KR101306847B1 - 광주사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 미러부를 지지하는 비틀림빔부를 가지는 기판에 에어로졸 증착법(「AD법」), 스퍼터링법 또는 졸겔법 등의 박막 형성 기술을 이용하여 압전막 엑추에이터를 형성하고, 기판의 진동을 이용하여, 미러부에 비틀림 진동을 생성시키는 것에 의해, 간단한 구조로 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 발생할 수 있는 광주사장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 광주사장치는, 기판본체, 기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출한 2개의 캔틸레버빔부, 상기 캔틸레버빔부 사이에서 비틀림빔부에 의해 양측이 지지되는 미러부, 기판본체를 진동시키는 구동원, 미러부에 광을 투사하는 광원을 구비하고, 미러부는 구동원에 의해서 기판에 가해지는 진동에 따라서 공진진동하고, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라서 변화하는 광주사장치에 있어서, 기판본체의 미러부측과 반대측의 고정단부를 지지부재에 고정하는 동시에, 기판본체의 일부에 구동원을 설치하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

광주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}

본 발명은, 광빔(optical beam)의 주사에 의해 스캔을 행하는 광스캐너에 관한 것이고, 특히 비틀림 바(torsion bar)로 지지된 미소한 미러(mirror)를 요동시켜서 광빔을 편광시키는 구성의 광주사장치에 관한 것이다.

근년에 레이저광 등의 광빔(optical beam)을 주사하는 광스캐너는, 바코더 리더, 레이저 프린터, HMD(Head Mounted Display) 등의 광학 기기, 또는 적외선 카메라 등 입력 디바이스의 광도입 장치로서 사용되고 있다. 이 종류의 광스캐너로서 SMM(Silicone Micro Machining) 기술을 이용한, 미소미러를 요동시키는 구성의 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 도 22는 일본특허공개 평11-52278호(특허문헌 1)에 개시된 실리콘 마이크로미러를 가지는 광스캐너를 나타낸다(이하 「종래기술 1」이라 한다.). 이 광스캐너는 SMM 기술을 이용하여 제작되고, 전체 사이즈는 수미리각으로 형성된다. 지지기판(1)은 직사각형의 두꺼운 판으로 형성되고, 그 중앙부분에는 오목부(1a)가 형성되며, 이 오목부(1a) 내에 실리콘 박판으로 형성된 미러(2)가 내장지지되어 있다. 이 미러(2)에는 일체적으로 형성된 두개의 토션바(torsion bar)(3a, 3b)가 양단 방향으로 돌출되어 있고, 이들 토션 바(3a, 3b)의 선단부는 상기 지지기판(1)에 고정되고, 각각 패드(pad)(4a, 4b)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 상기 미러(2)는 토션바(3a, 3b)의 비틀림에 의해, 미러의 평면 방향과 수직한 방향으로 요동하는 것이 가능하게 되어 있다. 그리고, 상기 미러(2)의 적어도 주변 영역 또는 표면에는 불순물 이온의 주입이나 확산이 이루어지거나, 또는 알루미늄이나 은 또는 도전성을 가지는 유기박막 등이 피착되어 있고, 이들 영역이 도전성을 가지는 전극부(5)로서 구성되어 있다.

한편, 상기 기기기판(1)은 상기 오목부(1a)를 사이에 둔 양측 위치의 표면상에 절연체(6)를 매개로 하여 각각 고정 전극(7a, 7b)이 배치되어 있다. 이들 고정 전극(7a, 7b)은 반도체 또는 유기재료를 포함하는 도전성 재료로 형성되어 있고, 또한 각각의 내연부는 상기 미러(2)의 양측연부의 전극부(5)에 근접 배치되며, 이들 전극부(5)와 상기 각 고정전극(7a, 7b)과의 사이에 콘덴서가 형성되어 있다.

한쪽의 고정전극(7a)의 패드(8a)와, 토션바(3a, 3b)의 패드(4a, 4b)와의 사이에 소정의 전압을 인가하면, 이들 패드(4a, 4b)에 연결되는 미러 전극부(5)에 전압이 인가되어, 고정전극(7a)과 미러 전극부(5)의 표면에 서로 반대 극성의 전하가 축적되어 콘덴서가 구성되어, 고정전극(7a)과 미러 전극부(5)와의 사이에 정전인력이 작용하여, 미러(2)는 회전을 시작한다. 이어서, 미러(2)가 원래의 위치로 복귀된 후, 이번에는 반대측의 고정전극(7a)과 미러 전극부(5)와의 사이에 전압을 인가함으로써, 이번에는 회전 방향은 반대이지만 미러(2)가 회전한다. 이러한 동작을 반복하여 수행함으로써, 미러(2)는 판과 경보광 및 시계 방향의 각각의 최대 회전 위치에까지 회전하는 동작을 반복하는 요동 동작을 수행하게 된다.

또한, SMM 기술을 이용한 미소 미러를 요동시키기 위한 광스캐너로서 일본 특허공개 평10-197819호 공보(특허문헌 2)에 기재된 것이 알려져 있다(이하, 「종래기술 2」라고 한다.).

이 광스캐너는 도 23에 표시된 것처럼, 광을 반사하기 위한 판 형상의 마이크로미러(1)와, 일직선상에 위치하여 마이크로미러(1)의 양측을 지지하는 한쌍의 회전지지체(2)와, 한쌍의 회전지지체(2)가 접속되고, 미러(1)의 주변을 둘러싸는 프레임부(3)와, 프레임부(3)에 병진운동을 가하는 압전소자(4)를 구비하고, 또한 한쌍의 회전지지체(2)를 연결하는 직선상 이외의 장소에 미러(1)의 중심을 위치시킨 구성으로 되어 있다.

압전소자(4)에 전압을 가하면, 압전소자(4)는 신축을 행하고, Z축 방향으로 진동하며, 이 진동은 프레임부(3)에 전달된다. 마이크로미러(1)는 구동된 프레임부(3)에 대하여 상대운동을 일으키고, Z축 방향의 진동성분이 마이크로미러(1)에 전달되면, 마이크로미러(1)는 X축 회전지지체(2)로 이루어진 축선에 대하여 좌우비대칭의 질량성분을 가지기 때문에, X축 회전지지체(2)를 중심으로 마이크로미러(1)에 회전 모멘트가 일어난다. 이와 같이 하여, 압전소자(4)에 의해서 프레임부(3)에 가해진 병진운동은 마이크로미러(1)의 X축 회전지지체(2)를 중심으로 한 회전운동으로 변환된다.

또한, 도 24에 나타내는 바와 같이, 진동자(1)에 있어서 가동부(2)의 양측으로부터 빔(beam)부(3, 3)가 서로 반대 방향으로 연장되고, 고정부(6)의 두개의 완(腕)부(4, 4)에 연결되어 있고, 고정부(6)의 완부(4, 4)에는 각각 압전박막(5, 5) 이 설치되며, 이들 압전박막(5, 5)는 고차 진동 주파수를 포함하는 동일 신호에 의해 구동되도록 한 광주사장치가 일본특허공개 평10-104543호 공보(특허문헌 3 참조, 이하 「종래기술 3」이라 한다.)에 기재되어 있다.

[특허문헌 1] 일본특허공개 평11-52278호

[특허문헌 2] 일본특허공개 평10-197819호

[특허문헌 3] 일본특허공개 평10-104543호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

전술한 종래기술 1의 광스캐너에서는, SMM 기술을 이용하여 수미리의 사각으로 제작되는 것으로, 미러(2)의 적어도 주변 영역 또는 표면에 전극부(5)를 형성하는 것과 함께 토션바(3a, 3b)에 패드(4a, 4b)를 설치하고, 추가로 지지기판(1)의 양측 위치의 표면상에 절연체(6)를 매개로 하여 각각 고정전극(7a, 7b) 및 패드(8a, 8b)를 배치할 필요가 있었다.

이와 같이, 미러(2)의 적어도 주변 영역 또는 표면에 전극부(5)를 형성하고, 또한 토션바(3a, 3b)에 패드(4a, 4b)를 형성하며, 추가로 지지기판(1)의 양측 위치의 표면 상에 절연체(6)를 매개하여 각각 고정전극(7a, 7b) 및 패드(8a, 8b)를 형성하기 때문에, 구조가 복잡하게 되고, 고장 발생의 요인이 증가할 뿐만 아니라, 제조에 시간이 걸리며, 비용 상승(cost up)에 연결된다는 문제가 있었다.

또한, 상술한 종래기술 2의 광스캐너에서는, 압전소자(4)에 의해서 프레임부(3)에 가해지는 병진운동을 마이크로미러(1)의 X축 회전지지체(2)를 중심으로 한 회전운동으로 변환하는 구조이기 때문에, 마이크로미러(1)의 중심 위치를 비틀림빔(torsion beam)에 대하여 시프트시킬 필요가 있었다.

또한, 장치가 X-Y축 방향만이 아닌 Z 방향에서도 두께가 필요하였지만, 박형화가 곤란하였다.

