JP2008197206A - 光走査装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光束を揺動する振動ミラー部により反射して反射光束を走査する光走査装置に集光レンズを組み込んで、小型化、製造コストの低減化を図る。
【解決手段】反射面が形成された振動ミラー部２、振動ミラー部２の揺動軸をなす支持部３、支持部３を保持する枠部５を有する光走査部１と、光走査部１を収納する筐体１４とを備え、入射光束を振動ミラー部２により走査して反射光束を出射する光走査装置２０であり、振動ミラー部２は、揺動軸の軸方向の幅が揺動軸に直交する方向の幅よりも狭い形状を有し、筐体１４は、入射光束及び前記反射光束を透過する透過部１２を備え、透過部１２は、入射光束を振動ミラー部２の形状に応じた形状に収束させる第１の光学素子を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザープリンタや投影型表示装置に用いられる光スキャナー用の光走査素子に関する。特に、振動体を振動させることにより反射ミラーを揺動させる光走査素子に関する。

従来から、投影型表示装置等においては画像信号により変調されたレーザー光を走査して投映像を形成するための光走査素子が知られている。例えば、回転多面鏡（ポリゴンミラー）や振動駆動型反射鏡（ガルバノミラー）が用いられてきた。レーザープリンタで回転多面鏡を使用する場合は、高速回転する回転多面鏡に画像信号により変調されたレーザー光を照射して、その反射光を走査し、走査されたレーザー光により記録媒体が形成された回転ドラムに潜像を書き込み、これを紙等に転写する。また、振動駆動型反射鏡を使用する画像表示装置においては、振動ミラーを圧電体や静電気力等により高速振動を行い、振動ミラーに画像信号により変調されたレーザー光を照射し、反射光をスクリーンや直接網膜に照射して、画像表示装置とする。振動駆動型反射鏡は回転多面鏡と比較して駆動部を小型化することができ、軽量小型の光走査素子に適する。

図１４は、レーザープリンタやレーザーファクシミリ等に使用される光偏向器１００を表す模式的断面図である（特許文献１を参照）。レーザー発振器からのレーザー光Ｉｉｎはシリンドリカルレンズ１０３によって所定のビーム形状に集光され、高速回転する回転多面鏡１０１の反射面に集光する。回転多面鏡１０１の反射面により反射されたレーザービームは透光性の窓１０４を透過して球面レンズ１０５及びｆθ機能を有するトーリックレンズ１０６を通過して、走査光Ｉｏｕｔとして図示しない回転ドラムの回転体に照射される。回転多面鏡１０１は防塵及び防音対策のためにカバー部材１０２により密閉されている。

特許文献２には、振動ミラーをシリコンマイクロマシニングにより形成し、この振動ミラーを光偏向器として用いて画像記録を行う光走査装置が記載されている。シリコン半導体基板から振動ミラー、振動ミラーを軸支するねじり梁、ねじり梁を固定する固定部を一体的に形成する。この一体形成した振動体を固定枠に取り付け、揺動空間を確保するようにして周囲をカバー等で覆う。この種の振動体は、振動ミラー部の慣性モーメントとこの振動ミラー部を軸支するねじり梁のバネ定数により定まる共振周波数で振動する。しかし、振動ミラーの厚さが薄く、高い周波数で振動する場合には振動ミラーが湾曲し、走査されるレーザー光の焦点ズレが発生する。この焦点ズレを補正するために、レーザー光源と振動ミラーとの間にカップリングレンズを挿入し、このカップリングレンズの位置を振動ミラーの共振周波数に同期させて移動させ、焦点ズレの補正を行うことが記載されている。
特開２００３−５７５８６号公報 特開２００４−１９１４１６号公報

高速回転する回転多面体を用いる光走査装置は、光走査装置の容積が大きくなり、コンパクトな構成することが困難である。また、回転多面体をモーター等により駆動するために消費電力が大きいこと、また、高速で回転多面体が回転するために、外部へ騒音を出す、などの課題があった。一方、振動駆動型反射鏡は、小型、低消費電力であり、騒音も出さないという利点があるが、更に高速での光走査が望まれていること、また、光走査装置自体の小型化と共に、光走査装置へ入射する入射光束また光走査装置から出射する出射光束を集光させるための外部光学系を含めた装置全体の簡素化、低コスト化が望まれている。

本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１に係る発明においては、反射面が形成された振動ミラー部と、前記振動ミラー部の揺動軸をなす支持部と、前記支持部を保持するための枠部とを有する光走査部と、前記光走査部を収納する筐体とを備え、揺動する前記振動ミラー部により入射光束を反射して走査された反射光束を出射する光走査装置であって、前記振動ミラー部は、前記揺動軸の軸方向の幅が前記揺動軸に直交する方向の幅よりも狭い形状を有し、前記筐体は、前記入射光束及び前記反射光束を透過する透過部を備え、前記透過部は、前記入射光束を前記振動ミラー部の形状に応じた断面形状に収束させる第１の光学素子を有することを特徴とする光走査装置とした。

請求項２に係る発明においては、前記振動ミラー部は、前記揺動軸の軸方向を短軸とし、前記軸方向に直交する方向を長軸とする略多角形又は楕円形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置とした。

請求項３に係る発明においては、前記第１の光学素子は、前記反射光束が光走査装置より出射される際に通過するように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査装置とした。

