KR101897234B1 - 마이크로 스캐너 - Google Patents

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KR101897234B1
KR101897234B1 KR1020170052079A KR20170052079A KR101897234B1 KR 101897234 B1 KR101897234 B1 KR 101897234B1 KR 1020170052079 A KR1020170052079 A KR 1020170052079A KR 20170052079 A KR20170052079 A KR 20170052079A KR 101897234 B1 KR101897234 B1 KR 101897234B1
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driven
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이종현
박양규
문승환
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명에 따른 스캔각이 지레증폭(leverage amplification)되는 마이크로 스캐너에는, 일면에 반사층을 가지는 피구동체; 상기 피구동체를 가운데에 두는 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수직방향으로 스캔하는 수평축 구동부; 상기 피구동체를 가운데에 두는 다른 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수평방향으로 스캔하는 수직축 구동부; 상기 구동부 각각을 상기 피구동체에 연결하는 연결부, 힌지부 및 제 1 스프링; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부에 각각 다른 전류를 공급하는 전선; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부의 이격되는 상측 또는 하측에 제공되는 자기장 발생부; 상기 구동부를 지지하는 고정프레임; 및 상기 구동부와 상기 고정프레임의 사이에 제공되는 적어도 하나의 제 2 스프링이 포함된다.

Description

마이크로 스캐너{A micro scanner}
본 발명은 마이크로 스캐너에 관한 것으로서, 바람직한 일 예로서 전자기력을 이용하여 구동할 수 있는 마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 스캐너는, 종래의 갈바노(galvano) 스캐너에 비해 속도, 크기, 무게, 저전력 및 낮은 제조비의 장점을 가지고 있다. 상기 마이크로 스캐너는 멤스(MEMS) 기술에 기반하여 초소형으로 제작 및 저전력 구동이 가능하다.
이를 기반으로 마이크로 스캐너는, 최근 프린터, 측정장비, 정밀가공, 헤드업(head-up) 디스플레이, 모션 트래커(motion tracker), 피코 프로젝터, 오씨티(optical coherence tomography(OCT)), 라이다(light detection and ranging(LiDAR)) 및 레이저 커팅(laser cutting) 등에서 널리 이용되고 있다.
상기 마이크로 스캐너는 구조에 따라서 짐발(gimbal) 타입과 짐발이 없는(gimbal-less) 타입으로 구분된다.
상기 짐발 타입은 반사판(또는 렌즈)을 지지하는 수직축 구동 스프링과 이에 수직방향으로 형성되어 반사판과 짐발 모두를 지지하는 수평축 구동 스프링으로 구성되어 있다. 여기서 스캔 면적의 수평방향 길이가 수직방향 보다 크다고 가정하였으며, 따라서 수평축 구동은 스캔면적의 수직방향 스캔에 해당된다. 이때 2축의 독립적인 구동을 위해, 수직축 및 수평축 구동 스프링 사이에 짐발을 사용한다. 따라서, 수평축 구동에 해당하는 피구동체는 수직축 구동부 및 반사판을 모두 포함하기 때문에, 질량이 커져서 공진주파수가 낮아진다. 따라서, 수평축을 비공진으로 구동시키는 래스터 스캔(Raster scan)의 경우에는 짐발 구조가 적합하지만, 두 축 모두 공진으로 구동시키는 리사쥬 스캔(Lissajous scan)의 경우에는 수평축의 공진주파수가 낮아 스캐닝 속도에 한계점을 지닌다.
한편, 짐발이 없는 타입은 수직축 구동을 위한 스프링과 수평축 구동을 위한 스프링이 반사판에 직접 연결되어 반사판을 지지하고 있다. 이때 2축의 독립적인 구동을 위해, 각각의 스프링은 힌지(hinge)를 포함하고 있다. 짐발 타입과 달리, 짐발이 없는 타입은 4개의 스프링이 피구동체에 직접 연결되어, 반사판 만을 지지하기 때문에, 공진주파수가 커져서 외란에 대한 흔들림이 작아지므로 안정적으로 구동이 가능하다. 또한, 짐발 타입과 같이 비공진 모드로 수평축 구동이 가능하기 때문에 래스터 스캔에 적합하고, 리사쥬 스캔에서도 수평축의 구동속도를 짐발 타입보다 더 빠르게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 마이크로 스캐너는 구동 방식에 따라 전자기력, 정전력, 열, 및 압전 방식으로 구동될 수 있다. 상기 라이다 및 피코 프로젝터 등과 같이 큰 광 구동각(optical scan angle)을 구현하기 위해서는 토크가 큰 전자기력 방식이 바람직하다.
미국특허 2010/0073748(인용문헌 1)에는, 대략 X축 및 Y축방향으로 배열되는 도선에 의해 구동되는 피구동체(피구동체는, 예시로 미러로서 이해될 수 있다)의 일측에 영구자석이 45도방향으로 배치된다. 이 기술에 따르면, 상기 도선에 흐르는 전류방향에 영구자석의 자기장을 정렬하는 것이 어렵고 부피가 커진다는 문제점이 있다.
