(57)【要約】【課題】  可動コームが圧電物質から構成されており、平面アクチュエーションだけでなく、ｚ軸へのフォーカシングアクチュエーションも併行可能であって超薄型光ディスクドライブの駆動装置に使用可能なＭＥＭＳアクチュエータを提供する。【解決手段】  本発明のＭＥＭＳアクチュエータは、基板上に固定された固定コームと、前記基板から分離されて配置される可動コームと、前記可動コームを移動可能に支持するために、前記可動コーム及び前記基板上に連結されたスプリングとを備え、前記可動コームは、圧電物質層を積層形態で含んで圧電現象によって垂直に運動し、前記固定コームとの静電気力によって水平に運動する。【選択図】  図１
2006174688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に固定された固定コームと、
前記基板から分離されて配置される可動コームと、
前記可動コームを移動可能に支持するために、前記可動コーム及び前記基板上に連結されたスプリングとを備え、
前記可動コームは、
圧電物質層を積層形態で含んで圧電現象によって垂直に運動し、前記固定コームとの静電気力によって水平に運動することを特徴とするＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項２】
前記可動コームは、金属コーティング膜と、これら金属コーティング膜の間に介在した前記圧電物質とを含む構造であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項３】
前記固定コームを前記基板上に固定させるポストをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項４】
前記固定コーム及び可動コームは前記圧電物質層を含むことを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電物質層は圧電セラミック層または圧電単結晶層であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電セラミック層はＰＺＴセラミック、ＰＭＮ−ＰＴセラミックまたはＰＺＮ−ＰＴセラミックであり、前記圧電単結晶層はＰＭＮ−ＰＴ単結晶またはＰＺＮ−ＰＴ単結晶であることを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項７】
前記可動コームを支持するスプリングは前記可動コームの一端部にのみ形成されたことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ：Microelectromechanical System）アクチュエータに係り、さらに詳しくは、圧電カンチレバーアクチュエータとコームアクチュエータが結合して２軸駆動をするマイクロ電子機械システムアクチュエータに関するものである。このマイクロ電子機械システムアクチュエータは、超薄型光ディスクドライブの駆動装置に使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ピックアップ駆動装置に使用されるアクチュエータは、ＶＣＭ(Voice Coil motor)アクチュエータであって、コイルにローレンツ力を誘発し得るように磁束を印加する磁気回路、コイル、光学部品を固定するボビン、ボビンを支持し、ボビンに伝達される振動を減衰するワイヤサスペンション、及びサーボシステムの入出力信号を伝達し、コイルに電気を供給する連結部位のＰＣＢボードから構成されている。ところが、このような従来のＶＣＭ光ピックアップアクチュエータは、その構造上、コイルを巻くボビン、ボビンを支持する支持台、及び磁気回路を構成するための磁石とヨークプレートなどにより超小型に製作するのに限界があった。
【０００３】
一軸制御超小型アクチュエータは、目的に応じて、ＭＥＭＳ型コームアクチュエータまたは圧電型カンチレバーアクチュエータの形態が主に使用された。
【０００４】
静電力を用いたコームアクチュエータ(Comb actuator)は、平板面に対して垂直に突出し、係合した構造からなる一対の櫛歯(comb)に電圧を加えて２つの櫛歯の間に発生する静電気力(Electrostatic Force)が櫛歯の間の相対的な動きに対して一定に力を出すことができるようにしたものである。このような静電気力櫛歯駆動器(Electrostatic Comb Drive)は、一方の櫛歯の動きに対して一定の力を持つという利点がある。
【０００５】
カンチレバー型圧電アクチュエータ(cantilever piezoelectric actuator)は、主に、ＰＺＴセラミックを用いて製作され、微細位置制御装置が必要な様々な分野で使用される。このようなアクチュエータは、特に圧電体に印加される駆動電圧に応じてアクチュエータの変位が決定されるので、容易に精密制御を行うことができるという利点を持ち、特にその変位量を数十ナノメートル級に制御可能なので、超微細アクチュエータの構成が可能であるという利点を持つ。このような特徴を用いて原子顕微鏡（ＡＦＭｌ：Atomic Force Microscope）、ナノ駆動器用アクチュエータ、ＭＥＭＳ構造体の駆動力など超微細駆動力の確保及び制御に使用されている。
