JPH05261061A

JPH05261061A - マイクロアクチュエータ

Info

Publication number: JPH05261061A
Application number: JP4060678A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Uchiyama; 秀紀内山; Kenji Murakami; 賢治村上
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、微小化が容易で，応答速度が高いア
クチュエータを提供することを第１の目的とし、小型化
を図って駆動時の屈曲角度が増大し，駆動レスポンスを
容易に変更でき，駆動時の破壊，故障の発生が少ないこ
とを第２の目的とする。【構成】延性のある有機被膜(65)と延性の有機配線(67)
とを有し、圧電板(61)と圧電板(61)に貼り付いている弾
性板(62)と電気的に絶縁性のある剛性板(63)の仕切りと
をもつ複合型素子を積層させた構成のマイクロアクチュ
エータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に微小変位を必要と
する分野あるいは能動型内視鏡に用いられるマイクロア
クチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、積層電圧アクチュエータとして
は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すものが知られている。こ
のアクチュエータでは、図１（Ａ）に示すように分極方
向（矢印に示す通り）の異なる圧電薄膜１，２を交互に
積層し電圧を加える。その結果、図１（Ｂ）に示すよう
に全体の０．１％程長さが矢印方向に長くなる。この積
層電圧アクチュエータは発生力が大きい，反応速度が大
きい等の長所を有する。逆に、同アクチュエータは、分
極方向を交互に積層しなくてはならない，生産性が低
い，加工の問題から微小化が難しい等の短所がある。

【０００３】図２は通電加熱駆動型ＳＭＡアクチュエー
タを示す。Ｔｉ−Ｎｉ系のＳＭＡは通電すると、容易に
加熱されて収縮，伸縮する。この特徴を利用してアクチ
ュエータとして使用されている。図２（Ａ）のように通
電加熱型ＳＭＡ３に電流を加えると、図２（Ｂ）のよう
に伸張する。伸張量は全体の１０％程度である。通電加
熱型駆動型ＳＭＡアクチュエータの長所は変位量が大き
い，発生力が大きい等であり、逆に短所は応答速度が遅
い，アクチュエータ自体が高温になる等である。

【０００４】また、従来、能動型内視鏡が研究段階にあ
るが、、前記能動型内視鏡の研究は生田等（現在九州工
業大学所属，例えば日本ロボット学会15/5/1987 ），
Ｐ．Ｄario等（例えばＩＥＥＥＭＥＷＳ´91）が行っ
ているが、これらの文献で紹介された能動型内視鏡はい
ずれも駆動源にＳＭＡ（形状記憶合金：Ｓharpe Ｍemor
y Ａlloy）を用いている。生田等はＴｉ−Ｎｉ系のＳＭ
Ａをスプリング状に生形し、スプリングの伸縮運動をア
クチュエータとして利用している。彼等はこれをξ（ク
サイ）−array （アレイ）と呼ぶ。図22（Ａ），（Ｂ）
はその概念図を示す。各アレイには電気回路によって電
圧が印加される。配線に対してＳＭＡアクチュエータは
電気的抵抗が高いため、ＳＭＡアクチュエータに熱が生
じる。任意に設定された温度に達すると、ＳＭＡは相変
態を起こし伸長する方向へ変形する。ＳＭＡアクチュエ
ータが保有する熱を放出するための冷却設備がさらに必
要になる。冷却設備無しで自然冷却を利用する方法もあ
るが、アクチュエータの反応が鈍くなり性能を落とす。

【０００５】図23は、内視鏡に上記アレイを配置した図
である。この機構で寸法φ13×215，総重量32ｇ，最大
曲げ角度60゜，次第曲げ速度毎秒30゜，を実現してい
る。フランジによってモジュ−ル化され、管周に複数個
並列に配置されたアレイが複数個配置され内視鏡全体を
駆動している。１つのモジュールにアレイが複数個配置
されているため３次元的な駆動が可能になる。また、冷
却用に用いる水冷チューブを循環させ、常時アレイを冷
却する。このため、ＳＭＡアクチュエータとしては反応
が早い。なお、図23において、11は外ケ−ス、12はサイ
ドフランジ、13は中間フランジ、14は鉛ワイヤ、15はＳ
ＭＡコイルスプリング、16は針状コイルスプリングのさ
や、17は針状コイルスプリング、18は冷却管、19はファ
イバースコープを夫々示す。

【０００６】また、Ｐ．Ｄario等は図24に示すようにＳ
ＷＡワイヤをＹ軸上に２つずつ配置する。平行に配置さ
れたＳＭＡワイヤ20ａ，20ｂはＸ軸回りに互いに相反す
る方向に曲がるように形状記憶されている。ＳＭＡワイ
ヤ20ｃ，20ｄについても同じようにＹ軸回りに曲がる。
図25はＳＭＡアクチュエータを用いた中空管を概念的に
示している。ＳＭＡアクチュエータの他に光学センサが
配置されているが角変位を検出に用いている。なお、図
26中の21はファイバ光センサ、22はＵ形ＳＭＡアクチュ
エータを示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術によれば、以下に列挙する問題点を有する。（積層電圧マイクロアクチュエータの場合）： (1) 変位量が小さい。

