振動素子、光走査装置、アクチュエータ装置、映像投影装置及び画像形成装置
【課題】梁部に高い振動疲労特性と揺動部に高剛性を持たせつつ小型化された振動素子を提供する。
【解決手段】振動素子は、基体３と、前記基体３から梁状に設けられた梁部２と、前記梁部２の前記基体３側とは反対の側に設けられたミラー部４とを備え、前記揺動部４の少なくとも一部及び前記梁部２は金属ガラスで一体に形成される。次に、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子のミラー部４に照射して局所的な構造緩和を行う。
【解決手段】振動素子は、基体３と、前記基体３から梁状に設けられた梁部２と、前記梁部２の前記基体３側とは反対の側に設けられたミラー部４とを備え、前記揺動部４の少なくとも一部及び前記梁部２は金属ガラスで一体に形成される。次に、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子のミラー部４に照射して局所的な構造緩和を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動素子、光走査装置、アクチュエータ装置、映像投影装置及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動素子を備えた装置の一例として光スキャナ等の光走査装置が知られている。例えば、特許文献１記載の光走査装置においては、基板にステンレスからなる梁部を設け、圧電体等により基板に板波を誘起し、梁部に支持されたミラー部を揺動させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で示されるように、振動素子の揺動部であるミラー部を共振振動により揺動させて、ミラー面にレーザ光などを反射させる事により、その反射光を走査する光走査装置が提案されている。このような光走査装置を小型化するためには、光走査を行う振動素子の小型化が必要である。振動素子は、揺動部としてのミラー部、梁部、梁部を保持する基体としての基板等で構成されているので、振動素子の小型化には各箇所の小型化が求められる。ところで、ミラー部は、揺動するので動的なたわみを抑える必要があり、梁部は、捻りやたわみ振動する必要があるので、振動素子の小型化においては、これらミラー部及び梁部の機能特性を考慮しなければならない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑み、梁部に高い振動疲労特性と揺動部に高剛性を持たせつつ振動素子等の小型化において有効な仕組みを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の振動素子は、基体と、前記基体から梁状に設けられた梁部と、前記梁部の前記基体側とは反対の側に設けられた揺動部とを備え、前記揺動部の少なくとも一部及び前記梁部は金属ガラスで一体に形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、梁部に高い振動疲労特性と揺動部に高剛性を持たせつつ小型化された振動素子等を有効に実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図1ａは、振動素子の構成を示す斜視図、図１ｂは、ミラー部の断面図、図１ｃは、梁部の断面図、図１ｄは、ミラー部が捻り運動をした時の最大変位角度を示す断面図。
【図２】図２ａは、実施例１の振動素子の斜視図、図２ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ、図２ｃは、Ｃ−Ｃ’線における断面図、図２ｄは、図２のＤ−Ｄ’線における断面図。
【図３】図３ａ、図３ｂ、図３ｅ〜図３ｈは、実施例１における工程図、図３ｃは、図３ｂのＥ−Ｅ’線における断面図、図３ｄは、メタルマスクのアスペクト比と膜厚の関係を示したグラフ。
【図４】図４ａは、実施例２の振動素子の構成を示す斜視図、図４ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布を示すグラフ。
【図５】実施例２における工程図。
【図６】図６ａは、実施例３の振動素子の構成を示す斜視図、図６ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ。
【図７】実施例３における工程図。
【図８】図８ａは、実施例４の振動素子の構成を示す斜視図、図８ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ。
【図９】実施例４における工程図。
【図１０】図１０ａ、図１０ｂは、実施例５のマイクロデバイス振動子の概略上面図及び下面図、図１０ｃは、実施例５のレーザスキャニング概略図
【図１１】実施例５のメタルマスクの写真。
【図１２】図１２ａ、図１２ｂは、実施例５のシングルメタルマスクを示す概略断面図、図１２ｃ、図１２ｄは、実施例５のダブルメタルマスクを示す概略断面図。
【図１３】実施例５のシリコンストレスと温度との関係を示すグラフ。
【図１４】図１４ａは、実施例５の振動子のギャップ図、図１４ｂは、アニール方法を示す概略断面図。
【図１５】実施例５の荷重を変えて熱処理を行った結果を示すグラフ。
【図１６】図１６ａ〜図１６ｆは、実施例５のマイクロデバイス振動子の製造方法を示す図。
【図１７】実施例５のマイクロデバイス振動子の写真。
【図１８】レーザスキャニング方法を示す写真。
【図１９】アクチュエータ装置を示す図。
【図２０】画像形成装置を示す図。
【図２１】画像投影装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［振動素子、光走査装置の実施形態］
図１ａは、電磁コイル１４による交流磁場と磁石１２による共振振動を利用して、梁部２を動かす事により梁部２と一体に形成されたミラー部４を揺動させる振動素子３０を示す。揺動部であるミラー部４は梁部２の中心を回転軸として揺動して、そのミラー部４の動きにより反射光を走査する。梁部２は、その一端が基体３に固定されている。図１ｂはミラー部４の断面、図１ｃは梁部２の断面、図１ｄはミラー部４が揺動する時の最大変位角度を示したミラー部４の断面図である。なお、このミラー部４の少なくとも一部と梁部２と基体３とは、後で説明するように、本実施形態の各実施例では同じ金属ガラスにより一体に形成されている。この振動素子３０における各物理量、振動特性を示す用語と記号を以下のように設定する。
Ｅ：梁部２、ミラー部４を構成する材料のヤング率
υ：梁部２、ミラー部４を構成する材料のポアソン比
Ｇ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の横弾性係数
ρ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の密度
τＦＬ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の疲労限界
ｐ：ミラー部４の長さ
ｗ：ミラー部４の幅
ｄ：ミラー部４の厚み
Ｌ：梁部２の長さ
ｓ：梁部２の幅
ｔ：梁部２の厚み
ｆ：捻り振動の共振周波数
θ：振動素子３０の最大捻り角度
Ｋ：梁部２のバネ定数
τ：振動時に捻り梁に発生する最大応力
Ｉ：梁部２の中心軸周りの振動素子の慣性モーメント
δ：ミラー部４の動的たわみ
【００１０】
図１に示す振動素子３０のモデルを元に、振動特性（捻り振動の共振周波数ｆ、振動素子３０の最大捻り角度θ、ミラー部４の動的たわみδ等）を維持しながら振動素子３０を小型化するために、どのような材料の特性が必要になるかを述べる。梁部２の中心を回転軸としてミラー部４が捻り振動を起こすと梁部２に応力が発生し、最大変位角度θにより最大となる。また梁部２に発生する最大応力τは以下の式１で概算する事が可能となる。
τ＝Ｇｔθ／Ｌ・・・（１）
梁部２に発生する最大応力τは、梁部２を構成する材料の疲労限界τＦＬよりも小さく設定しなければならない。そうしなければ梁部２は破断するか大きく強度を低下させてしまう。そして、振動素子３０の小型化をするために梁部２の長さＬを小さくする場合には、梁部２を構成する材料の疲労限界τＦＬがより高く、横弾性係数Ｇをより低い材料を選択する方法が求められる。なお、横弾性係数Ｇはポアソン比υとヤング率Ｅを用いた以下の式２で求められる。
Ｇ＝Ｅ／２（１＋υ）・・・（２）
ポアソン比υは材料によって一定であるので、横弾性係数Ｇとヤング率Ｅは比例関係である。つまり材料のヤング率Ｅが決定すれば、横弾性係数Ｇも同様に算出する事が出来る。以上のように、振動素子３０を小型化するためは梁部２を構成する材料が低ヤング率で、高い疲労限界（高疲労特性）を持つ事が要求される。振動素子３０のミラー部４では光走査による揺動でたわみが発生し（動的たわみδ）、反射光を歪めてしまう現象が問題となる。そして、この動的たわみδを概算するための式３は以下の様に示される。
【数１】
【００１１】
この動的たわみは、目的とする走査形態に従って一定の規格（仕様）以下になるようにしなければならない。つまりミラー部４を形成する材料は相対的に弾性率が高く、比重の小さい物が適している。上に述べた２点をまとめると、光走査装置を小型化するためには、梁部２では低ヤング率で高疲労特性が望ましいが、ミラー部４では動的たわみを抑制させるために高ヤング率が求められるので、構成部分により必要とするヤング率が異なってしまう。
【００１２】
ここで、本実施形態では、揺動部となるミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離し、且つミラー部４の少なくとも一部及び梁部２を金属材料によって一体に形成している。ここでいう機械的特性とは、例えば、引っ張り、曲げ、圧縮、せん断、硬さ、衝撃、疲労等の外部から加わる力（外力）に対する性質をいうが、特に、本実施形態例では、ミラー部４における機械的特性としては高弾性（又は高ヤング率）であり、梁部２における機械的特性は低弾性（又は低ヤング率）・高疲労特性である。なお、ミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離するとは、例えば、本実施形態例では、ミラー部４は揺動部として機能させ、梁部２は駆動部として機能させることを意味する。
【００１３】
本実施形態のようなミラー部４と梁部２とを形成するための材料としては、良好な疲労限界と低ヤング率を兼ね備える材料が好ましく、具体的には、金属ガラスが挙げられる。金属ガラスは、ガラス転移を示すアモルファス合金であり、結晶由来の塑性変形が発生し難く、広い弾性領域を有している。金属ガラスは、一般的な合金と比較して、高強度、高疲労特性、高耐食性、低ヤング率の特性を有する。また、金属ガラスは、熱的安定性に優れ過冷却領域を持つので、製造プロセスの熱的悪影響を受けず、過冷却領域を使用した三次元加工も可能である。ここで、原子又は分子が材料内部の運動（分子鎖の回転、捻り等）及び、外部的な運動（振動、分子自体の回転）等で自由に動き回ることができる空間のことを自由体積と呼ぶ。自由体積は、原子や分子が材料内部での運動性を示す値で、この値が大きいほど外部からの歪に対して柔軟に動く事が出来る。振動素子３０においては、長時間の振動により梁部２が疲労限界に達すると、材料組織の原子や分子などが引き裂かれ疲労亀裂が発生する可能性が高まる。この時、自由体積が高ければ材料組織内の原子や分子が粘り強く動く事が出来るので、疲労亀裂等の劣化を抑制する事が出来る。
【００１４】
金属ガラスは、アモルファス合金であり結晶構造を持たない。アモルファス構造は結晶構造よりも隙間の多い構造を有しており、この隙間を自由体積と定義出来る。また金属ガラスは過冷却領域を持つ準安定状態の物質であるので、ある温度以上、例えば、一般的なガラス材料と同じようにガラス転移温度近くまで、あるいは結晶化する温度近くまで加熱すると構造緩和が発生する。構造緩和は無秩序に配列されていた原子（アモルファス構造）が外部からの熱を受けて再配列が起こり、安定状態（結晶）へと変化する過程を指す。そして、ガラス転移温度又は結晶化温度を超えて加熱し続けると、原子が完全に安定状態へと変化して結晶相が発生し、金属ガラス特有のアモルファス構造を失い自由体積を減少させる。これが結晶化と呼ばれる現象である。このように、金属ガラスは構造緩和、結晶化を経るごとに原子が再配列を進行させて、その原子間の隙間である自由体積を減少させていく事になる。
【００１５】
構造緩和又は結晶化による原子の再配列により、材料内の隙間は減少し密な構造となる。これにより、応力に対する形状変形（歪）がアモルファス構造よりも少なくなるので、材料全体としてもヤング率が上昇する。なお、構造緩和後の状態よりも結晶化が完了した状態の方が、より原子の再配列が進行した状態なので、同一の材料で比較した場合には、結晶化後のヤング率がより高くなる。また結晶構造は構造体として歪に対する独自の機械的特性を持つのでヤング率の上昇を更に見込める。
【００１６】
以上のように、例えば、金属ガラスにおける自由体積の減少はヤング率の増加を伴うので、ある構造物において部分的（選択的）に構造緩和を行えば、その部分に関しては機能向上（具体的にはヤング率の増加）を行える。このような構造物における部分的な構造緩和を光走査装置における振動素子３０に採用すれば、梁部２とミラー部４とで機能分離を実現、即ち、梁部２では低ヤング率で高疲労特性、ミラー部４では高ヤング率を達成する事が出来るので、振動素子３０の構造設計の自由度が向上し、振動素子３０の小型化、そして光走査装置の小型化が行える。
【００１７】
なお、実施形態では、上述したように、揺動部となるミラー部４と梁部２とは金属ガラスで一体に形成されているが、このミラー部４は、基本的に２つの領域に分けられる。具体的には、ミラー部４は、梁部２を保持する基体と、梁部２及びミラー部４がそれぞれ配列される方向に沿って、梁部２との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域（梁部２の機械的特性又は機能に直接影響を及ぼし易い領域）と所定の距離外に位置する第２領域（梁部２の機械的特性又は機能に直接影響を及ぼし難い領域）とを含む。そして、ミラー部４の少なくとも第２領域を上記の構造緩和の対象領域とするのが好ましい。これにより、ミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として有効に機能分離することができ、所望の特性を有する振動素子３０を実現することができる。
