(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、該可動板を回動可能に軸支するトーションバーとを備え、前記可動板に駆動力を作用させて前記可動板を駆動する構成のアクチュエータにおいて、
前記可動板中央部と少なくとも前記トーションバーに平行な前記可動板周縁部との間に、前記可動板周縁部から前記可動板中央部に伝達する前記可動板中央部の変形要因を抑制する貫通孔を設ける構成としたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記可動板周縁部と前記可動板中央部とを連結する連結部を残して前記可動板中央部の全周囲に設ける構成である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記貫通孔に、前記可動板材料と異なる前記変形要因を抑制可能な充填材を充填する構成である請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
可動板と、該可動板を回動可能に軸支するトーションバーとを備え、前記可動板に駆動力を作用させて前記可動板を駆動する構成のアクチュエータにおいて、
前記可動板中央部と少なくとも前記トーションバーに平行な前記可動板周縁部との間に、前記可動板周縁部から前記可動板中央部に伝達する前記可動板中央部の変形要因を抑制する溝を設ける構成としたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
前記溝は、前記可動板の表面及び裏面の少なくとも一方に形成する請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記溝は、前記可動板周縁部と前記可動板中央部とを連結する連結部を残して前記可動板中央部の全周囲に設ける構成である請求項４又は５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記溝は、前記可動板中央部の全周囲に設ける構成である請求項４又は５に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記溝に、前記可動板材料と異なる前記変形要因を抑制可能な充填材を充填する構成である請求項４〜７のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記可動板は、前記可動板中央部に光反射用のミラー部を有し、前記可動板周縁部に駆動力発生部を有する構成である請求項１〜８のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記可動板の同一面に前記ミラー部と前記駆動力発生部を設ける構成である請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記可動板の表裏両面に前記駆動力発生部を設ける構成である請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記駆動力発生部は、前記可動板周縁部に設けられ通電により磁界を発生するコイル部であり、前記可動板周縁部のコイル部に静磁界を作用させて前記駆動力を発生して前記可動板を駆動する構成である請求項９〜１１のいずれか1つに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記駆動力発生部は、前記可動板周縁部に設けられた薄膜磁石であり、該薄膜磁石に電磁吸引力を作用させて前記可動板を駆動する構成である請求項９〜１１のいずれか1つに記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トーションバーで軸支した可動部に駆動力を作用させて駆動するアクチュエータに関し、特に、光走査のためのミラー部を備えるアクチュエータに好適な構造のアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体デバイスの高集積化に代表されるマイクロエレクトロニクスの発展によって、様々な機器が高機能化と共に小型化しており、近年では、レーザ光のスキャニングシステム等に半導体製造技術を利用した超小型の半導体アクチュエータ等が利用されつつある。
