(57)【要約】    電子写真式プリンタは、光ビームを感光体上に走査させるよう動作可能なＭＥＭＳスキャナを備えた露光ユニットを含む。前記ＭＥＭＳスキャナは、一般に使用される回転ポリゴンスキャナの面の形状と類似した縦横比を有するミラーを含む。好適な実施例において前記走査ミラーは、回転軸に平行な方向に約７５０マイクロメートルの長さを有し、回転軸に直角な方向に約８ミリメートルの長さを有する。前記ＭＥＭＳスキャナは、約５ＫＨｚの周波数で、かつ約２０度の機械的片側振幅走査角で走査するよう動作可能である。
2007526506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
横方向寸法が縦方向寸法の約４倍より大きいシリコンスキャンプレートと、
第１及び第２の対向トーションアームであり、それぞれがスキャンプレートに結合され、かつ、近接端部から末梢端部へ縦方向に伸長して前記スキャンプレートの回転軸を形成する第１及び第２の対向トーションアームと、
それぞれが前記第１及び第２の対向トーションアームの末梢端部に結合され第１及び第２対向取付構造とを含む、レーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２】
前記シリコンスキャンプレートは、横方向寸法がその縦方向寸法の約８倍より大きい、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３】
前記シリコンスキャンプレートは、約８ミリメートルの横方向寸法を有し、かつ、約７５０マイクロメートルの縦方向寸法を有する、請求項２に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項４】
前記シリコンスキャンプレート、並びに、前記第１及び第２の対向トーションアームは、約７００マイクロメートルの厚さを有する、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項５】
前記第１及び第２の対向トーションアームは、それぞれ約８ミリメートルを超える長さを有する、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項６】
前記第１及び第２の対向トーションアームは、それぞれ約８．７６ミリメートルの長さを有する、請求項５に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項７】
前記第１及び第２の対向トーションアームは、それぞれ約３８４マイクロメートルの幅を有する、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項８】
前記第１及び第２対向トーションアームは、厚さがその幅よりも大きい、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項９】
前記スキャンプレートの前記縦方向寸法は、その厚さの半分より大きく、かつ、その厚さの２倍より小さい、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１０】
前記第１及び第２の対向取付構造は、第１及び第２の対向Ｔ字バーであり、前記対向Ｔ字バーは、前記対向トーションバーの末梢端部にそれぞれ結合され、軸から横方向に等距離の位置で横方向に対向して伸長する第１及び第２の対向Ｔ字バーと、第１、第２、第３及び第４取付パッドであって、Ｔ字バーにおける横方向距離が等しい位置でそれぞれ結合される前記各取付パッドとを含む、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１１】
前記第１の対向トーションバーは、第１及び第２の楕円フィレットを結合点に備える前記第１の対向Ｔ字バーに結合される、請求項１０に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１２】
前記第１及び第２の楕円フィレットは、約４００マイクロメートルの前記対向トーションアームに沿った方向の寸法を有し、かつ、約２００マイクロメートルの前記対向Ｔ字バーに沿った方向の寸法を有する、請求項１１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１３】
Ｔ字バーにおける横方向距離が等しい前記位置は、前記対向トーションバーの末端縁部と比較して、前記シリコンスキャンプレートの長さ方向にずれている、請求項１０に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１４】
