JP5257397B2

JP5257397B2 - 光走査装置の製造方法

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Publication number: JP5257397B2
Application number: JP2010083128A
Authority: JP
Inventors: 徹垣内
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011215354A

Description

本発明は、光ビームの走査によりスキャンを行う光走査装置の製造方法に関し、特に捻れ梁（トーションバー）に支持された微小なミラーを揺動させて光ビームを偏光させる構成の光走査装置の製造方法に関するものである。

近年、レーザ光等の光ビームを走査する光走査装置（光スキャナ）は、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等入力デバイスの光取り入れ装置として用いられている。この種の光走査装置として、シリコンマイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。この光走査装置は、基板に捻れ梁部を形成し、該捻れ梁部により支持されたミラー部を揺動させる光走査装置において、前記基板の一部に圧電体を接着し、該圧電体に電圧を印加して基板に誘起される板波を利用して捻れ梁部に支持されたミラー部を励振させている。

従来の光走査装置では、同一直線上に設けられた２本の捩り梁で支持されたミラー基板を支持しているが、この捩り梁により支持された振動ミラーは、一般に低エネルギーで大きな振れ角が得られるように、ミラー基板と捩り梁のそれぞれの材質、形状、寸法で決まってくる構造体の共振周波数を駆動周波数として設定している。この捩り梁の幅や長さは、振動ミラーの共振周波数に大きく影響してくる。例えば、捩り梁の幅が狭くなると、ミラー基板の振動周波数が低くなり、捩り梁の幅が広くなると、ミラー基板の振動周波数が高くなるという特性がある。

しかしながら、捩り梁とミラー基板の寸法は製造工程におけるマスク精度や加工方法、加工精度によって決まってくるため、完成した振動ミラーには必ず寸法誤差が生じてくる。したがって、共振周波数は厳密に見れば個々の光走査装置ですべて異なってくる。光走査装置を使用するうえで動作周波数を個別に設定する場合は問題ないが、駆動は通常統一された周波数仕様として設定されている場合が多い。したがって、駆動周波数と共振周波数が正確には一致しておらず、この共振点からのズレがそのまま振れ角の低下として現れる。また、複数の振動ミラーを同一装置で同時使用する場合、共通の駆動周波数に対する個々の振動ミラーの共振周波数のズレは、個々の振動ミラーの振れ角のばらつきとなり、ズレが大きくなると電圧による振れ角の統一化が不可能となってしまう問題点があった。

そこで、この問題点を解決するために、振動ミラーの裏面に２つの紫外線硬化型の樹脂からなる質量片を付着したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この発明では、２つの質量片を振動ミラーの回転軸（捩り梁の軸線）に対して、対称でかつ両者を結ぶ線がミラー重心を通るような位置に付着させ、共振周波数を調整することが提案されている。

特開２００４−２１９８８９号公報

しかしながら、光走査装置の振動ミラーの裏面に個別に質量片を付着させる処理を行うと、製造工程での工数が増加するという問題点があった。また、振動ミラーの捩り梁は細いため、その梁幅は誤差も多く、個別に高度な精度で振動ミラーの共振周波数を調整したいという要望もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、振動ミラーの共振周波数のばらつきを防止し、個別に共振周波数を高精度に調整することが可能な光走査装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の光走査装置の製造方法では、板材から形成された構造体に捻れ梁部を形成し、当該捻れ梁部により支持されたミラー部を前記構造体に接着された圧電素子により揺動させて光走査を行う光走査装置の製造方法であって、前記構造体上で前記圧電素子の板材が接着される箇所に接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、前記ミラー部の振動周波数の調整用のウエイトの塗布を行うウエイト塗布工程と、前記接着剤塗布工程で接着剤が塗布された構造体上の所定位置に、前記圧電素子の板材をマウントするマウント工程と、該マウント工程で圧電素子の板材がマウントされた構造体と当該圧電素子の板材とを圧着する圧着工程とを行い、前記構造体は、前記ミラー部を支持する同一直線上に設けられた一対の捻れ梁部と、当該各捻れ梁部を各々支持する一対の支持部と、当該各支持部が延設され、且つ、圧電素子が接着される本体部とを備え、前記ウエイト塗布工程において、前記ウエイトは、前記支持部に塗布されることを特徴とする。

