(57)【要約】【課題】ミラーから分離されたアクチュエータを備えたＭＥＭＳスキャナを提供する。【解決手段】固定フレーム１１０と、固定フレームの内側に配され、中心軸の周りを回転振動できるように固定フレームに懸架された１次可動ステージ１２０と、１次可動ステージ１２０の内側に配され、中心軸の周りを回転振動できるように１次可動ステージに懸架された２次可動ステージ１３０と、１次可動ステージを回転振動させる駆動力を提供する電磁気アクチュエータ１４０と、を備えるＭＥＭＳスキャナである。固定フレーム１１０と１次可動ステージ１２０とは、これらの間に配された１次トーションバネ１２２によって相互連結され、１次可動ステージ１２０と２次可動ステージ１３０とは、これらの間に配された２次トーションバネ１３２によって相互連結される。１次可動ステージ１２０は、電磁気アクチュエータ１４０によって直接駆動され、２次可動ステージ１３０は、１次可動ステージ１２０の駆動によって間接的に駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定フレームと、
前記固定フレームの内側に配され、前記固定フレームの中心軸の周りを回転振動できるように前記固定フレームに懸架された１次可動ステージと、
前記１次可動ステージの内側に配され、前記１次可動ステージの前記中心軸の周りを回転振動できるように前記１次可動ステージに懸架された２次可動ステージと、
前記１次可動ステージを回転振動させる駆動力を提供するアクチュエータと、
を備えることを特徴とするＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２】
前記１次可動ステージは、前記アクチュエータによって直接駆動され、前記２次可動ステージは、前記１次可動ステージの駆動によって間接的に駆動されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３】
前記２次可動ステージの上面及び底面には、入射された光を反射する反射面が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項４】
前記固定フレーム、１次可動ステージ、及び２次可動ステージは、一つのシリコン基板に一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項５】
前記固定フレームと前記１次可動ステージとは、これらの間に配された１次トーションバネによって相互連結され、前記１次可動ステージと前記２次可動ステージとは、これらの間に配された２次トーションバネによって相互連結されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項６】
前記１次トーションバネは、前記２次トーションバネに比べて大きい剛性を有することを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項７】
前記１次トーションバネと前記２次トーションバネとは、 前記中心軸上に位置し、前記中心軸に沿って延びた棒状を有することを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項８】
前記１次トーションバネは、前記２次トーションバネに比べて厚い幅を有することを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項９】
前記１次トーションバネは、折りたたみ形状を有することを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１０】
前記１次トーションバネは、前記１次可動ステージの相互対向する二つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられたことを特徴とする請求項９に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１１】
前記１次トーションバネは、前記１次可動ステージの四つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられることを特徴とする請求項９に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、永久磁石と電磁石とを含む電磁気アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１３】
前記永久磁石は、前記１次可動ステージの底面の両側にそれぞれ付着されることを特徴とする請求項１２に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１４】
前記永久磁石は、同じ刺激が同じ方向に向かうように前記１次可動ステージに付着されたことを特徴とする請求項１３に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１５】
前記電磁石は、コアと、前記コアの周りに巻き取られたコイルと、を備え、前記コアの両端部のそれぞれは、前記永久磁石のそれぞれと所定間隔をおいて対向するように配されたことを特徴とする請求項１３に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１６】
