JP4337862B2 - 光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置 - Google Patents

光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置 Download PDF

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Description

本発明は、光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置に関するものである。
レーザープリンタ等に用いられ、光走査により描画を行う光学デバイスとしては、小型化を図ることなどの目的から、ねじり振動子を用いるものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
例えば、特許文献1にかかる光学デバイスは、シリコンで構成された板状の可動部上に、アルミニウムで構成された光反射部を直接設けたものを、その両側で1対のねじりバネによって回動可能に支持してなる。そして、1対のねじりバネをねじれ変形させながら、可動部を回動(振動)させることにより、光走査を行う。その際、光反射部では、照射された光のほとんどが反射する。
しかしながら、光反射部での光反射率を完全に100%とすることはできないため、このような光学デバイスにあっては、光反射部に照射された光の一部が熱となり、可動部を昇温させてしまう。
そのため、かかる光学デバイスを長時間使用すると、可動部の形状や光反射部の材質等によっては、熱により可動部に反りなどの変形が生じて、光反射部の平面性が損なわれるおそれがある。また、可動部からの熱によりねじりバネの材料物性が変化して、ねじりバネのバネ定数が変化してしまうおそれがある。
光反射部の平面性が損なわれたり、ねじりバネのバネ定数が変化したりすると、安定した駆動(描画)を行うことが難しい。
特開平7−92409号公報
本発明の目的は、安定した駆動を行うことができる光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の光学デバイスは、光反射部を有し、回動可能に設けられた可動部と、
前記可動部を支持するための支持部と、
前記支持部に対し前記可動部を回動可能とするように前記可動部と前記支持部とを連結する弾性連結部と、
前記可動部を駆動する駆動手段とを有し、
前記駆動手段が前記弾性連結部を捩れ変形させながら前記可動部を回動させることにより、前記光反射部で反射した光を対象物に走査する光学デバイスであって、
前記可動部を冷却する冷却手段を有し、
前記冷却手段は、前記可動部の本体上と前記支持部上とこれらの間とに連続して設けられ、前記光反射部を兼ねるとともに、前記可動部の本体を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成された高熱伝導膜と、前記支持部上にて前記高熱伝導膜に接続され、前記高熱伝導膜に伝達された熱を放熱するヒートシンクとを有することを特徴とする。
これにより、可動部の昇温を防止することができる。その結果、本発明の光学デバイスは、安定した駆動を行うことができる。
特に、可動部の熱を高熱伝導膜を通じて可動部の外部へ積極的に放熱して、可動部を冷却することができる。そのため、比較的簡単な構成で、可動部の昇温を防止することができる。
また、高熱伝導膜に伝達された熱をヒートシンクからより積極的に放熱することができる。そのため、可動部の昇温をより確実に防止することができる。
本発明の光学デバイスは、光反射部を有し、回動可能に設けられた可動部と、
前記可動部を支持するための支持部と、
前記可動部を駆動するための駆動部と、
前記支持部に対し前記駆動部を回動可能とするように前記支持部と前記駆動部とを連結する第1の弾性連結部と、
前記駆動部に対し前記可動部を回動可能とするように前記駆動部と前記可動部とを連結する第2の弾性連結部と、
前記可動部を駆動する駆動手段とを有し、
前記駆動手段が、前記第1の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記駆動部を回動させ、これに伴い、前記第2の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記可動部を回動させることにより、前記光反射部で反射した光を対象物に走査する光学デバイスであって、
前記可動部を冷却する冷却手段を有し、
前記冷却手段は、前記可動部の本体上と前記支持部上または前記駆動部上とこれらの間とに連続して設けられ、前記光反射部を兼ねるとともに、前記可動部の本体を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成された高熱伝導膜と、前記支持部上または前記駆動部上にて前記高熱伝導膜に接続され、前記高熱伝導膜に伝達された熱を放熱するヒートシンクとを有することを特徴とする
これにより、可動部の昇温を防止することができる。その結果、本発明の光学デバイスは、安定した駆動を行うことができる。
特に、可動部の熱を高熱伝導膜を通じて可動部の外部へ積極的に放熱して、可動部を冷却することができる。そのため、比較的簡単な構成で、可動部の昇温を防止することができる。
また、高熱伝導膜に伝達された熱をヒートシンクからより積極的に放熱することができる。そのため、可動部の昇温をより確実に防止することができる。
本発明の光学デバイスでは、前記可動部の本体と前記高熱伝導膜との間に、前記高熱伝導膜の構成材料よりも熱伝導率の低い低熱伝導膜が介在していることが好ましい。
これにより、光反射部で生じた熱を高熱伝導膜を通じて可動部の外部へ放出するとともに、高熱伝導膜で放出しきれなかった熱を低熱伝導膜に一時的に蓄積することができる。そして、低熱伝導膜に蓄積された熱は、高熱伝導膜を通じて可動部の外部へ放出される。そのため、光反射部で生じた熱が可動部へ伝達されるのをより確実に防止しつつ、可動部の冷却を行うことができる。
本発明の光学デバイスでは、前記可動部は、板状をなしており、前記高熱伝導膜は、前記可動部の少なくとも一方の面のほぼ全域を覆うように設けられていることが好ましい。
これにより、可動部の面のほぼ全域において可動部の熱を高熱伝導膜を通じて可動部の外部へ積極的に放熱することができる。そのため、可動部の昇温をより確実に防止することができる。
本発明の光学デバイスでは、前記ヒートシンクは、前記可動部と一体的に形成された部分の上に設けられていることが好ましい。
これにより、可動部と一体的に形成された部分の熱を下げて、可動部の昇温をより確実に防止することができる。