또한, 상기한 종래기술 3의 광주사장치에서는, 가동부(2)의 회전각(rotation angle)을 크게 취할 수 없다는 단점이 있었다.

즉, 프레임부로부터 나온 2개의 비틀림빔을 지지하는 2개의 폭이 좁은 캔틸레버빔 부분에 압전막을 형성하면, 이 부분의 강성이 증가하고, 압전막에서 유기된 진동이 효율적으로 비틀림빔에 전달되지 않고, 그 결과, 미러의 비틀림 진동(torsional vibration)이 작아진다. 또한, 2개의 캔틸레버빔부와 그 위에 형성되는 압전막으로 구성되는 진동원 부분의 진동특성을 정확하게 일치시키지 않으면, 미러의 비틀림 진동의 진동진폭이 억제되는 것과 동시에 비틀림 진동 이외의 진동 모드가 중첩되어, 정확한 레이저빔의 주사가 실현될 수 없다. 추가로, 미러의 구동력을 증가시키기 위해 압전막 부분의 면적을 크게 하기 위해서는, 상기 캔틸레버빔부의 폭을 크게할 필요가 있고, 이를 위해 동일 캔틸레버빔부에 2차원적인 불필요한 진동 모드를 발생시키고, 미러의 비틀림 진동의 진동진폭이 억제되는 것과 동시에, 비틀림 진동 이외의 진동 모드가 중첩하여, 정확한 레이저빔의 주사가 실현될 수 없는 등의 문제가 있다. 또한, 상기 캔틸레버빔의 폭이 좁게 제한되기 때문에, 이 부위에 형성된 압적막을 구동하기 위한 상부 전극의 형성은 폭이 좁기 때문에 용이하지 않고, 양산시의 수율(yield rate)에 크게 영향을 주는 등의 문제점이 있었다.

도 25는 종래기술 3의 경우와 동일한 것이고, 프레임부로부터 돌출한 2개의 비틀림빔을 지지하는 2개의 폭이 좁은 캔틸레버빔 부분에 압전막을 형성하는 구성으로 되어 있고, 미러부 주사각도의 구동 효율을 시뮬레이션 계산에 의해 조사한 것이다. y=0의 면을 대칭면으로 하고, 반만 모델화하였다.

도 26에 도 25에서 표시하는 프레임부로부터 돌출한 2개의 비틀림빔을 지지하는 2개의 폭이 좁은 캔틸레버빔 부분에 압전막을 형성하는 구성의 미러의 회전각(rotation angle)을 표시한다. 구동전압은 1V로 하고, 압전체의 전기 특성은 전형적인 파라미터인 PZT-5A의 특성, 스캐너 프레임 본체의 재질은 SUS 304의 특성을 사용하였다. 미러부의 회전각은 0.63도였다.

본 발명은 미러부를 지지하는 비틀림빔부(torsional beam portion)를 가지는 기판에 에어로졸 증착(aerosol deposition)법(이하, 「AD법」이라 간략히 호칭하는 경우가 있다.), 스퍼터링(sputtering)법 또는 졸겔(sol-gel)법 등의 박막 형성 기술을 사용하여, 압전막 엑츄에이터(piezoelectric film actuator)를 형성하고, 기판의 진동을 이용하여 미러부에 비틀림 진동을 생성시킴으로써, 간단한 구조로 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 발생할 수 있는 광주사장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미러부에 있어서의 비틀림 진동의 발생원리 및 장치의 기본적 사항에 대하여 도면을 참조하면서 이하에서 설명한다.

[미러부에 있어서의 비틀림 진동의 발생 원리]

본 발명의 광주사장치의 기본구성은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 기판본체(20)와 기판본체의 양측부로부터 돌출한 2개의 캔틸레버빔부(19, 19)를 포함하는 기판(10)과, 캔틸레버빔부(19, 19) 사이에 미러부(13)을 양측으로부터 지지하도록 설치된 비틀림빔부(12, 12)와, 기판 본체(20)에 설치된 압전막 등을 포함하는 구동원(11)과, 기판본체의 미러부(13)측과 반대측의 고정단부(21)를 고정하는 지지부재(16)를 포함하고 있다. 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)는, 캔틸레버빔부(19)의 축방향에 대하여 수직방향(X축 방향)으로 설치되어 있다.

도 2에 나타난 것처럼, 구동원(11)인 압전막에 전압을 인가하면, 압전막 아래의 기판 본체(20)는 압전막과 함께 굴곡 편향이 발생하고, 기판본체(20)에 진동이 발생한다. 즉, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 압전막측에 플러스 전압을 인가하면 압전막은 늘어나고, 반대로 도 2(b)에 나타난 것처럼, 압전막측에 마이너스의 전압을 인가하면 압전막은 줄어들어, 기판(10)에 진동이 발생한다.

이 때, 기판본체(20)상에 발생되는 진동은 기판본체(20)로부터 캔틸레버빔부(19)로 전파(propagation)되고, 도 1에 나타나는 비틀림빔부(12)로 지지된 수평상태에 있는 미러부(13)에 회전 모멘트를 주는 힘을 작용시킬 수 있어, 비틀림 진동을 야기한다.

[구동원의 배치]

종래기술 3에 있어서 설명한 것처럼, 구동원(11)을 미러부(13)에 가까운 비틀림빔부(12) 및 캔틸레버빔부(19)에 설치한 경우, 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시키는 것은 불가능하다.

이것에 대해서, 본 발명에서는 진동원(11)인 압전막을 기판본체(20)에 1개 형성하는 것에 의해서, 2개의 캔틸레버빔부(19, 19)의 강성을 내리고, 효율적으로 미러부(13)의 비틀림 진동을 야기하는 것과 동시에 미러부(13)를 구동하는 구동원(11)을 1개로 하는 것으로, 상기, 구동원(11)의 불균등 등에 기인하는 불필요한 진동 모드의 야기 및 진폭 저하의 문제를 해소한다. 또한, 이와 같이 구동원(11)으로 되는 압전막 형성부분과, 미러부(13) 및 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)로 구성되는 미러 비틀림 진동부를 상기 2개의 캔틸레버빔부(19, 19)로 분리하는 것에 의해, 구동원(11)의 압전막의 면적을 캔틸레버빔부(19)의 폭에 관계 없이 자유롭게 설정할 수 있고, 미러 비틀림 진동부에 의해 효율적으로 큰 구동력을 투입하는 것이 가능하게 되며, 추가로 압전막 구동용의 전극형성도 용이하게 되고, 공업적 생산에 있어서의 수율을 향상하는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 진동원(11)인 압전막을 기판본체(20)에 1개 형성하는 구성의 광주사장치를 y=0의 면을 대칭면으로 하고, 절반만 모듈화한 평면도이다. 광주사장치의 기본 구성이 되는 미러부(13)의 치수나 비틀림빔(12)의 치수, 비틀림빔(12)의 미러부(13)로의 설치 위치(미러부의 중심 위치), 기판(10)의 형상 및 그 지지방법, 추가로 압전체의 두께나 막면적의 합계 값은 도 19에 나타난 종래기술 3과 유사하게 되어 있다. 차이점은 구동원(11)인 압전막의 형성 위치뿐이다.

도 4에, 도 3에 나타난 장치의 미러부(13)의 회전각을 표시한다.구동전압은 1V로 하고, 압전체의 전기특성은 전형적인 파라미터인 PZT-5A의 특성, 스캐너 프레임 본체의 재질은 SUS 304의 특성을 사용하였다. 기본적으로 도 25에 나타나는 종래 기술 3과 도 3에 나타내는 본 발명의 공진 주파수는 거의 유사하지만, 미러부(13)의 회전각은, 종래기술 3의 것에서는 0.63도인 것에 대하여, 도 3에 나타나는 본 발명에 의한 것에서는 2.69도(30V 환산으로 80.7도)로, 4.3배 정도 크게 편향되는 것이 확인되었다.

또한, 미러의 주사진폭을 크게 하기 위하여, 기판에 배치되는 진동원을 복수 설치하는 것도 가능하지만, 이 경우, 진동원의 특성이나 설치 위치, 접착, 성막에 의한 설치 상태의 변화(비균일) 때문에, 기판부에서 미러부를 지지하는 비틀림빔에 수직 방향의 대칭축에 대하여 비대칭인 2차원 진동이 야기되기 쉽게 되고, 미러의 비틀림 진동에 의한 광빔의 주사 정밀도는 저하된다. 이것에 대해서 본 발명에서는, 진동원이 한개로도 효율적으로 미러부에 비틀림 진동을 야기하고, 광빔의 주사 지터(jitter)의 저감과 제품의 불균형을 큰 폭으로 억제할 수 있다.

또한, 일정한 구동전압 하에서 미러부(13)의 비틀림 각도의 최대 진폭을 얻기 위해서는, 미러부(13)에 대한 구동원(11)의 배치가 중요하다. 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)와 캔틸레버빔부(19)의 접속위치로부터 떨어진 위치, 즉, 기판 본체(20)의 일부, 예를 들면, 기판본체(20)의 중앙부에 구동원(11)을 배치하면 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시키는 것이 가능하다.