【０００８】積層電圧マイクロアクチュエータの変位量
は全長０．１％程度と小さく、実際に使用するには何等
から変位拡大機構が必要となってくる。従って、アクチ
ュエータの構造が複雑かつ巨大化してしまいマイクロア
クチュエータとして問題となる。 (2) 分極方向を交互に積層しなくてはならない。

【０００９】圧電・電歪アクチュエータは多結晶体構造
要素のグレインごとにいろいろな分極方向を持っている
ので、電圧を印加しても歪みが相殺されてしまうことか
ら一度大きな電界を印加して分極方向をそろえる必要が
ある。そのため、分極方向を交互に積層しなければなら
ない積層電圧アッセンブルができるだけの大きさに制限
されてしまう。 (3) 生産性が低い。

【００１０】積層電圧アクチュエータを製造するには粉
体製造，焼成工程，積層体の作製等工程数が多いために
生産性が低い。マイクロアクチュエータは複数で使用す
ることが殆どであると考えられるので、生産性が低いこ
とは問題である。 (4) 加工の問題から微小化が難しい。加工の制約上一枚の圧電素子の厚さを薄くできないため
微細化が難しい。そのため、現在の加工法ではマイクロ
アクチュエータには向かない。（通電加熱駆動型ＳＭＡアクチュエータの場合）： (1) 応答速度が低い。

【００１１】ＳＭＡは逆変態の開始温度（Ａｓ点）にな
ってから逆変態の終了温度（Ａｆ点）になるまで変位を
続ける。この特徴により、Ａｓ点間では変化せず、Ａｓ
点以降に徐々に変位するといった様に時間の遅れを生じ
る。冷却の時も同じ経路をたどるので、応答速度は遅く
なる。 (2) アクチュエータ自体が高温になる。

【００１２】ＳＭＡはＡｆ点まで温度を上げなくてなら
ないため、アクチュエータ自体が高温になってしまう。
従って、通電加熱駆動型ＳＭＡアクチュエータは体内で
の使用等利用できない分野が多い。（能動型内視鏡に用いるアクチュエータの場合）：

【００１３】従来型の内視鏡は能動型ではなく、手元で
操作する受動型である。そのため、屈曲した管内（例え
ば大腸等）に挿入するのはかなりの熟練を要し、患者に
とってもかなりの不快感がある。検査不可能部位なども
多い。また、最近内視鏡を用いて細血管内，体内の各細
管などの検査を行なう需要が高まり、内視鏡の細径化が
求められている。しかし、内視鏡の細径化を行なえば、
内視鏡の剛性が低くなり手元で受動的に操作することが
困難になる。能動型内視鏡はこれらのニ−ズに答えるた
めに研究開発が進められている。

【００１４】上記に示したＳＭＡアクチュエータを用い
た管状マニピュレータも能動内視鏡の開発を目的として
いる。しかし、ＳＭＡアクチュエータを用いた従来法に
は問題点が多い。ＳＭＡアクチュエータは、現段階では
所望の出力が得られていない。内視鏡に用いるためには
制御された大出力の変位が必要であり、現段階での出力
では腸等複雑な形状の中を無理なく進むことは難しい。
血管などの細管に侵入して作業を行なう内視鏡では更な
る細径化，微小化が必要になる。しかし、ＳＭＡアクチ
ュエータを用いた能動型内視鏡の微小化，細径化は以下
に示す点で受動型の場合よりも困難である。 1)管状にアクチュエータを配置しなければならない。 2)アレイを形成するためにかなりの容積を必要とする。 3)アレイやＵ形（shaped）の成形も微小化に伴って難し
くなる。 4)ワイヤの細径化が困難である。 5)構成の複雑さから微小化が困難である。微小化，細径化には製造方法の簡便性が重要である。そ
の点でもアレイは微小化に致命的欠点を有する。

【００１５】一方、ＳＭＡアクチュエータ単体の性能は
出力，変位共に他の駆動原理と比較しても中間レベルに
ある。しかし、現在のところサイズ的な限界，低応答
性，外部温度依存，低エネルギー効率といった欠点、さ
らには体内に用いる場合には変態点温度や放熱法等多く
の問題を抱えている。管状マニュピュレータの微小化，
細径化には、 1)駆動原理が単純であること。 2)微小化に伴って出力が減少しないこと、むしろ増加傾
向を示すこと。 3)外界への依存度が低いこと。 4)構造がなるべく単純であること。

【００１６】等の条件が必要になろう。微小化に伴って
出力が減少せず、内視鏡の屈曲に用いることのできる新
たなアクチュエータの構造，構成，及び出力源について
検討した。

