JP3917445B2 - プレーナ型アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレーナ型アクチュエータ及びその製造方法に関し、特に、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術で製造する２次元走査型のプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプレーナ型アクチュエータは、レーザ光等の光ビームの偏向走査等に利用され、電磁力を利用する電磁型や静電力を利用する静電型等がある。
以下に、電磁型のアクチュエータの例を説明する。
プレーナ型電磁アクチュエータとしては、本出願人により先に提案された例えば特許公報第２７２２３１４号に記載されたものがあり、図１１にその構成を示し説明する。
【０００３】
この２次元走査型のプレーナ型電磁アクチュエータは、シリコン基板の固定部１に外側トーションバー２で枠状の外側可動板３を揺動可能に軸支し、外側可動板３に外側トーションバー２と軸方向が直交する内側トーションバー４で揺動可能に平板状の内側可動板５を軸支する。これら固定部１、外側及び内側トーションバー２，４及び外側及び内側可動板３，５は、半導体基板で一体に形成する。外側可動板３には、通電により磁界を発生する駆動コイル６（図では模式的に１本線で示す）を形成し、駆動コイル６は、固定部１に形成した一対の外側電極端子７Ａ，７Ａに外側トーションバー２の一方を介して電気的に接続する。内側可動板５には、中央部に反射ミラー８を形成し、その周縁部に通電により磁界を発生する駆動コイル９（図では模式的に１本線で示す）を形成する。駆動コイル９は、内側トーションバー４の一方から外側可動板３部分を通り、外側トーションバー２の他方側を介して固定部１の一対の内側電極端子１０Ａ，１０Ｂに電気的に接続する。更に、互いに対をなす静磁界発生手段（例えば永久磁石）を、外側及び内側トーションバー２，４の軸方向とそれぞれ平行な各可動板３，５の対辺の駆動コイル部分に静磁界が作用するよう可動板周囲に設ける。図１１の例では、一対の永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂを、固定部１の上下に陽極接合する、例えばガラス等からなる上側絶縁基板１５及び下側絶縁基板１６に、静磁界が駆動コイル６，９を可動板と平行な方向に横切るよう上下に位置をずらすようにして配置してある。
【０００４】
かかる構成の電磁アクチュエータは、駆動コイル６，９に電流を流すことにより発生する磁界と、永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂの作る静磁界との相互作用により可動板３，５を駆動する。
即ち、可動板３，５の両側では、永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂによって可動板３，５の平面に沿って駆動コイル６，９を横切るような方向に静磁界を形成する。この静磁界中の駆動コイル６，９に電流を流すと、可動板３，５の両端に、電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った方向に電磁力が作用して可動板３，５が回動する。可動板３，５が回動するとトーションバー２，４が捩じられてばね反力が発生し、電磁力とばね反力が釣り合う位置まで可動板３，５が回動する。可動板３，５の回動角は駆動コイル６，９に流れる電流に比例し、電流を制御することで可動板３，５の回動角を制御できる。そして、駆動コイル６，９に流す交流電流の周波数を、トーションバー２，４の材質、形状等で規定される共振周波数と同じ周波数とすることにより、その電流値における最大の回動角が得られる。これにより、反射ミラー８に入射するレーザ光等の光の反射方向を自由に制御でき、可動板３，５を連続的に反復動作させることで、レーザ光のスキャニング等、光の走査が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ光等の光を２次元走査してレーザレーダ等の物体検知や絵や文字等の画像表示を行うには、ラスタ走査で行うのが一般的であり、この場合、水平走査と垂直走査の周波数比は大きい方がよい。しかしながら、上述した従来のプレーナ型アクチュエータは、外側と内側のトーションバー２，４が同一の材料（半導体基板材料と同じシリコン）で形成されているため、断面形状等を異ならせたとしてもその剛性を大きく変化させることが難しい。このため、外側可動板３と内側可動板５の共振周波数比を大きくとれず、ラスタ走査しようとすると走査軌跡がリサージュ曲線になってしまう。そのため、従来のプレーナ型アクチュエータで物体検知や画像表示を行おうとすると、リサージュ曲線を制御する必要があるが、リサージュ曲線はわずかな周波数の違いにより曲線形状が大きく変わるため制御が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、外側可動板と内側可動板の共振周波数比を大きくでき、光の偏向走査等に利用する場合にラスタ走査を可能とするプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、固定部に外側トーションバーで揺動可能に軸支した枠状の外側可動板と、該外側可動板に前記外側トーションバーと軸方向が直交する内側トーションバーで揺動可能に軸支した内側可動板と、前記各可動板を駆動する駆動手段とを備えたアクチュエータにおいて、前記外側トーションバーと内側トーションバーを剛性の異なる材料で形成し、剛性の低い材料で形成したトーションバー側に、軸ずれ防止用補強材として当該トーションバー形成材料より剛性の高い材料を設けることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成では、外側可動板と内側可動板の共振周波数比を大きくすることが可能となるので、光走査用のアクチュエータに適用した場合にラスタ走査が容易に可能となる。また、剛性の低いトーションバー側の軸ずれを抑制でき、このトーションバーで軸支される可動板の揺動動作が安定するようになる。
前記駆動手段は、具体的には請求項２のように、前記各可動板にそれぞれ設けた駆動コイルと、前記各駆動コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記各駆動コイルに電流を流すことにより発生する電磁力により前記各可動板をそれぞれ駆動する構成とするとよい。
【０００９】
請求項３のように、前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の低い材料を用いて形成する構成とするとよい。また、請求項５のように、シリコンの代わりに、当該シリコンより剛性の高い弾性材料、例えば窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等を用いる構成としてもよい。
【００１０】
請求項４のように、前記シリコンを主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設けるとよい。また、請求項６のように、前記シリコンより剛性の高い弾性材料を主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設ける構成とするとよい。保護層としては、具体的には請求項９のように、ポリイミドを用いればよい。
【００１１】
かかる構成では、剛性の高い材料を主材料とするトーションバー側の耐衝撃性が向上するようになり、脆性破壊等に対する強度が向上するようになる。
