JP2006145962A - Two-dimensional optical deflector and optical apparatus using same - Google Patents

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安志 溝口
Yasuhiro Shimada
康弘 島田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-dimensional optical deflector that reduces deflection of a movable mirror, in a biaxial driving optical deflector having a gimbals structure. <P>SOLUTION: The optical deflector is equipped with gimbals torsionally rotatably supported on one side with a first torsion bar, a holder torsionally rotatably supporting the gimbals in the axial direction orthogonal to the rotary shaft of a second movable mirror, and a driving means for torsionally rotating the movable mirror and the gimbals. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マイクロメカニクスの手法にて作製される光偏向器に関するものである。   The present invention relates to an optical deflector manufactured by a micromechanics technique.

光偏向器は、例えばレーザー光を偏向する用途などに利用されるものである。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。   The optical deflector is used for, for example, an application for deflecting laser light. There is a galvanometer mirror as a scanning mirror that deflects and scans laser light. The driving principle of the galvanometer mirror is that when a current is passed through a moving coil arranged in a magnetic field, an electromagnetic force is generated in relation to the current and the magnetic flux, and a torque proportional to the current is generated. Using the galvanometer principle that the movable coil rotates to an angle at which this torque and spring force are balanced, and the presence or absence of current is detected by swinging the pointer through this movable coil. A reflecting mirror is provided on the rotating shaft instead of the pointer.

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。   However, a galvanomirror requires a mechanically wound drive coil and a large yoke for generating a magnetic field, and there is a limit to downsizing these mechanical elements mainly because of output torque. At the same time, the size of the entire device for deflecting the light has been increased due to the space for assembling the constituent members.

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。例えば、K.E.Petersen等によりシリコンで形成されるTorsional Scanning Mirrorが非特許文献1に提案されている。この光偏向器は図11に示すように、機械的可動部3が光偏向板としてのミラー3aとミラー3aを支持する梁3bからなり、ミラー3aと基板上に形成した固定電極2との間に駆動電圧を印加し生じる静電引力により、梁にねじりモーメントを与えねじり回転し、ミラー3aの偏向角度をかえるものである。ミラー部の最大偏向角はミラー部と基板との空隙間隔t0にて一義的に決定される。光偏向器においては偏向角が大きいほど良く、これには空隙間隔を大きくとる必要がある。空隙間隔を大きくとると、固定電極とミラーとの距離を増加し駆動電圧が著しく増加してしまう。逆に低電圧を図るには空隙間隔を短くし、偏向角を抑える必要があり、駆動電圧の低減化と大偏向角化は合い矛盾する課題であった。   As a small-sized optical deflector, there is an optical deflector manufactured using a micromachining technique in which a micromachine is integrally formed on a semiconductor substrate by applying a semiconductor manufacturing technique. For example, Non-Patent Document 1 proposes a Torsional Scanning Mirror formed of silicon by K.E.Petersen et al. In this optical deflector, as shown in FIG. 11, the mechanically movable portion 3 includes a mirror 3a as an optical deflector and a beam 3b that supports the mirror 3a, and between the mirror 3a and the fixed electrode 2 formed on the substrate. The torsional moment is applied to the beam by the electrostatic attractive force generated by applying a driving voltage to the beam, and the mirror 3a is deflected to change the deflection angle. The maximum deflection angle of the mirror part is uniquely determined by the gap interval t0 between the mirror part and the substrate. In an optical deflector, the larger the deflection angle, the better, and this requires a large gap interval. If the gap is increased, the distance between the fixed electrode and the mirror is increased, and the driving voltage is remarkably increased. Conversely, in order to achieve a low voltage, it is necessary to shorten the gap interval and suppress the deflection angle, and the reduction of the drive voltage and the increase of the deflection angle are contradictory issues.

また、図12に示すように上記のような偏向器を二軸偏向可能に配置した構造のアクチュエータも開発されている(特許文献2)。すなわち、可動ミラーが2つのトーションバーでジンバルに支持され、ジンバルが2つのトーションバーで基板に支持され、可動ミラーとジンバルとの駆動軸が互いに直交する構造を有しており、可動部と対向電極との間の静電引力により駆動する。この構成においては可動ミラーとジンバルとの共振周波数を所望の値にすることにより、ラスタ走査による画像形成が可能な二軸光偏向器を提供することができる。また、この構成の可動ミラーおよびジンバル上にコイルを形成し、永久磁石をコイルに近接して配置することで可動ミラーおよびジンバルを駆動するアクチュエーターも公開されている。
IBM J.RES. DEVELOP.,VOL.24,NO5,9,1980.P631-637 特開昭60−107017号公報
As shown in FIG. 12, an actuator having a structure in which the above deflectors are arranged so as to be biaxially deflectable has been developed (Patent Document 2). That is, the movable mirror is supported on the gimbal by two torsion bars, the gimbal is supported on the substrate by two torsion bars, and the drive axis of the movable mirror and the gimbal has a structure orthogonal to each other, facing the movable part. It is driven by electrostatic attraction between the electrodes. In this configuration, a biaxial optical deflector capable of forming an image by raster scanning can be provided by setting the resonance frequency of the movable mirror and the gimbal to a desired value. In addition, an actuator that drives the movable mirror and the gimbal by forming a coil on the movable mirror and the gimbal having this configuration and arranging a permanent magnet close to the coil is also disclosed.
IBM J.RES.DEVELOP., VOL.24, NO5,9,1980.P631-637 JP 60-1007017 A