【０００６】
ところが、従来の技術によるアクチュエータは、１軸制御のみが可能であってその応用範囲が制限されており、特に圧電アクチュエータはＰＺＴセラミックを適用して大変位を達成するためには駆動電圧が高くなければならないという問題点があり、小型に製作することが難しいという問題点があった。
【０００７】
一方、従来の関連技術として、一つ以上の駆動アーチ型ビームが列アーチ型ビームに連結され、マイクロ電子機械式で動作するアクチュエータが開示されている(特許文献１参照)。
【０００８】
【特許文献１】韓国特許公開第10-2001-0095286号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、２軸制御が必要な超小型モバイル駆動装置に使用可能な超小型２軸制御ＭＥＭＳアクチュエータを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、従来のＶＣＭアクチュエータとは異なり、半導体製造工程を適用可能な超小型ＭＥＭＳアクチュエータを提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、カンチレバー単結晶圧電アクチュエータをコームアクチュエータの可動部に適用してトラッキング駆動及びフォーカシング駆動を同時に達成するアクチュエータであって、従来のヘッドの中央に圧電アクチュエータを位置させてトラッキング駆動のみを実現した圧電アクチュエータよりさらに発展したアクチュエータを提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、低い電圧でも大変位のフォーカシング駆動を可能とするアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための技術的手段として、本発明の一側面は、基板上に固定された固定コーム、前記基板から分離されて配置される可動コーム、前記可動コームを弾持するために、前記可動コーム及び前記基板上に連結されたスプリングとを備え、前記可動コームは、圧電物質層を積層形態で含んで圧電現象によって垂直に運動し、前記固定コームとの静電気力によって水平に運動する、ＭＥＭＳアクチュエータを提供する。
【００１４】
好ましくは、可動コームは、金属コーティング膜と、これら金属コーティング膜の間に介在した前記圧電物質とを含む構造であり、ＭＥＭＳアクチュエータは、固定コームを前記基板上に固定させるポストをさらに含むことができる。
【００１５】
また、固定コーム及び可動コームは、圧電物質層を含むように構成することがより簡単な工程でＭＥＭＳアクチュエータを製造することができるという利点がある。好ましい圧電物質層は、圧電セラミック層または圧電単結晶層であって、圧電セラミック層はＰＺＴセラミック、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）セラミックまたはＰＺＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）セラミックであり、圧電単結晶層はＰＭＮ−ＰＴ単結晶またはＰＺＮ−ＰＴ単結晶である。
【００１６】
一方、可動コームを支持するスプリングは可動コームの一端部にのみ形成される。このスプリングを軸として可動コームの他端部を移動させることが可動コームの移動性に有利であるという利点がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るアクチュエータは、２軸制御が必要な超小型モバイル駆動装置の核心部品として応用できる。
【００１８】
超小型モバイル光ディスクドライブに使用されるアクチュエータは、低電力駆動条件を満足させなければならず、アクチュエータの占有体積が小さくなければならないところ、本発明のアクチュエータは、厚さ５ｍｍ以下の超小型モバイル光ディスクドライブ駆動装置への使用に適する。また、超小型低電力２軸位置制御が必要ないずれの装置にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施形態は、本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
【００２０】
図１は本発明の実施形態に係るＭＥＭＳアクチュエータの平面概略図である。図２は図１のＭＥＭＳアクチュエータをＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図、図３は図１のＭＥＭＳアクチュエータをＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図である。
【００２１】
