KR20110120289A - 광빔 주사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판의 진동을 이용하여 미러부에 비틀림 진동을 생기게 함으로써, 간단한 구조에 의하여 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 발생하는 광주사장치에 있어서, 장치의 소형화ㆍ정음화와, 미러부의 진동진폭의 조정을 도모하는 것을 목적으로 한다.
기판본체와, 기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부와, 이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부에 의하여 양측이 지지되는 미러부와, 기판본체를 진동시키는 구동원과, 미러부에 광을 투사하는 광원을 구비하고, 기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부를 지지부재에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진진동하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치에 있어서, 기판본체와 캔틸레버부를 합친 프레임부에 복수의 구멍을 구비한다.

Description

광빔 주사장치{LIGHT BEAM SCANNING DEVICE}

본 발명은 광빔(光 beam)의 주사(走査)에 의하여 스캔을 하는 광스캐너(光 scanner)에 관한 것으로서, 특히 토션바(torsion bar)에 의하여 지지되는 미소(微小)한 미러(mirror)를 요동(搖動)시켜서 광빔을 편광(偏光)시키는 구성의 광주사장치(光走査裝置)에 관한 것이다.

최근에 있어서 레이저광(laser光) 등의 광빔을 주사하는 광스캐너는, 바코드 리더(bar code reader), 레이저 프린터(laser printer), 헤드마운트 디스플레이(head mounted display) 등의 광학기기, 혹은 적외선 카메라 등과 같은 입력 디바이스의 광도입장치(光導入裝置)로서 사용되고 있다. 이러한 종류의 광스캐너로서, 실리콘 마이크로머시닝(silicon micromachining) 기술을 이용한 미소미러(微小mirror)를 요동시키는 구성이 제안되어 있다.

예를 들면 특허문헌1(일본국 공개특허공보 특개평11-52278호 공보)에는, 도19에 나타나 있는 실리콘 마이크로미러(silicon micromirror)를 구비한 광스캐너가 개시되어 있다(이하 「종래기술1」이라고 한다). 이 광스캐너는 실리콘 마이크로머시닝 기술을 사용하여 제작되어 전체 사이즈는 수 밀리미터(mm)의 스퀘어(square)로 형성된다. 지지기판(支持基板)(1)은 사각형의 후판(厚板)으로 형성되고, 그 중앙부분에는 오목부(1a)가 형성되며, 이 오목부(1a) 내에 실리콘 박판(Silicon 薄板)으로 형성된 미러(2)가 내장 및 지지되어 있다. 이 미러(2)에는 일체적(一體的)으로 형성된 2개의 토션바(torsion bar)(3a, 3b)가 양단방향으로 돌출되어 있고, 이들 토션바(3a, 3b)의 선단부(先端部)는 상기 지지기판(1)에 반대방향되어, 각각 패드(pad)(4a, 4b)에 접속되어 있다. 이에 따라 상기 미러(2)는, 토션바(3a, 3b)의 비틀림에 의하여 미러의 평면방향과 수직을 이루는 방향으로 회전하는 것이 가능하도록 되어 있다. 그리고 상기 미러(2)의 적어도 주변영역 혹은 표면에는 불순물 이온(impurity ion)의 주입이나 확산이 이루어지거나 또는 알루미늄(aluminum)이나 은(silver) 혹은 도전성(導電性)을 구비하는 유기박막(有機薄膜) 등이 피착(被着)되어 있고, 이들 영역이 도전성을 구비하는 전극부(電極部)(5)로서 구성되어 있다.

한편 상기 지지기판(1)은, 상기 오목부(1a)를 사이에 둔 양측위치의 표면 상에, 절연체(6)를 사이에 두고 각각 고정전극(固定電極)(7a, 7b)이 배치되어 있다. 이들 반대방향전극(7a, 7b)은 반도체 혹은 유기재료로 이루어진 도전성 재료로 형성되어 있고 또한 각각의 내측 테두리부는 상기 미러(2)의 양쪽 테두리의 전극부(5)에 근접하게 배치되어, 이들 전극부(5)와 상기 각 고정전극(7a, 7b)과의 사이에서 콘덴서가 형성되어 있다.

그리고 한쪽의 고정전극(7a)의 패드(8a)와 토션바(3a, 3b)의 패드(4a, 4b)와의 사이에 소정의 전압을 인가하면, 이들 패드(4a, 4b)에 이어진 미러 전극부(mirror 電極部)(5)에 전압이 인가되어, 고정전극(7a)과 미러 전극부(5)의 표면에 서로 역(逆)의 극성의 전하가 축적되어 콘덴서가 구성되고, 고정전극(7a)과 미러 전극부(5)와의 사이에 정전인력(靜電引力)이 작용하여, 미러(2)의 회전이 시작된다. 다음에 미러(2)가 원래의 위치로 복귀된 후에, 이번에는 반대측의 고정전극(7b)과 미러 전극부(5)와의 사이에 전압을 인가함으로써, 이번에는 반대의 회전방향으로 미러(2)가 회전된다. 이러한 동작을 반복함으로써, 미러(2)는 반시계방향 및 시계방향의 각각의 최대회전위치에까지 회전하는 동작을 반복하는 요동동작(搖動動作)이 이루어지게 된다.

또한 특허문헌2(일본국 공개특허공보 특개평10-197819호 공보)에는, 실리콘 마이크로머시닝 기술을 이용한 마이크로미러를 요동시키기 위한 광스캐너가 기재되어 있다(이하 「종래기술2」라고 한다).

이 광스캐너는, 도20에 나타나 있는 바와 같이 광을 반사하기 위한 판자 모양의 마이크로미러(1)와, 일직선 상에 위치하고 마이크로미러(1)의 양측을 지지하는 한 쌍의 회전지지체(回轉支持體)(2)와, 한 쌍의 회전지지체(2)가 접속되고 미러(1)의 주변을 둘러싸는 프레임부(frame 部)(3)와, 프레임부(3)에 병진운동(竝進運動)을 가하는 압전소자(壓電素子)(4)를 구비하고 또한 한 쌍의 회전지지체(2)를 접속하는 직선 상 이외의 장소에 미러(1)의 무게중심을 위치시킨 구성으로 되어 있다.

압전소자(4)에 전압을 가하면, 압전소자(4)는 신축(伸縮)을 하여 Z축방향으로 진동(振動)하고, 이 진동은 프레임부(3)에 전달된다. 마이크로미러(1)는 구동된 프레임부(3)에 대하여 상대운동(相對運動)을 발생시켜서, Z축방향의 진동성분이 마이크로미러(1)에 전해지면, 마이크로미러(1)는 X축 회전지지체(2)로 이루어진 축선에 대하여 좌우 비대칭의 질량성분을 가지기 때문에, X축 회전지지체(2)를 중심으로 하여 마이크로미러(1)에 회전모멘트(回轉 moment)가 발생한다. 이렇게 하여 압전소자(4)에 의하여 프레임부(3)에 가해진 병진운동은, 마이크로미러(1)의 X축 회전지지체(2)를 중심으로 하는 회전운동으로 변환된다.

또한 특허문헌3(일본국 공개특허공보 특개평10-104543호 공보)에는, 도21에 나타나 있는 바와 같이 진동자(振動子)(1)에 있어서 가동부(可動部)(2)의 양측으로부터 바(bar)(3, 3)가 서로 반대방향으로 연장(延長)되고, 고정부(固定部)(6)의 2개의 암부(arm 部)(4, 4)로 이어지고 있으며, 고정부(6)의 암부(4, 4)에는 각각 압전박막(壓電薄膜)(5, 5)이 설치되고, 이들 압전박막(5, 5)이 고차(高次) 진동주파수를 포함하는 동일한 신호에 의하여 구동되도록 하는 광주사장치(이하 「종래기술3」이라고 한다)가 기재되어 있다.

