JP2006010715A - Mems mirror scanner - Google Patents
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Abstract
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 MEMS mirror based on a micro-electro-mechanical system (hereinafter referred to as MEMS) using a silicon substrate. Regarding the 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。
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MEMSミラースキャナが種々提案されている。
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。
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する、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。 High-speed scanning comparable to or higher than polygon mirror scanners is possible. Especially for laser printer applications, a large-size scanning mirror is required to obtain the required printing resolution. It is necessary to operate 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付いて種々検討した結果、入射角が該ミラー面に対して45°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は揺動軸に直交する方向長さの1〜2倍にしなければならないことを知見した。 The inventors have conducted 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. As a result, the incident angle is 45% relative to the mirror surface. When the angle is between 90 ° and 90 °, it is necessary to increase the range of the light path as the incident angle becomes shallower (smaller), and the length of the scanning mirror in the swing axis direction is one of the length perpendicular to the swing axis. We found that it should be doubled.
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し、この発明を完成した。 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. As a result, the present invention was completed.
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、スキャニングミラーとサスペンションビームによる上記の構成において、該ミラーの揺動軸方向に直交する方向の寸法を1.7mm以上とし、さらに静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向(サスペンションビーム幅方向)の最大距離を、該ミラーの揺動軸中心(回転中心)よりの軸直交方向(ミラー長さ方向)の最大距離の60%以下、好ましくは40%以下とすることにより、大きなスキャニングミラーの共振周波数を高めることが可能であることを知見した。 In addition, in the above-described configuration using the scanning mirror and the suspension beam, the inventors set the dimension in a direction orthogonal to the swing axis direction of the mirror to 1.7 mm or more, and further, the axis from the swing axis center of the capacitance drive unit The maximum distance in the orthogonal direction (suspension beam width direction) is 60% or less, preferably 40% or less of the maximum distance in the axis orthogonal direction (mirror length direction) from the center of rotation of the mirror (rotation center). As a result, it has been found that the resonance frequency of a large scanning mirror 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. It was also found that the resonance frequency can be further increased by dropping the mass of the outermost periphery as an ellipse or a long ellipse from a rectangle.
また、発明者らは、上記のMEMSミラースキャナにおいて、大きなスキャニングミラーの駆動力を確保できる構成について種々検討した結果、静電容量駆動部の回転揺動方向の大きさは前記範囲で決まることから、駆動部の静電気力はミラーの極慣性モーメント(polar moment of inertia of the mirror)と振れ角及び周波数の二乗分が駆動部の静電気力となるように、揺動軸方向の長さを長くした構造にすることで目的が達成できることを知見した。 In addition, as a result of various studies on the configuration that can secure the driving force of a large scanning mirror in the above MEMS mirror scanner, the inventors have determined that the size of the rotational driving direction of the capacitance driving unit is determined by the above range. The electrostatic force of the drive unit has been increased in the direction of the swing axis so that the polar moment of inertia of the mirror and the square of the deflection angle and frequency become the electrostatic force of the drive unit. It was found that the purpose can be achieved by using a structure.
さらに、発明者らは、共振周波数を高める構成として、各サスペンションビームの剛性を増加させないように、サスペンションビームに屈曲型トーションバー部(serpentine torsion hinge)を1個又は複数個、設けることにより共振周波数を上げることができ、またより大きな振幅が必要な場合には上記構成のデバイスを真空パッケージに収納して共振のQ(Quality factor)を上げること、ミラー部の裏面に重量軽減手段を設けたり、リブ構造にしてミラー部の慣性モーメントを減少させることにより、ミラーの共振周波数を高めてかつ振れ角を大きくとれることを知見し、この発明を完成した。 Furthermore, the inventors have configured the resonance frequency to increase the resonance frequency by providing one or more bent torsion hinges (serpentine torsion hinges) on the suspension beam so as not to increase the rigidity of each suspension beam. If a larger amplitude is required, the device with the above configuration is housed in a vacuum package to increase the resonance Q (Quality factor), and a weight reduction means is provided on the back of the mirror, The inventors have found that by using a rib structure to reduce the moment of inertia of the mirror portion, the resonance frequency of the mirror can be increased and the deflection angle can be increased, 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方向長さYと揺動軸に直交する方向長さXの比が1:1.1〜1:1.9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 ratio of the length Y of the scanning mirror's oscillating axis to the direction length X perpendicular to the oscillating axis is in the range of 25. This is a MEMS mirror scanner.
