JP2005292381A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】応力或いは熱応力等によって反射面が歪むことを防止した光偏向器である。
【解決手段】光偏向器は、支持基板１０１と、支持基板１０１に弾性支持部１０５、１０６で振動自在に支持される可動部１０２と、可動部１０２上の反射面１０３を有する。可動部１０３を支持基板１０１に対して相対的に駆動させて反射面１０３に入射する入射光を偏向させ、実装治具１０７に支持基板１０１を固定する。弾性支持部１０５、１０６と可動部１０２との、反射面１０３の法線方向への曲げの中立面１０８が同一平面上になく、支持基板１０１を実装冶具１０７に、弾性支持部１０５、１０６の中立面１０８に対して可動部１０２の中立面側の支持基板１０１の面で固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロメカニクス技術などにより作製され得る光偏向器、それを用いた画像形成装置などの装置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有するマイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ等）を利用した装置においても同様である。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１０（ａ）、（ｂ）に示すような構成のものがある（特許文献１参照）。図１０（ｃ）は実装構造の実装工程を説明する斜視図である。この光偏向器において、シリコン基板１０００に、可動部１００１とこれをねじり振動可能に軸支する弾性支持部１００２、１００３とが一体形成されている。可動部１００１の表面側に反射面１００４が設けられ、可動部１００１の裏面側に駆動コイル１００５が設けられている。さらに、駆動コイル１００５に静磁場を与える磁場発生手段を設け、駆動コイル１００５に電流を流すことで発生する磁気力によって、可動部１００１を駆動できる。

この光偏向器の実装構造は、実装用基板１０１０の光偏向器固定領域内に、光偏向器の可動部１００１の揺動動作を許容する空間部１０１１を形成し、その近傍に導電パターン１０１２を設けている。光偏向器を実装用基板１０１０に固定したときに、光偏向器の半導体基板裏面に設けた駆動コイル電極端子１００６と導電パターン１０１２とが接触するようにしている。
特開２０００−２４９９６４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では、光を偏向する反射面の平面度が要求される。

しかしながら、可動部および弾性支持部を形成する支持基板を固定した場合、固定した際の応力或いは熱応力等が基板に作用し、その応力が弾性支持部にかかり、可動部を歪ませる。そのため、光偏向手段である反射面の面精度が低下する。

上記の課題に鑑み、本発明の光偏向器は、支持基板と、支持基板に少なくとも２本の弾性支持部（典型的には、可動部を挟んで、一直線に沿って伸びた一対のトーションバー）で振動自在に支持される可動部と、可動部に形成される反射面を有し、可動部を支持基板に対して相対的に駆動させて反射面に入射する入射光を偏向させ、実装治具に支持基板を固定する光偏向器であって、弾性支持部と可動部との、反射面の法線方向への曲げの中立面が同一平面上になく、支持基板を実装冶具に、弾性支持部の中立面に対して可動部の中立面側の支持基板の面で固定することを特徴とする。

また、上記の課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記の光偏向器と光源を有し、光源からの光を光偏向器で偏向して所望の面に画像を形成することを特徴とする。勿論、本発明の光偏向器は、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の他に、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も使用できる。

上記の本発明の構成によれば、弾性支持部と可動部との、反射面の法線方向への曲げの中立面が同一平面上になく、弾性支持部の中立面に対して可動部の中立面側の支持基板の面を実装冶具に固定することにより、引っ張り（或いは圧縮）応力による反射面の凸形状（或いは凹形状）変形と曲げモーメントによる反射面の凹形状（或いは凸形状）変形を相殺することができるため、反射面の平面度の低下を防止できる。

