JP2007298651A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向器を備えた光走査装置において、小型、低価格化、及び生産性の向上を実現するとともに高品位な画像を形成することが可能な光走査装置を提供する。
【解決手段】光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光走査装置において、光を出射する光源と、光源から出射された光を収束させるレンズと、レンズで収束された光を反射するミラー及びミラーを所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させる駆動部とを備えた振動ミラーユニットと、光源とレンズと振動ミラーユニットを、その面に配置した基板と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に光を走査させる光走査装置に関する。

光走査装置は、光学素子を用いてレーザ光等の光線の向きを走査するもので、デジタル複写機やレーザプリンタ等の書き込み系、レーザディスプレイや網膜ディスプレイ等の表示系の他、バーコードリーダ、レーザ顕微鏡、レーザ加工装置、三次元計測器等種々の用途に用いられている。

この様な光走査装置には、従来から、光偏向器として多面鏡を回転させるポリゴンスキャナが用いられている。

ポリゴンスキャナは、質量の大きな多面鏡を高速で回転させる為に大きな振動や熱が発生する。そこで、熱伝導性が良く、質量の大きな例えばアルミの成型品等を構造部品に用いることにより、ポリゴンスキャナから発生する振動や熱の他の部材への影響を抑える様にしている。しかしながら、この様な構造部品は、形状が大きく、また、高価であることから、装置の小型化を阻害し、また、高価格化を招くといった問題がある。

また、光偏向器は半導体レーザ等の光源や光源の光を集光するレンズ等と組み合わせて用いられる。そして、これらの構成部品は、立体的な形状を備えた前述の構造部品に、ねじ止めや接着等の組み立て工程を経て結合されている。しかしながら、半導体レーザ、レンズ、光偏向器等は形状が小さいことから、容易に保持や組立てを行うことが困難であり、また、通常、光偏向器のミラー面から対象物の走査面までの距離は長いことから、僅かな位置ずれや部品の誤差が拡大される。この為、組立てや調整に高い精度が要求され、生産性を損なうといった問題がある。

そこで、この様な光走査装置において、装置の小型化、低価格化、及び生産性向上を実現させる技術が種々検討されてきた。

例えば、光偏光器として、ポリゴンスキャナーの代わりに微小振動ミラーを用い、半導体レーザ、レンズ、及び微小振動ミラー等を立体的に配置したり（例えば、特許文献１参照）、また、ＶＣＳＥＬ上にＭＥＭＳミラーを配置する（例えば、特許文献２参照）等して、装置の小型化、低価格化を実現する技術がが開示されている。
特開平１１−３０５１５９号公報 特表２００５−５３１７９０号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示されている技術は、いずれも、半導体レーザ、レンズ、及び微小振動ミラー、ＭＥＭＳミラー等が、３次元に立体的に配置されていることから、それぞれの相対的な位置精度を確保することは容易ではなく、また、これにより組立てや調整に高い精度が要求され、生産性を損なう恐れがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、光偏向器を備えた光走査装置において、小型、低価格化、及び生産性の向上を実現するとともに高品位な画像を形成することが可能な光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至８のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光走査装置において、
光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を収束させるレンズと、
前記レンズで収束された光を反射するミラー及び前記ミラーを所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させる駆動部とを備えた振動ミラーユニットと、
前記光源と前記レンズと前記振動ミラーユニットを、その面に配置した基板と、を有することを特徴とする光走査装置。

２．前記駆動部は、前記ミラーを共振により所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させることを特徴とする前記１に記載の光走査装置。

３．前記光源は、半導体レーザであることを特徴とする前記１または２に記載の光走査装置。

４．前記回転軸は、前記基板に平行であることを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。

５．前記光源から出射された光の偏光方向は、前記基板に平行であることを特徴とする前記４に記載の光走査装置。

６．前記光源から出射された光の偏光方向を転換する波長位相板を有することを特徴とする前記４に記載の光走査装置。

７．前記光源は、前記基板に密着して接合されることを特徴とする前記１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。

８．前記振動ミラーユニットは、熱遮断材を介して前記基板に接合されることを特徴とする前記１乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置。

本発明によれば、光偏向器として、ミラーを所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させる駆動部を備えた振動ミラーユニットを用いて、光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる様にした。したがって、ポリゴンスキャナの様に、質量の大きな多面鏡を高速で回転させることにより発生する振動や熱の影響を軽減する為の、前述の様な質量の大きな構造部品等が不要になり、装置の小型化や低価格化を実現することができる。また、光源、レンズ、振動ミラーユニットを基板の面に配置する様にした。すなわち、光源、レンズ、振動ミラーユニットを、２次元に平面的に配置する様にしたので、それぞれの相対的な位置精度を容易に確保することができ、これにより組立てや調整に高い精度が必要とされず、生産性を向上させることができる。

