JP2002072127A - Leaf spring structure - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】可動板の許容揺動角度が拡大された板バネ構造
体を提供する。
【解決手段】板バネ構造体のひとつであるねじり揺動体
100は、一対の端部を有する弾性部材であるねじりバ
ネ102と、ねじりバネ102の一方の端部が接続され
ている支持体104と、ねじりバネ102の他方の端部
が接続されている可動板106とを備えている。可動板
106は、ねじりバネ102によって、支持体104に
対して揺動可能に支持されている。ねじり揺動体100
においては、耐せん断応力性に優れる結晶面が、ねじり
バネ102の横断面108にほぼ平行に設定されてい
る。耐せん断応力性に優れる結晶面とは、結晶面の間の
ボンド密度が多い面であり、ダイヤモンド型結晶におい
ては、{111}面と{110}面と{100}面の中では
{100}面である。
(57) [Object] To provide a leaf spring structure in which an allowable swing angle of a movable plate is enlarged. A torsional rocking body, which is one of the leaf spring structures, includes a torsion spring, which is an elastic member having a pair of ends, and a support, to which one end of the torsion spring is connected. And a movable plate 106 to which the other end of the torsion spring 102 is connected. The movable plate 106 is swingably supported by the torsion spring 102 with respect to the support 104. Torsion oscillator 100
In, the crystal plane having excellent shear stress resistance is set substantially parallel to the cross section of the torsion spring. A crystal plane having excellent shear stress resistance is a plane having a large bond density between crystal planes. In a diamond-type crystal, a {111} plane, a {110} plane, and a {100} plane have a large bond density.
{100} plane.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光スキャナや加速
度センサなどに使用されるアクチュエータに関する。よ
り詳しくは、このようなアクチュエータに用いられる、
半導体プロセスによって作製される板バネ構造体に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator used for an optical scanner, an acceleration sensor, and the like. More specifically, used for such an actuator,
The present invention relates to a leaf spring structure manufactured by a semiconductor process.
【0002】[0002]
【従来の技術】特開平7−175005号は、半導体プ
ロセスによって作製された板バネ構造体を含む電磁駆動
型のアクチュエータを開示している。このアクチュエー
タ1は、図31と図32に示されるように、平板状の可
動板5と、可動板5を揺動可能に軸支する2つのトーシ
ョンバー(弾性部材)6a,6bと、トーションバー6a,
6bを支持する枠部(支持体)2とを備えた板バネ構造体
(ねじり揺動体)を有している。この板バネ構造体はシリ
コン基板から一体形成されている。可動板5は、その上
面周縁部に設けられた通電により磁界を発生する平面コ
イル7と、平面コイル7で囲まれる上面中央部に設けら
れた全反射ミラー8とを備えている。2. Description of the Related Art Japanese Patent Laying-Open No. 7-175005 discloses an electromagnetically driven actuator including a leaf spring structure manufactured by a semiconductor process. As shown in FIGS. 31 and 32, the actuator 1 includes a flat movable plate 5, two torsion bars (elastic members) 6a and 6b for pivotally supporting the movable plate 5, and a torsion bar. 6a,
Leaf spring structure provided with a frame (support) 2 for supporting 6b
(Torsional rocking body). This leaf spring structure is integrally formed from a silicon substrate. The movable plate 5 includes a planar coil 7 provided at a peripheral portion of the upper surface thereof to generate a magnetic field when energized, and a total reflection mirror 8 provided at a central portion of the upper surface surrounded by the planar coil 7.
【0003】図32に示されるように、枠部2の上下面
にはそれぞれ上側ガラス基板3と下側ガラス基板4が設
けられており、上側ガラス基板3と下側ガラス基板4の
所定位置には、平面コイル7に磁界を作用させるための
永久磁石10a,11aと10b,11bがそれぞれ固定
されている。[0003] As shown in FIG. 32, an upper glass substrate 3 and a lower glass substrate 4 are provided on the upper and lower surfaces of the frame portion 2, respectively, and are provided at predetermined positions of the upper glass substrate 3 and the lower glass substrate 4. Are fixed with permanent magnets 10a, 11a and 10b, 11b for applying a magnetic field to the planar coil 7, respectively.
【0004】さらに、図32に示されるように、枠部2
は、その上面に設けられた一対の電極端子9a,9bを
備えており、電極端子9a,9bは、それぞれトーショ
ンバー6a,6bの各上面を延びるコイル配線12a,1
2bを介して、平面コイル7に電気的に接続されてい
る。平面コイル7と電極端子9a,9bとコイル配線1
2a,12bは、電鋳法によりシリコン基板上に同時に
形成される。[0004] Further, as shown in FIG.
Has a pair of electrode terminals 9a, 9b provided on the upper surface thereof, and the electrode terminals 9a, 9b are respectively provided with coil wirings 12a, 1a extending on the respective upper surfaces of the torsion bars 6a, 6b.
2b, it is electrically connected to the planar coil 7. Planar coil 7, electrode terminals 9a and 9b, and coil wiring 1
2a and 12b are simultaneously formed on a silicon substrate by an electroforming method.
【0005】この電磁アクチュエータは、従来のアクチ
ュエータに比べて、極めて薄型化できるという利点を有
している。[0005] This electromagnetic actuator has the advantage that it can be made extremely thin compared to conventional actuators.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】これまで、上述したよ
うなアクチュエータに用いられる板バネ構造体は、数百
ミクロンの厚さのシリコン基板、あるいは活性層シリコ
ン基板と支持体シリコン基板とが絶縁層を介して張り合
わされたSOI基板をスタートウエハとして、半導体プ
ロセスによって作製されている。通常、シリコンの加工
には、生産効率を考慮して、ウェットエッチングプロセ
スが用いられている。Heretofore, a leaf spring structure used in the above-described actuator has been known as a silicon substrate having a thickness of several hundreds of microns or an active layer silicon substrate and a support silicon substrate having an insulating layer. Is manufactured by a semiconductor process using an SOI substrate bonded through a substrate as a start wafer. Usually, a wet etching process is used for processing silicon in consideration of production efficiency.
【0007】エッチング液には、通常、アルカリ系の溶
液であるKOH(水酸化カリウム)やTMAH(水酸化テ
トラメチルアンモニウム)やヒドラジンやEPW(エチレ
ンジアミンーピロカテコールー水)などが用いられる。
これらを用いたエッチングではSi{111}結晶面が残
る(現れる)形で異方的にエッチングが進む。As the etching solution, usually, an alkaline solution such as KOH (potassium hydroxide), TMAH (tetramethylammonium hydroxide), hydrazine, EPW (ethylenediamine-pyrocatechol-water), or the like is used.
In the etching using these, the etching progresses anisotropically with the Si {111} crystal plane remaining (appearing).
【0008】また、板バネ構造体の弾性部材を直方体形
状に精度良く加工するため、弾性部材の主材料となるシ
リコン基板の主面は{100}面が選ばれ、弾性部材の直
方体の側面はシリコン基板の<110>方位に平行に設定
される。その結果、弾性部材の横断面は、比較的結晶面
間の結合力が弱い第二劈開面である{110}面となる。In order to accurately process the elastic member of the leaf spring structure into a rectangular parallelepiped shape, the main surface of the silicon substrate as the main material of the elastic member is selected to be {100}, and the side surface of the rectangular parallelepiped of the elastic member is It is set parallel to the <110> direction of the silicon substrate. As a result, the cross section of the elastic member becomes a {110} plane, which is a second cleavage plane having a relatively weak bonding force between crystal planes.
【0009】ここで、横断面とは、直方体において、そ
の一端面に平行に直方体を横切る仮想的な平面を言う。
特に、弾性部材の横断面とは、可動板あるいは支持体に
接続されている弾性部材の仮想的な端面に平行な仮想的
な平面を言う。Here, the transverse section means a virtual plane which crosses the rectangular parallelepiped in parallel with one end face of the rectangular parallelepiped.
In particular, the cross section of the elastic member refers to a virtual plane parallel to a virtual end surface of the elastic member connected to the movable plate or the support.
【0010】このため、このような板バネ構造体を用い
たアクチュエータでは、可動板の最大の揺動角度(許容
揺動角度)は、弾性部材のシリコンの比較的弱い第二劈
開面である{110}面間の原子結合強度によって決まっ
てしまう。また、この許容揺動角度を越える大きな角度
で可動板を無理に揺動させた場合には、弾性部が壊れて
しまうおそれがある。For this reason, in the actuator using such a leaf spring structure, the maximum swing angle (allowable swing angle) of the movable plate is the relatively weak second cleavage plane of silicon of the elastic member { It is determined by the atomic bond strength between the {110} planes. If the movable plate is forcibly swung at a large angle exceeding the allowable swing angle, the elastic portion may be broken.
【0011】これまでの説明は、弾性部材のねじれによ
り可動板が揺動される板バネ構造体に関してのものであ
ったが、弾性部材の曲がりにより可動板が揺動される板
バネ構造体についても同様のことが言える。The description so far has been directed to a leaf spring structure in which the movable plate is swung by the torsion of the elastic member. However, a leaf spring structure in which the movable plate is swung by the bending of the elastic member. The same can be said.
【0012】このような板バネ構造体を用いたアクチュ
エータの分野では、可動板の更に大きい角度で揺動され
ることが望まれており、これはまた耐久性の向上に通じ
ている。In the field of actuators using such a leaf spring structure, it is desired that the movable plate be swung at a larger angle, which also leads to an improvement in durability.
【0013】本発明の目的は、可動板の許容揺動角度が
拡大された板バネ構造体を提供することであり、また、
このような板バネ構造体の製造方法を提供することであ
る。An object of the present invention is to provide a leaf spring structure in which an allowable swing angle of a movable plate is enlarged.
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a leaf spring structure.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明は、一つのアスペ
クトにおいては、一対の端部を有する弾性部材と、弾性
部材の一方の端部が接続されている支持体と、弾性部材
の他方の端部が接続されている可動板とを備えており、
可動板が弾性部材によって支持体に対して揺動可能に支
持されている板バネ構造体であり、弾性部材は、単結晶
材料から成り、直方体形状を有しており、単結晶材料の
劈開面が弾性部材の横断面に対して非平行である。SUMMARY OF THE INVENTION In one aspect, the present invention provides an elastic member having a pair of ends, a support to which one end of the elastic member is connected, and the other end of the elastic member. A movable plate to which the end is connected,
A movable plate is a leaf spring structure supported by an elastic member so as to be swingable with respect to a support. The elastic member is made of a single crystal material, has a rectangular parallelepiped shape, and has a cleavage plane of the single crystal material. Are not parallel to the cross section of the elastic member.
