KR100719102B1 - 마이크로 구동 장치 - Google Patents

Abstract

수용공을 가지는 프레임과; 수용공 내에 움직임 가능하게 설치되는 가동판과; 프레임에 대해 가동판을 지지하며, 외부에서 가해지는 토크에 의해 탄성변형되면서 가동판을 프레임에 대해 회동되도록 하는 한 쌍의 빔부재와; 빔부재를 중심으로 가동판을 회동시키기 위한 구동력을 제공하는 구동수단; 및 프레임, 가동판, 빔부재 및 구동수단을 수용하도록 진공상태로 밀폐된 수용공간을 가지는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구동 장치가 개시된다.

Description

마이크로 구동 장치{Micro-driving device}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구동장치의 개략적인 분리 사시도.

도 2는 도 1의 요부를 발췌하여 나타내 보인 평면도.

도 3은 도 1에 도시된 마이크로 구동장치의 결합단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구동장치와 종래의 장치에서 가동판의 회동각을 실험을 통해 나타내 보인 그래프.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 구동장치를 나타내 보인 개략적인 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10..프레임 11..수용공

11a..반전극 13..베이스층

15,63..절연층 17..앵커(anchor)

20..가동판 21..반사면

23..반전극 30..빔부재

40..하우징 41..하우징 몸체

43..윈도우부재 51..스타팅전극

61,62..제1전극 63,64..제2전극

본 발명은 마이크로 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프레임에 대해 가동판을 회동구동시키는 마이크로 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로, 정전력으로 구동되면서 광을 반사하는 소위 마이크로 구동장치는 크게 세가지 그룹으로 나누어 설명할 수 있다.

첫째 그룹은 광의 스위칭에 관련된 것이다. 이 경우, 적어도 두군데의 안정된 위치에서 광을 선택적으로 온/오프시킬 수 있는 광 스위치가 요구된다. 따라서, 요구되는 광반사각(optical scanning angle)은 일반적으로 작다. 이러한 원리는 소위 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD; Digital Micromirror Device)라고 불리기도 하는 마이크로-메카니컬 토션 액츄에이터를 기초로 하는 디지털 프로젝션 디스플레이 등에 적용된다.

두 번째 그룹은 광의 지속적인 반사방법에 관련된 것이다. 이 경우, 움직임 가능한 미러부재가 구비되며, 상기 미러부재의 위치는 전자회로에 의해 컨트롤되거나 추종된다. 이러한 원리는 주로 아날로그 이미징 디바이스(analog imaging device)에 관련된 분야에서 적용된다.

마지막으로, 세 번째 그룹은 지속적인 안정된 광반사에 관련된 것이다. 이 경우 미러부재는 커다란 광반사각을 가지면서 소위 공진된 진동에 의해 발동작용을 행하게 된다. 이러한 원리는 예를 들어, 바코드 스캐너, 대상물 확인 및 측정장치, 레이저 프린터 및 아날로그 디스플레이 등에 널이 적용된다.

한편, 일반적으로 알려진 마이크로 구동장치 즉, 마이크로 스캐닝장치는, 프레임과, 이 프레임에 매달린 미러부재 및 그 미러부재의 하면에 고정된 구동전극 등을 구비한 구성을 갖는다. 이러한 구성의 마이크로 스캐닝장치는, 작은 광반사각 및 작은 크기의 미러부재로도 충분한 효율을 낼 수 있는, 상기 첫째와 두 번째 그룹에서 효과적으로 채용될 수 있다.

