KR100766600B1

KR100766600B1 - 스캐너

Info

Publication number: KR100766600B1
Application number: KR1020060066702A
Authority: KR
Inventors: 조진우; 정희문; 고영철; 신성호; 이진호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2007-10-12
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: US20080018974A1; EP1881358A1; JP2008026849A

Abstract

자체적인 기계적 구조에 의하여 저주파 통과 필터를 제공하여 구동력 중 특정 고주파 성분을 제거할 수 있는 스캐너가 제시된다. 광원을 외부에 주사하는 미러에는 서로 직교하는 2개의 토션축이 내부 및 외부 짐벌에 의하여 연결되어 있으며, 내부 짐벌 및 외부 짐벌 사이에는 연결축이 형성된다. 외부 짐벌에 연장된 축과 동일 축선상에 배치되는 연결축을 외부 짐벌 및 내부 짐벌 사이에 형성하여 원하지 않는 고주파 진동이 내부 짐벌 사이에 위치한 진동체에 전달되는 것을 차단한다. 이와 같이 구성하여 전자적인 제어가 필요없어서 별도의 부품을 소요하지 않으면서 비교적 간단한 기계적인 설계 변경만으로 저주파 통과 필터를 제공하여 생산성이 높고 추가적인 비용 소모가 거의 없는 효과가 있다.

스캐너, 저주파 통과 필터, 리브

Description

스캐너 {SCANNER}

도 1은 종래의 하나의 미러를 2축으로 움직여 빛의 경로를 변경하는 스캐너를 도시한 사시도이다.

도 2는 종래의 스캐너에 따른 시간에 따른 수직 토션축의 움직임을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 스캐너를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명을 모델링한 구성도이다.

도 5는 주파수비에 따른 전달도를 도시한 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 스캐너에 합성된 구동력이 작용하는 모습을 도시한 사시도이다.

도 7는 시간에 대하여 합성 모멘트를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 스캐너를 시뮬레이션 하기 위하여 모델링한 구성도이고, 도 9 및 10은 각각 시간에 대한 x ₂ , x ₁ 의 변위를 도시한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 변형 실시예를 도시한 것으로서, 스캐너의 배면을 도시한 사시도이다.

도 12는 본 발명의 다른 변형 실시예를 도시한 것으로서, 스캐너의 배면을 도시한 사시도이다.

도 13은 본 발명의 다른 변형 실시예를 도시한 것으로서, 스캐너의 배면을 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 스캐너 110: 미러

121: 제1 토션축 122: 연결축

123: 제2 토션축 131: 내부 짐벌

132: 외부 짐벌 140: 프레임

150: 영구자석

본 발명은 스캐너에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 비교적 간단한 기계적인 설계 변경만으로 저주파 통과 필터를 제공하여 외부 입력 중 특정 고주파 성분을 제거할 수 있어서 고주파로 인한 떨림을 제거할 수 있는 스캐너에 관한 것이다.

스캐너는 주로 레이저 등 광원의 경로를 변경하기 위한 것으로서, 간단하게는 레더 프린터(leather printer)나 바코드 리더기(bar code reader) 등에 사용될 수 있으며, 복잡하게는 레이져 텔레비전 등과 같이 복잡한 영상을 처리하기 위한 장치에 사용될 수 있다. 일반적으로 레이저는 직진하는 성질로 인하여 직선경로를 따라 제공되기 때문에, 스캐너를 이용하여 경로 변경 후 스크린 등에 투사하여 원하는 영상을 얻게 된다.

이러한 스캐너는 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 기술을 근간으로 제조되는 미러를 포함한다. 종래에는 레이저의 경로를 전환하기 위해 하나의 미러를 2축으로 움직이게 함으로써 레이저의 경로를 2차원적으로 변경하는 방법이 있다.

도 1은 종래의 스캐너를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 스캐너(20)는 중앙의 반사 코팅된 미러(22), 미러(22)로부터 양단으로 연장된 수평 토션축(23), 상기 수평 토션축(23)과 연결되어 미러(22) 주변에 형성된 내부 프레임(24), 내부 프레임(24)으로부터 연장되며 수평 토션축(23)과 수직 관계를 형성하는 수직 토션축(25), 그리고 수직 토션축(25)과 연결된 외부 프레임(26)을 포함한다.