【0015】好ましい板バネ構造体においては、単結晶
材料はダイヤモンド結晶構造を有しており、その{10
0}面が弾性部材の横断面にほぼ平行である。この板バ
ネ構造体は、絶縁層を介して支持体基板と活性層基板が
貼り合わされたSOI基板をスタートウエハとして形成
されており、弾性部材は主に活性層基板から成り、可動
板と支持体は共に主に支持体基板と活性層基板の両方か
ら成り、支持体基板と活性層基板の主面は共に{100}
面であり、活性層基板の<100>方位と支持体基板の<
110>方位とが一致している。In a preferred leaf spring structure, the single crystal material has a diamond crystal structure,
The {0} plane is substantially parallel to the cross section of the elastic member. In this leaf spring structure, an SOI substrate in which a support substrate and an active layer substrate are bonded via an insulating layer is formed as a start wafer, and the elastic member mainly includes the active layer substrate. Are mainly composed of both the support substrate and the active layer substrate, and the main surfaces of the support substrate and the active layer substrate are both {100}.
The <100> orientation of the active layer substrate and the <100
110> orientation.
【0016】本発明は、別のアスペクトにおいては、一
対の端部を有する弾性部材と、弾性部材の一方の端部が
接続されている支持体と、弾性部材の他方の端部が接続
されている可動板とを備えている板バネ構造体の製造方
法であり、絶縁層を介して貼り合わされた支持体基板と
活性層基板を有するSOI基板であって、支持体基板と
活性層基板の主面は共に{100}面であり、活性層基板
の<100>方位と支持体基板の<110>方位とが一致し
ているSOI基板を用意する工程と、活性層基板をドラ
イエッチングにより加工する工程と、支持体基板をウェ
ットエッチングにより加工する工程とを有している。According to another aspect of the present invention, an elastic member having a pair of ends, a support to which one end of the elastic member is connected, and another end of the elastic member are connected. A method of manufacturing a leaf spring structure including a movable plate, comprising: a SOI substrate having a support substrate and an active layer substrate bonded together via an insulating layer; Both sides are {100} planes, a step of preparing an SOI substrate in which the <100> direction of the active layer substrate matches the <110> direction of the support substrate, and processing the active layer substrate by dry etching. And a step of processing the support substrate by wet etching.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】最初に、実施の形態の説明に先立
ち、板バネ構造体のひとつであるねじり揺動体に発生す
る応力分布について説明する。ここでは図1に示される
ねじり揺動体100のモデルを考える。このねじり揺動
体100は、図1に示されるように、一対の端部を有す
る弾性部材であるねじりバネ102と、ねじりバネ10
2の一方の端部が接続されている支持体104と、ねじ
りバネ102の他方の端部が接続されている可動板10
6とを備えている。可動板106は、ねじりバネ102
によって、支持体104に対して揺動可能に支持されて
おり、その揺動軸はねじりバネ102を通っている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to the description of the embodiment, a distribution of stress generated in a torsional rocking body, which is one of the leaf spring structures, will be described. Here, a model of the torsional rocking body 100 shown in FIG. 1 is considered. As shown in FIG. 1, the torsional rocking body 100 includes a torsion spring 102 which is an elastic member having a pair of ends, and a torsion spring 10.
2 and the movable plate 10 to which the other end of the torsion spring 102 is connected.
6 is provided. The movable plate 106 includes the torsion spring 102
, Is swingably supported by the support 104, and the swing shaft passes through the torsion spring 102.
【0018】以下の考察において、ねじりバネ102
は、ほぼ直方体形状を有しているものとする。つまり、
ねじりバネ102は、その両端部を除いて、すなわち支
持体104との接続部付近および可動板106との接続
部付近を除いて、揺動軸方向に一様に長方形の横断面を
有しているものとする。また、ねじり変形によってねじ
りバネ102に発生する応力は、ねじりバネ102の材
質の弾性限界内にあり、その弾性限界内においては、ね
じりバネ102の材質は等方性材料であるとする。In the following discussion, the torsion spring 102
Has a substantially rectangular parallelepiped shape. That is,
The torsion spring 102 has a rectangular cross section that is uniformly rectangular in the swing axis direction except at both ends thereof, that is, except near the connection with the support 104 and near the connection with the movable plate 106. Shall be The stress generated in the torsion spring 102 due to torsional deformation is within the elastic limit of the material of the torsion spring 102, and within the elastic limit, the material of the torsion spring 102 is assumed to be an isotropic material.
【0019】図1に示されるねじりバネ102におい
て、支持体104との接続部付近および可動板106と
の接続部付近を除いた、ねじりバネ102の中央部で
は、ねじりバネ両端の接続部が拘束されている影響を無
視してもよく、その応力分布は、弾性学に基づくサンブ
ナンのねじり理論から導出できる。In the torsion spring 102 shown in FIG. 1, the connection at both ends of the torsion spring is restricted at the center of the torsion spring 102 except for the vicinity of the connection with the support 104 and the vicinity of the connection with the movable plate 106. The effect of this is negligible, and the stress distribution can be derived from Saint-Venant's torsion theory based on elasticity.
【0020】ねじりバネ102に発生する各応力成分を
図1と図2に示されるように定義すると、サンブナンの
ねじり理論によれば、垂直応力σx、σy、σzと、せ
ん断応力τxy(=τyx)、τxz(=τzx)、τyz(=
τzy)のうち、応力成分σx、σy、σz、τxzは
零になる。If each stress component generated in the torsion spring 102 is defined as shown in FIG. 1 and FIG. , Τxz (= τzz), τyz (=
τzy), the stress components σx, σy, σz, and τxz become zero.
【0021】さらに、せん断応力τyzについて、サン
ブナンのねじり理論から導出されるねじり関数を、長方
形断面形状に適用して解いた結果を図3に示す。このせ
ん断応力τyzは、図2の上面付近では、ほぼ零にな
る。一方、せん断応力τyxについても、τyzと同様
にして、ねじり関数を長方形断面形状に適用して解く
と、図4に示される応力分布となり、上面付近におい
て、図2の長方形断面のZ軸上に最大値を有する、Z軸
に対称な応力分布となる。Further, FIG. 3 shows a result obtained by applying a torsion function derived from Saint-Venant's torsion theory to the shear stress τyz by applying the torsion function to a rectangular cross-sectional shape. This shear stress τyz becomes almost zero near the upper surface of FIG. On the other hand, with respect to the shear stress τyx, similarly to τyz, when the torsion function is applied to a rectangular cross-sectional shape and solved, the stress distribution becomes as shown in FIG. The stress distribution has a maximum value and is symmetric with respect to the Z axis.
【0022】同様のねじり変形により発生する応力分布
について、有限要素法を用いたシミュレーション結果を
図5〜図10に示す。図5〜図7は、それぞれ、ねじり
変形時にねじりバネ102の上面付近に発生するσx、
σy、τyxを等高線表示で示している。また、図8〜
図10は、それぞれ、図5〜図7のσx、σy、τyx
における、ねじりバネ102の長手方向中央部を通るパ
ス1に沿う応力成分分布を示している。FIGS. 5 to 10 show simulation results using the finite element method for the stress distribution generated by the similar torsional deformation. 5 to 7 respectively show σx generated near the upper surface of the torsion spring 102 at the time of torsional deformation,
σy and τyx are indicated by contour lines. In addition, FIG.
FIG. 10 shows σx, σy, and τyx of FIGS.
5 shows a stress component distribution along a path 1 passing through the central portion in the longitudinal direction of the torsion spring 102 in FIG.
【0023】これらの結果をサンブナンのねじり理論に
よる結果と比較すると、ねじりバネ102の中央部の各
応力成分は、ねじり理論から予測された応力分布に従う
ことが裏付けられる。なお、応力成分の符号は、ねじり
角度の反転によって反転するので、応力としてはその絶
対値で評価しなければならない。また、上面で発生する
応力は、ねじり角度の反転によって、同様にねじりバネ
102の下面でも発生する。Comparing these results with the results according to Saint-Venant's torsion theory, it is confirmed that each stress component at the center of the torsion spring 102 follows the stress distribution predicted from the torsion theory. Since the sign of the stress component is reversed by reversing the twist angle, the stress must be evaluated by its absolute value. The stress generated on the upper surface also occurs on the lower surface of the torsion spring 102 due to the reversal of the torsion angle.
【0024】一方、ねじりバネ102は、支持体104
との接続部および可動板106との接続部の付近では、
ねじりバネ102のねじり変形が接続部で拘束されるた
め、ねじりバネ102の変形が揺動軸方向に一様ではな
くなり、ねじりバネ102の中央部とは異なる分布を示
す。ねじり変形により発生する応力分布について、有限
要素法を用いたシミュレーション結果を図11〜図13
に示す。図11〜図13は、それぞれ、図5〜図7のσ
x、σy、τyxにおける、接続部近辺を通るパス2に
沿う応力成分分布を示している。On the other hand, the torsion spring 102 is
Near the connection with the movable plate 106
Since the torsional deformation of the torsion spring 102 is restricted by the connection portion, the deformation of the torsion spring 102 is not uniform in the swing axis direction, and shows a distribution different from that of the central portion of the torsion spring 102. Simulation results using the finite element method for the distribution of stress generated by torsional deformation are shown in FIGS.
Shown in 11 to 13 respectively show σ in FIGS. 5 to 7.
7 shows stress component distributions along a path 2 passing near the connection portion at x, σy, and τyx.
【0025】接続部近辺の上面付近では、各応力成分の
中で、揺動軸方向の垂直応力σyの値が最大値となる。
ただし、この垂直応力σyは、揺動軸の両側でその符号
が反転、すなわち、引張り応力と圧縮応力を生じるた
め、揺動軸方向には引張りおよび圧縮応力がない線素が
存在し、図12〜図13から、その線素付近で応力は小
さく、線素からの距離が大きくなるにしたがって大きく
なる。In the vicinity of the upper surface near the connection portion, the value of the vertical stress σy in the direction of the oscillation axis becomes the maximum value among the stress components.
However, since the sign of the vertical stress σy is reversed on both sides of the oscillating axis, that is, a tensile stress and a compressive stress are generated, there is a line element having no tensile and compressive stress in the oscillating axis direction. From FIG. 13 to FIG. 13, the stress is small near the line element and increases as the distance from the line element increases.