前記アクチュエータは、可動コームと固定コームとを備える静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１７】
前記可動コームに垂直方向の静電力が加えられるように、前記固定コームは、前記可動コームとは垂直方向に異なる高さに配されることを特徴とする請求項１６に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１８】
前記アクチュエータは、前記１次可動ステージの両側下方にそれぞれ配されて前記固定コームを支持する固定ステージをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１９】
前記可動コームは、前記１次可動ステージの両側面から水平に突設され、前記固定コームは、前記固定ステージのそれぞれの一側面から水平に突設されて、前記可動コームと交互に配されたことを特徴とする請求項１８に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳスキャナに係り、さらに詳細には、ミラーがアクチュエータから分離されて間接駆動される構造を有するＭＥＭＳスキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ディスプレイ、プリンティング装置、精密測定、精密加工などの多様な技術分野で半導体工程技術によって製造されるＭＥＭＳ（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイスについての研究が活発に進められている。例えば、光源から入射された光を所定の画面領域に対して走査して画像を具現するディスプレイ分野、または所定の画面領域に対して光を走査して反射された光を受光して画像情報を読み込むスキャニング分野では、微小構造の光スキャナが注目されている。
【０００３】
特に、プリンティング技術の発展によって、高速プリンティング、静粛性及び小型軽量化がプリンティング装置の性能向上のために必要になった。このような必要性によって、既存のプリンティング装置のレーザスキャニングユニット（ＬＳＵ：Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に使われるポリゴンミラーとｆ−θ光学系とをＭＥＭＳスキャナとアークサインミラーとに変えることが良い解決法のうちの一つであると知られている。また、このようなＭＥＭＳスキャナは、シリコンを利用した半導体工程技術によって小型に製作可能であり、量産に容易であるので、コスト競争力も備えている。
【０００４】
典型的な電磁気方式のＭＥＭＳスキャナは、一般的に可動コイル方式と可動磁石方式とに区別される。可動コイル方式は、コイルをミラーに付着し、ミラーの外部に磁石を配する構造であって、小型化に適する反面、製造工程が複雑であり、作動時にコイルの熱変形によってミラーが変形されることによって、反射面の高い扁平度が維持し難いという短所がある。可動マグネット方式は、ミラーに磁石を付着し、コイルをミラーの外部に配する構造であって、製造工程が比較的簡単である反面、作動部位の質量が大きくなって、小型化に不利であり、質量偏心及び応力集中が生じるという短所がある。
【特許文献１】特開平１０−１２３４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ミラーがアクチュエータから分離されて間接駆動される構造を有するＭＥＭＳスキャナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナは、固定フレームと、前記固定フレームの内側に配され、前記固定フレームの中心軸の周りを回転振動できるように前記固定フレームに懸架された１次可動ステージと、前記１次可動ステージの内側に配され、前記１次可動ステージの前記中心軸の周りを回転振動できるように前記１次可動ステージに懸架された２次可動ステージと、前記１次可動ステージを回転振動させる駆動力を提供するアクチュエータと、を備える。
【０００７】
前記１次可動ステージは、前記アクチュエータによって直接駆動され、前記２次可動ステージは、前記１次可動ステージの駆動によって間接的に駆動される。
【０００８】
前記２次可動ステージの上面及び底面には、入射された光を反射する反射面が設けられる。
【０００９】
前記固定フレーム、１次可動ステージ、及び２次可動ステージは、一つのシリコン基板に一体に形成される。
【００１０】
前記固定フレームと前記１次可動ステージとは、これらの間に配された１次トーションバネによって相互連結され、前記１次可動ステージと前記２次可動ステージとは、これらの間に配された２次トーションバネによって相互連結される。そして、前記１次トーションバネは、前記２次トーションバネに比べて大きい剛性を有しうる。
【００１１】
前記１次トーションバネと前記２次トーションバネとは、前記中心軸上に位置し、前記中心軸に沿って延びた棒状を有し、前記１次トーションバネは、前記２次トーションバネに比べて厚い幅を有しうる。
【００１２】
前記１次トーションバネは、折りたたみ形状を有しうる。この場合、前記１次トーションバネは、前記１次可動ステージの相互対向する二つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられるか、または前記１次可動ステージの四つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられる。
