JP2005181395A

JP2005181395A - 光偏向器

Info

Publication number: JP2005181395A
Application number: JP2003417978A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Mizoguchi; 安志溝口; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】小型低消費電力の光偏向器を提供する。
【解決手段】底面部材の上面部材側の面上にコイルが配置され、他方面側が着磁した薄膜状の永久磁石が形成された平板状の走査ミラーと、を備えたことを特徴とする光偏向器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を偏向して光走査する光偏向器に関し、特に、電磁力利用して大振幅動作可能な小型可動ミラーを有する光偏向器及びそれを用いた光学機器に関し、さらに特には、従来の光偏向器に比べて小型で消費電力の小さい光偏向器及びそれを用いた光学機器に関する。

現在、レーザー光等の光ビームを偏向・走査する装置（以下光偏向器）は、レーザービームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられている。レーザー光を偏向走査する走査ミラーとしてガルバノミラーがある。ガルバノミラーの駆動原理は磁界中に配置した可動コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例したトルクが生じる。このトルクとバネ力とが平衡する角度まで可動コイルが回転し、この可動コイルを介して指針を振らせて電流の有無や大小を検出するというガルバノメータの原理を利用したもので、可動コイルと一体に回転する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設けて構成される。

しかしながら、ガルバノミラーでは機械巻きの駆動コイルと磁界発生のための大型ヨークが必要であり、主に出力トルクの理由から、これらの機械要素の小型化には限度がある。また同時に、各構成部材を組み上げる際のスペース等から、光偏向のための装置全体のサイズが大きくなっていた。

小型の光偏向器としては、半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用い、上記問題点を解決する目的で光偏向器が多数提案されている。特許文献１で開示されたものがその一例である。図６は同公報の第１実施例を示す斜視図である。光偏向ミラー部６００と永久磁石６０８と磁気ヨーク６０９と固定用部材６１１とから構成される。光偏向ミラー部６００は、可動板６０１と弾性部材６０２と支持体６０３と、駆動コイル６０４と電極パッド６０５と、駆動コイル６０４が存在する駆動コイル６０４の面の反対側にあるミラーとしての鏡面６０６とで構成されている。また、弾性部材６０２はトーションバー構造となっている。電極パッド６０５から交流電流を印加すると、永久磁石６０８近傍の駆動コイル６０４に流れるＸ方向の電流と、永久磁石６０８から発生するＹ方向の磁界の相互作用により、永久磁石６０８近傍の駆動コイル６０４にＺ方向のローレンツ力が発生する。両側にある永久磁石６０８の極性を同一方向にすれば、それぞれの永久磁石６０８近傍の駆動コイル６０４のローレンツ力は逆向きに働き、可動板６０１は弾性部材６０２のＸ方向を中心軸として揺動し、鏡面６０６に光を照射すればこれを偏向・走査することができる。
特開平１１−２３１２５２号公報

しかしながら、上記の光偏向器をレーザーディスプレイを用いたビデオプロジェクタやレーザビームプリンタに使うには、高速且つ広い偏向角が必要とされて、この光偏向器は、以下に述べる理由で、それに適しているとは言えない。

たとえば、ＶＧＡの解像度（水平走査線数４８０本）の水平走査を光偏向器にて達成しようとすると、垂直走査速度を６０Ｈｚとし、光線往復走査を利用した場合で、走査周波数として１４ｋＨｚ以上が必要となる。

また、上記の光偏向器は、大きな永久磁石を配置する必要があり、携帯機器に実装することを考えると、さらに小型化する必要がある。さらに、携帯機器は電池もしくはバッテリーによる駆動を前提とするため、消費電力が小さいことが必要となる。

同公報の光偏向器において、大きな偏向角を得るためには、ミラーの回転する角度を大きくすればよい。また、走査速度を高めるには駆動軸のバネを硬くすればよい。そのためには、ミラーに作用するトルクを大きくする必要があり、ミラー位置の磁界を大きくすることとなる。その方法としては、永久磁石および磁気ヨークをミラー部に近接させるか、またはコイルに流す電流を多くすることが要請される。しかし、図６のような構成では、永久磁石をこれ以上近づけることはできず、磁気ヨークをミラー部に近づけると、ミラーが広角に振れればミラー部と接触してしまい、大きな角度は実現できないことになる。また、コイルに流す電流を多くすることは、消費電力を大きくすることになり、また発熱によるミラー部の変形を生じることになる。

