KR102658547B1 - 전자기력을 이용하여 동작하는 스캐닝 장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치에 관한 것이다. 스캐닝 장치는, 입사되는 광을 반사하도록 구성된 미러, 상기 미러의 직경 방향의 양단에 연결되며, 상기 직경 방향으로 상기 미러가 회동할 수 있도록 구성된 제1 회전축, 상기 제1 회전축에 연결되며, 상기 제1 회전축을 통해 상기 미러를 지지하도록 구성된 제1 지지부, 상기 미러에 결합되며, 상기 미러의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석, 및 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제1 영구 자석에 대해 발생시키는 제1 전자기장 발생기를 포함한다.

Description

전자기력을 이용하여 동작하는 스캐닝 장치{SCANNING DEVICE OPERATED USING ELECTROMAGNETIC FORCE}
본 개시는 전자기력을 이용하여 동작하는 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력광을 반사시키는 미러에 결합되어 미러의 직경 방향으로 자기화된 영구 자석에 대해 발생된 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치에 관한 것이다.
광소자를 이용하여 광의 출력 및 입력을 실행할 수 있는 스캐닝 장치가 다양한 기술분야에 사용될 수 있다. 스캐닝 장치는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 기술로 구현되어 소형화 및 경량화된 제품으로 출시되고 있으며, 라이다(LIDAR: light detection and ranging) 센서, 전방 표시 장치(head-up display), 스캐닝 프로젝터, 레이저 프린터 등 다양한 응용분야에 이용되고 있다.
스캐닝 장치는, 응용 분야에 따라 설정된 주사 속도(scanning speed), 주사 범위(scanning range), 각 변위(angular displacement) 및 틸팅 각도(tilting angle)를 구현할 수 있는 스캐닝 미러(scanning mirror)를 포함한다. 스캐닝 미러는 입사하는 광선을 1차원 영역 또는 2차원 영역에 주사하여 화상을 결상하거나 데이터를 수집하도록 구성될 수 있다.
스캐닝 장치가 사용되는 라이다(LIDAR) 시스템은 레이저를 대상체에 조사하고, 해당 대상체에서 반사되는 레이저 광을 분석하여 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정할 수 있다. 라이다 시스템에 사용되는 스캐닝 장치는 그 구동 형태에 따라 1축형, 2축형, 또는 회전형으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 1축형 또는 2축형 스캐닝 장치는 전자기력 또는 정전기력을 이용하여 구동되거나, 압전 소자(piezo-electric element) 등을 이용하여 구동될 수도 있다. 또한, 회전형 스캐닝 장치는 모터와 같은 전기-기계적인 장치에 의해 구동될 수 있다. 모터에 의해 구동되는 스캐닝 장치 내에 배치되는 각종 소자들과 전기회로는 회전에 따른 원심력을 지속적으로 받게 되므로, 해당 소자들의 내구성이 떨어질 수 있으며, 이로 인행 특정 방향의 스캐닝 속도가 제한되는 문제가 있다.
최근에는 스캐닝 장치의 소형화 경향에 따라, 반도체 웨이퍼 상에서 금속 물질을 증착하는 MEMS 기술이 적용된 미러(mirror)를 정전기력 또는 전자기력으로 구동하는 방식이 많이 사용된다. 이 경우, 스캐닝 장치의 크기가 제한되기 때문에 MEMS 미러를 구동하기 위한 정전기력 등이 부족할 수 있다. 따라서, MEMS 미러는 작은 힘으로도 고속 구동 가능하도록 상당히 작은 크기로 제작되며, 작은 크기의 미러에 입사된 광을 손실 없이 반사하기 위하여, 해당 미러의 크기 보다 작은 빔의 크기를 가진 광을 생성하기 위한 복잡한 구조의 콜리메이팅 광학계가 요구된다. 또한, MEMS 미러를 이용한 스캐닝 장치의 구조적 제한 때문에, 미러의 구동범위가 제한될 수 있다. 이에 따라 작은 각도 범위에서 미러에 의해 반사되는 광의 조사 범위를 확장하기 위한 추가적인 렌즈(예를 들어, wide angle lens)가 필요할 수 있다. 이러한 MEMS 미러를 이용한 스캐닝 장치의 구조적인 제한들 때문에, 크기가 큰 미러를 포함하는 스캐닝 장치를 제작하기 위해서는 비용이 상당히 증가하는 문제점이 있다.