짐벌(gimbal) 구조의 상기 내부 프레임(24)에는 코일(27)이 형성되어 있어서 전류를 흘리게 되면 외부에서 가해준 자기장과 반응하여 스캐너(20)를 구동시킬 수 있는 모멘트(moment)를 생산할 수 있다. 코일(27)에 전류를 공급하여 수평 토션축 및 수직 토션축에 임의의 각도로 기울어진 방향으로 자기장을 형성하면 자기장과 전류방향에 수직인 방향으로 토크가 발생하게 되고 발생된 토크는 수평 토션축과 수직 토션축의 2개 성분으로 분해되어 미러(22)는 수평 토션축(23)을 중심으로 진동하며, 또한 내부 프레임(24) 및 미러(22)가 수직 토션축(25)을 중심으로 진동한다. 그 결과 상기 스캐너(20)는 영상신호를 2축으로 분배할 수가 있다.

이러한 미러의 2축 구동에 대하여 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 스캐너(20)를 이용하여 외부에 위치한 스크린에 영상을 투사하기 위해서는 미러(22)를 수직 토션축(25)을 중심으로, 예를 들어 약 60Hz의 톱니파 형태로 진동시키고, 수평 토션축(23)을 중심으로 비교적 고주파인 약 20KHz의 사인파로 진동시켜 주사선을 스크린에 투사할 수 있다. 즉, 수평 토션축(23)의 고주파 진동은 스크린 상에서 주사선을 수평으로 주사하며, 수직 토션축(25)의 저주파 진동은 스크린 상에서 주사선의 수직 이동을 시키게 되어 2차원적인 영상을 스크린 상에 구현할 수 있다.

수직 및 수평으로 미러(22)를 진동시키기 위한 각각의 모멘트는 합성된 하나의 모멘트로 미러(22)에 제공할 수 있다. 즉, 이러한 합성 모멘트는 대략 저주파의 형상을 가지며, 이러한 저주파 신호상에 고주파 신호의 형태대로 변조(modulation)된 형태로 나타내게 된다.

미러의 수직 토션축(25)을 중심으로 진동할 수 있는 질량의 공진주파수를 약 1 kHz 정도로 설계하고, 수평 토션축(23)을 중심으로 진동할 수 있는 질량의 공진주파수를 20KHz 정도로 설계했다고 가정하자. 내부 짐벌의 코일에 60Hz 톱니파 전류와 수평 공진주파수인 20kHz전류를 변조하여 흘려주게 되면 외부에서 걸어준 자기장에 수직인 방향으로 모멘트가 발생하게 된다. 이러한 모멘트는 수직 토션축과 수평 토션축으로 분배되어 미러(22)를 구동하는데 사용된다. 미러(22)는 합성된 모멘트로 인하여 수평 토션축(23)을 중심으로 약 20KHz에서 공진하게 되므로 60Hz 성분의 톱니파에는 반응하지 않으며, 수직 토션축(25)을 중심으로 60Hz의 톱니파 형태로 구동되게 된다.

그러나, 수직 토션축에 작용하는 모멘트에는 60Hz의 톱니파 성분뿐만 아니라 20kHz의 사인파 성분이 존재하므로, 수직 스캔시 20kHz의 미세한 떨림이 존재한다는 문제점이 있으며, 이러한 모습을 도 2에 도시하였다. 즉, 수직 토션축 및 수평 토션축은 각각 저주파 신호(60Hz) 및 고주파 신호(20KHz)에 의하여 독립적으로 진동하여야 하나, 수직 토션축의 저주파 신호 상에 고주파 신호가 진동에 영향을 주어 미세한 떨림이 발생하게 된다. 도 2에서 살펴보면, 시간에 따른 수직 토션축의 구동 각도(30)는 대략 0.03도 정도 고주파에 의해 떨림이 발생함을 알 수 있다.

이러한 떨림은 주사선이 원하는 위치에 주사되지 못함으로써 해상도를 해치는 주된 원인이 된다. 즉, 수직 스캔시 고주파로 인한 떨림 현상으로 인하여 수평 주사선이 서로 겹치게 되어 고해상도를 구현할 수 없는 문제점이 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 수직 스캔시의 고주파 떨림으로 인하여 주사선이 수직 방향으로 정확한 위치에 스크린에 주사되지 못하고, 서로 겹치거나 과도하게 이격되는 등 불규칙한 수평주사선 간의 간격을 보이게 되어 해상도에 치명적인 악영향을 끼치게 된다.

