(57)【要約】【課題】駆動エネルギー源との理想的なインターフェースを備え、しかも、小型化・高精度化・高機能化・多自由度化・低コスト化を実現し得るアクチュエータを提供する。【解決手段】複数のマイクロアクチュエータ素子３は、脚部２を介して基板１に支持される。マイクロアクチュエータ素子３は、赤外線を受けて熱に変換する赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜にて発生した熱に応じてバイメタルの原理により基板１に対して変位する変位部とを有する。アクチュエータ１０１は、マイクロアクチュエータ素子３を複数有し、これらに対する赤外線の照射を制御することで、対象物を搬送したり、自走したりする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、該基体に支持されて配置された複数のマイクロアクチュエータ素子とを備え、
前記各マイクロアクチュエータ素子は、放射を受けて熱に変換する放射吸収部と、該放射吸収部にて発生した熱に応じて前記基体に対して変位する変位部とを有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記変位部が、異なる膨張係数を有する異なる物質の互いに重なった少なくとも２つの層を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記変位部がカンチレバーを構成することを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記変位部の固定端が、前記基体から立ち上がる立ち上がり部を持つ脚部を介して前記基体に対して固定されたことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記変位部が薄膜で構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記基体に対して相対的に移動すべき対象が可動部で、かつ、前記基体が固定部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記基体に対して相対的に移動すべき対象が固定部で、かつ、前記基体が可動部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記基体に対して相対的に移動すべき対象が前記基体に対して相対的に１次元又は２次元に移動可能となるように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が配置されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子の変位部の変位方向が互いに同一であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに略逆方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに略９０゜異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの各々の群が１つ以上の素子を含む第１乃至第４の群の素子について、同一の群の素子の前記変位部の変位方向は互いに同一であるとともに、各群の素子の変位部の変位方向は互いに略９０゜ずつ異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記放射吸収部が互いに異なる波長領域の放射を選択的に吸収するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記複数のマイクロアクチュエータ素子の前記放射吸収部に対する前記放射の入射側に当該放射吸収部に対応してフィルタが設けられ、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子に対応して設けられた前記フィルタと他の１つ以上の素子に対応して設けられたフィルタとは、互いに異なる波長透過特性を持つことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載のアクチュエータと、所望の動作が実現されるように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子の前記放射吸収部に前記放射を照射する放射照射部と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１７】
前記アクチュエータが液体中に設置されていることを特徴とする請求項１６記載のアクチュエータ装置。
【請求項１８】
