JP2019028439A - Autofocus drive mechanism using shape memory alloy thin film actuator array - Google Patents

Autofocus drive mechanism using shape memory alloy thin film actuator array Download PDF

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章 石田
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Abstract

To provide an ultra-thin type autofocus drive mechanism capable of shake correction, which is easy-to-assemble and capable of realizing low profile of a camera module.SOLUTION: Disclosed autofocus drive mechanism comprises: an actuator array substrate 7 which has an array of shape memory alloy thin film actuators 2 each of which is warped upward separated away from the substrate 1 (multiple actuators arranged in a plane shape); and a spring member 10 disposed opposing the actuator array substrate 7 for applying a bias force to the actuator array substrate 7. By applying a bias force to the actuator array substrate 7, a plate 9 supporting a lens or an image pick-up device is driven to move in a vertical direction with respect to the substrate (autofocus mechanism). By driving each of the actuators independently, an inclination in a vertical direction may be achieved (image stabilization mechanism).SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、カメラモジュール、特に携帯電話用カメラモジュールのオートフォーカスあるいは手振れ補正の駆動機構に関する 。   The present invention relates to a drive mechanism for autofocus or camera shake correction of a camera module, particularly a mobile phone camera module.

現在、流通しているオートフォーカスあるいは手振れ補正の駆動機構の主流はVCM(ボイスコイルモーター)や圧電素子であり、携帯電話の薄型化を進める上でこれらの駆動機構のさらなる小型、軽量化に対する要望は大きくなっている(特許文献1)。   Currently, VCM (voice coil motor) and piezoelectric elements are the mainstream of auto focus or camera shake correction drive mechanisms that are currently in circulation, and there is a demand for further miniaturization and weight reduction of these drive mechanisms in order to make mobile phones thinner. Is increasing (Patent Document 1).

一方、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術を使った形状記憶合金薄膜アクチュエータは小型で強力なアクチュエータとして期待されている。アクチュエータの形態としては、ブリッジ型、ダイヤフラム型、カンチレバー型があり、ブリッジ型とダイヤフラム型は引っ張り変形モードで使うために力は大きいが、変位量が小さく、また、カンチレバー型は曲げ変形モードで使うために変位量は大きいが、力が弱いことが指摘されている(非特許文献1)。   On the other hand, shape memory alloy thin film actuators using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology are expected as small and powerful actuators. There are two types of actuators: bridge type, diaphragm type, and cantilever type. The bridge type and diaphragm type have a large force for use in the tensile deformation mode, but the displacement is small, and the cantilever type is used in the bending deformation mode. Therefore, it is pointed out that the displacement is large but the force is weak (Non-patent Document 1).

オートフォーカス機構に上記形状記憶合金薄膜アクチュエータを使った例としては、ブリッジ型が特許文献2で、カンチレバー型が特許文献3と4で知られている。
また、形状記憶合金薄膜アクチュエータをアレイにして使ったデバイスとしては、歩行ロボットや搬送機あるいはグリッパが非特許文献2で報告されている。
As an example of using the shape memory alloy thin film actuator for the autofocus mechanism, the bridge type is known from Patent Document 2, and the cantilever type is known from Patent Documents 3 and 4.
Non-patent document 2 reports a walking robot, a transporter, or a gripper as a device using shape memory alloy thin film actuators in an array.

形状記憶合金薄膜単体の形状記憶特性は非特許文献3で調べられており、スパッタリングで作製したTi−Ni−Cu合金薄膜は、Ti−Ni合金薄膜よりも優れた特性を示すことが報告されている。   The shape memory characteristics of the shape memory alloy thin film alone have been investigated in Non-Patent Document 3, and it has been reported that a Ti—Ni—Cu alloy thin film produced by sputtering exhibits characteristics superior to those of a Ti—Ni alloy thin film. Yes.

特開2013−254184号公報JP 2013-254184 A 特開2009−196060号公報JP 2009-196060 A 特開2011−109853号公報JP 2011-109853 A 特開2009−89306号公報JP 2009-89306 A

A. Ishida et al.、 Smart Mater. Struct.、 16(2007)1672.A. Ishida et al., Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1672. A. Ishida et al.、 Smart Mater. Struct.、 14(2005)S216.A. Ishida et al., Smart Mater. Struct. , 14 (2005) S216. A. Ishida et al.、 J. Alloys and Compounds、 577S(2013)S184A. Ishida et al., J. MoI. Alloys and Compounds, 577S (2013) S184

携帯電話などのカメラモジュールでは低背化が望まれている。しかし、圧電素子あるいはVCM(ボイスコイルモーター)を使った駆動機構を厚さ1mm以下にすることは、構造の複雑さを考えると困難である。 For camera modules such as mobile phones, it is desired to reduce the height. However, it is difficult to reduce the thickness of a drive mechanism using a piezoelectric element or VCM (voice coil motor) to 1 mm or less in view of the complexity of the structure.

特許文献2では、ブリッジ型形状記憶合金薄膜アクチュエータをオートフォーカス機構に適用した例が報告されているが、ここでは形状記憶合金薄膜アクチュエータが光軸に垂直な方向に伸縮するために、この変位を光軸方向に変えるための複雑な移動機構を必要としている。 Patent Document 2 reports an example in which a bridge-type shape memory alloy thin film actuator is applied to an autofocus mechanism. Here, since the shape memory alloy thin film actuator expands and contracts in a direction perpendicular to the optical axis, this displacement is reduced. A complicated moving mechanism is required to change in the direction of the optical axis.

一方、特許文献3と4では2辺に沿ったカンチレバー型アクチュエータで可動部品を移動させる機構が開示されている。しかし、カンチレバー型アクチュエータは力が弱いことが知られており、その発生力はカンチレバーの長さの3乗に反比例して減少する。たとえば、10mmの長さは1mmの長さのカンチレバーに比べて1/1000の力しか発生しない。さらに、特許文献3及び4の形態では数本のアクチュエータの特性に左右されるために信頼性を欠き、カンチレバーの自由端が可動部品と点で接するために設計や組み立てが難しい。加えて、室温時にカンチレバーに不用意な変形を与えないように別途、ストッパの機構を設ける必要がある。 On the other hand, Patent Documents 3 and 4 disclose a mechanism for moving a movable part with a cantilever actuator along two sides. However, it is known that the cantilever actuator has a weak force, and the generated force decreases in inverse proportion to the cube of the length of the cantilever. For example, a length of 10 mm generates only 1/1000 of a force compared to a cantilever with a length of 1 mm. Further, in the forms of Patent Documents 3 and 4, reliability is lacking because it depends on the characteristics of several actuators, and the free end of the cantilever is in contact with the movable part at a point, so that design and assembly are difficult. In addition, it is necessary to provide a separate stopper mechanism so as not to inadvertently deform the cantilever at room temperature.

形状記憶合金薄膜アクチュエータアレイを水平移動や把持に使ったデバイスとしては、非特許文献2で歩行ロボットや搬送機あるいはグリッパが報告されているが、熱ひずみのみをバイアス力としたバイモルフ型アクチュエータでは、加熱時(オーステナイト相)に平坦になり、室温(マルテンサイト相)で湾曲するために、形状記憶合金の加熱時に発生する大きい復元力を利用できないことが指摘されている。 Non-patent document 2 reports a walking robot, a transporter, or a gripper as a device that uses the shape memory alloy thin film actuator array for horizontal movement and gripping. However, in a bimorph actuator that uses only thermal strain as a bias force, It has been pointed out that since it becomes flat when heated (austenite phase) and curves at room temperature (martensitic phase), a large restoring force generated when heating the shape memory alloy cannot be used.

本発明は上述の課題を解決したものであり、極薄型で、高応答性かつ発生力が大きく、構造がシンプルなために製造が容易で信頼性の高い、手振れ補正も可能なオートフォーカス駆動機構とそれを使ったカメラユニットを提供する。 The present invention solves the above-described problems, and is an autofocus drive mechanism that is extremely thin, highly responsive, large in generating force, simple in structure, easy to manufacture, and capable of correcting camera shake. And a camera unit using it.

