【発明の名称】光スキャナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】任意の部材に固定するための支持体と、
少なくとも一方の面が光を反射する反射面である可動板と、
前記支持体と前記可動板を接続する２本の弾性部材と、
前記可動板上に形成された駆動コイルと、
前記可動板との間に所定の間隔を有するように前記可動板近傍に配置された永久磁石とからなり、
前記駆動コイルに交流電流を印加することで、前記弾性部材をねじりバネとして前記可動板がねじり振動を行う光スキャナにおいて、
前記弾性部材は、内部に電気要素を有し、前記可動板上と前記支持体上に達する絶縁性の有機弾性膜からなることを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】前記有機弾性膜は前記可動板上に延在して形成されており、前記駆動コイルはこの有機弾性膜内部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】前記永久磁石は、前記可動板の対向する側壁面近傍にそれぞれ配置された少なくとも二つの永久磁石からなることを特徴とする請求項１から２記載の光スキャナ。
【請求項４】前記永久磁石がヨークによって接続されていることを特徴とする請求項３記載の光スキャナ。
【請求項５】前記永久磁石近傍で前記駆動コイルの配線の幅と前記配線間の間隔が最小になるように形成したことを特徴とする請求項１から４記載の光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を反射し、その反射光を一次元または二次元に走査する小型の光スキャナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
また、小型の光スキャナの一例として、シリコン基板（半導体基板）とねじりバネとを用い、電磁力によって反射鏡を揺動させて光を走査する光偏向子を用いるようにしたものが知られている。
【０００３】
このような光スキャナは、例えば、文献“ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴＯＦ ＴＨＥ ＳＥＮＳＯＲ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，１９９５．ｐｐ１７−２０“に開示されている。
【０００４】
図９は、この文献に開示された光スキャナの構成を示す図である。この光スキャナは、光偏向子としてシリコンからなる半導体基板３１に反射鏡３４と、ねじりバネ３３と、これらを支持する固定枠５０とを一体に形成している。
【０００５】
前記反射鏡３４の周縁部には平面コイル３５が敷設されており、この平面コイル３５は前記ねじりバネ３３上を伝わって前記固定枠５０上に形成された電極３６に電気的に接続されている。
【０００６】
また、円形の永久磁石３８はスペーサ絶縁基板４０を介してその磁化方向が前記反射鏡３４に平行でかつ、前記ねじりバネ３３の軸方向と約４５度をなす方向になる場所に配置されている。
【０００７】
交流電流が印加される前記平面コイル３５には前記永久磁石３８が発生する磁界との相互作用によってローレンツ力が生じる。このローレンツ力によって、前記反射鏡３４は前記ねじりバネ３３のねじり方向に揺動する。
【０００８】
前記ねじりバネ３３の弾性特性と前記反射鏡３４の質量および重心によって規定される共振周波数と同じ周波数を有する電流を前記平面コイル３５に印加すると、その電流値における最大の振幅を得ることができる。
【０００９】
また、ここでは反射鏡３４を真空封止することによってダンピング係数を小さくしている。なお、図９において、参照符号３９はガス吸着剤であり、４１は前カバー絶縁基板であり、４２は裏面絶縁基板である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図９に示した従来技術には大きな偏向角を持って振動する光スキャナの配線などの電気要素の耐久性や大気からの保護という観点については記載されていない。
【００１１】
そこで、本発明はこのような点に着目し、大きな偏向角を持って振動する光スキャナにおいて、高い耐久性を示す電気要素を有する光スキャナを提供することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、任意の部材に固定するための支持体と、少なくとも一方の面が光を反射する反射面である可動板と、前記支持体と前記可動板を接続する２本の弾性部材と、前記可動板上に形成された駆動コイルと、前記可動板との間に所定の間隔を有するように前記可動板近傍に配置された永久磁石とからなり、前記駆動コイルに交流電流を印加することで、前記弾性部材をねじりバネとして前記可動板がねじり振動を行う光スキャナにおいて、前記弾性部材は、内部に電気要素を有し、前記可動板上と前記支持体上に達する絶縁性の有機弾性膜からなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞図１乃至図５は、本発明による光スキャナの第１の実施の形態を示す図である。
【００１５】
この第１の実施の形態の光スキャナは一次元の光の走査を行うことができるもので、図１はこの光スキャナの斜視図を示し、図２，図３はそれぞれ、図１に示した斜視図のＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。また、図４はこの光スキャナに使用される駆動コイルを示し、図５（ａ）〜（ｊ）は、この光スキャナの製作工程を示す図である。
【００１６】
この第１の実施の形態は次のように構成されている。この光スキャナは可動板１０１と弾性部材１０２と支持体１０３と永久磁石１０４から構成されている。可動板１０１には、光を反射するための反射面１０５が形成されており、図１における可動板１０１の裏面がそれに対応している。可動板１０１に用いる主材料には振動中に反射面が変形しないことが望まれる。ここでは、可動板１０１の主材料として高剛性材料である単結晶シリコンを用いている。さらに、この可動板１０１には、前記単結晶シリコンの他に、窒化シリコン、アルミ、ポリイミド材料が用いられている。
【００１７】
窒化シリコンは、光スキャナを作製するときのマスク材料として用いられたものの残留物でシリコンとの絶縁に用いられ、アルミは駆動コイル１０６の配線と駆動コイルの始点終点にあるコンタクトパッド１０７として、場合によっては反射面１０５のミラー材料として用いられる。ポリイミドは、駆動コイル１０６を上下から挟み込むように形成されており、コイル配線間の絶縁と、コンタクトパッド１０７も含めて電気要素が大気に触れないようにしている。