請求項４に係る発明においては、前記透過部は、前記反射光束が光走査装置より出射される際に通過するように配置されている第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項５に係る発明においては、前記第１の光学素子は、前記揺動軸の軸方向に対するパワーが前記揺動軸に直交する方向に対するパワーよりも大きい光学特性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項６に係る発明においては、前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子の光軸に対して回転非対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項７に係る発明においては、前記第１の光学素子は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項８に係る発明においては、前記第１の光学素子は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項９に係る発明においては、 前記第１の光学素子は、回折格子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項１０に係る発明においては、前記第１の光学素子は、屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項１１に係る発明においては、前記第２の光学素子はｆθ特性を有することを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項１２に係る発明においては、前記第２の光学素子はアークサイン特性を有することを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項１３に係る発明においては、前記筐体は、前記光走査部を収納する収納部と前記収納部を覆うための蓋部とから構成され、前記蓋部は前記透過部及び前記第１の光学素子と同一の材料により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光走査装置とした。

請求項１４に係る発明においては、前記収納部と前記蓋部は略等しい線膨張係数を有することを特徴とする請求項１３に記載の光走査装置とした。

請求項１５に係る発明においては、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査装置により走査して網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置とした。

請求項１６に係る発明においては、揺動軸の軸方向の幅が前記軸方向に直交する方向の幅よりも狭い形状を有する振動ミラー部と、前記振動ミラー部の揺動軸をなす支持部と、前記支持部を保持するための枠部とを有する光走査部を形成する工程と、前記光走査部を収納するための収納部を同一の収納部材に複数形成する工程と、前記振動ミラー部の形状に応じた形状に入射光束を収束させるための第１の光学素子を有する蓋部を、同一の蓋部材に複数形成する工程と、前記収納部材に前記光走査部を設置する工程と、前記蓋部材を前記収納部材に固定する工程と、前記収納部材及び前記蓋部材を個々の光走査装置に分離する工程と、から成る光走査装置の製造方法とした。

請求項１の光走査装置によれば、反射面が形成された振動ミラー部と、振動ミラー部の揺動軸をなす支持部と、支持部を保持するための枠部を有する光走査部と、この光走査部を収納する筐体とを備えており、振動ミラー部は、振動軸方向の幅が狭くこれに直交する方向の幅が広い形状を有し、筐体は透過部を有し、この透過部には入射光束を上記振動ミラー部の形状に応じた断面形状に収束させるための第１の光学素子を有する。これにより、振動ミラー部の質量及び慣性モーメントを減少させて、走査の高速化、触れ角の増大化及び低消費電力化を図ることができる。また、入射光束を振動ミラー部の形状に沿った形状に収束させるので、振動ミラー部の反射面の面積を有効に利用して解像度の向上を図ることができる。その結果、軽量、小型、低消費電力で反射損失の少ないコンパクトな光走査装置を実現することができる。

請求項２の光走査装置によれば、振動ミラー部は、揺動軸の軸方向を短軸とし、上記軸方向と直交する方向を長軸とする略多角形、又は楕円形の形状を有する。これにより、第１の光学素子により収束された入射光束の形状に振動ミラー部の反射面の形状を合わせることができるので、振動ミラー部の質量を軽量化しつつ、入射光束を反射する反射面の面積を確保することができる、という利点を有する。

請求項３の光走査装置によれば、上記第１の光学素子は、振動ミラー部により反射された反射光を反射光束として出射する際に通過するようにした。これにより、入射光束用と出射光束用のレンズを１つの光学素子により行うことができるので、装置全体をコンパクトに構成することができる、という利点を有する。

請求項４の光走査装置によれば、透過部は、振動ミラー部により反射された反射光を反射光束として出射する際に通過する第２の光学素子を有している。これにより、入射光束と出射光束とを分離して収束させることができるので、光学素子の体積を小さくしてなお入射方向と反射方向との間の角度を大きくとることができ、この光走査装置を使用する装置の設計の自由度を大きくとることができる、という利点を有する。

請求項５の光走査装置によれば、第１の光学素子は、揺動軸の軸方向に対するパワーが揺動軸に直交する方向に対するパワーよりも大きい。これにより、揺動軸方向の幅が狭く、揺動軸に直交する方向の幅が広い振動ミラー部に合致して入射光束を集光させることができ、振動ミラー部の表面を有効に利用して反射効率の低下を防止することができる、という利点を有する。

請求項６の光走査装置によれば、第１の光学素子は、この光学素子の光軸に対して回転非対称な形状を有する。これにより、振動ミラー部の形状に沿って入射光束を集光させることができる、という利点を有する。

請求項７の光走査装置によれば、第１の光学素子は、シリンドリカルレンズとした。これにより、簡易な構成で特に振動ミラー部の短軸方向にのみ入射光束を収束させることができ、振動ミラー部の表面の面積を有効に利用して反射損失を低減させることができる、という利点を有する。

請求項８、請求項９又は請求項１０の光走査装置によれば、第１の光学素子をフレネルレンズ、回折格子又は屈折率分布型レンズとした。これにより、レンズ部の厚さを薄くすることができ、光走査装置の全体をコンパクトに構成することができる、という利点を有する。

