Notice: Undefined variable: fterm_desc_sub in /mnt/www/biblio_conv.php on line 353
プレーナ型電磁アクチュエータ
説明

プレーナ型電磁アクチュエータ

【課題】プレーナ型電磁アクチュエータにおける駆動コイルの残留応力に起因する可動部の反りを低減する。
【解決手段】固定部2、可動部4及び一対のトーションバー3,3を半導体基板で一体形成し、可動部4に駆動コイル5を設け、駆動コイル4に電流を供給することにより駆動コイル5に発生する磁界と永久磁石6,6の静磁界との相互作用により発生する電磁力で可動部4をトーションバー3,3回りに駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、駆動コイル4の各角部(黒色部分)を可動部4表面に固定し、各角部以外のコイル部分(白色部分)を可動部4表面から浮かす構成とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型電磁アクチュエータに関し、特に、可動部に形成する駆動コイルの残留応力に起因する可動部の反りを低減したプレーナ型電磁アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種のプレーナ型電磁アクチュエータとしては、例えば特許文献1に記載されたように、半導体基板を異方性エッチングして、枠状の固定部と、可動部と、固定部に可動部を揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、可動部に駆動コイルを設け、トーションバーの軸方向と平行な可動部両端縁部の駆動コイル部分に静磁界を作用させる静磁界発生手段(例えば永久磁石)を設け、外部の駆動回路から駆動コイルに電流を供給することにより、駆動コイルに発生する磁界と永久磁石の静磁界との相互作用により発生する駆動力(ローレンツ力)を可動部に作用させて、可動部をトーションバーの軸回りに駆動する構成のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第2722314号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、この種のプレーナ型電磁アクチュエータは、一般的には、例えば、蒸着やスパッタリング等の成膜技術を用いて駆動コイル形成用の金属層を半導体基板上の絶縁膜上に形成した後、金属層に駆動コイルを含む電気配線のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして金属層をエッチン処理することにより、駆動コイルを含む電気配線を形成する。しかしながら、形成された駆動コイルには残留応力が存在し、この残留応力に起因して極めて薄い可動部に反りが生じる。このため、例えば可動部に反射ミラーを設けて光ビームを偏向走査する光走査デバイスに適用する場合、反射ミラー面に反りが生じて光走査デバイスの光走査機能に支障が生じる虞れがある。
【0005】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、駆動コイルの残留応力に起因する可動部の反りを低減できるプレーナ型電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
このため、請求項1の発明は、固定部と、可動部と、前記固定部に前記可動部を揺動可能に軸支するトーションバーと、を半導体基板で一体形成すると共に、前記可動部に駆動コイルを設け、該駆動コイルに電流を供給することにより発生する電磁力により前記可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、前記駆動コイルの一部を、前記可動部表面から浮かしたことを特徴とする。
【0007】
また、請求項5の発明は、固定部と、可動部と、前記固定部に前記可動部を揺動可能に軸支するトーションバーと、を半導体基板で一体形成すると共に、前記可動部に駆動コイルを設け、該駆動コイルに電流を供給することにより発生する電磁力により前記可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、前記駆動コイルと前記可動部表面との間に、駆動コイルの残留応力の可動部に対する作用を緩和する応力緩和層を介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明のプレーナ型電磁アクチュエータによれば、可動部に設ける駆動コイルの一部を、可動部表面から浮かして駆動コイルと可動部表面との接触面積を減少させるか、又は、駆動コイルと可動部表面との間に応力緩和層を介在させ駆動コイルから可動部に伝達する応力を緩和させる構成としたので、駆動コイルから可動部に直接伝達する駆動コイルの残留応力の影響を従来と比較して抑制でき、可動部の反りを低減できる。このため、可動部に反射ミラーを設けて光ビームを偏向走査する光走査デバイスに適用した場合、反射ミラー面の反りを低減して反射ミラーの平坦度を上げることができ、走査光の歪みが少ない光走査デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第1実施形態を示す平面図。
