JP6180074B2 - プレーナ型電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

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。

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。

特許第２７２２３１４号公報

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。

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。

このため、本発明は、固定部と、平面略矩形状の可動部と、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、前記可動部の周縁部に沿って駆動コイルを巻回形成して設け、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、前記駆動コイルの各角部を可動部表面に固定し、各角部以外の駆動コイル部分を前記可動部表面から浮かすことで、前記駆動コイルの浮いた部位が、前記トーションバーの軸方向と直交し、前記可動部の中心を通る直線に対して略対称となるようにする、ことを特徴とする。

本発明のプレーナ型電磁アクチュエータによれば、駆動コイルの各角部を可動部表面に固定し、各角部以外を浮かしたので、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。更に、駆動コイルの浮いた部位が、トーションバーの軸方向と直交し、可動部の中心を通る直線に対して略対称となるように設けたことで、可動部に対して駆動コイルの残留応力を略均等に作用させることができる。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。

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１のＡ−Ａ矢視断面図。 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３に続く製造工程の説明図。 図４に続く製造工程の説明図。 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。 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。 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８のＢ−Ｂ矢視断面図。 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１０に続く製造工程の説明図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (2)

1. 固定部と、平面略矩形状の可動部と、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、前記可動部の周縁部に沿って駆動コイルを巻回形成して設け、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、
   前記駆動コイルの各角部を可動部表面に固定し、各角部以外の駆動コイル部分を前記可動部表面から浮かすことで、前記駆動コイルの浮いた部位が、前記トーションバーの軸方向と直交し、前記可動部の中心を通る直線に対して略対称となるようにする、ことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
2. 更に、引出し配線部の前記トーションバー部分を、該トーションバー表面から浮かす構成とした請求項１に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。