請求項１１の光走査装置によれば、第２の光学素子はｆθ特性を有するようにした。これにより、出射光束により記録媒体等に記録させるためのｆθレンズを別に設置する必要がないので、装置全体を小型化することができる、という利点を有する。

請求項１２の光走査装置によれば、第２の光学素子はアークサイン特性を有するようにした。これにより、出射光束により記録媒体等に記録させるためのアークサインレンズを別に設置する必要がないので、装置全体を小型化することができ、かつ、記録媒体等の投影面において投射光を略等角速度で走査することができるという利点を有する。

請求項１３の光走査装置によれば、筐体は収納部と蓋部とを有し、その蓋部は透過部及び第１の光学素子と同一の材料により一体的に形成されるようにした。これにより、透過部に別体の光学素子を取り付ける工程を省くことができ、光走査装置のコストを低減化することができる、という利点を有する。

請求項１４の光走査装置によれば、収納部と蓋部とは略等しい線膨張係数を有する。これにより、周囲の温度が変化したときに、蓋部と収納部の位置ズレにより入射光束に対する反射光束の反射効率が悪化したり、蓋部と収納部との接着部が破損したりすることを防止することができる、という利点を有する。

請求項１５の網膜走査型画像表示装置によれば、上記の光走査装置を備えることから、軽量でコンパクトな表示装置を構成することができる、という利点を有する。

請求項１６の光走査装置の製造方法によれば、揺動軸の軸方向の幅が前記軸方向に直交する方向の幅よりも狭い形状を有する振動ミラー部と、揺動軸をなす支持部と、これを保持する枠部とを有する光走査部を形成する工程と、光走査部を収納するための収納部を同一の収納部材に複数形成する工程と、振動ミラー部の形状に応じた形状に入射光束を収束させるための第１の光学素子を有する蓋部を、同一の蓋部材に複数形成する工程と、収納部材に光走査部を設置する工程と、蓋部材を収納部材に固定する工程と、収納部材及び蓋部材を個々の光走査装置に分離する工程と、を有する。これにより、光走査装置の多数個取りを可能とし、製造コストを大幅に低減させることができるといる利点を有する。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光走査部を表す斜視図である。光走査部１は、短冊状の振動ミラー部２と、この振動ミラー部２を両側から保持し、振動ミラー部２の揺動軸をなす支持部３と、この支持部３に揺動を伝達する二股形状の左右２つの梁部４と、この梁部４を固定して保持するための枠部５と、梁部４と枠部５に跨って接着固定されている４つの圧電体７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、振動ミラー部２に揺動空間９を形成するための固定枠部６とから構成されている。圧電体の表面と裏面には図示しない電極が形成され、更に圧電体７ａ〜７ｄが接着固定される領域の枠部５及び梁部４の表面には電極８ａ〜８ｄが形成されている。圧電体７ａ〜７ｄの裏面に形成した電極と、これに対応して形成された枠部５の上の電極８ａ〜８ｄのそれぞれとは、導電接着剤により接着固定されている。

振動ミラー部２は、ねじれ振動を行う支持部３の揺動軸方向の幅Ｌ１は、この揺動軸に対して直角方向の幅Ｌ２のよりも短い形状を有する。また、振動ミラー部２の表面は反射面を構成している。反射面としては、振動ミラー部２の材質をそのまま利用してもよいし、金属膜を形成しても良い。振動ミラー部２を短冊状の形状とすることにより、振動部の質量を低下させて、高周波の共振揺動を実現することができるようにしている。振動ミラー部２の幅Ｌ１及び幅Ｌ２は、入射光束の集光が可能な大きさにするとともに、必要な共振振動を得ることができるようにする。例えば振動ミラー部２の幅Ｌ１を３００μｍ、幅Ｌ２を１ｍｍ〜１．５ｍｍの形状とすることができる。

振動ミラー部２は次のようにして揺動を行う。圧電体７ａの表面の電極とその下部の枠部５の上の電極８ａに高周波の交番電圧を印加する。これにより、圧電体７ａは梁部に上下振動を伝達する。圧電体７ｂの表面の電極とその下部に形成した電極８ｂとの間には、上記圧電体７ａに印加した電圧と逆相の高周波の交番電圧を印加する。圧電体７ｃ及び圧電体７ｄに対しても、圧電体７ａ及び圧電体７ｂと同様に高周波の交番電圧を印加する。これにより、支持部３に対してはねじれ振動が伝達され、振動ミラー部２は、支持部３のねじれ弾性係数と振動ミラー部２の揺動軸に対する慣性モーメント等により定まる捻じれ共振周波数に等しい周波数の交番電圧が印加されると、対応したモードの共振振動を行う。

図２は、光走査部１を筐体に収納した光走査装置２０を分解した状態を示す斜視図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。光走査部１は収納部１１と蓋部１０とからなる筐体１４により封入される。そして、蓋部１０には透光性の透過部１２が形成され、透過部１２には第１の光学素子としてのシリンドリカルレンズ１３が形成されている。光走査部１を収納部１１及び蓋部１０により封止することにより、外部から塵等が進入して振動ミラー部２に付着して、振動ミラー部２の表面に形成した反射面の反射効率を悪化させることを防止する。