【００１８】
弾性部材１０２は、可動板１０１から延在するポリイミド膜を主材料として、その内部にコンタクトパット１０７から支持体１０３に向かう配線１０８が形成されている。配線１０８もアルミにより形成されている。支持体１０３は、光スキャナをダイキャスト等に固定するための接着部として用いられる一方、外部からの電力を配線１０８を通して駆動コイル１０６に供給するためのボンディングパッド１０９が形成されている。
【００１９】
この支持体１０３は、主材料として単結晶シリコンを用いている。単結晶シリコンは剛性が高いため、ダイキャストなどに固定するのに都合がよい。その他に支持体１０３には、光スキャナを作製するときのマスク材料となる窒化シリコンと、ボンディングパッド１０９と配線１０８を形成するアルミと、配線１０８を上下から挟み込むことによって大気に触れないようにするためのポリイミド膜などが用いられている。このポリイミド膜は可動板１０１、弾性部材１０２から延在するポリイミド膜を用いている。また、支持体１０３の単結晶シリコンと可動板１０１で用いられる単結晶シリコンは同一の基板から形成されている。
【００２０】
図４に示すように、駆動コイル１０６は配線の線幅と配線間の距離を各辺で変化させている。すなわち、永久磁石１０４近傍でその幅方向に平行に形成された駆動コイル１０６の配線は、その他の場所に形成した配線と比べると配線の線幅が短く、配線間の間隔も短く形成している。ただし、駆動コイル１０６の厚みは均一にしている。
【００２１】
永久磁石１０４の配置位置について、この光スキャナは可動板の一方の側壁近傍に一つの永久磁石を配置することで十分駆動することができるのであるが、可動板の対向する二つの側壁近傍にそれぞれ一つずつ永久磁石を配置し、さらに、可動板１０１の板厚方向に着磁方向を合わせ、可動板１０１先端の駆動コイル１０６に対して上方あるいは下方約４５度の延長線上に永久磁石１０４下部あるいは上部先端が合うような位置に配置することで、より駆動力を増大させるためことができる。
【００２２】
次に、この実施の形態の光スキャナの作製方法を説明する。この光スキャナは半導体製造技術によって作製することができる。光スキャナの作製方法を図５に示す。使用する材料は単結晶シリコンの基板と窒化シリコンとポリイミドとアルミの４種類だけである。
【００２３】
まず、シリコン基板１１０は洗浄し、低圧CVD装置を用いて窒化シリコン膜１１１を成膜する[図５(a)]。シリコン基板１１０の両面に形成された窒化シリコン膜１１１は可動板１０１と支持体１０３を分離する際のマスク材料として用いる。そのため、裏面の窒化シリコン膜１１１はフッ素系のドライエッチングによって、シリコンが除去される部分をパターニングしておく[図５(b)]。パターニングされた面と逆の面の窒化シリコン膜１１１上に第１のポリイミド層１１２を形成する[図５(c)]。
【００２４】
形成方法としては液状のポリイミド溶液を窒化シリコン膜１１１上に塗布し印刷法あるいはスピンコーティング法によって均一に成膜し、焼結する手法を用いる。第１ポリイミド層１１２上にスパッタされたアルミをエッチングすることによって、駆動コイル１０６とコンタクトパッド１０７そしてボンディングパッド１０９が形成される[図５(d)]。第２ポリイミド層１１３は第１ポリイミド層１１２と同様に液状のポリイミド溶液を第１ポリイミド層１１２上に塗布し印刷法あるいはスピンコーティング法によって均一に成膜され、焼結される[図５(e)]。
【００２５】
この時、コンタクトパッド１０７及びボンディングパッド１０９上のポリイミドは除去しておく。第２ポリイミド層１１３上にスパッタされたアルミをエッチングすることによって、配線１０８を形成する[図５(f)]。第３ポリイミド層１１４は弾性部材１０２の剛性を決定する目的とコンタクトパッドを大気から保護する目的で成膜される。成膜後、ボンディングパッド１０９上のポリイミドはフォトリソグラフィー技術とドライエッチングにより除去される[図５(g)]。ボンディングパッド１０９のボンディング特性を改善するためにさらにスパッタされたアルミ１２１を積層する[図５(h)]。シリコン基板１１０から可動板１０１と支持体１０３を作製するためにアルカリ性溶液を用いて基板の裏面からシリコンの異方性エッチングを行う[図５(ｉ)]。
【００２６】
このとき、弾性部材１０２となる第１ポリイミド層１１２下には窒化シリコン膜１１１があり、シリコン基板１１０が貫通エッチングされた際に第１ポリイミド層１１２を保護するための保護層になる。シリコンの貫通エッチング後に弾性部材１０２と可動板１０１と支持体１０３の裏面に露出した窒化シリコン膜１１１はドライエッチングによって除去される[図５(j)]。
【００２７】
その後、図５には示されていないが、弾性部材１０２を形成する部分以外の第１ポリイミド層１１２を裏面から除去するため、酸素系のドライエッチングも行い、必要に応じて、光を反射する面にアルミをスパッタして反射率の高い反射面を形成すれば光スキャナの完成となる。
【００２８】
次に、この実施の形態の作用を説明する。ボンディングパット１０９から交流電流を印加することにより、可動板１０１上でその先端を周回する駆動コイル１０６には永久磁石との相互作用によってローレンツ力が発生する。この力のベクトル方向は永久磁石１０４と駆動コイル１０６の位置関係によって決まり、この場合、可動板１０１の板厚方向に力が発生する。この光スキャナは、支持体１０３が可動板１０１を囲むように形成されている。また弾性部材１０２は可動部１０１の対向する２辺から支持体１０３に接続するように形成されている。
【００２９】
従って、可動板１０１はこの２本の弾性部材１０２の長手方向の中心軸を回転軸としたねじり振動しか行うことができない。ねじり振動は永久磁石１０４近傍のコイル配線１０６に生じるローレンツ力と２本の弾性部材１０２の長手方向の中心軸から永久磁石１０４近傍のコイル配線までの距離の積によって決まる。また、ローレンツ力は永久磁石１０４の性能とサイズ、駆動コイル１０６のターン数と配線長と駆動コイル１０６に印加する電流量と永久磁石１０４から駆動コイル１０６までの距離によって決まる。駆動コイル１０６が可動板最外周を周回するように形成されるのは、発生力量を少しでも大きくするためである。
【００３０】
支持体１０３をダイキャスト等に固定し、駆動コイル１０６に電流を印加することによって可動板１０１は支持体１０３と弾性部材１０２の境界部を固定端とした振動を開始する。可動板１０１と弾性部材１０２の形状や材質によって一意的に決定される共振周波数と同様の周波数で交流電流を印加することにより、可動板１０１はその電流値における最大の振幅で振動を開始する。
