WO2009096205A1 - アクチュエータ機構 - Google Patents

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WO2009096205A1
WO2009096205A1 PCT/JP2009/050061 JP2009050061W WO2009096205A1 WO 2009096205 A1 WO2009096205 A1 WO 2009096205A1 JP 2009050061 W JP2009050061 W JP 2009050061W WO 2009096205 A1 WO2009096205 A1 WO 2009096205A1
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WO
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pair
actuator mechanism
support portions
displacement
thin film
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PCT/JP2009/050061
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshihiro Hara
Akira Kosaka
Yasutaka Tanimura
Natsuko Shiota
Original Assignee
Konica Minolta Opto, Inc.
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Opto, Inc. filed Critical Konica Minolta Opto, Inc.
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to an actuator mechanism, and more particularly to an actuator mechanism configured using a micromachining (hereinafter referred to as MEMS) technique.
  • MEMS micromachining
  • Patent Document 1 discloses a driving device that rotates a rotating member biased by a biasing member by using a displacement of a shape memory alloy wire.
  • Patent Document 2 proposes an optical attenuator that moves a light blocking film using a comb-shaped electrostatic actuator and a spring.
  • Non-Patent Document 1 discloses a so-called unimorph structure bend in which a thin film of a shape memory alloy is formed on a thin silicon substrate using MEMS technology, and the silicon substrate is bent by energizing the shape memory alloy. A mold actuator is shown. JP 2005-83332 A JP 2004-221934 A Future Actuator Materials and Devices, pages 128-129, CM Publishing
  • an actuator using a shape memory alloy as shown in Patent Document 1 requires an urging member, increases the number of parts, and makes the structure complicated. Furthermore, in the assembly process, an adjustment device for laying the shape memory alloy while balancing with the biasing member is required.
  • the comb-shaped electrostatic actuator as disclosed in Patent Document 2 has a gap between the fixed-side and moving-side comb teeth of only a few ⁇ m. Is indispensable, contrary to the downsizing and thinning of the actuator. Furthermore, since the electrostatic actuator has a small generated force, it can drive only a very light driven object, and it is impossible to use it for an autofocus and camera shake correction function of, for example, a digital camera or a camera module for a mobile phone.
  • Non-Patent Document 1 since heat generated by energizing the shape memory alloy escapes to the silicon substrate, power consumption increases and responsiveness also decreases. Further, in order to increase the displacement amount, it is necessary to increase the size, which is contrary to the size reduction of the actuator.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an actuator mechanism that is thin, has a large generated force, has little variation in characteristics, has excellent responsiveness, has low power consumption, and is easy to manufacture. .
  • the object of the present invention can be achieved by the following configuration.
  • a pair of support portions arranged substantially in parallel; A displacement part formed across the pair of support parts and displaced by energization; An elastic part having elasticity in a direction in which the displacement part is displaced, and connecting between a pair of the support parts; An actuator mechanism characterized in that an interval between the pair of support portions is changed by displacement caused by energization of the displacement portions.
  • a pair of support portions arranged substantially parallel to each other, a displacement portion formed across the pair of support portions, displaced by energization, and elastic in the direction in which the displacement portion is displaced, And an elastic part that connects between the pair of support parts, and by changing the distance between the pair of support parts by the displacement caused by the energization of the displacement part, it is thin, has a large generated force, has little characteristic variation, and is responsive. It is possible to provide an actuator mechanism that is excellent in power consumption, low power consumption, and easy to manufacture.
  • SYMBOLS 100 Actuator mechanism 110 Silicon substrate 111 Support part 113 Elastic part 115 Fixed part 121 Shape memory alloy (SMA) thin film 123 + side electrode 125-side electrode 131 Piezoelectric element 133 + side electrode 135-side electrode 137 Piezoelectric layer 150 Power supply 160 Switch
  • SMA Shape memory alloy
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of an actuator mechanism 100.
  • a shape memory alloy (hereinafter referred to as SMA) that functions as a displacement portion on a silicon substrate 110 that becomes a pair of support portions 111 and a pair of elastic portions 113 constituting the actuator mechanism 100 in the future.
  • the thin film 121 is formed by a method such as sputtering. At this time, the SMA thin film 121 is formed so as to straddle between the portions to be the pair of support portions 111 in the future.
  • a material of the SMA thin film 121 for example, a NiTi alloy, a NiTiCu alloy, a NiTiPd alloy, or the like is used.
  • a silicon-based substrate such as Si single crystal or SOI (Silicon On Insulator) can be used, but is not limited thereto, and PMMA (polymethyl methacrylate) is used. ) Or PDMS (polydimethylsiloxane) polymer materials may be used.
  • a + side electrode 123 and a ⁇ side electrode 125 for energizing the SMA thin film 121 are formed by a method such as sputtering.
  • a material for the + side electrode 123 and the ⁇ side electrode 125 for example, an Ag alloy or the like is used.
  • a photoresist mask is formed on the surface of the silicon substrate 110 opposite to the SMA thin film 121, the + side electrode 123, and the ⁇ side electrode 125. . Subsequently, the unmasked portions of the silicon substrate 110 are etched by ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) to form a pair of elastic portions 113.
  • ICP-RIE Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching
  • FIG. 1B shows an actuator mechanism 100 manufactured using the MEMS technology described above.
  • the actuator mechanism 100 includes a pair of support portions 111, a pair of elastic portions 113, an SMA thin film 121, a + side electrode 123, a ⁇ side electrode 125, and the like.