図３は、蓋部１０に形成したシリンドリカルレンズ１３により振動ミラー部２に入射光を収束させる状態を示す斜視図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分は同一の符号を付した。シリンドリカルレンズ１３は、入射された断面が円形の入射光束Ｉｉｎを振動ミラー部２の反射面の形状に応じた形状に収束させる。即ち、揺動軸の軸方向に対するパワーはこれに直交する方向のパワーよりも大きい。また、シリンドリカルレンズ１３はその光軸に対して回転非対称な形状を有している。

シリンドリカルレンズ１３を通過した入射光束は、揺動軸Ｘに直交するＹ方向に対しては収束されないが、揺動軸Ｘ方向に対しては収束される。即ち、揺動軸Ｘ方向に対しては振動ミラー部２の反射面がシリンドリカルレンズ１３の焦点となる。そして、振動ミラー部２が揺動軸Ｘを中心にして揺動を行うことにより、反射光は反射光束Ｉｏｕｔ１、Ｉｏｕｔ２、Ｉｏｕｔ３のように揺動軸Ｘに対して直交するＹ方向に走査される。振動ミラー部２の反射面から反射された光束は、シリンドリカルレンズ１３を通過することにより、入射光束と同じ断面が円形の反射光束に収束される。このようにして、光走査装置２０は入射光束Ｉｉｎを走査して反射光束Ｉｏｕｔ１、Ｉｏｕｔ２、Ｉｏｕｔ３などの走査光に変換する。

本実施の形態においては、振動ミラー部２はシリコン半導体基板から形成している。即ち、シリコン半導体基板を用いて、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を通して、振動ミラー部２、支持部３、梁部４及び枠部５を一体的に形成している。振動ミラー部２の表面には光の反射損失を低減させるためにアルミニュウム又は銀からなる薄膜を形成している。また、枠部５を載置する固定枠部６は、揺動空間９を設けた耐熱性ガラスにより形成している。また、収納部１１はセラミックスにより箱状に形成し、蓋部１０は透光性の合成樹脂を使用し、シリンドリカルレンズ１３を一体的に形成している。また、圧電体７としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる焼結体を使用した。

なお、本実施の形態においては枠部５、振動ミラー部２、支持部３及び梁部４をシリコン半導体基板から一体的に形成しているが、他の金属材料等を使用して振動ミラー部２、支持部３及び梁部４と、枠部５とを分離形成してもよい。また、シリコン半導体基板から一体形成する際に、枠部５が振動ミラー部２の周囲を覆うように形成する必要はなく、梁部４を固定する領域にだけ枠部５を形成するようにしてもよい。また、上記実施の形態においては枠部５と枠部５の台座となる固定枠部６とを分離して形成しているが、これを、例えば半導体基板等から一体的に形成するようにしてもよい。なお、枠部５と固定枠部６とは線膨張係数がほぼ同一の材料を使用するのが好ましい。そのために、本実施の形態においては、枠部５としてシリコン半導体基板を使用し固定枠部６として耐熱ガラスを使用している。

また、上記実施の形態においては、二股形状の梁部４としたが、梁部４を枠部５の領域に形成することができる。即ち、支持部３を枠部５の領域まで延長し、支持部３を保持する枠部５の下部の固定枠部６を刳り貫き、この刳り貫いた領域の枠部５を梁部４とすることができる。この場合圧電体７は刳り貫いた固定枠部６と刳り貫いていない固定枠部６との境界領域上の枠部５表面に接着固定する。

また、上記実施の形態においては、シリンドリカルレンズ１３を配置している透過部１２と蓋部１０とを一体的に形成したが、蓋部１０と透過部１２とを別体とし、透過部１２を蓋部１０に設置するようにしてもよい。また、蓋部１０を収納部１１の上面に設置するようにしているが、蓋部１０を収納部１１の側面に設置するようにしてもよい。この場合は、光走査部１の振動ミラー部２に入射光束を導くために、収納部１１内に導波路等の光学系を設置する必要がある。また、収納部１１と蓋部１０、透過部１２及びシリンドリカルレンズ１３の線膨張係数を略等しくすることが望ましい。線膨張係数を等しくすることにより、環境の温度変化に対してシリンドリカルレンズ１３により収束された入射光束Ｉｉｎが振動ミラー部２からずれることを防止することができるからである。また、上記実施の形態において、シリンドリカルレンズ１３の凸部を筐体１４の外側に設置したが、これに代えて、シリンドリカルレンズ１３の凸部を筐体１４の内側に設置することができる。凸部を内部に設置することにより、シリンドリカルレンズ１３に傷がつき難くなり、また、光走査装置２０をコンパクトに構成することができる。

また、上記実施の形態においては、圧電体７により振動ミラー部２に揺動を誘起させているが、これに変えて、振動ミラー部２下部の固定枠部６の凹部又は内側側面に電極を設けて、静電気力により揺動を誘起させるようにしてもよい。また、振動ミラー部２にコイル状の電極を形成し、振動ミラー部２の下部に永久磁石又は誘導磁石を設置して、磁界に基づくローレンツ力により揺動を誘起させるようにしてもよい。