【００１７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、微小化が容易で，応答速度が高いアクチュエータを
提供することを第１の目的とし、小型化を図って駆動時
の屈曲角度が増大し，駆動レスポンスを容易に変更で
き，駆動時の破壊，故障の発生が少ないアクチュエータ
を提供することを第２の目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】図３（Ａ）〜（Ｄ）は、
本願第１の発明の概念図を示す。図３（Ａ）に示すよう
に矢印方向に分極方向をもつ圧電板31に電圧を印加す
る。すると、図３（Ｂ）の矢印方向に伸張変位する。こ
の圧電板31に弾性体32を貼り付け電圧を印加する（図３
（Ｃ）参照）と、弾性板32は長さ方向に伸びずに全体と
して図３（Ｄ）に示した矢印方向に変形する。

【００１９】この変形を変位として有効に取り出す構造
を図４（Ａ），（Ｂ）に示す。この構造は、図３（Ｃ）
に示した構成要素を並列に配置して、その圧電板41，弾
性体42のに変形しない材料でできた剛性板43を配置す
る。圧電板41，弾性体42と剛性板43は接着いていなく、
その隙間は小さいほうが変位を無駄なく取り出せるので
よい。図４（Ａ）に示したように電圧を印加すると、図
４（Ｂ）のように圧電板41，弾性体42が変形して押し退
けて全体として矢印方向に変位する。この構造は、圧電
板41，弾性板42の変形を一つ一つ剛性板43が変位として
受け止めているので構成要素を並列に配置する分だけ大
きな変位が得られる。次に、本願第２の発明について述
べる。

【００２０】駆動には静電型のアクチュエータを用い
る。静電アクチュエータは一般に出力が微量であるとい
われ、現在の利用用途としては大出力を必要としない部
分に限定されている（マイクロモータやマイクロミラー
等）、静電エネルギは図26に示すような電極板間で、下
記式から得られることが知られている。Ｕ＝εＷＩＶ² ／２ｄ但し、Ｕ；静電エネルギ、ε；導電板51，52間の誘電
率、Ｗ；横幅、Ｉ；縦幅、ｄ；導電板間の距離（ギャッ
プ幅）を示す。

【００２１】これを検討すれば静電エネルギを増大させ
るには電極面積を大きくする，電圧を上げる，電極間距
離を小さくすることによって達成される。特に、電極間
距離を小さくすることは微小化の条件にも都合がよく、
電極間距離の微小化によってエネルギは無限に増大す
る。一方、静電アクチュエータはＳＭＡアクチュエータ
と異なり、基本的に摺動部を必要する構造であるため、
これが生じない構造等，ＳＭＡアクチュエータとは異な
った問題もある。静電アクチュエータを用いる場合は、 1)電極間距離が小さい。 2)電圧，電極面積をなるべく大きくとる。 3)電極間は誘電率の高い雰囲気で満たす。を考慮する。しかし、上記2)について、電極面積が微小
化に伴って減少し、さらに微小化によって電圧も制限さ
れるため、ここでは考慮しない。静電力を用いる場合、
構造的には 4)駆動時に電極面積，電極間距離が変化しない構造。 5)摺動部がなく、摩擦，磨耗，疲労等、破壊が生じにく
い構造。 6)駆動時に形状が変形しない構造。構造によっては部分
的にシワが生じ、構成に影響を与える場合がある。を考慮し、変位量がアクチュエータ単体は非常に小さ
く、複数のアクチュエータを協調して用いることが必要
になる。そのため、 7)各アクチュエータを連結する自由度の高い機構。 8)各アクチュエータを個々にセンシングするセンサ。等を考慮する。以上の条件を満たす構造，構成を以下の
ように提案する。

【００２２】提案は静電力を用いる直動型のアクチュエ
ータであり、基本的な概念は駆動時に摺動部が存在しな
い構造（静電力による引力、斥力を相対する電極間に発
生させ、この力によって駆動する構造）、駆動時にアク
チュエータが駆動方向以外で形状変化を起こさせない構
造、さらにシステムとして利用することによって自由度
が高く任意の方向に屈曲が可能なアクチュエータであ
る。

【００２３】図27（Ａ），（Ｂ）にアクチュエータ単体
の基本的な理想的概念構造を示す。基本的な構成は図に
示すように２種類考えられる。図27（Ａ）のアクチュエ
ータ単体は、円筒管53，54と、円柱管55と、連結管56に
よって構成されている。円筒管53，54の内壁には電極が
あり、円柱管55にも電極があり、これらに電圧を印加す
ることによって斥力あるいは引力が生じ、円筒管53，54
に対して円柱管55を浮上させ、リニアに駆動される。駆
動時に円柱管55は円筒管53，54に双方に引っ張られるた
め、円筒管53，54に加わる力量は常に同じでなければな
らない。アクチュエータ自体はリニアに駆動するが、特
にこれをシステムの一部として用いる場合、駆動によっ
てアクチュエ−タが屈曲する場合も大いに有り得る。し
かし、アクチュエータは構造上屈曲することはできな
い。そのため、連結部56は各アクチュエータを連結する
だけでなく、屈曲が可能で、駆動時に生じる屈曲の全て
が、連結部56によって吸収される。図27（Ｂ）は図27
（Ａ）に示した構造から円筒管56を取り除き、連結部56
によって円筒管54と円柱管55が連結された構造である。
図27（Ａ）と同様に、円筒管54の内壁と円柱管55表面に
は電極があり、この電極に電圧を印加することによって
斥力あるいは引力を発生させ、リニアに駆動する。図27
（Ａ）に示した構成とは異なり、円柱管55の端の一方を
連結部によって固定され、一方が駆動に用いられるた
め、両端の力量バランスをとる必要はない。しかし、変
位量は図27（Ａ）に示した構成の方が大きく取れる。こ
れらの構成は用途，目的によって使い分ける。円筒管5
3，54と円柱管55の各内面，表面に配置された電極は円
柱管55の浮上の際、電圧の変化を微妙に制御しなければ
ならない。制御ファクタには、電極面積，電圧，電極間
距離等がありこれらをシステマティックに制御する。

