JP2006171267A

JP2006171267A - 光偏向器

Info

Publication number: JP2006171267A
Application number: JP2004362466A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Torashima; 和敏虎島; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】光偏向器において、固定した際の応力或いは熱応力等により基板の支持部との固定箇所がたとえ変形しても、可動部の反射面の平面度（面精度）の低下を防止することである。
【解決手段】光偏向器は、基板１０１と、可動部１０２と、可動部１０２を基板１０１にねじり振動自在に支持する同一ねじり軸１０８上の２本の弾性部１０５、１０６と、可動部１０２に形成される反射面１０３と、基板１０１を固定する支持部１０７を有し、可動部１０２を基板１０１に対して相対的に駆動させ、反射面１０３に入射する入射光を偏向する。基板１０１が支持部１０７に固定される場所は、基板１０１と弾性部の１本１０５との接点１０９付近を通り且つ可動部１０２のねじり軸１０８に対してほぼ垂直な線１１０を境界として、可動部１０２とは反対方向の基板部位１１１側である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロメカニクス技術などにより作製され得る光偏向器、それを用いた画像形成装置などの装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化に代表されるように、マイクロエレクトロニクスの発展に伴い、様々な機器が高機能化と共に小型化されてきている。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マイクロマシンデバイス（例えば、回転軸中心にねじり振動する部材を有するマイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ等）を利用した装置も同様である。例えば、光偏向器を用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等においても、高機能化、小型化がなされ、更に、より一層の小型化によって、例えば、持ち運びに容易な形態とした製品への応用が望まれている。

ねじり振動する光偏向器の一例として、図４（ａ）、（ｂ）に示すような構成のものがある（特許文献１参照）。図４（ｃ）は実装構造の実装工程を説明する斜視図である。この光偏向器において、シリコン基板１０００に、可動部１００１とこれをねじり振動可能に軸支する弾性支持部１００２、１００３とが一体形成されている。可動部１００１の表面側に反射面１００４を設けられ、可動部１００１の裏面側に駆動コイル１００５が設けられている。さらに、駆動コイル１００５に静磁場を与える磁場発生手段を設け、駆動コイル１００５に電流を流すことで発生する磁気力によって、可動部１００１を駆動できる。

この光偏向器の実装構造は、実装用基板１０１０の光偏向器固定領域内に、光偏向器の可動部１００１の揺動動作を許容する空間部１０１１を形成し、その近傍に導電パターン１０１２を設けている。光偏向器を実装用基板１０１０に固定したときに、光偏向器の半導体基板裏面に設けた駆動コイル電極端子１００６と導電パターン１０１２とが接触するようにしている。
特開２０００−２４９９６４号公報

上記のようなマイクロマシンデバイスを用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置などでは、光を偏向する反射面の平面度が要求される。

しかしながら、可動部および弾性支持部を形成する基板を固定した場合、固定した際の応力或いは熱応力等が基板に作用し、その応力が弾性支持部にかかり、可動部を歪ませる懸念がある。そのため、光偏向手段である反射面の平面度（面精度）が低下する。

上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、基板と、可動部と、可動部を基板にねじり振動自在に支持する同一ねじり軸上の２本の弾性部（例えば、可動部を挟んで、一直線に沿って伸びた一対のトーションバー）と、可動部に形成される反射面と、基板を固定する支持部とを有し、可動部を基板に対して相対的に駆動させ、反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、基板が支持部に固定される場所は、基板と弾性部の１本との接点付近を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側であることを特徴とする。

また、上記の課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記の光偏向器と光源を有し、光源からの光を光偏向器で偏向して所望の面に画像を形成することを特徴とする。勿論、本発明の光偏向器は、光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置の他に、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等にも使用できる。

上記の本発明の構成によれば、基板が支持部に固定される場所が、基板と弾性部の１本との接点付近を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側であるので、固定した際の応力或いは熱応力等により基板の支持部との固定箇所がたとえ変形しても、その変形の影響は上記境界の可動部とは反対側の部位に止まって、可動部には応力が殆ど作用しない。したがって、反射面の平面度（面精度）の低下を防止することができる。

こうして、固定した際の応力或いは熱応力等によって反射面が歪むことが防止され、これを用いて形成される画質などの劣化を防止できる。

上記本発明の基本構成に基づく実施の形態の構成について説明する。
上記基本構成に基づく光偏向器は、基板に可動部が同一ねじり軸上の２本の弾性部で振動自在に支持されており、可動部の一方面側に、アルミニウム、誘電体多層膜などの反射率の高い膜を成膜して反射面を形成する。そして、可動部を外部から加振することによって基板に対して可動部を相対的に駆動させて、反射面に入射する入射光を偏向する。駆動方法は、電磁方式（後述の実施例で採用する）、静電方式（例えば、可動部裏面上の電極と電極基板上の電極間に作用する静電力を利用する方式）、ピエゾ方式（例えば、支持部に設置した圧電素子を上下に振動させて可動部を共振振動させる方式）等が用いられる。

