JP6537707B2 - フォーカシング機構および撮像モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子および光学レンズを備えたフォーカシング機構、および撮像モジュールに関する。
近年、携帯電話等に搭載されているカメラには、合焦（フォーカシング）機能が標準で備わっている。その駆動方式のほとんどはボイスコイルモーター（Voice Coil Motor,以下略してＶＣＭと記載する。）である。しかし、ＶＣＭは、消費電力が高い、駆動スピードが遅い、さらなる低背化が難しいなどの課題がある。
そこで、ＶＣＭに替わる方式として、小型化を実現するため、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを応用したフォーカシング機構が近年開発されている。例えば、特許文献１には、光学レンズを移動する微小な駆動機構として、静電アクチュエータを使った方法が開示されている。しかし、特許文献１に記載されている駆動機構は、微小なサイズで充分な変位量を出すため複雑になっており、製造歩留まりや駆動耐久性などが課題である。
また、特許文献２には、光学レンズを移動させて合焦する方法ではなく、レンズ材料にポリマーなどの柔軟なものを使用し、レンズを変形させて焦点距離を変化させる方法が開示されている。しかし、この方法では、レンズの収差が悪化し光学特性が劣るため、撮影写真の画質は妥協せざるを得ない。
また、特許文献３および４には、駆動系やレンズ自身に液体材料を用い、レンズを変形させる方法が開示されている。しかし、機構が複雑になり、写真画像の画質も固定の光学レンズの場合と比べると劣ることが予想される。
また、特許文献５には、光学レンズの外周に沿って直接形成された圧電膜で光学レンズを駆動する光学モジュールが開示されている。
しかしながら、特許文献５に記載の光学モジュールにおいては、光学素子の外周に直接圧電膜が形成されており、圧電膜にとって拘束が強い構造であるために、高い変位量を出力するのが困難であるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で光学レンズを高変位量で移動させることが可能であり、高速かつ低消費電力で駆動可能なフォーカシング機構を提供することを目的とする。
また、本発明は、画質の品位を低下させることなく、簡易な構造で、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能な撮像モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で光学レンズを高変位量で移動させることが可能であり、高速かつ低消費電力で駆動可能なフォーカシング機構を提供することを目的とする。
また、本発明は、画質の品位を低下させることなく、簡易な構造で、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能な撮像モジュールを提供することを目的とする。
本発明のフォーカシング機構は、
３つ以上のカンチレバー式圧電アクチュエータが放射状に配置されてなる駆動源と、
外枠、光学レンズ、光学レンズを光学レンズの周囲で保持するレンズ保持部、およびレンズ保持部を外枠に連結し光学レンズの半径方向に伸縮する弾性体からなる光学レンズユニットと、
を備え、
カンチレバー式圧電アクチュエータは、カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動先端の光学レンズの光軸方向に対して垂直な面でレンズ保持部に接し、カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動によって光学レンズを光学レンズの光軸方向に動かしてフォーカシングする。
３つ以上のカンチレバー式圧電アクチュエータが放射状に配置されてなる駆動源と、
外枠、光学レンズ、光学レンズを光学レンズの周囲で保持するレンズ保持部、およびレンズ保持部を外枠に連結し光学レンズの半径方向に伸縮する弾性体からなる光学レンズユニットと、
を備え、
カンチレバー式圧電アクチュエータは、カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動先端の光学レンズの光軸方向に対して垂直な面でレンズ保持部に接し、カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動によって光学レンズを光学レンズの光軸方向に動かしてフォーカシングする。
カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動方向に垂直な面は、０．５以下の静摩擦係数を有する材料で覆われていることが好ましい。
カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動方向に垂直な面に突起部を有し、突起部がレンズ保持部に接していることが好ましい。