次いで、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
［実施例１］
実施例１では、揺動部としてのミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成し、ミラー部の中央部分を熱処理することでミラー部の剛性を高め、梁部に熱処理を施さないことで梁部に高い耐疲労特性を確保する。
【００１９】
図２ａは、実施例１における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図２ａにおいて振動素子３０は全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。梁部２は基体３に結合されてその一端が支持される。ミラー部４は、梁部２の基体３とは反対側の端部に結合され支持され、そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を反射して走査する事が可能となる。図２ｂは、図２ａのＢ−Ｂ’線における断面と振動素子３０の長手方向に対応するヤング率の分布を示してある。梁部２とミラー部４の境界部分は揺動する時に応力が強く発生するので低ヤング率で自由体積が大きく疲労強度が高い状態となっている。逆にミラー部４では動的たわみを抑えるために高いヤング率となっている。ただし、ミラー部４と梁部２の境界部分にも大きな応力が発生するので、境界部分では梁部２と同様のヤング率を維持して、ミラー部４側で勾配を持つようなヤング率の分布となる。図２ｃは、図２ａのＣ−Ｃ’線における断面図を示した図である。また図２ｄは、図２ａのＤ−Ｄ’線における断面図を示した図である。ミラー部４の裏面端部は膜厚がミラー部裏面中心部よりも膜厚が減少し、またミラー部４の厚みは梁部２の厚みよりも厚くなっている。
【００２０】
ミラー部４の断面形状をこのような形状にする理由を説明する。ミラー部４の動的たわみを抑えるためには、剛性を向上させるためにミラー部４の厚みを増やす事が有効である。ただし、厚みが増える事によりミラー部４の慣性モーメントが上昇するので、揺動させるために必要な力が増大してしまう。光走査装置を小型化する際には、振動素子３０の小型化と共に振動に必要な力を発生させる装置も小型化させる事が望ましい。そして、この力を発生させる装置の小型化には、力の低下を招くので、光走査装置の小型化には振動素子３０のミラー部４における慣性モーメントの抑制を行うことが望ましい。動的たわみを抑えつつ慣性モーメントを軽減させるためには、ミラー部４の鏡面裏側の端部で厚みが減少するような形状を持つようにする。これにより動的たわみ量を抑えながら、ミラー部４の質量を軽減させる事が出来るので、慣性モーメントを抑える事が出来る。
【００２１】
次に、実施例１の振動素子３０の製造方法を、図３ａ〜図３ｈを用いて説明する。図５ａに示すように、Ｓｉ単結晶基板１上にＣｕ５をスパッタ成膜により１〜２μｍの厚みで形成させる。次いで、図３ｂに示すように、Ｓｉ単結晶基板１上のＣｕ５の上に図１に示した振動素子３０の形状を開口部として持つメタルマスク６を配置する。なお、ここでは、メタルマスク６を用いて説明しているが、メタルマスク６の代わりに、例えば、フォトレジスト等のマスクパターンを用いてもよい。図３ｃは、図３ｂのＥ−Ｅ’平面における断面を示した図である。次いで図３ｃに示すように、スパッタ成膜により金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの粒子をメタルマスク６の開口部分から入射させて基板１上に所望の膜厚を堆積させる。図３ｄは、図３ｃにおけるメタルマスク６の開口部アスペクト比（メタルマスク厚み／開口幅）と堆積した金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの厚み（膜厚）との関係を示すグラフである。この場合の膜厚は、アスペクト比０（メタルマスクを使用しない場合）の膜厚に対して、メタルマスク６を使用した場合の膜厚を比率によって表現してある。そして図に示す通りに、アスペクト比が増加すると堆積する膜厚が減少している事が判る。
【００２２】
ミラー部４の動的たわみを軽減するために、ミラー部４を厚くする場合には、上記に示した関係を利用してメタルマスク６の設計を事前に行っておく。例えば、ミラー部４の厚みが梁部２よりも２倍にする必要があれば、ミラー部４の開口部アスペクト比を０．５以下、梁部２の開口部アスペクト比を２．０とすれば良い。そして、ミラー部４の断面の端部はスパッタ成膜された金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの粒子が入射し難いので、端部に行くに従い厚みが減少していく。このようにミラー部４の中心の厚みを上昇させて、端部の厚みを減少させる事により、動的たわみを抑えながら慣性モーメントも抑える事が出来る。
【００２３】
次いで、基板１上のメタルマスク６を除去し、硝酸によるエッチングによりＣｕ５を除去すると、図３ｅに示す通りに、Ｓｉ単結晶基板１から振動素子３０の本体である金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを分離する事が出来る。次いで、図３ｆに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。ミラー部４の中心では十分な構造緩和を行い、梁部２では構造緩和を行わない様に梁部２に近づくにつれて温度上昇を抑える。またミラー部４からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。
【００２４】
構造緩和の手法としては、上記のＹＡＧレーザ１０による以外にも局所的な加熱が可能な手法であれば代用は可能である。例えば加熱した金属片などを対象とする領域に押し当てる手法、対象とする領域を電磁コイルで覆い誘導加熱により加熱を行う手法等が挙げられる。また、ヤング率の上昇のために構造緩和を行うので、結晶化温度まで加熱して結晶相を発生させる手法も有効である。ただし、この場合には結晶化による他の物性変化を考慮することが望ましい。
【００２５】
次いで、図３ｇに示す通りに、振動素子３０のミラー部４の平坦面に反射膜としてＡｕ膜１９を形成させて、その裏側に捻り振動に使用する磁石１２を接着剤により接合する。次いで、図３ｈに示すように、電磁駆動に必要な電磁コイル１４を、ミラー部４の裏側に、磁石１２に対して磁界による作用力を与えて振動素子３０が揺動する事が出来る位置に配置する。また、レーザ発振装置を所望の光走査が出来るように配置して光走査装置が完成する。なお、電磁力を使用した駆動方法以外にも、必要な構造を付加する事により様々な駆動方式に対応する事が出来る。
【００２６】
［実施例２］
実施例２では、ミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成する点では実施例１と共通するが、実施例２では、ミラー部と梁部との間に中間部を設けている。
【００２７】
図４ａは、実施例２における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図４ａにおいて振動素子３０は、全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。ミラー部４は、ミラー部４より幅が狭い中間部１７を介して梁部２に支持され、梁部２は、その両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。実施例１で述べた通りに、振動子３０の小型化には構造緩和によりミラー部４のヤング率を上昇させる事が有効である。しかし一方では、梁部２では低ヤング率が望まれるので構造緩和させる事は望ましくない。つまり、構造緩和する場合には熱処理をする領域を正確に分けることが望ましい。しかし、加熱等による構造緩和では加熱領域で必ず温度勾配が発生してしまう。これを解決するために、梁部２の間に熱の緩衝領域である中間部１７を配置して、ミラー部４と梁部２のそれぞれに所望のヤング率を持つようにさせる。図４ｂには、図４ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応するヤング率をグラフで示している。
【００２８】
次に、実施例２の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図５ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部４、梁部２、中間部１７、基体３を持つ振動子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００２９】
次に図５ｂに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部４からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００３０】
［実施例３］
実施例３では、ミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成する点では実施例１、２と共通するが、実施例３では、ミラー部の全体に熱処理を施している。
【００３１】
図６ａは、実施例３における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図６ａにおいて振動素子３０は全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。ミラー部４は梁部２に支持され、梁部２はその両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。実施例１で述べた通りに、振動素子３０の小型化には構造緩和によりミラー部４のヤング率を上昇させる事が有効である。しかし一方では、梁部２では低ヤング率が望まれるので構造緩和させる事は望ましくない。つまり、構造緩和する場合には熱処理をする領域を正確に分けることが望ましい。しかし実際には、加熱等による構造緩和では加熱領域で必ず温度勾配が発生してしまうので、ミラー部４に接している梁部２の一部は構造緩和を受ける事になりヤング率が上昇する。図６ｂには、図６ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応するヤング率をグラフで示している。
【００３２】
次に、実施例３の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図７ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部４、梁部２、基体３を持つ振動素子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００３３】
次に、図７ｂに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００３４】
［実施例４］
実施例４では、ミラー部を台座と光学部材との積層構造とし、ミラー部の台座、梁部及び基体を金属ガラスで一体に形成し、ミラー部の中央部分に対する熱処理と積層構造とによってミラー部の剛性を高めている。
【００３５】
図８ａは、実施例４における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図８ａにおいて、振動素子３０の梁部２とミラー部４の台座１８と基体３は、金属ガラスで一体に形成されている。台座１８の一面に接合される光学部材１１は、Ｓｉ単結晶で形成され、ミラー面を構成する反射膜１９はＡｕ膜で形成されている。なお、反射膜１９を形成する材料としては、Ａｕに限定されず、その用途と反射膜の分光特性や耐久性を考慮して適宜選択すればよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料を適宜用いることができる。また、ここでは、反射膜１９を単層のＡｕ膜を用いて説明しているが、保護や反射特性の向上を目的として、単層または複数層からなる誘電体膜（ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＴｉＯ２Ｘ、ＭｇＦ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、等）を積層した構造を適用してもよい。反射膜１９と光学部材１１と台座１８で構成されているミラー部４は、台座１８で梁部２に支持され、梁部２はその両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。
【００３６】
先に述べた通りに、振動素子３０のミラー部４における動的たわみは光走査の形態に従ってある基準以下にしなければならない。実施例１で述べた通りに、動的たわみを下げるためにはミラー部４は高剛性であることが望ましいが、剛性を高めるためにミラー部４の厚みを増やしてしまうと慣性モーメントが上昇してしまう。これを解決するために、Ｓｉ単結晶などの軽量で剛性が高い材料をミラー部４に付加させる方法がある。この時、金属ガラスで構成されているミラー部の台座１８を構造緩和により剛性あるいはヤング率を上昇させれば、ミラー部４の剛性向上のために付加しているＳｉ単結晶の厚みを減らす事が可能となり、ミラー部４全体の重量を減らす事が出来る。ミラー部４全体の重量を減らす事が出来ればミラー部４の慣性モーメントを減らす事になり、ミラー部４を揺動させる力を小さくする事が出来る。実施例１に述べた通りに、揺動に必要な力を減らせれば、その力を発生させる装置も小型化が計れるので、光走査装置全体の小型化を行う事が出来る。図８ｂには、図８ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応する剛性をグラフで示している。
