WO2020122278A1 - 멤스 스캐너 - Google Patents

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WO2020122278A1
WO2020122278A1 PCT/KR2018/015789 KR2018015789W WO2020122278A1 WO 2020122278 A1 WO2020122278 A1 WO 2020122278A1 KR 2018015789 W KR2018015789 W KR 2018015789W WO 2020122278 A1 WO2020122278 A1 WO 2020122278A1
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WO
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mirror
gimbal
combs
mems scanner
spring
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PCT/KR2018/015789
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최주찬
김지덕
여상옥
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엘지전자 주식회사
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Publication date
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Priority to PCT/KR2018/015789 priority patent/WO2020122278A1/ko
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    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS scanner, and more particularly, to a MEMS scanner capable of detecting a rotation angle of a mirror rotated by electromagnetic force by measuring a capacitance value of a comb structure.
  • Optical-based MEMS scanners are being developed for projector-based displays, and recently, research is being conducted to apply them to vehicle lidars.
  • a strain gauge is installed on an elastic body or a spring supporting the rotation of the mirror to detect the rotation angle of the mirror, but the rotation of the mirror or the electrical power of the strain gauge Laminating a plurality of wires for connection in a multi-layer structure on the spring has a problem in that the manufacturing process is complicated and the degree of integration is low.
  • a first problem to be solved by the present invention is to provide a MEMS scanner capable of simultaneously producing a rotation drive configuration of a mirror and a rotation angle detection configuration of a mirror.
  • the second problem to be solved by the present invention is to provide a MEMS scanner that is easy to adjust the number or position of the mirror's rotation angle detection configuration according to the shape or rotational direction of the mirror.
  • the third problem to be solved by the present invention is to provide a MEMS scanner capable of securing reliability and durability of a configuration for detecting a rotation angle of a mirror.
  • the MEMS scanner includes: a mirror rotatable about at least one rotation axis; Gimbal disposed on the outside of the mirror; A spring connected to the gimbal on the same line as the axis of rotation of the mirror; A substrate disposed to be spaced apart from the outside of the gimbal and connected to the gimbal via the spring; A coil which is disposed in the gimbal and generates an electromagnetic force by controlling the rotation angle of the mirror when an electric current flows by interacting with a pre-formed magnetic field; And a plurality of combs formed between the substrate and at least one of a spring and a gimbal adjacent to the substrate to sense the rotation angle of the mirror.
  • the comb includes: a first comb having a cantilever shape in which a plurality of pieces are formed to extend from the substrate at predetermined intervals; And a second comb having a cantilever shape extending from at least one of a spring and a gimbal adjacent to the first comb at predetermined intervals so as to intersect the first comb.
  • the rotation angle of the mirror can be sensed by measuring a capacitance value corresponding to an interval between the first and second combs that is changed according to the rotation of the mirror.
  • each of the first and second combs may be thinner as the posture change is greater among the plurality of second combs.
  • the length of each of the first and second combs may be shorter as the posture change among the plurality of second combs is greater.
  • the distance between the first and second combs may be wider as the posture change among the plurality of second combs is larger.
  • the thickness of the second comb may be thinner than the thickness of the first comb.
  • the rotation angle of the mirror can be sensed by measuring a capacitance value corresponding to the gap between the substrate and the combs formed between the spring or gimbal.
  • FIG. 1 is a view showing the appearance of a vehicle equipped with a MEMS scanner according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the position of the MEMS scanner provided in the vehicle of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an internal block diagram of an optical output unit having a MEMS scanner according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a scanning method during light projection of the scanner module of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a perspective view of a scanner module according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the front surface of the MEMS scanner according to the sixth to ninth embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 is an enlarged view illustrating first and second combs according to the present invention.
  • FIG. 13 is an enlarged view of the first and second combs including a spring in the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing the appearance of a vehicle equipped with a MEMS scanner according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the position of the MEMS scanner provided in the vehicle of FIG. 1.
  • the MEMS scanner 100 transmits light to the outside of the vehicle for Lidar 2a, 2b of the vehicle. It is considered to be a printing scanner.
  • each of the liars 2a and 2b equipped with the MEMS scanner 100 may be disposed in front of the left and right sides of the vehicle 1.
  • each of the MEMS scanners 100 provided in the lidars 2a and 2b may output the scanned lights 3a and 3b toward the front of the vehicle.
  • Each of the MEMS scanners 100 provided in the lidars 2a and 2b can output the scanned lights 3a and 3b toward the front of the vehicle, to approximately tens to hundreds of meters ahead.
  • the scanned light (3a, 3b) is infrared light, the wavelength may be approximately 900 ⁇ 1,550 nm.
  • FIG. 3 is an internal block diagram of an optical output unit having a MEMS scanner according to the present invention.
  • the light output unit 10 may output the light 3 scanned outside the vehicle.
  • the light output unit 10 uses a laser diode having good linearity as a light source in order to output the scanned light 3 up to approximately tens to hundreds of meters ahead.
  • the light output unit 10 may include a light source unit 11 for outputting infrared light and a driving unit 9 for driving the light source unit 11. At this time, the light source unit 11 may output infrared light having a wavelength of approximately 900 to 1,550 nm.
  • the light source unit 11 may be driven by an electrical signal from the driving unit 9, and the electrical signal of the driving unit 9 may be controlled by the processor 8.
  • the infrared light output from the light source unit 11 is collimated through each collimator lens in the light collecting unit 12.
  • the first light reflection unit 13 may reflect the infrared light output from the light source unit 11 or the condensing unit 12, and output a path-changed infrared light in one direction. To this end, the first light reflection unit 13 may include a 1D MEMS mirror.
  • the first light reflection unit 13 may reflect the infrared light output from the light source unit 11 or the condensing unit 12, and output the path-changed infrared light toward the scanner module 20.
  • the line beam forming unit 15 may form an orphan from the first light reflection unit 13 as a line beam. Particularly, the line beam forming unit 15 may form and output a line beam having a straight shape in consideration of the scanner module 20 capable of only one-way scanning.
  • the second light reflection unit 16 may reflect the line beam from the line beam forming unit 222 in the direction of the scanner module 20.
  • the second light reflection unit 16 may include a total mirror (TM).
  • the scanner module 20 may scan the line beam reflected from the second light reflection unit 16 in the first direction.
  • the scanner module 20 may sequentially and repeatedly perform the first direction scanning of the input line beam. Thereby, the scanned light 3 corresponding to the infrared light can be output to the outside.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a scanning method during light projection of the scanner module of FIG. 3.
  • the light from the light source unit 11 passes through the first light reflection unit 13, the line beam forming unit 15, the second light reflection unit 16, and the like, and then the scanner module 20 ), and the scanner module 20 may sequentially and repeatedly perform the first direction scanning on the input light or line beam.
  • the scanner module 20 may perform scanning from the left to the right in a diagonal direction or a horizontal direction, which is a first direction, with respect to the external area 4, centering on the scanable area. . And, such a scanning operation can be repeatedly performed for the entire outer region 4.
