JP2005341788A - Microactuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、櫛型電極を備え、静電力を用いて可動部を変位させるマイクロアクチュエータに関する。本発明のマイクロアクチュエータは、例えば、可動部に光反射面を備えたマイクロミラーデバイスとして用いられる。 The present invention relates to a microactuator that includes a comb-shaped electrode and displaces a movable part using an electrostatic force. The microactuator of the present invention is used, for example, as a micromirror device having a light reflecting surface on a movable part.
マイクロマシニング技術を応用したマイクロアクチュエータは、例えば、レーザプリンタ、スキャナ、ディスプレイ等における光走査装置や、光ファイバに対して入出力する光を切り替える光スイッチングデバイスとして用いられる。 A microactuator to which micromachining technology is applied is used, for example, as an optical scanning device in a laser printer, a scanner, a display, or the like, or as an optical switching device that switches light input and output to an optical fiber.
特許文献1は、櫛型電極を備え、光偏向器として機能するマイクロアクチュエータを開示している。この光偏向器の可動部は光反射面として機能するミラー面を備えている。可動部は同一直線上に設けられた2本の梁で支持されており、可動部に設けられた櫛型電極と基台に設けられた櫛型電極との間に発生した静電力により、2本の梁をねじり回転軸として傾動する。この光偏向器は、モーターを用いてポリゴンミラーを回転させる光偏向器よりも構造がシンプルであり、また、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できる等の効果が期待できる。
この光偏向器の可動部が備える櫛型電極は、傾動軸に対して直交する方向に延びる櫛歯部として機能する突起部を有し、突起部間には溝が形成されている。基台が備える櫛型電極も、傾動軸に対して直交する方向に延びる櫛歯部である突起部を有し、突起部間には溝が形成されている。可動部の櫛歯部と基台の櫛歯部とは、互いにギャップを隔ててかみ合った状態で対向している。可動部の櫛歯部が基台の方向に向かって突出していることにより、可動部が補強されている。 The comb-shaped electrode provided in the movable part of the optical deflector has protrusions that function as comb teeth extending in a direction orthogonal to the tilt axis, and a groove is formed between the protrusions. The comb-shaped electrode included in the base also has protrusions that are comb teeth extending in a direction orthogonal to the tilt axis, and a groove is formed between the protrusions. The comb tooth part of the movable part and the comb tooth part of the base are opposed to each other with a gap therebetween. The movable part is reinforced by the comb tooth part of the movable part projecting toward the base.
この光偏向器は1軸チルトミラーであり、可動部が傾いたときに可動部の櫛歯部と基台の櫛歯部との間のギャップが変化しないように、これらの櫛歯部は、回動軸と直交する方向にのみ延びている。
しかしながら、上述の光偏向器では、以下のような課題があった。 However, the above-described optical deflector has the following problems.
上述の光偏向器では、可動部の櫛歯部は、傾動軸に直交する1方向のみに沿って延びており、その他の方向には可動部は補強されていないので可動部の剛性が低いという問題がある。可動部の剛性が低いと、光の反射率を高めるために可動部表面にAu膜や誘電体多層膜を形成した場合に、これらの膜の材料と可動部の材料との間の熱膨張係数の差によって可動部にそりが発生し、光反射面の平面度が悪くなるという問題がある。 In the optical deflector described above, the comb-tooth portion of the movable portion extends along only one direction orthogonal to the tilt axis, and the movable portion is not reinforced in the other directions, so the rigidity of the movable portion is low. There's a problem. If the rigidity of the movable part is low, when an Au film or a dielectric multilayer film is formed on the surface of the movable part in order to increase the light reflectivity, the thermal expansion coefficient between the material of these films and the material of the movable part There is a problem that warpage occurs in the movable part due to the difference between them and the flatness of the light reflecting surface is deteriorated.
可動部の剛性を高めるために櫛歯部の高さを高くすることが考えられる。しかし、可動部に必要な剛性を得るために必要な高さまで櫛歯部を高くすると、可動部の重量が増すため、可動部を駆動するためにはより大きな駆動力が必要となる。また、可動部の重量が増すと、可動部の共振周波数が低くなるので、可動部を高速で駆動させることができないという問題がある。 In order to increase the rigidity of the movable part, it is conceivable to increase the height of the comb tooth part. However, if the comb-tooth portion is raised to a height required to obtain the rigidity required for the movable portion, the weight of the movable portion increases, so that a larger driving force is required to drive the movable portion. Further, when the weight of the movable part is increased, the resonance frequency of the movable part is lowered, so that there is a problem that the movable part cannot be driven at a high speed.
また、上述のマイクロアクチュエータの可動部は1軸の傾動を行うのみであるが、他の種類のマイクロアクチュエータとして、櫛歯部を複数の方向に沿って張り巡らせ、可動部に多軸の傾動を行わせるマイクロアクチュエータがある。このようなマイクロアクチュエータでは、可動部の剛性を高めるために櫛歯部の高さを高くすると、可動部を傾動させたときに、可動部に設けられた櫛歯部と基台に設けられた櫛歯部とが接触するという問題がある。このような接触を避けるために、櫛歯部間のギャップを広くすると、発生する静電力が低下するという問題がある。また、櫛歯部の高さを高くすると可動部の重量が増すため、上述したような大きな駆動力が必要となるという問題と、可動部を高速で駆動させることができないという問題がある。このように、可動部の剛性と重量との間、および可動部の剛性と静電力との間の両方にトレードオフがあった。 In addition, the movable part of the microactuator described above only tilts in one axis. However, as another type of microactuator, the comb tooth part is stretched along a plurality of directions, and the movable part is tilted in multiple axes. There are microactuators to be performed. In such a microactuator, when the height of the comb tooth portion is increased in order to increase the rigidity of the movable portion, when the movable portion is tilted, the comb tooth portion provided on the movable portion and the base are provided. There is a problem of contact with the comb teeth. In order to avoid such contact, if the gap between the comb teeth is widened, there is a problem that the generated electrostatic force is reduced. Further, since the weight of the movable portion increases when the height of the comb tooth portion is increased, there are problems that a large driving force as described above is required and that the movable portion cannot be driven at a high speed. Thus, there was a trade-off between both the rigidity and weight of the movable part and between the rigidity of the movable part and the electrostatic force.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多軸の傾動が可能で且つ軽量で剛性の高い可動部を備え、低電圧で高速動作が可能なマイクロアクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a microactuator that is capable of multi-axis tilting, has a lightweight and highly rigid movable part, and can operate at low voltage and high speed. There is.
