KR20070117436A

KR20070117436A - 레이저 프린터에 사용되는 ｍｅｍｓ 스캐너

Info

Publication number: KR20070117436A
Application number: KR1020067018626A
Authority: KR
Inventors: 랜달 비. 스프라규; 야트 오. 데이비스; 딘 알. 브라운; 요시로 고가; 노부마사 아베; 유지로 노무라
Original assignee: 마이크로비젼, 인코퍼레이티드; 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2007-12-12
Also published as: CN101002131A; WO2005078507A1; EP1723460A1; JP2007526506A; EP1723460B1; JP4528787B2; CN100492096C; KR101091129B1

Abstract

포토컨덕터에 광 빔을 스캔하도록 가동하는 MEMS 스캐너가 있는 노출 유닛을 포함하는 전자사진 프린터. MEMS 스캐너(302)에는 종래의 회전 다각형 스캐너의 마면 모양과 유사한 종횡비를 가지는 미러(304)가 포함되어 있다. 양호한 실시예에서, 상기 스캔 미러(304)는 그 회전 축에 평행한 차원으로 약 750 마이크론의 길이와 그 회전축에 수직한 차원으로 약 8 밀리미터의 길이를 가지고 있다. MEMS 스캐너(302)는 약 5KHz 의 주파수 및 약 20도의 제로에서부터 피크까지의 기계적 스캔 각도의 각 변위로 스캔하도록 가동한다.

MEMS 스캐너

Description

레이저 프린터에 사용되는 ＭＥＭＳ 스캐너{MEMS SCANNER ADAPTED TO A LASER PRINTER}

(관련출원)

본 출원은 2004년 2월 9일 야트 오.데이비스(Wyatt O. Davis) 등이 발명자인 발명의 명칭이 "MEMS SYSTEM ADAPTED TO A LASER PRINTER" 인 공동 계류중인 미국 특허출원 제60/542,896호의 우선권을 주장한다.

본 출원은 야트 오. 데이비스 등이 발명자인 2004년 11월 12일 출원번호 제10/986,640호로 출원된 발명의 명칭이 "HIGH PERFORMANCE MEMS SCENNER"; 켈리 디. 린덴(Kelly D. Linden) 등이 발명자인 2004년 11월 12일 출원번호 제10/986,635호로 출원된 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR MAKING A MEMS SCANNER"; 및 그레고리 티.깁슨(Gregory T.Gibson) 등이 발명자인 2004년 11월 12일 출원번호 제10/988,155호로 출원된 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR APPARATUS FOR SCANNING A BEAM OF LIGHT" 와 관련된다.

본 발명은 멤스(MEMS:Microelectrinironical System)에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로, 레이저 프린터에 관한 것 이다.

전자사진, 컴퓨터 제어 프린터가 사무실, 공장, 프린트점, 복사점 및 가정에 서 어디든지 사용되고 있다. 전자사진 프린터는 토너를 무지 종이에 전사하고 그리고 열, 압력 및/또는 다른 부착 기술을 통해 그 토너를 녹이는 것으로 동작한다. 전사된 토너의 패턴이 글자, 그래픽 이미지 등을 형성한다.

전자사진이란 용어는, 종종 주사된 레이저 빔이 되는 변조된 광을 사용하여 드럼이나 벨트와 같은 광도전형(photoconductive) 운반 매체상에 숨은 이미지(latent image)를 만드는 것을 의미한다. 상기 숨은 정전기 이미지는 변조된 광에 노출되는 것에 응답하여 상기 포토컨덕터의 순간적인 전기적 전도성에 의해 형성된다. 상기 순간적인 전도성은 표면 전하가 상기 포토컨덕터를 통해 상기 변조된 광 노출에 대응하는 위치에서 바이어스 전압에서 유지되는 도전체로 방전되게 한다.

도 1은 전자사진 프린터의 주요 특징을 설명하는 다이어그램이다. 광도전형 드럼(102)이 자신의 표면상에 충분히 균일하게 정전 전하를 놓는 충전 또는 감광 스테이션(104)을 지나 회전한다. 이미징 모듈(106)은 포토컨덕터(102)의 표면상에 선택적으로 광을 변조시킨다. 이것은 광을 수신하는 스폿(spot) 내의 정전 전하가 상기 광도전성층을 통해 상기 포토컨덕터 표면의 뒷면의 도전층으로 방전되게 한다. 방전된 그리고 비-방전된 스폿의 패턴이 숨은 정전기 이미지 또는 숨은 이미지로서 나타난다.

전자사진 프린터는 흑 또는 백을 쓰기 위해 만들어 진다. 흑이 쓰여지는 시스템에서는, 토너 전하는 포토컨덕터 뒷면 도전층 바이어스 전압에는 끌리고 포토컨덕터 표면상에 증착된 감광제 정전하에는 밀리도록 선택된다. 따라서, 인쇄된 페이지의 블랙 영역에 대응하는 변조된 광에 의해 스폿이 “쓰여진다”.

일단 정전기 숨은 이미지가 형성되면, 포토컨덕터(102) 반대로 대전된 토너가 있는 현상제쪽으로 더 회전하여 미세하게 형성되는 건조 입자가 그 숨은 이미지에 대응하는 패턴내의 포토컨덕터의 표면상에 이끌려 증착된다. 포토컨덕터(102)가 전사 지점으로 더 회전하면, 패턴된 토너는 종이(112)로 전사되는데, 코로트론(corotron) 또는 스코로트론(scorotron) 형태의 코로나 와이어(corona wire) 등의 정전기 인력 소자(110)가 사용되곤 한다.

