Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP2006018250A - Mems mirror scanner - Google Patents

Mems mirror scanner Download PDF

Info

Publication number
JP2006018250A
JP2006018250A JP2005163283A JP2005163283A JP2006018250A JP 2006018250 A JP2006018250 A JP 2006018250A JP 2005163283 A JP2005163283 A JP 2005163283A JP 2005163283 A JP2005163283 A JP 2005163283A JP 2006018250 A JP2006018250 A JP 2006018250A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mirror
substrate
scanning mirror
scanning
mems mirror
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005163283A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Imai
今井  修
Yoshifumi Kawakami
佳史 川上
Kyoji Shimoda
亨志 下田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Precision Products Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Precision Products Co Ltd filed Critical Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority to JP2005163283A priority Critical patent/JP2006018250A/en
Publication of JP2006018250A publication Critical patent/JP2006018250A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MEMS mirror scanner structure that can realize high-speed scanning equal to or more than a polygon mirror scanner, that aims for example to realize high precision scanning in use for laser printing, and that is in particular intended to optimize the shape, dimension, etc., of a scanning mirror itself. <P>SOLUTION: The high precision and miniaturization can be attained by necessarily enlarging the range of an optical path that needs more as an angle of incidence becomes lower (smaller). In other words, with the angle of incidence in the range of 25-90° in the direction orthogonal to the target surface of emission, the scanning mirror needs to have a ratio of the length (b) in the direction of the oscillation axis to the length (a) in the direction orthogonal to the axis as (a≥b, a:b=(1.0 to 2.0):1), or (a<b, a:b=1:(1.001 to 2)). In addition, a space around the mirror is made smaller in the incidence side and larger in the exiting side, with a light transmitting window shaped asymmetrically in the incidence/exiting sides with respect to the mirror. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、高速スキャニングが可能なレーザープリンタ用途に最適な小型ミラースキャナに関し、詳しくはシリコン基板を用いたマイクロ-エレクトロ-メカニカルシステム(micro-electro-mechanical system、以下MEMSという)による新規な静電駆動型MEMSミラースキャナに関する。   The present invention relates to a compact mirror scanner suitable for laser printer applications capable of high-speed scanning, and more specifically, a novel electrostatic scanner using a micro-electro-mechanical system (hereinafter referred to as MEMS) using a silicon substrate. The present invention relates to a drive type MEMS mirror scanner.

従来、レーザープリンタなどの用途でスキャナエンジンとして使用されるデバイスに、ポリゴンミラースキャナが用いられ、これは多角柱状ミラーをその軸中心に高速回転させることができ、高速のスキャニング動作を実現できた(特許文献1)。   Conventionally, polygon mirror scanners have been used as devices used as scanner engines in applications such as laser printers, which can rotate a polygonal column mirror around its axis at high speed, realizing high-speed scanning operation ( Patent Document 1).

近年、シリコンなどの半導体基板に、エッチングや成膜などのマイクロマシニング技術を用い、例えば所要のグルーブを形成して構成したスキャニングミラーをサスペンションビームで揺動可能に支持し、ミラー部とグルーブ周辺に設けた電極対により静電力を発生させて、前記ミラーを揺動運動させる静電駆動型ミラースキャナが種々提案されている(特許文献2,特許文献3)。   In recent years, using a micromachining technique such as etching or film formation on a semiconductor substrate such as silicon, for example, a scanning mirror formed by forming a required groove is supported by a suspension beam so as to be swingable, and around the mirror and the groove. Various electrostatically driven mirror scanners have been proposed in which an electrostatic force is generated by an electrode pair provided to swing the mirror (Patent Documents 2 and 3).

前記静電駆動型ミラースキャナーは、文字どおり静電力で駆動され、サスペンションビームを軸とする回動角によって、入射させた光の反射経路を変換することが可能であり、レーザー光のスイッチングやスキャニングが実施できる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度しか得られないものであった。   The electrostatic drive type mirror scanner is literally driven by an electrostatic force, and can change the reflection path of incident light according to the rotation angle about the suspension beam, and can switch and scan laser light. Can be implemented. However, the driving speed is much lower than that of the polygon mirror scanner.

一方、基本構造に平行磁場を発生させる磁場発生手段と、棒状トーションバーで揺動可能に支持したスキャニングミラーを有した電磁駆動型ミラースキャナは、電磁型の駆動力が大きく、偏向角度と動作周波数を向上させやすい利点がある。   On the other hand, an electromagnetically driven mirror scanner having a magnetic field generating means for generating a parallel magnetic field in a basic structure and a scanning mirror supported so as to be swingable by a rod-like torsion bar has a large electromagnetic driving force, deflection angle and operating frequency. There is an advantage that it is easy to improve.

また、ジンバル構造の光偏向器の構成を採り、シリコン基板と複数のポリイミド膜、金属膜とを積層し平行磁場中に配置された偏向ミラー素子アレイとを有した電磁駆動型ミラースキャナは、弾性部材としてのメッシュ状部を有するポリイミド膜を用いることで、例えば4.5mm×3.3mmのミラーサイズで4000Hzの共振周波数を有し、高速スキャニングを可能にしている(特許文献4)。
特開平5-119279 特開2002-311376 特開2003-015064 特開2003-270558
In addition, the electromagnetically driven mirror scanner, which employs a gimbal structure optical deflector and has a deflection mirror element array in which a silicon substrate and a plurality of polyimide films and metal films are stacked and arranged in a parallel magnetic field, is elastic By using a polyimide film having a mesh-like portion as a member, for example, it has a resonance frequency of 4000 Hz with a mirror size of 4.5 mm × 3.3 mm and enables high-speed scanning (Patent Document 4).
JP 5-119279 A JP2002-311376 JP2003-015064 JP2003-270558

シリコン基板を用いて数mm角寸法のミラーをサスペンションビームで揺動可能に支持する構成のMEMSミラースキャナは、ポリゴンミラースキャナに対して、小型化が容易であり、光学系の小型化と省レンズが可能となり、また回転体がなく発塵フリーであり、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。   The MEMS mirror scanner, which uses a silicon substrate to support a mirror with a size of several mm square so that it can be swung with a suspension beam, is easier to miniaturize than a polygon mirror scanner. In addition, there are no rotating bodies and dust generation is free. Furthermore, various advantages such as power saving, low noise, low vibration, and shortened start-up time can be obtained.

ポリゴンミラースキャナに匹敵あるいはそれ以上の高速スキャニングを可能にするには、特にレーザープリンタ用途としては、必要な印字分解能を得るために大きな寸法のスキャニングミラーが必要となるため、スキャニングミラーを大型化し、高速で且つ大振幅で動作させる必要がある。   To enable high-speed scanning comparable to or higher than that of polygon mirror scanners, especially for laser printer applications, a large-size scanning mirror is required to obtain the required printing resolution. It is necessary to operate at a high speed and with a large amplitude.

しかし、MEMSミラースキャナのスキャニングミラーについて、デバイスの構成や製造方法に関して多くの提案があるが、その光学系からみた形状性や大型化するに際しての最適な設計については何ら提案がなされていない。   However, there have been many proposals regarding the device configuration and manufacturing method for the scanning mirror of the MEMS mirror scanner, but no proposal has been made regarding the optimal design for the shape and size of the optical system.

また、大きなスキャニングミラーのMEMSミラースキャナを高速化(高周波化)するには、例えばトーションバーの剛性を上げる必要があるが、トーションバーの剛性を上げると、特に静電型では駆動力が低いためミラーを十分な動作振幅で駆動できなくなる問題がある。   In addition, to increase the speed (high frequency) of a MEMS mirror scanner with a large scanning mirror, for example, it is necessary to increase the rigidity of the torsion bar. However, if the rigidity of the torsion bar is increased, the driving force is low particularly in the electrostatic type. There is a problem that the mirror cannot be driven with a sufficient operating amplitude.

この発明は、MEMSミラースキャナにおいて、ポリゴンミラースキャナと同等以上の高速スキャニングを実現でき、例えば、レーザープリンタ用途で高精度スキャニングを実現することを目的とし、特にスキャニングミラー自体の形状、寸法などの最適化を図った構成のMEMSミラースキャナの提供を目的としている。   The present invention can achieve high-speed scanning equivalent to or higher than that of a polygon mirror scanner in a MEMS mirror scanner, for example, to achieve high-accuracy scanning in laser printer applications, and in particular, the optimum shape, dimensions, etc. of the scanning mirror itself The purpose is to provide a MEMS mirror scanner with a simplified structure.

