JP5458837B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置に関し、特に一対のトーションバネにより支持されたミラー基板を、そのトーションバネを捻り回転軸として振動させる光走査装置に関する。

レーザー光等の光ビームをミラー部材により偏向、走査する装置（光走査装置）は、電子写真方式の複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられている。また、レーザー光をスキャニングして映像を投影する表示装置などにも使用されている。特に小型化の光走査装置としては、以下のような光走査装置が提案されている。

ミラー部材の駆動に圧電素子を用いる光走査装置が知られている。例えば特許文献１には、圧電素子が形成された２対の圧電ユニモルフ振動板をミラー部材に連結し、各対の圧電ユニモルフ振動板の圧電素子に逆位相の交流電圧を印加することにより、ミラー部材を、トーションバネを回転軸として往復振動させる光走査装置が記載されている。

また、ミラー部材を電磁力により駆動する光走査装置も知られている。例えば特許文献２には、一対のバネ部により支持された可動部にミラー面とコイルパターンが形成され、この可動部を永久磁石によるバイアス磁界中に配置し、コイルパターンに通電することによって可動部を正弦的に往復振動させる構成の光走査装置（光偏向素子）と、これを用いたレーザプリンタ等の光書込装置が記載されている。

また、曲げ変形モードとねじれ変形モードの２つの弾性変形モードを持つ振動子の一面をミラー面とし、この振動子を２つのモードのそれぞれの共振周波数で振動させ、振動子のミラー面で光ビームを反射させて走査する光走査装置も知られている。例えば特許文献３には、振動子の共振周波数が所定の周波数に自動的に調整できるように、ばね定数可変素子を制御する手段を設けた光走査装置が記載されている。

以上のように、近年は、マイクロマシニング技術を用いて微小ミラーをねじり振動させる構成で光を走査する光走査装置が様々提案されている。ここで、従来、高速動作を必要とする機械要素において、その慣性が駆動スピードの大きな阻害要因となっていた。特に、所定角度内を回転振動する機械要素では慣性モーメントを低減する必要がある。その際、駆動される機械要素の剛性を低下させないように配慮する必要がある。この目的のため、機械要素を中空構造としたり、補強部材を固着する方法が用いられる。

高機能化と小型化が要求される光走査装置に用いられる微小ミラーには、高速駆動が可能なこと及び高剛性であることが要求される。微小ミラーの剛性が不足している場合、ミラーの振動にともなって発生する慣性力により大きく撓んでしまう。このような動的な撓みは、ミラーの反射光の光学特性を著しく劣化させる。一般に、この種の動的撓みは、ミラーの厚さを厚くして、剛性を高める事により低減される。

しかし、この種の光走査装置に用いられるアクチュエータ（静電気力、電磁力、圧電）の作用力は非常に小さい。動的な撓みを低減させるために、ミラーの厚さを厚くすると慣性が大きくなり、上記アクチュエータの小さな駆動力では、偏向角が著しく低下してしまう。従って、偏向角を大きくするには、ミラーの慣性モーメントを小さくする必要がある。

そこで、可動板の厚さが外側に向かって階段的に小さくなるように設定し、慣性モーメントが低減した光偏向器が提案されている（例えば、特許文献４）。

以上説明したように、高機能化と小型化が要求される光走査装置に用いられる微小ミラーには、高速駆動が可能であり、さらに、ミラーの振動に伴って発生する慣性力により大きく撓んでしまうことを防ぐために高剛性であることが要求される。上記特許文献４に記載の光偏向器は、可動板において、ねじり軸から遠い位置に凹部を設けて可動板のシリコンの質量が少なくなる構造とすることで、慣性モーメントを減少させている（特許文献４ 明細書段落００２１）。一方、可動板のねじり軸に近い位置には凹部を形成せず、中実部分が増加する構造となっている。これは、ねじり振動時には、ねじり軸に近いほど大きな曲げモーメントが負荷すると考え、可動板のねじり軸に近い位置の中実部分を増加させる構造とすることで、可動板の剛性を保っている（明細書段落００２２）。