上記目的を達成するために、本発明のオートフォーカス駆動機構は以下の構成を採用した。
[1] 固定端側が基板に固定されると共に、先端側が基板から解放されて当該基板のなす平面に対して反り上がった姿勢となる複数の形状記憶合金薄膜であって、当該複数の形状記憶合金薄膜が前記基板上で面状に並べられてアクチュエータアレイを構成しているアクチュエータ基板と
移動対象物を支持したプレートと、
前記複数の形状記憶合金薄膜の姿勢が、オーステナイト相で前記基板のなす平面に対して反り上がった形状となり、マルテンサイト相で前記基板のなす平面に対して大略平坦となるようなバイアス力を与えるバイアスばねを備え、
前記アクチュエータ基板、前記プレート、およびバイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備えることを特徴とするオートフォーカス駆動機構。
[2] 室温時に上記の対象物を支持したプレートが上記アクチュエータ基板の基板に接触することによって、形状記憶合金薄膜の変態ひずみを越えた余分な塑性変形を防ぐことを特徴とする[1]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[3] 前記アクチュエータ基板の基板によって前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態(変態開始温度から終了温度までの全域)の高温部分(変態開始温度から終了温度よりも高い温度までの上記マルテンサイト変態の一部)のみを上記プレートの移動に利用することを特徴とする[2]に記載のオートフォーカス駆動機構。
In order to achieve the above object, the autofocus drive mechanism of the present invention employs the following configuration.
[1] A plurality of shape memory alloy thin films in which a fixed end side is fixed to a substrate and a tip end side is released from the substrate and warps with respect to a plane formed by the substrate, the plurality of shape memory alloys An actuator substrate in which thin films are arranged in a plane on the substrate to form an actuator array, and a plate supporting a moving object;
The plurality of shape memory alloy thin films are biased such that the posture of the thin shape memory alloy film is warped with respect to the plane formed by the substrate in the austenite phase and substantially flat with respect to the plane formed by the substrate in the martensite phase. A bias spring,
An autofocus drive mechanism comprising a housing that holds a structure in which the actuator substrate, the plate, and a bias spring are stacked.
[2] According to [1], the plate supporting the object at room temperature contacts the substrate of the actuator substrate to prevent excessive plastic deformation exceeding the transformation strain of the shape memory alloy thin film. The described autofocus drive mechanism.
[3] By the substrate of the actuator substrate, the martensitic transformation of the shape memory alloy thin film (the entire region from the transformation start temperature to the end temperature) of the martensite transformation from the transformation start temperature to a temperature higher than the end temperature. The autofocus drive mechanism according to [2], wherein only a part) is used for moving the plate.

[4] 前記形状記憶合金薄膜が当該形状記憶合金薄膜の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有する下層膜と積層され、熱処理後の熱ひずみによって、当該形状記憶合金薄膜のオーステナイト相での姿勢が前記基板に対して反り上がった姿勢であることを特徴とする[1]乃至[3]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[5] 前記基板は、Siウエハであることを特徴とする[1]乃至[4]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[6] 熱膨張係数の小さい下層膜は、SiO薄膜であることを特徴とする[5]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[7] 前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、
50原子%以上で55原子%以下のTi、10原子%を超えて20原子%以下のCu、残部をNiおよび不可避的不純物とする、Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする[1]乃至[6]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[8] 前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、45原子%以上で50原子%未満のTi、原子%で10+1.6×(50−Tiの原子%)を超えて20+1.6×(50−Tiの原子%)以下のCu、残部をNiおよび不可避的不純物とする、Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする[1]乃至[6]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[9] 前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、50原子%以上で55原子%以下のTi、5原子%以上で10原子%以下のCu、残部をNiおよび不可避的不純物とする、Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする[1]乃至[6]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[4] The shape memory alloy thin film is laminated with a lower layer film having a thermal expansion coefficient smaller than that of the shape memory alloy thin film, and the shape of the shape memory alloy thin film in the austenite phase is caused by thermal strain after heat treatment. The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [3], wherein the posture is a warped posture with respect to the substrate.
[5] The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [4], wherein the substrate is a Si wafer.
[6] The autofocus drive mechanism according to [5], wherein the lower layer film having a small thermal expansion coefficient is a SiO 2 thin film.
[7] The shape memory alloy thin film contains a composition element,
It is a Ti—Ni—Cu alloy thin film comprising 50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti, 10 atomic% or more and 20 atomic% or less of Cu, and the balance being Ni and unavoidable impurities [ The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [6].
[8] The shape memory alloy thin film has a compositional element of Ti of 45 atomic% or more and less than 50 atomic%, atomic percentage of 10 + 1.6 × (50−Ti atomic%) exceeding 20 + 1.6 × (50 The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [6], wherein the autofocus drive mechanism is a Ti—Ni—Cu alloy thin film in which Cu is equal to or less than (atomic% of Ti), and the balance is Ni and inevitable impurities.
[9] In the shape memory alloy thin film, Ti— containing 50 atomic% to 55 atomic% of Ti, 5 atomic% to 10 atomic% of Cu, the balance being Ni and inevitable impurities. The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [6], which is a Ni—Cu alloy thin film.

[10] 前記移動対象物は、レンズ又は撮像素子であることを特徴とする[1]乃至[9]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[11] 前記移動対象物は、レンズであり、前記基板は光路確保のための開口窓を有し、前記アクチュエータアレイにおける複数の形状記憶合金薄膜の配置は、前記開口窓を囲うように、前記基板に大略均一な密度で配置されていることを特徴とする[1]乃至[9]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[10] The autofocus drive mechanism according to [1] to [9], wherein the moving object is a lens or an image sensor.
[11] The moving object is a lens, the substrate has an opening window for securing an optical path, and the plurality of shape memory alloy thin films in the actuator array are arranged so as to surround the opening window. The autofocus drive mechanism according to any one of [1] to [9], wherein the autofocus drive mechanism is disposed on the substrate at a substantially uniform density.

[12] [1]乃至[11]に記載の前記形状記憶合金薄膜を加熱する手段によって、当該形状記憶合金薄膜のオーステナイト相とマルテンサイト相の組織割合が調整されてオートフォーカスを行う機能を具備するように構成したカメラモジュール。
[13] オートフォーカス制御回路からの駆動電流を[1]乃至[12]に記載の前記複数の形状記憶合金薄膜に通電することにより、前記複数の形状記憶合金薄膜の電気抵抗を制御して、オートフォーカスを行う機能を具備するように構成したカメラモジュール。
[14] 前記形状記憶合金薄膜は、固定端側の一端から先端側を経由して前記固定端側の他端に通電するように構成されたことを特徴とする[13]に記載のカメラモジュール。
[15] 前記加熱手段は、前記形状記憶合金薄膜の周囲に形成された電熱導体であることを特徴とする[12]に記載のカメラモジュール。
[16] 駆動電流を[1]乃至[15]に記載のオートフォーカス駆動機構の前記複数の形状記憶合金薄膜の個々の形状記憶合金薄膜に独立して通電することにより、手振れ補正を可能にしたカメラモジュール。
[17] [12]乃至[16]に記載のカメラモジュールを搭載したことを特徴とするカメラ付き携帯電話。
[12] A function of performing autofocus by adjusting the structure ratio of the austenite phase and martensite phase of the shape memory alloy thin film by means of heating the shape memory alloy thin film according to [1] to [11]. A camera module configured to
[13] By energizing the plurality of shape memory alloy thin films according to [1] to [12] with a drive current from an autofocus control circuit, the electrical resistance of the plurality of shape memory alloy thin films is controlled, A camera module configured to have a function of performing autofocus.
[14] The camera module according to [13], wherein the shape memory alloy thin film is configured to energize from one end on the fixed end side to the other end on the fixed end side via the tip end side. .
[15] The camera module according to [12], wherein the heating means is an electric heating conductor formed around the shape memory alloy thin film.
[16] Camera shake correction is made possible by independently energizing the individual shape memory alloy thin films of the plurality of shape memory alloy thin films of the autofocus drive mechanism according to [1] to [15]. The camera module.
[17] A camera-equipped mobile phone comprising the camera module according to any one of [12] to [16].

