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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-(Micro-Electro-Mechanical System) Scanvorrichtung
zur Verwendung in einem Laserradar oder dergleichen.
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Eine
MEMS-(Micro-Electro-Mechanical System) Scanvorrichtung wird durch
Bearbeiten eines Substrats aus Silizium oder dergleichen mit Hilfe
eines Halbleiterprozesses gebildet. Die MEMS-Scanvorrichtung besteht
typischerweise aus einem Spiegel, der über einen Federabschnitt mit
einem Spiegel gekoppelt ist, und einer Lichtquelle zur Aussendung eines
Lichtstrahls in Richtung der reflektierenden Oberfläche des
Spiegels (siehe zum Beispiel die Patentschrift JP-2003-302586A).
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In
einer solchen MEMS-Scanvorrichtung reflektiert der Spiegel den Lichtstrahl
von der Lichtquelle, während
er durch die Federkraft des Federabschnitts angetrieben wird, wenn
eine Kraft auf ihn wirkt.
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Insbesondere
ist der Spiegel so ausgelegt, dass er durch die Federkraft des Federabschnitts Dreh-
oder Längsschwingungen
ausführt.
Als Folge davon führt
ein von dem Spiegel reflektierter Lichtstrahl eine Scanoperation
in Übereinstimmung
mit dem Bewegungsbereich des so schwingenden Spiegels aus.
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Obwohl
die oben beschriebene MEMS-Scanvorrichtung eine einfache Struktur
und ein geringes Gewicht besitzt, ist sie vom Schwingtyp, der die
Federkraft des Federabschnitts verwendet, wobei der Schwingwinkel
des Spiegels und somit der vom Spiegel gescannte (überstrichene)
Winkelbereich, d.h. dessen Scanwinkel, klein ist.
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9 ist
eine Ansicht, die eine schematische Querschnittsstruktur einer typischen,
herkömmlichen MEMS-Scanvorrichtung zeigt.
Wie es durch die Pfeile Y1 in 9 gezeigt
ist, schwingt ein Spiegel 10 rotatorisch, wenn eine Kraft
wie etwa eine elektrostatische Kraft auf ihn wirkt.
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Gleichzeitig
wird durch rotatorisches Schwingen des Spiegels 10 bewirkt,
dass ein Lichtstrahl LB eines Lichtquelle 50 eine Scanoperation
ausführt, das
heißt
den Winkel θ2
in 9 überstreicht.
Um den Winkel θ2
des von dem reflektierten Lichtstrahl LB gescannten Bereichs, d.h.
den Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls, zu vergrößern, kann
der Schwingwinkel des Spiegels 10 vergrößert werden.
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Um
den Schwingwinkel des Spiegels 10 zu vergrößern, ist
jedoch eine Hochspannungsschaltung zur Erzeugung eines großen elektrostatischen Kraft
notwendig. Wenn bewirkt wird, dass der Spiegel 10 mit großer Amplitude
schwingt, kollidiert der Spiegel 10 u.U. mit einer darunter
befindlichen Struktur wie etwa einem Substrat, so dass der Schwingwinkel des
Spiegels 10 nachteilig eingeschränkt ist.
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Somit
weist die rotatorisch schwingende MEMS-Scanvorrichtung Probleme dahingehend
auf, dass die Hochspannungsschaltung erforderlich ist und der Schwingwinkel
aufgrund der genannten Kollision mit der angrenzenden Struktur eingeschränkt ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist angesichts der oben genannten Probleme
gemacht worden, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
den Scanbereich (Scanwinkel) ei nes Lichtstrahls von einem Spiegel
zu vergrößern, ohne
den Schwingwinkel des Spiegels in einer MEMS-Scanvorrichtung zu vergrößern.
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Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, wird gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel
eine Scanvorrichtung bereitgestellt, die einen mit einer Basis über einen
Federabschnitt gekoppelten Spiegel und eine Lichtquelle zur Aussendung
eines Lichtstrahls auf eine reflektierende Oberfläche des
Spiegels umfasst. Hier reflektiert der Spiegel den Lichtstrahl von
der Lichtquelle und schwingt rotatorisch unter einer Federkraft
des Federabschnitts, wenn eine Kraft auf ihn ausgeübt wird.
Die reflektierende Oberfläche
des Spiegels umfasst eine Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen,
und der Lichtstrahl von der Lichtquelle wird gleichzeitig von den
unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen reflektiert.
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Gemäß dem Stand
der Technik umfasst die reflektierende Oberfläche des Spiegels nur die einzige
ebene Oberfläche
(siehe 9). Im Gegensatz dazu umfasst die reflektierende
Oberfläche
des Spiegels gemäß der vorliegenden
Erfindung die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen. Da
der Lichtstrahl von der Lichtquelle gleichzeitig von den unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen reflektiert
wird, ermöglicht
selbst die einzige Lichtquelle die Vergrößerung des Scanbereichs des
Lichtstrahls um einen Betrag, der dem zweifachen Winkel zwischen
den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen entspricht.
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Daher
ermöglicht
dieses erfindungsgemäße Beispiel
eine Vergrößerung des
Scanbereichs, ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels in einer MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung ist es möglich, wenn der Lichtstrahl
von der Lichtquelle so ausgesendet wird, dass er auf einen Grenzabschnitt
zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen auftrifft,
die gleichzeitige Reflexion des Lichtstrahls von der Lichtquelle
durch die unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen in
geeigneter Weise zu erreichen.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung ist eine Drehachse des Spiegels
bei dem Grenzabschnitt zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen der
reflektierenden Oberfläche des
Spiegels positioniert.
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Wenn
der Lichtstrahl von der Lichtquelle ausgesendet wird, so dass er
auf den Grenzabschnitt zwischen den unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen
auftrifft, wird die Leistung des einzigen Lichtstrahls in zwei Anteile
für die
jeweiligen Spiegeloberflächen
aufgeteilt bzw. aufgespalten, wobei der Grenzabschnitt dazwischen
angeordnet ist.
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Wenn
die Drehachse des Spiegels nicht bei dem Grenzabschnitt zwischen
den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen der reflektierenden Oberfläche des
Spiegels, sondern an einer Position innerhalb des Spiegels, die
weiter auf der Innenseite als die reflektierende Oberfläche des
Spiegels liegt, angeordnet ist, verschiebt sich die Position des Grenzabschnitts
relativ zu der des Lichtstrahls beim Drehen des Spiegels. Dies hat
zur Folge, dass sich das Verhältnis
der zwei Anteile der Leistung des geteilten Lichtstrahls beim Drehen
des Spiegels ebenfalls verändert.
