JP3862623B2 - 光偏向器及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を偏向する光偏向器及びその製造方法、それを用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年において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。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、より一層の小型化が要求されている。これらの要求を満たす光偏向器として、例えば、特開平０６−８２７１１、特開２０００−１４７４１９等が提案されている。
【０００３】
図１６は、特開平０６−８２７１１に開示された第一の従来例の光偏向器を示す斜視図である。
【０００４】
この光偏向器の走査ミラー１００１は、長方形の平板状をなしガラス板１００９の一方面にアルミ等を蒸着して光を反射できる鏡面部１００２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１００３がスパッタリング等により薄膜状に形成されている。そして、ステンレスやベリリウム銅等の金属製の薄板により短冊状にされた支持部材１００４が、その一端部を鏡面部１００２の長手方向の両端部中央にそれぞれ固着支持されるとともに、他端部を装置本体（不図示）に固着されており、走査ミラー１００１は、両支持部材１００４がねじられることによってその両支持部材１００４を結ぶねじり軸１００５を中心として角変位可能なようになっている。また、永久磁石１００３は、図１６に示すように駆動軸１００５の両側が異極になるように着磁されている。
【０００５】
また、磁気発生部１００６は、コイル１００７がコイル枠１００８に巻かれた構成で、永久磁石１００３が形成された走査ミラー１００１の他方面側に所定の距離を隔てて配置されている。したがって、コイル１００７に通電して磁気発生部１００６から磁気を発生すると、永久磁石１００３の磁極との間で吸引及び反発力が働き、走査ミラー１００１は磁気発生部１００６に発生する磁気に応じて任意の角度に変位するように駆動する。
【０００６】
一方、図１７は、特開２０００−１４７４１９に開示された第二の従来例の光偏向器を示す分解斜視図である。
【０００７】
図１７に示すように、光偏向器２００１のベース２００２は偏平長方形状を有し、このベース２００２の全外周端には立設部２００３が一体的に突出形成されており、この立設部２００３上に振動体２００５が配置されている。
【０００８】
この振動体２００５は、方形状の外枠部２００６と、この外枠部２００６の開口部２００６ａ内に配置された光反射面２００７ａが形成されている反射ミラー部２００７と、この反射ミラー部２００７の略重心を通る軸上の位置で反射ミラー部２００７と外枠部２００６とを連結する一対の支持部２００８から構成されている。そして、外枠部２００６が立設部２００３上に固定されており、反射ミラー部２００７は一対の支持部２００８をねじり軸ＣＬ（図１７）として揺動自在に構成されている。
【０００９】
また、反射ミラー部２００７の裏面には前記ねじり軸ＣＬに直交する方向に延びる溝２００９ａと突起部２００９ｂとから成るミラー側櫛歯部２００９が形成されている。この反射ミラー部２００７のミラー側櫛歯部２００９に対向するベース２００２上の位置には左右一対の固定電極２０１０，２０１１が配置され、この一対の固定電極２０１０，２０１１の上面側にも溝２０１２ａと突起部２０１２ｂとから成る電極側櫛歯部２０１２が形成されている。そして、ミラー側櫛歯部２００９と電極側櫛歯部２０１２とは、一方の溝２００９ａ，２０１２ａと他方の突起部２００９ｂ，２０１２ｂとが互いに噛み合うように配置されている。各固定電極２０１０，２０１１と反射ミラー部２００７との間には各切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して選択的に電圧を印加できるよう構成されている。したがって、各切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２を交互にオン・オフ制御し、一対の固定電極２０１０、２０１１に交互に電圧を印加することにより、反射ミラー部７が一対の支持部２００８をねじり軸ＣＬを軸として揺動する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１および第２の従来例は以下にのべる問題があった。
【００１１】
第１の従来例において、鏡面部１００２を高速・高偏向角で駆動させるためには、走査ミラー１００１のねじり軸１００５まわりの慣性モーメントがより小さいほうが望ましい。第１の従来例の構成で、走査ミラー１００１の慣性モーメントを低減しようとすると、支持部材１００４を薄くすることが考えられるが、同時に剛性も低下してしまう。したがって、高速にねじり振動する走査ミラー１００１は駆動時に自重による慣性力を受けて大きく撓んでしまい、高速・高偏向角駆動と偏向器の光学特性の両立が難しいという問題があった。
【００１２】
また、大きな発生力が必要な場合は、永久磁石１００３の厚さを増加せざるを得なくなるため、走査ミラー１００１の慣性モーメントが著しく増加してしまうばかりか、ねじり軸１００５と走査ミラー１００１の重心が大きく離れてしまい安定なねじり振動が得られないという問題があった。
【００１３】
第２の従来例において、反射ミラー部２００７を高偏向角で駆動させるためには、反射ミラー部２００７とベース２００２との干渉を避けるため、ミラー側櫛歯部の突起部２００９ｂと電極側櫛歯部２０１２ｂがそれぞれ十分な高さを持っている必要がある。したがって、構造的に、高偏向角に伴って、反射ミラー部２００７の慣性モーメントは増加せざるをえなくなり、高速で且つ高偏向角という駆動特性の両立が難しいという問題があった。