그러나, 상기 구성의 마이크로 스캐닝장치의 구조에 있어서, 보다 큰 미러부재를 채용하거나 큰 광반사각을 얻기 위해서는 높은 구동전압이 요구된다. 그리고, 높은 구동전압을 얻기 위해서는 각 전극들 사이의 갭을 늘려주어야 한다. 그런데, 인가되는 구동전압은 고전압 제어회로에 의해 제어되고, 그 제어회로는 실리콘 칩과는 별도로 구성된다. 따라서, 실질적으로 큰 광반사각을 갖는 완전한 스캐닝장치를 구현하는데는 한계가 있다. 따라서, 저전압의 구동전압으로도 원하는 광반사각을 얻을 수 있는 마이크로 구동장치가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 저전압에 의해 충분한 회동각을 확보할 수 있도록 구조가 개선된 마이크로 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 구동장치는, 수용공을 가지는 프레임과; 상기 수용공 내에 움직임 가능하게 설치되는 가동판과; 상기 프레임에 대해 상기 가동판을 지지하며, 외부에서 가해지는 토크에 의해 탄성변형되면서 상기 가동판을 상기 프레임에 대해 회동되도록 하는 한 쌍의 빔부재와; 상기 빔부재를 중심으로 상기 가동판을 회동시키기 위한 구동력을 제공하는 구동수단; 및 상기 프레임, 가동판, 빔부재 및 구동수단을 수용하도록 진공상태로 밀폐된 수용공간을 가지는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구동장치를 자세히 설명하기로 한다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구동장치는, 수용공(11)을 가지는 프레임(10)과, 상기 수용공(11)에 움직임 가능하게 설치되는 가동판(20)과, 상기 가동판(20)을 상기 프레임(10)에 대해 회동가능하게 지지시키는 한 쌍의 빔부재(30)와, 상기 가동판(20)을 소정 회동축(X)을 중심으로 회동시키기 위한 외력을 발생시키는 구동수단과, 하우징(40)을 구비한다.

상기 프레임(10)은 규소물질로 이루어진 규소층이며, 소정의 베이스층(13) 상에 지지된다. 상기 베이스층(13)의 상기 가동판(20)에 대응되는 부분은 제조과정중에서 제거되는데, 상기 수용공(11)과 함께 소위 표면마이크로기계학에서 잘 알려진 반도체 제조방법에 의해 제거된다. 따라서, 상기 가동판(20)의 진폭 즉, 회동각이 상기 베이스층(13)에 간섭되어 제한 받지는 않게 된다. 또한, 상기 베이스층(13)과 프레임(10) 사이에는 절연층(15)이 형성된다. 이 절연층(15)은 규산화물로 이루어질 수 있다.

상기 가동판(20)은 수용공(11) 내에서 회동축(X)을 중심으로 소정 각도로 회동될 수 있도록 수용된다. 이 가동판(20)은 규소물질로 형성된다. 따라서, 가동판(20)은 상기 프레임(10)에 수용공(11)을 형성하는 제조공정 중에 상기 빔부재(30)와 일체로 마련될 수 있다. 이러한, 가동판(20)은 광을 반사하는 반사면(21)을 가진다. 상기 반사면(21)은 상기 가동판(20)의 상면을 연마함에 의해 마련될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 반사면(21)은 소정 크리스탈 재질로 상기 가동판(20)의 상면에 반사층을 형성함에 의해 마련될 수도 있다.

상기 한 쌍의 빔부재(30) 각각의 일단은 가동판(20)의 비틀림면(20a)에 연결되고, 타단은 상기 프레임(10)과 동일평면상에 마련된 앵커(17;anchor)에 지지된다. 상기 앵커(17)는 프레임(10)과 마찬가지로 규소물질로 형성되며, 절연층(15)위에 설치된다. 이 앵커(17)와 프레임(10) 사이에는 절연을 위해 소정 간격을 이루는 홈부(12)가 마련된다. 이러한 앵커(17)는 상기 빔부재(30) 및 가동판(20)과 일체로 형성된다. 따라서, 앵커(17)와 빔부재(30) 및 가동판(10)은 상기 프레임(10)과 절연된 상태를 유지한다. 또한, 앵커(17)는 프레임(10)과 가동판(20) 및 빔부재(30)의 제조공정 과정에서 함께 형성된다.