請求項７の発明では、前記シリコンより剛性の低い材料を弾性材料、例えばポリイミド、ポリプロピレン、弗化樹脂等のような有機材料とするとよい。
【００１２】
前記軸ずれ防止用補強材としては、請求項８のように、シリコン、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等を用いるようにするとよい。
請求項１０の発明では、前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の高い弾性材料を用いて形成する構成とした。
【００１３】
具体的には請求項１１のように、前記シリコンより剛性の高い弾性材料が、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等のうちいずれか１つである。
また、請求項１２のように、前記両トーションバーの少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層、例えば請求項１３のようにポリイミドからなる保護層を設けるとよい。
【００１４】
かかる構成では、各トーションバーの耐衝撃性が向上するようになり、脆性破壊等に対する強度が向上するようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を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アクチュエータの第１実施形態の参考例の要部平面図を示す。
図１において、本参考例のプレーナ型電磁アクチュエータ２０は、シリコン基板の固定部２１に外側トーションバー２２で枠状の外側可動板２３を揺動可能に軸支し、外側可動板２３に外側トーションバー２２と軸方向が直交する内側トーションバー２４で揺動可能に平板状の内側可動板２５を軸支する。外側可動板２３には、通電により磁界を発生する外側駆動コイル２６（図１では点線で模式的に１本線で示す）を形成し、外側駆動コイル２６は、固定部２１に形成した一対の外側電極端子２７Ａ，２７Ａに外側トーションバー２２の一方を介して電気的に接続する。内側可動板２５には、表面周縁部に通電により磁界を発生する内側駆動コイル２９（図１では点線で模式的に１本線で示す）を形成し、裏面全面にアルミニウムや金等の薄膜からなる反射ミラー２８（図４（ｈ）に示す）を形成する。内側駆動コイル２９は、内側トーションバー２４の一方から外側可動板２３部分を通り、外側トーションバー２２の他方側を介して固定部２１の一対の内側電極端子３０Ａ，３０Ａに電気的に接続する。尚、図示を省略するが、外側及び内側トーションバー２２，２４の軸方向とそれぞれ平行な各可動板２３，２５の対辺の駆動コイル部分に静磁界を作用する静磁界発生手段として例えば図１１に示す永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂを、従来同様に可動板２３，２５の周囲に配置してある。尚、反射ミラー２８は、従来と同様に内側可動板２５の表面側に形成してもよいことは言うまでもない。
【００１８】
本参考例の電磁アクチュエータ２０は、外側トーションバー２２と内側トーションバー２４を、剛性の異なる材料で形成してある。例えば内側トーションバー２４は、剛性が高く共振周波数の高い材料、例えば半導体基板と同じシリコンで形成し、外側トーションバー２２は、剛性が低く共振周波数の低い弾性材料として例えばポリイミドで形成してある。尚、前記剛性が低く共振周波数の低い弾性材料としては、有機材料が好ましく、有機材料のうち前記ポリイミドの他には、ポリプロピレン、弗化樹脂等が好ましい。また、トーションバー部分に駆動コイル部分を配線するので、前記弾性材料は絶縁性を有することが望ましい。
【００１９】
図２の（Ａ）に外側トーションバー２２の断面状態を示し、（Ｂ）に内側トーションバー２４の断面状態を示す。尚、図２（Ａ）では、後述する製造工程において残存する酸化膜（ＳｉＯ2）は図示を省略する。
かかる構成の電磁アクチュエータ２０によれば、外側可動板２３を低い共振周波数で駆動し、内側可動板２５を高い共振周波数で駆動することが可能となり、外側可動板２３と内側可動板２５の共振周波数比が大きくとれる。従って、外側可動板２３と内側可動板２５を駆動制御してレーザ光のラスタ走査が容易に可能となり、レーザ光等を利用した物体検知や画像表示のための光走査装置に好適な電磁アクチュエータが提供できる。また、ポリイミドは剛性が低く、小さい力で所定の位置に可動板を停止させることが可能であるので、外側可動板２３をステップ的に回動動作させることが可能となり、レーザ光の水平走査が可能となる。また、ポリイミドは耐衝撃性が良好であり、外側トーションバー２２の脆性破壊等に対する耐久性を向上できる。また、内側可動板２５が、内側トーションバー２４と一体に剛性の高いシリコンで形成されているので、反り等の変形を抑制できる。
【００２０】
次に、上記参考例のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程を、図３及び図４の概略図を参照しながら説明する。尚、図３及び図４の図は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面を示す。
例えば厚さ４００μｍのシリコン基板１０１の上下面を熱酸化して厚さ１μｍの酸化膜（ＳｉＯ2）１０２を形成する（ａ工程）。
【００２１】
次に、シリコン基板１０１表面側の酸化膜１０２上にスパッタリングによりアルミニウム薄膜を２μｍの厚さで形成し、駆動コイル２６，２９、固定部２１上に形成する電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａ、所定のトーションバー部分に形成する配線部分（図示せず）及びコンタクト部にそれぞれ相当する部分を、ポジ型レジストでマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。これにより、電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａに相当するアルミニウム層（図示せず）、１層目の駆動コイル２６，２９にそれぞれ相当するアルミニウム層１０３ａ，１０４ａ、駆動コイル２６，２９と電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａとを接続する配線部分、１層目のコンタクト部１０５ａが形成される。尚、図示しないが外側駆動コイル２６のコンタクト部も外側可動板２３に相当する部位に形成される（工程ｂ）。
【００２２】
次に、感光性ポリイミドを２μｍの厚さで塗布し、１層目のアルミニウム層１０３ａ，１０４ａと外側トーションバーに相当する部分をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、１層目のアルミニウム層１０３ａ，１０４ａを厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０６で覆うと共に、シリコンと剛性の異なる材料（ポリイミド）からなる外側トーションバー２２のポリイミド層１０７ａを形成する。（工程ｃ）。
【００２３】