この構成の光走査装置の製造方法では、構造体上に接着剤を塗布して、且つ、前記ミラー部の振動周波数の調整用のウエイトの塗布も行うことができるので、工数を増加せずにミラー部の共振周波数を高度に調整することができる。

また、前記接着剤及び前記ウエイトは、前記構造体において、前記ミラー部の鏡面と反対側の面に塗布されても良い。

また、前記捻れ梁部を撮影して画像処理により前記捻れ梁部の幅を測定する幅測定工程と、当該幅測定工程で測定された捻れ梁部の幅に基づいて、予め前記捻れ梁部の幅と前記ウエイトの量とを定めているデータを参照して前記ウエイトの塗布量を決定して前記ウエイトを塗布するようにしても良い。

また、前記接着剤と前記ウエイトとを同一材料を用いることで、接着剤塗布工程と、ウエイト塗布工程と、同一の工程で行うようにしても良い。

光走査装置１の平面図である。光走査装置１の正面図である。塗布するウエイト量を決定するウエイト量決定装置５０のブロック図である。梁結合部用のウエイト量テーブル７０の概念図である。ミラー裏面用のウエイト量テーブル８０の概念図である。梁幅と共振周波数の関係を示すグラフである。梁幅と塗布するＡｇペースト塗布量との関係を示すグラフである。梁結合部６にウエイトを塗布した状態を示す光走査装置１の平面図である。梁結合部６にウエイトを塗布した状態を示す光走査装置１の正面図である。ミラーにウエイトを塗布した状態を示す光走査装置１の平面図である。ミラーにウエイトを塗布した状態を示す光走査装置１の正面図である。光走査装置１の製造工程のフローチャートである。

以下、本発明の一実施の形態の光走査装置の製造方法について説明する。まず、光走査装置１の構造について図１及び図２を参照して説明する。図１に示すように、光走査装置１は平面視矩形に形成され、開口部４を有する金属製の筐体２から構成されている。また、図１及び図２に示すように、光走査装置１は、筐体２の一端側（図１に於ける左側）に直方体形状の構造体固定治具３が設けられている。また、開口部４内には、平面視略矩形の板状の金属構造体２０が設けられ、金属構造体２０の一端側（図１に於ける左側）は、構造体固定治具３により、筐体２の一端側（図１における左側）に固定されている。また、金属構造体２０の他端側からは、一定の幅の梁結合部６（支持部に相当）が一対延設されている。各梁結合部６からは、各々捩り梁１１が同一直線線上を延設されて平面視矩形のミラー５を保持している。このミラー５の上面側が光学反射面となっている。また、金属構造体２０の下面側には、圧電素子３０が導電性接着剤２３により接着されている。

次に、図３に示すウエイト量決定装置５０のブロック図を参照して、捩り梁１１の幅を測定して、塗布するウエイト量を決定する装置について説明する。ウエイト量決定装置５０は、周知のパーソナルコンピュータから構成され、ウエイト量決定装置５０の主制御を司るＣＰＵ５１と、ＢＩＯＳ等を記憶するＲＯＭ５２と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５３と、これらを結ぶバス５５と、プログラムやデータを記憶するハードディスク装置（以下、「ＨＤＤ」とも称す。）５４とを備えている。また、バス５５には、キーボード５６、ディスプレイ５７、マウス５８、捩り梁１１の梁幅を測定するためのカメラ５９等が接続されている。

