KR20080096731A - Scanning micromirror - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 2축 스캐닝 마이크로미러를 이용한 프로젝션 디스플레이 구조를 개략적으로 도시한 사시도.1 is a perspective view schematically showing a projection display structure using a conventional two-axis scanning micromirror.
도 2는 일반적인 1축 스캐닝 마이크로미러 및 갈바노메트릭 미러를 이용한 프로젝션 디스플레이의 구조를 개략적으로 도시한 사시도.Figure 2 is a perspective view schematically showing the structure of a projection display using a conventional one-axis scanning micromirror and galvanometric mirror.
도 3은 일반적인 스캐닝 마이크로미러가 레이저 어레이와 조합되어 구현된 스캐닝 디스플레이 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.3 schematically illustrates the structure of a scanning display system in which a typical scanning micromirror is implemented in combination with a laser array.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 상측 사시도.4 is a top perspective view showing the structure of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 하측 사시도.Figure 5 is a lower perspective view showing the structure of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 측단면도.6 is a side cross-sectional view showing the structure of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 구비되는 자석과 코일의 기본 구동원리를 도식화한 도면.7 is a diagram illustrating the basic driving principle of the magnet and the coil provided in the scanning micromirror according to the first embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 코일이 두 라인으로 구비된 경우 2축 구동원리를 도식화한 도면.8 is a diagram illustrating a two-axis driving principle when the coil of the scanning micromirror according to the first embodiment of the present invention is provided with two lines.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 코일이 한 라인으로 구비된 경우 2축 구동원리를 도식화한 도면.9 is a diagram illustrating a two-axis driving principle when the coil of the scanning micromirror according to the first embodiment of the present invention is provided in one line.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 다른 스캐닝 마이크로미러의 코일이 김블 및 강화틀의 평면 상에 배치되는 구조를 도시한 평면도.10 is a plan view showing a structure in which the coil of the scanning micromirror according to the first embodiment of the present invention is disposed on the plane of the gimbal and the reinforcement frame;
도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 공진 모드를 유한 요소법(Finite Element Analysis)에 의하여 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of a resonance mode of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention by finite element analysis. FIG.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 공진 모드별 주파수 파형을 도시한 그래프.12 is a graph illustrating frequency waveforms of resonance modes of the scanning micromirror according to the first embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 코일이 김블, 강화틀 및 미러판 상에 배치됨에 있어서, 세 개의 입출력 라인으로 단층 권선되는 구조를 도시한 상면도.FIG. 13 is a top view illustrating a structure in which a coil of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention is disposed on a gamble, a reinforcement frame, and a mirror plate, and is single-layer wound with three input / output lines.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 코일이 김블, 강화틀 및 미러판 상에 배치됨에 있어서, 두 개의 입출력 라인으로 2층 권선되는 구조를 도시한 상면도.14 is a top view illustrating a structure in which a coil of a scanning micromirror according to a first embodiment of the present invention is wound on two gimbals, a reinforcement frame, and a mirror plate, and wound in two layers with two input / output lines;
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 상측 사시도.15 is a top perspective view showing a structure of a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 하측 사시도.16 is a lower perspective view showing the structure of a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 구비되는 미러판이 프레임과 결합되는 제1실시예에 따른 결합 구조를 도시한 상면도.17 is a top view illustrating a coupling structure according to a first embodiment in which a mirror plate provided in a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention is coupled to a frame;
도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 구비되는 미러판이 프레임과 결합되는 제2실시예에 따른 결합 구조를 도시한 상면도.18 is a top view illustrating a coupling structure according to a second embodiment in which a mirror plate provided in a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention is coupled to a frame;
도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 구비되는 자석의 제1실시예에 따른 구조를 도시한 상측 사시도.19 is a top perspective view showing a structure according to a first embodiment of a magnet provided in the scanning micromirror according to the second embodiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 구비되는 자석의 제2실시예에 따른 구조를 도시한 상측 사시도.20 is a top perspective view showing a structure according to a second embodiment of a magnet provided in the scanning micromirror according to the second embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
100: 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러100: scanning micromirror according to the first embodiment
110: 기판 120: 미러판110: substrate 120: mirror plate
130: 강화틀 140: 김블130: Enhanced Frame 140: Gimble
152: 제1탄성체 154: 제2탄성체152: first elastic body 154: second elastic body
156: 제3탄성체 162: 제1전극패드156: third elastic body 162: first electrode pad
164: 제2전극패드 170: 자석164: second electrode pad 170: a magnet
172: 지지대 174: 링형 자석172: support 174: ring magnet
176: 원통형 자석 180: 제1트랜치176: cylindrical magnet 180: first trench
185: 제2트랜치 190: 코일185: second trench 190: coil
195: 절연층195: insulation layer
본 발명은 광스캐닝 소자(Optical Scanning Device)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광원으로부터 출사된 빔을 1차원 또는 2차원의 영역에 주사(scan)하여 화상을 결상하거나 데이터를 읽어들이는 스캐닝 마이크로미러에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
광 소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입출력단 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 다양한 기술들이 대두되고 있는데, 바코드 스캐너(barcode scanner)나 기초적인 수준의 스캐닝 레이저 디스플레이(scanning laser display) 등과 같이 광원에서 나오는 빔을 주사하여 사용하는 기술을 대표적인 예로 들 수 있다. 특히, 최근에는 높은 공간 분해능(High Spatial Resolution)의 빔 스캐닝을 이용한 시스템이 개발되고 있으며, 이러한 시스템으로는 레이저 스캐닝(laser scanning)을 사용한 고해상도의 원색 재현력이 뛰어난 투사 방식 디스플레이 시스템(projection display system)이나 HMD(Head Mounted Display), 레이저 프린터 등이 있다.Along with the development of optical device technology, various technologies that use light as an input / output terminal and information transfer medium of various information are emerging, such as a barcode scanner or a basic scanning laser display. A typical example is a technique of scanning and using a beam emitted from a light source. In particular, recently, a system using high spatial resolution beam scanning has been developed, and such a system includes a projection display system having excellent high-resolution primary color reproduction using laser scanning. Or a head mounted display (HMD) or a laser printer.
이러한 빔 스캐닝 기술은 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(Scanning Speed)와 주사 범위(Scanning Range; 각변위; Angular displacement, Tilting Angle)를 가지는 스캐닝 미러가 요구되는데, 기존의 빔 스캐닝은 갈바닉 미러(galvanic mirror)나 회전형 폴리곤 미러(rotating polygon mirror) 등 구동 되는 미러의 반사면과 입사광이 이루는 입사 각도를 조절하여 구현된다.This beam scanning technique requires a scanning mirror having various scanning speeds and scanning ranges (angular displacements, tilting angles), depending on the application. Conventional beam scanning requires a galvanic mirror. And the angle of incidence between the incident light and the reflective surface of the driven mirror, such as a rotating polygon mirror).