しかしながら、振動板の剛性は保ちつつも、さらに振動版の質量を少なくして、さらに慣性モーメントを低減し、振動時の動的な撓みを低減することが求められる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ミラー基板の慣性モーメントを低減し、振動時の動的な撓みを低減することを目的とする。

本発明に係る光走査装置は、フレーム部材に、一対の弾性部材によりミラー基板の両辺の中央部がそれぞれ支持され、前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラー基板が往復振動可能な光走査装置であって、前記弾性部材は、前記フレーム部材との結合端の近傍で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、前記連結部材は、前記ミラー基板の駆動用トルクを生じさせる圧電素子が設けられ、前記ミラー基板は、前記回転軸から外側に向けて、各領域の曲げ剛性が、振動によって作用する曲げモーメントに応じて設定され、さらに、前記ミラー基板は、前記弾性部材との結合両端側に前記回転軸と直交するように長方形状のスリットが設けられ、前記長方形状のスリットは、前記ミラー基板の長手方向両端部近傍まで延伸され、前記ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域の曲げ剛性を最大にするものであり、前記ミラー基板のミラー面とは反対側の面である裏面に、ミラー基板長手方向端部に伸びる１本のリブを設け、前記ミラー基板の各領域の断面２次モーメントと、前記各領域に作用する曲げモーメントの比が概略一定であるように、前記リブの幅を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、ミラー基板の慣性モーメントを低減し、振動時の動的な撓みを低減することが出来る。

ミラー基板３が、単純な直方体であった場合の光走査装置を示す構成図である。 ミラー基板３の各点に作用する曲げモーメントＭｘを示す図である。 曲げモーメントＭｘを計算した結果を示す図である。 動的な撓みの計算結果（実線）と、実測結果（黒点）を示す図である。 ミラー基板３の動的変形を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ａを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメントを求めるためのモデルを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメント計算結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメント計算結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板に割り当てられる曲げ剛性分布１６を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｂを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｃを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの動的変形計算結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの構造を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの工程説明図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの工程説明図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの工程説明図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｅを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄのリブ形状寸法を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄの概略形状外観図である。 比較例の概略直方体形状のミラー基板の概略形状外観図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄと比較例（概略直方体形状）との動的変形量を示す図である。 本発明の実施形態に係るトーションバネ２５に作用するトルクＴについて説明するための図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板が適用された光書き込み装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置を用いた画像形成装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｆを示す図である。 本発明の実施形態に係るミラー基板３ｄに設けられているスリット２６と、動的変形の低減の関係について説明するための図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な実施形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

〔動的変形〕
まず、ミラー部材が一方の面に形成された振動版（ミラー基板）が、単純な直方体であった場合における、曲げモーメントや動的撓み量等の動的変形について説明する。本発明の実施形態に係るミラー基板は、以下に説明する動的変形を考慮した構造となっているためである。

図１は、ミラー部材が一方の面に形成された振動版（ミラー基板３）が、単純な直方体であった場合の光走査装置を示す構成図である。図１において、１は基板（フレーム部材）、２は梁からなる回転軸、３は基板１に設けられたミラー基板、４は空間である。

ミラー基板３の一方の面には、使用光に対して十分な反射率を持つ金属薄膜がミラー面として形成され、ミラー面に入射した光を偏向することが出来る。ミラー基板３は、回転軸２を中心に正弦波状の回転振動をする。振動時に、ミラー基板３の振動により慣性力が作用する。この慣性力により曲げモーメントＭｘがミラー基板３の各点に作用する。

図２は、ミラー基板３の各点に作用する曲げモーメントＭｘを示す図である。図３は、曲げモーメントＭｘを計算した結果を示す図である。図３において、曲げモーメントＭｘのピーク位置は、ミラー基板３のＹ軸方向の長さをＬとしたとき、ほぼ±Ｌ／３位置になっている。