그러나 상기한 종래기술1의 광스캐너는, 실리콘 마이크로머시닝 기술을 사용하여 수 밀리미터(mm)의 스퀘어로 제작되는 것이며, 미러(2)의 적어도 주변영역 혹은 표면에 전극부(5)를 형성함과 아울러 토션바(3a, 3b)에 패드(4a, 4b)를 설치하고 또한 지지기판(1)의 양측위치의 표면 상에 절연체(6)를 사이에 두고 각각 고정전극(7a, 7b) 및 패드(8a, 8b)를 배치할 필요가 있었다.

이와 같이 미러(2)의 적어도 주변영역 혹은 표면에 전극부(5)를 형성하고 또한 토션바(3a, 3b)에 패드(4a, 4b)를 형성하고 또한 지지기판(1)의 양측위치의 표면 상에 절연체(6)를 사이에 두고 각각 고정전극(7a, 7b) 및 패드(8a, 8b)를 형성하기 때문에, 구조가 복잡하게 되어 고장발생의 요인이 증가할 뿐만 아니라, 제조에 시간이 걸리고 비용상승으로 이어지는 문제가 있었다.

또한 상기한 종래기술2의 광스캐너는 압전소자(4)에 의하여 프레임부(3)에 가해지는 병진운동을, 마이크로미러(1)의 X축 회전지지체(2)를 중심으로 하는 회전운동으로 변환하는 구조이기 때문에, 마이크로미러(1)의 무게중심위치를 토션바에 대하여 비켜놓을 필요가 있었다.

또한 장치의 X-Y축방향 뿐만 아니라 Z축방향으로도 두께가 필요하여, 장치의 박형화가 곤란하였다.

또한 상기한 종래기술3의 광주사장치에서는, 가동부(2)의 진동각(振動角)을 크게 취할 수 없다는 결점이 있었다.

즉 프레임부로부터 이어져 나가는 2개의 토션바를 지지하는, 폭이 가느다란 2개의 캔틸레버(cantilever) 부분에 압전막(壓電膜)을 형성하면, 이 부분의 강성(剛性)이 증가하여, 압전막으로 유도(誘導)된 진동이 효율적으로 토션바부(torsion bar 部)에 전달되지 않아, 그 결과 미러의 비틀림 진동(torsional vibration)이 작아진다. 또한 2개의 캔틸레버부(cantilever 部)와 그 위에 형성되는 압전막에 의하여 구성되는 진동원(振動源) 부분의 진동특성을 정확하게 일치시키지 않으면, 미러의 비틀림 진동의 진동진폭이 억제되는 것과 동시에, 비틀림 진동 이외의 진동모드가 중첩되어, 정확한 레이저빔의 주사가 실현되지 않는다. 또한 미러의 구동력(驅動力)을 증가시키기 위해 압전막 부분의 면적을 크게 하려면, 상기 캔틸레버부의 폭을 크게 할 필요가 있고, 이 때문에 동(同) 캔틸레버부에 2차원적인 불필요한 진동모드를 발생시켜서, 미러의 비틀림 진동의 진동진폭이 억제되는 것과 동시에, 비틀림 진동 이외의 진동모드가 중첩되어, 정확한 레이저빔의 주사가 실현되지 않는 등의 문제가 있다. 또한 상기 캔틸레버의 폭이 가늘게 제한되기 때문에 이 부위에 형성된 압전막을 구동하기 위하여 상부전극을 형성하는 것은, 폭이 가늘기 때문에 용이하지 않아, 양산 시의 수율에 크게 영향을 주는 등의 문제점이 있었다.

도22는 종래기술3의 경우에와 같은 것으로서, 프레임부로부터 이어져 나가는 2개의 토션바를 지지하는, 폭이 가느다란 2개의 캔틸레버 부분에 압전막을 형성하는 구성으로 되어 있고, 미러부 주사각도(mirror scan angle)의 구동효율을 시뮬레이션 계산에 의하여 조사한 것이다. y=0의 면을 대칭면으로 하여, 절반부만을 모델화 하였다.

도23은, 도22에 나타내는 프레임부로부터 이어져 나가는 2개의 토션바를 지지하는, 폭이 가느다란 2개의 캔틸레버 부분에 압전막을 형성한 구성에서의 미러의 진동각을 나타낸다. 구동전압은 1V로 하고, 압전체의 전기특성은 전형적인 파라미터인 PZT-5A의 특성, 스캐너 프레임 본체의 재질은 SUS304의 특성을 사용하였다. 미러부의 진동각은 0.63도 이었다.

여기서 상기 종래기술1 또는 3에 있어서의 문제점의 개선책으로서, 본건 출원인은 앞서 특허문헌4(국제공개 WO 2008/044470호 공보)에 나타나 있는 광주사장치(이하 「종래기술4」라고 한다)를 제안하였다. 이 광주사장치는, 미러부를 지지하는 토션바부를 구비하는 기판에 에어로졸 증착(aerosol deposition)법, 스퍼터링(sputtering)법 혹은 졸-겔(sol-gel)법 등의 박막형성 기술을 사용하여 압전막 액추에이터(piezoelectric actuator)를 형성하고, 기판의 진동을 이용하여 미러부에 비틀림 진동을 발생시킴으로써, 간단한 구조에 의하여 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 발생시킬 수 있도록 한 것이고 또한 본 발명은 종래기술4를 바탕으로 하여 개량한 것으로서, 미러부에 있어서의 비틀림 진동의 발생원리 등의 기본적 사항에 관해서는 종래기술4와 공통되기 때문에, 이하에서 종래기술4의 미러부에 있어서의 비틀림 진동의 발생원리 및 장치의 기본적 사항에 대하여 상세하게 설명한다.

[미러부에 있어서의 비틀림 진동의 발생원리]

종래기술4의 기본구성은, 도1에 나타나 있는 바와 같이 기판본체(基板本體)(20)와 기판본체의 양측부로부터 돌출한 2개의 캔틸레버부(19, 19)로 이루어진 기판(10)과, 캔틸레버부(19, 19) 사이에 미러부(13)를 양측으로부터 지지하도록 설치된 토션바부(12, 12)와, 기판본체(20)에 설치된 압전막 등으로 이루어진 구동원(驅動源)(11)과, 기판본체의 미러부(13)측의 반대측에 있는 고정단부(固定端部)(21)를 고정하는 지지부재(支持部材)(16)로 이루어져 있다. 미러부(13)를 지지하는 토션바부(12)는, 캔틸레버부(19)의 축방향에 대하여 수직방향(X축방향)으로 설치되어 있다.

도2에 나타나 있는 바와 같이 구동원(11)인 압전막에 전압을 인가하면, 압전막 바로 아래의 기판본체(20)는 압전막과 함께 구부러져 굴곡(휘어짐)이 발생하여, 기판본체(20)에 진동이 발생한다. 즉 도2(a)에 나타나 있는 바와 같이 압전막측에 플러스의 전압을 인가하면 압전막은 늘어나고, 반대로 도2(b)에 나타나 있는 바와 같이 압전막측에 마이너스의 전압을 인가하면 압전막은 수축되어, 기판(10)에 진동이 발생한다.

