KR100400858B1 - 광축 방향 가변형 광 검출장치 - Google Patents

Abstract

실리콘 기판(2)에 가동판(5)과 토션바(6)를 일체로 형성한다. 가동판(5)의 주연부에 평면코일(7)을 마련하여 중앙부에는 포토다이오드(8)를 마련한다. 가동판(5)의 주연부의 상하에 영구자석(10A,10B,11A,11B)을 배치하고 가동판(5)의 하측에 가동판(5)의 변위각을 검출하는 검출코일(12A,12B)을 마련한다. 평면코일(7)에 전류를 흐르게 하면, 영구자석(10A,10B,11A,11B)에 의한 자계와의 관계로 힘이 발생하여 가동판(5)은 토션바(6)를 축에 의해 회전하여, 포토다이오드(8)의 광축방향이 변화한다. 이 광축방향의 변위각은, 평면코일(7)과 검출코일(12A,12B)사이의 상호 인덕턴스의 변화, 즉 검출코일(12A,12B)의 유도전압의 변화로 검출할 수 있다.

Description

광축방향 가변형 광검출장치

[기술분야]

본 발명은, 도로, 공항 등 비교적 큰 대상을 감시하는데 아주 적합한 광검출장치에 관한 것이다.

[배경기술]

이와 같은 종류의 장치로서는, ① 광검출장치를 모터로써 회전시키는 방법, 또는 ② 다수의 광검출소자를 각 소자의 광축방향을 상대적으로 넓혀서 배치하는 방법이 고려될 수 있다.

그러나, 상기 ①의 방법은, 장치가 대형이고 고속조작이 안되며, 비용의 면에서도 실용적인 것이 못된다고 하는 문제가 있다. 또 상기 ②의 방법은, 각 소자의 특성의 비동질성을 보정해야할 문제가 있다.

본 발명은, 이와 같은 상황하에서 행해진 것이며, 소형으로 고속주사(scanning)를 할 수 있어, 다량생산에 의한 가격인하가 가능하여, 각 소자의 특성의 비동질성을 보정할 필요가 없는 광검출장치를 제공함을 목적으로 한 것이다.

[발명의 개시]

(1) 이 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 광축방향 가변형 광검출장치를, 반도체 기판에 일체로 형성하고, 가동판과 이 가동판을 상기 반도체 기판에 대해 요동이 자유롭게 축을 지지하는 토션바와, 상기 가동판의 주연부에 마련한 구동코일과, 이 구동코일에 정자계를 인가하는 자계 발생수단과, 상기 가동판에 형성시킨 광검출소자를 구비하고, 상기 구동코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 힘에 의해 상기 가동판을 구동시켜 상기 광검출소자의 광축방향이 가변하도록 구성하였다.

(2) 광축의 변위각을 검출하기 위하여, 상기 (1) 구성의 구동코일과 전자 결합하는 검출코일을 마련한 구성으로 하였다.

(3) 상기 (1) 가동판의 광검출소자를 1차원으로 가동시키기 위해, 가동판은 단 1개로서 구성시켰다.

(4) 상기 (1)의 가동판의 내측을 2중으로 함으로써 가동판의 광검출소자를 2차원으로 작동할 수 있도록 한 것이며, 반도체 기판에 일체로 형성한, 외측 가동판과 이 외측 가동판을 상기 반도체 기판에 대해 요동이 자유롭게 축을 지지하는 제1의 토션바와 상기 외측 가동체의 내측에 있는 내측 가동판과, 이 내측 가동판을 상기 외측 가동판에 대해 요동이 자유롭게 축을 지지하는 상기 제1의 토션바와 축방향이 직교(直交)하는 제2의 토션바를 구비하여 상기 외측 가동판의 주연부에 마련한 제1의 구동코일과, 상기 내측 가동판의 주연부에 마련한 제2의 구동코일과, 상기 제1의 구동코일에 정자계를 인가하는 제1의 자계 발생수단과, 상기 제2의 구동코일에 정자계를 인가하는 제2의 자계 발생수단과, 상기 내측 가동판에 형성시킨 광검출소자를 구비하여, 상기 제1의 구동코일, 제2의 구동코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 힘에 의해 상기 외측 가동판, 내측 가동판을 구동하여 상기 광검출소자의 광축방향을 가변할 수 있도록 구성하였다.

(5) 광축의 변위각을 검출하기 위해, 상기 (4)의 구성의 제1의 구동코일, 제2의 구동코일과 각각 전자결합하는 제1의 검출코일, 제2의 검출코일을 마련하여 구성시키고 있다.

[도면의 간단한 설명]

도1 은 실시예 1의 구성도.

