JP2004037886A - Optical scanning device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小光学系に係り、特に、微小なミラーを捻り梁を回転軸として往復振動させる光走査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
IBM J.Res.Develop Vol.24 (1980)に掲載されている光走査装置では、同一直線上に設けられた2本の梁で支持されたミラーを、それに対向する位置に設けた電極との間の静電引力で、2本の梁をねじり回転軸として往復振動させている。マイクロマシニング技術で形成されるこの光走査装置は、従来のモーターを使ったポリゴンミラーの回転による光走査装置と比較して、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一のミラー面であるため、ポリゴンミラーのような複数のミラー面の精度のばらつきによる影響もなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の利点がある。
【0003】
このような静電駆動のねじり振動型光走査装置に関しては、特許第2924200号公報に、梁をS字型として剛性を下げ、小さな駆動力で大きな振れ角が得られるようにしたものが記載されている。また、特開平7−92409号公報に、梁の厚さをミラー、フレームよりも薄くしたものが記載されている。特許第3011144号公報、あるいは、The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 473−478 に、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したものが記載されている。また、The 13th Annual International
Workshop on MEMS2000 (2000) 645−650 には、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて設置することで、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものが記載されている。また、特開2001−249300号公報に、ミラー部の軽量化を図るとともに反りを生じにくいミラー構造として、ミラー部の裏面に複数の凹部(肉抜き部)を形成し、その凹部を回転軸から離れるにしたがって相対的に小さくしたものが記載されている(同公報の図6)。また、振動空間の封止及び電気的接続に関しては、例えば特許第2924200号公報に、ハーメチックシールとワイヤボンディングによる典型的な構造が記載されている(同公報の図7)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、捻り梁をねじり回転軸としてミラーを往復振動させる構成の光走査装置において、ミラーの軽量化を図るとともに反りの発生を効果的に抑え、より安定した光走査を可能にすることを目的とする。本発明のもう1つの目的は、ミラーの振れ角を高精度に制御可能にすることにある。本発明のもう1つの目的は、低い駆動電圧でミラーの大きな振れ角を得られるようにすることにある。本発明のもう1つの目的は、駆動のための電気的接続を低コストかつ確実に行うことができるようにすることにある。本発明のもう1つの目的は、ミラーの振動空間の封止を低コストで確実に行うことができるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
図1乃至図7を参照し、本発明について説明する。
図1は本発明に係る光走査装置の基本構造を説明するための概略斜視図である。31はミラー基板31であり、例えば不純物濃度が比較的高いシリコン基板から、フォトエッチング等の半導体プロセス技術によりミラー33、一対の捻り梁32及びフレーム34を一体的に形成してなるものである。ミラー33は捻り梁32を捻り回転軸として往復振動が可能である。ミラー32の一面には、走査光の波長に対して十分な反射率を持つ金属薄膜等からなるミラー面が形成される。なお、光走査装置の組立工程の途中において、フレーム34に分離溝37が形成されることにより、フレーム34は電気的に絶縁された4つの部分39,40に分割される。これは、ミラー33の捻り梁32と結合されない自由端部に対向したフレーム部分39を駆動用の固定電極として利用するためである。したがって、固定電極を金属薄膜などで別途形成する場合には、分離溝37は必ずしも形成しなくともよい。
【0006】
図2は、ミラー33の駆動原理を説明するための模式図である。ミラー33の捻り梁32と結合していない2つの端部38と、それに狭いギャップを介して対向するフレーム部分39とが、それぞれ可動電極と固定電極となる。これらの電極間に駆動パルス発生装置29により図3(b)に示すような駆動パルスを印加すると、電極間に静電トルクTrqが作用し、ミラー33は捻り梁32を捻り回転軸として往復振動する。図3(b)はミラー33の振動波形である。ミラー33の振れ角θ(振動振幅)を大きくするため、駆動パルスの周波数は、ミラー33の慣性モーメントIと捻り梁32の捻りバネ定数Kθとによって決まる共振周波数foと同一に設定される。この時のミラー33の共振周波数foと振れ角θは次式で与えられる。
【0007】
fo=(1/2π)√(Kθ/I) (1)
θ=(Trq/I)*K(fo,C) (2)
但し、K(fo、C)は、共振周波数fo、粘性抵抗Cの関数でありfo、Cに反比例する。Cはミラーが振動する空間の粘性抵抗係数である。
【0008】
このようなミラー振動時にミラー33に働く慣性力によって、図4に模式的に示すようなミラー33の反りが発生する。本発明は、このミラー33の反りを効果的に抑制しようとするものであるので、ミラー33の反りについて次に解析する。図5及び図6はその説明図である。
