(57)【要約】【課題】偏向ミラーのミラー基板の動的撓みの抑制。【解決手段】ねじり梁２３の非支持端は一対の連結部材２４，２４を介しミラー基板と連結される。ミラー基板をねじり梁２３と直接結合して振動させた場合の動的撓み量のピーク位置より、回転中心軸から遠い位置においてミラー基板と連結部材２４が結合される。このような連結部材の介在によりミラー基板の動的撓み変形が抑制され、動的歪み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の動的撓み量も減少する。ねじり梁２３の支持端３３が結合した支持部５０が、ねじり梁の回転に伴って同じ方向に弾性変形することによりミラー基板に作用する曲げモーメントが減少し、これによってもミラー基板の動的撓み変形が抑制される。【選択図】  図２９
2005308863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー基板が、一端を支持されたねじり梁をねじり回転軸として往復振動する偏向ミラーであって、
前記ミラー基板と前記ねじり梁の非支持端は一対の同一長の連結部材を介して連結され、前記一対の連結部材の第１の端は、前記ミラー基板の回転中心軸に対して対称な特定位置において前記ミラー基板の辺にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材の第２の端は前記ねじり梁の非支持端にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材及び前記ミラー基板の辺とが全体として前記ねじり梁の非支持端を頂点とする略２等辺三角形状の構造をなし、
前記一対の連結部材の第１の端が前記ミラー基板の辺と結合される前記特定位置は、前記ミラー基板を前記ねじり梁の非支持端に直結して往復振動させた場合における前記ミラー基板の動的撓み量のピーク位置より、前記ミラー基板の回転中心軸から遠い位置に選ばれたことを特徴とする偏向ミラー。
【請求項２】
前記連結部材は前記ねじり梁より高い剛性を持つ部材からなることを特徴とする請求項１に記載の偏向ミラー。
【請求項３】
前記一対の連結部材に、その補強のための部材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の偏向ミラー。
【請求項４】
前記ねじり梁の支持端は支持手段により回転弾性を持たせて支持されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の偏向ミラー。
【請求項５】
前記ねじり梁の支持端は、その回転に伴って同じ方向に弾性変形する支持部材に結合されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の偏向ミラー。
【請求項６】
前記ミラー基板は、裏面に複数の凹部が形成され、回転中心軸から離れるに従って曲げ剛性が減少することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の偏向ミラー。
【請求項７】
前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項８】
前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記連結部材に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項９】
前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極及び該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極、並びに、前記連結部材に設けられた可動電極及び該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項１０】
前記固定電極は、前記可動電極の移動方向にずらして設けられた複数の電極からなることを特徴とする請求項７，８又は９に記載の偏向ミラー。
【請求項１１】
前記連結部材に設けられた前記可動電極と微小ギャップを介して対向する前記固定電極は、前記ミラー基板の回転中心軸の方向に、絶縁分離された複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項８，９又は１０に記載の偏向ミラー。
【請求項１２】
前記固定電極及び前記可動電極のための電極パッドが同一平面に設けられたことを特徴とする請求項７，８，９又は１０に記載の偏向ミラー。
【請求項１３】
前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板に設けられた駆動コイルと、該駆動コイルが鎖交する静磁界を発生する磁石とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項１４】
封止手段を有し、該封止手段により少なくとも前記ミラー基板の振動空間が減圧状態に封止されたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項１５】
前記ミラー基板に対向し、前記ミラー基板に入射した光ビームを前記ミラー基板との間で複数回反射させるための固定したミラーを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の偏向ミラー。
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーのミラー基板との間で光ビームを複数回往復反射するミラーと、前記複数回往復反射の後の光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーにより偏向された光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置。
【請求項１８】
感光体と、画像信号で変調された光ビームにより前記感光体の表面を走査して静電潜像を形成する請求項１６又は１７に記載の光走査装置と、前記感光体上の静電潜像をトナー像に現像する現像手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシニング技術により実現される微小光学系に係り、より詳細には、ミラー基板を一端を支持されたねじり梁をねじり回転軸として往復振動させるタイプの偏向ミラーに関する。また、本発明は、かかる偏向ミラーの応用装置、例えば光走査装置や画像形成装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に、一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板に対向する位置に設けた電極との間の静電引力によって、２本の梁をねじり回転軸として往復振動させる偏向ミラーが記載されている。マイクロマシニング技術で形成されるこの偏向ミラーは、従来のモーターを使ってポリゴンミラーを回転させる光走査装置と比較し、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一の反射面を利用するため、ポリゴンミラーのように反射面ごとの精度のばらつきがなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の効果を期待できる。
【０００３】
このような静電駆動のねじり振動型偏向ミラーに関しては、ねじり梁をＳ字型として剛性を下げることにより、小さな駆動力で大きな振れ角を得られるようにしたものが特許文献１に、梁の厚さをミラー基板及びフレーム基板よりも薄くしたものが特許文献２に、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したものが特許文献３及び非特許文献２に、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて配置することにより、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものが非特許文献３に、それぞれ記載されている。
【０００４】
また、特許文献４に、ミラー基板（ミラー形成部）とフレームとを連結するねじれ梁（ねじり連結部）の幅を、ミラー形成部と結合される部分では相対的に広くし、フレームに至るまでの少なくとも途中までは、ミラー形成部から離れるに従って徐々に狭くすることによって、ミラー基板の法線周りの回転を抑制した偏向ミラーが記載されている。
【０００５】
また、特許文献５には、ミラー基板（振動構造体）と、ねじり梁（ねじりばねエレメント）との間に、ミラー基板に外部より加わった衝撃力をねじり梁の軸方向への力に変換するための変換器構造体を設けた偏向ミラー（マイクロ振動装置）が記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献６には、偏向ミラーのミラー面と、それに対峙させたミラー面との間で光ビームを複数回反射させてから出射させる構成の光走査装置が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第２９８１６００号公報
【特許文献２】特開平７−９２４０９号公報
【特許文献３】特許第３０１１１４４号公報
【特許文献４】特開２００３−１５０６４号公報
【特許文献５】特表２００３−５０３７５４号公報
【特許文献６】特開２００２−４８９９８号公報
【非特許文献１】K.E.Petersen，“Silicon  Tortional  Scanning  Mirror”，IBM  Journal  of  Research  and  Development  24，(1980)，pp.631-637
【非特許文献２】Harald  Schenk，“An  Electrostatically  Excited  2D-Micro-Scanning-Mirror  with  an  In-Plane  configuration  of  the  Driving  Electrodes”，The  13th  Annual  International  Workshop  on  MEMS2000，(2000)，pp．473-478
【非特許文献３】Harald  Schenk  et  al，“A  New  Driving  Principle  for  Micromechanical  Torsional  Actuators”，The  1999  ASME  International  Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition，Nov．14-19，1999，pp．333-338
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
偏向ミラーのミラー基板は、往復振動時に慣性力により動的撓み変形を生じる。均等厚で長さ２Ｌの矩形のミラー基板の２辺の中央をねじり梁の非支持端と直接結合し、ねじり梁をねじり回転軸としてミラー基板を往復振動させた場合のミラー基板の動的撓み変形について、図１により説明する。
【０００９】
図１において、（ａ）はミラー基板の動的撓み変形の様子を模式的に示した図であり、（ｂ）はミラー基板の長さ方向における動的撓み量の計算値と実測値の変化を示した図である。（ａ）に示すように、動的撓み量の計算値は、変形したミラー基板の曲面から最小２乗法により理想平面を求め、この理想平面とミラー基板の曲面との差をとった値であり、ミラー基板の慣性力を考慮した数値計算により求めた。動的撓み量の実測値は、ホログラフィー法により測定した値である。なお、ここではミラー基板の長さ方向における動的撓み量の変化の様子を示すことを意図しているので、計算値及び実測値の絶対値は示さない。
【００１０】