【００２４】この駆動について、図28に基本的な概念を
示す。但し、円柱管55は予め浮上しているものとする。
図28（Ａ）には、円柱管55の表面の電極とその上部に円
柱管55とは少しずれた場所に円筒管53の内壁に電極があ
る。この電極間に斥力を働かせれば、要素（円柱管，円
筒管等の構造を以下、要素と略す）56は矢印Ｘ方向に進
み、引力が働けば要素56は矢印Ｙ方向に進む。図28
（Ｃ），（Ｄ）は要素57の電極を図に示すように断続的
に配置し、各々の電極が独立に制御可能な構造になって
いる。電極間に斥力が働く場合、矢印方向に要素57を動
かすには、要素56の電極58ａ，58ｂに電圧を印加する。
斥力によって電極58ａ，58ｂから離れようと矢印方向に
要素56が移動し始める。要素57の移動に伴って、要素57
の電圧の印加される電極も電極58ｂ，58ｃから電極58
ｃ，58ｄと移動し、要素57の移動を促進させる。また、
電極間に引力が働く場合、電極58ｂ，58ｃ，58ｄに電圧
を印加したとき、要素56は電極58ｄに引き寄せられ矢印
方向に引きずられていく。この場合も、電圧が印加され
る電極を電極58ｂ，58ｃ，58ｄから電極58ｃ，58ｄ，58
ｅと変更していくことによって要素57の移動を促進す
る。

【００２５】

【作用】本願第１の発明によれば、微小化が容易で，応
答速度が高いアクチュエータを提供でき、本願第２の発
明によれば、小型化を図って駆動時の屈曲角度が増大
し，駆動レスポンスを容易に変更でき，駆動時の破壊，
故障の発生が少ないアクチュエータを提供できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図を参照し
て説明する。（実施例１）

【００２７】図５（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例１に
係るユニモルフマイクロ圧電アクチュエータの説明図を
示す。圧電板61は同一の横方向に分極をもつ圧電材料
（例えばＰＺＴ）からなり、弾性体62は弾性のある材料
（例えばリン青銅）または変位拡大率を上げるため弾性
的異方性のある材料からなり、剛性体63は変形が小さく
電気的に絶縁された材料からなる。ここで、圧電体61と
弾性体62は一体化していて剛性板63は独立している。ま
た圧電板61，弾性体62と剛性板63との隙間は、小さい程
圧電板，弾性板の変形が有効的に変位に変換されるので
良い。

【００２８】図中の64，65，66は有機薄膜を、67は導電
性高分子配線を夫々示し、これらは同じ延性率をもつ材
料からなる。ここで、前記有機薄膜64は導電性高分子配
線67の土台と保護及びユニモルフマイクロ圧電アクチュ
エータを基板から分離するときのマスクとしも利用され
る。前記導電性高分子配線67は半導体平面フォトリソグ
ラフィー技術を利用して製作されたもので、図３（Ｃ）
に示したように圧電板に電圧を印加するように配線され
ている。前記有機薄膜65は、導電性高分子配線67の凹凸
を平坦化する役目をもつ。前記有機薄膜66は、アクチュ
エータの変位が直線的になるように有機薄膜64，65とつ
りあった厚さを有し、圧電板61，弾性板62，剛性板63を
支持している。

【００２９】いま、図５（Ａ）において導電性高分子配
線67に電圧Ｖを印加すると、圧電板61は変形して図５
（Ｂ）のように長さが変位する。電圧Ｖの印加を中止す
ると、図５（Ａ）に示した元の長さに戻る。１つ１つの
圧電板61に個別に電圧を印加できるように導電性高分子
配線67を配線すれば、全体の変位量を制御することもで
きる。

【００３０】また、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、
圧電板71，72と弾性体73の構造をビモルフ型にしても同
等な効果が得られる。圧電板71，72は同一方向に分極方
向をもつ。ここで、図６（Ａ）のように電圧を印加する
と、圧電板71は長さ方向に伸長しようとし、圧電板71は
長さ方向に収縮しようとする。よって、図６（Ｂ）のよ
うに変形する。バイモルフ型は伸長，収縮の両方の力を
利用するので、ユニモルフ型よりアクチュエ−タの発生
力が大きくなるのが特徴である。図７〜図19は、ユニモ
ルフ型マイクロ圧電アクチュエータの作製法を示す。