또, 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)와 캔틸레버빔부(19)의 접속위치로부터 떨어진 위치에 구동원(11)을 설치하여 진동을 발생시키는 경우, 미러부(13)를 지지하고 있는 비틀림빔부(12)와 캔틸레버빔부(19)의 접속장소의 근방에 있어서 기판진동의 최소 진폭(진동의 마디(node))이 얻어지도록 배치한다.

또한, 캔틸레버빔부(19)와 기판본체(20)의 접속부가, 구동원(11)에 의해서 기판본체(20)에 여기되는 기판 진동의 최대진폭의 근방에 위치하도록 설정하는 것에 의해 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수 있다.

또, 미러부(13)을 양측으로부터 지지하는 비틀림빔부(12, 12)의 진동 모드를 일치시키키 위해서는, 예를 들면, 구동원(11)을 기판본체(20)의 폭 방향의 중심(도 1의 Y축)에 배치하고, 구동원(11)으로부터 좌우의 비틀림빔부(12, 12)까지의 거리를 동일하게 하는 것도 하나의 수단이다.

[공진주파수]

도 1에 나타나는 본 발명과 같은 미러부(13)로부터 떨어진 위치에서 발생시킨 진동 에너지를 효율적으로 미러부(13)의 비틀림 진동이 되는 에너지로서 전달하기 위해서는, 주로 미러부(13)의 중량과 비틀림빔(12)의 스프링 상수로 결정되는 미러부(13)의 공진주파수(fm)와 기판(10) 자체의 분할 진동 모드도 포함한 공진주파수(fb)를 크게 시프트시킬 필요가 있다. 미러부(13)의 비틀림 진동의 공진주파수(fm)에 일치하도록 광주사장치의 구동원(11)을 구동한 경우, 기판(10)에도 공진 모드가 야기되면, 구동원(11)에서 발생된 진동 에너지는 에너지보존법칙으로부터 미러부(13)의 비틀림 진동과 기판(10)의 2차원 분할 진동으로 분배되게 된다. 따라서, 기판(10)의 2차원 분할 진동에 구동원(11)으로부터의 진동 에너지가 소비된 만큼만, 미러부(13)의 비틀림 진동의 진폭(비틀림 각도)은 작게 되고, 효율적으로 광주사장치를 구동할 수 없다.

또한, 기판(10)에 불필요한 2차원 분할 진동이 야기되면, 그 선단에 위치하는 미러부(13)에도 비틀림빔(12)을 회전축으로 하는 순수한 비틀림 진동 이외의 진동모드가 중첩되는 경우도 있어, 직진주사성이 우수한 고정밀도의 광주사를 실현할 수 없다. 이것에 대하여, 본 발명에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 미러부에 야기되는 고차까지 포함하는 비틀림 공진주파수 a(fm(n):n=0, 1, 2, ····)가 프레임부에서 야기되는 고차까지 포함하는 공진주파수 b(fb(n):n=0, 1, 2, ····)와 중복되지 않도록 설계된다.

[구동원이 되는 압전막 등의 막체의 두께 및 면적]

미러부(13)를 진동시키는 구동원(11)이 되는 압전막 등의 막체의 두께와, 크기는 기판본체(20)의 두께와 크기에 따라서 최적의 사이즈를 취할 필요가 있다.

광주사장치의 사용 조건을 고려하면, 구동전압(압전막 인가 전압)이 일정한 상태에서는 막체의 두께가 얇게 되면 될수록, 큰 변위를 얻을 수 있다. 실제로는, 특히 AD법에 의해 형성된 막에서 금속 기판 상에 형성한 압전막의 특성, 막 두께에 관해서 의존성이 있고, 지나치게 얇으면 압전특성의 저하나 누설 전류(leak current)의 증가 등의 막 특성이 저하하고, 지나치게 두꺼우면, 분극 처리가 곤란하게 된다. 또한, 기판(10)의 두께에 대해서는, 동작 중의 미러의 평탄성이나 프로젝터 디바이스 등으로의 응용에서 요구되는 미러 사이즈를 고려하여, Si, 스테인리스재의 기판을 상정하면, 적어도 10 ㎛ 이상의 두께가 요구된다. 이상과 같은 점을 고려하여, 광주사장치의 구동에 적합한 최적의 압전막 등의 막체의 두께는, 기판 본체(20)의 두께의 6배 이하가 적합하고, 막체의 두께의 하한은 대략 1 ㎛이고, 이 때 동일 면적의 막두께에 대하여, 최소의 구동전압, 소비전력으로 최대의 미러부 주사각도를 얻을 수 있다.

또한, 구동원(11)이 되는 압전막 등의 면적에 대해서는, 상기, 막두께 범위에 있어서, 기판 상에서의 진동의 전파 방향에 대해서, 막체의 길이가 대략 광주사장치를 구동하는 공진 주파수와 기판재료의 음속으로 결정되는 진동의 1/2 파장보다 작은 범위라면 효율적으로 구동할 수 있다. 추가로, 그 범위에 있어서, 소비전력도 고려하면, 구동원(11)의 면적은 기판 본체(20)과 동일하거나 또는 보다 작은 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 기판본체(20)의 면적의 3/4 이하인 것이 좋다.

[미러부의 중심 위치]

광주사장치의 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔(12)의 설치 위치이지만, 비틀림빔부(12)의 축에 대해서 수직 방향의 미러부(13)의 중심위치로부터 어긋난 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 빔의 축(X축)을 중심으로 하는 비틀림 공진 모드와 미러부(13)의 중심 위치(Xm)를 중심으로 하는 비틀림 공진 모드의 두개의 공진 f1, f2가 존재한다. 이 때에 두개의 공진 주파수 f1, f2의 차이는 근소하고, 구동주파수가 저주파수측으로부터 공진주파수에 가까워지는 경우와, 고주파수측으로부터 공진주파수로 가까워지는 경우에, 공진주파수 근방에서의 미러의 비틀림 진동의 각도의 진폭(광주사각도)은 동일하게 되지 않고, 큰 이력(hysteresis)이 발생한다. 이 이력은 실용상 큰 문제가 된다. 예를 들면, 환경온도의 변동 등에 의해 광스캐너의 기계상수가 변화하고, 이것에 따라서 공진주파수가 변화, 광주사각도가 변동하는 경우가 고려될 수 있지만, 이와 같은 변동은 통상, 압전막(11)에 인가하는 구동 주파수를 변화시켜 보상 제어하지만, 상술한 바와 같은 이력이 존재하면, 그 비선형성 때문에 대단히 복잡한 제어가 필요하게 되고, 실용적이지 않다. 이것에 대해서, 미러부(13)의 중심 위치와 비틀림빔의 지지 위치를 일치시키면, 상술한 바와 같은 이력은 나타나지 않고, 양호한 공진 특성을 얻을 수 있다.

[비틀림빔부의 단면]

미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)의 단면은, 이상적으로는 축대칭인 원형인 것이 바람직하나, 실제의 가공에서는 판재로부터 형성되기 때문에, 유한의 폭을 가지고, 그 단면은 직사각 형상이다. 이 때문에, 빔의 폭(W)이 지나치게 크게 되면, 근소한 가공 오차 등에 있어서, 빔의 폭(W) 내에서 공진 시의 비틀림빔부(12)의 축의 위치가 이동하는 등의 현상이 일어나고, 상술한 바와 같은 공진주파수 근방에서의 구동주파수에 대하여, 비틀림 각도의 진폭(광주사각도)에서 이력 현상을 일으켜 구동제어를 곤란하게 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 비틀림빔부의 폭에 대해서도 어떤 폭 이하로 할 필요가 있다. 실험적으로는, 비틀림빔부의 길이(T₁), 기판 두께(T₂)에 대해서, W/T₁≤0.4 또는 0.05≤T₂/W≤2의 범위에 있는 것이 필요하고, W/T₁≤0.2 또는 0.1≤T₂/W≤0.5의 범위에 있는 것이 바람직하다.

[압전막의 형성 방법]

압전막의 형성방법에 대해서는, 에어로졸 증착법을 사용하여 형성하면, 저온고속 공정이기 때문에, 용이하게 단시간에 수마이크론 이상의 두꺼운 막을 금속기판 상 등에 직접 형성할 수 있지만, 이것에 제한되지 않고, 예를 들면, Si 기판 등 내열온도가 있는 재료를 이용하면, 스퍼터링법이나 CVD법, 졸겔법 등의 종래의 박막기술을 사용하여, 에피택셜 성장한 고성능의 압전박막을 형성하는 것도 가능하고, 보다 미소한 광주사장치를 구성하는 경우 등에 유용하다.

