JP2018072591A - ２次元光走査ミラー装置、その製造方法、２次元光走査装置及び画像投影装置 - Google Patents

２次元光走査ミラー装置、その製造方法、２次元光走査装置及び画像投影装置 Download PDF

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Abstract

【課題】２次元光走査ミラー装置、その製造方法、２次元光走査装置及び画像投影装置に関し、ミラー可動部の構造を単純化し、且つ、小型化する。【解決手段】基板上に２次元走査可能に支持された可動ミラー部を設け、前記可動ミラー部に膜平面方向に磁化方向を有する硬質磁性薄膜を設けるとともに、前記可動ミラー部を駆動する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置を設け、前記硬質磁性薄膜の保磁力に対する前記磁場発生装置が発生する磁場の比を０．２以下とする。【選択図】図１

Description

本発明は、２次元光走査ミラー装置、その製造方法、２次元光走査装置及び画像投影装置に関するものであり、例えば、光ビームを走査するための反射ミラー装置の構成及びその製造方法、それを用いた２次元光走査装置及び画像投影装置に関する。
従来、レーザビーム等の光ビームを直交する２方向に走査する装置として、様々な光走査ミラー装置が知られている。その中で、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）ミラー装置は、装置を小型化できることから広く使われている。
ＭＥＭＳミラー装置においては、駆動方式に応じて、静電駆動型、ピエゾ駆動型、電磁駆動型等が知られている。この中で、電磁駆動型ＭＥＭＳ光走査ミラー装置は、磁場の力を利用するものである。
この電磁駆動型ＭＥＭＳ光走査ミラー装置としては、光を走査する可動部分にコイルを形成し、外部からの静磁場とのローレンツ力でミラーを特定の角度範囲で回転する「可動コイル方式」が提案されている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。また、光を走査する可動部分に磁性体を形成し、外部からの変調磁場との反発力と吸引力を用いてミラーを特定の角度範囲で回転する「可動磁石方式」も提案されている（例えば、特許文献３或いは非特許文献１参照）。
特開２００８−２４２２０７号公報 特開２０１６−０１２０４２号公報 特開２０１０−０４９２５９号公報 特開２０１３−１９５６０３号公報 米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号公報
ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌ. １９, Ｎｏ. ５, ｐｐ.３３０−３３２, Ｍａｒｃｈ １, ２００７
上記電磁駆動型ＭＥＭＳミラー装置において、後者の可動磁石方式では、光を走査する可動部分に磁性体を形成する必要があるが、通常磁性体は体積が大きくなり、ミラーに加えて磁性体を形成することによって光を走査する可動部分の小型化が難しくなるという問題が生じる。また、単なるミラーのみの可動部分に比べ、可動部分の構成が複雑になるという問題も生じる。これらの問題は、とくに小型のＭＥＭＳミラー装置の形成にとって、致命的な問題である。
本発明は、ミラー可動部の構造を単純化し、且つ、小型化することを目的とする。
一つの態様では、２次元光走査ミラー装置は、基板と、光走査回転軸を有し、前記基板上に２次元光走査可能に支持された可動ミラー部と、前記可動ミラー部に設けられた硬質磁性薄膜と、前記可動ミラー部を駆動する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置とを有し、前記硬質磁性薄膜が膜平面方向に磁化方向を有し、前記硬質磁性薄膜の保磁力に対する前記磁場発生装置が発生する磁場の比が０．２以下である。
他の態様では、２次元光走査ミラー装置の製造方法は、基板上に硬質磁性薄膜を成膜する工程と、前記硬質磁性薄膜を着磁する工程と、前記着磁した硬質磁性薄膜を加工して可動ミラー部を形成する工程とを有する。
さらに、他の態様では、２次元光走査装置は、上述の２次元光走査ミラー装置と、基板上に形成された光源とを有する。
さらに、他の態様では、画像投影装置は、上述の２次元光走査装置と、前記交流磁場発生装置に２次元光走査信号を印加して前記光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元光走査制御部と、前記走査された前記出射光を被投影面に投影する画像形成部とを有する。
一つの側面として、ミラー可動部の構造を単純化し、且つ、小型化することが可能になる。
本発明の実施の形態の２次元光走査ミラー装置の一例の概略的斜視図である。 反射部の構成例の説明図である。 反射部の他の構成例の説明図である。 反射部のさらに他の構成例の説明図である。 磁気的に可動ミラー部を傾ける方法の説明図である。 本発明の実施の形態による２次元光走査装置の一例の概略的斜視図である。 本発明の実施の形態による画像投影装置の概略的構成図である。 本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の概略的斜視図である。 本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の途中までの説明図である。 本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の図１０以降の途中までの説明図である。 本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の図１１以降の説明図である。 実施例１で作成したＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜の磁気ヒステリシス曲線である。 本発明の実施例２の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例３の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例４の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例５の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例６の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例７の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の途中までの説明図である。 本発明の実施例７の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の図１９以降の途中までの説明図である。 本発明の実施例７の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程の図２０以降の説明図である。 本発明の実施例８の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例９の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図である。 本発明の実施例１０の２次元光走査装置の概略的斜視図である。 本発明の実施例１１の２次元光走査装置のソレノイド・コイル近傍の側面図である。 本発明の実施例１２の２次元光走査装置の概略的斜視図である。
ここで、図１乃至図７を参照して、本発明の実施の形態の２次元光走査ミラー装置の一例を説明する。本発明は、本発明者が鋭意研究の結果、従来のように磁性体としてバルク磁性体ではなく磁性薄膜を用いることにより、ミラー可動部の構造を単純化し、且つ、小型化することが可能であるとの結論に至ったものである。磁性薄膜を用いることによりミラー可動部が軽量化され、駆動するための磁場を小さくすることが可能になる。また、磁性薄膜を用いる場合の保磁力の減少を補うために、保磁力が所定の値以上の硬質磁性薄膜、特に、その保磁力に対する少なくとも交流磁場発生装置を含む磁場発生装置３０が発生する磁場の比が０．２以下となる硬質磁性薄膜、即ち、保磁力の大きさが磁場発生装置３０が発生する磁場の５（＝１／０．２）以上である硬質磁性薄膜を用いることにより上述の課題を解決するものである。