  • the outer region 4 may be divided into a first region 5 and a second region 6.
  • the first area 5 may be an area including the external object 7, that is, an active area 5, and the second area 6 does not include the external object 7 It may be a non-existing area, that is, a blank area 6.
  • the entire scanning section also includes a first scanning section corresponding to the active area 5, which is an area where the external object 7 is present, and a blank area (which is an area where the external object 7 is not present) ( blank area) (4).
  • FIG. 5 is a perspective view of a scanner module according to the present invention.
  • the driving force for rotating the mirror of the MEMS scanner it is common to use electromagnetic force or electrostatic force, and there are advantages and disadvantages depending on the driving method.
  • the MEMS scanner 100 adopts an electromagnetic force driving method so that it can be driven with a large wide angle at a high speed.
  • the conventional MEMS scanner 100 of the electromagnetic force driving method had a problem in that a configuration (eg, strain gauge) for sensing the rotation angle of the mirror 120 to be described later was installed through a separate process, and the present invention It was devised to solve the same problem.
  • a configuration eg, strain gauge
  • the scanner module 20 includes an electromagnetic force type MEMS scanner 100 including a mirror 120 reflecting light, and a magnet disposed on the rear surface of the MEMS scanner 100 (30, 40), the lower case 60 for receiving the magnet (30, 40) inside, the yoke (yoke) corresponding to the magnet (30, 40) and the light reflected from the MEMS scanner 100 It may include an upper case 50 having an opening 52 to pass through.
  • the upper case 50 may be provided with an inclined portion 51 that contacts a part of the MEMS scanner 100 and extends in a direction toward the mirror 120 at a contact surface with the MEMS scanner 100.
  • the front surface of the inclined portion 51 may be designed to have an inclined surface at a predetermined angle so as not to interfere with output of light to the outside.
  • the yoke 70 may be disposed on the rear side of the lower case 60 that accommodates the magnets 30 and 40 therein.
  • the shape of the yoke 70 may correspond to the shape of the magnets 30 and 40, and may be formed of a soft magnetic material.
  • the yoke 70 may be a passage of magnetic flux formed when a current is applied.
  • the scanner module 20 may further include a transparent cover portion 80 formed of a transparent member to cover the opening 52.
  • the transparent cover portion 80 is disposed on the front surface of the MEMS scanner 100, and may be formed of a transparent member so that light passes while sealing the opening 52.
  • the transparent cover 80 may seal the scanner module 20 so that external dust or the like does not flow through the opening 52. Accordingly, it is possible to minimize the frequency of exposure of the MEMS scanner 100 with external substances.
  • the transparent cover part 80 may be inclined to have a predetermined inclination angle with respect to the MEMS scanner 100 and coupled to the upper case 50.
  • FIG. 6 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the first embodiment of the present invention.
  • 7 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the second embodiment of the present invention.
  • 8 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the third embodiment of the present invention.
  • 9 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the fourth embodiment of the present invention.
  • 10 is a view showing the front of the MEMS scanner according to the fifth embodiment of the present invention.
  • 11 is a view showing the front surface of the MEMS scanner according to the sixth to ninth embodiments of the present invention.
  • the mirror 120 of the MEMS scanner 100 may be rotatable based on one rotation axis.
  • the mirror 120 of the MEMS scanner 100 according to the first, third to fifth embodiments of the present invention is based on two orthogonal rotation axes Can be rotatable.
  • the MEMS scanner 100 according to various embodiments of the present invention illustrated in FIGS. 6 to 11, as will be described later, depends on the shape or rotation direction of the mirror 120 and the number or position of the combs 160. Since it is distinct, the description based on any one embodiment can be applied to other embodiments.
  • the MEMS scanner 100 includes a mirror 120, a gimbal 130, a spring 140, a substrate 110, a coil 150, and a comb. ) 160.
  • the mirror 120 may reflect light.
  • the mirror 120 may be rotatable based on at least one rotation axis, and as an example, as illustrated in FIG. 6, the mirror 120 may rotate based on an axis in the vertical direction and an axis in the left and right directions, It will be described later in more detail.
  • the gimbal 130 is also called a gimbal and can be disposed outside the mirror 120.
  • the gimbal 130 may include a first gimbal 131 that is spaced apart from the outside of the mirror 120 and a second gimbal 132 that is spaced apart from the outside of the first gimbal 131.
  • openings 115 and 116 may be formed between the mirror 120 and the first gimbal 131, and the first gimbal 131 and the second As the gimbals 132 are separated from each other, openings 113 and 114 may be formed between the first gimbals 131 and the second gimbals 132.
  • the openings of reference numerals 115 and 116 may be advantageous in securing a wide angle of the mirror 120 by preventing light interference.
  • the shapes of the first and second gimbals 131 and 132 are shown as circular, but the shapes of the first and second gimbals 131 and 132 are not limited thereto.
  • the spring 140 may be connected to the gimbal 130 on the same line as the rotation axis of the mirror 120.
  • the spring 140 includes a first spring 141 connected to the mirror 120 and the first and second gimbals 131 and 132, and a substrate 110 to be described later. ) And a second spring 142 connected to the second gimbal 132.
  • the mirror 120 may be connected to the first and second gimbals 131 and 132 through the first spring 141.
  • the second gimbal 132 may be connected to the substrate 110 via the second spring 142.
  • the substrate 110 may be a semiconductor substrate formed of a silicon (Si) material.
  • the substrate 110 is spaced apart from the outside of the gimbal 130 and may be connected to the gimbal 130 through the spring 140.
  • the substrate 110 may be disposed to be spaced apart from the outside of the second gimbal 132, and thus openings 111 and 112 may be formed between the substrate 110 and the second gimbal 132.
  • the substrate 110 is divided around a comb 160 to be described later, but may be a plurality of substrates 110 connected to each other through the insulating layer 170.
  • the substrate 110 may include an upper substrate 110a disposed on the upper side based on the comb 160 and a lower substrate 110b disposed on the lower side.
  • the upper and lower substrates 110a and 110b may be connected to each other through the insulating layer 170. More precisely, it may be connected to the upper substrate 110a-the insulating layer 170-the second spring 142-the insulating layer 170-the lower substrate 110b.
  • the reason why the insulating layer 170 is interposed as described above is to insulate the first and second combs 161 and 162 from each other in order to measure the capacitance value in the comb structure described later.
  • the coil 150 may be disposed on the gimbal 130.
  • the coil 150 may be disposed in some of the first and second springs 141 and 142 as well as the first and second gimbals 131 and 132, as shown in FIG. 6.
  • a magnetic field may be formed in the MEMS scanner 100 of the electromagnetic force driving method according to the present invention as the magnets 30 and 40 are disposed adjacently.
  • electromagnetic force may be generated by interaction with a magnetic field previously formed by the magnets 30 and 40, and this electromagnetic force adjusts the rotation angle of the mirror 120. It can be used as a driving force.