少なくとも１つの取付パッドに垂直に配置される少なくとも１つの圧電素子を含む、請求項１０に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの圧電素子としては、２個の圧電素子があり、各圧電素子がそれぞれ各取付パッドに垂直に配置されるている、請求項１４に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの圧電素子としては、４個の圧電素子があり、各圧電素子がそれぞれ各取付パッドに垂直に配置されている、請求項１４に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１７】
前記第１，第２、第３及び第４の取付パッドが固定されたハウジングを備える、請求項１０に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１８】
前記第３及び第４の取付パッドは前記ハウジングに直接固定され、前記第１及び第２の取付パッドはそれぞれ第１及び第２圧電素子に固定され、かつ、前記第１及び第２の圧電素子はハウジングに保持されている、請求項１７に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項１９】
前記第１、第２、第３及び第４の取付パッドは、それぞれ第１，第２、第３及び第４の圧電素子にそれぞれ固定され、前記第１、第２、第３及び第４の圧電素子はハウジングに保持されている、請求項１７に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２０】
前記第１、第２、第３及び第４の取付パッドは、前記各圧電素子に圧縮強度が予荷重として生じるように前記第１、第２、第３及び第４の圧電素子にそれぞれ固定されている、請求項１９に記載のＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２１】
前記ハウジングが固定されるレーザプリンタ露光ユニットを含む、請求項１７に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２２】
前記スキャンプレートは、前記第１及び第２の対向トーションアームにより定まる回転軸の回りを、約１ＫＨｚより高い周波数で、周期的に前後に回転するよう動作可能である、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２３】
前記スキャンプレートは、前記第１及び第２の対向トーションアームにより定まる回転軸の回りを、約５ＫＨｚの周波数で、周期的に前後に回転するよう動作可能である、請求項２２に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２４】
前記スキャンプレートは、前記第１及び第２の対向トーションアームにより定まる回転軸の回りを、機械的な片側振幅走査角が約１０度より大きくなる回転変位で、周期的に前後に回転するよう動作可能である、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２５】
前記スキャンプレートが、前記第１及び第２対向のトーションアームにより定まる回転軸の回りを、機械的な片側振幅走査角が約２０度になる回転変位で、周期的に前後に回転するよう動作可能である、請求項２４に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２６】
前記スキャンプレートと前記第１及び第２のトーションアームとの間に介在する第１及び第２のサスペンションを含み、前記第１及び第２のサスペンションは、前記ＭＥＭＳスキャナの動作中、ミラーの動的な平面度を維持するのに有効なトルク分散装置を構成する、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２７】
前記第１及び第２のサスペンションは、第１及び第２のサスペンションビームを含み、前記第１及び第２のサスペンションビームは、各中央コネクタと第１及び第２の側方コネクタによって前記シリコンスキャンプレートに結合されている、請求項２６に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２８】
前記第１及び第２のサスペンションビームは、それぞれ前記シリコンスキャンプレートの縦方向寸法よりも小さい縦方向寸法を有する、請求項２７に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項２９】
前記ＭＥＭＳスキャナは、１枚のシリコンウエハからフォトリソグラフィにより形成されている、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３０】
前記シリコンスキャンプレートと、前記第１及び第２の対向トーションアームと、前記第１及び第２の対向取付構造とは、シリコンウエハの厚みに対応した一様な厚みを有するよう形成されている、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３１】
前記シリコンスキャンプレートの表面に形成される鏡面を含む、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３２】