이 때에 기판본체(20) 상에 발생된 진동은, 기판본체(20)로부터 캔틸레버부(19)로 전달되어 도1에 도시된, 토션바부(12)에 의하여 지지된 수평상태에 있는 미러부(13)에 회전모멘트를 부여하는 힘을 작용시킬 수 있어 비틀림 진동을 유도한다.

[구동원의 배치]

종래기술3에 대하여 설명한 바와 같이 구동원(11)을 미러부(13)에 가까운 토션바부(12) 및 캔틸레버부(19)에 설치하였을 경우에, 큰 값의 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수는 없다.

이에 대하여 종래기술4에서는, 진동원(11)인 압전막을 기판본체(20)에 1개 형성함으로써 두 캔틸레버부(19, 19)의 강성을 감소시켜서, 효율적으로 미러부(13)의 비틀림 진동을 유도함과 동시에, 미러부(13)를 구동하는 구동원(11)을 1개로 함으로써 상기 구동원(11)의 불균등(不均等)에 기인하는 불필요한 진동모드의 유도 및 진폭저하의 문제를 해소한다. 또한 이렇게 구동원(11)으로 되는 압전막 형성부분과, 미러부(13) 및 미러부(13)를 지지하는 토션바부(12)로 구성되는 미러 비틀림 진동부를 상기 2개의 캔틸레버부(19, 19)에 의하여 분리함으로써, 구동원(11)의 압전막의 면적을 캔틸레버부(19)의 폭에 관계없이 자유롭게 설정할 수 있어, 미러 비틀림 진동부에 의하여 효율적으로 큰 구동력을 투입할 수 있으며 또한 압전막 구동용의 전극형성도 용이하게 되어, 공업적 생산에 있어서의 수율을 향상시킬 수 있다.

도3은 종래기술4에 관한 진동원(11)인 압전막을 기판본체(20)에 1개 형성한 구성의 광주사장치에서, y=0의 면을 대칭면으로 하여, 절반부만을 모델화한 평면도이다. 광주사장치의 기본구성이 되는 미러부(13)의 치수나 토션바(12)의 치수, 토션바(12)의 미러부(13)로의 설치위치(미러부의 무게중심위치), 기판(10)의 형상 및 그 지지방법 또한 압전체(壓電體)의 두께나 막면적(膜面積)의 합계값은, 종래기술3과 동일하게 하고 있다. 다른 점은 구동원(11)인 압전막의 형성위치 뿐이다.

도4는, 도3에 나타내는 장치의 미러부(13)의 진동각을 나타낸다. 구동전압은 1V로 하고, 압전체의 전기특성은 전형적인 파라미터인 PZT-5A의 특성, 스캐너 프레임 본체의 재질은 SUS304의 특성을 사용하였다. 기본적으로 도25에 나타낸 종래기술3과 도3에 나타낸 본 발명의 공진주파수는 대략 같지만, 미러부(13)의 진동각은 종래기술3의 것에서는 0.63도인 것에 대하여, 도3에 나타낸 종래기술4에 의한 것에서는 2.69도(30V 환산으로 80.7도)로서, 4.3배 정도 크게 진동하는 것이 확인되었다.

또한 미러의 주사진폭을 크게 하기 위하여, 기판에 배치되는 진동원을 복수 개 배치하는 것도 가능하지만, 이 경우에 진동원의 특성이나 설치위치, 접착, 성막(成膜)에 의한 설치상태의 편차 때문에, 기판부에 미러부를 지지하는 토션바와 수직을 이루는 방향의 대칭축에 대하여 비대칭의 2차원 진동이 쉽게 유도되어, 미러의 비틀림 진동에 의한 광빔의 주사정밀도가 저하된다. 이에 대하여 본 발명에서는, 1개의 진동원으로도 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 유도하여, 광빔의 주사지터(scan jitter)의 저감과 제품의 편차를 대폭적으로 억제할 수 있다.

또한 일정한 구동전압 하에서 미러부(13)의 비틀림 각도의 최대진폭을 얻기 위하여는, 미러부(13)에 대한 구동원(11)의 배치가 중요하다. 미러부(13)를 지지하는 토션바부(12)와 캔틸레버부(19)의 접속위치로부터 떨어진 위치 즉 기판본체(20)의 일부, 예를 들면 기판본체(20)의 중앙부에 구동원(11)을 배치하면 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수 있다.

또한 미러부(13)를 지지하는 토션바부(12)와 캔틸레버부(19)의 접속위치로부터 떨어진 위치에 구동원(11)을 설치하여 진동을 발생시키는 경우에, 미러부(13)를 지지하고 있는 토션바부(12)와 캔틸레버부(19)의 접속부위의 근방에 있어서 기판진동의 최소진폭(진동의 마디)을 얻을 수 있도록 배치한다.

또한 캔틸레버부(19)와 기판본체(20)의 접속부가, 구동원(11)에 의하여 기판본체(20)에 여기(勵起)되는 기판진동의 최대진폭의 근방에 위치하도록 설정함으로써 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수 있다.

또 미러부(13)를 양측으로부터 지지하는 토션바부(12, 12)의 진동모드를 일치시키기 위하여는, 예를 들면 구동원(11)을 기판본체(20)의 폭방향의 중심(도1의 Y축)에 배치하여, 구동원(11)으로부터 좌우의 토션바부(12, 12)까지의 거리를 동일하게 하는 것도 하나의 방법이다.

[공진주파수]

도1에 나타내는 종래기술4와 같이 미러부(13)로부터 떨어진 위치에서 발생시킨 진동에너지를 효율적으로 미러부(13)의 비틀림 진동을 위한 에너지로서 전달하기 위하여는, 주로 미러부(13)의 중량(mass)과 토션바(12)의 스프링 정수(spring constant)에 의하여 결정되는 미러부(13)의 공진주파수(fm)를, 기판(10) 자체의 분할진동모드(division oscillation mode)도 포함시킨 공진주파수(fb)로부터 크게 비켜놓을 필요가 있다. 미러부(13)의 비틀림 진동의 공진주파수(fm)에 맞도록 광주사장치의 구동원(11)을 구동하였을 때에 기판(10)에도 공진모드가 유도되면, 구동원(11)에서 발생된 진동에너지는 에너지 보존법칙에 의하여 미러부(13)의 비틀림 진동과 기판(10)의 2차원 분할진동으로 분배된다. 따라서 기판(10)의 2차원 분할진동에 의하여 구동원(11)으로부터의 진동에너지가 소비된 부분만큼 미러부(13)의 비틀림 진동의 진폭(비틀림 각도)은 작아지게 되어 효율적으로 광주사장치를 구동할 수 없다.

또한 기판(10)에 불필요한 2차원 분할진동이 유도되면, 그 선단에 위치하는 미러부(13)에도 토션바(12)를 회전축으로 하는 순수한 비틀림 진동 이외의 진동모드가 중첩되는 경우에도 있어, 직진 주사성을 갖는 뛰어난 고정밀도의 광주사를 실현할 수 없다. 이에 대하여 종래기술4에서는, 프레임부에 나타나 있는 바와 같이 미러부에 유도되고 고차(高次)까지 포함하는 비틀림 공진주파수 a (fm(n): n=0,1,2,…)가, 프레임부에 유도되고 고차까지 포함하는 공진주파수 b (fb(n): n=0,1,2,…)와 겹치지 않도록 설계된다.

[구동원이 되는 압전막 등의 막체의 두께 및 면적]

미러부(13)를 진동시키는 구동원(11)이 되는 압전막 등의 막체(膜體)의 두께와 크기는, 기판본체(20)의 두께와 크기에 따라 알맞은 사이즈를 취할 필요가 있다.