상기 구동수단은 상기 가동판(20)의 테두리에 마련되는 가동전극(23)과, 상기 가동전극(23)과 마주하도록 프레임(10)의 수용공(11) 내측에 마련되는 반전극(11b)을 구비한다. 상기 가동전극(23)은 예컨대, 상기 가동판(20) 자체로서 상기 앵커(17) 및 빔부재(30)를 통해 전압을 인가 받는다. 상기 반전극(11b)은 상기 프레임(10) 자체일 수 있으며, 그 프레임(10)이 소정의 전원공급부로부터 전압 을 인가받음으로서 전극의 기능을 하게된다. 이러한, 가동전극(23)과 반전극(11b)은 상호 소정 간격을 가짐으로서, 그들 사이에 소정 크기의 전기용량이 선택적으로 형성된다. 즉, 상기 전극들(23)(11b) 사이에서는 일종의 가변 축전기가 구현된다고 볼 수 있다. 따라서, 각 전극들(23)(11b) 사이에서의 전기용량은 상기 가동판(20)의 회동각의 변화량에 따라 수시로 변하게 된다. 즉, 각 전극들(23)(11b)이 마주하고 있는 상태에서는 그들 사이에서의 전기용량이 최고가 되고, 상기 가동판(20)의 진동폭이 증가함에 따라 전기용량은 줄어들게 된다. 또한, 상기 각 전극(23)(11b)은 상기 수용공(11)의 내측과 가동판(20)의 테두리를 빗살무늬로 형성함으로서, 소위 말하는 정전기의 빗살형 구동장치(comb driving device)를 이루게 된다. 따라서, 이러한 구성으로 인해 전극들(23)(11b)은 가동판(20)의 공진된 진공, 즉, 가동판(20)의 공진주파수를 이용한 진동효과를 이용하여 가동판(20)을 저전압으로도 큰 반사각을 얻을 수 있도록 진동시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 정전기의 빗살형 구동장치에 관한 원리는 국제공개특허 WO 00/25170 호에 자세히 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 하우징(40)은 수용공간(41a)을 가지는 하우징 몸체(41)와, 상기 하우징 몸체(41)의 개방면을 덮도록 설치되는 윈도우부재(43)를 구비한다. 상기 하우징 몸체(41) 내의 수용공간(41a)에는 일체화된 상기 프레임(10)과 가동판(20) 및 베이스층(13) 등이 수용되게 설치된다. 이러한, 하우징 몸체(41)는 예컨대 반도체 패키지의 몸체에 해당되는 것으로 측면에는 다수의 리드(45)가 돌출되게 설치될 수 있다. 상기 윈도우부재(43)는 하우징 몸체(41)의 개방된 상면을 덮도록 설치된다. 여기서, 상기 수용공간(41a)에서 진동하는 가동판(20)이 윈도우부재(43)와 충돌하지 않도록, 가동판(20)과 윈도우부재(43)는 충분한 거리를 갖는다. 또한, 상기 윈도우부재(43)는, 소정 광원으로부터 조사되는 광이 상기 가동판(20)의 반사면(21)에서 반사되어 소정 목표물로 향할 수 있도록 투광물질로 제조된다. 한편, 상기 수용공간(41a)은 진공상태로 유지된다. 상기 수용공간(41a)을 진공상태로 만들기 위해서는, 소정의 진공챔버 내에서 상기 윈도우부재(43)를 하우징 몸체(41)에 결합시킨다. 이 때, 진공된 수용공간(41a)을 외부로부터 밀폐시킬 수 있도록, 윈도우부재(43)는 접착제 등에 의해 하우징 몸체(41)에 견고하게 부착되는 것은 당연하다. 이와 같이, 가동판(20) 등에 설치되는 수용공간(41a)을 진공상태로 유지시킴으로서, 가동판(20)이 진동 즉, 회동될 때 공기와의 저항을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 저전압으로도 가동판(20)의 회동각(Φ)을 증가시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 가동판(20) 등은 그 두께 및 크기가 매우 작은 마이크로-메카니컬적 구성을 지니고 있기 때문에, 구동시 공기저항에 의한 손실량은 실질적으로 매우 크다 할 수 있다. 결과적으로, 수용공간(41a)을 진공상태로 하여 가동판(20)의 구동시 공기저항에 의한 전력손실을 극복함으로서, 다양한 장치에서 요구되는 광 스캐닝 각(optical scanning angle) 즉, 미러의 회동각을 쉽게 구현할 수 있게 된다.

