JP2010035348A

JP2010035348A - 電磁駆動型アクチュエータ及び電磁駆動型アクチュエータの製造方法

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Publication number: JP2010035348A
Application number: JP2008195367A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Shinshi; 忠彦進士; Minoru Uehara; 稔上原; Hitoshi Yamamoto; 日登志山本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP5434004B2

Abstract

【課題】可動子の大変位が可能なムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータの提供。
【解決手段】固定部２と、可動子１と、可動子１を固定部２に連結して支持する１又は複数の可撓性の支持部３と、可動子１に形成された永久磁石４と、永久磁石４の周囲に磁界を発生させるコイル５とを備え、コイル５が発生させた磁界により可動子１を変位させる電磁駆動型アクチュエータ。可動子１及び支持部３は、シリコン窒化膜により一体形成されており、永久磁石４は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造を有する膜状の永久磁石である。但し、ＲＥは希土類金属元素の何れか１つ、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ及びＭｏの内の少なくとも１つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜永久磁石が形成された可動子を、固定部に連結した可撓性の支持部が支持し、コイルが発生させた磁界により可動子を変位させる電磁駆動型アクチュエータ、及びこの電磁駆動型アクチュエータの製造方法に関するものである。

フォトリソグラフィ、エッチング及び蒸着等に代表される半導体加工技術は、主として半導体集積回路の作製に用いられて高度化して来た。近年、この技術を集積回路の作製ではなく、立体的構造物の加工に応用することにより、種々のマイクロデバイスが作製されるようになって来ている。それらはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と称されている。ＭＥＭＳ技術の個々の工程は、ウェーハ単位の一括プロセスで行われ、この一括プロセスが製造工程に一貫して適用されれば、デバイス個々の組立て及び調整等の工程が省略され、個体間のばらつきの小さいデバイスを低コストで大量に生産することが可能となる。

現在、ＭＥＭＳ技術を利用して作製されるアクチュエータは、静電気力を利用した静電駆動方式が主流になっている。その理由は、静電駆動方式の構造が他の電磁駆動方式及び圧電駆動方式等に比べて簡単であり、半導体加工技術に大きな変更を加えることなく応用できることが挙げられる。また、静電気力の源泉が表面電荷である為、体積減少に伴う駆動力の減衰割合が他の方式に比べて小さく、デバイスが小型化する程、他の方式よりも駆動力で有利になることなども、駆動方式として静電駆動方式が選択される理由になっている。

しかし、一方では、静電駆動方式の短所として、オフ状態を基点として、２つの電極の吸引方向にしか変位が得られないこと、発生力が小さく、大きな変位を得るのが難しいこと、駆動に高電圧が必要であること、などが知られている。従って、マイクロアクチュエータの中でも、例えば光学ミラーのように比較的サイズの大きいもの、及び高湿度環境などの下で使用しなければならないアクチュエータ等は、静電駆動方式を適用することが難しい。

これに対して、電磁駆動型アクチュエータは、静電駆動型アクチュエータに比べて発生力が大きい為、可動子の移動距離を比較的大きく取ることが可能になる。更に、相互作用する磁界の発生源の少なくとも一方を、極性を切替えることができる電磁石とすることにより、吸引及び反発の両方向へ任意に可動子を変位させることができる。このような特長が注目され、近年、ＭＥＭＳ技術を利用した電磁駆動型アクチュエータの実用化が進んでいる。

非特許文献１には、走査型共焦点レーザ顕微鏡に用いられるマイクロミラーデバイスが開示されている。このマイクロミラーデバイスは、可動子上に反射ミラーと可動子とを駆動させる為のコイル等が形成され、それらを支持するトーションバーと共に、ＭＥＭＳ技術により一体的に作製される。それとは別に、バルクの永久磁石を用いて設計された磁気回路が用意され、これらを組合わせることにより、ミラーデバイスが完成する。可動子は、磁気回路で発生した磁界によりコイルを流れる電流が受けるローレンツ力で揺動する。

