JPH0560993A

JPH0560993A - 光偏向器

Info

Publication number: JPH0560993A
Application number: JP24667991A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yagi; 隆行八木; Masaru Nakayama; 優中山; Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Osamu Takamatsu; 修高松; Yutaka Hirai; 裕平井; Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-08-31
Filing date: 1991-08-31
Publication date: 1993-03-12
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: JP2983088B2

Abstract

(57)【要約】【目的】１つの光偏向部を２軸廻りに偏向可能とす
る。【構成】回転軸の重心位置が同一になるように設けら
れた反射板２８及び内枠２５は、それぞれ可撓梁２６、
２７及び可撓梁２３、２４によって支持され、これらの
反射板２８、内枠２５は下方に設けられた固定電極３
１、３２の一方、又は固定電極３３、３４の一方に電圧
を印加すると、静電気力を受けて可撓梁２３、２４、２
６、２７を軸として回転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型の機械式光偏向器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、主として使われている光偏向器に
は、結晶の超音波による歪を利用した音響光学式光偏向
器や、結晶の電場による屈折率変化を利用した電気光学
式光偏向器、或いはガルバノメータ、回転鏡等を利用し
た機械式光偏向器等がある。

【０００３】中でも、機械式光偏向器は光の波長によら
ずに等角度偏向が行えるため、多重波長光源を使用する
場合や、光源に波長変動等がある場合に非常に有用にな
る。また、安定した回転速度や高精度な偏向角を得るた
めに、回転軸を重くしたりロータに大型の電磁石を用い
たりしている。

【０００４】一方、軽量化や小型化を目的としても様々
な検討がされているが、近年シリコンプロセスを用いた
マイクロメカニクス技術による非常に小型な光偏向器が
提案されている。この提案には２つの形態があり、１つ
は片持ち梁型(K.E.Petersen,Applied Physics Letters,
Vol.31, P521,1977)であり、他の１つは両持ち梁型(K.
E.Petersen,IBM J.Res.Develo.,Vol.24, P631,1980)で
ある。このうち、後者の両持ち梁型には、光学的効率の
向上や撓み安定性を考慮した空間光偏向器（ラリー・ジ
ェイ・ホーンベック、特開平２−８８１２号公報）が知
られている。

【０００５】図１６はこの空間光偏向器の一画素の一部
断面とした斜視図である。図１６において、画素１はモ
ノリシックなシリコンをベースとして、撓み可能な２つ
の梁により反射面を有する構成になっている。即ち、シ
リコン基板２上に絶縁層３を介して絶縁スペーサ４、金
属丁番層５及び金属梁層６が積層されている。つまり、
金属丁番層５と同層の可撓梁７及び可撓梁８、金属梁層
６と同層の反射面９、及び反射面９の下に空隙を介して
反射面９の角度を変えるための駆動用固定電極１０、固
定電極１１、固定電極１２から成っている。

【０００６】例えば、固定電極１１に電圧を印加する
と、反射面９と固定電極１１の間に静電気力が発生して
可撓梁７、８が捩れて、反射面９に撓み角が生じ、反射
面９に入射した光は撓み角の量に応じた反射角を得て偏
向される。このような光偏向器は光を一方向の軸のみに
偏向する構成であり、シリコン基板２をベースとしたシ
リコンプロセスによって製造し得る。従って、比較的低
コストに製作することができ、シリコン基板２上に二次
元配置してアレイ化することによって、静電印刷等のプ
リンタや投影型のディスプレイ等に応用することも考え
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
光偏向器は、アレイ化することによってのみライン状或
いは二次元状の画像を形成することができるが、単一画
素としての応用には限度がある。また、可撓梁７、８を
形成するために必要とされる画素間の隙間１３では光反
射が行われないため、画像上ではそこが暗部となってし
まうという極めて大きな問題点が存在する。

【０００８】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
１個の光偏向部によって２軸方向への光反射を独立して
可能にし、かつ光偏向部を二次元的に配置することによ
って画像上の暗部を無くする光偏向器を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る光偏向器は、２つの回転軸を有する複
数の可動部の各回転軸の重心位置を同一とし、前記回転
軸上に前記可動部を回転支持するための２組の可撓梁を
それぞれ設け、前記可動部の下面に空隙を介して対向す
る複数の固定電極を設け、これら固定電極に電圧を印加
して前記可撓梁を軸として前記可動部を回転し、前記可
動部の一部を反射面として光偏向を行うことを特徴とす
るものである。

【００１０】

【作用】上述の構成を有する光偏向器は、複数の可動板
の下面に設けた固定電極に電圧を印加すると、可動板を
支持する直交する２方向の可撓梁が撓んで、可動板がそ
れぞれの回転軸廻りに独立して回転する。