갈바닉 미러를 사용하는 경우 수 내지 수십 헤르쯔(Hz) 정도의 주사 속도를 구현할 수 있으며, 폴리곤 미러를 사용하는 경우 수 킬로헤르쯔(kHz) 정도의 주사 속도를 구현하는 것이 가능하다. 즉, 폴리곤 미러의 경우 고속으로 회전하는 모터 에 폴리곤 미러가 장착되어 있는 형태를 취하기 때문에, 주사 속도는 폴리곤 미러의 회전 각속도에 비례하며 이는 구동부 모터의 회전 속도에 의존하므로 통상의 모터 회전 속도의 한계로 인하여 주사 속도를 증가시키는데 한계가 있으며, 전체 시스템의 부피와 전력 소모를 감소시키기 어려운 단점이 있다. 또한 구동 모터부의 기계적 마찰 소음을 근본적으로 해결하여야 하며, 복잡한 구조로 인해 원가 절감을 기대하기 어렵다.Scanning speeds of several to tens of hertz (Hz) can be realized when using galvanic mirrors, and scanning speeds of several kilohertz (kHz) can be realized when using polygonal mirrors. That is, in the case of the polygon mirror, since the polygon mirror is mounted on the motor that rotates at a high speed, the scanning speed is proportional to the rotational angular velocity of the polygon mirror, which is dependent on the rotational speed of the driving unit motor, thus limiting the conventional motor rotational speed. Due to the limitation in increasing the scanning speed, there is a disadvantage that it is difficult to reduce the volume and power consumption of the entire system. In addition, the mechanical friction noise of the drive motor unit must be fundamentally solved, and it is difficult to expect cost reduction due to the complicated structure.
반면, 마이크로미러를 사용한 주사 장치의 경우 양방향 주사가 가능하고, 수십 kHz에 이르는 빠른 주사 속도를 구현할 수 있다. On the other hand, in the case of a scanning device using a micromirror, bidirectional scanning is possible, and a high scanning speed of several tens of kHz can be realized.
도 1은 일반적인 2축 스캐닝 마이크로미러를 이용한 프로젝션 디스플레이 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a projection display structure using a general two-axis scanning micromirror.
도 1에 도시된 것처럼, 2축 스캐닝 마이크로미러는 김블(2)과 미러판(1)을 통하여 2축 구동이 가능한데, 김블(2)과 미러판(1)에 각각 독립된 구동신호가 입력되며, 입력광(L1)이 반사되어 2차원 영상(L2)으로 스캔되는 형태가 도시되어 있다.As shown in FIG. 1, the biaxial scanning micromirror can be biaxially driven through the
이처럼, 마이크로미러를 사용하여 2축 스캔을 구현하기 위해서는 김블 구조의 2축 스캐닝 마이크로미러를 사용하는 방식, 2개의 구동축에 대하여 분리된 1축 스캐닝 미러를 사용하는 방식, 스캐닝 마이크로미러와 갈바노메트릭 미러 혹은 레이저 어레이를 조합하는 방식 등이 있다.As such, in order to implement two-axis scanning using a micromirror, a method of using a two-axis scanning micromirror with a gimbal structure, a method of using a separate one-axis scanning mirror for two driving axes, a scanning micromirror and a galvanometric Or a mirror or laser array.
도 2는 일반적인 1축 스캐닝 마이크로미러 및 갈바노메트릭 미러를 이용한 프로젝션 디스플레이의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 일반적인 스캐닝 마이크로미러가 레이저 어레이와 조합되어 구현된 스캐닝 디스플레이 시스템 의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a perspective view schematically showing the structure of a projection display using a general uniaxial scanning micromirror and a galvanometric mirror, and FIG. 3 is a schematic view of a structure of a scanning display system in which a general scanning micromirror is implemented in combination with a laser array. It is a figure shown.
도 2에 의하면, 광원(1)으로부터 입사된 빛은 여러개의 렌즈들로 구성되는 광학계(2)을 거쳐 마이크로미러(3)에서 반사된다. 이때, 마이크로미러(3)의 측면으로 자석(4)이 구비되어 전자계를 형성하고, 마이크로미러는 수평방향으로 구동됨으로써 입사된 빛을 x축 상의 선분으로 변환한다. 변환된 빛은 수직방향으로 구동되는 갈바노메트릭 미러에 의하여 y축 상의 성분을 구성하게 되므로 전체적으로 2차원 영상(L3)이 만들어진다.According to FIG. 2, the light incident from the
또한, 도 3에 의하면, 광원, 즉 레이저 어레이(6)가 수평 성분의 빛, x축 상의 빛을 구성하여 주사하고, 렌즈(7)는 빛을 고르게 정렬하여 마이크로미러(8)로 전달한다. 마이크로미러(8)는 수직하게 구동되며 빛을 반사시킴으로써 2차원 영상(L4)을 구성한다.In addition, according to FIG. 3, the light source, that is, the
이때, 디스플레이를 위한 2축 스캔의 경우 수평 방향으로는 수십 kHz 정도의 빠른 주사 속도가 요구되는 반면 수직 방향으로는 수십 Hz의 상대적으로 낮은 속도가 요구되므로, 수평 방향 스캔에는 빠른 주사 속도와 충분한 구동각을 확보하기 위해 공진 구동 방식을 사용하고, 수직 방향으로는 강제 구동 방식을 사용한다.In this case, a two-axis scan for display requires a high scan rate of several tens of kHz in the horizontal direction, while a relatively low speed of several tens of Hz is required in the vertical direction. Resonant driving method is used to secure the angle, and forced driving method is used in the vertical direction.
그러나, 수직 방향의 빗살 모양 전극(comb electrode)을 사용하는 종래의 정전력 구동 스캐닝 마이크로미러의 경우, 제작 공정상 가동부(movable part or rotor)와 고정부(fixed part or stator)의 높은 정렬 정밀도가 요구되고, 회전 각도를 증가시키기 위해서는 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 구조물을 제작해야 하는 어려움이 있다. 또한 미러 판(mirror plate)에 부착되는 가동 빗살 모양 전극 과 이에 인접한 고정부 빗살 모양 전극 모두 구동시 감쇄(damping)를 증가시키는 요인으로 작용하게 되는 단점이 있다.However, in the case of the conventional constant power drive scanning micromirror using the comb electrode in the vertical direction, the high alignment accuracy of the movable part or the rotor and the fixed part or stator in the manufacturing process In order to increase the rotation angle, there is a difficulty in manufacturing a structure having a high aspect ratio. In addition, both the movable comb-shaped electrode attached to the mirror plate and the fixed comb-shaped electrode adjacent thereto have a disadvantage of acting as a factor of increasing damping during driving.
