JP5045463B2 - 光学反射素子 - Google Patents

Description

本発明は、レーザースキャンユニットなどに用いられる光学反射素子に関するものである。

従来、レーザープリンタなどに用いられるレーザーから発せられた光線を掃引するレーザースキャンユニットとしては、多角形状の回転体の側面にミラーを設けたポリゴンミラーが用いられ、このポリゴンミラーを回転させることにより感光体ドラムの走査面上にレーザー光線を掃引させていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２８１９０８号公報

このようなカラーレーザープリンタの普及やプリンタの小型化に伴い、レーザースキャンユニットに用いる光学反射素子の小型化が命題となっている。しかしながら、ポリゴンミラーを用いたレーザースキャンユニットにおいては、ポリゴンミラーを小型化することに加え、このポリゴンミラーを駆動させる駆動装置が別途必要となるためその小型化が非常に困難なものとなっていた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、レーザースキャンユニットを小型化することができる光学反射素子の実現を目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、光学反射素子を、支持体と、この支持体に一端が支持された第一の支持部と、この第一の支持部の他端に支持された第一のアームと第二のアームを有する音叉振動子と、この音叉振動子の振動中心に一端が支持された第二の支持部と、この第二の支持部の他端に支持されたミラー部からなる構成としたのである。

このような構成とすることで、撓み振動と捩れ振動を組み合わせることによって、光線を掃引させる為の小型の光学反射素子を実現することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子の構成について図面を用いて説明する。

図１は本実施の形態１における光学反射素子の動作原理を説明するための概念図、図２は反射光学素子の平面図、図３は図２のＡＡ部における断面図を示している。

図１〜図３において、光学反射素子は、第一の支持部２、第一のアーム３、第二のアーム４、連結部５からなる音叉振動子６を有し、前記第一の支持部２の一端を支持体１に固定し、前記音叉振動子６の振動中心９に第二の支持部１１の一端を固定し、第二の支持部１１の他端にレーザー光線などの光を反射するためのミラー部１２を有した構成を基本としている。そして、光学反射素子を構成する基板材料としては、金属、ガラスまたはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する弾性部材を基材２０として構成することが生産性の観点から好ましく、この弾性部材としては、金属、水晶、ガラス、石英またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。また、金属をシリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金とすることによって、振動特性、加工性に優れた光学反射素子を実現することができる。

そして、シリコンなどの基材２０で構成された前記第一のアーム２および第二のアーム３の少なくとも一面には、撓み振動を起こすための圧電アクチュエータ１０を形成している。この圧電アクチュエータ１０は第一の電極層２１、圧電体層２２および第二の電極層２３の積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータとすることが好ましい。これによって、薄型の音叉振動子６に設計することができる。また、音叉振動子６の厚みを第一のアーム３および第二のアーム４の幅寸法よりも小さくすることによって、小型の光学反射素子を実現することができる。

また、これらの第一の電極層２１、圧電体層２２および第二の電極層２３は音叉振動子６を形成する基材２０の上に順次スパッタリング技術などの薄膜プロセスにより形成することができる。従って、圧電アクチュエータ１０を音叉振動子６の同一面に形成することが生産性の観点から好ましい。

そして、前記圧電体層２２に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が好ましい。

また、音叉振動子６の共振周波数と、ミラー部１２と第二の支持部１１で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように振動設計することによって効率良くミラー部１２を反復回転振動させる光学反射素子を実現することができる。

さらに、第一のアーム３、第二のアーム４および連結部５の幅を等幅とすることによって不要な振動モードを抑制した光学反射素子とすることができるとともに、音叉振動子６をコの字状とすることによっても同様の効果を有する光学反射素子とすることができる。これらを組み合わせることによってよりその効果を発揮することができる。

また、第一の支持部２、音叉振動子６、第二の支持部１１およびミラー部１２の基材２０を同一材料とすることによって安定した振動特性と生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。

また、第一の支持部２および第二の支持部１１の断面形状は円状とすることが好ましい。これによって、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。