【００３７】
次に、実施例４の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図９ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部の台座１８と梁部２と基体３とを持つ振動素子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００３８】
次に図９ｂに示すように真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部の台座１８に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部台座１８からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、台座１８以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。
【００３９】
次に図９ｃに示すように、Ｓｉ単結晶を加工して光学部材１１を作成する。製作方法は意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えばＳｉ単結晶基板をダイシングにより加工する方法や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等を使用したＳｉエッチング方法がある。次に図９ｄに示すように光学部材１１に対して反射膜１９をつける。方法はスパッタ成膜や蒸着法等が挙げられる。先に述べたミラー部の台座部分１８に反射膜１９を付加した光学部材１１を接着剤により接合する。これにより図８ａの振動素子３０が完成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００４０】
［実施例５］
実施例とでは、実施例４と同じく、ミラー部を台座と光学部材との積層構造とし、ミラー部の台座、梁部及び基体を金属ガラスで一体に形成し、ミラー部を積層構造とすることで剛性を高めている。
【００４１】
図１０ａ、図１０ｂには、マイクロミラーデバイスの振動素子３０の概念図を示す。シリコン単結晶で形成されたミラー部４をＣｕ基薄膜金属ガラス（Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８）から成る台座の両端の基体３とトーションバー（梁部）２を介してミラー部４を支えている。また、駆動のためにミラー部４の裏側に磁石１２が接着され、電磁コイル１４で発生した磁界によりミラー部４が揺動される。図１０ｃは、図１０ａ、図１０ｂで示した振動素子３０のミラー部４の断面図であり、マイクロミラーデバイスの光走査を表わしている。電磁コイル１４から発生する交流磁場により、磁石１２がトーションバー２の中心を軸にして共振を起こし、捩り振動を発生させる。ミラー部４も捩り振動に従い揺動するので、入射光もそれに従って走査される。また、この時のミラー面の揺動する角度を、以後振り角θと呼称する。
【００４２】
ここで、台座、基体３、トーションバー（梁部）２に使用する材料としては、例えば、Ｃｕ基薄膜金属ガラスであるＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系を採用している。これにより、低縦弾性率、高強度、高疲労特性を得ることができる。そして、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔｉの各構成元素をアーク溶解により合金ターゲットを製作し、スパッタ成膜により薄膜状態のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを製作した。熱機械試験機（ＴＭＡ（Ｒｉｇａｋｕ，ＴＡ−６０））を用いた常温での引張試験により縦弾性率Ｅと引張強度σを測定し、それぞれＥ＝６２．３Ｇｐａ、σ＝０．９ＧＰａを得た。そして、エネルギー分散型Ｘ線分析ＥＤＸ（島津製作所，μＥＤＸ−１２００）により金属ガラスの組成Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を確認した。また、示差走査熱量測定ＤＳＣ（ＵＬＶＡＣ，ＤＳＣ９４００）により金属ガラスのガラス転移温度がＴｇ＝７３４Ｋ、結晶化温度がＴｘ＝７６８Ｋであることをそれぞれ確認した。また、密度ρは、７．２ｇ／ｃｍ３であった。
【００４３】
トーションバー２の断面が矩形とした場合、支持部に支持されたミラー部の共振周波数fと、トーションバー２のバネ定数Ｋは式４、式５で示される。
【数２】
【００４４】
材料特性である横弾性率Ｇとミラー部４の慣性モーメントＩが一定の場合、トーションバー２の長さＬ、幅ｓ、厚みｔにより共振周波数が決定する。特に、厚みｔは３乗倍でバネ定数の増減に関わるので、より高い共振周波数を得るにはトーションバー２の厚みの増加が効果的である。
【００４５】
トーションバー２に用いられる金属ガラス膜の製作では、スパッタ成膜を採用できる。しかし、フォトレジストを使用するスパッタ成膜方法では、得られる金属ガラスの膜厚は数μｍ以下である。これは成膜時に発生する熱により、金属ガラスの結晶化と脆化が発生するからである。しかし、マイクロミラーデバイスでは、用途によっては１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の高い共振周波数を設定するので、上述のように膜厚を増加して設計の選択肢を広げる事が要求される場合がある。そのため、過冷却領域を持ち熱的安定性が高い薄膜金属ガラスに着目し、薄膜金属ガラスを用いた超厚膜構造体を製作可能なプロセスを実現した。
【００４６】
スパッタ成膜を使用した構造体の製作には、マスクを使用したリフトオフ工程を用いる。マスクとしてフォトレジストを用いると、リフトオフしてパターニングする膜厚が厚くなると、成膜時の温度上昇によりフォトレジストからの脱ガスで、成膜材料の酸化などが生じることがある。したがって、マスクはガスを発生しない材料を用いるのが好ましい。そこで、本実施例５では、図１１に示すステンレス製のメタルマスクを用い、図１２に示すようなリフトオフプロセスを選択した。
【００４７】
図１２ａは、１枚のメタルマスクをシリコン単結晶基板上に固定した状態の断面図を示し、図１２ｂは成膜時の断面図を示す。この方法では、メタルマスクは膜応力により変形し、開口部分付近で基板から剥離してしまう。そして剥離された隙間からスパッタ粒子が堆積するので、振動素子断面の側面形状がメタルマスクのパターンと大きく異なってしまう。この問題を解決するために、本実施例では、図１２ｃ、図１２ｄに示すメタルマスクを２重にして下部のメタルマスクと基板は、フォトレジストにより接着する方法を採用している。
【００４８】
図１２ｃにはメタルマスクの２重構造を示す。シリコン単結晶基板上にポジ型レジストを１〜２μｍ塗布し、その上に振動子の構造を開口パターンとして持つ図１１のメタルマスクを固定する。この状態で露光と現像を行う事により開口パターン部分のレジストが除去されて、ポストベークによりメタルマスクと基板が接着される。そして、２枚目のメタルマスクを重ねて固定し成膜装置にネジで固定する。図１２ｄはスパッタ成膜中の振動素子３０の断面を示す図である。成膜中に上部のメタルマスクに応力が発生し変形が起こるが、下部のメタルマスクが基板と密着しているので振動素子３０の断面の側面形状は維持されたままになる。また、レジストはスパッタ粒子に直接触れないのでガス発生の懸念も無い。この手法を用いて、最大膜厚１００μｍを超える構造体を、断面形状を崩すことなく製作することに成功した。開口パターンのアスペクト比（図１２ｃにおけるＴ／Ｌ）が増加すると、スパッタ粒子が開口部の内部に到達する確率が減少する。この現象を用いて、アスペクト比の低いミラー部４における金属ガラスの膜厚が１０５μｍであるのに、トーションバー（梁部）２における金属ガラスの膜厚を５９．５μｍまで低下させることができた。
【００４９】
ここで、低温アニールについて説明する。スパッタ成膜時においては、膜に内部応力が発生する。これにより、トーションバー２は成膜後に膜厚方向に不均一な内部応力分布を持つので、変形してしまう。薄膜金属ガラスの応力緩和には、ガラス転移温度以下でガラス転移温度近傍における構造緩和が好適であり、真空加熱炉で６７３Ｋ (Ｔｇ−６５Ｋ)、５分間の熱処理を行ったところ、薄膜金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉとシリコン単結晶部分が剥離してしまう現象が発生した。
【００５０】
このため、シリコン単結晶と薄膜金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの熱応力を推定した。まず、二つの材料が室温時（Ｔ０）に応力ゼロで密着している状態を仮定する。そして、熱機械試験機（ＴＭＡ）で測定したＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの線膨張係数αａとシリコン単結晶の線膨張率αｂと縦弾性率Ｅ、ポアソン比υを用いて温度上昇時（Ｔ１）にシリコン単結晶基板が受ける応力σａｂを、式６を用いて計算した。
【数３】
【００５１】
その結果を図１３に示す。シリコン単結晶の引張強度は文献によって様々だが、概ね７００ＭＰａから１３００ＭＰａ程度となり、図１３に対応させると２００〜３００°Cの温度領域で破断する事が予想される。本実施例では、熱処理温度を決定するために、シリコン単結晶基板にＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉをスパッタ成膜した基板を用意して、２００°C、２５０°C、３００°Cでそれぞれ６時間加熱保持した３条件で実験を行った。その結果、２００°C、６時間の試料のみが剥離を発生しなかったので、本実験では、２００°Cを応力緩和温度とした。そこで、真空加熱炉で２００°C、１時間の熱処理を振動素子に行った。しかし若干の応力緩和は確認出来たが、応力の完全な解放には至らなかった。処理時間を６時間、１２時間と延ばしても特に応力緩和の進行は認められなかった。この原因としては、振動素子３０を固定しないで熱処理すると、表裏の内部応力の不釣り合いや、極表面に残留したシリコンの影響により反った状態のまま、応力緩和が進行するものと考えられる。そこで、振動素子３０の特にトーションバー部分２を固定しながら加熱保持し、応力緩和することを試みた。その熱処理時の状態を断面図として図１４ｂに示す。トーションバーはアルミナとシリコン単結晶基板の試料片で固定されており、上部のタングステンチップを介して荷重を受けている。振動素子全体の反りは図１４ａに示す形で測定し、荷重を変えて熱処理をした結果を図１５に示す。そしてタングステンチップ２４ｇの荷重をかけながら、２００°C、１２時間の処理を行えば、反りがゼロ付近となることが確認出来きた。
【００５２】
以上の検討を踏まえて、マイクロミラーデバイスの振動素子３０の製作を行った。製作プロセスを以下により説明する。図１６ａ〜図１６ｆは製作プロセスにおける振動素子３０の長手方向の断面を模式図で示した図である。まず始めに、先に述べたスパッタ成膜で、密着層としてＣｒ層を０．１μｍを成膜し、次いでＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を１０５μｍの厚みで形成する。また酸化防止膜としてＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８の上にはＡｕ層を２００Å形成する。スパッタ成膜後にメタルマスクを取り外し、図１６ａのようなＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８の支持部が形成される。なお、上述したように、メタルマスクの開口パターンにおけるアスペクト比が高くなると、スパッタ粒子が開口部内部に到達する確率が減少するので、アスペクト比の低いミラー部４（膜厚１０５μｍ）よりもトーションバー２の膜厚が５９．５μｍまで低下している。
【００５３】
次にＡｕ層の上からＣｕ層を２μｍ、Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を２μｍスパッタ成膜する。この２つの層は、シリコン異方性エッチング時の発泡によりエッチャント内でトーションバー２が揺動し破壊されることを防止する役割を持つ（図１６ｂ）。Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８による支持部を形成した面の裏側に、シリコン異方性エッチングのためのマスクを形成する。スパッタ成膜とフォトレジストのリフトオフにより、ミラー部と固定部にＣｒｔ層を０．１μｍ、Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を２μｍのマスクを形成する（図１６ｃ）。この後にシリコンエッチャント（林純薬工業株式会社 Pure etch １６０）を用いてシリコン異方性エッチングを行う（図１６ｄ）。次にＣｕ層を硝酸希釈液で、Ｃｒｔ層をＣｒエッチャントにより除去し、ミラー部４と基体３を形成する。
【００５４】
次にミラー部４の表面に反射膜としてＡｕを２００Åの厚みでスパッタ成膜を行い（図１６ｅ）、上述の低温アニール方法を用いて２００°C、１２時間の応力緩和を行う。そして、ミラー部４の裏側に磁石１２を接着剤で固定して、マイクロミラーデバイスの振動素子３０が完成する（図１６ｆ）。
【００５５】
