JP2010102147A - 光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に反射面の汚れを防止することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】光学デバイス１は、光を反射する反射膜２１を有する可動板１１と、可動板１１をＸ軸周りに回動可能に支持する弾性支持部１３とを備え、可動板１１の側面１４は、Ｘ軸と反対側に反射膜２１の外縁より突出している。これにより、可動板１１をＸ軸周りに回動させたときに、気流によって可動板１１に吸い寄せられる塵や埃などが、反射膜２１ではなく可動板１１の側面１４に付着する。
【選択図】図１

Description

本発明に係るいくつかの態様は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により作製され、可動板が弾性支持部を中心に往復運動する光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置に関する。

この種の光学デバイスは、例えば、一対の弾性支持部（トーションバー）でねじり回動可能に支持され、光を反射する反射面を有する可動板を備えている。このような光学デバイスを備える装置の小型化・高機能化を図るためには、可動板を高速・大偏向角で駆動する必要がある。

しかし、可動板を高速・大偏向角で駆動すると、可動板、特に可動板の外周部に気流が生じ、埃、塵、水分、油分などが可動板の反射面に吸い寄せられて付着してしまう。その結果、反射面の反射率が低下するので、反射した光の輝度が低下するという問題があった。反射した光の輝度の低下を防止するために光源の光の輝度を増加すると、光源における消費電力が増加するという新たな問題が生じる。また、反射面の反射率が低下すると、光学デバイスに吸収されるエネルギーが大きくなるので、反射せずに吸収された光のエネルギーによって光学デバイスの温度が変化してしまう。その結果、温度変化により光学デバイスの共振周波数が変化し、可動板の駆動制御が困難になるという問題もあった。

従来、これらの問題を解決するために、反射面を有する可動板を反射面側から光透過部材で覆い、反射面の汚れを防止するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１７３４３５号公報

しかしながら、従来のものでは、光源と反射面の間に、光透過部材として例えば透過ガラスを設ける必要があるとともに、透過ガラスに反射防止膜をコーティングする必要があるため、コストアップに繋がるという問題があった。また、透過ガラスに反射防止膜を設けても光源光を全て透過することはできないので、エネルギーロスが生じることにより、光源における消費電力の増加を招いていた。さらに、透過できずに反射された光は迷光となるおそれもあった。

本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、安価に反射面の汚れを防止することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る光学デバイスは、光を反射する反射面を有する可動板と、前記可動板を所定軸周りに回動可能に支持する支持部とを備え、前記可動板の側面は、前記所定軸と反対側に前記反射面の外縁より突出している。

かかる構成によれば、可動板の側面が所定軸と反対側に反射面の外縁より突出しているので、可動板を所定軸周りに回動させたときに、気流によって可動板に吸い寄せられる塵や埃などが、反射面ではなく可動板の側面に付着する。これにより、従来のように光透過部材や反射防止膜などを必要とすることなく、可動板の側面の形状を形成するだけで塵や埃などが反射面に付着しなくなり、安価に反射面の汚れを防止することができる。

好ましくは、前記可動板の側面を構成する材料はシリコンであり、前記可動板の側面は、結晶方位が（１１１）である平面を含む。

かかる構成によれば、可動板の側面を構成する材料がシリコンであり、例えばウェットエッチングを施すことで、可動板の側面に結晶方位が（１１１）である平面が含まれるので、反射面の外縁より突出する可動板の側面を、容易に形成することができる。

好ましくは、前記可動板の側面において、最も突出している部分が丸い。
かかる構成によれば、可動板の側面において、最も突出している部分が丸いので、可動板を所定軸周りに回動させたときに、気流が可動板の側面に沿って流れやすくなり、可動板に塵や埃などを吸い寄せる気流が生じにくくなる。これにより、可動板の側面に付着する塵や埃などの量を減少させることができる。

本発明に係る光スキャナは、前述した本発明に係る光学デバイスを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光学デバイスを備えるので、反射面の汚れを防止することができる。これにより、反射面の反射率の低下を防止することができ、反射した光の輝度を維持できる優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。

