(57)【要約】【課題】永久磁石とコイルの組と可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体の組を用いて可動板を上下に引き合うような力を生じさせることを可能とする構成を、あまり高精度なアライメントを必要とすることなく比較的容易に達成できる揺動体装置である。【解決手段】揺動体装置は、可動板１０２と、可動板１０２を支持基板１０５に対して揺動可能に軸支する軸支部１０１と、可動板１０２の一面またはこの面に対向する箇所に配置された永久磁石１１１と、永久磁石１１１の磁極付近の箇所に配置されたコイル１１２、１１３と、可動板１０２から延びる可動櫛歯状構造体１０４と、可動板１０２の他面側において可動櫛歯状構造体１０４と隔間して噛み合い可能に配置された固定櫛歯状構造体１０６を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する軸支部と、可動板の一面と該可動板の一面に対向する箇所の一方に配置された永久磁石と、永久磁石の磁極付近であって可動板の一面と該可動板の一面に対向する箇所の他方に配置されたコイルと、可動板から延びる可動櫛歯状構造体と、可動板の他面側において可動櫛歯状構造体と隔間して噛み合い可能に配置された固定櫛歯状構造体と、を備えることを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
前記可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体が、静電力により可動板を変位させる静電駆動手段であり、かつ前記永久磁石とコイルが、電磁力により可動板を変位させる電磁駆動手段である請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項３】
前記可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体が、静電力により可動板を変位させる静電駆動手段及び可動板の揺動・変位に伴って変化するそれらの間の静電容量を検出するための静電容量検出手段の少なくとも一方として機能する様に構成された請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記永久磁石とコイルが、電磁力により可動板を変位させる電磁駆動手段及び可動板の揺動・変位に伴って変化するコイルに生じる誘起電圧を検出するための磁場検出手段の少なくとも一方として機能する様に構成された請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項５】
前記軸支部はトーションバーであり、前記可動櫛歯状構造体は、トーションバーの伸長方向に略直交する方向に延びる請求項１乃至４のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項６】
前記可動櫛歯状構造体は、前記略直交する方向における可動板の縁部から延びている請求項５記載の揺動体装置。
【請求項７】
前記可動板と軸支部と可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体は共通基板から形成されて成る請求項１乃至６のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の揺動体装置の可動板上に反射鏡を形成して構成されていることを特徴とする光偏向器。
【請求項９】
請求項８記載の光偏向器、及び前記光偏向器に入射させる光を出射する光源を具備することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動板が揺動運動する小型の揺動体装置などの揺動体装置、その作製方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
可動板が揺動運動する揺動体装置などの揺動体装置は、例えば、レーザ光を偏向する用途に利用されるものである。従来、レーザ光を偏向・走査する走査ミラーとしては、ガルバノミラーがある。ガルバノミラーの駆動原理は次の如きものである。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。そして、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。ガルバノミラーは、こうした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。
【０００３】
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。
【０００４】
