JP2005205515A

JP2005205515A - 電磁アクチュエータの構造およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005205515A
Application number: JP2004012898A
Authority: JP
Inventors: Takashi Niwa; 隆新輪; Tokuo Chiba; 徳男千葉; Kazunari Oka; 一成岡; Akira Egawa; 明江川; Masahiro Nakajima; 正洋中嶋
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP4357970B2

Abstract

【課題】小型で高性能な電磁アクチュエータを得ること、および、その製造方法を提供すること。
【解決手段】固定部１と、前記固定部１に接続されたバネ２と、前記バネ２に接続された可動部３と、前記可動部３に接着体6を介して固定された磁性体5とからなり、外部に設けられた磁場発生源によって前記可動部３が前記固定部１に対して相対的に移動する電磁アクチュエータにおいて、前記可動部３の少なくとも一部に前記磁性体５が固定される固定面と、前記固定面と反対側の面とを貫く貫通孔４が形成されており、前記貫通孔４の内部の少なくとも一部と前記固定面の少なくとも一部と前記磁性体５の少なくとも一部に前記接着体６が塗布されていることを特徴とする電磁アクチュエータとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細加工技術を用いて作製される電磁アクチュエータの構造とその製造方法に関する。

小型化や低価格化などの利点からMEMS（微小電気機械システム）技術を用いて様々なデバイスが開発されている。MEMSデバイスのうち、光スイッチや光アッテネータなどの光デバイスでは、小型のアクチュエータをもちいてミラーやシャッターを駆動することで、光路の切り替えや、光の透過率を制御することができる。アクチュエータとしては、電極間に電圧を加えて発生するクーロン力を利用した静電アクチュエータや、磁性体に外部磁場を加えることによって駆動させる電磁アクチュエータが用いられる。

電磁アクチュエータは、静電アクチュエータに比べて、発生力が大きいため、可動部分の移動距離を比較的大きくすることが容易である。例えば、特許文献１に述べられているように、光スイッチの可動ミラーを駆動するアクチュエータとして使用される。図８に従来の電磁アクチュエータとして特許文献１で開示されている電磁アクチュエータを示す。特許文献１では、磁性体３９を片持ち梁３７上に電気メッキ法又はスパッタ法を用いて形成し、永久磁石４１とコイル４６からなる電磁石を用いて引きつけたり反発させたりすることにより片持ち梁３７の自由端に位置する可動反射部材３８を移動させている（例えば、特許文献１参照）。
特開2000-137177号公報

しかしながら、特許文献１に述べられているように、磁性体を電気メッキ法やスパッタ法で形成すると、小さな範囲に磁性体を形成することが可能であるが、磁性体の透磁率が小さくなり、所望の引力を得るために電磁石に大電流を流す必要があった。一方、特許文献１の構造において、片持ち梁と板状の磁性体を接着体などを用いて貼り付ける場合、透磁率の高い磁性体を貼り付けることができるが、平面の磁性体板と平面の片持ち梁との平面同士の貼り付けになり、接着体が磁性体、および／または、片持ち梁からはみ出してしまう可能性がある。接着体がはみ出してしまうと、バネ構造をはじめとする可動部分と固定部分の間にしみこみ、可動部が固着してしまうおそれがある。可動部分と固定部分との間に接着体がしみこまないように、貼り付け代を設けることが可能であるが、この場合は、電磁アクチュエータを小型化するのに限界が生じる。また、位置精度良く磁性体を固定するためには、接着体として光硬化型樹脂の使用が有効であるが、光硬化型樹脂の場合、磁性体と磁性体を貼り付ける面との非常に狭い部分にだけにしか光を直接照射することができなかったため、接着時間が長くなる、接着強度が低下するなどの問題があった。以上述べたとおり、従来の電磁アクチュエータは、透磁率の高い磁性体を精度良く貼り付けることが困難であるため、消費電力が大きくなったり、小型化が困難である問題があった。