図３に示すように、ＨＤＤ５４には、プログラム記憶エリア６１と、ウエイト量テーブル７０，８０（図４及び図５参照）を記憶するウエイト量テーブル記憶エリア６２等が設けられている。次に、図４及び図５を参照してウエイト量テーブル７０，８０について説明する。図４に示すウエイト量テーブル７０には、予め測定した捩り梁１１の各梁幅の値（μｍ）と、当該各梁幅の場合に共振周波数調整の為に梁結合部６に塗布するウエイトの塗布量（Ａ〜Ｄ）（mm^３）との関係が定められている。また、図５に示すウエイト量テーブル８０には、予め測定した捩り梁１１の各梁幅の値（μｍ）と、当該各梁幅の場合に共振周波数調整の為にミラー５の裏面に塗布するウエイトの塗布量（Ｅ〜Ｈ）（mm^３）との関係が定められている。この捩り梁１１の各梁幅の値に対するウエイトの塗布量（Ａ〜Ｄ、Ｅ〜Ｈ）は、予め実験を行い、ウエイトの塗布量により共振周波数が規定の範囲内になるように定めておく。このウエイト量テーブル７０，８０を参照すれば、容易に、塗布するウエイト量を決定することができる。

次に、図６のグラフを参照して、梁幅と共振周波数の関係の一例を説明する。図６に示すように、発明者が行った実験では、梁幅が１３０．５μｍから１３４μｍへと大きくなると、共振周波数が３１５００Ｈｚから３１８００Ｈｚと段々高くなる関係にある。これは、梁幅が大きくなるとねじり剛性が大きくなるため、共振周波数は高くなるからである。このように、梁幅と共振周波数の関係性をあらかじめ求めておく。ウエイトとして、Ａｇペーストを金属構造体２０に塗布して共振周波数を制御する場合は、Ａｇペーストを塗布しても共振周波数を下げる方向にしか制御することはできない。そのため、金属構造体２０を作成するときは、ばらつきも加味しつつ、Ａｇペースト無しで所望の共振周波数が得られる梁幅よりも若干大きめの梁幅を持つ捩り梁１１を備えた金属構造体２０を作成しておく（図６に示す点線の円の部分に入る梁幅とする）。

また、事前の実験や計算により、Ａｇペーストを塗布した際の塗布量と、周波数変化量の関係を求めることが出来る。共振周波数と梁幅の関係がすでに既知であるため、図７に示すように、所望の共振周波数を得るための梁幅とＡｇペースト塗布量の関係性を求めることができる。図７は、３１５００Ｈｚの共振周波数にするために、どの部位にどの程度量のＡｇペースト（ウエイト）を塗布すればよいかを示したものである。塗布部位により共振周波数調整効果は異なる。ウエイト量テーブル７０，８０は、図７に示すグラフにから作成することができる。実際の工程では、作成された構造体個々の梁幅を測定し、ウエイト量テーブル７０又はウエイト量テーブル８０を参照して、その梁幅に対応するＡｇペーストを塗布する。たとえば、梁幅が１３２μｍのとき、３１５００Ｈｚにするためには、約０．１ｍｍ^３のＡｇペースト４０を、図８及び図９に示すように、梁結合部６に塗布すればよい。

次に、表１及び図８から図１１を参照して、Ａｇペースト（ウエイト）の塗布部位と及び塗布量と、周波数変化との関係を説明する。表１に示すように、金属構造体２０の大きさが１１mm×６mm×０．１mmで、材質がステンレス（ＳＵＳ３０１ＥＨ）である場合に、図８及び図９に示すように、梁結合部６にＡｇペーストのウエイト４０を０．１１２５mm^３塗布した場合には、１３１Hz共振周波数がダウンした。また、図１０及び図１１に示すように、ミラー５の裏面にＡｇペーストのウエイト４０を０．０１２８mm^３塗布した場合には、５８６Hz共振周波数がダウンした。

