JP2013246361A - ２軸偏向電磁駆動型光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビーム等の光を２次元状に走査する２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、ジンバルフレーム部分のシリコンの厚みを薄くしても、必要な剛性を維持することを可能とし、安定した偏向動作及び制御動作を実現するとともに、装置構成の小型化を可能とする。
【解決手段】
空芯コイル９は、線材が複数回、複数層に渡って巻線され、それぞれの線材が接着され固定されて構成されており、ジンバルフレーム４は、空芯コイル９が貼り付けられることによって、この空芯コイル９に支持されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザビーム等の光を反射させて偏向させ、２次元状に走査する２軸偏向電磁駆動型光偏向器に関する。

従来、電子写真式複写機、レーザビームプリンタ及びバーコードリーダ等の光学機器を構成する走査装置や、光ディスクのトラッキング制御装置を構成する光偏向装置などにおいては、光偏向器が使用されている。また、光偏向器は、光を偏向させ２次元的に走査することにより２次元の画像を表示する画像表示装置にも用いられる。

このような光偏向器は、レーザ光が照射されるミラーを有し、このミラーを揺動させることにより、このミラーにより反射させたレーザ光をスクリーン等の上に走査してゆく。レーザ光を２次元的に走査する場合、１次元走査を直交方向に組み合わせて２次元走査するのが一般的である。すなわち、画像を表示する場合には、光偏向器を２個使用し、１個目の光偏向器でＹ軸方向の走査を行い、この光を２個目の光偏向器に入射させてＸ軸方向の走査を行うことにより、２次元の画像を表示することができる。また、１個で２軸方向の走査を可能とした光偏向器も提案されている。

近年、特許文献１に記載されているように、シリコン基板を用いたマイクロミラーによる光偏向器が提案されている。このような光偏向器は、半導体プロセス技術と、ＭＥＭＳ技術（マイクロマシン技術）とを利用して作製される。

このような光偏向器は、レーザ光などの光束を所望の方向に偏向できるため、レーザプリンタやバーコードリーダ、光ＬＡＮモジュールなど、種々の用途に使用されている。なかでも、２軸方向にレーザ光を偏向させて画像を投影するレーザディスプレイや、医療用途としての光干渉型断層検査装置（ＯＣＴ）への応用が研究されている。

特に、ＭＥＭＳ技術により作製した光偏向器（ＭＥＭＳ光偏向器）は、小型化が可能であり、高速動作が可能であるというメリットがあるため、高解像度のレーザディスプレイや、医療器具として内視鏡に封入して光走査を行うことのできる内視鏡型ＯＣＴなどへの用途が期待されている。

このようなＭＥＭＳ光偏向器は、図８に示すように、全体を保持する外周フレーム１０１を有し、この外周フレーム１０１により、ミラー１０２を揺動可能に支持して構成されている。外周フレーム１０１は、第１の遥動軸１０３により、ジンバルフレーム１０４を、第１軸Ｘ回りに揺動可能に支持している。ジンバルフレーム１０４は、第２の揺動軸１０５により、ミラー１０２を、第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙ回りに揺動可能に支持している。ミラー１０２の駆動には、静電力、電磁力、圧電力などから、駆動仕様（周波数等）や、ミラー１０２大きさ、構造などに応じて、適切に選択される。

このようなＭＥＭＳ光偏向器をディスプレイに使用する場合には、ラスター走査方式で２次元偏向を行う必要がある。ラスター走査方式は、高速水平走査（数十ｋＨｚ程度）と、低速垂直走査（数十Ｈｚ程度）とを組み合わせる走査方式である。画像の高解像度化には、少なくともいずれかの走査を、ランプ波（ノコギリ波）で行うことが望ましい。ＭＥＭＳ光偏向器においては、高速の水平走査は、共振周波数を用いたサイン波駆動で行い、低速の垂直走査は、ランプ波駆動で非共振制御動作をさせることが望ましい。そして、制御動作のためには、大きな駆動力が必要なので、電磁駆動力を用いることが望ましい。