【００１４】
また、第２の従来例において、静電力で駆動するアクチュエータでは電磁力で駆動するものに比べ、高電圧が必要になるため、電源供給部が大型化せざるを得なくなる。したがって、光偏向器が小型化できたとしても駆動のための装置が小型化できず装置全体としては大きくなってしまう問題があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、高速に駆動可能で、大きな偏向角がとれ、反斜面の静的な平坦性が優れ、高速動作時にも歪みが少ない、小型で低電圧駆動可能な光偏向器及びその製造方法、それを用いた光学機器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
よって本発明は、第１及び第２の弾性支持部を備えた支持基板に、可動板が、該可動板の一方の端を前記第１の弾性支持部で支持し、他方の端を前記第２の弾性支持部で支持することによって、ねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されており、前記可動板の第１の面には、反射体が設けられており、前記第１の面と反対側の第２の面には、磁性体が設けられており、通電可能なコイルが、該コイルへの通電によって発生する磁場により前記可動板をねじり振動させ得る位置に設けられており、前記コイルへの通電によって、前記可動板を駆動することによって、前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、前記可動板の前記第２の面に、ねじり軸に交差する方向に延びる、少なくとも２つ以上の凹部が設けられており、前記凹部の内、前記第１の弾性支持部に最も近い側に位置する第１の凹部と、前記第２の弾性支持部に最も近い側に位置する第２の凹部は、それぞれ、ねじり軸をまたがるように設けられており、且つ前記第１及び第２の凹部には、前記磁性体として永久磁石が設けられていることを特徴とする光偏向器を提供する。
【００１７】
また、本発明は、第１及び第２の弾性支持部を備えた支持基板に、可動板が、該可動板の一方の端を前記第１の弾性支持部で支持し、他方の端を前記第２の弾性支持部で支持することによって、ねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されており、前記可動板の第１の面には、反射体が設けられており、前記第１の面と反対側の第２の面には、磁性体が設けられており、通電可能なコイルが、該コイルへの通電によって発生する磁場により前記可動板をねじり振動させ得る位置に設けられており、前記コイルへの通電によって、前記可動板を駆動することによって、前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、前記可動板の前記第２の面に、ねじり軸に交差する方向に延びる、少なくとも２つ以上の独立した凹部群が設けられており、前記凹部群には、前記磁性体として永久磁石が設けられている凹部と、ねじり軸をまたがらないように配置され、且つ永久磁石が設けられていない凹部とを有することを特徴とする光偏向器を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
（全体の説明、ミラー（可動板部））
図１は、本発明による光偏向器の第１の実施形態の構成を示す斜視図である。図１において光偏向器１は支持基板２に可動板６の両端が弾性支持部３で支持された構造となっている。弾性支持部３は可動板６をＣ軸（つまり、ねじり軸）を中心に弾性的にＥ方向にねじれ振動自在に支持するものである。また、可動板６の一方の面はミラー面である反射面４となっていて、可動板６のＥ方向のねじれにより反射面４に入射する入射光を所定変位角偏向するものである。なお、図１のＢで示す矢印方向は、ねじり軸Ｃと垂直で可動板６の反射面４が形成される面と平行な向きを示しており、特にＢの矢印方向を「可動板幅方向」とする。
【００２０】
（マグネット、凹部）
さらに、可動板６には、反射面４が形成される面と反対側（以下裏面と称す）にＢ方向に平行に凹部５が複数形成されている。この裏面とは先の反射面４が形成される面に対する他方の面のことであり、反射面が形成されない面のことである。特に、複数設置された凹部５のうち２本には、永久磁石７、例えばサマリウム−鉄−窒素を含む希土類系の永久磁石、が埋め込まれて設置されている。そして、永久磁石７はねじり軸Ｃを挟んで異極に着磁されている。
【００２１】
（一体形成、ミラー基板）
これらの支持基板２、可動板６、反射面４、弾性支持部３及び後述する凹部５は、共に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術により単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００２２】
（コイル基板の説明）
また、永久磁石７と所望の距離をおいて近傍に磁気発生手段であるコイル９が配置されるようにコイル基板８が支持基板２と平行に設置されている。コイル９は図１のようにコイル基板８の面上に、渦巻状に例えば銅を電気メッキすることにより一体形成されている。そしてこの磁気発生手段と磁石が駆動手段となり、可動板と支持基板とが相対的に駆動する。より具体的には可動板が支持基板に対してねじり振動することが出来る。
【００２３】
（動作）
図２を用いて、本実施形態の光偏向器１の動作を説明する。図２は、図１の光偏向器１のＡ−Ａ線での断面図である。図２に示すように永久磁石７はねじり軸Ｃを挟んで異極となるように着磁されており、その向きは例えば図示の通りである。コイル９に通電することにより磁束Φが通電する電流の向きに関係して、例えば図２の向きに発生する。永久磁石７の磁極には、この磁束に関係した方向にそれぞれ吸引及び反発力が発生し、ねじり軸Ｃを中心に弾性支持された可動板６にトルクＴが働く。同様にして、コイル９に通電する電流の向きを反対にすれば、反対向きにトルクＴが働く。したがって、図２に示すように、コイル９に通電する電流に応じて、任意の角度、可動板６を駆動することが可能である。
