JP4285725B2

JP4285725B2 - Optical scanning device

Info

Publication number: JP4285725B2
Application number: JP2002195527A
Authority: JP
Inventors: 光美藤井; 幸人佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2004037886A

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主要な目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図１乃至図７を参照し、本発明の基本原理について説明する。
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３３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（ａ）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、本発明では、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る。すなわち、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】
具体的には、本発明は、ミラーが捻り梁により支持され、前記捻り梁を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動させる構成の光走査装置において、前記ミラーの前記捻り回転軸と平行な断面２次モーメントが前記捻り回転軸から遠ざかるに従って減少するように、前記ミラーのミラー面と反対の面に、複数の同じ面積の肉抜き部を形成し、前記肉抜き部の数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。
【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。なお、本実施例が請求項１の発明の構成例を示している。
【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】
本発明の光走査装置によれば、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。
【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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro optical system to which a micromachining technique is applied, and more particularly to an optical scanning device that reciprocally vibrates a micro mirror about a torsion beam as a rotation axis.
[0002]
[Prior art]
In the optical scanning device described in IBM J.Res.Develop Vol.24 (1980), a mirror supported by two beams provided on the same straight line is connected to an electrode provided at a position facing it. The two beams are reciprocally oscillated around the torsional rotation axis by the electrostatic attractive force between them. This optical scanning device formed by micromachining technology has a simple structure and can be formed in a batch in a semiconductor process compared to a conventional optical scanning device using a polygon mirror rotation using a motor. Easy, low manufacturing cost, and single mirror surface, so there is no effect of variations in the accuracy of multiple mirror surfaces such as polygon mirrors. Furthermore, because it is reciprocating scanning, it can handle high speed. There is.
[0003]
With regard to such an electrostatically driven torsional vibration type optical scanning device, Japanese Patent No. 2924200 describes that a beam is formed into an S-shape to reduce the rigidity so that a large deflection angle can be obtained with a small driving force. ing. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-92409 discloses a beam whose thickness is made thinner than that of a mirror or a frame. Japanese Patent No. 3011144 or The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 473-478 describes a case where the fixed electrode is arranged at a position not overlapping the vibration direction of the mirror portion. In the 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 645-650, the counter electrode is installed at an inclination from the center position of the mirror deflection, and the drive voltage is lowered without changing the mirror deflection angle. Is described. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-249300 discloses a mirror structure that reduces the weight of the mirror part and is less likely to warp, and has a plurality of recesses (thickening parts) formed on the back surface of the mirror part. A relatively small size is described as the distance increases (FIG. 6 of the same publication). Regarding the sealing and electrical connection of the vibration space, for example, Japanese Patent No. 2924200 describes a typical structure by hermetic sealing 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 above prior art, and in an optical scanning device configured to reciprocally vibrate a mirror using a torsion beam as a torsion rotation axis, the mirror is reduced in weight and the occurrence of warpage is effectively suppressed. The main object is to enable more stable optical scanning.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The basic principle of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining the basic structure of an optical scanning device according to the present invention. Reference numeral 31 denotes a mirror substrate . For example, a mirror 33, a pair of twisted beams 32 and a frame 34 are integrally formed from a silicon substrate having a relatively high impurity concentration by a semiconductor process technique such as photoetching. The mirror 33 can reciprocate with the torsion beam 32 as a torsion rotation axis. On one surface of the mirror 33 , a mirror surface made of a metal thin film having a sufficient reflectance with respect to the wavelength of the scanning light is formed. In the middle of the assembly process of the optical scanning device, a separation groove 37 is formed in the frame 34, whereby the frame 34 is divided into four portions 39 and 40 that are electrically insulated. This is because the frame portion 39 facing the free end that is not coupled to the torsion beam 32 of the mirror 33 is used as a fixed electrode for driving. Therefore, when the fixed electrode is separately formed with a metal thin film or the like, the separation groove 37 is not necessarily formed.