광주사장치의 사용조건을 생각하면, 구동전압(압전막 인가전압)이 일정한 경우에서는 막체의 두께가 얇아질수록 큰 변위를 얻을 수 있게 된다. 실제로는, 특히 AD법에 의하여 형성된 막에 있어서 금속기판 상에 형성한 압전막의 특성은 막두께에 대하여 의존성이 있는데, 지나치게 얇으면 압전특성의 저하나 누설전류(leak current)의 증가 등과 같이 막특성이 저하되고, 지나치게 두꺼우면 분극(分極)처리가 곤란하게 된다. 또한 기판(10)의 두께에 관해서는, 동작 중인 미러의 평탄성(flatness)이나 프로젝터 디바이스(projector device) 등에 대한 응용에서 요구되는 미러 사이즈를 고려하여, 실리콘(Si), 스테인레스 재의 기판을 상정(想定)하면, 적어도 10㎛ 이상의 두께가 요구된다. 이상과 같은 점을 고려한 광주사장치의 구동에 적합한 압전막 등의 막체의 알맞은 두께는, 기판본체(20) 두께의 6배 이하가 적당하고, 막체 두께의 하한은 대략 1㎛로서, 이 때에 동일면적의 막두께에 대하여 최소의 구동전압과 소비전력으로 최대의 미러부 주사각도(mirror scan angle)를 얻을 수 있다.

또한 구동원(11)이 되는 압전막 등의 면적에 관해서는, 상기 막두께의 범위에서, 기판 상에서 진동이 전달되는 방향에 대한 막체의 길이가, 대략 광주사장치를 구동하는 공진주파수와 기판재료의 음속(音速)에 의하여 결정되는 진동의 1/2파장보다 작은 범위이면 효율적으로 구동할 수 있다. 또한 그 범위에 있어서 소비전력도 고려하면, 구동원(11)의 면적은 기판본체(20)와 같거나 혹은 보다 작은 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 기판본체(20)의 면적의 3/4 이하인 편이 좋다.

[미러부의 무게중심위치]

광주사장치의 미러부(13)를 지지하는 토션바(12)의 설치위치가, 토션바부(12)의 축에 대하여 수직방향의 미러부(13)의 무게중심위치로부터 벗어나는 경우에, 도6에 나타나 있는 바와 같이 바(bar)의 축(X축)을 중심으로 하는 비틀림 공진모드와, 미러부(13)의 무게중심위치(Xm)를 중심으로 하는 비틀림 공진모드의 두 개의 공진(f1, f2)이 존재한다. 이 때에 두 개의 공진주파수(f1, f2)의 차이는 근소하기 때문에, 구동주파수가 저주파수 측에서 공진주파수에 근접할 때와, 고주파 측에서 공진주파수에 근접할 경우에, 공진주파수 근방에서 미러의 비틀림 진동의 각도의 진폭(광주사각도; 光走査角度)은 동일하게 되지 않아 큰 히스테리시스(hysteresis)가 발생한다. 이 히스테리시스는 실용상 큰 문제가 된다. 예를 들면 주변온도의 변동 등에 의하여 광스캐너의 기계정수(mechanical constants)가 변화되고, 이에 따라 공진주파수가 변화하여 광주사각도가 변동하는 경우에를 생각할 수 있지만, 이러한 변동은 보통 압전막(11)에 인가하는 구동주파수를 변화시켜서 보상제어한다. 하지만 상기한 바와 같은 히스테리시스가 존재하면, 그 비선형성 때문에 매우 복잡한 제어가 필요하게 되어 실용적이지 않다. 이에 대하여 미러부(13)의 무게중심위치와 토션바의 지지위치를 일치시키면, 상기한 바와 같은 히스테리시스는 나타나지 않아 양호한 공진특성을 얻을 수 있다.

[토션바부의 단면]

미러부(13)를 지지하는 토션바부(12)의 단면은, 이상적으로는 축의 방향과 대칭인 원형이 바람직하지만 실제의 가공에서는 판재(板材)로부터 형성되므로 유한한 폭을 가지고, 그 단면은 사각형 모양이다. 이 때문에 바(bar)의 폭(W)이 지나치게 커지면 근소한 가공오차 등에 의하여서도, 공진 시에 바의 폭(W) 내에서 토션바부(12)의 축의 위치가 이동하는 현상이 발생하여, 상기한 바와 같이 공진주파수 근방에서의 구동주파수에 대하여 비틀림 각도의 진폭(광주사각도)에 히스테리시스 현상이 발생함으로써, 구동제어를 곤란하게 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 토션바부의 폭에 관해서도 어떤 폭 이하로 할 필요가 있다. 실험적으로는 토션바부의 길이(T1), 기판두께(T2)에 대하여, W/T1≤0.4 또는 0.05≤T2/W≤2의 범위에 있을 것이 필요하고, W/T1≤0.2 또는 0.1≤T2/W≤0.5의 범위에 있는 것이 바람직하다.

[압전막의 형성방법]

압전막의 형성방법에 있어서는, 에어로졸 증착법을 사용하여 형성하면 저온고속의 프로세스 때문에, 단시간에 용이하게 수 마이크로미터(㎛) 이상의 후막(厚膜)을 금속기판 상 등에 직접 형성할 수 있지만, 이것에 한하지 않고 예를 들면 실리콘(Si) 기판 등 내열온도가 있는 재료를 이용하면, 스퍼터법이나 CVD법, 졸-겔법 등의 종래의 박막기술을 사용하여 에피택셜 성장한 고성능의 압전박막을 형성하는 것도 가능하여, 더욱 작은 광주사장치를 구성하는 경우에 등에 유용하다.

[기판의 지지]

기판(10)은 기판본체(20)의 미러부(13)측의 반대측에 있는 고정단부(21)를 지지부재(16)에 의하여 캔틸레버 상태로 고정ㆍ지지하는 편이 미러부(13)의 비틀림 진폭(torsion amplitude)을 크게 할 수 있다. 이 때에, 지지부재(16)로 고정하는 고정단부(21)의 폭은 기판본체(20)의 폭의 1/20∼3/4의 범위가 적합하다. 더 바람직하게는 기판본체(20)의 폭의 1/10∼1/2의 범위인 편이 좋다.

기판본체(20)의 미러부(13)측과 반대측에 있는 고정단부(21)의 폭을 기판본체(20)의 폭보다 좁게 하여 지지부재(16)에 의하여 캔틸레버 상태에서 고정ㆍ지지하는 편이, 구동원(11)에 의한 기판본체(20)의 진동을 더 효율적으로 발생시킬 수 있어, 미러부(13)의 비틀림 진폭을 크게 할 수 있다.

미러부(13)의 비틀림 각도(torsion angle)는 고정단부(21)의 폭이 좁을수록 커지는 경향이 확인되어 있다. 이 때에, 지지부재(16)로 고정하는 고정단부(21)의 폭은 기판본체(20)의 폭의 1/20∼3/4의 범위가 적합하다. 기판본체(20)의 폭의 1/20 이하로 되면 실용적인 면에서 지나치게 좁게 하는 것이어서, 고정이 불안정하게 되어 실용적이지 않다.

도7은 다양한 기판 형상을 나타낸 것이다.

예를 들면 도7(a)는 고정단부(21)가 기판본체(20)의 폭과 같은 경우에이며, 이 경우에 미러부(13)의 비틀림 각도는 35도 이다. 한편 도면의 (b), (c), (d)에 나타난 바와 같이 고정단부(21)의 전체의 폭이 기판본체(20)의 폭보다 좁은 경우에는, 같은 구동전압으로 미러부(13)의 비틀림 각도가 40도 이상의 높은 것을 얻을 수 있었다.

