JP2009058930A - 揺動体装置、光偏向器、及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動体の重心が揺動中心軸から大きくずれることがなく、また、磁性体に発生するトルクの中心が揺動中心軸から大きくずれることが無い構成に容易にできる揺動体装置を提供することである。
【解決手段】揺動体装置は、揺動中心軸の回りに揺動可能に支持された揺動体101と、揺動体101に設けられた磁性体114と、揺動体101に対向して設けられた磁界発生手段121とを有する。揺動体101は貫通孔113を有し、磁性体114は貫通孔113に設けられている。
【選択図】図1-1

Description

本発明は、揺動体装置、光偏向器、それを用いた画像形成装置などの光学機器、揺動体装置の製造方法に関するものである。

複写機、レーザービームプリンタなどの画像形成装置、バーコードリーダ等の光学機器、或いはレーザ光を走査して映像を投影する画像表示装置等の光学機器において、光スキャナ（光偏向器）が用いられている。

一般に、機械的に光走査を行なう光スキャナとしては、回転多面鏡からなるポリゴンミラーや揺動型反射鏡からなるガルバノミラーなどが知られている。特にガルバノミラータイプにおいては、マイクロメカニクス技術によって、シリコン基板を用いた共振型光スキャナが開発されている。これは、小型化、軽量化、低コスト化が期待でき、このような共振型光スキャナを利用した画像形成装置が提案されている。

これらの要件を満たした光偏向器の従来技術として、次の提案例がある（特許文献1参照）。図10は、この提案例の光偏向器を示す斜視図である。光偏向器は、コイル2aを有する磁気発生部2 と、平板状の走査ミラー1 とを備える。走査ミラー1は、鏡面部1bにより反射された光が走査されるよう、コイル2aに通電することによって発生する磁気発生部2 の磁気に応じて角変位して駆動される。走査ミラー1 は、両端部を結ぶ駆動軸1eを中心として角変位可能なよう、支持部材1dで両端支持される。また、走査ミラー1 は、一方面側が鏡面部1bで、他方面側が駆動軸1eの両側を異極に着磁した薄膜状の永久磁石1cで形成される。磁気発生部2は、走査ミラー1の駆動軸1eに直交する方向をコイル2aの巻回軸とするとともに、走査ミラー1の他方面側に所定の距離を隔てて配設されている。従って、走査ミラー1は、単独で、しかも他方面側に薄膜状の永久磁石1cを形成しただけの軽い状態で駆動される。よって、走査ミラー1 を比較的大型にしたような場合であっても、比較的小さな駆動力でも容易に駆動できる。
特開平06−82711号公報

しかし、上記背景技術の光偏向器においては、次の様な可能性がある。すなわち、永久磁石1cに発生するねじりトルクの中心が支持部材1dで規定される駆動軸1eから離れてしまった場合、走査ミラー1に横振動が発生する可能性がある。そのため、駆動軸1eを中心とする安定なねじり振動が得られず、安定動作の妨げになる可能性がある。

上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は、次の特徴を有する。すなわち、揺動体と、揺動体を揺動中心軸の回りに揺動可能に支持する弾性支持部と、揺動体に設けられた磁性体と、揺動体に対向して設けられた磁界発生手段とを有し、前記揺動体は該揺動体の表面から裏面へと貫通する貫通孔を有し、前記磁性体は前記貫通孔に設けられている。

また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、上記揺動体装置を有し、1つの揺動体に光反射部を有することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の光学機器は、光源と、上記光偏向器と、光入射目標体とを有し、前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記光入射目標体に入射させることを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置の製造方法は、上記揺動体装置の製造方法であって、前記貫通孔の側壁が異方性エッチング加工により形成されることを特徴とする。

本発明によれば、揺動体の貫通孔内に磁性体を設けるので、たとえ磁性体を大きくした場合でも、揺動体の重心が揺動中心軸からずれることがなく、また、磁性体に発生するトルクの中心が揺動中心軸からずれることが少ない構成に容易にできる。そのため、揺動体は揺動中心軸を中心に安定した揺動が可能となる。