このタイプの電磁駆動型アクチュエータは、可動子に形成したコイルが磁界との相互作用で動く為、ムービングコイル型（ＭＣ型）と呼ばれる。この方式の場合、バルクの永久磁石を含んだ磁気回路が強い磁界を発生させることが可能である為、比較的簡単に大きな変位が得られる。
しかし、一方で、バルクの永久磁石を含んだデバイスを小型化するのが難しく、また、磁界発生部の製作にＭＥＭＳ技術が適用されない為、個々のデバイス毎に組立てと調整とを行う必要がある。
また、非特許文献１でシリコンヒンジ（シリコントーションバーヒンジ）を用いるものにおいては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハが使用されている。ＳＯＩウェーハは、ＭＥＭＳ技術において一般的に用いられており、精密な加工を施す為に有効な材料であるが、高価である為、電磁駆動型アクチュエータの実用化の妨げとなる。

非特許文献２には、可動子に薄膜の永久磁石を備えたムービングマグネット型（ＭＭ型）の電磁駆動型マイクロミラーの例が開示されている。この例でも、可動子及びトーションバーを含む構造体は、ＭＥＭＳ技術により一体的に形成される。可動子の片面には、ＭＣ型におけるコイルの替わりに、永久磁石であるＣｏＰｔ薄膜がスパッタ法により形成されている。ＣｏＰｔ薄膜と相互作用する磁界の発生源は薄膜の平面コイルで構成され、この平面コイルの作製にもＭＥＭＳ技術が適用されている。平面コイルの励磁により発生した磁界によって、共振周波数で６．５°、直流で０．４°のミラーの振れ回転角が得られている。

このように、ムービングマグネット型の場合には、磁界発生源として薄膜の平面コイルを用いることも可能であり、その為、アクチュエータの製造工程に首尾一貫したＭＥＭＳ技術を適用できることになり、ばらつきの少ないデバイスを低コストで大量に製造することが可能になる。
しかし、永久磁石の薄膜の磁気特性が不十分で、必要な可動子の変位が得られなかったり、永久磁石の薄膜を微細加工する為のＭＥＭＳ技術が確立されていないなどの課題が多く、首尾一貫したＭＥＭＳ技術で製作されるムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータは、未だ実用化に至っていない状況にある。
また、非特許文献２においてもＳＯＩウェーハが使用されているが、上述した通り、高価であり、電磁駆動型アクチュエータの実用化を妨げる一因となる。

特許文献１は、半導体基板に、平板状の可動板と該可動板を半導体基板に対して揺動可能に軸支するトーションバーとを一体成形したガルバノミラーが開示されている。可動板の表面に永久磁石を設け、可動板の中央部に反射鏡を設けている。更に、トーションバーの軸方向と平行な可動板の対辺側方の半導体基板部分に平面コイルを設けている（請求項６等）。このガルバノミラーは、半導体素子の製造プロセスにより製造される。

このガルバノミラーも、ムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータを使用しており、非特許文献２の場合と同様の問題がある。
「社団法人日本応用磁気学会第１４２回研究会資料」７〜１２頁「社団法人電気学会マグネティックス研究会資料，ＭＡＧ-02-12(2002)」１７〜２１頁特開平７−１７５００５号公報

上述したように、電磁駆動型アクチュエータには、他の駆動方式に無い特長が有り、ＭＥＭＳ技術を適用した、製品にばらつきが少ない、低コストで大量生産が可能な製造方法の確立が望まれている。それには、電磁駆動型のなかでもムービングマグネット型が適しているが、ムービングマグネット型では、十分な可動子の変位が得られないなどの技術的な課題が未だ解決されておらず、実用化の障害となっている。
また、従来技術によるＭＥＭＳ技術を用いた電磁駆動型アクチュエータの製造においては、基板として高価なＳＯＩウェーハが用いられている為、これも実用化の障害となっている。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１〜４発明では、可動子の大変位が可能な安価なムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータを提供することを目的とする。
第５発明では、可動子の大変位が可能な安価なムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。

