JP2009009064A - Planar type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプレーナ型アクチュエータに係り、特に、枠状の固定部に平板状の可動部を回動可能に軸支し、この可動部の回動位置を検出す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。 The present invention relates to a planar actuator, and more particularly to a planar actuator that pivotally supports a flat movable portion on a frame-like fixed portion and can detect the rotational position of the movable portion. .
従来から、枠状の固定部に平板状の可動部を回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トーションバーとを一体に形成し、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回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ある(例えば、特許文献1参照)。
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る。
Conventionally, as an actuator having a structure in which a plate-like movable part is pivotally supported on a frame-like fixed part, for example, using a semiconductor manufacturing technique, a silicon substrate is anisotropically etched to form a frame-like fixed part. A flat movable part and a torsion bar that pivotally supports the movable part are integrally formed on the fixed part, a drive coil is provided on the movable part, and a static magnetic field is applied to the drive coil of the movable part, for example, a static magnet such as a permanent magnet. There is an electromagnetically driven planar actuator that provides a magnetic field generating means and rotates a movable part using Lorentz force generated by the interaction between a magnetic field generated in a drive coil by energization and a static magnetic field generated by a static magnetic field generating means (For example, refer to Patent Document 1).
Such an actuator is applied to, for example, an optical scanner that deflects and scans a light beam by providing a mirror on a movable part.
このようなアクチュエータをスキャナなどに適用した場合、ミラー位置すなわち可動部の回動位置を高精度に検出する必要がある。この可動部の位置検出手段として、従来から、検出コイルによる位置検出手段やレーザの反射光による位置検出などが開示されている。 When such an actuator is applied to a scanner or the like, it is necessary to detect the mirror position, that is, the rotational position of the movable part with high accuracy. Conventionally, position detection means using a detection coil, position detection using reflected light from a laser, and the like have been disclosed as position detection means for the movable part.
しかしながら、前記検出コイルによる位置検出手段においては、ミラー上に配置された検出コイルが磁場中を横切るときに発生する誘導起電力信号を利用するものであり、共振周波数が低いと、S/N比が低くなり、位置検出に適用できない。しかも、直流駆動の場合には原理的に信号検出が困難であるという問題を有している。
一方、レーザの反射光による位置検出手段においては、デバイスの小型化が困難であり、製造コストが高くなってしまうという問題を有している。
However, in the position detection means using the detection coil, an induced electromotive force signal generated when the detection coil arranged on the mirror crosses the magnetic field is used. When the resonance frequency is low, the S / N ratio is low. Becomes low and cannot be applied to position detection. In addition, in the case of direct current drive, there is a problem that signal detection is difficult in principle.
On the other hand, the position detection means using the reflected light of the laser has a problem that it is difficult to reduce the size of the device and the manufacturing cost is increased.
そのため、従来から、駆動周波数が低い場合でも、位置検出が可能であり、かつ、小型化を図るために、トーションバーに位置検出素子を組み込み、この位置検出素子によりトーションバーにおけるせん断応力を検出することにより、可動部の位置検出を行うものがある(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、このような特許文献2に開示されたアクチュエータにおいては、トーションバーの両側に位置検出素子の配線を引き回す構成であることから、可動部が回動動作する際に、トーションバーの動きが妨げられてしまい、トーションバーの回動動作を円滑に行うことができず、しかも、トーションバーのせん断応力の測定も正確に行うことができないという問題を有している。 However, since the actuator disclosed in Patent Document 2 is configured to route the wiring of the position detection element on both sides of the torsion bar, the movement of the torsion bar is hindered when the movable part rotates. As a result, the torsion bar cannot be rotated smoothly, and the shear stress of the torsion bar cannot be measured accurately.
本発明は前記した点に鑑みてなされたもので、トーションバーの動きを妨げることなく、トーションバーのせん断応力を正確に測定して可動部の位置検出を行う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。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a planar actuator that can accurately measure the shear stress of a torsion bar and detect the position of a movable part without hindering the movement of the torsion bar. It is for the purpose.