このように構成した発明[1]によれば、全体の荷重を長さの短い多数の形状記憶合金薄膜アクチュエータで面状に分散して支えるために発生力が増加し、組み立ても容易で信頼性も向上する。また、バイアスばねを用いることによって、形状記憶合金薄膜の形状を、加熱時(オーステナイト相)に基板に対して反り上がった形状とし、室温時(マルテンサイト相)に大略平坦とすることができるので、形状記憶合金の特徴である加熱時の大きい形状回復力を対象物を持ち上げる駆動力として利用できる。   According to the invention [1] thus configured, the generated force increases because the entire load is dispersed and supported by a large number of shape memory alloy thin film actuators having a short length, and the assembly is easy and reliable. Will also improve. Also, by using a bias spring, the shape of the shape memory alloy thin film can be made to warp with respect to the substrate during heating (austenite phase), and can be substantially flat at room temperature (martensitic phase). The large shape recovery force at the time of heating, which is a feature of the shape memory alloy, can be used as a driving force for lifting the object.

上記の構成を有する発明[2]によれば、別途、形状記憶合金薄膜の余分な塑性変形を防ぐためのストッパを設ける必要がなく、オートフォーカス駆動機構の構造を簡単にできる。
上記の構成を有する発明[3]によれば、オートフォーカス駆動機構の作動温度をマルテンサイト変態終了温度よりも高く設定できる。
According to the invention [2] having the above-described configuration, it is not necessary to separately provide a stopper for preventing excessive plastic deformation of the shape memory alloy thin film, and the structure of the autofocus drive mechanism can be simplified.
According to the invention [3] having the above configuration, the operating temperature of the autofocus drive mechanism can be set higher than the martensite transformation end temperature.

上記の構成を有する発明[4]によれば、形状記憶合金薄膜と下層の間に残留した熱ひずみによって、容易に形状記憶合金薄膜(オーステナイト相)を基板から反り上がった形状にできる。   According to the invention [4] having the above configuration, the shape memory alloy thin film (austenite phase) can be easily warped from the substrate by the thermal strain remaining between the shape memory alloy thin film and the lower layer.

上記の構成を有する発明[5]によれば、半導体プロセスを利用することにより、[1]乃至[4]に記載のアクチュエータアレイ基板を安価に大量生産することができる。 According to the invention [5] having the above-described configuration, the actuator array substrate described in [1] to [4] can be mass-produced at low cost by using a semiconductor process.

上記の構成を有する発明[6]によれば、上記の構成を有する発明[5]において、SiO膜を熱膨張係数の小さい下層の絶縁膜として利用でき、またSi化合物の形成を防ぐことにより形状記憶合金薄膜とSi基板の密着性を向上させることができる。 According to the invention [6] having the above-described configuration, in the invention [5] having the above-described configuration, the SiO 2 film can be used as a lower insulating film having a small thermal expansion coefficient, and by preventing the formation of a Si compound. The adhesion between the shape memory alloy thin film and the Si substrate can be improved.

上記の構成を有する発明[7]乃至[9]によれば、Ti−Ni合金より変態温度が高くて温度ヒステリシスが小さく、発生力が大きくて応答性に優れた形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイ基板を作製することができる。 According to the inventions [7] to [9] having the above-described configuration, an actuator using a shape memory alloy thin film having a transformation temperature higher than that of a Ti—Ni alloy, a lower temperature hysteresis, a larger generated force, and an excellent response. An array substrate can be produced.

上記の構成を有する発明[7]と[8]によれば、Ti−Ni−Cu合金ワイヤよりも発生力が格段に大きく、また特性の組成依存性が小さくて組成制御が難しいスパッタリングにおいても安定した特性(大きい発生力、高い応答性、高い変態温度)を示す形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイ基板を安価で大量に製造することができる。 According to the inventions [7] and [8] having the above-described configuration, the generated force is remarkably larger than that of the Ti—Ni—Cu alloy wire, and the sputtering is difficult to control the composition because the composition dependency of the characteristics is small. The actuator array substrate using the shape memory alloy thin film exhibiting the above characteristics (large generation force, high responsiveness, high transformation temperature) can be manufactured in large quantities at low cost.

上記の構成を有する発明[7]によれば、上記の構成を有する発明[8]の薄膜よりも変態温度が高く、信頼性に優れた形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイ基板を製造することができる。 According to the invention [7] having the above configuration, an actuator array substrate using a shape memory alloy thin film having a transformation temperature higher than that of the thin film of the invention [8] having the above configuration and excellent in reliability is manufactured. Can do.

上記の構成を有する発明[10]によれば、カメラ用のオートフォーカス駆動機構を提供できる。 According to the invention [10] having the above configuration, an autofocus drive mechanism for a camera can be provided.

上記の構成を有する発明[11]によれば、移動対象物がレンズの場合に最大の発生力を有する[1]乃至[9]に記載のオートフォーカス駆動機構が得られる。 According to the invention [11] having the above configuration, the autofocus drive mechanism according to [1] to [9] having the maximum generation force when the moving object is a lens can be obtained.

上記の構成を有する発明[12]によれば、移動対象物の位置を精密に制御できるカメラモジュールを提供できる。 According to the invention [12] having the above configuration, it is possible to provide a camera module capable of precisely controlling the position of the moving object.

上記の構成を有する発明[13]によれば、オートフォーカス制御回路を利用してオートフォーカス位置を精密に制御するカメラモジュールを提供できる。 According to the invention [13] having the above-described configuration, it is possible to provide a camera module that precisely controls the autofocus position using the autofocus control circuit.

上記の構成を有する発明[14]によれば、容易に形状記憶合金薄膜を加熱できて、簡単な構造のカメラモジュールを提供できる。 According to the invention [14] having the above configuration, the shape memory alloy thin film can be easily heated, and a camera module having a simple structure can be provided.

上記の構成を有する発明[15]によれば、効果的な加熱が可能なカメラモジュールを提供できる。 According to the invention [15] having the above configuration, a camera module capable of effective heating can be provided.

上記の構成を有する発明[16]によれば、個々の形状記憶合金薄膜アクチュエータの先端部の基板からの高さを変えることで 対象物を基板の垂直方向から傾けることができて手振れ補正を具備したカメラモジュールを提供できる。 According to the invention [16] having the above-described configuration, the object can be tilted from the vertical direction of the substrate by changing the height of the tip portion of each shape memory alloy thin film actuator from the substrate, and camera shake correction is provided. Can be provided.

上記の構成を有する発明[17]によれば、カメラ付き携帯電話の厚みを薄くすることができる。 According to the invention [17] having the above configuration, the thickness of the camera-equipped mobile phone can be reduced.