또한, 스캔을 위한 X/Y 두 축 간에 크로스 커플링이 발생할 수 있어, 어느 한 축의 동작을 다른 축의 움직임에 영향을 미칠 수 있다. 상기 크로스 커플링은, 두 축 간의 구동을 위한 도선이 단일의 도선에 의해서 수행되고, 자기장이 각 축에 대하여 45도 방향으로 기울어짐으로써, 전자기력이 축방향을 기준으로 대칭을 이루지 않기 때문에 발생한다.
또 다른 종래기술(인용문헌 2)로는, 2004. 05에, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS VOL. 10, NO. 3. 462~471에 제시되는 Veljko Milanovic etc.가 저술한 'Gimbal-Less Monolithic Silicon Actuators for Tip.Tilt.Piston Micromirror Applications'를 예로 들 수 있다.
상기 인용문헌 1은 정전력을 이용하여 축을 구동시키는 방식으로, 이미 설명한 바와 같이 큰 토크를 구현할 수 없다는 점과, 빗살무늬 전극(comb)을 사용하기 때문에 주파수 응답 특성이 비선형이라는 한계점이 있다.
미국특허 2010/0073748
IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS VOL. 10, NO. 3. 462~471에 제시되는 Veljko Milanovic etc.가 저술한 'Gimbal-Less Monolithic Silicon Actuators for Tip-Tilt-Piston Micromirror Applications'
본 발명은 스캐닝 방법에 무관하게 작동하는 마이크로 스캐너로서, 지레증폭 또는 동적증폭 기능이 부가되어 피구동체가 큰 스캐닝각을 가질 수 있는 마이크로 스캐너를 제안한다.
본 발명에 따른 스캔각이 지레증폭(leverage amplification)되는 마이크로 스캐너에는, 일면에 반사층을 가지는 피구동체; 상기 피구동체를 가운데에 두는 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수직방향으로 스캔하는 수평축 구동부; 상기 피구동체를 가운데에 두는 다른 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수평방향으로 스캔하는 수직축 구동부; 상기 구동부 각각을 상기 피구동체에 연결하는 연결부, 힌지부 및 제 1 스프링; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부에 각각 다른 전류를 공급하는 전선; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부의 이격되는 상측 또는 하측에 제공되는 자기장 발생부; 상기 구동부를 지지하는 고정프레임; 및 상기 구동부와 상기 고정프레임의 사이에 제공되는 적어도 하나의 제 2 스프링이 포함된다.
스캔각이 동적증폭(dynamic amplification)되도록 하기 위하여, 일면에 반사층을 가지는 피구동체; 상기 피구동체를 가운데에 두는 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수직방향으로 스캔하는 수평축 구동부; 상기 피구동체를 가운데에 두는 다른 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수평방향으로 스캔하는 수직축 구동부; 상기 구동부 각각을 상기 피구동체에 연결하는 제 1 연결부, 힌지부 및 제 2 연결부; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부에 각각 다른 전류를 공급하는 전선; 상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부의 이격되는 상측 또는 하측에 제공되는 자기장 발생부; 상기 구동부를 지지하는 고정프레임; 및 상기 구동부와 상기 고정프레임의 사이에 제공되는 적어도 하나의 스프링이 포함되는 마이크로 스캐너가 개시된다.
본 발명에 따르면 래스터 또는 리사쥬 스캐닝 방법에 무관하게 작동하는 마이크로 스캐너를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 지레증폭 또는 동적증폭 기능이 부가되어 피구동체가 큰 스캐닝각을 가질 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 자기장 발생부의 평면도 및 정면도.
도 3은 수평축 구동부와 피구동체의 상호 작용을 설명하는 측면도.
도 4는 평면내(in-plane) 1차 벤딩 모드(1st bending mode)를 나타내는 도면.
도 5는 평면외(out-of-plane) 2차 벤딩 모드(2nd bending mode)를 나타내는 도면.
도 6는 제 2 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도.
도 7는 제 2 실시예에 따른 자기장 발생부의 평면도 및 정면도.
도 8은 동적증폭을 설명하는 도면.
도 9은 제 2 실시예에 다른 동적증폭의 성능을 보이는 그래프.
도 10에서 도 15는 마이크로 스캐너의 제조방법을 순차적으로 보이는 도면.
본 발명의 구성 및 그로 인한 효과는 이하의 실시예에 의해서 더 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
한편, 이하에 제시되는 실시예의 설명에 있어서, 각 부품들은 서로 대칭되는 부품이 쌍으로 제공되는 경우가 많다. 이 경우에는 어느 하나의 부품을 설명하고 대칭되어 쌍을 이루는 부품은 그 설명을 생략하지만, 동일한 설명이 적용되는 것으로 한다. 또한, 도면에 있어서 부품의 작용을 설명하기 위하여 실제 물품과는 달리 강조되어 표시되는 경우도 있지만, 이는 이해의 편의를 위한 것으로서, 크기 및 구체적인 형상은 달라질 수 있다.