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Jedoch
kann durch Positionieren der Drehachse des Spiegels an dem Grenzabschnitt
zwischen den unterschied lich orientierten Spiegeloberflächen der
reflektierenden Oberfläche
des Spiegels wie in diesem erfindungsgemäßen Beispiel diese relative
Verschiebung des Grenzabschnitts bezüglich des Lichtstrahls bei
der Drehung des Spiegels unterdrückt
werden. Die Anordnung ist vorteilhaft, da sie die Veränderung
der zwei Anteile der Leistung des geteilten Lichtstrahls verhindern
kann.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung wird ein durch die unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen
gebildetes Muster über
die reflektierende Oberfläche
des Spiegels wiederholt.
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Dies
erlaubt die Positionierung des sich wiederholenden Musters der unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen
in dem Bereich der reflektierenden Oberfläche des Spiegels, die durch
den einzigen Lichtstrahl bedeckt wird. Als Folge davon kann der Lichtstrahl
gleichzeitig von den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen reflektiert
werden, und die erforderliche Positionierungsgenauigkeit des Lichtstrahls
kann verringert werden.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung ist der zwischen den benachbarten
zwei der unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen gebildete Winkel θ1 gleich
der halbe Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von jeder der Spiegeloberflächen, d.h. θ1 = θ2/2.
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Durch
diese Anordnung können
die benachbarten zwei Spiegeloberflächen zwei Scanbereiche liefern,
die keine Lücke
aufweisen und sich nicht überlappen.
Als Folge davon kann der Gesamt-Scanbereich bzw. der Gesamt-Scanwinkel des Lichtstrahls
wirksam vergrößert werden.
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In
einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel
umfasst eine Scanvorrichtung einen Spiegel, der über einen Feder abschnitt mit
einer Basis gekoppelt ist, und eine Mehrzahl von Lichtquellen, von
denen jede dazu dient, einen Lichtstrahl in Richtung einer reflektierenden
Oberfläche
des Spiegels auszusenden. Hier reflektiert der Spiegel den Lichtstrahl von
jeder der Lichtquellen und schwingt rotatorisch durch eine Federkraft
des Federabschnitts, wenn eine Kraft auf ihn ausgeübt wird.
Die reflektierende Oberfläche
des Spiegels umfasst eine Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen,
und die von den Lichtquellen ausgesendeten einzelnen Lichtstrahlen
treffen auf die einzelnen, unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen.
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In
diesem erfinderischen Beispiel umfasst die reflektierende Oberfläche des
Spiegels die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen. Da
die Mehrzahl von Lichtquellen vorgesehen sind, um die verschiedenen
Lichtstrahlen in Richtung der einzelnen, unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen
auszusenden, so dass die Lichtstrahlen dort auftreffen, kann der
Gesamt-Scanbereich
der Lichtstrahlen um einen Betrag vergrößert werden, der dem doppelten
Winkel zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen entspricht.
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Daher
ermöglicht
dieses erfindungsgemäße Beispiel
die Vergrößerung des
Gesamt-Scanbereichs des Lichtstrahls von dem Spiegel, ohne dabei den
Schwingwinkel des Spiegels in der MEMS-Scanvorrichtung zu vergrößern.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung können die Lichtstrahlen so ausgesendet
werden, dass sie gleichzeitig auf den einzelnen unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen
auftreffen.
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Alternativ
ist es in der oben beschriebenen Scanvorrichtung möglich, dass
die Lichtstrahlen nicht so ausge sendet werden, dass sie gleichzeitig
auf den einzelnen unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen auftreffen.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung ist der zwischen den benachbarten
zwei der unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen gebildete Winkel θ1 gleich
dem halben Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von den Spiegeloberflächen, d.h. θ1 = θ2/2.
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Durch
diese Anordnung können
die benachbarten zwei Spiegeloberflächen Scanbereiche der einzelnen
Lichtstrahlen bereitstellen, die keine Lücke aufweisen und sich nicht überlappen.
Dadurch kann der Scanbereich der Lichtstrahlen wirksam vergrößert werden.
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In
noch einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel umfasst eine Scanvorrichtung
einen Spiegel, der über
einen Federabschnitt mit einer Basis gekoppelt ist, und eine Mehrzahl
von Lichtquellen zur Aussendung einzelner Lichtstrahlen derart,
dass sie in unterschiedlichen Winkeln auf eine reflektierende Oberfläche des
Spiegels auftreffen. Hier reflektiert der Spiegel die Lichtstrahlen
von den Lichtquellen und schwingt rotatorisch durch die Federkraft
des Federabschnitts, wenn eine Kraft auf ihn ausgeübt wird.
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Gemäß diesem
erfindungsgemäßen Beispiel ist
die Mehrzahl von Lichtquellen vorgesehen, um die Mehrzahl von Lichtstrahlen
in Richtung der reflektierenden Oberfläche des Spiegels derart auszusenden,
dass die Lichtstrahlen in unterschiedlichen Winkeln dort auftreffen.
Demzufolge kann der Gesamt-Scanbereich der Lichtstrahlen, selbst
wenn die reflektierende Oberfläche
des Spiegels aus einer einzigen ebenen Oberfläche wie im Stand der Technik besteht,
um einen Betrag vergrößert werden,
der dem Winkel der in unterschiedlichen Einfallswinkeln einfallenden
Lichtstrahlen entspricht.
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Daher
kann in dem erfindungsgemäßen Beispiel
der Scanbereich der Lichtstrahlen von dem Spiegel vergrößert werden,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels in der MEMS-Scanvorrichtung zu
vergrößern.
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In
der Scanvorrichtung sind zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen
Einfallswinkeln vorhanden, und der zwischen den zwei Lichtstrahlen
gebildete Winkel θ3
ist gleich groß wie
der Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von der reflektierenden Oberfläche des
Spiegels.
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Durch
diese Anordnung können
die zwei Lichtstrahlen Scanbereiche bereitstellen, die keine Lücke aufweisen
und sich nicht überlappen.
Dadurch kann der Gesamt-Scanbereich
der Lichtstrahlen wirksam vergrößert werden.
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In
noch einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel umfasst eine Scanvorrichtung
einen Spiegel, der über
einen Federabschnitt mit einer Basis gekoppelt ist, und eine Lichtquelle
zur Aussendung eines Lichtstrahls in Richtung einer reflektierenden
Oberfläche
des Spiegels, wobei der Spiegel den Lichtstrahl von der Lichtquelle
reflektiert und durch eine Federkraft des Federabschnitts translatorisch schwingt,
wenn eine Kraft darauf ausgeübt
wird, und die reflektierende Oberfläche des Spiegels besteht aus
einer Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen.
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In
diesem erfindungsgemäßen Beispiel
besteht die reflektierende Oberfläche des Spiegels aus der Mehrzahl
von Spiegeloberflächen
in unterschiedlichen Winkeln. Dadurch kann der Gesamt-Scanbereich
des Lichtstrahls um einen Betrag vergrößert werden, der dem doppelten
Winkel zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen des translatorisch
schwingenden Spiegels entspricht.
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Daher
kann durch dieses erfindungsgemäße Beispiel
der Gesamt-Scanbereich des Lichtstrahls von dem Spiegel vergrößert werden,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels in der MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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In
dieser Scanvorrichtung kann die reflektierende Oberfläche des
Spiegels eine konvexe oder konkave Gestalt aufweisen.