  • the pair of support portions 111 are arranged substantially in parallel.
  • the pair of elastic portions 113 are arranged on both sides of the SMA thin film 121, are formed in a bellows shape and have elasticity, and are connected between the pair of support portions 111 and are held substantially in parallel.
  • the SMA thin film 121 is formed across a pair of support portions 111.
  • the pair of support portions 111 do not necessarily have the same shape.
  • a structure for mounting a driven object may be provided on one side, and a structure for fixing may be provided on the other side.
  • the elastic part 113 does not necessarily need to be a pair, as long as a necessary spring force can be ensured, and a plurality of sets may be provided.
  • the number of the SMA thin films 121 is not necessarily one, and a plurality of SMA thin films 121 may be formed across the pair of support portions 111.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the line A-A '
  • FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line B-B'.
  • the SMA thin film 121 is formed so as to straddle the pair of support portions 111, and a + side electrode 123 and a ⁇ side electrode 125 for energizing the SMA thin film 121 are formed at both ends thereof. Except for the portion of the SMA thin film 121 that straddles the pair of support portions 111, the silicon substrate 110 is entirely removed by the etching described above, and the SMA thin film 121 is in a floating shape.
  • the actuator can be configured as a very thin actuator having a thickness of the silicon substrate 110 plus about ⁇ .
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a driving method of the actuator mechanism 100 according to the first embodiment.
  • a power source 150 is connected via a switch 160 between the + side electrode 123 and the ⁇ side electrode 125 of the actuator mechanism 100 shown in FIG. 1B.
  • the switch 160 is turned off.
  • the driven object can be driven.
  • the pair of support portions 111 arranged substantially in parallel, the SMA thin film 121 formed across the pair of support portions 111,
  • the actuator mechanism 100 is formed by forming a pair of bellows-like elastic portions 113 arranged on both sides of the SMA thin film 121 and connecting the pair of support portions 111 so as to be held substantially parallel by the MEMS technique. Can be easily manufactured.
  • the distance between the pair of support portions 111 can be easily changed, and it is thin, has a large generated force, has little characteristic variation, and is responsive.
  • the actuator mechanism 100 that is excellent and consumes less power can be provided.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a second embodiment of the actuator mechanism 100.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that a pair of SMA thin films 121 are arranged on the left and right, and one bellows-like elastic portion 113 is arranged in the center. It is a point. Further, unlike the elastic portion 113 of the first embodiment, the bellows-like elastic portion 113 has no corners and is configured with a smooth curve as a whole. Therefore, when the pair of SMA thin films 121 are energized and the SMA thin film 121 contracts, the elastic portion 113 is compressed and contracted in the contraction direction of the SMA thin film 121 (arrow P direction in the figure). Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
  • the driven object can be driven.
  • the interval between the pair of support portions 111 can be changed in parallel, but the interval between only the right side or the left side of the figure can be changed, which is a kind of rotation. Can exercise.
  • the pair of support portions 111 arranged substantially in parallel and the pair of SMA thin films formed across the pair of support portions 111.
  • 121 and a pair of SMA thin films 121 are formed in parallel with the SMA thin film 121, and a bellows-like elastic portion 113 connecting the pair of support portions 111 is formed by MEMS technology.
  • the actuator mechanism 100 can be easily manufactured.
  • the actuator mechanism 100 having excellent responsiveness and low power consumption can be provided.
  • a kind of rotational motion can be performed by energizing only one of the pair of SMA thin films 121.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a third embodiment of the actuator mechanism 100.
  • the third embodiment is different from the first embodiment in that the elastic portion 113 is not accordion-shaped but a plurality of very thin sets (in this example) in the direction perpendicular to the drawing sheet. (3 sets) of leaf springs. Others are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ of FIG.
  • the elastic portion 113 is formed into a very thin leaf spring shape in the direction perpendicular to the plane of FIG. 4A by etching using ICP-RIE.
  • the elastic portion 113 has an arc shape with a curvature in a direction extending in the left-right direction in FIG. 4A.
  • each elastic portion 113 has a thinner central portion (a portion closer to the D-D ′ cross section) than a connection portion with the support portion 111 and is easily bent.
  • the silicon substrate 110 is entirely removed by etching except for the portion of the SMA thin film 121 that straddles the pair of support portions 111, and the SMA thin film 121 is in a floating shape. Yes. Therefore, since heat does not escape to the silicon substrate 110 during heating by energizing the SMA thin film 121, power consumption can be suppressed and responsiveness is improved. Further, the actuator can be configured as a very thin actuator having a thickness of the silicon substrate 110 plus about ⁇ .
  • the leaf spring-like elastic portion 113 when the SMA thin film 121 is contracted by energization, the leaf spring-like elastic portion 113 is bent in the left-right direction in the drawing sheet and becomes a bending spring.
  • the pair of support portions 111 are restored to the original interval by the spring force of the leaf spring-like elastic portion 113 trying to return to the original flat plate shape.
  • the driven object can be driven.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a fourth embodiment of the actuator mechanism 100.
  • the fourth embodiment is different from the first and third embodiments in that the elastic portion 113 has a pair of thin leaf springs extending in the in-plane direction of the drawing. Is a point. Others are the same as the first and third embodiments.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line E-E ′
  • FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line F-F ′.
  • the elastic portion 113 is formed into a very thin leaf spring shape by etching using ICP-RIE.