アクチュエータアレイの模式図である。図1(a)は1個のバイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータの断面図である。図1(b)は平面図である。図1(c)はカンチレバー型アクチュエータを並列配置させたアクチュエータアレイ基板を示している。図1(d)は環状配置させたアクチュエータアレイ基板を示している。It is a schematic diagram of an actuator array. FIG. 1A is a cross-sectional view of one bimorph shape memory alloy thin film actuator. FIG. 1B is a plan view. FIG. 1C shows an actuator array substrate on which cantilever actuators are arranged in parallel. FIG. 1 (d) shows an actuator array substrate arranged in an annular shape. オートフォーカス機構の組み立て図である。図2(a)はアクチュエータアレイ基板、レンズあるいは撮像素子の支持プレート及びばね板をアライメント用の支柱に通して積み上げた図である。図2(b)はばね板の例を示している。図2(c)はばね板の可動部とレンズあるいは撮像素子のプレートを接合してアライメント用の支柱をなくした構造を示している。It is an assembly drawing of an autofocus mechanism. FIG. 2A is a diagram in which an actuator array substrate, a lens or a support plate of an image sensor and a spring plate are passed through alignment columns. FIG. 2B shows an example of a spring plate. FIG. 2C shows a structure in which the movable portion of the spring plate and the lens or the plate of the image sensor are joined to eliminate the alignment support. アクチュエータ基板の様々な利用形態を示す図である。図3(a)は図2のアクチュエータアレイ基板を裏返して用いた形態、図3(b)は基板の両面にアクチュエータアレイを有する形態、図3(c)は複数の基板を積み重ねた形態を示している。It is a figure which shows the various utilization forms of an actuator board | substrate. 3A shows a form in which the actuator array substrate of FIG. 2 is turned upside down, FIG. 3B shows a form having actuator arrays on both sides of the substrate, and FIG. 3C shows a form in which a plurality of substrates are stacked. ing. バイモルフ型アクチュエータの作製例を示す図である。図4(a)は熱酸化Siウエハ上に形状記憶合金薄膜を成膜して結晶化熱処理、図4(b)はフォトエッチングによるパターニングを使って形状記憶合金薄膜をエッチング、図4(c)はSiO膜のエッチング、図4(d)はSi基板の等方性エッチングを示している。It is a figure which shows the example of preparation of a bimorph type actuator. 4A shows a crystallization heat treatment by forming a shape memory alloy thin film on a thermally oxidized Si wafer, FIG. 4B shows a shape memory alloy thin film etched using photo-etching patterning, and FIG. 4 shows etching of the SiO 2 film, and FIG. 4D shows isotropic etching of the Si substrate. オートフォーカス機構の駆動原理とシミュレーションモデルを示す図である。図5(a)は無負荷の状態のバイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータとレンズあるいは撮像素子を支持したプレート及びばね板を積み上げた状態(加熱時)、図5(b)はばね板によってχの初期荷重を負荷した状態(加熱時)、図5(c)はレンズの重さなどの一定荷重Fが負荷された状態(加熱時)、図5(d)はバイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータがSi基板上に押さえつけられた状態(室温)を示している。It is a figure which shows the drive principle and simulation model of an auto-focus mechanism. FIG. 5A shows a state in which a bimorph shape memory alloy thin film actuator in an unloaded state, a plate supporting a lens or an image sensor and a spring plate are stacked (when heated), and FIG. 5B shows a state where χ B E state the initial load was loaded in B (when heated), FIG. 5 (c) (during heating) constant load state F is load such as the weight of the lens, FIG. 5 (d) is a bimorph shape memory alloy A state where the thin film actuator is pressed onto the Si substrate (room temperature) is shown. バイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータの形状(長さと厚さ)を変えたオートフォーカス機構のストロークと最大荷重のシミュレーション結果を示している。The simulation result of the stroke and the maximum load of the autofocus mechanism in which the shape (length and thickness) of the bimorph shape memory alloy thin film actuator is changed is shown. (a)6mmφの穴を有する12mm×12mmのアクチュエータアレイ基板を示している。(b)1マス(1.2mm×1.2mm)内に配置された10個のバイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータ(幅100μm×長さ1000μm)を示している。(A) 12 mm × 12 mm actuator array substrate having 6 mmφ holes. (B) Ten bimorph shape memory alloy thin film actuators (width 100 μm × length 1000 μm) arranged in one square (1.2 mm × 1.2 mm) are shown.

以下に、添付図面の図1〜7を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1(a)、(b)には基板1上に形成されたカンチレバー型形状記憶合金薄膜アクチュエータ2(ここでは形状記憶合金薄膜3とそれよりも熱膨張係数の小さい薄膜4の2層で構成されている)の側面の断面図と平面図を示す。形状記憶合金薄膜3の形状は通電加熱を行うために図1(b)に示すように概ねコの字型をしている。ただし、ヒーターなどによる外部加熱を行う場合はこの形状に拘る必要はない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
1A and 1B show a cantilever-type shape memory alloy thin film actuator 2 (here, a shape memory alloy thin film 3 and a thin film 4 having a smaller thermal expansion coefficient than that) formed on a substrate 1. The cross-sectional view and plan view of the side surface of FIG. The shape of the shape memory alloy thin film 3 is generally U-shaped as shown in FIG. However, it is not necessary to adhere to this shape when performing external heating with a heater or the like.

なお、図1(a)のような形状記憶合金薄膜3を基板1から反り上がった形状にする方法としては、熱処理後の熱ひずみ以外にも形状記憶処理や成膜時の残留応力を利用する方法も考えられ、この場合は下層4を選択する際に熱膨張係数に拘る必要はなくポリイミドなどの樹脂も下層として使え、また、下層を用いないで形状記憶合金薄膜単体としてもよい。すなわち、本発明において、2層膜による熱ひずみは形状記憶合金薄膜3に基板から反り上がった形状を与えるためだけに使用されるのであって、特許文献3と4及び非特許文献2に見られるようなアクチュエータを駆動するためのバイアス力としての利用は想定していない。そのため、バイモルフ(2層)は必須のものではなく、形状記憶合金薄膜3が基板から反り上がった形状を持っていれば、ユニモルフ(1層)であってもよい。   As a method of making the shape memory alloy thin film 3 warped from the substrate 1 as shown in FIG. 1A, the shape memory treatment or the residual stress at the time of film formation is used in addition to the thermal strain after the heat treatment. A method is also conceivable. In this case, when selecting the lower layer 4, it is not necessary to be concerned with the thermal expansion coefficient, and a resin such as polyimide can be used as the lower layer, or the shape memory alloy thin film alone may be used without using the lower layer. That is, in the present invention, the thermal strain due to the two-layer film is used only to give the shape memory alloy thin film 3 a shape warped from the substrate, and is found in Patent Documents 3 and 4 and Non-Patent Document 2. The use as a bias force for driving such an actuator is not assumed. Therefore, the bimorph (two layers) is not essential, and may be a unimorph (one layer) as long as the shape memory alloy thin film 3 is warped from the substrate.

図1(c)、(d)は、図1(a)、(b)に示したような小型のカンチレバー型アクチュエータ2を基板1上に多数配置したアクチュエータアレイ基板(図1(c)は並列配置、図1(d)は環状配置)を示す。図1(c)及び(d)では、同じ大きさで向きの異なるカンチレバー型アクチュエータ2が対をなして形成されているが、必ずしも必須条件ではない。ただし、このような形態は水平方向の移動をお互いに打ち消すことから好ましい。本発明では、図1(c)、(d)のように多数のカンチレバー型アクチュエータを一面に配置することによって、後述するように組み立てを簡単にすることができ、信頼性を向上させることができる。また、個々のカンチレバー型アクチュエータ2を独立して制御することにより、基板に垂直な方向の動き(オートフォーカス機構)だけでなく垂直方向から傾いた動き(手振れ補正機構)も可能になる。   FIGS. 1C and 1D show an actuator array substrate in which a large number of small cantilever actuators 2 as shown in FIGS. 1A and 1B are arranged on a substrate 1 (FIG. 1C is parallel). Arrangement, FIG. 1 (d) shows an annular arrangement). In FIGS. 1C and 1D, cantilever actuators 2 having the same size and different orientations are formed in pairs, but this is not necessarily a necessary condition. However, such a form is preferable because the movements in the horizontal direction cancel each other. In the present invention, as shown in FIGS. 1C and 1D, by arranging a large number of cantilever actuators on one surface, assembling can be simplified as described later, and reliability can be improved. . Further, by independently controlling each cantilever actuator 2, not only a movement in a direction perpendicular to the substrate (autofocus mechanism) but also a movement tilted from the vertical direction (camera shake correction mechanism) is possible.