突起部の表面は、０．５以下の静摩擦係数を有する材料で覆われていてもよい。
３つ以上のカンチレバー式圧電アクチュエータは渦巻き放射状に配置されていてもよい。
カンチレバー式圧電アクチュエータは等方性材料からなることが好ましい。
等方性材料はポリシリコンであることが好ましい。
カンチレバー式圧電アクチュエータは薄膜からなることが好ましい。
弾性体は蛇腹状の窒化膜であることが好ましい。
本発明の撮像モジュールは、本発明のフォーカシング機構を備える。
ここで、「カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動先端」とは、最大変位量が得られるアクチュエータの先端と先端から一定の領域を示す。一定の領域は、アクチュエータの変位量、およびレンズ保持部の構成等によって決定される。
本発明のフォーカシング機構によれば、簡易な構造で光学レンズを高変位量で移動させることが可能であり、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能である。
また、本発明の撮像モジュールによれば、画質の品位を低下させることなく、簡易な構造で、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能である。
また、本発明の撮像モジュールによれば、画質の品位を低下させることなく、簡易な構造で、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能である。
以下、本発明について詳細に説明する。
［フォーカシング機構］
まず、本発明のフォーカシング機構の一実施形態について説明する。図１に、本発明のフォーカシング機構の電圧無印加の状態の概略断面図を示す。図２に、本発明のフォーカシング機構の電圧印加時の概略断面図を示す。図３に駆動源の概略上面図を示す。図４に光学レンズユニットの概略上面図を示す。
［フォーカシング機構］
まず、本発明のフォーカシング機構の一実施形態について説明する。図１に、本発明のフォーカシング機構の電圧無印加の状態の概略断面図を示す。図２に、本発明のフォーカシング機構の電圧印加時の概略断面図を示す。図３に駆動源の概略上面図を示す。図４に光学レンズユニットの概略上面図を示す。
本発明のフォーカシング機構４０は、図１に示すように、３２個のカンチレバー式圧電アクチュエータ２１（以下、単にアクチュエータと記載する）がリング状の支持体２２上に放射状に配置されてなる駆動源１０と、
外枠３５、光学レンズ３６、光学レンズ３６を光学レンズ３６の周囲で保持するレンズ保持部３３、およびレンズ保持部３３を外枠３５に連結し光学レンズの半径方向に伸縮する弾性体３４からなる光学レンズユニット３０と、
を備えるものである。
アクチュエータ２１は、アクチュエータ２１の駆動先端２４における光学レンズの光軸方向に対して垂直な面２５でレンズ保持部３３に接し、アクチュエータ２１の駆動によって光学レンズ３６を光学レンズ３６の光軸方向Ａに動かしてフォーカシングするものである。
外枠３５、光学レンズ３６、光学レンズ３６を光学レンズ３６の周囲で保持するレンズ保持部３３、およびレンズ保持部３３を外枠３５に連結し光学レンズの半径方向に伸縮する弾性体３４からなる光学レンズユニット３０と、
を備えるものである。
アクチュエータ２１は、アクチュエータ２１の駆動先端２４における光学レンズの光軸方向に対して垂直な面２５でレンズ保持部３３に接し、アクチュエータ２１の駆動によって光学レンズ３６を光学レンズ３６の光軸方向Ａに動かしてフォーカシングするものである。
図２に示すように、本発明のフォーカシング機構４０は、アクチュエータ２１の一対の電極に電圧が印加されると、アクチュエータ２１がユニモルフ効果により上面側（紙面上方）に反る。これにより、光学レンズ３６は突起部１８を介して光軸方向Ａに持ち上げられる。光学レンズ３６は、弾性体３４によって支持されているため、拘束されることなく速やかに移動することが可能である。
（駆動源）
次に、駆動源について、さらに詳細に説明する。
駆動源１０は、図３に示すように、３２個の矩形状のアクチュエータ２１が放射状に配置されてなるものである。本実施形態では、アクチュエータ２１は、リング状の支持体２２を共通の支持体として放射状に配置されている。図１に示すように、アクチュエータ２１は、その駆動先端２４における、光学レンズの光軸方向Ａに対して垂直な面２５上に突起部１８が設けられている。この突起部１８が光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３と接する。突起部１８が設けられていることにより、アクチュエータ２１とレンズ保持部３３とが点接触となるので摩擦による変位量の低下を改善することができる。本実施形態では、突起部１８は、さらに静摩擦係数が０．５以下の材料で覆われている（不図示）。突起部１８が静摩擦係数０．５以下の材料で覆われていることにより、アクチュエータ２１とレンズ保持部３３との駆動時の滑りが良く、構造的な拘束がほとんどない。従来技術であるダイアフラムやビーム型の構造では、アクチュエータの駆動において拘束が強いため変位量は大きく低減し、フォーカシングに必要な変位量を達成できない。このように静摩擦係数が０．５以下と低摩擦な材料によって光学レンズを支持しているので、高い変位量を理想的に実現することが可能である。