  • the mirror 120 is rotatable relative to the first spring 141, and the first and second gimbals 131 and 132 are the second spring ( 142) may be rotatable.
  • the rotation of the first and second gimbals 131 and 132 may be interpreted as the rotation of the mirror 120 connected via the first spring 141. Therefore, the MEMS scanner 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 6 can be understood as a two-axis driving scanner.
  • an axis passing through the first spring 141 may be called an up-down axis or a Y axis
  • an axis passing through the second spring 142 may be called a left-right axis or an X axis. Can be.
  • a current having a specific resonance frequency may flow through the coil 150.
  • the rotation angles of the X and Y axes of the mirror 120 may be adjusted by increasing or decreasing the intensity of each current IA and IB.
  • first and second gimbals 131 and 132 and the first and second springs 141 and 142 are configured to rotatably support the mirror 120 and may be formed of an elastic body.
  • the comb 160 is formed between the substrate 110 and at least one of the spring 140 and the gimbal 130 adjacent to the substrate 110 to sense the rotation angle of the mirror 120.
  • a plurality of combs 160 may be provided.
  • the comb 160 may include a first comb 161 and a second comb 162.
  • the first comb 161 may have a cantilever shape in which a plurality of pieces are formed extending from the substrate 110 at predetermined intervals.
  • the second comb 162 is a cantilever shape extending from at least one of the spring 140 and the gimbal 130 adjacent to the first comb 161 at predetermined intervals so that the first comb 161 intersects.
  • the first and second combs 161 and 162 provided in the MEMS scanner 100 according to the first embodiment of the present invention (i) the lower left and the upper substrate 110a 2 Between the upper left of the spring 142, (ii) between the lower right of the upper substrate 110a and the upper right of the second spring 142, (iii) the upper left and the second spring of the lower substrate 110b Between the lower left of the (142), (iv) between the upper right of the lower substrate 110b and the lower right of the second spring 142 may be formed to cross each other. That is, the first and second combs 161 and 162 may have a plurality of combs 160 in a comb shape.
  • the first and second gimbals 131 and 132 formed of an elastic body and the first and second springs 141 and 142 are postures (ie, twisted or up and down) when the mirror 120 is rotated. Left and right) can be changed.
  • the distance between the first and second combs 161 and 162 may be changed according to the rotation of the mirror 120. That is, the spacing between the first and second combs 161 and 162 may be varied in the Z-axis (axis perpendicular to the X-axis and Y-axis) direction when the Y-axis of the mirror 120 is rotated, and the first and second The distance between the second combs 161 and 162 can be varied by twisting about the X axis when the mirror 120 rotates the X axis.
  • the MEMS scanner 100 senses the rotation angle of the mirror 120 by measuring a capacitance (capacitance, capacitance) value corresponding to the gap between the variable first and second combs 161 and 162. can do.
  • Capacitance exists between insulated (semiconductor) conductors, and the capacitance value is proportional to the area (area) of (semi)conductor, and inversely proportional to the distance between insulated (semiconductor) conductors.
  • first and second combs 161 and 162 are formed on the semiconductor substrate 110 and the spring 140, respectively, as the distance between the first and second combs 161 and 162 varies.
  • the capacitance value existing between the first and second combs 161 and 162 may be varied.
  • the rotation angle of the mirror 120 can be sensed by measuring the variable capacitance value.
  • the conventional electromagnetic force driving method MEMS scanner performs a process of manufacturing a rotational drive configuration of a mirror, and then there is a problem in that a separate process of installing a rotational detection configuration (strain gain, etc.) of the mirror must be additionally performed.
  • the MEMS scanner 100 since the comb 160 is formed on the substrate 110 and the spring 140, the spring 140, the gimbal 130, and the substrate (which are rotational driving configurations of the mirror 120) 110) and it is possible to manufacture the comb 160, which is a rotation sensing configuration of the mirror 120, in a single process.
  • the MEMS scanner 100 omits an additional process for installing a rotational sensing configuration of a conventional mirror, thus shortening the manufacturing period, reducing manufacturing cost, facilitating the manufacturing process, and improving process compatibility. It has the advantage of being high.
  • the electromagnetic force driving method it is possible to realize high-speed and wide-angle rotation of the mirror 120, and at the same time, compared to a conventional MEMS scanner having a separate sensing configuration such as a strain gauge, applied to the spring 140
  • the power consumption for the rotation of the mirror 120 is reduced according to the decrease in the load, and durability of the spring 140 can be improved.
  • the MEMS scanner 100 of the two-axis (X-axis and Y-axis) driving method according to the first embodiment of the present invention has been described with reference to FIG. 6, but the present invention is the first embodiment shown in FIG. Of course, it can be applied to the MEMS scanner 100 of a single-axis (X-axis) driving method.
  • the MEMS scanner 100 of the 2-axis driving method detects the rotation of the X and Y axes of the mirror 120 through the comb 160 structure disposed on the X axis.
  • the rotation of the mirror 120 may further include a comb 160 structure disposed on the Y-axis. In this regard, it is needless to say that as the number of combs 160 increases, the sensitivity to sense the rotation angle of the mirror 120 is improved.
  • the insulating layer 170 is further provided on the Y-axis to divide the substrate 110 into four, and although not shown, a comb 160 structure provided on the X axis may be further provided on the Y axis.
  • the insulating layer 170 is further provided in the direction crossing the X and Y axes to divide the substrate 110 into eight.
  • each of the comb 160 provided on the X-axis adjacent to the insulating layer 170 is further provided, so that the rotation of the mirror 120 can be more accurately sensed.
  • the MEMS scanner 100 according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 10 includes: (i) upper and lower substrates 110a, In addition to the first and second combs 161 and 162 formed between 110b) and the second spring 142, (ii) between the bottom of the upper substrate 110a and the top of the second gimbal 132, (iii) The first and second combs 161 and 162 formed by crossing each other between the upper end of the lower substrate 110b and the lower end of the second gimbal 132 may be further provided.
  • the rotation angle of the mirror 120 can be more accurately sensed.
  • the shape of the mirror 120, gimbal 130, and coil 150 provided in the MEMS scanner 100 according to the present invention may be circular, symmetrical up, down, left, and right as in the first embodiment shown in FIG.
  • the present invention is not limited thereto, and may be elliptical, quadrangular, symmetrical or asymmetrical as well as circular as in the sixth to ninth embodiments illustrated in FIG.
  • the MEMS scanner 100 according to the present invention can be applied to a non-resonant structure as well as a resonant structure.
  • the MEMS scanner 100 may be easy to adjust the number or position of the combs 160 according to the shape or rotational direction of the mirror 120.
  • 12 is an enlarged view illustrating first and second combs according to the present invention.
  • 13 is an enlarged view of the first and second combs including a spring in the present invention.
  • the interval between the first and second combs 161 and 162 may be changed according to the rotation of the mirror 120.
  • the rotation angle of the mirror 120 may be limited thereby, and the first and second combs
  • the durability of the (161, 162) itself may be deteriorated, and a problem in that the reliability of detecting the rotation angle of the mirror 120 through the first and second combs 161 and 162 may be deteriorated.