また、ミラー部１２は基材２０の表面を鏡面研磨することによって形成することも可能であり、さらに好ましくは光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜のミラー膜として形成することも可能である。これらの金属薄膜からなるミラー膜の形成は、圧電アクチュエータ１０を作製する工程において、前記と同様にスパッタリング技術により形成することができる。

このような構成からなる光学反射素子は、シリコンウエハーなどの基材２０の上に薄膜プロセス、フォトリソ技術などの半導体プロセスを応用することによって高精度に、一括して作製することが可能であることから、光学反射素子の小型化、高精度化および生産効率に優れた光学反射素子を実現することができる。

また、第二の支持部１１とミラー部１２とからなる捩れ振動子の捩れ振動を利用することによって、小型のデバイス構造でありながら、ミラー部１２の振れ角を大きくすることが可能となる光学反射素子を実現することができる。

さらに、振動の駆動部である音叉振動子６を構成する第一のアーム３と第二のアーム４の撓み振動と第二の支持部１１とミラー部１２とで形成される捩れ振動子の構成を有していることから設計の自由度が高まり、それぞれの寸法形状を工夫することによってミラー部１２の駆動周波数、振れ角などを広範囲に設計対応することができる光学反射素子を実現することができる。

また、前記第一のアーム３と第二のアーム４に形成した圧電アクチュエータ１０のそれぞれの第一の電極層２１と第二の電極層２３の引き出し電極は個別に引き出し線（図示せず）を形成しながら接続端子２５へ接続している。これによって正負反対の電気信号をそれぞれの圧電アクチュエータ１０に印加することができる。

次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。

図２〜図３に示すように、圧電アクチュエータ１０を構成する第一の電極層２１と第二の電極層２３との間に交流の駆動電圧を印加することにより圧電体層２２の面方向に伸び・縮みが発生し、この圧電アクチュエータ１０の変形により、第一のアーム３および第二のアーム４の位相が１８０度異なる方向（矢印方向７、８）に撓み振動を起こす。このとき、第一のアーム３と第二のアーム４に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ１０に印加する駆動信号の正負を反対に印加することによって、第一のアーム３と第二のアーム４とは反対方向に撓み振動をすることになる。

そして、この第一のアーム３と第二のアーム４の振動エネルギーは音叉振動子６の連結部５へと伝搬される。これによって、音叉振動子６は音叉振動子６の振動中心９を振動軸として所定の周波数にて反復回転振動（捩れ振動）をする。

次に、この反復回転振動の振動エネルギーが連結部５に接合された第二の支持部１１に振動エネルギーが伝達され、回転軸１４を中心として、第二の支持部１１とミラー部１２とで構成される捩れ振動子として捩れ振動を起こすようになる。これによって、ミラー部１２に回転軸１４を軸中心として反復回転振動を起こす。このとき、音叉振動子６の反復回転振動の方向と、第二の支持部１１およびミラー部１２で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が１８０度異なる反対方向に振動することとなる。

このような振動モードを有する振動子を構成し、ミラー部１２にレーザー光源またはＬＥＤ光源などから発生させた光線を入力することによって、ミラー部１２の振れ角度を大きくできる小型の光学反射素子を実現することができる。これらの振動部の振動設計をすることによって、大きく出力光の反射角度を変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる光学反射素子を実現することができる。

このように、振動源を高Ｑ値を有する音叉振動子６とし、この安定した振動エネルギーを第二の支持部１１とミラー部１２からなる捩れ振動子への捩れ振動を発生させる励振エネルギーとして供給することによって、安定した反復回転振動をミラー部１２に発生させることができる。

なお、音叉振動子６の反復回転振動をさせるために、第一のアーム３と第二のアーム４の一面に圧電アクチュエータ１０を形成した場合の光学反射素子を例として説明してきたが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ１０を形成することによって、前記と同様の光学反射素子の動作を実現することが可能である。これは音叉の振動特性を利用したものであり、どちらか一方のアームが励振させると連結部５を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播することによって振動させることが可能となる性質を応用したものである。

