JP4247254B2

JP4247254B2 - 電磁駆動型光偏向素子

Info

Publication number: JP4247254B2
Application number: JP2006215594A
Authority: JP
Inventors: 健一加川; 規裕淺田
Original assignee: マイクロプレシジョン株式会社
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: US20080285107A1; KR20080013749A; US7869108B2; EP1887407A2; JP2008040228A; EP1887407A3

Description

本発明は、小型機器に好適な電磁駆動型光偏向素子に関し、特にその可動部を軸支する梁部の機械特性の改善に関するものである。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術により製造される小型光偏向素子は、光偏向システムの小型化、低コスト化が実現できるため、種々の提案がなされ、試作・実用化が進んでいる。動作原理も静電駆動方式、電磁駆動方式、その他の方式など様々な種類のデバイスが存在する。たとえば、ガルバノメータの原理（可動コイル型電磁駆動）で動作する光偏向素子（ガルバノミラーともいう）は種々提案されており、これらの光偏向素子は、半導体製造技術を流用したＭＥＭＳ製造技術で製造されている。

これらの光偏向素子は、たとえば図１６に示すように、単結晶シリコンと金属配線との組み合わせを梁材料とした両持ち梁構造として使用することがある（特許文献１、２、３）。これは、半導体製造技術を基盤としたＭＥＭＳ製造技術は、シリコンやアルミニウム薄膜などの高精度加工能力に優れており、光偏向素子の駆動性能を左右する梁形状を高精度にまた小型に加工し易いため、また弾性材料であるシリコンは光偏向素子の梁材料として適しているためである。これらの光偏向素子は２００Ｈｚ程度から数ｋＨｚの駆動周波数に設計、製造され、計測器などに応用が進められている。

ところが近年、たとえばバーコードリーダ応用などにおいて、１５０Ｈｚ以下の低い駆動周波数で、５０度程度以上の光偏向角度で駆動する、低速駆動かつ広角の小型光偏向素子を実現したい要求が高まっており、単結晶シリコンと金属配線との組み合わせを梁材料とするには種々の問題が発生してきた。これらの問題を図１７、１８により説明する。

図１７、１８は単結晶シリコンを軸支梁の材料として低速駆動光偏向素子を実現する場合に、光偏向素子の小型化が制約される問題を説明する図である。単結晶シリコンはヤング率が１３０ＧＰａ程度と大きく、１２０Ｈｚ以下の低周波で動作させるためには、軸支梁を長く、細く、薄く設計する必要があり、たとえば可動部が一辺長３ｍｍの正方形の形状のとき、軸支梁の長さ２０ｍｍ以上、軸支梁の幅３０ミクロン以下、軸支梁の厚さ５ミクロン以下などとすることにより駆動周波数１５０Ｈｚ以下の低速駆動が実現できると考えられる。

しかし、図１７に示すように、このとき光偏向素子５１６は、軸支梁５０８の長さが長くなってしまう制約のため素子の小型化に限界がある。素子の小型化を実現するために、図１８に示すように軸支梁６０８を折り曲げて設計する手法が考えられる。しかし、シリコンは脆性材料であり、長く、細く、薄いシリコンの軸支梁６０８は壊れやすく、生産性において問題となり、またうまく製造できたとしても落下させると軸支梁６０８が破損してしまうため、衝撃耐性が求められる携帯製品などには適用できないなど、応用面にも制限を与える。また、コイル配線６１２に電流を供給するために必要となる金属配線としてアルミニウム配線が広く利用されているが、アルミニウムのヤング率はやはり７０ＧＰａ程度と大きく、アルミニウム配線の影響も考慮すると、梁はさらに長く、細く、薄く設計する必要があることは言うまでもない。

以上に説明したように、低速駆動を実現できる小型光偏向素子を、単結晶シリコンと金属配線との組み合わせを梁材料とした構成で実現することは事実上不可能である。

低速駆動を実現できる光偏向素子を実現する手法として、図１９に示すようなポリイミドと金属配線との組み合わせを梁材料とする手法が提案されている（特許文献４、５、６、７）。