（ｂ）に見られるように、ミラー基板の回転中心軸（ねじり梁の中心軸の延長線と一致する）から略Ｌ／３だけ離れた位置付近に、動的撓み量のピークが現れる。具体的な数値の例を挙げると、板厚２０μm、４mm×４mmサイズの単結晶シリコンからなるミラー基板を、２本のねじり梁で直接支持し、2.5ｋHzで±５°の振れ角で往復振動させた場合には、回転中心軸からＬ／３の距離の付近における撓み量は約１μmにも達する。
【００１１】
このようなミラー基板の動的撓み変形は、ミラー基板上に金属薄膜などとして形成されるミラー面により反射された光ビームの光学特性を悪化させるため、可能な限り抑制する必要がある。
【００１２】
ミラー基板の動的撓み変形を減らすために、ミラー基板の厚さを大きくしてミラー基板の剛性を高める方法がある。しかし、かかるアプローチには、ミラー基板の慣性モーメントの増加によりミラー基板の振れ角（偏向角）が減少し、あるいは、同じ振れ角を得るために必要な駆動エネルギーの増加（静電駆動型の偏向ミラーでは駆動電圧の高電圧化）を招くという別の問題がある。
【００１３】
よって、本発明の目的は、反射光ビームの光学特性に悪影響を及ぼすミラー基板の動的撓み変形が効果的に抑制されるなどの優れた特徴を持つ新規な構成の偏向ミラーと、その応用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明は、ミラー基板が、一端を支持されたねじり梁をねじり回転軸として往復振動する偏向ミラーであって、前記ミラー基板と前記ねじり梁の非支持端は一対の同一長の連結部材を介して連結され、前記一対の連結部材の第１の端は、前記ミラー基板の回転中心軸に対して対称な特定位置において前記ミラー基板の辺にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材の第２の端は前記ねじり梁の非支持端にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材及び前記ミラー基板の辺とが全体として前記ねじり梁の非支持端を頂点とする略２等辺三角形状の構造をなし、前記一対の連結部材の第１の端が前記ミラー基板の辺と結合される前記特定位置は、前記ミラー基板を前記ねじり梁の非支持端に直結して往復振動させた場合における前記ミラー基板の動的撓み量のピーク位置より、前記ミラー基板の回転中心軸から遠い位置に選ばれたことを特徴とする偏向ミラーである。
【００１５】
請求項２の発明は、前記連結部材が前記ねじり梁より高い剛性を持つ部材からなることを特徴とする請求項１の発明による偏向ミラーである。
【００１６】
請求項３の発明は、前記一対の連結部材に、その補強のための部材が設けられたことを特徴とする請求項１の発明による偏向ミラーである。
【００１７】
請求項４の発明は、前記ねじり梁の支持端が支持手段により回転弾性を持たせて支持されていることを特徴とする請求項１，２又は３の発明による偏向ミラーである。
【００１８】
請求項５の発明は、前記ねじり梁の支持端が、その回転に伴って同じ方向に弾性変形する支持部材に結合されていることを特徴とする請求項１，２又は３の発明による偏向ミラーである。
【００１９】
請求項６の発明は、前記ミラー基板が、裏面に複数の凹部を形成され、回転中心軸から離れるに従って曲げ剛性が減少することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の発明による偏向ミラーである。
【００２０】
請求項７の発明は、前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２１】
請求項８の発明は、前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記連結部材に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２２】
請求項９の発明は、前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極、及び、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極、並びに、前記連結部材に設けられた可動電極、及び、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２３】
請求項１０の発明は、前記固定電極が、前記可動電極の移動方向にずらして設けられた複数の電極からなることを特徴とする請求項７，８又は９の発明による偏向ミラーである。
【００２４】
請求項１１の発明は、前記連結部材に設けられた前記可動電極と微小ギャップを介して対向する前記固定電極は、前記ミラー基板の回転中心軸の方向に、絶縁分離された複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項８，９又は１０の発明による偏向ミラーである。
【００２５】
請求項１２の発明は、前記固定電極及び前記可動電極のための電極パッドが同一平面に設けられたことを特徴とする請求項７，８，９又は１０の発明による偏向ミラーである。
【００２６】
請求項１３の発明は、前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板に設けられた駆動コイルと、該駆動コイルが鎖交する静磁界を発生する磁石とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２７】
請求項１４の発明は、封止手段を有し、該封止手段により少なくとも前記ミラー基板の振動空間が減圧状態に封止されたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２８】
請求項１５の発明は、前記ミラー基板に対向し、前記ミラー基板に入射した光ビームを前記ミラー基板との間で複数回反射させるための固定したミラーを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項の発明による偏向ミラーである。
【００２９】
請求項１６の発明は、請求項１乃至１４のいずれか１項の発明による偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーのミラー基板との間で光ビームを複数回往復反射するミラーと、前記複数回往復反射の後の光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置である。
【００３０】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１５のいずれか１項の発明による偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーにより偏向された光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置である。
【００３１】
請求項１８の発明は、感光体と、画像信号で変調された光ビームにより前記感光体の表面を走査して静電潜像を形成する請求項１６又は１７の発明による光走査装置と、前記感光体上の静電潜像をトナー像に現像する現像手段とを有することを特徴とする画像形成装置である。
【発明の効果】
【００３２】
（１）請求項１〜１５の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の動的撓み変形を効果的に抑制し、ミラー基板の動的撓み量の小さい領域を拡大し、かつ、その領域内、特にミラー基板の回転中心軸付近の動的撓み量を減少させることができるため、偏向された光ビームのビーム径などの光学特性が改善される。また、ミラー基板の動的撓み量の小さい領域が拡大されるため、ルーフミラーなどの固定ミラーとミラー基板との間で光ビームを往復反射させ光てこの原理により光ビームの偏向角を増大させる場合にも光ビームの良好な光学特性を得ることができる。また、ミラー基板の板厚を増加させることによって動的撓み変形を抑制するアプローチと違ってミラー基板全体の慣性モーメントの増加を伴わないため、ミラー基板の振れ角の減少や駆動エネルギーの増大を招かない。
（２）請求項２，３の発明に係る偏向ミラーにおいては、連結部材の変形が起こりにくくなるため、ミラー基板の動的撓み変形の抑制効果が向上する。
（３）請求項４，５の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の往復振動時に、ねじり梁のねじり回転に伴い、ねじり梁の支持端も同じ方向に回転するため、ミラー基板に作用する曲げモーメントが減少し、ミラー基板の動的撓み変形がさらに抑制される。
（４）請求項６の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板全体の慣性モーメントを増加させることなく、ミラー基板の偏向に利用される領域の曲げ剛性を高めて動的撓み量を小さくすることができる。
（５）請求項８の発明に係る偏向ミラーにおいては、駆動用電極がミラー基板の回転中心軸に近づくため、ミラー基板の振れ角の大きい時にも静電トルクの減少が小さく、その分だけミラー基板の振れ角を大きくすることができる。また、ミラー基板の自由端に電極を設ける必要がないため、ミラー基板をその自由端近傍まで光ビームの偏向に利用可能である。
（６）請求項９の発明による偏向ミラーにおいては、上記（５）に述べた理由に加え、駆動用電極面積が増加するため、低い駆動電圧でミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
（７）請求項１０の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の移動方向にずれた２段以上の固定電極を適切なタイミングで駆動することにより、ミラー基板を大きな振れ角で振動させることができ、また、ミラー基板が含まれる共振系の共振点から外れた周波数で大きな安定した振れ角でミラー基板を振動させることができる。
（８）請求項１１の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の回転中心軸に近い固定電極と遠い固定電極とを適当なタイミングで駆動することにより、ミラー基板の振れ角が小さい時点から大きい時点まで連続的に静電トルクを作用させ、低い駆動電圧でミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
（９）請求項１２の発明に係る偏向ミラーにおいては、駆動電極の電極パッドが同一平面にあるため、封止を含む実装プロセスの信頼性が向上する。
（１０）請求項１３の発明に係る偏向ミラーにおいては、容易に大きな電磁トルクを発生させてミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
（１１）請求項１３の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の振動時の粘性抵抗を減らし、小さな駆動エネルギーでミラー基板を大きな振れ角で振動させることができ、また、ミラー基板振動空間への塵埃などの異物の侵入を阻止し偏向ミラーの信頼性を高めることができる。
（１２）請求項１５の発明に係る偏向ミラーは、ミラー基板の振れ角より大きな偏向角を得ることができる。
（１３）請求項１６，１７の発明に係る光走査装置は、光学特性の良好な光ビームにより被走査面を走査することができ、また、往復走査による高速走査も可能である。また、ポリゴンミラーを用いる光走査装置に比べ静粛性や省電力性に優れている。請求項１７の発明に係る光走査装置によれば、大きな走査角での走査が可能である。  
（１４）請求項１８の発明に係る画像形成装置によれば、光学特性の良好な光ビームにより感光体に光書込みを行って高品質の画像形成が可能であり、また、往復走査による高速な光書込みが可能であるため高速な画像形成が可能である。また、ポリゴンミラーを用いる光走査装置に比べ、静粛性や省電力性などに優れている、等々の効果を得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、本発明の主要な特徴と関連付けながら詳細に説明する。
【００３４】
