KR20190112424A - 전자기력 구동 방식을 이용한 Tripod MEMS 스캐너 - Google Patents

Abstract

개구부를 포함하는 지지판, 상기 개구부 내에 구비되며, 입력광을 반사시키는 미러판, 상기 미러판의 가장자리를 둘러 구비되며, 양단이 각각 상기 지지판과 상기 미러판에 연결되는 적어도 3개의 스프링 및 상기 적어도 3개의 스프링의 각 스프링부터 상기 미러판을 지나 상기 각 스프링의 일 방향에 인접 구비된 스프링까지 구비되는 적어도 3개의 도전 띠를 포함하는 MEMS 스캐너를 제공할 수 있다.

Description

전자기력 구동 방식을 이용한 Tripod MEMS 스캐너{Tripod MEMS scanner using electromagnetic Force Drive}

본 발명은 Tripod MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 레이저를 반사하는 스캐닝 미러가 전자기력 구동 방식을 통해 3차원 회전 운동하는 Tripod MEMS 스캐너에 관한 것이다.

최근 광소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입력과 출력 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 다양한 기술들이 제시되고 있는데, 이러한 기술들은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술과 접목되어 더욱 소형화되고 경량화된 제품이 개발되고 있다.

MEMS 스캐너는 Red, Blue, Green 레이저를 이용하는 경우 이미지를 투사할 수 있으며, 적외선 영역 레이저를 이용하는 경우 photo diode로 반사되는 레이저를 센싱하여 거리 정보를 얻어낼 수 있다.

이러한, MEMS 스캐너는 공초점 현미경(Confocal microscopy), 바코드 리더기(barcode reading), 지문 인식 센서(finger print sensor)등에 응용될 수 있으며, 최근에는 광 회선 분배기(Optical cross-connets, OXC), 광 간섭 분광기(Optical coherence spectroscopy, OCT), 망막 스캐닝 디스플레이(retinal scanning display, RSD), 레이저 프린터, 전방 표시 장치(head-up display) 라이다 센서(light detection and ranging(LIDAR) sensor)등에 널리 적용되고 있다.

MEMS 스캐너는 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(Scanning Speed), 주사 범위(Scanning Range), 각 변위(Angular displacement) 및 틸팅 각도(Tilting Angle)를 가지는 스캐닝 미러(Scanning mirror)가 요구된다. 스캐닝 미러는 광원으로부터 들어온 광선을 1차원 또는 2차원 영역에 주사하여 화상을 결상하거나 데이터를 읽어들이는 소자이다.

MEMS스캐너는 스캐닝 미러의 움직임의 형태에 따라 1축, 2축, 회전형으로 구분할 수 있으며 구동 방식 또한 전자기력, 정전기력, Piezo-electric, Thermal 등을 이용할 수 있다.

다만, 기존의 1축과 2축 MEMS 스캐너에 관하여는 구동 방식을 다양하게 적용할 수 있지만, 회전형 MEMS 스캐너는 정전기력 방식에 의한 구동에 한정되었다.

회전형 MEMS 스캐너의 경우 전방위 렌즈를 통해 화상을 결상하거나 데이터를 읽는데 유리할 수 있다. 다만, 정전기력 방식의 회전형 MEMS 스캐너는 전자기력에 비해 상대적으로 강한 힘을 구현하기 어렵고, 컴팩트하게 구성되어 접촉으로 쇼트의 우려가 있는 문제점이 있었다.

본 발명의 일 실시예는 반사된 입사광이 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성하도록, 스캐닝 미러를 3차원 회전하는 회전형 MEMS 스캐너를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 회전형 MEMS 스캐너가 원형 자기장과 코일 구조를 이용하여 전자기력 방식으로 구동되는 구조를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 스캐닝 미러에 연결되는 스프링의 구조를 통해 스캐닝 미러의 구동각을 키우는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원형 자기장을 형성하는 방법으로 원형 자석 외에도 전류가 흐르는 도선을 이용한 회전형 MEMS 스캐너를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 스캐너는, 개구부를 포함하는 지지판, 상기 개구부 내에 구비되며, 입력광을 반사시키는 미러판, 상기 미러판의 가장자리를 둘러 구비되며, 양단이 각각 상기 지지판과 상기 미러판에 연결되는 적어도 3개의 스프링 및 상기 적어도 3개의 스프링의 각 스프링부터 강기 미러판을 지나 상기 각 스프링의 일 방향에 인접 구비된 스프링까지 구비되는 적어도 3개의 도전 띠를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 적어도 3개의 스프링은 상기 미러판의 가장자리를 두르는 원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 형성될 수 있다.

또한, 상기 MEMS 스캐너는 상기 적어도 3개의 스프링 하부에 구비되며, 상기 적어도 3개의 스프링에 방사형 자기장을 형성하는 원형 자석 또는 원형 도선을 포함할 수 있다.

