JP2009222900A

JP2009222900A - 捩り梁、光走査装置および画像形成装置

Info

Publication number: JP2009222900A
Application number: JP2008066217A
Authority: JP
Inventors: Eiji Mochizuki; 栄二望月
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】低コストで、より簡単な形状で折れにくい捩り梁と、捩り回転時に梁が折れ難く、振れ角が大きい前記捩り梁を用いた光走査装置を提供する。
【解決手段】捩り梁１の端部の厚み方向に曲線をつける。これにより、捩り梁１の折れの原因となり得るせん断応力の影響が小さくなることに加えて、引っ張り応力の集中が緩和される。
【選択図】図１０

Description

本発明は、捩り梁およびその捩り梁を用いた光走査装置に関し、デジタル複写機およびレーザプリンタ等の画像形成装置に用いられる光走査装置に適用され、光走査型のバーコード読み取り装置や車載用のレーザレーダ装置等への応用が可能である。

従来の光走査装置においては、光ビームを走査する偏向器としてポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられるが、より高解像度な画像と高速プリントを達成するには、高速性や大きな振れ角が要求される。

これに対し、近年シリコンマイクロマシニングを利用した光偏向器の研究が進められており、例えば特許文献１、２に開示されるように、Ｓｉ基板で振動ミラーとそれを支持するねじり梁を一体形成した方式が提案されている。

上記したように振動ミラーを利用することで、従来のポリゴンミラーを用いる方法に比べ小型で消費電力が少ない光走査装置が提供できるが、高速で大きな振れ角が要求されるため、振れ角が大きくなった時に捩り梁が折れて破損するという問題がある。

そこで、特許文献３では、断面形状が偏平で最も撓みやすい方向が交差するように並列的に配置された構造のトーションバーが提案されている。

特許第２９２４２００号公報特許第３０１１１４４号公報特開２００２−３２１１９８号公報

特許文献３で提案されている梁は折れにくい形状であるが、その構造は複雑である。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、低コストで、より簡単な形状で折れにくい捩り梁と、捩り回転時に梁が折れ難く、振れ角が大きい前記捩り梁を用いた光走査装置を提供することにある。

本発明は、一枚の基板を両面からエッチング加工することにより形成される捩り梁において、少なくともどちらか一面は捩り梁の端部が最も厚い厚さ分布を有することを最も主要な特徴とする。

請求項１：捩り梁の端部には引っ張り応力が集中し、捩り梁が折れる原因となり得るが、捩り梁の厚さに分布をもたせることにより応力の集中が緩和され、折れ難くなる。

請求項２：捩り梁の端部に最も引っ張り応力が発生するので、端部は厚く、かつ応力集中を緩和させるために、曲線的な厚さ分布をもたせることにより、より捩り梁が折れ難くなる。

請求項３：低コストでの加工が可能であり、また捩り回転時に梁が折れ難く、大きな振れ角が実現可能な光走査装置が得られる。

請求項４：従来のポリゴンミラーに比べ、消費電力が小さく、低騒音の画像形成装置を得ることが出来る。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。
捩り梁が折れる原因としてはいくつかの応力及びその複合的作用が考えられるが、まず、せん断応力について図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、一般的に、断面が長方形の捩り梁のせん断応力は、図１（ｂ）のように、最大せん断応力が長辺の中央部に発生する。そして、図１（ｂ）から明らかなように、長辺の中央位置からｂ／４以上離れた位置では、最大せん断応力による作用が無視できる程度の大きさである。

ところで、１枚の基板を両面からエッチングして捩り梁を形成するような場合は、表裏のアライメントずれ等により、エッチング連通部には段差が発生する。発生する段差に、せん断応力がかかると捩り梁が折れる原因になる。そこで、その段差の位置を基板深さ中央より（基板厚さ／４）以上離れたどちらかの基板の表面寄りに形成することにより、図１で説明した理由から、せん断応力が少なくなり、捩り梁が折れ難くなる。

図２は、せん断応力による捩り梁の折れ対策として、従来例の捩り梁の作製方法を示す。図２において、（Ａ）は１回目のエッチング、（Ｂ）は２回目のエッチングの途中、（Ｃ）は２回目のエッチングが進行し、連通することにより、捩り梁が形成された状態を順次、示す。図２における矢印は、基板の上面から下面に向かうエッチング工程と、基板の下面から上面に向かうエッチング工程とを示す。