또한 고정단부(21)의 전체의 폭 뿐만 아니라, 그 형상도 중요한 것을 알았다. 예를 들면 도7(b)에 나타나 있는 바와 같이 기판본체(20)의 고정단부(21) 근방에서 좌우로부터 사각형의 모양으로 잘라내어 고정단부(21)의 폭을 작게 하였을 경우에(「工형 형상」이라 한다), 비틀림 각도는 46도 이었다. 도7(c)에 나타나 있는 바와 같이 기판본체(20)의 고정단부(21) 근방에서 좌우로부터 삼각형의 모양으로 잘라내어 고정단부(21)의 폭을 작게 하였을 경우에(「Ｙ형 형상」이라 한다), 비틀림 각도는 54도 이며, 구동원(11)에 의하여 기판본체(20)의 진동을 보다 효율적으로 발생시켜서, 미러부(13)의 비틀림 진폭을 크게 하는 것이 가능하다. 이 때에 고정단부(21)의 전체의 폭을 기판본체(20)의 폭의 1/8∼1/2로 하는 것이 좋다.

또한 고정단부(21)의 일부를 기판본체(20)의 중앙부에 배치하는 것이, 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수 있게 한다. 예를 들면 도7(e)에 나타나 있는 바와 같이 고정단부(21)의 일부의 위치가 기판본체(20)의 중앙에 위치하지 않을 경우에 미러부(13)의 비틀림 각도가 43도 이었다. 그러나 도7(d)에 나타나 있는 바와 같이 고정단부(21)의 일부가 기판본체(20)의 중앙에도 위치하고 있는 경우에(「안경 프레임 형상」이라 한다), 미러부(13)의 비틀림 각도는 54도 이었다.

한편 고정단부(21)가 기판본체(20)의 폭과 동일한 경우에도, 기판본체(20)의 고정단부(21)를 고정하는 지지부재(16)의 지지형태를 변경함으로써, 광주사장치의 고정 안정성(fixing stability)을 더 높이기 위한 것이 가능하다.

도8은 3개의 지지형태의 예를 나타낸 것이다.

도8(a)는 기판본체(20)의 일측의 전체 면을 지지부재(16)에 의하여 지지한 예이며, 이 경우에 미러부(13)의 비틀림 각도가 45도 이었다.

도8(b)는 기판본체(20)의 일측의 전체 면 및 그것에 이어지는 양측도 지지부재(16)에 의하여 지지한 예이며, 이 경우에 미러부의 비틀림 각도가 43도 이었다. 구동원(11)에 의하여 기판본체(20)에 발생되는 진동은, 기판본체(20)의 미러부(13) 측의 반대측에 있어서 그 양측 부분에서는 그다지 크지 않기 때문에(도12 참조), 고정단부(21)의 양측부분을 지지부재(16)에 의하여 고정하여도 미러부(13)의 비틀림 진폭에는 거의 영향이 없다. 도8(b)의 경우에 기판(10)을 고정하는 길이가 길어지기 때문에, 실용적으로 광주사장치의 고정안정성을 더 높이기 위한 것이 가능하다. 이 때에 평면 내에서, 지지부재(16)의 개구(開口)되는 삼각형의 각도(θ)를 30도∼300도의 범위로 하는 것이 좋다.

또한 기판(10)을 지지부재(16)에 고정하는 수단으로서 기판본체(20)를 상하로 조여지게 삽입하면 안정된 고정이 가능하지만, 이 삽입되는 부분(삽입부)이 평면인 경우에는, 기판본체의 고정단부에 균등한 접촉압(接觸壓)이 걸리지 않아, 불필요한 공명(共鳴)이 발생하여 충분한 고정을 할 수 없는 경우에가 있다. 따라서 삽입부의 단면 형상을 도8(c)에 나타나 있는 바와 같이 곡면 모양으로 하여 두면, 기판본체부(20)의 고정단부 근방에 약간의 구부림 장력(bending tension)이 작용하여 기판본체부(20)와 지지부(16)와의 접촉면에 균일한 압력이 가해져서 가압됨으로써 더 안정된 고정이 가능하게 된다. 실험에서는 삽입부가 평면인 경우에는 미러부(13)의 비틀림 각도가 30도 이었던 것이, 도8(c)의 곡면 형상으로 한 경우에 공진주파수는 안정화되고 미러부(13)의 비틀림 각도를 54도까지 증가시킬 수 있었다.

또 삽입부의 단면 형상은, 상기한 곡선 형상 뿐만 아니라 기판 본체부를 약간 구부린 것과 같은 삼각 형상이라도 좋다.

종래기술4에 의한 광주사장치는, 기본구조로서 도1에 나타내는 기판본체(20)가 미러부(13)의 반대측에서 지지부재(16)에 의하여 캔틸레버 지지된 구조로 되어 있고, 이 때문에 광주사장치의 전체에 상하의 외란진동(vertical disturbance vibration)이 가해지면 광주사장치 전체가 진동하고, 미러부(13)로 반사(反射), 주사(走査)되는 광빔은 이 진동의 영향을 받아 불안정하게 진동하여 정확한 광주사를 보증할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서 휴대기기 등에서의 실용적인 응용을 상정하면, 이 광주사장치 전체가 캔틸레버 구조로 인하여 불안정하게 되는 것을 개선할 필요가 있다.

따라서 종래기술4에서는 도9에 나타나 있는 바와 같이 캔틸레버에 의하여 지지되어 있는 광주사장치 전체를 둘러싸도록 배치된 강성(剛性)이 높은 기판고정 프레임(基板固定 frame)(22)에, 폭이 가느다란 기판접속용바(基板接續用 bar)(23)에 의하여, 광주사장치를 고정단부(21)로부터 떨어진 위치에서도 고정한다.

이 때에 기판접속용바(23)의 고정 위치에 의하여 광주사장치 자체의 공진상태가 변화되어, 미러부(13)의 주사각도나 공진주파수가 영향을 받는다.

도10, 도11은 이러한 상황을 조사한 것으로서, 도10(a)에 나타나 있는 바와 같이 미러부(13)가 비틀림 공진(torsional resonance)하고 있을 때에 진동의 배(antinode)에 가까운 진동진폭이 큰 캔틸레버부(12)의 밑동(base) 부분에서 기판접속용바(23)에 의하여 광주사장치를 고정하면, 미러부(13)의 주사진폭(진동각)은 고정되어 있지 않은 경우에의 약 53도의 주사진폭에 비하여 약 17도로 대폭 저하된다. 이것은 광주사장치의 가장자리부에서 진동진폭이 큰 장소를 고정하여 그 진동을 억제하면 광주사장치 기판(10) 전체의 진동모드를 변화시키고, 그 결과 미러부(13)의 비틀림 진동으로 에너지가 효율적으로 전달되지 않기 때문이다.

이에 대하여 도11에 나타나 있는 바와 같이 기판접속용바(23)에 의하여 접속되지 않고 있는 상황에서 미러부(13)가 비틀림 공진하고 있을 때에, 광주사장치 기판(10)의 테두리 부분(도11의 부호 24로 나타낸 장소)의 Z축방향의 진동진폭이 최소가 되는 마디(25) 근방의 장소에서, 도10(d)에 나타나 있는 바와 같이 기판접속용바(23)로 접속고정하였을 경우에는, 미러부(13)의 주사진폭은 약 55도로서, 기판고정 프레임(22)에 고정하지 않는 경우에보다 오히려 약간 큰 주사진폭으로 된다. 이 경우에는 광주사장치 기판(10) 전체의 진동모드를 변화시키지 않기 때문에, 고정하지 않고 있는 경우에와 거의 등가(等價)의 공진상태를 유지할 수 있어, 기판접속용바(23)에 의한 광주사장치 기판(10)의 고정이 미러부(13)의 주사진폭에 미치는 영향은 최소가 된다.