또한, 상기 미러판은 원형이고, 상기 적어도 3개의 도전 띠는 상기 미러판의 가장자리를 지날 수 있다.

또한, 상기 적어도 3개의 스프링은 상기 적어도 3개의 도전 띠에 순차적으로 구동 신호가 인가되면, 상기 도전 띠에 발생하는 전자기력을 통해 순차적으로 상하 운동할 수 있다.

또한, 상기 미러판에 반사되는 입력광은 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 상기 MEMS 스캐너는 상기 미러판 상에 이격되어 구비되고, 상기 미러판에 반사되는 입력광을 굴절시키는 굴절 렌즈를 더 포함하고, 상기 굴절 렌즈는 상기 반사된 입력광이 입사되는 입사면 또는 상기 반사된 입상광이 굴절되는 굴절면이 돔 형상을 갖는 전방향성 렌즈일 수 있다.

또한, 상기 적어도 3개의 스프링은 상기 미러판의 가장자리를 둘러 구비되는 몸체부, 상기 몸체부의 시계 방향 단부에 구비되며, 상기 몸체와 상기 미러판을 연결하는 제1 연결부 및 상기 몸체부의 반 시계 방향 단부에 구비되며, 상기 몸체부와 상기 지지판을 연결하는 제2 연결부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 적어도 3개의 스프링은 상기 몸체부가 상기 미러판의 180° 영역 가장자리를 따라 구비될 수 있다.

또한, 상기 적어도 3개의 스프링은 상기 몸체부가 상기 미러판의 360° 영역 가장자리를 따라 구비될 수 있다.

본 발명의 회전형 MEMS 스캐너의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 반사된 입사광이 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성하도록 스캐닝 미러를 3차원 회전하며, 원형 패턴 또는 나선 패턴으로 스캔하는 방식은 렌즈 등을 이용하여 전방향 스캔에 유리하다.

본 발명은 스캐닝 미러를 구동하는데 원형 자기장과 코일 구조를 이용하여 전자기력 방식이 사용되고, 강한 전자기력을 통해 별도의 진공 패키지 없이 회전형 MEMS 스캐너가 스캔 할 수 있는 영역을 넓힐 수 있다.

본 발명은 스캐닝 미러에 연결되는 스프링 구조를 통해 스캐닝 미러가 구동하는 각을 크게 하고, 회전형 MEMS 스캐너가 스캔 할 수 있는 영역을 넓힐 수 있다.

본 발명은 원형 자기장을 형성하는 원형 자석 대신 원형 도선을 이용하여 내열성이 강한 회전형 MEMS 스캐너를 제공할 수 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 기존의 전자기력을 이용한 MEMS 스캐너의 개략도 이다.
도 2는 기존의 전자기력을 이용한 MEMS 스캐너의 구동 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 기존의 MEMS 스캐너를 활용하여 2D 화상을 결상하는 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 마이크로 미러를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 원형 자석을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 원형 자석이 형성하는 방사형 자기장을 도5의 A단면에서 살펴본 도면 및 그 자기장의 세기를 도시한 그래프이다.
도 7은 방사형 자기장 상에 원형도선에 미치는 전자기력의 방향을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러 상에 구비되는 도선에 전자기력이 미치는 방향을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러가 전자기력을 받아 구동각을 형성하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러 상에 구비되는 도선에 인가하는 구동 신호의 실시예를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러에 반사된 레이저가 원형패턴 또는 나선패턴을 형성하는 모습을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러 상에 구비되는 도선에 인가하는 구동 신호의 공진 주파수 및 공진 주파수 별 모드를 나타낸 테이블이다.
도 13은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러가 도 12의 모드에 따라 움직임을 달리하는 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너가 전방향성 렌즈를 이용하여 입력광를 반사하는 개념도를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너는 움직임의 형태에 따라 1축 MEMS 스캐너, 2 축 MEMS 스캐너 및 회전형 MEMS 스캐너로 구분될 수 있다. 또한, 구동 방식으로는 전자기력, 정전기력, Piezo-electric, thermal등 다양하게 존재할 수 있다.

1축 MEMS 스캐너는 1차원 영역에 레이저를 주사하여 화상을 결상하거나 1차원 영역을 따라 데이터를 읽어들일 수 있다. 2축 MEMS 스캐너는 2차원 영역에 레이저를 주사하여 화상을 결상하거나 2차원 영역을 따라 데이터를 읽을 수 있다.

다만, 기존의 1축 또는 2축 MEMS 스캐너는 하나의 축 또는 교차하는 축을 중심으로 회전하여 레이저를 주사하는 점에서 굴절렌즈를 이용한 전방향 스캔이 용이하지 않은 단점이 있다.