前記鏡面は、約６５０ナノメートルの波長に対し、約９０％を超える反射率を有する、請求項３１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３３】
前記鏡面は、約６５０ナノメートルの波長に対し、約９５％を超える反射率を有する、請求項３２に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３４】
前記第１及び第２の取付構造に機能的に結合される第１及び第２のヒータ線を有する、請求項１に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３５】
前記第１及び第２のヒータ線は、前記第１及び第２のトーションアームに渡って電位を生成するよう動作可能である、請求項３４に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３６】
前記第１及び第２のヒータ線は、前記第１及び第２のトーションアーム内部にジュール熱を生じるよう動作可能である、請求項３５に記載のレーザプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナ。
【請求項３７】
変調レーザ光を作成するよう、画像データに基づきレーザ光を変調することと、
シェーピング変調レーザ光を作成するよう、変調レーザ光をシェーピングすることと、
走査されたシェーピング変調レーザ光を作成するよう、シェーピング変調レーザ光を周期的に偏向させることと、
走査された前記シェーピング変調レーザ光を、回転している感光体の上に照射し、ビデオデータに対応した静電潜像を感光体の上に作成するよう、照準を合わせることとを含み、
前記シェーピング変調レーザ光の周期的変調は、横方向寸法が縦方向寸法の約４倍より大きいＭＥＭＳ走査ミラーによってなされる、レーザプリンタの動作方法。
【請求項３８】
前記ＭＥＭＳ走査ミラーは、約８ミリメートルの横方向寸法を有し、約７５０マイクロメートルの縦方向寸法を有する、請求項３７に記載のレーザプリンタの動作方法。
【請求項３９】
前記ＭＥＭＳ走査ミラーは、走査周波数が約１ＫＨｚよりも大きい、請求項３７に記載のレーザプリンタの動作方法。
【請求項４０】
前記ＭＥＭＳ走査ミラーは、走査周波数が約５ＫＨｚである、請求項４０に記載のレーザプリンタの動作方法。
【請求項４１】
前記ＭＥＭＳ走査ミラーは、機械的な片側振幅角が約１０度よりも大きい偏向角を有する、請求項３７に記載のレーザプリンタの動作方法。
【請求項４２】
前記ＭＥＭＳ走査ミラーは、機械的な片側振幅角が約２０度となる偏向角を有する、請求項４１に記載のレーザプリンタの動作方法。
【請求項４３】
順次、静電荷が与えられ、静電潜像を形成すべく変調光が与えられ、前記静電潜像に対応したパターンでトナーが与えられ、与えられたウェブにトナーを転写するよう動作可能な感光体と、
前記感光体に変調光を提供するよう動作可能な露光ユニットとを含み、
前記露光ユニットは、
変調信号に応答する光源と、
前記光源からの光が与えられ、シェーピングを受けた光ビームを作成するように調整されるビームシェーピング光学素子と、
第一軸の長さが第二軸の長さの４倍より長く、シェーピングを受けた前記光ビームが与えられるよう調整され、光が前記感光体を周期的に走査するよう動作可能であるＭＥＭＳ走査ミラーとを含む、電子写真式プリンタ。
【請求項４４】
前記ＭＥＭＳスキャナは、約８ミリメートルの前記第一軸の長さを有し、かつ７５０マイクロメートルの第二軸の長さを有する、請求項４３に記載の電子写真式プリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スキャナに関し、より詳細には、それらのレーザープリンタへの応用に関する。
【０００２】
本願は、ウィアットオー・デイビス他により発明され、発明の名称がレーザプリンタに適用されるＭＥＭＳスキャナであり、２００４年２月９日に米国に出願され同時係属中である、仮特許出願番号60/542,896の仮出願の利益を主張するものである。
【０００３】
本願は、ウィアットオー・デイビス他により発明され、発明の名称が高性能ＭＥＭＳスキャナであり、２００４年１１月１２日に米国に出願され、同時継続中である特許出願番号10/986,640の出願と、ケリーＤ．リンデン他により発明され、発明の名称がＭＥＭＳスキャナの製造方法及び製造装置であり、２００４年１１月１２日に米国に出願された特許出願番号10/986,635の出願と、グレゴリー・ティー・ジブソン他により発明され、発明の名称が光線の走査方法及び走査装置であり、２００４年１１月１２日に米国に出願された出願番号10/988,155の出願とに関連する。
【背景技術】
【０００４】
コンピューター制御の電子写真プリンターは、今やオフィス、工場、印刷所及び家庭に普及している。電子写真プリンターは、トナーを普通紙に転写し、熱、圧力および／またはその他の定着技術を用いてトナーを溶着させることで動作する。転写されたトナーのパターンによって、文字、グラフィックイメージ等が形成される。
