揺動体装置、光偏向器およびそれを用いた画像形成装置
【課題】 駆動時でも可動部の平坦性を維持した揺動体装置を提供することである。
【解決手段】 本発明に係る揺動体装置は、支持部と、可動部と、可動部を支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、可動部を振動させる駆動手段とを有する。可動部は、単結晶シリコンで形成され、可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位である。
【解決手段】 本発明に係る揺動体装置は、支持部と、可動部と、可動部を支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、可動部を振動させる駆動手段とを有する。可動部は、単結晶シリコンで形成され、可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揺動体装置、光偏向器、及びそれを用いた画像形成装置、ディスプレイ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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光偏向器として、反射面を持つ可動部を正弦振動させて光を偏向する光走査系ないし光走査装置が種々提案されている。ここにおいて、共振現象を利用して正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系は、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、光偏向器を大幅に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、特に半導体プロセスによって製造されるシリコン単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること、等の特徴がある。
【０００３】
シリコンにより作製した光偏向器の一例として、図８に示すような光偏向器が存在する（特許文献１参照）。図８は、光偏向器全体の斜視図である。
【０００４】
図８の光偏向器は、支持部２０と可動部３０と可動部３０を支持部２０に対してねじり振動可能に支持するねじりバネ２２、２４とで構成されている。そして、この光偏向器はシリコンウエハに半導体製造方法のフォトリソグラフィとエッチング技術を用いることで作製している。
【特許文献１】特開昭５７−８５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
揺動体装置の可動部は、所定角度内をねじり振動するため大きな角加速度を受ける。このため、可動部は駆動時に自重による慣性力を受け、可動部が変形する場合がある。特に、可動部の表面に反射面を形成した光偏向器を用いてレーザ光を走査する場合、この可動部の変形は走査光の光学特性に影響を与える。
【０００６】
よって本発明は、揺動体装置の可動部がねじり振動する際に発生する可動部の変形を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明に係る揺動体装置は、支持部と、可動部と、前記可動部を前記支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、前記可動部を振動させる駆動手段とを有する揺動体装置であって、前記可動部は、単結晶シリコンで形成され、前記可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、前記可動部の主面と平行で、且つ前記ねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれは、可動部の主面の結晶面を（１１０）面とし、可動部の主面と平行で且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位を［１１１］方位とすることで、可動部の変形量比を他の基板や他の結晶方位を用いた場合よりも小さくすることができる。したがって、可動部がねじり振動した場合でも、可動部の平坦性を維持した揺動体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の揺動体装置の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。本実施形態の揺動体装置は、支持部１０１と、可動部１０３と、可動部１０３を支持部１０１に対してねじり軸１０８のまわりにねじり振動可能に支持するねじりバネ１０４ａ、１０４ｂとを有する。支持部１０１は支持基板等の固定部材に固定されており、可動部１０３がねじり振動しても支持部１０１が動かないような構成となっている。また、本実施形態に係る揺動体装置は、可動部１０３の表面に反射面１０２を形成することで、光偏向器として用いることができる。反射面１０２は別の材質、例えば金、銅等の薄膜で形成されていてもよく、さらにその上に保護膜を有していていもよい。あるいは反射面１０２は誘電体多層膜により形成されてもよい。
【００１０】
可動部１０３は単結晶シリコン基板で形成され、可動部１０３の主面（図１の反射面１０２が形成されている面）の結晶面は（１１０）面、あるいはその等価面（即ち、｛１１０｝面）である。また、可動部の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位、あるいは、その等価方位である。
【００１１】
尚、本明細書においては、（１１１）面と等価な面、例えば（−１−１−１）面や（−１１１）面などを総称して（１１１）等価面（即ち｛１１１｝）と表現する。また、［１１１］方位と等価な方位、例えば［−１−１−１］方位や［−１１１］方位などを総称して［１１１］等価方位と表現する。
【００１２】
本実施形態に係る揺動体装置は、例えば、（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板を使用して、支持部１０１、可動部１０３、ねじりバネ１０４ａ、１０４ｂを一体形成している。
【００１３】
図１において、可動部１０３の結晶方位１０００は、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位である。ここで、［１１１］方位とは、ほぼ［１００］方位の場合も含み、その範囲は［１１１］方位±５度の範囲内である。この範囲内では、自重による可動部の変形量がほぼ同等である。
【００１４】
さらに、本実施形態の揺動体装置は、可動部１０３を駆動させる駆動手段を有する。駆動手段は、電磁方式の場合のコイルや磁石、静電方式の場合の電極、ピエゾ方式の場合の圧電素子などでよい。例えば、図１（ｂ）に示す構成があり、可動部１０３は、硬磁性体１０６を有しており、ねじり軸１０８に対して垂直方向（図１（ｂ）の図面左右方向）に磁化されている。硬磁性体１０６は、スパッタリングあるいは貼り付け等により形成することができる。そして、図示しない駆動制御手段から駆動手段としてのコイル１０７に駆動電流を印加することにより磁場が発生し、可動部１０３にトルクが印加され、揺動体装置を駆動することができる。コイル１０７に印加する電流を交流にすれば、交流の周波数に応じたねじり振動で揺動体装置を駆動することができる。さらに、本発明の揺動体装置が有する共振周波数と同じ交流電流をコイル１０７に流すことによって、低消費電力でねじり共振振動させることができる。
【００１５】
次に、本発明の原理について説明する。
【００１６】
図５（ａ）は、可動部が平板（直方体）であった場合のねじり軸に垂直な断面図である。揺動体装置は、共振周波数付近で駆動され、ねじり振動しているとする。その場合、時間に対する可動部４０１の変位角は正弦波状に変化する。そして、最大の角加速度がかかる個所で最も大きな変形が生じる。
【００１７】
図５（ｂ）は変形が生じた時の可動部４０１を示している。図５（ｂ）に示すように可動部４０１に変形が生じると、可動部４０１上に形成されている反射面４０２も同様に変形を受ける。この変形が著しい場合は、揺動体装置を光偏向器と使用した場合、反射面４０２の平坦度が保証されず光学特性を著しく低下させる。
【００１８】
可動部４０１が、直方体の場合は、図５（ｂ）に示す近似モデルによってねじり振動時の可動部４０１の変形を説明することができる。可動部４０１の変形は、ねじり軸４０３を中心に点対称であり、図５（ｃ）のように中央部分を固定端支持とした梁の変形と近似することができる。可動部４０１にねじり振動によって角加速度Θ（２πｆ）２（但し、Θは変位角、ｆはねじり振動周波数）が付加された場合、図５（ｃ）の梁の変形（たわみ）ｙは（式１）のようになる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
（但し、ｘは図５（ｃ）に示した無次元化距離、ρは部材の密度、Ｅは部材のヤング率、ｔは厚さ、Ｗｈはミラー幅Ｗの半分の値）