非特許文献１には、ラスター走査方式の２次元駆動が可能なＭＥＭＳ光偏向器が記載されている。このＭＥＭＳ光偏向器においては、ミラーをジンバルフレームを介して支持し、水平走査はミラーの共振周波数で、垂直走査は６０Ｈｚの画像リフレッシュレートのランプ波動作で、２次元的にラスター走査を行う。垂直走査は、ジンバルフレーム上にパターン配線されたコイルにランプ波電流を流し、外部磁界との作用によるローレンツ力により行う。水平走査は、同じコイルにミラーの構造共振周波数のサイン波電流を重畳させて流して行う。

特開２０００−２１４４０７

Urey et. Al.、Two-axis MEMS Scanner for Display and Imaging Applications、IEEE-LEOS Optical MEMS Conference, August 2005

前述のようなＭＥＭＳ光偏向器においては、ミラーをジンバルフレームにより支持する構成が採られることが多い。また、ＭＥＭＳ光偏向器においては、外周フレームを厚く構成し、ミラーを薄く加工して、ハンドリングを安定させるとともに、ミラーの軽量化による共振周波数の高周波化を図っている。

このような構成を有するＭＥＭＳ光偏向器においては、ジンバルフレームをミラーと同じ厚みに形成すると、ジンバルフレームの剛性が不足し、厚み方向の撓みが発生し易くなるので、ミラーが不安定となる。そのため、ジンバルフレームは、ミラーよりも厚く形成する必要がある。

ジンバルフレームをミラーよりも厚くするには、ジンバルフレーム部分のシリコンをミラー部分よりも多く残す方法が一般的であるが、製造工程が煩雑となり、装置構成の小型化が困難となるという問題がある。

なお、ジンバルフレーム上にパターン配線されるコイルの厚みを増すことにより、ジンバルフレームの剛性を高くすることも考えられる。しかし、めっきなどにより作成できる膜厚には限界があり、数百ミクロン程度の厚いコイルを一度のめっきで作成することは困難である。また、複数層のコイルを形成して厚みを増すことも考えられるが、製造コストが大きく上昇してしまう。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、レーザビーム等の光を２次元状に走査する２軸偏向電磁駆動型光偏向器であって、ジンバルフレーム部分のシリコンの厚みを薄くしても、必要な剛性を維持することが可能であり、安定した偏向動作及び制御動作が実現されるとともに、装置構成の小型化が可能な２軸偏向電磁駆動型光偏向器を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
外周フレームと、外周フレームにより第１の遥動軸を介して第１軸回りに揺動可能に支持されたジンバルフレームと、ジンバルフレームにより第２の遥動軸を介して第１軸に直交する第２軸回りに揺動可能に支持されたミラーと、ジンバルフレームに取り付けられた空芯コイルと、空芯コイルを磁界中に位置させる磁気回路とを備え、空芯コイルは、線材が複数回、複数層に渡って巻線され、それぞれの線材が接着され固定されて構成されており、ジンバルフレームは、前記第１の揺動軸に直交する方向で平行な一対の棒状に形成されており、空芯コイルが貼り付けられることによって、この空芯コイルに支持されて一体化しており、少なくとも２本のアームを有し、これらアームの先端側において、各アームにほぼ直交する方向となされた少なくとも２本の第２の揺動軸によって、第２軸回りに前記ミラーを揺動可能に支持しており、ミラーは、各第２の揺動軸の対称軸を中心として、偏向動作することを特徴するものである。

構成１を有する本発明に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、空芯コイルは、線材が複数回、複数層に渡って巻線され、それぞれの線材が接着され固定されて構成されており、ジンバルフレームは、第１の揺動軸に直交する方向で平行な一対の棒状に形成されており、空芯コイルが貼り付けられることによって、この空芯コイルに支持されて一体化しており、少なくとも２本のアームを有し、これらアームの先端側において、各アームにほぼ直交する方向となされた少なくとも２本の第２の揺動軸によって、第２軸回りにミラーを揺動可能に支持しており、ミラーは、各第２の揺動軸の対称軸を中心として、偏向動作する。

