JP6148057B2

JP6148057B2 - プレーナ型アクチュエータ

Info

Publication number: JP6148057B2
Application number: JP2013074868A
Authority: JP
Inventors: 河村　真; 真河村; 土佐　博; 博土佐
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014198365A

Description

本発明はプレーナ型アクチュエータに係り、特に、可動部や半導体基板などの熱歪みの発生を抑制することができ、温度変化にかかわらず可動部を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。

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。

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、可動部と、可動部を揺動可能に軸支する軸支部とを一体に形成し、可動部の表面側にミラーを設け、可動部の裏面側に駆動コイルを設け、駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を設け、駆動コイルに電流を流すことにより発生する磁気力により可動部を駆動するようにした技術が開示されており、このように可動部の裏面側に駆動コイルを設けることにより、可動部の面積を縮小することができるものである（例えば、特許文献１参照）。

特許第４１１１６１９号公報

前記特許文献１に記載の技術においては、駆動コイルに通電することにより、可動部を揺動させて、光を走査させるものであるが、可動部を安定させた状態で、駆動することが要求される。しかしながら、温度上昇により、可動部や半導体基板などが熱により歪んでしまうことがあり、可動部を安定して駆動することができないという問題を有している。

そのため、例えば、半導体基板の厚さ寸法を大きく形成したり、半導体基板の幅寸法を大きく形成したりして、半導体基板の熱強度を増大させることも考えられるが、半導体基板の厚さ寸法を大きく形成した場合には、可動部の周囲に半導体基板の壁が形成されてしまい、可動部のミラーにより反射される光の走査範囲が狭くなってしまうという問題を有している。また、半導体基板の幅寸法を大きく形成した場合には、半導体基板を半導体ウェハから切り出す際に、１枚の半導体ウェハからの取り数が減少してしまい製造コストの増大を招くとともに、機器の大型化を招いてしまうという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、可動部や半導体基板などの熱歪みの発生を抑制することができ、温度変化にかかわらず可動部を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。

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、パッケージ基板に設置された枠状の半導体基板と、前記半導体基板の内側に支持梁を介して可動自在に支持される可動部と、前記半導体基板または前記可動部に配されて前記可動部を駆動させる駆動コイルとを備え、前記半導体基板または前記可動部の少なくとも一方における縁部分のうち前記支持梁との接続側であって、前記駆動コイルを避けた位置に、熱歪みを抑制するサポート部を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部の少なくとも１つの両端に、部材を対向して配置することにより構成されていることを特徴とする。
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、前記サポート部は、複数の棒状の部材を枠状に設けて構成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部と一体に設けられていることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部と別体に設けられていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項において、前記サポート部は、前記可動部による光反射面側に設けられていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項において、前記サポート部は、前記可動部による光反射面と反対側に設けられていることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項において、前記半導体基板と前記可動部の間に、前記可動部を前記支持梁を介して回動自在に支持するとともに、前記半導体基板に第２支持梁を介して回動自在に支持された第２可動部を設け、前記サポート部は、前記半導体基板、前記可動部または前記第２可動部の少なくとも１つに設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、半導体基板または可動部の少なくとも一方における縁部分のうち支持梁との接続側であって、駆動コイルを避けた位置に熱歪みを抑制するサポート部を設けるようにしているので、可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部を安定して動作させることができる。

請求項４に係る発明によれば、サポート部を、半導体基板または可動部と一体に設けるようにしているので、可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部を安定して動作させることができる。
請求項５に係る発明によれば、サポート部を、半導体基板または可動部と別体に設けている、例えば半導体基板または可動部の少なくとも１つに貼着して設けるようにしているので、可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部を安定して動作させることができる。

請求項６に係る発明によれば、サポート部を、可動部による光反射面側に設けるようにしているので、可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部を安定して動作させることができる。

請求項７に係る発明によれば、サポート部を、半導体基板、可動部またはパッケージ基板のうち、可動部による光反射面と反対側に設けるようにしているので、可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部を安定して動作させることができる。

請求項８に係る発明によれば、半導体基板と可動部の間に、可動部を支持梁を介して回動自在に支持するとともに、半導体基板に第２支持梁を介して回動自在に支持された第２可動部を設け、サポート部を、半導体基板、可動部または第２可動部の少なくとも１つに設けるようにしているので、二次元のプレーナ型アクチュエータにおいても、可動部および第２可動部を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部により熱歪みを抑制することができ、その結果、可動部や第２可動部などの熱による変形を防止することができ、その結果、発熱時に、可動部および第２可動部を安定して動作させることができる。