<제 1 실시예>
도 1은 제 1 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도이고, 도 2는 자기장 발생부의 평면도 및 정면도이다.
도 1에는 기판(1)이 도시되고, 상기 기판(1)의 하측에는 기판(1)과 소정의 간격을 두고, 도 2에 개시되는 자기장 발생부(100)가 놓인다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판에는 사각형상의 고정프레임(10)이 놓이고, 상기 고정프레임(10)의 내부에는 상기 고정프레임(10)에 지지되면서도 고정프레임에 대한 상대운동 및 구성 간의 상대운동이 허용되는 다수의 구성이 제공된다. 이하에는 그 구성에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 마이크로 스캐너에서 입사 레이저 광을 반사하는 피구동체(30)와, 상기 피구동체(30)를 회동시키는 힘을 제공하는 네 개의 구동부(20)(21)(22)(23)가 포함된다.
상기 피구동체(30)는 원형으로 제공될 수 있고, 경우에 따라서 상기 피구동체(30)가 레이저의 반사경으로 적용될 때에 레이저가 비스듬히 조사되기 위하여 타원형으로 제공될 수도 있다.
상기 피구동체(30)에는, 동적변형(dynamic deformation)을 억제하기 위한 보강부(31)가 제공될 수 있다. 상기 보강부(31)로는 십자형상을 예로 들 수 있고, 이를 통하면, 피구동체(30)의 단면에 대한 면적관성(area moment of inertia)을 크게 하여 피구동체의 강성이 높아지기 때문에, 고주파로 회동 진동시에 피구동체(30)의 변형을 줄일 수 있다. 상기 보강부(31)는 직교형 십자가, 대각선 십자가, 원형, 대칭되는 사각형, 및 이들의 조합과 같은 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 상기 보강부(31)는 상기 도선이 제공될 때 함께 제공될 수 있기 때문에, 별도의 공정이 필요하지 않은 장점을 얻을 수 있다.
상기 구동부(20)(21)(22)(23)는, 상기 피구동체(30)을 중심으로 할 때, 방사방향, 예를 들어 상하좌우에 각각 대칭으로 제공된다. 상기 제 1 구동부(20) 및 상기 제 3 구동부(22)가 쌍을 이루어 상기 피구동체(30)가 수평축을 중심으로 회동하도록 한다. 따라서, 상기 제 1 구동부(20) 및 상기 제 3 구동부(22)를 수평축 구동부라고 할 수 있다. 상기 제 2 구동부(21) 및 상기 제 4 구동부(23)가 쌍을 이루어 상기 피구동체(30)가 수직축을 중심으로 회동하도록 한다. 따라서, 상기 제 2 구동부(21) 및 상기 제 4 구동부(23)를 수직축 구동부하고 할 수 있다.
이 구성에 따르면 상기 구동부(20)(21)(22)(23)의 회동 중심축은 상기 피구동체(30)의 회동 중심축과 평행하기는 하지만, 일치하지는 않는다.
상기 구동부(20)(21)(22)(23) 중에서 상기 제 1 구동부(20)를 예로 들어서 나머지 구동부의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다. 구체적으로 상기 제 1 구동부(20)의 구성 및 작용은 대칭구조로, 상기 제 3 구동부(22)에 그대로 적용될 수 있다. 마찬가지로, 수평축 구동부의 설명은 방향을 바꾸어 수직축 구동부의 설명에 그대로 적용될 수 있다.
상기 제 1 구동부(20)는 상측 제 2 스프링(25)(26)에 의해서 상기 고정프레임(10)에 지지될 수 있다. 여기서, 상기 상측 제 2 스프링(25)(26)은 'V'자 형상으로 제공될 수 있다. 'V'자 형상의 스프링은 평면 내(in-plane) 슬라이딩 방향과 요잉 방향의 스프링 강성을 크게 할 수 있다.
이와 같이 비틀림 모드 외의 다른 방향에 대해서 강성이 큰 스프링을 사용함으로써, 필요로 하는 공진 비틀림 진동수와 대비할 때, 공진 슬라이딩 진동수와 공진 요잉 진동수가 더 크게 될 수 있다. 따라서, 공진 슬라이딩 동작과 공진 요잉 동작은 피구동체(30)의 비틀림 동작에 미치는 영향이 작아지고, 피구동체(30)의 반사각에 미치는 악영향을 줄일 수 있다.