図１は、本発明の実施の形態の２次元光走査ミラー装置の概略的斜視図であり、可動ミラー部１０と、可動ミラー部１０を駆動する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置３０を備えている。可動ミラー部１０は、反射部２０と、反射部２０を第１の光走査回転軸となる一対の第１のヒンジ１１で支持する回転外枠１２と、回転外枠１２を第１のヒンジ１１と直交する方向に設けた第２の光走査回転軸となる一対の第２のヒンジ１３で支持する非回転外枠１４とを有している。第１のヒンジ１１及び第２のヒンジ１３は、高速回転が反射部２０の固有回転周波数になるように決定する必要がある。この固有回転周波数は、反射部２０の形状、質量、回転部のバネ定数等で決まり、第１のヒンジ１１及び第２のヒンジ１３の厚さは、概ね２μｍ〜５０μｍであり、代表的な厚さは１０μｍである。
図２は、反射部の構成例の説明図であり、図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部２０は、基板２１と基板２１上に設けられた硬質磁性薄膜２２を有している。硬質磁性薄膜２２とは、保磁力が大きく、減磁曲線の張り出しの大きいもので、永久磁石になるものを言い、ここでは保磁力が１０ｋＡ／ｍ以上のものと定義するが、本発明では磁場発生装置３０が発生する磁場の５倍以上であれば良く、例えば、１００ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有する硬質磁性薄膜が好ましい。以降においては、本発明の硬質磁性薄膜の有する保持力の好ましい例として、「１００ｋＡ／ｍ以上」を用いて説明する。
可動ミラー部１０を繰り返し作動させていると、高速回転方向に作用する磁場力は駆動用外部磁場と頻繁に相互作用するため、徐々に小さくなる。一方、低速回転方向に掛かる磁場力はそれほど劣化しない。このため、磁場方向が高速回転方向に対して４５°より徐々に小さくなりミラーとして特性が劣化するが、保磁力が１００ｋＡ／ｍ以上であれば、通常の使用状況ではミラー特性の劣化を抑制することができる。したがって、２次元動作の場合には、１００ｋＡ／ｍ以上の保磁力が好ましい。ここで、保磁力に対する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置３０が発生する磁場の比を０．２以下とすることによって、可動ミラー部１０を繰り返し作動させても、２次元走査に必要な保磁力と交流磁場の差が十分大きくなるので、ミラー特性は殆ど劣化することはない。実験においては磁場発生装置３０として交流磁場発生装置のみを用いており、ミラー駆動用の交流電流のみを流した場合に交流磁場発生装置としてのソレノイド・コイルが発生する磁場は２ｋＡ／ｍ〜２０ｋＡ／ｍ（２５Ｇａｕｓｓ〜２５０Ｇａｕｓｓ相当）であり、２次元走査に必要な保磁力に対する交流磁場発生装置が発生する磁場の比は０．２以下となる。
また、角形比が、１に近いほど永久磁石として特性が良い。後述するように、実測したデータからは、角形比＝残留磁束密度Ｂｒ／最大磁束密度Ｂｍ≒０．８２であるので、この値から類推すると角形比は０．７以上であることが望ましい。
また、このような硬質磁性薄膜２２は、一般に光反射率が高いので、硬質磁性薄膜２２自体を反射ミラー用いることによって、硬質磁性薄膜２２以外の構造物を可動ミラー部１０に余分に設置する必要がなく、可動ミラー部１０可動部分の構成が単純化され、小型化が可能になる。また、硬質磁性薄膜２２は、図１における反射部２０のみに設ける必要はなく、回転外枠１２及び非回転外枠１４にも形成しても良い。回転外枠１２に硬質磁性薄膜２２を形成すると、低速走査軸の周りの回転は、磁場による全体の力がより大きくなり、容易に回転しやすくなる。
この硬質磁性薄膜２２は、膜平面方向に磁化する必要があり、特に、硬質磁性薄膜の磁化の方向を、可動ミラー部１０の第１の光走査回転軸となる第１のヒンジ１１に対して４５°±３０°内の範囲の角度とすることが望ましい。この角度の範囲内であれば、２軸回転走査が可能になる。なお、ここでは、反射部２０の形状を円形としているが、楕円形でも正方形でも長方形でも或いは他の多角形でも良い。
図３は、反射部の他の構成例の説明図であり、図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部２０は、基板２１と基板２１上に設けられた硬質磁性薄膜２２と、硬質磁性薄膜２２の上に設けられた反射ミラーとなる反射膜２３を有しており、より高い光反射率が要求される場合に有用となる。この場合も反射膜２３を設けるだけで、可動ミラー部１０の構造を複雑にすることなく、小型化が可能になる。
図４は、反射部のさらに他の構成例の説明図であり、図４（ａ）は上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部２０は、基板２１と基板２１の一方の面上に設けられた硬質磁性薄膜２２と、基板２１の他方の面に設けられた反射膜２３を有している。この場合も、より高い光反射率が要求される場合に有用となり、反射膜２３を設けるだけで、可動ミラー部１０の構造を複雑にすることなく、小型化が可能になる。
交流磁場発生装置としては、ソレノイド・コイルが典型的なものであるが、軟鉄からなる鉄心にコイルを巻き付けたものでも良い。ソレノイド・コイルは、小型で且つ高磁場を発生するものが望ましいが、そのサイズ等に制限はない。例えば、今回の実施に際しては、外径が５ｍｍ、高さが３ｍｍで、導線の巻き数は８００ターンのソレノイド・コイル及び外径が２．４６ｍｍ、内径が１．２１ｍｍ、高さが１．９９ｍｍで、導線の巻き数は６００ターンのソレノイド・コイルを作製した。なお、交流磁場発生装置はソレノイド・コイルに限られるものではなく、可動ミラー部１０を回転させるのに十分な磁場が発生できれば良く、例えば、平面上の渦巻き形状に形成した平面スパイラル・コイルでも良い。
なお、可動ミラー部１０全体の構成としては、回転外枠１２及び非回転外枠１４を反射ミラーを兼ねる金属ガラスで形成しても良いし、或いは、ＳｉＯ２膜等の非磁性誘電体膜で形成しても良い。この場合は、少なくとも非回転外枠１４の下部に基板２１が存在している。基板２１としては、単結晶シリコン基板が典型的なものであるが、ガラス基板や石英基板を用いても良い。
硬質磁性薄膜２２としては、貴金属系磁性膜、特に、ＦｅとＰｔを主成分とする磁性材料、ＣｏとＰｔを主成分とする磁性材料、或いは、ＦｅとＰｄを主成分とする磁性材料のいずれかが望ましい。硬質磁性薄膜２２は、厚さに制限はなく厚い方が発生するトータルの磁束量の大きさが大きくなるので、交流磁場発生装置に流す電流をより小さくすることができる。この硬質磁性薄膜２２の厚さは、１０ｎｍから基板２１と同じ厚さ程度である。この場合、硬質磁性薄膜２２は、ＳｉＯ２膜等の非磁性絶縁膜を介して２層構造或いは３層構造等の多層構造としても良く、各層の膜厚は同じでも異なった膜厚でも良く、また、各層の組成は同じでも或いは異なった組成でも良い。成膜方法は、目的の膜が得られれば良く、特に限定されないが、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、塗布法などを挙げることができる。
反射膜２３としては、ＺｒＣｕＡｌＮｉ等の金属ガラスやＦｅベース金属ガラス、或いは、Ａｌ膜やＡｕ膜、または、誘電体多層膜でも良く、光を反射するものであれば、その種類を問わない。また、反射膜２３の上面、反射膜２３と硬質磁性薄膜２２との間、硬質磁性薄膜２２と基板２１との間、及び基板２１の底面に、例えば、保護膜としてＳｉＯ２膜を形成しても良い。
なお、可動ミラー部１０を反射ミラーに入射する光ビームを発生する光源と同一基板に集積する場合には、交流磁場発生装置に光走査信号を印加しない状態で可動ミラー部１０の反射面を基板２１の主面に対して、即ち、入射する光ビームに対して４５°±３０°内の範囲で傾けるようにすることが望ましい。このように、可動ミラー部１０を傾ける方法としては、光ビームに対して機械的な外部の力で反射部２０及び回転外枠１２を所定の角度、例えば、４５°傾けて置き、第２のヒンジ１３に絞り込んだレーザビームを照射して第２のヒンジ１３を局所的に加熱して反射部２０及び回転外枠１２を４５°傾けた状態のままとする方法がある。