本発明に係る画像形成装置は、前述した本発明に係る光スキャナを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、反射面で反射した光の輝度を維持できる。これにより、光源における消費電力の増大を抑制することができるとともに、優れた描画特性を有する画像形成装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（光学デバイス）
最初に、図１乃至図４を参照して本発明に係る光学デバイスについて説明する。図１は、本発明に係る光学デバイスの構成を説明する平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

図１に示すように、光学デバイス１は、可動板１１と、支持枠１２と、支持枠１２に対して可動板１１をＸ軸周りに回動可能に支持する一対の弾性支持部１３とを備える。可動板１１、支持枠１２、及び弾性支持部１３は、例えばシリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。図２に示すように、可動板１１の表面には、入射した光を反射する反射膜２１が形成されている。ミラー２は可動板１１及び反射膜２１から構成される。

本実施形態では、可動板１１として平面形状が矩形のものを示したが、これに限定されず、光学デバイスのミラーとして求められる役割を果たす限り、円形、楕円形、多角形などの他の形状であってもよい。

可動板１１の裏面には、図示しない接着剤を介して磁石２２が接合されている。磁石２２は、可動板１１を平面視したときに、可動板１１の回動中心軸であるＸ軸に直交する方向に磁化されている。すなわち、磁石２２は、Ｘ軸を介して対向する互いに極性の異なる一対の磁極を有している。支持枠１２は、ホルダ５０に接合されており、ホルダ５０上には、可動板１１を駆動させるためのコイル５１が配置されている。

コイル５１には、図示しない電源から周期的に変化する交流電流が供給される。これにより、コイル５１は上方（可動板１１側）に向く磁界と、下方に向く磁界とを交互に発生させる。これにより、コイル５１に対し磁石２２の一対の磁極のうち一方の磁極が接近し他方の磁極が離間するようにして、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１がＸ軸回りに回動させられる。

本実施形態では、磁石２２とコイル５１間の電磁力を利用した駆動方式の振動ミラーを示したが、これに限定されず、光学デバイス１は、静電引力を利用した方式や、圧電素子を利用した方式を採用してもよい。例えば、静電引力を利用した方式の場合には、磁石２２は不要であり、コイル５１の代わりに可動板１１に対向する１つ又は複数の電極が設置される。そして、可動板１１と電極との間に周期的に変化する交流電圧を印加することにより、可動板１１と電極との間に静電引力を作用させ、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１をＸ軸周りに回動させるようにしてもよい。

図３は、図２に示した可動板の詳細な構成を説明する断面図である。図３に示すように、可動板１１の側面１４は、回動中心軸に対して外側方向に突出、すなわちＸ軸と反対側に反射膜２１の外縁より突出している。これにより、可動板１１をＸ軸周りに回動させたときに、気流によって可動板１１に吸い寄せられる塵や埃などが、反射膜２１ではなく可動板１１の側面１４に付着する。

また、図３に示すように、可動板１１の側面１４は、複数の平面で構成されている。例えば、主面の結晶方位が（１００）のシリコン基板を用いて可動板１１を形成する場合には、ウェットエッチングなどを施すことにより、可動板１１の側面１４は、結晶方位が（１１１）の平面で構成される。結晶方位が（１１１）の平面と結晶方位が（１００）の主面とのなす角度θは、５４．７３°となる。このように、可動板１１の側面１４を構成する材料がシリコンであり、例えばウェットエッチングを施すことで、可動版１１の側面に結晶方位が（１１１）である平面が含まれるので、反射膜２１の外縁より突出する可動板１１の側面１４を、容易に形成することができる。

図４及び図５は、図３に示した可動板の変形例を説明する断面図である。可動板１１の側面１４は、図３に示したものに限定されず、反射膜２１の外縁よりも突出していれば、３以上の複数の平面や曲面などで構成されていてもよい。例えば、図３に示したように、可動板１１の側面１４に、結晶方位が（１００）の主面とのなす角度θが５４．７３°である２つの平面を形成した後に、図４に示すように、隣り合う平面同士がなす角を取るようにしてもよい。また、図５に示すように、可動板１１の側面１４において、最も突出している部分が滑らかになるように丸くしてもよい。これにより、可動板１１をＸ軸周りに回動させたときに、気流が可動板１１の側面１４に沿って流れやすくなり、可動板１１に塵や埃などを吸い寄せる気流が生じにくくなる。