【０００３】
従来、この種の超小型半導体アクチュエータとしては、以下のようなものがある。
シリコン基板表面に光を走査するためのミラーを備える可動部と該可動部を軸支するビーム部を、半導体製造プロセスを利用してシリコン基板に一体的に成形する。これら可動部及びビーム部を備えたシリコン基板をガラス基板上に配置する。この時、可動部の中心はガラス基板の突起に接し、ガラス基板の窪みにより可動部とガラス基板との間に一定のギャップが存在するよう形成する。また、ガラス基板の突起両側に、可動部を回動駆動するための一対の電極を設ける。
【０００４】
かかる構成の半導体アクチュエータでは、一方の電極と可動部との間に外部から電圧を印加することにより、可動部に静電引力が作用して可動部が傾く。一対の電極に交互に電圧を印加することにより、可動部が揺動駆動して可動部表面のミラーからの反射光を走査する構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこの種の半導体アクチュエータは、可動部が極めて薄いために、可動部を駆動する動作時に、空気抵抗や慣性モーメント及び可動部端部に作用する駆動力に起因して、可動部端部に回動方向と逆方向或いは同方向の反りが発生する。そして、従来では、可動部がシリコン基板材料を単純に矩形状にくりぬいた平板形状であるため、端部の反りの影響が可動部中央部に伝達され、可動部中央部に反りが発生する。このため、可動部中央部にミラーが存在する場合はミラー面に反りが生じ、ミラー面からの反射光の走査に支障をきたす。
【０００６】
また、通電により磁界を発生する駆動コイルを可動部に設け、この駆動コイルに静磁界を作用させることにより、ローレンツ力を発生させて可動部を駆動する構造の半導体アクチュエータでは、通電により駆動コイルに熱が発生するため、前述した反りに加えてミラー材料と基板材料の熱膨張率の違いに起因するバイメタル作用による反りが可動部に生じる。更に、駆動コイルの保護及び絶縁を目的として駆動コイルをポリイミド等の保護膜で覆うが、この保護膜の残留圧縮応力によっても可動部に反りが発生する。
【０００７】
このように、従来の半導体アクチュエータでは、空気抵抗、慣性モーメント、熱、残留圧縮応力等の影響により可動部中央部が変形する問題があり、特に、可動部中央部にミラーを設けた場合に、光走査機能に支障をきたす。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、可動部中央部の変形を抑制できる構造を備えたアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の請求項１の発明は、可動板と、該可動板を回動可能に軸支するトーションバーとを備え、前記可動板に駆動力を作用させて前記可動板を駆動する構成のアクチュエータにおいて、前記可動板中央部と少なくとも前記トーションバーに平行な前記可動板周縁部との間に、前記可動板周縁部から前記可動板中央部に伝達する前記可動板中央部の変形要因を抑制する貫通孔を設ける構成とした。
【０００９】
かかる構成では、可動板周縁部と可動板中央部との間を貫通孔で実質的に分離することで、可動板周縁部からの変形要因が可動板中央部に伝わり難くなる。
前記貫通孔は、請求項２のように、前記可動板周縁部と前記可動板中央部とを連結する連結部を残して前記可動板中央部の全周囲に設ける構成とした。
【００１０】
かかる構成では、可動板周縁部からの変形要因が可動板中央部に伝わるのを抑制する貫通孔の領域を広くでき、しかも、可動板周縁部と可動板中央部との間に残した連結部を介して可動板中央部に駆動力が伝達されて可動板中央部を回動できるようになる。
また、請求項３のように、前記貫通孔に、前記可動板材料と異なる前記変形要因を抑制可能な充填材を充填する構成でもよい。
【００１１】
請求項４の発明では、可動板と、該可動板を回動可能に軸支するトーションバーとを備え、前記可動板に駆動力を作用させて前記可動板を駆動する構成のアクチュエータにおいて、前記可動板中央部と少なくとも前記トーションバーに平行な前記可動板周縁部との間に、前記可動板周縁部から前記可動板中央部に伝達する前記可動板中央部の変形要因を抑制する溝を設ける構成とした。
【００１２】