【図2】図1のA−A矢視断面図。
【図3】同上第1実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程の説明図。
【図4】図3に続く製造工程の説明図。
【図5】図4に続く製造工程の説明図。
【図6】本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第2実施形態の要部の平面図。
【図7】本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第3実施形態の要部の平面図。
【図8】本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第4実施形態を示す平面図。
【図9】図8のB−B矢視断面図。
【図10】同上第4実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程の説明図。
【図11】図10に続く製造工程の説明図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第1実施形態の平面図である。図2は、図1のA−A矢視断面図である。
本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ1は、枠状の固定部2に一対のトーションバー3,3を介して揺動可能に軸支される可動部4と、通電により磁界を発生する駆動コイル5と、駆動コイル5に静磁界を作用させる静磁界発生手段として例えば永久磁石6,6とを備え、通電により駆動コイル5に発生する磁界と永久磁石6,6の静磁界との相互作用によりトーションバー3,3の軸方向と平行な可動部4の両端縁部に駆動力(ローレンツ力)を作用させて可動部4を回動させるものである。
【0011】
前記固定部2、トーションバー3,3及び可動部4は、半導体基板として例えばSOI基板で一体に形成する。
【0012】
前記駆動コイル5は、図1に示すように略平面矩形状に形成した可動部4の周縁部に沿って巻回形成されている。この駆動コイル5は、トーションバー3,3部分から固定部2部分にかけて形成した引出し配線部7により、固定部2側に形成した一対の外部接続端子8,8に電気的に接続する。また、駆動コイル5の一部は、可動部4表面から浮いた状態で設けられている。具体的には、駆動コイル5の浮いた部位が可動部4の中心軸線(本実施形態では互いに直交する各中心軸線)に対して略対称となるように、図1及び図2に示すように駆動コイル5の各角部(図1に黒色で示した部分)を可動部4表面に固定し、各角部以外のコイル部分(図1中で白色で示した部分)を可動部4表面から浮かしてある。本実施形態では、可動部4上の駆動コイル5と一対の外部接続端子8,8とを接続する引出し配線部7のトーションバー3,3配線部分についても、図1及び図2に示すようにトーションバー3,3表面から浮かして形成してある。尚、駆動コイル5や引出し配線部7について、可動部4、トーションバー3,3及び固定部2の各表面に対して浮いている箇所と固定している箇所と区別するため、便宜上、図1において浮上がり箇所を白色で示し固定箇所を黒色で示した。そして、駆動コイル5や引出し配線部7の固定箇所(図中、黒色部分)は、図2に示すように浮上がり箇所(図中、白色部分)において犠牲層としてエッチング除去される配線層9を介して可動部4や固定部2の表面のSiO2絶縁層10上に固定されている。
【0013】
前記永久磁石6,6は、図1に示すように可動部4を挟んで互いに反対磁極が対向するようにして固定部2の外側に設けられている。尚、静磁界発生手段として電磁石を用いることも可能である。
【0014】
可動部4の裏面側には、図2に示すように光走査用の反射ミラー11を設けてある。尚、言うまでもないが、光走査が不要な用途に適用する電磁アクチュエータの場合は、反射ミラー11を設ける必要はない。
尚、図2中、12は、駆動コイル5や引出し配線部7の浮上がり箇所(図中、白色部分)の配線層9を犠牲エッチング処理して除去するための絶縁層であり、13は、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部電極端子8,8表面を覆う保護層である。
