(57)【要約】【課題】比較的大きな偏向角を達成でき、高速走査でき、小型にでき、消費電力を小さくできる光偏向器である。【解決手段】光偏向器は、平板状の軟磁性体基板１０７と、軟磁性体基板１０７の表面に形成された絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上に巻き回されたコイル１０８と、コイル１０８に通電して発生する磁気に応じて角変位する、一方面側に反射鏡部１０４を備え、他方面側に着磁した薄膜状の永久磁石１０５を備えた走査ミラー１０２とを有する。共振周波数などの周波数で変化する電流をコイル１０８に流すことで発生する変化磁場が永久磁石１０５に効率的に働いて、走査ミラー１０２が所望の態様で揺動・駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の軟磁性体基板と、前記軟磁性体基板の表面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に巻き回されたコイルと、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、一方面側に反射鏡部を備え、他方面側に着磁した薄膜状の永久磁石を備えた走査ミラーとを有することを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記コイルは、前記平板状の軟磁性体基板の表面に形成された前記絶縁膜上に軟磁性体基板の表面と略平行な面に平面状に巻き回されたコイルであることを特徴とする請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
前記走査ミラーが、基板に、該基板に対して角変位可能に走査ミラーを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の伸長方向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または２記載の光偏向器。
【請求項４】
前記絶縁膜が前記コイル内側の端部分に対応した位置に開口部を有し、前記コイル内側の端部分が前記開口部において前記軟磁性体基板と電気的に接続していることを特徴とする請求項１、２または３記載の光偏向器。
【請求項５】
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乃至４のいずれかに記載の光偏向器。
【請求項６】
前記軟磁性体基板が、前記コイルの中心部に対応した位置に、凹部または貫通口を有す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器。
【請求項７】
光源からの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器を用いた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、入射光を偏向して光走査する光偏向器に関し、特に、電磁力を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を小さくできる光偏向器及びそれを用いた光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する装置（光偏向器とも称する）は、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられている。こうしたレーザ光を偏向・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、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というガルバノメータの駆動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型化するという問題点があった。
【０００４】
一方、従来の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。
【０００５】
その一例として、次のものがある（特許文献１参照。同公報での表現は“走査ミラーの駆動装置”であるが、本明細書での表現と整合をとるため、以下“光偏向器”とする）。図６は同公報の第１実施例を示す斜視図である。６０１は走査ミラーで、ガラス板の一方にアルミ等で鏡面部６０２が形成され、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６０３が形成されている。走査ミラー６０１は支持部材６０４により支持され、支持部材６０４の他端部は装置本体（図示せず）に固着されている。走査ミラー６０１は両支持部材がねじられることによって、その両支持部材６０４を結ぶ駆動軸６０５を中心として角変位可能になるようになっている。また、永久磁石６０３は駆動軸６０５の両側が異極になるように着磁されている。磁気発生部６０６は、コイル６０７がコイル枠６０８に巻き回され、走査ミラー６０１と所定の距離を隔てて配置されている。
【０００６】
ここでは、コイルに通電することにより磁気発生部からは磁界Hが発生し、ミラー部は、（トルク＝磁石の磁気モーメント×H）の式で表されるトルクにより回転し、光を照射すればこれを偏向・走査することができる。
【０００７】
図７は同公報の第２実施例を示す。この光偏向器では、上記コイル枠に巻回されたコイルを有する磁気発生部６０６が、コイル７０２及び鉄心７０３を有する磁気発生部７０１に置き換わっている。その他は上記同公報の第１実施例と同じである。
【０００８】
図８は同公報の第３実施例を示す。この光偏向器は、コイル枠８０１に巻回されたコイル８０２を有する磁気発生部８０３と、ミラー部８０４から成る。ミラー部８０４は、ガラス板８０５とミラー面８０６と薄膜状の永久磁石８０７を有し、磁気発生部８０３に対して回転軸８０８回りに回転可能なように一対の支持部材８０９で支持されている。薄膜状の永久磁石８０７は回転軸８０８を挟んで異極に着磁されている。また、磁気発生部８０３は、支持部材８０９の一方の端部と連結されており、ミラー部８０４の外周に配置されている。