図４は、振動ミラー部２の平面形状を表す平面図である。図４（ａ）は、振動ミラー部２の形状が６角形を有している。揺動軸Ｘ方向の短軸の幅Ｌ１に対して、揺動軸Ｘ方向に直交するＹ方向の長軸の幅Ｌ２のほうが広い。そして、入射光束が照射されない長軸のコーナー部をカットしている。コーナー部をカットすることにより、反射効率を低下させないで、振動ミラー部２の質量を減少させて慣性モーメントを減少させることができる。図４（ｂ）は、振動ミラー部２が楕円形状を有している。揺動軸Ｘ方向が短軸であり、これに直交するＹ方向が長軸である。この場合も図４（ａ）と同様に、反射効率を低下させないで、質量を及び慣性モーメントを減少させることができるので、高い共振周波数を得ることができる。なお、図４（ａ）では振動ミラー部２を６角形状としているが、これを更に角数の多い多角形とすることができる。また、多角形の角を面取りした略多角形としてもよい。

図５は、本発明の他に実施の形態に係る光走査装置２５を分解した状態を示す斜視図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。光走査装置２５は、光走査部１と、これを収納する収納部１１と、その上に設置される蓋部１０とから構成されている。蓋部１０には透過部１２が形成されている。透過部１２には、入射光束を収束させるための第１の光学素子としての第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、振動ミラー部２により反射された光束を収束させて反射光束として出射させるための第２の光学素子としての第２のシリンドリカルレンズ１３ｂとが形成されている。本実施の形態においては、蓋部１０、透過部１２及び２つのシリンドリカルレンズ１３ａ、１３ｂを合成樹脂により一体的に形成している。なお、この場合にも、透過部１２と蓋部１０とを分離して別体で構成することができる。

図６は、光学素子として２つのシリンドリカルレンズ１３ａ、１３ｂを構成した透過部１２の断面と光路を示す説明図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。透過部１２には第１のシリンドリカルレンズ１３ａと第２のシリンドリカルレンズ１３ｂとが形成されている。図６において、揺動軸Ｘ方向に直交する紙面表裏方向は同一の断面形状を有する。従って、シリンドリカルレンズ１３ａ、１３ｂは各シリンドリカルレンズの光軸に対して回転非対称な形状を有する。入射光束Ｉｉｎが第１のシリンドリカルレンズ１３ａを通過して振動ミラー部２の表面に形成された反射面に収束し、その反射光は第２のシリンドリカルレンズ１３ｂを通過して反射光束Ｉｏｕｔに収束される。この場合、収束された入射光束Ｉｉｎは短冊状の振動ミラー部２の形状に応じた形状を有する。従って、シリンドリカルレンズ１３ａ、１３ｂは、揺動軸の軸方向に対するパワーがこれに直交する方向に対するパワーよりも大きな光学特性を有する。

振動ミラー部２は揺動軸Ｘを中心に揺動を行い、反射光束Ｉｏｕｔは揺動軸Ｘに直交する方向に走査される。このように、シリンドリカルレンズ１３を入射光束用と反射光束用に分離することにより、単一のシリンドリカルレンズを使用する場合に比較して反射光束の特性、例えば収束または発散度合いなどを制御することが可能となる。また、入射光束と反射光束との間の角度の設計自由度を増大させることができる。さらに、入射光束の入射角と反射光束の反射角を自由に設定できる効果を奏する。

図７は、光学素子としてフレネルレンズ１５を構成した透過部１２の断面と光路を示す説明図である。同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。図７において、フレネルレンズ１５は揺動軸Ｘ方向における断面を表しており、揺動軸Ｘ方向と直交する紙面上下方向においては同一の断面形状を有する。従って、フレネルレンズ１５は、その光軸に対して回転非対称な形状を有する。入射光束Ｉｉｎはフレネルレンズ１５により振動ミラー部２の表面に形成した反射面に収束し、反射光はフレネルレンズ１５を通して収束されて反射光束Ｉｏｕｔとして出射される。収束される入射光束Ｉｉｎは上記振動ミラー部２の反射面において当該反射面の形状に沿った形状に収束される。従って、フレネルレンズ１３は、揺動軸の軸方向に対するパワーがこれに直交する方向に対するパワーよりも大きな光学特性を有する。

出射される反射光束Ｉｏｕｔは振動ミラー部２の揺動により揺動軸Ｘ方向に直交する方向に走査される。フレネルレンズ１５は通常のレンズと比較して厚さを薄く形成することができるので、光走査装置２０の形状をコンパクトに、且つ重量を軽量化することができる。なお、フレネルレンズ１５を入射光束用と反射光束用の２つに分離して形成してもよい。また、フレネルレンズ１５を透過部１２の内部側に形成することができる。内部側に形成するほうが、当該レンズに対する傷等がつき難い。

図８は、光学素子として回折格子１６を構成した透過部１２の断面と光路を示す説明図である。同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。回折格子は、透過部１２の表面に特定の間隔をおいて光を回折させる溝１７が形成されている。この溝１７は、揺動軸Ｘと直交する紙面の表裏方向において同一の断面形状を有している。入射光束Ｉｉｎは、回折格子１６により回折されて振動ミラー部２の表面に形成された反射面の形状に沿った形状で収束する。反射光は回折格子１６を通して収束され、反射光束Ｉｏｕｔとして出射される。なお、回折格子１６の溝１７は、透過部１２の内部側に形成することができる。

