JP6253889B2

JP6253889B2 - プレーナ型アクチュエータ

Info

Publication number: JP6253889B2
Application number: JP2013074517A
Authority: JP
Inventors: 健人菊池; 河村　真; 真河村
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199324A

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。

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、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）

特許第２７２２３１４号公報

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。

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。

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、前記半導体基板上にあり配線パターンで構成された複数層の配線部材と、前記支持梁と前記可動部とに形成され、前記複数層の配線部材直下の層の全面と前記複数層の配線部材を覆うそれぞれの表面の全面とに形成する有機絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記複数層の有機絶縁膜は、前記配線部材のうち前記半導体基板に最も近い第１層目の配線パターンと前記半導体基板との間に介在する第１の有機絶縁膜層と、前記第１の有機絶縁膜層上に成膜されて前記配線部材の第１層目の配線パターンと第２層目の配線パターンとの間に介在する第２の有機絶縁膜層とを含むことにより、前記支持梁の配線部分に加わる応力を低減させ、かつ、前記可動部の振れ角を増やすことを可能にす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、前記複数層の有機絶縁膜と前記半導体基板との間には、無機絶縁材料が介在されていることを特徴とする。
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、前記複数層の有機絶縁膜は、ポリイミドを材料として含むことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、複数層の配線部材を、半導体基板上にあり配線パターンで構成するようにし、さらに、有機絶縁膜を、支持梁と可動部とに形成し、かつ、複数層の配線部材直下の層の全面と複数層の配線部材を覆うそれぞれの表面の全面とに形成するようにしているので、例えば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。また、有機絶縁膜の材料を、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。

請求項３に係る発明によれば、有機絶縁膜と半導体基板との間に無機絶縁材料を介在するようにしているので、例えば支持梁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、従来の無機絶縁膜の形成工程に有機絶縁膜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。

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である。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トーションバー部分の断面図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの実施形態における無機絶縁膜を被膜した例を示すトーションバー部分の断面図である。図４（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における基板への絶縁膜形成工程を示す説明図である。図５（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における第１層目の配線パターンの形成工程を示す説明図である。図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における有機絶縁膜形成工程を示す説明図である。図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における第２層目の配線パターンの形成工程を示す説明図である。図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における有機絶縁膜形成工程を示す説明図である。図９（ａ），（ｂ）は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの製造方法における基板除去工程を示す説明図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの実施形態と従来のプレーナ型アクチュエータとの主応力のシミュレーション結果を示す説明図である。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

半導体基板に設置された枠状の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、
前記半導体基板上にあり配線パターンで構成された複数層の配線部材と、
前記支持梁と前記可動部とに形成され、前記複数層の配線部材直下の層の全面と前記複数層の配線部材を覆うそれぞれの表面の全面とに形成する有機絶縁膜と、
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。
前記複数層の有機絶縁膜は、前記配線部材のうち前記半導体基板に最も近い第１層目の配線パターンと前記半導体基板との間に介在する第１の有機絶縁膜層と、前記第１の有機絶縁膜層上に成膜されて前記配線部材の第１層目の配線パターンと第２層目の配線パターンとの間に介在する第２の有機絶縁膜層とを含むことにより、前記支持梁の配線部分に加わる応力を低減させ、かつ、前記可動部の振れ角を増やすことを可能にす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。
前記複数層の有機絶縁膜と前記半導体基板との間には、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。
前記複数層の有機絶縁膜は、ポリイミドを材料として含む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。