実際に、ミラー基板３を振動させて変形を測定した結果を図４に示す。図４は、動的な撓みの計算結果（実線）と、実測結果（黒点）を示す。計算は、慣性力を考慮した数値計算により求めた。また、実測は、ホログラフィー法により求めた。ミラー基板３は、ほぼ正弦波状に振動し、図４に示すような波形に撓む。この動的な撓み量は、図５に示すように、変形したミラー基板３の曲面から最小２乗法により理想平面を求め、この理想平面とミラー基板の局面との差を取った値で与えている。最大の撓み量は、ミラー基板のＹ軸方向の長さをＬとするとき、概略Ｙ＝Ｌ／３付近で得られる（図４参照）。図４により、変形のピーク位置が±Ｌ／３位置にあることが分かる。これより、ミラー基板３が最も大きく変形する点は、曲げモーメントが最大になる部位であることが分かる。

〔第一の実施例〕
本発明の実施形態に係るミラー基板３ａを図６に示す。本実施形態に係るミラー基板３ａは、一対のトーションバネ１２により支持され、ミラー基板３ａの端側（トーションバネによって支持されている側）には、長方形状のスリット１１が設けられている。スリット１１は、トーションバネ１２とスリット１１との間は、支持部材２１と称す。ここで、トーションバネは弾性部材の一例として用いる。

各トーションバネ１２は、フレーム部材１４との結合端の近傍位置で一対の連結部材１５により固定されている。連結部材１５に、それを変形させることによってミラー基板３ａの駆動用トルクを生じさせる圧電素子１３が設けられている。

圧電素子１３を駆動源として、ミラー基板３ａが振動し、入射光を偏向する。

ミラー基板３ａは、一対のトーションバネ１２で支持されている軸（符号６）を回転軸とする。ミラー基板３ａ上の点線１６は、曲げ剛性分布の割り当てを示すものである。斜線で示す領域５は、曲げモーメントが最大になる点を含む領域であるため、曲げ剛性を最大にする必要がある部分である。ここで、曲げモーメントをどのように求めたかについて以下説明する。

図７に、本実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメントを求めるためのモデルを示す。各部材は、梁要素でモデル化され、有限要素法により曲げモーメントを求めた。

図７において、ミラー基板３ａ'は一対のトーションバネ１２'により支持されている。ミラー基板３ａに設けられたスリット１１により、２１は支持部材として作用する梁２１'で示される。各トーションバネ１２'は、フレーム部材１４との結合端の近傍位置で一対の連結部材1５'により固定されている。

図８及び図９に、本実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメント計算結果を示す。このようにして、図６に示すように、求めた曲げモーメントをＹ軸方向に等分割し、各分割領域での曲げモーメントを求める。求めた階段状の曲げモーメントに基づき、ミラー基板３ａの対応する領域に曲げ剛性を割り当てる。

割り当てられた曲げ剛性分布１６を、図１０に示す。図１０は、本発明の実施形態に係るミラー基板３ａの曲げモーメントと曲げ剛性の関係を示す図である。従って、回転軸（図６の符号６参照）からミラー基板の端部に至る概略中間位置で、曲げ剛性が最大になるように設定すれば、曲げモーメントを削減し、動的撓み量を小さく出来る。

すなわち本実施形態では、ミラー基板３ａにおいて、曲げモーメントが最大になる点±Ｌ／３を含む領域５の曲げ剛性が最大になるようにする。つまり、図１０に示す曲げ剛性分布１６を実現できるように、曲げ剛性を配置する最大曲げモーメントをＭｍａｘ、その作用点の曲げ剛性をＥＩとするとき、動的な撓み量δは、以下の式（１）で与えられる。
δ∝Ｍｍａｘ／ＥＩ ・・・・・・（１）
ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。

このように、捻り梁（回転軸、図６の符号６参照）から、ミラー基板３ａの端部（Ｙ方向の端部）における領域で、最大の曲げモーメントが加わる点に、最大の曲げ剛性を割り当て、式（１）から動的撓み量を小さく出来る。曲げモーメントと曲げ剛性比は各点で概略一定となる。

以上説明した本実施形態（第一の実施例）は、本発明の原理を説明する実施例であり、以下、さらに具体的な構造について他の実施例を用いて説明する。

〔第二の実施例〕
図１１は、本発明の第二の実施例（実施例２）であるミラー基板３ｂを示す図である。実施例２では、ミラー基板３ｂの裏面（ミラー部材が形成されている面（ミラー面）とは反対側の面）に、図１０に示す曲げ剛性分布１６を実現するように、階段状の複数の領域１７を配置する。なお、階段状の複数の領域１７はシリコン部材で形成される。更に、スリット１１がミラー基板３ｂに設けられる。

