JP2000235152A

JP2000235152A - 光偏向器

Info

Publication number: JP2000235152A
Application number: JP11034967A
Authority: JP
Inventors: Mikio Okumura; 実紀雄奥村
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな光偏向角度が得られ、且つ高速で偏向
が可能な、信頼性の高いマイクロ光偏向器を得ることの
できる電磁駆動光偏向器を提供する。【解決手段】トーションビーム光偏向器１００は、内
側のｙ軸方向偏向部１０３と、外側のｘ軸方向偏向部１
０４とから構成されている。特に、内側のｙ軸方向偏向
部１０３は、溝部２を有する基板１と、溝部２に架け渡
された軸部３ａによって基板１に対して回動可能に軸支
される回動板３と、磁性部に臨むように基板１上に薄膜
として設けられる一対の薄膜電磁石部５１、５２と、回
動板３面上に取り付けられたミラー部４とから概略構成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光偏向器、特にマ
イクロメカニクス技術を用いて作製し、薄膜電磁石の駆
動力を用いて変位制御を行うプレーナ型トーションビー
ム光偏向器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光偏向器としては、半導体製造技術やマ
イクロメカニクス技術を応用して、シリコンWafer等に
トーションビームやミラー等を微少な寸法で形成したマ
イクロミラー装置が研究されている。その一例として、
電気学会１９９８年第１６回センサーシンポジウムテ
クニカルダイジェストＡ３−２ “静電トーションミラ
ー”東芝がある。

【０００３】これは、光記録再生装置の光学系トラッキ
ングサーボ用に応用する試みであり、レーザービーム径
２ｍｍに対応した数ミリ角のミラーを静電吸引力によっ
て数ｍrad（〜１度）傾斜させるものであり、その駆動
速度は、ミラーの共振周波数以下の約１KHzである。

【０００４】一方、このような光偏向器の応用例として
は、例えば、映像情報のイメージング技術として、液晶
駆動の光反射型の空間光変調素子であるＩＬＡ（Image
Light Amplifier 商品名参考文献：月刊LCD intellig
ence 1997.11 99項 “高輝度・高精細化可能なプロジ
ェクタ用ＩＬＡデバイス”ＪＶＣ片山琢）素子を利用
したビデオプロジェクタがある。図１１は、一般的なビ
デオプロジェクタ２００を示す概略構成図である。

【０００５】このビデオプロジェクタ２００は、レーザ
ー発信器２０１と、これからの光束を集光光束に変換す
る集光レンズ２０２と、この集光レンズ２０２からの集
光光束を書き込み用のレーザースポット光として、ＩＬ
Ａ素子２０４に対して２次元的に走査させるマイクロミ
ラー装置２０３と、ＩＬＡ素子２０４に対する入射読み
出し光を照射する光源２０５と、この光源２０５からの
光束を平行光束に変換するコリメートレンズ２０６と、
これからの平行光束を偏向させる偏向ビームスプリッタ
２０７と、ＩＬＡ素子２０４で空間変調された出射読み
出し光を大型スクリーン２０９に投射する投射レンズ２
０８とから構成される。

【０００６】ここでＩＬＡ素子２０４とは、この素子に
入射された書き込み用のレーザースポットによって、読
み出し光を変調して反射させ、大型スクリーン２０９に
ビデオ映像を投射するものである。また、前記マイクロ
ミラー装置２０３は、静電駆動によって動作するもので
あり、映像ビデオ信号によって輝度変調されたレーザー
スポット光をＩＬＡ素子２０４に照射する際、ＩＬＡ素
子２０４上においてレーザースポット光を水平、垂直に
走査するために利用される。

【０００７】ところで、前記マイクロミラー装置を、例
えば、コンピューターDisplayのＳＸＧＡクラスの解像
度画像投影に用いる場合には、所定の偏向角度が要求さ
れることとなる。

【０００８】詳述すると、例えばビデオプロジェクタ２
００を、コンピューターdisplayのＳＸＧＡクラスの解
像度画像投影に利用した場合には、ＳＸＧＡの解像度は
１２８０×１０２４本となる。従って、前記マイクロミ
ラー装置は、輝度変調されたレーザースポットを水平方
向で６０kHz、垂直方向で６０Hzの周波数で走査する必
要がある。

【０００９】一方、書き込み光の水平偏向角は、以下の
関係式で与えられる。

【００１０】φ＝Ｎ×λ／π（Ｄ／２）ここで、φ＝水平偏向角、λ＝レーザーの波長、Ｎ＝水
平解像度、Ｄ＝レーザービーム径である。

【００１１】ほぼ平行光にコリメートされたビームの波
長を６５０nm、径を１mmとすると、λ＝６５０ｅ−６m
m、Ｎ＝１２８０、Ｄ／２＝０．５mmのとき、φ＝Ｎ×
λ／π（Ｄ／２）よりφは３０．５degが与えられる。
従って、ミラー偏向角度は、１５．１８deg（±７．６
°）となる。

