JP5084385B2 - Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same - Google Patents
Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP5084385B2 JP5084385B2 JP2007189445A JP2007189445A JP5084385B2 JP 5084385 B2 JP5084385 B2 JP 5084385B2 JP 2007189445 A JP2007189445 A JP 2007189445A JP 2007189445 A JP2007189445 A JP 2007189445A JP 5084385 B2 JP5084385 B2 JP 5084385B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- torsion spring
- torsion
- optical deflector
- error
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
本発明は、ねじり振動可能に部材を弾性支持するねじりバネ、これを利用した光偏向器、それを用いた画像形成装置などの光学機器に関する。この光偏向器は、例えば、光の偏向走査によって画像を投影するプロジェクションディスプレイや、電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ、デジタル複写機等の画像形成装置に好適に利用されるものである。 The present invention relates to a torsion spring that elastically supports a member so as to allow torsional vibration, an optical deflector using the torsion spring, and an optical apparatus such as an image forming apparatus using the torsion spring. This optical deflector is suitably used for an image forming apparatus such as a projection display for projecting an image by light deflection scanning, a laser beam printer having an electrophotographic process, a digital copying machine, and the like.
従来から、半導体プロセスによってウエハから製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。特に、このような技術によって形成される揺動体装置により反射面をねじり振動し光走査を行う光偏向器は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、次の様な特徴がある。すなわち、光偏向器を小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、等の特徴がある。特に、揺動体装置のねじり振動の固有振動モードの周波数付近で駆動することにより、低消費電力とできる。 Conventionally, a micro mechanical member manufactured from a wafer by a semiconductor process can be processed on the micrometer order, and various micro functional elements have been realized using these. In particular, an optical deflector that torsionally vibrates a reflecting surface by an oscillator device formed by such a technique and performs optical scanning is compared with an optical scanning optical system that uses a rotating polygon mirror such as a polygon mirror as follows. There is a special feature. That is, the optical deflector can be miniaturized and has low power consumption. In particular, by driving near the frequency of the natural vibration mode of the torsional vibration of the oscillator device, low power consumption can be achieved.
特許文献1には、Siウエハを異方性エッチングすることで断面がX字形状のねじりバネを形成する技術、及び断面がX字形状のねじりバネを有する光偏向器を画像形成装置等に適用する技術が開示されている。
しかしながら、半導体プロセスによってウエハからねじりバネを製造する場合、ウエハの厚みにばらつきがあると、そのばらつきに起因してねじりバネのバネ定数もばらつくという課題があった。 However, when manufacturing a torsion spring from a wafer by a semiconductor process, there is a problem that if the thickness of the wafer varies, the spring constant of the torsion spring varies due to the variation.
よって本発明の目的は、ウエハの厚みにばらつきがある場合でも、ねじりバネのバネ定数のばらつきを抑えることができるねじりバネを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a torsion spring that can suppress variation in the spring constant of the torsion spring even when the thickness of the wafer varies.
上記課題に鑑み本発明に係るねじりバネは、ねじり軸に垂直な断面がX字形状であり、ねじりバネは単結晶シリコンウエハで形成され、前記X字形状の上面及び下面は(100)等価面で構成され、該上面及び下面に形成された凹部のそれぞれの底を互いに結ぶ距離L1と、前記X字形状の側面に形成された凹部のそれぞれの底を互いに結ぶ距離L2とは、1.8<L1/L2<2.2の関係を満たすことを特徴とする。 In view of the above problems, the torsion spring according to the present invention has an X-shaped cross section perpendicular to the torsion axis, the torsion spring is formed of a single crystal silicon wafer, and the X-shaped upper surface and lower surface are (100) equivalent surfaces. in the configuration, the distance L1 connecting the respective bottom of the recess formed on the upper surface and the lower surface to each other, and the X-shaped respective bottom and connecting to each other a distance side of the formed recesses in the shape of L2 is 1.8 <L1 / L2 <2.2 is satisfied .
本発明のねじりバネは、ねじり軸に垂直な断面形状を上記のような好適なX字形状とすることで、ウエハ厚みばらつきに対するねじりバネ定数のばらつきを抑えることが可能となる。 In the torsion spring of the present invention, the cross-sectional shape perpendicular to the torsion axis is set to the preferred X shape as described above, so that it is possible to suppress variation in the torsion spring constant with respect to wafer thickness variation.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)及び(b)は本実施形態のねじりバネの構成を示す上面図である。図1(b)は、図1(a)のねじりバネ1に支持基板2と可動部6が接続されている図である。
FIGS. 1A and 1B are top views showing the configuration of the torsion spring of this embodiment. FIG. 1B is a diagram in which the
図1(b)のねじりバネ1は、支持基板2と可動部6と連結した構造となっている。ねじりバネ1は可動部6をB軸(つまり、ねじり軸)を中心に弾性的に、E方向にねじり振動可能に支持する。またねじりバネ1には、図1(b)に示すように、凹部5Aが形成されている。そして、ここでは図示の距離Lsをねじりバネ1の長さとする。
The torsion spring 1 in FIG. 1B has a structure in which a
本実施形態のねじりバネは、一体の単結晶シリコン材料で構成されている。ここでいう一体の単結晶シリコン材料とは、ウエハの内部に貼り合わせ界面を持たない単結晶シリコン材料(ウエハ)を意味する。 The torsion spring of this embodiment is made of an integral single crystal silicon material. The term “integral single crystal silicon material” as used herein means a single crystal silicon material (wafer) that does not have a bonding interface inside the wafer.