図１１のミラー基板３ｂの各領域ｊ１７における断面２次モーメントをＩｘｊとする。このとき、各領域ｊにおける断面２次モーメントは、以下の式で与えられる。(幅ｂ一定）
Ｉｘｊ＝ｂｈ＾３／１２
ここで、ｂはミラー基板３の領域の幅、ｈはミラー基板３の各領域の厚さである。

図１１で求めた階段状の各領域ｊでの曲げモーメントをＭｘｊとするとき、ミラー基板３ｂの各領域ｊでの動的な撓み量δは以下の式で与えられる。
δ＝ｋ・Ｍｘｊ／Ｉｘｊ
ここで、ｋは比例定数である。

ミラー基板３ｂの各領域での動的な撓み量が概略等しくなるように、厚さhを変化させて、各領域での断面２次モーメントＩｘｘを設定する。すなわち、各領域における断面２次モーメントＩｘｊと、ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントＭｘｊとの比が概略一定となるように設定する。

以下に説明する第三〜第五の実施例におけるリブとは、底板部（ミラー面）の裏面側の様々な形状の凸部である。

〔第三の実施例〕
図１２は、本発明の第三の実施例（実施例３）のミラー基板３ｃを示す図である。図１２（ａ）に示すように、実施例３は、ミラー基板３ｃの裏側に複数の凹部１８が形成される。さらにミラー両側端部に長方形状のスリット１１が設けられる。なお、複数の凹部１８はシリコン部材で形成される。

図１２（ｂ）は、ミラー基板３ｃの断面Ｂ−Ｂを示す図である。複数の凹部１８は、複数のリブ１９と底板部２０により構成される。スリット部１１は貫通していることが望ましいが、底面に薄肉部１０を残す構成も可能である。

実施例３では、図１０に示す曲げ剛性分布１６を実現するように、各領域ｊの凹部１８の大きさが異なっている。ミラー基板３ｃの各領域における断面２次モーメントをＩｘとする。ミラー基板３ｃの断面Ｂ−Ｂを各長方形のリブ１８に分割して断面２次モーメントを求める。底板部２０は非常に薄い値に設定し、その断面２次モーメントを無視する。このとき、断面２次モーメントは、リブの断面２次モーメントの総和であり、以下の式で与えられる。
Ｉｘ＝Σｂｈ＾３／１２
上式より、リブ１９の本数を調節することにより、断面２次モーメントの数値が調整可能であることが分かる。

図１０の各領域での曲げモーメントをＭｘとするとき、ミラー基板３ｃの各領域での動的な撓み量総和δは以下の式で与えられる。
δ＝ｋΣＭｘ／Ｉｘ

ミラー基板３の各領域での動的な撓み量が概略等しくなるように、各領域での断面二次モーメントＩｘを設定する。このように、本実施例では、各領域で、Ｍｘ／Ｉｘが概略一定となるため、全体の撓み量δは、ほぼ直線上に増加していく。これにより、動的な撓み量を低減できる。

〔第四の実施例〕
次に、本発明の第４の実施例（実施例４）について説明する。図１３は、実施例４に係るミラー基板３ｄを示す図である。実施例４に係るミラー基板３ｄは、一対のトーションバネ２５により支持され、各トーションバネ２５は、フレーム部材２７との結合端の近傍位置で一対の連結部材２８により固定されている。連結部材２８の裏側（入射光を偏向するミラー面側）には、それを変形させることによってミラー基板３ｄの駆動用トルクを生じさせるための圧電素子２９が設けられている。さらにミラー基板３ｄには、スリット２６が設けられており、梁部２１が形成される。

更に、入射光を偏向するミラー面であるミラー部材２４は薄肉部３０と、ミラー部材２４の裏面にミラー部材端部に伸びる１本のリブ３１で構成されている。ミラー部材薄肉部３０の厚さは、数十ｕｍに設定されるため、この部材の断面２次モーメントは無視できる。