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、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方向長さは揺動軸に直交する方向長さの1〜2倍であり、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 The length of the scanning mirror in the oscillating axis direction is 1 to 2 times the direction perpendicular to the oscillating axis and is perpendicular to the oscillating axis of the scanning mirror. The gap is enlarged so that the reflection of light from the mirror determined from the substrate thickness, the swing angle of the mirror, and the incident angle of light to the mirror can pass through the light transmission window. It is a mirror scanner.
また、この発明は、基板の同一直線上に棒状に形成配置される一対のサスペンションビーム間にスキャニングミラーを形成して該直線を揺動軸としてスキャニングミラーを揺動可能に支持し、かつサスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される構成であり、スキャニングミラー自体の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離(a/2)が1.7mm以上、スキャニングミラー自体の厚みが200μm以上であり、該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離(w)を、スキャニングミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離の60%以下とした静電駆動型MEMSミラースキャナである。なお、スキャニングミラーは、バルク基板自体からなるもの、断面が横H型(I-beam)構造、T字型構造、コ字型構造、山字型構造、穴や各種リブを有する構造など種々構成であり、その構造全体の厚みが200μm以上である。 Further, the present invention provides a scanning mirror between a pair of suspension beams formed and arranged in a rod shape on the same straight line of a substrate, supports the scanning mirror so as to be swingable about the straight line as a swing axis, and the suspension beam The capacitance drive unit is arranged along one side or both sides of the scanning mirror. The maximum distance (a / 2) in the direction perpendicular to the axis of the swing axis of the scanning mirror itself is 1.7 mm or more, and the thickness of the scanning mirror itself Is 200 μm or more, and the electrostatic drive type wherein the maximum distance (w) in the axis orthogonal direction from the center of the swing axis of the drive unit is 60% or less of the maximum distance in the axis orthogonal direction from the center of the swing axis of the scanning mirror MEMS mirror scanner. The scanning mirror consists of a bulk substrate itself, and has various configurations such as a horizontal H-shaped (I-beam) structure, a T-shaped structure, a U-shaped structure, a mountain-shaped structure, and a structure with holes and various ribs. The thickness of the entire structure is 200 μm or more.
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
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
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、該ミラー角度をθ4は、θ4=180-(θ2+90)+θ1 であり、スキャニングミラー長さxは、x=D/cos(θ4) である。 That is, assuming that 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 is θ 4 , Θ 4 = 180− (θ 2 +90) + θ 1 , and the scanning mirror length x is x = 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x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, when the length x required by the
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
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 viewed the
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
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
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。従って、スキャニングミラーの揺動軸方向長さは揺動軸に直交する方向長さの1〜2倍であることが望ましいのである。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。 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. Therefore, it is desirable that the length of the scanning mirror in the swing axis direction is 1 to 2 times the length in the direction perpendicular to the swing axis. The shape of the scanning mirror may be any of a rectangle, a diamond, a polygon, a circle, and an ellipse.
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x、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=(x/2)sinθ1/tanθ3+(x/2)cosθ1
More specifically, in FIG. 4, the dimensions to be enlarged are shown in FIG. 4, where the scanning mirror half amplitude angle is θ 1 , the incident angle is θ 2 , the exit angle is θ 3 , the scanning mirror length is x, and the scanning mirror swing axis 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 = (x / 2) sinθ 1 / tanθ 3 + (x / 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5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. 5, the electrostatic drive type
なお、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折り、ここで支持される構成であり、光透過窓も省略している。
Although the
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において、該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離を、スキャニングミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離の60%以下、さらに好ましくは40%以下としたことを特徴とする。
In addition, the electrostatic drive type
以下に図面に基づきこの発明によるMEMSミラースキャナデバイス(以下単にMEMSデバイスという)の構成と設計方法について説明する。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。 The configuration and design method of a MEMS mirror scanner device (hereinafter simply referred to as a MEMS device) according to the present invention will be described with reference to the drawings. 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
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-
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。ヒンジの配置や本数を有限要素法にて最適化するとよい。
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
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18と対をなして静電容量駆動源を構成できる固定側櫛歯18B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
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。例えば、溝条はスキャニングミラーの長楕円の直径方向に平行に設けることが考えられるが、短円の直径方向と一致するスキャニングミラーの回転軸方向から離れた該ミラーの外周側に配置されることが効果的である。 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. For example, it is conceivable that the groove is provided in parallel to the diameter direction of the ellipse of the scanning mirror, but the groove is arranged on the outer peripheral side of the mirror that is away from the rotation axis direction of the scanning mirror that coincides with the diameter direction of the short circle. Is effective.