前記目的を達成するため請求項1に記載の発明に係るアプレーナ型クチュエータは、 枠状の固定部と、この固定部の内側に、トーションバーを介して回動自在に支持された可動部と、前記可動部を駆動する駆動手段と、前記トーションバーに配置され互いにほぼ直行する方向に対向する2対の電極を有するピエゾ抵抗素子と、前記トーションバー上に形成され前記固定部に形成された電極部に引き回す配線部と、を備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an planar type actuator according to the first aspect of the present invention includes a frame-shaped fixed portion, a movable portion that is rotatably supported inside the fixed portion via a torsion bar, Driving means for driving the movable part, a piezoresistive element having two pairs of electrodes arranged on the torsion bar and facing each other in a direction substantially perpendicular to each other, and an electrode formed on the torsion bar and formed on the fixed part And a wiring portion that is routed around the portion.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記ピエゾ抵抗素子が、前記トーションバーのいずれかの各面におけるせん断応力が最も大きくなる位置近傍に配置されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the piezoresistive element is arranged in the vicinity of a position where the shear stress on each surface of the torsion bar is the largest.
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2において、前記トーションバーは、n型単結晶シリコン材料により構成されるとともに、前記ピエゾ抵抗素子はp型領域で形成され、前記ピエゾ抵抗素子は、前記トーションバーを構成するn型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<100>軸に対して±30°の範囲に、前記ピエゾ抵抗素子の一対の前記電極を結ぶ方向が略平行となるように配置されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the torsion bar is formed of an n-type single crystal silicon material, the piezoresistive element is formed of a p-type region, and the piezoresistor is formed. The element includes a pair of the electrodes of the piezoresistive element in a range of ± 30 ° with respect to the <100> axis in the (100) plane or (110) plane of the n-type single crystal silicon material constituting the torsion bar. It is arranged so that the connecting direction is substantially parallel.
請求項4に記載の発明は、請求項1または請求項2において、前記トーションバーは、p型単結晶シリコン材料により構成されると共に、前記ピエゾ抵抗素子はn型領域で形成され、前記ピエゾ抵抗素子は、前記トーションバーを構成するp型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<110>軸に対して±30°の範囲に、前記ピエゾ抵抗素子の一対の前記電極を結ぶ方向が略平行となるように配置されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the torsion bar is made of a p-type single crystal silicon material, the piezoresistive element is formed of an n-type region, and the piezoresistor is formed. The element includes a pair of the electrodes of the piezoresistive element in a range of ± 30 ° with respect to the <110> axis in the (100) plane or the (110) plane of the p-type single crystal silicon material constituting the torsion bar. It is arranged so that the connecting direction is substantially parallel.
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項において、前記ピエゾ抵抗素子は、平面形状ほぼ十字形状に形成され、その先端部に前記電極が配置されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the piezoresistive element is formed in a substantially cross shape in a planar shape, and the electrode is disposed at a tip portion thereof. It is characterized by.
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか一項において、複数の前記ピエゾ抵抗素子を備え、前記各ピエゾ抵抗素子は、それぞれ直列に接続されていることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the first to fifth aspects, a plurality of the piezoresistive elements are provided, and the piezoresistive elements are connected in series. To do.
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか一項において、複数の前記ピエゾ抵抗素子を備え、前記各ピエゾ抵抗素子は、一体に形成されていることを特徴とする。 A seventh aspect of the invention is characterized in that in any one of the first to fifth aspects, a plurality of the piezoresistive elements are provided, and the piezoresistive elements are integrally formed. .
請求項8に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項において、前記ピエゾ抵抗素子は、平面形状ほぼ四角状に形成され、その四隅に前記電極が配置されていることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the piezoresistive element is formed in a substantially rectangular shape in a planar shape, and the electrodes are arranged at the four corners. Features.
請求項9に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項において、前記ピエゾ抵抗素子の各電極は、前記トーションバーの長手方向に対して所定角度をもって傾斜するように配置されていることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, each electrode of the piezoresistive element is disposed so as to be inclined at a predetermined angle with respect to a longitudinal direction of the torsion bar. It is characterized by.