【0015】
本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの動作を説明する。
可動部4の駆動原理は従来と同様であり、図示しない外部の駆動回路から、外部接続端子8,8、引出し配線部7を介して可動部4上の駆動コイル5に電流を供給すると磁界が発生する。この磁界と永久磁石6,6による静磁界との相互作用により、トーションバー3,3の軸方向と平行な可動部4の両端縁部に互いに逆方向の駆動力(ローレンツ力)が発生し、トーションバー3,3を軸中心として可動部4が回動する。この回動動作に伴ってトーションバー3,3が捩られトーションバー3,3にばね力が発生し、このばね力と発生した駆動力とが釣合う位置まで可動部4は回動する。駆動コイル5Aに正弦波等の交流電流を流せば可動部4を揺動動作させることができ、図2のように可動部4に反射ミラー11を設ければ光ビームを偏向走査することが可能となる。駆動コイル5に供給する交流電流の周波数を可動部4の揺動運動の共振周波数に設定すれば、一定周期で連続走査可能な光走査デバイスが実現できる。
【0016】
本実施形態の電磁アクチュエータによれば、図1及び図2に示すように、駆動コイル5の各角部以外のコイル部分を可動部4表面から浮かしてあるので、駆動コイル5から可動部4に伝わる駆動コイル5の残留応力の影響を少なくできる。このため、可動部4の反りを低減できるので、反射ミラー11を設けた場合に反射ミラー11の反りが低減され、光走査デバイスによる走査光の歪みを低減できるようになる。更に、駆動コイル5の浮上がり箇所(図中、白色部分)を可動部4の中心軸線(本実施形態では互いに直交する各中心軸線)に対して略対称となるように設けたので、可動部4に対して駆動コイル5の残留応力が略均等に作用させることができる。
【0017】
本実施形態では、引出し配線部7のトーションバー3,3部分も、トーションバー3,3表面から浮かしたので、トーションバー3,3部分の引出し配線部7の捩り応力がトーションバー3,3に直接作用せず、引出し配線部7の応力によってトーションバー3,3の動きが拘束されることがない。このため、従来構造に比べて同じ供給電流でも大きな振れ角で可動部4を回動することができる。言い換えれば、可動部4を従来と同じ振れ角で駆動する場合に、少ない電流量で済むことになり、電磁アクチュエータ1の駆動効率が向上し消費電力の低減を図ることができる。
【0018】
次に、駆動コイル5の一部を浮かした構造を有する図1に示す第1実施形態の電磁アクチュエータの製造工程を、図3〜図5を参照して説明する。
本実施形態では、半導体基板として、基板の表側と裏側のシリコン層100A,100Bの間にbox層100Cを有するSOI(Silicon On Insulator)基板100を用いた場合について説明する。
【0019】
工程(a)で、SOI基板100表面側のシリコン層100Aの表面を熱酸化してSiO2絶縁層101(図2のSiO2絶縁層10となる)を形成する。
工程(b)で、SiO2絶縁層101の全面に、例えばAl(アルミニウム)の配線層をスパッタリング、蒸着等の既知の成膜技術で成膜し、その上にレジストを塗布し、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部電極端子8,8に対応する部分のレジストを残してレジストパターンを形成する。これをマスクとして配線層をエッチングし、犠牲層として一部がエッチング除去される配線層102を形成する。
【0020】
工程(c)で、SOI基板100全面に、例えばポリイミドの絶縁層を形成し、エッチング処理により駆動コイル5及び引出し配線部7の浮上がり箇所の形成部位を除いて除去して絶縁層103を形成する。
工程(d)で、基板100全体に、例えばスパッタリングよりAl(アルミニウム)の配線層を成膜し、配線層上にレジストを塗布し、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部電極端子部8,8の配線部分のレジストを残してレジストパターンを形成し、これをマスクとして配線層をエッチングして、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部接続端子8,8を形成する。
【0021】
工程(e)で、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部接続端子8,8を覆う保護膜13を形成する。
工程(f)で、前記保護膜13及び絶縁層103をマスクとして駆動コイル5部分と引出し配線部7部分の絶縁層103下方の犠牲層となる配線層102部分をエッチング処理により除去する。これにより、図1に黒色で示す各角部が固定され、各角部以外の部分(図1中、白色の部分)が可動部4表面から浮いた状態の駆動コイル5と、図2に示すようにトーションバー3,3配線部分の絶縁層12下方がトーションバー3,3表面から浮いた状態の引出し配線部7が形成される。