【0009】
ミラー33の振動時に作用する加速度をαとすると、ミラー33の微小要素mjに働く慣性力fj は次式で与えられる。
fj=mj*αj (3)
mj:ミラーの微小要素質量。
【0010】
この時、ミラーの微小要素mjを曲げ変形させる曲げモーメントMはミラー先端部からjまでの総和で与えられる。
M=Σ Mj=Σfj*lj (4)
lj:微小要素mjの捻り回転軸からの距離
【0011】
曲げモーメントに対する曲げ強さは、断面2次モーメントIで与えられる。
I=b*h^3/12 (5)
hとbはミラーの厚さと幅である(図6参照)。
【0012】
ミラー33の反り量δは次式で表される。
δ∝M/(E*I) (6)
E:ミラー33のヤング率
【0013】
ここで、前記特開2001−249300号公報に示されているミラー構造(同公報の図6参照)では、微小要素質量mjが捻り回転軸から離れるに従って相対的に大きくなるため、(4)式から明らかなように曲げモーメントMも増大し、よって(6)式から明らかなように反り量δが増加してしまう。
【0014】
これに対して、本発明による光走査装置は、ミラー33の捻り回転軸(捻り梁32)と平行な方向の断面2次モーメントI(曲げ強さ)が、例えば図7に示すように捻り回転軸から遠ざかるに従って減少するように、ミラー33の断面形状を捻り回転軸からの距離に応じて変化させたことを特徴とする。具体的には、ミラー33の実質的な厚さh及び/又は実質的なX軸方向幅bを、捻り回転軸から離れるに従って減少させる。このような断面形状をミラー33に持たせることにより、捻り回転軸から離れるに従って微小要素質量mjが減少し、したがって曲げモーメントMも減少するため、捻り回転軸から遠ざかるに従ってミラー33の断面2次モーメントが減少しても、ミラー33の反り量δを例えば図4の曲線L2に示すように減少させることができる(図4中の曲線L1は断面2次モーメントを均一にした場合の反り量)。かくして、本発明によれば、ミラー33を軽量化しつつ反り量を減少させることができる。
【0015】
また、本発明の光走査装置は、後記実施の形態に関連して具体的に説明するように、以下のような特徴を有する。
【0016】
請求項2に記載のように、請求項1記載の光走査装置において、ミラーのミラー面と反対の面を肉抜きし、この肉抜きの面積を前記捻り回転軸から離れるに従って増加させたことを特徴とする光走査装置。
【0017】
請求項3に記載のように、請求項1記載の光走査装置において、ミラーのミラー面と反対の面を肉抜きし、この肉抜きの深さを前記捻り回転軸から離れるに従って増加させたことを特徴とする光走査装置。
【0018】
請求項4に記載のように、請求項1記載の光走査装置において、ミラーのミラー面と反対の面を、前記捻り回転軸に平行な第1の梁及び前記捻り回転軸に直交する方向の第2の梁を残して肉抜きし、前記第2の梁の個数を前記捻り回転軸から離れるに従って減少させたことを特徴とする光走査装置。
【0019】
請求項5に記載のように、ミラー及び捻り梁が一体的に形成された導電性部材からなるミラー基板に、絶縁部材からなるベース部材が接合され、ベース部材にはミラー基板に電気的に接続する貫通電極、及び、ミラーの振れ角を検出するための電極が形成されたことを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
【0020】
請求項6に記載のように、ミラー及び捻り梁が一体的に形成された導電性部材からなるミラー基板の第1の面及び反対側の第1の面に、絶縁部材からなるベース部材及び透明部材からなるカバー部材がそれぞれ接合されてミラーの振動空間が密閉され、ベース部材にミラー基板と電気的に接続する貫通電極が形成されたことを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
【0021】
請求項7に記載のように、請求項6記載の光走査装置において、前記ミラーの振動空間の圧力を大気圧以下としたことを特徴とする光走査装置。
【0022】
請求項8に記載のように、請求項6記載の光走査装置において、前記ミラーの振動空間の圧力を0.1(Torr)以上かつ2(Torr)以下としたことを特徴とする光走査装置。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、説明中で参照される複数の図面において、同一符号は同一部分又は同等部分を示す。
【0024】
《実施例1》 図8は、本発明の実施例1を説明するための斜視図である。図9は、Y軸と平行なある切断線でミラー基板31を切断した断面形状を示す概略断面図である。図10は、X軸(捻り回転軸)と平行なある切断線でミラー33を切断した断面形状を模式的に示した図である。
【0025】
本実施例においては、図8に見られるように、ミラー33のミラー面と反対側の面(図8中の上面)に、同じ面積で同じ深さの矩形の肉抜き部(凹部)44が複数個形成されている。これらの肉抜き部44は、捻り回転軸(X軸)から離れるほど個数が増加するように配設されている。すなわち、捻り回転軸から離れるに従ってミラー33の肉抜き面積が増加するような構成とされている。図10を参照するならば、ミラー33の肉厚部分45の面積が捻り回転軸から離れるにつれて減少する。したがって、捻り回転軸と平行な断面2次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って図11に示すように階段状に減少する。これ以外は、図1に関連して説明した構成と同様である。
【0026】
《実施例2》 図12は、本発明の実施例2を説明するための斜視図である。図13は、Y軸と平行なある切断線でミラー基板31を切断した断面形状を示す概略断面図である。図14は、X軸(捻り回転軸)と平行なある切断線でミラー33を切断した断面形状を模式的に示した図である。