이러한 고주파 떨림으로 인한 문제를 해결하기 위하여 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)를 회로적으로 구성하는 방법을 생각할 수 있지만, 별도의 전자 부품이 소요되어 생산성을 해치고 생산 단가가 상승하게 되어 바람직한 해결 방안은 아니다.

한편, 고해상도를 갖는 화질을 구현하기 위해서는 미러의 크기가 커지게 되고, 구동각도도 커져야 한다. 예를 들어 HD 급의 화질을 구현하기 위해서는 미러 의 직경이 종래의 1.0 mm에서 1.5 mm 정도로 커져야 되며, 구동각도가 종래의 8° 정도에서 12 ° 정도로 커져야 한다.

하지만, 고속으로 운동할수록, 또한 미러의 직경이 커질수록 동적 변형량이 커지는 문제점이 있다. 광신호가 원하는 위치에 주사되기 위해서는 최대 동적 변형량이 대략 레이져 파장의 1/6 또는 엄격히는 1/10 이하가 되는 것이 바람직하나, 종래의 이러한 구조로는 이러한 요구조건을 만족시킬 수 없다. RGB(Red, Green, Blue) 칼라를 광원으로 사용할 경우에는 최대 동적 변형량은 G 칼라(Green color)의 파장인 450nm 정도의 1/10 수준인 45nm 이하인 것이 좋다.

동적 변형량을 줄이기 위해서는 두께를 두텁게 하여 미러의 강성을 좋게 하는 것이 좋으나 회전관성 모멘트(moment of inertia)가 동시에 증가하게 되어 미러의 구동각도가 작아지는 문제점이 생기므로 바람직한 해결 방안은 아니다.

즉, 구동각도와 미러의 크기, 그리고 동적 변형량은 모두 커플링(coupling)되어 있어서 상호간 영향을 미치므로, 최적의 설계에 대한 연구가 시급한 시점이라 하겠다.

따라서 본 발명은 상술한 본 발명의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 목적은 고주파로 인한 떨림 현상을 제거하여 선명한 화질의 구현이 가능한 스캐너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자체적인 기계적 구조로 인하여 저주파 통과 필터를 제공하여 전자적인 제어가 필요없어서 별도의 부품을 소요하지 않으면서 비교적 간 단한 기계적인 설계 변경만으로 생산성이 높고 추가적인 비용 소모가 거의 없는 스캐너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고주파의 간섭을 효과적으로 배제하여 정밀한 위치 제어가 가능하고, 스캐너에 응용시 주사선간의 수직 이격 거리가 일정하게 유지할 수 있어서 주사선의 상호간 겹침 현상으로 인한 해상도의 저하를 방지할 수 있는 스캐너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 미러, 내부 및 외부 짐벌, 토션 스프링 등의 배면에 리브가 제공되어 미러의 크기가 크고 큰 구동각도를 가지면서도 동적 변형량을 줄일 수 있는 등 설계의 자유도를 향상시켜 고해상도의 화질을 구현하기에 적합한 스캐너를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스캐너는 광원을 외부로 주사하는 미러에 기계적 구조의 메카닉 필터가 구비된다. 즉, 광원을 외부에 주사하는 미러에는 서로 직교하는 2개의 토션축이 내부 및 외부 짐벌에 의하여 연결되어 있으며, 내부 짐벌 및 외부 짐벌 사이에는 연결축이 형성된다. 상기 외부 짐벌은 프레임과 제2 토션축에 의해 연결되어 있으며, 프레임의 외측에는 자기장을 형성하는 영구자석이 제2 토션축과 임의의 각도를 가지며 배치된다.

미러의 제 1토션축에 대한 회전운동은 공진 운동으로서 수평주사에 사용되며 해상도에 따라 차이가 있으나 대략 15kHz이상의 고주파 특성을 가진다. 미러의 제 2토션축에 대한 회전운동은 비공진 운동이며 톱니파 형태의 60Hz 주파수 특성을 가 진다. 미러를 상기 2개의 축으로 구동하기 위해서 상기 외부 짐벌에는 구동코일이 형성되어 있으며, 구동코일에는 고주파 전류와 톱니파 형태의 저주파 전류가 modulation되어 인가된다. 프레임 외곽에 위치한 영구자석에 의한 자력에 의하여 외부짐벌에는 전류에 따른 모멘트가 발생하게 되는데, 모멘트는 제 1 토션축과 제 2토션축 방향으로 분배되어 외부짐벌을 가진하게 된다.