【０００５】
電子写真という用語は、ドラムやベルトのような光導電性担持媒体に静電潜像を形成するために変調光、特に走査型レーザービームを用いることを意味する。静電潜像は、変調光を照射したことにより得られる感光体の瞬間的な電気的伝導性により形成される。電気的伝導性は、変調光の照射に対応した位置で、表面の静電荷を、感光体からバイアス圧電がかけられた導線へ放電することを可能とする。
【０００６】
図１は、電子写真プリンターの主な特徴を示した図面である。感光ドラム１０２は、感光ドラム１０２の表面にほぼ均一に静電荷を帯電させる帯電器、すなわち感光器１０４を通過するよう回転する。画像モジュール１０６は感光ドラム１０２の表面全体に渡り照射する光を選択的に変化させる。これにより、光が照射された部分の静電荷は、感光層から、感光体表面の裏側に位置する導電層へと放電される。放電及び非放電部のパターンが静電潜像または潜像と称される。
【０００７】
電子写真プリンタは白印字(write-white)または黒印字(write-black)に形成することができる。黒印字のシステムの場合、トナーの電荷は、感光体の裏側の導電層と引き合うが、感光体表面に帯電されている電荷とは反発しあうように選択される。このようにして、変調光により「印字」された部分が、印刷面の黒色部分に対応する。
【０００８】
静電潜像が形成されると、感光体１０２はさらに現像器１０８まで回転し、ここで逆帯電したトナーが、多くの場合は微細な乾燥した粒子形状であるが、感光体の表面に引きつけられて付着し、潜像に対応したパターンを描く。感光体１０２はさらに転写部まで回転し、ここでパターンを描いたトナーが用紙１１２に転写される。転写部には、たいていコロトロンまたはスコロトロン型のコロナワイヤのような静電吸引素子１１０が使用される。
【０００９】
トナーが軽く付着された用紙１１２は、熱と圧力とを一般的に組み合わせた溶着器１１４を通過させてその前方へと送られ、それにより、熱可塑性のトナー粒子が用紙に固着して強固な画像を形成する。
【００１０】
トナーの転写後、感光体１０２は、放電灯１１６及びクリーナー１１８を通過するように回転し、感光器すなわち帯電器１０４へと回転するプロセスを繰り返す。
【００１１】
各種のプリンターにおいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）や液晶シャッター（ＬＣＳ）、真空蛍光灯、その他の多数の光変調書込ヘッドが感光体に照射される光を調節するために使用されている。しかしながら、一般的には、走査型レーザービームを用いた露光すなわち画像モジュールが、コストやスピード、性能、耐久性の適切なバランスを有していることから、技術的に支持されている。感光体表面に照射される光の調整に走査型レーザービームを使用する電子写真プリンターは、便宜的にレーザービームプリンタまたはＬＢＰと呼ばれている。
【００１２】
図２は、先行技術である回転ポリゴンビームスキャナを用いた一般的なＬＢＰ露光ユニット１０６を示す。感光体の感度に適した波長を有するレーザーダイオード２０２（基本的な感光体の場合、たいていは赤外線）は、画像信号で変調される。ビーム形成光学系２０４は、所望の形状及び軌跡を有するレーザービームを形成する。レーザービームは、回転ポリゴンミラー２０６で反射し、光学系エレメント２０８を通過して感光体１０２上を走査する。各鏡面に到達するビームがそれぞれの偏光角度で偏向して、感光体１０２を十分に縦走するように、回転ポリゴン２０６の反射面２１０ａ、２１０ｂ等は回転の中心より前方の位置となるよう露光ユニット１０６を設計することが留意されよう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
走査型レーザービームの露光モジュールが有する１つの課題は、レーザービームを走査するために使用される技術的方法に関する。もっとも使用されてきたのは、回転ポリゴンミラーである。回転ポリゴンミラーは、比較的重いこと、起動速度が遅いこと、装置が大掛かりとなること、騒音、軸受部の信頼性問題、消費電力が比較的高いこと、その他の欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の種々の態様は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スキャナと、電子写真プリンタ露光ユニットへのＭＥＭＳレーザービームスキャナの使用とに関する。かかる手段により、回転ポリゴン露光ユニットと比較して、重さや寸法を軽減でき、起動を速くし、騒音を軽減し、信頼性を高め、その他利点を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の態様によれば、ＭＥＭＳレーザービームスキャナは、さまざまな物理的特性及び動作特性―ミラーの寸法、走査角、走査周波数、ミラーの平面度を含み、特に電子写真プリンタユニットに適合する。走査軸を横断する方向に長さ方向が伸張するＭＥＭＳミラーは、露光モジュールの光学設計を大きく変更することなしに、回転ポリゴンに代えることができる。
