(57)【要約】【課題】カメラモジュールの低背化を実現するための極薄型で組み立てが簡単な手振れ補正も可能なオートフォーカス駆動機構を提供する。【解決手段】本発明において基板１から解放されて上向きに反りあがった形状記憶合金薄膜アクチュエータ２のアレイ（面状に配列配置された複数のアクチュエータ）を備えたアクチュエータアレイ基板７に対向してばね材１０によるバイアス力を加えることにより、レンズあるいは撮像素子を支持したプレート９を基板に対して垂直方向に移動させることができ（オートフォーカス機構）、また個々のアクチュエータを独立して動かすことにより、垂直方向からの傾斜（手振れ補正機構）も可能にする。 【選択図】図３
2019028439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端側が基板に固定されると共に、先端側が基板から解放されて当該基板のなす平面に対して反り上がった姿勢となる複数の形状記憶合金薄膜であって、当該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基板と
移動対象物を支持したプレートと、
前記複数の形状記憶合金薄膜の姿勢が、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基板、前記プレート、およびバイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備えることを特徴とするオートフォーカス駆動機構。
【請求項２】
室温時に上記の対象物を支持したプレートが上記アクチュエータ基板の基板に接触することによって、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請求項１のオートフォーカス駆動機構。
【請求項３】
前記アクチュエータ基板の基板によって前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態（変態開始温度から終了温度までの全域）の高温部分（変態開始温度から終了温度よりも高い温度までの上記マルテンサイト変態の一部）のみを上記プレートの移動に利用することを特徴とする請求項２のオートフォーカス駆動機構。
【請求項４】
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のオーステナイト相での姿勢が前記基板に対して反り上がった姿勢であることを特徴とする請求項１〜３に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項５】
前記基板は、Ｓｉウエハであることを特徴とする請求項１〜４に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項６】
前記熱膨張係数の小さい下層膜は、ＳｉＯ２薄膜であることを特徴とする請求項５に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項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に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項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に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項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に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項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に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項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に記載のオートフォーカス駆動機構。
【請求項１２】
請求項１〜１１に記載の前記形状記憶合金薄膜を加熱する手段によって、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カメラモジュール。
【請求項１３】
オートフォーカス制御回路からの駆動電流を請求項１〜１２に記載の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カメラモジュール。
【請求項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。
【請求項１５】
前記温度調整手段は、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。
【請求項１６】
駆動電流を請求項１〜１５に記載のオートフォーカス駆動機構の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、手振れ補正を可能にしたカメラモジュール。
【請求項１７】
請求項１２〜１６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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 。 
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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）。
【０００４】
オートフォーカス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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２５４１８４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９６０６０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０９８５３号公報
【特許文献４】特開２００９−８９３０６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａ．  Ｉｓｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ.、  Ｓｍａｒｔ  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｔｒｕｃｔ．、  １６（２００７）１６７２.
【非特許文献２】Ａ．  Ｉｓｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ.、  Ｓｍａｒｔ  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｔｒｕｃｔ．、  １４（２００５）Ｓ２１６.
