JP2006145962A - 二次元光偏向器及び該二次元光偏向器を用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジンバル構造による二軸駆動光偏向器において、可動ミラーの撓みを低減する二次元光偏向器を提供する。
【解決手段】 第一のトーションバーでねじり回転可能に片側支持するジンバルと、ジンバルを第二の可動ミラーの回転軸と直交する軸方向にねじり回転可能に支持する支持体とを有し、可動ミラーとジンバルをねじり回転させるための駆動手段を有する光偏向器を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロメカニクスの手法にて作製される光偏向器に関するものである。

光偏向器は、例えばレーザー光を偏向する用途などに利用されるものである。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て作製した光偏向器がある。例えば、K.E.Petersen等によりシリコンで形成されるTorsional Scanning Mirrorが非特許文献１に提案されている。この光偏向器は図１１に示すように、機械的可動部３が光偏向板としてのミラー３ａとミラー３ａを支持する梁３ｂからなり、ミラー３ａと基板上に形成した固定電極2との間に駆動電圧を印加し生じる静電引力により、梁にねじりモーメントを与えねじり回転し、ミラー３ａの偏向角度をかえるものである。ミラー部の最大偏向角はミラー部と基板との空隙間隔ｔ０にて一義的に決定される。光偏向器においては偏向角が大きいほど良く、これには空隙間隔を大きくとる必要がある。空隙間隔を大きくとると、固定電極とミラーとの距離を増加し駆動電圧が著しく増加してしまう。逆に低電圧を図るには空隙間隔を短くし、偏向角を抑える必要があり、駆動電圧の低減化と大偏向角化は合い矛盾する課題であった。

また、図１２に示すように上記のような偏向器を二軸偏向可能に配置した構造のアクチュエータも開発されている（特許文献２）。すなわち、可動ミラーが２つのトーションバーでジンバルに支持され、ジンバルが２つのトーションバーで基板に支持され、可動ミラーとジンバルとの駆動軸が互いに直交する構造を有しており、可動部と対向電極との間の静電引力により駆動する。この構成においては可動ミラーとジンバルとの共振周波数を所望の値にすることにより、ラスタ走査による画像形成が可能な二軸光偏向器を提供することができる。また、この構成の可動ミラーおよびジンバル上にコイルを形成し、永久磁石をコイルに近接して配置することで可動ミラーおよびジンバルを駆動するアクチュエーターも公開されている。
IBM J.RES. DEVELOP.,VOL.24,NO5,9,1980.P631-637 特開昭６０−１０７０１７号公報

上記のようなジンバル構造を有するアクチュエータにおいて、可動ミラーおよびジンバルは、それぞれトーションバーによりシンバルおよび支持体に両持ち支持されている。この為、以下の原因により可動ミラーに撓みを生じてしまう。

１．シンバル構造と対向電極を形成した基板の接合または接着時に生じる応力
２．シンバル上に形成されるコイルの発熱による応力
３．外部環境の温度変化により、シンバル構造を形成する材料と、それと接合する部材との熱膨張率の差から生じる応力
可動ミラーに撓みは、例えばシンバル構造を画像形成装置に用いた場合には解像度の低下の原因となる。

本発明は上記観点に鑑みなされたものであり、その目的は、ジンバル構造による二軸駆動光偏向器において、可動ミラーの撓みを低減する二次元光偏向器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、以下の（１）〜（８）に記載の光偏向器を提供するものである。

（１）可動ミラーと、前記可動ミラーを第一のトーションバーによりねじり回転可能に片側支持するジンバルと、前記ジンバルを第二のトーションバーにより該可動ミラーの回転軸と直交する軸方向にねじり回転可能に支持する支持体と、前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段と前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段とを有することを特徴とする。

また（２）前記可動ミラーと対向する位置に配置される固定電極と、前記可動ミラー上に形成される可動電極を有し、前記固定電極と前記可動電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段であることを特徴とする（１）に記載の光偏向器。