【特許文献１】特開平６−８２７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の光偏向器には、以下のような問題点がある。特許文献１の（産業上の利用分野）の欄の記述によれば、この光偏向器は、“レーザ光の干渉を利用して、微細な凹凸や傷を走査検出するレーザ変位センサー等において使用される”ことを目指して考案されている。しかし、他の用途、例えばレーザ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。
【００１０】
例えば、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。
【００１１】
また、上記の光偏向器は、いわゆるバルクタイプの構造をもっているため、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。
【００１２】
こうした要求に対して、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、磁気発生部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、磁気発生部をミラー部に近づけると、ミラーが広角に振れれば磁気発生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る。
【００１３】
さらに、たとえ大きな電流を流しても、同公報のようにコイル枠に上下方向に渡って周回するコイルでは、下部のコイルはミラーから遠のくために、ミラーを回転するための磁界への寄与が小さい。これは、コイルで磁界を生成する場合、磁界の強さはミラーと周回するコイルとの距離の２乗に反比例していることによる。
【００１４】
同公報の第２実施例の図7のタイプでは、鉄芯を用いてコイル上端部から発生する磁界を大きくしているが、これでは上下方向の小型化が実現できない。また、ミラーに比べて大きな鉄心の面積が必要であり、コイルの上下方向の厚みを考えると、装置が重くもなる。
【００１５】
上下方向に小型化かつ軽量化できるようコイルをミラーの周囲に巻き回した同公報の第３実施例の図８のタイプでは、鉄心を用いていないため、発生する磁界が小さい。したがって、ミラーを大きく傾けるためには、大きな消費電力が必要になってしまう。
【００１６】
したがって、上記従来技術は、大きな偏向角を達成でき、高速走査でき、小型にでき、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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、平板状の軟磁性体基板（Fe−Niを含有する合金などで形成される）と、前記軟磁性体基板の表面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に巻き回されたコイルと、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、一方面側に反射鏡部を備え、他方面側に着磁した薄膜状の永久磁石を備えた走査ミラーとを有することを特徴とする。この構成において、共振周波数などの周波数で変化する電流をコイルに流すことで発生する変化磁場が永久磁石に効率的に働いて、走査ミラーが所望の態様で揺動・駆動される。軟磁性体基板の厚みとしては、コイルが発生する磁場により飽和することはなくかつハンドリングのために適当な剛性を持つように、典型的には数百ミクロンから１mm 程度であるのが好適である。すなわち、薄膜の厚み程度である0.1ミクロンから数十ミクロン位では、充分な飽和磁化と充分な剛性の実現が困難であるので、こうなっている。
【００１８】
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。
前記コイルは、好適には、平板状の軟磁性体基板の表面に形成された絶縁膜上に軟磁性体基板の表面と略平行な面に平面状に巻き回されたコイルである。この構成では、より小型化でき、コイルと薄膜状の永久磁石をより近づけることができて、走査ミラーをより効率的に駆動できる。すなわち、比較的少ない消費電力で、大偏向角駆動や高速走査駆動が可能となる。
【００１９】
前記走査ミラーが、基板に、該基板に対して角変位可能に走査ミラーを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、トーションバーの伸長方向に対して角度をなして着磁されている態様も採り得る。この構成によっても、より小型化でき、コイルで発生する磁束をより効率的に永久磁石に作用させることができる。
【００２０】
前記絶縁膜が前記コイル内側の端部分に対応した位置に開口部を有し、コイル内側の端部分が開口部において軟磁性体基板と電気的に接続している態様も採り得る。この構成によって、コイル内側の電極の取り出しが簡単な構成でできるようになる。
【００２１】
前記コイルは多層コイルにもできる（図３参照）。これにより、より大きな磁界を発生できるようになる。
【００２２】
前記軟磁性体基板が、前記コイルの中心部に対応した位置に、凹部または貫通口を有する態様も採り得る。この構成によって、走査ミラーの大偏向角駆動がさらに容易になる。また、軟磁性体基板の凹部または貫通口の縁部が永久磁石に近く配置できて、コイルで発生する磁束をより効率的に永久磁石の磁極に集中できるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光偏向器では、反射鏡部と薄膜状の永久磁石を備えた走査ミラーと、平面コイルなどのコイルを備えた平板状の軟磁性体基板を近づけて配置することができて、小型化が可能で、かつ、コイルに通電して発生する磁場を永久磁石に対して効率良く働かせることができる。したがって、比較的低消費電力でも、走査ミラーを比較的大きく角変位させたり、比較的高速に駆動させることが可能となり、携帯機器などに実装することが可能となる。こうして、本発明により、入射された光を偏向して光走査する光偏向器であって、小型で、低消費電力で、大偏向角走査、高速走査が可能な構成に容易にできる構成を持つ光偏向器、および光偏向器を用いた装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明を、より具体的に説明する。