【0027】
本実施例においては、図12及び図13に見られるように、ミラー33のミラー面と反対側の面(図12中の上面)に略全面にわたって肉抜き部50が形成されるが、この肉抜き部50の深さは、捻り回転軸から離れるに従って深さが増加する。すなわち、捻り回転軸から離れるに従ってミラー33の厚さは減少する。したがって、捻り回転軸と平行な断面2次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って図15に示すように減少する。これ以外は、図1に関連して説明した構成と同様である。
【0028】
《実施例3》 図16は、本発明の実施例3を説明するための一部破断平面図である。ただし、ミラー基板31のフレーム部分は図示されていない。図17は、捻り回転軸(X軸)と平行なある切断線でミラー33を切断した断面形状を示す概略断面図である。
【0029】
本実施例においては、図16及び図17に見られるように、ミラー33のミラー面と反対側の略全面にわたって同じ深さの肉抜き部55が形成されるが、X軸方向の梁59とY軸方向の梁60が残されている。ミラー33の捻り回転軸をはさんだ各半面を見ると、X軸方向の梁59は均等な間隔で配置されるが、Y軸方向の梁60は捻り回転軸から離れるに従って間隔が増加する(本数が減少する)。断面2次モーメントに寄与するのはY軸方向の梁60であり、梁59は幅が数十μmであるため断面2次モーメントにはほとんど寄与しない。よって、捻り回転軸と平行な断面2次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って、図18に示すように階段状に減少する。これ以外は、図1に関連して説明した構成と同様である。
【0030】
《実施例4》 図19は、本発明の実施例4を説明するための分解斜視図である。本実施例の光走査装置は、ミラー基板31の裏面側にベース基板100を接合してなるもので、接合状態の断面構造を図20に示す。
【0031】
本実施例におけるミラー基板31は、ミラー33の捻り回転軸と平行な断面2次モーメントを捻り回転軸から離れるに従って減少させるため、ミラー33の裏面に前記実施例3と同様な肉抜きがなされている。ただし、ミラー33の裏面に前記実施例1又は2と同様な肉抜きをしてもよく、そのような態様も本発明に包含される。
【0032】
ベース基板100は、パイレックスガラス等の絶縁性基板部材からなる。ベース基板100の裏面には、ミラー33の振動空間を確保するための凹部が形成され、この凹部の底面にミラー33と対向する一対の振れ角検出電極102が形成されている。また、ベース基板100の表裏に貫通して、振れ角検出電極102と電気的に接続した一対の貫通電極104と、ミラー基板31のフレーム部分39と電気的に接続するための一対の貫通電極106と、ミラー基板31のフレーム部分40と電気的に接続するための一対の貫通電極108が形成される。振れ角検出電極102は、例えばCrとAuを蒸着した2層の薄膜からなる。貫通電極104,106,108は、貫通孔加工後に貫通孔内部を例えばNiメッキで充填してなるものである。このような貫通電極は封止性も良好である。
【0033】
このようなベース基板100は図20に示すようにミラー基板31と接合される。接合後に、ミラー基板31に分割溝37が形成される。この分割溝37により分割されたフレーム部39(固定電極として作用する部分)と貫通電極106が電気的に接続され、他方のフレーム部分40と貫通電極108が電気的に接続される。したがって、貫通電極106,108を外部より駆動パルスを印加することができる。このように貫通電極によって駆動パルスを印加するための電気的接続を行う構成は、特許第2924200号公報に示されているようなワイヤボンディングによる接続方法に比べ、一般に低コストであり、また、接続の確実性も優れる。
【0034】
また、角振れ角検出電極102とミラー33との間の静電容量は、それらの間隔によって変化するため、その静電容量を貫通電極104を通じて測定することによりミラー33の振れ角を検出することができる。検出した振れ角に応じて駆動パルス電圧を制御することにより、外乱によるミラー33の振れ角の変動を補正できる。
【0035】
《実施例5》 図21は、本発明の実施例5を説明するための分解斜視図である。本実施例の光走査装置は、ミラー基板31の裏面側にベース基板100を、ミラー基板31のミラー面側にカバー基板200をそれぞれ接合し、ミラー33の振動空間を減圧状態に封止してなるもので、接合状態の断面構造を図22に示す。封止工法としてはハーメチックシール工法が用いられる。
【0036】
ミラー基板31は実施例4のものと同様のものであるが、実施例1,2又は3と同様のものでもよく、そのような態様も本発明に包含される。
【0037】
ベース基板100は実施例4のものと同様のものである。
【0038】
カバー基板200は、パイレックスガラス等の絶縁性を有する透明部材からなり、その内面側にミラー33の振動空間を確保するための凹部202が形成されている。走査光は、カバー基板200を通じてミラー基板33のミラー面に入射し、偏向された光はカバー基板200を通じて外部に出射される。
【0039】
本実施例の光走査装置は、ミラー33の振動空間204が封止され、外部からの塵埃等の異物の侵入が防止されるため、異物侵入による放電等の異常動作の発生が生じにくい。また、ミラー33の振動空間を減圧することにより粘性抵抗が低下し、低い駆動電圧でミラー33を大きな振れ角で振動させることができる。ミラー33の振動空間204は大気圧以下に減圧されるが、その圧力は0.1(Torr)以上、2(Torr)以下の範囲に選ばれる。
【0040】
本実施例の光走査装置の封止構造は、特許第2924200号公報に示されているような封止構造に比べ低コストで確実な封止が可能である。