したがって、この２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、ジンバルフレームの厚みがミラーと同程度の厚みであっても、空芯コイルが貼り付けられていることによって剛性が増しており、また、第１の遥動軸回りについて軽量化できるため、厚み方向の振動などの不安定振動を防ぐことができる。

また、第１の遥動軸回りの共振周波数を高く設定することができ、制御動作を安定化させることができる。

さらに、デバイスチップを小型化できるとともに、電磁駆動の駆動効率を向上させることが可能となる。

すなわち、本発明は、レーザビーム等の光を２次元状に走査する２軸偏向電磁駆動型光偏向器であって、ジンバルフレーム部分のシリコンの厚みを薄くしても、必要な剛性を維持することが可能であり、安定した偏向動作及び制御動作が実現されるとともに、装置構成の小型化が可能な２軸偏向電磁駆動型光偏向器を提供することができるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 本発明の第１の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。 本発明の第３の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。 本発明の第３の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。 本発明の第４の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図（ａ）及び従来の２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図（ｂ）である。 従来の２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

本発明の第１の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器は、ＭＥＭＳ光偏向器であって、図１（ａ）に示すように、全体を保持する枠状の外周フレーム１を有し、この外周フレーム１により、ミラー２を揺動可能に支持して構成されている。外周フレーム１は、内側に、一対の第１の遥動軸３により、環状のジンバルフレーム４を、第１軸Ｘ回りに揺動可能に支持している。ジンバルフレーム４は、一対の第２の揺動軸５により、ミラー２を、第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙ回りに揺動可能に支持している。

これら外周フレーム１、ジンバルフレーム４、ミラー２及び各遥動軸３，５は、ＭＥＭＳ技術により、シリコン（ＳＩＯ）基板をエッチングして作成されている。

ミラー２の駆動には、電磁力が用いられる。すなわち、外周フレーム１の両側には、一対のポール６，７が、外周フレーム１を挟むようにして配置されている。これらポール６，７は、図１（ｂ）に示すように、マグネット８によって接続されており、磁気回路を構成している。マグネット８及び一対のポール６，７は、外周フレーム１の両側に、それぞれＮ極及びＳ極を位置させており、図１（ａ）中にＢで示すように、第１の遥動軸３に直交する方向の磁界を形成している。ジンバルフレーム４は、一対のポール６，７の間に形成される磁界中に位置している。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図である。

ジンバルフレーム４の裏面には、空芯コイル９が配置されている。この空芯コイル９は、一対のポール６，７の間に形成される磁界中に位置している。この空芯コイル９に電流を流すことにより、図２に示すように、この電流と一対のポール６，７間の磁気ギャップに形成される磁界との電磁的作用（ローレンツ力）により、ミラー２が、第１軸Ｘ回り及び第２軸Ｙ回りに駆動（揺動）される。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、ラスター走査方式の２次元駆動が可能である。すなわち、水平走査はミラー２の共振周波数で、垂直走査は、例えば、６０Ｈｚの画像リフレッシュレートのランプ波動作で、２次元的にラスター走査を行うことができる。垂直走査は、空芯コイル９に、ランプ波電流を流すことによって行う。水平走査は、空芯コイル９に、ミラー２の構造共振周波数のサイン波電流を重畳させて流すことによって行う。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、ミラー２、ジンバルフレーム４及び各揺動軸３，５は、同じ厚みで薄く形成されている。外周フレーム１は、２軸偏向電磁駆動型光偏向器の全体を保持するためのフレームであり、この２軸偏向電磁駆動型光偏向器を用いる装置の組み立てにおけるハンドリング等で破損しないように、ミラー２等よりも厚く形成され、適切な厚みを有している。

ミラー２を薄く形成するのは、ミラー２を軽くして共振周波数を上昇させるためである。また、各揺動軸３，５を薄く形成するのは、バネ定数を適切な値にするためである。シリコン材料では、厚さが数百ミクロン程度になると、硬すぎて、ミラー２を偏向させることができなくなってしまう。