以上のプロセスにより完成した振動素子３０の写真を図１７に示す。製作した振動子を電磁コイルとの共振振動により揺動させ、レーザ光を走査させた。図１８に示すようにレーザ光をスクリーンに照射し、その振幅によりミラー部の振り角θを算出した。本実施例の振動素子３０においては、共振周波数９１２．１Ｈｚ 、振り角θ=±３０ｄｅｇにて、１０８ｃｙｃｌｅｓの耐久試験で、破壊することなく駆動することを確認した。
【００５６】
実施例１〜５では、金属ガラスとしてＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ組成の金属ガラスを用いた。しかし、本発明において、他の組成の金属ガラスを使用することができる。使用可能な金属ガラスは、以下のような組成の金属ガラスである。
【００５７】
Ａｌ含有組成：Al-Ni-Ce-Fe、Al-Ni-Y
Ａｕ含有組成：Au-Ag-Pd-Cu-Si、Au-Ge-Si
Ｃａ含有組成：Ca-Ag、Ca-Cu-Ag-Mg、Ca-Mg-Cu、Ca-Mg-Zn
Ｃｅ含有組成：Ce-Al-Ni-Cu
Ｃｏ含有組成：Co-(Al,Ga)-(P,B,Si)、Co-(Zr,Hf,Nb)-B、Co-Fe-Si-B-Nb、Co-Fe-Ta-B、Co-Fe-Ta-B-Si、Co-Si-B、Co-Ta-B
Ｃｕ含有組成：Cu-(Zr,Hf)-Ti 、Cu-(Zr,Hf)-Ti-(Fe,Co,Ni)、Cu-(Zr,Hf)-Ti-(Y,Be)、Cu-Hf-Ti、Cu-Pd-Zr-Ag-Al、Cu-Zr、Cu-Zr-Al、Cu-Zr-Al-Ag、Cu-Zr-Al-Nb、Cu-Zr-Ti、Cu-Zr-Ti-Co
Ｆｅ含有組成：(Fe,Co)-B-Si-Nb、Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)、Fe-(Cr,Mo)-(C,B)-Ln、Fe-(Nb,Cr,Mo)-(C,B)、Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,B,Si)、Fe-(Zr,Hf,Nb)-B、Fe-B-Si-Nb、Fe-Co-Ln-B、Fe-Ga-(Cr,Mo)-(P,C,B)、Fe-Ga-(P,B)、Fe-Si-B-Nb、Fe-Si-B-P、Fe-Zr-Y-Co-Mo-Al-B
Ｈｆ含有組成：Hf-Al-Ni-Cu、Hf-Al-Ni-Cu-Pd、Hf-Al-Ni-Cu-Pt
Ｌａ含有組成：La-Al-Ni-Cu、La-Al-Ni-Cu-Co、La-Al-Ni-P、La-Ni-Al
Ｍｇ含有組成：Mg-Cu-Gd、Mg-Cu-Y、Mg-Cu-Y-Ag-Pd
Ｎｄ含有組成：Nd-Al-Fe-Co
Ｎｉ含有組成：Ni-(Nb,Cr,Mo)-(P,B)、Ni-(Nb,Ta)-Zr-Ti、Ni-(Zr,Hf,Nb)-B、Ni-Cu-Ti-Zr-Al、Ni-Nb-Ti-Zr、Ni-Nb-Ti-Zr-Co-Cu、Ni-Si-B、Ni-Ti-Zr-Al
Ｐｄ含有組成：Pd-Cu-Ni-P、Pd-Cu-Si、Pd-Ni-Cu-P、Pd-Ni-Fe-P、Pd-Ni-P、Pd-Pt-Cu-P、Pd-Si、Pd-Si-Cu
Ｐｔ含有組成：Pt-Cu-Co-P、Pt-Cu-Ni-P、Pt-Cu-P、Pt-Ni-P
Ｒｕ含有組成：Ru-Zr-Al、Ru-Zr-Mo
Ｔｉ含有組成：(Ti,Zr,Hf)-Cu-Ni-Si、Ti-Cu-(Zr,Hf)-(Co,Ni)、Ti-Cu-Ni-Sn、Ti-Cu-Zr-Pd、Ti-Ni-Cu-B-Si-Sn、Ti-Ni-Cu-Sn、Ti-Zr-Hf-Cu-Ni-Si、Ti-Zr-Cu、Ti-Zr-Ni、Ti-Zr-Fe
Ｚｒ含有組成：Zr-Cu-Ag-Al-Pd、Zr-Cu-Ni-Al-Pd、Zr-Cu-Ni-Ag-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Zr-Cu-Ni-Al-Ta、Zr-Nb-Cu-Ni-Al、Zr-Ni、Zr-Ti-Cu-Ni-Al、Zr-Ti-Cu-Ni-Be
また、実施例１〜５を、ミラー部４の両端が一対の梁部２の一端と結合され、また、一対の梁部２の他端が基体３に結合されたいわゆる両持ち構造の振動素子３０を示した。しかしながら、振動素子３０は、１つの基体３に１つの梁部２が結合され、その梁部２にミラー部４が結合された片持ち構造とすることができる。
【００５８】
［アクチュエータ装置の実施形態］
図１９は、振動素子３０を備えたアクチュエータ装置の一例を示す概略図であり、図１９ａは振動子３０の概略上面図、図１９ｂは、振動子３０を備えたアクチュエータ装置１００の断面図である。図１９ａ及び図１９ｂに示すように、アクチュエータ装置１００は、振動鏡装置であり、基板１１０と、この基板１１０が実装される保持部材１２０と、振動素子３０とを備えている。保持部材１２０は、基板１１０の周縁部に沿って環状のフランジ部１２１が設けられており、その中央部は凹部１２２を構成している。振動素子３０は、凹部１２２内に実装されており、基板１１０及び保持部材１２０とカバー部材１４０とで構成（区画）される減圧空間１５０内に配置されている。
【００５９】
振動素子３０は、基体３と、この基体３の対向する両端部を保持部材１２０の凹部１２２を跨ぐように架橋する梁部２と、保持部材１２０の開口中心に対応する部分に設けられる揺動部４とを有する。基体３、梁部２、揺動部４は、例えば、実施例１〜３のように金属ガラスで一体に形成されている。揺動部４の下部には磁石１２が設置され、また、基板１１０上には、揺動部４に対向する部分に電磁コイル１４が設けられている。
【００６０】
［画像形成装置の実施形態］
本発明の振動素子３０を含む画像形成装置に実施形態を、レーザービームプリンター（以下、「ＬＢＰ」という。）に適用した図２０を参照しながら以下に詳細に説明する。図２０に示されるように、ＬＢＰ２００は、画像形成媒体としての感光ドラム２０４及びこの感光ドラム２０４に画像情報に対応した静電潜像を形成するための露光部２１０を備えている。また、ＬＢＰ２００は、これら感光ドラム２０４及び露光部２１０以外に、周知の給紙部、帯電部、トナー供給部、転写部、定着部。紙搬送部（いずれも図示せず）などを備えている。露光部２１０は、画像情報に対応したパルス状のレーザ光Ｌを発振するためのレーザ光源２０１を含む光走査装置２２０及び周知のコリメータ光学系２０２及びｆθレンズ２０３を備えている。駆動回転する感光ドラム２０４の外周面には後述する光走査装置２２０のレーザ光源２０１からのレーザ光Ｌが振動素子３０の揺動体の光反射面を介して照射され、感光ドラム２０４の回転軸線と平行な方向にレーザ光Ｌが走査移動する。
【００６１】
光走査装置２２０は、図２０において、レーザ光源２０１、レーザ光源からのレーザ光Ｌを走査させる振動素子３０、該振動素子３０を駆動する駆動部２０７及び該素子駆動部２０７の作動を制御する制御装置２０６を備えている。制御装置２０６は、走査されたレーザ光Ｌを検出する一対のＢＤセンサ２０５を備えるとともに、検出信号に基づいて制御信号を出力し、振動素子３０を駆動する駆動部２０７の出力を制御する。
【００６２】
［映像投影装置の実施形態］
本発明の振動素子３０をオーバーヘッドプロジェクターなどの映像投影装置３００に適用した実施形態について図２１を用いて説明する。本実施形態においては、ＬＢＰ２００に適用した実施形態と同一の機能を有する構成要素については同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。本実施形態における映像投影装置３００は、ＬＢＰ２００と基本的に同じ光走査装置２２０、光源３０１からの光を所定方向に変更させる光偏向装置３０２及びこの光偏向装置３０２により偏向した光が照射されるスクリーン３０４を備えている。
【００６３】
光偏向装置３０２は、光走査装置２２０の振動素子３０の揺動体（不図示）の光反射面（不図示）にて反射した光を理想揺動軸線（不図示）と平行な方向に沿って偏向させるものである。この光偏向装置３０２による光の偏向速度は、振動素子３０の図示しない揺動体の振動周期よりも相対的に遅くすることができるので、本実施形態では周知のガルバノミラーを用いている。ＲＧＢ三原色を含む光源３０１から出射する光は、振動素子３０及び光偏向装置３０２により２次元走査され、スクリーン３０４に映像として投射される。
【００６４】
振動素子３０の主要部を構成する揺動体の光反射面の振れ角αは、制御装置２０６から出力される制御信号に基づいて駆動部２０７により調整される。また、光偏向装置３０２も同様に、制御装置２０６からの出力に基づき、揺動体の理想揺動軸線に対して直行する軸線回りのガルバノミラーの振れ角が制御される。制御装置２０６には、スクリーン３０４に投影される映像情報が入力部３０３から伝達され、光源３０１からスクリーン３０４に至る光路の距離に関する情報が測距部３０５から入力される。制御装置２０６は、これら入力部３０３及び測距部３０５からの情報に応じた投影画角や拡大率などの設定及びが像の大きさやその縦横比に基づき、振動素子３０及び光偏向装置３０２の走査角をそれぞれ変更する。なお、画像の拡大率は、走査角を変更せずとも光源３０１に対する通電のオン／オフ制御によっても可能である。しかしながら、走査角を変更することによって光源３０１のオフ時間を減らすことで、高輝度の画像をスクリーン３０４に投影することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１：Ｓｉ単結晶、２：梁、３：基体、４：ミラー部（揺動部）、５：Ｃｕ、６：メタルマスク、７：開口幅、８：メタルマスク厚み、９：冷却板、１０：ＹＡＧレーザ発振機、１１：ミラー面、１２：磁石、１３：レーザ発振機、１４：電磁コイル、１５：ミラー部の最大変位角、１６：ミラー部の捻り中心軸、１７：中間部、１８：ミラー部の台座、１９：反射膜、３０：振動素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動素子、光走査装置、アクチュエータ装置、映像投影装置及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動素子を備えた装置の一例として光スキャナ等の光走査装置が知られている。例えば、特許文献１記載の光走査装置においては、基板にステンレスからなる梁部を設け、圧電体等により基板に板波を誘起し、梁部に支持されたミラー部を揺動させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で示されるように、振動素子の揺動部であるミラー部を共振振動により揺動させて、ミラー面にレーザ光などを反射させる事により、その反射光を走査する光走査装置が提案されている。このような光走査装置を小型化するためには、光走査を行う振動素子の小型化が必要である。振動素子は、揺動部としてのミラー部、梁部、梁部を保持する基体としての基板等で構成されているので、振動素子の小型化には各箇所の小型化が求められる。ところで、ミラー部は、揺動するので動的なたわみを抑える必要があり、梁部は、捻りやたわみ振動する必要があるので、振動素子の小型化においては、これらミラー部及び梁部の機能特性を考慮しなければならない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑み、梁部に高い振動疲労特性と揺動部に高剛性を持たせつつ振動素子等の小型化において有効な仕組みを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の振動素子は、基体と、前記基体から梁状に設けられた梁部と、前記梁部の前記基体側とは反対の側に設けられた揺動部とを備え、前記揺動部の少なくとも一部及び前記梁部は金属ガラスで一体に形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、梁部に高い振動疲労特性と揺動部に高剛性を持たせつつ小型化された振動素子等を有効に実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図1ａは、振動素子の構成を示す斜視図、図１ｂは、ミラー部の断面図、図１ｃは、梁部の断面図、図１ｄは、ミラー部が捻り運動をした時の最大変位角度を示す断面図。
【図２】図２ａは、実施例１の振動素子の斜視図、図２ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ、図２ｃは、Ｃ−Ｃ’線における断面図、図２ｄは、図２のＤ−Ｄ’線における断面図。
【図３】図３ａ、図３ｂ、図３ｅ〜図３ｈは、実施例１における工程図、図３ｃは、図３ｂのＥ−Ｅ’線における断面図、図３ｄは、メタルマスクのアスペクト比と膜厚の関係を示したグラフ。
【図４】図４ａは、実施例２の振動素子の構成を示す斜視図、図４ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布を示すグラフ。
【図５】実施例２における工程図。
【図６】図６ａは、実施例３の振動素子の構成を示す斜視図、図６ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ。
【図７】実施例３における工程図。
【図８】図８ａは、実施例４の振動素子の構成を示す斜視図、図８ｂは、Ｂ−Ｂ’線における断面と振動素子の長手方向に対応するヤング率分布のグラフ。
【図９】実施例４における工程図。
【図１０】図１０ａ、図１０ｂは、実施例５のマイクロデバイス振動子の概略上面図及び下面図、図１０ｃは、実施例５のレーザスキャニング概略図
【図１１】実施例５のメタルマスクの写真。
【図１２】図１２ａ、図１２ｂは、実施例５のシングルメタルマスクを示す概略断面図、図１２ｃ、図１２ｄは、実施例５のダブルメタルマスクを示す概略断面図。
【図１３】実施例５のシリコンストレスと温度との関係を示すグラフ。
【図１４】図１４ａは、実施例５の振動子のギャップ図、図１４ｂは、アニール方法を示す概略断面図。
【図１５】実施例５の荷重を変えて熱処理を行った結果を示すグラフ。
【図１６】図１６ａ〜図１６ｆは、実施例５のマイクロデバイス振動子の製造方法を示す図。
【図１７】実施例５のマイクロデバイス振動子の写真。
【図１８】レーザスキャニング方法を示す写真。
