JP2005173435A

JP2005173435A - 光偏向器

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Publication number: JP2005173435A
Application number: JP2003416173A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Torashima; 和敏虎島; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】画像装置において、装置駆動での流入気流によるほこりやちり等の浮遊物から偏向反射面の汚れを防止する。
【解決手段】反射面を有する可動部を反射面側から覆う光透過部材（表面に反射防止膜や水滴防止膜をコーティングする）を支持基板に固定配置する。光透過部材の配置によるゴースト光の発生を防止するため光入射面を傾斜させることも有効である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロメカニクス技術により作製される光偏向器に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化に代表されるように、マイクロエレクトロニクスの発展に伴い、様々な機器が高機能化と共に小型化されてきている。シリコンプロセスを用いたマイクロメカニクス技術によるマイクロマシンデバイス（例えば、ねじり軸中心にねじり振動する部材をマイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ等）を利用した装置も同様で、例えば、光偏向器を用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等においても高機能化、小型化がなされ、更に、より一層の小型化によって、例えば持ち運びに容易な形態とした製品への応用が望まれている。

ねじり振動する光偏向器の一例として、図５（ａ）に示すような構成のものが存在している（特許文献１）。図５（ｂ）は、その内部構造を説明するために、上記光偏向器を分解して表示した図である。

上記光偏向器において、絶縁性材料からなる基板１０１０には、凹み部１０１１が形成されている。凹み部１０１１の底部には、一対の駆動電極１０１２、１０１３及び可動部１０２３を支持する支持部１０１４が配置されている。シリコン基板１０２０には、弾性支持部１０２１、１０２２と可動部１０２３が一体に形成されている。可動部１０２３は、表面に光の反射率の高い物質がコーティングされており、弾性支持部１０２１、１０２２にねじり振動自在に支持されている。そして、絶縁性基板１０１０に対向配置されている。

ここで、シリコン基板１０２０は、電気的に接地されている。従って、駆動電極１０１２、１０１３に交互に電圧を印加することで、可動部１０２３に静電引力を作用させて、可動部１０２３を弾性支持部１０２１、１０２２の長軸の回りにねじり振動させることができる。
米国特許第４３１７６１１号

上記のようなマイクロマシンデバイスを用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等の高機能化・小型化のために高速・大偏向角で可動部を駆動する必要がある。しかしながら、高速・大偏向角で可動部を駆動する場合、可動部周辺に気流が生じ、可動部がポンプのような役割を果たすため、ほこりやちり等の浮遊物が多い大気中などでは、流入気流によって大気中の浮遊物を可動部上の反射面に吸い寄せ、付着させてしまう。そのため、反射率の低下を引き起こす。反射率の低下は、光偏向器を用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等において、画像を劣化させ、画質が安定しないという問題を引き起こす。

本発明は上記観点に鑑みなされたものであり、その目的は、ほこりやちりなどの浮遊物が存在する大気中で、可動部を高速・大偏向角で駆動しても、流入気体によって浮遊物が反射面に流入し付着することを防止し、反射率の低下、画質の劣化を防止することにある。

本発明は上記目的を達成するため、以下の（１）〜（８）に記載の光偏向器を提供するものである。
（１）支持基板と
前記支持基板に弾性支持部でねじり軸を中心にねじり振動自在に支持される可動部と、
前記可動部に形成される反射面とを有し、
前記可動部を駆動することによって、
前記支持基板に対して相対的に駆動させ、
前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器において、流入気流を遮断する光透過部材が支持基板に固定されており、
前記可動部を前記反射面側から覆っていることを特徴とする光偏向器。
（２）前記光透過部材がスペーサを介して、
前記支持基板に固定されていることを特徴とする上記記載の光偏向器。
（３）前記光透過部材に反射防止コーティングを施したことを特徴とする上記記載の光偏向器。
（４）前記光透過部材に水滴防止コーティングを施したことを特徴とする上記記載の光偏向器。
（５）前記駆動手段が
前記可動部を駆動するための磁場発生部と
前記可動部に接合された可動コアからなる電磁アクチュエータであることを特徴とする
上記記載の光偏向器。
（６）前記スペーサが軟磁性体であることを特徴とする上記記載の光偏向器。
（７）前記光透過部材の光透過面が前記反射面に対して平行に設置されていないことを特徴とする上記記載の光偏向器。
（８）上記記載の光偏向器を用いることを特徴とする画像形成装置。

