JP4545981B2 - 光スキャナ装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出射される光を予め定められた周波数で走査する光スキャナ装置及びその製造方方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を予め定められた周波数で走査する光スキャナ装置は、イメージリーダやＯＣＲやバーコード読取装置に組込まれている。そして、近年、光スキャナ装置の用途が、前述したイメージリーダやＯＣＲやバーコード読取装置の他にも、一次元や二次のディスプレ装置に使用される場合が増えてきた。すなわち、走査方向が互いに直交する複数の光スキャナ装置をディスプレ装置に組込み、かつ各光スキャナ装置においては、光源から出力される光の色（波長）、明度を動的に変更することによって、スクリーン上に、二次画像を形成する。
【０００３】
このようなディスプレ装置は、卓上端末や携帯端末に組込まれる場合がある。
このような卓上端末や携帯端末に組込まれるディスプレ装置は、当然、小型化、軽量化、小電力化が要求される。そして、このディスプレ装置内に組込まれる１個又は複数個の光スキャナ装置は、さらに小型化、軽量化、小電力化が要求される。
【０００４】
このような、小型化、軽量化、小電力化が図られた光スキャナ装置（ガルバノミラー）が提唱されている（特開平７―１７５００５号公報）。
【０００５】
すなわち、図８（ａ）（ｂ）に示すように、両面が間隔を開けて一対のガラス基板２ａ、２ｂで覆われた矩形形状のシリコン基板１の内部に両端をトーションバー４ａ、４ｂで周囲に支持された可動板３を形成している。トーションバー４ａ、４ｂ及び可動板３は、シリコン基板１と一体成形されている。この矩形形状を有する可動板３の表面の周辺に沿ってコイル５が印刷配線されている。
【０００６】
このコイル５の両端は各トーションバー４ａ、４ｂを経由して周囲のシリコン基板１に設けられた各電極端子６ａ、６ｂに接続されている。電極端子６ａ、６ｂには、図示しない励磁電源から交流の励磁電流が印加される。可動板３の表面におけるコイル５の内側に全反射ミラー７が貼付けられている。
【０００７】
さらに、可動板３のコイル５に対向する位置にガラス基板２ａ、２ｂを介して永久磁石８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂが取付られている。また、図示しない光源から線状の光線が全反射ミラー７に照射される。
【０００８】
このような構成の光スキャナ装置（ガルバノミラー）において、各トーションバー４ａ、４ｂは十分細いので、可動板３はこのトーションバー４ａ、４を軸として簡単に回転（回動）振動が励起する。可動板３においては、トーションバー４ａ、４の軸周りの共振周波数が存在する。
【０００９】
励磁電源からコイル５に交流の励磁電流を印加すると、コイル５が磁化して、永久磁石との間に磁気的吸引力及び磁気的排斥力が働くので、可動板３はトーションバー４ａ、４を軸とし往復回動運動する。ここで、コイル５に印加する交流の励磁電流の周波数を前述した共振周波数に設定することによって、少ない駆動電流で、可動板３は大きく、かつ安定した周波数で振動する。
【００１０】
よって、可動板３に取付けられた全反射ミラー７で反射た光線が前記共振周波数で操作（スキャン）されることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す光スキャナ装置においてもまだ改良すべき次のような課題があった。
【００１２】
すなわち、可動板３の表面にコイル５を印刷配線し、さらに、このコイル５の内部に全反射ミラー７を取付けているので、可動板３自体を一定以上に小型化できない。
【００１３】
さらに、可動板３の表面にコイル５を印刷配線しているので、このコイル５に励磁電流を供給するために、リード線をトーションバー４ａ、４ｂを経由して周囲のシリコン基板１に設けられた電極端子６ａ、６ｂまで導いて、さらに、この電極端子６ａ、６ｂに励磁電源を半田等にて接続する必要がある。したがって、装置全体が複雑化する問題があった。
