JPH08186975A - 電磁アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
電磁アクチュエータ及びその製造方法Info
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- JPH08186975A JPH08186975A JP6327369A JP32736994A JPH08186975A JP H08186975 A JPH08186975 A JP H08186975A JP 6327369 A JP6327369 A JP 6327369A JP 32736994 A JP32736994 A JP 32736994A JP H08186975 A JPH08186975 A JP H08186975A
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Abstract
ションバー部分の配線パターンをなくし、トーションバ
ーの捩じれ運動の繰り返しによるコイルの断線を防止し
て、プレーナ型電磁アクチュエータの耐久性及び信頼性
を向上させる。 【構成】プレーナ型電磁アクチュエータ(例えばガルバ
ノミラー)において、可動板5を軸支するトーションバ
ー6部分を、高濃度の硼素を拡散させて導電性とし、外
部電源と平面コイル7とを、トーションバー6自体を介
して電気的に接続する。
Description
して小型化を実現した電磁アクチュエータ及びその製造
方法に関し、特に、可動板を駆動するための駆動コイル
の断線防止を図った電磁アクチュエータの改良に関す
る。
の電磁アクチュエータとして、本発明者により先に提案
された、例えばプレーナ型ガルバノミラー(特願平5−
320524号及び特願平6−9824号)、プレーナ
型電磁リレー(特願平5−320525号参照)或い
は、光検出装置(特願平6−310657号参照)等が
ある。
て、プレーナ型ガルバノミラーを例として以下に説明す
る。ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザ
スキャナ等に利用されるもので、その原理は、磁界中に
配置した可動コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関
連して電磁力が発生して電流に比例した回転力(トル
ク)が生じる。このトルクとバネ力とが平衡する角度ま
で可動コイルが回動し、この可動コイルを介して指針を
振らせて電流の有無や大小を検出するというガルバノメ
ータの原理を利用したもので、可動コイルと一体に回転
する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設けて構成され
る。
例えば、磁界中に配置する可動コイルの代わりに可動鉄
片を用い、その周囲に2つの永久磁石と4つの磁極を設
けた磁性体とで磁路を構成し、前記磁性体に巻回した駆
動コイルに流す電流の大小及び方向によって磁極間の磁
束を変化させることにより、可動鉄片を介して反射鏡を
揺動させ、レーザ光を偏光走査するようにしたものがあ
る(例えば、共立出版株式会社「実用レーザ技術」,P
210〜212,1987年12月10日発行、等参
照)。
コイルが機械巻き等であることから小型化することが難
しく、従って、このガルバノミラーによるレーザスキャ
ニングシステムや、このシステムを用いるレーザ応用機
器の小型化は難しいという問題がある。かかる問題を解
消するため、本発明者は、前述した超小型で薄型のプレ
ーナ型ガルバノミラーを提案した。
図7及び図8に示し説明する。図7は1軸のプレーナ型
ガルバノミラーの一例を示し、図8は2軸のプレーナガ
ルバノミラーの一例を示している。まず、図7の1軸の
ものについて説明する。図において、ガルバノミラー1
は、シリコン基板2の上下面に、図中矢印で示すよう
に、それぞれ例えばホウケイ酸ガラス等からなる上側及