請求項1に記載の発明に係るアクチュエータによれば、トーションバーに、ピエゾ抵抗素子および配線部をそれぞれ設置し、このピエゾ抵抗素子により、可動部の回動動作によりトーションバーに加わるせん断応力を検出して可動部の回動位置を検出するようにしているので、トーションバーの動きを妨げることなく、トーションバーのせん断応力を正確に測定して可動部の位置検出を行うことができる。 According to the actuator of the first aspect of the present invention, the piezoresistive element and the wiring part are respectively installed on the torsion bar, and the piezoresistive element detects the shear stress applied to the torsion bar by the rotating operation of the movable part. Since the rotational position of the movable part is detected, the position of the movable part can be detected by accurately measuring the shear stress of the torsion bar without hindering the movement of the torsion bar.
請求項2に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子が、トーションバーのいずれかの各面におけるせん断応力が最も大きくなる位置近傍に配置されているので、トーションバーのせん断応力の検出感度を著しく高めることができ、トーションバーのせん断応力を効率よく検出することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the piezoresistive element is arranged in the vicinity of the position where the shear stress on each surface of any one of the torsion bars is maximized, the sensitivity of detecting the shear stress of the torsion bar is remarkably increased. The shear stress of the torsion bar can be detected efficiently.
請求項3に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子は、トーションバーを構成するn型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<100>軸に対して±30°の範囲に、ピエゾ抵抗素子の一対の前記電極を結ぶ方向が略平行となるように配置されているので、トーションバーのせん断応力の検出感度を著しく高めることができ、トーションバーのせん断応力を効率よく検出することができる。 According to the invention described in claim 3, the piezoresistive element has a range of ± 30 ° with respect to the <100> axis in the (100) plane or (110) plane of the n-type single crystal silicon material constituting the torsion bar. Furthermore, since the direction connecting the pair of electrodes of the piezoresistive element is arranged substantially parallel, the detection sensitivity of the torsion bar shear stress can be remarkably increased, and the torsion bar shear stress can be detected efficiently. can do.
請求項4に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子は、トーションバーを構成するp型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<100>軸に対して±30°の範囲に、ピエゾ抵抗素子の一対の電極を結ぶ方向が平行となるように配置されているので、トーションバーのせん断応力の検出感度を著しく高めることができ、トーションバーのせん断応力を効率よく検出することができる。
According to the invention of
請求項5に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子は、平面形状ほぼ十字形状に形成され、その先端部に電極が配置されているので、トーションバーの動きを妨げることなく、トーションバーのせん断応力を正確に測定して可動部の位置検出を行うことができる。 According to the invention described in claim 5, since the piezoresistive element is formed in a substantially cross shape in a planar shape and an electrode is disposed at the tip thereof, the shear of the torsion bar can be prevented without hindering the movement of the torsion bar. The position of the movable part can be detected by accurately measuring the stress.
請求項6に記載の発明によれば、複数のピエゾ抵抗素子を備え、各ピエゾ抵抗素子は、それぞれ直列に接続されているので、トーションバーの動きを妨げることなく、より高感度で検出を行うことが可能となる。 According to the sixth aspect of the present invention, since a plurality of piezoresistive elements are provided and each piezoresistive element is connected in series, detection is performed with higher sensitivity without hindering the movement of the torsion bar. It becomes possible.
請求項7に記載の発明によれば、複数のピエゾ抵抗素子を備え、各ピエゾ抵抗素子は、一体に形成されているので、トーションバーの動きを妨げることなく、より高感度で検出を行うことが可能となる。 According to the seventh aspect of the present invention, a plurality of piezoresistive elements are provided, and each piezoresistive element is integrally formed, so that detection can be performed with higher sensitivity without hindering the movement of the torsion bar. Is possible.
請求項8に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子は、平面形状ほぼ四角状に形成され、その四隅に電極が配置されているので、トーションバーの動きを妨げることなく、トーションバーのせん断応力を正確に測定して可動部の位置検出を行うことができる。 According to the eighth aspect of the present invention, since the piezoresistive element is formed in a substantially square shape with electrodes arranged at the four corners, the shear stress of the torsion bar is not hindered. Can be accurately measured to detect the position of the movable part.
