JP2004109651A - 光走査装置、光書き込み装置及び画像形成装置 - Google Patents
光走査装置、光書き込み装置及び画像形成装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】捻り梁を捻り回転軸としてミラーを往復振動させる光走査装置において、ミラーの振動空間の封止及びミラー駆動のための電気的接続の構造を改良する。
【解決手段】フレーム３９、捻り梁３２、ミラー３３が一体的に形成された導電性材料からなるミラー基板３４の各面に、透明な絶縁性材料からなるカバー基板３１と、絶縁材料からなるベース基板３５をそれぞれ接合することにより、ミラー３３の振動空間を気密に封止する。ベース基板３５に設けられた貫通電極３６はミラー基板３４のフレーム３９の所定部位に接触する。ミラー３３は静電力により駆動されるが、そのための駆動電圧は貫通電極３６を介して外部より印加することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】フレーム３９、捻り梁３２、ミラー３３が一体的に形成された導電性材料からなるミラー基板３４の各面に、透明な絶縁性材料からなるカバー基板３１と、絶縁材料からなるベース基板３５をそれぞれ接合することにより、ミラー３３の振動空間を気密に封止する。ベース基板３５に設けられた貫通電極３６はミラー基板３４のフレーム３９の所定部位に接触する。ミラー３３は静電力により駆動されるが、そのための駆動電圧は貫通電極３６を介して外部より印加することができる。
【選択図】 図１
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】
この種の光走査装置として、同一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板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るものが非特許文献１に記載されている。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により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、また単一の反射面であるためポリゴンミラーのような反射面による精度のばらつきがなく、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、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（特許文献１参照）、梁の厚さをミラー基板、フレーム基板よりも薄くしたもの（特許文献２参照）、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（非特許文献２、特許文献３参照）、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（非特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
また、このような光走査装置の封止及び電気的接続に関連した構造については、キャップ及びステムからなるパッケージを有し、キャップとステムを抵抗溶接等の機密性の高い接合方法により接合することによりパッケージ内を気密封止し、外部との電気的接続をワイヤボンディングにより行う如き例が特許文献１に記載されている。また、シリコン単結晶から形成されたミラー基板（振動系部分）を２枚のガラス基板２５により挟み込んで接合することによりミラー基板のミラーの振動空間を減圧封止し、一方のガラス基板のミラー基板と接合される側の面に駆動のための電極を引き出す如き例が特許文献２に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９２４２００号公報（図１，図７，図８）
【特許文献２】
特開平７−９２４０９号公報（図１，図２（ｄ））
【特許文献３】
特許第３０１１１４４号公報
【非特許文献１】
ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ Ｖｏｌ．２４ （１９８０）
【非特許文献２】
Ｔｈｅ １３ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＭＥＭＳ２０００ （２０００）
ｐｐ．４７３−４７８， ｐｐ．６４５−６５０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の封止及び電気的接続の構成は、部品点数も多く、またワイヤボンディング作業が必要であるためコスト高になりやすく、また、光走査装置の薄型化が容易でない。これに比べ、特許文献２記載の封止及び電気的接続の構成は、部品点数を削減でき、ワイヤボンディング作業も不要でコスト的に有利であり、さらに装置の薄型化も容易である。しかし、電極引き出し部位においてミラー基板を切り欠く必要があり、その分だけ基板間の接合面積が減少し封止性能の低下の原因となる。
【０００７】
本発明の目的は、捻り梁を捻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、上に述べたような封止及び電気的接続に関する問題点を改良すること、低い駆動電圧で大きなミラー振れ角を得ること、ミラーの振動を容易にモニタできるようにすること、ミラーの共振周波数を容易に調整できるようにすることなどである。また、本発明の他の目的は、電子写真方式の画像形成装置における露光手段として好適な光書き込み装置と、それを用いた画像形成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の光走査装置は、請求項１に記載のように、フレームと、捻り梁と、この捻り梁によって前記フレームに支持されたミラーとが一体的に形成された導電性材料からなるミラー基板と、前記ミラー基板の第１の面に接合された、透明な絶縁性材料からなるなるカバー基板と、前記ミラー基板の前記第１の面と反対側の第２の面に接合された、絶縁性材料からなるベース基板とを有し、前記カバー基板と前記ベース基板とにより前記ミラーの振動空間が気密に封止され、前記ベース基板は、それを貫通し、かつ、前記ミラー基板のフレームに接触する複数の貫通電極を有し、前記貫通電極を通じて外部より前記ミラーを駆動するための電圧を印加可能としてなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項２に記載のように、請求項１に記載の構成において、前記ミラー基板はシリコンからなり、前記ベース基板及びカバー基板はパイレックスガラスからなり、前記ミラー基板、前記ベース基板及び前記カバー基板は陽極接合法によって接合されていることである。
【００１０】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の構成において、前記ベース基板は、前記ミラーと対向した、前記ミラーの振動検出のための電極と、この振動検出のための電極と電気的に接続された貫通電極をさらに有することである。
【００１１】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項４に記載のように、請求項１、２又は３に記載の構成において、前記貫通電極はメッキ法により作成されていることである。
【００１２】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項５に記載のように、請求項４に記載の構成において、前記貫通電極のための貫通孔はブラスト加工法により形成されていることである。
【００１３】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項６に記載のように、請求項１乃至５のいずれか１項記載の構成において、前記ミラー基板は、絶縁層を介して２層のシリコン基板を接合した部材からなり、前記ベース基板と接合される側の前記部材のシリコン基板に前記フレーム、前記ねじり梁及び前記ミラーが一体的に形成されていることである。
【００１４】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項７に記載のように、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーの駆動用電極として作用する端部、及び、該端部と対向し駆動用電極として作用する前記フレームの端部は、互いに空隙を介して噛み合う櫛歯形状を有することにある。