リブの幅ｂとする時、各点における断面２次モーメントＩは、同じく下式で与えられる。
Ｉｘ＝ｂｈ＾３／１２

各点の断面２次モーメントと、図１０に求められている各点に作用する曲げモーメント比が概略一定で有るように、リブの幅ｂを変化させる。（厚さｈは一定）

このように、本実施例では、各領域で、Ｍｘ／Ｉｘが概略一定となるため、全体の撓み量δは、ほぼ直線上に増加していく。これにより、動的な撓み量を低減できる。

＜スリットの効果＞
ミラー基板３ｄには、トーションバネ結合端部側に沿って、長方形のスリット２６が設けられている。長方形スリットは、ミラー基板の長手方向両端部近傍まで延伸されている。長方形状のスリットを、ミラー基板の長手方向両端部近傍まで延伸することで、ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域の曲げ剛性を最大にする。ここで、ミラー基板３ｄに設けられているスリット２６と、動的変形の低減の関係について説明する。まず、ミラー基板３ｄがトーションバネ２５の中心周りに回転振動している場合の重心位置について、ミラー基板を微少部ｍjに分割して検討する（図２７３１参照）。

ミラー基板の総質量＝Ｍ、ｙ軸方向の重心位置をＹgとすると、ミラー基板の重心Ｙgは、以下の式で与えられる。
Σｍj＝Ｍ
Σｍj*yj＝Ｍ*Ｙg
Ｙg＝（Σｍj*yj）/Ｍ

重心位置Ｙｇは、ミラー長手方向の先端寄りになる。従ってスリットを設けることで、ミラーとの結合点を重心Ｙg付近で結合することにより、動的変形のさらなる低減が図られる。

＜実施例４の変形例＞
次に、実施例４の変形例について説明する。まず、図１５に実施例４における偏向ミラー動的変形の計算結果を示す。図１５は、ミラー基板３ｄ全体の動的な変形を示した図である。図１５において、ミラー短手方向端部に局所的な変形が見られる。発生位置は、ミラー部材２４とスリット２６の端部近傍において発生している。

図１３及び図１４に示すように、スリット２６によりミラー基板３ｄから分離された梁部２１はリブ３１と結合されている。そのため断面二次モーメントの急激な変化が起きることによって、局所的な変形が発生していると思われる。

そこで、ミラー部材２４と一対の梁部材２１の結合点近傍５０において、ｙ軸方向に延びるリブ３２や（図１６）、ｘ軸方向に伸びるリブ３３（図１７）を設ける実施例が考え得る。ｙ軸方向に延びるリブ３２や、ｘ軸方向に伸びるリブ３３を設けることにより、断面２次モーメントの急激な変化を低下できる。これにより局所的な変形の発生を防止できる。

＜作製工程＞
次に、実施例４の作製工程について説明する。図１３に示す実施例４は、図１８に示すように、絶縁膜３６を介して第１のシリコン基板３５と第２のシリコン基板３４が接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成されている。トーションバネ２５は、第１のシリコン基板３５に設けられている。同じく、薄肉部３０とリブ３１からなるミラー部材２４が第１のシリコン基板３５に設けられている。フレーム部材２７、ミラー部材２４のリブ３１’、連結部材３１’は、第１基板から第２基板に貫通して設けられ、ミラー部材の振動空間３７及びスリット２６が一体的に形成されている。

上記構造及び材質をより明確にするため、その製造方法を説明する。図１９〜及び図２１は工程説明図である。工程説明図は、図１３のＡ−Ｄ断面に対応した断面形状であって、フレーム部材２７からミラー部材２４の中央部分までを略示している。

工程（１）：第１のＳｉ基板３５と第２のＳｉ基板３４が絶縁層３６を介して接合されたＳＯＩ基板の表面に、絶縁のため熱酸化膜１０３、１０４を例えば０．５μｍ厚に形成する。なお、第１のＳｉ基板３５は低抵抗基板（導体）であり、特別に金属を形成することなく基板自体が電極を兼ねることができる。

工程（２）：第１のＳｉ基板３５側に、駆動トルク発生用の圧電素子２９のための下部電極膜１０５と、電圧印加により連結部材２８の長手方向へ伸縮する圧電材料膜１０６と、上部電極膜１０７とをこの順に成膜する。