そこで、本発明の目的は、小型で高性能な電磁アクチュエータとその製造方法を提供することである。

上述した目的を達成するため、本発明に係る電磁アクチュエータは、固定部と、前記固定部に接続されたバネと、前記バネに接続された可動部と、前記可動部に接着体を介して固定された磁性体とからなり、外部に設けられた磁場発生源によって前記可動部が前記固定部に対して相対的に移動する電磁アクチュエータにおいて、前記可動部の少なくとも一部に前記磁性体が固定される固定面と、前記固定面と反対側の面とを貫く貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内部の少なくとも一部と前記固定面の少なくとも一部と前記磁性体の少なくとも一部に前記接着体が塗布されていることを特徴とする電磁アクチュエータとする。

以上のように構成した電磁アクチュエータは、磁性体を固定部に接着する際に、固定面と磁性体の間に塗布された接着体の塗布量が多くても、固定部に形成された貫通孔の内部に接着体が流入することによって、磁性体および／または固定面からはみ出すことがない。

また、前記貫通孔の形状が、多角柱であることを特徴とする電磁アクチュエータとする。また、前記貫通孔の形状が、正六角柱であり、前記正六角柱が稠密に配列されたハニカム構造であることを特徴とする電磁アクチュエータとする。また、前記貫通孔の形状が、円柱であることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータとする。

これによって、電磁アクチュエータは、可動部が軽量となる。

また、基板のおもて面および裏面にエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを用いたドライエッチングによって、前記可動部および前記貫通孔の一部を形成する工程と、前記エッチングマスクを用いたドライエッチングによって、前記バネおよび前記貫通孔の一部を形成する工程と、前記貫通孔を完成させる工程と、前記磁性体を前記接着体を用いて前記可動部に接着する工程からなる電磁アクチュエータの製造方法において、前記接着体が、光硬化型の樹脂であって、前記貫通孔を通して前記光硬化型の樹脂に光を照射することによって接着を行うことを特徴とする電磁アクチュエータの製造方法とする。

上述した電磁アクチュエータの製造方法によれば、貫通孔をとおして光を光硬化型の樹脂に直接照射することができる。

上述したように本発明によれば、固定面に磁性体を接着する際に、余分な接着体が貫通孔に流入することによって、磁性体および/または固定面から接着体がはみ出さないため、貼り付け代を小さくでき、電磁アクチュエータの小型化が容易となる。また、透磁率の高い磁性体を用いることができるため、電磁アクチュエータの消費電力を小さくすることができる。

また、可動部に貫通孔が形成され、軽量化されることによって、電磁アクチュエータの可動部の共振周波数が高くなり、高速に安定して動作させることができる。また、貫通孔によって構成される構造が、ハニカム構造となっている場合、軽量化とともに、機械的な強度を大きくすることができるため、電磁アクチュエータの信頼性や耐久性を向上させることが可能となる。

また、貫通孔を通して光硬化型の樹脂に光を直接照射することができるため、短時間に接着強度の大きな接着を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる電磁アクチュエータ1000を上方からみた斜視図である。なお、実施の形態１の電磁アクチュエータ1000は、光制御部１１を有しており、光制御部11の移動によって、光を遮断したり、透過させたり、反射させることができる光デバイスである。また、図２は、図１に示す電磁アクチュエータ1000を、下方からみた斜視図である。電磁アクチュエータ1000は、固定部１、バネ部２、可動体３、磁性体５、接着体６からなる。可動体３は、バネ部２を介して固定体１または、固定体１と一体となった固定層９と接続される。また、磁性体５は、接着体６を介して可動体３に固定される。また、可動体３には、可動体３を貫通する貫通孔４が形成される。可動体３に固定された磁性体５に、磁性体５と対向するように配置された電磁石（図示しない）によって吸引力を加えることによって、可動体３および可動体に固定された光制御部１１を図中矢印Cで示す方向に移動させることができる。また、電磁石による吸引力が無くなった場合、バネ部２の復元力によって、可動体３および光制御部１１は、元の位置に戻ることができる。

固定部１、バネ部２、可動体３および固定層９の材質は、シリコン、窒化ケイ素、二酸化ケイ素などの半導体材料または誘電体材料である。磁性体５は、コバルトニッケル合金、パーマロイなどの磁性材料を用いる。また、接着体６の材質は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂などの樹脂材料、金-スズ合金をはじめとする半田などである。なお、接着体６の材質が半田の場合、貫通孔４の内部や接着体と可動体が接する部分に、チタン、ニッケル、金、あるいは、チタン、ニッケルを順に積層させた構造からなる接着強化層（図示しない）を設けても良い。また、光制御部１１は、可動体３と同一の材質である。なお、光制御部１１の表面には、光を反射あるいは吸収するためにアルミニウムや金などの金属をコーティングしても良い。