さらにこの発明は、スキャニングミラー自体の最適化を図った静電駆動型MEMSミラースキャナにおいて、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造を有する構成、また駆動力を増加させるために静電容量を増大、確保できる構成からなるMEMSミラースキャナの提供を目的としている。   Furthermore, the present invention provides a structure having a flexible mirror support structure that can be driven by a driving force with a small electrostatic force, and an increase in driving force in an electrostatically driven MEMS mirror scanner in which the scanning mirror itself is optimized. An object is to provide a MEMS mirror scanner having a configuration capable of increasing and securing the capacitance.

発明者らは、レーザープリンタ用途で高精度スキャニングを実現することを目的に、スキャニングミラーへの光の入射と反射する光経路について種々検討した結果、入射角が該ミラー面に対して25°から90°の範囲の場合、入射角が浅く(小さく)なるほどかかる光経路の範囲を大きくする必要があり、スキャニングミラーの揺動軸方向長さ(b)と揺動軸に直交する方向長さ(a)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))にしなければならないことを知見した。   As a result of various studies on the incidence of light to the scanning mirror and the reflected light path for the purpose of realizing high-accuracy scanning in laser printer applications, the inventors have found that the incident angle is 25 ° with respect to the mirror surface. In the case of the 90 ° range, it is necessary to increase the range of the light path as the incident angle becomes shallower (smaller), and the scanning mirror swing axis direction length (b) and the direction length perpendicular to the swing axis ( It was found that the relationship of a) should be (a ≧ b, a: b = (1.0 to 2.0): 1) or (a <b, a: b = 1: (1.001 to 2)).

また、発明者らは、揺動軸に直交する方向長さを大きくしたスキャニングミラーからの入反射光を支障なく通過させることについて種々検討した結果、目的達成には該ミラー周辺の空間を大きく取ればよいが、一方、小型化するためには最小必要限としなければならないが、必要範囲は入射側が小さく、出射側が大きくなるので、入射側と出射側の空間を非対称にすることで必要最小限の空間を得られること、また、スキャニングミラーを収納する筐体においても、光透過窓は当該ミラーに対して入出射側で非対称の形状とすることで、高精度化と小型化が達成できることを知見た。   In addition, as a result of various studies on the passage of incident / reflected light from a scanning mirror whose length in a direction perpendicular to the swing axis is not hindered, the inventors have taken a large space around the mirror to achieve the purpose. On the other hand, in order to reduce the size, it is necessary to make the minimum necessary. However, since the necessary range is small on the incident side and large on the output side, the necessary minimum is achieved by making the space between the incident side and the output side asymmetric. In addition, in the case where the scanning mirror is housed, the light transmission window has an asymmetric shape on the incident / exit side with respect to the mirror, thereby achieving high accuracy and downsizing. I found out.

また、発明者らは、上述の形状、寸法の最適化を図ったMEMSミラースキャナの構成は、駆動源の原理にかかわらずいずれの構成のMEMSミラースキャナにも適用できることを知見した。   Further, the inventors have found that the configuration of the MEMS mirror scanner in which the shape and dimensions are optimized can be applied to any configuration of the MEMS mirror scanner regardless of the principle of the driving source.

そこで発明者らは、上述の形状、寸法の最適化を図った静電駆動型MEMSミラースキャナについて、さらに静電力の小さな駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造並びに十二分な静電容量を確保できる構成を目的に、鋭意検討した結果、所要寸法の正方形スキャニングミラーを想定した場合、ミラーを対向2辺の方向に一対(二本)のサスペンションビームで揺動可能に支持し、かつサスペンションビーム方向(揺動軸方向)に櫛歯状の電極を連接配置して静電容量駆動部を設ける構成となすことで、基本的にミラーの共振周波数を高め、駆動部の静電容量を増大させることが可能であることを知見した。   Therefore, the inventors of the present invention have provided a flexible mirror support structure that can be driven by a driving force with a small electrostatic force and a sufficient electrostatic capacity for the electrostatic drive type MEMS mirror scanner that has been optimized for the shape and dimensions described above. As a result of diligent investigation for the purpose of ensuring the capacity, when assuming a square scanning mirror of the required dimensions, the mirror is supported by a pair of (two) suspension beams in two opposing directions, and Combining and disposing comb-shaped electrodes in the suspension beam direction (oscillating axis direction) to provide a capacitance drive unit basically increases the resonance frequency of the mirror and increases the capacitance of the drive unit. It was found that it can be increased.

また、発明者らは、上記の一対(二本)のサスペンションビームで揺動可能に支持されるミラーは、正方形ミラーより長方形ミラーとなして長辺に長いサスペンションビームを設けるほうがその共振周波数を高めることができ、さらに矩形より楕円や長楕円として最外周部の質量を落とすことで、より共振周波数を高めることができることを知見し、この発明を完成した。   In addition, the inventors of the present invention have a higher resonance frequency when the mirror supported by the pair of (two) suspension beams is a rectangular mirror rather than a square mirror and a longer suspension beam is provided on the long side. Further, the inventors have found that the resonance frequency can be further increased by dropping the mass of the outermost peripheral portion as an ellipse or a long ellipse from a rectangle, and the present invention has been completed.

すなわちこの発明は、基板に形成したサスペンションビームで揺動支持可能に構成したスキャニングミラーを有するメイン基板のみ、または他基板と積層して構成するMEMSミラースキャナであり、光の入射角度が出射対象表面の直交方向に対して25°〜90°の範囲で、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ(a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅(b)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))であるであることを特徴とするMEMSミラースキャナである。   That is, the present invention is a MEMS mirror scanner configured by stacking with only a main substrate having a scanning mirror configured to be swingable and supported by a suspension beam formed on the substrate or with another substrate, and an incident angle of light is a surface to be emitted. The relationship between the mirror length (a) in the direction orthogonal to the scanning axis of the scanning mirror and the mirror width (b) in the direction of the scanning axis of the scanning mirror is A MEMS mirror scanner, wherein a ≧ b, a: b = (1.0 to 2.0): 1) or (a <b, a: b = 1: (1.001 to 2)).

また、この発明は、基板にギャップを設けて分離形成したスキャニングミラーをサスペンションビームで揺動支持可能にし、該ミラーを収容したギャップ内周部内が光透過窓を形成したメイン基板のみ、または他基板と積層して構成するMEMSミラースキャナであり、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向のギャップを、基板厚みと該ミラーの揺動角度並びに該ミラーへの光の入射角度から決定される該ミラーからの光の反射が光透過窓を通過可能になるよう拡大したことを特徴とするMEMSミラースキャナである。   Further, according to the present invention, the scanning mirror separately formed by providing a gap in the substrate can be swingably supported by the suspension beam, and only the main substrate in which the inner periphery of the gap accommodating the mirror forms a light transmission window, or another substrate And a mirror in which the gap in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror is determined from the substrate thickness, the swing angle of the mirror, and the incident angle of light on the mirror The MEMS mirror scanner is characterized in that the reflection of light from the light is enlarged so that the light can pass through the light transmission window.

また、発明者らは、上記の光透過窓を拡大した構成のMEMSミラースキャナにおいて、
光の入射角度が出射対象表面の直交方向に対して25°〜90°の範囲であり、高速スキャニングを実現できる構成、
スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ(a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅(b)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))であり、多様かつ種々の仕様にて高速スキャニングを実現できる構成、
光透過窓の形状が、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向が光の入射、反射方向であり、反射方向あるいは入射、反射両方向にギャップ長さが拡大され、該ミラーの揺動軸方向に非対称形あるいは対称形であり、機能的な構成、
スキャニングミラーを収容したギャップ内周部内からなる光透過窓は、ギャップ内周部内から基板外周側あるいは基板外周外へ伸びる通路またはスリットを有し、製造性に優れた構成構成、
スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向で光の反射方向に設ける拡大された揺動軸からのギャップ長さLは、同方向のスキャニングミラー長さの1/2以上であり、高速スキャニングを実現できる構成、
を併せて提案する。
Further, the inventors of the MEMS mirror scanner configured to expand the light transmission window,
A configuration in which the incident angle of light is in the range of 25 ° to 90 ° with respect to the orthogonal direction of the surface to be emitted, and high-speed scanning can be realized,
The relationship between the mirror length (a) in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror and the mirror width (b) in the swing axis direction of the scanning mirror is (a ≧ b, a: b = (1.0 to 2.0): 1 ) Or (a <b, a: b = 1: (1.001 to 2)), a configuration capable of realizing high-speed scanning with various and various specifications,
The direction of the light transmission window perpendicular to the swing axis of the scanning mirror is the incidence and reflection direction of light, and the gap length is enlarged in the reflection direction or both the incidence and reflection directions. Asymmetric or symmetric, functional configuration,
The light transmission window formed in the inner periphery of the gap containing the scanning mirror has a passage or a slit extending from the inner periphery of the gap to the outer periphery of the substrate or the outer periphery of the substrate, and has a configuration excellent in manufacturability,
The gap length L from the enlarged oscillating shaft provided in the light reflection direction in the direction perpendicular to the oscillating axis of the scanning mirror is more than 1/2 of the scanning mirror length in the same direction, realizing high-speed scanning Possible configurations,
We propose together.