【００１４】
また、シリコン基板１の電極端子６ａ、６ｂに対する煩雑な配線作業が必要であるので、製造工程が複雑化する問題が生じる。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振子側に磁性体を設け、共振子側の共振現象及び弾性的復元力を利用して光を走査することによって、装置全体のより一層の小型軽量化を図ることができ、さらに消費電力の低減化と製造費の低下とを図ることができる光スキャナ装置、及び光スキャナ装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解消するために、シリコン材料の有する共振子に必要とされる剛性、ねじり応力が印加される梁としての優れた弾性特性、少ないヒステリシス特性、及び優れた微細加工性に着目して行われたものである。
【００１７】
すなわち、本発明の光スキャナ装置においては、単結晶シリコン材料で形成されたプレートと、このプレートに穿設された窓内に設けられ、プレートと同一材料で形成された共振子と、プレート及び共振子と同一材料で一体形成され、共振子を窓の互いに対向する窓枠に支持する一対の梁と、共振子の一方の面に形成された磁性体埋込用の凹部と、この凹部内に設けられた磁性体と、この磁性体に共振子の共振周波数に対応した周波数の交流磁界を印加する磁界印加手段と、共振子の他方の面に形成された鏡面と、この鏡面へ光を照射する光源とを備えている。
【００１８】
このように構成された光スキャナ装置においては、単結晶シリコン材料で形成されたプレートの窓内に形成された共振子は、一対の梁で窓枠に支持されている。したがって、この共振子は、梁のねじりばね定数Ｋと共振子の重量や形状で定まる慣性モーメントＬを用いて次式で示される共振周波数ｆ₀を有する。
【００１９】
ｆ₀＝（１／２π）（Ｋ／Ｌ）^1/2
共振子には磁性体が設けられているので、この磁性体に共振子の共振周波数に対応した周波数の交流磁界を印加すれば、磁性体に磁気的吸引力、及び梁の弾性的復元力が作用するので、この共振子は少ないエネルギで振動する。
【００２０】
この共振子には鏡面が形成されているので、この鏡面に光源から光を照射することによって、光を前記共振周波数で走査（スキャン）させることが可能となる。
【００２１】
また、別の発明における光スキャナ装置の製造方法においては、
先ず、単結晶シリコン材料で形成されたプレートの一方面に描かれた窓の外側とこの窓の内側に描かれた共振子とこの共振子を窓の互いに対向する窓枠に支持するための一対の梁とをマスクするとともに、プレートの他方面における共振子に対応する位置に描かれた磁性体埋込用の凹部以外をマスクする。
【００２２】
次に、プレートにおける窓の内側における共振子及び一対の梁以外の領域を貫通エッチングして共振子を形成するとともに、プレートの他方面に磁性体埋込用の凹部を部分エッチングで形成する。
さらに、形成された共振子の凹部内に磁性体を設けるとともに、共振子の凹部の反対面を鏡面に形成し、磁性体の対向位置に前記共振子の共振周波数に対応した周波数の交流磁界を発生する磁化器を設置する。そして、共振子に形成された鏡面へ光を照射する光源を設置する。
【００２３】
このように構成された光スキャナ装置の製造方法においては、プレートを単結晶シリコン材料で形成し、このプレートから共振子及びこの共振子を窓枠に支持する一対の梁を、マスク及びエッチング処理を含む既存の半導体製造技術で形成している。
【００２４】
したがって、この共振子及びこの共振子を窓枠に支持する一対の梁の大きさをマイクロ・メータのオーダまで小型化できる。また、磁性体埋込用の凹部を高精度の寸法で形成できるので、共振子の共振周波数の確度が向上する。さらに、磁性体を凹部に埋込むために、空気抵抗が減少し、Ｑ値の向上が実現できるため、少ない磁気エネルギでスキャンを実施できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
