JP2012243974A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返しの応力に対して信頼性の高いアクチュエータを提供する。
【解決手段】配線１４を備えた可動部９と、この可動部９を捩れ運動または曲げ運動、もしくはその両方で駆動させるための駆動部１２と、からなり、配線１４は導電性有機高分子としたことを特徴とするアクチュエータである。このように、繰り返しの応力が印加される可動部９に設けた、下部電極、上部電極、配線などを金属でなく導電性有機高分子で形成することにより、マイグレーションが生じることはなく、また可動部の可撓性を高めることができるので、高い信頼性を有するアクチュエータを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種センサや電子部品に用いられるアクチュエータに関する。

近年、デバイスの小型化を目的としてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用したセンサやアクチュエータが提案されている。

図４にＭＥＭＳ技術を利用した光走査装置用のアクチュエータの一例を示す。このアクチュエータ１は、光源からの光束を反射するミラー部２と、このミラー部２の対向する両端を、弾性連結部３ａ，３ｂを介して両持ちで支持する内ジンバル４と、この内ジンバル４を、弾性連結部５ａ，５ｂを介して両持ちで支持する外ジンバル６を有している。この外ジンバル６に静電力、磁力、または圧電効果による周期的な外力を印加することにより、各々の弾性連結部７ａ，７ｂ，５ａ，５ｂ，３ａ，３ｂが三つの軸ｉ，ｊ，ｋを中心として一定の中心角度で捻り振動するものである（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−２１７５２０号公報

上記のアクチュエータ１では、外部から周期的な駆動力を印加した際、各ジンバル４，６とミラー部２とを連結する弾性連結部７ａ，７ｂ，５ａ，５ｂ，３ａ，３ｂに捻りによる繰り返しの応力が印加される。そのため、これら弾性連結部７ａ，７ｂ，５ａ，５ｂ，３ａ，３ｂにモニタや駆動用の配線を設けると、繰り返しの応力によりマイグレーションが生じやすく、配線が断線して動作不良の原因となる課題があった。

そこで本発明は、構造を複雑にすることなく、マイグレーションを低減することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、配線を備えた可動部と、この可動部を捩れ運動または曲げ運動、もしくはその両方で駆動させるための駆動部と、からなり、前記配線は導電性有機高分子としたものである。

以上のように本発明によれば、駆動部により配線部に繰り返しの応力が印加された場合であっても、配線にマイグレーションが発生することがないので、断線の無い信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。

本実施の形態のアクチュエータを説明する正面図 本実施の形態の別のアクチュエータを説明する斜視図 本実施の形態の別のアクチュエータを説明する正面図 従来のアクチュエータを説明する正面図

以下、本発明の実施の形態について図面とともに説明する。

（実施の形態１）
図１に本実施の形態におけるアクチュエータの一例を示す。

図１は本発明のアクチュエータを電磁駆動方式の光学反射素子に適用した事例である。

図１の正面図より本実施の形態のアクチュエータ８は、光源からの光束を反射させるためのミラー部９と、このミラー部９の対向する両端９ａ、９ｂを一端で支持するとともに、他端を支持体１０の内側面に支持するトーションバー１１からなる素子部と、この素子部の周辺部に配置された一対の磁石１２で構成されている。なお、上記のミラー部９、トーションバー１１、支持体１０はシリコンなどを用いて一体で設けられている。

また、支持体１０には対向する桟に一対の電極パッド１３が設けられており、この一方の電極パッド１３から一方のトーションバー１１、ミラー部９、他方のトーションバー１１を介して他方の電極パッド１３に接続される配線１４が設けられている。ミラー部９における配線１４は、ミラー部９の外周部で上下方向、あるいは面内方向に巻回することでコイル１５を形成している。本実施の形態のアクチュエータ８は、ミラー部９の駆動に電磁力を利用する。そのため、ミラー部９に設けたコイル１５に対し、垂直な磁力線が作用するように磁石１２を配置するものである。

コイル１５に流す電流と、素子の周辺に設けた磁石１２による磁界により、ミラー部９の周辺部、特に磁石に隣接した一辺（図１のミラー部における長辺）に垂直方向のローレンツ力が生じることにより、トーションバー１１を軸としてミラー部９が一定の中心角で往復回動するものである。