び下側ガラス基板3,4を陽極接合して3層構造として
いる。前記各ガラス基板3,4は、それぞれ中央部に例
えば超音波加工によって形成した溝3A,4Aを設けた
構造とし、これにより、シリコン基板2に形成される後
述の可動板5の揺動空間を確保している。前記シリコン
基板2には、前述の平板状の可動板5と、この可動板5
の中心位置でシリコン基板2に対して基板上下方向に揺
動可能に可動板5を軸支するトーションバー6,6とが
異方性エッチングによって一体形成される。前記可動板
5の上面周縁部には、通電により磁界を発生する銅薄膜
の平面コイル7が電鋳コイル法等を用いて形成されてい
る。また、可動板5の平面コイル7で囲まれる上面中央
部には、反射鏡としての全反射ミラー8がアルミニウム
蒸着により形成されている。更に、シリコン基板2のト
ーションバー6,6の側方上面には、トーションバー
6,6の部分を介して平面コイル7と電気的に接続する
一対の電極端子9,9が電鋳コイル法等で形成されてい
る。
側には、前記トーションバー6,6の軸方向と平行な可
動板5の対辺の平面コイル7部分に静磁界を作用させる
互いに対をなす円形状の永久磁石10A,10Bと11A,11
Bが設けられている。互いに対をなす永久磁石10A,10
Bは、例えば下側がN極、上側がS極となるよう設けら
れ、互いに対をなす永久磁石11A,11Bは、逆に下側が
S極、上側がN極となるよう設けられる。ここで、前記
永久磁石10A,10Bと11A,11Bが静磁界発生手段に相
当する。
する。一方の電極端子9を+極、他方の電極端子9を−
極として平面コイル7に電流を流す。可動板5の両側で
は、永久磁石10Aと10B、11Aと11Bによって、可動板
5の平面に沿って平面コイル7を横切るような方向に磁
界が形成されており、この磁界中の平面コイル7に電流
が流れると、平面コイル7の電流密度と磁束密度に応じ
て可動板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磁気力が作用して可動板5
が回動する。
ションバー6,6が捩じられてばね反力が発生し、前記
磁気力とばね反力が釣り合う位置まで可動板5が回動す
る。可動板5の回動角は平面コイル7に流れる電流に比
例するので、平面コイル7に流す電流を制御することで
可動板5の回動角を制御することができる。従って、ト
ーションバー6,6の軸に対して垂直な面内において全
反射ミラー8に入射するレーザ光の反射方向を自由に制
御でき、全反射ミラー8の変位角を連続的に反復動作さ
せれば、レーザ光のスキャニングができる。
は、シリコン基板2の可動板5が、枠状の外側可動板5
Aと平板状の内側可動板5Bとで構成され、互いに直交
形成された2組のトーションバー6A,6Aと6B,6
Bで軸支される。外側可動板5A上面には、第1のトー
ションバー6Aの一方の部分を介してシリコン基板2上
の一対の外側電極端子9A,9Aに電気的に接続する平
面コイル7A(図では模式的に1本線で示す)が設けら
れている。また、内側可動板5B上面には、第2のトー
ションバー6Bの一方から外側可動板5A部分を通り、
第1のトーションバー6Aの他方側を介してシリコン基
板2上の内側電極端子9B,9Bに電気的に接続する平
面コイル7B(図では模式的に1本線で示す)が設けら
れると共に、中央部に全反射ミラー8が形成される。
ス基板3,4には、2個づつ対となったそれぞれ8個づ
つの静磁界発生手段としての永久磁石10A〜13Aと10B
〜13Bが図示のように配置される。永久磁石10A,10B
と11A,11Bは、外側可動板駆動用の磁界を発生させる
ものであり、永久磁石12A,12Bと13A,13Bは、内側
可動板駆動用の磁界を発生させるものである。
板5Aの平面コイル7Aのみに電流を流せば外側可動板
5Aが回動し、この際に内側可動板5Bも外側可動板5
Aと一体に回動して、全反射ミラー8は1軸の場合と同
様の動きとなる。一方、内側可動板5Bの平面コイル7
Bにも電流を流せば外側可動板5Aの回動方向と直角方