ここで、変形（たわみ）Ｙの基準平面Ｑからの距離δは、反射面４０２の光学特性の低下に影響する。今、距離δは、基準平面Ｑを図５（ｂ）に示すようにとると、（式２）のように示すことができる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
したがって、距離δは、変位角Θ、ミラー幅Ｗの５乗、周波数ｆの自乗に比例するため、大きな反射面開口、大偏向角、より高周波数駆動が必要な場合は、自重による可動部の変形の影響が益々顕著になる。
【００２３】
図６は、自重による可動部の変形が、各結晶方位に対してどのように変化するかを有限要素法によって計算した結果である。今回の計算では、シリコンの結晶異方性を考慮した計算を実施している。
【００２４】
有限要素法の計算に用いた物性値は、以下の通りである。シリコンの密度は２３００ｋｇ／ｍ３を用いている。また、シリコン単結晶の異方性を考慮するために、ヤング率（単位：Ｐａ）の代わりに、以下のようなスティフネス係数（単位：Ｐａ）を用いる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
ここで、Ｃ１１＝１６７．４ＧＰａ、Ｃ１２＝６５．２３ＧＰａ、Ｃ４４＝７９．５７ＧＰａである。
【００２７】
これらの物性値を用いて、可動部、ねじりバネ等の有限要素モデルを作成し、有限要素法により計算を実施することにより、結晶異方性を考慮した解析を実施することができる。
【００２８】
図６の縦軸は、可動部の変形量比であり、横軸は［１１０］方位となす角度である。可動部の変形量比とは、可動部の主面の結晶面が（１００）面であって、さらに、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１００］方位のときの変形量を１とした比である（この時、［１１０］方位となす角度は、例えば４５度である）。
【００２９】
また、［１１０］方位となす角度とは、可動部主面内に存在する［１１０］方位と、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位と、がなす角度を表す。よって、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１０］方位である場合、［１１０］方位となす角度は０度となる。
【００３０】
ここで、（１００）基板とは、可動部の主面の結晶面が（１００）面であることを表す。（１１０）基板、（１１１）基板も同様である。例えば、（１００）基板の場合は、［１１０］方位となす角度が±４５度、±１３５度は、［１００］方位を表す。また、［１１０］方位となす角度が０度、±９０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。さらに、（１１０）基板の場合は、回転角度が０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。また、回転角度が±９０度は、［１００］方位を表し、±３５．３度、±１４４．７度は、［１１１］方位を表す。さらに、（１１１）基板の場合は、回転角度が０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。
【００３１】
図６に示すように、（１１０）基板の可動部の変形量比は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位と、［１１０］方位とがなす角度が０度から６０度の場合、（１００）、（１１１）基板を使った可動部の変形量比よりも小さくなる。さらに、最も小さい変形量を示すのは、（１１０）基板を使った可動部であり、かつ、［１１０］方位となす角度が３５．３度の時である。この角度は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位の場合である。また、［１１１］方位±５度の範囲内である場合、自重による可動部の変形量が同等である。
【００３２】
以上のように、本実施形態の揺動体装置では、シリコン基板の結晶異方性を利用して、反射面を有する可動部を作製することによって、高速駆動時の可動部の変形を小さくすることができる。従って、本実施形態の揺動体装置を用いて光偏向器を作製した場合、高速駆動時における偏向光（反射光）のスポット形状の劣化を防止することができる。
【００３３】
次に、本実施形態の揺動体装置のねじりバネについて説明する。
【００３４】
本実施形態の揺動体装置のねじりバネは、単結晶シリコンで形成され、ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１１１］方位である。ここで、結晶方位が［１１１］方位とは、その等価方位も含む。
【００３５】
このねじりバネを用いた場合の作用について説明する。図７は、ねじりバネ定数比が各結晶面に対してどのように変化するかを有限要素法によって計算した結果である。今回の計算では、シリコンの結晶異方性を考慮した計算を実施している。尚、図７の有限要素法の計算に用いた物性値は、図６の計算で用いた物性値と同様である。
【００３６】
図７の縦軸は、ねじりバネ定数比であり、横軸は［１１０］方位となす角度である。ねじりバネ定数比とは、（１００）基板を用いてねじりバネを作製し、ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１００］方位のとき（図７の（１００）基板において、［１１０］方位となす角度が４５度の場合）のねじりバネ定数を１とした比である。
【００３７】
また、［１１０］方位となす角度とは、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１０］方位となす角度を表す。つまり、０度は、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が［１１０］方位であることを表す。また、ねじりバネのねじり軸に垂直な断面形状は直方体である。
【００３８】
図７が示すように、（１１０）基板を使ったねじりバネ定数は、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１０］方位となす角度が０度から６０度の間で、（１００）、（１１０）基板を使ったねじりバネの最も小さいねじりバネ定数より小さい。さらに、最も小さいねじりバネ定数比を示すのは、（１１０）基板を使ったねじりバネであり、かつ、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１１］方位の時である（この時、［１１０］方位となす角度は、３５．３度である）。ここで、[１１１]方位は、ほぼ［１１１］方位である場合を含み、その範囲は［１１１］方位±１０度の範囲内である。この範囲では、ばね定数比が同等である。また、この結晶方位は、その等価方位であってもかまわない。
【００３９】
ねじりバネ定数比が小さい結晶面を利用して作製したねじりバネと、ねじりバネ定数比が大きい結晶面で作製したねじりバネとを比較すると次のようになる。同じねじりバネ定数のねじりバネを作製する場合、ねじりバネ定数比が大きい結晶面でねじりバネを作製する場合と比べて、ねじりバネ定数比が小さい結晶面、結晶方位でねじりバネを作製したほうが、ねじりバネの形状を大きくすることができる。例えば、ねじりバネの長さが一定の場合、ねじりバネ定数比が小さいほうがねじりバネの幅を太くすることができる。単結晶シリコン基板の加工誤差が同じである場合、ねじりバネの形状が太いほうがねじりバネ定数への加工誤差の影響を小さくすることができる。よって、ねじりバネ定数比が小さい結晶面、結晶方位で作製したねじりバネのほうが、単結晶シリコン基板の加工誤差の影響を低減することができる。
【００４０】
この構成により、ねじりバネの幅などの加工誤差によるねじりバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、高速駆動時の可動部の変形量を低減すると同時に、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００４１】
また、ねじりバネを（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製することもできる。図７に示すように、（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製したねじりバネは、［１１０］方位となす角度によらず、バネ定数がほぼ一定である。従って、ねじりバネを作製する際に、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位がずれてしまっても、ねじりバネ定数は、ほぼ一定にすることができるので、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００４２】