この発明によるMEMSミラースキャナは、例えばレーザープリンタで要求される600dpiの性能を実現するに際して、必要な光学経路や該ミラー外径は3mm以上、該ミラーによる光振幅が50°以上が必要となり、ここでスキャニングドラムと平行方向から光が入射する場合、スキャニングミラー面には45°から90°の範囲で入射することになるが、高速化の大きな前記振幅で該ミラーを駆動しても極めて浅い角度で入射する光を支障なく通過させることができ、しかもデバイス作製で使用する基板サイズを必要最小限に最適化して、高精度スキャニングとデバイスの小型化の技術課題の両方を達成できる。   The MEMS mirror scanner according to the present invention requires, for example, a necessary optical path and an outer diameter of the mirror of 3 mm or more and an optical amplitude by the mirror of 50 ° or more when realizing the performance of 600 dpi required for a laser printer. When light is incident in a direction parallel to the scanning drum, the light enters the scanning mirror surface in the range of 45 ° to 90 °. In addition, the incident light can pass through without any trouble, and the size of the substrate used for device fabrication can be optimized to the minimum necessary to achieve both high-precision scanning and device miniaturization technical issues.

この発明によるMEMSミラースキャナは、当該ミラーへの光の入射角度が出射対象表面、すなわちスキャニングドラムの直交方向に対して25°〜90°の範囲となるように、例えば該ドラム前側にレーザー光ユニットを配置したプリンタ等を構成することができ、またこの構成において、最適な光学経路を有し且つ上述の高精度スキャニングとデバイスの小型化を達成したミラースキャナを配置することができる。   The MEMS mirror scanner according to the present invention is configured so that the incident angle of light on the mirror is in the range of 25 ° to 90 ° with respect to the surface to be emitted, that is, the direction orthogonal to the scanning drum, for example, a laser beam unit on the front side of the drum In this configuration, it is possible to arrange a mirror scanner that has an optimal optical path and achieves the above-described high-accuracy scanning and device miniaturization.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なスキャニングミラーの支持構造を有し、さらに長いサスペンションビームに沿って静電容量駆動部が配置されて十分な静電容量が確保されるため、ポリゴンミラースキャナの代替が可能であり、回転体がないことから発塵フリーであり、従来に比してより小型化が可能で、光学系の小型化と省レンズ化、さらに省電力、静音化、起動時間短縮などが実現できる。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention has a flexible scanning mirror support structure that can be driven even with a driving force with a small electrostatic force, and a capacitive drive unit is arranged along a longer suspension beam. Since a large electrostatic capacity is secured, it is possible to replace the polygon mirror scanner, and since there is no rotating body, it is dust-free and can be made smaller than before, and the optical system can be made smaller. Lens saving, power saving, noise reduction, shortening of startup time, etc. can be realized.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、例えばミラー長さ4mm以上の大きなスキャニングミラー、特にレーザープリンタで使用される楕円や長楕円形状のレーザー光形状と合致する大型ミラーを、1.5kHz以上の共振周波数と±15°以上の振幅で駆動することができ、レーザープリンタで要求される300dpi、600dpiの性能を実現できる。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention is a large scanning mirror having a mirror length of, for example, 4 mm or more, particularly a large mirror that matches an elliptical or oblong laser light shape used in a laser printer. It can be driven with a resonance frequency and an amplitude of ± 15 ° or more, and can achieve the 300 dpi and 600 dpi performance required by laser printers.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、シリコンなどの半導体基板にエッチングや成膜などのマイクロマシニング技術を用いて形成するものでさらに、静電駆動や制御用のDC電源、AC電源をも基板に形成でき、ポリゴンミラースキャナや電磁駆動型MEMSミラースキャナより、簡素且つ製造性の良い構成からなるため、安価に提供できる利点がある。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention is formed on a semiconductor substrate such as silicon using a micromachining technique such as etching or film formation, and further includes a DC power source and an AC power source for electrostatic drive and control. Since it can be formed on a substrate and has a simpler and more manufacturable structure than a polygon mirror scanner or an electromagnetically driven MEMS mirror scanner, there is an advantage that it can be provided at low cost.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、シリコンなどの半導体基板に形成した同材質のサスペンションビームを剛性を上げることなく利用できる構成からなり、例えばポリミイド膜をトーションバーに使用する従来の構成に比してミラーの動作安定性(特にジッター)に優れる。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention has a configuration in which a suspension beam of the same material formed on a semiconductor substrate such as silicon can be used without increasing its rigidity. For example, the conventional configuration uses a polyimide film for a torsion bar. Compared with the mirror operation stability (especially jitter).

図1は、レーザープリンタでA4サイズ、600dpiの性能を実現する場合に必要な光学経路やスキャニングミラー外径を示す概念説明図であり、600dpiに必要な光学経路2の径(ビーム幅)は3.1mmである。ここで、スキャニングミラー3への入射光がスキャニングドラム1と平行方向として図で右側から来る構成を想定する。スキャニングミラー3の外径が光学経路2と同様の3.1mmである場合、高速化の大きな振幅で該ミラー3を駆動すると、ミラー3で入射光を反射してドラム1端へ出射することができないことが明らかである。   Fig. 1 is a conceptual diagram showing the optical path and scanning mirror outer diameter required to achieve A4 size and 600 dpi performance with a laser printer. The diameter (beam width) of optical path 2 required for 600 dpi is 3.1. mm. Here, it is assumed that the incident light to the scanning mirror 3 comes from the right side in the figure as a direction parallel to the scanning drum 1. When the outer diameter of the scanning mirror 3 is 3.1 mm, which is the same as that of the optical path 2, if the mirror 3 is driven with a large amplitude for high speed, the incident light cannot be reflected by the mirror 3 and emitted to the end of the drum 1. It is clear.

図2Aに示すように、光学経路2の径は3.1mmでこれがスキャニングミラー3に対して51°の角度で入射するものと想定すると、図2Bに示すように、前記分解能からスキャニングミラー3による光振幅は50°以上要求されるため、全ての入射光をドラムに反射するには、スキャニングミラー3の大きさは光学経路2の径よりもずっと大きくなることが分かる。   As shown in FIG. 2A, assuming that the optical path 2 has a diameter of 3.1 mm and is incident on the scanning mirror 3 at an angle of 51 °, as shown in FIG. Since the amplitude is required to be 50 ° or more, it can be seen that the size of the scanning mirror 3 is much larger than the diameter of the optical path 2 in order to reflect all incident light to the drum.

すなわち、ビーム幅をD、その入射角度をθ2、スキャニングミラー長さをx、スキャニングミラーの片振幅角度θ1、ビームの垂線に対するスキャニングミラー角度をθ4とすると、該ミラー角度θ4は、θ4=180-(θ2+90)+θ1 であり、スキャニングミラー長さaは、a=D/cosθ4 である。 That is, when the beam width is D, the incident angle is θ 2 , the scanning mirror length is x, the half amplitude angle θ 1 of the scanning mirror is θ 4, and the scanning mirror angle with respect to the normal of the beam is θ 4 , the mirror angle θ 4 is θ 4 = 180− (θ 2 +90) + θ 1 and the scanning mirror length a is a = D / cos θ 4 .

ここで、スキャニングミラー3が必要とする長さaは、上記式にて計算すると、4.98mmとなり、光学経路2の径の1.61倍必要であることが分かる。そこで、スキャニングミラーの外径は、少なくとも光学経路径と同等であり、最大では光学経路径の2倍が必要である。   Here, the length a required by the scanning mirror 3 is 4.98 mm when calculated by the above equation, which indicates that it is necessary to be 1.61 times the diameter of the optical path 2. Therefore, the outer diameter of the scanning mirror is at least equal to the optical path diameter, and at most twice the optical path diameter is required.