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In
dieser Scanvorrichtung kann die reflektierende Oberfläche eine
Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen aufweisen,
die zueinander gewinkelt ausgebildet sind.
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Alternativ
kann in der oben beschriebenen Scanvorrichtung die reflektierende
Oberfläche
des Spiegels die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen aufweisen,
die stetig bzw. kontinuierlich ineinander übergehend ausgebildet sind.
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Alternativ
wird in der oben beschriebenen Scanvorrichtung eine Mehrzahl von
Lichtstrahlen gleichzeitig von dem Spiegel reflektiert, und ein
Lichtempfangsabschnitt ist vorgesehen, um die Mehrzahl von reflektierten
Lichtstrahlen zu empfangen, die erzeugt werden, wenn die Mehrzahl
von reflektierten Lichtstrahlen auf einem externen Objekt auftreffen und
durch das externe Objekt reflektiert werden. Der Lichtempfangsabschnitt
ist in Segmente unterteilt, die den jeweiligen Positionen der durch
das externe Objekt reflektierten Lichtstrahlen entsprechen, so dass
die Einfallsrichtungen der empfangenen reflektierten Lichtstrahlen
auf der Grundlage der Positionen bestimmt werden, bei denen die
reflektierten Lichtstrahlen in dem Empfangsabschnitt empfangen werden.
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Wenn
die Mehrzahl von Lichtstrahlen derart gleichzeitig von dem Spiegel
reflektiert oder ausgesendet werden und der Lichtempfangsabschnitt
so ausgelegt ist, dass er die Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen
empfängt,
die erzeugt wird, wenn die Mehrzahl ausgesendeter Lichtstrahlen
auf dem externen Objekt auftreffen und von diesem reflektiert werden,
kann die Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen dadurch individuell
identifiziert werden, dass der Lichtempfangsabschnitt mit der unterteilten
Konfiguration gebildet wird.
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Auf
diese Weise kann eine Scanvorrichtung bereitgestellt werden, die
dazu geeignet ist, in einer Abstandsmessvorrichtung zur Messung
eines Abstandes von einem externen Objekt oder in einem Laserradar
verwendet zu werden.
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In
der oben beschriebenen Scanvorrichtung ist die auf den Spiegel ausgeübte Kraft,
die bewirkt, dass der Spiegel durch die Federkraft des Federabschnitts
schwingt, eine elektrostatische Kraft.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde,
deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
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1 eine
schematische Draufsicht, die den Hauptabschnitt einer MEMS-Scanvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt der in 1 gezeigten Scanvorrichtung
zeigt;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht, die eine Variation der ersten
Ausführungsform zeigt;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt einer MEMS-Scanvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform zeigt;
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5 eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt einer MEMS-Scanvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt;
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6 eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt eines MEMS-Scanvorrichtung
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt;
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7A, 7B eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt eines MEMS-Scanvorrichtung
gemäß Variationen
der vierten Ausführungsform
zeigen;
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8A eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt einer MEMS-Scanvorrichtung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt;
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8B eine
schematische Draufsicht einer Lichtempfangsabschnitts in 8A;
und
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9 eine
schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen MEMS-Scanvorrichtung.
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen sind nachstehend bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegende Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen aller
Ausführungsformen, die
nachstehend beschrieben sind, sind gleiche oder äquivalente Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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(Erste Ausführungsform)
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1 ist
eine schematische Draufsicht, die den Hauptabschnitt einer MEMS-Scanvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt. 2 ist eine
schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt der Scanvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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1 zeigt
in Draufsicht eine Struktur einer Spiegelvorrichtung mit einem Spiegel 10 in
der Scanvorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform,
wobei der Spiegel 10 eine reflektierende Oberfläche 11 aufweist.
Die Spiegelvorrichtung wird hergestellt, indem ein Halbleitersubstrat 100 aus
Silizium oder dergleichen mit Hilfe von bekannten Halbleiterherstellungstechniken
wie etwa der Fotolithografie oder dem Ätzen bearbeitet wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
umfasst das Halbleitersubstrat 100 ein SOI (Silicon-On-Insulator)-Substrat,
das aus zwei Siliziumschichten und einer dazwischen liegenden Oxidschicht
gebildet ist. 1 zeigt die Oberfläche von
einer der Siliziumschichten des SOI-Substrats 100.
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Durch
Grabenätzen
von einer der Siliziumschichten des SOI-Substrats 100 werden
Strukturen 10 bis 40 gebildet, wie es in 1 gezeigt
ist. Der Spiegel 10 ist, wie es in 1 gezeigt
ist, im mittleren Abschnitt des SOI-Substrats 100 angeordnet. In
der vorliegenden Ausführungsform
ist der Spiegel 10 als eine allgemein rechteckige Platte
ausgebildet.
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Der
Spiegel 10 ist über
Balkenabschnitte 30, die jeweils als Federabschnitt dienen,
mit einer Basis 20 gekoppelt. Die Basis 20 umfasst
einen rechteckigen Rahmen 21, der um den Spiegel 10 herum
angeordnet ist. Der Rahmen 21 wird, zum Beispiel relativ zu
der weiteren Siliziumschicht des SOI-Substrats 100, über die
Oxidschicht gestützt.
Die Basis 20 umfasst den Rahmen einschließlich eines
dafür vorgesehenen
Halte- bzw. Stützabschnitts.
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In
dem innerhalb des Rahmens 21 befindlichen Bereich ist die
sich unter einer der Siliziumschichten befindliche Oxidschicht durch
Opferschichtätzen
oder dergleichen entfernt worden. Folglich befindet sich die aus
einer der in dem innerhalb des Rahmens 21 befindlichen
Bereich angeordneten Siliziumschichten gebildete Struktur in einem
von der weiteren, darunter angeordneten Siliziumschicht getrennten
Zustand.
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Der
Spiegel 10 ist an zwei gegenüberliegenden Enden von. sich
(oben und unten in 1) über die Balkenabschnitte 30 mit
dem Rahmen 21, durch den er gestützt wird, gekoppelt. In der
vorliegenden Ausführungsform
ist durch die Balkenabschnitte 30 die rotatorische Schwingbarkeit
des Spiegels 10 implementiert, d.h., durch die Federkräfte der
Balkenabschnitte 30 kann der Spiegel 10 in der
durch den Pfeil Y1 in 1 gezeigten Richtung Drehschwingungen ausführen.