【００３１】
したがって、次のような効果がある。本実施の形態における光スキャナは１次元の光走査を行うことができる。この光スキャナは弾性部材１０２がねじりバネとして回動するため、曲げ振動を利用した光スキャナと異なり、可動板１０１上に形成された反射面１０５の反射点が移動することはなく、光学設計が容易で、光の走査速度の等速性も改善できる。
【００３２】
また、弾性部材１０２に有機膜であるポリイミドを用いたことにより、上述した従来技術に示されているようなシリコンを振動部材に用いた場合と比較して脆性破壊が起きにくく、必要最小限の強度を保ちながら、大きな偏向角を得ることができ、駆動コイル１０６、配線１０８およびコンタクトパッド１０７等の電気要素がポリイミド膜内部に形成されているため、電気要素が湿気によって劣化することがほとんどなく、ポリイミド膜内部に駆動コイル１０６を設けることで駆動コイル１０６の配線間の絶縁も安定する。
【００３３】
また、本実施の形態で示した駆動コイル１０６はコイルに電流が印加される際に発生する消費電力及び熱を極力抑えながら、大きな駆動力を得るために考案した形状となっている。
【００３４】
ここで、コイルに発生する駆動力と、電流値、消費電力、発生熱量との関係は以下に示す（１）〜（３）式によって求めることができる。コイルの駆動力Ｆは、
Ｆ＝ｎｉ・Ｂ…（１）
で表わされ、ｎはコイルのターン数、ｉはコイルに流れる電流量そしてＢが永久磁石１０４に近接して形成された駆動コイル１０６の配線部上における平均磁束密度を示している。
【００３５】
また、コイル部の消費電力Ｐは、及び、発熱量Ｊは、
Ｐ＝ｉ2・Ｒ…（２）
Ｊ＝ｉ2・Ｒ・ｔ…（３）
で表すことができる。ここで、ｉは電流値、Ｒはコイルの電気抵抗値、ｔは電流の流れる時間である。
【００３６】
この（１）式から、駆動力Ｆを大きくするためには、電流量ｉ、ターン数ｎ、磁束密度Ｂの少なくとも一つを大きくすればよいことが分かる。ターン数および磁束密度を大きくするには構造を変更する必要があるが、電流量を大きくすることは実現が容易である。
【００３７】
しかし、（２），（３）式から分かるように、コイルに流れる電流値ｉを大きくすると、電流値ｉの二乗に比例して、消費電力Ｐ、及び、発熱量Ｊがともに増大することになるので、好ましくない。
【００３８】
そこで、駆動コイル１０６のターン数ｎを増すか、永久磁石と駆動コイルの距離が短くなるように、駆動コイル１０６の線幅と配線間隔を短くして平均磁束密度Ｂを上げることが考えられるが、いずれの場合においても、駆動コイル１０６の抵抗値Ｒが大きくなり、消費電力が増大し、また、発熱量が増大することになる。
【００３９】
すなわち、駆動力Ｆと消費電力Ｐ、発生熱量Ｊとはトレードオフの関係にあるのだが、消費電力Ｐ、発生熱量Ｊを極力抑えて、駆動力Ｆを増大させるために本実施の形態では、図２に示すように駆動力に寄与する配線だけその線幅を短くし、また、配線間の間隔も短くすることで配線全体が永久磁石１０４の近傍に集中するようにしたものである。ここで、駆動力に寄与しない駆動コイル１０６の配線間隔を大きくしているのは、駆動コイル１０６の作製歩留まりを向上させるとともに、駆動コイル１０６の電気抵抗を低減させるためである。
【００４０】
本実施の形態では光スキャナは一体に形成することができ、組立作業がほとんどなく、超小型の光スキャナの生産性を向上することができる。また、半導体製造技術を応用しているため、超小型化された光スキャナの寸法精度が高く、個々の部品または組立上の問題で光スキャナの振動が不安定になるようなことはない。
【００４１】
なお、この実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。第１の実施の形態の変形例として、大きな振幅を得るために図６に示すように両端の永久磁石１０４をヨーク１２０に接続しても良い。図７と図８はそれぞれ図６におけるＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面を示している。
【００４２】
このとき、両端の永久磁石１０４は図８に示すように着磁方向を弾性部材１０２の幅方向に平行な向きにする。ヨークを介することによって両端に配置された永久磁石１０４は、永久磁石１０４間の空間に生じる磁束を弾性部材１０２の幅方向に平行な向きに統一することができる。また、ヨークを用いることで磁気回路的には閉ループ回路となり図１で示した構成のような開ループと比べると磁場の持つエネルギーを効率的に駆動力に変換することができるため、駆動コイルの消費電力を低減することもできる。
【００４３】
また、第１の実施の形態では、可動板１０１は、弾性部材１０２を軸とした振動運動のため、光を１次元方向のみしか走査していないが、例えば、図９に示した従来技術と同様に、永久磁石を支持体１０３と別体に設け、弾性部材及び駆動コイルを二重にして設け、内側の弾性部材と外側の弾性部材とを支持体に対して互いに直交するように設けることにより、２次元方向に光を走査することが可能になる。
【００４４】
以上、説明したような実施の形態において、本発明には、以下のような発明が含まれている。
【００４５】
（１）任意の部材に固定するための支持体と、少なくとも一方の面が光を反射する反射面である可動板と、前記支持体と前記可動板を接続する弾性部材と、少なくとも一辺が可動板上に形成された駆動コイルと、前記可動板との間に所定の間隔を有するように前記可動板近傍に配置された永久磁石とからなり、前記駆動コイルに交流電流を印加することで、前記弾性部材をねじりバネとして前記可動板がねじり振動を行う光スキャナにおいて、前記弾性部材は、内部に電気要素を有し、前記可動板上と前記支持体上に達する絶縁性の弾性膜からなることを特徴とする光スキャナ。
【００４６】
（対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の形態は、第１実施の形態が対応する。
【００４７】
請求項１における駆動コイルは、第１実施の形態に示すように、交流電流を印加したとき永久磁石との相互作用によって可動板を振動させる力を発生するコイルであり、第１実施の形態では平面コイルを用いている。
【００４８】
請求項１における電気要素とは駆動コイル、検出コイル、電気配線、電極パッド等を総称している。
【００４９】
（作用、効果）この光スキャナは可動板がねじり振動することができ、構成が簡単で作製が容易な１次元の光スキャナである。板バネ部に絶縁性の弾性膜を用いることによって、振動部材にシリコンを用いた場合と比べて脆性な破壊が起きにくく、必要最小限の強度を保ちながら、大きな偏向角が得られる。また、電気要素が絶縁性の弾性膜内部に形成されているため、電気要素の湿気による劣化がほとんどなく、各電気要素間の絶縁などにも弾性膜を用いることができる。