【００１２】また、集光レンズ２０２と、ＩＬＡ素子２
０４の結像面との投影距離ｄは、次式で与えられる。

【００１３】Ｄ₀＝４／π×（ｄ×λ／Ｄ）ここで、Ｄ₀は、ＩＬＡ素子２０４上における結像ビー
ム径である。なお、ＩＬＡ素子寸法２．５inch（対角）
には、結像ビームを４０μｍ径で結像させる必要があ
る。

【００１４】また、Ｄ₀＝４０ｅ−３mm λ＝６５０ｅ−６nm Ｄ＝１mm であり、このとき投影距離ｄ＝４８．３３mm が与えられる。

【００１５】上記関係式より、集光レンズと素子間との
投影距離ｄは、４８．３３mmとなり、従って、マイクロ
ミラー装置２０３は、動作周波数で、最高６０kHz以
上、最大ミラー傾斜角度±１５．１８°（水平偏向角度
±７．６°）、ミラー面のサイズ１mm角（ビーム半径
Ｄ／２＝０．５mmより）を満たす機械特性が必要とな
る。

【００１６】このように偏向角度が大きく、且つ集光ビ
ーム径が許す限りミラーのサイズを縮小し、且つ高速駆
動をさせようとすると、マイクロミラー装置２０３では
駆動電圧に数ｋＶの高電圧で大きなローレンツ力を発生
させる必要があった。従って、大きな偏向角度を得よう
とすると従来の静電駆動では、高い電圧が必要となり、
実用的でない。

【００１７】これに対して、この様な高電圧を用いず
に、大きな偏向角度を得るには、クーロン力による電磁
駆動がある。その一例として、“特開平８−３２２２７
プレーナ型電磁アクチュエータ（株）日本信号”を
示す。図１２及び図１３は、かかるプレーナ型電磁アク
チュエータ１１０の説明図である。

【００１８】図１２及び図１３において、プレーナ型電
磁アクチュエータ１１０は、絶縁基板１１１の中央部に
約４５°の角度で配置されたマイクロミラー１１２と、
絶縁基板１１１上面の外周部に配置されるヨーク１１３
と、このヨーク１１３の内周縁に配置された一対の永久
磁石１１４，１１５とから概略構成される。

【００１９】マイクロミラー１１２は、シリコン基板１
２１と、枠状の外側可動板１２２ａと、平板状の内側可
動板１２２ｂと、内側可動板１２２ｂ上面に取り付けら
れたミラー１２６とから概略構成される。外側可動板１
２２ａは、トーションバー１２３ａによりシリコン基板
１２１に対して回動可能に軸支されており、内側可動板
１２２ｂは、トーションバー１２３ｂによって外側可動
板１２２ａに対して回動可能に軸支されている。トーシ
ョンバー１２３ａ、１２３ｂは互いに直交するように配
置されており、これによってミラー１２６は、直交する
２方向に回動されることとなり２次元的な走査が可能と
なっている。

【００２０】また、外側可動板１２２ａ及び内側可動板
１２２ｂには、それぞれ平面コイル１２５ａ及び１２５
ｂが設けられている。これらの平面コイル１２５ａ及び
１２５ｂには、電極端子１２４ａ及び１２４ｂが電気的
に接続されており、これらの端子は、導線１１８ａ〜１
１８ｄを介して、ボンディングパッド１１７ａ〜１１７
ｄに接続されている。そして、この電極端子１２４ａ、
１２４ｂに電流が流されることによって平面コイル１２
５ａ及び１２５ｂより磁界が生じることとなる。

【００２１】このような従来のプレーナ型電磁アクチュ
エータ１１０では、平面コイル１２５ａ、１２５ｂに生
じた磁界と、永久磁石１１４，１１５による静磁界との
間に発生するクーロン力で、外側可動板１２２ａ及び内
側可動板１２２ｂを、低電圧で且つ高速に回動させるこ
とができる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のプレーナ型電磁アクチュエータ１１０の場合、
以下に挙げる問題があった。

【００２３】先ず第１に、静磁界の印加に永久磁石１１
４，１１５を用いているため、永久磁石１１４，１１５
を配置するためのスペースが大きく、素子全体の小型化
が難しいという問題があった。

