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JP2009217207A - Optical reflection element - Google Patents

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JP2009217207A
JP2009217207A JP2008063671A JP2008063671A JP2009217207A JP 2009217207 A JP2009217207 A JP 2009217207A JP 2008063671 A JP2008063671 A JP 2008063671A JP 2008063671 A JP2008063671 A JP 2008063671A JP 2009217207 A JP2009217207 A JP 2009217207A
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Japan
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arm
element according
tuning fork
optical
support
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Pending
Application number
JP2008063671A
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Japanese (ja)
Inventor
Jiro Terada
二郎 寺田
Shinsuke Nakazono
晋輔 中園
Shigeo Furukawa
成男 古川
Kazuki Komaki
一樹 小牧
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】本発明はレーザープリンタ、電子写真装置などのレーザースキャンユニットなどに用いる光学反射素子に関し、小型のレーザースキャンユニットを実現するための光学反射素子を実現することを目的とする。
【解決手段】支持体1と、一端がこの支持体1に支持された第一の支持部2と、この第一の支持部2の先端部分に支持された第一のアーム3と第二のアーム4とからなる音叉振動子6と、この音叉振動子6の振動中心9に支持された第二の支持部11と、この第二の支持部11の先端部分に支持されたミラー部12とを備え、第一のアーム3と第二のアーム4に突起部7a、7bを設けた構成とする。
【選択図】図1
The present invention relates to an optical reflecting element used in a laser scanning unit of a laser printer, an electrophotographic apparatus, etc., and an object thereof is to realize an optical reflecting element for realizing a small laser scanning unit.
A support body, a first support section having one end supported by the support body, a first arm supported by a tip portion of the first support section, and a second support section. A tuning fork vibrator 6 composed of an arm 4, a second support part 11 supported by the vibration center 9 of the tuning fork vibrator 6, and a mirror part 12 supported by the tip of the second support part 11 The first arm 3 and the second arm 4 are provided with protrusions 7a and 7b.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、レーザースキャンユニットなどに用いられる光学反射素子に関するものである。   The present invention relates to an optical reflection element used in a laser scan unit or the like.

従来、レーザープリンタなどに用いられるレーザーから発せられた光線を掃引するレーザースキャンユニットとしては、多角形状の回転体の側面にミラーを設けたポリゴンミラーが用いられ、このポリゴンミラーを回転させることにより感光体ドラムの走査面上にレーザー光線を掃引させていた(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−281908号公報
Conventionally, as a laser scanning unit that sweeps light emitted from a laser used in a laser printer or the like, a polygon mirror provided with a mirror on the side surface of a polygonal rotating body has been used. A laser beam was swept onto the scanning surface of the body drum (for example, see Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 11-281908

このようなカラーレーザープリンタの普及やプリンタの小型化に伴い、レーザースキャンユニットに用いる光学反射素子の小型化が命題となっている。しかしながら、ポリゴンミラーを用いたレーザースキャンユニットにおいては、ポリゴンミラーを小型化することに加え、このポリゴンミラーを駆動させる駆動装置が別途必要となるため、その小型化が非常に困難なものとなっていた。   With such widespread use of color laser printers and miniaturization of printers, miniaturization of optical reflecting elements used in laser scan units has become a proposition. However, in a laser scanning unit using a polygon mirror, in addition to downsizing the polygon mirror, a separate drive device for driving the polygon mirror is required, and thus downsizing is very difficult. It was.

そこで、本発明はこのような問題を解決し、レーザースキャンユニットを小型化することができる光学反射素子の実現を目的とする。   Therefore, the present invention aims to solve such problems and realize an optical reflecting element capable of reducing the size of the laser scan unit.

そして、この目的を達成するために、本発明は、光学反射素子を、支持体と、この支持体に一端が支持された第一の支持部と、この第一の支持部の他端に支持された第一のアームと第二のアームを有する音叉振動子と、この音叉振動子の振動中心に一端が支持された第二の支持部と、この第二の支持部の他端に支持されたミラー部とを備え、前記第一のアームと第二のアームに突起部を設けた構成としたのである。   In order to achieve this object, the present invention provides an optical reflecting element supported by a support, a first support part having one end supported by the support, and the other end of the first support part. A tuning fork vibrator having a first arm and a second arm, a second support part supported at one end at the vibration center of the tuning fork vibrator, and supported at the other end of the second support part. And a projection provided on the first arm and the second arm.

このような突起部を有する二つの音叉振動子によって発生させた撓み振動をミラー部の捩れ振動として振動させる振動子構成とすることによって、反復回転振動を高精度に制御しながら、大きな振れ角で光線を掃引させる為の小型の光学反射素子を実現することができる。   By adopting a vibrator configuration that vibrates flexural vibrations generated by two tuning fork vibrators having such protrusions as torsional vibrations of the mirror part, it is possible to control repeated rotational vibrations with high accuracy and at a large deflection angle. A small optical reflecting element for sweeping light can be realized.