【非特許文献３】Ａ．  Ｉｓｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ.、  Ｊ．  Ａｌｌｏｙｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、  ５７７Ｓ（２０１３）Ｓ１８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
一方、特許文献３と４では２辺に沿っ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。
【００１１】
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復元力を利用できないことが指摘されている。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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ると共に、先端側が基板から解放されて当該基板のなす平面に対して反り上がった姿勢となる複数の形状記憶合金薄膜であって、当該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基板と
移動対象物を支持したプレートと、
前記複数の形状記憶合金薄膜の姿勢が、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基板、前記プレート、およびバイアスばねが積層された構造を保持する筐体を備えることを特徴とするオートフォーカス駆動機構。
[２]  室温時に上記の対象物を支持したプレートが上記アクチュエータ基板の基板に接触することによって、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[１]に記載のオートフォーカス駆動機構。
[３]  前記アクチュエータ基板の基板によって前記形状記憶合金薄膜のマルテンサイト変態（変態開始温度から終了温度までの全域）の高温部分（変態開始温度から終了温度よりも高い温度までの上記マルテンサイト変態の一部）のみを上記プレートの移動に利用することを特徴とする[２]に記載のオートフォーカス駆動機構。
【００１４】
［４］  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のオーステナイト相での姿勢が前記基板に対して反り上がった姿勢であることを特徴とする［１］乃至［３］に記載のオートフォーカス駆動機構。
［５］  前記基板は、Ｓｉウエハであることを特徴とする［１］乃至［４］に記載のオートフォーカス駆動機構。
［６］  熱膨張係数の小さい下層膜は、ＳｉＯ２薄膜であることを特徴とする［５］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]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]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]に記載のオートフォーカス駆動機構。
【００１５】
［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］に記載のオートフォーカス駆動機構。
【００１６】
[１２]   ［１］乃至［１１］に記載の前記形状記憶合金薄膜を加熱する手段によって、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［１］乃至［１２］に記載の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［１］乃至［１５］に記載のオートフォーカス駆動機構の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、手振れ補正を可能にしたカメラモジュール。
[１７]  ［１２］乃至［１６］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。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した発明［１］によれば、全体の荷重を長さの短い多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発生力が増加し、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大きい形状回復力を対象物を持ち上げる駆動力として利用できる。
【００１８】
上記の構成を有する発明[２]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[３]によれば、オートフォーカス駆動機構の作動温度をマルテンサイト変態終了温度よりも高く設定できる。
【００１９】
上記の構成を有する発明［４］によれば、形状記憶合金薄膜と下層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）を基板から反り上がった形状にできる。
【００２０】
上記の構成を有する発明［５］によれば、半導体プロセスを利用することにより、［１］乃至［４］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。
【００２１】
上記の構成を有する発明［６］によれば、上記の構成を有する発明［５］において、ＳｉＯ２膜を熱膨張係数の小さい下層の絶縁膜として利用でき、またＳｉ化合物の形成を防ぐことにより形状記憶合金薄膜とＳｉ基板の密着性を向上させることができる。
【００２２】
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。
【００２３】
上記の構成を有する発明［７］と［８］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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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  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。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】アクチュエータアレイの模式図である。図１（ａ）は１個のバイモルフ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）は平面図である。図１（ｃ）はカンチレバー型アクチュエータを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。
【図２】オートフォーカス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３】アクチュエータ基板の様々な利用形態を示す図である。図３（ａ）は図２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）は複数の基板を積み重ねた形態を示している。
【図４】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Ｓｉウエハ上に形状記憶合金薄膜を成膜して結晶化熱処理、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、図４（ｃ）はＳｉＯ２膜のエッチング、図４（ｄ）はＳｉ基板の等方性エッチングを示している。
【図５】オートフォーカス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とレンズあるいは撮像素子を支持した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χＢＥＢの初期荷重を負荷した状態（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基板上に押さえつけられた状態（室温）を示している。
【図６】バイモルフ型形状記憶合金薄膜アクチュエータの形状（長さと厚さ）を変えたオートフォーカス機構のストロークと最大荷重のシミュレーション結果を示している。
【図７】（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。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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３の形状は通電加熱を行うために図１（ｂ）に示すように概ねコの字型をしている。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。
【００３５】
なお、図１（ａ)のような形状記憶合金薄膜３を基板１から反り上がった形状にする方法としては、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も考えられ、この場合は下層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層膜による熱ひずみは形状記憶合金薄膜３に基板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。
【００３６】