[기판의 지지]

기판(10)은 기판본체(20)의 미러부(13)측과 반대측의 고정단부(21)를 지지부재(16)로 캔틸레버(외팔보) 지지된 상태로 고정·지지하는 편이 미러부(13)의 비틀림 진폭을 크게 할 수 있다. 그 때, 지지부재(16)로 고정하는 고정단부(21)의 폭은 기판 본체(20)의 폭의 1/20 내지 3/4의 범위가 적합하다. 더 바람직하게는, 기판 본체(20)의 폭의 1/10 내지 1/2의 범위인 것이 바람직하다.

기판 본체(20)의 미러부(13)측과 반대측에 있는 고정 단부(21)의 폭이 기판 본체(20)의 폭보다 좁게 하여 지지부재(16)에 의해 외팔보 지지된 상태로 고정·지지한 것이 구동원(11)에 의해서 기판 본체(20)에 진동을 보다 효율적으로 발생시킬 수 있고, 미러부(13)의 비틀림 진폭을 크게 할 수 있다.

미러부(13)의 비틀림 각도는 고정 단부(21)의 폭이 좁을 수록 커지는 경향이 확인되고 있다. 그 때, 지지부재(16)로 고정하는 고정단부(21)의 폭은 기판 본체(20)의 폭의 1/20 내지 3/4의 범위가 적합하다. 기판 본체(20)의 폭의 1/20 이하가 되면, 실용적인 면에서 지나치게 좁아, 고정이 불안정하게 되며 실용적이지 않다.

도 7은 각종 기판 형상을 나타낸 것이다.

예를 들면, 도 7(a)는 고정단부(21)가 기판본체(20)의 폭과 동일한 경우이고, 이 경우, 미러부(13)의 비틀림 각도는 35°이다. 한편, 도의 (b), (c), (d)에 나타내는 바와 같은 고정단부(21)의 전체의 폭이 기판 본체(20)의 폭보다 좁은 경우는, 동일한 구동전압으로, 미러부(13)의 비틀림 각도가 40° 이상의 높은 것을 얻을 수 있었다.

또한, 고정단부(21)의 전체 폭뿐만 아니라, 그 형상도 중요하다는 것도 알 수 있다. 예를 들면, 도 7(b)에 나타내는 기판 본체(20)의 고정단부(21) 근방에 좌우로부터 직사각형의 절삭(indentation)을 넣어서, 고정 단부(21)의 폭을 작게 한 경우(「H형 형상」이라고 한다.), 비틀림 각도는 46°였다. 도 7(c)에 나타난 기판 본체(20)의 고정 단부(21) 근방에 좌우로부터 삼각형의 절삭을 넣어서 고정단부(21)의 폭을 작게 한 경우(「Y형 형상」이라 한다.), 비틀림 각도는 54°이고, 구동원(11)에 의해서 기판 본체(20)의 진동을 보다 효율적으로 발생시키고, 미러부(13)의 비틀림 진폭을 크게할 수 있었다. 그 때, 고정단부(21)의 전체 폭을 기판 본체(20)의 폭의 1/8 내지 1/2로 하는 것이 바람직하다.

또한, 고정단부(21)의 일부를 기판본체(20)의 중앙부에 배치하는 것이, 큰 비틀림 각도로 미러부(13)를 진동시킬 수 있다. 예를 들면, 도 7(e)에 나타내는 고정단부(21)의 일부의 위치가 기판본체(20)의 중앙에 위치하지 않는 경우, 미러부(13)의 비틀림 각도가 43°였다.

그러나, 도 7(d)에 나타내는 고정단부(21)의 일부가 기판 본체(20)의 중앙의 위치에도 있는 경우(「안경 프레임 형상」이라 한다.), 미러부(13)의 비틀림 각도는 54°였다.

한편, 고정단부(21)가 기판 본체(20)의 폭과 동일한 경우에도, 기판 본체(20)의 고정 단부(21)를 고정하는 지지부재(16)에 의한 지지형태를 변화시키는 것으로써, 광주사장치의 고정안정성을 더욱 높일 수 있다.

도 8은 3개의 지지형태의 예를 나타내는 것이다.

도 8(a)는, 기판 본체(20)의 일측 전면을 지지부재(16)에 의해 지지한 예이고, 이 경우, 미러부(13)의 비틀림 각도가 45°였다.

도 8(b)는, 기판 본체(20)의 일측 전면 및 그에 이어지는 양측도 지지부재(16)에 의해서 지지한 예이고, 이 경우, 미러부의 비틀림 각도가 43°였다. 구동원(11)에 의해서, 기판 본체(20)에 발생되는 진동은 기판 본체(20)의 미러부(13)측과 반대측에 있어서 그 양측 부분에서는 그다지 크지 않기 때문에(도 12 참조), 고정단부(21)의 양측 부분을 지지부재(16)로 고정하여도 미러부(13)의 비틀림 진폭에는 거의 영향이 없다. 도 8(b)의 경우, 기판(10)을 고정하는 길이가 길게 되기 때문에, 실용적으로 광주사장치의 고정안정성을 더욱 높일 수 있다. 그 때, 평면 내에서, 지지부재(16)가 개구하는 삼각형의 각도 θ를 30° 내지 300°의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 기판(10)을 지지부(16)로 고정하는 수단으로서 기판본체(20)를 상하에서 삽입하면 안정된 고정이 가능하게 되지만, 이 삽입부가 평면인 경우는, 기판 본체의 고정단부에 균등한 접촉압이 걸리지 않고, 불필요한 공명이 발생하여 충분한 고정이 이루어질 수 없는 경우가 있다. 그래서, 삽입부의 단면형상을 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 곡면상으로 하여 두면, 기판 본체부(20)의 고정단부 근방에서 근소한 휨 장력이 작용함으로써, 기판 본체부(20)와 지지부(16)와의 접촉면에 균일한 압력이 가해져 눌러짐으로써, 더 안정된 고정이 가능하게 된다. 실험에서는 삽입부가 평면인 경우는, 미러부(13)의 비틀림 각도가 30°이었던 것이, 도 8(c)의 곡면 형상을 취했을 경우, 공진주파수는 안정화되고, 미러부(13)의 비틀림 각도도 54°까지 증가시키는 것이 가능하였다.

한편, 삽입부의 단면 형상은, 상기 곡선형상뿐이 아니고, 기판본체부를 근소하게 절곡되도록 한 삼각형상도 바람직하다.

본 발명에 의한 광주사장치는, 기본구조로서, 도 1에 나타내는 기판 본체(20)가 미러부(13)와 반대측에서, 지지부재(16)에 외팔보 지지된 구조로 되어 있고, 그 때문에, 광주사장치의 전체에 상하의 교란 진동이 가해지면, 광주사장치 전체가 진동하고, 미러부(13)에서 반사, 주사되는 광빔은, 이 진동의 영향을 받아 불안정하게 진동하여, 정확한 광주사를 보증할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서, 휴대기기 등에서의 실용적인 응용을 상정하면, 이 광주사장치 전체가 외팔보 지지된 구조로 불안정한 것을 개선할 필요가 있다.

그래서, 본 발명에서는 도 9에 나타난 바와 같이, 외팔보 지지되어 있는 광주사장치 전체를 둘러싸도록 배치된 강성이 높은 기판 고정 프레임(22)에 폭이 좁은 기판접촉용 빔(23)으로 광주사장치를 고정단부(21)로부터 떨어진 위치에서도 고정한다.

이 때, 기판접속용빔(23)의 고정위치에 의해서, 광주사장치 자체의 공진상태가 변화하고, 미러부(13)의 주사각도나 공진주파수가 영향을 받는다.

도 10, 도 11은, 이 양태를 조사한 것으로, 도 10(a)에 나타난 것처럼, 미러부(13)가 비틀림 공진하고 있는 때에 진동의 파복(antinode)에 가까운 진동진폭이 큰 캔틸레버빔부(12)의 밑에서, 기판 접속용 빔(23)에 의해 광주사장치를 고정하면, 미러부(13)의 주사진폭은 고정되어 있지 않은 경우의 약 53°의 주사진폭에 대하여, 약 17°로 큰 폭으로 저하한다. 이것은, 광주사장치의 외연부에서 진동진폭이 큰 장소를 고정하고, 그 진동을 억제하면, 광주사장치기판(10) 전체의 진동 모드를 변화시키고, 결과, 미러부(13)의 비틀림 진동에 효율적으로 전달되지 않게 되기 때문이다.

이것에 대하여, 도 11에서 나타내는 기판접속용 빔(23)으로 접속되어 있지 않은 상태에서, 미러부(13)가 비틀림 공진하고 있는 때에, 광주사장치기판(10)의 가장자리 부분(도 11의 부호 24에서 나타낸 부분)의 Z축 방향의 진동진폭이 최소가 되는 마디(node)(25) 근방의 장소에서, 도 10-d에서 표시되는 바와 같이, 기판접속용 빔(23)에서 접속고정한 경우는, 미러부(13)의 주사진폭은 약 55°로 기판 고정 프레임(22)으로 고정하고 있지 않은 경우보다도 오히려 약간 큰 주사진폭이 된다. 이 경우는, 광주사장치기판(10) 전체의 진동 모드를 변화시키지 않기 때문에, 고정하지 않은 경우와 거의 등가의 공진상태를 유지할 수 있고, 기판접속용 빔(23)에 의한 광주사장치기판(10) 고정의 미러부(13)의 주사진폭에 대한 영향은 최소가 된다.