【図１９】アクチュエータ装置を示す図。
【図２０】画像形成装置を示す図。
【図２１】画像投影装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［振動素子、光走査装置の実施形態］
図１ａは、電磁コイル１４による交流磁場と磁石１２による共振振動を利用して、梁部２を動かす事により梁部２と一体に形成されたミラー部４を揺動させる振動素子３０を示す。揺動部であるミラー部４は梁部２の中心を回転軸として揺動して、そのミラー部４の動きにより反射光を走査する。梁部２は、その一端が基体３に固定されている。図１ｂはミラー部４の断面、図１ｃは梁部２の断面、図１ｄはミラー部４が揺動する時の最大変位角度を示したミラー部４の断面図である。なお、このミラー部４の少なくとも一部と梁部２と基体３とは、後で説明するように、本実施形態の各実施例では同じ金属ガラスにより一体に形成されている。この振動素子３０における各物理量、振動特性を示す用語と記号を以下のように設定する。
Ｅ：梁部２、ミラー部４を構成する材料のヤング率
υ：梁部２、ミラー部４を構成する材料のポアソン比
Ｇ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の横弾性係数
ρ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の密度
τＦＬ：梁部２、ミラー部４を構成する材料の疲労限界
ｐ：ミラー部４の長さ
ｗ：ミラー部４の幅
ｄ：ミラー部４の厚み
Ｌ：梁部２の長さ
ｓ：梁部２の幅
ｔ：梁部２の厚み
ｆ：捻り振動の共振周波数
θ：振動素子３０の最大捻り角度
Ｋ：梁部２のバネ定数
τ：振動時に捻り梁に発生する最大応力
Ｉ：梁部２の中心軸周りの振動素子の慣性モーメント
δ：ミラー部４の動的たわみ
【００１０】
図１に示す振動素子３０のモデルを元に、振動特性（捻り振動の共振周波数ｆ、振動素子３０の最大捻り角度θ、ミラー部４の動的たわみδ等）を維持しながら振動素子３０を小型化するために、どのような材料の特性が必要になるかを述べる。梁部２の中心を回転軸としてミラー部４が捻り振動を起こすと梁部２に応力が発生し、最大変位角度θにより最大となる。また梁部２に発生する最大応力τは以下の式１で概算する事が可能となる。
τ＝Ｇｔθ／Ｌ・・・（１）
梁部２に発生する最大応力τは、梁部２を構成する材料の疲労限界τＦＬよりも小さく設定しなければならない。そうしなければ梁部２は破断するか大きく強度を低下させてしまう。そして、振動素子３０の小型化をするために梁部２の長さＬを小さくする場合には、梁部２を構成する材料の疲労限界τＦＬがより高く、横弾性係数Ｇをより低い材料を選択する方法が求められる。なお、横弾性係数Ｇはポアソン比υとヤング率Ｅを用いた以下の式２で求められる。
Ｇ＝Ｅ／２（１＋υ）・・・（２）
ポアソン比υは材料によって一定であるので、横弾性係数Ｇとヤング率Ｅは比例関係である。つまり材料のヤング率Ｅが決定すれば、横弾性係数Ｇも同様に算出する事が出来る。以上のように、振動素子３０を小型化するためは梁部２を構成する材料が低ヤング率で、高い疲労限界（高疲労特性）を持つ事が要求される。振動素子３０のミラー部４では光走査による揺動でたわみが発生し（動的たわみδ）、反射光を歪めてしまう現象が問題となる。そして、この動的たわみδを概算するための式３は以下の様に示される。
【数１】
【００１１】
この動的たわみは、目的とする走査形態に従って一定の規格（仕様）以下になるようにしなければならない。つまりミラー部４を形成する材料は相対的に弾性率が高く、比重の小さい物が適している。上に述べた２点をまとめると、光走査装置を小型化するためには、梁部２では低ヤング率で高疲労特性が望ましいが、ミラー部４では動的たわみを抑制させるために高ヤング率が求められるので、構成部分により必要とするヤング率が異なってしまう。
【００１２】
ここで、本実施形態では、揺動部となるミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離し、且つミラー部４の少なくとも一部及び梁部２を金属材料によって一体に形成している。ここでいう機械的特性とは、例えば、引っ張り、曲げ、圧縮、せん断、硬さ、衝撃、疲労等の外部から加わる力（外力）に対する性質をいうが、特に、本実施形態例では、ミラー部４における機械的特性としては高弾性（又は高ヤング率）であり、梁部２における機械的特性は低弾性（又は低ヤング率）・高疲労特性である。なお、ミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離するとは、例えば、本実施形態例では、ミラー部４は揺動部として機能させ、梁部２は駆動部として機能させることを意味する。
【００１３】
本実施形態のようなミラー部４と梁部２とを形成するための材料としては、良好な疲労限界と低ヤング率を兼ね備える材料が好ましく、具体的には、金属ガラスが挙げられる。金属ガラスは、ガラス転移を示すアモルファス合金であり、結晶由来の塑性変形が発生し難く、広い弾性領域を有している。金属ガラスは、一般的な合金と比較して、高強度、高疲労特性、高耐食性、低ヤング率の特性を有する。また、金属ガラスは、熱的安定性に優れ過冷却領域を持つので、製造プロセスの熱的悪影響を受けず、過冷却領域を使用した三次元加工も可能である。ここで、原子又は分子が材料内部の運動（分子鎖の回転、捻り等）及び、外部的な運動（振動、分子自体の回転）等で自由に動き回ることができる空間のことを自由体積と呼ぶ。自由体積は、原子や分子が材料内部での運動性を示す値で、この値が大きいほど外部からの歪に対して柔軟に動く事が出来る。振動素子３０においては、長時間の振動により梁部２が疲労限界に達すると、材料組織の原子や分子などが引き裂かれ疲労亀裂が発生する可能性が高まる。この時、自由体積が高ければ材料組織内の原子や分子が粘り強く動く事が出来るので、疲労亀裂等の劣化を抑制する事が出来る。
【００１４】
金属ガラスは、アモルファス合金であり結晶構造を持たない。アモルファス構造は結晶構造よりも隙間の多い構造を有しており、この隙間を自由体積と定義出来る。また金属ガラスは過冷却領域を持つ準安定状態の物質であるので、ある温度以上、例えば、一般的なガラス材料と同じようにガラス転移温度近くまで、あるいは結晶化する温度近くまで加熱すると構造緩和が発生する。構造緩和は無秩序に配列されていた原子（アモルファス構造）が外部からの熱を受けて再配列が起こり、安定状態（結晶）へと変化する過程を指す。そして、ガラス転移温度又は結晶化温度を超えて加熱し続けると、原子が完全に安定状態へと変化して結晶相が発生し、金属ガラス特有のアモルファス構造を失い自由体積を減少させる。これが結晶化と呼ばれる現象である。このように、金属ガラスは構造緩和、結晶化を経るごとに原子が再配列を進行させて、その原子間の隙間である自由体積を減少させていく事になる。
【００１５】
構造緩和又は結晶化による原子の再配列により、材料内の隙間は減少し密な構造となる。これにより、応力に対する形状変形（歪）がアモルファス構造よりも少なくなるので、材料全体としてもヤング率が上昇する。なお、構造緩和後の状態よりも結晶化が完了した状態の方が、より原子の再配列が進行した状態なので、同一の材料で比較した場合には、結晶化後のヤング率がより高くなる。また結晶構造は構造体として歪に対する独自の機械的特性を持つのでヤング率の上昇を更に見込める。
【００１６】
以上のように、例えば、金属ガラスにおける自由体積の減少はヤング率の増加を伴うので、ある構造物において部分的（選択的）に構造緩和を行えば、その部分に関しては機能向上（具体的にはヤング率の増加）を行える。このような構造物における部分的な構造緩和を光走査装置における振動素子３０に採用すれば、梁部２とミラー部４とで機能分離を実現、即ち、梁部２では低ヤング率で高疲労特性、ミラー部４では高ヤング率を達成する事が出来るので、振動素子３０の構造設計の自由度が向上し、振動素子３０の小型化、そして光走査装置の小型化が行える。
【００１７】
なお、実施形態では、上述したように、揺動部となるミラー部４と梁部２とは金属ガラスで一体に形成されているが、このミラー部４は、基本的に２つの領域に分けられる。具体的には、ミラー部４は、梁部２を保持する基体と、梁部２及びミラー部４がそれぞれ配列される方向に沿って、梁部２との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域（梁部２の機械的特性又は機能に直接影響を及ぼし易い領域）と所定の距離外に位置する第２領域（梁部２の機械的特性又は機能に直接影響を及ぼし難い領域）とを含む。そして、ミラー部４の少なくとも第２領域を上記の構造緩和の対象領域とするのが好ましい。これにより、ミラー部４と梁部２とを機械的特性がそれぞれ異なった部分として有効に機能分離することができ、所望の特性を有する振動素子３０を実現することができる。
次いで、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
［実施例１］
実施例１では、揺動部としてのミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成し、ミラー部の中央部分を熱処理することでミラー部の剛性を高め、梁部に熱処理を施さないことで梁部に高い耐疲労特性を確保する。
【００１９】
図２ａは、実施例１における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図２ａにおいて振動素子３０は全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。梁部２は基体３に結合されてその一端が支持される。ミラー部４は、梁部２の基体３とは反対側の端部に結合され支持され、そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を反射して走査する事が可能となる。図２ｂは、図２ａのＢ−Ｂ’線における断面と振動素子３０の長手方向に対応するヤング率の分布を示してある。梁部２とミラー部４の境界部分は揺動する時に応力が強く発生するので低ヤング率で自由体積が大きく疲労強度が高い状態となっている。逆にミラー部４では動的たわみを抑えるために高いヤング率となっている。ただし、ミラー部４と梁部２の境界部分にも大きな応力が発生するので、境界部分では梁部２と同様のヤング率を維持して、ミラー部４側で勾配を持つようなヤング率の分布となる。図２ｃは、図２ａのＣ−Ｃ’線における断面図を示した図である。また図２ｄは、図２ａのＤ−Ｄ’線における断面図を示した図である。ミラー部４の裏面端部は膜厚がミラー部裏面中心部よりも膜厚が減少し、またミラー部４の厚みは梁部２の厚みよりも厚くなっている。
【００２０】
ミラー部４の断面形状をこのような形状にする理由を説明する。ミラー部４の動的たわみを抑えるためには、剛性を向上させるためにミラー部４の厚みを増やす事が有効である。ただし、厚みが増える事によりミラー部４の慣性モーメントが上昇するので、揺動させるために必要な力が増大してしまう。光走査装置を小型化する際には、振動素子３０の小型化と共に振動に必要な力を発生させる装置も小型化させる事が望ましい。そして、この力を発生させる装置の小型化には、力の低下を招くので、光走査装置の小型化には振動素子３０のミラー部４における慣性モーメントの抑制を行うことが望ましい。動的たわみを抑えつつ慣性モーメントを軽減させるためには、ミラー部４の鏡面裏側の端部で厚みが減少するような形状を持つようにする。これにより動的たわみ量を抑えながら、ミラー部４の質量を軽減させる事が出来るので、慣性モーメントを抑える事が出来る。
【００２１】
次に、実施例１の振動素子３０の製造方法を、図３ａ〜図３ｈを用いて説明する。図５ａに示すように、Ｓｉ単結晶基板１上にＣｕ５をスパッタ成膜により１〜２μｍの厚みで形成させる。次いで、図３ｂに示すように、Ｓｉ単結晶基板１上のＣｕ５の上に図１に示した振動素子３０の形状を開口部として持つメタルマスク６を配置する。なお、ここでは、メタルマスク６を用いて説明しているが、メタルマスク６の代わりに、例えば、フォトレジスト等のマスクパターンを用いてもよい。図３ｃは、図３ｂのＥ−Ｅ’平面における断面を示した図である。次いで図３ｃに示すように、スパッタ成膜により金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの粒子をメタルマスク６の開口部分から入射させて基板１上に所望の膜厚を堆積させる。図３ｄは、図３ｃにおけるメタルマスク６の開口部アスペクト比（メタルマスク厚み／開口幅）と堆積した金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの厚み（膜厚）との関係を示すグラフである。この場合の膜厚は、アスペクト比０（メタルマスクを使用しない場合）の膜厚に対して、メタルマスク６を使用した場合の膜厚を比率によって表現してある。そして図に示す通りに、アスペクト比が増加すると堆積する膜厚が減少している事が判る。
【００２２】
ミラー部４の動的たわみを軽減するために、ミラー部４を厚くする場合には、上記に示した関係を利用してメタルマスク６の設計を事前に行っておく。例えば、ミラー部４の厚みが梁部２よりも２倍にする必要があれば、ミラー部４の開口部アスペクト比を０．５以下、梁部２の開口部アスペクト比を２．０とすれば良い。そして、ミラー部４の断面の端部はスパッタ成膜された金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの粒子が入射し難いので、端部に行くに従い厚みが減少していく。このようにミラー部４の中心の厚みを上昇させて、端部の厚みを減少させる事により、動的たわみを抑えながら慣性モーメントも抑える事が出来る。
【００２３】