회전형 MEMS는 스캐닝 미러가 대칭적으로 꼭지점이 연결된 한 쌍의 원뿔의 모서리를 따라 중심축이 회전하도록 구동될 수 있다.

즉, 회전형 MEMS에서 주사되는 레이저는 2 차원 영역에서 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성한다. 반사되는 레이저가 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성하는 회전형 MEMS는 굴절렌즈를 이용하여 전반향 스캔이 용이하다. 이와 관련해서는 도 14에서 살펴본다.

기존의 정전기력에 의한 MEMS 스캐너 구동 방식은 Comb drive를 이용하는 방식을 선호한다. Comb drive 방식은 스캐닝 미러 가장자리에 정전기력에 의해 상하로 움직이는 Comb drive를 구비하고, Comb drive가 상하로 움직이며 스캐닝 미러를 구동한다.Comb drive 방식의 MEMS 스캐너는 간단하고, 작게 만들 수 있다는 장점이 있지만, 정전기력을 통해 구현할 수 있는 힘이 강하지 않고, 전류의 손실이 많으며 선형성이 좋지 않다는 단점이 있다. 또한, 정전기력의 크기가 약하기 때문에 스캐닝 미러의 구동각을 얻기 위해 진공 패키기가 필수적으로 요구되기도 한다.

Piezo-electric MEMS 스캐너는 PZT(지르콘산염 PbZrO₃과 티탄산염 PbTiO₃의 고용체 총칭) 필름을 이용하는 방식이 선호된다. 스캐닝 미러를 사이에 두고 PZT 필름은 수축과 이완을 통해 스캐닝 미러가 구동 각을 형성할 수 있다. Piezo-electric MEMS 스캐너는 구동각을 크게 하기 어렵다는 단점이 있다.

기존의 전자기력에 의한 MEMS 스캐너 구동 방식은 Moving coil을 이용하는 방식을 선호한다. Moving coil 방식은 자기장 사이에 원형 도선을 구비하고 원형 도선에 작용하는 전자기력을 이용하여 스캐닝 미러를 회전한다. Moving coil 방식은 간단하고, 구동 각이 크며, 정전기력이 구현할 수 있는 힘이 강하다. 따라서, 기존의 MEMS 스캐너는 전자기력에 의한 MEMS 스캐너가 주로 이용되고 있다. 이하에서 도 1및 도2를 통해 기존의 전자기력을 이용한 2축 MEMS 스캐너를 살펴본다.

도 1은 기존의 전자기력을 이용한 MEMS 스캐너의 개략도 이다.

도 2는 기존의 전자기력을 이용한 MEMS 스캐너의 구동 원리를 설명하는 도면이다.

기본의 2축 MEMS 스캐너는, 도 1에 도시된바 같이, 입사광(1)을 수직/수평 회전을 하는 스캐닝 미러(2)에 반사하여 그 구동각에 비례하는 화상(7)을 결상하거나 데이터를 읽어 들일 수 있다.

일반적인 2축 MEMS 스캐너는 스캐닝 미러(2), 1축 스프링(3), 김블(4), 2축 스프링(5), 그리고 지지단(6)을 포함할 수 있다.

여기서 스캐닝 미러(2)는 그 양단에서 회전축의 역할을 하면서 구동하는 경우, 복원력 토크를 제공하는 1축 스프링(3)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 1축 스프링(3)은 김블(4)에 연결될 수 있다.

김블(4)은 역시 회전 축의 역할을 하면서, 구동하는 경우 복원력 토크를 제공하는 2축 스프링(5)에 의해 지지되고, 지지단(6)에 연결될 수 있다.

김블(4) 상에는 전류가 흐르는 도선(코일)이 구비되어 있고, 도2에 도시된 바와 같이, 도선은 자기장 상에서 전자기력을 받아 1축 또는 2축을 중심으로 회전 구동을 하게 된다.

도 2(a)는 1축 MEMS 스캐너의 구동 원리를 도시한 도면으로, 일방향 자기장 속의 원형 도선은 전류 인가 방향을 달리하여 회전 운동 할 수 있다.

도 2(b)는 2축 MEMS 스캐너의 구동 원리를 도시한 도면으로, 방사방향 자기장 속의 원형 도선은 전류 인가 방향 및 축을 달리하여 2축 회전 운동할 수 있다

도 3은 기존의 MEMS 스캐너를 활용하여 2D 화상을 결상하는 실시예를 도시한 도면이다.

도 3은 RGB 레이저 다이오드를 통해 방출된 입사광으로 화상을 결상하는 실시예를 도시하고 있지만, 화상의 데이터를 읽는 방식도 동일하게 적용될 수 있다.

