(57)【要約】【課題】  小型化が容易で、耐久性があり、大振幅が可能な光スキャナ装置を提供する。【解決手段】  固定部２の内側に平板状の可動部４をねじり梁３で支持した一体構造の構造体を単結晶シリコンで構成し、前記可動部４にミラーを設けた光スキャナ装置において、前記平板状の可動部４に、可動部の厚さ方向に磁化した硬磁性体６を設け、この硬磁性体６に対向してＵ字型コア付き電磁石２０を配置する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部の内側に平板状の可動部をねじり梁で支持した一体構造の構造体を単結晶シリコンで構成し、前記可動部にミラーを設けた光スキャナ装置であって、
前記平板状の可動部に設けた、可動部の厚さ方向に磁化した硬磁性体と、
前記硬磁性体に対向して配置したＵ字型コア付き電磁石と、
を備えたことを特徴とする光スキャナ装置。
【請求項２】
請求項１記載の光スキャナ装置において、
前記構造体を収納する容器を備え、前記Ｕ字型コア付き電磁石はコアの両端部分各１点とコアの中央部分１点の計３点の部品に分割し、該コアの両端部分を前記容器にインサート成型しておき、該コアの中央部分である、コイルを巻いた部分を前記コアの両端部分に接合してＵ字型コア付き電磁石を構成したことを特徴とする光スキャナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光スキャナ装置において、
前記硬磁性体は、前記可動部にメッキにより形成したことを特徴とする光スキャナ装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光スキャナ装置において、
前記硬磁性体は、前記可動部にスパッタリング，真空蒸着などの薄膜形成方法により形成したことを特徴とする光スキャナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を偏向，走査する光スキャナ装置に関し、特にその可動部の駆動に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を偏向，走査するための従来技術としては、プリンタ等に広く使用されているポリゴンミラーがある。ポリゴンミラーはスピンドルモータで回転する多角形の側面をミラーとするものである。そのミラーにレーザビーム等を照射し、このポリゴンミラーが回転することで照射されたレーザビーム等は順次偏向，走査される。しかし，ポリゴンミラーはスピンドルモータに比較的大きな電力が必要であり、モータ軸受け特有の騒音が大きい。
【０００３】
プリンタ以外のレーザマーカやレーザ加工機，レーザ顕微鏡等の用途には、ガルバノミラーが用いられることが多い。このガルバノミラーはやはりモータで駆動されており、ミラーを静止することも可能である。しかし、ミラーが大ききく、メカニカル部品で組み立てられているので、装置としては大きくなり、その駆動に大きな電力が必要となる。
【０００４】
このような実情から、小型で省電力となるマイクロマシニング技術を用いた光スキャナが提案されている。
【０００５】
マイクロマシニング技術を用いた光スキャナには、様々な駆動方式があるが、静電式や圧電式に比べて電磁式が走査振幅を大きくできることから、ポリゴンミラーの代替として検討されている。
【０００６】
この例としては、下記特許文献１，特許文献２，特許文献３記載のもの等がある。特許文献１記載のものは、図５に示すように、単結晶シリコンで構造体５０を形成し、ねじり梁（ねじり動作可能な梁）５１で支持された可動部５２上にコイル５３とミラー５４を敷設してある。動作原理は外部の永久磁石５５で発生した磁界内でコイル５３に電流を流すことでローレンツ力を発生させ駆動力を得る。この駆動方式は電磁アクチュエータの分類ではムービングコイル方式と呼ばれる。特許文献２記載のものは、図６に示すように、単結晶シリコンで構造体６０を形成し、可動部６１にミラー６２と軟磁性体６３を敷設し、外部には、柔磁性体６３の片側に対向して電磁石６４を固定して、この電磁石６４に電流を流すことによる吸引力により可動部６１を駆動するものである。この方式は電磁アクチュエータの分類ではムービングマグネット方式に近い。特許文献３記載のものは、半導体で構造体７０を形成し，可動部７１には膜面の垂直方向に磁化した磁性膜７２を設け、外部に巻き方向を互いに逆にした２個のコイル７３，７４を固定して、コイル７３，７４に電流を流すことによって各コイルに発生する磁力と磁性膜７２の磁力とによる、反発力と吸引力により可動部７１を駆動するものである。この方式はムービングマグネット方式の変形といえる。
【特許文献１】特開平７−１７５００５号公報（特許第２７２２３１４号）
