KR20230128971A - Optical Scanner Design Method and Optical Scanner Spring - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광스캐너 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 구동축 회전방향을 제외한 다른 공진주파수를 특정 요구조건에 맞도록 설계하거나 충분히 높게 설계함으로써 보다 안정하게 구동할 수 있는 광스캐너에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 광스캐너를 구현하기 위해서 광스캐너의 주요 구성요소 중의 하나인 스프링을 예시로 한 최적화 설계 방법 및 개선된 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an optical scanner device, and more particularly, to an optical scanner capable of being driven more stably by designing resonant frequencies other than the driving shaft rotation direction to meet specific requirements or to be sufficiently high. The present invention relates to an optimization design method and an improved structure by exemplifying a spring, which is one of the main components of an optical scanner, in order to implement such an optical scanner.
도 1에 도시된 것과 같은 광스캐너 소자(100)는 멤스 (MEMS: MicroElectroMechanical Systems) 기술을 이용하여 제조되는 소자로서 레이저 빔을 스캔하는 엔진 기능을 담당하고 있으며, 라이다 센서 또는 증강현실용 소형 디스플레이 장치 등에 사용되는 핵심 부품이다. The optical scanner device 100 as shown in FIG. 1 is a device manufactured using MEMS (MicroElectroMechanical Systems) technology and is in charge of an engine function for scanning a laser beam, and is a small display for lidar sensor or augmented reality. It is a key part used in devices, etc.
도 1에 도시된 광스캐너 소자(100)는 구동전압의 인가에 따라 움직이는 부분인 구동체(110)와 움직이지 않고 고정되어 있는 고정체(120)로 구성되는데, 구동체(110)는 비틀림 (torsional) 스프링(130)을 통하여 고정체(120)의 앵커(121)와 연결된다. 구동체(110)에는 빛을 반사시키는 미러(111)가 형성됨과 아울러, 다수 개의 콤(comb) 형태를 가진 구동전극(142)이 윙(115)에 연결되어 형성된다. 고정체(120)에는 다수 개의 고정전극(141)이 형성되는데, 상기 다수 개의 구동전극(142)과 평행하게 배치되어 미러 구동부(140)를 구성한다. 구동전극(142)과 고정전극(141) 사이에 구동전압을 인가하면 정전력에 의한 토크 (torque)가 발생하며, 이 토크에 의한 회전력이 미러(111)의 회전 관성과 스프링(130)의 복원 모멘트와 동적인 균형을 이루는 과정에서 구동체(110)에 형성된 미러(111)가 구동축(x축)을 중심으로 회전하게 된다. 그리고 고정체(120)의 수직 단면 구조를 살펴보면, 상부기판(125) 및 하부기판(127), 그리고 이들 상부기판(125)과 하부기판(127)의 전기적인 분리를 위한 산화막 절연체(126)가 이들 상부기판(125)과 하부기판(127)의 사이에 형성될 수 있다. 이들 구동체(110)와 고정체(120)는 SOI (Silicon-On-Insulator) 웨이퍼의 상부 및 기판에 미세공정 (microfabrication)을 이용하여 일체화된 구조로 각각 제작하는 방법으로 대량 생산이 가능하다. The optical scanner device 100 shown in FIG. 1 is composed of a driving body 110, which is a moving part according to the application of a driving voltage, and a stationary body 120 that is fixed without moving. It is connected to the anchor 121 of the fixture 120 through a torsional spring 130. A mirror 111 for reflecting light is formed in the drive body 110, and a drive electrode 142 having a plurality of comb shapes is connected to the wing 115. A plurality of stationary electrodes 141 are formed on the stationary body 120 and are disposed in parallel with the plurality of driving electrodes 142 to form the mirror driving unit 140 . When a driving voltage is applied between the driving electrode 142 and the stationary electrode 141, torque is generated due to static electricity, and the rotational force generated by this torque restores the rotational inertia of the mirror 111 and the spring 130. In the process of achieving dynamic balance with the moment, the mirror 111 formed on the driving body 110 rotates around the driving shaft (x-axis). And looking at the vertical cross-sectional structure of the fixture 120, the upper substrate 125 and the lower substrate 127, and the oxide film insulator 126 for electrical separation between the upper substrate 125 and the lower substrate 127 It may be formed between the upper substrate 125 and the lower substrate 127 . The driving body 110 and the stationary body 120 can be mass-produced by manufacturing each of the silicon-on-insulator (SOI) wafer and the substrate in an integrated structure using microfabrication.
한편, 공진 기반의 멤스 광스캐너는 비틀림 공진주파수에 맞추어 구동되기 때문에 작은 입력 에너지로도 큰 구동각을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 정전력 광스캐너에 과도한 외부 진동이 작용하거나 또는 콤구조로 형성된 구동전극과 고정전극 사이에 큰 전압이 인가되는 경우에 콤사이의 간격이 좁아지면서 발생할 수 있는 방전은 광스캐너의 안정성을 해치는 심각한 문제 중의 하나이다. 따라서 구동 방향(torsional)인 미러의 회전 방향 (α)을 제외한 다른 공진 모드 주파수는 가능한 높게 설계되는 것이 바람직하며, 특히, 요잉 (yawing) (γ) 또는 스프링 길이방향 (x)의 진동 모드는 콤전극 사이의 간격이 좁아지는 방향으로 움직임을 일으키므로 방전 가능성이 높아질 수 있다. 통상적인 멤스 광스캐너는 요잉(γ) 방향의 공진주파수가 스프링 길이방향(x)의 공진주파수보다 낮기 때문에, 요잉(γ)에 대한 공진주파수를 높이는 것이 안정성 개선에 보다 효과적이다. On the other hand, since the resonance-based MEMS optical scanner is driven according to the torsional resonance frequency, it has the advantage of obtaining a large driving angle even with a small input energy. However, when excessive external vibration acts on the electrostatic power optical scanner or when a large voltage is applied between the driving electrode and the fixed electrode formed in a comb structure, the discharge that may occur as the distance between the combs narrows harms the stability of the optical scanner. one of the serious problems. Therefore, it is desirable to design the frequency of other resonance modes as high as possible except for the rotational direction (α) of the mirror, which is the torsional direction. In particular, the vibration mode in the yawing (γ) or spring longitudinal direction (x) Since the movement occurs in a direction in which the gap between the electrodes is narrowed, the possibility of discharge may increase. Since a typical MEMS optical scanner has a resonant frequency in the yaw direction (γ) lower than a resonant frequency in the spring longitudinal direction (x), it is more effective to improve stability by increasing the resonant frequency in the yaw direction (γ).
광스캐너의 안정성 개선을 위하여, 선행기술로서 현재까지 개발된 스프링 구조를 살펴보면 다음과 같다. 광스캐너용으로 사용된 보편적인 구조는 도 1에 보인 바와 같은 I자 형으로 가장 단순한 형태를 보여준다. In order to improve the stability of the optical scanner, the spring structure developed to date as a prior art is as follows. A common structure used for an optical scanner shows the simplest form in an I-shape as shown in FIG.
이에 반해, 미국 등록특허공보 US 6,795,225 B2 (2004.09.21)(특허문헌 1)의 대표도를 보면 스프링이 V자 형태로 되어 있으며, 이것은 미러가 요잉 방향(N3 방향)의 회전 강성을 증가시킴으로써 원하지 않는 미러의 거동을 줄이는 것이 목표이다. 이 특허문헌 1의 도 9에는 V자 형태가 변형된 다양한 구조의 스프링이 예시되어 있다.On the other hand, in the representative diagram of US Patent Publication US 6,795,225 B2 (2004.09.21) (Patent Document 1), the spring is in a V-shape, which is desired by increasing the rotational stiffness in the yaw direction (N3 direction) of the mirror. The goal is to reduce the behavior of the undesirable mirror. 9 of Patent Document 1 exemplifies springs of various structures in which the V-shape is deformed.
또한, 미국 공개특허공보 US 2005/0205514 A1 (2005.09.22)(특허문헌 2) 및 미국 등록특허공보 US 7,098,571 B2 (2006.08.29)(특허문헌 3)를 보면, 특허문헌 1의 도 9C와 동일한 구조의 V자 형태의 스프링이 사용되고 있음을 알 수 있다. In addition, US Patent Publication US 2005/0205514 A1 (2005.09.22) (Patent Document 2) and US Registered Patent Publication US 7,098,571 B2 (2006.08.29) (Patent Document 3), the same as FIG. 9C of Patent Document 1 It can be seen that the V-shaped spring of the structure is used.
