JP2007256557A - Mems actuator and scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電圧を印加することによって生じる静電力を利用してマイクロミラーなどの揺動部材を揺動させるように構成されたMEMSアクチュエータ及び当該MEMSアクチュエータを備えた走査装置に関する。 The present invention relates to a MEMS actuator configured to oscillate an oscillating member such as a micromirror using an electrostatic force generated by applying an alternating voltage, and a scanning device including the MEMS actuator.
近年、レーザ光を用いたプリンタ、複写機、プロジェクタ等に使用されるレーザ光走査装置など各種装置の小型化が要請されている。かかる装置の小型化の要請により、シリコンなどの半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて作製されるマイクロミラースキャナなどのMEMSアクチュエータが種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, there has been a demand for downsizing various apparatuses such as a laser beam scanning apparatus used in a printer, a copier, a projector, and the like using a laser beam. In response to the demand for downsizing of such devices, a micromirror scanner manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology that realizes miniaturization of various mechanical elements by applying technology in semiconductor manufacturing processes such as silicon Various MEMS actuators have been proposed (for example, see Patent Document 1).
プリンタ等に用いられるマイクロミラースキャナは、基板等にヒンジを介して揺動可能に支持され、レーザ光を反射して、当該レーザ光を走査するマイクロミラーや、当該マイクロミラーを揺動駆動するための交流電圧が印加される駆動用電極などがMEMS技術を用いて形成されている。かかるマイクロミラースキャナにおいては、マイクロミラーの固有振動数(共振周波数)とマイクロミラーの揺動周波数とが略一致するような周波数の交流電圧を一対の電極間に印加することにより、共振現象が生じて、小さな駆動力でも比較的大きな振れ角(振幅)でマイクロミラーを揺動させることができる。このようにして、マイクロミラーを揺動させることで、マイクロミラーによるレーザ光の走査を可能としている。
近年では、印刷の高速化が要請されており、高速印刷を実現するためには、レーザ光の走査を高速に行う必要がある。マイクロミラースキャナが用いられたプリンタ等においては、レーザ光の走査がマイクロミラーの揺動によって行われるため、レーザ光の走査を高速に行うためには、マイクロミラーを高速に揺動させる必要がある。上述のように、マイクロミラーの揺動には、共振現象が利用されているため、マイクロミラーを高速に揺動させるためには、マイクロミラーの共振周波数を高める必要がある。マイクロミラーの共振周波数を高めることは、ばね定数の高いヒンジにマイクロミラーを揺動可能に支持させることで実現可能である。しかしながら、ばね定数の高いヒンジにマイクロミラーを支持させて揺動させると、大きな応力がヒンジに発生し、ヒンジが破断する恐れがあるため、マイクロミラーを大振幅で揺動させることができない。 In recent years, high-speed printing has been demanded, and in order to realize high-speed printing, it is necessary to scan with laser light at high speed. In a printer or the like using a micromirror scanner, scanning of laser light is performed by swinging the micromirror. Therefore, in order to perform scanning of laser light at high speed, the micromirror must be swung at high speed. . As described above, since the resonance phenomenon is used to swing the micromirror, it is necessary to increase the resonance frequency of the micromirror in order to swing the micromirror at a high speed. Increasing the resonance frequency of the micromirror can be realized by supporting the micromirror in a swingable manner on a hinge having a high spring constant. However, if the micromirror is supported and swung by a hinge having a high spring constant, a large stress is generated in the hinge and the hinge may break, and therefore the micromirror cannot be swung with a large amplitude.
また、光学ユニットのコンパクト化のために、マイクロミラーとプリンタ等に備えられた感光ドラムとの距離を短くすることが要請されている。マイクロミラーと感光ドラムとの距離を短くすると、レーザ光の走査範囲が狭くなるので、一定の走査範囲を確保するためには、マイクロミラーを大振幅で揺動させる必要がある。しかし、マイクロミラーを大振幅で揺動させるためには、ヒンジに大きな応力を発生させなければならず、ヒンジが破断する恐れがある。ヒンジの幅を狭くすると、ヒンジに発生する応力を小さくできるが、ヒンジのねじり剛性が下がって、ヒンジに支持されるマイクロミラーの共振周波数が低下し、マイクロミラーの揺動の高速化を達成することがきない。 Also, in order to make the optical unit compact, it is required to shorten the distance between the micromirror and the photosensitive drum provided in the printer or the like. When the distance between the micromirror and the photosensitive drum is shortened, the scanning range of the laser beam is narrowed. Therefore, in order to ensure a constant scanning range, it is necessary to swing the micromirror with a large amplitude. However, in order to swing the micromirror with a large amplitude, a large stress must be generated in the hinge, which may cause the hinge to break. When the hinge width is narrowed, the stress generated in the hinge can be reduced, but the torsional rigidity of the hinge is lowered, the resonance frequency of the micromirror supported by the hinge is lowered, and the micromirror swinging speed is increased. I can't speak.
本発明は、かかる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、マイクロミラーなどの揺動部材を高速、かつ/または、大振幅で揺動可能なMEMSアクチュエータ、及び、当該MEMSアクチュエータを備えた走査装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and includes a MEMS actuator capable of swinging a swing member such as a micromirror at a high speed and / or a large amplitude, and the MEMS actuator. It is an object of the present invention to provide a scanning device.
前記課題を解決するべく、本発明は、特許請求の範囲の請求項1に記載の如く、基板と、前記基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持された複数の揺動部材と、前記各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられた駆動用電極と、前記各駆動用電極間に交流電圧を印加する交流電源とを備え、前記複数の揺動部材は、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設されることを特徴とするMEMSアクチュエータを提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a substrate and a plurality of swing members supported so as to be swingable about a swing axis with respect to the substrate, respectively. In order to drive each of the swinging members using electrostatic force, an AC voltage is applied between the driving electrodes provided on the respective swinging members and the substrate, and between the driving electrodes. An MEMS power supply is provided, and the plurality of oscillating members are arranged in parallel so that the respective oscillating shafts are substantially parallel to each other.
本発明に係るMEMSアクチュエータは、基板と、基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持された複数の揺動部材と、各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、各揺動部材と基板とにそれぞれ設けられた駆動用電極と、各駆動用電極間に交流電圧を印加する交流電源とを備え、複数の揺動部材は、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設されている。このように、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設された揺動部材は、駆動用電極間に交流電圧が印加されることにより揺動軸周りに揺動することが可能に構成されている。 A MEMS actuator according to the present invention includes a substrate, a plurality of oscillating members supported so as to be able to oscillate around the oscillating axis with respect to the substrate, and each oscillating member oscillatingly driven using electrostatic force. For this purpose, each of the oscillating members includes a driving electrode provided on each of the oscillating members and the substrate, and an AC power source for applying an AC voltage between the driving electrodes. They are juxtaposed so as to be substantially parallel to each other. As described above, the swing members arranged in parallel so that the respective swing shafts are substantially parallel to each other can swing around the swing shaft when an AC voltage is applied between the drive electrodes. It is configured.