別の方法としては、磁気的に可動ミラー部１０を傾けても良い。図５は、磁気的に可動ミラー部１０を傾ける方法の説明図である。図５（ａ）は直流バイアスにより可動ミラー部を傾ける場合の説明図である。交流磁場発生装置３１に定常的に直流バイアス電流を流すことによって、反射部２０の磁化のＮ極と直流バイアス電流によって発生する交流磁場発生装置３１のＮ極との反応により光ビームに対して４５°傾けることができる。その結果、この直流電流に加え、交流の信号を流すことによって、傾いた４５°を中心に反射部２０を回転させることができる。なお、この場合には、硬質磁性薄膜２２の保磁力を、直流バイアス電流により発生する磁場と交流電流により発生する磁場との合成磁場の５倍以上になるように設定する。
図５（ｂ）は、永久磁石により傾ける場合の説明図である。永久磁石３２を可動ミラー部１０の下に配置することにより、可動ミラー部１０を傾けることができる。この場合には、硬質磁性薄膜２２の保磁力を、永久磁石３２が発生する磁場と交流磁場発生装置３１が発生する磁場との合成磁場の５倍以上になるように設定する。なお、図５（ａ）の場合を含めて、可動ミラー部として図４に示した構成を採用して、逆方向に４５°傾けて光ビームを基板２１の板側に反射することも可能である。この場合には、硬質磁性薄膜２２自体を反射膜として用いて、金属ガラス膜等からなる反射膜２３をヒンジを構成する部材として用いれば良い。
また、交流磁場発生装置３１の中心軸を、反射部２０の中心部から、光ビームの光軸方向に沿って所定間隔ｄだけずらすことによって、交流磁場発生装置３１の中心軸と反射部２０の中心部が一致する場合に比べて、直流電流の強度を５割低減することが可能になる。例えば、ｄ＝１ｍｍずらすことによって、交流磁場発生装置３１の中心軸と反射部２０の中心部が一致する場合に比べて、直流電流の強度を５割低減することが可能になる。
上述の２次元光り走査ミラー装置を作製するためには、基板２１上に硬質磁性薄膜２２を成膜したのち、硬質磁性薄膜２２を磁場中で着磁し、着磁した硬質磁性薄膜２２を加工して可動ミラー部１０を形成すれば良い。この場合、可動ミラー部２０を形成したのち、硬質磁性薄膜２２を可動ミラー部２０の光走査回転軸に対して４５°±３０°内の範囲の角度の磁化方向が得られるように着磁することが望ましい。
なお、堆積したままの状態の硬質磁性薄膜は、保磁力が小さいので着磁工程の前にアニールすることが望ましい。アニール温度範囲は、２００℃〜１１００℃の間で最適化すれば良い。また、着磁工程は、ミラー構造を形成する前に行うことが望ましい。回転外枠１２及び反射部２０は夫々第２ヒンジ１３及び第１のヒンジ１１のみで支持しているため、着磁の際に必要な大きな磁場を印加すると機械的なストレスが発生してミラー構造を破損してしまう。
なお、硬質磁性薄膜２２の着磁方向を容易に制御するために、硬質磁性薄膜の下に下地層として配向制御膜を設けても良い。或いは、配向制御膜を設けない場合には、下地となるＳｉＯ２膜等に溝また凹凸をつけるテクスチャ加工を行っても良い。
２次元光走査装置を形成するためには、上述の２次元光走査ミラー装置に対して、基板２１上に光源を設ければ良い。或いは、実装基板上に上述の２次元光走査ミラー装置をマウントするとともに、光源を２次元光走査ミラー装置に対してレーザ光を照射する位置にマウントするようにしても良い。前記この場合の光源としては、赤色レーザと、緑色レーザと、青色レーザと、赤色レーザ、緑色レーザ及び青色レーザの出力光を合波する光合波器を有する光源が望ましい。或いは、光源として、さらに黄色レーザを加えると白色を鮮やかに再現することができる。さらには、赤外線レーザを単独で、或いは、上記の多色可視レーザに加えても良い。
図６は、本発明の実施の形態による２次元光走査装置の一例の概略的斜視図であり、可動ミラー部１０を形成したに基板２１に光合波器４１を設け、この光合波器４１に赤色レーザ４２、緑色レーザ４３及び青色レーザ４４を結合させれば良い。可動ミラー部１０が小型化されているので、光ビームを発生する光源と一体化した場合にも、一体化後の全体のサイズも小さくできる。特に、光ビームが半導体レーザや光合波器から出射する光源の場合、それらの半導体レーザや光合波器は、Ｓｉ基板や金属プレート基板の上に形成すれば良いので、これら基板上に光源と２次元光走査ミラー装置を形成することによって、一体化後の全体のサイズも小さくできる効果がある。
画像投影装置を形成するためには、上述の２次元走査装置と、磁場発生装置３０に２次元光走査信号を印加して光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元走査制御部と、走査された出射光を被投影面に投影する画像形成部とを組み合わせれば良い。なお、画像投影装置としては、眼鏡型網膜走査ディスプレイ（例えば、特許文献４参照）が典型的なものである。
図７は、本発明の実施の形態による画像投影装置の概略的構成図であり、画像投影装置としては、眼鏡型網膜走査ディスプレイ（例えば、特許文献４参照）が典型的なものである。本発明の実施の形態による画像投影装置は、例えば、メガネ型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される（例えば、特許文献５参照）。
制御ユニット５０は、制御部５１、操作部５２、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）５３、Ｒレーザドライバ５４、Ｇレーザドライバ５５、Ｂレーザドライバ５６及び２次元走査ドライバ５７を有している。制御部５１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むマイコンなどで構成される。制御部５１は、ＰＣなどの外部機器から外部Ｉ／Ｆ５３を介して供給される画像データに基づいて、画像を合成するための要素となるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、水平信号及び垂直信号を発生する。制御部５１は、Ｒ信号をＲレーザドライバ５４に、Ｇ信号をＧレーザドライバ５５に、Ｂ信号をＢレーザドライバ５６に、それぞれ送信する。また、制御部５１は、水平信号及び垂直信号を２次元走査ドライバ５７に送信し、磁場発生装置３０に印加する電流を制御して可動ミラー部１０の動作を制御する。
Ｒレーザドライバ５４は、制御部５１からのＲ信号に応じた光量の赤色レーザ光を発生させるように赤色レーザ４２を駆動する。Ｇレーザドライバ５５は、制御部５１からのＧ信号に応じた光量の緑色レーザ光を発生させるように、緑色レーザ４３を駆動する。Ｂレーザドライバ５６は、制御部５１からのＢ信号に応じた光量の青色レーザ光を発生させるように、青色レーザ４４を駆動する。各色のレーザ光の強度比を調整することによって、所望の色を有するレーザ光が合成可能となる。
赤色レーザ４２、緑色レーザ４３及び青色レーザ４４発生した各レーザ光は、合波器４１で合波されたのち、可動ミラー部１０で２次元的に走査される。走査された合波レーザ光は、凹面反射鏡５８で反射されて瞳孔５９を介して網膜６０に結像される。
本発明の実施の形態においては、可動ミラー部２０に硬質磁性薄膜２２、特に、２次元走査に望ましい１００ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有し、保磁力に対する磁場発生装置３０が発生する磁場の比が０．２以下となる硬質磁性薄膜２２を用いているのでミラー特性を劣化することなく、薄膜でも十分な磁場による回転力を確保することができ、可動ミラー部２０の構造を複雑にすることなく、小型化することができる。また、上述の特許文献３や非特許文献１に示された可動磁石方式のように、ミラーの周辺に磁石をはめ込む必要がなく、可動ミラー部の構造を単純化でき、且つ、小型化が可能になる。
次に、図８乃至図１３を参照して、本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置を説明する。図８は、本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の概略的斜視図であり、可動ミラー部７０と、可動ミラー部７０を駆動するソレノイド・コイル９０を備えている。可動ミラー部７０は、反射部８０と、反射部８０を一対のヒンジ８１で支持する回転外枠８２と、回転外枠８２をヒンジ８１と直交する方向に設けた一対のヒンジ８３で支持する非回転外枠８４とを有している。
この場合、ヒンジ８１が高速走査用回転軸となり、ヒンジ８３が低速走査用回転軸となる。反射部８０に設けたＦｅ−Ｐｔ薄膜からなる硬質磁性薄膜は、互いに直交する高速走査用回転軸と低速走査用回転軸に対して、磁化方向が４５°となるように磁化している。このように、磁化方向を両走査軸と４５°傾けることによって、単一のソレノイド・コイル９０によって、２軸走査が可能となる。この場合、各走査軸と４５°傾いた可動ミラー部７０の磁化による磁力線の各走査軸と直交する成分が、ソレノイド・コイル９０の磁場と反発・引合いを起こし、各走査軸の周りで一定の角度内で往復振動する。