こうして、固定した際の応力或いは熱応力等によって、光偏向手段である反射面が歪むことを防止し、これを用いて形成される画像などの質の劣化を防止できる。

上記本発明の基本構成に基づく実施の形態の構成について説明する。
上記基本構成の光偏向器は、支持基板に可動部が２本の弾性支持部で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、誘電体多層膜などの反射率の高い膜を成膜して反射面を形成する。可動部は２本以上の弾性支持部で支持してもよい（例えば、大小の可動部を間に挟んで一直線に沿って伸びた３本のトーションバー、可動部の一方側の１本のトーションバーと他方側の２本のトーションバーで構成され一直線状に伸びたねじり中心軸を確立したもの）。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。

こうした構成において、支持基板を実装冶具に接合或いは接着剤等で固定すると、固定した際の応力、熱応力等の応力が支持基板に作用する。そこで、本発明の特徴は、弾性支持部と可動部の反射面の法線方向への曲げの中立面が同一平面上にない構成とし、弾性支持部の中立面に対して可動部の中立面側の支持基板の面を実装冶具に固定することにより、引っ張り（或いは圧縮）応力と曲げモーメントによる可動部の変形を相殺させ、反射面の平面度の低下を防止することである。

図７、図８、図９は本発明の原理を説明する図である。図７に示すように、熱膨張係数、弾性係数などが異なる基板６０１と基板６０２を固定する。この基板６０１は、基板６０２と比較して、熱膨張係数が低く、弾性係数は大きいとする。この固定した基板６０１、６０２を加熱すると、図７（ｂ）のように、基板６０１には、引っ張り応力６０３と曲げモーメント６０４が作用する。逆に温度を下げた場合は、基板６０１には、圧縮応力と、逆方向の曲げモーメントが作用する。

図８（ａ）は本発明の原理を説明するための光偏向器の上面図、（ｂ）は上面図（ａ）のＡ−Ｂ断面図、図９は加熱して応力が作用したときの概略図である。図８に示すように、曲げの中立面７０６とは、可動部７０２或いは弾性支持部７０３、７０４を曲げた時に、伸び縮みの影響を受けない面のことである。弾性支持部７０３、７０４と可動部７０２の反射面７０５の法線方向への曲げの中立面７０６が同一平面上にない構成とし、弾性支持部７０３、７０４の中立面７０６に対して可動部７０２の中立面７０６側の支持基板７０１の面を実装冶具７０７に固定すると、図９に示すごとく、引っ張り応力７１０によって反射面７０５は凸形状になるのに対して、可動部７０２に作用する曲げモーメント７１２によって、反射面７０５は凹形状となる。以上のことから、上記の様な仕方で支持基板７０１の面を実装冶具７０７に固定することで、曲げ応力による反射面７０５の変形と引っ張り応力による反射面７０５の変形を相殺でき、反射面７０５の平面度を向上させられる。温度を下げた場合も、圧縮応力によって反射面７０５が凹形状になるのに対して、可動部７０２に作用する曲げモーメントによって反射面７０５が凸形状となるので、圧縮応力と曲げモーメントによる反射面の変形は相殺されて、反射面７０５の平面度の低下を防止できる。

支持基板７０１、弾性支持部７０３、７０４および可動部７０２は一体で作製することによって、加工が容易であり、比較的安価に作製できる。そこで、一実施形態の光偏向器では、可動部の反射面の反対面側に凸部を形成することによって、可動部の中立面を移動させ、可動部と弾性支持部との反射面の法線方向への曲げの中立面を同一平面上ではなくなるようにしている。そして、弾性支持部の中立面に対して可動部の中立面側の支持基板の面を実装冶具に固定すると、上記と同様の原理により、引っ張り（或いは圧縮）応力が可動部に作用すると、反射面は凸形状（或いは凹形状）となり、曲げモーメントによって、反射面は凹形状（或いは凸形状）になる。よって、これらの応力による反射面の変形は相殺するため、反射面の平面度の低下を防止できる。

また、他の実施形態の構成の光偏向器は、可動部の反射面の反対面側に凹部を形成することによって、可動部の中立面を移動させ、可動部と弾性支持部との反射面の法線方向への曲げの中立面を同一平面上にない構成としている。この構成によって、上記の構成と同様に、引っ張り（或いは圧縮）応力および曲げモーメントが作用しても、反射面の変形を相殺することができるため、反射面の平面度を向上できる。