＜特徴の説明（１）＞
本発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板とねじり梁（ねじりばね）の非支持端とは一対の同一長の連結部材を介して連結される。この一対の連結部材の第１の端は、ミラー基板の回転中心軸に対して対称な特定位置においてミラー基板の辺にそれぞれ結合され、一対の連結部材の第２の端はねじり梁の非支持端にそれぞれ結合され、一対の連結部材とミラー基板の辺は全体として、ねじり梁の非支持端を頂点とする略２等辺三角形状の構造をなす。かかる連結部材をミラー基板とねじり梁の非支持端との間に介在させることにより、ミラー基板の動的撓み量のピーク位置は、ミラー基板とねじり梁の非支持端を直接結合した場合の動的撓み量のピーク位置より外側に移動し、ミラー基板の動的撓み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の、特にミラー基板の回転中心軸近傍の動的撓み量が減少する。
【００３５】
このような本発明に係る偏向ミラーの特徴的構成について、図２〜図６を参照し、より具体的に説明する。
【００３６】
図２は本発明に係る偏向ミラーの特徴的構成を説明するための斜視図であり、図３はその一部の拡大図である。図２において、２０はフレーム、２１はミラー基板、２３は一端がフレーム２０に支持されたねじり梁、２４はねじり梁２３の非支持端とミラー基板２１とを連結する連結部材である。
【００３７】
図３に明確に示されるように、各ねじり梁２３の非支持端とミラー基板２１とを結合する一対の連結部材２４，２４と、それが結合したミラー基板２１の辺は全体として、ねじり梁２３の非支持端を頂点とした略２等辺三角形状（正三角形状も含む）の構造をなす。
【００３８】
このような偏向ミラーにおいて、ミラー基板２０の長さを２Ｌとすると、ミラー基板２０の往復振動時に図４に実線で示すような動的撓みが発生する。図４中の破線は、ねじり梁２３の非支持端をミラー基板２１に直接結合してミラー基板２１を往復振動させた場合の動的撓みを示しであり、これは図１に関連して述べた通りである。
【００３９】
実線と破線を対比すれば明らかなように、本発明に係る偏向ミラーにおいては、動的撓み量の小さい領域が拡大し、また、その領域内の、特にミラー基板の回転中心軸近傍における動的撓み量が減少している。
【００４０】
図４から容易に理解されるように、ミラー基板２１の動的撓み量のピーク位置は、一対の連結部材２４，２４のミラー基板２１との結合点の間隔（図３中の２５）と関連がある。この結合点間隔を２Ｌ／３より大きく設定すると、換言すれば、ミラー基板２１の回転中心軸から連結部材２４の結合位置までの距離をＬ／３より大きく設定すると、顕著な動的撓み変形の抑制効果を得られる。ただし、これは長さ２Ｌ、均等板厚の矩形ミラー基板の場合であり、より一般的に言えば、ミラー基板２１をねじり梁２３の非支持端に直結して往復振動させた場合における動的撓み量のピーク位置より遠い位置を、連結部材２４の前記ミラー基板２１との結合位置に選ぶと効果的に動的撓み変形を抑制できる。
【００４１】
上に述べた動的撓み変形の抑制のメカニズムについて説明を補足する。動的撓み変形の主因はミラー基板２１に作用する曲げモーメントである。この曲げモーメントを図５に示す３次元ビームモデルを用い有限要素法により計算すると、図６に示すような結果を得られる。
【００４２】
図６に見られるように、ミラー基板２１に作用する曲げモーメントは、連結部材２４の結合点間の領域８４では小さく、その外側で増大する。このような曲げモーメントの分布となるため、図４で述べたような、動的撓み量の小さい領域の拡大と同領域内、特にミラー基板の回転中心軸近傍での動的撓み量の減少がもたらされる。
【００４３】
なお、上に述べた動的撓み抑制効果を達成するためには、連結部材２４の剛性を考慮する必要があり、一般的には、その剛性が高いほど動的撓み抑制効果が顕著になる。したがって、所要の剛性が得られるように連結部材の材質や寸法を選ぶ必要がある。一例を挙げれば、ミラー基板、ねじり梁、連結部材、フレームなどをシリコン基板によって一体的に形成した偏向ミラーにおいて、ねじり梁の幅が２０〜４０μｍ、長さが１〜２μｍ、ねじり梁の非支持端からミラー基板までの距離が１〜１．５μｍの場合、連結部材の幅は例えば６０〜８０μｍに選ぶことができる。ただし、これはあくまで例示であり、連結部材の幅等の寸法は他の部材の寸法等も考慮して決定されるものである。
【００４４】
＜特徴の説明（２）＞
本発明に係る偏向ミラーのもう一つの特徴は、ミラー基板の裏面に複数の凹部を配することにより、ミラー基板の曲げ剛性を、ミラー基板の回転中心軸から離れるに従って減少させることにある。
【００４５】
図７〜図１０を参照し、より具体的に説明する。図７は説明のための偏向ミラーのミラー基板裏面側から見た平面形状を示し、図８はミラー基板のＡＡ線断面を示し、図９はミラー基板のＢＢ線断面を示している。ここに示す例では、ミラー基板２１は、薄いミラー面部３０の裏面に、ミラー面部３０の厚さより十分大きな高さｂの、幅ｈの複数のリブ２８を立設し、これらリブ２８により区画された複数の凹部２７をミラー基板裏面に配した構成である。凹部２７の個数及び大きさ、換言すればリブ２８の配置密度が、ミラー基板２１の回転中心軸近傍から自由端に至る各部位で異なっている。
【００４６】
このような凹部２７を配したミラー基板２１の各部位における断面２次モーメントを求める。ミラー面部３０の厚さは十分に小さいので、その断面二次モーメントを無視して計算すると、各部位の断面２次モーメントＩj はリブ２８の断面２次モーメントの和として求めることができ、次式で示される。
【００４７】
Ｉj＝Σｂｈ^3／１２
ミラー基板２１の曲げ剛性Ｍjは、各部位の断面二次モーメントＩj にヤング率Ｅを乗じた値である。すなわち、
Ｍj＝Ｅ＊Ｉj
よって、リブ２８の本数及び間隔の調節によって、ミラー基板２１の曲げ剛性Ｍjの値及び分布を調整可能である。
【００４８】
このようにして得られるミラー基板の曲げ剛性の分布の例を図１０に示す。このようなミラー基板の自由端側ほど曲げ剛性が小さくなる曲げ剛性分布とすることにより、ミラー基板全体の慣性モーメントを増加させることなく、ミラー基板の偏向に利用される領域の曲げ剛性を高め、その領域における動的撓み変形を効果的に抑制可能である。
【００４９】
なお、上に述べたような凹部を裏面に形成して曲げ剛性分布を調整すると、ねじり梁の非支持端を直接結合してミラー基板を往復振動させた時の動的撓み量のピーク位置と、曲げ剛性分布調整を行わない場合の動的撓み量のピーク位置とに差が生じる。したがって、このピーク位置の差を、連結部材とミラー基板の結合位置の決定に際し考慮する必要がある。
【００５０】
以上に述べた特徴を持つ偏向ミラーの具体例について以下に説明する。
【実施例１】
【００５１】
図１１は、一実施例に係る偏向ミラーを説明するため示す概略斜視図である。本実施例に係る偏向ミラーは、２枚のシリコン基板４１，４４を絶縁膜４２を介し接合したＳＯＩ基板を用いて、フォトエッチング等の半導体プロセスにより、ミラー基板２１、連結部材２４、ねじり梁２３、フレーム２０が一体的に作成されたものである。連結部材２４は、ミラー基板２１の自由端に近い位置に結合されている。ミラー基板２１の自由端に櫛歯形状の可動電極３９が形成され、これに対向するフレーム２０の部位に（シリコン基板４４側）、可動電極３９と微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極４０が形成されている。すなわち、本実施例に係る偏向ミラーは、可動電極３９と固定電極４０との間の静電トルクによりミラー基板２１を駆動する静電駆動型のものである。
【００５２】
少なくともシリコン基板４４は低抵抗率の基板である。このシリコン基板４４は、絶縁膜４２に達する４つのスリット４５によって、ねじり梁２３を介して可動電極と電気的に導通した領域と、固定電極４０と電気的に導通した領域とに絶縁分離されている。これら各領域に、可動電極３９のための電極パッドと固定電極４０のための電極パッドが形成されているが、図示されていない。また、ミラー基板２１の一面には、ミラー面として、使用光の波長に対し高い反射率を有する金属薄膜などが形成されているが、図示されていない。
【００５３】
本実施例に係る偏向ミラーを駆動する場合、例えば図１２に示すように、可動電極３０のための電極パッドを接地し、固定電極４０のための電極パッドに駆動パルス発生装置ＰＧを接続し、この駆動パルス発生装置ＰＧより、図１３（ｂ）に示すような振動系の共振周波数の２倍の周波数の駆動パルスを印加すると、可動電極３０と固定電極４０との間の静電引力によりミラー基板２１に回転トルクが発生し、ミラー基板２１はねじり梁２３をねじり回転軸として共振周波数で往復振動する。この往復振動が安定した状態では、ミラー基板２１の振れ角変化は図１３（ａ）のようになる。
【００５４】
なお、本実施例に係る偏向ミラーと同様な偏向ミラーを、後記実施例５と同様に、１枚のシリコン基板を用いて作成することも可能である。
【００５５】
また、図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーと同様な構成において、ミラー基板２１の裏面（ミラー面の形成されない側）に、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよい。かかる偏向ミラーも当然に本発明に包含される。
【実施例２】
【００５６】
他の実施例に係る偏向ミラーを図１４を用いて説明する。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１に係る偏向ミラーと駆動電極の構成が異なるのみである。図１４は、この駆動電極構成の違いを表すための簡略化された斜視図であり、図示されていない構成は前記実施例１のものと同様である。
【００５７】
本実施例に係る偏向ミラーにおいては、図１４に示すように、連結部材２４に外側に張り出した形の櫛歯形状の可動電極５１が形成され、この可動電極５１と微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極５２がフレーム２０に形成されている。可動電極５１と固定電極５２の間に駆動パルスを印加し、両電極間の静電トルクによりミラー基板２１を駆動し、ミラー基板２１をねじり梁２２をねじり回転軸として共振周波数で往復振動させることができる。
【００５８】
本実施例に係る偏向ミラーにおいては、駆動用電極がミラー基板２１の回転中心軸に近い位置にあるため、前記実施例１の偏向ミラーに比べ、ミラー基板２１の振れ角の大きい時にも静電トルクの減少が小さく、したがって振れ角を大きくとることができる。また、本実施例に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板２１の自由端に櫛歯形状の可動電極が設けられないため、ミラー基板２１の自由端近傍までミラー面として利用可能である。ミラー基板２１の自由端近傍までミラー面として利用したい場合には、連結部材２４をミラー基板２１の自由端付近に結合するとよい。
【００５９】
なお、本実施例に係る偏向ミラーと同様な偏向ミラーを、後記実施例５と同様に、１枚のシリコン基板を用いて作成することも可能である。
【００６０】
また、図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーと同様な構成において、ミラー基板２１の裏面に、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよく、かかる構成の偏向ミラーも本発明に含まれる。
【実施例３】
【００６１】
他の実施例に係る偏向ミラーを図１５を用いて説明する。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１に係る偏向ミラーと駆動のための電極の構成が異なるのみである。図１５は、この駆動電極構成の違いを表すための簡略化された斜視図であり、図示されていない構成は前記実施例１のものと同様である。