도 2는 도 1의 A-A 단면도.

도 3은 실시예 1의 동작설명도.

도 4는 실시예 1에서 가동판의 변위각 검출의 설명도.

도 5는 실시예 2의 구성도.

도 6은 실시예 3의 구성도.

도 7은 도 6의 B-B 단면도.

도 8은 도 6의 C-C 단면도.

도 9는 포토다이오드를 이용한 예의 블록도.

도 10은 도 9의 장치의 동작을 나타내는 흐름도.

도 11은 라인센서를 사용한 예의 블록도.

도 12는 에어리어센서(area senser)를 사용한 예의 블록도.

[실시예]

이하 본 발명을 실시예에 따라 설명한다.

[실시예 1]

도 1, 도 2는 실시예 1인 "광축방향 가변형 광검출장치"의 구성을 나타낸 도면이다.

본 실시예는 후기의 실시예 2, 실시예 3과 같이, 검류계(갈바노미터)와 같은 원리로 동작하는 것이다. 또한, 도 1, 도 2에서는 알기 쉽도록 하기 위해 크기를 확대하여 나타내고 있다. 후술하는 도 3, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8도 또한 확대 표시하고 있다.

도 1과 도 2에서, 광축방향 가변형 광검출장치(1)는, 반도체 기판인 실리콘기판(2)의 상하면에 각각 예컨대 붕규산(硼硅酸)유리 등으로 된 상측 및 하측 절연기판으로서의 평판상의 상측 및 하측 유리기판(3,4)을 접합시킨 3층 구조로 되어 있다. 상기 상측 유리기판(3)은 후기하는 가동판(5)의 윗부분이 개방되도록 실리콘기판(2)의 좌우단(도 1 참조)에 적층되어 있다.

상기 실리콘기판(2)에는 평판상의 가동판(5)과 이 가동판(5)의 중심위치에서 실리콘기판(2)에 대하여 기판 상하 방향에 요동가능하게 가동판(5)을 축으로 지지하는 토션바(6)가 반도체 제조공정에 있어서 이방성 에칭(etching)에 의해 일체로 형성되어 있다. 따라서, 가동판(5)과 토션바(6)도 실리콘기판(2)과 같은 재료로 되어 있다. 상기 가동판(5)의 상면 주연부에는 가동판(5)구동용의 구동전류와 이 구동전류에 중첩하는 변위각 검출용의 검출용 전류를 흘리기 위한 동박막으로 된 평면코일(7)이 절연피막으로 덮여져 마련되어 있다. 상기 검출용 전류는 하측 유리기판(4)에 후기하는 바와 같이 마련된 검출코일(12A,12B)과의 상호 인덕턴스에 의하여 가동판(5)의 변위를 검출하기 위한 것이다.

여기서, 코일은 저항분에 의하여 쥴 열 손실이 있어, 저항이 큰 박막코일을 평면코일(7)로써 고밀도로 실장하면 발열에 의해 구동력이 제한되기 때문에 본 실시예에서는 공지의 전해도금에 의한 전기주조 코일법에 의해 상기 평면코일(7)을 형성시키고 있다. 전기주조 코일법은 기판상에 스퍼터링(sputtering)하여 얇은 니켈층을 형성하여 이 니켈층 위에 동전해도금을 행하여 동층을 형성하고 코일에 상당하는 부분을 제외한 동층 및 니켈층을 제거함으로써 동층과 니켈층으로 된 박막의 평면코일을 형성한 것이고, 박막코일을 저 저항으로써 고밀도로 실장할 수 있는 특징이 있어, 마이크로 자기장치의 소형화·박형화에 유효한 것이다.

또, 가동판(5)의 평면코일(7)로써 둘러싸인 상면 중앙부에는 광검출소자인 pn포토다이오드(8)가 공지의 수법으로 형성되어 있다. 더하여 실리콘기판(2)의 토션바(6)의 측방 상면에는 평면코일(7)과 토션바(6)의 부분을 통해서 전기적으로 접속하는 한쌍의 전극단자(9,9)가 마련되어 있어, 이 전극단자(9,9)는 실리콘기판(2)에 전기주조 코일법에 의한 평면코일(7)과 동시에 형성된다.