【００１１】

【実施例】本発明を図１〜図１５に図示の実施例に基づ
いて詳細に説明する。図１は１個の画素から成る光偏向
器２１の斜視図である。この光偏向器２１は電気伝導性
を有する基板から成り、外枠２１の内側に可撓梁２３、
２４によって支持された内枠２５が設けられ、この内枠
２５の内側に可撓梁２３、２４と直交する方向の可撓梁
２６、２７によって反射板２８が支持されている。ここ
で、反射板２８と内枠２５の各回転軸の重心位置は同一
になるようにしてあって、可撓梁２６、２７は図に示す
Ａ−Ａ軸に設けられｙ軸廻りに回転可能であり、可撓梁
２３、２４はＢ−Ｂ軸に設けられｘ軸廻りに回転可能で
ある。

【００１２】図２(a) は図１におけるＡ−Ａ断面図、
(b) はＢ−Ｂ断面図であり、反射板２８、内枠２５の下
の空隙の厚みに相当する絶縁スペーサ３０が設けられ、
その下に固定電極３１、３２、３３、３４及びこれらの
固定電極３１〜３４を支持する支持台３５が設けられて
いる。

【００１３】図３は光偏向器２１の平面図であり、固定
電極３１〜３４のパターンは、点線で示すように反射板
２８、内枠２５にそれぞれ対向して配置されている。

【００１４】このような構成において、図２(a) に示す
ように内枠２５は下面に設けられた固定電極３１、３２
の何れか一方に電圧が印加されると、静電気力を受けて
可撓梁２３、２４を回転軸として撓み、図２(b) におい
ても反射板２８は固定電極３３、３４の何れか一方に電
圧が印加されると、静電気力を受けて可撓梁２６、２７
を回転軸として撓むことになる。

【００１５】図４、図５は固定電極３１〜３４に電圧を
印加した際の光偏向器２１の動作説明図である。図３に
示す固定電極３１に正電圧を印加すると、図４に示すよ
うに可撓梁２３、２４を中心として反射板２８がｙ方向
にθ1 だけ回転し、例えばｚ方向から光線が入射した場
合には、光線はｙ方向に２×θ1分だけ偏向する。同様
に、図３に示す固定電極３３に正電圧を印加すると、図
５に示すように可撓梁２６、２７を中心として反射板２
８及び内枠２５がｘ軸方向に回転し、光線はｘ方向に２
×θ2 分だけ偏向することになる。

【００１６】ここで反射板２８が撓む角度は、可撓梁２
３、２４、２６、２７が捩れた時の反射板２８、内枠２
５のばね定数による復元力と、固定電極３１〜３４に電
圧を印加して発生する静電気力による回転モーメントと
の釣り合いによって決定される。

【００１７】上述の説明から明らかなように、本実施例
に係る光偏向器２１では−ｙ又は−ｘ方向への反射板２
８の撓み角度は、固定電極３２或いは固定電極３３に電
圧を印加することによって得られる。従って、ｘ−ｙ面
上の自由な方向へ反射板２８を撓ませることが可能にな
り、例えばｘ−ｙ面の第１象限方向に撓ませたい場合に
は、固定電極３１及び固定電極３３の双方に同時に適当
な電圧を印加すればよい。

【００１８】次に、光偏向器２１の製造工程を、具体的
に説明する。図６は外枠２２、内枠２５、反射板２８及
び可撓梁の製造工程を示す概略図であり、図６(a) に示
すように、基板４０にはＳｉを用いて、ＬＰＣＶＤ（減
圧ＣＶＤ）法によって基板４０の両面にＳｉ₃ Ｎ₄ 膜４
１、４２を形成する。このＳｉ基板４０には、固定電極
に電圧を印加したときに静電気力を発生させるような抵
抗が小さいものを使用する。次に、片側のＳｉ₃ Ｎ₄ 膜
４２にフォトリソグラフィによって開口部をパターンニ
ングする。次いで、Ｓｉ結晶方位面のエッチング速度差
を利用する異方性エッチングによって、図６(b) に示す
ようにＳｉメンブレン４３を製作する。このときの異方
性エッチングはＫＯＨ水溶液を加熱して行う。その後
に、図６(c) に示すように、Ｓｉ基板４０の他方の面か
らＳＦ₆ 、ＣＦ₄ 等の反応ガスを用いた反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）等によってメンブレン４３を除去す
ると、可撓梁２６、２７及び反射板２８、内枠２５が形
成される。最後に、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜４１、４２をＲＩＥに
よって除去すると、図６(d) に示すような反射板２８及
び可撓梁２６、２７が得られる。