図3は、この発明による基板に形成されたスキャニングミラーと光透過窓を示すものである。図3Aに示すように、基板10に所要のギャップ11を設けて分離形成したスキャニングミラー12を一対のサスペンションビーム13,13で揺動支持されており、該ミラー12を収容したギャップ11内周部内が光透過窓14を形成した構成である。   FIG. 3 shows a scanning mirror and a light transmission window formed on the substrate according to the present invention. As shown in FIG. 3A, a scanning mirror 12, which is separately formed by providing a required gap 11 on the substrate 10, is swingably supported by a pair of suspension beams 13, 13, and inside the inner periphery of the gap 11 in which the mirror 12 is accommodated. Is a configuration in which the light transmission window 14 is formed.

図3Bに示すように、スキャニングミラー12の揺動軸方向Yに直交する方向Xの断面で該ミラー12を見た場合、ミラー12への入射角θ2が45°であると、前記分解能からスキャニングミラー12による光振幅は50°以上要求されるため、最初に設定されたギャップ11による光透過窓14では、反射光は基板10の裏面に当たりドラムへ出射することがない。 As shown in FIG. 3B, when the mirror 12 is viewed in a cross-section in the direction X perpendicular to the swinging axis direction Y of the scanning mirror 12, if the incident angle θ 2 to the mirror 12 is 45 °, Since the light amplitude by the scanning mirror 12 is required to be 50 ° or more, the reflected light does not hit the back surface of the substrate 10 and exit to the drum in the light transmission window 14 with the gap 11 set first.

しかし、ここで、揺動軸方向Yに直交する方向Xのギャップ11を広げて拡大された光透過窓15とすることで、スキャニングミラー12による光振幅の範囲にある全ての入射光を問題なく反射することができる。   However, here, by making the gap 11 in the direction X orthogonal to the oscillation axis direction Y widened and the light transmission window 15 enlarged, all incident light within the range of light amplitude by the scanning mirror 12 can be obtained without any problem. Can be reflected.

このようにスキャニングミラー12からの入反射光が支障なく通過するためには、当該ミラー12周辺の空間を大きく取ればよいが、前述の図2のように最大では光学経路径の2倍が必要であり、要求されるミラー外径は小型化するためには最小必要限としなければならない。   In this way, in order for incident / reflected light from the scanning mirror 12 to pass without hindrance, the space around the mirror 12 may be large, but as shown in FIG. In order to reduce the size of the required mirror outer diameter, it must be the minimum necessary.

すなわち、図3A,Bに明らかなように、必要範囲は入射側が小さく、出射側が大きくなるので、入射側と出射側の空間を非対称にすることで必要最小限の空間が得られることがわかる。   3A and 3B, since the necessary range is small on the incident side and large on the output side, it can be seen that the minimum necessary space can be obtained by making the space on the incident side and the output side asymmetric.

サスペンションビーム数が1の場合は、スキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅は、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さよりも短い方が望ましく、ミラー長さ(a)の50%以下であることが好ましい、その理由は、ミラー長さaはプリンターの主走査方向の分解能に関連し、幅寸法bはプリンターの副走査方向の分解能に関連し、主走査方向の分解能はミラー長さと周波数で決まることによる。さらに、副走査方向の分解能はプリンターの機能上、主走査方向の分解能より低く設定できるため、ミラー幅bは極慣性能率に比例するので、これを50%以下にすると分解能要求と固有振動数を高くすることの両者をバランスよく満たすことができるので望ましい。しかし、サスペンションビーム数が複数のマルチビームを使用する場合は、ビーム数に対応して揺動軸方向の寸法を増加させることが必要になる時がある。   When the number of suspension beams is 1, the mirror width in the swing axis direction of the scanning mirror is preferably shorter than the mirror length in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror, and is 50% or less of the mirror length (a) The reason is that the mirror length a is related to the resolution in the main scanning direction of the printer, the width dimension b is related to the resolution in the sub scanning direction of the printer, and the resolution in the main scanning direction is the mirror length. It depends on the frequency. Furthermore, since the resolution in the sub-scanning direction can be set lower than the resolution in the main scanning direction due to the function of the printer, the mirror width b is proportional to the extreme inertia ratio, so if this is 50% or less, the resolution requirement and natural frequency are reduced. It is desirable because both can be satisfied in a well-balanced manner. However, when a multi-beam having a plurality of suspension beams is used, it may be necessary to increase the dimension in the oscillation axis direction in accordance with the number of beams.

さらに詳述すると、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ(a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅(b)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))であることが好ましい。   More specifically, the relationship between the mirror length (a) perpendicular to the swing axis of the scanning mirror and the mirror width (b) in the swing axis direction of the scanning mirror is (a ≧ b, a: b = (1.0 -2.0): 1) or (a <b, a: b = 1: (1.001-2)).

この発明において、スキャニングミラーの形状は、矩形、菱形、多角形、円、楕円状のいずれでもよい。また、形状は、矩形、菱形よりも多角形、円より楕円状、さらにトラック形状が好ましい。   In the present invention, the shape of the scanning mirror may be any of a rectangle, a diamond, a polygon, a circle, and an ellipse. Further, the shape is preferably a polygon rather than a rectangle or rhombus, an ellipse rather than a circle, and a track shape.

この発明において、スキャニングミラーの揺動軸方向長さと、揺動軸に直交する方向長さの比を上記範囲とするが、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向のギャップを、基板厚みと該ミラーの揺動角度並びに該ミラーへの光の入射角度から決定される該ミラーからの光の反射が光透過窓を通過可能になるよう拡大するとよい。   In this invention, the ratio of the length of the scanning mirror in the swing axis direction to the length in the direction perpendicular to the swing axis is within the above range, but the gap in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror is defined as The reflection of light from the mirror, which is determined from the swing angle of the mirror and the incident angle of light on the mirror, may be enlarged so that it can pass through the light transmission window.

詳述すると、拡大すべき寸法は、図4において、スキャニングミラーの片振幅角度をθ1、入射角度をθ2、出射角度をθ3、スキャニングミラー長さをa、スキャニングミラーの揺動軸より光透過窓端までの距離をギャップ長さLとすると、出射角度θ3は、θ3=θ2-(2θ1) であり、ギャップ長さLは次式となる。
L=(a/2)sinθ1/tanθ3+(a/2)cosθ1
More specifically, in FIG. 4, the dimensions to be enlarged are shown in FIG. 4 from the scanning mirror half amplitude angle θ 1 , the incident angle θ 2 , the exit angle θ 3 , the scanning mirror length a, and the swing axis of the scanning mirror. When the distance to the end of the light transmission window is the gap length L, the emission angle θ 3 is θ 3 = θ 2 − (2θ 1 ), and the gap length L is expressed by the following equation.
L = (a / 2) sinθ 1 / tanθ 3 + (a / 2) cosθ 1

この発明において、光透過窓の形状は、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向が光の入射、反射方向であり、入射、反射両方向にギャップ長さが拡大され、該ミラーの揺動軸方向に対称形であってもよく、もちろんサイズの低減には、反射方向にギャップ長さが拡大され、該ミラーの揺動軸方向に非対称形が望ましい。   In this invention, the shape of the light transmission window is such that the direction perpendicular to the oscillation axis of the scanning mirror is the incident and reflection direction of light, and the gap length is enlarged in both the incident and reflection directions, and the direction of the oscillation axis of the mirror In order to reduce the size, of course, the gap length is enlarged in the reflection direction, and an asymmetric shape in the direction of the swing axis of the mirror is desirable.

