JP2011020207A - プレーナ型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の揺動を検出するためのピエゾ抵抗素子によってトーションバーの幅が制約されることがなく、かつ、可動部の揺動に伴ってピエゾ抵抗素子の抵抗値を大きく変化させて、高い検出精度が得られるプレーナ型アクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１は、枠状の固定部２と、一対のトーションバー３ａ，３ｂと、可動部４とを備え、前記可動部４は、前記一対のトーションバー３ａ，３ｂを介して前記固定部２の開口部に揺動可能に支持される。前記固定部２のトーションバー３ａが接続される部分、及び、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分に、トーションバー３ａ，３ｂの軸を挟んで、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを配置する。そして、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの抵抗値変化によって出力電圧が変化するブリッジ回路を構成し、ブリッジ出力から前記可動部４の揺動を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対のトーションバーによって支持される可動部を揺動させるプレーナ型アクチュエータに関する。

従来、上記プレーナ型アクチュエータを用いるデバイスとして、特許文献１に開示されるガルバノミラーがある。このガルバノミラーでは、トーションバーに歪ゲージ（ピエゾ抵抗素子）を形成し、該歪ゲージの抵抗値変化を測定して、ミラー面（可動部）の傾斜角度を制御している。

特開平５−１１９２８０号公報

ところで、前記トーションバーの幅は、共振周波数の要求などから決定される場合があるが、前述のようにトーションバーにピエゾ抵抗素子を形成させる構成では、ピエゾ抵抗素子及び該ピエゾ抵抗素子の配線によって前記トーションバーの最小幅が制約され、共振周波数の要求を満たす幅に設定できなくなる場合があった。また、トーションバーでは主にせん断力が発生するため、トーションバーにピエゾ抵抗素子を設ける場合、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化が小さく、高い検出精度を得ることが難しいという問題があった。

本発明は上記問題点に着目してなされたものであり、ピエゾ抵抗素子によってトーションバーの幅が制約されることがなく、かつ、可動部の揺動に伴ってピエゾ抵抗素子の抵抗値を大きく変化させて、高い検出精度が得られるプレーナ型アクチュエータを提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、枠状の固定部と、前記固定部の内側に、一対のトーションバーを介して揺動可能に支持された可動部と、前記可動部を揺動させる駆動手段と、前記固定部の前記トーションバーが接続される部分に配置されるピエゾ抵抗素子とを備える構成とした。

かかる構成では、固定部のトーションバーが接続される部分に、可動部の揺動に伴って応力が発生すると、この応力が、ピエゾ抵抗素子の抵抗値を変化させるので、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づき、可動部の揺動が検出される。前記ピエゾ抵抗素子は固定部に配置されるため、ピエゾ抵抗素子やその配線によってトーションバーの幅が制約されることが回避され、また、可動部の揺動に伴って固定部に発生する応力は引張・圧縮応力が主になるため、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を、トーションバーにピエゾ抵抗素子を設ける場合よりも大きくできる。

請求項１の構成において、請求項２のように、前記固定部の前記トーションバーが接続される部分に、前記固定部の他の部分よりも薄い薄肉部を形成するとよい。この場合、前記固定部のトーションバーが接続される部分が薄肉に形成されることで、ピエゾ抵抗素子の配置部分における剛性が低下し、可動部の揺動に伴うトーションバーのねじれが固定部に伝わり易くなり、より広範囲に引張・圧縮応力を発生させることができ、この引張・圧縮応力の発生域にピエゾ抵抗素子を配置することで、大きな抵抗値変化を発生させることができる。

また、請求項１又は２の構成において、請求項３のように、一対のピエゾ抵抗素子を、前記可動部の揺動に伴って一方に対して圧縮応力が加わるときに、他方に対して引張応力が加わるように、前記トーションバーの幅方向に離間させて配置するとよい。この場合、可動部の揺動に伴って、一方のピエゾ抵抗素子に圧縮応力が加わると、他方のピエゾ抵抗素子には引張応力が加わることになるから、ピエゾ抵抗素子それぞれでの抵抗値変化の方向が異なり、抵抗値の変化をブリッジ回路によって検出する場合に、高いブリッジ出力（出力電圧）を得ることができる。

上記請求項３の構成においては、請求項４のように、前記固定部の一方のトーションバーが接続される部分と他方のトーションバーが接続される部分とにそれぞれ一対のピエゾ抵抗素子を配置するとよい。この場合、４個のピエゾ抵抗素子の抵抗値が、可動部の揺動に応じてそれぞれ変化し、例えばこれらのピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を構成することで、高いブリッジ出力（出力電圧）を得ることができる。

また、上記請求項３の構成において、請求項５のように、前記一対のピエゾ抵抗素子に接続されてブリッジ回路を構成する一対の固定抵抗素子を、前記一対のピエゾ抵抗素子と共に、前記固定部の１辺に配置することができる。この場合、固定部の１辺に、可動部の揺動に応じて抵抗値が変化する一対のピエゾ抵抗素子と共にブリッジ回路を構成する一対の固定抵抗素子が配置されるので、ブリッジ回路を構成するための抵抗素子間の接続が容易に行える。