以下、図を用いて本発明による揺動体装置、光偏向器、これを用いた光学機器の実施の形態を説明する。

（第1の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第1の実施形態に係る光偏向器100の構造について、図面を用いて説明する。図1-1はその上面図、図1-2(a)は図1-1のA-A’断面図である。これらの図に示す様に、光偏向器100は、MEMS技術によって作製されるチップ部110と、駆動機構を構成する電磁コイル部120とが治具130に設置されている構造を有する。その構造の大きさは、例えば、縦5mm、横5mm、高さ3mm程度である。

チップ部110について図1-1、図1-2(a)を用いて説明する。これらの図面では、分かり易くするために寸法及びその相対比率を誇張ないし変更して示している。チップ部110は、揺動可能に支持された揺動体101、弾性支持部であるねじりバネ102、支持部である支持体103によって構成される。揺動体101は、ねじりバネ102を介して支持体103により支持され、支持体103は治具130に固定されている。

揺動体101、ねじりバネ102、支持体103は基板111により一体で形成されている。基板111は、例えば、単結晶シリコンから成る。単結晶シリコンは、ヤング率が大きい、比重が小さい、塑性変形しないなど、機械的特性に優れているため、揺動体101に大きい共振周波数を持たせることが可能である。

基板111の表面には光反射部である反射膜112が形成されている。反射膜112は、例えば、アルミニウムから成る。揺動体101上の反射膜112が、光偏向器100の光偏向素子として働く。また、揺動体101には、貫通孔113が形成され、その内部に永久磁石114が配置されている。貫通孔113は、揺動体の表面150から裏面151へと貫通するように（つまり、ｚ軸方向に）形成されている。揺動体101上の反射膜112の面積を大きくできるように、貫通孔113は、図1-1に示す如く揺動体101の中央部からずれた位置に形成されている。磁性体である永久磁石114は、例えば、サマリウムコバルト、ネオジウム鉄ボロン等の硬磁性体を着磁した材料から構成される。永久磁石114は円柱形状をしており、貫通孔113内部に容易に配置できる。

本実施形態では、基板111の厚みが300ミクロン程度であるのに対して、円柱形状の永久磁石114の径（厚み）が400ミクロンから500ミクロン程度である。すなわち、後者が前者より大きい。また、貫通孔113は、長さ（図1-2(a)の貫通孔113の紙面に向かって左右方向の長さ。つまり、x軸方向の長さ）が永久磁石114の長さ（図1-2(a)の永久磁石114の紙面に向かって左右方向の長さ）と同程度である。また、貫通孔の表面及び裏面の開口部のうちの一方の幅（図1の貫通孔113の揺動中心軸と平行な方向における長さ。つまり、ｙ軸方向の長さ）が永久磁石114の径（幅）と同程度である。また、貫通孔の表面及び裏面の開口部のうちの他方の開口部の幅は永久磁石114の径より小さくなっている。従って、永久磁石114は、一方の開口部から貫通孔113内部に容易に導入できて、位置決めできる。この際、図1-2(c)に示す様に、永久磁石114の一部は貫通孔113外部に出るようになり、こうなることで、永久磁石114を配置する際にアライメントが容易かつ高精度にできる。永久磁石114の極性は、ねじりバネ102で規定される揺動中心軸（図1-1のA-A’線と直交する軸）を挟んで図1-2 (b)に示す様に、N極とS極となっている。極性は、図示のものとN極、S極が逆であっても構わない。

永久磁石の断面形状、貫通孔の断面形状は上記のもの（夫々、円形及びステップ形状）に限らない。永久磁石の断面形状は、矩形状、多角形状、長円形などであってもよい。貫通孔の断面形状は、ステップ形状のほかに、テーパ形状（後述の第2の実施形態参照）などであってもよい。永久磁石の位置決め方法も、永久磁石の断面形状と貫通孔の断面形状の組み合わせで、種々であり得る。例えば、永久磁石の側面を貫通孔の側面に突き当てる方法がある。長さ方向の位置決めについても、種々あって、例えば、永久磁石の端面を貫通孔の端面に突き当てる方法がある。更に、貫通孔の数も2つ以上あってもよく、各貫通孔内に設けられる永久磁石の重心と揺動中心軸とが一致していればよい。