  • each of the first and second combs 161 and 162 may be designed such that the first and second combs 161 and 162 do not contact each other when the mirror 120 is rotated.
  • the thickness of each of the first and second combs 161 and 162 may be thinner as the position of the plurality of second combs 162 (twisted, moved up, down, left, and right) changes closer to a larger portion.
  • the thickness T2 of the second comb 162 may be thinner than the thickness T1 of the first comb 161.
  • the thickness T2 of the second comb 162 may be the same as the thickness of the spring 140.
  • the first comb 161 is formed on the fixed substrate 110, but the second comb 162 is formed on the spring 140 whose posture changes according to the rotation of the mirror 120, so the second comb 162
  • the second comb 162 To reduce the load or stress applied to the spring 140 by thinning the thickness of the mirror, it is advantageous to reduce power consumption required for rotation of the mirror 120, improve durability of the spring 140, and reduce manufacturing cost. Can be.
  • each of the first and second combs 161 and 162 is such that the first and second combs 161 and 162 do not contact each other or the substrate 110 and the spring 140 when the mirror 120 is rotated. It can be designed not to.
  • the length of each of the first and second combs 161 and 162 may be shorter as the posture change among the plurality of second combs 162 is greater.
  • each of the first combs 161 is L5 ⁇ L4
  • each of the second combs 162 is L3 ⁇ L2 ⁇ L1.
  • the distance between the first and second combs 161 and 162 may be designed such that the first and second combs 161 and 162 do not contact each other when the mirror 120 is rotated.
  • the distance between the first and second combs 161 and 162 may be wider as the posture change among the plurality of second combs 162 is greater.
  • the interval between the first and second combs 161 and 162 may be G5>G4>G3>G2>G1. .
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 회전 축을 기준으로 회전 가능한 미러; 상기 미러의 외측에 배치되는 김발(gimbal); 상기 미러의 회전 축과 동일선상에서 상기 김발과 연결되는 스프링; 상기 김발의 외측과 이격되게 배치되고, 상기 스프링을 매개로 하여 상기 김발과 연결되는 기판; 상기 김발에 배치되고, 전류가 흐르면 주변에 기 형성된 자기장과의 상호 작용에 의해 전자기력을 발생시켜 상기 미러의 회전 각도를 조절하는 코일; 및 상기 기판과, 상기 기판과 인접하는 스프링 및 김발 중 적어도 하나와의 사이에 형성되어, 상기 미러의 회전 각도를 감지하는 복수 개의 콤(comb)을 포함하는 멤스 스캐너에 관한 것이다.

Description

멤스 스캐너
본 발명은 멤스 스캐너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기력에 의해 회전되는 미러의 회전 각도를 콤 구조의 캐패시턴스 값을 측정함으로써 감지할 수 있는 멤스 스캐너에 관한 것이다.
광학 기반의 멤스 스캐너는 프로젝터 기반의 디스플레이용으로 개발되고 있으며, 최근에는 차량의 라이다에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
멤스 스캐너의 미러를 회전시키기 위한 구동력으로, 전자기력 또는 정전기력을 이용하는 것이 일반적이다.
종래 기술에 따른 전자기력 구동 방식의 멤스 스캐너는, 미러의 회전 각도를 감지하기 위해 미러의 회전을 지지하는 탄성체 혹은 스프링에 스트레인 게이지(strain gauge)를 설치하였으나, 상기 미러의 회전 또는 상기 스트레인 게이지의 전기적 연결을 위한 복수 개의 전선을 상기 스프링 상에 다층 구조로 적층하는 것은 제작 공정이 복잡하고, 집적도가 낮아지는 문제가 있었다.
또한, 이로 인해 상기 스프링에 가해지는 하중이 증가하여 미러의 회전을 위한 전력 소모량이 증가하고, 상기 스프링의 내구성이 나빠지는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는, 미러의 회전 구동 구성과 미러의 회전 각도 감지 구성을 동시에 제작할 수 있는 멤스 스캐너를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는, 미러의 형상 또는 회전 방향에 따라 미러의 회전 각도 감지 구성의 개수 또는 위치를 조절하는 것이 용이한 멤스 스캐너를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는, 미러의 회전 각도 감지 구성의 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있는 멤스 스캐너를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 멤스 스캐너는, 적어도 하나의 회전 축을 기준으로 회전 가능한 미러; 상기 미러의 외측에 배치되는 김발(gimbal); 상기 미러의 회전 축과 동일선상에서 상기 김발과 연결되는 스프링; 상기 김발의 외측과 이격되게 배치되고, 상기 스프링을 매개로 하여 상기 김발과 연결되는 기판; 상기 김발에 배치되고, 전류가 흐르면 주변에 기 형성된 자기장과의 상호 작용에 의해 전자기력을 발생시켜 상기 미러의 회전 각도를 조절하는 코일; 및 상기 기판과, 상기 기판과 인접하는 스프링 및 김발 중 적어도 하나와의 사이에 형성되어, 상기 미러의 회전 각도를 감지하는 복수 개의 콤(comb)을 포함한다.
상기 콤은, 복수 개가 소정의 간격으로 상기 기판으로부터 연장 형성되는 외팔보 형상의 제1 콤; 및 상기 제1 콤에 교차되도록, 복수 개가 소정의 간격으로 상기 제1 콤과 인접하는 스프링 및 김발 중 적어도 하나로부터 연장 형성되는 외팔보 형상의 제2 콤을 포함할 수 있다.
상기 미러의 회전 각도는, 상기 미러의 회전에 따라 가변되는 상기 제1 및 제2 콤 사이의 간격에 대응하는 캐패시턴스 값을 측정함으로써 감지될 수 있다.
상기 제1 및 제2 콤 각각의 두께는, 상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 얇아질 수 있다.
상기 제1 및 제2 콤 각각의 길이는, 상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 짧아질 수 있다.
상기 제1 및 제2 콤 사이의 간격은, 상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 넓어질 수 있다.
상기 제2 콤의 두께는, 상기 제1 콤의 두께보다 얇을 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 기판과, 스프링 또는 김발 사이에 형성된 콤들 사이의 간격에 대응하는 캐패시턴스 값을 측정함으로써 미러의 회전 각도를 감지할 수 있다.
둘째, 미러의 형상 또는 회전 방향에 따라 미러의 회전 각도 감지 구성의 개수 또는 위치를 조절함으로써, 미러의 회전 각도를 용이하게 감지할 수 있다.
셋째, 미러의 회전 동작에 따라 콤이 서로 접촉되지 않도록, 콤의 두께, 길이, 간격을 조절함으로써 콤의 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멤스 스캐너를 구비하는 차량의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 차량에 구비되는 멤스 스캐너의 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 멤스 스캐너를 구비하는 광 출력부의 내부 블록도이다.