【００２４】
（共振）
更に、コイル９に交流電流を通電することにより、可動板６を連続的にねじり振動させることが可能である。このとき、交流電流の周波数を可動板６の共振周波数とほぼ一致させ、可動板６を共振させると、更に大きな角変位が得られる。
【００２５】
（スケール）
本実施形態の光偏向器１は、例えば、可動板６の共振周波数である１９ｋＨｚ、機械的な変位角±１０°で駆動する。支持基板２、可動板６、弾性支持部３は全て等しい厚さ１５０μｍで構成され、可動板６のＢ方向の幅が１．３ｍｍ、ねじり軸方向の長さが１．１ｍｍであり、１本の弾性支持部３の長さが２７００μｍ、幅６８μｍで実施される。つまり可動板の面の面積は数ｍｍ^２程度の面積（特に２ｍｍ^２以下の面積）でありこの可動板付き支持基板はマイクロ構造体である。
【００２６】
（可動板の詳しい構成の説明）
ここで、図３は、支持基板２を裏面からみた斜視図である。
図３に示すように本実施形態では、可動板６の裏面に、Ｂ方向に平行に凹部５が複数形成されている。特に、複数設置された凹部５のうち２本には、永久磁石７がＢ方向に平行に埋め込まれて設置されている。
【００２７】
このように本実施形態では、可動板６が凹部を有しない単純な直方体であった場合に比べ、軽量化されており、ねじり軸Ｃまわりの慣性モーメントが小さくなっている。特に慣性モーメントは可動板６の質量とその部分のねじり軸Ｃからの距離の２乗との総和で決まるため、図３の凹部５のようにねじり軸Ｃから遠い位置ほど可動板６のシリコンの質量が少なくなる構成とすることで慣性モーメントを効果的に減少させることができる。
【００２８】
一方、図３に示すように複数の可動板６の凹部５は、ねじり軸Ｃに沿って列状に形成され（それぞれの凹部の方向はねじり軸Ｃ方向に交差する方向に配置されている）ており、この列と列の間に残る中実部分のため、効果的に可動板６を支持することができる。このように本実施形態の光偏向器１は可動板６の剛性を十分に保ちながら慣性モーメントを低減できる。また、ねじり軸Ｃに近い位置には凹部５を設けず（つまり可動板６の中心位置のことで、凹部はねじり軸Ｃ上をまたがない）、その結果中実部分が増加する構造となっている。ねじり振動時にはねじり軸Ｃに近いほど大きな曲げモーメントが可動板６に負荷するため、凹部５の構成を図３のようにすることによりミラー剛性（あるいは可動板の剛性）をなるべく損なわない構成とすることができる。
【００２９】
（磁石の形状の説明）
更に、本実施形態の永久磁石７は、可動板６に形成された凹部５に埋め込まれて形成されている。本図では複数の凹部のうち２つはねじり軸Ｃをまたいで設けられており、その２つの凹部に永久磁石が埋め込まれて形成されている。また永久磁石が設けられているこれら２つの凹部は、他の凹部に比べて弾性支持部３に一番近い位置に配置されている。そして可動板６に形成された凹部５に埋め込まれて形成されていることで、凹部５を形成することにより低下した可動板６の剛性を効果的に補うことが可能である。特に、凹部５はＢ方向に平行に細長く形成されており、ここに形成される永久磁石７も同様の形状となる。この場合、可動板６の慣性モーメントを大きく増加させること無く、可動板６の剛性（あるいはミラー剛性）を増加させることができる。
【００３０】
また、永久磁石７が可動板６を形成する材料（本実施形態の光偏向器１では単結晶シリコン）よりヤング率が大きい場合などは、可動板６が凹部５を有しない単純な直方体であった場合に比べて、高い剛性を可動板６に持たせることが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態では、可動板６の面上に永久磁石７が設置される場合に比べ、永久磁石７をねじり軸Ｃに近づけることができ、可動板６の慣性モーメントを低減することができる。
【００３２】
加えて、可動板６の重心もねじり軸Ｃに近づくため、不要振動の少ない安定したねじり振動とすることができる。
【００３３】
（磁石の形状について）
また、発生トルクの観点からも本実施形態の光偏向器１の永久磁石７の形状は、好ましい効果を持っている。つまり永久磁石の形状が発生トルクに効果的に作用する。可動板６に形成される永久磁石７は発生トルクを大きくするため、なるべく残留磁束密度が大きな磁石を用いることが望ましい。一般に、磁石は、その形状に起因する自己減磁作用を受けるため、例えば円柱状の磁石を想定すれば、その直径Ｄと長さＬの比Ｌ／Ｄが大きい方（所謂パーミアンス係数の大きな形状）が、自己減磁作用が小さく、大きな残留磁束密度を持つ磁石となることが知られている。本発明の永久磁石７は、Ｂ方向に平行に細長く形成された凹部５に埋め込まれて形成されており、自己減磁作用が小さく、残留磁束密度の大きな磁石となり、大きな発生トルクのアクチュエータを構成することができる。
【００３４】
なお、図１では光偏向素子として反射面４としたが、反射面４を反射型の回折格子としても可動板６のねじり振動により同様の動作を行う光偏向器を構成できる。この場合、入射光に対して偏向光は回折光となるため、１本のビームで複数の偏向光を得ることができる。以下の実施形態では、特に、光偏向素子を反射面４とした場合について説明するが、以下のすべての実施形態においても反射型回折格子と置き換えてもよい。
【００３５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の光偏向器の第２の実施形態を示す斜視図である。本実施形態の光偏向器２１は、基本的な駆動原理は第１の実施形態の光偏向器１と同様である。また、第１の実施形態と同様に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術によって単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００３６】