第１発明に係る電磁駆動型アクチュエータは、固定部と、可動子と、該可動子を固定部に連結して支持する１又は複数の可撓性の支持部と、前記可動子に形成された永久磁石と、該永久磁石の周囲に磁界を発生させるコイルとを備え、該コイルが発生させた磁界により前記可動子を変位させる電磁駆動型アクチュエータにおいて、前記可動子及び支持部は、シリコン窒化膜により一体形成されており、前記永久磁石は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造を有する膜状の永久磁石であることを特徴とする。但し、ＲＥは希土類金属元素の何れか１つ、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ及びＭｏの内の少なくとも１つ。

この電磁駆動型アクチュエータでは、１又は複数の可撓性の支持部が、可動子を固定部に連結して支持し、永久磁石が可動子に形成されている。コイルが、永久磁石の周囲に磁界を発生させ、可動子を変位させる。可動子及び支持部は、シリコン窒化膜により一体形成されており、永久磁石は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造を有する膜状の永久磁石である。

第２発明に係る電磁駆動型アクチュエータは、前記コイルを複数備え、複数の該コイルが発生させた各磁界に応じて前記可動子を多自由度で変位させるように構成してあることを特徴とする。

第３発明に係る電磁駆動型アクチュエータは、前記可動子は、四角形の平板状をなし、前記永久磁石が片面又は両面の一部若しくは全部に形成されており、前記固定部は、前記可動子を囲繞する枠状をなしており、前記支持部及びコイルをそれぞれ４つ備え、４つの支持部は、前記可動子の四隅を前記固定部にそれぞれ連結して支持し、４つのコイルは、前記可動子の四隅にそれぞれ対向するように配設されていることを特徴とする。

この電磁駆動型アクチュエータでは、可動子は、四角形の平板状をなし、永久磁石が片面又は両面の一部若しくは全部に形成され、固定部は、可動子を囲繞する枠状をなしている。支持部及びコイルをそれぞれ４つ備え、４つの支持部は、可動子の四隅を固定部にそれぞれ連結して支持する。４つのコイルは、可動子の四隅にそれぞれ対向するように配設されている。

第４発明に係る電磁駆動型アクチュエータは、前記コイルは、膜状の平面コイルで形成してあることを特徴とする。

第５発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法は、第１発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法であって、半導体基板の両面にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、該工程で堆積させた一方のシリコン窒化膜の表面に可動子及び支持部を形成する為のレジストパターンを、他方のシリコン窒化膜の表面に固定部を形成する為のレジストパターンをそれぞれ形成する工程と、該工程でレジストパターンを形成した部分以外のシリコン窒化膜を除去する工程と、前記固定部をなす部分以外の半導体基板を貫通加工により除去する工程と、前記可動子部分のシリコン窒化膜にＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させて多層膜構造を有する膜状の永久磁石を形成する工程と、前記可動子部分を両面側又は片面側から非磁性部材で拘束する状態で、前記永久磁石に一方向の磁界を加えて着磁させる工程とを備えることを特徴とする。

第１発明に係る電磁駆動型アクチュエータによれば、可動子に形成された永久磁石が、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造（ＲＥは希土類金属元素、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｍｏの何れか）により、３０ＭＧＯｅ以上の高い磁気エネルギー積を有している。その為、永久磁石は、コイルが作る磁界との相互作用で強い力を受けることができるので、コイルに大電流を流さなくても、可動子に強い力を加えることができる。力を受けた可動子は、支持部の撓み及び捩れなどの弾性変形により変位するが、機械強度に優れたシリコン窒化膜により可動子と一体形成された支持部は、弾性疲労を起こすことなく、可動子が大きな変位を繰返すことを可能にする。
また、ＳＯＩウェーハを使用しないので、上記の電磁駆動型アクチュエータを安価にして提供することができる。

第２，３発明に係る電磁駆動型アクチュエータによれば、可動子は、一次元的な変位のみならず、多次元的に向きを変えることが可能になり、アクチュエータの用途範囲を広げることができる。

第４発明に係る電磁駆動型アクチュエータによれば、コイルを含む電磁駆動型アクチュエータの製造工程に、一貫してＭＥＭＳ技術を適用することが可能となり、低コストで大量に精密な電磁駆動型アクチュエータを製造することができる。