【００１５】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項８に記載のように、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーは共振周波数調整用の割断可能な切片を有することである。
【００１６】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項９に記載のように、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーの振動空間の圧力は大気圧より低いことである。
【００１７】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項１０に記載のように、請求項９に記載の構成において、前記ミラーの振動空間の圧力は０．１（Ｔｏｒｒ）から２（Ｔｏｒｒ）までの範囲であることである。
【００１８】
また、本発明の光書き込み装置は、請求項１１に記載のように、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光走査装置と、この光走査装置のミラーに光ビームを入射させるための光源とを、１組以上備えてなることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の画像形成装置は、請求項１２に記載のように、電子写真方式の画像形成装置であって、像担持体に静電潜像を形成するための露光手段が請求項１１に記載の光書き込み装置からなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る光走査装置の動作原理について図１及び図２を参照して簡単に説明する。
【００２１】
図１は動作原理の説明図である。図１において、ミラー１３は捻り梁１４により支持され、ミラー１３の捻り梁１４に支持されない２つの端部１５は狭いギャップを介して固定電極１２に対向している。固定電極１２と対向するミラー１３の端部１５は可動電極として働く。これらの電極間に駆動パルス発生装置１０により図２（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１３は捻り梁１４を捻り回転軸として往復振動する。図２（ａ）はミラー１３の振動波形である。ミラー１３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１３の慣性モーメントＩと捻り梁１４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１３の共振周波数ｆｏと振れ角θは次式で与えられる。
【００２２】
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。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
《実施例１》 本発明の実施例１について図３及び図４を参照して説明する。図３は本実施例の光走査装置の構成を説明するための分解斜視図、図４は同光走査装置の組み立てられた状態の構成を説明するための概略断面図である。
【００２５】
この光走査装置は、ミラー基板３４、カバー基板３１及びベース基板３５を図４に示すように接合した構成である。
【００２６】
ミラー基板３４は、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３９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の上面（カバー基板３１と接合される側の面）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。フレーム３９は、分離溝３７により、電気的に絶縁された４つの部分４０，４０，４１，４１に分割される。これは、ミラー３３の捻り梁３２と結合されない端部３８（可動電極として働く部分）に対向したフレーム部分４０の端部４３を駆動用の固定電極として利用するためである。分離溝３７の形成は、例えば、ミラー基板３４とカバー基板３１とを接合した状態で行われる。
【００２７】
カバー基板３１は透明な絶縁性材料から作成されるが、本実施例ではその材料としてパイレックスガラスが用いられている。図３には示されていないが、カバー基板３１のミラー基板３４と接合される側の面には、ミラー３３の振動空間４５（図４参照）を確保するための凹部が形成されている。
【００２８】
ベース基板３５は絶縁性材料から作成されるが、本実施例ではその材料としてパイレックスガラスが用いられている。このベース基板３５のミラー基板３４と接合される側の面には、ミラー３３の振動空間４５（図４参照）を確保するための凹部５２が形成されている。また、ベース基板３５には、ミラー基板３４の２つのフレーム部分４０，４０と電気的に接続される貫通電極３６ａ，３６ａ、及び、ミラー基板３４の別の２つのフレーム部分４１，４１と電気的に接続される貫通電極３６ｂ，３６ｂが形成されている。
【００２９】
上に述べたような構成の３つの基板部材を図４に示すように接合することによって光走査装置が完成し、ミラー３３の振動空間４５は気密に封止される。ミラー基板３４のフレーム部分４０，４１は貫通電極３６ａ，３６ｂと接触する。ミラー基板３４は不純物濃度が比較的高く導電性を有するシリコン基板から作られているため、貫通電極３６ａ，３６ｂを通じて、ミラー３３を駆動するための固定電極及び可動電極に駆動電圧を印加することができる。
【００３０】
本実施例においては、３つの基板部材の接合は、図５に略示すような陽極装置を用い陽極接合法により行われる。図５において、４６は接合加重を制御するための重りであり、４７は接合電圧をコントロールする電源である。４８はヒーターであり、このヒーター４８に流れる電流を温度制御装置４９で制御することよって接合温度を調整する。５０はバキュームポンプであり、装置内部を負圧に保つ。５１は観測窓である。
【００３１】
接合工程を説明すると、まず、ミラー基板３４とカバー基板３１を重ねたものをワークとして陽極装置にセットし接合する。次に、カバー基板３１と接合されたミラー基板３４にベース基板３５を重ねたものをワーク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３５の貫通電極３６ａ，３６ｂがミラー基板３４の対応したフレーム部分４０，４１と電気的に接続される。
【００３２】
パイレックスガラスとシリコンとの陽極接合による接合性が良好であるため、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。ただし、一般的には、ミラー基板３４は任意の導電性材料から、ベース基板３５は任意の絶縁性材料から、また、カバー基板３１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。
【００３３】
長期間安定な封止を維持するために、貫通電極３６ａ，３６ｂの封止性も高める必要がるため、本実施例においては貫通電極３６ａ，３６ｂはメッキ法により作成される。より具体的には、図６の工程図に示すように、まず、貫通電極用の貫通孔をベース基板３５に形成する（ステップＳ１）。次に、ベース基板３５を脱脂し（ステップＳ２）、レジストを塗布する（ステップＳ３）。このレジストに貫通電極の開口部パターンを露光し、現像することにより開口パターンを作成する（ステップＳ４，Ｓ５）。次に、塩化パラジューム液に浸漬し、Ｎｉメッキ液に浸積して無電解Ｎｉメッキを行う（ステップＳ６）。形成されたＮｉメッキ層を電極として電解Ｎｉメッキを行う（ステップＳ７）。これにより、貫通孔はＮｉ層で充填され、貫通電極３６ａ，３６ｂが完成する。このようにして作成された貫通電極３６ａ，３６ｂはＮｉメッキで充填されているため、封止性が極めて優れている。
【００３４】
ステップＳ１における貫通電極用の貫通孔の加工には、一般的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることもできるが、ベース基板３４の厚さは例えば０．５ｍｍ程度になるため、ＲＩＥでは加工に時間がかかる。したがって、加工時間の短縮のためにはサンドブラスト加工法を用いると好ましい。これについて図７の工程図及び図８の説明図を参照して説明する。
【００３５】