図１との違いは、支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５、永久磁石７の構造であり、ここでは特にこの点について説明する。なお、図４では図１と同一部分は同一符号を付している。
【００３７】
図５（ａ）は図４のＸ−Ｘ線における断面図、図５（ｂ）はＹ−Ｙ線における断面図、図５（ｃ）はＺ−Ｚ線における断面図である。弾性支持部３、凹部の其々の面は、図５（ａ）（ｂ）に示すように部材となる単結晶シリコンウエハの（１１１）等価面で構成されている。凹部はねじり軸上にはまたがって配置されていない。なお、（１１１）等価面、例えば、（−１−１１）面、（１１−１）面、（１００）等価面とは、例えば、（−１００）面などの総称とそれぞれする。シリコンの（１００）等価面と（１１１）等価面は図示の通り略５４．７°の角度で配されているため、図５（ａ）に示すように可動板６の側壁、裏面を（１１１）等価面で陥没状に構成することが可能である。図５（ｃ）に示すよう弾性支持部３のＺ−Ｚ線における断面は（１１１）等価面と（１００）等価面で囲まれたＸ字状断面となっている。
【００３８】
また、図５（ｂ）に示すように、可動板６の裏面に形成される凹部５は、Ｙ−Ｙ線における断面が（１１１）等価面で囲まれたＶ字状となっている。永久磁石７は、図４、図５（ｂ）に示すように、例えば、鉄―コバルト―クロム合金の線材を加工するなどして形成した円筒形状で、図に示すように凹部５の２本にはめ込まれて、接着されている。
【００３９】
本実施形態の凹部５、永久磁石７は、第１の実施形態の光偏向器１の凹部５、永久磁石７と同様の効果を有している。加えて本実施形態の光偏向器２１では、可動板６の側壁にも（１１１）等価面で構成される陥没状の凹部が形成されているため、可動板６の慣性モーメントを更に効果的に低減することが可能である。また、永久磁石７を細長い円筒形状にすることにより、自己減磁作用を効果的に少なくすることができる。
【００４０】
本実施形態の光偏向器２１では、断面が円形の永久磁石７をＶ字状断面の凹部５にはめ込む構成となっており、特にねじり軸Ｃ方向へは凹部５の（１１１）等価面によって固定されており、これらの位置精度を高精度にすることができる。これにより、発生トルク、共振周波数など光偏向器の特性の製品間ばらつきを抑えることができる。
【００４１】
また、弾性支持部３の断面をシリコンの（１００）等価面と（１１１）等価面で構成されるＸ字状の多角形とすることにより、可動板６をねじり軸Ｃ回りにねじり易く、ねじり軸Ｃに垂直方向に撓みにくく弾性支持することが可能となる。このＸ字状の断面で構成される弾性支持部３により可動板６はねじり軸Ｃ回りのねじり振動以外の不要振動が生じにくく、外乱の少ない光偏向器を実現できる。
【００４２】
（製法）
次に本実施形態の支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５の製造方法を図１２（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。図１２（ａ）〜（ｅ）は本実施形態における支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５のアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングによる製造方法を示す工程図である。特に図４Ｘ−Ｘ線での断面の各工程の概略図を示している。まず、図１２（ａ）に示すように低圧化学気相合成法等により平板状のシリコン基板１０４の両面に窒化シリコンのマスク層１０１を成膜する。
【００４３】
次に、図１２（ｂ）に示すように反射面４が形成される面のマスク層１０１を支持基板２、可動板６、弾性支持部３の形成予定部分の外形に応じてパターニングする。このパターニングは通常のフォトリソグラフと窒化シリコンを侵食するガス（例えばＣＦ４等）を用いたドライエッチング加工によって行う。また、図１２（ｃ）に示すように反射面４が形成されない面に、支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５の外形に応じてマスク層１０１をパターニングする。この場合も図１２（ｂ）と同様の方法でパターニングを行う。
【００４４】
次いで、図１２（ｄ）に示すように単結晶シリコンの結晶面によって腐食する速度が著しく異なるアルカリ水溶液（例えば、水酸化カリウム水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液等）に所望の時間、浸漬することによって異方性エッチング加工を行い、図１２（ｄ）に示すような形状の支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５を形成する。異方性エッチングでは（１００）等価面でエッチング速度が速く、（１１１）等価面で遅く進むため、シリコン基板１０４の表面と裏面の両面からエッチングを進行させ、マスク層１０１のパターンとシリコンの結晶面との関係によりマスク層１０１で覆われた部分の（１００）等価面と（１１１）等価面で囲まれた形状に正確に加工することが可能である。即ち、このアルカリ異方性エッチングにより可動板６の裏面には（１１１）等価面で構成される凹部５が形成され、可動板６の側面には（１１１）等価面で陥没状の形状が形成され、同時に弾性支持部３もこのエッチング工程で（１００）等価面と（１１１）等価面で囲まれたＸ字状の多角形（図５（ｃ）参照）に加工される。
【００４５】
