according to the position of the spring having two stable positions and a conceptual diagram of the electric signal applied for driving;

도 4는 종래의 정전력 구동기의 빗살4 is a comb teeth of a conventional constant power driver

도 5는 본 발명에 따른 삽 모양의 빗살5 is a shovel-shaped comb in accordance with the present invention

도 6은 본 발명에 따른 삽 모양의 빗살의 넓은 폭에 따라 발생하는 정전력의 크기Figure 6 is the magnitude of the electrostatic force generated according to the wide width of the shovel-shaped comb teeth according to the present invention

도 7은 본 발명에서 두 개의 안정 위치를 갖는 스프링의 위치를 바꾸어 주기 위한 구동 원리를 나타낸 개념도7 is a conceptual view showing a driving principle for changing the position of the spring having two stable positions in the present invention

도 8은 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기에 대한 실례의 하나로써, 두 빗살간의 상대위치에 따른 정전력의 크기를 모사 해석한 것8 is an example of a constant power driver having a shovel-shaped comb proposed in the present invention, which simulates and analyzes the magnitude of electrostatic power according to a relative position between two comb teeth.

도 9는 두 개의 안정위치를 가지는 스프링 구조의 실례에 대한 모사 해석한 결과9 is a simulation result of an example of a spring structure having two stable positions

도 10은 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살을 가지는 정전력 구동기에 인가한 펄스 형태의 인가전압10 is an applied voltage in the form of a pulse applied to a constant power driver having a shovel-shaped comb proposed in the present invention

도 11은 스프링 구조체의 감쇠계수가 0.0002 Nsec/m라 가정하고 t0를 5msec라 했을 때의 전진구동에 대한 과도상태응답 해석결과Fig. 11 shows the transient response response analysis results for the forward drive when t0 is 5 msec assuming the damping coefficient of the spring structure is 0.0002 Nsec / m.

도 12는 도 11과 동일한 스프링 구조체와 5 msec의 t1에 대해서 두 번째 에너지 안정위치로부터 후진구동을 하는 경우에 대한 해석결과 FIG. 12 is an analysis result for the case of reversing driving from the second energy stable position for the same spring structure as in FIG. 11 and t1 of 5 msec.

도 13은 전진구동의 경우 입력신호 시간 t0가 0.465 msec로 하였을 때의 해석결과  Fig. 13 shows the analysis results when the input signal time t0 is 0.465 msec in the forward drive.

도 14는 후진구동의 경우 입력신호 시간 t1이 0.465 msec로 하였을 때의 해석결과 Fig. 14 shows the analysis results when the input signal time t1 is 0.465 msec in the case of reverse driving;

도 15는 본 발명에서 제안한 삽모양의 빗살형 정전력 구동기와 일반적인 빗살형 정전력 구동기를 두 개의 안정위치를 가지는 스프링 구동체에 사용했을 때에 나타나는 변위를 비교한 것,15 is a comparison of the displacements appearing when using a shovel-shaped comb-type constant-power driver and a general comb-type constant-power driver proposed in the present invention in the spring drive body having two stable positions,

도 16은 본 발명에 따른 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 스위치 구조도,16 is a schematic view of an optical switch employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two-stable driver according to the present invention,

도 17은 본 발명에 의한 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 필터 구조도,17 is an optical filter structure diagram employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two stable driver according to the present invention,

도 18은 본 발명에 의한 삽모양의 빗살형 정전력 두 안정 구동기를 채용한 광 감쇠기 구조도이다.Fig. 18 is a structural diagram of an optical attenuator employing a shovel-shaped comb-type electrostatic two stable driver according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 ><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

10 : 종래의 정전력 구동기10: conventional constant power driver

11 : 광 도파로  11: optical waveguide

12 : 종래의 거울12: conventional mirror

13 : 빛의 경로13: light path

14 : 일반적인 스프링14: common spring

15 : 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링15: spring with two stable positions

16 : 빛의 경로        16: light path

17 : 나란한 광 도파로17: Side-by-side optical waveguide

18 : 나란하며 단면간의 거리를 일정하도록 위치를 조정한 광 도파로 18: An optical waveguide in which the position is adjusted so that the distance between the cross sections is constant.