【００３１】(1) ．まず、Ｓｉなどの半導体プロセスで
使用されている材料からなる基板81に、ＰＳＧ等の犠牲
層82を成膜する。つづいて、前記犠牲層82の上にレジス
ト等の延性のある有機薄膜83を成膜する（図７参照）。
次に、前記有機薄膜83上に延性のある導電性高分子材料
を成膜した後、半導体平面フォトリソグラフィー技術に
よって後述する圧電板に電圧を印加できるように導電性
高分子配線84を形成する（図８参照）。更に、前記導電
性高分子配線（配線パターン）84の凹凸を無くすために
有機薄膜を成膜し、エッチバック法を用いて平坦化処理
をした有機薄膜85を形成する（図９参照）。ひきつづ
き、全面に圧電材料86を液相エピタキシャル法やスパッ
タ法やＣＶＤ法等を用いて成膜する（図10参照）。この
状態で、圧電材料に強い電界を与えて分極方向を揃え
る。

【００３２】(2) ．次に、イオンミリングやＲＩＥなど
によって異方性エッチングを施し、圧電板87を形成する
（図11参照）。つづいて、リン青銅等の弾性材料88を図
12のように電鋳やメッキによって成膜した後、異方性エ
ッチングし弾性体89とする（図13参照）。次いで、同様
の方法を用いて、剛性の大きく（ヤング率が高い）電気
的に絶縁である剛性体90を形成する（図14参照）。ひき
つづき、前記犠牲層82と有機薄膜83，84と導電性高分子
配線84と圧電板86と弾性体89と剛性板96とのエッチング
選択比が大きい材料からなる犠牲層91を成膜する（図15
参照）。更に、前記犠牲層91と有機薄膜83，85を図16に
示すようにエッチングする。

【００３３】(3) ．次に、有機薄膜83，85と同じ材料で
ある有機薄膜92を成膜して図17に示したようにエッチン
グする。なお、図17で上部にある切り溝は犠牲層91のエ
ッチング孔である。つづいて、前記犠牲層91をエッチン
グし、最後に犠牲層82をエッチングし、図18に示すユニ
モルフ型マイクロアクチュエータを作製する。なお、図
19は電圧を印加した場合の前記アクチュエータを示す。
また、バイモルフ型マイクロアクチュエータも同様のプ
ロセスで作成できる。（実施例２）

【００３４】図20は、本発明の実施例２に係り、アクチ
ュエータを複数組み合せて屈曲する管状アクチュエータ
の説明図を示す。この例は、８方向に屈曲する管状アク
チュエータの断面を示す。

【００３５】図中の93は、実施例１に示したユニモルフ
（又はバイモルフ）型圧電アクチュエータで全部で８本
ある。93は延性のある構造体で、ユニモルフ型圧電アク
チュエータ93とは接着している。管状アクチュエータを
右方向に屈曲するとしたい場合には、左に位置している
ユニモルフ型圧電アクチュエータ93に電圧を印加して伸
張変位させる。これと同じ原理で屈曲させたい方向の対
面にあるユニモルフ型圧電アクチュエータ93を伸張変化
させて伸張させればよい。また、同時に何本かのユニモ
ルフ型圧電アクチュエータを伸張変化させて屈曲させて
もよい。同時に全てのユニモルフ型圧電アクチュエータ
93を伸張変化させると、管状アクチュエータは屈曲せず
に伸張変化する。（実施例３）

【００３６】図21（Ａ），（Ｂ）はＳＸＭ用カンチレバ
ー駆動アクチュエータの例を示す。上記実施例１が半導
体プロセスを利用していることから、同じ半導体プロセ
スを利用しているＳＸＭ（ＳＴＭやＡＦＭの総称）用カ
ンチレバーの微小変化の駆動アクチュエータとして使用
できると考えられる。

【００３７】図21において、95は実施例１と同じユニモ
ルフ（又はバイモルフ）型マイクロ圧電アクチュエータ
である。また、96はＳｉ系材料で作られたＡＦＭ用カチ
レバーであり、ユニモルフ型マイクロ圧電アクチュエー
タと接着されている。電圧を印加すると、図21（Ｂ）の
ように変位する。このアクチュエータの利点は、微小変
位を精度良く制御できることと、ユニモルフ型圧電アク
チュエータの組合せでカンチレバーを左右方向にも変位
させられることと、半導体プロセスを使用していること
からアッセンブリせずにカンチレバー，アクチュエー
タ，電子デバイスを集積化できることにある。（実施例４）以下に示した実施例は図27（Ａ）に示した
構成を例にとって説明するが、図27（Ｂ）に示した構成
についても応用が可能である。