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An
weiteren gegenüberliegenden
Enden (links und rechts in 1) von sich
sind jeweils eine Antriebselektrode 40 zum Antreiben des
Spiegels 10, d.h. zur Ausübung bzw. Übertragung elektrostatischer
Kräfte
auf ihn angeordnet, die bewirken, dass der Spiegel 10 rotatorisch
schwingt. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jede der
Antriebselektroden 40 (i) einen Kammzinkenabschnitt, der
mit dem Spiegel 10 verbunden und von diesem in Richtung
des Rahmens 21 hervorragt, und (ii) einen Kammzinkenabschnitt,
der mit dem Rahmen 21 verbunden ist und von diesem in Richtung
des Spiegels 10 hervorragt. Die Kammzinkenabschnitte (i)
und (ii) von jeder der Antriebselektroden sind in kämmender Verbindung,
d.h. greifen ineinander, wie es in 1 gezeigt
ist.
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Zwischen
die entsprechenden Kammzinkenabschnitte der Antriebselektrode 40,
d.h. zwischen den jeweiligen Kammzinkenabschnitt des Spiegels 10 und
denjenigen des Rahmens 21 wird eine elektrische Spannung
angelegt, die eine elektrostatische Kraft zwischen die zwei ineinander
kämmenden Kammzinkenabschnitten
erzeugt. Durch diese elektrostatische Kraft in Verbindung mit der
Wirkung der Federkraft der Balkenabschnitte 30 wird erreicht, dass
der Spiegel 10 rotatorisch in der durch den Pfeil Y1 in 1 gezeigten
Richtung schwingt.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, umfasst die Scanvorrichtung gemäß der. vorliegenden
Ausführungsform
eine Lichtquelle 50 zur Aussendung eines Lichtstrahls LB
in Richtung der reflektierenden Oberfläche 11 des Spiegels 10.
Die Lichtquelle 50 umfasst zum Beispiel eine Halbleiterlaserdiode.
Die Lichtquelle 50 ist oberhalb der Papierebene in 1 angeordnet,
um zu ermöglichen,
dass der Lichtstrahl LB auf die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 auftreffen kann, obwohl dies in 1 nicht
dargestellt ist.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, wird der Lichtstrahl LB von der
Lichtquelle 50 so ausgesendet, dass er auf die reflektierende
Oberfläche 11 des Spiegels
auftrifft und durch den in der durch die Pfeile Y1 in 2 angezeigten
Richtung rotatorisch schwingenden Spiegel 10 reflektiert
wird, um so eine Scanoperation (einen Abtastvorgang) auszuführen.
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Nachfolgend
ist eine Struktur der Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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Wie
es oben beschrieben ist, umfasst die Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
den Spiegel 10, der über
die Balkenabschnitte 30, die jeweils als Federabschnitt
dienen, mit der Basis 20 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 50 zur Aussendung
des Lichtstrahls LB in Richtung der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10, so dass der Lichtstrahl LB dort auftrifft.
Der Spiegel 10 ist im Wesentlichen so ausgelegt, dass er
den Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 reflektiert und
durch die Federkraft des Federabschnitts 30 rotatorisch
schwingt, wenn eine elektrostatische Kraft auf ihn ausgeübt wird,
d.h., er ist als ein rotatorisch-schwingender MEMS-Typ ausgelegt.
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Die
Scanvorrichtung weist die die vorliegende Ausführungsform kennzeichnende Struktur
auf, bei der die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10 aus
einer Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b besteht,
wie es in den 1 und 2 gezeigt
ist.
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In 2 weist
die reflektierende Oberfläche 1 eine
abgewinkelte Konfiguration auf, wobei die zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b in
der in 2 gezeigten Ansicht als zwei Schenkel der abgewinkelten Konfiguration
zu sehen sind und der Bereich um die Berührungslinie der zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b einen
Grenzabschnitt bildet. Es sei angenommen, dass die Spiegeloberfläche 11a auf
der rechten Seite in 2 eine erste Spiegeloberfläche 11a und
die Spiegeloberfläche 11b auf
der linken Seite in 2 eine zweite Spiegeloberfläche 11b ist.
Es sei ferner angenommen, dass der zwischen den benachbarten zwei
Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete
Winkel θ1
ist.
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Diese
zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b bilden
zusammen die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10.
Eine solche reflektierende Oberfläche 11 kann durch Ätzen, Schneiden
und dergleichen gebildet sein.
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Der
Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 wird gleichzeitig
von den beiden unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b reflektiert.
Insbesondere wird der Lichtstrahl LB, wie es in 2 gezeigt
ist, so von der Lichtquelle 50 ausgesendet, dass er auf
den Grenzabschnitt zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b auftrifft,
so dass er von jeder der Spiegeloberflächen 11a und 11b reflektiert
wird.
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Da
gleichzeitig der Spiegel 10 rotatorisch in der durch die
Pfeile Y1 in 2 gezeigten Richtung schwingt,
führt der
durch jede der Spiegeloberflächen 11a und 11b reflektierte
Lichtstrahl LB eine Scanoperation entsprechend dem Schwingwinkel
(im Folgenden mit "β" bezeichnet) des
Spiegels 10 aus. Insbesondere besteht zwischen dem Schwingwinkel β des Spiegels 10 und
dem Scanwinkel θ2
durch jede der Spiegeloberflächen 11a und 11b,
d.h. dem Winkelbereich, den ein jeweiliger Lichtstrahl von einer der
Spiegeloberflächen 11a und 11b beim
Schwingen des Spiegels 10 überstreicht, die Beziehung: β = θ2/2.
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In 2 ist
der auf der rechten Seite der Zeichnung gezeigte Scanwinkel θ2 des Lichtstrahls der
Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von der ersten Spiegeloberfläche 11a auf der rechten
Seite, und der auf der linken Seite der Zeichnung gezeigte Scanwinkel θ2 ist der
Scanwinkel θ2 des
Lichtstrahls von der Spiegeloberfläche 11b auf der linken
Seite.
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Gemäß einem
bevorzugten Beispiel zeigt 2 den Fall,
in dem der Winkel θ1,
der zwischen den angrenzenden zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildet
ist, gleich dem halben Scanwinkel θ2 des Lichtstrahls von jeder
der Spiegeloberflächen 11a und 11b ist.
Insbesondere können
Einstellungen vorgenommen werden, so dass zum Beispiel die Gleichung θ1 = θ2/2 ≅ 10° erfüllt ist.
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In
diesem Fall beträgt
der Gesamt-Scanwinkel θ des
Lichtstrahls LB von dem Spiegel 10 (d.h. der insgesamt
von beiden reflektierten Lichtstrahlen überstrichene Winkelbereich),
wenn der Schwingwinkel β des
Spiegels 10 θ2/2
beträgt,
2·θ2, was der Summe
des Scanwinkels θ2
des Lichtstrahls von der ersten Spiegeloberfläche 11a und des Scanwinkels θ2 des Lichtstrahls
von der zweiten Spiegeloberfläche 11b entspricht.
Demzufolge kann in der vorliegenden Ausführungsform der Gesamt-Scanwinkel θ des Lichtstrahls
LB auf etwa das Vierfache des Schwingwinkels des Spiegels 10 vergrößert werden.
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Es
ist leicht einzusehen, dass der zwischen den zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete Winkel θ1 und der
Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von jeder der Spiegeloberflächen 11a und 11b unterschiedlich
sein können.