본 개시는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치는, 입사되는 광을 반사하도록 구성된 미러, 상기 미러의 직경 방향의 양단에 연결되며, 상기 직경 방향으로 상기 미러가 회동할 수 있도록 구성된 제1 회전축, 상기 제1 회전축에 연결되며, 상기 제1 회전축을 통해 상기 미러를 지지하도록 구성된 제1 지지부, 상기 미러에 결합되며, 상기 미러의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석, 및 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제1 영구 자석에 대해 발생시키는 제1 전자기장 발생기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 지지부는, 상기 제1 회전축이 연결되어, 상기 제1 회전축에 연결된 미러를 지지하는 미러 지지부, 및 상기 미러의 하측에 배치된 상기 제1 전자기장 발생기를 수용하는 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝 장치는, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제1 지지부의 양단에 연결되며, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제1 지지부가 회동할 수 있도록 구성된 제2 회전축, 상기 제2 회전축에 연결되며, 상기 제2 회전축을 통해 상기 제1 지지부를 지지하도록 구성된 제2 지지부, 상기 제1 지지부의 하단에 결합되며, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제2 영구 자석, 및 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제2 영구 자석에 대해 발생시키는 제2 전자기장 발생기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 회전축은, 상기 제2 지지부에 대해 회동 가능하게 구성된 베어링, 및 상기 제1 지지부에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드(polyamid) 필름을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전자기장 발생기는, 상기 제1 영구 자석의 표면에 직교하는 중심 축을 갖는 코어, 및 상기 코어에 권선되도록 구성되며, 상기 구동 신호가 인가되는 코일을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝 장치는, 상기 미러를 향해 상기 레이저 광을 조사시키도록 구성된 레이저 광원을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝 장치는, 선택적으로 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제1 영구 자석에 대해 발생시키도록 상기 구동 신호를 생성하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 회전축은 상기 미러에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드 필름으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝 장치는, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제3 영구 자석, 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제3 영구 자석에 대해 발생시키는 제3 전자기장 발생기, 상기 제3 영구 자석과 상기 제1 지지대를 고정적으로 연결하는 연결부, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제1 지지부의 일단에 연결되며, 상기 제1 지지부가 회동할 수 있도록 구성된 제3 회전축, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제3 영구 자석의 일단에 연결되며, 상기 제3 영구 자석이 회동 가능하도록 구성된 제4 회전축, 및 상기 제3 회전축 및 상기 제4 회전축에 연결되어 상기 제3 영구 자석 및 상기 제1 지지대를 지지하도록 구성된 제3 지지부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는, 이상 설명한 다양한 실시예들에 따른 특징을 포함하는 스캐닝 장치, 및 상기 스캐닝 장치로부터 반사된 광이 대상체에 조사된 경우, 상기 대상체에서 반사된 광을 수신하는 수신부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 사용하기 때문에, 기존의 MEMS 미러를 이용하는 스캐닝 장치에 비해 더 큰 구동력을 이용하여 미러를 구동하는 것이 가능하다. 따라서, 스캐닝 장치는 큰 면적의 미러를 고속으로 효율적으로 구동할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 이용하여 1축형 스캐닝 장치를 구현할 수 있다. 따라서, 간단한 제조 공정을 통해 스캐닝 장치의 소형화가 가능하고, 미러를 구동하기 위한 제어 회로를 단순화할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 미러가 회동 가능하도록 미러를 지지부에 연결하는 회전축을 폴리아미드 필름으로 구성할 수 있다. 따라서, 미러에 입사되는 광의 빔 크기가 미러의 크기를 초과하는 경우에도, 미러에 연결된 회전축에 의한 광의 반사를 감소시킬 수 있다. 또한, 미러에 의해서만 광의 반사가 이루어지기 때문에, 광의 빔 크기를 조절하기 위한 콜리메이팅 광학계를 단순화시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 미러를 2축 방향으로 구동하기 위한 스캐닝 장치의 상세 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3는 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치를 2축 방향으로 구동하기 위해 제어기에 의해 생성되는 구동 신호의 예시를 나타내는 그래프이다.