また、本実施形態の揺動体装置は、図２に示すように可動部２０３を、支持部２０１及びねじりバネ２０４ａ、２０４ｂと別に作製することもできる。この場合、それぞれの部材を形成後、可動部２０３を固定部２０５に接着、又は接合する。
【００４３】
さらに、本実施形態の揺動体装置は、複数の可動部と、複数の可動部を同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に連結する複数のねじりバネとで構成することができる。複数の可動部の少なくとも一つは反射面を有し、ねじり軸まわりに基準周波数となる固有周波数と前記基準周波数の整数倍の固有周波数とを有する構成とすることもできる。２つ以上のねじり振動方向の固有振動モードを同時に励起させて、正弦波状の光走査以外の光走査を行うことができる。
【００４４】
さらに、光源と、光偏向器と、感光体とを有し、この光偏向器は、光源からの光を光偏向器により偏向し、光の少なくとも一部を前記感光体に照射して静電潜像を形成する画像形成装置とすることもできる。高速駆動時の可動部の変形量が小さい光偏向器を利用した構成では、反射光のスポット形状が劣化しないので、画質の低下を防止することができる。
【００４５】
次に本実施形態に係る揺動体装置の製造方法に関して説明する。
【００４６】
支持部と可動部とねじりバネとを単結晶シリコンで一体形成する場合は、例えば以下のようにして作製する。（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板に、フォトリソグラフィ技術を用いて、支持部、可動部、ねじりバネとなる部分をパターニングする。この時、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。次に、ウエットエッチングやドライエッチング技術を用いて、パターニングした部分以外を除去する。この様に加工精度の高い半導体プロセス技術で一括加工することで、より高精度に揺動体装置を作製することができる。
【００４７】
次に、可動部を支持部及びねじりバネと別に作製する方法について説明する。
【００４８】
可動部は、（１１０）面を主面とするシリコン基板で作製する。作製方法は、ウエットエッチング、ドライエッチングにより作製しても良いし、ダイシングブレード（円形回転刃）によって切断しても良い。この可動部は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるように可動部とねじりバネを一体化する。一体化は、接着、あるいは、接合等でよい。このように一体化することによって、高速駆動時の可動部の変形が小さい光偏向器を作製することができる。
【００４９】
また、可動部、ねじりバネ等の光偏向器を構成する部材を個別にマイクロマシニング技術によりシリコンウエハ上に形成することにより、ウエハ内の不要な部分を低減することができ、取り個数を増やすことができる。従って、安価な光偏向器を提供することができる。さらに、（１１０）基板で可動部を作製し、ねじりバネ等の光偏向器を構成する部材を個別に作製することによって、ねじりバネ等の材料を任意の材料で作製することができる。例えば、共振周波数を低減するための柔らかいバネや共振周波数を上げるための硬いばねにすることができる。従って、共振周波数の高い光偏向器や、共振周波数の低い光偏向器を提供することができる。特に、ねじりバネがシリコンであっても、任意の方向の結晶方位のねじりバネを有する光偏向器を提供することができる。
【００５０】
さらに、ねじりバネは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を用いて、ねじり軸に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位であるように作製する。作製された可動部とねじりバネは、接合や接着などにより一体化することができる。この作製方法によって、ねじりバネの幅などの加工誤差によるねじりバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、加工誤差によるねじりバネの不良品率を低下することができるので、コスト低減につながる。
【００５１】
さらに、ねじりバネが（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製する作製方法とすることもできる。この作製方法によって、作製する際の結晶方位ずれによるバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、加工誤差によるねじりバネの不良品率を低下することができるので、コスト低減につながる。
【００５２】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００５３】
実施例１の光偏向器の構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の光偏向器の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。本発明の光偏向器は、支持部１０１と、反射面１０２を有する可動部１０３と、可動部１０３を支持部１０１に対してねじり軸１０８まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネ１０４ａ、１０４ｂと、を有する。可動部１０３は（１１０）面を主面（図１の反射面１０２が形成されている面）とするシリコン基板で作製され、さらに、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるような構成としている。
【００５４】
つまり、可動部１０３の結晶方位１０００は、可動部１０３主面の結晶面が（１１０）面であり、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを示している。
【００５５】
可動部１０３は、ねじり軸１０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向の長さが１．０ｍｍ、厚さは０．３ｍｍである。可動部の形状は、直方体であるが、楕円柱状等であっても構わない。反射面１０２の材料はアルミニウムであり、真空蒸着により形成されている。支持部１０１、可動部１０３、ねじりバネ１０４ａ、１０４ｂは、（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板に、半導体製造方法のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いることで作製されている。このとき可動部の結晶方位は、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。
【００５６】
可動部１０３は、硬磁性体１０６を有しており、ねじり軸１０８に対して垂直方向（図１（ｂ）の図面左右方向）に磁化されている。本実施例の光偏向器が有する共振周波数は約２０００Ｈｚであり、この共振周波数と同じ交流電流をコイル１０７に流すことによって磁場が発生し、可動部１０３にトルクが印加され、低消費電力で光学角１００度のねじり振動をさせることができる。
【００５７】
この構成による可動部１０３の最大変形量は約４０ｎｍであり、本発明を適用しない場合と比べて変形量を小さくすることができる。よって、反射光のスポット形状の劣化を低減することができる。
【実施例２】
【００５８】
実施例２の光偏向器の構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明の光偏向器の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。実施例２の光偏向器の構成は、実施例１の光偏向器と略同様である。本実施例では、ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を用いて作製している。ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂの結晶面２００１は、ねじり軸２０８に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位である。［１１１］方位を有するねじりバネは、（１１０）基板を用いて作製することができる。バネ形状は、ねじり軸２０８に対して垂直な断面が直方体である。
【００５９】
可動部２０３は、（１１０）面を主面とするシリコン基板に、半導体製造方法のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を適用して作製されている。可動部とねじりバネは、図２（ｂ）に示すように接合により一体化されている。接合する際は、可動部の結晶方位は、可動部２０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸２０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。
