JP6287584B2

JP6287584B2 - Ｍｅｍｓ光スキャナ

Info

Publication number: JP6287584B2
Application number: JP2014109282A
Authority: JP
Inventors: 昭彦野村
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: JP2015225171A

Description

本発明は、レーザビーム等の光を反射させて光偏向を行うＭＥＭＳ光スキャナに関するものである。

電子写真式複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器の走査装置や、光ディスクのトラッキング制御装置の光偏向装置や、レーザ光をスキャニングして映像を投影する表示装置などには光偏向子が使用されている。
近年ＭＥＭＳ（Micro・Electro・Mechanical・System）と呼ばれ、シリコン基板上にフォトエッチング等のウエハプロセスに基づいてモノリシックに形成された電気的に制御可能なマイクロ・マシン（たとえばモータ、ギア、光変調素子等）を有するシステムを用いたＭＥＭＳ光スキャナが作製されている。この技術を用いることにより、光偏向子の小型化、軽量化、低コスト化が期待されており研究開発が進められている。
ＭＥＭＳ光スキャナの一例として、ミラーと圧電素子等の微小振動を発生する小型の駆動源とから構成されているものがある。スキャナにおいて、振動源とミラーとは、トーションバーと呼ばれる弾性変形モードを有する弾性変形部を介し連結されている。
上記の構成では、振動源からの振動によって、弾性変形部すなわちトーションバーがねじれ振動を起こす。弾性変形部は固有の共振振動モードを有しているので、この共振周波数と等しい周波数の振動を振動源で発生させることにより、振動入力部を通して弾性変形部が上記共振周波数で共振し、ミラーを回転させる。従って、ミラーに光を照射すると反射光を走査することができる。
このようなＭＥＭＳ光スキャナを画像描画装置に応用する場合、高解像度や大画面の要求を満たすために、より高い共振周波数やより大きい振れ角が必要とされるようになってきている。例えばＷＸＧＡの解像度を得るためには、３０ＫＨｚ程度の共振周波数が要求される。また大画面の要求から２５〜４０°の光学振れ角を求められている。
上記のように高速でかつ大きい振れ角でミラーを駆動させるためには、ミラーの大きさを小さくして重さを減らすことが有効になる。一方ミラーを軽くするために薄くすると、高速で駆動させた場合、ミラーの変形が起きてしまう。このミラーの変形は、特にミラーが大きく振れる画面端部で画像のボケやゆがみを起こしてしまい、画質の劣化を招く。
そこで、特開２０１１−２７８８１号公報に開示されている光スキャナにあっては、ミラーに関して、基板部上に補強部を貼り付け、その補強部上に反射面が形成されている。

特開２０１１−２７８８１号公報

前述した従来の光スキャナでは、ミラーの補強により変形を抑制することは可能であるが、ミラーの重量増加に伴い、光偏向特性に影響を与える共振周波数や振動感度などの特性の低下を招来するといった問題点がある。

本発明は、ミラーの補強を図りつつ、光偏向特性への影響を可能な限り少なくするようにしたＭＥＭＳ光スキャナを提供することを目的とする。

そこで、本発明は、光を反射する反射面を有するミラーと、前記ミラーから延出すると共に、前記ミラーの回動軸線を挟むように対向して配置された第１のトーションバーと第２のトーションバーとからなるトーション部と、を有するＭＥＭＳ光スキャナであって、前記ミラーの裏面には、前記第１のトーションバーを通る中心軸線と、前記第２のトーションバーを通る中心軸線との間に、前記裏面から突出する補強部が設けられているＭＥＭＳ光スキャナを提供する。

本発明によれば、ミラーの補強を図りつつ、光偏向特性への影響を可能な限り少なくでき、駆動時のミラーの歪みを抑制することが可能になるので、大画面、高画質が求められる画像描画装置への応用が可能となる。

本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナの一実施形態を示す平面図である。ＭＥＭＳ光スキャナの要部を示す平面図である。（ａ）は、図２のＡ−Ａ線に沿う端面図、（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ線に沿う端面図である。ミラーの歪み状態を示す概略図である。様々な変形例を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示されるように、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、シリコン材料を半導体加工装置で加工したもので、例えばSOI（silicon on insulator）基板で作られている。ミラー１１、トーション部１２Ａ，１２Ｂ、アーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄなどの各パーツは数十μｍの薄いシリコン層、たとえば５０μｍで形成されている。光スキャナ１の外周には、光スキャナ１の全体の形状を保持するためのフレーム１０１が形成されている。このフレーム１０１は例えば400umの厚さのシリコン基板に埋め込み酸化膜（図示せず）を介して固定されており、変形が生じないようになっている。

光スキャナ１の中央には、略矩形の空間Ｓが形成され、この空間Ｓ内には円板状のミラー１１が配置されている。このミラー１１は、回動軸線Ｈを中心にして回動動作を行う。ミラー１１の反射面１１ａにレーザ光（不図示）を照射すると、レーザ光がスキャンされる。フレーム１０１とミラー１１は、４枚のアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと４本のトーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを介して接続されている。

