(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に、可動板と可動板を基板に対し揺動可能に軸支するトーションバーを一体に形成し、前記可動板を揺動するガルバノ装置の製造方法において、前記可動板を揺動させながらトーションバーを加工することにより可動板の共振周波数を調整することを特徴とするガルバノ装置の製造方法。
【請求項２】
前記トーションバーの加工は、使用状態での可動板の共振周波数と、共振周波数調整状態での可動板の共振周波数との差に基いて、使用状態で所望の共振周波数が得られるように行うことを特徴とする請求項１に記載のガルバノ装置の製造方法。
【請求項３】
前記トーションバーに蒸着して前記可動板の共振周波数を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のガルバノ装置の製造方法。
【請求項４】
基板に、可動板と可動板を基板に対し揺動可能に軸支するトーションバーを一体に形成し、該可動板の共振周波数を調整可能なガルバノ装置であって、
前記可動板を揺動させながら前記トーションバーを加工して前記可動板の共振周波数を調整するためのトーションバー加工用の孔を有することを特徴とするガルバノ装置。
【請求項５】
少なくとも前記可動部を大気圧の不活性ガス雰囲気内又は真空雰囲気内に密封したことを特徴とする請求項４に記載のガルバノ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガルバノ装置の製造方法及びガルバノ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガルバノ装置は、ガルバノメータの原理を利用したものであり、レーザ光のスキャニングシステム等に使用されているガルバノミラー装置に代表される。ガルバノミラーを小型化するために半導体デバイスの製造プロセスを利用してガルバノミラーを製造する方法が開発されている。特開平７−１７５００５号公報には、プレーナー型ガルバノミラー及びその製造方法が詳細に開示されている。
【０００３】
図１、図２は前記公報の図１、図２に記載されたガルバノミラー装置の構成図とＡ−Ａ矢視断面図である。ガルバノミラー装置１は、半導体基板であるシリコン基板２の上下面に、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絶縁基板としての上側及び下側ガラス基板３、４を陽極接合した３層構造となっている。そして、前記上側ガラス基板３は、後述する可動板５上方部を開放するようシリコン基板２の図１の左右端に積層されている。
【０００４】
前記シリコン基板２には、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ている。従って、可動板５及びトーションバー６もシリコン基板２と同一材料からなっている。前記可動板５の上方周縁部には、通電により磁界を発生する銅薄膜からなる平面コイル７が絶縁被膜で覆われて設けられている。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、平面コイル７とトーションバー６、６の部分を介して電気的に接続する一対の電極端子９、９が設けられており、この電極端子９、９はシリコン基板２上に電鋳コイル法により平面コイル７と同時に形成される。
【０００５】
上側及び下側ガラス基板３の図中左右側には、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部分に磁界を作用させる互いに対を成す円形状の永久磁石１０Ａ、１０Ｂと１１Ａ、１１Ｂが設けられている。互いに対をなす一方の各３個ずつの永久磁石１０Ａ、１０Ｂは、図２に示すように、下側がＮ極、上側がＳ極となるように設けられ、互いに対をなす他方の各３個ずつの永久磁石１１Ａ、１１Ｂは、図２に示すように、下側がＳ極、上側がＮ極となるように設けられている。
【０００６】
図３は可動板５とトーションバー６の動作を説明するための斜視図である。可動板５の変位角φはφ＝（Ｍｘ／ＧＩｐ）＝（Ｆ’Ｌ／８.５×１０９ｒ４）×ｌ１
となる。
Ｍｘ：ねじりモーメント
Ｇ  ：横弾性係数
Ｉｐ：極断面二次モーメント
Ｆ’：トーションバーのばね反力
Ｌ  ：トーションバーの中心軸から力点までの距離
ｌ１ ：トーションバーの長さ
ｒ  ：トーションバーの半径
前式から分かるように、変位角φはトーションバーの半径ｒの４乗に反比例する。すなわち、可動板５の共振周波数はトーションバーの半径により大きく変化することが分かる。
【０００７】