토너가 헐렁하게 부착되는 종이(112)가, 일반적으로 열과 압력의 조합을 통해 열플라스틱 토너 입자들이 종이에 영구적으로 붙도록 해서 튼튼한 이미지가 형성되도록 하는 퓨징 스테이션(fusing station)을 통해 공급된다.

토너의 전사 작업 후에는, 포토컨덕터 매체(102)는 방전 램프(116) 및 클리너(118)를 지나 회전하고, 감광기 즉, 충전기(104)쪽으로 회전함에 따라 이 절차를 반복한다.

여러 프린터에서는, 발광 다이오드(LED), 액정셔터(LCS), 진공 형광등, 및 다른 타입의 배열된 광 변조기 기록 헤드들이 상기 포토컨덕터상에 광을 변조시키기 위해 사용되어 왔다. 일반적으로는, 스캔된 레이저 빔 노출 또는 이미징 모듈들은 비용, 속도, 성능 및 내구성의 적절한 균형으로 인해 종래 기술에서는 선호되어왔다. 스캔된 레이저 빔을 사용하여 포토컨덕터 매체의 표면상에 광 변조를 제공하는 전자사진 프린터가 레이저빔 프린터 즉, LBP로서 자주 선호되었다.

도 2는 회전하는 정다각형 빔 스캐너가 있는 종래 기술에 따라 만들어진 LBP의 일반적인 구조를 설명하고 있다. 포토컨덕터의 감도와 매치하는 파장을 가지는 레이저 다이오드(202)(유기체 포토컨덕터의 경우에는 적외부로 불림)를 이미지 신호로 변조한다. 빔-형성 광학장치(204)가 원하는 모양과 궤적을 가지는 레이저 빔을 만든다. 레이저 빔은 회전 정다각형 미러(206)에서 반사되고 광학 소자(208)를 통해 포토컨덕터(102)를 스캔한다. 노출 모듈(106)의 고안은 회전 정다각형(206)의 반사 마면(210a,20b 등)이 도달하는 빔이 편향 각도에 걸쳐 반사됨에 따라 각각의 미러 표면을 스윕하게 하여 회전 중심의 앞에 놓이게 되고, 편향 각도는 포토컨덕터(102)를 지나가기에 충분하다.

스캔된 레이저 빔 노출 모듈과 만나는 것이 어려다는 것은, 레이저 빔을 스캔하는데 사용되는 기술을 언급한다. 가장 최근에는, 회전 정다각형 미러가 사용되어 오고 있다. 회전 정다각형 미러는 상대적으로 큰 질량, 진행하기에 느린 램-업, 큰 크기, 잡음 , 베어링 신뢰성 이슈, 상대적으로 큰 소비전력, 및 다른 단점들이 있다.

(개 요)

개시된 바에 따른 다양한 측면들은 MEMS 스캐너 및 전자사진 프린터 노출 유닛 내의 MEMS 레이저 빔 스캐너의 사용과 관련이 된다. 그러한 접근법은 회전 정다각형 노출 유닛과 비교할 때, 감소된 질량 및 크기, 더 빠른 시작, 감소된 소음, 더 높은 안정성이 나타나게 한다.

본 발명의 여러 측면에 따르면, MEMS 레이저 빔 스캐너는 미러 크기, 스캔 각도, 스캔 주파수, 및 미러 평탄도 등을 포함하는 다양한 물리적이고 작동상의 특성을 가지면서 만들어지며, 특히, 전자사진 프린터 노출 유닛에 매우 적합하다. 스캐닝 축을 가로지르는 연장된 길이를 가지는 MEMS 미러는, 노출 모듈 광학 디자인으로 상당한 변경을 하지 않고도 회전 정다각형으로 대체될 수 있다.

당업자에게는 본 발명의 여러 측면들은 첨부된 도면의 간단한 설명, 상세한 설명, 특허청구범위 및 그림을 참고하면 분명하게 될 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 일반적인 전자사진 프린터의 주요 성분들을 설명하는 다이어그램,

도 2는 종래 기술에 따라 만들어진 회전 정다각형 스캐너가 있는 LBP 의 도식도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 만들어진 MEMS 스캐너의 도면,

도 4는 도 3의 MEMS 스캐너의 다이내믹 응답을 설명하는 그래프,

도 5는 제조시에 실리콘 웨이퍼상에 도 3의 다수의 MEMS 장치가 어떻게 배열될 수 있는지를 보여주는 도면,

도 6은 도 3의 MEMS 스캐너를 장착하기 위한 장착 클램프의 개략도,

도 7은 도 6의 액추에이터를 형성하기 위해 사용되는 압전 스택의 상세도,

도 8은 LBP에서 사용되는 MEMS 스캐너 패키지의 전면 사시도,

도 9는 도 8의 MEMS 스캐너 패키지의 추가적인 두 개의 사시도이다.