これらの複数の揺動部材を同一位相及び同一振幅で揺動させると、例えば、複数の揺動部材に向けて光を出射すると、何れの揺動部材においても同じ方向に光が反射される。よって、複数の揺動部材が同一位相及び同一振幅で揺動すると、揺動部材の集合体が1つの揺動部材として機能することになる。揺動部材が小さいほど慣性モーメントは小さいから、小さい揺動部材をヒンジに支持させると、ヒンジに支持される揺動部材の共振周波数が高くなり、より高速に揺動部材を揺動させることができる。また、揺動部材が小さいと、揺動部材を揺動させる際にヒンジに発生する応力も小さく、揺動部材を大きく振幅させてもヒンジが破断する恐れがない。よって、小さな揺動部材をヒンジに支持させると、高速、かつ/または、大振幅で揺動部材の揺動を行うことができる。上記のように、本発明に係るMEMSアクチュエータは、複数の小さな揺動部材を同一位相で揺動させて、揺動部材の集合体を1つの揺動部材として機能させることができるので、小さな揺動部材を高速、かつ/または、大振幅で揺動させることにより、大きな揺動部材を高速、かつ/または、大振幅で揺動させた場合と同様の効果を発揮することができる。 When these plural oscillating members are oscillated with the same phase and the same amplitude, for example, when light is emitted toward the plurality of oscillating members, the light is reflected in the same direction by any of the oscillating members. Therefore, when a plurality of rocking members rocks with the same phase and the same amplitude, the aggregate of the rocking members functions as one rocking member. The smaller the swing member, the smaller the moment of inertia. Therefore, if the small swing member is supported by the hinge, the resonance frequency of the swing member supported by the hinge increases, and the swing member can be swung faster. it can. Also, if the swing member is small, the stress generated in the hinge when swinging the swing member is small, and there is no fear that the hinge will break even if the swing member is greatly swung. Therefore, when the small swing member is supported by the hinge, the swing member can be swung at a high speed and / or with a large amplitude. As described above, the MEMS actuator according to the present invention can swing a plurality of small swinging members with the same phase, and the aggregate of the swinging members can function as one swinging member. By oscillating the moving member at a high speed and / or with a large amplitude, the same effect as when a large oscillating member is swung at a high speed and / or with a large amplitude can be exhibited.
また、ねじり剛性の低いヒンジに小さな揺動部材を支持させると、ねじり剛性が低いヒンジは揺動部材の揺動の際に発生する応力が小さい上に、支持される揺動部材の慣性モーメントが小さいので、ヒンジが破断する恐れが極めて少なく、より大振幅で揺動部材を揺動させることができる。 In addition, when a small swing member is supported on a hinge having low torsional rigidity, a hinge having low torsional rigidity generates less stress when the swinging member swings, and the moment of inertia of the supported swinging member is small. Since it is small, there is very little risk of the hinge breaking, and the swing member can be swung with a larger amplitude.
上記のような複数の揺動部材を同一位相で揺動させる構成としては、特許請求の範囲の請求項2に記載の如く、前記複数の揺動部材は、弾性体を介して互いに連結されている構成を挙げることができる。
As a configuration for oscillating the plurality of oscillating members in the same phase, as described in
各揺動部材が弾性体を介して連結されることで、各揺動部材を同一位相で揺動させることができることについて説明する。複数(n個)の揺動部材を弾性体で連結した場合、連結された各揺動部材は一体化して揺動し、各揺動部材の揺動は同期する。n個の揺動部材を弾性体で連結して揺動させると、(n−1)×2個の同期した揺動モードが発生し得る。 A description will be given of the fact that each oscillating member can be oscillated in the same phase by connecting each oscillating member via an elastic body. When a plurality (n) of swing members are connected by an elastic body, the connected swing members swing together and the swing of each swing member is synchronized. When n rocking members are connected by an elastic body and rocked, (n−1) × 2 synchronized rocking modes can be generated.
例えば、図5(a)及び(b)に示すように、2個の揺動部材(図5ではマイクロミラーA及びB)を連結した場合は、2つの揺動モードが発生し、図5(c)〜(f)に示すように、3個の揺動部材(マイクロミラーA、B及びC)を連結した場合は、4つの揺動モードが発生し得る。このような揺動モードには、各揺動部材の位相が同一である揺動モードと、同一でない揺動モードとがある。複数の揺動モードが発生し得るが、各揺動モードの固有振動数は異なるため、各揺動部材が同一位相で揺動する揺動モードの固有振動数に対応する周波数の交流電圧を駆動用電極間に印加すると、各揺動部材が同一位相で揺動する揺動モードが発生し、各揺動部材が同一位相で揺動する。 For example, as shown in FIGS. 5A and 5B, when two oscillating members (micromirrors A and B in FIG. 5) are connected, two oscillating modes occur, and FIG. As shown in c) to (f), when three swing members (micromirrors A, B, and C) are connected, four swing modes can occur. Such rocking modes include a rocking mode in which the phases of the rocking members are the same and a rocking mode that is not the same. Multiple rocking modes can occur, but each rocking mode has a different natural frequency. Therefore, an alternating voltage with a frequency corresponding to the natural frequency of the rocking mode in which each rocking member rocks in the same phase is driven. When applied between the electrodes, a swing mode in which each swing member swings in the same phase is generated, and each swing member swings in the same phase.
また、本発明に係る発明者らは鋭意検討した結果、前記のMEMSアクチュエータのように、駆動用電極間に交流電圧を印加して静電力を生じさせることにより揺動部材を揺動する場合、基板と、基板に揺動可能に支持された揺動部材とに印加する直流電圧の電圧値を調整することで、揺動部材の揺動の振幅を調整可能であることを見出した。 In addition, as a result of intensive studies, the inventors according to the present invention, as in the MEMS actuator described above, when an oscillating member is oscillated by applying an alternating voltage between driving electrodes to generate an electrostatic force, It has been found that the swing amplitude of the swing member can be adjusted by adjusting the voltage value of the DC voltage applied to the substrate and the swing member that is swingably supported by the substrate.
従って、特許請求の範囲の請求項3に記載の如く、前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられ、前記各揺動部材の揺動の振幅を調整するための振幅調整用電極と、前記各振幅調整用電極間に直流電圧を印加する直流電源とをさらに備えた構成とすることが好ましい。
Therefore, as described in
複数の各揺動部材の揺動の振幅が異なると、複数の各揺動部材を同一位相で揺動させても、各揺動部材において同じ方向に光が反射しない。揺動部材の揺動の振幅は、例えば、揺動部材の重量や形状、揺動部材を支持するヒンジのばね定数等によって異なる。複数の揺動部材の揺動の振幅を同一に揃える方法として、レザーアブレーション法等により揺動部材やヒンジを加工して、揺動部材の重量や形状、揺動部材を支持するヒンジのばね定数を調整する方法が挙げられる。しかしながら、上記の好ましい構成によれば、振幅調整用電極間に印加する直流電圧の電圧値を揺動部材毎に適宜調整すれば、レザーアブレーション法等の加工を行わなくても、複数の揺動部材を同一振幅で揺動させることができる。 If the swinging amplitudes of the plurality of swinging members are different, light is not reflected in the same direction by the swinging members even if the swinging members are swung in the same phase. The swing amplitude of the swing member varies depending on, for example, the weight and shape of the swing member, the spring constant of the hinge that supports the swing member, and the like. As a method of aligning the swing amplitudes of a plurality of swing members, the swing member and hinge are processed by the laser ablation method or the like, and the weight and shape of the swing member, and the spring constant of the hinge that supports the swing member The method of adjusting is mentioned. However, according to the above preferred configuration, if the voltage value of the DC voltage applied between the amplitude adjusting electrodes is appropriately adjusted for each oscillating member, a plurality of oscillating members can be obtained without performing a laser ablation method or the like. The member can be swung with the same amplitude.