したがって上記従来技術では、大きな偏向角を有し、高速走査でき、小型で、消費電力を小さくできる光偏向器としては十分であるとはいえない。本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、
入射された光を偏向して光走査する光偏向器に関し、
小型で
低消費電力
大偏向角かつ高速走査
が可能な小型光偏向器および光偏向器を用いた装置を提供することである。

かかる目的を達成する本発明の光偏向器は、
第一に、略平行に配置される軟磁性体からなる上面部材および底面部材と、
前記上面部材と前記底面部材に挟まれて、前記上面部材と前記底面部材の距離を規定する軟磁性体からなる側面部材と、
前記底面部材の前記上面部材側の面上に配置されるコイルと、
前記上面部材の前記底面部材側の面上に配置され、前記コイルに通電して発生する磁気に応じて角変位する、前記上面部材側が反射鏡部で、他方面側が着磁した薄膜状の永久磁石が形成された平板状の走査ミラーと、を備えたことを特徴とする。

第二に、前記上面部材と前記底面部材と前記側面部材が、前記上面部材から前記側面部材を経由して底面部材に至る磁路を形成することを特徴とする。

第三に、前記走査ミラーが基板に、該基板に対して角変位可能に軸支するトーションバーと一体形成されており、前記永久磁石が、前記トーションバーに対して角度をなして着磁されていることを特徴とする。

第四に、前記走査ミラーに入射する光と前記走査ミラーにより反射された光の光路を妨げないように、前記上面部材が開口部を有することを特徴とする。

第五に、前記コイルが多層コイルであることを特徴とする。

第六に、第一から第五に記載の光偏向器を用いた光学機器。

本発明の光偏向器は、コイルと走査ミラーを取り囲む上面部と側面部と底面部に軟磁性体が配置され、上面部と側面部と底面部が閉磁路を形成しており、コイルに通電して発生する磁場が走査ミラーの永久磁石に対して効率良く働く。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ大きな永久磁石を配置する必要がないので小型である。これにより携帯機器にも実装することが可能となる。

以上が本発明の基本的な構成要素及びより具体的な態様であり、その詳細及び作用について典型的な例によって以下に説明する。図１−ａは本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す分解図。図１‐ｂは本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す上面図である。図１−ｃは図１−ｂのＡ−Ａ’断面を示す図である。

この実施形態において、トーションバー１０１は走査ミラー１０２に対して一直線上にかつ、走査ミラーの重心を両側で支持するように位置する。このトーションバー１０１および、走査ミラー１０２は支持基板１０３を除去加工して一体形成する。支持基板には、例えば半導体基板を用いることができる。走査ミラー１０２の一方面にはアルミ等を蒸着して入射してくる光を反射する反射鏡１０４、他方面にはＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）等の希土類系の永久磁石または、フェライト磁石または、ＦｅＣｏＣｒ等の合金磁石１０５がスパッタリング等により薄膜状に形成されている。また永久磁石はトーションバー１０１に対して角度をなして着磁する。

コイル１０７は絶縁膜（不図示）を形成した基板１０６上に形成される。絶縁膜はスパッタリング等で薄膜上に形成される酸化膜でもよい。

走査ミラー１０２およびトーションバー１０１を形成した支持基板１０３は軟磁性体からなる上面部材１０８に接着される。上面部材１０８には開口部１０９が設けられており、走査ミラーへの入射光および、走査ミラーの反射鏡により反射される反射光の光路を妨げることはない。また、トーションバー１０１との接触を避けるために上面部材には凹部１１０が形成されている。

コイル１０７が形成されている基板１０６は軟磁性体からなる底面部材１１１に接着される。そして、支持基板１０３が接着されている上面部材１０８と、基板１０６が固定されている底面部材１１１は、軟磁性体からなる枠状の側面部材１１２をスペーサーとして上下に配置される。このとき、走査ミラーの中心位置とコイルの中心位置が一致するようにアライメントされている。スペーサーの高さは走査ミラーの角変位を妨げないように設定されている。