(발명의 상세한 설명)

도 3은 LBP 에 사용되는 MEMS 스캐너(302)를 설명하고 있다. 본 명세서에 도시된 예시적인 실시예는 분당 40페이지(ppm) 및 인치당 1200 돗트(dpi) LBP 와 관련되는 것이다. MEMS 스캐너(302)는 공지되어 있는 벌크 마이크로머시닝 기술을 사용하여 단일-크리스탈 실리콘으로 포토리소그래픽으로 형성된다. 미러 표면이 있는 스캔 플레이트(304)은 각자의 현가 빔(308a,308b)을 통해 한 쌍의 토션 암(306a,306b)과 결합되어 있다. 토션 암(306a,306b)은 스캔 플레이트(304)과 현가 빔(308a,308b)이 회전하는 회전축선(310)이 된다. 현가 빔(308a,308b)은 상기 미러 표면이 상대적으로 평평함을 유지하도록 도와주는데, 특히 스캔 플레이트(304) 표면에 걸쳐 토션 암(306a,306b)에 의해 유도되는 토크 부하를 확산시킴으로서 λ/4 이내로 유지하도록 한다.

현가 빔(308)은 각자의 외부(측면) 커넥터(316a,316b,316c,316d) 및 각자의 축 커넥터(318a,318b)에 의해 스캔 플레이트(304)과 결합된다. 둘이 결합하여, 서스펜션 소자(308a,316a,316b,318a)가 제1 토션 암(306a)과 스캔 플레이트(304) 사이의 제1 서스펜션 결합을 형성한다. 마찬가지로, 서스펜션 소자(308b,316c,316d,318b)는 제2 토션 암(306b)과 스캔 플레이트(304) 사이의 제2 서스펜션 결합을 형성한다.

미러 표면은 금속, 적층된 유전체 또는 다른 공지된 기술을 사용하여 스캔 플레이트(304)의 표면상에 형성될 수 있다. 알루미늄을 사용하여 적색 및 적외선 파장(약 825 나노미터 파장에서 국부적으로 최소임)에서 약 85% 보다도 큰 반사도를 가지는 미러를 형성할 수 있다. 금이나 은을 사용하여 적색 및 적외선 파장에 서 약 90% 내지 95% 보다도 큰 반사도를 가지는 미러를 형성할 수 있다. 적층된(1/4 파장 같은) 유전체 반사기는 넓은 범위의 파장에 걸쳐 매우 높은 반사도를 구현할 수 있다.

토션 암(306a,306b)는 각자의 "T-바"(312a,312b)에서 끝난다. T-바(312a,312b)는, 도시된 바와 같이, 각자의 마운팅 패드(314a,314b 및 314c,314d)와 연결된다. 서로 합쳐져서, T-바(312a)와 마운팅 패드(314a,314b)는 토션 암(306a)을 지지 구조물(도시하지 않음)와 연결시키는 제1 장착 구조를 구성한다. 마찬가지로, T-바(312b)와 마운팅 패드(314c,314d)는 토션 암(306b)을 지지 구조물(도시하지 않음)과 연결시키는 제2 장착 구조를 형성한다. 선택적인 실시예에서, 장착 구조는 예를 들면 한 쌍의 직사각형 마운팅 패드를 포함하여 다른 형태가 될 수도 있으며, 각각은 각자의 토션 암과 직접 연결된다. 선택적으로, 프레임 타입의 장착 구조를 스캔 플레이트(304)과 토션 암(306a,306b) 주변에 형성할 수도 있다. 도 3의 예시적인 실시예에서는, 웨이퍼당 더 많은 장치들을 넣을 수 있고, 감소된 다이내믹 스트레스를 가지며, 각각의 마운팅 패드가 액추에이터에 결합될 수 있게 하고, 마운팅 패드(314)를 서로에 대해 상대적으로 "떠있게"할 수 있는 등의 장점들을 가질 수 있어서 MEMS 스캐너에 남아있는 스트레스를 줄여준다.

마운팅 패드(314a,314b,314c,314d)를 하우징에 장착하는 경우에는, 액추에이터(도시하지 않음)로의 전력의 주기적인 공급은 미러(304)가 토션 암(306a,306b)에 의해 정의되는 회전축(310)에 대해 앞뒤로 주기적으로 회전하게끔 만든다.

스캔 플레이트(304)는 길이가 약 8 밀리미터(회전축(310)에 수직 방향으로) 이고 폭은 750 마이크로미터(회전축(310)에 나란한 방향으로)가 되도록 형성된다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 스캔 플레이트(및 그 위에 형성된 미러)은 그 길이방향이 측면 치수에 대해 약 10.67 배가 된다.

적절한 신호(네 개의 액추에이터를 위해서는 약 제로 및 25~30볼트 사이에서 변화하는 5 KHz 와 같은 사인파)로 구동이 되는 경우, 미러는 5KHz 주파수에서 ±20°의 기계적 스캔 각도로 응답한다.