(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における光学反射素子の構成について図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the configuration of the optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施の形態1における光学反射素子の平面図であり、図2は図1のAA部における断面図を示している。また、図3は光学反射素子の動作原理を説明するための概念図である。   FIG. 1 is a plan view of the optical reflecting element according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the operating principle of the optical reflecting element.

図1〜図3において、本実施の形態1における光学反射素子は、第一の支持部2、第一のアーム3、第二のアーム4、連結部5からなる音叉振動子6を有するとともに、前記第一のアーム3および第二のアーム4に突起部7a,7bを有し、前記第一の支持部2の一端を支持体1に固定し、前記音叉振動子6の振動中心9に第二の支持部11の一端を固定し、第二の支持部11の他端にレーザー光線などの光を反射するためのミラー部12を有し、前記第一のアーム3および第二のアーム4には突起部7a,7bを設けた構成を基本としている。このような構成とすることによって、共振周波数を低減することができ、結果として小型の光学反射素子を実現することができる。   1 to 3, the optical reflecting element according to the first embodiment includes a tuning fork vibrator 6 including a first support portion 2, a first arm 3, a second arm 4, and a connecting portion 5. The first arm 3 and the second arm 4 have projections 7 a and 7 b, one end of the first support portion 2 is fixed to the support 1, and the vibration center 9 of the tuning fork vibrator 6 is One end of the second support part 11 is fixed, and the other end of the second support part 11 has a mirror part 12 for reflecting light such as a laser beam, and the first arm 3 and the second arm 4 have Is basically provided with a protrusion 7a, 7b. By setting it as such a structure, a resonant frequency can be reduced and a small optical reflection element can be implement | achieved as a result.

そして、第一のアーム3および第二のアーム4は撓み振動をさせることから、振幅量は第一のアーム3と第二のアーム4の自由端が最も大きくなり、前記突起部7a,7bは第一のアーム3および第二のアーム4の自由端に設けることが最も効果的である。   And since the 1st arm 3 and the 2nd arm 4 make bending vibration, the amount of amplitude becomes the largest at the free end of the 1st arm 3 and the 2nd arm 4, and the said projection parts 7a and 7b are It is most effective to provide at the free ends of the first arm 3 and the second arm 4.

なお、自由端に設けることができない場合には、第一のアーム3および第二のアーム4の中間の所定の箇所に配置することも可能である。   In addition, when it cannot provide in a free end, it is also possible to arrange | position in the predetermined location in the middle of the 1st arm 3 and the 2nd arm 4.

以上のように、第一のアーム3および第二のアーム4の自由端に突起部7a,7bを設けることによって、音叉振動子6の自由端が付加質量の支点となり、この支点を軸として音叉振動子6の厚み方向に可動するように作用し、音叉振動子6の慣性モーメントが可動振幅量の増加につながり、音叉振動子6の振幅量を増大させることが可能となり、結果としてミラー部12の反復回転振動の振幅量を大きくすることができ、ミラー部12の振れ角度を小型形状でより大きくすることができる光学反射素子を実現することができる。   As described above, by providing the projections 7a and 7b at the free ends of the first arm 3 and the second arm 4, the free end of the tuning fork vibrator 6 becomes a fulcrum of the additional mass, and the tuning fork with the fulcrum as an axis. It acts so as to move in the thickness direction of the vibrator 6, and the moment of inertia of the tuning fork vibrator 6 leads to an increase in the amount of movable amplitude, and the amplitude quantity of the tuning fork vibrator 6 can be increased. As a result, the mirror section 12 Thus, it is possible to realize an optical reflecting element that can increase the amplitude amount of the repetitive rotational vibration and can increase the deflection angle of the mirror portion 12 with a small shape.

そして、より好ましくは突起部7a,7bを第一のアーム3および第二のアーム4を直交するように設け、音叉振動子6の内側に配置することによって、より音叉振動子6の捩りを効率よく発生させることができる。また、突起部7a,7bは左右対称形とすることが振動特性の観点から好ましく、そのときの突起部7a,7bの形状は特に制限はなく、振動特性、生産性の観点から適宜選択することができる。   More preferably, the protrusions 7a and 7b are provided so that the first arm 3 and the second arm 4 are orthogonal to each other and arranged inside the tuning fork vibrator 6, so that the tuning fork vibrator 6 can be twisted more efficiently. Can be generated well. The protrusions 7a and 7b are preferably symmetrical from the viewpoint of vibration characteristics, and the shape of the protrusions 7a and 7b at that time is not particularly limited, and is appropriately selected from the viewpoint of vibration characteristics and productivity. Can do.

なお、この突起部7a,7bの質量は大きいことが望ましく、設計上大きな形状を設けることができないときには突起部7a,7bに重りを付加することも可能であり、これによって、さらにその効果を増大させることができる。   In addition, it is desirable that the mass of the projections 7a and 7b is large, and when the large shape cannot be provided by design, it is possible to add a weight to the projections 7a and 7b, thereby further increasing the effect. Can be made.