請求項9に記載の発明によれば、ピエゾ抵抗素子の各電極は、トーションバーの長手方向に対して所定角度をもって傾斜するように配置されているので、トーションバーを構成する材料のせん断応力が最大となる方向がトーションバーの長手方向に対して所定角度をもって傾斜している場合に、ピエゾ抵抗素子の電極を適正にせん断応力が最大となる位置に配置することが可能となる。 According to the ninth aspect of the present invention, each electrode of the piezoresistive element is arranged so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the torsion bar, so that the shear stress of the material constituting the torsion bar is When the maximum direction is inclined at a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the torsion bar, the electrode of the piezoresistive element can be appropriately disposed at a position where the shear stress is maximized.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
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平面図である。
本実施形態のプレーナ型アクチュエータは、図示しない光源からの光ビームを偏向するものであり、例えば、半導体マイクロマシン技術を応用して製造されるものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a planar actuator according to the present invention.
The planar actuator according to the present embodiment deflects a light beam from a light source (not shown), and is manufactured by applying, for example, semiconductor micromachine technology.
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、枠状の固定部2を備えており、この固定部2の内側には、可動部3が固定部2に対して所定の間隙をもって配置されている。固定部2と可動部3とは、固定部2の互いに対向する辺のほぼ中央部分から内側に延出された一対のトーションバー4,4により連結されており、このトーションバー4を介して可動部3が回動可能に支持されている。これら固定部2、トーションバー4および可動部3は、一体的に形成されるように構成されている。
As shown in FIG. 1, the planar actuator 1 of the present embodiment includes a frame-shaped fixed portion 2, and the movable portion 3 is located inside the fixed portion 2 with a predetermined gap with respect to the fixed portion 2. It is arranged with. The fixed portion 2 and the movable portion 3 are connected to each other by a pair of
可動部3の裏面側(紙面背面側)全面には、可動部3の回動動作により光源からの光ビームを偏向するための反射ミラー5が設けられている。
可動部3の表面側周縁部には、可動部3を駆動するための図示しない駆動コイルが設けられており、固定部2の両側には、可動部3を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される一対の静磁界発生部材6,6が配置されている。なお、静磁界発生部材6は、永久磁石でも電磁石でもよい。
A reflection mirror 5 for deflecting the light beam from the light source by the rotating operation of the movable part 3 is provided on the entire rear surface side (back side of the paper surface) of the movable part 3.
A drive coil (not shown) for driving the movable part 3 is provided on the peripheral edge on the surface side of the movable part 3, and opposite magnetic poles are opposed to each other with the movable part 3 sandwiched on both sides of the fixed part 2. A pair of static magnetic field generating members 6 and 6 are arranged. The static magnetic field generating member 6 may be a permanent magnet or an electromagnet.
また、図1および図2に示すように、本実施形態においては、各トーションバー4の上面には、ピエゾ抵抗素子7,7がそれぞれ設置されている。このピエゾ抵抗素子7は、可動部3の回動動作によりトーションバー4に加わるせん断応力を検出するものであり、電圧を印加した方向と直交した方向に、せん断応力に比例した出力電圧が生じるという原理を利用するものである。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment,
図3に示すように、ピエゾ抵抗素子7は、一方の長さ寸法が他方の長さ寸法より長く形成された平面形状でほぼ十字形状に形成されており、互いに対向する先端辺部分には、それぞれ電極8,8…が配置されている。ピエゾ抵抗素子7は、その長手方向の先端辺に位置する一対の電極8,8を結ぶ方向すなわちピエゾ抵抗素子7の長手方向がトーションバー4を構成する材料のせん断応力が最大となる方向と平行となる位置近傍に配置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、トーションバー4の上面にピエゾ抵抗素子7を設置するようにしているが、トーションバーの各面におけるせん断応力が最も大きくなる位置近傍であれば、トーションバー4の側面、裏面などいずれの面に設置するようにしてもよい。
ここで、せん断型のピエゾ抵抗素子においては、ピエゾ抵抗素子にせん断応力が生じると、電圧を印加した方向と直交した方向に、せん断応力に比例した出力電圧が生じるものであり、このときのせん断応力の方向は、印加電圧と直交する方向である。
As shown in FIG. 3, the
Here, in the shear type piezoresistive element, when a shear stress is generated in the piezoresistive element, an output voltage proportional to the shear stress is generated in a direction orthogonal to the direction in which the voltage is applied. The direction of the stress is a direction orthogonal to the applied voltage.