설명한 바와 같이, MEMS 스캐너(302)에는 두 개의 토션 암(306a,306b)이 포함되어 있으며, 각각은 길이가 8.76 밀리미터(필레 포함)이고, 각자의 서스펜션(특히 현가 빔(308a,308b)에서)에서 200 마이크론의 타원형 필레에 의해 400 마이크론만큼 자신의 기부 끝단에서 끝나며, 200 마이크론 타원형 필레에 의해 400 마이크론만큼 다시 각자의 T-바(312a,312b)에서 자신의 말단 끝단에서 끝난다. 토션 암(306a,306b)은 폭이 384 마이크론이다. MEMS 스캐너(302)의 나머지에서는, 토션 암은 에칭되어 DRIE 처리를 사용하여 700 마이크론 두께의 완전 웨이퍼로 된다. 주어진 스캔 플레이트 질량을 위해서, 질량 분포, 폭, 깊이, 및 토션 암의 길이 그리고 T-바를 조절하여 선택적인 공진 스캔 주파수 및 각도를 만들 수 있다.

현가 빔(308a,308b)은 폭이 396 마이크론이rh, 약간 굽어져서 각각의 토션 암(306a,306b)이 91.6도의 약간의 둔각을 가지며, 8 밀리미터의 측면 치수의 측면 범위와 동일한 범위로 스캔 플레이트(304)쪽으로 옆으로 확장된다. 각각의 서스펜션 중앙 커넥터(318a,318b)는 현가 빔(308a,308b)의 중심선으로부터 스캔 플레이트(304)의 중심선까지 500 마이크론(필레 포함) 거리만큼 연장한다. 중앙 커넥터 (318a,318b)는 각각 폭이 164 마이크론이며 그 양 끝에 반지름이 100 마이크론인 필레가 포함되어 있다. 현가 빔(308a,308b)의 끝단에서부터 스캔 플레이트(304)까지 연장하는 네 개의 서스펜션 외부 커넥터(316a,316b,316c,316d)를 위해서, 각각의 현가 빔의 각 끝단의 하나를 표시하였다. 외부 커넥터(316a,316b,316c,316d)는 각각 폭이 250 마이크론(측면)이고 길이는 400 마이크론(길이방향)이며 필레는 포함되지 않는다. 따라서, 각자의 서스펜션에는 현가 빔(308), 중앙 현가 커넥터(318), 및 두 개의 현가 커넥터(316)가 포함되어 있으며, 토션 암(306a,306b)을 스캔 플레이트(304)에 연결시켜 동작 중에 스캔 플레이트의 스트레스 집중을 완화하고, 토크 부하를 확산시키고, 다아내믹 변형을 감소시키도록 한다. 선택적인 현가 구조가 가능하며 당업자라면 구현할 수 있을 것이다.

T-바(312a,312b)는 각각 길이가 1.8 밀리미터(필레를 포함한 전체 측면 치수)이고 폭은 400 마이크론(길이방향 치수)이며, 토션 암(306a,306b)에 의해 형성된 축과 대칭적이며 수직하게 연장한다. T-바(312a,312b)의 바깥 단부는 도시된 바와 같이 반지름이 200 마이크론이 되는 각자의 4개 마운팅 패드(314a,314b,314c,314d)와 연결된다. 마운팅 패드는 각각 5 제곱 밀리미터이다. T-바 및 마운팅 패드의 외형은 어플리케이션 요구에 맞도록 조정해도 좋다.

도 4는 주기적인 구동 신호가 인가되는 경우, 도 3의 MEMS 스캐너의 다이내믹 응답을 설명하는 그래프이다. 곡선(402)은 주기적인 구동 주파수(406)의 함수로서 진폭 응답(404)을 나타낸다. 곡선(408)은 동일한 구동 주파수 축(406)에 대한 스캐너 대 구동 위상(410)을 설명한다. 곡선(402)을 통해서, 회전 모드에서 MEMS 스캐너의 공진 주파수에 대응하는 약 5KHz 에서의 응답이 피크임을 볼 수 있을 것이다. 피크 크기가 관련된 바이어스에서 그려지는 동안은, 예시적인 실시예에서는, 허용되는 구동 전력에서 ±20°의 기계적인 스캔 각도의 공진 응답을 만들기에 충분히 높다. 네 개의 액추에이터 실시예를 위해서는, 제로 에서 25~30 볼트의 진폭을 가진 약 5KHz 사인파 구동 파형이 ±20°의 기계적인 스캔 각도를 있게 한다.

65 및 70KHz 사이에서의 두번째 피크는 압전 스택 엑추에이터의 공진 동작에 대응한다.

곡선(408)은 MEMS 스캐너에 대한 구동 신호의 위상 관계가 어떻게 공진 지점에서 바뀌는지를 설명해 준다. 5KHz 아래에서는, 위상 관계(구동 응답)가 0°이다. 5KHz 이상이지만 두번째 피크 아래에서는, 위상 관계는 -180°이다. 최초 공진 피크에서, 위상 관계는 표시된 바와 같이 바뀌고 -90°통과된다(지연 구동 응답). 두번째 피크 위에서는, 시스템의 응답은 떨어지고 위상 응답은 상기 두번째 공진 피크 위의 주파수에서 상기 두번째 공진 피크에서 -270°(+90°)를 통과하고 그 피크의 아래에서 -180°를 지나서 다시 바뀐다. 최대 효율을 위해서, 상기 첫번째 공진 피크에서 또는 그것에 매우 가까운 곳에서의 MEMS 스캐너를 동작시키는 것이 유리하다는 것을 발견했다.