【００１９】図７は絶縁スペーサ及び固定電極の製造工
程を示す概略図であり、図７(a) に示すように支持台３
５には表面にＳｉ₃ Ｎ₄ 膜４４等の絶縁性の層が形成さ
れたＳｉ基板を用い、その片面にＡｌ等の電気伝導性を
有する金属薄膜４５を真空蒸着法によって被着させる。
次に、この金属薄膜４５を図７(b) に示すようにフォト
リソグラフィによってパターンニングし、固定電極３
１、３２を形成する。更に、固定電極３１、３２の上に
図７(c) に示すようにガラス等の絶縁性材料４６を真空
蒸着法によって成膜し、それをパターニングして図７
(d) に示すような絶縁スペーサ３０を製作して、反射板
２８と固定電極３１、３２との間隔はこの絶縁スペーサ
３０の膜厚によって決定される。

【００２０】図６、図７に示したような工程で製作され
た外枠２２、内枠２５、反射板２８及び可撓梁２３、２
４、２６、２７を有する基板４０と、固定電極３１〜３
４が形成された支持台３５を接合すると、図８に示すよ
うな光偏向器２１を完成することができる。このときの
接合方法には、陽極接合法（江刺、Sensors and Actuat
or,A21-A23,P931,1990) を用い、絶縁性材料としては固
定電極が熱的に損傷しないように、低温で接合可能なガ
ラス材料（コーニング社の＃７７４０）を使用し、高周
波スパッタ法によって陽極接合可能な絶縁スペーサ３０
を成膜する。

【００２１】図９〜図１１は光偏向器の他の製造工程を
示す概略図である。これらの工程は上述した工程に比べ
てアレイ状の光偏向器の製作を更に容易にしている。

【００２２】図９は絶縁スペーサ、固定電極及び可撓梁
に用いる層の製造工程を示し、図９(a) に示すように支
持台３５として高抵抗或いはＰ型のＳｉ基板を用い、イ
オンプランテーションによってｎ⁺ 型の低抵抗の固定電
極３１、３２をＳｉ基板上に形成する。次に、図９(b)
に示すようにＳｉＯ₂ 等の絶縁性薄膜を高周波スパッタ
リング又はＣＶＤ等によって被着させて絶縁スペーサ３
０を形成する。この絶縁スペーサ３０の上に、図９(c)
に示すように最終工程で除去することになる犠牲層４
６、及び図９(d) に示すように可撓梁となる金属薄膜４
７を成膜する。

【００２３】図１０は可撓梁及び反射板２８の製造工程
を示し、図１０(a)に示すように金属薄膜４７上に更に
金属薄膜４８を形成してパターニングを行う。パターニ
ングでは、レジスト４９をマスクとして金属薄膜４７、
４８を除去し、その後に図１０(b) に示すように反射板
２８を残してレジスト４９をマスクして金属薄膜４８を
除去する。最後に、図１０(c) に示すようにレジスト４
９’を除去して可撓梁２６、２７を形成する。

【００２４】図１１は空隙の製造工程を示す概略図であ
る。前工程で製作された反射板２８可撓梁等の下面の犠
牲層４６を図１１(a) に示すようにエッチング除去し、
犠牲層４６の厚み分の空隙を形成した後に、図１１(b)
に示すように犠牲層４６の下面の絶縁スペーサ３０をエ
ッチング除去する。

【００２５】上述した製造工程においては、固定電極３
１〜３４、絶縁スペーサ３０、犠牲層４６及び金属薄膜
４７、４８のそれぞれのエッチング選択性を考慮する必
要がある。一例として、絶縁スペーサ３０はＳｉＯ₂ 、
犠牲層４６はＺｎＯ、及び金属薄膜４７、４８は厚さ数
１０オングストロームのＣｒ層の上にＡｕを設けた２層
の薄膜を用いて製作することが可能である。図１０の工
程における金属薄膜４７、４８の除去に際しては、Ａｕ
に対してＫＩ水溶液を用い、ＣｒにはＣＣｌ₄ガスを用
いたＲＩＥによるエッチングをすればよい。即ち、この
エッチングを可撓梁２６、２７の形成では１回行い、反
射板２８等の形成では２回繰り返せばよい。ＺｎＯの除
去には酢酸が用いられて、ＺｎＯである犠牲層４６がエ
ッチングされる。絶縁スペーサ３０の除去にはバッファ
ふっ酸を用いればよく、他の層にエッチング損傷が発生
することはない。

【００２６】上述したような製造方法によって、２軸方
向に独立的に回動可能な光偏向器２１を製作することが
可能であるが、図１２は光ファイバ通信ネットワークに
用いる場合の応用例を示している。ここでは、１つの光
偏向器２１を光スイッチとして用いる場合を示し、この
光スイッチは光ファイバ伝送路や端末装置の切換えに用
いられ、最も重要な光制御用の受動部品の１つになって
いる。光偏向器２１の反射板２８の回転によって、中心
の光ファイバ５０からの光線を偏向し、レンズ系５１を
通して他の光ファイバ５０’へ入射させることが可能に
なる。従来の反射鏡回転型の機械駆動式光スイッチ（石
塚、National Tech.Report,27,p118,1981)には、挿入損
失や漏話が低いという長所がある反面、切換速度が遅い
という問題があるが、本実施例に係る光偏向器２１は小
型化が容易であり、小型化することによって機械的な共
振周波数を上げることができるため、切換速度を上げる
ことが可能になる。