図９は、光学素子として屈折率分布型レンズ１８を構成した透過部１２と光路を示す説明図である。同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。屈折率分布型レンズは、透過部１２の面内において屈折率が分布する部材により構成されている。透過部１２の第１の光学素子は、入射光束Ｉｉｎの光軸の位置Ｐ１を中心として周辺に向かうに従って屈折率が低下する部材により形成されている。同様に、透過部１２の第２の光学素子は、反射光束Ｉｏｕｔの光軸の位置Ｐ２を中心として周辺に向かうに従って屈折率が低下する部材により形成されている。図９において紙面上下方向に同一の屈折率分布を有する。これにより、入射光束Ｉｉｎは振動ミラー部２の揺動軸Ｘ方向において収束される。振動ミラー部２により反射された反射光は反射光束Ｉｏｕｔとして収束されて出射される。従って、屈折率分布型レンズ１８は、振動ミラー部２の揺動軸Ｘ方向に対するパワーがこれに直交する方向に対するパワーよりも大きい。平行平板型の屈折率分布型レンズ１８は凸部を有しない。そのため、光走査装置２０をコンパクトに、かつ軽量に構成することができる。なお、入射光束Ｉｉｎと反射光束Ｉｏｕｔとの間の角度差が小さい場合には、屈折率分布型レンズ１８の屈折率分布を透過部１２の中心位置Ｐ３から周辺領域に向かって低下するようにする。

以上、各種のレンズ等により第１の光学素子及び第２の光学素子を説明してきたが、振動ミラー部２により反射された反射光束を通過させる第２の光学素子に対して、ｆθ特性やアークサイン特性を付与させることができる。例えば、振動ミラー部２が揺動軸に対して等角速度で揺動する場合には、第２の光学素子にｆθ特性を付与する。ｆθ特性を付与することにより、第２の光学素子を通過して反射光束が照射される投影面、例えばレーザープリンタ等の感光ドラム、画像表示装置の平面スクリーンなどにおいて、走査速度を略等速とすることができる。これにより、投影された画像の中心領域と周辺領域との間における画像密度のばらつき等を抑制又は除去することができる。

また、例えば振動ミラー部２が共振で揺動する場合には、第２の光学素子にアークサイン特性を付与する。アークサイン特性を付与することにより、第２の光学素子を通過して等角速度走査された反射光束が到達する投影面、例えば網膜走査型表示装置の利用者の網膜や半球スクリーン、円筒スクリーンなど湾曲した面、において、走査速度をほぼ等しくすることができる。これは、振動ミラー部２が共振振動に伴う揺動を行う場合、振動ミラー部２はその揺動角の時間発展がサイン特性の揺動を行う。そのため、振動ミラー部２の揺動角が大きくなるに従い角速度が遅くなり、投影面において投影される画像密度にばらつきが発生する。第２の光学素子にアークサイン特性を付与することにより、第２の光学素子を通過して反射光束が照射される前述したような湾曲投影面において、走査速度をほぼ等しくすることができる。これにより、前述湾曲投影面における画素密度のばらつきを抑制又は除去することができる。

図１０は、上記光走査装置２０又は２５を用いた網膜走査型表示装置３０のブロック図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。

図１０において、網膜走査型表示装置３０は観察者の眼球４８の網膜５０上に映像を直接結像する。青色の光を発光するＢレーザー３７、緑色の光を発光するＧレーザー３８及び赤色に光を発光するＲレーザー３９から出射した映像光はコリメート光学系４０により平行光となり、ダイクロイックミラー４１により合成され、結合光学系４２により集光されて光ファイバー４９に導入される。光ファイバー４９から出射した映像光は上記図１から図９を用いて説明した光走査装置２０又は２５の振動ミラー部２に照射される。振動ミラー部２は水平走査駆動回路４４により駆動されて揺動し、反射光を水平走査する。水平走査された映像光はリレー光学系４５を介してガルバノミラー５１に照射される。ガルバノミラー５１は磁界により鏡面が揺動して反射光を垂直方向に走査する。ガルバノミラー５１から反射した映像光は第２のリレー光学系５３を介して眼球４８の網膜５０の上に結像される。

映像信号供給回路３３は映像信号を入力して青（Ｂ）色、緑（Ｇ）色及び赤（Ｒ）色に対応する画像信号をＢレーザー駆動回路３４、Ｇレーザー駆動回路３５及びＲレーザー駆動回路３６のそれぞれに出力する。Ｂレーザー３７はＢレーザー駆動回路３４からの駆動信号に基づいて光強度が変調されたＢ色のレーザー光を出射する。Ｇレーザー３８及びＲレーザー３９も同様に各画像信号に基づいて光強度が変調された各色のレーザー光を出射する。

映像信号供給回路３３は画像信号に同期した同期信号を水平走査駆動回路４４及び垂直走査駆動回路４６に出力する。水平同期信号回路３１は水平走査駆動回路に水平同期信号を出力し、垂直同期信号回路３２は垂直走査駆動回路４６に垂直同期信号を出力する。水平走査駆動回路４４は光走査装置２０に駆動信号を出力して振動ミラー部２を揺動させる。この場合の揺動は振動ミラー部２の共振振動に基づく。フォトセンサー５５は水平走査駆動回路４４により水平走査された光の一部を受光して電気信号に変換し、ＢＤ信号検出回路４７に出力する。ＢＤ信号検出回路４７は水平走査のタイミングを検出して映像信号供給回路３３にタイミング信号を出力し、映像信号供給回路３３は入力したタイミング信号により映像信号の開始タイミングを正確に決定する。

