JP2011100100A - 光走査装置、画像形成装置および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数のばらつきの発生を抑制しつつ、折れ難いカンチレバーと、捩り回転時にカンチレバーが折れ難く、ミラーの振れ角が大きい。
【解決手段】カンチレバーの端部の厚み方向に曲線をつけ、カンチレバーの固定端部が最も厚い厚さ分布をもたせる。これにより、引っ張り応力の集中が緩和される。カンチレバーと捩り梁を同一のＳｉ基板に形成し、捩り梁の板厚をＳｉ基板と同じ厚さとし、カンチレバーはそれよりも薄く形成する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、機械的強度の高いカンチレバーを備え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やプロジェクター等の画像投影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も応用が可能である。

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。大きな振れ角を得るためには、捩り梁に捩りトルクを与えるカンチレバーも大きく振動する必要があるが、その時、カンチレバーが折れて破損するという問題がある。

機械的強度の高い（折れ難い）カンチレバーを作製するために、深さ方向に不均一な厚さ分布を持たせるようにエッチングするという方法がある。その分布は、カンチレバーが固定される端部が厚くなるようにすることにより、応力の集中が緩和され、折れ難くなる。以上のような加工方法は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）分野において、シリコン基板にカンチレバーを形成する際の有効な手段となる。

しかしながら、上記光走査装置を１枚のシリコン基板で一体形成しようとすると、捩り梁やカンチレバー部を形成するためのエッチング量が多くなり、エッチングによる板厚のばらつきが発生してしまう。特に、捩り梁部分の板厚のばらつきは、振動のばらつき、つまり共振周波数のばらつきに大きな影響を与える。共振周波数のばらつきが大きくなると、駆動制御が難しくなることから、駆動回路が複雑になり高価格になる。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、共振周波数のばらつきの発生を抑制しつつ、折れ難いカンチレバーと、捩り回転時にカンチレバーが折れ難く、大きい振れ角が実現可能な光走査装置、画像形成装置および画像投影装置を提供することにある。

共振周波数のばらつきの発生を抑制しつつ、折れ難いカンチレバーを形成するために、（Ｓｉ基板＋酸化膜＋Ｓｉ基板）の３層構成のＳＯＩ基板を用い、カンチレバーと捩り梁は同一のＳｉ基板に形成され、捩り梁の板厚をＳｉ基板と同じ厚さとし、カンチレバーはそれよりも薄く形成する。

それにより、エッチングによる捩り梁部分の板厚のばらつきの発生が抑制されるので、共振周波数のばらつきの発生が抑制され、カンチレバーが薄くなることにより変位しやすく、応力が集中するカンチレバーと捩り梁の連結部を酸化膜から離すことにより、異種材料（酸化膜）が介在しないために、カンチレバーが折れ難くなる。前記カンチレバーは、固定される端部が最も厚い厚さ分布を有することが更に望ましい。

本発明は、光源からの光ビームを、捩り梁を介して揺動させて偏向するミラー面を有するミラー質量部と、前記ミラー質量部を支持する捩り梁と、前記捩り梁に捩りトルクを与えるカンチレバーが、Ｓｉ基板＋酸化膜＋Ｓｉ基板の３層構成からなる光走査装置において、前記カンチレバーと前記捩り梁は同一のＳｉ基板に形成され、前記カンチレバーは前記捩り梁よりも板厚が薄いことを最も主要な特徴とする。

請求項１：捩り梁の板厚をＳｉ基板と同じ厚さとし、カンチレバーはそれよりも薄く形成し、
・酸化膜により、エッチングのムラの発生を抑制し、エッチングによる捩り梁部分の板厚のばらつきの発生を抑制することができるので、ミラーの振動のばらつきを抑えることができ、
・捩り梁部分の板厚に比べてカンチレバーの部分の板厚を薄くすることにより、カンチレバーが変位しやすくなるので、ミラー部のより大きな振れ角を実現することができ、
・応力が集中するカンチレバーと捩り梁の連結部を酸化膜から離すことにより、異種材料（酸化膜）が介在しないために、カンチレバーが折れ難くなる。これにより、共振周波数のばらつきが小さく、振れ角が大きい光走査装置が得られる。