膜厚及び材料の例を挙げれば次の通りである。下部電極膜１０５として０．０５μｍ厚のＴｉ膜と０．１５μｍ厚のＰｔ膜がこの順に成膜される。圧電材料膜１０６として３μｍ厚のチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）膜が成膜される。上部電極膜１０７として０．１５μ厚のＰｔ膜が成膜される。成膜方法としては、下部電極膜及び上部電極膜にはスパッタリング法を用いることができる。圧電材料膜には、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、イオンプレーティング法等を用いることができる。

工程（３）：上部電極膜１０７及び圧電材料膜１０６をドライエッチングするためのレジストパターン１０８を形成する。

工程（４）：ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、上部電極膜１０７及び圧電材料膜１０６をドライエッチングし、その後、レジストを除去する。

工程（５）：下部電極膜１０５及び熱酸化膜１０３をドライエッチングするためのレジストパターン１０９を形成する。

工程（６）：下部電極膜１０５及び熱酸化膜１０３をＲＩＥにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これで圧電素子２９が形成された。

工程（７）：ミラー部材２４のミラー面としての反射膜１１０を成膜する。具体的には、例えば０．０５μｍ厚のＴｉ膜、０．０５μｍ厚のＰｔ膜、０．１μｍ厚のＡｕ膜をこの順に成膜する。ここでは、これらの膜を、ステンシルマスクを用いるスパッタリング法で成膜する。

工程（８）：ミラー部材２４、スリット２６、トーションバネ２５、連結部材２８をドライエッチングで形成するためのレジストパターン１１１を形成する。

工程（９）：ＲＩＥにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これにより、ＳＯＩ基板の絶縁層１０１に達するまで、ミラー部材２４、スリット２６、トーションバネ２５、連結部材２８がパターンニングされる。

工程（１０）：ＳＯＩ基板の第２のＳｉ基板３４側の熱酸化膜１０４上に、ミラー部材３の揺動空間３７'をドライエッチングにより形成するためのレジストパターン１１２が形成される。

工程（１１）（１２）：熱酸化膜１０４をＲＩＥによりドライエッチングし、続いて、第２のＳｉ基板３４及び絶縁層３６をＲＩＥにてドライエッチングする。これにより、実施例４に係るミラー基盤３ｄを備える光走査装置が完成する。

＜他実施例（実施例５）＞
次に、上記実施例４の他実施例（実施例５）を説明する。図２２は、本実施例に係るミラー基板３ｅを示す図である。実施例５は、トーションバネ２５に対して、スリット２６を概略３角形状にすることにより、梁部材２１はＹ字形状に形成される。その他の構成は、実施例４と同じである。

＜作用効果＞
実施例４のミラー基板の剛性分布の効果を確認するため、剛性分布に基づいたリブ部３１を備えるミラー部材２４と、直方体形状のミラー部材との動的な撓みを比較した。シミュレーションで求めた結果を、直方体の値を基準にして示す。

直方体ミラー基板の動的撓み量を１、慣性モーメントを１としたとき、実施例４に係るリブ形状ミラー基板では、動的撓み量が０．５、慣性モーメントが０．７となり、動的な撓み量が低減され、また慣性モーメントも低減された（下記表１参照）。

さらに具体的に、実施例４のミラー基板の剛性分布の効果を確認するため、剛性分布に基づいたリブ部３１を持つミラー部材２４と、図２５に示す概略直方体形状のミラー基板との動的な撓みを比較した。

図２３は、本実施例４（ミラー基板３ｄ）に係るリブ形状寸法を示す（ａ）概略形状外観図及び（ｂ）座標図である。図２３において、リブ形状は点P1,,,P10で定義され、各点は、ミラー長手軸と短手軸に対してそれぞれ対称である。リブ部３１の短手方向幅ｂは、P１〜P10、P１'〜P10'、-P１〜-P10、-P１'〜-P10' で定義される。