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。溝条は、その配置や本数を有限要素法にて最適化するとよい。 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. The arrangement and number of grooves should be optimized by the finite element method.
また、揺動側の櫛歯は、それぞれ基端側の長方形断面形状より揺動する先端側の長方形断面形状がより小さくなるよう形成されることで櫛歯の重量を低減し、全体の慣性質量を減少させることができる。構造的な慣性を減らすことによって、このデバイスの走査速度を増大させること、駆動電圧量を低減することがそれぞれ単独又は同時に実現できる。 Further, the swing-side comb teeth are formed so that the distal end side rectangular cross-sectional shape is smaller than the base end side rectangular cross-sectional shape, thereby reducing the weight of the comb teeth and reducing the overall inertial mass. Can be reduced. By reducing the structural inertia, it is possible to increase the scanning speed of the device and to reduce the amount of driving voltage, either independently or simultaneously.
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 adopt a configuration in which the substrate and the beam member for weight reduction are bonded together, and the beam member can also adopt various shapes such as H type and I type, The arrangement and number of the elements should be optimized 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.
ここで、図5〜図6において、形状を決める寸法記号を下記のようにとる。図7にその一部を示す。
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、
d: 櫛歯側幅、
L: トーションバー1本の長さ(展開長さ：図７Bのトーションバー部24のS字を直線状に伸ばした長さ)、
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、
θ: 振れ角、
K: ばね定数(全体)、
k: ばね定数(トーションバー1本当たり)、
G: 剪断弾性率、
Q: クォリティファクター、
α: 形状係数(shape factor)、
β: 形状係数(shape factor)、
I: 揺動軸回りの慣性能率、
τmat : 材料の剪断強度、
freq: 要求される周波数、固有振動数、
ε : 誘電率、
V: 電圧、
λ: 光波長(wave length of light)。
Here, in FIG. 5 to FIG. 6, the dimension symbols for determining the shape are as follows. A part of it is shown in FIG.
a: Scanning mirror x-axis direction (vertical) dimension,
b: Scanning mirror y-axis direction (width) dimension,
c: torsion bar width,
d: comb tooth side width,
L: Length of one torsion bar (deployment length: length obtained by extending the S-shape of the
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,
θ: deflection angle,
K: Spring constant (overall),
k: Spring constant (per torsion bar),
G: shear modulus,
Q: Quality factor,
α: shape factor,
β: shape factor,
I: Inertia rate around the swing axis,
τmat: material shear strength,
freq: required frequency, natural frequency,
ε: dielectric constant,
V: voltage,
λ: Wave length of light.
スキャニングミラーの形状を支配する方程式は下記の通りである。
(1)固有振動数(Natural frequency)
基板厚さtがスキャニングミラー縦寸法aより十分大きい時、ミラーの形状が長方形の場合は、
(n×c3/L)=16/3・π2・ρ・a3・b・freq2/(β・G)……1式、
ミラー部の形状が円形の場合は、
(n×c3/L)=π2・ρ・a4・freq2/(β・G)……2式、
ミラー部の形状が楕円の場合は、
(n×c3/L)=π2・ρ・a3・b・freq2/(β・G)……2'式。
The equation governing the shape of the scanning mirror is:
(1) Natural frequency
When the substrate thickness t is sufficiently larger than the scanning mirror vertical dimension a, and the mirror shape is rectangular,
(n × c 3 / L) = 16/3 ・ π 2・ ρ ・ a 3・ b ・ freq 2 / (β ・ G) ……
If the mirror is circular,
(n × c 3 / L) = π 2・ ρ ・ a 4・ freq 2 / (β ・ G) ……
If the shape of the mirror is an ellipse,
(n × c 3 / L) = π 2 · ρ · a 3 · b · freq 2 / (β · G) …… 2 'equation.