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が提案されている（非特許文献１参照）。この光偏向器は、図７に示す様に、機械的可動部が光偏向板としてのミラーとミラーを支持する梁からなり、ミラーと基板上に形成した固定電極との間に駆動電圧を印加して生じる静電引力により、梁にねじりモーメントを与えてねじり回転させ、ミラーの偏向角度を変えるものである。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。一般に、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。しかし、空隙間隔を大きくとると、固定電極とミラー部との距離が増加し、駆動電圧が著しく増加してしまう。逆に低電圧化を図るには空隙間隔を短くし、ミラー部の偏向角を抑える必要があり、こうして駆動電圧の低減化と大偏向角化は合い矛盾する要求であった。
【０００５】
これに対して、別の小型の光偏向器として、図８に示す様に、可動ミラー（可動板）上に可動櫛型電極を形成し、これと互いに間隔を置いて噛み合う様に固定櫛型電極を上下に配置し、可動櫛型電極と固定櫛型電極との間に上下に引き合うような静電引力を生じさせ、可動ミラーを偏向させるものがある（特許文献１参照）。この構成の光偏向器は、電極間の距離が狭く構成できるため、駆動電圧を低くすることが可能となる。また、トーションバーに対しては、ねじり方向以外の変位（上下、左右の変位）を抑えることが可能なため、軸ズレを低減できる。また、非共振駆動においては、トーションバーを柔らかくすることが低電圧での駆動において重要となるが、この構成においては、上下に引き合うような静電引力を生じさせるので、トーションバーを柔らかくすることが可能である。
【非特許文献１】IBM J.RES. DEVELOP., VOL.24,NO5,9,1980.P631-637
【特許文献１】特開平２００３−２４１１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この様な可動櫛型電極と固定櫛型電極との間のアライメントは非常に高精度に行う必要がある。しかしながら、上記の構成においては、ミラー（可動板）上に形成される可動櫛型電極と、その上下に配置される固定櫛型電極を別々に形成しているため、個々の基板に形成される櫛型電極同士のアライメントが相当に難しく、それ相応に生産コストがかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は、可動板と、可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのトーションバーなどの軸支部と、可動板の一面と該可動板の一面に対向する箇所の一方に配置された永久磁石と、永久磁石の磁極付近であって可動板の一面と該可動板の一面に対向する箇所の他方に配置されたコイルと、可動板から延びる可動櫛歯状構造体と、可動板の他面側において可動櫛歯状構造体と隔間して噛み合い可能に配置された固定櫛歯状構造体を備えることを特徴とする。
【０００８】
典型的には、前記軸支部はトーションバーであり、可動櫛歯状構造体は、トーションバーの伸長方向に略直交する方向に延びるが、軸支部が片持ち梁式の形態で可動板を揺動可能に軸支して、軸支部のある側と反対側の可動板の端部から可動櫛歯状構造体が片持ち梁式軸支部の伸長方向に略平行な方向に延びる如き形態も可能である。また、前記可動櫛歯状構造体は、前記略直交する方向における可動板の縁部から延びている形態にもできるし（図２に図示の形態）、トーションバーに近接してその伸長方向に略平行な方向に可動部から延びた支持部から延びている形態にもできる。後者の形態にする場合、揺動体装置の可動板の慣性モーメントが、可動板の縁に可動櫛歯を形成した構成の場合よりも小さくできるので、可動板の角変位のスピードの高速化が可能である。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、上記の揺動体装置の可動板上に反射鏡を形成して構成されていることを特徴とし、そして本発明の画像表示装置、画像形成装置などの光学機器は、この光偏向器、及び光偏向器に入射させる光を出射する光源を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成を有する本発明の揺動体装置によれば、永久磁石とコイルの組と可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体の組を用いて可動板を上下に引き合うような力を生じさせることを可能とする構成を、あまり高精度なアライメントを必要とすることなく実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明のアクチュエーターないし揺動体装置の一実施形態の構成を示す断面図である。図２はその構成を示す分解上面図であり、図３は本実施形態の揺動体装置の駆動方法を説明する図である。そして、図４は、本実施形態の揺動体装置の可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体の作製工程を説明する断面図である。
【００１２】