以上が本発明の構成要素であり、その詳細及び作用については以下に説明する。

本発明の光偏向器により、浮遊物を含む大気中などで可動部を高速・大偏向角で駆動しても、流入気流が遮断されており、反射面にほこりやちりなどの浮遊物が流れ込むことができなくなるため、ごみ等の反射面への付着を防ぐことができ、反射率の低下、画質の劣化を防止することができた。

さらに、支持基板に光透過部材を固定したことにより、小型化が可能となった。

また、軟磁性体のスペーサを介して光透過部材を支持基板に固定することにより、低消費電力で高速・大偏向角で駆動することができ、かつ、光透過部材があるため、大気中の浮遊物などが反射面に付着することを防止することができた。

また、本発明の光偏向器を垂直・平行方向のスキャニングに用いた画像形成装置は、反射面へのごみ等の付着を防止することができるので、画像の劣化を防ぎ、画質を安定させることができた。

本発明の実施の形態について説明する。

上記（１）の構成の光偏向器は、支持基板に可動部が弾性支持部でねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されており、可動部の一方面側にアルミニウム、誘電体多層膜など反射率の高い膜を成膜して反射面を形成する。そして、可動部を外部から加振することによって支持基板に対して可動部を相対的に駆動させて、反射面に入射する入射光を偏向することができる。この可動部を高速・大偏向角で駆動すると、可動部周辺に気流が生じるため、ほこりやちりなどの浮遊物が存在する大気中などでは、流入気流によって反射面にほこりやちりなどの浮遊物が進入し、付着する。そこで、本発明の特徴である光透過部材を支持基板に固定し、可動部を反射面側から覆うことによって、ほこりやちりなどの浮遊物が存在する大気中などで可動部を高速・大偏向角で駆動しても、流入気流を遮断するため、反射面への浮遊物の進入を防ぐことができる。さらに、光透過部材を支持基板に固定することによって、反射面と光透過部材の光透過面との距離を浮遊物が付着しない最適な距離にでき、かつ小型化することが可能となる。このように、光透過部材により反射面への流入気流を遮断することによって、ほこりやちり等の反射面への進入を防ぎ、反射面に浮遊物が付着せず、反射面の反射率の低下を防止することができる。

また、上記（２）の構成のように、スペーサを介して光透過部材を支持基板に固定する。光透過部材の形状が単純で、構成が容易であるため実装コストを低減することができる。

また、上記（３）の構成のように、光透過部材に光の反射を抑え、透過率を向上するために反射防止膜をコーティングする。光が光透過部材の表（裏）面に入射した際の反射光の一部が再度光透過部材の裏（表）面で反射してゴーストが生じる。光透過部材に反射防止膜、例えば誘電体膜などを単層あるいは多層にコーティングすることによって、ゴーストを防止することができる。

また、上記（４）の構成のように、水滴防止膜をコーティングする。水滴が光透過部材に付着して乾燥した後は、水あかなどにより光透過部材の透過率が低下する。そこで、光透過部材に水滴防止膜例えばフッ素コートなどを施すことによって、水滴が付着した際の水あかを防止することができる。

また、上記（５）の構成のように、可動部を駆動する手段として、コイル等の磁場発生部を形成し、可動部に磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石を可動コアとして使用する電磁アクチュエータとする。以上のように構成された光偏向器では、磁場発生部から発生する磁場により永久磁石にかかるトルクＴは数式（１）で与えられる。
Ｔ＝Ｈ×Ｍ（１）
ただし、Ｔは発生トルク、Ｈはコイルが発生する磁場、Ｍは永久磁石の磁気モーメントである。磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石を可動コアとすることによって、数式（１）のＭを大きくすることができる。磁気モーメントＭが大きいため、コイルが発生する磁場が小さくても発生トルクＴは大きい。つまり、コイルに通電する電流をすくなくして発生トルクを大きくすることができる。そのため、低消費電力で高速・大偏向角で駆動することが可能となる。