４本のトーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、ミラー１１と一体に形成されている。ミラー１１の外周からは、トーション部１２Ａ，１２Ｂがミラー１１の径方向に延出する。一方のトーション部１２Ａは、回動軸線Ｈを挟むように対向して配置された第１のトーションバー１２ａと第２のトーションバー１２ｂからなる。他方のトーション部１２Ｂは、回動軸線Ｈを挟むように対向して配置された第１のトーションバー１２ｂと第２のトーションバー１２ｄからなる。

トーション部１２Ａの第１のトーションバー１２ａは、ミラー１１の外周からアーム１３ａの端部に形成された突起連結部１３ｅに向かって、徐々に回動軸線Ｈに近づくように延在する。すなわち、第１のトーションバー１２ａは、回動軸線Ｈに対して傾斜するように延在している。また、トーション部１２Ａの第２のトーションバー１２ｃは、ミラー１１の外周からアーム１３ｃの端部に形成された突起連結部１３ｆに向かって、徐々に回動軸線Ｈに近づくように延在する。すなわち、第２のトーションバー１２ｃは、回動軸線Ｈに対して傾斜するように延在している。

同様に、他方のトーション部１２Ｂの第１のトーションバー１２ｂは、ミラー１１の外周からアーム１３ｂの端部に形成された突起連結部１３ｇに向かって、徐々に回動軸線Ｈに近づくように延在する。すなわち、第１のトーションバー１２ｂは、回動軸線Ｈに対して傾斜するように延在している。また、トーション部１２Ｂの第２のトーションバー１２ｄは、ミラー１１の外周からアーム１３ｄの端部に形成された突起連結部１３ｈに向かって、徐々に回動軸線Ｈに近づくように延在する。すなわち、第２のトーションバー１２ｄは、回動軸線Ｈに対して傾斜するように延在している。

各トーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは回動軸線Ｈから所定の距離だけ離間してミラー１１の外周に接続しており、第１のトーションバー１２ａと第２のトーションバー１２ｃ並びに第１のトーションバー１２ｂと第２のトーションバー１２ｄとは、回動軸線Ｈに対して対称形をなす。アーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは回動軸線Ｈに対して直交する方向に延在し、トーション部１２Ａ側において、アーム１３ａとアーム１３ｃとは、一直線上で整列し、トーション部１２Ｂ側において、アーム１３ｂとアーム１３ｄとも、一直線上で整列している。

アーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにはPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）で作られた圧電膜が形成されていている。圧電膜の上下には酸化物の電極が設けられ、更に金属の電極により配線がなされており、圧電膜に電界をかけたり、圧電膜に生じた電界を検出したりできる。例えば、図１において、回動軸線Ｈの右側に位置するアーム１３ｃ，１３ｄの圧電膜の電極に交流電圧を入力信号として入力すると、圧電膜が伸縮し、それがアーム１３ｃ，１３ｄに上下に反る運動を発生させ、その運動がトーションバー１２ｃ，１２ｄからミラー１１に伝わりミラー１１が揺動する。ミラー１１の動きはトーションバー１２ａ，１２ｂを通して回動軸線Ｈの左側に位置するアーム１３ａ、１３ｂを上下に反らせ、圧電膜に電界が発生し、電極に電圧信号が発生する。

ミラー１１の表面をなす反射面１１ａには、高反射率の金属薄膜が形成されている。金属材料としては、既知の高反射率を持つ金属が利用可能であるが、可視光領域で波長に対してフラットな反射率を有し、単体でも比較的高耐蝕性であるアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金が好ましい。

一般的にミラー１１の厚みを増加させれば剛性が高まり、ミラー１１の変形は抑制される。しかし、ミラー１１の厚みを増加させることは重量の増加を招き、駆動特性の低下につながる。補強として用いるリブを適用する場合も同様であり、強度を向上させるため大きなリブを設けることは、駆動特性や共振周波数の劣化を招く。このため、リブの形状や大きさを最適に設定する必要がある。また種々の検討よりミラー１１が最も変形する部位は、トーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのミラー１１側の付け根近傍であることが見い出された。

図２及び図３に示されるように、ミラー１１の裏面１１ｂには、トーション部１２Ａにおける第１のトーションバー１２ａを通る中心軸線Ｌ１と、第２のトーションバー１２ｃを通る中心軸線Ｌ２との間に、裏面１１ｂから突出する円環状の補強部２０Ａが立設されている。同様に、トーション部１２Ｂにおける第１のトーションバー１２ｂを通る中心軸線Ｌ１と、第２のトーションバー１２ｄを通る中心軸線Ｌ２との間に、裏面１１ｂから突出する円環状の補強部２０Ｂが立設されている。

また、ミラー１１の裏面１１ｂには、略均一な厚みで延在する円環状の突起部２０が立設され、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間の領域には、突起部２０を部分的に肉厚にすることにより形成された補強部２０Ａ，２０Ｂが設けられている。各補強部２０Ａ，２０Ｂは、突起部２０からミラー１１の中心に向かって膨出している。