본 발명은 미세 가공 기술 또는 마이크로머시닝(micromachining) 공정을 통하여 제작되며, 1축 또는 2축 구동 방식 모두 적용이 가능한 구조로서, 보다 빠른 주사속도 및 넓은 구동각(주사 범위)의 실현이 가능하고, 고속 동작에 대한 구조적 안정성이 확보되며, 종래의 물리적 동작에 따라 광학적 성능이 저하되는 것을 방지함으로써 높은 공간 분해능을 필요로 하는 고성능 스캐닝 시스템, 정적 변위를 요구하는 시스템 등 다양한 빔스캐닝 시스템에 적용가능한 스캐닝 마이크로미러를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is manufactured through a micromachining process or a micromachining process, and can be applied to both uniaxial or biaxial driving methods, and can realize a faster scanning speed and a wider driving angle (scanning range). Structural stability to high speed operation is secured, and optical performance is prevented from being degraded according to conventional physical operations, so that scanning is applicable to various beam scanning systems such as a high performance scanning system requiring high spatial resolution and a system requiring static displacement. It is an object to provide a micromirror.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러는 개방영역이 형성된 기판; 제1탄성체를 통하여 상기 개방영역 상에서 상기 기판과 결합되고, 상기 제1탄성체를 회전축으로 하여 구동되는 링형 김블; 제2탄성체를 통하여 상기 김블 안쪽에서 결합되는 링형 강화틀; 제3탄성체를 통하여 상기 강화틀 안쪽에서 결합되고, 상기 제2탄성체 및 제3탄성체를 회전축으로 하여 상기 강화틀과 함께 구동되는 미러판; 상기 김블, 상기 강화틀 및 상기 미러판 상에 결합되고 전자계를 형성하여 구동력을 발생시키는 코일; 및 상기 기판의 저면측으로 결합되고, 상기 코일과 함께 전자계를 형성하는 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the scanning micromirror according to the present invention comprises a substrate having an open area; A ring-shaped gamble coupled to the substrate on the open region through a first elastic body and driven using the first elastic body as a rotation axis; A ring-shaped reinforcing frame coupled inside the gimbal through a second elastic body; A mirror plate coupled to the inside of the reinforcement frame through a third elastic body and driven together with the reinforcement frame using the second elastic body and the third elastic body as rotation axes; A coil coupled to the gamble, the reinforcement frame and the mirror plate to form an electromagnetic field to generate a driving force; And a magnet coupled to the bottom surface side of the substrate and forming an electromagnetic field together with the coil.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러 는 개방영역이 형성된 기판; 탄성체를 통하여 상기 개방영역 상에서 상기 기판과 결합되고, 직사각형태의 반사영역을 가지며, 상기 탄성체를 회전축으로 하여 구동되는 미러판; 상기 미러판 상에 결합되고 전자계를 형성하여 구동력을 발생시키는 코일; 및 상기 기판의 저면 측으로 결합되고, 상기 코일과 함께 전자계를 형성하는 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the scanning micromirror according to the present invention comprises a substrate having an open area; A mirror plate coupled to the substrate on the open area through an elastic body, the mirror plate having a rectangular reflective area, and driven with the elastic body as a rotation axis; A coil coupled to the mirror plate to form an electromagnetic field to generate a driving force; And a magnet coupled to the bottom surface side of the substrate and forming an electromagnetic field together with the coil.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 제2탄성체 및 상기 제3탄성체는 직선상에 위치되어 상기 강화틀 및 상기 미러판의 회전축을 제공하고, 상기 제1탄성체는 상기 제2탄성체 및 상기 제3탄성체의 회전축과 수직하게 위치되어 상기 김블의 회전축을 제공하는 것을 특징으로 한다.In addition, the second elastic body and the third elastic body of the scanning micromirror according to the present invention are located on a straight line to provide a rotation axis of the reinforcement frame and the mirror plate, wherein the first elastic body is the second elastic body and the first elastic body. It is characterized in that it is positioned perpendicular to the axis of rotation of the three elastic bodies to provide the axis of rotation of the gamble.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 탄성체는 1개 이상의 토션 바를 포함하여 이루어지며, 상기 토션 바는 직선형 또는 굴곡형 중 하나 이상의 형태가 조합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the elastic body of the scanning micromirror according to the present invention comprises one or more torsion bars, the torsion bar is characterized in that the combination of one or more forms of straight or curved.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 자석은 링형 자석; 상기 링형 자석 내부에서 이격되어 위치되는 원통형 자석; 및 상기 링형 자석 및 상기 원통형 자석을 저면측에서 결합시키는 지지대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the magnet of the scanning micromirror according to the present invention is a ring-shaped magnet; Cylindrical magnets spaced apart from inside the ring magnet; And it characterized in that it comprises a support for coupling the ring-shaped magnet and the cylindrical magnet on the bottom side.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 자석은 서로 이격거리를 두어 나란히 배치되는 두 개 이상의 직사각형 자석; 및 상기 자석을 상호 결합시키는 지지대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the magnet of the scanning micromirror according to the present invention comprises at least two rectangular magnets arranged side by side with a distance from each other; And a support for coupling the magnets to each other.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 김블, 상기 강화틀 및 상 기 미러판은, 상기 코일로 저대역의 제1주파수 신호가 인가되면 상기 제1탄성체의 회전축을 기준으로 강제 구동되고, 상기 코일로 고대역의 제2주파수 신호가 인가되면 상기 제2탄성체 및 상기 제3탄성체의 회전축을 기준으로 공진 구동되는 것을 특징으로 한다.In addition, the gamble, the reinforcement frame and the mirror plate of the scanning micromirror according to the present invention are forcibly driven based on the rotation axis of the first elastic body when a low frequency first frequency signal is applied to the coil. When the high frequency second frequency signal is applied to the coil is characterized in that the resonant drive with respect to the rotation axis of the second elastic body and the third elastic body.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 탄성체는 상호 대향하게 위치되는 두 부분으로 구성되고, 상기 코일은 단선 및 단층 구조로서, 일측 제1탄성체로부터 일측 제2탄성체까지 김블 경로를 구성하고, 상기 강화틀의 일측 반원 경로를 구성한 뒤 타측 제2탄성체로부터 상기 일측 제2탄성체까지 상기 미러판을 관통하며, 상기 일측 제2탄성체로부터 타측 제1탄성체까지의 김블 경로를 구성하는 제1코일부; 및 상기 일측 제1탄성체로부터 타측 제2탄성체까지 김블 경로를 구성하고, 상기 타측 제2탄성체로부터 상기 일측 제2탄성체까지 상기 미러판을 관통하며, 상기 강화틀의 타측 반원 경로를 구성한 뒤 상기 타측 제2탄성체로부터 상기 타측 제1탄성체까지의 김블 경로를 구성하는 제2코일부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the elastic body of the scanning micromirror according to the present invention is composed of two parts that are opposed to each other, the coil is a single wire and single layer structure, and constitutes a gamble path from one side of the first elastic body to one side of the second elastic body, A first coil part constituting a semicircular path of the reinforcing frame and penetrating the mirror plate from the second elastic body to the second elastic body, and constituting a gamble path from the second elastic body to the other first elastic body; And forming a gamble path from the first elastic body to the second elastic body, penetrating the mirror plate from the second elastic body to the second elastic body, and configuring the other semicircular path of the reinforcement frame after the other side agent. And a second coil part constituting the gimbal path from the second elastic body to the other first elastic body.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 탄성체는 상호 대향하게 위치되는 두 부분으로 구성되고, 상기 코일은 복선 및 다층 구조로서, 일측 제1탄성체의 입력 라인으로부터 분기되어 상기 김블 상에서 원형 경로를 구성하고 타측 제1탄성체로 출력 라인을 형성하는 제1코일부; 및 상기 제1코일부와 절연되고, 상기 일측 제1탄성체로부터 일측 제2탄성체를 거쳐 상기 강화틀로 진입되며, 상기 강화틀상에서 원형 경로를 구성한뒤 타측 제2탄성체를 거쳐 상기 타측 제1탄성체로 출력 라인을 형성하는 제2코일부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the elastic body of the scanning micromirror according to the present invention is composed of two parts facing each other, the coil is a double wire and a multi-layer structure, branched from the input line of one side of the first elastic body to form a circular path on the gamble And a first coil part forming an output line from the other first elastic material; And insulated from the first coil part, enters the reinforcing frame from the first elastic body on one side through the second elastic body, forms a circular path on the reinforcing frame, and passes the second elastic body to the other first elastic body. And a second coil part forming an output line.