本発明のマイクロアクチュエータは、基台と、前記基台によって支持された第1櫛型電極と、前記第1櫛型電極と対向する第2櫛型電極と前記基台の方向に突出した少なくとも1つの補強リブとを備える可動部と、前記可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記可動部を支持する弾性支持部とを備え、前記第2櫛型電極の高さと前記少なくとも1つの補強リブの高さとは互いに異なることを特徴とする。 The microactuator of the present invention includes a base, a first comb electrode supported by the base, a second comb electrode facing the first comb electrode, and at least one protruding in the direction of the base. A movable portion having two reinforcing ribs, and an elastic support portion that supports the movable portion so that the movable portion can be displaced with respect to the base. The height of the second comb electrode and the at least one The height of the reinforcing rib is different from each other.
ある実施形態において、前記少なくとも1つの補強リブの高さは、前記第2櫛型電極の高さよりも高い。 In one embodiment, the height of the at least one reinforcing rib is higher than the height of the second comb electrode.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記少なくとも1つの補強リブの厚さは、前記複数の櫛歯部のそれぞれの厚さよりも厚い。 In one embodiment, the second comb-shaped electrode includes a plurality of comb-tooth portions, and the thickness of the at least one reinforcing rib is greater than the thickness of each of the plurality of comb-tooth portions.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記複数の櫛歯部は、前記可動部の内側から外側へ向かう方向に沿って延びている。 In one embodiment, the second comb electrode includes a plurality of comb teeth, and the plurality of comb teeth extend in a direction from the inside toward the outside of the movable portion.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記複数の櫛歯部は同心円状の形状を有する。 In one embodiment, the second comb electrode includes a plurality of comb teeth, and the plurality of comb teeth have a concentric shape.
ある実施形態において、前記少なくとも1つの補強リブは、前記可動部の外周部に設けられている。 In one embodiment, the at least one reinforcing rib is provided on an outer peripheral portion of the movable portion.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記複数の櫛歯部と前記少なくとも1つの補強リブとは同じ方向に沿って延びている。 In one embodiment, the second comb-shaped electrode includes a plurality of comb teeth, and the plurality of comb teeth and the at least one reinforcing rib extend in the same direction.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記複数の櫛歯部と前記少なくとも1つの補強リブとは互いに垂直な方向に沿って延びている。 In one embodiment, the second comb electrode includes a plurality of comb teeth, and the plurality of comb teeth and the at least one reinforcing rib extend in directions perpendicular to each other.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極の高さは、前記可動部の内側から外側へ向かう方向に沿って低くなっている。 In one embodiment, the height of the second comb electrode is lowered along the direction from the inner side to the outer side of the movable part.
ある実施形態において、前記第2櫛型電極は複数の櫛歯部を備え、前記複数の櫛歯部のそれぞれの厚さは、前記可動部の内側から外側へ向かう方向に沿って薄くなっている。 In one embodiment, the second comb-shaped electrode includes a plurality of comb-tooth portions, and the thickness of each of the plurality of comb-tooth portions is reduced along the direction from the inside to the outside of the movable portion. .
ある実施形態において、前記弾性支持部は、前記可動部の前記基台に対する2軸の傾動が可能なように前記可動部を支持する。 In one embodiment, the elastic support portion supports the movable portion so that the movable portion can be tilted in two axes with respect to the base.
ある実施形態において、前記弾性支持部は、前記可動部の前記基台に対する垂直方向の変位、および前記基台に対する2軸の傾動が可能なように前記可動部を支持する。 In one embodiment, the elastic support portion supports the movable portion such that the movable portion can be displaced in a vertical direction with respect to the base and tilted biaxially with respect to the base.
ある実施形態において、前記可動部は光反射面を備える。 In one embodiment, the movable part includes a light reflecting surface.