【００６０】
可動部、ねじりバネ等の部材を、シリコンウエハを用いてそれぞれ個別に形成することにより、ウエハ内の不要な部分を低減することができ、取り個数を増やすことができる。従って、コスト低減を行うことができる。
【００６１】
図７に示すように、最も小さいねじりバネ定数を示すのは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を使ったねじりバネであり、かつ、ねじり軸２０８に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位の時である。
【００６２】
従って，この構成により、ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂの幅の加工誤差が１μｍ程度あっても、ねじりバネ定数のばらつきを低減することができ、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。また、可動部の結晶方位を上記の様にすることで、高速駆動時の可動部の変形量を低減することができる。
【実施例３】
【００６３】
本実施例の光偏向器の構成を図３を用いて説明する。本実施例の光偏向器は、２つの可動部３０３と３０５を有し、可動部３０３は反射面３０４を有する。可動部３０３と可動部３０５は、複数のねじりバネ３０２ａ、３０２ｂにより、支持部３０１に対して同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に支持されている。
【００６４】
可動部３０３は、ねじり軸３０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向のサイズが１．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍであり、可動部３０５は、ねじり軸３０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向のサイズが１．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍである。可動部３０５は図示しない永久磁石を有し、実施例１と同様に電磁力によって駆動することができる。
【００６５】
ねじりバネ３０２ａ、３０２ｂは、（１１１）面を主面とするシリコン基板により作製されている。図７が示すように、（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製したねじりバネは、結晶方位によらずバネ定数がほぼ一定である。従って、ねじりバネを作製する際に、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位がずれてしまっても、ねじりバネ定数は、ほぼ一定にすることができるので、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００６６】
本実施例の光偏向器は、ねじり軸３０８を中心としたねじり振動について、周波数ｆ１の１次の固有振動モードと基準周波数の略２倍の周波数となるｆ２の２次の固有振動モードを有している。１次のねじり振動モードに加えて、２次のねじり振動モードで同時にねじり振動させることによって、可動部３０３に形成された反射面３０４で反射された光の偏向走査の変位角は、この２つの振動モードの重ね合わせとなる。本実施例の光偏向器は、基準周波数となる１次のねじり振動モードと基準周波数の略２倍の周波数となる２次のねじり振動モードを有しているので、鋸波状の振動で光偏向器を駆動することができる。従って、角速度の変動が少ない光走査を行うことができるので、より一層、反射光のスポット形状を均一にすることが可能となる。
【実施例４】
【００６７】
図５は上記光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す図である。図５は、光学機器の一つである画像形成装置を示している。図５において、５０３は本発明の光偏向器であり、本実施例では入射光を１次元に走査する。５０１はレーザ光源である。５０２はレンズあるいはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、５０５は感光体、５０６は走査軌跡である。レーザ光源５０１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、光偏向器５０３により１次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により、感光体５０５上へ画像を形成する。感光体５０５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その部分に静電潜像を形成する。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を形成し、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。反射面の平坦性が高く、加工誤差による周波数変動を低減した光偏向器を用いることにより、安定した画像を形成することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、揺動体装置、光偏向器及びそれを用いた画像形成装置に関する。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なものである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）本発明の実施形態の揺動体装置及び実施例１の光偏向器を説明するための上面図である。（ｂ）本発明の実施形態の揺動体装置及び実施例１の光偏向器を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）本発明の実施例２の光偏向器を説明するための上面図である。（ｂ）本発明の実施例２の光偏向器を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施例３の光偏向器を説明するための上面図である。
【図４】本発明の実施例４の画像形成装置を説明するための図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）光偏向器の変形を説明するための図である。
【図６】本発明の可動部の変形量の結晶面依存性を示す図である。
【図７】本発明のねじりバネのばね定数の結晶面依存性を示す図である。
【図８】従来技術を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
２０ 支持部
２２、２４ ねじりバネ
３０ 可動部
１０１、２０１、３０１ 支持部
１０２、２０２、３０４ 反射面
１０３、２０３、３０３、３０５ 可動部
１０４ａ、１０４ｂ、２０４ａ、２０４ｂ、３０２ａ、３０２ｂ ねじりバネ
１０５、２０５ 固定部
１０６、２０６ 永久磁石
１０７、２０７、コイル
１０８、２０８、３０８ ねじり軸
１０００、１００１、２０００、２００１、２００２、２００３、３０００、３００１ 結晶方位
５０１ レーザ光源
５０２ レンズ
５０３ 光走査系
５０４ 書き込みレンズ
５０５ 感光体
５０６ 走査軌跡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揺動体装置、光偏向器、及びそれを用いた画像形成装置、ディスプレイ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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光偏向器として、反射面を持つ可動部を正弦振動させて光を偏向する光走査系ないし光走査装置が種々提案されている。ここにおいて、共振現象を利用して正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系は、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、光偏向器を大幅に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、特に半導体プロセスによって製造されるシリコン単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること、等の特徴がある。
【０００３】
シリコンにより作製した光偏向器の一例として、図８に示すような光偏向器が存在する（特許文献１参照）。図８は、光偏向器全体の斜視図である。
【０００４】
図８の光偏向器は、支持部２０と可動部３０と可動部３０を支持部２０に対してねじり振動可能に支持するねじりバネ２２、２４とで構成されている。そして、この光偏向器はシリコンウエハに半導体製造方法のフォトリソグラフィとエッチング技術を用いることで作製している。