또한, 비특허문헌 1, A rotational comb-driven micromirror with a large deflection angle and low drive voltage, Presented at IEEE 15th MEMS Conference, Las Vegas, NV, USA, 2002 의 도 2를 보면 특허문헌 1의 도 9C와 동일한 V자 형태의 스프링 구조가 멤스 광스캐너 구조에 사용되었다.In addition, referring to FIG. 2 of Non-Patent Document 1, A rotational comb-driven micromirror with a large deflection angle and low drive voltage, Presented at IEEE 15 th MEMS Conference, Las Vegas, NV, USA, 2002, FIG. 9C of Patent Document 1 The same V-shaped spring structure was used in the MEMS optical scanner structure.
위와 같이 멤스 광스캐너를 설계하기 위한 기존의 방법은, 해석 모델을 기반으로 한 변수 분석 (parametric study) 또는 멤스 광스캐너의 특성에 대한 직관적인 메커니즘에 기반을 두고 있다. 따라서 기존 설계 결과는 예상이 가능한 직관적인 형상을 하고 있는 반면, 위상최적화 기법으로 설계하면 공학적인 직관을 초월하는 혁신적인 형상 설계가 가능하여 장치의 성능을 극대화할 수 있다.As described above, the conventional method for designing the MEMS optical scanner is based on a parametric study based on an analysis model or an intuitive mechanism for the characteristics of the MEMS optical scanner. Therefore, while the existing design result has an intuitive shape that can be predicted, the performance of the device can be maximized by designing an innovative shape that transcends engineering intuition by designing with the topology optimization technique.
이상과 같은 종래 광스캐너의 스프링 구조는 광스캐너의 안정성 개선의 목적을 일정 범위까지는 달성할 수 있으나, 아직 최선의 성능이 아니므로 최적화 설계를 통하여 안정성을 더욱 개선할 필요가 있다. 도 1의 광스캐너 구조를 보면, 두께가 일정한 상부 실리콘 기판을 식각 (etching)하여 미러와 스프링을 제작할 수 있다. 여기서, 평면상의 위치에 따라 스프링 재료를 배분하여 스프링의 형태를 결정할 수 있으며, 이 형태가 스프링의 구조 및 특성을 좌우한다. 이와 같이 평면상의 형태 설계과정에서 특정 성능을 최대화할 수 있는 기법을 위상 최적화 (topological optimization)라고 하며, 위상 최적화는 재료의 효율적인 배분 (material distribution)을 통하여 혁신적인 형상을 도출함으로써 구조적인 성능을 높일 수 있는 설계방법이다.Although the spring structure of the conventional optical scanner as described above can achieve the purpose of improving the stability of the optical scanner to a certain extent, it is still not the best performance, so it is necessary to further improve the stability through an optimized design. Referring to the optical scanner structure of FIG. 1 , a mirror and a spring may be manufactured by etching an upper silicon substrate having a constant thickness. Here, the shape of the spring can be determined by distributing the spring materials according to the position on the plane, and this shape determines the structure and characteristics of the spring. In this way, a technique that can maximize specific performance in the process of designing a planar shape is called topological optimization. Topological optimization can improve structural performance by deriving innovative shapes through efficient material distribution. It is a design method that has
이와 같은 위상최적화와 관련된 선행 기술을 살펴보면 다음과 같다.Prior art related to such phase optimization is as follows.
미국 등록특허공보 US 10,824, 780 B2 (2020.11.03)(특허문헌 4)에서는 힌지 (hinge) 설계에 위상최적화 방법을 적용하였는데, 공진주파수 최대화와는 결이 다르다.In US Patent Publication US 10,824, 780 B2 (2020.11.03) (Patent Document 4), a phase optimization method was applied to a hinge design, which is different from maximizing a resonance frequency.
비특허문헌 2, Optimal design of robust piezoelectric unimorph microgrippers, Applied Mathematical Modelling 55, 2018 에서는 멤스 그립퍼 (gripper)에서 평면의 구동거리를 크게 하는 반면, 원하지 않는 수직방향의 움직임을 줄이기 위한 위상최적화 기법을 적용하였다. 비특허문헌 2의 멤스 그립퍼는 위/아래에 있는 압전층을 이용하여 구동력을 얻기 때문에 정전력 광스캐너의 구동 방향과 응용과는 크게 관련이 없다.In Non-Patent Document 2, Optimal design of robust piezoelectric unimorph microgrippers, Applied Mathematical Modeling 55, 2018, a phase optimization technique was applied to reduce unwanted vertical motion while increasing the driving distance of a plane in a MEMS gripper. . Since the MEMS gripper of Non-Patent Document 2 obtains a driving force using the upper and lower piezoelectric layers, it has little to do with the driving direction and application of the electrostatic power optical scanner.
본 발명은 멤스 광스캐너 구동의 안정성을 개선하기 위하여 위상최적화 방법을 적용한 광스캐너 설계 방법을 제안하고, 제안된 설계 방법으로 설계된 광스캐너의 스프링 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 멤스 광스캐너의 요잉 방향의 강성 (stiffness)을 크게 하여 해당 공진주파수를 높임으로써 외란에 대한 영향을 최소화하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to propose an optical scanner design method applying a phase optimization method to improve the stability of MEMS optical scanner operation, and to provide a spring structure of an optical scanner designed by the proposed design method. Specifically, an object of the MEMS optical scanner is to increase the stiffness of the yaw direction to increase the corresponding resonant frequency, thereby minimizing the influence of disturbance.
본 발명에서는 광스캐너 장치의 안정적인 구동을 위하여, 구동축 회전방향을 제외한 다른 공진주파수를 최대한 높게 하는 것을 목적 함수로 한 위상 설계방법을 제안한다. 설계 대상은 미러에 연결된 스프링의 평면 구조이며, 특히 요잉 모드의 공진주파수를 높이는데 초점을 두고 있다. 또한 설계된 스프링 구조의 최소 선폭이 멤스 제작 공정으로 제작 가능한 크기 이상이어야 한다는 조건이 최적화 과정에 반영된다. In the present invention, for stable driving of the optical scanner device, a phase design method is proposed in which the objective function is to maximize the resonant frequencies other than the rotational direction of the driving shaft. The design object is a planar structure of a spring connected to a mirror, and the focus is particularly on increasing the resonant frequency of the yaw mode. In addition, the condition that the minimum line width of the designed spring structure should be greater than the size that can be manufactured by the MEMS manufacturing process is reflected in the optimization process.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광스캐너의 설계 방법은, 최적화 기준 모델을 설정하는 단계; 최적화 문제를 정의하는 단계; 최적화 초기 모델을 설정하는 단계; 최적화 계산을 수행하여 최적화 가상 모델을 도출하는 단계; 및 가상 모델에 대한 후처리를 통하여 제작 가능한 최적화 최종 모델을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.Specifically, a method for designing an optical scanner according to an embodiment of the present invention includes setting an optimization reference model; defining an optimization problem; setting an initial optimization model; deriving an optimization virtual model by performing an optimization calculation; and determining a producible optimized final model through post-processing of the virtual model.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서, 광스캐너의 요잉 공진주파수의 최대화를 최적화의 목적 함수로 설정할 수 있다. 또한, 광스캐너 미러의 회전방향 공진주파수를 설정된 값의 특정 오차범위 이내로 한정하는 조건을 부가할 수 있다.In the step of defining the optimization problem, maximization of the yaw resonance frequency of the optical scanner may be set as an objective function of optimization. In addition, a condition for limiting the rotational direction resonance frequency of the optical scanner mirror within a specific error range of a set value may be added.