【００１３】
前記アクチュエータは、永久磁石と電磁石とを含む電磁気アクチュエータでありうる。
【００１４】
前記永久磁石は、前記１次可動ステージの底面の両側にそれぞれ付着される。この場合、前記永久磁石は、同じ刺激が同じ方向に向かうように前記１次可動ステージに付着される。
【００１５】
前記電磁石は、コアと、前記コアの周りに巻き取られたコイルと、を備え、前記コアの両端部のそれぞれは、前記永久磁石のそれぞれと所定間隔をおいて対向するように配される。
【００１６】
本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナにおいて、前記アクチュエータは、可動コームと固定コームとを備える静電アクチュエータでありうる。この場合、前記可動コームに垂直方向の静電力が加えられるように、前記固定コームは、前記可動コームとは垂直方向に異なる高さに配される。
【００１７】
前記アクチュエータは、前記１次可動ステージの両側下方にそれぞれ配されて、前記固定コームを支持する固定ステージをさらに備えうる。
【００１８】
前記可動コームは、前記１次可動ステージの両側面から水平に突設され、前記固定コームは、前記固定ステージのそれぞれの一側面から水平に突設されて、前記可動コームと交互に配される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態によるＭＥＭＳスキャナは、ミラーがアクチュエータから分離されて間接駆動される構造を有し、これにより、反射面を有する２次可動ステージには、コイルや磁石が付着されないので、２次可動ステージの質量が最少化されて、ＭＥＭＳスキャナの構造に対する信頼性が向上するだけでなく、２次可動ステージの最大回転角度も増大しうる。
【００２０】
また、２次可動ステージの上面だけでなく、底面にもミラーが設けられるので、レーザスキャニングユニットに使用されるスキャナの数が半分に減少して、レーザスキャニングユニットのサイズが小さくなり、製造コストも低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態によるＭＥＭＳスキャナを詳細に説明する。図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を表す。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナを示す斜視図であり、図２は、図１に示されたＡ−Ａ’線によるＭＥＭＳスキャナの断面図である。
【００２３】
図１及び図２を共に参照すれば、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナは、固定フレーム１１０と、１次可動ステージ１２０と、２次可動ステージ１３０と、電磁気アクチュエータ１４０と、を備える。固定フレーム１１０、１次可動ステージ１２０、及び２次可動ステージ１３０は、一つのシリコン基板に一体に形成される。
【００２４】
前記固定フレーム１１０は、所定厚さの板状であり、その内側に前記１次可動ステージ１２０が配される。前記１次可動ステージ１２０は、前記固定フレーム１１０の中心軸Ｃの周りを所定角度で回転振動できるように前記固定フレーム１１０に懸架される。このために、前記固定フレーム１１０と１次可動ステージ１２０とは、これらの間に配された１次トーションバネ１２２によって相互連結される。前記１次トーションバネ１２２は、前記中心軸Ｃ上に位置し、前記中心軸Ｃに沿って延びた棒状を有しうる。
【００２５】
前記２次可動ステージ１３０は、前記１次可動ステージ１２０の内側に配され、前記中心軸Ｃの周りを所定角度で回転振動できるように前記１次可動ステージ１２０に懸架される。このために、前記１次可動ステージ１２０と２次可動ステージ１３０とは、これらの間に配された２次トーションバネ１３２によって相互連結される。前記２次トーションバネ１３２は、前記中心軸Ｃ上に位置し、前記中心軸Ｃに沿って延びた棒状を有しうる。また、１次トーションバネ１２２は、前記２次トーションバネ１３２に比べて厚い幅を有する。
【００２６】
前記２次可動ステージ１３０の上面には、入射された光を反射する反射面１３５、すなわち、ミラーが設けられ、また、後述するように、２次可動ステージ１３０の底面にも反射面１３５が設けられる。
【００２７】
前記の固定フレーム１１０、１次可動ステージ１２０、２次可動ステージ１３０、１次トーションバネ１２２及び２次トーションバネ１３２は、一つのシリコンウェーハに一体に形成され、これにより、製造工程が単純化される。
【００２８】
前記電磁気アクチュエータ１４０は、前記１次可動ステージ１２０を回転振動させる機能を行うものであって、永久磁石１４１,１４２と電磁石１４４とを備えうる。前記永久磁石１４１,１４２は、前記１次可動ステージ１２０の底面の両側にそれぞれ付着される。前記永久磁石１４１,１４２は、同じ刺激、例えば、Ｓ極が同じ方向、例えば、下方に向かうように１次可動ステージ１２０に付着される。前記電磁石１４４は、コア１４５と、前記コア１４５の中間部の周りに巻回されたコイル１４６とを備えうる。前記コア１４５の両端部１４５ａ,１４５ｂのそれぞれは、前記永久磁石１４１,１４２のそれぞれと所定間隔をおいて対向するように配される。
【００２９】