【００１６】
他の態様は、図面の簡単な説明、詳細な説明、請求項、及び図面を参照することにより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３は、ＬＢＰに使用されるＭＥＭＳスキャナ３０２を示す。ここに示す典型的な実施例は、４０頁／分（ppm）、１２００ドット／インチ(dpi)のＬＢＰに関する。ＭＥＭＳスキャナ３０２は、当技術分野で周知のように、バルクマイクロマシニング技術を用いて単結晶シリコンから、ホトリソグラフィ方式で形成される。鏡面を有するスキャンプレート３０４は、各サスペンションビーム３０８a、３０８ｂを介し、一対のトーションアーム３０６ａ、３０６ｂに連結されている。サスペンションビーム３０８ａ及び３０８ｂは、スキャンプレート３０４上のトーションアーム３０６ａ、３０６ｂにかかる負荷トルクをスキャンプレートの表面全体に分散させることで、鏡面をほぼ平坦に、一般的には１／４λ以内に、保つ役割を果たす。
【００１８】
サスペンションビーム３０８は、各外側（側方）コネクタ３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、３１６ｄ及び各軸コネクタ３１８ａ、３１８ｂを介して、スキャンプレート３０４に連結している。そして、サスペンション要素３０８ａ、３１６ａ、３１６ｂ及び３１８ａは第１サスペンションを形成し、第１トーションアーム３０６ａとスキャンプレート３０４とを連結している。同様に、サスペンション要素３０８ｂ、３１６ｃ、３１６ｄ、及び３１８ｂは、第２サスペンションを形成し、第２サスペンションアーム３０６ｂとスキャンプレート３０４とを連結している。
【００１９】
鏡面は、金属、積層誘電体、または当技術分野において周知の技術を用いて、スキャンプレート３０４の表面に形成される。アルミニウムは、赤色及び赤外線（最短波長で８２５ナノメートル）に対し、約８５％以上の反射率を有するミラーを形成すべく使用される。金または銀は、赤色光及び赤外線に対し、約９０または９５％以上の反射率を有するミラーを形成すべく使用される。（１／４波長板のような）積層誘電体で成る反射器は、幅広い波長にわたり、高い反射率を有する。
【００２０】
トーションアーム３０６ａ、３０６ｂの端部は、“Ｔ字バー”３１２ａ及び３１２ｂで終端する。Ｔ字バー３１２ａ及び３１２ｂは、図示のとおり取付パッド３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ、及び３１４ｄと連結している。まとめると、Ｔ字バー３１２ａ及び取付パッド３１４ａ、３１４ｂは、トーションアーム３０６ａを支持構造（図示せず）に連結する第一取付構造を構成する。同様に、Ｔ字バー３１２ｂ及び取付パッド３１４ｃ、３１４ｄは、トーションアーム３０６ｂを支持構造（図示せず）に連結する第二取付構造を構成する。代替的実施例として、取付部は他の形状、例えば取付パッドを長方形としたり、トーションアームと直接結合したり、または各種の形状を採用することもできる。あるいは、フレーム型の取付構造をスキャンプレート３０４とトーションアーム３０６ａ、３０６ｂの末端に形成することもできる。図３に示される典型的な実施例は、所定の効果を奏する。例えば、１枚のウエハにより多くのデバイスを詰め込むことができる、動応力を軽減できる、各取付板をアクチュエータと直接連結できる、取付板３１４がそれぞれ互いに離れて“浮かんで”いるため、ＭＥＭＳスキャナの残留応力を低減することができる等である。
【００２１】
取付パッド３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ及び３１４ｄがハウジングに取り付けられると、電力がアクチュエータ（図示せず）に周期的に適用され、ミラー３０４は、トーションアーム３０６ａ、３０６ｂにより定まる回転軸３１０の回りを周期的に前後に回転する。
【００２２】
スキャンプレート３０４は、長さ（回転軸３１０に直角な方向）が約８ミリメートル、幅（回転軸３１０に水平な方向）が７５０マイクロメートルである。このように典型的な実施例では、スキャンプレート（及びその上に形成されるミラー）の横方向寸法は、縦方向寸法の約１０．６７倍となる。
【００２３】
適当な信号で駆動されると（例えば、４アクチュエータ設計において、０ボルトと２５ないし３０ボルトとの間で変化する５ＫＨｚの正弦振動）、ミラーは、５ＫＨｚの周波数、±２０°の機械的走査角で振動する。
【００２４】