図2は、図1中A−A´線でのねじり軸Bに垂直な平面におけるねじりバネ1の断面図を示している。図示のように、ねじりバネ1の断面は、ねじりバネの上下面及び両側面に形成された4つの凹部5A、5B、5C、5Dによって、X字形状となっている。上面10、下面11は単結晶シリコンの(100)等価面(即ち、{100}面)で構成されている。上面10、下面11には、それぞれねじり軸B方向へ延び、断面がV字状の凹部5A、凹部5Bが形成されている。また、凹部5A、5Bの最も深い個所(つまりX字状を形成するV字状の凹部の頂点)をそれぞれ凹部の底12A、12Bと定義する。図3は図2の領域Zを拡大した図を示している。凹部の底は、図示のように厳密には曲率半径を有していてもよい。この場合は、凹部の底とは、図示のとおり、凹部のV字状の側面を延長させた交点と定義する。図3のような曲率半径を有する形状は、ねじり変位による応力集中を緩和できるという利点がある。
FIG. 2 shows a sectional view of the
更に、凹部5A、5Bの開口部分と底12A、12Bの位置関係が90度回転した向きに、凹部5C、5D、凹部の底12C、12Dが形成される。すなわち、X字形状のねじりバネの側面に形成された凹部5C,5Dのそれぞれの底が12C、12Dである。以上のように4個の凹部5A、5B、5C、5Dによって、ねじりバネ1の断面は、X字形状となっている。ここで、凹部の底12A、12Bの距離L1とし、また凹部の底12C、12Dの距離L2とする。
Further, the
そして、凹部5A、5Bの開口部分の幅Wgは、ねじりバネ(支持基板)の厚さtに対して、以下のような寸法範囲で形成されている。
Wg<t/tan54.7° (式1)
式1の関係によって、凹部5A、5Bが貫通して1つの貫通孔にならず、X字状の形状とすることができる。ねじりバネに形成されたそれぞれの凹部の表面は単結晶シリコンの(111)等価面(即ち、{111}面)で構成されている。
And the width Wg of the opening part of
Wg <t / tan 54.7 ° (Formula 1)
According to the relationship of Formula 1, the
尚、図1では支持基板2とねじりバネ3との接続部分、及び可動部6とねじりバネ3との接続部分からねじりバネの凹部5A、5Bを形成している。しかし、これらの凹部を形成する位置はそれぞれの接続部分から若干ねじりバネの中央部側へずらしてもよい。この様に凹部を形成する位置をずらすことにより、それぞれの接続部分への応力の集中を防止することができる。
In FIG. 1, concave portions 5 </ b> A and 5 </ b> B of the torsion spring are formed from the connection portion between the
次に、図4を用いてねじりバネ1のX字形状の断面の製造方法を説明する。図4(a)〜(c)は、図2に示したねじりバネ1の断面が製造される様子を示している。まず、(a)のように、結晶方位が<100>方向である単結晶シリコンウエハ100の両面にエッチングマスク部101を形成する。例えば、シリコンウエハの上下面にシリコン窒化膜を成膜し、それをドライエッチングすることによって形成することができる。エッチングマスク部101の寸法Wgは、上述の式1の関係を満たし、寸法Wg、Wsを適切な値とすることで、厚みtのウエハに対して、L1/L2を所望の値とすることができる。
Next, the manufacturing method of the X-shaped cross section of the
続いて、シリコンの結晶異方性エッチングを行う。エッチング液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液を用いることができる。このエッチングは、エッチングレートが結晶方位に依存するので、エッチングが進行すると、(b)に示すように、凹部5A、5Bが形成される。更にエッチングが進むと、(c)のように、凹部5C、5Dが形成されエッチングを終了する。以上のように、単一のシリコンウエハ100から、1回のエッチング工程によって、(c)のような凹部5A、5B、5C、5Dを有するX字状のねじりバネ1を形成することができる。この製造方法によるねじりバネ1は、安価に製造可能であるという利点がある。
Subsequently, crystal anisotropic etching of silicon is performed. As an etching solution, for example, an aqueous potassium hydroxide solution can be used. In this etching, since the etching rate depends on the crystal orientation, when the etching proceeds, the
このとき、上面10、下面11の位置は、シリコンウエハの(100)等価面となり、X字形状の斜面が(111)等価面となる。(111)等価面によって断面形状を形成すると異方性エッチングによって正確に形状を形成できるという利点がある。
At this time, the positions of the
そして、貼り合わせ界面のない単一のシリコンウエハを用いることによって、ねじりバネがねじれる際の材料の内部摩擦を小さくすることができる。また、ねじりバネを形成する際に貼り合わせを用いないため、貼り合わせ界面での破損がおきにくい。 By using a single silicon wafer having no bonding interface, the internal friction of the material when the torsion spring is twisted can be reduced. Further, since bonding is not used when forming the torsion spring, damage at the bonding interface is difficult to occur.
