JP4111619B2 - プレーナ型光走査装置の実装構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造技術を用いて製造するプレーナ型光走査装置の実装構造に関し、特に、可動部の表面側にミラーを設け、可動部の裏面側に駆動コイルを設けて小型化、低価格化等を図った光走査装置に好適な実装構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術で製造する超小型のプレーナ型光走査装置としては、本発明者等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(特開平7−175005号公報、特開平7−218857号公報及び特開平8−322227号公報参照)等がある。
【0003】
このようなプレーナ型光走査装置の動作原理について以下に説明する。
プレーナ型光走査装置は、シリコン基板に、平板状の可動部と該可動部の中心位置でシリコン基板に対して揺動可能に可動部を軸支するトーションバー構造の軸支部とを一体形成する。前記可動部には、中央部にミラーを設け、その周縁部に通電により磁界を発生する銅薄膜の駆動コイルを設ける。また、互いに対をなす永久磁石等の静磁界発生手段を、前記軸支部の軸方向と平行な可動部の対辺の駆動コイル部分に静磁界が作用するよう可動部周囲に設ける。前述の先願例では、可動部の対辺部分それぞれの上下に一対の永久磁石を配置し、対をなす永久磁石間に発生する静磁界が駆動コイルを所定方向に横切るように構成してある。
【0004】
かかる構成の光走査装置は、駆動コイルに電流を流すことにより発生する磁界と、静磁界発生手段の作る静磁界との相互作用により可動部を駆動する。
即ち、可動部の両側では、永久磁石によって可動部の平面に沿って駆動コイルを横切るような方向に静磁界が形成されており、この静磁界中の駆動コイルに電流が流れると、駆動コイルの電流密度と磁束密度に応じて可動部の両端に、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、下記(1)式に示す磁気力が作用して可動部が回動する。
【0005】
F=i×B ・・・ (1)
ここで、Fは磁気力、iは駆動コイルに流れる電流、Bは磁束密度である。
可動部が回動すると軸支部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部が回動する。可動部の回動角は駆動コイルに流れる電流に比例するので、駆動コイルに流す電流を制御することで可動部の回動角を制御することができる。従って、軸支部の軸に対して垂直な面内においてミラーに入射するレーザ光等の光の反射方向を自由に制御できるので、ミラーの変位角を連続的に反復動作させてレーザ光をスキャニングする等、光の走査が可能である。
【0006】
かかる光走査装置は、シリコン単結晶を用いて製造するので、軽くて丈夫であり、バッチ処理が可能で品質の揃ったものが大量に生産できる。
ところで、半導体ウエハーのバッチ処理で大量にチップを作成する場合、ウエハー1枚あたりのコストは同じ工程を取る場合には同じである。従って、1枚のウエハーで作成できるチップ数を増加する、言いかえればチップをより一層小型化すればその分コストダウンにつながる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプレーナ型光走査装置では、実装用のパッケージ基板上に実装する際に、駆動コイルと外部電極との配線容易化のために、駆動コイル電極端子が半導体基板上面側に位置するように、図10(A)に示すように可動部1の同一面(表面側)にミラー2と駆動コイル3を形成している。この場合、ミラー2と駆動コイル3を重ねて形成すると表面に凹凸ができ光の反射特性が均一でなくなるため、ミラー2と駆動コイル3が重ならないよう、図示のようにミラー2の周囲に駆動コイル3を配置している。このため、可動部1はミラー形成領域の他に駆動コイル形成領域も必要となり、可動部の小型化には限界があった。図10(B)は光走査装置の裏面側を示す。図中、4は半導体基板、5A,5Bは半導体基板4に可動部1を揺動可能に軸支するトーションバー構造の軸支部、6は駆動コイル3の電極端子である。
【0008】
尚、プレーナ型光走査装置としては、前述の先行技術の他に、例えば特開昭60−107017号公報、特開平4−211218号公報及びU.S.Patent 4421381号明細書等に開示されたものがあるが、いずれもミラーと駆動コイルが同一面側に設けられている。