또한, 상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서, 길이방향 또는 옆방향의 공진주파수를 기준값 이상으로 설정하는 조건을 부가할 수 있고, 규격으로 설정된 구동각에서 최대 응력이 특정값 이하가 되도록 한정하는 조건을 부가할 수 있다.In addition, in the step of defining the optimization problem, a condition for setting the resonance frequency in the longitudinal direction or in the lateral direction to a reference value or higher may be added, and a condition for limiting the maximum stress to be less than a specific value at a driving angle set as a standard may be added. can be added
또한, 상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서, 상기 최적화 기준 모델 대비 최적화된 모델의 체적 비율을 특정값 범위 이내로 한정하는 조건을 부가할 수 있다. 상기 체적 비율을 0.4~0.6 범위 이내로 한정할 수 있다.In addition, in the step of defining the optimization problem, a condition for limiting the volume ratio of the optimized model to the optimization standard model within a specific value range may be added. The volume ratio may be limited within the range of 0.4 to 0.6.
또한, 상기 가상 모델에 대한 후처리 과정은 위상 최적화의 밀도 변수가 특정 임계치를 기준으로 그 이상이면 그 구조를 유지하고 그 미만이면 구조가 없는 것으로 변경할 수 있다.Further, in the post-processing process for the virtual model, the structure may be maintained if the density variable of phase optimization is greater than or equal to a specific threshold value, and the structure may be changed to non-structure if the density variable is less than or equal to a specific threshold value.
상기 가상 모델에 대한 후처리 과정에서, 최대 응력이 발생할 수 있는 영역에 라운딩 구조를 추가할 수 있다.In the post-processing of the virtual model, a rounding structure may be added to a region where maximum stress may occur.
또한, 상기 가상 모델에 대한 후처리 과정에서 위상 최적화의 밀도 변수의 설정값을 0.4~0.6 범위 이내로 한정하되, 최적화 최종 모델의 선폭이 멤스 공정에서 만들 수 있는 최소 선폭보다 크도록 제한할 수 있다.In addition, in the post-processing process for the virtual model, the set value of the density variable of the phase optimization is limited within the range of 0.4 to 0.6, but the line width of the final model optimized can be limited to be larger than the minimum line width that can be made in the MEMS process.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광스캐너의 스프링은, 구동전압에 의해 회전하면서 빛을 반사하는 미러(111)와, 움직이지 않고 고정된 앵커(121)를 서로 연결하는 광스캐너의 스프링(130)으로서, 상기 미러(111)에 연결되며 상기 미러(111)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상의 제1단부 영역(S1); 상기 앵커(121)에 연결되며 상기 앵커(121)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상의 제2단부 영역(S2); 상기 제1단부 영역(S1)과 상기 제2단부 영역(S2) 사이에 위치하여 상기 제1단부 영역(S1) 및 상기 제2단부 영역(S2)과 연결되며 상기 미러(111) 및 상기 앵커(121)를 향하는 방향으로 연장되는 I자 형상의 연결부(S3);를 포함할 수 있다.The spring of the optical scanner according to another embodiment of the present invention is a spring 130 of the optical scanner that connects a mirror 111 that reflects light while rotating by a driving voltage and an anchor 121 that is fixed without moving. As a, a V-shaped first end region (S1) connected to the mirror 111 and diverging toward the mirror 111; a V-shaped second end region S2 connected to the anchor 121 and diverging toward the anchor 121; It is located between the first end region S1 and the second end region S2 and is connected to the first end region S1 and the second end region S2, and the mirror 111 and the anchor ( 121), an I-shaped connection portion S3 extending in a direction toward the direction.
또한, 상기 제1단부 영역(S1)은 상기 미러(111)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제1 가지부(131)를 포함할 수 있다.In addition, the first end region S1 may include a pair of first branch portions 131 diverging toward the mirror 111 and diverging from each other.
또한, 상기 한 쌍의 제1 가지부(131)와 상기 미러(111) 사이에 빈 공간인 제1 캐비티(C1)가 형성될 수 있다.In addition, a first cavity C1 that is an empty space may be formed between the pair of first branch parts 131 and the mirror 111 .
또한, 상기 제2단부 영역(S2)은 상기 앵커(121)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제2 가지부(132)를 포함할 수 있다.In addition, the second end region S2 may include a pair of second branch portions 132 diverging toward the anchor 121 and diverging from each other.
또한, 상기 한 쌍의 제2 가지부(132)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제2 캐비티(C2)가 형성될 수 있다.In addition, a second cavity C2 that is an empty space may be formed between the pair of second branch parts 132 and the anchor 121 .
또한, 상기 한 쌍의 제2 가지부(132) 각각으로부터 상기 앵커(121)를 향해 작은 경사각을 가지면서 연장되는 한 쌍의 직선부(134)를 포함할 수 있다.In addition, a pair of straight parts 134 extending from each of the pair of second branch parts 132 toward the anchor 121 with a small inclination angle may be included.
또한, 상기 한 쌍의 제2 가지부(132), 상기 한 쌍의 직선부(134), 및 상기 앵커(121)로 둘러싸인 영역에 X자 형태의 내부 보강부(130a)를 포함할 수 있다.In addition, an X-shaped internal reinforcement part 130a may be included in a region surrounded by the pair of second branch parts 132 , the pair of straight parts 134 , and the anchor 121 .
또한, 상기 내부 보강부(130a)는 상기 제2 캐비티(C2)와 상기 앵커(121) 사이에 형성될 수 있다.Also, the internal reinforcing part 130a may be formed between the second cavity C2 and the anchor 121 .
또한, 상기 내부 보강부(130a)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제3 캐비티(C3)가 형성될 수 있다.In addition, a third cavity C3 that is an empty space may be formed between the internal reinforcement part 130a and the anchor 121 .
본 발명에서 제안된 멤스 광스캐너의 스프링에 대한 위상 최적화 설계 방법은 스캐너의 안정적인 구동을 가능하게 함으로써 전체적인 성능을 최대한 높일 수 있다. 또한 최적화된 스프링 구조는 반도체 공정으로 제작이 가능한 구조로 도출할 수 있으며, 그와 동시에 원하지 않는 공진 모드의 주파수를 최대한 높일 수 있기 때문에 매우 실용적인 스프링 구조를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 즉, 광스캐너의 기존 스프링 구조인 I 또는 V형에 비하여, 작은 응력 상태를 유지하면서도 요잉과 같은 불필요 (spurious)한 진동 모드를 미러의 회전 방향인 스프링의 비틀림 모드와 최대한 멀리 떨어뜨릴 수 있으므로, 안정한 광스캐너를 효과적으로 설계할 수 있다.The phase optimization design method for the spring of the MEMS optical scanner proposed in the present invention enables the stable operation of the scanner, thereby maximizing overall performance. In addition, the optimized spring structure can be derived as a structure that can be manufactured with a semiconductor process, and at the same time, since the frequency of an unwanted resonance mode can be maximized, a very practical spring structure can be obtained. That is, compared to I or V-shaped spring structures of optical scanners, it is possible to keep a small stress state while keeping unnecessary (spurious) vibration modes such as yawing as far away as possible from the torsion mode of the spring, which is the rotation direction of the mirror, A stable optical scanner can be designed effectively.
도 1은 멤스 광스캐너의 평면 및 단면에 대한 통상적인 구조를 나타낸다.
도 2는 광스캐너의 유한요소 해석을 위한 간략화된 최적화 기준 모델을 나타낸다.
도 3은 광스캐너 최적화 기준 모델의 공진주파수와 모드 형상을 나타낸다.
도 4는 광스캐너 최적화 기준 모델의 공진 모드 중에서 전극 사이가 좁아지는 형태를 나타낸다.
도 5는 광스캐너용 스프링의 위상최적화를 위한 초기 모델을 나타낸다.
도 6은 광스캐너의 위상최적화의 설계단계로서, 기준 모델, 최적화 문제의 정의, 초기 모델, 최적화 이후의 가상 모델 및 후처리가 실행된 최적화 최종 모델의 5단계를 도시한 것이다.
도 7은 광스캐너의 스프링에 대한 최적화 설계를 수행하여 도출된 제작 가능한 최종 모델의 구조를 나타낸다.
도 8은 광스캐너의 초기 모델과 최적화 최종 모델에서 공진주파수와 모드 형상을 비교한 것이다.
도 9는 광스캐너용 스프링의 초기 모델과 최적화 최종 모델에서 발생하는 최대 응력을 비교한 것이다.
도 10은 광스캐너의 최적화 결과를 반영하여 추출된 스프링 구조를 나타낸다.1 shows a typical structure of a MEMS optical scanner in plane and cross section.
2 shows a simplified optimization reference model for finite element analysis of an optical scanner.