また、他の実施形態の構成の光偏向器は、弾性支持部の長軸に垂直な断面形状を、曲げの中立面に対して非対称な形状とすることによって、弾性支持部の中立面を移動させ、可動部と弾性支持部との反射面の法線方向への曲げの中立面を同一平面上にない構成とし、弾性支持部の中立面に対して可動部の中立面側の支持基板の面を実装冶具に固定している。例えば、弾性支持部の断面形状として、中立面に対して非対称なＸ字形状、Ｖ字形状などがある。これらの弾性支持部の形状は、異方性ウェットエッチングにより容易に作製可能である。この構成においても、引っ張り（或いは圧縮）応力が可動部に作用すると、反射面は凸形状（或いは凹形状）となり、曲げモーメントによって、反射面は凹形状（或いは凸形状）になる。よって、これらの応力による反射面上での歪みは相殺するため、反射面の平面度の低下を防止できる。

また、画像形成装置に用いる光偏向器では、反射面の平面度が低下すると、画質の劣化を起こす。しかし、上記のような反射面の平面度の高い光偏向器を用いることで、安定した画像を形成することができる。例えば、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、反射面の面精度が高いので、安定した画像を形成できる。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１（ａ）は、本発明の実施例１の光偏向器を説明する上面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面を示したものである。実施例１の光偏向器において、シリコン単結晶の支持基板１０１に可動部１０２が形成され、２本の弾性支持部１０５、１０６でねじり振動自在に支持されている。図１（ｂ）において、可動部１０２を弾性支持部１０５、１０６の下方に配置することによって、可動部１０２と弾性支持部１０５、１０６の反射面１０３の法線方向への曲げの中立面１０８は、同一平面上ではなくなる。可動部１０２の一方の面側の表面には、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１０３を形成している。また、可動部１０２の他方の面側には、メッキ等により硬磁性体１０４が成膜されている。硬磁性体１０４は、弾性支持部１０５、１０６で規定されるねじり中心軸に対して垂直方向に磁化されている。そして、シリコン単結晶の支持基板１０１は、弾性支持部１０５、１０６の中立面に対して可動部１０２の中立面側で、アルミニウム等の金属製の実装冶具１０７に固定されている。この固定において、可動部１０２は、可動部１０２と駆動コイル１１１とが所定の間隔を保つように、コイル基板１１０上に対向配置されている。実装冶具１０７はアルミニウムでなくてもよく、実装冶具１０７への支持基板１０１の固定は接合或いは接着剤等により行う。

上記構成において、コイル１１１に電流を印加することで、コイル１１１から磁場が発生する。発生した磁場により可動部１０２の硬磁性体１０４にはトルクが作用し、可動部１０２を駆動することができる。駆動方式は、静電方式でもピエゾ方式などであっても構わない。

実装冶具１０７のアルミニウムは支持基板１０１のシリコン単結晶より熱膨張係数が大きく、弾性係数は小さいため、光偏向器を高温で使用する場合、支持基板１０１には引っ張り応力および曲げモーメントが発生する。そこで、本発明の特徴である上記の如き支持基板１０１の面の実装冶具１０７への固定によって、引っ張り応力による反射面１０３の変形と曲げモーメントによる反射面１０３の変形を相殺し、反射面１０３の平面度の低下を防いでいる。低温で使用した場合でも、圧縮応力による反射面１０３の変形と曲げモーメントによる反射面１０３の変形は相殺される。実装冶具１０７と支持基板１０１の熱膨張係数および弾性係数の大小関係が上記の場合と逆であっても、同様の原理で反射面１０３の変形は相殺される。この場合には、光偏向器を高温で使用する場合、支持基板１０１に圧縮応力およびそれに応じた曲げモーメントが発生し、低温で使用する場合、支持基板１０１に引っ張り応力およびそれに応じた曲げモーメントが発生する。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成により、０℃から８０℃での反射面１０３の平面度は５０ｎｍ以下にできた。