도 4은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 미러를 1축 방향으로 구동하기 위한 스캐닝 장치의 상세 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치에 포함되는 미러 및 미러에 결합된 영구자석의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는, 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치에서 전자기력을 이용하여 미러를 1축 방향으로 구동하는 방법을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 개시에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 개시에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 개시에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
본 개시의 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 개시에서 "A 및/또는 B"의 기재는 A 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.
본 개시의 실시예들을 상술하기에 앞서, 도면의 위쪽은 그 도면에 도시된 구성의"상부" 또는 "상측", 그 아래쪽은 "하부" 또는 "하측"이라고 지칭할 수 있다. 또한, 도면에 있어서 도시된 구성의 상부와 하부의 사이 또는 상부와 하부를 제외한 나머지 부분은 "측부" 또는 "측면"이라고 지칭할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
일 실시예에 따르면, 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치(100)는, 입사되는 광을 반사하도록 구성된 미러(140), 미러(140)의 직경 방향의 양단에 연결되며, 미러(140)가 회동할 수 있도록 지지하는 제1 회전축(142), 및 제1 회전축(142)에 연결되며, 제1 회전축(142)을 통해 미러(140)를 지지하도록 구성된 제1 지지부(120)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 회전축(142)은 미러(140)에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드 필름으로 구성될 수 있다. 또한, 스캐닝 장치(100)는, 구동 신호에 따라 미러(140)를 향한 전자기력 또는 미러(140)에 대향하는 전자기력을 발생시키는 제1 전자기장 발생기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
미러(140)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석(미도시)이 결합될 수 있다. 또한, 제1 전자기장 발생기는, 제1 지지부(120)의 개구부 내에서 미러(140)의 하측에 배치될 수 있다. 이 구성에서, 제1 전자기장 발생기는, 제어기(미도시)로부터 입력되는 구동 신호에 따라 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석을 향해 전자기력을 발생시키거나, 제1 영구 자석에 대향하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 즉, 제1 전자기장 발생기는, 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 제1 영구 자석을 향해 발생시킬 수 있다. 그 결과, 미러(140)는 제1 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
스캐닝 장치(100)는, 레이저 광과 같은 광을 생성하도록 구성된 광원(112)을 더 포함할 수 있다. 광원(112)이 미러(114)를 향해 광을 조사하면, 미러(114)에 의해 반사된 광이 미러(140)의 적어도 일부 표면에 조사될 수 있다. 이상 설명한 바에 따라 전자기력에 의해 구동하는 미러(140)는, 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 미러(140)의 표면에 조사된 광을 일정한 각도 범위(a) 내에서 외부 객체(예를 들어, 라이다 시스템에서 거리 측정 대상체)를 향해 조사할 수 있다. 이상 설명된 구성을 갖는 스캐닝 장치(100)는, 1축형 스캐닝 장치로서 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝 장치(100)는, 미러(140)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 제1 지지부(120)의 양단에 연결되며, 미러(140)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 제1 지지부(120)가 회동할 수 있도록 지지하는 제2 회전축(130), 및 제2 회전축(130)에 연결되며, 제2 회전축(130)을 통해 제1 지지부(120)를 지지하도록 구성된 제2 지지부(110)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 회전축(130)은, 제2 지지부(110)에 대해 회동 가능하게 구성된 베어링, 및/또는 제1 지지부(120)에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드(polyamid) 필름(132)을 포함할 수 있다.