例えば持ち運びに容易な形態とした製品へマイクロマシンデバイスを応用する場合、低消費電力で高速・大偏向角で駆動させ、反射率の低下、画質の劣化を防ぐ必要がある。上記（５）の電磁アクチュエータを用いた構成の光偏向器では、低消費電力で高速・大偏向角駆動が可能で、流入気流を遮断し大気中の浮遊物が可動部の反射面に進入することを防止することができるので、画質の劣化を防ぐことができる。

また、上記（６）の構成のように、電磁アクチュエータで可動部を駆動させ、軟磁性体のスペーサで光透過部材を支持基板に固定する。以上のように構成された光偏向器では、コイルの発生する磁場を外部に漏洩することなく、可動コアに作用させることができる。

また、上記（７）の構成のように、光透過部材を反射面に対して平行に設置しないことによって、光透過部材で反射された光が、投影面においてゴーストを形成することを防ぐことができる。

また、画像形成装置に用いる光偏向器では、反射面にごみなどが付着して反射率が低下すると、画質の劣化を起こす。上記（８）の構成のように、上記（１）〜（７）の光偏向器を用いることによって、反射面の汚染を防ぐことができるので、反射率を低下させることなく安定した画像を形成することができる。

以下実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の光偏向器を説明する図である。図１（ａ）は、実施例１の斜視図であり、図１（ｂ）はその内部構造を説明するために、実施例１の光偏向器を分解して表示した図であり、図１（ｃ）はその断面図である。実施例１の光偏向器において、ガラス基板１１０には、凹み部１１１が形成されている。凹み部１１１の底部には、一対の駆動電極１１２、１１３が配置されている。シリコン単結晶の支持基板１２０には、バルクマイクロマシニング技術により、弾性支持部１２１、１２２と可動部１３０が、一体に形成されている。可動部１３０の一方面側には、表面に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質がコーティングされて反射面１３１を形成している。

可動部１３０は、弾性支持部１２１、１２２によりねじり軸１５０の回りにねじり振動自在に支持されている。そして、シリコン単結晶の支持基板１２０は、可動部１３０が駆動電極１１２、１１３と所定の間隔を保つようにガラス基板１１０上に対向配置されている。

シリコン単結晶の支持基板１２０は、電気的に接地されている。従って、駆動電極１１２、１１３に交互に電圧を印加することで、可動部１３０に静電引力を作用させてねじり軸１５０の回りに可動部１３０をねじり振動させることができる。可動部のねじり振動の固有モードと同じ周波数で共振駆動させることによって、大きな偏向角を得ることができる。駆動力は静電引力に限らず、電磁力などを使うこともできる。この場合は、駆動電極の代わりに電磁石を設置して可動部１３０の下面に硬磁性材料の永久磁石などを固定する構成をとることになる。

可動部１３０を高速・大偏向角で駆動すると、可動部１３０周辺に気流が生じるため、ほこりやちりなどの浮遊物が存在する大気中などでは、流入気流によって反射面１３１に浮遊物が進入し、付着する。そこで、本発明の特徴である光透過部材１４０を支持基板１２０に固定する。光透過部材１４０の光透過面と反射面１３１との距離は１ｍｍとした。ほこりやちりなどの浮遊物が存在する大気中などで可動部１３０を高速・大偏向角で駆動しても、可動部１３０を反射面１３１側から覆うことによって流入気流を遮断し、反射面１３１への浮遊物の進入を防ぐことができる。

光透過部材１４０には光の反射を防止して透過率を向上するために、反射防止コーティングを施してある。反射防止コーティングの一例としては、誘電体膜を単層あるいは多層に成膜してある。

以上のように構成された本実施例の光偏向器により、駆動周波数２０ｋＨｚ、光偏向角±１０°以上の高速・大偏向角で可動部１３０を駆動しても、流入気流が遮断されており浮遊物を含む空気が反射面１３１に流れ込むことができなくなるため、ごみ等の反射面１３１への付着を防ぐことができ、反射率の低下、画質の劣化を防ぐことができた。