ポリイミドは、ヤング率が２ＧＰａ程度から１０ＧＰａ程度で単結晶シリコンに較べて小さく、軟らかいため、ポリイミド７１７およびポリイミド７１８と金属配線７１９との組み合わせを軸支梁７０８の材料とすることにより、単結晶シリコンと金属配線との組み合わせを梁材料とした場合に較べて、より小型の光偏向素子が実現できる。

たとえば可動部が一辺長３ｍｍの正方形の形状のとき、軸支梁７０８の長さ３ｍｍ以上、軸支梁７０８の幅３０ミクロン以下、軸支梁７０８の厚さ３０ミクロン以下などとすることにより駆動周波数１５０Ｈｚ以下の低速駆動が実現できると考えられる。またポリイミドはシリコンに較べて脆くなく、対落下衝撃耐性の改善も期待できる。またポリイミドの加工技術にはＭＥＭＳ技術と相性の良い半導体加工技術を使用できるため、高精度に加工された光偏向素子の実現が期待できる。

ところが、駆動コイル７１２に電流を供給するために必要となる金属配線７１９としてアルミニウム配線が広く利用されるが、アルミニウムのヤング率は７０ＧＰａ程度と大きく、アルミニウム配線７１９の影響も考慮すると軸支梁７０８はさらに長く、細く、薄く設計する必要がある。たとえば厚さ５ミクロン、線幅６ミクロンのアルミニウム配線とポリイミドとの組み合わせを軸支梁７０８の材料とした場合、駆動周波数１５０Ｈｚ以下の低速駆動を実現するためには、軸支梁７０８の長さを２０ｍｍ以上に設計するなどの必要があり、やはり光偏向素子の小型化が大きく制約を受けてしまう。また、梁構造は細く、長く、薄くなるため、対落下衝撃耐性も劣化してしまう。また、アルミニウムなどの金属配線は塑性変形するため広角駆動させる場合に理想的弾性体としてふるまわず、光偏向素子の軸支梁の弾性変形特性に影響を与えるため、光偏向素子の梁材料の要素としては適していない。

以上に説明したように、低速駆動を実現できる小型光偏向素子をポリイミドと金属配線との組み合わせを梁材料とした構成で実現することは事実上困難である。

低速駆動を実現できる光偏向素子を実現する手法として、図２０に示すようなフレキシブル基板製造技術を用いて、梁の構造を併用できるシート状のポリイミドシート部品８０３を形成し、前記ポリイミドシート部品８０３上に半導体技術により形成したシリコン基板を母材とする反射板を貼り合わせ、平面コイル８１２に電流を供給するために必要となる金属配線８１７をジャンパー線により軸支梁８０８とは異なる部位にループ形状で電極端子８１０に接続する手法が提案されている（特許文献８）。本手法は、ヤング率の小さい材料であるポリイミドを軸支梁８０８の支配的材料に適用でき、金属配線８１７が軸支梁８０８に与える機械的影響を低減でき、さらに広角駆動させても金属配線８１７の変形量を低減できるため金属配線８１７の塑性変形を抑制でき、低速駆動を実現できる光偏向素子を実現する手法として有望である。
特開２０００−３５５４９号公報特開２００４−１９８６４８号公報特開２００５−１９５６３９号公報特開平１０−１２３４４９号公報特開平１１−２０２２５４号公報特開平１１−２４２１８０号公報特開平１１−３０５１６２号公報特開２００５−９９０６３号公報