次に、工程ｂと同様に、シリコン基板１０１表面側にスパッタリングによりアルミニウム薄膜を２μｍの厚さで形成し、駆動コイル２６，２９、電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａ及びコンタクト部にそれぞれ相当する部分を、ポジ型レジストでマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。これにより、２層目の駆動コイル２６，２９に相当するアルミニウム層１０３ｂ，１０４ｂが形成される。また、コンタクト部１０５ａと接続する２層目のコンタクト部１０５ｂが形成され、このコンタクト部１０５で内側駆動コイル２９の１層目と２層目のアルミニウム層１０４ａ，１０４ｂが電気的に接続して駆動コイル２９が形成される。また、図示しない固定部２１上の電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａの厚さが厚くなる。尚、図示しないが、外側駆動コイル２６のコンタクト部も同様に形成される（工程ｄ）。
【００２４】
次に、感光性ポリイミドを２μｍの厚さで塗布し、２層目のアルミニウム層１０３ｂ，１０４ｂ、コンタクト部１０５及び外側トーションバーに相当する部分をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、２層目のアルミニウム層及びコンタクト部１０５を厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０８で覆うと共に、外側トーションバー部分に２μｍのポリイミド層１０７ｂを積層して外側トーションバー２２部分を形成する。（工程ｅ）。
【００２５】
尚、この段階で、外側トーションバー２２部分のポリイミド層の厚さが足りない場合は、更に、外側トーションバー２２部分のみにポリイミド層を所定厚さとなるように形成する工程が追加される。
次に、ポジ型レジストで、シリコン基板１０１裏面側の外側トーションバー２２、外側可動板と固定部間の貫通部及び外側可動板と内側可動板間の貫通部に相当する部分以外をマスクし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置等によるドライエッチングやフッ酸系のウエットエッチングにより酸化膜１０２をエッチングして除去する。そして、レジストと酸化膜をマスクとして、ＲＩＥ装置やアルカリ性溶液（例えば水酸化カリウム）を用いてシリコン基板１０１裏面側を１００μｍ（内側トーションバー２４の厚さに相当する）エッチングした後、レジストを除去する（工程ｆ）。
【００２６】
次に、工程ｆと同様にして、ポジ型レジストで、シリコン基板１０１裏面側の外側トーションバー２２、内側トーションバー２４、貫通部、外側可動板２３及び内側可動板２５に相当する部分以外をマスクし、酸化膜１０２をエッチングして除去する。更に、レジストと酸化膜をマスクとして、シリコン基板１０１裏面側を貫通部が貫通するまで（約３００μｍ）エッチングした後、レジストを除去する（工程ｇ）。
【００２７】
次に、シリコン基板１０１表裏両側の酸化膜１０２をエッチングにより除去する。これにより、貫通部が貫通し、固定部２１、外側トーションバー２２、内側トーションバー２４、外側可動板２３及び内側可動板２５が形成される。その後、内側可動板２５裏面にアルミニウムや金等の薄膜からなる反射ミラー２８を形成する（工程ｈ）。
【００２８】
上記の参考例のように、外側トーションバー２２をポリイミド単体で形成した場合、ポリイミドは剛性が低いため軸ずれが生じ易い。このため、本発明のプレーナ型アクチュエータの第１実施形態では、外側トーションバー２２を、軸ずれ防止のために図５のように、主材料をポリイミド１１０として剛性の高い材料を補強材として設ける構成とした。
図５（Ａ）は、主材料のポリイミド１１０の下面に、補強材としてポリイミドより剛性の高いシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｂ）は、ポリイミド１１０の中心部にシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｃ）は、ポリイミド１１０の中間層にシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｄ）は、ポリイミド１１０の下面にシリコンより剛性の高い窒化ケイ素（ＳｉＮ）１１２を設ける構成である。図５（Ｅ）は、ポリイミド１１０の中心部に窒化ケイ素１１２を設ける構成である。図５（Ｆ）は、ポリイミド１１０の中間層に窒化ケイ素１１２を設ける構成である。
【００２９】
尚、図５（Ａ）〜（Ｆ）に示す構成の外側トーションバー２２の主材料はポリイミド１１０であり、その共振周波数は主材料のポリイミド１１０により支配されるので、ポリイミド単体の場合と同様に、外側可動板２３を低い共振周波数で駆動できる。
図５のように剛性の高いシリコンや窒化ケイ素を補強材として設けることにより、ポリイミドを主材料として形成した外側トーションバー２２の共振周波数を高めずに軸ずれを抑制でき、低い共振周波数で駆動する可動板の動作を安定化できる。尚、補強材として、アルミナ、窒化アルミ、ジルコニア等を用いてもよい。
【００３０】
また、上記の第１実施形態では、内側トーションバー２４をシリコン単体で形成したが、シリコンは剛性が高く衝撃等に弱いので、耐衝撃性向上のために図６に示すように、主材料のシリコンにポリイミドを保護層として設けるとよい。
図６（Ａ）は、主材料のシリコン１１１の上面に保護層としてポリイミド１１０を設ける構成である。図６（Ｂ）は、シリコン１１１の周囲をポリイミド１１０で覆う構成である。図６（Ｃ）は、シリコン１１１の上下面に保護層としてポリイミド１１０を設ける構成である。
【００３１】
図６のように耐衝撃性の良好なポリイミドを保護材として設けることにより、シリコンを主材料として形成した内側トーションバー２４の耐衝撃性が向上し脆性破壊等による破損を抑制できる。尚、アクチュエータ形状は、図１と同様である。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、アクチュエータ形状は図１の第１実施形態と同様であるので図示を省略し、以下の説明では図１を代用して説明する。
【００３２】
第２実施形態の電磁アクチュエータは、高い共振周波数で駆動する内側可動板２５を軸支する内側トーションバー２４を、シリコンより剛性の高い弾性材料、例えば窒化ケイ素を設けて形成したものである。即ち、図７の断面状態に示すように、内側トーションバー２４を、シリコン１１１表面側にシリコンより剛性が高く共振周波数の高い窒化ケイ素１１２を主材料として設けて形成する。尚、図７では、後述する製造工程において残存する酸化膜（ＳｉＯ2）は図示を省略する。その他の構成及び形状は図１の第１実施形態と同様であるので説明を省略する
かかる構成の第２実施形態の電磁アクチュエータ２０によれば、内側可動板２５を、より一層高い共振周波数で駆動することが可能となり、外側可動板２３と内側可動板２５の共振周波数比が更に大きくとれる。従って、レーザ光のラスタ走査の際の走査線数の増大が可能となり、画像表示等に適用した場合に表示画像の精細度を高めることが可能となる。
【００３３】
尚、シリコンより剛性の高い弾性材料としては、窒化ケイ素の他に、アルミナ、窒化アルミ、ジルコニア等が考えられる。また、前記弾性材料は絶縁性を有することが望ましい。
次に、上記第２実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程の参考例を、図８及び図９の概略図を参照しながら説明する。尚、図８及び図９の図は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面を示す。
【００３４】
電磁アクチュエータの製造工程は、シリコン基板１０１上下面の酸化膜（ＳｉＯ2）１０２形成工程（ａ工程）の次に、窒化ケイ素の薄膜形成工程が追加されたこと以外は、前述の参考例の電磁アクチュエータの製造工程と同様である。