まず、ベース基板３５に、マスク用のドライフィルム７０をコーテイングする（ステップＳ１１）。貫通電極の開口部６４に対応した形状のパターンをドライフィルム７０に露光し、現像することにより、ドライフィルム７０に開口部を形成する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。ノズル６９より微小な鉄やセラミックスのボール６５を高速空気流により吹き付ける（ステップＳ１４）。この所謂サンドブラストにより、ドライフィルム７０でマスクされていない部分６６が削られ、最終的に貫通孔６７が形成される。この後、残っているドライフィルム７０の剥離と洗浄を行う（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
【００３６】
基板間接合は減圧環境において行われ、ミラー３３の振動空間４５（図４）の圧力は大気圧より減圧される。このように振動空間を減圧することにより、粘性抵抗が減少し、前記式（２）の定数Ｋ（ｆｏ，Ｃ）が小さくなるためミラー３３の振れ角θが大きくなる。この内部圧力は、前記の如く０．１Ｔｏｒｒから２Ｔｏｒｒの範囲に選ぶのが一般に好ましい。これについて図９乃至図１３を参照し説明する。
【００３７】
カバー基板３１のない光走査装置を用い、以下に述べるような実験を行った。実験には図９に示すような評価装置を用いた。図９において、１００は減圧容器であり、この中に評価対象の光走査装置１０２がセットされる。光走査装置１０２のミラーのミラー面にレーザ光源１０４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１０６で受光される。光位置検出器１０６の検出信号は波形観測装置１０８に入力される。
【００３８】
まず、減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２のミラーを駆動し、光位置検出器１０６の検出信号の波形（ミラーの振動波形）を波形観測装置１０８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１０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。
【００３９】
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。
【００４０】
減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２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１１参照）を波形観測装置１０８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１２に示すような特性曲線Ｌｃが得られた。
【００４１】
減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２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１０８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１３参照）。求めた位相差Δθをプロットすると、図１２に示すような特性曲線Ｌθが得られた。
【００４２】
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。
【００４３】
このようなことから、図１０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。
【００４４】
《実施例２》 本発明の実施例２について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は本実施例の光走査装置の分解斜視図、図１５は同光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００４５】
本実施例においては、ベース基板３５の凹部５２に、ミラー３３の振動検出用の一対の電極５３，５３が設けられる。各電極５３は、ミラー３３の振動軸を境にした各半分の部分に対向する。これら電極５３は、例えばＣｒとＡｕの薄膜を２層に蒸着した構造からなる。ベース基板３５には、これら電極５３，５３に接続した貫通電極３６ｃ，３６ｃが形成されている。これら貫通電極３６ｃは、他の貫通電極３６ａ，３６ｂと同様のものである。これ以外の構成は、前記実施例１の光走査装置と同様であるので説明を繰り返さない。
【００４６】
ミラー振動検出用電極５３，５３間の静電容量は、同電極とミラー３３の距離に反比例する。したがって、貫通電極３６ｃ，３６ｃを通じて、この静電容量を測定することにより、ミラー３３の振動をモニタすることができ、ミラー３３の動作不良の検出などを容易に行うことができる。
【００４７】
《実施例３》 本発明の実施例３について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は本実施例の光走査装置の分解斜視図、図１７は同光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００４８】
本実施例においては、ミラー基板３４は、第１のシリコン基板５４と第２のシリコン基板５５をシリコン酸化膜５６（絶縁層）を挟んで接合した２層シリコン基板からなる。第１のシリコン基板５４には、結晶異方性エッチングにより開口部５７が形成される。前記各実施例と同様なミラー３３、捻り梁３２及びフレーム３９は、第２のシリコン基板５５にフォトエッチング等の半導体プロセス技術により形成される。また、第２のシリコン基板５５のフレーム相当部分は、前記各実施例と同様に分離溝３７により４つの部分に分割される。
【００４９】
これ以外は前記各実施例と同様である。なお、図１６には示されていないが、ベース基板３５の凹部５２に、前記実施例２と同様なミラー振動検出用の１対の電極を設けてもよいことは明らかであり、その場合には、図１７に示すように、同電極の引き出しのための貫通電極３６ｃ，３６ｃもベース基板３５に設けられることになる。
【００５０】
第１のシリコン基板５４の厚さは例えば０．５ｍｍ程度とされる。第２のシリコン基板５５の厚さは、ミラー３３の振動周波数を勘案して決められるが、例えば０．１ｍｍ以下とされる。
【００５１】
このようにミラー基板３４を絶縁膜を介して接合された２層のシリコン基板によって構成する利点は次の通りである。ミラー基板３４はカバー基板３１と接合されるが、その際に接合性を高めるために圧力が加えられる。１層のシリコン基板によってミラー基板３４を構成する場合には、ミラー３３の振動周波数を勘案するとシリコン基板の厚さは例えば０．１ｍｍ以下とされるため、カバー基板３１との接合工程において強度不足により破壊する恐れがある。
【００５２】
これに対し、本実施例のように２層のシリコン基板によつてミラー基板３４を構成すると、ミラー３３か形成されない側のシリコン基板５４の厚さは、ミラー振動周波数に直接影響を及ぼさないので例えば０．５ｍｍ以上とすることができる。よって、ミラー基板３４の厚さを十分大きくとり、その強度を容易に確保することができるため、接合時の破壊を防止することができる。
【００５３】
《実施例４》 本発明の実施例４による光走査装置においては、図１８に略示するように、ミラー３３の可動電極として作用する端部３８と、固定電極として作用するフレーム端部４３は、互いに噛み合って対向する櫛歯状の形状とされる。このような構成とすることにより、固定電極と可動電極の対向面積が増大するため前記（１）式の静電トルクＴｒｑが増加し、したがって低い駆動電圧でも大きなミラー振れ角θを得ることができる。これ以外の構成は前記各実施例と同様でよいので、これ以上は説明しない。
【００５４】
《実施例５》 本発明の実施例５による光走査装置においては、図１９に略示するように、ミラー３３の可動電極として作用する端部３８と固定電極として作用するフレーム端部４３は、前記実施例４同様、互いに噛み合って対向する櫛歯状の形状とされるが、さにらに、櫛歯状の可動電極部分の外側に共振周波数調整用切片６０が設けられている。
【００５５】
この切片６０は、レーザ光ビームを照射して急激に温度を上昇させることにより容易に割断することが可能な寸法とされる。切片６０を必要に応じて必要な本数だけ割断しミラー３３の慣性モーメントＩを減少させることにより、ミラーの共振周波数（前記（１）式参照）を微調整することができる。
【００５６】
このような共振周波数の微調整を可能にすると、例えば、複数の光走査装置を利用する装置の場合に、全ての光走査装置の共振周波数のずれを小さくすることができるため、全ての光走査装置を同一の周波数で駆動できる等の利点が得られる。