本発明の光学デバイスでは、前記ヒートシンクには、前記駆動部の回動軸線に対し直角な方向に延びるフィンが前記回動軸線方向に間隔を隔てて設けられていることが好ましい。
これにより、ヒートシンクとその周囲との気体との接触抵抗を低減しつつ、可動部の冷却効果を高めることができる。
本発明の光学デバイスでは、前記ヒートシンクは、前記駆動部の回動軸線に対し直角な方向において端部側の高さが中央部側の高さよりも低いことが好ましい。
これにより、駆動部の回動軸線に直角な方向での端部の駆動時における慣性力を低減し、駆動部の設計を容易なものとすることができる。
本発明の光スキャナは、本発明の光学デバイスを有することを特徴とする。
これにより、可動部の昇温を防止することができる。その結果、本発明の光スキャナは、安定した駆動を行うことができる。
本発明の画像形成装置は、本発明の光スキャナを有することを特徴とする。
これにより、可動部の昇温を防止することができる。その結果、本発明の画像形成装置は、安定した駆動を行うことができる。
以下、本発明の光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明の光学デバイスの第1実施形態を説明する。
図1は、本発明の光学デバイスの第1実施形態を示す平面図(内部透視図)、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1に示す光学デバイスの電極の配置を示す平面図、図4は、図1に示す光学デバイスの駆動電圧の一例(交流電圧)を示す図、図5は、印加した交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の振幅との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図1および図3中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図2中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
光学デバイス1は、図1に示すように、2自由度振動系を有する基体2を有しており、この基体2の下面には、対向基板3が接合層4を介して接合され、この基体2の上面には、冷却手段10が取り付けられている。
基体2は、一対の第1の質量部(駆動部)21、22と、上面(後述する対向基板3とは反対側の面)に光反射部231が設けられた第2の質量部(可動部)23と、これらを支持するための支持部24とを備えている。
具体的には、基体2は、第2の質量部23を中心として、その一端側(図1および図2中、左側)に第1の質量部21が設けられ、他端側(図1および図2中、右側)に第1の質量部22が設けられて構成されている。
また、本実施形態では、第1の質量部21、22は、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法をなし、第2の質量部23を介して、ほぼ対称に設けられている。
また、第2の質量部23上には、後に詳述する冷却手段10の高熱伝導膜11を介して、光反射部231が設けられている。
さらに、基体2は、図1および図2に示すように、第1の質量部21、22と支持部24とを連結する一対の第1の弾性連結部25、25と、第1の質量部21、22と第2の質量部23とを連結する一対の第2の弾性連結部26、26とを備えている。
各第1の弾性連結部25、25および各第2の弾性連結部26、26は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸(回転軸)27として、第1の質量部21、22が支持部24に対して、また、第2の質量部23が第1の質量部21、22に対して回動可能となっている。
このように、基体2は、第1の質量部21、22と第1の弾性連結部25、25とからなる第1の振動系と、第2の質量部23と第2の弾性連結部26、26とからなる第2の振動系とで構成された2自由度振動系を有している。
本実施形態では、このような2自由度振動系は、基体2の全体の厚さよりも薄く形成されているとともに、図2にて上下方向で基体2の上部に位置している。換言すれば、基体2には、基体2の全体の厚さよりも薄い部分(以下、薄肉部という)が形成されており、この薄肉部に異形孔が形成されることにより、第1の質量部21、22と第2の質量部23と第1の弾性連結部25、25と第2の弾性連結部26、26とが形成されている。
また、本実施形態では、前記薄肉部の上面が支持部24の上面と同一面上に位置することにより、前記薄肉部の下方には、各質量部21、22、23の回動のための空間(凹部)28が形成される。
このような基体2は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、第1の質量部21、22と、第2の質量部23と、支持部24と、第1の弾性連結部25、25と、第2の弾性連結部26、26とが一体的に形成されている。
なお、基体2は、SOI基板等の積層構造の基板から、第1の質量部21、22と、第2の質量部23と、支持部24と、第1の弾性連結部25、25と、第2の弾性連結部26、26を形成したものであってもよい。
対向基板3は、例えば、シリコンまたはガラスを主材料として構成されている。
対向基板3の上面には、図2および図3に示すように、第2の質量部23に対応する部分に開口部31が形成されている。
この開口部31は、第2の質量部23が回動(振動)する際に、対向基板3に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部(逃げ部)31を設けることにより、光学デバイス1全体の大型化を防止しつつ、第2の質量部23の振れ角(振幅)をより大きく設定することができる。光学デバイス1において、対向基板3がシリコンを主材料として構成されている場合、ガラス材料などで対向基板が構成されている場合に比し、前述のような開口部などの逃げ部を簡単にそして高精度(高アスペクト比)に形成することができる。
なお、逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも対向基板3の下面(第2の質量部23と反対側の面)で開放(開口)していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、対向基板3の上面に形成された凹部で構成することもできる。また、空間28の深さが第2の質量部23の振れ角(振幅)に対し大きい場合などには、逃げ部を設けなくともよい。