なお、揺動軸回りの慣性能率Iは、直方体(2a・2b・t、x軸方向寸法2b、厚さt)の場合は3式、楕円(2a・2b・t、厚さt)の場合は4式である。
I=1/3・ρ・a・b・t( 4・a2+t2)……3式
I=1/12・ρ・a・b・t(3・a2+t2)……4式
Note that the inertia performance factor I around the swing axis is 3 for rectangular parallelepiped (2a ・ 2b ・ t, x-axis dimension 2b, thickness t), and for ellipse (2a ・ 2b ・ t, thickness t) Is four formulas.
I = 1/3 ・ ρ ・ a ・ b ・ t (4 ・ a 2 + t 2 ) …… 3 formula
I = 1/12 ・ ρ ・ a ・ b ・ t (3 ・ a 2 + t 2 ) …… 4 formulas
(2)トーションヒンジの強度の制約
(β/α)・(c2/t・L)・θ<τmat……5式
(2) Restriction on strength of torsion hinge
(β / α) ・ (c 2 / t ・ L) ・ θ <τmat …… 5 formula
(3)静電気力によるトルク
θ=1/2V2（ε/δ）・nc・a2)(θが小さい時)
θ=1/2V2（ε/δ）・nc・ｔ２cosθ/sin2θ(θが大きい時) ……6式
(3) Torque due to electrostatic force θ = 1 / 2V 2 (ε / δ) · n c · a 2 ) (when θ is small)
θ = 1 / 2V 2 (ε / δ) ・ n c・ t 2 cos θ / sin 2 θ (when θ is large) …… 6 formula
(4)動的変形の限界
矩形(2a×2b×t )ミラーの場合、動的変形は7式によって表現される。
D=11/60・ρ・(freq/2π)2・a5・(1-ν2)/(E・t2/12)<λ/3……7式
(4) Limit of dynamic deformation In the case of a rectangular (2a × 2b × t) mirror, the dynamic deformation is expressed by Equation 7.
D = 11/60 · ρ · (freq / 2π) 2 · a 5 · (1-ν 2) / (E ·
MEMSミラースキャナに対して、固有振動数(高い方が望ましい)、振れ角(大きい方が望ましい)、スキャニングミラーサイズ(大きい方が望ましい)の要求があるが、この要求をできる限り小さな寸法で設計することを想定する。 For MEMS mirror scanners, there are requirements for natural frequency (higher is desirable), deflection angle (larger is desirable), and scanning mirror size (larger is desirable), but this requirement is designed with the smallest possible dimensions. Assuming that
まず、ミラーサイズ(寸法a,b)及び固有振動数要求に対して2式より、(n×c3/L)が周波数の二乗に比例する数値として決まる。また、同時にトーションバー、ヒンジの強度を満足させる必要があり、5式から、t×L/c2が振れ角に比例する数値として決まる。ここで寸法cとLは固有振動数と材料強度より決まる振れ角に対して反対方向の寄与をすることに注意する必要がある。同時に、7式によって動的変形を減らすように要求される。そのために、厚さの平方は、a5×freq に定数を掛けた結果より大きくあるべきである。 First, (n × c 3 / L) is determined as a numerical value proportional to the square of the frequency from the two formulas for the mirror size (dimensions a and b) and the natural frequency requirement. At the same time, it is necessary to satisfy the strength of the torsion bar and the hinge. From Equation 5, t × L / c 2 is determined as a numerical value proportional to the deflection angle. Note that dimensions c and L contribute in the opposite direction to the deflection angle determined by the natural frequency and material strength. At the same time, 7 formulas are required to reduce dynamic deformation. Therefore, the thickness square should be larger than the result of multiplying a 5 × freq by a constant.
さらに、所望の振れ角を実現するために必要なトルクを発生させる形状として、下記8式が振れ角に比例する数値である。δを製造上の限界からある値に固定すれば、振れ角は電圧Vの2乗及び櫛本数ncに比例する。
V2 (ε/δ)・nc……8式
Further, as a shape for generating a torque necessary for realizing a desired deflection angle, the following eight formulas are numerical values proportional to the deflection angle. be fixed to a certain value to the limit on the production of [delta], the deflection angle is proportional to the square and comb number n c of the voltage V.