【００２４】第２に、マイクロミラー１１２と永久磁石
１１４，１１５との組み立てが必要となり、これらの位
置合わせに手間がかかるという問題があった。また、平
面コイル１２５ａ、１２５ｂの組み立てをする際に位置
ずれ等が生じた場合には、平面コイル１２５ａ、１２５
ｂから発生する磁界が交錯してばらつきが生じ、駆動力
が一定でなくなるため、これらの組み立て作業には高い
組み立て精度が要求される。

【００２５】第３に、可動する部分（外側可動板１２２
ａ上或いは内側可動板１２２ｂ）に平面コイル１２５
ａ、１２５ｂを作製するので、ミラー１２６の反射面と
コイル形成面で可動面を構成しなければならず、可動部
分が大型化してしまうという問題があった。従って、共
振点を高くすることが困難となる。

【００２６】第４に、ミラー１２６を支持しているトー
ションバー１２３ａ、１２３ｂの表面にコイル配線を施
す必要があることから、外側可動板１２５ａ及び内側可
動板１２５ｂ上面に配線溝や導電膜パターニング等の細
工を施さなければならず、表面が複雑化することによっ
て強度低下を招き、ひいては動作周波数のズレ、疲労破
壊等を起こす惧れがあった。

【００２７】そこで本発明は、上記問題点を鑑みてなさ
れたものであり、大きな光偏向角度が得られ、且つ高速
で偏向が可能な、信頼性の高いマイクロ光偏向器を得る
ことのできる光偏向器を提供することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願請求項１に係る光偏向器は、溝部を有する基板と、
前記溝部に架け渡された軸部によって前記基板に対して
回動可能に軸支されるとともに、硬磁性薄膜を有する回
動板と、前記回動板に臨むように、前記基板上に、前記
軸部と直交し且つ薄膜として設けられる一対の薄膜電磁
石部と、前記回動板面上に設けられるミラー部とからな
る第１方向偏向部とを有し、前記薄膜電磁石部に生ずる
磁界と、前記硬磁性薄膜に生ずる磁界との間に生ずるク
ーロン力で前記回動板を回動させ、この回動板の傾斜に
よってミラー部に照射された光を偏向させるものであ
る。

【００２９】このような請求項１に係る発明によれば、
薄膜電磁石部と硬磁性薄膜とに通電することによって、
薄膜電磁石部に生じる磁界と、硬磁性薄膜に生じる磁界
との間に生じるクーロン力で回動板を回動させ、この回
動板面上に設けられたミラー部を傾斜させることによっ
て、このミラー部に入射される光を偏向させることがで
きる。

【００３０】請求項２に係る発明は、前記請求項１に記
載の光偏向器であって、前記軸部、及び前記回動板は、
前記基板と一体的に形成されるものであり、前記回動板
は前記軸部の弾性的なねじれによって回動するものであ
ることを特徴とするものである。

【００３１】このような請求項２に係る発明によれば、
軸部の弾性的なねじれを利用して回動板を回動させるた
め、ミラー部の回動機構を簡略化することができる。

【００３２】請求項３に係る発明は、前記請求項１又は
２に記載の光偏向器において、前記一対の薄膜電磁石
を、前記基板の厚み方向に相互にずらして配置すること
を特徴とするものである。

【００３３】このような請求項３に係る発明によれば、
薄膜電磁石をオフセット量分だけずらしてやることによ
って、回動板の傾斜運動を容易に発生させることができ
る。

【００３４】請求項４に係る発明は、前記請求項１乃至
３に記載の光偏向器において、前記基板及び前記回動板
の近傍に、該基板及び該回動板の傾斜角度を検出する傾
斜角度検出手段を配置したことを特徴とするものであ
る。

【００３５】このような請求項４に係る発明は、傾斜角
度検出手段によってミラー部の傾斜角度を検出すること
によって、ミラー部の傾斜角度の調節を的確に行うこと
ができる。

【００３６】請求項５に係る発明は、前記請求項１乃至
４に記載の光偏向器において、前記溝部の底面に２個の
静電駆動用電極を、前記軸部を中心に左右対称となるよ
うに配置して、前記一対の薄膜電磁石部に互いに逆位相
の交流を印加すると同時に、前記静電駆動用電極にも前
記逆位相の交流を印加して電磁駆動アシストを併用する
ことを特徴とするものである。

【００３７】このような請求項５に係る発明によれば、
静電駆動用電極を併用することによって、ミラー部の回
動角度をより大きなものとすることができる。

【００３８】請求項６に係る発明は、前記請求項１乃至
５に記載の光偏向器において、前記方向偏向部と同様の
構成を有する第２方向偏向部を、これの軸部が前記第１
方向偏向部の軸部と直交するように配置し、これらの直
交する軸部を中心とする回動によって、２次元走査可能
に光を偏向させることを特徴とするものである。