[0006]
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the driving principle of the mirror 33. The two end portions 38 of the mirror 33 that are not coupled to the torsion beam 32 and the frame portion 39 that faces the end portion 38 with a narrow gap therebetween serve as a movable electrode and a fixed electrode, respectively. When a drive pulse as shown in FIG. 3B is applied between these electrodes by the drive pulse generator 29, an electrostatic torque Trq acts between the electrodes, and the mirror 33 reciprocally vibrates using the torsion beam 32 as a torsion rotation axis. To do. 3 (a) is a vibration waveform of the mirror 33. In order to increase the deflection angle θ (vibration amplitude) of the mirror 33, the frequency of the drive pulse is set to be the same as the resonance frequency fo determined by the moment of inertia I of the mirror 33 and the torsion spring constant Kθ of the torsion beam 32. At this time, the resonance frequency fo and the swing angle θ of the mirror 33 are given by the following equations.
[0007]
fo = (1 / 2π) √ (Kθ / I) (1)
θ = (Trq / I) * K (fo, C) (2)
However, K (fo, C) is a function of the resonance frequency fo and the viscous resistance C, and is inversely proportional to fo, C. C is the viscous resistance coefficient of the space in which the mirror vibrates.
[0008]
Due to the inertial force acting on the mirror 33 when the mirror vibrates, the mirror 33 warps as schematically shown in FIG. Since the present invention intends to effectively suppress the warp of the mirror 33, the warp of the mirror 33 will be analyzed next. 5 and 6 are explanatory diagrams thereof.
[0009]
If the acceleration acting when the mirror 33 vibrates is α, the inertial force fj acting on the minute element mj of the mirror 33 is given by the following equation.
fj = mj * αj (3)
mj: microelement mass of the mirror.
[0010]
At this time, the bending moment M that bends and deforms the minute element mj of the mirror is given by the sum from the tip of the mirror to j.
M = Σ Mj = Σfj * lj (4)
lj: the distance from the twist rotation axis of the minute element mj
The bending strength with respect to the bending moment is given by the sectional second moment I.
I = b * h ^ 3/12 (5)
h and b are the thickness and width of the mirror (see FIG. 6).
[0012]
The warpage amount δ of the mirror 33 is expressed by the following equation.
δ∝M / (E * I) (6)
E: Young's modulus of mirror 33
Here, in the mirror structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-249300 (see FIG. 6 of the same publication), the minute element mass mj becomes relatively larger as it moves away from the torsional rotation axis. As can be seen from the above, the bending moment M also increases, so that the warpage amount δ increases as is apparent from the equation (6).
[0014]
On the other hand, in the present invention, as the cross-sectional secondary moment I (bending strength) in the direction parallel to the torsional rotation axis (torsion beam 32) of the mirror 33 moves away from the torsional rotation axis as shown in FIG. 7, for example. The cross-sectional shape of the mirror 33 is changed in accordance with the distance from the twist rotation axis so as to decrease . That is, the substantial thickness h and / or the substantial X-axis direction width b of the mirror 33 is reduced as the distance from the torsional rotation axis increases. By providing the mirror 33 with such a cross-sectional shape, the minute element mass mj decreases as the distance from the torsional rotation axis decreases, and thus the bending moment M also decreases. Therefore, the second-order moment of the mirror 33 as the distance from the torsional rotation axis decreases. 4 can be reduced, for example, as shown by a curve L2 in FIG. 4 (curve L1 in FIG. 4 is the amount of warpage when the moment of inertia is uniform). Thus, according to the present invention, the amount of warpage can be reduced while reducing the weight of the mirror 33.
[0015]
Specifically, the present invention provides an optical scanning device configured such that a mirror is supported by a torsion beam and the mirror is reciprocally oscillated using the torsion beam as a torsion rotation axis, and a cross section 2 parallel to the torsion rotation axis of the mirror. A plurality of thinned portions having the same area are formed on a surface opposite to the mirror surface of the mirror so that the next moment decreases as the distance from the twisted rotational shaft increases. It is characterized by increasing with increasing distance.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. Note that, in the plurality of drawings referred to in the description, the same reference numerals indicate the same or equivalent parts.