【0026】以上から、ねじりバネ102中央部ではτ
yxが、ねじりバネ102の接続部ではσyが、各応力
成分において最大値を示すが、導線(金属)の破断を考慮
する場合には、さらに、金属等の等方性材料の降伏条件
として広く用いられている、Von Mises応力値の高い領
域を特定することが重要である。From the above, at the center of the torsion spring 102, τ
yx indicates the maximum value of σy at the connection portion of the torsion spring 102 in each stress component. However, in consideration of the breakage of the conductor (metal), the yield condition of the isotropic material such as a metal is further widened. It is important to identify the region where the Von Mises stress value used is high.
【0027】ねじり変形により、上面付近に発生するVo
n Mises応力分布について、有限要素法を用いたシミュ
レーション結果を図14〜図16に示す。ねじりバネ1
02の中央部では、図5〜図10と同様に、図2の長方
形断面のZ軸上に最大値を有する、Z軸に対称な応力分
布となる。また、ねじりバネ102の接続部付近では、
ねじりバネ102の両側の縁の近くに極大値を有する、
Z軸に対称な応力分布となる。Vo generated near the upper surface due to torsional deformation
FIGS. 14 to 16 show simulation results of the n Mises stress distribution using the finite element method. Torsion spring 1
In the central portion of 02, as in FIGS. 5 to 10, the stress distribution has a maximum value on the Z-axis of the rectangular cross section in FIG. 2, and is symmetric with respect to the Z-axis. In the vicinity of the connection portion of the torsion spring 102,
Having a maximum near the edges on both sides of the torsion spring 102;
The stress distribution is symmetric about the Z axis.
【0028】つまり、Von Mises応力分布は、ねじりバ
ネ102の表面の幾何学的な中心付近に最も高い値を有
している。また、Von Mises応力分布は、ねじりバネ1
02の表面の幾何学的な隅付近に比較的高い値を有して
いる。なお、ねじりバネ102の表面の幾何学的な中心
付近のVon Mises応力分布の高い値は、主としてせん断
応力によるものである。一方、ねじりバネ102の表面
の幾何学的な隅付近のVon Mises応力分布の高い値は、
主として引張応力によるものである。That is, the Von Mises stress distribution has the highest value near the geometric center of the surface of the torsion spring 102. In addition, Von Mises stress distribution is as follows.
02 has a relatively high value near the geometric corner of the surface. The high value of the Von Mises stress distribution near the geometric center of the surface of the torsion spring 102 is mainly due to the shear stress. On the other hand, the high value of the Von Mises stress distribution near the geometric corner of the surface of the torsion spring 102 is
It is mainly due to tensile stress.
【0029】上述の応力分布は、ねじりバネ102の両
端に支持体104と可動板106が接続されている図1
に示されるねじり揺動体100のモデルに対する解析結
果であり、従って、可動板106が両持ち構造であるか
片持ち構造であるかに依存してしない。The above-mentioned stress distribution is obtained by assuming that the support 104 and the movable plate 106 are connected to both ends of the torsion spring 102 in FIG.
Is a result of analysis for the model of the torsional rocking body 100 shown in FIG. 1, and therefore does not depend on whether the movable plate 106 has a double-sided structure or a cantilevered structure.
【0030】前述したように、ねじりバネの表面の幾何
学的な中心付近における高いVon Mises応力は主として
せん断応力によるものである。従って、図17におい
て、ねじり揺動体100の可動板106が揺動した時、
つまり、ねじりバネ102がねじれた時、ねじりバネ1
02の中央近辺の横断面108に最大のせん断応力が発
生する。このせん断応力は、容易に類推されるように、
ねじれ角の増大につれて増大する。また、ねじれ動作の
反復により、このせん断応力の累積的な印可が発生し、
横断面108に疲労が蓄積する。As described above, the high Von Mises stress near the geometric center of the surface of the torsion spring is mainly due to shear stress. Therefore, in FIG. 17, when the movable plate 106 of the torsional rocking body 100 rocks,
That is, when the torsion spring 102 is twisted, the torsion spring 1
The largest shear stress occurs in the cross section 108 near the center of 02. This shear stress, as easily analogized,
It increases as the twist angle increases. In addition, the repeated application of the torsional motion generates a cumulative application of this shear stress,
Fatigue builds up in the cross section 108.
【0031】次に、板バネ構造体の別のひとつである曲
げ揺動体に発生する応力分布について説明する。ここで
は図18に示される曲げ揺動体を考える。この曲げ揺動
体120は、図18に示されるように、弾性部材である
曲げバネ122と、曲げバネ122の一方の端部が接続
されている支持体124と、曲げバネ122の他方の端
部が接続されている可動板126とを備えている。可動
板126は、曲げバネ122によって、支持体124に
対してZ方向に上下に揺動可能に支持されている。Next, a description will be given of the distribution of stress generated in the bending oscillator, which is another plate spring structure. Here, consider the bending oscillator shown in FIG. As shown in FIG. 18, the bending oscillator 120 includes a bending spring 122 that is an elastic member, a support 124 to which one end of the bending spring 122 is connected, and another end of the bending spring 122. And the movable plate 126 connected to the movable plate 126. The movable plate 126 is supported by the bending spring 122 so as to be able to swing up and down in the Z direction with respect to the support body 124.
【0032】この曲げ揺動体120においては、曲げ変
形時に、曲げバネ122の中央付近の横断面を破断する
方向に応力が発生する。この破断応力は、曲げバネ12
2の中心付近の横断面128で最も大きい。また、この
応力は、曲げ角の増大につれて増大する。曲げバネ12
2の曲がりが破断限界以上となった場合には、曲げバネ
122は横断面128付近で壊れる。In the bending oscillating body 120, a stress is generated in a direction of breaking a cross section near the center of the bending spring 122 at the time of bending deformation. This breaking stress is caused by the bending spring 12
2 is largest at a cross section 128 near the center. Also, this stress increases as the bending angle increases. Bending spring 12
If the second bend exceeds the breaking limit, the bending spring 122 breaks near the cross section 128.
【0033】一般的に、無転位結晶に応力をかけると、
結晶の変形が発生する。変位が小さい場合、応力を取り
除くと、形態は元の形に回復する。以上は弾性変形の範
囲の現象であるが、外部印加応力が臨界値を越えると、
結晶中に転位が多数発生・移動し、結晶は塑性変形を起
こし、形態は元には戻らなくなる。これが結晶の降伏現
象であり、デバイスで考えると故障の発生に当たる。Generally, when stress is applied to a dislocation-free crystal,
Crystal deformation occurs. If the displacement is small, the morphology returns to its original shape when the stress is removed. The above is a phenomenon in the range of elastic deformation, but when the externally applied stress exceeds the critical value,
Many dislocations occur and move in the crystal, the crystal undergoes plastic deformation, and the morphology cannot be restored. This is the yield phenomenon of the crystal, which is considered to be a failure when considered in a device.
【0034】無転位成長技術により作られたシリコン単
結晶においては、Si原子の価電子によるSP3混成共
有結合の特徴から、結晶は機械的あるいは電気的に強い
異方性を有している。ダイヤモンドと同じ結晶構造を有
するシリコン単結晶においては、もっともSi原子密度
の高い最稠密面は{111}面であり、逆に{111}原子
面間を結んでいるボンド密度はもっとも少ないため、応
力を結晶に加えた場合、主に{111}面で劈開する。
{111}面に次いで稠密な面は{110}面であり、逆に
{110}原子面間を結んでいるボンド密度は{111}面
の次に少ないため、応力を加えた場合は、第二の劈開面
として{110}面が現れる。ちなみに炭素の単結晶の場
合、{100}面は{110}面より降伏応力は11%大き
いという実験結果が存在する。In a silicon single crystal produced by a dislocation-free growth technique, the crystal has strong mechanical or electrical anisotropy due to the characteristic of SP3 hybrid covalent bond due to valence electrons of Si atoms. In a silicon single crystal having the same crystal structure as diamond, the densest plane with the highest Si atom density is the {111} plane, and conversely, the bond density connecting between the {111} atomic planes is the lowest. Is mainly cleaved on the {111} plane.
The dense surface next to the {111} plane is the {110} plane,
Since the bond density connecting the {110} atomic planes is the second lowest after the {111} plane, the {110} plane appears as the second cleavage plane when stress is applied. Incidentally, in the case of a carbon single crystal, there is an experimental result that the {100} plane has a yield stress that is 11% larger than the {110} plane.
【0035】本発明では、図17に示されるねじり揺動
体100においては、耐せん断応力性に優れる結晶面
が、横断面108にほぼ平行に設定され、図18に図示
される曲げ揺動体においては、耐引っ張り応力性に優れ
る結晶面が、横断面128にほぼ平行で設定される。こ
こにおいて、耐せん断応力性あるいは耐引っ張り応力性
に優れる結晶面とは、結晶面の間のボンド密度が多い面
であり、ダイヤモンド型結晶においては、{111}面と
{110}面と{100}面の中では{100}面である。According to the present invention, in the torsional oscillator 100 shown in FIG. 17, the crystal plane having excellent shear stress resistance is set substantially parallel to the cross section 108, and in the bending oscillator shown in FIG. The crystal plane having excellent tensile stress resistance is set substantially parallel to the cross section 128. Here, a crystal plane having excellent shear stress resistance or tensile stress resistance is a plane having a high bond density between crystal planes, and a diamond-type crystal has a {111} plane.
The {100} plane is the {100} plane between the {110} plane and the {100} plane.
【0036】二種類の結晶面(それぞれの面方位ベクト
ルをaおよびbとする)の接触角Θ(Θの値は180度以
下の正の値)は、次式で計算できる。The contact angle Θ (the value of Θ is a positive value of 180 degrees or less) between two types of crystal planes (the respective plane orientation vectors are a and b) can be calculated by the following equation.
【0037】a・b=|a|・|b|・cosΘ・・・(1) (1)式において、a・bおよび|a|・|b|は、それぞれ、
ベクトルaとbの内積および絶対値の積を表す。A · b = | a | · | b | · cosΘ (1) In equation (1), a · b and | a | · | b |
This represents the product of the inner product and the absolute value of the vectors a and b.
【0038】図17において、耐せん断応力性に優れる
{100}面が横断面108に平行であるため、この弾性
部材内に含まれる{111}面に対しては、{100}面に
かかるせん断応力に余弦成分cos(54.7度)=0.5
77を乗じた大きさのみの応力がかかるのみとなり、
{111}面の破壊に起因する故障耐性が向上する。ま
た、この弾性部材内に含まれる{110}面に対しては、
{100}面にかかるせん断応力に余弦成分cos(90
度)=0あるいはcos(45度)=0.707を乗じた大
きさのみの応力がかかるのみとなり、{111}面の場合
と同様、{110}面の破壊に起因する故障耐性が向上す
る。In FIG. 17, the shear stress resistance is excellent.