図３は、図１の上面図であり、図４は、図３中A-A’で示す位置における断面図である。また、図５は、図４中円Bで示す部分の拡大図である。また、図６は、貫通孔４の形状が円柱である場合の電磁アクチュエータ1000を上方斜めからみた斜視図である。可動体３の厚さD1は、100〜600μｍである。可動体３の下部には、埋め込み酸化膜層（以下、BOX層）７があり、BOX層７の厚さD5は、１〜20μｍである。また、BOX層７の下部には、シリコンからなる活性層８があり、活性層８の厚さD4は、１〜50μｍである。活性層８の厚さD４は、バネ部２の厚さと等しい。磁性体５の厚さD2は、数10〜数100μｍである。貫通孔４の部分における接着体６の厚さＤ３は、数μｍ〜数10μｍである。また、活性層８と磁性体５との間の接着体の厚さＤ６は、数10μｍ以下である。また、貫通孔４の幅W1は、数10μｍ〜数100μｍである。また、厚さＤ１を幅Ｗ１で割った値は、20以下である。貫通孔４の形状は、図１に示すように角柱でもよいし、図６に示すような円柱でもよい。また、貫通孔４の配置は、規則的に並んでいても良いし、不規則に並んでいても良い。特に、図１に示すように、貫通孔４の形状が六角柱であり、その六角柱が稠密に並ぶような構造は、ハニカム構造として知られており、機械的な強度を維持しつつ軽量化が可能である。なお、貫通孔４が形成されている部分の大きさは、磁性体５との接着面積が十分とれるような大きさであればよい。

次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁アクチュエータ1000の製造方法を図７を用いて説明する。スタート基板としてＳＯＩウエハを用意する。ＳＯＩウエハは、シリコンからなる支持基板１０１、支持基板上に形成された二酸化ケイ素からなるＢＯＸ層１０３、BOX層１０３上に形成されたシリコンからなる活性層１０２からなる。まず、図７（a）に示すように、支持基板１０１上にマスク１０４を、活性層１０２上にマスク１０５をフォトリソグラフィ工程によって形成する。マスク１０４およびマスク１０５の材質は、フォトレジスト、二酸化ケイ素およびクロムやアルミニウムといった金属などである。

次に、図７（ｂ）に示すように、ディープリアクティブイオンエッチング（DRIE）をはじめとするドライエッチングによって、支持基板１０１をBOX層１０３までエッチングする。次に、図７（ｃ）に示すように、リアクティブイオンエッチング（RIE）やDRIEなどのドライエッチングによって、活性層１０２をBOX層１０３までエッチングした後、フッ酸とフッ化アンモニウムとの混合水溶液やフッ酸などによるウエットエッチングによって、BOX層１０３を除去する。なお、マスク１０４およびマスク１０５が二酸化ケイ素の場合、この工程においてマスク１０４およびマスク１０５を同時に除去することが出来る。この工程によって、可動アセンブリ１０８が完成する。

次に、図７（ｄ）に示すように、磁性体１０７に接着体１０６を塗布し、可動アセンブリ１０８と位置あわせを行う。磁性体１０７は、コバルトニッケル合金、パーマロイなどのバルク材料を加工したものである。