液体の流れの状態を制御する液体制御装置であって、請求項１６記載のアクチュエータ装置を備え、前記各マイクロアクチュエータ素子の変位部の前記基体に対する位置又はその移動に応じて前記液体の流れの状態を変わるように、前記各マイクロアクチュエータ素子の変位部が前記液体中に配置されることを特徴とする液体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ並びにこれを用いたアクチュエータ装置及び液体制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光情報通信、ロボット、バイオ、医療、環境など様々な分野において、小型高精度のアクチュエータに対する需要が高まっている。
【０００３】
こうした中で、先端的な微細加工・微小組立て技術を駆使した、多種多様なＭＥＭＳやマイクロマシンが生み出され活用されはじめている。
【０００４】
特にアクチュエータに関しては、静電式、電磁式、圧電式、エアー式、熱応力式など数多くの駆動原理が提案されており、その用途目的に応じて幅広い選択が可能になりつつある。しかし、依然として根本的な解決がされていない問題がいくつかあり、その代表的なものには「エネルギーの供給方法」がある。
【０００５】
一般に電気を用いる静電式や圧電式では、現状の小型電池では長時間駆動や高電圧が期待できないこともあり、アクチュエータと電源を結ぶための配線が必要である。このとき、例えばアクチュエータがｍｍサイズ以下の自走式である場合、配線の重量や剛性が無視できなくなってくる。超小型アクチュエータでは、その重量も数ｇｆ以下、出力自体も同程度であることが多い。そのため、たとえ極細の配線を用いた場合でも、アクチュエータにとっては大きな拘束・負荷となるために、本来の移動や動作が所望通りに行われなくなってしまう。そして、有線であるがゆえに、動作距離や取り得る姿勢の自由度も大幅に制限されてしまう。特に複数の自走式アクチュエータを近距離で同時に動作させる場合には、配線の混乱は致命的な障害となる。
【０００６】
また、アクチュエータが自走式ではなく、固定されていて何らかの対象物を操作する場合であっても、配線を伝って駆動源である振動エネルギーや温度が逃げてしまう問題があり、改善が強く望まれている。
【０００７】
さらに、信頼性の面でも、動作を繰り返すうちに極細配線の接合根元部などに応力が集中し、疲労破壊・断線を生じるという問題も多く報告されている。
【０００８】
これらの問題を解決するために「無線給電」や「パワーＭＥＭＳ」などの方法が提案されている。
【０００９】
無線給電には、周囲に回転磁場環境を設けることでアクチュエータ内部のコイルに電気を発生させる方式や、遠方から電磁波を照射して電気エネルギーを供給する方法などが提案されている。
【００１０】
しかし、これらの方法では、小型アクチュエータの周りに巨大な特殊設備を用意したり、他領域への電磁波の悪影響を遮断するためにシールドを設けたり、磁力や電磁波を電気エネルギーへ変換するユニットをアクチュエータ側に搭載しなくてはならないために、結果的にアクチュエータが大型化するなど、様々な問題がある。加えて、磁場や電磁波に影響を受けるものを操作対象にする場合には、本方式は採用が極めて困難であった。
【００１１】
またパワーＭＥＭＳと呼ばれるｍｍサイズの内燃機関（マイクロタービン）も提案されており、内燃機関の出力を直接的または間接的（電気エネルギーへ変換するなど）に利用する研究開発も進められてはいるが、未だ実用化には至っていない。
【００１２】
このように「エネルギーの供給方法」が問題となっている一方、特に近年のＭＥＭＳやマイクロマシンの分野では、複雑な動作を実現する多自由度性や、制御性などが求められている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように需要面からはアクチュエータには小型化・高精度化・高機能化・多自由度化が望まれる一方で、駆動エネルギー源との理想的なインターフェースは依然解決されず、そのギャップは今日益々広がる方向にある。
【００１４】
そこで、本発明は、駆動エネルギー源との理想的なインターフェースを備え、しかも、小型化・高精度化・高機能化・多自由度化・低コスト化を実現し得るアクチュエータ、並びに、これを用いたアクチュエータ装置及び液体制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるアクチュエータは、基体と、該基体に支持されて配置された複数のマイクロアクチュエータ素子とを備え、前記各マイクロアクチュエータ素子は、放射を受けて熱に変換する放射吸収部と、該放射吸収部にて発生した熱に応じて前記基体に対して変位する変位部とを有するものである。
【００１６】
本発明の第２の態様によるアクチュエータは、前記第１の態様において、前記変位部が、異なる膨張係数を有する異なる物質の互いに重なった少なくとも２つの層を有するものである。
【００１７】
本発明の第３の態様によるアクチュエータは、前記第１又は第２の態様において、前記変位部がカンチレバーを構成するものである。
【００１８】