Since the {100} plane is parallel to the cross section 108, the cosine component cos (54.7 degrees) = 0 with respect to the {111} plane included in this elastic member. .5
Only the stress multiplied by 77 is applied,
Fault tolerance due to destruction of the {111} plane is improved. Also, for the {110} plane included in this elastic member,
The cosine component cos (90) is added to the shear stress applied to the {100} plane.
Degree) = 0 or cos (45 degrees) = 0.707 multiplied only by the stress, and the fault tolerance due to the destruction of the {110} plane is improved as in the case of the {111} plane. .
【0039】ちなみに、従来は一般に、図17に示され
る横断面108に{110}面が平行であるため、この弾
性部材内に含まれる{111}面に対しては、{110}面
にかかるせん断応力に余弦成分cos(35.3度)=0.
816を乗じた大きさの応力がかかる{111}面が存在
し、{110}面そのものが{100}面よりせん断応力耐
性が劣ることと、{111}面の影響がより大きいことと
の理由により、本発明に比べて破壊に起因する故障耐性
が低い。Incidentally, conventionally, since the {110} plane is generally parallel to the cross section 108 shown in FIG. 17, the {111} plane included in this elastic member is applied to the {110} plane. Cosine component cos (35.3 degrees) = 0.
There is a {111} plane to which a stress multiplied by 816 is applied. The reason is that the {110} plane itself has lower shear stress resistance than the {100} plane, and the effect of the {111} plane is larger. Accordingly, the failure resistance due to destruction is lower than that of the present invention.
【0040】これまで単結晶材料のSiを例にあげて説
明したが、Siと同様なダイヤモンド型結晶構造をもつ
炭素(C)やGeあるいはα-Snの単結晶材料を用いた
板バネ構造体に対しても本発明は適用可能である。A single crystal material Si has been described above as an example, but a leaf spring structure using a single crystal material of carbon (C), Ge or α-Sn having a diamond-type crystal structure similar to that of Si. The present invention is also applicable to
【0041】更には、以上の説明から容易に類推される
ように、図17に示される横断面108や図18に示さ
れる横断面128に対して、結晶学的に見て{100}面
と接触角が小さな結晶面が平行に設定されてもよい。こ
れに類する面としては、ダイヤモンド型結晶では{51
1}面などがあげられる。Further, as can be easily inferred from the above description, the {100} plane is viewed crystallographically with respect to the cross section 108 shown in FIG. 17 and the cross section 128 shown in FIG. Crystal planes having a small contact angle may be set in parallel. As a similar surface, the diamond type crystal has {51
1} plane.
【0042】GaAsなどの化合物半導体は、SiやG
eなどの元素半導体とは異なる結晶構造を有している。
例えば、3−5族化合物半導体においては、六方晶型の
結晶構造を有するウルツ鉱型(wurtzite)構造と、立方晶
型の結晶構造を持つ閃亜鉛鉱型(zinc blende)構造に分
けられる。前者としてはAlNやInNやGaNなどが
あり、後者としてはGaAsやGaPやInPなどがあ
る。Compound semiconductors such as GaAs include Si and G
It has a different crystal structure from elemental semiconductors such as e.
For example, group 3-5 compound semiconductors are classified into a wurtzite structure having a hexagonal crystal structure and a zinc blende structure having a cubic crystal structure. The former includes AlN, InN, and GaN, and the latter includes GaAs, GaP, and InP.
【0043】各結晶の構成元素の原子半径の差などに起
因して、共有結合の性格がつよい結晶からイオン結合の
性格がつよい結晶まで、基礎物性はバラエティーに富ん
でいる。イオン結合性の強いAlNなどでは、{111}
面は全て3族原子あるいは5族原子で構成されている面
であり、これらの面が交互に積層されているためにクー
ロン力がもっとも強い面となる。この事情を反映して、
AlNの劈開面は{110}面となる。従って、AlNな
どイオン結合性の強い3−5族化合物半導体結晶を弾性
部材材料とする場合には、{111}面を弾性部材の横断
面に平行にするとよい。Due to differences in the atomic radii of the constituent elements of each crystal, etc., the basic physical properties are varied from crystals having good covalent bonds to crystals having good ionic bonds. In the case of AlN or the like having a strong ionic bond, {111}
The faces are all composed of Group 3 atoms or Group 5 atoms. Since these faces are alternately stacked, the face has the strongest Coulomb force. Reflecting this situation,
The cleavage plane of AlN is the {110} plane. Therefore, when a group III-V compound semiconductor crystal having a strong ionic bond, such as AlN, is used as the elastic member material, the {111} plane may be parallel to the cross section of the elastic member.
【0044】一方、イオン結合性の弱い(共有結合性の
強い)GaSbやInSbでは、Si同様、{111}面
と{110}面が劈開面となるため、GaSbなど共有結
合性の強い3−5族化合物半導体結晶を弾性部材材料と
する場合には、{100}面を弾性部材の横断面に平行に
するとよい。On the other hand, in the case of GaSb or InSb having a weak ionic bond (strong covalent bond), the {111} plane and the {110} plane serve as cleavage planes like Si, and therefore, 3-Si such as GaSb has a strong covalent bond. When a Group V compound semiconductor crystal is used as the elastic member material, the {100} plane may be parallel to the cross section of the elastic member.
【0045】加えて、従来のせん断応力に起因する故障
・破壊は、面間結合の脆弱性に起因するため、単結晶材
料を弾性部材に用いる事に変えて、多結晶材料や微結晶
材料あるいはアモルファス材料を用いる事で結合の脆弱
性を改善する事も可能である。例えば、単結晶Siに変
えて多結晶シリコンあるいはアモルファスシリコンを弾
性部材材料に用いる事などが一例となる。但し、板バネ
構造体の応用毎に、上述の破壊耐性の他に、応用毎に異
なる、消費電力の要因の一つであるQ値などの様々な必
要機械特性を勘案して、全体的な機械特性の最適化から
弾性部材の材料を選択する必要がある。In addition, the conventional failure / destruction caused by shear stress is caused by the weakness of the interfacial bonding. Therefore, instead of using a single crystal material for the elastic member, a polycrystalline material, a microcrystalline material or It is also possible to improve the brittleness of the bond by using an amorphous material. For example, one example is to use polycrystalline silicon or amorphous silicon for the elastic member material instead of single crystal Si. However, in consideration of various necessary mechanical characteristics, such as Q value, which is one of the factors of power consumption, which differs for each application, in addition to the above-described fracture resistance for each application of the leaf spring structure, the overall It is necessary to select the material of the elastic member from the optimization of the mechanical properties.
【0046】勿論、以上の材料構成において、弾性部材
の表面に粘性の高いニッケルなどの金属の薄膜やアモル
ファス構造の絶縁物薄膜を付加的に形成してもよい。付
加的に形成された薄膜は衝撃吸収材の役目を果たすの
で、耐久性や衝撃破壊耐性を向上させる。また、劈開現
象が起きても、薄膜との界面で劈開が止まるため、破壊
耐性も向上する。Of course, in the above-described material configuration, a thin film of a metal such as nickel having a high viscosity or an insulator thin film having an amorphous structure may be additionally formed on the surface of the elastic member. The additionally formed thin film serves as a shock absorbing material, and thus improves durability and impact resistance. Further, even if the cleavage phenomenon occurs, the cleavage stops at the interface with the thin film, so that the breakdown resistance is improved.
【0047】[実施の形態]本発明の実施の形態のねじり
揺動体について説明する。本実施形態は、電磁駆動型の
アクチュエーターに適用されるねじり揺動体である。[Embodiment] A torsional rocking body according to an embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is a torsional rocking body applied to an electromagnetic drive type actuator.
【0048】図19〜図21に示されるように、アクチ
ュエーター200は、ねじり揺動体210と、一対の永
久磁石202a,202bとを備えている。ねじり揺動
体210は、可動板212と、可動板212を揺動可能
に支持するための一対の弾性部材214a,214b
と、弾性部材214a,214bを保持する支持体21
6とを備えている。一対の弾性部材214a,214b
は、可動板212から両側に対称的に延びており、トー
ションバーすなわちねじりバネとして機能する。従っ
て、可動板212は支持体216に対して揺動可能に支
持されている。可動板212の揺動軸は、弾性部材21
4a,214bの内部を通っている。As shown in FIGS. 19 to 21, the actuator 200 includes a torsional rocking body 210 and a pair of permanent magnets 202a and 202b. The torsional rocking body 210 includes a movable plate 212 and a pair of elastic members 214a and 214b for swingably supporting the movable plate 212.
And the support 21 holding the elastic members 214a and 214b
6 is provided. A pair of elastic members 214a, 214b
Extend symmetrically on both sides from the movable plate 212 and function as a torsion bar, that is, a torsion spring. Therefore, the movable plate 212 is swingably supported by the support 216. The pivot axis of the movable plate 212 is
4a and 214b.
【0049】弾性部材214a,214bは、ほぼ直方
体形状を有しており、揺動軸に垂直な横断面は長方形形
状を有している。より詳しくは、弾性部材214a,2
14bは、可動板212との接続部付近の一方の端部
と、支持体216との接続部付近の他方の端部と、それ
らの間に位置する中央部とを有しており、中央部は直方
体形状を有している。弾性部材214a,214bは、
設計や作製の容易さから一般にこのような形状が選ばれ
る。The elastic members 214a and 214b have a substantially rectangular parallelepiped shape, and have a rectangular cross section perpendicular to the swing axis. More specifically, the elastic members 214a, 214a
14b has one end near the connection with the movable plate 212, the other end near the connection with the support 216, and a central part located between them. Has a rectangular parallelepiped shape. The elastic members 214a and 214b
Generally, such a shape is selected from the viewpoint of ease of design and manufacture.
【0050】可動板212は、その周縁部を周回する駆
動コイル222を備えている。駆動コイル222は、そ
の両端に電極パッド224a,224bを有している。
支持体216は、外部からの電力を駆動コイル222に
供給するための一対の電極パッド226a,226bを
備えている。ねじり揺動体210は、弾性部材214a
を通る配線228aを備えており、配線228aは駆動
コイル222の電極パッド224aと支持体上の電極パ
ッド226aを電気的に接続している。The movable plate 212 has a drive coil 222 that goes around the periphery. The drive coil 222 has electrode pads 224a and 224b at both ends.