さて、図4(a)のシリコンウエハ100の厚みtが誤差を持ち、ばらつきを生じる場合、寸法Wg、Wsは影響を受けない。しかし、完成される凹部の底12A、12B、12C、12Dの距離L1、L2が影響をうけ、X字形状の断面が、次のように変化する。すなわち、厚みtが想定値より大きくなれば、L1は大きく、L2は小さくなる。逆に厚みtが想定値より小さくなれば、L1は小さく、L2は大きくなる。これは、ねじりバネ1が単一ウエハのシリコン結晶面の(111)等価面を利用した形状であるため、厚さtの誤差に対して、凹部5A、5Bの深さは不変であるが、凹部5C、5Dの深さは変化するためである。
When the thickness t of the silicon wafer 100 in FIG. 4A has an error and varies, the dimensions Wg and Ws are not affected. However, the distances L1 and L2 of the
以下に、図5を用いて、このような特徴的な断面形状変化とバネ定数の変化の関係を示し、バネ定数の変化が低減するようなL1/L2について説明する。 The relationship between such characteristic cross-sectional shape change and spring constant change will be described below with reference to FIG. 5, and L1 / L2 that reduces the change in spring constant will be described.
前述のように、厚みtに応じて距離L1、L2のみが影響を受け、その増減の方向が互いに異なっている。そのため、本実施形態のねじりバネは、厚みtに対して特徴的な変化を示す。 As described above, only the distances L1 and L2 are affected according to the thickness t, and the directions of increase / decrease are different from each other. Therefore, the torsion spring of this embodiment shows a characteristic change with respect to the thickness t.
まず、厚みtに誤差が生じる場合、断面形状で決定されるねじり係数Jが、ねじりバネ1のねじりバネ定数Ksの主な誤差要因であることを以下に示す。
First, when an error occurs in the thickness t, it will be shown below that the torsion coefficient J determined by the cross-sectional shape is a main error factor of the torsion spring constant Ks of the
支持基板2に対して相対的に可動部6をねじるトルクT、ねじり角θとすると、それぞれは以下のような関係がある。
T=Ks・θ (式2)
更に、ねじりバネ定数Ksは、材料の横弾性係数G、ねじりバネの断面のねじり係数J、ねじりバネの長さLsを用いて、以下のように示すことができる。
Ks=J・G/Ls (式3)
この場合、ねじり係数Jは、ねじり状態の断面形状に応じて生じるせん断応力から決定される値であり、ねじりバネの断面形状に依存する値である。例えば、ねじりバネの断面積が円形の場合は、断面2次極モーメントとなるが、一般的な断面形状の場合は断面に渡って分布するせん断応力を積分したトルクとの関係から得ることができる。したがって、断面形状を決定すれば有限要素法などを用いた数値解析によって、ねじり係数Jを精度よく算出することができる。本実施形態の発明においては、各々のL1/L2を有するX字形状の断面を有する構造体のねじり係数を、数値解析によって算出している。
Assuming that the torque T and the torsion angle θ twist the
T = Ks · θ (Formula 2)
Further, the torsion spring constant Ks can be expressed as follows using the transverse elastic modulus G of the material, the torsion coefficient J of the torsion spring cross section, and the length Ls of the torsion spring.
Ks = J · G / Ls (Formula 3)
In this case, the torsion coefficient J is a value determined from the shear stress generated according to the cross-sectional shape in the torsion state, and is a value depending on the cross-sectional shape of the torsion spring. For example, when the cross-sectional area of the torsion spring is circular, the secondary pole moment is obtained, but in the case of a general cross-sectional shape, it can be obtained from the relationship with the torque obtained by integrating the shear stress distributed over the cross-section. . Therefore, once the cross-sectional shape is determined, the torsion coefficient J can be accurately calculated by numerical analysis using a finite element method or the like. In the invention of the present embodiment, the torsion coefficient of the structure having an X-shaped cross section having each L1 / L2 is calculated by numerical analysis.
式3に示すように、材料物性値であるGと長さLsは厚みtに依存しない値である。したがって、断面形状と寸法の関数であるJが厚みtのばらつきに対するKsの誤差要因であることがわかる。そして、厚みtによって、L1とL2のみが影響を受け、これによりJが変化する。
As shown in
そのため、L1/L2をパラメータとして、厚み誤差によるJの変化率ΔJ/Jには特徴的な相関関係が存在する。図5は、縦軸に厚み誤差Δt/tに対するねじり係数の変化率ΔJ/Jを、横軸にL1/L2をとったグラフである。つまり、図5の曲線は、L1/L2に対するねじり係数Jの関数を厚みtで偏微分したものであり、この曲線は数値解析により求めてプロットしたものである。 For this reason, there is a characteristic correlation with the rate of change ΔJ / J of J due to thickness error using L1 / L2 as a parameter. FIG. 5 is a graph in which the vertical axis represents the change rate ΔJ / J of the torsion coefficient with respect to the thickness error Δt / t, and the horizontal axis represents L1 / L2. That is, the curve in FIG. 5 is a partial differentiation of the function of the torsion coefficient J with respect to L1 / L2 by the thickness t, and this curve is obtained by numerical analysis and plotted.