このように、磁気力のみで２軸走査を行う点が、本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の特徴である。ソレノイド・コイル９０に流す交流電流は、図中に示したように、周波数の小さい低速走査軸信号と周波数の大きい高速走査信号の重畳した交流を用いる。
ここで、高速走査については、その走査周波数が、可動ミラー部７０の回転軸となるヒンジ８１の周りの固有回転周波数（ミラー部分の形状、質量、回転軸のバネ定数等で決定される）の近辺になるように調整することによって、効率的にミラーを回転させることができる。一方、低速走査については、低速走査用回転軸となるヒンジ８３の周りの回転の固有周波数の近辺に必ずしも一致させなくとも、低速走査は可能である。ただし、低速走査用回転軸の周りの回転の固有周波数の近辺を用いても勿論良い。
ここでは、高速走査用回転軸となるヒンジ８１で反射部８０を支え、低速走査用回転軸となるヒンジ８３で回転外枠８２を支える構造になっているが、逆にヒンジ８１を低速走査用回転軸として反射部８０を支え、ヒンジ８３を高速走査用回転軸として、回転外枠８２を支える構造でも良い。
図９は、本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図９（ａ）は上面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。Ｓｉ基板７１を用いてＳｉＯ２膜７２を介してＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を設け、反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４を金属ガラス膜７５で形成している。なお、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４に接するＳｉＯ２膜の反対側の面にはＳｉ層を機械的強度を保つミラー下部基板７６として残存させる。
次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の実施例１の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の製造工程を説明する。まず、図１０（ａ）に示すように、厚さが５００μｍで主面が（１００）面のシリコン基板７１を大気中１０００℃で１時間加熱し、厚さが１０ｎｍ〜１５０ｎｍのＳｉＯ２膜７２，７３を形成する。ここでは、ＳｉＯ２膜７２の膜厚は１００ｎｍとする。
次いで、図１０（ｂ）に示すように、電子ビーム加熱蒸着法により、厚さが１４２ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を堆積する。次いで、真空中で赤外線照射してアニールすることでＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を合金化する。ここでは、加熱温度を６５０℃とし、加熱時間を１５分とする。次いで、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４をＳｉ基板７１の＜０１１＞方向に磁場を印加して着磁する。なお、着磁は、磁場強度５テスラ、着磁時間を３分とする。
次いで、図１０（ｃ）に示すように、イオンミリング法を用いて、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を図８に示した回転外枠８２及び反射部８０に対応する形状に加工する。この時、ヒンジ８１，８３の方向、即ち、ミラー部分の光走査回転軸を、Ｓｉ基板７１の＜０１０＞方向と一致させることによって、磁化方向はヒンジ８１，８３に対して４５°となる。次いで、図１１（ｄ）に示すように、バッファードＨＦを用いて、ＳｉＯ２膜７３をＳｉ基板７１の外周部のみに残すようにエッチング除去する。
次いで、図１１（ｅ）に示すように、リフトオフ法を用いて反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４に対応する形状の金属ガラス膜７５を形成する。金属ガラス膜７５は、０．４Ｐａの減圧雰囲気中で、スパッタリング法を用いてＺｒ７５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５を１０μｍの厚さに成膜する。なお、金属ガラス膜７５の膜厚は、反射部２０の形状、質量、回転部のバネ定数等で決まる固有回転周波数に依存し、概ね２μｍ〜５０μｍであるが、ここでは、１０μｍとする。
次いで、図１１（ｆ）に示すように、Ｓｉ基板７１の底面側をＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４のパターンに対応するようにエッチングする。次いで、図１２（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２膜７３をマスクとしてドライエッチングによりＳｉ基板７１の底面側をエッチングしてＳｉＯ２膜７２を部分的に露出させる。この時、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４の底面側には１００ｎｍ程度のＳｉ層がミラー下部基板７６として残存する。
次いで、図１２（ｈ）に示すように、バッファードＨＦを用いてＳｉＯ２膜７２の露出部を完全にエッチングすることによって、ヒンジ８１，８３が金属ガラス膜７５のみとなる。次いで、図１２（ｉ）に示すように、Ｓｉ基板７１をダイシングすることによって２次元光走査ミラー装置を切り出すことによって、本発明の実施例１の２次元走査ミラー装置の可動ミラー部７０の基本構造が完成する。
図１３は、実施例１で作成したＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜の磁気ヒステリシス曲線である。図１３に示すように、面内方向保磁力は、８００ｋＡ／ｍ（１０ｋＯｅ程度）であり、残留磁化は、０．８テスラ程度であり、薄膜を用いても十分な保磁力が得られた。また、角形比＝残留磁束密度Ｂｒ／最大磁束密度Ｂｍ≒０．８２であった。
図８に示すように、この可動ミラー部７０の下にソレノイド・コイル９０を設置することによって、２次元光走査ミラー装置となる。ソレノイド・コイル９０の大きさは、外径が５ｍｍ、高さが３ｍｍで、導線の巻き数は８００ターンである。ソレノイド・コイル９０は、可動ミラー部７０の外周のＳｉ基板７１上に接着剤を用いて直接接し、ソレノイド・コイル９０の中心部が、反射部の中心と一致するように接着剤を用いて固着した。
この２次元光走査ミラー装置に実際にレーザビームを照射して、反射した光をスクリーン上に投影し、光ビームの振れ角を評価した。その結果、縦方向に３０°で横方向に５°のビーム振れ角が、動作電圧２Ｖで得られた。
特性の外部環境およびミラーの繰り返し使用による影響を調べた。具体的な外部環境としては、外気温度と外部磁場を選び、それぞれに対する特性の変化を求めた。その結果、外部温度が上昇しても、特性の変化はなかった。また、外部磁場として、理科教育用の棒磁石（磁場の大きさが、５０ｋＡ／ｍ程度）を、光ミラー装置に接近させた後でも特性の変化は認められなかった。一方、ミラーの繰り返し使用による影響を調べるため、光走査ミラー装置を１ヵ月連続動作した後の動作特性の変化を調べた。その結果、１ヵ月連続動作した後でも、光ビームの振れ角を評価した結果、縦方向に３０ °、横方向に５ °のビーム振れ角が、動作電圧２Ｖで得られ、動作特性の劣化は認められなかった。
比較のために、実施例１と同じＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜を成膜後にアニール処理しないで
作成した２次元光走査ミラー装置の特性を評価した。この場合の保磁力は、１０ｋＡ／ｍであったが、光走査ミラー装置を作製した直後の特性は、アニール処理し保磁力が８００ｋＡ／ｍの場合と同じであった。しかし、外部磁場として、理科教育用の棒磁石（磁場の大きさが、５０ｋＡ／ｍ程度）を、２次元光走査ミラー装置に接近させた後で特性を測定すると、印加電圧が２Ｖでは、縦方向に１５°、横方向に１°のビーム振れ角が得られたが、この場合、磁性薄膜をアニールした光走査ミラー装置よりは、外部磁場による外部環境特性が悪くなっている。また、２次元光走査ミラー装置を１ヵ月連続動作した後の動作特性に関しても、動作特性の劣化が認められた。