この発明において、スキャニングミラーを収容したギャップ内周部内からなる光透過窓は、ギャップ内周部内から基板外周側あるいは基板外周外へ伸びる通路またはスリットを有した構成であってもよい。   In the present invention, the light transmission window formed in the inner periphery of the gap that accommodates the scanning mirror may have a path or a slit extending from the inner periphery of the gap to the outer periphery of the substrate or the outer periphery of the substrate.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナ20は、図5Aに示すごとく、シリコンなどの半導体基板の同一直線上に形成配置される一対のサスペンションビーム22,23間にスキャニングミラー21を形成し、サスペンションビーム22,23の終端にS字型ヒンジを介して固定部を設けたトーションバー部24,25を有し、該直線を揺動軸として該ミラー21を揺動可能に支持する構成を基本構造とする。   As shown in FIG. 5A, an electrostatically driven MEMS mirror scanner 20 according to the present invention forms a scanning mirror 21 between a pair of suspension beams 22 and 23 formed and arranged on the same straight line of a semiconductor substrate such as silicon. The basic structure is that the torsion bar portions 24 and 25 are provided with fixing portions via S-shaped hinges at the ends of the beams 22 and 23, and the mirror 21 is swingably supported using the straight line as a swing axis. And

なお、S字型ヒンジ40は、図5Bに示すごとく、サスペンションビーム22内に配置することができる。また、図示のスキャニングミラー21とサスペンションビーム22,23は、基板内に形成されるが、図示ではそのパーツのみを描いており、ビーム22,23の両端には基板と接続するヒンジを有しており、ここで支持される構成であり、光透過窓も省略している。   The S-shaped hinge 40 can be disposed in the suspension beam 22 as shown in FIG. 5B. The scanning mirror 21 and suspension beams 22 and 23 shown in the figure are formed in the substrate, but only the parts are illustrated in the drawing, and both ends of the beams 22 and 23 have hinges connected to the substrate. The structure is supported here, and the light transmission window is also omitted.

また、この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナ20は、基板を表示せずにパーツのみ表示する図5の例では、サスペンションビーム22,23に沿って静電容量駆動部26,27が配置され、各静電容量駆動部26,27は、サスペンションビーム22,23から延びる櫛歯が可動側で、基板側に固定される櫛歯26a,26b、27a,27bと噛合するように配置される構成を特徴とする。   In addition, the electrostatic drive type MEMS mirror scanner 20 according to the present invention displays only the parts without displaying the substrate. In the example of FIG. 5, the electrostatic capacity drive units 26 and 27 are arranged along the suspension beams 22 and 23. The capacitance driving units 26 and 27 are arranged so that the comb teeth extending from the suspension beams 22 and 23 are movable and mesh with the comb teeth 26a, 26b, 27a and 27b fixed to the substrate side. It is characterized by.

図6は静電容量駆動部がサスペンションビームの片側にのみ配置される構成例であり、スキャニングミラーとサスペンションビームが形成される基板の構成を示す。   FIG. 6 shows a configuration example in which the capacitance driving unit is arranged only on one side of the suspension beam, and shows a configuration of the substrate on which the scanning mirror and the suspension beam are formed.

MEMSデバイスの構成は、2枚の基板を積層して構成するが、その上側基板は、図6に示すごとく、基板30の中央に円形のスキャニングミラー31を設け、その揺動軸方向にサスペンションビーム32,33が設けられ、その両端部のヒンジ34,35を介して基板30側に並びにスキャニングミラー31の接続部の根本にS字型トーションバー構造のヒンジ36,37を介してスキャニングミラー31が支持される。   The MEMS device is configured by laminating two substrates. The upper substrate is provided with a circular scanning mirror 31 at the center of the substrate 30 as shown in FIG. The scanning mirror 31 is provided on the substrate 30 side via the hinges 34 and 35 at both ends thereof, and at the base of the connecting portion of the scanning mirror 31 via the hinges 36 and 37 of the S-shaped torsion bar structure. Supported.

サスペンションビーム32,33の長手側面には、揺動軸に直交する方向に延びる揺動側の櫛歯38が形成され、図示しない下層基板に設けられる固定側の櫛歯とで静電容量駆動源としてサスペンションビーム32,33を介してスキャニングミラー31を揺動駆動する。   Swing-side comb teeth 38 extending in a direction orthogonal to the swing axis are formed on the longitudinal side surfaces of the suspension beams 32 and 33, and a capacitance driving source is formed by fixed-side comb teeth provided on a lower substrate (not shown). As a result, the scanning mirror 31 is driven to swing through the suspension beams 32 and 33.

なお、サスペンションビーム32,33の支持は、上述の直線状、S(Z)字状のヒンジほか、種々屈曲形状のヒンジを採用することができ、また、ビーム長さや静電容量駆動源の櫛歯が両側にある場合などの条件に応じて、複数箇所に該ヒンジを設けてスキャニングミラー31支持する構成とすることができ、ヒンジの屈曲形状等に応じて支持のために可動側と固定側とを設定した構成とすることができる。   The suspension beams 32 and 33 can be supported by various bent hinges in addition to the linear and S (Z) -shaped hinges described above. Depending on the conditions such as when the teeth are on both sides, it can be configured to support the scanning mirror 31 by providing the hinges at multiple locations, and the movable side and fixed side for support according to the bent shape of the hinge etc. And can be configured.

図示しない下層側の基板には、上層の基板板30のスキャニングミラー31とサスペンションビーム32,33が揺動可能なように同部を空洞化してあり、上層側の揺動側櫛歯と対をなして静電容量駆動源を構成できる固定側櫛歯が多数配置されている。さらに上層基板と下層基板が積層される時、上層板側に形成される固定部が固着されるように、下層側にも対応するアイランド部が形成される。   The lower substrate (not shown) is hollowed so that the scanning mirror 31 of the upper substrate plate 30 and the suspension beams 32, 33 can swing, and is paired with the upper swing-side comb teeth. Many fixed comb teeth that can constitute a capacitive drive source are arranged. Further, when the upper layer substrate and the lower layer substrate are laminated, the corresponding island portion is also formed on the lower layer side so that the fixing portion formed on the upper layer plate side is fixed.

図示しないが、スキャニングミラーの表面に細く深い形状の多数の溝条を形成することができ、多数の溝条はスキャニングミラーの質量低減と動的変形を低減する機能がある。すなわち、MEMSデバイスは、その全ての動的変形を最小にすることで、光学的分解能が向上する。   Although not shown, a large number of thin and deep grooves can be formed on the surface of the scanning mirror, and the plurality of grooves have a function of reducing the mass of the scanning mirror and reducing dynamic deformation. That is, the MEMS device improves optical resolution by minimizing all of its dynamic deformation.

なお、多数の溝条は、スキャニングミラー上層部の各パーツをエッチングで形成する際に、同時にその溝幅や深さを所定値となるように制御される。あるいは、スキャニングミラーの表面以外が被覆されて当該表面に溝条をエッチングで形成する方法も採用できる。   In addition, when forming each part of a scanning mirror upper layer part by an etching, many groove | channels are controlled so that the groove width and depth may become predetermined value simultaneously. Alternatively, a method of covering the surface other than the surface of the scanning mirror and forming grooves on the surface by etching can also be employed.

さらには、スキャニングミラーの剛性と軽量化のために、基板と軽量化のためのビーム部材の張り合わせした構成とすること可能であり、ビーム部材もH型、I型、コ型、山型等種々の形状が採用でき、その配置や本数を有限要素法にて最適化するとよい。   Furthermore, in order to reduce the rigidity and weight of the scanning mirror, it is possible to have a structure in which the substrate and the beam member for weight reduction are bonded together, and the beam member can be of various types such as H type, I type, U type, and mountain type. It is advisable to optimize the arrangement and number by the finite element method.

以上、スキャニングミラーとサスペンションビームを設ける上層板と下層板を積層した構成のMEMSミラースキャナを説明したが、サスペンションビームとスキャニングミラーが形成される同一基板内の櫛歯状構造に電極が配置される構成など、静電容量駆動源を含めて上層板のみでMEMSミラースキャナを構成できることは当然である。   In the above, the MEMS mirror scanner having a structure in which the upper layer plate and the lower layer plate on which the scanning mirror and the suspension beam are provided is described. However, the electrodes are arranged on the comb-like structure in the same substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are formed. As a matter of course, the MEMS mirror scanner can be configured with only the upper layer plate including the capacitance driving source, such as the configuration.