以上のような構成からなる光学反射素子の応用としては、レーザービームプリンタが一例としてあげられる。このレーザービームプリンタなどに用いられる感光ユニットは、光源となるレーザーと、このレーザーから発せられたレーザー光線が照射される感光ドラムと、レーザー光線を反射させるとともにその反射方向を可変させることで、レーザー光線を感光ドラムの走査面上を掃引させる光学反射素子から構成されており、この感光ユニットに用いられる光学反射素子は図１〜図３に示した構成の光学反射素子を用いることによって小型のレーザービームプリンタを実現することができる。

次に、本実施の形態１における光学反射素子の製造方法について説明する。

まず始めに、厚みが０．３ｍｍからなるシリコン基板２０を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる第一の電極層２１を形成している。このとき、シリコン基板２０の厚みは厚くても良い。それによって、ウエハ形状の大きなシリコン基板２０を用いることができるとともに、反りなどが少ないことから、より高精度な光学反射素子を効率よく作製することができる。

その後、この第一の電極層２１の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体層２２を形成する。このとき、圧電体層２２と第一の電極層２１との間に配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、ＰＬＭＴからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体層２２の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ１０を実現することができる。

次に、この圧電体層２２の上にチタン／金よりなる第二の電極層２３を形成している。

このとき、金電極の下層のチタンはＰＺＴ薄膜などの圧電体層２２との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。

これによって、圧電体層２２との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから密着強度を高めた圧電アクチュエータ１０を形成することができる。そして、このときの白金電極の厚みは０．２μｍ、ＰＺＴ薄膜は３．５μｍ、およびチタン電極は０．０１μｍとし、金電極は０．３μｍで形成している。

次に、フォトリソ技術を用いてエッチングすることによってパターン形成された第一の電極層２１、圧電体層２２および第二の電極層２３を形成している。このとき、第二の電極層２３のエッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。

また、第一の電極層２１、圧電体層２２に用いるエッチング方法としてはドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ₆ガスなどを用いることができる。圧電体薄膜層を弗酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液からなるエッチング液を用いてウエットエッチングを行うことによってパターン化された圧電体層２２を形成する。その後、さらに、ドライエッチングによって下層の電極薄膜層をエッチングすることによってパターン化された第一の電極層２１を形成することによって、図２に示したような圧電アクチュエータ１０を形成することができる。

次に、ＸｅＦ₂ガスを用いてシリコン基板２０を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコンを除去し、図２に示したような形状を有した光学反射素子を形成することができる。

なお、シリコン基板などをドライエッチングによって異方性を活用して高精度にエッチングする場合には、エッチングを促進するＳＦ₆ガスとエッチングを抑制するＣ₄Ｆ₈ガスなどを用いて、より直線的にエッチングをすることが好ましい。そして、エッチングの際には、前記ガスを用いた混合ガスを用いること、あるいは交互に前記ガスを切り替えてドライエッチングを行うエッチング方法が可能であり、これらの方法を寸法形状、加工精度に合わせて適宜選択してエッチング加工することが可能である。

以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。

以上のような製造プロセスによって第一および第二のアーム３，４の長さ；１．０ｍｍ、幅；０．３ｍｍとし、第一の支持部２の長さ；０．２ｍｍ、幅；０．１ｍｍ、第二の支持部１１の長さ；０．４ｍｍ、幅；０．１ｍｍ、ミラー部１２；１．０×１．０ｍｍとしたとき、駆動周波数；２２ｋＨｚ、ミラー部１２の振れ角；±１０度の特性を有した光学反射素子を作製することができた。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における光学反射素子の構成について図面を用いて説明する。

図４は本実施の形態２における光学反射素子の平面図、図５は別の例の光学反射素子の平面図を示している。

本実施の形態２における光学反射素子の基本的な構成は実施の形態１の構成とほぼ同様であり、その詳細な説明は省略し、本実施の形態２における光学反射素子が実施の形態１と大きく異なっている構成について図面を用いて説明する。