（１）〜（３）は、両面からの加工による作製方法である、従来例１〜従来例３を示す。従来例１は、２回目のエッチングにより規定される梁幅を１回目の梁幅より狭くしてあるが、エッチングの順番を逆にすれば（２）と同じになると考えられるが、通常、両面からのエッチングを順次行う場合は、最初に浅いほうのエッチングを行い、次に深いほうのエッチングを行った方がエッチング特性が安定し、途中のプロセスフローも容易になるので、（２）の方が好ましい。また、（３）は２回のエッチングによる段差が発生しない構成を示している。

従来例１（図２）の問題点を図３を用いて説明する。両面からのエッチングで完全に基板を貫通するためには、基板やエッチングの面内ばらつき等を考慮し、ある程度オーバーエッチングする必要がある。図３は、オーバーエッチングしたときの理想形状（１）と実際の形状（２）を示す。

図３におけるエッチングは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）分野において、シリコン基板をエッチングする際に一般的に用いられるＢｏｓｈプロセスでのＩＣＰエッチングである。オーバーエッチングした時にコンフォーマルにエッチングが進行して理想形状になれば問題は無いが、実際は、図３（２）に示すように、段差にノッチが入ったような形状になる。

図４は、捩り梁のノッチの発生メカニズムを説明する図である。Ｂｏｓｈプロセスとは、エッチングとパッシベーションを交互に高速に行うことにより、横方向の広がりを抑えつつ、深くエッチングすることができるプロセスである。そのエッチング進行状況は、まず図４（１）に示すように、ＣＦｎポリマーによるパッシベーション膜を形成し、（２）に示すように、指向性のあるイオンによりパッシベーション膜を除去し、（３）に示すように、露出したシリコン面をＦラジカルがエッチングするという工程を繰り返し行うが、図４（３）に示すようなノッチが発生してしまう。従って、捩り梁の段差に、ノッチが発生しないようにするためには、図２に示す従来例２、３が有効であることが分かる。

次に、本発明の捩り梁を用いた光走査装置（マイクロスキャナ）について説明する。ここでは、Ｓｉ基板で構成されるＰＺＴ駆動型のマイクロスキャナについて説明する。図５は、標準的なマイクロスキャナの構成について、その上面図を示す。また図６（１）、（２）は、それぞれ図２の従来例２、３の捩り梁を用いたマイクロスキャナの従来例２、３を示す。

図５において、１は捩り梁、２は捩り梁１を捩り回転軸として往復振動させてレーザ光を偏向し反射するミラー、３はリブであり、ミラー２の剛性を維持しつつ軽量化して、ミラー２の振動の応答性を向上し、また振動時の反りを防止する。４はＰＺＴ（圧電素子）であり、図示しない電極に接続され、電極からの通電によりカンチレバーを湾曲させ、捩り梁１を介してミラー２を振動させる。５は捩り梁１をフレームに連結するカンチレバー、６は捩り梁１を支持するフレームである。

次にその製造方法について、図５の実線Ａ−Ａ‘で示される個所の断面を用いて、図７、８、９を用いて説明する。図７は、ＰＺＴの加工工程、図８は、従来例２のシリコン加工工程、図９は、従来例３のシリコン加工工程を示す。

図７のＰＺＴの加工工程において、（１）では、絶縁のための熱酸化膜を例えば０．５μｍ形成する。次に、（２）では、下部電極、ＰＺＴ、上部電極を順次成膜する。各々の材料及び膜厚は例えば下部電極はＴｉ層（０．０５μｍ）とＰｔ層（０．１５μｍ）からなり、ＰＺＴは３μｍの厚さであり、上部電極はＰｔ層（０．１５μｍ）からなる。成膜方法としては、下部電極、上部電極はスパッタリング法、ＰＺＴはスパッタリング法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンプレーティング法等が挙げられる。