この発明において、スキャニングミラーの非反射裏面または各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段を施すことは、可動部の共振周波数を制御したり、動的なバランスを取るなどの場合に有効である。質量軽減手段としては、微小な貫通孔や穴を多数設けたり、所要箇所に多条リブ構造、ハニカム構造、断面が横H型(I-beam)構造、T字型構造、山型構造を設けるなど、目的と設置箇所に応じて適宜選定すると良い。さらに、慣性能率軽減手段を設けることことも可能である。例えば、ある箇所の質量を減らし、同時に他の箇所の質量を増やすことにより、質量は変化しないが、当該部の慣性能率が軽減されて、周波数増加や振り角の増加の効果を得ることができる。   In the present invention, applying mass reduction means to the non-reflecting back surface of the scanning mirror and / or each suspension beam is effective in controlling the resonance frequency of the movable part or in obtaining a dynamic balance. As mass reducing means, a large number of minute through holes and holes are provided, and a multi-rib structure, honeycomb structure, transverse H-shaped (I-beam) structure, T-shaped structure, and chevron structure are provided at the required location. For example, it may be selected appropriately according to the purpose and installation location. Furthermore, it is possible to provide means for reducing the inertia ratio. For example, by reducing the mass of a certain location and increasing the mass of another location at the same time, the mass does not change, but the inertial rate of the part is reduced, and the effect of increasing the frequency and swing angle can be obtained. .

この発明において、用いる基板は特に限定されないが、高速スキャニングを実現するには厚みが0.05mm以上であることが望ましく、単層基板または貼り合わせ基板からなる基板を適宜採用できる。   In the present invention, the substrate to be used is not particularly limited, but in order to realize high-speed scanning, the thickness is desirably 0.05 mm or more, and a single-layer substrate or a bonded substrate can be appropriately employed.

また、スキャニングミラーは、表面に成膜または貼り合わせ層を有する構成が採用できる。公知のシリコン基板、貼り合わせ層を有するシリコン基板、ガラス基板などを利用することもできる。   Further, the scanning mirror can have a structure having a film formation or a bonding layer on the surface. A known silicon substrate, a silicon substrate having a bonding layer, a glass substrate, or the like can also be used.

また、基板1枚でMEMSミラースキャナを構成する場合は、サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以上であることが望ましい。また、積層構造を採用する場合は、サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以下であることが望ましい。   Further, when the MEMS mirror scanner is configured with one substrate, it is desirable that the thickness of the substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are provided is equal to or greater than the thickness of the scanning mirror. In the case of adopting a laminated structure, it is desirable that the thickness of the substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are provided is equal to or less than the thickness of the scanning mirror.

この発明において、サスペンションビーム、スキャニングミラー、静電容量駆動部の可動部全体が真空雰囲気に配置される構成やミラーの振幅角の増幅を図るための抵抗低減構成を採用すると、空気の粘性等を考慮することなく、各部形状などを設計することが可能となる。   In this invention, if the suspension beam, the scanning mirror, the entire movable part of the capacitance driving unit is arranged in a vacuum atmosphere, or the resistance reduction configuration for amplifying the amplitude angle of the mirror is adopted, the viscosity of the air is reduced. It is possible to design the shape of each part without consideration.

この発明において、対象とする半導体基板にサスペンションビームで揺動可能に支持するミラーを形成した静電駆動型MEMSミラースキャナーは、基板上に各種材料の薄膜をパターン加工、積層したりして製造する表面マイクロマシニング、あるいは基板自体をエッチング加工したり、さらには成膜を併せて行うなどのバルクマイクロマシニングで製造される。   In the present invention, an electrostatically driven MEMS mirror scanner in which a mirror that is swingably supported by a suspension beam is formed on a target semiconductor substrate is manufactured by patterning and laminating thin films of various materials on the substrate. Manufactured by surface micromachining, or bulk micromachining such as etching the substrate itself or further performing film formation.

この発明の静電駆動型MEMSミラースキャナーにおいて、その駆動源の静電容量素子として、櫛歯型電極構成を説明したが、ミラーの位置決めや補正などに補助的に平面型電極構成を採用することが可能である。   In the electrostatic drive type MEMS mirror scanner of the present invention, the comb-shaped electrode configuration has been described as the capacitive element of the drive source. However, the planar electrode configuration is used as an aid for mirror positioning and correction. Is possible.

この発明の静電駆動型MEMSミラースキャナーにおいて、静電駆動用の櫛歯型電極に、まずマイクロミラーの共振周波数に合致あるいは近似するようにDC電圧を印加するため、予め該DC電圧値を求めて電圧制御手段へ設定しておき、次に該ミラーを揺動駆動するために駆動用の電極間にAC電圧を印加することができる。   In the electrostatic drive type MEMS mirror scanner of the present invention, first, a DC voltage is applied to the comb electrode for electrostatic drive so as to match or approximate the resonance frequency of the micromirror. Then, an AC voltage can be applied between the driving electrodes in order to drive the mirror in a swinging manner.

サスペンションビームの構成によって、スキャニングミラーの固有の共振周波数が決定されるが、さらに該ミラーの回転軸のばね定数、予定するミラーの揺動運動パターン、必要とされるミラーの振幅すなわち回動角度などの諸条件に応じて、どの程度共振すべきか、振れ角が最大となるようにするのか、ある範囲に収まるようにするかが考慮されて、該DC電圧値が決定されるとよい。   The specific resonance frequency of the scanning mirror is determined by the configuration of the suspension beam. Furthermore, the spring constant of the rotation axis of the mirror, the expected swing movement pattern of the mirror, the required mirror amplitude, that is, the rotation angle, etc. The DC voltage value may be determined in consideration of how much resonance should occur, whether the deflection angle should be maximized, or within a certain range.

実施例1
前述した図5と同様構成において、片側のみの静電駆動源をサスペンションビームの両側に配置して、それに伴いスキャニングミラーの接続部に設けていたS字型ヒンジをサスペンションビームエンドとサスペンションビーム内に所定間隔で複数個配置し、静電駆動型MEMSミラースキャナとして、表1に示す寸法や特性を有する構成のものを作製した。その結果、スキャニングミラーの共振周波数は1500Hz、振れ角は±15°の性能が得られた。
Example 1
In the same configuration as in FIG. 5 described above, only one side of the electrostatic drive source is arranged on both sides of the suspension beam, and the S-shaped hinges provided at the connecting part of the scanning mirror are accordingly installed in the suspension beam end and the suspension beam. A plurality of electrostatically driven MEMS mirror scanners having the dimensions and characteristics shown in Table 1 were prepared by arranging a plurality at predetermined intervals. As a result, the scanning mirror has a resonance frequency of 1500 Hz and a deflection angle of ± 15 °.

実施例2
静電駆動型MEMSデバイスとして、基本的には前述した実施例1と同様の構成を採用し、上層基板に形成したスキャニングミラーには長楕円形状を採用している。また、各サスペンションビームには、その端部のS字型ヒンジを含めてそれぞれトーションバーを6個ずつ採用した構成である。
Example 2
As the electrostatic drive type MEMS device, basically the same configuration as that of the first embodiment described above is adopted, and an elliptical shape is adopted for the scanning mirror formed on the upper layer substrate. Each suspension beam has 6 torsion bars including the S-shaped hinge at its end.

さらにここでは、該ミラーに近いトーションバーは固定部を介して1つのS字型ヒンジを有し、端部のヒンジ型を除く残りのトーションバーは、1つの固定部に対して2つの旋状ばねを有する構成のものを3個設けて、総数8個のトーションバーを設けた構成を作製した。その結果、スキャニングミラーの共振周波数は2000Hz、振れ角は±16.25°の性能が得られた。   Furthermore, here, the torsion bar close to the mirror has one S-shaped hinge through the fixed part, and the remaining torsion bars except for the hinge type at the end are two spirals with respect to one fixed part. Three components having springs were provided, and a configuration in which a total of eight torsion bars were provided was produced. As a result, the resonance frequency of the scanning mirror was 2000Hz and the deflection angle was ± 16.25 °.