제1 지지부(120)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제2 영구 자석(160)이 결합될 수 있다. 또한, 스캐닝 장치(100)는, 구동 신호에 따라 제2 영구 자석(160)을 향한 전자기력 또는 제2 영구 자석(160)에 대향하는 전자기력을 발생시키는 제2 전자기장 발생기(180)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 전자기장 발생기(180)는, 제2 지지부(110)의 개구부 내에서 미러(160)의 하측에 배치될 수 있다. 이 구성에서, 제2 전자기장 발생기(180)는, 제어기로부터 입력되는 구동 신호에 따라 제1 지지대(120)의 하단에 결합된 제2 영구 자석(160)을 향해 전자기력을 발생시키거나, 제2 영구 자석(160)에 대향하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 즉, 제2 전자기장 발생기는, 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 제2 영구 자석을 향해 발생시킬 수 있다. 그 결과, 제1 지지대(160)는 제2 회전축(130)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
이상 설명한 바에 따라 전자기력에 의해 구동하는 미러(140)는 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 동시에, 전자기력에 의해 구동하는 제1 지지대(120)는 회전축(130)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 미러(140)의 표면에 조사된 광을 일정한 각도 범위(a) 내에서 외부 객체(예를 들어, 라이다 시스템에서 거리 측정 대상체)를 향해 조사할 수 있다. 이상 설명된 구성을 갖는 스캐닝 장치(100)는, 2축형 스캐닝 장치로서 동작할 수 있다.
이상 실시예들에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 사용하기 때문에, 기존의 MEMS 미러를 이용하는 스캐닝 장치에 비해 더 큰 구동력을 이용하여 미러를 구동하는 것이 가능하다. 따라서, 스캐닝 장치는 큰 면적의 미러를 고속으로 효율적으로 구동할 수 있다.
또한, 이상 실시예들에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 이용하여 1축형 스캐닝 장치를 간단한 제조 공정을 통해 구현할 수 있다. 또한, 스캐닝 장치가 간단한 미러 구동 구조를 이용하기 때문에 스캐닝 장치의 소형화가 용이하고, 미러를 구동하기 위한 제어 회로를 단순화할 수 있다.
이상 실시예들에 따르면, 미러가 회동 가능하도록 미러를 지지부에 연결하는 회전축을 폴리아미드 필름으로 구성할 수 있다. 일반적으로, 폴리아미드는 기존 MEMS 미러에 사용되는 금속 재질(예를 들어, 알루미늄, 니켈 등)의 구성요소들에 비하여 광의 반사도 매우 낮다. 따라서, 미러에 입사되는 광의 빔 크기가 미러의 크기를 초과하는 경우에도, 미러에 연결된 회전축에 의한 광의 반사를 감소시킬 수 있다. 또한, 미러에 의해서만 광의 반사가 이루어지기 때문에, 광의 빔 크기를 조절하기 위한 콜리메이팅 광학계를 단순화시킬 수 있다.
도 2은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 미러를 2축 방향으로 구동하기 위한 스캐닝 장치의 상세 구성을 나타내는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 미러(140)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석(미도시)이 결합될 수 있다. 또한, 제1 지지부(120)의 개구부 내에서 미러(140)의 하측에 배치된 제1 전자기장 발생기(150)는, 제어기(210))로부터 입력되는 구동 신호에 따라 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석을 향해 전자기력을 발생시키거나, 제1 영구 자석에 대향하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 미러(140)는 제1 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 여기서, 제어기(210))로부터 제1 전자기장 발생기(150)로 입력되는 구동 신호는 주파수가 비교적 높은 사인파의 구동 신호(이하 “FAST축 구동신호”라고도 지칭함)일 수 있다.
한편, 제1 지지부(120)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제2 영구 자석(160)이 결합될 수 있다. 또한, 제2 지지부(110)의 개구부 내에서 미러(160)의 하측에는, 구동 신호에 따라 제2 영구 자석(160)을 향한 전자기력 또는 제2 영구 자석(160)에 대향하는 전자기력을 발생시키는 제2 전자기장 발생기(180)가 배치될 수 있다. 이 구성에서, 제2 전자기장 발생기(180)는, 제어기(210)로부터 입력되는 구동 신호에 따라 제1 지지대(120)의 하단에 결합된 제2 영구 자석(160)을 향해 전자기력을 발생시키거나, 제2 영구 자석(160)에 대향하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 제1 지지대(160)는 제2 회전축(130)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 여기서, 제어기(210))로부터 제2 전자기장 발생기(180)로 입력되는 구동 신호는 주파수가 비교적 낮은 사인파의 구동 신호(이하 “SLOW축 구동신호”라고도 지칭함)일 수 있다.
