JP2005181784A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ほこりから反射面を守る。
【解決手段】 反射面近傍に流入気流を遮断する送風経路を設けた光偏向器を提供する。
【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号公報

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）〜（６）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、前記反射面と光路を横断する風を送風する送風経路を備え、前記送風経路の送風口を前記反射面近傍に有することにより、反射面への流入気流を遮断することを特徴とした光偏向器。

（２）前記送風口より送風される風によりエアカーテンを形成することを特徴とする上記記載の光偏向器。

（３）前記送風経路に送風する送風手段を有することを特徴とする上記記載の光偏向器。

（４）前記送風口が前記反射面に対して水平あるいはななめ上方を向いていることを特徴とする上記記載の光偏向器。

（５）前記送風口の対向する位置に吸気口を備えた吸気経路を有することを特徴とする上記記載の光偏向器。

（６）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、エアカーテンにより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る。

また、エアカーテンを形成する風を送風する送風口を反射面に対して水平あるいは上方に向けることにより、エアカーテンを形成する風は反射面上方に流れるため、エアカーテンの風が反射面方向に進入することを防止することができる。さらに、送風口をより反射面近傍に設置することができるので、小型化が可能になる。

また、送風口の対向する位置に吸気口を設けることにより、エアカーテンの風の乱流を防止することができる。

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る。

本発明の実施の形態について説明する。

上記(１)、（２）、（３）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、本発明の特徴は、流入気流を遮断するために、反射面と入射光・反射光の光路を横断する風を送風する送風経路の送風口を反射面近傍に設けることである。反射面近傍の送風口からの風によりエアカーテンを形成することによって、可動部の高速・大偏向角駆動により引き起こされる流入気流による大気中の浮遊物の反射面への付着を防止することができる。

また、上記（４）の構成は、エアカーテンを形成するための送風口が、反射面に対して水平あるいはななめ上方を向いている。従って、エアカーテンを形成する風は反射面上方に流れるため、エアカーテンの風が反射面方向に進入することを防止することができる。さらに、送風口をより反射面近傍に設置することができ、小型化が可能になる。

また、上記（５）の構成は、送風口の対向する位置に吸気口を設ける。この構成により、送風口より送風された風は、吸気口へ向かうためエアカーテンが乱流を起こすことを防止することができる。

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（６）の構成のように、上記（１）〜（５）の光偏向器を用いることによって、反射面の汚れを防止することができるので、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の上面図であり、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１４０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１４０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１３０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、本発明の特徴は、反射面１３０と光路を横断する風を送風する送風経路１６０を備え、送風経路１６０の送風口１６１を反射面１３１近傍にすることによって、送風によるエアカーテン１５０によって反射面１３１への流入気流を遮断することである。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１３０を高速・大偏向角で駆動しても、エアカーテン１５０によって流入気流は遮断されるため、反射面１３１への浮遊物の進入を防ぐことができる。

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ための図である。図２（ａ）は、実施例２の上面図であり、図２（ｂ）はその断面図である。実施例２の光偏向器の構成は、実施例１と略同様である。本実施例２が実施例１と異なる点は、駆動を電磁アクチュエータで行い、送風口２７１が反射面２３１に対して上方を向いていることである。

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２５０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２５０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。

また、送風口２７１がななめ上方を向いていることによって、エアカーテン２６０を形成する風は反射面２３１上方に流れるため、エアカーテン２６０の風が反射面２３１方向に進入することを防止することができる。さらに、送風口２７１をより反射面２３１近傍に設置することができ、小型化が可能になる。
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±２０°以上の高速・大偏向角で可動部２３０を駆動しても、エアカーテン２６０により流入気流が遮断されており浮遊物を含む空気が反射面２３１に流れ込むことができなくなるため、ごみ等の反射面２３１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、送風口３７１に対向する位置に吸気のための吸気口３７２を設けたことである。吸気口３７２があることによって、エアカーテン３６０の乱流を防止することができる。エアカーテン３６０の送風および吸気はコイル基板３４０の下側に設置されたファン３７３によって行う。

以上のように構成された本実施例の光偏向器によって、駆動周波数２０ｋＨｚ、光偏向角±２０°以上の高速・大偏向角で可動部３３０を駆動しても、反射面３３１近傍に設置された送風口から吸気口へ向かうエアカーテン３６０により流入気流を遮断し、大気中の浮遊物などが反射面３３１に付着することを防止することができた。

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た。

本発明の実施例１の光偏向器を説明する上面図（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上面図（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上面図（ａ）および断面図（ｂ）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 ねじり軸
１５０ エアカーテン
１６０ 送風経路
１６１ 送風口
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 ねじり軸
２６０ エアカーテン
２７０ 送風経路
２７１ 送風口
３１０ コイル基板
３２０ 支持基板
３２１、３２２ 弾性支持部
３３０ 可動部
３３１ 反射面
３３２ 固定コア
３４０ コイル
３５０ ねじり軸
３６０ エアカーテン
３７０ 送風経路
３７１ 送風口
３７２ 吸気口
３７３ ファン
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 (6)

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、
   前記反射面と光路を横断する風を送風する送風経路を備え、
   前記送風経路の送風口を前記反射面近傍に有することにより、反射面への流入気流を遮断することを特徴とする光偏向器。
2. 前記送風口より送風される風によりエアカーテンを形成することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記送風経路に送風する送風手段を有することを特徴とする請求項１〜２に記載の光偏向器。
4. 前記送風口が
   前記反射面に対して水平あるいはななめ上方を向いていることを特徴とする請求項１〜３に記載の光偏向器。
5. 前記送風口の対向する位置に吸気口を備えた吸気経路を有することを特徴とする請求項１〜４に記載の光偏向器。
6. 請求項１〜５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。

Images