図２は、本発明の実施例２の光偏向器を説明する概略図である。図２（ａ）は実施例２の光偏向器の内部構造を説明するために、光偏向器を分解して表示した図であり、図２（ｂ）はその断面図である。実施例２の光偏向器において、コイル基板２１０には、マイクロマシニング技術により、平面コイル２４０が形成されている。平面コイルは単層または多層である。一方、シリコン単結晶の支持基板２２０には、弾性支持部２２１、２２２と可動部２３０が、一体に形成されている。可動部２３０の寸法は１５００μｍ×１３００μｍ、厚さ２００μｍである。可動部２３０の一方面側には、アルミニウムや誘電体多層膜など光の反射率の高い物質がコーティングされて反射面２３１を形成し、反対面側に可動コア２３２として硬磁性体を配置する。可動コア２３２はねじり軸２６０に対して垂直方向に着磁されている。そして、可動部２３０は弾性支持部２２１、２２２によりねじり軸２６０の回りにねじり振動自在に支持されている。支持基板２２０は、可動部２３０がコイル２４０と所定の間隔を保つようにコイル基板２１０上に対向配置されている。

本実施例の特徴は、光透過部材２５０を支持基板２２０に固定し、反射面２３１側から可動部２３０を覆う構成をとることである。光透過部材２５０は光の反射を防止して透過率を向上するために、反射防止コーティングを施してある。反射防止コーティングの一例としては、誘電体膜を単層あるいは多層に成膜してある。さらに、光透過部材２４０は、光透過部材２４０の反射によるゴーストを避けるために、可動部２３０の反射面２３１に対して平行でないように固定している。

コイル２４０（磁場発生部）から発生する磁場により永久磁石にかかるトルクＴは数式（１）で与えられる。
Ｔ＝Ｈ×Ｍ（１）
ただし、Ｔは発生トルク、Ｈはコイルが発生する磁場、Ｍは永久磁石の磁気モーメントである。Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、を含有する合金磁石は加工が容易、かつ磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石であり、この永久磁石を可動コア２３２とすることによって、数式（１）のＭを大きくすることができた。磁気モーメントＭが大きいため、コイル２４０が発生する磁場が小さくても発生トルクＴは大きい。つまり、コイル２４０に通電する電流を小さくして発生トルクを大きくすることができる。

本実施例の構成により、低消費電力で駆動周波数２０ｋＨｚかつ光偏向角±２０°以上の高速・大偏向角で駆動することができ、大気中で駆動しても、流入気流が遮断されているため、反射面２３１に大気中の浮遊物が付着することなく、反射率の低下を防ぐことができた。

本実施例の電磁アクチュエータを用いた構成の光偏向器では、持ち運びに容易な形態とした製品へ応用する場合、低消費電力で高速・大偏向角駆動が可能で、大気中の浮遊物が可動部２３０の反射面２３１に進入することを防止することができるので、画質の劣化を防ぐことができた。

図３は、本発明の実施例３の光偏向器を説明するための断面図である。実施例３の光偏向器の構成は、実施例１あるいは２と略同様である。

本実施例３が実施例１あるいは実施例２と異なる点は、光透過部材３４０がスペーサ３４１を介して支持基板３１０に固定されていることである。スペーサ３４１を介して光透過部材３４０を固定することによって、光透過部材３４０の加工が容易になり、コストを低減することができる。

光透過部材３４０は光の反射を防止して透過率を向上するために、反射防止コーティングを施してある。反射防止コーティングの一例としては、誘電体膜を単層あるいは多層に成膜してある。

また、実施例２のように電磁アクチュエータで駆動する場合、スペーサ３４１をＦｅ、Ｎｉを主成分とする軟磁性体とすることによって、コイル３５０の発生する磁場の外部への漏れを少なくすることができ、効率よく可動コア３３２に作用させることができる。スペーサ３４１の軟磁性体の厚みを０．８ｍｍとし、駆動周波数２０ｋＨｚ、偏向角±２０°の高速・大偏向角で駆動した場合、０．３Ｗ以下の非常に低消費電力で可動部を駆動することができ、反射面３３１への大気中の浮遊物の付着を防止することができた。