상기 상측 제 2 스프링(25)(26)을 'I'자 스프링으로서 두께 및 폭을 크게 하는 것으로 유사한 효과를 달성할 수 있을 것이라고 볼 수도 있다. 그러나, 그와 같이 하는 경우에는 공진 비틀림 주파수의 변화(예를 들어, 스프링상수가 불필요하게 지나치게 커지는 현상, 및 그에 따른 공진 비틀림 주파수의 변화)를 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 또한 'V'자로 제공되면, 동일 단면적의 'I'자와 비교할 때, 두 로드 사이의 간격이 비워지기때문에 회전강성이 작아져 스캔각이 커지는 효과를 얻을 수 있고, 또한 평면 내(in-plane) 슬라이딩 방향과 요잉 방향의 강성이 커져서 원하지 않는 방향의 운동을 억제할 수 있다는 장점이 있다.
상기 제 1 구동부(20)는 속이 비어 있는 사각형의 형상이다. 상기 제 1 구동부(20)와 상기 피구동체(30)의 사이에는 상측 제 1 연결부(27)와 상측 힌지부(28)와 상측 제 1 스프링(29)이 순차로 제공된다. 상기 제 1 구동부(20)가 수평축을 중심으로 회동할 때, 상기 상측 제 1 연결부(27)는 상기 제 1 구동부(20)와 일체로 회동하고, 상기 상측 힌지부(28)는 벤딩될 수 있고, 상기 상측 제 1 스프링(29)은 상기 피구동체(30)와 일체로 회동할 수 있다. 이러한 동작은 상기 제 3 구동부(22)에도 마찬가지로 발생하고, 상기 제 1 구동부(20) 및 상기 제 3 구동부(22)의 상호 작용에 의해서 피구동체(30)는 수평축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제 1 구동부(20)에는 도선이 적층되어 있다. 상기 도선은 전선(11)의 일부를 이룬다.
상기 전선(11)은 제 1 구동부(20)와 제 3 구동부(22)에 함께 전류를 공급하는 선로이다. 상기 전선(11)은 제 1 단자(12)와 제 2 단자(13) 사이의 경로로서 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)를 경유하는 경로, 즉 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)를 직렬로 연결된다. 이에 따르면 구동부에 개별적으로 공급되는 경우에 비하여 전류를 절반으로 줄일 수 있다. 상기 전선(11)에 일 방향의 전류가 주어질 때 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)는 수평축을 기준으로 같은 방향으로 동기화되어 회전할 수 있다. 이는 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)의 테두리를 따라서 전개되는 전선의 회전방향을 제어함으로써 달성될 수 있다. 도면에는 그 일 예시가 정확하게 도시된다.
상기 제 1, 3 구동부(20)(22)에서 전선의 감기는 방향은 서로 반대로 제공될 수 있다. 이는 자기장 발생부(100)에서 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)에 미치는 자기장의 방향이 서로 반대이기 때문이다. 상기 자기장 발생부(100)는 가운데에 놓이는 제 1 자석(101)과 테두리에 놓이는 제 2 자석(102)이 있는 것을 도 2에서 볼 수 있다. 상기 자기장 발생부(100)는 방사형태로 자기장을 제공한다.
상기 제 1 구동부(20)에 놓이는 전선의 구역 중에서, 'a'영역은 자기장의 방향과 평행을 이루기 때문에 전자기력이 발생하지 않고, 'b'영역은 자기장의 방향과 직교하여 전자기력이 발생하고, 한 쌍의 'b'영역에는 서로 반대방향으로 전자기력이 발생한다. 따라서, 자기장의 방향과 수직으로, 각각의 축 구동에 대응하는 전류가 독립적으로 형성되고, 이로 인해 발생하는 전자기력의 세기가 회전축을 기준으로 완전히 대칭이기 때문에, 전자기력 마이크로 스캐너 동작에 있어서 크로스 커플링을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 상기 수평축 구동부와 상기 피구동체의 상호 작용을 설명하는 측면도이다.
도 3을 참조하면, 제 1 구동부(20) 및 제 3 구동부(22)가 같은 방향으로 회전할 때, 상측 힌지부(28)가 벤딩되고, 그 외의 구성은 일체로서 움직이는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 작용에 의해서 상기 제 1, 3 구동부(20)(22)의 회동작용은 피구동체(30)의 회동으로 이어질 수 있다.
한편, 상기 제 1 구동부(20)와 상기 상측 힌지부(28)사이의 거리를 a라 하고, 상기 상측 힌지부(28)와 상기 피구동체(30)까지의 거리를 b라고 할 때, 지레관계가 성립한다. 예를 들어, 제 1 구동부(20)의 경사각을 θ1이라고 하고 피구동체(30)의 경사각을 θ2라고 할 때, 수학식 1의 관계가 성립한다.
Figure 112017039671693-pat00001
여기서, c는 상측 힌지부(28)의 구동전과 후의 높이차이이다.