【００６２】
本実施例に係る偏向ミラーにおいては、図１５に示すように、ミラー基板２１の自由端に形成された可動電極３９とそれに対向してフレーム２０に形成された固定電極４０に加え、連結部材２４に外側に張り出した形の櫛歯形状の可動電極５１が形成され、この可動電極５１と微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極５２がフレーム２０に形成されている。
【００６３】
本実施例に係る偏向ミラーも、可動電極３９と固定電極４０の間、及び、可動電極５１と固定電極５２の間に駆動パルスを印加し、それら電極間の静電トルクによりミラー基板２１を駆動し、ミラー基板２１をねじり梁２２をねじり回転軸として共振周波数で往復振動させることができる。
【００６４】
図１６は駆動電極による静電トルクと振れ角の関係を示している。図１６において、曲線８８はミラー基板自由端の可動電極３９と固定電極４０による静電トルクの計算結果を示している。曲線８９は連結部材２４に設けられた可動電極５１と駆動電極５２による静電トルクの計算結果を示し、振れ角が大きい領域でもそれほど減少しないことが分かる。これら静電トルクを合算した静電トルク（曲線９０）がミラー基板２１に作用することになる。よって、本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１，２に係る偏向ミラーに比べ、同じ駆動電圧でミラー基板２１の振れ角を増加させることができ、また、同じ振れ角ならば駆動電圧を下げることができる。
【００６５】
なお、本実施例に係る偏向ミラーと同様な偏向ミラーを、後記実施例５と同様に１枚のシリコン基板を用いて作成することも可能である。また、図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーと同様な構成において、ミラー基板２１の裏面に、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよく、かかる構成の偏向ミラーも本発明に含まれる。
【実施例４】
【００６６】
図１７は他の実施例に係る偏向ミラーの平面図であり、図１８はその簡略化した斜視図である。
【００６７】
本実施例に係る偏向ミラーは、電磁駆動型であり、ミラー基板２１のミラー面５５側に、その周囲に沿って周回する駆動コイル５７が例えば銅薄膜により形成され、駆動コイル５７の各端のリード部５８，５８はフレーム２０に形成された電極パッド６０，６０に引き出されている。本実施例に係る偏向ミラーは、駆動コイル５７が横断鎖交する、ミラー基板２１に略平行な静磁界を発生するための一対の永久磁石６２，６２を備えている。なお、永久磁石６２，６２を電磁石に置き換えることも可能である。ミラー基板２１の裏面には、図１８中に破線で示すように、ミラー基板２１の剛性を維持しつつ慣性モーメントを減らすために複数の凹部（肉抜き部）が形成されている。この凹部は、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせるような大きさ・配置としてもよい。
【００６８】
本実施例に係る偏向ミラーは、電極パッド６０，６０を通じて図１９に示すような共振周波数の正弦波電流を通電することにより、駆動コイル５７に電磁トルクを発生させ、ミラー基板２１を共振周波数で往復振動させることができる。この時のミラー基板２１の振れ角θは、以下の式で表すことができる。
【００６９】
ｆ0＝（１／２π）√（Ｋθ／Ｉ）
θ＝Ｔrq／Ｉ＊Ｋ（ｆ0,Ｃ）
ただし、Ｋ（f0、C）は、共振周波数ｆ0及び振動空間の粘性抵抗係数Ｃの関数であり、ｆ0、Ｃに反比例する。Ｋθはねじり梁のねじりバネ定数、Ｔrqは駆動コイルに作用する電磁トルク、Ｉはミラー基板の慣性モーメントである。
【００７０】
このような電磁駆動型の偏向ミラーは容易に大きなトルクを発生されることができるため、大きな振れ角を得やすい。
【００７１】
本実施例に係る偏向ミラーは、例えばシリコン基板を用いて半導体プロセスにより作成されるが、ミラー基板２１、連結部材２４、フレーム２０のいずれも電極として利用されないため、低抵抗率の基板である必要はない。
【００７２】
なお、ミラー基板２１の裏面を平坦面とし、そこに駆動コイルを設けることもできる。この場合、ミラー基板２１の表面全体をミラー面として利用可能になる。かかる構成の偏向ミラーも本発明に含まれる。
【実施例５】
【００７３】
本発明に係る偏向ミラーにおいて、ねじり梁の非支持端とミラー基板とを連結する連結部材の剛性が不足した場合、ミラー基板を大きな振れ角で往復振動させた時に連結部材のねじり変形が起き十分な動的撓み変形抑制効果を得られない。ここに述べる実施例に係る偏向ミラーにおいては、そのような不都合を避けるために、連結部材に、その変形を抑えるための補強部材が設けられる。
【００７４】
図２０は一実施例に係る偏向ミラーの、ミラー基板裏面側から見た概略平面図である。図２１は、この偏向ミラーの概略中央断面図である。
【００７５】
ミラー基板101は、一直線上に設けられた２本のねじり梁102，102をねじり回転軸として往復振動する。各ねじり梁102の一端（非支持端）は、一対の連結部材121,121を介してミラー基板101の辺に連結されている。ミラー基板101と連結部材121の結合位置は、前述のように、ミラー基板101の動的撓み変形を効果的に抑制できるように選ばれている。一対の連結部材121,121には、その補強のための部材としてミラー基板101の辺と平行な補強梁123が設けられている。
【００７６】
各ねじり梁102の他端（支持端）は、ミラー基板101を囲むフレームの内側枠体104に結合されている。フレームは、この内側枠体104と、それより板厚の厚い外側枠体120とからなる一体構造である。
【００７７】
ミラー基板101の連結部材121と結合されない側の辺（自由端）には櫛歯形状の可動電極105,106が形成され、これと微小ギャップをへだてて噛み合う櫛歯形状の固定電極107,108が内側枠体104に形成されている。また、ミラー基板101の連結部材121が結合された辺の自由端近傍部109,110に対応して、外側枠体120の一部が延出し、その先端面に起動用電極111,112が形成されている。
【００７８】
フレーム（内側枠体104及び外側枠体120）、ミラー基板101、ねじり梁102、連結部材121並びに補強梁123は導電性材料（例えば低抵抗率の単結晶シリコン基板）により一体的に形成され、その表面には絶縁膜113が形成されている。外側枠体120の一部の絶縁膜113が除去されて導電性材料が露出され、この部分に可動電極105,106のための金属薄膜からなる電極パッド114（図２０中図示省略）が形成されている。固定電極107,108の表面には金属薄膜が形成され、これは外側枠体１２０の表面に形成された金属薄膜からなる電極パッド116,117に引き出されている。起動用電極111,112の表面にも金属薄膜が形成され、これは外側枠体120の延出部表面に形成された金属薄膜からなる電極パッド118,119に引き出されている。ミラー基板101の表面には、使用光の波長に対して十分高い反射率をもつ金属薄膜からなるミラー面115が形成されている。
【００７９】
次に、本実施例に係る偏向ミラーの製造方法の一例を図２２を参照して説明する。
【００８０】
工程ａ：  両面研磨された厚さ200μmのシリコン基板201の片面に、それを深くエッチングするためのマスクとして高粘度耐熱レジスト202を100μmの厚さで塗布する。ここで使用するマスク材は、シリコンとの密着性がよく、かつ、100μmのシリコンエッチング時にもマスクとして残る程度にエッチング選択比が大きく、かつ、エッチング後に容易に除去できるような材料であればよく、Ｎｉメッキ膜等を利用してもよい。
【００８１】
工程ｂ：  このレジストを露光、現像して内側枠体形状にパターニングする。
【００８２】
工程ｃ：  パターニングしたレジストをマスクとして、シリコン基板をエッチング速度が大きく異方性の高いドライエッチング装置(ICP-RIE)を用いて、内側枠体形状に100μmの深さまでエッチング除去する。ここで形成されるエッチング端面の段差部分に、後の工程で起動用電極を形成する。
【００８３】
工程ｄ：  レジスト202を溶解除去した後、段差の形成された基板に再び高粘度耐熱レジスト203を100μmの厚さに塗布し、露光、現像することにより補強梁の形状にパターニングする。
【００８４】
工程ｅ：  レジストマスクを除去する。
【００８５】
工程ｆ：  シリコン基板の内フレーム形状にエッチングした面と反対側の面（裏面）に高粘度耐熱レジスト204を100μmの厚さに塗布し、裏面をミラー基板、ねじり梁及び補強梁の形状にパターニングする。
【００８６】
工程ｇ：  パターニング後のレジストをマスクとして、エッチング速度が大きく異方性の高いドライエッチング装置(ICP-RIE)を用い、シリコン基板を貫通するまでドライエッチングする。
【００８７】
工程ｈ：  レジストを溶解、除去した後、基板全体を熱酸化し、表面に絶縁膜としての厚さ1μmのＳｉＯ２膜205を形成する。
【００８８】
工程ｉ：  フレーム内側の端面のＳｉＯ２膜上に、起動用電極及びその電極パッドのための金属薄膜206、駆動用固定電極及びその電極パッドのための金属薄膜207として、Ti薄膜を300Åの厚さに、次いでPt薄膜を1200Åの厚さに、スパッタ法でそれぞれ成膜する。さらに、ミラー面としてのAl薄膜208を成膜する。なお、成膜の際、電極以外の領域には金属薄膜が形成されないように、金属性のステンシルマスクで遮蔽し、また、同一部位で近接した駆動用固定電極は、ミラー基板をジグを用いて傾斜させた状態で斜め方向から成膜する。ここで、Ti薄膜はＳｉＯ２膜上でのPt薄膜の密着性を向上させるためのものである。なお、電極材料はPt薄膜に限られるものではなく、導電性が高くＳｉＯ２との密着性が確保できれば、他の材料（Au,Ti等）を使用してもよい。また、成膜方法はスパッタ法に限られるものではなく、真空蒸着、イオンプレーティング法等の他の方法で成膜してもよい。
【００８９】
工程ｊ：  枠体裏面の一部のＳｉＯ２膜をメタルマスクを使ってエッチング除去し、コンタクトホール209を形成し、シリコンを露出させる。
【００９０】
工程ｋ：  このコンタクトホールに、可動電極用の電極パッドとしてのAl薄膜210を、メタルマスクを使って成膜した後、シリコン基板との間の電気抵抗を下げるため400℃で熱処理を行う。ここでは金属薄膜としてAlを成膜したが、使用するレーザー光に対し必要十分な反射率が得られる金属薄膜ならばAu等の他の材料も選択可能である。また、成膜方法としては真空蒸着法を用いたが、スパッタ法、イオンプレーティング法等の他の方法で成膜してもよい。
【００９１】
次に、本実施例に係る偏向ミラーの動作を図２３を用いて説明する。可動電極のための電極パッド114を接地しておく。起動用電極のための電極パッド116,117に例えば50Ｖの電圧を印加すると、起動用電極111,112とミラー基板101の間に、ミラー基板101を図中反時計回り方向へ回転させる静電引力が働き、ミラー基板101は図２３（ａ）に示す角度まで傾く。この時、可動電極105,106と駆動用の固定電極107,108との間に振動開始に必要な段差ができる。このように、起動用電極を設けると、ねじり梁102のねじり剛性が大きい場合にも起動が容易になる。
【００９２】
次に、起動用電極111,112への電圧印加を断つと同時に、駆動用固定電極107,108の電極パッド116,117に例えば50Ｖの電圧を印加すると、固定電極と可動電極の間の静電引力とねじり梁102のねじり剛性により、ミラー基板101は時計回りに振れる。ミラー基板101が図２３（ｂ）に示す水平位置にまで戻った時に電極パッド116,117への電圧印加を停止すると、ミラー基板101は慣性モーメントによりさらに振れ、慣性モーメントとねじり梁102のねじり剛性とがつりあった図２３（ｃ）の角度で停止する。その後、電極パッド116,117に再び電圧を印加すると、電極間の静電引力及びねじり梁102のねじり剛性により、ミラー基板101は時計回りに振れ、再び図２３（ｄ）に示す水平位置に戻る。電極パッド116,117に印加する駆動パルスの周波数を振動系の共振周波数の２倍周波数に一致させると、ミラー基板101は、起動時よりも大きな振れ角で往復振動を続ける。