厚み誤差(Δt/t)に対するねじり係数変化(ΔJ/J)は、どのような厚みt、Wg、Wsの値においてもL1/L2により図5の曲線のようになる。図5の曲線は、例えば次のような関数で近似することができる。
ΔJ/J=c1+c2・(L1/L2)^−6+c3・(L1/L2)^−5+c4・(L1/L2)^−4+c5・(L1/L2)^−3+c6・(L1/L2)^−2+c7・(L1/L2)^−1+c8・(L1/L2)^−1/2+c9・(L1/L2)^−1/3+c10・(L1/L2)^1/3+c11・(L1/L2)^1/2 (式4)
となる。ここで、
c1=3.3069×10^2
c2=3.675×10^−6
c3=−3.195×10^−4
c4=1.175×10^−2
c5=−2.469×10^−1
c6=3.660
c7=−7.610×10^1
c8=6.342×10^2
c9=−8.056×10^2
c10=−1.204×10^2
c11=3.458×10^1
である。
The torsion coefficient change (ΔJ / J) with respect to the thickness error (Δt / t) becomes a curve of FIG. 5 depending on L1 / L2 at any values of thickness t, Wg, and Ws. The curve in FIG. 5 can be approximated by the following function, for example.
ΔJ / J = c1 + c2 · (L1 / L2) ^ − 6 + c3 · (L1 / L2) ^ − 5 + c4 · (L1 / L2) ^ − 4 + c5 · (L1 / L2) ^ − 3 + c6 · (L1 / L2) ^ − 2 + c7 (L1 / L2) ^-1 + c8 (L1 / L2) ^-1/2 + c9 (L1 / L2) ^-1/3 + c10 * (L1 / L2) ^ 1/3 + c11 * (L1 / L2) ^ 1 / 2 (Formula 4)
It becomes. here,
c1 = 3.369 × 10 ^ 2
c2 = 3.675 × 10 ^ −6
c3 = −3.195 × 10 ^ −4
c4 = 1.175 × 10 ^ −2
c5 = −2.469 × 10 ^ −1
c6 = 3.660
c7 = −7.610 × 10 ^ 1
c8 = 6.342 × 10 ^ 2
c9 = −8.056 × 10 ^ 2
c10 = -1.204 × 10 ^ 2
c11 = 3.458 × 10 ^ 1
It is.
式4より、ΔJ/J=0となるL1/L2は、2.0である。L1/L2が2.0のとき、本実施形態のねじりバネ1は、厚みtの誤差によるねじり係数J(延いては、ねじりバネ1のねじりバネ定数Ks)の変化を最小とできる。この場合、L1の値がL2の値の2.0倍付近(略2倍)であれば同様の効果が得られる。特に本発明においては、1.8<L1/L2<2.2が本発明の効果が得られる好ましい範囲である。
From
(実施例1)
本発明のねじりバネの実施例を図6を用いて説明する。図6には、厚さ300μmのシリコンウエハを用いて、ねじりバネを形成した場合のねじりバネ定数誤差を百分率で示している。図では、厚さ300μmに対して±10μmの誤差が生じた場合を示している。曲線50で示したのが、本発明のねじりバネとなるL1/L2=2の場合、一方、曲線51は、L1/L2=1.4の場合である。
Example 1
An embodiment of the torsion spring of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the torsion spring constant error as a percentage when a torsion spring is formed using a silicon wafer having a thickness of 300 μm. In the figure, a case where an error of ± 10 μm occurs with respect to a thickness of 300 μm is shown. The
それぞれ、図4で説明した製造方法によってねじりバネを形成する。曲線50のねじりバネは、Wg=127μm、Ws=273μm、曲線51のねじりバネは、Wg=140μm、Ws=283μmの寸法を有している。
Each torsion spring is formed by the manufacturing method described in FIG. The torsion spring of
図6に示すように、曲線51のねじりバネの誤差が2.5%生じているのに対して、曲線50のL1/L2=2では、0.4%と低減することが可能である。また、曲線51がねじりバネ定数が増加と減少の両方に誤差が生じているのに対して、曲線50では、ねじりバネ定数は減少する方向の誤差しか生じない。したがって、L1/L2=2では、厚み誤差に対してねじりバネ定数誤差が小さく、誤差の方向を一方向とすることができる。ねじりバネ定数誤差が、本実施例のように一方向とできることにより、ねじりバネ定数の上限や下限を決定できるという利点がある。
As shown in FIG. 6, the error of the torsion spring of the
(実施例2)
図7(a)〜(c)は、本発明の光偏向器の実施例を示す図である。図7(a)は、光偏向器を構成するねじりバネの上面図、(b)は、光偏向器の上面図、(c)はC−C´線での断面図を示している。なお、図7では、図1と同一部分は同一符号を付している。図7(a)に示すように、本実施例の光偏向器を構成するねじりバネは、1つの可動部6に対して、2本で1対のねじりバネ1と支持基板2で構成される。ねじりバネ1は、ねじり軸Bを中心にねじり振動可能に可動部6を支持している。また、一対のねじりバネ1は図2に示すようなX字形状の断面を有している。そして、ねじりバネ1は図4に示す製造工程で製造される。
(Example 2)
7A to 7C are diagrams showing an embodiment of the optical deflector of the present invention. 7A is a top view of a torsion spring constituting the optical deflector, FIG. 7B is a top view of the optical deflector, and FIG. 7C is a cross-sectional view taken along the line CC ′. In FIG. 7, the same parts as those in FIG. As shown in FIG. 7A, the torsion springs constituting the optical deflector of the present embodiment are composed of a pair of torsion springs 1 and a
