JP2005173437A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速操作できる小型低消費電力の光偏向器を提供する。
【解決手段】 ミラー近傍に貫通孔を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光を偏向して光走査する光偏向器に関し、特に、電磁力利用して大振幅動作可能な小型可動ミラーを有する光偏向器及びそれを用いた光学機器に関し、さらに特には、従来の光偏向器に比べて小型で消費電力の小さい光偏向器及びそれを用いた光学機器に関する。

現在、レーザー光等の光ビームを偏向・走査する装置（以下光偏向器）は、レーザービームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられている。レーザー光を偏向走査する走査ミラーとしてガルバノミラーがある。ガルバノミラーの駆動原理は磁界中に配置した可動コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例したトルクが生じる。このトルクとバネ力とが平衡する角度まで可動コイルが回転し、この可動コイルを介して指針を振らせて電流の有無や大小を検出するというガルバノメータの原理を利用したもので、可動コイルと一体に回転する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設けて構成される。

しかしながら、ガルバノミラーでは機械巻きの駆動コイルと磁界発生のための大型ヨークが必要であり、主に出力トルクの理由から、これらの機械要素の小型化には限度がある。また同時に、各構成部材を組み上げる際のスペース等から、光偏向のための装置全体のサイズが大きくなっていた。

小型の光偏向器としては、半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用いて作製した光偏向器がある。これは、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されている。

図３（ａ）は上記特許文献１に記載された光偏向器を示す平面図、図３（ｂ）は断面図である。この光偏向器は静電力を利用して駆動するところに特徴がある。即ち、駆動対象のミラーのすぐ下にわずかなギャップを空けて駆動電極が配置され、導体からなるミラーとで一つのコンデンサが構成されている。ミラーとこのミラーに対向する駆動電極間に電圧を加えると静電力が生じるため、ミラーは駆動電極に引き寄せられ、ミラーは回転軸を中心とした回転運動を起こすというものである。

具体的に説明すると、同公報の光偏向器は、光を反射し、ｘ軸方向に変位可能なミラー３０１と、ミラー３０１を両側から支持するｘ軸走査用の梁部３０２と一体でその外側に形成され、ｘ軸方向と直交するｙ軸方向に変位可能な静電吸引部３０３と、静電吸引部３０３を両側で支持するｙ軸走査用の梁部３０４と、ミラー３０１と静電吸引部３０３の裏側に対向する位置に配置されたｘ軸、ｙ軸方向駆動電極３０５，３０６と、これらの駆動電極が形成された電極基板３０７と、駆動電極３０５，３０６とミラー３０１の間に存在して駆動電極３０５，３０６を絶縁するための絶縁膜３０８と、ミラーの変位に対しミラーの撓みが生じないように支持し、ミラーと駆動電極間のギャップをきめる支持スペーサー部３０９とから構成されている。ミラー３０１、ｘ軸、ｙ軸走査用の梁部３０２，３０４及び静電吸引部３０３はシリコン基板によって形成されている。更に、静電駆動電極３０５，３０６の配線部３１１は、静電力がミラー３０１に作用しない平面上に形成されている。

図６は上記特許文献２に記載された光偏向器を示す斜視分解図である。この光偏向器は静電駆動で、ミラーと電極基板の間に生じるダンピングを抑制するところに特徴がある。即ち、電極基板に外気と連通する貫通孔を形成したことを特徴としている。駆動原理は特許文献１に記載の物と同様である。

具体的に説明すると、同公報の光偏向器は、電極基板２と、ミラー基板４とを備えている。ミラー基板４はシリコンあるいはアルミニウム等から構成されており、枠状でかつ矩形の基部６と矩形板状のミラー部８と、基部６とミラー部８を連結し、かつミラー部８を所定の角度範囲で回転可能に支持する１対のトーションバー部１０とを備えている。ミラー部８の一方の面には、高反射率の膜によりミラー面１２が形成されており、ミラー部８の他方の主面には、１対の矩形の電極板１４ａ、１４ｂからなる第１電極が形成されている。電極基板２ぼミラー部８との対向面には、矩形の貫通孔１６と１対の電極板１８ａ、１８ｂからなる第２電極とが形成されている。第２電極の一方の電極板１８ａは、第１電極の一方の電極板１４ａに対向しており、第２電極の他方の電極板１８ｂは、第１電極の他方の電極板１４ｂと対向している。貫通孔１６はトーションバーを軸芯とする対称形状である。電極板１４ａ、１４ｂは電気的にお互いに接続され、接地されている。
特開平６−１８０４２８号公報 特開２００１−１３４４３号公報