請求項２：請求項１の効果に加え、カンチレバーの固定端部には最も応力が集中し、カンチレバーが折れる原因となり得るが、カンチレバーの固定端部が最も厚い厚さ分布をもたせることにより応力の集中を緩和し、更に折れ難くなる。

請求項３：請求項２の効果に加え、カンチレバーの固定端部に最も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、よりカンチレバーが折れ難くなる。

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

請求項５：駆動効率が良く、大きな振れ角が得られる偏向ミラーを用いて、消費電力が小さく、広画角が得られる画像投影装置を提供することができる。

ＰＺＴスキャナの動作原理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。 ＰＺＴの加工工程を示す。 従来例１のシリコン加工工程を示す。 従来例２のＳＯＩマイクロスキャナの完成断面図を示す。 従来例３のシリコン加工工程を示す。 本発明のＰＺＴの加工工程を示す。 本発明のＳＯＩ加工工程を示す。 図７の続きの図である。 図７の続きの図である。 本発明の光走査装置を用いた画像形成装置を示す。 本発明の光走査装置を用いた画像投影装置を示す。 図１２の続きの図である。

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。

本発明のカンチレバーと、そのカンチレバーを用いた光走査装置の構成および製造方法を説明する。ここでは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板で構成されるＰＺＴ（ＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３：チタン酸ジルコン酸鉛）駆動型のマイクロスキャナについて説明する。

図１は、ＰＺＴスキャナの動作原理を説明する図である。ＰＺＴスキャナの形状と捩り梁１及びカンチレバー２の動作を矢印で示している。カンチレバー２上に形成された圧電体であるＰＺＴ膜３に交流電界を印加すると、ＰＺＴ膜３が面内方向に伸縮することによりカンチレバー２が振動する。この振動による捩りトルクが捩り梁１に与えられ、回転力が発生する。次に、捩り梁１が往復振動することにより、連結しているミラー部４も往復振動し、光ビームを偏向することができる。よって、ミラー部４が大きな振れ角を得るためには、カンチレバー２を大きく振動させる必要がある。

次に、ＰＺＴマイクロスキャナの従来例について説明する。図２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。図２において、１は捩り梁、２は捩り梁１をフレームに連結するカンチレバー、３は上部電極を備えたＰＺＴであり、剛性の高いフレーム６上に延長された破線円に示されるところが上部Ｐａｄ電極７となる。また、フレーム６上に形成されている共通電極が下部Ｐａｄ電極８となる（形成する場所はフレーム上のどこでも良い）。

Ｐａｄ電極は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）をＡＣＦ（Ａｎｉｓｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）接着したり、ＷＢ（Ｗｉｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）することにより、図示しない駆動回路に電気的に接続され、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を介してミラーを振動させる。４は捩り梁１を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、５はリブであり、ミラー４の剛性を維持しつつ軽量化して、ミラー４の振動の応答性を向上し、また振動時の反りを防止する。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２の破線Ａ−Ａ’で示される個所の断面を用いて、図３、４で説明する。図３は、ＰＺＴの加工工程、図４は、従来例１のシリコン加工工程を示す。

図３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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）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４のシリコン加工工程において、従来例１（Ｓｉ基板を用いた場合）として、（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（図４の（１）で、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Ｏｖｅｒ Ｓｉｚｅをかけた、梁より大きいパターンを意味している）。（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、厚さ３０μｍのカンチレバーを備えたマイクロスキャナが完成する。

このような形状の場合、カンチレバーと捩り梁の連結部に応力が集中するので、ノッチ等のエッチング欠陥がある場合には、カンチレバーが折れてしまう。また、エッチング欠陥がない場合でも、大きな振動をさせた時に折れやすい。

図５は、従来例２として、ＳＯＩ基板を用いて従来例１と同様の製造方法で作製した、ＳＯＩマイクロスキャナの完成断面図を示す。

ＳＯＩ基板を使用するメリットは、捩り梁やカンチレバーの形状（特に厚さ）を正確に作製できることである。しかしながら、図５のような形状、つまり捩り梁とカンチレバーが異種材料（ここではＳｉＯ２）を介している場合、応力が集中したときにその界面で剥がれやすくなるというデメリットがある。