상측 및 하측 유리기판(3,4)의 좌우측(도 1 참조)에는, 상기 토션바(6)의 축방향과 평행인 가동판(5)의 대변의 평면코일(7) 부분에 자계를 적용시킨다. 서로 쌍을 이룬 원판상의 영구자석(10A,10B와 11A,11B)이 마련되어 있다. 상하측에서 서로 쌍을 이루는 각 3개의 영구자석(10A,10B)은 상하의 극성이 동일하도록, 예컨대 도 2에서와 같이, 하측이 N극, 상측이 S극이 되도록 구성되어 있다. 또, 다른쪽의 각 3개씩의 영구자석(11A,11B)도 상하의 극성이 동일하도록, 예컨대 도 2에서와 같이 하측이 S극, 상측이 N극이 되도록 구성되어 있다. 그리하여 상측 유리기판(3)측의 영구자석(10A와 11A) 및 하측 유리기판(4)측의 영구자석(10B와 11B)은, 도 2에서 알 수 있듯이, 상하측의 극성이 서로 반대가 되도록 구성된다.

또, 상기한 바와 같이 하측 유리기판(4)의 하면에는 평면코일(7)과 전자결합이 가능하게 배치되어 각 단부가 각각 쌍을 이룬 전극단자(13,14)에 전기적으로 접속된 한쌍의 코일(12A,12B)이 나란히 마련되어 있다(또한 도 1에서는 모식적으로 1개의 파선으로 나타내었으나 실제는 복수선으로 권회되어 있다). 검출코일(12A,12B)은 토션바(6)에 대해 대칭위치로 배치되어 가동판(5)의 변위각을 검출하는 것이고, 평면코일(7)에 구동전류를 중첩시켜 흐르게 하는 검출용 전류에 의한 평면코일(7)과 검출코일(12A,12B)과의 상호 인덕턴스가 가동판(5)의 각도 변위에 의해 한 쪽이 접근하여 증가하고 다른 쪽은 이간하여 감소하도록 변화하므로, 예컨대 상호 인덕턴스에 의해 출력되는 전압신호의 변화를 차동검출함으로써 가동판(5)의 변위각을 검출할 수 있다.

다음은 동작에 대해 설명한다.

예컨대, 한 쪽의 전극단자(9)를 +극, 다른 쪽의 전극단자(9)를 -극으로 하여 평면코일(7)에 전류를 흘린다. 가동판(5)의 양측에서는 영구자석(10A,10B), 영구자석(11A,11B)에 의해 도 3의 화살표 B로 나타낸 바와 같이 가동판(5)의 평면을 따라서 평면코일(7)을 가로지르는 방향으로 자계가 형성하도록 되어 있어, 이 자계중의 평면코일(7)에 전류가 흐르면, 평면코일(7)의 전류밀도와 자속밀도에 따라서 평면코일(7), 바꾸어 말하면 가동판(5)의 양단에 전류·자속밀도·플래밍의 왼손법칙(Fleming's lefthand rule)에 따른 힘의 방향(도 3의 화살표 F로 표시함)으로 힘(F)이 작용하며 이 힘은 로렌츠(Lorentz)힘으로부터 구할 수 있다.

이 힘 F는 평면코일(7)에 흐르는 전류밀도를 i, 상하 영구자석에 의한 자속밀도를 B라고 하면 하기의 (1)식에서 구할 수 있다.

F=i×B ……… (1)

실제로는 평면코일(7)의 권수 n과 힘 F가 작용하는 코일 길이 w(도 3에 나타냄)에 따라 다르게 되어 하기의 (2)식과 같이 된다.

F=nw(i×B) ……… (2)

한편, 가동판(5)이 회전운동함으로써 토션바(6)가 비틀림되어, 이로 인해 발생하는 토션바(6)의 스프링 반발력 F'와 가동판(5)의 변위각 ø의 관계는 하기의 (3)식과 같이 된다.

ø=(M×/GIp)=F'(L/8.5×10⁹r⁴)×1₁……… (3)

여기서 Mx는 되돌림 모멘트, G는 가로 탄성계수, Ip는 극단면 2차모멘트이다. 또, L, 1₁, r은 각각 토션바의 중심 축에서 역점(力點)까지의 거리, 토션바의 길이, 토션바의 반경이고, 도 3에서 나타내고 있다.

그리하여 상기 힘 F와 스프링 반발력 F'는 균형이 맞는 위치까지 가동판(5)이 회전한다. 따라서 (3)식의 F'에 (2)식의 F를 대입함으로써, 가동판의 변위각 ø는 평면코일(7)에 흐르는 전류 i에 비례함을 알 수 있다.

따라서 평면코일(7)에 흐르는 전류를 제어함으로써 가동판(5)의 변위각 ø를 제어할 수 있기 때문에 예컨대, 토션바(6)의 축에 대해 수직의 면내부에서 광검출소자(8)의 광축방향을 자유롭게 제어할 수 있어, 연속적으로 그 변위각을 변화시키면 감시 대상을 1차원으로 주사(scanning)할 수 있다.