このように、ミラー部９に電磁力を利用して周期的な外力を作用させるためには、ミラー部９やトーションバー１１などの駆動部に配線１４やコイル１５を設ける必要がある。しかしながら、特にトーションバー１１はミラー部９の往復回動と同期した捩れ運動と、この捩れ運動に起因する応力が集中することとなる。そのため、トーションバー１１に設けた配線にはこの応力が集中することによりマイグレーションが生じやすく、最悪の場合、断線してアクチュエータ８が機能しなくなる。そこで、本発明は、ミラー部９、トーションバー１１などの可動部に設けた配線１４やコイル１５を、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレンなどの可撓性の高い導電性有機高分子で形成するものである。このように、特に応力が集中しやすいトーションバー１１などの配線材料に導電性有機高分子を用いることで、金属配線を用いたときのように応力に起因するマイグレーションが発生することはなく、その結果、断線等による動作不良の無い信頼性の高い光学反射素子を提供することができる。特に、ポリエチレンジオキシチオフェンを用いた場合には、電気伝導度が高い上に、環境安定性も高く、高い信頼性を有する光学反射素子を提供することができる。

なお、導電性有機高分子のパターニングについては、金属配線の時と同様に、フォトレジストを用いたフォトエッチングと呼ばれる方法を用いることができ、金属配線と同程度の微細なパターニングが実現可能である。特に、ポリピロールを用いた場合には蒸着法により形成することが可能であり、薄層化できることから、より微細なパターニングが実現可能となる。

（実施の形態２）
次に本発明におけるアクチュエータの別の実施の形態について説明する。

図２は、本発明におけるアクチュエータを角速度センサに適用した事例である。

図２の斜視図より、本実施の形態のアクチュエータ１６は二本のアーム部１７ａ，１７ｂを有する音叉形状をしており、角速度を検出する際、二本のアーム部１７ａ，１７ｂをＸ軸方向に振動させて、このＸ軸方向に振動させたアーム部１７ａ，１７ｂが回転時に受けるＺ軸方向のコリオリ力を角速度として検出するものである。

本実施の形態におけるアクチュエータ１６は、シリコンなどで形成された可動部１８と、この可動部１８を支持する支持部１９とから構成されている。可動部１８は、二本のアーム部１７ａ，１７ｂと、これら二本のアーム部１７ａ，１７ｂを支持する振動遷移部２０とを備え、それぞれのアーム部１７ａ，１７ｂの主面には、二本の駆動部２１ａ，２１ｂと、これら二本の駆動部２１ａ，２１ｂに挟まれるように一本の検出部２２が設けられている。駆動部２１ａ，２１ｂおよび検出部２２は、それぞれアーム部１７ａ，１７ｂ側より順に、下部電極、ＰＺＴなどの圧電体、上部電極で構成されている。また、各下部電極または上部電極は、配線２３を介して振動遷移部２０または支持部１９に設けた外部電極２４に接続されており、これらの外部電極２４に交流電圧を印加することで、圧電体に周期的な歪を生じさせることでアーム部１７ａ，１７ｂを駆動する。

一本のアーム部１７ａにおいてその周縁部に一対の駆動部２１ａ，２１ｂが設けられている。これらの一対の駆動部２１ａ，２１ｂに外部電極２４から互いに逆位相の電圧を印加することで、一方の駆動部２１ａにおける圧電体はＹ軸の正方向に伸び、逆に他方の駆動部２１ｂにおける圧電体はＹ軸の負方向に収縮する。その結果、一本のアーム部１７ａはＸ軸方向に撓むことになる。これらを周期的に繰り返し、さらにそれぞれのアーム部１７ａ，１７ｂが逆位相に撓むようにそれぞれのアーム部１７ａ，１７ｂに設けた一対の駆動部２１ａ，２１ｂに印加する電圧の位相を制御することで、一対のアーム部１７ａ，１７ｂはＸＹ面内で繰り返し振動を生じるものである。

このように、一対のアーム部１７ａ，１７ｂがＸＹ面内で繰り返し振動している状態で、Ｙ軸周りに角速度が作用すると、コリオリ力に基づき一対のアーム部１７ａ，１７ｂは互いに逆方向となるようにＺ軸方向に撓むこととなる。このコリオリ力によるそれぞれのアーム部１７ａ，１７ｂのＺ軸方向の撓みを角速度として検出するものである。すなわち、アーム部１７ａ，１７ｂの撓みにより生じる検出部２２に設けた圧電体から生じる電荷を、上部、下部電極を介して外部電極２４から取り出して角速度として検出するものである。