次に前記ガルバノミラー装置の製造工程を図４〜図６を参照しながら説明する。厚さ３００μｍのシリコン基板１０１の上下面を熱酸化して酸化膜（１μｍ）１０２を形成する（ａ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、貫通穴部分の酸化膜をエッチング除去し（ｂ工程）、更に、可動板形成部の酸化膜を厚さ０．５μｍまで除去する（ｃ工程）
【０００８】
次に、表面側にワックス層１０３を設けた後、貫通穴部分に異方性エッチングを１００μｍ行なう（ｄ工程）。裏面側の可動板部分の薄い酸化膜を除去し（ｅ工程）貫通穴と可動板部分に異方性エッチングを１００μｍ行なう（ｆ工程）。表面側のワックス層１０３を除去し、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、電極端子部（図示せず）を形成し、また、アルミニウムの蒸着によって全反射ミラーを形成する（ｇ工程）。
【０００９】
次に、表面側にワックス層１０３’を設けた後、貫通穴及び可動板部分に異方性エッチングを１００μｍ行い、貫通穴部分を貫通させ、可動板部分を除いて、ワックス層１０３’を除去する。この際に、上下の酸化膜も除去する。これにより、可動板５とトーションバー（図示せず）が形成され、図１のシリコン基板２が形成される（ｈ、ｉ工程）。
【００１０】
次に、可動板部分のワックス層を除去した後、シリコン基板２の上下面に上ガラス基板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する（ｊ、ｋ工程）。次に上下のガラス基板３、４の所定位置に永久磁石１０Ａ、１０Ｂと１１Ａ、１１Ｂを取付ける（ｌ工程）。前記は一つの製造工程であるが、製造方法はいろいろあり、また、可動板一体型のガルバノ装置構造もいろいろある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
可動板の揺動周波数は、可動板の大きさ、重さ、形状、トーションバーの太さ、長さ等々の多くのパラーメータで決定される。実際にはそれぞれのディメンションが決定されれば、製造によるバラツキに起因するバラツキが残るだけである。しかし、反射ミラーの製造、平面コイルの製造、異方性エッチングによる可動板とトーションバーの加工など、可動板の揺動周波数がバラツク要因は沢山あり、量産の中で安定した周波数を確保することは困難である。また、可動板が大気中で揺動するため、大気圧の変化により共振周波数が変化する。
【００１２】
可動板の周波数を調整する手段としては、一般に駆動回路で行われるが、駆動回路による可動板の揺動共振周波数の調整幅は極端に狭く、ガルバノ装置の製造バラツキを無くす以外にガルバノ装置の製造歩留まりを上げる手段がなかった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
基板に可動板と、可動板を基板に対し揺動可能に軸支するトーションバーを一体に形成し、前記可動板を揺動するガルバノ装置の製造方法において、前記可動板を揺動させながらトーションバーを加工することにより可動板の共振周波数を調整するガルバノ装置の製造方法とする。
【００１４】
トーションバーの加工は、使用状態での可動板の共振周波数と、共振周波数調整状態での可動板の共振周波数との差に基いて、使用状態で所望の共振周波数が得られるように行うガルバノ装置の製造方法とする。
【００１５】
可動板の揺動周波数を調整するためにトーションバーに蒸着するガルバノ装置の製造方法とする。
【００１６】
基板に、可動板と可動板を基板に対し揺動可能に軸支するトーションバーを一体に形成し、該可動板の共振周波数を調整可能なガルバノ装置であって、可動板を揺動させながらトーションバーを加工して可動板の共振周波数を調整するためのトーションバー加工用の孔を有するガルバノ装置とする。更に、可動板等の揺動部を大気圧の不活性ガス雰囲気内又は真空雰囲気内に密封する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図７はガルバノ装置の上面図、図８はガルバノ装置の正面断面図であり、図９はガルバノ装置の側面断面図である。シリコン基板２１に一体成形された可動板２２の上面の中央部にはミラー２３が形成されており、周縁部には平面コイル２４が形成されている。可動板２２はシリコン基板２１に中抜き状態で形成され、シリコン基板２１より一体に形成されたトーションバー２５、２６により保持されている。シリコン基板２１はベース基板２７の上面に固定された台座２８の上面に固定されている。シリコン基板２１の上下には永久磁石２９、３０が配置され、ベース基板２７の周縁部にはヨーク３１が載置されている。
【００１８】