図１を参照すると、ＭＥＭＳアクチュエータは、基板（図示せず）上に固定された固定コーム１０と、基板から分離されて配置される可動コーム１１と、可動コーム１１を移動可能に支持するために可動コーム１１及び基板上に連結されたスプリング１２とを備える。可動コーム１１は、圧電物質の積層を含み、圧電現象によって垂直に運動し、固定コーム１０との静電気力によって水平に運動する。圧電物質は圧電セラミック層または圧電単結晶層が可能であり、圧電セラミック層はＰＺＴセラミック、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）セラミックまたはＰＺＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）セラミックが好ましく、圧電単結晶層はＰＭＮ−ＰＴ単結晶またはＰＺＮ−ＰＴ単結晶が好ましい。
【００２２】
より詳しく説明すると、固定コーム１０は、基板から分離された可動コーム１１の両側に配置され、所定の間隔離隔した状態でお互いずれるように係合する。また、スプリング１２と基板を固定させるためにポスト１３をさらに備えてもよい。すなわち、スプリング１２は、基板から分離された状態でポスト１３に連結され、可動コーム１１を移動可能に弾持する。
【００２３】
可動コーム１１の圧電物質層は、圧電単結晶物質または圧電セラミック物質からなって圧電現象を誘発する。製造工程上、便宜のためには、固定コーム１０、ポスト１３及びスプリング１２も、圧電性質を有する絶縁物質を積層形態で含むことができる。この場合、固定コーム１０、ポスト１３及びスプリング１２には絶縁物質層の上下に電圧差が印加されなくて圧電現象が誘発されないように構成する。固定コーム１０、可動コーム１１、ポスト１３及びスプリング１２は、基板上に形成された絶縁物質層（図示せず）を積層形態で含むことができる。
【００２４】
ポスト１３は、可動コーム１１から離隔して可動コーム１１の一側に配置され、シリコン基板に固定される。ポスト１３が配置されていない可動コーム１１の他側は運動が容易である。
【００２５】
固定コーム１０は、例えばシリコン基板に固定された固定ステージ１０１と、固定ステージの一側に櫛歯状に突設された多数の固定フィンガー１０２とから構成される。可動コーム１１は、直線移動ができるようにシリコン基板から分離されて所定の間隔離隔し、可動ステージ１１１と、固定フィンガーと向かい合うように可動ステージの両側に櫛歯状に突設された多数の可動フィンガー１１２とを含む。
【００２６】
固定コーム１０と可動コーム１１はお互い物理的及び電気的に分離され、固定フィンガー１０２と可動フィンガー１１２は所定の間隔離隔した状態でお互いずれるように係合する。お互い係合した構造からなる一対の櫛歯に電圧を加えて２つの櫛歯の間に発生する静電気力が櫛歯の間の相対的な動きに対して一定に力を出すことができるようにしたものである。
【００２７】
スプリング１２は、ポスト１３と可動コーム１１との間に配置され、シリコン基板から分離される。すなわち、スプリング１２の一端部はポストに連結され、スプリング１２の他端部は可動コーム１１の一端部に連結され、可動コーム１１を弾持する。
【００２８】
図２及び図３は、それぞれ図１のＭＥＭＳアクチュエータをＡ−Ａ’線とＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図の例である。可動コーム１１は、基板１４上に浮遊して形成され、弾性層１１１ａ、下部電極１１１ｂ、圧電性質を有する絶縁物質１１１ｄ、及び上部電極１１１ｃを備える。下部電極１１１ｂ及び上部電極１１１ｃは、導電性のある金属コーティング膜が形成される。金属コーティング膜は、アルミニウムと金のいずれか一つからなることが好ましい。可動コーム１１と基板１４を固定させるポスト１３、及びポスト１３と可動コーム１１を弾持するスプリング１２は、例えばシリコン物質を用いることができる。
【００２９】
基板１４はシリコン基板であることが好ましいが、他の加工性に優れた物質からなる基板、例えばガラス基板で代替できる。固定コーム１０と可動コーム１１の絶縁物質の上面には上部電極１１１ｃ、１０１ｃを形成し、電圧が印加できるようにする。この場合、固定コーム１０の下部電極１０１ｂは、電圧が印加されないようにすると、圧電物質層１０１ｄには電圧差が印加されなくなる。固定コーム１０の下部電極１０１ｂは、製造工程上の便宜のために挿入されたもので、必ずしも必要な構成ではない。
【００３０】
具体的に、金属コーティング膜の下部電極１１１ｂは弾性層１１１ａの上部に形成され、上部電極１１１ｃは圧電単結晶物質層または圧電セラミック物質層の圧電物質層上に形成され、金属コーティング膜はアルミニウムまたは金を化学気相法（ＣＶＤ）またはスパッタリング法を用いて略０．５μｍ程度の厚さに形成される。
【００３１】
一方、弾性層１２、１３、１１１ａ、１０１ａは、シリコン基板の一部またはプレインカーボンスチール(plain carbon steel)などを用いて製造できる。
【００３２】