Der Winkel θ1
kann größer oder
kleiner als der halbe Scanwinkel θ2 sein. Es ist in diesem Fall
aus der vorangegangenen Beschreibung ebenfalls klar, dass de Scanwinkel
des Lichtstrahls LB größer als
das Zweifache des Schwingwinkels des Spiegels 10 eingestellt
werden kann.
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Somit
kann gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
die MEMS-Scanvorrichtung vom rotatorisch-schwingenden Typ bereitgestellt
werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen 11a und 11b umfasst
und der Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 gleichzeitig
von den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b reflektiert
wird.
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Im
Stand der Technik weist die reflektierende Oberfläche des
Spiegels nur eine einzige ebene Oberfläche auf. Im Gegensatz dazu
weist in der vorliegenden Ausführungsform
die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten,
zueinander gewinkelten Spiegeloberflächen 11a und 11b auf.
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Da
der Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 gleichzeitig
von den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b reflektiert
wird, kann selbst unter Verwendung von nur einer einzigen Lichtquelle 50 der
gesamte zusammenhängende Scanbereich θ des Lichtstrahls
LB von dem Spiegel 10 um einen Betrag vergrößert wird,
der dem Doppelten des Winkels zwischen den unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen 11a und 11b entspricht, d.h.
um 2θ1.
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Daher
ermöglicht
die vorliegende Ausführungsform
eine Vergrößerung des
Gesamt-Scanbereichs des Lichtstrahls LB von dem Spiegel 10,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels 10 in der MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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Eines
der charakteristischen Merkmale der vorliegenden Ausführungsform
ist, dass der Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 auf
den Grenzabschnitt zwischen den Unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b auftrifft,
wie es oben beschrieben ist. Die Anordnung realisiert in geeigneter
Weise die gleichzeitige Reflexion des Lichtstrahls LB von der Lichtquelle 50 an
den un terschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Drehachse G (der ausgefüllte
Kreis G in 2) des rotatorisch schwingenden
Spiegels 10 vorzugsweise an dem Grenzabschnitt zwischen
den unterschiedliche orentierten Spiegeloberflächen 11a und 11b der reflektierenden
Oberfläche 11 des
Spiegels 10 angeordnet, wie es in 2 gezeigt
ist. Es ist leicht einzusehen, dass die Anordnung die Position der
Drehachse G nicht festlegt oder einschränkt.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, wird die Leistung des einzigen
Lichtstrahls LB in zwei Teile für
die jeweiligen Spiegeloberflächen 11a und 11b mit
dem dazwischen liegenden Grenzabschnitt aufgeteilt, wenn der Lichtstrahl
LB von der Lichtquelle 50 so ausgesendet wird, dass er
auf den Grenzabschnitt der unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b auftrifft.
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Wenn
die Drehachse G des Spiegels 10 nicht bei dem Grenzabschnitt
zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b angeordnet
ist, sondern zum Beispiel an einer Position innerhalb des Spiegels 10,
die mehr auf der Innenseite als die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10 liegt,
wie es durch den hohlen Kreis G' in 2 gezeigt
ist, verschiebt sich die Position des Grenzabschnitts relativ zu
dem Lichtstrahl LB, wenn sich der Spiegel 10 dreht. Dadurch
verändern
sich auch die zwei Anteile der Leistung des geteilten Lichtstrahls
LB für
die jeweiligen Spiegeloberflächen 11a und 11b relativ
zueinander, wenn sich der Spiegel 10 dreht.
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Jedoch
kann durch Positionierung der Drehachse G des Spiegels 10 an
dem Grenzabschnitt zwischen den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b der
reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 wie in dem in 2 gezeigten Beispiel
die positionelle Verschiebung des Grenzabschnitts relativ zu dem
Lichtstrahl LB als Folge der Drehung des Spiegels 10 unterdrückt werden.
Die Anordnung ist daher vorteilhaft, da sie die Veränderung
der zwei Teile der Leistung des geteilten Lichtstrahls LB verhindern
kann.
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Wie
es oben beschrieben ist, ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform
vorteilhaft, dass der zwischen den angrenzenden zwei unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete
Winkel θ1
halb so groß wie
der Scanwinkel θ2 des
jeweiligen Lichtstrahls von jeder der Spiegeloberflächen 11a und 11b ist,
wie es in dem in 2 gezeigten Beispiel der Fall
ist.
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Durch
diese Anordnung können
die angrenzenden zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b den Scanbereich
des Lichtstrahls LB ohne Lücke
und ohne Überlappungsbereich
liefern. Dadurch kann der Scanbereich des Lichtstrahls LB von dem
Spiegel 10 wirksam vergrößert werden.
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Wenn θ1 = θ2/2 = 10° ist, besitzen
der Scanwinkel θ2
des von der ersten Spiegeloberfläche 11a reflektierten
Lichtstrahls und der Scanwinkel θ2
des von der zweiten Spiegeloberfläche 11b reflektierten Lichtstrahls
zwischen sich keinen Überlappungsabschnitt
und keine Lücke.
Demzufolge beträgt
der Gesamt-Scanwinkel des Lichtstrahls LB 2·θ2, wie es oben beschrieben
und in 2 gezeigt ist.
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(Variation)
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine Variation der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt. Wie es in 3 gezeigt ist, wird ein durch
die unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildetes
Muster über
die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 wiederholt.
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Somit
umfasst bei dem Spiegel 10 gemäß der vorliegenden Variation
die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Oberflächen 11a und 11b.
In 3 sind zehn erste Spiegeloberflächen 11a und zehn
zweite Spiegeloberflächen 11b vorgesehen. Eine
solche reflektierende Oberfläche 11 kann
durch Ätzen,
Schneiden oder dergleichen gebildet sein.
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Gemäß der vorliegenden
Variation kann das sich wiederholende Muster der unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b innerhalb des
Bereichs der reflektierenden Oberfläche 11 des Spiegels 10 angeordnet
sein, der durch den einzigen Lichtstrahl LB überdeckt ist.
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In
dem in 2 gezeigten Beispiel trifft der Lichtstrahl LB
von der Lichtquelle 50 auf den Grenzabschnitt zwischen
den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b,
um gleichzeitig von ihnen reflektiert zu werden. Jedoch erhöht die Anordnung
somit die erforderliche positionelle Genauigkeit des Lichtstrahls
LB.
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Im
Gegensatz dazu verringert die vorliegende Variation die erforderliche
Positionierungsgenauigkeit des Lichtstrahls LB, um die gleichzeitige
Reflexion des Lichtstrahls LB durch die unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen 11a und 11b zu
bewirken.
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(Zweite Ausführungsform)
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt der
MEMS-Scanvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die
Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
umfasst ebenfalls den Spiegel 10 (siehe 1),
der über
die Balkenabschnitte 30, die jeweils als Federabschnitt
dienen, mit der Basis 20 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 50 zur
Aussendung des Lichtstrahls LB in Richtung der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10, in gleicher Weise wie in der ersten Ausführungsform.