次に、図１２（ｅ）に示すように窒化シリコンのマスク層１０１を除去し、更に反射面４として高反射率を有する金属（例えば、アルミニウム等）を真空蒸着する。以上の製造方法により、支持基板２、凹部５が形成された可動板６、反射面４、及び弾性支持部３が一体に形成される。
【００４６】
最後に、加工の容易な金属磁石（例えば、鉄−コバルト−クロム合金等）の線材を所望の長さに切断し、凹部５に接着剤等で接着する。その後、着磁（着磁方向は図２を参照）を行って永久磁石７を形成し、図４の光偏向器２１が完成する。
【００４７】
このように本実施形態の光偏向器２１の製造方法によれば、可動板６、弾性支持部３の両方の構造を１回のアルカリ異方性エッチングで加工することができるので、非常に安価に大量に製造可能である。また、設計変更等に対してもフォトリソグラフのマスクパターンとエッチング時間の調節で対応可能となるため、光偏向器を益々安価に、開発期間を短く製造可能となる。加えて、可動板６、弾性支持部３の形状は、単結晶シリコンの（１１１）等価面で決定するため、その加工を高精度に行う事が可能である。
【００４８】
また、永久磁石７を円形断面の線材を切断して形成することにより、加工精度を高く、安価に製造可能となる。
【００４９】
（第３の実施形態）
図６は本発明の光偏向器の第３の実施形態を示す斜視図である。
【００５０】
本実施形態の光偏向器３１は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様の支持基板２、弾性支持部３が形成されており、この部分の効果もまた同様である。そして、第２の実施形態と同様に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術によって単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００５１】
図４との違いは、凹部５、永久磁石７の構造であり、ここでは特にこの点について説明する。なお、図６では図４と同一部分は同一符号を付している。
【００５２】
図７は図６のＡ−Ａ線における断面図である。凹部５の其々の面は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様に単結晶シリコンウエハの（１１１）等価面で構成され、図７に示したようにＡ−Ａ線における断面はＶ字状となっている。特に本実施形態の光偏向器３１では、可動板６上に形成される全ての凹部５がねじり軸Ｃをはさんで対称に形成されており、ねじり軸Ｃ付近には凹部５が形成されない構成となっている。
【００５３】
また、永久磁石７は、可動板６上の全ての凹部５に埋め込まれて形成されている。
本実施形態の凹部５、永久磁石７は、第１の実施形態の光偏向器１の凹部５、永久磁石７と同様の効果を有している。 但し、本実施形態の光偏向器３１では、凹部５をねじり軸Ｃ付近に形成しないことにより、凹部５を形成することによる可動板６の剛性の低下を更に抑えることができる。また、永久磁石７を全ての凹部に充填することにより、可動板６の厚さが薄く、凹部５の深さが十分とれない場合でも、磁石の量を増やし大きな発生力を得ることができる。
【００５４】
（製法）
また、本実施形態の光偏向器の製造方法としては、図１２の製造方法を用いることができる。但し、図１２（ｃ）の工程で、凹部５に相当するマスク層１０１の形状が図６に対応した形状となる。ついで図１２（ｄ）、（ｅ）の工程を順次行う事によって、図６に示すように、支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５が形成される。その後、永久磁石７は、例えば、ニッケル−コバルト−リンを含む合金を電気メッキし、研磨をほどこすなどして全ての凹部５に埋め込まれて形成される。最後に、着磁（着磁方向は図２を参照）を行って永久磁石７を形成し、図６の光偏向器３１が完成する。
【００５５】
（第４の実施形態）
図８は本発明の光偏向器の第４の実施形態を示す斜視図である。
【００５６】
本実施形態の光偏向器４１は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様の支持基板２、弾性支持部３が形成されており、これらの部分の効果もまた同様である。そして、第２の実施形態と同様に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術によって単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００５７】
図４との違いは、凹部５、永久磁石７の構造であり、ここでは特にこの点について説明する。なお、図８では図４と同一部分は同一符号を付している。
【００５８】
図９は図８のＡ−Ａ線における断面図である。凹部５の其々の面は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様に単結晶シリコンウエハの（１１１）等価面で構成され、図９に示したようにＡ−Ａ線における断面はＶ字状となっている。特に本実施形態の光偏向器４１では、永久磁石７は、直方体の平板であり、凹部５上に図９のように形成されている。
【００５９】
本実施形態の凹部５、永久磁石７は、第１の実施形態の光偏向器１の凹部５、永久磁石７と同様の効果を有している。
【００６０】
但し、本実施形態の光偏向器４１では、永久磁石７が凹部５の上部を覆い、中空部分を多く作る構成となっており、永久磁石７の量を少なくして、効果的に凹部５を形成することにより低下した可動板６の剛性を補うことが可能となる。
【００６１】
（製法）
また、本実施形態の光偏向器の製造方法としては、図１２の製造方法を用いることができる。図１２（ａ）〜（ｅ）までの各工程を順次実施することにより、図８に示すように、支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５が形成される。
【００６２】
