JP2007014130A - プレーナ型電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動コイルによる磁界と静磁界発生手段による静磁界の相互作用で可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータのより一層の小型・軽量化及び組付け作業性の容易化を図る。
【解決手段】 枠状の支持部１１と、可動部１３と、支持部１１の枠内に可動部１３を軸支する一対のトーションバー１２，１２とを半導体基板で一体形成し、可動部１３に駆動コイル１４と反射ミラー１５を設け、支持部１１に、可動部１３を囲むよう枠状のヨーク１６を設け、ヨーク１６内側の支持部１６領域に、可動部１３のトーションバー１２，１２と平行な両対辺部の駆動コイル１４部分に静磁界を作用させる一対の薄膜磁石１７，１７を、ヨーク１６と接するよう可動部１３を挟んで対向して設ける構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造技術を利用したプレーナ型電磁アクチュエータに関し、特に、駆動コイルで発生する磁界と静磁界発生手段の発生する静磁界との相互作用により可動部を駆動するプレーナ型電磁アクチュエータに関する。

従来の半導体製造技術を利用して製造するこの種のプレーナ型電磁アクチュエータとして、半導体基板を異方性エッチングして、枠状の支持部と、可動部と、支持部の枠内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対辺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として例えば永久磁石を設けて構成したものがある。

かかるプレーナ型電磁アクチュエータは、駆動回路から供給される電流により駆動コイルに発生する磁界と永久磁石による静磁界との相互作用によりトーションバーの軸方向と平行な可動部両対辺部に作用する電磁力で可動部を駆動する。このプレーナ型電磁アクチュエータの可動部に反射ミラーを設ければ、光スイッチや光走査デバイス等が得られる。（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００３−１５３５１８号公報 特開２００４−１３６３７３号公報

ところで、従来のこの種のプレーナ型電磁アクチュエータは、図５に示すように、枠状の支持部１Ａ、可動部１Ｂ及びトーションバー１Ｃを一体形成した半導体基板１を、別の基板２（例えばガラスエポキシ板やセラミック板等）の略中央部に実装し、半導体基板１の外側の基板２領域に、静磁界発生手段である一対の永久磁石３Ａ，３Ｂと磁力強化のための枠状のヨーク４とを図示のように配置し接着固定している。図中、５は、可動部１Ｂ周縁部に敷設した駆動コイルを示す。
かかる構成では、半導体基板１の可動部１Ｂに対して適切な位置に永久磁石３Ａ，３Ｂ及びヨーク４を配置しなければならず、高い部品加工精度と組立て精度が要求され、高価な冶具等を必要とする。また、大きな永久磁石３Ａ，３Ｂ及びヨーク４の存在が、小型・軽量化を妨げる要因となっていた。

更に、図５に示すように、可動部１Ｂに反射ミラー６を設けて光スイッチや光走査デバイスとして利用する場合、従来構成では、高さのある永久磁石３Ａ，３Ｂ及びヨーク４の存在により入射光及び反射光の角度が制約され、光学系の配置が制約されるという問題がある。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、より一層の小型・軽量化が可能で組立て作業が容易であると共に、光スイッチや光走査デバイスとして利用する際に光学系の配置自由度を大きく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、枠状の支持部と、可動部と、前記支持部の枠内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し、前記可動部に通電により磁界を発生する駆動コイルを設け、前記可動部の前記トーションバーと平行な両対辺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を設ける構成のプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、前記支持部に、前記可動部を囲むよう枠状のヨークを設け、該ヨーク内側の前記支持部領域に、前記静磁界発生手段として前記可動部を挟んで対向する一対の薄膜磁石を前記ヨークと接するよう設ける構成とした。

請求項２のように、前記ヨークを、薄膜で形成するとよい。
請求項３のように、前記薄膜磁石に代えて、半導体基板からなる前記支持部の薄膜磁石形成領域を磁化して前記静磁界発生手段を設ける構成としてもよい。
請求項４では、前記可動部は、前記駆動コイルを周縁部に敷設し、駆動コイルで囲まれる中央部に反射ミラーを設ける構成とした。

請求項５のように、前記可動部が、内側可動板と該内側可動板の外側に設けた枠状の外側可動板とからなり、該外側可動板を前記支持部に外側トーションバーで回動可能に軸支し、前記内側可動板を前記外側可動板に外側トーションバーの軸方向に直交する内側トーションバーで回動可能に軸支する構成とするとよい。