また、上記請求項３の構成において、請求項６のように、前記一対のピエゾ抵抗素子が、外部の一対の固定抵抗素子に接続されてブリッジ回路を構成するようにできる。この場合、プレーナ型アクチュエータに対して可動部の揺動検出のために設けられる一対のピエゾ抵抗素子に対して、外部の一対の固定抵抗素子を接続することで、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化に応じた出力を発生するブリッジ回路が構成されるので、プレーナ型アクチュエータにおける抵抗素子の配置及び該抵抗素子のための配線の引き回しが簡略化される。

上記請求項３〜６のいずれか１つに記載の構成において、請求項７のように、前記一対のピエゾ抵抗素子が、前記固定部に形成される拡散導通部を介して接続される構成とするとよい。この場合、例えば駆動手段のアルミニウム配線などを避けて、一対のピエゾ抵抗素子の間を接続することができ、配線の引き回しを簡略化できる。

かかるプレーナ型アクチュエータによれば、ピエゾ抵抗素子を固定部に配置するので、トーションバーの幅がピエゾ抵抗素子によって制約されることがなく、トーションバーの幅を固有振動数などの要求に応じた値に設定できるようになると共に、トーションバーでは主にせん断力が発生するのに対し、固定部では主に引張・圧縮応力が発生するから、この引張・圧縮応力によってピエゾ抵抗素子の抵抗値を大きく変化させて、高い検出精度を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るプレーナ型アクチュエータを示す平面図 同上第１実施形態におけるブリッジ回路を示す回路図 同上第１実施形態における拡散導通部を示す断面図 同上第１実施形態におけるピエゾ抵抗素子・配線・電気端子を示す部分拡大図 同上第１実施形態における配線パターンの別の例を示す部分拡大図 同上第１実施形態におけるピエゾ抵抗素子の製造工程を示す図 本発明の第２実施形態に係るプレーナ型アクチュエータを示す図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図 本発明の第３実施形態に係るプレーナ型アクチュエータを示す平面図 同上第３実施形態におけるブリッジ回路を示す回路図 同上第３実施形態における制御ユニット側の回路構成を示す回路図 本発明の第４実施形態に係るプレーナ型アクチュエータを示す平面図 同上第４実施形態における制御ユニット側の回路構成を示す回路図 本発明の第５実施形態に係るプレーナ型アクチュエータを示す平面図

以下、本発明の実施の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アクチュエータの第１実施形態を示す。図１に示すプレーナ型アクチュエータは、半導体製造技術を利用して製造したＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）デバイスであり、電磁駆動式のアクチュエータである。

図１において、このアクチュエータ１は、枠状の固定部２と、一対のトーションバー３ａ，３ｂと、可動部４とを備え、前記可動部４は、前記一対のトーションバー３ａ，３ｂを介して前記固定部２の開口部に揺動可能に支持される。前記固定部２、トーションバー３ａ，３ｂ及び可動部４は、半導体基板を用いて一体に形成される。具体的には、例えば、Ｓｉ単結晶基板をＫＯＨ水溶液による結晶軸異方性エッチングを行うことによって、前記トーションバー３ａ，３ｂ及び可動部４が形成される。

前記可動部４の周縁部には、通電時に磁界を発生する駆動コイル５が形成され、該駆動コイル５は、トーションバー３ａ，３ｂ上に形成されるアルミニウム配線６ａ，６ｂを介し、固定部２に形成された一対の電極端子７ａ，７ｂに電気的に接続される。前記電極端子７ａ，７ｂは、図外の駆動回路（制御ユニット）の電極端子に対し、例えばワイヤーボンディング等により電気的に接続される。

また、トーションバー３ａ，３ｂの軸方向と平行な可動部４の対辺部と対面する固定部２の外方には、トーションバー３ａ，３ｂの軸方向と平行な可動部４の対辺部の駆動コイル５部分に静磁界を作用させる静磁界発生手段である一対の永久磁石８，８が、互いに反対磁極を対向して配置されている。尚、永久磁石８，８は、可動部に対してローレンツ力が働く磁場を生じるように配置すればよく、図１に示した配置の他、例えば特開平７−１７５００５号公報に開示されるように、対をなす永久磁石を上下に配置する構成とすることができ、また、特開２００４−２０６０４３号公報に開示されるように、トーションバーの軸方向に対して略直角でかつ可動部に対して略平行な外部磁界成分を発生するように、永久磁石を配置する構成などであってもよく、更には、永久磁石８，８に代えて電磁石を用いることもできる。上記駆動コイル５と永久磁石８，８（電磁石）とによって、アクチュエータ１の駆動手段が構成される。

そして、前記駆動コイル５に電流を供給すると、永久磁石８，８によって発生する静磁界が、トーションバー３ａ，３ｂの軸方向と平行な可動部４の対辺部を流れる駆動コイル５の電流に作用することで、駆動コイル５にローレンツ力を発生させ、上記可動部４を、前記トーションバー３ａ，３ｂを中心に揺動させる。ここで、前記トーションバー３ａ，３ｂと可動部４の固有振動数に略等しい周波数の電流が駆動コイル５に供給されると、可動部４はこの周波数で共振し、効率よく揺動することになる。

尚、駆動手段は、前記駆動コイル５と永久磁石８，８とによって構成される電磁式のものに限定されず、例えば、特開平５−１１９２８０号公報に開示されるように、可動部４の裏面と対向する基板上に設けられた電極に電圧を印加することで、前記裏面側との間で静電力を作用させる駆動手段であってもよい。また、例えば、前記可動部４に反射ミラーを設けることで、前記アクチュエータ１は、レーザプリンタのスキャナや、投影型のディスプレイのスキャナ等として用いられる。