The support 216 includes a pair of electrode pads 226a and 226b for supplying external power to the drive coil 222. The torsional rocking body 210 includes an elastic member 214a.
Are provided, and the wiring 228a electrically connects the electrode pad 224a of the drive coil 222 and the electrode pad 226a on the support.
【0051】また、ねじり揺動体210は、弾性部材2
14bを通る配線228bを備えており、配線228b
は、一端が支持体上の電極パッド226bに接続され、
他端に電極パッド230を有している。さらに、ねじり
揺動体210は、絶縁層を介して駆動コイル222の上
を横切って延びる飛び越し配線232を有しており、飛
び越し配線232は、駆動コイル222の内側の電極パ
ッド224bと、配線228bの電極パッド230を電
気的に接続している。Further, the torsional rocking body 210 is
14b, a wiring 228b passing therethrough is provided.
Has one end connected to the electrode pad 226b on the support,
The other end has an electrode pad 230. Further, the torsional rocking body 210 has a jump wire 232 extending across the drive coil 222 via an insulating layer. The electrode pads 230 are electrically connected.
【0052】可動板212と弾性部材214a,214
bと支持体216は単結晶シリコン基板からモノリシッ
クに形成されている。従って、可動板212と弾性部材
214a,214bと支持体216は共に単結晶シリコ
ンを主材料としている。単結晶シリコンは、精密な加工
が可能であるため、ねじり揺動体の小型化に好適であ
る。また、単結晶シリコンは、剛性が高く、材料の内部
減衰が少ないため、共振駆動用の弾性部材214a,2
14bとして優れた特性を有している。さらに、単結晶
シリコンは高い剛性を有しているため、外部に固定する
ための接着部として用いられる支持体216の材料に好
適である。The movable plate 212 and the elastic members 214a and 214
b and the support 216 are monolithically formed from a single crystal silicon substrate. Therefore, the movable plate 212, the elastic members 214a and 214b, and the support 216 are all mainly made of single crystal silicon. Since single crystal silicon can be precisely processed, it is suitable for miniaturizing a torsional oscillator. In addition, single-crystal silicon has high rigidity and low internal damping of the material, so that the elastic members 214a and 2142 for resonance driving are used.
14b has excellent characteristics. Further, since single crystal silicon has high rigidity, single crystal silicon is suitable for a material of the support 216 used as an adhesive portion for fixing to outside.
【0053】駆動コイル222と電極パッド224a,
224bと電極パッド226a,226bと配線228
a,228bと電極パッド230は共に同じ金属膜例え
ばアルミ膜で形成されており、可動板212と弾性部材
214a,214bと支持体216の主材料である単結
晶シリコン基板とは、例えば酸化シリコン膜によって電
気的に絶縁されている。同様に、飛び越し配線も例えば
アルミ膜で形成されており、駆動コイル222とは例え
ば酸化シリコン膜によって電気的に絶縁されている。The drive coil 222 and the electrode pads 224a,
224b, electrode pads 226a, 226b, and wiring 228
a, 228b and the electrode pad 230 are both formed of the same metal film, for example, an aluminum film. The movable plate 212, the elastic members 214a, 214b, and the single crystal silicon substrate which is the main material of the support 216 are, for example, a silicon oxide film. Electrically insulated by Similarly, the jump wiring is also formed of, for example, an aluminum film, and is electrically insulated from the drive coil 222 by, for example, a silicon oxide film.
【0054】また、配線228a,228bその他を含
む金属膜は、作製上の容易さから、一般に表面近くに形
成される。従って、配線228a,228bは、それぞ
れ、弾性部材214a,214bの表面の近くに位置し
ている。The metal film including the wirings 228a, 228b and the like is generally formed near the surface for ease of fabrication. Therefore, the wirings 228a and 228b are located near the surfaces of the elastic members 214a and 214b, respectively.
【0055】一対の永久磁石202a,202bは、可
動板212の振動する両端部の外側に、揺動軸にほぼ平
行に配置されている。永久磁石202a,202bの着
磁方向は、互いに逆向きで、静止状態の可動板212の
面にほぼ垂直である。永久磁石202a,202bは、
可動板212の両端部に位置する駆動コイル222の部
分に対して可動板212の面方向の磁界成分を作用させ
るよう、揺動軸にほぼ直交して横切る磁界を発生させ
る。The pair of permanent magnets 202a and 202b are arranged outside the vibrating ends of the movable plate 212 and substantially parallel to the swing axis. The magnetization directions of the permanent magnets 202a and 202b are opposite to each other, and are substantially perpendicular to the surface of the movable plate 212 in a stationary state. The permanent magnets 202a, 202b
A magnetic field that crosses the rocking axis at right angles is generated so that a magnetic field component in the surface direction of the movable plate 212 acts on portions of the drive coil 222 located at both ends of the movable plate 212.
【0056】次に、このアクチュエーター200の動作
について説明する。図19において、支持体216上の
二個の電極パッド226a,226bへの交流電圧の印
加に応じて、駆動コイル222には交流電流が流れる。
駆動コイル222の永久磁石202a,202bに近い
部分を流れる電流は、永久磁石202a,202bによ
って発生された磁界との相互作用によりローレンツ力を
受け、可動板212は板厚方向に偶力を受ける。このた
め、可動板212は、二本の弾性部材214a,214
bの長手方向に延びる中心軸を揺動軸として、揺動すな
わちねじり振動する。Next, the operation of the actuator 200 will be described. In FIG. 19, an AC current flows through the drive coil 222 in response to the application of the AC voltage to the two electrode pads 226a and 226b on the support 216.
A current flowing through a portion of the drive coil 222 near the permanent magnets 202a and 202b receives Lorentz force due to interaction with a magnetic field generated by the permanent magnets 202a and 202b, and the movable plate 212 receives a couple in the plate thickness direction. For this reason, the movable plate 212 includes two elastic members 214a and 214
Oscillation, that is, torsional vibration, is performed with the central axis extending in the longitudinal direction of b as the oscillation axis.
【0057】ねじり振動を発生させるモーメントは、永
久磁石202a,202bの近くの駆動コイル222の
部分が受けるローレンツ力と、二本の弾性部材214
a,214bを通る揺動軸から永久磁石202a,20
2bの近くの駆動コイル222の部分までの距離の積に
よって決まる。ローレンツ力は、永久磁石202a,2
02bの特性、駆動コイル222の巻数や配線長、電流
の大きさ、永久磁石202a,202bから駆動コイル
222までの距離等によって決まる。駆動コイル222
が可動板212の最外周を周回するように形成されるの
は、発生力量およびモーメントを大きくするためであ
る。The moment generating the torsional vibration is determined by the Lorentz force applied to the portion of the drive coil 222 near the permanent magnets 202a and 202b and the two elastic members 214
a, 20b from the swing shaft passing through the permanent magnets 202a, 20b.
It depends on the product of the distance to the part of the drive coil 222 near 2b. Lorentz force is determined by the permanent magnets 202a, 202
02b, the number of turns and the wiring length of the drive coil 222, the magnitude of the current, the distance from the permanent magnets 202a and 202b to the drive coil 222, and the like. Drive coil 222
Is formed so as to go around the outermost periphery of the movable plate 212 in order to increase the amount of generated force and the moment.
【0058】可動板212と弾性部材214a,214
bの形状や材質によって一意的に決定される共振周波数
に等しい周波数の交流電圧を印加することにより、可動
板212は駆動コイル222を流れる電流における最大
の振幅で振動する。このアクチュエーター200は、例
えば、外部から照射される光ビームを反射する反射ミラ
ーを可動板212に設けることにより、反射された光ビ
ームを走査する光スキャナーとして使用され得る。The movable plate 212 and the elastic members 214a, 214
By applying an AC voltage having a frequency equal to the resonance frequency uniquely determined by the shape and material of b, the movable plate 212 vibrates at the maximum amplitude of the current flowing through the drive coil 222. The actuator 200 can be used as, for example, an optical scanner that scans a reflected light beam by providing a movable mirror 212 with a reflection mirror that reflects a light beam emitted from the outside.
【0059】本実施形態では、弾性部材214a,21
4bは、{100}面を主面とする単結晶シリコンで出来
ており、さらに、その横断面は、{100}面にほぼ平行
である。In this embodiment, the elastic members 214a, 214
4b is made of single-crystal silicon having a {100} plane as a main surface, and its cross section is substantially parallel to the {100} plane.
【0060】単結晶シリコンは、ダイヤモンド結晶構造
を有しており、その結晶面である{100}面と{110}
面と{111}面の中で、{100}面は耐せん断応力性に
優れている。{100}面が横断面に平行であるため、弾
性部材214a,214bに含まれる{111}面に対し
ては、{100}面にかかるせん断応力の0.577倍の
大きさの応力がかかるのみとなり、また、弾性部材21
4a,214bに含まれる{110}面に対しては、{1
00}面にかかるせん断応力の0.707倍の大きさの応
力がかかるのみとなる。従って、{111}面の破壊に起
因する故障耐性も、{110}面の破壊に起因する故障耐
性も向上されている。Single crystal silicon has a diamond crystal structure, and its crystal planes, {100} plane and {110} plane
Among the {111} planes, the {100} plane has excellent shear stress resistance. Since the {100} plane is parallel to the transverse section, a stress of 0.5577 times the shear stress applied to the {100} plane is applied to the {111} plane included in the elastic members 214a and 214b. And the elastic member 21
4a and 214b, {1} plane is {1}
Only a stress of 0.707 times the shear stress applied to the {00} plane is applied. Therefore, the fault tolerance due to the destruction of the {111} face and the fault tolerance due to the destruction of the {110} face are improved.
【0061】本実施形態のねじり揺動体は、半導体プロ
セスを利用して作製される。以下、図23〜図29を参
照して、本実施形態のねじり揺動体210の製造方法に
ついて説明する。図24〜図29には、図19のXX'−X
X線に沿う断面が描かれている。The torsional oscillator according to the present embodiment is manufactured by using a semiconductor process. Hereinafter, a method for manufacturing the torsional rocking body 210 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 24 to 29 show XX′-X in FIG.
Cross section along X-ray is drawn.
【0062】準備工程(図23):スタートウエハとし
て、SOI(Silicon On Insulator)基板300を用意す
る。SOI基板300は、支持体基板と呼ばれるシリコ
ン基板302に、絶縁層304を介して、活性層基板と
呼ばれる単結晶シリコン基板306が貼り合わされた構
造体である。支持体基板302は例えば200〜500
μm、絶縁層304は例えば1μm、活性層基板306
は例えば100μmの厚さを有している。Preparation step (FIG. 23): An SOI (Silicon On Insulator) substrate 300 is prepared as a start wafer. The SOI substrate 300 is a structure in which a single crystal silicon substrate 306 called an active layer substrate is bonded to a silicon substrate 302 called a support substrate with an insulating layer 304 interposed therebetween. The support substrate 302 is, for example, 200 to 500.