【００５０】
（２）前記永久磁石は、前記可動板の対向する側壁面近傍にそれぞれ配置された少なくとも二つの永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の光スキャナ。
【００５１】
（対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の形態は、第１実施の形態が対応する。
【００５２】
（作用、効果）可動板の両側壁面近傍にそれぞれ磁石を配置することによって、さらに大きな偏向角を実現することができる。
【００５３】
（３）少なくとも二つの前記永久磁石がヨークによって接続されていることを特徴とする請求項２記載の光スキャナ。
【００５４】
（対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の形態は、第１の実施の形態の変形例が対応する。
【００５５】
（作用、効果）この光スキャナは両側壁面近傍に配置された２つの磁石をヨークによって接続することによって、駆動コイルに発生する駆動力に影響を与える駆動コイル近傍の磁場分布を理想的な状態にすることができ、またヨークを用いない場合と異なり、駆動コイル近傍に磁場が集中するため効率的に駆動力に変換することができる。
【００５６】
（４）前記絶縁性の弾性膜は、有機膜からなることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３記載の光スキャナ。
【００５７】
（対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の形態は、第１実施の形態が対応する。
【００５８】
（作用効果）板バネ部に有機膜を用いることによってシリコンなどを振動部材に用いた場合と比較して脆性な破壊が起きにくく、必要最小限の強度を保ちながら、大きな偏向角が得られる。
【００５９】
（５）前記駆動コイルは、前記永久磁石近傍で前記駆動コイルの配線の幅と前記配線間の間隔が最小になるように形成したことを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３記載の光スキャナ。
【００６０】
（対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の形態は、第１実施の形態が対応する。
【００６１】
（作用効果）永久磁石近傍に形成された力の発生に寄与するコイル配線の間隔を狭くし、配線の幅も狭くすることによって永久磁石近傍のコイル配線が永久磁石に近づけることができ、通常のコイルよりも大きな発生力を得ることができる。力の発生に寄与しない部分のコイル配線の幅を十分にとることによってコイル配線幅を狭くすることによって発生する熱の問題を最小限に抑えることができる。また、力の発生に寄与しない部分のコイル配線間の間隔を大きくとることで作製上の歩留まりを改善することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、大きな偏向角を持って振動する光スキャナにおいて、高い耐久性を示す電気要素を有する光スキャナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光スキャナの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した第１の実施の形態における斜視図のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図１に示した第１の実施の形態における斜視図のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】第１の実施の形態における駆動コイルの構成を示す平面図である。
【図５】第１の実施の形態による光スキャナの製作工程を示す断面図である。
【図６】第１の実施の形態による光スキャナの変形例の構成を示す斜視図である。
【図７】図６に示した第１の実施の形態の変形例における斜視図のＡ−Ａ’断面図である。
【図８】図６に示した第１の実施の形態の変形例における斜視図のＢ−Ｂ’断面図である。
【図９】従来技術の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 可動板
１０２ 弾性部材
１０３ 支持体
１０４ 永久磁石
１０５ 反射面
１０６ 駆動コイル
１０７ コンタクトパッド
１０８ 配線
１０９ ボンディングパッド
１１０ シリコン基板
１１１ 窒化シリコン膜
１１２ 第１ポリイミド層
１１３ 第２ポリイミド層
１１４ 第３ポリイミド層
１２０ ヨーク[Title of invention] Optical scanner [Claims]
Claim 1: A support for fixing to an arbitrary member;
a movable plate having at least one surface that is a reflective surface that reflects light;
two elastic members connecting the support body and the movable plate;
a drive coil formed on the movable plate;
a permanent magnet disposed near the movable plate so as to have a predetermined gap between the permanent magnet and the movable plate;
In an optical scanner, when an alternating current is applied to the drive coil, the elastic member functions as a torsion spring, causing the movable plate to torsionally oscillate,
The optical scanner is characterized in that the elastic member has an electric element therein and is made of an insulating organic elastic film that reaches onto the movable plate and the support.