次に、駆動源について、さらに詳細に説明する。
駆動源１０は、図３に示すように、３２個の矩形状のアクチュエータ２１が放射状に配置されてなるものである。本実施形態では、アクチュエータ２１は、リング状の支持体２２を共通の支持体として放射状に配置されている。図１に示すように、アクチュエータ２１は、その駆動先端２４における、光学レンズの光軸方向Ａに対して垂直な面２５上に突起部１８が設けられている。この突起部１８が光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３と接する。突起部１８が設けられていることにより、アクチュエータ２１とレンズ保持部３３とが点接触となるので摩擦による変位量の低下を改善することができる。本実施形態では、突起部１８は、さらに静摩擦係数が０．５以下の材料で覆われている（不図示）。突起部１８が静摩擦係数０．５以下の材料で覆われていることにより、アクチュエータ２１とレンズ保持部３３との駆動時の滑りが良く、構造的な拘束がほとんどない。従来技術であるダイアフラムやビーム型の構造では、アクチュエータの駆動において拘束が強いため変位量は大きく低減し、フォーカシングに必要な変位量を達成できない。このように静摩擦係数が０．５以下と低摩擦な材料によって光学レンズを支持しているので、高い変位量を理想的に実現することが可能である。
なお、本実施形態では突起部１８を設けた形態について説明したが、突起部は形成しなくてもよい。その場合は、駆動先端２４における、光学レンズの光軸方向Ａに対して垂直な面２５（図１参照）上に、静摩擦係数が０．５以下の材料をスパッタ等により設けることが好ましい。低摩擦材料は、面２５上の全面に設けてもよいし、駆動先端２４のみでもよい。
（光学レンズユニット）
次に、光学レンズユニットについてさらに詳細に説明する。
光学レンズユニット３０は、図４に示すように、外枠３５、光学レンズ３６、光学レンズ３６を光学レンズ３６の周囲で保持するレンズ保持部３３、およびレンズ保持部３３を外枠３５に連結し光学レンズ３６の半径方向に伸縮する弾性体からなる。弾性体３４は、光学レンズ３６の全周囲に形成され、光学レンズの半径方向に伸縮する蛇腹構造である。
次に、光学レンズユニットについてさらに詳細に説明する。
光学レンズユニット３０は、図４に示すように、外枠３５、光学レンズ３６、光学レンズ３６を光学レンズ３６の周囲で保持するレンズ保持部３３、およびレンズ保持部３３を外枠３５に連結し光学レンズ３６の半径方向に伸縮する弾性体からなる。弾性体３４は、光学レンズ３６の全周囲に形成され、光学レンズの半径方向に伸縮する蛇腹構造である。
光学レンズユニット３０は、図１に示すように、レンズ保持部３３の裏面で、駆動源１０の突起部１８と接している。そして、光学レンズユニット３０は、光学レンズ３６およびレンズ保持部３３が重力や慣性力により落下することがないように、または光学レンズ３６の光軸がずれることがないように弾性体３４で駆動源１０側に抑え付けられている。
弾性体３４は、レンズ保持部３３および外枠３５と一体的に形成された蛇腹構造の、例えば窒化シリコン膜からなる。本実施形態では弾性体として微細加工技術を用いた蛇腹構造を用いたが、例えば射出成型技術を用いて作製した複数のバネを用いることも可能である。この場合は、光学レンズの周囲全体に形成されていなくてもよく、複数本の弾性体を放射状に配置した構造としてもよい。
（駆動源の作製方法）
次に駆動源１０の製造方法について説明する。図５に駆動源の一実施形態の作製過程の概略断面図を示す。
次に駆動源１０の製造方法について説明する。図５に駆動源の一実施形態の作製過程の概略断面図を示す。
図５ａに示すように、まず、シリコン基板１１を準備する。シリコン基板１１の厚みは、複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの支持体となるため、アクチュエータの駆動によって構造全体が変形するのを防止する観点から、例えば、３００μｍから８００μｍが好ましい。基板はシリコン基板に限定されるものではなく、ガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。
次に、図５ｂに示すように、シリコン基板１１の表面および裏面に熱酸化膜（酸化シリコン）１２および１３を形成する。熱酸化膜１２および１３はエッチングストッパーの役割を有する。熱酸化膜の膜厚は、エッチングストッパーの役割、及び製造コストの観点から、０．５μｍから３μｍが好ましい。