即ち、シリコン基板１０１上下面の酸化膜（ＳｉＯ2）１０２形成工程（ａ工程）の次に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、酸化膜１０２表面に厚さ２μｍの窒化ケイ素（ＳｉＮ）の薄膜を形成し、ポジ型レジストで内側トーションバーに相当する部分をマスクし、窒化ケイ素薄膜をエッチングした後、レジストを除去する。これにより、内側トーションバー部分に窒化ケイ素１１２が形成される（ｂ工程）。
【００３５】
その後の工程ｃ〜工程ｉは、図３及び図４に示す参考例の製造工程ｂ〜工程ｈと同様であり、説明を省略する。
主材料を窒化ケイ素１１２とした内側トーションバー２４の構成は、図７に限るものではなく、図１０のような種々の構成が考えられる。図１０（Ａ）は窒化ケイ素１１２だけの構成である。（Ｂ）は窒化ケイ素１１２の上下にポリイミド１１０を設ける構成である。（Ｃ）は窒化ケイ素１１２の周囲をポリイミド１１０で覆う構成である。（Ｄ）は窒化ケイ素１１２の上面にポリイミド１１０を設ける構成である。これら図１０（Ｂ）〜（Ｄ）の構成によれば、図６と同様に、耐衝撃性の良好なポリイミド１１０により、剛性の高い内側トーションバー２４の耐衝撃性が向上し脆性破壊等による破損を抑制できる。（Ｅ）は窒化ケイ素１１２の上下にシリコン１１１を設ける構成であり、（Ｆ）は窒化ケイ素１１２の周囲をシリコン１１１で覆う構成であり、（Ｇ）は窒化ケイ素１１２の上面にシリコン１１１を設ける構成である。この場合、シリコン１１１は、厚さ２０μｍ以下の薄膜とする。また、（Ｈ）のようにシリコン１１１の上下に窒化ケイ素１１２を設ける構成としてもよく、（Ｉ）のようにシリコン１１１の周囲に窒化ケイ素１１２を設ける構成としてもよい。
【００３６】
外側トーションバー２２については、第１実施形態と同様に、図５（Ａ）〜（Ｆ）のような構成とすることで軸ずれを抑制できるようになる。
上述の各実施形態では、内側トーションバー２４を剛性の高い材料で形成し、外側トーションバー２２を剛性の低い材料で形成するようにしたが、逆に外側トーションバー２２を剛性の高い材料で形成し、内側トーションバー２４を剛性の低い材料で形成してもよいことは言うまでもない。
【００３７】
また、高い共振周波数で駆動する側のトーションバーを図７や図１０（Ａ）〜（Ｇ）のような窒化ケイ素１１２等のシリコンより剛性の高い弾性材料を主材料とする構成とし、低い共振周波数で駆動する側のトーションバーを図２や図６のようなシリコン１１２を主材料とする構成としても、従来より共振周波数比を大きくとれるので、電磁アクチュエータによるラスタ走査は可能である。
【００３８】
尚、特許公報第２７２２３１４号の図２０に示されているように、薄膜磁石を可動板側に形成し、各駆動コイルを固定部２１の所定位置に形成するように構成した電磁アクチュエータにおいて、外側トーションバーと内側トーションバーを、剛性の異なる材料で形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
また、本発明が適用可能なアクチュエータは電磁型に限らない。内側可動板及び外側可動板の各トーションバー軸方向と平行な対辺部分にそれぞれ対称に一対の電極板を設け、これら可動板側電極板と対面させて固定電極板を設け、可動板側電極板と固定電極板間に電圧を印加して静電引力を発生して内側可動板及び外側可動板をそれぞれ駆動する静電型アクチュエータにも適用できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、外側可動板を軸支する外側トーションバーと内側可動板を軸支する内側トーションバーを剛性の異なる材料で形成したので、両可動板を大きな共振周波数比で駆動することが可能となる。従って、レーザ光のラスタ走査が可能となり、レーザ光等を利用した物体検知や画像表示のための光走査装置に好適なアクチュエータが提供できる。更に、剛性の低いトーションバー側に剛性の高い軸ずれ防止用補強材を設けるので、剛性の低いトーションバーの軸ずれを抑制でき、低い共振周波数で駆動する可動板の動作を安定化できる。
【００４０】
また、剛性の低い側のトーションバーをポリイミドで形成すれば、ポリイミドは剛性が低く小さい力で所定の位置に可動板を停止させることが可能であるので、可動板をステップ的に回動動作させることが可能で、レーザ光の水平走査が可能となり、物体検知や画像表示のための光走査装置により好適なアクチュエータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータの第１実施形態の参考例を示す要部の平面図
【図２】（Ａ）外側トーションバーの断面状態図、（Ｂ）内側トーションバーの断面状態図
【図３】参考例の製造工程の説明図
【図４】図３に続く製造工程の説明図
【図５】本発明に係るアクチュエータの第１実施形態の外側トーションバー構成例を示す断面状態図
【図６】内側トーションバーの別の構成例を示す断面状態図
【図７】本発明の第２実施形態の内側トーションバーの断面状態図
【図８】第２実施形態の参考例の製造工程の説明図
【図９】図８に続く製造工程の説明図
【図１０】内側トーションバーの別の構成例を示す断面状態図
【図１１】電磁アクチュエータの基本構成の説明図
【符号の説明】
１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂ 永久磁石
２０ 電磁アクチュエータ
２１ 固定部
２２ 外側トーションバー
２３ 外側可動板
２４ 内側トーションバー
２５ 内側可動板
２６ 外側駆動コイル
２７Ａ，２７Ａ 外側電極端子
２８ 反射ミラー
２９ 内側駆動コイル
３０Ａ，３０Ａ 内側電極端子
１１０ ポリイミド
１１１ シリコン
１１２ 窒化ケイ素
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレーナ型アクチュエータ及びその製造方法に関し、特に、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術で製造する２次元走査型のプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプレーナ型アクチュエータは、レーザ光等の光ビームの偏向走査等に利用され、電磁力を利用する電磁型や静電力を利用する静電型等がある。
以下に、電磁型のアクチュエータの例を説明する。
プレーナ型電磁アクチュエータとしては、本出願人により先に提案された例えば特許公報第２７２２３１４号に記載されたものがあり、図１１にその構成を示し説明する。
【０００３】
この２次元走査型のプレーナ型電磁アクチュエータは、シリコン基板の固定部１に外側トーションバー２で枠状の外側可動板３を揺動可能に軸支し、外側可動板３に外側トーションバー２と軸方向が直交する内側トーションバー４で揺動可能に平板状の内側可動板５を軸支する。これら固定部１、外側及び内側トーションバー２，４及び外側及び内側可動板３，５は、半導体基板で一体に形成する。外側可動板３には、通電により磁界を発生する駆動コイル６（図では模式的に１本線で示す）を形成し、駆動コイル６は、固定部１に形成した一対の外側電極端子７Ａ，７Ａに外側トーションバー２の一方を介して電気的に接続する。内側可動板５には、中央部に反射ミラー８を形成し、その周縁部に通電により磁界を発生する駆動コイル９（図では模式的に１本線で示す）を形成する。駆動コイル９は、内側トーションバー４の一方から外側可動板３部分を通り、外側トーションバー２の他方側を介して固定部１の一対の内側電極端子１０Ａ，１０Ｂに電気的に接続する。更に、互いに対をなす静磁界発生手段（例えば永久磁石）を、外側及び内側トーションバー２，４の軸方向とそれぞれ平行な各可動板３，５の対辺の駆動コイル部分に静磁界が作用するよう可動板周囲に設ける。図１１の例では、一対の永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂを、固定部１の上下に陽極接合する、例えばガラス等からなる上側絶縁基板１５及び下側絶縁基板１６に、静磁界が駆動コイル６，９を可動板と平行な方向に横切るよう上下に位置をずらすようにして配置してある。