また、複数の各揺動部材を同一振幅で揺動させるための構成として、特許請求の範囲の請求項4に記載の如く、前記各駆動用電極間に直流電圧を印加する直流電源を備え、前記各駆動用電極間に、前記直流電圧と前記交流電圧とが重畳されて印加される構成を採用することもできる。
Further, as a configuration for oscillating each of the plurality of oscillating members with the same amplitude, a DC power source for applying a DC voltage between the respective driving electrodes as described in
請求項3に記載の振幅調整用電極に印加される直流電圧を駆動用電極に印加される交流電圧と重畳し、重畳された電圧を駆動用電極間に印加しても、請求項3に記載の構成と同様の効果が得られる。かかる構成によれば、振幅調整用電極を設ける必要がなく、MEMSアクチュエータの構成を単純化でき、またMEMSアクチュエータの製造コストを抑えることができる。
The DC voltage applied to the amplitude adjusting electrode according to
また、本発明は、特許請求の範囲の請求項5に記載の如く、基板と、前記基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持され、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設された複数の揺動部材と、前記各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、前記各揺動部材の互いに対向する位置に設けられた駆動用電極と、前記各駆動用電極間に交流電圧を印加する交流電源とを備えたことを特徴とするMEMSアクチュエータを提供する。
Further, according to the present invention, as claimed in
かかる発明のMEMSアクチュエータは、基板と、基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持され、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設された複数の揺動部材を備える。各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、各揺動部材の互いに対向する位置に駆動用電極が設けられ、各駆動用電極間に交流電圧を印加することによって、各駆動用電極間に静電力が生じる。駆動用電極が互いに対向する位置に設けられた2つの揺動部材は、各駆動用電極間に生じる静電力によって引き合ったり、反発し合ったりして揺動する。 The MEMS actuator according to the present invention includes a substrate and a plurality of swing members that are supported so as to be swingable around the swing axis with respect to the substrate, and are arranged in parallel so that the swing shafts are substantially parallel to each other. Prepare. In order to oscillate and drive each oscillating member using electrostatic force, driving electrodes are provided at positions facing each other of each oscillating member, and by applying an AC voltage between each driving electrode, An electrostatic force is generated between the driving electrodes. The two oscillating members provided at positions where the driving electrodes are opposed to each other oscillate by being attracted or repelled by an electrostatic force generated between the driving electrodes.
このように、駆動用電極間に生じる静電力で揺動部材を同一位相及び同一振幅で揺動させると、特許請求の範囲の請求項1に記載のMEMSアクチュエータと同様に、小さな揺動部材の集合体を1つの揺動部材として機能させることができる。よって、特許請求の範囲の請求項1に記載のMEMSアクチュエータと同様に、小さな揺動部材を高速、かつ/または、大振幅で揺動させることにより、大きな揺動部材を高速、かつ/または、大振幅で揺動させた場合と同様の効果を発揮することができる。 As described above, when the swing member is swung with the same phase and the same amplitude by the electrostatic force generated between the driving electrodes, the small swing member is similar to the MEMS actuator according to claim 1. The assembly can function as one swing member. Therefore, similarly to the MEMS actuator according to claim 1, the large rocking member can be moved at high speed and / or by swinging the small rocking member at high speed and / or large amplitude. The same effect as when rocking with a large amplitude can be exhibited.
さらに、かかる発明のMEMSアクチュエータは、2つの揺動部材を、2つの駆動用電極で揺動させることができるので、駆動用電極を基板に設ける必要がなく、その分構成を単純化することができ、製造コストを抑えることができる。 Furthermore, since the MEMS actuator of this invention can swing two swing members with two drive electrodes, it is not necessary to provide the drive electrodes on the substrate, and the configuration can be simplified accordingly. Manufacturing cost can be reduced.
複数の揺動部材を同一位相で揺動させる構成としては、特許請求の範囲の請求項6に記載の如く、前記複数の揺動部材は、弾性体を介して互いに連結されている構成を挙げることができる。複数の揺動部材が弾性体を介して連結されることで、同一位相で揺動する原理については、請求項2に記載の構成と同じである。
As a configuration for swinging the plurality of swinging members at the same phase, as described in
また、請求項5および6に記載のMEMSアクチュエータにおいて、好ましくは、特許請求の範囲の請求項7に記載の如く、前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられ、前記各揺動部材の揺動の振幅を調整するための振幅調整用電極と、前記各振幅調整用電極間に直流電圧を印加する直流電源とをさらに備えた構成が好ましい。
Further, in the MEMS actuator according to
かかる好ましい構成においては、特許請求の範囲の請求項3に記載の構成と同様に、振幅調整用電極間に直流電圧を印加することで、レザーアブレーション法等の加工を行わなくても、複数の揺動部材を同一振幅で揺動させることができる。
In such a preferable configuration, similarly to the configuration described in
また、複数の各揺動部材を同一振幅で揺動させるための構成として、特許請求の範囲の請求項8に記載の如く、前記各駆動用電極間に直流電圧を印加する直流電源を備え、前記各駆動用電極間に、前記直流電圧と前記交流電圧とが重畳されて印加される構成を採用することもできる。 Further, as a configuration for oscillating each of the plurality of oscillating members with the same amplitude, a DC power source for applying a DC voltage between the driving electrodes as described in claim 8, It is also possible to adopt a configuration in which the DC voltage and the AC voltage are applied in a superimposed manner between the driving electrodes.
請求項7に記載の振幅調整用電極に印加される直流電圧を、駆動用電極に印加される交流電圧と重畳し、重畳された電圧を駆動用電極間に印加しても、請求項7に記載の構成と同様の効果が得られる。かかる構成によれば、振幅調整用電極を設ける必要がなく、MEMSアクチュエータの構成が単純にでき、またMEMSアクチュエータの製造コストを抑えることができる。
Even if the DC voltage applied to the amplitude adjusting electrode according to
また、本発明は、特許請求の範囲の請求項9に記載の如く、前記各揺動部材がそれぞれミラー面を有するように構成された請求項1から8の何れかに記載のMEMSアクチュエータと、前記各ミラー面に向けて光を出射する光源と、前記光源から出射された光の前記ミラー面での反射光が入射することによって検出信号を出力する光検出素子と、前記光検出素子から出力された検出信号に基づいて、光源から出射される光の強度を制御する光源制御手段とを備えた走査装置を提供する。 Further, according to a ninth aspect of the present invention, the MEMS actuator according to any one of the first to eighth aspects, wherein each of the swinging members has a mirror surface, as recited in the ninth aspect of the present invention, A light source that emits light toward each mirror surface, a light detection element that outputs a detection signal when light reflected from the mirror surface of the light emitted from the light source enters, and an output from the light detection element Provided is a scanning device including light source control means for controlling the intensity of light emitted from the light source based on the detected signal.
請求項1から8の各MEMSアクチュエータは、揺動部材を複数備えている。そのため、揺動部材の揺動角によっては、1つの揺動部材で反射した反射光の一部が、他の揺動部材に当たって、走査対象となる感光ドラム等に届かない恐れがある。反射光の一部が、走査対象に届かないと、走査対象上における反射光の強度が低下し、潜像の形成が的確に行えなくなる。かかる好ましい構成においては、揺動部材のミラー面に向けて出射された光の反射光が入射することによって検出信号を出力する光検出素子と、光検出素子から出力される検出信号に基づいて、光源から出射される光の強度を制御する光源制御手段とが備えられている。この光検出素子に入射される光は、揺動部材に反射した反射光であるため、揺動部材の揺動角が一定の角度のときに光検出素子に入射され、よって、揺動部材の揺動角が一定の角度のときに検出信号が出力される。従って、光源制御手段が、検出信号の出力されるタイミングに基づいて、光源から出射される光の強度を高めることで、揺動部材の揺動角によって、走査対象上における光の強度が低下することを防ぐことが可能である。よって、かかる発明によれば、走査対象上における反射光の強度が低下することを防ぐことができ、潜像の形成を的確に行うことができる。 Each of the MEMS actuators according to claims 1 to 8 includes a plurality of swing members. For this reason, depending on the swing angle of the swing member, part of the reflected light reflected by one swing member may hit another swing member and not reach the photosensitive drum or the like to be scanned. If a part of the reflected light does not reach the scanning target, the intensity of the reflected light on the scanning target is lowered and the latent image cannot be formed accurately. In such a preferable configuration, based on the light detection element that outputs a detection signal when the reflected light of the light emitted toward the mirror surface of the oscillating member enters, and the detection signal output from the light detection element, Light source control means for controlling the intensity of light emitted from the light source. Since the light incident on the light detection element is reflected light reflected by the swing member, the light is incident on the light detection element when the swing angle of the swing member is a constant angle. A detection signal is output when the swing angle is a constant angle. Accordingly, the light source control means increases the intensity of the light emitted from the light source based on the timing at which the detection signal is output, so that the intensity of the light on the scanning target is reduced by the swing angle of the swing member. It is possible to prevent this. Therefore, according to this invention, it can prevent that the intensity | strength of the reflected light on a scanning object falls, and formation of a latent image can be performed exactly.