ジンバルフレーム４は、必ずしも薄くする必要はないが、薄くすれば重量が少なくなり、外側の遥動軸（第１の揺動軸３）周りの偏向での共振周波数をより高くすることができ、制御動作時には、より安定した動作を行うことができる。

前述したように、従来の光偏向器においては、ジンバルフレーム上にパターン配線でコイルを形成しているので、コイル厚みによりジンバルフレームの剛性を確保することはできなかった。そのため、ジンバルフレーム自体の厚みを厚くして剛性を確保していた。

これに対し、本発明に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、空芯コイル９は、線材が複数回、複数層に渡って巻線され、それぞれの線材が接着され固定されて構成されている。このような空芯コイルは、ヘッドフォンのボイスコイルや、光ピックアップアクチュエータの駆動コイルとして、一般的に使用されているものと同様のものである。このような空芯コイルは、例えば、線材の被覆として接着剤が塗布してある自己融着線を用いて、機械で巻線しながら、アルコール、または、熱風により接着剤を軟化させ、線材同士を接着固定するなどの方法により、極めて簡単に作成することができる。このような空芯コイル９は、一定数の層数で線材同士を接着すれば、変形しにくい強固な構造の部材となる。

この空芯コイル９は、ジンバルフレーム４の形状及び大きさに合うように、例えば、四角形に巻線され、ジンバルフレーム４に対し、接着剤などによって貼り付けられている。ジンバルフレーム４は、空芯コイル９が貼り付けられていることにより、高剛性となり、厚み方向の撓みなどの余計な振動が生じ難くなり、安定した動作を実現することができる。

さらに、パターン配線によりコイルを作成する場合には、一度設計してしまうと、巻き数、線幅、コイル抵抗などの数値が決まってしまう。そのため、例えば、他の用途に対してコイル仕様を変更するときには、マスクパターンを全部変更しなければならず、極めて高いコストを要する。しかし、空芯コイルであれば、コイル仕様は容易に変更することができる。

また、光偏向器の組み立てにおいても、空芯コイルをチップに貼り付けて作成するという工程は、現在大量に量産されているヘッドフォンの振動板ユニット等と似たような工法により実施可能であり、極めて低コストで実施することができる。なお、振動板ユニットは、現在、直径８ｍｍや直径５ｍｍといった小型のものが量産されている。

なお、この２軸偏向電磁駆動型光偏向器における磁気回路及び空芯コイル９の配置では、主に、第１の遥動軸３周りに駆動させるための力が発生する。磁界の一部が第２の遥動軸５に直交する方向の成分も持つようにマグネットを配置するとともに、ミラー２の共振周波数の駆動信号を空芯コイル９に重畳することにより、ミラー２を２次元的に駆動させることが可能である。

また、ミラー２を共振周波数で動かす方向については、変位量は小さくても発生力の大きな圧電駆動を用い、２軸についてそれぞれを独立した駆動源で動作させ、２次元偏向させることも可能である。

以上のように、この実施の形態では、ジンバルフレーム４の厚みがミラー２と同程度の厚みであっても、空芯コイル９が貼り付けられていることによって剛性が増しており、また、第１の遥動軸３回りについて軽量化できるため、厚み方向の振動などの不安定振動を防ぐことができ、さらに、第１の遥動軸３回りの共振周波数を高く設定することができ、制御動作を安定化させることができる。

〔第２の実施の形態〕
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。

この実施の形態における２軸偏向電磁駆動型光偏向器は、基本的な構成は、第１の実施の形態における２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成と同様である。外周フレーム１は、一対の第１の遥動軸３により、ジンバルフレーム４を、第１軸Ｘ回りに揺動可能に支持している。この実施の形態では、ジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０及び２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を支持している。すなわち、ジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０を有し、これらアーム１０の先端側において、２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を、第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙ回りに揺動可能に支持している。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、アーム１０は、基端側がジンバルフレーム４の内側部に接続され、先端側に第２の揺動軸５の基端側が接続されている。各アーム１０と、各第２の揺動軸５とは、ほぼ直交する方向となされて接続されている。したがって、各アーム１０に、例えば、圧電膜を形成し、ミラー２の共振周波数で電圧を印加すれば、各アーム１０がユニモルフのように振動し、ミラー２は、各第２の揺動軸５の対称軸を中心として、偏向動作する。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、ミラー２、ジンバルフレーム４、フレーム１０及び各揺動軸３，５は、同じ厚みで薄く形成されている。外周フレーム１は、２軸偏向電磁駆動型光偏向器の全体を保持するためのフレームであり、この２軸偏向電磁駆動型光偏向器を用いる装置の組み立てにおけるハンドリング等で破損しないように、ミラー２等よりも厚く形成され、適切な厚みを有している。