しかしながら、上記の光偏向器をレーザーディスプレイを用いたビデオプロジェクタやレーザビームプリンタに使うには、高速且つ広い偏向角が必要とされて、この光偏向器は、以下に述べる理由で、それに適しているとは言えない。

たとえば、ＶＧＡの解像度（水平走査線数４８０本）の水平走査を光偏向器にて達成しようとすると、垂直走査速度を６０Ｈｚとし、光線往復走査を利用した場合で、走査周波数として１４ｋＨｚ以上が必要となる。

また、携帯機器に実装することを考えると、電池もしくはバッテリーによる駆動を前提とするため、消費電力が小さいことが必要となる。

特許文献１に記載の光偏向器において、大きな偏向角を得るためには、ミラーの回転する角度を大きくすればよい。また、走査速度を高めるには駆動軸のバネを硬くすればよい。そのためには、ミラーに作用するトルクを大きくする必要がある。静電力を利用した光偏向器は、静電力がミラーと駆動電極間距離の２乗に反比例するため、ミラーを駆動するのに十分な静電力を与えるためにはミラーに対向して狭いギャップを介して駆動電極を配置することが必要である。そのため、ミラーの回転運動は駆動電極との接触により制限され、ミラーの回転角を大きく設定すると駆動電圧は非常に大きくなり、駆動回路で消費される電力は非常に大きくなる。また同公報での光偏向器では、電極基板とミラーのギャップが狭いとミラーを駆動した時にミラーと電極基板との間に存在する空気の粘性の影響でダンピングが発生しミラーの駆動力の低下を生じため、さらに消費電力を高くすることになる。

特許文献２に記載の光偏向器のように電極基板に外気と連通する貫通孔を設けることによりダンピングによるトルクの低下を抑えることはできるが、特許文献１と同様に、ミラーの回転角を大きく設定すると駆動電圧は非常に大きくなり、駆動回路で消費される電力は非常に大きくなる。また、同公報のように貫通孔を設けたために第２電極の面積が小さくなり、さらにミラーの端に対応した位置に配置することになり、トルクに有効な静電引力を第２電極とミラー間で発生することができない。これにより、トルクの低下を招き、大きな駆動電圧を必要とし、駆動回路で消費される電力は非常に大きくなる。

したがって上記従来技術では、大きな偏向角を有し、高速走査でき、小型で、消費電力を小さくできる光偏向器としては十分であるとはいえない。本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、
入射された光を偏向して光走査する光偏向器に関し、小型で低消費電力大偏向角かつ高速走査が可能な小型光偏向器および光偏向器を用いた装置を提供することである。

かかる目的を達成する本発明の光偏向器は、
第一に、基板上に形成されるコイルと、前記コイルに通電して発生する磁気に応じて角変位する、一方面側が反射鏡部で、他方面側が着磁した薄膜状の永久磁石が形成された平板状の走査ミラーを有する光偏向器において、前記コイルと前記走査ミラーが略平行にかつ、前記コイルの中心と前記走査ミラーの中心が略同一軸上に配置され、前記コイルの最内周が前記走査ミラーに対向する部分の内側まで延在し、かつ前記基板の、前記走査ミラー近傍に、少なくとも１つの貫通孔を有することを特徴とする光偏向器。

第二に、前記基板が単結晶シリコン基板であり、前記貫通孔が異方性エッチングにより形成された貫通孔であることを特徴とする。

第三に、前記貫通孔が前記コイルの配線間に形成されていることを特徴とする。

第四に、前記走査ミラーが支持基板に、該支持基板に対して角変位可能に軸支するトーションバーと一体形成されており、前記永久磁石が、前記トーションバーに対して角度をなして着磁されていることを特徴とする。

第五に、第一から第四に記載の光偏向器を用いた光学機器。

本発明の光偏向器は、コイルが走査ミラーに対向する部分の内側まで延在しており、走査ミラーに配置される永久磁石に対して効率良く磁場を発生することができる。これは、コイルの配線を永久磁石の外側に巻き数を増やした場合に比べてコイルの配線長が短く、コイルの抵抗が小さくできるため、同じ消費電力でより多くの電流をコイルに流すことができることによる。また、基板に貫通孔を設けることで、走査ミラーと基板の間の空気は外部に自由に出入りすることができ、空気の粘性によるダンピングを抑制することができる。さらに、コイルの配線間に貫通孔が設けるため、コイルの配置を変更する必要がなく、コイルに通電して発生する永久磁石に作用する磁場は、貫通孔の有無により変化しない。つまり、ダンピングを抑制する貫通孔が形成された基板上に、効率良く永久磁石にトルクを生じるに磁場を発生するコイルを配置できる。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ小型な光偏向器が実現できる。