また、光源から出射される光の強度を制御する走査装置の構成として、特許請求の範囲の請求項10に記載の如く、請求項1から8の何れかに記載のMEMSアクチュエータと、前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられた検出用電極と、前記検出用電極に電圧を印加する検出用電源と、前記検出用電極間に発生する電流に基づいて、光源から出射される光の強度を制御する光制御手段とを備えた構成を採用することができる。 In addition, as a configuration of a scanning device that controls the intensity of light emitted from a light source, the MEMS actuator according to any one of claims 1 to 8 and each of the swings according to claim 10 of the claims. A detection electrode provided on each of the moving member and the substrate; a detection power source for applying a voltage to the detection electrode; and a current generated between the detection electrodes based on a current generated between the detection electrodes. A configuration provided with a light control means for controlling the intensity can be employed.
かかる構成においては、基板に設けられた検出用電極と、揺動部材に設けられた検出用電極とに検出用電圧が印加されているため、これらの検出用電極を1つのキャパシタとみなすことができる。基板に設けられた検出用電極と、揺動部材に設けられた検出用電極との距離は、揺動部材の揺動によって変動する。そのため、揺動部材の揺動に応じた電流が検出用電極間に発生する。光制御手段は、当該電流に基づいて光源から出射される光の強度を制御する。よって、光制御手段は、測定された電流に基づいて光源から出射される光の強度を高めることで、揺動部材の揺動角によって、走査対象上における光の強度が低下することを防ぐことが可能であり、潜像の形成を的確に行うことができる。 In such a configuration, since the detection voltage is applied to the detection electrode provided on the substrate and the detection electrode provided on the swinging member, these detection electrodes can be regarded as one capacitor. it can. The distance between the detection electrode provided on the substrate and the detection electrode provided on the swing member varies depending on the swing of the swing member. Therefore, a current corresponding to the swing of the swing member is generated between the detection electrodes. The light control means controls the intensity of light emitted from the light source based on the current. Therefore, the light control means increases the intensity of the light emitted from the light source based on the measured current, thereby preventing the light intensity on the scanning target from being lowered due to the swing angle of the swing member. Therefore, the latent image can be accurately formed.
本発明によれば、ヒンジが破断することなく、所定の大きさの揺動部材を、より高速で、かつ/または、より大振幅に揺動させた場合と同様の効果を発揮することが可能なMEMSアクチュエータ、及び、当該MEMSアクチュエータを備えた走査装置を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to exhibit the same effect as when a swing member having a predetermined size is swung at a higher speed and / or with a larger amplitude without breaking the hinge. It is possible to provide a simple MEMS actuator and a scanning device including the MEMS actuator.
(実施形態1)
以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態について説明する。図1は、本発明に係る一実施形態に係るMEMSアクチュエータを具備する走査装置の概略構成図である。図1に示すように、本実施形態に係る走査装置100は、MEMSアクチュエータ1と、後述するようにMEMSアクチュエータ1が具備するマイクロミラーに向けて光Lを出射する光源2とを備えている。その他、本実施形態に係る走査装置100は、光源2から出射された光Lを平行光にするためのコリメータレンズ3と、前記マイクロミラーにおける光Lの反射光L’を感光体P上で結像させるためのfθレンズ4及びシリンドリカルレンズ5とを備えている。以上の構成を有する走査装置100において、MEMSアクチュエータ1が具備するマイクロミラーを揺動させることにより、光源2から出射した光Lの反射光L’が感光体P上で走査されることになる。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning device including a MEMS actuator according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 1, the
MEMSアクチュエータ1は、MEMSデバイス10と、交流電源60と、直流電源70とを備えている。
The MEMS actuator 1 includes a
図2は、本実施形態に係るMEMSデバイス10の概略構成図であり、図2(a)は平面図を示し、図2(b)は図2(a)のC―C断面図を示す。図2に示すように、本実施形態に係るMEMSデバイス10は、シリコン材から形成された上層基板20と絶縁材料(例えばガラス材)から形成された下層基板50とが上下に接合された構造を有している。なお、本実施形態に係るMEMSデバイス10は、ドライエッチングや陽極接合や成膜などの公知のMEMS技術を適用することにより当業者であれば容易に作製することが可能であるため、その具体的な製造方法については説明を省略する。
2A and 2B are schematic configuration diagrams of the
図2(a)に示すように、上層基板20は、基板本体20aと揺動ユニット40A及び40Bとを備える。基板本体20aは、基板本体20aの左右(図2(a)に示すY軸の)両外部を構成する外周部20bと、基板本体20aの左右方向中央部を形成する中央部20cとを備えている。この中央部20cは、基板本体20aの左右方向中央部の上下の2つの位置に形成されている。中央部20cによって、外周部20bに挟まれた領域は、左右の2つの領域に区画されている。この左の領域には揺動ユニット40Aが、右の領域には40Bが形成されている。なお、上層基板20の構造は、左右対称であるため、以下では、上層基板20の左側について詳細を説明し、右側の詳細については適宜説明を省略する。また、説明を容易とするため、中央部20cより左側に形成される部材には参照符号「A」を、右側に形成される部材には参照符号「B」を付すこととする。
As shown in FIG. 2A, the
揺動ユニット40Aは、マイクロミラーA及びサスペンションビーム23Aを備える揺動部材、接着パッド24A及び26A、ヒンジ25A及び27A、振幅調整用電極28A、駆動用電極30A、を備える。
The
マイクロミラーAは、一方の面に光を反射するミラー面A1を有した楕円状に形成され、揺動ユニット40AのX軸方向中央に設けられている。当該マイクロミラーAの揺動軸(図2(a)に示すX軸)方向両端部には、サスペンションビーム23Aが形成されている。サスペンションビーム23Aの揺動軸方向端部(マイクロミラーAに接続されている側と反対側の端部)には、ヒンジ25A及び接着パッド24Aが形成されている。サスペンションビーム23Aの揺動軸方向端部は、ヒンジ25Aを介して、接着パッド24Aに接続されている。また、サスペンションビーム23Aの中間部には開口が設けられ、当該開口に接着パッド26Aと、ヒンジ27Aとが形成されている。サスペンションビーム23Aの中間部は、ヒンジ27Aを介して接着パッド26Aに接続されている。
The micromirror A is formed in an elliptical shape having a mirror surface A1 that reflects light on one surface, and is provided in the center of the
さらに、サスペンションビーム23AのMEMSデバイス10の外側の部分(図2の左側)には、MEMSデバイス10の外側に延びる振幅調整用電極(以下、第1電極という)28Aが形成されている。この第1電極28Aは、基板本体20aの外周部20bから内側に延びる振幅調整用電極(以下、第2電極という)29Aと対を成し、当該第2電極29AとX軸方向に交互に配置されている。一方、サスペンションビーム23AのMEMSデバイス10の内側の部分(図2の右側)には、MEMSデバイス10の内側に延びる駆動用電極(以下、第3電極という)30Aが形成されている。第3電極30Aは、基板本体20aの中央部20cからサスペンションビーム23A側に延びる駆動用電極(以下、第4電極という)31Aと対を成し、当該第4電極31AとX軸方向に交互に配置されている。
Further, an amplitude adjusting electrode (hereinafter referred to as a first electrode) 28 </ b> A extending to the outside of the
以上のように形成された揺動ユニット40Aと同様の構成の揺動ユニット40Bが、右の領域に形成され、揺動ユニット40A及び40Bは互いに揺動部材が揺動軸方向に平行となる向きに並設されている。揺動ユニット40Aと揺動ユニット40Bに備えられた2つのマイクロミラーA及びBのミラー面A1及びB1に向けて、光源2から光Lが出射され、当該光Lは、この2つのマイクロミラーA及びBのミラー面A1及びB1にて反射する。
