(57)【要約】【課題】電気機械デバイスにおける導体間の間隔を制御する方法および装置を提供する。【解決手段】各電気機械デバイス１５０内の可動導体の制御された動き（変位）によって、複数の電気機械デバイス１５０における導体間の間隔を制御する方法および装置が提供される。装置は、制御信号に応答して各電気機械デバイス１５０用の制御された電流出力を発生するよう構成された電流コントローラ１００を含み、電流コントローラ１００は、各々が制御回路と複数の電気機械デバイス１５０のうちの１つとを含むアレイ要素に電圧を選択的に送る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各電気機械デバイス内の可動式の導体を制御しながら動かすことにより、複数の電気機械デバイス内の導体間の間隔を制御するための制御システムであって、
制御信号に応答して各電気機械デバイスのための制御された電流出力を生成するように構成された電流コントローラを備え、該電流コントローラは、各々が制御回路と前記複数の電気機械デバイスのうちの１つとを含むアレイ素子に電圧を選択的に供給する、制御システム。
【請求項２】
前記各電気機械デバイス内の前記可動式の導体の動きが、個々の制御された前記電流出力によって、前記可動式の導体の全動き範囲の少なくとも４５％を超えて制御される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記電流コントローラが各電気機械デバイスに対し、
基準電流を各制御された電流出力に鏡映するように構成されたカレントミラーと、
前記制御信号に応答して、前記カレントミラーを選択的に使用可能にするように構成されたイネーブル回路と、
前記カレントミラーに接続され、前記イネーブル回路が前記カレントミラーを使用不能にするときに、前記制御された電流出力を使用不能にするように構成されたＭＯＳデバイスと、
を備えている、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記ＭＯＳデバイスがトランジスタを含む、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
前記カレントミラーのための前記基準電流を生成するように構成された基準電流発生器をさらに備えている、請求項３に記載の制御システム。
【請求項６】
前記電流コントローラが、前記電気機械デバイス当たり２０μ2以下の専有面積を有する、請求項３に記載の制御システム。
【請求項７】
前記制御信号が、時間変調された制御信号を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記複数の電気機械デバイスが複数のＭＥＭＳデバイスを備え、該複数のＭＥＭＳデバイスはそれぞれ、少なくとも１つの固定されたプレートと静電可動式のプレートとを含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項９】
前記制御された電流出力が変化する結果として、対応する可動式の導体が線形に動かされる、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記制御された電流出力が可変電圧に追従する、請求項１に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械デバイスにおける導体間の間隔の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミラーおよびアクチュエータのような機械デバイスと、機械デバイスを制御するための電子制御回路とを組み合わせた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）がある。１つのそのようなデバイスは回折光デバイス（ＤＬＤ）と呼ばれ、固定された反射性グランドプレートと、半透明の静電可動式の第２のプレートとから構成される可変キャパシタを備える。プレート間の可変の間隔が、その中を通過する光の所望の干渉あるいは回折を生成し、それを、高解像度ディスプレイにおける空間光変調、および光通信システムにおける波長操作のために用いることができる。
【０００３】
しかしながら、ＤＬＤおよび他のＭＥＭＳデバイス内の可変の間隔を制御するための従来の制御システムでは、間隔サイズを制御するために生成される電圧と、所望の間隔サイズを得るためのプレートの動きとの間の関係が非線形になることがわかっている。この非線形な関係は、プレートが機械的な係止位置に「スナップダウン」するまでにプレートの動きを正確に制御できる距離を、間隔距離全体の３分の１未満に制限する。この「スナップダウン」現象は、当該技術分野においてプルイン特性としても知られている。
【０００４】