  • the elastic portion 113 has a circular arc shape with a curvature in the left direction in FIG. 5B.
  • the elastic part 113 is formed thinner at the center part than the connection part with the support part 111, and is easily bent.
  • the silicon substrate 110 is entirely removed by etching except for the portion of the SMA thin film 121 that straddles the pair of support portions 111, and the SMA thin film 121 is suspended in the air. It has become. Therefore, since heat does not escape to the silicon substrate 110 during heating by energizing the SMA thin film 121, power consumption can be suppressed and responsiveness is improved. Further, the actuator can be configured as a very thin actuator having a thickness of the silicon substrate 110 plus about ⁇ .
  • the leaf spring-like elastic portion 113 when the SMA thin film 121 is energized and the SMA thin film 121 contracts, the leaf spring-like elastic portion 113 is bent and bent from the back side to the front side in FIG. It becomes a spring.
  • the pair of support portions 111 are restored to the original interval by the spring force of the leaf spring-like elastic portion 113 trying to return to the original flat plate shape.
  • the driven object can be driven.
  • the elastic portions 113 do not necessarily have to be a pair, as long as the necessary spring force can be ensured, and a plurality of sets may be provided.
  • the pair of support portions 111 arranged substantially in parallel and the SMA thin film formed across the pair of support portions 111.
  • 121 and a leaf spring-like elastic portion 113 which is disposed on both sides of the SMA thin film 121 and which is connected between the pair of support portions 111 and is held substantially in parallel by the MEMS technique. 100 can be manufactured easily.
  • the distance between the pair of support portions 111 can be easily changed, and it is thin, has a large generated force, has little characteristic variation, and is responsive.
  • the actuator mechanism 100 that is excellent and consumes less power can be provided.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a fifth embodiment of the actuator mechanism 100.
  • the fifth embodiment differs from the first embodiment in FIGS. 1B and 1C in that the displacement portion is not the SMA thin film 121 but the piezoelectric element 131. is there. Others are the same as in the first embodiment.
  • a + side electrode 133 and a ⁇ side electrode 135 are provided on both surfaces of a thin plate-like piezoelectric layer 137.
  • the piezoelectric element 131 is formed by laminating the layers on the silicon substrate 110 in the order of the negative electrode 135, the piezoelectric layer 137, and the positive electrode 133, for example, by sputtering. The At this time, the piezoelectric element 131 is formed so as to straddle between the portions to be the pair of support portions 111 in the future.
  • the piezoelectric layer 137 for example, PZT or the like is used, and as the material of the + side electrode 133 and the ⁇ side electrode 135, for example, an Ag alloy or the like is used. Since the formation method of the elastic portion 113 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. After the elastic portion 113 is formed, the piezoelectric element 131 contracts in the direction of arrow P in FIG. 6D when a positive potential is applied to the + side electrode 133 with respect to the ⁇ side electrode 135. A known polarization process is performed.
  • the ⁇ side electrode 135 is connected to the negative electrode of the power source 150, and the + side electrode 133 is connected to the positive electrode or the negative electrode of the power source 150 via the switch 160 in a switchable manner.
  • the + side electrode 133 is connected to the negative electrode of the power source 150, and the + side electrode 133 and the-side electrode 135 are short-circuited.
  • the number of piezoelectric elements 131 is not necessarily one, and a plurality of piezoelectric elements 131 may be formed across a pair of support portions 111.
  • the elastic portion 113 is a pair of bellows-like elastic portions 113 as in the first embodiment, but may be a leaf spring shape as shown in the second or third embodiment. .
  • the piezoelectric element 131 can be expanded rather than contracted. Therefore, if the direction of the electric field applied to the + side electrode 133 and the ⁇ side electrode 135 can be controlled by using the pair of bellows-like elastic portions 113, the distance between the pair of support portions 111 can be increased. It can also be changed.
  • the driven object can be driven.
  • the actuator mechanism 100 As described above, according to the fifth embodiment of the actuator mechanism 100, the pair of support portions 111 disposed substantially in parallel, and the piezoelectric element 131 formed across the pair of support portions 111,
  • the actuator mechanism 100 is formed by forming a pair of bellows-like elastic portions 113 disposed on both sides of the piezoelectric element 131 and holding the pair of support portions 111 in a substantially parallel manner by the MEMS technique. Can be easily manufactured.
  • the actuator mechanism 100 with low power consumption can be provided.
  • the first to fifth embodiments of the actuator mechanism 100 described above are suitable for driving with one of the pair of support portions 111 fixed to, for example, a fixed base and a driven object mounted on the other.
  • a sixth embodiment of the actuator mechanism 100 suitable for such usage will be described with reference to FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the sixth embodiment of the actuator mechanism 100, and the sixth embodiment is a modification of the first embodiment.
  • the pair of support portions 111, the pair of elastic portions 113, the SMA thin film 121, the + side electrode 123, and the ⁇ side electrode 125 have the same configuration as that of the first embodiment in FIG. The operation is the same.
  • a fixing portion 115 that surrounds the actuator mechanism of the first embodiment and is connected to the central portion of the bellows of the pair of elastic portions 113.
  • the fixing unit 115 is fixed to, for example, a fixing base by bonding or the like. By doing so, both of the pair of support portions 111 become free ends that can freely move, and can move in the direction of arrow P in the drawing according to the contraction operation of the SMA thin film 121.
  • the fixing portion 115 is integrated with the pair of support portions 111 and the pair of elastic portions 113 by being protected by a photoresist mask during the etching process of the silicon substrate 110 by ICP-RIE shown in FIG. Can be formed.