電磁コイル部120について更に説明する。本実施形態において、電磁コイル部120は、電磁コイル121と電磁コイル基板122とからなる。電磁コイル121はXY平面に沿って円形状に配線が巻かれており、電源123から電力が供給されることによって、電流の方向に依って電磁コイル121の上面或いは下面にN極またはS極が現れる。電磁コイル121の配線は、銅やアルミニウムのように低抵抗な金属で構成され、巻数は数十回から数百回程度である。電磁コイル124の大きさは、例えば、直径d=3mm、高さt=2mmである。電磁コイル基板122は、鉄やパーマロイ（登録商標）等の強磁性体からなり、電磁コイル121を支持する役割と、電磁コイル121から発生する磁場を基板123の所で遮蔽して磁場を上方に集中させる役割を持つ。

次に、揺動体101の揺動方法について説明する。図1-2(b)は、電磁コイル121に電流Iを流し、電磁コイル121上面にN極が現れている状態を示している。発生する磁界Hは、電磁コイル121を流れる電流Iと電磁コイル121の巻数Nとの積に比例する。磁界Hは永久磁石114の磁極に作用し、ねじりバネ102が揺動中心軸を中心に変形し、揺動体101は変位する。電流Iを交流電流とすることで、揺動体101を周期的に変位させることが可能である。さらに、交流電流の周波数と揺動体101の共振周波数とをほぼ一致させることにより、低消費電力で揺動体101の揺動変位が可能になる。

尚、永久磁石を軟磁性体に置き換えることもできる。ただし、この場合は、電磁コイルと軟磁性体との間では引力しか働かない。よって、これに応じた電磁コイルと軟磁性体の配置を行う必要がある。軟磁性体を用いた場合でも、図1のような電磁コイル1個の構成で駆動可能である。その他には、例えば、揺動中心軸を挟んで対称な位置の軟磁性体の部分に対向する位置に2つの電磁コイルを設けて、2つの電磁コイルに交互に電流を流す制御を行って、揺動中心軸を中心とする揺動運動を揺動体に起こさせる方法もある。こうして、揺動体101をより効率良く駆動することが可能である。この場合、例えば、揺動中心軸を挟んで対称な揺動体101の部分に2つの貫通孔を形成し、これらの貫通孔に軟磁性体を設けてその重心を揺動中心軸上に持ってくる様な構成も可能である。更に、磁界発生手段としては、電磁コイルのほかに、磁性体の端部に作用する磁界を変調させるために回転駆動される永久磁石、同じく磁界変調のために駆動される磁気シールドシャッターと永久磁石、なども可能である。

ここで、永久磁石114の重心と揺動中心軸とが一致しない時に発生する揺動体101の横振動について、図2(a)、(b)を用いて説明する。図2(a)、(b)は、図1-1のA-A’断面の揺動体101を模式的に表している。

図2(a)は、永久磁石114の重心211と揺動中心軸221とが一致している場合を示している。本実施形態ではこの様になっている。揺動体101に一様な外部磁場が印加されたとき、永久磁石114の両極212、213にそれぞれ力214、215が発生し、重心211を中心とするねじれトルク216が発生する。このとき、永久磁石114の重心211と揺動体101の揺動中心軸221とが一致しているため、揺動体101に揺動中心軸221を中心とするねじれトルク222のみが加わる。こうして、揺動体101は揺動中心軸221を中心とする理想的な揺動運動をする。

一方、図2(b)は、揺動体101の面上に貼り付けた永久磁石114の重心211と揺動中心軸221が一致していない場合を示している。揺動体101に一様な外部磁場が印加されたとき、永久磁石114の重心211を中心とするねじれトルク216が発生する。このとき、永久磁石114の重心211と揺動中心軸221とが一致していないため、揺動体101には揺動中心軸221を中心とするねじれトルク222とは別に、X方向の力223が加わる。その結果、揺動体101に、揺動中心軸221を中心とした理想的な揺動運動のほかに、X方向の横振動が生じる。

本実施形態では、貫通孔113の内部に永久磁石114を配置するので、永久磁石114を揺動中心軸221に関して対称となるように配置することが容易となる。すなわち、永久磁石114の重心124が揺動中心軸221と一致するように永久磁石114が配置されていて、こうすることで、横振動を抑制し、揺動体101の長時間安定したねじり振動が可能になっている。