도 4는 도 3의 스캐너 모듈의 광 투사시의 스캐닝 방법을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스캐너 모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제6 내지 제9 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 제1 및 제2 콤을 확대하여 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 스프링을 포함해, 제1 및 제2 콤을 확대하여 도시한 도면이다.
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.
이하에서는, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 멤스 스캐너가 적용되는 예를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 멤스 스캐너를 구비하는 차량의 외관을 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 차량에 구비되는 멤스 스캐너의 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 멤스(MEMS, Micro Elctro Mechanical System) 스캐너(100)를 설명하기 위해, 일 예로써 멤스 스캐너(100)가 차량의 라이다(Lidar)(2a, 2b)를 위해 광을 차량 외부로 출력하는 스캐너인 것으로 본다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 멤스 스캐너(100)를 구비하는 라이다(2a, 2b) 각각은, 차량(1)의 좌측 및 우측 전방에 배치될 수 있다.
이 경우, 라이다(2a, 2b)에 구비된 멤스 스캐너(100) 각각은, 스캐닝된 광(3a, 3b)를 차량 전방을 향해 출력할 수 있다.
라이다(2a, 2b)에 구비된 멤스 스캐너(100) 각각은, 대략 수십 내지 수백 미터 전방까지, 스캐닝된 광(3a, 3b)을 차량 전방을 향해 출력할 수 있다. 이때, 스캐닝된 광(3a, 3b)은 적외선 광으로서, 그 파장이 대략 900~1,550 nm일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 멤스 스캐너를 구비하는 광 출력부의 내부 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광 출력부(10)는 차량 외부에 스캐닝된 광(3)을 출력할 수 있다.
광 출력부(10)는 대략 수십 내지 수백 미터 전방까지, 스캐닝된 광(3)을 출력하기 위해, 광원으로서 직진성이 좋은 레이저 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.
광 출력부(10)는 적외선 광을 출력하는 광원부(11)와, 광원부(11)를 구동하는 구동부(9)를 포함할 수 있다. 이때, 광원부(11)는 대략 900~1,550 nm의 파장을 가지는 적외선 광을 출력할 수 있다.
광원부(11)는 구동부(9)로부터의 전기 신호에 의해 구동될 수 있고, 이와 같은 구동부(9)의 전기 신호는 프로세서(8)에 의해 제어될 수 있다.
광원부(11)에서 출력되는 적외선 광은, 집광부(12) 내의 각 집광 렌즈(collimator lens)를 통해, 시준된다(collimate).
제1 광 반사부(13)는 광원부(11) 또는 집광부(12)에서 출력되는 적외선 광을 반사하여, 경로 변경된 적외선 광을 일 방향으로 출력할 수 있다. 이를 위해, 제1 광 반사부(13)는, 1D MEMS 미러를 구비할 수 있다.
일 예로써, 제1 광 반사부(13)는 광원부(11) 또는 집광부(12)에서 출력되는 적외선 광을 반사하여, 경로 변경된 적외선 광을, 스캐너 모듈(20)을 향해 출력할 수 있다.
라인빔 형성부(15)는 제1 광 반사부(13)로부터의 고아을 라인빔으로 형성할 수 있다. 특히, 라인빔 형성부(15)는 일방향 스캐닝만 가능한 스캐너 모듈(20)을 고려하여, 일자 형태의 라인빔을 형성하여 출력할 수 있다.
다음, 제2 광 반사부(16)는 라인빔 형성부(222)로부터의 라인빔을 스캐너 모듈(20) 방향으로 반사시킬 수 있다. 이를 위해, 제2 광 반사부(16)는 Total Mirror(TM)를 구비할 수 있다.
스캐너 모듈(20)은, 제2 광 반사부(16)에서 반사된 라인빔을, 제1 방향 스캐닝 되도록 할 수 있다.
즉, 스캐너 모듈(20)은 입력되는 라인빔의 제1 방향 스캐닝을 순차적, 반복적으로 수행할 수 있다. 이에 의해, 외부로 적외선 광에 대응하는 스캐닝된 광(3)이 출력될 수 있다.
도 4는 도 3의 스캐너 모듈의 광 투사시의 스캐닝 방법을 예시하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원부(11)로부터의 광은, 제1 광 반사부(13), 라인빔 형성부(15), 제2 광 반사부(16) 등을 거쳐, 스캐너 모듈(20)로 입력되며, 스캐너 모듈(20)은 입력되는 광 또는 라인빔에 대해, 제1 방향 스캐닝을 순차적, 반복적으로 수행할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 스캐너 모듈(20)은, 스캐닝 가능한 영역을 중심으로, 외부 영역(4)에 대해, 제1 방향인 사선 방향 또는 수평 방향으로, 좌에서 우로 스캐닝을 수행할 수 있다. 그리고, 이와 같은 스캐닝 동작을, 외부 영역(4)의 전체에 대해, 반복하여 수행할 수 있다.
이러한 스캐닝 동작에 의해, 외부에 스캐닝된 적외선 광을 출력할 수 있게 된다.
한편, 외부 영역(4)은, 제1 영역(5)과 제2 영역(6)으로 구분될 수 있다. 여기서, 제1 영역(5)은, 외부 대상물(7)을 포함하는 영역, 즉 유효 영역(active area)(5)일 수 있으며, 제2 영역(6)은, 외부 대상물(7)을 포함하지 않는 영역, 즉 블랭크 영역(blank area)(6)일 수 있다.
이에 따라, 전체 스캐닝 구간도, 외부 대상물(7)이 존재하는 영역인 유효 영역(active area)(5)에 대응하는 제1 스캐닝 구간과, 외부 대상물(7)이 존재하지 않는 영역인 블랭크 영역(blank area)(4)에 대응하는 제2 스캐닝 구간으로 구분될 수도 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 멤스 스캐너를 구비하는 스캐너 모듈의 구성을 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 스캐너 모듈의 사시도이다.
멤스 스캐너의 미러를 회전시키기 위한 구동력으로는, 전자기력 또는 정전기력을 이용하는 것이 일반적이고, 구동 방식에 따라 장, 단점이 있다.
다만, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는 고속으로 큰 광각을 가지며 구동할 수 있도록, 전자기력 구동 방식을 채택하고 있다.
종래의 전자기력 구동 방식의 멤스 스캐너(100)는 후술하는 미러(120)의 회전 각도를 감지하는 구성(예를 들어, 스트레인 게이지)을 별개의 공정을 통해 설치해야 하는 문제가 있었고, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하고자 안출되었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스캐너 모듈(20)은, 광을 반사하는 미러(120)를 포함하는 전자기력 방식의 멤스 스캐너(100), 멤스 스캐너(100)의 후면에 배치되는 자석(30, 40), 내부에 자석(30, 40)을 수용하는 하부 케이스(60), 자석(30, 40)에 대응하는 요크(yoke)(70) 및 멤스 스캐너(100)에서 반사되는 광이 통과하는 개구부(52)를 구비하는 상부 케이스(50)를 포함할 수 있다.