図１は実施形態に係る光スキャナ装置の概略構成を示す断面模式図であり、図２は、この光スキャナ装置におけるプレートを取出して示す正面図である。なお、図１は、図２のプレートをＡ―Ａ線で切断した場合の断面図である。
【００２６】
図１、図２において、単結晶シリコン材料で形成されたプレート１１は、幅１２ｍｍ、高さ１６ｍｍ、厚み０．２ｍｍを有した矩形状に形成されている。この矩形状のプレート１１の中央部に表裏に貫通する横方向に長尺の窓１２が形成されている。この長尺な窓１２内に、やはり長尺な共振子１３が設けられている。
この共振子１３は、長尺な窓１２の上下に位置する一対の窓枠１２ａ、１２ｂに対して、一対の梁１４ａ、１４ｂで接続されている。
【００２７】
なお、共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂはプレート１１と同一材料で形成されている。具体的には、プレート１１から、窓１２内の共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂ以外の部分を貫通エッチングすることによって、窓１２内に、共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂを形成している。
【００２８】
図３（ａ）は、共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂの具体的寸法を示す図である。共振子１３は、幅８ｍｍ、高さ６ｍｍ、厚み０．２ｍｍを有した長尺に形成されており、長尺方向の両端は円形に形成されている。このように、両端を円形に形成することにより、この共振子１３が梁１４ａ、１４ｂを回転軸として振動した場合における風の抵抗を軽減できる。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、この共振子１３の一方面（裏面）は鏡面１８に仕上げられており、共振子１３の他方面（表面）には、矩形状の凹部２１が形成されており、この凹部２１内にパーマロイ等の磁性体１５が勘入固定されている。そそして、この磁性体１５の前面は、振動した場合における風の抵抗を軽減するために、共振子１３の表面に一致させている。そして、この磁性体１５は、幅５ｍｍ、高さ２ｍｍ、厚み０．１ｍｍの形状を有している。
【００３０】
なお、図３においては、１枚の磁性体１５を共振子１３の表面に取付けたが、図４（ａ）に示すように、２枚の磁性体１５ａを共振子１３の表面に取付けることも可能である。さらに、図４（ｂ）に示すように、さらに多数の磁性体１５ｂを共振子１３の表面に取付けることも可能である。
【００３１】
図３（ａ）において、振動子１３を各窓枠１２ａ、１２ｂに支持する梁１４ａ、１４ｂは、長さが２ｍｍで、０．２ｍｍ×０．２ｍｍの断面形状を有する。
【００３２】
この梁１４ａ、１４ｂのねじりバネ定数をＫとし、振動子１３の梁１４ａ、１４ｂ回りの慣性モーメントをＬとすると、この振動子１３の梁１４ａ、１４ｂ回りの共振周波数ｆ₀は前述したように、
ｆ₀＝（１／２π）（Ｋ／Ｌ）^1/2
となる。
【００３３】
図１に示すように、振動子１３の磁性体１５が形成された表側の梁１４ａ、１４ｂを挟んだ一方側に、磁性体１５に対して、所定間隔ｄを介して、棒状の磁化鉄心１６ａと磁化コイル１６ｂとからなる磁化器１６が配設されている。この磁化器１６に対して励磁電源１７が接続されている。この励磁電源１７は、磁化器１６に対して、振動子１３の共振周波数ｆ₀に等しい周波数を有する交流の励磁電流を印加する。
【００３４】
なお、図４（ａ）に示すように、２枚の磁性体１５ａを共振子１３の表面に取付けた場合においては、図４（ｃ）に示すように、磁化器１６を、幅広の磁気ギャップが形成されら磁化鉄心１６ｃと磁化コイル１６ｂとで構成した方が効果的に、磁性体１５ａとの間の磁気的吸引力が作用する。
【００３５】
一方、共振子１３の鏡面１８が形成された裏面側には光源１９が配設されている。この光源１９から出力された光２０は、振動子１３の鏡面１８における梁１４ａ、１４ｂが形成された中心線上に入射角θで入射される。入射した光２０は、鏡面１８で反射されて、この光スキャナ装置から走査（スキャン）された光２０ａとして、出力される。