また、対向基板3の上面(基体2側の面)には、図3に示すように、第1の質量部21に対応する部分に、後述の接合層4を介して、一対の電極32が回動中心軸27を中心にほぼ対称となるように設けられ、また、第1の質量部22に対応する部分に、後述の接合層4を介して、一対の電極32が回動中心軸27を中心にほぼ対称となるように設けられている。すなわち、本実施形態では、一対の電極32が2組(合計4個)、設けられている。
第1の質量部21、22と各電極32とは、図示しない電源に接続されており、第1の質量部21、22と各電極32との間に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。すなわち、第1の質量部21、22と各電極32とが、第2の質量部23(より具体的には第1の質量部21、22)を駆動するための駆動手段を構成する。
なお、第1の質量部21、22は、各電極32と対向する面に、それぞれ、絶縁膜(図示せず)が設けられている。これにより、第1の質量部21、22と各電極32との間での短絡が発生するのが好適に防止される。
接合層4は、基体2と対向基板3とを接合する機能を有するものである。したがって、接合層4の構成材料は、前記接合が可能なものであれば特に限定されないが、基体2および対向基板3のそれぞれがシリコンを主材料として構成されている場合には、可動イオンを含むガラスを用いるのが好ましい。これにより、ともにシリコンを主材料として構成された基体2と対向基板3とを接合層4を介して陽極接合させることができる。
また、本実施形態では、接合層4の上面に上述の電極32が設けられている。これにより、電極32と第1の質量部21、22との間のギャップを調整することができる。また、接合層4を絶縁性を有する材料で構成することにより、電極32と対向基板3との間の絶縁性を確保することができる。
ここで、前述したような基体2の上面に設けられた冷却手段10を詳細に説明する。
冷却手段10は、可動部である第2の質量部23を冷却する機能を有する。これにより、第2の質量部23の昇温を防止することができる。その結果、昇温による第2の質量部23の変形や第2の弾性連結部26のバネ定数の変化を防止して、光学デバイス1の駆動を安定化することができる。
より具体的には、冷却手段10は、第2の質量部23の上面に設けられた高熱伝導膜11と、高熱伝導膜11に接続されたヒートシンク12とを有している。
高熱伝導膜11は、可動部である第2の質量部23の本体上に設けられている。
そして、高熱伝導膜11は、第2の質量部23(第2の質量部23の本体)の構成材料(すなわち基体2の構成材料)の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料(以下、高熱伝導材料という)で構成されている。したがって、この高熱伝導膜11を介して第2の質量部23を放熱することができる。これにより、第2の質量部23の熱を高熱伝導膜11を通じて第2の質量部23の外部へ積極的に放熱して、第2の質量部23を冷却することができる。そのため、比較的簡単な構成で、第2の質量部23の昇温を防止することができる。
特に、本実施形態では、高熱伝導膜11は、第2の質量部23の本体と光反射部231との間に介在している。これにより、光反射部231に照射された光のうち、光反射部231で反射せずに熱となったものを、第2の質量部23に伝達される前に、高熱伝導膜11を通じて外部へ放熱することができる。そのため、比較的簡単な構成で、第2の質量部23の昇温をより確実に防止することができる。
また、高熱伝導膜11は、第2の質量部23の一方の面のほぼ全域を覆うように設けられている。これにより、第2の質量部23の面のほぼ全域において第2の質量部23の熱を高熱伝導膜11を通じて第2の質量部23の外部へ積極的に放熱することができる。そのため、第2の質量部23の昇温をより確実に防止することができる。なお、高熱伝導膜を第2の質量部23の両面に設けてもよく、高熱伝導膜を第2の質量部23の他方の面のみに設けてもよい。
このような高熱伝導材料としては、特に限定されないが、例えば、Li、Be、B、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ag、Au、Pt、Pdのような金属(金属単体)、これらの金属を含む合金、これらの金属を含む酸化物や窒化物等が挙げられる。
これらの中でも、高熱伝導性材料としては、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼のような金属材料、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス材料が好ましい。
ヒートシンク12は、放熱のための複数のフィンを有しており、外部の気体との接触面積の向上が図られており、高熱伝導膜11から熱を受けこれを放熱する機能を有する。
このように冷却手段10が高熱伝導膜11に接続されたヒートシンク12を有しているので、高熱伝導膜11に伝達された熱をヒートシンク12からより積極的に放熱することができる。そのため、第2の質量部23の昇温をより確実に防止することができる。
また、ヒートシンク12は、支持部24上に設けられている。このように第2の質量部23と一体的に形成された部分の上にヒートシンク12が設けられているので、第2の質量部23と一体的に形成された部分、より具体的には、基体2全体の熱を下げて、第2の質量部23の昇温をより確実に防止することができる。
このようなヒートシンク12は、第2の質量部23の構成材料(すなわち基体2の構成材料)の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料(以下、高熱伝導材料という)で構成されている。したがって、ヒートシンク12の構成材料としては、前述した高熱伝導材料と同様のものを用いることができる。
なお、本実施形態ではヒートシンク12は高熱伝導膜11と別体として形成されているが、ヒートシンク12と高熱伝導膜11とが一体となっていてもよい。
以上のような構成の光学デバイス1は、次のようにして駆動する。
すなわち、第1の質量部21、22と各電極32との間に、例えば、正弦波(交流電圧)等を印加する。具体的には、例えば、第1の質量部21、22をアースしておき、図3中上側の2つの電極32に、図4(a)に示すような波形の電圧を印加し、図3中下側の2つの電極32に、図4(b)に示すような波形の電圧を印加する。すると、第1の質量部21、22と各電極32との間に静電気力(クーロン力)が生じる。
この静電気力により、第1の質量部21、22が、各電極32の方へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、回動中心軸27(第1の弾性連結部25)を軸に、基体2の板面(図1における紙面)に対して傾斜するように振動(回動)する。