請求項６のように、前記可動部及びトーションバーを複数組、同一の半導体基板にアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、前記ヨークと前記一対の静磁界発生手段とを設ける構成とするとよい。

請求項７のように、前記可動部及びトーションバーを複数組、同一の半導体基板にアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、前記一対の静磁界発生手段を設け、少なくとも２つ以上の組を囲むように前記ヨークを形成する構成としてもよい。

以上説明したように本発明のプレーナ型電磁アクチュエータによれば、半導体基板に、静磁界発生手段としての薄膜磁石とヨークを形成したので、従来のような半導体基板と別の基板が不要となり静磁界発生手段及びヨークの大きさや重量も低減できため、従来以上に小型・軽量化が図れる。また、同一の半導体基板に可動部、薄膜磁石及びヨークを一体的に形成するので、フォトプロセスを用いることにより可動部と薄膜磁石及びヨークとの位置関係を容易に高精度化できる。更に、薄膜磁石やヨークを極めて薄くできるので、光走査デバイスや光スイッチ等に利用する場合に、入射光及び反射光の角度の制約が大幅に緩和されて光学系の配置自由度を格段に高めることができる。更に加えて、半導体チップ構造であるために、基板実装が容易であり、大量生産が可能で低コスト化を図ることができる。また、電磁アクチュエータを同一半導体に複数配列するアレイ構造化が容易である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第１実施形態で、例えば光スイッチや光走査デバイスに適用する場合の概略構成図を示す。

図１において、本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ１０は、枠状の支持部１１に、一対のトーションバー１２，１２を介して可動部１３が回動可能に軸支されている。これら支持部１１、トーションバー１２，１２及び可動部１３は、例えばシリコン基板等の半導体基板を異方性エッチングして一体的に形成される。可動部１３には、周縁部に通電により磁界を発生する駆動コイル１４が敷設され、駆動コイル１４で囲まれる中央部に、可動部１３の回動動作により図示しない光源からの入射光を反射偏向するための反射ミラー１５が設けられている。

支持部１１には、その周縁部に、可動部１３を囲むよう枠状のヨーク１６（図のハッチング部分）が形成され、ヨーク１６の内側部分に、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部両対辺部の駆動コイル１４部分に静磁界を作用する一対の静磁界発生手段として薄膜磁石１７，１７（図の斜線部分）が、図示のように可動部１３を挟んで互いに反対磁極が対向するようにして前記ヨーク１６と接して設けられている。

前記ヨーク１６の形成方法としては、例えば鉄の薄膜をスパッタリング等で形成し、フォトプロセスにより所望の位置（支持部周縁部）と形状（枠状）に加工して形成したり、薄い鉄の板を所望の形状に加工して支持部１１の所望の位置に接着等により固定したりする方法等が考えられる。

薄膜磁石１７，１７は、例えば磁性薄膜をスパッタリング等で形成し、フォトプロセスにより所望の位置（トーションバーの軸方向と平行な可動部両対辺部の外方部位）と形状に加工して形成する。また、薄膜磁石に代えて、図１において薄膜磁石１７，１７が形成されている支持部１１の領域（薄膜磁石形成領域）を、スピンホール効果を利用して磁化して一対の静磁界発生手段を形成するようにしてもよい。また、前記薄膜磁石形成領域に薄い磁石を接着することも考えられる。

尚、駆動コイル１４は、それぞれのトーションバー部分を介して支持部１１側に引き出され、例えば支持部１１のヨーク１６とは反対側の裏面側で一対の電極端子（図示せず）と接続し、該一対の電極端子を介して駆動回路から電流を供給するようにすればよい。

次に、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１３上の駆動コイル１４に電流を流すと磁界が発生し、この磁界と薄膜磁石１７，１７による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部両対辺部に互いに逆方向の電磁力が発生し、トーションバー１２，１２を軸中心として可動部１３が回動する。この回動動作に伴ってトーションバー１２，１２が捩じられトーションバー１２，１２にばね力が発生し、このトーションバー１２，１２のばね力と発生した電磁力とが釣合う位置まで可動部１３は回動する。

駆動コイル１４に直流電流を流せば電流量に応じた回動位置で可動部１３は停止する。これにより、電流量に応じて可動部１３の回動角度を制御して光ビームを所望の方向に偏向可能な光偏向器を実現できる。
また、駆動コイル１４に正弦波等の交流電流を流せば可動部１３が揺動する。これにより、反射ミラー１５により光ビームを偏向走査することができる。この場合に、駆動コイル１４に供給する交流電流の周波数を可動部１３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。