[0024]
Example 1 FIG. 8 is a perspective view for explaining Example 1 of the present invention. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of the mirror substrate 31 taken along a cutting line parallel to the Y axis. FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of the mirror 33 cut along a cutting line parallel to the X axis (twist rotation axis). The present embodiment shows a configuration example of the invention of claim 1.
[0025]
In this embodiment, as seen in FIG. 8, a rectangular hollow portion (concave portion) 44 having the same area and the same depth is formed on the surface of the mirror 33 opposite to the mirror surface (the upper surface in FIG. 8). A plurality are formed. These thinning portions 44 are arranged so that the number increases as the distance from the twist rotation axis (X axis) increases. That is, it is configured such that the lightening area of the mirror 33 increases as the distance from the twist rotation axis increases. If FIG. 10 is referred, the area of the thick part 45 of the mirror 33 will reduce as it leaves | separates from a twist rotating shaft. Therefore, the cross-sectional secondary moment parallel to the torsional rotation axis decreases stepwise as shown in FIG. 11 as the distance from the torsional rotation axis increases. Other than this, the configuration is the same as that described with reference to FIG.
[0026]
Example 2 FIG. 12 is a perspective view for explaining Example 2 of the present invention. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of the mirror substrate 31 cut along a cutting line parallel to the Y axis. FIG. 14 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of the mirror 33 cut along a cutting line parallel to the X axis (twist rotation axis).
[0027]
In this embodiment, as shown in FIG. 12 and FIG. 13, a thinned portion 50 is formed over the entire surface on the surface opposite to the mirror surface of the mirror 33 (upper surface in FIG. 12). The depth of the punched portion 50 increases as the distance from the twist rotation axis increases. That is, the thickness of the mirror 33 decreases as the distance from the twist rotation axis increases. Therefore, the cross-sectional secondary moment parallel to the torsional rotation axis decreases as shown in FIG. 15 as the distance from the torsional rotation axis increases. Other than this, the configuration is the same as that described with reference to FIG.
[0028]
<< Example 3 >> FIG. 16: is a partially broken top view for demonstrating Example 3 of this invention. However, the frame portion of the mirror substrate 31 is not shown. FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of the mirror 33 cut along a cutting line parallel to the twisting rotation axis (X axis).
[0029]
In this embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, a lightening portion 55 having the same depth is formed over substantially the entire surface opposite to the mirror surface of the mirror 33, but the beam 59 in the X-axis direction and The beam 60 in the Y-axis direction is left. Looking at each half of the mirror 33 across the torsional rotation axis, the beams 59 in the X-axis direction are arranged at equal intervals, but the beam 60 in the Y-axis direction increases with distance from the torsional rotation axis (number of beams). Decrease). It is the beam 60 in the Y-axis direction that contributes to the cross-sectional secondary moment, and the beam 59 has a width of several tens of μm, so it hardly contributes to the cross-sectional secondary moment. Therefore, the cross-sectional secondary moment parallel to the torsional rotation axis decreases stepwise as shown in FIG. 18 as the distance from the torsional rotation axis increases. Other than this, the configuration is the same as that described with reference to FIG.
[0030]
Example 4 FIG. 19 is an exploded perspective view for explaining Example 4 of the present invention. The optical scanning device of this embodiment is formed by bonding the base substrate 100 to the back side of the mirror substrate 31, and a cross-sectional structure in a bonded state is shown in FIG.
[0031]
In the mirror substrate 31 in this embodiment, the second moment in section parallel to the torsional rotation axis of the mirror 33 is reduced as the distance from the torsional rotation axis decreases. Yes. However, the back surface of the mirror 33 may be thinned in the same manner as in the first or second embodiment, and such an aspect is also included in the present invention.