【0041】
《基板接合方法》 前記実施例5の光走査装置の各基板の接合は、例えば、図23に略示するような陽極装置を用いて陽極接合法により行うことができる。
【0042】
図23において、351は接合加重を制御するための重りであり、352は接合電圧をコントロールする電源である。353はヒーターであり、このヒーター353に流れる電流を温度制御装置354で制御することよって接合温度を調整する。355はバキュームポンプであり、装置内部を負圧に保つ。356は観測窓である。
【0043】
接合工程を説明すると、まず、ミラー基板33とカバー基板200を重ねたものをワークWとして陽極装置にセットし接合する。このようにしてカバー基板200と接合された状態で、ミラー基板31の分割溝37を加工する。
【0044】
次に、カバー基板200と接合されたミラー基板31にベース基板100を重ねたものをワークWとして陽極装置にセットし、例えば、加重50gf/cm^2、装置内圧力0.1Torr〜2Torr、接合温度500℃、接合電圧500V×25分の接合条件で接合する。これにより3つの基板が接合され、ミラー33の振動空間が0.1torr〜2torrに減圧封止され、同時に、ベース基板100の貫通電極106,108がミラー基板31の対応部分と電気的に接続される。
【0045】
パイレックスガラスをシリコンとの陽極接合による接合性が良好であるため、ミラー基板31をシリコン基板で形成し、ベース基板100とカバー基板200をパイレックスガラスで形成するならば、基板間を良好に接合して長期間安定な封止を達成できる点で有利である。ただし、一般的には、ミラー基板31は任意の導電性材料から、ベース基板100は任意の絶縁性材料から、また、カバー基板200は絶縁性かつ透明な任意の材料から形成することができる。また、前記実施例4のミラー基板とベース基板の接合も同様に陽極接続法によって行うことができることは当然である。
【0046】
《振動空間圧力》 前記実施例1乃至4のいずれかの光走査装置(カバー基板200のないもの)を用い、以下に述べるような実験を行った。実験には図24に示すような評価装置を用いた。図24において、400は減圧容器であり、この中に評価対象の光走査装置402がセットされる。光走査装置402のミラーのミラー面にレーザ光源404からレーザ光ビームが照射され、ミラー面で偏向されたレーザ光ビームは光位置検出器406で受光される。光位置検出器406の検出信号は波形観測装置408に入力される。
【0047】
まず、減圧容器400の内部圧力を様々に変えて、光走査装置402のミラーを駆動し、光位置検出器406の検出信号の波形(ミラーの振動波形)を波形観測装置408で観測し、圧力とミラーの振れ角θ(振動波形の振幅に対応)の関係を求めた。その結果をプロットすると、図25に示すような特性曲線が得られた。この特性曲線から分かるように、振れ角θが最大になる圧力Poがある。したがって、ミラー振動空間の圧力をPo近辺とすることにより、低い駆動電圧で大きな振れ角を得ることができる。
【0048】
このような圧力と振れ角との関係となる原因を調べるため、圧力と粘性抵抗係数との関係、圧力と駆動パルス・ミラー振動波形位相差の関係を以下のようにして調べた。
【0049】
減圧容器400の内部圧力を様々に変えて、光走査装置402のミラーを駆動し、駆動を停止した時点からのミラーの減衰振動波形(図26参照)を波形観測装置408により観測し、この減衰振動波形から各圧力における粘性抵抗係数Cを求めた。粘性抵抗係数Cをプロットすると、図27に示すような特性曲線Lcが得られた。
【0050】
減圧容器400の内部圧力を様々に変えて、光走査装置402のミラーを連続的に駆動し、ミラー振動波形と駆動パルス波形とを波形観測装置408により観測し、各圧力における駆動パルス波形とミラー振動波形との位相差Δθを求めた(図28参照)。求めた位相差Δθをプロットすると、図27に示すような特性曲線Lθが得られた。
【0051】
以上の実験から、
(1)Poより圧力の低い領域では、粘性抵抗係数Cはほぼ一定であるが、駆動パルスとミラー振動波形の位相差Δθは圧力が小さくなるに応じて大きくなる。このため振れ角が小さくなると考えられる。
(2)Poより圧力の高い領域では、圧力に関わらず位相差Δθはほぼ一定であるが、粘性抵抗係数Cは圧力に比例して大きくなる。これより、圧力が大きくなるにつれて、振れ角θが小さくなっていく。
【0052】
このようなことから、図25に示すような圧力と振れ角との関係が生じると理解される。ミラー振動空間の圧力をPoに設定するならば、低い駆動電圧で最大の振れ角を得ることができる。実際に設定されるミラー振動空間の最適な圧力は、ミラーの慣性モーメントと捻り梁の捻りバネ定数とによって決まる共振周波数に依存するが、一般に0.1(Torr)〜2(Torr)の範囲が適する。
【0053】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、ミラーの軽量化を図るとともに反りの発生を効果的に抑え、より安定した光走査が可能である。ミラーの振れ角を検出して、ミラーの振れ角を高精度に制御することが可能である。低い駆動電圧でミラーの大きな振れ角を得られる。駆動のための電気的接続及びミラー振動空間の封止を低コストでかつ確実に行うことができる、等々の利点を持つ光走査装置を実現できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光走査装置の基本構造を説明するための概略斜視図である。
【図2】ミラーの駆動原理を説明するための模式図である。
【図3】ミラー駆動パルス波形とミラー振動波形を示す波形図である。
【図4】ミラーの反り量とその抑制効果を示す図である。
【図5】曲げモーメントと断面2次モーメントを説明するための模式図である。
【図6】ミラーの断面形状の説明のための模式図である。
