JP2014199324A - Planar actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプレーナ型アクチュエータに係り、特に、支持梁に設置された配線部材の断線を確実に防止することができ、安定して動作させることを可能としたプレーナ型アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a planar actuator, and more particularly to a planar actuator that can reliably prevent disconnection of a wiring member installed on a support beam and can be stably operated.
従来から、枠状の固定部に平板状の可動部を揺動可能に軸支する構造のアクチュエータとして、例えば半導体製造技術を利用し、シリコン基板を異方性エッチングし、枠状の固定部と平板状の可動部と固定部に可動部を軸支する支持梁とを一体に形成し、可動部に駆動コイルを設け、可動部の駆動コイルに静磁界を付与する、例えば永久磁石のような静磁界発生手段を設け、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界発生手段による静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して可動部を揺動させる電磁駆動タイプのプレーナ型アクチュエータが多く利用されている。そして、このようなアクチュエータは、例えば、可動部にミラーを設けることで光ビームを偏向走査する光スキャナなどに適用されている。 Conventionally, as an actuator having a structure in which a plate-like movable part is pivotally supported on a frame-like fixed part, for example, using a semiconductor manufacturing technique, a silicon substrate is anisotropically etched to form a frame-like fixed part. A plate-like movable part and a support beam that pivotally supports the movable part are integrally formed on the fixed part, a drive coil is provided on the movable part, and a static magnetic field is applied to the drive coil of the movable part, such as a permanent magnet An electromagnetically driven planar actuator is provided that has a static magnetic field generating means and swings a movable part using Lorentz force generated by the interaction between the magnetic field generated in the drive coil by energization and the static magnetic field generated by the static magnetic field generating means. Many are used. Such an actuator is applied to, for example, an optical scanner that deflects and scans a light beam by providing a mirror on a movable part.
このようなプレーナ型アクチュエータとしては、例えば、従来、半導体基板に、平板状の可動部と可動部を半導体基板に対して揺動可能に軸支する支持梁とを一体形成し、可動部の周縁部に通電により磁界を発生する平面コイルを敷設し、可動部の中央部に反射鏡を設ける一方、支持梁の軸方向と平行な可動部の対辺の平面コイル部のみに静磁界を与える磁界発生手段を備えるようにした技術が開示されている(例えば、特許文献1参照) As such a planar actuator, for example, a flat plate-like movable part and a support beam that pivotally supports the movable part with respect to the semiconductor substrate are integrally formed on a semiconductor substrate. Magnetic field generation that applies a static magnetic field only to the planar coil part on the opposite side of the movable part parallel to the axial direction of the support beam, while a flat coil that generates a magnetic field when energized is installed in the part and a reflecting mirror is provided at the center of the movable part A technique provided with means is disclosed (for example, see Patent Document 1).
前記特許文献1に記載の技術においては、可動部に敷設された平面コイルに通電するための配線部材を支持梁に設置するように構成されているが、可動部を揺動動作させた場合に、支持梁にねじり応力が加わり、その際に、配線部材にも応力が加わり、配線部材に応力が集中してしまう。その結果、配線部材が断線してしまうおそれがあり、アクチュエータを安定して動作させることができないという問題を有している。
In the technique described in
本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、支持梁に設置された配線部材の断線を確実に防止することができ、安定して動作させることのでき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ものである。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a planar actuator that can reliably prevent disconnection of a wiring member installed on a support beam and can be stably operated. It is the purpose.
本発明は前記目的を達成するために、請求項1の発明に係るプレーナ型アクチュエータは、半導体基板に設置された枠状の固定部と、前記固定部の内側に支持梁を介して可動自在に支持され駆動手段により駆動される可動部と、少なくとも前記支持梁に無機絶縁材料よりヤング率が低い絶縁材料を介して設置された配線部材と、を備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a planar actuator according to the first aspect of the present invention includes a frame-shaped fixed portion installed on a semiconductor substrate, and is movable inside the fixed portion via a support beam. The movable part supported and driven by a drive means, and the wiring member installed in the said support beam through the insulating material whose Young's modulus is lower than an inorganic insulating material is provided.
請求項2に係る発明は、請求項1において、前記ヤング率が低い絶縁材料は、有機絶縁材料であることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2において、前記ヤング率が低い絶縁材料と前記支持梁との間には、無機絶縁材料が介在されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, an inorganic insulating material is interposed between the insulating material having a low Young's modulus and the support beam.