また、上面部材、底面部材、側面部材に用いる軟磁性体としては、高透磁率、高飽和磁束の特徴を有する基板を使用する。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等の保磁力が低くて残留磁化が小さく、飽和磁化が大きな軟磁性体基板を使用することができる。この軟磁性体基板は、十分な厚さを有しており、コイルが発生する磁場により飽和することはない。これによりコイルで発生する磁場は効率良くミラーに配置される永久磁石に対して働き、ミラーを効率よく角変位させることができる。

この構成の光偏向器は、軟磁性体で形成される上面部材と側面部材と底面部材が閉磁路を形成しており、コイルに通電して発生する磁場が永久磁石に対して効率良く働く。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ大きな永久磁石を配置する必要がないので小型である。これにより携帯機器にも実装することが可能となる。

（実施例）
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。

（第一実施例）
本実施例では図２に示す光偏向器の設計、製作した。図２−ａは本発明の光偏向器の本実施例の構成を示す分解図である。図２−ｂは本実施例の上面図である。図２−ｃは図２−ｂのＡ−Ａ’断面を示す図である。基板として厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板２０１を用い、この単結晶シリコン基板２０１をＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて垂直エッチングすることにより、走査ミラー２０２とトーションバー２０３を単結晶シリコン基板２０１に一体形成した。走査ミラー２０２の一方の面には反射鏡２０４として、アルミ薄膜を蒸着により成膜し、もう一方の面には永久磁石２０５としてＳｍＣｏ薄膜をスパッタにより形成した後に、トーションバーに対して角度をなして着磁した。コイル２０６は表面に絶縁膜（不図示）として熱酸化膜を形成したシリコン基板２０７上に電気めっきにより形成した。

走査ミラー２０２およびトーションバー２０３を形成した単結晶シリコン基板２０１は軟磁性体からなる上面部材２０８に接着される。上面部材２０８には開口部２０９が設けられており、走査ミラーへの入射光および、走査ミラーの反射鏡により反射される反射光の光路を妨げることはない。また、トーションバー２０３との接触を避けるために上面部材２０８には凹部２１０が形成されている。また、上面部材２０８には、走査ミラー２０２とコイル２０６のギャップを保つスペーサーの役割を果す側面部２１１が機械加工により一体形成されている。コイル２０６が形成されているシリコン基板２０７は軟磁性体からなる底面部材２１２に接着される。また、上面部材２０８、底面部材２１２に用いる軟磁性体としてはＦｅ−Ｎｉ（パーマロイ）を使用した。そして、単結晶シリコン基板２０１が接着されている上面部材２０８の側面部２１１と、シリコン基板２０７が固定されている底面部材２１２を接着する。このとき、走査ミラーの中心位置とコイルの中心位置が一致するようにアライメントされている。側面部２１１の高さは走査ミラーの角変位を妨げないように設定されている。

本実施例の光偏向器は、軟磁性体で形成される上面部材と側面部材と底面部材が閉磁路を形成しており、コイルに通電して発生する磁場が永久磁石に対して効率良く働く。これにより高速走査のために走査ミラーを支持するトーションバーを硬くした場合でも、消費電力を低く抑えて走査ミラーを大きく角変位させることができ、かつ大きな永久磁石を配置する必要がないので小型化が可能となった。これにより携帯機器にも実装することが可能となった。

（第二実施例）
本実施例では図３に示す光偏向器の設計、製作した。第一実施例と同様の方法で走査ミラーとトーションバー、コイルを形成した。軟磁性体を用いた底面部材も同様である。コの字型の上面部材３０１はＦｅＮｉ（パーマロイ）を機械加工で形成した。また、上面部材３０１には第一実施例と同様に開口部３０２と、凹部３０３が形成されている。走査ミラーおよびコイルの配置は第一実施例と同様である。上面部材３０１の側面部３０４が走査ミラー２０２とコイル２０６のギャップを保つスペーサーの役割を果す。