상기 수학식 1을 참조하면, a가 b보다 길면 길수록 저전류에서도 피구동체(30)가 회동하는 경사각을 크게 할 수 있다. 이를 지레증폭이라고 이름할 수 있다. 한편, 상기 지레증폭의 정도가 커지면 커질수록, 구동부(20)의 비틀림각을 작게 할 수 있다. 이 경우에 상기 상측 제 2 스프링(25)(26)에 적층되는 금속으로 제공되는 전선의 피로파괴를 막을 수 있다는 장점도 있다.
상기 제 1 실시예에 따르면, 2축의 독립적인 구동이 가능하다. 상측의 수평축 구동부(20)가 동작될 때, 상기 상측 제 2 스프링(25)(26)은 그에 따라 비틀린다. 이때, 도 3에 보인 바와 같이 초기 상태보다 구동된 상태의 길이가 길어지기 때문에 상측 제 2 스프링(25)(26)에 강한 장력이 발생하여 스프링의 비틀림 강성이 지나치게 커질 수 있다.
따라서, 상기 상측 힌지부(28)는 비틀림 강성을 줄이기 위해 평면내(in-plane)에서 1차 벤딩 모드(1st bending mode)로 동작(도 4참조)함으로써, 지레증폭을 위한 수평축 방향의 비틀림이 보다 용이해진다. 또한, 상측의 수평축 구동에 의한 반사판의 회전에 따라 우측 제 1 스프링(32)이 비틀리고, 우측 힌지부(33)는 평면외(out-of-plane)에서 2차 벤딩 모드(2nd bending mode)로 동작 (도 5참조)함으로써 2축의 독립적인 구동이 가능하게 된다. 따라서, 상기 수평축 구동부의 동작 시에, 상기 수직축 구동부는 방해가 되지 않을 수 있다. 그 역으로도 마찬가지로 이해할 수 있다. 상기 제 1 실시예에 따른 구동원리는 수평축 구동을 기준으로 할 때 이하의 표 1을 참조하면 이해될 수 있다.
수평축 구동기준 기능 변형 형태 구조
상측 제 2 스프링(25)(26) 구동부 지지 비틀림 V 자 형상
상측 힌지부(28) 비틀림 강성 줄임 1차 벤딩 모드
(1st bending mode)		 두 개의 평형 바
(two parallel bar)
지레 증폭 비틀림
우측 제 1 스프링(32) 2축 독립적 구동
(2-axis decouple)		 비틀림 V 자 형상
우측 힌지부(33) 2축 독립적 구동
(2-axis decouple)		 2차 벤딩 모드
(2nd bending mode)		 두 개의 평형 바
(two parallel bar)
<제 2 실시예>
본 발명의 제 2 실시예는 기판, 자기장 발생부, 피구동체, 네 개의 구동부, 보강부, 힌지부, 연결부, 스프링, 전선, 및 제 1, 2 단자가 제공되는 것은 제 1 실시예와 동일하지만, 동작방식이 달라지는 것에 그 일 특징이 있다. 따라서 구체적인 설명이 없는 부분은 상기 제 1 실시예의 설명을 참조할 수 있을 것이다.
도 6은 제 2 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도이고, 도 7은 자기장 발생부의 평면도 및 정면도이다.
도 6을 참조하면, 구동부(40)(41)(42)(43)는 상하좌우에 각각 대칭으로 제공된다. 상기 되는 구성에 따른 동작을 설명한다. 먼저 상기 제 5 구동부(40) 및 상기 제 7 구동부(42)가 쌍을 이루어 상기 피구동체(55)가 수직축을 중심으로 회동하도록 한다. 따라서, 제 1 실시예와는 달리 상기 제 5 구동부(40) 및 상기 제 7 구동부(42)를 수직축 구동부라고 할 수 있다. 상기 제 6 구동부(41) 및 상기 제 8구동부(43)가 쌍을 이루어 상기 피구동체(55)가 수평축을 중심으로 회동하도록 한다. 따라서, 제 1 실시예와 달리 상기 제 6 구동부(41) 및 상기 제 8 구동부(43)를 수평축 구동부하고 할 수 있다.
이 구성에 따르면 상기 구동부(40)(41)(42)(43)의 회동 중심축은 상기 피구동체(55)의 회동 중심축과 평행할 뿐만 아니라 일치한다. 다시 말하면, 구동하는 구동부의 구동축과 동일한 축을 중심으로 피구동체(55)가 회동할 수 있다.
이러한 구동부와 피구동체의 동작은 이하의 구동부의 작용에 의해서 더 정확하게 이해될 수 있다.
상기 구동부(40)(41)(42)(43) 중에서 상기 제 6 구동부(41)를 예로 들어 나머지 구동부의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다. 상기 제 6 구동부(41)의 구성 및 작용은 나머지 구동부에 대하여 대칭구조로 적용될 수 있다.