請求項1に係る発明によれば、配線部材を、少なくとも支持梁に無機絶縁材料よりヤング率が低い絶縁材料を介して設置するようにしているので、支持梁にねじり応力が加わった場合でも、配線部材に加わる応力を低減させることができ、配線部材の断線を確実に防止することができる。その結果、プレーナ型アクチュエータを安定して動作させることができ、しかも、可動部の振れ角を増やすことが可能となる。
According to the invention according to
請求項2に係る発明によれば、ヤング率が低い絶縁材料を有機絶縁材料としているので、支持梁ににねじり応力が加わった場合でも、駆動コイルの配線部分に加わる応力を低減させることができ、配線部分の断線を確実に防止することができる。しかも、有機絶縁材料を、従来の配線保護材料と同一の材料を用いるようにすれば、材料の共有化を図ることができる。
According to the invention of
請求項3に係る発明によれば、ヤング率が低い絶縁材料と支持梁との間に無機絶縁材料を介在するようにしているので、支持梁ににねじり応力が加わった場合でも、駆動コイルの配線部分に加わる応力を低減させることができ、配線部分の断線を確実に防止することができる。しかも、従来の無機絶縁材料の形成工程に有機絶縁材料の形成工程を付加するだけで、容易に製造することが可能となる。 According to the third aspect of the invention, since the inorganic insulating material is interposed between the insulating material having a low Young's modulus and the support beam, even if a torsional stress is applied to the support beam, the drive coil The stress applied to the wiring portion can be reduced, and disconnection of the wiring portion can be reliably prevented. In addition, it is possible to easily manufacture by adding an organic insulating material forming step to a conventional inorganic insulating material forming step.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの実施形態を示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a planar actuator according to the present invention.
図1に示すように、本実施形態のプレーナ型アクチュエータ1は、図示しない半導体基板上に設置された枠状の固定部2を備えている。この固定部2の内側には、支持梁としてのトーションバー3を介して可動部4が揺動自在に支持されている。なお、これら固定部2、可動部4、およびトーションバー3は、一体的に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
また、固定部2の周囲には、可動部4を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される二対の静磁界発生部材(図示せず)が配置されている。なお、静磁界発生部材は、永久磁石でも電磁石でもよい。
Further, around the
可動部4の一面側には、可動部4を駆動するための渦巻き状に形成された駆動コイル5が設置されており、この駆動コイル5の両端部は、トーションバー3を通って固定部2から引き出されるように構成されている。なお、本実施形態においては、駆動コイル5は、複数層に分けて形成されるようになっている。
A
また、本実施形態においては、図2に示すように、トーションバー3を通る駆動コイル5の配線部分は、トーションバー3の表面に被膜された無機絶縁材料よりヤング率が低い材料からなる有機絶縁膜6を介して形成されるようになっている。このヤング率の低い材料としては、例えば、ポリイミドやレジストなどの絶縁性有機材料がある。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the wiring portion of the
また、図3に示すように、トーションバー3に無機絶縁膜7を形成し、この無機絶縁膜7の表面に無機絶縁膜7を介して駆動コイル5の配線部分を形成するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, an inorganic
次に、本実施形態のプレーナ型アクチュエータ1の製造方法について、図4から図9を参照して説明する。なお、各図においては、(a)が図1の波線で示すエリアにおける概略平面図、(b)が(a)の断面図をそれぞれ示している。
Next, a method for manufacturing the
まず、図4に示すように、単結晶シリコンからなる基板8の表面に、有機絶縁膜6を被膜する。そして、基板8の全面にアルミなどの配線材料をスパッタリングした後、パターニングして不要な部分をエッチングすることにより、図5に示すように、可動部4に、駆動コイル5の第1層目の配線パターン9を形成する。その後、図6に示すように、配線パターン9の表面に有機絶縁膜6を被膜する。
First, as shown in FIG. 4, an organic
その後、有機絶縁膜6の表面にアルミなどの配線材料をスパッタリングした後、パターニングして不要な部分をエッチングすることにより、図7に示すように、可動部4およびトーションバー3に、駆動コイル5の第2層目の配線パターン9を形成する。これら第1層目の配線パターン9と第2層目の配線パターン9とは、図示しないスルーホールを介して電気的に接続されており、連続した配線パターン9として機能するように構成されている。なお、本実施形態においては、配線パターン9を2層に形成した場合を示しているが、必要に応じてさらに複数層に形成するようにしてもよいことはもちろんである。
Thereafter, after sputtering a wiring material such as aluminum on the surface of the organic
そして、図8に示すように、この配線パターン9の表面に有機絶縁膜6を被膜した後、図9に示すように、基板8の表面側および裏面側をパターンニングしてエッチングすることにより、可動部4、トーションバー3および固定部2以外の部分を除去することにより、図1に示すようなプレーナ型アクチュエータ1が形成される。
And after coating the organic
なお、図3に示すように、無機絶縁膜7を形成する場合には、図4に示す無機絶縁膜7を被膜する前工程において、基板8に有機絶縁膜6を被膜するようにすればよい。この無機絶縁膜7を形成する工程は、従来から行われている工程である。
As shown in FIG. 3, when the inorganic
次に、本実施形態の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
このプレーナ型アクチュエータ1の駆動原理は、例えば、特許第2722314号公報等で詳述されているので、以下、光スキャナの場合を例として簡単に説明する。
Since the driving principle of the