5KHz 에서의 동작을 위해, MEMS 스캐너의 공진 주파수를 5KHz 보다 약간 높게, 일반적으로, 5.001 내지 5.005KHz 가 되도록 조정한다. 그러한 조정은 본 명세서에 참고문헌으로 통합되는 미국 특허 제6,245,590호에 설명된 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 공장에서는, 스캔 플레이트에 인가되는 에폭시 형태로 무게를 추가하는 방법을 사용하여 공진 주파수를 조정하는 것이 유리하다는 것이 알려졌다.

도 5는 100 밀리미터 실리콘 웨이퍼(502)상의 MEMS 스캐너(302a, 302b, 302c, 302d, 302e, 302f)의 표준 레이아웃을 설명하고 있다. 도시된 바와 같이, MEMS 스캐너는 서로 끼워진 마운팅 패드와 미러로 촘촘하게 패키지 되어 있다. 이것은 웨이퍼당 수율을 최대로 하기 위한 것이다. 이 장치들을 다이싱 톱(dicing saw)을 사용하여 다이싱하지 않고 강한 반응성 이온 에칭(DRIE)과 같은 포토리소그라피 단계를 사용하면 웨이퍼로부터 스캐너를 거의 완전하게 떼어낼 수 있다. 매우 미세한 실리콘 "브리지(bridge)"를 웨이퍼와 스캐너 사이에 간격을 두고 연결시키기도 한다. 스캐너를 떼어내기 위해서는, 이들 브리지를 간단히 끊고 스캐너를 꺼낸다.

도 5는 "T" 의 단부가 스캔 플레이트 쪽으로 오프셋 되는 선택적인 T-바(312) 디자인을 설명하고 있다. 이것은 웨이퍼 상에서 부분 길이를 더 짧게 하고 인접하는 부분이 더 잘 끼여지게 해 주며, 스캐너 크기는 최소화하고 웨이퍼로부터의 수율은 최대로 하는 등에 유용하다.

도 6은 MEMS 스캐너를 위해 배열된 클램프와 엑추에이터를 설명하고 있다. 상업적으로 사용가능한 한 쌍의 압전 스택(piezo-electric stack)(602a,602b), 공통 장착 베이스(604)의 세트가 각자의 제1 절연체(606a,606b)를 통해 MEMS 스캐너(302)의 마운팅 패드(314a,314b) 각각을 지지한다. 이들 각자의 위치로부터, 압전 스택(602a,602b)은 선택적으로, 전기적으로 압축되고 연장되어 토션 암(306a,306b) 에 의해 정의되는 회전축(310)에 대한 마운팅 패드(314a,314b)의 주기적인 회전을 만들어 낸다. 비슷하게, 압전 스택(602a,602b)의 공통 모드 동작을 사용하여 미러(304)의 길이 축에 충분히 나란한 횡단축에 대해 MEMS 스캐너(302)를 회전시킬 수도 있다.

MEMS 스캐너(302)와 압전 액추에이터 스택(602a,602b) 간의 접촉을 유지하기 위해서, 클램프 또는 압력 어셈블리(608a,608b) 각각이 액추에이터 스택에 대해 마운팅 패드(314a,314b)를 아래쪽으로 압력을 가한다. 도 6에서는 간결화를 위해서 클램프(608b)는 생략하였다. 도시된 바와 같이, 클램프(608)에는 제1 압력판(610), 선택적인 시리즈 디스크 스프링(612), 제2 압력판(614), 제2 절연기(616) 및 제3 압력판(618)(상기 어셈블리의 바닥에서부터 시작해서 마운팅 패드(314)에 접하는 순서로)이 포함되어 있다. 한 실시예에서, 제1 압력판(601)의 에지는 도시된 바와 같이 압력 어셈블리로부터 바깥으로 튀어나와 있다. 후술하겠지만, 이것은 히터 와이어 또는 리드를 위한 접착 위치를 제공해 준다. 시리즈 디스크 스프링(612)은 SPRINGMASTERS #D63203 과 같은 시중에서 구입 가능한 타입이며 상대적으로 낮은 강성을 가지긴 하지만 높은(>>5KHz) 고유 공진 주파수를 가지고 있다. 두 개의 스프링 세트에서, 서로 다른 개수의 스프링를 사용하거나 스프링을 전혀 사용하지 않는 것은 어플리케이션 요구에 따라 달라진다. 제1 및 제2 압력판(610,614)은 눌리는 압력에 대해 시리즈 디스크 스프링(612)을 위한 견고한 표면을 제공해 준다. 제2 절연기(616)는 MEMS 스캐너(302)의 전기적 절연을 제공해 준다. 제1 및 제2 절연기(606,616)는 적절한 밀도, 전기적 절연성 및 압축력있는 강도를 가지는, 예 를 들면 PYREX 유리와 같은 재료로 형성된다. 제1 및 제2 압력판(610,614)은 강철과 같이 압축력, 단단함, 및 밀도를 포함하는 적절한 물리적 특성 및 적절한 전기적 도전성을 가진 재료로 형성된다. 제3 압력판(618)은 제2 절연기(616) 장착용 표면을 제공해 주며 상기 어셈블리를 하우징(도시하지 않음)에 연결시킨다. 제3 압력판(618)은 장착 및 조절 나사(도시하지 않음)를 수용하기 위한 구멍(620)을 포함하며, 강철로 형성하는 것이 바람직하다. 당업자에게는 명백한 바와 같이, 선택적인 또는 수정된 클램프를 사용해도 좋다.