【特許文献１】特開昭５７−８５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
揺動体装置の可動部は、所定角度内をねじり振動するため大きな角加速度を受ける。このため、可動部は駆動時に自重による慣性力を受け、可動部が変形する場合がある。特に、可動部の表面に反射面を形成した光偏向器を用いてレーザ光を走査する場合、この可動部の変形は走査光の光学特性に影響を与える。
【０００６】
よって本発明は、揺動体装置の可動部がねじり振動する際に発生する可動部の変形を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明に係る揺動体装置は、支持部と、可動部と、前記可動部を前記支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、前記可動部を振動させる駆動手段とを有する揺動体装置であって、前記可動部は、単結晶シリコンで形成され、前記可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、前記可動部の主面と平行で、且つ前記ねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれは、可動部の主面の結晶面を（１１０）面とし、可動部の主面と平行で且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位を［１１１］方位とすることで、可動部の変形量比を他の基板や他の結晶方位を用いた場合よりも小さくすることができる。したがって、可動部がねじり振動した場合でも、可動部の平坦性を維持した揺動体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の揺動体装置の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。本実施形態の揺動体装置は、支持部１０１と、可動部１０３と、可動部１０３を支持部１０１に対してねじり軸１０８のまわりにねじり振動可能に支持するねじりバネ１０４ａ、１０４ｂとを有する。支持部１０１は支持基板等の固定部材に固定されており、可動部１０３がねじり振動しても支持部１０１が動かないような構成となっている。また、本実施形態に係る揺動体装置は、可動部１０３の表面に反射面１０２を形成することで、光偏向器として用いることができる。反射面１０２は別の材質、例えば金、銅等の薄膜で形成されていてもよく、さらにその上に保護膜を有していていもよい。あるいは反射面１０２は誘電体多層膜により形成されてもよい。
【００１０】
可動部１０３は単結晶シリコン基板で形成され、可動部１０３の主面（図１の反射面１０２が形成されている面）の結晶面は（１１０）面、あるいはその等価面（即ち、｛１１０｝面）である。また、可動部の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位、あるいは、その等価方位である。
【００１１】
尚、本明細書においては、（１１１）面と等価な面、例えば（−１−１−１）面や（−１１１）面などを総称して（１１１）等価面（即ち｛１１１｝）と表現する。また、［１１１］方位と等価な方位、例えば［−１−１−１］方位や［−１１１］方位などを総称して［１１１］等価方位と表現する。
【００１２】
本実施形態に係る揺動体装置は、例えば、（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板を使用して、支持部１０１、可動部１０３、ねじりバネ１０４ａ、１０４ｂを一体形成している。
【００１３】
図１において、可動部１０３の結晶方位１０００は、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位である。ここで、［１１１］方位とは、ほぼ［１００］方位の場合も含み、その範囲は［１１１］方位±５度の範囲内である。この範囲内では、自重による可動部の変形量がほぼ同等である。
【００１４】
さらに、本実施形態の揺動体装置は、可動部１０３を駆動させる駆動手段を有する。駆動手段は、電磁方式の場合のコイルや磁石、静電方式の場合の電極、ピエゾ方式の場合の圧電素子などでよい。例えば、図１（ｂ）に示す構成があり、可動部１０３は、硬磁性体１０６を有しており、ねじり軸１０８に対して垂直方向（図１（ｂ）の図面左右方向）に磁化されている。硬磁性体１０６は、スパッタリングあるいは貼り付け等により形成することができる。そして、図示しない駆動制御手段から駆動手段としてのコイル１０７に駆動電流を印加することにより磁場が発生し、可動部１０３にトルクが印加され、揺動体装置を駆動することができる。コイル１０７に印加する電流を交流にすれば、交流の周波数に応じたねじり振動で揺動体装置を駆動することができる。さらに、本発明の揺動体装置が有する共振周波数と同じ交流電流をコイル１０７に流すことによって、低消費電力でねじり共振振動させることができる。
【００１５】
次に、本発明の原理について説明する。
【００１６】
図５（ａ）は、可動部が平板（直方体）であった場合のねじり軸に垂直な断面図である。揺動体装置は、共振周波数付近で駆動され、ねじり振動しているとする。その場合、時間に対する可動部４０１の変位角は正弦波状に変化する。そして、最大の角加速度がかかる個所で最も大きな変形が生じる。
【００１７】
図５（ｂ）は変形が生じた時の可動部４０１を示している。図５（ｂ）に示すように可動部４０１に変形が生じると、可動部４０１上に形成されている反射面４０２も同様に変形を受ける。この変形が著しい場合は、揺動体装置を光偏向器と使用した場合、反射面４０２の平坦度が保証されず光学特性を著しく低下させる。
【００１８】
可動部４０１が、直方体の場合は、図５（ｂ）に示す近似モデルによってねじり振動時の可動部４０１の変形を説明することができる。可動部４０１の変形は、ねじり軸４０３を中心に点対称であり、図５（ｃ）のように中央部分を固定端支持とした梁の変形と近似することができる。可動部４０１にねじり振動によって角加速度Θ（２πｆ）２（但し、Θは変位角、ｆはねじり振動周波数）が付加された場合、図５（ｃ）の梁の変形（たわみ）ｙは（式１）のようになる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
（但し、ｘは図５（ｃ）に示した無次元化距離、ρは部材の密度、Ｅは部材のヤング率、ｔは厚さ、Ｗｈはミラー幅Ｗの半分の値）
ここで、変形（たわみ）Ｙの基準平面Ｑからの距離δは、反射面４０２の光学特性の低下に影響する。今、距離δは、基準平面Ｑを図５（ｂ）に示すようにとると、（式２）のように示すことができる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
したがって、距離δは、変位角Θ、ミラー幅Ｗの５乗、周波数ｆの自乗に比例するため、大きな反射面開口、大偏向角、より高周波数駆動が必要な場合は、自重による可動部の変形の影響が益々顕著になる。
【００２３】
図６は、自重による可動部の変形が、各結晶方位に対してどのように変化するかを有限要素法によって計算した結果である。今回の計算では、シリコンの結晶異方性を考慮した計算を実施している。
【００２４】
有限要素法の計算に用いた物性値は、以下の通りである。シリコンの密度は２３００ｋｇ／ｍ３を用いている。また、シリコン単結晶の異方性を考慮するために、ヤング率（単位：Ｐａ）の代わりに、以下のようなスティフネス係数（単位：Ｐａ）を用いる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
ここで、Ｃ１１＝１６７．４ＧＰａ、Ｃ１２＝６５．２３ＧＰａ、Ｃ４４＝７９．５７ＧＰａである。
【００２７】
これらの物性値を用いて、可動部、ねじりバネ等の有限要素モデルを作成し、有限要素法により計算を実施することにより、結晶異方性を考慮した解析を実施することができる。
【００２８】
図６の縦軸は、可動部の変形量比であり、横軸は［１１０］方位となす角度である。可動部の変形量比とは、可動部の主面の結晶面が（１００）面であって、さらに、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１００］方位のときの変形量を１とした比である（この時、［１１０］方位となす角度は、例えば４５度である）。
【００２９】
また、［１１０］方位となす角度とは、可動部主面内に存在する［１１０］方位と、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位と、がなす角度を表す。よって、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１０］方位である場合、［１１０］方位となす角度は０度となる。
【００３０】