図7(b)、(c)に示すように、可動部6に反射面4を有するミラー部8が接着されている。ミラー部8は例えば、シリコンで形成され、可動部6と接着剤で接着されている。また、ミラー部8が形成される面の反対側には、(c)のように永久磁石7が接着されている。永久磁石7は図の方向に磁極を有している。
As shown in FIGS. 7B and 7C, the
永久磁石7は、図示しないコイルに交流を通電することにより発生する交播磁界を受けて、トルクを発生する。交流の周波数を、光偏向器のねじり振動モードの共振周波数付近とすることにより、少ない電力で大きな走査を実現することができる。 The permanent magnet 7 receives a crossing magnetic field generated by energizing a coil (not shown) and generates torque. By setting the AC frequency near the resonance frequency of the torsional vibration mode of the optical deflector, large scanning can be realized with a small amount of power.
ミラー部8は、ねじり軸B方向の長さが1mm、それと垂直な長さ(ミラー部の幅)は4mmの寸法を有している。また、ねじり振動モードの共振周波数は2kHzである。
The
本実施例の光偏向器は、共振周波数に大きく影響するねじりバネのバネ定数が、厚み誤差に対して一定とできるため、光偏向器の製造誤差による駆動周波数変動を小さくすることができる。 In the optical deflector of the present embodiment, the spring constant of the torsion spring that greatly affects the resonance frequency can be made constant with respect to the thickness error, so that the drive frequency fluctuation due to the manufacturing error of the optical deflector can be reduced.
シリコンのねじりバネを用いて、ねじり共振系を構成する場合、多くの形状を取りうるが、本実施例のように、マイクロからミリオーダの微小素子の場合、その振動のQ値は、500より大きい場合が多い。また、省電力で大きな変位を生じさせるため、Q値は大きい方が、振幅が増幅される率が大きくなるため望ましい。その際、用途で定められた駆動周波数と光偏向器の共振周波数をなるべく一致させるため、バネ定数の誤差は、小さいほうが好ましい。特に、シリコンウエハは、厚さ300μmに対して、±10μmの寸法公差を有している。これ以上の高精度のウエハを製造で用いる場合、ウエハ製造に特別な工程が必要となる。したがって、この厚み誤差に対して、厚み誤差(Δt/t)に対するねじり係数変化(ΔJ/J)が10分の1となると、バネ定数誤差を±0.3%程度に抑えることができる。これは周波数誤差にして、±0.15%程度しか周波数が変動しないことを示している。 When a torsional resonance system is configured by using a silicon torsion spring, many shapes can be taken. However, in the case of a microelement of micro to milliorder as in this embodiment, the Q value of the vibration is larger than 500. There are many cases. Further, in order to cause a large displacement with power saving, it is desirable that the Q value is large because the rate at which the amplitude is amplified becomes large. At that time, it is preferable that the error of the spring constant is as small as possible in order to make the drive frequency determined by the application coincide with the resonance frequency of the optical deflector as much as possible. In particular, a silicon wafer has a dimensional tolerance of ± 10 μm with respect to a thickness of 300 μm. When a wafer with higher precision than this is used in production, a special process is required for wafer production. Therefore, if the change in torsional coefficient (ΔJ / J) with respect to the thickness error (Δt / t) becomes 1/10 of this thickness error, the spring constant error can be suppressed to about ± 0.3%. This indicates that the frequency fluctuates by about ± 0.15% as a frequency error.
このように、厚み誤差(Δt/t)に対するねじり係数変化(ΔJ/J)が厚さ寸法誤差の10分の1以内になることによって、バネ定数の誤差のオーダを下げることができる。このとき、L1/L2は1.8から2.2の範囲である。 As described above, when the torsion coefficient change (ΔJ / J) with respect to the thickness error (Δt / t) is within one tenth of the thickness dimension error, the order of the error of the spring constant can be reduced. At this time, L1 / L2 is in the range of 1.8 to 2.2.