向に内側可動板5Bが回動し、この場合には、全反射ミ
ラー8でレーザ光を偏光走査すると2次元的な走査が行
える。
て、永久磁石10A〜13Bを他の固定部に取り付けるよう
にすれば、上側及び下側のガラス基板3,4は必ずしも
必要ではない。
ーナ型ガルバノミラーの場合、可動板5、言い換えれば
全反射ミラー8を駆動するための駆動コイルである平面
コイル7の配線が、1軸の場合は図9に示すように、2
軸の場合は図10に示すように、いずれもトーションバー
6の部分にパターニングされている。このため、全反射
ミラー8の駆動時のトーションバーの捩じれ運動の繰り
返しによって、平面コイル7の金属材料が金属疲労によ
って断線する可能性があり、平面コイル7の疲労強度に
よってガルバノミラーの寿命が決まってしまうという問
題がある。
で、駆動コイルの断線故障を生じることのない電磁アク
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。
導体基板に、可動板と該可動板を前記半導体基板に対し
て揺動可能に軸支するトーションバーと一体形成し、前
記可動板の周縁部に設けた駆動コイルと、該駆動コイル
に静磁界を与える磁界発生手段とを備え、前記駆動コイ
ルに電流を流すことにより発生する磁気力により前記可
動板を駆動する構成の電磁アクチュエータにおいて、前
記トーションバーの少なくとも一部を導電性に形成し、
この導電領域を介して外部電源と駆動コイルとを電気的
に接続する構成とした。
した。また、前記可動板の駆動コイルで囲まれる中央部
に反射鏡を設けてガルバノミラーとした。また、トーシ
ョンバー形成部分を除いて半導体基板の下面から上面に
向けて異方性エッチングにより貫通させて半導体基板に
揺動可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板
上面周囲に駆動コイルを形成する工程と、駆動コイルに
静磁界を与える磁界発生手段を固定する工程を備えた電
磁アクチュエータの製造方法において、トーションバー
形成部分の少なくとも一部にP型不純物を高濃度に拡散
して導電領域を形成した後、前記異方性エッチングによ
り可動板を形成し、駆動コイルを形成する際に、同時に
前記導電領域の両端部に、当該導電領域を外部電源側と
駆動コイル側にそれぞれ接続するための電極端子部を形
成するようにした。
ミニウム、ガリウム及びインジウムのいずれか1つを使
用するようにした。また、反射鏡を形成する工程を加え
るようにした。
結晶構造の金属の電気配線がなくなるので、トーション
バーの捩じれ運動に起因する金属疲労による電気配線の
断線故障がなくなる。尚、ここで用いている半導体基板
は単結晶構造なので、弾性限界の範囲内の使用であれば
寿命は半永久的である。従って、電磁アクチュエータの
寿命を延ばすことができる。
も一部に、P型不純物、例えば硼素アルミニウム、ガリ
ウム及びインジウムのいずれか1つを高濃度に拡散して
導電領域を形成すると、異方性エッチングにより可動板
を形成する際に、トーションバー形成部分の硼素が高濃
度に拡散された導電領域では、特定のエッチング液でエ
ッチング速度が極端に遅くなり、トーションバー形成部
分が残って導電領域を有するトーションバーが形成でき
る。
領域の体積抵抗率は、10-3Ωcm程度あり、シリコン真
性半導体の体積抵抗率2.3 ×105 Ωcmに比べて格段に
抵抗率が低く、駆動コイルへの電流供給路として十分使
用することができる。
する。図1に本発明に係る電磁アクチュエータとしてガ
ルバノミラーに適用した第1実施例の要部の構成を示
す。尚、本実施例のプレーナ型ガルバノミラーの基本構
成は、図7に示す従来例と同様であり、トーションバー
部分の構成のみが異なるので、ここでは、トーションバ
ー部分の構成について説明する。
トーションバー6部分は、P型不純物、例えば硼素が高
濃度に拡散されてトーションバー6全体が導電性を有し
ている。そして、この導電性のトーションバー6の半導