【図7】本発明の光走査装置におけるミラーの断面2次モーメントと捻り回転軸からの距離との典型的な関係を示すグラフである。
【図8】本発明の実施例1を説明するための概略斜視図である。
【図9】図8のミラー基板の捻り回転軸と直交する切断線で切断した断面図である。
【図10】図8のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面形状を示す模式図である。
【図11】図8のミラーの断面2次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図12】本発明の実施例2を説明するための概略斜視図である。
【図13】図12のミラー基板の捻り回転軸と直交する切断線で切断した断面図である。
【図14】図12のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面形状を示す模式図である。
【図15】図12のミラーの断面2次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図16】本発明の実施例3を説明するための一部破断平面図である。
【図17】図16のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面図である。
【図18】図16のミラーの断面2次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図19】本発明の実施例4を説明するための分解斜視図である。
【図20】実施例4を説明するための断面図である。
【図21】本発明の実施例5を説明するための分解斜視図である。
【図22】実施例5を説明するための断面図である。
【図23】陽極装置の概略構成図である。
【図24】ミラー振動空間の圧力に関する実験のための評価装置の構成図である。
【図25】ミラー振動空間の圧力とミラーの振れ角との関係を示すグラフである。
【図26】ミラーの減衰振動波形を示す波形図である。
【図27】ミラーの振動波形と駆動パルスの位相差及び粘性抵抗係数のミラー振動空間圧力との関係を示すグラフである。
【図28】ミラーの駆動パルスと振動波形を示す波形図である。
【符号の説明】
31 ミラー基板
32 捻り梁
33 ミラー
44 肉抜き部
50 肉抜き部
55 肉抜き部
59 梁
60 梁
100 ベース基板
102 振れ角検出電極
104 貫通電極
106 貫通電極
108 貫通電極
200 カバー基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro-optical system to which a micro-machining technique is applied, and more particularly, to an optical scanning device that reciprocates a micro mirror with a torsion beam as a rotation axis.
[0002]
[Prior art]
IBM J.M. Res. Develop Vol. 24 (1980), a mirror supported by two beams provided on the same straight line is moved by an electrostatic attraction between an electrode provided at a position facing the mirror and a mirror. The beams are reciprocally oscillated with the torsional rotation axis. This optical scanning device, which is formed by micromachining technology, has a simpler structure than the optical scanning device that rotates a polygon mirror using a conventional motor. It is easy and low in manufacturing cost. It has a single mirror surface, so it is not affected by variations in the accuracy of multiple mirror surfaces such as a polygon mirror. In addition, since it is a reciprocating scan, it can cope with high speed. There is.
[0003]
Regarding such an electrostatically driven torsional vibration type optical scanning device, Japanese Patent No. 2924200 describes an S-shaped beam with reduced rigidity so that a large deflection angle can be obtained with a small driving force. ing. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-92409 describes a beam having a thickness smaller than that of a mirror or a frame. Japanese Patent No. 3011144 or The 13th Annual International Works on MEMS2000 (2000) 473-478 describes an arrangement in which fixed electrodes are arranged at positions that do not overlap in the vibration direction of the mirror section. Also, The 13th Annual International
