JP3526318B2 - 光走査装置 - Google Patents

光走査装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光走査装置に関するも
のであり、特にレーザースキャン式の2次元バーコード
リーダーに好適な2次元の光走査装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】現在、複数の線の線幅、線間を一方向
(横方向)に異ならせて情報を現した1次元のバーコー
ドが在庫管理などの流通の分野で広く普及しているが、
最近ではより多くの情報を記録できるように線幅、線間
を縦、横2方向に異ならせた、いわゆる、2次元バーコ
ードの需要が高まりつつある。このような2次元バーコ
ードのスキャナーとしては、小型・低コスト・低消費電
力のハンディタイプのバーコードスキャナーが特に要望
されている。
【0003】ところで、この光走査装置として、"IBM
J.RES.DEVELOP.・vol.24・No.5・SEPTEMBER 1980 pp631-6
37"には、半導体製造プロセスを用いて製造され、静電
気によって駆動する、レーザースキャン方式を用いたハ
ンディ型の光スキャナが、提案されている。この光スキ
ャナについて図5を用いて簡単に説明する。まず図5
(a)に示すようにシリコンの基板101をエッチング
することで、外枠102、光反射板103、この光反射
板103と外枠102を接続する梁104a及び104
を形成する。次に図7に示すように、シリコン基板10
1を別に用意したシリコン基板105に陽極接合する。
ここでシリコン基板105には異方性エッチングによっ
て凹部107と光反射板の支持部108が形成され、こ
の両側の光反射板の下部に下部電極109a及び109
bが形成されている。なお、図5(b)は、図5(a)
のAA’に対応した断面図である。ここで、光反射板1
03を上部電極として接地して、下部電極の108aと
108bに交互に電圧を印加すると、上部電極と下部電
極の間に働く静電気力によって光反射板103が支持部
108を軸として上下に振動する。従って、光反射板に
レーザー光を照射することによって、光スキャナーとし
て機能させることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来装置では、光反射板103が振動するのは上下方向の
1方向のみであり、光は左右方向の直線上しか走査でき
ず、縦と横の2次元方向に走査するためには、基板10
1ごと直交方向に駆動するような別の手段を設ける必要
がある。
【0005】また、レーザー光を走査する際の光の振れ
角を大きくしようとすると、下部電極と光反射板の距離
を大きくしなければならない。また、静電気力は電極間
の距離の自乗に反比例するので、振れ角を大きくするた
めに距離を大きくすると、駆動に高い電圧を必要とする
ことになる。
【0006】従って、上記従来の装置では、光の振れ角
を大きくすると、電源の関係で低電圧化が必要なハンデ
ィタイプの光スキャナーとするのには適していないとい
う問題がある。そこで、本発明は、必要な光の振れ角を
得ることができるとともに、低電圧化が可能でハンディ
タイプに好適な光走査装置を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光走査装置の変位角度検出方法は、光反射部
と、この光反射部を揺動自在に支持する支持部とを有す
る光走査基板と、この光走査基板に対向して設けられ、
光反射部を所望の方向に傾けて、光を走査するよう、前
記光反射部に対して静電気力を作用させる駆動基板とを
備えた光走査装置の変位角度検出方法であって、前記光
反射部を揺動するための駆動交流波形に、光反射部の駆
動に影響を与えない程度に低い電圧振幅及び高い周波数
の検出用正弦波を重ね合わせることにより、前記光反射
部と前記駆動基板との間の電気容量を検出して変位角度
を検出することを特徴とする。
【0008】上記構成の本発明によれば、光反射部の変
位角度を検出することで、駆動波形をフィードバック制
御できるので、高精度の走査速度を得ることが可能であ
る。
【0009】
【0010】
【0011】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。図1は第1の構成要素である光走査基板1を示す
平面図である。この光走査基板1は、非常に薄い高濃度
の単結晶シリコン(又は、多結晶シリコン、Al又は、
AlC1等の金属薄膜)の板より成り、その中心部に設
けられ光を反射する領域となる第1の領域(以下、光反
射部とする)2と、この光反射部2を支持する梁3およ
び、光反射部2の外周をとりまくように設けられた第2
の領域4(ここで、梁3と、第2の領域4を第1支持部
と称する)と、更にこの第2の領域4を支持する梁5、
および、前記第2の領域4の外周をとりまく第3の領域
6(ここで、梁5と、第3の領域6を第2支持部と称す
る)とから構成されている。
【0012】次に第2の構成要素である光駆動基板10
について説明する。図2は、この光駆動基板10を示す
平面図である。光駆動基板10は表面に絶縁膜であるシ