また、光学反射素子を構成する基板材料としては、金属材料、無機材料などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する弾性部材を基材20として構成することが生産性の観点から好ましく、このような弾性部材としては、金属、水晶、ガラスまたは石英材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。また、金属をシリコン、チタン、ステンレス、エリンバーまたは黄銅合金とすることによって、振動特性、加工性に優れた光学反射素子を実現することができる。   In addition, as a substrate material constituting the optical reflecting element, it is preferable from the viewpoint of productivity that an elastic member having elasticity, mechanical strength and high Young's modulus such as a metal material or an inorganic material is used as the base material 20. As such an elastic member, it is preferable to use a metal, quartz, glass or quartz material from the viewpoint of mechanical characteristics and availability. Further, by using silicon, titanium, stainless steel, Elinvar or brass alloy as the metal, it is possible to realize an optical reflecting element having excellent vibration characteristics and workability.

そして、シリコンなどの基材20で構成された前記第一のアーム3および第二のアーム4の少なくとも一面には、撓み振動を起こすための圧電アクチュエータ10を形成している。この圧電アクチュエータ10は第一の電極層21、圧電体層22および第二の電極層23の積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータとすることが好ましい。これによって、薄型の音叉振動子6に設計することができる。また、音叉振動子6の厚みを第一のアーム3および第二のアーム4の幅寸法よりも小さくすることによって、小型の光学反射素子を実現することができる。   A piezoelectric actuator 10 for causing flexural vibration is formed on at least one surface of the first arm 3 and the second arm 4 made of a base material 20 such as silicon. The piezoelectric actuator 10 is preferably a thin film laminated piezoelectric actuator having a laminated structure of a first electrode layer 21, a piezoelectric layer 22 and a second electrode layer 23. Thus, a thin tuning fork vibrator 6 can be designed. Further, by making the thickness of the tuning fork vibrator 6 smaller than the width dimension of the first arm 3 and the second arm 4, a small optical reflecting element can be realized.

また、これらの第一の電極層21、圧電体層22および第二の電極層23は音叉振動子6を形成する基材20の上に順次スパッタリング技術などの薄膜プロセスにより形成することができる。従って、圧電アクチュエータ10を音叉振動子6の同一面に形成することが生産性の観点から好ましい。   The first electrode layer 21, the piezoelectric layer 22, and the second electrode layer 23 can be sequentially formed on the base material 20 on which the tuning fork vibrator 6 is formed by a thin film process such as a sputtering technique. Therefore, the piezoelectric actuator 10 is preferably formed on the same surface of the tuning fork vibrator 6 from the viewpoint of productivity.

また、圧電アクチュエータ10の形成は第一のアーム3、第二のアーム4および連結部5に形成することがより効果的である。これによって、捩り振動をさらに効率よく励振することができる光学反射素子とすることができる。   It is more effective to form the piezoelectric actuator 10 on the first arm 3, the second arm 4, and the connecting portion 5. As a result, an optical reflecting element capable of exciting torsional vibration more efficiently can be obtained.

そして、前記圧電体層22に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの高い圧電定数を有する圧電体材料が好ましい。   The piezoelectric material used for the piezoelectric layer 22 is preferably a piezoelectric material having a high piezoelectric constant such as lead zirconate titanate (PZT).

また、音叉振動子6の共振周波数と、ミラー部12と第二の支持部11で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように振動設計することによって効率良くミラー部12を反復回転振動させる光学反射素子を実現することができる。   Further, the mirror part 12 can be efficiently designed by vibration design so that the resonance frequency of the tuning fork vibrator 6 and the resonance frequency of the torsional vibrator constituted by the mirror part 12 and the second support part 11 are substantially the same frequency. It is possible to realize an optical reflecting element that repeatedly rotates and vibrates.

さらに、第一のアーム3、第二のアーム4および連結部5の幅を等幅とすることによって不要な振動モードを抑制した光学反射素子とすることができるとともに、音叉振動子6をコの字状とすることによっても同様の効果を有する光学反射素子とすることができる。これらを組み合わせることによってよりその効果を発揮することができる。   Furthermore, by making the widths of the first arm 3, the second arm 4 and the connecting portion 5 equal, it is possible to provide an optical reflecting element that suppresses unnecessary vibration modes, and the tuning fork vibrator 6 can be The optical reflection element having the same effect can be obtained by forming the letter shape. The effect can be exhibited more by combining these.

また、第一の支持部2、音叉振動子6、第二の支持部11およびミラー部12の基材20を同一材料とすることによって安定した振動特性と生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。   Further, by using the same material for the base material 20 of the first support part 2, the tuning fork vibrator 6, the second support part 11 and the mirror part 12, an optical reflection element having stable vibration characteristics and excellent productivity is realized. can do.

また、第一の支持部2および第二の支持部11の断面形状は円状とすることが好ましい。これによって、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。   Moreover, it is preferable that the cross-sectional shape of the 1st support part 2 and the 2nd support part 11 is circular. As a result, the vibration mode of torsional vibration is stabilized, unnecessary resonance can be suppressed, and an optical reflection element that is hardly affected by disturbance vibration can be realized.