도 4는 가동판(20)을 진공상태와 대기압 상태에서 약 15V의 전압을 인가하여 각각 구동시켰을 때에 나타나는 가동판의 반사각을 실험을 통해 나타내 보인 그래프이다. 도면에서도 알 수 있듯이, 진공상태에서 가동판(20)을 진동시켰을 때는, 약 1150Hz에서도 높은 반사각을 얻을 수 있는 반면에, 비교예에서는 주파수를 1130Hz까지 도달될 때까지도 본 발명의 실험예에 비해 작은 반사각을 얻을 수 있다. 이와 같은 결과를 통해 알 수 있듯이, 하우징(40) 내부를 진공상태로 유지시킴으로서, 가동판(20)의 공기저항을 배제시켜 종래에 비해 약 5배 증가한 반사각을 얻을 수 있다. 따라서, 약 120도의 광 반사각이 요구되는 레이저 프린터와 같은 장치에 적용하기 위해서는, 미러 즉, 반사면(21)을 가지는 가동판(20)의 회동각은 약 30도 정도를 충족시켜야 하는데, 본 발명의 실시에에 따른 마이크로 미러의 경우에는 상기와 같은 조건을 저전압의 간단한 구조에 의해서도 쉽게 구현할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구동장치가 채용되는 레이저 프린터 등의 신뢰성 등을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 도 3에 가상선으로 도시된 바와 같이, 프레임(10) 상에 비대칭형으로 스타팅전극(51)을 추가로 형성할 수 있다. 이 스타팅전극(51)은 가동판(20)과 회동각(Φ)이 제로일 경우에 초기 회동을 원활하게 하기 위해 마련된 것이다. 이 스타팅전극(51)은 프레임(10) 상에 마련되는 절연층(53) 상에 마련되며, 프레임(10)과는 절연된 상태로 유지된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 구동장치에 따르면, 가동판(20)을 구동시키기 위한 구동수단이 가동판(20)과 하우징 몸체(41)의 바닥에 마주하도록 설치될 수 있다. 즉, 상기 구동수단은 가동판(20)의 저면에 설치되는 제1전극(61,62)과, 상기 제1전극(61,62)에 대응되도록 하우징 몸체(41) 내의 바닥에 설치되는 제2전극(63,64)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제1전극(61,62)과 제2전극들(63,64) 사이의 정전력에 의해 가동판(20)을 회동시키 게된다. 여기서도, 하우징(40)의 내부공간(41a)은 진공상태이며, 가동판(20)은 상기 구동수단에 의해 구동되어 회동되다가 공진된 진공에 의해 반복적으로 회동된다. 도 5에서 앞서 도 4에 도시된 도면의 참조부호와 동일한 부호에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 마이크로 구동장치에 따르면, 하우징 내부를 진공상태로 유지시켜 가동판을 진동시킴으로서, 그 가동판의 회동시 공기저항을 최소화 할 수 있다. 따라서, 저전압의 구동전압으로도 가동판을 큰 회동각으로 회동시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 수용공을 가지는 프레임과;

   상기 수용공 내에 움직임 가능하게 설치되며, 광을 반사하는 반사면을 가지는 가동판과;

   상기 프레임에 대해 상기 가동판을 지지하며, 외부에서 가해지는 토크에 의해 탄성변형되면서 상기 가동판을 상기 프레임에 대해 회동되도록 하는 한 쌍의 빔부재와;

   상기 빔부재를 중심으로 상기 가동판을 회동시키기 위한 구동력을 제공하는 구동수단; 및

   상기 프레임, 가동판, 빔부재 및 구동수단을 수용하도록 진공상태로 밀폐된 수용공간을 가지는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동수단은,

   상기 가동판의 테두리에 마련되는 가동전극과;

   상기 가동전극에 대응되도록 상기 프레임의 상기 수용공 내면에 마련되는 반전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 구동수단은,

   상기 가동판의 저면에 설치되는 제1전극과;

   상기 가동전극에 대응되도록 상기 하우징 내의 바닥에 설치되는 제2전극;을 포함하여,

   상기 각 전극에 소정의 전원이 인가되어 그들 사이에서 발생되는 정전력에 의해 상기 가동판을 회동시킬 수 있도록 하는 마이크로 구동장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하우징은 상기 수용공간을 가지며, 상면이 개방된 하우징 몸체와;

   상기 하우징 몸체의 개방면을 밀폐시키도록 설치되며, 광을 투과시키는 재질로 된 윈도우부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구동장치.

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