前記アクチュエータ１の固定部２には、可動部４の揺動（振動）を検出するための揺動検出手段としての４個のピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄが配置されている。前記４個のピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄは、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分、及び、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分に、それぞれ２個を一組として配置される。前記トーションバー３ａ側に設けられる一対のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ、及び、前記トーションバー３ｂ側に設けられる一対のピエゾ抵抗素子１０ｃ，１０ｄは、固定部４のトーションバー３ａ，３ｂ寄りの可動部４の揺動によって引張・圧縮応力が発生する領域に、トーションバー３ａ，３ｂの軸を挟んで、トーションバー３ａ，３ｂの幅方向に離間して対向配置される。

前記トーションバー３ａ，３ｂが接続される固定部２の１辺には、前記駆動コイル５用の電極端子７ａ，７ｂと共に、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄ用の電極端子１１ａ〜１１ｆが配置されており、前記電極端子７ａ，７ｂ及び電極端子１１ａ〜１１ｆは、固定部２の端縁に沿って略直線的に並べられる。
尚、図１に示す実施形態では、前記電極端子７ａ，７ｂ及び電極端子１１ａ〜１１ｆを略直線的に並べたが、直線的に並べる構成に限定されるものではなく、また、並び方向での電極端子の設置間隔も適宜設定することができる。

前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極とは、固定部２において相互に接続され、ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の他方の電極は、アルミニウム配線１２ａ（１２ｃ）によって前記電極端子１１ａ（１１ｃ）に接続され、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の他方の電極は、アルミニウム配線１２ｂ（１２ｄ）によって前記電極端子１１ｂ（１１ｄ）に接続される。また、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極とは、前記駆動コイル５のアルミニウム配線６ａ，６ｂを避けるために、後で詳細に説明するように、拡散導通部１３ａ，１３ｂを介して電気的に接続されるが、この拡散導通部１３ａ，１３ｂの中間部と前記電気端子１１ｅ，１１ｆとが、アルミニウム配線１４ａ，１４ｂによって接続される。

そして、図外の制御ユニットの電気端子と前記電気端子１１ａ〜１１ｆとが、例えばワイヤーボンディング等により電気的に接続されることで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄが、図２に示すようにブリッジ回路を構成し、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの抵抗値変化を、前記ブリッジ回路の出力変化に基づいて検出するようになっており、前記電気端子１１ｅ，１１ｆは、ブリッジ出力（Ｖ）を取り出すための端子となる。

即ち、図２に示すように、電気端子１１ａ，１１ｄを接続することで、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｄを直列に接続し、また、電気端子１１ｂ，１１ｃを接続することで、ピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｃを直列に接続し、更に、電気端子１１ａ，１１ｄの接続部と、電気端子１１ｂ，１１ｃの接続部に対して電源Ｖｏを接続し、前記ピエゾ抵抗素子１０ｃとピエゾ抵抗素子１０ｄとの間の電位と、ピエゾ抵抗素子１０ａとピエゾ抵抗素子１０ｂとの間の電位との差を、電気端子１１ｅ，１１ｆ間の電位差として取り出すようになっている。そして、前記制御ユニットでは、前記ブリッジ回路の出力から前記可動部４の揺動を検出し、該検出結果に基づいて駆動コイル４への通電制御を行う。

ところで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）とピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）との間には、駆動コイル５用のアルミニウム配線６ａ（６ｂ）が延設されるため、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極とをアルミニウム配線で接続させようとすると、アルミニウム配線６ａ，６ｂと同一面上に配線することになるため、アルミニウム配線６ａ，６ｂ及び電極端子７ａ，７ｂを避けるように大きく迂回させて配線させる必要が生じ、配線構造が複雑化してしまう。

そこで、本実施形態では、半導体基板材料中に不純物を拡散させて形成される拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂを、アルミニウム配線６ａ，６ｂの下層にトーションバー３ａ，３ｂの幅方向に沿って延設させ、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極とを、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂを介して接続させるようにしている。即ち、アルミニウム配線６ａ，６ｂに対して基板の厚さ方向に逃げて設置される拡散導通部１３ａ，１３ｂを設けることで、アルミニウム配線６ａ，６ｂを横断する方向で、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極とを接続できるようにしてあり、これによって、ピエゾ抵抗素子同士の接続を短い距離で行える。

詳細には、図３に示すように、半導体基板（シリコン基板）２１の上に絶縁膜（シリコン酸化膜）２２が皮膜され、この絶縁膜２２の表面に前記アルミニウム配線６ａ，６ｂが設けられ、このアルミニウム配線６ａ，６ｂ直下の半導体基板（シリコン基板）２１に対して不純物を拡散させて、アルミニウム配線６ａ，６ｂの延設方向と直交する方向に延設される拡散導通部１３ａ，１３ｂを形成する。