揺動体101の作製方法の例について図3を用いて説明する。
（1）材料が単結晶シリコンである基板111表面に、ノボラック系のレジストを厚さ10μm程度塗布してフォトリソグラフィーを行ない、ドライエッチングのレジストマスク115を作製する（図3(a)）。

（2）シリコンである基板111を貼付基板（不図示）に貼り付けた後に、誘導結合型プラズマ及びＢＯＳＣＨプロセスを用いたＲＩＥを行ない、揺動体101、ねじりバネ102、支持体103、及び貫通孔113を形成する。このとき、貼り付け基板はエッチングストッパーとして機能する。その後、レジストマスク115を除去し、貼り付け基板を剥離する（図3(b)）。ここで、ＢＯＳＣＨプロセスとは、エッチングガスと側壁保護用ガスを交互に供給し、エッチングと側壁保護とを切換えることにより、シリコンを選択的且つ異方性良くエッチングする方式である。本方式のＲＩＥを用いることで、揺動体101及び貫通孔113の側壁を垂直に形成することができる。

基板111表面にチタンを50Å程度成膜した後、アルミニウムを1000Å程度、蒸着、スパッタ等で成膜し、反射膜112を形成する（図3(c)）。

直径0.4mm、長さ1.8mmの硬磁性体の線材を貫通孔113に配置して、接着剤で固定する。さらに磁化することで永久磁石114とする（図3(d)）。

上記半導体プロセスを利用する作製方法によれば、高精度な加工が可能になり、揺動体及びねじりバネを高精度に形成することができる。

本実施形態によれば、揺動体の貫通孔内に磁性体を設けるので、揺動体の重心を揺動中心軸上に容易に持ってくることができる。そのため、揺動体は揺動中心軸を中心に安定した揺動が可能となり、長時間安定したねじり振動が可能になる。

また、本実施形態では、磁性体は永久磁石からなり、磁界発生手段は電磁コイルからなるので、揺動体に外部から電力を供給する必要が無く、支持体、ねじりバネ、及び揺動体に電気配線を設ける必要が無い。そのため、支持体、ねじりバネ、及び揺動体をより容易かつ安価に作製できる。

また、本実施形態では、磁性体の断面は円形状であるので、磁性体を貫通孔に容易に実装することが可能となる。そのため、揺動体及び磁性体を容易かつ高精度に組み付け作製できる。

また、本実施形態では、磁性体の厚み（径）が揺動体の厚み以上であるので、磁性体が貫通孔の内部に入ったときでも両者の位置合わせを容易に行なうことができる。また、磁性体を接着剤等により固定するときに磁性体を押えることができるため、揺動体及び磁性体を容易かつ高精度に組み付け作製できる。

また、本実施形態では、貫通孔の一方の開口部の幅が磁性体の幅より小さいことで、貫通孔にセルフアライメント機能を付加することができる。よって、磁性体のアライメントをより容易かつ高精度に行なうことが可能になるため、揺動体及び磁性体を容易かつ高精度に組み付け作製できる。

また、本実施形態では、支持体、ねじりバネ、及び揺動体は一体で、シリコンからなるので、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を半導体プロセスを用いて作製することができる。そのため、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を容易かつ高精度に作製できる。

（第2の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第2の実施形態に係る光偏向器400の構造について図面を用いて説明する。図4-1は光偏向器の上面図である。図4-1におけるA-A’断面図、B-B’断面図、C-C’断面図、D-D’断面図を、それぞれ図4-2(a)、(b)、(c)、(d)に示す。基本的な構成、駆動方法は前述の第1の実施形態と同じであり、同じ部分は、符号を図に記載したが詳しい説明を省略する。