【0009】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、可動部の表面側にミラーを設け、可動部の裏面側に駆動コイルを設けてより一層の小型化を図った光走査装置を、容易に実装できる光走査装置の実装構造を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明のプレーナ型光走査装置をパッケージ基板に実装するための請求項1に記載した本発明の実装構造は、半導体基板に、可動部と、該可動部を揺動可能に軸支する軸支部とを一体に形成し、前記可動部の表面側にミラーを設け、前記可動部の裏面側に駆動コイルを設け、該駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を設け、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部を駆動する構成としたプレーナ型光走査装置を実装用基板に実装する実装構造であって、光走査装置の可動部の揺動動作を許容する空間部及び表裏面の少なくとも裏面側の前記空間部周囲に導電パターンを設けた補助基板を有し、該補助基板の下面に、光走査装置を表面側から固定し光走査装置裏面に設けた駆動コイル電極端子と前記導電パターンとをボンディングワイヤで電気的に接続する一方、複数の端子ピンが上面側に貫通固定された前記実装用基板の上方に、スペーサを介在させて補助基板を間隔を設けて固定し、前記実装用基板上面の端子ピン突出部と前記導電パターンを電気的に接続する構造とした。
【0017】
かかる構成では、光走査装置の可動部の揺動運動を許容するための空間部を、パッケージ基板に形成しなくてもよく、パッケージ基板の強度を高めることができる。
【0018】
また、請求項2のように、前記補助基板は、前記空間部周囲に複数のスルーホールを有し、前記スルーホールを介して上下面を電気的に導通する前記導電パターンを有し、前記実装用基板上面の端子ピン突出部を、前記補助基板のスルーホールに貫通させ補助基板上面に突出した端子ピンをハンダ付けする構造としてもよい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光走査装置の実装構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に本実施例の実装構造に実装する光走査装置の構成を示す。
【0020】
図1において、光走査装置10は、半導体基板として例えばシリコン基板11に、可動部としての平板状の可動板12とシリコン基板11に可動板12を軸支する軸支部としてのトーションバー13A,13Bを、異方エッチングによって一体形成する。尚、シリコン基板11の厚さに比べて可動板12の厚さを、可動板12が軸支部回りに揺動できるよう薄く形成してある。
【0021】
前記可動板12の表面側には、図2の(A)に示すように例えばアルミニウム蒸着によりミラー14が形成されている。可動板12の裏面側には、図2の(B)に示すように、例えば銅薄膜の駆動コイル15が電鋳コイル法等を用いて形成されている。また、シリコン基板11裏面側には、駆動コイル15と同様に電鋳コイル法等で一対の電極端子16A,16Bが形成されている。そして、駆動コイル15の一端が一方のトーションバー13A介して一対の電極端子16Aに電気的に接続し、駆動コイル15の他端が他方のトーションバー13B介して他方の電極端子16Bに電気的に接続している。尚、シリコン基板11裏面側には、後述する実装構造において光走査装置10をパッケージ基板に固定するための複数のハンダ面22が設けられている。
【0022】
シリコン基板11の上面と下面には、絶縁基板17,18が固定され、上面側絶縁基板17には、可動板12が軸支部回りに揺動できるよう開口部17aが設けられている。絶縁基板17,18には、前記トーションバー13A,13Bの軸方向と平行な可動板12の対辺の駆動コイル15部分に静磁界を作用させる互いに対をなす磁界発生手段としての永久磁石19A,19Bと20A,20Bが設けられている。そして、図に示すように、互いに対をなす一方の永久磁石19A,19Bは下側がN極、上側がS極となるよう設けられ、他方の永久磁石20A,20Bは下側がS極、上側がN極となるよう設けられている。
【0023】
かかる構成の光走査装置10では、可動板12の表面側にミラー14を形成し、可動板12の裏面側に駆動コイル15を形成するようにしたので、図10に示す従来装置のような可動板の表面側だけにミラーと駆動コイルとを形成した場合に比べて、ミラー14の面積を同じとすれば可動板12の面積を縮小でき、光走査装置10を小型化できる。
【0024】
従って、1枚のウエハーから作成できるチップ数が増加する。半導体ウエハーのバッチ処理で大量にチップを作成する場合、ウエハー1枚当たりのコストは同じ工程を取る場合には同じであるので、1枚のウエハーから作成できるチップ数が増加することで、その分コストダウンでき、光走査装置10の小型化が図れると共に製造コストを低減できる。
【0025】
また、図3に示すように、可動板12の面積を従来と同じとすれば、ミラー14の面積を広くでき、従来と同じコストでミラーの大型化を図れる利点がある。尚、かかる構成の光走査装置の動作は従来と同様であり、以下に簡単に説明する。
【0026】