【００３９】このような請求項６に係る発明は、ミラー
部を２方向へ回動させることができ、ミラー部へ入射す
る光を２次元的に走査させることができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】［第１の実施形態］（トーションビーム光偏向器１００の構成）以下に、本
発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実
施形態に係るトーションビーム光偏向器１００の説明図
である。本実施形態に係るトーションビーム光偏向器１
００は、例えば、前述したコンピューターDisplayのＳ
ＸＧＡクラスの解像度の画像投影装置において、ＩＬＡ
素子に対して光書き込みを行う際、ビデオ信号で輝度変
調されたレーザー光を２次元走査する偏向器として用い
られる。なお、この画像投影装置の全体構成としては前
述した従来技術と同様であるため、その説明は省略す
る。

【００４１】図１に示すように、本実施形態に係るトー
ションビーム光偏向器１００は、内側のｙ軸方向偏向部
１０３と、外側のｘ軸方向偏向部１０４とから構成され
ている。

【００４２】内側のｙ軸方向偏向部１０３は、図２に拡
大して示すように、溝部２を有する基板１と、溝部２に
架け渡された軸部３ａによって基板１に対して回動可能
に軸支される回動板３と、回動板３に臨むように基板１
上に薄膜として設けられる一対の薄膜電磁石部５１、５
２と、回動板３面上に取り付けられたミラー部４とから
概略構成される。なお、本実施形態において、基板１上
には、回動板３の近傍に、回動板３の傾斜角度を検出す
るＭＲセンサやホール素子等の角度検出用センサ６１，
６２が配置されている。

【００４３】基板１は、図３に示すように、周囲に設け
られた溝部７内に、軸部１ａによって回動可能に軸支さ
れるものであり、その中央に回動板３が設けられるエリ
ア（図中点線で図示した部分）を有し、このエリアに臨
ませて後述する薄膜電磁石部５１，５２が配置されてい
る。また、この基板１の表面には、硬磁性を示す薄膜、
例えばＣｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｓｍ等が、スパ
ッタ等によって成膜されている。

【００４４】回動板３は、軸部３ａの弾性的なねじれに
よって回動するものであり、その表面全体にわたって、
硬磁性薄膜、例えばＣｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｓ
ｍがスパッタ等によって成膜されている。

【００４５】薄膜電磁石部５１、５２は、図４に示すよ
うに、回動板３の近接されて設けられる電磁ヨーク５１
ａと、この電磁ヨーク５１ａの下方に設けられるプレー
ナ型コイル５１ｃと、このプレーナ型コイル５１ｃの下
方に設けられる板状の電磁ヨーク５１ｂと、上方の電磁
ヨーク５１ａと下方の電磁ヨーク５１ｂとを連結するコ
ンタクト部５１ｄと、プレーナ型コイル５１ｃの端部に
接続されたボンディングパッド５１ｅとから構成され
る。なお、薄膜電磁石部５２も同様の構成を有する。

【００４６】このような薄膜電磁石部５１，５２は、本
実施形態では、図５に示すように、基板１の厚み方向
に、相互にずらして配置されている。すなわち、薄膜電
磁石部５１は、回動板３よりもオフセット量ｅ分だけ下
方に配置され、薄膜電磁石部５２は、回動板３よりもオ
フセット量ｅ分だけ上方に配置されている。

【００４７】一方、前記外側のｘ軸方向偏向部１０４
は、溝部７を有する基板８と、溝部７に架け渡されｙ軸
方向偏向部１０３を回動可能に軸支する軸部１ａと、基
板１の回動板３に臨むように基板８上に設けられる一対
の薄膜電磁石部９１、９２とから概略構成される。

【００４８】軸部１ａは、内側のｘ軸方向偏向部１０３
の軸部３ａと直交するように配置されるものであり、回
動板３は、この軸部１ａの弾性的なねじれによって回動
する。なお、薄膜電磁石部９１，９２は、上述した薄膜
電磁石部５１，５２と同様の構成を有する。

【００４９】そして、このようなｙ軸方向偏向部１０３
及びｘ軸方向偏向部１０４は、本実施形態では、一般的
な金属よりも高い機械的強度を示し半導体製造技術を直
接応用でき微細な寸法のパターニングやエッチング等の
マイクロマシニングに適した材料であるシリコンによっ
て一体的に形成される。