そして、印加電圧、せん断応力、出力電圧の関係式は次式で表すことができる。
Vo=Wτπ/L*Vin
ここで、
L:ピエゾ抵抗素子の長手方向の長さ寸法
W:ピエゾ抵抗素子の長手方向における最も長い部分の幅寸法
τ:ピエゾ抵抗素子に働くせん断応力
π:ピエゾ抵抗係数
Vin:入力電圧
Vo:出力電圧
である。
したがって、W/Lが大きい方が出力電圧が大きくなることがわかる。
And the relational expression of applied voltage, shear stress, and output voltage can be expressed by the following expression.
Vo = Wτπ / L * Vin
here,
L: Length dimension in the longitudinal direction of the piezoresistive element W: Width dimension of the longest portion in the longitudinal direction of the piezoresistive element τ: Shear stress acting on the piezoresistive element π: Piezoresistive coefficient Vin: Input voltage Vo: Output voltage is there.
Therefore, it can be seen that the output voltage increases as W / L increases.
一方、立方晶系(Si)におけるピエゾ抵抗効果について、(100)面におけるπを計算すると、図4に示すようになる。
この結果によれば、ピエゾ抵抗係数は、<100>方向で最大値をとることがわかる。そして、<100>軸に対して±30°の範囲内(<100>軸に対して−30°〜+30°のことを意味する。以下同様)であれば、一定の大きさのピエゾ抵抗係数を得ることができることがわかり、好ましくは、<100>軸に対して±15°の範囲、最も好ましくは<100>軸に対して±5°の範囲でより大きなピエゾ抵抗係数を得ることができることがわかる。
On the other hand, when π in the (100) plane is calculated for the piezoresistance effect in the cubic system (Si), it is as shown in FIG.
According to this result, it can be seen that the piezoresistance coefficient has a maximum value in the <100> direction. And, if it is within a range of ± 30 ° with respect to the <100> axis (meaning −30 ° to + 30 ° with respect to the <100> axis, the same applies hereinafter), a piezoresistance coefficient having a certain size. It is preferable that a larger piezoresistance coefficient can be obtained in the range of ± 15 ° with respect to the <100> axis, and most preferably in the range of ± 5 ° with respect to the <100> axis. I understand.
したがって、トーションバー4がn型単結晶シリコン材料で形成されるとともに、ピエゾ抵抗素子7がp型領域で形成された場合、ピエゾ抵抗素子7は、トーションバー4のいずれかの各面におけるせん断応力が最も大きくなる位置近傍に配置すればよい。具体的には、(100)面または(110)面における<100>軸に対して±30°の範囲、好ましくは(100)面または(110)面における<100>軸に対して±15°の範囲、最も好ましくは(100)面または(110)面における<100>軸に対して±5°の範囲に配置される。なお、本明細書では、(100)面または(110)面における<100>軸に対して±5°の範囲を<100>軸に略平行であるとして説明する。
また、ピエゾ抵抗素子7の配置方向として、トーションバー4がp型単結晶シリコン材料で形成されるとともに、ピエゾ抵抗素子7はn型領域で形成された場合には、(100)面または(110)面における<110>軸に対して±30°の範囲内、好ましくは(100)面または(110)面における<110>軸に対して±15°の範囲内、最も好ましくは(100)面または(110)面における<110>軸に対して±5°の範囲内に設置される。
なお、(111)面においては、方向によらずπの値が一定になるため、ピエゾ抵抗素子の方向は任意である。
Therefore, when the
When the
In the (111) plane, since the value of π is constant regardless of the direction, the direction of the piezoresistive element is arbitrary.