V 2 (ε / δ) ・ n c ...... 8 formula
注目すべき点の一つに、固有振動数を決定する関係式から固有振動数を大きくするという要求とスキャニングミラーのサイズを大きくするという要求は、設計すべき寸法に対して同じ影響を及ぼすということである。 One notable point is that the requirement to increase the natural frequency from the relational expression that determines the natural frequency and the requirement to increase the size of the scanning mirror have the same effect on the dimensions to be designed. That is.
また、設計すべきパラメーターは(n・c3/L)、t・L/c2及び(nc・t/δ)の3個であり、決定すべき寸法はn、c、L、t、d、及びncの6個である。但し、ncは、n、c、L、及びtが決まれば定まる値であり、これらを拘束する式は4つあり、ここに設計の自由度がある。この自由度を生かしてミラースキャナ全体の寸法を最小にする、最適設計が可能となる。 The parameters to be designed are (n ・ c 3 / L), t ・ L / c 2 and (n c・ t / δ), and the dimensions to be determined are n, c, L, t, d and n c are six. However, n c is a value that is determined if n, c, L, and t are determined, and there are four expressions that constrain these, and there is a degree of design freedom here. By taking advantage of this degree of freedom, it is possible to achieve an optimum design that minimizes the overall size of the mirror scanner.
評価関数として、厚さtを最小にする、長さを最小にする(n・Lあるいはncを最小にすることに相当)ことは、所謂コスト低減に繋がり意味のある数値である。厚さtを最小とすることは、1)固有振動数及び2)トーションヒンジの強度の制約よりn・cの積を最大にすることと同値であり、また、n・L(スキャニングミラーの長さに相当)を最小にすることは、同様に、c/tを最小にすることと同値である。 As the evaluation function, the thickness t to a minimum, to minimize the length (corresponding to n · L or n c on minimizing) that is a numerical value meaningful result in the so-called cost. Minimizing the thickness t is equivalent to maximizing the product of n and c due to the constraints of 1) natural frequency and 2) strength of the torsion hinge, and n · L (the length of the scanning mirror) Minimizing (corresponding to the same) is equivalent to minimizing c / t.
7式より、振れ角θを大きくするには櫛歯の面積を拡大すること(nc・t/δを大きくする)及び固有振動数を大きくする場合の要請事項とは逆にn・c3/Lを小さくすることが必要となる。別の言い方をすれば、固有振動数の要請からn・c3/Lを大きくすることが必要となった場合は、固有振動数を増加させることと振れ角を大きくすることの両者の積に相当する、トルク増大の要請を櫛歯厚さ、電圧増加、電極間ギャップ縮小により補う必要があることが分かる。 From Equation 7, n · c 3 is contrary to the requirements for increasing the comb tooth area (increasing n c · t / δ) and increasing the natural frequency to increase the deflection angle θ. It is necessary to reduce / L. In other words, when it is necessary to increase n · c 3 / L due to the requirement for the natural frequency, it is the product of both increasing the natural frequency and increasing the deflection angle. It can be seen that the corresponding increase in torque needs to be compensated by the comb tooth thickness, voltage increase, and gap reduction between the electrodes.
この発明において、スキャニングミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離(a/2)が1.7mm以上、すなわちスキャニングミラーの揺動軸に直交する方向のミラー長さ全体が4mm以上、該ミラーの厚みが200μm以上であることを要件とする。その理由は、ポリゴンミラースキャナ以上の高速スキャニングを可能するにためである。 In this invention, the maximum distance (a / 2) in the direction orthogonal to the axis of the swing axis of the scanning mirror is 1.7 mm or more, that is, the entire mirror length in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror is 4 mm or more. The thickness is required to be 200 μm or more. The reason is to enable scanning at a higher speed than that of the polygon mirror scanner.
この発明において、サスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離(d)を、ミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離(a/2)の60%以下とする。すなわち、固有振動数は極慣性能率の平方根に反比例するが、スキャニングミラー部以外の極慣性能率はdの3乗に比例(一次近似)するので、dをa/2の60%以下とすれば、単位長さあたりの寄与率がミラー部分の20%以下に押さえることができる。 In this invention, the maximum distance (d) in the direction perpendicular to the axis of oscillation of the drive unit where the capacitance drive unit is disposed along one or both sides of the suspension beam 60% or less of the maximum distance (a / 2) in the orthogonal direction. In other words, the natural frequency is inversely proportional to the square root of the polar inertia ratio, but the polar inertia ratio other than the scanning mirror is proportional to the cube of d (primary approximation), so if d is 60% or less of a / 2, The contribution rate per unit length can be suppressed to 20% or less of the mirror portion.