図２４は、ここでの比較に用いる実施例４に係るミラー基板３ｄの外形を示す図である。図２４において、ミラー外形寸法は長さＬ＝4.5mm、幅Ｗ1＝0.6mm、支持部材２１を含んだ幅 Ｗ＝1mmである。スリット幅SL_W=0.14mm、ミラー部材薄肉部３０の厚さh2＝50um、リブ部３１厚さh1=350um である。この形状について動的変形の計算を行った。共振周波数 3.04ｋＨｚであり、動的変形は振れ角１２d（deg）において22nm(pV)であった。

比較例として図２５に示す概略直方体形状のミラー基板について動的変形を求めた。図２５において、ミラー外形寸法は長さＬ＝4.5mm、幅Ｗ＝1mm、先端幅W１＝0.4mm、ミラー部材薄肉部３０の厚さh2＝50um、リブ部３１ 厚さh1=350um である。この形状について、動的変形量を求めた。共振周波数2.922kHzであり、動的変形は振れ角１２d（deg）において46nm(pV)であった。

この計算結果を、図２６に示す。同時に求めた慣性モーメントを下記表２に示す。

上記表２より、直方体ミラー基板の動的撓み量を１、慣性モーメントを１としたとき、実施例４のリブ形状ミラー基板では、動的撓み量が約１／２、慣性モーメントが約０．８となり、動的な撓み量が低減され、また慣性モーメントも低減された。

図２７（図１３のＡ−Ｃ断面）によりトーションバネ２５に作用するトルクＴについて説明を行う。連結部材２８の下面に圧電部材が形成され、下部電極１０５はＧＮＤに接続している。上部電極１０７に−の電圧を、他方の上部電極１０７’に＋の電圧を印加する。

圧電素子２９は矢印方向に縮み、圧電素子２９’は矢印方向に伸びる。連結部材２８は、シリコン基板から形成されているため、伸縮しない。よって連結部材28は、曲げ変形し、トーションバネ２５に矢印方向の捻れθを発生させる。

逆の電位をそれぞれ上部電極１０７、１０７’に印加すると、それぞれ逆の伸縮を発生する。トーションバネ２５に矢印方向の捻れ角θ’が発生する。共振振動させるために、位相が１８０°異なる正弦波電圧を電極１０７、１０７’に加えて共振振動を発生させる。

本発明の実施形態に係るミラー基板は、回転軸周りの曲げ剛性が、回転軸からミラー基板の端部に至る各部位で曲げ剛性と作用する曲げモーメント比を概略一定にしているため、動的な撓みを低減でき、慣性モーメントを低減できる。

〔光走査装置〕
図２８は、本発明が適用された光走査装置を示す。図２８において、６０は半導体レーザー光源からなる光源である。この光源６０からの光ビームは、コリメートレンズ６１により概略平行光に光ビームが整形される。この光ビームは、折り返しミラー６２によりミラー基板３ｘのミラー面７０に入射する。

ミラー基板３ｘは、トーションバネ２５を介して、圧電素子２９の変形による共振振動をする。そのため、梁２５をねじり回転軸として往復振動している。このように揺動するミラー基板３ｘに入射した光ビームは、ミラー７０により偏向されて、ｆθレンズ等の補正光学系８０に入射する。補正光学系８０から出射した光ビームは被走査面７８にスポット状に結像する。

ミラー面７０に形成されるビーム形状は、長円形（概略；ミラー長手4mm、ミラー短手500um）となる。スリット２６がミラー基板３ｘに貫通して設けられていても、両スリット２６間の間隔をビーム短手径より若干広く設定ことにより、光ビームを正常に偏向できる。

ミラー基板３ｘは、上記実施例１〜５のいずれかに示される動的変形を低減（動的な撓みを低減）構造が実施されている。したがって、本実施形態に係る光走査装置は、被走査面に結像するビームのビーム径等の光学特性を向上させることができる。

〔第六の実施例〕
上記各実施例では、ミラー基板の駆動に圧電素子を用いているが、本発明はこれに限られることなく、例えば静電力を駆動源とする実施例も考え得る。そこで、本発明の第六の実施例として、静電串歯をミラー基板の両端に設けた場合の実施例について説明する。図３０に、本発明に係る実施例６の構成を示す。