上記のようなジンバル構造を有するアクチュエータにおいて、可動ミラーおよびジンバルは、それぞれトーションバーによりシンバルおよび支持体に両持ち支持されている。この為、以下の原因により可動ミラーに撓みを生じてしまう。   In the actuator having the gimbal structure as described above, the movable mirror and the gimbal are both supported on the cymbal and the support by the torsion bar, respectively. For this reason, the movable mirror is bent due to the following causes.

1.シンバル構造と対向電極を形成した基板の接合または接着時に生じる応力
2.シンバル上に形成されるコイルの発熱による応力
3.外部環境の温度変化により、シンバル構造を形成する材料と、それと接合する部材との熱膨張率の差から生じる応力
可動ミラーに撓みは、例えばシンバル構造を画像形成装置に用いた場合には解像度の低下の原因となる。
1. 1. Stress generated at the time of bonding or bonding the cymbal structure and the substrate on which the counter electrode is formed 2. Stress due to heat generation of the coil formed on the cymbal Stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the material forming the cymbal structure and the member to be joined to it due to temperature changes in the external environment. For example, when the cymbal structure is used in an image forming apparatus, Causes a drop.

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、ジンバル構造による二軸駆動光偏向器において、可動ミラーの撓みを低減する二次元光偏向器を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above viewpoint, and an object of the present invention is to provide a two-dimensional optical deflector that reduces bending of a movable mirror in a biaxial drive optical deflector having a gimbal structure.

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。   In order to achieve the above object, the present invention provides an optical deflector described in the following (1) to (8).

(1)可動ミラーと、前記可動ミラーを第一のトーションバーによりねじり回転可能に片側支持するジンバルと、前記ジンバルを第二のトーションバーにより該可動ミラーの回転軸と直交する軸方向にねじり回転可能に支持する支持体と、前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段と前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段とを有することを特徴とする。   (1) A movable mirror, a gimbal that supports the movable mirror on one side so as to be torsionally rotated by a first torsion bar, and a gimbal that is torsionally rotated by a second torsion bar in an axial direction perpendicular to the rotation axis of the movable mirror A support body capable of supporting, a first drive means for twisting and rotating the movable mirror with respect to the gimbal, and a second drive means for twisting and rotating the gimbal with respect to the support body. To do.

また(2)前記可動ミラーと対向する位置に配置される固定電極と、前記可動ミラー上に形成される可動電極を有し、前記固定電極と前記可動電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段であることを特徴とする(1)に記載の光偏向器。   And (2) a fixed electrode disposed at a position facing the movable mirror, and a movable electrode formed on the movable mirror, wherein the fixed electrode and the movable electrode cause the movable mirror to move by electrostatic attraction. The optical deflector according to (1), wherein the optical deflector is a first driving unit that twists and rotates with respect to the gimbal.

また(3)前記可動ミラーに形成される可動櫛型電極と、前記可動櫛型電極と隔間してように前記ジンバル上に形成される固定櫛型電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段であることを特徴とする(1)に記載の光偏向器。   (3) A movable comb electrode formed on the movable mirror and a fixed comb electrode formed on the gimbal so as to be spaced apart from the movable comb electrode may The optical deflector according to (1), wherein the optical deflector is a first driving unit that twists and rotates with respect to the gimbal.

また(4)永久磁石と、前記シンバル上に形成されるコイルとが、電磁力により前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段であることを特徴とする(1)〜(3)に記載の光偏向器。   (4) The permanent magnet and the coil formed on the cymbal are second driving means for torsionally rotating the gimbal with respect to the support by electromagnetic force. The optical deflector according to (3).

また(5)前記第一のトーションバーが1本であることを特徴とする(1)〜(4)に記載の光偏向器。   (5) The optical deflector according to (1) to (4), wherein the first torsion bar is one.