可動板２２に形成された平面コイル２４に通電すると、可動板２２はトーションバー２５、２６を回転中心として回転する。このようなガルバノミラー部はシリコン基板２１上に多数個が作成され、完成後に個々に切り離して使用する。ベース基板２７上にはパターン２７ａが形成されており、該パターン２７ａとシリコン基板２１に形成されたパターン２１ａとをワイヤー３３により接続している。パターン２７ａにはスルーホール２７ｂが設けられており、スルーホール２７ｂを介してて外部との接続を行なう構造である。スルーホール２７ｂはベース基板２７の下面に設けられた配線用パターン（不図示）を介してサイドスルーホール２７ｃと接続されている。
【００１９】
従来技術の課題を解決するために本発明では、可動板を揺動させながらトーションバーを加工することにより共振周波数を調整する。調整にはガルバノミラー部単体で調整する方法と、ガルバノ装置として完成させてから最終的に調整する方法を採ることができる。
【００２０】
図１０は本発明の可動板の共振周波数調整を説明するための模式図である。（Ａ）ガルバノミラ単体を台座にセットした断面図、（Ｂ）は周波数調整用治具にガルバノミラー単体をセットした台座を載置した断面図、（Ｃ）は周波数調整時の断面図である。まず、ガルバノミラー単体を台座４０にセットする。次に台座を周波数調整用治具に載置する。周波数調整用治具はガルバノ装置のベース基板２７を基台４１に代えたものであり、基台４１にはトーションバー２５、２６を加工するための貫通穴４１ａ、４１ｂが設けられている。貫通穴４１ａ、４１ｂはトーションバー２５、２６の下面部に臨んで設けられており、貫通穴４１ａ、４１ｂの下部からトーションバー２５、２６に蒸着又はイオンビーム照射を可能にしている。周波数調整用治具を蒸着機又はイオンエッチング機にセットする。
【００２１】
シリコン基板２１に形成されたパターン２１ａにプローブ４２を当接させて可動板２２を揺動させる。可動板２２の共振周波数が低いガルバノミラーには、トーションバー２５、２６に蒸着することで共振周波数を上げることができる。逆に、可動板２２の共振周波数が高いガルバノミラーには、トーションバー２５、２６をイオンエッチングにより細くすることで共振周波数を下げることができる。例えば、可動板２２を揺動させ、共振周波数を測定しながら、蒸着用ノズル４３からアルミニウムを蒸着し、所望周波数になったら、シャッター４４で蒸着を遮断して周波数調整を終了する。ここで注意を要することは、トーションバー２５、２６の長さ方向で部分的に蒸着したり、部分的にイオンエッチングして部分的に細くしないことである。トーションバー２５、２６に部分的に蒸着したり、部分的にイオンエッチングして部分的に細くすると、揺動の際、応力の集中が発生し、周波数調整にばらつきが発生し易く、また安定した揺動が継続できなくなるからである。量産では、蒸着とイオンエッチングを選択的に行なうのではなく、調整方法を選択しておき、調整方法に応じた周波数となるようにガルバノミラーを作成しておき、最終的に周波数を調整する方法が採られることは言うまでもない。
【００２２】
ガルバノミラーは可動板を揺動させるので、大気中で使用すると空気の抵抗を受ける。前記周波数調整に使用する雰囲気中と大気圧では共振周波数が異なるので、予め大気圧と周波数調整時の共振周波数の差を求めておき、大気に戻した時の共振周波数を演算して調整する必要がある。
【００２３】
以上はガルバノミラー単体で周波数を調整する方法の説明であるが、次にガルバノ装置完成後に、共振周波数を調整する方法を説明する。図１１はガルバノ装置完成後の断面図、図１２は共振周波数調整用治具にガルバノ装置をセットした断面図である。図１３は共振周波数調整用治具の斜視図である。ガルバノ装置で従来技術と異なるのは、ベース基板４５に共振周波数調整用治具４６をセットするための貫通穴４５ａが形成されている点である。共振周波数調整用治具４６には凸部４７を具備し、凸部４７には上方がトーションバーの下面に臨み、下方が周波数調整手段にのぞむ貫通穴４７ａ、４７ｂが形成されている。ベース基板４５に形成されたパターン（不図示）からガルバノミラーを駆動して揺動させながら共振周波数を調整する。
【００２４】
図１４は共振周波数を調整するための装置のブロック図である。ガルバノ装置５１は発振器５０により駆動される。レーザー５２をガルバノミラーに照射し、反射したレーザー光を受光素子５３で検知する。検知された信号を周波数カウンター５４で数えることでガルバノミラーの周波数を測定し、コンパレータ５５に出力する。コンパレータ５５には、標準発振回路５６からの周波数信号と、メモリ５７からの信号が入力されている。メモリ５７には、ガルバノ使用状態時の共振周波数と共振周波数調整装置での共振周波数の差が記憶されている。コンパレータ５５は、周波数カウンター５４、標準発振回路５６、メモリ５７からのデータを演算し、周波数調整手段５８を制御する。周波数カウンタ５４の出力が所望周波数と一致したら周波数調整を終了する。周波数調整手段は、蒸着、イオンエッチング、レーザー光線等が考えられるが、トーションバーを均等に加工できる手段が望ましい。