実施例3
実施例3の静電駆動型MEMSデバイスは、基本的には前述した実施例と同様の構成を採用したものであり、上層板に形成したスキャニングミラーには各サスペンションビーム方向に長い長楕円形状を採用した。その結果、スキャニングミラーの共振周波数は3000Hz、振れ角は±22°の性能が得られた。
Example 3
The electrostatic drive type MEMS device of Example 3 basically adopts the same configuration as that of the above-described Example, and the scanning mirror formed on the upper layer plate has a long oval shape in the direction of each suspension beam. Adopted. As a result, the scanning mirror had a resonance frequency of 3000 Hz and a deflection angle of ± 22 °.

a : スキャニングミラーx軸方向(縦)寸法、
b: スキャニングミラーy軸方向(幅)寸法、
c: トーションバー幅、
L: トーションバー1本の長さ(展開長さ)
n: トーションバー本数、
nc: 櫛本数、
t: 基板厚さ(但し、t>cと想定する)、
w: 櫛切れ込み量、
δ: 駆動部電極間のギャップ
K: ばね定数(全体)、
I: 揺動軸回りの慣性能率
a: Scanning mirror x-axis direction (vertical) dimension,
b: Scanning mirror y-axis direction (width) dimension,
c: torsion bar width,
L: Length of one torsion bar (expanded length)
n: number of torsion bars,
n c : number of combs,
t: Substrate thickness (assuming t> c),
w: comb cutting depth,
δ: Gap between drive electrodes
K: Spring constant (overall),
I: Inertia rate around the swing axis

Figure 2006018250
Figure 2006018250

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、デジタルコピー、バーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光ファイバ・ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写TV、装着可能なディスプレイ、車載レーザーレーダー及び軍事用レーザ追跡・誘導システムなどの用途がある。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention includes a digital copy, a barcode reader, a laser printer, a confocal microscope, an optical fiber network component, a projection display for a projector, a rear projection TV, a display that can be mounted, an in-vehicle laser Applications include radar and military laser tracking and guidance systems.

この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナは、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なスキャニングミラーの支持構造を有し、さらに長いサスペンションビームに沿って静電容量駆動部が配置されて十分な静電容量が確保されるため、ポリゴンミラースキャナの代替が可能であり、特にレーザープリンタで使用される楕円や長楕円形状のレーザー光形状と合致する大型ミラーを、1.5kHz以上の共振周波数と±15°以上の振幅で駆動することができ、レーザープリンタで要求される300dpi、600dpiの性能を実現できる。   The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention has a flexible scanning mirror support structure that can be driven even with a driving force with a small electrostatic force, and a capacitive drive unit is arranged along a longer suspension beam. The large mirror that matches the elliptical or oblong laser beam shape used in laser printers with a resonance frequency of 1.5 kHz or more is possible. It can be driven with an amplitude of ± 15 ° or more, and can achieve the 300 dpi and 600 dpi performance required by laser printers.

レーザープリンタでミラースキャナが所要の性能を実現する場合に必要な光学経路やスキャニングミラー外径を示す概念説明図である。FIG. 5 is a conceptual explanatory diagram showing an optical path and a scanning mirror outer diameter required when a mirror scanner achieves a required performance in a laser printer. A、Bはミラースキャナのな光学経路やスキャニングミラーとの関係を示す説明図である。A and B are explanatory diagrams showing the relationship between the optical path of the mirror scanner and the scanning mirror. A、Bはスキャニングミラーを形成した基板におけるレーザー光の入射、出射と基板との位置関係を示す説明図である。A and B are explanatory views showing the positional relationship between the incidence and emission of laser light and the substrate on the substrate on which the scanning mirror is formed. ミラースキャナの光学経路やスキャニングミラーとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the optical path | route of a mirror scanner, and a scanning mirror. この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナの一実施例を示す説明図であり、Aは全体のパーツを示し、Bはサスペンションビームの他の実施例を示す。It is explanatory drawing which shows one Example of the electrostatic drive type MEMS mirror scanner by this invention, A shows the whole part, B shows the other Example of a suspension beam. この発明による静電駆動型MEMSミラースキャナの一実施例を示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows one Example of the electrostatic drive type MEMS mirror scanner by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 スキャニングドラム
2 光学経路2
3 スキャニングミラー
10 基板
11 ギャップ
12,21,31 スキャニングミラー
13,22,23,32,33 サスペンションビーム
14 光透過窓
20 MEMSミラースキャナ
24,25 トーションバー部
26,27 静電容量駆動部
26a,26b,27a,27b,38 櫛歯
40 S字型ヒンジ
1 Scanning drum
2 Optical path 2
3 Scanning mirror
10 Board
11 Gap
12,21,31 Scanning mirror
13,22,23,32,33 Suspension beam
14 Light transmission window
20 MEMS mirror scanner
24,25 Torsion bar
26,27 Capacitance drive
26a, 26b, 27a, 27b, 38 comb teeth
40 S-shaped hinge

Claims (22)

基板に形成したサスペンションビームで揺動支持可能に構成したスキャニングミラーを有するメイン基板のみ、または他基板と積層して構成するMEMSミラースキャナであり、光の入射角度が出射対象表面の直交方向に対して25°〜90°の範囲で、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ(a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅(b)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))であるであるMEMSミラースキャナ。 This is a MEMS mirror scanner that consists only of a main substrate that has a scanning mirror that can be oscillated and supported by a suspension beam formed on the substrate, or that is laminated with another substrate, and the incident angle of light is perpendicular to the direction perpendicular to the surface to be emitted. In the range of 25 ° to 90 °, the relationship between the mirror length (a) perpendicular to the scanning mirror's swing axis and the mirror width (b) of the scanning mirror's swing axis is (a ≧ b, a : b = (1.0 to 2.0): 1) or MEMS mirror scanner that is (a <b, a: b = 1: (1.001 to 2)). 基板にギャップを設けて分離形成したスキャニングミラーをサスペンションビームで揺動支持可能にし、該ミラーを収容したギャップ内周部内が光透過窓を形成したメイン基板のみ、または他基板と積層して構成するMEMSミラースキャナであり、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向のギャップを、基板厚みと該ミラーの揺動角度並びに該ミラーへの光の入射角度から決定される該ミラーからの光の反射が光透過窓を通過可能になるよう拡大したMEMSミラースキャナ。 The scanning mirror formed separately by providing a gap in the substrate can be swingably supported by the suspension beam, and the inside of the gap containing the mirror is formed only on the main substrate having a light transmission window or laminated with another substrate. This is a MEMS mirror scanner, and the gap in the direction perpendicular to the oscillation axis of the scanning mirror is a reflection of light from the mirror determined by the substrate thickness, the oscillation angle of the mirror, and the incident angle of light on the mirror. A MEMS mirror scanner that has been enlarged to allow light to pass through. 光の入射角度が出射対象表面の直交方向に対して25°〜90°の範囲である請求項2に記載のMEMSミラースキャナ。 3. The MEMS mirror scanner according to claim 2, wherein the incident angle of light is in the range of 25 ° to 90 ° with respect to the orthogonal direction of the surface to be emitted. スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ(a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅(b)の関係は、(a≧b,a:b=(1.0〜2.0):1) または(a<b,a:b=1:(1.001〜2))である請求項2に記載のMEMSミラースキャナ。 The relationship between the mirror length (a) in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror and the mirror width (b) in the swing axis direction of the scanning mirror is (a ≧ b, a: b = (1.0 to 2.0): 1 3. The MEMS mirror scanner according to claim 2, wherein (a <b, a: b = 1: (1.001 to 2)). 光透過窓の形状が、スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向が光の入射、反射方向であり、反射方向あるいは入射、反射両方向にギャップ長さが拡大され、該ミラーの揺動軸方向に非対称形あるいは対称形である請求項2に記載のMEMSミラースキャナ。 The direction of the light transmission window perpendicular to the swing axis of the scanning mirror is the incidence and reflection direction of light, and the gap length is enlarged in the reflection direction or both the incidence and reflection directions. 3. The MEMS mirror scanner according to claim 2, wherein the MEMS mirror scanner is asymmetric or symmetric. スキャニングミラーを収容したギャップ内周部内からなる光透過窓は、ギャップ内周部内から基板外周側あるいは基板外周外へ伸びる通路またはスリットを有した構成である請求項2に記載のMEMSミラースキャナ。 3. The MEMS mirror scanner according to claim 2, wherein the light transmission window formed in the inner periphery of the gap that accommodates the scanning mirror has a passage or a slit extending from the inner periphery of the gap to the outer periphery of the substrate or the outer periphery of the substrate. スキャニングミラーの揺動軸に直交する方向で光の反射方向に設ける拡大された揺動軸からのギャップ長さLは、同方向のスキャニングミラー長さの1/2以上である請求項2に記載のMEMSミラースキャナ。 3. The gap length L from the enlarged swinging shaft provided in the light reflection direction in a direction perpendicular to the swinging shaft of the scanning mirror is 1/2 or more of the length of the scanning mirror in the same direction. MEMS mirror scanner. スキャニングミラーの形状は、矩形、菱形、多角形、円、楕円状である請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, wherein the shape of the scanning mirror is a rectangle, a diamond, a polygon, a circle, or an ellipse. 各サスペンションビームとスキャニングミラーとの間に孔部を有する接続部を備えている請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, further comprising a connecting portion having a hole between each suspension beam and the scanning mirror. スキャニングミラーとは反対側の各サスペンションビーム端にトーションバー部を備えている請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1 or 2, further comprising a torsion bar portion at each suspension beam end opposite to the scanning mirror. 各サスペンションビーム内に少なくとも1つのトーションバー部を備えている請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, further comprising at least one torsion bar portion in each suspension beam. 各サスペンションビームの片側に沿って複数のトーションバー部を備えている請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, further comprising a plurality of torsion bar portions along one side of each suspension beam. スキャニングミラーの非反射裏面または各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段又は慣性能率軽減手段が施されている請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, wherein mass reducing means or inertia ratio reducing means is applied to the non-reflecting back surface of the scanning mirror and / or each suspension beam. 質量軽減手段は、貫通孔、穴、多条リブ構造のいずれかあるいはそれらの組合せである請求項13に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 14. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 13, wherein the mass reduction means is any one of a through hole, a hole, a multi-rib structure, or a combination thereof. 静電容量駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にスキャニングミラーの揺動軸に直交方向に形成する櫛歯状構造で構成される請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror according to claim 1, wherein the electrostatic capacity drive unit has a comb-like structure formed in a direction orthogonal to the swing axis of the scanning mirror in the same substrate as the suspension beam. Scanner. 静電容量駆動部は、サスペンションビームとスキャニングミラーが形成される同一基板内に、櫛歯状構造で構成され、同構造内に電極が配置される請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic capacity driving unit according to claim 1, wherein the electrostatic capacity driving unit is configured in a comb-like structure in the same substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are formed, and the electrode is disposed in the same structure. Drive type MEMS mirror scanner. サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板を上層板とし、所要形状のパターンを形成した他基板を下層板として積層配置し、下層板側にミラーの揺動空間を形成した請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 Claim 1 or Claim 2 wherein the substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are provided is the upper layer plate, the other substrate on which the pattern of the required shape is formed is stacked as the lower layer plate, and the mirror oscillation space is formed on the lower layer plate side. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner described. 上層板の静電容量駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にスキャニングミラーの揺動軸に直交方向に形成する櫛歯状構造で構成され、下層板内に上層板の櫛歯状構造と対をなす櫛歯状構造を設けて静電容量駆動部を配置した請求項17に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 The capacitance driving unit of the upper layer plate is configured with a comb-like structure formed in a direction orthogonal to the swing axis of the scanning mirror in the same substrate as the suspension beam, and the upper layer plate is paired with the comb-like structure of the upper layer plate. 18. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 17, wherein the electrostatic capacitance drive unit is disposed by providing a comb-like structure that forms the structure. サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板は、単層基板または貼り合わせ基板からなる請求項15から請求項17のいずれかに記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 18. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 15, wherein the substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are provided is a single layer substrate or a bonded substrate. サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以上である請求項15又は請求項16に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 17. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 15 or 16, wherein the thickness of the substrate on which the suspension beam and the scanning mirror are provided is equal to or greater than the thickness of the scanning mirror. スキャニングミラーは、表面に成膜または貼り合わせ層を有する請求項1または請求項15から請求項17のいずれかに記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 18. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, wherein the scanning mirror has a film forming or bonding layer on a surface thereof. サスペンションビーム、スキャニングミラー、静電容量駆動部の可動部全体が真空雰囲気に配置される請求項1又は請求項2に記載の静電駆動型MEMSミラースキャナ。 3. The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to claim 1, wherein the entire movable part of the suspension beam, the scanning mirror, and the electrostatic capacity drive part is disposed in a vacuum atmosphere.
JP2005163283A 2004-06-02 2005-06-02 Mems mirror scanner Pending JP2006018250A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005163283A JP2006018250A (en) 2004-06-02 2005-06-02 Mems mirror scanner