【００５０】すなわち、マイクロマシニング技術によっ
て、シリコン基板若しくはＳＯＩ（シリコンオンイ
ンシュレータ）基板を、フォトリソグラフィでパターニ
ングし、ＫＯＨエッチャント等の異方性ウェットエッチ
ングや、塩素系やフッ素系ＧＡＳによるＩＣＰ−ＲＩＥ
（インダクディプカップルドプラズマ−リアクティ
ブイオンエッチング）技術を使用することによっ
て、基板１、８や回動板３、軸部１ａ、３ａを一体的に
成形する。なお、バルクシリコン以外に低圧ＣＶＤ装置
によって成膜されたＰｏｌｙシリコンを構造材に用いて
もよい。

【００５１】この際、可動部分である回動板３、基板１
等の厚み（質量）や、軸部１ａ、３ａの長さ（Ｌ）、幅
（Ｂ）、厚み（ｔ）を最適化しなければならない。つま
り、可動部分の共振周波数６０ｋＨｚを満たし、回動板
３、基板１の変形角度が±１３．６７度で充分弾性変形
内になる必要がある。そこで、本実施形態では、ＦＥＭ
手法による解析の結果、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ材で回動板の幅Ｗ＝１０００μｍ軸部長さＬ＝３００μｍ軸部幅Ｂ＝７０μｍ回動板厚ｔ＝１００μｍ軸部厚ｔ’＝１００μｍ軸部両端部のフィレットＲ≧４０μｍというディメ
ンジョンに設計した。

【００５２】この寸法による機械特性は、共振周波数
６１ｋＨｚにおける、Ｓｉの引っ張り破壊応力 δ＝７
０００Ｎ／ｍｍ²を充分に下回るものであり、変形に伴
う応力δｍａｘ＝２８７１Ｎ／ｍｍ²に耐え得るもので
ある。なお、この場合、減衰を伴わない駆動系を考慮し
ている。

【００５３】前記角度検出用センサ６１，６２，１０
１，１０２は、硬磁性体である基板１や回動板３の近傍
において、これら基板１や回動板３の傾斜運動に伴って
周期的に生じる磁界の変化を検出するものである。な
お、この角度検出用センサ６１，６２，１０１，１０２
としては、磁界の変化を検出するセンサ、例えばＭＲセ
ンサ（マグネトレジスティブセンサ）やホールセン
サ、又はインダクティブ磁気センサも用いることができ
る。また、これら角度検出用センサ６１，６２，１０
１，１０２の配置は、回動板３の下部、又は回動板３の
上部であって磁界変化検出可能な、光偏向の光路を遮ら
ない部位とすることもできる。

【００５４】（製造方法）以下、本実施形態に係るトー
ションビーム光偏向器１００の製造プロセスの概要につ
いて説明する。

【００５５】先ず、半導体基板であるシリコンに、アル
ミナ等の熱伝導の良好な絶縁膜をスパッタ、ＣＶＤ等で
形成する。すなわち、基板１、８の上面に、電磁ヨーク
５１ｄ、９１ｄとなる軟磁性薄膜、例えばＦｅ−Ｎ、Ｃ
ｏ−Ｚｒ−Ｎｂ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｓｉ等をスパッタ
で成膜し、イオンビームミリング等でヨーク形状にエッ
チングする。この際、対向する２対の電磁ヨーク５１
ａ、５２ａ、９１ａ、９２ａを回動板３や基板１を挟む
形で形成する。

【００５６】次に、アルミナ、ＳｉＯ₂等をスパッタリ
ング、ＣＶＤ法等の成膜によって、電磁ヨーク５１ａ、
５２ａ、９１ａ、９２ａを絶縁被覆する。次に、銅、ア
ルミ等の薄膜をＣｒ下地膜を介して、蒸着等で成膜し、
電磁ヨーク５１ｂ、５２ｂ、９１ｂ、９２ｂに交錯する
ような渦巻き状のパターニングでプレーナ型コイル５１
ｃ、５２ｃ、９１ｃ、９２ｃを形成する。これら電磁ヨ
ーク５１ａ、５２ａ、９１ａ、９２ａ端部の磁極位置
は、作製するミラー部（硬磁性膜）４の形成面と基本的
に同一であるが、硬磁性膜から僅かに厚み方向に、オフ
セット量ｅ分ずらした位置に配置する（例えば、硬磁性
膜の膜厚分相当）。

【００５７】次に、マイクロマシニング技術で溝部２，
７を形成することによって、回動板１と基板８と、それ
を支持する軸部１ａ，３ａとを形成する。これらは一体
で成形し、前記機械特性を満たす寸法にする。この構造
体は、バルク基板を前記異方性ウェットエッチング、Ｉ
ＣＰ−ＲＩＥ等で形成することもでき、また低圧ＣＶＤ
による薄膜Ｐｏｌｙ−シリコンで成膜、パターニングし
てもよい。回動板３と基板１の表面には、硬磁性を示す
薄膜、例えばＣｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｓｍ等を
スパッタで成膜する。