以上のように構成された本実施例の光偏向器は、光透過部材３４０があるため流入気流を遮断し、大気中の浮遊物などが反射面に付着することを防止することができる。さらに、光透過部材３４０を固定するスペーサ３４１を軟磁性体としたことにより、低消費電力で高速・大変位角で駆動することができた。

本実施例は本発明による光偏向器を用いた画像形成装置の例である。図４は、本実施例の画像形成装置を説明するための概略図である。本実施例１〜３の光偏向器４０１と４０２を偏向方向が互いに直交するように配置することにより、入射光を垂直・水平方向にスキャンすることができる。レーザ光源４１１から入射したレーザ光４４１は光強度変調器４２１により強度変調を受けて、光偏向器４０１，４０２により２次元的に走査される。レーザ光源４１１は赤色、青色、緑色の光源を用い、これらを混色光源系にて混色して用いてもよい。この走査されたレーザ光４４１はレンズ４３１により投影面４５１上に画像を形成することができる。

このような画像形成装置の場合、反射面の反射率が低下することにより投影面の光強度が低下する。本実施例のように、反射面へのごみ等の付着を防止することができるので本発明の光偏向器を画像形成装置に用いることにより、画像の劣化を防ぐことができる。

本発明の実施例１の光偏向器を説明する斜視図（ａ）および分解図（ｂ）および断面図（ｃ）である。本発明の実施例２の光偏向器を説明する分解図（ａ）および断面図（ｂ）である。本発明の実施例３の光偏向器を説明する断面図である。本発明の実施例４の画像形成装置を説明する図である。従来技術の光偏向器を説明する斜視図（ａ）および分解図（ｂ）である。

符号の説明

１１０ガラス基板
１１１凹み部
１１２、１１３駆動電極
１２０支持基板
１２１、１２２弾性支持部
１３０可動部
１３１反射面
１４０光透過部材
１５０ねじり軸
２１０コイル基板
２２０支持基板
２２１、２２２弾性支持部
２３０可動部
２３１反射面
２３２固定コア
２４０コイル
２５０光透過部材
２６０ねじり軸
３１０コイル基板
３２０支持基板
３３０可動部
３３１反射面
３３２可動コア
３４０光透過部材
３４１スペーサ
３５０コイル
３６０ねじり軸
４０１、４０２光偏向器
４１１レーザ光源
４２１光強度変調器
４３１レンズ
４４１レーザ光
４５１投影面
１０１０絶縁性基板
１０１１凹み部
１０１２、１０１３駆動電極
１０１４支持部
１０２０シリコン基板
１０２１、１０２２弾性支持部
１０２３可動部

Claims

支持基板と
前記支持基板に弾性支持部でねじり軸を中心にねじり振動自在に支持される可動部と、
前記可動部に形成される反射面とを有し、
前記可動部を駆動することによって、
前記支持基板に対して相対的に駆動させ、
前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器において、流入気流を遮断する光透過部材が支持基板に固定されており、
前記可動部を前記反射面側から覆っていることを特徴とする光偏向器。
前記光透過部材がスペーサを介して、
前記支持基板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
前記光透過部材に反射防止コーティングを施したことを特徴とする請求項１〜２に記載の光偏向器。
前記光透過部材に水滴防止コーティングを施したことを特徴とする請求項１〜３に記載の光偏向器。
前記駆動手段が
前記可動部を駆動するための磁場発生部と
前記可動部に接合された可動コアからなる電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜４に記載の光偏向器。
前記スペーサが軟磁性体であることを特徴とする請求項２〜５に記載の光偏向器。
前記光透過部材の光透過面が前記反射面に対して平行に設置されていないことを特徴とする請求項１〜６に記載の光偏向器。
請求項１〜７に記載の光偏向器を用いることを特徴とする画像形成装置。