2. The optical scanner according to claim 1, wherein the organic elastic film is formed to extend on the movable plate, and the drive coil is formed inside the organic elastic film.
3. The optical scanner according to claim 1, wherein said permanent magnet comprises at least two permanent magnets respectively disposed near opposing side wall surfaces of said movable plate.
4. The optical scanner according to claim 3, wherein the permanent magnets are connected by a yoke.
5. An optical scanner according to claim 1, wherein the width of the wiring of the drive coil and the spacing between the wiring are minimized in the vicinity of the permanent magnet.
Detailed Description of the Invention
[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to a small optical scanner that reflects light from a light source and scans the reflected light one-dimensionally or two-dimensionally.
[0002]
2. Description of the Related Art
Another known example of a small optical scanner is one that uses a silicon substrate (semiconductor substrate) and a torsion spring, and uses an optical deflector that swings a reflecting mirror by electromagnetic force to scan light.
[0003]
Such an optical scanner is disclosed, for example, in the document "TECHNICAL DIGEST OF THE SENSOR SYMPOSIUM, 1995, pp. 17-20."
[0004]
9 shows the configuration of the optical scanner disclosed in this document. This optical scanner has a reflector 34, a torsion spring 33, and a fixed frame 50 that supports them, all integrally formed on a semiconductor substrate 31 made of silicon as an optical deflector.
[0005]
A planar coil 35 is laid around the periphery of the reflecting mirror 34 , and this planar coil 35 is electrically connected to an electrode 36 formed on the fixed frame 50 via the torsion spring 33 .
[0006]
A circular permanent magnet 38 is disposed via a spacer insulating substrate 40 in a location where its magnetization direction is parallel to the reflecting mirror 34 and forms an angle of approximately 45 degrees with the axial direction of the torsion spring 33 .
[0007]
A Lorentz force is generated in the planar coil 35 to which an alternating current is applied due to interaction with the magnetic field generated by the permanent magnet 38. This Lorentz force causes the reflecting mirror 34 to swing in the torsional direction of the torsion spring 33.
[0008]
When a current having the same frequency as the resonant frequency determined by the elastic properties of the torsion spring 33 and the mass and center of gravity of the reflecting mirror 34 is applied to the planar coil 35, the maximum amplitude at that current value can be obtained.
[0009]
In addition, the damping coefficient is reduced by vacuum-sealing the reflecting mirror 34. In Fig. 9, reference numeral 39 denotes a gas adsorbent, 41 denotes a front cover insulating substrate, and 42 denotes a rear insulating substrate.
[0010]
[Problem to be solved by the invention]
However, the prior art shown in FIG. 9 does not mention the durability of electrical elements such as wiring of an optical scanner that vibrates with a large deflection angle or protection from the atmosphere.
[0011]
Therefore, in view of the above, an object of the present invention is to provide an optical scanner that vibrates with a large deflection angle and has electrical elements that exhibit high durability.
[0012]
[Means for solving the problem]
The present invention provides an optical scanner comprising a support for fixing to an arbitrary member, a movable plate having at least one surface which is a reflective surface that reflects light, two elastic members connecting the support and the movable plate, a drive coil formed on the movable plate, and a permanent magnet arranged near the movable plate so as to have a predetermined distance between it and the movable plate, wherein, by applying an alternating current to the drive coil, the elastic members function as torsion springs and the movable plate undergoes torsional vibration, and wherein the elastic members have an electric element therein and are made of an insulating organic elastic film that reaches onto the movable plate and the support.
[0013]
[Embodiments of the Invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
<First Embodiment> FIGS. 1 to 5 show a first embodiment of an optical scanner according to the present invention.
[0015]
The optical scanner of this first embodiment is capable of one-dimensional optical scanning, and Fig. 1 shows a perspective view of this optical scanner, and Fig. 2 and Fig. 3 are cross-sectional views taken along lines A-A' and B-B', respectively, of the perspective view shown in Fig. 1. Also, Fig. 4 shows a drive coil used in this optical scanner, and Figs. 5(a) to (j) are diagrams showing the manufacturing process of this optical scanner.
[0016]
The first embodiment is configured as follows. This optical scanner is composed of a movable plate 101, an elastic member 102, a support 103, and a permanent magnet 104. The movable plate 101 is formed with a reflective surface 105 for reflecting light, which corresponds to the rear surface of the movable plate 101 in FIG. 1. It is desirable that the main material used for the movable plate 101 is one that does not deform the reflective surface during vibration. In this example, single crystal silicon, a highly rigid material, is used as the main material for the movable plate 101. Furthermore, in addition to single crystal silicon, silicon nitride, aluminum, and polyimide materials are used for the movable plate 101.