その後、加工の容易な金属磁石（例えば、鉄−コバルト−クロム合金等）のシート材を所望の幅、長さに切断し、直方体に加工した後、凹部５上に接着剤等で接着する。最後に、着磁（着磁方向は図２を参照）を行って永久磁石７を形成し、図８の光偏向器４１が完成する。
【００６３】
（第５の実施形態）
図１０は本発明の光偏向器の第５の実施形態を示す斜視図である。
【００６４】
本実施形態の光偏向器５１は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様の支持基板２、弾性支持部３が形成されており、これらの部分の効果もまた同様である。そして、第２の実施形態と同様に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術によって単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００６５】
図４との違いは、凹部５、永久磁石７の構造であり、ここでは特にこの点について説明する。なお、図１０では図４と同一部分は同一符号を付している。
【００６６】
図１１は図１０のＡ−Ａ線における断面図である。凹部５の其々の面は、第２の実施形態の光偏向器２１と同様に単結晶シリコンウエハの（１１１）等価面で構成されるが、図１１に示したように永久磁石７が形成される凹部５は、Ａ−Ａ線における断面は菱形、その他の凹部５はＶ字状となっている。特に本実施形態の光偏向器５１では、永久磁石７は、この菱形断面の凹部５に埋め込まれて形成されている。
【００６７】
本実施形態の凹部５、永久磁石７は、第１の実施形態の光偏向器１の凹部５、永久磁石７と同様の効果を有している。
【００６８】
但し、本実施形態の光偏向器５１では、図１１に示したように永久磁石７が埋め込まれる凹部５の断面形状が菱形となっている。したがって、永久磁石７が可動板６と密着が悪い場合や、内部応力が大きい場合などでも、可動板６から剥離しにくくすることができる。
【００６９】
（製法）
次に本実施形態の支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５の製造方法を図１３（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。図１３（ａ）〜（ｆ）は本実施形態における支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５のエッチングによる製造方法を示す工程図である。特に図１０Ａ−Ａ線での断面の各工程の概略図を示している。まず、図１３（ａ）に示すように低圧化学気相合成法等により平板状のシリコン基板１０４の両面に窒化シリコンのマスク層１０１を成膜する。
【００７０】
次に、図１３（ｂ）に示すように反射面４が形成される面のマスク層１０１を支持基板２、可動板６、弾性支持部３の形成予定部分の外形に応じてパターニングする。このパターニングは通常のフォトリソグラフと窒化シリコンを侵食するガス（例えばＣＦ４等）を用いたドライエッチング加工によって行う。
次に、図１３（ｃ）に示すように反射面４が形成される面の反対側のマスク層１０１に永久磁石７が形成される凹部５の外形に応じたパターニングを行い、その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いてシリコンのドライエッチング加工を行い、溝１０を形成する。
【００７１】
次に、図１２（ｄ）に示すように反射面４が形成されない面に、支持基板２、可動板６、弾性支持部３、残りの凹部５の外形に応じてマスク層１０１をパターニングする。
【００７２】
次いで、図１２（ｄ）に示すように単結晶シリコンの結晶面によって腐食する速度が著しく異なるアルカリ水溶液（例えば、水酸化カリウム水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液等）に所望の時間、浸漬することによって異方性エッチング加工を行い、図１２（ｅ）に示すような形状の支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５を形成する。異方性エッチングでは（１００）等価面でエッチング速度が速く、（１１１）等価面で遅く進むため、シリコン基板１０４の表面と裏面の両面からエッチングを進行させ、マスク層１０１のパターンとシリコンの結晶面との関係によりマスク層１０１で覆われた部分の（１００）等価面と（１１１）等価面で囲まれた形状に正確に加工することが可能である。即ち、このアルカリ異方性エッチングにより可動板６の裏面には（１１１）等価面で構成される凹部５が形成され、可動板６の側面には（１１１）等価面で陥没状の形状が形成され、同時に弾性支持部３もこのエッチング工程で（１００）等価面と（１１１）等価面で囲まれたＸ字状の多角形（図５（ｃ）参照）に加工される。特に、予め溝１０が形成されていた部分では、図示のように菱形断面をもつ凹部を形成することができる。
【００７３】
次に、図１２（ｆ）に示すように窒化シリコンのマスク層１０１を除去し、更に反射面４として高反射率を有する金属（例えば、アルミニウム等）を真空蒸着する。以上の製造方法により、支持基板２、凹部５が形成された可動板６、反射面４、及び弾性支持部３が一体に形成される。
【００７４】
その後、サマリウム−鉄−窒素を含む希土類系の粉体を接合材料と混ぜたペースト状の磁性体を凹部５に形成する。このとき、例えば、シルクスクリーン印刷を用いて菱形断面を持つ凹部５のみに磁性体を塗りこむことができる。最後に、磁場中で加熱処理をした後、着磁（着磁方向は図２を参照）を行って永久磁石７を形成し、図１０の光偏向器５１が完成する。
【００７５】
（第６の実施形態）