また(6)前記第一の駆動手段が、前記可動ミラーを共振駆動させる手段であることを特徴とする(1)〜(5)に記載の光偏向器。   (6) The optical deflector according to any one of (1) to (5), wherein the first driving means is means for resonantly driving the movable mirror.

また(7)前記第二の駆動手段が、前記ジンバルを共振駆動させる手段であることを特徴とする(1)〜(6)に記載の光偏向器。   (7) The optical deflector according to any one of (1) to (6), wherein the second driving means is means for driving the gimbal to resonate.

また(8)、(1)〜(7)に記載の光偏向器、及び光源を具備したことを特徴とする光学機器。   An optical apparatus comprising the light deflector according to (8) and (1) to (7) and a light source.

本発明により、ジンバル構造による二軸駆動光偏向器において、可動ミラーの撓みを低減した2次元光偏向器を提供することかできた。また櫛型電極を用いることで変位角が大きく、低電圧で駆動できた。また本発明により、コンパクトな構成を有し、低電圧で駆動でき、偏向角が大きくかつ可動ミラーの撓みを低減できたことにより高精細な画像が得られる、画像形成装置を提供することができた。   According to the present invention, it is possible to provide a two-dimensional optical deflector in which the deflection of the movable mirror is reduced in the biaxial drive optical deflector having a gimbal structure. Further, by using the comb-shaped electrode, the displacement angle was large, and the device could be driven at a low voltage. Further, according to the present invention, it is possible to provide an image forming apparatus that has a compact configuration, can be driven at a low voltage, has a large deflection angle, and can reduce the deflection of the movable mirror, thereby obtaining a high-definition image. It was.

本発明はジンバル構造を有する二次元光偏向器において、可動ミラーがトーションバーによりシンバルに対して片持ち支持されていることを特徴とする。その詳細及び作用について典型的な例によって以下に説明する。図1は本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す上面図。図2は本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す断面図。図3は本発明の光偏向器のシンバルの偏向を説明する図である。図4は本発明の光偏向器の2次元偏向を説明する図である。   The present invention is characterized in that, in a two-dimensional optical deflector having a gimbal structure, the movable mirror is cantilevered with respect to the cymbal by a torsion bar. The details and operation will be described below with typical examples. FIG. 1 is a top view showing a configuration of an embodiment of an optical deflector of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of the optical deflector of the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining the cymbal deflection of the optical deflector according to the present invention. FIG. 4 is a diagram for explaining the two-dimensional deflection of the optical deflector according to the present invention.

この実施形態において、シンバル101は可動ミラー102を第一のトーションバー103によりねじり回転可能に片持ち支持する。また支持体104はジンバル101を第二のトーションバー105によりねじり回転可能に支持する。第二のトーションバーは1本でも2本でも良い。ジンバル101、可動ミラー102、第一のトーションバー103、支持体104、第二のトーションバー105は単結晶シリコンを除去加工して一体形成しても良い。コイル106は絶縁層(不図示)を形成したジンバル上に形成される。またコイル106の配線は、絶縁層(不図示)を形成した第二のトーションバー105上を通って支持体上のコンタクトパッド107に接続している。コイル106の最内周からの配線取り出し部には外周のコイルとの電気的な接続をさけるために中間絶縁層108が形成されている。中間絶縁層108には例えば、ポリイミドを用いることができる。また基板111には固定電極109、110が形成される。固定電極109、110は可動ミラー102の裏面に対向する位置に配置される。支持体104と基板111との間にはスペーサー112が配置され、可動ミラー102がねじれした場合でも固定電極109、110を形成した基板111と可動ミラー102とが干渉することはない。支持体とスペーサー、スペーサーと基板とはそれぞれ、接着剤(不図示)で固定されている。また、永久磁石113、114が第二のトーションバー105に対して略対称な位置に、また、異なる磁極が向き合うように配置される。永久磁石の付近に軟磁性体を配置して磁路を形成しても良い。   In this embodiment, the cymbal 101 cantilever-supports the movable mirror 102 by the first torsion bar 103 so as to be torsionally rotated. The support body 104 supports the gimbal 101 by the second torsion bar 105 so that the gimbal 101 can be torsionally rotated. The second torsion bar may be one or two. The gimbal 101, the movable mirror 102, the first torsion bar 103, the support 104, and the second torsion bar 105 may be integrally formed by removing single crystal silicon. The coil 106 is formed on a gimbal on which an insulating layer (not shown) is formed. The wiring of the coil 106 is connected to the contact pad 107 on the support through the second torsion bar 105 on which an insulating layer (not shown) is formed. An intermediate insulating layer 108 is formed at the wiring extraction portion from the innermost periphery of the coil 106 in order to avoid electrical connection with the outer peripheral coil. For example, polyimide can be used for the intermediate insulating layer 108. In addition, fixed electrodes 109 and 110 are formed on the substrate 111. The fixed electrodes 109 and 110 are disposed at positions facing the back surface of the movable mirror 102. A spacer 112 is disposed between the support 104 and the substrate 111, and even when the movable mirror 102 is twisted, the substrate 111 on which the fixed electrodes 109 and 110 are formed and the movable mirror 102 do not interfere with each other. The support and the spacer, and the spacer and the substrate are each fixed with an adhesive (not shown). In addition, the permanent magnets 113 and 114 are disposed at positions that are substantially symmetrical with respect to the second torsion bar 105 and that different magnetic poles face each other. A magnetic path may be formed by arranging a soft magnetic material in the vicinity of the permanent magnet.