体基板2側端部付近には、図中破線で示す導電領域内
に、外部電源(図示せず)に電気的に接続するための電
極端子9が形成されている。また、トーションバー6の
可動板5側端部付近には、図中破線で示す導電領域内
に、可動板5上の駆動コイルとしての平面コイル7に電
気的に接続するための電極端子31が形成されている。
電性のトーションバー6を介して外部電源と電気的に接
続されて電流が供給される。そして、例えば硼素の不純
物濃度を約1020/cm3 とすれば、前記トーションバー
6の導電領域の体積抵抗率は約10-3Ωcmであり、シリ
コンの真性半導体の体積抵抗率である2.3 ×105 に比べ
て極めて低く導電性が高いので、十分に電流通路として
機能することができる。
し、トーションバー6自体を介して平面コイル7に電流
を供給する構成とすれば、トーションバー6上の多結晶
構造の金属配線がなくなり、トーションバー6の捩じれ
運動による金属配線の断線故障をなくすことができる。
そして、半導体基板は単結晶構造なので、弾性限界の範
囲内の使用であれば寿命は半永久的である。従って、プ
レーナ型ガルバノミラーの寿命が延ばすことができ、信
頼性が向上する。
ーションバー部分の製造工程を、図2〜図4を参照しな
がら説明する。まず、シリコン基板101 の上下面を熱酸
化して酸化膜102 を形成する(a工程)。次に、表面側
のトーションバー形成部分の酸化膜を除去して不純物拡
散用の穴103 を形成し(b工程)、この穴から不純物の
硼素を高濃度に拡散して導電領域104 を形成する(c工
程)。
に酸化膜を形成し(d工程)、更にその上にスパッタリ
ングによってSiO2 膜を形成する(e工程)。次に、
裏面側にホトリソグラフにより貫通穴のパターンを形成
し、貫通穴105部分の酸化膜をエッチング除去した後
(f工程)、貫通穴105 部分に異方性エッチングを行
う。これにより、可動板5部分が形成されると共に、P
+ エッチストップ作用により導電領域104 はエッチング
されず、導電領域104 からなる導電性のトーションバー
6も同時に形成される(工程g)。尚、P型不純物とし
て硼素(B)の代わりに、アルミニウム(Al )、ガリ
ウム(Ga)或いはインジウム(In)等を用いてもP
+ エッチストップ作用を利用することができる。また、
P+ エッチストップ作用を利用せずに形成する場合は、
P型不純物として、リン(P)、砒素(As)、アンチ
モン(Sb)、ビスマス(Bi)等を使用することがで
きる。
てコンタクトホール106 を形成する(h工程)。次に、
表面側の酸化膜102 上に、従来公知の電鋳コイル法によ
って平面コイル7及び電極端子9,31を形成する(工程
i)。電鋳コイル法は、シリコン基板101 の表面側にニ
ッケルのスパッタを行ってニッケル層を形成し、電解め
っき又はスパッタにより銅層を形成する。次にポジ型の
レジストで平面コイル及び電極端子に相当する部分をマ
スクし、銅エッチング、ニッケルエッチングを順次行
い、エッチング後、レジストを除去し、更に、銅電解め
っきを行ってニッケル層の全周を銅で覆い平面コイル及
び電極端子に相当する銅層を形成する。次に、銅層を除
いた部分にネガ型のメッキレジストを塗布した後、銅電
解めっきを行って銅層を厚くして、平面コイル及び電極
端子を形成する。
め、例えば感光性ポリイミド等の絶縁層107 を形成す
る。この絶縁層107 は、電極端子部と1層目と2層目と
のコイル接続部を除いて形成する(j工程)。次に、前
記絶縁層107 の上に、再度電鋳コイル法によって2層目
の平面コイルを形成し(k工程)、その上に感光性ポリ
イミド等の絶縁層107 を形成する(l工程)。
ラス基板3と下側ガラス基板4をそれぞれ陽極接合によ
って結合し、上下のガラス基板3,4の所定位置に永久
磁石を取付ける。上記第1実施例では、図7の1軸のガ
ルバノミラーに適用する例を示したが、図8に示す2軸
のガルバノミラーのようにトーションバー6部分に2本
の配線を必要とする場合には、図5或いは図6のように