特に、200μm±10μmのウエハに対しても、バネ定数誤差が全体で1%以下にできる。したがって、共振の周波数特性のQ値が300より大きな振動子について、共振ピーク付近である半値幅以内での駆動を行うことが可能となる。これはシリコンで形成されるミリメータサイズのねじり振動子で一般的なQ値の範囲となる。したがって、少ない電力で大きな走査を実現することができる。 In particular, the spring constant error can be reduced to 1% or less as a whole even for a wafer of 200 μm ± 10 μm. Therefore, it becomes possible to drive the resonator having a resonance frequency characteristic Q value larger than 300 within a half-value width near the resonance peak. This is a typical Q value range for a millimeter-sized torsional vibrator formed of silicon. Therefore, a large scan can be realized with a small amount of power.
(実施例3)
図8(a)〜(c)は、本発明の光偏向器の実施例を示す図である。図8(a)は光偏向器を構成するねじりバネの上面図、(b)は光偏向器の上面図、(c)はD−D´線での断面図を示している。なお、図8では、図1と同一部分は同一符号を付している。図8(a)に示すように、本実施例の光偏向器を構成するねじりバネは、2つの可動部6に対して、2本のバネ定数の異なるねじりバネ1と1つの支持基板2で構成される。ねじりバネ1は、ねじり軸Bを中心にねじり振動可能に可動部6を支持している。そして、ねじりバネ1は実施形態で説明したように図4に示す製造工程で製造される。また、ねじりバネ1は図2に示すようなX字形状の断面を有している。2つのねじりバネ1は、それぞれ、Wg、Wsの寸法は異なっておりバネ定数の値は異なっているが、L1/L2はどちらも2となっている。
(Example 3)
FIGS. 8A to 8C are diagrams showing an embodiment of the optical deflector of the present invention. 8A is a top view of a torsion spring constituting the optical deflector, FIG. 8B is a top view of the optical deflector, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along the line DD ′. In FIG. 8, the same parts as those in FIG. As shown in FIG. 8A, the torsion spring constituting the optical deflector of this embodiment is composed of two
そして、図8(b)、(c)に示すように、可動部6に反射面4を有するミラー部8が接着されている。また、もう一方の可動部6には、質量部3が接着されている。そして、質量部3が形成される面の反対側には、図8(c)のように永久磁石7が接着されている。
Then, as shown in FIGS. 8B and 8C, the
本実施例の光偏向器は、第2の実施例と異なり複数の可動部を有する。ミラー部8、質量部3の2つの慣性モーメントと、2つのねじりバネ1によって、ねじり軸Bを中心にしたねじり振動において、2自由度振動系を形成している。そのため、ねじり振動モードは、2つ存在する。つまり、基準周波数の固有振動モードである基準振動モードと、前記基準周波数の略整数倍の周波数の固有振動モードとを有する。ここで略整数倍とは、nを2以上の整数とした場合、0.98nから1.02n倍のことである。この2つの振動モードの倍数は、得ようとする可動部の振動によって変えることができる。
Unlike the second embodiment, the optical deflector of this embodiment has a plurality of movable parts. A two-degree-of-freedom vibration system is formed in the torsional vibration about the torsion axis B by the two inertia moments of the
本実施例では、特に、この2つのねじり振動モードの周波数が略2倍(1.98から2.02倍)の関係になっている。具体的には、基本周波数が2kHz、2次の共振周波数が4kHzである。 In this embodiment, in particular, the frequency of these two torsional vibration modes is approximately double (1.98 to 2.02 times). Specifically, the fundamental frequency is 2 kHz, and the secondary resonance frequency is 4 kHz.
更に、図示しないコイルに交流を通電することにより発生する交播磁界によりトルクを発生させ、光偏向器のねじり振動モードを励起する。このとき、基本周波数とその2倍の2つのねじり振動モードを同時に励起する。このように、2倍の関係を有する2成分を良好な振幅比、位相差で励起すれば、走査角の時間変化を正弦波状ではなく、略のこぎり波状にすることができる。これにより、走査の角速度を略一定とできる。 Furthermore, torque is generated by a crossing magnetic field generated by applying an alternating current to a coil (not shown) to excite the torsional vibration mode of the optical deflector. At this time, the fundamental frequency and two torsional vibration modes twice as much are excited simultaneously. In this way, if two components having a double relationship are excited with a favorable amplitude ratio and phase difference, the temporal change in the scanning angle can be made substantially sinusoidal instead of sinusoidal. Thereby, the angular velocity of scanning can be made substantially constant.
本実施例の光偏向器は、2つの共振周波数を略2倍の関係にする必要がある。そのため、バネ定数の異なる2つのねじりバネのバネ定数の誤差を小さくする必要がある。よって、ねじりバネを本発明に係る断面形状とすることで、ウエハに厚み誤差がある場合でも2つのねじりバネのバネ定数を一定とすることができ、光偏向器の製造誤差による2つの共振周波数変動を小さくすることができる。 In the optical deflector of the present embodiment, the two resonance frequencies need to be approximately doubled. Therefore, it is necessary to reduce the error of the spring constant of two torsion springs having different spring constants. Therefore, by setting the torsion spring to have a cross-sectional shape according to the present invention, the spring constants of the two torsion springs can be made constant even when there is a thickness error in the wafer, and the two resonance frequencies due to the manufacturing error of the optical deflector. Variation can be reduced.