溝は、請求項５のように、前記可動板の表面及び裏面の少なくとも一方に形成すればよい。また、請求項６のように、前記可動板周縁部と前記可動板中央部とを連結する連結部を残して前記可動板中央部の全周囲に設ける構成としてもよく、請求項７のように、溝を、前記可動板中央部の全周囲に設ける構成としてもよい。また、請求項８のように、溝に、前記可動板材料と異なる前記変形要因を抑制可能な充填材を充填する構成でもよい。
【００１３】
請求項９の発明では、前記可動板は、前記可動板中央部に光反射用のミラー部を有し、前記可動板周縁部に駆動力発生部を有する構成とした。
かかる構成では、可動板周縁部の駆動力発生部と可動板中央部のミラー部との間を貫通孔或いは溝で実質的に分離することで、可動板周縁部の駆動力発生部からの変形要因が可動板中央部のミラー部に伝わり難くなり、ミラー部の変形を抑制できるようになる。
【００１４】
請求項１０のように、前記可動板の同一面に前記ミラー部と前記駆動力発生部を設ける構成でもよく、請求項１１のように、前記可動板の表裏両面に前記駆動力発生部を設ける構成でもよい。可動板の表裏両面に駆動力発生部を設ければ、可動板の表裏面のどちらか一方に駆動力発生部を設ける場合に比較して、同じ通電量ならば可動板の回動角度を大きくでき、また、同じ回動角度ならば通電量を少なくできるようになる。
【００１５】
前記駆動力発生部は、請求項１２のように、前記可動板周縁部に設けられ通電により磁界を発生するコイル部であり、前記可動板周縁部のコイル部に静磁界を作用させて前記駆動力を発生して可動板を駆動する構成でもよく、請求項１３のように、前記可動板周縁部に設けられた薄膜磁石であり、該薄膜磁石に電磁吸引力を作用させて可動部を駆動する構成でもよい。
【００１６】
【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。
尚、以下の各実施形態では、本出願人により提案された（例えば特開平７−１７５００５号公報及び特開平７−２１８８５７号公報等参照）半導体製造技術を利用した半導体アクチュエータであるプレーナ型ガルバノミラーに本発明を適用した例で説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るアクチュエータの第１実施形態の構成図である。
図１において、本実施形態のアクチュエータとしてのプレーナ型ガルバノミラー１は、シリコン基板２に、平板状の可動板である可動部３と該可動部３の中心位置でシリコン基板２に対して図中矢印方向に揺動可能に可動部３を軸支するトーションバー４とを一体形成する。前記可動部３の表面中央部には、例えばアルミニウムや金等の薄膜で形成した光を反射するミラー５を設ける。可動部３の表面周縁部には、通電により磁界を発生する駆動力発生部となる例えば銅薄膜のコイル６をミラー５を囲むように巻回する（図では、図の簡略化のため１本線で示す）。コイル６の端部は、シリコン基板２の固定部に設けた一対の電極端子７，７にそれぞれ接続する。コイル６は、図示しないがコイルの保護や絶縁を目的としてポリイミドからなる保護膜で覆ってある。尚、本実施形態ではコイル６を可動部３のミラー５と同一面に形成する構成としたが、ミラー５と反対の面に形成してもよく、可動部３の両面にコイル６を形成してもよい。可動部３の両面に形成した場合は、可動部３の回動角度を大きくできる。
【００１８】
また、静磁界を発生する一対の永久磁石８，８が、前記トーションバー４の軸方向と平行な可動部３の対辺のコイル部分に静磁界が作用するよう配置して固定される。
更に、本実施形態のガルバノミラー１は、可動部３のミラー５とコイル６との間のシリコン基板部分に、本発明の特徴である後述のように貫通孔或いは溝で形成した図中斜線で示す境界部１０を設ける。境界部１０は、トーションバー４の軸方向と平行な可動部３の周縁部からミラー５を設けた可動部３の中央部に伝達する可動部中央部の変形要因を抑制するためのものである。
【００１９】
前記境界部１０の構造としては、図２（Ａ）のような貫通孔でもよく、図２（Ｂ）〜（Ｄ）のような溝形状でもよい。溝形状の場合、図２（Ｂ）のように可動部３の表裏両面に溝を形成するようにしてもよく、（Ｃ）、（Ｄ）のように可動部３の表面側或いは裏面側のいずれか一方の面に溝を形成するようにしてもよい。溝の断面形状も例えば図２（Ｄ）に破線で示すように側壁面が垂直状でもよい。また、貫通孔や溝に、図３（Ａ）〜（Ｄ）のようにシリコン基板２と異なる材料で断熱性等を有するポリイミド等の充填材１０ａを充填するようにしてもよい。
