JP6986785B2 - 形状記憶合金薄膜アクチュエータアレイによるオートフォーカス駆動機構 - Google Patents

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。

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）。

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）。

オートフォーカス駆動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。

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。

特開２０１３−２５４１８４号公報 特開２００９−１９６０６０号公報 特開２０１１−１０９８５３号公報 特開２００９−８９３０６号公報

Ａ． Ｉｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ.、 Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒ． Ｓｔｒｕｃｔ．、 １６（２００７）１６７２. Ａ． Ｉｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ.、 Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒ． Ｓｔｒｕｃｔ．、 １４（２００５）Ｓ２１６. Ａ． Ｉｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ.、 Ｊ． 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。

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駆動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。

一方、特許文献３と４では、平面視矩形の可動部品の対向する２辺に沿って延びて配置され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の長さのカンチレバーは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。

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形状回復力を物を持ち上げる力として利用できないことが指摘されている。

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。

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、先端側が基板から解放されて反り上がった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アレイ基板と、
移動対象物を支持するプレートと、
前記複数の形状記憶合金薄膜が、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アレイ基板、前記プレート、および前記バイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備え、
室温時に前記対象物を支持するプレートの移動が前記アクチュエータアレイ基板の基板によって停止することによって、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オートフォーカス駆動機構。
[２] 前記対象物を支持するプレートの移動が前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態終了温度よりも高い温度で前記アクチュエータアレイ基板の基板によって停止することを特徴とする［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の薄膜と積層され、熱処理後の熱ひずみによって、当該形状記憶合金薄膜がオーステナイト相で前記基板に対して反り上がった形状とされると共に、
前記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の薄膜は、ＳｉＯ _２ 薄膜であることを特徴とする［１］又は［２］に記載のオートフォーカス駆動機構。
［４］ 前記移動対象物を支持するプレートの上面にスペーサーが突設されており、当該スペーサーの上端部が前記バイアスばねの下面に接するように構成されたことを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
［５］ 前記バイアスばねが、前記アクチュエータアレイ基板と同様の構成を有する第２のアクチュエータアレイ基板であることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
［６］ 前記基板は、Ｓｉウエハ基板であることを特徴とする［１］乃至［５］のいずれか一項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]のいずれか一項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]のいずれか一項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]のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。

［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基板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］のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。

[１２] ［１］乃至［１１］のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構を有し、前記形状記憶合金薄膜を加熱する加熱手段によって、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ことを特徴とするカメラモジュール。
[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ことを特徴とする［１２］に記載のカメラモジュール。
[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、手振れ補正機能を具備するように構成したことを特徴とする［１２］乃至［１５］のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
[１７] ［１２］乃至［１６］のいずれか一項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。

このように構成した発明［１］によれば、移動対象物を支持するプレートに負荷される全体の荷重を、当該プレートの辺もしくは径の長さよりも長さの短い複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全体の負荷荷重を増やすことができ、オートフォーカス駆動機構の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）に基板のなす平面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）に基板のなす平面に対して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逆変態による大きい形状回復力を移動対象物を持ち上げる（移動させる）駆動力として利用できる。
また上記の構成を有する発明[１]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[２]によれば、オートフォーカス駆動機構の作動温度を形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態終了温度よりも高く設定できる。

上記の構成を有する発明［３］によれば、形状記憶合金薄膜と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の薄膜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）を基板のなす平面に対して反り上がった形状にできると共に、ＳｉＯ_２膜を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の薄膜として利用でき、また、基板との間の絶縁を図ることができる。

上記の構成を有する発明［４］によれば、フラットな形状を有するバイアスばねを用いて、移動対象物を支持するプレートを下向きに押さえつける力を得ることができる。
上記の構成を有する発明［５］によれば、アクチュエータアレイ基板を構成する形状記憶合金薄膜に通電する電流を制御してバイアスばねのばね定数を室温で低ヤング率、高温で高ヤング率に設定することにより、ばね定数一定のバイアスばねを使った場合に比べてオートフォーカス駆動機構のストロークを増加させることができる。

上記の構成を有する発明［６］によれば、半導体プロセスを利用することにより、［１］乃至［５］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。

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。

上記の構成を有する発明［８］と［９］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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、移動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。