이때 발생된 모멘트는 고주파 성분과 저주파 성분을 동시에 포함한다. 외부짐벌의 제 1토션축 방향의 진동 성분 중 고주파 성분은 미러의 회전고유주파수와 일치하므로 미러는 공진되어 제 1토션축을 중심으로 공진 운동하게 된다. 또한 외부짐벌은 제 2 토션축 방향으로도 회전하게 되는데 이때의 회전 주파수는 톱니파 형태의 저주파 성분이 대부분이나 고주파 성분의 회전성분도 포함하게 된다. 이러한 외부짐벌의 제 2토션축을 중심으로 한 저주파 회전 운동은 상기 연결축을 통해 상기 미러에 전달된다.

따라서 미러는 제 2 토션축을 중심으로 저주파 회전운동을 하게 된다. 한편 외부짐벌의 제 2토션축을 중심으로 한 고주파 회전 운동은 상기 연결축을 통하면서 미러에 잘 전달되지 않게 되는 것이 바람직한데, 이를 위해서는 상기 내부 짐벌과 미러가 연결축을 중심으로 회전하는 고유 진동수를 고주파 진동성분의 1/

이하로 설계하는 것이 좋다.

상기 미러의 배면에는 돌출 형성된 리브가 구비될 수 있는데, 리브는 상기 제1 토션축과 수직인 관계를 이루는 복수개의 수직 리브 및 상기 제1 토션축과 일정한 이격 거리를 가지며, 상기 수직리브와 수직인 관계를 이루는 수평 리브로 구 성될 수 있다. 이때 수평 리브의 위치는 미러의 크기에 따라 다르나 대체로 미러 반경의 70 ~ 90% 사이에 존재하는 것이 미러 동적 변형량을 낮추는 데 유리하다.

상기 내부 짐벌 또는 외부 짐벌의 배면에는 원주 방향으로 돌출 형성된 원주리브를 구비하거나, 방사 방향으로 돌출 형성된 복수의 방사리브가 구비될 수 있다. 또한, 연결축이나 제1, 2 토션축의 배면에는 리브가 별도로 또는 각각 구비될 수 있다.

따라서, 본 스캐너는 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)의 특성을 구비한 기계적인 구조를 제공하고, 미러, 내부 및 외부 짐벌, 연결축, 토션축의 배면에 리브가 각각 또는 별도로 제공되어 미러의 크기가 크고 큰 구동각도를 가지면서도 동적 변형량을 줄일 수 있는 등 설계의 자유도를 향상시켜 고해상도의 화질을 구현하기에 적합하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 스캐너를 도시한 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 스캐너(100)는 중앙에 광원을 반사하는 미러(110)가 구비되며, 그 주변에 내부 짐벌(131)이 미러(110)를 감싸며 형성되어 있다. 내부 짐벌(131)의 형상은 대략 타원의 형태로서, 완전한 원형은 아닌 링 형상을 갖는다. 미러(110)와 내부 짐벌(131)은 그 측면에 형성된 2개의 제1 토션축(121)으로 연결되어 있는데, 제1 토션축(121)이 비틀리면서 내부 짐벌(131)과 미러(110)는 상대적 운동이 가능하다.

내부 짐벌(131)의 주변에는 외부 짐벌(132)이 형성되어 있다. 외부 짐벌(132)은 대략 원반 형상이나 중앙에는 내부 짐벌(131)을 수용할 수 있는 중공이 형성되어 있다. 내부 짐벌(131)과 외부 짐벌(132)은 그 측면에 2개의 연결축(122)으로 연결되어 있다. 연결축(122)이 비틀림 운동을 하면서 내부 짐벌(131)과 외부 짐벌(132)은 상대적인 운동을 한다.

외부 짐벌(132)의 전면에는 구동 코일(133)이 원주 방향을 따라 감겨져 있다. 코일(133)은 후술하는 영구자석(150)이 형성하는 자기장과 상호 작용을 하여 미러의 운동을 발생시키는 역할을 한다.

제1 토션축(121)과 연결축(122)은 서로 수직인 관계를 가지며 배치된다. 즉, 2개의 제1 토션축(121)은 축선상에 나란히 배치되며, 이는 2개의 연결축(122)도 마찬가지이다. 제1 토션축(121)의 축선 방향과 연결축(122)의 축선 방향은 서로 수직하다.