이 광검출소자(8)의 광축의 변위각 ø를 제어하는 경우, 평면코일(7)에 구동전류와 중첩하여 구동전류 주파수에 비해 적어도 100배 이상의 주파수로서 변위각 검출용의 검출용 전류를 흘린다. 그러면 이 검출용 전류에 의하여 평면코일(7)과 하측 유리기판(5)에 마련한 검출코일(12A,12B)사이의 상호 인덕턴스에 의한 유도전압이 각각의 검출코일(12A,12B)에 발생한다. 검출코일(12A,12B)에 발생하는 각 유도전압은 가동판(5), 다시 말하면, 광검출소자(8)가 수평위치에 있을 때에는 검출코일(12A,12B)과 대응하는 평면코일(7)과의 거리가 동일하기 때문에 그 차이는 0이 된다. 가동판(5)이 상기의 구동력으로 토션바(6)를 지지축으로 하여 회전하면, 한 쪽의 검출코일(12A)(또는 12B)에 접근하여 상호 인덕턴스의 증가에 의해 유도전압은 증가하고, 다른 쪽의 검출코일(12B)(또는 12A)에서는 격리되어 상호 인덕턴스는 감소하고 유도전압은 낮아진다. 따라서 검출코일(12A,12B)에 발생한 유도전압은 광검출소자(8)의 변위에 따라 변화하고 이 유도전압을 검출하므로써 광검출소자(8)의 광축변위각 ø을 검출할 수가 있다.

그리하여 예컨대 도 4에서와 같이, 검출코일(12A,12B) 이외에 2개의 저항으로 마련하여 구성시킨 브리지 회로에 전원을 접속하여 검출코일(12A)과 검출코일(12B)과의 중간점과 2개의 저항의 중간점과의 전압을 입력시키는 차동증폭기를 마련하여 구성시킨 회로를 사용하여 상기 양중간점의 전압차에 따른 차동증폭기의 출력을 가동판(5)의 구동계로 귀환(feedback)시켜, 구동전류를 제어하도록 하면 광검출소자(8)의 광축변위각 ø를 정밀하게 잘 제어할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 실시예에서는 광검출소자를 포함한 가동부를 소형, 경량으로 할 수 있어, 광검출소자의 광축방향을 고속으로 가변할 수 있고, 감시 대상을 고속주사(scan)할 수 있다. 또 중요 구성부인 가동판, 토션바, 포토다이오드를 동일 반도체 기판에서 반도체 소자 제조공정을 이용하여 형성할 수 있어, 대량생산에 의한 가격인하가 기대된다. 또 1개의 포토다이오드로써 감시 대상을 주사할 수 있어 각 소자 특성의 불균형을 보정할 필요도 없어진다.

[실시예 2]

도 5는 실시예 2인 "광축방향 가변형 광검출장치"의 구성을 나타낸 도면이다.

상기한 실시예 1은 광축방향을 1차원으로 진동하는 것이나, 이 본 실시예는 2차원으로 진동할 수 있도록 토션바를 서로 직교시켜 2개를 마련한 2축의 광검출장치의 예이다. 또 실시예 1과 동일한 요소는 동일부호를 붙이며 설명은 생략한다.

도 5에서, 본 실시예의 광축방향 가변형 광검출장치(21)는 반도체 기판인 실리콘 기판(2)의 상하면에 각각 붕규산유리 등으로 된 상측 및 하측 절연기판으로서의 상측 및 하측 유리기판(3,4)을 화살표 방향으로 겹쳐 접합시켜 3층구조로 한다. 상측 및 하측 유리기판(3,4)은 도시한 바와 같이, 각각 중앙부에 에컨대 초음파가공에 의해 형성시킨 4각 형상의 요부(凹部)(3A,4A)를 마련한 구조이고, 실리콘 기판(2)에 접합할 경우 상측 유리기판(3)에서는 요부(3A)를 하측으로 하여 실리콘 기판(2)측에 위치하도록 접합하고, 하측 유리기판(4)에는 요부(4A)를 상측으로 하여 동일하게 실리콘 기판(2)측에 위치하도록 접합한다. 이와 같이 하여 후술하는 광검출소자(8)를 마련한 가동판(5)의 요동공간을 확보함과 동시에 밀폐되도록 구성되어 있다.