また、ミラー部12は基材20の表面を鏡面研磨することによって形成することも可能であり、さらに好ましくは光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜のミラー膜として形成することも可能である。これらの金属薄膜からなるミラー膜の形成は、圧電アクチュエータ10を作製する工程において、前記と同様にスパッタリング技術により形成することができる。   The mirror portion 12 can also be formed by mirror polishing the surface of the substrate 20, and more preferably, can be formed as a mirror film of a metal thin film of gold or aluminum having excellent light reflection characteristics. It is. The mirror film made of these metal thin films can be formed by a sputtering technique in the same manner as described above in the process of manufacturing the piezoelectric actuator 10.

このような構成からなる光学反射素子は、シリコンウエハーなどの基材20の上に薄膜プロセス、フォトリソ技術などの半導体プロセスを応用することによって高精度に、一括して作製することが可能であることから、光学反射素子の小型化、高精度化および生産効率に優れた光学反射素子を実現することができる。   The optical reflecting element having such a configuration can be manufactured in a lump with high accuracy by applying a semiconductor process such as a thin film process or a photolithography technique on the base material 20 such as a silicon wafer. Therefore, it is possible to realize an optical reflecting element that is small in size, high in accuracy, and excellent in production efficiency.

また、第二の支持部11とミラー部12とからなる捩れ振動子の捩れ振動を利用することによって、小型のデバイス構造でありながら、ミラー部12の振れ角を大きくすることが可能となる光学反射素子を実現することができる。   Further, by utilizing the torsional vibration of the torsional vibrator composed of the second support part 11 and the mirror part 12, it is possible to increase the deflection angle of the mirror part 12 while having a small device structure. A reflective element can be realized.

さらに、振動の駆動部である音叉振動子6を構成する第一のアーム3と第二のアーム4の撓み振動と第二の支持部11とミラー部12とで形成される捩れ振動子の構成を有していることから設計の自由度が高まり、それぞれの寸法形状を工夫することによってミラー部12の駆動周波数、振れ角などを広範囲に設計対応することができる光学反射素子を実現することができる。   Further, the configuration of the torsional vibrator formed by the flexural vibration of the first arm 3 and the second arm 4 constituting the tuning fork vibrator 6 which is a vibration driving part, the second support part 11 and the mirror part 12. Therefore, it is possible to realize an optical reflection element capable of designing and responding to a wide range of drive frequencies, deflection angles, and the like of the mirror unit 12 by devising each dimension and shape. it can.

また、前記第一のアーム3と第二のアーム4に形成した圧電アクチュエータ10のそれぞれの第一の電極層21と第二の電極層23の引き出し電極は個別に引き出し線(図示せず)を形成しながら接続端子25へ接続している。これによって正負反対の電気信号をそれぞれの圧電アクチュエータ10に印加することができる。   The lead electrodes of the first electrode layer 21 and the second electrode layer 23 of the piezoelectric actuator 10 formed on the first arm 3 and the second arm 4 are individually provided with lead lines (not shown). While forming, it is connected to the connection terminal 25. As a result, opposite electrical signals can be applied to each piezoelectric actuator 10.

次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。なお、図3は動作原理を説明するために概念図であり、突起部7a,7bの図示は省略している。   Next, the operation principle of the optical reflecting element having such a configuration will be described. FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the operation principle, and illustration of the protrusions 7a and 7b is omitted.

図1〜図3に示すように、圧電アクチュエータ10を構成する第一の電極層21と第二の電極層23との間に交流の駆動電圧を印加することにより圧電体層22の面方向に伸び・縮みが発生し、この圧電アクチュエータ10の変形により、第一のアーム3および第二のアーム4の位相が180度異なる方向(矢印8a,8b方向)に撓み振動を起こす。   As shown in FIGS. 1 to 3, by applying an alternating drive voltage between the first electrode layer 21 and the second electrode layer 23 constituting the piezoelectric actuator 10, Expansion and contraction occur, and deformation of the piezoelectric actuator 10 causes flexural vibration in directions in which the phases of the first arm 3 and the second arm 4 differ by 180 degrees (in the directions of arrows 8a and 8b).

また、第一のアーム3と第二のアーム4に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ10に印加する駆動信号の正負を反対に印加することによって、第一のアーム3と第二のアーム4とは反対方向に撓み振動(矢印8a,8b方向)をすることになる。このとき、第一のアーム3と第二のアーム4の自由端には突起部7a,7bを付加していることから、重りの役目を果たし、第一のアーム3と第二のアーム4の共振周波数を低減することができるとともに、音叉振動子6の捩り振動を効率よく振動させる役目を果たす。   In addition, the first arm 3 and the second arm 4 are opposite by applying oppositely the positive and negative of the drive signal applied to the respective piezoelectric actuators 10 formed on the first arm 3 and the second arm 4. It will bend and vibrate in the direction (arrow 8a, 8b direction). At this time, since the projections 7 a and 7 b are added to the free ends of the first arm 3 and the second arm 4, they serve as weights, and the first arm 3 and the second arm 4 The resonance frequency can be reduced and the torsional vibration of the tuning fork vibrator 6 can be efficiently vibrated.