例えば、一方の電極端子16Aを+極、他方の電極端子16Bを−極として駆動コイル15に電流を流す。可動板12の両側では、永久磁石19Aと19B、20Aと20Bによって、図1の矢印で示すように上下の磁石間で可動板12の平面に沿って駆動コイル15を横切るような方向に磁界が形成されている。この磁界中の駆動コイル15に電流が流れると、可動板12の両端に、フレミングの左手の法則に従った方向に前述の(1)式に基づく磁気力が作用し、可動板12が回動する。可動板12が回動するとトーションバー13A,13Bが捩じられ、トーションバー13A,13Bにばね反力が発生する。このばね反力と前記磁気力が釣り合う位置まで可動板12が回動する。可動板12の回動角は、駆動コイル15に流れる電流に比例するので、駆動コイル15の通電量を制御することにより、可動板12の回動角を制御でき、例えば、トーションバー13A,13Bの軸に対して垂直な面内においてミラー14に入射するレーザ光の反射方向を自由に制御でき、ミラー14の回動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可能である。
【0027】
次に、上述した光走査装置10のパッケージ実装に好適な実装構造の参考例について説明する。
図4及び図5において、図1の光走査装置10を上面に実装する実装用基板としてのパッケージ基板31は、図5に示すように、基板略中央の光走査装置固定領域内に、光走査装置10の可動板12の揺動動作を許容する空間部32が設けられている。この空間部32周囲には、光走査装置10裏面の電極端子16A,16Bと電気的に接続する一対の導電パターン33と、光走査装置10を固定する固定部としてのハンダ面34,34が設けられている。前記導電パターン33の延長部33A,33Bにも、ハンダ面が形成されて前記ハンダ面34,34と共に固定部を兼ねるようになっている。更に、パッケージ基板31には、導電パターン33と電気的に接続する4本の端子ピン35がスルーホールを介して基板上面に貫通し突出して設けられている。
【0028】
パッケージ基板31の上面周縁部には、例えば磁性体である純鉄からなる枠状のヨーク36が設けられている。ヨーク36の互いに対面する2辺の内側には、磁界発生手段として一対の永久磁石37,38が設けられている。永久磁石37,38は、S極とN極が対面し、一方の永久磁石37(又は38)から他方の永久磁石38(又は37)に向かって前記光走査装置10を横切る静磁界が発生するようになっている。尚、本参考例では、光走査装置10を挟んで永久磁石37と38を配置したが、永久磁石の配置構造は本参考例の構成に限るものではなく、図1に示すように上下に配置するようにしても良い。
【0029】
パッケージ基板31に光走査装置10を実装する工程は、図5に示すように、パッケージ基板31上方から図の矢印で示すように、パッケージ基板31上面略中央部の固定領域に光走査装置10を載置する。載置する場合、光走査装置10裏面の駆動コイル電極端子16A,16Bに設けたハンダ面が導電パターン33の延長部33A,33Bのハンダ面に接触し、光走査装置10裏面のハンダ面22,22がパッケージ基板31側のハンダ面34,34に接触するように載置する。その後、熱圧着工程を施して、接触させた互いのハンダ面を固着させて光走査装置10をパッケージ基板31に固定することにより、図4に示すように光走査装置10がパッケージ基板31上に実装される。
【0030】
かかる実装構造によれば、パッケージ基板31に光走査装置10を固定した時に、同時に光走査装置10側の電極端子16A,16Bをパッケージ基板31側の導電パターン33の延長部33A,33Bと電気的に接触させることができ、可動板12裏面側に駆動コイル15を設けた場合でも、駆動コイル15の電極端子16A,16Bをパッケージ基板31の端子ピン35に電気的に接続させて容易に外部に取り出すことができる。可動板12の揺動動作はパッケージ基板31の空間部32によって許容できるので、光走査装置10の動作には何ら支障は無い。
【0031】
尚、光走査装置10の固定方法は本参考例に限定されるものではない。端子ピンのない構造でもよい。
図4の実装構造は、可動板12裏面に駆動コイル15を設けても容易に光走査装置10を実装できるが、パッケージ基板31に可動板12の揺動動作を可能にするための空間部32を設ける必要がある。このために、パッケージ基板31の強度が低下する虞れがある。
【0032】
可動板裏面に駆動コイルだけを設けた光走査装置でも、パッケージ基板の強度を低下させずに容易にパッケージ基板に実装可能な、本発明の請求項1の実装構造を図6に示す。尚、図4の参考例と同一要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0033】
図6において、本実施形態の実装構造は、パッケージ基板31′上方にスペーサ41を介して補助基板42をパッケージ基板31′と間隔を設けて固定し、補助基板42の下面、即ち、パッケージ基板31′と補助基板42との間に光走査装置10を固定する構造である。尚、パッケージ基板31′上面には、図4の参考例と同様に永久磁石37,38と枠状のヨーク36を設けてある。