ここで、カンチレバー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、ここでは、引っ張り応力について考える。引っ張り応力はカンチレバーの端部に発生する応力で、図２の円内Ｃに示されるように、ミラー４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、カンチレバー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、カンチレバーの端部（捩れ梁との連結部等）に厚さ方向に曲線をつけるのが良い。

図６は、従来例３（特開２００９−２２２９００号公報の図１１を参照）として、１枚のＳｉ基板で作製する場合のシリコン加工工程を示す（ＰＺＴ加工工程は、図３と同様であるので、省略する）。

基本的な作製方法は、従来例１と同様である（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。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）が、３回目のＳｉ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をすることにより、カンチレバー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。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。

このような構成にすることにより、引っ張り応力の集中緩和に対する効果が得られ、カンチレバーが折れ難くなる。しかしながら、上記した構成を得るためには、捩り梁やカンチレバー部を形成するためのエッチング量が多くなり（捩り梁部で３００μｍ、カンチレバー部で３７０μｍ）、エッチングによる板厚のばらつきが発生してしまう。

前述したように、特に、捩り梁部分の板厚のばらつきは振動のばらつき、つまり共振周波数のばらつきに大きな影響を与える。共振周波数のばらつきが大きくなると、駆動制御が困難になったり、駆動回路の高コストに繋がる。

図６と同様の構成（捩り梁厚、カンチレバー厚）で、共振周波数のばらつき発生を抑制しつつ、折れ難いカンチレバーを形成するための実施例を以下に示す。

図７〜１０は、本発明の実施例１の加工工程を示す。図７は、ＰＺＴ加工工程を示しているが、基本的には図３と同じ工程である。違いはＳＯＩ基板を用いている点であり、１００μｍ厚さの活性層側に、１００μｍ厚さの捩り梁と３０μｍ厚さのカンチレバーを作製する。

図８〜１０は、実施例１のＳＯＩ加工工程を示す。基本的な作製方法は図４（従来例１）と同様であるが、Ｓｉエッチングが２回ではなく４回（図８（４）、図９（６）、（８）、図１０（１０））行っている。それは、４００μｍ厚さのリブ付ミラー、１００μｍ厚さの捩り梁、３０μｍ厚さのカンチレバーを正確に作製するためである。実施例１の特徴は、４回目のＳｉエッチングの条件を変えている点である。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、エッチングガスのみを使用した条件）をすることにより、カンチレバー端部の厚み方向に曲線をつけることができる（図１０（１０））。

どの程度の曲線がついているかといえば、ほぼ等方的なエッチングを例えば７０μｍ行えば、エッチングマスク端（つまりカンチレバー端部）には、曲率半径Ｒ＝７０μｍの曲線が得られる。これは、通常の加工においてどうしてもついてしまう曲率半径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。なお、図１０（１２）において、フレームの厚い箇所に位置する下部電極の右端（段差部）に、下部Ｐａｄ電極が形成され、上部電極の位置（図のＡ’）に、上部Ｐａｄ電極が形成される。

実施例１の構成は、図１０（１２）に示すように、（Ｓｉ基板＋酸化膜＋Ｓｉ基板）の３層構成のＳＯＩ基板を用い、カンチレバーと捩り梁は同一のＳｉ基板に形成され、捩り梁の板厚をＳｉ基板と同じ厚さとし、カンチレバーはそれよりも薄く形成するものである。

それにより、エッチングによる捩り梁部分の板厚のばらつきの発生を抑制できるので、共振周波数のばらつき発生を抑制でき、カンチレバーが薄くなることにより変位しやすく、応力が集中するカンチレバーと捩り梁の連結部には、図５に示すような異種材料（酸化膜）が介在しないために、カンチレバーが折れ難くなる。また、カンチレバーは、固定される端部が最も厚い厚さ分布を有することが更に望ましい。

以上に説明したように、本発明によれば、共振周波数のばらつき発生を抑制しつつ、折れ難いカンチレバー、及び前記カンチレバーを用いたマイクロスキャナにより、大きな振れ角が実現可能な光走査装置を得ることができる。