상기 실리콘 기판(2)에는 프레임 형태로 형성된 외측 가동판(5A)과 이 외측 가동판(5A)의 내측에 축으로 지지된 내측 가동판(5B)으로써 된 평판상의 가동판(5)이 마련되어 있다. 상기 외측 가동판(5A)은 제1의 토션바(6A), 6A에 의하여 실리콘 기판(2)에 축지지되어 상기 내측 가동판(5B)은 상기 제1의 토션바(6A), 6A와 축방향이 직교하는 제2의 토션바(6B), 6B로써 외측 가동판(5A)의 내측에 축으로 지지되어 있다, 가동판(5A,5B)과 제1 및 제2의 각 토션바(6A,6B)는 실리콘 기판(2)에 이방성 에칭에 의해 일체로 형성되어 있고 실리콘 기판(2)과 동일재료로 되어 있다.

또 외측 가동판(5A)의 윗면에는 실리콘 기판(2) 윗면에 형성한 한 쌍의 외측 전극단자(9A), 9A에는 한 쪽에 있는 제1의 토션바(6A)의 부분을 통하여 양단이 각각 전기적으로 접속한 평면코일(7A)(도면에서는 모식적으로 1개의 선으로 표시하였으나 가동판(5A)상에서는 복수의 선으로 되어 있다)이 절연층으로 피복되어 마련되어 있다. 또, 내측 가동판(5B)의 상면에는 실리콘 기판(2)에 형성된 한 쌍의 내측 전극단자(9B), 9B에 한 쪽의 제2의 토션바(6B)에서 외측 가동판(5A)부분을 통하여 제1의 토션바(6A)의 다른 쪽을 끼워서 각각 전기적으로 접속하는 평면코일(7B)(도면에서는 모식적으로 1개의 선으로 표시하였으나 외측 가동판(5A)과 동일하게 내측 가동판(5B)상에서는 복수의 권선으로 되어 있다)이 절연층으로 피복되어 마련되어 있다.

이들 평면코일(7A,7B)은 실시예 1과 같이 상기한 공지의 전해도금에 의한 전기주조 코일법에 의해 형성되어 있다. 더하여 상기 외측 및 내측 전극단자(9A,9B)는 실리콘 기판(2)상에 전기주조 코일법에 의해 평면코일(7A,7B)과 동시에 형성된다. 평면코일(7B)로써 둘러싸인 내측 가동판(5B)의 중앙부에는 공지의 수법으로 광검출소자인 포토다이오드(8)가 형성되어 있다.

상측 및 하측 유리기판(3,4)에는 2개씩 쌍으로 된 각각 8개씩의 원판상의 영구자석(10A∼13A),(10B∼13B)이 도시와 같이 배치되어 있다. 상측 유리기판(3)이 서로 대향하는 영구자석(10A,11A)은 하측 유리기판(4)의 영구자석(10B,11B)이 외측 가동판(5A)의 평면코일(7A)의 자계를 작용시켜 평면코일(7A)에 흐르게 하는 구동전류와의 상호작용에 의해 외측 가동판(5A)을 회전구동시키기 위한 것이고, 또 상측 유리기판(3)이 서로 대향하는 영구자석(12A,13A)은 하측 유리기판(4)의 영구자석(12B,13B)이 내측 가동판(5B)의 평면코일(7B)에 자계를 작용시켜 평면코일(7B)에 흐르게 한 구동전류와의 상호작용에 의해 내측 가동판(5B)을 회전구동시키기 위한 것이다.

그리하여, 서로 대향하는 영구자석(10A,11A)은 상하의 극성이 서로 반대, 예컨대 영구자석(10A)의 상면이 S극일 때는 영구자석(11A)의 상면은 N극이 되도록 마련되어, 더구나 그 자속은 가동판(5)의 평면코일 부분에 대해 평행으로 가로지르도록 배치되어 있다. 기타의 서로 대향하는 영구자석 12A와 13A, 영구자석 10B와 11B 및 영구자석 12B와 13B도 동일하다. 더하여 상하 방향으로 대응하는 영구자석 10A와 10B와의 관계는, 상하의 극성은 같고 예컨대 영구자석(10A)의 상면이 S극일 때는 영구자석(10B)의 상면도 S극이 되도록 설치한다. 기타의 것도 상하로 대응하고 있는 영구자석 11A와 11B, 영구자석 12A와 12B 및 영구자석 13A와 13B도 동일하고, 이로 인해서 가동체의 양단부에서 서로 상반하는 방향으로 힘이 작용하게 된다.