また、振動ミラーユニットは、ミラーを共振により所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させる様にした。したがって、ミラーを、その共振周波数で駆動することにより、高い偏向速度と大きな偏向角が得られる。また、ミラーの質量が小さい為に少ないエネルギーで駆動することができる。また、軸受け等の摺動部分がない為に装置の寿命が長くなる。

また、光源に半導体レーザを用いる様にしたので、装置を小型化することができる。

また、ミラーの回転軸は、基板に平行になる様にしたので、共振により振動ミラーユニットに加わる変形力は、回転軸方向にバランスが保たれ、安定した回転もしくは振動を行うことができる。

また、光源から出射された光の偏光方向は、基板に平行になる様にしたので、光源から出射された光は、回転軸が基板に平行になる様に配置されたミラーによって、効率よく反射される。光が界面で反射される際、反射光は通常、振幅と位相に変化が生じ、この変化は光の偏光状態に依存する。すなわち、界面に立てた法線と光の進行方向を含む面内で振動するＰ偏光と、界面に立てた法線と光の進行方向を含む面に垂直な面内で振動するＳ偏光とでは、界面に対する光の入射角によって反射率に大きな差異が生じ、Ｓ偏光の方がＰ偏光に比べ入射角に対する変化が少なく、値も大きい。そして、ここでは、ミラーの回転軸は基板と平行に配置されていることから、基板と平行な偏光がＳ偏光となる。したがって、光源から出射された光の偏光方向を、基板に平行になる様にすることにより、光はミラーの界面に対してＳ偏光となることから、入射角に対する依存性が少なくなり、効率よく反射される。

また、光の偏光方向を転換する波長位相板を備える様にしたので、光源から出射された光の偏光方向を、波長位相板を用いて基板に平行になる様にすることもできる。

また、光源は、基板に密着して接合される様にしたので、光源で発生した熱を効率よく基板に放熱することができ、光源の熱による出力変動を抑制することができる。

また、振動ミラーユニットは、熱遮断材を介して前記基板に接合される様にしたので、基板からの熱伝導を抑制することができ、熱による振動系への影響が軽減され、安定した共振状態を保つことができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る光走査装置の実施の形態を説明する。

最初に、光走査装置１の構成を図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る光走査装置１の全体構成を示す図である。

光走査装置１は、図１に示す様に、半導体レーザ２、レンズ３、波長位相板４、振動ミラーユニット５、基板６、及び図示しない制御部等を有し、振動ミラーユニット５に設けられた後述のミラー５０１を、回転軸Ｋを中心に矢印Ｘ方向に回転もしくは振動（以下、回転振動と称する。）させつつ、ミラー５０１に半導体レーザ２から出射された光線を照射することにより、その反射光を対象物に矢印Ｙ方向に往復走査させるものである。

半導体レーザー２は、本発明における光源に該当し、遠距離まで細い光線を投影することができるコーヒレンスの高い光源であり、また、小型化に適している。半導体レーザーには、端面発光型と面発光型等があるが、ここでは、端面発光型の半導体レーザーを用いる。

ここで、端面発光型の半導体レーザ２の構成を図２を用いて説明する。図２は、端面発光型の半導体レーザー２の構成を示す模式図である。図２に示す様に、端面発光型の半導体レーザ２は、Ｐ型半導体２０１、活性層２０２、Ｎ型半導体２０３等が積層して構成され、半導体層からの電荷注入により活性層２０２から誘導放出された光は、活性層２０２に平行な方向に放出される。放出された光は、活性層２０２の端部より充分に離れた場所では、図２に示す様に、活性層２０２に垂直な方向を長円とする楕円形の光束Ｍを形成する。また、端面発光型の半導体レーザ２の偏光方向Ｈは、活性層２０２に平行な直線偏光となる。

レンズ３は、シリンドリカルレンズ３１、軸対称レンズ３２等を有し、半導体レーザー２から発散する光を、平行、または収束させる。ここで、レンズ３の構成を図３を用いて説明する。図３は、レンズ３の構成を示す模式図である。図３に示す様に、端面発光型の半導体レザー２では、光束Ｍは楕円形となる為、長円、短円方向に焦点距離の異なるシリンドリカルレンズ３１と軸対称レンズ３２を組み合わせて円形の光束Ｎを形成する。