前記の構成を有する電磁気アクチュエータ１４０において、前記コイル１４６に電源１４７から所定周波数の交流電圧を印加すれば、電流の方向によって、前記コア１４５の両端部１４５ａ,１４５ｂの極性も変わる。これにより、永久磁石１４１,１４２とコア１４５の両端部１４５ａ,１４５ｂとの間に形成される相互引力または斥力によって、前記１次可動ステージ１２０は、中心軸Ｃの周りを所定周波数で回転振動する。前記１次可動ステージ１２０の回転振動は、後述するように、１次可動ステージ１２０に懸架された２次可動ステージ１３０の回転振動を誘発する。すなわち、前記電磁気アクチュエータ１４０によって１次可動ステージ１２０が直接駆動され、反射面１３５を有する２次駆動ステージ１３０は、１次駆動ステージ１２０の回転振動によって間接的に回転振動する。
【００３０】
前記のように、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナにおいて、反射面１３５を有する２次可動ステージ１３０には、コイルや磁石が付着されないので、２次可動ステージ１３０の質量が最少化される。これにより、２次可動ステージ１３０を支持する２次トーションバネ１３２のサイズを縮小し、これに印加される応力も減少されて、構造に対する信頼性が向上できるだけでなく、２次可動ステージ１３０の最大回転角度も増大しうる。
【００３１】
前記１次可動ステージ１２０には、前記のように、永久磁石１４１,１４２が付着される。したがって、前記１次可動ステージ１２０を支持する１次トーションバネ１２２は、永久磁石１４１,１４２の付着時に破損を防止し、外部衝撃に対して堅固になるように、１次可動ステージ１２０の回転剛性に比べて十分に大きい剛性を有しうる。そして、１次可動ステージ１２０を支持する１次トーションバネ１２２は、２次トーションバネ１３２に比べて大きい剛性を有しうる。具体的に、前記２次トーションバネ１３２に比べて１次トーションバネ１２２の幅がより厚く、これにより、２次トーションバネ１３２に比べて１次トーションバネ１２２の共振周波数が高まる。
【００３２】
そして、前記２次可動ステージ１３０には、コイルや磁石が付着されないので、その上面だけでなく、底面にも反射面１３５、すなわち、ミラーが設けられる。これにより、レーザスキャニングユニットに使われるスキャナの数が半分に減るので、レーザスキャニングユニットのサイズが縮小し、製造コストも低減される。
【００３３】
図３は、図１に示されたＭＥＭＳスキャナの１次可動ステージと２次可動ステージとの振動に対する相似システムを示す図面である。
【００３４】
図３に示したように、図１に示されたＭＥＭＳスキャナは、自由度（ＤＯＦ：Ｄｅｇｒｅｅ Ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）が２である動的モデルに相似される。具体的に、可動要素である１次可動ステージ１２０と２次可動ステージ１３０とは、それぞれ質量ｍ１とｍ２とにモデリングされ、それぞれの回転変位は、ｘ１とｘ２とで表せる。そして、１次トーションバネ１２２と２次トーションバネ１３２とは、それぞれ回転剛性ｋ１とｋ２とにモデリングされる。一方、１次可動ステージ１２０と２次可動ステージ１３０とに関連されたダンピング要素は、微弱であるので、考慮しない。
【００３５】
図３を参照すれば、質量ｍ１に該当する１次可動ステージに外力Ｆが加えられれば、１次可動ステージは、ｘ１の変位を起こす。そして、１次可動ステージの変位ｘ１に２次トーションバネの回転剛性ｋ２が積算された値が、質量ｍ２に該当する２次可動ステージに加振力として作用する。このとき、１次可動ステージを、電磁気アクチュエータを通じて２次可動ステージの共振周波数で加振すれば、反射面を有する２次可動ステージが共振を起こして最大変位ｘ２を表す。
【００３６】
図４は、本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナを示す斜視図であり、図５は、図４に示されたＢ−Ｂ’線によるＭＥＭＳスキャナの断面図である。
【００３７】
図４及び図５を共に参照すれば、本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナは、固定フレーム１１０と、１次可動ステージ１２０と、２次可動ステージ１３０と、静電アクチュエータ２４０と、を備える。
【００３８】
前記１次可動ステージ１２０は、前記固定フレーム１１０の内側に配され、中心軸Ｃの周りを所定角度に回転振動できるように１次トーションバネ１２２によって前記固定フレーム１１０に懸架される。前記２次可動ステージ１３０は、前記１次可動ステージ１２０の内側に配され、前記中心軸Ｃの周りを所定角度に回転振動できるように２次トーションバネ１３２によって前記１次可動ステージ１２０に懸架される。前記２次可動ステージ１３０の上面及び底面には、入射された光を反射する反射面１３５、すなわち、ミラーが設けられる。前記固定フレーム１１０、１次可動ステージ１２０、１次トーションバネ１２２、２次可動ステージ１３０及び２次トーションバネ１３２は、図１に示された一実施形態によるＭＥＭＳスキャナと同じであるので、これらについての詳細な説明は省略する。
【００３９】