リブ状をなす突起部２０は、ミラー１１や他の部位と同様、シリコンウエハーを加工することからなり、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成される。突起部２０の形状は略円筒形であり、補強部２０Ａ，２０Ｂは、突起部２０の壁厚の一部を他の部分より厚くすることで形成されている。突起部２０の径はミラー１１の径の８０〜９５％の範囲であれば良い。

突起部２０の壁厚は、２５μｍ以上が好ましく、厚い部分すなわち補強部２０Ａ，２０Ｂの壁厚は、突起部２０の壁厚のプラス５０μｍ以上であれば良く、１００μｍ以上であればより好ましい。また突起部２０の高さは１５０〜４００μｍの間であれば良い。そして、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間の領域を大きく越えるとミラー１１の歪みはさらに低減される傾向にあるが、代わりにアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが不要な変形をする共振モードが発生し、本来望んでいるミラー１１が回転する共振モードに悪影響を与え、最悪はトーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄやアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが破損される可能性がある。そのため中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間の領域において、突起部２０の壁厚のみを厚くすることが好ましい。

［実施例１］
図３に示される本実施形態に係るＭＥＭＳ光スキャナ１のミラー１１の厚さは５０μｍ、突起部２０の高さは１９０μｍ、突起部２０の壁厚の薄い部分で２５μｍ、厚い部分すなわち補強部２０Ａ，２０Ｂで１２５μｍとした。
［比較例1］
比較例1としてリブ状の突起部を設けず、他のパラメーターを実施例と同一の構成にしている。
［比較例2］
比較例２として突起部２０の壁厚を２５μｍで一定とし、他のパラメーターを実施例と同一の構成にしている。

構造解析シミュレーションにより、ミラー１１の歪み及び主共振の周波数を計算した。その結果を表1に示す。

実施例１および比較例２においては、比較例１と比べ相対歪みが低下していることが分かり、リブ状の突起部２０を設ける効果が確認できる。一方、共振周波数は突起部２０を設けることにより大きく低下するが、トーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの幅や長さを変えることにより調整が可能である。また実施例１は比較例２と比べても相対歪みが３０％以上低下しているにもかかわらず、主共振の周波数の変化が小さく抑えられており、本発明の効果が確認できる。

なお、前述した歪みの定義としては、図４に示されるように、ミラー１１を共振状態で角度θで振った時に、ミラー１１の変形によって生じる状態（符合Ａ参照）と理想状態（符合Ｂ参照）との変位Ｒをいう。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、下記のような種々の変形が可能である。

図５（ａ）に示されるように、ミラー１１の裏面１１ｂには、径方向で対向して位置する円弧状の一対の突起部３０ａ，３０ｂが設けられている。そして、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間に位置する各補強部３０Ａ，３０Ｂは、突起部３０ａ，３０ｂからミラー１１の中心に向かって膨出している。

図５（ｂ）に示されるように、ミラー１１の裏面１１ｂには、円環状の突起部４０が設けられている。そして、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間に位置する各補強部４０Ａ，４０Ｂは、突起部４０からミラー１１における径方向の外方に向かって膨出している。

図５（ｃ）に示されるように、ミラー１１の裏面１１ｂには、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間に扇状の補強部５０Ａ，５０Ｂのみが配置されている。

図５（ｄ）に示されるように、ミラー１１の裏面１１ｂには、中心軸線Ｌ１と中心軸線Ｌ２との間に直線状の補強部６０Ａ，６０Ｂのみが配置されている。各補強部６０Ａ，６０Ｂは、回動軸線Ｈに対して直交して延在している。

アーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに形成された圧電膜を使う場合、図１において回動軸線Ｈの右側の２枚を使う場合のほか、そのうち一枚だけ使う場合、あるいは３枚もしくは４枚使う場合（この場合、右側と左側は交流信号の位相を反転させる必要がある）もある。また、ピエゾ抵抗素子がトーションバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのいずれかに組み込まれていてもよい。

１…ＭＥＭＳ光スキャナ１１…ミラー１１ａ…反射面１１ｂ…ミラーの裏面１２Ａ，１２Ｂ…トーション部１２ａ，１２ｂ…第１のトーションバー１２ｃ，１２ｄ…第２のトーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…アーム２０…突起部２０Ａ，２０Ｂ…補強部３０Ａ，３０Ｂ…補強部３０ａ，３０ｂ…突起部４０…突起部４０Ａ，４０Ｂ…補強部５０Ａ，５０Ｂ…補強部６０Ａ，６０Ｂ…補強部Ｈ…回動軸線Ｌ１，Ｌ２…中心軸線

Claims

光を反射する反射面を有するミラーと、前記ミラーから延出すると共に、前記ミラーの回動軸線を挟むように対向して配置された第１のトーションバーと第２のトーションバーとからなるトーション部と、を有するＭＥＭＳ光スキャナであって、
前記ミラーの裏面には、前記第１のトーションバーを通る中心軸線と、前記第２のトーションバーを通る中心軸線との間に、前記裏面から突出する補強部が設けられている、
ＭＥＭＳ光スキャナ。
前記ミラーの裏面には、略均一な厚みで延在する突起部が設けられ、前記補強部は、前記突起部の前記厚みを肉厚にすることにより形成されている、
請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。