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。

アクチュエータアレイ基板の模式図である。図１（ａ）は基板上に形成された１個のバイモルフ型のカンチレバー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）は図１（ａ）の形状記憶合金薄膜アクチュエータの平面図である。図１（ｃ）はカンチレバー型形状記憶合金薄膜アクチュエータを基板上に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）はカンチレバー型形状記憶合金薄膜アクチュエータを基板上に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。 オートフォーカス駆動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バイアスばね（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。図２（ｄ）は支持プレートの上面に突設したスペーサーを設けることによって、フラットな形状のばね板を使用した例を示している。 アクチュエータアレイ基板の様々な利用形態を示す図である。図３（ａ）は図２（ａ）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）は複数のアクチュエータアレイ基板を積み重ねた形態、図３（ｄ）は第２のアクチュエータアレイ基板をバイアスばねとして用いた形態を示している。 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）は熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成させたＳｉウエハ基板上に形状記憶合金薄膜を成膜して結晶化熱処理する工程、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する工程、図４（ｃ）はＳｉＯ_２膜をエッチングする工程、図４（ｄ）はＳｉウエハ基板を等方性エッチングする工程を示している。 オートフォーカス駆動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アレイ基板と、移動対象物を支持する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_ＢＥ_Ｂの初期荷重Ｆ_Ｂ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ウエハ基板上に押さえつけられた状態（室温）を示している。 バイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータの形状（アクチュエータの長さと、形状記憶合金薄膜及びＳｉＯ_２膜の厚さ）を変えたオートフォーカス駆動機構のストロークと許容荷重のシミュレーション結果を示している。 （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。

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。形状記憶合金薄膜アクチュエータ２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Ｕ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。なお、以下では、形状記憶合金薄膜アクチュエータ２を構成する薄膜のうち、基板１に近い側にある薄膜４を便宜的に「下層」とも称する。
形状記憶合金薄膜アクチュエータ２は、図１（ａ）に示すように、固定端側（図１（ａ）における左側）が基板１に固定され、先端側（図１（ａ）における右側）が基板１から解放されている。また、図１（ａ）では、形状記憶合金薄膜アクチュエータ２が基板１のなす平面（図１（ａ）の紙面左右方向の面）に対して反り上がった形状である状態を示している。

なお、図１（ａ)のように形状記憶合金薄膜アクチュエータ２を基板１から反り上がった形状にする方法としては、例えば、作製時に施される熱処理によって残留する熱ひずみを利用する方法が挙げられる。また、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なども考えられ、この場合は下層の薄膜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層膜であることによって得られる熱ひずみは、形状記憶合金薄膜アクチュエータ２に基板１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１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。

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形状記憶合金薄膜アクチュエータ２（以下、「カンチレバー型アクチュエータ２」とも称する。）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２を基板１の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、動作の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１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。

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駆動機構を組み立てた図である。図２（ａ）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（以下、「プレート９」とも称する。）、ばね板（バイアスばね）１０を積み重ねた構造であり、ケース（筐体）１２によって当該構造を保持している。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の変位量の厚さしかなく、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、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（例えば、図１（ｃ）、（ｄ）の符号６で示すような支柱穴）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を使ってプレート９とカンチレバー型アクチュエータ２の接触点を複数設けることによって、プレート９を面状に支えている、すなわち、面接触と同等の効果を得ていることによる。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３や４に比べて接点の位置を正確に合わせる必要がない。

このようなアクチュエータアレイ基板の利点を使えば、図２（ｂ）のようなばね板１０の内部の可動部１４が図２（ｃ）のプレート９と接合されていて、さらにばね板1０の固定枠１３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バイアスばね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。また、ばね板は図２（ａ）に示すような下向きに曲がった形状に限定される必要はなく、フラットな形状であってもよい。その場合は、ばね板１０をプレート９に対して斜めに取り付けるか、図２（ｄ）に示すようにプレート９とばね板１０の間にスペーサー２１を設け、プレート９の上面から突設したスペーサー２１の上端部がばね板１０の下面に接するようにすることによってプレート９を押さえつける力を得ることができる。あるいは、後述するように、バイアスばねとして第２のアクチュエータアレイ基板を用いることもできる。