ここで、拡散導通部１３ａ，１３ｂの長さは、アルミニウム配線６ａ，６ｂの幅よりも長くなるように形成され、かつ、拡散導通部１３ａ，１３ｂの一端は、アルミニウム配線６ａ，６ｂのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃ側の側縁よりもピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃにより近い位置まで延設され、拡散導通部１３ａ，１３ｂの他端は、アルミニウム配線６ａ，６ｂのピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄ側の側縁よりもピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄにより近い位置まで延設される。そして、図４に示すように、拡散導通部１３ａ，１３ｂの一端と、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃの一方の電極とを、アルミニウム配線１５ａ，１５ｂで接続し、拡散導通部１３ａ，１３ｂの他端と、ピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄの一方の電極とを、アルミニウム配線１６ａ，１６ｂで接続する。

前述のように、ブリッジ出力の取り出しのために、前記拡散導通部１３ａ，１３ｂと、前記電気端子１１ｅ，１１ｆとが接続されるが、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの抵抗によってブリッジ回路の抵抗値に偏りを生じないように、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの中間点（電気抵抗が略半分になる点）と電気端子１１ｅ，１１ｆとを接続させている。そして、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの中間点（電気抵抗が略半分になる点）と電気端子１１ｅ，１１ｆとの接続を可能にするため、少なくとも前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂが設けられる部分での前記アルミニウム配線６ａ，６ｂの延設位置を、トーションバー３ａ，３ｂの幅中心に対してずらしている。

換言すれば、ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）とピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）、及び、拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂは、トーションバー３ａ，３ｂの幅方向の中心軸に対して略線対称に配置されるのに対し、少なくとも前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂが設けられる部分での前記アルミニウム配線６ａ，６ｂの設置位置は、前記中心軸よりもピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）側或いはピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）側にずらしてある。これにより、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの中間点（電気抵抗が略半分になる点）と、前記アルミニウム配線６ａ，６ｂとが重なることがなく、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの中間点（電気抵抗が略半分になる点）と電気端子１１ｅ，１１ｆとのアルミニウム配線１４ａ，１４ｂによる接続を可能にしている。

図５は、図４の前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂを用いずに、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）とピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）との直列接続を可能にする配線パターンを示す。
図５に示す例では、前記アルミニウム配線６ａ（６ｂ）は、トーションバー３ａ（３ｂ）の略幅中心において直線的に延設され、固定部２の端縁に配置される電極端子７ａ（７ｂ）に接続される。

一方、ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の一方の電極（可動部４から遠い側の電極）は、略直線的に延設されるアルミニウム配線１２ａ（１２ｃ）によって前記電極端子１１ａ（１１ｃ）に接続され、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の一方の電極（可動部４から遠い側の電極）は、アルミニウム配線１２ｂ（１２ｄ）によって前記電極端子１１ｂ（１１ｄ）に接続される。
前記電極端子１１ａ（１１ｃ）と前記電極端子７ａ（７ｂ）との間には、ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）とピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）との間の電位を取り出すための電極端子１１ｅ（１１ｆ）が配置されている。

そして、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）の他方の電極（可動部４に近い側の電極）は、アルミニウム配線１８ａ（１８ｃ）によって電極端子１１ｅ（１１ｆ）に接続され、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の他方の電極（可動部４に近い側の電極）は、アルミニウム配線１８ｂ（１８ｄ）によって電極端子１１ｅ（１１ｆ）に接続される。
ここで、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の他方の電極（可動部４に近い側の電極）と前記電極端子１１ｅ（１１ｆ）とを最短距離で接続させようとしても、その間に、アルミニウム配線６ａ（６ｂ）が延設されており、最短距離で接続させることができない。

そこで、前記アルミニウム配線１８（１８ｄ）は、電極端子１１ｅ（１１ｆ）に一端が接続され、固定部２の端縁と電気端子１１ｅ（１１ｆ）及び電気端子７ａ（７ｂ）と挟まれる領域を、前記電極端子１１ｂ（１１ｄ）に向けて延設され、更に、前記電気端子７ａ（７ｂ）と電極端子１１ｂ（１１ｄ）とで挟まれる領域を可動部４に向けて延設されて、前記ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の他方の電極（可動部４に近い側の電極）に接続される。
即ち、ピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）の他方の電極（可動部４に近い側の電極）と、電極端子１１ｅ（１１ｆ）とを、前記アルミニウム配線６ａ（６ｂ）及び電極端子７ａ（７ｂ）を迂回して接続させるようにしてある。

上記の配線パターンでは、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂを用いないで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ（１０ｃ）とピエゾ抵抗素子１０ｂ（１０ｄ）との直列接続を行えるから、配線を容易に行え、また、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂによる抵抗値の偏りがないので、可動部４の揺動（振動）を高精度に検出できる。
尚、本実施形態では、前述のようにアルミ配線を用いるが、アルミ配線に限定するものではなく、導電性を有する材料を配線材料として適宜選択できる。

図６は、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの形成方法を示す。まず、図６（ａ）に示す２枚の単結晶シリコンウェハ２１ａ，２１ｃの間に熱酸化膜層２１ｂを挟んで接合したＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハ（半導体基板）２１表面に、図６（ｂ）に示すように、例えば、酸化炉などを用いてシリコン酸化膜２２を被膜する。その後、図６（ｃ）に示すように、固定部２のトーションバー３ａ，３ｂの接続部分に、イオン注入または熱拡散によりピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを形成する。

このピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの形成手段としては、例えば、単結晶シリコンウェハ２１ａがｎ型単結晶シリコン材料で形成されている場合には、ｎ型単結晶シリコン材料に、例えば、不純物を添加してｐ型領域を形成するようにしてもよいし、別工程でｐ型単結晶シリコン材料を作成しておき、このｐ型単結晶シリコン材料を固定部２に貼り付けて形成するようにしてもよい。また、単結晶シリコンウェハ２１ａがｐ型単結晶シリコン材料で形成されている場合にも、同様の手段によりピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを形成すればよい。

次いで、図６（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの表面に、例えば、酸化炉などを用いてシリコン酸化膜２２を形成する。その後、図６（ｅ）に示すように、電極取出し用コンタクト部分以外の部分をマスクし、シリコン酸化膜２２のエッチングを行い、コンタクト２３を形成する。そして、図６（ｆ）に示すように、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの電極及び電極端子に相当する部分以外をマスクし、アルミニウムエッチングを行い、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの電極と電極端子１１ａ〜１１ｄとを接続するアルミニウム配線１２ａ〜１２ｄを形成する。次いで、図６（ｇ）に示すように、アルミニウム配線１２ａ〜１２ｄを保護するため、例えば、感光性ポリイミドなどの絶縁膜２４で被覆する。

尚、拡散導通部１３ａ，１３ｂは、図６に示すピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの形成工程において同時並行に形成され、図４に示す配線パターンにおける拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂの中間点と電気端子１１ｅ，１１ｆとを接続させるアルミニウム配線１４ａ，１４ｂも、アルミニウム配線１２ａ〜１２ｄと同様にして形成される。

上記第１実施形態のプレーナ型アクチュエータ１によると、前記固定部２のトーションバー３ａ，３ｂの接続部には、可動部４の揺動に応じて引張・圧縮応力が発生し、この引張・圧縮応力の発生領域にトーションバー３ａ，３ｂの軸を挟んでピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ及びピエゾ抵抗素子１０ｃ，１０ｄが配置されるので、例えば、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃに引張応力が加わる場合、トーションバー３ａ，３ｂの軸を挟んで対向するピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄには圧縮応力が加わる。

前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄが、例えばｐ型拡散抵抗により形成されている場合、引張応力が加わるピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃの抵抗値は増加し、圧縮応力が加わるピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄの抵抗値は減少し、前記図２のブリッジ回路の出力電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖａ−Ｖｂ）の値は負になる。逆に、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄが、ｐ型拡散抵抗により形成されている場合に、可動部４の傾き方向が切り替わって、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃに圧縮応力が加わると、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｃの抵抗値は減少し、ピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄに引張応力が加わると、ピエゾ抵抗素子１０ｂ，１０ｄの抵抗値は増加し、前記図２のブリッジ回路の出力電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖａ−Ｖｂ）の値は正になる。

従って、前記ブリッジ回路の出力電圧Ｖの正負から、可動部４の傾き方向を判断でき、また、電圧値から傾斜角を検出することができ、これらの検出結果に基づいて前記駆動コイル５への通電がフィードバック制御される。ここで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄは、トーションバー３ａ，３ｂではなく固定部２に配置されるから、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄ及びその配線によってトーションバー３ａ，３ｂの幅が制約されることがなく、トーションバー３ａ，３ｂの幅を固有振動数の要求などに応じた最適値に設定できる。

また、可動部４の揺動に伴ってトーションバー３ａ，３ｂでは主にせん断力が発生するため、前記ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄをトーションバー３ａ，３ｂに配置した場合、可動部４の揺動によるピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの抵抗値変化が小さく、高いブリッジ出力を得ることが難しい。これに対し、上記第１実施形態のように、固定部２のトーションバー３ａ，３ｂが接続される部分にピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを配置する構成であれば、固定部２において可動部４の揺動に伴い主に引張・圧縮応力が発生し、一対のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ（１０ｃ，１０ｄ）の一方に引張応力が加わり、他方に圧縮応力が加わって、大きな抵抗値差を生じさせるので、高いブリッジ出力を得て、可動部４の揺動状態の検出を高精度に行える。

また、ブリッジ回路を構成するためのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ（１０ｃ，１０ｄ）間の接続を、前記拡散導通部（拡散抵抗）１３ａ，１３ｂを介して行わせることで、アルミニウム配線６ａ，６ｂの設置部分を大きく迂回して、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ（１０ｃ，１０ｄ）間の接続するためのアルミニウム配線を設ける必要がなく、固定部２における配線の引き回しを簡略化できる。

上記のように、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄは、可動部４の揺動に伴って固定部２に発生する引張・圧縮応力によって抵抗値が変化し、抵抗値が変化することでブリッジ出力が変化して、可動部４の揺動が検出される。従って、トーションバー３ａ，３ｂが接続される固定部２に、可動部４の揺動に伴い引張・圧縮応力を発生させる必要があるが、例えば、トーションバー３ａ，３ｂを細く形成して固有振動数を低くする場合、固定部２における引張・圧縮応力の発生域が狭くなり、また、発生する引張・圧縮応力が小さくなってしまう場合がある。

ここで、前記固定部２のトーションバー３ａ，３ｂが接続される部分に、前記固定部２の他の部分よりも薄い薄肉部を形成することで、引張・圧縮応力の発生領域の拡大、発生する引張・圧縮応力の増大を図ることができ、前記薄肉部を形成した第２実施形態を以下に説明する。