なお、駆動部２１ａ，２１ｂによりアーム部１７ａ，１７ｂは周期的に振動するが、このアーム部１７ａ，１７ｂの振動は、支持部１９に達する前に振動遷移部２０で徐々に減衰するものである。

上述した繰り返し振動を利用するアクチュエータ１６では、アーム部１７ａ，１７ｂや振動遷移部２０などの可動部１８上に設ける上部電極や配線２３に、振動に応じた撓みによる引張りや圧縮の応力が常に印加されることになる。このように繰り返しの応力が印加される場合、上部電極や下部電極、または配線２３を金属材料で構成するとマイグレーションが生じやすく、最悪の場合は断線して駆動ができなくなる、あるいは角速度を検出できなくなるなどの動作不良の原因となる。本発明は、これらの上部電極または配線２３をポリエチレンジオキシチオフェンなどの可撓性の高い導電性有機高分子で形成するものである。こうすることにより、大きな繰り返しの撓みが生じるアクチュエータであっても、応力に起因するマイグレーションが発生しないため、断線による配線不良が生じることなく、信頼性の高い角速度センサを実現することができる。また、可撓性の高い導電性有機高分子を用いることにより、アーム部の剛性が低下し、Ｚ軸方向の撓みが大きくなることから、センサの感度を高めることができる。

また、本実施の形態では、下部電極、上部電極ともに導電性有機高分子材料としたが、下部電極を金属、もしくは導電性無機酸化物としてもよい。導電性有機高分子の分解温度は、金属や圧電体に比べて低いために、アーム部１７ａ，１７ｂ上に駆動部２１ａ，２１ｂを形成する工程においてアーム部１７ａ，１７ｂの冷却や圧電体の形成温度など、温度管理を厳しくする必要がある。少なくとも下部電極に金属または導電性無機酸化物とすることで、圧電体の形成条件の制約が緩和され、高い圧電特性を有する駆動部２１ａ，２１ｂを実現することができる。

（実施の形態３）
次に本発明におけるアクチュエータの別の実施の形態について説明する。

図３は、本発明のアクチュエータを圧電駆動方式の光学反射素子に適用したものである。

図３の正面図に示すように、本実施の形態におけるアクチュエータ２５は、ミラー部２６と、このミラー部２６を介して対向し、このミラー部２６の端部２６ａ，２６ｂとそれぞれ連結された一対の振動子２７と、ミラー部２６および一対の振動子２７の外周を囲う枠形状の支持体３１とを備えている。

振動子２７は、Ｙ軸方向に平行に伸びた複数の直線部２７ａと、この直線部２７ａ間を接続する折り返し部２７ｂからなり、直線部２７ａが同一平面上で折返し部２７ｂを介して連結されたミアンダ形状である。これらミアンダ形状の振動子２７とミラー部２６とで可動部２８を形成している。

振動子２７を構成する直線部２７ａには、下側から下部電極、ＰＺＴ等の圧電体、上部電極とからなる駆動部２９を、一本おきに配置している。また、上部電極は、配線３０を介して枠形状の支持体３１に設けた外部電極３２へ接続されており、下部電極は、枠形状の支持体３１から一対の振動子２７、ミラー部２６にわたって形成された共通電極であり、下部電極と配線または上部電極間は、ＳｉＯ₂などの酸化物により電気的に絶縁されている。下部電極の一部は、枠形状の支持体の一部にＳｉＯ₂を除去して露出させることにより共通外部電極３３を形成している。