制御可能な距離を長くするための技法は多くの場合に、スイッチング素子などが存在することにある程度起因して、大きな制御回路設置面積を必要とし、それに応じて、コントローラの専有面積が増加し、比較的小さな制御回路サイズ（たとえば、ＭＥＭＳデバイス当たり２０μ2以下）を必要とする応用形態において実装するのが妨げられる。制御可能な距離を長くするための他の技法は、制御線内の寄生降下の影響を受けて（特にＤＬＤのアレイの応用形態の場合）、ＤＬＤへの電源がアレイにわたって変動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１０は、ＭＥＭＳデバイスの場合の理想的な電圧制御の関数としての間隔を示す電圧制御のグラフである。その電圧は小さなステップでインクリメントされ、その間隔は、インクリメントする度に、平衡状態に整定するようになされる。理想的な電圧制御の場合であっても、１／３だけ間隔が動いた後に、間隔範囲が「スナップダウン」する（このシミュレーションにおける初期の間隔は３０００オングストロームであり、２０００オングストロームでスナップダウンが生じる）。これはプルイン効果として知られており、１／３に制限されることは、発表された文献において広く理解されている現象である。
【０００６】
図３は、ＭＥＭＳデバイスの場合の理想的な電荷制御の関数としての間隔を例示する。理想的な電荷制御は、理想的な（完全に電圧に追従する）電流源をＭＥＭＳアクチュエータに接続し、理想的な電流源のオン時間を調節することによって達成される（Ｑ＝ｉ＊ｄｔ）。間隔は基本的には電荷の線形な関数であり、最大間隔制御範囲が示される。
【０００７】
ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳデバイス９５０の導体間の間隔を制御するための制御システムが概略的に示される。その制御システムは、ＭＥＭＳデバイス９５０のための制御された電流出力を生成するように構成される電流コントローラ９００を備える。電流コントローラは、出力電流の大きさを制御する大きさ入力を含む。スイッチ素子９７０が、ラインＥＮ上のイネーブル信号に従って、電流コントローラ９００の電流出力をＭＥＭＳデバイス９５０に対して接続するか、あるいは切断するように配置される。こうして、電流の大きさ×イネーブルオン時間に等しい電荷がＭＥＭＳデバイスに「書き込まれる」。
【０００８】
ここで図１を参照すると、現実的で、かつ入手可能な構成要素を用いる、ＭＥＭＳデバイス１５０内の導体間の間隔を制御するための本発明のさらに別の実施形態が開示される。制御システムは、ＭＥＭＳデバイス１５０のための制御された電流出力を生成するように構成された電流コントローラ１００を備える。図１には、１つのＭＥＭＳデバイス１５０のための１つの電流コントローラ１００のみが示されるが、複数のＭＥＭＳデバイス１５０内の導体間の間隔を制御するために、電流コントローラ１００およびＭＥＭＳデバイス１５０がアレイに組み込まれることもできることは理解されたい（図２のコントローラ１０１、１０２、１０３、および１０４を参照）。一例として、通常のＳＶＧＡディスプレイ／プロジェクタは、ＭＥＭＳデバイス１５０の８００×６００アレイを有するであろう。ＭＥＭＳデバイス１５０の大きなアレイでは、列毎の列データが最初に設定されることができる。後にさらに詳細に説明されるように、その列データは、その列内のＭＥＭＳデバイス１５０が吸い込む電流の大きさを制御する。一旦、その列データが設定されたなら、１つの行が特定のパルス幅の間だけ使用可能にされる。その行が使用不能にされた後に、次の行のための列データが設定され、その後、次の行が使用可能にされ、以降、それが繰り返される。そのようにして、一旦、１つの行が「書き込まれた」なら、他の行が書き込まれる間に、そのシステムの容量性素子がＭＥＭＳデバイス１５０上に電荷を保持し、その第１の行は再び書き込まれることができる。妥当であると思われる他のアレイ構成もあり、この開示を読んだ後に当業者には容易に明らかになるであろう。
【０００９】
電流コントローラ１００は、制御信号（たとえば、イネーブル制御信号（ＥＮ））を受信するための入力と、ＭＯＳデバイス１３０および１６０を有するカレントミラーと、カレントミラーに接続され、トランスミッションゲート１４０がカレントミラーを使用不能にするときに、カレントミラーの出力を使用不能にする（たとえば、ＭＯＳ１３０のゲート電圧を引き上げる）ように構成されたプルアップＭＯＳデバイス１７０とを備える。用いられるトランスミッションゲート１４０の個々のタイプに応じて、あるいは制御信号（複数も可）がアレイの周辺装置において生成され、アレイに供給される場合には、インバータ１１０が設けられる場合も、設けられない場合もある。したがって、制御された電流出力は可変電圧に追従する。さらに、トランスミッションゲート１４０が１つのタイプのカレントミラーイネーブル回路として示されるが、ＰＭＯＳあるいはＮＭＯＳタイプのデバイスのような、他の構成要素が用いられる場合もあることは理解されたい。しかしながら、上記の構造を用いる場合、電流コントローラ１００は、ＭＥＭＳデバイス１５０当たり２０μ2以下の専有面積を有することができる。この実施形態におけるイネーブル回路デバイス１４０は、カレントミラー出力（１３０のドレイン）が「オフ」であるときに、１６０および１３０のゲートを接続あるいは切断する目的を有することに留意されたい。