【００９３】
ミラー基板101の往復振動が安定した状態におけるミラー基板101の振れ角と駆動パルスとのタイミング関係を図２４に示す。上段が振れ角、下段が駆動パルスである。図から理解されるように、振れ角（走査角）が最大となる時間からのδだけ遅れて駆動パルスは立ち上がり、走査角が０になる向きにミラー基板が振れる時間Ｔを経過すると駆動パルスは立ち下がる。したがって、ミラー基板の振動の１周期の間に駆動パルスが２つ発生することになる。
【００９４】
本実施例に係る偏向ミラーにおいては、ねじり梁121の非支持端とミラー基板101とを連結する連結部材123が補強梁123により補強されているため、ミラー基板101が大きな振れ角で振動しても連結部材123のねじり変形が生じにくく、したがってミラー基板101の動的撓み変形をより確実に抑制することができる。
【００９５】
連結部材121の補強構造は、様々なバリエーションをとり得る。例えば、図２５に示すように、補強梁123を２本（又は３本以上）設け、連結部材121の変形をさらに抑制する構造とすることができる。また、図２６又は図２７に示すように、２本（又は３本以上）の補強梁123の相互間を１本又は２本以上の直交方向の補強梁124によって結合することにより補強効果を高め、より一層、連結部材123の変形を抑えることもできる。さらに、図２８に示すように平板状の補強梁123を用いることにより、複数本のバー状補強梁と同等以上の補強効果を達成することも可能である。
【００９６】
なお、連結部材とミラー基板の結合部位や、補強梁と連結部材の結合部位、補強梁相互の連結部位における応力集中を緩和するため、図２５のＡ部拡大図に示すように、それら部位の角部分を曲線状とするのが好ましい。
【００９７】
また当然のことながら、前記実施例１〜４及び後記各実施例に係る偏向ミラーにおいても、本実施例と同様に連結部材に補強部材を設けてもよい。
【００９８】
また、図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーと同様な構成において、ミラー基板の裏面に、可動電極部分を避けて図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよい。
【００９９】
＜特徴の説明（３）＞
本発明に係る偏向ミラーのもう一つの特徴は、ねじり梁の支持端を、その回転方向に弾性を持たせて支持することにある。このような回転弾性を有する支持は、ねじり梁の支持端の軸方向及びそれと直交する方向の移動を規制する軸受けなどの手段と、ねじり梁の支持端に結合した渦巻きバネの組み合わせなどによっても可能であるが、ねじり梁の支持端を、その回転に伴って同じ方向に弾性変形可能な支持部材に結合した構造によっても可能である。
【０１００】
後者の支持構造の例を図２９により説明する。図示のように、ねじり梁２３の支持端３３は、フレーム２０に一体形成された支持部５０に結合されている。ミラー基板２１の往復振動時に、ねじり梁２３はねじり回転するが、この回転に伴って支持部５０が同じ方向に所要の弾性変形を起こすように、支持部５０の幅、厚さ、長さなどが選ばれる。この支持部５０の作用効果について、図３０及び図３１により説明する。
【０１０１】
図３０は、ミラー基板の振動時の動的撓み変形の様子を示している。ここで、Ｔ０は振動周期、横軸は時間（ｔ）、点線はミラー基板２１の振れ角である。
【０１０２】
図３０において、
（１）０＜ｔ＜Ｔ0・1/4の期間ではミラー基板２１は矢印方向に回転し、ｔ＝Ｔ0・1/4の時点でミラー基板２１の撓み変形は最大となる。
（２）Ｔ0・1/4＜ｔ＜Ｔ0・2/4の期間ではミラー基板２１は逆方向に回転し始め、振れ角が減少するに従い撓み変形量は減少し、ｔ＝Ｔ0・1/4の時点でにおいて撓み変形量は０となる。
（３）Ｔ0・2/4＜ｔ＜Ｔ0・3/4の期間ではミラー基板２１は同方向に回転し続け、振れ角が大きくなるに従い撓み変形量は再び増加し、ｔ＝Ｔ0・3/4の時点で撓み形量は最大になる。
（４）Ｔ0・3/4＜ｔ＜Ｔ0・4/4の期間ではミラー基板２１逆方向に回転し始め、振れ角が減少するに従い撓み変形量は減少し、ｔ＝Ｔ0・4/4の時点で撓み変形量は０となる。
【０１０３】
図３１は、このようなミラー基板２１の往復振動中のｔ＝０、ｔ＝Ｔ0・1/4、ｔ＝Ｔ0・2/4、ｔ＝Ｔ0・3/4、ｔ＝Ｔ0・4/4の各時点における支持部５０の挙動を示す３次元ビームモデルである。図示のように、ミラー基板２１の撓み変形が最大となる時点（ｔ＝Ｔ0・1/4、ｔ＝Ｔ0・3/4）で支持部５０はミラー基板２１の回転方向と同じ方向に変形する。このような支持部５０の変形によって、ミラー基板２１に作用する慣性力が減少し、したがってミラー基板２１に作用する曲げモーメントが減少し、その結果、ミラー基板２１の動的撓み変形量が減少する。
【０１０４】
上に述べた特徴を持つ偏向ミラーの具体例について以下に説明する。
【実施例６】
【０１０５】
図３２は一実施例に係る偏向ミラーの構造を説明するための概略平面図である。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１のようにＳＯＩ基板を用いて半導体プロセスにより実現することも、前記実施例５のように１枚のシリコン基板を用いて半導体プロセスにより実現することも可能であるが、ここでは特徴的な構造についてのみ説明し、それ以外の詳細な構造の説明は割愛する。
【０１０６】
図３２に見られるように、本実施例に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板21の自由端に櫛歯形状の可動電極３９が形成され、これと微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極４０がフレーム２０に形成されている。すなわち、この偏向ミラーは、可動電極３９と固定電極４０による静電トルクによってミラー基板２１を駆動する形式のものである。
【０１０７】
図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーにおいて、ミラー基板裏面に、可動電極部分を避けて、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよい。
【実施例７】
【０１０８】
図３３は、別の実施例に係る偏向ミラーの構造を説明するための概略斜視図である。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１のようにＳＯＩ基板を用いて半導体プロセスにより実現することも、前記実施例５のように１枚のシリコン基板を用いて半導体プロセスにより実現することも可能であるが、ここでは特徴的な構造についてのみ説明し、それ以外の詳細な構造の説明は割愛する。
【０１０９】
図３３に見られるように、本実施例に係る偏向ミラーにおいては、前記実施例２と同様に、連結部材２４に外側に張り出した形の櫛歯形状の可動電極５１が形成され、この可動電極５１と微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極５２がフレーム２０に形成されている。すなわち、本実施例に係る偏向ミラーは、可動電極５１と固定電極５２の間に駆動パルスを印加し、両電極間の静電トルクによりミラー基板２１を駆動する形式である。
【０１１０】
本実施例に係る偏向ミラーにおいては、駆動用電極がミラー基板２１の回転中心軸に近い位置にあるため、前記実施例６に係る偏向ミラーに比べ、ミラー基板２１の振れ角の大きい時にも静電トルクの減少が小さく、振れ角を大きくとることができる。また、本実施例に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板２１の自由端に櫛歯形状の可動電極が設けられないため、ミラー基板２１の自由端近傍までミラー面として利用可能である。ミラー基板２１の自由端近傍までミラー面として利用したい場合には、連結部材２４をミラー基板２１の自由端付近に結合するとよい。
【０１１１】
なお、図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーにおいて、ミラー基板裏面に、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を形成することにより、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよい。
【実施例８】
【０１１２】
図３４は、別の実施例に係る偏向ミラーの構造を説明するための概略斜視図である。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１のようにＳＯＩ基板を用いて半導体プロセスにより実現することも、前記実施例５のように１枚のシリコン基板を用いて半導体プロセスにより実現することも可能であるが、ここでは特徴的な構造についてのみ説明し、それ以外の詳細な構造の説明は割愛する。
【０１１３】
図３４に見られるように、本実施例に係る偏向ミラーにおいては、前記実施例３と同様に、ミラー基板２１の自由端に形成された可動電極３９とそれに対向してフレーム２０に形成された固定電極４０に加え、連結部材２４に外側に張り出した形の櫛歯形状の可動電極５１が形成され、この可動電極５１と微小ギャップを介して噛み合う櫛歯形状の固定電極５２がフレーム２０に形成されている。
【０１１４】
本実施例に係る偏向ミラーも、可動電極３９と固定電極４０の間、及び可動電極５１と固定電極５２の間に駆動パルスを印加し、それら電極間の静電トルクによりミラー基板２１を駆動するが、前記実施例３に関連して述べたように、低い駆動電圧でミラー基板２１を大きな振れ角で振動させることができる。
【０１１５】
図示しないが、本実施例に係る偏向ミラーにおいて、ミラー基板裏面に、図７〜図１０に関連して説明したような複数の凹部を可動電極部を避けて形成することにより、ミラー基板２１に図１０に示したような曲げ剛性分布を持たせてもよい。
【実施例９】
【０１１６】
図３５は別の実施例に係る偏向ミラーの構造を説明するための概略平面図、図３６はその概略斜視図である。本実施例に係る偏向ミラーは、前記実施例１のようにＳＯＩ基板を用いて半導体プロセスにより実現することも、前記実施例５のように１枚のシリコン基板を用いて半導体プロセスにより実現することも可能であるが、ここでは特徴的な構造についてのみ説明し、それ以外の詳細な構造の説明は割愛する。
【０１１７】
本実施例に係る偏向ミラーは、電磁駆動型であり、前記実施例４と同様に、ミラー基板２１のミラー面５５側に、その周囲に沿って周回する駆動コイル５７が例えば銅薄膜により形成され、駆動コイル５７の各端のリード部５８，５８はフレーム２０に形成された電極パッド６０，６０に引き出されている。また、ミラー基板２１に略平行な静磁界を発生するための一対の永久磁石６２，６２を備えている。永久磁石６２，６２を電磁石に置き換えることも可能である。ミラー基板２１の裏面には、図３６に破線で示すように複数の凹部が形成されている。駆動方法は前記実施例４に関連して説明した通りである。
【０１１８】
＜特徴の説明（４）＞
本発明に係る偏向ミラーのもう１つの特徴は、駆動のための固定電極を、可動電極の移動方向にずらして配置した２以上の電極に分割した構造にある。このような２段以上の分割電極構造は、振れ角の増加及び共振点外での安定振動を可能にする。
【０１１９】
本発明に係る偏向ミラーのもう１つの特徴は、光てこの原理により光ビームの偏向角（走査角）を拡大するためのミラーをミラー基板に対向させて設けることにある。そのミラーとミラー基板との間で入射光ビームを複数回往復反射させる関係から、ミラー基板のミラー面として利用される領域が広がるため、動的撓み変形の抑制により撓み変形量の少ない領域を拡大する必要性が高い。