この構成のジンバル構造において、可動ミラー102は固定電極109,110との間に働く静電引力によりシンバル101に対して角変位する。可動ミラー102をGNDにして、固定電極109にプラス電圧を与えることにより可動ミラーは固定電極109に引き付けられる。また固定電極110にプラス電圧を与えることにより可動ミラーは固定電極110に引き付けられる。これを交互に繰り返すことにより可動ミラー102は、ジンバル101に対して角変位運動する。また駆動電圧の周波数を可動ミラー102及び第一のトーションバー103のねじり共振周波数に設定すると可動ミラー102を共振駆動することができる。この場合、非共振駆動の場合に比べて同じ変位角を生じさせるための駆動電圧は大きく低減することができる。   In the gimbal structure having this configuration, the movable mirror 102 is angularly displaced with respect to the cymbal 101 by an electrostatic attractive force acting between the fixed electrodes 109 and 110. When the movable mirror 102 is set to GND and a positive voltage is applied to the fixed electrode 109, the movable mirror is attracted to the fixed electrode 109. Further, the movable mirror is attracted to the fixed electrode 110 by applying a positive voltage to the fixed electrode 110. By repeating this alternately, the movable mirror 102 is angularly displaced with respect to the gimbal 101. If the frequency of the drive voltage is set to the torsional resonance frequency of the movable mirror 102 and the first torsion bar 103, the movable mirror 102 can be driven to resonate. In this case, the driving voltage for generating the same displacement angle can be greatly reduced as compared with the case of non-resonant driving.

また、図3に示すようにジンバル101は、コイル106に通電することにより生じる磁場と、永久磁石の磁場とが作用することにより生じる電磁力により支持体104に対して角変位する。コイル106に通電する方向を逆にすると逆方向に角変位する。   Further, as shown in FIG. 3, the gimbal 101 is angularly displaced with respect to the support 104 by an electromagnetic force generated by the action of the magnetic field generated by energizing the coil 106 and the magnetic field of the permanent magnet. If the direction in which the coil 106 is energized is reversed, angular displacement occurs in the opposite direction.

上記のように可動ミラー102の角変位させる静電駆動とシンバル101を角変位させる電磁駆動とを組み合わせることにより、可動ミラー102の角変位にはジンバル101の角変位が重畳され支持体104に対して図4に示すような二次元の偏向が可能となる。   As described above, by combining the electrostatic drive that causes the angular displacement of the movable mirror 102 and the electromagnetic drive that causes the angular displacement of the cymbal 101, the angular displacement of the gimbal 101 is superimposed on the angular displacement of the movable mirror 102. Thus, two-dimensional deflection as shown in FIG. 4 is possible.

この構成の光偏向器においては、支持体104がスペーサー112及び基板111に接着剤により固定されているため、外部の温度変化により支持体104には熱膨張率の違いから応力が生じるが、可動ミラー102は第一のトーションバー103によりジンバル101に片持ち支持されており、可動ミラー102が撓みを生じることはない。また両持ち支持する場合に比べて、温度変化により第一のトーションバー103に生じる応力が小さい為、温度変化による共振周波数のシフト量を低減することができ、特に共振駆動する場合においては角変位量の制御が容易になる。   In the optical deflector having this configuration, since the support 104 is fixed to the spacer 112 and the substrate 111 with an adhesive, a stress is generated in the support 104 due to a difference in thermal expansion coefficient due to an external temperature change. The mirror 102 is cantilevered by the gimbal 101 by the first torsion bar 103, and the movable mirror 102 does not bend. In addition, since the stress generated in the first torsion bar 103 due to the temperature change is smaller than in the case of supporting both ends, the shift amount of the resonance frequency due to the temperature change can be reduced. The amount can be easily controlled.