さらに、静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離は、スキャニングミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離の40%以下であることが望ましい。その理由は上述のとおりで、特に、dをa/2の40%以下とすれば、単位長さあたりの寄与率がミラー部分の7%以下に押さえることができる形状が得られる。 Furthermore, it is desirable that the maximum distance in the direction perpendicular to the axis of the oscillation axis of the electrostatic capacity drive unit is 40% or less of the maximum distance in the direction perpendicular to the axis from the axis of oscillation of the scanning mirror. The reason is as described above. In particular, when d is set to 40% or less of a / 2, a shape in which the contribution rate per unit length can be suppressed to 7% or less of the mirror portion can be obtained.
また、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、3式に示すようにミラー幅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。
Further, the mirror width in the swing axis direction of the scanning mirror is desirably shorter than the mirror length in the direction perpendicular to the swing axis of the scanning mirror, and is preferably 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 determined by the mirror length and 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 as shown in
スキャニングミラーの形状は、矩形、菱形、多角形、円、楕円を適宜採用できる。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。すなわち、矩形ではレーザービームのスポットがミラーからはずれないようにする目的からは過剰な形状であり、機能しない箇所は極慣性能率を大きくして固有振動数を下げてしまう。円形も機能上はベストであるが、副走査方向の分解能は主走査方向の分解能より低く設定できることから余裕がある。菱形は先端部でレーザービームスポットが外れるのでレーザービームの光エネルギーを一部喪失してしまうこと及び分解能が低下するという問題がある。このように、レーザービームのスポットが外れないということと、極慣性能率を小さくするという観点から多角形及びトラック形状が好ましい。 As the shape of the scanning mirror, a rectangle, a diamond, a polygon, a circle, and an ellipse can be appropriately adopted. Further, the shape is preferably a polygon rather than a rectangle or rhombus, an ellipse than a circle, and a track shape. That is, the rectangular shape is excessive for the purpose of preventing the spot of the laser beam from coming off the mirror, and the non-functioning portion increases the extreme inertia performance factor and lowers the natural frequency. The circular shape is also the best in terms of function, but has a margin because the resolution in the sub-scanning direction can be set lower than the resolution in the main scanning direction. The rhombus has a problem that the laser beam spot is removed at the tip portion, so that a part of the light energy of the laser beam is lost and the resolution is lowered. Thus, the polygonal shape and the track shape are preferable from the viewpoint that the spot of the laser beam does not come off and the extreme inertia performance factor is reduced.
この発明において、サスペンションビームの揺動軸方向長さは、ミラー長さよりも長いことが望ましく、ミラー長さの1.5倍以上であることが好ましい。なお、6式から振れ角を大きくするには駆動トルクは櫛の歯数及び電圧を大きくするとよいが、絶縁破壊を起こさない電圧で櫛の歯数を確保するためサスペンションビームの揺動軸方向長さはミラー長さの1.5倍以上にすると適切であることを実験的に確認した。 In the present invention, the length of the suspension beam in the swing axis direction is preferably longer than the mirror length, and is preferably at least 1.5 times the mirror length. In order to increase the deflection angle, it is better to increase the number of teeth of the comb and the voltage to increase the deflection angle from Equation 6, but in order to ensure the number of teeth of the comb with a voltage that does not cause dielectric breakdown, the length of the suspension beam in the swing axis direction It has been experimentally confirmed that it is appropriate that the length is 1.5 times the mirror length.
この発明において、各サスペンションビームに少なくとも1つの屈曲型トーションバー部(serpentine torsion hinge)を備えることで、スキャニングミラーの共振周波数を上げたり所要値に制御することが可能となる。 In this invention, each suspension beam is provided with at least one bent torsion hinge (serpentine torsion hinge), so that the resonance frequency of the scanning mirror can be increased or controlled to a required value.