そして、突起部7a,7bを設けることによって、より低い周波数で振動させた第一のアーム3と第二のアーム4の振動エネルギーは音叉振動子6の連結部5へと伝搬される。これによって、音叉振動子6は音叉振動子6の振動中心9を振動軸(回転軸14)として、より低い周波数にて反復回転振動(捩れ振動)をする。   By providing the protrusions 7 a and 7 b, the vibration energy of the first arm 3 and the second arm 4 oscillated at a lower frequency is propagated to the connecting portion 5 of the tuning fork vibrator 6. As a result, the tuning fork vibrator 6 repeats rotational vibration (torsional vibration) at a lower frequency with the vibration center 9 of the tuning fork vibrator 6 as a vibration axis (rotation axis 14).

次に、この反復回転振動の振動エネルギーが連結部5に接合された第二の支持部11に振動エネルギーが伝達され、回転軸14を中心として、第二の支持部11とミラー部12とで構成される捩れ振動子として捩れ振動を起こすようになる。これによって、ミラー部12に回転軸14を軸中心として矢印13に示した方向に反復回転振動を起こす。   Next, the vibration energy of this repetitive rotational vibration is transmitted to the second support part 11 joined to the connecting part 5, and the second support part 11 and the mirror part 12 are centered around the rotation shaft 14. As a torsional vibrator, a torsional vibration is generated. As a result, repetitive rotational vibration is caused in the mirror portion 12 in the direction indicated by the arrow 13 with the rotation shaft 14 as the axis.

このとき、音叉振動子6の反復回転振動の方向と、第二の支持部11およびミラー部12で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が180度異なる反対方向に振動することとなる。   At this time, the direction of the repetitive rotational vibration of the tuning fork vibrator 6 and the direction of the repetitive rotational vibration of the torsional vibrator composed of the second support part 11 and the mirror part 12 vibrate in opposite directions that are 180 degrees different in phase. It becomes.

このような振動モードを有する振動子を構成し、ミラー部12にレーザー光源またはLED光源などから発生させた光線を入力することによって、ミラー部12の振れ角度を大きくできる小型の光学反射素子を実現することができる。これらの振動部の振動設計をすることによって、大きく出力光の反射角度を変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる小型の光学反射素子を実現することができる。   By constructing a vibrator having such a vibration mode and inputting a light beam generated from a laser light source or an LED light source to the mirror part 12, a small optical reflection element capable of increasing the deflection angle of the mirror part 12 is realized. can do. By designing the vibration of these vibration parts, a small optical reflection element that can largely change the reflection angle of the output light and can sweep the input light such as a laser beam to a predetermined design value. Can be realized.

このように、振動源を高Q値を有する音叉振動子6とし、この安定した振動エネルギーを第二の支持部11とミラー部12からなる捩り振動子への捩り振動を発生させる励振エネルギーとして供給することによって、安定した反復回転振動をミラー部12に発生させることができる。   In this way, the vibration source is the tuning fork vibrator 6 having a high Q value, and this stable vibration energy is supplied as excitation energy for generating torsional vibration to the torsional vibrator composed of the second support portion 11 and the mirror portion 12. By doing so, the stable repetitive rotational vibration can be generated in the mirror unit 12.

なお、音叉振動子6の反復回転振動をさせるために、第一のアーム3と第二のアーム4の一面に圧電アクチュエータ10を形成した場合の光学反射素子を例として説明してきたが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ10を形成することによって、前記と同様の光学反射素子の動作を実現することが可能である。これは音叉の振動特性を利用したものであり、どちらか一方のアームが励振させると連結部5を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播することによって振動させることが可能となる性質を応用したものである。   Note that the optical reflecting element in the case where the piezoelectric actuator 10 is formed on one surface of the first arm 3 and the second arm 4 in order to cause repetitive rotational vibration of the tuning fork vibrator 6 has been described as an example. By forming the piezoelectric actuator 10 on only one of them, it is possible to realize the same operation of the optical reflecting element as described above. This utilizes the vibration characteristics of the tuning fork, and applied the property that when one of the arms is excited, it can be vibrated by propagation of kinetic energy to the other arm via the connecting portion 5. Is.

以上のような構成からなる光学反射素子の応用としては、レーザービームプリンタが一例としてあげられる。このレーザービームプリンタなどに用いられる感光ユニットは、光源となるレーザーと、このレーザーから発せられたレーザー光線が照射される感光ドラムと、レーザー光線を反射させるとともに、その反射方向を可変させることで、レーザー光線を感光ドラムの走査面上を掃引させる光学反射素子から構成されており、この感光ユニットに用いられる光学反射素子は図1〜図3に示した構成の光学反射素子を用いることによって小型のレーザービームプリンタを実現することができる。   As an application of the optical reflecting element having the above-described configuration, a laser beam printer can be cited as an example. The photosensitive unit used in this laser beam printer or the like is a laser that is a light source, a photosensitive drum that is irradiated with a laser beam emitted from this laser, and reflects the laser beam and changes its reflection direction, thereby changing the laser beam. The optical reflecting element for sweeping the scanning surface of the photosensitive drum is used, and the optical reflecting element used in the photosensitive unit is a small laser beam printer by using the optical reflecting element having the configuration shown in FIGS. Can be realized.

