JP2005148340A - 光偏向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向装置において、磁石を固定する接着剤の収縮などによる反射面の変形を小さく抑えることである。
【解決手段】光偏向装置は、反射面１２１と永久磁石１０１を備えた可動部１１２と、可動部１１２を回転軸１５１の回りに回転支持するための支持部１１３ａ、１１３ｂとを有する。永久磁石１０１は回転軸１５１に対して角度をなして磁化され、反射面１２１の変形を抑えるように永久磁石１０１と可動部１１２の接触面に部分的に配した接着剤１３１で両者は固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力を用いる電磁アクチュエータによって駆動する光偏向装置に関するものである。

近年、マイクロマシニング技術を利用して作製する光偏向装置のアクチュエータとして、磁性体材料を利用した電磁アクチュエータが開発されるようになってきている。こうした状況において、走査ミラーに永久磁石を備え電磁力によって駆動する光偏向装置として、図５に示すような構成のものが提案されている(特許文献１参照)。図５の光偏向装置の走査ミラーでは、長方形の平板状をなすガラス板４１２の一方面にアルミ等を蒸着して光を反射できる鏡面部４２１が形成され、そして他方面にSmCo(サマリウムコバルト)等の希土類系の永久磁石４０１がスパッタリング等により薄膜状に形成されている。そして、走査ミラーを支持する支持部材４１３ａ,ｂは、ステンレスやベリリウム銅等の金属製の薄板により短冊状に形成されている。走査ミラーは、両支持部材４１３ａ,ｂがねじられることによって角変位可能になっており、永久磁石４０１は回転軸４５１の両側が異極になるように磁化されている。

また、磁場発生部４４１は、コイルが巻回され、走査ミラーの回転軸４５１に直交する方向をコイルの巻回軸４６１とするとともに、薄膜状の永久磁石４０１が形成された走査ミラーの他方面側に、所定の距離を隔てて配設されている。

こうした光偏向装置では、磁場発生部４４１のコイルに通電して発生する磁場によって、永久磁石４０１との間に吸引力および反発力が働き、永久磁石４０１にトルクが発生して支持部材４１３ａ,ｂがねじれることによって、走査ミラーが回転軸４５１を中心として角変位させられる。
特開平６−８２７１１号公報

しかしながら、走査ミラーを広角度変位させるためには永久磁石にかかるトルクを大きくする必要がある。すなわち、コイルで発生する磁場により永久磁石にかかるトルクＴは数式(1)で与えられる。
T=H×M (1)
ただし、Tは発生トルク、Hはコイルが発生する磁場、Mは永久磁石の磁気モーメントである。したがって、トルクを大きくするためには、(1)式より分かるように、コイルに通電させる電流を増大させて発生磁場を増大させるか、或いはバルク状の永久磁石を使用することにより磁気モーメントを増大させる必要がある。

上記従来例では、精々数十ミクロン程度までの厚みの薄膜状の永久磁石を使用しているため、トルクを大きくするためには、コイルに通電する電流を増大させて発生磁場を大きくする必要がある。しかしながら、コイルに通電する電流を増大させて発生磁場を増大させる場合、コイルに通電させる電流を増大させるため消費電力が増大する。

よって、低消費電力で広角度変位する光偏向装置を構成するためには、薄膜状の永久磁石ではなく磁気モーメントの大きな充分な厚さ（典型的には、数十ミクロン以上）を持つバルク状の永久磁石を走査ミラーに接着固定する必要がある。ところが、図６の走査ミラー側面図に示すように、バルク状の永久磁石１００１を光偏向装置に使用する場合、平板状の走査ミラー１０１１に永久磁石１００１を固定するために塗布される接着剤１０２１の温度変化、経時変化或いは硬化時等の収縮などにより走査ミラー１０１１の反射面１０１２が変形するという問題がある。

上記課題に鑑み、本発明の光偏向装置は、反射面と永久磁石を備えた可動部と、可動部を回転軸の回りに回転支持するための支持部（基板に対して可動部を揺動可能に支持する弾性支持部など）と、可動部を駆動するための磁場発生部（コイルなど）とを有する光偏向装置であって、永久磁石を回転軸に対して角度をなして（典型的には垂直方向に）磁化し、反射面の変形を抑えるように永久磁石と可動部の接触面に部分的に配した接着剤で両者を固定していることを特徴とする。