前述した図面に示すように、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(サスペンションビームエンド)に屈曲型トーションバー部を備える構成、サスペンションビーム内に少なくとも1つの屈曲型トーションバー部を備える構成、各サスペンションビームの片側に沿って複数の屈曲型トーションバー部を備えている構成が採用できる。 As shown in the above-mentioned drawings, a configuration including a bent torsion bar portion at each suspension beam end (suspension beam end) opposite to the scanning mirror, a configuration including at least one bent torsion bar portion in the suspension beam, A configuration including a plurality of bent torsion bar portions along one side of each suspension beam can be employed.
サスペンションビームに設けられる屈曲型トーションバー(serpentine torsion hinge /spring)は、図6に示すように、図示の1つの固定部に対して1つの旋状ばねを備える構成の他、実施例に示すように、1つの固定部の両側に2つの旋状ばねを備える構成が採用でき、ビーム長さを短くしながら共振周波数を上げる効果がある。 The bent torsion bar (serpentine torsion hinge / spring) provided on the suspension beam has a configuration in which one helical spring is provided for one fixed portion as shown in FIG. In addition, it is possible to employ a configuration including two spiral springs on both sides of one fixed portion, which has the effect of increasing the resonance frequency while shortening the beam length.
また、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向の屈曲型トーションバー部のビーム幅は、基板厚みの35%以下であることが望ましい。すなわち、振れ角(6式)及び動的変形(7式)の要請から厚さtの最小値が規定されるとともに大きい方が有利であることが示される。一方、強度上は5式より応力がヒンジ幅cの2乗に比例するので小さい方が有利である。そこで、ヒンジ幅cとして厚さtの35%以下とした場合、これらの関係が適切であることを実験的に確認した。 In addition, the beam width of the bent torsion bar portion orthogonal to the swing axis of the scanning mirror is desirably 35% or less of the substrate thickness. That is, it is shown that the minimum value of the thickness t is specified and the larger one is more advantageous from the request of the deflection angle (Formula 6) and dynamic deformation (Formula 7). On the other hand, in terms of strength, since the stress is proportional to the square of the hinge width c, the smaller one is more advantageous than Equation 5. Therefore, when the hinge width c is set to 35% or less of the thickness t, it has been experimentally confirmed that these relationships are appropriate.
この発明の静電駆動型MEMSミラースキャナは、サスペンションビームに設けられる屈曲型トーションバー(serpentine torsion hinge /spring)の数が3以上であることを特徴とする。 The electrostatic drive type MEMS mirror scanner according to the present invention is characterized in that the number of serpentine torsion hinges / springs provided on the suspension beam is three or more.
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。 In the present invention, applying mass reduction means to the non-reflecting back surface of the scanning mirror, each suspension beam, or both is effective in controlling the resonance frequency of the movable part or 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.
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0.2mm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 0.2 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。公知の貼り合わせ層を有するシリコン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 silicon substrate having a known bonding layer 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.
この発明の静電駆動型MEMSミラースキャナーにおいて、好ましい実施態様を採用することで、スキャニングミラーの片振幅が、20.5°(+10°,-5°)の性能を得ることができる。 In the electrostatic drive type MEMS mirror scanner of the present invention, by adopting a preferred embodiment, it is possible to obtain a performance in which the half amplitude of the scanning mirror is 20.5 ° (+ 10 °, −5 °).
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 auxiliary 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-teeth 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。S字型ヒンジをサスペンションビーム内に設ける構成は図７ＣのS字型ヒンジ４０と同様構成である。
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 °. The configuration in which the S-shaped hinge is provided in the suspension beam is the same as the configuration of the S-shaped
なお、シリコン基板の物性値は以下のとおりである。
密度: 2.33×103kg/m3(0.238×10-9kgw・sec2/mm4)
弾性率: 150Gpa(15000kgf/mm2,15300kgf/mm2)
剪断弾性率: G=E/2/(1+ν)=6.538(kgf/mm2)
ポアソン比: 0.17
The physical properties of the silicon substrate are as follows.
Density: 2.33 × 10 3 kg / m 3 (0.238 × 10-9kgw ・ sec 2 / mm 4 )
Elastic modulus: 150Gpa (15000kgf / mm 2 , 15300kgf / mm 2 )
Shear modulus: G = E / 2 / (1 + ν) = 6.538 (kgf / mm 2 )
Poisson's ratio: 0.17
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 the 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 °.
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、及び軍事用レーザ追跡・誘導システムなどの用途がある。 An electrostatically driven 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 wearable display, and a military Applications include 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.
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
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
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