따라서 광주사장치의 가장자리부에서, 미러 공진 시에 진동의 마디 혹은 진동진폭이 가장 작고 또한 되도록이면 광주사장치 지지부재(16)로부터 먼 장소에서 기판접속용바(23)에 의하여 광주사장치를 고정하면, 미러부(13)의 주사진폭을 감쇠시키지 않고 광주사장치를 외란진동에 대하여 안정되게 지지할 수 있다.

이상의 종래기술4에 의한 광주사장치에서 광빔의 주사지터(scan jitter)와 주사워블(scan wobble)(빔 주사속도의 안정성 지표)을, 일본의 ALT 주식회사의 제품인 MEMS 스캐너 계측시스템[ALT-9A44]으로 평가한 바, 종래의 실리콘제 MEMS 광스캐너(일본신호 주식회사(日本信號株式會社) 제품)의 주사지터가 Jp-p: 0.2∼0.3%인 것에 대하여, 본 발명의 광주사장치는 금속재료로 구성되어 있음에도 불구하고, 주사 공진주파수 6kHz, 16kHz, 24kHz에 대하여 Jp-p: 0.06% 이하로서 값이 1자리수 작고, 종래 폴리곤미러 방식(polygon mirror system)에 상당하는 고정밀도(high accuracy)의 광빔주사를 실현할 수 있다. 또한 종래 폴리곤미러 방식에서는, 주사워블이 Wp-p： 30∼40초 정도이므로 f-Θ렌즈 등에 의하여 보정(correction)을 가하여 값을 1자리수 내릴 필요가 있지만, 종래기술4에 의한 광주사장치에서는, 주사워블이 Wp-p： 5초 이하로서, 1자리수 낮은 값으로 되어 있어 보정 렌즈계(correction lens system)가 없어도 안정성이 높은 빔주사속도를 실현할 수 있고, 소형 및 저비용화를 용이하게 할 수 있도록 한다. 이상의 측정결과로부터, 본 발명에 의한 광주사장치는 레이저 프린터 등에 사용할 수 있는 높은 광빔 주사정밀도를 얻을 수 있음이 분명하다.

일본국 공개특허공보 특개평 11-52278호 공보 일본국 공개특허공보 특개평 10-197819호 공보 일본국 공개특허공보 특개평 10-104543호 공보 국제공개 WO 2008/044470호 공보

본 출원인이 앞서 제안한 종래기술4에 의하여 간단한 구성으로 소형화 및 저비용을 도모하였지만, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는 종래기술4를 개량하여 한층 더 소형화를 도모하고, 특히 기판본체의 지지부재로부터의 돌출 길이를 짧게 하고 진동에 의하여 장치로부터 발생하는 소음을 저감시켜서 정음화(靜音化)를 도모하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판본체에 복수의 구멍을 형성함으로써 기판본체의 지지부재로부터의 돌출 길이를 짧게 하여, 기판본체의 진동에 의하여 발생하는 소음을 저감하여 정음화 할 수 있도록 한 것으로서, 본 발명은, 기판본체(基板本體)와, 기판본체의 일측의 양측부(兩側部)에서 돌출하는 2개의 캔틸레버부(cantilever 部)와, 이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부(torsion bar 部)에 의하여 양측이 지지되는 미러부(mirror 部)와, 기판본체를 진동시키는 구동원(驅動源)과, 미러부에 광을 투사하는 광원(光源)을 구비하고, 기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부(固定端部)를 지지부재(支持部材)에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진 진동(共振振動)하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치(光走査裝置)에 있어서, 기판본체 및 캔틸레버부에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 기판본체와, 기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부와, 이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부에 의하여 양측이 지지되는 미러부와, 기판본체를 진동시키는 구동원과, 미러부에 광을 투사하는 광원을 구비하고, 기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부를 지지부재에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진 진동하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치에 있어서, 기판본체와 캔틸레버부를 합친 프레임부(frame 部)의 진동모드의 마디(node) 또는 배(antinode)의 근방에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 기판본체와, 기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부와, 이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부에 의하여 양측이 지지되는 미러부와, 기판본체를 진동시키는 구동원과, 미러부에 광을 투사하는 광원을 구비하고, 기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부를 지지부재에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진 진동하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치에 있어서, 기판본체에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 광주사장치에 있어서, 추가적으로, 복수의 구멍은 원형구멍 또는 사각구멍 형상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 광주사장치에 있어서, 추가적으로, 복수의 구멍은 기판본체 및 캔틸레버부의 두께방향에 대하여, 두께의 중심부분에서 구멍이 작아지도록 두께방향에 대하여 테이퍼(taper) 모양으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 광주사장치에 있어서, 추가적으로, 복수의 구멍은 기판본체의 구동원을 설치하는 부분을 제외하고 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이하와 같은 우수한 효과를 얻을 수 있다.

(1)본 발명의 광주사장치는, 기판본체 및 캔틸레버부에 복수의 구멍을 형성함으로써 기판본체의 지지부재로부터의 돌출 길이를 짧게 할 수 있어 소형화가 도모된다.

(2)본 발명의 광주사장치는, 기판본체 및 캔틸레버부에 복수의 구멍을 형성함으로써 기판본체의 진동에 의한 소음을 저감할 수 있어 정음화가 도모된다. 또한 구멍 형상, 개구율(開口率) 등을 고려하면, 한층 더 정음화가 도모된다.

(3)본 발명의 광주사장치는, 기판본체와 캔틸레버부를 합친 프레임부에 복수의 구멍을 형성함으로써 미러부의 진동진폭(주사각도), 공진주파수를 조정할 수 있다.