本発明のマイクロアクチュエータによれば、可動部が補強リブを備えることで、可動部の剛性を高めることができる。また、補強リブの高さを櫛型電極より高くすることで、可動部の剛性をより高めることができる。剛性を高めるために櫛歯部の高さを高くする必要がないので、互いに噛み合う櫛歯部間の水平方向のギャップを狭くすることができ、また、可動部を軽量にすることができる。これにより、低電圧で高速に可動部を駆動することができる。また、可動部の剛性が高いので、可動部が光反射面を備える場合には、光反射面の平面度を極めて高くすることができる。 According to the microactuator of the present invention, since the movable portion includes the reinforcing rib, the rigidity of the movable portion can be increased. Moreover, the rigidity of a movable part can be raised more by making the height of a reinforcement rib higher than a comb-shaped electrode. Since it is not necessary to increase the height of the comb teeth portion in order to increase the rigidity, the horizontal gap between the comb teeth portions that mesh with each other can be narrowed, and the movable portion can be reduced in weight. Thereby, the movable part can be driven at a high speed with a low voltage. Further, since the rigidity of the movable part is high, the flatness of the light reflecting surface can be made extremely high when the movable part has a light reflecting surface.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1〜図6を参照して、本発明によるマイクロアクチュエータの第1の実施形態を説明する。
(Embodiment 1)
A first embodiment of a microactuator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図1および図2を参照する。図1および図2は、本実施形態のマイクロアクチュエータ100を模式的に示す分解斜視図である。図1は、マイクロアクチュエータ100を斜め上から見たときの分解斜視図であり、図2は、マイクロアクチュエータ100を斜め下から見たときの分解斜視図である。図1では、可動部の一部を切り欠いて、可動部背面の断面も示している。マイクロアクチュエータ100は、半導体プロセスを用いたマイクロマシニング技術やMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術によって作製されている。
First, FIG. 1 and FIG. 2 will be referred to. 1 and 2 are exploded perspective views schematically showing the
マイクロアクチュエータ100は、基台1と、基台1によって支持された複数の第1櫛型電極2と、可動部6と、可動部6の基台1に対する変位が可能なように可動部6を支持する弾性支持部3とを備える。基台1は、第1櫛型電極2に電圧を印加する駆動回路(図示せず)と、駆動回路上に設けられた絶縁層(図示せず)とを備える。基台1の絶縁層上の正六角形の領域に、複数(本実施形態では3つ)の第1櫛型電極2と弾性支持部3とが設けられている。第1櫛型電極2は、固定電極として機能する。第1櫛型電極2のそれぞれは、複数の第1櫛歯部2aを備える。複数の第1櫛歯部2aは、正六角形の領域の内側から外側へ向かう方向に沿って延びている。
The
弾性支持部3は、基台1の正六角形の領域の外周側に位置する3つの支持ポスト4と、正六角形の領域の中心に位置する固定部5とを備える。固定部5は弾性支持部3と可動部6とを固定する。支持ポスト4のそれぞれから固定部5へ向かって梁部が延びており、この梁部および固定部5は、基台1から所定量浮いている。固定部5と、可動部6の中央ポスト7とが結合することにより、弾性支持部3と可動部6とが固定されている。弾性支持部3は、可動部6の基台1に対する垂直方向の変位、および基台1に対する2軸の傾動が可能なように可動部6を支持している。
The
可動部6の平面形状は六角形である。可動部6の平面形状およびサイズは、マイクロアクチュエータ100の用途や求められる性能等によって様々に設計される。本実施形態では、可動部6の幅は約100(μm)とする。可動部6は、光反射面6aと、複数(本実施形態では3つ)の第2櫛型電極8とを備える。光反射面6aは、可動部6のうちの基台1と対向する面とは反対側の面に位置している。第2櫛型電極8は、可動部6のうちの基台1と対向する面に設けられており、可動電極として機能する。第2櫛型電極8のそれぞれは、第1櫛型電極2のうちの対応する1つと対向している。第2櫛型電極8のそれぞれは、複数の第2櫛歯部8aを備える。複数の第2櫛歯部8aは、可動部6の内側から外側へ向かう方向に沿って延びている。第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8aとは、互いにギャップを隔ててかみ合った状態で対向している。
The planar shape of the
可動部6は、可動部6のうちの基台1と対向する面から基台1の方向に突出した少なくとも1つの補強リブ9を備える。補強リブ9は可動部6を補強し、可動部6の剛性を高めている。本実施形態では、可動部6は、複数の補強リブ9を備える。補強リブ9は、可動部6の外周部に設けられていると共に、可動部6の中心部から六角形の各頂点に向かって放射状に延びている。この放射状に延びている補強リブ9のうちの3つは、それぞれ、第2櫛型電極8のうちの対応する1つを通っており、その対応する第2櫛型電極8が備える複数の第2櫛歯部8aと同じ方向に沿って延びている。
The
補強リブ9のうち、弾性支持部3の上部に位置する3つの補強リブ9は、第2櫛型電極8と同じ高さであり、弾性支持部3から所定量の空隙が空けられている。それ以外の補強リブ9と、第2櫛型電極8の高さとは互いに異なっている。具体的には、第2櫛型電極8を通り、対応する第2櫛歯部8aと同じ方向に沿って延びている補強リブ9の高さは、第2櫛型電極8の高さ(すなわち第2櫛歯部8aの高さ)よりも高い。また、可動部6の外周部に設けられた補強リブ9の高さは、第2櫛型電極8の高さよりも高い。これらの補強リブ9の高さは、第2櫛型電極8の高さよりも例えば約1.5〜2倍高い。第1および第2櫛歯部2aおよび8aの高さは、例えば約10〜20(μm)であり、補強リブ9の高さは、例えば約15〜40(μm)である。これらの補強リブ9の高さが第2櫛型電極8の高さよりも高いことにより、可動部6の剛性をより高くすることができる。
Among the reinforcing
3つの第1櫛型電極2にはそれぞれ独立に駆動回路から駆動電圧が印加される。弾性支持部3は駆動回路を介してグランドに接続しており、可動部6は弾性支持部3を介してグランドに接続している。第1櫛型電極2に駆動電圧を印加すると、第1櫛型電極2と第2櫛型電極8との間に働く静電力により可動部6が基台1の方向に引き寄せられる。可動部6の基台1に対する変位に応じて弾性支持部5には復元力および復元トルクが生じる。この復元力および復元トルクと静電力とがつり合うように、可動部6は基台1に対する垂直方向の変位、および基台1に対する2軸の傾動を行う。
A driving voltage is independently applied to each of the three
図3は、図1に示す3A−3A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の断面図であり、マイクロアクチュエータ100の中心を通り弾性支持部3に沿った断面を示している。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