なお、反射膜２１の汚れを防止するために、反射膜２１の外側に側部を設けるなど、可動板１１の幅（図１においてＸ軸と直交する方向の長さ）を反射膜２１の幅よりも大きくすることが考えられる。かかる場合には、可動板１１の幅が反射膜２１の幅と同じ場合と比較して、可動板１１の側面から回動中心軸であるＸ軸までの距離が長くなり、慣性モーメントが増加する。このように、可動板１１の大型化・大面積化は、慣性モーメントの増加及び空気抵抗の増加を生じ駆動トルクの増加などを招き、種々の新たな問題を発生させる。

一方、可動板１１の側面１４が、Ｘ軸と反対側に反射膜２１の外縁より突出している場合には、可動板１１の側面１４から回動中心軸であるＸ軸までの距離はあまり変化せず、慣性モーメントがほとんど増加しない。このように、本発明は、反射膜２１の汚れを防止するとともに、慣性モーメントの増加を抑制することができる。

次に、図６乃至図２０を参照して本発明に係る光学デバイスの製造方法について説明する。図６乃至図２０は、図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。

図６に示すように、例えばシリコンからなる基板１０を用意する。そして、図７に示すように、熱酸化により、基板１０の両面に酸化シリコンからなるマスク３１,３２を形成する。

次に、図８に示すように、基板１０の表面側のマスク３１上にレジスト４１を形成する。レジストは、ポジ型であってもネガ型であってもよい。そして、続いて、図９に示すように、基板１０の裏面側のマスク３２上にレジスト４２を形成する。

次に、図１０に示すように、基板１０の裏面側のレジスト４２を露光及び現像して、レジスト４２に所定の開口パターンＰ２を形成する。開口パターンＰ２は、例えば、可動板１１、支持枠１２、弾性支持部１３以外の領域を開口するパターンである。

次に、図１１に示すように、レジスト４２をマスクとして裏面側のマスク３２をエッチングする。これにより、レジスト４２の開口パターンＰ２が、マスク３２に転写される。マスク３２のエッチングには、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）が用いられる。

次に、図１２に示すように、基板両面のレジスト４１，４２を除去する。レジスト４１，４２の除去には、硫酸洗浄又はアッシングが用いられる。

次に、図１３に示すように、基板１０の裏面側に再度、レジスト４３を形成する。さらに、図１４に示すように、基板１０の表面側に再度、レジスト４４を形成する。

次に、図１５に示すように、基板１０の表面側のレジスト４４を露光及び現像して、レジスト４４に所定の開口パターンＰ１を形成する。開口パターンＰ１は、例えば、開口パターンＰ２と同一のパターンとする。

次に、図１６に示すように、レジスト４４をマスクとして表面側のマスク３１をエッチングする。これにより、レジスト４４の開口パターンＰ１が、マスク３１に転写される。マスク３１のエッチングには、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）が用いられる。

次に、図１７に示すように、基板両面のレジスト４３，４４を除去する。レジスト４３，４４の除去には、硫酸洗浄又はアッシングが用いられる。

次に、図１８に示すように、マスク３１，３２を用いて、基板１０をエッチングする。これにより、基板１０に貫通孔が形成されて、可動板１１、支持枠１２、弾性支持部１３のパターンが形成される。基板１０のエッチングには、例えば、ＫＯＨを用いたウェットエッチングを用いる。なお、可動板１１の側面１４を突出させる工程については、後述する。

次に、図１９に示すように、マスク３１，３２を除去した後、さらに、基板１０の表面に金属膜を成膜しパターニングすることにより、可動板１１上に反射膜２１を形成する。金属膜の成膜方法としては、真空蒸着、スパッタリング、金属箔の接合などが挙げられる。なお、マスク３１及びマスク３２を除去せずに、残しておいてもよい。