本実施形態においては、トーションバー4がn型単結晶シリコン材料で形成されるとともに、ピエゾ抵抗素子7がp型領域で形成されている場合には、トーションバー4を構成するn型単結晶シリコン材料の<100>軸にピエゾ抵抗素子7の長手方向が略平行となるように配置するように構成されている。本実施形態においては、トーションバー4の長手方向に沿って<100>軸が位置している場合の例を示しており、ピエゾ抵抗素子7の長手方向がトーションバー4の長手方向に平行となるように配置されるものである。
In the present embodiment, when the
また、固定部2の表面には、電極端子9が形成されており、ピエゾ抵抗素子7の各電極8には、トーションバー4の表面を通り電極端子9に接続される配線部10が接続されている。
なお、この配線部10は、トーションバー4の上面、側面などいずれの面に形成してもよい。
An electrode terminal 9 is formed on the surface of the fixed portion 2, and a
The
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説明する。
まず、図5に示す2枚の単結晶シリコンウェハ11a,11cの間に熱酸化膜層11bを挟んで接合したSOI(Silicon On Insulator)ウェハ11)の表面に、図6に示すように、例えば、酸化炉などを用いてシリコン酸化膜12を被膜する。その後、図7に示すように、トーションバー4に対応する部位の所定位置に、イオン注入または熱拡散によりピエゾ抵抗素子7を形成する。このピエゾ抵抗素子7の形成手段としては、例えば、単結晶シリコンウェハ11aがn型単結晶シリコン材料で形成されている場合には、n型単結晶シリコン材料に、例えば、不純物を添加してp型領域を形成するようにしてもよいし、別工程でp型単結晶シリコン材料を作成しておき、このp型単結晶シリコン材料をトーションバーに貼り付けて形成するようにしてもよい。また、単結晶シリコンウェハ11aがp型単結晶シリコン材料で形成されている場合にも、同様の手段によりピエゾ抵抗素子7を形成すればよい。
Next, a method for manufacturing the planar actuator 1 of this embodiment will be described.
First, on the surface of an SOI (Silicon On Insulator) wafer 11) joined by sandwiching a thermal
そして、図8に示すように、このピエゾ抵抗素子7の表面に、例えば、酸化炉などを用いてシリコン酸化膜12を形成する。その後、図9に示すように、ピエゾ抵抗素子7への電極取出し用コンタクト部分以外の部分をマスクし、シリコン酸化膜12のエッチングを行い、コンタクト13を形成する。
Then, as shown in FIG. 8, a
その後、図10に示すように、ポジ型レジストにより、ピエゾ抵抗素子7の入力および出力の電極8、平面コイル(図示せず)および電極端子9に相当する部分以外をマスクし、アルミニウムエッチングを行い、配線部10を形成する。そして、図11に示すように、配線部10の保護のため、例えば、感光性ポリイミドなどの絶縁膜14で配線部10、平面コイル、電極8を被覆する。
Then, as shown in FIG. 10, the positive resist resists the portions other than those corresponding to the input and
そして、図示しないが、従来と同様にシリコン酸化膜12上に例えばアルミニウム薄膜をスパッタリング等により形成する。次に、ポジ型レジストで駆動コイル(図示せず)と一対の電極端子領域(図示せず)に相当する部分をマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。そして、駆動コイル部分を、例えば、感光性ポリイミド等の層間絶縁膜で被膜する。さらに、アルミニウム薄膜をスパッタリング等により形成し、ポジ型レジストで駆動コイルと一対の電極端子領域を接続する部分をマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。そして、駆動コイル部分と、駆動コイルと一対の電極端子領域を接続する部分を、感光性ポリイミド等の保護膜で被膜する。最後に、SOIウェハ11の固定部2、トーションバー4および駆動部3を除いた部分をエッチングにより除去し、所定位置に静磁界発生部材6を取り付ける。
前記工程により、プレーナ型アクチュエータ1にピエゾ抵抗素子7を形成する。
Although not shown, for example, an aluminum thin film is formed on the
Through the above process, the
次に、本実施形態の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
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、簡単に説明する。 The driving principle of the planar actuator 1 is described in detail in, for example, Japanese Patent No. 2722314, and will be briefly described below.