또한, 본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러의 상기 탄성체는 상호 대향하게 위치되는 두 부분으로 구성되고, 상기 코일은 복선 및 단층 구조로서, 일측 제1탄성체로부터 타측 제1탄성체까지 상기 김블 상에서 각각 반원형 경로를 구성하는 제1코일부와 제2코일부; 및 상기 일측 제1탄성체로부터 일측 제2탄성체를 거쳐 상기 강화틀로 진입되며, 상기 강화틀상에서 원형 경로를 구성한 뒤 타측 제2탄성체를 거쳐 상기 타측 제1탄성체로 출력 라인을 형성하는 제2코일부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the elastic body of the scanning micromirror according to the present invention is composed of two parts that are opposed to each other, the coil is a double wire and single layer structure, each of the semi-circular path on the gamble from the first elastic body to the other first elastic body A first coil part and a second coil part to constitute; And a second coil part which enters the reinforcing mold from the first elastic body on one side through the second elastic body, forms a circular path on the reinforcing frame, and forms an output line to the other first elastic body through the second second elastic body. Characterized in that comprises a.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a scanning micromirror according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 구조를 도시한 상측 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 구조를 도시한 하측 사시도이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 구조를 도시한 측단면도이다.4 is a top perspective view showing the structure of the
도 4 내지 도 6에 의하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)는 기판(Substrate)(110), 미러판(Mirror plate)(120), 김블(Gimbal)(140), 강화틀(Reinforcement rim)(130), 제1탄성체(152), 제2탄성체(154), 제3탄성체(156), 절연체(195), 코일(190), 제1전극패드(162), 제2전극패드(164) 및 자석(170)을 포함하여 이루어지는데, 우선, 각 구성부에 대하여 살펴보면 다음과 같다.4 to 6, the
상기 미러판(120)은 제1탄성체(152)를 통하여 강화틀(130)과 연결되고, 김블(140)은 제2탄성체(154)를 통하여 강화틀(130)과 연결된다.The
상기 미러판(120)은 금속과 유전체를 포함하여 적층 구조로 형성될 수 있으며, 전체면이 균일한 두께로 편평하거나 중심부가 외곽부보다 두껍게 볼록한 구조를 이룰 수 있다.The
또한, 상기 김블(140)은 제3탄성체(156)를 통하여 기판(110)과 연결됨으로써, 상기 미러판(120), 강화틀(130) 및 김블(140)은 기판(110)상에서 지지되고 상기 제1탄성체(152), 제2탄성체(154) 및 제3탄성체(156)에 의하여 각각 소정의 회전각으로 유동될 수 있다.In addition, the
상기 제2탄성체(154)는 일종의 스프링 역할(토션 바; Torsion Bar)을 하는 구성부로서, 상기 미러판(120)의 양단에서 회전축의 역할을 하고, 미러판(120)이 구동되는 경우 복원력 토크(Torque)를 제공한다.The second
상기 제3탄성체(156) 역시 일종의 스프링 역할을 하는 구성부로서, 상기 김블(140)의 양단에서 회전축의 역할을 하고, 김블(140)이 구동되는 경우 복원력 토크를 제공한다.The third
상기 제2탄성체(154)와 제3탄성체(156)가 이루는 회전축은 수직을 이룸으로써 상기 미러판(120)이 2개의 축으로 상하 유동될 수 있으며, 상기 미러판(120)과 김블(140)은 어떤 형태로도 제작될 수 있으나 2개의 축으로 유동되므로 각 축에 대한 반사 영역이 원형 또는 타원형인 것이 바람직하다.The rotation axis formed by the second
상기 탄성체(152, 154, 156)들은 외팔보(Cantilever), 비틀림보(Torsion Beam), 굴곡보(Meander Beam) 등의 형태를 가질 수 있다.The
도 4 및 도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 제1실시예에 의한 스캐닝 마이크로미러(100)의 상면을 보면, 상기 제3탄성체(156), 김블(140), 제2탄성체(154), 강화틀(130), 제1탄성체(152) 및 미러판(120) 면에 코일(190)이 형성된 것을 볼 수 있으며, 코일(190)이 결합되는 상기 각 구성부 면과 코일(190) 사이에 절연층(195)이 형성되어 전기적으로 분리된다.4 and 6, when viewing the upper surface of the
또한, 상기 코일로 전류를 제공하기 위하여 기판 상면에 2개의 전극패드(162, 164)가 구비되는데, 상기 김블(140)의 양단과 연결되는 2개의 제3탄성체(156)는 그 끝단이 각각 제1전극패드(162) 및 제2전극패드(164)와 연결된다.In addition, two
상기 코일(190)은 하나 이상의 도전체층으로서, 제1전극패드(162)를 통하여 제3탄성체(156)와 김블(140)로 유입된 전류는 제2탄성체(154) 및 강화틀(130) 상의 코일(190)로 흐르고 미러판(120)의 중심부를 관통한 뒤 다시 제3탄성체(156)와 김블(140)을 통하여 제2전극패드(164)로 흐른다.The
상기 코일(190)의 재질로는 Ti, Cr, Cu, Ag, Ni, Al 등의 금속 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 도전성 폴리머 등의 단일 재질 또는 이들이 조합된 재질이 사용될 수 있다.The material of the
상기 코일(190)의 상세한 구조 및 전류의 흐름에 대해서는 도 9 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.The detailed structure and current flow of the
이와 같은 코일(190)상의 전류 흐름을 통하여 전계가 형성되면, 상기 기판의 밑에 위치되는 자석(170)의 자계와 상호 작용을 일으켜 물리력, 즉 로렌츠의 힘을 형성하고, 상기 로렌츠의 힘이 코일(190)에 작용되면 상기 김블(140)과 미러판(120)은 2개의 축을 중심으로 유동된다.When the electric field is formed through the current flow on the