The
揺動ユニット40AのマイクロミラーAと揺動ユニット40BのマイクロミラーBは、揺動ユニット40A及び40Bの揺動軸に対して直交方向に2つの弾性体22を介して互いに連結されている。これらの弾性体22は、各マイクロミラーA及びBの外縁部のうち、他方のマイクロミラーA及びBに対向する部分の2箇所に支持されている。なお、本実施形態においては、弾性体22は、マイクロミラーA及びBに支持されているが、マイクロミラーA及びBと一体となって揺動するサスペンションビーム23A、23Bに支持させて、サスペンションビーム23A及び23Bを介してマイクロミラーA及びBを連結してもよい。また、図2においては、弾性体22は、抽象的につる巻きばねの形状で図示してあるが、弾性体22の形状は特に限定されるものではなく、実際にはドライエッチングで作製しやすいS字のように、蛇行したヒンジ形状が適している。さらに、マイクロミラーA及びBの連結に用いられる弾性体22の材質は、特に限定されるものでなく、例えば、PDMSなどの高分子材料などを用いることができる。
The micro mirror A of the
一方、図2(b)に示すように、下層基板50は、マイクロミラーA及びBを揺動軸周りに揺動可能とするべく、マイクロミラーA及びBに対応する位置が凹状に形成されている。上層基板20と下層基板50とが接合された状態で、下層基板50の接着パッド24A、24Bの裏面に対応する位置には、前記凹状を形成する周壁51が形成されており、接着パッド26A、26B及び中央部20cの裏面に対応する位置には、下層基板50の底部から凸状に形成された固定用パッド52が形成されている。接着パッド24A、24Bは周壁51に、接着パッド26A、26B及び中央部20cは固定用パッド52に接着されている。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the
図1に示す交流電源60は、第3電極30A、30B及び第4電極31A、31Bに接続されており、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に同一の交流電圧を印加することが可能に構成されている。
1 is connected to the
図1に示す直流電源70は、第1電極28A、28B及び第2電極29A、29Bに接続されており、第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間に、電圧値の異なる直流電圧を印加することが可能に構成されている。
The
以上の構成の走査装置100を用いて感光ドラムPを走査する場合、交流電源60によって、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に同一の交流電圧が印加され、直流電源70によって、第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間に直流電圧が印加される。
When scanning the photosensitive drum P using the
第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に交流電圧が印加されると、これらの電極間に静電力が生じる。揺動ユニット40A及び40Bが、完璧な形状に作製されている場合、揺動運動を発生させるトルクは、初期状態で0であり、理論上は起動しないのであるが、実際には避けられない作製プロセスの形状誤差などにより揺動ユニット40A及び40Bは、前記静電力が生じると揺動し始める。この静電力によりマイクロミラーAは、接着パッド24A、26Aを固定端とし、ヒンジ25A、27Aの弾性力に抗しながら揺動軸周りに揺動し、マイクロミラーBは、接着パッド24B、26Bを固定端とし、ヒンジ25B、27Bの弾性力に抗しながら揺動軸周りに揺動する。このように、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に交流電圧が印加されると、マイクロミラーA及びBは、交流電圧の周波数もしくは1/2の周波数で揺動する。なお、本実施形態においては、マイクロミラーA及びBの揺動に共振現象を利用して、小さな駆動力で大きな振幅でマイクミラーA及びBを揺動させるため、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に印加される交流電圧の周波数は、マイクロミラーA及びBの共振周波数に近い周波数もしくは共振周波数の略2倍とされ、マイクロミラーA及びBは、共振周波数に近い周波数で揺動する。
When an AC voltage is applied between the
第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間には、マイクロミラーA及びBのミラー面A1及びB1で反射した反射光L’が、所定の範囲だけ感光ドラムP上を走査するように、マイクロミラーA及びBをある一定の振幅で揺動させるために必要とされる大きさの直流電圧が印加される。マイクロミラーA及びBの振幅は、マイクロミラーA及びBに用いられるマイクロミラーの重量や形状、ヒンジ25A、25B、27A、27Bのばね定数等によって異なる。しかし、第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間に印加する直流電圧の大きさを調整することで、マイクロミラーA及びBに用いられるマイクロミラーの重量や形状、ヒンジ25A、25B、27A、27Bのばね定数等に関係なく、マイクロミラーA及びBを一定の振幅で揺動させることが可能となる。
Between the
具体的に説明すると、例えば、第1電極28Aと第2電極29Aとの間に、印加する直流電圧の大きさを変動させると、マイクロミラーAの共振周波数特性曲線(マイクロミラーAの揺動の周波数と最大振幅との関係を示す曲線)が変化する。図3は、その変化を示す説明図である。図3に示すように、第1電極28Aと第2電極29Aとの間に印加する直流電圧をV0からV1に高めると、共振周波数特性曲線は周波数の高い方向にシフトし、逆に直流電圧をV1からV0に低下させると、共振周波数特性曲線は、周波数の低い方向にシフトする。この共振周波数特性曲線は、マイクロミラーAに用いられるマイクロミラーの重量や形状、ヒンジ25A、27Aのばね定数などによって異なる。従って、マイクロミラーAの共振周波数特性曲線に応じた大きさの直流電圧を第1電極28Aと第2電極29Aとの間に印加すれば、共振周波数特性曲線がシフトする結果、反射光L’が、所定の幅だけ感光ドラムP上を走査する大きさの振幅でマイクロミラーAを揺動させることができる。同様に、マイクロミラーBについても、マイクロミラーBの共振周波数特性曲線に応じた大きさの直流電圧を第1電極28Bと第2電極29Bとの間に印加すれば、反射光L’が、所定の幅だけ感光ドラムP上を走査する大きさの振幅でマイクロミラーBを揺動させることができる。
More specifically, for example, if the magnitude of the DC voltage applied is varied between the
また、上述のように、マイクロミラーA及びBは、弾性体22で連結されており、弾性体22で連結されることによってマイクロミラーA及びBの揺動が規制されているので、マイクロミラーA及びBが同一位相で揺動する。
Further, as described above, the micromirrors A and B are connected by the
仮に、マイクロミラーA及びBが、弾性体22で連結されていない場合、マイクロミラーA及びBの揺動の位相は、マイクロミラーA及びBに用いられているマイクロミラーの交流電圧の位相に対する揺動の位相の遅れ量に基づく。マイクロミラーの交流電圧の位相に対する揺動の位相の遅れ量は、加工誤差などが原因でマイクロミラー毎に異なる。図4は、交流電圧の位相に対するマイクロミラーA及びBに用いられるマイクロミラーの揺動の位相の遅れ量を示したグラフである。図4における縦軸は、交流電圧の位相とマイクロミラーA及びBに用いられるマイクロミラーの揺動の位相との位相差を表し、横軸は、交流電源60が印加する交流電圧の周波数を表している。マイクロミラーA及びBを揺動させるために、例えば、周波数f0の交流電圧を印加すると、図4に示すように、マイクロミラーAに用いられるマイクロミラーaの揺動の位相は、交流電圧の位相に対してθ1だけ遅れ、マイクロミラーBに用いられるマイクロミラーbの揺動の位相は、交流電圧の位相に対してθ2(|θ1|<|θ2|)だけ遅れることが分かる。このように、マイクロミラーの交流電圧の位相に対する揺動の位相の遅れ量は、マイクロミラー毎に異なるため、マイクロミラーA及びBが、弾性体22で連結されていない場合、マイクロミラーA及びBは同一の位相で揺動しない。
If the micromirrors A and B are not connected by the
一方、マイクロミラーA及びBを弾性体22で連結すると、マイクロミラーA及びBが、下記に説明するように、同一の位相で揺動する。
On the other hand, when the micromirrors A and B are connected by the
具体的に説明すると、マイクロミラーA及びBを弾性体で連結した場合、マイクロミラーA及びBは、一体化して揺動し、マイクロミラーA及びBの揺動は同期する。ここで、2つのマイクロミラーA及びBを弾性体22で連結して揺動させると、図5(a)に示すように、マイクロミラーA及びBが同一位相で揺動する揺動モードと、図5(b)に示すように、マイクロミラーA及びBが180°異なった位相で揺動する揺動モードとが発生し得る。各揺動モードの固有振動数は異なるため、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に、マイクロミラーA及びBが同一位相で揺動する揺動モード(図5(a)に示す揺動モード)の固有振動数に対応する周波数の交流電圧を印加すると、マイクロミラーA及びBは同一位相で揺動する。
More specifically, when the micromirrors A and B are connected by an elastic body, the micromirrors A and B swing together and the swings of the micromirrors A and B are synchronized. Here, when the two micromirrors A and B are rocked by being connected by the
以上のように、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、2つのマイクロミラーA及びBを同一の振幅、位相で揺動させることができる。よって、光源2から出射した光Lは、何れのマイクロミラーA及びBにて反射しても、常に同じ方向に反射されるので、2つのマイクロミラーA及びBは、1つの大きなマイクロミラーとして機能する。
As described above, the MEMS actuator 1 according to the present embodiment can swing the two micromirrors A and B with the same amplitude and phase. Therefore, since the light L emitted from the