이상 설명한 바에 따라 전자기력에 의해 구동하는 미러(140)는 회전축(142)을 중심으로 작은 주기로(즉, 높은 주파수로) 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 동시에, 전자기력에 의해 구동하는 제1 지지대(120)는 회전축(130)을 중심으로 보다 큰 주기로(즉, 작은 주파수로) 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 미러(140)의 표면에 조사된 광을 일정한 각도 범위(a) 내에서 외부 객체(예를 들어, 라이다 시스템에서 거리 측정 대상체)를 향해 조사할 수 있다. 이상 설명된 구성을 갖는 스캐닝 장치(100)는, 2축형 스캐닝 장치로서 동작할 수 있다.
도 3는 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치를 2축 방향으로 구동하기 위해 제어기에 의해 생성되는 구동 신호의 예시를 나타내는 그래프이다.
스캐닝 장치의 제어기(예를 들어, 도 2의 제어기(210))는, 제1 전자기장 발생기(예를 들어, 도 2의 제1 전자기장 발생기(150))로 높은 주파수를 갖는 사인파의 구동 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어기는 높은 주파수를 갖는 사인파(320)인 FAST축 구동 신호를 제1 전자기장 발생기에 제공함으로써, 해당 주파수에 따라 제1 전자기장 발생기가 미러의 일면에 결합된 영구자석을 향해 발생시키는 전자기장(또는 전자기력)의 발생 방향을 변경시킬 수 있다. 그 결과, 미러는 제1 회전축(예를 들어, 도 2의 제1 회전축(142))을 중심으로 구동 신호의 주파수에 따라 회전 방향을 시계 방향 또는 반시계 방향으로 변경할 수 있다.
한편, 스캐닝 장치의 제어기는, 제2 전자기장 발생기(예를 들어, 도 2의 제2 전자기장 발생기(180))로 낮은 주파수를 갖는 사인파의 구동 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어기는 사인파(320) 보다 낮은 주파수를 갖는 사인파(310)인 SLOW축 구동 신호를 제2 전자기장 발생기에 제공함으로써, 해당 주파수에 따라 제2 전자기장 발생기가 제1 지지대(예를 들어, 도 2의 제1 지지대(120))의 하단에 결합된 제2 영구 자석(예를 들어, 도 2의 제2 영구 자석(160))을 향해 향해 발생시키는 전자기장(또는 전자기력)의 발생 방향을 변경시킬 수 있다. 그 결과, 제1 지지대는 제2 회전축(예를 들어, 도 2의 제2 회전축(130))을 중심으로 구동 신호의 주파수에 따라 회전 방향을 시계 방향 또는 반시계 방향으로 변경할 수 있다.
일 실시예에서, 스캐닝 장치의 제어기가 제1 전자기장 발생기 및 제2 전자기장 발생기 각각에 제공하는 사인파(320, 310)의 구동 신호는 각각 아래 수식 1 및 2에 의해 표현될 수 있다.
- 수식 1:
- 수식 2:
여기서, x는 위상값이며, a는 SLOW축 구동신호에 대한 FAST축 구동신호의 주파수 배율을 나타낼 수 있다.
다른 실시예에서, 스캐닝 장치의 제어기가 제1 전자기장 발생기 및 제2 전자기장 발생기 각각에 제공하는 사인파(330, 310)의 구동 신호는 각각 아래 수식 3 및 위에서 설명한 수식 2에 의해 표현될 수 있다.
- 수식 3:
여기서, s는 FAST축 구동 신호에 반영되는 SLOW축 구동 신호의 크기(amplitude)의 비율을 나타내며, d는 FAST축 구동 신호에 반영되는 SLOW축 구동 신호의 지연 시간을 나타낼 수 있다. 이와 같이 스캐닝 장치의 제어기가 제1 전자기장 발생기 및 제2 전자기장 발생기 각각에 제공하는 사인파(330, 310)의 구동 신호를 설정함으로써, 도 1 및 도 2와 같이 2개의 전자기장 발생기를 상하로 수직 적층하는 구조에서 발생할 수 있는 전자기장들 사이의 상호 간섭 효과를 억제할 수 있다.