  • the method of providing the fixing portion 115 in the actuator mechanism 100 is not applicable only to the first embodiment, and is applied to the second to fifth embodiments. Is also applicable.
  • the fixing portion 115 is formed so as to surround the actuator mechanism 100.
  • the present invention is not limited to this, and both the pair of support portions 111 can be free ends. Any shape can be used as long as it is sufficient.
  • both the pair of support portions 111 are fixed by fixing the fixing portion 115. Since it can be set as a free end and can be moved according to the contraction operation of the SMA thin film 121, the degree of freedom of the usage method of the actuator mechanism 100 can be expanded.
  • the pair of support portions disposed substantially in parallel, the displacement portion formed across the pair of support portions and displaced by energization, and the displacement portion are displaced.

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Abstract

　略平行に配置された１対の支持部と、１対の支持部に跨って形成され、通電により変位する変位部と、変位部が変位する方向に弾性を有し、１対の支持部の間を接続する弾性部とを備え、変位部の通電による変位によって１対の支持部の間隔を変化させることで、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さく、製造も容易なアクチュエータ機構を提供することができる。

Description

アクチュエータ機構
　本発明は、アクチュエータ機構に関し、特に、マイクロマシニング（以下、ＭＥＭＳと言う）技術を用いて構成されるアクチュエータ機構に関する。
　近年、例えばデジタルカメラや携帯電話用のカメラモジュール等の小型化と高機能化（例えばオートフォーカスや手ブレ補正機能の搭載）が盛んに言われている。それに伴い、小型で高性能なアクチュエータが求められている。特にデジタルカメラや携帯電話用のカメラモジュール等では、光軸方向の厚さが問題となるため、アクチュエータも薄型化が求められている。
　このため、形状記憶合金ワイヤをアクチュエータとして利用したオートフォーカス装置が提案されている。形状記憶合金ワイヤをアクチュエータとして使用するときには、形状機構合金の変位が抑制される方向に付勢する付勢部材（バイアスバネ）を配置したプッシュプル構造とすることが知られている。例えば、特許文献１には、付勢部材に付勢された回転部材を形状記憶合金ワイヤの変位を利用して回転させる駆動装置が開示されている。
　また、ＭＥＭＳ技術を用いた超小型アクチュエータとして、静電アクチュエータが一般的に知られている。例えば、特許文献２には、櫛歯型の静電アクチュエータとスプリングを用いて光遮断膜を移動させる光減衰器が提案されている。
　また、非特許文献１には、同様にＭＥＭＳ技術を用いて薄肉のシリコン基板上に形状記憶合金の薄膜を形成し、形状記憶合金に通電することでシリコン基板を屈曲させる、所謂ユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータが示されている。
特開２００５－８３３３２号公報 特開２００４－２１２９３４号公報 未来型アクチュエータ材料・デバイス、１２８頁～１２９頁、シーエムシー出版
　しかしながら、特許文献１に示されたような形状記憶合金を利用したアクチュエータは、付勢部材が必要となり、部品点数が増え、また、構造が複雑となる。さらに、組み立て工程では、付勢部材とバランスをとりながら形状記憶合金を架線するための調整装置が必要となる。
　また、特許文献２に示されたような櫛歯型の静電アクチュエータは、固定側と移動側の櫛歯間のギャップが数μｍしかないので、動作保証のためには密閉構造等のゴミ対策が必須となり、アクチュエータの小型化、薄型化に反する。さらに、静電アクチュエータは発生力が小さいので、非常に軽い被駆動物しか駆動できず、例えばデジタルカメラや携帯電話用のカメラモジュール等のオートフォーカスや手ブレ補正機能に用いるのは無理がある。
　また、非特許文献１に示された屈曲型アクチュエータでは、形状記憶合金に通電することで発生した熱がシリコン基板に逃げてしまうので、消費電力が大きくなり、応答性も低下する。また、変位量を大きくするためには大型化が必要で、アクチュエータの小型化に反する。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さく、製造も容易なアクチュエータ機構を提供することを目的とする。
　本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
　１．略平行に配置された１対の支持部と、
１対の前記支持部に跨って形成され、通電により変位する変位部と、
前記変位部が変位する方向に弾性を有し、１対の前記支持部の間を接続する弾性部とを備え、
前記変位部の通電による変位によって１対の前記支持部の間隔を変化させることを特徴とするアクチュエータ機構。