【００５８】回動板３では、硬磁性薄膜を光反射面とし
て兼用してもよく、アルミ膜や、ＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄積
層膜等を必要に応じて反射膜として被覆してもよい。硬
磁性膜、反射膜を形成する際は、軸部３ａの表面には被
覆させないようにする。成膜やエッチング等のプロセス
によって軸部３ａ表面の劣化を生じさせないことで軸部
３ａの機械的特性を確保する。次に、薄膜電磁石部５
１，５２，９１，９２に隣接した位置に角度検出用セン
サ６１，６２，１０１，１０２を形成する。

【００５９】以上の手順によって、基板１上に形成する
ミラー部４、薄膜電磁石部５１，５２、検出部６１，６
２を持つ１軸自由度を持つｙ軸方向偏向部１０３を中心
にして、これの外側に軸方向を直交させたｘ軸方向偏向
部１０４を作製し、内／外２重構造とすることがきる。
この場合、内側の機械的共振点を水平走査周波数と同一
の６０ｋＨｚ、外側を垂直走査周波数と同一の６０Ｈｚ
とする。

【００６０】（トーションビーム光偏向器１００の動
作）そして、このようなトーションビーム光偏向器１０
０では、薄膜電磁石部５１，５２又は９１，９２に生ず
る磁界と、前記回転板３に形成された硬磁性薄膜に生ず
る磁界との間に生ずるクーロン力で回動板３又は基板１
を回動させ、これらの回動板３又は基板１の傾斜によっ
てミラー部４に照射された光を偏向させる。

【００６１】具体的には、１対の薄膜電磁石コイルに互
いに１８０度位相異なる６０ｋＨｚの交流を同じ電流で
印加する。角度検出用センサ６１，６２，１０１，１０
２で検出したミラー可動角度情報に基づいて、電磁、静
電駆動回路の制御を行うことにより、所定の角度、速度
で駆動させる。

【００６２】詳述すると、古典磁気学に示されるごとく
２つの磁極間に働く力を表したクーロンの法則より、Ｆ＝ｍ１×ｍ２／４×π×μ₀×ｒ² のごとくクーロン力が作用する。このとき、ｍ１：磁極１の強さ μ₀：真空の透磁率ｍ２：磁極２の強さｒ：磁極間距離である。

【００６３】これより、クーロン力は２つの磁極の磁化
の大きさに比例して増大し、磁極間距離の２乗に反比例
するので磁極間距離を狭めると、大きな力が得られるの
が分かる。

【００６４】可動する可動板３に硬磁性を示す薄膜を形
成しているため、着磁によってミラー部４を回動させる
ことができる。プレーナ型コイル５１ｃ，５２ｃに電流
を流しヨーク端部の磁界と、硬磁性薄膜（回動板３、基
板１）の磁界との間に発生するクーロン力で、軸部３ａ
に捻りを誘発し、ミラー部４をｘ軸方向及びｙ軸方向に
可動させる。薄膜電磁石５１，５２による発生磁界は、
コイルの巻数と流す電流の積に比例するので静電駆動の
様な高電圧は必要ない。

【００６５】また、薄膜電磁石５１，５２の磁極端部
を、硬磁性薄膜（回動板３）の端部と限りなく近づける
ことが可能なので、大きなクーロン力を得ることが出来
る（静電駆動の場合、ミラー下面に平行配置で電極を形
成するのが一般的であるが、ミラー部４の回転運動に必
要な空間に電極を配置することができず、最大傾斜角で
電極間ギャップが制限されてしまう）。コイル５１ｃ，
５２ｃに交流電流を印加するとミラー部４に周期的に変
化するクーロン力が働き、その周波数に同期した単振動
を示す。駆動周波数をミラー部４の支持系の固有振動数
と一致させれば、少ない駆動電流で大きな振幅（傾斜角
度）が得られる。

【００６６】上記と同様、外側のｘ軸方向偏向部１０４
も同じ電磁駆動を６０Ｈｚで駆動し、角度検出器によっ
て正確に運動制御させる。

【００６７】これによって、本実施形態においては、ｘ
軸方向偏向部１０４とｙ軸方向偏向部１０３とは互いに
直交するように配置されており、これによって２次元走
査可能に光を偏向させることができる。そして、ビデオ
信号等で輝度変調したレーザー光スポットをミラーで偏
向させ、ＩＬＡ素子の光書き込み面の光誘電層表面に結
像するようにアライメントし、２次元走査させる。