상기 제 6 구동부(41)는 우측 제 2 스프링(51)에 의해서 상기 고정프레임(10)에 지지될 수 있다. 이는 제 1 실시예와 달리 구동부의 회동축이 상기 피구동체의 회동축과 일치하기 때문이다.
여기서, 상기 우측 제 2 스프링(51)은 'V'자 형상으로 제공될 수 있다. 상기 스프링의 특징은 상기 제 1 실시예에 제시된 바와 마찬가지의 이유가 적용될 수 있다.
상기 제 6 구동부(41)는 속이 비어 있는 사각형의 형상이다. 상기 제 6 구동부(41)와 상기 피구동체(55)의 사이에는 우측 제 1 연결부(52)와 힌지부(54)와 제 2 연결부(53)가 순차로 제공된다. 상기 제 6 구동부(41)가 수평축을 중심으로 회동할 때, 상기 우측 힌지부 (54)는 비틀림 회동에 대한 스프링으로서 작용할 수 있다. 상기 우측 제 2 스프링(51)도 물론이다.
상기 제 6 구동부(41)에는 도선이 적층되어 있다. 상기 도선은 전선(44)의 일부를 이룰 수 있고, 제 1 단자(45) 및 제 2 단자(46)를 통하여 전원이 공급될 수 있다.
상기 전선(44)은 제 6 구동부(41)와 제 8 구동부(43)에 함께 전류를 공급하는 선로이다. 상기 전선(44)은 제 1 단자(45)와 제 2 단자(46) 사이의 경로로서 상기 제 6, 8 구동부(41)(43)를 직렬로 연결하는 경로를 가진다. 상기 전선(44)에 일 방향의 전류가 주어질 때, 상기 제 6, 8 구동부(41)(43)는 수평축을 기준으로 같은 방향으로 동기화되어 회전할 수 있다. 이는 상기 제 6, 8 구동부(41)(43)의 테두리를 따라서 연장되는 전선의 회전방향을 제어함으로써 달성될 수 있다.
예를 들어 상기 제 6, 8 구동부(41)(43)에서 전선의 감기는 방향은 서로 반대로 제공될 수 있다. 이는 자기장 발생부(200)에서 상기 제 6, 8 구동부에 미치는 자기장의 방향이 서로 반대이기 때문이다.
상기 자기장 발생부(200)는 네 구역으로 구분하여 교차하는 극성을 가지는 제 1, 4, 5, 8 자석(201)(204)(205)(208)이 제공될 수 있다.
도 7에 제시되는 자기장 발생부의 평면도를 참조하면, 상기 제 8 구동부(43)와 상하로 정렬되는 제 1, 4 자석(201)(204)의 사이 및 상기 제 6 구동부(41)와 상하로 정렬되는 제 5, 8 자석(205)(208)의 사이에는, 제 2, 3 자석(202)(203)과 제 6, 7 자석(206)(207)이 더 제공될 수 있다.
상기 제 2, 3, 6, 7 자석(202)(203)(206)(207)은 수평축 구동부의 구동부에 제공되는 도선에 더 큰 자기장을 인가하기 위한 구성이다.
더 상세하게 설명한다. 래스터 모드(raster mode)에서 상기 수평축 구동부가 비공진모드로 구동될 때에는, 공진모드로 구동되는 상기 수직축 구동부와 비교할 때 더 큰 전자기력이 필요하다. 이러한 더 큰 전자기력을 제공하기 위하여 더 큰 자기장이 요구된다. 이 조건을 만족할 수 있도록 구동부 테두리에 제공되는 도선의 직하에 자석의 경계부가 놓이도록 할 수 있다.
상기 제 6 구동부(41)에 놓이는 전선의 구역 중에서, 'a'영역은 자기장의 방향과 평행을 이루기 때문에 전자기력이 발생하지 않고, 'b'영역은 자기장의 방향과 직교하여 전자기력이 발생하고 서로 반대방향으로 전자기력이 발생한다. 따라서, 자기장의 방향과 수직으로, 각각의 축 구동에 대응하는 전류가 독립적으로 형성되고, 이로 인해 발생하는 전자기력의 세기가 회전축을 기준으로 완전히 대칭이기 때문에, 전자기력 마이크로 스캐너의 동작에 있어서 크로스 커플링을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기 제 6 구동부(41)가 전자기력에 의해서 회동하면, 일방향으로는 우측 제 2 스프링(51), 타방향으로는 우측 힌지부(54)가 스프링으로 동작할 수 있다. 이에 따르면 제 6 구동부(41)의 회동각에 비하여 상기 피구동체(55)는 더 큰 회동각을 구현할 수 있다. 이러한 작용은 상기 피구동체(55)를 중심으로 할 때 양측방향으로 제공되는 각각의 스프링에 대해서도 마찬가지이다. 이를 동적증폭이라고 할 수 있다.
더 상세하게 설명한다.