第５発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法によれば、可動子の大変位が可能なムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータを製造することができる。また、永久磁石を着磁する際に、可動子を拘束するので、支持部が変形することを防止できる。また、ＳＯＩウェーハを使用しないので、上記の電磁駆動型アクチュエータを安価にして提供することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの実施の形態１の構成を模式的に示す上面図（ａ）及び側縦断面図（ｂ）である。
この電磁駆動型アクチュエータは、直方体形状の固定部２と、固定部２の上面部に連結され水平方向へ突き出した可撓性の片持ち式の梁（支持部）３と、梁３の先端部に連結され方形平板形状である可動子１と、可動子１の上面全体に形成された薄膜永久磁石４と、可動子１の下方に配置されたコイル５とを備えている。コイル５は、その端部形状が可動子１より大きい角筒形状に巻回されており、上から見た場合に、コイル５は、可動子１がその端部の中央部に位置するように配置されている。

固定部２の上面部、可動子１及び梁３は、シリコン窒化膜により一体形成されている。薄膜永久磁石４は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造（ＲＥは希土類金属元素、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｍｏの何れか）を有している。
固定部２及びコイル５は、図示しない回路基板等に固定され、コイル５は、回路基板等に設けられた制御回路により電流を流され、流れる電流に応じた磁界を薄膜永久磁石４の周囲に発生させる。可動子１は、コイル５が発生させた磁界と薄膜永久磁石４の静磁界との反発力又は吸引力に応じて変位する。

ここで、薄膜永久磁石４は、図１（ｂ）の上から下に向かって着磁されているとし、コイル５からは下から上に向かう磁界が発生するとする。このとき、薄膜永久磁石４には全体として、上向きの力が加わり、梁３が撓むことにより可動子１が上方に向かって変位する。ここで、大きい変位を得る為には、コイル５の通電電流を増加させて磁界強度を上げるか、又は薄膜永久磁石４に磁気特性の高いものを用いる必要がある。

しかし、磁界強度を上げると、アクチュエータの消費電力が増加し、また、コイル５のサイズが増大することから、薄膜永久磁石４に磁気特性の高いものを用いる方が好ましい。本発明においては、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造（ＲＥは希土類金属元素、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｍｏの何れか）を有し、３０ＭＧＯｅ以上の高い磁気エネルギー積を有する薄膜永久磁石４が好適に用いられる。

尚、ＲＥは、Ｎｄ及びＰｒの一方又は両方を含むことが好ましく、Ｆｅの一部は、Ｃｏ及びＮｉ等の遷移金属元素と置換していても良い。また、遷移金属元素でなくても、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄Ｂ型永久磁石の磁気特性の向上に有効な元素が含まれていても良い。
この薄膜永久磁石４は、例えば、真空蒸着、レーザアブレーション、スパッタ法等の物理的方法、又はメッキ等の化学的方法など、任意の方法で形成することができる。

可動子１及び梁３を構成する構造材料は、薄膜永久磁石４の形成時にＲＥ₂ Ｆｅ₁₄Ｂを結晶化させる為に、３００℃以上の加熱工程が必要であることから、耐熱性を有する材料が選択される。それには、Ｎｉ，ステンレス及びＣｕなどの金属、並びにシリコン及び酸化シリコンなどの非金属系構造材料が挙げられるが、ここでは窒化シリコンが好適に用いられる。
しかし、可動子１と梁３をシリコンで構成する場合は、精密な加工面を確保する為、基板としてＳＯＩウェーハを用いなければならず、デバイスの製造コストの上昇を招く。また、可動子１と梁３を金属又は酸化シリコンで構成する場合、薄膜永久磁石を形成する際に強い応力が発生して、高精度デバイスを得ることが困難になる。更に、これらの材料は、大きな変形を繰返し加えた場合の機械的強度の信頼性が劣っている。