図７は、前記薄肉部を設けた第２実施形態を示す。尚、図７（ａ），（ｂ）は、アクチュエータ１の片側半分（トーションバー３ａ側）を示すが、薄肉部は、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分と、トーションバー３ｂが接続される部分との双方に、同様にして設けられているものとする。また、図７に示すプレーナ型アクチュエータ１は、薄肉部３１を備えること以外は、第１実施形態と同様であり、同一要素には同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図７に示す第２実施形態のアクチュエータ１において、固定部２の厚さＤは、Ｄ１に設定されているが、固定部２のトーションバー３ａ，３ｂが接続される部分での厚さＤを、トーションバー３ａ，３ｂ及び可動部４と同じ厚さであり、前記Ｄ１よりも小さいＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）に設定し、薄肉部３１を設けてある。

アクチュエータ１の製造工程においては、シリコン基板２１の支持基板３２を、シリコン基板２１下面の絶縁層まで異方性エッチングして除去することで、トーションバー３ａ，３ｂ及び可動部４がシリコン基板２１の厚さＤ２に形成され、固定部２は、シリコン基板２１と支持基板３２とが積層された厚さＤ１に形成される。ここで、前記異方性エッチングにおいて固定部２のトーションバー３ａ，３ｂが接続される部分の所定領域についても支持基板３１を除去することで、トーションバー３ａ，３ｂ及び可動部４と同じ厚さＤ２の領域、即ち、薄肉部３１が固定部２に設けられる。

前記薄肉部３１（厚さＤ２の領域）は、図７（ａ）に示すように、トーションバー３ａ，３ｂの幅方向において、トーションバー３ａ，３ｂの幅Ｗ１よりも広く、固定部２の全幅ＦＷよりも狭く、また、トーションバー３ａ，３ｂの軸方向において固定部２の枠幅Ｗ２よりも狭く、トーションバー３ａ，３ｂの幅方向の中心軸に対して略対称に設けられている。そして、前記薄肉部３１に、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを配置し、薄肉部３１に発生する引張・圧縮応力によってピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの抵抗値が変化するようにしてある。

上記のように薄肉部３１を設ければ、該薄肉部３１の剛性が低くなることで、可動部４の揺動に伴うトーションバー３ａ，３ｂのねじれが固定部２に伝わり易くなり、固定部２のより広範囲に強い引張・圧縮応力を発生させることができ、この引張・圧縮応力の発生域にピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄを配置することで、大きな抵抗値変化を発生させることができる。

前記薄肉部３１は、トーションバー３ａ，３ｂのねじれに起因する固定部２の応力分布を考慮した上で、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄのそれぞれについて、局所的でなく所定の範囲で応力が分布するように形成すればよい。例えば、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの所定の範囲で応力が分布するように、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄのそれぞれを、薄肉部３１と他の部分とに跨るように配置してもよいが、ピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄの全部分を薄肉部３１に配置することが好ましい。
尚、薄肉部３１の厚さＤ２は、固定部２の他の部分の厚さＤ１よりも薄ければよく、トーションバー３ａ，３ｂよりも厚く又は薄く形成することができる。また、薄肉部３１を、トーションバー３ａ，３ｂの軸方向と平行な固定部２の両側方端面２ａ，２ｂの一方から他方にかけて連続して形成することができる。

上記第１，第２実施形態では、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分に、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂを配置し、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分に、ピエゾ抵抗素子１０ｃ，１０ｄを配置し、これら４個のピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄでブリッジ回路を構成したが、トーションバー３ａ側とトーションバー３ｂ側とのいずれか一方にのみ２個のピエゾ抵抗素子１０を配置し、この２個のピエゾ抵抗素子１０と、２個の固定抵抗素子とでブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路でピエゾ抵抗素子１０の抵抗値変化を検出させることができる。

図８は、固定部２に対して２個のピエゾ抵抗素子１０と２個の固定抵抗素子とを配置した第３実施形態を示す。図８において、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分に、一対のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂが配置され、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分には、ピエゾ抵抗素子は配置されない。尚、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分にはピエゾ抵抗素子を配置せずに、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分にピエゾ抵抗素子を配置する構成であってもよい。

前記ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂは、第１実施形態と同様に、拡散導通部１３ａを介して電気的に接続され、この拡散導通部１３ａの中間部と電気端子１１ｅとが、アルミニウム配線１４ａによって接続される。また、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂを挟んで２個の固定抵抗素子４１ａ，４１ｂを、固定部２に配置してあり、ピエゾ抵抗素子１０ａの拡散導通部１３ａが接続される側とは逆側の電極と固定抵抗素子４１ａの一方の電極とがアルミニウム配線４４ａによって接続され、ピエゾ抵抗素子１０ｂの拡散導通部１３ａが接続される側とは逆側の電極と固定抵抗素子４１ｂの一方の電極とがアルミニウム配線４４ｂによって接続される。

また、固定抵抗素子４１ａの他方の電極と電気端子４２ａとがアルミニウム配線４５ａによって接続され、固定抵抗素子４１ｂの一方の電極と電気端子４２ｂとがアルミニウム配線４５ｂによって接続される。更に、前記アルミニウム配線４４ａの途中と電気端子４３ａとがアルミニウム配線４６ａによって接続され、前記アルミニウム配線４４ｂの途中と電気端子４３ｂとがアルミニウム配線４６ｂによって接続されている。