　２．１対の前記支持部と、前記弾性部とは、一体に形成されていることを特徴とする前記１に記載のアクチュエータ機構。
　３．１対の前記支持部と、前記弾性部とは、シリコン系材料により一体に形成されていることを特徴とする前記１または２に記載のアクチュエータ機構。
　４．１対の前記支持部と、前記弾性部とは、ポリマー系材料により一体に形成されていることを特徴とする前記１または２に記載のアクチュエータ機構。
　５．前記弾性部は、蛇腹形状であることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
　６．前記弾性部は、平板形状であることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
　７．前記変位部は、形状記憶合金からなることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
　８．前記変位部は、圧電素子からなることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
　本発明によれば、略平行に配置された１対の支持部と、１対の支持部に跨って形成され、通電により変位する変位部と、変位部が変位する方向に弾性を有し、１対の支持部の間を接続する弾性部とを備え、変位部の通電による変位によって１対の支持部の間隔を変化させることで、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さく、製造も容易なアクチュエータ機構を提供することができる。
アクチュエータ機構の第１の実施の形態を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第１の実施の形態の駆動方法を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第２の実施の形態を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第３の実施の形態を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第４の実施の形態を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第５の実施の形態を示す模式図である。 アクチュエータ機構の第６の実施の形態を示す模式図である。
符号の説明
　１００　アクチュエータ機構
　１１０　シリコン基板
　１１１　支持部
　１１３　弾性部
　１１５　固定部
　１２１　形状記憶合金（ＳＭＡ）薄膜
　１２３　＋側電極
　１２５　－側電極
　１３１　圧電素子
　１３３　＋側電極
　１３５　－側電極
　１３７　圧電層
　１５０　電源
　１６０　スイッチ
　以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。
　最初に、本発明におけるアクチュエータ機構の第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は、アクチュエータ機構１００の第１の実施の形態を示す模式図である。
　図１（ａ）において、将来、アクチュエータ機構１００を構成する１対の支持部１１１および１対の弾性部１１３となるシリコン基板１１０上に、変位部として機能する形状記憶合金（以下、ＳＭＡと言う）薄膜１２１が、例えばスパッタリング等の方法により形成される。この時、ＳＭＡ薄膜１２１は、将来、１対の支持部１１１となる部分の間に跨るように形成される。ＳＭＡ薄膜１２１の材料としては、例えばＮｉＴｉ合金、ＮｉＴｉＣｕ合金やＮｉＴｉＰｄ合金等が用いられる。
　１対の支持部１１１および１対の弾性部１１３の材料としては、Ｓｉ単結晶やＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等のシリコン系基板を用いることができるが、それに限らず、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）やＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等のポリマー系の材料を用いてもよい。
　さらに、ＳＭＡ薄膜１２１に通電するための＋側電極１２３および－側電極１２５が、例えばスパッタリング等の方法により形成される。＋側電極１２３および－側電極１２５の材料としては、例えばＡｇ合金等が用いられる。
　次に、シリコン基板１１０のＳＭＡ薄膜１２１や＋側電極１２３および－側電極１２５が形成されたとは反対面に、１対の弾性部１１３となる部分を保護するためのフォトレジストマスクが形成される。続いて、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ－Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：誘導結合プラズマ－反応性イオンエッチング）によりシリコン基板１１０のマスクされていない部分がエッチングされて、１対の弾性部１１３が形成される。
　以上に述べたＭＥＭＳ技術を用いて作製されたアクチュエータ機構１００を、図１（ｂ）に示す。アクチュエータ機構１００は、１対の支持部１１１、１対の弾性部１１３、ＳＭＡ薄膜１２１、＋側電極１２３および－側電極１２５等で構成される。１対の支持部１１１は略平行に配置されている。１対の弾性部１１３は、ＳＭＡ薄膜１２１の両側に配置され、蛇腹形状に形成されて弾性を有しており、１対の支持部１１１の間を接続して略平行に保持している。ＳＭＡ薄膜１２１は、１対の支持部１１１に跨って形成されている。
　１対の支持部１１１は必ずしも同一形状である必要はなく、例えば一方に被駆動物を搭載するための構造を設け、他方に固定のための構造を設けてもよい。また、弾性部１１３は必ずしも１対である必要はなく、必要なバネ力が確保できさえすればよく、複数組設けてもよい。さらに、ＳＭＡ薄膜１２１は必ずしも１枚である必要はなく、複数のＳＭＡ薄膜１２１が１対の支持部１１１に跨って形成されてもよい。