【００２５】
ガルバノ装置は、完成した状態で揺動部が大気中に晒されているが、可動部が揺動するため、大気圧の変動に左右されずに安定した共振周波数を得るためには可動部を真空封止するか、大気圧で封止するとよい。真空封止すると空気の抵抗が無くなるので可動部の駆動電流が少なくてすむが、真空封止のための構造が複雑となり、真空封止のための装置が必要となる。大気封止では真空封止で問題になるような課題はないが、トーションバー加工に使用した蒸着物質等が酸化するおそれがあり、共振周波数の経時変化をもたらす可能性がある。本発明では、大気圧封止の場合、可動部の封止雰囲気は不活性ガスとした。例えば純粋な窒素ガスで置換して封止をする。
【００２６】
【発明の効果】
可動板を揺動しながらトーションバーを加工して共振周波数を調整するので、所望の共振周波数に調整することができ、ガルバノ装置の共振周波数不具合を無くすことができる。
【００２７】
使用状態での共振周波数と、調整時の共振周波数の差を考慮した周波数調整方法なので、使用状態での所望周波数に調整できる。
【００２８】
トーションバーに蒸着して周波数を調整することで、トーションバーの補強をすることができる。
【００２９】
ガルバノ装置完成後に共振周波数を調整できるようにすることで、周波数調整後の周波数変動要因を無くすことができる。
【００３０】
可動部を大気圧の不活性ガス雰囲気内に密封する場合、封止後の圧力変化を無くすことができ、また、ガルバノミラーの酸化を防ぐことで、共振周波数の経時変化を少なくできる。さらに、ガルバノミラーの反射率の変化も抑えることができる。また、可動部を真空雰囲気内に密封する場合、空気の抵抗が無くなるので可動部の駆動電流が少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガルバノミラー装置の構成図
【図２】Ａ−Ａ矢視断面図
【図３】可動板５とトーションバー６の動作を説明するための斜視図
【図４】ガルバノミラー装置の製造工程
【図５】ガルバノミラー装置の製造工程
【図６】ガルバノミラー装置の製造工程
【図７】ガルバノ装置の上面図
【図８】ガルバノ装置の正面断面図
【図９】ガルバノ装置の側面断面図
【図１０】本発明の可動板の共振周波数調整を説明するための模式図
【図１１】ガルバノ装置完成後の断面図
【図１２】共振周波数調整用治具にガルバノ装置をセットした断面図
【図１３】共振周波数調整用治具の斜視図
【図１４】共振周波数を調整するための装置のブロック図
【符号の説明】
１      ガルバノミラー装置
２      シリコン基板
３      上側ガラス基板
４      下側ガラス基板
５      可動板
６      トーションバー
７      平面コイル
８      全反射ミラー
９      電極端子
１０Ａ  永久磁石
１０Ｂ  永久磁石
１１Ａ  永久磁石
１１Ｂ  永久磁石
１０１  シリコン基板
１０２  酸化膜
１０３  ワックス層
１０３’ワックス層
２１    シリコン基板
２１ａ  パターン
２２    可動板
２３    ミラー
２４    平面コイル
２５    トーションバー
２６    トーションバー
２７ａ  パターン
２７ｂ  スルーホール
２７ｃ  サイドスルーホール
２８    台座
２９    永久磁石
３０    永久磁石
３１    ヨーク
３３    ワイヤー
４０    台座
４１    基台
４１ａ  貫通穴
４１ｂ  貫通穴
４２    プローブ
４３    蒸着用ノズル
４４    シャッター
４５    ベース基板
４５ａ  貫通穴
４６    共振周波数調整用治具
４７    凸部
４７ａ  貫通穴
４７ｂ  貫通穴
５０    発振器
５１    ガルバノ装置
５２    レーザー
５３    受光素子
５４    周波数カウンター
５５    コンパレータ
５６    標準発振回路
５７    メモリ
５８    周波数調整手段
【図１】
0004514075.tif 000002
【図２】
0004514075.tif 000003
【図３】
0004514075.tif 000004
【図４】
0004514075.tif 000005
【図５】
0004514075.tif 000006
【図６】
0004514075.tif 000007
【図７】
0004514075.tif 000008
【図８】
0004514075.tif 000009
【図９】
0004514075.tif 000010
【図１０】
0004514075.tif 000011
【図１１】
0004514075.tif 000012
【図１２】
0004514075.tif 000013
【図１３】
0004514075.tif 000014
【図１４】
0004514075.tif 000015