以上が本発明の基本的な構成要素及びより具体的な態様であり、以下に更に説明する。

図１−ａは本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す分解斜視図である。図１−ｂは図１−ａのコイル付近を拡大した上面図である。

この実施形態において、トーションバー１０１は走査ミラー１０２に対して一直線上にかつ、走査ミラーの重心を両側で支持するように位置する。このトーションバー１０１および、走査ミラー１０２は支持基板１０３を除去加工して一体形成する。支持基板には、例えば半導体基板を用いることができる。走査ミラー１０２の一方面にはアルミ等を蒸着して入射してくる光を反射する反射鏡１０４、他方面にはＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）等の希土類系の永久磁石または、フェライト磁石または、ＦｅＣｏＣｒ等の合金磁石１０５がスパッタリング等により薄膜状に形成されている。また永久磁石はトーションバー１０１に対して角度をなして着磁する。

コイル１０７は絶縁膜（不図示）を形成した基板１０６上に形成される平面コイルで、コイルが走査ミラーに対向する部分の内側まで延在している。絶縁膜はスパッタリング等で薄膜上に形成される酸化膜でもよい。基板１０６には貫通孔１０８が形成されている。

走査ミラー１０２およびトーションバー１０１を形成した支持基板１０３とコイル１０７を形成した基板１０６はスペーサー１０９を挟んで固定される。スペーサー１０９の形状はコの字型であっても、枠状であってもよく、特に制限はない。このとき、走査ミラーの中心位置とコイルの中心位置が一致するようにアライメントされている。スペーサーの高さは走査ミラーの角変位を妨げないように設定されている。

この構成の光偏向器は、コイルが走査ミラーに対向する部分の内側まで延在しており、走査ミラーに配置される永久磁石に対して効率良く磁場を発生することができる。これは、コイルの配線を永久磁石の外側に巻き数を増やした場合に比べてコイルの配線長が短く、コイルの抵抗が小さくできるため、同じ消費電力でより多くの電流をコイルに流すことができることによる。また、基板に貫通孔を設けることで、走査ミラーと基板の間の空気は外部に自由に出入りすることができ、空気の粘性によるダンピングを抑制することができる。さらに、コイルの配線間に貫通孔が設けるため、コイルの配置を変更する必要がなく、コイルに通電して発生する永久磁石に作用する磁場は、貫通孔の有無により変化しない。つまり、ダンピングを抑制する貫通孔が形成された基板上に、効率良く永久磁石にトルクを生じるに磁場を発生するコイルを配置できる。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ小型な光偏向器が実現できる。

（実施例）
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。

（第一実施例）
本実施例では図２に示す光偏向器の設計、製作した。図２は本発明の光偏向器の本実施例の構成を示す分解斜視図である。図２−ｂは図２−ａのコイル付近を拡大した上面図である。支持基板として厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板２０１を用い、この単結晶シリコン基板２０１をＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて垂直エッチングすることにより、走査ミラー２０２とトーションバー２０３を単結晶シリコン基板２０１に一体形成した。走査ミラー２０２の一方の面には反射鏡２０４として、アルミ薄膜を蒸着により成膜し、もう一方の面には永久磁石２０５としてＳｍＣｏ薄膜をスパッタにより形成した後に、トーションバーに対して角度をなして着磁した。コイル２０６は渦巻き状の平面コイルで、絶縁膜（不図示）として熱酸化膜を形成したシリコン基板２０７上に電気めっきでＣｕ配線を形成した。シリコン基板２０７には、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いてシリコン基板２０７垂直エッチングすることによりＣｕ配線間に渦巻き状の貫通孔２０８が形成されている。

走査ミラー２０２およびトーションバー２０３を形成した単結晶シリコン基板２０１とコイル２０６を形成したシリコン基板２０７はスペーサー２０９を挟んで固定される。スペーサー２０９の形状はコの字型であっても、枠状であってもよく、特に制限はない。このとき、走査ミラーの中心位置とコイルの中心位置が一致するようにアライメントされている。スペーサーの高さは走査ミラーの角変位を妨げないように設定されている。