波長位相板４は、半導体レーザー２から出射された光を、後述の基板６に平行な直線偏光に転換する。波長位相板４は、方解石や水晶等の複屈折素子や空隙をもつ二枚のガラス板等を用いて、直交する偏光成分間に位相差を与えることにより、光の偏光方向を転換する。ここで、波長位相板４の動作を図４を用いて説明する。図４（ａ）は、１／２波長位相板４の動作を示す模式図である。図４（ｂ）は、１／４波長位相板４の動作を示す模式図である。

図４（ａ）に示す様に、１／２波長位相板４を用いて、１／２波長（角度π）の位相差を与えると偏光方向をＨ１からＨ２に９０度回転させることができる。また、図４（ｂ）に示す様に、１／４波長位相板４を用いて、１／４波長（角度π）の位相差を与えると円偏光を直線偏光に転換することができる。尚、複屈折素子や二枚のガラス板の空隙の厚みを調整することにより、与える波長の大きさを変更することができる。

次に、振動ミラーユニット５の構成の構成を、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、振動ミラーユニット５を、正面斜め右から見た斜視図、図５（ｂ）は、振動ミラーユニット５の駆動時の形状を示す模式図、図５（ｃ）は、振動ミラーユニット５の駆動時の形状を矢印Ａ方向から見た側面模式図である。

図５（ａ）に示す様に、振動ミラーユニット５は、ミラー５０１、ねじり梁５０２、駆動片５０３、圧電素子５０４、フレーム５０５等を有し、ねじり梁５０２の復元力とミラー５０１の慣性モーメントによりねじれ振動系を形成する。この系の共振周波数と等しい周期の駆動力を駆動片５０３により与えることにより、高い偏向速度と大きな偏向角を両立させることができる。また、振動ミラーユニット５は、ミラー５０１を中心に上下、左右対称な形状に形成されている。

ミラー５０１、ねじり梁５０２、駆動片５０３、及びフレーム５０５は、シリコンや金属の薄板を半導体ウェハプロセスにより加工して製作される。

ミラー５０１は、図５（ｂ）に示す様に、ねじり梁５０２により回転軸Ｋを中心に矢印Ｘ方向に回転振動を行いつつ、半導体レーザ２から出射された光線を反射し、その反射光を対象物に往復走査させるものである。

駆動片５０３は、左右のねじり梁５０２の上下にそれぞれ一対づつ設けられている。駆動片５０３の表裏には、それぞれ、電気−機械変換素子である圧電素子５０４が接着等により貼り付けられ、バイモルフ構造の曲がり梁を形成している。駆動片５０３は、圧電素子５０４の曲げ変形により、ねじり梁５０２を回転軸Ｋを中心に矢印Ｘ方向に回転振動させる。

フレーム５０５は、振動ミラーユニット５を、後述の基板６に固定する為の保持部である。

ここで、駆動片５０３の動作について説明する。

駆動片５０３の一方の端は、フレーム５０５に固定されている。圧電素子５０４に交流の電界を加えることにより、図５（ｂ）、（ｃ）に示す様に、圧電素子５０４が、矢印Ｐ、Ｑ方向に伸び縮みして駆動片５０３が前後に屈曲する。この屈曲動作によりねじり梁５０２を交互にねじる力が働き、ミラー５０１を回転振動させる。振動ミラーユニット５は、可動部の質量が小さい為、必要なエネルギーが少なく、不要な振動を発生せず発熱も少ない。また、軸受け等の摺動部分がない為、寿命が長い、等の特徴を備えている。この様に、圧電素子５０４、駆動片５０３、ねじり梁５０２は、本発明における駆動部として機能する。

次に、基板６の構成の構成を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、基板６の構成を示す模式図、図６（ｂ）は、基板６に半導体レーザ２、レンズ３、位相波長板４、振動ミラーユニット５が結合された状態を示す模式図、図６（ｃ）乃至図６（ｆ）は、図６（ｂ）において、それぞれ矢印Ａ乃至Ｄ方向から見た断面模式図である。

基板６は、シリコンやアルミ、鉄等の金属板で作成される板状の部材で、半導体レーザ２、レンズ３、位相波長板４、振動ミラーユニット５を保持する。

基板６には、図６（ａ）に示す様に、半導体レーザ２、レンズ３（シリンドリカルレンズ３１、軸対称レンズ３２）、位相波長板４、振動ミラーユニット５をそれぞれ保持する為の凹み部５０１ａ、開口部５０１ｂ乃至５０１ｅが、エッチングにより精度良く形成されている。そして、図６（ｂ）に示す様に、半導体レーザ２から出射される光線の中心が、レンズ３の光軸Ｒ１、波長位相板４を通りミラー５０１の中心の回転軸Ｋ上に投影される様に、凹み部５０１ａ、開口部５０１ｂ乃至５０１ｅが配置されている。また、振動ミラーユニット５を保持する凹み部５０１ｅは、ミラー５０１の回転振動を妨げない様に、また、ミラー５０１に入射、ミラー５０１で反射する光線の光路を遮らない様に設けられている。