ジンバルフレーム４は、必ずしも薄くする必要はないが、薄くすれば重量が少なくなり、外側の遥動軸（第１の揺動軸３）周りの偏向での共振周波数をより高くすることができ、制御動作時には、より安定した動作を行うことができる。ジンバルフレーム４は、空芯コイル９が貼り付けられていることにより、高剛性となり、厚み方向の撓みなどの余計な振動が生じ難くなり、安定した動作を実現することができる。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、２次元のラスター走査を行うには、水平走査の動作には、アーム１０に形成した圧電膜に、ミラー２の共振周波数の駆動電圧を印加する。水平走査の駆動方法としては、２組（計４本）のアーム１０を、逆相の電圧で駆動する方法、または、２組（計４本）のアーム１０のうち片側の１組（計２本）のアーム１０のみを駆動する方法がある。２組（計４本）のアーム１０に逆相電圧を印加する方が、片側のみに電圧を印加するよりも、同じ電圧でより大きく（約２倍程度）動作させることができる。一方、片側の１組（計２本）のアーム１０のみを駆動する場合には、反対側のアーム１０も共振振動によって動くので、その上の圧電膜は、動作に応じた電圧を出力する。この出力電圧は、共振動作の検出信号として用いることができる。この検出信号により、水平走査と画像信号との同期を取って、映像がずれないように制御することができる。なお、２組（計４本）のアーム１０を駆動する場合には、他の部分、例えば、第２の揺動軸５等に圧電膜を形成し、この圧電膜から、共振動作の検出信号を得ることができる。

そして、垂直走査の動作には、空芯コイル９に、リフレッシュレートの周期の信号電流を印加する。すると、磁気回路における磁界との作用によりローレンツ力が発生し、ミラー２が動作する。垂直動作の動作検出を行うには、例えば、第１の遥動軸３にも圧電膜のパターンを形成しておく。この圧電膜から、動作時の第１の遥動軸３のねじれ変形による圧電効果で電圧が発生し、動作信号を検出することができる。

以上のように、この実施の形態においても、ジンバルフレーム４の厚みがミラー２と同程度の厚みであっても、空芯コイル９が貼り付けられていることによって剛性が増しており、また、第１の遥動軸３回りについて軽量化できるため、厚み方向の振動などの不安定振動を防ぐことができ、さらに、第１の遥動軸３回りの共振周波数を高く設定することができ、制御動作を安定化させることができる。

〔第３の実施の形態〕
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す斜視図である。

この実施の形態における２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、図４及び図５に示すように、外周フレーム１は、一対の第１の遥動軸３により、ジンバルフレーム４を、第１軸Ｘ回りに揺動可能に支持している。そして、ジンバルフレーム４は、環状ではなく、一対の第１の揺動軸３に直交する方向で平行な一対の棒状に形成されている。このジンバルフレーム４は、裏面に空芯コイル９が貼り付けられることによって、この空芯コイル９に支持されて、一体化している。

このジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０及び２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を支持している。すなわち、ジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０を有し、これらアーム１０の先端側において、２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を、第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙ回りに揺動可能に支持している。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、アーム１０は、基端側がジンバルフレーム４の内側部に接続され、先端側に第２の揺動軸５の基端側が接続されている。各アーム１０と、各第２の揺動軸５とは、ほぼ直交する方向となされて接続されている。したがって、各アーム１０に、例えば、圧電膜を形成し、ミラー２の共振周波数で電圧を印加すれば、各アーム１０がユニモルフのように振動し、ミラー２は、各第２の揺動軸５の対称軸を中心として、偏向動作する。