本実施形態の揺動体装置は、図１及び図２に示す様に、可動板１０２と、可動板１０２を支持基板１０５に対して揺動可能に軸支する２つのトーションバー１０１と、可動板１０２の裏面（図１における下側の面）に配置され、トーションバー１０１に対して略直交する方向に着磁された永久磁石１１１と、永久磁石１１１の磁極付近に所定の距離をおいて可動板裏面側に配置された２つのコイル１１２、１１３と、可動板１０２から、トーションバー１０１に略直交する方向に延びる可動櫛歯状構造体１０４と、可動板１０２の表面（図１における上側の面）側に配置され、可動櫛歯状構造体１０４と隔間して噛み合わさる固定櫛歯状構造体１０８、１０７（ここで、隔間して噛み合うとは、図２に示す様に、一方の櫛歯状構造体の前記略直交方向に延びる凹部の両壁からほぼ等距離だけ隔たって他方の櫛歯状構造体の前記略直交方向に延びる凸部が配される噛み合い関係を言う）とを備える。
【００１３】
可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６、１０７は、静電力により可動板１０２を変位させる静電駆動手段及び可動板１０２の揺動・変位に伴って変化するそれらの間の静電容量を検出するための静電容量検出手段（可動板の角変位情報検出手段）の少なくとも一方として機能し、また、永久磁石１１１とコイル１１２、１１３は、電磁力により可動板１０２を変位させる電磁駆動手段及び可動板１０２の揺動・変位に伴って変化するコイル１１２、１１３に生じる誘起電圧を検出するための磁場検出手段（可動板の角変位情報検出手段）の少なくとも一方として機能する様に構成され得る。本実施形態では、静電引力と電磁力により可動板１０２を上下に引き合うような力が与えられる様に、それぞれ、静電駆動手段及び電磁駆動手段として機能する。したがって、永久磁石１１１は上述した様に着磁され、コイル１１２、１１３が上述した位置に２つ配置されている。永久磁石とコイルの配置位置は逆にすることもできる（すなわち、ムービングコイルの形式にすることもできる）。永久磁石の着磁方向、配置位置、数、及びコイルの配置位置、数などは、その果たす機能を考慮して、適宜に決めればよい。ここで、可動板１０２上に反射鏡を形成すれば光偏向器として構成されることになる。
【００１４】
この実施形態において、２つのトーションバー１０１は、可動板１０２に対して、一直線上にあって且つ可動板１０２の重心を両側で支持するように位置する。また、トーションバー１０１は固定端１０３で支持基板１０５に固定されている。トーションバー１０１は本実施例では２本あるが、１本であっても良い。可動櫛歯状構造体１０４は、可動板１０２からトーションバー１０１と略直交する方向に延びていて、トーションバー１０１の片側に１つ設けられるのみでも良いが、トーションバー１０１を隔てて対称な両側の位置に形成しても良い（本実施形態ではそうなっている）。
【００１５】
これらのトーションバー１０１、可動板１０２、可動櫛歯状構造体１０４、及び固定櫛歯状構造体１０６、１０７は、後述する様に、共通基板を除去加工して一体形成することができる。共通基板には、例えば単結晶シリコン基板を用いることができ、支持基板１０５にパイレックス（登録商標）ガラス基板を用いてこれに陽極接合して固定できる。また、パイレックスガラス基板１０５上には、可動櫛歯状構造体１０４や固定櫛歯状構造体１０６、１０７に電圧を印加するための配線、コンタクトパッド１０８〜１１０などが形成されている。勿論、可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６、１０７とは電気的な接続はない。永久磁石１１１の磁極付近に所定の距離をおいて配置されるコイル１１２、１１３は、絶縁膜を形成した基板１１４上に形成されている。基板１１４と上記共通基板とは、枠形状のスペーサー１１５を挟むことで所定のギャップを形成して接着されている。
【００１６】
この構成の揺動体装置の駆動方法の一例を説明する。この揺動体装置において、固定櫛歯状構造体１０６に正のバイアス電圧を加え、可動櫛歯状構造体１０４に負のバイアス電圧を加え、またコイル１１２に図２の矢印の方向に電流を流すとする。これにより、図３（ａ）に示すように、可動櫛歯状構造体１０４は静電引力により固定櫛歯状構造１０６に引き付けられ、また、永久磁石１１１のN極部は電磁力によりコイル１１２に引きつけられる。こうして、図３（ｂ）に示す中立位置から、図３（ａ）に示すように、可動板１０２はトーションバー１０１を回転軸として角変位する。他方、固定櫛歯状構造体１０７に正のバイアス電圧を加え、可動櫛歯状構造体１０４に負のバイアス電圧を加え、またコイル１１３に図２の矢印の方向に電流を流すとする。これにより、図３（ｃ）に示すように、可動櫛歯状構造体１０４は静電引力により固定櫛歯状構造１０７に引き付けられ、また、永久磁石１１１のS極部は電磁力によりコイル１１３に引きつけられる。こうして、図３（ｂ）に示す中立位置から、図３（ｃ）に示すように、可動板１０２はトーションバー１０１を回転軸として角変位する。上記印加を繰り返すことにより、可動板１０２はトーションバー１０１を回転軸として揺動運動する。
【００１７】