次いで、基板１上のメタルマスク６を除去し、硝酸によるエッチングによりＣｕ５を除去すると、図３ｅに示す通りに、Ｓｉ単結晶基板１から振動素子３０の本体である金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを分離する事が出来る。次いで、図３ｆに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。ミラー部４の中心では十分な構造緩和を行い、梁部２では構造緩和を行わない様に梁部２に近づくにつれて温度上昇を抑える。またミラー部４からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。
【００２４】
構造緩和の手法としては、上記のＹＡＧレーザ１０による以外にも局所的な加熱が可能な手法であれば代用は可能である。例えば加熱した金属片などを対象とする領域に押し当てる手法、対象とする領域を電磁コイルで覆い誘導加熱により加熱を行う手法等が挙げられる。また、ヤング率の上昇のために構造緩和を行うので、結晶化温度まで加熱して結晶相を発生させる手法も有効である。ただし、この場合には結晶化による他の物性変化を考慮することが望ましい。
【００２５】
次いで、図３ｇに示す通りに、振動素子３０のミラー部４の平坦面に反射膜としてＡｕ膜１９を形成させて、その裏側に捻り振動に使用する磁石１２を接着剤により接合する。次いで、図３ｈに示すように、電磁駆動に必要な電磁コイル１４を、ミラー部４の裏側に、磁石１２に対して磁界による作用力を与えて振動素子３０が揺動する事が出来る位置に配置する。また、レーザ発振装置を所望の光走査が出来るように配置して光走査装置が完成する。なお、電磁力を使用した駆動方法以外にも、必要な構造を付加する事により様々な駆動方式に対応する事が出来る。
【００２６】
［実施例２］
実施例２では、ミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成する点では実施例１と共通するが、実施例２では、ミラー部と梁部との間に中間部を設けている。
【００２７】
図４ａは、実施例２における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図４ａにおいて振動素子３０は、全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。ミラー部４は、ミラー部４より幅が狭い中間部１７を介して梁部２に支持され、梁部２は、その両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。実施例１で述べた通りに、振動子３０の小型化には構造緩和によりミラー部４のヤング率を上昇させる事が有効である。しかし一方では、梁部２では低ヤング率が望まれるので構造緩和させる事は望ましくない。つまり、構造緩和する場合には熱処理をする領域を正確に分けることが望ましい。しかし、加熱等による構造緩和では加熱領域で必ず温度勾配が発生してしまう。これを解決するために、梁部２の間に熱の緩衝領域である中間部１７を配置して、ミラー部４と梁部２のそれぞれに所望のヤング率を持つようにさせる。図４ｂには、図４ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応するヤング率をグラフで示している。
【００２８】
次に、実施例２の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図５ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部４、梁部２、中間部１７、基体３を持つ振動子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００２９】
次に図５ｂに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部４からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００３０】
［実施例３］
実施例３では、ミラー部、梁部及び基体を含む振動素子をすべて金属ガラスで一体に形成する点では実施例１、２と共通するが、実施例３では、ミラー部の全体に熱処理を施している。
【００３１】
図６ａは、実施例３における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図６ａにおいて振動素子３０は全て金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉにより構成されている。ミラー部４は梁部２に支持され、梁部２はその両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。実施例１で述べた通りに、振動素子３０の小型化には構造緩和によりミラー部４のヤング率を上昇させる事が有効である。しかし一方では、梁部２では低ヤング率が望まれるので構造緩和させる事は望ましくない。つまり、構造緩和する場合には熱処理をする領域を正確に分けることが望ましい。しかし実際には、加熱等による構造緩和では加熱領域で必ず温度勾配が発生してしまうので、ミラー部４に接している梁部２の一部は構造緩和を受ける事になりヤング率が上昇する。図６ｂには、図６ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応するヤング率をグラフで示している。
【００３２】
次に、実施例３の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図７ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部４、梁部２、基体３を持つ振動素子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００３３】
次に、図７ｂに示すように、真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部４に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、ミラー部４以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００３４】
［実施例４］
実施例４では、ミラー部を台座と光学部材との積層構造とし、ミラー部の台座、梁部及び基体を金属ガラスで一体に形成し、ミラー部の中央部分に対する熱処理と積層構造とによってミラー部の剛性を高めている。
【００３５】
図８ａは、実施例４における光走査装置の一部である振動素子３０を示す斜視図である。図８ａにおいて、振動素子３０の梁部２とミラー部４の台座１８と基体３は、金属ガラスで一体に形成されている。台座１８の一面に接合される光学部材１１は、Ｓｉ単結晶で形成され、ミラー面を構成する反射膜１９はＡｕ膜で形成されている。なお、反射膜１９を形成する材料としては、Ａｕに限定されず、その用途と反射膜の分光特性や耐久性を考慮して適宜選択すればよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料を適宜用いることができる。また、ここでは、反射膜１９を単層のＡｕ膜を用いて説明しているが、保護や反射特性の向上を目的として、単層または複数層からなる誘電体膜（ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＴｉＯ２Ｘ、ＭｇＦ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、等）を積層した構造を適用してもよい。反射膜１９と光学部材１１と台座１８で構成されているミラー部４は、台座１８で梁部２に支持され、梁部２はその両端の基体３で支持される。そして梁部２を捻り回転軸として揺動する事により光を走査する事が可能となる。
【００３６】
先に述べた通りに、振動素子３０のミラー部４における動的たわみは光走査の形態に従ってある基準以下にしなければならない。実施例１で述べた通りに、動的たわみを下げるためにはミラー部４は高剛性であることが望ましいが、剛性を高めるためにミラー部４の厚みを増やしてしまうと慣性モーメントが上昇してしまう。これを解決するために、Ｓｉ単結晶などの軽量で剛性が高い材料をミラー部４に付加させる方法がある。この時、金属ガラスで構成されているミラー部の台座１８を構造緩和により剛性あるいはヤング率を上昇させれば、ミラー部４の剛性向上のために付加しているＳｉ単結晶の厚みを減らす事が可能となり、ミラー部４全体の重量を減らす事が出来る。ミラー部４全体の重量を減らす事が出来ればミラー部４の慣性モーメントを減らす事になり、ミラー部４を揺動させる力を小さくする事が出来る。実施例１に述べた通りに、揺動に必要な力を減らせれば、その力を発生させる装置も小型化が計れるので、光走査装置全体の小型化を行う事が出来る。図８ｂには、図８ａのＢ−Ｂ’線における断面図と、その領域に対応する剛性をグラフで示している。
【００３７】
次に、実施例４の振動素子３０の製造方法を説明する。まず図９ａに示すように、金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを原材料にミラー部の台座１８と梁部２と基体３とを持つ振動素子３０を製作する。製作方法は金属ガラスの物性と意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えば、融解法と液体急冷法を用いてリボン状の合金板を用意し、プレス加工により形状を作成する方法や、実施例１で述べたように半導体プロセス等で広く行われているスパッタ成膜とリフトオフ工程を使用した方法などが挙げられる。
【００３８】
次に図９ｂに示すように真空中でＹＡＧレーザ１０を振動素子３０のミラー部の台座１８に照射して局所的に構造緩和を行う。構造緩和の調整はＹＡＧレーザ１０の照射時間とレーザ径により調節し、場所による温度上昇の勾配をつける事が出来る。またミラー部台座１８からの熱伝導による構造緩和を防ぐために、台座１８以外の部分には熱を逃がすための冷却板９を密着させる。そして、上記のＹＡＧレーザ１０の条件と冷却板９の条件を調整する事により、所望の構造緩和を達成する。
【００３９】
次に図９ｃに示すように、Ｓｉ単結晶を加工して光学部材１１を作成する。製作方法は意図した寸法に加工を出来るのであれば、どのような方法を用いても良い。例えばＳｉ単結晶基板をダイシングにより加工する方法や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等を使用したＳｉエッチング方法がある。次に図９ｄに示すように光学部材１１に対して反射膜１９をつける。方法はスパッタ成膜や蒸着法等が挙げられる。先に述べたミラー部の台座部分１８に反射膜１９を付加した光学部材１１を接着剤により接合する。これにより図８ａの振動素子３０が完成する。上記振動素子３０に揺動に必要な駆動装置を付加すれば、光走査装置が完成する。
【００４０】
［実施例５］
実施例とでは、実施例４と同じく、ミラー部を台座と光学部材との積層構造とし、ミラー部の台座、梁部及び基体を金属ガラスで一体に形成し、ミラー部を積層構造とすることで剛性を高めている。
【００４１】
図１０ａ、図１０ｂには、マイクロミラーデバイスの振動素子３０の概念図を示す。シリコン単結晶で形成されたミラー部４をＣｕ基薄膜金属ガラス（Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８）から成る台座の両端の基体３とトーションバー（梁部）２を介してミラー部４を支えている。また、駆動のためにミラー部４の裏側に磁石１２が接着され、電磁コイル１４で発生した磁界によりミラー部４が揺動される。図１０ｃは、図１０ａ、図１０ｂで示した振動素子３０のミラー部４の断面図であり、マイクロミラーデバイスの光走査を表わしている。電磁コイル１４から発生する交流磁場により、磁石１２がトーションバー２の中心を軸にして共振を起こし、捩り振動を発生させる。ミラー部４も捩り振動に従い揺動するので、入射光もそれに従って走査される。また、この時のミラー面の揺動する角度を、以後振り角θと呼称する。
【００４２】
ここで、台座、基体３、トーションバー（梁部）２に使用する材料としては、例えば、Ｃｕ基薄膜金属ガラスであるＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系を採用している。これにより、低縦弾性率、高強度、高疲労特性を得ることができる。そして、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔｉの各構成元素をアーク溶解により合金ターゲットを製作し、スパッタ成膜により薄膜状態のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉを製作した。熱機械試験機（ＴＭＡ（Ｒｉｇａｋｕ，ＴＡ−６０））を用いた常温での引張試験により縦弾性率Ｅと引張強度σを測定し、それぞれＥ＝６２．３Ｇｐａ、σ＝０．９ＧＰａを得た。そして、エネルギー分散型Ｘ線分析ＥＤＸ（島津製作所，μＥＤＸ−１２００）により金属ガラスの組成Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を確認した。また、示差走査熱量測定ＤＳＣ（ＵＬＶＡＣ，ＤＳＣ９４００）により金属ガラスのガラス転移温度がＴｇ＝７３４Ｋ、結晶化温度がＴｘ＝７６８Ｋであることをそれぞれ確認した。また、密度ρは、７．２ｇ／ｃｍ３であった。
【００４３】
トーションバー２の断面が矩形とした場合、支持部に支持されたミラー部の共振周波数fと、トーションバー２のバネ定数Ｋは式４、式５で示される。
【数２】
【００４４】
材料特性である横弾性率Ｇとミラー部４の慣性モーメントＩが一定の場合、トーションバー２の長さＬ、幅ｓ、厚みｔにより共振周波数が決定する。特に、厚みｔは３乗倍でバネ定数の増減に関わるので、より高い共振周波数を得るにはトーションバー２の厚みの増加が効果的である。
【００４５】