[0017]
The silicon nitride is a residue of a mask material used in manufacturing the optical scanner and is used to insulate the silicon, while the aluminum is used for the wiring of the drive coil 106 and the contact pads 107 at the start and end points of the drive coil, and in some cases as the mirror material for the reflective surface 105. The polyimide is formed to sandwich the drive coil 106 from above and below, providing insulation between the coil wiring and preventing electrical elements, including the contact pads 107, from coming into contact with the air.
[0018]
The elastic member 102 is mainly made of a polyimide film extending from the movable plate 101, and has wiring 108 formed inside it that runs from the contact pads 107 to the support 103. The wiring 108 is also made of aluminum. The support 103 is used as an adhesive for fixing the optical scanner to a die-cast or the like, and also has bonding pads 109 formed thereon for supplying external power to the drive coil 106 through the wiring 108.
[0019]
The support 103 is primarily made of single crystal silicon. Because single crystal silicon has high rigidity, it is convenient for fixing to die-casting or the like. Other materials used for the support 103 include silicon nitride, which serves as a mask material when manufacturing the optical scanner, aluminum, which forms the bonding pads 109 and wiring 108, and polyimide films, which sandwich the wiring 108 from above and below to prevent it from coming into contact with the atmosphere. This polyimide film extends from the movable plate 101 and the elastic member 102. Furthermore, the single crystal silicon of the support 103 and the single crystal silicon used in the movable plate 101 are formed from the same substrate.
[0020]
4, the wiring width and the distance between the wiring lines of the drive coil 106 are changed on each side. That is, the wiring lines of the drive coil 106 formed parallel to the width direction of the permanent magnet 104 near the permanent magnet 104 have a shorter wiring width and shorter distances between the wiring lines compared to the wiring lines formed in other locations. However, the thickness of the drive coil 106 is uniform.
[0021]
Regarding the positioning of the permanent magnet 104, this optical scanner can be driven sufficiently by placing one permanent magnet near one side wall of the movable plate, but the driving force can be further increased by placing one permanent magnet near each of the two opposing side walls of the movable plate, aligning the magnetization direction with the thickness direction of the movable plate 101, and arranging the permanent magnet 104 in a position where the lower or upper tip of the permanent magnet 104 is aligned on an extension line approximately 45 degrees above or below the driving coil 106 at the tip of the movable plate 101.
[0022]
Next, we will explain how to fabricate the optical scanner of this embodiment. This optical scanner can be fabricated using semiconductor manufacturing technology. The fabrication method for the optical scanner is shown in Figure 5. Only four types of materials are used: a single crystal silicon substrate, silicon nitride, polyimide, and aluminum.
[0023]
First, the silicon substrate 110 is cleaned, and a silicon nitride film 111 is formed using a low-pressure CVD apparatus [Fig. 5(a)]. The silicon nitride films 111 formed on both sides of the silicon substrate 110 are used as a mask material when separating the movable plate 101 and the support 103. For this purpose, the silicon nitride film 111 on the back surface is patterned by fluorine-based dry etching to remove the silicon [Fig. 5(b)]. A first polyimide layer 112 is formed on the silicon nitride film 111 on the surface opposite the patterned surface [Fig. 5(c)].
[0024]
The formation method is a technique in which a liquid polyimide solution is applied to the silicon nitride film 111, and a uniform film is formed by printing or spin coating, followed by sintering. The drive coil 106, contact pads 107, and bonding pads 109 are formed by etching aluminum sputtered onto the first polyimide layer 112 [Fig. 5(d)]. The second polyimide layer 113 is formed by applying a liquid polyimide solution to the first polyimide layer 112, as in the first polyimide layer 112, and then forming a uniform film by printing or spin coating, followed by sintering [Fig. 5(e)].
[0025]
At this time, the polyimide on the contact pads 107 and bonding pads 109 is removed. The wiring 108 is formed by etching the sputtered aluminum on the second polyimide layer 113 [Fig. 5(f)]. The third polyimide layer 114 is formed to determine the rigidity of the elastic member 102 and to protect the contact pads from the atmosphere. After deposition, the polyimide on the bonding pads 109 is removed by photolithography and dry etching [Fig. 5(g)]. Further sputtered aluminum 121 is layered to improve the bonding characteristics of the bonding pads 109 [Fig. 5(h)]. To fabricate the movable plate 101 and support 103 from the silicon substrate 110, anisotropic etching of the silicon is performed from the backside of the substrate using an alkaline solution [Fig. 5(i)].
[0026]
At this time, the silicon nitride film 111 is present under the first polyimide layer 112 that will become the elastic member 102, and serves as a protective layer for protecting the first polyimide layer 112 when the silicon substrate 110 is through-etched. After the silicon through-etching, the silicon nitride film 111 exposed on the back surfaces of the elastic member 102, the movable plate 101, and the support 103 is removed by dry etching [FIG. 5(j)].
[0027]
Thereafter, although not shown in Figure 5, oxygen-based dry etching is also performed to remove the first polyimide layer 112 from the back surface except for the portion that forms the elastic member 102, and if necessary, aluminum is sputtered onto the light-reflecting surface to form a reflective surface with high reflectivity, thereby completing the optical scanner.
[0028]
Next, the operation of this embodiment will be described. When an AC current is applied from the bonding pad 109, a Lorentz force is generated in the drive coil 106 that circles the tip of the movable plate 101 due to interaction with the permanent magnet. The vector direction of this force is determined by the relative positions of the permanent magnet 104 and the drive coil 106; in this case, the force is generated in the thickness direction of the movable plate 101. In this optical scanner, the support 103 is formed to surround the movable plate 101. Furthermore, the elastic member 102 is formed to connect to the support 103 from two opposing sides of the movable portion 101.