本願発明者等は、製造コストを上昇させず、薄膜永久磁石形成時の応力発生を抑制でき、かつ、機械的強度に優れる構造材料として、窒化シリコンが最適であることを見出した。
更に好ましい実施の形態では、可動子１及び梁３が薄膜形成手段により薄膜構造材料で形成される。このような構成とすることで、可動子１及び梁３の形成に、フォトリソグラフィを含むＭＥＭＳ技術を適用することが可能となり、低コストで精密な加工を施すことが可能になる。

コイル５は、巻き線コイルが好適に用いられる。更に好ましい実施の形態においては、コイル５として、ＭＥＭＳ技術により作製される薄膜平面コイルが用いられる。これにより、電磁駆動型アクチュエータを一貫したＭＥＭＳ技術により製造することが可能となり、個体間のばらつきが小さい製品を低コストで大量に生産することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの実施の形態２の構成を模式的に示す上面図（ａ）及び側縦断面図（ｂ）である。
この電磁駆動型アクチュエータは、可動子１ａが、四角形の平板であり、その上面に薄膜永久磁石４が略全面に亘って形成されている。固定部２ａは、可動子１ａを囲繞する方形枠体である。４つの片持ち式の梁（支持部）３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと４つのコイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとを備えており、４つの梁３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、可動子１ａの四隅を固定部２ａにそれぞれ連結して支持している。尚、本実施の形態２では、薄膜永久磁石４は、可動子１ａの上面に略全面に亘って形成されているが、可動子１ａの下面又は両面に形成されていても良く、また、必ずしも略全面に形成されている必要はなく、部分的に形成されていても良い。

梁３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、可動子１ａの変位を大きくし自由度を上げる為に、より長くなるように工夫されており、それぞれ固定部２ａ及び可動子１ａ間で複数回屈曲した形状となっており、十分な長さを得ている。
コイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、それぞれ角筒形状に巻回されており、可動子１ａの下方で可動子１ａの四隅にそれぞれ対向するように配設されている。

固定部２ａの上面部、可動子１ａ及び梁３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、シリコン窒化膜により一体形成されている。薄膜永久磁石４は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造（ＲＥは希土類金属元素、ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｍｏの何れか）を有している。
固定部２ａ及びコイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、図示しない回路基板等に固定され、コイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、回路基板等に設けられた制御回路によりそれぞれ個別に電流を流され、それぞれに流れる電流に応じた磁界を薄膜永久磁石４の周囲に発生させる。可動子１ａは、コイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄがそれぞれ発生させた磁界と薄膜永久磁石４の静磁界との反発力及び吸引力に応じて、様々な方向に変位する。その他の構成及び動作については、上記実施の形態１で説明した内容と同様であるので、説明を省略する。

尚、実施の形態１，２で説明したような本発明に係る電磁駆動型アクチュエータは、例えば、光学ミラーデバイス、スイッチングデバイス、マイクロポンプ、材料試験装置等のアクチュエータとして好適に使用することができる。

図３は、本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法の例を示すフローチャートであり、図４は、本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法の例を示す説明図である。
この電磁駆動型アクチュエータの製造方法では、先ず、単結晶シリコンウェーハ１１（図４）の両面に、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によりシリコン窒化膜１２を厚さ３μｍ堆積させる（Ｐ１）。

次に、シリコン窒化膜１２の上に、厚さ１．５μｍの銅のスパッタ膜１３とフォトレジスト１４とを続けて形成し（図４（ａ））、フォトリソグラフィの手法を用いて、レジストパターンを形成する（図４（ｂ））。その後、希硝酸水溶液で銅１３をエッチング除去し、ウェーハ１１の一方の面には、例えば、図５に示す可動子１ｂと梁３ｅとのパターンを、他方の面には、可動子１ｂと梁３ｅとを取囲んだ枠形状の固定部２ｂのパターンを形成する（Ｐ３）。