[0032]
The base substrate 100 is made of an insulating substrate member such as Pyrex glass. A recess for securing a vibration space of the mirror 33 is formed on the back surface of the base substrate 100, and a pair of deflection angle detection electrodes 102 facing the mirror 33 is formed on the bottom surface of the recess. Further, a pair of through electrodes 104 that penetrates the front and back of the base substrate 100 and are electrically connected to the deflection angle detection electrode 102, and a pair of through electrodes 106 that are electrically connected to the frame portion 39 of the mirror substrate 31. Then, a pair of through electrodes 108 for electrical connection with the frame portion 40 of the mirror substrate 31 is formed. The deflection angle detection electrode 102 is made of, for example, a two-layer thin film in which Cr and Au are vapor-deposited. The through electrodes 104, 106, 108 are formed by filling the inside of the through hole with, for example, Ni plating after the through hole is processed. Such a through electrode also has good sealing properties.
[0033]
Such a base substrate 100 is bonded to the mirror substrate 31 as shown in FIG. After joining, the dividing groove 37 is formed in the mirror substrate 31. The frame part 39 (part acting as a fixed electrode) divided by the dividing groove 37 and the through electrode 106 are electrically connected, and the other frame part 40 and the through electrode 108 are electrically connected. Therefore, a driving pulse can be applied to the through electrodes 106 and 108 from the outside. In this way, the electrical connection for applying the drive pulse by the through electrode is generally lower in cost than the connection method by wire bonding as shown in Japanese Patent No. 2924200, and the connection The certainty is also excellent.
[0034]
In addition, since the electrostatic capacitance between the angular deflection angle detection electrode 102 and the mirror 33 changes depending on the interval between them, the deflection angle of the mirror 33 is detected by measuring the electrostatic capacitance through the through electrode 104. Can do. By controlling the drive pulse voltage in accordance with the detected deflection angle, fluctuations in the deflection angle of the mirror 33 due to disturbance can be corrected.
[0035]
<< Example 5 >> FIG. 21: is a disassembled perspective view for demonstrating Example 5 of this invention. In the optical scanning device of this embodiment, the base substrate 100 is bonded to the back surface side of the mirror substrate 31, and the cover substrate 200 is bonded to the mirror surface side of the mirror substrate 31, and the vibration space of the mirror 33 is sealed in a reduced pressure state. FIG. 22 shows a cross-sectional structure in a joined state. A hermetic seal method is used as the sealing method.
[0036]
The mirror substrate 31 is the same as that of the fourth embodiment, but may be the same as that of the first, second or third embodiment, and such an embodiment is also included in the present invention.
[0037]
The base substrate 100 is the same as that of the fourth embodiment.
[0038]
The cover substrate 200 is made of an insulating transparent member such as Pyrex glass, and a concave portion 202 for securing a vibration space of the mirror 33 is formed on the inner surface side thereof. The scanning light enters the mirror surface of the mirror substrate 33 through the cover substrate 200, and the deflected light is emitted to the outside through the cover substrate 200.
[0039]
In the optical scanning device of the present embodiment, the vibration space 204 of the mirror 33 is sealed, and entry of foreign matters such as dust from the outside is prevented, so that abnormal operations such as discharge due to foreign matter entry are less likely to occur. In addition, by reducing the vibration space of the mirror 33, the viscous resistance is reduced, and the mirror 33 can be vibrated with a large swing angle with a low driving voltage. The vibration space 204 of the mirror 33 is depressurized to atmospheric pressure or less, and the pressure is selected in the range of 0.1 (Torr) or more and 2 (Torr) or less.
[0040]
The sealing structure of the optical scanning device of the present embodiment can be reliably sealed at a lower cost than the sealing structure as disclosed in Japanese Patent No. 2924200.
[0041]
<< Substrate Bonding Method >> The substrates of the optical scanning device of Example 5 can be bonded by, for example, an anodic bonding method using an anode device as schematically shown in FIG.