【００６８】（変更例）なお、本発明は上述した実施形
態に限定されるものではなく、例えば以下のような変更
をすることができる。

【００６９】前述した実施形態では、薄膜電磁石のコイ
ルを渦巻き状に形成したが、この他に、例えば、図６に
示すように、螺旋状のパターンとして、膜厚方向に立体
的な渦巻き状に形成することもできる。具体的には、同
図に示す薄膜電磁石１５１のように、細長形の電磁ヨー
ク１５１ｂの上下部に折れ線形状の薄膜１５１ｃ、１５
１ｄを配置させ、これらをコンタクト部１５１ａで接続
してヘリカル立体コイルを形成してもよい。この場合、
歳後方に位置する薄膜１５１ｃ或いは１５１ｄにボンデ
ィングパッド１５１ｅを接続する。

【００７０】また、前述した実施形態では、回動板３や
基板１を挟むようにして１対の電磁ヨークを設けたが、
例えば、図７に示すように、Ｃ型ヨーク１９２を用いる
こともできる。この場合、Ｃ型ヨーク１９２の一部に前
述したヘリカル立体コイルを巻き付けるようにして、磁
界を発生させる。この場合には、薄膜電磁石が１つでよ
いため、装置の簡略化を図ることができる。

【００７１】さらに、上述した図８（ａ）及び（ｂ）に
示すように、トーションビーム光偏向器１００を封止部
材によって密封することもできる。具体的には、パイレ
ックスガラス等で形成された透明カバー１２，１３によ
って、半導体基板１４に形成されたトーション光偏向器
１００を上面及び下面から真空に封止する。

【００７２】かかる透明カバー１２，１３としては、例
えばシリコンと熱膨張係数が近い、パイレックス（商品
名）等のガラス基板を用い、エッチングによって、可動
部分の空間を確保する溝１２ａ及び１３ａを形成し、ト
ーションビーム光偏向器１００を挟むように接合する。
接合には陽極接合法を用いる。

【００７３】透明カバー１２，１３内の雰囲気は、真空
もしくは不活性ガス（アルゴン等）の減圧雰囲気にす
る。透明カバー１２，１３の接合の際、上下のガラス封
止基板より半導体基板１４を大きくして前記駆動用コイ
ル、検出用電極、等のワイヤーボンディング用導電パッ
ドを設ける。

【００７４】これによって、トーションビーム光偏向器
１００の可動部周辺の気体（空気）粘性によって、回動
板３等の回動角に減衰が生じるのを防止若しくは軽減す
ることができる。特に、後述するように静電吸引力を駆
動に併用した場合、高い電圧を電極間に印加すると、空
気中では放電してしまう事があるため、透明カバー１
２，１３によって密封し、内部における電極間を減圧す
ることによって、大きい偏向角を得るために高い電圧で
駆動アシストする際のしきい放電電圧を高くすることが
できる。

【００７５】さらに、同図に示すように、ヒートシンク
１１を半導体基板１４の下部等に設けて放熱させ、可動
部の温度上昇を低減させるようにすることが好ましい。

【００７６】また、前述した実施形態では、薄膜電磁石
５１，５２を基板１上面に配置し、回動板３の側方から
臨ませるようにしたが、例えば図９に示すように、回動
板３の下方、すなわち溝部２の底面に電磁ヨーク１２
１，１２２及びコイル１２３，１２４を設けるようにす
ることもできる。

【００７７】さらに、前述した実施形態では、薄膜電磁
石のみによって回動板を駆動するようにしたが、例えば
図１０に示すように、静電駆動を併用することもでき
る。この場合には、溝部２の底面に静電駆動用の電極１
６，１７を軸部３ａを中心に左右対称になるように配置
する。そして、１対の薄膜電磁石コイルに互いに１８０
度位相が異なる６０ｋＨｚの交流を同じ電流で印加する
のと同時に、ボンディングパッド１８，１７を介して静
電駆動用電極１６，１７にも同期した電圧を左右で同じ
だけ、互いに逆位相で印加して電磁駆動のアシストをす
る。このようにすればミラー部４の回転角度をより大き
なものとすることができる。

【００７８】

【発明の効果】本発明の薄膜電磁石駆動の光偏向器は、
以下に挙げる効果がある。

【００７９】第１に、作製基板上に駆動部、可動部、角
度検出器が全て一体に集積した形に作製可能になるの
で、飛躍的に小型化できる。第２に、駆動部分の電磁石
と可動ミラーの組み立て、位置合わせが不要で駆動力が
一定となる。