上記基本構成に基づいて、以下のような態様が可能である。
前記可動部と前記永久磁石は、ドット状に配した接着剤、または少なくとも２箇所以上に配した接着剤、または少なくとも永久磁石の両側磁極の部分に配した接着剤などで固定することができる。

また、前記可動部が凹部を有し、凹部に永久磁石が接着固定されるようにもできる。前記接着剤としては、エポキシ樹脂などが使用できて、エポキシ樹脂は接着剤硬化時の収縮率が小さいので、硬化時や経時変化、温度変化時等の接着剤の収縮による反射面の変形を更に小さく抑えることができる。

更に、上記課題に鑑み、本発明の光学機器は、光を偏向する偏向手段として上記の光偏向装置を用いたことを特徴とする。本発明の光偏向装置を垂直、平行方向のスキャニングに用いた画像形成装置などの光学機器では、経時変化、温度変化等による反射面の変形が小さく抑えられるので、画質などを安定させることができる。

本発明の光偏向装置では、可動部に磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石を接着固定することにより、磁気発生部にかかる消費電力を低減することができる。さらに、部分的に配したドット状などの接着剤でバルク状の永久磁石と可動部を特定の箇所で接着固定することによって、接着剤の量を低減して可動部が回転可能な接着強度を有しつつ、接着剤の硬化時や経時変化、温度変化時等の接着剤の収縮による反射面の変形を小さく抑えることができる。また、環境変化時などに、膨張係数が異なる永久磁石と可動部本体の変形程度の違いで生じる恐れのある反射面の変形を、該変形程度の違いを比較的少量の接着剤の変形で吸収したり、接着剤の配置の仕方（例えば、接触面の中央部のみに接着剤を塗布するような場合）で反射面の変形に至るのを抑制することで、小さく抑えることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
一実施形態の光偏向装置の構成では、基板に可動部と該可動部を回転可能に支持する弾性支持部を設け、可動部に磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石を接着固定する（例えば、図１参照）。これによって、反射面を持つ可動部を駆動させるためのコイル（磁場発生部）に流す電流を低減できて、消費電力を低減することができる。さらに、永久磁石を可動部に固定する際、可動部との接触面全面に接着剤を塗布せずに、ドット状に塗布し、接着剤の量を低減して可動部とバルク状の永久磁石を固定する（例えば、図１参照）。このことによって、温度変化、経時変化或いは硬化時等の接着剤の収縮などによる反射面の変形を小さく抑えられる。また、環境変化時などに、膨張係数が異なる永久磁石と可動部本体の変形程度の違いで生じる恐れのある反射面の変形も、該変形程度の違いを少ない量の接着剤の変形で吸収したり、接着剤の配置の仕方で反射面の変形に至るのを抑制することで、小さく抑えることができる。

また、永久磁石の磁極は両端に集中しているため、可動部を駆動させるための磁場発生部から発生する磁場によって永久磁石に生じるトルクは、永久磁石の両側磁極部に集中する。これに対して、永久磁石の両側磁極部を接着剤で固定することにより（例えば、図２参照）、可動部を回転可能にする接着強度を最小限の接着剤で保つことができ、さらに、硬化時や温度変化、経時変化時等の接着剤の収縮などによる可動部の変形を小さく抑えることができる。

また、可動部に凹部を形成して凹部に永久磁石を固定する場合、可動部の凹部は剛性が弱くなっているため、永久磁石と可動部との接触面全面に接着剤を塗布して固定すると反射面の変形の恐れが大きくなる。これに対しては、永久磁石の両側磁極部を可動部と接着剤で接着固定する（図３参照）。これによって、最小限の接着剤で接着強度を保つことができて、コイルが発生する磁場から受ける永久磁石のトルクを可動部に確実に伝達することができ、さらに、反射面の変形を小さく抑えることができる。

また、接着剤としては、アクリル樹脂、光硬化性樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。特にエポキシ樹脂は硬化時の収縮率が小さいので、反射面の変形をより小さく抑えるのに好適である。

また、画像形成装置などに用いる光偏向装置では、描画するビームスポット形状が反射面の精度で決まる。したがって、温度変化或いは経時変化等による反射面の変形は、スクリーンなどに形成される画像に悪影響を与える。これに対して、上記の光偏向装置を用いた画像形成装置では（図４参照）、経時変化や温度変化等による反射面の変形を小さく抑えられるので、経時変化や温度変化等による画像の乱れを防ぐことができる。