【００２５】
（第一実施例）
本発明の光偏向器の第一実施例を説明する。図１は本実施例の構成を示す図である。図１（a）は本実施例の構成を示す斜視図（ただし、この図では上下に分解した状態を示す）である。図１（ｂ）は図１（a）のA-A’断面を示す図（ただし、この図では組み合わせた状態を示す）である。
【００２６】
本実施例において、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、基板１０３を除去・加工して一体形成する。基板１０３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が形成され、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１０５はトーションバー１０１の伸長方向に対して角度（典型的には直角方向）をなして着磁されている（図１（ｂ）の左右方向に着磁）。
【００２７】
コイルは、絶縁膜１０６を形成した平板状軟磁性体基板１０７上に形成される平面コイル１０８であり、コイル１０８の中心部に対応する位置の軟磁性体基板１０７には凹部１０９が形成されている。走査ミラー１０２とコイル１０８および軟磁性体基板１０７を近づけて配置しても、凹部１０９が形成されているため、ミラー１０２の角変位を妨げることはない。また、軟磁性体基板１０７は全面に渡って存在するので、コイル１０８で発生する磁束が永久磁石１０５の反対側へ漏れるのを少なくできる。絶縁膜１０６は、スパッタリング等で薄膜状に形成される酸化膜などである。
【００２８】
絶縁膜１０６の厚さは数μm程度で、平面コイル１０８と軟磁性体基板１０７の間には絶縁膜１０６しかないので、平面コイル１０８と軟磁性体基板１０７を非常に近く配置することができ、小型にできて、かつコイル１０８で発生した磁場を効率良く走査ミラー１０２に設けられた永久磁石１０５に働かせることができる。軟磁性体基板１０７としては、高透磁率、高飽和磁化の特徴を有する基板を使用する。例えば、厚さ500μmの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。磁場の変化に柔軟に応じて磁化されるこの軟磁性体基板１０７は、十分な厚さを有しており、コイル１０８が発生する磁場により飽和することはない。これにより、共振周波数などの周波数で変化する電流が印加される平面コイル１０８で発生する変化磁場は効率良くミラー１０２に配置される永久磁石１０５に対して働き、ミラー１０２を効率良く角変位させられる。
【００２９】
また、平面コイル１０８の内側の端部分に位置する絶縁膜１０６が開口部１１０を有しており、平面コイル１０８と軟磁性体基板１０７は平面コイル１０８の内側の端部分で電気的接続をしている。これにより、軟磁性体基板１０７を平面コイル１０８の電極として用いることができ、走査ミラー１０２を平面コイル１０８に近づけて配置した場合でも、コイル１０８の内側の端部分の電極取り出しが容易にできる。
【００３０】
この構成の光偏向器は、走査ミラー１０２、トーションバー１０１を形成した基板１０３と、平面コイル１０８を形成した軟磁性体基板１０７を近づけて配置する構成であり、小型化が可能で、かつ、平面コイル１０８に通電して発生する磁場が永久磁石１０５に対して効率良く働く。したがって、高速走査のために走査ミラー１０２を支持するトーションバー１０１を硬くした場合でも、消費電力を比較的低く抑えて走査ミラー１０２を大きく角変位させることができ、携帯機器などの小型機器にも実装することが可能となる。
【００３１】
（第二実施例）
本実施例は、図２に示すように光偏向器の設計、製作をした。図２（a）は本実施例の光偏向器の構成を示す図（上下に分解した状態を示す）である。図２（ｂ）は図２（a）のA-A’断面を示す図（組み合わせた状態を示す）である。ここでは、基板として厚さ２００μmの単結晶シリコン基板２０３を用い、この単結晶シリコン基板２０３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２０１を単結晶シリコン基板２０３に一体形成する。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２０１の伸長方向に対して角度をなして着磁する。
【００３２】
軟磁性体基板２０６には、厚さ５００μmのFe-Ni（パーマロイ）を使用する。貫通口２０７を形成した軟磁性体基板２０６上には、スパッタリングにより酸化膜を成膜して絶縁層２０８を形成する。フォトリソグラフィーにより絶縁層２０８上に開口パターン（不図示）を形成し、フッ酸を用いて開口パターン部分の酸化膜を除去することにより開口部２０９を形成する。平面コイル２１０は電気めっきにより形成する。平面コイル２１０の内側の端部分と軟磁性体基板２０６は、開口部２０９で電気的に接続している。コイル２１０の外側の端部分に駆動電圧の＋端子、軟磁性体基板２０６に−端子を接続することで、コイル２１０に電流が流れ、磁場を発生する。
【００３３】
本実施例では、コイル２１０の中心部に対応する位置の軟磁性体基板２０６には貫通口２０７が形成されている。したがって、走査ミラー２０２とコイル２１０および軟磁性体基板２０６を近づけて配置しても、ミラー２０２の角変位を妨げることはない。また、貫通口２０７であるので、走査ミラー２０２の角変位運動により、軟磁性体基板２０６との間でエアダンピング現象が発生するようなこともなくなる。その他の点は第一実施例と同様である。
【００３４】