次に、本実施の形態1における光学反射素子の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the optical reflecting element in the first embodiment will be described.

まず始めに、厚みが0.3mmからなるシリコン基板20を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる第一の電極層21を形成している。このとき、シリコン基板20の厚みは厚くても良い。それによって、ウエハ形状の大きなシリコン基板20を用いることができるとともに、反りなどが少ないことから、より高精度な光学反射素子を効率よく作製することができる。   First, a silicon substrate 20 having a thickness of 0.3 mm is prepared, and a first electrode layer 21 made of a platinum electrode is formed thereon using a thin film process such as sputtering or vapor deposition. At this time, the thickness of the silicon substrate 20 may be thick. As a result, a silicon substrate 20 having a large wafer shape can be used, and since warpage and the like are small, a highly accurate optical reflecting element can be efficiently manufactured.

その後、この第一の電極層21の上にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体層22を形成する。このとき、圧電体層22と第一の電極層21との間に配向制御層としてPbとTiを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、PLMTからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体層22の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ10を実現することができる。   Thereafter, a piezoelectric layer 22 is formed on the first electrode layer 21 by a sputtering method or the like using a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT). At this time, it is preferable to use an oxide dielectric containing Pb and Ti as the orientation control layer between the piezoelectric layer 22 and the first electrode layer 21, and it is more preferable to form an orientation control layer made of PLMT. . Thereby, the crystal orientation of the piezoelectric layer 22 is further improved, and the piezoelectric actuator 10 having excellent piezoelectric characteristics can be realized.

次に、この圧電体層22の上にチタン/金よりなる第二の電極層23を形成している。   Next, a second electrode layer 23 made of titanium / gold is formed on the piezoelectric layer 22.

このとき、金電極の下層のチタンはPZT薄膜などの圧電体層22との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。   At this time, titanium under the gold electrode is formed in order to increase the adhesion with the piezoelectric layer 22 such as a PZT thin film, and a metal such as chromium can be used in addition to titanium.

これによって、圧電体層22との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから密着強度を高めた圧電アクチュエータ10を形成することができる。そして、このときの白金電極の厚みは0.2μm、PZT薄膜は3.5μm、およびチタン電極は0.01μmとし、金電極は0.3μmで形成している。   As a result, the piezoelectric actuator 10 having excellent adhesion with the piezoelectric layer 22 and having a strong diffusion strength with the gold electrode can be formed. At this time, the platinum electrode is 0.2 μm thick, the PZT thin film is 3.5 μm, the titanium electrode is 0.01 μm, and the gold electrode is 0.3 μm.

次に、フォトリソ技術を用いてエッチングすることによってパターン形成された第一の電極層21、圧電体層22および第二の電極層23を形成している。このとき、第二の電極層23のエッチング液としてはヨウ素/ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。   Next, a patterned first electrode layer 21, piezoelectric layer 22 and second electrode layer 23 are formed by etching using a photolithographic technique. At this time, a predetermined electrode pattern was formed using an etchant composed of an iodine / potassium iodide mixed solution, ammonium hydroxide, and hydrogen peroxide mixed solution as an etchant for the second electrode layer 23.

また、第一の電極層21、圧電体層22に用いるエッチング方法としてはドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはSF6ガスなどを用いることができる。圧電体薄膜層を弗酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液からなるエッチング液を用いてウエットエッチングを行うことによってパターン化された圧電体層22を形成する。その後、さらに、ドライエッチングによって下層の電極薄膜層をエッチングすることによってパターン化された第一の電極層21を形成することによって、図2に示したような圧電アクチュエータ10を形成することができる。 Moreover, as an etching method used for the first electrode layer 21 and the piezoelectric layer 22, any one of a dry etching method and a wet etching method, or a combination of these methods can be used. For example, in the case of a dry etching method, a fluorocarbon-based etching gas or SF 6 gas can be used. The piezoelectric thin film layer is wet-etched using an etching solution made of a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid, and hydrogen peroxide to form a patterned piezoelectric layer 22. Thereafter, by further forming the patterned first electrode layer 21 by etching the lower electrode thin film layer by dry etching, the piezoelectric actuator 10 as shown in FIG. 2 can be formed.

次に、XeF2ガスを用いてシリコン基板20を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコンを除去し、図2に示したような形状を有した光学反射素子を形成することができる。 Next, unnecessary silicon is removed by isotropically dry-etching the silicon substrate 20 using XeF 2 gas, and an optical reflecting element having a shape as shown in FIG. 2 can be formed. .