次に、図５ｃに示すように、光学レンズユニットが配置される側の熱酸化膜１３の面上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりポリシリコン膜１４を形成する。ポリシリコン膜１４の膜厚は、例えば、レンズを駆動させる為に必要な剛性と変位量の観点から、５μｍから３０μｍが好ましい。
アクチュエータ２１の主な材料は、結晶シリコンは避け、ポリシリコン、アモルフォスシリコン、およびアモルフォスシリコンカーバイドなどの等方性材料を用いることが好ましい。結晶シリコンは、異方性材料であるため、放射状にアクチュエータが配置されたンチレバー式圧電アクチュエータを作製すると、面内でアクチュエータの剛性にバラつきが生じる。そうすると、全てのアクチュエータに同一電圧が印加されても、駆動時の変位量にアクチュエータ間で差が生じてしまい、光軸方向に垂直な面に平行にレンズを移動させることができない。よって、アクチュエータ２１の主材料としては、ポリシリコンなどの等方性材料を用いることが好ましい。
アクチュエータ２１の主な材料は、結晶シリコンは避け、ポリシリコン、アモルフォスシリコン、およびアモルフォスシリコンカーバイドなどの等方性材料を用いることが好ましい。結晶シリコンは、異方性材料であるため、放射状にアクチュエータが配置されたンチレバー式圧電アクチュエータを作製すると、面内でアクチュエータの剛性にバラつきが生じる。そうすると、全てのアクチュエータに同一電圧が印加されても、駆動時の変位量にアクチュエータ間で差が生じてしまい、光軸方向に垂直な面に平行にレンズを移動させることができない。よって、アクチュエータ２１の主材料としては、ポリシリコンなどの等方性材料を用いることが好ましい。
次に、ポリシリコン膜１４上に、下部電極１５、強誘電体薄膜１６、および上部電極１７を順次スパッタ法により形成する（図５ｄ、図５ｅ、および図５ｆ参照）。
強誘電体薄膜１６は下記組成式（１）で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物が好ましい。
Ｐｂｘ（Ｚｒｙ，Ｔｉｚ，Ｍｂ−ｙ−ｚ）Ｏｃ・・・（１）
式中、Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｈｆ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。ｘ、ｙ、およびｚは、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｚ＜ｂ、および０≦ｂ−ｙ−ｚの関係を満たす。
また、ｘ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。
Ｐｂｘ（Ｚｒｙ，Ｔｉｚ，Ｍｂ−ｙ−ｚ）Ｏｃ・・・（１）
式中、Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｈｆ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。ｘ、ｙ、およびｚは、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｚ＜ｂ、および０≦ｂ−ｙ−ｚの関係を満たす。
また、ｘ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。
上記組成式（１）で表され得るペロブスカイト型酸化物は、組成式中のＭとしてＮｂを含むと共に、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）モル比が０．１０以上０．２０以下であってもよく、０．１０〜０．１５がより好ましい。
強誘電体薄膜１６の好適な成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法，Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、焼成急冷クエンチ法、アニールクエンチ法、および溶射急冷法などの気相成長法が挙げられる。中でもスパッタリング法が特に好ましい。
下部電極１５および上部電極１７の材料としては、特に制限なく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＩＴＯ（スズドープ酸化インジウム）(Indium Tin Oxide)、ＴｉＮ等の金属または金属酸化物、ならびにこれらの組合せが挙げられる。
下部電極１５と上部電極１７の厚さは特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。強誘電体薄膜１６の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば１μｍ〜５μｍである。強誘電体薄膜１６の膜厚は３μｍ以上が好ましい。