그리하여 하측 유리기판(4)의 하면에는 상기한 평면코일(7A,7B)과 각각 전자결합이 가능하도록 배치된 검출코일(15A,15B)와 (16A,16B)가 나란히 마련되어 있다. 검출코일(15A,15B)은 제1의 토션바(6)에 대해 대칭위치로 마련되고 검출코일(16A,16B)은 제2의 토션바(6B)에 대해 대칭위치로 마련되어 각각 쌍을 이루고 있다. 그리하여 한 쌍의 검출코일(15A,15B)은 외측 가동판(5A)의 변위각을 검출하게 되고, 평면코일(7A)에 구동전류를 중첩시켜 흐르게 하는 검출용 전류에 의한 평면코일(7A)과 검출코일(15A,15B)과의 상호 인덕턴스가 외측 가동판(5A)의 각도변위에 의해 변화하고, 이 변화에 따른 전기신호를 출력한다. 이 전기신호에 의해 외측 가동판(5A)의 변위각을 검출할 수 있다. 한 쌍의 검출코일(16A,15B)은 같은 방법으로 내측 가동판(5B)의 변위각을 검출하는 것이다.

다음에 동작을 설명한다.

외측 가동판(5A)의 평면코일(7A)에 구동전류를 흘리면, 제1의 토션바(6A), 6A를 지지점으로 하여 외측 가동판(5A)이 전류방향을 따라 회전하고, 이 때에 내측 가동판(5B)도 외측 가동판(5A)과 일체로 회전한다. 이 경우 다이오드(8)는 실시예 1과 같은 움직임이 된다. 한편 내측 가동판(5B)의 평면코일(7B)에 구동전류를 흘리면 외측 가동판(5A)의 회전방향과 직각방향으로, 외측 가동판(5A)에 대하여 내측 가동판(5B)이 제2의 토션바(6B), 6B를 지지점으로 하여 회전한다.

따라서 예컨대 평면코일(7A)의 구동전류를 제어하여, 외측 가동판(5A)을 1주기 회전 조작한 후, 평면코일(7B)의 구동전류를 제어하여 내측 가동판(5B)을 일정 각도 변위시키도록 하여 이 조작을 주기적으로 반복시키면 포토다이오드(8)의 광축을 2차원으로 진동시킬 수 있어 감시 대상을 2차원으로 주사(scan)할 수 있다.

그 위에 본 실시예와 같이 포토다이오드(8)의 상측에 유리가 존재할 경우에는 이 유리면에 반사 방지막 등을 피복하면 좋을 것이다.

한편 평면코일(7A) 및 평면코일(7B)에 흘리는 각 구동전류에 중첩시켜서 검출용 전류를 흘리면, 검출코일(15A,15B)과 평면코일(7A)간 및 검출코일(16A,16B)과 평면코일(7B)의 상호 인덕턴스에 의해 실시예 1과 같은 원리로 외측 가동판(5A)의 변위는 예컨대 도 4와 같은 회로를 통해서 검출코일(15A,15B)의 차동출력에 의해 검출할 수 있어 내측 가동판(5B)의 변위 검출코일(16A,16B)의 차동출력에 의해 검출할 수 있고, 이 차동출력을 외측 가동판(5A) 및 내측 가동판(5B)의 각 구동계에 피드백(feed back)시키면, 외측 가동판(5A) 및 내측 가동판(5B)의 변위를 정밀도가 높게 제어 가능하게 된다. 더구나 말할 필요도 없으나 본 실시예의 2축의 광검출장치의 경우는 도 4와 같은 회로를 외측 가동판 변위검출용과 내측 가동판 변위검출용으로서 2개 마련한 것이다.

이러한 실시예 2의 구성에 의하면 실시예 1과 같은 효과에 더하여 감시 대상의 주사가 2차원적으로 행해져, 주사영역을 실시예 1의 1축의 경우보다 증대시킬 수 있다. 또, 가동판(5)의 요동공간을 상하의 유리기판(3,4)과 주위의 실리콘 기판(2)에 의해 밀폐되므로 이 밀폐공간을 진공상태로 함으로써, 가동판(5)의 회전동작에 대한 공기저항이 없게 되어, 가동판(5A,5B)의 응답성이 향상하는 효과를 갖는다.

더욱이, 평면코일(7A,7B)에 흘리는 구동전류를 크게 하여 가동판(5A,5B)의 변위량을 크게 설정할 경우에는 밀폐된 가동판의 요동공간 내부를 진공으로 하지 않고 헬륨, 아르곤 등의 불활성 가스를 봉입하는 것이 바람직하고 특히 열전도성이 좋은 헬륨이 바람직하다. 이는 평면코일(7)에 흐르는 전류량을 크게 하면 평면코일(7)에서의 발열량이 증가하여 가동판(5A,5B) 주위가 진공상태에서는 가동판에서의 방열이 나빠져서 불활성 가스를 봉입함으로써 가동판(5A,5B)에서의 방열성을 진공상태보다 높여 열 영향을 저감시킬 수가 있다. 더구나 불활성 가스를 봉입시킴으로써 가동판(5A,5B)의 응답성에 관해서는 진공상태에 비해 다소 저하하게 된다.