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004165100 2004-06-02
JP2005163283A JP2006018250A (en) 2004-06-02 2005-06-02 Mems mirror scanner

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006018250A true JP2006018250A (en) 2006-01-19

Family

ID=35792553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005163283A Pending JP2006018250A (en) 2004-06-02 2005-06-02 Mems mirror scanner

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006018250A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012152890A (en) * 2011-01-24 2012-08-16 Freescale Semiconductor Inc Mems sensor with zigzag torsion spring
JP5240953B2 (en) * 2009-02-18 2013-07-17 独立行政法人産業技術総合研究所 Optical beam scanning device
JP2014035509A (en) * 2012-08-10 2014-02-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Micro-mirror element and mirror array
US20140253992A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Barak Freedman Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
US9664897B1 (en) 2015-10-14 2017-05-30 Intel Corporation Apparatus with a rotatable MEMS device
CN108732771A (en) * 2018-08-20 2018-11-02 瑞尔通(苏州)医疗科技有限公司 A kind of stabilising arrangement of PIV lasers
WO2019098285A1 (en) * 2017-11-16 2019-05-23 パイオニア株式会社 Optical deflector

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5240953B2 (en) * 2009-02-18 2013-07-17 独立行政法人産業技術総合研究所 Optical beam scanning device
JP2012152890A (en) * 2011-01-24 2012-08-16 Freescale Semiconductor Inc Mems sensor with zigzag torsion spring
JP2014035509A (en) * 2012-08-10 2014-02-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Micro-mirror element and mirror array
US9116350B2 (en) 2013-03-11 2015-08-25 Intel Corporation MEMS scanning mirror field of view provision methods and apparatus
WO2014142794A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-18 Intel Corporation Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
KR20140131370A (en) * 2013-03-11 2014-11-12 인텔 코포레이션 Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
CN104303091A (en) * 2013-03-11 2015-01-21 英特尔公司 Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
JP2015515649A (en) * 2013-03-11 2015-05-28 インテル コーポレイション Method and apparatus for providing field of view of MEMS scanning mirror
US20140253992A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Barak Freedman Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
TWI502218B (en) * 2013-03-11 2015-10-01 Intel Corp Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
GB2526191A (en) * 2013-03-11 2015-11-18 Intel Corp MEMS scanning mirror field of view provision methods and apparatus
KR101701219B1 (en) 2013-03-11 2017-02-01 인텔 코포레이션 Mems scanning mirror field of view provision methods and apparatus
GB2526191B (en) * 2013-03-11 2019-02-27 Intel Corp MEMS scanning mirror field of view provision apparatus
US9664897B1 (en) 2015-10-14 2017-05-30 Intel Corporation Apparatus with a rotatable MEMS device
WO2019098285A1 (en) * 2017-11-16 2019-05-23 パイオニア株式会社 Optical deflector
CN108732771A (en) * 2018-08-20 2018-11-02 瑞尔通(苏州)医疗科技有限公司 A kind of stabilising arrangement of PIV lasers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20070053044A1 (en) Electrostatic drive type MEMS mirror scanner
KR100743315B1 (en) Micro-mirror device and Micro-mirror device array of using the same
JP5614167B2 (en) Optical deflector, optical scanning device, image forming apparatus, and image projecting apparatus
KR100586967B1 (en) Actuator and attenuator motivated by rotational type comb
KR101343314B1 (en) light beam scanning device
US20040075522A1 (en) Microstructure and its fabrication method
JP2007312465A (en) Drive unit, optical scanning device, and substance information detection device
JP3956933B2 (en) Optical scanning apparatus and image forming apparatus
JP2009009067A (en) Oscillating body apparatus and method of manufacturing the same
WO2012115264A1 (en) Light scanning device
JP2009003429A (en) Actuator
CN100380172C (en) Electromagnetic scanning micro-mirror and optical scanning device using the same
JP2007206480A (en) Optical scan element
JP2014006418A (en) Actuator
JP2009251596A (en) Light scanning unit, image forming apparatus employing the same, and light scanning method
JP2006018250A (en) Mems mirror scanner
JP2008111882A (en) Actuator, optical scanner and image forming apparatus
JP5554895B2 (en) Oscillator structure and oscillator device using the oscillator structure
JP2006010715A (en) Mems mirror scanner
JP2005308820A (en) Electrostatic driving type mems mirror scanner
JP4910902B2 (en) A micro scanner and an optical scanning device including the same.
JP6648443B2 (en) Optical deflector, two-dimensional image display device, optical scanning device, and image forming device
JP2013020124A (en) Optical deflector, optical scanner, image forming device, and image projection device
JP2012163828A (en) Optical deflection mems element
US20070053045A1 (en) Two sided torsional hinged mirror and method of manufacturing

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20051012