図１４は上記光偏向器を用いた光学機器の実施形態を示す図である。ここでは光学機器として画像表示装置を示している。図１４において、２０１は第１〜第５の実施形態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２１であり、本実施形態では水平・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。２０２はレーザ光源である。２０３はレンズ或いはレンズ群であり、２０４は書き込みレンズまたはレンズ群、２０５は投影面である。レーザ光源２０２から入射し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２０１により２次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２０４により投影面２０５上に画像を形成する。つまり本実施形態の画像表示装置はディスプレイに適用できる。
【００７６】
（第７の実施形態）
図１５は上記光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。ここでは、光学機器として電子写真方式の画像形成装置を示している。図１５において、２０１は第１〜第５の実施形態の光偏向器であり、本実施形態では入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。２０２はレーザ光源である。２０３はレンズあるいはレンズ群であり、２０４は書き込みレンズ或いはレンズ郡、２０６は感光体である。レーザ光源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２０１により１次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２０４により、感光体２０６上へ画像を形成する。
【００７７】
感光体２０６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その部分に静電潜像を形成する。次に、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画像が形成される。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光偏向器は、可動板の反射面とは反対側に凹部を形成することにより、高剛性を確保しながら可動板の慣性モーメントを低減でき、凹部へ磁性体を形成することにより可動板の剛性を更に高くすることができる。また、可動板の面上に磁性体が設置される場合に比べ、磁性体をねじり軸に近づけることができ、可動板６の慣性モーメントを低減することができる。
【００７９】
そのため、高速駆動が可能で大きな偏向角でも消費電力の少なくできると共に、高速動作でも反射面の変形が少ない、小型の光偏向器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光偏向器の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図１の支持基板、可動板、弾性支持部、凹部、永久磁石を説明するための斜視図である。
【図４】本発明の光偏向器の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４のＸ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ線及びＺ−Ｚ線における断面図である。
【図６】本発明の光偏向器の第３の実施形態を示す斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８】本発明の光偏向器の第４の実施形態を示す斜視図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線における断面図である。
【図１０】本発明の光偏向器の第５の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線における断面図である。
【図１２】図４の光偏向器の製造方法を説明する図である。
【図１３】図１０の光偏向器の製造方法を説明する図である。
【図１４】本発明の光偏向器を用いた光学機器の一実施形態を示す図である。
【図１５】本発明の光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。
【図１６】第１の従来例の光偏向器を示す図である。
【図１７】第２の従来例の光偏向器を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１、５１ 光偏向器
２ 支持基板
３ 弾性支持部
４ 反射面
５ 凹部
６ 可動板
７ 永久磁石
８ コイル基板
９ コイル
１０ 溝
１０１ マスク層
１０２ アルミ層
１０３ フォトレジスト層
１０４ シリコン基板
２０１ 光偏向器群
２０２ レーザ光源
２０３ レンズ
２０４ 書き込みレンズ
２０５ 投影面
２０６ 感光体
１００１ 走査ミラー
１００２ 鏡面部
１００３ 永久磁石
１００４ 支持部材
１００５ ねじり軸
１００６ 磁気発生部
１００７ コイル
１００８ コイル枠
１００９ ガラス板
２００１ 光偏向器
２００２ ベース
２００３ 立設部
２００５ 振動体
２００６ 外枠部
２００７ 反射ミラー部
２００８ 支持部
２００９ａ 溝
２００９ｂ 突起部
２０１０ 固定電極
２０１１ 固定電極
２０１２ 電極側櫛歯部

Claims (17)

1. 第１及び第２の弾性支持部を備えた支持基板に、可動板が、該可動板の一方の端を前記第１の弾性支持部で支持し、他方の端を前記第２の弾性支持部で支持することによって、ねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されており、
   前記可動板の第１の面には、反射体が設けられており、