この２軸偏向電磁駆動型光偏向器において、ミラー２、ジンバルフレーム４、フレーム１０及び各揺動軸３，５は、同じ厚みで薄く形成されている。外周フレーム１は、２軸偏向電磁駆動型光偏向器の全体を保持するためのフレームであり、この２軸偏向電磁駆動型光偏向器を用いる装置の組み立てにおけるハンドリング等で破損しないように、ミラー２等よりも厚く形成され、適切な厚みを有している。

ジンバルフレーム４は、必ずしも薄くする必要はないが、薄くすれば重量が少なくなり、外側の遥動軸（第１の揺動軸３）周りの偏向での共振周波数をより高くすることができ、制御動作時には、より安定した動作を行うことができる。ジンバルフレーム４は、空芯コイル９が貼り付けられていることにより、高剛性となり、厚み方向の撓みなどの余計な振動が生じ難くなり、安定した動作を実現することができる。

ここで、アーム１０は、圧電駆動により振動が発生するため、図５に示すように、ジンバルフレーム４の厚みを、アーム１０の振動振幅よりも厚く形成することにより、アーム１０の直下に空芯コイル９の２辺を位置させることができる。つまり、デバイスチップの大きさを、より小さくすることができる。デバイスチップが小さいと、シリコンウェハなどから作成する際に、ウェハ１枚当たりからのチップ取り数を増やすことができ、デバイスコストの低減につながる。

さらに、デバイスチップが小さいことは、磁気回路における磁気ギャップの幅を狭くすることが可能となるので、発生磁界強度を向上させることができる。したがって、ローレンツ力を用いた電磁駆動を行う場合に、駆動力を向上させることができる。

この実施の形態において、２次元のラスター走査を行う方法については、第２の実施の形態２と同様である。

以上のように、この実施の形態においても、ジンバルフレーム４の厚みがミラー２と同程度の厚みであっても、空芯コイル９が貼り付けられていることによって剛性が増しており、また、第１の遥動軸３回りについて軽量化できるため、厚み方向の振動などの不安定振動を防ぐことができる。

さらに、この実施の形態においては、第１の遥動軸３回りの共振周波数を高く設定することができ、制御動作を安定化させることができる。さらに、デバイスチップを小型化できるとともに、電磁駆動の駆動効率を向上させることが可能となる。

〔第４の実施の形態〕
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の構成を示す底面図（ａ）、側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。

この実施の形態における２軸偏向電磁駆動型光偏向器においては、図６（ａ）に示すように、外周フレーム１は、一対の第１の遥動軸３により、ジンバルフレーム４を、第１軸Ｘ回りに揺動可能に支持している。そして、ジンバルフレーム４は、環状ではなく、一対の第１の揺動軸３に直交する方向で平行な一対の棒状に形成されている。このジンバルフレーム４は、裏面に空芯コイル９が貼り付けられることによって、この空芯コイル９に支持されて、一体化している。

このジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０及び２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を支持している。すなわち、ジンバルフレーム４は、２組（計４本）のアーム１０を有し、これらアーム１０の先端側において、２組（計４本）の第２の揺動軸５によって、ミラー２を、第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙ回りに揺動可能に支持している。

ジンバルフレーム４の両側には、一対のポール６，７が、外周フレーム１の裏面側に位置して配置されている。これらポール６，７は、図６（ｂ）に示すように、マグネット８によって接続されており、磁気回路を構成している。マグネット８及び一対のポール６，７は、ジンバルフレーム４の両側に、それぞれＮ極及びＳ極を位置させており、図６（ａ）中にＢで示すように、第１の遥動軸３に直交する方向の磁界を形成している。ジンバルフレーム４の裏面に貼り付けられた空芯コイル９は、一対のポール６，７の間に形成される磁界中に位置している。

この実施の形態における磁気回路においては、各ポール６，７の先端部が、外周フレーム１の裏面側に位置しているので、前述の第１乃至第３の実施の形態における磁気回路よりも、ギャップ幅が狭く、磁気ギャップにおける発生磁界をより強くすることができる。