さらに比較のために実施例１と同じＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜を成膜後にアニール処理し、次いで、室温で１８０ｋｅＶの２０Ｎｅ＋イオンを照射して作製した２次元光走査ミラー装置の特性を評価した。この場合の保磁力は、１００ｋＡ／ｍであった。印加電圧が２Ｖでは、縦方向に３０°、横方向に５°のビーム振れ角が得られ、磁性薄膜をアニールした光走査ミラー装置と同じ特性が得られた。また、外部磁場として、理科教育用の棒磁石（磁場の大きさが、５０ｋＡ／ｍ程度）を、光ミラー装置に接近させた後で特性を測定すると、印加電圧が２Ｖでは、縦方向に３０°、横方向に５°のビーム振れ角が得られ、この場合も、磁性薄膜をアニールした光走査ミラー装置と同じ特性が得られた。光走査ミラー装置を１ヵ月連続動作した後の動作特性に関しても、動作特性の劣化は認められなかった。
これらの結果から、磁性薄膜の保磁力は、１００ｋＡ／ｍ以上あれば、温度や外部磁場などの一般的な外部環境の変化およびミラーの繰り返し使用による影響がないことが分かり、保磁力は実用的な電磁駆動型光走査ミラーの特性にとって重要なパラメーターであることを明らかにした。また、実施例１に示した２次元光走査ミラー装置のように小型化された場合の具体的な必要保磁力は、１００ｋＡ／ｍ以上であることも明らかにできた。
実施例１においては磁性体として、硬質磁性膜を用いているので、薄膜であっても十分な保磁力と磁場による回転力を確保することができ、その結果、ミラー特性を劣化することなく、また、可動ミラー部の構造を単純化且つ小型化することができ、２次元光走査ミラー装置の全体サイズを小型化することが可能になる。
次に、図１４を参照して、本発明の実施例２の２次元光走査ミラー装置を説明するが、硬質磁性薄膜として、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜の代わりにＣｏ８０Ｐｔ２０薄膜を用いた以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図１４は、本発明の実施例２の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図１４（ａ）は上面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。Ｓｉ基板７１を用いてＳｉＯ２膜７２を介して厚さが１６０ｎｍのＣｏ８０Ｐｔ２０薄膜７７を設け、反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４を金属ガラス膜７５で形成している。なお、Ｃｏ８０Ｐｔ２０薄膜７７に接するＳｉＯ２膜の反対側の面にはＳｉ層をミラー下部基板７６として設けている。
このＣｏ８０Ｐｔ２０薄膜７７は、成膜後、真空中で温度６７０℃で、１５分のアニール処理を行った。このＣｏ８０Ｐｔ２０薄膜７７の面内方向保磁力は、２００ｋＡ／ｍ程度である。また、残留磁化は、０．６テスラ程度である。また、このＣｏ８０Ｐｔ２０薄膜７７への着磁は、磁場強度５テスラ、着磁時間３分で実施した。
この実施例２の２次元光走査ミラー装置に、図８と同様に、同じ構成のソレノイド・コイルを設置した。コイルの大きさは、外径が５ｍｍ、高さが３ｍｍで、導線の巻き数は、８００ターンである。この２次元光走査ミラー装置にレーザビームを照射して、反射した光をスクリーン上に投影し、光ビームの振れ角を評価したところ、実施例１と同様な効果が得られた。また、外部磁場として、理科教育用の棒磁石（磁場の大きさが、５０ｋＡ／ｍ程度）を、２次元光走査ミラー装置に接近させた後で特性を測定すると、多少の劣化が見られた。また、２次元光走査ミラー装置を１ヵ月連続動作した後の動作特性に関しても、動作特性の劣化が認められたが実用には支障のない範囲である。これらの結果から、磁性薄膜の保磁力は、１００ｋＡ／ｍ以上あれば、温度や外部磁場などの一般的な外部環境の変化およびミラーの繰り返し使用による影響がないことが分る。
次に、図１５を参照して、本発明の実施例３の２次元光走査ミラー装置を説明するが、硬質磁性薄膜として、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜の代わりにＣｏ８０Ｐｄ２０薄膜を用いた以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図１５は、本発明の実施例２の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図１５（ａ）は上面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。Ｓｉ基板７１を用いてＳｉＯ２膜７２を介して厚さが１５０ｎｍのＣｏ８０Ｐｄ２０薄膜７８を設け、反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４を金属ガラス膜７５で形成している。なお、Ｃｏ８０Ｐｄ２０薄膜７８に接するＳｉＯ２膜の反対側の面にはＳｉ層をミラー下部基板７６として設けている。
このＣｏ８０Ｐｄ２０薄膜７８は、成膜後、真空中で温度６５０℃で、１５分のアニール処理を行った。このＣｏ８０Ｐｄ２０薄膜７８の面内方向保磁力は、１６０ｋＡ／ｍ程度である。また、残留磁化は、０．５テスラ程度である。また、このＣｏ８０Ｐｄ２０薄膜７８への着磁は、磁場強度５テスラ、着磁時間３分で実施した。
この実施例３の２次元光走査ミラー装置に、図８と同様に、同じ構成のソレノイド・コイルを設置した。コイルの大きさは、外径が５ｍｍ、高さが３ｍｍで、導線の巻き数は、８００ターンである。この２次元光走査ミラー装置にレーザビームを照射して、反射した光をスクリーン上に投影し、光ビームの振れ角を評価したところ、実施例１と同様な効果が得られた。また、外部磁場として、理科教育用の棒磁石（磁場の大きさが、５０ｋＡ／ｍ程度）を、２次元光走査ミラー装置に接近させた後で特性を測定すると、多少の劣化が見られた。また、２次元光走査ミラー装置を１ヵ月連続動作した後の動作特性に関しても、動作特性の劣化が認められたが実用には支障のない範囲である。これらの結果からも、磁性薄膜の保磁力は、１００ｋＡ／ｍ以上あれば、温度や外部磁場などの一般的な外部環境の変化およびミラーの繰り返し使用による影響がないことが分る。
次に、図１６を参照して、本発明の実施例４の２次元光走査ミラー装置を説明するが、硬質磁性薄膜として、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜を２層積層構造にした以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図１６は、本発明の実施例４の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図１６（ａ）は上面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。
Ｓｉ基板７１を用いてＳｉＯ２膜７２を介して厚さが１４０ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４１、厚さが７０ｎｍＳｉＯ２膜７９及び厚さが１４０ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４２を設け、反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４を金属ガラス膜７５で形成している。なお、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４１に接するＳｉＯ２膜７２の反対側の面にはＳｉ層をミラー下部基板７６として設けている。
この場合の面内方向保磁力及び残留磁化は実施例１の場合とほぼ同じであり、ビーム振れ角は実施例１に比べて良い特性が得られた。なお、実施例４のように、硬質磁性薄膜を２層構造にすることによって、外部に発生する磁場が大きくなる。