トーションバー２に用いられる金属ガラス膜の製作では、スパッタ成膜を採用できる。しかし、フォトレジストを使用するスパッタ成膜方法では、得られる金属ガラスの膜厚は数μｍ以下である。これは成膜時に発生する熱により、金属ガラスの結晶化と脆化が発生するからである。しかし、マイクロミラーデバイスでは、用途によっては１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の高い共振周波数を設定するので、上述のように膜厚を増加して設計の選択肢を広げる事が要求される場合がある。そのため、過冷却領域を持ち熱的安定性が高い薄膜金属ガラスに着目し、薄膜金属ガラスを用いた超厚膜構造体を製作可能なプロセスを実現した。
【００４６】
スパッタ成膜を使用した構造体の製作には、マスクを使用したリフトオフ工程を用いる。マスクとしてフォトレジストを用いると、リフトオフしてパターニングする膜厚が厚くなると、成膜時の温度上昇によりフォトレジストからの脱ガスで、成膜材料の酸化などが生じることがある。したがって、マスクはガスを発生しない材料を用いるのが好ましい。そこで、本実施例５では、図１１に示すステンレス製のメタルマスクを用い、図１２に示すようなリフトオフプロセスを選択した。
【００４７】
図１２ａは、１枚のメタルマスクをシリコン単結晶基板上に固定した状態の断面図を示し、図１２ｂは成膜時の断面図を示す。この方法では、メタルマスクは膜応力により変形し、開口部分付近で基板から剥離してしまう。そして剥離された隙間からスパッタ粒子が堆積するので、振動素子断面の側面形状がメタルマスクのパターンと大きく異なってしまう。この問題を解決するために、本実施例では、図１２ｃ、図１２ｄに示すメタルマスクを２重にして下部のメタルマスクと基板は、フォトレジストにより接着する方法を採用している。
【００４８】
図１２ｃにはメタルマスクの２重構造を示す。シリコン単結晶基板上にポジ型レジストを１〜２μｍ塗布し、その上に振動子の構造を開口パターンとして持つ図１１のメタルマスクを固定する。この状態で露光と現像を行う事により開口パターン部分のレジストが除去されて、ポストベークによりメタルマスクと基板が接着される。そして、２枚目のメタルマスクを重ねて固定し成膜装置にネジで固定する。図１２ｄはスパッタ成膜中の振動素子３０の断面を示す図である。成膜中に上部のメタルマスクに応力が発生し変形が起こるが、下部のメタルマスクが基板と密着しているので振動素子３０の断面の側面形状は維持されたままになる。また、レジストはスパッタ粒子に直接触れないのでガス発生の懸念も無い。この手法を用いて、最大膜厚１００μｍを超える構造体を、断面形状を崩すことなく製作することに成功した。開口パターンのアスペクト比（図１２ｃにおけるＴ／Ｌ）が増加すると、スパッタ粒子が開口部の内部に到達する確率が減少する。この現象を用いて、アスペクト比の低いミラー部４における金属ガラスの膜厚が１０５μｍであるのに、トーションバー（梁部）２における金属ガラスの膜厚を５９．５μｍまで低下させることができた。
【００４９】
ここで、低温アニールについて説明する。スパッタ成膜時においては、膜に内部応力が発生する。これにより、トーションバー２は成膜後に膜厚方向に不均一な内部応力分布を持つので、変形してしまう。薄膜金属ガラスの応力緩和には、ガラス転移温度以下でガラス転移温度近傍における構造緩和が好適であり、真空加熱炉で６７３Ｋ (Ｔｇ−６５Ｋ)、５分間の熱処理を行ったところ、薄膜金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉとシリコン単結晶部分が剥離してしまう現象が発生した。
【００５０】
このため、シリコン単結晶と薄膜金属ガラスＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの熱応力を推定した。まず、二つの材料が室温時（Ｔ０）に応力ゼロで密着している状態を仮定する。そして、熱機械試験機（ＴＭＡ）で測定したＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉの線膨張係数αａとシリコン単結晶の線膨張率αｂと縦弾性率Ｅ、ポアソン比υを用いて温度上昇時（Ｔ１）にシリコン単結晶基板が受ける応力σａｂを、式６を用いて計算した。
【数３】
【００５１】
その結果を図１３に示す。シリコン単結晶の引張強度は文献によって様々だが、概ね７００ＭＰａから１３００ＭＰａ程度となり、図１３に対応させると２００〜３００°Cの温度領域で破断する事が予想される。本実施例では、熱処理温度を決定するために、シリコン単結晶基板にＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉをスパッタ成膜した基板を用意して、２００°C、２５０°C、３００°Cでそれぞれ６時間加熱保持した３条件で実験を行った。その結果、２００°C、６時間の試料のみが剥離を発生しなかったので、本実験では、２００°Cを応力緩和温度とした。そこで、真空加熱炉で２００°C、１時間の熱処理を振動素子に行った。しかし若干の応力緩和は確認出来たが、応力の完全な解放には至らなかった。処理時間を６時間、１２時間と延ばしても特に応力緩和の進行は認められなかった。この原因としては、振動素子３０を固定しないで熱処理すると、表裏の内部応力の不釣り合いや、極表面に残留したシリコンの影響により反った状態のまま、応力緩和が進行するものと考えられる。そこで、振動素子３０の特にトーションバー部分２を固定しながら加熱保持し、応力緩和することを試みた。その熱処理時の状態を断面図として図１４ｂに示す。トーションバーはアルミナとシリコン単結晶基板の試料片で固定されており、上部のタングステンチップを介して荷重を受けている。振動素子全体の反りは図１４ａに示す形で測定し、荷重を変えて熱処理をした結果を図１５に示す。そしてタングステンチップ２４ｇの荷重をかけながら、２００°C、１２時間の処理を行えば、反りがゼロ付近となることが確認出来きた。
【００５２】
以上の検討を踏まえて、マイクロミラーデバイスの振動素子３０の製作を行った。製作プロセスを以下により説明する。図１６ａ〜図１６ｆは製作プロセスにおける振動素子３０の長手方向の断面を模式図で示した図である。まず始めに、先に述べたスパッタ成膜で、密着層としてＣｒ層を０．１μｍを成膜し、次いでＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を１０５μｍの厚みで形成する。また酸化防止膜としてＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８の上にはＡｕ層を２００Å形成する。スパッタ成膜後にメタルマスクを取り外し、図１６ａのようなＣｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８の支持部が形成される。なお、上述したように、メタルマスクの開口パターンにおけるアスペクト比が高くなると、スパッタ粒子が開口部内部に到達する確率が減少するので、アスペクト比の低いミラー部４（膜厚１０５μｍ）よりもトーションバー２の膜厚が５９．５μｍまで低下している。
【００５３】
次にＡｕ層の上からＣｕ層を２μｍ、Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を２μｍスパッタ成膜する。この２つの層は、シリコン異方性エッチング時の発泡によりエッチャント内でトーションバー２が揺動し破壊されることを防止する役割を持つ（図１６ｂ）。Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８による支持部を形成した面の裏側に、シリコン異方性エッチングのためのマスクを形成する。スパッタ成膜とフォトレジストのリフトオフにより、ミラー部と固定部にＣｒｔ層を０．１μｍ、Ｃｕ６４Ｚｒ２８Ｔｉ８を２μｍのマスクを形成する（図１６ｃ）。この後にシリコンエッチャント（林純薬工業株式会社 Pure etch １６０）を用いてシリコン異方性エッチングを行う（図１６ｄ）。次にＣｕ層を硝酸希釈液で、Ｃｒｔ層をＣｒエッチャントにより除去し、ミラー部４と基体３を形成する。
【００５４】
次にミラー部４の表面に反射膜としてＡｕを２００Åの厚みでスパッタ成膜を行い（図１６ｅ）、上述の低温アニール方法を用いて２００°C、１２時間の応力緩和を行う。そして、ミラー部４の裏側に磁石１２を接着剤で固定して、マイクロミラーデバイスの振動素子３０が完成する（図１６ｆ）。
【００５５】
以上のプロセスにより完成した振動素子３０の写真を図１７に示す。製作した振動子を電磁コイルとの共振振動により揺動させ、レーザ光を走査させた。図１８に示すようにレーザ光をスクリーンに照射し、その振幅によりミラー部の振り角θを算出した。本実施例の振動素子３０においては、共振周波数９１２．１Ｈｚ 、振り角θ=±３０ｄｅｇにて、１０８ｃｙｃｌｅｓの耐久試験で、破壊することなく駆動することを確認した。
【００５６】
実施例１〜５では、金属ガラスとしてＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ組成の金属ガラスを用いた。しかし、本発明において、他の組成の金属ガラスを使用することができる。使用可能な金属ガラスは、以下のような組成の金属ガラスである。
【００５７】
Ａｌ含有組成：Al-Ni-Ce-Fe、Al-Ni-Y
Ａｕ含有組成：Au-Ag-Pd-Cu-Si、Au-Ge-Si
Ｃａ含有組成：Ca-Ag、Ca-Cu-Ag-Mg、Ca-Mg-Cu、Ca-Mg-Zn
Ｃｅ含有組成：Ce-Al-Ni-Cu
Ｃｏ含有組成：Co-(Al,Ga)-(P,B,Si)、Co-(Zr,Hf,Nb)-B、Co-Fe-Si-B-Nb、Co-Fe-Ta-B、Co-Fe-Ta-B-Si、Co-Si-B、Co-Ta-B
Ｃｕ含有組成：Cu-(Zr,Hf)-Ti 、Cu-(Zr,Hf)-Ti-(Fe,Co,Ni)、Cu-(Zr,Hf)-Ti-(Y,Be)、Cu-Hf-Ti、Cu-Pd-Zr-Ag-Al、Cu-Zr、Cu-Zr-Al、Cu-Zr-Al-Ag、Cu-Zr-Al-Nb、Cu-Zr-Ti、Cu-Zr-Ti-Co
Ｆｅ含有組成：(Fe,Co)-B-Si-Nb、Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)、Fe-(Cr,Mo)-(C,B)-Ln、Fe-(Nb,Cr,Mo)-(C,B)、Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,B,Si)、Fe-(Zr,Hf,Nb)-B、Fe-B-Si-Nb、Fe-Co-Ln-B、Fe-Ga-(Cr,Mo)-(P,C,B)、Fe-Ga-(P,B)、Fe-Si-B-Nb、Fe-Si-B-P、Fe-Zr-Y-Co-Mo-Al-B
Ｈｆ含有組成：Hf-Al-Ni-Cu、Hf-Al-Ni-Cu-Pd、Hf-Al-Ni-Cu-Pt
Ｌａ含有組成：La-Al-Ni-Cu、La-Al-Ni-Cu-Co、La-Al-Ni-P、La-Ni-Al
Ｍｇ含有組成：Mg-Cu-Gd、Mg-Cu-Y、Mg-Cu-Y-Ag-Pd
Ｎｄ含有組成：Nd-Al-Fe-Co
Ｎｉ含有組成：Ni-(Nb,Cr,Mo)-(P,B)、Ni-(Nb,Ta)-Zr-Ti、Ni-(Zr,Hf,Nb)-B、Ni-Cu-Ti-Zr-Al、Ni-Nb-Ti-Zr、Ni-Nb-Ti-Zr-Co-Cu、Ni-Si-B、Ni-Ti-Zr-Al
Ｐｄ含有組成：Pd-Cu-Ni-P、Pd-Cu-Si、Pd-Ni-Cu-P、Pd-Ni-Fe-P、Pd-Ni-P、Pd-Pt-Cu-P、Pd-Si、Pd-Si-Cu
Ｐｔ含有組成：Pt-Cu-Co-P、Pt-Cu-Ni-P、Pt-Cu-P、Pt-Ni-P
Ｒｕ含有組成：Ru-Zr-Al、Ru-Zr-Mo
Ｔｉ含有組成：(Ti,Zr,Hf)-Cu-Ni-Si、Ti-Cu-(Zr,Hf)-(Co,Ni)、Ti-Cu-Ni-Sn、Ti-Cu-Zr-Pd、Ti-Ni-Cu-B-Si-Sn、Ti-Ni-Cu-Sn、Ti-Zr-Hf-Cu-Ni-Si、Ti-Zr-Cu、Ti-Zr-Ni、Ti-Zr-Fe
Ｚｒ含有組成：Zr-Cu-Ag-Al-Pd、Zr-Cu-Ni-Al-Pd、Zr-Cu-Ni-Ag-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Zr-Cu-Ni-Al-Ta、Zr-Nb-Cu-Ni-Al、Zr-Ni、Zr-Ti-Cu-Ni-Al、Zr-Ti-Cu-Ni-Be
また、実施例１〜５を、ミラー部４の両端が一対の梁部２の一端と結合され、また、一対の梁部２の他端が基体３に結合されたいわゆる両持ち構造の振動素子３０を示した。しかしながら、振動素子３０は、１つの基体３に１つの梁部２が結合され、その梁部２にミラー部４が結合された片持ち構造とすることができる。
【００５８】
［アクチュエータ装置の実施形態］
図１９は、振動素子３０を備えたアクチュエータ装置の一例を示す概略図であり、図１９ａは振動子３０の概略上面図、図１９ｂは、振動子３０を備えたアクチュエータ装置１００の断面図である。図１９ａ及び図１９ｂに示すように、アクチュエータ装置１００は、振動鏡装置であり、基板１１０と、この基板１１０が実装される保持部材１２０と、振動素子３０とを備えている。保持部材１２０は、基板１１０の周縁部に沿って環状のフランジ部１２１が設けられており、その中央部は凹部１２２を構成している。振動素子３０は、凹部１２２内に実装されており、基板１１０及び保持部材１２０とカバー部材１４０とで構成（区画）される減圧空間１５０内に配置されている。
【００５９】
振動素子３０は、基体３と、この基体３の対向する両端部を保持部材１２０の凹部１２２を跨ぐように架橋する梁部２と、保持部材１２０の開口中心に対応する部分に設けられる揺動部４とを有する。基体３、梁部２、揺動部４は、例えば、実施例１〜３のように金属ガラスで一体に形成されている。揺動部４の下部には磁石１２が設置され、また、基板１１０上には、揺動部４に対向する部分に電磁コイル１４が設けられている。
【００６０】
［画像形成装置の実施形態］