そして、この第1の質量部21、22の振動(駆動)に伴って、第2の弾性連結部26を介して連結されている第2の質量部23も、回動中心軸27(第2の弾性連結部26)を軸に、基体2の板面(図1における紙面)に対して傾斜するように振動(回動)する。
したがって、第2の質量部23の回動に伴い、光反射部231も回動し、光反射部231に照射された光を走査することができる。
その際、光反射部231に照射された光の一部は、光反射部231で反射せずに熱となる。この熱は、高熱伝導膜11を通じて、ヒートシンク12へ伝導し、外部へ放出される。これにより、光反射部231で生じた熱により第2の質量部23が昇温するのを防止することができる。そのため、光学デバイス1は、第2の質量部23が昇温により反りなどの変形を生じることなく、安定に駆動して、高精度な描画や光走査を行うことができる。
ここで、この光学デバイス1では、前述したように、対向基板3における、第2の質量部23に対応する部分に、開口部31が形成され、また、図2にて基体2の下面に空間28が形成され、かつ、平面視で第1の質量部21、22が空間(凹部)28内に位置するように設けられている。
このような構成により、第2の質量部23が振動し得るスペース、および、第1の質量部21、22が振動し得るスペースとして、大きなスペースが確保されている。したがって、第1の質量部21、22の質量を比較的小さく設定すること等により、第1の質量部21、22を大きな振れ角で振動させた場合や、さらに第2の質量部23が共振によって大きな振れ角で振動した場合でも、各質量部21、22、23(2自由度振動系)が対向基板3に接触することを好適に防止することができる。
このため、このような光学デバイス1を、例えば光スキャナに適用した場合には、より解像度の高いスキャニングを行うことが可能となる。なお、光学デバイス1は、光スキャナのほか、光スイッチ、光アッテネータなどの他の光学デバイスとしても用いることができる。このような他の光学デバイスとして光学デバイス1を用いた場合、スイッチング特性や、光の減衰特性を長期に亘り安定化させることができる。
ここで、第1の質量部21の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向(長手方向)への長さ(回動中心軸と端部211との間の距離)をLとし、第1の質量部22の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向(長手方向)への長さ(回動中心軸と端部221との間の距離)をLとし、第2の質量部23の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向への長さ(回動中心軸と端部232との間の距離)をLとしたとき、本実施形態では、第1の質量部21、22が、それぞれ独立して設けられているため、第1の質量部21、22と、第2の質量部23とが干渉せず、第2の質量部23の大きさ(長さL)にかかわらず、LおよびLを小さくすることができる。これにより、第1の質量部21、22の回転角度(振れ角)を大きくすることができ、第2の質量部23の回転角度を大きくすることができる。
また、LおよびLを小さくすることにより、第1の質量部21、22と各電極32との間の距離を小さくすることができ、これにより、静電気力が大きくなり、第1の質量部21、22と各電極32に印加する交流電圧を小さくすることができる。
ここで、第1の質量部21、22および第2の質量部23の寸法は、それぞれ、L<LかつL<Lなる関係を満足するよう設定されている。これにより、LおよびLをより小さくすることができ、第1の質量部21、22の回転角度をより大きくすることができ、第2の質量部23の回転角度をさらに大きくすることができる。
この場合、第2の質量部23の最大回転角度が、20°以上となるように構成されるのが好ましい。
また、このように、LおよびLを小さくすることにより、第1の質量部21、22と各電極32との間の距離をより小さくすることができ、第1の質量部21、22と各電極32に印加する交流電圧をさらに小さくすることができる。
これらによって、第1の質量部21、22の低電圧駆動と、第2の質量部23の大回転角度での振動(回動)とを実現することができる。
このため、このような光学デバイス1を、例えばレーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合には、より容易に装置の小型化を図ることができる。
なお、前述したように、本実施形態では、LとLとはほぼ等しく設定されているが、LとLとが異なっていてもよいことは言うまでもない。
ところで、このような質量部21、22、23よりなる振動系(2自由度振動系)では、第1の質量部21、22および第2の質量部23の振幅(振れ角)と、印加する交流電圧の周波数との間に、図5に示すような周波数特性が存在している。
すなわち、かかる振動系は、第1の質量部21、22の振幅と、第2の質量部23の振幅とが大きくなる2つの共振周波数fm[kHz]、fm[kHz](ただし、fm<fm)と、第1の質量部21、22の振幅がほぼ0となる、1つの反共振周波数fm[kHz]とを有している。
この振動系では、第1の質量部21、22と電極32との間に印加する交流電圧の周波数Fが、2つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、fmとほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振幅を抑制しつつ、第2の質量部23の振れ角(回転角度)を大きくすることができる。
なお、本明細書中では、F[kHz]とfm[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm−1)≦F≦(fm+1)の条件を満足することを意味する。
第1の質量部21、22の平均厚さは、それぞれ、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第2の質量部23の平均厚さは、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第1の弾性連結部25のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部23の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
一方、第2の弾性連結部26のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部23の振れ角をより大きくすることができる。