【００３６】
このように構成された光スキャナ装置の動作を図５の模式図を用いて説明する。
励磁電源１７から交流の励磁電流が磁化器１６の磁化コイル１６ｂに印加されると、磁化器１６の磁化鉄心１６ａの近傍に交流（交番）磁界が発生する。したがって、この交流（交番）磁界にて磁性体１５との間に周期的にオン／オフ、又は周期的に増減する磁気的吸引力が作用する。
【００３７】
すると、磁気的吸引力がオン又は増加している期間においては、共振子１３は、梁１４ａ、１４ｂにおける復元力（ねじり応力）に抗して、図５の破線で示すように、梁１４ａ、１４ｂを中心に回動して、磁化器１６に接近する。その瞬間、磁気的吸引力がオフ又は減少すると、共振子１３は、梁１４ａ、１４ｂにおける復元力が作用して、共振子１３は実線で示す元の位置へ戻る。
【００３８】
したがって、共振子１３は、実線位置と破線位置との間で往復動作を繰返す。
繰返し周波数は、励磁電源１７から印加される交流の励磁電流の周波数である。
この周波数は、前述したように、共振子１３の共振周波数ｆ₀に等しいので、低い励磁電流で、共振子１３は、梁１４ａ、１４ｂの軸周りに、共振周波数ｆ₀で、回動動作を行う。この回動動作の振幅（角度範囲）は、励磁電源１７から磁化器１６へ供給する交流の励磁電流の振幅を調整することによって、任意に設定可能である。
【００３９】
したがって、この共振子１３の裏面の鏡面１８における傾斜角度も共振周波数ｆ₀で周期的に変化するので、この鏡面１８で反射してこの光スキャナ装置から出射される光２０ａは、共振周波数ｆ₀の周期で走査（スキャン）される。
【００４０】
このように構成された光スキャナ装置においては、単結晶シリコン材料で形成されたプレート１１の窓１２内に形成された共振子１３２は、一対の梁１４ａ、１４ｂで窓枠１２ａ、１２ｂに支持されている。さらに、共振子１３には磁性体１５が設けられ、磁性体１５に共振子１３の共振周波数ｆ₀に対応した周波数の交流磁界を磁化器１６で印加している。よって、共振子１３に磁気的吸引力及びバネの復元力が作用するので、この共振子１３は少ないエネルギで振動する。その結果、共振子１３の裏面の鏡面１８で反射される光２０ａが走査（スキャン）される。
【００４１】
このように、出力される光２０ａの走査（スキャン）機構として、共振子１３の振動現象を採用している、小型軽量化を図ることができ、さらに消費電力の低減化とを図ることができる。
さらに、共振子１３に磁性体１５のみを取付けているのみであるので、図８に示した、可動板にコイルを印刷配線で施した従来装置に比較して、共振子１３をより小型化でき、装置全体をより一層小型化できる。
【００４２】
また、前述したように、単結晶シリコン材料は、共振子１３に必要とされる剛性、ねじり応力が印加される梁としての優れた弾性特性、少ないヒステリシス特性、及び優れた微細加工性を有しているので、上述した小型軽量化をより一層向上することができる。
【００４３】
また、複数の光スキャナ装置を、光の走査（スキャン）が互いに特効する方向に配設することによって、仮想３次元画像を実現することができる。
【００４４】
さらに、この光スキャナ装置を、前述した商品に付されたバーコード読取装置や、イメージリーダや、ＯＣＲに組込むことが可能ある。また、ある一定の角度範囲内に存在する物体を検出するセンサ装置や、光ファイバ等の微小物体の直径を測定する非接触型の寸法測定装置に組込むことも可能である。
【００４５】
さらに、励磁電源１７から出力する励磁電流を直流のオン／オフ信号とすることによって、光経路分岐器として光学機器に組込むことも可能である。
【００４６】
なお、本発明の光スキャナ装置は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、磁化器１６を共振子１３の回動中心となる梁１４ａ、１４ｂ位置に対向配置することも可能である。
【００４７】