【００５７】
《実施例６》 本発明の実施例６による光走査装置について、図２０及び図２１を参照して説明する。図２０は光走査装置の分割斜視図、図２１は光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００５８】
本実施例の光走査装置は、前記各実施例を組み合わせた如き構成である。すなわち、ミラー基板３４は前記実施例３と同様な絶縁層としてのシリコン酸化膜５６を挟んで接合された２層のシリコン基板５４，５５から構成され、ミラー３３の可動電極としての端部３８と固定電極としてのフレーム端部４３は前記実施例４と同様な櫛歯形状とされる。また、ミラー３３には、前記実施例５と同様の共振周波数調整用切片６０が設けられている。ただし、本実施例においては、共振周波数調整用切片６０は、ミラー３３の捻り梁３２と結合される側の端部に設けられている。ベース基板３５の凹部５２には、前記実施例２と同様にミラー振動検出用電極５３，５３が設けられ、また、そのための貫通電極３６ｃ，３６ｃが設けられている。これ以外の構成は、前記各実施例と同様である。
【００５９】
《実施例７》 図２２及び図２３は、本発明による画像形成装置を説明するための概略平面図及び概略側面図である。
【００６０】
この画像形成装置は、電子写真方式により画像形成を行うものであり、図示のように、像担持体としてのドラム状の感光体７８と、この感光体７８に静電潜像を形成するための露光手段としての光書き込み装置８１と、現像定着装置７９と、被記録体搬送装置８０を備える。感光体７８上の静電潜像は、現像定着装置７９により現像されてトナー像とされる。このトナー像は、被記録体搬送装置８０により搬送される被記録体（記録紙）に転写される。このトナー像は、被記録体が現像定着装置７９を通過する際に被記録体に定着させられる。なお、感光体７８の表面を一様に帯電するための手段、感光体７８上のトナー像を被記録体に転写させるための手段、感光体７８上の転写されずに残留したトナーを除去回収するクリーニング手段なども存在するが図中省略されている。
【００６１】
光書き込み装置８１は、前記各実施例に関連して説明した如き本発明による光走査装置３０を主走査方向に複数個配列し、また、それら光走査装置３０のミラーに画像信号に応じて変調されたレーザ光ビームを照射するための半導体レーザ７５を主走査方向に複数個配列し、感光体７８の主走査方向の書き込み幅を複数の光走査装置３０によって分割して露光する構成である。各半導体レーザ７５を画像信号により変調する手段は図示されていない。
【００６２】
このような光書き込み装置８１は、レーザプリンタにおいて一般的なポリゴンミラーを用いる光書き込み装置に比べ、構造が単純でコスト的に有利であり、また発熱量や騒音の面でも有利である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下に列挙するような効果を得られる。
（１）請求項１乃至１０に記載の発明においては、ミラー基板の両側にカバー基板とベース基板を接合してミラーの振動空間を気密封止し、かつ、ミラーを駆動するための電極をベース基板に設けられた貫通電極により外部に引き出すため、特許文献１及び２に記載の構成のコスト及び封止性能に関する問題点を解決することができ、また、装置全体の薄型化も容易である。
（２）請求項２に記載の発明においては、カバー基板及びベース基板と、ミラー基板の材料として陽極接合法による接合性が良好なパイレックスガラスとシリコンを用いるため、ミラーの振動空間を長期にわたって安定に封止することができる。
（３）請求項３に記載の発明においては、ベース基板にミラー振動検出用電極を設け、この電極を貫通電極により外部に引き出すため、その貫通電極を通じてミラー振動検出用電極の静電容量を測定することにより、ミラーの振動を容易にモニタし、ミラーの動作不良などを検出することができる。
（４）請求項４に記載の発明においては、貫通電極をメッキ法で作成することにより封止性の高い貫通電極を実現できるため、貫通電極を設けることがミラー振動空間の封止性を悪化させる要因となることがない。
（５）請求項５に記載の発明においては、貫通電極のための貫通孔をブラスト加工法により形成するため、貫通孔の加工時間を短縮し光走査装置の製造コストを削減することができる。
（６）請求項６に記載の発明においては、絶縁層を介して２層のシリコン基板を接合した部材からミラー基板を形成するため、ミラー及び捻り梁を薄くしても基板接合工程における破壊が置きにくく、したがって光走査装置の歩留まりが向上する。
（７）請求項７に記載の発明においては、ミラーを駆動するための電極の対向面積が増大するため、低い駆動電圧で大きな振れ角でミラーを振動させることができる。
（８）請求項８に記載の発明においては、ミラーに設けた切片を必要に応じて割断することによりミラー共振周波数の微調整を行うことができるため、複数の光走査装置の同一周波数での駆動が容易になる。
（９）請求項９又は１０に記載の発明によれば、ミラー振動空間の粘性抵抗係数を減少させ、低い駆動電圧で大きなミラー振れ角を得ることができる。
（１０）請求項１１に記載の発明によれば、ポリゴンミラーを用いる光書き込み装置に比べ、コスト、サイズ、消費電力及び騒音の面で有利な、電子写真方式の画像形成装置の露光手段として好適な光書き込み装置を実現することができる。
（１１）請求項１２に記載の発明によれば、静電潜像を形成するための露光手段としてポリゴンミラーを用いた画像形成装置に比べ、コスト、サイズ、消費電力、騒音の面で有利な画像形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】奔発明に係る光走査装置の動作原理の説明図である。
【図２】光走査装置の駆動パルスとミラー振動波形を示す波形図である。
【図３】実施例１を説明するための分割斜視図である。
【図４】実施例１を説明するための概略断面図である。
【図５】基板接合のための陽極装置の概略図である。
【図６】実施例１における貫通電極の作成方法を説明するための工程図である。
【図７】実施例１における貫通電極用貫通孔の作成方法を説明するための工程図である。
【図８】ブラスト加工法の説明図である。
【図９】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１０】ミラー振動空間の圧力とミラー振れ角との関係を示すグラフである。
【図１１】ミラーの減衰振動波形を示す波形図である。
【図１２】ミラー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１３】ミラー駆動パルス波形とミラーの振動波形を示す波形図である。
【図１４】実施例２を説明するための分解斜視図である。
【図１５】実施例２を説明するための概略断面図である。
【図１６】実施例３を説明するための分解斜視図である。
【図１７】実施例３を説明するための概略断面図である。
【図１８】実施例４を説明するための部分平面図である。
【図１９】実施例５を説明するための部分平面図である。
【図２０】実施例６を説明するための分解斜視図である。
【図２１】実施例６を説明するための概略断面図である。
【図２２】実施例７を説明するための概略平面図である。
【図２３】実施例７を説明するための概略側面図である。
【符号の説明】
３０ 光走査装置
３１ カバー基板
３２ 捻り梁
３３ ミラー
３４ ミラー基板
３５ ベース基板
３６ 貫通電極
３９ フレーム
４５ ミラー振動空間
５３ ミラー振動検出用電極
５４，５５ シリコン基板
５６ シリコン酸化膜（絶縁層）
６０ 共振周波数調整用切片
７５ 半導体レーザ
７８ 感光体（像担持体）
８１ 光書き込み装置
【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】
この種の光走査装置として、同一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板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るものが非特許文献１に記載されている。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により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、また単一の反射面であるためポリゴンミラーのような反射面による精度のばらつきがなく、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、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（特許文献１参照）、梁の厚さをミラー基板、フレーム基板よりも薄くしたもの（特許文献２参照）、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（非特許文献２、特許文献３参照）、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（非特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