本発明の第４の態様によるアクチュエータは、前記第３の態様において、前記変位部の固定端が、前記基体から立ち上がる立ち上がり部を持つ脚部を介して前記基体に対して固定されたものである。
【００１９】
本発明の第５の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記変位部が薄膜で構成されたものである。
【００２０】
本発明の第６の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記基体に対して相対的に移動すべき対象が可動部で、かつ、前記基体が固定部であるものである。
【００２１】
本発明の第７の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記基体に対して相対的に移動すべき対象が固定部で、かつ、前記基体が可動部であるものである。
【００２２】
本発明の第８の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第７のいずれかの態様において、前記基体に対して相対的に移動すべき対象が前記基体に対して相対的に１次元又は２次元に移動可能となるように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が配置されたものである。
【００２３】
本発明の第９の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子の変位部の変位方向が互いに同一であるものである。
【００２４】
本発明の第１０の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたものである。
【００２５】
本発明の第１１の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに略逆方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたものである。
【００２６】
本発明の第１２の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに略９０゜異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたものである。
【００２７】
本発明の第１３の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの各々の群が１つ以上の素子を含む第１乃至第４の群の素子について、同一の群の素子の前記変位部の変位方向は互いに同一であるとともに、各群の素子の変位部の変位方向は互いに略９０゜ずつ異なる方向の成分を持つように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子が前記基体に配置されたものである。
【００２８】
本発明の第１４の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第１３のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子と他の１つ以上の素子とで、当該素子の前記放射吸収部が互いに異なる波長領域の放射を選択的に吸収するように構成されたものである。
【００２９】
本発明の第１５の態様によるアクチュエータは、前記第１乃至第１４のいずれかの態様において、前記複数のマイクロアクチュエータ素子の前記放射吸収部に対する前記放射の入射側に当該放射吸収部に対応してフィルタが設けられ、前記複数のマイクロアクチュエータ素子のうちの１つ以上の素子に対応して設けられた前記フィルタと他の１つ以上の素子に対応して設けられたフィルタとは、互いに異なる波長透過特性を持つものである。
【００３０】
本発明の第１６の態様によるアクチュエータ装置は、前記第１乃至第１５のいずれかの態様によるアクチュエータと、所望の動作が実現されるように、前記複数のマイクロアクチュエータ素子の前記放射吸収部に前記放射を照射する放射照射部と、を備えたものである。
【００３１】
本発明の第１７の態様によるアクチュエータ装置は、前記第１６の態様において、前記アクチュエータが液体中に設置されているものである。
【００３２】
本発明の第１８の態様による液体制御装置は、液体の流れの状態を制御する液体制御装置であって、前記第１６の態様によるアクチュエータ装置を備え、前記各マイクロアクチュエータ素子の変位部の前記基体に対する位置又はその移動に応じて前記液体の流れの状態を変わるように、前記各マイクロアクチュエータ素子の変位部が前記液体中に配置されるものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるアクチュエータ並びにこれを用いたアクチュエータ装置及び液体制御装置について、図面を参照して説明する。以下の説明では、放射を赤外線とした例について説明するが、本発明では、放射を赤外線以外のＸ線や紫外線や可視光やその他の種々の放射としてもよい。