カレントミラーがオフであるとき、デバイス１３０のゲートが浮遊状態にならないようにされる（それにより電流が１３０のドレインから流れ出ないようにする）ので、ＭＯＳ１７０を用いて、１３０が完全にオフに切り替えられる。大きなアレイでは、列当たりデバイス１６０および１２０のうちの１つが存在し、各列の各ピクセルにデバイス１４０、１７０および１３０のうちの１つが存在することになるので、デバイス１３０および１７０が含まれることに留意されたい。１つの電荷が一度に１つの行に「書き込まれる」ので、常に、ある特定の列内の１つのデバイス１３０のみを「オン」させることが望ましい。結果として、デバイス１６０のゲートおよび列内の１つのみのデバイス１３０のゲートが常に互いに接続されることが望ましい。
【００１０】
カレントミラーは、基準電流と同じ大きさの電流をＭＥＭＳデバイス１５０の制御された出力上に流すように構成される。これに関して、基準電流は、結合１２０を介して電流コントローラ１００に接続される外部の電流源によって生成されることができるか、あるいは結合１２０において設けられる電流コントローラ１００内の電流源によって生成されることができる。いずれかの構成によって、カレントミラーがトランスミッションゲート１４０によって使用可能にされるときに、ＭＥＭＳデバイス１５０内の対応する間隔制御を達成するために、基準電流が正確に制御される。このようにして、ＭＥＭＳデバイス１５０内の間隔サイズは、ＭＥＭＳデバイスのアレイ内の特定のＭＥＭＳデバイス１５０に対して調整されることができる。
【００１１】
図３および図４は制御システムのための例示的なタイミング図を示す。図３は、理想的な電荷制御の関数としての間隔を例示する。理想的な電荷制御は、理想的な（完全に電圧に追従する）電流源をＭＥＭＳアクチュエータに接続し、理想的な電流源のオン時間を調節することによって達成される（Ｑ＝ｉ＊ｄｔ）。間隔は基本的には電荷の線形な関数であり、十分な間隔制御範囲が示される。電流（Ａ）は、制御された電流出力上にカレントミラーによって鏡映された（mirrored）電流を指している。電荷（ｆＣ）は、ＭＥＭＳデバイス１５０内の可動プレートと固定されたプレートとの間の電荷を指している（ＭＥＭＳデバイス１５０上に蓄えられる電荷の量は、電流の大きさおよびパルス幅の関数であり、Ｑ＝Ｉ＊ｄｔである）。キャパシタンス（ｆＣ）は、ＭＥＭＳデバイス１５０内の可動プレートと固定されたプレートとの間のキャパシタンスを指している。電圧（Ｖ）は、ＭＥＭＳデバイス１５０内の可動プレートと固定されたプレートとの間の電圧差を指している。間隔（オングストローム）は、ＭＥＭＳデバイス１５０内の可動プレートと固定されたプレートとの間の距離を指している。
【００１２】
図４は、ＭＯＳモデルに含まれる一次および二次寄生効果を有するＭＯＳデバイスの現実的なモデルを用いる電荷制御の一実施形態（簡単なＭＯＳカレントミラーを利用する）を示す。図３の方法（時間変調された電流パルス）を用いて、ＭＥＭＳデバイス上に制御された電荷の量が蓄えられる。この実施形態の場合、ＭＯＳデバイスの寄生効果によって、十分な間隔制御範囲を実現することができないが、間隔制御は、１／３の電圧制御限界を超えて、間隔の少なくとも４５％まで非常に安定したままである。図４を実施するための１つの実施形態が図１に示される。図１の設計のさらに別の（間隔制御範囲が拡大されること以外の）利点は、ピクセル毎の小さな専有面積で、大きなアドレス指定可能アレイ（１３０、１４０および１７０がピクセル毎に繰り返されることになり、一方、１１０、１２０および１６０が行毎あるいは列毎に繰り返されることになる）に容易に組み込まれることができることである。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態によるＭＥＭＳデバイス１５０内の導体間の間隔を制御するための制御システムが図５の回路図に示される。この実施形態の制御システムは、ＭＥＭＳデバイス１５０内の静電可動式のプレートを選択的に動かすための制御信号を生成するように構成されたコントローラ５００と、接続されるＭＥＭＳデバイス１５０内の静電可動式のプレートを動かすために、制御された電流出力を生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイス１５０当たり１つの電流デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）５１０とを備える。より具体的には、ＤＡＣ５１０は大きさ値（ＭＡＧ）を１つのアナログ出力電流に変換し、その電流の大きさは所望の間隔の特定の量に基づいて調整される。さらに、ＥＮ信号のパルス幅は、所望の間隔の特定の量に基づいて調整されることができる。
【００１４】
本発明の１つあるいは複数の先の実施形態の場合と同様に、本実施形態の制御システムを用いて、複数のＭＥＭＳデバイスを制御することができる。一例として、２×２アレイ内に示される、図６の複数のコントローラ５０１、５０２、５０３および５０４を参照されたい。したがって、このようにして、適切に制御線を配線して、単に、ＭＥＭＳデバイス１５０当たり１つのＤＡＣ５１０を設けることによって、任意の数のＭＥＭＳデバイス１５０を制御することができる。