リコン酸化膜を形成した単結晶シリコンよりなり、これ
には外周部11を残して窪み12が形成されている。そ
して、この窪み12には、上記光走査基板1の光反射部
2に対応してピラミッド状の突起13が設けられ、さら
に、上記第1支持部の第2の領域4に対応して、前記突
起13を挟むようにして2つのピラミッド状の突起1
4,15が設けられている。さらに突起13の対向する
2つの側面部には金属電極16aと16bが形成されて
いる。
【0013】また、突起14,15には、前記突起13
の金属電極16a,16bが設けられた面と直交する側
面部に、それぞれに金属電極17a,17bと18a,
18bが形成されている。ここで、前記突起13、電極
16a,16bは、光走査基板2を走査する第1の走査
部であり、前記突起14、15、電極17a,17b,
18a,18bは、一対で第1支持部である第2の領域
4を走査する第2の走査部であり、この二つの走査部に
より、図の破線で示したような、光走査部19を形成し
ている。なお、図示していないが、各電極は配線によっ
て外部に導出されて独立に電圧を印加できるようになっ
ている。
【0014】このようにして形成した光走査基板1と、
光駆動基板10を図3に示すように、陽極接合等の方法
を用いて接合することにより、光走査装置20となる。
ここで接合は前記光駆動基板10の外周部11の上面の
領域で行われている。なお、この図3は図2に記された
中心線AA'の位置での断面図である。ここで前記光走査
基板1を接地して電極16aをバイアスすると、この電
極16aと、前記光反射部2との間に発生する静電気力
によって、前記梁3に捻りモーメントが働き、図3に破
線で示したように、光反射部2が電極16aを形成した
側面に向って傾く。逆に電極16bにバイアスすると逆
方向である電極16b側に傾く。
【0015】また、電極17a,18aをバイアスする
と、今度は、梁5に捻りモーメントが作用し、第2の領
域4が電極17a,17bを形成した側面、つまり、先
ほどの光反射部2が傾いた方向と直交する方向に向って
傾く。このとき、光反射部2は、第2の領域4と同じ方
向に傾くことは言うまでもない。電極17b,18bを
バイアスした場合は当然逆方向に傾くことになる。
【0016】このように、各電極に印加するバイアスを
適切に制御することによって、光反射部2を縦、横の直
交する2軸方向に傾けることができ、この光反射部2の
領域に光を当てて反射させることで光スキャナーとして
機能させることができる。また、光駆動基板10に設け
た各電極16,17,18がピラミッド上の突起の傾斜
した面に配置されているので、上部電極(第1の領域2
及び第2の領域3に対応)に近接して配置して、振れ角
を大きくした場合にあっても上部電極と下部電極16,
17,18が接触することはない。従って、特に斜面に
形成された下部電極16,17,18の上部の領域で、
強い静電気力が生じ、低電圧でも大きな静電気力を作用
させることができるので、駆動電圧を下げることができ
る。
【0017】次に、この光走査装置20の製造方法につ
いて簡単に説明すると、第1の構成要素である光走査基
板1はシリコンの電気化学エッチングによって相当に薄
いシリコン板を所定の形状に加工することができる。さ
らに、拡散層の深さを変えることによって、例えば梁の
部分を薄くすることなども容易である。これは実際には
P型シリコン基板の所定領域にN型の拡散層を形成し
て、これにバイアスした状態でアルカリ性溶液でエッチ
ングすることによって実現できる。
【0018】また、第2の構成要素である光駆動基板1
0の窪み12とピラミッド状の突起13,14、及び、
15はシリコンの異方性エッチングによって形成でき
る。この後で形成される各電極との絶縁は加工後に酸化
することで容易に達成できる。電極については外部への
導出も含めて半導体のリソグラフィー技術で形成する。
さらに、光走査基板1と各電極との短絡防止は、電極形
成後にプラズマCVDによる絶縁膜を形成することで可
能となる。加えてピラミッド状の突起の斜面は結晶の面
方位と異方性エッチングのエッチャントを適切に選択す
ることで、光スキャナーに必要な振れ角に対応して最適
化することができる。特に底面に対するピラミッド状の
突起の斜面の角度を、光スキャナーの振れ角のほぼ等し
くすると、駆動に要する電圧を最も小さくすることがで
きる。
【0019】また、上記実施例では1つの光走査装置に
ついて図示したが、光反射部2を有する光走査基板1、
および、光走査部19を有する光駆動基板10は、とも
に半導体技術を用いることにより、一枚のシリコン基板
上に、非常に小さく、しかも多数を同時に形成すること
が可能で、更にこれらを一括して陽極接合することがで
きる。従って、一枚のシリコン基板上に、複数の光走査
基板、光駆動基板を作り込み、一括して接合したのち
に、切り放して光走査装置を設けることにより、複数の
複雑な組立工程が不要で、大量生産が可能となるので、
大幅なコストダウンが図れる。
【0020】また、光反射部2の駆動には静電気力が用
いられるので、消費電力を非常に小さくすることができ
る。さらにまた、上記実施例では2次元の光スキャナー
について説明したが、これが1次元の光スキャナーに対