次に、シリコン窒化膜１２の不要な部分を、ＳＦ₆ 及び酸素をエッチングガスとするＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）により取除いた（Ｐ５）（図４（ｃ））後、１１５℃の３０ｗｔ％−ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチング（貫通加工）を８時間行い、固定部以外のシリコン１１を取除く（Ｐ７）（図４（ｄ））。これにより、シリコン窒化膜のみからなる可動子及び梁の一体構造を形成する。
次に、永久磁石薄膜を、メタルマスクで可動子以外の部分を覆った状態で、ターゲットとなる物質をスパッタリングすることにより、可動子に形成する（Ｐ９）。ここでは、Ｎｄ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＴａとを交互に堆積させた多層構造を有する永久磁石薄膜を厚さ３μｍ形成する。

次に、可動子を両面側又は片面側からガラス板（非磁性部材）で拘束し（Ｐ１１）、その状態で、永久磁石薄膜に一方向に大きな磁界を加えることにより着磁させて、薄膜永久磁石を得る（Ｐ１３）。
次に、フォトリソグラフィ、エッチング及び蒸着等のＭＥＭＳ技術により、薄膜平面コイルを作製し（Ｐ１５）、作製した薄膜平面コイル、固定部、可動子及び梁を一体化し（Ｐ１７）、ムービングマグネット型の電磁駆動型アクチュエータを完成させる。

ダミーの基板に上記と同じ条件で永久磁石薄膜を形成し、磁化曲線を測定したところ、得られた薄膜永久磁石は、図６に示すように、膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、この方向の磁気エネルギー積は３５．５ＭＧＯｅを示した。図７に、永久磁石薄膜の膜面に対して垂直方向の測定で得られた磁気特性の値を示す。

上述した永久磁石薄膜では、可動子を両面側又は片面側からガラス板で拘束する状態で、一方向に大きな磁界を加えることにより着磁させて、薄膜永久磁石を得ている。これにより、着磁の際の磁気エネルギーにより発生した力により、可動子が何れかの方向に曲がった状態に変形することを防止することができる。

上記の可動子を含む素子を、外径４．６ｍｍ、内径２．７ｍｍ、巻数９５回のコイルの中央に配置し、通電電流に対して可動子の変位を計測した。その結果、図８に示すように、通電電流に対して略直線的に増加する変位が得られ、巻線電流０．６Ａに対して約７００μｍの大きな変位が得られた。また、アクチュエータの耐久性を確認する為、最大０．４Ａの正弦波電流を加えたところ、可動子は、約５００μｍの変位を上下方向に繰返し、１００００回の駆動を行った後も異常は認められなかった。

以下に、上記実施の形態に対する比較例１，２について説明する。尚、比較例１，２は、不具合が生じた例である。
（比較例１）
比較例１では、先ず、表面シリコン層の厚さが５μｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意し、湿潤酸素中で１０００℃に加熱し、基板の両面にシリコン酸化膜を形成した。次に、ＳＯＩ側の表面に貫通加工される部分が開口するように、フォトリソグラフィにより図５に示すレジストパターンを形成した。裏面を保護膜で覆った後、この基板を、１１５℃に加熱した水酸化カリウムの３０％水溶液に浸し、ＳＯＩ層の開口部のシリコンを異方性エッチングにより除去した。

次に、ＳＯＩ基板の裏面のシリコン酸化膜上に、固定部以外が開口するようなレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成した。ＳＯＩ層側を保護膜で覆った後、同じく１１５℃に加熱した水酸化カリウムの３０％水溶液で基板側の開口部のシリコンを異方性エッチングにより除去した。最後に、フッ酸によりシリコン酸化膜を除去して、シリコンからなる可動子及び梁の一体構造を完成させた。
薄膜永久磁石は、メタルマスクで可動子以外の部分を覆った状態で、ターゲットとなる物質をスパッタリングすることにより形成した。本比較例１では、Ｎｄ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＴａとを交互に堆積させた多層構造を有する薄膜永久磁石を、図３で説明した電磁駆動型アクチュエータの製造方法と同じ条件で厚さ３μｍ形成した。

上記の可動子を含む素子を外径４．６ｍｍ、内径２．７ｍｍ、巻き数９５回のコイルの中央に配置し、コイルの通電電流に対する可動子の変位を計測した。通電電流に対して略直線的に増加する変位が得られ、コイル電流０．５Ａに対して約５００μｍの変位が得られた。
しかし、アクチュエータの耐久性を確認する為、コイルに最大０．５Ａの正弦波電流を与えたところ、約７００回の上下の揺動を繰返した後、梁の部分が損傷した。