더구나 상기의 실시예 1의 상하의 유리기판을 실시예 2와 같은 요부(凹部)를 마련한 구조로 하여 가동판 부분을 밀폐구조 하여도 좋은 것은 말할 것도 없다.

[실시예 3]

도 6, 도 7, 도 8은 실시예 3인 "광축방향 가변형 광검출장치"의 구성을 나타낸 도면이다.

본 실시예는 실시예 2와 같은 2축의 예이다. 또한 실시예 2와 동일요소에는 동일부호를 붙이고 설명을 생략한다.

본 실시예의 2축의 광축방향 가변형 광검출장치(31)는 상기한 실시예 2와 거의 같은 구성이나, 본 실시예에서는 도 6∼도 8에 나타낸 바와 같이 상하의 유리기판(3,4)이 실시예 2와는 다르고, 요부(3A,4A)가 없는 평판상으로 되어 있다. 그리하여 상측 유리기판(3)에는 가동판(5)의 상측 부분에 가동판(5)의 형상에 따라서 각모양의 개구부(3a)를 마련하여 포토다이오드(8) 윗부분을 개방상태로 하여 검출광이 직접 포토다이오드(8)에 입사할 수 있도록 하고 있다. 그리하여 상하의 유리기판(3,4)이 평판상으로 되어 있기 때문에 중간의 실리콘 기판(2)을 상하로 별도의 실리콘 기판을 적층하여 3층 구조로 하고, 그 중간층에 가동판(5)을 형성시킴으로써 가동판(5)이 회전공간을 확보하도록 되어 있다.

또, 도 6에 파선으로 나타낸 바와 같이 하측 유리기판(4)의 하면에 외측 가동판(5A)의 변위검출용의 검출코일(15A,15B) 및 내측 가동판(5B)의 변위검출용의 검출코일(16A,16B)이 대응하는 평면코일(7A,7B)과 전자결합 가능한 위치에 나란히 마련되어 있다.

이러한 구성의 본 실시예의 동작, 효과는 실시예 2와 같아서 설명을 생략한다.

(변형)

이상의 각 실시예에서는 광검출소자로써 포토다이오드를 형성시키고 있으나, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고, 복수의 포토다이오드로써 된 라인센서 또는 에어리어센서를 형성하는 형태로 실시할 수가 있다. 또 광검출소자로써는 포토트랜지스터, 광도전체, CCD 등을 사용하는 형태로 실시할 수가 있다. 더구나 필요에 따라 이들 광검출소자의 전면에는 입사광을 수속하는 마이크로렌즈를 마련한다.

또 실시예 2에서는 직선적인 주사로 되어 있으나, 대상에 따라서는 동심원형 또는 나선형으로 주사하는 방식으로 실시할 수가 있다.

또 각 실시예에서는 가동판의 중앙부를 토션바로 축을 지지하고 있으나 여기에 한정되지 않고 가동판의 단부 예컨대 도 1에서의 가동판의 우변부를 축지지하는 방식으로 실시할 수 있고, 이 경우 좌변측에 1개의 검출코일을 마련하여 변위각을 검출할 수 있게 된다.

또 각 실시예에서는 가동판에 마련한 평면코일에 구동전류와 검출용 전류를 흐르게 하고 있으나, 구동전류의 주파수가 수kH로 높아질 때는 구동용 전류를 검출용 전류로 겸용하고 검출용 전류를 중첩 않는 형태로 실시할 수 있다.

또 각 실시예에서는 2개의 검출코일의 출력의 차에 의해 각 변위를 검출하고 있으나, 1개의 검출코일을 마련하여 그 출력에 의해 변위각을 검출하는 형태로 실시할 수가 있다.

(사용예)

이상 설명한 광축방향 가변형 광검출장치의 사용예를 도 9에서 도 12에 의하여 설명한다.

도 9는 광검출소자로써 포토다이오드(PD)를 사용한 2축으로 구동하는 예의 블록도이다. 이 예는 상기 실시예 2, 실시예 3의 장치를 사용한 예이다. 실시예 1의 장치를 사용한 예는 이 예에 있어서 1개의 축 예컨대 Y축이 없는 것에 상당한다.