次に、図５ｇに示すように、アクチュエータの駆動先端となる領域に突起部１８を形成する。突起部１８は、光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３に接する。突起部１８は、例えば、マテリアルデポジション用インクジェットでＵＶ硬化樹脂材料を吐出させた後、滴下された液滴をＵＶ照射して硬化させることによって形成することができる。ＵＶ硬化樹脂材料としては、低粘度型のウレタンアクリレート樹脂を挙げることができる。また、突起部１８の表面は、レンズ保持部３３との摩擦による変位量減少を防止する観点から、静摩擦係数が０．５以下の材料で覆われていることが好ましい。または、突起部自体が、静摩擦係数が０．５以下の材料からなってもよい。
静摩擦係数が０．５以下の材料としては、テフロン（登録商標、以下、この記載は省略する）などのフッ素系樹脂、グラファイト、二硫化モリブデン、ＤＬＣ（Diamond-Like Carbon）、ポリエチレン、およびポリスチレンなどを挙げることができる。
なお、本明細書において、静摩擦係数は、ISO 8295に準拠した測定方法により測定された値とする。
なお、本明細書において、静摩擦係数は、ISO 8295に準拠した測定方法により測定された値とする。
次に、アクチュエータ２１をパターニングするためのリソグラフィを行いドライエッチングにより上部電極１７、強誘電体薄膜１６、下部電極１５、およびポリシリコン膜１４をエッチング加工する（図５ｈおよび図５ｉ参照）。
次に、図５ｊに示すように、シリコン基板１１の裏面の加工を行うために、アクチュエータの表面から熱酸化膜１３上にわたって、レジスト１９により保護する。
次に、裏面からシリコン深堀エッチングするためのリソグラフィを行い、ウェットエッチングにより熱酸化膜１２を除去し、ボッシュ法ドライエッチングによりシリコン基板１１の深堀を行う。熱酸化膜１３がエッチングストップ層となる（図５ｋおよび図５ｌ参照）。
次に、裏面からシリコン深堀エッチングするためのリソグラフィを行い、ウェットエッチングにより熱酸化膜１２を除去し、ボッシュ法ドライエッチングによりシリコン基板１１の深堀を行う。熱酸化膜１３がエッチングストップ層となる（図５ｋおよび図５ｌ参照）。
次に、図５ｍに示すようにベーパーＨＦ（フッ化水素）エッチングにより露出した熱酸化膜１３を除去し、保護用のレジスト１９をアッシャーにより除去する。
最後に摩擦係数を下げるため表面にテフロンをスパッタ成膜する。静摩擦係数が０．５以下の材料で突起を覆う場合は、スパッタ成膜された膜の厚さは、摩耗耐性及び残留応力による剥離防止の観点から、４０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましい。
最後に摩擦係数を下げるため表面にテフロンをスパッタ成膜する。静摩擦係数が０．５以下の材料で突起を覆う場合は、スパッタ成膜された膜の厚さは、摩耗耐性及び残留応力による剥離防止の観点から、４０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましい。
ここで、カンチレバー式圧電アクチュエータの長さとは、アクチュエータ２１が支持体２２に支持されていない領域の、支持体端部からアクチュエータの駆動先端面までの長辺方向の長さを意味する。本実施形態では、図５ｍに示すように、支持体２２の端部２６からアクチュエータ２１の先端面２３までの距離Ｌ１を示す。
上記実施形態の駆動源１０においては、同一長さおよび同一形状の矩形状のアクチュエータ２１が３２本放射状に配置された形態について説明したが、同一長さおよび同一形状のカンチレバー式圧電アクチュエータ２１が３本以上であればよく、かつ等間隔で配置されることが好ましい。光学レンズを光軸方向に高精度で平行に移動させる観点から、好ましくは、４本〜１５０本であり、より好ましくは８本〜１００本である。
異なる長さのカンチレバー式圧電アクチュエータを複数本配置する場合は、それぞれの変位量が異なるため、全てのアクチュエータを駆動させた時に、駆動によって動かす対象である光学レンズが光軸方向に平行に移動するように各アクチュエータを設計することが好ましい。
また、カンチレバーの配置形状は、本実施形態のように、円の中心から放射状となるように配置してもよいし、渦巻き放射状（後述の実施例２の場合）としてもよい。円形の光学レンズを保持するために、複数のアクチュエータの駆動先端が円を形成するように配置されていればよい。
異なる長さのカンチレバー式圧電アクチュエータを複数本配置する場合は、それぞれの変位量が異なるため、全てのアクチュエータを駆動させた時に、駆動によって動かす対象である光学レンズが光軸方向に平行に移動するように各アクチュエータを設計することが好ましい。
また、カンチレバーの配置形状は、本実施形態のように、円の中心から放射状となるように配置してもよいし、渦巻き放射状（後述の実施例２の場合）としてもよい。円形の光学レンズを保持するために、複数のアクチュエータの駆動先端が円を形成するように配置されていればよい。