図示のようにＭＥＭＳスキャナ３０２は、長さ８．７６ミリメートル（フィレットを含む）の２本のトーションアーム３０６ａ、３０６ｂを有し、一端（特にサスペンションビーム３０８ａ、３０８ｂ）に長径４００ミクロン、短径２００ミクロンの楕円フィレットを有し、Ｔ字バー３１２ａ、３１２ｂから成る他端に長径４００ミクロン、短径２００ミクロンの楕円フィレットを有する。トーションアーム３０６ａ、３０６ｂの幅は３８４ミクロンである。トーションアームはＭＥＭＳスキャナ３０２の残りの部分と同様に、厚さ７００ミクロンのウエハをＤＲＩＥ処理でエッチング加工されて成る。スキャンプレートの質量、質量分布、幅、奥行き、トーションアーム及びＴ字バーの長さが与えられると、共振走査周波数及び共振走査角が定まる。
【００２５】
サスペンションビーム３０８ａ、３０８ｂは、幅３９６ミクロンであり、各トーションアーム３０６ａ、３０６ｂとほぼ鈍角の９１．６°をなすよう傾斜し、スキャンプレート３０４の横方向寸法８ミリメートルと同じ範囲で横に伸長している。サスペンションの各中央コネクタ３１８ａ、３１８ｂは、サスペンションビーム３０８ａ、３０８ｂの中心線から、スキャンプレート３０４の中心線へ伸び、その距離は５００ミクロンである（フィレットを含む）。各中央コネクタ３１８ａ、３１８ｂは、幅１６４ミクロンであり、両端に半径１００ミクロンのフィレットを有している。各外側コネクタ３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、３１６ｄは、幅(横方向)２５０ミクロン、長さ（縦方向）４００ミクロンであり、フィレットは有していない。各サスペンションは、それぞれ、サスペンションビーム３０８、中央サスペンションコネクタ３１８、及び、２つの外側サスペンションコネクタ３１６から成り、トーションアーム３０６ａ、３０６ｂとスキャンプレート３０４とを結合し、これにより、応力集中は低減し、負荷トルクは拡散され、かつ、動的変形が抑えられる。他の代替的なサスペンション形状も当業者により実施可能である。
【００２６】
Ｔ字バー３１２ａ、３１２ｂは、それぞれ、長さ１．８ミリメートル（フィレットを含む横方向の全寸法）幅４００ミクロン（縦方向寸法）であり、トーションアーム３０６ａ、３０６ｂが構成する軸から直角方向へ対称的に伸びる。図のように、Ｔ字バー３１２ａ、３１２ｂの外端部は、半径２００ミクロンで、４つの各取付パッド３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ、３１４ｄと連結している。各取付パッドは、５ミリメートル四方である。Ｔ字バーや取付パッドの配置は応用形態に応じて調整される。
【００２７】
図４は、図３のＭＥＭＳスキャナに周期的な駆動信号を与えた場合の動的反応を表したグラフである。曲線４０２は、周期的な駆動周波数４０６の関数としての振幅応答４０４を示す。曲線４０８は、スキャナと駆動器の位相４１０を同じ駆動周波数軸４０６上にプロットしたものである。曲線４０２からは、MEMSスキャナの共振周波数と対応する５KHｚ辺りで、応答のピークがみてとれる。ピークの値は、相対値で示されているが、典型的な実施例では、許容される駆動電力における共振応答である±２０°の機械的走査角度を得るに充分に高い。４アクチュエータの実施例では、振幅が０ボルトと２５ないし３０ボルトとの間で変化する５KHｚ正弦波と近似した波形から±２０°の機械的走査角が得られる。
【００２８】
６５から７０KHｚ間の第２のピークは、圧電素子の共振作用に対応している。
【００２９】
曲線４０８は、ＭＥＭＳスキャナに与えた駆動信号の位相信号が共振点において反転する模様を表している。５ＫＨｚ以下において、位相は０°である。５ＫＨｚ以上かつ第二のピーク以下において、位相は-１８０°である。図示されるように、第一共振点において、位相は反転し、-９０°を超える。第二のピークを超えると、システムの応答は低下し、位相はピーク前の-１８０°から、第二共振点において-２７０°を通過し、第二共振点を超えた地点で-３６０°（０°）まで反転する。最大の効果を得るには、第一共振点もしくはそれに非常に近い地点でＭＥＭＳスキャナを操作するとよいことがわかる。
【００３０】
５ＫＨｚで操作する場合、ＭＥＭＳスキャナの共振周波数は５ＫＨｚより数ヘルツ上回った値、一般的には５．００１から５．００５ＫＨｚの範囲、に調節される。かかる調節は、本願の冒頭に記した米国特許第６２４５５９０号に開示された方法を使用して実行することもできる。共振周波数の調節には、エポキシ樹脂からなるスキャンプレートに加重する方法がよいことが知られている。
【００３１】
図５は、１００ミリメートルのシリコンウエハ５０２上にＭＥＭＳスキャナ３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ、３０２ｅ及び３０２ｆを並べたレイアウトを示す。このようにＭＥＭＳスキャナ３０２ａは、取付パッドやミラーを相互に入り込ませて密に配置される。これはウエハ一枚あたりの生産を最大化すべくなされる。大型のウエハでも同様に、電子部品が密に配置される。ウエハからスキャナを完全に切り出すためには、ダイシングソーを使用して電子部品を切り出す方法よりも、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ処理）のようなホトリソグラフィ処理が用いられる。スキャナとウエハをつなぐ極細のシリコン“ブリッジ”が所々に見える。これらブリッジは容易に折れてスキャナを飛び出させるので、スキャナを切り出すことができる。