半導体レーザ２は、図６（ｃ）に示す様に、凹み部５０１ａの段差に密着して接合されている。これにより半導体レーザ２で発生した熱を効率よく基板６に放熱することができ、半導体レーザ２の熱による出力変動を抑制することができる。

レンズ３（シリンドリカルレンズ３１、軸対称レンズ３２）、位相波長板４は、図６（ｄ）に示す様に、また、振動ミラーユニット５は、図６（ｅ）に示す様に、それぞれ開口部５０１ｂ乃至５０１ｅに、それぞれの端部を押し当てて接合されている。接合には接着の他、陽極接合等の接合表面を活性化して接合する方法を用いてもよい。また、振動ミラーユニット５と基板６との接合部は、本発明における熱遮断材に該当する厚手の金属酸化膜等で被覆されている。これにより基板６からの熱伝導を抑制することができ、熱による振動系への影響が軽減され、安定した共振状態を保つことができる。

ここで、基板６とミラー５０１の回転軸Ｋとの関係を説明する。

振動ミラーユニット５の振動状態は、フレーム５０５の基板６への保持方法により変化する。振動体であるミラー５０１とねじり梁５０２は、駆動片５０３を介してフレーム５０５と結合されているので、駆動片５０３が屈曲運動を行うことによりフレーム５０５にも変形力が働く。この為フレーム５０５が基板６で保持される場所によりフレーム５０５の変形状態が変化し、ミラー５０１や梁５０２の振動状態にも影響を与える。したがって、安定した振動を実現する為には、左右、二本のねじり梁５０２に与える変形の影響を等しくしてバランスを取ることが必要である。そこで、ねじり梁５０２に与える変形の影響を等しくする為に、ミラー５０１の回転軸Ｋを、図６（ｂ）に示す様に、基板６と平行に配置する。

次に、基板６の形状とレンズ３の光軸Ｒ１との関係を説明する。

振動ミラーユニット５の振動状態は、熱の影響により特性が変化する。周囲の温度が変化するとシリコンが膨張、収縮して外形寸法が変化する。温度が上昇してシリコンが膨張すると、長さも伸びるが断面の寸法も大きくなる為、バネ定数は大きくなる。一方、ミラー５０１の質量は変化しない為、結果として温度の影響により共振周波数が変動し、振動状態が変化する。すなわち、二本のねじり梁５０２に伝わる熱量に違いがあると、温度による変形量に差が出る為、振動状態が変化する。したがって、二本のねじり梁５０２に与える温度の影響を等しくする為には、前述の様に、ミラー５０１の回転軸Ｋを基板６と平行に配置すると共に、基板６の温度分布を左右対称にすることが必要である。そこで、基板６の温度分布を左右対称にする為に、基板６の形状を、図６（ｂ）に示す様に、半導体レーザ２、レンズ３、ミラー５０１に続く光軸Ｒ１に略対称な形状とする。

次に、半導体レーザ２の偏光とミラー５０１の反射率との関係を説明する。
光が界面で反射される際、反射光は通常、振幅と位相に変化が生じ、この変化は光の偏光状態に依存する。すなわち、界面に立てた法線と光の進行方向を含む面内で振動するＰ偏光と、界面に立てた法線と光の進行方向を含む面に垂直な面内で振動するＳ偏光とでは、界面に対する光の入射角によって反射率に大きな差異が生じる。

ここで、Ｐ偏光、Ｓ偏光の特性を図７を用いて説明する。図７は、Ｐ偏光、Ｓ偏光、それぞれの界面への入射角と反射率との関係を示すグラフである。図７に示す様に、Ｓ偏光の方がＰ偏光に比べ入射角に対する反射率の変化が少なく、値も大きい。

ミラー５０１が回転すると光に対する入射角が変動する。したがって、投影する光量を大きく、角度による変化を少なくする為には、ミラー５０１の反射面に対してＳ偏光となる光線を用いることが必要である。

そして、ここでは、前述の様に、ミラー５０１の回転軸Ｋが基板６と平行に配置されていることから、基板６と平行な偏光がＳ偏光となる。したがって、半導体レーザ２から出射された光の偏光方向を、基板６に平行になる様にする。これにより、光はミラー５０１の界面に対してＳ偏光となることから、入射角に対する依存性が少なくなり、効率よく反射される。