可動部3の駆動コイルに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4の軸方向と平行な可動部3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4の復元力とが釣合う位置まで可動部3が回動される。
When a current is passed through the drive coil of the movable part 3, a magnetic field is generated, and a Lorentz force is generated by the interaction between this magnetic field and the static magnetic field generated by the static magnetic field generating means, and the movable part 3 is parallel to the axial direction of the
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可動部3を停止させることで、反射ミラー5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。 Then, by passing a direct current through the drive coil, the movable part 3 is stopped at a rotation position corresponding to the amount of drive current, whereby the light beam can be deflected in a desired direction by the reflection mirror 5.
一方、駆動コイルに交流電流を流すことにより、可動部3が揺動し、反射ミラー5により光ビームを偏向走査できる。可動部3を回動させるための回転力は、駆動コイル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、可動部3の振れ角(光ビームの偏向角度)を制御することができる。 On the other hand, when an alternating current is passed through the drive coil, the movable part 3 swings and the light beam can be deflected and scanned by the reflection mirror 5. Since the rotational force for rotating the movable part 3 is proportional to the drive current value flowing through the drive coil, the deflection angle of the movable part 3 (deflection of the light beam) is controlled by controlling the drive current value supplied to the drive coil. Angle) can be controlled.
そして、可動部3の回動動作によりトーションバー4に加わるせん断応力を、ピエゾ抵抗素子7により検出し、せん断応力に比例して発生した出力電圧を配線部10を介して電極端子9から出力することにより、可動部3の回動量を検出する。
Then, the shear stress applied to the
したがって、本実施形態においては、トーションバー4に、ピエゾ抵抗素子7および配線部10をそれぞれ設置し、このピエゾ抵抗素子7により、可動部3の回動動作によりトーションバー4に加わるせん断応力を検出して可動部3の回動位置を検出するようにしているので、トーションバー4の動きを妨げることなく、トーションバー4のせん断応力を正確に測定して可動部3の位置検出を行うことができる。
Therefore, in this embodiment, the
また、ピエゾ抵抗素子7は、トーションバー4を構成する材料のせん断応力が最も大きくなる位置の近傍、具体的には、トーションバー4がn型単結晶シリコン材料で形成されるとともに、ピエゾ抵抗素子7がp型領域で形成された場合に、トーションバー4を構成するn型単結晶シリコン材料の<100>軸にピエゾ抵抗素子7の長手方向が略平行となるように配置するようにしているので、トーションバー4のせん断応力の検出感度を著しく高めることができ、トーションバー4のせん断応力を効率よく検出することができる。
In addition, the
なお、本実施形態においては、ピエゾ抵抗素子7の各電極8からそれぞれ配線部10を引き回すようにした例について説明したが、例えば、図12に示すように、ピエゾ抵抗素子7を形成する際に絶縁層(図示せず)を形成することにより、一部の配線部10をピエゾ抵抗素子7に重ねて配置するようにしてもよい。
In the present embodiment, the example in which the
また、前記実施形態においては、一方の長さ寸法が他方の長さ寸法より長く形成された平面形状ほぼ十字形状に形成した例について説明したが、図13に示すように、両方の長さ寸法を等しく形成した平面形状十字形状に形成するようにしてもよい。この場合、前述のようにW/Lが大きい方が出力電圧が大きくなるので、Lが短くなることで、より感度がよくなるので好ましい。 Moreover, in the said embodiment, although the length shape of one side was formed longer than the length dimension of the other, the example formed in the planar shape substantially cross shape was demonstrated, as shown in FIG. 13, both length dimensions are shown. May be formed into a planar cross shape that is equally formed. In this case, as described above, the larger the W / L, the higher the output voltage. Therefore, the shorter the L, the better the sensitivity, which is preferable.