また（３）前記可動ミラーに形成される可動櫛型電極と、前記可動櫛型電極と隔間してように前記ジンバル上に形成される固定櫛型電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段であることを特徴とする（１）に記載の光偏向器。

また（４）永久磁石と、前記シンバル上に形成されるコイルとが、電磁力により前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段であることを特徴とする（１）〜（３）に記載の光偏向器。

また（５）前記第一のトーションバーが１本であることを特徴とする（１）〜（４）に記載の光偏向器。

また（６）前記第一の駆動手段が、前記可動ミラーを共振駆動させる手段であることを特徴とする（１）〜（５）に記載の光偏向器。

また（７）前記第二の駆動手段が、前記ジンバルを共振駆動させる手段であることを特徴とする（１）〜（６）に記載の光偏向器。

また（８）、（１）〜（７）に記載の光偏向器、及び光源を具備したことを特徴とする光学機器。

本発明により、ジンバル構造による二軸駆動光偏向器において、可動ミラーの撓みを低減した２次元光偏向器を提供することかできた。また櫛型電極を用いることで変位角が大きく、低電圧で駆動できた。また本発明により、コンパクトな構成を有し、低電圧で駆動でき、偏向角が大きくかつ可動ミラーの撓みを低減できたことにより高精細な画像が得られる、画像形成装置を提供することができた。

本発明はジンバル構造を有する二次元光偏向器において、可動ミラーがトーションバーによりシンバルに対して片持ち支持されていることを特徴とする。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は本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す上面図。図２は本発明の光偏向器の一実施形態の構成を示す断面図。図３は本発明の光偏向器のシンバルの偏向を説明する図である。図４は本発明の光偏向器の２次元偏向を説明する図である。

この実施形態において、シンバル１０１は可動ミラー１０２を第一のトーションバー１０３によりねじり回転可能に片持ち支持する。また支持体１０４はジンバル１０１を第二のトーションバー１０５によりねじり回転可能に支持する。第二のトーションバーは１本でも２本でも良い。ジンバル１０１、可動ミラー１０２、第一のトーションバー１０３、支持体１０４、第二のトーションバー１０５は単結晶シリコンを除去加工して一体形成しても良い。コイル１０６は絶縁層（不図示）を形成したジンバル上に形成される。またコイル１０６の配線は、絶縁層（不図示）を形成した第二のトーションバー１０５上を通って支持体上のコンタクトパッド１０７に接続している。コイル１０６の最内周からの配線取り出し部には外周のコイルとの電気的な接続をさけるために中間絶縁層１０８が形成されている。中間絶縁層１０８には例えば、ポリイミドを用いることができる。また基板１１１には固定電極１０９、１１０が形成される。固定電極１０９、１１０は可動ミラー１０２の裏面に対向する位置に配置される。支持体１０４と基板１１１との間にはスペーサー１１２が配置され、可動ミラー１０２がねじれした場合でも固定電極１０９、１１０を形成した基板１１１と可動ミラー１０２とが干渉することはない。支持体とスペーサー、スペーサーと基板とはそれぞれ、接着剤（不図示）で固定されている。また、永久磁石１１３、１１４が第二のトーションバー１０５に対して略対称な位置に、また、異なる磁極が向き合うように配置される。永久磁石の付近に軟磁性体を配置して磁路を形成しても良い。

この構成のジンバル構造において、可動ミラー１０２は固定電極１０９，１１０との間に働く静電引力によりシンバル１０１に対して角変位する。可動ミラー１０２をＧＮＤにして、固定電極１０９にプラス電圧を与えることにより可動ミラーは固定電極１０９に引き付けられる。また固定電極１１０にプラス電圧を与えることにより可動ミラーは固定電極１１０に引き付けられる。これを交互に繰り返すことにより可動ミラー１０２は、ジンバル１０１に対して角変位運動する。また駆動電圧の周波数を可動ミラー１０２及び第一のトーションバー１０３のねじり共振周波数に設定すると可動ミラー１０２を共振駆動することができる。この場合、非共振駆動の場合に比べて同じ変位角を生じさせるための駆動電圧は大きく低減することができる。