3 shows the resonant frequency and mode shape of the optical scanner optimization reference model.
4 shows a form in which electrodes are narrowed in a resonance mode of an optical scanner optimization reference model.
5 shows an initial model for optimizing the phase of a spring for an optical scanner.
FIG. 6 shows five stages of designing phase optimization of an optical scanner, including a reference model, definition of an optimization problem, an initial model, a virtual model after optimization, and a final optimized model with post-processing.
7 shows the structure of a final model that can be produced by performing an optimization design for a spring of an optical scanner.
8 is a comparison of resonant frequencies and mode shapes in an initial model of an optical scanner and an optimized final model.
FIG. 9 compares the maximum stress generated in the initial model and the final optimized model of the spring for the optical scanner.
10 shows a spring structure extracted by reflecting the optimization result of the optical scanner.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광스캐너의 설계방법 및 도출된 스프링 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Referring to the drawings, a design method of an optical scanner according to the present invention and a derived spring structure will be described in detail. Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are merely exemplified for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described in this specification, and should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
일반적으로 멤스 광스캐닝 방식의 라이다가 자동차 또는 드론 등 운행체에 실리게 되면 지속적인 외란을 받게 되고, 정전력 스캐너의 경우 콤전극 사이의 간격이 좁아지면서 결과적으로 방전 또는 충격 등으로 인한 파손이 초래될 수 있다. 콤사이의 간격이 좁아지는 거동의 종류는 요잉(γ)과 x축 방향의 변형이 있으나, 일반적으로 요잉의 공진주파수가 스프링의 축방향 (x) 진동보다 낮기 때문에 보다 주의를 기울여야 한다. 본 발명에서는 멤스 광스캐너의 요잉 방향의 강성을 크게 하여 공진주파수를 높임으로써 외란에 대한 영향을 최소화하고자 한다.In general, when a MEMS optical scanning lidar is loaded onto a vehicle such as a car or a drone, it is subjected to continuous disturbance, and in the case of an electrostatic power scanner, the gap between the comb electrodes narrows, resulting in damage due to discharge or shock. It can be. There are yaw (γ) and deformation in the x-axis direction as the types of behavior in which the gap between the combs narrows, but more attention should be paid because the resonant frequency of yaw is generally lower than the vibration of the spring in the axial direction (x). In the present invention, the influence of disturbance is minimized by increasing the stiffness of the MEMS optical scanner in the yaw direction to increase the resonance frequency.
즉, 본 발명은 멤스 미러의 구동 안정성을 개선하기 위한 스프링 구조에 관한 것으로, 요잉 모드에 대한 공진주파수를 일정값 이상으로 올리는 설계방법으로 위상최적화 (topology optimization) 기법을 도입하고, 그 결과로 도출된 광스캐너의 스프링 구조를 제안한다. 이를 더 자세히 설명하면, 콤 전극을 이용하는 정전력 광스캐너의 평면 (in-plane) 방향의 변형 중에서 요잉과 스프링 길이방향의 공진주파수를 최대한 올림으로써 해당 방향의 변형을 유도하는 외란에 대한 강성을 확보할 수 있다. 당연히, 미러의 구동축(도 1의 x축)을 중심으로 한 회전 방향에 대해서는 목표로 하는 구동주파수와 일정 오차 범위 내에서 일치하도록 광스캐너를 설계하여야 한다. That is, the present invention relates to a spring structure for improving the driving stability of a MEMS mirror, and introduces a topology optimization technique as a design method for raising the resonant frequency for the yaw mode to a certain value or more, and as a result We propose a spring structure of the optical scanner. To explain this in more detail, among the deformations in the in-plane direction of the electrostatic power optical scanner using the comb electrode, the resonance frequency in the yaw and spring longitudinal directions is raised to the maximum, thereby securing stiffness against disturbances that induce deformation in the corresponding direction can do. Naturally, the optical scanner must be designed to coincide with a target driving frequency within a certain error range with respect to the rotational direction around the driving axis of the mirror (x-axis in FIG. 1).
이를 자세하게 설명하면 다음과 같다. 광스캐너용 스프링에 위상최적화 설계를 적용할 경우, 요잉 모드의 공진주파수를 높여 해당 방향에 대한 강성 (stiffness)을 최대화할 수 있으며, 상대적으로 낮은 주파수 특성을 보이는 수직 방향(z)의 벤딩 (bending) 모드에 대한 공진주파수도 기준 모델보다 낮아지지 않도록 설계하는 것이 바람직하다. 여기서 구동축(x축)을 중심으로 한 회전 방향의 공진주파수(f)는, 미러의 회전 관성 모멘트를 J 그리고 스프링의 비틀림 강성을 k t라고 할 때, (k t/J)1/2에 비례하여 결정된다. 따라서, 일반적으로 J와 구동주파수 (f)는 사용자의 요구조건에 따라 사전에 결정된다는 것을 고려하면, 최적 설계는 정해진 k t값을 갖도록 스프링 구조에 국한하여 진행할 수 있다.A detailed description of this is as follows. When a phase-optimized design is applied to a spring for an optical scanner, the resonance frequency of the yaw mode can be increased to maximize stiffness in that direction, and bending in the vertical direction (z) showing relatively low frequency characteristics. ) mode, it is desirable to design so that the resonant frequency is not lower than that of the reference model. Here, the resonant frequency (f ) in the direction of rotation around the drive shaft (x-axis) is proportional to ( k t /J) 1/2 when the rotational moment of inertia of the mirror is J and the torsional stiffness of the spring is k t is determined by Therefore, considering that J and driving frequency (f) are generally determined in advance according to the user's requirements, the optimal design can be limited to the spring structure to have a predetermined k t value.
그 밖에, 최적화된 최종 모델로서 결정된 스프링 구조의 최소 선폭은 멤스 제작 공정으로 제작 가능한 선폭 이상으로 설계되어야 하며, 요구규격으로 설정된 구동각만큼 스프링에 뒤틀림이 발생할 때 그에 따른 최대 응력이 결정성 실리콘 (crystalline silicon)의 허용치를 초과해서는 안된다는 조건을 추가적으로 반영할 수 있다. 이와 같이, 스프링 구조에 대한 위상 최적 설계를 이용하면 외란 및 고전압에 대하여 안정한 광스캐너의 설계가 가능하다.In addition, the minimum line width of the spring structure determined as the final optimized model must be designed to be larger than the line width that can be manufactured in the MEMS manufacturing process, and when twisting occurs in the spring as much as the driving angle set in the required standard, the resulting maximum stress is crystalline silicon ( crystalline silicon) can additionally reflect the condition that the tolerance should not be exceeded. In this way, using the phase optimization design for the spring structure, it is possible to design a stable optical scanner against disturbance and high voltage.
본 발명의 일 실시예에 따른 광스캐너의 위상최적화 방법은 1) 최적화 기준 모델을 설정하는 단계; 2) 최적화 문제를 정의하는 단계; 3) 최적화 초기 모델을 설정하는 단계; 4) 최적화를 수행하여 가상 모델을 도출하는 단계; 5) 후처리 시행을 통하여 제작 가능한 최적화 최종 모델을 결정하는 단계;의 5개 단계를 포함한다. A method for optimizing a phase of an optical scanner according to an embodiment of the present invention includes the steps of 1) setting an optimization reference model; 2) defining an optimization problem; 3) setting an initial optimization model; 4) deriving a virtual model by performing optimization; 5) determining a producible final optimized model through post-processing;
먼저, 1단계로서 최적화 기준 모델을 설정하는 단계를 설명한다.First, as a first step, a step of setting an optimization reference model will be described.