また、第1の弾性連結部25のばね定数kと第2の弾性連結部26のばね定数をkとは、k>kなる関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部23の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
さらに、第1の質量部21、22の慣性モーメントをJとし、第2の質量部23の慣性モーメントをJとしたとき、JとJとは、J≦Jなる関係を満足することが好ましく、J<Jなる関係を満足することがより好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部23の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
ところで、第1の質量部21、22と第1の弾性連結部25、25とからなる第1の振動系の固有振動数ωは、第1の質量部21、22の慣性モーメントJと、第1の弾性連結部25のばね定数kとにより、ω=(k/J1/2によって与えられる。一方、第2の質量部23と第2の弾性連結部26、26とからなる第2の振動系の固有振動数ωは、第2の質量部23の慣性モーメントJと、第2の弾性連結部26のばね定数kとにより、ω=(k/J1/2によって与えられる。
このようにして求められる第1の振動系の固有振動数ωと第2の振動系の固有振動数ωとは、ω>ωなる関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部23の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
なお、本実施形態の振動系は、一対の第1の弾性連結部25および一対の第2の弾性連結部26のうち少なくとも1つの内部にピエゾ抵抗素子を設けることにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部23の姿勢の制御に利用することができる。
このような光学デバイス1は、例えば、次のようにして製造することができる。
図6、図7は、それぞれ、第1実施形態の光学デバイスの製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、以下では、説明の便宜上、図6、図7中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
[A1] まず、図6(a)に示すように、シリコン基板5を用意する。
次に、シリコン基板5の一方の面に、図6(b)に示すように、支持部24と各質量部21、22、23との形状に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスク6を形成する。
そして、図6(c)に示すように、シリコン基板5の他方の面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図6(c)に示すように、支持部24の形状に対応するように、レジストマスク7を形成する。なお、レジストマスク7の形成は、金属マスク6の形成よりも先に行ってもよい。
金属マスク6の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング(低温スパッタリング)、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、金属箔の接合等が挙げられる。なお、以下の各工程における金属膜の成膜においても、同様の方法を用いることができる。
次に、このレジストマスク7を介して、シリコン基板5の前記他方の面をエッチングした後、レジストマスク7を除去する。これにより、図6(d)に示すように、支持部24に対応する部分以外の領域に凹部51が形成される。
エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。
次に、金属マスク6を介して、シリコン基板5の前記一方の面側を、前記凹部51に対応する部分が貫通するまでエッチングする。
そして、金属マスク6を除去した後、図6(e)に示すように、第2の質量部23上に高熱伝導膜11を形成し、次いで、ヒートシンク12を設けるとともに光反射部231を形成する。
高熱伝導膜11の形成方法としては、前述した金属マスク6の形成方法と同様のものを用いることができる。
なお、ここで、シリコン基板5をエッチングを行った後、金属マスク6を除去せずに残存させ、高熱伝導膜11の一部として用いることができる。
以上の工程により、図6(e)に示すように、各質量部21、22、23および支持部24が一体的に形成された基体2上に冷却手段10が形成された構造体が得られる。
[A2] 次に、図7(a)に示すように、対向基板3を形成するためのシリコン基板9を用意する。
そして、シリコン基板9の一方の面に、開口部31を形成する領域を除いた部分に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスクを形成する。
次に、この金属マスクを介して、シリコン基板9の一方の面側をエッチングした後、金属マスクを除去する。これにより、開口部31が形成された対向基板3が得られる。
しかる後に、例えば可動イオンを含むガラスで対向基板3の一方の面に成膜して、図7(b)に示すように、対向基板3上に接合層4を形成する。
次に、接合層4上に、図7(c)に示すように、電極32を形成する。これにより、接合層4の厚さを調整することで、電極32と第1の質量部21、22との間のギャップを調整することができる。
電極32は、接合層4に金属膜を成膜し、電極32の形状に対応するマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、マスクを除去することにより形成することができる。
次に、図7(d)に示すように、前記工程[A1]で得られた構造体と、前記工程[A2]で接合層4が成膜された対向基板3とを、例えば陽極接合により接合して光学デバイス1を得る。
以上のようにして、第1実施形態の光学デバイス1が製造される。
<第2実施形態>
次に、本発明の光学デバイスの第2実施形態について説明する。
図8は、本発明の光学デバイスの第2実施形態を示す平面図(内部透視図)、図9は、図8中のA−A線断面図である。
本実施形態にかかる光学デバイス1Aは、冷却手段の構成が異なる以外は、前述した第1実施形態にかかる光学デバイス1と同様である。