次に、本実施形態に係るＭＥＭＳアクチュエータの動作を詳細に説明する。図１〜図３を参照すると、可動コーム１１の金属コーティング膜には一定のＤＣ電圧（例えば−５Ｖ）を印加し、左の固定コーム１０の金属膜に対しては時間に応じて符号が変わる電圧を印加すると（例えば、１０Ｖ）、金属コーティングの間に引力の静電気力が発生し、これにより可動コーム１１が左の固定コーム１０側に引かれる。この際、スプリング１２の弾力性と金属コーティング膜に印加される電圧の大きさを調節することにより、可動コームの移動距離を調節することができる。
【００３３】
電極に印加されていた電圧を切ると、スプリングの復元力によって、可動コーム１１は原位置に戻る。この際、右の固定コーム１０の電極に対しては左の固定コーム１０の電極に印加される電圧と大きさは同一で符号は反対である電圧を印加すると、可動コーム１１と右の固定コーム１０との間には斥力の静電気力が発生して、可動コーム１１はさらに左に押される。
【００３４】
このように可動コーム１１の両側に固定コーム１０を対称的に配置し、お互い反対の符号の電圧を印加することにより、可動コーム１１の電極と固定コーム１０の電極との間の静電気力を倍加させることができる。このように櫛歯同士間の静電気力によって、可動コーム１１は左右に駆動してトラッキング駆動をする。
【００３５】
一方、可動コーム１１の可動ステージ１１１は、カンチレバー圧電アクチュエータとしても作動する。図３に示すように、基板１４と圧電性質の絶縁物質層１１１ｄとが直接積層されるかあるいはエポキシによって接着される。また、電極は、圧電セラミック層または圧電単結晶層の下面と上面には導電性のある金属膜がコートされ、カンチレバー型圧電アクチュエータを提供する。上記金属コーティング膜は、半導体製造工程で多用されるアルミニウムまたは金を使用することが好ましい。
【００３６】
圧電物質層１１１ｄによって形成されるポーリング方向は、可動ステージ１１１面に垂直な方向にすることが好ましい。したがって、圧電物質層の上下に電圧が印加されると、圧電物質層はそれぞれの圧電電荷定数(Piezoelectric charge constant)に応じて横方向または縦方向に体積が膨張する。この際、圧電物質層の下面がシリコン基板に固定されているので、体積膨張を妨害し、このような効果により、カンチレバーは上下に撓むことになってフォーカシング駆動を行う。この際、シリコン基板は弾性層として作用し、シリコン基板は加工性が良くて弾性係数が高い物質で代替することができる。
【００３７】
（実験例）
図４は図２のアクチュエータのシミュレーション結果を示すグラフである。カンチレバーの長さ１２ｍｍ、カンチレバーの幅２ｍｍ、圧電物質層の厚さ１５０μｍ、シリコン基板の厚さ４０μｍの大きさに対してＰＺＴ−８セラミック、ＰＭＮ−３３％ＰＴ単結晶及びＰＺＮ−８％ＰＴ単結晶に対するそれぞれの有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による解釈結果である。
【００３８】
圧電物質の上下に印加される電圧１０Ｖに対してカンチレバーの端部の変位は、ＰＺＮ−８％ＰＴ単結晶の場合には４９．７μｍ、ＰＭＮ−３３％ＰＴ単結晶の場合には４６．０μｍ、ＰＺＴ−８セラミックの場合には２．９９μｍであった。
【００３９】
本発明は、このようにカンチレバー圧電アクチュエータにおいて圧電単結晶を適用して低い駆動電圧で大変位を可能とし、カンチレバー型圧電アクチュエータを可動コームステージに適用して、フォーカシングだけでなくトラッキングも同時に実現できるようにした。
【００４０】
以上、本発明に対する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは本発明の好適な実施形態を例示的に説明したもので、本発明を限定するものではない。また、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範疇から逸脱することなく様々な変形及び模倣が可能なことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳアクチュエータの平面概略図である。
【図２】図１のＭＥＭＳアクチュエータをＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【図３】図１のＭＥＭＳアクチュエータをＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図である。
【図４】図２のアクチュエータのシミュレーション結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０    固定コーム
１１    可動コーム
１２    スプリング
１３    ポスト
１４    基板
１１１    可動ステージ
１１２    可動フィンガー
【図１】
2006174688.tif 000003
【図２】
2006174688.tif 000004
【図３】
2006174688.tif 000005
【図４】
2006174688.tif 000006