次いで、（３）では、フォトリソを行った後に、上部電極とＰＺＴをＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）にてドライエッチングし形成する。（４）では、フォトリソを行った後に、下部電極と熱酸化膜をＲＩＥにてドライエッチングし形成する。（５）では、リフトオフ法により、ミラー反射膜を成膜する。材料及び膜厚は例えばＴｉ層（０．０５μｍ）、Ｐｔ層（０．０５μｍ）、Ａｕ層（０．１μｍ）からなる。

図８の従来例２のシリコン加工工程において、（１）では、フォトリソを行った後、（２）では、１回目のシリコンエッチングを行う。次に（３）では、反対面にフォトリソを行った後、（４）では、２回目のシリコンエッチングを行う。最後（５）にレジストを除去して光走査装置が完成する。

図９の従来例３のシリコン加工工程は、前述の従来例２と同様であり、フォトリソに使用するフォトマスクの設計変更のみで対応可能である（図９の（１）におけるマスクパターンである捩り梁のＯ／Ｓとは、梁のパターンを含んでＯｖｅｒＳｉｚｅをかけた、梁より大きいパターンを意味している）。従来例３においては、捩り梁には段差が発生しない構成になっているが、厳密には梁とミラーの連結部等には段差が発生している。しかしながらその段差は基板表面に近いので、前述したようにせん断応力の影響は小さい。

実施例１
捩り梁の折れる原因として他の応力、引っ張り応力について考える。引っ張り応力は、捩り梁の端部に発生する応力で、図５の円内Ｃに示すように、ミラーとの連結部には曲線をつけた形状を備えている。これは、応力集中を緩和するためのものであり、フォトリソパターンで容易に形成することができる。

しかしながら、応力集中の更なる緩和のためには、捩り梁の厚さ方向にも厚さ分布を持たせることがより効果的である。最も好ましいのは、捩り梁の端部（ミラーとの連結部等）に厚さ方向に曲線をつけるのが良い。

本発明に例示されているような厚いミラー（動的な変形を低減するために、４００μｍとしている）を低コストで作製するために、１枚のＳｉ基板で作製する場合は、両面からのエッチングを用いて、捩り梁を薄く形成する場合がある（大きな振れ角を得るためや共振周波数の設定等の理由で）。その場合は、工程数が増加することなく、捩り梁の厚さ方向に分布を持たせ、応力集中を緩和するが可能となる。

図１０は、本発明の実施例１に係る、光走査装置（マイクロスキャナ）の製造方法を示す。捩り梁の厚さ分布がわかりやすくなるように、図５の破線Ｂ−Ｂ‘で示される個所の断面を用いて、そのシリコン加工工程を示す（ＰＺＴ加工工程は、図７と同様なので、省略する）。

基本的な作製方法は、図９（従来例３）と同様であるが、（２）１ｓｔＳｉエッチングの条件を変えている。通常の異方性の高いエッチングではなく、等方的なエッチング（例えば、平行平板型ＲＩＥのような異方性があまり高くない条件であり、あるいは図４において、パッシベーション工程が無い条件）をすることにより、捩り梁端部の厚み方向に曲線（下向きの曲線）をつけることができる。ここでは、二回のシリコンエッチングを行っているが、１回目で等方的なエッチングで捩り梁の厚さ規定（厚さ方向の曲面つけ）、２回目で異方性の高いエッチングで、ばらつきの小さい捩り梁の幅規定と使い分けている。なお、実施例１の製造方法で作成される捩り梁を、図５の破線Ａ−Ａ‘で示す断面でみたとき、図９と同様に段差がない。
どれぐらい曲線がついているかといえば、等方的なエッチング（ａ）を例えば５０μｍ行えば、エッチングマスク端（つまり梁端部）には曲率半径Ｒ＝５０μｍの曲線が得られる（ｂ）。これは通常の加工においてどうしてもついてしまうＲ数μｍとは明らかに違い、１０μｍ以上形成することが望ましい。また、梁長は共振周波数をどれくらいに設定するかによって異なるが、本発明では３ｋＨｚ程度に設定すると、梁長はおよそ４ｍｍ程度になるので、梁端部のＲによる厚みの周波数変動は小さいので問題は無い。よって、共振周波数のバラツキを発生させることなく実現できるので有効である。