도1은 광주사장치의 기본적 사항을 설명하는 개념도이다.
도2는 광주사장치의 진동 발생원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도3은 광주사장치의 압전막을 기판본체에 1개 형성하는 구성의 광주사장치를, y=0의 면을 대칭면으로 하여 절반부만을 모델화한 평면도이다.
도4는 도3에 나타낸 장치의 미러부의 진동각을 나타내는 도면이다.
도5는 광주사장치의 기판 및 미러부의 공진주파수를 나타내는 도면이다.
도6은 토션바부의 축에 대하여 수직방향으로 미러부의 무게중심위치가 어긋난 경우에, 구동주파수가 저주파수측으로부터 공진주파수에 근접할 때와, 고주파측으로부터 공진주파수에 근접할 경우에 큰 히스테리시스가 발생하는 상황을 설명한 도이다.
도7은 여러 가지의 기판 형상을 나타낸 것이다.
도8은 기판지지형태의 3개의 예를 나타낸 것이다.
도9는 광주사장치의 기판본체 및 캔틸레버부를 둘러싸도록 기판고정 프레임을 배치한 장치의 평면도이다.
도10은 기판과 기판고정 프레임을 접속하는 기판접속용바의 위치를 변화시켰을 경우에의 미러 진동각(mirror torsion angle)을 설명하는 도면이다.
도11은 기판과 기판고정 프레임이 기판접속용바에 접속되지 않고 있는 상황에서, 미러부가 비틀림 공진하고 있을 때의 기판의 테두리 부분의 진동진폭의 상태를 설명하는 설명도이다.
도12는 본 발명의 일 실시예로서, 기판본체 및 캔틸레버에 0.3mm 스퀘어의 사각구멍을, 구멍과 구멍의 간격이 0.2mm로 구비하는 실시예1을 나타내는 평면도이다.
도13은 비교예1을 나타내는 도면이다.
도14는 본 발명의 다른 실시예2로서, 기판본체의 압전체를 형성하는 부분에는 구멍을 구비하지 않는 변형예를 나타내는 평면도이다.
도15는 본 발명의 다른 실시예3로서, 프레임부의 진동모드의 마디의 근방에 구멍을 구비하는 예를 나타낸 평면도이다.
도16은 본 발명의 다른 실시예4로서, 프레임부의 진동모드의 배의 근방에 구멍을 구비하는 예를 나타낸 평면도이다.
도17은 비교예2를 나타내는 도면이다.
도18은 본 발명의 다른 실시예5로서, 기판본체에 구멍을 구비하는 예를 나타낸 평면도이다.
도19는 종래기술1을 나타내는 것으로서, 상측이 평면도, 하측이 정면 단면도이다.
도20은 종래기술2를 나타내는 사시도이다.
도21은 종래기술3을 나타내는 평면도이다.
도22는 종래기술3의 경우에와 동일한 모양의 것으로서, y=0의 면을 대칭면으로 하여, 절반부만을 모델화한 도면이다.
도23은 도22에 나타낸 구성의 장치에서 미러부의 진동각을 나타낸 것이다.

본 발명에 관한 광주사장치(光走査裝置)를 실시하기 위한 최선의 형태를 실시예에 의거하여 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

[실시예1]

도12는 본 발명의 일 실시예인 광주사장치(실시예1)를 나타내는 평면도이다.

도12에 있어서, 기판은 두께 150㎛의 SUS304의 사각형 모양의 판재를 에칭(etching) 혹은 프레스 가공(press 加工)에 의하여 토션바부(torsion bar 部) 및 미러부(mirror 部)를 남기고 가운데가 잘려나간 형상으로 제작되어 있다. 기판은, 기판본체(基板本體) 및 기판본체 일측(一側)의 양측으로부터 평행하게 돌출시킨 캔틸레버부(cantilever 部)로 이루어진다. 미러부를 지지하는 토션바부는, 2개의 캔틸레버부의 축방향과 직교하는 방향으로 설치되어 있다.

캔틸레버부의 길이와 폭은, 길이가 6mm, 폭은 3mm이며, 토션바부의 길이와 폭은, 길이가 6mm, 폭은 0.25mm이다. 미러부의 사이즈는 1.5×5mm의 타원형이다. 천공구조(穿孔構造)에 관해서는, 기판본체와 2개의 캔틸레버부의 전체에 0.3mm 스퀘어의 구멍을 뚫고, 구멍과 구멍의 간격은 0.2mm이다. 기판본체의 폭은 19.5mm이며, 압전체(壓電體) PZT의 사이즈는 4mm 스퀘어이다.

[비교예1]

도13은 비교예1을 나타낸 평면도이며, 기판본체와 2개의 캔틸레버부에 구멍이 형성되지 않은 구조로서, 구멍이 형성되지 않은 것 이외에는 실시예1의 상기 치수와 동일한 치수이다.

상기 실시예1과 비교예1을 비교한다.

실시예1의 천공 광주사장치(穿孔光走査裝置)는, 공진주파수 2.558kHz, 구동전압 65V, 주사각도는 92도이다. 또한 토션바부로부터 지지부재까지의 거리는 12mm이다. 디지털 소음계(SD-325)로 측정한 음압(音壓)은 42dB 이다.

비교예1의 구멍이 형성되지 않은 광주사장치는, 공진주파수 2.616kHz, 구동전압 75V, 주사각도는 93도이다. 또한 토션바부로부터 지지부재까지의 거리는 18mm이다. 디지털 소음계(SD-325)로 측정한 음압은 72dB 이다.

레이저ㆍ간섭 변위계시스템(laser interference displacement meter system)을 이용하여, 실시예1의 도12에 나타나 있는 기판본체와 캔틸레버부를 합친 프레임부에 구멍이 형성된 광주사장치와, 비교예1의 도13에 나타나 있는 기판본체에 구멍이 형성되지 않은 광주사장치에 대하여, 각각의 Z축방향의 진동진폭을 측정하였다.

기판본체에 구멍이 형성된 도12의 광주사장치의 경우에는 미러부(13)의 주사진폭은 약 92도이고, 도13에 나타낸 구멍이 형성되지 않은 광주사장치의 경우에는 약 93도로서 도12의 경우에와 대략 동등한 광 주사진폭을 나타내었다. 이 때에 광주사장치 기판(10) 전체의 진동모드(vibration mode) 및 그 진폭은 거의 변화하지 않은 것을 확인하였다.

이로부터 소음의 저감에 대하여 기판본체 및 캔틸레버부에 구멍을 형성함으로써 실시예1과 비교예1을 비교하면, 기판본체 및 캔틸레버부에 구멍을 형성함으로써 기판본체 및 캔틸레버부의 진동이 발음체(發音體)로서 주변공기에 음파를 전달시키는 진동면적을 저감시켜서, 광스캐너 공진 시의 노이즈 음을 30dB 저감시킬 수 있다. 이 소음효과(消音效果)는, 구멍을 형성함으로써 기판본체 및 캔틸레버부를 포함하는 프레임부의 외관상의 경도(hardness) 등이 변화되어 프레임부의 진동모드(vibration mode)가 변화됨으로써 진폭이 최소가 된 결과가 아니라, 진동진폭(vibrational amplitude) 자체는 변화됨이 없이 구멍을 형성함으로써 공기가 구멍을 빠져 나가서, 프레임의 진동이 음(音)으로서 공기로 잘 전달될 수 없게 됨으로써, 소리가 작아지게 된 결과이다.

또한 상기한 바와 같이 구멍을 형성함으로써 공기가 구멍을 빠져 나가서, 프레임의 진동이 음으로서 공기로 잘 전달할 수 없게 된 결과로서 소리가 작아진 것으로 생각되기 때문에, 공기가 구멍을 빠져나가기 쉽게 하기 위한 방법으로, 프레임부에 형성한 구멍의 단면을 직선(두께방향으로 스트레이트인 구멍)으로 가공하지 않고, 양측(표면측, 이면측)으로부터 에칭하여 테이퍼 모양으로 가공(프레임부 두께의 중심부분이 구멍지름이 가장 작아지는 형상)하는 것을 들 수 있다. 또한 구멍과 구멍 사이의 에칭을 남기는 부분에 프레임 표면의 평면 부분을 남기지 않고 예리한 엣지(edge)를 세우면, 비행기의 날개와 마찬가지로 프레임면 수직방향의 공기의 흐름은 저항없이 미세한 구멍을 통과하여, 전체적으로 프레임부의 강도를 크게 손상시키지 않아 큰 소음효과를 얻을 수 있다. 또한 더 간단하게는, 샌드 블러스트(sand blast) 등에 의하여 구멍의 표면 및 이면의 엣지부를 둥글게 하는 가공을 하면, 상기와 동일한 효과에 의하여 음의 발생을 억제할 수 있고, 양자를 병용하면 소음효과는 더욱 커지게 된다.