（比較例２）
比較例２では、単結晶シリコンウェーハの両面に、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によりシリコン酸化膜を厚さ３μｍ堆積させた。以下、図３で説明した電磁駆動型アクチュエータの製造方法と同様の工程に従って、シリコン酸化膜からなる可動子及び梁の一体構造を形成した。得られた構造体は、シリコン酸化膜の内部に残留した応力により、取除いたシリコンウェーハ部分に対して大きく凸状に湾曲したものであった。この湾曲が発生した為、メタルマスクと構造体との位置合せができず、メタルマスク法により永久磁石薄膜を可動子部分へ選択的に形成することができなかった。

本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの実施の形態の構成を模式的に示す上面図及び側縦断面図である。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの実施の形態の構成を模式的に示す上面図及び側縦断面図である。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法の例を示すフローチャートである。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの製造方法の例を示す説明図である。ウェーハの表面に形成する可動子、梁及び固定部の各パターン例を示す説明図である。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータに使用する薄膜永久磁石の磁化特性の例を示す特性図である。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータに使用する永久磁石薄膜の膜面に対して垂直方向の磁気特性の例を示す図表である。本発明に係る電磁駆動型アクチュエータの、通電電流に対する可動子の変位の例を示す特性図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ可動子
２，２ａ，２ｂ固定部
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ梁（支持部）
４薄膜永久磁石
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄコイル
１１単結晶シリコンウェーハ
１２シリコン窒化膜
１３銅のスパッタ膜
１４フォトレジスト

Claims

固定部と、可動子と、該可動子を固定部に連結して支持する１又は複数の可撓性の支持部と、前記可動子に形成された永久磁石と、該永久磁石の周囲に磁界を発生させるコイルとを備え、該コイルが発生させた磁界により前記可動子を変位させる電磁駆動型アクチュエータにおいて、
前記可動子及び支持部は、シリコン窒化膜により一体形成されており、前記永久磁石は、ＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させた多層膜構造を有する膜状の永久磁石であることを特徴とする電磁駆動型アクチュエータ。
但し、
ＲＥは希土類金属元素の何れか１つ、
ＭはＴａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ及びＭｏの内の少なくとも１つ。
前記コイルを複数備え、複数の該コイルが発生させた各磁界に応じて前記可動子を多自由度で変位させるように構成してある請求項１記載の電磁駆動型アクチュエータ。
前記可動子は、四角形の平板状をなし、前記永久磁石が片面又は両面の一部若しくは全部に形成されており、前記固定部は、前記可動子を囲繞する枠状をなしており、前記支持部及びコイルをそれぞれ４つ備え、４つの支持部は、前記可動子の四隅を前記固定部にそれぞれ連結して支持し、４つのコイルは、前記可動子の四隅にそれぞれ対向するように配設されている請求項２記載の電磁駆動型アクチュエータ。
前記コイルは、膜状の平面コイルで形成してある請求項１乃至３の何れか１つに記載の電磁駆動型アクチュエータ。
請求項１に記載された電磁駆動型アクチュエータの製造方法であって、
半導体基板の両面にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、該工程で堆積させた一方のシリコン窒化膜の表面に可動子及び支持部を形成する為のレジストパターンを、他方のシリコン窒化膜の表面に固定部を形成する為のレジストパターンをそれぞれ形成する工程と、該工程でレジストパターンを形成した部分以外のシリコン窒化膜を除去する工程と、前記固定部をなす部分以外の半導体基板を貫通加工により除去する工程と、前記可動子部分のシリコン窒化膜にＲＥ₂ Ｆｅ₁₄ＢとＭとを交互に堆積させて多層膜構造を有する膜状の永久磁石を形成する工程と、前記可動子部分を両面側又は片面側から非磁性部材で拘束する状態で、前記永久磁石に一方向の磁界を加えて着磁させる工程とを備えることを特徴とする電磁駆動型アクチュエータの製造方法。