このような構成（段差がなく、厚さ方向に分布を持つ捩り梁）により、捩り梁の折れの原因となり得るせん断応力については、従来例３（図９）と同様の効果があることに加えて、引っ張り応力の集中緩和に対する効果も併せ持つことができる。また、１回目にエッチングを等方的なエッチングで行うことにより、捩り梁のエッチング面（図中の捩り梁上部）がより平滑になるので、応力の集中がさらに緩和される。

実施例２
図１１は、本発明の実施例２に係る、光走査装置（マイクロスキャナ）の製造方法を示す。実施例２では、捩り梁の曲線の位置（上向きの曲線）が実施例１とは異なる。ここでは、ミラーと接続する捩り梁の曲線の位置を変えているが、ＰＺＴ駆動型のマイクロスキャナ等では、駆動トルクを（ロスを少なく）効果的に捩り梁に伝えるためには、実施例２の位置が望ましい。但し、シリコンエッチングの回数は３回に増え、工程も複雑になるが、ここではエッチングマスクとしてアルミマスクを用いて実現した場合を例示している。実施例２では、３回目に等方的なエッチングを行っている。３回目のエッチングでは、サイドエッチングが大きくなりすぎて、サイズ的な問題があれば、最初は異方性の高いエッチングを行って、エッチング後半の最後一部だけ等方的なエッチングでも良い。

本発明の捩り梁は、より簡単な形状で折れ難く、また、高価なＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いずに、通常のシリコン基板を用いた加工であるので、低コストで作製可能である。また、捩り回転時に折れにくい捩り梁を用いることにより、振れ角が大きい光走査装置が得られる。

図１２は、本発明の光走査装置を用いた画像形成装置を示す。画像形成装置は、原稿読み取り部１１、画像形成部１２、給紙部１３、排紙トレイ１４からなる。画像形成部１２は、感光体ドラム１５と、感光体ドラム１５の表面に帯電処理を行う帯電装置１６と、形成すべき画像に対応した画像情報に基づいて、感光体ドラム１５の表面を走査するビームＬを照射する書き込み装置１７と、感光体ドラム１５の表面に形成された静電潜像をトナーによって現像し可視化する現像装置１８と、トナー像を転写対象である用紙Ｐに転写する転写装置１９と、転写装置１９による転写後に感光体ドラム１５の表面に残留しているトナー等の不要物を除去し回収するクリーニング装置２０とを有している。

書き込み装置１７は、原稿の画像情報等に応じて照射を行うレーザ光の光源である半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１からのレーザ光を反射し、感光体ドラム１５の表面上に結像させる、本発明の光走査装置２２を備えている。

せん断応力を説明する図である。従来例の捩り梁の作製方法を示す。オーバーエッチングしたときの理想形状（１）と実際の形状（２）を示す（従来例１の捩り梁の形状）。捩り梁のノッチの発生メカニズムを説明する図である。標準的なマイクロスキャナの構成を示す。マイクロスキャナの従来例を示す。ＰＺＴの加工工程を示す。従来例２のシリコン加工工程を示す。従来例３のシリコン加工工程を示す。本発明の実施例１に係る、光走査装置（マイクロスキャナ）の製造方法を示す。本発明の実施例２に係る、光走査装置（マイクロスキャナ）の製造方法を示す。本発明の光走査装置を用いた画像形成装置を示す。

符号の説明

１捩り梁
２ミラー
３リブ
４ＰＺＴ
５カンチレバー
６フレーム

Claims

一枚の基板を両面からエッチング加工することにより形成される捩り梁において、少なくともどちらか一面は捩り梁の端部が最も厚い厚さ分布を有することを特徴とする捩り梁。
前記捩り梁の端部と中央部は、曲線的な厚さの分布で接続されていることを特徴とする請求項１記載の捩り梁。
光源からの光ビームを、捩り梁を捩り回転軸として往復振動させて偏向するミラー面を有するミラー質量部と、ミラー質量部を支持する捩り梁と、捩り梁を支持するフレーム部からなる光走査装置において、前記捩り梁として、請求項１または２記載の捩り梁を用いることを特徴とする光走査装置。
請求項３記載の光走査装置と、前記光走査装置によって静電像が形成される感光体と、前記静電像をトナーで顕像化する現像手段と、前記顕像化されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを有することを特徴とする画像形成装置。