도 4은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 미러를 1축 방향으로 구동하기 위한 스캐닝 장치의 상세 구성을 나타내는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 제1 지지대(120)에 제1 회전축(142)을 통해 회동 가능하게 지지되는 미러(140)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석(144)이 결합될 수 있다. 또한, 제1 지지부(120)의 개구부 내에서 미러(140)의 하측에 배치된 제1 전자기장 발생기(150)는, 제어기로부터 입력되는 구동 신호에 따라 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석(144)을 향해 극성이 변화되는 전자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 미러(140)는 제1 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 전자기장 발생기(150)는, 제1 영구 자석(144)의 표면에 직교하는 중심 축을 갖는 코어(152), 및 코어(152)에 권선되도록 구성되며, 제어기로부터 전송되는 구동 신호가 인가되는 코일(154)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치에 포함되는 미러 및 미러에 결합된 영구자석의 구성을 나타내는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 제1 지지대에 제1 회전축(142)을 통해 회동 가능하게 지지되는 미러(140)의 하단에는, 미러(140)의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석(144)이 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 영구 자석(144)는, 미러(140)의 직경 방향의 선을 중심으로 제1 측면의 부분은 S극으로 자기화되어 있고, 제1 측면에 대향하는 제2 측면의 부분은 N극으로 자기화될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는, 본 개시의 일 실시예에 따른 스캐닝 장치에서 전자기력을 이용하여 미러를 1축 방향으로 구동하는 방법을 예시하는 도면이다.
도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 제1 전자기장 발생기(150)에 사인파 전류 신호를 인가하는 경우, 제1 전자기장 발생기(150)의 코일(154)에 권선된 코어(152)의 중심축 방향으로 극성이 변경되는 전자기장이 생성될 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 전자기장 발생기(150)의 코어(152)로부터 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석(144)을 향해 N의 극성을 갖는 전자기장이 형성되면, 제1 영구 자석(144)의 N극으로 자기화된 부분은 제1 전자기장 발생기(150)로부터 멀어지는 방향으로 회동할 수 있다. 반대로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 전자기장 발생기(150)의 코어(152)로부터 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석(144)을 향해 S의 극성을 갖는 전자기장이 형성되면, 제1 영구 자석(144)의 S극으로 자기화된 부분은 제1 전자기장 발생기(150)로부터 멀어지는 방향으로 회동할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 미러(140)의 하측에 배치된 제1 전자기장 발생기(150)는, 제어기로부터 입력되는 구동 신호에 따라 미러(140)의 하단에 결합된 제1 영구 자석(144)을 향해 극성이 변화되는 전자기장을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 변화되는 전자기장의 극성에 따라, 미러(140)는 제1 회전축(142)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 교번하며 회전할 수 있다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예에 따른 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
일 실시예에서, 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치(600)는, 입사되는 광을 반사하도록 구성된 미러(740), 미러(740)의 직경 방향의 양단에 연결되며, 미러(740)가 회동할 수 있도록 지지하는 제1 회전축(742), 및 제1 회전축(742)에 연결되며, 제1 회전축(742)을 통해 미러(740)를 지지하도록 구성된 제1 지지부(720)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 회전축(742)은 미러(740)에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드 필름으로 구성될 수 있다. 또한, 스캐닝 장치(700)는, 구동 신호에 따라 미러(740)를 향한 전자기력 또는 미러(740)에 대향하는 전자기력을 발생시키는 제1 전자기장 발생기(750)를 더 포함할 수 있다.
미러(740)의 하단에는, 미러(740)의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석(미도시)이 결합될 수 있다. 또한, 제1 전자기장 발생기(750)는, 제1 지지부(720)의 개구부 내에서 미러(740)의 하측에 배치될 수 있다. 이 구성에서, 제1 전자기장 발생기(750)는, 제어기(미도시)로부터 입력되는 구동 신호에 따라 미러(740)의 하단에 결합된 제1 영구 자석을 향해 변경되는 극성을 갖는 전자기장을 발생시킬 수 있다. 변경되는 극성을 갖는 전자기장에 따라, 미러(740)는 제1 회전축(742)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
이상 설명한 바에 따라 전자기력에 의해 구동하는 미러(740)는, 회전축(742)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 미러(740)의 표면에 조사된 광을 일정한 각도 범위 내에서 외부 객체(예를 들어, 라이다 시스템에서 거리 측정 대상체)를 향해 조사할 수 있다. 이상 설명된 구성을 갖는 스캐닝 장치(700)는, 1축형 스캐닝 장치로서 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 스캐닝 장치(700)는, 미러(740)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 제1 지지부(720)의 일단에 연결되며, 미러(740)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 제1 지지부(720)가 회동할 수 있도록 지지하는 제3 회전축(712)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제3 회전축(712)은, 제1 지지부(720)에 대해 회동 가능하게 구성된 베어링, 및/또는 제1 지지부(720)에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 스프링 또는 폴리아미드(polyamid) 필름을 포함할 수 있다.