【０１２０】
上に述べた特徴を有する偏向ミラーの具体例について以下に説明する。
【実施例１０】
【０１２１】
図３７は一実施例に係る偏向ミラーの全体構造を説明するための概略分解斜視図であり、図３８は偏向ミラーの本体１２００の構造を説明するための概略平面図である。
【０１２２】
偏向ミラー本体１２００は、２枚のシリコン基板１２０６，１２０７を酸化膜等の絶縁膜を介して接合したＳＯＩ基板のエッチング加工により一体的に形成される。ここに示す例は固定電極が２段構造である。
【０１２３】
第１のシリコン基板１２０６は例えば６０μｍ厚の低抵抗率のシリコン基板（導体）であり、そのエッチング加工により、ミラー基板１２０２、ねじり梁１２０８、各ねじり梁１２０８の非支持端とミラー基板１２０２の辺とを連結する連結部材１２０９、ねじり梁１２０８の支持端と結合する枠状支持部１２１０が一体的に形成される。ミラー基板１２０２の自由端に櫛歯形状の可動電極１２０３が形成され、この可動電極１２０３と数μｍのギャップを介して噛み合う櫛歯形状の第１の固定電極１２０４が枠状支持部１２１０に形成されている。ミラー基板１２０２の表面にはＡｕ等の金属被膜が蒸着されることによりミラー面１２５０が形成されている。
【０１２４】
第２のシリコン基板１２０７は例えば１４０μｍ厚の低抵抗率のシリコン基板（導体）であり、そのエッチング加工により、第１の駆動電極１２０４と平面的に重なり合う櫛歯形状の第２の固定電極１２１１，１２１２と、枠状支持部１２５１が一体的に形成されている。
【０１２５】
枠状支持部１２１０の一部の表面の酸化膜が部分的に凹状にエッチングされてシリコン面が露出し、この部分が可動電極１２０３の電極パッド１２５３及び第１の固定電極１２０４の電極パッド１２５４とされる。また、枠状支持部１２５１の一部は枠状支持部１２５１に達するまで凹状にエッチングされてシリコンが露出し、その部分が第２の固定電極１２１１，１２１２の電極パッド１２５５，１２５６とされる。なお、枠状支持部１２１０には可動電極１２０３と第１の固定電極１２０４を絶縁分離するためのスリット溝１２６０，１２６１が形成され、枠状支持部１２５１には第２の固定電極１２１１，１２１２を絶縁分離するためのスリット溝１２６２，１２６３が形成されている。これらスリット溝はミラー基板振動空間に連通している。
【０１２６】
このような偏向ミラー本体１２００の枠状支持部１２５１に、ガラスなどの透明な絶縁材料からなるカバー基板１２０５が接合され、枠状支持部１２１０にベース基板１３１２が接合されることにより、ミラー基板１２０２の振動空間は気密封止される。ミラー振動空間に連通したいずれかの絶縁分離用スリット溝に非蒸発型ゲッタが配置され、これを外部からの加熱で活性化することによって、ミラー振動空間は１torr以下の減圧状態に維持される。
【０１２７】
光ビームは、カバー基板１２０５に形成されたスリット窓１２１３を通じて入出射される。カバー基板１２０５の内面には、ミラー基板上のミラー面１２５０と対向する、ねじり梁１２０８と直交する方向に長い一対のミラー面１２１５ａ，１２１５ｂからなるルーフミラーが形成されている。ルーフミラーのミラー面１２１５ａ，１２１５ｂは、スリット窓１２１３を挟んで屋根状に１４４．７゜の角度をなすよう、基板面よりそれぞれ９゜，２６．３゜の角度の傾斜面に、金属被膜を蒸着することにより形成される。
【０１２８】
カバー基板１２０５と偏向ミラー本体１２００とは精密な位置合わせが必要であるため、偏向ミラー本体１２００の枠状支持部１２５１の四隅にアライメント用指標１２１４がエッチングにより形成されている。この指標１２１４にカバー基板１２０５のエッジを合わせことにより、ルーフミラーと偏向ミラー本体とを主走査方向に精密に位置合わせすることができる。
【０１２９】
ベース基板１３１２には回路基板に実装する際の電気的接続手段としてのリード端子１３１６が設けられている。このリード端子１３１６と、偏向ミラー本体１２００側の凹状の各電極パッドとは、例えばはんだボールにより電気的に接続される。
【０１３０】
本実施例に係る偏向ミラーの動作について以下に説明する。可動電極１２０３は接地され、２つの第１の固定電極１２０４には同位相の電圧パルスが印加される。一方の第２の固定電極１２１１には、第１の固定電極の電圧パルスより位相の進んだ電圧パルスが、もう一方の第２の固定電極１２１２には、第１の固定電極１２０４の電圧パルスより位相が遅れた電圧パルスが印加される。
【０１３１】
図３９に、ミラー基板１２０２の振れ角に対応して可動電極と第１、第２固定電極の間に発生する静電トルクの様子を示す。図４０に電極部分を拡大して示すが、図中、左回り方向の静電トルクを正方向とする。
【０１３２】
ミラー基板１２０２は初期状態では水平であるが、固定電極１２１１に電圧を印加すると、対向した可動電極１２０３との間で負方向の静電トルクを生じ、ねじり梁１２０８をねじって回転し、ねじり梁１２０８の戻り力と釣り合う振れ角まで傾く。上記電圧が断たれると、ねじり梁の戻り力でミラー基板１２０２は水平に戻るが、水平に戻る直前に第１の固定電極１２０４に電圧を印加することによって正方向の静電トルクを生じ、ミラー基板１２０２は加速される。続いて、固定電極１２１２に電圧を印加することによって、さらに正方向の静電トルクを増加させる。このような電圧を印加する固定電極を切り換える操作の繰り返しにより、ミラー基板１２０２を、その可動電極１２０３が第１の固定電極１２０４を抜ける振れ角（本実施例では約２゜）で往復振動させることができる。
【０１３３】
ここで、ミラー基板１２０２の慣性モーメント、ねじり梁１２０８の幅と長さを、所望の駆動周波数に合わせ、ねじり梁１２０８をねじり回転軸とした１次共振モードの帯域にかかるよう設計することによって、可動電極１２０３が第２の固定電極１２１１を抜ける振れ角まで、振動振幅を拡大させることができる。これによって、第２の固定電極１２１１を抜けた振れ角でも、ミラー基板１２０２を水平に戻す方向の静電トルク、つまり固定電極１２１１では正の方向の静電トルク力が生じるので、静電トルクの働く振れ角範囲を拡大できる。したがって、本実施例におけるような２段電極構造によれば、共振点を外れた駆動周波数においても大きな振れ角で振動を行わせることができる。
【０１３４】
図４１に、駆動周波数に対する振れ角の特性を示す。駆動周波数を共振点に一致させれば、最も振れ角が大きくとれるが、共振点付近においては急峻に振れ角が変化することが分かる。すなわち、起動段階では、固定電極の駆動周波数を共振点に合うよう設定することができるが、温度変化等で共振点が変動すると振れ角が激減してしまうため、経時的な安定性に乏しい。また、複数の偏向ミラーを利用する場合には、各偏向ミラーの共振点がばらつくため、共振点で駆動しようとすると、全ての偏向ミラーを共通の駆動周波数で駆動することができない。
【０１３５】
したがって、駆動周波数を、ミラー基板とねじり梁からなる振動系固有の共振点の近傍で、共振点より高い周波数の周波数帯域に設定することにより安定した振れ角で駆動することができる。本実施例において、図４１に示すように、例えば共振点が２ｋＨｚの偏向ミラーで、駆動周波数を２．５ｋＨｚとし、印加電圧パルスの電圧値（ゲイン）を調整することにより、±５゜の振れ角で安定に振動させることができた。この際、偏向ミラーの加工誤差による共振点のばらつき（本実施例では３００Ｈｚ）と、温度による共振点の変動（本実施例では３Ｈｚ）があっても、駆動周波数がいずれの共振点にもかからないような周波数帯域内に駆動周波数を設定することが望ましい。例えば、共振点が２ｋＨｚであれば、２．３０３ｋＨｚ以上、又は１．６９７ｋＨｚ以下に駆動周波数を設定することが望ましい。
【０１３６】
いま、ミラー基板の寸法を縦2a、横2b、厚さdとし、ねじり梁部の長さをL、幅cとし、シリコン基板の密度をρ、材料定数をGとすると、
慣性モーメントI＝(4abρd／3)・a＾2
バネ定数K＝(G／2L)・{cd(c＾2+d＾2)／12}
で表され、共振周波数ｆは
f＝(1／2π)・(K／I)＾1/2  ＝(1／2π)・{Gcd(c＾2+d＾2)／24LI}＾1/2
で表される。ここで、梁の長さLと振れ角θは比例関係にあるため
θ＝A／I・f＾2  、Aは定数
で表され、振れ角θは慣性モーメントＩに反比例し、共振振動数ｆを上げるには慣性モーメントを低減しないと振れ角θが小さくなってしまう。
【０１３７】
そこで、本実施例ではミラー基板１２０２のミラー面のない裏面に、基板厚ｄと同じ厚みを持つ格子状のリブを残し、それ以外をd／10以下の厚さまでエッチングにより肉抜きすることで、慣性モーメントを約1／5に低減している。
【０１３８】
一方、空気の誘電率ε、電極長さH、印加電圧V、電極間距離δとすると
電極間の静電力Ｆは
F＝ε・H・V＾2／2δ
となり、振れ角θ＝B・F／I（Bは定数）とも表されるので、電極長さHが長いほど振れ角θが大きくなる。そこで、本実施例では、電極を櫛歯状とし、櫛歯数ｎに対して２ｎ倍の駆動トルクを得ている。このように外周長をできるだけ長くして電極長をかせぐことで、低電圧でより大きい静電トルクが得られるように配慮している。
【０１３９】
ところで、ミラー基板の速度υ、面積Eに対して、空気の密度ηとすると
空気の粘性抵抗
P＝C・η・υ＾2・E＾3（Cは定数）
がミラー基板の回転の負荷として働く。したがって、ミラー基板の振動空間を減圧状態に封止することが望ましい。そこで、本実施例においては、振動空間に連通した絶縁分離用スリット溝に非蒸発型ゲッタを配置し、これを外部から加熱して活性化することで振動空間を1torr以下に減圧している。
【０１４０】
さて、本実施例に係る偏向ミラーにおいて、光ビームはカバー部１２０５に形成されたスリット窓１２１３通じて入出射される。ミラー部１２０５に、ねじり梁部１２０８を含む副走査断面内で法線に対し約２０゜傾けて光ビームが入射されるとすると、図４２に模式的に示すように、ミラー面１２０５で反射された光ビームは対向ミラー面１２１５ｂに入射しミラー面１２０５へ向けて反射され、そこで反射された光ビームはスリット窓１２１３を超えて対向ミラー面１２１５ａに入射し、このミラー面１２１５ａとミラー面１２０５の間で３往復しながら反射位置を副走査方向に徐々に移動し、ミラー面１２０５で合計５回反射されてからスリット窓１２１３から射出される。
【０１４１】
このように、本実施例の偏向ミラーにおいては、ミラー基板のミラー面とルーフミラーのミラー面との間で光ビームを複数回反射させることにより、ミラー基板の振れ角より光ビームの偏向角（走査角）を拡大することができる。ここで、総反射回数をＮ、振れ角をαとすると、走査角θは2Nαとなる。本実施例ではN=5、α=5°であるから最大走査角は５０゜となる。
【０１４２】
また、光ビームの反射点はミラー基板のミラー面上を副走査方向に移動するため、その移動領域におけるミラー基板の撓み変形（＝ミラー面の撓み変形）は出射光ビームの光学特性を悪化させる。本実施例によれば、ねじり梁の非支持端とミラー基板の辺とを連結部材を介し連結した構造によって、ミラー基板の撓み量の小さい領域を拡大し、また、その領域内における撓み量を減少させることができるため、出射光ビームの光学特性が向上する。
【０１４３】
本実施例に係る偏向ミラー本体１２００においては、第２の固定電極は第１の固定電極の電極パッドなどとは異なった面に形成されたが、全ての電極パッドを同一面に形成することも可能である。そのような例を図４３及び図４４により説明する。
【０１４４】
図４３は偏向ミラー本体の第１のシリコン基板１２０６側から見たやや模式的な平面図であり、図４４は図４３のＡＡ’線概略断面図である。ここに示す変形例では、第２の固定電極１２１１，１２１２のための電極パッド１２５５，１２５６は、可動電極用の電極パッド１２５３、第１の固定電極用の電極パッド１２６１と同様に、第１のシリコン基板１２０６の表面に形成されている。そして、電極パッド１２５５，１２５６は、第１のシリコン基板１２０６を貫通し第２のシリコン基板１２０７に達する導電材料１２５５ｂ，１２５６ｂによって第２の固定電極１２１１，１２１２と電気的に接続されている。また、第１のシリコン基板１２０６には、電極パッド１２５５，１２５６を他の部分から絶縁分離するためのスリット溝１２５５ｃ，１２５６ｃが形成されている。この例のように全ての電極パッドを同一面に形成した構成は、封止を含む実装プロセスの信頼性が向上し、また外部との電気的接続を含む実装プロセスが容易になる。