図１（ａ）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構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図である。図２（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図２（ｂ）は図２（ａ）の断面図である。図３（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図３（ｂ）は図３（ａ）の断面図である。図４（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。図５（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面図である。図６（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図６（ｂ）は図６（ａ）の断面図である。図７（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図７（ｂ）は図７（ａ）の断面図である。図８（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面図である。図９（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図９（ｂ）は図９（ａ）の断面図である。図１０（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の断面図である。図１１（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の断面図である。図１２（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面図である。図１３（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の断面図である。図１４（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の断面図である。図１５（ａ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータのサポート部材の変形例を示す概略構成図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の断面図である。

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。

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。

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、パッケージ基板２に搭載された枠状の半導体基板３を備えている。この半導体基板３の内側には、支持梁としての第２トーションバー４を介して枠状の第２可動部５が揺動自在に支持されており、この第２可動部５の内側には、支持梁としての第１トーションバー６を介して可動部としての第１可動部７が揺動自在に支持されている。すなわち、第１可動部７と第２可動部５とは、第２トーションバー４を介して互いに直交する方向に揺動自在とされており、第１可動部７と第２可動部５とは、異なる駆動周波数で駆動されるように構成されている。なお、これら半導体基板３、第２可動部５、第１可動部７、第１トーションバー６および第２トーションバー４は、一体的に形成されている。

また、半導体基板３の周囲には、第１可動部７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。

第１可動部７の一面側には、第１可動部７を駆動するための渦巻き状に形成された第１駆動コイル８が設置されており、この第１駆動コイル８の両端部は、第２可動部５を通って半導体基板３から引き出されるように構成されている。また、第２可動部５の一面側には、第２可動部５を駆動するための渦巻き状に形成された第２駆動コイル９が設置されており、この第２駆動コイル９の両端部は、半導体基板３から引き出されるように構成されている。

そして、本実施形態においては、半導体基板３の下面側両端部には、熱歪みを抑制するサポート部としての棒状のサポート部材１０がそれぞれ設けられている。このサポート部材１０は、可動部または半導体基板３とほぼ同じ物性を有する材料により形成されている。具体的には、可動部および半導体基板３がシリコン材料により形成されている場合には、サポート部材１０は、ガラスやエポキシなどの材料により形成されるものである。

次に、サポート部材１０の変形例について説明する。

サポート部材１０としては、例えば、図２に示すように、半導体基板３の下面側両側部に、それぞれ設けるようにしてもよいし、図３に示すように、半導体基板３の下面側の周囲を囲むように枠状に設けるようにしてもよい。

また、サポート部材１０を半導体基板３の上面側に設ける場合には、例えば、図４に示すように、半導体基板３の上面側両端部にそれぞれ設けるようにしてもよい。さらに、図５に示すように、半導体基板３の上面側両側部に、それぞれ設けるようにしてもよいし、図６に示すように、半導体基板３の上面側の周囲を囲むように枠状に設けるようにしてもよい。

また、サポート部材１０を第２可動部５の下面側に設ける場合には、例えば、図７に示すように、第２可動部５の下面側両端部にそれぞれ設けるようにしてもよい。さらに、図８に示すように、第２可動部５の下面側両側部に、それぞれ設けるようにしてもよいし、図９に示すように、第２可動部５の下面側の周囲を囲むように枠状に設けるようにしてもよい。なお、この変形例においては、サポート部材１０を第２可動部５の第２駆動コイル９の配線を避けた箇所に設けることが望ましい。

さらに、サポート部材１０を第２可動部５の上面側に設ける場合には、例えば、図１０に示すように、第２可動部５の上面側両端部にそれぞれ設けるようにしてもよい。さらに、図１１に示すように、第２可動部５の上面側両側部に、それぞれ設けるようにしてもよいし、図１２に示すように、第２可動部５の上面側の周囲を囲むように枠状に設けるようにしてもよい。なお、この変形例においては、第１可動部７の光反射面における光の反射を妨げることがないように、サポート部材１０の高さ寸法を調整することが必要である。