以下実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

本実施例では図5乃至9に示すジンバル構造を有する光偏向器を設計、製作した。図5は本発明の光偏向器の構成を示す上面図。図6は図5の光偏向器のA−A’での断面図(可動ミラーがジンバルに対して角変位した状態)。図7は本発明の光偏向器の主な作製方法を示す上面図である。図8は本発明の光偏向器の主な作製方法を示す図7におけるB−B’での断面図である。図9は本発明の光偏向器の電極分離を説明する図である。   In this example, an optical deflector having the gimbal structure shown in FIGS. 5 to 9 was designed and manufactured. FIG. 5 is a top view showing the configuration of the optical deflector of the present invention. 6 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of the optical deflector of FIG. 5 (a state where the movable mirror is angularly displaced with respect to the gimbal). FIG. 7 is a top view showing a main manufacturing method of the optical deflector of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. 7 showing a main method for manufacturing the optical deflector of the present invention. FIG. 9 is a view for explaining electrode separation of the optical deflector of the present invention.

この実施例では、絶縁層501が第一および第二のシリコン層502,503で挟まれたSOI基板を用いた。第一のシリコン層502の厚さは100μm、第二のシリコン層503の厚さは250μmである。可動ミラー504、ジンバル505、第一のトーションバー506、第二のトーションバー507、支持体508は第一のシリコン層502を除去加工して形成される。第二のシリコン層503には貫通孔509が設けられており、可動ミラー504、ジンバル505の回転運動を妨げることはない。支持体508は絶縁層501を挟んで第二のシリコン層で形成される支持枠に固定されている。   In this embodiment, an SOI substrate in which an insulating layer 501 is sandwiched between first and second silicon layers 502 and 503 is used. The thickness of the first silicon layer 502 is 100 μm, and the thickness of the second silicon layer 503 is 250 μm. The movable mirror 504, the gimbal 505, the first torsion bar 506, the second torsion bar 507, and the support 508 are formed by removing the first silicon layer 502. A through hole 509 is provided in the second silicon layer 503 and does not hinder the rotational movement of the movable mirror 504 and the gimbal 505. The support body 508 is fixed to a support frame formed of a second silicon layer with the insulating layer 501 interposed therebetween.

シンバル505は可動ミラー504を第一のトーションバー506によりねじり回転可能に片持ち支持する。また支持体508はジンバル505を第二のトーションバー507によりねじり回転可能に支持する。可動ミラー504には電極支持部510及び可動櫛型電極511が形成されている。またジンバル505には可動櫛型電極511と離間して噛合うように固定櫛型電極512が形成されている。ジンバル505および支持体508には絶縁体からなる電極分離層513が形成されている。   The cymbal 505 cantilever-supports the movable mirror 504 by the first torsion bar 506 so as to be torsionally rotated. The support body 508 supports the gimbal 505 by the second torsion bar 507 so as to be able to twist and rotate. An electrode support 510 and a movable comb electrode 511 are formed on the movable mirror 504. A fixed comb-shaped electrode 512 is formed on the gimbal 505 so as to be spaced apart from the movable comb-shaped electrode 511. An electrode separation layer 513 made of an insulator is formed on the gimbal 505 and the support body 508.

コイル514は絶縁層(不図示)を形成したジンバル上に形成される。またコイル514の配線は、絶縁層(不図示)を形成した第二のトーションバー507上を通って支持体上のコンタクトパッド515に接続している。コイル514の最内周からの配線取り出し部には外周のコイルとの電気的な接続をさけるためにポリイミドからなる中間絶縁層516が形成されている。   The coil 514 is formed on a gimbal on which an insulating layer (not shown) is formed. The wiring of the coil 514 is connected to the contact pad 515 on the support through the second torsion bar 507 on which an insulating layer (not shown) is formed. An intermediate insulating layer 516 made of polyimide is formed at the wiring extraction portion from the innermost periphery of the coil 514 in order to avoid electrical connection with the outer peripheral coil.

第二のシリコン層503で形成される支持枠は基板に接着剤(不図示)で固定されている。また、永久磁石517、518が第二のトーションバー507に対して略対称な位置に、また、異なる磁極が向き合うように配置される。   The support frame formed of the second silicon layer 503 is fixed to the substrate with an adhesive (not shown). In addition, the permanent magnets 517 and 518 are disposed at positions that are substantially symmetrical with respect to the second torsion bar 507 and that different magnetic poles face each other.

ここで図7、8を用いて本実施例の光偏向器の主な作製方法を説明する。図8は図7のB−B’での断面図である。   Here, main manufacturing methods of the optical deflector of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. 7.

まずSOI基板に電極分離パターンを熱酸化膜で形成する(8-a)
次に、ICP-RIEを用いて第一のシリコン層にトレンチを形成する(8-b)。このトレンチの中に電極分離層が形成されることになる。
First, an electrode separation pattern is formed on the SOI substrate with a thermal oxide film (8-a)
Next, a trench is formed in the first silicon layer using ICP-RIE (8-b). An electrode isolation layer is formed in this trench.