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アクチュエータ２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を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、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。
【００３７】
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機構を組み立てた図である。図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、ばね板１０を積み重ねた構造である。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、移動対象物を支持するプレート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を使って移動対象物を支持しているプレート９を面で支えていることによる。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２に比べて接点の位置を正確に合わせる必要がない。
【００３８】
このようなアクチュエータアレイの利点を使えば、図２（ｂ）のようなばね板１０の内部の可動部分１４が図２（ｃ）の移動対象物のプレート９と接合されていて、さらにばね板がケース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ばね材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。
【００３９】
なお、図２（ａ）の組み立て図は、本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、移動対象物を支持するプレート９、ばね材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、移動対象物を支持するプレート９の形状記憶合金薄膜と接する面に、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。
【００４０】
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のアレイ２ａと２ｂ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。
【００４１】
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ＳｉＯ２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１６上に熱酸化によってＳｉＯ２膜１５ａ及び１５ｂを形成させる。ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２膜はＣＶＤ法などの他の方法によって作られてもよい。熱酸化させたＳｉウエハ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。
【００４２】
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、とりわけ５０原子％以上で５５原子％以下のＴｉと５原子％以上で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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。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本発明において形状記憶合金薄膜３を基板１６から反り上がった形状に変える（図４（ｄ）を参照）重要な役割を果たす。
【００４５】
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／ＨＮＯ３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ＳｉＯ２膜１５ａをバッファードフッ酸によってエッチングする。
【００４６】
図４（ｄ）で、さらに、ＳｉＯ２膜１５ａの下のＳｉ基板１６を、ＸｅＦ２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ＳｉＯ２膜１５ａからなる２層膜をＳｉ基板１６から解放する。この際に２層膜がＳｉ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ＳｉＯ２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。
【００４７】
図５に本発明によるオートフォーカス機構の駆動原理と設計に用いたモデルを示す。図５（ａ）は、高温加熱時（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及びばね板１０を積み上げた状態を示す。ＥＡ及びＥＢはばね定数、δＴ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にばね材１０からＦＢの力を与えた時の状態を示す。χＢは、ばね材の垂直方向の収縮量、δＢ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である。
【００４８】
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。δＷ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からの高さである。δは高温時（δＨ）と低温時（δＬ）で異なり、この差が移動対象物を支持するプレート９のストロークになる。ばね板１０から働く力ＦＢが小さい場合は、δＬ＞δＨとなり、低温時に移動対象物を支持するプレート９を支えることになり、形状記憶合金薄膜１８の加熱時の形状回復力を使うことができない。しかし、ばね板１０の力ＦＢを大きくすることによってδＬ＜δＨにすることができ、さらに適切なＦＢの値を選ぶことによって、δＬ＜０＜δＨに設定することができる。この場合、室温では、図５（ｄ）のように、形状記憶合金薄膜アクチュエータ２はマルテンサイト変態の途中で基板１に接して停止し、移動対象物を支持するプレート９は固定される。このように移動対象物を支持するプレート９の移動にマルテンサイト変態の高温部分（変態開始温度から終了温度よりも高い温度の範囲）のみを使うことによって、作動温度を形状記憶合金薄膜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るので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。
【００４９】
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（長さと厚さ）を変えることで、１００〜６００μｍのストロークと１４ｇｆまでの最大荷重を許容できるオートフォーカス機構が作製できる。また、多くの場合、δＬ＜０＜δＨとなって、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負荷荷重は同じであるが、バイアスばねをほとんど使わない６番の例では、δＬ＞δＨとなって形状記憶合金薄膜の大きい回復力を利用できず、ストロークは２１μｍに留まる。一方、バイアスばねを使った７番の例では、δＬ＜δＨと変位が逆転し、３００μｍのストロークが得られる。すなわち、形状記憶合金薄膜の回復力を利用する（オーステナイト相で反り上がった形状となり、マルテンサイト相で平坦な形状にする）ためには、図６の最大荷重で使う必要があり、実荷重が小さい場合には、最大荷重と実荷重の差をバイアスばねで補うことが必要である。８番の例は特許文献３に見られる可動部品の２辺に沿って設置した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のストロークと発生力であるが、δＬとδＨの比較からレンズの駆動に使える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。
【００５０】
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。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、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は、幅１００μｍ、長さ１０００μｍの場合、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に示した最大荷重は１．５６倍になる。
【００５１】
なお、上記の実施例においては、オートフォーカス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。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
１３  ばね板固定枠
１４  ばね板可動部
１５ａ、１５ｂ  ＳｉＯ２膜
１６  Ｓｉウエハ
１７  ＳｉＯ２膜
１８  Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ形状記憶合金薄膜
１９  ケース上蓋
２０  ケース底面
【図１】
2019028439.tif 000003
【図２】
2019028439.tif 000004
【図３】
2019028439.tif 000005
【図４】
2019028439.tif 000006
【図５】
2019028439.tif 000007
【図６】
2019028439.tif 000008
【図７】
2019028439.tif 000009