외부 짐벌(132)의 외부에는 프레임((140)이 위치한다. 프레임(140)은 외부 짐벌(132)이 삽입되는 수용공간(141)을 구비하며, 외부 짐벌(132)과 2개의 제2 토션축(123)으로 연결된다.

제2 토션축(123)은 연결축(122)과 동일한 방향으로 형성된다. 제2 토션축(123)은 연결축(122)과 동일 축선상에 위치할 수도 있으며, 동일 축선상은 아니나 평행하게 배치될 수도 있다. 다시 말하면, 제2 토션축(123)은 제1 토션축(121)과 수직인 관계를 이룬다고 할 수 있다.

프레임(140)의 외곽에는 영구자석(150)이 배치된다. 2개의 영구자석(150)은 프레임의 대향측에 각각 배치되어 자기력을 형성하게 된다. 이러한 자기력은 외부 짐벌(132)에 감겨져 있는 코일(133)과의 상호 작용으로 인하여 미러(110) 및 각 짐벌(131, 132)의 상대적 운동을 유발시킨다.

자세히 후술하겠지만, 영구자석(150) 및 코일(133)에 의한 자기력의 작용 방향과 제2 토션축(123)의 축방향은 일정 각도를 이룬다. 자기력은 수직 및 수평으로 미러(122)를 진동시키기 위한 합성된 하나의 모멘트로 미러(110)에 제공할 수 있다. 즉, 이러한 합성 모멘트는 대략 저주파의 형상을 가지며, 이러한 저주파 신호상에 고주파 신호의 형태대로 변조(modulation)된 형태로 나타내게 된다. 이러한 합성 모멘트는 연결축(122)을 통해 고주파 성분이 필터링되어 제거된 후 미러(110)에 전달되게 되므로 미러의 제 2 토션축에 대한 고주파 떨림을 제거할 수 있게 된다.

본 발명의 거동을 동역학적으로 해석하여 설명하기 위하여 도 4를 제시한다. 도 4는 본 발명의 제 2 토션축에 대한 운동을 모델링한 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스캐너(100)는 도 4와 같이 2차 시스템으로 모델링될 수 있다. 여기서 내부 짐벌 및 미러의 회전관성 모멘트를 m₁, 연결축의 회전강성을 k₁, 감쇠를 c₁이라 하고, 외부 짐벌의 회전관성 모멘트를 m₂, 제2 토션축의 회전강성을 k₂, 감쇠를 c₂라고 한다. 이 때, 본 스캐너(100)는 수학식 1과 같이 모델링 될 수 있다.

미러 및 내부짐벌의 움직임을 고찰하기 위하여 그 고유진동수를 Wn이라 하자. 이때 Wn은 미러와 내부짐벌이 연결축을 중심으로 진동할 때의 고유주파수이다. 본 스캐너(100)와 같은 2차 시스템에서 힘 F로 인한 m₂의 진동은 톱니파 형태의 저주파 성분과 사인파 형태의 고주파 성분이 발생하게 된다. 이때 m₁의 진동량 x₁은 m₂의 진동량과 주파수에 의하여 결정되게 된다. 일반적으로 크기가 Ain, 주파수 wd인 진동이 지지대(base)에 인가될 때에 지지대에 연결된 스프링-질량-댐퍼 시스템의 응답특성은 도 5와 같이 알려져 있으며 이때, 주파수비(Frequency ratio) 및 전달도 (transmissibility)는 수학식 2 및 3과 같이 정의한다.

주파수 비 = w_d/w_n

전달도 = A_out / A_in

이때, A_out 는 지지대의 진동에 의한 질량의 진동에 대한 진폭을 나타낸다. 주파수비와 전달도 간의 관계를 도 5에 도시하였다. 도 5에서 x축은 주파수 비이며, y축은 전달도를 로그 스케일(log scale)로 도시한 그림이다.

이에 도시된 바와 같이, 고유주파수와 동일한 외부입력을 부여하였을 경우 (즉, x축이 1인 점)에 가장 큰 진폭을 나타내며, 고유주파수보다 훨씬 낮은 주파수를 가진 진동이 입력되면 전달율은 1에 가까워 지게 된다. 한편, 주파수 비가

보다 클 경우에는 완충영역(6)으로 진입하게 된다. 이때, 완충영역(6)이라 함은 전달도가 1 미만인 영역으로서 지지대의 진폭 A_in 보다 전달되는 A_out 양이 적어지는 영역을 의미한다. 곡선 3은 고무나 실리콘과 같이 낮은 감쇠값을 갖는 경우의 특성 곡선이고, 곡선 4는 고 감쇠값을 갖는 경우의 특성곡선이다. 즉, 감쇠값에 상관없이 주파수비가