도 7은 압전 스택 액추에이터(602)의 사시도이다. 이러한 액추에이터는 http://www.physikinstrumente.de 를 포함한 다양한 곳에서부터 모델 PICMA 885.10 를 사용할 수 있다.

도 8 및 도 9는 LBP 에서의 사용을 위한 MEMS 스캐너 하우징(802)의 사시도이다. 두 개의 앞쪽판(804a,804b)이 장착 나사(808a,808b,808c,808d)를 가지고 뒤쪽 하우징(806)에 단단히 고정된다. MEMS 스캐너(302)는 적절한 회전 공간이 있는 그 내부 공간에 유지되어 있다. 나사산이 있는 조절 나사 구멍(810a, 810b, 810c, 810d)이 제3 압력판(618)(도 6에 도시됨) 내에 형성된 대응하는 조절 나사 수용 구멍(620)으로 돌출되는 조절 나사(620)(도시하지 않음)를 수용한다. 조립하는 동안, 조절 나사를 돌려서 시리즈 디스크 스프링(612)(도시하지 않음) 상에 적절한 사전 부하가 걸리게 한다. 시동중에서의 MEMS 스캐너의 동작은, 위쪽 하우징(806)의 맨 위쪽에 형성되어 있는 MEMS 관찰 포트(812)를 통해 관찰할 수 있다. MEMS 스캐너 어셈블리(802)는 하우징(806) 내에 형성된 장착 탭(814a,814b)을 통해 LBA 의 노출 유닛에 단단히 고정된다.

하우징(802) 내의 MEMS 스캐너(302)를 고정시키기 위해 클램프(608)를 사용하는 것은 마운팅 패드(314)가 서로에 대해 약간 이동하도록 하여 "떠있게" 하는 한다. 일부 실시예에서는, 조립 과정에서 클램프(608)를 약간 비틀면 마운팅 패드(314)가 약간 비틀린다. 이것은 MEMS 스캐너의 T-바 및/또는 비틀림 바 내에 원치않는 잔류 스트레스를 일으킬 수 있다. 그러한 비틀림은 스캔 각도를 줄에서 매우 적은 시간동안 장착된 스캐너를 구동시키는 것, 즉 "인화시키는" 것으로 제거하거나 줄일 수 있다. 상기 인화 처리는 T-바 및/또는 토션 암의 기계적인 실수와 관련된 "초기" 실수의 발생을 줄일 수 있다. 선택적으로, 감소된 비틀림 클램프 어셈블리 설계는 스캐너 어셈블리 인화를 위한 요구를 줄이거나 제거하기 위해 대체되어도 좋다.

MEMS 스캐너(302)는 네 개의 압전 스택(602)dp 의해 구동될 수 있으며, 각각의 마운팅 패드(314a,314b,314c,314d)에 대해 나란히 놓여 있다. 선택적으로, MEMS 스캐너의 한 단부는 고정된 위치에 유지되기도 하는데, 즉, 마운팅 패드(314c314d)가 단단한 장착 지점에 클램프되고, MEMS 스캐너의 다른 단부는 압전 액추에이터에 의해 구동되기도 하는데, 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 마운팅 패드(314a,314b)가 각각 압전 스택에 클램프된다. 세번째 선택에서, 마운팅 패드 세 개는 각각 고정된, 단단한 장착 지점에 클램프 되며, 하나의 압전 스택 액추에이터가 사용된다. 일반적으로, 상기 선택은 비용 대 액추에이터 전력 요구사항 하에 이루어진다.

상기 설명한 바와 같이, MEMS 스캐너는 원하는 동작 주파수의 매우 적은 헤르쯔 내부의 공진 주파수를 가지도록 조절된다. 도 4의 곡선(402)로부터 명백한 바와 같이, 공진 주파수에서의 작은 변화는 상대적으로 충분한 회전 진폭의 변화(주어진 주기의 동작 전압)를 가져온다. 본 발명자들은 MEMS 장치의 가열을 제어하는 것은 공진 주파수를 더 조절하게 해서 가동 진폭이 조절되는데, MEMS 스캐너어 어떠한 외부 프레임도 없는 예시적인 실시예에서조차 조절된다는 것을 발견하였다. 도 6을 다시 참고하면, 클램프(608a)의 제1 압력판(610) 상에 연장된 탭이 클램프(608b)(도시하지 않음)의 대응하는 압력판이 하는 바와 같이 히터 와이어를 수용한다. 마찬가지로, 마운팅 패드(314c,314d)(역시 도시하지 않음) 근방의 대응하는 압력판도 히터 와이어를 수용한다. 이 히터 와이어는 제1 압력판(610)의 금도금 연장 탭에 납땜을 하여, 마운팅 패드(314)등에 형성된 금속화 접착제에 납땜을 하여, 또는 당업자에게 분명한 다른 방법을 사용하여 부착될 수 있다. 사용에 있어서, 스캔 진폭은 감지기로 모니터 되며, 스캐너(302)의 양단(마운팅 패드(606a,606b)는 그 중 하나를 형성하고, 마운팅 패드(606c,606d)는 다른 단부를 형성함) 사이의 전기적 전위는 조정된다. 전류 흐름에 대한 실리콘 재료의 저항, 및 특히 토션 암(306a,306b)은 주울(joule) 열을 일으킨다. 더 높은 온도는 토션 암 및 공진 주파수 내의 대응하는 감소를 "부드럽게(softening)" 해준다. 따라서, 장치는 정상적인 공진 주파수 바로 아래에서 동작하며, 열이 증가하면 스캔 진폭이 줄어들고 또는 열이 적어지면 스캔 진폭이 증가한다. 조절 전력의 0 내지 1.5 W 가 약 8Hz 의 공진 주파수 조절 범위를 제공해 줄 수 있음을 실험적으로 확인하였 다. 이 범위는 좀 더 높은 스캐닝 주파수에서는 약간 낮으며 좀 더 낮은 스캐닝 주파수에서는 약간 높은데, 동작 중에 스캐너를 냉각시키는 공기 흐름의 결과인 것으로 추측한다.