基台1と弾性支持部3との間には、可動部6の所望の変位範囲を確保できるような空隙を空けている。また同様に、弾性支持部3と、弾性支持部3の上部に位置する補強リブ9との間には、可動部6の所望の変位範囲を確保できるような空隙を空けている。可動部6は、弾性支持部3と中央ポスト7との結合部に位置する回動中心10周りに傾動する。
A gap is provided between the
図4(a)および図4(b)は、図1に示す3A−3A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の部分断面図であり、可動部6が変位した状態を示している。
FIGS. 4A and 4B are partial cross-sectional views of the
図4(a)に示す状態は、全ての第1櫛型電極2に同一電圧を印加して可動部6が下方へ最大距離sだけ並進移動した状態であり、電極間にはたらく静電力によって可動部6が下方に吸引され、弾性支持部3が撓んだ状態である。
The state shown in FIG. 4A is a state in which the same voltage is applied to all the first comb-shaped
図4(b)に示す状態は、第1櫛型電極2への印加電圧を互いに異ならせることにより可動部6が最大角度θだけ傾斜した状態を示す。傾斜によって最も下方へ変位する部分にも空隙が残るよう各構成要素間の空隙が設定されている。
The state shown in FIG. 4B shows a state in which the
当然のことながら、駆動電圧の印加を止めると可動部6は弾性支持部3の弾性復元力および復元トルクによって元の位置および姿勢に復帰する。
Naturally, when the application of the driving voltage is stopped, the
第1および第2櫛型電極2および8と補強リブ9を形成するには、例えば、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)と呼ばれるプラズマエッチングを用いる。DRIEによって基台1に溝を形成し、その溝内に犠牲層と構造体とをさらに堆積してゆくことでそれらの構成要素を形成する。DRIEにより形成される溝には幅依存性があり、溝の幅が広いほど溝の深さは深くなる。従って、第2櫛型電極8よりも補強リブ9の幅が広くなるようにパターンニングを行うことにより、第2櫛型電極8の高さよりも補強リブ9の高さを高くすることができる。また、補強リブ9の厚さが第2櫛歯部8aのそれぞれの厚さよりも大きくなることにより、可動部6の剛性をさらに高めることが出来る。第1および第2櫛歯部2aおよび8aの厚さは、例えば約1.0〜3.0(μm)であり、補強リブ9の厚さは、例えば約2.0〜5.0(μm)である。
In order to form the first and
図5は、図1に示す5A−5A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の断面図であり、第1櫛型電極2と第2櫛型電極8とが噛み合う様子を示している。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
第1櫛歯部2aの先端部の高さと第2櫛歯部8aの根元部の高さとの間の距離Gsは、可動部6のストロークの長さより長い。同様に、第2櫛歯部8aの先端部の高さと第1櫛歯部2aの根元部の高さとの間の距離Gsは、可動部6のストロークの長さより長い。距離Gsは、第1および第2櫛歯部2aおよび8aのそれぞれの先端部周辺の空隙の高さに対応している。距離Gsは、例えば約3.0〜10(μm)である。第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8aとは、互いに長さLだけオーバーラップして噛み合っている。長さLは、例えば約10〜20(μm)である。第1および第2櫛歯部2aおよび8aの高さ(Gs+L)は、可動部6のストロークの長さと必要な静電力とに応じて必要最小限の高さに設定する。それに対して、補強リブ9は、第1および第2櫛歯部2aおよび8aよりも高さを高く設定し、可動部6の剛性を高めている。補強リブ9が可動部6の剛性を高めることにより、第1および第2櫛歯部2aおよび8aの高さを必要最小限の高さにすることが出来るとともに、可動部6の光反射面6a領域の厚さを薄くすることが出来る。これにより、必要な可動部6の剛性を確保しつつ、可動部6の重量を大幅に軽くすることができる。補強リブ9を備える可動部6の重量は、補強リブ9を備えずに同じ剛性を有する可動部(すなわち光反射面6a領域の厚さが大きいおよび/または第2櫛歯部8aの高さが高い可動部)の重量よりも、例えば約2〜5倍程度軽くすることが出来る。また、光反射面6aの反射率を高めるために光反射面6aにAu膜や誘電体多層膜を形成した場合に、第2櫛型電極8のみでは可動部6の剛性が不足したとしても、補強リブ9によって可動部6の剛性を増すことが出来るので、平面度の良好な光反射面6aが得られる。第1櫛型電極2のうちの補強リブ9と対向する部分の溝の深さを、補強リブ9の高さに対応して深く形成することにより、補強リブ9の先端部周辺の空隙の高さを第2櫛歯部8aの先端部周辺の空隙の高さと同等にしている。
A distance Gs between the height of the tip portion of the first
図6(a)および図6(b)は、図1に示す5A−5A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の断面図であり、可動部6が変位した状態を示している。
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views of the
図6(a)に示す状態は、全ての第1櫛型電極2に同一電圧を印加して可動部6が最大距離sだけ下方へ並進移動した状態である。可動部6の横方向への移動はないため、第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8aとが干渉することはない。第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8aとの間の水平方向のギャップをg1、補強リブ9と第1櫛歯部2aとの間のギャップをg2としている。
The state shown in FIG. 6A is a state in which the same voltage is applied to all the
図6(b)に示す状態は、第1櫛型電極2への印加電圧を互いに異ならせることにより可動部6が最大角度θだけ傾斜した状態を示す。この場合、可動部6は、回動中心10周りに傾動する。回動中心10から距離Hの位置(すなわち第1櫛歯部2aの先端部の高さの位置)で、第2櫛型電極8は水平方向に最大Hθ移動する。距離Hは、上述の第1および第2櫛歯部2aおよび8aの高さ(Gs+L)にほぼ等しい。マイクロアクチュエータ100では、高さ(Gs+L)を必要最小限の高さに設定しているのでHθも最小限ですむ。櫛歯部同士の干渉を避けるために櫛歯部間の水平方向のギャップg1を大きくすると発生する静電力が低下するが、高さ(Gs+L)を最小限に抑えているので、g1を小さくすることが出来る。補強リブ9と第1櫛歯部2aとの間のギャップg2もg1と同等でよく、補強リブ9も第1櫛型電極2と干渉することはない。
The state shown in FIG. 6B shows a state where the
このように、静電力を発生する第2櫛型電極8の高さと、可動部6の剛性を高める補強リブ9の高さとを互いに異ならせることにより、駆動力の低下させることなく、可動部6の剛性を必要十分に高めることができる。これにより、軽量で剛性が高く、光反射面の平面度の良好な可動部6が得られる。
In this way, by making the height of the second comb-shaped
(実施形態2)
図7を参照して、本発明によるマイクロアクチュエータの第2の実施形態を説明する。
(Embodiment 2)
With reference to FIG. 7, a second embodiment of the microactuator according to the present invention will be described.