この構成では、静電引力と電磁力により、可動板１０２を上下に引き合う様な力を与えることができるので、トーションバー１０１のねじり以外の変位（左右及び上下の変位）を抑えることが可能となる。したがって、トーションバー１０１を柔らかく形成でき、非共振駆動の場合でも、低電圧で大きな角変位を生じさせることができる。また、大型のヨークなどを必要としないため、構成を小型にできる。この様な小型の揺動体装置は、光偏向器、この光偏向器を用いた光学機器を構成するにあたり、その利点を発揮する。
【００１８】
また、この構成では可動板１０２の変位角情報を検出することができる。可動板１０２が変位していない図３（ｂ）の状態から図３（a）の状態へ角変位する間に、固定櫛歯状構造体１０７と可動櫛歯状構造体１０４との静電容量変化を検出したり、或いは、永久磁石１１１がコイル１１３から遠ざかることによりコイルに生じる誘起電圧を検出する。この角変位情報を基にフィードバック制御することで、可動板１０２の変位角を高精度に制御することができる。例えば、可動板１０２の駆動を永久磁石１１１とコイル１１２、１１３の間に働く電磁力により行い、可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６、１０７をこれらの間の静電容量を検出する静電容量検出手段として使用する揺動体装置としても用いることができる。この場合には、差動検出も可能である。また、可動板１０２の駆動を可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６、１０７の間に働く静電引力により行い、永久磁石１１１が角変位することでコイル１１２、１１３に生じる誘起電圧を検出する磁場検出手段としてこれら永久磁石とコイルを使用する揺動体装置としても用いることができる。この場合にも差動検出が可能である。
【００１９】
ここで、可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体の作製方法の一例を図４に沿って説明する。上記共通基板には、厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板を用い、まず、基板の表面に、酸化膜からなる可動櫛歯状構造体用のマスク４０１と、レジストからなる固定櫛歯状構造体用のマスク４０２をフォトリソグラフィーとエッチングにより形成する。また、共通基板の裏面には、固定櫛歯状構造体用のマスク４０２にほぼ対応して、酸化膜からなるマスク４０３を形成する（図４（a））。
【００２０】
次に、ICP-RIEを用いて、共通基板を、マスク４０３のある裏面から厚さ方向へ１００μｍエッチングする（図４（b））。これにより、可動櫛歯状構造体４０５の厚さが規定される。続いて、マスク４０３を除去し、共通基板のエッチングの施された面をパイレックスガラス基板４０４に陽極接合する（図４（c））。パイレックスガラス基板４０４には、貫通孔が設けられている（図１で示す貫通孔１２０参照）。そして、ICP-RIEを用いて、共通基板を表面から更に１１０μｍエッチングする（図４（d））。これにより、可動櫛歯状構造体４０５が形成され、固定櫛歯状構造体４０６の厚さが規定される。
【００２１】
次に、レジストからなる固定櫛歯状構造体用のマスク４０２を除去する（図４（e））。そして、最後に、ICP-RIEを用いて共通基板を表面から更に９０μｍエッチングする（図４（ｆ））。これにより、可動櫛歯状構造体４０５と固定櫛歯状構造体４０６が、切り離された状態で形成される。なお、上記工程において、共通基板には、可動板１０２、トーションバー１０１、固定端１０３も適当なパターニングとエッチングにより並行的に形成される。また、可動板１０２上にミラーを形成する場合は、図４（ｆ）の工程のところで行えばよい。
【００２２】
この作製方法では、可動櫛歯状構造体４０５は、隔間して噛み合う固定櫛歯状構造体４０６と共に、共通基板を除去加工して形成され、かつ可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体間のアライメントは初期のフォトリソグラフィーとエッチングで共通基板の表面に形成されるマスク４０１及びマスク４０２により決定されており、可動櫛歯状構造及び固定櫛歯状構造体形成後の両者間のアライメントを必要としない。つまり、可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体を別々の基板に形成した場合に必要となるアライメント精度を要する組み立て工程が不要であり、生産が比較的容易となる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
（第一の実施例）
本実施例では図１乃至図３に示す揺動体装置を設計、製作した。概略構成は上記実施形態で説明した通りである。
【００２４】