さらに、図14に示すように、複数(本例では2つ)のピエゾ抵抗素子7を設け、これら各ピエゾ抵抗素子7を直列に接続するようにしてもよく、この場合は、より高感度で検出を行うことが可能となる。また、図15に示すように、複数(本例では3つ)のピエゾ抵抗素子7を直列に一体的に形成するようにしてもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 14, a plurality (two in this example) of
さらに、図16に示すように、ピエゾ抵抗素子7を平面形状四角状に形成するとともに、その四隅に電極8を配置するようにしてもよく、このように構成することにより、各電極8の間に抵抗が設けられたブリッジ抵抗パターンとして適用することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 16, the
また、図17に示すように、ピエゾ抵抗素子7の各電極8がトーションバー4の長手方向に対して所定角度をもって傾斜するように配置するように構成してもよい。このように構成することにより、トーションバー4を構成する単結晶シリコン材料の<100>軸がトーションバー4の長手方向に対して所定角度をもって傾斜している場合に、ピエゾ抵抗素子7の電極8を単結晶シリコン材料の<100>軸に略平行に配置することが可能となる。
In addition, as shown in FIG. 17, each
なお、本実施形態においては、電磁駆動アクチュエータについて示したが、この駆動方式に限定されるものではなく、静電方式、圧電方式、熱方式などの駆動方式でも適用できることは言うまでもない。また、本実施形態では、一次元のプレーナ型アクチュエータの例を示したが、二次元のプレーナ型アクチュエータであってもよい。さらに本実施形態では、固定部2、トーションバー4および駆動部3は一体的にシリコン材料で形成されているが、トーションバー4のピエゾ抵抗素子7はピエゾ抵抗効果を有する材料であれば、シリコン材料以外でもよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電素子を形成してもよい。また固定部2、トーションバー4および可動部3がそれぞれ異なった材料で形成されたり、また一体的でなくそれぞれ別々の部材で形成し、組み合わせて形成してもよい。
In the present embodiment, the electromagnetic drive actuator has been described. However, the present invention is not limited to this drive method, and it is needless to say that the drive method such as an electrostatic method, a piezoelectric method, and a heat method can be applied. In the present embodiment, an example of a one-dimensional planar actuator has been described. However, a two-dimensional planar actuator may be used. Further, in the present embodiment, the fixed portion 2, the
1 プレーナ型アクチュエータ
2 固定部
3 可動部
4 トーションバー
5 反射ミラー
6 静磁界発生部材
7 ピエゾ抵抗素子
8 電極
9 電極端子
10 配線部
11 SOIウェハ
12 シリコン酸化膜
13 コンタクト
14 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Planar type actuator 2 Fixed part 3
Claims (9)
この固定部の内側に、トーションバーを介して回動自在に支持された可動部と、
前記可動部を駆動する駆動手段と、
前記トーションバーに配置され互いにほぼ直行する方向に対向する2対の電極を有するピエゾ抵抗素子と、
前記トーションバー上に形成され前記固定部に形成された電極部に引き回す配線部と、
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。 A frame-shaped fixing part;
Inside this fixed part, a movable part rotatably supported via a torsion bar,
Drive means for driving the movable part;
A piezoresistive element having two pairs of electrodes disposed in the torsion bar and facing each other in a direction substantially perpendicular to each other;
A wiring part formed on the torsion bar and routed to an electrode part formed on the fixing part;
A planar actuator characterized by comprising:
前記ピエゾ抵抗素子は、前記トーションバーを構成するn型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<100>軸に対して±30°の範囲に、前記ピエゾ抵抗素子の一対の前記電極を結ぶ方向が略平行となるように配置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。 The torsion bar is made of an n-type single crystal silicon material, and the piezoresistive element is formed of a p-type region,
The piezoresistive element has a pair of piezoresistive elements in a range of ± 30 ° with respect to the <100> axis on the (100) plane or (110) plane of the n-type single crystal silicon material constituting the torsion bar. The planar actuator according to claim 1, wherein the electrodes are arranged so that directions in which the electrodes are connected are substantially parallel.
前記ピエゾ抵抗素子は、前記トーションバーを構成するp型単結晶シリコン材料の(100)面または(110)面における<110>軸に対して±30°の範囲に、前記ピエゾ抵抗素子の一対の前記電極を結ぶ方向が略平行となるように配置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。 The torsion bar is made of a p-type single crystal silicon material, and the piezoresistive element is formed of an n-type region.
The piezoresistive element has a pair of piezoresistive elements in a range of ± 30 ° with respect to the <110> axis in the (100) plane or (110) plane of the p-type single crystal silicon material constituting the torsion bar. The planar actuator according to claim 1, wherein the electrodes are arranged so that directions in which the electrodes are connected are substantially parallel.
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