例えば、端面発光型の半導体レーザ２の場合には、図８に示す様に、半導体レーザ２を、その積層方向が基板６に平行になる様に基板６に設置すると半導体レーザ２の偏光方向Ｈは基板６に平行となる。この場合、半導体レーザ２の偏光方向Ｈがミラー５０１のＳ偏光となる為、波長位相板４等の偏光転換手段は不要である。また、半導体レーザ２の積層方向が基板６と垂直になる場合や、端面発光型の半導体レーザ２以外で円偏光や、直線偏光でもその偏光方向が基板６と平行でないレーザ光源を利用する場合等は、波長位相板４を用いて偏光方向を基板と平行に転換する。

この様に、本発明に係る光走査装置においては、振動ミラーユニット５を用いて、半導体レーザ２から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる様にした。したがって、ポリゴンスキャナの様に、質量の大きな多面鏡を高速で回転させることにより発生する振動や熱の影響を軽減する為の、前述の様な質量の大きな構造部品等が不要になり、装置の小型化や低価格化を実現することができる。また、半導体レーザ２、レンズ３、振動ミラーユニット５を基板６の面に配置する様にした。すなわち、半導体レーザ２、レンズ３、振動ミラーユニット５を、２次元に平面的に配置する様にしたので、それぞれの相対的な位置精度を容易に確保することができ、これにより組立てや調整に高い精度が必要とされず、生産性を向上させることができる様になる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、
図９を用いて、本発明に係る光走査装置の別例による実施の形態を説明する。

図９（ａ）に示す様に、複数の半導体レーザ２を振動ミラーユニット５の回転軸Ｋに平行に配置する様にしてもよい。これにより、複数の行を同時に走査することができるので、カラー化や高速化を容易に実現することができる。

また、図９（ｂ）に示す様に、端面発光型の半導体レーザ２の代わりに折り返しミラー２１を備えた面発光型の半導体レーザ２を用いる様にしてもよい。これにより、２次元に複数配置できるので、容易にマルチビーム化できる。また、面発光型の半導体レーザ２は、光束が円形の為、シリンドリカルレンズ３１が不要となるので、装置の低価格化を図ることができる。

また、光源としては、通常、ガリウム・ヒ素系の半導体レーザが用いられるが、シリコン系の半導体レーザを用いる様にしてもよい。これにより、半導体レーザ２をシリコン板等からなる基板６と一体化することができるので、位置精度や放熱性の向上、また、装置の低価格化を図ることができる。

また、振動ミラーユニットの代わりに回転ミラーを用いる様にしてもよい。共振現象を利用しないことから、温度による特性の変化が緩慢であり、安定した走査を行うことができる。

また、図９（ｃ）に示す様に、振動ミラーユニット５を挟んで、半導体レーザ２、レンズ３を光軸Ｒ１、Ｓ１の方向にそれぞれ一対づつ配置し、ミラー５０１の表裏に光を当てて光を偏向する様にしてもよい。これにより、光走査装置１を走査面が複数設けられたタンデム式の複写機等に用いた場合、偏向ミラーを削減することができる。

本発明に係る光走査装置の一例による全体構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における端面発光型の半導体レーザの構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置におけるレンズの構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における波長位相板の動作を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における振動ミラーの構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における基板の構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における半導体レーザのミラーへの入射角度と反射率との関係を示すグラフである。 本発明に係る光走査装置における半導体レーザの配置と偏光方向を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置の別例による構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 光偏向装置
２ 半導体レーザ
２１ 折り返しミラー
２０１ Ｐ型半導体
２０２ 活性層
２０３ Ｎ型半導体
２０４ 基板
２０５．２０６ 電極
３ レンズ
３１ シリンドリカルレンズ
３２ 軸対称レンズ
４ 波長位相板
５ 振動ミラーユニット
５０１ ミラー
５０２ ねじり梁
５０３ 駆動片
５０４ 圧電素子
５０５ フレーム
６ 基板

Claims (8)

1. 光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光走査装置において、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を収束させるレンズと、
   前記レンズで収束された光を反射するミラー及び前記ミラーを所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させる駆動部とを備えた振動ミラーユニットと、
   前記光源と前記レンズと前記振動ミラーユニットを、その面に配置した基板と、を有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記駆動部は、前記ミラーを共振により所定の回転軸を中心に回転もしくは振動させることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
4. 前記回転軸は、前記基板に平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記光源から出射された光の偏光方向は、前記基板に平行であることを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 前記光源から出射された光の偏光方向を転換する波長位相板を有することを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
7. 前記光源は、前記基板に密着して接合されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記振動ミラーユニットは、熱遮断材を介して前記基板に接合されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置。

Images