マイクロミラーA及びBが小さいほど慣性モーメントは小さいから、小さいマイクロミラーをヒンジ25A、25B、27A、27Bに支持させると、ヒンジ25A、25B、27A、27Bに支持されるマイクロミラーA及びBの共振周波数が高くなり、より高速にマイクロミラーA及びBを揺動させることができる。よって、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、1つの大きなマイクロミラーとして機能する小さなマイクロミラーA及びBを使用しているため、1つの大きなマイクロミラーを使用する場合に比べて、2つのそれぞれのマイクロミラーA及びBを高速に揺動させることができる。本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、このように、高速揺動が可能な2つのマイクロミラーA及びBを1つの大きなマイクロミラーとして機能させることができるので、1つの大きなマイクロミラーを高速に揺動させた場合と同様の効果を発揮することができる。よって、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1を備える走査装置100を用いれば、感光ドラムPの走査を高速に行え、高速印刷を実現することができる。
The smaller the micromirrors A and B, the smaller the moment of inertia. Therefore, when the small micromirrors are supported by the
また、ヒンジ25A、25B、27A、27Bに支持されるマイクロミラーが小さいと、マイクロミラーの共振周波数が高くなるため、仮に、小さいマイクロミラーをばね定数の小さなヒンジに支持させても、当該マイクロミラーの共振周波数は比較的高い。ばね定数の低いヒンジは、マイクロミラーを揺動させる際に発生する応力が小さく、そのため、マイクロミラーを大振幅させても破断し難い。よって、小さなマイクロミラーをばね定数の低いヒンジに支持させると、比較的高い共振周波数で、大振幅でマイクロミラーを揺動させることができる。従って、本実施形態のMEMSアクチュエータ1のヒンジ25A、25B、27A、27Bのばね定数の低いヒンジを用いれば、比較的高速に大きな範囲でレーザ光を走査させることができる。
In addition, if the micromirrors supported by the
なお、光源2からマイクロミラーAを経由して感光ドラムPまでの距離と、光源2からマイクロミラーBを経由して感光ドラムPまでの距離とは異なるため、マイクロミラーAにて反射した反射光L’と、マイクロミラーBにて反射した反射光L’とが感光ドラムP上にて干渉し、的確な潜像を形成することができない恐れがある。この干渉を回避するため、光源2は、干渉のし難いインコヒーレントの光を出射することが好ましい。インコヒーレントの光を出射する光源2としては、例えばキセノンランプやハロゲンランプを用いることができる。また、コヒーレント性の強い光源を用いた場合に発生する干渉縞は規則性があるから、コヒーレント性のある光を用いる場合は、光源から出射される光の強度を変化させて補正することで、的確な潜像を形成することが可能である。
Since the distance from the
なお、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、図2に示すように、2つのマイクロミラーA及びBが並設されているが、3つ以上並設されてもよい。また、3つ以上並設するときは、等間隔ではなく、異なった間隔で並設すると前記の光の干渉の影響を低減することができる。 In the MEMS actuator 1 according to this embodiment, as shown in FIG. 2, two micromirrors A and B are arranged in parallel, but three or more micromirrors may be arranged in parallel. Further, when three or more are arranged in parallel, the influence of the light interference can be reduced by arranging them at different intervals instead of at equal intervals.
また、本実施形態においては、振幅調整用電極(第1電極)28Aと振幅調整用電極(第2電極)29Aとの間及び、振幅調整用電極(第1電極)28Bと振幅調整用電極(第2電極)29Bとの間に直流電圧を印加することによって、マイクロミラーA及びBの振幅を調整しているが、マイクロミラーA及びBの振幅の調整方法は、この方法に限定されるものでない。他の方法として、例えば、交流電源60と直流電源70とが、駆動用電極(第3電極)30A、30Bと、駆動用電極(第4電極)31A、31Bとに接続され、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に、直流電源70によって印加される直流電圧と交流電源60によって印加される交流電圧とが重畳された状態で印加する方法が挙げられる。このように、直流電圧と交流電圧とを重畳して印加すると、直流電圧と交流電圧を異なる電極(駆動用電極と振幅調整用電極)に印加した場合と同様の効果が得られる。直流電圧と交流電圧とを重畳した状態で、第3電極30Aと第4電極31Aとの間、及び、第3電極30Bと第4電極31Bとの間に印加する構成においては、振幅調整用電極28A、28B、29A、29Bが不要なため、MEMSアクチュエータ1の構成を単純化でき、またMEMSアクチュエータの製造コストを抑えることができる。逆に、振幅調整用電極28A、28B、29A、29Bに交流電圧を重畳させ、駆動用電極の働きを与えれば、駆動力が増加するため、構造を変えることなく、低電圧化が図れる。
In the present embodiment, the amplitude adjustment electrode (first electrode) 28A and the amplitude adjustment electrode (second electrode) 29A and the amplitude adjustment electrode (first electrode) 28B and the amplitude adjustment electrode ( The amplitude of the micromirrors A and B is adjusted by applying a DC voltage between the
(実施形態2)
本実施形態に係る走査装置100は、実施形態1の走査装置100が有する構成に加え、図1に示すように、光検出素子6と光源制御手段7とを備えている。光検出素子6は、マイクロミラーA及びBのミラー面A1及びB1に向けて出射された光Lの反射光L’が入射することによって検出信号を出力する構成とされている。光検出素子6は、反射光L’を遮って、感光ドラムPに潜像が形成されることを妨げないように、有効走査範囲S1よりも外側に配設されている。この有効走査範囲S1は、潜像を形成するために走査される走査範囲である。
(Embodiment 2)
In addition to the configuration of the
光検出素子6に入射される光は、マイクロミラーA及びBにて反射した反射光L’であるため、マイクロミラーA及びBの揺動角がある一定の角度のときに光検出素子6に反射光L’が入射され、マイクロミラーA及びBの揺動角がある一定の角度のときに検出信号が出力される。
Since the light incident on the
光源制御手段7は、光検出素子6から出力された検出信号に基づいて光源2から出射される光の強度を制御する。光源2から出射される光の強度の具体的な制御は、例えば光源2に供給する電流値を制御することで行う。光源制御手段7には、図7の点線で示すように、検出信号が出力されてからの経過時間と、光源2から出射される光の強度との関係が予め記憶されており、光源制御手段7は、この関係に基づいて、光源2から出射される光の強度を制御する。この関係は、マイクロミラーA及びBの揺動角に関係なく、感光ドラムP上の反射光L’の強度を一定とするために定められたものである。
The light source control means 7 controls the intensity of light emitted from the
具体的に説明すると、図6に示すように、マイクロミラーA及びBの揺動角Rが大きい場合、マイクロミラーA又はBにて反射した反射光L’の一部が、他のマイクロミラーA又はBに当たって、感光ドラムPに届かず、図7の実線で示すように、マイクロミラーA及びBの揺動角Rが大きくなると、感光ドラムP上において反射光L’の強度が低下する。よって、揺動角Rに基づいて光源2から出射される光の強度を制御することで、感光ドラムP上での反射光L’の強度を低下することを防ぐことができる。マイクロミラーA及びBの揺動角Rは、マイクロミラーA及びBの揺動によって時間と共に変動し、検出信号が出力されてからの経過時間と一対一の関係を持っている。よって、検出信号が出力されてからの経過時間に対して光源2から出射される光Lの強度を制御すると、感光ドラムP上における反射光L’の強度が低下することを防ぐことが可能であり、図7の点線で示す関係は、この観点から実験等により求められたものである。
More specifically, as shown in FIG. 6, when the swing angle R of the micromirrors A and B is large, a part of the reflected light L ′ reflected by the micromirror A or B is converted to another micromirror A. Alternatively, when it hits B and does not reach the photosensitive drum P, and the swing angle R of the micromirrors A and B increases as shown by the solid line in FIG. 7, the intensity of the reflected light L ′ decreases on the photosensitive drum P. Therefore, by controlling the intensity of the light emitted from the
以上のように、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、光源制御手段7によって、光源2から出射される光の強度が制御されることで、感光ドラムP上の照度の低下を防ぐことができ、そのため、潜像を的確に形成することができる。
As described above, the MEMS actuator 1 according to the present embodiment can prevent a decrease in illuminance on the photosensitive drum P by controlling the intensity of light emitted from the
以上のような光源20から出射される光の強度の制御は、上記した光検出素子6を用いる方法に代えて、基板本体20aに設けられた検出用電極と、揺動部材に設けられた検出用電極に直流電圧(検出用電圧)を印加することによって行うことが可能である。基板本体20aに設けられる検出用電極には、例えば、第4電極31A、31Bとは別途基板本体20aに設けられた電極を用い、揺動部材に設けられる検出用電極には、基板本体20aに設けられる検出用電極と対向するように、第3電極30A、30Bとは別途揺動部材に設けられた電極を用いることができる。
Control of the intensity of light emitted from the
2つの検出用電極は対向しており、これらの検出用電極対を1つのキャパシタとみなすことができる。2つの電極で構成されるキャパシタの電極間の距離は、マイクロミラーA及びBの揺動によって変動する。そうすると、この電極対をキャパシタとみなすと、電極対から構成されるキャパシタの静電容量は揺動角Rによって変動する。キャパシタに検出用電圧が印加されていると、キャパシタの静電容量の変動に応じた電流が発生する。 The two detection electrodes face each other, and these detection electrode pairs can be regarded as one capacitor. The distance between the electrodes of the capacitor composed of two electrodes varies depending on the oscillation of the micromirrors A and B. Then, when this electrode pair is regarded as a capacitor, the capacitance of the capacitor composed of the electrode pair varies with the swing angle R. When a detection voltage is applied to the capacitor, a current corresponding to a change in the capacitance of the capacitor is generated.
この場合、光制御手段7は、キャパシタの静電容量に応じて発生する電流に基づいて光源2から出射される光の強度を制御することで、マイクロミラーA及びBの揺動角Rによって、感光ドラムP上における光の強度が低下することを防ぐことが可能である。
In this case, the light control means 7 controls the intensity of the light emitted from the
(実施形態3)
本実施形態3の走査装置100は、MEMSデバイス10の構成を除いて実施形態1の走査装置100と同一の構成である。以下、本実施形態3の走査装置100のMEMSデバイス1について説明する。
(Embodiment 3)
The
図8は、本実施形態に係るMEMSデバイス10の概略構成図であり、図8(a)は平面図を示し、図8(b)は図8(a)のD―D断面図を示す。図8に示すように、本実施形態に係るMEMSデバイス10は、実施形態1のMEMSデバイス10と同様に、シリコン材から形成された上層基板20と絶縁材料(例えばガラス材)から形成された下層基板50とが上下に積層された構造を有している。
8A and 8B are schematic configuration diagrams of the
図8(a)に示すように、上層基板20は、左右(図8(a)に示すY軸の)両外部を構成する基板本体20aと、基板本体20aの内側の領域の左右に並設される2つの揺動ユニット40A及び40Bとを備える。なお、左右の揺動ユニット40A及び40Bの構造は同一であるため、以下では、左側の揺動ユニット40Aの構造について説明し、右側の揺動ユニット40Bの構造については適宜説明を省略する。また、説明を容易とするため、左側の揺動ユニット40Aに形成される部材には参照符号「A」を、右側の揺動ユニット40Bに形成される部材には参照符号「B」を付すこととする。
As shown in FIG. 8A, the
揺動ユニット40Aは、マイクロミラーA及びサスペンションビーム23Aを備えた揺動部材、接着パッド24A、第1電極28A、駆動用電極32Aを備える。
The
マイクロミラーAは、一方の面に光を反射するミラー面A1を有した楕円状に形成され、揺動ユニット40AのX軸方向中央に設けられている。当該マイクロミラーAの揺動軸(図8(a)に示すX軸)方向両端部には、サスペンションビーム23Aが形成されている。サスペンションビーム23Aは、マイクロミラーA側から図8(a)に示すX軸方向に延びる3本の細長状の部材を備えている。3本の細長状の部材のうち中央の1本は、ヒンジ25Aとして機能している。ヒンジ25Aとして機能する中央の細長状の部材の揺動軸方向端部(マイクロミラーAに接続されている側と反対側の端部)には、接着パッド24Aが形成されている。3本の細長状の部材のうち、MEMSデバイス10の内側(揺動ユニット40Bと対向する側)の細長状の部材には、MEMSデバイス10の内側に延びる駆動用電極(以下、第5電極という)32Aが設けられている。この第5電極32Aは、駆動ユニット40Bに形成された第5電極32AとX軸方向に交互に配置されている。さらに、3本の細長状の部材のうち、MEMSデバイス10の外側の細長状の部材には、MEMSデバイス10の外側に延びる第1電極28Aが設けられている。この第1電極28Aは、基板本体20aに設けられた第2電極29AとX軸方向に交互に配置されている。さらに、2つマイクロミラーA及びBは、実施形態1と同様に2つの弾性体22によって連結されている。
The micromirror A is formed in an elliptical shape having a mirror surface A1 that reflects light on one surface, and is provided in the center of the
以上のように形成された揺動ユニット40Aと同様の構成の揺動ユニット40Bが、右側の領域に形成されている。揺動ユニット40Aと揺動ユニット40Bは互いの揺動部材が揺動軸に平行となるように並設されている。
A
一方、図8(b)に示すように、下層基板50は、マイクロミラーA、Bを揺動軸周りに揺動可能とするべく、マイクロミラーA及びBに対応する位置が凹状に形成されている。上層基板20と下層基板50とが接合された状態で、下層基板50の接着パッド24Aの裏面に対応する位置には、前記凹状を形成する周壁51が形成されており、接着パッド24Aは周壁51に接着されている。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, the
本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1を構成する交流電源60は、マイクロミラーA及びBと一体的に形成された第5電極32A及び32B(以下、一対の第5電極という)に接続され、1対の第5電極間に交流電圧を印加することが可能に構成されている。また、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1を構成する直流電源70は、実施形態1のMEMSアクチュエータ1と同様に、第1電極28A、28Bと第2電極29A、29Bとに接続されており、第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間に電圧値の異なる直流電圧を印加することが可能に構成されている。
The
以上の構成の走査装置100を用いて感光ドラムPを走査する場合、交流電源60によって一対の第5電極に交流電圧が印加され、直流電源70によって、第1電極28Aと第2電極29Aとの間、及び、第1電極28Bと第2電極29Bとの間に直流電圧が印加される。一対の第5電極間に交流電圧が印加されると、一対の第5電極間に静電力が生じる。この静電力により、第5電極32A及び32Bは、引きつけ合ったり、反発し合ったりすることで、マイクロミラーAは、接着パッド24Aを固定端とし、ヒンジ25Aの弾性力に抗しながら揺動軸周りに揺動し、マイクロミラーBは、接着パッド24Bを固定端とし、ヒンジ25Bの弾性力に抗しながら揺動軸周りに揺動する。
When the photosensitive drum P is scanned using the
直流電源70によって印加される直流電圧は、実施形態1と同様に、マイクロミラーA及びBのミラー面A1及びB1で反射した反射光L’が、所定の範囲だけ感光ドラムP上を走査するように、マイクロミラーA及びBをある一定の振幅で揺動させるために必要とされる大きさである。従って、マイクロミラーA及びBは、一定振幅で揺動する。さらに、マイクロミラーA及びBは、弾性体22で連結されているため、実施形態1と同様に同一位相で揺動する。
As in the first embodiment, the DC voltage applied by the
以上のように、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、実施形態1のMEMSアクチュエータと同様に、マイクロミラーA及びBを同一の振幅、位相で揺動させることができる。よって、光源2から出射した光Lは、何れのマイクロミラーA及びBにて反射しても、常に同じ方向に反射されるので、2つのマイクロミラーA及びBは、1つの大きなマイクロミラーとして機能し、実施形態1のMEMSアクチュエータと同様の効果を有する。
As described above, the MEMS actuator 1 according to the present embodiment can swing the micromirrors A and B with the same amplitude and phase as the MEMS actuator of the first embodiment. Therefore, since the light L emitted from the
さらに、本実施形態MEMSのアクチュエータ1は、2つのマイクロミラーA及びBの間に設けられた駆動用電極(第5電極32A及び32B)間に生じる静電力によって揺動するため、マイクロミラーA及びBを揺動させるための駆動用電極は、2つで済み、さらに、駆動用電極を基板本体20aに設ける必要がないため、構成を単純化することができ、製造コストを抑えることができる。
Further, since the actuator 1 of the MEMS according to the present embodiment swings due to an electrostatic force generated between the drive electrodes (
なお、図8に示すように、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、マイクロミラーを2つ備えているが、3つ以上備えてもよい。 As shown in FIG. 8, the MEMS actuator 1 according to the present embodiment includes two micromirrors, but may include three or more.