한편, 상부 케이스(50)는 멤스 스캐너(100)의 일부와 접촉하고, 멤스 스캐너(100)와의 접촉면에서 미러(120)를 향하는 방향으로 연장되는 경사부(51)를 구비할 수 있다.
이 경우, 경사부(51)의 전면은 광을 외부로 출력시키는 것을 방해하지 않기 위해 소정 각도의 경사면을 가지도록 설계될 수 있다.
요크(70)는 자석(30, 40)을 내부에 수용하는 하부 케이스(60)의 후면에 배치될 수 있다.
요크(70)의 형상은 자석(30, 40)의 형상에 대응할 수 있고, 연자성 재료로 형성될 수 있다. 요크(70)는 전류가 인가되는 경우 형성되는 자속(magnetic flux)의 통로가 될 수 있다.
스캐너 모듈(20)은 투명 부재로 형성되어 개구부(52)를 커버하는 투명 커버부(80)를 더 포함할 수 있다.
즉, 투명 커버부(80)는 멤스 스캐너(100)의 전면에 배치되고, 개구부(52)를 밀폐시키면서도 광이 통과되도록 투명 부재로 형성될 수 있다.
투명 커버부(80)는 개구부(52)를 통하여 외부의 먼지 등이 유입되지 않도록 스캐너 모듈(20)을 밀폐시킬 수 있다. 이에 따라, 멤스 스캐너(100)의 외부 미물질과의 노출빈도를 최소화할 수 있다.
한편, 투명 커버부(80)는, 멤스 스캐너(100)에 대해 소정 경사각을 가지도록 기울어져 상부 케이스(50)에 결합될 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다. 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다. 도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 제6 내지 제9 실시예에 따른 멤스 스캐너의 전면을 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)의 미러(120)는 하나의 회전 축을 기준으로 회전 가능할 수 있다.
또는, 도 6, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1, 제3 내지 제5 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)의 미러(120)는 서로 직교하는 두 개의 회전 축을 기준으로 회전 가능할 수 있다.
도 6 내지 도 11에 도시된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)는, 후술하는 바와 같이, 미러(120)의 형상 또는 회전 방향, 콤(160)의 개수 또는 위치의 차이에 따라 구별되는 것이므로, 어느 하나의 실시예를 기준으로 한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서는, 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)를 기준으로 설명한 후, 해당 실시예와의 차이점을 설명하여 다른 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)를 설명하도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는, 미러(120), 김발(gimbal)(130), 스프링(140), 기판(110), 코일(150) 및 콤(comb)(160)을 포함한다.
미러(120)는 광을 반사할 수 있다.
미러(120)는 적어도 하나의 회전 축을 기준으로 회전 가능할 수 있고, 일 예로써, 도 6에 도시된 바와 같이, 미러(120)는 상하 방향의 축과 좌우 방향의 축을 기준으로 회전할 수 있고, 보다 상세히는 후술하도록 한다.
김발(gimbal)(130)은 짐벌로도 불리우며, 미러(120)의 외측에 배치될 수 있다.
김발(130)은 미러(120)의 외측과 이격되게 배치되는 제1 김발(131)과, 제1 김발(131)의 외측과 이격되게 배치되는 제2 김발(132)을 포함할 수 있다.
미러(120)와 제1 김발(131)이 서로 이격됨에 따라 미러(120)와 제1 김발(131) 사이에 개구부(115, 116)가 형성될 수 있고, 제1 김발(131)과 제2 김발(132)이 서로 이격됨에 따라 제1 김발(131)과 제2 김발(132) 사이에 개구부(113, 114)가 형성될 수 있다.
특히, 부호 115, 116의 개구부는 광 간섭을 방지함으로써, 미러(120)의 광각 확보에 유리한 구조일 수 있다.
도 6에서는 제1 및 제2 김발(131, 132)의 형상이 원형인 것으로 도시되어 있으나, 제1 및 제2 김발(131, 132)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
스프링(140)은 미러(120)의 회전 축과 동일선상에서 김발(130)과 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 스프링(140)은, 미러(120)와 제1 및 제2 김발(131, 132)과 연결되는 제1 스프링(141)과, 후술하는 기판(110)과 제2 김발(132)과 연결되는 제2 스프링(142)을 포함할 수 있다.
즉, 미러(120)는 제1 스프링(141)을 매개로 하여 제1 및 제2 김발(131, 132)과 연결될 수 있다. 또한, 제2 김발(132)은 제2 스프링(142)을 매개로 하여 기판(110)과 연결될 수 있다.
기판(110)은 실리콘(Si) 재질로 형성되는 반도체 기판일 수 있다.
기판(110)은 김발(130)의 외측과 이격되게 배치되고, 스프링(140)을 매개로 하여 김발(130)과 연결될 수 있다.
기판(110)은 제2 김발(132)의 외측과 이격되게 배치될 수 있고, 이에 기판(110)과 제2 김발(132) 사이에 개구부(111, 112)가 형성될 수 있다.
기판(110)은 후술하는 콤(160)을 중심으로 분할되되, 절연층(170)을 매개로 하여 서로 연결되는 복수 개의 기판(110)일 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(110)은 콤(160)을 기준으로 상측에 배치되는 상측 기판(110a)과, 하측에 배치되는 하측 기판(110b)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상측 및 하측 기판(110a, 110b)는 절연층(170)을 매개로 하여 서로 연결될 수 있다. 보다 정확히는, 상측 기판(110a)-절연층(170)-제2 스프링(142)-절연층(170)-하측 기판(110b)으로 연결될 수 있다.
이와 같이 절연층(170)이 개재(介在)되는 이유는, 후술하는 콤 구조에서의 캐패시턴스 값을 측정하기 위해 제1 및 제2 콤(161, 162)을 서로 절연시키기 위함이다.
코일(150)은 김발(130)에 배치될 수 있다. 코일(150)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 김발(131, 132) 뿐만 아니라, 제1 및 제2 스프링(141, 142) 중 일부에도 배치될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자기력 구동 방식의 멤스 스캐너(100)에는 자석(30, 40)이 인접하게 배치됨에 따라 자기장이 형성될 수 있다.
이에, 코일(150)에 전류가 흐르면 자석(30, 40)에 의해 주변에 기 형성된 자기장과의 상호 작용에 의해 전자기력이 발생될 수 있고, 이와 같은 전자기력은 미러(120)의 회전 각도를 조절하는 구동력으로 이용될 수 있다.
즉, 코일(150)에 전류가 흘러 발생된 전자기력으로 인해, 미러(120)는 제1 스프링(141)을 기준으로 회전 가능하고, 제1 및 제2 김발(131, 132)는 제2 스프링(142)을 기준으로 회전 가능할 수 있다.
이때, 제1 및 제2 김발(131, 132)의 회전은 제1 스프링(141)을 매개로 연결된 미러(120)의 회전과 같이 해석될 수 있다. 그러므로, 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)는 2축 구동 스캐너로 이해될 수 있다.