なお、図２（ａ）の組み立て図は、本発明のオートフォーカス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、プレート９、ばね板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、プレート９の形状記憶合金薄膜（カンチレバー型アクチュエータ２を構成する形状記憶合金薄膜３）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９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。

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（ａ）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あり、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２ａ、２ｂのアレイ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量を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。図３（ｄ）は図２（ａ）のばね板（バイアスばね）１０の代わりに、第２のアクチュエータアレイ基板７ｂをバイアスばねとして用いた例である。この場合、アクチュエータアレイ基板７ｂ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２ｂに通電する電流を制御してバイアスばね７ｂのばね定数を室温で低ヤング率、高温で高ヤング率に設定することにより、ばね定数一定のバイアスばねを使った場合に比べてオートフォーカス駆動機構のストロークを増加させることができる。

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_２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ウエハ基板１６上に熱酸化によってＳｉＯ_２膜１５ａ及び１５ｂを形成させる。ＳｉＯ_２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_２膜はＣＶＤ法などの他の方法によって作られてもよい。熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成させたＳｉウエハ基板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。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、形状記憶合金薄膜アクチュエータ２（形状記憶合金薄膜３とＳｉＯ_２膜１５ａ）をＳｉウエハ基板１６から反り上がった形状に変える重要な役割を果たす（図４（ｄ））を参照）。

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、５０原子％以上で５５原子％以下のＴｉと５原子％以上で１０原子％以下のＣｕを含むＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ合金薄膜、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。

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。

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。

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_３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_２膜１５ａをバッファードフッ酸によってエッチングする。

図４（ｄ）で、さらに、ＳｉＯ_２膜１５ａの下のＳｉウエハ基板１６を、ＸｅＦ_２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_２膜１５ａからなる２層膜（形状記憶合金薄膜アクチュエータ２）をＳｉウエハ基板１６から解放する。この際に２層膜がＳｉウエハ基板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_２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。
なお、図４に示す半導体プロセスは形状記憶合金薄膜アクチュエータ２のアレイの作製法の一例であり、図１（ａ）、（ｂ）に示すような形状記憶合金薄膜アクチュエータの構成や、図１（ｃ）、（ｄ）に示すようなアクチュエータアレイ基板の構造を実現できれば、図４の工程に沿う必要はなく、Ｓｉを使った半導体プロセスに拘る必要もない。例えば、アクチュエータアレイ基板の基板として金属や樹脂あるいはガラスの基板を用いることによって、オートフォーカス駆動機構の製造コストを低減することができる。

図５に本発明によるオートフォーカス駆動機構の駆動原理と設計に用いたシミュレーションモデルを示す。図５（ａ）は、高温加熱時（Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ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（筐体）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（以下、「プレート９」とも称する。）及びばね板１０を積み上げた状態を示す。Ｅ_Ａ及びＥ_Ｂはばね定数、δ_Ｔ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にばね板１０からＦ_Ｂの力を与えた時の状態を示す。χ_Ｂは、ばね板１０の垂直方向の収縮量（ケース上蓋１９の変位量）、δ_Ｂ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（ケース底面２０の変位量）である。

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_Ｗ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（すなわち、δ＝δ_Ｔ−δ_Ｂ−δ_Ｗ）である。δは高温時（δ_Ｈ）と低温時（δ_Ｌ）で異なり、この差がプレート９のストロークになる。ばね板１０から働く力Ｆ_Ｂが小さい場合は、δ_Ｌ＞δ_Ｈとなり、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ形状記憶合金薄膜１８がプレート９を低温時に支えることになり、加熱時の逆変態による形状回復力をプレート９の移動に使うことができない。しかし、ばね板１０の力Ｆ_Ｂを大きくすることによってδ_Ｌ＜δ_Ｈにすることができて加熱時の形状回復力を利用してプレート９を持ち上げることができるようになる。さらに適切なＦ_Ｂの値を選ぶことによって、δ_Ｌ＜０＜δ_Ｈに設定することができる。この場合、図５（ｄ）のように、プレート９の移動は、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ形状記憶合金薄膜１８のマルテンサイト変態の途中で基板１によって止められる。変態終了温度の手前の高い温度でプレート９の移動が停止するために作動温度をＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ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、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Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ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。