図2(a)は図1のアクチュエータアレイ基板を使ってオートフォーカス機構を組み立てた図である。図に示すように基本的にはアクチュエータアレイ基板7、移動対象物(レンズ8または撮像素子など)を支持するプレート9、ばね板10を積み重ねた構造である。アクチュエータ部は基板1の厚さとカンチレバー型アクチュエータ2の変位の厚さしかなく、厚さ1mm以下の駆動機構を実現できる。アクチュエータアレイ基板7、移動対象物を支持するプレート9、ばね板10のいずれのプレートにもアライメント用の穴を開けておけば、各プレートを支柱11a、11bに通していくだけで簡単に組み立てることができる。このような組み立ての簡便さは、多数のカンチレバー型アクチュエータ2を使って移動対象物を支持しているプレート9を面で支えていることによる。カンチレバーの自由端が可動部品に点で接する特許文献2に比べて接点の位置を正確に合わせる必要がない。   FIG. 2A is a diagram in which an autofocus mechanism is assembled using the actuator array substrate of FIG. As shown in the figure, basically, the actuator array substrate 7, a plate 9 that supports a moving object (such as a lens 8 or an image sensor), and a spring plate 10 are stacked. The actuator portion has only the thickness of the substrate 1 and the displacement of the cantilever actuator 2, and a drive mechanism having a thickness of 1 mm or less can be realized. If holes for alignment are made in any of the actuator array substrate 7, the plate 9 that supports the moving object, and the spring plate 10, the plates can be easily assembled simply by passing the plates through the columns 11a and 11b. it can. The ease of assembly is because the plate 9 supporting the moving object is supported on the surface by using a large number of cantilever actuators 2. Compared to Patent Document 2 in which the free end of the cantilever is in contact with the movable part at a point, it is not necessary to align the position of the contact accurately.

このようなアクチュエータアレイの利点を使えば、図2(b)のようなばね板10の内部の可動部分14が図2(c)の移動対象物のプレート9と接合されていて、さらにばね板がケース12に固定されていればレンズ8の移動は垂直方向に限定されるので、図2(c)に示すようにアライメント用の支柱さえも省くことができる。図2の例では、バイアス力を与えるばね材としてばね板を用いているが、スプリング状のばねを用いてもよい。   If the advantage of such an actuator array is used, the movable part 14 inside the spring plate 10 as shown in FIG. 2B is joined to the moving object plate 9 shown in FIG. Is fixed to the case 12, the movement of the lens 8 is limited to the vertical direction, so that even the support for alignment can be omitted as shown in FIG. In the example of FIG. 2, a spring plate is used as a spring material that gives a bias force, but a spring-like spring may be used.

なお、図2(a)の組み立て図は、本駆動機構を実現するために最低限必要な構成要素を示したものであり、実際の装置においては、付加的な手振れ補正機構や撮像素子、Cuなどでできた放熱プレート、配線などの要素をケース12、アクチュエータアレイ基板7、移動対象物を支持するプレート9、ばね材10などの間に追加挿入してもよい。基板1の裏側に放熱プレートを挿入することにより、形状記憶合金薄膜アクチュエータ2の冷却速度を早くして、応答速度を上げることができる。また、移動対象物を支持するプレート9の形状記憶合金薄膜と接する面に、摩擦係数を下げるようなコーティングを行ってもよく、また、プレートが導電体の場合は絶縁膜をコーティングする必要がある。   The assembly diagram of FIG. 2 (a) shows the minimum components necessary to realize this drive mechanism. In an actual apparatus, an additional camera shake correction mechanism, an image sensor, Cu Elements such as a heat radiating plate, wiring, etc. may be additionally inserted between the case 12, the actuator array substrate 7, the plate 9 supporting the moving object, the spring material 10, and the like. By inserting a heat dissipation plate on the back side of the substrate 1, the cooling speed of the shape memory alloy thin film actuator 2 can be increased and the response speed can be increased. Further, the surface of the plate 9 that supports the object to be moved may be coated on the surface that contacts the shape memory alloy thin film so as to reduce the friction coefficient. If the plate is a conductor, it is necessary to coat the insulating film. .

図3はアクチュエータアレイ基板の様々な応用形態を示したものである。図3(a)は図2のアクチュエータアレイ基板7を裏返して使用した例でこの場合は、アクチュエータアレイ基板7にレンズ8を固定することも可能である。図3(b)は基板1の両面にカンチレバー型アクチュエータのアレイ2aと2bを作製した例であり、これによってレンズ8あるいは撮像素子の変位を2倍にすることができる。図3(c)は複数のアクチュエータアレイ基板7a、7b、7cを重ねて、変位量を増やした例である。   FIG. 3 shows various application forms of the actuator array substrate. FIG. 3A shows an example in which the actuator array substrate 7 of FIG. 2 is turned upside down. In this case, the lens 8 can be fixed to the actuator array substrate 7. FIG. 3B shows an example in which arrays 2a and 2b of cantilever actuators are formed on both surfaces of the substrate 1, whereby the displacement of the lens 8 or the image sensor can be doubled. FIG. 3C shows an example in which a plurality of actuator array substrates 7a, 7b, and 7c are stacked to increase the amount of displacement.

図4に示すように、図1に示したような形状記憶合金薄膜アクチュエータ2のアレイは、例えば、半導体プロセスで作製可能である。図4では、バイモルフ型アクチュエータの下層膜としてSiO膜15aを使用しているが、同様なプロセスによってSiN膜などを作製して下層膜に用いることもできる。図4(a)ではSiウエハ16上に熱酸化によってSiO膜15a及び15bを形成させる。SiO膜15aの厚さは酸化時間等の酸化条件を選ぶことで変えることができる。なお、SiO膜はCVD法などの他の方法によって作られてもよい。熱酸化させたSiウエハ16上にスパッタリング法によって形状記憶合金薄膜3を成膜する。形状記憶合金薄膜3の厚さは成膜時間などのスパッタ条件によって変えることができる。 As shown in FIG. 4, the array of shape memory alloy thin film actuators 2 as shown in FIG. 1 can be manufactured by, for example, a semiconductor process. In FIG. 4, the SiO 2 film 15 a is used as the lower layer film of the bimorph actuator, but an SiN film or the like can be produced by the same process and used as the lower layer film. In FIG. 4A, SiO 2 films 15a and 15b are formed on the Si wafer 16 by thermal oxidation. The thickness of the SiO 2 film 15a can be changed by selecting an oxidation condition such as an oxidation time. Note that the SiO 2 film may be formed by other methods such as a CVD method. The shape memory alloy thin film 3 is formed on the thermally oxidized Si wafer 16 by sputtering. The thickness of the shape memory alloy thin film 3 can be changed according to sputtering conditions such as film formation time.

形状記憶合金薄膜としては、Ti−Ni、Ti−Ni−Cu、Ti−Ni−Pd、Ti−Ni−Hf、Ti−Ni−Zr、Cu−Al−Ni合金などの形状記憶効果を示す合金の薄膜ならなんでもよいが、とりわけ50原子%以上で55原子%以下のTiと5原子%以上で20原子%以下のCuを含むTi−Ni−Cu合金薄膜あるいは45原子%以上で50原子%未満のTiと原子%で10+1.6×(50−Tiの原子%)を超えて20+1.6×(50−Tiの原子%)以下のCuを含むTi−Ni−Cu合金薄膜を用いるのがよい。
このような組成の合金薄膜によれば、Ti−Ni合金よりも変態温度が高くて温度ヒステリシスが小さく、発生力が大きくて応答性に優れた形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイを作製することができる。
As shape memory alloy thin films, alloys showing shape memory effects such as Ti—Ni, Ti—Ni—Cu, Ti—Ni—Pd, Ti—Ni—Hf, Ti—Ni—Zr, Cu—Al—Ni alloys, etc. Any thin film may be used, but in particular, a Ti—Ni—Cu alloy thin film containing 50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti and 5 atomic% or more and 20 atomic% or less of Cu, or 45 atomic% or more and less than 50 atomic%. It is preferable to use a Ti—Ni—Cu alloy thin film containing Ti and at least 10 + 1.6 × (atomic percent of 50-Ti) and 20 + 1.6 × (atomic percent of 50-Ti) or less of Cu.
According to the alloy thin film having such a composition, an actuator array using a shape memory alloy thin film having a transformation temperature higher than that of a Ti-Ni alloy, a small temperature hysteresis, a large generated force, and excellent responsiveness is manufactured. Can do.