以下に、さらに具体的な実施例について説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１の光偏向装置を説明する斜視図(a)および断面図(b)である。本実施例では、マイクロマシン技術を用いてSi基板１１１に可動部１１２と該可動部１１２を回転支持するための弾性支持部１１３ａ,ｂを設け、可動部１１２の一方面側に、蒸着或いはスパッタ等でAl膜や誘電体膜等を形成して反射面１２１とし、他方面側に、可動部１１２を駆動させるための永久磁石１０１を固定する。永久磁石１０１の可動部１１２への固定は、ディスペンサ等を用いて接着剤１３１をドット状に塗布することにより行う。ここでは、図１(a)に示すように、永久磁石１０１の両側磁極部とそれらに挟まれた中央部に沿ってドット状に塗布した。また、磁場発生部であるコイル１４１は、可動部１１２の永久磁石１０１を配置した面側に対向する位置に配置されている。

図１(ｂ)を用いて、本実施例の光偏向装置の動作を説明する。図１(ｂ)は、回転軸１５１に垂直な断面における図１(ａ)の断面図である。ここにおいて、永久磁石１０１は回転軸１５１に対して垂直方向に着磁されていて、コイル１４１に通電することによりその電流の向きに応じて磁場が発生する（図１(ｂ)に示した電流の向きでは上方向に磁場が発生する）。こうして、永久磁石１０１の磁極には、この磁場に関係した方向に吸引力および反発力が発生し、回転軸１５１を中心に弾性支持された可動部１１２にトルクが働く（図１(ｂ)に示した状態では、Ｎ極に上方向の吸引力が発生しＳ極に下方向の反発力が発生するので、回転軸１５１の回りに時計方向のトルクが働く）。コイル１４１に流す電流の向きを反対方向にすると、反対向きにトルクが働くので、コイル１４１に通電する電流に応じて、任意の角度に可動部１１２を駆動することができる。

以上のように構成された本実施例の光偏向装置は、可動部１１２を駆動する磁石として磁気モーメントの大きなバルク状の永久磁石１０１を用いるため、コイル１４１に流す電流を低減することができて消費電力を抑えることができる。さらに、永久磁石１０１と可動部１１２の接触面全面に接着剤を塗布せずに、適当な箇所にドット状に塗布しているので、硬化時や経時変化、温度変化時等の接着剤１３１の収縮などによる反射面１２１の変形を小さく抑えることができる。

＜実施例２＞
図２は、本発明の実施例２の光偏向装置を説明する概略図である。図２は、見やすくするために、可動部１１２と弾性支持部１１３ａ,ｂのみを図示している。本実施例では、可動部１１２と永久磁石１０１との接着は、永久磁石１０１の両側磁極部にのみ接着剤１３１をドット状に塗布することによって行っている。コイルに通電することで発生する磁場により、永久磁石１０１にかかるトルクは両側磁極部に大きく働くので、トルクが大きくかかる永久磁石１０１の両側磁極部を接着剤１３１で固定することによって、最小限の接着剤１３１で可動部１１２が回転可能な接着強度を保つことができる。

以上のように可動部１１２と永久磁石１０１を接着固定した本実施例の光偏向装置では、最小限の接着剤で可動部１１２が回転可能な接着強度を保つことができ、接着剤１３１の硬化時の収縮或いは経時変化、温度変化時等の接着剤１３１の収縮などによる反射面１２１の変形を更に小さく抑えることができる。

＜実施例３＞
図３(ａ)は、本発明の実施例３の光偏向装置を説明するための斜視図である。図３(a)は、見やすくするために、可動部２１２と弾性支持部２１３ａ,ｂのみを図示している。本実施例では、可動部２１２の反射面２２１の反対面に、断面がV字型の凹部２５１を２つ形成している。凹部２５１は、マイクロマシニング技術の異方性ウェットエッチングにより作製できる。可動部２１２に作製したV字型の凹部２５１に円筒形状などの棒状の永久磁石２０１を接着剤２３１で固定する場合、可動部２１２に作製したV字型の凹部２５１の部分の剛性は弱くなっているので、接着剤２３１の収縮などにより反射面２２１がより変形しやすい。そこで、可動部２１２の凹部２５１に永久磁石２０１を配置して永久磁石２０１の両側磁極部でのみ接着剤２３１で接着することによって、永久磁石２０１と可動部２１２を固定する。こうした接着剤２３１の塗布は、ディスペンサ等によって行うことができる。