멤스 광스캐너에서 고정전극 및 구동전극 사이에 전압이 인가되면 정전력에 의해 스프링에 비틀림이 발생하면서 미러가 회전한다. 이와 같은 거동을 해석하기 위하여, 도 1에 도시된 멤스 광스캐너에 대하여 간략화된 유한요소 모델인 최적화 기준 모델이 도 2에 도시되었다. 최적화 기준 모델에서 변위가 발생하지 않는 미러 및 콤전극은 해석영역에서 제외할 수 있다. 또한 콤 전극에서 발생하는 정전력은 회전축(도 1의 x축)을 기준으로 한 강제 변위로 대체될 수 있다. 따라서 도 2의 최적화 기준 모델은 미러 양쪽에 있는 2개의 스프링으로 연결된 일정 두께 (본 발명의 예시는 70 μm)의 실리콘 쉘(shell) 구조체이며, 미러 표면에 있는 반사용 금속은 0.3um 정도로 매우 얇기 때문에 고려하지 않을 수 있다. In the MEMS optical scanner, when a voltage is applied between the fixed electrode and the driving electrode, a torsion occurs in the spring due to electrostatic force and the mirror rotates. In order to analyze this behavior, an optimization reference model, which is a simplified finite element model for the MEMS optical scanner shown in FIG. 1, is shown in FIG. 2. Mirrors and comb electrodes in which displacement does not occur in the optimization standard model can be excluded from the analysis domain. In addition, the electrostatic force generated in the comb electrode can be replaced with forced displacement based on the rotation axis (x-axis in FIG. 1). Therefore, the optimization reference model of FIG. 2 is a silicon shell structure with a certain thickness (70 μm in the example of the present invention) connected by two springs on both sides of the mirror, and the reflective metal on the mirror surface is very thin, about 0.3 μm. may not be taken into account.
다음으로, 2단계로서 최적화 문제를 정의하는 단계를 설명한다.Next, the step of defining the optimization problem as the second step will be described.
도 3은 도 2에 보인 광스캐너 최적화 기준 모델의 공진 모드에 대한 해석결과를 보여준다. 도 3(a)는 멤스 광스캐너의 작동 모드인 비틀림 변형 (torsional, n=1)에 해당하는 공진 모드이며, 도 3(b)와 3(c)는 대칭형 (n=2)과 비대칭형 (n=3)의 굽힘 모드 (bending mode)이다. 도 3(d), 3(e) 그리고 3(f)는 평면방향의 변형이며, 각각 옆방향 (n=4, lateral transverse, 도 1의 y방향), 요잉 (n=8, yawing, 도 1의 γ방향) 그리고 길이방향 (n=19, longitudinal, x방향)의 공진 모드에 해당한다. FIG. 3 shows an analysis result for the resonance mode of the optical scanner optimization reference model shown in FIG. 2 . 3(a) is a resonant mode corresponding to torsional deformation (torsional, n=1), which is an operating mode of the MEMS optical scanner, and FIGS. 3(b) and 3(c) show symmetrical (n=2) and asymmetrical ( It is the bending mode of n = 3). Figures 3 (d), 3 (e) and 3 (f) are deformations in the plane direction, respectively, in the lateral direction (n = 4, lateral transverse, y direction in Fig. 1), yawing (n = 8, yawing, Fig. 1 γ direction) and the resonance mode in the longitudinal direction (n = 19, longitudinal, x direction).
도 3(d), 3(e), 3(f)와 같은 평면 방향의 변형은 구동 전극과 고정 전극 사이의 간격 변화를 초래하기 때문에, 광스캐너에 고장을 유발할 수 있으며, 도 4는 최적화 기준 모델에서 전극 사이의 간격 변화에 대한 구체적인 사례들을 보여준다. 이 중에서 도 4(a)의 옆방향 변형 모드는 n=4로 주파수가 높지 않아 문제가 우려되지만, 전극 사이의 길이 방향에 대한 유격을 충분히 주어 문제를 경감할 수 있다. 한편, 도 4(c)의 길이방향의 변형은 통상적인 광스캐너에서 아주 높은 고차의 진동 모드 (n=19)에서 나타나므로 무시할 수 있다. 그러나 도 4(b)의 요잉 방향의 변형은 γ방향(도 1 참조)의 회전을 유발하므로 전극 사이의 간격 축소 문제가 심각하고, 또한 진동 모드도 n=8로서, 공진주파수가 그리 높지 않기 때문에 해당 방향의 강성 (stiffness)을 보강하여 공진주파수를 최대화할 필요가 있다.Since deformation in the plane direction as shown in FIGS. 3(d), 3(e), and 3(f) causes a change in the distance between the driving electrode and the fixed electrode, it may cause a failure of the optical scanner, and FIG. 4 is an optimization standard. In the model, specific examples of the change in spacing between electrodes are shown. Among them, in the lateral deformation mode of FIG. 4 (a), there is a concern about the problem because the frequency is not high at n = 4, but the problem can be alleviated by providing sufficient clearance in the longitudinal direction between the electrodes. On the other hand, the deformation in the longitudinal direction of FIG. 4(c) can be ignored because it appears in a very high-order vibration mode (n=19) in a typical optical scanner. However, since the deformation in the yaw direction in FIG. 4(b) causes rotation in the γ direction (see FIG. 1), the problem of reducing the gap between electrodes is serious, and the vibration mode is n = 8, so the resonant frequency is not very high. It is necessary to maximize the resonant frequency by reinforcing the stiffness in the corresponding direction.
이와 같이 요잉 모드의 공진주파수를 높이기 위하여 스프링 구조의 위상최적화를 수행할 수 있으며, 최적화 문제를 다음과 같이 정의할 수 있다. In this way, in order to increase the resonant frequency of the yaw mode, the phase optimization of the spring structure can be performed, and the optimization problem can be defined as follows.
목적 함수: fyaw의 최대화 Objective function: maximization of f yaw
제한 조건 1: [K(r) - wn 2 M(r)] Ψn = 0Constraint 1: [ K (r) - w n 2 M (r)] Ψ n = 0
제한 조건 2: 0 < rmin ≤ ri ≤ rmax ≤ 1Constraint 2: 0 < r min ≤ r i ≤ r max ≤ 1
제한 조건 3: (1-εt1) ft1 ≤ ft2 ≤ (1+εt1) ft1 Constraint 3: (1-ε t1 ) f t1 ≤ f t2 ≤ (1+ε t1 ) f t1
제한 조건 4: fsb2 ≥ fsb1 Constraint 4: f sb2 ≥ f sb1
제한 조건 5: fab2 ≥ fab1 Constraint 5: f ab2 ≥ f ab1
제한 조건 6: Vf > Vf0 Constraint 6: V f > V f0
여기서, 목적함수의 fyaw는 광스캐너의 요잉 모드에 대한 공진주파수, K, M, wn, Ψn 은 각각 강성 행렬, 질량 행렬, n차 공진주파수, n차 모드 형상을 나타낸다. 제한 조건 1, 2에서 r은 0과 1사이의 값으로 정규화한 밀도를 나타낸다. 제한 조건 3, 4, 5에서 ft1, fsb1, fab1은 각각 기준 모델에 대한 비틀림, 대칭형 벤딩 (symmetric bending), 비대칭형 벤딩 (asymmetric bending) 모드의 공진주파수, ft2, fsb2, fab2는 최적화한 최종 모델에서 ft1, fsb1, fab1에 각각 대응되는 비교값이다. 제한 조건 6에서 Vf 는 스프링의 기준 모델과 최적화 모델의 체적 비율을 의미하며, Vf0 는 소정값을 나타낸다.Here, f yaw of the objective function is the resonance frequency for the yaw mode of the optical scanner, K , M , w n , Ψ n represents the stiffness matrix, the mass matrix, the nth resonant frequency, and the nth order mode shape, respectively. In constraints 1 and 2, r represents the normalized density between 0 and 1. In constraints 3, 4, and 5, f t1 , f sb1 , f ab1 are the resonant frequencies of the torsional, symmetric bending, and asymmetric bending modes for the reference model, respectively, and f t2 , f sb2 , f ab2 is a comparison value corresponding to f t1 , f sb1 , and f ab1 in the final optimized model. In Constraint 6, V f means the volume ratio of the reference model and the optimized model of the spring, and V f0 represents a predetermined value.