この場合、磁化器１６で交流磁界を発生させると、この交流磁界で磁性体１５が磁化される。一般に、回動自在に支持された磁性体１５が磁化されると、地磁気の方向を向く。したがって、共振子１３は、梁１４ａ、１４ｂにおける復元力（ねじり応力）に抗して、図６の破線で示すように、梁１４ａ、１４ｂを中心に回動して、地磁気の方向を向く。その瞬間、印加されている磁界がオフ又は減少すると、磁性体１５の磁化が解消され、共振子１３は、梁１４ａ、１４ｂにおける復元力が作用して、共振子１３は実線で示す元の位置へ戻る。
【００４８】
よって、共振子１３は、実線位置と破線位置との間で往復動作を繰返すので、前述した実施形態の光スキャナ装置と同様の作用効果を奏することが可能である。
【００４９】
次に、上述した光スキャナ装置の製造方法を図７を用いて説明する。
先ず、単結晶シリコン材料で形成された厚み０．２ｍｍを有した円盤状のシリコンウエハ２２の一方面（表面）に、幅１２ｍｍ、高さ１６ｍｍを有した矩形状のプレート１１を描き、さらに各プレート１１における共振子１３の中央部に磁性体１５を装着するための凹部２１を描き、この凹部２１以外の領域上にマスク層２３を形成する。
【００５０】
次に、円盤状のシリコンウエハ２２の他方面（裏面）に、同じく、幅１２ｍｍ、高さ１６ｍｍを有した矩形状のプレート１１を描き、さらに各プレート１１内に窓１２、共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂを描き、窓１２以外の部分にマスク層２３を形成する。
【００５１】
この状態で、ＩＣＰＲＩ（誘導結合プラズマ・イオン・エッチング）装置２４を用いて、シリコンウエハ２２の一方面（表面）を部分エッチングによって各凹部２１を形成する。さらに、ＩＣＰＲＩ装置２４を用いて、シリコンウエハ２２における他方面（裏面）から各プレート１１の窓１２の内側における共振子１３及び梁１４ａ、１４ｂ以外の窓１２部分を貫通エッチングする。そして、シリコンウエハ２２の両面に残ったマスク層２３を洗浄液で洗浄して除去する。
【００５２】
次に、シリコンウエハ２２の他方面（裏面）における各プレート１１における共振子１３の裏面にクロム・金（ＣｒＡｇ）を蒸着して、鏡面１８を形成する。
【００５３】
次に、シリコンウエハ２２をダイシング装置で切断して、各プレート１１を切り離す。そして、切り離された各プレート１１の共振子１３の部分エッチングによって形成された凹部２１内に磁性体１５を装着する。具体的には、この磁性体１５をエポキシ系の接着剤を用いて凹部２１内に固定する。
【００５４】
その後、共振子１３における磁性体１５の対向位置に共振子１３の共振周波数ｆ₀に対応した周波数の交流磁界を発生する磁化器１６を設置し、この磁化器１６に励磁電流を供給する励磁電源１７を準備する。さらに、共振子１３の裏面に形成された鏡面１８へ光２０を照射する光源１９を設置する。
【００５５】
このように構成された光スキャナ装置の製造方法においては、円盤状のシリコンウエハ２２上に多数のプレート１１を描き、各プレート１１から共振子１３及びこの共振子１３を窓枠１２ａ、１２ｂに支持する一対の梁１４ａ、１４ｂに対して、マスク処理及びエッチング処理を、ＩＣＰＲＩ装置２４等の既存の半導体製造装置を用いて、かつ既存の半導体製造技術で実施している。
【００５６】
したがって、この共振子１３及びこの共振子１３を窓枠１２ａ、１２ｂに支持する一対の梁１４ａ。１４ｂの大きさを数マイクロ・メータのオーダまで小型化できる。また、寸法精度を向上できる。さらに、特に、特殊な製造手法を採用していないので、製造費が格別に上昇することはない。
【００５７】
さらに、１枚の円盤状のシリコンウエハ２２から一度に共振子１３が形成されたプレート１１を多数製造できるので、多数の光スキャナ装置を短時間で効率的に製造できる。
【００５８】
なお、本発明の光スキャナ装置の製造方法は、上述した実施形態方法に限定されるものではない。
例えば、シリコンウエハ２２の裏面の窓１２以外にマスク層２３を形成し、その後に、シリコンウエハ２２の表面の磁性体埋込用の凹部２１以外にマスク層２３を形成してもよい。さらに、貫通エッチング処理と部分エッチング処理の順序を逆にしてもよい。