　Ａ－Ａ’断面図を図１（ｃ）に、Ｂ－Ｂ’断面図を図１（ｄ）に示す。ＳＭＡ薄膜１２１は、１対の支持部１１１に跨って形成され、その両端には、ＳＭＡ薄膜１２１に通電するための＋側電極１２３および－側電極１２５が形成されている。ＳＭＡ薄膜１２１の１対の支持部１１１に跨った部分以外は、上述したエッチングによりシリコン基板１１０が全て除去されており、ＳＭＡ薄膜１２１は宙に浮いた形となっている。
　従って、ＳＭＡ薄膜１２１への通電による加熱時にシリコン基板１１０に熱が逃げることがないので、消費電力を抑えることができ、応答性も向上する。また、シリコン基板１１０の厚み＋α程度の非常に薄型のアクチュエータとして構成できる。
　次に、アクチュエータ機構１００の第１の実施の形態の駆動方法について、図２を用いて説明する。図２は、アクチュエータ機構１００の第１の実施の形態の駆動方法を示す模式図である。
　図２（ａ）において、図１（ｂ）に示したアクチュエータ機構１００の＋側電極１２３と－側電極１２５との間に、スイッチ１６０を介して電源１５０が接続されている。スイッチ１６０はオフされている。
　図２（ｂ）において、スイッチ１６０がオンされて、＋側電極１２３と－側電極１２５との間に電源１５０が接続されると、ＳＭＡ薄膜１２１に電流が通電され、ＳＭＡ薄膜１２１は自身のジュール熱で加熱されてヤング率が上がり、図の矢印Ｐ方向に収縮する。ＳＭＡ薄膜１２１の収縮力と、圧縮バネとして機能する蛇腹状の１対の弾性部１１３のバネ力とが釣り合ったところで収縮は止まり、結局、１対の支持部１１１の間隔がｄだけ縮んで停止する。
　再びスイッチ１６０がオフされると、ＳＭＡ薄膜１２１への通電が停止され、ＳＭＡ薄膜１２１は放熱してヤング率が下がり、蛇腹状の１対の弾性部１１３の圧縮から復帰するバネ力によって、図２（ａ）の元の状態に戻される。弾性部１１３をこのような蛇腹状の形状に形成することで、変位によって発生力の変化の少ないバネを構成することができ、弾性部１１３の肉厚を極端に薄くしなくても弱い力のバネを作製することができる。また、弾性部１１３はエッチングによって形成されるので、バネ特性のバラツキが非常に小さい。
　従って、例えば１対の支持部１１１の一方を固定し、他方に被駆動物を搭載すれば、被駆動物を駆動することができる。
　上述したように、アクチュエータ機構１００の第１の実施の形態によれば、略平行に配置された１対の支持部１１１と、１対の支持部１１１に跨って形成されたＳＭＡ薄膜１２１と、ＳＭＡ薄膜１２１の両側に配置され、１対の支持部１１１の間を接続して略平行に保持している蛇腹状の１対の弾性部１１３とをＭＥＭＳ技術によって形成することで、アクチュエータ機構１００を容易に製造することができる。
　そして、ＳＭＡ薄膜１２１への通電のオン、オフを制御することにより、１対の支持部１１１の間隔を容易に変化させることができ、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さいアクチュエータ機構１００を提供することができる。
　続いて、アクチュエータ機構１００の第２の実施の形態について、図３を用いて説明する。図３は、アクチュエータ機構１００の第２の実施の形態を示す模式図である。
　図３（ａ）において、第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、ＳＭＡ薄膜１２１が左右に１対配置され、中央には蛇腹状の弾性部１１３が１本配置されている点である。また、蛇腹状の弾性部１１３は、第１の実施の形態の弾性部１１３とは異なり、角がなく、全体に滑らかな曲線で構成されている。そのため、１対のＳＭＡ薄膜１２１に通電されてＳＭＡ薄膜１２１が収縮すると、弾性部１１３はＳＭＡ薄膜１２１の収縮方向（図の矢印Ｐ方向）に全体に圧縮されて縮む。その他の構成および動作は、第１の実施の形態と同じである。
　従って、例えば１対の支持部１１１の一方を固定し、他方に被駆動物を搭載すれば、被駆動物を駆動することができる。
　また、１対のＳＭＡ薄膜１２１の一方のみに通電すると、１対の支持部１１１の間隔を平行に変化させるのではなく、図の右側あるいは左側のみの間隔を変化させることができ、一種の回転運動を行わせることができる。
　上述したように、アクチュエータ機構１００の第２の実施の形態によれば、略平行に配置された１対の支持部１１１と、１対の支持部１１１に跨って形成された１対のＳＭＡ薄膜１２１と、１対のＳＭＡ薄膜１２１の間にＳＭＡ薄膜１２１と平行に配置され、１対の支持部１１１の間を接続している蛇腹状の弾性部１１３とをＭＥＭＳ技術によって形成することで、アクチュエータ機構１００を容易に製造することができる。
　そして、１対のＳＭＡ薄膜１２１への通電のオン、オフを制御することにより、１対の支持部１１１の間隔を容易に変化させることができ、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さいアクチュエータ機構１００を提供することができる。また、１対のＳＭＡ薄膜１２１の一方のみに通電することで、一種の回転運動を行わせることもできる。
　次に、アクチュエータ機構１００の第３の実施の形態について、図４を用いて説明する。図４は、アクチュエータ機構１００の第３の実施の形態を示す模式図である。
　図４（ａ）において、第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、弾性部１１３を、蛇腹状ではなく、図の紙面垂直方向に非常に薄肉の複数組（この例では３組）の板バネ形状とした点である。その他は第１の実施の形態と同じである。
　図４（ａ）のＤ－Ｄ’断面図を図４（ｂ）に示す。弾性部１１３は、第１の実施の形態と同様に、ＩＣＰ－ＲＩＥによるエッチングで、図４（ａ）の紙面垂直方向に非常に薄肉の板バネ形状に形成されている。弾性部１１３は円弧状に図４（ａ）の紙面左右方向に広がる方向に曲率を持った形状になっている。また、各弾性部１１３は、支持部１１１との接続部よりも中央部（Ｄ－Ｄ’断面に近い部分）の方がより薄肉に形成されており、曲がりやすくなっている。
　第１の実施の形態と同様に、ＳＭＡ薄膜１２１の１対の支持部１１１に跨った部分以外はエッチングによりシリコン基板１１０が全て除去されており、ＳＭＡ薄膜１２１は宙に浮いた形となっている。従って、ＳＭＡ薄膜１２１への通電による加熱時にシリコン基板１１０に熱が逃げることがないので、消費電力を抑えることができ、応答性も向上する。また、シリコン基板１１０の厚み＋α程度の非常に薄型のアクチュエータとして構成できる。