好ましくは、50原子%以上で55原子%以下のTiと10原子%を超えて20原子%以下のCuを含むTi−Ni−Cu合金薄膜あるいは45原子%以上で50原子%未満のTiと原子%で10+1.6×(50−Tiの原子%)を超えて20+1.6×(50−Tiの原子%)以下のCuを含むTi−Ni−Cu合金薄膜を用いるのがよい。
このような組成の合金薄膜によれば、Ti−Ni−Cu合金ワイヤよりも格段に発生力が大きく、特性の組成依存性が小さくて組成制御が難しいスパッタリングにおいても安定した特性(大きい力、高い応答性、高い変態温度)を示す形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイを安価で大量に製造することができる。
Preferably, a Ti—Ni—Cu alloy thin film containing 50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti and more than 10 atomic% and 20 atomic% or less of Cu or 45 atomic% or more and less than 50 atomic% of Ti and atoms It is preferable to use a Ti—Ni—Cu alloy thin film containing 10 + 1.6 × (50-Ti atomic%) and 20 + 1.6 × (50-Ti atomic%) or less of Cu.
According to the alloy thin film having such a composition, the generated force is remarkably larger than that of the Ti—Ni—Cu alloy wire, and stable characteristics (large force, high) are obtained even in sputtering in which composition control of properties is small and composition control is difficult. An actuator array using a shape memory alloy thin film exhibiting responsiveness and high transformation temperature can be manufactured in large quantities at low cost.

より好ましくは、50原子%以上で55原子%以下のTiと10原子%を超えて20原子%以下のCuを含むTi−Ni−Cu形状記憶合金薄膜を用いることによって、変態温度がより高くて信頼性に優れた形状記憶合金薄膜を使ったアクチュエータアレイ(非特許文献3)を作製することができる。成膜後の薄膜はアモルファスなので例えば500℃以上で熱処理を行うことによって薄膜を結晶化させる。熱処理後に残る熱ひずみは本発明において形状記憶合金薄膜3を基板16から反り上がった形状に変える(図4(d)を参照)重要な役割を果たす。   More preferably, by using a Ti—Ni—Cu shape memory alloy thin film containing 50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti and more than 10 atomic% and 20 atomic% or less of Cu, the transformation temperature is higher. An actuator array (non-patent document 3) using a shape memory alloy thin film having excellent reliability can be manufactured. Since the thin film after film formation is amorphous, the thin film is crystallized by performing heat treatment at, for example, 500 ° C. or higher. The thermal strain remaining after the heat treatment plays an important role in the present invention to change the shape memory alloy thin film 3 to a shape warped from the substrate 16 (see FIG. 4D).

図4(b)では形状記憶合金薄膜3の上にネガレジストをスピンコートしてフォトエッチングによるパターニングを行う。レジストをマスクにして形状記憶合金薄膜3の必要としない部分を希釈したHF/HNOでエッチング除去するか硫酸/メタノール混合液などによって電解エッチングする。
次に、図4(c)で下地のSiO膜15aをバッファードフッ酸によってエッチングする。
In FIG. 4B, a negative resist is spin-coated on the shape memory alloy thin film 3 and patterning is performed by photoetching. Using the resist as a mask, unnecessary portions of the shape memory alloy thin film 3 are removed by etching with diluted HF / HNO 3 or electrolytic etching with a sulfuric acid / methanol mixed solution or the like.
Next, in FIG. 4C, the underlying SiO 2 film 15a is etched with buffered hydrofluoric acid.

図4(d)で、さらに、SiO膜15aの下のSi基板16を、XeFガスを使って等方性エッチングすることにより、形状記憶合金薄膜3とSiO膜15aからなる2層膜をSi基板16から解放する。この際に2層膜がSi基板16から反り上がった形状を得るためには、形状記憶合金薄膜の下層に形状記憶合金薄膜より熱膨張係数の小さい材料、例えばSiOを用いることが必須である。熱膨張係数が大きい材料を用いた場合は、2層膜が基板側に湾曲してしまうためにアクチュエータとして使えない。 Further, in FIG. 4D, the Si substrate 16 under the SiO 2 film 15a is isotropically etched using XeF 2 gas, thereby forming a two-layer film composed of the shape memory alloy thin film 3 and the SiO 2 film 15a. Is released from the Si substrate 16. In this case, in order to obtain a shape in which the two-layer film is warped from the Si substrate 16, it is essential to use a material having a smaller thermal expansion coefficient than the shape memory alloy thin film, for example, SiO 2, as the lower layer of the shape memory alloy thin film. . When a material having a large thermal expansion coefficient is used, the two-layer film is curved toward the substrate side and cannot be used as an actuator.

図5に本発明によるオートフォーカス機構の駆動原理と設計に用いたモデルを示す。図5(a)は、高温加熱時(形状記憶合金薄膜18がオーステナイト相の状態)において、ケース底面20にアクチュエータアレイ基板(基板1と形状記憶合金薄膜アクチュエータ2で構成される)と移動対象物を支持するプレート9及びばね板10を積み上げた状態を示す。E及びEはばね定数、δは、形状記憶合金薄膜アクチュエータ2の基板1の面からの高さである。図5(b)は、形状記憶合金薄膜アクチュエータ2にばね材10からFの力を与えた時の状態を示す。χは、ばね材の垂直方向の収縮量、δは形状記憶合金薄膜アクチュエータ2の垂直方向の収縮量である。 FIG. 5 shows the driving principle of the autofocus mechanism according to the present invention and the model used for the design. FIG. 5A shows an actuator array substrate (consisting of the substrate 1 and the shape memory alloy thin film actuator 2) and a moving object on the case bottom surface 20 during high temperature heating (the shape memory alloy thin film 18 is in the austenite phase). The state which piled up the plate 9 and the spring board 10 which support 1 is shown. E A and E B are spring constants, and δ T is the height of the shape memory alloy thin film actuator 2 from the surface of the substrate 1. 5 (b) shows a state where the spring member 10 in the shape memory alloy thin film actuator 2 gave a force F B. χ B is the amount of contraction of the spring material in the vertical direction, and δ B is the amount of contraction of the shape memory alloy thin film actuator 2 in the vertical direction.