【0022】
工程(g)で、絶縁層101の固定部2、トーションバー3,3及び可動部4に対応する部分をレジストマスクで覆ってエッチングを行い、シリコン層100Aをエッチングする際のマスクとなる絶縁層部分をパターニングする。
工程(h)で、前記絶縁層部分をマスクとしてSOI基板100表面側のシリコン層100Aをエッチングする。
【0023】
工程(i)で、SOI基板100裏側のシリコン層100Bの固定部2に対応する部分をレジストマスクで覆い、シリコン層100Bをエッチングする。
工程(j)で、SOI基板100のbox層100Cをエッチングする。この工程において、電磁アクチュエータ1の固定部2、トーションバー3,3、可動部4が形成され、図1のような平面形状となる。
工程(k)で、光走査用アクチュエータとして使用する場合の反射ミラー11を、例えばステンシルマスク等のマスクを用いて例えばアルミニウムの蒸着等により可動部4裏面側に形成する。これにより、図2に示す断面形状のプレーナ型電磁アクチュエータ1が形成される。
【0024】
上述の第1実施形態では、駆動コイル5の各角部のみを固定箇所(図中、黒色部分)とし、その他のコイル部分を浮上がり箇所(図中、白色部分)とする構成としたが、かかる構成に限るものではない。例えば、図6に示す第2実施形態の電磁アクチュエータ20のように、トーションバー3,3の軸方向と直交する可動部4の対辺部に沿う、可動部4の駆動にあまり寄与しないコイル部分を第1実施形態と同様に浮上がり箇所(図中、白色部分)とし、トーションバー3,3の軸方向と平行な可動部4の対辺部に沿う、可動部4の駆動に寄与するコイル部分を全長に亘って固定箇所(図中、黒色部分)を設ける構成としてもよいし、図7に示す第3実施形態の電磁アクチュエータ30ように、トーションバー3,3の軸方向と平行な可動部4の対辺部に沿うコイル部分の中間部分に略均等に複数の固定箇所(図中、黒色部分)を設ける構成としてもよい。尚、第2及び第3実施形態において、第1実施形態と同一要素には同一符号を付してある。
尚、引出し配線部7に関しても、必ずしもトーションバー3,3配線部分を浮かす必要はなく固定する構成でもよい。
【0025】
次に、図8及び図9に本発明のプレーナ型電磁アクチュエータの第4実施形態を示す。
上述した第1〜第3実施形態の電磁アクチュエータ1、20、30では、駆動コイル5の一部を可動部4表面から浮かすことによって、駆動コイル5の残留応力に起因する可動部4の反りを低減するようにしたが、第4実施形態の電磁アクチュエータ40は、駆動コイル5と可動部4との間に、駆動コイル5の残留応力の可動部4に対する作用を緩和する応力緩和層を介在させて、可動部4の反りを低減する構成である。
【0026】
図8は、第4実施形態の電磁アクチュエータ40の平面図を示し、図9は、図8のB-B矢視断面図を示す。尚、第1実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
【0027】
第4実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ40は、図9に示すように、駆動コイル5と可動部4表面との間に、駆動コイル5内の残留応力の可動部4に対する作用を緩和する剛性の低い材料の例えばポリイミドからなる応力緩和層41を介在させて、駆動コイル5を可動部4表面に固定する構成である。
【0028】
かかる構成によれば、駆動コイル5から可動部4に伝達される残留応力の作用が応力緩和層41で吸収することにより、可動部4の反りを低減できる。
【0029】
次に、図10及び図11を参照して第4実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ40の製造工程について説明する。尚、半導体基板として、第1実施形態と同様にSOI基板を用いた場合について説明する。
【0030】
工程(a)で、SOI基板200表面側のシリコン層200Aの表面を熱酸化してSiO2絶縁層201(図9のSiO2絶縁層10となる)を形成する。
工程(b)で、SiO2絶縁層201の全面に、ポリイミド層を成膜し、その上にレジストを塗布し、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部電極端子8,8に対応する部分のレジストを残してレジストパターンを形成する。これをマスクとしてポリイミド層をエッチングし、応力緩和層41を形成する。
【0031】