보다 크면 완충영역(6)으로 진입하게 되며, 고주파 성분이 필터링되는 영역이라고 말할 수 있다. 다시 말하면, 외부에서 전달되는 고주파 진동에 둔감해 지기 위해서는 시스템의 고유주파수를 외부에서 전달되는 고주파 진동수에 비해 1/

이하가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 작동 및 효과를 설명한다. 도 6은 본 발명에 따른 스캐너에 합성 모멘트가 작용하는 모습을 도시한 사시도이고, 도 7는 시간에 대하여 합성 모멘트를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 스캐너를 시뮬레이션 하기 위하여 모델링한 구성도이고, 도 9 및 10은 각각 시간에 대한 x ₂ , x ₁ 의 변위를 도시한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 외부짐벌(132)에 합성된 모멘트(B)를 가한다. 전술한 바와 같이, 상기 합성 모멘트(B)는 비교적 저주파인 수직 구동신호와 수평 구동신호를 합성하여 변조한 것으로 제1 토션축(121)과 제2 토션축(123) 사이에 임의의 각도를 두고 주어진다. 수직 구동신호가 대략 60Hz 정도이고, 고주파 신호가 대략 20KHz 정도라 가정하여 그 합성 모멘트를 도 7에 도시하였다. 또한, 수학식 1과 같이 모델링되는 본 시스템의 시뮬레이션을 위한 MatLab Simulink 모델은 도 8과 같다.

외부짐벌이 제2 토션축(123)을 중심으로 진동하게 되는 공진주파수를 약 1kHz 정도로 설계하고, 제1 토션축(121)을 중심으로 미러(110)가 진동하는 공진주파수를 약 20KHz 정도로 설계되었다고 가정하자. 외부 짐벌에 가해진 합성모멘트(B)는 직교하는 두 성분으로 분해되어 외부짐벌을 제1 토션축과 제2 토션축 방향으로 가진할 것이다. 외부짐벌의 제1 토션축을 중심으로 한 진동은 60Hz와 20kHz 성분을 모두 포함하는데 이 진동은 미러의 공진주파수 20kHz와 일치하므로 전달율이 매우 커지게 된다. 그러므로 미러(110)는 공진을 하게 되어 제1 토션축을 중심으로 매우 큰 변위를 보이게 되고 사인파 형태의 진동을 하게 된다.

한편, 제2 토션축으로 분해된 합성모멘트는 외부짐벌을 제2 토션축을 중심으로 하여 진동시키게 되는데 이 모멘트 역시 60Hz와 20kHz 성분을 모두 포함하므로 공진주파수가 1kHz로 설계되어 있는 외부짐벌은 20kHz 성분은 미약하게 존재하면서 60Hz 톱니파 형태의 진동성분이 주로 나타나게 된다.

이때, 외부짐벌(220)의 변위(x2)는 도 9에 도시된 바와 같이, 톱니파 형태를 보이지만 고주파 모멘트에 의한 미세한 고주파 진동이 발생된다. 하지만 내부짐벌과 미러가 연결축을 중심으로 진동하는 공진주파수를 20kHz보다 작은 8kHz로 설계하는 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이, 내부짐벌과 미러의 움직임은 고주파 성분이 대부분 필터링되어 그 떨림이 약 1/10로 현격히 줄어 든 것을 시뮬레이션으로 확인할 수 있다. 이는 도 5에서 볼 수 있는 것처럼, 20kHz의 외부짐벌 진동성분은 8kHz의 공진주파수를 가진 내부짐벌과 미러에 잘 전달되지 않기 때문이다. 즉, 내부 짐벌(124)과 연결축의 기계적 구조가 저주파 통과필터(low pass filter) 역할을 수행함으로써, 미러가 제2 토션축을 중심으로 고주파 진동을 하는 것을 차단시킬 수 있는 것이다. 이에 따라, 수평 주사선간의 수직 이격 거리가 일정하여 서로 겹침 현상을 없애서 해상도를 향상시킬 수 있다.

도 11은 본 발명의 변형 실시예를 도시한 것으로서, 스캐너의 배면을 도시한 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 미러(110)의 배면은 수직 리브(210) 및 수평 리브(220)가 형성되어 있다.