【特許文献２】特開２００２−３１１３７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１８９１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の方式は、コイルへの導入線がねじり梁上に敷設されているため、梁のねじれにしたがってねじれてしまい、耐久性に問題が生じる可能性がある。また、薄膜で形成されたコイルでは抵抗を小さくすることは難しく、電流を流した際の発熱の影響も考慮しなければならない。コイルの形成を前提とすると小型化が難しいといった問題がある。
【０００８】
特許文献２に記載の方式は、特許文献１記載のムービングコイル方式にある前述の問題を解決することはできるが、吸引力だけで駆動すると可動部の端部に力を作用させることで可動部がねじりの動きはするものの、可動部全体が電磁石の方に引っ張られ、ミラーの位置がずれてしまう可能性が大きく、特に大振幅のために大きな力を作用させたときが問題となる。特許文献３記載の方式は、反発力と吸引力により可動部を駆動するものなので、特許文献２記載の方式における、可動部全体が電磁石の方に引っ張られ、ミラーの位置がずれてしまうという問題は解決できるものの、コイルが空心であるため駆動に大きな電流を必要とし、巻き方向の異なる２個のコイルを必要とする、という問題がある。
【０００９】
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、小型化が容易で、耐久性があり、大振幅が可能な光スキャナ装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明では、光スキャナ装置を次の（１）ないし（４）のとおりに構成する。
【００１１】
（１）固定部の内側に平板状の可動部をねじり梁で支持した一体構造の構造体を単結晶シリコンで構成し、前記可動部にミラーを設けた光スキャナ装置であって、
前記平板状の可動部に設けた、可動部の厚さ方向に磁化した硬磁性体と、
前記硬磁性体に対向して配置したＵ字型コア付き電磁石と、
を備えた光スキャナ装置。
【００１２】
（２）前記（１）記載の光スキャナ装置において、
前記構造体を収納する容器を備え、前記Ｕ字型コア付き電磁石はコアの両端部分各１点とコアの中央部分１点の計３点の部品に分割し、該コアの両端部分を前記容器にインサート成型しておき、該コアの中央部分である、コイルを巻いた部分を前記コアの両端部分に接合してＵ字型コア付き電磁石を構成した光スキャナ装置。
【００１３】
（３）前記（１）または（２）に記載の光スキャナ装置において、
前記硬磁性体は、前記可動部にメッキにより形成した光スキャナ装置。
【００１４】
（４）前記（１）または（２）に記載の光スキャナ装置において、
前記硬磁性体は、前記可動部にスパッタリング、真空蒸着などの薄膜形成方法により形成した光スキャナ装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、可動部にコイルを形成する必要がないので小型化が容易であり、可動部にコイルがないのでコイルの導入線がねじり梁部でねじれることがなく耐久性があり、Ｕ字型コア付き電磁石で励振しているので大振幅が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態を光スキャナ装置の実施例により詳しく説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１である“光スキャナ装置”の構造体１の構成を示す図である。図示のように、単結晶シリコンで平板状の固定部２，可動部４および固定部２と可動部４を接続するねじり梁３を半導体フォトリソ技術で精度良くパターニングする。なお、各図は、説明の都合上、大きさを誇張して示しており、例えば、可動部４は数ミリの大きさである。
【００１８】
さらにパターニングされた領域のうち予め硬磁性体６（膜磁石，図２参照）を設ける部分に、メッキあるいはスパッタリングや蒸着といった膜生成技術を用いて成膜しかつ形状を整える。
【００１９】
そして、図２に示すように、可動部４の成膜された一方の面に、硬磁性体６の膜磁石を形成する。
【００２０】
膜磁石には、例えば、スパッタリングで形成される希土類のサマリウムコバルト系、希土類―Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｐｔや磁気記憶装置に使用されているコバルト系材料などの高保磁力を有する材料を使用する。成膜方法は、膜特性とコストを勘案して化学的方法か物理的方法を選択する。
【００２１】
構造体１の外部に、図２に示すように、硬磁性体６と対向してＵ字型コア付き電磁石２０を配置する。この電磁石２０は、可動部４の両端で逆極性なるように設計されたＵ字型コア７付きの電磁石である。