また、このような光走査装置の封止及び電気的接続に関連した構造については、キャップ及びステムからなるパッケージを有し、キャップとステムを抵抗溶接等の機密性の高い接合方法により接合することによりパッケージ内を気密封止し、外部との電気的接続をワイヤボンディングにより行う如き例が特許文献１に記載されている。また、シリコン単結晶から形成されたミラー基板（振動系部分）を２枚のガラス基板２５により挟み込んで接合することによりミラー基板のミラーの振動空間を減圧封止し、一方のガラス基板のミラー基板と接合される側の面に駆動のための電極を引き出す如き例が特許文献２に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９２４２００号公報（図１，図７，図８）
【特許文献２】
特開平７−９２４０９号公報（図１，図２（ｄ））
【特許文献３】
特許第３０１１１４４号公報
【非特許文献１】
ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ Ｖｏｌ．２４ （１９８０）
【非特許文献２】
Ｔｈｅ １３ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＭＥＭＳ２０００ （２０００）
ｐｐ．４７３−４７８， ｐｐ．６４５−６５０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の封止及び電気的接続の構成は、部品点数も多く、またワイヤボンディング作業が必要であるためコスト高になりやすく、また、光走査装置の薄型化が容易でない。これに比べ、特許文献２記載の封止及び電気的接続の構成は、部品点数を削減でき、ワイヤボンディング作業も不要でコスト的に有利であり、さらに装置の薄型化も容易である。しかし、電極引き出し部位においてミラー基板を切り欠く必要があり、その分だけ基板間の接合面積が減少し封止性能の低下の原因となる。
【０００７】
本発明の目的は、捻り梁を捻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、上に述べたような封止及び電気的接続に関する問題点を改良すること、低い駆動電圧で大きなミラー振れ角を得ること、ミラーの振動を容易にモニタできるようにすること、ミラーの共振周波数を容易に調整できるようにすることなどである。また、本発明の他の目的は、電子写真方式の画像形成装置における露光手段として好適な光書き込み装置と、それを用いた画像形成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の光走査装置は、請求項１に記載のように、フレームと、捻り梁と、この捻り梁によって前記フレームに支持されたミラーとが一体的に形成された導電性材料からなるミラー基板と、前記ミラー基板の第１の面に接合された、透明な絶縁性材料からなるなるカバー基板と、前記ミラー基板の前記第１の面と反対側の第２の面に接合された、絶縁性材料からなるベース基板とを有し、前記カバー基板と前記ベース基板とにより前記ミラーの振動空間が気密に封止され、前記ベース基板は、それを貫通し、かつ、前記ミラー基板のフレームに接触する複数の貫通電極を有し、前記貫通電極を通じて外部より前記ミラーを駆動するための電圧を印加可能としてなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項２に記載のように、請求項１に記載の構成において、前記ミラー基板はシリコンからなり、前記ベース基板及びカバー基板はパイレックスガラスからなり、前記ミラー基板、前記ベース基板及び前記カバー基板は陽極接合法によって接合されていることである。
【００１０】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の構成において、前記ベース基板は、前記ミラーと対向した、前記ミラーの振動検出のための電極と、この振動検出のための電極と電気的に接続された貫通電極をさらに有することである。
【００１１】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項４に記載のように、請求項１、２又は３に記載の構成において、前記貫通電極はメッキ法により作成されていることである。
【００１２】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項５に記載のように、請求項４に記載の構成において、前記貫通電極のための貫通孔はブラスト加工法により形成されていることである。
【００１３】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項６に記載のように、請求項１乃至５のいずれか１項記載の構成において、前記ミラー基板は、絶縁層を介して２層のシリコン基板を接合した部材からなり、前記ベース基板と接合される側の前記部材のシリコン基板に前記フレーム、前記ねじり梁及び前記ミラーが一体的に形成されていることである。
【００１４】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項７に記載のように、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーの駆動用電極として作用する端部、及び、該端部と対向し駆動用電極として作用する前記フレームの端部は、互いに空隙を介して噛み合う櫛歯形状を有することにある。
【００１５】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項８に記載のように、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーは共振周波数調整用の割断可能な切片を有することである。
【００１６】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項９に記載のように、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の構成において、前記ミラーの振動空間の圧力は大気圧より低いことである。
【００１７】
本発明の光走査装置のもう１つの特徴は、請求項１０に記載のように、請求項９に記載の構成において、前記ミラーの振動空間の圧力は０．１（Ｔｏｒｒ）から２（Ｔｏｒｒ）までの範囲であることである。
【００１８】
また、本発明の光書き込み装置は、請求項１１に記載のように、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光走査装置と、この光走査装置のミラーに光ビームを入射させるための光源とを、１組以上備えてなることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の画像形成装置は、請求項１２に記載のように、電子写真方式の画像形成装置であって、像担持体に静電潜像を形成するための露光手段が請求項１１に記載の光書き込み装置からなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る光走査装置の動作原理について図１及び図２を参照して簡単に説明する。
【００２１】
図１は動作原理の説明図である。図１において、ミラー１３は捻り梁１４により支持され、ミラー１３の捻り梁１４に支持されない２つの端部１５は狭いギャップを介して固定電極１２に対向している。固定電極１２と対向するミラー１３の端部１５は可動電極として働く。これらの電極間に駆動パルス発生装置１０により図２（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１３は捻り梁１４を捻り回転軸として往復振動する。図２（ａ）はミラー１３の振動波形である。ミラー１３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１３の慣性モーメントＩと捻り梁１４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１３の共振周波数ｆｏと振れ角θは次式で与えられる。