前記静電アクチュエータ２４０は、前記１次可動ステージ１２０を回転振動させる機能を行うものであって、１次可動ステージ１２０に設けられた可動コーム２４２と固定ステージ２４６に形成された固定コーム２４４と、を備えうる。前記可動コーム２４２は、前記１次可動ステージ１２０の両側面から水平に突設される。前記固定ステージ２４６は、１次可動ステージ１２０の両側下方にそれぞれ配され、前記固定コーム２４４は、前記固定ステージ２４６のそれぞれの一側面から水平に突設されて、前記可動コーム２４２と交差するように配される。前記固定コーム２４４は、可動コーム２４２とは異なる高さに配され、これにより、可動コーム２４２には、垂直方向の静電力が加えられる。
【００４０】
前記の構成を有する静電アクチュエータ２４０において、前記可動コーム２４２と固定コーム２４４とに印加される電圧差によって可動コーム２４２に垂直方向の静電力が印加され、この静電力の方向によって、前記１次可動ステージ１２０は、中心軸Ｃの周りを回転振動しうる。前記１次可動ステージ１２０の回転振動は、１次可動ステージ１２０に懸架された２次可動ステージ１３０の回転振動を誘発する。すなわち、前記静電アクチュエータ２４０によって１次可動ステージ１２０が直接駆動され、反射面１３５を有する２次駆動ステージ１３０は、１次駆動ステージ１２０の回転振動によって間接的に駆動される。
【００４１】
図６及び図７は、図１に示された本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナの変形例を示す平面図であり、図８は、図４に示された本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナの変形例を示す平面図である。
【００４２】
図６及び図７を参照すれば、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナにおいて、前記固定フレーム１１０と１次可動ステージ１２０とを連結する１次トーションバネ１２４は、折りたたみ形状を有しうる。前記１次トーションバネ１２４は、図６に示したように、１次可動ステージ１２０の相互対向する二つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられてもよく、図７に示したように、１次可動ステージ１２０の四つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられてもよい。
【００４３】
図８を参照すれば、本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナにおいても、前記固定フレーム１１０と１次可動ステージ１２０とを連結する１次トーションバネ１２４は、折りたたみ形状を有しうる。前記１次トーションバネ１２４は、１次可動ステージ１２０の四つのエッジのそれぞれに２個ずつ設けられてもよく、１次可動ステージ１２０の相互対向する二つのエッジにのみそれぞれ２個ずつ設けられてもよい。そして、図８に示したように、１次可動ステージ１２０の四つのエッジのそれぞれに１次トーションバネ１２４が２個ずつ設けられた場合、前記静電アクチュエータ２４０の可動コーム２４２は、二つの１次トーションバネ１２４の間に配される。
【００４４】
前記のように、１次トーションバネ１２４が折りたたみ形状を有すれば、１次可動ステージ１２０をさらに安定的で堅固に支持できるので、構造的な信頼性が高まる。
【００４５】
本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、ＭＥＭＳスキャナ関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナを示す斜視図である。
【図２】図１に示されたＡ−Ａ’線によるＭＥＭＳスキャナの断面図である。
【図３】図１に示されたＭＥＭＳスキャナの１次可動ステージと２次可動ステージとの振動に対する相似システムを示す図面である。
【図４】本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナを示す斜視図である。
【図５】図４に示されたＢ−Ｂ’線によるＭＥＭＳスキャナの断面図である。
【図６】図１に示された本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナの変形例を示す平面図である。
【図７】図１に示された本発明の一実施形態によるＭＥＭＳスキャナの変形例を示す平面図である。
【図８】図４に示された本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳスキャナの変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１１０    固定フレーム
１２０    １次可動ステージ
１２２    １次トーションバネ
１３０    ２次可動ステージ
１３２    ２次トーションバネ
１３５    反射面
１４０    電磁気アクチュエータ
１４１，１４２    永久磁石
１４４    電磁石
１４５ａ，１４５ｂ    両端部
１４６    コイル
１４７    電源
Ｃ    中心軸
【図１】
2009104102.tif 000003
【図２】
2009104102.tif 000004
【図３】
2009104102.tif 000005
【図４】
2009104102.tif 000006
【図５】
2009104102.tif 000007
【図６】
2009104102.tif 000008
【図７】
2009104102.tif 000009
【図８】
2009104102.tif 000010