【００３２】
図５は、Ｔ字の端部がスキャンプレート側に傾いた他のＴ字バー３１２を示す。この形態では、部品の長さが短縮され、ウエハ上の隣り合う部品同士がより密に配置されるため、スキャナの大きさを最小限に抑える、ウエハからの生産量を最大化する等に有用である。
【００３３】
図６は、ＭＥＭＳスキャナのクランプとアクチュエータの配置を示す。市販製品である一対の圧電素子６０２ａ、６０２ｂは取付ベース６０４上に設置され、第一絶縁体６０６ａ、６０６ｂを介して、ＭＥＭＳスキャナ３０２の各取付パッド３１４ａ、３１４ｂを支持する。各圧電素子６０２ａ、６０２ｂは、それぞれの位置において、取付パッド３１４ａ、３１４ｂを電気的に押さえつけ、トーションアーム３０６ａ、３０６ｂにより定まる回転軸３１０の回りを周期的に回転させる。同様に、圧電素子６０２ａ、６０２ｂを活性化することで、ミラー３０４の長軸にほぼ沿った軸を横断する軸の回りにＭＥＭＳスキャナ３０２を回転させることができる。
【００３４】
ＭＥＭＳスキャナ３０２と圧電素子６０２ａ、６０２ｂとの接触を保つために、クランプ、すなわち、圧力アセンブリである６０８ａ及び６０８ｂ（６０８ｂは図示せず）は、取付パッド３１４ａ、３１４ｂを圧電素子に押し付ける。クランプ６０８ｂは、図６を明確にするために省略されている。図示されるように、クランプ６０８は（アセンブリの底部を発端とし、取付パッド３１４と接触しており）、第一圧力プレート６１０、任意で取り付けられる円板ばね６１２、第二圧力プレート６１４、第二絶縁体６１６、及び第三圧力プレート６１８で構成される。一実施例において、第一圧力プレート６０１の端部は、図のように圧力アセンブリから外側に伸長する。後述するが、これはヒータ線すなわちリードを接着する部位にあたる。円板ばね６１２は、スプリングマスターズ#D63203のような市販製品であり、剛性が小さく、固有共振周波数が高い（５ＫＨｚ以上）ものが選ばれる。円板ばねは、応用形態に応じて、二枚一組としたり、他の枚数にしたり、もしくは全く使用しないこともできる。第一及び第二の圧力プレート６１０、６１４で押しつけることにより、円板ばね６１２の表面は強固になる。第二絶縁体６１６はＭＥＭＳスキャナ３０２ａを絶縁する。第一及び第二の絶縁体６０６、６１６は、パイレックス（登録商標）ガラスのように、適当な密度、電気的絶縁力、及び圧縮強度を有した材質からなる。第一及び第二の圧力プレート６１０，６１４は、鋼鉄のように、適当な導電性を有し、かつ、適当な圧力強度、硬度、及び密度を含む物理特性を有する材質からなる。第三圧力プレート６１８は、第二絶縁体６１６の上面に位置し、圧力アセンブリとハウジング（図示せず）とを接続する。第三圧力プレート６１８は、好ましくは鋼鉄から成り、マウンティングと調整ねじ（図示せず）が取り付けられる穴６２０を有する。当業者にとって明らかなように、代替的もしくは一部変更したクランプを使用することもできる。
【００３５】
図７は圧電素子６０２の全体図を示す。当該素子は、PICMA 885.10.モデルhttp://www.physikinstrumente.deを含むいくつかの出所源から調達することができる。
【００３６】
図８及び図９は、ＬＢＰプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナハウジング８０２の全体図を示す。２枚のフロントプレート８０４ａ、８０４ｂは、取付ねじ８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ、８０８ｄで後方ハウジング８０６に固定される。ＭＥＭＳスキャナ３０２は、当該ハウジングの空洞内に保持され、ここで適当量の回転が許される。調整ねじのねじ穴８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃ、及び８１０ｄには調整ねじ（図示せず）がはめ込まれ、この調整ねじは第三圧力プレート６１８（図６に示されている）に形成された調整ねじ穴へと突き抜けている。組み立て時、調整ねじは円板ばね６１２（図示せず）に一定の予加重を生じさせる。操作中のＭＥＭＳスキャナの動作は、後方ハウジング８０６の上部に形成されたＭＥＭＳ観測ポート８１２を通して観測される。ＭＥＭＳスキャナアセンブリ８０２は、ハウジング内に形成されている取付タブ８１４ａ、８１４ｂによって、ＬＢＰの露光ユニットに固定される。
【００３７】