しかし、実際には太さ２０ミクロン程度以上のジャンパー線を形成すると軸支梁８０８には該金属配線８１７による機械的影響が与えられ、光偏向素子系の共振周波数の製造ばらつきが発生し、素子特性が系の共振周波数に敏感な光偏向素子においては事実上、安価な光偏向素子を製品化することが困難である。また、ループ形状のジャンパー線８１７の存在により光偏向素子を小型に実現することができない。また、ジャンパー線８１７をワイヤリングするためのコイル電極パッドであるランド８１８の領域を、光を反射する領域とは別に備える必要があるため、必要な反射領域を確保するためにはやはり光偏向素子の小型化が阻害される。また、軟質のポリイミドシート部品８０３にワイヤボンディング技術などによりジャンパー線８１７を形成することは困難であり、ポリイミドシート部品８０３がワイヤリング時に破損することが懸念される。また、可動部である不安定なポリイミドシート部品８０３にジャンパー線８１７を安定した形状で形成することは困難である。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、光偏向素子の梁の機械特性に金属配線の影響を与えることなく、部品点数を削減し、より広角により低速で駆動できる電磁駆動型光偏向素子を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では電磁駆動型光偏向素子を次の（１）のとおりに構成する。
（１）光反射面とコイルを有する可動部と、磁界形成手段を有する台座部と、前記可動部を前記台座部に軸支する梁部とを備え、前記コイルに流れる電流と、前記磁界形成手段により形成される磁界とにより発生する電磁力により前記可動部を１５０Ｈｚ以下の低速で回動させる電磁駆動型光偏向素子であって、
前記可動部はＭＥＭＳ加工技術で製造され、
前記梁部は、前記コイルへ電気を流す導電体としての機能と、前記可動部を支持する機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を有する単一の素材である導電性ポリマーから構成されており、かつ２個の部品からなり、各部品は、梁の一方の端部に前記台座部に固定される固定部を有し、他方の端部に前記可動部に固着される固着部を有することを特徴とする電磁駆動型光偏向素子。

本発明によれば、光偏向素子の梁の機械特性に金属配線の影響を与えることなく、部品点数を削減し、より広角により低速で駆動できる電磁駆動型光偏向素子を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例により詳しく説明する。

図１、２、３は、実施例１である“電磁駆動型光偏向素子”の構成を示す図であり、図１は電磁駆動型光偏向素子１１６の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は本実施例１において光を反射する部品である反射板部品１０６の構成を示す図であり、図５は、本実施例１におけるコイル部品１１５の構成を示す図である。

図６は本実施例１において可動部を軸支する梁１０８の部位を含んだ、導電性ポリマー部品１１０の構成を示す図であり、図７は磁界を発生させる手段となる永久磁石１０１を樹脂１０２にインサート成型することにより形成した台座部品１０３を示す図である。

製造された図７に示す台座部品１０３上に図６に示す導電性ポリマー部品１１０の固定部１０７を固着し、前記導電性ポリマー部品１１０の固着部１０９の対向する一方の面に図４に示す前記反射板部品１０６のガラス基板側を固着し、前記導電性ポリマー部品１１０の固着部１０９の他方の面に前記コイル部品１１５の絶縁性保護膜パターン側を導電性固着剤により固着することにより、図１、２、３に示す電磁駆動型光偏向素子１１６が形成される。

図４に示す反射板部品１０６は、６００ミクロン厚さのガラス基板１０４上に反射膜となる金薄膜１０５を蒸着方法により１ミクロンの厚さ堆積した後、ダイシング技術により所望のサイズに切り出すことにより形成でき、たとえば一辺３ｍｍの正方形の形状である。本実施例１では、前記反射板部品１０６の基板としてガラス基板１０４を用いているが、シリコン基板などでも良く、このときシリコン基板を熱酸化することによりシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成するなど、絶縁物を堆積したものを使用すると良い。

図５に示すコイル部品１１５は、フォトリソグラフィー技術やめっき技術などを要素技術としたＭＥＭＳ加工技術を利用することにより容易に実現できる。本実施例１では、６００ミクロン厚さのガラス基板１１１上にフォトリソグラフィー技術と電解めっき技術により５ミクロン厚さの金コイル配線パターン１１２を形成した後、フォトリソグラフィー技術により感光性レジストによる絶縁性保護膜パターン１１３を形成し、ダイシング技術により一辺３ｍｍの正方形形状に切り出すことにより形成した。