상기 강화틀(130)은 미러판(120)이 열변형(가령, 외부열로 인하여 미러판이 뒤틀어질 수 있음)되거나 유동시 펄럭거리는 현상(동적 변형; Dynamic Deformation)을 방지하기 위한 구성부로서, 미러판(120)과 함께 같은 방향, 같은 회전각으로 유동된다.The
도5 및 도 6을 참조하면, 상기 기판(110)의 아래면이 식각되어 제1트랜치(180) 및 제2트랜치(185)가 형성된 형태를 볼 수 있는데, 상기 제1트랜치(180)는 상기 김블(140), 강화틀(130) 및 미러판(120)이 움직일 수 있는 공간을 마련하고 상기 제2트랜치(185)는 제3탄성체(156)의 두께를 줄이기 위하여 식각된다(참로고, 상기 제3탄성체(156)는 다른 탄성체들에 비하여 길고 얇게 형성되는데, 이는 스프링 상수를 감소시키기 위함이다).5 and 6, the bottom surface of the
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)에 구비되는 자석(170)과 코일(190)의 기본 구동원리를 도식화한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 코일(190)이 두 라인으로 구비된 경우 2축 구동원리를 도식화한 도면이며, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 코일(190)이 한 라인으로 구비된 경우 2축 구동원리를 도식화한 도면이다.7 is a diagram illustrating the basic driving principle of the
전술한 대로, 로렌츠의 힘에 의하여 김블(140)과 미러판(120)이 2개의 축을 중심으로 유동되기 위해서는 자석(170)의 형상과 배치가 중요한데, 본 발명에 의한 자석(170)은 평면 상의 중심으로부터 외부로 향하는 방사상 형태의 자기장(Radial Magnetic Field)을 형성한다. 이러한 자기장 형태를 통하여 2축 구동을 가장 잘 구현할 수 있다.As described above, in order for the
우선, 도 7을 참조하면 자석(170)은 크게 원통형 자석(176), 링형 자석(174) 및 지지대(172)를 포함하여 이루어지며, 상기 원통형 자석(176)은 링형 자석(174) 내부에 위치된다.First, referring to FIG. 7, the
상기 링형 자석(174)과 원통형 자석(176)은 동심원 상으로 이격 공간을 가지는데, 이는 전자계가 형성되는 공간을 확보하기 위한 것이고, 링형 자석(174)과 원통형 자석(176)은 동일한 두께로서 지지대(172) 상면에 결합된다.The
방사상 자기장의 극대화를 위하여 링형 자석(174)과 원통형 자석(176)은 반대 방향으로 자화되고, 지지대(172)는 비투자율(Relative permeability)이 높은 순철(Pure iron)과 같은 재질이 사용되는 것이 좋다.In order to maximize the radial magnetic field, the
도 7을 보면, 기판(110) 상(즉, 미러판(120), 제1탄성체(152), 제2탄성체(154), 제3탄성체(156), 강화틀(130), 김블(140))에 형성되는 코일(190)의 형태가 자석(170) 위로 도식화되어 있는데, 상기 코일(190)은 원통형 자석(176)의 중심을 기준으로 동심원을 그리며 배치된다.Referring to FIG. 7, on the substrate 110 (that is, the
우선, 제1전극패드(162)를 통하여 전류(2I)가 유입되면 전류(2I)는 원형 코일에서 분기되어 양방향으로 동시에 진행되며, 동시에 진행된 양측의 전류(I)는 제2전극패드(164) 측으로 합해져 흘러나간다.First, when the current 2I flows through the
이와 같이, 코일 상에서 선대칭의 동일한 양의 전류(I)가 흐르면, 이들은 방 사상 자기장(Hr)에 의하여 수직 방향의 힘(F)을 받게 되고, 이로 인하여 다음의 수학식1에 의하여 표현되는 토오크(T)가 작용된다.As such, when the same amount of current I in the line symmetry flows on the coils, they are subjected to the force F in the vertical direction by the magnetic field H r , and thus the torque represented by the following equation (1). (T) is acted on.
여기서, "r1"은 원형 코일의 반지름을 의미하고,Here, "r 1 " means the radius of the circular coil,
"μ"은 공기의 투자율(permeability)을 의미하며,"μ" means permeability of air,
"Hr"은 방사상 자장의 세기(Radial Magnetic Field Intensity)를 의미한다."H r " means Radial Magnetic Field Intensity.
따라서, 서로 직교하는 2개의 회전축(제1탄성체(152) 및 제2탄성체(154)가 이루는 회전축과 제3탄성체(156)가 이루는 회전축)에 대하여 독립적인 토오크(Tvertical과 Thorizontal)를 제공하기 위해서는 도 8에 도시된 것처럼 전기적으로 분리된 2개의 코일(190)이 필요하다.Therefore, independent torques (T vertical and T horizontal ) are provided with respect to two rotation shafts orthogonal to each other (the rotation shaft formed by the first
도 8에 의하면, 아래쪽에 지름이 큰 원형 코일(190)은 김블(140)에 결합되는 부분이고, 위쪽에 지름이 큰 원형 코일(190)은 강화틀(130)에 결합되는 부분인데, 아래쪽 코일에 흐르는 전류(Iv)와 위쪽에 흐르는 전류(Ih)는 수직축과 수평축 구동에 독립적으로 사용된다.According to Figure 8, the large diameter
그러나, 도 8과 같이 전기적으로 분리된 코일(190)을 이용하지 않고, 도 9에 도시된 것처럼 하나의 코일(190) 라인을 이용하여 권선 구조를 변경함으로써 두 개의 축방향으로 토오크가 작용되도록 할 수 있다.However, instead of using an electrically separated
이 때, 위쪽 코일과 아래쪽 코일이 연결되는 부분에는 서로 반대 방향의 전류가 흐르게 되므로 힘이 작용하지 않고, 위쪽 코일의 중심부를 관통하는 2개의 평행한 권선에는 이론상 토오크가 아닌 수평 방향의 힘이 작용하게 된다.At this time, since the current flows in the opposite direction to the portion where the upper coil and the lower coil are connected, no force is applied, and in the two parallel windings passing through the center of the upper coil, a horizontal force rather than a torque is theoretically applied. Done.