（第三実施例）
本実施例では第一実施例〜第二実施例で示した光偏向器を用いた場合の光学機器について説明する。図４は光学機器として画像表示装置の場合を例として示す図である。図４において、４０１は図２または図３の光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置した光偏向器群４０１であり、この場合は水平・垂直方向に入射光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いている。４０２はレーザ光源である。４０３はレンズ或いはレンズ群であり、４０４は書き込みレンズ又はレンズ群、４０５は投影面である。レーザー光源４０２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器群４０１により２次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ４０４により投影面４０５上に画像を形成する。

これにより、高速かつ大走査角を特徴としかつ、低消費電力な光スキャナ装置を実現できた。

（第四実施例）
本実施例では第一実施例〜第二実施例で示した光偏向器を用いた場合の光学機器について説明する図５は本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた場合の例を示す図である。図５において、５０１は図２または図３に示された光偏向器であり、この場合は入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。５０２はレーザ光源である。５０３はレンズ或いはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、５０５は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器５０１により１次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により感光体５０５上へ画像を形成する感光体５０５は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することにより静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視像が形成される。

これにより、高速かつ大走査角を特徴としかつ、低消費電力な画像形成装置が実現できた。

ａは本発明の光偏向器の一実施形態を示す分解図、ｂは本発明の光偏向器の一実施形態を示す上面図、ｃは図１−ｂの断面図である。ａは本発明の光偏向器の第一実施例の分解図、ｂは本発明の光偏向器の第一実施例の上面図、ｃは図２−ｂの断面図である。本発明の光偏向器の第二実施例の分解図である。本発明の光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた図である。従来例の第１実施例を示す図である。

符号の説明

１０１トーションバー
１０２走査ミラー
１０３支持基板
１０４反射鏡
１０５永久磁石
１０６基板
１０７コイル
１０８上面部材
１０９開口部
１１０凹部
１１１底面部材
１１２側面部材
２０１単結晶シリコン基板
２０２走査ミラー
２０３トーションバー
２０４反射鏡
２０５永久磁石
２０６コイル
２０７シリコン基板
２０８上面部材
２０９開口部
２１０凹部
２１１側面部材
２１２底面部材
３０１上面部材
３０２開口部
３０３凹部
３０４側面部材
４０１光偏向器
４０２レーザー光
４０３レンズ
４０４書き込みレンズ群
４０５投影面
５０１光偏向器
５０２レーザー
５０３レンズ群
５０４書き込みレンズ
５０５感光体
６００光偏向ミラー部
６０１可動板
６０２弾性部材
６０３支持体
６０４駆動コイル
６０５電極パッド
６０６鏡面
６０７駆動コイル面
６０８永久磁石
６０９磁気ヨーク
６１０磁気ヨーク
６１１固定用部材

Claims

略平行に配置される軟磁性体からなる上面部材および底面部材と、
前記上面部材と前記底面部材に挟まれて、前記上面部材と前記底面部材の距離を規定する軟磁性体からなる側面部材と、
前記底面部材の前記上面部材側の面上に配置されるコイルと、
前記上面部材の前記底面部材側の面上に配置され、前記コイルに通電して発生する磁気に応じて角変位する、前記上面部材側が反射鏡部で、他方面側が着磁した薄膜状の永久磁石が形成された平板状の走査ミラーと、を備えたことを特徴とする光偏向器。
前記上面部材と前記底面部材と前記側面部材が、前記上面部材から前記側面部材を経由して底面部材に至る磁路を形成することを特徴とする請求項１の光偏向器。
前記走査ミラーが基板に、該基板に対して角変位可能に軸支するトーションバーと一体形成されており、前記永久磁石が、前記トーションバーに対して角度をなして着磁されていることを特徴とする請求項１から２の光偏向器。
前記走査ミラーに入射する光と前記走査ミラーにより反射された光の光路を妨げないように、前記上面部材が開口部を有することを特徴とする請求項１から３の光偏向器。
前記コイルが多層コイルであることを特徴とする請求項１から４の光偏向器。
請求項１から請求項５に記載の光偏向器を用いた光学機器。