本実施例１では金配線によるコイル配線パターン１１２を形成したが、コイル配線材料は金に限るものではなく、広く金属材料が利用でき、たとえばアルミニウムやニッケルや銅やチタンやクロムなどでも良い。また、本実施例１では感光性レジストにより絶縁性保護膜パターン１１３を形成したが、絶縁性保護膜材料は感光性レジストに限るものではなく、シリコン窒化物やシリコン酸化物や酸化アルミニウムなどでも良い。また、本実施例１では、１層の金コイル配線パターン１１２によりコイル部品１１５を形成したが、コイル層数は１層に限るものではなく、フォトリソグラフィー技術とめっき技術を複数回繰り返すなどにより複数層形成しても良い。コイル層数を増加することにより可動部を駆動する電磁力を増加させることができ、より広角に駆動できる電磁駆動型光偏向素子を実現できる。１１８は、コイル配線パターン１１２の端部に接続された接続パッドであり、その少なくとも一部は絶縁性保護膜パターン１１３に設けたパッド開口部１１４から外部に露出している。絶縁性保護膜パターン１１３のパッド開口部１１４を介して、接続パッド１１４は導電性固着材により導電性ポリマー部品１１０の固着部１０９に電気接続される。

図６に示す導電機能を有する導電性ポリマー部品１１０は、パンチング加工技術により、導電性ポリマー薄膜を加工することにより形成される。本実施例１では、導電性ポリマー部品１１０として、銀粒子を含有することにより導電性機能を具備させた導電性シリコーンゴムを適用した。また、本実施例１では、パンチング加工技術により導電性ポリマー部品１１０を形成したが、金型成型技術により導電性ポリマー部品を形成しても良い。金型成型技術を利用すると導電性ポリマー部品の立体加工が可能となり、導電性ポリマー部品の設計自由度をより大きくできる。また、周知のとおり、シリコーンゴムは、含有される硫黄の比率を制御するなどにより、そのヤング率を５００ｋＰａ程度から２０ＭＰａ程度まで広範囲にわたり制御できるため、たとえば、部品の幾何学設計を変更することなく、加硫工程を制御するだけで、系の共振周波数を変更することができるため、フォトマスクや金型などの作成費用を削減でき、また製品開発期間を短縮できる。

本実施例１では、加硫工程の制御によりヤング率１ＭＰａ程度の導電性シリコーンゴムを使用し、軸支梁１０８の長さ１．０ｍｍ、軸支梁１０８の幅０．２５ｍｍ、軸支梁１０８の厚さ０．３ｍｍとすることにより、１５０Ｈｚ以下の低速で駆動できる光偏向素子を実現した。

また、本実施例１では、径１００ミクロン以下の銀粒子をシリコーンゴムの内部に含有させることにより導電性ポリマー部品１１０を形成しているため、光偏向素子を広角駆動させた場合においても、それぞれの銀粒子が接触しながらシリコーンゴムの内部で拘束されず自由に運動でき、導電性シリコーンゴムの弾性変形特性に金属の配線の塑性変形の影響を与えない。また、本実施例１では、導電性ポリマー部品１１０は銀粒子を含有したシリコーンゴムにより形成したが、導電性ポリマー部品の材料はこれに限るものではなく、弾性材料であれば良く、たとえば合成ゴムやポリイミド系樹脂やシリコーン系樹脂やテフロン（登録商標）系樹脂やポリエチレン系樹脂やポリカーボネート系樹脂やポリプロピレン系樹脂などでも良い。
固定部１０７には、不図示の接続パッドを設け、外部接続端子とする。

図７に示す、磁界を発生させる手段となる永久磁石１０１を樹脂１０２にインサート成型することにより形成した台座部品１０３は、厚さ１０ミクロン程度のニッケル薄膜で保護されたネオジム磁石をポリカーボネート系樹脂にインサート成型することにより形成し、インサート成型後に磁石を着磁処理することにより実現した。本実施例１では、ポリカーボネート系樹脂により台座部品の樹脂１０２を形成したが、台座部品の樹脂の材料はこれに限るものではなく、高強度の絶縁物であれば良く、たとえばテフロン(登録商標)系樹脂やポリエチレン系樹脂やポリプロピレン系樹脂などでも良い。