かかる構成の本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ１０によれば、半導体基板に薄膜磁石１７，１７及びヨーク１６の一体化したので、半導体基板設置用の従来の図５に示す別の基板２が不要となり、また、薄膜磁石１７，１７及びヨーク１６の形状や重量が格段に小さいので、小型・軽量化を図ることができる。また、同一の半導体基板に可動部１３、薄膜磁石１７，１７及びヨーク１６を一体的に形成するので、フォトプロセスを用いることによりこれらの位置関係を容易に高精度に管理できると共に、高価な組付け作業用の治具等が不要となる。

また、薄膜磁石１７，１７やヨーク１６が極めて薄いので、光走査デバイスや光スイッチ等に利用する場合に、入射光及び反射光の角度の制約が大幅に緩和されて光学系の配置自由度を格段に高めることができる。また、半導体チップ構造となるので、基板実装が容易となり、大量生産が可能で低コスト化を図ることができる。
更には、同一の半導体基板に多数の電磁アクチュエータを配列する後述する図３及び図４に示すようなアレイ構造の採用が容易となる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図２は、本発明に係わるプレーナ電磁アクチュエータの第２実施形態である２次元タイプの例で、例えば光スイッチや光走査デバイスに適用する場合の平面図を示す。

図２において、本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ２０は、枠状の支持部２１に、一対の外側トーションバー２２Ａ，２２Ａを介して枠状の外側可動部２３Ａが回動可能に軸支されている。外側可動部２３Ａには、外側トーションバー２２Ａ，２２Ａの軸方向に直交する一対の内側トーションバー２２Ｂ，２２Ｂを介して平板状の内側可動部２３Ｂが回動可能に軸支されている。これら支持部２１、外側及び内側のトーションバー２２Ａ，２２Ａ、２２Ｂ，２２Ｂ及び外側及び内側の可動部２３Ａ，２３Ｂは、シリコン基板等の半導体基板を異方性エッチングして一体的に形成される。外側可動部２３Ａには、通電により磁界を発生する外側駆動コイル２４Ａ（図では模式的に１本線で示してある）が敷設され、内側可動部２３Ｂには、通電により磁界を発生する内側駆動コイル２４Ｂ（図では模式的に１本線で示してある）と反射ミラー２５が第１実施形態と同様に設けられている。

支持部２１には、その周縁部に枠状のヨーク２６が形成され、ヨーク２６の内側部分に、外側トーションバー２２Ａ，２２Ａの軸方向と平行な外側可動部両対辺部の駆動コイル２４Ａ部分に静磁界を作用する薄膜磁石２７Ａ，２７Ａと、内側トーションバー２２Ｂ，２２Ｂの軸方向と平行な内側可動部両対辺部の駆動コイル２４Ｂ部分に静磁界を作用する薄膜磁石２７Ｂ，２７Ｂとが、それぞれ互いに反対磁極が対向するようにしてヨーク２６と接して設けられている。尚、ヨーク２６及び薄膜磁石２７Ａ，２７Ｂの形成方法は、第１実施形態と同様である。

本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの動作原理は第１実施形態と同様で、外側駆動コイル２４Ａへの通電により発生する磁界と薄膜磁石２７Ａ，２７Ａによる静磁界との相互作用により外側可動部２３Ａが、外側トーションバー２２Ａ，２２Ａを軸中心として回動し、内側駆動コイル２４Ｂへの通電により発生する磁界と薄膜磁石２７Ｂ，２７Ｂによる静磁界との相互作用により内側可動部２３Ｂが、内側トーションバー２２Ｂ，２２Ｂを軸中心として回動する。

かかる２次元タイプのプレーナ型電磁アクチュエータによれば、２次元のスキャン動作ができるようになる。そして、第１実施形態と同様に、２次元タイプのこの種のプレーナ型電磁アクチュエータの小型・軽量化を図ることができ、静磁界発生手段及びヨークの組付け作業が容易且つ高精度に管理できる。また、光走査デバイスや光スイッチ等に利用する場合の光学系の配置自由度を高めることができると共に、基板実装が容易であり、大量生産による低コスト化が可能である。

図３に、本発明のプレーナ型電磁アクチュエータを多数アレイ状に配列したアレイ構造の一例を示す。尚、上述の実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図３において、このアレイ構造は、反射ミラー１５を設けた可動部１３及び一対のトーションバー１２，１２を複数組、同一の半導体基板３０に例えば図示のようにアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、ヨーク１６と一対の静磁界発生手段として例えば薄膜磁石１７，１７とを設ける構成である。この場合、支持部１１は、各組で共通化される。尚、駆動コイル１４は図示を省略してある。