（光学レンズユニットの作製方法）
次に、光学レンズユニット３０の作製方法について説明する。光学レンズユニット３０は、通常のリソグラフィ技術を用いて作製することができる。図６に光学レンズユニット３０の作製過程の概略断面図を示す。
図６ａに示すように、シリコン基板３１を準備し、弾性体を形成する領域に凹凸構造３１ａを設ける。この凹部の深さは、用いる材料によっても異なるが、アクチュエータ２１の変位を最大限利用する観点と、光学レンズが重力や慣性力により落下しないように駆動源１０側に押さえつけられている状態にする観点とから、０．５μｍ〜５０μｍが好ましく、１μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。また、凹凸周期は１μｍ〜１００μｍが好ましく、２μｍ〜２０μｍ程度が好ましい。
基板としては、シリコン以外にガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、サファイヤ、およびシリコンカーバイド等を用いることができる。
また、シリコン基板３１の厚さは、例えば３００μｍ〜８００μｍ程度が好ましい。
次に、光学レンズユニット３０の作製方法について説明する。光学レンズユニット３０は、通常のリソグラフィ技術を用いて作製することができる。図６に光学レンズユニット３０の作製過程の概略断面図を示す。
図６ａに示すように、シリコン基板３１を準備し、弾性体を形成する領域に凹凸構造３１ａを設ける。この凹部の深さは、用いる材料によっても異なるが、アクチュエータ２１の変位を最大限利用する観点と、光学レンズが重力や慣性力により落下しないように駆動源１０側に押さえつけられている状態にする観点とから、０．５μｍ〜５０μｍが好ましく、１μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。また、凹凸周期は１μｍ〜１００μｍが好ましく、２μｍ〜２０μｍ程度が好ましい。
基板としては、シリコン以外にガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、サファイヤ、およびシリコンカーバイド等を用いることができる。
また、シリコン基板３１の厚さは、例えば３００μｍ〜８００μｍ程度が好ましい。
次に、図６ｂに示すように、凹凸構造３１ａが形成された表面上に、窒化シリコン膜３２を形成する。この窒化シリコン膜３２が弾性体となる。窒化シリコン膜の厚さは、強度と弾性力を持たせる観点から、０．１μｍ〜２μｍが好ましく、０．２μｍ〜１μｍがより好ましい。
次に、シリコン基板３１の裏面側の、弾性体３４が形成される領域３１ｂおよび光学レンズ３６を配置する領域３１ｃをそれぞれ２段階でドライエッチングして除去する（図６ｃおよび図６ｄ参照）。この時、窒化シリコン膜３２がストッパーの役割をする。弾性体の材料としては、窒化シリコンの他に酸化シリコン、Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくとも１つの材料を含む膜を用いることができる。
さらに、図６ｅに示すように、光学レンズが配置される部分３１ｄの窒化シリコン膜３２を除去して、レンズ保持部３３、弾性体３４および外枠３５を形成する。最後に、図６ｆに示すように、別途作製した光学レンズ３６をレンズ保持部３３に接着材で固定する。接着材としては、光学レンズの機能に影響を及ぼさないエポキシ系ダイボンド樹脂、フッ素系ダイボンド樹脂、およびシリコン系ダイボンド樹脂等を用いることが好ましい。
（フォーカシング機構の作製方法）
上記のように作製した駆動源１０の突起部１８の上に光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３が接するように配置し、光学レンズユニットの外枠３５とアクチュエータ２１を接着材により接着する。接着剤としては、エポキシ系ダイボンド樹脂を用いることが好ましい。
上記のように作製した駆動源１０の突起部１８の上に光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３が接するように配置し、光学レンズユニットの外枠３５とアクチュエータ２１を接着材により接着する。接着剤としては、エポキシ系ダイボンド樹脂を用いることが好ましい。
［撮像モジュール］
次に、本発明のフォーカシング機構を用いた撮像モジュールの一実施形態について説明する。図７に撮像モジュールの一実施形態を示す概略断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態の撮像モジュール５０は、駆動源１０および光学レンズユニット３０からなる本発明のフォーカシング機構４０が、内部に固定レンズ群５２と、撮像素子５３とが配置された筐体５１上に接着材で固着されてなる。