フレーム部材２７と、ミラー基板３ｆの両端部に、入れ個構造の串歯電極９０が設けられている。串歯電極（固定）９０ｂは、フレーム２７に設けられ、串歯電極（可動）９０ａはミラー基板３ｆに設けられている。圧電素子が裏面に設けられた連結部材は、不要である。

以上の構成により、固定・可動串歯電極間に、パルスまたは正弦波状電圧を印加する事により、串歯間に静電気力が作用する。発生する静電気力により、ミラー基板３ｆは、トーションバネを中心として、矢印方向の回転振動を始める。動的変形の作用効果は、圧電素子を用いた場合と同じである。

〔画像形成装置〕
図２９に、本発明の実施形態に係る画像形成装置を示す。図２９（ａ）は主走査方向の構成を示し、図２９（ｂ）はその側面の構成を示す。光書き込み手段７２は、図２８に示す構成を有する光走査装置である。

６０は半導体レーザーであり、図示しない画像信号生成装置による画像信号に基づき発光する。レーザー光７３は光走査装置に入射する。光走査装置７２のミラー７０により偏向された反射レーザー光７４は感光体７５に静電潜像を形成する。

現像定着手段７６により、感光体に形成された静電潜像は、被記録体搬送手段７７により給送される記録紙にトナー像を生成する。光走査装置からなる光書き込み手段は複数個の光走査装置７１を主走査方向に配置して構成されている。レーザープリンタにおいて、一般的に用いられている光走査装置はポリゴンスキャナーであるが、本実施形態に係る光走査装置からなる光書き込み手段は、ポリゴンスキャナーに比較して部品数が非常に少ないため、ローコスト化が期待できる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

１ 基板（フレーム部材）
２ 梁からなる回転軸
３、３ａ、３ａ'、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｘ ミラー基板
４ 空間
１１、２６ スリット
１２、１２' トーションバネ
１３、２９ 圧電素子
１４、２７ フレーム部材
１５、1５'、３１’ 連結部材
２１ 支持部材
２１' 梁
２４ ミラー部材
３０ 薄肉部
３１、３１’ リブ
３４ 第２のシリコン基板
３５ 第１のシリコン基板
３６ 絶縁膜
６０ 半導体レーザー（光源）
６１ コリメートレンズ
６２ 折り返しミラー
７０ ミラー
７２ 光書き込み手段（光走査装置）
７３ レーザー光
７４ 反射レーザー光
７５ 感光体
８０ 補正光学系
９０ 串歯電極
９０ａ 串歯電極（可動）
９０ｂ 串歯電極（固定）
１０３ 熱酸化膜
１０５ 下部電極膜
１０６ 圧電材料膜
１０７ 上部電極膜
１０８、１０９ レジストパターン
１１０ 反射膜

特開２００５−１２８１４７号公報 特許第３５８４５９５号公報 特許第２９８１６００号公報 特許第３７４０４４４号公報

Claims (3)

1. フレーム部材に、一対の弾性部材によりミラー基板の両辺の中央部がそれぞれ支持され、前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラー基板が往復振動可能な光走査装置であって、
   前記弾性部材は、前記フレーム部材との結合端の近傍で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、
   前記連結部材は、前記ミラー基板の駆動用トルクを生じさせる圧電素子が設けられ、
   前記ミラー基板は、前記回転軸から外側に向けて、各領域の曲げ剛性が、振動によって作用する曲げモーメントに応じて設定され、
   さらに、前記ミラー基板は、前記弾性部材との結合両端側に前記回転軸と直交するように長方形状のスリットが設けられ、前記長方形状のスリットは、前記ミラー基板の長手方向両端部近傍まで延伸され、前記ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域の曲げ剛性を最大にするものであり、
   前記ミラー基板のミラー面とは反対側の面である裏面に、ミラー基板長手方向端部に伸びる１本のリブを設け、前記ミラー基板の各領域の断面２次モーメントと、前記各領域に作用する曲げモーメントの比が概略一定であるように、前記リブの幅を変化させることを特徴とする光走査装置。
2. 前記１本のリブに、ミラー基板短手方向両端部に前記回転軸と沿うように複数対のミラー基板長手方向に延びるリブを設けていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記１本のリブに、前記回転軸と直交するようにミラー基板短手方向に延びる複数のリブを設けていることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。

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