이렇게 하나의 코일 라인을 통하여 김블(140)과 강화틀(130)에 배치되는 두 부분의 코일(도 9의 위쪽 원형 코일과 아래쪽 원형 코일)을 구성하면, 도 8과는 달리 하나의 입력단과 출력단이 존재할 수 밖에 없고 두 부분에 동일한 전류(Iv)가 흐르게 되어 수직 방향과 수평 방향으로 가해지는 토오크의 독립적인 제어는 불가능하다.Thus, when the coil (two upper circular coil and the lower circular coil of FIG. 9) arranged in the
그러나, 권선을 지지하는 구조물, 즉 김블(140), 강화틀(130), 미러판(120), 탄성체(152, 154, 156) 등의 설계를 달리하여 구동 주파수를 분배하면 독립적인 2축 구동을 구현할 수 있으며, 이러한 경우 스캐닝 마이크로미러(100)의 구조를 단순화시킬 수 있고 제작 공정이 감소되으로 제작 원가가 절감되는 효과가 있다.However, if the drive frequency is distributed by varying the design of the structure supporting the winding, that is, the
따라서, 본 발명의 제1실시예에서는 도 9에 도시된 권선 구조를 이용하는 것으로 하는데, 도 9에 도시된 코일 구조는 원리를 설명하기 위하여 입체적으로 도식화한 것이며, 실제적으로는 평면 상에 배치된다.Accordingly, in the first embodiment of the present invention, the winding structure shown in FIG. 9 is used, and the coil structure shown in FIG. 9 is three-dimensionally illustrated to explain the principle, and is actually disposed on a plane.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 다른 스캐닝 마이크로미러(100)의 코일(190)이 김블(140) 및 강화틀(130)의 평면 상에 배치되는 구조를 도시한 평면도이다.10 is a plan view showing a structure in which the
도 10에 의하면, 상기 코일(190)은 패터닝된 하나의 금속층으로 형성되며, 전류의 진행 경로를 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 10, the
제1전극패턴(162)을 통하여 입력된 전류는 일측의 제3탄성체(156)를 통하여 흐르고, 김블(140)상의 원형 코일에 이르게 되면 양측으로 분기되어 흐른다. 양측으로 분기된 전류는 각각 양측의 제2탄성체(154)를 통하여 강화틀(130) 상의 원형 코일로 진입되며, 이때 강화틀(130) 및 미러판(120) 상의 코일(190)은 반원형 코일의 두 부분을 이루어 상호 대향하게 배치된다.The current input through the
일측의 제2탄성체(154)를 통하여 진입된 전류는 일측의 반원형 코일을 따라 흐르고 미러판(120)의 라인을 따라 흐른 뒤, 다시 상기 일측의 제2탄성체(154) 상의 다른 라인을 따라 흐름으로써 김블(140) 상의 라인으로 나온다.The current entered through the second
타측의 제2탄성체(154)를 통하여 진입된 전류는 미러판(120)의 다른 라인을 따라 흐르고 타측의 반원형 코일(190)을 따라 흐른 뒤, 다시 상기 타측의 제2탄성체(154) 상의 다른 라인을 따라 흐름으로써 김블(140) 상의 반대편 코일라인으로 나온다.The current entered through the second
여기서, 김블(140), 강화틀(130) 및 미러판(120) 상의 코일에 흐르는 전류는 제2탄성체(154)를 축으로 하여 윗부분과 아랫 부분이 동일한 방향으로 흐르는데, 즉 상기 축을 기준으로 하여 평행하게 선대칭으로 흐른다.Here, the current flowing in the coil on the
이러한 구조를 통하여 하나의 라인으로 구현된 코일 구조는, 김블(140)측과 강화틀(130) 및 미러판(120) 측에 따라 개별 라인으로 구현된 코일(190) 구조와 동일하게 방사상의 자장을 형성할 수 있다.The coil structure implemented as a single line through such a structure has the same radial magnetic field as the structure of the
도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 공진 모드를 유한 요소법(Finite Element Analysis)에 의하여 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of a resonance mode of the
도 11의 (a) 도면은 제1공진 모드를 시뮬레이션한 것이고, (b) 도면은 제5공진 모드를 시뮬레이션한 것이며, (c) 도면은 제6공진 모드를 시뮬레이션한 것이다.FIG. 11A illustrates a first resonance mode, (b) illustrates a fifth resonance mode, and FIG. 11C illustrates a sixth resonance mode.
본 발명의 제1실시예에 따른 2축 구동은 김블(140)을 포함하여 내부 구조물들이 제3탄성체(156)를 축으로 회전하는 구동과, 강화틀(130) 및 미러판(120)이 제1탄성체(152), 제2탄성체(154)를 축으로 회전하는 구동의 조합에 의하여 구현되며, 이들 조합에 따라 공진 모드가 분류된다.In the biaxial drive according to the first embodiment of the present invention, the internal structure including the
이중에서, 2축 구동과 관련되어 필요한 스캐닝 마이크로미러(100)의 구동 모드는 도 12에 도시된 것처럼 제1공진 모드, 제5공진 모드, 제6공진 모드이며, 도 12의 (a) 도면에 도시된 제1공진 모드는 김블(140)을 포함하여 내부 구조물들이 제3탄성체(156)를 축으로 회전하는 모드로서 "강제 모드"라고도 한다.Among them, the driving modes of the
또한, (b) 도면에 도시된 제5공진 모드는 김블(140), 미러판(120), 강화틀(130)이 제2탄성체(154)를 축으로 동일한 방향으로 회전하는 모드이고, (c) 도면에 도시된 제6공진 모드는 김블(140), 미러판(120), 강화틀(130)이 제2탄성체(154)를 축으로 회전하지만 미러판(120)과 강화틀(130)의 회전 방향이 김블(140)과는 반대 방향인 모드로서 일반적으로 이 경우를 "공진 모드"라고 약칭한다.In addition, (b) the fifth resonance mode illustrated in the drawing is a mode in which the
이와 같은 공진모드들은 구조물의 형상, 밀도, 탄성 계수(Modulus of Elasticity) 및 스프링 상수에 따라 천이가 가능하며, 각 공진 모드의 천이 순서, 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.Such resonance modes can be shifted according to the shape, density, modulus of elasticity, and spring constant of the structure, and the transition order and resonance frequency of each resonance mode can be changed.
본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)와 같이 한 라인의 코일 배치 구조로 2축 구동을 실현하기 위해서 도 12의 (c) 도면에 도시된 제6공진 모드가 사용되며, 이는 서로 다른 공진 모드에 해당하는 2가지 이상의 주파수를 가지는 구동 전류를 코일(190)에 동시에 흘려줌으로써 가능하다.The sixth resonant mode shown in FIG. 12C is used to realize two-axis driving with a coil arrangement structure of one line like the
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 공진 모드별 주파수 파형을 도시한 그래프이다.12 is a graph illustrating frequency waveforms of resonance modes of the
도 13의 (a) 도면은 제1공진 모드 시 입력되는 전류의 주파수(이하, "f1"이라 함) 파형이고, (b) 도면은 제6공진 모드 시 입력되는 전류의 주파수(이하, "f6"이라 함) 파형이고, (c) 도면은 f1의 전류와 f6의 전류가 합쳐진 전류의 주파수 파형을 측정한 것이다.FIG. 13A is a waveform of a current inputted in the first resonant mode (hereinafter referred to as "f1"), and (b) a diagram of a current inputted in the sixth resonant mode (hereinafter referred to as "f6"). Waveform, and (c) the measurement of the frequency waveform of the current of the current of f1 and the current of f6 combined.