따라서, 광주사장치의 외연부에서, 미러 공진시에 진동의 마디(node) 또는, 진동진폭이 가장 작고, 또한 가능한한 광주사장치 지지부재(16)로부터 먼 장소에서 기판접속용 빔(23)에 의해서 광주사장치를 고정하면, 미러부(13)의 주사진폭을 감쇄시키지 않고, 광주사장치를 교란진동에 대하여 안정하게 지지할 수 있다.

이상의 본 발명에 의한 광주사장치의 광빔의 주사 지터(jitter)와 주사 워블(wobble)(빔 주사속도의 안정성)을 ALT 주식회사제: MEMS 스캐너 계측 시스템[ALT-9A44]으로 평가한 결과, 종래의 실리콘제 MEMS 광스캐너(일본신호제)가 주사지터가 Jp-p: 0.2∼0.3%인 것에 대하여, 본 발명의 광주사장치는 금속재료로 구성되어 있음에도 불구하고, 주사공진주파수 6 kHz, 16 kHz, 24 kHz에 대하여, Jp-p: 0.06% 이하로 한자리수 작고, 종래 다각형 미러(polygon mirror) 방식에 상당하는 고정밀도의 광빔 주사를 실현할 수 있다. 또한, 종래 다각형 미러 방식에서는 주사 워블이 Wp-p: 30∼40초 정도 있고, f-θ 렌즈 등으로 보정을 걸어서, 값을 한자리수 내릴 필요가 있으나, 본 발명에 의한 광주사장치에서는 주사 워블이 Wp-p: 5초 이하로, 한 자리수 낮은 값으로 되어 있고, 보정 렌즈계 없이 매우 안정된 빔 주사속도를 실현할 수 있으며, 소형, 저코스트화를 용이하게 가능하게 한다. 이상의 측정결과로부터, 본 발명에 의한 광주사장치는 레이저 프린터 등에 사용될 수 있는 높은 광빔 주사 정밀도를 얻을 수 있는 것이 명확하다.

본 발명은, 상기 발견에 근거하여 이루어진 것이고, 그 요지로 하는 것은 다음과 같다.

(1) 본 발명의 광주사장치는, 기판본체와, 기판본체의 일측의 양측부로부터 돌출한 두 개의 캔틸레버빔부와, 이들 캔틸레버빔부 사이에 비틀림빔부에 의해 양측이 지지되는 미러부와, 기판본체를 진동시키는 구동원과, 미러부에 광을 투사하는 광원을 구비하고, 미러부는 구동원에 의해서 기판에 가해지는 진동에 따라서 공진진동하고, 광원으로부터 미러부에 투사되는 광의 반사광의 방향이 미러부의 진동에 따라서 변화하는 광주사장치에 있어서, 기판본체의 미러부측과 반대측의 고정단부를 지지부재에 고정하는 것과 동시에, 기판본체의 일부에 구동원을 설치하는 것을 특징으로 하고 있다.

(2) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1)에 있어서, 기판본체의 고정단부의 폭을 기판본체의 폭의 1/20 내지 3/4의 범위로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

(3) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 기판본체의 고정단부를 적어도 기판본체의 폭 방향의 중앙부를 남기고 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.

(4) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (3)에 있어서, 기판본체의 고정단부를 상하에서 삽입하여 고정하는 동시에, 고정단부의 단면형상을 곡면상 또는 절곡 형상으로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

(5) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (4)에 있어서, 구동원을 압전막, 자기 변형막(magnetostriction layer) 또는 영구자석막을 포함하는 막체를 직접기판 상에 형성하는 것에 의해서, 막체의 두께를 기판 두께의 6배 이하로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

(6) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 있어서, 막체의 면적을 기판본체의 면적의 3/4 이하로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

(7) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 있어서, 미러부를 지지하고 있는 비틀림빔부와 캔틸레버빔부의 접속부는 구동원에 의해 기판본체에 여기되는 기판 진동의 최소진폭(진동의 마디(node))의 근방에 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

(8) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 캔틸레버빔부와 기판본체의 접속부가, 구동원에 의해서 기판 본체에 여기되는 기판 진동의 최대 진폭(진동의 파복(antinode))의 근방에 위치하도록 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.

(9) 또한, 본 발명의 광주사장치는 상기 (1) 내지 (8)의 어느 하나에 있어서, 미러부의 중량과 비틀림빔의 스프링 상수로 결정되는 미러부의 공진주파수와 기판의 공진주파수를 크게 시프트하는 것을 특징으로 하고 있다.

(10) 또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 기판본체 및 캔틸레버빔부를 둘러싸도록 기판고정 프레임을 배치하여, 기판 본체의 고정단부측에서 고정하는 동시에, 기판본체와 기판고정프레임을 지지부재로부터 떨어진 위치에서, 또한 기판진동의 최소진폭의 근방에 있어서, 기판접속용 빔으로 접속하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 특징으로 가지는 본 발명은, 미러부를 지지하는 기판에 구동원에 의하여 야기된 진동을 발생시키고, 이 진동에 의해서 미러부에 회전 모멘트를 생성시키며, 공진현상을 이용하여 미러부에 큰 비틀림 진폭을 발생시키는 것이다.

발명의 효과

본 발명은 이하와 같은 우수한 효과를 나타낸다.

(1) 기판 본체의 양측부로부터 돌출한 두 개의 캔틸레버빔부 사이에 비틀림빔부에 의해 미러부의 양측을 지지하고, 기판본체의 미러부측과 반대측의 단부를 고정함과 동시에, 기판본체의 일부에 구동원을 설치하는 것에 의해, 5 kHz 이상의 고속주사속도 및 20° 이상의 대진폭광학주사각을 가지는 고성능의 광주사장치를 제공할 수 있다. 또한, 미러부를 중심 및 중심으로부터 벗어난 위치의 어디에서 지지하여도 미러부의 비틀림 진동을 가능하게 한다. 추가로 구조의 단순화, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 소형의 진동원으로 미러부에 큰 진동을 부여할 수 있다. 추가로 진동원이 되는 압전막의 소비전력을 대폭으로 저감할 수 있다. 또한, 압전막의 배치의 자유도가 증가하기 때문에, 광주사장치의 소형, 박형화를 도모할 수 있다.

(2) 기판본체의 미러부측과 반대측의 고정단부를 기판본체의 폭의 1/20 내지 3/4의 범위에서 고정하는 것, 고정단부의 단면형상을 곡면상 또는 절곡 형상으로 하는 것, 막체의 두께를 기판의 두께의 6배 이하로 하는 것, 또는 막체의 면적을 기판본체의 면적의 3/4 이하로 하는 것에 의해, 고속주사속도 및 대진폭광학주사각에 있어서 더욱 우수한 광주사장치를 얻을 수 있다.

(3) 미러부를 지지하고 있는 비틀림빔부와 캔틸레버빔부의 접속부를, 막체에 의해서 기판본체에 여기되는 기판진동의 최소진폭(진동의 마디(node))의 근방에 설치하는 것에 의해, 미러부에 큰 회전 모멘트를 부여하고, 비틀림 진동을 효율적으로 여기할 수 있다.

이때 상기 기재의 기판진동의 최소진폭인 진동의 마디(node)와, 상기 접속부와의 근방거리는, 미러부에 비틀림 진동을 야기하기 위해서는 판파(plane wave)의 파장(λ)의 ±1/4 이하로 하는 것이 필요하고, 또한 미러부를 지지하는 비틀림빔부의 축이 상하로 진동하는 것에 의한 광학계의 광로의 변동을 실용적인 레벨로 최소로 억제하여, 큰 미러부의 비틀림 진동을 얻기 위해서는, 바람직하게는 ±1/6 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 ±1/8 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

(4) 추가로, 미러부(13)에 접속되어 있는 비틀림빔부(12)를 지지하고 있는 캔틸레버빔부(19)와 기판부와의 접속부는 구동원에 의해서 기판본체에 여기되는 기판진동의 최대진폭(진동의 파복(antinode))의 근방에 설치함으로써, 캔틸레버빔부에 효율적으로 진동 에너지를 전달하고, 미러부에 큰 회전 모멘트를 부여하며, 비틀림 진동을 효율적으로 여기할 수 있다.

(5) 미러부의 중량과 비틀림빔의 스프링 상수로 결정되는 미러부의 공진주파수와 기판의 공진주파수를 크게 시프트하는 것에 의해, 미러부로부터 떨어진 위치에서 발생시킨 진동 에너지를 효율적으로 미러부의 비틀림 진동이 되는 에너지로서 전달할 수 있다.