しても適用できることはいうまでもない。次に、この光
走査装置の駆動方法について説明する。走査に用いられ
る駆動波形は光スキャナーとして使用する最適な周波数
で、走査速度を一定に保つような波形が用いられる。こ
の波形は光反射板が所定の時間-変位角度の関係を得ら
れるように最適化される。
【0021】一方、高精度の走査速度を得ることが必要
な場合は走査中に変位角度を検出して駆動波形をフィー
ドバック制御することが望ましい。このような変位角度
の検出方法の第1の方法について以下に説明する。駆動
波形は一般的に光走査板を変位させるために例えば数1
0Hzと比較的周波数が小さく、振幅については例えば
10V程度の比較的大振幅の波形が用いられる。これに
例えば振幅が10mvで周波数が10MHzの十分の正
弦波を重ね合わせる。この重ね合わせる波形は、振幅が
十分に小さいために光反射板の変位には影響を与えず、
周波数が高いために駆動基板の各電極に流れる電流を実
質的に規定することになる。この場合、駆動基板の電極
に流れる電流は電極と走査基板の容量に比例するので、
この電流から変位角度を求めることができる。従って駆
動時の電流量によって走査速度をフィードバック制御す
ることができる。
【0022】次に変位角度の検出の第2の方法につい
て、第3の実施例として図4を用いて説明する。まず図
4(a)に示すように石英などの透明基板50にジンク
オキサイド等の透明な導電性材料より成る電極51と5
2を形成する。ここで、特に図示しないが、各電極に対
して、外部に導出する配線も形成する。これを図4
(b)に示すように、第1の実施例に示した光走査装置
20の光走査基板1の上部に陽極接合する。ここで透明
基板50は、光反射部2の動きを妨げないように、光走
査板との間に隙間53ができるように加工されている。
また、電極51と52の位置は光反射部2と第2の領域
4にそれぞれ対応している。この電極51,52に振幅
の小さい正弦波を印加すると、走査基板との間に流れる
電流は石英基板の電極と走査基板の間の容量に比例する
ため、反射板の変位に応じて変化する。従ってこの電流
を測定することによって光反射板の動きをフィードバッ
ク制御することができる。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所望の光の振れ角を有し、消費電力が少なくてすみ、小
型化が可能な光走査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における光走査基板の構成を
示す図である。
【図2】この実施例の光駆動基板の構造を示す図であ
る。
【図3】この実施例の光走査装置の構成を説明するため
の図である。
【図4】本発明における光反射板の変位角度を検出する
実施例を説明するための図であり、(a)は、透明基板
の構成を示す図、(b)は、全体構成を示す図である。
【図5】従来の光走査装置を説明するための図であり、
(a)は、基板を示す図、(b)は、AA’断面図であ
る。
【符号の説明】
1 光走査基板(第1の領域) 2 光反射部 3,5 梁 4 第2の領域 5 梁 6 第3の領域 10 光駆動基板 11 外周部 12 窪み 13,14,15 突起 16a,16b,17a,17b,18a,18b 金
属電極 19 走査部 20 光走査装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06K 7/10 G02B 26/10 104

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光反射部と、この光反射部を揺動自在に支
    持する支持部とを有する光走査基板と、 この光走査基板に対向して設けられ、光反射部を所望の
    方向に傾けて、光を走査するよう、前記光反射部に対し
    て静電気力を作用させる駆動基板とを備えた光走査装置
    の変位角度検出方法であって、 前記光反射部を揺動するための駆動交流波形に、光反射
    部の駆動に影響を与えない程度に低い電圧振幅及び高い
    周波数の検出用正弦波を重ね合わせることにより、前記
    光反射部と前記駆動基板との間の電気容量を検出して変
    位角度を検出することを特徴とする光走査装置の変位角
    度検出方法。
  2. 【請求項2】光反射部と、この光反射部を揺動自在に支
    持する支持部とを有する光走査基板と、 この光走査基板に対向して設けられ、光反射部を所望の
    方向に傾けて、光を走査するよう、前記光反射部に対し
    て静電気力を作用させる駆動基板とを備えた光走査装置
    の変位角度検出方法であって、 前記光走査装置は、前記光反射部に対して前記駆動基板
    と反対側に設けられた透明基板上の前記光反射部に対向
    する位置に設けられた透明な検出電極をさらに備え、該
    検出電極と該光反射部の間の電気容量を検出することで
    光走査装置の変位角度を検出することを特徴とする光走
    査装置の変位角度検出方法。
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