また、図３に示すようにジンバル１０１は、コイル１０６に通電することにより生じる磁場と、永久磁石の磁場とが作用することにより生じる電磁力により支持体１０４に対して角変位する。コイル１０６に通電する方向を逆にすると逆方向に角変位する。

上記のように可動ミラー１０２の角変位させる静電駆動とシンバル１０１を角変位させる電磁駆動とを組み合わせることにより、可動ミラー１０２の角変位にはジンバル１０１の角変位が重畳され支持体１０４に対して図４に示すような二次元の偏向が可能となる。

この構成の光偏向器においては、支持体１０４がスペーサー１１２及び基板１１１に接着剤により固定されているため、外部の温度変化により支持体１０４には熱膨張率の違いから応力が生じるが、可動ミラー１０２は第一のトーションバー１０３によりジンバル１０１に片持ち支持されており、可動ミラー１０２が撓みを生じることはない。また両持ち支持する場合に比べて、温度変化により第一のトーションバー１０３に生じる応力が小さい為、温度変化による共振周波数のシフト量を低減することができ、特に共振駆動する場合においては角変位量の制御が容易になる。

以下実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

本実施例では図５乃至９に示すジンバル構造を有する光偏向器を設計、製作した。図５は本発明の光偏向器の構成を示す上面図。図６は図５の光偏向器のＡ−Ａ’での断面図（可動ミラーがジンバルに対して角変位した状態）。図７は本発明の光偏向器の主な作製方法を示す上面図である。図８は本発明の光偏向器の主な作製方法を示す図７におけるＢ−Ｂ’での断面図である。図９は本発明の光偏向器の電極分離を説明する図である。

この実施例では、絶縁層５０１が第一および第二のシリコン層５０２，５０３で挟まれたＳＯＩ基板を用いた。第一のシリコン層５０２の厚さは１００μｍ、第二のシリコン層５０３の厚さは２５０μｍである。可動ミラー５０４、ジンバル５０５、第一のトーションバー５０６、第二のトーションバー５０７、支持体５０８は第一のシリコン層５０２を除去加工して形成される。第二のシリコン層５０３には貫通孔５０９が設けられており、可動ミラー５０４、ジンバル５０５の回転運動を妨げることはない。支持体５０８は絶縁層５０１を挟んで第二のシリコン層で形成される支持枠に固定されている。

シンバル５０５は可動ミラー５０４を第一のトーションバー５０６によりねじり回転可能に片持ち支持する。また支持体５０８はジンバル５０５を第二のトーションバー５０７によりねじり回転可能に支持する。可動ミラー５０４には電極支持部５１０及び可動櫛型電極５１１が形成されている。またジンバル５０５には可動櫛型電極５１１と離間して噛合うように固定櫛型電極５１２が形成されている。ジンバル５０５および支持体５０８には絶縁体からなる電極分離層５１３が形成されている。

コイル５１４は絶縁層（不図示）を形成したジンバル上に形成される。またコイル５１４の配線は、絶縁層（不図示）を形成した第二のトーションバー５０７上を通って支持体上のコンタクトパッド５１５に接続している。コイル５１４の最内周からの配線取り出し部には外周のコイルとの電気的な接続をさけるためにポリイミドからなる中間絶縁層５１６が形成されている。

第二のシリコン層５０３で形成される支持枠は基板に接着剤（不図示）で固定されている。また、永久磁石５１７、５１８が第二のトーションバー５０７に対して略対称な位置に、また、異なる磁極が向き合うように配置される。