도 3(a)는 2축 MEMS 스캐너를 활용하여 2D 화상을 결상하는 실시예를 도시하고 있다. RGB 레이저 다이오드에서 방출된 레이저는 고정된 미러(Fixed Mirror)에 반사되어 2축 MEMS 스캐너로 주사되고, 2축 MEMS 스캐너를 스캐닝 미러를 구동하여 스크린 상에 화상을 구현하거나, 데이터를 읽을 수 있다.

도 3(b)는 두 개의 1축 MEMS 스캐너를 활용하여 2D 화상을 결상하는 실시예를 도시하고 있다. 도 3(a)의 고정된 미러가 1축 MEMS 스캐너이고 1축 MEMS 스캐너에 반사된 레이저가 축 방향이 상이한 1축 MEMS 스캐너에 주사되어 2D 화상을 구현하거나, 데이터를 읽을 수 있다.

다만, 도 3에서 살펴본바 같이 2축 MEMS 스캐너 또는 두 개의 1축 MEMS 스캐너를 이용한 2D 화상 결상은 레이저가 정해진 두 방향으로 선형 이동하는 점에서 굴절렌즈를 이용하더라도 전방향 스캔이 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 이하에서 본 발명의 특징인 전자기력을 이용한 회전형 MEMS 스캐너 구조를 살펴보도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 마이크로 미러(400)를 도시한 도면이다.

본 발명에 따를 MEMS 스캐너는 개구부를 포함하는 지지판(401), 개구부 내에 구비되며, 입력광을 반사시키는 미러판(402), 미러판(402)의 가장자리를 둘러 구비되며, 양단이 각각 지지판(401)과 미러판(402)에 연결되는 적어도 3개의 스프링(403) 및 적어도 3개의 스프링(403)의 각 스프링부터 미러판(402)을 지나 상기 각 스프링의 일 방향에 인접 구비된 스프링까지 구비되는 적어도 3개의 도전 띠(404)를 포함할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 MEMS 스캐너는 지지판(401), 미러판(402), 적어도 3개의 스프링(403) 및 도전 띠(404)를 포함하는 스캐닝 마이크로 미러(400)를 포함할 수 있다. 경우에 따라서는 2개의 스프링(403)을 이용하여 스캐닝 마이크로 미러(400)를 구동할 수 있지만 회전형 MEMS 스캐너를 구현하기 위해서는 적어도 3개의 스프링을 구비함이 바람직하다. 도 4는 3개의 스프링(4031, 4032, 4033)을 포함하는 스캐닝 마이크로 미러를 예시하고 있다..

도전 띠(404)는 각각의 스프링(403)과 각각의 스프링(403)의 일 방향으로 인접하는 스프링(403) 및 미러판(402) 상에 연결되어 구비될 수 있다. 즉, 각각의 스프링(403)은 양 방향으로 인접하는 스프링(403)과 연결되는 두 개의 도전 띠(404)를 구비할 수 있다.

도전 띠(404)에 인가되는 구동 신호를 기준으로 살펴보면, 구동 신호는 하나의 스프링(403)으로 들어가서 미러판(402)을 지나 일 방향으로 인접하는 스프링(403)으로 나올 수 있다. 즉, 각각의 스프링(403)은 인접하는 스프링으로 구동 신호를 보내는 도전 띠(404) 및 인접하는 스프링(403)에서 구동 신호를 받는 도전 띠(404) 두 개를 구비할 수 있다.

적어도 3개의 스프링(403)은 미러판(402)의 가장자리를 두르는 원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 형성될 수 있다. 이에, 스프링(403) 상에 구비되는 도전 띠(404) 부분 역시 원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 형성될 수 있다.

원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 형성되는 도전 띠(404)는 방사형 자기장 내에서 상하 방향의 전자기력을 형성할 수 있다. 도전 띠(404)에 형성되는 상하 방향의 전자기력은 3개의 스프링(403)를 상하 방향으로 구동하는 외력으로 작용할 수 있다.

본 발명의 MEMS 스캐너는 스프링(403)이 지지판(401)과 미러판(402)을 포함하는 동일 평면에 구비되고, 지지판(401)이 고정된 상태에서 스프링(403)이 상하 운동하여 미러판(402)에 구동 각을 형성할 수 있다.

본 발명의 MEMS 스캐너는 스프링(403)을 미러판(402)의 가장자리를 둘러 적어도 3개 구비하고, 각각의 스프링(403)이 독립적으로 상하 운동하여 미러판(402)을 3차원 회전 운동케 할 수 있다.

이하에서, 구체적으로 방사형 자기장 내에서 미러판(402)이 3차원 회전 운동하는 원리를 살펴본다.