【００２７】また、図１３に示すように光ファイバ束５
２を使用する場合にも、本実施例に係る光偏向器２１は
２軸方向の回転が可能であるため、１×６の光スイッチ
としても使用することができる。

【００２８】図１４、図１５は更に他の応用例を示す斜
視図であり、図１４は複数個の光偏向器２１を１枚の基
板上にアレイ化した光偏向アレイ５３であり、図１５は
光偏向アレイ５３を静電印刷へ応用をした場合の概略図
である。

【００２９】図１５において、レーザー光源５４からの
ビームL1は、第１のレンズ系５５によってシート光L2に
されて光偏向アレイ５３に照射される。この光偏光アレ
イ５３の反射板からの反射光は、スリット５６、第２の
レンズ系５７を通り、感光体ドラム５８上にラインＬを
結像する。ここで、光偏向アレイ５３は図５に示したよ
うにｘ軸廻りに光を偏向するため、シート光L2はシート
光L3からシート光L4に回転した偏向を受ける。

【００３０】従来の光偏向器には、光を反射しない可撓
梁部や光偏向器間の配線部が存在するため、ラインＬに
は光量による濃淡が生ずることが避けられず、光偏向器
間や可撓梁部はラインＬ上では暗部になる。この暗部を
補正するにためには、結像した光の焦点をずらして光の
スポット径を大きくする等の、画像上好ましくない手段
を採らなければならない。

【００３１】しかしながら本実施例の光偏向器２１は、
図４に示したようにｙ軸廻りにも光を偏向することが可
能であるため、光線L5は図１５における感光体ドラム５
８上で走査経路Ｌ’を形成し、焦点位置を保持しながら
暗部をなくすことを可能にする。

【００３２】上述の操作を光偏向器２１で行うために
は、ｘ軸廻りの偏向速度に比してｙ軸廻りの偏向速度を
大きくすればよい。その方法としては、反射板２８と可
撓梁２６、２７の寸法によって決まる共振周波数で振動
させる等を行えばよい。また、２軸廻りに偏向が可能に
なるため、形成する画像の解像度を上げることができ
る。即ち、軸ごとの偏向速度差を逆にして、ｙ軸廻りに
走査する際には、ｙ軸廻りの走査速度よりも早くｘ軸廻
りに偏向させることによって、走査経路Ｌ’内に新たに
複数のビットを入れることができ、ラインＬの解像度を
向上させることが可能になる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光偏向
器は、１個の光偏向部で２軸方向の回りに独立した光変
更が可能になる。また光偏向部を二次元配置することに
よって形成される画像上の暗部はなくなり、高解像度の
画像を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の斜視図である。

【図２】断面図である。

【図３】平面図である。

【図４】ｙ方向の動作説明図である。

【図５】ｘ方向の動作説明図である。

【図６】製造工程の説明図である。

【図７】製造工程の説明図である。

【図８】光偏向器の断面図である。

【図９】他の製造工程の説明図である。

【図１０】製造工程の説明図である。

【図１１】製造工程の説明図である。

【図１２】光スイッチの構成図である。

【図１３】１×６光スイッチの構成図である。

【図１４】光偏向アレイの斜視図である。

【図１５】光偏向アレイを用いた静電印刷装置の構成図
である。

【図１６】従来例の斜視図である。

【符号の説明】

２１光偏向器２２外枠２３、２４、２６、２７可撓梁２５内枠２８反射板３０絶縁スペーサ３１、３２、３３、３４固定電極３５支持台４５光偏向アレイ５０感光体ドラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高松修東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者平井裕東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者能瀬博康東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者新庄克彦東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの回転軸を有する複数の可動部の各
回転軸の重心位置を同一とし、前記回転軸上に前記可動
部を回転支持するための２組の可撓梁をそれぞれ設け、
前記可動部の下面に空隙を介して対向する複数の固定電
極を設け、これら固定電極に電圧を印加して前記可撓梁
を軸として前記可動部を回転し、前記可動部の一部を反
射面として光偏向を行うことを特徴とする光偏向器。
【請求項２】前記反射面とした可動部に光線を照射
し、前記可動部を前記２組の回転軸に独立して回転させ
ることにより、前記光線を二次元的に走査させる請求項
１に記載の光偏向器。
【請求項３】前記可動部、可撓梁、固定電極は半導体
基板上に形成した請求項１に記載の光偏向器。