【０１４５】
また、本実施例に係る偏向ミラー本体１２００においても、前記実施例２，３，７，８と同様に、ねじり梁とミラー基板の間の連結部材に可動電極を設け、それに対応する２段構造の固定電極を設ける構成とすることも可能である。そのような変形例を図４５及び図４６により簡単に説明する。なお、説明の簡略化のため、図４５及び図４６において図３８と対応する部分には同一又は同様の符号を付して説明に代える。
【０１４６】
図４６に示す変形例においては、第１のシリコン基板１２０６に相当するシリコン基板には、同図（ａ）に示すように、連結部材１２０９に外向きに延出した可動電極１２０３ａが形成され、これに対する櫛歯形状の固定電極（第１の固定電極）１２０４ａが枠状支持部１２１０に形成される。追加された固定電極１２０４ａの部分は、図示のように、ミラー基板１２０２の回転中心軸の方向に、スリット溝により絶縁分離された複数の部分に分割され、分割されたそれぞれの部分のための電極パッド１２６１ｃ〜１２６１ｆが形成される。図４５（ｂ）に示すように、第２のシリコン基板１２０７に相当するシリコン基板には、第１のシリコン基板側に追加された固定電極部分に対応した固定電極（第２の固定電極）１２１１ａが形成され、これもミラー基板の回転中心軸の方向に、スリット溝により絶縁分離された複数の部分に分割され、分割されたそれぞれの部分のための電極パッド１２５５ｄ，１２５５ｅ，１２５６ｄ，１２５６ｅが形成される。
【０１４７】
この変形例では、ミラー基板を取り囲むように駆動用電極が設けられるため、電極面積が増加し静電トルクが増大する。また、前記実施例２に関連して説明したように、連結部材１２０９に設けられた可動用電極１２０３ａはミラー基板１２０２の回転中心軸に近い位置にあるため、ミラー基板の振れ角の大きい時にも静電トルクの減少が小さく、この点でも振れ角の増大に有利である。さらに、固定電極１２０４ａ，１２１１ａ，１２１２ａは、ミラー基板の回転中心軸の方向に分割されているため、それら分割された電極毎に駆動タイミングを調整することができ、その調整を適切に行うことによって、ミラー基板の振れ角が小さい時点から大きい時点まで連続的に静電トルクを作用させ、ミラー基板を効率的に駆動することができる。
【０１４８】
図４６に示す変形例と図４５に示す変形例との違いは、可動電極及び固定電極の電極パッドをシリコン基板の一辺に沿って集約した点であり、実装時の電極パッドの外部接続が容易になる。また、図４６の（ａ）と（ｂ）を対比すると明らかなように、２枚のシリコン基板のスリット溝で分離された島状領域が交差する位置関係となるため、偏向ミラー本体の強度（基板強度）が向上する。
【０１４９】
なお、本実施例及びその上記各変形例においても、前記実施例６，７，８などと同様に、ねじり梁の支持端を回転弾性を持たせて支持する構造すること可能である。また、本実施例における偏向ミラー本体１２００を、前記実施例１〜９に係る偏向ミラーと置き換えることも可能である。
【０１５０】
＜特徴の説明（５）＞
本発明に係る光走査装置の主たる特徴は、以上に説明したような本発明に係る偏向ミラーを光偏向手段として用いることにある。本発明に係る光走査装置は、光ビームの光学特性が良好であり、また、偏向角（走査角）を大きくとることができるため、イメージスキャナ装置などにおける読み取り走査や、画像形成装置における光書込み走査などの用途に好適である。本発明に係る画像形成装置の主たる特徴は、本発明に係る光走査装置を光書込み走査手段として用いることである。
【実施例１１】
【０１５１】
本発明に係る光走査装置の基本的な構成例を図４７に示す。図４７において、３０１は本発明に係る偏向ミラーである。ただし、この偏向ミラー３０１はルーフミラーを内蔵していないタイプである。光源としての半導体レーザ３０２より出射したレーザ光ビームは、カップリングレンズ３０３、シリンダレンズ３０４及び入射ミラー３０５からなる光学系を経由してルーフミラー３０６のスリット窓より偏向ミラー３０１のミラー面に入射する。入射したレーザ光ビームは、偏向ミラー３０１のミラー面とルーフミラー３０５との間で複数回反射された後、ルーフミラー３０５のスリット窓から出射し、ｆθレンズなどからなる結像光学系（補正光学系）３０６によって被走査面３０７にスポット状に結像される。この走査スポットは、偏向ミラー３０１のミラー基板の往復振動に従って主走査方向Ｘに移動する。
【０１５２】
本発明に係る偏向ミラー３０１は、前述のようにミラー基板の動的撓み変形が効果的に抑制され、ミラー基板の（したがってミラー基板上のミラー面の）動的撓み量が小さい領域が拡大され、その領域内の動的撓み量も減少するため、反射されるレーザ光ビームの光学特性（ビーム径など）が優れている。したがって、被走査面３０７の高精度な光走査が可能である。
【０１５３】
なお、偏向ミラー３０１として、前記実施例１０に係る偏向ミラーのようなルーフミラーを内蔵した偏向ミラーを用いる場合には、外付けのルーフミラー３０６は設けられない。また、偏向ミラー３０１がルーフミラーを内蔵していない場合においても、ルーフミラー３０６を設けない構成とすることも可能である。
【実施例１２】
【０１５４】
ここでは、本発明に係る光走査装置の他の実施例と、それを光書込み走査に利用した画像形成装置の一実施例について説明する。
【０１５５】
図４８は、本実施例に係る画像形成装置（レーザプリンタ）の概略構成図である。この画像形成装置は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のステーションを有し、各ステーションにおいて、本発明に係る光走査装置２５００によって、対応した感光体ドラム（像担持体）２５０４に記録信号により変調されたレーザ光ビームによる光書き込み走査を行って静電潜像を形成し、それぞれの感光体ドラム２５０４に形成された静電潜像を異なった色のトナー像に現像し、そのトナー像を転写ベルト２５０１に重ねて転写するタンデム方式のものである。転写ベルト２５０１は駆動ローラと２本の従動ローラとで支持され移動するもので、その移動方向に沿って均等間隔で感光体ドラム２５０４が配列されている。各感光体ドラム２５０４の周囲には、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色に対応したトナーを補給する現像ローラ２５０２及びトナーホッパ部２５０３が配備され、また、感光体ドラム２５０４上の転写後の残留トナーをブレードで掻き取り備蓄するクリーニング部２５０８が一体的に配備される。
【０１５６】
転写ベルト２５０１の端に形成されたレジストマークを検出するセンサ２５０５の信号をトリガとして、副走査方向の書出しタイミングをずらして、各光走査装置２５００によって各色の静電潜像が書き込まれ、現像部にてトナーをのせて転写ベルト２５０１上で順次画像を重ねていく。用紙は給紙トレイ２５０７から給紙コロ２５０６により供給され、４色目の画像形成のタイミングに合わせてレジストローラ２５１０により送り出され、転写部２５１１にて転写ベルト２５０１から４色同時に転写される。トナー像が転写された用紙は搬送ベルト２５１５により定着ローラ２５１２に送られ、トナー像を定着した後に排紙ローラ２５１３によって排紙トレイ２５１４に排出される。
【０１５７】
図４９は各ステーションの光走査装置２５００の概略構成図、図５０は光走査装置２５００の詳細構造を示す分解斜視図、図５１は光走査装置２５００の副走査断面構造を示す断面図である。
【０１５８】
図４９に示すように、本実施例に係る光走査装置２５００は、本発明に係る偏向ミラー２１３０を３個使用している。ここでは、偏向ミラー２１３０として、光てこの原理を応用して光ビームの偏向角を拡大した前記実施例１０係る偏向ミラーを想定するが、他の実施例に係る偏向ミラーを用いることも可能であることは当然である。
【０１５９】
各偏向ミラー２１３０に対応して、半導体レーザ２１０１、カップリングレンズ２１１０、シリンダレンズ２１３６、第１の走査レンズ２１１６、第２の走査レンズ２１１７が装備され、各偏向ミラー２１３０により被走査面（感光体ドラム２５０４の表面）を分割走査する。図４９において、ｘは主走査方向、ｙは副走査方向である。第２の走査レンズ２１１７の近傍には主走査の同期検知のために、走査光ビームをプリント基板２１１２に実装された同期検知センサ２１１３へ向けて反射するためのミラー２１２８が配設されている。各偏向ミラー２１３０を含む副走査断面における断面構造は図５１に示す通りである。図５１において、図３７又は図３８と同一の符号は同一部分を示す。
【０１６０】
以下、光走査装置２５００の構成及び動作について詳細に説明する。半導体レーザ２１０１から射出した光ビームは、カップリングレンズ２１１０、シリンダミラー２１３６を介して、偏向ミラー２１３０のミラー面に、ねじり梁を含む副走査断面内で法線に対して副走査方向に約２０゜傾けて、カバー基板１２０５のスリット窓１２１３より入射される。ミラー基板１２０２のミラー面で反射された光ビームは、そのミラー面と、カバー基板１２０５のミラー面１２０５ａ，１２０５ｂとの間で反射位置を副走査方向に移動しながら合計５回反射を繰り返した後、スリット窓１２１３より射出される。この実施例では、このように複数回反射を繰り返すことで振動ミラーの振れ角が小さくても大きな走査角が得られるようにし、光路長を短縮している。
【０１６１】
先に述べたように、総反射回数をN、振れ角をαとした場合、走査角θは2Nαで表される。この実施例ではN=5、α=5°であるから最大走査角は５０゜となり、その内、３５゜を画像記録領域としている。偏向ミラーの共振を利用することで駆動のための印加電圧は低くて済み、発熱も少ないが、前記式から明らかなように記録速度、つまり振動周波数が速くなるに従って、ねじり梁のばね定数Ｋを高める必要があり振れ角がとれなくなってしまう。そこで、上記したようにカバー基板１２０５の内面側にルーフミラーを構成するミラー面１２１５ａ，１２１５ｂを設けることで走査角を拡大し、高速記録の場合でも必要十分な走査角が得られるようにしている。
【０１６２】
また、屋根状のミラー面１２１５ａ，１２１５ｂを設け、ミラー基板のミラー面への副走査方向での入射角度が反射の各回毎に正負（言いかえれば、反射に伴う進行方向が右向き、左向き）に振り分けるようにすることで、斜入射に伴う被走査面での走査線の曲がりを抑え、直線性を維持するとともに、光軸と直交する面内での光束の回転が射出時には元の姿勢に戻るようにして、結像性能の劣化がおきないよう配慮している。
【０１６３】
光源である半導体レーザ２１０１は、フレーム部材２１０２に立設された壁に配備された段付きの貫通穴２１０３に反対側からステム外周を基準に圧入され、段差部に鍔面を突き当てて光軸方向を位置決めする。Ｕ字状の凹部２１０５にはＵＶ接着剤を介してカップリングレンズ２１１０の光軸が半導体レーザ２１０１からの射出軸と合うように、また、射出光束が平行光束となるように発光点との光軸方向の位置決めを行い、凹部とカップリングレンズとの隙間のＵＶ接着剤を硬化させて固定する。
【０１６４】
カップリングレンズ２１１０より射出した光ビームは、一対の取付斜面２１０９に接合配備され副走査方向に負の曲率を有するシリンダミラー２１３６に入射され、偏向ミラー２１３０に、副走査方向においてミラー基板のミラー面で集束する集束光束としてカバー基板１２０５のスリット窓１２１３から入射される。
【０１６５】
偏向ミラー２１３０は、そのねじり梁の方向が光軸方向に合うように、フレーム底面側に設けられた段付きの角穴２１０４の裏側よりベース基板１３１２の外縁を基準に位置決めされ、段差部に鍔面を突き当ててミラー面の位置を合わせる。本実施例においては、３つの偏向ミラー２１３０が、単一のフレーム部材２１０２により均等間隔に位置決めされる。