Works on MEMS2000 (2000) 645-650 describes an arrangement in which a counter electrode is installed at an angle from the center position of the deflection of the mirror to reduce the drive voltage without changing the deflection angle of the mirror. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-249300 discloses that a plurality of concave portions (lightening portions) are formed on the back surface of the mirror portion as a mirror structure that reduces the weight of the mirror portion and hardly causes warpage, and the concave portion is moved from the rotation axis. Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-157, FIG. 6 shows a configuration in which the distance between the objects is relatively reduced. Regarding sealing and electrical connection of a vibration space, for example, Japanese Patent No. 2924200 describes a typical structure using a hermetic seal and wire bonding (FIG. 7 of the same publication).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the prior art, and in an optical scanning device having a configuration in which a mirror is reciprocally oscillated using a torsion beam as a torsional rotation axis, the weight of the mirror is reduced and the occurrence of warpage is effectively suppressed. It is an object of the present invention to enable more stable optical scanning. Another object of the present invention is to make it possible to control the deflection angle of the mirror with high accuracy. It is another object of the present invention to enable a large deflection angle of a mirror to be obtained with a low driving voltage. Another object of the present invention is to provide a low-cost and reliable electrical connection for driving. Another object of the present invention is to make it possible to reliably seal the vibration space of the mirror at low cost.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining the basic structure of the optical scanning device according to the present invention.
[0006]
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the driving principle of the
[0007]
fo = (1 / 2π) √ (Kθ / I) (1)
θ = (Trq / I) * K (fo, C) (2)
Here, K (fo, C) is a function of the resonance frequency fo and the viscous resistance C, and is inversely proportional to fo and C. C is the viscous drag coefficient of the space in which the mirror vibrates.