図5(c)は、さらに形状記憶合金薄膜アクチュエータ2に外部から力F(例えばレンズの重さなど)が負荷された時の状態を示す。δは外力Fによって形状記憶合金薄膜アクチュエータ2が垂直方向に収縮した量であり、δは形状記憶合金薄膜アクチュエータ2の基板1からの高さである。δは高温時(δ)と低温時(δ)で異なり、この差が移動対象物を支持するプレート9のストロークになる。ばね板10から働く力Fが小さい場合は、δ>δとなり、低温時に移動対象物を支持するプレート9を支えることになり、形状記憶合金薄膜18の加熱時の形状回復力を使うことができない。しかし、ばね板10の力Fを大きくすることによってδ<δにすることができ、さらに適切なFの値を選ぶことによって、δ<0<δに設定することができる。この場合、室温では、図5(d)のように、形状記憶合金薄膜アクチュエータ2はマルテンサイト変態の途中で基板1に接して停止し、移動対象物を支持するプレート9は固定される。このように移動対象物を支持するプレート9の移動にマルテンサイト変態の高温部分(変態開始温度から終了温度よりも高い温度の範囲)のみを使うことによって、作動温度を形状記憶合金薄膜18のマルテンサイト変態終了温度(60℃)よりも高い70℃以上に設定することができるので駆動機構の信頼性を上げることができる。同時に、基板1は不要な変形を阻止して形状記憶合金薄膜18への塑性変形の導入を防ぐ効果も有する。すなわち、駆動機構ユニットの中に別途ストッパを作りこまなくても、基板1でその機能を代用できる。 FIG. 5C shows a state when a force F (for example, lens weight) is further applied to the shape memory alloy thin film actuator 2 from the outside. δ W is the amount of the shape memory alloy thin film actuator 2 contracted in the vertical direction by the external force F, and δ is the height of the shape memory alloy thin film actuator 2 from the substrate 1. δ differs between high temperature (δ H ) and low temperature (δ L ), and this difference becomes the stroke of the plate 9 that supports the moving object. When the force F B acting from the spring plate 10 is small, δ L > δ H , which supports the plate 9 that supports the moving object at a low temperature, and uses the shape recovery force when the shape memory alloy thin film 18 is heated. I can't. However, by increasing the force F B of the spring plate 10, δ LH can be obtained, and by selecting an appropriate value of F B , δ L <0 <δ H can be set. . In this case, at room temperature, as shown in FIG. 5D, the shape memory alloy thin film actuator 2 stops in contact with the substrate 1 in the middle of the martensitic transformation, and the plate 9 that supports the moving object is fixed. In this way, by using only the high-temperature portion of the martensitic transformation (the range of temperature higher than the transformation start temperature to the end temperature) for the movement of the plate 9 that supports the moving object, the operating temperature is changed to the martensite of the shape memory alloy thin film 18. Since it can be set to 70 ° C. or higher, which is higher than the site transformation end temperature (60 ° C.), the reliability of the drive mechanism can be increased. At the same time, the substrate 1 also has the effect of preventing unnecessary deformation and introducing plastic deformation into the shape memory alloy thin film 18. That is, the function can be substituted by the substrate 1 without making a separate stopper in the drive mechanism unit.

図5のモデルを使ってシミュレーションを行った結果を図6に示す。アレイを構成するカンチレバー型形状記憶合金薄膜アクチュエータの形状(長さと厚さ)を変えることで、100〜600μmのストロークと14gfまでの最大荷重を許容できるオートフォーカス機構が作製できる。また、多くの場合、δ<0<δとなって、変態の一部を使うことにより、作動温度の上昇を見込むことができる。表中6番と7番の比較ではアクチュエータ形状と負荷荷重は同じであるが、バイアスばねをほとんど使わない6番の例では、δ>δとなって形状記憶合金薄膜の大きい回復力を利用できず、ストロークは21μmに留まる。一方、バイアスばねを使った7番の例では、δ<δと変位が逆転し、300μmのストロークが得られる。すなわち、形状記憶合金薄膜の回復力を利用する(オーステナイト相で反り上がった形状となり、マルテンサイト相で平坦な形状にする)ためには、図6の最大荷重で使う必要があり、実荷重が小さい場合には、最大荷重と実荷重の差をバイアスばねで補うことが必要である。8番の例は特許文献3に見られる可動部品の2辺に沿って設置した2本の長いバイモルフ型アクチュエータでレンズを支えた場合のストロークと発生力であるが、δとδの比較からレンズの駆動に使える変態はごくわずかであり、300μmのストロークは得られるものの、利用できる荷重は0.02gfと非常に小さいことがわかる。 FIG. 6 shows the result of simulation using the model of FIG. By changing the shape (length and thickness) of the cantilever-type shape memory alloy thin film actuator constituting the array, an autofocus mechanism capable of allowing a stroke of 100 to 600 μm and a maximum load up to 14 gf can be manufactured. Further, in many cases, δ L <0 <δ H, and by using a part of the transformation, it is possible to expect an increase in the operating temperature. In the comparison of No. 6 and No. 7 in the table, the actuator shape and load are the same, but in the example No. 6 that uses almost no bias spring, δ L > δ H and the large recovery force of the shape memory alloy thin film It cannot be used and the stroke remains at 21 μm. On the other hand, in the case of No. 7 using a bias spring, the displacement is reversed as δ LH, and a stroke of 300 μm is obtained. That is, in order to utilize the recovery force of the shape memory alloy thin film (a shape warped in the austenite phase and a flat shape in the martensite phase), it is necessary to use the maximum load in FIG. If it is small, it is necessary to compensate the difference between the maximum load and the actual load with a bias spring. The example of No. 8 is the stroke and generated force when the lens is supported by two long bimorph actuators installed along the two sides of the movable part found in Patent Document 3, but δ L and δ H are compared. Thus, the transformation that can be used for driving the lens is very small, and although a stroke of 300 μm is obtained, it can be seen that the usable load is very small as 0.02 gf.

図7は図6のシミュレーションを行う際に使用した、アクチュエータアレイ基板7の構成図である。12mm×12mmの基板に6mmφのレンズのための開口窓5を開けると想定すると、図5に示すバイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータ2は、幅100μm、長さ1000μmの場合、10×64=640本、作製できる。なお、移動対象物が撮像素子の場合は、中央に穴をあける必要がないので、その場合はアクチュエータを1000本搭載することができ、図6に示した最大荷重は1.56倍になる。   FIG. 7 is a configuration diagram of the actuator array substrate 7 used when the simulation of FIG. 6 is performed. Assuming that an opening window 5 for a 6 mmφ lens is opened on a 12 mm × 12 mm substrate, the bimorph shape memory alloy thin film actuator 2 shown in FIG. 5 has 10 × 64 = 640 in the case of a width of 100 μm and a length of 1000 μm. Can be produced. When the moving object is an image sensor, there is no need to make a hole in the center. In that case, 1000 actuators can be mounted, and the maximum load shown in FIG. 6 is 1.56 times.

なお、上記の実施例においては、オートフォーカス機構として種々の構成例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者として、適宜の設計変更を行いうることは言うまでもない。   In the above-described embodiments, various configuration examples are shown as the autofocus mechanism. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that appropriate design changes can be made by those skilled in the art.

本発明のオートフォーカス駆動機構によれば、基板に垂直な方向にレンズの位置を変えることができる(オートフォーカス機能)。さらに個々のアクチュエータを独立して動かせば、垂直方向から傾ける(手振れ補正機構)こともできる。   According to the autofocus drive mechanism of the present invention, the lens position can be changed in a direction perpendicular to the substrate (autofocus function). Furthermore, if each actuator is moved independently, it can also be tilted from the vertical direction (camera shake correction mechanism).

1、1a、1b、1c 基板
2、2a、2b、2c カンチレバー型形状記憶合金薄膜アクチュエータ
3 形状記憶合金薄膜(上層)
4 薄膜(下層)
5 レンズ用開口窓
6 アライメント用の支柱穴
7、7a、7b、7c アクチュエータアレイ基板
8 レンズ(移動対象物)
9 移動対象物を支持するプレート
10 ばね板
11a、11b アライメント用の支柱
12 ケース
13 ばね板固定枠
14 ばね板可動部
15a、15b SiO
16 Siウエハ
17 SiO
18 Ti−Ni−Cu形状記憶合金薄膜
19 ケース上蓋
20 ケース底面
1, 1a, 1b, 1c Substrate 2, 2a, 2b, 2c Cantilever type shape memory alloy thin film actuator 3 Shape memory alloy thin film (upper layer)
4 Thin film (lower layer)
5 Lens opening window 6 Alignment column holes 7, 7a, 7b, 7c Actuator array substrate 8 Lens (moving object)
9 Plate 10 for supporting moving object Spring plate 11a, 11b Column 12 for alignment Case 13 Spring plate fixed frame 14 Spring plate movable part 15a, 15b SiO 2 film 16 Si wafer 17 SiO 2 film 18 Ti-Ni-Cu shape Memory alloy thin film 19 Case top lid 20 Case bottom

Claims (17)