図7は、本実施形態の可動部16を模式的に示す平面図である。本実施形態では、マイクロアクチュエータ100は可動部6の代わりに可動部16を備える。
FIG. 7 is a plan view schematically showing the
可動部16は、可動部6の構成要素に加えて、少なくとも1つ(本実施形態では複数)の補強リブ11をさらに備える。補強リブ11のそれぞれは、第2櫛型電極8のうちの対応する1つを通っており、その対応する第2櫛型電極8が備える第2櫛歯部8aが延びる方向と垂直な方向に沿って延びている。補強リブ11は、第2櫛歯部8aの高さよりも高い補強リブ9と同じ高さを有している。本実施形態では、第1櫛型電極2には、補強リブ11に対応する溝部(図示せず)が形成されている。補強リブ11と第1櫛型電極2との間の距離の関係は、補強リブ9と第1櫛型電極2との間の距離の関係と同様に設定される。可動部16が補強リブ11を備えることにより、可動部6と比較して可動部16の剛性をさらに高めることができる。
The
(実施形態3)
図8を参照して、本発明によるマイクロアクチュエータの第3の実施形態を説明する。
(Embodiment 3)
A third embodiment of the microactuator according to the present invention will be described with reference to FIG.
図8は、本実施形態の可動部26を模式的に示す平面図である。本実施形態では、マイクロアクチュエータ100は可動部6の代わりに可動部26を備える。
FIG. 8 is a plan view schematically showing the
可動部26は、可動部6の複数の第2櫛型電極8の代わりに複数の第2櫛型電極28を備える。第2櫛型電極28のそれぞれは、同心円状の形状を有する複数の第2櫛歯部8bを備える。本実施形態では、第1櫛歯部2aも第2櫛歯部8bに対応した同心円状の形状(図示せず)になっている。放射状に延びる補強リブ9に対して第2櫛歯部8bは直角に交わっているため、可動部の剛性を高めることが出来る。また、可動部26の傾動の方向によらず、第1櫛型電極2と第2櫛型電極28との位置関係は同じになるため、駆動力をバランスよく得ることができる。
The
さらには、第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8bとの間の水平方向のギャップのばらつきによって生じる水平方向の吸引力は常に半径方向となる。可動部26を支持する弾性支持部3は放射状に延びており半径方向の剛性が高いので、第2櫛型電極28が水平方向に吸引されて第1櫛型電極2と接触することがないという効果も得ることができる。
Further, the horizontal suction force generated by the variation in the horizontal gap between the first
(実施形態4)
図9および図10を参照して、本発明によるマイクロアクチュエータの第4の実施形態を説明する。
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the microactuator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図9を参照する。図9は、本実施形態の可動部36を模式的に示す平面図である。本実施形態では、マイクロアクチュエータ100は可動部6の代わりに可動部36を備える。
First, FIG. 9 will be referred to. FIG. 9 is a plan view schematically showing the
可動部36は、可動部6の複数の第2櫛型電極8の代わりに複数の第2櫛型電極38を備える。第2櫛型電極38のそれぞれは、複数の第2櫛歯部8cを備える。複数の第2櫛歯部8cのそれぞれの厚さは、可動部36の内側から外側へ向かう方向に沿って薄くなっている。すなわち、第2櫛歯部8cのうちの、可動部36の中心側の幅w1よりも外周側の幅w2を小さくしている。本実施形態では、第1櫛歯部2aの厚さは、第2櫛歯部8cの形状に対応して、可動部36の内側から外側へ向かう方向に沿って厚くなっており(図示せず)、第1櫛歯部2aと第2櫛歯部8cとの間の水平方向のギャップは一定に保たれている。これにより、可動部36の剛性を低下させることなく、可動部6と比較して可動部36をさらに軽量にすることができる。
The
図10に、第2櫛歯部8cの断面形状を示す。第2櫛歯部8cの高さは、可動部36の内側から外側へ向かう方向に沿って低くなっている。第1櫛型電極2と第2櫛型電極38とをDRIEにより形成すると、DRIEの幅依存性により、第2櫛歯部8cの幅が狭いところほど高さは低くなる。このような形状の第2櫛歯部8cでは、内周側の高さL1に対し、外周側の高さL2が低くなっている。このような形状により第2櫛歯部8cの外周側の領域周辺の空隙に余裕ができるため、可動部36の傾動によって第2櫛歯部8cが下降した場合でも、第2櫛歯部8cと弾性支持部3との接触を防ぐことができ、より信頼性の高いマイクロアクチュエータが得られる。
In FIG. 10, the cross-sectional shape of the 2nd comb-
(実施形態5)
図11〜図17を参照して、本発明のマイクロアクチュエータ100の製造方法の実施形態を説明する。図11〜図17は、本発明のマイクロアクチュエータの製造方法の実施形態を模式的に示す断面図である。図11〜図17の(a)は、図1に示す5A−5A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の断面に対応しており、図11〜図17の(b)は、図1に示す3A−3A線に沿ったマイクロアクチュエータ100の断面に対応している。説明を簡単にするために、本実施形態では、図中に示す第1および第2櫛歯部2aおよび8aの数を、図1に示す数よりも少なくしている。第1および第2櫛歯部2aおよび8aの数は任意である。全ての製造工程は基台1が備える駆動回路(CMOS回路等)の一般的な耐熱温度である450℃よりも低い温度で実施される。
(Embodiment 5)
With reference to FIGS. 11-17, embodiment of the manufacturing method of the
まず、図11(a)および図11(b)を参照する。基台1上に第1導電層301を形成する。第1導電層301は、スパッタリング法、フォトリソグラフィ、エッチング技術等を用いて所望の形状に形成される。第1導電層301の材料は、例えばアルミニウムである。第1導電層301の厚さは例えば約0.5〜1.0(μm)である。なお、第1導電層301の材料は、ポリシリコンであってもよく、この場合はLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法を用いて第1導電層301が形成される。第1導電層301は、第1櫛型電極2の土台部および弾性支持部3の支持ポスト4になる部分である。
First, reference is made to FIG. 11A and FIG. A first