かかる構成のアレイ構造によれば、各組毎にヨーク１６を設けてあるので、トーションバー１２，１２の軸方向を一様に揃えなくてもよい。即ち、トーションバー１２，１２が互いに直交するような配列が可能であり、トーションバー１２，１２の軸方向が様々な電磁アクチュエータの組合せ配列が可能である。

図４に、アレイ構造の別の例を示す。
図４のアレイ構造は、可動部１３及びトーションバー１２，１２を複数組、同一の半導体基板３０にアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、一対の静磁界発生手段として例えば薄膜磁石１７，１７を設け、半導体基板３０の周縁部に配列全体を囲むように１つのヨーク１６を形成する構成である。尚、駆動コイル１４は図示を省略してある。

かかる構成のアレイ構造によれば、配列全体に対して１つのヨーク１６を設ける構成であるので、トーションバー１２，１２の軸方向を一様に揃えた配列にする必要がある。図４では、互いに隣接するアクチュエータ部分の薄膜磁石１７を共通化してある。
図４の実施形態では、配列全体に対して１つのヨーク１６を設ける構成としたが、１グループに複数のアクチュエータが含まれるようにアレイ全体をグループ分けし、各グループ毎に１つのヨーク１６を設けて囲むようにしてもよい。この場合は、各グループ単位でトーションバー１２，１２の軸方向を異ならせることは可能である。

尚、図３及び図４は、図１に示す１次元タイプの電磁アクチュエータのアレイ構造を示したが、図２に示す２次元タイプの電磁アクチュエータも同様にしてアレイ構造化が可能であることは言うまでもない。

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１次元タイプの概略構成図 本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第２実施形態を示す２次元タイプの概略平面図 図１のプレーナ型電磁アクチュエータのアレイ構造の一例を示す概略平面図 図１のプレーナ型電磁アクチュエータのアレイ構造の別の例を示す概略平面図 従来のプレーナ型電磁アクチュエータの概略構成図

符号の説明

１０、２０ 電磁アクチュエータ
１１，２１ 支持部
１２，１２ トーションバー
１３ 可動部
１４ 駆動コイル
１５、２５ 反射ミラー
１６、２６ ヨーク
１７，１７、２７Ａ，２７Ａ、２７Ｂ，２７Ｂ 薄膜磁石
２２Ａ，２２Ａ 外側トーションバー
２２Ｂ，２２Ｂ 内側トーションバー
２３Ａ 外側可動部
２３Ｂ 内側可動部
２４Ａ 外側駆動コイル
２４Ｂ 内側駆動コイル
３０ 半導体基板

Claims (7)

1. 枠状の支持部と、可動部と、前記支持部の枠内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し、前記可動部に通電により磁界を発生する駆動コイルを設け、前記可動部の前記トーションバーと平行な両対辺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を設ける構成のプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
   前記支持部に、前記可動部を囲むよう枠状のヨークを設け、該ヨーク内側の前記支持部領域に、前記静磁界発生手段として前記可動部を挟んで対向する一対の薄膜磁石を前記ヨークと接するよう設ける構成としたことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
2. 前記ヨークを、薄膜で形成した請求項１に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
3. 前記薄膜磁石に代えて、半導体基板からなる前記支持部の薄膜磁石形成領域を磁化して前記静磁界発生手段を設ける構成とした請求項１又は２に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
4. 前記可動部は、前記駆動コイルを周縁部に敷設し、駆動コイルで囲まれる中央部に反射ミラーを設ける構成である請求項１〜３のいずれか１つに記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
5. 前記可動部が、内側可動板と該内側可動板の外側に設けた枠状の外側可動板とからなり、該外側可動板を前記支持部に外側トーションバーで回動可能に軸支し、前記内側可動板を前記外側可動板に外側トーションバーの軸方向に直交する内側トーションバーで回動可能に軸支する構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
6. 前記可動部及びトーションバーを複数組、同一の半導体基板にアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、前記ヨークと前記一対の静磁界発生手段とを設ける構成とした請求項１〜５のいずれか１つに記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
7. 前記可動部及びトーションバーを複数組、同一の半導体基板にアレイ状に配列形成し、各組それぞれに、前記一対の静磁界発生手段を設け、少なくとも２つ以上の組を囲むように前記ヨークを形成する構成とした請求項１〜５のいずれか１つに記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。

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