また、本実施例では、1素子で2つのねじりバネを有しているが、1枚のウエハ内では厚みが均一なため、ウエハ内で多数の素子を形成する場合、それらの加工誤差を小さくできる。特に、本実施例では、1素子に2つのねじりバネを有しているが、これらが互いにほぼ等しい厚みとすることができる。 In this embodiment, one element has two torsion springs. However, since the thickness is uniform in one wafer, when a large number of elements are formed in the wafer, the processing error is reduced. it can. In particular, in the present embodiment, two torsion springs are provided in one element, but they can be made to have substantially the same thickness.
(実施例4)
図9は、本発明の光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す概略斜視図である。
Example 4
FIG. 9 is a schematic perspective view showing an embodiment of an optical apparatus using the optical deflector of the present invention.
まず、光学機器の一つである画像形成装置について説明する。図9において、3003は本発明の光偏向器であり、本実施例では入射光を走査する。3001はレーザ光源である。3002はレンズ或いはレンズ群であり、3004は書き込みレンズ或いはレンズ群、3005は感光体である。
First, an image forming apparatus which is one of optical devices will be described. In FIG. 9,
レーザ光源3001から射出されたレーザ光は、光の偏向走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けている。この強度変調光は、レンズ或いはレンズ群3002を通って、光走査系(光偏向器)3003によりに走査される。この走査されたレーザ光は、書き込みレンズ或いはレンズ群3004により、感光体3005上に画像(静電潜像)を形成する。
The laser light emitted from the laser light source 3001 is subjected to a predetermined intensity modulation related to the timing of light deflection scanning. This intensity-modulated light passes through a lens or
走査方向と直角な方向に回転軸の回りに回転される感光体3005は、図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することにより感光体上のその走査部分に静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像が形成され、これを、例えば、図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に画像が形成される。
The
そして、本発明の光偏向器3003を画像形成装置に用いることで、良好な画像を形成することが可能となる。また、第3の実施例の光偏向器を用いれば光の偏向走査の角速度を感光体3005上で略等角速度とすることもでき、より鮮明な画像を生成できる画像形成装置を提供することができる。
By using the
また、本発明に係る光偏向器をプロジェクションディスプレイなどの画像表示装置に用いる場合は、以下のような構成とする。画像データに基づいて変調された光ビームを発生する光源からの光ビームを、本発明に係る光偏向器で偏向し、該光ビームを被照射体に照射することで画像を形成する。光偏向器は、光ビームを被照射体上の主走査方向と副走査方向に偏向できるような構成とする。 When the optical deflector according to the present invention is used for an image display device such as a projection display, the following configuration is adopted. The light beam from the light source that generates the light beam modulated based on the image data is deflected by the light deflector according to the present invention, and the light beam is irradiated to the irradiated object to form an image. The optical deflector is configured to deflect the light beam in the main scanning direction and the sub-scanning direction on the irradiated object.
上記の様に、本発明に係る光偏向器はこのような光学機器にも適用することができる。 As described above, the optical deflector according to the present invention can be applied to such an optical apparatus.
1 ねじりバネ
2 支持基板
3 質量部
4 反射面
5A 5B 5C 5D 凹部
6 可動部
7 永久磁石
8 ミラー部
10 上面
11 下面
12A 12B 12C 12D 凹部の底
50 本発明を適用した場合のねじりバネのバネ定数誤差
51 本発明を適用しない場合のねじりバネのバネ定数誤差
100 シリコンウエハ
101 エッチングマスク部
3001 光源(レーザ光源)
3003 光偏向器(光走査系)
3005 感光体
DESCRIPTION OF
3003 Optical deflector (optical scanning system)
3005 Photoconductor
Claims (6)
前記ねじりバネは単結晶シリコンウエハで形成され、
前記X字形状の上面及び下面は(100)等価面で構成され、該上面及び下面に形成された凹部のそれぞれの底を互いに結ぶ距離L1と、前記X字形状の側面に形成された凹部のそれぞれの底を互いに結ぶ距離L2とは、
1.8<L1/L2<2.2の関係を満たすことを特徴とするねじりバネ。 In a torsion spring whose cross section perpendicular to the torsion axis is X-shaped,
The torsion spring is formed of a single crystal silicon wafer,
Said upper and lower surfaces of the X-shape is constituted by (100) equivalent plane and the distance L1 connecting the respective bottom of the recess formed on the upper surface and the lower surface to each other, the X-shaped side surface recess formed in the The distance L2 connecting the bottoms to each other is
A torsion spring satisfying a relationship of 1.8 <L1 / L2 <2.2 .
反射面を有する可動部と、
該支持基板と該可動部とを連結し、該支持基板に対してねじり軸を中心にねじり振動可能に支持する請求項1又は2に記載のねじりバネと、を有することを特徴とする光偏向器。 A support substrate;
A movable part having a reflective surface;
Connects the said supporting substrate and the movable unit, the light deflector, characterized in that it has a, a torsion spring according to claim 1 or 2 torsional oscillation be supported around a torsion axis relative to said support substrate vessel.