以上のように可動部２１２と棒状の永久磁石２０１を接着固定した本実施例の光偏向装置でも、最小限の接着剤２３１で可動部２１２が回転可能な接着強度を有しており、コイルが発生する磁場によって永久磁石２０１に働くトルクを可動部２１２に伝えることができる。また、剛性の弱くなっている凹部２５１に永久磁石２０１を配置しても、接着剤２３１の硬化時の収縮或いは経時変化、温度変化時等の接着剤２３１の収縮などによる反射面２２１の変形を小さく抑えることができる。さらに、本実施例では、永久磁石２０１の重量を小さくできるので、可動部２１２全体が軽くできて、消費電力の増大を抑えた広角度回転駆動、高速駆動が容易となる。

本実施例の変形例として、図３(b)のように凹部２５１の断面を長方形状にすることもできる。長方形状の凹部２５１は高密度プラズマドライエッチングで作製できる。この変形例では、作製した凹部２５１に直方体状の磁石２０１を両側磁極部で接着剤２３１により接着固定することにより、可動部２１２が回転可能な接着強度を有し、反射面２２１の変形を小さく抑えることができる。その他の点は実施例３と同じである。本実施例とその変形例において、凹部２５１を形成することなく、可動部２１２の平面上に棒状の永久磁石２０１を接着固定してもよい。また、接着剤２３１の配し方については、実施例１、２の様に配してもよい。

＜実施例４＞
図４は、本発明の実施例４の画像形成装置を説明するための概略図である。本実施例では、上記実施例による２つの光偏向装置５０１、５０２を光偏向方向が互いに直交するように配置することにより、入射光５４１を垂直、水平方向にスキャンすることができる。すなわち、レーザ光源５１１から入射したレーザ光５４１は、光強度変調器５２１により適当に強度変調を受けて、光偏向装置５０１、５０２により２次元的に走査される。この走査されたレーザ光５４１はレンズ５３１により投影面５５１上に画像を形成することができる。

このような画像形成装置の場合、描画するビームスポット形状が光偏向装置の反射面の精度で決まるので、本実施例のように、反射面の変形が小さい本発明の光偏向装置を画像形成装置に用いることにより、画像の乱れを防ぐことができる。本発明の光偏向装置は、同様の効果を期して、光を偏向する偏向手段を必要とするその他の光学機器に用いることもできる。

本発明の実施例１の光偏向装置を説明する斜視図(a)、および断面図(b)である。 本発明の実施例２の光偏向装置を説明する図である。 本発明の実施例３とその変形例の光偏向装置を説明する図である。 本発明の実施例４の画像形成装置を説明する図である。 従来技術の走査ミラーの駆動装置を説明する図である。 本発明が解決しようとする課題を説明するための走査ミラーの側面図である。

符号の説明

１０１,２０１,１００１ 永久磁石
１１１ 基板
１１２,２１２,４１２ 可動部
１１３ａ,１１３ｂ,２１３ａ,２１３ｂ,４１３ａ,４１３ｂ 弾性支持部
１２１,２２１,４２１,１０１２ 反射面
１３１,２３１,１０２１ 接着剤
１４１,４４１ 磁場発生部（コイル）
１５１,４５１ 回転軸
２５１ 凹部
４０１ 薄膜磁石
４６１ 巻回軸
５０１,５０２ 光偏向装置
５１１ レーザ光源
５２１ 光強度変調器
５３１ レンズ
５４１ レーザ光
５５１ 投影面
１０１１ 走査ミラー

Claims (7)

1. 反射面と永久磁石を備えた可動部と、前記可動部を回転軸の回りに回転支持するための支持部と、前記可動部を駆動するための磁場発生部とを有する光偏向装置であって、前記永久磁石を回転軸に対して角度をなして磁化し、前記反射面の変形を抑えるように前記永久磁石と前記可動部の接触面に部分的に配した接着剤で両者を固定していることを特徴とする光偏向装置。
2. 前記可動部と前記永久磁石をドット状に配した接着剤で固定することを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
3. 前記可動部と前記永久磁石を少なくとも２箇所以上に配した接着剤で固定することを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向装置。
4. 前記可動部と前記永久磁石を少なくとも前記永久磁石の両側磁極の部分に配した接着剤で固定することを特徴とする請求項１、２または３に記載の光偏向装置。
5. 前記可動部が凹部を有し、前記凹部に前記永久磁石が接着固定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光偏向装置。
6. 前記接着剤がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光偏向装置。
7. 光を偏向する偏向手段として請求項１乃至６のいずれかに記載の光偏向装置を用いたことを特徴とする光学機器。

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