(6) 기판본체 및 캔틸레버빔부를 둘러싸도록 기판고정 프레임을 배치하여 기판본체의 고정단부측에서 고정하는 동시에, 기판 본체와 기판고정 프레임을 지지부재로부터 떨어진 위치에서, 또한 기판진동의 최소진폭의 근방에 있어서, 기판접속용 빔으로 접속하는 것에 의해, 미러부의 주사진폭을 감쇄시키지 않고, 광주사장치를 교란진동에 대하여 안정하게 지지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본적 사항을 설명하는 개념도이다.

도 2는 본 발명의 진동발생원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 3은 본 발명에 관한 압전막을 기판본체에 1개 형성하는 구성의 광주사장 치를 y=0의 면을 대칭면으로 하고, 절반만 모델화한 평면도이다.

도 4는 도 3에 나타내는 장치의 미러부의 회전각을 표시하는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 광주사장치의 기판 및 미러부의 공진주파수를 나타내는 도면이다.

도 6은 비틀림빔부의 축에 대하여, 수직방향으로 미러부의 중심위치가 어긋난 경우, 구동주파수가 저주파수측으로부터 공진주파수에 가까워질 때와, 고주파측으로부터 공진주파수에 가까워지는 경우에, 큰 이력(hysteresis)이 발생하는 상태를 설명한 도면이다.

도 7은 각종 기판형상을 나타낸 도면이다.

도 8은 기판 지지형태의 세개의 예를 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 기판본체 및 캔틸레버빔부를 둘러싸도록 기판고정 프레임을 배치한 장치의 평면도이다.

도 10은 기판과 기판 고정 프레임을 접속하는 기판접속용 빔의 위치를 변화시킨 경우의 회전각을 설명하는 도면이다.

도 11은 기판과 기판고정프레임이 기판접속용 빔으로 접속되어 있지 않은 상태에서, 미러부가 비틀림 공진하고 있을 때의 기판의 가장자리 부분의 진동진폭의 상태를 설명하는 설명도이다.

도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 실시예 1을 표시하는 사시도이다.

도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 실시예 1의 조작 빔의 투영상을 표시하는 도면이다.

도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 실시예 1의 구동에 이용한 AD법에 의해 제작된 PZT막의 강유전특성을 나타내는 도면이다.

도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 실시예 1의 광주사장치를 스캐너로서 사용하는 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다.

도 16은 구동전압에 대한 주사빔의 회전각을 표시하는 도면이다.

도 17은 본 발명의 실시의 형태에 관한 실시예 1에 있어서, 기판진동의 최소진폭 장소를 비틀림빔부의 축에서 근소하게 떨어진 위치에 형성한 경우의 동작설명도이다.

도 18은 도 11의 기재의 광주사장치 표면에 야기되는 진동을 표시하는 것으로, (a)는 평면도, (b)는 사시도이다.

도 19는 본건 발명 및 종래 기술 3에 있어서의 공진주파수와 미러부의 비틀림 각도에 대해서의 계산 결과를 나타내는 것이다.

도 20은 본 발명에 의한 광주사장치의 동작을 유한요소법(FEM)을 사용하여, 시뮬레이션한 결과를 설명하기 위한 각각의 광주사장치의 평면형상을 나타낸 것이다.

도 21은 도 14에 나타난 세 종류의 모델에 있어서의 미러부의 비틀림 공진주파수와 주사각도를 비교한 것이다.

도 22는 종래기술 1을 표시하는 것으로, 상측이 평면도, 하측이 정면단면도이다.

도 23은 종래기술 2를 나타내는 사시도이다.

도 24는 종래기술 3을 나타내는 평면도이다.

도 25는 종래기술 3의 경우와 동일한 것으로서, y=0의 면을 대칭면으로 하고, 절반만 모델화한 도면이다.

도 26은 도 25에 나타난 구성의 장치의 미러부의 회전각을 나타내는 것이다.

<부호의 설명>

10: 기판 11: 압전막

12: 비틀림빔부 13: 미러부

14: 상부전극 15: 전원

16: 지지부재 17: 레이저빔

18: 레이저광 19: 캔틸레버빔부

20: 기판본체 21: 고정단부

22: 기판고정 프레임 23: 기판접속용 빔

24: 기판의 가장자리 부분 25: 기판진동의 진폭최소위치

본 발명에 따른 광주사장치를 실시하기 위한 최선의 형태를 실시예에 근거하여 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

실시예 1

도 12는 실시예 1에 대한 광주사장치의 사시도이다.

기판(10)은 두께 30 또는 50 ㎛의 SUS304의 방형을 한 판재를 에칭 또는 프레스 가공에 의해, 비틀림빔부(12) 및 미러부(13)를 남기고 제거한 형상으로 제작되어 있다. 기판(10)은, 기판 본체(20) 및 기판 본체(20)의 일측의 양측으로부터 평행하게 돌출한 캔틸레버빔부(19, 19)를 포함한다. 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)는, 두 개의 캔틸레버빔부(19, 19)의 축방향에 대하여 직교하는 방향으로 설치되어 있다.

또한, 기판 본체(20)의 미러부(13)측과 반대측의 고정단부(21)는 지지부재(16)에 의해, 고정되어 있고, 기판(10)이 지지부재(16)에 의해 외팔보 지지된 상태로 지지되는 구조로 되어 있다. 본 예에서는, 기판본체(20)의 양측이 삼각형으로 잘려진 상태로 중앙부에 고정단부(21)가 형성되어 있고, 기판(10)이 Y자 형상으로 되어 있다. 또한, 고정단부(21)의 폭은 기판본체(20)의 폭의 1/20 내지 3/4의 범위로 하는 것이 바람직하다.

기판(10)상의 중앙부에는 본 발명의 발명자에 의해서 발명된 공지의 AD법에 의한 마스크성막법으로 압전막(11)이 접착제를 매개로 하지 않고, 직접 형성되어 있다.

압전막(11)은 예를 들면, 대표적인 압전재료인 지르콘산 티탄산납(lead zirconate titanate)(PZT)을 포함한다.

기판(10)상에 공지의 AD법에 의해서 압전막(11)을 직접 형성하는 수법을 간단하게 설명한다.

입경 0.5 ㎛ 전후의 지르콘산 티탄산납(PZT)을 가스와 혼합하여 에어로졸화하고, 노즐로부터 고속의 젯(jet)으로 하여 기판(10)상의 소정의 장소에 분무하여 성막하였다. 성막 시, PZT 미립자의 기판(1)으로의 충돌에 의해서 PZT 미립자에 큰 기계적 충격이 생기고, PZT 미립자의 파괴와 신생 표면의 발생이 동시에 수행되어, 치밀한 막이 형성된다. 이와 같이 하여, 형성되는 압전막(11)은, 강유전특성을 가지고 있다. 압전막(11)의 성막 후, 대기중에 있어서 600℃에서 10분간 열처리한 후, 압전막(11)의 상면에 상부전극(14)을, 예를 들면, 금 스퍼터링으로 형성한다. 또한, 금 스퍼터링법 대신에, AD법에 의해서 압전막(11)의 성막에 이어서, 상부 전극(14)을 형성하는 것에 의해, 보다 소형화, 구조의 간소화를 도모할 수 있다.

압전막(11)은 미러부(13)를 지지하는 비틸름빔부(12)와 캔틸레버빔부(19)와의 접속부로부터 떨어진 위치, 즉, 기판본체(20)의 일부, 예를 들면, 도 12에 나타난 것처럼 기판본체(20)의 중앙부에 형성된다. 추가로, 미러부(13)가 압전막(11)에 의해서 기판(10)상에 일어나는 진동의 최소진폭의 근방, 즉 최소진폭의 위치로부터 근소하게 떨어진 위치에 압전막(11)이 형성되는 것이다. 또한, 미러부(13)를 양측으로부터 지지하는 비틀림빔부(12, 12)의 진동 모드를 일치시키기 위해서는, 예를 들면, 구동원(11)을 기판본체(20)의 폭 방향의 중심(도 1의 Y축)에 배치하고, 구동원(11)으로부터 좌우의 비틀림빔부(12, 12)까지의 거리를 동일하게하는 것도 하나의 수법이다.

기판(10)의 두께에 대해서는, 동작 중의 미러의 평탄성이나 프로젝터 디바이 스 등으로의 응용에서 요구되는 미러 사이즈를 고려하고, Si, 스테인리스재의 기판을 상정하여, 적어도 10 ㎛ 이상의 두께로 한다. 광주사장치의 구동에 적합한 최적의 압전막 등의 막체의 두께는 기판 본체(20)의 두께의 6배 이하가 적합하고, 막체의 두께의 하한은 대략 1 ㎛이고, 이 때 동일면적의 막두께에 대하여, 최소 구동전압, 소비전력으로 최대의 미러부 주사각도를 얻을 수 있다.