次に、図１２に示す光走査装置の製造工程のフローチャートを参照して光走査装置１の製造方法を説明する。光走査装置１の製造工程では、まず、金属構造体２０を構成する基板材を準備する（Ｓ１）。基板材の材質の一例としては、ステンレス板材を用い、サイズの一例としては、縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：０．１０mmを用いる。

次に、基板材の凹面側を鏡面加工する（Ｓ２）。この鏡面加工は、研磨加工や鍍金加工等により行う（Ｓ２）。次いで、基板材をエッチング加工等により、光走査装置１の金属構造体２０の形状に加工する（Ｓ３）。次いで、図３に示すウエイト量決定装置５０のカメラ５９により金属構造体２０を平面視で撮影して、画像から所定の画像処理により捩り梁１１の画像を切り出し、ウエイト量決定装置５０のＣＰＵ５１が所定の画像処理プログラムを実行することにより梁幅を測定する（Ｓ４）。尚、これらの処理は周知の画像処理技術を用いれば良い。

次いで、ウエイト量決定装置５０のＣＰＵ５１がＨＤＤ５４のウエイト量テーブル記憶エリア６２（図３参照）に記憶されているウエイト量テーブル７０（図４参照）及びウエイト量テーブル８０（図５参照）を参照して、測定した捩り梁１１の梁幅から塗布するウエイト４０の量を決定する（Ｓ５）。尚、ウエイト４０を梁結合部６に塗布するか、ウエイト４０をミラー５の裏面に塗布するかにより、同じ梁幅でも塗布量は異なるので、ウエイト量テーブル７０は、ウエイト４０を梁結合部６に塗布する場合のものであり、ウエイト量テーブル８０は、ウエイト４０をミラー５の裏面に塗布する場合のものである。この２種類のウエイト量テーブルがＨＤＤ５４のウエイト量テーブル記憶エリア６２に記憶されている。そして、ウエイト量決定装置５０のＣＰＵ５１が、測定された梁幅に基づいて、その２種類のウエイト量テーブル７０，８０を各々参照して、ディスプレイ５７に一例として、「梁結合部：０．１mm^３」「ミラー裏：０．０１mm^３」と表示する（Ｓ５）。尚、何れか一方を表示するようにしても良い。また、ウエイト量テーブル７０，８０のどちらか一方のみを記憶して、そのウエイト量テーブルに対応した梁結合部６又はミラー５裏の何れかの塗布量の表示のみを行うようにしても良い。

次いで、金属構造体２０上の圧電素子３０が接着される箇所に導電性接着剤２３（一例として、Ａｇペースト）をディスペンサー等を用いて塗布する（Ｓ６）。また、導電性接着剤２３の塗布と同時又は別に、ウエイト４０を指定の箇所（梁結合部６やミラー５の裏）にディスプレイ５７に表示された量だけ塗布する（Ｓ６）。尚、本実施の形態では、導電性接着剤２３とウエイト４０は、何れもＡｇペーストであるので、ディスペンサー等を用いて同一工程で一度に塗布しても良い。尚、ウエイト４０を塗布する箇所や塗布する量は、使用者がディスプレイ５７の表示を参照して、ディスペンサーに設定しておく。

このとき、Ｓ１からＳ６の加工工程と平行して、又は先だって、圧電素子３０の薄板を準備する（Ｓ２１）。

次いで、金属構造体２０への圧電素子３０のマウント準備を行う（Ｓ７）。この工程では、実装機（一例として、フリップチップボンダー（九州松下電器産業（株）製、ＦＢ３０Ｔ−Ｍ（商品名））の専用トレイ上に導電性接着剤２３を塗布した金属構造体２０を配置し、また、別の専用トレイに圧電素子３０配置する（Ｓ７）。

次いで、マウント工程を行う（Ｓ８）。この工程では、実装機により、金属構造体２０上の導電性接着剤２３が塗布されている位置に、圧電素子３０が当接するようにマウントする（Ｓ８）。