本実施形態では、光偏向器400は揺動体101と受動揺動体104とを有し、貫通孔113及び永久磁石114は揺動体101にのみ配置されている。すなわち、揺動体101、104及びねじりバネ102a、102bを複数有し、揺動体及びねじりバネは揺動中心軸に沿って一直線上に配置されている。そして、複数の揺動体101、104のうちの少なくとも1つは、貫通孔及び磁性体を有さない。こうした構成では、受動揺動体104は電磁コイル131の発生する磁界Hの作用を受けないが、揺動体101の揺動運動により受動的に揺動する。受動揺動体104は反射膜112全面を反射面として利用可能である。また、永久磁石114を設置する際の反射膜112の汚損の可能性を無くすことができる。そのため、受動揺動体104はより高機能（例えば、この上に形成された反射面で偏向される光ビームの等速度走査を容易に可能とする等角速度運動の実現）かつ安定に動作することが可能となる。また、揺動体101と受動揺動体104とを異なる共振周波数で揺動させることも可能である。

本実施形態では、揺動中心軸と交差する貫通孔113の側壁は基板111表面に対しおよそ54度の角度をなし、貫通孔113の一方の開口部は永久磁石114の寸法より小さい。また、円柱形状の永久磁石114は貫通孔113の側壁に接するように配置されている（図4-2(a)、(d)参照）。このような形状とすることで、作製時に永久磁石114のアライメントをより高精度かつ容易に行なうことが可能になる。

ねじりバネ102a、102bの側壁は、基板111表面に対しおよそ54度の角度をなす平面を複数組み合わせて構成される（図4-2 (b)、(c)参照）。このような側壁形状を持つことにより、ねじり変形以外の変形を最小限に抑えることが可能となり、揺動体101及び受動揺動体104の両端を支持せずともこれらの自重による変位を最小限に抑えることができる。

次に、本実施形態の光偏向器400の作製方法の例について図5を用いて説明する。
（1）シリコン単結晶を材料とする基板111の両面に窒化シリコン116を成膜する（図5(a)）。

（2）次に、表面の窒化シリコン116上にノボラック系のレジストを厚さ約1μm塗布し、フォトリソグラフィーでレジストマスク（不図示）を形成する。その後、CF₄などのフッ素系ガスを用いてRIEを行ない、窒化シリコン116をエッチングして窒化シリコンマスクを形成し、レジストマスクを除去する。同様にして、裏面の窒化シリコンマスクも形成する（図5 (b)）。

（3）アルカリ水溶液に漬けることで基板111の異方性エッチングを行ない、揺動体101、ねじりバネ102a、102b、支持体103、受動揺動体104、及び貫通孔113を形成する。本実施形態では、水酸化カリウム水溶液を用いている。水酸化カリウム水溶液のようなアルカリ水溶液は、単結晶シリコンの（111）等価面のエッチング速度が他の面に比べて遅いため、（111）等価面に囲まれた形状を形成することができる。本実施形態ではこの特徴を用いて、貫通孔113の側壁と基板101表面とをおよそ54度の角度とすることで、永久磁石114のアライメントをより高精度かつ容易に行なうことが可能となる。また、同様の特徴を用いてねじりバネ102a、102bの側壁形状も作製できる（図5(c)）。

（4）窒化シリコン116をCF₄などのフッ素系ガスを用いてRIEにて除去する。次に、基板111表面にチタンを50Å程度成膜した後、アルミニウムを1000Å程度、蒸着、スパッタ等で成膜し、反射膜112を形成する（図5(d)）。

（5）直径0.4mmから0.5mm、長さ1.8mmの硬磁性体の線材を貫通孔113に配置して接着剤で固定する。さらに磁化することで永久磁石114とする（図5(e)）。

本実施形態によっても、揺動体の貫通孔内に磁性体を設けるので、揺動体の重心を揺動中心軸と容易に一致させることができる。そのため、揺動体は揺動中心軸を中心に安定した揺動が可能となり、長時間安定したねじり振動が可能になる。

また、本実施形態では、揺動体及びねじりバネを複数有し、揺動体及びねじりバネは揺動中心軸に沿って一直線上に配置されている。このことで、複数の揺動体を同時に駆動可能となり、揺動体へ新しい機能を付加することが可能になる。揺動体をより高機能にすることが可能となるため、より高機能な揺動体装置を提供できる。