【００３８】円筒管構造を拡大解釈する（円筒管55を２
つに分離した各々の半径を無限大にし、円柱管53の半径
も無限大として考える）ことによって平板構造による構
成になる。図29（Ａ），（Ｂ）に提案する静電アクチュ
エータを示す。静電力はコの字型の構造をもつ要素101
a，101bと要素102 との間に発生する。基本的には、図
５（Ａ）に示した構成である。前記要素101a，101b，10
2 は絶縁性の材料（例えばＳｉなど）を用い、要素102
の両表面に導電性を持たせる（図の網掛け部．ドープ，
成膜等による）。要素101a，101bについてもず網掛けた
部分に対して導電性を持たせる（図では見えないが上部
についても導電性を持たせておく）。

【００３９】この構成では、引力による駆動のみを考え
る。図29（Ｂ）に示すように、要素101a，101bと要素10
2 に制御された電圧を印加し、要素101a，101bの間に要
素102 を浮かせた状態でバランスさせる。この構成は、
「手段」の欄で既述した条件5)の摺動部の無い構成”を
満たしている。バランスさせた状態で要素101a，101bと
要素102 を図に示す方向に電圧を制御して駆動する。よ
って、駆動時に電極間距離は変化しない。実際に駆動に
費やされる電極面積は変化するものの、駆動に影響のあ
る電極面積は変化しないため、大きな変化はないと思わ
れる。

【００４０】また、駆動変位量が増加するにしたがって
出力も増加する。この構造はコの字型の構成要素101a，
101bの中で要素102 がある限られた空間を移動する。そ
のため、駆動によって構造の基本形状は変化しない。図
中の103 は各アクチュエータを連結する連結部である。
図に示すように平板形状を有し、駆動方向に垂直に対し
てのみ曲げ変形することができる（２軸回り，Ｙ軸回り
に対しては他の部分で自由度を持たせる）。材料には、
有機系の弾性変形しやすい材料を用いる（例えばポリイ
ミドなど）。なお、以上は図29（Ａ），（Ｂ）の説明で
あるが、図29（Ｃ），（Ｄ）についても基本的な考え方
は同様であるが、静電アクチュエータの電極構成が異な
っている。以上のように、ここで提案した構造によって
静電力を効率よく駆動力に変換できる。

【００４１】図27（Ｂ）は要素55の静電アクチュエータ
部を図に示すように断続的に配置する，図28（Ｂ），
（Ｃ），（Ｄ）の構成である。図29（Ａ），（Ｂ）の構
成の場合、最大変位量が大きくなると電極面積の変化も
それに伴って大きくなるため、設計が困難になる。要素
102 の電極はある間隔をおいて断続的に形成されてい
る。各電極は電気的に独立である。要素101a，101bの電
極は要素102 の電極数本分の面積を持つ。の断続的に並
んだ要素102 の電極は駆動開始時に端から数本の電極
（要素101a，101bの電極と同じ面積分）に電圧が印加さ
れる。その状態で上下のバランスを取り、要素102 の印
加された電極を次第に要素102 中央に移動していく。引
力の場合、図29（Ｄ）に示すように最端の電極に印加さ
れていた電圧をｏｆｆにして、一方の端では新たな電極
に電圧を印加する。要素101a，101bは要素102 の印加さ
れた電極の変更に伴って要素102 中央に向かって移動を
始める。斥力の場合は、両電極に同じ電荷を印加する。
この場合、面積の変化は略ないといえる。そのため常に
に同じエネルギによって制御が可能である。

【００４２】上述した基本構成を用いて、内視鏡等のフ
ァイバー系の駆動にこの提案を応用する場合、図30
（Ａ）に示すような構成が考えられる。構成要素101a，
101b，102 ，103 を有する構成で、要素101a，101bはフ
ァイバーに直接触れる部分であり、その土台となる部分
については他の部分より厚い構造になっている。これは
ファイバーにしっかり固定するのみならず、ファイバー
がアクチュエータ内に侵入しにくい構造にしている。図
28（Ｂ）〜（Ｄ）のように屈曲した場合にもアクチュエ
ータ単体には変形が及ばず、要素103 によって吸収され
る。また、要素101aと要素101bが引き合うことによって
生じるファイバーのシワを要素101a，101bの中に取り込
む。駆動時にアクチュエータのみならず、ファイバーの
形状変化についても対応ができる。

【００４３】ところで、このアクチュエータは、常に駆
動状態にあるわけではない。電源を落とせば、要素101
a，101b，102 が分離する可能性がある。要素101a，101
bはファイバーに取り付けられているため、位置は常に
一定である。要素102 はＸ，Ｙ軸方向に関しては要素10
1a，101bによって囲まれている。しかし、Ｚ軸方向につ
いては何の障害も無いため、飛び出してしまう可能性が
ある。ここで、要素101a，101bの側面にＺ方向にガイド
的な壁を設ける。Ｚ軸に垂直に面をおけば要素102 との
間に摺動部が生じるためこれを行わない。図31は、要素
101a，101bの側面のガイドの斜視図を示す。要素101a，
101bと要素102 との電極間距離は非常に微小なため、こ
のガイド104 も大きいものは必要としない。前記ガイド
104 は、材料的に絶縁体であること，強度的には要素10
2 より柔らかい材料が好ましい。異常駆動の際、要素10
2 とガイド104 が当たった場合、ガイド104 に磨耗等が
発生することで要素102 を保護する。また、ゴムのよう
な材料を要素101a，101bの中で固めて用いる方法も考え
られる。