【００２２】
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。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
《実施例１》 本発明の実施例１について図３及び図４を参照して説明する。図３は本実施例の光走査装置の構成を説明するための分解斜視図、図４は同光走査装置の組み立てられた状態の構成を説明するための概略断面図である。
【００２５】
この光走査装置は、ミラー基板３４、カバー基板３１及びベース基板３５を図４に示すように接合した構成である。
【００２６】
ミラー基板３４は、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３９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の上面（カバー基板３１と接合される側の面）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。フレーム３９は、分離溝３７により、電気的に絶縁された４つの部分４０，４０，４１，４１に分割される。これは、ミラー３３の捻り梁３２と結合されない端部３８（可動電極として働く部分）に対向したフレーム部分４０の端部４３を駆動用の固定電極として利用するためである。分離溝３７の形成は、例えば、ミラー基板３４とカバー基板３１とを接合した状態で行われる。
【００２７】
カバー基板３１は透明な絶縁性材料から作成されるが、本実施例ではその材料としてパイレックスガラスが用いられている。図３には示されていないが、カバー基板３１のミラー基板３４と接合される側の面には、ミラー３３の振動空間４５（図４参照）を確保するための凹部が形成されている。
【００２８】
ベース基板３５は絶縁性材料から作成されるが、本実施例ではその材料としてパイレックスガラスが用いられている。このベース基板３５のミラー基板３４と接合される側の面には、ミラー３３の振動空間４５（図４参照）を確保するための凹部５２が形成されている。また、ベース基板３５には、ミラー基板３４の２つのフレーム部分４０，４０と電気的に接続される貫通電極３６ａ，３６ａ、及び、ミラー基板３４の別の２つのフレーム部分４１，４１と電気的に接続される貫通電極３６ｂ，３６ｂが形成されている。
【００２９】
上に述べたような構成の３つの基板部材を図４に示すように接合することによって光走査装置が完成し、ミラー３３の振動空間４５は気密に封止される。ミラー基板３４のフレーム部分４０，４１は貫通電極３６ａ，３６ｂと接触する。ミラー基板３４は不純物濃度が比較的高く導電性を有するシリコン基板から作られているため、貫通電極３６ａ，３６ｂを通じて、ミラー３３を駆動するための固定電極及び可動電極に駆動電圧を印加することができる。
【００３０】
本実施例においては、３つの基板部材の接合は、図５に略示すような陽極装置を用い陽極接合法により行われる。図５において、４６は接合加重を制御するための重りであり、４７は接合電圧をコントロールする電源である。４８はヒーターであり、このヒーター４８に流れる電流を温度制御装置４９で制御することよって接合温度を調整する。５０はバキュームポンプであり、装置内部を負圧に保つ。５１は観測窓である。
【００３１】
接合工程を説明すると、まず、ミラー基板３４とカバー基板３１を重ねたものをワークとして陽極装置にセットし接合する。次に、カバー基板３１と接合されたミラー基板３４にベース基板３５を重ねたものをワーク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３５の貫通電極３６ａ，３６ｂがミラー基板３４の対応したフレーム部分４０，４１と電気的に接続される。
【００３２】
パイレックスガラスとシリコンとの陽極接合による接合性が良好であるため、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。ただし、一般的には、ミラー基板３４は任意の導電性材料から、ベース基板３５は任意の絶縁性材料から、また、カバー基板３１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。
【００３３】
長期間安定な封止を維持するために、貫通電極３６ａ，３６ｂの封止性も高める必要がるため、本実施例においては貫通電極３６ａ，３６ｂはメッキ法により作成される。より具体的には、図６の工程図に示すように、まず、貫通電極用の貫通孔をベース基板３５に形成する（ステップＳ１）。次に、ベース基板３５を脱脂し（ステップＳ２）、レジストを塗布する（ステップＳ３）。このレジストに貫通電極の開口部パターンを露光し、現像することにより開口パターンを作成する（ステップＳ４，Ｓ５）。次に、塩化パラジューム液に浸漬し、Ｎｉメッキ液に浸積して無電解Ｎｉメッキを行う（ステップＳ６）。形成されたＮｉメッキ層を電極として電解Ｎｉメッキを行う（ステップＳ７）。これにより、貫通孔はＮｉ層で充填され、貫通電極３６ａ，３６ｂが完成する。このようにして作成された貫通電極３６ａ，３６ｂはＮｉメッキで充填されているため、封止性が極めて優れている。
【００３４】
ステップＳ１における貫通電極用の貫通孔の加工には、一般的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることもできるが、ベース基板３４の厚さは例えば０．５ｍｍ程度になるため、ＲＩＥでは加工に時間がかかる。したがって、加工時間の短縮のためにはサンドブラスト加工法を用いると好ましい。これについて図７の工程図及び図８の説明図を参照して説明する。
【００３５】
まず、ベース基板３５に、マスク用のドライフィルム７０をコーテイングする（ステップＳ１１）。貫通電極の開口部６４に対応した形状のパターンをドライフィルム７０に露光し、現像することにより、ドライフィルム７０に開口部を形成する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。ノズル６９より微小な鉄やセラミックスのボール６５を高速空気流により吹き付ける（ステップＳ１４）。この所謂サンドブラストにより、ドライフィルム７０でマスクされていない部分６６が削られ、最終的に貫通孔６７が形成される。この後、残っているドライフィルム７０の剥離と洗浄を行う（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
【００３６】
基板間接合は減圧環境において行われ、ミラー３３の振動空間４５（図４）の圧力は大気圧より減圧される。このように振動空間を減圧することにより、粘性抵抗が減少し、前記式（２）の定数Ｋ（ｆｏ，Ｃ）が小さくなるためミラー３３の振れ角θが大きくなる。この内部圧力は、前記の如く０．１Ｔｏｒｒから２Ｔｏｒｒの範囲に選ぶのが一般に好ましい。これについて図９乃至図１３を参照し説明する。
【００３７】
カバー基板３１のない光走査装置を用い、以下に述べるような実験を行った。実験には図９に示すような評価装置を用いた。図９において、１００は減圧容器であり、この中に評価対象の光走査装置１０２がセットされる。光走査装置１０２のミラーのミラー面にレーザ光源１０４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１０６で受光される。光位置検出器１０６の検出信号は波形観測装置１０８に入力される。
【００３８】
まず、減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２のミラーを駆動し、光位置検出器１０６の検出信号の波形（ミラーの振動波形）を波形観測装置１０８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１０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。
【００３９】
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。
【００４０】
減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２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１１参照）を波形観測装置１０８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１２に示すような特性曲線Ｌｃが得られた。