また、本実施形態では、ねじりバネに接続された受動揺動体を有し、受動揺動体は貫通孔及び磁性体を有さない。このことで、受動揺動体は貫通孔及び磁性体が設けられることによる制約が無くなり、受動揺動体に付加できる機能の自由度が拡がり、受動揺動体をより高機能にすることが可能となる。こうして、より高機能な揺動体装置を提供できる。

（第3の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第3の実施形態に係る光偏向器800の構造について図面を用いて説明する。図6-1は光偏向器の上面図である。図6-1におけるP-P線を通り紙面に垂直な平面で切った断面図を図6-2に示す。基本的な構成、駆動方法は前述の第2の実施形態と同じである。図6-1において、801は第1揺動体、802は第2揺動体、803は第1ねじりバネ、804は第2ねじりばね、805は磁性体、806は貫通孔、807は磁性体設置面、808は支持体、812は揺動中心軸である。上記の実施形態と同様に、貫通孔806は、揺動体の表面から裏面へと貫通している。

本実施形態の光偏向器800において、第1揺動体801は第1ねじりバネ803により第2揺動体802で支持されている。また、第2揺動体802は第2ねじりバネ804により支持体808で支持されている。

第1揺動体801は、反射面809とシリコン部810で構成されている。第2揺動体802は、シリコン部811と磁性体805と磁性体設置面807と貫通孔806で構成されている。磁性体805は、磁化方向Ｒで着磁されている。磁性体805は磁性体設置面807に接着剤により固定されている。ここで、貫通孔806の開口幅dは磁性体805の直径φよりも大きいので、図6-1の紙面に対して垂直方向に貫通孔806内に磁性体805を入れることができる。

次に、本実施形態の光偏向器800の作製方法を説明する。貫通孔806の作製方法以外は第2の実施形態の光偏向器400の作製方法と同じである。図7（a）〜（e）は、図6-2の貫通孔806の部分の各工程における概略の様子を示している。

まず、図7（a）に示すように、窒化シリコンのマスク層901が成膜された平板状のシリコン基板902の両面に、貫通孔806の開口外形に応じてパターニングする。このパターニングは通常のフォトリソグラフと窒化シリコンを侵食するガス（例えばＣＦ₄等）を用いたドライエッチング加工によって行う。

次に、図7（b）〜（d）に示すように、異方性エッチング加工を行い、貫通部806を形成する。異方性エッチングでは（100）等価面でエッチング速度が速く、（111）等価面で遅く進む。そのため、マスク層901のパターンとシリコンの結晶面との関係によりマスク層901で覆われた部分の（100）等価面と（111）等価面で囲まれた形状に正確に加工することが可能である。そして、図7（d）に示すように、揺動中心軸812と交差する側壁が（111）等価面に到達してエッチングがストップする。従って、Q-Q線に関して対称（すなわち、揺動中心軸を含み且つ揺動体の表面と平行な面に関して対称）な凹部となった磁性体設置面807が形成される。ここで、図9（ｂ）に示すように、（111）等価面は、（100）等価面に対して、54．7度の角度を成す関係を有する。よって、貫通孔806を形成するために、開口幅dとシリコン基板の厚みtは、d×tan54．7°＞tの不等式の関係を満たしている。

ここで、上記異方性エッチング後、ガスや酸により等方性エッチングを行い、ねじりバネ803、804の角部の角を丸くすれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。このとき、磁性体設置面807の角部の角も丸くなり、その角部の半径をRとすると、磁性体設置面807に、直径φの磁性体805を精度良く設置するためには、φ＞2Rの関係を満たす必要がある。

最後に、図7（ｅ）に示すように窒化シリコンのマスク層901を除去する。

このような貫通孔806の製造方法によれば、貫通孔806の形状は単結晶シリコン（111）等価面で決定されるため、高精度にその加工を行うことが可能である。また、図7（d）に示すように磁性体設置面807はQ-Q線に関して対称な凹面形状をしており、図6-2に示すように磁性体805の断面形状は円形である。そのため、磁性体805の直径φに製造ばらつきが生じても、磁性体805は磁性体設置面807上に正確に固定でき、揺動体802の重心と揺動中心軸を容易に一致させることができる。