또한, 구동원(11)이 되는 압전막 등의 면적에 대해서는, 상기, 막두께 범위에 있어서, 기판상에서의 진동의 전파방향에 대해서, 막체의 길이가 대략 광스캐너를 구동하는 공진주파수와 기판재료의 음속으로 결정되는 진동의 1/2 파장보다 작은 범위라면 효율적으로 구동할 수 있다. 추가로, 그 범위에 있어서, 소비전력도 고려하면, 구동원(11)이 되는 압전막 등의 면적은, 기판본체(20)보다 작은 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 기판본체(20)의 면적의 3/4 이하인 것이 바람직하다.

미러부(13)의 중심위치는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 비틀림빔부(12)의 지지위치를 일치시키고 있다. 이 때문에, 구동주파수가 저주파수측으로부터 공진주파수에 가까워질 때와, 고주파수측으로부터 공진주파수에 가까워지는 경우에도, 이력이 발생하지 않고 양호한 공진 특성을 얻을 수 있었다.

또한, 미러부(13)를 지지하는 비틀림빔부(12)의 단면은 직사각형 형상이다.

비틀림빔부(12)의 폭(W), 비틀림빔부(12)의 길이(T₁), 기판(10)의 두께(T₂)로 하였을 경우, W/T₁≤0.2 또는 0.1≤T₂/W≤0.5의 범위에 있도록 비틀림빔부(12)의 폭(W), 비틀림빔부(12)의 길이(T₁), 기판(10)의 두께(T₂)가 설정되어 있다.

형성된 상부전극(14)과 하부전극으로서의 기판(10)에, 전원(15)으로부터 전압을 인가할 수 있도록 배선된다.

기판(10) 및 상부전극(14)에 전압을 인가하면, 압전막(11)은 압전진동하고, 이 진동이 기판(10)에 진동을 발생시킨다. 이 기판(10)에 발생하는 진동은, 비틀림빔부(12)를 매개로 미러부(13)에 회전모멘트를 발생시키고, 공진상태로 큰 비틀림 진폭을 발생시킨다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 전극인 기판(10) 및 상부전극(14)에 전압을 인가한 상태에서 미러부(13)에 레이저빔(17)을 조사하면, 미러부(13)가 비틀림 진동하기 때문에, 미러부(13)에서 반사된 레이저광(18)은 일정 회전각 α로 진동한다.

도 13은 실제의 조작 빔의 투영상을 표시하는 것으로, 일그러짐이나 흔들림은 발견되지 않는다.

하기의 표 1에 구동에 사용한 AD법에 의해서 제작된 PZT막의 전기 특성을 나타낸다.

[표 1] PZT막의 전기 특성

permittivity(at 1kHz) dielectric losses-tanδ(at 1kHz) piezoelectric constant, d31 density young's modulus

900 ∼1000 0.03 ∼ 0.05 -90 pm/V 7.9 g/cm3 80 GPa

또한, 도 14는 구동에 사용된 AD법에 의해 제작된 PZT막의 강유전특성을 나 타낸다.

도 15는 상기와 같이 하여 제작한 광주사장치를 광스캐너로서 사용하는 경우의 주파수특성을 표시하는 일예로서, 비틀림 진동 1차의 공진주파수가 23.63 kHz로 대단히 높고, 고속동작이 가능한 것이 확인되었다. 미러부(13)의 공진구조만을 고려한 이론계산에서는, 조금 높게 24.3 kHz가 된다. 또한, 공진형 광주사장치의 성능지수인 Q값(공진 피크의 반값 폭을 표시하고, 주파수변화에 대한 민감성을 표시하는 값)도 Si-MEMS 스캐너의 600 이상과 비교하여, 110 정도로 낮고, 주위 환경온도의 변화에 대해서 공진주파수의 변화가 변동하여도 미러부의 주사폭의 변화가 비교적 작고, 광스캐너에 적합한 것임을 알 수 있었다.

도 16은 구동전압에 대한 주사빔의 회전각을 나타내고 있다.

두께가 30 ㎛ 및 50 ㎛의 SUS 기판상에 막 두께 10 ㎛의 압전막을 AD법에 의해서 직접 형성한 경우와, 구동원에 적층 엑츄에이터의 접착을 사용한 경우를 비교하였다.

AD법으로 형성한 막 두께 10 ㎛의 압전막을 사용한 경우, 40 V의 구동전압으로 약 20°의 회전각이 얻어졌다. 이것은 종래의 Si-MEMS 스캐너의 공진주파수를 한자리수 상회하는 성능이다.

기판 두께의 차이는, 미러부를 지지하는 비틀림빔부의 스프링 상수를 변화시키고, 공진주파수는 크게 변화하지만, 미러부의 회전각쪽은 그다지 영향을 받지 않은 것을 알았다.

또한, AD법으로 형성한 압전막 대신에, 접착제로 접착한 적층압전 엑츄에이 터를 진동원으로 이용한 경우는, AD법으로 형성한 압전막의 약 2배의 압전상수에도 불구하고, 회전각, 즉 스캐너의 주사각도는 절반 이하가 된다. 이것은 접착제에 의한 진동의 흡수의 영향이 크기 때문이라고 생각되고, AD법에 의한 압전막의 직접 형성이 우수한 효과를 나타내는 것이 확인될 수 있었다.

도 17은 도 12에 나타내는 장치에 있어서, 미러부(13) 근방에 형성되는 기판 진동의 최소진폭개소 Amin을, 비틀림빔부(12)의 축 X-X에서 근소하게 떨어진 위치에 형성하도록 한 것이다.

비틀림빔부(12)의 양단을 각각 지지하는 양측부(19, 19)가 캔틸레버빔의 형상이기 때문에, 비틀림빔부(12)를 지지하는 부분이 더욱 변형되기 쉽게 되고, 도의 (b) 및 (c)에 나타내는 바와 같이 효율적으로 미러부(13)에 회전 모멘트를 부여할 수 있어, 효율적인 구동을 수행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 기판진동의 최소진폭 개소 Amin을, 비틀림빔부(12)의 축 X-X에서 근소하게 떨어진 위치에 형성하고 있기 때문에, 도면과 같이, 미러부(13)가 그 중심위치에서 비틀림빔부(12)로 지지된 것이어도 미러부(13)에 큰 회전 모멘트를 부여하여, 비틀림 진동을 효율적으로 여기하는 것이 가능하게 된다. 이 때 상기 기재의 기판본체 또는 캔틸레버빔부에 야기되어 있는 진동의 최소진폭인 진동의 마디(node)와 상기 접속부와의 근방거리는 미러부에 비틀림 진동을 야기하기 위하여 캔틸레버빔부에 야기되어 있는 진동의 파장(λ)의 ±1/4 이하로 할 필요가 있고, 또한 진동의 마디(node)와 상기 접속부가 어긋나 있기 때문에, 미러부를 지지하는 비틀림빔의 축이 상하로 진동하는 것에 의한 광학계의 광로의 변동을 실용적인 레 벨로 최소로 억제하여, 큰 미러부의 비틀림 진동을 얻기 위해서는, 바람직하게는 ± 1/6 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

추가로 미러부(13)에 접속되어 있는 비틀림빔부(12)를 지지하고 있는 캔틸레버빔부(19)가 기판본체보다 폭이 좁고, 캔틸레버빔부의 길이 방향으로 1차원적인 진동 모드가 야기되기 쉽기 때문에, 기판본체에서 발생한 2차원적 진동을 효율적으로 캔틸레버빔부에 전달하기 위해서는, 캔틸레버빔부(19)와 기판본체와의 접속부가 구동원에 의해서 기판 본체에 여기되는 기판 진동의 최대진폭(진동의 파복(antinode))의 근방에 설치할 필요가 있다.

이 때, 상기 기판 본체 상에 야기되어 있는 진동의 파복(antinode)과 상기 접속부와의 근방거리는 캔틸레버빔부의 길이가, 상기 진동의 파장(λ)보다 짧을 때는, 미러부에 큰 비틀림 진동을 야기하는 것과, 미러부를 지지하는 비틀림빔의 축이 상하로 진동하는 것에 의해 광학계의 광로의 변동을 실용적인 레벨로 최소로 억제하기 위하여, 기판 본체에 야기되는 진동의 파장(λ)의 ±1/6 이하로부터 ±1/8 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 캔틸레버빔부의 길이가, 상기 진동의 파장(λ)보다 긴 때는, ±1/8 이하로 억제하고, 상기 캔틸레버빔부의 길이를 조정하며, 캔틸레버빔부에 야기되어 있는 진동의 최소진폭인 진동의 마디(node)와 상기 접속부와의 근방 거리를 ±1/6 이하로 하면, 가장 우수한 성능을 얻을 수 있다.

이것에 의해서 캔틸레버빔부에 효율적으로 진동 에너지를 전달하고, 미러부(13)에 큰 회전 모멘트를 부여하며, 비틀림 진동을 효율적으로 여기할 수 있다.