光学レンズユニット３０の光学レンズ３６は、カンチレバー式圧電アクチュエータ２１の駆動によって、光軸方向Ａに移動して、フォーカシングレンズの役割をする。このフォーカシングレンズの役割をする光学レンズ３６と固定レンズ群５２とにより、任意の距離にある被撮像体に対してフォーカシングし、撮像素子５３上に光学像を結像する。
次に、本発明のフォーカシング機構を用いた撮像モジュールの一実施形態について説明する。図７に撮像モジュールの一実施形態を示す概略断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態の撮像モジュール５０は、駆動源１０および光学レンズユニット３０からなる本発明のフォーカシング機構４０が、内部に固定レンズ群５２と、撮像素子５３とが配置された筐体５１上に接着材で固着されてなる。
光学レンズユニット３０の光学レンズ３６は、カンチレバー式圧電アクチュエータ２１の駆動によって、光軸方向Ａに移動して、フォーカシングレンズの役割をする。このフォーカシングレンズの役割をする光学レンズ３６と固定レンズ群５２とにより、任意の距離にある被撮像体に対してフォーカシングし、撮像素子５３上に光学像を結像する。
上記のように、本発明のフォーカシング機構を備えた撮像モジュールは、薄膜からなるカンチレバー式圧電アクチュエータを用いているため、小型化および低消費電力を実現することができる。さらに、駆動源と光学レンズが固定されておらず点接触であり、また、光学レンズは弾性体によって支持されているため、光学レンズは素早く光軸方向に移動することができる。このように、本発明のフォーカシング機構を備える撮像モジュールは、画質の品位を低下させることなく、高速かつ低消費電力で駆動させることが可能である。
上記実施形態におけるフォーカシング機構の駆動源は、アクチュエータが放射状に配置されたものについて説明したが、駆動源はこれ以外にも、アクチュエータが渦巻放射状に配置されたものであってもよい。図８にその駆動源の概略上面図を示す。図９に駆動源の光学レンズが配置された状態の概略上面図を示す。
図８に示すように、駆動源６０は、１８個の同一形状同一長さのアクチュエータ６１がリング状の支持体６２上に渦巻き放射状に配置されてなるものである。アクチュエータ６１は、アクチュエータ６１の長軸方向の端面が弧を描いた形状である。上記駆動源１０と同様に、アクチュエータ６１の駆動先端の光学レンズの光軸方向に垂直な面上に突起部６８が設けられている。そして突起部６８が光学レンズユニット３０のレンズ保持部３３と接するように、光学レンズ３６が配置される（図９参照）。なお、図９において、保持部、弾性体および外枠は省略している。
ここで、上記のような渦巻き放射状に配置されたアクチュエータ６１の長さとは、図１０に示すように、アクチュエータ６１の先端面６３の中心Ｌと、アクチュエータ６１が支持体６２と接する端部の中心Ｍとの間を結んだ直線Ｌ２の長さと定義する。
ここで、上記のような渦巻き放射状に配置されたアクチュエータ６１の長さとは、図１０に示すように、アクチュエータ６１の先端面６３の中心Ｌと、アクチュエータ６１が支持体６２と接する端部の中心Ｍとの間を結んだ直線Ｌ２の長さと定義する。
このような形状および配置とすることにより、狭い領域に長さの長い圧電素子を形成することができ、フォーカシング機構全体のサイズを大きくすることなく（または、光学レンズのサイズを小さくすること無く）高い変位量を得ることができる。
［実施例１］
駆動源および光学レンズユニットを、実施形態に記載の作製方法により以下の条件で作製し、駆動源と光学レンズユニットを接着剤により接着してフォーカシング機構を作製した。
駆動源および光学レンズユニットを、実施形態に記載の作製方法により以下の条件で作製し、駆動源と光学レンズユニットを接着剤により接着してフォーカシング機構を作製した。
（駆動源）
シリコン基板：直径１５０ｍｍ、厚さ３５０μｍ
熱酸化膜：厚さ０．５μｍ
ポリシリコン膜：厚さ１０μｍ
下部電極：Ｔｉ（厚さ２０ｎｍ）／Ｉｒ（厚さ１００ｎｍ）
上部電極：Ｉｒ（厚さ１００ｎｍ）
圧電膜：チタン酸ジルコン酸鉛（ＮｂがＢサイトに１２％添加されたＰＺＴ）、厚さ３μｍ
カンチレバー式圧電アクチュエータの長さＬ１：１ｍｍ。
突起部材料：低粘度型ウレタンアクリレートＵＶ硬化樹脂
突起部被覆材料：テフロン（静摩擦係数０．１）
シリコン基板：直径１５０ｍｍ、厚さ３５０μｍ
熱酸化膜：厚さ０．５μｍ
ポリシリコン膜：厚さ１０μｍ
下部電極：Ｔｉ（厚さ２０ｎｍ）／Ｉｒ（厚さ１００ｎｍ）
上部電極：Ｉｒ（厚さ１００ｎｍ）
圧電膜：チタン酸ジルコン酸鉛（ＮｂがＢサイトに１２％添加されたＰＺＴ）、厚さ３μｍ
カンチレバー式圧電アクチュエータの長さＬ１：１ｍｍ。
突起部材料：低粘度型ウレタンアクリレートＵＶ硬化樹脂
突起部被覆材料：テフロン（静摩擦係数０．１）
（光学レンズユニット）
シリコン基板：直径１５０ｍｍ、厚さ３５０μｍ
窒化シリコン膜：１μｍ
光学レンズのサイズ：直径２．５ｍｍ
シリコン基板：直径１５０ｍｍ、厚さ３５０μｍ
窒化シリコン膜：１μｍ
