JP4514075B2 - ガルバノ装置の製造方法及びガルバノ装置 - Google Patents
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Description
【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
Claims (5)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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