図４において、第一のアーム３と第二のアーム４の中間部と第二の支持部１１との間に第三の支持部３０を設けたことを特徴としている。これによって、音叉振動子６の反復回転振動のエネルギーを効率よく第二の支持部１１へ伝達することが可能となり、さらに小型の光学反射素子を実現することができる。図４において、第三の支持部３０を、第二の支持部１１に発生する第二の支持部１１とミラー部１２から構成された捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けたことを特徴としている。この定在波は１／２、１／３、１／４と示されるように整数分の一で現れてくるものであり、この所定の定在波の振動節部に第三の支持部３０を設けることが好ましい。また、第三の支持部３０は第二の支持部１１中間部と連結部５との間に配置することが好ましい。

また、図５は別の例の光学反射素子の構成を示しており、第三の支持部３０は第二の支持部１１の約１／４の距離に配置した光学反射素子の構成を示している。このように第三の支持部３０は音叉振動子６の振動中心９に近い位置に配置することが好ましい。これによって、第一のアーム３と第二のアーム４の撓み振動の減衰を抑制しながら効率よくミラー部１２を反復回転振動させることができる。

以上説明してきたように、第三の支持部３０を、第二の支持部１１に発生する捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けた光学反射素子とすることによって、より小型で振れ角度の大きな光学反射素子を実現することができる。

本発明は、光学反射素子に関して小型化できるという効果を有し、特に電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、光学スキャナ用途に有用である。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の動作状態を示す模式図 同光学反射素子の平面図 同図２のＡＡ部における断面図 本発明の実施の形態２における光学反射素子の平面図 同別の例の光学反射素子の平面図

符号の説明

１ 支持体
２ 第一の支持部
３ 第一のアーム
４ 第二のアーム
５ 連結部
６ 音叉振動子
７ 矢印
８ 矢印
９ 振動中心
１０ 圧電アクチュエータ
１１ 第二の支持部
１２ ミラー部
１３ 矢印
１４ 回転軸
２０ 基材
２１ 第一の電極層
２２ 圧電体層
２３ 第二の電極層
２５ 接続端子
３０ 第三の支持部

Claims (15)

1. 支持体と、この支持体に一端が支持された第一の支持部と、この第一の支持部の他端に支持された第一のアームと第二のアームを有し回転軸を中心として捩れ振動する音叉振動子と、この音叉振動子の振動中心に一端が支持された第二の支持部と、この第二の支持部の他端に支持されたミラー部とを備え、前記第二の支持部及び前記ミラー部は回転軸を軸中心として反復回転振動する光学反射素子。
2. 第一のアームと第二のアームの位相が１８０度異なる方向に撓み振動し、音叉振動子が回転軸を中心として捩れ振動するように音叉振動子を振動させる請求項１に記載の光学反射素子。
3. 音叉振動子の共振周波数と、ミラー部と第二の支持部で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数とした請求項１に記載の光学反射素子。
4. 光学反射素子の基材を弾性部材とした請求項１に記載の光学反射素子。
5. 弾性部材を金属、水晶、ガラス、石英、セラミックとした請求項４に記載の光学反射素子。
6. 金属をシリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金とした請求項５に記載の光学反射素子。
7. 音叉振動子の厚みを第一のアームおよび第二のアームの幅よりも小さくした請求項１に記載の光学反射素子。
8. 音叉振動子を構成する第一のアーム、第二のアームおよび第一のアームと第二のアームを連結する連結部の幅を等幅とした請求項１に記載の光学反射素子。
9. 音叉振動子をコの字状とした請求項１に記載の光学反射素子。
10. 第一の支持部、音叉振動子、第二の支持部およびミラー部の基材を同一材料とした請求項１に記載の光学反射素子。
11. 第一のアーム、および／または第二のアームの少なくとも一面に圧電アクチュエータを設けた請求項１に記載の光学反射素子。
12. 圧電アクチュエータを第一の電極層、圧電体層および第二の電極層からなる積層圧電薄膜とした請求項１１に記載の光学反射素子。
13. 音叉振動子の同一面に圧電アクチュエータを設けた請求項１１に記載の光学反射素子。
14. 第一のアームおよび第二のアームと、第二の支持部との間に第三の支持部を設けた請求項１に記載の光学反射素子。
15. 第三の支持部を、捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けた請求項１４に記載の光学反射素子。

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