제 6, 8 구동부(41)(43)에서 발생하는 힘은 상기 수평축 구동부에 제공되는 다수의 스프링 성분에 의해서 지지된다. 이 뿐만 아니라, 공진현상에 의해서 회동각은 증폭이 되어 피구동체(55)로 전달될 수 있다. 이를 위하여 상기 수평축 구동부에 제공되는 스프링 성분은 모두 피구동체(55)에서 볼 때 동일한 방향으로 연결될 수 있다. 다시 말하면, 스프링 성분은 모두 평행한 것으로 이해할 수 있다.
이와 같이 구동부와 스프링 성분에 의해서 종국에 피구동체(55)에 더 큰 회동각이 나타나는 현상을 동적증폭이라고 할 수 있다. 역으로 이해하면, 상기 구동부가 더 작은 경사각의 범위에서 회동하더라도, 상기 동적증폭에 의해서 상기 피구동체(55)는 더 큰 경사각으로 회동할 수 있다. 이에 따르면 동일한 조건에서 동적증폭이 수행됨으로써 스캔각을 더 크게 할 수 있는 효과가 있다.
다른 측면으로 상기 동적증폭에 의해서 상기 우측 제 2 스프링(51)에 마련되는 도선은 작은 변형으로 비틀릴 수 있다. 즉, 피구동체(55)가 큰 각으로 기울어지더라도,상기 제 2 스프링(51)은 작게 비틀릴 수 있으므로 금속재질의 도선에서 발생할 수 있는 피로파괴를 억제할 수 있다.
도 8은 동적증폭을 설명하는 도면이고, 도 9는 제 2 실시예에 다른 동적증폭의 성능을 보이는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 수직축 구동부, 즉 제 5 구동부(40) 및 제 7 구동부(42)가 회동할 때, 구동부(40)(42)의 끝단인 A지점에 비하여, 피구동체(55)의 끝단인 B지점에서 더 큰 경사각으로 이동할 수 있는 것이다. 이때에 수직축 구동부와 피구동체(55)의 회전반경은 서로 동일하다.
도 9를 참조하면, 공진 주파수에서 A지점은 400마이크로미터 이동함에 반하여, B지점에서는 710마이크로미터 이동할 수 있다.
상기 제 2의 실시 예에 따르면, 2축의 독립적인 구동이 가능하다. 우측의 수평축 구동부가 동작될 때, 상기 우측 제 2 스프링(51)은 그에 따라 비틀리고, 동적증폭을 위하여, 우측 힌지부(54)는 평면외(out-of-plane )에서 도 5에 제시되는 2차 벤딩 모드(2nd bending mode)로 비틀린다. 이 때, 상측 힌지부(57)는 비틀림 강성을 줄이기 위해 도 4의 1차 벤딩 모드(1st bending mode)로 동작함으로써, 수평축 방향의 비틀림이 용이해진다. 따라서, 상기 수평축 구동부의 동작 시에, 상기 수직축 구동부는 방해가 되지 않을 수 있다. 역으로도 마찬가지이다. 상기 제 2 실시예에 따른 구동원리는 표 2에 요약 정리되어 있다.
수평축 구동기준 기능 변형 형태 구조
우측 제 2 스프링(51) 구동부 지지 비틀림 V 자 형상
우측 힌지부(54) 동적 증폭 2차 벤딩 모드
(2nd bending mode)		 두 개의 평형 바
(two parallel bar)
상측 힌지부(57) 비틀림 강성 줄임 1차 벤딩 모드
(1st bending mode) 		두 개의 평형 바
(two parallel bar)
2축 독립적 구동
(2-axis decouple)		 비틀림
도 10에서 도 15는 마이크로 스캐너의 제조방법을 순차적으로 보이는 도면이다.
먼저, 도 10에 보이는 바와 같은 기판을 준비한다. 기판은 SOI(SOI: Silicon On Insulator)기판을 사용할 수 있다. 상기 다층기판(300)은, 제 1 실리콘층(305)와 제 2 실리콘층(304)을 가지고, 하측의 하측절연막(303), 상측의 상측절연막(302), 및 절연층(301)을 가질 수 있다. 상기 절연층(301), 절연막(302)(303)은 산화실리콘(SiO2)으로 제공될 수 있다.
이후에 도 11에 보이는 바와 같이, 다층기판(300)의 상면에 금속층(310)을 적층한다. 상기 금속층(310)의 적층방법은, 시드층(Cu/Ti)를 스퍼터링하여 적층하고, 포토레지스터 현상(develop)을 이용하여 패터닝을 한 다음에, 전기도금으로 구리를 도금하는 것에 의해서 수행될 수 있다.