【０００４】
かかる構成の電磁アクチュエータは、駆動コイル６，９に電流を流すことにより発生する磁界と、永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂの作る静磁界との相互作用により可動板３，５を駆動する。
即ち、可動板３，５の両側では、永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂによって可動板３，５の平面に沿って駆動コイル６，９を横切るような方向に静磁界を形成する。この静磁界中の駆動コイル６，９に電流を流すと、可動板３，５の両端に、電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った方向に電磁力が作用して可動板３，５が回動する。可動板３，５が回動するとトーションバー２，４が捩じられてばね反力が発生し、電磁力とばね反力が釣り合う位置まで可動板３，５が回動する。可動板３，５の回動角は駆動コイル６，９に流れる電流に比例し、電流を制御することで可動板３，５の回動角を制御できる。そして、駆動コイル６，９に流す交流電流の周波数を、トーションバー２，４の材質、形状等で規定される共振周波数と同じ周波数とすることにより、その電流値における最大の回動角が得られる。これにより、反射ミラー８に入射するレーザ光等の光の反射方向を自由に制御でき、可動板３，５を連続的に反復動作させることで、レーザ光のスキャニング等、光の走査が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ光等の光を２次元走査してレーザレーダ等の物体検知や絵や文字等の画像表示を行うには、ラスタ走査で行うのが一般的であり、この場合、水平走査と垂直走査の周波数比は大きい方がよい。しかしながら、上述した従来のプレーナ型アクチュエータは、外側と内側のトーションバー２，４が同一の材料（半導体基板材料と同じシリコン）で形成されているため、断面形状等を異ならせたとしてもその剛性を大きく変化させることが難しい。このため、外側可動板３と内側可動板５の共振周波数比を大きくとれず、ラスタ走査しようとすると走査軌跡がリサージュ曲線になってしまう。そのため、従来のプレーナ型アクチュエータで物体検知や画像表示を行おうとすると、リサージュ曲線を制御する必要があるが、リサージュ曲線はわずかな周波数の違いにより曲線形状が大きく変わるため制御が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、外側可動板と内側可動板の共振周波数比を大きくでき、光の偏向走査等に利用する場合にラスタ走査を可能とするプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、固定部に外側トーションバーで揺動可能に軸支した枠状の外側可動板と、該外側可動板に前記外側トーションバーと軸方向が直交する内側トーションバーで揺動可能に軸支した内側可動板と、前記各可動板を駆動する駆動手段とを備えたアクチュエータにおいて、前記外側トーションバーと内側トーションバーを剛性の異なる材料で形成し、剛性の低い材料で形成したトーションバー側に、軸ずれ防止用補強材として当該トーションバー形成材料より剛性の高い材料を設けることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成では、外側可動板と内側可動板の共振周波数比を大きくすることが可能となるので、光走査用のアクチュエータに適用した場合にラスタ走査が容易に可能となる。また、剛性の低いトーションバー側の軸ずれを抑制でき、このトーションバーで軸支される可動板の揺動動作が安定するようになる。
前記駆動手段は、具体的には請求項２のように、前記各可動板にそれぞれ設けた駆動コイルと、前記各駆動コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記各駆動コイルに電流を流すことにより発生する電磁力により前記各可動板をそれぞれ駆動する構成とするとよい。
【０００９】
請求項３のように、前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の低い材料を用いて形成する構成とするとよい。また、請求項５のように、シリコンの代わりに、当該シリコンより剛性の高い弾性材料、例えば窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等を用いる構成としてもよい。
【００１０】
請求項４のように、前記シリコンを主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設けるとよい。また、請求項６のように、前記シリコンより剛性の高い弾性材料を主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設ける構成とするとよい。保護層としては、具体的には請求項９のように、ポリイミドを用いればよい。
【００１１】
かかる構成では、剛性の高い材料を主材料とするトーションバー側の耐衝撃性が向上するようになり、脆性破壊等に対する強度が向上するようになる。
請求項７の発明では、前記シリコンより剛性の低い材料を弾性材料、例えばポリイミド、ポリプロピレン、弗化樹脂等のような有機材料とするとよい。
【００１２】
前記軸ずれ防止用補強材としては、請求項８のように、シリコン、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等を用いるようにするとよい。
請求項１０の発明では、前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の高い弾性材料を用いて形成する構成とした。
【００１３】
具体的には請求項１１のように、前記シリコンより剛性の高い弾性材料が、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニア等のうちいずれか１つである。
また、請求項１２のように、前記両トーションバーの少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層、例えば請求項１３のようにポリイミドからなる保護層を設けるとよい。
【００１４】
かかる構成では、各トーションバーの耐衝撃性が向上するようになり、脆性破壊等に対する強度が向上するようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を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アクチュエータの第１実施形態の参考例の要部平面図を示す。