前記光偏向器は基準周波数の固有振動モードである基準振動モードと、前記基準周波数の整数倍の周波数の固有振動モードとを有することを特徴とする光偏向器。 3. An optical deflection comprising a support substrate, a plurality of movable parts, and the torsion spring according to claim 1 that supports the support substrate and the plurality of movable parts so as to be capable of torsional vibration about a torsion axis. A vessel,
The optical deflector has a reference vibration mode that is a natural vibration mode of a reference frequency, and a natural vibration mode having a frequency that is an integral multiple of the reference frequency.
前記光偏向器は、前記光源からの光ビームを偏向し、該光ビームの少なくとも一部を前記感光体上に照射し静電潜像を形成することを特徴とする画像形成装置。 A light source, an optical deflector according to claim 3 or 4 , and a photoreceptor.
The image forming apparatus, wherein the light deflector deflects a light beam from the light source and irradiates at least a part of the light beam onto the photoconductor to form an electrostatic latent image.
前記光源からの光ビームを前記光偏向器で偏向し、該光ビームを被照射体に照射することで画像を形成することを特徴とする画像表示装置。 A light source, and an optical deflector according to claim 3 or 4 ,
An image display device, wherein an image is formed by deflecting a light beam from the light source with the light deflector and irradiating the irradiated body with the light beam.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007189445A JP5084385B2 (en) | 2007-07-20 | 2007-07-20 | Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007189445A JP5084385B2 (en) | 2007-07-20 | 2007-07-20 | Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009025616A JP2009025616A (en) | 2009-02-05 |
JP5084385B2 true JP5084385B2 (en) | 2012-11-28 |
Family
ID=40397460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007189445A Expired - Fee Related JP5084385B2 (en) | 2007-07-20 | 2007-07-20 | Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5084385B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5402124B2 (en) * | 2009-03-18 | 2014-01-29 | セイコーエプソン株式会社 | Optical device, optical scanner, and image forming apparatus |
JP7415699B2 (en) | 2020-03-18 | 2024-01-17 | セイコーエプソン株式会社 | optical devices and projectors |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3919616B2 (en) * | 2002-07-05 | 2007-05-30 | キヤノン株式会社 | Micro structure and manufacturing method thereof |
JP2005250078A (en) * | 2004-03-04 | 2005-09-15 | Canon Inc | Optical deflector |
JP2009025617A (en) * | 2007-07-20 | 2009-02-05 | Canon Inc | Oscillation body apparatus, optical deflector and optical apparatus using the same |
-
2007
- 2007-07-20 JP JP2007189445A patent/JP5084385B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009025616A (en) | 2009-02-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4574396B2 (en) | Optical deflector | |
KR101050915B1 (en) | Optical deflector and optical device using same | |
US8174750B2 (en) | Optical deflector, optical scanner, image forming apparatus, and image projector | |
US7557972B2 (en) | Oscillator device, optical deflector and optical instrument using the same | |
JP5170983B2 (en) | Optical deflector and optical instrument using the same | |
JP5400925B2 (en) | Oscillator device, optical deflector, and optical apparatus using the same | |
JP2005208578A (en) | Micro-oscillating body, optical deflector and image forming apparatus | |
US8254006B2 (en) | Oscillator device and optical deflector using the same | |
JP2009025617A (en) | Oscillation body apparatus, optical deflector and optical apparatus using the same | |
JP2009134243A (en) | Manufacturing method of rocking body device, light deflection device composed of rocking body device manufactured by the above manufacturing method, and optical equipment | |
JP2008058752A (en) | Light deflector and image forming apparatus using same | |
JP2009251596A (en) | Light scanning unit, image forming apparatus employing the same, and light scanning method | |
JP2007183574A (en) | Oscillating system and optical deflector | |
KR100939499B1 (en) | Oscillating device, light deflector, and image forming apparatus using the light deflector | |
JP5554895B2 (en) | Oscillator structure and oscillator device using the oscillator structure | |
JP5084385B2 (en) | Torsion spring, optical deflector, and image forming apparatus using the same | |
US8081366B2 (en) | Oscillating device, light deflector, and image forming apparatus using the same | |
JP5341372B2 (en) | Oscillator device and image forming apparatus using the oscillator device | |
JP2012194283A (en) | Optical deflector, optical scanner, image forming apparatus, and image projection device | |
JP2008170495A (en) | Oscillating body apparatus | |
JP5408887B2 (en) | Oscillator device and image forming apparatus using the oscillator device | |
JP2008070398A (en) | Rocking apparatus, optical deflector using rocking apparatus, method and apparatus of adjusting frequency of rocking apparatus and image forming apparatus using optical deflector | |
JP2013116556A (en) | Silicon processing method and silicon substrate attached with etching mask | |
JP2008268611A (en) | Oscillating body apparatus, optical deflector and image forming apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20100201 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20100630 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100715 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120213 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120221 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120423 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120807 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120904 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150914 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |