JP3023674B2 - Micro oscillating mirror element and laser scanning device using the same - Google Patents
Micro oscillating mirror element and laser scanning device using the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、揺動電極板部とミ
ラー部からなる微小揺動ミラー、前記揺動電極板部との
間に静電気力を発生するようにその左右に対称的に配置
された一対の固定電極板、及び前記微小揺動ミラーのス
トッパー並びにその帯電電荷を除去するアース部材とし
て機能するようにその左右に対称的に配置された一対の
ミラー受が半導体基板上に微細加工技術によって形成さ
れた半導体の微小揺動ミラー素子、及びこの微小揺動ミ
ラー素子を用いて構成したレーザ走査装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a minute oscillating mirror comprising an oscillating electrode plate and a mirror, and symmetrically disposed on the left and right sides of the oscillating electrode plate so as to generate an electrostatic force. A pair of fixed electrode plates, a pair of mirror receivers arranged symmetrically on the left and right sides thereof so as to function as a stopper for the micro oscillating mirror and a ground member for removing the charged electric charges are finely processed on the semiconductor substrate. The present invention relates to a semiconductor micro oscillating mirror element formed by technology and a laser scanning device configured using the micro oscillating mirror element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】複写機やプリンタ等のレーザ走査装置と
しては、ポリゴンミラーやガルバノミラーを用いたレー
ザ走査装置が一般的である。図１２は従来のポリゴンミ
ラー装置を用いた光走査系の一例を示すもので、高速回
転するスピンドルモータ４３で駆動されるポリゴンミラ
ー４２は、半導体レーザ４１からのレーザ光を反射して
所定の角度だけ繰り返し偏向する。ポリゴンミラー４２
で反射されたレーザ光は、集光レンズ４４と４５を通過
した後、反射ミラー４６で偏向されて感光ドラム４７上
に焦点を結ぶ。ポリゴンミラー装置は構造的に強固で且
つ動作も安定しているが問題がある。この問題は、ガル
バノミラーを用いたレーザ走査装置にも共通なものであ
る。即ち、一般にレーザ走査装置にはジッタ等の機械的
な非同期動作が生じるが、ポリゴンミラーやガルバノミ
ラーは慣性が大きいために、ジッタ等の機械的な非同期
動作を電気信号の調整で解消することが困難であり、モ
ータの質量バランスを厳密に調整することによって行わ
ざるを得ず、このため装置が大型になってしまうことで
あり、且つ上記バランス調整は容易ではないという問題
である。2. Description of the Related Art As a laser scanning device such as a copying machine or a printer, a laser scanning device using a polygon mirror or a galvanometer mirror is generally used. FIG. 12 shows an example of an optical scanning system using a conventional polygon mirror device. A polygon mirror 42 driven by a spindle motor 43 rotating at a high speed reflects a laser beam from a semiconductor laser 41 to a predetermined angle. Only repeatedly deflect. Polygon mirror 42
After passing through the condenser lenses 44 and 45, the laser light reflected by the light source is deflected by the reflection mirror 46 and focused on the photosensitive drum 47. Although the polygon mirror device is structurally strong and stable in operation, it has a problem. This problem is common to a laser scanning device using a galvanomirror. That is, mechanical asynchronous operations such as jitter generally occur in a laser scanning device, but mechanical asynchronous operations such as jitter can be eliminated by adjusting electric signals because the polygon mirror and the galvanometer mirror have large inertia. This is difficult, and must be performed by strictly adjusting the mass balance of the motor, which results in an increase in the size of the device and a problem that the balance adjustment is not easy.
【０００３】 そこで、プロジェクタの反射ミラーとし
て実用化されている微小揺動ミラー素子を用いた光偏向
装置を、複写機やプリンタの光走査系に利用して小型化
を図ることが提案されたが、未だに実用化されていな
い。微小揺動ミラー素子が反射ミラーとして用いられて
いるプロジェクタにおいては、図１３に示す如く、矩形
波パルス電圧で駆動されるためにミラーの変位角が非直
線的であり、従って直線的な変位角が要求される光偏向
装置には利用できないことである。また、特開平４−２
３０７２３号公報は、ランディング電極を有する空間光
変調器において、微小揺動ミラーの複数電極に印加する
デジタル電圧の組合わせを適切に選ぶことによりミラー
に働くトルクを一定にする駆動方法が開示されている。
この駆動方法で駆動された微小揺動ミラー素子を用い、
且つ走査光源のレーザの発光時間間隔を非線形に変化さ
せる光源駆動方式と組合わせることで、結果として感光
体上で走査光が一定距離間隔ではあるが直線的に走査さ
れることが可能であり、微小揺動ミラー素子を用いた光
偏向装置は実現可能ではある。しかしながら、このよう
な光偏向装置は駆動方式が複雑な上に、長い走査距離に
おいては精密な直線性を得ることが困難であるという問
題がある。例えば、Ａ４サイズの長さであればスポット
ずれがスポット径の１／３に相当する３０μｍ以下の精
密な直線性を得ることが困難である。また、電極構造も
複雑になるという問題もある。Therefore, it has been proposed to reduce the size of an optical deflector using a micro oscillating mirror element, which is practically used as a reflection mirror of a projector, in an optical scanning system of a copying machine or a printer. , Has not yet been put to practical use. In a projector using a micro oscillating mirror element as a reflecting mirror, the displacement angle of the mirror is non-linear because it is driven by a rectangular wave pulse voltage as shown in FIG. Cannot be used for an optical deflector which requires the following. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-2
Japanese Patent No. 30723 discloses a driving method in a spatial light modulator having a landing electrode, in which a torque acting on a mirror is stabilized by appropriately selecting a combination of digital voltages applied to a plurality of electrodes of a micro oscillating mirror. I have.
Using a micro oscillating mirror element driven by this driving method,
And by combining with a light source driving method that changes the light emission time interval of the laser of the scanning light source in a non-linear manner, as a result, the scanning light can be linearly scanned on the photoconductor at a fixed distance interval, An optical deflector using a micro oscillating mirror element is feasible. However, such a light deflecting device has a problem that the driving method is complicated and it is difficult to obtain precise linearity over a long scanning distance. For example, if the length is A4 size, it is difficult to obtain a precise linearity of 30 μm or less in which the spot displacement corresponds to １ ／ of the spot diameter. There is also a problem that the electrode structure becomes complicated.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラ
ー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生するよう
にその左右に対称的に配置された一対の固定電極板、及
び前記微小揺動ミラーのストッパー並びに帯電電荷除去
部材として機能するようにその左右に対称的に配置され
た一対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によっ
て形成された半導体の微小揺動ミラー素子において、前
記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線的に変化
するように駆動することである。解決しようとする他の
課題は、前記微小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装
置を提供することである。The problem to be solved is a minute oscillating mirror composed of an oscillating electrode plate portion and a mirror portion, and a micro-oscillating mirror that generates an electrostatic force between the oscillating electrode plate portion. A pair of fixed electrode plates arranged symmetrically on the left and right, and a pair of mirror receivers arranged symmetrically on the left and right thereof so as to function as a stopper of the micro oscillating mirror and a charge removal member are provided on the semiconductor substrate. In a semiconductor micro oscillating mirror element formed by a micromachining technique, the driving is performed such that the displacement angle of the micro oscillating mirror changes linearly with time. Another object to be solved is to provide a laser scanning device using the micro oscillating mirror element.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラ
ー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生するよう
にその左右に対称的に配置された一対の固定電極板、及
び前記微小揺動ミラーのストッパー並びに帯電電荷除去
部材として機能するようにその左右に対称的に配置され
た一対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によっ
て形成された半導体の微小揺動ミラー素子を、周期的に
変化する駆動電圧であって最大値と最小値の間を時間と
共に非線形関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の
電圧で駆動して、微小揺動ミラーの変位角が時間に対し
て直線的に変化するようにした。In order to solve the above-mentioned problems, a minute oscillating mirror composed of an oscillating electrode plate and a mirror is provided, and an electrostatic force is generated between the oscillating electrode plate and the oscillating electrode plate. A pair of fixed electrode plates arranged symmetrically on the left and right, and a pair of mirror receivers arranged symmetrically on the left and right thereof so as to function as a stopper of the micro oscillating mirror and a charge removal member are provided on the semiconductor substrate. A semiconductor micro-oscillating mirror element formed by micro-fabrication technology is driven by a non-linear voltage which is a drive voltage that changes periodically and that falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. And the displacement angle of the micro oscillating mirror changes linearly with time.
【０００６】レーザ走査装置を、揺動電極板部とミラー
部とからなる微小揺動ミラー、前記揺動電極板部との間
に静電気力を発生するようにその左右に対称的に配置さ
れた一対の固定電極板、及び前記微小揺動ミラーのスト
ッパー並びに帯電電荷除去部材として機能するようにそ
の左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基
板上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺
動ミラー素子、レーザ光を発生する半導体レーザ、及び
前記微小揺動ミラー素子と前記半導体レーザとの間に配
置された集光用微小レンズをベース基板上に取り付けて
構成し、周期的に変化する駆動電圧であって最大値と最
小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで上昇
する非線形波形の電圧で駆動して、微小揺動ミラーの変
位角が時間に対して直線的に変化するようにした。[0006] A laser scanning device is arranged symmetrically on the left and right sides of a micro-oscillating mirror comprising an oscillating electrode plate portion and a mirror portion so as to generate an electrostatic force between the oscillating electrode plate portion. A semiconductor in which a pair of fixed electrode plates and a pair of mirror receivers symmetrically arranged on the left and right sides thereof to function as stoppers of the micro oscillating mirror and a charge removing member are formed on a semiconductor substrate by a fine processing technique. A micro-oscillating mirror element, a semiconductor laser for generating laser light, and a condensing micro-lens disposed between the micro-oscillating mirror element and the semiconductor laser, mounted on a base substrate, Driving with a voltage having a nonlinear waveform that falls in a non-linear function with time between the maximum value and the minimum value and then rises, and the displacement angle of the micro oscillating mirror with respect to time And to vary linearly.
【０００７】前記レーザ走査装置において、微小揺動ミ
ラー素子、半導体レーザ、及び集光用微小レンズをベー
ス基板上に取り付けてモジュール化し、且つ出射窓を有
する１つの真空容器に封入して、ミラーの揺動動作の効
率を高めた。前記微小レンズの焦点面が前記微小揺動ミ
ラーで反射された後の光路上に形成されるように位置づ
けて、微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及び微小レン
ズをベース基板上に配置することよって、コリメータレ
ンズの設計を容易にし、更に関連する光学系の制約を少
なくした。前記半導体レーザの出射端面の反対側のベー
ス基板上に、フォトダイオードを配置して出力光強度の
モニターを容易に行うようにした。In the above laser scanning device, a micro oscillating mirror element, a semiconductor laser, and a condensing micro lens are mounted on a base substrate to form a module, and the module is sealed in one vacuum vessel having an emission window. The efficiency of the swing operation has been improved. By positioning the focal plane of the micro lens on the optical path after being reflected by the micro oscillating mirror, disposing the micro oscillating mirror element, the semiconductor laser and the micro lens on the base substrate, The design of the collimator lens has been simplified, and the restrictions on the related optical system have been reduced. A photodiode is arranged on the base substrate on the side opposite to the emission end face of the semiconductor laser so that the output light intensity can be easily monitored.
【０００８】前記周期的に変化する駆動電圧を、最大値
と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで
上昇するアナログ的な非線形波形の電圧とすることによ
って、１ｋＨｚ程度の低速で走査する場合に対応できる
ようにした。更に、前記周期的に変化する駆動電圧を、
最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し
次いで上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス
振幅変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線
形波形の電圧とすることによって、１００ｋＨｚ程度ま
での高速で走査する場合に対応できるようにした。The scanning voltage is changed at a low speed of about 1 kHz by making the periodically changing driving voltage a voltage having an analog non-linear waveform which falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. It is now possible to respond to the case. Further, the drive voltage that periodically changes is
By applying the same digital non-linear waveform voltage obtained by pulse amplitude modulation with an analog non-linear waveform voltage that falls nonlinearly with time and then rises between the maximum value and the minimum value with time, and then rises , At a high speed of up to about 100 kHz.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】本発明に係る微小揺動ミラー素子
は、図１にその主要部の構成を且つ図２にその全体の概
要を示す通り、ベース基板４の上に微小揺動ミラー素子
１、レーザ光を発生する半導体レーザ２、及び微小揺動
ミラー素子１と半導体レーザ２との間に配置された集光
用微小レンズ３の少なくとも３つの構成要素を取り付け
て、出射窓Ｗを有する１つの真空容器９に封入して構成
したものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A micro oscillating mirror element according to the present invention has a main oscillating mirror element on a base substrate 4 as shown in FIG. 1. At least three components of a semiconductor laser 2 for generating laser light, and a condensing microlens 3 disposed between the micro-oscillating mirror element 1 and the semiconductor laser 2 are attached, and an emission window W is provided. It is configured to be sealed in one vacuum vessel 9.
【００１０】即ち、ベース基板４の上にはミラー台６と
レーザ台８が形成され、ミラー台６の上には微小揺動ミ
ラー素子１が取り付けられ、レーザ台８の上には半導体
レーザ２が取り付けられている。ミラー台６は所定の角
度を有する断面が三角形の部材であり、半導体レーザ２
から集光用微小レンズ３を経て入射された入射光Ｐを微
小揺動ミラー素子１が所定方向に反射するように、従っ
て反射光Ｒが出射窓Ｗから真空容器９の外に適切に出射
するように前記角度は定められている。出力光強度のモ
ニター用フォトダイオード５は、半導体レーザ２の出射
口の反対側に配置されレーザ台８の上に取り付けられて
いる。That is, a mirror base 6 and a laser base 8 are formed on the base substrate 4, the micro oscillating mirror element 1 is mounted on the mirror base 6, and the semiconductor laser 2 is mounted on the laser base 8. Is attached. The mirror base 6 is a member having a predetermined angle and a triangular cross section.
The micro oscillating mirror element 1 reflects the incident light P, which has entered through the condensing microlens 3, in a predetermined direction, so that the reflected light R is appropriately emitted from the emission window W to the outside of the vacuum container 9. The angle is determined as described above. The photodiode 5 for monitoring the output light intensity is disposed on the opposite side of the emission port of the semiconductor laser 2 and is mounted on the laser stand 8.
【００１１】微小揺動ミラー素子１は、図３ないし図４
に示す如く、ミラー支柱１２を介してシリコン基板１０
に揺動可能に取り付けられた微小揺動ミラー１１、ミラ
ー支柱１２の左右に対称的に配置された一対の固定電極
板１６ａと１６ｂ、及び前記ミラー支柱の左右に前記固
定電極板よりも外側に左右に対称的に配置された一対の
ミラー受１８ａと１８ｂとから構成されている。FIG. 3 and FIG.
As shown in FIG.
A small oscillating mirror 11 slidably mounted on a pair of fixed electrode plates 16a and 16b symmetrically disposed on the left and right sides of the mirror support 12, and on the left and right sides of the mirror support outside the fixed electrode plate. It is composed of a pair of mirror receivers 18a and 18b arranged symmetrically on the left and right.
【００１２】微小揺動ミラー素子１はシリコンの異方性
エッチングを用いた微細加工技術によって作製されたも
ので、シリコン基板１０の上にはヒンジ台１５ａと１５
ｂ、前記ヒンジ台の左右に対称的に配置された電極支柱
１７ａと１７ｂ、及びその外側に対称的に配置されたミ
ラー受台１９ａと１９ｂがそれぞれ形成され、更にヒン
ジ台１５ａと１５ｂの上にはヨーク１３を揺動可能に支
持するヒンジ１４ａと１４ｂが、電極支柱１７ａと１７
ｂの上には薄膜板の固定電極板１６ａと１６ｂが、及び
ミラー受台１９ａと１９ｂの上にはミラー受１８ａと１
８ｂがそれぞれ形成されて作製されたものである。The micro oscillating mirror element 1 is manufactured by a fine processing technique using anisotropic etching of silicon.
b, electrode posts 17a and 17b symmetrically arranged on the left and right sides of the hinge base, and mirror receiving bases 19a and 19b symmetrically arranged outside thereof are formed, respectively, and further on the hinge bases 15a and 15b. The hinges 14a and 14b for swingably supporting the yoke 13 are provided with electrode posts 17a and 17b.
b, thin-film fixed electrode plates 16a and 16b, and mirror receivers 19a and 19b on mirror receivers 18a and 1b.
8b are formed and formed.
【００１３】図４はヨーク１３、ヒンジ１４ａと１４ｂ
及びヒンジ台１５ａと１５ｂの具体的な構造を示す。ミ
ラー支柱１２がその上に形成される方形薄板のヨーク１
３は、ヒンジ台１５ａと１５ｂにそれぞれ固定された一
対の細長い薄板のヒンジ１４ａと１４ｂによって、これ
らを結ぶ線即ち揺動軸上で揺動可能にして支持されてい
る。ヨーク１３とヒンジ１４ａと１４ｂは、弾性の大き
な金属材料、例えばアモルファスアルミニウムなどによ
って一体に形成されている。ヒンジ１４ａと１４ｂはヨ
ーク１３に比べて揺動軸に沿って細く形成されており、
ねじれ易く且つ弾性回復し易い構造となっている。ヨー
ク１３とヒンジ１４ａと１４ｂの厚みは１〜１００μｍ
程度である。ヨーク１３、ヒンジ１４ａと１４ｂ及びヒ
ンジ台１５ａと１５ｂは駆動電圧を揺動電極と固定電極
に供給する回路の一部を構成している。FIG. 4 shows a yoke 13, hinges 14a and 14b.
5 shows a specific structure of the hinge bases 15a and 15b. Rectangular thin plate yoke 1 on which mirror support 12 is formed
Numeral 3 is supported by a pair of elongated thin plate hinges 14a and 14b fixed to hinge bases 15a and 15b, respectively, so as to be swingable on a line connecting them, that is, a swing axis. The yoke 13 and the hinges 14a and 14b are integrally formed of a highly elastic metal material, such as amorphous aluminum. The hinges 14a and 14b are formed thinner along the pivot axis than the yoke 13,
The structure is easy to be twisted and elastically recovered. The thickness of the yoke 13 and the hinges 14a and 14b is 1 to 100 μm
It is about. The yoke 13, the hinges 14a and 14b, and the hinge bases 15a and 15b constitute a part of a circuit for supplying a drive voltage to the swing electrode and the fixed electrode.
【００１４】微小揺動ミラー１１は、揺動電極板部が下
側に且つミラー部が上側にそれぞれ形成された方形薄板
の部材である。微小揺動ミラー１１は、一対の固定電極
板１６ａと１６ｂと平行に且つ方形薄板のヨーク１３と
対角線を交差させて、その中心部で弾力性のあるミラー
支柱１２によって支持されている。そしてミラー支柱１
２は、ヒンジ台１５ａと１５ｂと一対の弾力性のあるヒ
ンジ１４ａと１４ｂによって揺動可能にして支えられて
いるヨーク１３上に形成されている。従って微小揺動ミ
ラー１１は、一対の細長い薄板のヒンジ１４ａと１４ｂ
を結ぶ線を揺動軸として、一つの対角線に沿った揺動が
可能となっている。微小揺動ミラー１１の大きさは揺動
周波数に依存するが２０〜５００μｍ角程度、ミラー支
柱の高さは１〜１０μｍ程度である。The micro oscillating mirror 11 is a rectangular thin plate member in which the oscillating electrode plate is formed on the lower side and the mirror is formed on the upper side. The micro oscillating mirror 11 is supported by an elastic mirror support 12 at the center thereof in parallel with the pair of fixed electrode plates 16a and 16b and diagonally intersecting with the rectangular thin yoke 13. And mirror support 1
Numeral 2 is formed on a yoke 13 which is swingably supported by hinge bases 15a and 15b and a pair of elastic hinges 14a and 14b. Accordingly, the micro oscillating mirror 11 is composed of a pair of elongated thin plate hinges 14a and 14b.
Can be swung along one diagonal line using the line connecting the two as the swing axis. The size of the micro oscillating mirror 11 depends on the oscillating frequency, but is about 20 to 500 μm square, and the height of the mirror support is about 1 to 10 μm.
【００１５】微小揺動ミラー１１とミラー受１８ａと１
８ｂは、弾力性のあるゲルマニウムなどを添加したアモ
ルファスアルミニウムなどによって形成されている。ミ
ラー支柱１２、ヒンジ台１５ａと１５ｂ、電極支柱１７
ａと１７ｂ、及びミラー受台１９ａと１９ｂは、リンや
ボロンを注入又は拡散させて導電性を高めたシリコンで
形成されている。ミラー受１８ａと１８ｂは、微小揺動
ミラー１１の揺動端部を受けるストッパーとして機能す
ると共に、微小揺動ミラー１１上に帯電した電荷をミラ
ー受台１９ａと１９ｂを介して除去する帯電電荷除去部
材として機能する。ミラー受台１９ａと１９ｂはアース
されている。ミラー受１８ａと１８ｂは微小揺動ミラー
１１と同質の材料で構成されているので、微小揺動ミラ
ー１１がミラー受に衝突するときの両部材間の摩耗を最
小にすることができた。The micro oscillating mirror 11 and the mirror receivers 18a and 1
8b is formed of amorphous aluminum to which elastic germanium or the like is added. Mirror support 12, hinge bases 15a and 15b, electrode support 17
The a and 17b and the mirror pedestals 19a and 19b are made of silicon whose conductivity is increased by injecting or diffusing phosphorus or boron. The mirror receivers 18a and 18b function as stoppers for receiving the oscillating end of the micro oscillating mirror 11, and remove the electric charges charged on the micro oscillating mirror 11 via the mirror pedestals 19a and 19b. Functions as a member. The mirror receivers 19a and 19b are grounded. Since the mirror receivers 18a and 18b are made of the same material as the micro oscillating mirror 11, the wear between the two members when the micro oscillating mirror 11 collides with the mirror receiver can be minimized.
【００１６】微小レンズ３は、その焦点面が微小揺動ミ
ラー素子１で反射された後の光路上に形成されるような
位置にして、微小揺動ミラー素子１と半導体レーザ２の
間に配置されている。即ち図１及び図５Ａと５Ｂに示す
如く、微小レンズ３で集光され入射されたレーザ光は、
微小揺動ミラー素子１の微小揺動ミラー１１で反射され
た後の光路上に焦点Ｆを結んでいる。このようにするこ
とによって、走査後の光をコリメートする場合に、コリ
メータレンズからより近い位置に焦点面が存在するよう
になり、従ってコリメータレンズの設計が容易になると
同時に、それ以外の光学系の制約が少なくなるという利
点がある。The micro lens 3 is disposed between the micro oscillating mirror element 1 and the semiconductor laser 2 at a position where its focal plane is formed on the optical path after being reflected by the micro oscillating mirror element 1. Have been. That is, as shown in FIGS. 1 and 5A and 5B, the laser light condensed and incident by the microlens 3 is:
The focal point F is formed on the optical path after being reflected by the micro oscillating mirror 11 of the micro oscillating mirror element 1. By doing so, when collimating the light after scanning, the focal plane is present at a position closer to the collimator lens, so that the design of the collimator lens becomes easier, and at the same time, the other optical systems There is an advantage that restrictions are reduced.
【００１７】本発明の好ましい実施例において、微小揺
動ミラー素子は、図２に示す如く出射窓Ｗを有する真空
容器９内に収納されている。このようにすることによっ
て微小揺動ミラー１１は空気抵抗を受けなくなり、１〜
１００ｋＨｚという高速振動を行っても空気抵抗による
エネルギー損失の発生がなく、従って微小揺動ミラー素
子１の動作が効率的になった。真空容器９はアルミニウ
ムやセラミックスで形成したものである。真空容器９内
のガス圧は０．２気圧程度以下であれば十分に特性を発
揮できるが、０．１気圧以下にするのが望ましい。ま
た、容器９内を真空に保つとともに、アルゴンガスや窒
素ガスなどの非酸化性ガスに置換した状態にすること
で、より長寿命化を図ることができる。真空容器９のシ
ールは、ハーメチックシールなどの蝋付け技術が用いら
れる。In a preferred embodiment of the present invention, the micro oscillating mirror element is housed in a vacuum vessel 9 having an exit window W as shown in FIG. By doing so, the micro oscillating mirror 11 does not receive air resistance,
Even when a high-speed vibration of 100 kHz was performed, there was no energy loss due to air resistance, and thus the operation of the micro oscillating mirror element 1 became efficient. The vacuum container 9 is made of aluminum or ceramics. If the gas pressure in the vacuum vessel 9 is about 0.2 atm or less, the characteristics can be sufficiently exhibited, but it is desirable to be 0.1 atm or less. Further, by keeping the inside of the container 9 in a vacuum and replacing it with a non-oxidizing gas such as an argon gas or a nitrogen gas, the life can be further extended. The sealing of the vacuum container 9 is performed by a brazing technique such as a hermetic seal.
【００１８】上述した如く、微小レンズ３で集光され入
射されたレーザ光は微小揺動ミラー素子１の微小揺動ミ
ラー１１で反射された後の光路上であって、微小揺動ミ
ラー１１から一定の所定距離の球面上に焦点面Ｆを形成
する。微小揺動ミラー素子１で反射されたレーザ光の出
射口となる出射窓Ｗは、この焦点面Ｆに概ね平行にして
真空容器９に形成されている。出射窓Ｗは、実用的に
は、走査されるレーザ光の最大反射光と最小反射光との
中点を形成する反射中心Ｑに垂直に配置した透明板、例
えばアクリルやポリカーボネートなどの高分子材料やガ
ラスの透明板を用いて形成する。また、出射窓Ｗの両
面、少なくとも一方の面には使用波長に対応した無反射
コーティングを施し、表面での反射損失を低減させてい
る。As described above, the laser light condensed and incident by the micro lens 3 is on the optical path after being reflected by the micro oscillating mirror 11 of the micro oscillating mirror element 1, and from the micro oscillating mirror 11. A focal plane F is formed on a spherical surface at a predetermined distance. An emission window W serving as an emission port of the laser light reflected by the micro oscillating mirror element 1 is formed in the vacuum vessel 9 so as to be substantially parallel to the focal plane F. The emission window W is practically a transparent plate arranged perpendicular to the reflection center Q forming the midpoint between the maximum reflected light and the minimum reflected light of the scanned laser light, for example, a polymer material such as acrylic or polycarbonate. Or a transparent glass plate. Further, both surfaces of the exit window W, at least one surface, are coated with an anti-reflection coating corresponding to the wavelength used to reduce reflection loss on the surface.
【００１９】微小揺動ミラー素子１の駆動電圧供給回路
は、微小揺動ミラー１１の揺動電極板の構造によって方
式が異なる。即ち図６は、１つの揺動電極板部１１ｅと
１つのミラー部１１ｍとから構成された微小揺動ミラー
１１を有する微小揺動ミラー素子１の駆動電圧供給回路
である。図７との違いを明確にするために揺動電極板部
１１ｅとミラー部１１ｍは別々の部材で形成しているよ
うに示してあるが、本発明の一実施例においては揺動電
極部とミラー部はアモルファスアルミニウムで一体に形
成された部材である。図６において、揺動電極板部１１
ｅは線Ｌｅを経て、また固定電極板１６ａと１６ｂは線
ＬａとＬｂを経て駆動回路２０にそれぞれ接続されてい
る。ミラー受１８ａと１８ｂは線Ｌを経てアースされて
いる。駆動電圧は、一方の固定電極板と揺動電極板部と
は同極性に、且つ他方の固定電極板と揺動電極板部とは
逆極性になるようにして、駆動回路２０から揺動電極板
部１１ｅと一対の固定電極板１６ａと１６ｂに供給され
る。The driving voltage supply circuit of the micro oscillating mirror element 1 differs depending on the structure of the oscillating electrode plate of the micro oscillating mirror 11. That is, FIG. 6 shows a drive voltage supply circuit for the micro oscillating mirror element 1 having the micro oscillating mirror 11 composed of one oscillating electrode plate 11e and one mirror 11m. In order to clarify the difference from FIG. 7, the swing electrode plate portion 11e and the mirror portion 11m are shown as being formed by separate members, but in one embodiment of the present invention, the swing electrode portion The mirror part is a member integrally formed of amorphous aluminum. In FIG. 6, the swing electrode plate 11
e is connected to the drive circuit 20 via the line Le, and the fixed electrode plates 16a and 16b are connected to the drive circuit 20 via the lines La and Lb, respectively. The mirror receivers 18a and 18b are grounded via a line L. The drive voltage is controlled by the drive circuit 20 so that the one fixed electrode plate and the oscillating electrode plate have the same polarity, and the other fixed electrode plate and the oscillating electrode plate have opposite polarities. It is supplied to the plate portion 11e and the pair of fixed electrode plates 16a and 16b.
【００２０】図７は、アモルファスアルミニウムで形成
された一対の揺動電極板部１１ｅａと１１ｅｂ及び非導
電性材料で形成された１つのミラー部１１ｍとからなる
微小揺動ミラー１１を有する微小揺動ミラー素子１の駆
動電圧供給回路である。図７において揺動電極板部１１
ｅａと１１ｅｂは線ＬｅａとＬｅｂを経て、また固定電
極板１６ａと１６ｂは線ＬａとＬｂを経て駆動回路２０
にそれぞれ接続されている。ミラー受１８ａと１８ｂは
線Ｌを経てアースされている。駆動電圧は、少なくとも
一方の固定電極板と一方の揺動電極板部とは同極性に、
且つ他方の固定電極板と他方の揺動電極板部とは逆極性
になるようにして、駆動回路２０から一対の揺動電極板
部１１ｅａと１１ｅｂと一対の固定電極板１６ａと１６
ｂに供給される。FIG. 7 shows a micro oscillating mirror 11 having a micro oscillating mirror 11 comprising a pair of oscillating electrode plates 11ea and 11eb formed of amorphous aluminum and one mirror 11m formed of a non-conductive material. This is a drive voltage supply circuit for the mirror element 1. In FIG. 7, the oscillating electrode plate 11
ea and 11eb pass through lines Lea and Leb, and fixed electrode plates 16a and 16b pass through lines La and Lb.
Connected to each other. The mirror receivers 18a and 18b are grounded via a line L. The driving voltage is such that at least one fixed electrode plate and one swing electrode plate have the same polarity,
The drive circuit 20 sets the pair of oscillating electrode plates 11ea and 11eb and the pair of fixed electrode plates 16a and 16eb so that the other fixed electrode plate and the other oscillating electrode plate have opposite polarities.
b.
【００２１】駆動回路２０から駆動電圧が印加される
と、揺動電極板部と固定電極板との間には電界が発生
し、同極性の揺動電極板部と固定電極板との間には静電
気による吸引力が同時に逆極性の揺動電極板部と固定電
極板との間には静電気による反発力がそれぞれ発生す
る。これらの静電気による吸引力と反発力によってトル
クが発生し、微小揺動ミラー１１を支点Ｚ上で回動さ
せ、逆極性の固定電極の方に傾斜させる。支点Ｚは、図
２においては、一対のヒンジ１４ａと１４ｂが形成する
揺動軸である。前記電界は揺動電極板部と固定電極板と
の距離、及び揺動電極板部の表面に誘起される表面電荷
の分布に依存し、そして前記トルクはこの電界の大きさ
と微小揺動ミラー１１の面積要素によって定まるもので
ある。一般に、電極への印加電圧が一定であれば、微小
揺動ミラー１１が傾斜して距離が小さくなった揺動電極
板部と固定電極板との間の電界強度は距離が小さくなる
に従って増加し、その結果、揺動電極板部と固定電極板
との間の吸引力、従って微小揺動ミラー１１に働く力は
距離が小さくなるに従って強くなる。そして、揺動電極
板部の表面に誘起される表面電荷の分布状態も変化し
て、より距離の小さい部分即ち固定電極板との間隔の狭
い部分に集中する傾向がある。 このため、微小揺動ミ
ラー１１の傾斜の大きさ、従ってミラー変位角は、時間
の２乗以上の大きな指数をもって変化する。When a drive voltage is applied from the drive circuit 20, an electric field is generated between the oscillating electrode plate and the fixed electrode plate, and an electric field is generated between the oscillating electrode plate having the same polarity and the fixed electrode plate. At the same time, attraction force due to static electricity simultaneously generates repulsion force due to static electricity between the swinging electrode plate portion and the fixed electrode plate having opposite polarities. A torque is generated by the attraction force and the repulsion force of the static electricity, and the micro oscillating mirror 11 is rotated on the fulcrum Z and tilted toward the fixed electrode of the opposite polarity. The fulcrum Z is a swing axis formed by the pair of hinges 14a and 14b in FIG. The electric field depends on the distance between the oscillating electrode plate and the fixed electrode plate, and the distribution of surface charges induced on the surface of the oscillating electrode plate. Is determined by the area element of In general, when the voltage applied to the electrode is constant, the electric field strength between the oscillating electrode plate portion and the fixed electrode plate, in which the distance is reduced by tilting the micro oscillating mirror 11, increases as the distance decreases. As a result, the attractive force between the swinging electrode plate portion and the fixed electrode plate, that is, the force acting on the minute swinging mirror 11 increases as the distance decreases. The distribution state of the surface charges induced on the surface of the oscillating electrode plate also changes, and tends to concentrate on a portion having a smaller distance, that is, a portion having a small distance from the fixed electrode plate. For this reason, the magnitude of the inclination of the micro oscillating mirror 11, and hence the mirror displacement angle, changes with a large exponent not less than the square of time.
【００２２】一対のヒンジ１４ａと１４ｂが形成する揺
動軸上で回動し続けた微小揺動ミラー１１は、ミラー受
１８ａと１８ｂの一方、即ち逆極性の駆動電圧を印加さ
れた固定電極板側のミラー受に衝突して停止する。ミラ
ー受１８ａと１８ｂは、ミラー受台１９ａと１９ｂを介
してアースされているので、微小揺動ミラー１１の表面
に帯電した電荷は、この衝突によって瞬時に完全に除去
される。一対のヒンジ１４ａと１４ｂとミラー支柱１２
は弾性の大きなアモルファスアルミニュウムで形成され
ているので、表面電荷が除去されると微小揺動ミラー１
１はこれらの部材の弾性によって元の位置に復帰する。
なお、本実施例においては、揺動電極板部１１ｅとミラ
ー部１１ｍとは、共通の導電性材料、例えばアルミニウ
ムなどで構成してもよい。The micro oscillating mirror 11, which has continued to rotate on the oscillating axis formed by the pair of hinges 14a and 14b, has one of the mirror receivers 18a and 18b, that is, a fixed electrode plate to which a driving voltage of opposite polarity is applied. Stops by colliding with the mirror receiver on the side. Since the mirror receivers 18a and 18b are grounded via the mirror receivers 19a and 19b, the electric charges charged on the surface of the micro oscillating mirror 11 are instantaneously and completely removed by this collision. A pair of hinges 14a and 14b and a mirror support 12
Is made of highly elastic amorphous aluminum, so that when the surface charge is removed, the micro oscillating mirror 1
1 returns to the original position by the elasticity of these members.
In the present embodiment, the swing electrode plate 11e and the mirror 11m may be made of a common conductive material, for example, aluminum.
【００２３】本発明に係る微小揺動ミラー素子を備えた
レーザ走査装置において、周期的に変化する駆動電圧
は、図８の上段に示す如く最大値と最小値の間を時間と
共に非線形関数的に下降し次いで上昇するアナログ的な
非線形電圧、又は図９の上段に示す如く最大値と最小値
の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで上昇する
アナログ的な非線形電圧でパルス振幅変調されて得られ
たものと同一のデジタル的な非線形電圧とした。前者は
１ｋＨｚ程度の低速で走査する場合、後者は１００ｋＨ
ｚ程度までの高速で走査する場合に適している。周期的
に変化する駆動電圧をこのような非線形電圧とすること
によって、本発明に係るレーザ走査装置におけるミラー
変位角は、図８又は図９のそれぞれの下段に示す如く、
時間と共に直線的に変化するようになった。このような
非線形の駆動電圧を印加してミラー変位角の直線性のよ
い動作を実現できたのは、微小揺動ミラー素子の微小揺
動ミラー１１が２０から２００μｍ角というサイズも慣
性も小さいものであるからである。In the laser scanning device provided with the micro oscillating mirror element according to the present invention, the drive voltage that changes periodically has a non-linear function with time between the maximum value and the minimum value as shown in the upper part of FIG. An analog non-linear voltage that falls and then rises, or a pulse amplitude modulated by an analog non-linear voltage that falls and then rises in a non-linear manner with time in a non-linear manner between the maximum value and the minimum value as shown in the upper part of FIG. The same digital non-linear voltage was obtained. The former scans at a low speed of about 1 kHz, while the latter scans at 100 kHz.
It is suitable for scanning at a high speed up to about z. By making the drive voltage that changes periodically such a non-linear voltage, the mirror displacement angle in the laser scanning device according to the present invention becomes as shown in the lower part of FIG. 8 or FIG.
It changed linearly with time. Applying such a non-linear driving voltage, the operation with good linearity of the mirror displacement angle can be realized because the micro oscillating mirror 11 of the micro oscillating mirror element has a size of 20 to 200 μm square and a small inertia. Because it is.
【００２４】図８又は図９に示す非線形電圧の波形の非
線形関数は、ミラー変位角が時間と共に直線的に変化す
るように実験的に求める。ミラー変位角は、実際のレー
ザ光の走査角度から直接求める。図８から分かるよう
に、駆動電圧の周期位相はミラー変位角の周期位相より
も若干遅れている。このときの図８におけるａ、ｂ、ｃ
及びｄ、並びに位相のずれ時間は実験的に求める。図８
に示す如き非線形波形の駆動電圧は、例えば図１３の上
段に示す矩形波パルスを非線形回路を通過させることに
よって得られる。しかしながら、揺動周波数が大きくな
るにつれて、図８に示す如きアナログ的な波形制御は実
現するのが困難であり、実現するにしても回路が複雑に
なる。１００ｋＨｚまでの高速走査に対応させるには、
図９の上段に示す如きデジタル的な波形制御が適してい
る。図９の駆動電圧は、図８のアナログ的な非線形電圧
でパルス振幅変調されて得られたものと同一のデジタル
的な非線形電圧であるが、このようなデジタル的な電圧
はデジタル演算素子を用いることによって、容易に実現
できる。なお、図９におけるａ、ｂ、ｃ及びｄ、並びに
位相のずれ時間は実験的に求める。また、微小揺動ミラ
ーの揺動の１周期変位中の駆動電圧のサンプリング数
は、ミラー変位角の時間的変化の直線性が保てる程度に
十分に大きなものとした。The nonlinear function of the waveform of the nonlinear voltage shown in FIG. 8 or 9 is experimentally determined so that the mirror displacement angle changes linearly with time. The mirror displacement angle is directly obtained from the actual scanning angle of the laser beam. As can be seen from FIG. 8, the periodic phase of the drive voltage is slightly delayed from the periodic phase of the mirror displacement angle. A, b, c in FIG. 8 at this time
And d, and the phase shift time are determined experimentally. FIG.
A drive voltage having a non-linear waveform as shown in FIG. 13 can be obtained, for example, by passing a rectangular pulse shown in the upper part of FIG. 13 through a non-linear circuit. However, as the oscillation frequency increases, it is difficult to realize analog waveform control as shown in FIG. 8, and even if it is realized, the circuit becomes more complicated. To support high-speed scanning up to 100 kHz,
Digital waveform control as shown in the upper part of FIG. 9 is suitable. The drive voltage in FIG. 9 is the same digital non-linear voltage obtained by pulse amplitude modulation with the analog non-linear voltage in FIG. 8, but such a digital voltage uses a digital operation element. This can be easily realized. Note that a, b, c, and d in FIG. 9 and the phase shift time are experimentally obtained. The number of samplings of the drive voltage during one period of displacement of the micro-oscillation mirror is set to be sufficiently large to maintain the linearity of the mirror displacement angle over time.
【００２５】[0025]
【実施例】図１０は、微小揺動ミラーモジュール、即ち
微小揺動ミラー素子１、半導体レーザ２及び集光用微小
レンズ３を所定の配置関係にして構成した微小揺動ミラ
ーモジュール２１を用いて構成したレーザプリンタの概
要、特にそのレーザ走査光学系を示すものである。図１
０において、微小揺動ミラーモジュール２１から走査出
力されたレーザ光は、コリメータレンズ２２でコリメー
トされて平行光に変換され、集光レンズ２３とｆθレン
ズ２４とによって感光ドラム２５上に集光照射される。
このような構成であるために、微小揺動ミラーモジュー
ルを用いたレーザプリンタは、前記コリメータレンズ２
２が図２に示すような広い焦点面からの出射光に対応し
てコリメートできるものでなければならないが、従来の
ポリゴンミラーを用いたレーザプリンタに比べると、大
きなポリゴンミラー及びモータは勿論のこと一対のシリ
ンドリカルレンズも不要となるので、装置の小型化を図
ることができるという大きな利点を有する。なお、上記
微小揺動ミラーモジュールには、駆動回路２０が含まれ
てもよい。また、従来装置に用いられている前記一対の
シリンドリカルレンズは、ポリゴンミラー上で一様な反
射を得ると同時に、ポリゴンミラーからの反射光を元の
コリメートされた光に変換させるためのレンズである。FIG. 10 shows a micro oscillating mirror module, that is, a micro oscillating mirror module 21 in which a micro oscillating mirror element 1, a semiconductor laser 2, and a condensing micro lens 3 are arranged in a predetermined arrangement relationship. 1 shows an outline of a laser printer thus constructed, particularly showing a laser scanning optical system thereof. FIG.
At 0, the laser light scanned and output from the micro oscillating mirror module 21 is collimated by the collimator lens 22 and converted into parallel light, and is condensed and irradiated on the photosensitive drum 25 by the condensing lens 23 and the fθ lens 24. You.
Due to such a configuration, the laser printer using the micro oscillating mirror module requires the collimator lens 2.
2 must be capable of collimating light corresponding to light emitted from a wide focal plane as shown in FIG. 2, but compared to a conventional laser printer using a polygon mirror, a large polygon mirror and a motor Since a pair of cylindrical lenses is not required, there is a great advantage that the size of the apparatus can be reduced. Note that the micro oscillating mirror module may include a drive circuit 20. Further, the pair of cylindrical lenses used in the conventional apparatus are lenses for obtaining uniform reflection on a polygon mirror and converting reflected light from the polygon mirror into original collimated light. .
【００２６】図１１は、微小揺動ミラー素子１、半導体
レーザ２及び集光用微小レンズ３を所定の配置関係にし
て構成した微小揺動ミラーモジュール３１とポリゴンミ
ラーとを組み合わせて構成した二次元方向のレーザ走査
装置の光学系を示すものである。図１１において、微小
揺動ミラーモジュール３１から垂直方向に走査出力され
たレーザ光はコリメータレンズ３２と集光レンズ３３を
経てポリゴンミラー３４の鏡面に入射して反射され、集
光レンズ３６と３７を経て、例えば光書込型空間光変調
器３８に到達する。ポリゴンミラー３４はモータ３５に
よって水平方向に回転駆動されているので、光書込型空
間光変調器３８に到達したレーザ光は垂直方向と水平方
向の走査が組み合わされた二次元方向に走査されたレー
ザ光となる。このような構成の微小揺動ミラーモジュー
ル３１とポリゴンミラーとを用いた二次元方向のレーザ
走査装置によれば、高分解能の画像を高速に形成するこ
とができるために、例えばその画像を光書込型空間光変
調器に書き込み、並列的な光学処理を施すことにより、
光学的なパターン認識や種々の画像処理を高速で行うこ
とが可能である。FIG. 11 shows a two-dimensional structure obtained by combining a polygonal mirror with a micro-oscillation mirror module 31 having a micro-oscillation mirror element 1, a semiconductor laser 2, and a condenser micro-lens 3 arranged in a predetermined arrangement relationship. Fig. 3 shows an optical system of a laser scanning device in a direction. In FIG. 11, a laser beam scanned and output in the vertical direction from a micro oscillating mirror module 31 is incident on a mirror surface of a polygon mirror 34 via a collimator lens 32 and a condenser lens 33 and is reflected. Then, the light reaches, for example, an optical writing type spatial light modulator 38. Since the polygon mirror 34 is driven to rotate in the horizontal direction by the motor 35, the laser light reaching the optical writing type spatial light modulator 38 is scanned in a two-dimensional direction, which is a combination of vertical and horizontal scanning. It becomes laser light. According to the two-dimensional laser scanning device using the micro oscillating mirror module 31 and the polygon mirror having such a configuration, a high-resolution image can be formed at a high speed. By writing to the embedded spatial light modulator and performing parallel optical processing,
Optical pattern recognition and various image processing can be performed at high speed.
【００２７】なお、本発明に係る微小揺動ミラー素子１
を用いたレーザ走査装置は、上述の実施例ではいずれも
一次元方向の走査を行うものであったが、二次元的な走
査も可能である。即ち、本発明に係る微小揺動ミラー素
子１を２個用い、１個はｘ方向の走査に、且つ他の１個
はｙ方向の走査に用いるようにレーザ光学系を構成する
ことによって二次元的な走査を行うレーザ走査装置を実
現できる。また、本発明に係る微小揺動ミラー素子１を
駆動する駆動電圧、即ち周期的に変化する電圧であって
最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し
次いで上昇する非線形波形の駆動電圧を形成する図６な
いし図７の駆動回路２０は、その全部または一部を微小
揺動ミラー素子１のシリコン基板１０内に形成されたト
ランジスタ等の基本回路素子で構成することも可能であ
る。Incidentally, the micro oscillating mirror element 1 according to the present invention.
In each of the above embodiments, the laser scanning apparatus using the above-described method performs one-dimensional scanning, but two-dimensional scanning is also possible. That is, two micro-oscillating mirror elements 1 according to the present invention are used, and one is used for scanning in the x direction and the other is used for scanning in the y direction. A laser scanning device that performs effective scanning can be realized. Further, a driving voltage for driving the micro-oscillating mirror element 1 according to the present invention, that is, a non-linear waveform which is a periodically changing voltage, which falls between a maximum value and a minimum value in a non-linear function with time and then rises. The drive circuit 20 shown in FIGS. 6 and 7 for forming a drive voltage can be entirely or partially formed of a basic circuit element such as a transistor formed in the silicon substrate 10 of the micro oscillating mirror element 1. is there.
【００２８】[0028]
【発明の効果】 本発明に係る微小揺動ミラー素子は、
揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラー、一
対の固定電極板、及び一対のミラー受が半導体基板上に
微細加工技術によって形成され、且つ周期的に変化する
駆動電圧であって最大値と最小値の間を時間と共に非線
形関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電圧で駆
動するようにしたものであるから、微小揺動ミラーの変
位角が時間に対して直線的に変化するようになった。こ
のため、このような方式で駆動された微小揺動ミラー素
子を用いて構成したレーザ走査装置においては、複雑な
電極構造を採用したり、或いはレーザの発光時間間隔を
非線形に変化させる必要が全くなくなった。しかも、長
い走査距離において精密な直線性を得ることが可能にな
った。また、微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及び集
光用微小レンズを所定の配置関係にしてモジュール化
し、レーザ走査光の出射窓を有する真空容器に封入した
ので、ミラーの揺動動作の効率が高まった。更に、ミラ
ーの変位角を全て電気的に実現することができるので、
調整が非常に容易になった。要するに、本発明により、
装置の小形化と低価格化、走査の高速化と長い走査距離
までも保持された精密な直線性、取り扱いの利便性等が
図られ、且つレーザプリンタ、レーザレーダ、光画像入
力システム等の様々な装置に応用可能な微小揺動ミラー
素子を用いたレーザ走査装置が提供された。The micro oscillating mirror element according to the present invention is
A micro oscillating mirror composed of an oscillating electrode plate portion and a mirror portion, a pair of fixed electrode plates, and a pair of mirror receivers are formed on a semiconductor substrate by a fine processing technique, and are driving voltages that change periodically. Since it is driven by a voltage with a nonlinear waveform that falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises, the displacement angle of the micro-oscillating mirror changes linearly with time. It was way. For this reason, in a laser scanning device constituted by using a micro oscillating mirror element driven by such a method, it is absolutely necessary to adopt a complicated electrode structure or to change the laser emission time interval nonlinearly. lost. Moreover, precise linearity can be obtained over a long scanning distance. Further, since the micro-oscillating mirror element, the semiconductor laser, and the condensing micro-lens are modularized in a predetermined arrangement relationship and sealed in a vacuum vessel having an exit window for laser scanning light, the efficiency of the mirror oscillating operation is increased. Was. Furthermore, since all the displacement angles of the mirror can be realized electrically,
Adjustment has become very easy. In short, according to the present invention,
Compactness and low cost of the device, high-speed scanning, precise linearity maintained even over long scanning distances, convenient handling, etc. are achieved, and various types of laser printers, laser radars, optical image input systems, etc. A laser scanning device using a micro oscillating mirror element applicable to various devices has been provided.
【図１】微小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装置の
主要部の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a main part of a laser scanning device using a micro oscillating mirror element.
【図２】微小揺動ミラー素子のを用いたレーザ走査装置
の概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a laser scanning device using a micro oscillating mirror element.
【図３】微小揺動ミラー素子の側面図である。FIG. 3 is a side view of the micro oscillating mirror element.
【図４】微小揺動ミラー素子のヒンジとヨークの斜視図
である。FIG. 4 is a perspective view of a hinge and a yoke of the micro oscillating mirror element.
【図５Ａ】微小揺動ミラー素子に対する入射光と反射光
の光路を示す図である。FIG. 5A is a diagram showing optical paths of incident light and reflected light with respect to a micro oscillating mirror element.
【図５Ｂ】微小揺動ミラー素子に対する入射光と反射光
の光路を示す図である。FIG. 5B is a diagram showing optical paths of incident light and reflected light with respect to a micro oscillating mirror element.
【図６】微小揺動ミラー素子の駆動電圧供給回路の一例
を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a drive voltage supply circuit for a micro oscillating mirror element.
【図７】微小揺動ミラー素子の駆動電圧供給回路の他の
一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing another example of the drive voltage supply circuit for the micro oscillating mirror element.
【図８】微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラー変位角
の時間的変化の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a temporal change in a driving voltage and a mirror displacement angle of a micro oscillating mirror element.
【図９】微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラー変位角
の時間的変化の他の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing another example of a temporal change of the drive voltage of the micro oscillating mirror element and the mirror displacement angle.
【図１０】微小揺動ミラー素子を用いたレーザプリンタ
の一例の概要図である。FIG. 10 is a schematic view of an example of a laser printer using a micro oscillating mirror element.
【図１１】微小揺動ミラー素子とポリゴンミラー装置を
組み合わせて構成した二次元レーザ走査装置の一例の概
要図である。FIG. 11 is a schematic diagram of an example of a two-dimensional laser scanning device configured by combining a micro oscillating mirror element and a polygon mirror device.
【図１２】従来のポリゴンミラー装置の一例の概要図で
ある。FIG. 12 is a schematic view of an example of a conventional polygon mirror device.
【図１３】従来の微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラ
ー変位角の時間的変化の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a temporal change of a driving voltage and a mirror displacement angle of a conventional micro oscillating mirror element.
１ 微小揺動ミラー素子 ２ 半導体レーザ ３ 集光用微小レンズ ４ ベース基板 ５ フォトダイオード ６ ミラー台 ７ 微小レンズ台 ８ レーザ台 ９ 真空容器 １０ シリコン基板 １１ 微小揺動ミラー １１ｅ，１１ｅａ，１１ｅｂ 揺動電極板 １１ｍ 微小揺動ミラー板 １２ ミラー支柱 １３ ヨーク １４ａ，１４ｂ ヒンジ １５ａ，１５ｂ ヒンジ台 １６ａ，１６ｂ 固定電極板 １７ａ，１７ｂ 電極支柱 １８ａ，１８ｂ ミラー受 １９ａ，１９ｂ ミラー受台 ２０ 駆動回路 ２１ 微小揺動ミラーモジュール ２２ コリメータ ２３ 集光レンズ ２４ ｆθレンズ ２５ 感光ドラム ３１ 微小揺動ミラーモジュール ３２ コリメータ ３３ 集光レンズ ３４ ポリゴンミラー ３５ モータ ３６，３７ 集光レンズ ３８ 光書込型空間光変調器 ４１ 半導体レーザ ４２ ポリゴンミラー ４３ モータ ４４，４５ 集光レンズ ４６ 反射ミラー ４７ 感光ドラム Ｆ 焦点面 Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｅ，Ｌｅａ，Ｌｅｂ 線 Ｐ 入射光 Ｑ 反射中心 Ｒ 反射光 Ｗ 出射窓 Ｚ 支点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro oscillating mirror element 2 Semiconductor laser 3 Condensing micro lens 4 Base substrate 5 Photodiode 6 Mirror base 7 Micro lens pedestal 8 Laser pedestal 9 Vacuum container 10 Silicon substrate 11 Micro oscillating mirror 11e, 11ea, 11eb Oscillating electrode Plate 11m Micro-oscillation mirror plate 12 Mirror support 13 Yoke 14a, 14b Hinge 15a, 15b Hinge base 16a, 16b Fixed electrode plate 17a, 17b Electrode support 18a, 18b Mirror receiver 19a, 19b Mirror support 20 Drive circuit 21 Micro-oscillation Mirror module 22 collimator 23 condenser lens 24 fθ lens 25 photosensitive drum 31 micro-oscillation mirror module 32 collimator 33 condenser lens 34 polygon mirror 35 motor 36, 37 condenser lens 38 optical writing type spatial light modulator 41 semiconductor laser 42Polygon mirror 43 Motor 44, 45 Condensing lens 46 Reflecting mirror 47 Photosensitive drum F Focal plane L, La, Lb, Le, Lea, Leb line P Incident light Q Reflection center R Reflected light W Exit window Z Support point
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 26/10 101 Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 26/10 101
Claims (9)
動ミラー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生す
るようにその左右に対称的に配置された一対の固定電極
板、及び前記微小揺動ミラーのストッパー並びにその帯
電電荷を除去するアース部材として機能するようにその
左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基板
上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺動
ミラー素子において、周期的に変化する駆動電圧であっ
て最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降
し次いで上昇する非線形波形の駆動電圧が前記揺動電極
板部及び一対の固定電極板に与えられることによって、
前記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線的に変
化することを特徴とする微小揺動ミラー素子。1. A micro-oscillating mirror comprising an oscillating electrode plate portion and a mirror portion, and a pair of fixed electrodes symmetrically arranged on the left and right sides of the oscillating electrode plate portion so as to generate an electrostatic force. A semiconductor in which a plate, a pair of mirror receivers arranged symmetrically on the left and right sides thereof so as to function as a stopper of the micro-oscillating mirror and a ground member for removing the charged charge thereof are formed on a semiconductor substrate by a fine processing technique. In the micro oscillating mirror element, a drive voltage having a non-linear waveform which is a drive voltage that changes periodically and falls between a maximum value and a minimum value in a non-linear function with time and then rises is the oscillating electrode plate portion and By being given to a pair of fixed electrode plates,
A micro oscillating mirror element, wherein a displacement angle of the micro oscillating mirror changes linearly with time.
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧であることを
特徴とする請求項１の微小揺動ミラー素子。2. The method according to claim 1, wherein the periodically changing drive voltage is a voltage having an analog non-linear waveform which falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. 1 micro oscillating mirror element.
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス振幅
変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線形波
形の電圧であることを特徴とする請求項１の微小揺動ミ
ラー素子。3. The periodically changing drive voltage is obtained by pulse amplitude modulation with an analog non-linear waveform voltage which falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. 2. The micro-oscillating mirror element according to claim 1, wherein the voltage is a voltage having the same digital nonlinear waveform as that of the micro-oscillating mirror element.
動ミラー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生す
るようにその左右に対称的に配置された一対の固定電極
板、及び前記微小揺動ミラーのストッパー並びにその帯
電電荷を除去するアース部材として機能するようにその
左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基板
上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺動
ミラー素子、レーザ光を発生する半導体レーザ、及び前
記微小揺動ミラー素子と前記半導体レーザとの間に配置
された集光用微小レンズをベース基板上に取り付けて構
成したレーザ走査装置において、周期的に変化する駆動
電圧であって最大値と最小値の間を時間と共に非線形関
数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電圧が前記揺
動電極板部及び一対の固定電極板に与えられることによ
って、前記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線
的に変化すること特徴とする微小揺動ミラー素子を用い
たレーザ走査装置。4. A micro-oscillating mirror comprising an oscillating electrode plate and a mirror portion, and a pair of fixed electrodes symmetrically arranged on the left and right sides of the oscillating electrode plate so as to generate an electrostatic force. A semiconductor in which a plate, a pair of mirror receivers arranged symmetrically on the left and right sides thereof so as to function as a stopper of the micro-oscillating mirror and a ground member for removing the charged charge thereof are formed on a semiconductor substrate by a fine processing technique. Micro-oscillating mirror element, a semiconductor laser that generates laser light, and a laser scanning device having a condensing micro-lens disposed between the micro-oscillating mirror element and the semiconductor laser mounted on a base substrate The voltage of a non-linear waveform, which is a drive voltage that periodically changes, falls between a maximum value and a minimum value in a non-linear function with time, and then rises, is the oscillation electrode plate portion and the pair. A displacement angle of the micro oscillating mirror changes linearly with time by being applied to the fixed electrode plate.
生する半導体レーザ、及び前記微小揺動ミラー素子と前
記半導体レーザとの間に配置された集光用微小レンズを
ベース基板上に取り付け且つ出射窓を有する１つの真空
容器に封入して構成したことを特徴とする請求項４の微
小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装置。5. A micro oscillating mirror element, a semiconductor laser for generating laser light, and a condensing micro lens disposed between the micro oscillating mirror element and the semiconductor laser, mounted on a base substrate; 5. A laser scanning device using a micro oscillating mirror element according to claim 4, wherein said laser scanning device is enclosed in one vacuum vessel having an emission window.
ミラーで反射された後の光路上に形成されるように位置
づけられて、前記微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及
び微小レンズがベース基板上に配置されていることを特
徴とする請求項４の微小揺動ミラー素子を用いたレーザ
走査装置。6. The micro-oscillating mirror element, the semiconductor laser, and the micro-lens are positioned such that a focal plane of the micro-lens is formed on an optical path after being reflected by the micro-oscillating mirror, and 5. The laser scanning device using the micro oscillating mirror element according to claim 4, wherein the laser scanning device is disposed above.
ース基板上に、出力光強度のモニター用フォトダイオー
ドを配置したことを特徴とする請求項４の微小揺動ミラ
ー素子を用いたレーザ走査装置。7. The laser scanning using a micro oscillating mirror element according to claim 4, wherein a photodiode for monitoring the output light intensity is arranged on the base substrate opposite to the emission port of the semiconductor laser. apparatus.
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧であることを
特徴とする請求項４の微小揺動ミラー素子を用いたレー
ザ走査装置。8. The method according to claim 1, wherein the periodically changing driving voltage is a voltage having an analog non-linear waveform which falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. 4. A laser scanning device using the micro oscillating mirror element of No. 4.
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス振幅
変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線形波
形の電圧であることを特徴とする請求項４の微小揺動ミ
ラー素子を用いたレーザ走査装置。9. The periodically changing drive voltage is obtained by pulse amplitude modulation with an analog non-linear waveform voltage which falls between a maximum value and a minimum value in a nonlinear function with time and then rises. 5. A laser scanning device using a micro oscillating mirror device according to claim 4, wherein the voltage is a voltage having the same digital nonlinear waveform as that of the laser scanning device.
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