共通基板として、厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板を用い、この単結晶シリコン基板をＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて垂直エッチングすることにより、トーションバー１０１と可動板１０２、可動櫛歯状構造体１０４、可動櫛歯状構造体１０４と隔間して噛み合う固定櫛歯状構造体１０６、１０７を形成した。トーションバー１０１は、固定端１０３でコンタクトパッド（Ti/Pt）１０８〜１１０が形成されたパイレックスガラス基板１０５に陽極接合した。同様に、固定櫛歯状構造体１０６、１０７もパイレックスガラス基板１１３に陽極接合した。固定櫛歯状構造体１０６はコンタクトパッド１０８と、固定櫛歯状構造体１０７はコンタクトパッド１１０と、固定端１０３はコンタクトパッド１０９と、陽極接合時にそれぞれ接触し、電気的にそれぞれ接続している。また、パイレックスガラス基板１０５の可動板１０２の直上に位置する個所には貫通孔１２０が設けてある。また、永久磁石１１１の磁極付近には所定の距離をおいてコイル１１２、１１３が配置され、コイル１１２、１１３は酸化膜を形成した単結晶シリコン基板１１４上に形成した。基板１１４と共通基板とは、スペーサー１１５を挟むことで、コイル１１２、１１３と永久磁石１１１とのギャップを１００μｍにして接着されている。
【００２５】
本実施例の構成の揺動体装置における可動板１０２のトーションバー１０１を回転軸とした揺動運動は、上記実施形態で説明した通りである。この構成では、静電引力と電磁力により上下に引き合うように可動板１０２に力を与えることができ、これにより、トーションバー１０１のねじり以外の変位（左右及び上下の変位）を抑えられる。したがって、トーションバーを柔らかく形成でき、非共振駆動でも低電圧で大きな角変位を生じることができた。また、大きなヨークなどを必要としないため構成が小型にできた。
【００２６】
（第二の実施例）
次に、第二実施例に係る光学機器について説明する。本実施例の光学機器では、上記実施例で説明した揺動体装置の可動板上の金属薄膜を反射鏡として用いた光偏向器を使用している。図５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。
【００２７】
図５において、５０１は、図１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。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は書き込みレンズ又はレンズ群、５０５は投影面である。レーザ光源５０２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、光偏向器群５０１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５０４を透過して投影面５０５上に画像を形成する。これにより、大走査角を特徴とし且つ生産性が良く低消費電力の光スキャナ装置を実現できた。
【００２８】
（第三の実施例）
図６は、第一実施例で示した揺動体装置の可動板上の金属薄膜を反射鏡として用いた光偏向器を画像形成装置に用いた場合の第三実施例を示す図である。
【００２９】
図６において、６０１は図１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。６０２はレーザ光源である。６０３はレンズ或いはレンズ群であり、６０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、６０５は感光体である。レーザ光源６０２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６０１により１次元的に走査される。走査されたレーザ光は、書き込みレンズ６０４により感光体６０５上へ画像を形成する。感光体６０５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。そして、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、大走査角を特徴とし且つ生産性が良く低消費電力の画像形成装置を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の揺動体装置の実施形態及び第一の実施例を示す上面図である。
【図２】図１の揺動体装置を示す断面図である。
【図３】図１の揺動体装置の駆動方法を説明する断面図である。
【図４】図１の揺動体装置の櫛歯状構造体の作製方法の一例を説明する断面図である。
【図５】本発明の揺動体装置を光偏向器として用いた第二の実施例に係る画像形成装置を示す図である。
【図６】本発明の揺動体装置を光偏向器として用いた第三の実施例に係る画像形成装置を示す図である。
【図７】従来例を示す図である。
【図８】他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１    軸支部（トーションバー）
１０２    可動板
１０４、４０５    可動櫛歯状構造体
１０５、４０４    支持基板
１０６、１０７、４０６    固定櫛歯状構造体
１１１    永久磁石
１１２、１１３    コイル
５０１、６０１    光偏向器
５０２、６０２    光源（レーザ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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