[0008]
Due to the inertial force acting on the
[0009]
Assuming that the acceleration acting when the
fj = mj * αj (3)
mj: Minor element mass of the mirror.
[0010]
At this time, a bending moment M for bending and deforming the micro element mj of the mirror is given by the sum total from the mirror tip to j.
M = Σ Mj = Σfj * lj (4)
lj: distance of minute element mj from torsional rotation axis
The bending strength with respect to the bending moment is given by the second moment of area I.
I = b * h ^ 3/12 (5)
h and b are the thickness and width of the mirror (see FIG. 6).
[0012]
The warpage δ of the
δ∝M / (E * I) (6)
E: Young's modulus of
Here, in the mirror structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-249300 (see FIG. 6 of the publication), since the minute element mass mj becomes relatively large as the distance from the torsional rotation axis increases, Expression (4) is obtained. As is clear from the above, the bending moment M also increases, and therefore, as is clear from the equation (6), the amount of warpage δ increases.
[0014]
On the other hand, in the optical scanning device according to the present invention, the secondary moment of area I (bending strength) of the
[0015]
Further, the optical scanning device of the present invention has the following features, as specifically described in connection with the embodiments described later.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the optical scanning device according to the first aspect, a surface of the mirror opposite to the mirror surface is lightened, and an area of the lightening is increased as the distance from the twist rotation axis increases. Optical scanning device characterized by the following.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the optical scanning device according to the first aspect, the surface of the mirror opposite to the mirror surface is lightened, and the depth of the lightening is increased as the distance from the twist rotation axis increases. An optical scanning device characterized by the above-mentioned.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical scanning device according to the first aspect, the surface of the mirror opposite to the mirror surface is provided with a first beam parallel to the torsional rotation axis and a direction orthogonal to the torsional rotation axis. An optical scanning device, wherein the thickness of the second beam is reduced as the distance from the torsion rotation axis increases, while the thickness of the second beam is reduced while leaving the second beam.
[0019]
A base member made of an insulating member is joined to a mirror substrate made of a conductive member in which a mirror and a torsion beam are integrally formed, and the base member is electrically connected to the mirror substrate. 2. The optical scanning device according to
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, a mirror member and a torsion beam are integrally formed on a first surface of a mirror substrate made of a conductive member and an opposite first surface, and a base member made of an insulating member and a transparent member. 2. The optical scanning device according to
[0021]
8. The optical scanning device according to claim 6, wherein the pressure in the vibration space of the mirror is equal to or lower than the atmospheric pressure.
[0022]
As set forth in claim 8, in the optical scanning device according to claim 6, the pressure in the vibration space of the mirror is set to 0.1 (Torr) or more and 2 (Torr) or less. .
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the drawings referred to in the description, the same reference numerals indicate the same or equivalent parts.
[0024]
<<
[0025]
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, a rectangular lightening portion (recess) 44 having the same area and the same depth is formed on the surface (the upper surface in FIG. 8) of the
[0026]
<< Embodiment 2 >> FIG. 12 is a perspective view for explaining Embodiment 2 of the present invention. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of the
[0027]
In this embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, a lightening
[0028]
<<
[0029]
In this embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, the lightening
[0030]
<< Embodiment 4 >> FIG. 19 is an exploded perspective view for explaining Embodiment 4 of the present invention. The optical scanning device of the present embodiment is configured by bonding a
[0031]
In the
[0032]
The
[0033]
Such a
[0034]
Further, since the capacitance between the angular deflection
[0035]
<< Embodiment 5 >> FIG. 21 is an exploded perspective view for explaining Embodiment 5 of the present invention. In the optical scanning device of this embodiment, the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
In the optical scanning device according to the present embodiment, the
[0040]
The sealing structure of the optical scanning device according to the present embodiment enables more reliable sealing at a lower cost than the sealing structure disclosed in Japanese Patent No. 2924200.
[0041]
<< Substrate Bonding Method >> Bonding of each substrate of the optical scanning device according to the fifth embodiment can be performed, for example, by an anodic bonding method using an anode device as schematically shown in FIG.