電気端子７ａ，１１ｅ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂは、固定部２の端縁に沿って直線的に配置されている。そして、制御ユニット８１の電気端子と前記電気端子１１ｅ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂとが、例えばワイヤーボンディング等により電気的に接続されることで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ及び固定抵抗素子４１ａ，４１ｂは、図９に示すようなブリッジ回路を構成する。

具体的には、図９に示すように、前記電気端子４２ａ，４２ｂ相互を接続することで、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ及び固定抵抗素子４１ａ，４１ｂがブリッジ回路を形成し、該ブリッジ回路に対する電源供給は、電気端子４３ａ，４３ｂを電源Ｖｏに接続することでなされ、ブリッジ出力は、電気端子４２ａ，４２ｂの接続部と電気端子１１ｅとの電位差として取り出される。

図１０は、前記ブリッジ回路を構成するための前記制御ユニット８１における回路を示すものであり、制御ユニット８１には、前記電気端子４２ａ，４３ａ，１１ｅ，４３ｂ，４２ｂに対応する５個の電気端子８２ａ〜８２ｅが設けられており、アクチュエータ１側の電気端子４２ａ，４３ａ，１１ｅ，４３ｂ，４２ｂと、制御ユニット８１側の電気端子８２ａ〜８２ｅとが、それぞれがワイヤーボンディング８３により電気的に接続される。

そして、制御ユニット８１内では、電気端子８２ａと電気端子８２ｅとが配線８４によって電気的に接続され、電気端子８２ｂと電気端子８２ｄとが配線８５によって接続され、前記配線８５途中に電源Ｖｏが介装される。また、配線８４の電圧と、電気端子８２ｃとの電位差が、出力電圧Ｖ（ブリッジ出力）として検出され、該出力電圧Ｖに基づいて可動部４の揺動位置（揺動角度）が検出されるようになっている。但し、ブリッジ回路の構成を図９，１０のものに限定するものではなく、例えば、前記ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂの接続部を電源供給部とすることができる。

上記第３実施形態によると、ブリッジ回路を構成する抵抗素子が、固定部２の１辺に集めて配置されるから、固定部２の両端にそれぞれピエゾ抵抗素子１０が配置され、これらのピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄによってブリッジ回路を構成する場合に比べて、抵抗素子間の接続を容易に行える。但し、図９のように、２個のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂと２個の固定抵抗素子４１ａ，４１ｂとでブリッジ回路を構成した場合よりも、図２に示したように、４個のピエゾ抵抗素子１０ａ〜１０ｄでブリッジ回路を構成した方が、大きなブリッジ出力（出力電圧Ｖ）を得ることができる。

尚、前記固定抵抗素子４１ａ，４１ｂは、可動部４の揺動による抵抗値変化がないか、又は、可動部４の揺動に伴う抵抗値変化が、揺動検出に用いることができるほどには大きくない抵抗素子であり、可動部４の揺動に対して抵抗値の変化が小さい（零を含む）という特性は、可動部４の揺動に伴う応力を受けない場所への配置によって得られるものであっても良いし、ピエゾ効果（圧電効果）を有しない組成の抵抗で実現されるものであってもよい。

また、図１の構成におけるトーションバー３ｂ側のセンサデバイス、即ち、ピエゾ抵抗素子１０ｃ，１０ｄ、電気端子１１ｃ，１１ｄ、アルミニウム配線１２ｃ，１２ｄを無くして、図１１の第４実施形態に示すように、トーションバー３ａ側にのみピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂを備える構成とし、該ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂと制御ユニット８１側（外部）に備えられた固定抵抗素子４１ａ，４１ｂでブリッジ回路を構成させることができる。

図１２は、前記第４実施形態において、前記ブリッジ回路を構成するための前記制御ユニット８１における回路を示すものであり、制御ユニット８１には、アクチュエータ１側の電気端子４３ａ，１１ｅ，４３ｂに対応する３個の電気端子８２ｆ〜８２ｈが設けられており、アクチュエータ１側の電気端子４３ａ，１１ｅ，４３ｂと、制御ユニット８１側の電気端子４３ａ，１１ｅ，４３ｂとがそれぞれがワイヤーボンディング８３により電気的に接続される。

そして、制御ユニット８１内では、電気端子８２ｆと電気端子８２ｈとが、途中に電源Ｖｏが介装される配線８７によって電気的に接続され、前記電源Ｖｏに対して並列に、固定抵抗素子４１ａ，４１ｂの直列回路が接続されている。また、固定抵抗素子４１ａと固定抵抗素子４１ｂとの間の端子電圧と、電気端子８２ｇの電圧、即ち、ピエゾ抵抗素子１０ａとピエゾ抵抗素子１０ｂとの間の端子電圧との電位差が、出力電圧Ｖ（ブリッジ出力）として検出されるようになっている。上記第４実施形態によると、アクチュエータ１側（固定部２）に形成される抵抗素子の数が減り、アクチュエータ１の構成を簡略化できる。

前記図１１に示した第４実施形態では、２個のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂを、固定部２のトーションバー３ａ側に、トーションバー３ａの軸を挟んで対向配置させたが、２個のピエゾ抵抗素子１０のうちの１個を、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分に配置し、残る１個を、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分に配置することができる。図１３は、固定部２のトーションバー３ａが接続される部分に、１個のピエゾ抵抗素子１０ａを配置し、固定部２のトーションバー３ｂが接続される部分に、１個のピエゾ抵抗素子１０ｄを配置した、第５実施形態を示す。