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、基台1上に第1犠牲層201を形成する。第1犠牲層201の材料は、例えば、フォトレジストおよび感光性ポリイミド等の感光性有機材料である。より好ましくは、第1犠牲層201の材料は、高アスペクト形状が得られる高粘度タイプの材料(例えば、MicroChem社製のSU−8およびSU−10(いずれも商品名))である。第1犠牲層201は、後述の製造工程で、弾性支持部3下部の空隙を形成するために設けられる。
Next, the first
次に、図12(a)および図12(b)を参照する。低温スパッタリング法を用いて、第1導電層301および第1犠牲層201の上に第2導電層302を形成する。第2導電層302の材料は、第1導電層301と同じ材料(アルミニウム)である。第2導電層302の厚さは例えば約0.5〜2.0(μm)である。第2導電層302は、第1櫛型電極2の土台部と、弾性支持部3の支持ポスト4および梁部とになる部分である。
Reference is now made to FIGS. 12 (a) and 12 (b). A second
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、基台1および第1導電層301の上に第2犠牲層202を形成する。第2犠牲層202の材料は、第1犠牲層201の材料と同じである。第2犠牲層202は、後述の製造工程で、補強リブ9下部の空隙を形成するために設けられる。
Next, the second
次に、図13(a)および図13(b)を参照する。図12(a)および図12(b)に示す構造物上に第3犠牲層203を形成する。第3犠牲層203の材料は、例えば、フォトレジストおよび感光性ポリイミド等の感光性有機材料である。より好ましくは、第3犠牲層203の材料は、高アスペクト形状が得られる高粘度タイプの材料(例えば、MicroChem社製のSU−8およびSU−10(いずれも商品名))である。但し、第3犠牲層203の材料としては、第2犠牲層202とは異なる材料を用い、後述の製造工程で第3犠牲層203の一部を除去するときに第2犠牲層202が除去されることを防止する。
Reference is now made to FIGS. 13 (a) and 13 (b). A third
次に、第3犠牲層203を露光および現像して、貫通穴501〜503を形成する。貫通穴501は、第1櫛歯部2aを形成するために用いられる。貫通穴502は、補強リブ9を形成するために用いられる。貫通穴503は、中央ポスト7を形成するために用いられる。
Next, the third
次に、図14(a)および図14(b)を参照する。第3犠牲層203上に第3導電層303を形成する。第3導電層303は貫通穴501〜503に埋め込まれて突起形状を形成する。貫通穴501に埋め込まれた第3導電層303は、第2導電層302と一体化されて櫛歯部2aを形成する。貫通穴502に埋め込まれた第3導電層303は、補強リブ9を形成する。貫通穴503に埋め込まれた第3導電層303は、第2導電層302と一体化されて中央ポスト7を形成する。
Reference is now made to FIGS. 14 (a) and 14 (b). A third
第3導電層303の材料は第2導電層302と同じ材料(アルミニウム)であり、第3導電層303は低温スパッタリングによって形成される。スパッタリング条件は、貫通穴501〜503全体に上記材料を埋め込むために、貫通穴501〜503の側面に均一な厚さで成膜が可能な条件を選ぶ。こうした条件は、例えば下記の文献に開示されている。
The material of the third
K.A.Shaw et al., “SCREAM I: a single mask, single−crystal silicon, reactive ion etching process for microelectromechanical structures”, Sensors & Actuators A, 40, pp.63−70 (1994) K. A. Shaw et al. "SCREAM I: a single mask, single-crystal silicon, reactive ion processing process for microelectromechanical structures," Sensors & Actors, 40. 63-70 (1994)
さらに貫通穴501〜503全体に上記材料を埋め込むために、コリメーション法(collimated sputtering)やロングスロー法(long through sputtering)を用いて、Alターゲットから基台1に入射するスパッタ粒子の方向を基台1に垂直な方向に揃えてもよい。
Further, in order to embed the above material in the entire through
次に、第3導電層303上に第1マスク層401を形成する。第1マスク層401の材料は、例えば酸化シリコンである。第1マスク層401は、第3導電層303をエッチングする際のマスクとして用いられる。ウェットエッチング法を用いて第3導電層303をエッチングしてもよいが、ここでは塩素系のガスを用いたプラズマエッチング法を用いて第3導電層303をエッチングする。エッチング条件は、第3導電層303と第3犠牲層203との選択比が大きくなるように設定し、第3犠牲層203のエッチングを抑制する。
Next, a
図14(a)および図14(b)は、エッチング後に残された第3導電層303を示している。貫通穴501の上部から第1マスク層401を除去した状態でAlエッチングを行うため、貫通穴501内に埋め込まれた第3導電層303の上部は除去される。すなわち、第1櫛歯部2aの上端は第3犠牲層203の上面よりも低い位置までエッチバックされる。残った第1櫛歯部2aの高さは例えば約10〜20(μm)である。貫通穴502および503の上部に第1マスク層401を残した状態でAlエッチングを行うため、貫通穴502および503(図13(a)および図13(b))の上部の第3導電層303は除去されずに残る。
FIG. 14A and FIG. 14B show the third
Alエッチングの後、第1マスク層401は除去される。
After the Al etching, the
次に、図15(a)および図15(b)を参照する。図14(a)および図14(b)に示す構造物上に第2マスク層402を形成する。第2マスク層402は、第3犠牲層203をエッチングする際のマスクとして使用するためと、後述の製造工程で第1櫛歯部2a上部の空隙を形成するために設けられる。第2マスク層402の材料は、例えば酸化シリコンであるが、BCB(Benzo Cyclo Butene)、PAE(Poly Arylene Ether)、Aromatic hydrocarbon、Parylene、PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)などの有機材料でもよい。
Next, FIG. 15A and FIG. 15B will be referred to. A
第2マスク層402は、貫通穴501内の第3導電層303上の空隙に埋め込まれる。後述の製造工程でこの埋め込まれた第2マスク層402を除去することにより、第1櫛歯部2a上部の空隙が形成される。