[0042]
In FIG. 23,
[0043]
Describing the joining process, first, the
[0044]
Next, a work in which the
[0045]
Since Pyrex glass has good bonding properties by anodic bonding with silicon, if the
[0046]
<< Vibration Space Pressure >> An experiment described below was performed using the optical scanning device (without the cover substrate 200) according to any of the first to fourth embodiments. An evaluation device as shown in FIG. 24 was used for the experiment. In FIG. 24, reference numeral 400 denotes a decompression container in which an
[0047]
First, the mirror of the
[0048]
In order to investigate the cause of the relationship between the pressure and the deflection angle, the relationship between the pressure and the viscous drag coefficient and the relationship between the pressure and the phase difference between the driving pulse and the mirror vibration waveform were examined as follows.
[0049]
The mirror of the
[0050]
The mirror of the
[0051]
From the above experiment,
(1) In a region where the pressure is lower than Po, the viscous resistance coefficient C is substantially constant, but the phase difference Δθ between the drive pulse and the mirror vibration waveform increases as the pressure decreases. Therefore, it is considered that the deflection angle becomes small.
(2) In a region where the pressure is higher than Po, the phase difference Δθ is substantially constant regardless of the pressure, but the viscous drag coefficient C increases in proportion to the pressure. Thus, the deflection angle θ decreases as the pressure increases.
[0052]
From this, it is understood that the relationship between the pressure and the deflection angle as shown in FIG. 25 occurs. If the pressure in the mirror vibration space is set to Po, the maximum deflection angle can be obtained with a low driving voltage. The optimum pressure in the mirror vibration space that is actually set depends on the resonance frequency determined by the moment of inertia of the mirror and the torsion spring constant of the torsion beam, and generally ranges from 0.1 (Torr) to 2 (Torr). Suitable.
[0053]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to reduce the weight of the mirror, effectively suppress the occurrence of warpage, and perform more stable optical scanning. By detecting the deflection angle of the mirror, the deflection angle of the mirror can be controlled with high accuracy. A large deflection angle of the mirror can be obtained with a low driving voltage. This has the effect of realizing an optical scanning device having such advantages that electrical connection for driving and sealing of the mirror vibration space can be reliably performed at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining a basic structure of an optical scanning device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a driving principle of a mirror.
FIG. 3 is a waveform diagram showing a mirror driving pulse waveform and a mirror vibration waveform.
FIG. 4 is a diagram illustrating the amount of warpage of a mirror and its suppression effect.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a bending moment and a second moment of area.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a sectional shape of a mirror.
FIG. 7 is a graph showing a typical relationship between a second moment of area of a mirror and a distance from a torsional rotation axis in the optical scanning device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the mirror substrate of FIG. 8 taken along a cutting line orthogonal to the torsional rotation axis.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional shape of the mirror of FIG. 8 taken along a cutting line parallel to a torsional rotation axis.
11 is a graph showing the relationship between the second moment of area of the mirror of FIG. 8 and the distance from the torsional rotation axis.
FIG. 12 is a schematic perspective view for explaining Embodiment 2 of the present invention.
13 is a cross-sectional view of the mirror substrate of FIG. 12 taken along a cutting line orthogonal to a torsional rotation axis.
FIG. 14 is a schematic view showing a cross-sectional shape of the mirror of FIG. 12 cut along a cutting line parallel to the torsion rotation axis.
FIG. 15 is a graph showing a relationship between a second moment of area of the mirror in FIG. 12 and a distance from a torsional rotation axis.
FIG. 16 is a partially cutaway plan view for explaining
FIG. 17 is a cross-sectional view of the mirror of FIG. 16 taken along a cutting line parallel to the torsional rotation axis.
18 is a graph showing a relationship between a second moment of area of the mirror in FIG. 16 and a distance from a torsional rotation axis.
FIG. 19 is an exploded perspective view for explaining Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 20 is a sectional view for explaining a fourth embodiment;
FIG. 21 is an exploded perspective view for explaining Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 22 is a sectional view for explaining Example 5;
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of an anode device.
FIG. 24 is a configuration diagram of an evaluation device for an experiment on a pressure in a mirror vibration space.
FIG. 25 is a graph showing the relationship between the pressure in the mirror vibration space and the deflection angle of the mirror.
FIG. 26 is a waveform diagram showing a damped oscillation waveform of a mirror.
FIG. 27 is a graph showing a relationship between a mirror vibration waveform, a phase difference between drive pulses, and a mirror vibration space pressure of a viscous drag coefficient.
FIG. 28 is a waveform diagram showing a mirror driving pulse and a vibration waveform.
[Explanation of symbols]
31
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