次に、図１７を参照して、本発明の実施例５の２次元光走査ミラー装置を説明するが、硬質磁性薄膜として、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜を多層積層構造にした以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図１７は、本発明の実施例５の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図１７（ａ）は上面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。
Ｓｉ基板７１を用いてＳｉＯ２膜７２を介して厚さが１２０ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４３、厚さが７０ｎｍＳｉＯ２膜７９１、厚さが１２０ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４４、厚さが５ｎｍのＳｉＯ２膜７９２、及び、厚さが１２０ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４５を順次成膜する。反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４を金属ガラス膜７５で形成している。なお、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４１に接するＳｉＯ２膜７２の反対側の面にはＳｉ層をミラー下部基板７６として設けている。
この場合の面内方向保磁力及び残留磁化は実施例１の場合とほぼ同じであり、ビーム振れ角は実施例１に比べて良い特性が得られた。さらに、硬質磁性薄膜をＳｉＯ２膜を介して４層構造にした場合も同様の特性が得られる。実施例５のように、硬質磁性薄膜を多層構造にすることによって、外部に発生する磁場が大きくなる。
次に、図１８を参照して、本発明の実施例６の２次元光走査ミラー装置を説明するが、硬質磁性薄膜として、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜の膜厚以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図１８は、本発明の実施例６の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図１８（ａ）は上面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。
ここでは、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４の膜厚を８８ｎｍ、２１０ｎｍ、４６０ｎｍ、及び、５８０ｎｍとした。実施例１と同様のビーム振れ角を得るための駆動電圧は膜厚が厚くなるほど低下するが、基本的な特性が実施例１と同様である。
次に、図１９乃至図２１を参照して、本発明の実施例７の２次元光走査ミラー装置を説明するが製造工程手順が異なるだけで、基本的な構造及び製造方法は上記の実施例１と同様であるので、製造工程のみを説明する。まず、図１９（ａ）に示すように、厚さが０．４ｍｍで主面が（１００）面のシリコン基板７１を大気中１０００℃で１時間加熱し、厚さが１０ｎｍ〜１５０ｎｍのＳｉＯ２膜７２，７３を形成する。ここでは、ＳｉＯ２膜７２の膜厚は１００ｎｍとする。
次いで、図１９（ｂ）に示すように、電子ビーム加熱蒸着法により、厚さが１４２ｎｍのＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を堆積する。次いで、真空中で赤外線照射してアニールすることでＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を合金化する。ここでは、加熱温度を６５０℃とし、加熱時間を１５分とする。次いで、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４をＳｉ基板７１の＜０１１＞方向に磁場を印加して着磁する。なお、着磁は、磁場強度５テスラ、着磁時間を３分とする。
次いで、図１９（ｃ）に示すように、イオンミリング法を用いて、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を図８に示した回転外枠８２及び反射部８０に対応する形状に加工する。この時、ヒンジ８１，８３の方向、即ち、ミラー部分の光走査回転軸を、Ｓｉ基板７１の＜０１０＞方向と一致させることによって、磁化方向はヒンジ８１，８３に対して４５°となる。次いで、図２０（ｄ）に示すように、バッファードＨＦを用いて、ＳｉＯ２膜７３をＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４及びＳｉ基板７１の外周部に対応するパターンにエッチングする。
次いで、図２０（ｅ）に示すように、リフトオフ法を用いて反射部８０、ヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４に対応する形状の金属ガラス膜７５を形成する。金属ガラス膜７５は、０．４Ｐａの減圧雰囲気中で、スパッタリング法を用いてＺｒ７５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５を１０μｍの厚さに成膜する。
次いで、図２０（ｆ）に示すように、Ｓｉ基板７１の底面側をＳｉＯ２膜７３をマスクとしてＳｉＯ２膜７２が部分的に露出するまでエッチングする。次いで、図２１（ｇ）に示すように、バッファードＨＦを用いて周辺部に残存させたＳｉＯ２膜７３以外を除去する。
次いで、図２１（ｈ）に示すように、周辺部に残存させたＳｉＯ２膜７３をマスクとして、Ｓｉ基板７１をエッチングして、厚さが１００μｍのＳｉ層をミラー下部基板７６として残存させる。次いで、図２１（ｉ）に示すように、バッファードＨＦを用いてＳｉＯ２膜７２の露出部を完全にエッチングすることによって、ヒンジ８１，８３が金属ガラス膜７５のみとなる。次いで、Ｓｉ基板７１をダイシングすることによって２次元光走査ミラー装置を切り出すことによって、本発明の実施例７の２次元走査ミラー装置の可動ミラー部７０の基本構造が完成する。
この実施例７も製造工程は異なるものの、最終的な構造は上記の実施例１と同じ構造であるので、上記の実施例１と同じ特性が得られる。
次に、図２２を参照して、本発明の実施例８の２次元光走査ミラー装置を説明するが、実施例１のように厚さ１００ｎｍ程度のＳｉＯ２膜７２を形成せず、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を反射膜として用いた以外は上記の実施例１と同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図２２は、本発明の実施例８の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図２２（ａ）は上面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。
図２２に示すように、Ｓｉ基板７１に極めて薄いＳｉＯ２膜（図示は省略）を介してＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を設け、Ｓｉ基板７１の底面側をエッチングしてＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４のパターンに対応する部分及びヒンジ８１、回転外枠８２、ヒンジ８３及び非回転外枠８４に対応する部分を厚さが１００μｍのＳｉ層をミラー下部基板７６として残存させる。この場合も、上記の実施例１とほぼ同様の特性が得られる。
次に、図２３を参照して、本発明の実施例９の２次元光走査ミラー装置を説明するが、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を反射膜として用いた以外は上記の実施例１と基本的に同様であるので、可動ミラー部の構造のみ図示する。図２３は、本発明の実施例９の２次元光走査ミラー装置の可動ミラー部の概略的説明図であり、図２３（ａ）は上面図であり、図２２（ｂ）は図２３（ａ）におけるＡ−Ａ″を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。反射部８０のサイズ及び可動ミラー部７０全体のサイズは任意であるが、ここでは、反射部８０のサイズを５００μｍ×３００μｍとし、可動ミラー部７０のサイズは、２．７ｍｍ×２．５ｍｍである。