Der Spiegel 10 ist im Wesentlichen so ausgelegt, dass er
den Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 reflektiert und
durch die Federkraft des Federabschnitts 50 rotatorisch schwingt,
wenn eine elektrostatische Kraft auf ihn wirkt, d.h. er ist als
der rotatorisch-schwingende MEMS-Typ ausgelegt.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, umfasst die Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
ebenso wie in der ersten Ausführungsform,
den Spiegel 10, dessen reflektierende Oberfläche 11 die
unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b umfasst.
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Im
Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform, in der die einzige
Lichtquelle 50 vorgesehen ist, ist in der vorliegenden
Ausführungsform
eine Mehrzahl von Lichtquellen 50 vorgesehen. In dem in 4 gezeigten
Beispiel sind zwei Lichtquellen 50 vorgesehen, die den
zwei unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b zugeordnet
sind. In 4 sei eine untere Lichtquelle 50a eine
erste Lichtquelle 50a und eine obere Lichtquelle 50b eine
zweite Lichtquelle 50b.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, werden unterschiedliche Lichtstrahlen
LB1 und LB2 parallel zueinander von der Mehrzahl von Lichtquellen
(50a und 50b) so ausgesendet, dass sie jeweils
auf eine, jedoch nicht auf dieselbe, der orientierten Spiegeloberflächen 11a, 11b auftreffen.
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In 4 wird
der Lichtstrahl LB1 von der unteren, ersten Lichtquelle 50a so
ausgesendet, dass er auf die erste Spiegeloberfläche 11a auftrifft,
die auf der rechten Seite der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 angeordnet ist, während der Lichtstrahl LB2 von
der oberen, zweiten Lichtquelle 50b so ausgesendet wird,
dass er auf die zweite Spiegeloberfläche 11b auftrifft,
die auf der linken Seite der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 angeordnet ist. Die Lichtstrahlen LB1 und LB2
werden von den Spiegeloberflächen 11a bzw. 11b reflektiert.
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Gleichzeitig
führen
die Lichtstrahlen LB1 und LB2, die von den jeweiligen Spiegeloberflächen 11a bzw. 11b reflektiert
werden, Scanoperationen entsprechend dem Schwingwinkel β des Spiegels 10 aus,
da der Spiegel 10 in der durch die Pfeile Y1 in 4 gezeigten
Richtung rotatorisch schwingt.
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In 4 ist
der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls, der auf der rechten Seite der Zeichnung gezeigt
ist, der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von der ersten Spiegeloberfläche 11a, die den Lichtstrahl LB1
von der ersten Lichtquelle 50a reflektiert, während der
Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls, der auf der linken Seite in der Zeichnung gezeigt
ist, der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von der zweiten Spiegeloberfläche 11b ist, die den
Lichtstrahl LB2 von der zweiten Lichtquelle 50b reflektiert.
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Als
ein bevorzugtes Beispiel zeigt 4 den Fall,
in dem der zwischen den angrenzenden zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete
Winkel θ1 halb
so groß wie
der Scanwinkel θ2
von jedem einzelnen der Lichtstrahlen von den jeweiligen Spiegeloberflächen 11a und 11b ist.
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In
diesem Fall, wenn der Schwingwinkel des Spiegels 10 zum
Beispiel θ2/2
beträgt,
besitzt der Gesamt-Scanwinkel θ der Lichtstrahlen
von dem Spiegel 10 einen Wert von 2·θ2, was die Summe aus den jeweiligen
Scanwinkeln θ2
der einzelnen Lichtstrahlen von den zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b ist,
in gleicher Weise wie es oben mit Bezug auf 2 beschrieben
ist. Demzufolge kann der Scanwinkel des Strahls um etwa das Vierfache
des Schwingwinkels des Spiegels 10 vergrößert werden.
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In
diesem Fall gilt ferner, dass der zwischen den zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete Winkel θ1 von dem
Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von den einzelnen Spiegeloberflächen 11a und 11b verschieden
sein kann. Es ist aus der vorangegangenen Beschreibung ferner klar,
dass der Scanwinkel der Strahlen auf mehr als das Zweifache des
Schwingwinkels des Spiegels 10 vergrößert werden kann.
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Somit
umfasst die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
eine Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b.
Ferner umfasst die Lichtquelle 50 die Mehrzahl von Lichtquellen 50a und 50b,
so dass die unterschiedlichen Lichtstrahlen LB1 und LB2 von der
Mehrzahl der Lichtquellen 50a und 50b so ausgesendet
werden, dass sie auf den jeweiligen unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b auftreffen.
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Daraus
folgt, dass der Gesamt-Sanbereich der Lichtstrahlen von dem Spiegel 10 auch
in der vorliegenden Ausführungsform
um einen Betrag vergrößert werden
kann, der dem doppelten Winkeln zwischen den unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen 11a und 11b entspricht,
d.h. um den oben erwähnten
Winkel 2·θ1.
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Somit
kann durch die vorliegende Ausführungsform
der Scanbereich der Lichtstrahlen von dem Spiegel 10 vergrößert werden,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels in der MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
können
die beiden Lichtstrahlen LB1 und LB2 so ausgesendet werden, dass
sie auf den unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b entweder gleichzeitig
oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreffen.
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Wie
es oben beschrieben ist, ist auch in der vorliegenden Ausführungsform
aus dem gleichen Grund wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
der zwischen den angrenzenden zwei Spiegeloberflächen 11a und 11b gebildete
Winkel θ1 vorteilhafterweise
gleich groß wie
der halbe Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von den Spiegeloberflächen 11a und 11b,
wie es in dem in 4 gezeigten Beispiel der Fall
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform kann
sowohl die Anzahl von Lichtquellen als auch die Anzahl von unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen 3 oder
mehr betragen, vorausgesetzt, dass unterschiedliche Lichtstrahlen
parallel zueinander von der Mehrzahl von Lichtquellen so ausgesendet werden,
dass sie auf die jeweiligen unterschiedliche orientierten Spiegeloberflächen auftreffen.
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(Dritte Ausführungsform)
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt einer
MEMS-Scanvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die
Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
umfasst ebenfalls den Spiegel 10 (siehe 1),
der über
Balkenabschnitte 30, die jeweils als Federabschnitt dienen,
mit der Basis 20 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 50 zur
Aussendung des Lichtstrahls LB in Richtung der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10, in gleicher Weise wie in der ersten Ausführungsform.
Der Spiegel 10 ist im Wesentlichen so ausgelegt, dass er
den Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 reflektiert und
durch die Federkraft des Federabschnitts 30 rotatorisch
schwingt, wenn eine elektrostatische Kraft auf ihn wirkt, d.h. er ist
als der MEMS- und rotatorisch-schwingende Typ ausgelegt.