[0042]
In FIG. 23, 351 is a weight for controlling the junction weight, and 352 is a power source for controlling the junction voltage. Reference numeral 353 denotes a heater, and the junction temperature is adjusted by controlling the current flowing through the heater 353 by the temperature controller 354. Reference numeral 355 denotes a vacuum pump, which keeps the inside of the apparatus at a negative pressure. Reference numeral 356 denotes an observation window.
[0043]
The joining process will be described. First, a stack of the mirror substrate 33 and the cover substrate 200 is set as a workpiece W on the anode device and joined. In this manner, the dividing groove 37 of the mirror substrate 31 is processed while being bonded to the cover substrate 200.
[0044]
Next, the mirror substrate 31 bonded to the cover substrate 200 is overlapped with the base substrate 100 and set to the anode device as a work W. For example, the load is 50 gf / cm ^ 2, the internal pressure is 0.1 Torr to 2 Torr, Bonding is performed under the bonding conditions of a temperature of 500 ° C. and a bonding voltage of 500 V × 25 minutes. As a result, the three substrates are joined, and the vibration space of the mirror 33 is sealed under reduced pressure to 0.1 to 2 torr. At the same time, the through electrodes 106 and 108 of the base substrate 100 are electrically connected to the corresponding portions of the mirror substrate 31. The
[0045]
Since Pyrex glass has good bondability by anodic bonding with silicon, if the mirror substrate 31 is formed of a silicon substrate and the base substrate 100 and the cover substrate 200 are formed of Pyrex glass, the substrates are bonded to each other. This is advantageous in that stable sealing can be achieved for a long time. However, in general, the mirror substrate 31 can be formed from any conductive material, the base substrate 100 can be formed from any insulating material, and the cover substrate 200 can be formed from any insulating and transparent material. In addition, it is natural that the mirror substrate and the base substrate in the fourth embodiment can be similarly joined by the anode connection method.
[0046]
<< Vibration Space Pressure >> Using the optical scanning device according to any one of Examples 1 to 4 (without the cover substrate 200), the following experiment was performed. In the experiment, an evaluation apparatus as shown in FIG. 24 was used. In FIG. 24, reference numeral 400 denotes a decompression container, in which the optical scanning device 402 to be evaluated is set. The laser surface of the mirror of the optical scanning device 402 is irradiated with a laser beam from the laser light source 404, and the laser beam deflected by the mirror surface is received by the optical position detector 406. The detection signal of the optical position detector 406 is input to the waveform observation device 408.
[0047]
First, the internal pressure of the decompression vessel 400 is changed in various ways, the mirror of the optical scanning device 402 is driven, the waveform of the detection signal of the optical position detector 406 (the vibration waveform of the mirror) is observed by the waveform observation device 408, and the pressure And the mirror deflection angle θ (corresponding to the amplitude of the vibration waveform). When the results were plotted, a characteristic curve as shown in FIG. 25 was obtained. As can be seen from this characteristic curve, there is a pressure Po that maximizes the deflection angle θ. Therefore, a large deflection angle can be obtained with a low drive voltage by setting the pressure in the mirror vibration space to be in the vicinity of Po.
[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 resistance coefficient and the relationship between the pressure and the driving pulse / mirror vibration waveform phase difference were examined as follows.
[0049]
The internal pressure of the decompression vessel 400 is changed in various ways, the mirror of the optical scanning device 402 is driven, and the damped oscillation waveform (see FIG. 26) of the mirror from the point of time when the driving is stopped is observed by the waveform observation device 408. The viscous resistance coefficient C at each pressure was determined from the vibration waveform. When the viscous resistance coefficient C is plotted, a characteristic curve Lc as shown in FIG. 27 is obtained.