도 5는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 원형 자석(405)을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 원형 자석(405)이 형성하는 방사형 자기장을 도 5의 A 단면에서 살펴본 도면 및 그 자기장 세기를 도시한 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 원형 자석(405)은 링 형태의 외부 자석(4051) 및 외부 자석(4051) 내부에 이격되어 구비되는 원형 내부 자석(4052)를 포함할 수 있다.

소정 거리 이격된 원형 내부 자석(4052)과 외부 자석(4051) 사이에는 도 6(a)과 같은 자기장이 형성될 수 있다. 즉, 원형 내부 자석(4052)와 외부 자석(4051) 사이 공간 및 사이 공간 전후방의 자기장은 방사방향으로 형성될 수 있고, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 원형 내부 자석(4052)과 외부 자석(4051) 사이에서 강한 자기장이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 스캐닝 마이크로 미러(400, 도4 참조)는 원형 자석(405) 상에 구비되어, 스프링(403, 도 4 참조) 상에 구비되는 도전 띠(404)에 방사형 자기장이 지나도록 할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 MEMS 스캐너는 적어도 3개의 스프링(403) 하부에 구비되며, 적어도 3개의 스프링(403)을 지나는 방사형 자기장을 형성하는 원형 자석(405)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 스프링(403)은 원형 내부 자석(4052)과 외부 자석(4051) 사이 공간 상에 구비됨이 바람직하다. 이는 도전 띠(404, 도 4 참조)를 포함하는 적어도 3개의 스프링(403)에 방사 방향의 자기장이 지나가게 하기 위함이다.

적어도 3개의 스프링(403)은 원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 방사형 자기장 상에 구비되므로, 적어도 3개의 스프링(403)상에 구비된 도전 띠(404)은 전후 방향으로 전자기력을 받을 수 있다.

이때, 미러판(402, 도 2)는 원형이고, 도전 띠(404)는 미러판(402)의 가장자리를 지날 수 있다. 즉, 미러판(402) 상에 구비되는 도전 띠(404) 부분은 원형 궤도를 따라 구비되어 방사형 자기장에서 상하 방향으로 전자기력을 형성할 수 있다.

이하에서, 방사형 자기장의 방향 및 도전 띠(404)에 흐르는 전류 방향 및 발생되는 전자기력의 방향과 관련하여 도 7을 통해 구체적으로 살펴본다.

도 7은 방사형 자기장(B) 상의 원형 도선(I)에 미치는 전자기력(F)의 방향을 도시한 도면이다.

도 7(a)와 같이 방사 방향 자기장(B) 상에 반 시계방향으로 전류(I)가 흐르면 상방 방향으로 전자기력(F)을 형성할 수 있으며, 도 7(b)와 같이 시계방향으로 전류(I)가 흐르면 하방 방향으로 전자기력(F)을 형성할 수 있다.

즉, 방사형 자기장(B) 내에 원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 구비된 도전 띠(404, 도 4 참조)는 도전 띠(404)에 흐르는 전류 방향에 의해 상하 방향의 전자기력을 발생할 수 있다.

이때, 도전 띠(404)가 나선 궤도를 따라 구비되더라도 도전 띠(404)를 흐르는 원형 궤도를 따르는 성분과 방사 방향의 성분으로 나눠질 수 있는바 원형 궤도를 따르는 성분으로 인해 상하 방향으로 전자기력(F)을 발생할 수 있다.

이하에서, 도전 띠(404)에 전류가 인가된 경우 각각의 스프링(403) 및 미러판(402)에 작용하는 전자기력의 방향을 살펴본다.

도 8은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러(400) 상에 구비되는 도전 패턴(404, 도 4 참조)에 전자기력이 미치는 방향을 도신한 도면이다.

도 9은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러(400)가 전자기력을 받아 구동각을 형성하는 모습을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 적어도 3개의 스프링(403)은 미러판(402)의 가장자리를 둘러 구비되는 몸체부(4031), 몸체부(4031)의 시계 방향 단부에 구비되며, 몸체부와 미러판(402)을 연결하는 제1 연결부(4032) 및 몸체부(4031)의 반 시계 방향 단부에 구비되며, 몸체부(4031)와 지지판(401)을 연결하는 제2 연결부(4033)을 포함할 수 있다.

이때, 제1 연결부(4032)은 몸체부(4031)의 반 시계 방향 단부에 구비되고, 제2 연결부(4033)은 몸체부(4031)의 시계 방향 단부에 구비될 수 있다. 다만, 제1 연결부(4032)은 몸체부(4031)의 시계 방향 단부에 구비되고, 제2 연결부(4033)은 몸체부(4031)의 반 시계 방향 단부에 구비될 수도 있다.