【0034】
前記補助基板42は、図7〜図9で示すように、光走査装置10の可動板12の揺動動作を許容する空間部42aを有し、空間部42a周囲の4箇所にスルーホール43を有する。また、前記スルーホール43を介して電気的に導通する導電パターン44,45を上下面に設けてあり、下面側導電パターン45は,光走査装置10側の駆動コイル電極端子16A,16Bと接続するための延長部45a,45aを有する。
【0035】
パッケージ基板31′は、空間部が無いことを除いて図4の参考例のパッケージ基板31と同様に形成されている。
本実施形態の光走査装置10の実装工程を図7〜図9に基づいて説明する。
【0036】
補助基板42の裏面側を上にして、上方から図7の矢印で示すように、補助基板42上面略中央部の固定領域に、光走査装置10の裏面側を上にした状態で光走査装置10を固定する。固定後に、光走査装置10側の電極端子16A,16Bと補助基板42裏面側の導電パターン45の延長部45a,45aとをボンディングワイヤ46で電気的に接続する。この状態を図8に示す。
【0037】
次に、図8の状態から補助基板42を裏返して補助基板42表面側が上になるようにする。これにより、図9のように、光走査装置10のミラー14の面が上になる。この状態で、パッケージ基板31′の各端子ピン35突出部に、スペーサ41と補助基板42を順次取付け、補助基板42をパッケージ基板31′に取付ける。その後、補助基板42上面に突出した端子ピン35をハンダ付けして補助基板42をパッケージ基板31′に固着する。これにより、光走査装置10の駆動コイル15の電極端子16A,16Bは、補助基板42の導電パターン43,44、ハンダ固定部を介して端子ピン35に電気的に接続する。
【0038】
以上の実装構造によれば、可動板12裏面側に駆動コイル15を設けた場合でも、駆動コイル15の電極端子16A,16Bをパッケージ基板31の端子ピン35に電気的に接続させて容易に外部に取り出すことができる。しかも、パッケージ基板31′には空間部がないのでパッケージ基板31′の強度が図4の実装構造に比べて向上する。
【0041】
【発明の効果】
本発明の請求項1の実装構造によれば、可動部裏面側に駆動コイルを設けた場合でも、光走査装置の電極を容易に外部に取り出すことができるだけでなく、パッケージ基板には空間部がないので、パッケージ基板の強度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実装構造に実装する光走査装置の一例を示す構成図
【図2】同上光走査装置の表面側と裏面側を示す図
【図3】同上光走査装置の可動部を従来同様の大きさにした時の表面側と裏面側を示す図
【図4】本発明に係る実装構造の参考例を示す図
【図5】図4の実装構造の実装工程の説明図
【図6】本発明に係る実装構造の一実施例を示す図
【図7】図6の実装構造の実装工程の説明図
【図8】図7に続く実装工程の説明図
【図9】図8に続く実装工程の説明図
【図10】従来の光走査装置の表面側と裏面側を示す図
【符号の説明】
10 光走査装置
11 半導体基板
12 可動板
13A,13B トーションバー
14 ミラー
15 駆動コイル
31、31′ パッケージ基板
32、42a 空間部
33、33A、33B、44、45、45a 導電パターン
34 ハンダ面
35 端子ピン
41 スペーサ
42 補助基板
46 ボンディングワイヤ
Claims (2)
- 半導体基板に、可動部と、該可動部を揺動可能に軸支する軸支部とを一体に形成し、前記可動部の表面側にミラーを設け、前記可動部の裏面側に駆動コイルを設け、該駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を設け、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部を駆動する構成としたプレーナ型光走査装置を実装用基板に実装する実装構造であって、
光走査装置の可動部の揺動動作を許容する空間部及び表裏面の少なくとも裏面側の前記空間部周囲に導電パターンを設けた補助基板を有し、該補助基板の下面に、光走査装置を表面側から固定し、光走査装置裏面に設けた駆動コイル電極端子と前記導電パターンとをボンディングワイヤで電気的に接続する一方、複数の端子ピンが上面側に貫通固定された前記実装用基板の上方に、スペーサを介在させて補助基板を間隔を設けて固定し、前記実装用基板上面の端子ピン突出部と前記導電パターンを電気的に接続する構造としたことを特徴とするプレーナ型光走査装置の実装構造。 - 前記補助基板は、前記空間部周囲に複数のスルーホールを有し、前記スルーホールを介して上下面を電気的に導通する前記導電パターンを有し、前記実装用基板上面の端子ピン突出部を、前記補助基板のスルーホールに貫通させ補助基板上面に突出した端子ピンをハンダ付けする構造とした請求項1に記載のプレーナ型光走査装置の実装構造。
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