なお、シリコン基板などをドライエッチングによって異方性を活用して高精度にエッチングする場合には、エッチングを促進するSF6ガスとエッチングを抑制するC48ガスなどを用いて、より直線的にエッチングをすることが好ましい。そして、エッチングの際には、前記ガスを用いた混合ガスを用いること、あるいは交互に前記ガスを切り替えてドライエッチングを行うエッチング方法が可能であり、これらの方法を寸法形状、加工精度に合わせて適宜選択してエッチング加工することが可能である。 When a silicon substrate or the like is etched with high accuracy by utilizing anisotropy by dry etching, SF 6 gas that promotes etching and C 4 F 8 gas that suppresses etching are more linear. Etching is preferably performed. In the etching, a mixed gas using the gas can be used, or an etching method in which the gas is alternately switched to perform dry etching is possible, and these methods are matched to the dimensional shape and processing accuracy. It is possible to select and perform etching appropriately.

以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。   By the manufacturing method as described above, it is possible to efficiently produce a small and highly accurate optical reflecting element collectively.

以上のような製造プロセスによって第一および第二のアーム3,4の長さ;1.0mm、幅;0.3mm、突起部7a,7bの長さ;0.55mm、幅;0.3mm、第一の支持部2の長さ;0.2mm、幅;0.1mm、第二の支持部11の長さ;0.4mm、幅;0.1mm、ミラー部12;1.0×1.0mmとしたとき、駆動周波数;15kHz、ミラー部12の振れ角;±10度の特性を有した光学反射素子を作製することができた。   By the manufacturing process as described above, the length of the first and second arms 3 and 4; 1.0 mm, the width; 0.3 mm, the length of the protrusions 7a and 7b; 0.55mm, the width; Length of the first support portion 2; 0.2 mm, width: 0.1 mm, length of the second support portion 11; 0.4 mm, width; 0.1 mm, mirror portion 12; 1.0 × 1. When the thickness was 0 mm, an optical reflection element having characteristics of a drive frequency: 15 kHz and a deflection angle of the mirror portion 12: ± 10 degrees could be produced.

(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2における光学反射素子の構成について図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the configuration of the optical reflecting element according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は本実施の形態2における光学反射素子の平面図である。   FIG. 4 is a plan view of the optical reflecting element according to the second embodiment.

本実施の形態2における光学反射素子の基本的な構成は実施の形態1の構成とほぼ同様であり、その詳細な説明は省略し、本実施の形態2における光学反射素子が実施の形態1と大きく異なっている構成について図面を用いて説明する。   The basic configuration of the optical reflecting element in the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted. The optical reflecting element in the second embodiment is the same as that of the first embodiment. A greatly different configuration will be described with reference to the drawings.

図4において、第一のアーム3と第二のアーム4の中間部と第二の支持部11との間に第三の支持部30を設けたことを特徴としている。これによって、音叉振動子6の反復回転振動のエネルギーを効率よく第二の支持部11へ伝達することが可能となり、さらに小型の光学反射素子を実現することができる。図4において、第三の支持部30を、第二の支持部11に発生する第二の支持部11とミラー部12から構成された捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けたことを特徴としている。この定在波は1/2、1/3、1/4と示されるように整数分の一で現れてくるものであり、この所定の定在波の振動節部に第三の支持部30を設けることが好ましい。また、第三の支持部30は第二の支持部11中間部と連結部5との間に配置することが好ましい。   In FIG. 4, a third support portion 30 is provided between an intermediate portion of the first arm 3 and the second arm 4 and the second support portion 11. As a result, the energy of the repetitive rotational vibration of the tuning fork vibrator 6 can be efficiently transmitted to the second support portion 11, and a further compact optical reflecting element can be realized. In FIG. 4, the third support portion 30 is a vibration of a higher-order standing wave having a resonance frequency of the torsional vibrator formed of the second support portion 11 and the mirror portion 12 generated in the second support portion 11. It is characterized by being provided at the node. This standing wave appears as a fraction of an integer as shown by 1/2, 1/3, and 1/4, and the third support portion 30 is added to the vibration node of the predetermined standing wave. Is preferably provided. In addition, the third support portion 30 is preferably disposed between the intermediate portion of the second support portion 11 and the connecting portion 5.

また、第三の支持部30は音叉振動子6の振動中心9に近い位置に配置することが好ましい。これによって、第一のアーム3と第二のアーム4の撓み振動の減衰を抑制しながら効率よくミラー部12を反復回転振動させることができる。   The third support portion 30 is preferably disposed at a position close to the vibration center 9 of the tuning fork vibrator 6. As a result, it is possible to efficiently cause the mirror unit 12 to repeatedly rotate and vibrate while suppressing the attenuation of the flexural vibration of the first arm 3 and the second arm 4.

以上説明してきたように、第三の支持部30を、第二の支持部11に発生する捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けた光学反射素子とすることによって、より小型で振れ角度の大きな光学反射素子を実現することができる。   As described above, the third support portion 30 is an optical reflection element provided at the vibration node portion of the higher-order standing wave having the resonance frequency of the torsional vibrator generated in the second support portion 11. Thus, an optical reflecting element that is smaller and has a large deflection angle can be realized.

本発明は、光学反射素子に関して小型化できるという効果を有し、特に電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、光学スキャナ用途に有用である。   The present invention has an effect that the optical reflecting element can be miniaturized, and is particularly useful for electrophotographic copying machines, laser printers, and optical scanners.