ここで図７、８を用いて本実施例の光偏向器の主な作製方法を説明する。図８は図７のＢ−Ｂ’での断面図である。

まずSOI基板に電極分離パターンを熱酸化膜で形成する（8-a）
次に、ICP-RIEを用いて第一のシリコン層にトレンチを形成する（8-b）。このトレンチの中に電極分離層が形成されることになる。

次に、トレンチを形成した表面を熱酸化する（8-c）
次に、熱酸化膜上にPoly―Siを成膜してトレンチを埋める（8-d）
次に、Poly-Siを成膜した面を研磨してトレンチに埋め込まれたPoly-Si以外を 除去する（8-e）
次に、表面に露出した熱酸化膜を弗酸でエッチングした後に、再度熱酸化を行いPoly-Siを熱酸化膜で覆うとともに、SOIの裏面にも熱酸化膜を形成する（8-f）
次に、可動部（ジンバル、第一及び第二のトーションバー、可動ミラー、支持体）とコンタクトパッドのパターンを熱酸化膜をエッチングして形成する（8-ｇ）
次に、コイルおよびコイル配線、コンタクトパッドを形成する（8-ｈ）
次に、コイルの最内周からのコイル配線の取り出しのための中間絶縁層を形成し、最内周からのコイル配線を形成する（8-i）
次に、ICP-RIEを用いて第一のシリコン層をSOI基板の表面よりエッチングする（8-ｊ）
次に、ICP-RIEを用いて第二のシリコン層をSOI基板の裏面よりエッチングする（8-ｋ）
最後に、（8-ｊ）（8-ｋ）の工程で露出したSOI基板の絶縁層を除去して可動部をリリースする（8-ｌ）
同一のシリコン層を除去加工して一体形成する可動ミラーの縁に形成される可動櫛型電極とジンバルに形成される固定櫛型電極とは、第一のトーションバーを介して電気的に接続してしまい、可動櫛型電極と固定櫛型電極とに別々の電位を与えることができないと考えられるが、この構成では、ジンバルおよび支持体に絶縁体からなる電極分離層を形成することで図９の塗り潰し部と白抜き部で別々の電位を与えることができる。

可動櫛型電極にGNDを印加し、固定櫛型電極に正弦波の駆動電圧を印加した。正弦波の周波数は可動ミラーおよび第一のトーションバーのジンバルに対するねじり共振周波数に設定した。可動ミラーは、ジンバルに対して角変位量が正弦波となる角変位運動をした。櫛型電極を用いることで平行平板型電極の場合よりも同じ変位角を生じさせるための駆動電圧は大きく低減することができた。また、ジンバルは、コイルに通電することにより生じる磁場と、永久磁石の磁場とが作用することにより生じる電磁力により支持体に対して角変位する。コイルに通電する方向を逆にすると逆方向に角変位する。上記のように可動ミラーの角変位させる静電駆動とシンバルを角変位させる電磁駆動とを組み合わせることにより、可動ミラーの角変位にはジンバルの角変位が重畳され二次元の角変位が可能となった。

この構成の二軸光偏向器においては、支持枠が基板に接着剤により固定されているため、外部の温度変化により支持体には熱膨張率の違いから応力が生じるが、可動ミラーはトーションバーによりジンバルに片持ち支持されており、可動ミラーが撓みを生じることはない。また両持ち支持する場合に比べて、温度変化によりトーションバーに生じる応力が小さい為、温度変化による共振周波数のシフト量を低減することができ、特に共振駆動する場合においては角変位量の制御が容易になった。

（画像形成装置）
本実施例は本発明による光偏向器を用いた画像形成装置の例である。図１０に本実施例の構成を示す。まず、光源変調駆動部１００１から出た変調信号１００２により直接変調光源１００３の変調を行う。本実施例においては直接変調光源１００３として赤色の半導体レーザを用いた。直接変調光源１００３はまた、赤色、青色、緑色の直接変調可能な光源を用い、これらを混色光学系にて混色して用いても良い。直接変調光源１００３から直接変調された出力光５４は、光偏向器１００５の反射面に照射される。さらに光偏向器１００５により偏向された反射光は補正光学系１００６を通って画像表示体１００７上に画像として表示される。補正光学系１００６は共振走査による画像の歪みを補正する光学系である。