工程(c)で、SOI基板200全面に、例えばスパッタリングよりAl(アルミニウム)の配線層を成膜し、配線層上にレジストを塗布し、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部電極端子部8,8の配線部分のレジストを残してレジストパターンを形成し、これをマスクとして配線層をエッチングして、応力緩和層41上に駆動コイル5、引出し配線部7及び外部接続端子8,8を形成する。
【0032】
工程(d)で、駆動コイル5、引出し配線部7及び外部接続端子8,8を覆う保護膜13を形成する。
【0033】
その後の工程(e)〜(i)は、第1実施形態と同様である。即ち、工程(e)で、絶縁層201の固定部2、トーションバー3,3及び可動部4に対応する部分をレジストマスクで覆ってエッチングを行い、シリコン層100Aをエッチングする際のマスクとなる絶縁層部分をパターニングする。
【0034】
工程(f)で、前記絶縁層部分をマスクとしてSOI基板200表面側のシリコン層200Aをエッチングする。
工程(g)で、SOI基板200裏側のシリコン層200Bの固定部2に対応する部分をレジストマスクで覆い、シリコン層200Bをエッチングする。
【0035】
工程(h)で、SOI基板200のbox層200Cをエッチングする。この工程において、電磁アクチュエータ40の固定部2、トーションバー3,3、可動部4が形成される。
工程(i)で、光走査用アクチュエータとして使用する場合の反射ミラー11を、可動部4裏面側に形成する。これにより、図9に示す断面形状のプレーナ型電磁アクチュエータ40が形成される。
【0036】
尚、上述した各実施形態では、半導体基板としてSOI基板を用いたが、例えばシリコン基板等の半導体基板の時間制御による異方性エッチングを用いて、固定部2、トーションバー3,3及び可動部4を一体に形成してもよい。
【0037】
また、上述した各実施形態は、1次元駆動型のプレーナ型電磁アクチュエータの例を示したが、トーションバー軸が互いに直交する2対のトーションバーを備える2次元駆動型のプレーナ型電磁アクチュエータにも本発明を適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【0038】
1、20、30、40 電磁アクチュエータ
2 固定部
3 トーションバー
4 可動部
5 駆動コイル
6 永久磁石
7 引出し配線部
8、8 外部接続端子
11 反射ミラー
12 絶縁層
41 応力緩和層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定部と、可動部と、前記固定部に前記可動部を揺動可能に軸支するトーションバーと、を半導体基板で一体形成すると共に、前記可動部に駆動コイルを設け、該駆動コイルに電流を供給することにより発生する電磁力により前記可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
前記駆動コイルの一部を、前記可動部表面から浮かしたことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
【請求項2】
前記駆動コイルを浮かす部位は、前記可動部の中心軸線に対して略対称な部位とする請求項1に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
【請求項3】
少なくとも前記トーションバーの軸方向と直交する可動部対辺部に沿う駆動コイル部分を浮かす構成とした請求項2に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
【請求項4】
平面略矩形状の前記可動部の周縁部に沿って巻回形成した前記駆動コイルの各角部以外の駆動コイル部分を浮かす構成とした請求項3に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
【請求項5】
固定部と、可動部と、前記固定部に前記可動部を揺動可能に軸支するトーションバーと、を半導体基板で一体形成すると共に、前記可動部に駆動コイルを設け、該駆動コイルに電流を供給することにより発生する電磁力により前記可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
前記駆動コイルと前記可動部表面との間に、駆動コイルの残留応力の可動部に対する作用を緩和する応力緩和層を介在させたことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
【請求項6】
前記応力緩和層が、ポリイミド層である請求項5に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図11】
image rotate