ここで、（１００）基板とは、可動部の主面の結晶面が（１００）面であることを表す。（１１０）基板、（１１１）基板も同様である。例えば、（１００）基板の場合は、［１１０］方位となす角度が±４５度、±１３５度は、［１００］方位を表す。また、［１１０］方位となす角度が０度、±９０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。さらに、（１１０）基板の場合は、回転角度が０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。また、回転角度が±９０度は、［１００］方位を表し、±３５．３度、±１４４．７度は、［１１１］方位を表す。さらに、（１１１）基板の場合は、回転角度が０度、±１８０度は、［１１０］方位を表す。
【００３１】
図６に示すように、（１１０）基板の可動部の変形量比は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位と、［１１０］方位とがなす角度が０度から６０度の場合、（１００）、（１１１）基板を使った可動部の変形量比よりも小さくなる。さらに、最も小さい変形量を示すのは、（１１０）基板を使った可動部であり、かつ、［１１０］方位となす角度が３５．３度の時である。この角度は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位の場合である。また、［１１１］方位±５度の範囲内である場合、自重による可動部の変形量が同等である。
【００３２】
以上のように、本実施形態の揺動体装置では、シリコン基板の結晶異方性を利用して、反射面を有する可動部を作製することによって、高速駆動時の可動部の変形を小さくすることができる。従って、本実施形態の揺動体装置を用いて光偏向器を作製した場合、高速駆動時における偏向光（反射光）のスポット形状の劣化を防止することができる。
【００３３】
次に、本実施形態の揺動体装置のねじりバネについて説明する。
【００３４】
本実施形態の揺動体装置のねじりバネは、単結晶シリコンで形成され、ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１１１］方位である。ここで、結晶方位が［１１１］方位とは、その等価方位も含む。
【００３５】
このねじりバネを用いた場合の作用について説明する。図７は、ねじりバネ定数比が各結晶面に対してどのように変化するかを有限要素法によって計算した結果である。今回の計算では、シリコンの結晶異方性を考慮した計算を実施している。尚、図７の有限要素法の計算に用いた物性値は、図６の計算で用いた物性値と同様である。
【００３６】
図７の縦軸は、ねじりバネ定数比であり、横軸は［１１０］方位となす角度である。ねじりバネ定数比とは、（１００）基板を用いてねじりバネを作製し、ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１００］方位のとき（図７の（１００）基板において、［１１０］方位となす角度が４５度の場合）のねじりバネ定数を１とした比である。
【００３７】
また、［１１０］方位となす角度とは、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１０］方位となす角度を表す。つまり、０度は、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が［１１０］方位であることを表す。また、ねじりバネのねじり軸に垂直な断面形状は直方体である。
【００３８】
図７が示すように、（１１０）基板を使ったねじりバネ定数は、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１０］方位となす角度が０度から６０度の間で、（１００）、（１１０）基板を使ったねじりバネの最も小さいねじりバネ定数より小さい。さらに、最も小さいねじりバネ定数比を示すのは、（１１０）基板を使ったねじりバネであり、かつ、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位が、［１１１］方位の時である（この時、［１１０］方位となす角度は、３５．３度である）。ここで、[１１１]方位は、ほぼ［１１１］方位である場合を含み、その範囲は［１１１］方位±１０度の範囲内である。この範囲では、ばね定数比が同等である。また、この結晶方位は、その等価方位であってもかまわない。
【００３９】
ねじりバネ定数比が小さい結晶面を利用して作製したねじりバネと、ねじりバネ定数比が大きい結晶面で作製したねじりバネとを比較すると次のようになる。同じねじりバネ定数のねじりバネを作製する場合、ねじりバネ定数比が大きい結晶面でねじりバネを作製する場合と比べて、ねじりバネ定数比が小さい結晶面、結晶方位でねじりバネを作製したほうが、ねじりバネの形状を大きくすることができる。例えば、ねじりバネの長さが一定の場合、ねじりバネ定数比が小さいほうがねじりバネの幅を太くすることができる。単結晶シリコン基板の加工誤差が同じである場合、ねじりバネの形状が太いほうがねじりバネ定数への加工誤差の影響を小さくすることができる。よって、ねじりバネ定数比が小さい結晶面、結晶方位で作製したねじりバネのほうが、単結晶シリコン基板の加工誤差の影響を低減することができる。
【００４０】
この構成により、ねじりバネの幅などの加工誤差によるねじりバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、高速駆動時の可動部の変形量を低減すると同時に、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００４１】
また、ねじりバネを（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製することもできる。図７に示すように、（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製したねじりバネは、［１１０］方位となす角度によらず、バネ定数がほぼ一定である。従って、ねじりバネを作製する際に、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位がずれてしまっても、ねじりバネ定数は、ほぼ一定にすることができるので、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００４２】
また、本実施形態の揺動体装置は、図２に示すように可動部２０３を、支持部２０１及びねじりバネ２０４ａ、２０４ｂと別に作製することもできる。この場合、それぞれの部材を形成後、可動部２０３を固定部２０５に接着、又は接合する。
【００４３】
さらに、本実施形態の揺動体装置は、複数の可動部と、複数の可動部を同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に連結する複数のねじりバネとで構成することができる。複数の可動部の少なくとも一つは反射面を有し、ねじり軸まわりに基準周波数となる固有周波数と前記基準周波数の整数倍の固有周波数とを有する構成とすることもできる。２つ以上のねじり振動方向の固有振動モードを同時に励起させて、正弦波状の光走査以外の光走査を行うことができる。
【００４４】
さらに、光源と、光偏向器と、感光体とを有し、この光偏向器は、光源からの光を光偏向器により偏向し、光の少なくとも一部を前記感光体に照射して静電潜像を形成する画像形成装置とすることもできる。高速駆動時の可動部の変形量が小さい光偏向器を利用した構成では、反射光のスポット形状が劣化しないので、画質の低下を防止することができる。
【００４５】
次に本実施形態に係る揺動体装置の製造方法に関して説明する。
【００４６】
支持部と可動部とねじりバネとを単結晶シリコンで一体形成する場合は、例えば以下のようにして作製する。（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板に、フォトリソグラフィ技術を用いて、支持部、可動部、ねじりバネとなる部分をパターニングする。この時、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。次に、ウエットエッチングやドライエッチング技術を用いて、パターニングした部分以外を除去する。この様に加工精度の高い半導体プロセス技術で一括加工することで、より高精度に揺動体装置を作製することができる。
【００４７】
次に、可動部を支持部及びねじりバネと別に作製する方法について説明する。
【００４８】
可動部は、（１１０）面を主面とするシリコン基板で作製する。作製方法は、ウエットエッチング、ドライエッチングにより作製しても良いし、ダイシングブレード（円形回転刃）によって切断しても良い。この可動部は、可動部の主面と平行で、且つねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるように可動部とねじりバネを一体化する。一体化は、接着、あるいは、接合等でよい。このように一体化することによって、高速駆動時の可動部の変形が小さい光偏向器を作製することができる。