次に、トレンチを形成した表面を熱酸化する(8-c)
次に、熱酸化膜上にPoly―Siを成膜してトレンチを埋める(8-d)
次に、Poly-Siを成膜した面を研磨してトレンチに埋め込まれたPoly-Si以外を 除去する(8-e)
次に、表面に露出した熱酸化膜を弗酸でエッチングした後に、再度熱酸化を行いPoly-Siを熱酸化膜で覆うとともに、SOIの裏面にも熱酸化膜を形成する(8-f)
次に、可動部(ジンバル、第一及び第二のトーションバー、可動ミラー、支持体)とコンタクトパッドのパターンを熱酸化膜をエッチングして形成する(8-g)
次に、コイルおよびコイル配線、コンタクトパッドを形成する(8-h)
次に、コイルの最内周からのコイル配線の取り出しのための中間絶縁層を形成し、最内周からのコイル配線を形成する(8-i)
次に、ICP-RIEを用いて第一のシリコン層をSOI基板の表面よりエッチングする(8-j)
次に、ICP-RIEを用いて第二のシリコン層をSOI基板の裏面よりエッチングする(8-k)
最後に、(8-j)(8-k)の工程で露出したSOI基板の絶縁層を除去して可動部をリリースする(8-l)
同一のシリコン層を除去加工して一体形成する可動ミラーの縁に形成される可動櫛型電極とジンバルに形成される固定櫛型電極とは、第一のトーションバーを介して電気的に接続してしまい、可動櫛型電極と固定櫛型電極とに別々の電位を与えることができないと考えられるが、この構成では、ジンバルおよび支持体に絶縁体からなる電極分離層を形成することで図9の塗り潰し部と白抜き部で別々の電位を与えることができる。
Next, the surface on which the trench is formed is thermally oxidized (8-c)
Next, Poly-Si is deposited on the thermal oxide film to fill the trench (8-d)
Next, the surface on which Poly-Si is deposited is polished to remove other than Poly-Si buried in the trench (8-e)
Next, after etching the thermal oxide film exposed on the surface with hydrofluoric acid, thermal oxidation is performed again to cover Poly-Si with the thermal oxide film, and a thermal oxide film is also formed on the back surface of the SOI (8-f).
Next, the pattern of the movable part (gimbals, first and second torsion bars, movable mirror, support) and contact pad is formed by etching the thermal oxide film (8-g).
Next, a coil, coil wiring, and contact pad are formed (8-h)
Next, an intermediate insulating layer is formed to take out the coil wiring from the innermost circumference of the coil, and the coil wiring from the innermost circumference is formed (8-i)
Next, the first silicon layer is etched from the surface of the SOI substrate using ICP-RIE (8-j)
Next, the second silicon layer is etched from the back surface of the SOI substrate using ICP-RIE (8-k).
Finally, the insulating layer of the SOI substrate exposed in the steps (8-j) and (8-k) is removed and the movable part is released (8-l).
The movable comb electrode formed on the edge of the movable mirror formed integrally by removing the same silicon layer and the fixed comb electrode formed on the gimbal are electrically connected via the first torsion bar. Thus, it is considered that separate potentials cannot be applied to the movable comb electrode and the fixed comb electrode. However, in this configuration, an electrode separation layer made of an insulator is formed on the gimbal and the support, thereby forming FIG. Different potentials can be applied to the filled portion and the white portion.

可動櫛型電極にGNDを印加し、固定櫛型電極に正弦波の駆動電圧を印加した。正弦波の周波数は可動ミラーおよび第一のトーションバーのジンバルに対するねじり共振周波数に設定した。可動ミラーは、ジンバルに対して角変位量が正弦波となる角変位運動をした。櫛型電極を用いることで平行平板型電極の場合よりも同じ変位角を生じさせるための駆動電圧は大きく低減することができた。また、ジンバルは、コイルに通電することにより生じる磁場と、永久磁石の磁場とが作用することにより生じる電磁力により支持体に対して角変位する。コイルに通電する方向を逆にすると逆方向に角変位する。上記のように可動ミラーの角変位させる静電駆動とシンバルを角変位させる電磁駆動とを組み合わせることにより、可動ミラーの角変位にはジンバルの角変位が重畳され二次元の角変位が可能となった。   GND was applied to the movable comb electrode, and a sinusoidal drive voltage was applied to the fixed comb electrode. The frequency of the sine wave was set to the torsional resonance frequency for the movable mirror and the gimbal of the first torsion bar. The movable mirror made an angular displacement movement in which the angular displacement amount was a sine wave with respect to the gimbal. By using the comb-shaped electrode, the driving voltage for generating the same displacement angle can be greatly reduced as compared with the case of the parallel plate-type electrode. In addition, the gimbal is angularly displaced with respect to the support by an electromagnetic force generated by the action of the magnetic field generated by energizing the coil and the magnetic field of the permanent magnet. If the direction of energizing the coil is reversed, the angular displacement is reversed. By combining the electrostatic drive for angularly moving the movable mirror and the electromagnetic drive for angularly displacing the cymbal as described above, the angular displacement of the movable mirror is superimposed on the angular displacement of the gimbal, enabling two-dimensional angular displacement. It was.