（第4の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第4の実施形態に係る光偏向器1000の構造について図面を用いて説明する。図8-1は光偏向器の上面図である。図8-1におけるP’-P’線を通り紙面に垂直な平面で切った断面図を図8-2に示す。基本的な構成、駆動方法は前述の第2の実施形態と同じである。図8-1と図8-2において、1001は第1揺動体、1002は第2揺動体、1003は第1ねじりバネ、1004は第2ねじりばね、1008は支持体、1012は揺動中心軸である。

本実施形態の光偏向器1000においても、第1揺動体1001は第1ねじりバネ1003により第2揺動体1002で支持されている。また、第2揺動体1002は第2ねじりバネ1004により支持体1008で支持されている。第1揺動体1001は、反射面1009とシリコン部1010で構成されている。第2揺動体1002は、シリコン部1011と磁性体1005と磁性体設置面1007と空間ないし貫通孔1006で構成されている。図8-1に示すようにシリコン部1011はコの字形状を有しており、揺動中心軸1012と第2揺動体1002の重心が一致するような形状に形成されている。すなわち、本実施形態の貫通孔1006は、揺動体の側面の一箇所において外部に開放している。また、図8-1に示すように、シリコン部1011は、左側の上下の角部が切り欠き部となっている。磁性体1005は、磁化方向R’で着磁されている。磁性体1005は磁性体設置面1007に接着剤により固定されている。

本実施形態では、第2揺動体1002は、上下部と一端部以外をシリコン部1011に囲まれた空間1006を有するため、図8-1の紙面に対して平行方向（図8-1の右側から）に空間1006内に磁性体1005を入れることができる。それにより、磁性体1005の直径φ’を貫通孔1006の開口幅d’より大きくすることができる。ただし、円柱状の磁性体1005が貫通孔1006の縁に接して設置される状態のときが直径φ’は最大で、それ以上に磁性体1005の直径φ’を大きくできない。よって、φ’＜t’cos54．7°+d’sin54．7°（t’は揺動体1002の厚み）の不等式を満たす必要がある。よって、磁性体1005を大きくできて、図示しない電磁コイル部に電流を流したときに磁性体1005に作用するトルクも大きくなり、低消費電力で揺動体1002を揺動できる。

（第5の実施形態）
図9は、本発明の揺動体装置を用いた光偏向器を使用した光学機器の実施形態を示す図である。ここでは、光学機器として画像形成装置を示している。図9において、503は本発明の光偏向器であり、本実施形態では入射光を1次元に走査する。501はレーザ光源である。502はレンズ或いはレンズ群であり、504は書き込みレンズ或いはレンズ群、505は光入射目標体である感光体、506は走査軌跡である。

レーザ光源501から射出されたレーザ光は、光の偏向走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器503により1次元的に走査される。この走査されたレーザ光は、書き込みレンズ504により、回転中心の回りで等速回転している感光体505上へ画像を形成する。感光体505は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することによりその部分に静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像が形成され、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に画像が形成される。

本発明の光偏向器により、例えば、光の偏向走査の角速度を仕様範囲内で略等角速度とすることができる。更に、揺動体に反射部を有する本発明の光偏向器であれば、長時間安定した走査を行なうことが可能である。従って、光源と、光源から出射された光を偏向する上記光偏向器とを有する構成により、光偏向器により偏向された光の少なくとも一部を画像形成体上に投影することで、長時間安定した画像形成が可能となる。

本発明の揺動体装置により構成された光偏向器は、画像表示装置に用いることもできる。ここでは、光偏向器は、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を光入射目標体である画像表示体上に入射させる。

本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第1の実施形態を説明する上面図である。 (a)は第1の実施形態を説明する断面図、(b)は揺動方法を説明する断面図、(c)は磁性体が配置された部分の断面図である。 磁石の重心と揺動中心軸とが一致しない場合の揺動体の横振動を説明する図であり、(a) は磁石の重心と揺動中心軸とが一致する場合の説明図、(b) は磁石の重心と揺動中心軸とが一致しない場合の説明図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の作製方法の例を説明する断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第2の実施形態を説明する上面図である。 (a)は第2の実施形態を説明する断面図、(b)と(c)は夫々ねじりバネの部分の断面図、(d)は磁性体の部分の断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の作製方法の例を説明する断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第3の実施形態を説明する上面図である。 第3の実施形態を説明する断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の作製方法の例を説明する断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第4の実施形態を説明する上面図である。 第4の実施形態を説明する断面図である。 本発明の第5の実施形態の光学機器を説明するための図である。 本発明の背景技術を説明する図である。