상기 금속층(310)은 상기 전선(11)(44)을 제공할 뿐만 아니라, 상기 보강부(31)(56)를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 단일의 공정을 통해서 도선부로서 전선과 보강부를 함께 제공하므로 간단한 제작공정을 달성할 수 있다. 멤스분야에서 적용되는 미세공정은 제작공정의 수가 늘어남에 따라서 제품수율이 감소하는 문제가 있음을 감안할 때, 보강부(31)(56) 및 전선(11)(44)을 단일의 공정으로 제공할 수 있는 것은 제품수율에 좋은 영향을 미칠 수 있다.
이후에는 도 12에 보이는 바와 같이, 알아이(RIE) 공정으로 상측절연막(302), 딥알아이이(Deep RIE)공정으로 제 1 실리콘층(305)을 선택적으로 제거하여, 마이크로 스캐너에 필요한 기판 구조를 형성한다. 다시 말하면, 피구동체, 고정프레임, 구동부, 힌지부, 연결부 및 스프링이 서로 분리되도록 할 수 있다.
이후에 도 13 및 도 14와 같이, 제 2 실리콘층(304) 및 절연층(301)을 순차적으로 제거한다. 그러면 다층기판(300)의 하부는 함몰면(310)을 제공할 수 있다.
이후에는 도 15에 보이는 바와 같이, 함몰면(310)을 포함하는 하면에 반사율이 높은 금속으로 반사층(312)을 제공한다. 상기 반사층(312)은 보호막으로 보호할 수도 있다.
상기 반사층(312)은 마이크로 스캐너의 피구동체(30)(55)에서 레이저를 반사하는 반사판이 될 수 있다. 즉, 피구동체가 회전진동할 때 반사판(312)으로 입사된 레이저를 다양한 각도로 반사하고, 반사된 광은 점광원인 레이저가 넓은 공간을 스캐닝하도록 할 수 있다.
위와 같은 공정에 의해서 다층기판(300)이 마이크로 스캐너의 기판(1)이 되는 과정을 설명하였다. 도 15의 기판에서 가운데 부분은 피구동체(30)(55)가 되고 최외각은 고정프레임(10)이 될 수 있고, 내부의 각 부품은 구동부, 힌지부, 연결부, 및 스프링으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 지레증폭 또는 동적증폭을 이용하여 피구동체에 대하여 더 큰 반사각을 저전류로 구현할 수 있다. 이에 따르면 레이저 스캐너의 스캐닝 범위를 크게 할 수 있다.
30, 55: 피구동체
20, 21, 22, 23, 40, 41, 42, 43: 구동부

Claims (8)

  1. 일면에 반사층을 가지는 피구동체;
    상기 피구동체를 가운데에 두는 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수직방향으로 스캔하는 수평축 구동부;
    상기 피구동체를 가운데에 두는 다른 한 쌍의 구동부로 이루어져 상기 피구동체를 수평방향으로 스캔하는 수직축 구동부;
    상기 구동부 각각을 상기 피구동체에 연결하는 제1 연결부, 힌지부 및 제 2 연결부;
    상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부에 각각 다른 전류를 공급하는 전선;
    상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부의 이격되는 상측 또는 하측에 제공되는 자기장 발생부;
    상기 구동부를 지지하는 고정프레임; 및
    상기 구동부와 상기 고정프레임의 사이에 제공되는 적어도 하나의 스프링이 포함되고,
    상기 제 1 연결부 및 제 2 연결부는 평행한 복수의 연결부재로 구성되며,
    상기 힌지부는 2축의 독립적 구동이 가능하도록 마련되며,
    상기 전선이 놓이는 구동부는 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되며,
    상기 제 1 영역의 전선에는 자기장 방향에 평행하도록 전류가 흐르며,
    상기 제 2 영역의 전선에는 자기장 방향에 직교하도록 전류가 흐르며,
    상기 구동부와 상기 피구동체의 회전축은 일치하는
    짐발없는 마이크로 스캐너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전선에 전원을 공급하는 단자를 더 포함하며,
    상기 구동부는 사각형의 형상이며,
    상기 전선은 상기 구동부의 형상에 대응하여 사각형으로 형성되어, 전류는 상기 사각형 형상의 전선을 따라 일방향으로 흐르는
    짐발없는 마이크로 스캐너.
  3. 제 1 항 에 있어서,
    상기 피구동체에서, 상기 반사층이 제공되는 반대면에 제공되는 보강부가 포함되는
    짐발없는 마이크로 스캐너.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 중의 적어도 하나는 V자형인
    짐발없는 마이크로 스캐너.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 구동부 및 상기 다른 한 쌍의 구동부 중의 어느 하나를 이루는 각 구동부에 제공되는 도선은, 상기 자기장 발생부를 이루는 자석의 경계선과, 상측 또는 하측에 정렬되는
    짐발없는 마이크로 스캐너.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전선은, 상기 한 쌍의 구동부, 및 상기 다른 한 쌍의 구동부에, 각각 직렬로 전류를 공급하는
    짐발없는 마이크로 스캐너.
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