【００２２】
電磁石２０は、コア７を軟磁性材料で作成し、図４に示すように、パッケージ４０と共に単結晶シリコン構造体１と一体化される。硬磁性体６の着磁は組み立て直前に行うことが望ましいが、組み立て後の着磁も可能である。
【００２３】
Ｕ字型コア付き電磁石を使用すれば、電磁石に用いるコイルは１個で済み、コスト，工程共に削減できる。しかし、Ｕ字型のコアにボビン巻きのコイルを装着することは難しい。これを容易にするためにＵ字型のコアを３点に分割して、それぞれ棒状のコアを作成し組み立てる手法を用いてコスト，工程共に削減をする。
【００２４】
詳しくは、図４に示すように、プラスチックのパッケージ４０にボビン巻きコイルを装着しない２点のコア４１を予めインサート成型しておき、後からボビン巻きコイル装着のコア４２をコア４１の端部に接合するように、当該プラスチックのパッケージ４０に組み込む。
【００２５】
単結晶シリコンを使用した光スキャナ装置の場合、少ない印加エネルギで大きな振幅を得るために、可動部とねじり梁を共振子として設計し、使用することが多い。共振子として使用する場合には、単結晶シリコンの材料物性は極めて安定しているために、共振周波数は形状のみで定まる。ねじりの１次共振モードを利用するのであるが、目的外の高次モードはシミュレーションなどで除外する設計が必要であるのは言うまでもない。
【００２６】
このように組み立てられた光スキャナ装置の電磁石２０に電流を印加すると、図２に示すように、可動部４の両端に吸引力と反発力が加わるためねじり梁３を回動軸にして可動部４はバランスよく傾くことになる。電流の印加をやめれば、ねじり梁３の復元力で元の位置に戻る。
【００２７】
印加する電流を、図３に示すように交流にすれば、交流の周波数に応じた運動を繰り返すことになる。印加する電流の値が一定の場合、可動部の振幅は、図３（ｂ）に示すように、共振周波数で最大となり、共振周波数から離れるに従い減少する。周波数が一定の場合、振幅は、図３（ｃ）に示すように、印加する電流の値に比例して増大する。
【００２８】
本実施例の構成では、可動部に設けられた膜磁石（永久磁石）の保磁力が少々小さくても、コア付電磁石で発生する磁力を大きくできるので（空心コイルに比べて磁束密度を１０００〜１００００倍）、大振幅を得ることは容易である。しかも、電磁石は単結晶シリコン構造体の外に存在しているため、発生した熱が単結晶シリコン構造体に影響を及ぼさない。特許文献１記載の光スキャナ装置では、可動部のコイルでの発熱が可動部材料の温度上昇をもたらし、材料自身が熱膨張することによってねじり梁にかかる応力が変化し、共振周波数が設計値からずれてくる。本実施例装置では、可動部に発熱体がないので、このような問題は発生しない。
【００２９】
以上説明したように、本実施例では、可動部にコイルを形成する必要がないので小型化が容易であり、可動部にコイルがないのでコイルの導入線がねじり梁部でねじれることがなく耐久性がある。また、Ｕ字型コア付き電磁石で励振しているので、可動部をバランスよく傾けることができ、磁力を大きくできて大振幅が可能である。
【００３０】
さらに、Ｕ字型コア付き電磁石１個で、可動部の両端で所要の逆極性の磁力を得ており、電磁石製造のコスト，工程を削減することができる。また、電磁石のコアを３点に分割し、パッケージで合体するようにしているので、Ｕ字型のコアにボビン巻きのコイルを容易に装着でき、製造のコスト，工程を削減することができる。Ｉ字型コアにボビン巻きのコイルを装着した部品は、腕時計などに用いられているので、安価に入手できる。
【００３１】
（変形）
前述の実施例では、平板状の可動体の全面にわたり硬磁性体を設けているが、可動体の両端の、コア４１に対向する個所にのみ硬磁性体を設けるようにしてもよい。また、硬磁性体はミラー５と同じ側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１の構造体の構成を示す図
【図２】実施例１の動作原理を示す図
【図３】実施例１の特性を示す図
【図４】実施例１の組み立て方を示す図
【図５】特許文献１記載の光スキャナ装置を示す図
【図６】特許文献２記載の光スキャナ装置を示す図
【図７】特許文献３記載の光スキャナ装置を示す図
【符号の説明】
【００３３】
１  構造体
２  固定部
３  ねじり梁
４  可動部
５  ミラー
６  硬磁性体
２０  Ｕ字型コア付き電磁石
【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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