제1 연결부(4032) 및 제2 연결부(4033)가 각각 스프링(403)의 몸체부(4031)에서 동일 방향(시계방향 or 반 시계방향)의 단부에 구비되어 있어, 하나의 도전 띠(404)에 인가되는 구동 신호는 하나의 스프링(403)에서 시계방향으로 구동 신호가 인가되는 경우, 인접하는 스프링(403)에서 반 시계방향으로 구동 신호가 나오게 된다. 따라서, 시계방향으로 구동 신호가 인가되는 스프링(403)과 반 시계방향으로 구동 신호가 인가되는 스프링(403)에 작용하는 전자기력의 방향이 반대일 수 있다.

설명의 편의를 위해, 도 8을 참조하여 이하 ① 위치에 대응되는 스프링을 제1 스프링, ② 위치에 대응되는 스프링을 제2 스프링, ③ 위치에 대응되는 스프링을 제3 스프링으로 한다.

도 8은 제1 스프링 상의 도전 띠(404, 도 4 참조)에 시계방향으로 구동 신호가 인가되는 경우를 설명한다. 제1 스프링은 도전 띠(404)에 시계방향으로 구동 신호가 흘러 상향의 외력을 받게 된다. 반면, 제2 스프링 및 제 3 스프링은 도전 띠(404)에 반 시계방향으로 구동 신호가 흘러 하향의 외력을 받게 된다. 따라서, 미러판(402)은 좌측 부분이 상승하고 우측 부분이 하락하여 도 9와 같은 기울기를 형성한다.

이때, 미러판(402)이 원형인 경우, 미러판(402)의 가장자리를 따라 구비되는 도전 띠에도 전자기력이 미칠 수 있고, 구동 신호가 흐르는 방향에 따라 스프링(403)에 미치는 전자기력을 상쇄되거나 보강할 수 있다.

도 8은 제1 스프링 상의 도전 띠에만 구동 신호(전류)를 인가하는 실시예를 도시한 것으로, 각각 스프링 상의 도전 띠에 순차적으로 구동 신호를 인가하는 경우 미러판(402)을 3차원 회전 운동케 할 수 있다.

도 10은 본 발명의 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러 상에 구비되는 도선에 인가하는 구동 신호의 실시예를 도시한 그래프이다.

구체적으로, 도 10은 제1 스프링 및 제2 스프링을 따라 인가되는 구동 신호, 제2 스프링 및 제3 스프링을 따라 인가되는 구동 신호, 제3 스프링 및 제1 스프링을 따라 인가되는 구동신호를 각각 도시하고 있다. (제1 스프링, 제2 스프링 및 제3 스프링은 도 8 설명 참조)

도 10은 스프링(403, 도 4 참조)이 3개인 경우를 도시한 예로, 미러판(402)이 1회전 하는 주기를 기준으로, 구동 신호가 각각의 도전 띠에 1/3 위상 차를 두며 순차적으로 인가될 수 있다.

스프링이 n 개인 경우 1/n의 위상차를 두고 구동 신호가 각각의 도전 띠에 순차적으로 인가될 수 있다.

즉, 적어도 3개의 스프링은, 스프링간 연결되어 있는 적어도 3개의 도전 띠에 순차적으로 구동 신호가 인가되면, 도전 띠에 발생하는 전기력을 통해 순차적으로 상하 운동하여 미러판을 3차원 회전 할 수 있다.

구동 신호는 사각파 또는 싸인파의 교류 전류 일 수 있다.

도전 띠에서 (+) 전류가 시계방향으로 흐르는 부분은 후방 방향으로 전자기력을 받을 수 있고, (+) 전류가 반 시계방향으로 흐르는 부분은 전방 방향으로 전자기력을 받을 수 있다.

반대로, 도전 띠에서 (-) 전류가 시계방향으로 흐르는 부분은 전방 방향으로 전자기력을 받을 수 있고, (-) 전류가 반 시계방향으로 흐르는 부분은 후방 방향으로 전자기력을 받을 수 있다.

도 10에 도시된 구동 신호는 미러판을 3차원 회전 운동하는 하나의 실시예로 이에 한정되지 않는다.

도 11는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러(400)에 반사된 레이저(3)가 원형패턴 또는 나선패턴을 형성하는 모습을 도시한 도면이다.

미러판(402)의 3차원 회전 운동을 구체적으로 살펴보면, 미러판(402)은 중심축이 대칭적으로 꼭지점이 연결된 한 쌍의 원뿔의 모서리를 따라 회전할 수 있다. 즉, 미러판(402)은 3차원 회전 운동하여 미러판(402)에 반사되는 입력광(3)이 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성할 수 있다.

입력광(3)이 형성하는 원형 패턴의 크기는 구동 신호의 크기를 조절하여 달리할 수 있다. 도 10 및 도 11(a)을 참조하면, 1^st Cycle은 큰 전압으로 구동 신호를 보내는 실시예이며, 2^nd Cycle은 작은 전압으로 구동 신호를 보내는 실시예를 도시하고 있다.