[0029]
Therefore, the movable plate 101 can only perform torsional vibration around the central axis of the longitudinal direction of the two elastic members 102 as the axis of rotation. The torsional vibration is determined by the product of the Lorentz force generated in the coil wiring 106 near the permanent magnet 104 and the distance from the central axis of the longitudinal direction of the two elastic members 102 to the coil wiring near the permanent magnet 104. The Lorentz force is also determined by the performance and size of the permanent magnet 104, the number of turns and wiring length of the drive coil 106, the amount of current applied to the drive coil 106, and the distance from the permanent magnet 104 to the drive coil 106. The drive coil 106 is formed so as to go around the outermost periphery of the movable plate in order to maximize the amount of force generated.
[0030]
The support 103 is fixed to a die-cast or the like, and by applying a current to the drive coil 106, the movable plate 101 starts vibrating with the boundary between the support 103 and the elastic member 102 as the fixed end. By applying an alternating current at a frequency similar to the resonant frequency that is uniquely determined by the shapes and materials of the movable plate 101 and the elastic member 102, the movable plate 101 starts vibrating with the maximum amplitude for that current value.
[0031]
Therefore, the following effects are obtained: The optical scanner in this embodiment can perform one-dimensional optical scanning. In this optical scanner, the elastic member 102 rotates as a torsion spring, so unlike optical scanners that use bending vibration, the reflection point of the reflection surface 105 formed on the movable plate 101 does not move, making the optical design easier and improving the uniformity of the optical scanning speed.
[0032]
Furthermore, by using polyimide, an organic film, for the elastic member 102, brittle fracture is less likely to occur compared to when silicon is used for the vibrating member as shown in the prior art described above, and a large deflection angle can be obtained while maintaining the minimum necessary strength. Furthermore, since the electrical elements such as the drive coil 106, wiring 108, and contact pads 107 are formed inside the polyimide film, the electrical elements are hardly deteriorated by moisture, and by providing the drive coil 106 inside the polyimide film, the insulation between the wiring of the drive coil 106 is also stable.
[0033]
Furthermore, the drive coil 106 shown in this embodiment has a shape designed to obtain a large drive force while minimizing power consumption and heat generated when a current is applied to the coil.
[0034]
Here, the relationship between the driving force generated in the coil and the current value, power consumption, and amount of generated heat can be calculated using the following equations (1) to (3). The driving force F of the coil is
F=ni・B…(1)
where n is the number of turns in the coil, i is the amount of current flowing through the coil, and B is the average magnetic flux density on the wiring portion of the drive coil 106 formed in the vicinity of the permanent magnet 104.
[0035]
The power consumption P of the coil section and the heat generation amount J are expressed as follows:
P = i 2 · R ... (2)
J= i2・R・t…(3)
Here, i is the current value, R is the electrical resistance value of the coil, and t is the time for which the current flows.
[0036]
From this formula (1), it can be seen that in order to increase the driving force F, it is necessary to increase at least one of the current amount i, the number of turns n, and the magnetic flux density B. Increasing the number of turns and magnetic flux density requires changing the structure, but increasing the current amount is easy to achieve.
[0037]
However, as can be seen from equations (2) and (3), increasing the current value i flowing through the coil is not desirable because it increases both the power consumption P and the heat generation amount J in proportion to the square of the current value i.
[0038]
Therefore, it is possible to increase the average magnetic flux density B by increasing the number of turns n of the drive coil 106 or by shortening the wire width and wiring spacing of the drive coil 106 so as to shorten the distance between the permanent magnet and the drive coil. However, in either case, the resistance value R of the drive coil 106 will increase, which will increase power consumption and the amount of heat generated.
[0039]
That is, there is a trade-off between the driving force F, the power consumption P, and the amount of heat generated J, but in order to minimize the power consumption P and the amount of heat generated J and increase the driving force F, in this embodiment, as shown in Figure 2, the line width of only the wiring that contributes to the driving force is shortened, and the spacing between the wiring is also shortened so that the entire wiring is concentrated in the vicinity of the permanent magnet 104. Here, the reason why the spacing between the wiring of the driving coil 106 that does not contribute to the driving force is widened is to improve the manufacturing yield of the driving coil 106 and to reduce the electrical resistance of the driving coil 106.
[0040]
In this embodiment, the optical scanner can be formed as a single unit, requiring almost no assembly work, and the productivity of ultra-compact optical scanners can be improved. Furthermore, because semiconductor manufacturing technology is applied, the dimensional precision of the ultra-compact optical scanner is high, and problems with individual parts or assembly do not cause unstable vibration of the optical scanner.
[0041]
Naturally, each configuration of this embodiment can be modified and changed in various ways. As a modification of the first embodiment, in order to obtain a large amplitude, the permanent magnets 104 at both ends may be connected to a yoke 120 as shown in Figure 6. Figures 7 and 8 show the A-A' and B-B' cross sections of Figure 6, respectively.
[0042]
At this time, the magnetization directions of the permanent magnets 104 at both ends are oriented parallel to the width direction of the elastic member 102, as shown in Figure 8. By using the yoke, the permanent magnets 104 arranged at both ends can unify the magnetic flux generated in the space between the permanent magnets 104 into a direction parallel to the width direction of the elastic member 102. Furthermore, by using a yoke, the magnetic circuit becomes a closed loop circuit, which can convert the energy of the magnetic field into driving force more efficiently than an open loop such as the configuration shown in Figure 1, and therefore the power consumption of the driving coil can be reduced.