また、本実施形態に係るMEMSアクチュエータ1は、マイクロミラーを2つ備えているため、図6に示すように、マイクロミラーA又はBにて反射した反射光L’の一部が、他のマイクロミラーA又はBに当たって、感光ドラムPに届かず、感光ドラムP上において反射光L’の強度が低下する問題がある。この問題を解決するために、本実施形態に係る走査装置100に、実施形態2に記載した光検出素子6及び光源制御手段7を備えたり、1対の第5駆動用電極の静電容量に基づいて、光源2から出射される光の強度を制御するようにしてもよい。
Further, since the MEMS actuator 1 according to the present embodiment includes two micromirrors, as shown in FIG. 6, a part of the reflected light L ′ reflected by the micromirror A or B is changed to other micromirrors. When hitting the mirror A or B, it does not reach the photosensitive drum P, and there is a problem that the intensity of the reflected light L ′ decreases on the photosensitive drum P. In order to solve this problem, the
1 MEMSアクチュエータ
10 MEMSデバイス
100 走査装置
2 光源
28A、28B、29A、29B 振幅調整用電極
30A、30B、31A、31B、32A、32B 駆動用電極
40A、B 揺動ユニット
6 光検出素子
60 交流電源
7 光源制御手段
70 直流電源
A、B マイクロミラー
L 光
L’ 反射光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
前記基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持された複数の揺動部材と、
前記各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられた駆動用電極と、
前記各駆動用電極間に交流電圧を印加する交流電源とを備え、
前記複数の揺動部材は、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設されることを特徴とするMEMSアクチュエータ。 A substrate,
A plurality of swinging members supported so as to be swingable about a swinging axis with respect to the substrate,
In order to drive each of the swinging members using electrostatic force, driving electrodes provided on each of the swinging members and the substrate,
An AC power source for applying an AC voltage between the drive electrodes,
The MEMS actuator according to claim 1, wherein the plurality of swing members are arranged in parallel so that swing axes thereof are substantially parallel to each other.
前記各振幅調整用電極間に直流電圧を印加する直流電源とをさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のMEMSアクチュエータ。 An amplitude adjusting electrode provided on each of the swing members and the substrate, for adjusting the swing amplitude of the swing members;
The MEMS actuator according to claim 1, further comprising a DC power supply that applies a DC voltage between the amplitude adjusting electrodes.
前記各駆動用電極間に、前記直流電圧と前記交流電圧とが重畳されて印加されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のMEMSアクチュエータ。 A DC power supply for applying a DC voltage between the drive electrodes;
4. The MEMS actuator according to claim 1, wherein the DC voltage and the AC voltage are applied in a superimposed manner between the driving electrodes. 5.
前記基板に対してそれぞれ揺動軸周りに揺動可能に支持され、それぞれの揺動軸が互いに略平行になるように並設された複数の揺動部材と、
前記各揺動部材を静電力を利用して揺動駆動するために、前記各揺動部材の互いに対向する位置に設けられた駆動用電極と、
前記各駆動用電極間に交流電圧を印加する交流電源とを備えたことを特徴とするMEMSアクチュエータ。 A substrate,
A plurality of oscillating members that are supported so as to be able to oscillate around the oscillating axis with respect to the substrate, and are arranged in parallel so that the oscillating axes are substantially parallel to each other;
Driving electrodes provided at positions facing each other of the swing members in order to drive the swing members using an electrostatic force;
A MEMS actuator comprising: an AC power source that applies an AC voltage between the driving electrodes.
前記各振幅調整用電極間に直流電圧を印加する直流電源とをさらに備えたことを特徴とする請求項5又は6に記載のMEMSアクチュエータ。 An amplitude adjusting electrode provided on each of the swing members and the substrate, for adjusting the swing amplitude of the swing members;
The MEMS actuator according to claim 5, further comprising a DC power source that applies a DC voltage between the amplitude adjusting electrodes.
前記各駆動用電極間に、前記直流電圧と前記交流電圧とが重畳されて印加されることを特徴とする請求項5から7の何れか1項に記載のMEMSアクチュエータ。 A DC power supply for applying a DC voltage between the drive electrodes;
The MEMS actuator according to any one of claims 5 to 7, wherein the DC voltage and the AC voltage are applied in a superimposed manner between the driving electrodes.
前記各ミラー面に向けて光を出射する光源と、
前記光源から出射された光の前記ミラー面での反射光が入射することによって検出信号を出力する光検出素子と、
前記光検出素子から出力された検出信号に基づいて、光源から出射される光の強度を制御する光源制御手段とを備えたことを特徴とする走査装置。 The MEMS actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein each of the swinging members has a mirror surface.
A light source that emits light toward each of the mirror surfaces;
A light detection element that outputs a detection signal when light reflected from the mirror surface of the light emitted from the light source enters;
A scanning apparatus comprising: a light source control unit that controls intensity of light emitted from a light source based on a detection signal output from the light detection element.
前記各揺動部材と前記基板とにそれぞれ設けられた検出用電極と、
前記検出用電極に電圧を印加する検出用電源と、
前記検出用電極間に発生する電流に基づいて、光源から出射される光の強度を制御する光制御手段とを備えたことを特徴とする走査装置。 A MEMS actuator according to any one of claims 1 to 8,
Detection electrodes provided on each of the swing members and the substrate,
A detection power source for applying a voltage to the detection electrode;
And a light control means for controlling the intensity of light emitted from the light source based on a current generated between the detection electrodes.
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JP2006080052A JP2007256557A (en) | 2006-03-23 | 2006-03-23 | Mems actuator and scanner |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011123481A (en) * | 2009-10-29 | 2011-06-23 | Btendo Ltd | Method and device for monitoring movement of mirror in mems device |
EP2359177A1 (en) * | 2008-12-17 | 2011-08-24 | Silverbrook Research Pty Ltd | Digital micro-mirror device |
-
2006
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CN102239436A (en) * | 2008-12-17 | 2011-11-09 | 西尔弗布鲁克研究股份有限公司 | Digital micro-mirror device |
EP2359177A4 (en) * | 2008-12-17 | 2012-06-06 | Silverbrook Res Pty Ltd | Digital micro-mirror device |
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