図１１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。

実施例１、２は、１方向に光を偏向するマイクロスキャナの実施例である。同様な構成を応用して、２方向に光を偏向する２軸マイクロスキャナを構成し、画像投影装置を構成した実施例３を図１２、１３を用いて以下に説明する。

図１２（ａ）は、２軸マイクロスキャナの全体を示す。２軸のマイクロスキャナは、第１の捩り梁１と第２の捩り梁９を備え、第１の捩り梁１と第２の捩り梁９が互いに直交する方向に往復振動することにより２方向に光を偏向する。

この２軸マイクロスキャナを用いた画像投影装置を図１２（ｂ）、図１３により説明する。

図１２（ｂ）は、本発明の画像投影装置の概念図、図１３は全体の構成を示す図である。

図１３において、筐体に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の異なる３波長のレーザ光を出射するレーザ光源３１−Ｒ、３１−Ｇ、３１−Ｂが取り付けられ、これらレーザ光源３１−Ｒ、３１−Ｇ、３１−Ｂの出射端近傍には、レーザ光源３１−Ｒ、３１−Ｇ、３１−Ｂからの出射光を略平行光に集光する集光レンズ３２−Ｒ、３２−Ｇ、３２−Ｂが配置されている。集光レンズ３２−Ｒ、３２−Ｇ、３２−Ｂで略平行になったＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光は、ミラー３３やハーフミラー３４を経て、合成プリズム３５によって合成され、光偏向器３６のミラー面に入射される。光偏向器３６には、２軸方向に光を偏向する構成の光偏向器（二次元反射角度可変ミラー）が使用される。光偏向器３６のミラー面に入射した合成レーザ光は、光偏向器３６によって二次元偏向走査されて投影面３７に投射され、画像を投影する（図１２（ｂ）では、３波長のレーザや合成プリズムを省略している）。

図１２（ｂ）において、画像情報に応じて画像生成部４１で画像信号を生成し、この画像信号が変調器４２を介して光源駆動回路４３に送られると共に、スキャナ駆動回路４４に画像同期信号が送られる。スキャナ駆動回路４４は、画像同期信号に応じて駆動信号を光偏向器３６に与える。この駆動信号によって、光偏向器３６のミラー部４は、直交した２つの方向に所定角度（例えば１０ｄｅｇ程度）の振幅で共振振動し、入射したレーザ光が二次元偏向走査される。一方、レーザ光源３１から出射されるレーザ光は、光源駆動回路４３により、光偏向器３６の二次元偏向走査のタイミングに合わせて強度変調されており、これによって、投影面３７に二次元の画像情報が投影される。強度変調はパルス幅を変調してもよいし、振幅を変調してもよい。変調器４２は画像信号をパルス幅変調あるいは振幅変調し、この変調された信号を光源駆動回路４３によりレーザ光源３１を駆動できる電流に変調してレーザ光源３１を駆動する。

１ 捻り梁
２ カンチレバー
３ ＰＺＴ
４ ミラー
５ リブ
６ フレーム
７ 上部Ｐａｄ電極
８ 下部Ｐａｄ電極

特許第２９２４２００号公報 特許第３０１１１４４号公報

Claims (5)

1. 光源からの光ビームを、捩り梁を介して揺動させて偏向するミラー面を有するミラー質量部と、前記ミラー質量部を支持する捩り梁と、前記捩り梁に捩りトルクを与えるカンチレバーが、Ｓｉ基板＋酸化膜＋Ｓｉ基板の３層構成からなる光走査装置において、前記カンチレバーと前記捩り梁は同一のＳｉ基板に形成され、前記カンチレバーは前記捩り梁よりも板厚が薄いことを特徴とする光走査装置。
2. 前記カンチレバーは、固定される端部が最も厚い厚さ分布を有することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記カンチレバーの固定端部と中央部は、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２記載の光走査装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に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。
5. 光源と、光源からの発散光を略平行光とするコリメート光学系と、前記光源からの光出力を画像信号に応じて変調する変調器と、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置を有することを特徴とする画像投影装置。

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