큰 전압으로 구동 신호를 보내는 경우 미러판의 구동각이 커져 넓은 반경의 원형 패턴을 형성할 수 있다. 반면, 작은 전압으로 구동 신호를 보내는 경우 미러판의 구동각이 작아지고 좁은 반경의 원형 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 구동 신호의 전압 크기가 연속적으로 가변되는 경우 도 11(b)와 같이 나선 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 미러판(402, 도 4 참조)은 구동 신호의 공진 주파수에 따라 움직임을 달리할 수 있다. 이하에서 도 12 및 도 13을 참조하여 공진 주파수 별 미러판의 움직을 살펴본다.

도 12는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러 상에 구비되는 도전 띠에 인가하는 구동 신호의 공진 주파수 및 공진 주파수 별 모드를 나타낸 테이블이다.

도 13은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러가 도 12의 모드에 따라 움직임을 달리하는 특징을 설명하기 위한 도면이다.

도 13(a)은 도 12에서 1 모드에 대응되는 움직임을 나타내는 것으로 미러판(402)는 전체적으로 평형을 이루며 상하 방향으로 움직일 수 있다. 이는 구동각을 형성하지 않는 점에서 바람직하지 않다.

도 13(b)는 도 12에서 2 모드에 대응되는 움직임으로 제1 축을 중심으로 미러판(402)의 양단이 교차하여 전후 방향으로 움직일 수 있다. 이는 1 차원 스캔에 이용될 수 있지만 1축 MEMS 스캐너와 차이가 없다는 점에서 바람직하지 않다.

도 13(c)는 도 12에서 3 모드에 대응되는 움직임으로, 도 13(b)의 제1 축과 함께 다른 제2 축을 중심으로 회전하는 미러판(402)을 도시하고 있다. 동시에 회전 하는 양 축을 통해 미러판(402)을 3차원 회전 운동할 수 있고, 따라서 본 발명의 MEMS 스캐너는 3 모드의 공진 주파수를 이용함이 바람직하다.

도 13(d)는 도 12에서 4 모드에 대응되는 움직임으로, 적어도 3개의 스프링이 일그러지는 모습을 도시하고 있다. 또한, 도 13에서 도시하고 있지 않지만 5모드 이상에서는 미러판이 일그러지는 움직임을 할 수 있어 본 발명의 MEMS 스캐너에서 이용됨이 바람직하지 않다.

즉, 본 발명의 MEMS 스캐너는 미러판(403)이 3차원 회전 운동하도록 모드 3에 대응되는 공진 주파수로 구동 신호를 인가함이 바람직하다.

다만, 도 12에 나타나는 모드별 공진 주파수는 미러판의 크기, 두께 및 스프링의 재질, 개수 등에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 MEMS 스캐너는 입사광은 원형 패턴 또는 나선 패턴을 이루도록 반사하는 점에서 렌즈를 통해 전 방향성 스캔을 구현하기 용이하다. 이하, 도 14를 통해 전 방향성 스캔을 구현하는 실시 예를 살펴본다.

도 14는 본 발명에 따른 MEMS 스캐너가 전 방향성 렌즈(300)를 이용하여 입력광(3)를 반사하는 개념도를 도시한 도면이다.

레이저 다이오드(2)에서 주사된 입력광(3)은 MEMS 스캐너의 스캐닝 미러(400)에 반사되고, 전 방향성 렌즈(300)에 굴절되어 구 내측면에 화상을 결상하거나 구 내측면에서 데이터를 읽을 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 MEMS 스캐너는 미러판 상에 이격되어 구비되고, 미러판(402)에 반사된 입력광(3)이 입사되는 입사면 또는 상기 반사된 입력광(3)이 굴절되는 굴절면이 돔 형상을 갖는 전방향성 렌즈(300)일 수 있다.

도 14의 굴절 렌즈(300)는 일 실시예로 화상을 결상하거나 데이터를 읽어 들일 수 있는 면적을 넓히기 위해 다양한 렌즈가 활용될 수 있다.

이하에서는 도 15을 통해 미러판의 구동각을 키우는 일 방법으로 스프링의 길이를 달리하는 특징을 살펴본다.

도 15은 본 발명에 따른 MEMS 스캐너의 스캐닝 마이크로 미러(400)의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 4는 적어도 3개의 스프링(403)이 나선방향으로 0.5턴하는 실시예를 도시하고 있다. 구체적으로 적어도 3개의 스프링(403)은 나선방향으로 0.5턴하여 제1 연결부(4032)와 제2 연결부(4033)이 일직선 상에 구비되어 있다.