図７は、本発明の第４の実施の形態に係る２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図（ａ）及び従来の２軸偏向電磁駆動型光偏向器の動作原理を示す側面図（ｂ）である。

この実施の形態においては、磁気回路の磁界強度は強くなるものの、図７（ａ）に示すように、ジンバルフレーム４が偏向したとき、マグネット８から離れる方向に動作した空芯コイル９の部分は、磁気回路による発生磁界領域からはみ出してしまう。ここでいう“発生磁界領域からはみ出す”とは、図７（ａ）において、外周フレーム１とポール６との接触面と、外周フレーム１とポール７との接触面とを結ぶ仮想線よりも上側（外周フレーム１側）にはみ出すことを意味している。実際には、磁気回路による発生磁界領域は外側にも広がっており、磁界は働いているが、磁気ギャップ内よりも磁界強度は弱くなっている。

発生磁界が強い領域を矢印Ｂで示すと、図７（ｂ）に示すように、従来の光偏向器においては、ジンバルフレーム１０４が偏向したときに、パターニングコイル１０９の片側部分が磁界から完全にはみ出してしまう。このとき、パターニングコイル１０９の片側におけるローレンツ力が低下し、駆動力が低下する。

これに対して、本発明の実施の形態の光偏向器においては、ジンバルフレーム４が偏向したときに、空芯コイル９の片側部分の一部分が磁界からはみ出すが、多くは依然として磁界中にある。このとき、空芯コイル９の片側におけるローレンツ力の低下は少なく、駆動力の低下も少ない。

つまり、従来の光偏向器においては、平面状のパターニングコイル１０９は、高さ方向の成分がほとんどないために、ジンバルフレーム１０４の偏向時にパターニングコイル１０９の１辺全体が磁界からはみ出してしまうのに対して、本発明に係る光偏向器においては、空芯コイル９は、複数層の高さで巻き線されているために、ジンバルフレーム４の偏向時には、空芯コイル９の１辺の一部のみが磁界からはみ出す。

このように、この実施の形態においては、外周フレーム１の裏面側に一対のポール６，７が位置する磁気回路を用いても、ジンバルフレーム４の偏向時のローレンツ力の低下が少ないので、磁界の強度を強めつつ、駆動力の低下を低減することができる。したがって、駆動力を向上させ、もしくは、低下させることなく、磁気回路を含めたデバイス全体を小型化することが可能である。

本発明は、レーザビーム等の光を反射させて偏向させ、２次元状に走査する２軸偏向電磁駆動型光偏向器に適用される。

１ 外周フレーム
２ ミラー
３ 第１の揺動軸
４ ジンバルフレーム
５ 第２の揺動軸
６ ポール
７ ポール
８ マグネット
９ 空芯コイル
１０ アーム

Claims (1)

1. 外周フレームと、
   前記外周フレームにより、第１の遥動軸を介して、第１軸回りに揺動可能に支持されたジンバルフレームと、
   前記ジンバルフレームにより、第２の遥動軸を介して、前記第１軸に直交する第２軸回りに揺動可能に支持されたミラーと、
   前記ジンバルフレームに取り付けられた空芯コイルと、
   前記空芯コイルを磁界中に位置させる磁気回路と
   を備え、
   前記空芯コイルは、線材が複数回、複数層に渡って巻線され、それぞれの線材が接着され固定されて構成されており、
   前記ジンバルフレームは、前記第１の揺動軸に直交する方向で平行な一対の棒状に形成されており、前記空芯コイルが貼り付けられることによって、この空芯コイルに支持されて一体化しており、少なくとも２本のアームを有し、これらアームの先端側において、各アームにほぼ直交する方向となされた少なくとも２本の第２の揺動軸によって、前記第２軸回りに前記ミラーを揺動可能に支持しており、
   前記ミラーは、各第２の揺動軸の対称軸を中心として、偏向動作する
   ことを特徴する２軸偏向電磁駆動型光偏向器。

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