위 최적화 문제를 정의하는 단계에서, 목적 함수는 fyaw를 최대화하여 안정성을 개선하는 것을 예시로 한다. 제한 조건 1은 각 공진 모드의 주파수를 구하는 식이고, 제한 조건 2의 r은 0과 1사이의 값으로 정규화한 밀도의 범위를 나타내며, 예를 들어 rmin = 0.001, rmax = 1을 사용할 수 있다. 제한 조건 3은 최적화된 공진주파수를 설정된 작동 조건인 뒤틀림 모드의 공진주파수에 주어진 오차(εt1) 범위 내에서 맞추는 조건이며, 통상적으로 1~2 %를 적용할 수 있다. 제한 조건 4 및 5는 최적화된 결과가 기준 모델의 벤딩에 대한 공진주파수보다 낮지 않도록 설정함으로써 해당 성능이 나빠지는 것을 방지하는 것을 의미한다. 제한 조건 6은 기준 모델과 최적화 모델의 체적 비율 (Vf)에 대한 것으로, 해당 변수를 변화시키면서 시뮬레이션을 수행한 결과, 0.4보다 작은 경우에는 최적화 계산이 잘 수렴되지 않으므로 Vf0 = 0.4을 사용할 수 있다.In the step of defining the above optimization problem, the objective function is exemplified by maximizing f yaw to improve stability. Constraint 1 is an expression for obtaining the frequency of each resonance mode, and r in Constraint 2 represents the range of density normalized to a value between 0 and 1. For example, r min = 0.001 and r max = 1 can be used. there is. Constraint 3 is a condition to match the optimized resonant frequency to the resonant frequency of the twist mode, which is a set operating condition, within a given error (ε t1 ) range, and typically 1 to 2% can be applied. Constraints 4 and 5 mean that the performance is prevented from deteriorating by setting the optimized result not to be lower than the resonant frequency for bending of the reference model. Constraint 6 is for the volume ratio (V f ) of the reference model and the optimization model. As a result of simulation while varying the corresponding variable, if it is less than 0.4, the optimization calculation does not converge well, so V f0 = 0.4 cannot be used. there is.
다음으로, 3단계로서 최적화 초기 모델을 설정하는 단계를 설명한다.Next, the step of setting the initial optimization model as the third step will be described.
도 5는 광스캐너 설계에 위상최적화를 적용하기 위하여, 도 2의 최적화 기준 모델로부터 구성된 스프링의 초기 모델을 보여준다. 여기서, 구동 전극과 미러는 정전력 구동과 레이저 반사의 기능을 수행할 뿐, 변형이 일어나지 않으므로 설계 영역에서 제외한다. 반면에, 스프링은 미러와 앵커를 연결하는 부분으로서 광스캐너의 진동 특성에 가장 크게 영향을 미치기 때문에 설계 영역에 포함시킬 수 있다. 한편, 설계상의 유연성을 확보하여 좋은 최적화 결과를 얻기 위해서는 기초 모델의 스프링 영역을 넓히는 것이 바람직하다. 위상최적화의 설계 영역과 구동 전극 사이의 간격은, 멤스 공정의 최소 선폭이 5um임을 고려하여, 5um로 설정할 수 있다. FIG. 5 shows an initial model of a spring constructed from the optimization reference model of FIG. 2 in order to apply phase optimization to an optical scanner design. Here, the driving electrode and the mirror only perform functions of electrostatic power driving and laser reflection, and are excluded from the design area because deformation does not occur. On the other hand, since the spring, as a part connecting the mirror and the anchor, has the greatest influence on the vibration characteristics of the optical scanner, it can be included in the design area. On the other hand, in order to secure design flexibility and obtain good optimization results, it is desirable to widen the spring area of the basic model. The distance between the phase optimization design area and the driving electrode may be set to 5um considering that the minimum line width of the MEMS process is 5um.
다음으로, 4단계로서 최적화 계산을 수행한 후 가상 모델을 도출하는 단계를 설명한다.Next, as the fourth step, a step of deriving a virtual model after performing an optimization calculation will be described.
도 6은 지금까지의 1단계, 2단계, 3단계를 포함한 전체적인 위상최적화 과정을 단계별로 보여준다. 도 6(a)의 기준 모델을 기반으로 도 6(b)의 최적화 문제가 정의되었으며, 6(c)에 설정된 최적화 초기 모델에 위상최적화를 실행하면, 도 6(d)와 같은 최적화 가상 모델을 얻을 수 있다. 이와 같은 가상 모델은 밀도 변수 r이 0 (rmin)과 1 (rmax) 사이의 연속적인 분포로 이루어져 있어 실제적으로는 제작이 어려운 상태이다. 6 shows the entire phase optimization process step by step, including steps 1, 2, and 3 so far. The optimization problem of Fig. 6(b) is defined based on the reference model of Fig. 6(a), and when phase optimization is performed on the initial optimization model set in Fig. 6(c), the optimization virtual model as shown in Fig. 6(d) is obtained. You can get it. Such a virtual model is difficult to actually manufacture because the density variable r is composed of a continuous distribution between 0 (r min ) and 1 (r max ).
마지막 5단계로서 가상 모델에 대한 후처리를 통하여 제작 가능한 최적화 최종 모델을 결정하는 단계를 설명한다.As the last step 5, the step of determining the final optimized model that can be produced through post-processing of the virtual model will be described.
멤스 공정으로 최적화된 스프링 구조를 제작할 수 있기 위해서는, 밀도 변수 r이 특정 임계치를 기준으로 그 이상이면 1로 변경하여 유지하고, 그 이하는 0으로 변경하여 구조가 없는 것으로 하는 후처리가 필요하다. 예를 들어 임계치를 0.5로 후처리를 수행할 경우, 도 6(e)와 같은 최적화 최종 모델을 얻을 수 있다.In order to be able to manufacture an optimized spring structure with the MEMS process, post-processing is required to change the density variable r to 1 if it is greater than or equal to a specific critical value and to change it to 0 if it is less than or equal to 0 so that there is no structure. For example, when post-processing is performed with a threshold value of 0.5, an optimized final model as shown in FIG. 6(e) can be obtained.
도 7은 최적화 최종 모델의 스프링 구조를 보여준다. 위상 최적화를 실시한 예시에서 모든 선폭이 35um 이상으로 나왔으며, 이 때문에 멤스 공정의 최소 선폭인 5um보다 크므로 스프링 제작이 가능하다는 것을 알 수 있다.7 shows the spring structure of the optimized final model. In the example in which phase optimization was performed, all line widths came out to be 35 μm or more, and because of this, it can be seen that springs can be manufactured because it is larger than the minimum line width of 5 μm in the MEMS process.
한편, 도 10은 광스캐너의 최적화 결과를 반영하여 추출된 스프링 구조를 나타낸다. 이하에서는, 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광스캐너의 스프링의 구조를 설명한다.Meanwhile, FIG. 10 shows a spring structure extracted by reflecting the optimization result of the optical scanner. Hereinafter, a structure of a spring of an optical scanner according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10 .
본 발명의 일 실시예에 따른 광스캐너의 스프링(130)은 구동전압에 의해 회전하면서 빛을 반사하는 미러(111)와, 움직이지 않고 고정된 앵커(121)를 서로 연결한다. 상기 광스캐너의 스프링(130)은 상기 미러(111)에 연결되며 상기 미러(111)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상의 제1단부 영역(S1)을 포함한다. 제2단부 영역(S2)이 상기 앵커(121)에 연결되며, 상기 앵커(121)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상으로 형성된다. 상기 제1단부 영역(S1)과 상기 제2단부 영역(S2) 사이에는, 상기 제1단부 영역(S1) 및 상기 제2단부 영역(S2)과 연결되며 상기 미러(111) 및 상기 앵커(121)를 향하는 방향으로 연장되는 I자 형상의 연결부(S3)가 형성된다.The spring 130 of the optical scanner according to an embodiment of the present invention connects a mirror 111 that reflects light while rotating by a driving voltage and an anchor 121 that is fixed without moving. The spring 130 of the optical scanner is connected to the mirror 111 and includes a V-shaped first end region S1 diverging toward the mirror 111 . The second end region S2 is connected to the anchor 121 and is formed in a V shape diverging toward the anchor 121 . Between the first end region S1 and the second end region S2, the mirror 111 and the anchor 121 are connected to the first end region S1 and the second end region S2. ) An I-shaped connection portion S3 extending in a direction toward is formed.
상기 제1단부 영역(S1)은 상기 미러(111)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제1 가지부(131)를 포함하고, 상기 한 쌍의 제1 가지부(131)와 상기 미러(111) 사이에 빈 공간인 제1 캐비티(C1)가 형성된다.The first end region S1 includes a pair of first branch portions 131 diverging toward the mirror 111 and diverging from each other, and the pair of first branch portions 131 and the mirror 111 A first cavity C1, which is an empty space, is formed between ).