【００２０】
境界部１０が貫通孔の場合は、図１に示すように、ミラー５を設けた可動部中央部側とコイル６を設けた可動部周縁部側とを連結する梁１１を設け、可動部周縁部側からの可動部駆動力が可動部中央部側に伝達されて周縁部と中央部とが一体に回動するように構成する必要がある。ただし、図１のように、一対の永久磁石８、８が配置されるトーションバー４の軸方向と平行な可動部端部側に梁１１を設ければ、トーションバー４の軸方向と直角な可動部対辺部分の梁１１は必ずしも設ける必要はない。尚、前記変形要因としては可動部３が揺動する際の空気抵抗による反り、慣性モーメントによる反り、通電時のコイル発熱による熱伝達、可動部３を構成しているミラー５、シリコン基板２、保護膜（図示せず）等の各層の熱膨張率の相違によるバイメタル作用による反り等が考えられる。
【００２１】
ここで、本実施形態のプレーナ型ガルバノミラー１の動作原理について簡単に説明する。
【００２２】
可動部３の両側では、永久磁石８，８によって可動部３の平面に沿ってコイル６を横切るような方向に静磁界が形成されており、この静磁界中のコイル６に電流を流すと、コイル６の電流密度と磁束密度に応じて可動部３の両端に、電流・磁束密度・力に関するフレミングの左手の法則に従った方向に、下記（１）式に示す磁気力が作用して可動部３が回動する。
【００２３】
Ｆ＝ｉ×Ｂ            ・・・          （１）
Ｆは磁気力、ｉはコイルに流れる電流、Ｂは磁束密度である。
一方、可動部３が回動するとトーションバー４，４が捩じられてばね反力が発生し、前記磁気力Ｆとばね反力が釣り合う位置まで可動部３が回動する。可動部３の回動角はコイル６に流れる電流ｉに比例するので、コイル６に流す電流ｉを制御することで可動部３の回動角を制御できる。従って、トーションバー４，４の軸に対して垂直な面内においてミラー５に入射するレーザ光の反射方向を自由に走査でき、ミラー５の変位角を連続的に反復動作させてレーザ光のスキャニングを行うことができる。
【００２４】
このように動作するプレーナ型ガルバノミラー１において、可動部中央部と可動部周縁部との間に、可動部中央部の変形要因である可動部周縁部の反りや熱が可動部中央部に伝達されるのを抑制する貫通孔又は溝で形成した境界部１０を設けたため、ガルバノミラー１の動作時に、空気抵抗や慣性モーメント等に起因する可動部周縁部の反りが境界部１０の存在により可動部中央部に伝達され難くなる。また、通電により可動部３周縁部のコイル６で発生する熱も、境界部１０の存在により可動部中央部に伝達され難くなる。そして、境界部１０を貫通孔や溝で形成したことにより、可動部３の重量自体が軽くなり慣性モ−メント力が小さくなり、可動部周縁部の反りがより一層低減できる。境界部１０が貫通孔の場合には、可動部３の回動時に空気が境界部１０を通って逃げ空気抵抗が小さくなるので、更に可動部周縁部の反りを低減できる効果を有する。また、可動部中央部に対するコイル保護膜の残留応力の影響が境界部１０の存在により抑制でき、可動部中央部自体の反りが抑制できる。
【００２５】
以上のように、本実施形態のガルバノミラー１によれば、可動部３の中央部と周縁部との間に、貫通孔或いは溝で形成した境界部１０を設けたので、可動部周縁部からの影響による可動部中央部のミラー５の反りを抑制でき、プレーナ型ガルバノミラー１の光走査精度を向上できる。
尚、境界部１０の形状は、図１の形状に限らず、可動部周縁部から可動部中央部に伝達される、反り、熱，残留応力等の可動部中央部の変形要因を抑制できるような形状であればよく、種々の形状が考えられる。
【００２６】
図４及び図５に、種々の境界部１０の形状例を示す。尚、図１の実施形態と同一要素には同一符号を付してある。また、可動部３の中央部に設けるミラー５は図示を省略してある。