또한, 스캐닝 장치(700)는, 미러(740)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제3 영구 자석(760), 구동 신호에 따라 상기 제3 영구 자석(760)을 향한 전자기력 또는 제3 영구 자석(760)에 대향하는 전자기력을 발생시키는 제3 전자기장 발생기(780)을 더 포함할 수 있다. 제3 영구 자석(760)과 제1 지지대(720)은 원통형 또는 막대 형태의 연결부(790)를 통해 상호 고정적으로 연결될 수 있다.
제3 영구 자석(760)의 일단은, 미러(740)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 회동 가능하도록, 제4 회전축(714)를 통해, 제3 지지부(710)에 연결될 수 있다. 즉, 제3 지지부(710)는, 제3 회전축(712) 및 제4 회전축(714)를 통해, 제3 영구 자석(760) 및 제1 지지대(720)를 지지하도록 구성될 수 있다.
이상 설명한 바에 따라 전자기력에 의해 구동하는 미러(740)는 회전축(742)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 동시에, 전자기력에 의해 구동하는 제1 지지대(720)는 회전축(712, 714)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 미러(740)의 표면에 조사된 광을 일정한 각도 범위 내에서 외부 객체(예를 들어, 라이다 시스템에서 거리 측정 대상체)를 향해 조사할 수 있다. 이상 설명된 구성을 갖는 스캐닝 장치(700)는, 2축형 스캐닝 장치로서 동작할 수 있다.
이상 실시예들에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 사용하기 때문에, 기존의 MEMS 미러를 이용하는 스캐닝 장치에 비해 더 큰 구동력을 이용하여 미러를 구동하는 것이 가능하다. 따라서, 스캐닝 장치는 큰 면적의 미러를 고속으로 효율적으로 구동할 수 있다.
또한, 이상 실시예들에 따르면, 미러의 일 측면에 결합된 영구 자석에 대해 극성이 변경되는 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기를 이용하여 1축형 스캐닝 장치를 간단한 제조 공정을 통해 구현할 수 있다. 또한, 스캐닝 장치가 간단한 미러 구동 구조를 이용하기 때문에 스캐닝 장치의 소형화가 용이하고, 미러를 구동하기 위한 제어 회로를 단순화할 수 있다.
이상 실시예들에 따르면, 미러가 회동 가능하도록 미러를 지지부에 연결하는 회전축을 폴리아미드 필름으로 구성할 수 있다. 일반적으로, 폴리아미드는 기존 MEMS 미러에 사용되는 금속 재질(예를 들어, 알루미늄, 니켈 등)의 구성요소들에 비하여 광의 반사도 매우 낮다. 따라서, 미러에 입사되는 광의 빔 크기가 미러의 크기를 초과하는 경우에도, 미러에 연결된 회전축에 의한 광의 반사를 감소시킬 수 있다. 또한, 미러에 의해서만 광의 반사가 이루어지기 때문에, 광의 빔 크기를 조절하기 위한 콜리메이팅 광학계를 단순화시킬 수 있다.
이상 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 다양한 실시예들에 따른 스캐닝 장치는, 라이다(LIDAR) 센서 또는 라이다 스캐닝 장치, 전방 표시 장치(head-up display), 스캐닝 프로젝터, 레이저 프린터 등 다양한 응용분야에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시의 실시예들에 따른 스캐닝 장치가 라이다 스캐닝 장치에 사용되는 경우, 해당 라이다 스캐닝 장치는, 스캐닝 장치로부터 반사된 광이 대상체에 조사된 경우, 대상체에서 반사된 광을 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다. 라이다 스캐닝 장치는, 수신부를 통해 수신된 광을 분석하여 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 개시의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 이를 기초로 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 개시의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 개시를 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 개시의 권리범위 내에 포함된다 할 것이다.