なお、上記網膜走査型表示装置３０において、垂直走査をガルバノミラー５１としたが、これに上記光走査装置２０を用いることができる。垂直走査の周波数は例えば６０Ｈｚ程度と低くなる。従って、ミラー部の揺動は、共振振動を利用しないで電気信号による捩れ角制御により行う。

また、図１０においては光走査装置２０を網膜走査型表示装置３０に適用した例を説明したが、第２のリレー光学系５３を投射レンズ系に変更し、眼球４８に変えて投影スクリーンあるいは建物の壁などとすれば、投射型の光走査型表示装置とすることができる。図１０の実施の形態においてはＲＧＢフルカラーの表示装置であるが、例えば１色又は２色のレーザー光を走査して大画面用の光走査型表示装置を得ることができる。

図１１は、レーザープリンタ６０に用いられる光走査装置２５に上記光走査装置２０又は２５を用いた模式的なブロック図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。

図１１において、画像を形成するための変調信号を入力したレーザー光源６１はレーザービームを光走査装置２０に照射する。光走査装置２０の第１の光学素子としての第１のシリンドリカルレンズ１３ａに入射した入射光束は筐体１４内の振動ミラー部２に収束されて揺動軸Ｘに対して直角方向に走査される。走査された反射光は第２の光学素子としてのＦθレンズ機能を有する第３のシリンドリカルレンズ１３ｃにより収束されて反射光束として出射される。反射光束は、凹面鏡６２により反射されて回転ドラム６４上の感光体６３に結像し、感光体６３に静電潜像を形成する。回転ドラム６４が回転してこの静電潜像を図示しない複写紙に転写する。なお、上記光走査装置２０は、上記図１から図９において説明した光走装置を用いることができる。この場合に、第１の光学素子の出射部又は第２の光学素子にＦθレンズ機能を付与することが必要となる。なお、上記Ｆθレンズ機能とは、感光体６３上のビームスポットが略等速で移動するようにビーム速度を補正する機能をいう。

図１１によりレーザープリンタに用いられる光走査装置２５の実施の形態を説明したが、１次元又は２次元バーコード読み取り装置等においても光走査装置が使用され、この光走査装置に上記図１から図９により説明した光走査装置２０又は２５を使用することができる。

図１２及び図１３は、本発明の実施の形態に係る光走査装置２０の製造方法を示す説明図である。図１２は光走査部１を形成するまでの工程を表し、図１３はこの光走査部１を筐体１４に収納して光走査装置２５を形成するまでの工程を表している。同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。

図１２（ａ）は、振動ミラー部２等を囲む枠部５を９個形成した振動体シート７０を表す上面図である。振動体シート７０はシリコン半導体基板から成り、枠部５の内側には振動ミラー部２、振動ミラー部２を指示する支持部３、支持部３を保持し枠部５に固定される梁部４が枠部５と共に一体的に形成されている。振動体シート７０は次のようにして製造することができる。シリコン半導体基板を用意し、シリコン半導体基板の表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程によりフォトレジストのパターニングを行い、エッチングマスクを形成する。次にドライエッチング又はウエットエッチングにより不要なシリコン半導体基板を除去する。その後、残ったエッチングマスクを除去し、図示しない圧電体７を梁部４と枠部５に跨って接着固定する。なお、シリコン半導体基板の表面の圧電体が接着固定される領域には、あらかじめ金属等からなる電極を形成している。また、本実施の形態ではシリコン半導体基板を用いているが、シリコン半導体基板に代えて金属材料やガラス材料等を使用することができる。

図１２（ｂ）は、枠部５を固定して揺動空間９を構成するための固定枠部６を９個形成した固定枠シート７１の上面図である。固定枠シート７１は耐熱性ガラスからなる。固定枠シート７１は次のようにして製造することができる。まず、耐熱性ガラス板を用意する。次に耐熱性ガラス板の上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程によりフォトレジストのパターニングを行い、エッチングマスクを形成する。次に、ウエットエッチング又はドライエッチングを施して、揺動空間９を形成するのに必要な深さに耐熱性ガラスをエッチングする。その後、残ったエッチングマスクを除去する。また、固定枠シート７１を、耐熱性ガラスの軟化温度に加熱して押し型により凹部を形成することができる。

図１２（ｃ）は、振動体シート７０を固定枠シート７１の上に配置して固定する工程を説明するための斜視図である。振動体シート７０を固定枠シート７１に陽極接合により固定する。次に、振動体シート７０の固定枠部６の凸部中央をカッターにより切断分離して、光走査部１を製造する。なお、陽極接合に代えて接着剤等を使用して接着固定することもできる。

図１３（ｅ）は、９個の収納部１１をシート状に形成した収納部シート７２の斜視図である。収納部シート７２はアルミナからなるセラミックにより形成している。アルミナのグリーンシートを形成し、このグリーンシートに光走査部１を収納するための凹部１９を押し型等により形成し、このグリーンシートを焼結して形成することができる。なお、収納部シート７２は、アルミナ等のセラミックスの他に、合成樹脂等の有機材料やガラス等の無機材料を使用することができる。