本実施例の光偏向器でも、走査ミラー２０２、トーションバー２０１を形成した基板２０３と、平面コイル２１０を形成した軟磁性体基板２０６を近づけて配置する構成で、小型化が可能で、かつ、平面コイル２１０に通電して発生する磁場が永久磁石２０５に対して効率良く働くため、比較的低消費電力での駆動が可能である。
【００３５】
（第三実施例）
本実施例では、図３の断面図に示すように光偏向器の設計、製作をした。第二実施例と同様の方法で、単結晶シリコン基板３０８に走査ミラー３１０とトーションバー３０９を形成する。軟磁性体基板３０１には、厚さ５００μmのFe-Ni（パーマロイ）を使用する。貫通口３０２を形成した軟磁性体基板３０１上に、スパッタリングにより酸化膜を成膜して絶縁層３０３を形成する。コイルは、平面コイル３０４と平面コイル３０５が積層された２層コイルであり、平面コイル３０４と平面コイル３０５のコイルパターンの中心部は同じで、巻き方向は逆である。また、下層の平面コイル３０４の内側の端部分３０７と、上層の平面コイル３０５の内側の端部分３０６は電気的に接続されている。したがって、下層の平面コイル３０４の外側の端部分に駆動電圧の＋端子、上層の平面コイル３０５の外側の端部分に−端子を接続することで、適当な周波数で変化する電流がコイルに流れ、平面コイル３０４と平面コイル３０５は同一方向に変化磁場を発生する。平面コイル３０４と平面コイル３０５は各平面コイルの内側の端部分３０７、３０６の接続部分を除いて、レジスト３１２により電気的に絶縁されている。
【００３６】
本実施例の光偏向器でも、走査ミラー３１０、トーションバー３０９を形成した基板３０８と、平面コイル３０４、３０５を形成した軟磁性体基板３０１を近づけて配置する構成で、小型化が可能であり、かつ、２層の平面コイル３０４、３０５に通電して発生する変化磁場が永久磁石３１１に対して効率良く働くため、比較的低消費電力での駆動が可能である。その他の点は第二実施例と同じである。
【００３７】
（第四実施例）
本実施例では、本発明の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、上記実施例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。４０２はレーザ光源である。また、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であり、４０５は投影面である。レーザ光源４０２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４０１により２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４０４により投影面４０５上に画像を形成する。本発明の光偏向器を用いるので、この光学機器も比較的コンパクトにでき、高性能を実現できる。
【００３８】
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は上記実施例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。また、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であり、５０５は矢印方向に回転する円筒形の感光体である。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５０１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。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。ここでも、本発明の光偏向器を用いるので、この光学機器も比較的コンパクトにでき、高性能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（a）は本発明の光偏向器の第一実施例を示す斜視図であり、（b）は（a）の断面図である。
【図２】（a）は本発明の光偏向器の第二実施例を示す斜視図であり、（b）は（a）の断面図である。
【図３】本発明の光偏向器の第三実施例に係る断面図である。
【図４】本発明の光偏向器を用いた光学機器の一実施例を示す概略図である。
【図５】本発明の光偏向器を用いた光学機器の他の実施例を示す概略図である。
【図６】従来例の第１の実施例を示す図である。
【図７】従来例の第２の実施例を示す図である。
【図８】従来例の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
101、201、309    トーションバー
102、202    走査ミラー
103、203、308    半導体基板
104、204、310    反射鏡
105、205、311    永久磁石
106、208、303    絶縁層
107、206、301    軟磁性体基板
108、210、304、305    平面コイル
109    凹部
110、209    開口部
207、302    貫通孔
306    内側の端部分（平面コイル305の）
307    内側の端部分（平面コイル304の）
312    レジスト
401、501    光偏向器
402、502    レーザ光
403、503    レンズ（レンズ群）
404、504    書き込みレンズ群（書き込みレンズ）
405    投影面
505    感光体
【図１】
2005148339.tif 000003
【図２】
2005148339.tif 000004
【図３】
2005148339.tif 000005
【図４】
2005148339.tif 000006
【図５】
2005148339.tif 000007
【図６】
2005148339.tif 000008
【図７】
2005148339.tif 000009
【図８】
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