また、サポート部材１０を第１可動部７の下面側に設ける場合には、例えば、図１３に示すように、第１可動部７の下面側両端部にそれぞれ設けるようにしてもよい。さらに、図１４に示すように、第１可動部７の下面側両側部に、それぞれ設けるようにしてもよいし、図１５に示すように、第１可動部７の下面側の周囲を囲むように枠状に設けるようにしてもよい。なお、この変形例においては、サポート部材１０を第１可動部７の第２駆動コイル９の配線を避けた箇所に設けることが望ましい。

さらに、サポート部材１０は、前述の各変形例を組み合わせて、例えば、半導体基板３、第２可動部５および第１可動部７の２カ所あるいは３カ所以上に設けるようにしてもよい。また、図示していないが、半導体基板３にサポート部材１０を設けるようにしてもよい。

次に、本実施形態の作用について説明する。

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。

第１可動部７の第１駆動コイル８および第２可動部５の第２駆動コイル９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、第１トーションバー６および第２トーションバー４の軸方向と平行な第１可動部７および第２可動部５の対辺部分に互いに逆方向の回転力が発生し、この回転力と第１トーションバー６および第２トーションバー４の復元力とが釣合う位置まで第１可動部７および第２可動部５が回動される。

そして、駆動コイル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第１可動部７および第２可動部５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。

一方、駆動コイルに交流電流を流すことにより、第１可動部７および第２可動部５が揺動し、反射ミラーにより光ビームを偏向走査できる。第１可動部７および第２可動部５を回動させるための回転力は、第１駆動コイル８および第２駆動コイル９に流す駆動電流値に比例するので、駆動コイルに供給する駆動電流値を制御することで、第１可動部７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。

この場合に、本実施形態においては、第１駆動コイル８および第２駆動コイル９に通電して、第１可動部７および第２可動部５を動作させた場合に、温度が上昇するが、サポート部材１０により熱歪みを抑制することができるものである。

以上述べたように、本実施形態においては、半導体基板３、第１可動部７、第２可動部５またはパッケージ基板２の少なくとも１つに、サポート部材１０を設けるようにしているので、第１可動部７および第２可動部５を動作させて温度が上昇した場合でも、サポート部材１０により熱歪みを抑制することができ、その結果、第１可動部７や第２可動部５などの熱による変形を防止することができる。その結果、発熱時に、第１可動部７や第２可動部５を安定して動作させることができる。また、従来のように、半導体基板３の厚さ寸法を大きく形成したり、半導体基板３の幅寸法を大きく形成した場合のように、製造コストの増大や、機器の大型化を招くことがなく、安価に製造することができるとともに、機器の小型化を図ることができる。

なお、前記実施形態においては、第１可動部７と第２可動部５とを備えた二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、１つの可動部のみを備えた一次元のアクチュエータに適用することも可能である。

また、前記実施形態においては、サポート部を、半導体基板３などと別体のサポート部材１０として形成した場合について説明したが、半導体基板３などの一部をリブ状に形成することにより、一体的に形成するようにしてもよい。

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。

１プレーナ型アクチュエータ
２パッケージ基板
３半導体基板
４第２トーションバー
５第２可動部
６第１トーションバー
７第１可動部
８第１駆動コイル
９第２駆動コイル
１０サポート部材

Claims

パッケージ基板に設置された枠状の半導体基板と、
前記半導体基板の内側に支持梁を介して可動自在に支持される可動部と、
前記半導体基板または前記可動部に配されて前記可動部を駆動させる駆動コイルと
を備え、
前記半導体基板または前記可動部の少なくとも一方における縁部分のうち前記支持梁との接続側であって、前記駆動コイルを避けた位置に、熱歪みを抑制するサポート部を設けたことを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部の少なくとも１つの両端に、部材を対向して配置することにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、複数の棒状の部材を枠状に設けて構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部と一体に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、前記半導体基板または前記可動部と別体に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、前記可動部による光反射面側に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記サポート部は、前記可動部による光反射面と反対側に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記半導体基板と前記可動部の間に、前記可動部を前記支持梁を介して回動自在に支持するとともに、前記半導体基板に第２支持梁を介して回動自在に支持された第２可動部を設け、
前記サポート部は、前記半導体基板、前記可動部または前記第２可動部の少なくとも１つに設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプレーナ型アクチュエータ。