지금까지 본 발명의 예시적 실시예들과, 도면의 간단한 설명과, 발명의 상세한 설명은 독자에게 쉬운 이해를 위한 의도로 본 발명의 예시적 실시예를 설명한 것이다. 다른 구조, 방법 및 등가의 수정은 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 즉, 본 발명의 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것이다.

Claims

측면 치수가 그 길이 방향에 비해 약 4배 더 큰 실리콘 스캔 플레이트;

각각이 상기 스캔 플레이트에 결합되어 있으면서 기부에서부터 그 끝단까지 길이방향으로 연장되고, 상기 스캔 플레이트의 회전축선을 정의하는 제1 및 제2 대향하는 토션 암; 및

각각이 각자의 토션 암의 끝단 지점에 결합된 제1 및 제2 대향하는 장착 구조물

을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 스캔 플레이트는 측면 치수가 그 길이 방향에 비해 약 8배 더 큰 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 2에 있어서, 상기 실리콘 스캔 플레이트는 측면 치수가 약 8mm 이고 길이 치수가 약 750mm 인 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 스캔 플레이트과 제1 및 제2 대향하는 토션 암은 두께가 약 700 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 대향하는 토션 암 각각은 길이가 약 8mm 더 큰 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 5에 있어서, 상기 제1 및 제2 대향하는 토션 암 각각의 길이는 약 8.76 mm 인 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 대향하는 토션 암 각각의 폭은 약 383 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 대향하는 토션 암 각각은 두께가 폭보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 스캔 플레이트의 길이 치수는 그 두께의 반 보다는 크며 그 두께의 2배 보다는 작은 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 대향하는 장착 구조는 제1 및 제2 대향하는 T-바; 및 제1, 제2, 제3 및 제4 마운팅 패드를 더 구비하며,

상기 T-바 각각은 각각의 토션 암의 말단 지점에 결합되며 축에서부터 그 축으로부터 동일 거리 떨어져 있는 측면 지점까지 반대 방향으로 측면으로 연장하며,

상기 마운팅 패드 각각은 T-바의 동일 거리 떨어져 있는 측면 지점에 결합되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 10에 있어서, 상기 제1 비틀림 바는 결합 지점에서 제1 및 제2 타원형 필레와 함께 상기 제1 T-바에 결합되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 11에 있어서, 상기 제1 및 제2 타원형 필레는 상기 비틀림 바를 따라서는 약 400 마이크로미터 그리고 상기 T-바를 따라서는 약 200 마이크로미터의 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 10에 있어서, 상기 T-바의 동일 거리의 측면 지점들은 상기 토션 암의 단부 지점들에 비하여 길이 방향으로 상기 실리콘 스캔 플레이트쪽으로 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 10에 있어서, 적어도 하나의 마운팅 패드에 수직으로 정열된 적어도 하나의 적층된 압전 액추에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 14에 있어서, 상기 적어도 하나의 적층된 압전 액추에이터에는 각각 각자의 마운팅 패드로 수직 정열된 두 개의 적층된 압전 액추에이터가 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 14에 있어서, 상기 적어도 하나의 적층된 압전 액추에이터에는 각각 각자의 마운팅 패드로 수직 정열된 네 개의 적층된 압전 액추에이터가 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 10에 있어서, 제1, 제2, 제3 및 제4 마운팅 패드가 클램프 되는 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 17에 있어서, 상기 제3 및 제4 마운팅 패드는 상기 하우징에 직접 클램프 되고;

상기 제1 및 제2 마운팅 패드는 각자의 제1 및 제2 적층된 압전 액추에이터에 클램프되며,

상기 제1 및 제2 적층된 압전 액추에이터는 상기 하우징에 접촉하여 유지되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 17에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 마운팅 패드는 각자의 제1, 제2, 제3 및 제4 적층된 압전 액추에이터에 클램프되며,