次に、図２０に示すように、可動板１１の裏面に、図示しない接着剤を介して磁石２２を接合して固定する。

以降の工程は、特に図示しないが、このようにして一枚の基板１０から作製された可動板１１、支持枠１２、弾性支持部１３を含む構造体を、ホルダ５０に取り付けることにより、光学デバイス１が製造される。

次に、可動板１１の側面１４を突出させる方法について、図２１乃至図２３を参照して詳細に説明する。図２１乃至図２３は、図３に示した可動板の側面を形成する方法の一例を説明する断面図である。以下の説明では、例えば主面の結晶方位が（１００）のシリコンからなる基板１０を用いる。

図２１は、前述の図１７に対応する図であり、基板１０の両面に、所望のパターンのマスク３１，３２を形成した後の状態を示す。図２２に示すように、マスク３１，３２が形成された基板１０に、ＫＯＨを用いたウェットエッチングを施すと、基板１０の両面からエッチングが進行し始める。ウェットエッチングを用いた場合には、例えば、開口パターンＰ１，Ｐ２に露出した基板１０の部位は、テーパ状にエッチングされる。

図２３に示すように、基板１０の表面からのエッチングにより形成された孔と、基板１０の裏面からのエッチングにより形成された孔の底同士が接触することにより、基板１０を貫通する１つの孔が形成される。このとき、ＫＯＨなどのウェットエッチングでは、シリコンの結晶方位が（１１１）である平面がエッチングストッパとして機能するので、表面との角度θ＝５４．７３°の平面で構成された側面１４が自動的に形成される。このように、ウェットエッチングで基板１０を加工した場合には、後の工程で反射膜２１が形成される表面の外縁より図示しない回動軸と反対側に突出した側面１４が得られる。

なお、図５に示したように、可動板１１の側面１４において、最も突出している部分を丸くする場合には、前述のようにして基板１０にウェットエッチングを施した後に、基板１０に等方性エッチングを施す。基板１０にウェットエッチング（異方性エッチング）を施すことにより、結晶方位が（１１１）である平面が出現するので、等方性エッチングを施すことにより、隣り合う平面同士のなす角に丸みをつけることができる。

また、基板１０に等方性エッチングを施すことにより、可動板１１、支持枠１２、弾性支持部１３を含む構造体全体に丸みが付される。可動板１１と支持枠１２との連結部位において、隣り合う平面同士のなす角部は、可動板１１を回動させるときに、応力集中が生じて連結部位が破損するおそれがある。よって、基板１０に等方性エッチングを施すことにより、この角部に丸みをつけることができるので、角部への応力集中を緩和することができ、応力集中による可動板１１と支持枠１２の連結部位の破損を防止することができる。
また、図２３の工程の後、水素アニール処理を加えることでも角に丸みを加えることができる。この処理を用いた場合、突出部に丸みを形成するだけでなく、同時に、弾性支持部表面の平坦化が可能で、ＫＯＨでのウェットエッチング時に形成される微小の欠陥を大幅に低減することができ、弾性支持部にねじり応力が生じた場合の破断に対する強度を向上させることができる。
また、図４に示したような形状にするためには、ＫＯＨで図２３の形状を形成した後に、ＫＯＨでのウェットエッチングを継続することで形成できる。この方法は、シリコンの（１１１）で図２３のようなテーパが形成された場合、角部は、エッチングレートがテーパ部よりも大幅に早いことを利用するものである。

このように、本発明に係る光学デバイスによれば、可動板１１の側面１４が、Ｘ軸と反対側に反射膜２１の外縁より突出しているので、可動板１１をＸ軸周りに回動させたときに、気流によって可動板１１に吸い寄せられる塵や埃などが、反射膜２１ではなく可動板１１の側面１４に付着する。これにより、従来のように光透過部材や反射防止膜などを必要とすることなく、可動板１１の側面１４の形状を形成するだけで塵や埃などが反射膜２１に付着しなくなり、安価に反射膜２１の汚れを防止することができる。

また、可動板１１の側面１４を構成する材料がシリコンであり、例えばウェットエッチングを施すことで、可動版１１の側面に結晶方位が（１１１）である平面が含まれるので、反射膜２１の外縁より突出する可動板１１の側面１４を、容易に形成することができる。