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（アクチュエータの長さと、形状記憶合金薄膜及びＳｉＯ_２膜の厚さ）を変えることで、１００〜６００μｍのストロークと１４ｇｆを超える荷重を許容できるオートフォーカス駆動機構が作製できる。また、多くの場合、δ_Ｌ＜０＜δ_Ｈとなって、形状記憶合金薄膜のマルテンサイト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レンズによる荷重は同じであるが、バイアスばねをほとんど使わない（ばね板による荷重が０．１２ｇｆである）６番の例では、δ_Ｌ＞δ_Ｈとなって形状記憶合金薄膜の加熱時に発生する大きい形状回復力を利用できず、ストローク（δ_Ｈ−δ_Ｌの絶対値）は２１μｍに留まる。一方、バイアスばねによる荷重を増やした（ばね板による荷重が２．０９ｇｆである）７番の例では、δ_Ｌ＜δ_Ｈと変位が逆転し、３００μｍのストローク（δ_Ｌの値が負の値であるため、δ_Ｈの値の全量）が得られる。すなわち、形状記憶合金薄膜の形状回復力を利用する（形状記憶合金薄膜アクチュエータが加熱時のオーステナイト相で反り上がった形状となり、冷却時のマルテンサイト相で平坦な形状になる）ためには、できるだけ大きい荷重で使う必要があり、レンズによる荷重が小さい場合には、バイアスばねで荷重を補うことが必要である。８番の例は特許文献３に記載されているように可動部品の対向する２辺に沿って延びるように設置した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であるが、δ_Ｌ（−１３５５８２μｍ）とδ_Ｈ（３００μｍ）の比較からレンズ（移動対象物）の駆動に使える形状記憶合金薄膜のマルテンサイト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。

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。図７（ａ）に示すように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、１マスを１．２ｍｍ×１．２ｍｍとして合計６４マスに、アクチュエータのアレイを配置することができる。つまり、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が幅１００μｍ、長さ１０００μｍの場合、図７（ｂ）に示すように１マス（１．２ｍｍ×１．２ｍｍ）あたり１０本配置できるので、６４マスの合計で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に示した許容できる荷重はそれぞれ約１．５６倍になる。

なお、上記の実施形態においては、オートフォーカス駆動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。

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。

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（筐体）
１３ ばね板固定枠
１４ ばね板可動部
１５ａ、１５ｂ ＳｉＯ_２膜
１６ Ｓｉウエハ基板
１７ ＳｉＯ_２膜
１８ Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ形状記憶合金薄膜
１９ ケース（筐体）上蓋
２０ ケース（筐体）底面
２１ スペーサー

Claims (17)

1. 固定端側が基板に固定され、先端側が基板から解放されて反り上がった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アレイ基板と、
   移動対象物を支持するプレートと、
   前記複数の形状記憶合金薄膜が、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アレイ基板、前記プレート、および前記バイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備え、
   室温時に前記対象物を支持するプレートの移動が前記アクチュエータアレイ基板の基板によって停止することによって、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オートフォーカス駆動機構。
2. 前記対象物を支持するプレートの移動が前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態終了温度よりも高い温度で前記アクチュエータアレイ基板の基板によって停止することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス駆動機構。
3. 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の薄膜と積層され、熱処理後の熱ひずみによって、当該形状記憶合金薄膜がオーステナイト相で前記基板に対して反り上がった形状とされると共に、
   前記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の薄膜は、ＳｉＯ _２ 薄膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載のオートフォーカス駆動機構。
4. 前記移動対象物を支持するプレートの上面にスペーサーが突設されており、当該スペーサーの上端部が前記バイアスばねの下面に接するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
5. 前記バイアスばねが、前記アクチュエータアレイ基板と同様の構成を有する第２のアクチュエータアレイ基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
6. 前記基板は、Ｓｉウエハ基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項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請求項１〜６のいずれか一項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請求項１〜６のいずれか一項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請求項１〜６のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
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請求項１〜９のいずれか一項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基板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のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のオートフォーカス駆動機構を有し、前記形状記憶合金薄膜を加熱する加熱手段によって、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ことを特徴とするカメラモジュール。
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ことを特徴とする請求項１２に記載のカメラモジュール。
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請求項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請求項１２に記載のカメラモジュール。
16. 駆動電流を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、手振れ補正機能を具備するように構成したことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
17. 請求項１２〜１６のいずれか一項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。
    

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