図１において、本参考例のプレーナ型電磁アクチュエータ２０は、シリコン基板の固定部２１に外側トーションバー２２で枠状の外側可動板２３を揺動可能に軸支し、外側可動板２３に外側トーションバー２２と軸方向が直交する内側トーションバー２４で揺動可能に平板状の内側可動板２５を軸支する。外側可動板２３には、通電により磁界を発生する外側駆動コイル２６（図１では点線で模式的に１本線で示す）を形成し、外側駆動コイル２６は、固定部２１に形成した一対の外側電極端子２７Ａ，２７Ａに外側トーションバー２２の一方を介して電気的に接続する。内側可動板２５には、表面周縁部に通電により磁界を発生する内側駆動コイル２９（図１では点線で模式的に１本線で示す）を形成し、裏面全面にアルミニウムや金等の薄膜からなる反射ミラー２８（図４（ｈ）に示す）を形成する。内側駆動コイル２９は、内側トーションバー２４の一方から外側可動板２３部分を通り、外側トーションバー２２の他方側を介して固定部２１の一対の内側電極端子３０Ａ，３０Ａに電気的に接続する。尚、図示を省略するが、外側及び内側トーションバー２２，２４の軸方向とそれぞれ平行な各可動板２３，２５の対辺の駆動コイル部分に静磁界を作用する静磁界発生手段として例えば図１１に示す永久磁石１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂを、従来同様に可動板２３，２５の周囲に配置してある。尚、反射ミラー２８は、従来と同様に内側可動板２５の表面側に形成してもよいことは言うまでもない。
【００１８】
本参考例の電磁アクチュエータ２０は、外側トーションバー２２と内側トーションバー２４を、剛性の異なる材料で形成してある。例えば内側トーションバー２４は、剛性が高く共振周波数の高い材料、例えば半導体基板と同じシリコンで形成し、外側トーションバー２２は、剛性が低く共振周波数の低い弾性材料として例えばポリイミドで形成してある。尚、前記剛性が低く共振周波数の低い弾性材料としては、有機材料が好ましく、有機材料のうち前記ポリイミドの他には、ポリプロピレン、弗化樹脂等が好ましい。また、トーションバー部分に駆動コイル部分を配線するので、前記弾性材料は絶縁性を有することが望ましい。
【００１９】
図２の（Ａ）に外側トーションバー２２の断面状態を示し、（Ｂ）に内側トーションバー２４の断面状態を示す。尚、図２（Ａ）では、後述する製造工程において残存する酸化膜（ＳｉＯ2）は図示を省略する。
かかる構成の電磁アクチュエータ２０によれば、外側可動板２３を低い共振周波数で駆動し、内側可動板２５を高い共振周波数で駆動することが可能となり、外側可動板２３と内側可動板２５の共振周波数比が大きくとれる。従って、外側可動板２３と内側可動板２５を駆動制御してレーザ光のラスタ走査が容易に可能となり、レーザ光等を利用した物体検知や画像表示のための光走査装置に好適な電磁アクチュエータが提供できる。また、ポリイミドは剛性が低く、小さい力で所定の位置に可動板を停止させることが可能であるので、外側可動板２３をステップ的に回動動作させることが可能となり、レーザ光の水平走査が可能となる。また、ポリイミドは耐衝撃性が良好であり、外側トーションバー２２の脆性破壊等に対する耐久性を向上できる。また、内側可動板２５が、内側トーションバー２４と一体に剛性の高いシリコンで形成されているので、反り等の変形を抑制できる。
【００２０】
次に、上記参考例のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程を、図３及び図４の概略図を参照しながら説明する。尚、図３及び図４の図は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面を示す。
例えば厚さ４００μｍのシリコン基板１０１の上下面を熱酸化して厚さ１μｍの酸化膜（ＳｉＯ2）１０２を形成する（ａ工程）。
【００２１】
次に、シリコン基板１０１表面側の酸化膜１０２上にスパッタリングによりアルミニウム薄膜を２μｍの厚さで形成し、駆動コイル２６，２９、固定部２１上に形成する電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａ、所定のトーションバー部分に形成する配線部分（図示せず）及びコンタクト部にそれぞれ相当する部分を、ポジ型レジストでマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。これにより、電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａに相当するアルミニウム層（図示せず）、１層目の駆動コイル２６，２９にそれぞれ相当するアルミニウム層１０３ａ，１０４ａ、駆動コイル２６，２９と電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａとを接続する配線部分、１層目のコンタクト部１０５ａが形成される。尚、図示しないが外側駆動コイル２６のコンタクト部も外側可動板２３に相当する部位に形成される（工程ｂ）。
【００２２】
次に、感光性ポリイミドを２μｍの厚さで塗布し、１層目のアルミニウム層１０３ａ，１０４ａと外側トーションバーに相当する部分をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、１層目のアルミニウム層１０３ａ，１０４ａを厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０６で覆うと共に、シリコンと剛性の異なる材料（ポリイミド）からなる外側トーションバー２２のポリイミド層１０７ａを形成する。（工程ｃ）。
【００２３】
次に、工程ｂと同様に、シリコン基板１０１表面側にスパッタリングによりアルミニウム薄膜を２μｍの厚さで形成し、駆動コイル２６，２９、電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａ及びコンタクト部にそれぞれ相当する部分を、ポジ型レジストでマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。これにより、２層目の駆動コイル２６，２９に相当するアルミニウム層１０３ｂ，１０４ｂが形成される。また、コンタクト部１０５ａと接続する２層目のコンタクト部１０５ｂが形成され、このコンタクト部１０５で内側駆動コイル２９の１層目と２層目のアルミニウム層１０４ａ，１０４ｂが電気的に接続して駆動コイル２９が形成される。また、図示しない固定部２１上の電極端子２７Ａ，２７Ａ、３０Ａ，３０Ａの厚さが厚くなる。尚、図示しないが、外側駆動コイル２６のコンタクト部も同様に形成される（工程ｄ）。
【００２４】
次に、感光性ポリイミドを２μｍの厚さで塗布し、２層目のアルミニウム層１０３ｂ，１０４ｂ、コンタクト部１０５及び外側トーションバーに相当する部分をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、２層目のアルミニウム層及びコンタクト部１０５を厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０８で覆うと共に、外側トーションバー部分に２μｍのポリイミド層１０７ｂを積層して外側トーションバー２２部分を形成する。（工程ｅ）。
【００２５】
尚、この段階で、外側トーションバー２２部分のポリイミド層の厚さが足りない場合は、更に、外側トーションバー２２部分のみにポリイミド層を所定厚さとなるように形成する工程が追加される。
次に、ポジ型レジストで、シリコン基板１０１裏面側の外側トーションバー２２、外側可動板と固定部間の貫通部及び外側可動板と内側可動板間の貫通部に相当する部分以外をマスクし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置等によるドライエッチングやフッ酸系のウエットエッチングにより酸化膜１０２をエッチングして除去する。そして、レジストと酸化膜をマスクとして、ＲＩＥ装置やアルカリ性溶液（例えば水酸化カリウム）を用いてシリコン基板１０１裏面側を１００μｍ（内側トーションバー２４の厚さに相当する）エッチングした後、レジストを除去する（工程ｆ）。