図8および図9に示すように、本実施形態の光学デバイス1Aにおいては、第2の質量部23の本体上に高熱伝導膜11Aが設けられ、この高熱伝導膜11Aは、光反射部を兼ねている。これにより、光学デバイス1Aの製造時において、一回の成膜工程により高熱伝導膜11Aと光反射部とを形成することができ、光学デバイス1Aの低コスト化を図ることができる。
このような高熱伝導膜11Aには、ヒートシンク12Aが接続されている。このヒートシンク12Aは、駆動部である第1の質量部21、22の上に設けられている。これにより、駆動時にヒートシンク12Aとその周囲の気体との接触確率を向上して、可動部である第2の質量部23の冷却効果をより高めることができる。
特に、ヒートシンク12Aには、第1の質量部21、22の回動軸線に対し直角な方向に延びるフィン12A1が前記回動軸線方向に間隔を隔てて設けられている。これにより、ヒートシンク12Aとその周囲との気体との接触抵抗を低減しつつ、第2の質量部23の冷却効果を高めることができる。
また、ヒートシンク12Aは、第1の質量部21、22の回動軸線に対し直角な方向において端部側の高さが中央部側の高さよりも低い。これにより、第1の質量部21、22の回動軸線に直角な方向での端部の駆動時における慣性力を低減し、第1の質量部21、22の設計を容易なものとすることができる。
特に、ヒートシンク12Aは、第1の質量部21、22の回動軸線に対し直角な方向での中央部、すなわち端部を除く領域に設けられているので、第1の質量部21、22の回動軸線に直角な方向での端部の駆動時における慣性力をより低減することができる。
また、本実施形態では、第2の質量部23の本体と高熱伝導膜11Aとの間に、高熱伝導膜11Aの構成材料よりも熱伝導率の低い低熱伝導膜13が介在している。これにより、光反射部231で生じた熱を高熱伝導膜11Aを通じて第2の質量部23の外部へ放出するとともに、高熱伝導膜11Aで放出しきれなかった熱を低熱伝導膜13に一時的に蓄積することができる。そして、低熱伝導膜13に蓄積された熱は、高熱伝導膜11Aを通じて第2の質量部23の外部へ放出される。そのため、光反射部231で生じた熱が第2の質量部23へ伝達されるのをより確実に防止しつつ、第2の質量部23の冷却を行うことができる。
なお、前述した第1実施形態のように光反射部231と高熱伝導膜11とが別体である場合、前述したような低熱伝導膜を光反射部231と高熱伝導膜11との間に介在させることができる。この場合には、光反射部231で生じた熱は、低熱伝導膜に一旦蓄積された後に、高熱伝導膜11を通じて第2の質量部23の外部へ放出される。そのため、光反射部231で生じた熱が第2の質量部23へ伝達されるのをより確実に防止しつつ、第2の質量部23の冷却を行うことができる。
以上説明したような光学デバイス1、1Aは、それぞれ、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等の画像形成装置に用いる光スキャナに好適に適用することができる。光スキャナとして本発明にかかる光学デバイス1、1Aを備えた画像形成装置は、第2の質量部23の昇温を防止することができるため、安定した駆動を行うこと(長期に亘り高品位な画像を得ること)ができる。
ここで、図10ないし図12に基づき、光学デバイス1を備えた画像形成装置、すなわち本発明の画像形成装置の具体例を説明する。
まず、電子写真方式を採用するプリンタに本発明を適用した例を説明する。
図10は、本発明の光スキャナを備える画像形成装置(プリンタ)の一例を示す全体構成の模式的断面図である。
図10に示す画像形成装置110(プリンタ)は、露光・現像・転写・定着を含む一連の画像形成プロセスによって、トナーからなる画像を紙やOHPシートなどの記録媒体に記録するものである。このような画像形成装置110は、図10に示すように、図示矢印方向に回転する感光体111を有し、その回転方向に沿って順次、帯電ユニット112、露光ユニット113、現像ユニット114、転写ユニット115、クリーニングユニット116が配設されている。また、画像形成装置110は、図10にて、下部に、紙などの記録媒体Pを収容する給紙トレイ117が設けられ、上部に、定着装置118が設けられている。
感光体111は、例えば、円筒状の導電性基材(図示せず)の外周面に感光層(図示せず)を形成してなり、その軸線まわりに回転可能となっている。
帯電ユニット112は、コロナ帯電などにより感光体111の表面を一様に帯電するための装置である。
露光ユニット113は、図示しないパーソナルコンピュータなどのホストコンピュータから画像情報を受けこれに応じて、一様に帯電された感光体111上に、レーザーを選択的に照射することによって、静電的な潜像を形成する装置である。
より具体的に説明すると、露光ユニット113は、図11に示すように、光スキャナである光学デバイス1と、レーザー光源131と、コリメータレンズ132と、fθレンズ133とを有している。
このような露光ユニット113にあっては、レーザー光源131からコリメータレンズ132を介して光学デバイス1(光反射部251)にレーザー光Lが照射される。そして、光反射部251で反射したレーザー光Lがfθレンズを介して感光体111上に照射される。
その際、光学デバイス1の駆動(第2の質量部25の回動中心軸Xまわりの回動)により、光反射部251で反射した光(レーザーL)は、感光体111の軸線方向に走査(主走査)される。一方、感光体111の回転により、光反射部251で反射した光(レーザーL)は、感光体111の周方向に走査(副走査)される。また、レーザー光源131から出力されるレーザー光L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。
このようにして露光ユニット113は、感光体111上を選択的に露光して画像形成(描画)を行う。
現像ユニット114は、4つの現像装置141、142、143、144と、これらの現像装置を保持する保持体145を有し、保持体145を軸146まわりに回転させることにより、各現像装置を感光体111に選択的に対向させるようになっている。ここで、現像装置141はブラック(K)トナー用の現像装置、現像装置142はマゼンタ(M)トナー用の現像装置、現像装置143はシアン(C)トナー用の現像装置、現像装置144はイエロー(Y)トナー用の現像装置である。
転写ユニット115は、エンドレスベルト状の中間転写ベルト151と、この中間転写ベルト151を張架する3つのローラ(一次転写ローラ152、従動ローラ153、駆動ローラ154)と、中間転写ベルト151を介して駆動ローラ154に対向する二次転写ローラ155とを有している。