この構成において、同一ねじり軸上の２本の弾性部によって可動部を支持することによって、可動部の衝撃に対する強さを向上することができる。さらに、可動部を基板に対して相対的に駆動する時に、同一ねじり軸上の２本の弾性部で可動部を支持することによって、１本の弾性部で支持する場合より、可動部の自重による可動部の変形を低減することができる。

また、基板を支持部に接合或いは接着剤等で固定することによって、容易に光偏向器を作製できるが、固定した際の応力或いは熱応力等の応力（例えば、接着剤等の硬化収縮或いは熱膨張、熱収縮による応力）が基板に作用する可能性がある。特に、同一軸上の２本の弾性部で可動部が基板に対して支持されている場合、固定した際の応力或いは熱応力等による基板の変形により、可動部が変形しやすくなる。しかし、本発明の構成では、基板が支持部に固定される場所を、基板と弾性部の１本との接点付近を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側とすることにより、固定した際の応力或いは熱応力等がたとえ基板に作用しても、可動部に作用しないようにして可動部の変形を防止し、反射面の平面度の低下を防止している。固定箇所は、基板と弾性部の一本との接点から可動部と反対方向の基板部位の全てであってもよいが、全てである必要はない。ただし、固定箇所は広くする方が、基板の固定が確実且つ安定的になるので、場合に応じて設計すればよい。

本発明ないし本実施形態の原理を説明する。基板を支持部に固定する場合、基板と支持部の熱膨張係数が異なる或いは基板と接着層の熱膨張係数が異なる場合、温度変化によって基板が変形し可動部も変形する可能性がある。また、基板と支持部を固定するときに残留応力が基板に作用しても、基板は変形し、可動部も変形する可能性がある。そこで、基板が支持部に固定される場所を、上記の如く設定する。このとき、基板と弾性部の１本との接点であるのが好ましいが、多少この接点から可動部側に寄った点を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側としてもよい。こうして、基板の支持部との固定箇所が変形しても、可動部は殆ど変形せず、反射面の平面度の低下を防止することができる。

さらに、上記構成の光偏向器は、可動部の反射面の反対面側に凹部を有することによって、可動部を軽量化し、小さな発生力で高速に可動部をねじり振動する様にすることもできる。可動部が凹部を有する場合、可動部の剛性が低下し、固定した際の応力或いは熱応力等によって可動部は変形しやすくなる。しかし、上記構成と同様に、基板が支持部に固定される場所を、基板と弾性部の１本との接点付近を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側とすることにより、剛性の低い可動部の変形を防止し、反射面の平面度の低下を防止することができる。

また、画像形成装置に用いる光偏向器では、反射面の平面度が低下すると、画質の劣化を起こす。上記の様な反射面の平面度の高い光偏向器を用いることで、安定した画像を形成することができる。例えば、本発明の光偏向器を垂直・平行方向のスキャニングに用いた画像形成装置は、反射面の面精度が高いので、安定した画像を形成できる。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１（ａ）は、本発明の実施例１の光偏向器を説明する上面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面を示したものである。実施例１の光偏向器において、シリコン単結晶の基板１０１に可動部１０２が形成され、２本の弾性部１０５、１０６でねじり振動自在に支持されている。２本の弾性部１０５、１０６はねじり軸１０８上に配置されている。可動部１０２の一方面側の表面には、光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などがコーティングされて反射面１０３を形成している。また、可動部１０２の他方の面側には、メッキ等により硬磁性体１０４が成膜されている。硬磁性体１０４は、ねじり軸１０８に対して垂直方向に磁化されている。そして、シリコン単結晶の基板１０１は、基板１０１と弾性部１０５との接点１０９を通り且つねじり軸１０８に対して垂直な線１１０から、可動部１０２と反対方向の基板１０１の部位１１１（灰色にした部分）でのみ支持部１０７に固定されている。基板１０１は、可動部１０２と駆動コイル１１３とが所定の間隔を保つように、コイル基板１１２上に対向配置されている。本実施例では、実装冶具である支持部１０７はアルミニウム、ガラスなどで形成され、実装冶具１０７への基板１０１の固定はエポキシ系接着剤等により行っている。支持部１０７が基板１０１と同じくシリコンである場合であっても、実装冶具１０７への基板１０１の固定を接着剤で行う場合などには、本発明の構成は効果がある。

上記構成において、コイル１１３に電流を印加することで、コイル１１３から磁場が発生する。発生した磁場により可動部１０２の硬磁性体１０４にはトルクが作用し、可動部１０２を駆動することができる。

本発明の特徴である基板１０１が支持部１０７に固定される場所１１１を上記の如く設定することにより、実装時に基板１０１の固定箇所１１１に残留応力が作用しても、その影響は固定箇所１１１側に止まって、可動部１０２の変形は起こらない。また、基板１０１と支持部１０７或いは接着剤との熱膨張係数の違いにより温度変化によって基板１０１に応力が作用しても、その影響は固定箇所１１１側に止まって、可動部１０２の変形は起こらない。