μm, the insulating layer 304 is, for example, 1 μm, and the active layer substrate 306
Has a thickness of, for example, 100 μm.
【0063】支持体基板302と活性層基板306の主
面は共に{100}面であり、支持体基板302の<11
0>方位と活性層基板306の<100>方位は一致して
いる。さらに、支持体基板302の<110>方位と活性
層基板306の<100>方位は、SOI基板310の作
製を容易にするために、オリエンテーションフラットに
平行に設定されている。The main surfaces of the support substrate 302 and the active layer substrate 306 are both {100} planes, and
The <0> direction matches the <100> direction of the active layer substrate 306. Further, the <110> orientation of the support substrate 302 and the <100> orientation of the active layer substrate 306 are set in parallel with the orientation flat to facilitate fabrication of the SOI substrate 310.
【0064】後述するように支持体基板302はシリコ
ン異方性ウェットエッチングによって加工されるため、
形成するねじり揺動体の弾性部材214a,214bの
長手方向は、図示されるようにオリエンテーションフラ
ットに対して平行に、あるいはオリエンテーションフラ
ットに垂直に設定される。As will be described later, the support substrate 302 is processed by silicon anisotropic wet etching.
The longitudinal direction of the elastic members 214a and 214b of the torsional rocking member to be formed is set parallel to the orientation flat or perpendicular to the orientation flat as shown in the figure.
【0065】工程1(図24):SOI基板300を洗浄
し、その表面に熱酸化膜308を、裏面に熱酸化膜31
0を形成する。Step 1 (FIG. 24): The SOI substrate 300 is cleaned, a thermal oxide film 308 is formed on the front surface, and the thermal oxide film 31 is formed on the back surface.
0 is formed.
【0066】工程2(図25):SOI基板300の裏面
に形成された熱酸化膜308は、可動板212と支持体
216を裏面側から分離する際のマスク材料として用い
られる。また、SOI基板300の表面に形成された熱
酸化膜310は、表面側から可動板212と弾性部材2
14a,214bと支持体216を形成する際のマスク
材料として用いられる。そのため、熱酸化膜308と3
10に対して、後の工程でシリコンが除去される部分を
エッチングによって予め除去しておく。Step 2 (FIG. 25): The thermal oxide film 308 formed on the back surface of the SOI substrate 300 is used as a mask material when separating the movable plate 212 and the support 216 from the back surface. Further, the thermal oxide film 310 formed on the surface of the SOI substrate 300 is formed by the movable plate 212 and the elastic member 2 from the front side.
It is used as a mask material when forming the support 216 and the support 216. Therefore, the thermal oxide films 308 and 3
For 10, a portion from which silicon is to be removed in a later step is removed in advance by etching.
【0067】工程3(図26):表面側の熱酸化膜310
の上にアルミの薄膜312をスパッタ成膜し、これをエ
ッチングすることによって、駆動コイル222、電極パ
ッド224b、配線228b、電極パッド226b、そ
の他を形成する。Step 3 (FIG. 26): Thermal oxide film 310 on the front side
A drive coil 222, an electrode pad 224b, a wiring 228b, an electrode pad 226b, and the like are formed by sputtering an aluminum thin film 312 on the substrate and etching the thin film.
【0068】工程4(図27):その後、層間絶縁膜とな
る例えばプラズマ酸化膜312を成膜し、表面側の熱酸
化膜310がエッチングされてシリコンが露出している
部分と、層間コンタクトを形成する部分と、電極パッド
226b、その他の上部のみをエッチングで除去し、さ
らにプラズマ酸化膜312の上に第二のアルミの薄膜3
14をスパッタ成膜し、これをエッチングすることによ
って、駆動コイル222の内側の電極パッド224bを
コイル外部に接続する飛び越し配線232を形成する。
さらに、飛び越し配線232の大気による酸化から保護
するために、第二のプラズマ酸化膜314を飛び越し配
線232の上部にのみ形成する。Step 4 (FIG. 27): Thereafter, for example, a plasma oxide film 312 to be an interlayer insulating film is formed, and the portion where the silicon oxide is exposed by etching the thermal oxide film 310 on the front surface is connected to the interlayer contact. Only the portion to be formed, the electrode pad 226b, and the other upper portion are removed by etching, and the second aluminum thin film 3 is formed on the plasma oxide film 312.
14 is formed by sputtering and is etched to form a jump wiring 232 for connecting the electrode pad 224b inside the drive coil 222 to the outside of the coil.
Further, a second plasma oxide film 314 is formed only on the upper part of the jump wiring 232 in order to protect the jump wiring 232 from being oxidized by the atmosphere.
【0069】工程5(図28):表面側からドライエッチ
ングにより、可動板212と弾性部材214a,214
bと支持体216の形状に、SOI基板300の活性層
基板306をエッチングする。この際に、ICP(Induc
tively-coupled plasma)を利用したRIE(Reactive Io
n Etching)を用いることによって、エッチングの側面は
基板表面にほぼ垂直に加工される。このエッチングはS
OI基板300の絶縁層304に達すると停止する。そ
の後、可動板212と支持体216形状を裏面側から形
成するために、アルカリ性溶液を用いて、SOI基板3
00の裏面からシリコン基板302に対して異方性エッ
チングを行なう。Step 5 (FIG. 28): The movable plate 212 and the elastic members 214a and 214 are dry-etched from the front side.
The active layer substrate 306 of the SOI substrate 300 is etched into the shape of b and the support 216. At this time, ICP (Induc
RIE (Reactive Io) using tively-coupled plasma)
n Etching), the side surface of the etching is processed almost perpendicular to the substrate surface. This etching is S
When it reaches the insulating layer 304 of the OI substrate 300, it stops. Thereafter, in order to form the movable plate 212 and the support 216 from the back side, the SOI substrate 3 is formed using an alkaline solution.
Anisotropic etching is performed on the silicon substrate 302 from the back surface of the substrate 00.
【0070】工程6(図29):シリコン基板302のエ
ッチングの後、弾性部材214a,214bの裏面およ
び可動板212と支持体216の間に露出している絶縁
層304をドライエッチングにより除去して、完成品の
ねじり揺動体210が得られる。このねじり揺動体21
0を例えば光スキャナとして使用する場合には、必要に
応じて可動板212の裏面側に金やアルミをスパッタし
て反射率の高い反射面を形成することが好ましい。Step 6 (FIG. 29): After etching the silicon substrate 302, the insulating layer 304 exposed between the back surfaces of the elastic members 214a and 214b and the movable plate 212 and the support 216 is removed by dry etching. Thus, a completed torsional rocking body 210 is obtained. This torsional rocking body 21
When 0 is used as an optical scanner, for example, it is preferable to form a reflective surface having a high reflectivity by sputtering gold or aluminum on the back surface of the movable plate 212 as necessary.
【0071】このように、本実施形態のねじり揺動体2
10は、半導体製造技術を利用して一体に形成されるた
め、その後の組立作業は不要であり、超小型に安価に大
量生産することができると共に、寸法精度が非常に高
く、従って特性のばらつきがきわめて少ない。As described above, the torsional rocking body 2 of the present embodiment
Since the semiconductor device 10 is formed integrally using semiconductor manufacturing technology, subsequent assembly work is not required, the device can be mass-produced in a very small size at low cost, and the dimensional accuracy is very high. Is extremely small.
【0072】上述した製造方法では、支持体基板302
はシリコン異方性ウェットエッチングによって加工され
ているが、他の手法によって加工されてもよく、この場
合には、支持体基板302の主面とオリエンテーション
フラットの方位は任意に選ばれてよい。In the manufacturing method described above, the support substrate 302
Is processed by silicon anisotropic wet etching, but may be processed by another method. In this case, the orientation of the main surface of the support substrate 302 and the orientation flat may be arbitrarily selected.
【0073】ここで比較例として、従来よりねじり揺動
体の作製に用いられているSOI基板を図30に示す。
このSOI基板300'は、図30に示されるように、
支持体基板302と活性層基板306の主面は共に{1
00}面であり、支持体基板302の<110>方位と活
性層基板306の<110>方位は一致しており、さらに
これはオリエンテーションフラットに平行である。Here, as a comparative example, FIG. 30 shows an SOI substrate conventionally used for manufacturing a torsional oscillator.
As shown in FIG. 30, the SOI substrate 300 '
The main surfaces of the support substrate 302 and the active layer substrate 306 are both {1
00 plane, the <110> orientation of the support substrate 302 and the <110> orientation of the active layer substrate 306 match, and this is parallel to the orientation flat.
【0074】この図30に示されるSOI基板300'
をスタートウエハとして作製されたねじり揺動体では、
{110}面が、弾性部材の横断面(図17に参照符号1
08で示される平面に相当する)に平行となる。{11
0}面は、{100}面と{110}面と{111}面の中で
は、{111}面に次いで耐せん断応力性が低い結晶面で
ある。また、最も耐せん断応力性の低い弾性部材内の
{111}面は、{110}面にかかるせん断応力の0.8
16倍の応力を受けてしまう。The SOI substrate 300 'shown in FIG.
In the torsional oscillator made with the start wafer as
The {110} plane is the cross section of the elastic member (see FIG.
(Corresponding to the plane indicated by reference numeral 08). {11
The {0} plane is a crystal plane having the lowest shear stress resistance next to the {111} plane among the {100}, {110}, and {111} planes. In addition, the elastic member with the lowest shear stress resistance
The {111} plane has a shear stress of 0.8 applied to the {110} plane.
It receives 16 times the stress.
【0075】これに対して本実施形態のように、図23
に示されるSOI基板300をスタートウエハとして作
製されたねじり揺動体210では、{100}面が、弾性
部材214a,214bの横断面(図17に参照符号1
08で示される平面に相当する)に平行となる。On the other hand, as in the present embodiment, FIG.
In the torsional rocking body 210 manufactured using the SOI substrate 300 as a start wafer, the {100} plane is a cross section of the elastic members 214a and 214b (see FIG.
(Corresponding to the plane indicated by reference numeral 08).