この構成の光偏向器は、コイルが走査ミラーに対向する部分の内側まで延在しており、走査ミラーに配置される永久磁石に対して効率良く磁場を発生することができる。これは、コイルの配線を永久磁石の外側に巻き数を増やした場合に比べてコイルの配線長が短く、コイルの抵抗が小さくできるため、同じ消費電力でより多くの電流をコイルに流すことができることによる。また、基板に貫通孔を設けることで、走査ミラーと基板の間の空気は外部に自由に出入りすることができ、空気の粘性によるダンピングを抑制することができる。さらに、コイルの配線間に貫通孔が設けるため、コイルの配置を変更する必要がなく、コイルに通電して発生する永久磁石に作用する磁場は、貫通孔の有無により変化しない。つまり、ダンピングを抑制する貫通孔が形成された基板上に、効率良く永久磁石にトルクを生じるに磁場を発生するコイルを配置できる。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ小型な光偏向器が実現できた。

（第二実施例）
本実施例では第一実施例で示した光偏向器を用いた場合の光学機器について説明する。図５は光学機器として画像表示装置の場合を例として示す図である。図３において、５０１は図１または図２の光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置した光偏向器群５０１であり、この場合は水平・垂直方向に入射光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いている。５０２はレーザ光源である。５０３はレンズ或いはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ又はレンズ群、５０５は投影面である。レーザー光源５０２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器群５０１により２次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により投影面５０５上に画像を形成する。

これにより、高速かつ大走査角を特徴としかつ、低消費電力な光スキャナ装置を実現できた。

（第三実施例）
図４は本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた場合の例を示す図である。図４において、４０１は図１または図２に示された光偏向器であり、この場合は入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。４０２はレーザ光源である。４０３はレンズ或いはレンズ群であり、４０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、４０５は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器４０１により１次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ４０４により感光体４０５上へ画像を形成する感光体４０５は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することにより静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視像が形成される。

これにより、高速かつ大走査角を特徴としかつ、低消費電力な画像形成装置が実現できた。

ａは、本発明の光偏向器の一実施形態を示す分解斜視図である。ｂは、本発明の光偏向器の一実施形態を示すコイルの拡大図である。 ａは、本発明の光偏向器の第一実施例の分解斜視図である。ｂは、本発明の光偏向器の第一実施例のコイルの拡大図である。 従来例の第１実施例を示す図である。 本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた図 本発明の光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。 その他の従来例の第１実施例を示す図である。

符号の説明

１０１ トーションバー
１０２ 走査ミラー
１０３ 支持基板
１０４ 反射鏡
１０５ 永久磁石
１０６ 基板
１０７ コイル
１０８ 貫通孔
１０９ スペーサー
２０１ 単結晶シリコン基板
２０２ 走査ミラー
２０３ トーションバー
２０４ 反射鏡
２０５ 永久磁石
２０６ コイル
２０７ シリコン基板
２０８ 渦巻き状の貫通孔
２０９ スペーサー
３０１ ミラー
３０２ Ｘ軸走査用の梁部
３０３ 静電吸引部
３０４ Ｙ軸走査用の梁部
３０５ Ｘ軸方向駆動電極
３０６ Ｙ軸方向駆動電極
３０７ 電極基板
３０８ 絶縁膜
３０９ 支持スペーサー
３１０ シリコン基板
４０１ 光偏向器
４０２ レーザー
４０３ レンズ群
４０４ 書き込みレンズ
４０５ 感光体
５０１ 光偏向器
５０２ レーザー光
５０３ レンズ
５０４ 書き込みレンズ群
５０５ 投影面
２ 電極基板
４ ミラー基板
６ 基部
８ ミラー部
１０ トーションバー部
１２ ミラー面
１４ａ、１４ｂ 電極板（第一電極）
１６ 貫通孔
１８ａ、１８ｂ 電極板（第二電極）

Claims (5)

1. 基板上に形成されるコイルと、前記コイルに通電して発生する磁気に応じて角変位する、一方面側が反射鏡部で、他方面側が着磁した薄膜状の永久磁石が形成された平板状の走査ミラーを有する光偏向器において、前記コイルと前記走査ミラーが略平行にかつ、前記コイルの中心と前記走査ミラーの中心が略同一軸上に配置され、前記コイルの最内周が前記走査ミラーに対向する部分の内側まで延在し、かつ前記基板の、前記走査ミラー近傍に、少なくとも１つの貫通孔を有することを特徴とする光偏向器。
2. 前記基板が単結晶シリコン基板であり、前記貫通孔が異方性エッチングにより形成された貫通孔であることを特徴とする請求項１の光偏向器。
3. 前記貫通孔が前記コイルの配線間に形成されていることを特徴とする請求項１〜２の光偏向器。
4. 前記走査ミラーが支持基板に、該支持基板に対して角変位可能に軸支するトーションバーと一体形成されており、前記永久磁石が、前記トーションバーに対して角度をなして着磁されていることを特徴とする請求項１から３の光偏向器。
5. 請求項１から請求項４に記載の光偏向器を用いた光学機器。
   

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