また、可動部１０２は２本の弾性部１０５、１０６によって支持されているので、弾性部１０５一本のみで支持する場合より、可動部１０２が振動する時の可動部１０２の自重による変形を低減することができる。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成により、０℃から８０℃での反射面１０３の平面度（面精度）は１０ｎｍ以下にすることができる（すなわち、変形時の頂点部と谷部の間の距離が１０ｎｍ以下にできる）。

＜実施例２＞
図２（ａ）は、本発明の実施例２の光偏向器を説明する上面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示したものである。実施例２の光偏向器の構成は、実施例１と略同様であり、厚さ２００μｍの可動部２０２および弾性部２０６、２０７はバルクマイクロマシニング技術により一体で形成されている。本実施例２が実施例１と異なる点は、可動部２０２の反射面２０３の反対面側に深さ１６５μｍの凹部２０５を形成して軽量化し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒを成分とする合金磁石などの永久磁石２０５を凹部２０５に配置して、シリコン単結晶の基板２０１を、基板２０１と弾性部２０６との接点２０９を通り且つねじり軸２１０に対して垂直な線２１１から、可動部２０２と反対方向の基板２０１の部位２１２（灰色にした部分）でのみアルミニウム製の支持部２０８に固定することである。部位２１２は実施例１の部位１１１より広くなっている。部位２１２を、可動部２０２と反対方向の側に更に広くして固定をより確実且つ安定的にしてもよい。基板２０１は、可動部２０２と駆動コイル２１４とが所定の間隔を保つように、コイル基板２１３上に対向配置されている。

可動部２０２に凹部２０５を形成して軽量化したことにより、小さな発生力で高速にねじり振動することができる。可動部２０２が凹部２０５を有すると、固定した際の応力或いは熱応力等によって可動部２０２は変形しやすくなるが、本実施例の構成のように、基板２０１が支持部２０８に固定される場所２１２を上記の様に設定することにより、実装時の応力或いは温度変化による応力で基板２０１に応力が作用しても、その影響は固定箇所２１２側に止まって、可動部２０２の変形は起こらない。

以上のように構成された本実施例の光偏向器の構成により、０℃から１００℃での反射面２０３の平面度は１０ｎｍ以下にすることができる。

＜実施例３＞
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３は、本実施例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１、２のいずれかの光偏向器３０１、３０２を偏向方向が互いに直交するように配置することにより、入射光を垂直・水平方向にスキャンすることができる。レーザ光源３１１から入射したレーザ光３４１は光強度変調器３２１により強度変調を受けて、光偏向器３０１、３０２により２次元的に走査される。レーザ光源３１１は赤色、青色、緑色の光源を用い、これらを混色光源系にて混色して用いてもよい。この走査されたレーザ光３４１はレンズ３３１により投影面３５１上に画像を形成することができる。

この様な画像形成装置の場合、光偏向器の反射面の面精度が低下すると投影面の画質が劣化する。本発明の光偏向器を画像形成装置に用いることにより、本実施例では、反射面の平面度の劣化を防げるので、画像の劣化を防ぐことができる。こうして、安定した画像を形成することができる。

本発明の実施例１の光偏向器を説明する上面図（ａ）、およびＡ−Ｂ断面図（ｂ）である。本発明の実施例２の光偏向器を説明する上面図（ａ）、およびＡ−Ｂ断面図（ｂ）である。本発明の実施例３の画像形成装置を説明する図である。従来技術の光偏向器を説明する表面図（ａ）、裏面図（ｂ）、および実装構造の工程を説明する斜視図（ｂ）である。

符号の説明

１０１、２０１基板
１０２、２０２可動部
１０３、２０３反射面
１０５、１０６、２０６、２０７弾性部
１０７、２０８支持部
１０８、２１０ねじり軸
１０９、２０９接点
１１０、２１１垂直線
１１１、２１２固定箇所（固定部位）
３０１、３０２光偏向器
３５１投影面

Claims

基板と、可動部と、可動部を基板にねじり振動自在に支持する同一ねじり軸上の２本の弾性部と、可動部に形成される反射面と、基板を固定する支持部とを有し、可動部を基板に対して相対的に駆動させ、反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、
基板が支持部に固定される場所は、基板と弾性部の１本との接点付近を通り且つ可動部のねじり軸に対してほぼ垂直な線を境界として、可動部とは反対方向の基板部位側であることを特徴とする光偏向器。
前記可動部が前記反射面とは反対面側に凹部を有する請求項１に記載の光偏向器。
前記支持部に前記基板を接合または接着剤により固定している請求項１または２に記載の光偏向器。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光偏向器と光源を有し、前記光源からの光を光偏向器で偏向して所望の面に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。