【００４１】
減圧容器１００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置１０２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１０８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１３参照）。求めた位相差Δθをプロットすると、図１２に示すような特性曲線Ｌθが得られた。
【００４２】
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。
【００４３】
このようなことから、図１０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。
【００４４】
《実施例２》 本発明の実施例２について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は本実施例の光走査装置の分解斜視図、図１５は同光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００４５】
本実施例においては、ベース基板３５の凹部５２に、ミラー３３の振動検出用の一対の電極５３，５３が設けられる。各電極５３は、ミラー３３の振動軸を境にした各半分の部分に対向する。これら電極５３は、例えばＣｒとＡｕの薄膜を２層に蒸着した構造からなる。ベース基板３５には、これら電極５３，５３に接続した貫通電極３６ｃ，３６ｃが形成されている。これら貫通電極３６ｃは、他の貫通電極３６ａ，３６ｂと同様のものである。これ以外の構成は、前記実施例１の光走査装置と同様であるので説明を繰り返さない。
【００４６】
ミラー振動検出用電極５３，５３間の静電容量は、同電極とミラー３３の距離に反比例する。したがって、貫通電極３６ｃ，３６ｃを通じて、この静電容量を測定することにより、ミラー３３の振動をモニタすることができ、ミラー３３の動作不良の検出などを容易に行うことができる。
【００４７】
《実施例３》 本発明の実施例３について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は本実施例の光走査装置の分解斜視図、図１７は同光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００４８】
本実施例においては、ミラー基板３４は、第１のシリコン基板５４と第２のシリコン基板５５をシリコン酸化膜５６（絶縁層）を挟んで接合した２層シリコン基板からなる。第１のシリコン基板５４には、結晶異方性エッチングにより開口部５７が形成される。前記各実施例と同様なミラー３３、捻り梁３２及びフレーム３９は、第２のシリコン基板５５にフォトエッチング等の半導体プロセス技術により形成される。また、第２のシリコン基板５５のフレーム相当部分は、前記各実施例と同様に分離溝３７により４つの部分に分割される。
【００４９】
これ以外は前記各実施例と同様である。なお、図１６には示されていないが、ベース基板３５の凹部５２に、前記実施例２と同様なミラー振動検出用の１対の電極を設けてもよいことは明らかであり、その場合には、図１７に示すように、同電極の引き出しのための貫通電極３６ｃ，３６ｃもベース基板３５に設けられることになる。
【００５０】
第１のシリコン基板５４の厚さは例えば０．５ｍｍ程度とされる。第２のシリコン基板５５の厚さは、ミラー３３の振動周波数を勘案して決められるが、例えば０．１ｍｍ以下とされる。
【００５１】
このようにミラー基板３４を絶縁膜を介して接合された２層のシリコン基板によって構成する利点は次の通りである。ミラー基板３４はカバー基板３１と接合されるが、その際に接合性を高めるために圧力が加えられる。１層のシリコン基板によってミラー基板３４を構成する場合には、ミラー３３の振動周波数を勘案するとシリコン基板の厚さは例えば０．１ｍｍ以下とされるため、カバー基板３１との接合工程において強度不足により破壊する恐れがある。
【００５２】
これに対し、本実施例のように２層のシリコン基板によつてミラー基板３４を構成すると、ミラー３３か形成されない側のシリコン基板５４の厚さは、ミラー振動周波数に直接影響を及ぼさないので例えば０．５ｍｍ以上とすることができる。よって、ミラー基板３４の厚さを十分大きくとり、その強度を容易に確保することができるため、接合時の破壊を防止することができる。
【００５３】
《実施例４》 本発明の実施例４による光走査装置においては、図１８に略示するように、ミラー３３の可動電極として作用する端部３８と、固定電極として作用するフレーム端部４３は、互いに噛み合って対向する櫛歯状の形状とされる。このような構成とすることにより、固定電極と可動電極の対向面積が増大するため前記（１）式の静電トルクＴｒｑが増加し、したがって低い駆動電圧でも大きなミラー振れ角θを得ることができる。これ以外の構成は前記各実施例と同様でよいので、これ以上は説明しない。
【００５４】
《実施例５》 本発明の実施例５による光走査装置においては、図１９に略示するように、ミラー３３の可動電極として作用する端部３８と固定電極として作用するフレーム端部４３は、前記実施例４同様、互いに噛み合って対向する櫛歯状の形状とされるが、さにらに、櫛歯状の可動電極部分の外側に共振周波数調整用切片６０が設けられている。
【００５５】
この切片６０は、レーザ光ビームを照射して急激に温度を上昇させることにより容易に割断することが可能な寸法とされる。切片６０を必要に応じて必要な本数だけ割断しミラー３３の慣性モーメントＩを減少させることにより、ミラーの共振周波数（前記（１）式参照）を微調整することができる。
【００５６】
このような共振周波数の微調整を可能にすると、例えば、複数の光走査装置を利用する装置の場合に、全ての光走査装置の共振周波数のずれを小さくすることができるため、全ての光走査装置を同一の周波数で駆動できる等の利点が得られる。
【００５７】
《実施例６》 本発明の実施例６による光走査装置について、図２０及び図２１を参照して説明する。図２０は光走査装置の分割斜視図、図２１は光走査装置の組み立てられた状態の概略断面図である。
【００５８】
本実施例の光走査装置は、前記各実施例を組み合わせた如き構成である。すなわち、ミラー基板３４は前記実施例３と同様な絶縁層としてのシリコン酸化膜５６を挟んで接合された２層のシリコン基板５４，５５から構成され、ミラー３３の可動電極としての端部３８と固定電極としてのフレーム端部４３は前記実施例４と同様な櫛歯形状とされる。また、ミラー３３には、前記実施例５と同様の共振周波数調整用切片６０が設けられている。ただし、本実施例においては、共振周波数調整用切片６０は、ミラー３３の捻り梁３２と結合される側の端部に設けられている。ベース基板３５の凹部５２には、前記実施例２と同様にミラー振動検出用電極５３，５３が設けられ、また、そのための貫通電極３６ｃ，３６ｃが設けられている。これ以外の構成は、前記各実施例と同様である。
【００５９】
《実施例７》 図２２及び図２３は、本発明による画像形成装置を説明するための概略平面図及び概略側面図である。
【００６０】
この画像形成装置は、電子写真方式により画像形成を行うものであり、図示のように、像担持体としてのドラム状の感光体７８と、この感光体７８に静電潜像を形成するための露光手段としての光書き込み装置８１と、現像定着装置７９と、被記録体搬送装置８０を備える。感光体７８上の静電潜像は、現像定着装置７９により現像されてトナー像とされる。このトナー像は、被記録体搬送装置８０により搬送される被記録体（記録紙）に転写される。このトナー像は、被記録体が現像定着装置７９を通過する際に被記録体に定着させられる。なお、感光体７８の表面を一様に帯電するための手段、感光体７８上のトナー像を被記録体に転写させるための手段、感光体７８上の転写されずに残留したトナーを除去回収するクリーニング手段なども存在するが図中省略されている。
【００６１】
光書き込み装置８１は、前記各実施例に関連して説明した如き本発明による光走査装置３０を主走査方向に複数個配列し、また、それら光走査装置３０のミラーに画像信号に応じて変調されたレーザ光ビームを照射するための半導体レーザ７５を主走査方向に複数個配列し、感光体７８の主走査方向の書き込み幅を複数の光走査装置３０によって分割して露光する構成である。各半導体レーザ７５を画像信号により変調する手段は図示されていない。