The
次に、フォトレジスト(不図示)を塗布し、露光および現像して、補強リブおよび支持ポスト4となる第3導電層303上部(すなわち貫通穴502および503上部)以外の領域からこのフォトレジストを除去する。残ったフォトレジストはマスク層(図示せず)として用いる。この状態で、第2マスク層402を所定時間エッチングする。第1櫛歯部2a上に位置する第2マスク層402の厚さは厚いので、これらの部分の第2マスク層402は所定の厚さ(例えば約2.0〜10(μm))で残される。これらの部分およびフォトレジスト(図示せず)で覆われている部分を除く第2マスク層402の他の部分は除去される。
Next, a photoresist (not shown) is applied, exposed and developed, and this photoresist is applied from a region other than the upper part of the third conductive layer 303 (that is, the upper part of the through
次に、第3犠牲層203のエッチングを行う。第2マスク層402が酸化シリコンである場合には、酸素プラズマを用いたドライエッチングが好ましい。第2マスク層402が第3犠牲層203の材料とは異なる有機材料である場合には、有機溶剤等を用いたウェットエッチングでもよい。第2マスク層402に保護されていない第3犠牲層203はその上部が除去されて、下部が残される。残った第3犠牲層203下部の厚さは例えば約2.0〜10(μm)である。
Next, the third
次に、図16(a)および図16(b)を参照する。図15(a)および図15(b)に示す構造物上に第4犠牲層204を実質的に均一な膜厚で形成する。第4犠牲層204の材料は、フォトレジストまたは感光性ポリイミドである。第4犠牲層204を均一な厚さで形成するには、パルススプレー法(登録商標、ノードソン社)や蒸着重合法を用いるのが好ましい。第4犠牲層204の厚さは例えば約0.5〜1.0(μm)である。
Next, FIG. 16A and FIG. 16B will be referred to. A fourth
第4犠牲層204を露光および現像し、補強リブ9および支持ポスト4となる第3導電層303上部(すなわち貫通穴502および503上部)の領域から第4犠牲層204を除去する。続いて、これら同じ領域から第2マスク層402をエッチングにより除去して、第3導電層303を露出させる。
The fourth
次に、第4犠牲層204および露出した第3導電層303の上に第4導電層304を低温スパッタリングにより形成する。第4導電層304の材料は第3導電層303と同じ材料(アルミニウム)である。第4導電層304は可動部6となる部分である。
Next, a fourth
CMP(Chemical Mechanical Polishing)処理によって第4導電層304を平滑化する。第4導電層304上面は可動部6の光反射面6aとして機能する。次に、可動部6外周部の補強リブ9の周り(すなわち互いに隣接するマイクロアクチュエータ100間の領域)に堆積している層をフォトリソグラフィ法により除去する。個々の可動部6の水平方向の長さは例えば約100〜200(μm)である。
The fourth
次に、可動部6(第4導電層304)のリリースを行う。リリースは2段階の工程で実施する。まず酸素プラズマエッチングにより、第1〜第4犠牲層201〜204を除去する。第3犠牲層203の厚さは厚いためエッチャントの流路が確保しやすい。このため、マイクロアクチュエータ100の外形面積が1600μm2以上と大きな面積になる場合でも、上部にエッチング用の穴を形成することなく、これらの犠牲層の除去が可能である。次に、フッ化水素ガスを用いて第2マスク層402を除去する。これにより、図17(a)および図17(b)に示すように可動部6のリリースが完了し、マイクロアクチュエータ100が完成する。
Next, the movable part 6 (fourth conductive layer 304) is released. Release is a two-step process. First, the first to fourth
補強リブ9は貫通穴内で垂直方向に成膜された薄膜のサンドイッチ構造となっているので残留応力が小さく、光反射面6aの平面度を極めて高くすることができる。可動部6の櫛歯部8aの高さと補強リブ9の高さとは互いに異ならせることが可能であるため、静電的あるいは剛性的な要求に応じてそれぞれを最適な高さで形成することができる。
Since the reinforcing
第1櫛歯部2aは第1櫛型電極2の土台部と垂直方向に最短距離で接続し、可動部6の櫛歯部8aは可動部の下面と垂直方向に最短距離で接続している。このため、櫛歯部自身は変形しにくく、櫛歯部同士の間隔を狭くしても櫛歯部の不要な変形によるプルインを防止することができる。
The first comb-
また、第3および第4犠牲層203および204、および第2マスク層402の厚さを所望の厚さに設定することで、櫛歯部同士の間の水平方向のギャップと垂直方向のギャップとを所望の長さに設定できるので、水平方向のギャップを小さくすることによる静電力の増大と、垂直方向のギャップを大きくすることによる可動部6の可動ストロークの拡大とを両立させることができる。
Further, by setting the thicknesses of the third and fourth
なお、上述の実施形態において可動部の形状は正六角形であったが、可動部の形状はこれに限定されない。例えば、可動部の形状は矩形(正方形等)であってもよい。縦横の比率が1:1でない縦長形状の可動部であっても、上述した効果を得ることが可能である。 In the above-described embodiment, the shape of the movable portion is a regular hexagon, but the shape of the movable portion is not limited to this. For example, the shape of the movable part may be a rectangle (such as a square). The above-described effects can be obtained even with a vertically long movable portion whose aspect ratio is not 1: 1.