この構成の二軸光偏向器においては、支持枠が基板に接着剤により固定されているため、外部の温度変化により支持体には熱膨張率の違いから応力が生じるが、可動ミラーはトーションバーによりジンバルに片持ち支持されており、可動ミラーが撓みを生じることはない。また両持ち支持する場合に比べて、温度変化によりトーションバーに生じる応力が小さい為、温度変化による共振周波数のシフト量を低減することができ、特に共振駆動する場合においては角変位量の制御が容易になった。   In the biaxial optical deflector having this configuration, since the support frame is fixed to the substrate with an adhesive, a stress is generated in the support due to a change in the external temperature, but the movable mirror has a torsion bar. Therefore, the movable mirror does not bend. In addition, since the stress generated in the torsion bar due to temperature change is small compared to the case where both ends are supported, the shift amount of the resonance frequency due to temperature change can be reduced. Especially in the case of resonance driving, the angular displacement amount can be controlled. It became easy.

(画像形成装置)
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10に本実施例の構成を示す。まず、光源変調駆動部1001から出た変調信号1002により直接変調光源1003の変調を行う。本実施例においては直接変調光源1003として赤色の半導体レーザを用いた。直接変調光源1003はまた、赤色、青色、緑色の直接変調可能な光源を用い、これらを混色光学系にて混色して用いても良い。直接変調光源1003から直接変調された出力光54は、光偏向器1005の反射面に照射される。さらに光偏向器1005により偏向された反射光は補正光学系1006を通って画像表示体1007上に画像として表示される。補正光学系1006は共振走査による画像の歪みを補正する光学系である。
(Image forming device)
This embodiment is an example of an image forming apparatus using an optical deflector according to the present invention. FIG. 10 shows the configuration of this embodiment. First, the modulation light source 1003 is directly modulated by the modulation signal 1002 output from the light source modulation driving unit 1001. In this embodiment, a red semiconductor laser is used as the direct modulation light source 1003. The direct modulation light source 1003 may be a red, blue, or green light source that can be directly modulated, and these may be mixed by a color mixing optical system. The output light 54 directly modulated from the direct modulation light source 1003 is applied to the reflection surface of the optical deflector 1005. Further, the reflected light deflected by the optical deflector 1005 passes through the correction optical system 1006 and is displayed as an image on the image display body 1007. The correction optical system 1006 is an optical system that corrects image distortion due to resonance scanning.

光偏向器1005は実施例1による光偏向器であり、光偏向器1005を用いて出力光1004をラスタ走査することにより、画像表示体1007に画像を表示する。   The optical deflector 1005 is the optical deflector according to the first embodiment, and displays an image on the image display body 1007 by raster scanning the output light 1004 using the optical deflector 1005.

本実施例により、コンパクトな構成を有し、低電圧で駆動でき、偏向角が大きく高精細な画像が得られる、画像形成装置を提供することができた。   According to this embodiment, it is possible to provide an image forming apparatus that has a compact configuration, can be driven at a low voltage, and can obtain a high-definition image with a large deflection angle.

本発明の光偏向器の一実施形態を示す上面図である。It is a top view which shows one Embodiment of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の一実施形態のジンバルの角変位を説明する図である。It is a figure explaining the angular displacement of the gimbal of one Embodiment of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の2次元の角変位を説明する図である。It is a figure explaining the two-dimensional angular displacement of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の第一実施例の上面図である。It is a top view of the first embodiment of the optical deflector of the present invention. 本発明の光偏向器の第一実施例の断面図である。It is sectional drawing of the 1st Example of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の第一実施例の作製方法を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the 1st Example of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の第一実施例の作製方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the 1st Example of the optical deflector of this invention. 本発明の光偏向器の第一実施例の電極分離を説明する図である。It is a figure explaining the electrode separation of the 1st example of the optical deflector of the present invention. 本発明の光偏向器を用いた画像形成装置を示す図である。It is a figure which shows the image forming apparatus using the optical deflector of this invention. 従来例を示す図である。It is a figure which shows a prior art example. その他の従来例を示す図である。It is a figure which shows another prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