[0043]
Furthermore, in the first embodiment, the movable plate 101 only scans the light in one direction due to the vibration motion around the elastic member 102 as an axis, but for example, as with the conventional technology shown in Figure 9, by providing a permanent magnet separately from the support 103, providing a duplicated elastic member and drive coil, and arranging the inner elastic member and outer elastic member so that they are perpendicular to each other with respect to the support, it becomes possible to scan the light in two directions.
[0044]
In the embodiments described above, the present invention includes the following inventions.
[0045]
(1) An optical scanner comprising a support for fixing to any member, a movable plate having at least one surface that reflects light, an elastic member that connects the support and the movable plate, a drive coil having at least one side formed on the movable plate, and a permanent magnet arranged near the movable plate with a predetermined distance between it and the movable plate, wherein, by applying an alternating current to the drive coil, the elastic member acts as a torsion spring to cause the movable plate to torsionally vibrate, the elastic member having an electric element inside and consisting of an insulating elastic film that reaches onto the movable plate and the support.
[0046]
(Corresponding Embodiment of the Invention) The embodiment of this invention corresponds to the first embodiment.
[0047]
The drive coil in claim 1 is a coil that generates a force that vibrates the movable plate by interacting with a permanent magnet when an alternating current is applied, as shown in the first embodiment, and in the first embodiment, a planar coil is used.
[0048]
The electric elements in claim 1 collectively refer to the drive coil, the detection coil, the electric wiring, the electrode pads, and the like.
[0049]
(Actions and Effects) This optical scanner is a one-dimensional optical scanner with a simple structure and easy manufacturing, in which the movable plate can vibrate torsionally. By using an insulating elastic film for the leaf spring, it is less susceptible to brittle fracture than when silicon is used for the vibrating member, and a large deflection angle can be obtained while maintaining the minimum necessary strength. In addition, because the electrical elements are formed inside the insulating elastic film, there is almost no deterioration of the electrical elements due to moisture, and the elastic film can also be used for insulation between each electrical element.
[0050]
(2) The optical scanner according to claim 1, wherein the permanent magnet comprises at least two permanent magnets arranged near opposing sidewall surfaces of the movable plate.
[0051]
(Corresponding Embodiment of the Invention) The embodiment of this invention corresponds to the first embodiment.
[0052]
(Functions and Effects) By arranging magnets near both side walls of the movable plate, a larger deflection angle can be achieved.
[0053]
(3) The optical scanner according to claim 2, wherein at least two of the permanent magnets are connected by a yoke.
[0054]
(Corresponding Embodiment of the Invention) The embodiment of this invention corresponds to a modification of the first embodiment.
[0055]
(Action, effect) This optical scanner connects two magnets placed near both side walls with a yoke, making it possible to idealize the magnetic field distribution near the drive coil, which affects the driving force generated in the drive coil.In addition, unlike when a yoke is not used, the magnetic field is concentrated near the drive coil, allowing it to be efficiently converted into driving force.
[0056]
(4) An optical scanner according to any one of claims 1, 2 and 3, wherein the insulating elastic film is made of an organic film.
[0057]
(Corresponding Embodiment of the Invention) The embodiment of this invention corresponds to the first embodiment.
[0058]
(Effects) By using an organic film for the leaf spring portion, brittle fracture is less likely to occur compared to when silicon or the like is used for the vibration member, and a large deflection angle can be obtained while maintaining the minimum necessary strength.
[0059]
(5) An optical scanner according to any one of claims 1, 2 and 3, characterized in that the drive coil is formed so that the width of the wiring of the drive coil and the spacing between the wiring are minimized in the vicinity of the permanent magnet.
[0060]
(Corresponding Embodiment of the Invention) The embodiment of this invention corresponds to the first embodiment.
[0061]
(Effects) By narrowing the spacing of the coil wiring that contributes to the generation of force formed near the permanent magnet and narrowing the wiring width, the coil wiring near the permanent magnet can be brought closer to the permanent magnet, resulting in a greater generated force than with a normal coil. By ensuring sufficient width for the coil wiring in the portion that does not contribute to the generation of force, the problem of heat generated by narrowing the coil wiring width can be minimized. In addition, by increasing the spacing between the coil wiring in the portion that does not contribute to the generation of force, the manufacturing yield can be improved.
[0062]
[Effects of the Invention]
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an optical scanner that vibrates with a large deflection angle and that has electrical elements that exhibit high durability.
[Brief explanation of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an optical scanner according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line AA' of the perspective view of the first embodiment shown in FIG. 1;
3 is a cross-sectional view taken along line BB' of the perspective view of the first embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of a drive coil according to the first embodiment.
5A to 5C are cross-sectional views showing a manufacturing process of the optical scanner according to the first embodiment.
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a modified example of the optical scanner according to the first embodiment.
7 is a cross-sectional view taken along line AA' of the perspective view of a modified example of the first embodiment shown in FIG. 6;
8 is a cross-sectional view taken along line BB' of the perspective view of a modified example of the first embodiment shown in FIG. 6;
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
101 Movable plate 102 Elastic member 103 Support 104 Permanent magnet 105 Reflecting surface 106 Drive coil 107 Contact pad 108 Wiring 109 Bonding pad 110 Silicon substrate 111 Silicon nitride film 112 First polyimide layer 113 Second polyimide layer 114 Third polyimide layer 120 Yoke