ＭＥＭＳスキャナ３０２をハウジング８０２に固定するのにクランプ６０８を使用することで、マウントを“浮かせる”ことができ、その結果、取付パッド３１４を交互に微動させることができる。いくつかの実施例では、組み立て作業中にクランプ６０８がわずかにねじれることで、取付パッド３１４の面内に微小なねじりが生じる。これにより、ＭＥＭＳスキャナのＴ字バー及び／又はトーションバーに好ましくない残留応力が生じる。このようなねじれは、小さい走査角で数時間、設置されたスキャナを動作させる、つまりバーンインすることで、低減ないし除去することができる。典型的な実施例では、１／２の振幅で約４時間スキャナを動作させる。このバーンイン処理をすることで、Ｔ字バー及び／又はトーションアームの機械的故障に関連する“初期段階”の故障の発生を減らすことができる。もしくは、クランプアセンブリのねじれを低めに設定することで、スキャナアセンブリのバーンイン処理を減らし、あるいはなくすことができる。
【００３８】
ＭＥＭＳスキャナ３０２は４つの圧電素子６０２で駆動することが可能であり、各取付パッド３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ、及び３１４ｄは並列に配置される。代替例として、ＭＥＭＳスキャナの一端を固定位置で支持し、例えば取付パッド３１４ｃ、３１４ｄを堅固な取付部位に支持し、ＭＥＭＳスキャナの他端を圧電素子により駆動する、例えば取付パッド３１４ａ、３１４ｂを図６に示されるように圧電素子に取り付けることも可能である。また、第三の代替例として、３つの取付パッドをそれぞれ堅固な取付部位に固定して、圧電素子を１つだけ使うことも可能である。
【００３９】
上述のようにＭＥＭＳスキャナ３０２は、所望の動作周波数から数ヘルツ以内の共振周波数となるよう調整される。図４の曲線４０２から明らかなように、共振周波数のわずかな変化は、（所定周期の駆動電圧での）回転振幅に比較的大きな変化をもたらす。本発明者は、典型的実施例においてＭＥＭＳスキャナが外枠をたとえ有しなくとも、ＭＥＭＳデバイスの加熱を制御すれば、共振周波数さえも調整でき、それ故に、駆動振幅も調整できることを発見した。図６に戻るに、クランプ６０８ａにおける第一圧力プレートの拡張タブは、クランプ６０８ｂ（図示せず）における圧力プレートと同様に、ヒータ線を受け入れる。同様に、隣接する取付パッド３１４ｃ、３１４ｄ（これらも図示せず）もヒータ線を受け入れる。かかるヒータ線は、第一圧力プレートの金メッキされた拡張タブにはんだ付けする方法、金属化された接着パッド、例えば取付パッド３１４にはんだ付けする方法、もしくは、その他当該技術分野に周知な方法で取り付けられる。動作中、走査振幅はセンサーで観測され、スキャナ３０２の両端間（一端が取付パッド６０６ａ及び６０６ｂで形成され、他端が取付パッド６０６ｃ及び６０６ｄで形成される）の電位は調整される。シリコン材料の電流抵抗により、特にトーションアーム３０６ａ、３０６ｂでは、ジュール熱が生じる。高熱は、トーションアームを“軟化”させ、かつ、付随的に共振周波数を低減させる。従って、標準的な共振周波数をやや下回る値で動作されている場合、熱量が増加し、その結果走査振幅が小さくなるか、さもなくば、熱量が減少し、その結果走査振幅が大きくなる。０から１．５Ｗのチューニング電圧により、約８Ｈｚあたりに共振周波数が調整されることが実験から明らかになっている。この値は、高走査周波数においては、いくらか小さくなり、低走査周波数においては、いくらか高くなる可能性があるが、これは動作中スキャナへ吹き込まれる冷気によるものと推定される。
【００４０】
上述の発明の典型的な実施例の概要、図面の簡単な説明、及び、本発明における典型的な実施例の詳細な説明は、読み手に理解しやすい態様で記載されている。他の構造、方法、及び等価物も、本発明の範囲に含まれる。また、ここで述べた本発明の範囲とは、請求項に係る発明に限定されるものでない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】典型的な電子式写真プリンタの主な構成部材を説明する図。
【図２】先行技術である回転ポリゴンビームスキャナを用いたＬＢＰ露光ユニットの図。
【図３】本発明の一実施例に基づくＭＥＭＳスキャナの図。
【図４】図３のＭＥＭＳスキャナの動的反応を表したグラフ。
【図５】製造中の多数のＭＥＭＳスキャナが一枚のウエハ上にいかに配置されるかを示す図。
【図６】図３のＭＥＭＳスキャナを取り付けるための取付クランプを示す図。
【図７】図６のアクチュエータを形成する圧電素子の詳細図。
【図８】ＬＢＰプリンタに使用されるＭＥＭＳスキャナパッケージの正面斜視図。
【図９】図８のＭＥＭＳスキャナパッケージの補足的な２つの斜視図。
【図１】
2007526506.tif 000003
【図２】
2007526506.tif 000004
【図３】
2007526506.tif 000005
【図４】
2007526506.tif 000006
【図５】
2007526506.tif 000007
【図６】
2007526506.tif 000008
【図７】
2007526506.tif 000009
【図８】
2007526506.tif 000010
【図９】
2007526506.tif 000011
【国際調査報告】
2007526506.tif 000012
2007526506.tif 000013