以上説明したように、本実施例１によれば、コイルへ電気を流す導電体としての機能と、可動部を支持する機能と、可動部を基準位置へ戻すばねとしての機能の全てを単一の素材で構築し、前記梁部には金属配線要素を形成しないよう構成できるため、特には前記梁部を導電性ポリマーで構成できるため、梁部の機械特性や弾性変形特性に金属配線の影響を与えることがなく、広角に低速で駆動できる小型の電磁駆動型光偏向素子を提供できる。

図８、９は実施例２である“電磁駆動型光偏向素子”の構成を示す図であり、図８は電磁駆動型光偏向素子２１６の上面図であり、図９はそのＣ−Ｃ断面図である。本実施例２は、光反射面とコイルを、ガラス基板の同一面に形成した例である。

図１０、１１は、本実施例２において光を反射する反射膜となる金属膜２０５とコイル配線パターン２１２とを一つの部品に一体形成した可動部品２１５の構成を示す図であり、図１０は可動部品２１５の上面図であり、図１１はそのＤ−Ｄ断面図である。

本実施例２における導電性ポリマー部品２１０と台座部品２０３は実施例１にて説明したものと同様のものが使用できる。実施例１と同様に、製造された前記台座部品２０３上に前記導電性ポリマー部品２１０の固定部を固着し、前記導電性ポリマー部品２１０の固着部上に図１０、１１に示す前記可動部品２１５の絶縁性保護膜パターン１１３、パッド開口部２１４側を導電性固着剤により固着することにより、図８、９に示す実施例２である電磁駆動型光偏向素子が形成される。

図１１において、２１１はガラス基板、２１２はガラス基板２１１上に形成したコイル配線パターンである。２１８は、コイル配線パターン２１２の端部に接続された接続パッドであり、その少なくとも一部は絶縁性保護膜パターン１１３に設けられた開口部２１４から外部に露出している。２０５は、絶縁性保護膜パターン１１３上に形成した光反射膜となる金属膜である。

図示のように、コイル配線パターン２１２と金属膜２０５は、ガラス基板の同一面に形成され、可動部材２１５が形成されている。絶縁性保護膜パターン２１３の開口部２１４を介して、接続パッド２１４は導電性固着材により導電性ポリマー部品２１０の固着部１０９に電気接続される。

本実施例２においても、コイルへ電気を流す導電体としての機能と、可動部を支持する機能と、可動部を基準位置へ戻すばねとしての機能の全てを単一の素材で構築し、前記梁部には金属配線要素を形成しないよう構成できるため、特には前記梁部を導電性ポリマーで構成できるため、梁部の機械特性や弾性変形特性に金属配線の影響を与えることがなく、広角に低速で駆動できる小型の電磁駆動型光偏向素子を提供できる。

さらに、光反射面とコイルとを一つの部品に一体形成できるため、部品点数を削減でき、より低コストの電磁駆動型光偏向素子を実現できる。

図１２、１３は実施例３である“電磁駆動型光偏向素子”の構成を示す図であり、図１２は電磁駆動型光偏向素子３１６の上面図であり、図１３はそのＥ−Ｅ断面図である。本実施例３は、光反射面とコイルを、ガラス基板の両面に形成した例である。

図１４、１５は本実施例３において光を反射する金属膜３０５とコイル配線パターン３１２とを一つの部品の表裏両面にそれぞれ一体形成した可動部品３１５の構成を示す図であり、図１４は可動部品３１５の上面図であり、図１５はそのＦ−Ｆ断面図である。

図１４、図１５において、３１１はガラス基板、３０５はガラス基板３１１の一方の面に形成した光反射膜となる金属膜である。３１２はガラス基板３１１の他方の面に形成したコイル配線パターンである。３１８はコイル配線パターン３１２の端部に接続される接続パッドであり、その少なくとも一部は絶縁性保護膜パターン３１３に設けられた開口部３１４から外部に露出している。