光偏向器１００５は実施例１による光偏向器であり、光偏向器１００５を用いて出力光１００４をラスタ走査することにより、画像表示体１００７に画像を表示する。

本実施例により、コンパクトな構成を有し、低電圧で駆動でき、偏向角が大きく高精細な画像が得られる、画像形成装置を提供することができた。

本発明の光偏向器の一実施形態を示す上面図である。 本発明の光偏向器の一実施形態を示す断面図である。 本発明の光偏向器の一実施形態のジンバルの角変位を説明する図である。 本発明の光偏向器の２次元の角変位を説明する図である。 本発明の光偏向器の第一実施例の上面図である。 本発明の光偏向器の第一実施例の断面図である。 本発明の光偏向器の第一実施例の作製方法を説明するための上面図である。 本発明の光偏向器の第一実施例の作製方法を説明するための断面図である。 本発明の光偏向器の第一実施例の電極分離を説明する図である。 本発明の光偏向器を用いた画像形成装置を示す図である。 従来例を示す図である。 その他の従来例を示す図である。

符号の説明

１０１ ジンバル
１０２ 可動ミラー
１０３ 第一のトーションバー
１０４ 支持体
１０５ 第二のトーションバー
１０６ コイル
１０７ コンタクトパッド
１０８ 中間絶縁層
１０９ 固定電極
１１０ 固定電極
１１１ 基板
１１２ スペーサー
１１３ 永久磁石
１１４ 永久磁石
５０１ 絶縁層
５０２ 第一のシリコン層
５０３ 第二のシリコン層
５０４ 可動ミラー
５０５ ジンバル
５０６ 第一のトーションバー
５０７ 第二のトーションバー
５０８ 支持体
５０９ 貫通孔
５１０ 電極支持部
５１１ 可動櫛型電極
５１２ 固定櫛型電極
５１３ 電極分離層
５１４ コイル
５１５ コンタクトパッド
５１６ 中間絶縁層
５１７ 永久磁石
５１８ 永久磁石
１００１ 光源変調駆動部
１００２ 変調信号
１００３ 直接変調光源
１００４ 直接変調された出力光
１００５ 光偏向器
１００６ 補正光学系
１００７ 画像表示体

Claims (8)

1. 可動ミラーと、
   前記可動ミラーを第一のトーションバーによりねじり回転可能に片側支持するジンバルと、
   前記ジンバルを第二のトーションバーにより該可動ミラーの回転軸と直交する軸方向にねじり回転可能に支持する支持体と、
   前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる第一の駆動手段と
   前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる第二の駆動手段と
   を有することを特徴とする光偏向器。
2. 前記可動ミラーと対向する位置に配置される固定電極と、前記可動ミラー上に形成される可動電極を有し、前記固定電極と前記可動電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる前記第一の駆動手段であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記可動ミラーに形成される可動櫛型電極と、前記可動櫛型電極と隔間してように前記ジンバル上に形成される固定櫛型電極とが静電引力により前記可動ミラーを前記ジンバルに対してねじり回転させる前記第一の駆動手段であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
4. 永久磁石と、前記シンバル上に形成されるコイルとが、電磁力により前記ジンバルを前記支持体に対してねじり回転させる前記第二の駆動手段であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光偏向器。
5. 前記第一のトーションバーが１本であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光偏向器。
6. 前記第一の駆動手段が、前記可動ミラーを共振駆動させる手段であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光偏向器。
7. 前記第二の駆動手段が、前記ジンバルを共振駆動させる手段であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光偏向器。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の光偏向器、及び光源を具備したことを特徴とする光学機器。

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