【００４４】図32は、アクチュエータ単体の構造をＳｉ
ウェハ上に作成する方法である。まず、図32（Ａ）のウ
ェハ上にレジスト膜を張り、図に示すようなマスクパタ
ーンをＥＢ等で作成する（図32（Ｂ））。つづいて、そ
れをマスクとしてレジストを感光させ、感光した部分に
ＲＩＥ等を用いて垂直エッチングする。ひきつづき、基
板上に仕上がったアクチュエータ構造（図32（Ｃ））に
柔らかい材料105 を流し固めて用いる（図32（Ｄ））。
もし、材料105 の誘電率が高ければなお好ましい。駆動
時に材料105 は要素101a，101bの範囲を出る可能性があ
るが、変位量が少なければ問題にならないであろう。

【００４５】アクチュエータの電源を入れた時、制御な
しに要素101a，101b，102 に電圧が印加されれば、要素
102 は宙にバランスされず要素101aと要素101bの上下い
ずれかの電極に引き寄せられてしまう。宙にバランスさ
せるためには制御が必要になる。図33は、その制御機構
の基本的な構成を示す図である。左右対称であるので、
右側の構成について説明する。要素111a，111b，111cは
図28の要素57に相当するもので、要素112 は図28の要素
56に相当する。要素111 は３つの構造からなっており、
絶縁材要素111cを挟さんで要素111a，111bは電気的に独
立である。要素111a，112 は電極であり、これに電圧を
印加することによって電極板間に引力、斥力が発生す
る。電源が入っていない状態では、要素112 は中央に在
るとは限らず、電源が入った瞬間に要素112 を中央にも
ってくる必要がある。

【００４６】簡単な方法としては、電極111a，112 の間
と電極111bとそれに対面する電極に斥力を働らかせる方
法である。双方の斥力は電極板間に反比例して増加する
ため、互いがバランスを取っ手収束するのは、要素111
が中央にある状態である。斥力によってバランスを取る
場合、図33に示した制御機構は必要としない。電圧が印
加されれば、要素111 は自然に中央でバランスされるは
ずである。この時の駆動機構を、図34（Ａ）〜（Ｃ）に
示す。電源が入った瞬間で電極間のバランスと取るた
め、図34（Ａ）のように要素111 と要素112 の電極に電
圧を印加する。このとき要素111 の電極面積は要素112
のそれよりも大きく、要素112 と要素１１２の電極に電
圧を印加する。このとき要素１１１の電極面積は要素
112 のそれよりも大きく、要素112 の電極は要素111 の
電極の中になければならない。この状態でバランスが取
れると駆動に移る。駆動的には要素112 の電極は要素11
1 の電極面積は減少させ、図34（Ｂ）に示すように要素
112 の電極と交差するような状態を作り出す。この状態
は不安定なため、電極間の斥力によって要素112 は要素
111の中央部に向かって進み出す。要素111 の電極を断
続的に形成していれば（図34（Ｂ）参照）、図34（Ｃ）
に示すように要素112 の移動に追従する形で要素111 の
電極に加える荷重も移動させる。このアクチュエータに
初期圧縮荷重等が加わわっている場合には、この逆の操
作によってアクチュエータを駆動することもできよう。

【００４７】引力を利用する場合には、斥力に比べて複
雑になる。電源が入った瞬間無作為に電極に電圧を印加
すれば要素112 のいずれかの電極に着いてしまうであろ
う。このため、以下のような操作によってバランスをと
る。図34でスイッチ113 をＯＦＦにする。可変電源114
を用いて電極112 に一定の電圧を一定の時間印加する。
電極112 が帯電することによって電極111aにも電荷が生
じる。生じた電荷はア−ス115 によって放電されるが、
その経路には電流計116 があり、電荷量をチェックして
いる。電極111aに生じる電荷量は電極間距離によって決
まり、電流計116 得られた結果との層間の間で行い、電
極間距離の大きい方を選択する。電極間距離の大きい方
について電圧を印加する。いま、それが電極111a，112
間だったとする。スイッチ113 はＯＮにしておき、電極
111aは可変電源117 から，電極112 は前記可変電源114
から独立に供給され、電源の可変量は電極間の電圧を電
圧計118 で測定しながら決定する。電極間距離によって
電極間の電圧が変化する。電極111 が中間でバランスし
た時の電圧が一定であるのを利用し、可変電源114を操
作し要素111 をバランスさせる。その後、もう一方の電
極に関しても同じ方式にき基づいた操作を行い、両電極
から引き合う形になる。このバランスは両電極間の電圧
を常にセンシングすることによって保たれる。