【００２６】
次に、工程ｆと同様にして、ポジ型レジストで、シリコン基板１０１裏面側の外側トーションバー２２、内側トーションバー２４、貫通部、外側可動板２３及び内側可動板２５に相当する部分以外をマスクし、酸化膜１０２をエッチングして除去する。更に、レジストと酸化膜をマスクとして、シリコン基板１０１裏面側を貫通部が貫通するまで（約３００μｍ）エッチングした後、レジストを除去する（工程ｇ）。
【００２７】
次に、シリコン基板１０１表裏両側の酸化膜１０２をエッチングにより除去する。これにより、貫通部が貫通し、固定部２１、外側トーションバー２２、内側トーションバー２４、外側可動板２３及び内側可動板２５が形成される。その後、内側可動板２５裏面にアルミニウムや金等の薄膜からなる反射ミラー２８を形成する（工程ｈ）。
【００２８】
上記の参考例のように、外側トーションバー２２をポリイミド単体で形成した場合、ポリイミドは剛性が低いため軸ずれが生じ易い。このため、本発明のプレーナ型アクチュエータの第１実施形態では、外側トーションバー２２を、軸ずれ防止のために図５のように、主材料をポリイミド１１０として剛性の高い材料を補強材として設ける構成とした。
図５（Ａ）は、主材料のポリイミド１１０の下面に、補強材としてポリイミドより剛性の高いシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｂ）は、ポリイミド１１０の中心部にシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｃ）は、ポリイミド１１０の中間層にシリコン１１１を設ける構成である。図５（Ｄ）は、ポリイミド１１０の下面にシリコンより剛性の高い窒化ケイ素（ＳｉＮ）１１２を設ける構成である。図５（Ｅ）は、ポリイミド１１０の中心部に窒化ケイ素１１２を設ける構成である。図５（Ｆ）は、ポリイミド１１０の中間層に窒化ケイ素１１２を設ける構成である。
【００２９】
尚、図５（Ａ）〜（Ｆ）に示す構成の外側トーションバー２２の主材料はポリイミド１１０であり、その共振周波数は主材料のポリイミド１１０により支配されるので、ポリイミド単体の場合と同様に、外側可動板２３を低い共振周波数で駆動できる。
図５のように剛性の高いシリコンや窒化ケイ素を補強材として設けることにより、ポリイミドを主材料として形成した外側トーションバー２２の共振周波数を高めずに軸ずれを抑制でき、低い共振周波数で駆動する可動板の動作を安定化できる。尚、補強材として、アルミナ、窒化アルミ、ジルコニア等を用いてもよい。
【００３０】
また、上記の第１実施形態では、内側トーションバー２４をシリコン単体で形成したが、シリコンは剛性が高く衝撃等に弱いので、耐衝撃性向上のために図６に示すように、主材料のシリコンにポリイミドを保護層として設けるとよい。
図６（Ａ）は、主材料のシリコン１１１の上面に保護層としてポリイミド１１０を設ける構成である。図６（Ｂ）は、シリコン１１１の周囲をポリイミド１１０で覆う構成である。図６（Ｃ）は、シリコン１１１の上下面に保護層としてポリイミド１１０を設ける構成である。
【００３１】
図６のように耐衝撃性の良好なポリイミドを保護材として設けることにより、シリコンを主材料として形成した内側トーションバー２４の耐衝撃性が向上し脆性破壊等による破損を抑制できる。尚、アクチュエータ形状は、図１と同様である。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、アクチュエータ形状は図１の第１実施形態と同様であるので図示を省略し、以下の説明では図１を代用して説明する。
【００３２】
第２実施形態の電磁アクチュエータは、高い共振周波数で駆動する内側可動板２５を軸支する内側トーションバー２４を、シリコンより剛性の高い弾性材料、例えば窒化ケイ素を設けて形成したものである。即ち、図７の断面状態に示すように、内側トーションバー２４を、シリコン１１１表面側にシリコンより剛性が高く共振周波数の高い窒化ケイ素１１２を主材料として設けて形成する。尚、図７では、後述する製造工程において残存する酸化膜（ＳｉＯ2）は図示を省略する。その他の構成及び形状は図１の第１実施形態と同様であるので説明を省略する
かかる構成の第２実施形態の電磁アクチュエータ２０によれば、内側可動板２５を、より一層高い共振周波数で駆動することが可能となり、外側可動板２３と内側可動板２５の共振周波数比が更に大きくとれる。従って、レーザ光のラスタ走査の際の走査線数の増大が可能となり、画像表示等に適用した場合に表示画像の精細度を高めることが可能となる。
【００３３】
尚、シリコンより剛性の高い弾性材料としては、窒化ケイ素の他に、アルミナ、窒化アルミ、ジルコニア等が考えられる。また、前記弾性材料は絶縁性を有することが望ましい。
次に、上記第２実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの製造工程の参考例を、図８及び図９の概略図を参照しながら説明する。尚、図８及び図９の図は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面を示す。
【００３４】
電磁アクチュエータの製造工程は、シリコン基板１０１上下面の酸化膜（ＳｉＯ2）１０２形成工程（ａ工程）の次に、窒化ケイ素の薄膜形成工程が追加されたこと以外は、前述の参考例の電磁アクチュエータの製造工程と同様である。
即ち、シリコン基板１０１上下面の酸化膜（ＳｉＯ2）１０２形成工程（ａ工程）の次に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、酸化膜１０２表面に厚さ２μｍの窒化ケイ素（ＳｉＮ）の薄膜を形成し、ポジ型レジストで内側トーションバーに相当する部分をマスクし、窒化ケイ素薄膜をエッチングした後、レジストを除去する。これにより、内側トーションバー部分に窒化ケイ素１１２が形成される（ｂ工程）。
【００３５】
その後の工程ｃ〜工程ｉは、図３及び図４に示す参考例の製造工程ｂ〜工程ｈと同様であり、説明を省略する。
主材料を窒化ケイ素１１２とした内側トーションバー２４の構成は、図７に限るものではなく、図１０のような種々の構成が考えられる。図１０（Ａ）は窒化ケイ素１１２だけの構成である。（Ｂ）は窒化ケイ素１１２の上下にポリイミド１１０を設ける構成である。（Ｃ）は窒化ケイ素１１２の周囲をポリイミド１１０で覆う構成である。（Ｄ）は窒化ケイ素１１２の上面にポリイミド１１０を設ける構成である。これら図１０（Ｂ）〜（Ｄ）の構成によれば、図６と同様に、耐衝撃性の良好なポリイミド１１０により、剛性の高い内側トーションバー２４の耐衝撃性が向上し脆性破壊等による破損を抑制できる。（Ｅ）は窒化ケイ素１１２の上下にシリコン１１１を設ける構成であり、（Ｆ）は窒化ケイ素１１２の周囲をシリコン１１１で覆う構成であり、（Ｇ）は窒化ケイ素１１２の上面にシリコン１１１を設ける構成である。この場合、シリコン１１１は、厚さ２０μｍ以下の薄膜とする。また、（Ｈ）のようにシリコン１１１の上下に窒化ケイ素１１２を設ける構成としてもよく、（Ｉ）のようにシリコン１１１の周囲に窒化ケイ素１１２を設ける構成としてもよい。
【００３６】
外側トーションバー２２については、第１実施形態と同様に、図５（Ａ）〜（Ｆ）のような構成とすることで軸ずれを抑制できるようになる。