【０１６６】
各偏向ミラー２１３０は、そのベース基板１３１２の底面から突出したリード端子１３１６をプリント基板２１１２のスルーホールに挿入して半田付けすることにより、フレーム部材２１０２の下側開口をふさぐように基板上面を当接して固定され、かつ、回路接続がなされる。
【０１６７】
プリント基板２１１２には、偏向ミラー２１３０のほかに、半導体レーザ２１０１の駆動回路、偏向ミラー２１３０の駆動回路を構成する電子部品、及び、前記同期検知センサ２１１３が実装されており、外部回路との配線が一括してなされる。一端をプリント基板２１１２に結線されたケーブル２１１５は半導体レーザ２１０１のリード端子と接続される。
【０１６８】
フレーム部材２１０２は、ある程度の剛性を確保できるガラス繊維強化樹脂やアルミダイキャスト等からなり、その両端部には画像形成装置本体の構造体に取付けるためのフランジ部２１３１，２１３３が形成されている。一方のフランジ部２１３１は、基準穴を備え、その内径に固定ネジ２１３２の軸部をかん合させ、もう一方のフランジ部２１３３は、長穴を備え、固定ネジ２１３２を貫通して各々バネ座金２１３４を介して感光体に対向させて固定する。この際、基準穴を回転軸としたガタ分で、被走査面(感光体)において、各光走査装置のいずれかで走査された走査線が被走査面の移動方向yと直交する方向xに平行となるよう調節される。
【０１６９】
フレーム部材２１０２の上面は角穴２１０４の裏側に設けられた各偏向ミラー２１３０のミラー法線方向の突き当て面と平行な面となし、走査レンズを収納するハウジング２１０６の底面より突出した2本の突起２１３５をフレーム部材の係合穴に挿入して同面上での位置決めを行い、４隅をネジ止めして配備される。本実施例では、ネジ２１３７はフレーム部材の貫通穴を介してプリント基板２１１２に螺合され、フレーム部材を挟むように３部材一体に結合され、この後に上記半田付けがなされる。
【０１７０】
ハウジング２１０６には結像手段を構成する第１の走査レンズ２１１６、第２の走査レンズ２１１７が主走査方向に配列され、各々の走査領域がわずかに重なるように位置決めされて一体的に保持される。
【０１７１】
第１の走査レンズ２１１６は、副走査方向基準面の中央に突出され主走査方向の位置決めを行う突起２１２０、及び、両端を係合して光軸方向の位置決めを行う平押面２１１９を入射面側、出射面側各々に備え、ハウジングに一体形成された溝２１２２に突起２１２０を係合し、一対の切欠２１２１の各々に各端の平押面２１１９を挿入し波板バネ２１４３で入射面側に押し付け、同面内での姿勢を保持することで、光軸と直交する同一面に走査レンズ同士の相対的な配置を合わせ、副走査方向基準面をハウジングから突出した一対の突起２１４２の先端に突き当てることで、光軸と直交する面内での位置決めがなされて副走査方向の設置高さが決定され、カバー２１３８と一体形成された板バネ２１４１で押圧支持される。
【０１７２】
一方、第２の走査レンズ２１１７は、同様に副走査方向基準面の中央に突出され主走査方向の位置決めを行う突起２１２３、両端に光軸方向の位置決めを行う平押面２１４４を備え、ハウジングに一体形成された溝２１２２に突起２１２３を係合し、切欠２１２１に平押面２１４４を挿入し、波板バネ２１４３で出射面側に押し付け姿勢を保持するとともに、副走査方向基準面をハウジングから突出した突起２１４５及び副走査方向に繰り出し自在な調節ネジ２１４６の先端に突き当てて設置高さを位置決めし、カバー２１３８と一体形成された板バネ２１４１で押圧支持される。２１４７はカバー２１３８を固定するネジである。
【０１７３】
なお、本実施例においては、３個の偏向ミラー２１３０を主走査方向に配列したが、偏向ミラー２１３０の個数は必要に応じて増減し得ることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【０１７４】
【図１】ミラー基板をねじり梁と直接結合した場合のミラー基板の動的撓みを説明する図である。
【図２】本発明に係る偏向ミラーの特徴的構成を説明するための斜視図である。
【図３】本発明に係る偏向ミラーの特徴的構成を説明するめたの部分拡大平面図である。
【図４】本発明によるミラー基板の動的撓み変形の抑制効果を示すグラフである。
【図５】ミラー基板に作用する曲げモーメントを計算するための３次元ビームモデルを示す斜視図である。
【図６】ミラー基板に作用する曲げモーメントの計算結果を示す図である。
【図７】ミラー基板に形成される凹部を説明するための概略平面図である。
【図８】図７のＡＡ線で切断したミラー基板の断面を示す図である。
【図９】図７のＢＢ線で切断したミラー基板の断面を示す図である。
【図１０】ミラー基板の曲げ剛性分布の例を示す図である。
【図１１】実施例１に係る偏向ミラーの概略斜視図である。
【図１２】実施例１に係る偏向ミラーの駆動方法の説明図である。
【図１３】実施例１に係る偏向ミラーのミラー基板の振れ角と駆動パルスの関係を示す波形図である。
【図１４】実施例２に係る偏向ミラーを説明するための概略斜視図である。
【図１５】実施例３に係る偏向ミラーを説明するための概略斜視図である。
【図１６】可動電極と駆動電極による静電トルクを説明するためのグラフである。
【図１７】実施例４に係る偏向ミラーの概略平面図である。
【図１８】実施例４に係る偏向ミラーの概略斜視図である。
【図１９】実施例４に係る偏向ミラーの駆動電流の波形図である。
【図２０】実施例５に係る偏向ミラーの概略平面図である。
【図２１】図２０のＡＡ線断面図である。
【図２２】実施例５に係る偏向ミラーの製造方法の一例を説明するための工程説明図である。
【図２３】実施例５に係る偏向ミラーの動作説明図である。
【図２４】実施例５に係る偏向ミラーのミラー基板偏向角と駆動パルスの関係を示す波形図である。
【図２５】実施例５の変形例を説明するための部分平面図である。
【図２６】実施例５の変形例を説明するための部分平明図である。
【図２７】実施例５の変形例を説明するための部分平面図である。
【図２８】実施例５の変形例を説明するための部分平面図である。
【図２９】本発明に係る偏向ミラーの特徴的構成を説明するための概略斜視図である。
【図３０】ミラー基板の振動中における撓み変形の様子を示す図である。
【図３１】ねじり梁の支持端を回転弾性を持たせて支持する支持部の挙動を説明するための３次元ビームモデルを示す図である。
【図３２】実施例６に係る偏向ミラーの概略平面図である。
【図３３】実施例７に係る偏向ミラーの概略斜視図である。
【図３４】実施例８に係る偏向ミラーの概略斜視図である。
【図３５】実施例９に係る偏向ミラーの概略平面図である。
【図３６】実施例９に係る偏向ミラーの概略斜視図である。
【図３７】実施例１０に係る偏向ミラーの分解斜視図である。
【図３８】実施例１０に係る偏向ミラーを説明するための概略平面図である。
【図３９】実施例１０に係る偏向ミラーの駆動電極による静電トルクと振れ角の関係を示すグラフである。
【図４０】実施例１０に係る偏向ミラーにおけるの２段構造の固定電極による静電トルクと振れ角の関係を説明するための模式的な部分断面図である。
【図４１】２段電極構造の偏向ミラーにおける駆動周波数と振れ角の関係を示すグラフである。
【図４２】ミラー基板とハーフミラーによる複数回反射の説明図である。
【図４３】実施例１０の変形例に係る偏向ミラーを説明するための概略平面図である。
【図４４】図４３に示す偏向ミラーのＡＡ’線概略断面図である。
【図４５】実施例１０の別の変形例に係る偏向ミラーを説明するための概略平面図である。
【図４６】実施例１０の別の変形例に係る偏向ミラーを説明するための概略平面図である。
【図４７】実施例１１に係る光走査装置の構成図である。
【図４８】実施例１２に係る画像形成装置の概略構成図である。
【図４９】実施例１２に係る光走査装置の概略構成図である。
【図５０】実施例１２に係る光走査装置の分解斜視図である。
【図５１】実施例１２に係る光走査装置の副走査断面構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１７５】
２０    フレーム
２１    ミラー基板
２３    ねじり梁
２４    連結部材
２７    凹部
２８    リブ
３９    可動電極
４０    固定電極
５１    可動電極
５２    固定電極
５７    駆動コイル
６２    永久磁石
１０１    ミラー基板
１０２    ねじり梁
１０５，１０６    可動電極
１０７，１０８    固定電極
１１１，１１２    起動用電極
１２１    連結部材
１２３    補強梁
１２４    補強梁
５０      ねじり梁の支持部
１２０２    ミラー基板
１２０３    可動電極
１２０４    第１の固定電極
１２０５  カバー基板
１２０８    ねじり梁
１２０９    連結部材
１２１０    枠状支持部
１２１１，１２１２    第２の固定電極
１２１３    スリット窓
１２１５ａ，１２１５ｂ  ルーフミラーのミラー面
１３１２    ベース基板
１３１６    リード端子
１２０３ａ  連結部材に設けられた第１の固定電極
１２１１ａ，１２１２ａ  連結部材に設けられた第２の固定電極
３０２    半導体レーザ
３０３    カップリングレンズ
３０４    シリンダレンズ
３０５    入射ミラー
３０６    ルーフミラー
３０６    結像光学系
３０７    被走査面
２５００    光走査装置
２５０４    感光体ドラム
【図１】
2005308863.tif 000003
【図２】
2005308863.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005308863.tif 000012
【図１１】
2005308863.tif 000013
【図１２】
2005308863.tif 000014
【図１３】
2005308863.tif 000015
【図１４】
2005308863.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2005308863.tif 000020
【図１９】
2005308863.tif 000021
【図２０】
2005308863.tif 000022
【図２１】
2005308863.tif 000023
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2005308863.tif 000029
【図２８】
2005308863.tif 000030
【図２９】
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【図３０】
2005308863.tif 000032
【図３１】
2005308863.tif 000033
【図３２】
2005308863.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
2005308863.tif 000036
【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
2005308863.tif 000039
【図３８】
2005308863.tif 000040
【図３９】
2005308863.tif 000041
【図４０】
2005308863.tif 000042
【図４１】
2005308863.tif 000043
【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
2005308863.tif 000046
【図４５】
2005308863.tif 000047
【図４６】
2005308863.tif 000048
【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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