本発明のマイクロアクチュエータは、収差補正、光走査、分光等を行う光デバイス及び光ディスク装置の分野で好適に用いられる。また、チューナブルキャパシタ等の高周波回路や、可変流路等の流体制御デバイス、バイオテクノロジー等の分野でも好適に用いられる。また、本発明のマイクロアクチュエータは、光の方向を高速に変えるアクチュエータとして有用であり、特に、光反射面に高精度の平面度が要求される収差補正マイクロミラーアレイ用のマイクロミラーデバイスとして好適に用いられる。 The microactuator of the present invention is suitably used in the fields of optical devices and optical disc apparatuses that perform aberration correction, optical scanning, spectroscopy, and the like. Further, it is also suitably used in the fields of high-frequency circuits such as tunable capacitors, fluid control devices such as variable flow paths, and biotechnology. The microactuator of the present invention is useful as an actuator that changes the direction of light at high speed, and is particularly suitable as a micromirror device for an aberration-correcting micromirror array that requires high-precision flatness on the light reflecting surface. Used.
1 基台
2 第1櫛型電極
2a 櫛歯部
3 弾性支持部
4 支持ポスト
5 固定部
6、16、26、36 可動部
7 中央ポスト
8、28、38 第2櫛型電極
8a、8b、8c 櫛歯部
9、11 補強リブ
10 回動中心
20 可動部
100 マイクロアクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記基台によって支持された第1櫛型電極と、
前記第1櫛型電極と対向する第2櫛型電極と、前記基台の方向に突出した少なくとも1つの補強リブとを備える可動部と、
前記可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記可動部を支持する弾性支持部と
を備え、
前記第2櫛型電極の高さと前記少なくとも1つの補強リブの高さとは互いに異なる、マイクロアクチュエータ。 The base,
A first comb electrode supported by the base;
A movable part comprising a second comb electrode facing the first comb electrode, and at least one reinforcing rib projecting in the direction of the base;
An elastic support part for supporting the movable part so that the movable part can be displaced with respect to the base;
The microactuator, wherein a height of the second comb electrode and a height of the at least one reinforcing rib are different from each other.
前記少なくとも1つの補強リブの厚さは、前記複数の櫛歯部のそれぞれの厚さよりも厚い、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
2. The microactuator according to claim 1, wherein a thickness of the at least one reinforcing rib is greater than a thickness of each of the plurality of comb teeth portions.
前記複数の櫛歯部は、前記可動部の内側から外側へ向かう方向に沿って延びている、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
2. The microactuator according to claim 1, wherein the plurality of comb teeth extend along a direction from the inside toward the outside of the movable portion.
前記複数の櫛歯部は同心円状の形状を有する、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
The microactuator according to claim 1, wherein the plurality of comb teeth have a concentric shape.
前記複数の櫛歯部と前記少なくとも1つの補強リブとは同じ方向に沿って延びている、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
The microactuator according to claim 1, wherein the plurality of comb teeth and the at least one reinforcing rib extend in the same direction.
前記複数の櫛歯部と前記少なくとも1つの補強リブとは互いに垂直な方向に沿って延びている、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
2. The microactuator according to claim 1, wherein the plurality of comb-tooth portions and the at least one reinforcing rib extend in directions perpendicular to each other.
前記複数の櫛歯部のそれぞれの厚さは、前記可動部の内側から外側へ向かう方向に沿って薄くなっている、請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 The second comb electrode includes a plurality of comb teeth.
2. The microactuator according to claim 1, wherein a thickness of each of the plurality of comb teeth portions is reduced along a direction from the inside to the outside of the movable portion.
The microactuator according to claim 1, wherein the movable part includes a light reflecting surface.
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