　第３の実施の形態において、ＳＭＡ薄膜１２１が通電によって収縮すると、板バネ状の弾性部１１３は、図の紙面内の左右方向に曲がって屈曲バネとなる。ＳＭＡ薄膜１２１への通電がオフされると、板バネ状の弾性部１１３が元の平板形状に復帰しようとするバネ力によって、１対の支持部１１１は元の間隔に復帰する。
　従って、例えば１対の支持部１１１の一方を固定し、他方に被駆動物を搭載すれば、被駆動物を駆動することができる。
　弾性部１１３は必ずしも複数組設ける必要はなく、必要なバネ力が確保できさえすればよく、１組であってもよい。
　同様に、アクチュエータ機構１００の第４の実施の形態について、図５を用いて説明する。図５は、アクチュエータ機構１００の第４の実施の形態を示す模式図である。
　図５（ａ）において、第４の実施の形態が第１及び第３の実施の形態と異なるのは、弾性部１１３を図の紙面内方向に広がった薄肉の１対の板バネ形状とした点である。その他は第１および第３の実施の形態と同じである。
　Ｅ－Ｅ’断面図を図５（ｂ）に、Ｆ－Ｆ’断面図を図５（ｃ）に示す。弾性部１１３は、第１および第３の実施の形態と同様に、ＩＣＰ－ＲＩＥによるエッチングで、非常に薄肉の板バネ形状に形成されている。弾性部１１３は円弧状に図５（ｂ）の紙面左方向に曲率を持った形状になっている。また、弾性部１１３は、支持部１１１との接続部よりも中央部の方がより薄肉に形成されており、曲がりやすくなっている。
　第１および第３の実施の形態と同様に、ＳＭＡ薄膜１２１の１対の支持部１１１に跨った部分以外はエッチングによりシリコン基板１１０が全て除去されており、ＳＭＡ薄膜１２１は宙に浮いた形となっている。従って、ＳＭＡ薄膜１２１への通電による加熱時にシリコン基板１１０に熱が逃げることがないので、消費電力を抑えることができ、応答性も向上する。また、シリコン基板１１０の厚み＋α程度の非常に薄型のアクチュエータとして構成できる。
　第４の実施の形態において、ＳＭＡ薄膜１２１に通電されて、ＳＭＡ薄膜１２１が収縮すると、板バネ状の弾性部１１３は、図５（ａ）の紙面裏面側から表面側の方向に曲がって屈曲バネとなる。ＳＭＡ薄膜１２１への通電がオフされると、板バネ状の弾性部１１３が元の平板形状に復帰しようとするバネ力によって、１対の支持部１１１は元の間隔に復帰する。
　従って、例えば１対の支持部１１１の一方を固定し、他方に被駆動物を搭載すれば、被駆動物を駆動することができる。
　弾性部１１３は必ずしも１対である必要はなく、必要なバネ力が確保できさえすればよく、複数組設けてもよい。
　上述したように、アクチュエータ機構１００の第３および第４の実施の形態によれば、略平行に配置された１対の支持部１１１と、１対の支持部１１１に跨って形成されたＳＭＡ薄膜１２１と、ＳＭＡ薄膜１２１の両側に配置され、１対の支持部１１１の間を接続して略平行に保持している板バネ状の弾性部１１３とをＭＥＭＳ技術によって形成することで、アクチュエータ機構１００を容易に製造することができる。
　そして、ＳＭＡ薄膜１２１への通電のオン、オフを制御することにより、１対の支持部１１１の間隔を容易に変化させることができ、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さいアクチュエータ機構１００を提供することができる。
　次に、アクチュエータ機構１００の第５の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、アクチュエータ機構１００の第５の実施の形態を示す模式図である。
　図６（ａ）において、第５の実施の形態が図１（ｂ）および（ｃ）の第１の実施の形態と異なるのは、変位部をＳＭＡ薄膜１２１ではなく圧電素子１３１とした点である。その他は第１の実施の形態と同じである。
　Ｇ－Ｇ’断面図を図６（ｂ）および（ｄ）に示す。圧電素子１３１は、薄板状の圧電層１３７の両面に＋側電極１３３と－側電極１３５が設けられている。圧電素子１３１は、第１の実施の形態と同様に、シリコン基板１１０上に、－側電極１３５、圧電層１３７、＋側電極１３３の順に、例えばスパッタリング等の方法により各層を積層して形成される。この時、圧電素子１３１は、将来、１対の支持部１１１となる部分の間に跨るように形成される。
　圧電層１３７の材料としては、例えばＰＺＴ等が用いられ、＋側電極１３３および－側電極１３５の材料としては、例えばＡｇ合金等が用いられる。弾性部１１３の形成方法は第１の実施の形態と同じであるので、省略する。弾性部１１３が形成された後に、圧電素子１３１には、－側電極１３５に対して＋側電極１３３に正の電位が印加された場合に、図６（ｄ）の矢印Ｐ方向に収縮するような既知の分極処理が施される。
　－側電極１３５は電源１５０の負極に接続され、＋側電極１３３はスイッチ１６０を介して電源１５０の正極または負極に切替可能に接続されている。図６（ｂ）では、＋側電極１３３は電源１５０の負極に接続され、＋側電極１３３と－側電極１３５とが短絡されている。
　図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、スイッチ１６０が切り替えられて、＋側電極１３３が電源１５０の正極に接続されると、圧電素子１３１の＋側電極１３３から－側電極１３５に向けて正の電界が印加され、圧電素子１３１は図の矢印Ｐ方向に収縮する。
　圧電素子１３１の収縮力と、圧縮バネとして機能する蛇腹状の１対の弾性部１１３のバネ力とが釣り合ったところで収縮は止まり、結局、第１の実施の形態と同様に、１対の支持部１１１の間隔がｄだけ縮んで停止する。
　再びスイッチ１６０が切り替えられて、＋側電極１３３と－側電極１３５とが短絡されると、圧電素子１３１の元の形状に復帰する力と、蛇腹状の１対の弾性部１１３の圧縮から復帰するバネ力とによって、図６（ａ）の元の状態に戻される。
　圧電素子１３１は必ずしも１枚である必要はなく、複数の圧電素子１３１が１対の支持部１１１に跨って形成されてもよい。また、ここでは、弾性部１１３は第１の実施の形態と同じ蛇腹状の１対の弾性部１１３としたが、第２あるいは第３の実施の形態に示した板バネ形状であってもよい。