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Wie
es in 5 gezeigt ist, ist die vorliegende Ausführungsform
durch Folgendes gekennzeichnet: Eine Mehrzahl von Lichtquellen 50 (50a und 50b) sind
vorgesehen, um eine Mehrzahl von Lichtstrahlen LB1 und LB2 so auszusenden,
dass sie in unterschiedlichen Winkeln auf die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 auftreffen.
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In
dem in 5 gezeigten Beispiel sind zwei Lichtquellen 50 vorgesehen.
In der Zeichnung sei die untere Lichtquelle 50a die erste
Lichtquelle 50a und die obere Lichtquelle 50b die
zweite Lichtquelle 50b. Die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 ist eine einzige ebene Spiegeloberfläche, in
der gleichen Weise wie im Stand der Technik.
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Der
Lichtstrahl LB1 wird von der unteren, ersten Lichtquelle 50a so
ausgesendet, dass sie auf die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 auftrifft, während der Lichtstrahl LB2 von
der oberen, zweiten Lichtquelle 50b so ausgesendet wird,
dass er in einem von dem Winkel des Lichtstrahls LB1 verschiedenen
Winkel auf die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10 auftrifft.
Jeder der Lichtstrahlen LB1 und LB2 wird durch die reflektierende
Oberfläche 11 reflektiert.
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Gleichzeitig
führt jeder
der Lichtstrahlen LB1 und LB2, der von der reflektierenden Oberfläche 11 reflektiert
wird, eine Scanoperation in Übereinstimmung
mit dem Schwingwinkel des Spiegels 10 aus, da der Spiegel 10 in
Richtung des in 5 gezeigten Pfeils Y1 rotatorisch
schwingt. Es sei hierin angenommen, dass die zwei Lichtstrahlen
LB1 und LB2 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auftreffen und der
zwischen den zwei Lichtstrahlen LB1 und LB2 gebildete Winkel θ3 ist.
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In 5 ist
der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls, der auf der rechten Seite der Zeichnung gezeigt
ist, der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von der reflektierenden Oberfläche 11, die den Lichtstrahl LB2
von der zweiten Lichtquelle 50b reflektiert wird, wohingegen
der Scanwinkel θ2
des auf der linken Seite der Zeichnung gezeigten Lichtstrahls der
Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls von der reflektierenden Oberfläche 11 ist, die den
Lichtstrahl LB1 von der ersten Lichtquelle 50a reflektiert.
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Als
ein bevorzugtes Beispiel zeigt 5 den Fall,
in dem der zwischen den zwei Lichtstrahlen LB1 und LB2 gebildete
Winkel gleich dem halben Scanwinkel θ2 von jedem der Lichtstrahlen
von der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 ist (keine Überlappung
und keine Lücke).
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Wenn
in diesem Fall der Schwingwinkel des Spiegels 10 θ2/2 ist,
beträgt
der Gesamt-Sanwinkel der Lichtstrahlen von dem Spiegel 10 2·θ2, was gleich
der Summe der Scanwinkel θ2
von jedem der zwei Lichtstrahlen LB1 und LB2 für sich ist. Demzufolge kann
der Gesamt-Scanwinkel auf ungefähr
das Vierfache des Schwingwinkels des Spiegels 10 (das heißt auf das
Doppelte im Vergleich zur Verwendung von nur einer Lichtquelle in 5)
vergrößert werden.
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In
diesem Fall gilt ferner, dass der zwischen den zwei Lichtstrahlen
LB1 und LB2 gebildete Winkel θ3
von dem Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 verschieden sein kann. Auch in diesem Fall kann
der Scanwinkel der Lichtstrahlen auf mehr als das Zweifache des
Schwingwinkels des Spiegels 10 vergrößert werden.
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Somit
umfasst die Lichtquelle 50 in der vorliegenden Ausführungsform
die Mehrzahl von Lichtquellen 50a und 50b, so
dass die Mehrzahl von Lichtstrahlen LB1 und LB2 von der Mehrzahl
von Lichtquellen 50a und 50b so ausgesendet wird,
dass sie in unterschiedlichen Winkeln auf der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 auftreffen.
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Folglich
kann, selbst wenn die reflektierende Oberfläche 11 des Spiegels 10 die
einzige ebene Oberfläche
wie im Stand der Technik aufweist, der zusammenhängende Scanbereich der Lichtstrahlen von
dem Spiegel 10 um einen Betrag vergrößert werden, der dem Winkel
zwischen den Lichtstrahlen LB1 und LB2 entspricht, d.h. um den oben
erwähnten Winkel θ3.
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Daher
kann durch die vorliegenden Ausführungsform
der Scanbereich der Lichtstrahlen von dem Spiegel 10 vergrößert werden,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels 10 in der MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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Wie
es oben beschrieben ist, ist in der vorliegenden Ausführungsform
der zwischen den zwei Lichtstrahlen LB1 und LB2 mit unterschiedlichem Einfallswinkel
gebildete Winkel θ3
gleich groß wie
der Scanwinkel θ2
von jedem der Lichtstrahlen von der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10.
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Durch
die Anordnung können
die zwei Lichtstrahlen LB1 und LB2 die Scanbereiche ohne Lücke und
ohne Überlappungsabschnitt
zwischen sich mit Hilfe des Spiegels 10 bereitstellen.
Dadurch kann der Scanbereich der Lichtstrahlen wirksam vergrößert werden.
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Wenn θ3 = θ2 = 10° ist, weisen
der Scanwinkel θ2
des Lichtstrahls, der sich durch Reflexion des Lichtstrahls LB1
von der ersten Lichtquelle 50a ergibt, und der Scanwinkel θ2 des Lichtstrahls,
der sich durch Reflexion des Lichtstrahls LB2 von der zweiten Lichtquelle 50b ergibt,
keinen Überlappungsabschnitt
und keine Lücke
zwischen sich auf. Demzufolge beträgt der Gesamt-Scanwinkel der
Lichtstrahlen 2·θ2, wie es
oben beschrieben ist.
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Auch
in der vorliegenden Ausführungsform kann
die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b aufweisen.
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(Vierte Ausführungsform)
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6 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die den Hauptabschnitt einer
MEMS-Scanvorrichtung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung zeigt.
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Die
Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
umfasst, ebenso wie in der ersten Ausführungsform, den Spiegel 10 (siehe 1), der über die
Balkenabschnitte 30, die jeweils als Federabschnitt dienen,
mit der Basis 20 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 50 zur
Aussendung des Lichtstrahls LB in Richtung der reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10. Der Spiegel 10 ist so ausgelegt, dass
er den Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 reflektiert.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird bewirkt, dass der Spiegel 10 durch die Federkraft
des Federabschnitts 30 translatorisch schwingt, wenn eine
elektrostatische Kraft einwirkt. Mit anderen Worten, die Scanvorrichtung
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist im Wesentlichen als ein MEMS- und linear-schwingender Typ ausgelegt.