図２３に示すように、Ｓｉ基板７１にＳｉＯ２膜７２を介してＦｅ５６Ｐｔ４４薄膜７４を設け、Ｓｉ基板７１の底面側をエッチングして非回転外枠８４の外周部にのみＳｉ基板７１を残存させる。次いで、反射部８０と回転外枠８２との間の領域のＳｉＯ２膜７２をヒンジ８１に対応する部分を除いてエッチング除去する。この場合も、上記の実施例１とほぼ同様の特性が得られる。
次に、図２４を参照して、本発明の実施例１０の２次元光走査装置を説明する。図２４は、本発明の実施例１０の２次元光走査装置の概略的斜視図である。２次元光走査ミラー部としては上記の実施例１と同じ構造の２次元光走査ミラー装置を用いる。
まず、厚さが５００μｍのＳｉ基板１０１上に火炎加水分解法を用いて、厚さが１５μｍのＳｉＯ２膜１０２を形成する。次いで、ＳｉＯ２膜１０２上に同じく火炎加水分解法で、厚さ２μｍのＳｉＯ２-ＧｅＯ２層（屈折率差Δｎ＝０．５％、Δｎ＝（ｎ１-ｎ２）／ｎ１で定義。ｎ１：コアの屈折率、ｎ２：クラッドの屈折率)を成膜する。この上に、コンタクトマスクを用いた光露光法で導波路幅が２μｍの光導波路パターン１０４〜１０６を形成して光合波器１０３とする。
次いで、光導波路パターン１０４〜１０６上に、全体を覆うカバー層として、厚さが２０μｍのＳｉＯ２膜（図示は省略）を上部クラッド層として、同じく火炎加水分解法で成膜する。なお、赤色用の光導波路パターン１０４及び青色用の光導波路パターン１０６は光入射部を直角に曲げる必要があるので、曲げる部分にＧａを用いた収束イオンビーム法を用いたエッチングにより、深さ３０μｍの深掘りトレンチを形成し、導波した光が、トレンチ側壁で全反射するようにする。次いで、光合波器１０３の領域のみ残して、他の部分のＳｉＯ２膜を全てエッチングにより取り除き、Ｓｉ基板１０１をむき出しの状態にする。
次いで、実施例１に関して、図１０乃至図１２に示した工程により、２次元光走査ミラー部１０８を形成する。なお、この製造プロセスの基本は、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜の永久磁石特性が消えないように、着磁後の全てのプロセスの温度を２００℃以下で行う。なお、図における符号１０７はＳｉＯ２膜である。
次いで、赤色半導体レーザチップ１０９、緑色半導体レーザチップ１１０及び青色半導体レーザチップ１１１を、それぞれ光導波路パターン１０４〜１０６に光が入射するように、Ｓｉ基板１０１上にボンディングする。この時、赤色半導体レーザチップ１０９、緑色半導体レーザチップ１１０及び青色半導体レーザチップ１１１のレーザ出射端と光導波路パターン１０４〜１０６の位置が整合するようにＳｉ基板１０１を所定の深さまでエッチングする。
次いで、２次元光走査ミラー装置１０８の反射部を駆動するソレノイド・コイル１１２をＳｉ基板１０１の下側に配置し、接着剤を用いて、Ｓｉ基板１０１に固定する。この時、ソレノイド・コイル１１２に光走査信号を印加しない状態で、反射部のミラー面が基板１０１の主面にほぼ平行な光ビームに対して４５°傾くようにする。即ち、光ビームに対して機械的な外部の力で４５°傾けて置き、金属ガラスからなるヒンジに絞り込んだレーザビーム（ビーム径７０μｍ、出力１０ｍＷ）を照射してヒンジを局所的に加熱して、４５°傾いた状態に固定する。この結果、ヒンジに生じるストレスを緩和することができ、外部の力を除いても、反射部は、４５°傾いたままになる。この時の機械的な外部の力は探針（カンチレバー）を用いて加えることができる。この２次元光走査装置のサイズは、縦が６ｍｍ、横が３ｍｍ、高さが３ｍｍとなり、超小型化が達成される。
ソレノイド・コイル１１２に光走査信号を印加しない状態のとき、ミラー面が光ビームに対して４５°最初から傾くようにするために、ソレノイド・コイル１１２に定常的に直流電流を流すことによって、光ビームに対して４５°傾けても良い。その結果、この直流電流に加え、交流の信号を流すことによって、傾いた４５°を中心に走査ミラーを回転させることができる。
或いは、ソレノイド・コイル１１２の近傍に永久磁石を配置して、光ビームに対して４５°傾けても良い。この場合は、ソレノイド・コイル１１２に交流の信号を流すだけで、傾いた４５°を中心に走査ミラーを回転させることができる。
実施例１０においては、Ｓｉ基板に光合波器及び可動ミラー部を一体に集積化しているので、２次元光走査装置の全体サイズをコンパクトにすることが可能になり、眼鏡型網膜走査ディスプレイ用の２次元光走査装置として好適なものとなる。
次に、図２５を参照して、本発明の実施例１１の２次元光走査装置を説明するが、ソレノイド・コイルの位置以外は上記の実施例１０と同様であるので、ソレノイド・コイル近傍のみを図示する。図２５は、本発明の実施例１１の２次元光走査装置のソレノイド・コイル近傍の側面図である。外径が５ｍｍ、高さが３ｍｍで、導線の巻き数は８００ターンのソレノイド・コイル１１２の中心軸を、２次元走査ミラー部１０７の中心部から、レーザビームの方向に１ｍｍずらして配置する。
このように、ソレノイド・コイル１１２の中心軸を、２次元走査ミラー部１０７の中心部から、レーザビームの方向に１ｍｍずらすことによって、２次元走査ミラー部１０７の磁化の端部とソレノイド・コイル１１２が近接して相互作用が大きくなる。したがって、ソレノイド・コイル１１２の中心軸と２次元走査ミラー部１０７の中心部が一致する場合に比べて、直流電流の強度を５割低減することができる。この場合も、直流電流に加え、交流の信号を流すことによって、傾いた４５°を中心に走査ミラーを回転させることができる。なお、図における符号１１３，１１４，１１５は、それぞれ、Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜、金属ガラス膜及びミラー下部基板である。
次に、図２６を参照して、本発明の実施例１２の２次元光走査装置を説明する。図２６は、本発明の実施例１２の２次元光走査装置の概略的斜視図である。２次元光走査ミラー部としては上記の実施例１と同じ構造の２次元光走査ミラー装置を用いる。
実装基板１２０上に、ソレノイド・コイル１３３を備えた２次元光走査ミラー装置１３０をマウントするとともに、この２次元光走査ミラー装置１３０に対してレーザ光を照射する位置に光源装置１４０をマウントする。この光源装置は、上記の実施例１０に示した２次元光走査装置における光源部と同じ構造を有している。即ち、Ｓｉ基板１４１上にＳｉＯ２膜１４２を介して光導波路パターン１４４〜１４６を設け、その上に上部クラッド層となるＳｉＯ２膜（図示は省略）を設けて光合波器１４３を形成する。次いで、光合波器１４３を形成した領域以外の領域におけるＳｉＯ２膜１４２を除去してＳｉ基板１４１を露出させる。なお、図における符号１３１，１３２は、それぞれＳｉ基板及びＳｉＯ２膜である。
次いで、赤色半導体レーザチップ１４７、緑色半導体レーザチップ１４８及び青色半導体レーザチップ１４９を、それぞれ光導波路パターン１４４〜１４６に光が入射するように、Ｓｉ基板１４１上にボンディングする。この時、赤色半導体レーザチップ１４７、緑色半導体レーザチップ１４８及び青色半導体レーザチップ１４９のレーザ出射端と光導波路パターン１４４〜１４６の位置が整合するようにＳｉ基板１４１を所定の深さまでエッチングする。
本発明の実施例１２においては、２次元光走査ミラー装置１３０と光源装置１４０を別基板に形成しているので、それぞれの製造工程に熱処理温度やエッチング条件等の制限が少なくなる。なお、実装基板としては、サファイア基板等の絶縁性基板でも良いし、金属基板でも良いし、或いは、２次元光走査ミラー装置１３０と光源装置１４０への電気的接続を考慮して、プリント配線基板等を用いても良い。
ここで、実施例１乃至実施例１２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）基板と、光走査回転軸を有し、前記基板に２次元光走査可能に支持された可動ミラー部と、前記可動ミラー部に設けられた硬質磁性薄膜と、前記可動ミラー部を駆動する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置とを有し、前記硬質磁性薄膜が膜平面方向に磁化方向を有し、前記硬質磁性薄膜の保磁力に対する前記磁場発生装置が発生する磁場の比が０．２以下である２次元光走査ミラー装置。