固定端側が基板に固定されると共に、先端側が基板から解放されて当該基板のなす平面に対して反り上がった姿勢となる複数の形状記憶合金薄膜であって、当該複数の形状記憶合金薄膜が前記基板上で面状に並べられてアクチュエータアレイを構成しているアクチュエータ基板と
移動対象物を支持したプレートと、
前記複数の形状記憶合金薄膜の姿勢が、オーステナイト相で前記基板のなす平面に対して反り上がった形状となり、マルテンサイト相で前記基板のなす平面に対して大略平坦となるようなバイアス力を与えるバイアスばねを備え、
前記アクチュエータ基板、前記プレート、およびバイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備えることを特徴とするオートフォーカス駆動機構。
A plurality of shape memory alloy thin films, wherein the fixed end side is fixed to the substrate and the tip end side is released from the substrate and warps with respect to a plane formed by the substrate, wherein the plurality of shape memory alloy thin films are An actuator substrate arranged in a plane on the substrate to form an actuator array, a plate supporting a moving object,
The plurality of shape memory alloy thin films are biased such that the posture of the thin shape memory alloy film is warped with respect to the plane formed by the substrate in the austenite phase and substantially flat with respect to the plane formed by the substrate in the martensite phase. A bias spring,
An autofocus drive mechanism comprising a housing that holds a structure in which the actuator substrate, the plate, and a bias spring are stacked.
室温時に上記の対象物を支持したプレートが上記アクチュエータ基板の基板に接触することによって、形状記憶合金薄膜の変態ひずみを越えた余分な塑性変形を防ぐことを特徴とする請求項1のオートフォーカス駆動機構。 2. The autofocus drive according to claim 1, wherein the plate supporting the object at room temperature contacts the substrate of the actuator substrate to prevent excessive plastic deformation exceeding the transformation strain of the shape memory alloy thin film. mechanism. 前記アクチュエータ基板の基板によって前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態(変態開始温度から終了温度までの全域)の高温部分(変態開始温度から終了温度よりも高い温度までの上記マルテンサイト変態の一部)のみを上記プレートの移動に利用することを特徴とする請求項2のオートフォーカス駆動機構。 High temperature portion (part of the martensitic transformation from the transformation starting temperature to a temperature higher than the ending temperature) of the martensitic transformation (the entire region from the transformation starting temperature to the ending temperature) of the shape memory alloy thin film by the substrate of the actuator substrate The autofocus drive mechanism according to claim 2, wherein only the plate is used for moving the plate. 前記形状記憶合金薄膜が当該形状記憶合金薄膜の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有する下層膜と積層され、熱処理後の熱ひずみによって、当該形状記憶合金薄膜のオーステナイト相での姿勢が前記基板に対して反り上がった姿勢であることを特徴とする請求項1〜3に記載のオートフォーカス駆動機構。   The shape memory alloy thin film is laminated with an underlayer film having a thermal expansion coefficient smaller than the thermal expansion coefficient of the shape memory alloy thin film, and the posture of the shape memory alloy thin film in the austenite phase is caused by thermal strain after heat treatment. The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the autofocus drive mechanism has a warped posture. 前記基板は、Siウエハであることを特徴とする請求項1〜4に記載のオートフォーカス駆動機構。   5. The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the substrate is a Si wafer. 前記熱膨張係数の小さい下層膜は、SiO薄膜であることを特徴とする請求項5に記載のオートフォーカス駆動機構。 6. The autofocus drive mechanism according to claim 5, wherein the lower layer film having a small thermal expansion coefficient is a SiO 2 thin film. 前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、
50原子%以上で55原子%以下のTi、
10原子%を超えて20原子%以下のCu、
残部をNiおよび不可避的不純物とする、
Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする請求項1〜6に記載のオートフォーカス駆動機構。
The shape memory alloy thin film contains a composition element,
50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti,
Cu exceeding 10 atomic% and not exceeding 20 atomic%,
The balance is Ni and inevitable impurities,
The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the autofocus drive mechanism is a Ti—Ni—Cu alloy thin film.
前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、
45原子%以上で50原子%未満のTi、
原子%で10+1.6×(50−Tiの原子%)を超えて20+1.6×(50−Tiの原子%)以下のCu、
残部をNiおよび不可避的不純物とする、
Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする請求項1〜6に記載のオートフォーカス駆動機構。
The shape memory alloy thin film contains a composition element,
Ti of 45 atomic% or more and less than 50 atomic%,
Cu of not less than 10 + 1.6 × (atomic percent of 50-Ti) and not more than 20 + 1.6 × (atomic percent of 50-Ti) in atomic percent,
The balance is Ni and inevitable impurities,
The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the autofocus drive mechanism is a Ti—Ni—Cu alloy thin film.
前記形状記憶合金薄膜は、組成元素を、
50原子%以上で55原子%以下のTi、
5原子%以上で10原子%以下のCu、
残部をNiおよび不可避的不純物とする、
Ti−Ni−Cu合金薄膜であることを特徴とする請求項1〜6に記載のオートフォーカス駆動機構。
The shape memory alloy thin film contains a composition element,
50 atomic% or more and 55 atomic% or less of Ti,
Cu of 5 atomic% or more and 10 atomic% or less,
The balance is Ni and inevitable impurities,
The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the autofocus drive mechanism is a Ti—Ni—Cu alloy thin film.
前記移動対象物は、レンズ又は撮像素子であることを特徴とする請求項1〜9に記載のオートフォーカス駆動機構。   The autofocus drive mechanism according to claim 1, wherein the moving object is a lens or an image sensor. 前記移動対象物はレンズであり、前記基板は光路確保のための開口窓を有し、
前記アクチュエータアレイにおける複数の形状記憶合金薄膜の配置は、前記開口窓を囲うように、前記基板に大略均一な密度で配置されていることを特徴とする請求項1〜9に記載のオートフォーカス駆動機構。
The moving object is a lens, and the substrate has an opening window for securing an optical path;
The autofocus drive according to claim 1, wherein the plurality of shape memory alloy thin films in the actuator array are arranged at a substantially uniform density on the substrate so as to surround the opening window. mechanism.
請求項1〜11に記載の前記形状記憶合金薄膜を加熱する手段によって、当該形状記憶合金薄膜のオーステナイト相とマルテンサイト相の組織割合が調整されてオートフォーカスを行う機能を具備するように構成したカメラモジュール。   It has comprised so that the structure ratio of the austenite phase and martensite phase of the said shape memory alloy thin film may be adjusted by the means to heat the said shape memory alloy thin film of Claims 1-11, and the function to perform an autofocus may be comprised. The camera module. オートフォーカス制御回路からの駆動電流を請求項1〜12に記載の前記複数の形状記憶合金薄膜に通電することにより、前記複数の形状記憶合金薄膜の電気抵抗を制御して、オートフォーカスを行う機能を具備するように構成したカメラモジュール。   A function of performing autofocus by controlling electric resistance of the plurality of shape memory alloy thin films by energizing the plurality of shape memory alloy thin films according to claim 1 with a drive current from an autofocus control circuit. A camera module configured to include: 前記形状記憶合金薄膜は、固定端側の一端から先端側を経由して前記固定端側の他端に通電するように構成されたことを特徴とする請求項13に記載のカメラモジュール。   14. The camera module according to claim 13, wherein the shape memory alloy thin film is configured to energize the other end on the fixed end side from the one end on the fixed end side via the tip end side. 前記温度調整手段は、前記形状記憶合金薄膜の周囲に形成された電熱導体であることを特徴とする請求項12に記載のカメラモジュール。   The camera module according to claim 12, wherein the temperature adjusting means is an electric heating conductor formed around the shape memory alloy thin film. 駆動電流を請求項1〜15に記載のオートフォーカス駆動機構の前記複数の形状記憶合金薄膜の個々の形状記憶合金薄膜に独立して通電することにより、手振れ補正を可能にしたカメラモジュール。   A camera module capable of correcting camera shake by energizing each of the shape memory alloy thin films of the plurality of shape memory alloy thin films of the autofocus drive mechanism according to claim 1 independently. 請求項12〜16のカメラモジュールを搭載したことを特徴とするカメラ付き携帯電話。

A camera-equipped mobile phone comprising the camera module according to claim 12.

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