다수개의 수직리브(210)는 일정 폭을 가지면서, 상호간 일정 간격만큼 떨어져서 배치된다. 상기 수평리브(220)는 중심축(221)의 중심으로부터 일정 이격거리를 가지며 상기 수직리브(210)와 직교하도록 배치된다. 여기서, 중심축(221)이란, 미러(110)의 중심을 지나며, 제1 토션축(121)의 중앙을 관통하는 가상의 축이다.

수직 리브 및 수평 리브는 실리콘의 배면을 식각하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 복수장의 실리콘을 적층하여, 최하부 실리콘을 식각하여 수직 및 수평 리브를 형성할 수 있다. 이러한 수직 및 수평 리브는 미러의 회전관성 모멘트 를 감소시키는데 도움이 된다.

그러나, 수직 리브만으로는 동적 변형량을 만족시키기 어렵다. 수직 리브는 그 상면이 미러에 연결되며, 식각에 의하여 미러의 두께는 약 20~40㎛ 정도로 감소하므로, 수직리브들을 연결하는 강성이 작기 때문이다. 따라서, 수직 리브를 직교 방향으로 연결하는 수평 리브가 필요하게 되는데, 이 경우 수평 리브를 다수개 형성하여 연결하는 것은 다시 미러의 회전관성 모멘트를 증가시키게 되므로, 원하는 구동각도를 구현할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 수평 리브를 한 개만 구성하고, 수평 리브의 위치를 최적화하여 동적 변형량을 최소화하는 것이 바람직하다. 수평 리브는 상기 중심축으로부터 미러 반경의 70 ~ 90% 정도 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.

이에 도시된 바와 같이, 내부 짐벌(131)의 배면을 일부 식각하여 제1 원주리브(230)를 형성할 수 있다. 상기 제1 원주리브(230)는 내부 짐벌(131)의 원주 방향을 따라 형성되며, 그 위치 및 개수는 내부 짐벌(131)의 배면의 내측 또는 외측에 하나가 형성되거나, 내측과 외측에 각각 하나씩 형성될 수 있다. 본 발명을 변형하여 제1 원주리브(230)를 임의의 위치 및 개수를 갖도록 하는 것이 가능함은 물론이다.

제2 원주리브(240)는 외부 짐벌(132)의 배면을 일부 식각하여 형성되며, 외부 짐벌(132)의 원주 방향을 따라 형성된다. 제1 원주리브(230)와 마찬가지로, 그 위치 및 개수가 변형될 수 있음은 명백하다.

제1 및 제2 원주리브(230, 240)는 복수장의 실리콘을 적층하여, 최하부 실리콘을 식각할 수 있으며, 이러한 원주리브(230, 240)가 내부 짐벌 및 외부 짐벌의 회전관성 모멘트를 감소시키는 등 운동학적 변화를 가능하게 하여, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

이에 도시된 바와 같이, 도 9에서 설명한 제1 원주리브(230) 이외에 내부 짐벌(131)의 배면에 방사 방향으로 형성된 방사 리브(150)가 형성될 수 있다. 복수개의 제1 원주리브(230)를 연결하도록 상기 방사 리브(150)가 복수개 형성될 수 있다. 또한, 하나의 제1 원주리브(230)가 형성되고, 이를 경유하도록 복수개의 방사 리브(150)가 형성될 수 있다.

이러한 방사리브(250)는 외부 짐벌(132)에도 형성될 수 있음은 물론이다. 방사리브(250)는 복수장의 실리콘을 적층하여, 최하부 실리콘을 식각할 수 있으며, 내부 짐벌 및 외부 짐벌의 회전관성 모멘트를 감소시키는 등 운동학적 변화를 가능하게 하여, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 변형 실시예로는 제1, 2 토션축 또는 연결축의 배면에 리브가 각각 또는 별도로 형성될 수 있다. 리브의 형상은 축의 길이 방향을 따라 형성되거나, 축의 너비 방향을 따라 형성될 수 있다.

상기 리브는 본 스캐너의 동역학적 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 제1, 2 토션축 또는 연결축의 배면 중 리브가 형성될 곳을 제외하여 적절히 식각하게 되면 축의 강성을 조절할 수 있어서, 설계 사향을 충족시키기 용이해진다.

따라서, 본 발명에 따르면 외부 입력 중 특정 고주파 성분을 제거하는 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)의 특성을 구비한 기계적인 구조를 제공하는 효과가 있다.