次いで、圧着工程を行う（Ｓ９）。この圧着工程（Ｓ９）では、実装機のプレス金具により、所定の圧力（一例として、２ｋｇ重の加重）で、圧電素子３０を金属構造体２０に圧着する。この工程により、金属構造体２０、導電性接着剤２３、圧電素子３０が密着される。

次いで、接着剤の硬化工程を行う（Ｓ１０）。一例として、導電性接着剤２３がＡｇペーストからなる場合には、１００℃から１５０℃の温度で、導電性接着剤２３を熱硬化させる（Ｓ１０）。すると、金属構造体２０と圧電素子３０とが導電性接着剤２３により接着される。

次いで、配線工程を行う（Ｓ１１）。この配線工程では、金線１０等を用いて駆動回路の電極部（図示外）と圧電素子３０とを接続する。

以上説明したように、本実施の形態の光走査装置１では、カメラ５９により金属構造体２０の捩り梁１１を撮影して、画像処理により梁幅を測定して、予め実験に基づいて作成してあるウエイト量テーブル７０を参照して、ミラー５の共振周波数が目的の共振周波数になるように、ウエイト４０の塗布量を決定する。そして、導電性接着剤２３の工程と同時にウエイト４０の塗布を行うので、工数を増加せずに捩り梁１１の梁幅の誤差による共振周波数の誤差を調整することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、導電性接着剤２３の塗布とウエイト４０の塗布は同時でなくても何れかを先にやっても良い。また、導電性接着剤２３とウエイト４０は、上記実施の形態では、同じＡｇペーストを用いているが、必ずしも同じ材料でなくても良い。また、接着剤の硬化工程（Ｓ１０）の温度条件は、例示であり、使用する接着剤に合わせて適宜決定すれば良い。

１光走査装置
２筐体
３構造体固定治具
４開口部
５ミラー
６梁結合部
１０金線
１１捩り梁
２０金属構造体
２３導電性接着剤
３０圧電素子
４０ウエイト
５０ウエイト量決定装置
５１ＣＰＵ
５３ＲＡＭ
５４ＨＤＤ
５９カメラ
６２ウエイト量テーブル記憶エリア
７０ウエイト量テーブル
８０ウエイト量テーブル

Claims

板材から形成された構造体に捻れ梁部を形成し、当該捻れ梁部により支持されたミラー部を前記構造体に接着された圧電素子により揺動させて光走査を行う光走査装置の製造方法であって、
前記構造体上で前記圧電素子の板材が接着される箇所に接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
前記ミラー部の振動周波数の調整用のウエイトの塗布を行うウエイト塗布工程と、
前記接着剤塗布工程で接着剤が塗布された構造体上の所定位置に、前記圧電素子の板材をマウントするマウント工程と、
当該マウント工程で圧電素子の板材がマウントされた構造体と当該圧電素子の板材とを圧着する圧着工程と
を行い、
前記構造体は、前記ミラー部を支持する同一直線上に設けられた一対の捻れ梁部と、
当該各捻れ梁部を各々支持する一対の支持部と、
当該各支持部が延設され、且つ、圧電素子が接着される本体部とを備え、
前記ウエイト塗布工程において、前記ウエイトは、前記支持部に塗布されることを特徴とする光走査装置の製造方法。
前記接着剤及び前記ウエイトは、前記構造体において、前記ミラー部の鏡面と反対側の面に塗布されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置の製造方法。
前記捻れ梁部を撮影して画像処理により前記捻れ梁部の幅を測定する幅測定工程と、
当該幅測定工程で測定された捻れ梁部の幅に基づいて、予め前記捻れ梁部の幅と前記ウエイトの量とを定めているデータを参照して前記ウエイトの塗布量を決定して前記ウエイトを塗布することを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置の製造方法。
前記接着剤と前記ウエイトとを同一材料を用いることで、接着剤塗布工程と、ウエイト塗布工程と、同一の工程で行うことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光走査装置の製造方法。