【００３４】
［第１の実施の形態］
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１を模式的に示す概略平面図である。図２は、図１に示す示すアクチュエータ１０１の１つのマイクロアクチュエータ素子を模式的に示す概略拡大平面図である。図３は図２中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図であり、図３（ａ）は赤外線ｉが入射していない状態を示し、図３（ｂ）は赤外線ｉが入射している状態を示している。説明の便宜上、図１乃至図３に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。また、Ｘ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｘ方向、その反対の向きを−Ｘ方向と呼び、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についても同様とする。ＸＹ平面が基板１の面と平行となっている。
【００３６】
本実施の形態によるアクチュエータ１０１は、基体としての基板１と、脚部２を介して基板１に支持されて配置された複数のマイクロアクチュエータ素子３と、を備えている。本実施の形態では、各マイクロアクチュエータ素子３は、同一の構造を有している。
【００３７】
本実施の形態では、基板１上にマイクロアクチュエータ素子３が設けられ、基板１の下方から赤外線ｉが入射されるように構成されているので、基板１は、赤外線ｉを透過する材料で構成されている。具体的には、基板１として、シリコン基板やＧｅ基板などを用いることができる。もっとも、基板１の上方から赤外線ｉが入射される場合には、任意の材料で基板１を構成しておけばよい。また、基板１における赤外線の通過領域（図３（ａ）中の領域Ｌ１）に開口を形成すれば、基板１の下方から赤外線ｉが入射される場合であっても、基板１の材料は何ら限定されるものではない。
【００３８】
各マイクロアクチュエータ素子３は、互いに重なった２つの膜４，５から構成されている。下側の膜４は、赤外線を受けて熱に変換する赤外線吸収部となっている。膜４及び膜５は、互いに異なる膨張係数を有する異なる物質で構成されており、いわゆる熱バイモルフ構造（ｂｉ−ｍａｔｅｒｉａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔともいう。）を構成している。したがって、本実施の形態では、膜４，５は、赤外線吸収部としての膜４にて発生した熱に応じて基板１に対して変位する変位部を構成している。後述するように膜４，５がカンチレバーを構成しているので、下側の膜４の膨張係数が上側の膜５の膨張係数より大きい場合には、前記熱により図３（ｂ）に示すように上方に湾曲して傾斜する。逆に、下側の膜４の膨張係数が上側の膜５の膨張係数より小さくてもよく、この場合には、前記熱により下方に湾曲して傾斜することになる。なお、図３（ａ）に示す例では、後述する照射部からの赤外線ｉが入射しない状態で基板１の面と平行になるものとしているが、例えば、後述する照射部からの赤外線ｉが入射しない状態で上方に反っていてもよい。下側の膜４の膨張係数が上側の膜５の膨張係数より小さい場合には、後述する照射部からの赤外線ｉが入射しない状態で上方に反っていることが好ましい。
【００３９】
なお、膜４の代わりに膜５を赤外線吸収部とし、上方から赤外線ｉを入射するように構成することもできる。
【００４０】
なお、以下の説明では、下側の膜４の膨張係数が上側の膜５の膨張係数より大きく、前記熱により図３（ｂ）に示すように上方に湾曲して傾斜するものとする。
【００４１】
前述した説明からわかるように、本実施の形態では、膜４が変位部の一部及び赤外線吸収部を兼用している。換言すれば、赤外線吸収部が変位部の一部をなしている。このため、構造が簡単で安価となる。本実施の形態では、膜４の物質としては、例えば、金黒、セラミックス（例えば、ＺｒＯ２，ＭｎＯ２，ＦｅＯ３，ＣｏＯ，ＣｕＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＳｉＯ２などの混合焼結体）、ポジレジスト、ネガレジスト、グラファイト（カーボン）、ＳｉＮなどを用いることができる。膜５の物質としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、ＭｇＯ、その他の金属などを用いることができる。
【００４２】
もっとも、赤外線吸収部を変位部から独立させてもよい。この場合、例えば、前記マイクロアクチュエータ素子３を３つの膜を積層したもので構成し、下側の膜を前記膜４と同一の物質で構成し、上側の膜を前記膜５と同一の物質で構成し、中間の膜を上側の膜の物質の膨張係数と異なる膨張係数を有する物質で構成すればよい。
【００４３】