구멍의 크기에 대해서는, 크면 클수록 프레임부의 진동이 주변의 공기로 전달되지 않아 음은 나가기 어려워지지만, 반대로 구멍이 지나치게 커지면 프레임부의 강도가 저하되어 안정한 미러 주사가 곤란하게 되거나, PZT 근방의 에너지가 테두리 부분으로 전달되지 않게 되거나, 외관상 평균적인 영률(Young's modulus)이 내려간 것으로 되어(예를 들면 프레임부의 두께가 얇아지게 된 것과 등가임), 높은 주파수에서 여러 가지 분할진동(divisional vibration)이 발생하기 쉬워지고, 그 결과 진동에너지(vibration energy)가 미러 공진주파수에서 분산되기 쉬워져서 미러의 주사각도가 작아지는 등의 문제가 발생하기 때문에, 구멍의 개구사이즈(開口 size)나 개구비(開口比)(개구부분의 면적과 프레임부분의 면적의 비)를 선택할 필요가 있다.

개구비 L에 대해서, 0.1<L<0.9의 개구비가 효율이 좋고, 바람직하게는 0.2<L<0.5의 개구비 쪽이 효율이 좋다.

광주사장치의 소형화와 고성능화에 대해서는, 구멍을 형성함으로써 프레임부의 외관상의 경도 등이 부드러워져서, 프레임부의 진동모드가 더 전달되기 쉬워지기 때문에, 캔틸레버부로부터 지지부재까지의 거리를 30% 이상 짧게 할 수 있다. 또한 동일한 이유로 구동전압을 13% 저감시킬 수 있다.

[실시예2]

도14는 본 발명의 다른 실시예2로서, 실시예1의 변형예를 나타내는 평면도이다. 상기 실시예1과 마찬가지로 천공구조에 대해서는, 기판본체와 2개의 캔틸레버부의 전체에 0.3mm 스퀘어의 사각구멍을 형성한다. 구멍과 구멍의 간격은 0.2mm이다. 압전체 PZT의 사이즈는 4mm 스퀘어이다. 이 실시예2에서 실시예1과 다른 점은, 기판본체의 안에서 압전체를 형성하는 부분에는 구멍을 형성하지 않은 부분을 가지는 구조이다. 당해 구멍이 형성되지 않은 부분의 사이즈는 압전체의 사이즈보다 0.5mm 크다.

그리고 이 실시예2의 경우에도, 실시예1과 같은 정도의 정음화(靜音化)를 도모할 수 있고, 캔틸레버부로부터 지지부재까지의 거리를 짧게 할 수 있다.

[실시예3, 4]

도15에 프레임부의 진동모드의 마디(node)의 근방에 구멍을 형성한 실시예3을 나타내고, 도16에 프레임부의 진동모드의 배(antinode)의 근방에 구멍을 형성한 실시예4를 나타낸다. 프레임의 전체에 구멍을 형성한 것이 아니라 부분적으로 구멍을 형성한 것이라도, 프레임부의 외관상의 경도(hardness) 등이 부드러워지게 되어, 프레임부의 진동모드가 더 전달되기 쉬워져서 같은 정도의 효과를 얻을 수 있다. 프레임부의 진동모드의 마디의 근방 또는 배의 근방이 되는 부분에서 구멍을 형성함으로써 미러의 주사특성을 향상시킬 수 있다. 양쪽을 조합시키는 것도 가능하다.

또한 도15 및 도16에 나타낸 실시예에서는, 프레임부의 진동모드의 마디 또는 배의 근방에 구멍을 형성한 예에 의하여 설명하였지만, 예를 들면 도12(실시예1) 혹은 도14(실시예2)에 나타낸 실시예와 같이 프레임부의 대략 전체에 구멍을 형성한 경우에는, 진동모드의 마디 또는 배의 근방의 구멍의 크기를, 다른 부분의 구멍보다 크게 하거나 혹은 작게 하거나 함으로써, 진동의 전달성의 효율을 높이는 것도 가능하다.

[실시예5]

주사속도가 높은 20kHz 이상의 경우에는 프레임부의 진동모드가 다수 존재하여 저속(低速)의 주사속도에서 더욱 프레임부의 진동모드가 전달되기 어려워지므로, 프레임부에 구멍을 형성함으로써 프레임부의 외관상의 경도 등이 부드러워지게 되어, 프레임부의 진동모드가 더욱 전달되기 쉬워지므로 효과가 향상될 수 있다.

예를 들면 도17에 나타낸 비교예2의 구멍이 형성되지 않은 광주사장치는, 공진주파수가 29.6kHz, 구동전압이 20V, 주사각도는 40도이다. 구멍을 형성한 도18에 나타낸 실시예5의 광주사장치는, 공진주파수가 29.3kHz, 구동전압이 20V, 주사각도는 90도이다. 구멍을 형성함으로써 프레임부의 외관상의 경도 등이 부드러워지게 되어, 공진주파수가 0.3kHz 정도 저하되고, 주사각도가 50도나 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 광빔을 주사하는 광주사장치의 진동하는 기판본체에 구멍을 형성함으로써 소형화 및 정음화를 도모하고, 주사특성의 향상을 도모하는 것이지만, 광을 주사하기 위한 장치 이외의 장치이더라도 진동하는 기판을 사용하는 장치이면, 소형화 및 정음화나 진폭·공진주파수의 조정을 도모하기 위하여 적용할 수 있다.

10: 기판
11: 압전막
12: 토션바부
13: 미러부
14: 상부전극
15: 전원
16: 지지부재
17: 레이저 빔
18: 레이저 광
19: 캔틸레버부
20: 기판본체
21: 고정단부
22: 기판고정 프레임
23: 기판접속용바
24: 기판의 테두리 부분

Claims (6)

1. 기판본체(基板本體)와,
   기판본체의 일측의 양측부(兩側部)로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부(cantilever部)와,
   이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부(torsion bar部)에 의하여 양측이 지지되는 미러부(mirror 部)와,
   기판본체를 진동시키는 구동원(驅動源)과,
   미러부에 광을 투사하는 광원(光源)을
   구비하고,
   기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부(固定端部)를 지지부재(支持部材)에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진진동(共振振動)하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치(光走査裝置)에 있어서,
   기판본체 및 캔틸레버부에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
   
2. 기판본체와,
   기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부와,
   이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부에 의하여 양측이 지지되는 미러부와,
   기판본체를 진동시키는 구동원과,
   미러부에 광을 투사하는 광원을
   구비하고,
   기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부를 지지부재에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진 진동하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치에 있어서,
   기판본체와 캔틸레버부를 합친 프레임부(frame 部)의 진동모드의 마디(node) 또는 배(antinode)의 근방에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
   
3. 기판본체와,
   기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출하는 2개의 캔틸레버부와,
   이들 캔틸레버부 사이에서 토션바부에 의하여 양측이 지지되는 미러부와,
   기판본체를 진동시키는 구동원과,
   미러부에 광을 투사하는 광원을
   구비하고,
   기판본체의 미러부측의 반대측에 있는 고정단부를 지지부재에 고정하고, 기판본체의 일부에 구동원을 설치함과 아울러, 미러부는 구동원에 의하여 기판에 가해지는 진동을 따라 공진 진동하여, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라 변화하는 광주사장치에 있어서,
   기판본체에 복수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 구멍은 사각구멍 형상인 것을 특징으로 하는 광주사장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 구멍은, 기판본체 및 캔틸레버부의 두께방향에 대하여, 두께의 중심부분에서 구멍이 작아지도록 두께방향에 대하여 테이퍼(taper) 모양으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 구멍은, 기판본체의 구동원을 설치하는 부분을 제외하고 구비되는 것을 특징으로 하는 광주사장치.

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