光学レンズのサイズ：直径２．５ｍｍ
［実施例２］
実施例２のフォーカシング機構は、上記駆動源６０を用いた以外は実施例１と同様である。
実施例２の駆動源のカンチレバー式圧電アクチュエータ６１の長さＬ２は２ｍｍとした。それ以外の駆動源の構成は実施例１と同様である。
実施例２のフォーカシング機構は、上記駆動源６０を用いた以外は実施例１と同様である。
実施例２の駆動源のカンチレバー式圧電アクチュエータ６１の長さＬ２は２ｍｍとした。それ以外の駆動源の構成は実施例１と同様である。
（評価）
上記のように作製したフォーカシング機構に電圧を０Ｖ〜３０Ｖまで印加して、以下の測定方法に従って光学レンズの光軸方向の変位量を測定した。
上記のように作製したフォーカシング機構に電圧を０Ｖ〜３０Ｖまで印加して、以下の測定方法に従って光学レンズの光軸方向の変位量を測定した。
−レンズの変位量測定方法−
各印加電圧において、レンズ３６の中心と外枠３５の高さの差を白色干渉形状測定装置により静的に計測し、電圧０Ｖの時の値をゼロとした。
上記実施例１および実施例２の測定結果を図１１に示す。
各印加電圧において、レンズ３６の中心と外枠３５の高さの差を白色干渉形状測定装置により静的に計測し、電圧０Ｖの時の値をゼロとした。
上記実施例１および実施例２の測定結果を図１１に示す。
図１１に示すように、本発明のフォーカシング機構は、電圧２０Ｖから３０Ｖにおいて、５０〜１００μｍの変位量が得られた。特に、アクチュエータの長さが２ｍｍである実施例２では、カンチレバーの長さが１ｍｍである実施例１と比較すると、印加電圧３０Ｖにおいて、約２倍の変位量が得られた。
１０，６０ 駆動源
１１ シリコン基板
１２，１３ 熱酸化膜
１４ ポリシリコン膜
１５ 下部電極
１６ 強誘電体薄膜
１７ 上部電極
１８，６８ 突起部
１９ レジスト
２１，６１ アクチュエータ
２２，６２ 支持体
２３ 先端面
２４ 駆動先端
２５ 光学レンズの光軸方向に対して垂直な面
３０ 光学レンズユニット
３１ シリコン基板
３２ 窒化シリコン膜
３３ レンズ保持部
３４ 弾性体
３５ 外枠
３６ 光学レンズ
４０ フォーカシング機構
５０ 撮像モジュール
５１ 筐体
５２ 固定レンズ群
５３ 撮像素子
６３ 先端面
Ｌ１，Ｌ２ カンチレバー式圧電アクチュエータの長さ
１１ シリコン基板
１２，１３ 熱酸化膜
１４ ポリシリコン膜
１５ 下部電極
１６ 強誘電体薄膜
１７ 上部電極
１８，６８ 突起部
１９ レジスト
２１，６１ アクチュエータ
２２，６２ 支持体
２３ 先端面
２４ 駆動先端
２５ 光学レンズの光軸方向に対して垂直な面
３０ 光学レンズユニット
３１ シリコン基板
３２ 窒化シリコン膜
３３ レンズ保持部
３４ 弾性体
３５ 外枠
３６ 光学レンズ
４０ フォーカシング機構
５０ 撮像モジュール
５１ 筐体
５２ 固定レンズ群
５３ 撮像素子
６３ 先端面
Ｌ１，Ｌ２ カンチレバー式圧電アクチュエータの長さ
Claims (9)
- ３つ以上のカンチレバー式圧電アクチュエータが放射状に配置されてなる駆動源と、
外枠、光学レンズ、該光学レンズを該光学レンズの周囲で保持するレンズ保持部、およ
び該レンズ保持部を前記外枠に連結し前記光学レンズの半径方向に伸縮する弾性体からな
る光学レンズユニットと、
を備え、
前記カンチレバー式圧電アクチュエータが、該カンチレバー式圧電アクチュエータの駆
動先端の前記光学レンズの光軸方向に対して垂直な面で前記レンズ保持部に接し、前記カ
ンチレバー式圧電アクチュエータの駆動によって前記光学レンズを該光学レンズの光軸方
向に動かしてフォーカシングし、
前記カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動方向に垂直な面が、０．５以下の静摩擦係数を有する材料で覆われているフォーカシング機構。 - 前記カンチレバー式圧電アクチュエータの駆動方向に垂直な面に突起部を有し、該突起部が前記レンズ保持部に接している請求項１記載のフォーカシング機構。
- 前記突起部の表面が、０．５以下の静摩擦係数を有する材料で覆われている請求項２記載のフォーカシング機構。
- 前記３つ以上のカンチレバー式圧電アクチュエータが渦巻き放射状に配置されている請求項１から３いずれか１項記載のフォーカシング機構。
- 前記カンチレバー式圧電アクチュエータが等方性材料からなる請求項１から４いずれか１項記載のフォーカシング機構。
- 前記等方性材料がポリシリコンである請求項５記載のフォーカシング機構。
- 前記カンチレバー式圧電アクチュエータが薄膜からなる請求項１から６いずれか１項記載のフォーカシング機構。
- 前記弾性体が蛇腹状の窒化膜である請求項１から７いずれか１項記載のフォーカシング機構。
- 請求項１から８いずれか１項記載のフォーカシング機構を備えた撮像モジュール。
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