この第５実施形態において、前記ピエゾ抵抗素子１０ａは、トーションバー３ａ，３ｂの軸よりも一方側に偏った位置に配置され、逆に、ピエゾ抵抗素子１０ｄは、トーションバー３ａ，３ｂの軸よりも他方側に偏った位置に配置され、ピエゾ抵抗素子１０ａが可動部４の揺動に伴って圧縮応力（引張応力）を受ける場合には、ピエゾ抵抗素子１０ｄは引張応力（圧縮応力）を受けるようにしてある。

そして、ピエゾ抵抗素子１０ａの一方の電極は、アルミニウム配線１２ａを介して電気端子１１ａに接続され、ピエゾ抵抗素子１０ａの他方の電極は、アルミニウム配線４８ａを介して電気端子４７ａに電気的に接続されている。また、ピエゾ抵抗素子１０ｂの一方の電極は、アルミニウム配線１２ｄを介して電気端子１１ｄに接続され、ピエゾ抵抗素子１０ｄの他方の電極は、アルミニウム配線４８ｄを介して電気端子４７ｄに電気的に接続されている。ここで、第４実施形態と同様に、前記２個のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｄは、制御ユニット８１側（外部）に備えられている２個の固定抵抗４１ａ，４１ｂに接続されることで、ブリッジ回路を構成し、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｄの抵抗値変化に応じた出力電圧が検出される。

上記第５実施形態では、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｄ相互をアクチュエータ１上では接続しないので、駆動コイル５用のアルミニウム配線６ａ，６ｂに対して立体的に交差させて、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｄ間を接続する配線（拡散導通部１３ａ，１３ｂ）を設ける必要がなく、アクチュエータ１における配線構成を簡略化できる。また、ピエゾ抵抗素子１０ａが可動部４の揺動に伴って圧縮応力（引張応力）を受ける場合には、ピエゾ抵抗素子１０ｄは引張応力（圧縮応力）を受けるようにしてあり、可動部４の揺動に対する抵抗値変化の方向が異なるから、必要充分な出力電圧を得ることが可能である。

尚、第３〜第５実施形態において、第２実施形態のように、薄肉部３１を設けることができる。また、図１，図７，図８，図１１，図１３に示した実施形態のプレーナ型アクチュエータ１の全体を可動部として、前記トーションバー３ａ，３ｂの軸方向に直交する方向に揺動可能に、トーションバーを介して固定部に支持し、前記可動部４を前記トーションバー３ａ，３ｂの軸回りに揺動させると共に、前記トーションバー３ａ，３ｂの軸方向と直交する軸回りにアクチュエータ全体を揺動させる構成とすることができる。そして、上記のプレーナ型アクチュエータにおいて、２重に設けられる固定部のそれぞれについて、トーションバーが接続される部分に、ピエゾ抵抗素子を配置させることができる。

また、上記各実施形態では、ピエゾ抵抗素子１０の向きを、ピエゾ抵抗素子１０の電極が図１などにおける左右方向に並ぶ向きとしたが、ピエゾ抵抗素子１０の向きは、電極が図１などにおける上下方向に並ぶ向きとすることができ、更に、ピエゾ抵抗素子１０の電極の並び方向が斜めであってもよく、引張・圧縮応力を受けて抵抗値を変化させるのに最適な向きに設定できる。

１ プレーナ型アクチュエータ
２ 固定部
３ａ，３ｂ トーションバー
４ 可動部
５ 駆動コイル
８ 永久磁石
１０ａ〜１０ｄ ピエゾ抵抗素子

Claims (7)

1. 枠状の固定部と、前記固定部の内側に、一対のトーションバーを介して揺動可能に支持された可動部と、前記可動部を揺動させる駆動手段と、前記固定部の前記トーションバーが接続される部分に配置されるピエゾ抵抗素子とを備えたことを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。
2. 前記固定部の前記トーションバーが接続される部分に、前記固定部の他の部分よりも薄い薄肉部を形成したことを特徴とする請求項１記載のプレーナ型アクチュエータ。
3. 一対のピエゾ抵抗素子を、前記可動部の揺動に伴って一方に対して圧縮応力が加わるときに、他方に対して引張応力が加わるように、前記トーションバーの幅方向に離間させて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のプレーナ型アクチュエータ。
4. 前記固定部の一方のトーションバーが接続される部分と他方のトーションバーが接続される部分とにそれぞれ一対のピエゾ抵抗素子を配置したことを特徴とする請求項３記載のプレーナ型アクチュエータ。
5. 前記一対のピエゾ抵抗素子に接続されてブリッジ回路を構成する一対の固定抵抗素子を、前記一対のピエゾ抵抗素子と共に、前記固定部の１辺に配置したことを特徴とする請求項３記載のプレーナ型アクチュエータ。
6. 前記一対のピエゾ抵抗素子が、外部の一対の固定抵抗素子に接続されてブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項３記載のプレーナ型アクチュエータ。
7. 前記一対のピエゾ抵抗素子が、前記固定部に形成される拡散導通部を介して接続されることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載のプレーナ型アクチュエータ。

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