【0076】{100}面は、{100}面と{110}面と
{111}面の中で、最も耐せん断応力に優れている結晶
面である。また、弾性部材内の{111}面と{110}面
は、それぞれ、{100}面にかかるせん断応力の0.5
77倍、0.707倍の応力を受けるだけとなる。The {100} plane is a {100} plane and a {110} plane.
Among the {111} planes, this is the crystal plane having the highest shear stress resistance. The {111} plane and the {110} plane in the elastic member respectively have a shear stress of 0.5 on the {100} plane.
It receives only 77 times and 0.707 times of stress.
【0077】従って、その横断面が{100}面と平行な
弾性部材は、せん断応力に対して高い耐性を有する。そ
の結果、弾性部材214a,214bは、ねじり動作に
対する耐久性が高まるので、可動板212の許容揺動角
度が向上される。Therefore, the elastic member having a cross section parallel to the {100} plane has high resistance to shear stress. As a result, the durability of the elastic members 214a and 214b with respect to the twisting operation is increased, and the allowable swing angle of the movable plate 212 is improved.
【0078】本実施形態の各構成は、上述した構成に限
定されるものではなく、様々に変形や変更されてもよ
い。Each configuration of the present embodiment is not limited to the configuration described above, and may be variously modified or changed.
【0079】例えば、駆動コイル222は、実施の形態
ではアルミのスパッタ成膜とエッチング加工により形成
されているが、めっきにより形成されてもよい。特に、
大きな偏向角を必要とする場合には、駆動コイル222
の巻き数を増加させる必要があるが、断面積を増やさず
に巻き数のみを増加させると、コイルの抵抗値が増大
し、電源電圧や消費電力の増大につながる。めっきによ
り、スパッタよりもさらに厚膜のコイルを形成し、アス
ペクト比を高めることにより、所定の仕様を満足するこ
とが可能となる。For example, the drive coil 222 is formed by sputtering and forming an aluminum film in the embodiment, but may be formed by plating. In particular,
When a large deflection angle is required, the drive coil 222
It is necessary to increase the number of turns, but if only the number of turns is increased without increasing the cross-sectional area, the resistance value of the coil increases, which leads to an increase in power supply voltage and power consumption. By forming a coil having a larger thickness than the sputtering by plating and increasing the aspect ratio, it is possible to satisfy a predetermined specification.
【0080】また、駆動方法は、その共振周波数に等し
い交流電流による往復駆動に限定されるものではなく、
例えば可変の周波数による駆動や、直流電流による駆動
で静的な位置決めを行なってもよい。The driving method is not limited to the reciprocating drive using an alternating current equal to the resonance frequency.
For example, static positioning may be performed by driving with a variable frequency or driving with a direct current.
【0081】以上に述べた本実施形態は、1自由度を持
つねじり揺動体を例示しているが、本発明は、ジンバル
構造のような2自由度を持つねじり揺動体に適応されて
もよい。Although the present embodiment described above exemplifies a torsional oscillator having one degree of freedom, the present invention may be applied to a torsional oscillator having two degrees of freedom such as a gimbal structure. .
【0082】上述した実施の形態では、板バネ構造体と
して、弾性部材のねじれにより可動板が揺動されるねじ
り揺動体を例にあげて説明したが、板バネ構造体は、弾
性部材の曲がりにより可動板が揺動される曲げ揺動体で
あってもよく、この曲げ揺動体は、ほぼ同様な製造方法
によって製造され得る。つまり、簡単に言ってしまえ
ば、ねじり揺動体210を片持ち支持構造に変更するだ
けで、曲げ揺動体が得られる。In the above-described embodiment, the torsion rocking member in which the movable plate is rocked by the torsion of the elastic member has been described as an example of the plate spring structure. May be a bending rocker in which the movable plate is rocked, and this bending rocker can be manufactured by substantially the same manufacturing method. That is, to put it simply, a bending oscillator can be obtained only by changing the torsional oscillator 210 to a cantilever support structure.
【0083】この曲げ揺動体においても、{100}面
が、弾性部材の横断面に平行となる。曲げ揺動体では、
弾性部材が作用する応力は、せん断応力ではなく、引っ
張り応力あるいは圧縮応力となるが、やはりこの場合
も、{100}面は、{100}面と{110}面と{111}
面の中で、引っ張り応力や圧縮応力に対して最も高い耐
性を有している。また、弾性部材内の{111}面と{1
10}面は、それぞれ、{100}面が受ける引っ張り応
力あるいは圧縮応力の0.577倍、0.707倍の応力
を受けるだけとなる。Also in this bending oscillator, the {100} plane is parallel to the cross section of the elastic member. In bending oscillators,
The stress applied by the elastic member is not a shear stress but a tensile stress or a compressive stress. Also in this case, the {100} plane is a {100} plane, a {110} plane, and a {111} plane.
Among the surfaces, it has the highest resistance to tensile stress and compressive stress. Also, the {111} plane in the elastic member and {1}
The {10} plane receives only 0.5577 times and 0.707 times of the tensile or compressive stress applied to the {100} plane, respectively.
【0084】従って、その横断面が{100}面と平行な
弾性部材は、引っ張り応力や圧縮応力に対して高い耐性
を有するので、曲がり動作に対する耐久性が高まり、可
動板の許容揺動角度が向上される。Accordingly, since the elastic member having a cross section parallel to the {100} plane has high resistance to tensile stress and compressive stress, durability against bending operation is enhanced, and the allowable swing angle of the movable plate is reduced. Be improved.
【0085】最後に、本発明の揺動体の導電タイプの選
択について説明する。Finally, the selection of the conductive type of the oscillator according to the present invention will be described.
【0086】本実施形態に関わるアクチュエータは、さ
らに可動板を駆動するための駆動回路や、振動状態をモ
ニタする検出コイルあるいは歪み検出素子よりの信号を
検出する回路、さらには環境変化なので共振周波数が変
化してもこれに自動的に追従する制御を行なったり、さ
らに偏向角を一定に保つように制御を行なったりする制
御回路を、半導体製法により支持体部に一体形成する場
合がある。The actuator according to the present embodiment further includes a drive circuit for driving the movable plate, a circuit for detecting a signal from a detection coil or a strain detection element for monitoring a vibration state, and a resonance frequency which is changed due to an environmental change. In some cases, a control circuit for automatically following the change or controlling the deflection angle to be constant is integrally formed on the support body by a semiconductor manufacturing method.
【0087】かかる回路群は、半導体製造技術を利用し
て一体に形成されるため、その後の組立作業は不要であ
り、超小型のインテリジェントなアクチュエータを安価
に大量生産することができると共に、回路群がアクチュ
エータに近接して形成されるため、特性のばらつきがき
わめて少ないアクチュエータを製造できる。他の部分は
上記実施形態において示したアクチュエータと基本的に
同じ構成を有するため、詳細な説明は省略する。Since such a circuit group is formed integrally by utilizing the semiconductor manufacturing technology, subsequent assembling work is unnecessary, and a very small intelligent actuator can be mass-produced at low cost, and the circuit group can be manufactured at a low cost. Is formed close to the actuator, so that an actuator with extremely small variation in characteristics can be manufactured. The other portions have basically the same configuration as the actuator shown in the above embodiment, and thus the detailed description is omitted.
【0088】上記回路群は、活性層基板中に、MOSデ
バイス(FET)などを用いて構成される。半導体製法と
マイクロマシン製法を混在してかかるアクチュエータは
作製されるが、マイクロマシンの製法の影響により、M
OSデバイスの表面・界面準位は大量の正電荷が誘起さ
れることが多い。この様な製造条件でNMOSデバイス
を形成した場合、該表面準位の存在によるデバイス間の
漏れ電流の発生、あるいはゲート印加電位が0Vの状態
でもソース−ドレイン電流が流れるdepletiontypeのN
MOSデバイスしか形成されない、という各種不具合が
往々にして発生する。The above-mentioned circuit group is formed using an MOS device (FET) or the like in an active layer substrate. Such an actuator is manufactured by mixing the semiconductor manufacturing method and the micro-machine manufacturing method.
In many cases, a large amount of positive charge is induced on the surface / interface level of an OS device. When an NMOS device is formed under such manufacturing conditions, a leakage current occurs between the devices due to the presence of the surface state, or a depletion-type N type in which a source-drain current flows even when the gate applied potential is 0V.
Various problems that only a MOS device is formed often occur.
【0089】つまり、活性層基板中にMOSデバイスを
形成する場合は、PMOSデバイスが望ましい。PMO
Sデバイスを形成するには、活性層基板としてn型の半
導体を用いるのが望ましく、好適にはその不純物濃度は
1×1014cm-3から1×1017cm-3の範囲である。That is, when a MOS device is formed in an active layer substrate, a PMOS device is desirable. PMO
To form an S device, it is desirable to use an n-type semiconductor as the active layer substrate, and the impurity concentration is preferably in the range of 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .
【0090】これまで、実施の形態について図面を参照
しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施
の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で行なわれるすべての実施を含む。Although the embodiments have been specifically described with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all the embodiments may be performed without departing from the gist of the invention. Including implementation.
【0091】[0091]
【発明の効果】本発明によれば、可動板の許容揺動角度
が拡大された板バネ構造体が提供される。これにより、
可動板を大きく揺動できるアクチュエータや、耐久性の
高いアクチュエータが得られる。According to the present invention, there is provided a leaf spring structure in which the allowable swing angle of the movable plate is enlarged. This allows
An actuator capable of largely swinging the movable plate and a highly durable actuator can be obtained.
【図1】板バネ構造体のひとつであるねじり揺動体にお
いて、ねじりバネに発生する応力分布を解析するための
ねじり揺動体のモデルの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a model of a torsional oscillator for analyzing a stress distribution generated in a torsional spring in a torsional oscillator, which is one of leaf spring structures.
【図2】図1のII−II線に沿うねじりバネの断面図であ
る。FIG. 2 is a sectional view of the torsion spring taken along the line II-II in FIG.
【図3】サンブナンのねじり理論から導出されるねじり
関数を長方形の断面形状のねじりバネに適用して解いた
せん断応力τyzの分布を示している。FIG. 3 shows a distribution of shear stress τyz obtained by applying a torsion function derived from Saint-Bouin's torsion theory to a torsion spring having a rectangular cross section.
【図4】サンブナンのねじり理論から導出されるねじり
関数を長方形の断面形状のねじりバネに適用して解いた
せん断応力τyxの分布を示している。FIG. 4 shows a distribution of shear stress τyx solved by applying a torsion function derived from Saint-Bouin's torsion theory to a torsion spring having a rectangular cross-sectional shape.