本発明の振動素子３０を含む画像形成装置に実施形態を、レーザービームプリンター（以下、「ＬＢＰ」という。）に適用した図２０を参照しながら以下に詳細に説明する。図２０に示されるように、ＬＢＰ２００は、画像形成媒体としての感光ドラム２０４及びこの感光ドラム２０４に画像情報に対応した静電潜像を形成するための露光部２１０を備えている。また、ＬＢＰ２００は、これら感光ドラム２０４及び露光部２１０以外に、周知の給紙部、帯電部、トナー供給部、転写部、定着部。紙搬送部（いずれも図示せず）などを備えている。露光部２１０は、画像情報に対応したパルス状のレーザ光Ｌを発振するためのレーザ光源２０１を含む光走査装置２２０及び周知のコリメータ光学系２０２及びｆθレンズ２０３を備えている。駆動回転する感光ドラム２０４の外周面には後述する光走査装置２２０のレーザ光源２０１からのレーザ光Ｌが振動素子３０の揺動体の光反射面を介して照射され、感光ドラム２０４の回転軸線と平行な方向にレーザ光Ｌが走査移動する。
【００６１】
光走査装置２２０は、図２０において、レーザ光源２０１、レーザ光源からのレーザ光Ｌを走査させる振動素子３０、該振動素子３０を駆動する駆動部２０７及び該素子駆動部２０７の作動を制御する制御装置２０６を備えている。制御装置２０６は、走査されたレーザ光Ｌを検出する一対のＢＤセンサ２０５を備えるとともに、検出信号に基づいて制御信号を出力し、振動素子３０を駆動する駆動部２０７の出力を制御する。
【００６２】
［映像投影装置の実施形態］
本発明の振動素子３０をオーバーヘッドプロジェクターなどの映像投影装置３００に適用した実施形態について図２１を用いて説明する。本実施形態においては、ＬＢＰ２００に適用した実施形態と同一の機能を有する構成要素については同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。本実施形態における映像投影装置３００は、ＬＢＰ２００と基本的に同じ光走査装置２２０、光源３０１からの光を所定方向に変更させる光偏向装置３０２及びこの光偏向装置３０２により偏向した光が照射されるスクリーン３０４を備えている。
【００６３】
光偏向装置３０２は、光走査装置２２０の振動素子３０の揺動体（不図示）の光反射面（不図示）にて反射した光を理想揺動軸線（不図示）と平行な方向に沿って偏向させるものである。この光偏向装置３０２による光の偏向速度は、振動素子３０の図示しない揺動体の振動周期よりも相対的に遅くすることができるので、本実施形態では周知のガルバノミラーを用いている。ＲＧＢ三原色を含む光源３０１から出射する光は、振動素子３０及び光偏向装置３０２により２次元走査され、スクリーン３０４に映像として投射される。
【００６４】
振動素子３０の主要部を構成する揺動体の光反射面の振れ角αは、制御装置２０６から出力される制御信号に基づいて駆動部２０７により調整される。また、光偏向装置３０２も同様に、制御装置２０６からの出力に基づき、揺動体の理想揺動軸線に対して直行する軸線回りのガルバノミラーの振れ角が制御される。制御装置２０６には、スクリーン３０４に投影される映像情報が入力部３０３から伝達され、光源３０１からスクリーン３０４に至る光路の距離に関する情報が測距部３０５から入力される。制御装置２０６は、これら入力部３０３及び測距部３０５からの情報に応じた投影画角や拡大率などの設定及びが像の大きさやその縦横比に基づき、振動素子３０及び光偏向装置３０２の走査角をそれぞれ変更する。なお、画像の拡大率は、走査角を変更せずとも光源３０１に対する通電のオン／オフ制御によっても可能である。しかしながら、走査角を変更することによって光源３０１のオフ時間を減らすことで、高輝度の画像をスクリーン３０４に投影することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１：Ｓｉ単結晶、２：梁、３：基体、４：ミラー部（揺動部）、５：Ｃｕ、６：メタルマスク、７：開口幅、８：メタルマスク厚み、９：冷却板、１０：ＹＡＧレーザ発振機、１１：ミラー面、１２：磁石、１３：レーザ発振機、１４：電磁コイル、１５：ミラー部の最大変位角、１６：ミラー部の捻り中心軸、１７：中間部、１８：ミラー部の台座、１９：反射膜、３０：振動素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、前記基体から梁状に設けられた梁部と、前記梁部の前記基体側とは反対の側に設けられた揺動部とを備え、
前記揺動部の少なくとも一部及び前記梁部は金属ガラスで一体に形成されている、
ことを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記揺動部と前記梁部とは機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離されて一体に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記揺動部の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスが結晶化する温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記揺動部の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスのガラス転移温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項５】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記梁部よりも高いヤング率を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項６】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記梁部よりも大きな自由体積を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項７】
前記揺動部は、台座と、当該台座の一面に接合された光学部材とを含み、
前記揺動部の台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項８】
前記台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記台座は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記台座の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスが結晶化する温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項７に記載の振動素子。
【請求項９】
前記台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記台座は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記台座の少なくとも第２領域は、前記金属ガラスのガラス転移温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項７に記載の振動素子。
【請求項１０】
前記揺動部及び前記基体は、前記梁部よりも大きな厚さを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１１】
前記揺動部は、当該揺動部を挟む一対の前記梁部に結合されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１２】
前記揺動部の表面に反射膜が形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させる、
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部とを備え、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させる、
ことを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させて映像を投影する、
ことを特徴とする映像投影装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させて画像を形成する、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
基体と、前記基体から梁状に設けられた梁部と、前記梁部の前記基体側とは反対の側に設けられた揺動部とを備え、
前記揺動部の少なくとも一部及び前記梁部は金属ガラスで一体に形成されている、
ことを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記揺動部と前記梁部とは機械的特性がそれぞれ異なった部分として機能分離されて一体に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記揺動部の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスが結晶化する温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記揺動部の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスのガラス転移温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項５】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記梁部よりも高いヤング率を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項６】
前記揺動部と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記揺動部は、前記梁部よりも大きな自由体積を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項７】
前記揺動部は、台座と、当該台座の一面に接合された光学部材とを含み、
前記揺動部の台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項８】
前記台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記台座は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記台座の少なくとも前記第２領域は、前記金属ガラスが結晶化する温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項７に記載の振動素子。
【請求項９】
前記台座と前記梁部とは金属ガラスで一体に形成され、
前記台座は、前記基体、前記梁部及び前記揺動部が配列される方向に沿って、前記梁部との接続部位から所定の距離内に位置する第１領域と前記所定の距離外に位置する第２領域とを含み、
前記台座の少なくとも第２領域は、前記金属ガラスのガラス転移温度以下の温度の下での熱処理が施され、
前記梁部は、前記熱処理が施されていない、
ことを特徴とする請求項７に記載の振動素子。
【請求項１０】
前記揺動部及び前記基体は、前記梁部よりも大きな厚さを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１１】
前記揺動部は、当該揺動部を挟む一対の前記梁部に結合されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１２】
前記揺動部の表面に反射膜が形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させる、
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部とを備え、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させる、
ことを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させて映像を投影する、
ことを特徴とする映像投影装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動素子と、前記揺動部を揺動させる駆動部と、光源とを備え、
前記揺動部はミラー面を有し、
前記駆動部により前記揺動部を揺動させ、前記光源からの光を前記ミラー面により走査させて画像を形成する、
ことを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１５】
【図２０】
【図２１】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１５】
【図２０】
【図２１】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１１３１４６（Ｐ２０１２−１１３１４６Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２４５８（Ｐ２０１０−２６２４５８）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００１０４６５２）キヤノン電子株式会社 (876)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００１０４６５２）キヤノン電子株式会社 (876)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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