【００６２】
このような光書き込み装置８１は、レーザプリンタにおいて一般的なポリゴンミラーを用いる光書き込み装置に比べ、構造が単純でコスト的に有利であり、また発熱量や騒音の面でも有利である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下に列挙するような効果を得られる。
（１）請求項１乃至１０に記載の発明においては、ミラー基板の両側にカバー基板とベース基板を接合してミラーの振動空間を気密封止し、かつ、ミラーを駆動するための電極をベース基板に設けられた貫通電極により外部に引き出すため、特許文献１及び２に記載の構成のコスト及び封止性能に関する問題点を解決することができ、また、装置全体の薄型化も容易である。
（２）請求項２に記載の発明においては、カバー基板及びベース基板と、ミラー基板の材料として陽極接合法による接合性が良好なパイレックスガラスとシリコンを用いるため、ミラーの振動空間を長期にわたって安定に封止することができる。
（３）請求項３に記載の発明においては、ベース基板にミラー振動検出用電極を設け、この電極を貫通電極により外部に引き出すため、その貫通電極を通じてミラー振動検出用電極の静電容量を測定することにより、ミラーの振動を容易にモニタし、ミラーの動作不良などを検出することができる。
（４）請求項４に記載の発明においては、貫通電極をメッキ法で作成することにより封止性の高い貫通電極を実現できるため、貫通電極を設けることがミラー振動空間の封止性を悪化させる要因となることがない。
（５）請求項５に記載の発明においては、貫通電極のための貫通孔をブラスト加工法により形成するため、貫通孔の加工時間を短縮し光走査装置の製造コストを削減することができる。
（６）請求項６に記載の発明においては、絶縁層を介して２層のシリコン基板を接合した部材からミラー基板を形成するため、ミラー及び捻り梁を薄くしても基板接合工程における破壊が置きにくく、したがって光走査装置の歩留まりが向上する。
（７）請求項７に記載の発明においては、ミラーを駆動するための電極の対向面積が増大するため、低い駆動電圧で大きな振れ角でミラーを振動させることができる。
（８）請求項８に記載の発明においては、ミラーに設けた切片を必要に応じて割断することによりミラー共振周波数の微調整を行うことができるため、複数の光走査装置の同一周波数での駆動が容易になる。
（９）請求項９又は１０に記載の発明によれば、ミラー振動空間の粘性抵抗係数を減少させ、低い駆動電圧で大きなミラー振れ角を得ることができる。
（１０）請求項１１に記載の発明によれば、ポリゴンミラーを用いる光書き込み装置に比べ、コスト、サイズ、消費電力及び騒音の面で有利な、電子写真方式の画像形成装置の露光手段として好適な光書き込み装置を実現することができる。
（１１）請求項１２に記載の発明によれば、静電潜像を形成するための露光手段としてポリゴンミラーを用いた画像形成装置に比べ、コスト、サイズ、消費電力、騒音の面で有利な画像形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】奔発明に係る光走査装置の動作原理の説明図である。
【図２】光走査装置の駆動パルスとミラー振動波形を示す波形図である。
【図３】実施例１を説明するための分割斜視図である。
【図４】実施例１を説明するための概略断面図である。
【図５】基板接合のための陽極装置の概略図である。
【図６】実施例１における貫通電極の作成方法を説明するための工程図である。
【図７】実施例１における貫通電極用貫通孔の作成方法を説明するための工程図である。
【図８】ブラスト加工法の説明図である。
【図９】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１０】ミラー振動空間の圧力とミラー振れ角との関係を示すグラフである。
【図１１】ミラーの減衰振動波形を示す波形図である。
【図１２】ミラー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１３】ミラー駆動パルス波形とミラーの振動波形を示す波形図である。
【図１４】実施例２を説明するための分解斜視図である。
【図１５】実施例２を説明するための概略断面図である。
【図１６】実施例３を説明するための分解斜視図である。
【図１７】実施例３を説明するための概略断面図である。
【図１８】実施例４を説明するための部分平面図である。
【図１９】実施例５を説明するための部分平面図である。
【図２０】実施例６を説明するための分解斜視図である。
【図２１】実施例６を説明するための概略断面図である。
【図２２】実施例７を説明するための概略平面図である。
【図２３】実施例７を説明するための概略側面図である。
【符号の説明】
３０ 光走査装置
３１ カバー基板
３２ 捻り梁
３３ ミラー
３４ ミラー基板
３５ ベース基板
３６ 貫通電極
３９ フレーム
４５ ミラー振動空間
５３ ミラー振動検出用電極
５４，５５ シリコン基板
５６ シリコン酸化膜（絶縁層）
６０ 共振周波数調整用切片
７５ 半導体レーザ
７８ 感光体（像担持体）
８１ 光書き込み装置
Claims (12)
- フレームと、捻り梁と、この捻り梁によって前記フレームに支持されたミラーとが一体的に形成された導電性材料からなるミラー基板と、
前記ミラー基板の第１の面に接合された、透明な絶縁性材料からなるなるカバー基板と、
前記ミラー基板の前記第１の面と反対側の第２の面に接合された、絶縁性材料からなるベース基板とを有し、
前記カバー基板と前記ベース基板とにより前記ミラーの振動空間が気密に封止され、
前記ベース基板は、それを貫通し、かつ、前記ミラー基板のフレームに接触する複数の貫通電極を有し、
前記貫通電極を通じて外部より前記ミラーを駆動するための電圧を印加可能としてなる光走査装置。 - 請求項１に記載の光走査装置において、前記ミラー基板はシリコンからなり、前記ベース基板及び前記カバー基板はパイレックスガラスからなり、前記ミラー基板、前記ベース基板及び前記カバー基板は陽極接合法によって接合されていることを特徴とする光走査装置。
- 請求項１又は２に記載の光走査装置において、前記ベース基板は、前記ミラーと対向した、前記ミラーの振動検出のための電極と、この振動検出のための電極と電気的に接続された貫通電極をさらに有することを特徴とする光走査装置。
- 請求項１、２又は３に記載の光走査装置において、前記貫通電極はメッキ法により作成されていることを特徴とする光走査装置。
- 請求項４に記載の光走査装置において、前記貫通電極のための貫通孔はブラスト加工法により形成されていることを特徴とする光走査装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１項記載の光走査装置において、前記ミラー基板は、絶縁層を介して２層のシリコン基板を接合した部材からなり、前記ベース基板と接合される側の前記部材のシリコン基板に前記フレーム、前記捻り梁及び前記ミラーが一体的に形成されたことを特徴とする光走査装置。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置において、前記ミラーの駆動用電極として作用する端部、及び、該端部と対向し駆動用電極として作用する前記フレームの端部は、互いに空隙を介して噛み合う櫛歯形状を有することを特徴とする光走査装置。
- 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置において、前記ミラーは共振周波数調整用の割断可能な切片を有することを特徴とする光走査装置。
- 請求項１乃至８のいずれか１項に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は大気圧より低いことを特徴とする光走査装置。
- 請求項９に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は０．１（Ｔｏｒｒ）から２（Ｔｏｒｒ）までの範囲であることを特徴とする光走査装置。
- 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光走査装置と、この光走査装置のミラーに光ビームを入射させるための光源とを１組以上備えてなる光書き込み装置。
- 電子写真方式の画像形成装置において、像担持体に静電潜像を形成するための露光手段が請求項１１に記載の光書き込み装置からなることを特徴とする画像形成装置。
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