제5공진 모드 시 입력되는 전류의 주파수를 "f5"라고 하였을 때, f1의 전류와 f6(또는 f5)의 전류를 동시에 코일(190)로 인가시키면 f1의 전류는 김블(140) 상의 코일(190) 경로에서 유효하게 작용하여 제1공진 모드의 구동을 유발하고, f6(또는 f5)의 전류는 강화틀(130) 상의 코일 경(190)로에서 유효하게 작용하여 제6공진 모드(또는 제5공진 모드)의 구동을 유발시킨다.When the frequency of the current input in the fifth resonance mode is referred to as “f5”, when the current of f1 and the current of f6 (or f5) are simultaneously applied to the
상기 제1공진 모드는 화면의 수직 방향의 스캔을 위한 구동으로서 수십 Hz의 주파수 속도로 강제 구동(스캔된 빛이 주사)되고(가령, 60프레임의 영상인 경우 60Hz임), 상기 제6공진 모드는 화면의 수평 방향의 스캔을 위한 구동으로서 수십 kHz의 주파수 속도로 공진 구동된다(가령, 60프레임의 영상인 경우, "수직 방향의 주파수 속도는 = 수평 방향의 주파수 속도×60÷2"의 수식에 의하여, 약 19 kHz의 주파수 속도를 갖음).The first resonant mode is a drive for scanning in the vertical direction of the screen and is forcibly driven at a frequency speed of several tens of Hz (scanned light is scanned) (for example, 60 Hz for a 60-frame image), and the sixth resonant mode. Is a resonant drive at a frequency rate of several tens of kHz as a scan for the horizontal direction of the screen (e.g., in the case of 60 frames of image, the frequency frequency in the vertical direction is the frequency speed in the horizontal direction x 60 ÷ 2). With a frequency speed of about 19 kHz).
f1 보다 현저히 낮은 주파수 대역의 전류를 인가시키면, 제1공진 모드 대신, f1보다 현저히 낮은 주파수 대역에 상응하는 공진모드가 강제 구동되며, 그 구동 방향은 제1공진 모드의 경우와 동일하다.When a current of a frequency band significantly lower than f1 is applied, a resonance mode corresponding to a frequency band significantly lower than f1 is forcibly driven instead of the first resonance mode, and the driving direction thereof is the same as that of the first resonance mode.
이렇듯, 2개의 구동축에 대한 공진 모드가 적절히 형성되도록 인가되는 전류의 주파수가 선택되고, 자석과 같은 구조물의 형태도 전자계 현상에 맞추어 설계되어야 하며, 김블(140), 탄성체(152, 154, 156), 강화틀(130), 미러판(120) 등의 각 구성부에 구동력이 잘 전달될 수 있도록 코일(190)의 배치도 효율적으로 설계되어야 한다.As such, the frequency of the applied current is selected to properly form the resonance modes for the two drive shafts, and the shape of a structure such as a magnet must also be designed according to the electromagnetic phenomenon, and the
도 10을 참조하여 설명한 것처럼, 2축 구동을 위한 코일(190)의 배치는 직렬로 연결된 하나의 권선을 사용하는 방법 외에도 다양한 배치 방법을 적용시킬 수 있다.As described with reference to FIG. 10, the arrangement of the
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 코일(190)이 김블(140), 강화틀(130) 및 미러판(120) 상에 배치됨에 있어서, 세 개의 입출력 라인으로 단층 권선되는 구조를 도시한 상면도이고, 도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)의 코일(190)이 김블(140), 강화틀(130) 및 미러판(120) 상에 배치됨에 있어서, 두 개의 입출력 라인으로 2층 권선되는 구조를 도시한 상면도이다.FIG. 13 illustrates three input / output lines in the
도 13을 참조하면, 총 세 개의 코일(190) 라인이 배치되는데, 김블(140) 구동을 위한 코일 부분과 미러판(120) 및 강화틀(130)의 구동을 위한 코일 부분이 분리되며, 김블(140) 구동을 위한 코일 부분이 다시 두 부분으로 분리된 형태를 볼 수 있다.Referring to FIG. 13, a total of three
즉, 제1코일 라인(190a)은 일측의 제3탄성체(156)로 들어와 김블(140)의 좌측 반원 경로를 구성한 뒤 타측의 제3탄성체(156)로 나가고, 제3코일 라인(190c)은 일측의 제3탄성체(156)로 들어와 김블(140)의 우측 반원 경로를 구성한 뒤 타측의 제3탄성체(156)로 나간다.That is, the first coil line 190a enters the third
제2코일 라인(190b)은 일측의 제3탄성체(156)로부터 일측의 제2탄성체(154)까지의 김블(140) 경로를 구성하고, 일측의 제2탄성체(154)를 통하여 강화틀(130)상의 원형 라인을 구성하며, 타측의 제2탄성체(154)를 통하여 김블(140) 측으로 연결된 뒤 타측의 제3탄성체(156)까지의 김블(140) 경로를 구성한다.The second coil line 190b constitutes a path of the
도 14를 참조하면, 총 두 개의 코일 라인(190a, 190b)이 배치되는데, 김블 구동을 위한 코일 부분(190a)과 미러판(120) 및 강화틀(130)의 구동을 위한 코일 부분(190b)이 분리된다.Referring to FIG. 14, a total of two coil lines 190a and 190b are disposed, the coil portion 190a for driving the gamble and the coil portion 190b for driving the
도 14에 도시된 배치구조가 도 13을 참조하여 설명한 배치 구조와 상이한 점은, 제1코일(190a)과 제3코일(190c)이 분리되지 않고 하나의 라인으로 형성되어 입출력 라인을 공유하며, 입출력 라인을 공유(즉, 원형 라인을 형성)하기 위하여, 강화틀(130)과 연결된 제2코일(190b)과 절연되어 그 위(또는 아래)층으로 연결된다.The arrangement structure illustrated in FIG. 14 is different from the arrangement structure described with reference to FIG. 13. The first coil 190a and the third coil 190c are formed as a single line without being separated, and share input / output lines. In order to share the input / output line (that is, form a circular line), the second coil 190b connected to the
따라서, 실질적으로는 절연된 두개의 금속층이 사용된 형태로 볼 수 있다.Thus, it can be seen that two metal layers are used which are substantially insulated.
이어서, 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)에 대하여 설명하는데, 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)는 1축 구동형이다.Next, the
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 상측 사시도이고, 도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러의 구조를 도시한 하측 사시도이다.15 is a top perspective view illustrating a structure of a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a bottom perspective view illustrating a structure of a scanning micromirror according to a second embodiment of the present invention.