図１３（ｆ）は、９個の蓋部１０をシート状に形成した蓋部シート７３の斜視図である。各蓋部１０には、第１の光学素子としての第１のシリンドリカルレンズ１３ａ及び第２の光学素子としての第２のシリンドリカルレンズ１３ｂが一体的に形成されている。蓋部１０は、透光性の合成樹脂材料を使用している。シリンドリカルレンズ１３ａ、１３ｂは金型を用いた精密プレス成形により形成した。

図１３（ｇ）は、収納部シート７２の収納部１１に光走査部１を収納する状態を表す斜視図である。光走査部１は収納部１１に底部を固定して収納する。次に、圧電体７に電力を供給するための配線をワイヤボンディング等により設置し、収納部１１の底部又は収納部１１の側壁に設けた図示しない端子に接続する。図１３（ｈ）は、全ての収納部１１に光走査部１を収納し、蓋部シート７３を載置する状態を示す斜視図である。蓋部シート７３を収納部シート７２に載置して接着する。次に、図１３（ｄ）に示すように、個々の光走査装置２５に分離して、完成する。

なお、以上の説明で、９個の光走査装置の多数個取りを説明したが、更に多くの多数個取りを行うことが可能であることはいうまでもない。また、上記の実施の形態における光走査装置の製造方法においては、振動体シート７０と固定枠シート７１とを分離して形成し、図１２（ｃ）に示すように、陽極接合により接着固定して個々の光走査部１に分離したが、振動体シート７０と固定枠シート７１とに分離しないで、はじめから一体的にシリコン半導体基板に形成することができる。即ち、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により振動ミラー部２、支持部３、梁部４、枠部５を凸状に形成し、次に異方性エッチングにより振動ミラー部２、支持部３、梁部４の下部領域のシリコン半導体を除去する。つまり揺動空間をシリコン半導体基板上に形成する。その後、枠部５の中央をダイシングにより切断し、個々の光走査部１に分離する。このようにすれば、更に製造工程を減少させ、コスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る光走査装置の光走査部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の光走査部を収納する筐体の斜視図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の入射光束と出射光束を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の振動ミラー部の平面図である。 本発明の他の実施形態に係る光走査装置の光走査部を収納する筐体の斜視図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の窓部断面と光束を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の窓部断面と光束を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の窓部断面と光束を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の窓部断面と光束を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る網膜走査型画像表示装置を表すブロック図である。 本発明の実施形態に係るレーザープリンタの模式的なブロック図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の製造方法を表す説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の製造方法を表す説明図である。 従来公知の光偏向器を表す模式的断面図である。

符号の説明

１ 光走査部
２ 振動ミラー部
３ 支持部
４ 梁部
５ 枠部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 圧電体
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 電極
９ 揺動空間
１０ 蓋部
１１ 収納部
１２ 透過部
１３ シリンドリカルレンズ
１４ 筐体

Claims (16)

1. 反射面が形成された振動ミラー部と、前記振動ミラー部の揺動軸をなす支持部と、前記支持部を保持するための枠部とを有する光走査部と、前記光走査部を収納する筐体とを備え、揺動する前記振動ミラー部により入射光束を反射して走査された反射光束を出射する光走査装置であって、
   前記振動ミラー部は、前記揺動軸の軸方向の幅が前記揺動軸に直交する方向の幅よりも狭い形状を有し、
   前記筐体は、前記入射光束及び前記反射光束を透過する透過部を備え、
   前記透過部は、前記入射光束を前記振動ミラー部の形状に応じた断面形状に収束させる第１の光学素子を有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記振動ミラー部は、前記揺動軸の軸方向を短軸とし、前記軸方向に直交する方向を長軸とする略多角形又は楕円形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第１の光学素子は、前記反射光束が光走査装置より出射される際に通過するように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記透過部は、前記反射光束が光走査装置より出射される際に通過するように配置されている第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記第１の光学素子は、前記揺動軸の軸方向に対するパワーが前記揺動軸に直交する方向に対するパワーよりも大きい光学特性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子の光軸に対して回転非対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記第１の光学素子は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記第１の光学素子は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置。
9. 前記第１の光学素子は、回折格子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置。
10. 前記第１の光学素子は、屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置。
11. 前記第２の光学素子はｆθ特性を有することを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の光走査装置。
12. 前記第２の光学素子はアークサイン特性を有することを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の光走査装置。
13. 前記筐体は、前記光走査部を収納する収納部と前記収納部を覆うための蓋部とから構成され、前記蓋部は前記透過部及び前記第１の光学素子と同一の材料により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光走査装置。
14. 前記収納部と前記蓋部は略等しい線膨張係数を有することを特徴とする請求項１３に記載の光走査装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査装置により走査して網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置。
16. 揺動軸の軸方向の幅が前記軸方向に直交する方向の幅よりも狭い形状を有する振動ミラー部と、前記振動ミラー部の揺動軸をなす支持部と、前記支持部を保持するための枠部とを有する光走査部を形成する工程と、前記光走査部を収納するための収納部を同一の収納部材に複数形成する工程と、前記振動ミラー部の形状に応じた形状に入射光束を収束させるための第１の光学素子を有する蓋部を、同一の蓋部材に複数形成する工程と、前記収納部材に前記光走査部を設置する工程と、前記蓋部材を前記収納部材に固定する工程と、前記収納部材及び前記蓋部材を個々の光走査装置に分離する工程と、から成る光走査装置の製造方法。

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