　なお、圧電素子１３１の＋側電極１３３と－側電極１３５とに印加される電界の向きを正負逆にすれば、圧電素子１３１を収縮ではなく伸張させることも可能である。従って、蛇腹状の１対の弾性部１１３を用いて、＋側電極１３３と－側電極１３５とに印加される電界の向きも制御可能とすれば、１対の支持部１１１の間隔をより大きく変化させることも可能となる。
　従って、例えば１対の支持部１１１の一方を固定し、他方に被駆動物を搭載すれば、被駆動物を駆動することができる。
　上述したように、アクチュエータ機構１００の第５の実施の形態によれば、略平行に配置された１対の支持部１１１と、１対の支持部１１１に跨って形成された圧電素子１３１と、圧電素子１３１の両側に配置され、１対の支持部１１１の間を接続して略平行に保持している蛇腹状の１対の弾性部１１３とをＭＥＭＳ技術によって形成することで、アクチュエータ機構１００を容易に製造することができる。
　そして、圧電素子１３１への電界の印加を制御することにより、１対の支持部１１１の間隔を容易に変化させることができ、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さいアクチュエータ機構１００を提供することができる。
　上述したアクチュエータ機構１００の第１から第５の実施の形態は、１対の支持部１１１の一方を例えば固定台に固定し、他方に被駆動物を搭載して駆動するのに適している。しかし、例えば１対の支持部１１１の両方を固定せずに自由に移動できるようにして使用したい場合も考えられる。このような使用法に適したアクチュエータ機構１００の第６の実施の形態を、図７を用いて説明する。図７は、アクチュエータ機構１００の第６の実施の形態を示す模式図で、本第６の実施の形態は、第１の実施の形態の変形例である。
　図７において、１対の支持部１１１、１対の弾性部１１３、ＳＭＡ薄膜１２１、＋側電極１２３および－側電極１２５は、図１（ｂ）の第１の実施の形態と同じ構成で、動作も同じである。本第６の実施の形態では、さらに、第１の実施の形態のアクチュエータ機構の周囲を取り囲み、１対の弾性部１１３の蛇腹の中央部に接続される固定部１１５が設けられている。
　本第６の実施の形態のアクチュエータ機構１００を用いる際には、固定部１１５を例えば固定台等に接着等で固定する。そうすることで、１対の支持部１１１は両方共に自由に移動できる自由端となり、ＳＭＡ薄膜１２１の収縮動作に従って図の矢印Ｐ方向に移動可能となる。
　固定部１１５は、図１（ａ）に示したＩＣＰ－ＲＩＥによるシリコン基板１１０のエッチング処理時に、フォトレジストマスクによって保護しておくことで１対の支持部１１１および１対の弾性部１１３と共に一体に形成することができる。
　なお、第６の実施の形態に示したようにアクチュエータ機構１００に固定部１１５を設ける方法は、第１の実施の形態にのみ適用可能なものではなく、第２から第５の実施の形態にも適用可能である。
　さらに、本第６の実施の形態では固定部１１５をアクチュエータ機構１００の周囲を取り囲むように形成したが、これに限るものではなく、１対の支持部１１１を両方共に自由端とすることができさえすれば、どのような形状であってもよい。
　上述したように、アクチュエータ機構１００の第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、固定部１１５を固定することで１対の支持部１１１を両方共に自由端とすることができ、ＳＭＡ薄膜１２１の収縮動作に従って移動可能とすることができるので、アクチュエータ機構１００の使用方法の自由度を広げることができる。
　以上に述べたように、本発明によれば、略平行に配置された１対の支持部と、１対の支持部に跨って形成され、通電により変位する変位部と、変位部が変位する方向に弾性を有し、１対の支持部の間を接続する弾性部とを備え、変位部の通電による変位によって１対の支持部の間隔を変化させることで、薄型で発生力が大きく、特性バラツキが少なく、応答性に優れ、消費電力が小さく、製造も容易なアクチュエータ機構を提供することができる。
　尚、本発明に係るアクチュエータ機構を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

Claims (8)

  1. 略平行に配置された１対の支持部と、
    １対の前記支持部に跨って形成され、通電により変位する変位部と、
    前記変位部が変位する方向に弾性を有し、１対の前記支持部の間を接続する弾性部とを備え、
    前記変位部の通電による変位によって１対の前記支持部の間隔を変化させることを特徴とするアクチュエータ機構。
  2. １対の前記支持部と、前記弾性部とは、一体に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のアクチュエータ機構。
  3. １対の前記支持部と、前記弾性部とは、シリコン系材料により一体に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のアクチュエータ機構。
  4. １対の前記支持部と、前記弾性部とは、ポリマー系材料により一体に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のアクチュエータ機構。
  5. 前記弾性部は、蛇腹形状であることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
  6. 前記弾性部は、平板形状であることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
  7. 前記変位部は、形状記憶合金からなることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
  8. 前記変位部は、圧電素子からなることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項の何れか１項に記載のアクチュエータ機構。
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