도 18은 이것을 실제로 확인한 확인예로서, 압전막(11)에 인가하는 여기신호에 동기하여 레이저 도플러(laser doppler) 변위계로, 미러부(13)의 비틀림 진동이 공진시에 최대로 되는 때, 기판표면에서 발생하는 진동 변위 분포를 측정한 것이다. 캔틸레버빔부(19)와 비틀림빔부(12)의 접속부는 기판진동의 최소 진폭 장소, 즉 마디(node) 근방으로 되어 있고, 진동 변위는 최소로 되어 있다.

도 19는 본건 발명 및 종래 기술 3에 있어서의 공진주파수와 미러부의 비틀림 각도에 대한 계산 결과를 나타내는 것이다. 이 계산에 사용한 모델은 다음과 같다.

기판의 재질: SUS 304

기판의 두께: 50 ㎛

구동원의 압전막(PZT4)의 두께: 10 ㎛

미러부의 사이즈: 1 mm × 1 mm

비틀림빔부의 폭: 50 ㎛

비틀림빔부의 길이: 2 mm

압전막의 면적: 4 mm²

도 19로부터 종래 기술 3의 미러부의 비틀림 각도는 본건 발명의 그것의 0.6 정도밖에 되지 않는 것임 알 수 있다.

다음, 본 발명에 의한 광주사장치의 동작을 유한요소법(FEM)을 사용하여, 시 뮬레이션한 결과를 설명한다.

도 20 (a), (b), (c)는 각각의 광주사장치의 평면형상이다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 상기 세 개의 형상의 광주사장치에 있어서, 미러부의 크기, 비틀림빔부의 길이와 폭, 기판의 두께, 재질, 압전막의 면적과 두께는 동일하게 하고, 기판본체의 형상과 지지부의 길이(기판 본체의 고정단부의 폭)만을 변화시켰다. 구동원(PZT)의 사이즈는 2 mm × 2 mm × 10 ㎛(두께), 기판(SUS 304)의 두께는 50 ㎛, 미러부의 사이즈는 1 mm × 1 mm이고, 대칭성을 사용하여 절반만을 모델화하고 있다.

도 20(a)에 나타내는 기본 모델(No cut 모델)에서는, 시뮬레이션상에서, 기판 본체의 고정단부의 폭을 1 mm, 2 mm, 6 mm(고정단부 전체를 고정)로 변화시켰다.

또한, 도 20(b)에 나타나는 것은, 고정단부의 폭을 1 mm로 하고, 고정단부로부터 미러부측을 향해서 좌우에, 그 일부를 비스듬하게 커트한 모델(Cut 모델)이다.

추가로, 도 20(c)에 나타내는 것은, 도 20(a)의 기본 모델에 있어서, 기판본체의 길이(고정단부로부터 캔틸레버빔부 기부까지의 길이)를 2 mm 짧게 한 모델(Short 모델)이다.

이와 같은 구조의 차이를 주고, 미러부의 공진주파수와 주사각도를 시뮬레이션하였다.

도 21은 도 20(a), (b), (c)에 나타낸 3 종류의 모델에 있어서의 미러부의 비틀림 공진주파수와 주사각도를 비교한 것이다.

도 21에 나타내는 바와 같이, 전체 모델에 있어서, 공진시에 있어서의 미러부의 주사각도는 고정부의 길이가 짧아 질수록, 크게 되는 경향이 확인되었다. 이 때는, 고효율로 실용적인 광주사장치를 구성하는데 있어서 대단히 중요하다. 또한, 공진주파수도 크게 변화하는 것이 확인되었다.

도 20(a)의 기본 모델의 고정단부폭이 1 mm의 광주사장치와, 도 20(b)의 Cut 모델의 고정단부의 폭 1 mm의 광주사장치를 비교하면, 공진주파수는 7100 Hz에서 7160 Hz로 증가하고, 주사각도는 거의 변화하지 않는다.

그런데, 본 발명에 의한 광주사장치의 구성에서는, 기판 본체의 길이(고정단부로부터 캔틸레버빔부 기부까지의 길이), 특히 구동원과 고정 단부 사이의 거리가 변화함으로써, 공진주파수와 주사각도가 변화한다. 구체적으로, 도 20(a)의 기본 모델과 도 20(c)의 Short 모델에서 비교하면, 기판본체의 길이가 6 mm에서 4 mm까지 짧아지면, 고정단부폭이 1 mm인 경우, 공진주파수는 7100 Hz에서 7180 Hz로 증가하고, 또한 고정단부폭이 2 mm의 경우도, 공진주파수는 7180 Hz에서 7250 Hz로 증가하며, 주사각도는 22.5°에서 20°로 근소하게 감소한다.

또, 고정단부폭이 기판폭 전체의 6 mm인 경우는, 반대로 공진주파수는 7270 Hz에서 7150 Hz로 감소하고, 주사각도도 18°에서 15°까지 감소한다. 또, 기판본체 길이 4 mm의 Short 모델에서는 이 때, 추가로 저주파수측에 7000 Hz보다 작은 주파수에서 또 하나의 공진점이 나타난다.

이상의 것은, 본 발명에 의한 광주사장치의 미러부의 공진주파수와 주사각도 가 상기 미러부와 그것을 양측으로부터 지지하는 비틀림빔부의 스프링 상수만으로 결정되는 것은 아니고, 기판부의 크기나 형상, 추가로는 고정단부의 폭 등에 의해서 결정되는 것임을 나타내고 있다. 이것은 본 발명에 의한 광주사장치가 종래 알려진 미러부와 그것을 지지하는 비틀림빔으로 구성된 공진원리를 사용한 광주사장치와 원리상으로도 상이한 것임을 나타내고 있다.

일반적으로 공진 구조를 사용한 광주사장치에서는, 공진주파수를 미소하게 조정, 또는 양산시의 오차(비균일)를 억제하기 위해 상기 기판 본체 길이나 형상의 차이에 의한 공진주파수나 주사각도의 변화의 요인을 정확하게 파악하는 것은, 실용적인 광주사장치의 설계에는 대단히 중요하고 또한 유효하다.

또한, 이와 같은 기판본체 길이나 지지부의 길이(고정단부의 폭)의 차이에 의해서, 구동원이 형성되어 있는 기판본체에 구동원에 의해서 형성되는 2차원적 진동의 파복(antinode)부나 마디(node)부의 형성위치는 변화하고, 이것이 공진상태의 때에 미러부의 주사각도에 크게 영향을 준다. 상기 미러부를 양측으로부터 지지하는 비틀림빔부를 지지하는 캔틸레버빔부의 기판과 접속부가 이 진동의 파복(antinode)부 근방으로 되면, 큰 주사각도를 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 기판;

   상기 기판을 고정하고, 상기 기판의 일측의 단부에 제공되어 있는 고정단부에 고정되어 있는 지지부재;

   상기 기판을 진동시키고, 기판진동을 발생시키는, 상기 기판상에 제공되어 있는 구동원;

   상기 기판의 일측의 양측부의 접속부로부터 돌출한 두 개의 캔틸레버빔;

   상기 캔틸레버빔에 제공된 접속부를 연결하도록 제공되는 비틀림빔;

   상기 캔틸레버빔의 사이의 비틀림빔에 의해 양측이 지지되는, 상기 기판의 다른측의 단부에 제공되어 있는 미러부; 및

   상기 미러부에 광을 투사하는 광원을 포함하고,

   상기 기판 및 캔틸레버빔의 사이의 접속부는 상기 구동원의 최대진폭의 근방에 위치하고, 상기 캔틸레버빔과 비틀림빔의 사이의 접속부는 상기 구동원의 최소진폭의 근방에 위치하는 광주사장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판진동의 최소진폭인 진동의 마디와 상기 접속부의 거리는, 상기 미러부에 비틀림 진동을 야기하기 위하여 판파의 파장의 ±1/4 이하인 광주사장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 미러부로부터 상기 기판의 반대측인 상기 기판의 측을 고정하는 광주사장치.
4. 기판;

   상기 기판을 고정하고, 상기 기판의 일측의 단부에 제공되어 있는 고정단부에 고정되어 있는 지지부재;

   상기 기판을 진동시키고, 기판진동을 발생시키는, 상기 기판상에 제공되어 있는 구동원;

   상기 기판의 일측의 양측부의 접속부로부터 돌출한 두 개의 캔틸레버빔;

   상기 캔틸레버빔에 제공된 접속부를 연결하도록 제공되는 비틀림빔;

   상기 캔틸레버빔 사이의 비틀림빔에 의해 양측이 지지되고, 상기 기판의 다른측의 단부에 제공되어 있는 미러부;

   상기 미러부에 광을 투사하는 광원;

   상기 기판 및 캔틸레버빔을 둘러싸도록 위치하고, 상기 기판의 고정단부에 고정되어 있는 기판고정프레임; 및

   상기 기판진동의 최소진폭의 근방에 있어서 또한 상기 지지부재로부터 떨어진 위치에서, 상기 기판과 기판고정프레임을 연결하는 기판접속용 빔을 포함하는 광주사장치.
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