101 ジンバル
102 可動ミラー
103 第一のトーションバー
104 支持体
105 第二のトーションバー
106 コイル
107 コンタクトパッド
108 中間絶縁層
109 固定電極
110 固定電極
111 基板
112 スペーサー
113 永久磁石
114 永久磁石
501 絶縁層
502 第一のシリコン層
503 第二のシリコン層
504 可動ミラー
505 ジンバル
506 第一のトーションバー
507 第二のトーションバー
508 支持体
509 貫通孔
510 電極支持部
511 可動櫛型電極
512 固定櫛型電極
513 電極分離層
514 コイル
515 コンタクトパッド
516 中間絶縁層
517 永久磁石
518 永久磁石
1001 光源変調駆動部
1002 変調信号
1003 直接変調光源
1004 直接変調された出力光
1005 光偏向器
1006 補正光学系
1007 画像表示体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Gimbal 102 Movable mirror 103 1st torsion bar 104 Support body 105 2nd torsion bar 106 Coil 107 Contact pad 108 Intermediate insulation layer 109 Fixed electrode 110 Fixed electrode 111 Substrate 112 Spacer 113 Permanent magnet 114 Permanent magnet 501 Insulation layer 502 First One silicon layer 503 Second silicon layer 504 Movable mirror 505 Gimbal 506 First torsion bar 507 Second torsion bar 508 Support body 509 Through hole 510 Electrode support portion 511 Movable comb electrode 512 Fixed comb electrode 513 Electrode separation Layer 514 Coil 515 Contact pad 516 Intermediate insulating layer 517 Permanent magnet 518 Permanent magnet 1001 Light source modulation driver 1002 Modulated signal 1003 Directly modulated light source 1004 Directly modulated output 1005 optical deflector 1006 correction optical system 1007 image display

Claims (8)

可動ミラーと、
前記可動ミラーを第一のトーションバーによりねじり回転可能に片側支持するジンバルと、
前記ジンバルを第二のトーションバーにより該可動ミラーの回転軸と直交する軸方向にねじり回転可能に支持する支持体と、
前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段と
前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段と
を有することを特徴とする光偏向器。
A movable mirror,
A gimbal that supports the movable mirror on one side so that it can be rotated by a first torsion bar
A support that supports the gimbal by a second torsion bar so that the gimbal can be twisted and rotated in an axial direction perpendicular to the rotation axis of the movable mirror;
An optical deflector comprising: first driving means for twisting and rotating the movable mirror with respect to the gimbal; and second driving means for twisting and rotating the gimbal with respect to the support.
前記可動ミラーと対向する位置に配置される固定電極と、前記可動ミラー上に形成される可動電極を有し、前記固定電極と前記可動電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる前記第一の駆動手段であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。   A fixed electrode disposed at a position facing the movable mirror; and a movable electrode formed on the movable mirror, wherein the fixed electrode and the movable electrode cause the movable mirror to move against the gimbal by electrostatic attraction. The optical deflector according to claim 1, wherein the optical deflector is the first driving unit that twists and twists. 前記可動ミラーに形成される可動櫛型電極と、前記可動櫛型電極と隔間してように前記ジンバル上に形成される固定櫛型電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる前記第一の駆動手段であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。   A movable comb electrode formed on the movable mirror and a fixed comb electrode formed on the gimbal so as to be spaced from the movable comb electrode cause the movable mirror to move against the gimbal by electrostatic attraction. The optical deflector according to claim 1, wherein the optical deflector is the first driving unit that twists and twists. 永久磁石と、前記シンバル上に形成されるコイルとが、電磁力により前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる前記第二の駆動手段であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光偏向器。   The permanent magnet and a coil formed on the cymbal are the second driving means for torsionally rotating the gimbal with respect to the support by electromagnetic force. An optical deflector according to claim 1. 前記第一のトーションバーが1本であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の光偏向器。   The optical deflector according to any one of claims 1 to 4, wherein the first torsion bar is one. 前記第一の駆動手段が、前記可動ミラーを共振駆動させる手段であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の光偏向器。   6. The optical deflector according to claim 1, wherein the first driving unit is a unit that drives the movable mirror to resonate. 前記第二の駆動手段が、前記ジンバルを共振駆動させる手段であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光偏向器。   The optical deflector according to claim 1, wherein the second driving unit is a unit that drives the gimbal to resonate. 請求項1乃至7の何れか一項に記載の光偏向器、及び光源を具備したことを特徴とする光学機器。   An optical apparatus comprising the optical deflector according to claim 1 and a light source.
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JP2014048615A (en) * 2012-09-04 2014-03-17 Seiko Epson Corp Actuator, optical scanner, picture display unit and head-mounted display

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