상술한 미러(120)의 회전 축 중, 제1 스프링(141)을 통과하는 축은 상하 방향 축 또는 Y축으로 부를 수 있고, 제2 스프링(142)을 통과하는 축은 좌우 방향 축 또는 X축으로 부를 수 있다.
미러(120)의 X축 및 Y축 회전을 구현하기 위해, 코일(150)에 특정 공진 주파수를 가지는 전류가 흐르게 할 수 있다.
즉, 설계 또는 실험을 통해 특정될 수 있는, A 값의 공진 주파수를 갖는 전류(IA)가 코일(150)에 흐르면 미러(120)의 Y축 회전이 구현되고, B 값의 공진 주파수를 갖는 전류(IB)가 코일(150)에 흐르면 미러(120)의 X축 회전이 구현될 수 있다.
이 경우, 미러(120)의 X축 및 Y축 회전 각도는, 각 전류(IA, IB)의 세기를 크게하거나 작게하여 조절할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 김발(131, 132)과, 제1 및 제2 스프링(141, 142)은 미러(120)를 회전 가능하게 지지하는 구성으로서, 탄성체로 형성될 수 있다.
콤(160)은 기판(110)과, 기판(110)과 인접하는 스프링(140) 및 김발(130) 중 적어도 하나와의 사이에 형성되어, 미러(120)의 회전 각도를 감지할 수 있다. 콤(160)은 복수 개일 수 있다.
콤(160)은 제1 콤(161) 및 제2 콤(162)을 포함할 수 있다.
제1 콤(161)은 복수 개가 소정의 간격으로 기판(110)으로부터 연장 형성되는 외팔보 형상일 수 있다.
제2 콤(162)은 제1 콤(161)에 교차되도록, 복수 개가 소정의 간격으로 제1 콤(161)과 인접하는 스프링(140) 및 김발(130) 중 적어도 하나로부터 연장 형성되는 외팔보 형상일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예 따른 멤스 스캐너(100)에 구비된 제1 및 제2 콤(161, 162)은, (i) 상측 기판(110a)의 좌측 하단과 제2 스프링(142)의 좌측 상단의 사이, (ii) 상측 기판(110a)의 우측 하단과 제2 스프링(142)의 우측 상단의 사이, (iii) 하측 기판(110b)의 좌측 상단과 제2 스프링(142)의 좌측 하단의 사이, (iv) 하측 기판(110b)의 우측 상단과 제2 스프링(142)의 우측 하단의 사이에 각각이 서로 교차되며 형성될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 콤(161, 162)은 복수 개의 콤(160)은 빗(comb)의 형상을 이룰 수 있다.
상술한 바와 같이, 탄성체로 형성되는 제1 및 제2 김발(131, 132)과, 제1 및 제2 스프링(141, 142)은, 미러(120)의 회전 시에 자세(즉, 비틀리거나 상하좌우로 이동)가 가변될 수 있다.
이 경우, 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은 미러(120)의 회전에 따라 가변될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은 미러(120)의 Y축 회전 시에 Z축(X축 및 Y축에 수직한 축) 방향으로 가변될 수 있고, 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은 미러(120)의 X축 회전 시에 X축을 기준으로 비틀리며 가변될 수 있다.
본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는, 가변되는 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격에 대응하는 캐패시턴스(전기용량, capacitance) 값을 측정함으로써 미러(120)의 회전 각도를 감지할 수 있다.
캐패시턴스는 절연되어 있는 (반)도체 사이에 존재하고, 캐패시턴스 값은 (반)도체의 면적(넓이)에 비례하고, 절연된 (반)도체 사이의 거리에 반비례한다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 콤(161, 162)은 각각 반도체인 기판(110)과 스프링(140)에 형성되므로, 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격이 가변됨에 따라 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이에 존재하는 캐패시턴스 값이 가변될 수 있다.
이 경우, 가변되는 캐패시턴스 값을 측정함으로써, 미러(120)의 회전 각도를 감지할 수 있다.
종래의 전자기력 구동 방식의 멤스 스캐너가 미러의 회전 구동 구성을 제작하는 공정을 수행한 후에, 미러의 회전 감지 구성(스트레인 게인지 등)을 설치하는 별도의 공정을 추가로 수행해야 하는 문제점이 있었으나, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는, 콤(160)이 기판(110)과 스프링(140)에서 형성되므로, 미러(120)의 회전 구동 구성인 스프링(140), 김발(130) 및 기판(110)과, 미러(120)의 회전 감지 구성인 콤(160)을 한번의 공정으로 제작하는 것이 가능하다.
즉, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는 종래의 미러의 회전 감지 구성의 설치를 위한 추가 공정을 생략하므로, 제작 기간이 단축되고, 제조 비용이 절감되고, 제작 공정이 용이해지고, 공정 호환성이 높아지는 장점이 있다.
또한, 전자기력 구동 방식을 채택함에 따라 미러(120)의 고속, 광각 회전을 구현할 수 있음과 동시에, 스트레인 게이지와 같은 별도의 센싱 구성을 구비하는 종래의 멤스 스캐너와 비교하여, 스프링(140)에 가해지는 하중 감소에 따라 미러(120)의 회전을 위한 전력 소모량이 감소되고, 스프링(140)의 내구성이 향상될 수 있다.
이상에서는 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축(X축 및 Y축) 구동 방식의 멤스 스캐너(100)를 설명하였으나, 본 발명은 도 7에 도시된 제1 실시예에 따른 1축(X축) 구동 방식의 멤스 스캐너(100)에도 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 구동 방식의 멤스 스캐너(100)는, X축 상에 배치되는 콤(160) 구조를 통해 미러(120)의 X축 및 Y축 회전을 감지하나, 미러(120)의 회전을 보다 정밀하게 감지하기 위해 Y축 상에 배치되는 콤(160) 구조를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 콤(160)의 개수가 많을수록 미러(120)의 회전 각도 감지 감도가 향상되는 것은 물론이다.
이를 위해, 도 8에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)와 같이, Y축 상에 절연층(170)을 더 구비하여 기판(110)을 4 개로 분할하고, 도면에 도시되어 있지는 않았으나 Y축 상에도 X축 상에 구비된 콤(160) 구조를 더 구비할 수 있다.
또는, 도 9에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)와 같이, X축 및 Y축을 가로지르는 방향으로 절연층(170)을 더 구비하여 기판(110)을 8 개로 분할하고, 도면에 도시되어 있지는 않았으나 각각 절연층(170)에 인접하게 X축 상에 구비된 콤(160) 구조를 더 구비하여, 미러(120)의 회전을 보다 정밀하게 감지할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)와 달리, 도 10에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 따른 멤스 스캐너(100)는, (i) 상측 및 하측 기판(110a, 110b)과 제2 스프링(142) 사이에 형성된 제1 및 제2 콤(161, 162) 외에도, (ii) 상측 기판(110a)의 하단과 제2 김발(132)의 상단의 사이, (iii) 하측 기판(110b)의 상단과 제2 김발(132)의 하단의 사이에 각각이 서로 교차되며 형성된 제1 및 제2 콤(161, 162)을 더 구비할 수 있다.