또한, 전자적인 제어가 필요없어서 별도의 부품을 소요하지 않으면서 비교적 간단한 기계적인 설계 변경만으로 저주파 통과 필터를 제공하여 생산성이 높고 추가적인 비용 소모가 거의 없는 외부 입력에 의해 구동되는 효과가 있다.

또한, 고주파의 간섭을 효과적으로 배제하여 고주파로 인한 떨림 현상을 제거할 수 있어서 정밀한 위치 제어가 가능하고, 스캐너에 응용시 주사선간의 수직 이격 거리가 일정하게 유지할 수 있어서 주사선의 상호간 겹침 현상으로 인한 해상도의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 미러, 내부 또는 외부 짐벌의 배면에 리브가 각각 또는 별도로 제공되어 미러의 크기가 크고 큰 구동각도를 가지면서도 동적 변형량을 줄일 수 있는 등 설계의 자유도를 향상시켜 고해상도의 화질을 구현하기에 적합한 효과가 있다.

또한, 제1 또는 제2 토션축, 연결축의 배면에 리브가 각각 또는 별도로 제공되어 강성 조절 등 동역학적 특성을 향상시켜 설계의 편이성을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

광원을 반사하여 외부로 주사(走査)하는 미러;

상기 미러 주위에 형성된 내부 짐벌;

구동 코일을 구비하며, 상기 내부 짐벌 주위에 형성된 외부 짐벌;

상기 외부 짐벌 주위에 형성된 프레임;

상기 미러와 상기 내부 짐벌을 연결하는 제1 토션축;

상기 제1 토션축과 수직 관계를 이루며 상기 내부 짐벌과 상기 외부 짐벌을 연결하는 연결축;

상기 연결축과 평행인 관계를 이루며, 상기 외부 짐벌과 상기 외부 프레임을 연결하는 제2 토션축; 및

자기장을 형성하되, 상기 자기장은 상기 제2 토션축의 축방향과 임의의 각도를 갖는 영구자석;

을 포함하여 상기 자기장 및 상기 구동코일에 의해 발생한 구동력으로 상기 미러를 상기 제1 토션축 및 상기 제2 토션축을 중심으로 진동하되, 상기 제2토션축을 중심으로 한 진동 성분 중 고주파 진동은 상기 연결축을 통해 필터링되어 상기 미러에 전달되는 것을 특징으로 하는 스캐너.
제1항에 있어서,

상기 제1 토션축을 중심으로 진동하는 미러의 고유진동수는 상기 제2 토션축 으로 진동하는 외부짐벌의 고유진동수보다 큰 것을 특징으로 하는 스캐너.
제2항에 있어서,

상기 내부 짐벌의 고유 진동수는 상기 외부짐벌을 제 2토션축으로 가진시키기 위한 상기 외부 입력 진동수 중 필터링 하고자 하는 주파수의 1/
이하인 것을 특징으로 하는 스캐너.
제1항에 있어서,

상기 미러의 배면에는 돌출 형성된 리브가 구비된 것을 특징으로 하는 스캐너.
제 4항에 있어서,

상기 리브는

상기 제1 토션축과 수직인 관계를 이루는 복수개의 수직 리브; 및

상기 제1 토션축과 일정한 이격 거리를 가지며, 상기 수직리브와 수직인 관계를 이루는 수평 리브;

를 포함하는 스캐너.
제 4항에 있어서,

상기 리브는 복수의 기판을 적층한 후 하부 기판을 식각하여 형성한 것을 특 징으로 하는 스캐너.
제 1항에 있어서,

상기 내부 짐벌 또는 외부 짐벌의 배면에는 원주 방향으로 돌출 형성된 원주리브를 구비한 것을 특징으로 하는 스캐너.
제 7항에 있어서,

상기 원주리브는 복수의 기판을 적층한 후 하부 기판을 식각하여 형성한 것을 특징으로 하는 스캐너.
제 1항에 있어서,

상기 내부 짐벌 또는 외부 짐벌의 배면에는 방사 방향으로 돌출 형성된 복수의 방사리브가 구비된 것을 특징으로 하는 스캐너.
제 9항에 있어서,

상기 방사리브는 복수의 기판을 적층한 후 하부 기판을 식각하여 형성한 것을 특징으로 하는 스캐너.
제 1항에 있어서,

상기 제1 토션축, 제2 토션축 또는 연결축 중 적어도 하나의 배면에는 돌출 형성된 리브가 구비된 것을 특징으로 하는 스캐너.