【００４９】
また、可動部、ねじりバネ等の光偏向器を構成する部材を個別にマイクロマシニング技術によりシリコンウエハ上に形成することにより、ウエハ内の不要な部分を低減することができ、取り個数を増やすことができる。従って、安価な光偏向器を提供することができる。さらに、（１１０）基板で可動部を作製し、ねじりバネ等の光偏向器を構成する部材を個別に作製することによって、ねじりバネ等の材料を任意の材料で作製することができる。例えば、共振周波数を低減するための柔らかいバネや共振周波数を上げるための硬いばねにすることができる。従って、共振周波数の高い光偏向器や、共振周波数の低い光偏向器を提供することができる。特に、ねじりバネがシリコンであっても、任意の方向の結晶方位のねじりバネを有する光偏向器を提供することができる。
【００５０】
さらに、ねじりバネは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を用いて、ねじり軸に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位であるように作製する。作製された可動部とねじりバネは、接合や接着などにより一体化することができる。この作製方法によって、ねじりバネの幅などの加工誤差によるねじりバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、加工誤差によるねじりバネの不良品率を低下することができるので、コスト低減につながる。
【００５１】
さらに、ねじりバネが（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製する作製方法とすることもできる。この作製方法によって、作製する際の結晶方位ずれによるバネ定数のばらつきを低減することができる。従って、加工誤差によるねじりバネの不良品率を低下することができるので、コスト低減につながる。
【００５２】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００５３】
実施例１の光偏向器の構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の光偏向器の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。本発明の光偏向器は、支持部１０１と、反射面１０２を有する可動部１０３と、可動部１０３を支持部１０１に対してねじり軸１０８まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネ１０４ａ、１０４ｂと、を有する。可動部１０３は（１１０）面を主面（図１の反射面１０２が形成されている面）とするシリコン基板で作製され、さらに、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるような構成としている。
【００５４】
つまり、可動部１０３の結晶方位１０００は、可動部１０３主面の結晶面が（１１０）面であり、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを示している。
【００５５】
可動部１０３は、ねじり軸１０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向の長さが１．０ｍｍ、厚さは０．３ｍｍである。可動部の形状は、直方体であるが、楕円柱状等であっても構わない。反射面１０２の材料はアルミニウムであり、真空蒸着により形成されている。支持部１０１、可動部１０３、ねじりバネ１０４ａ、１０４ｂは、（１１０）面を主面とする単結晶シリコン基板に、半導体製造方法のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いることで作製されている。このとき可動部の結晶方位は、可動部１０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸１０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。
【００５６】
可動部１０３は、硬磁性体１０６を有しており、ねじり軸１０８に対して垂直方向（図１（ｂ）の図面左右方向）に磁化されている。本実施例の光偏向器が有する共振周波数は約２０００Ｈｚであり、この共振周波数と同じ交流電流をコイル１０７に流すことによって磁場が発生し、可動部１０３にトルクが印加され、低消費電力で光学角１００度のねじり振動をさせることができる。
【００５７】
この構成による可動部１０３の最大変形量は約４０ｎｍであり、本発明を適用しない場合と比べて変形量を小さくすることができる。よって、反射光のスポット形状の劣化を低減することができる。
【実施例２】
【００５８】
実施例２の光偏向器の構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明の光偏向器の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。実施例２の光偏向器の構成は、実施例１の光偏向器と略同様である。本実施例では、ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を用いて作製している。ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂの結晶面２００１は、ねじり軸２０８に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位である。［１１１］方位を有するねじりバネは、（１１０）基板を用いて作製することができる。バネ形状は、ねじり軸２０８に対して垂直な断面が直方体である。
【００５９】
可動部２０３は、（１１０）面を主面とするシリコン基板に、半導体製造方法のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を適用して作製されている。可動部とねじりバネは、図２（ｂ）に示すように接合により一体化されている。接合する際は、可動部の結晶方位は、可動部２０３の主面と平行で、且つ、ねじり軸２０８と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位となるようにする。
【００６０】
可動部、ねじりバネ等の部材を、シリコンウエハを用いてそれぞれ個別に形成することにより、ウエハ内の不要な部分を低減することができ、取り個数を増やすことができる。従って、コスト低減を行うことができる。
【００６１】
図７に示すように、最も小さいねじりバネ定数を示すのは、（１１０）面を主面とするシリコン基板を使ったねじりバネであり、かつ、ねじり軸２０８に平行方向の結晶方位が、［１１１］方位の時である。
【００６２】
従って，この構成により、ねじりバネ２０４ａ、２０４ｂの幅の加工誤差が１μｍ程度あっても、ねじりバネ定数のばらつきを低減することができ、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。また、可動部の結晶方位を上記の様にすることで、高速駆動時の可動部の変形量を低減することができる。
【実施例３】
【００６３】
本実施例の光偏向器の構成を図３を用いて説明する。本実施例の光偏向器は、２つの可動部３０３と３０５を有し、可動部３０３は反射面３０４を有する。可動部３０３と可動部３０５は、複数のねじりバネ３０２ａ、３０２ｂにより、支持部３０１に対して同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に支持されている。
【００６４】
可動部３０３は、ねじり軸３０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向のサイズが１．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍであり、可動部３０５は、ねじり軸３０８に垂直方向の長さが３．０ｍｍ、平行方向のサイズが１．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍである。可動部３０５は図示しない永久磁石を有し、実施例１と同様に電磁力によって駆動することができる。
【００６５】
ねじりバネ３０２ａ、３０２ｂは、（１１１）面を主面とするシリコン基板により作製されている。図７が示すように、（１１１）面を主面とするシリコン基板で作製したねじりバネは、結晶方位によらずバネ定数がほぼ一定である。従って、ねじりバネを作製する際に、ねじりバネのねじり軸方向の結晶方位がずれてしまっても、ねじりバネ定数は、ほぼ一定にすることができるので、加工誤差による共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００６６】