100: 스캐닝 장치
110: 제2 지지부
112: 광원
114: 미러
120: 제1 지지부
130: 제2 회전축(베어링)
132: 폴리아미드 필름
140: 미러
142: 제1 회전축
150: 제1 전자기장 발생기
160: 제1 영구 자석
180: 제2 전자기장 발생기
210: 제어기

Claims (10)

  1. 전자기력을 이용하여 구동하는 스캐닝 장치에 있어서,
    입사되는 광을 반사하도록 구성된 미러;
    상기 미러의 직경 방향의 양단에 연결되며, 상기 직경 방향으로 상기 미러가 회동할 수 있도록 구성된 제1 회전축;
    상기 제1 회전축에 연결되며, 상기 제1 회전축을 통해 상기 미러를 지지하도록 구성된 제1 지지부;
    상기 미러에 결합되며, 상기 미러의 직경 방향으로 자기화된 제1 영구 자석;
    제1 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제1 영구 자석에 대해 발생시키는 제1 전자기장 발생기;
    상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제1 지지부의 양단에 연결되며, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 상기 제1 지지부가 회동할 수 있도록 구성된 제2 회전축;
    상기 제2 회전축에 연결되며, 상기 제2 회전축을 통해 상기 제1 지지부를 지지하도록 구성된 제2 지지부;
    상기 제1 지지부의 하단에 결합되며, 상기 미러의 직경 방향에 직교하는 방향으로 자기화된 제2 영구 자석;
    제2 구동 신호에 따라 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제2 영구 자석에 대해 발생시키는 제2 전자기장 발생기; 및
    선택적으로 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제1 영구 자석에 대해 발생시키도록 상기 제1 구동 신호를 생성하고, 선택적으로 극성이 변경되는 전자기장을 상기 제2 영구 자석에 대해 발생시키도록 상기 제2 구동 신호를 생성하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제1 회전축은 상기 미러에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 폴리아미드 필름으로 구성되고,
    상기 제2 회전축은 상기 제1 지지부에 복원력 토크를 제공하도록 구성된 폴리아미드 필름으로 구성되고,
    상기 제1 전자기장 발생기는 상기 제1 지지부의 개구부 내에서 상기 미러의 하측에 배치되고,
    상기 제2 전자기장 발생기는 상기 제2 지지부의 개구부 내에서 상기 미러의 하측에 배치되고,
    상기 제1 구동 신호의 주파수는 상기 제2 구동 신호의 주파수보다 높고,
    상기 제1 구동 신호는 상기 제2 구동 신호의 크기(amplitude)의 비율 및 상기 제2 구동 신호의 지연 시간에 기초하여 결정되는, 스캐닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지부는,
    상기 제1 회전축이 연결되어, 상기 제1 회전축에 연결된 미러를 지지하는 미러 지지부; 및
    상기 미러의 하측에 배치된 상기 제1 전자기장 발생기를 수용하는 개구부를 포함하는, 스캐닝 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 회전축은,
    상기 제2 지지부에 대해 회동 가능하게 구성된 베어링을 포함하는, 스캐닝 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자기장 발생기는,
    상기 제1 영구 자석의 표면에 직교하는 중심 축을 갖는 코어; 및
    상기 코어에 권선되도록 구성되며, 상기 제1 구동 신호가 인가되는 코일을 포함하는, 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미러를 향해 레이저 광을 조사시키도록 구성된 레이저 광원
    을 더 포함하는, 스캐닝 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 따른 스캐닝 장치; 및
    상기 스캐닝 장치로부터 반사된 광이 대상체에 조사된 경우, 상기 대상체에서 반사된 광을 수신하는 수신부
    를 포함하는 라이다 스캐닝 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140247440A1 (en) * 2011-11-30 2014-09-04 Sanyo Electric Co., Ltd. Mirror actuator, beam irradiation device, and laser radar
US20160033761A1 (en) * 2014-07-31 2016-02-04 Funai Electric Co., Ltd. Scanner apparatus
JP2020115217A (ja) * 2020-03-24 2020-07-30 国立大学法人福井大学 ２次元光走査ミラー装置、２次元光走査装置及び画像投影装置

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