20 : 전극 0 (보통은 접지 전극)20: 0 electrode 0 (usually ground electrode)

21 : 전극 121 electrode 1

22 : 전극 222: electrode 2

31 : 빗살간의 간격31: spacing between combs

32 : 삽모양 빗살간의 좁은 간격32: Narrow spacing between shovel combs

33 : 삽모양 빗살에서 넓은 간격33: wide spacing in the shovel

36 : 빗살의 폭36: width of comb teeth

37 : 삽모양 빗살의 좁은 폭37: narrow width of the shovel

38 : 삽모양 빗살의 넓은 폭38: wide width of the shovel

40 : 삽모양의 빗살을 가진 정전력 구동기40: constant power driver with shovel-shaped comb teeth

41 : 구동방향의 힘41: force in driving direction

42 : 되돌아오는 방향의 힘42: force in the return direction

51 : 위치51: location

52 : 스프링의 반력52: reaction force of the spring

53 : 정전력53: constant power

54 : 전압54: voltage

55 : 시간55: time

56 : 임계힘 이하의 임펄스(충격) 응답 특성56: impulse (shock) response characteristics below the critical force

57 : 임계힘 이상의 임펄스(충격) 응답 특성57: impulse (shock) response characteristics above the critical force

58 : 두 번째 안정한 위치58: second stable position

61 : 위치에 따른 스프링의 반력61: spring reaction force according to position

62 : 삽모양의 빗살에서 발생하는 정전력62: electrostatic force generated from shovel-shaped combs

71 : 구동시의 정전력의 변화71: change in electrostatic power during driving

72 : 되돌아 올 때의 정전력의 변화72: change in electrostatic force on return

81 : 다층 박막81: multilayer thin film

91 : 차단부91: blocking unit

Claims (7)

두 개의 안정한 형태를 갖는 스프링, Two stable springs, 폭이 넓은 부분과 좁은 부분으로 이루어져 있는 일련의 빗살로 구성된 이동빗살, Mobile comb composed of a series of combs composed of wide and narrow sections, 폭이 넓은 부분과 좁은 부분으로 이루어져 있는 일련의 빗살로 구성된 고정빗살,Fixed comb composed of a series of combs composed of wide and narrow sections, 스프링과 이동 빗살의 좁은 부분을 연결하여 빗살 간에 발생한 동력을 스프링에 전달하는 연결부, A connection part for connecting the spring and the narrow part of the moving comb to transfer the power generated between the comb teeth to the spring, 연결부와 맞닿지 않은 스프링의 한 부분과 고정 빗살의 좁은 부분을 고정하기 위한 고정부, Fixing part for fixing a part of the spring which is not in contact with the connecting part and a narrow part of the fixing comb, 고정빗살 및 이동빗살에 전원을 인가하기 위한 2개의 전극을 가지는 전원부로 구성된 것을 특징으로 하는 정전력 구동기Constant power driver, characterized in that consisting of a power supply unit having two electrodes for applying power to the fixed comb and mobile comb 제 1 항의 정전력 구동기,The constant power driver of claim 1, 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2-4개의 광 도파로, 2-4 optical waveguides facing each other directly or through several mirrors, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 삽모양의 빗살형 정전력 구동기, Shovel-shaped comb-type constant-power actuator in the space facing the optical waveguide, 두 개의 안정한 위치를 갖는 스프링에 의해 움직이며 빛의 경로를 변경하기 위한 거울로 구성된 것을 특징으로 하는 광 스위치Optical switch, characterized by a mirror for changing the path of light and moving by a spring having two stable positions 제 2 항의 광 스위치를 혼합하여 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 스위치.The optical switch of claim 2, wherein the optical switch is mixed and used in a matrix form. 제 1항의 정전력 구동기,The constant power driver of claim 1, 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2개의 광 도파로,Two optical waveguides facing each other directly or through several mirrors, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 제 1항의 정전력 구동기에 의해 움직이며 전달되는 빛의 세기를 조절하기 위한 거울 혹은 셔터로 구성된 것을 특징으로 하는 광 감쇠기An optical attenuator comprising a mirror or a shutter for adjusting the intensity of light transmitted by the constant power driver of claim 1 in a space facing the optical waveguide. 제 4 항의 각 광 감쇠기를 혼합하여 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 감쇠기.An optical attenuator, wherein the optical attenuator of claim 4 is used in a matrix form. 제 1항의 정전력 구동기,The constant power driver of claim 1, 서로 직접 혹은 수개의 거울을 통해 대향하는 2개의 광 도파로,Two optical waveguides facing each other directly or through several mirrors, 광 도파로가 대향하고 있는 공간에서 제 1의 정전력 구동기에 의해 움직이며 전달 혹은 반사되는 빛의 파장을 조절하는 다층 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 광 필터Optical filter comprising a multi-layered thin film for controlling the wavelength of the light transmitted or reflected by the first constant power driver in the space facing the optical waveguide 제 6 항의 각 광 필터를 혼합하여 행렬 형태로 사용한 것을 특징으로 하는 광 필터.An optical filter, wherein the optical filters of claim 6 are mixed and used in a matrix form.
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