符号の説明

100、400、800、1000：光偏向器
101、104、801、802、1001、1002：揺動体（受動揺動体、第1揺動体、第2揺動体）
102、803、804、1003、1004：弾性支持部（ねじりバネ、第1ねじりバネ、第2ねじりバネ）
103、808、1008：支持体
113、806、1006：貫通孔（空間）
114、805、1005：磁性体（永久磁石）
120：駆動機構（電磁コイル部）
121：電磁コイル
211：重心
221、812、1012：揺動中心軸
112、809、1009：反射面（反射膜）
501 光源（レーザ光源）
503 光偏向器（光走査系）
505 光入射目標体（感光体）
807、1007：磁性体設置面
810、811、1010、1011：シリコン部

Claims (17)

1. 揺動体と、
   前記揺動体を揺動中心軸の回りに揺動可能に支持する弾性支持部と、
   前記揺動体に設けられた磁性体と、
   前記揺動体に対向して設けられた磁界発生手段と、
   を有する揺動体装置であって、
   前記揺動体は該揺動体の表面から裏面へと貫通する貫通孔を有し、
   前記磁性体は前記貫通孔に設けられていることを特徴とする揺動体装置。
2. 前記磁性体の重心は、前記揺動体の揺動中心軸上にあることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
3. 前記貫通孔は、前記揺動体の側面の一箇所において外部に開放していることを特徴とする請求項1又は2に記載の揺動体装置。
4. 前記貫通孔の側壁に凹部を有し、
   前記凹部は、前記揺動中心軸を含み且つ前記揺動体の表面と平行な面に関して対称であり、
   前記磁性体が前記凹部に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の揺動体装置。
5. 前記貫通孔は、前記揺動中心軸と交差する方向に伸びて形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の揺動体装置。
6. 前記揺動体及び前記ねじりバネを複数有し、
   前記揺動体及び前記ねじりバネは前記揺動中心軸に沿って一直線上に配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の揺動体装置。
7. 前記複数の揺動体のうちの少なくとも1つは、前記貫通孔及び前記磁性体を有さないことを特徴とする請求項6に記載の揺動体装置。
8. 前記磁性体は円柱形状であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の揺動体装置。
9. 前記磁性体の厚みが前記揺動体の厚みより大きいことを特徴とする請求項1から8のいずれか1つに記載の揺動体装置。
10. 前記揺動体はシリコン単結晶で形成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1つに記載の揺動体装置。
11. 前記貫通孔の側壁は、前記シリコン単結晶の結晶面の（111）等価面で構成されていることを特徴とする請求項10に記載の揺動体装置。
12. 前記揺動体の表面及び裏面に形成されたそれぞれの開口部の、揺動中心軸と平行な方向における長さはそれぞれ等しく、
    前記2つの開口部の前記長さをd、前記揺動体の厚みをtとするとき、以下の不等式、
    d×tan54．7°＞t
    を満たすことを特徴とする請求項11に記載の揺動体装置。
13. 前記揺動体の表面及び裏面に形成されたそれぞれの開口部の、揺動中心軸と平行な方向における長さのうちの一方の長さが、他方の長さよりも短いことを特徴とする請求項1または2に記載の揺動体装置。
14. 前記磁性体は永久磁石からなり、
    前記磁界発生手段は電磁コイルからなることを特徴とする請求項1から13のいずれか1つに記載の揺動体装置。
15. 請求項1から14のいずれか1つに記載の揺動体装置を有し、
    1つの揺動体に光反射部を有することを特徴とする光偏向器。
16. 光源と、請求項15に記載の光偏向器と、光入射目標体とを有し、
    前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記光入射目標体に入射させることを特徴とする光学機器。
17. 請求項1から14のいずれか1つに記載の揺動体装置の製造方法であって、
    前記貫通孔の側壁が異方性エッチング加工により形成されることを特徴とする揺動体装置の製造方法。

Images