【００４８】使用する条件について考えれば、使用する
のが人間であることからかなりラフな条件が課せられ
る。図29（Ｃ），（Ｄ）に示した構成の場合、ラフな使
用にも耐える効果を持っている。使用を始める際、要素
112 の電極が要素111 の末端の電極上にあるとは限らな
い。従って、要素112 の電極が要素111 のどの電極上に
あるかを突き止めなければならない。図35に基本的な概
念図を示す。要素111 に断続的に配置された個々の電極
に電流計を設ける。要素112 の電極に電圧を加えれば引
力でバランスをとる場合と同様、要素112 の電極上の電
極111 に電荷が帯電し、それを電流計で測定することで
どの電極が要素112 の電極に一番近いかを探り当てるこ
とができるであろう。確認後、要素111 の末端の電極11
2 の電極を上述した静電駆動で移動すればよい。

【００４９】以上に示した構造，構成（要素112a，112
b，111 ，113 ）を基本構成とする図36に示すように、
一列に連結しそれを一つのモジュールとする。これらを
管状の周りに複数個置き、それらを自己分散的に制御し
て用いることによって、能動型内視鏡を作成する。

【００５０】しかるに、上記実施例によれば、下記の効
果(1) 〜(3) により内視鏡等の能動化と極細化になり、
細血管内や胆道など細管内を能動的に移動できるマニピ
ュレ−タの開発ができる。 (1) 従来型よりアクチュエータ部の著しい小型化が図
れ、駆動時の屈曲角度が増大する。 (2) 印加される電圧を制御することによって駆動レスポ
ンスを容易に変更できる。 (3) 摺動部がないため、駆動時の破壊，故障の発生が少
ない。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、下記
(1) 〜(6) の効果が得られる。 (1) ユニモルフ（バイモルフ）型なので積層圧電アクチ
ュエータに比べて変位量が１桁以上大きい。 (2) 分極方向が同じなので、圧電材料が膜の状態で一度
に分極方向を揃えられる。 (3) 半導体プロセスを利用しているため、一度に大量の
生産ができる。 (4) 従来は圧電素子を一枚一枚作製していたため微細化
が困難であったが、圧電板を異方性エッチングによって
加工しているため微細化が用意である。 (5) 電圧の印加によって動作するので、ＳＭＡのような
熱を利用したアクチュエータよりも反応速度が早い。 (6) アクチュエータ自体がＳＭＡのように高温にならな
いため、使用環境が制限されず体内での使用も考えられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層電圧アクチュエータの説明図。

【図２】通電加熱駆動型ＳＭＡアクチュエータ。

【図３】本発明に係るアクチュエータの概念図。

【図４】図３のアクチュエータに電圧を印加した場合の
説明図。

【図５】本発明の実施例１に係るユニモルフ型マイクロ
圧電アクチュエータの説明図。

【図６】本発明の実施例１に係るアクチュエータの変形
例を示す図。

【図７】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工程
図。

【図８】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工程
図。

【図９】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工程
図。

【図１０】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１１】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１２】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１３】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１４】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１５】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１６】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１７】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１８】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図１９】図６のアクチュエータの製造方法を示す一工
程図。

【図２０】図６のアクチュエータを複数組み合わせた管
状アクチュエータの説明図。

【図２１】図６のアクチュエータを利用したＳＸＭ用カ
ンチレバーの説明図。

【図２２】クサイ（ξ）アレイの概念図。

【図２３】図22のアレイを内視鏡に配置した例を示す説
明図。

【図２４】ＳＭＡアクチュエータの説明図。

【図２５】図24のアクチュエータを用いた中空管の概念
的な図。

【図２６】静電アクチュエータに係る静電エネルギを取
り出す時の電極の説明図。

【図２７】静電力を用いた直動型アクチュエータの説明
図。

【図２８】図27のアクチュエータの駆動の説明図。

【図２９】本発明に係る静電アクチュエータの説明図。

【図３０】図29の静電アクチュエータを内視鏡等のファ
イバー系に応用した図。

【図３１】図30に係るガイドの斜視図。

【図３２】図29の静電アクチュエータの製作方法の説明
図。

【図３３】図29の静電アクチュエータの制御機構の説明
図。

【図３４】図29の静電アクチュエータの駆動機構の説明
図。

【図３５】図29の静電アクチュエータの電極に係る基本
的な概念図。

【図３６】実施例２に係るアクチュエータをモジュール
化した図

【符号の説明】

61，87…圧電体、62…弾性板、63…剛性板、64〜66…有
機薄膜、67…導電性高分子配線、82…犠牲層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ 8525−5Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】延性のある有機被膜と延性の有機配線と
を有し、かつ圧電板と圧電板に貼り付いている弾性板と
電気的に絶縁性のある剛性板の仕切りとをもつ複合型素
子を積層させたことを特徴とするマイクロアクチュエー
タ。