本実施例３における導電性ポリマー部品３１０と台座部品３０３は実施例１にて説明したものと同様のものが使用できる。製造された前記台座部品３０３上に前記導電性ポリマー部品３１０の固定部１０７を固着し、前記導電性ポリマー部品３１０の固着部１０９上に図１４、１５に示す前記可動部品３１５を導電性固着剤により固着することにより、図１２、１３に示す電磁駆動型光偏向素子が形成される。

本実施例３においても、コイルへ電気を流す導電体としての機能と、可動部を支持する機能と、可動部を基準位置へ戻すばねとしての機能の全てを単一の素材で構築し、前記梁部には金属配線要素を形成しないよう構成できるため、特には前記梁部を導電性ポリマーで構成できるため、梁部の機械特性や弾性変形特性に金属配線の影響を与えることがなく、広角に低速で駆動できる小型の電磁駆動型光偏向素子を提供できる。

また、反射板とコイル配線パターンとを一つの部品に一体形成できるため、部品点数を削減でき、より低コストの電磁駆動型光偏向素子を実現できる。また、反射板の面積はコイル配線パターンのための占有面積の影響を受けないため、反射板の面積を可動部品の面積まで広げることができる。さらに、コイル配線パターンのための占有面積は反射板の面積の影響を受けないため、コイル配線パターンの巻き数を増加する設計が容易となり、電磁力を高め易くなり、ひいてはより広角駆動できる光偏向素子が容易に実現できる。

実施例１の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図実施例１の電磁駆動型光偏向素子の構成を示すＡ−Ａ断面図実施例１の電磁駆動型光偏向素子の構成を示すＢ−Ｂ断面図実施例１の反射板部品の構成を示す図実施例１のコイル部品の構成を示す図実施例１の導電性ポリマー部品の構成を示す図実施例１の台座部品の構成を示す図実施例２の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図実施例２の電磁駆動型光偏向素子の構成を示すＣ−Ｃ断面図実施例２の可動部品の構成を示す上面図実施例２の可動部品の構成を示すＤ−Ｄ断面図実施例３の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図実施例３の電磁駆動型光偏向素子の構成を示すＥ−Ｅ断面図実施例３の可動部品の構成を示す上面図実施例３の可動部品の構成を示すＦ−Ｆ断面図従来の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図従来の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図従来の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す上面図従来の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す断面図従来の電磁駆動型光偏向素子の構成を示す図

符号の説明

１０１磁石
１０２樹脂
１０３台座部品
１０４ガラス基板
１０５反射板部品における光反射膜となる金薄膜
１０６反射板部品
１０７導電性ポリマー部品における固定部
１０８導電性ポリマー部品における軸支梁部
１０９導電性ポリマー部品におけるコイル部品との固着部
１１０導電性ポリマー部品
１１１ガラス基板
１１２コイル配線パターンパターン
１１３絶縁性保護膜パターン
１１４絶縁性保護膜パターンにおけるパッド開口部
１１５コイル部品
１１６実施例１の電磁駆動型光偏向素子
１１８接続パッド

Claims

光反射面とコイルを有する可動部と、磁界形成手段を有する台座部と、前記可動部を前記台座部に軸支する梁部とを備え、前記コイルに流れる電流と、前記磁界形成手段により形成される磁界とにより発生する電磁力により前記可動部を１５０Ｈｚ以下の低速で回動させる電磁駆動型光偏向素子であって、
前記可動部はＭＥＭＳ加工技術で製造され、
前記梁部は、前記コイルへ電気を流す導電体としての機能と、前記可動部を支持する機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を有する単一の素材である導電性ポリマーから構成されており、かつ２個の部品からなり、各部品は、梁の一方の端部に前記台座部に固定される固定部を有し、他方の端部に前記可動部に固着される固着部を有することを特徴とする電磁駆動型光偏向素子。