上述の各実施形態では、内側トーションバー２４を剛性の高い材料で形成し、外側トーションバー２２を剛性の低い材料で形成するようにしたが、逆に外側トーションバー２２を剛性の高い材料で形成し、内側トーションバー２４を剛性の低い材料で形成してもよいことは言うまでもない。
【００３７】
また、高い共振周波数で駆動する側のトーションバーを図７や図１０（Ａ）〜（Ｇ）のような窒化ケイ素１１２等のシリコンより剛性の高い弾性材料を主材料とする構成とし、低い共振周波数で駆動する側のトーションバーを図２や図６のようなシリコン１１２を主材料とする構成としても、従来より共振周波数比を大きくとれるので、電磁アクチュエータによるラスタ走査は可能である。
【００３８】
尚、特許公報第２７２２３１４号の図２０に示されているように、薄膜磁石を可動板側に形成し、各駆動コイルを固定部２１の所定位置に形成するように構成した電磁アクチュエータにおいて、外側トーションバーと内側トーションバーを、剛性の異なる材料で形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
また、本発明が適用可能なアクチュエータは電磁型に限らない。内側可動板及び外側可動板の各トーションバー軸方向と平行な対辺部分にそれぞれ対称に一対の電極板を設け、これら可動板側電極板と対面させて固定電極板を設け、可動板側電極板と固定電極板間に電圧を印加して静電引力を発生して内側可動板及び外側可動板をそれぞれ駆動する静電型アクチュエータにも適用できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、外側可動板を軸支する外側トーションバーと内側可動板を軸支する内側トーションバーを剛性の異なる材料で形成したので、両可動板を大きな共振周波数比で駆動することが可能となる。従って、レーザ光のラスタ走査が可能となり、レーザ光等を利用した物体検知や画像表示のための光走査装置に好適なアクチュエータが提供できる。更に、剛性の低いトーションバー側に剛性の高い軸ずれ防止用補強材を設けるので、剛性の低いトーションバーの軸ずれを抑制でき、低い共振周波数で駆動する可動板の動作を安定化できる。
【００４０】
また、剛性の低い側のトーションバーをポリイミドで形成すれば、ポリイミドは剛性が低く小さい力で所定の位置に可動板を停止させることが可能であるので、可動板をステップ的に回動動作させることが可能で、レーザ光の水平走査が可能となり、物体検知や画像表示のための光走査装置により好適なアクチュエータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータの第１実施形態の参考例を示す要部の平面図
【図２】（Ａ）外側トーションバーの断面状態図、（Ｂ）内側トーションバーの断面状態図
【図３】参考例の製造工程の説明図
【図４】図３に続く製造工程の説明図
【図５】本発明に係るアクチュエータの第１実施形態の外側トーションバー構成例を示す断面状態図
【図６】内側トーションバーの別の構成例を示す断面状態図
【図７】本発明の第２実施形態の内側トーションバーの断面状態図
【図８】第２実施形態の参考例の製造工程の説明図
【図９】図８に続く製造工程の説明図
【図１０】内側トーションバーの別の構成例を示す断面状態図
【図１１】電磁アクチュエータの基本構成の説明図
【符号の説明】
１１Ａ，１１Ｂ〜１４Ａ，１４Ｂ 永久磁石
２０ 電磁アクチュエータ
２１ 固定部
２２ 外側トーションバー
２３ 外側可動板
２４ 内側トーションバー
２５ 内側可動板
２６ 外側駆動コイル
２７Ａ，２７Ａ 外側電極端子
２８ 反射ミラー
２９ 内側駆動コイル
３０Ａ，３０Ａ 内側電極端子
１１０ ポリイミド
１１１ シリコン
１１２ 窒化ケイ素
Claims (13)
- 固定部に外側トーションバーで揺動可能に軸支した枠状の外側可動板と、該外側可動板に前記外側トーションバーと軸方向が直交する内側トーションバーで揺動可能に軸支した内側可動板と、前記各可動板を駆動する駆動手段とを備えたアクチュエータにおいて、
前記外側トーションバーと内側トーションバーを剛性の異なる材料で形成し、剛性の低い材料で形成したトーションバー側に、軸ずれ防止用補強材として当該トーションバー形成材料より剛性の高い材料を設けることを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。 - 前記駆動手段は、前記各可動板にそれぞれ設けた駆動コイルと、前記各駆動コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記各駆動コイルに電流を流すことにより発生する電磁力により前記各可動板をそれぞれ駆動する構成である請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の低い材料を用いて形成する構成とした請求項１又は２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記シリコンを主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設けた請求項３に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記シリコンの代わりに、当該シリコンより剛性の高い弾性材料を用いる構成とした請求項３に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記弾性材料を主材料とするトーションバー側の少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設けた請求項５に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記シリコンより剛性の低い材料が弾性材料である請求項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。
- 前記軸ずれ防止用補強材が、シリコン、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニアのうちいずれか１つである請求項３〜７のいずれか１つに記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記保護層がポリイミドからなる請求項４、６に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記外側トーションバーと内側トーションバーのいずれか一方を、剛性を決定する主材料としてシリコンを用いて形成し、他方を、剛性を決定する主材料として前記シリコンより剛性の高い弾性材料を用いて形成する構成とした請求項１又は２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記シリコンより剛性の高い弾性材料が、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ及びジルコニアのうちいずれか１つである請求項１０に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記両トーションバーの少なくとも上面に、耐衝撃性の高い材料で形成した保護層を設けた請求項１０又は１１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
- 前記保護層がポリイミドからなる請求項１２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
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