図４及び図５において、斜線部分が境界部１０である。境界部１０を図４（Ａ）〜（Ｃ）、（Ｅ）及び図５（Ｄ）、（Ｆ）の形状にすれば、可動部３の中央部に形成するミラーを円形状或いは楕円形状に形成できる。境界部１０を図４（Ｆ）及び図５（Ｅ）の形状にすれば、可動部３の中央部に形成するミラーをひし形形状に形成できる。境界部１０が図１の実施形態や図４（Ｄ）、（Ｇ）〜（Ｉ）及び図５（Ａ）〜（Ｃ）の形状では、可動部３の中央部に形成するミラーを正方形や長方形にできる。境界部１０が貫通孔の場合には、可動部３の周縁部から中央部へ駆動力を伝達するために、可動部３の周縁部と中央部を連結する梁１１のような連結部分が必要である。境界部１０が溝の場合は、前記連結部分は必ずしも必要ではなく、例えば図５の（Ｆ）のように可動部３の全周囲に沿って連続して境界部１０を形成できる。尚、連続した境界部１０の形状は図５（Ｆ）に限るものではないことは言うまでもない。
【００２７】
可動部３の中央部と端部との間に境界部１０を設けた場合、中央部の反りを抑制できる効果に加えて、図４及び図５から明らかなように、可動部３の中央部にミラーを設ける場合に、ミラー形状を、円、楕円、ひし形、星形等自由な形状にできる利点がある。
尚、以上説明した実施形態では、可動部３の周縁部にコイル６を巻回し、ローレンツ力により可動部３の駆動力を得る構成のアクチュエータに境界部１０を形成する例を示したが、前述の特開平７−１７５００５号公報等にも示されているが、可動部３の周縁部に薄膜磁石を形成し、固定されるシリコン基板２側のトーションバー４の軸方向と平行な部位にコイルを巻回し、通電により発生する電磁吸引力を駆動力として利用し可動部３を回動する構成のアクチュエータや、静電引力を可動部の駆動力として利用するアクチュエータにも本発明を適用できることは言うまでもない。また、本発明の適用は、必ずしも半導体製造技術を利用して製造した半導体アクチュエータに限るものではなく、トーションバーで可動部を軸支してローレンツ力、電磁吸引力、静電引力等の電気的、磁気的駆動力或いは機械的駆動力を用いて可動部を駆動する構成のアクチュエータであればどのようなものでも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１、４の発明によれば、可動板周縁部の反りが可動板中央部へ伝達されるのを貫通孔や溝の存在により抑制できるので、可動板中央部の変形量を抑制でき、可動板中央部を平坦に維持できるようになる。
【００２９】
また、可動板に貫通孔や溝を形成したことにより、可動板自体の重量を軽くでき、可動板周縁部に作用する慣性力を小さくできるので、可動板周縁部から可動板中央部へ伝達される反りの影響をより軽減できる。
また、貫通孔の場合は、可動板の回動動作時に貫通孔を通って空気が流れ空気抵抗を軽減できるので、回動動作時の可動板周縁部から可動板中央部へ伝達される反りの影響を更に軽減できる効果もある。
【００３０】
請求項９の発明によれば、可動板周縁部の駆動力発生部で生じる反りが可動板中央部のミラー部へ伝達されるのを貫通孔や溝の存在により抑制できるので、ミラー部の変形量を抑制でき、ミラー部を平坦に維持できるためミラー部で反射する走査光の方向精度を向上できる。
請求項１１のように、駆動力発生部を可動板の表裏両面に設ければ、可動部の回動角度を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアクチュエータの一実施形態を示す要部構成図
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）境界部の種々の構造例を示す断面図
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）図２と異なる境界部の種々の構造例を示す断面図
【図４】（Ａ）〜（Ｉ）境界部の種々の形状例を示す平面図
【図５】（Ａ）〜（Ｆ）図４と異なる境界部の種々の形状例を示す平面図
【符号の説明】
１    プレーナ型ガルバノミラー
２    シリコン基板
３    可動部
４    トーションバー
５    ミラー
６    コイル
８    永久磁石
１０    境界部（貫通孔、溝）
１０ａ    充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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