[0050]
The internal pressure of the decompression vessel 400 is changed variously, the mirror of the optical scanning device 402 is continuously driven, the mirror vibration waveform and the drive pulse waveform are observed by the waveform observation device 408, and the drive pulse waveform and mirror at each pressure are observed. A phase difference Δθ with respect to the vibration waveform was obtained (see FIG. 28). When the obtained phase difference Δθ is plotted, a characteristic curve Lθ as shown in FIG. 27 is obtained.
[0051]
From the above experiment,
(1) In the 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. For this reason, the deflection angle is considered to be small.
(2) In the region where the pressure is higher than Po, the phase difference Δθ is substantially constant regardless of the pressure, but the viscous resistance coefficient C increases in proportion to the pressure. Accordingly, 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 drive voltage. The optimum pressure in the mirror vibration space 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, but generally ranges from 0.1 (Torr) to 2 (Torr). Suitable.
[0053]
【The invention's effect】
According to the optical scanning device of the present invention, the weight of the mirror can be reduced and the occurrence of warpage can be effectively suppressed, thereby enabling more stable optical scanning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining a basic structure of an optical scanning device of 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 drive pulse waveform and a mirror vibration waveform.
FIG. 4 is a diagram showing the amount of mirror warpage and its suppression effect.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a bending moment and a sectional secondary moment.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional shape of a mirror.
FIG. 7 is a graph showing a typical relationship between a second moment of inertia of a mirror and a distance from a twist rotation axis in the optical scanning device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view for explaining Example 1 of the present invention.
9 is a cross-sectional view of the mirror substrate of FIG. 8 cut along a cutting line orthogonal to the twist rotation axis.
10 is a schematic diagram showing a cross-sectional shape cut along a cutting line parallel to the twist rotation axis of the mirror of FIG.
11 is a graph showing the relationship between the sectional moment of inertia of the mirror of FIG. 8 and the distance from the torsional rotation axis.
FIG. 12 is a schematic perspective view for explaining Example 2 of the present invention.
13 is a cross-sectional view of the mirror substrate of FIG. 12 cut along a cutting line perpendicular to the twist rotation axis.
14 is a schematic diagram showing a cross-sectional shape cut along a cutting line parallel to the twist rotation axis of the mirror of FIG.
15 is a graph showing the relationship between the moment of inertia of the cross section of the mirror of FIG. 12 and the distance from the torsional rotation axis.
FIG. 16 is a partially broken plan view for explaining Example 3 of the invention.
17 is a cross-sectional view taken along a cutting line parallel to the torsional rotation axis of the mirror of FIG.
18 is a graph showing the relationship between the moment of inertia of the cross section of the mirror of FIG. 16 and the distance from the torsional rotation axis.
FIG. 19 is an exploded perspective view for explaining Example 4 of the present invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining Example 4;
FIG. 21 is an exploded perspective view for explaining Example 5 of the invention.
22 is a cross-sectional view for explaining Example 5. FIG.
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of an anode device.
FIG. 24 is a configuration diagram of an evaluation apparatus for an experiment related to 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 the relationship between the vibration waveform of the mirror, the phase difference of the drive pulse, and the mirror vibration space pressure of the viscous resistance coefficient.
FIG. 28 is a waveform diagram showing mirror drive pulses and vibration waveforms.
[Explanation of symbols]
31 mirror substrate 32 twisted beam 33 mirror 44 thinned portion 50 thinned portion 55 thinned portion 59 beam 60 beam 100 base substrate 102 deflection angle detection electrode 104 through electrode 106 through electrode 108 through electrode 200 cover substrate

Claims

In the optical scanning device having a configuration in which a mirror is supported by a torsion beam and the mirror is reciprocally oscillated with the torsion beam as a torsion rotation axis,
So that the moment of inertia of the cross section of the mirror parallel to the torsional rotation axis decreases as the distance from the torsional rotation axis increases.
An optical scanning device , wherein a plurality of thinning portions having the same area are formed on a surface opposite to the mirror surface of the mirror, and the number of the thinning portions is increased as the distance from the twist rotation axis increases.