中間転写ベルト151は、駆動ローラ154の回転により、一次転写ローラ152および従動ローラ153を従動回転させながら、図10に示す矢印方向に、感光体111とほぼ同じ周速度にて回転駆動されるようになっている。
一次転写ローラ152は、感光体111に形成された単色のトナー像を中間転写ベルト151に転写するための装置である。
二次転写ローラ155は、中間転写ベルト151上に形成された単色やフルカラーなどのトナー像を、紙、フィルム、布等の記録媒体Pに転写するための装置である。
定着装置118は、前記トナー像の転写を受けた記録媒体Pを加熱および加圧することにより、前記トナー像を記録媒体Pに融着させて永久像として定着させるための装置である。
クリーニングユニット116は、一次転写ローラ152と帯電ユニット12との間で感光体111の表面に当接するゴム製のクリーニングブレード161を有し、一次転写ローラ152によって中間転写ベルト151上にトナー像が転写された後に、感光体111上に残存するトナーをクリーニングブレード161により掻き落として除去するための装置である。
このような画像形成装置110にあっては、まず、図示しないホストコンピュータからの指令により、感光体111、現像ユニット114に設けられた現像ローラ(図示せず)、および中間転写ベルト151が回転を開始する。そして、感光体111は、回転しながら、帯電ユニット112により順次帯電される。
感光体111の帯電された領域は、感光体111の回転に伴って露光位置に至り、露光ユニット113によって、第1色目、例えばイエローYの画像情報に応じた潜像が前記領域に形成される。
感光体111上に形成された潜像は、感光体111の回転に伴って現像位置に至り、イエロー現像のための現像装置144によってイエロートナーで現像される。これにより、感光体111上にイエロートナー像が形成される。このとき、現像ユニットは、現像装置144が、前記現像位置にて感光体111と対向している。
感光体111上に形成されたイエロートナー像は、感光体111の回転に伴って一次転写位置(すなわち、感光体111と一次転写ローラ152との対向部)に至り、一次転写ローラ152によって、中間転写ベルト151に転写(一次転写)される。このとき、一次転写ローラ152には、トナーの帯電極性とは逆の極性の一次転写電圧(一次転写バイアス)が印加される。なお、この間、二次転写ローラ155は、中間転写ベルト151から離間している。
前述の処理と同様の処理が、第2色目、第3色目および第4色目について繰り返して実行されることにより、各画像信号に対応した各色のトナー像が、中間転写ベルト151に重なり合って転写される。これにより、中間転写ベルト151上にはフルカラートナー像が形成される。
一方、記録媒体Pは、給紙トレイ117から、給紙ローラ171、レジローラ172によって二次転写位置(すなわち、二次転写ローラと駆動ローラとの対向部)へ搬送される。
中間転写ベルト151上に形成されたフルカラートナー像は、中間転写ベルト151の回転に伴って二次転写位置に至り、二次転写ローラ155によって記録媒体Pに転写(二次転写)される。このとき、二次転写ローラ155は中間転写ベルト151に押圧されるとともに二次転写電圧(二次転写バイアス)が印加される。
記録媒体Pに転写されたフルカラートナー像は、定着装置118によって加熱および加圧されて記録媒体Pに融着される。その後、片面プリントの場合には、記録媒体Pは、排紙ローラ対173によって画像形成装置110の外部へ排出される。
一方、感光体11は一次転写位置を経過した後に、クリーニングユニット116のクリーニングブレード161によって、その表面に付着しているトナーが掻き落とされ、次の潜像を形成するための帯電に備える。掻き落とされたトナーは、クリーニングユニット116内の残存トナー回収部に回収される。
両面プリントの場合には、定着装置118によって一方の面に定着処理された記録媒体Pを一旦排紙ローラ対173により挟持した後に、排紙ローラ対173を反転駆動するとともに、搬送ローラ対174、176を駆動して、当該記録媒体Pを搬送路175を通じて表裏反転して二次転写位置へ帰還させ、前述と同様の動作により、記録媒体Pの他方の面に画像を形成する。
次に、イメージングディスプレイ(表示装置)に本発明を適用した例を説明する。
図12は、本発明の画像形成装置(イメージングディスプレイ)の一例を示す概略図である。
図12に示す画像形成装置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(光反射部251)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251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の駆動(第2の質量部25の回動中心軸Xまわりの回動)により、光反射部251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まわりの回転により、光反射部251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。
前述したような第1、2実施形態の光学デバイスは、2自由度振動系を有するねじり振動子を用いた光学デバイスであるため、マイクロマシン技術を用いて製造することができ、小型化を図ることができる。特に、2自由度振動系を有するねじり振動子は、駆動電圧を低減しつつ、大きな振幅で可動部(第2の質量部23)を駆動することができる。
なお、本発明は2自由度振動系以外の振動系の光学デバイスにも適用することができる。例えば、前述した第1、2実施形態において、第1の質量部および第1の弾性連結部を省略し、第2の弾性連結部により第2の質量部と支持部とを連結したような形態としてもよい。すなわち、本発明は、1自由度振動系を有するねじり振動子を用いた光学デバイスにも適用することができる。このようなねじり振動子を用いた光学デバイスにあっても、マイクロマシン技術を用いて製造することができるので、小型化を図ることができる。
以上、本発明の光学デバイス、光スキャナ、および画像形成装置について、図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
また、例えば、本発明の光学デバイスは、第1実施形態の任意の構成と第2実施形態のの任意の構成とを組み合わせるようにしてもよい。
また、本発明の光学デバイスでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、静電駆動により第1の質量部21、22を回動させ、これに伴い、第2の質量部23を回動させるもの、すなわち、可動部を駆動する駆動手段として静電駆動を用いたものを説明したが、駆動手段としては、これに限定されず、圧電駆動など他の駆動方式のものを採用することもできる。また、静電駆動を用いた駆動手段としては、前述したような平行平板型以外にも、櫛歯状電極を用いたものなど他の形態であってもよい。