즉, 적어도 3개의 스프링(403)은 몸체부(4031)가 미러판(402)의 180° 영역 가장자리를 따라 구비될 수 있다.

스프링(403)이 긴 경우 동일 전압 크기에도 불구하고 미러판(403)의 구동각을 키울 수 있다. 도 15를 살펴보면, 적어도 3개의 스프링(403)은 나선방향으로 1턴하여 제1 연결부(4032)와 제2 연결부(4033)가 일직선 상에 구비될 수 있다.

즉, 적어도 3개의 스프링(403)은 몸체부(4031)가 미러판(402)의 360° 영역 가장자리를 따라 구될비 수 있다.

다만, 적어도 3개의 스프링(403)이 긴 경우 미러판(403)이 상대적으로 작아지거나, MEMS 스캐너의 크기가 커질 수 있다. 또는 미러판(403)을 지지하는 힘이 약해져 미러판(403)이 처지는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 미러판(403)이 처지지 않는 범위 내에서 구동각을 키울 수 있도록 적어도 3개의 스프링(402) 길이를 설정함이 중요하다.

이상에서는 원형자석을 이용하여 방사형 자기장을 형성하는 실시예를 설명하였다.

다만, 원형 자석은 비가역적으로 열에 약하다는 단점이 있다. 대략 120도씨에서 원형자석은 자력을 상실하고 MEMS 스캐너의 기능을 상실할 수 있다. 따라서, 상기 구조를 가지면서, 고온의 조건에서 스캐닝 기능을 상실하지 않는 MEMS 스캐너를 고려할 필요가 있다.

MEMS 스캐너는 원형 자석(405, 도 5 참조) 대신에 원형 도선을 사용할 수 있다. 원형 도선은 적어도 3개의 스프링 하부에 구비되며, 적어도 3개의 스프링을 지나는 방사형 자기장을 형성할 수 있다.

다만, 원형 도선에 의한 MEMS 스캐너는 전력 소비 측면에서 불리할 수 있다. 따라서, 원형 도선에 의한 방사형 자기장 형성은 고온 조건에서 한정되어 사용됨이 바람직하다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

400: 스캐닝 마이크로 미러 401: 지지판
402: 미러판 403: 스프링
404: 도전 패턴 405: 원형 자석

Claims (10)

1. 개구부를 포함하는 지지판;
   상기 개구부 내에 구비되며, 입력광을 반사시키는 미러판;
   상기 미러판의 가장자리를 둘러 구비되며, 양단이 각각 상기 지지판과 상기 미러판에 연결되는 적어도 3개의 스프링; 및
   상기 적어도 3개의 스프링의 각 스프링부터 상기 미러판을 지나 상기 각 스프링의 일 방향에 인접 구비된 스프링까지 구비되는 적어도 3개의 도전 띠;를 포함하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 3개의 스프링은
   원형 궤도 또는 나선 궤도를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
3. 제2항에 있어서,
   상기 MEMS 스캐너는
   상기 적어도 3개의 스프링 하부에 구비되며, 상기 적어도 3개의 스프링을 지나는 방사형 자기장을 형성하는 원형 자석 또는 원형 도전을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
4. 제3항에 있어서,
   상기 미러판은 원형이고,
   상기 적어도 3개의 도전 띠는 상기 미러판의 가장자리를 지나는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
5. 제4항에 있어서,
   상기 적어도 3개의 스프링은
   상기 적어도 3개의 도전 띠에 순차적으로 구동 신호가 인가되면, 상기 도전 띠에 발생하는 전자기력을 통해 순차적으로 상하 운동하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
6. 제5항에 있어서,
   상기 미러판에 반사되는 입력광은 원형 패턴 또는 나선 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
7. 제6항에 있어서,
   상기 MEMS 스캐너는
   상기 미러판 상에 이격되어 구비되고, 상기 미러판에 반사되는 입력광을 굴절시키는 굴절 렌즈를 더 포함하고,
   상기 굴절 렌즈는
   상기 반사된 입사광이 입사되는 입사면 또는 상기 반사된 입사광이 굴절되는 굴절면이 돔 형상을 갖는 전방향성 렌즈인 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
8. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 3개의 스프링은
   상기 미러판의 가장자리를 둘러 구비되는 몸체부;
   상기 몸체부의 시계 방향 단부에 구비되며, 상기 몸체와 상기 미러판을 연결하는 제1 연결부; 및
   상기 몸체부의 반 시계 방향 단부에 구비되며, 상기 몸체부와 상기 지지판을 연결하는 제2 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 3개의 스프링은
   상기 몸체부가 상기 미러판의 180° 영역 가장자리를 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.
10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 스프링은
    상기 몸체부가 상기 미러판의 360° 영역 가장자리를 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너.

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