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In
der vorliegenden Erfindung kann der Spiegel 10 durch die
Federkraft der Balkenabschnitte 30 (siehe 1), über die
der Spiegel 10 durch den Rahmen 21 gestützt wird,
in der durch den Pfeil Y1 in 6 gezeigten
Richtung linear schwingen.
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Wie
es in 6 gezeigt ist, ist die vorliegende Ausführungsform
dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 in einer solchen Scanvorrichtung eine Mehrzahl
von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen 11a, 11b, 112 und 11d aufweist.
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In
dem in 6 gezeigten Beispiel hat die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 eine konkave Gestalt. Die mehreren Spiegeloberflächen 11a bis 11d der
reflektierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 weisen unterschiedliche Winkel auf, so dass eine
abgewinkelte Konfiguration gebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform
kann die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 auch eine konvexe Konfiguration besitzen, obgleich
dies nicht dargestellt ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird der Lichtstrahl LB von der Lichtquelle 50 in Richtung der
reflek tierenden Oberfläche 11 des
Spiegels 10 derart ausgesendet, dass der Lichtstrahl LB
dort auftrifft und reflektiert wird. Gleichzeitig führt der
von der reflektierenden Oberfläche 11 reflektierte
Lichtstrahl LB, da der Spiegel in der durch den Pfeil Y2 in 6 gezeigten
Richtung linear schwingt, eine Scanoperation entsprechend diesem
Schwingvorgang des Spiegels 10 aus.
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Da
somit die reflektierende Oberfläche 11 des
Spiegels 10 die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen 11a bis 11d aufweist, kann
der Scanbereich des Lichtstrahls um einen Betrag vergrößert werden,
der der doppelten Differenz zwischen den Winkeln der unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen 11a und 11b des
linear schwingenden Spiegels 10 entspricht.
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Daher
kann durch die vorliegende Ausführungsform
der Scanbereich des Lichtstrahls von dem Spiegel 10 vergrößert werden,
ohne dabei den Schwingwinkel des Spiegels 10 in der MEMS-Scanvorrichtung
zu vergrößern.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
kann die reflektierende Oberfläche
des Spiegels 10 auch die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten
Spiegeloberflächen
aufweisen, die stetig ineinander übergehen, wie es in den 7A und 7B gezeigt
ist. 7A zeigt ein Beispiel, in dem die Mehrzahl von unterschiedlich
orientierten Spiegeloberflächen
stetig konvex ausgebildet ist. 7B zeigt
ein Beispiel, in dem die Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegeloberflächen stetig
in einer konkaven Konfiguration ausgebildet ist.
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(Fünfte
Ausführungsform)
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8A ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen Hauptabschnitt
einer MEMS-Scanvorrichtung gemäß einer
fünften
Ausführungsform der
vorliegende Erfindung zeigt. 8B ist
eine schematische Draufsicht eines Lichtempfangsabschnitts 60 in 8A.
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Die
vorliegende Ausführungsform
wird gewonnen, indem die oben in jeder der beschriebenen Ausführungsformen
beschriebene Scanvorrichtung so modifiziert wird, dass eine Mehrzahl
von Lichtstrahlen gleichzeitig von dem Spiegel 10 ausgesendet
wird, und dass ferner ein Lichtempfangsabschnitt 60 vorgesehen
ist, um eine Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen R zu empfangen,
wenn die Mehrzahl von ausgesendeten Lichtstrahlen auf ein externes
Objekt auftreffen und von diesem reflektiert werden.
-
Die
Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen R von dem externen Objekt
(nicht gezeigt) wird durch eine Linse 61 zum Lichtempfang
gebündelt
und auf den Lichtempfangsabschnitt 60 gerichtet. Als der Lichtempfangsabschnitt 60 kann
zum Beispiel eine Fotodiode verwendet werden.
-
Wie
es in 8B gezeigt ist, ist der Lichtempfangsabschnitt 60 in
Segmente aufgeteilt, die den entsprechenden Positionen der einzelnen
reflektierten Lichtstrahlen R entsprechen. In dem dargestellten
Beispiel ist der Lichtempfangsabschnitt 60 in eine gitterartige
Konfiguration unterteilt. Demzufolge können die Einfallsrichtungen
der reflektierten Lichtstrahlen R, die empfangen wurden, auf der
Grundlage der Positionen bestimmt werden, bei denen die reflektierten
Lichtstrahlen R auf dem Lichtempfangsabschnitt 60 empfangen
wurden.
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Somit
wird in der Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
die Mehrzahl von Lichtstrahlen gleichzeitig von dem Spiegel 10 ausgesendet,
und der Lichtempfangsabschnitt 60 ist vorgesehen, um die
Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen R zu empfangen, die erzeugt
werden, wenn die Mehrzahl von ausgesendeten Licht strahlen auf das externe
Objekt auftrifft und von diesem reflektiert wird. In diesem Fall
kann durch Bilden des Lichtempfangsabschnitts 60 mit der
unterteilten Konfiguration die Mehrzahl von reflektierten Lichtstrahlen
R individuell identifiziert werden.
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Daraus
ergibt sich, dass die Scanvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
als eine Scanvorrichtung bereitgestellt werden kann, die zur Verwendung
in einer Abstandsmessvorrichtung zur Messung eines Abstandes von
einem externen Objekt oder einem Laserradar geeignet ist.
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(Weitere Ausführungsformen)
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In
jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 100,
das den Spiegel 10, die Lichtquelle 50, den Lichtempfangsabschnitt 60 und
dergleichen aufweist, in einem Gehäuse oder dergleichen aufgenommen
sein, das als Einheit ausgebildet und verwendet wird.
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Das
Halbleitersubstrat 100, das den Spiegel 10 umfasst,
ist nicht auf das SOI-Substrat 100 begrenzt, das oben erwähnt ist.
Die Balkenabschnitte 30, die eine Federkraft ausüben, um
zu bewirken, dass der Spiegel 10 rotatorisch oder translatorisch schwingt,
ist nicht auf die in 1 gezeigte Konfiguration beschränkt. Wenn
es erforderlich ist, können das
Design von sowohl dem Halbleitersubstrat 100 als auch den
Balkenabschnitten 30 vom Fachmann auf dem Gebiet modifiziert
werden.
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Obwohl
die Kräfte,
die auf den Spiegel 10 ausgeübt werden, um den Spiegel 10 durch
die Federkraft der Balkenabschnitte 30, von denen jeder
als Federabschnitt wirkt, in Schwingungen zu versetzen, in jeder
der oben beschriebenen Ausführungsformen elektrostatische
Kräfte sind,
können
auch andere als die elektrostatischen Kräfte, z.B. elektromagnetische Kräfte, verwendet
werden.
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Wenn
erforderlich können
die einzelnen, oben beschriebenen Ausführungsformen auch innerhalb
eines erlaubten Bereichs kombiniert verwendet werden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung bezüglich
der bevorzugten Ausführungsformen
offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen,
sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene
Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie
alle möglichen
Ausführungsformen
und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die
realisiert werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.