本実施例の光偏向器は、ねじり軸３０８を中心としたねじり振動について、周波数ｆ１の１次の固有振動モードと基準周波数の略２倍の周波数となるｆ２の２次の固有振動モードを有している。１次のねじり振動モードに加えて、２次のねじり振動モードで同時にねじり振動させることによって、可動部３０３に形成された反射面３０４で反射された光の偏向走査の変位角は、この２つの振動モードの重ね合わせとなる。本実施例の光偏向器は、基準周波数となる１次のねじり振動モードと基準周波数の略２倍の周波数となる２次のねじり振動モードを有しているので、鋸波状の振動で光偏向器を駆動することができる。従って、角速度の変動が少ない光走査を行うことができるので、より一層、反射光のスポット形状を均一にすることが可能となる。
【実施例４】
【００６７】
図５は上記光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す図である。図５は、光学機器の一つである画像形成装置を示している。図５において、５０３は本発明の光偏向器であり、本実施例では入射光を１次元に走査する。５０１はレーザ光源である。５０２はレンズあるいはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、５０５は感光体、５０６は走査軌跡である。レーザ光源５０１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、光偏向器５０３により１次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により、感光体５０５上へ画像を形成する。感光体５０５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その部分に静電潜像を形成する。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を形成し、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。反射面の平坦性が高く、加工誤差による周波数変動を低減した光偏向器を用いることにより、安定した画像を形成することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、揺動体装置、光偏向器及びそれを用いた画像形成装置に関する。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なものである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）本発明の実施形態の揺動体装置及び実施例１の光偏向器を説明するための上面図である。（ｂ）本発明の実施形態の揺動体装置及び実施例１の光偏向器を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）本発明の実施例２の光偏向器を説明するための上面図である。（ｂ）本発明の実施例２の光偏向器を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施例３の光偏向器を説明するための上面図である。
【図４】本発明の実施例４の画像形成装置を説明するための図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）光偏向器の変形を説明するための図である。
【図６】本発明の可動部の変形量の結晶面依存性を示す図である。
【図７】本発明のねじりバネのばね定数の結晶面依存性を示す図である。
【図８】従来技術を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
２０ 支持部
２２、２４ ねじりバネ
３０ 可動部
１０１、２０１、３０１ 支持部
１０２、２０２、３０４ 反射面
１０３、２０３、３０３、３０５ 可動部
１０４ａ、１０４ｂ、２０４ａ、２０４ｂ、３０２ａ、３０２ｂ ねじりバネ
１０５、２０５ 固定部
１０６、２０６ 永久磁石
１０７、２０７、コイル
１０８、２０８、３０８ ねじり軸
１０００、１００１、２０００、２００１、２００２、２００３、３０００、３００１ 結晶方位
５０１ レーザ光源
５０２ レンズ
５０３ 光走査系
５０４ 書き込みレンズ
５０５ 感光体
５０６ 走査軌跡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、可動部と、前記可動部を前記支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、前記可動部を振動させる駆動手段とを有する揺動体装置であって、
前記可動部は、単結晶シリコンで形成され、前記可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、前記可動部の主面と平行で、且つ前記ねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
前記ねじりバネは単結晶シリコンで形成され、前記ねじりバネの前記ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項３】
前記ねじりバネが（１１１）面を主面とする単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記支持部と、前記可動部と、前記ねじりバネとが単結晶シリコンで一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の揺動体装置と、前記可動部の上に形成された反射面を有することを特徴とする光偏向器。
【請求項６】
複数の可動部と、前記複数の可動部を同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に支持する複数のねじりバネとを有し、前記反射面は前記複数の可動部の少なくとも一つに形成され、前記ねじり軸まわりに基準周波数となる固有周波数と前記基準周波数の整数倍の固有周波数とを有することを特徴とする請求項５に記載の光偏向器。
【請求項７】
光源と、請求項５又は６に記載の光偏向器と、感光体とを有し、前記光偏向器は、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、前記光の少なくとも一部を前記感光体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。
【請求項１】
支持部と、可動部と、前記可動部を前記支持部に対してねじり軸まわりにねじり振動可能に支持するねじりバネと、前記可動部を振動させる駆動手段とを有する揺動体装置であって、
前記可動部は、単結晶シリコンで形成され、前記可動部の主面の結晶面は（１１０）面であって、前記可動部の主面と平行で、且つ前記ねじり軸と垂直な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
前記ねじりバネは単結晶シリコンで形成され、前記ねじりバネの前記ねじり軸に平行な方向の結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項３】
前記ねじりバネが（１１１）面を主面とする単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記支持部と、前記可動部と、前記ねじりバネとが単結晶シリコンで一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の揺動体装置と、前記可動部の上に形成された反射面を有することを特徴とする光偏向器。
【請求項６】
複数の可動部と、前記複数の可動部を同一のねじり軸まわりにねじり振動可能に支持する複数のねじりバネとを有し、前記反射面は前記複数の可動部の少なくとも一つに形成され、前記ねじり軸まわりに基準周波数となる固有周波数と前記基準周波数の整数倍の固有周波数とを有することを特徴とする請求項５に記載の光偏向器。
【請求項７】
光源と、請求項５又は６に記載の光偏向器と、感光体とを有し、前記光偏向器は、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、前記光の少なくとも一部を前記感光体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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−３１６４２（Ｐ２００９−３１６４２Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９７３９３（Ｐ２００７−１９７３９３）
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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