（付記２）前記硬質磁性薄膜が、反射ミラーとなる付記１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記３）少なくとも前記硬質磁性薄膜の表面に反射ミラーとなる反射膜を有する付記１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記４）前記可動ミラー部が、反射部と、前記反射部を一対の第１のヒンジで支持する回転外枠と、前記回転外枠を前記第１のヒンジと直交する方向に設けた一対の第２のヒンジで支持する非回転外枠とを有している付記１乃至付記３のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記５）前記回転外枠及び前記非回転外枠が、反射ミラーを兼ねる金属ガラスで形成されている付記４に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記６）前記回転外枠及び前記非回転外枠が、非磁性誘電体膜で形成され、且つ、前記硬質磁性薄膜が前記反射部及び前記回転外枠上に設けられている付記４に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記７）前記硬質磁性薄膜の保磁力が１００ｋＡ／ｍ以上であることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記８）前記硬質磁性薄膜が、ＦｅとＰｔを主成分とする磁性材料、ＣｏとＰｔを主成分とする磁性材料、或いは、ＦｅとＰｄを主成分とする磁性材料のいずれかである付記１乃至付記７のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記９）前記硬質磁性薄膜の磁化方向が、前記可動ミラー部の前記光走査回転軸に対して４５°±３０°内の範囲の角度である付記１乃至付記８のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記１０）前記交流磁場発生装置に光走査信号を印加しない状態で前記可動ミラー部の反射面が前記基板の主面に対して４５°±３０°内の範囲で傾いていることを特徴とする付記１乃至付記９のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記１１）前記基板が、単結晶Ｓｉ基板である付記１乃至付記９のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置。
（付記１２）基板上に硬質磁性薄膜を成膜する工程と、前記硬質磁性薄膜を着磁する工程と、着磁した前記硬質磁性薄膜を加工して可動ミラー部を形成する工程と
を有する２次元光走査ミラー装置の製造方法。
（付記１３）前記硬質磁性薄膜を着磁する工程の前に、前記硬質磁性薄膜をアニールする工程をさらに有する付記１２に記載の２次元光走査ミラー装置の製造方法。
（付記１４）付記１乃至付記１３のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置と、前記基板上に形成された光源とを有する２次元光走査装置。
（付記１５）付記１乃至付記１３のいずれか１に記載の２次元光走査ミラー装置と、前記２次元光走査ミラー装置を実装する実装基板と、前記実装基板上の前記２次元光走査ミラー装置にレーザ光を照射する位置に実装された光源とを有する２次元光走査装置。
（付記１６）前記光源が、赤色レーザと、緑色レーザと、青色レーザと、前記赤色レーザ、前記緑色レーザ及び青色レーザの出力光を合波する光合波器を有する付記１４または付記１５に記載の２次元光走査装置。
（付記１７）付記１４乃至付記１６のいずれか１に記載の２次元光走査装置と、前記交流磁場発生装置に２次元光走査信号を印加して前記光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元光走査制御部と、前記走査された前記出射光を被投影面に投影する画像形成部とを有する画像投影装置。
１０ 可動ミラー部
１１ 第１のヒンジ
１２ 回転外枠
１３ 第２のヒンジ
１４ 非回転外枠
２０ 反射部
２１ 基板
２２ 硬質磁性薄膜
２３ 反射膜
３０ 磁場発生装置
３１ 交流磁場発生装置
３２ 永久磁石
４１ 光合波器
４２ 赤色レーザ
４３ 緑色レーザ
４４ 青色レーザ
５０ 制御ユニット
５１ 制御部
５２ 操作部
５３ 外部Ｉ／Ｆ
５４ Ｒレーザドライバ
５５ Ｇレーザドライバ
５６ Ｂレーザドライバ
５７ ２次元走査ドライバ
５８ 凹面反射鏡
５９ 瞳孔
６０ 網膜
７０ 可動ミラー部
７１ Ｓｉ基板
７２，７３ ＳｉＯ２膜
７４，７４１，７４２，７４３，７４４，７４５ Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜
７５ 金属ガラス膜
７６ ミラー下部基板
７７ Ｃｏ８０Ｐｔ２０薄膜
７８ Ｃｏ８０Ｐｄ２０薄膜
７９，７９１，７９２ ＳｉＯ２膜
８０ 反射部
８１，８３ ヒンジ
８２ 回転外枠
８４ 非回転外枠
９０ ソレノイド・コイル
１０１ Ｓｉ基板
１０２ ＳｉＯ２膜
１０３ 光合波器
１０４〜１０６ 光導波路パターン
１０７ ＳｉＯ２膜
１０８ ２次元光走査ミラー部
１０９ 赤色半導体レーザチップ
１１０ 緑色半導体レーザチップ
１１１ 青色半導体レーザチップ
１１２ ソレノイド・コイル
１１３ Ｆｅ５６Ｐｔ４４薄膜
１１４ 金属ガラス膜
１１５ ミラー下部基板
１２０ 実装基板
１３０ ２次元光走査ミラー装置
１３１ Ｓｉ基板
１３２ ＳｉＯ２膜
１３３ ソレノイド・コイル
１４０ 光源装置
１４１ Ｓｉ基板
１４２ ＳｉＯ２膜
１４３ 光合波器
１４４〜１４６ 光導波路パターン
１４７ 赤色半導体レーザチップ
１４８ 緑色半導体レーザチップ
１４９ 青色半導体レーザチップ

Claims (10)

  1. 基板と、
    光走査回転軸を有し、前記基板に２次元光走査可能に支持された可動ミラー部と、
    前記可動ミラー部に設けられた硬質磁性薄膜と、
    前記可動ミラー部を駆動する交流磁場発生装置を少なくとも含む磁場発生装置と
    を有し、
    前記硬質磁性薄膜が膜平面方向に磁化方向を有し、
    前記硬質磁性薄膜の保磁力に対する前記磁場発生装置が発生する磁場の比が０．２以下である２次元光走査ミラー装置。
  2. 前記硬質磁性薄膜が、反射ミラーとなる請求項１に記載の２次元光走査ミラー装置。
  3. 少なくとも前記硬質磁性薄膜の表面に反射ミラーとなる反射膜を有する請求項１に記載の２次元光走査ミラー装置。
  4. 前記硬質磁性薄膜の保磁力が１００ｋＡ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の２次元光走査ミラー装置。
  5. 前記硬質磁性薄膜の磁化方向が、前記可動ミラー部の前記光走査回転軸に対して４５°±３０°内の範囲の角度である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の２次元光走査ミラー装置。
  6. 前記交流磁場発生装置に光走査信号を印加しない状態で前記可動ミラー部の反射面が前記基板の主面に対して４５°±３０°内の範囲で傾いていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の２次元光走査ミラー装置。
  7. 基板上に硬質磁性薄膜を成膜する工程と、
    前記硬質磁性薄膜を着磁する工程と、
    着磁した前記硬質磁性薄膜を加工して可動ミラー部を形成する工程と
    を有する２次元光走査ミラー装置の製造方法。
  8. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の２次元光走査ミラー装置と、
    前記基板上に形成された光源と
    を有する２次元光走査装置。
  9. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の２次元光走査ミラー装置と、
    前記２次元光走査ミラー装置を実装する実装基板と、
    前記実装基板上の前記２次元光走査ミラー装置にレーザ光を照射する位置に実装された
    光源と
    を有する２次元光走査装置。
  10. 請求項８または請求項９に記載の２次元光走査装置と、
    前記交流磁場発生装置に２次元光走査信号を印加して前記光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元光走査制御部と、
    前記走査された前記出射光を被投影面に投影する画像形成部と
    を有する画像投影装置。
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