상기 제2단부 영역(S2)은 상기 앵커(121)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제2 가지부(132)를 포함하고, 상기 한 쌍의 제2 가지부(132)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제2 캐비티(C2)가 형성된다.The second end region S2 includes a pair of second branch parts 132 diverging toward the anchor 121 and widening from each other, and the pair of second branch parts 132 and the anchor 121 ), a second cavity C2, which is an empty space, is formed between them.
도 7은 도 10의 광스캐너 스프링의 구조가 보다 구체화된 예시를 보여준다. 이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광스캐너의 스프링에 있어서 도 10의 실시예의 스프링 구조보다 구체화된 구성에 대해서 설명한다.FIG. 7 shows a more specific example of the structure of the optical scanner spring of FIG. 10 . Hereinafter, with reference to FIG. 7, a more detailed structure of the spring structure of the optical scanner according to the second embodiment of the present invention will be described.
상기 한 쌍의 제2 가지부(132) 각각으로부터 상기 앵커(121)를 향해 작은 경사각을 가지면서 연장되는 한 쌍의 직선부(134)가 형성된다. A pair of straight parts 134 extending from each of the pair of second branch parts 132 toward the anchor 121 with a small inclination angle are formed.
상기 한 쌍의 제2 가지부(132), 상기 한 쌍의 직선부(134), 및 상기 앵커(121)로 둘러싸인 영역에 X자 형태의 내부 보강부(130a)가 형성되며, 상기 내부 보강부(130a)는 상기 제2 캐비티(C2)와 상기 앵커(121) 사이에 형성된다.An X-shaped internal reinforcement part 130a is formed in a region surrounded by the pair of second branch parts 132, the pair of straight parts 134, and the anchor 121, and the internal reinforcement part 130a is formed between the second cavity C2 and the anchor 121 .
상기 내부 보강부(130a)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제3 캐비티(C3)가 형성된다.An empty third cavity C3 is formed between the internal reinforcing part 130a and the anchor 121 .
최적 설계된 스프링 구조의 특성을 자세히 살펴보면, X자 형태의 상기 내부 보강부(130a)가 추가적으로 포함되어 있는데, 최적화된 스프링 구조의 다른 예시로서 프랙탈 (fractal) 구조를 반영하여, X자 형태의 내부 보강부(130a)의 왼쪽 부위의 안쪽에 더 작은 X자 형태의 구조물이 위치할 수 있다. Looking closely at the characteristics of the optimally designed spring structure, the X-shaped internal reinforcement part 130a is additionally included. As another example of the optimized spring structure, a fractal structure is reflected, and the X-shaped internal reinforcement A smaller X-shaped structure may be positioned inside the left portion of portion 130a.
도 8은 도 2의 기준 모델과 도 6 (d)의 최적화 최종 모델로부터 계산된 진동 모드를 비교한 것이다. 도 8의 (a), (c), (e), (g)는 각각 기준 모델의 비틀림, 대칭 벤딩, 비대칭 벤딩, 요잉 모드를 나타내며, 도 8의 (b), (d), (f), (h)는 최적화 최종 모델의 공진 모드를 나타낸다. 두 모델의 비틀림 공진주파수 오차는 2%이내로서 동작 모드가 잘 유지되고 있음을 알 수 있다. 또한, 대칭과 비대칭 벤딩 모드의 공진주파수는 제한 요건 4 및 5에 따라 기준 모델과 유사하기 때문에 해당 성능이 달라지지 않았음을 확인할 수 있다. 이와 대비하여, 요잉 공진주파수는 목적 함수의 기능에 따라 기준 모델에 비하여 2배 이상 증가하였기 때문에, 다른 성능의 열화없이 광스캐너의 안정성이 개선되었다. FIG. 8 compares vibration modes calculated from the reference model of FIG. 2 and the optimized final model of FIG. 6 (d). (a), (c), (e), and (g) of FIG. 8 show torsion, symmetric bending, asymmetric bending, and yawing modes of the reference model, respectively, and FIG. 8 (b), (d), and (f) , (h) represents the resonant mode of the optimized final model. The torsional resonant frequency error of the two models is within 2%, indicating that the operating mode is well maintained. In addition, since the resonant frequencies of the symmetric and asymmetric bending modes are similar to those of the reference model according to constraints 4 and 5, it can be confirmed that the performance has not changed. In contrast, since the yaw resonance frequency is increased by more than two times compared to the reference model according to the function of the objective function, the stability of the optical scanner is improved without deterioration of other performance.
한편, 광스캐너에서 발생하는 최대 응력은 수명을 좌우한다. 도 9는 광스캐너의 기준 모델과 최적화 모델에 대하여 계산된 최대 응력을 비교한다. 이를 위하여 각 멤스 광스캐너의 구동 전극에 요구 규격에 해당하는 기계적 구동각 (mechanical scanning angle, 본 발명에서의 예시는 7.5도로서 30도의 광학적 구동각에 해당)을 강제 변위를 인가하면, 도 9(a)와 (b)에 보인 바와 같이, 기준 모델과 최종 모델에 대한 응력 분포를 추출할 수 있다. 도 9(d)에서 볼 수 있듯이, 최종 모델의 최대 응력은 1.78GPa로서 기준 모델보다 크지만, 멤스 광스캐너의 구성 물질인 결정성 실리콘의 항복 응력 (7GPa)보다 여전히 낮기 때문에 수명에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. 그러나, 최종 모델의 최대 응력을 기준 모델보다 낮추기 위해서는, 2단계인 최적화 초기 모델을 설정하는 단계에서 해당 조건을 제한 조건으로 추가하거나, 또는 가상 모델의 후처리 과정에서 최대 응력이 발생하는 영역에 라운딩 구조를 추가할 수 있다.On the other hand, the maximum stress generated in the optical scanner influences the lifespan. 9 compares the maximum stress calculated for the reference model and the optimized model of the optical scanner. To this end, when forcible displacement is applied to the driving electrode of each MEMS optical scanner at a mechanical scanning angle corresponding to the required standard (the example in the present invention is 7.5 degrees, corresponding to an optical driving angle of 30 degrees), FIG. 9 ( As shown in a) and (b), the stress distribution for the reference model and the final model can be extracted. As shown in Fig. 9(d), the maximum stress of the final model is 1.78 GPa, which is higher than that of the reference model, but is still lower than the yield stress (7 GPa) of crystalline silicon, which is a constituent material of the MEMS optical scanner, and thus has a significant effect on the lifespan. may not give However, in order to lower the maximum stress of the final model than that of the reference model, either add the condition as a limiting condition in the second stage of setting the initial model for optimization, or round the area where the maximum stress occurs in the post-processing of the virtual model. structure can be added.