【図5】図3と図4に関する解析と同じ条件のねじり変
形に対して、有限要素法を用いたシミュレーションによ
り得た垂直応力σxの分布を等高線表示で示している。FIG. 5 shows, by contour lines, the distribution of the normal stress σx obtained by the simulation using the finite element method for the torsional deformation under the same conditions as the analysis relating to FIGS. 3 and 4.
【図6】図3と図4に関する解析と同じ条件のねじり変
形に対して、有限要素法を用いたシミュレーションによ
り得た垂直応力σyの分布を等高線表示で示している。FIG. 6 shows, by contour lines, the distribution of normal stress σy obtained by a simulation using the finite element method for torsional deformation under the same conditions as the analysis relating to FIGS. 3 and 4.
【図7】図3と図4に関する解析と同じ条件のねじり変
形に対して、有限要素法を用いたシミュレーションによ
り得たせん断応力τyxの分布を等高線表示で示してい
る。FIG. 7 is a contour diagram showing a distribution of shear stress τyx obtained by a simulation using the finite element method for torsional deformation under the same conditions as the analysis relating to FIGS. 3 and 4.
【図8】図5に示される応力σxの、ねじりバネの長手
方向中央部を通るパス1に沿う分布を示している。FIG. 8 shows the distribution of the stress σx shown in FIG. 5 along a path 1 passing through the center in the longitudinal direction of the torsion spring.
【図9】図6に示される応力σyの、ねじりバネの長手
方向中央部を通るパス1に沿う分布を示している。FIG. 9 shows the distribution of the stress σy shown in FIG. 6 along a path 1 passing through the center in the longitudinal direction of the torsion spring.
【図10】図7に示される応力τyxの、ねじりバネの
長手方向中央部を通るパス1に沿う分布を示している。FIG. 10 shows the distribution of the stress τyx shown in FIG. 7 along a path 1 passing through the center in the longitudinal direction of the torsion spring.
【図11】図5に示される応力σxの、ねじりバネの端
部近くを通るパス2に沿う分布を示している。11 shows the distribution of the stress σx shown in FIG. 5 along a path 2 passing near the end of the torsion spring.
【図12】図6に示される応力σyの、ねじりバネの端
部近くを通るパス2に沿う分布を示している。FIG. 12 shows the distribution of the stress σy shown in FIG. 6 along a path 2 passing near the end of the torsion spring.
【図13】図7に示される応力τyxの、ねじりバネの
端部近くを通るパス2に沿う分布を示している。FIG. 13 shows the distribution of the stress τyx shown in FIG. 7 along a path 2 passing near the end of the torsion spring.
【図14】有限要素法を用いたシミュレーションにより
得た、ねじり変形によりねじりバネの上面付近に発生す
るVon Mises応力分布を等高線表示で示している。FIG. 14 is a contour diagram showing the distribution of Von Mises stress generated near the upper surface of the torsion spring due to torsion deformation, obtained by simulation using the finite element method.
【図15】図14に示されるVon Mises応力分布の、ね
じりバネの長手方向中央部を通るパス1に沿う分布を示
している。FIG. 15 shows a distribution of the Von Mises stress distribution shown in FIG. 14 along a path 1 passing through the center in the longitudinal direction of the torsion spring.
【図16】図14に示されるVon Mises応力分布の、ね
じりバネの端部近くを通るパス2に沿う分布を示してい
る。FIG. 16 shows a distribution of the Von Mises stress distribution shown in FIG. 14 along a path 2 passing near the end of the torsion spring.
【図17】板バネ構造体のひとつであるねじり揺動体の
モデルの斜視図である。FIG. 17 is a perspective view of a model of a torsional rocking body that is one of the leaf spring structures.
【図18】板バネ構造体の別のひとつである曲げ揺動体
のモデルの斜視図である。FIG. 18 is a perspective view of a model of a bending oscillator which is another one of the leaf spring structures.
【図19】本発明の実施の形態によるねじり揺動体の斜
視図である。FIG. 19 is a perspective view of a torsional rocking body according to an embodiment of the present invention.
【図20】図19に示されるねじり揺動体のXX−XX線に
沿う断面図である。20 is a sectional view of the torsional rocking body shown in FIG. 19, taken along line XX-XX.
【図21】図19に示されるねじり揺動体のXXI−XXI線
に沿う断面図である。21 is a sectional view of the torsional rocking body shown in FIG. 19, taken along line XXI-XXI.
【図22】可動板と弾性部材を拡大して示す図19のね
じり揺動体の部分平面図である。FIG. 22 is a partial plan view of the torsional rocking body of FIG. 19, showing the movable plate and the elastic member in an enlarged manner.
【図23】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造の準備工程で用意するSOI基板の斜視図である。FIG. 23 is a perspective view of an SOI substrate prepared in a preparation process for manufacturing a torsional oscillator according to an embodiment of the present invention.
【図24】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の最初の工程を、図19のXX'−XX線に沿う断面
で示している。24 shows the first step in the process of manufacturing the torsional rocking body according to the embodiment of the present invention by a cross section along line XX′-XX in FIG. 19;
【図25】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の図24の工程に続く工程を、図19のXX'−XX
線に沿う断面で示している。FIG. 25 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the torsional rocking body according to the embodiment of the present invention, which follows the process of FIG. 24, taken along line XX′-XX of FIG.
It is shown in a cross section along the line.
【図26】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の図25の工程に続く工程を、図19のXX'−XX
線に沿う断面で示している。FIG. 26 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the torsional rocking body according to the embodiment of the present invention, which is subsequent to the process of FIG. 25;
It is shown in a cross section along the line.
【図27】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の図26の工程に続く工程を、図19のXX'−XX
線に沿う断面で示している。FIG. 27 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the torsional rocking body according to the embodiment of the present invention, which is subsequent to the process shown in FIG. 26;
It is shown in a cross section along the line.
【図28】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の図27の工程に続く工程を、図19のXX'−XX
線に沿う断面で示している。FIG. 28 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the torsional oscillator according to the embodiment of the present invention, which is subsequent to the process of FIG. 27, taken along line XX′-XX of FIG. 19;
It is shown in a cross section along the line.
【図29】本発明の実施の形態に係るねじり揺動体の製
造工程の図28の工程に続く最後の工程を、図19のX
X'−XX線に沿う断面で示している。FIG. 29 is a diagram illustrating a final step following the step of FIG. 28 of the manufacturing process of the torsional rocking body according to the embodiment of the present invention;
It is shown in a cross section along the line X'-XX.
【図30】従来よりねじり揺動体の作製に用いられてい
るSOI基板の斜視図である。FIG. 30 is a perspective view of an SOI substrate conventionally used for manufacturing a torsional oscillator.
【図31】従来のねじり揺動体を用いた電磁駆動型のア
クチュエータの平面図である。FIG. 31 is a plan view of an electromagnetically driven actuator using a conventional torsional rocking body.
【図32】図31に示されるアクチュエーターのXXXII
−XXXII線に沿う断面図である。FIG. 32: XXXII of the actuator shown in FIG. 31
It is sectional drawing which follows the -XXXII line.
100 ねじり揺動体 102 ねじりバネ 104 支持体 106 可動板 108 横断面 REFERENCE SIGNS LIST 100 Torsion oscillator 102 Torsion spring 104 Support 106 Movable plate 108 Cross section
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 一哉 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Fターム(参考) 2H045 AB06 AB73 DA41 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Kazuya Matsumoto 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo F-term in Olympus Optical Co., Ltd. (reference) 2H045 AB06 AB73 DA41
Claims (4)
材の一方の端部が接続されている支持体と、弾性部材の
他方の端部が接続されている可動板とを備えており、可
動板が弾性部材によって支持体に対して揺動可能に支持
されている板バネ構造体であって、弾性部材は、単結晶
材料から成り、直方体形状を有しており、単結晶材料の
劈開面が弾性部材の横断面に対して非平行である、板バ
ネ構造体。An elastic member having a pair of ends, a support to which one end of the elastic member is connected, and a movable plate to which the other end of the elastic member is connected. A leaf spring structure in which the movable plate is swingably supported by a support by an elastic member, wherein the elastic member is made of a single crystal material, has a rectangular parallelepiped shape, and is made of a single crystal material. A leaf spring structure in which a cleavage plane is non-parallel to a cross section of the elastic member.
モンド結晶構造を有しており、その{100}面が弾性部
材の横断面にほぼ平行である、板バネ構造体。2. The leaf spring structure according to claim 1, wherein the single crystal material has a diamond crystal structure, and a {100} plane is substantially parallel to a cross section of the elastic member.
縁層を介して支持体基板と活性層基板が貼り合わされた
SOI基板をスタートウエハとして形成されており、弾
性部材は主に活性層基板から成り、可動板と支持体は共
に主に支持体基板と活性層基板の両方から成り、活性層
基板の導電性がn型であり、支持体基板と活性層基板の
主面は共に{100}面であり、活性層基板の<100>方
位と支持体基板の<110>方位とが一致している、板バ
ネ構造体。3. The leaf spring structure according to claim 2, wherein the SOI substrate on which the support substrate and the active layer substrate are bonded via an insulating layer is formed as a start wafer, and the elastic member is mainly composed of the active layer. The movable plate and the support are both mainly composed of both the support substrate and the active layer substrate, the conductivity of the active layer substrate is n-type, and the main surfaces of the support substrate and the active layer substrate are both { A leaf spring structure having a {100} plane, in which the <100> orientation of the active layer substrate and the <110> orientation of the support substrate match.
材の一方の端部が接続されている支持体と、弾性部材の
他方の端部が接続されている可動板とを備えている板バ
ネ構造体の製造方法であり、 絶縁層を介して貼り合わされた支持体基板とn型導電性
である活性層基板を有するSOI基板であって、支持体
基板と活性層基板の主面は共に{100}面であり、活性
層基板の<100>方位と支持体基板の<110>方位とが
一致しているSOI基板を用意する工程と、 活性層基板をドライエッチングにより加工する工程と、 支持体基板をウェットエッチングにより加工する工程と
を有している、板バネ構造体の製造方法。4. An elastic member having a pair of ends, a support to which one end of the elastic member is connected, and a movable plate to which the other end of the elastic member is connected. A method for manufacturing a leaf spring structure, comprising: a SOI substrate having a support substrate bonded to an insulating layer and an active layer substrate having n-type conductivity, wherein main surfaces of the support substrate and the active layer substrate are A step of preparing an SOI substrate having both {100} planes and a <100> orientation of the active layer substrate and a <110> orientation of the support substrate, and a step of processing the active layer substrate by dry etching. And a step of processing the support substrate by wet etching.
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