도 10을 참조하여 동작을 설명한다. S1(step S1)에 있어서 X축의 검출코일을 포함한 X축 변위각 검출기(25)의 출력을 A-D 변환기(26)에 의해 디지털데이터로 변환하여 마이콤(23)에 입력하고, S2로 상기 디지털데이터에 의해 X축 표(table)을 검색하여, 그 검색결과에 의해 S3에서 X축 위치를 산출한다. S4에서 Y축의 검출코일을 포함한 Y축 변위각 검출기(27)의 출력을 A-D 변환기(26)로 디지털데이터로 변환하여 마이콤(23)에 입력하여 S2로 상기 Y축의 디지털데이터에 의해 Y축 표(table)를 검색하고,그 검색결과에 따라 S6으로 Y축 위치를 산출한다. S3, S6의 산출결과에 따라 S7로 화상 프레임어드레스(frame address)를 산출한다. S8에서 포토다이오드(20)의 출력을 증폭하여 A-D 변환기(22)로 디지털데이터로 변환하여 마이콤(23)에 입력한다. S9로 상기의 포토다이오드의 디지털데이터를 기억장치(24)에서의 상기 화상프레임어드레스로 전송시켜 기억한다. 이 동작을 모든 화상프레임어드레스에 대해 반복하여 감시 대상에 대한 필요한 감시 데이터를 얻는다.

도 11은 광검출소자에 CCD라인센서를 사용하여 1축 구동하는 예이다. 이 경우 라인센서(28)의 광축을 흔들어 감시 대상을 Y축 방향으로 주사함과 동시에 라인센서(28)의 각 화상소자(image element)의 신호를 순차로 꺼내어 감시 대상을 X축 방향으로 주사한다.

도 12는 광검출소자로서 CCD에어리어센서를 사용하여 2축 구동하는 예이다. 이 경우 에어리어센서(29)의 광축을 흔들어 감시 대상을 X축, Y축 양방향으로 주사함과 동시에 에어리어센서(29)의 각 화상소자의 신호를 순차 꺼내어 감시 대상을 다시금 상세하게 주사한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 소형으로 고속주사를 할 수 있고 대량생산에 의한 가격인하가 가능한 광검출장치를 제공할 수 있다.

다시금 청구항 3 기재의 발명에 따르면 2차원의 주사가 할 수 있어, 청구항 2, 청구항 4의 발명에 의하면 광축의 변위각을 검출할 수 있고 또 피드백(feed back)을 이용하여 광축의 변위각을 정밀도가 높게 제어할 수 있다.

[산업상이용가능성]

이상과 같이 이루어진 본 발명은, 바코드 스캐너-CD-ROM 드라이브, 자동개찰의 각 기기의 센서에 이용할 수 있고, 또한 지극히 정밀도가 좋은 제어가 가능하다.

Claims (5)

1. 반도체 기판에 일체로 형성한 가동판과 이 가동판을 상기 반도체 기판에 대해 요동이 자유롭게 축으로 지지된 토션바와, 상기 가동판의 주연부에 마련한 구동코일과, 이 구동코일에 정자계를 인가시키는 자계 발생수단과, 상기 가동판에 형성시킨 광검출소자를 구비하여 상기 구동코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 힘에 의해 상기 가동판을 구동시켜 상기 광검출소자의 광축방향을 가변하는 것을 특징으로 하는 광축방향 가변형 광검출장치.
2. 제1항에 있어서 구동코일과 전자결합하는 검출코일을 마련한 것을 특징으로 하는 광축 가변형 광검출장치.
3. 제1항에 있어서 가동판을 단지 1개로 하여 구성시킨 것을 특징으로 하는 광축방향 가변형 광검출장치.
4. 반도체 기판에 일체로 형성한 외측 가동판과, 이 외측 가동판을 상기 반도체 기판에 대해 요동이 자유롭게 축으로 지지하는 제1의 토션바와, 상기 외측 가동체의 내측에 있는 내측 가동판과, 이 내측 가동판을 상기 외측 가동판에 대해 요동이 자유롭게 축을 지지하는 상기 제1의 토션바와 축방향이 직교하는 제2의 토션바를 구비한 상기 외측 가동판의 주연부에 마련한 제1의 구동코일과, 상기 내측 가동판의 주연부에 마련한 제2의 구동코일과, 상기 제1의 구동코일에 정자계를 인가하는 제1의 자계 발생수단과, 상기 제2의 구동코일에 정자계를 인가하는 제2의 자계 발생수단과, 상기 내측 가동판에 형성한 광검출소자를 구비하고, 상기 제1의 구동코일, 제2의 구동코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 힘에 의해 상기 외측 가동판, 내측 가동판을 구동시켜 상기 광검출소자의 광축방향을 가변하는 것을 특징으로 하는 광축방향 가변형 광검출장치.
5. 제4항에 있어서 제1의 구동코일, 제2의 구동코일과 각각 전자결합하는 제1의 검출코일, 제2의 검출코일을 마련한 것을 특징으로 하는 광축방향 가변형 광검출장치.

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