위와 같이 멤스 광스캐너의 안정적인 구동을 위하여 스프링의 위상최적화 설계 방법과 그 결과로 도출된 스프링의 구조적 특성을 설명하였다. 지금까지 설명한 본 발명의 모든 실시예는 요잉 모드의 공진주파수를 높이는 것을 기준으로 하고 있으나, 광스캐너의 응용 또는 운행체가 받는 외란이 다를 때는 요잉이 아닌 다른 공진 모드를 대상으로 위상최적화를 수행할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예는 광스캐너의 스프링 구조에 한정되어 설명하였으나 미러 및 전극 등을 포함한 전제 구조로 확장할 수 있다. 또한 모든 실시예는 1축 광스캐너를 예시로 발명의 내용을 설명하였으나, 실제로는 그에 한정되지 않으며 예를 들어, 2축 광스캐너에도 활용이 가능하다.As above, for the stable operation of the MEMS optical scanner, the spring phase optimization design method and the resulting structural characteristics of the spring were explained. All embodiments of the present invention described so far are based on increasing the resonant frequency of the yaw mode, but when an optical scanner is applied or the disturbance received by a moving object is different, phase optimization can be performed targeting a resonant mode other than yaw. there is. In addition, the embodiment of the present invention has been described limited to the spring structure of the optical scanner, but can be extended to the entire structure including mirrors and electrodes. In addition, in all embodiments, the contents of the invention have been described using a 1-axis optical scanner as an example, but in practice, the invention is not limited thereto and, for example, a 2-axis optical scanner can be used.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and substitutions without departing from the essential characteristics of the present invention. . Therefore, this embodiment is not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 광스캐너 소자
110: 구동체
111: 미러
115: 윙
120: 고정체
121: 앵커
125: 상부기판
126: 절연체
127: 하부기판
130: 스프링
140: 미러 구동부
141: 고정전극
142: 구동전극
S1: 제1단부 영역
S2: 제2단부 영역
S3: 연결부
131: 제1 가지부
132: 제2 가지부
134: 직선부
C1: 제1 캐비티
C2: 제2 캐비티
C3: 제3 캐비티
130a: 내부 보강부100: optical scanner element
110: driving body
111: mirror
115: wing
120: fixture
121: Anchor
125: upper substrate
126 insulator
127: lower substrate
130: spring
140: mirror driving unit
141: fixed electrode
142: drive electrode
S1: first end region
S2: second end area
S3: Connection
131: first branch
132: second branch
134: straight part
C1: first cavity
C2: second cavity
C3: third cavity
130a: internal reinforcement
Claims (19)
최적화 기준 모델을 설정하는 단계;
최적화 문제를 정의하는 단계;
최적화 초기 모델을 설정하는 단계;
최적화 계산을 수행하여 최적화 가상 모델을 도출하는 단계; 및
가상 모델에 대한 후처리를 통하여 제작 가능한 최적화 최종 모델을 결정하는 단계;를 포함하는 광스캐너 설계 방법.As a design method of an optical scanner,
setting an optimization criterion model;
defining an optimization problem;
setting an initial optimization model;
deriving an optimization virtual model by performing an optimization calculation; and
A method for designing an optical scanner comprising: determining an optimized final model that can be manufactured through post-processing of the virtual model.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서,
광스캐너의 요잉 공진주파수의 최대화를 최적화의 목적 함수로 설정하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 1,
In the step of defining the optimization problem,
An optical scanner design method that sets the maximization of the optical scanner's yaw resonance frequency as the objective function of optimization.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서,
광스캐너 미러의 회전방향 공진주파수를 설정된 값의 특정 오차범위 이내로 한정하는 조건을 부가하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 2,
In the step of defining the optimization problem,
An optical scanner design method that adds a condition limiting the rotational direction resonance frequency of an optical scanner mirror within a specific error range of a set value.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서,
길이방향 또는 옆방향의 공진주파수를 기준값 이상으로 설정하는 조건을 부가하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 1,
In the step of defining the optimization problem,
An optical scanner design method that adds a condition to set the longitudinal or lateral resonant frequency above the reference value.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서,
규격으로 설정된 구동각에서 최대 응력이 특정값 이하가 되도록 한정하는 조건을 부가하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 1
In the step of defining the optimization problem,
An optical scanner design method that adds a condition limiting the maximum stress to be less than a specific value at a drive angle set as a standard.
상기 최적화 문제를 정의하는 단계에서,
상기 최적화 기준 모델 대비 최적화된 모델의 체적 비율을 특정값 범위 이내로 한정하는 조건을 부가하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 1
In the step of defining the optimization problem,
An optical scanner design method of adding a condition limiting the volume ratio of the optimized model to the optimization standard model within a specific value range.
상기 체적 비율을 0.4~0.6 범위 이내로 한정하는 것을 특징으로 하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 6,
An optical scanner design method characterized in that the volume ratio is limited to within the range of 0.4 to 0.6.
상기 가상 모델에 대한 후처리 과정은 위상 최적화의 밀도 변수가 특정 임계치를 기준으로 그 이상이면 그 구조를 유지하고 그 미만이면 구조가 없는 것으로 변경하는, 광스캐너 설계 방법.According to claim 1,
In the post-processing process for the virtual model, the optical scanner design method maintains the structure if the density variable of phase optimization is greater than or equal to a specific threshold, and changes it to no structure if less than that.
상기 가상 모델에 대한 후처리 과정에서, 최대 응력이 발생할 수 있는 영역에 라운딩 구조를 추가하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 8,
An optical scanner design method of adding a rounding structure to a region where maximum stress may occur in a post-processing process for the virtual model.
상기 가상 모델에 대한 후처리 과정에서 위상 최적화의 밀도 변수의 설정값을 0.4~0.6 범위 이내로 한정하되, 최적화 최종 모델의 선폭이 멤스 공정에서 만들 수 있는 최소 선폭보다 크도록 제한하는 것을 특징으로 하는 광스캐너 설계 방법.According to claim 1 or 8,
In the post-processing process for the virtual model, the setting value of the density variable of the phase optimization is limited to within the range of 0.4 to 0.6, but the line width of the final optimized model is limited to be greater than the minimum line width that can be made in the MEMS process. How to design a scanner.
상기 미러(111)에 연결되며 상기 미러(111)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상의 제1단부 영역(S1);
상기 앵커(121)에 연결되며 상기 앵커(121)를 향해 발산하는 형태의 V자 형상의 제2단부 영역(S2);
상기 제1단부 영역(S1)과 상기 제2단부 영역(S2) 사이에 위치하여 상기 제1단부 영역(S1) 및 상기 제2단부 영역(S2)과 연결되며 상기 미러(111) 및 상기 앵커(121)를 향하는 방향으로 연장되는 I자 형상의 연결부(S3);를 포함하는 광스캐너의 스프링.As a spring 130 of an optical scanner that connects a mirror 111 that reflects light while rotating by a driving voltage and an anchor 121 that is fixed without moving,
a V-shaped first end region S1 connected to the mirror 111 and diverging toward the mirror 111;
a V-shaped second end region S2 connected to the anchor 121 and diverging toward the anchor 121;
It is located between the first end region S1 and the second end region S2 and is connected to the first end region S1 and the second end region S2, and the mirror 111 and the anchor ( 121) and an I-shaped connecting portion S3 extending in a direction toward the optical scanner.
상기 제1단부 영역(S1)은 상기 미러(111)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제1 가지부(131)를 포함하는, 광스캐너의 스프링.According to claim 11,
The first end region (S1) includes a pair of first branch portions (131) diverging from each other while diverging toward the mirror (111).
상기 한 쌍의 제1 가지부(131)와 상기 미러(111) 사이에 빈 공간인 제1 캐비티(C1)가 형성된, 광스캐너의 스프링.According to claim 12
A spring of an optical scanner in which a first cavity C1, which is an empty space, is formed between the pair of first branch parts 131 and the mirror 111.
상기 제2단부 영역(S2)은 상기 앵커(121)를 향해 발산하면서 서로 벌어지는 한 쌍의 제2 가지부(132)를 포함하는, 광스캐너의 스프링.According to claim 11,
The second end region (S2) includes a pair of second branch portions (132) diverging toward the anchor (121) and diverging from each other.
상기 한 쌍의 제2 가지부(132)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제2 캐비티(C2)가 형성된, 광스캐너의 스프링.According to claim 14
A spring of an optical scanner in which a second cavity C2, which is an empty space, is formed between the pair of second branch parts 132 and the anchor 121.
상기 한 쌍의 제2 가지부(132) 각각으로부터 상기 앵커(121)를 향해 작은 경사각을 가지면서 연장되는 한 쌍의 직선부(134)를 포함하는, 광스캐너의 스프링.According to claim 15
A spring of an optical scanner comprising a pair of straight parts 134 extending from each of the pair of second branch parts 132 toward the anchor 121 with a small inclination angle.
상기 한 쌍의 제2 가지부(132), 상기 한 쌍의 직선부(134), 및 상기 앵커(121)로 둘러싸인 영역에 X자 형태의 내부 보강부(130a)를 포함하는, 광스캐너의 스프링.According to claim 16
A spring of an optical scanner comprising an X-shaped internal reinforcing portion 130a in an area surrounded by the pair of second branch portions 132, the pair of straight portions 134, and the anchor 121. .
상기 내부 보강부(130a)는 상기 제2 캐비티(C2)와 상기 앵커(121) 사이에 형성된, 광스캐너의 스프링.According to claim 17
The internal reinforcing part (130a) is formed between the second cavity (C2) and the anchor (121), the spring of the optical scanner.
상기 내부 보강부(130a)와 상기 앵커(121) 사이에 빈 공간인 제3 캐비티(C3)가 형성된, 광스캐너의 스프링.According to claim 18
A spring of an optical scanner in which a third cavity C3, which is an empty space, is formed between the internal reinforcing part 130a and the anchor 121.
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