次に、図７（ｅ）に示すように、磁性体１０７と活性層１０２を密着させる。このとき、活性層１０２と磁性体１０７とに挟まれた部分の接着体１０６は、圧力によって図中の横方向に押し出される。しかし、貫通孔４が形成されているため、押し出される接着体１０６の量は、少ない。また、押し出された接着体１０６の大部分は貫通孔４の内部に閉じこめられるため、図中、横方向に拡がりにくい。磁性体１０７の位置決め精度を向上させるために接着体１０６として光硬化樹脂を用いる場合、磁性体１０７と反対側から貫通孔４を通して光を接着体１０６に照射することで、接着を完了する。また、接着体１０６が熱硬化型の接着体の場合、磁性体１０７と活性層１０２を密着させたまま加熱することによって、接着を完了する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、磁性体５として透磁率の高い磁性体を可動体に接着することが出来る。その際に、接着体１０６が貫通孔４の深さ方向に流動することが出来るため、接着層６の幅方向への広がりが非常に小さい。したがって、磁性体を接着するための貼り付け代を小さくすることができる。また、貼り付け部分の面積に対して貼り付けられる磁性体１０７の大きさを大きくすることができる。貼り付け代は、例えば、100μｍ程度である。貼り付け代を小さくすることが出来るため、可動体３の大きさを小さくすることができ、電磁アクチュエータ全体の小型化が容易となる。また、透磁率の高い磁性体を貼り付けることができるため、電磁アクチュエータの消費電力を小さくすることができる。また、小型化とともに、貫通孔４を設けることによって、電磁アクチュエータの可動部分の軽量化を行うことが出来る。したがって、電磁アクチュエータの共振周波数を高くすることが出来るため、電磁アクチュエータの応答速度の向上を始めとする動特性を向上させることができる。また、貫通孔４の形状が六角柱であり、稠密配置となっているハニカム構造の場合、軽量化に加えて、機械的な強度を向上させることが出来るため、電磁アクチュエータの信頼性を向上させることが出来る。

また、接着体１０６として光硬化型の樹脂を用いた場合、貫通孔４を通して接着体１０６の全体に光を照射することが出来るため、より短時間で、かつ、強固な接着を行うことができ、かつ、位置あわせを行った状態で硬化を行うことができるため、磁性体１０７の位置決め精度を向上させることができる。また、接着体１０６が熱硬化型の樹脂の場合、貫通孔４をとおして接着体中に含有される溶媒を効率よく除去することができるため、短時間で、かつ、強固な接着を行うことが出来る。また、貫通孔４を設けることによって、接着体１０６が可動部分と接する面積を大きくすることができるため、より強固な接着を行うことが出来る。

上述したように、本発明の実施の形態１によれば、小型で高性能な電磁アクチュエータとその製造方法を提供することができる。

なお、上記の説明では、活性層１０２側に磁性体１０７を接着する工程を説明したが、支持基板１０１側に磁性体１０７を接着することによっても同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１０００を上方からみた斜視図である。本発明の実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１０００を下方からみた斜視図である。図１の上面図である。図３中A-A’で示す位置における断面図である。図４において、円Bで示す部分の拡大図である。貫通孔４の形状が円柱である場合の電磁アクチュエータ1000を上方斜めからみた斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの製造方法を説明する図である。従来例を説明する図である。

符号の説明

１・・・固定部
２・・・バネ
３・・・可動部
４・・・貫通孔
５・・・磁性体
６・・・接着体
７・・・ＢＯＸ層
８・・・活性層
１１・・・シャッター

Claims

固定部と、固定部に接続されたバネと、バネに接続された可動部と、可動部に接着体を介して固定された磁性体とからなり、外部に設けられた磁場発生源によって前記可動部が前記固定部に対して相対的に移動する電磁アクチュエータにおいて、
前記可動部の前記接着体に接する面と、反対側の面とを貫く貫通孔を有し、
前記接着体を前記磁性体に向かい合う面の一部に有し、前記向かい合う面の一部に有する前記接着体に延設して前記貫通孔の内壁の一部に前記接着体を有することを特徴と知る電磁アクチュエータ。
前記貫通孔が、多角柱であることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
前記貫通孔が、正六角柱であり、前記正六角柱が稠密に配列されたハニカム構造であることを特徴とする請求項2に記載の電磁アクチュエータ。
前記貫通孔が、円柱であることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
前記固定部と一体に形成され、光を吸収あるいは反射させるための光制御部と、
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の電磁アクチュエータと、
を有すことを特徴とする光デバイス。
少なくとも基板のおもて面と裏面のどちらか一方、もしくは両面にエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを用いたエッチング工程によって、前記可動部と前記バネ部および前記貫通孔を形成する工程と、
前記磁性体を前記接着剤を用いて前記可動部に接着する工程を含む電磁アクチュエータの製造方法において、
前記接着体が、光硬化型の樹脂であって、
前記貫通孔を通して前記光硬化型の樹脂に光を照射することによって接着を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータの製造方法。