【００１５】
また本発明のこの実施形態は、従来の電圧制御の場合よりも大きな量の間隔を正確に制御することもできる。さらに、この実施形態は、複数のＤＡＣを適切に配列することにより、既存の構成要素で容易に実装されることができる。
【００１６】
本発明の別の実施形態による、ＭＥＭＳデバイス内の少なくとも１つの固定されたプレートと静電可動式のプレートとの間の間隔を制御する方法が、図７のフローチャートに示される。ステップ７１０では、所望により、固定されたプレートと静電可動式のプレートとの間の所望の間隔を示すために、基準電流を調整することができる。ステップ７２０では、固定されたプレートと静電可動式のプレートとの間の所望の間隔を示すために、制御信号が時間変調される。ステップ７３０では、時間変調された制御信号に基づいて、ＭＥＭＳデバイスに接続される制御された電流出力上に基準電流と同じ大きさの電流が選択的に流される。その後、この制御された電流出力の結果として、ステップ７４０において静電可動式プレートが動かされる。このようにして、ＭＥＭＳデバイスにおいて所望の間隔サイズを得ることができる。他の実施形態の場合と同様に、この方法は、ＭＥＭＳデバイスのアレイの場合のように、複数のＭＥＭＳデバイスで用いるために繰り返されることができる。
【００１７】
本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイス１５０内の導体間の間隔を制御するための制御システムが図８の回路図に示される。先に説明された実施形態の場合と同様に、この実施形態は、ＭＥＭＳデバイス１５０内のプレート間の間隔サイズを制御するために、そのＭＥＭＳデバイス１５０上に電流を供給する。しかしながら、電流制御をさらに改善するために、この実施形態は、電荷を供給する前に、ＭＥＭＳデバイス１５０上の電荷を既知の状態（たとえば、約０）に設定する。したがって、この実施形態によれば、ＮＭＯＳ８１０を用いて、ＭＥＭＳデバイス１５０が接地される。ＮＭＯＳ８１０を用いて、ＭＥＭＳデバイス１５０をクリアするとき、概ね全ての電荷をＭＥＭＳデバイス１５０から除去し、先に説明されたように電流コントローラ内に電流大きさ信号を設定し、電流コントローラの電流出力を既知の時間使用可能にすることにより、ＭＥＭＳデバイス１５０を作動させることができる。ＤＡＣ技法のような、本発明の他の実施形態も、ＮＭＯＳ８１０を用いて、同じようにＭＥＭＳデバイス１５０をクリアし、それにより間隔制御がさらに改善されることができる。
【００１８】
本発明の種々の実施形態のこれまでの記述は、例示し、説明するために提供されてきた。それは本発明を余す所なく述べることや、本発明を開示される形態と全く同じに限定することを意図するわけではなく、変更形態あるいは変形形態が、上記の教示に鑑みて実現可能であるか、あるいは本発明を実施することから獲得されることができる。それらの実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用形態を説明し、当業者が種々の実施形態において、および想定している個々の用途に適するような種々の変更形態で、本発明を利用できるようにするために選択され、説明された。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による制御システムの回路図である。
【図２】図１の制御システムを用いる例示的な２×２アレイの図である。
【図３】理想的な電荷制御の関数としての間隔を例示するグラフを示す図である。
【図４】実装された構成要素の通常の特徴的な挙動を想定した場合の、図１の制御システムのための理論的なタイミング図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態による制御システムの回路図である。
【図６】図５の制御システムを用いる例示的な２×２アレイの図である。
【図７】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイス内の少なくとも１つの固定されたプレートと静電可動式のプレートとの間の間隔を制御する方法を示す図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態による制御システムの回路図である。
【図９】本発明の一実施形態による制御システムの概略図である。
【図１０】理想的な電圧制御の関数としての間隔を例示するグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１００：電流コントローラ
１１０：インバータ
１３０、１６０、１７０：ＭＯＳデバイス
１４０：トランスミッションゲート
１５０：ＭＥＭＳデバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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