이 경우, 보다 넓은 범위에 콤(160) 구조가 배치됨에 따라, 미러(120)의 회전 각도를 보다 정밀하게 감지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)에 구비되는 미러(120), 김발(130), 코일(150)의 형상은 도 6에 도시된 제1 실시예처럼 원형이고, 상하좌우 대칭일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 11에 도시된 제6 내지 제9 실시예처럼 원형뿐만 아니라 타원형, 사각형일 수 있고, 대칭 또는 비대칭일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는 공진 구조뿐만 아니라, 비공진 구조에도 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 멤스 스캐너(100)는 미러(120)의 형상 또는 회전 방향에 따라 콤(160)의 개수 또는 위치를 조절하는 것이 용이할 수 있다.
이하에서는, 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 콤(160)을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 12는 본 발명에 따른 제1 및 제2 콤을 확대하여 도시한 도면이다. 도 13은 본 발명에 스프링을 포함해, 제1 및 제2 콤을 확대하여 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이, 미러(120)의 회전에 따라 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격이 가변될 수 있다.
이때 만일, 미러(120)의 회전 시 제1 및 제2 콤(161, 162)이 서로 접촉되는 경우가 있다면, 이로 인해 미러(120)의 회전 각도가 제한될 수 있고, 제1 및 제2 콤(161, 162) 자체의 내구도가 악화될 수 있고, 제1 및 제2 콤(161, 162)을 통한 미러(120)의 회전 각도 감지에 대한 신뢰도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
그러므로, 미러(120)의 회전 시 제1 및 제2 콤(161, 162)이 서로 접촉되지 않도록 제1 및 제2 콤(161, 162)의 크기 또는 간격을 설계할 필요가 있다.
제1 및 제2 콤(161, 162) 각각의 두께는, 미러(120)의 회전 시 제1 및 제2 콤(161, 162)이 서로 접촉되지 않도록 설계될 수 있다. 제1 및 제2 콤(161, 162) 각각의 두께는, 복수 개의 제2 콤(162) 중 자세(비틀리거나 상하좌우로 이동) 변경이 큰 부분에 가까울수록 얇아질 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제2 콤(162)의 두께(T2)는 제1 콤(161)의 두께(T1)보다 얇을 수 있다. 제2 콤(162)의 두께(T2)는 스프링(140)의 두께와 동일할 수 있다.
제1 콤(161)은 고정된 기판(110)에 형성되나, 제2 콤(162)은 미러(120)의 회전에 따라 자세가 변동되는 스프링(140)에 형성되므로, 제2 콤(162)의 두께를 얇게하여 스프링(140)에 가해지는 하중 또는 스트레스를 감소시키는 것은, 미러(120)의 회전에 소요되는 전력 소모량을 줄이고, 스프링(140)의 내구성을 향상시키고, 제조 단가를 절감하는데 유리할 수 있다.
제1 및 제2 콤(161, 162) 각각의 길이는, 미러(120)의 회전 시 제1 및 제2 콤(161, 162)이 서로 간에 또는 기판(110)과 스프링(140)에 접촉되지 않도록 설계될 수 있다. 제1 및 제2 콤(161, 162) 각각의 길이는, 복수 개의 제2 콤(162) 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 짧아질 수 있다.
일 예로써, 도 12에서 좌측으로 갈수록 제2 콤(162)의 자세 변경이 큰 경우, 제1 콤(161) 각각의 길이는 L5<L4 이고, 제2 콤(162) 각각의 길이는 L3<L2<L1 일 수 있다.
제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은, 미러(120)의 회전 시 제1 및 제2 콤(161, 162)이 서로 접촉되지 않도록 설계될 수 있다. 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은, 복수 개의 제2 콤(162) 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 넓어질 수 있다.
일 예로써, 도 12에서 좌측으로 갈수록 제2 콤(162)의 자세 변경이 큰 경우, 제1 및 제2 콤(161, 162) 사이의 간격은 G5>G4>G3>G2>G1 일 수 있다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
[부호의 설명]
1: 차량 10: 광 출력부
20: 스캐너 모듈 30, 40: 자석
50: 상부 케이스 60: 하부 케이스
70: 요크 80: 투명 커버부
100: 멤스 스캐너 110: 기판
120: 미러 130: 김발
140: 스프링 150: 코일
160: 콤 170: 절연층

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 회전 축을 기준으로 회전 가능한 미러;
    상기 미러의 외측에 배치되는 김발(gimbal);
    상기 미러의 회전 축과 동일선상에서 상기 김발과 연결되는 스프링;
    상기 김발의 외측과 이격되게 배치되고, 상기 스프링을 매개로 하여 상기 김발과 연결되는 기판;
    상기 김발에 배치되고, 전류가 흐르면 주변에 기 형성된 자기장과의 상호 작용에 의해 전자기력을 발생시켜 상기 미러의 회전 각도를 조절하는 코일; 및
    상기 기판과, 상기 기판과 인접하는 스프링 및 김발 중 적어도 하나와의 사이에 형성되어, 상기 미러의 회전 각도를 감지하는 복수 개의 콤(comb)을 포함하는 멤스 스캐너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콤은,
    복수 개가 소정의 간격으로 상기 기판으로부터 연장 형성되는 외팔보 형상의 제1 콤; 및
    상기 제1 콤에 교차되도록, 복수 개가 소정의 간격으로 상기 제1 콤과 인접하는 스프링 및 김발 중 적어도 하나로부터 연장 형성되는 외팔보 형상의 제2 콤을 포함하는 멤스 스캐너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미러의 회전 각도는,
    상기 미러의 회전에 따라 가변되는 상기 제1 및 제2 콤 사이의 간격에 대응하는 캐패시턴스 값을 측정함으로써 감지되는 멤스 스캐너.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 김발은,
    상기 미러의 외측과 이격되게 배치되는 제1 김발; 및
    상기 제1 김발의 외측과 이격되게 배치되는 제2 김발을 포함하고,
    상기 스프링은,
    상기 미러와, 상기 제1 및 제2 김발과 연결되는 제1 스프링; 및
    상기 기판과, 상기 제2 김발과 연결되는 제2 스프링을 포함하는 멤스 스캐너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미러는,
    상기 제1 스프링을 기준으로 회전 가능하고,
    상기 제1 및 제2 김발은,
    상기 제2 스프링을 기준으로 회전 가능한 멤스 스캐너.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 제1 및 제2 콤을 중심으로 분할되되, 절연층을 매개로 하여 서로 연결되는 복수 개의 기판인 멤스 스캐너.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 콤 각각의 두께는,
    상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 얇아지는 멤스 스캐너.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 콤 각각의 길이는,
    상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 짧아지는 멤스 스캐너.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 콤 사이의 간격은,
    상기 복수 개의 제2 콤 중 자세 변경이 큰 부분에 가까울수록 넓어지는 멤스 스캐너.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 콤의 두께는,
    상기 제1 콤의 두께보다 얇은 멤스 스캐너.
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