【００８０】第３に、組み立て作業がないので大量に一
括製造可能となり、コストが低い。第４に、薄膜電磁石
の磁極と可動ミラーの間のギャップが、ミラーの可動に
ともなって干渉しない範囲で可能な限り狭くすることが
出来、大きな駆動力を得ることが出来る。

【００８１】第５に、ミラー可動部分には、コイルを形
成する必要がないので、光ビームの反射に必要な最低限
の大きさで済む。可動部分の小型化によって、高い共振
点にすることが容易になり、高速な光走査が可能とな
る。第６に、ミラー可動部分には、コイルを形成する必
要がないので、可動ミラーを支持している梁表面にコイ
ル配線を施す必要がなくなり、構成部材の例えば半導体
基板の表面性を劣化させることがない。従って、機械特
性が重要な梁部分の疲労破壊に対する強度劣化等が少な
く、高い信頼性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るトーションビー
ム光偏向器の全体構成を示す上面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係るトーションビー
ム光偏向器の一部を拡大して示す斜視図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係るトーションビー
ム光偏向器の電磁ヨーク部分を示す斜視図である。

【図４】本発明の第１の実施形態に係るトーションビー
ム光偏向器のプレーナが他コイルを示す斜視図である。

【図５】本発明の第１の実施形態に係るトーションビー
ム光偏向器の断面図である。

【図６】本発明の変更例に係るヘリカル立体コイルを示
す図である。

【図７】本発明の変更例に係る電磁ヨークを示す図であ
る。

【図８】本発明の変更例に係るトーションビーム光偏向
器の外観図である。

【図９】本発明の変更例に係るトーションビーム光偏向
器の断面図である。

【図１０】本発明の変更例に係るトーションビーム光偏
向器の説明図である。

【図１１】従来の一般的なビデオプロジェクタを示す概
略構成図である。

【図１２】従来のマイクロミラー装置を示す概略構成図
である。

【図１３】従来のマイクロミラー装置を示す概略構成図
である。

【符号の説明】

１，８…基板、２…溝部、３…回動板、１ａ，３ａ…軸
部、４…ミラー部、５１，５２，９１，９２…薄膜電磁
石部、５１ａ，５２ａ…電磁ヨーク、５１ｃ，５２ｃ，
９１ｃ，９２ｃ…プレーナ型コイル６１，６２…角度検出用センサ１００…トーションビーム光偏向器（光偏向部）１０３…ｙ軸方向偏向部（第１方向偏向部）１０４…ｘ軸方向偏向部（第２方向偏向部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溝部を有する基板と、前記溝部に架け渡された軸部によって前記基板に対して
回動可能に軸支されるとともに、硬磁性薄膜を有する回
動板と、前記回動板に臨むように、前記基板上に、前記軸部と直
交し且つ薄膜として設けられる一対の薄膜電磁石部と、前記回動板面上に設けられるミラー部とからなる第１方
向偏向部とを有し、前記薄膜電磁石部に生ずる磁界と、前記硬磁性薄膜に生
ずる磁界との間に生ずるクーロン力で前記回動板を回動
させ、この回動板の傾斜によってミラー部に照射された
光を偏向させることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】前記請求項１に記載の光偏向器であっ
て、前記軸部、及び前記回動板は、前記基板と一体的に形成
されるものであり、前記回動板は前記軸部の弾性的なねじれによって回動す
るものであることを特徴とする光偏向器。
【請求項３】前記請求項１又は２に記載の光偏向器に
おいて、前記一対の薄膜電磁石を、前記基板の厚み方向
に相互にずらして配置することを特徴とする光偏向器。
【請求項４】前記請求項１乃至３に記載の光偏向器に
おいて、前記基板及び前記回動板の近傍に、該基板及び該回動板
の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段を配置したこと
を特徴とする光偏向器。
【請求項５】前記請求項１乃至４に記載の光偏向器に
おいて、前記溝部の底面に２個の静電駆動用電極を、前
記軸部を中心に左右対称となるように配置して、前記一
対の薄膜電磁石部に互いに逆位相の交流を印加すると同
時に、前記静電駆動用電極にも前記逆位相の交流を印加
して電磁駆動アシストを併用することを特徴とする光偏
向器。
【請求項６】前記請求項１乃至５に記載の光偏向器に
おいて、前記第１方向偏向部と同様の構成を有する第２方向偏向
部を、これの軸部が前記第１方向偏向部の軸部と直交す
るように配置し、これらの直交する軸部を中心とする回
動によって、２次元走査可能に光を偏向させることを特
徴とする光偏向器。