さらに、可動板１１の側面１４において、最も突出している部分が丸いので、可動板１１をＸ軸周りに回動させたときに、気流が可動板１１の側面１４に沿って流れやすくなり、可動板１１に塵や埃などを吸い寄せる気流が生じにくくなる。これにより、可動板１１の側面１４に付着する塵や埃などの量を減少させることができる。

（光スキャナ）
前述の光学デバイス１は、反射膜２１を備えているため、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡、イメージング用ディスプレイなどの画像形成装置に備える光スキャナに好適に適用することができる。なお、本発明に係る光スキャナは、前述した光学デバイス１と同様の構成であるため、その説明を省略する。

このように、本発明に係る光スキャナによれば、前述した本発明に係る光学デバイス１を備えるので、反射膜２１の汚れを防止することができる。これにより、反射膜２１の反射率の低下を防止することができ、反射した光の輝度を維持できる優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。

（画像形成装置）
次に、図２４を参照して本発明に係る画像形成装置について説明する。図２４は、本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を説明する概略図である。

図２４に示す画像形成装置（イメージングディスプレイ）１１９は、光スキャナである光学デバイス１と、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光源１９１、１９２、１９３と、クロスダイクロイックプリズム（Ｘプリズム）１９４と、ガルバノミラー１９５と、固定ミラー１９６と、スクリーン１９７とを備えている。

このような画像形成装置１１９にあっては、光源１９１、１９２、１９３からクロスダイクロイックプリズム１９４を介して光学デバイス１（光反射膜２１）に各色の光が照射される。このとき、光源１９１からの赤色の光と、光源１９２からの緑色の光と、光源１９３からの青色の光とが、クロスダイクロイックプリズム１９４にて合成される。そして、光反射部２１１ａで反射した光（３色の合成光）は、ガルバノミラー１９５で反射した後に、固定ミラー１９６で反射し、スクリーン１９７上に照射される。

その際、光学デバイス１の動作（可動板１１のＸ軸周りの回動）により、光反射膜２１で反射した光は、スクリーン１９７の横方向に走査（主走査）される。一方、ガルバノミラー１９５の軸線Ｙ周りの回動により、光反射膜２１で反射した光は、スクリーン１９７の縦方向に走査（副走査）される。また、各色の光源１９１、１９２、１９３から出力される光の強度は、図示しないホストコンピュータから受けた画像情報に応じて変化する。

このように、本発明に係る画像形成装置１１９よれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、反射膜２１で反射した光の輝度を維持できる。これにより、光源における消費電力の増大を抑制することができるとともに、優れた描画特性を有する画像形成装置を実現することができる。

なお、本発明の構成は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

本発明に係る光学デバイスの構成を説明する平面図である。 図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 図２に示した可動板の詳細な構成を説明する断面図である。 図３に示した可動板の変形例を説明する断面図である。 図３に示した可動板の変形例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 図３に示した可動板の側面を形成する方法の一例を説明する断面図である。 図３に示した可動板の側面を形成する方法の一例を説明する断面図である。 図３に示した可動板の側面を形成する方法の一例を説明する断面図である。 本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１…光学デバイス、１１…可動板、１２…支持枠、１３…弾性支持部、１４…側面、２１…反射膜、２１１ｂ，２１１ｃ…接続部、２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆ，２１１ｇ、２１１ｈ…リブ、２１２，２１３…軸部材、１１９…画像形成装置。

Claims (5)

1. 光を反射する反射面を有する可動板と、
   前記可動板を所定軸周りに回動可能に支持する支持部とを備え、
   前記可動板の側面は、前記所定軸と反対側に前記反射面の外縁より突出している
   ことを特徴とする光学デバイス。
2. 前記可動板の側面を構成する材料はシリコンであり、
   前記可動板の側面は、結晶方位が（１１１）である平面を含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
3. 前記可動板の側面において、最も突出している部分が丸い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の光学デバイスを備える
   ことを特徴とする光スキャナ。
5. 請求項４に記載の光スキャナを備える
   ことを特徴とする画像形成装置。

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