JP2005173436A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射面にほこりがつくことを防止する。
【解決手段】 光偏向器が箱状部材の内部に固定され、箱状部材が貫通孔と光偏向器の光反射面側に形成された流入気流を遮断する光透過部を有する。
【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４（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４（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、流入気流によって浮遊物を含む大気が反射面に進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ができる光偏向器を提供することにある。

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
前記光偏向器が箱状部材の内部に固定され、
前記箱状部材が貫通孔と、
前記光偏向器の光反射面側に形成された流入気流を遮断する光透過部とを有することを特徴とする光偏向器。
（２）前記貫通孔が前記光偏向器の光反射面の反対側に形成されたことを特徴とする上記記載の光偏向器。
（３）前記光透過部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）前記光透過部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。
（６）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。
（７）前記箱状部材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。
（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、流入気流を遮断しほこりやちりなどが反射面に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。

また、箱状部材を軟磁性体とすることにより、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）、（２）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浮遊物が進入し、ほこりやちりが付着する。そこで、本発明の特徴は、箱状部材の内部に光偏向器を固定し、箱状部材の光反射面側を流入気流を遮断するための光透過部で形成することである。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・大偏向角で駆動し可動部周辺に気流が生じても、箱状部材の光反射面側を光透過部で覆っていることによって、流入気流を遮断し反射面への浮遊物の進入を防ぐことができるので、反射面に浮遊物は付着しない。さらに、貫通孔を箱状部材の側面あるいは光反射面と反対面側に開ける。貫通孔は可動部の駆動により引き起こされる気流の影響が少ない位置にある。この貫通孔によって外部と内部の圧力差および温度差を低減することができる。従って、光透過部のたわみ、箱状部材の内部への外気の流れ込み、および光偏向器の発熱による温度変化を小さくすることができる。このように、箱状部材が側面あるいは光反射面の反対面側に貫通孔を有することによって、外部と内部との圧力差および温度差を低減するため、箱状部材の内部への外気の流れ込みを低減し、かつ光反射面側を流入気流を遮断する光透過部で形成することによって、大気中の浮遊物が反射面側から進入することを防ぐことができるため、反射面の反射率の低下を防ぐことができる。

また、上記（３）の構成のように、光透過部に、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。光が光透過部の表（裏）面に入射した際の反射光の一部が再度光透過部の裏（表）面で反射すると、ゴーストが生じる。光透過部に反射防止膜、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、光透過部に水滴防止膜をコーティングする。水滴が光透過部に付着して乾燥した後は、水あか等により光透過部の透過率が低下する。そこで、光透過部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、可動部を加振する手段として、可動部を駆動するための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。本発明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となり、箱状部材の貫通孔により箱状部材の外部と内部の圧力差および温度差を低減するため、光透過部のたわみ、箱状部材の内部への外気の流れ込み、および光偏向器の発熱による温度変化を小さくすることができる。そして、流入気流を遮断する光透過部により、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、光反射面側を光透過部で覆い、箱状部材の材料を軟磁性体とする。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）のように、光透過部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、流入気流を遮断し反射面への浮遊物の付着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（ｂ）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。

本実施例の特徴は、箱状部材１４０の内部に光偏向器を固定し、箱状部材１４０の光反射面１３１側を流入気流を遮断するための光透過部１４１で形成することである。そして、貫通孔１４２、１４３を可動部１３０の駆動により引き起こされる気流の影響が少ない箱状部材１５０の側面に開ける。

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、流入気流によって浮遊物が反射面１３１に進入し、ほこりやちりが付着する。箱状部材１４０の光反射面１３１側を光透過部１４１で覆っていることによって、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１３０を高速・大偏向角で駆動しても、流入気流を遮断し反射面１３０への浮遊物の進入を防ぐことができる。さらに、箱状部材１５０の側面の貫通孔１４２、１４３により、外部と内部の圧力差および光偏向器の発熱による温度差を低減することができるため、光透過部のたわみ、浮遊物を含む外気の流れ込み、および光偏向器の温度変化を低減することができる。

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・大偏向角で可動部を駆動しても、流入気流は遮断され浮遊物が反射面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２４０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。

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。

本実施例の特徴は、軟磁性体の箱状部材２５０の内部に電磁アクチュエータで駆動する光偏向器を固定し、箱状部材の光反射面側を光透過部２５１で覆い、反対面側に貫通孔２５２、２５３を有することである。

箱状部材２５０を軟磁性体たとえば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２４０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２３２に作用させることができるので、低消費電力で高速・大偏向角で駆動が可能になる。

また、可動部２３０を高速・大偏向角で駆動すると、可動部２３０周辺に気流が生じるため、流入気流によって浮遊物が反射面２３１に進入しほこりやちりが付着する。箱状部材２５０の光反射面２３１側を光透過部２５１で覆っていることによって、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１３０を高速・大偏向角で駆動しても、流入気流は遮断されているので、反射面２３１への浮遊物の付着を防ぐことができる。さらに、貫通孔２５２、２５３を箱状部材１５０の光反射面２３１と反対面側に開けているため、外部と内部の圧力差および光偏向器の発熱による温度差を低減することができるため、光透過部のたわみ、浮遊物を含む外気の流れ込み、および光偏向器の温度変化を低減することができる。

光透過部２５１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。

本実施例の構成で、０．２Ｗ以下の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、反射面に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、流入気流の遮断により浮遊物が反射面２３１に付着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。

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３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１〜２の光偏向器３０１と３０２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３１１から入射したレーザ光３４１は光強度変調器３２１により強度変調を受けて、光偏向器３０１，３０２により２次元的に走査される。レーザ光源３１１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３４１はレンズ３３１により投影面３５１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分解図（ａ）および断面図（ｂ）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。 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 箱状部材
１４１ 光透過部
１４２、１４３ 貫通孔
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 可動コア
２４０ コイル
２５０ 箱状部材
２５１ 光透過部
２５２、２５３ 貫通孔
２６０ ねじり軸
３０１、３０２ 光偏向器
３１１ レーザ光源
３２１ 光強度変調器
３３１ レンズ
３４１ レーザ光
３５１ 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 (8)

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、
   前記光偏向器が箱状部材の内部に固定され、
   前記箱状部材が貫通孔と、
   前記光偏向器の光反射面側に形成された流入気流を遮断する光透過部とを有することを特徴とする光偏向器。
2. 前記箱状部材の前記貫通孔が
   前記光偏向器の光反射面の反対側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記光透過部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。
4. 前記光透過部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。
5. 前記光透過部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１〜４に記載の光偏向器。
6. 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１〜５に記載の光偏向器。
7. 前記箱状部材が軟磁性体であることを特徴とする請求項１〜６に記載の光偏向器。
8. 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。
   

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