   前記第１の面と反対側の第２の面には、磁性体が設けられており、
   通電可能なコイルが、該コイルへの通電によって発生する磁場により前記可動板をねじり振動させ得る位置に設けられており、
   前記コイルへの通電によって、前記可動板を駆動することによって、前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、
   前記可動板の前記第２の面に、ねじり軸に交差する方向に延びる、少なくとも２つ以上の凹部が設けられており、
   前記凹部の内、前記第１の弾性支持部に最も近い側に位置する第１の凹部と、前記第２の弾性支持部に最も近い側に位置する第２の凹部は、それぞれ、ねじり軸をまたがるように設けられており、且つ
   前記第１及び第２の凹部には、前記磁性体として永久磁石が設けられていることを特徴とする光偏向器。
2. 前記第１の凹部と前記第２の凹部との間の領域には、ねじり軸と交差する方向に延び、且つ永久磁石が設けられていない第３の凹部を有することを特徴とする請求項１記載の光偏向器。
3. 前記ねじり軸と交差する方向が、前記可動板に水平で、且つ前記ねじり軸に垂直な方向であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光偏向器。
4. 第１及び第２の弾性支持部を備えた支持基板に、可動板が、該可動板の一方の端を前記第１の弾性支持部で支持し、他方の端を前記第２の弾性支持部で支持することによって、ねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されており、
   前記可動板の第１の面には、反射体が設けられており、
   前記第１の面と反対側の第２の面には、磁性体が設けられており、
   通電可能なコイルが、該コイルへの通電によって発生する磁場により前記可動板をねじり振動させ得る位置に設けられており、
   前記コイルへの通電によって、前記可動板を駆動することによって、前記反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、
   前記可動板の前記第２の面に、ねじり軸に交差する方向に延びる、少なくとも２つ以上の独立した凹部群が設けられており、
   前記凹部群には、前記磁性体として永久磁石が設けられている凹部と、ねじり軸をまたがらないように配置され、且つ永久磁石が設けられていない凹部とを有することを特徴とする光偏向器。
5. 前記支持基板、前記第１及び第２の弾性支持部、及び前記可動板は、単結晶シリコンで一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光偏向器。
6. 前記可動板の前記第１の面は、シリコン結晶面の（１００）等価面で形成され、少なくとも１つの前記凹部はシリコン結晶面の（１１１）等価面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光偏向器。
7. 前記第１及び第２の弾性支持部は、ねじれ軸に垂直な方向の断面形状がＸ字状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光偏向器。
8. 前記可動板の外周側壁に、（１１１）等価面で構成される凹部を有することを特徴とする請求項６に記載の光偏向器。
9. 前記凹部は、前記可動板幅方向と垂直な断面の側壁が垂直であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光偏向器。
10. 前記凹部は、前記可動板幅方向と垂直な断面がＶ字状であることを特徴する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光偏向器。
11. 前記凹部の前記可動板と水平な断面は、
    前記可動板の表面での面積より、
    前記可動板の表面より内部での面積が大きいことを特徴する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光偏向器。
12. 前記永久磁石は、前記可動板幅方向と垂直な断面が円形であることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項に記載の光偏向器。
13. 前記永久磁石は、前記可動板の前記凹部が形成されている側の上面から見て、
    前記凹部の上部に重なっていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光偏向器。
14. 前記可動板が単結晶シリコンで構成され、且つ前記永久磁石は、単結晶シリコンよりもヤング率の大きい材料からなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光偏向器。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光偏向器と、前記反射体に光を入射させるための光源とを有することを特徴とする光学機器。
16. 光源と、該光源から出射された光を偏向する請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光偏向器を少なくとも１つ以上配置した光偏向装置とを具備し、該光偏向装置により偏向された光の少なくとも一部を用いて、感光体に静電潜像を形成することを特徴とする画像形成装置。
17. 請求項１から１４のいずれか１項に記載された光偏向器を、その偏向方向が互いに直交するように２個配置されている光偏向器群と、該光偏向器群に光を入射するためのレーザ光源と、該レーザ光源から該光偏向器群に入射された光を用いて画像を書き込むためのレンズとを含み構成される画像表示装置。

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