＜実施例２＞
図２は、本発明の実施例２の光偏向器を説明するための断面図である。実施例２の光偏向器の構成は、実施例１と略同様であり、可動部２０２および弾性支持部２０５、２０６はバルクマイクロマシニング技術により一体で形成されている。実施例２が実施例１と異なる点は、可動部２０２の反射面２０３の反対面側にバルク状の永久磁石２０４を配置して凸部を形成し、可動部２０２の反射面２０３の法線方向への曲げの中立面２０８を移動させ、可動部２０２と弾性支持部２０５、２０６の中立面２０８を同一平面上にないようにし、そして、反射面２０２と反対面側の支持基板２０１を樹脂製の実装冶具２０７に固定したことである。

本実施例の光偏向器に熱を加えた場合、実装冶具１０７の樹脂は支持基板１０１のシリコン単結晶より熱膨張係数が大きく、弾性係数は小さいため、実施例１と同様に、支持基板２０１には引っ張り応力および曲げモーメントが発生する。しかし、上記の如く支持基板２０１の面を実装冶具２０７に固定したことによって、引っ張り応力および曲げモーメントによる反射面２０３の変形は相殺できるため、反射面２０３の平面度の低下を防止できる。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成により、０℃から８０℃での反射面１０３の平面度は５０ｎｍ以下にできた。

＜実施例３＞
図３は、本発明の実施例３の光偏向器を説明するための図である。図３（ａ）は、実施例３の上面図であり、図３（ｂ）はＡ−Ｂ断面図である。実施例３の光偏向器は、実施例１、２と略同様であり、可動部３０２および弾性支持部３０６、３０７はバルクマイクロマシニング技術により一体で形成されている。実施例３が実施例１、２と異なる点は、可動部３０２の反射面３０３の反対面側にトレンチ３０４を形成し、反射面３０３と同じ面側の支持基板３０１の面で金属製の実装冶具３０８に固定することである。

トレンチ３０４には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒを成分とする合金磁石などの硬磁性体３０５を配置する。硬磁性体３０５はねじり軸に対して垂直方向に磁化している。この硬磁性体３０５はバルク状にできるので、比較的大きな磁力を持ち得る。コイル３１１に電流を印加することによって、コイル３１１から磁場が発生し、発生した磁場により可動部３０２の硬磁性体３０５にはトルクが作用して可動部３０２を駆動させられる。可動部３０２の固有振動数と同じ周期の電流をコイル３１１に流すことによって、可動部３０２を共振駆動させることができる。

光偏向器に熱を加えた場合、実施例１、２と同様に、比較的熱膨張係数が小さく、弾性係数が大きい支持基板３０１には引っ張り応力および曲げモーメントが発生する。これに対して、本実施例の構成のように、可動部３０２にトレンチ３０４を形成することによって、可動部３０２の中立面を可動部の中心から移動させ、可動部３０２と弾性支持部３０６、３０７の反射面３０３の法線方向への曲げの中立面３０８を同一平面でないようにし、シリコン単結晶の支持基板３０１を、反射面３０２と同じ面側で金属製の実装冶具３０８に固定している。これによって、引っ張り応力および曲げモーメントによる反射面３０３の変形は相殺することができるため、反射面３０３の平面度の低下を防止できる。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成でも、０℃から８０℃での反射面１０３の平面度は５０ｎｍ以下にできた。

＜実施例４＞
図４は、本発明の実施例４の光偏向器を説明するための図である。図４（ａ）は、実施例４の上面図、図４（ｂ）はＡ−Ｂ断面図、図５はＣ−Ｄ断面図である。実施例４の光偏向器の構成は、実施例１〜３と略同様である。本実施例が実施例１〜３と異なる点は、弾性支持部４０５、４０６の長軸に垂直な断面形状を中立面４０８に対して非対称にし、弾性支持部４０５、４０６の中立面を移動させ、可動部４０２と弾性支持部４０５、４０６の中立面４０８が同一平面上にないようにし、そして、支持基板４０１は、弾性支持部４０５、４０６の中立面に対して可動部４０２の中立面側でアルミニウム等の金属製の実装冶具４０７に固定したことである。本実施例の弾性支持部４０５、４０６の断面形状は、Ｘ字形状であるが、Ｖ字形状等でもよい。