상기 제1, 제2, 제3 및 제4 압전 액추에이터는 상기 하우징에 접촉하여 유지 되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 19에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 마운팅 패드는 각자의 제1, 제2, 제3 및 제4 적층된 압전 액추에이터에 클램프되어 상기 각자의 적층된 압전 액추에이터에 미리 가해진 압축력을 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 17에 있어서, 상기 하우징이 장착되는 레이저 프린터 노출 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 스캔 플레이트는 약 1KHz 보다 큰 주파수에서 상기 제1 및 제2 토션 암에 의해 정의되는 회전축 주위를 앞뒤로 주기적으로 회전하도록 가동되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 22에 있어서, 상기 스캔 플레이트는 약 5KHz 의 주파수에서 상기 제1 및 제2 토션 암에 의해 정의되는 회전축 주위를 앞뒤로 주기적으로 회전하도록 가동되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 스캔 플레이트는 상기 제1 및 제2 토션 암에 의해 정의되는 회전축 주위를 약 10도인 기계적인 제로-피크 스캔 각도보다 큰 회전 변 위로 앞뒤로 주기적으로 회전하도록 가동되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 24에 있어서, 상기 스캔 플레이트는 상기 제1 및 제2 토션 암에 의해 정의되는 회전축 주위를 약 20도인 기계적인 제로-피크 스캔 각도보다 큰 회전 변위로 앞뒤로 주기적으로 회전하도록 가동되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 스캔 플레이트과 상기 각자의 제1 및 제2 토션 암 사이에 끼여있는 제1 및 제2 완충기를 더 구비하고,

상기 제1 및 제2 완충기는 상기 MEMS 스캐너의 동작 동안 상기 미러의 유동적인 평탄성을 유지하도록 동작하는 토크 확산 장치를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 26에 있어서, 상기 제1 및 제2 완충기에는 각자의 제1 및 제2 완충 빔을 포함하며, 상기 제1 및 제2 완충기는 각자의 중앙 접속기와 제1 및 제2 측면 접속기에 의해 상기 실리콘 스캔 플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 27에 있어서, 상기 제1 및 제2 완충빔 각각은 상기 실리콘 스캔 플레 이트의 길이 치수보다 더 짧은 길이 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 MEMS 스캐너는 실리콘 웨이퍼로부터 포토리소그라피식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 판, 상기 제1 및 제2 대향하는 토션 암, 및 상기 제1 및 제2 대향하는 장착 구조는 실리콘 웨이퍼의 두께에 따라 일정한 두께를 가지면서 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 스캔 플레이트의 표면상에 형성된 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 31에 있어서, 상기 미러는 약 650 나노미터의 파장에서 약 90% 보다 큰 반사도를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 32에 있어서, 상기 미러는 약 650 나노미터의 파장에서 약 95% 보다 큰 반사도를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 1에 있어서, 상기 각자의 제1 및 제2 대향하는 장착 구조에 기능적으 로 결합된 제1 및 제2 히터 리드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 34에 있어서, 상기 제1 및 제2 히터 리드는 상기 제1 및 제2 토션 암에 걸쳐 전위를 생성하도록 가동하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
청구항 35에 있어서, 상기 제1 및 제2 히터 리드는 상기 제1 및 제2 토션 암 내에 주울 가열을 유도하도록 가동하는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터용 MEMS 스캐너.
이미지 데이터로 레이저를 변조하여 변조된 레이저 빔을 만드는 단계;

상기 변조된 레이저 빔을 형상화하여 모양을 갖춘 변조된 레이저 빔을 만드는 단계;

상기 형상화된 레이저 빔을 주기적으로 편향시켜 스캔된 형상화된 변조된 레이저 빔을 만드는 단계; 및

상기 스캔된 형상화된 변조된 레이저 빔을 회전하는 포토컨덕터에 닿도록 정열하여 상기 포토컨덕터상의 비디오 데이터에 대응하는 숨은 정전기 이미지를 만드는 단계를 구비하고,

상기 형상화된 변조된 레이저 빔의 주기적인 편향은 측면 치수가 길이 치수 보다 약 4배 더 큰 MEMS 스캔 미러에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
청구항 37에 있어서, 상기 MEMS 스캔 미러는 길이 치수가 약 8 밀리미터이고 길이 치수는 약 750 미크론인 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
청구항 37에 있어서, 상기 MEMS 스캔 미러는 약 1KHZ 보다 큰 스캔 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
청구항 39에 있어서, 상기 MEMS 스캔 미러는 약 5KHz 의 스캔 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
청구항 37에 있어서, 상기 MEMS 스캔 미러는 제로에서 피크까지가 약 10도인 범위보다 큰 편향 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
청구항 41에 있어서, 상기 MEMS 스캔 미러는 제로에서 피크까지가 약 20도인 범위의 편향 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 프린터 작동 방법.
정전 전하를 연속적으로 수신하고, 변조된 광을 수신하여 숨은 정전기 이미지를 형성하고, 상기 숨은 정전기 이미지에 대응하는 패턴 내에 토너를 수용하고, 상기 토너를 수용웹으로 전사하도록 가동하는 포토컨덕터; 및

변조된 광을 상기 포토컨덕터에 제공하도록 가동하는 노출 유닛을 구비하고,

상기 노출 유닛은:

변조된 신호에 응답하는 광원;

상기 광원으로부터 광을 수신하고 광의 형상화된 빔을 만들도록 정열된 빔 형상화 광학기; 및

제1 축이 제2 축보다 약 4배 더 큰 길이를 가지며, 상기 광의 형상화된 빔을 수신하도록 정열되며, 상기 포토컨덕터에 걸쳐 상기 광을 주기적으로 스캔하도록 가동하는 MEMS 스캐너 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자사진 프린터.
청구항 43에 있어서, 상기 MEMS 스캐너는 상기 제1 축으로 약 8 밀리미터 길이를 가지며 상기 제2 축으로는 약 750 마이크론의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전자사진 프린터.