次にアクチュエータ２５の動作について説明する。

図３に示すように、ミアンダ形状の振動子２７における直線部２７ａ上には、一本おきに駆動部２９が配置されている。ここで、共通外部電極３３と外部電極３２間に電圧を印加することにより、圧電体には厚み方向に電界が印加され、長さ方向に撓みが生じる。この撓みは、圧電体の厚み方向に電界を印加した際に生じる長さ方向の伸縮を利用したものである。すなわち、圧電体の下面側は下部電極で拘束されることで、下部電極側と上部電極側で圧電体の伸縮量に差が生じることで、撓みが生じるものであり、一端を固定することで他端が大きく変位することになる。外部電極３２と共通外部電極３３間に交流電圧を印加することにより、圧電体は一端を固定されて他端が上下に撓み運動するとともに、振動子２７の直線部２７ａに対して一本おきに駆動部２９を設けることで、各直線部２７ａが交互に逆位相で運動することにより各直線部２７ａの変位量が重畳し、Ｓ１軸を中心として振動子２７およびミラー部２６が一定の中心角で回動するものである。なお、交流電圧の周波数をアクチュエータ２５の共振周波数と一致させることで最大の回動量を得ることができる。

上記のような一定の中心角で可動部２８を回動運動させた場合、振動子２７の直線部２７ａでは撓みによる曲げ応力が、これら直線部２７ａを接続する折り返し部２７ｂでは捩れの応力が一定の周期で繰り返し印加されることとなる。このように繰り返しの応力が印加される場合、上部電極や下部電極、または配線３０を金属材料で構成するとマイグレーションが生じやすく、最悪の場合は断線して駆動ができなくなる、あるいはミラー部２６を正確に駆動できなくなるなどの動作不良の原因となる。本発明は、これらの上部電極または配線３０をポリエチレンジオキシチオフェンなどの可撓性の高い導電性有機高分子で形成するものである。こうすることにより、繰り返しの大きな曲げや捩れが生じるアクチュエータであっても、応力に起因するマイグレーションが発生しないため、断線による配線不良が生じることなく、信頼性の高い光学反射素子を実現することができる。

なお、本実施の形態では、下部電極、上部電極共に同じ導電性有機高分子としたが、例えば下部電極側の分子量を臨界分子量より大きくし、上部電極側の分子量を臨界分子量より小さくすることで、上部電極と比較して下部電極のヤング率や硬さを大きくしてもよい。このような構成とすることで、圧電体の厚み方向に関して、上面側より相対的に下面側の拘束力が高くなるとともに、上面側の可撓性が高くなる。その結果、圧電体の厚み方向に対して上下面の伸縮量の差を大きくすることができるので、低電圧で大変位が得られる光学反射素子を実現することができる。

また、本実施の形態では、下部電極、上部電極ともに導電性有機高分子としたが、下部電極を金属、もしくは導電性無機酸化物としてもよい。導電性有機高分子の分解温度は、金属や圧電体に比べて低いために、振動子２７上に駆動部２９を形成する工程において振動子２７の冷却や圧電体の形成温度など、温度管理を厳しくする必要がある。少なくとも下部電極を金属または導電性無機酸化物とすることで、圧電体の形成条件の制約が緩和され、高い圧電特性を有する駆動部２９を実現することができる。

さらに、下部電極を金属もしくは導電性無機酸化物とすることで、圧電体の下部電極側を上部電極側より強く拘束できることから、圧電体の厚み方向の伸縮量の差を大きくして大きな撓み変位を得ることができる。

なお、下部電極に金属を用いる場合は、白金、モリブデン、タングステンなどの高融点かつヤング率の高い材料が望ましい。このような材料を選択することで、上記と同様の効果が得られるとともに、下部電極の応力によるマイグレーションも著しく低減できる。

本発明のアクチュエータは、繰り返しの応力に対してマイグレーションを低減することができる効果を有し、各種センサや電子部品に有用である。

８ アクチュエータ
９ ミラー部
９ａ，９ｂ ミラー部の両端
１０ 支持体
１１ トーションバー
１２ 磁石
１３ 電極パッド
１４ 配線
１５ コイル

Claims (5)

1. 配線を備えた可動部と、
   この可動部を捩れ運動または曲げ運動、もしくはその両方で駆動させるための駆動部と、からなり、
   前記配線は導電性有機高分子としたことを特徴とするアクチュエータ。
2. 駆動部は、可動部上の少なくとも一部に、下から順に下部配線、圧電体、上部配線を積層したものであって、
   少なくとも前記上部配線を導電性有機高分子としたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 下部配線を上部配線より硬くしたことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 下部配線は金属配線とした請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 金属配線は、白金、モリブデン、またはタングステンであることを特徴とした請求項４に記載のアクチュエータ。

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