また、可動部(第2の質量部)を冷却する冷却手段としては、可動部を冷却または放熱することができるものであれば、前述した実施形態のものに限定されない。
本発明の光学デバイスの第1実施形態を示す平面図である。 図1中のA−A線断面図である。 図1に示す光学デバイスの電極の配置を示す平面図である。 図1に示す光学デバイスの駆動電圧の一例を示す図である。 駆動電圧(交流電圧)の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の振幅との関係を示すグラフである。 図1に示す光学デバイスの製造方法を説明するための図である。 図1に示すの光学デバイスの製造方法を説明するための図である。 本発明の光学デバイスの第2実施形態を示す平面図である。 図8中のA−A線断面図である。 本発明の光スキャナを備える画像形成装置(プリンタ)の一例を示す模式的断面図である。 図10の画像形成装置に備えられた露光ユニットの概略構成を示す図である。 本発明の光スキャナを備える画像形成装置(イメージングディスプレイ)の一例を示す模式的断面図である。
符号の説明
1、1A……光学デバイス 2……基体 21、22……第1の質量部 211、221……端部 23……第2の質量部 231、251……光反射部 232……端部 24……支持部 25……第1の弾性連結部 26……第2の弾性連結部 27……回転中心軸 28……空間 3……対向基板 31……開口部 32……電極 4……接合層 5……シリコン基板 51……凹部 6……金属マスク 7……レジストマスク 9……シリコン基板 10……冷却手段 11、11A……高熱伝導膜 12、12A……ヒートシンク 12A1……フィン 13……低熱伝導膜 110、119……画像形成装置 111……感光体 112……帯電ユニット 113……露光ユニット 114……現像ユニット 115……転写ユニット 116……クリーニングユニット 117……給紙トレイ 118……定着装置 131……レーザー光源 132……コリメータレンズ 133……fθレンズ 141〜144……現像装置 145……保持体 146……軸 151……中間転写ベルト 152……一次転写ローラ 153……従動ローラ 154……駆動ローラ 155……二次転写ローラ 161……クリーニングブレード 171……給紙ローラ 172……レジローラ 173……排紙ローラ対 174、176……搬送ローラ対 175……搬送路 191〜193……光源 194……クロスダイクロイックプリズム 195……ガルバノミラー 196……固定ミラー 197……スクリーン L、L、L……距離

Claims (9)

  1. 光反射部を有し、回動可能に設けられた可動部と、
    前記可動部を支持するための支持部と、
    前記支持部に対し前記可動部を回動可能とするように前記可動部と前記支持部とを連結する弾性連結部と、
    前記可動部を駆動する駆動手段とを有し、
    前記駆動手段が前記弾性連結部を捩れ変形させながら前記可動部を回動させることにより、前記光反射部で反射した光を対象物に走査する光学デバイスであって、
    前記可動部を冷却する冷却手段を有し、
    前記冷却手段は、前記可動部の本体上と前記支持部上とこれらの間とに連続して設けられ、前記光反射部を兼ねるとともに、前記可動部の本体を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成された高熱伝導膜と、前記支持部上にて前記高熱伝導膜に接続され、前記高熱伝導膜に伝達された熱を放熱するヒートシンクとを有することを特徴とする光学デバイス。
  2. 光反射部を有し、回動可能に設けられた可動部と、
    前記可動部を支持するための支持部と、
    前記可動部を駆動するための駆動部と、
    前記支持部に対し前記駆動部を回動可能とするように前記支持部と前記駆動部とを連結する第1の弾性連結部と、
    前記駆動部に対し前記可動部を回動可能とするように前記駆動部と前記可動部とを連結する第2の弾性連結部と、
    前記可動部を駆動する駆動手段とを有し、
    前記駆動手段が、前記第1の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記駆動部を回動させ、これに伴い、前記第2の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記可動部を回動させることにより、前記光反射部で反射した光を対象物に走査する光学デバイスであって、
    前記可動部を冷却する冷却手段を有し、
    前記冷却手段は、前記可動部の本体上と前記支持部上または前記駆動部上とこれらの間とに連続して設けられ、前記光反射部を兼ねるとともに、前記可動部の本体を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成された高熱伝導膜と、前記支持部上または前記駆動部上にて前記高熱伝導膜に接続され、前記高熱伝導膜に伝達された熱を放熱するヒートシンクとを有することを特徴とする光学デバイス。
  3. 前記可動部の本体と前記高熱伝導膜との間に、前記高熱伝導膜の構成材料よりも熱伝導率の低い低熱伝導膜が介在している請求項またはに記載の光学デバイス。
  4. 前記可動部は、板状をなしており、前記高熱伝導膜は、前記可動部の少なくとも一方の面のほぼ全域を覆うように設けられている請求項1ないしのいずれかに記載の光学デバイス。
  5. 前記ヒートシンクは、前記可動部と一体的に形成された部分の上に設けられている請求項1ないしのいずれかに記載の光学デバイス。
  6. 前記ヒートシンクは、前記駆動部上に設けられており、前記ヒートシンクには、前記駆動部の回動軸線に対し直角な方向に延びるフィンが前記回動軸線方向に間隔を隔てて設けられている請求項に記載の光学デバイス。
  7. 前記ヒートシンクは、前記駆動部の回動軸線に対し直角な方向において端部側の高さが中央部側の高さよりも低い請求項に記載の光学デバイス。
  8. 請求項1ないし7のいず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。
  9. 請求項8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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