構成すればよい。
ー6部分に、図の一点鎖線で示すように、間隔を設けて
平行に互いに絶縁して2つの不純物拡散による導電領域
104,104 を形成する。この場合、約300 μmの幅のト
ーションバー6に対して、各導電領域104 ,104 の幅は
約50μm程度あればよいので、半導体製造技術における
素子間分離技術によって2つの導電領域104 ,104 を互
いに絶縁するのは可能であるので、何ら支障はなく実現
できる。従って、第1実施例と同様に、プレーナ型ガル
バノミラーの寿命を延ばし信頼性を向上できる。
ンバー6の中間部分を貫通させて、互いに近接した2本
のトーションバー6a,6bに分割構成し、各トーショ
ンバー6a,6bを、図1に示す第1実施例と同様に、
全体に不純物を拡散させて導電領域としている。この場
合は、トーションバーによるばね反力特性が異なるの
で、磁気力とばね反力との関係が1本の場合と異なるだ
けで、ガルバノミラーとして動作させるのには何ら影響
はなく、第1実施例と同様にコイルの断線防止効果を有
し、プレーナ型ガルバノミラーの寿命を延ばし信頼性を
向上できる。
に示すように、トーションバー6の一部に不純物拡散に
よる導電領域を形成するようにしてもよいことを言うま
でもない。本実施例では、電磁アクチュエータとしてプ
レーナ型ガルバノミラーに適用した例を示したが、前述
したプレーナ型電磁リレーや光検出装置等の電磁アクチ
ュエータについても適用できることは言うまでもない。
ーションバー部分を導電性として、トーションバーの導
電領域を介して外部電源と駆動コイルとを電気的に接続
する構成としたので、トーションバーの捩じれ運動の繰
り返しによるコイル通電用配線の断線故障を防止でき、
プレーナ型の電磁アクチュエータの耐久性及び信頼性を
向上できる。
を示す要部構成図
Claims (6)
- 【請求項1】半導体基板に、可動板と該可動板を前記半
導体基板に対して揺動可能に軸支するトーションバーと
一体形成し、前記可動板の周縁部に設けた駆動コイル
と、該駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段とを備
え、前記駆動コイルに電流を流すことにより発生する磁
気力により前記可動板を駆動する構成の電磁アクチュエ
ータにおいて、 前記トーションバーの少なくとも一部を導電性に形成
し、この導電領域を介して外部電源と駆動コイルとを電
気的に接続する構成としたことを特徴とする電磁アクチ
ュエータ。 - 【請求項2】前記トーションバー全体を導電性とした請
求項1記載の電磁アクチュエータ。 - 【請求項3】前記可動板の駆動コイルで囲まれる中央部
に反射鏡を設けてなる請求項1又は2記載の電磁アクチ
ュエータ。 - 【請求項4】トーションバー形成部分を除いて半導体基
板の下面から上面に向けて異方性エッチングにより貫通
させて半導体基板に揺動可能に軸支される可動板を形成
する工程と、可動板上面周囲に駆動コイルを形成する工
程と、駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を固定
する工程を備えた電磁アクチュエータの製造方法におい
て、 トーションバー形成部分の少なくとも一部にP型不純物
を高濃度に拡散して導電領域を形成した後、前記異方性
エッチングにより可動板を形成し、駆動コイルを形成す
る際に、同時に前記導電領域の両端部に、当該導電領域
を外部電源側と駆動コイル側にそれぞれ接続するための
電極端子部を形成するようにしたことを特徴とする電磁
アクチュエータの製造方法。 - 【請求項5】前記P型不純物が、硼素、アルミニウム、
ガリウム及びインジウムのいずれか1つである請求項4
記載の電磁アクチュエータの製造方法。 - 【請求項6】駆動コイルで囲まれた可動板中央部に反射
鏡を形成する工程を備えてなる請求項4又は5記載の電
磁アクチュエータの製造方法。
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