【００５９】
さらに、実施形態製造方法においては、深さ０．１ｍｍの凹部２１内に予め別途製造されている磁性体１５を接着剤を用いて取付けた。しかし、この深さ０．１ｍｍの凹部２１の底面に厚さ０．１ｍｍの磁性体をメッキ層で形成することも可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光スキャナ装置においては、共振子側に磁性体を設け、共振子側の共振現象及び弾性的復元力を利用して光を走査している。したがって、装置全体のより一層の小型軽量化を図ることができ、さらに消費電力の低減化と製造費の低下とを図ることができる。
【００６１】
また、本発明の光スキャナ装置の製造方法においては、プレートを単結晶シリコン材料で形成し、このプレートから共振子及びこの共振子を窓枠に支持する一対の梁の形成を、エッチング処理を含む既存の半導体製造技術で実施している。
【００６２】
したがって、共振子及び一対の梁の大きさをマイクロ・メータのオーダまで小型化でき、さらに、寸法精度を向上できる。また、既存の半導体製造技術を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる光スキャナ装置の概略構成を示す断面模式図
【図２】同実施形態の光スキャナ装置のプレートを取出して示す図
【図３】同実施形態の光スキャナ装置の共振子を取出して示す図
【図４】同実施形態の光スキャナ装置における共振子の変形例を示す図
【図５】同実施形態の光スキャナ装置の動作原理を説明するための図
【図６】本発明の他の実施形態に係わる光スキャナ装置の動作原理を説明するための図
【図７】本発明の一実施形態に係わる光スキャナ装置の製造方法における製造手順を示す図
【図８】従来の一般的な光スキャナ装置（ガルバノメータ）の概略構成を示す図
【符号の説明】
１１…プレート
１２…窓
１２ａ、１２ｂ…窓枠
１３…共振子
１４ａ、１４ｂ…梁
１５…磁性体
１６…磁化器
１７…励磁電源
１８…鏡面
１９…光源
２０、２０ａ…光
２１…凹部
２２…シリコンウエハ
２３…マスク層
２４…ＩＣＰＲＩ装置

Claims (2)

1. 単結晶シリコン材料（２３）で形成されたプレート（１１）と、
   このプレートに穿設された窓（１２）内に設けられ、前記プレートと同一材料で形成された共振子（１３）と、
   前記プレート及び前記共振子と同一材料で一体形成され、前記共振子を前記窓の互いに対向する窓枠（１２ａ、１２ｂ）に支持する一対の梁（１４ａ、１４ｂ）と、
   前記共振子の一方の面に形成された磁性体埋込用の凹部（２１）と、
   この凹部内に設けられた磁性体（１５）と、
   この磁性体に前記共振子の共振周波数（ｆ₀）に対応した周波数の交流磁界を印加する磁界印加手段（１６，１７）と、
   前記共振子の他方の面に形成された鏡面（１８）と、
   この鏡面へ光（２０）を照射する光源（１９）と
   を備えた光スキャナ装置。
2. 単結晶シリコン材料で形成されたプレートの一方面に描かれた窓の外側とこの窓の内側に描かれた共振子とこの共振子を前記窓の互いに対向する窓枠に支持するための一対の梁とをマスクするとともに、前記プレートの他方面における前記共振子に対応する位置に描かれた磁性体埋込用の凹部以外をマスクし、
   前記プレートにおける窓の内側における前記共振子及び一対の梁以外の領域を貫通エッチングして共振子を形成するとともに、前記プレートの他方面に磁性体埋込用の凹部を部分エッチングで形成し、
   前記形成された共振子の凹部内に磁性体を設けるとともに、共振子の凹部の反対面を鏡面に形成し、
   前記磁性体の対向位置に前記共振子の共振周波数に対応した周波数の交流磁界を発生する磁化器を設置し、
   前記共振子に形成された鏡面へ光を照射する光源を設置する
   ことを特徴とする光スキャナ装置の製造方法。

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