도 15 및 도 16에 의하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)는 미러판(210), 프레임(220), 코일(230), 탄성체(240), 기판(250), 제1전극패드(262) 및 제2전극패드(264)를 포함하여 이루어진다.15 and 16, the
상기 미러판(210)은 프레임(220)에 고정되고, 상기 프레임(220)은 탄성체(240)에 의하여 양단이 기판(250)과 결합되어 있다.The
상기 탄성체(240)는 프레임(220)의 양측으로 상호 대향하게 위치되며, "V"자형 스프링으로 구비되며, 탄성체(240)에 의하여 탄력적으로 지지되므로(복원력 토크(Torque)를 제공하므로) 탄성체(210)의 길이 방향을 축으로 하여 소정의 회전각으로 유동될 수 있다.The
본 발명의 제2실시예에 의한 스캐닝 마이크로미러(200)는 일축 구동형이므로 미러판(210)이 직사각형태를 이루는 것이 바람직하고 미러판(210)을 지지하는 프레임(220)은 타원형을 이룬다.Since the
상기 코일(230)은 프레임(220), 탄성체(240)의 상면에 배치되고, 프레임(240) 양단의 각각의 탄성체(240)의 코일(230)은 제1전극패드(262)와 제2전극패드(264)와 연결되어 전류가 흐르게 된다.The
상기 탄성체(240)와 프레임(220)은 코일(230)과 전기적으로 절연되어 있는데, 상기 코일(230)은 하나의 도전체층으로서, 제1전극패드(262), 일측 탄성체(240)를 통하여 유입된 전류는 프레임(240)의 양측으로 분기되고 분기된 전류는 타측 탄성체(240)에 이르러 합쳐진다.The
이와 같이 전류가 코일(230)을 따라 흐르고 전계가 형성되면, 상기 기판(250) 밑에 위치되는 자석(270a, 270b; 도 19, 20에 도시됨)의 자계와 상호 작용을 일으켜 물리력, 즉 로렌츠의 힘을 형성하고, 상기 로렌츠의 힘이 코일(230)에 작용되면 코일(230)과 결합된 프레임(220), 미러판(210)이 구동된다.As such, when current flows along the
도 16을 참조하면, 상기 기판(250)의 아래면이 식각되어 제1트랜치(266) 및 제2트랜치(268)가 형성된 형태를 볼 수 있는데, 상기 제1트랜치(266)는 미러판(210), 프레임(220)이 움직일 수 있는 공간을 마련하고 상기 제2트랜치(268)는 탄성체(240)의 두께를 조정하기 위하여 식각된 공간이다.Referring to FIG. 16, the bottom surface of the
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)에 구비되는 미러판(210a)이 프레임(220a)과 결합되는 제1실시예에 따른 결합 구조를 도시한 상면도이고, 도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)에 구비되는 미러판(210b)이 프레임(220b)과 결합되는 제2실시예에 따른 결합 구조를 도시한 상면도이다.FIG. 17 is a top view illustrating a coupling structure according to the first embodiment in which a
도 17에 의하면, 미러판(210a)과 프레임(220a)이 타원형으로서 일체형으로 결합되어 있고, 탄성체(240a)는 토션바 형태로 구현되어 있으며, 코일(230a)은 프레임(220a)과 탄성체(240a) 상에 결합되어 있다. 또한, 도 18에 의하면, 미러판(210b)은 이격 공간을 가지고 프레임(220b)과 연결되는데, 프레임(220b)과 미러판(210b)은 연결살(214b)을 통하여 결합된다.According to FIG. 17, the
제2실시예에 따른 결합 구조의 경우, 프레임(220b)은 강화틀의 역할을 수행 하여 미러판(210b)이 열변형되거나 동적 변형되는 경우를 방지한다.In the coupling structure according to the second embodiment, the
본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)는 전술한 제1실시예에와 근본적으로 동일한 원리에 의하여 구동되는 것이므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.Since the
도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)에 구비되는 자석(270a)의 제1실시예에 따른 구조를 도시한 상측 사시도이고, 도 20은 본 발명의 제2실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(200)에 구비되는 자석(270b)의 제2실시예에 따른 구조를 도시한 상측 사시도이다.19 is a top perspective view showing a structure according to the first embodiment of the
전술한 대로, 로렌츠의 힘에 의하여 미러판(210)이 구동되기 위해서는 자석(270)의 형상과 배치가 중요한데, 본 발명에 의한 자석(270)은 평면 상의 중심으로부터 외부로 향하는 방사상 형태의 자기장(Radial Magnetic Field)을 형성한다.As described above, in order for the
도 19에 의하면, 제1실시예에 따른 자석(270a)은 원통형 자석(276a), 링형 자석(274a), 지지대(272a)를 포함하여 이루어지며, 이는 전술한 본 발명의 제1실시예에 따른 스캐닝 마이크로미러(100)에 구비되는 자석(170)과 그 구조가 동일하다.According to FIG. 19, the
도 20에 의하면, 제2실시예에 따른 자석(270b)은 세 개의 직사각형 자석(274b, 276b, 278b) 및 지지대(272b)를 포함하여 이루어지는데, 상기 세 개의 자석(274b, 276b, 278b)은 서로 이격되어 나란히 배치되고 지지대(272b)와 결합된다.According to FIG. 20, the
상기 미러판(220)과 코일(230)이 길죽한 타원의 형태를 가지므로 이러한 구조가 로렌츠의 힘에 의한 구동력을 발생시키는데 보다 유리하다고 볼 수 있다.Since the
즉, 도 19에 도시된 제1실시예에 따른 자석은 방사성이 강한 반면, 도 20에 도시된 제2실시예에 따른 자석은 길게 형성되는 측으로 방사되는 자기장이 약해지고, 짧게 형성되는 측(측면 방향)으로 자기장이 강하게 형성되며 이는 타원형의 코일과 강하게 상호 작용을 일으켜 1축 구동력을 더 강하게 발생시키는 효과를 가져온다.That is, the magnet according to the first embodiment shown in FIG. 19 has a strong radioactivity, whereas the magnet according to the second embodiment shown in FIG. 20 has a weak magnetic field radiated to a long side, and a short side (lateral direction). ), The magnetic field is strongly formed, which strongly interacts with the elliptical coil, resulting in stronger uniaxial driving force.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, these are only examples and are not intended to limit the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may have an abnormality within the scope not departing from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications are not illustrated. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
본 발명에 의한 스캐닝 마이크로미러에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the scanning micromirror according to the present invention, the following effects are obtained.
첫째, 반도체 일관 공정 및 마이크로머시닝 기술을 적용하여 보다 경량화되고 소형화된 스캐닝 마이크로미러를 구현할 수 있으며, 따라서 마이크로미러가 집적된 광스캐닝 소자를 제작할 수 있는 효과가 있다.First, a lighter and smaller scanning micromirror can be implemented by applying semiconductor integrated process and micromachining technology, and thus, an optical scanning device in which the micromirror is integrated can be manufactured.
둘째, 조사 속도가 보다 빨라지고 조사각의 범위가 넓어짐으로써 광학적 성능이 향상되고, 구조적 개선을 통하여 고속 동작에 따른 물리적 변형을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 반사광의 경로를 소정의 양만큼 변조하는 방향 변조 또는 각 변조 기능을 제공할 수 있다.Second, the optical speed is improved by increasing the irradiation speed and the range of the irradiation angle is wider, and there is an effect that can prevent physical deformation due to the high speed operation through the structural improvement, and modulates the path of the reflected light by a predetermined amount Modulation or each modulation function can be provided.
셋째, 종래의 기판 접합이나 고정밀도의 정렬 공정 없이 마이크로머시닝 기술 및 반도체 공정을 통하여 마이크로미러를 제작할 수 있으므로 공정이 단순화되고, 생산비용이 절감되며, 보다 적은 전압으로 광스캐닝 소자를 구동시킬 수 있는 효과가 있다.Third, the micromirror can be manufactured through micromachining technology and semiconductor process without conventional substrate bonding or high precision alignment process, which simplifies the process, reduces the production cost, and can drive the optical scanning device with less voltage. It works.
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