可動部4の駆動コイル5にそれぞれ電流を流すと磁界が発生し、この磁界と静磁界発生手段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3の軸方向と平行な可動部4の対辺部分に互いに逆方向の回転力が発生し、この回転力とトーションバー3の復元力とが釣合う位置まで可動部4が回動される。
When a current is passed through each of the drive coils 5 of the movable part 4, a magnetic field is generated, and a Lorentz force is generated by the interaction between this magnetic field and the static magnetic field generated by the static magnetic field generating means. Rotational forces in opposite directions are generated at opposite sides of 4, and the movable portion 4 is rotated to a position where the rotational force and the restoring force of the
そして、駆動コイル5に直流電流を流すことにより、駆動電流量に応じた回動位置で可動部4を停止させることで、反射ミラーにより光ビームを所望の方向に偏向することが可能となる。
Then, by passing a direct current through the
一方、駆動コイル5に交流電流を流すことにより、可動部4が揺動し、反射ミラーにより光ビームを偏向走査できる。可動部4を回動させるための回転力は、駆動コイル5に流す駆動電流値に比例するので、駆動コイル5に供給する駆動電流値を制御することで、可動部4の振れ角(光ビームの偏向角度)を制御することができる。なお、本実施形態においては、光スキャナの場合を例として作用を説明したが、本発明は光スキャナ以外にも適用できるものである。
On the other hand, when an alternating current is passed through the
また、可動部4を揺動動作させた場合に、トーションバー3にねじり応力が加わることになるが、本実施形態においては、駆動コイル5をトーションバー3に形成された有機絶縁膜6を介して形成するようにしているので、
トーションバー3にねじり応力が加わった場合でも、有機絶縁膜6により、駆動コイル5に加わる応力を低減させることができるものである。
Further, when the movable part 4 is swung, a torsional stress is applied to the
Even when a torsional stress is applied to the
図10は、図2に示すトーションバー3に有機絶縁膜6介して駆動コイル5の配線部分を形成したプレーナ型アクチュエータ1と、図3に示すトーションバー3に無機絶縁膜7および有機絶縁膜6介して駆動コイル5の配線部分を形成したプレーナ型アクチュエータ1と、従来の無機絶縁膜7のみを介して駆動コイル5の配線部分を形成したプレーナ型アクチュエータとに対して、主応力をシミュレーションした結果を示したものである。このシミュレーション結果によれば、従来のプレーナ型アクチュエータを100%とした場合に、図2に示すプレーナ型アクチュエータ1では、トーションバー3の配線部分に加わる応力を38.4%程度に低減させることができ、図3に示すプレーナ型アクチュエータ1では、トーションバー3の配線部分に加わる応力を38.7%程度に低減させることができることがわかる。
FIG. 10 shows a
以上述べたように、本実施形態においては、トーションバー3に有機絶縁膜6介して駆動コイル5の配線部分を形成するようにしているので、トーションバー3にねじり応力が加わった場合でも、駆動コイル5の配線部分に加わる応力を低減させることができ、配線部分の断線を確実に防止することができる。その結果、プレーナ型アクチュエータ1を安定して動作させることができ、しかも、可動部4の振れ角を増やすことが可能となる。
As described above, in this embodiment, since the wiring portion of the
また、有機絶縁膜6を、従来の配線保護膜と同一の材料を用いるようにすれば、材料の共有化を図ることができる。さらに、無機絶縁膜7および有機絶縁膜6を介して駆動コイル5の配線部分を形成する場合には、従来の無機絶縁膜7の形成工程に有機絶縁膜6の形成工程を付加するだけで、容易に製造することが可能となる。
Moreover, if the organic insulating
なお、前記実施形態においては、可動部4を備えた一次元のアクチュエータに適用した場合について説明したが、可動部4を揺動自在に支持する第2可動部を備えた二次元のアクチュエータに適用することも可能である。 In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a one-dimensional actuator including the movable portion 4 has been described. However, the present embodiment is applied to a two-dimensional actuator including a second movable portion that supports the movable portion 4 so as to be swingable. It is also possible to do.
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the gist of the present invention.
1 プレーナ型アクチュエータ
2 固定部
3 トーションバー
4 可動部
5 駆動コイル
6 有機絶縁膜
7 無機絶縁膜
8 基板
9 配線パターン
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記固定部の内側に支持梁を介して可動自在に支持され駆動手段により駆動される可動部と、
少なくとも前記支持梁に無機絶縁材料よりヤング率が低い絶縁材料を介して設置された配線部材と、
を備えていることを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。 A frame-shaped fixing part installed on a semiconductor substrate;
A movable part that is movably supported inside the fixed part via a support beam and is driven by a driving means;
A wiring member installed on the support beam via an insulating material having a Young's modulus lower than that of the inorganic insulating material;
A planar actuator characterized by comprising:
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