本発明の実施の形態1における光学反射素子の平面図The top view of the optical reflection element in Embodiment 1 of this invention 同図1のAA部における断面図Sectional view in the AA part of FIG. 同光学反射素子の動作原理を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the operating principle of the optical reflection element 本発明の実施の形態2における光学反射素子の平面図The top view of the optical reflective element in Embodiment 2 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 支持体
2 第一の支持部
3 第一のアーム
4 第二のアーム
5 連結部
6 音叉振動子
7a、7b 突起部
8a、8b 矢印
9 振動中心
10 圧電アクチュエータ
11 第二の支持部
12 ミラー部
13 矢印
14 回転軸
20 基材
21 第一の電極層
22 圧電体層
23 第二の電極層
25 接続端子
30 第三の支持部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support body 2 1st support part 3 1st arm 4 2nd arm 5 Connection part 6 Tuning fork vibrator 7a, 7b Projection part 8a, 8b Arrow 9 Vibration center 10 Piezoelectric actuator 11 2nd support part 12 Mirror part 13 Arrow 14 Rotating shaft 20 Base material 21 First electrode layer 22 Piezoelectric layer 23 Second electrode layer 25 Connection terminal 30 Third support portion

Claims (15)

支持体と、この支持体に一端が支持された第一の支持部と、この第一の支持部の他端に支持された第一のアームと第二のアームを有する音叉振動子と、この音叉振動子の振動中心に一端が支持された第二の支持部と、この第二の支持部の他端に支持されたミラー部とを備え、前記第一のアームと第二のアームに突起部を設けた光学反射素子。 A support, a first support having one end supported by the support, a tuning fork vibrator having a first arm and a second arm supported by the other end of the first support, and A second support part having one end supported at the vibration center of the tuning fork vibrator, and a mirror part supported by the other end of the second support part, and protruding from the first arm and the second arm. An optical reflecting element provided with a portion. 突起部を第一のアームと第二のアームの自由端に設けた請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflection element according to claim 1, wherein the protrusions are provided at the free ends of the first arm and the second arm. 突起部を音叉振動子の左右対称に設けた請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflecting element according to claim 1, wherein the protrusions are provided symmetrically with respect to the tuning fork vibrator. 突起部を音叉振動子の内側に設けた請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflecting element according to claim 1, wherein the protrusion is provided inside the tuning fork vibrator. 第一のアームと第二のアームの位相が180度異なる方向に撓み振動し、音叉振動子が回転軸を中心として捩り振動するように音叉振動子を振動させる請求項1に記載の光学反射素子。 2. The optical reflecting element according to claim 1, wherein the first arm and the second arm bend and vibrate in directions in which the phases of the first arm and the second arm differ by 180 degrees, and the tuning fork vibrator vibrates such that the tuning fork vibrator torsionally vibrates about the rotation axis. . 音叉振動子の共振周波数と、ミラー部と第二の支持部で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数とした請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflection element according to claim 1, wherein the resonance frequency of the tuning fork vibrator and the resonance frequency of the torsional vibrator formed of the mirror part and the second support part are substantially the same frequency. 光学反射素子の基材を弾性部材とした請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflective element according to claim 1, wherein the base material of the optical reflective element is an elastic member. 弾性部材を金属、水晶、ガラスまたは石英とした請求項7に記載の光学反射素子。 The optical reflecting element according to claim 7, wherein the elastic member is made of metal, quartz, glass, or quartz. 金属をシリコン、チタン、ステンレス、エリンバーまたは黄銅合金とした請求項8に記載の光学反射素子。 The optical reflective element according to claim 8, wherein the metal is silicon, titanium, stainless steel, elimbar, or a brass alloy. 第一の支持部、音叉振動子、第二の支持部、突起部およびミラー部の基材を同一材料とした請求項7に記載の光学反射素子。 The optical reflecting element according to claim 7, wherein the first support part, the tuning fork vibrator, the second support part, the protrusion part, and the mirror part are made of the same base material. 第一のアーム、および/または第二のアームの少なくとも一面に圧電アクチュエータを設けた請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflective element according to claim 1, wherein a piezoelectric actuator is provided on at least one surface of the first arm and / or the second arm. 圧電アクチュエータを第一の電極層、圧電体層および第二の電極層からなる積層圧電薄膜とした請求項11に記載の光学反射素子。 The optical reflective element according to claim 11, wherein the piezoelectric actuator is a laminated piezoelectric thin film comprising a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer. 音叉振動子の同一面に圧電アクチュエータを設けた請求項12に記載の光学反射素子。 The optical reflecting element according to claim 12, wherein a piezoelectric actuator is provided on the same surface of the tuning fork vibrator. 第一のアームおよび第二のアームと、第二の支持部との間に第三の支持部を設けた請求項1に記載の光学反射素子。 The optical reflective element according to claim 1, wherein a third support portion is provided between the first arm and the second arm, and the second support portion. 第三の支持部を、捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けた請求項14に記載の光学反射素子。 The optical reflection element according to claim 14, wherein the third support portion is provided in a vibration node portion of a standing wave of a higher order having a resonance frequency of the torsional vibrator.
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