本実施例の光偏向器に熱を加えた場合、比較的熱膨張係数が小さく、弾性係数が大きい支持基板４０１には引っ張り応力および曲げモーメントが発生する。しかし、上記の様に支持基板４０１を実装冶具４０７に固定したことによって、実施例１〜３と同様に、引っ張り応力および曲げモーメントによる可動部４０２の変形を相殺することができるため、反射面４０３の平面度の低下を防止できる。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成でも、０℃から８０℃での反射面４０３の平面度は５０ｎｍ以下にすることができた。

＜実施例５＞
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６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。実施例１〜４のいずれかの光偏向器５０１、５０２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５１１から入射したレーザ光５４１は光強度変調器５２１により強度変調を受けて、光偏向器５０１、５０２により２次元的に走査される。レーザ光源５１１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５４１は、レンズ５３１により投影面５５１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、光偏向器の反射面の面精度が低下すると投影面の画質が劣化する。本発明の光偏向器を画像形成装置に用いることにより、本実施例では、反射面の平面度の劣化を防げるので、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Ａ−Ｂ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断面図である。 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Ａ−Ｂ断面図（ｂ）である。 本発明の実施例４の光偏向器を説明する上面図（ａ）、Ａ−Ｂ断面図（ｂ）である。 本発明の実施例４の光偏向器を説明する図４（ａ）のＣ−Ｄ断面図である。 本発明の実施例５の画像形成装置を説明する図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の原理を説明する光偏向器の上面図（ａ）、Ａ−Ｂ断面図（ｂ）である。 本発明の原理を説明する加熱して応力が作用したときの概略図（ａ）、（ｂ）である。 従来技術の光偏向器を説明する表面図（ａ）、裏面図（ｂ）、および実装構造の工程を説明する斜視図（ｃ）である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１，７０１ 支持基板
１０２，２０２，３０２，４０２，７０２ 可動部
１０３，２０３，３０３，４０３，７０５ 反射面
１０５，１０６，２０５，２０６，３０６，３０７，４０５，４０６，７０３，７０４ 弾性支持部
１０７，２０７，３０８，４０７，７０７ 実装冶具
１０８，２０８，３０９，４０８，７０６ 中立面
５０１、５０２ 光偏向器
５１１ レーザ光源
５５１ 投影面
６０１，６０２ 基板
６０３，７１０ 引っ張り応力
６０４，７１２ 曲げモーメント

Claims (5)

1. 支持基板と、前記支持基板に少なくとも２本の弾性支持部で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を有し、前記可動部を前記支持基板に対して相対的に駆動させて反射面に入射する入射光を偏向させ、実装治具に前記支持基板を固定する光偏向器であって、
   前記弾性支持部と前記可動部との、前記反射面の法線方向への曲げの中立面が同一平面上になく、前記支持基板を前記実装冶具に、前記弾性支持部の中立面に対して前記可動部の中立面側の前記支持基板の面で固定することを特徴とする光偏向器。
2. 前記可動部が前記反射面とは反対面側に凸部を有し、前記反射面とは反対面側の前記支持基板の面を前記実装冶具に固定することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記可動部が前記反射面とは反対面側に凹部を有し、前記反射面側の前記支持基板の面を前記実装冶具に固定することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
4. 前記弾性支持部において、それで規定される振動中心軸に垂直な断面形状が、前記反射面の法線方向への曲げの中立面に対して非対称な形状であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光偏向器と光源を有し、前記光源からの光を光偏向器で偏向して所望の面に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

Images