また、本実施の形態では、図１に示すように、マイクロアクチュエータ素子３の一端が脚部２を介して基板１に支持されることによりマイクロアクチュエータ素子３が基板１から隙間６を隔てて浮いた構造になっており、膜４，５からなる変位部はカンチレバーを構成している。このようにマイクロアクチュエータ素子３が基板１から浮いているので、マイクロアクチュエータ素子３と基板１との間の熱抵抗が大きくなっている。さらに、本実施の形態では、脚部２は、ＳｉＯ２などの絶縁材料により構成されており、マイクロアクチュエータ素子３と基板１との間が電気的に絶縁されている。このような絶縁材料は熱伝導率が低くて熱抵抗が大きいので、マイクロアクチュエータ素子３と基板１との間の熱抵抗が一層大きくなっている。したがって、マイクロアクチュエータ素子３から熱エネルギーが逃げ難く、わずかな赤外線の入射によっても膜４は温度上昇を生じ、応答性が高まる。
【００４４】
本実施の形態では、図１に示すように、マイクロアクチュエータ素子３は、Ｘ軸方向に一列に配置されている。ここで、説明の便宜上、マイクロアクチュエータ素子３の自由端から固定端（脚部２の側の端部）へ向かう方向を、マイクロアクチュエータ素子３の向きであると定義する。本実施の形態では、全てのマイクロアクチュエータ素子３の向きは、＋Ｘ方向となっている。
【００４５】
赤外線ｉが入射して図３（ｂ）に示すように変形して湾曲する場合、マイクロアクチュエータ素子３の変位部の自由端の変位方向は、＋Ｚ方向の成分のみならず、＋Ｘ方向の成分も有している。本実施の形態では、前述したように全てのマイクロアクチュエータ素子３の向きが同一であるので、全てのマイクロアクチュエータ素子３の変位方向も同一である。
【００４６】
次に、図１乃至図３に示すアクチュエータ１０１は、例えば半導体製造工程を利用して製造することができる。その製造方法の一例について、図４を参照して説明する。図４は、この製造方法の各工程を示す概略断面図であり、図３（ａ）に対応する断面を示している。
【００４７】
まず、前記基板１に相当するシリコン基板１１上の全面にスピンコート法等により犠牲層としてのポリイミド膜（例えば、レジストでもよい）１２（例えば、厚さ１μｍ）を被着させ、該ポリイミド膜１２における前記脚部２に相当する箇所にフォトリソエッチング法により穴（開口）をあける。次いで、当該穴を埋めるように、プラズマＣＶＤ法などの低温工程でポリイミド膜１２上の全面に前記脚部２の材料となるべきシリコン酸化膜１３（例えば、厚さ５０００オングストローム）をデポジションする。その後、フォトリソエッチング法により、脚部２の形状に合わせてシリコン酸化膜１３をパターニングする（図４（ａ））。これにより、基板１１と、該基板１１上に形成された犠牲層としてのポリイミド膜１２と、基板１１上に形成された脚部２（シリコン酸化膜１３）とを有する構造体であって、犠牲層としてのポリイミド膜１２が脚部２（シリコン酸化膜１３）の周囲に形成され、脚部２（シリコン酸化膜１３）の上部が外部に露出した構造体が、完成する。
【００４８】
次に、ポリイミド膜１２及びシリコン酸化膜１３上に、前記膜４に相当する金黒１４（例えば、厚さ２０００オングストローム）及び前記膜５に相当するアルミニウム１５（例えば、厚さ２０００オングストローム）をスパッタ法により順次被着させ、当該金黒１４及びアルミニウム１５を前記膜４，５の形状に合わせてフォトリソエッチング法によりパターニングする（図４（ｂ））。この工程は、前記構造体の前記脚部及び前記犠牲層上に、互いに積層され所望の形状にパターニングされた２種類の膜１４，１５を形成する工程に相当している。このとき、膜１４，１５の形状は、例えば、一辺が数十μｍから数百μｍ程度の略正方形状とすることができる。もっとも、膜１４，１５の形状は、例えば、細長の長方形状としてもよい。
【００４９】
最後に、有機溶剤で溶出したり又はプラズマアッシングを行うなどにより犠牲層としてのポリイミド膜１２を除去する（図４（ｃ））。これにより、図１に示すアクチュエータ１０１が完成する。
【００５０】
以上説明した製造方法の各工程は周知の半導体微細加工技術そのものを応用したものであり、この製造方法によれば、アクチュエータ１０１を容易に製造することができる。また、製造途中においては、変位部（金黒１４及びアルミニウム１５）は犠牲層（ポリイミド膜１２）を除去するまで当該犠牲層に支持され固定されているため、変位部が変形したり破損したりしてしまう不良は全く生じない。
【００５１】
なお、以上の製造方法において、基板１１をそのまま図１中の基板１とし、ダイシング等を行わなくてもよい。また、１枚の基板１１を用いて複数のアクチュエータ１０１を同時に製造してもよい。この場合、ダイシング等により個々のチップに分割することになる。当該分割は、ポリイミド膜１２（犠牲層）の除去前、すなわち、図４（ｂ）の段階の後に行うことが好ましい。このように、個々のチップへの分割を犠牲層の除去前に行えば、当該分割の際にも変位部が犠牲層に支持され固定されているため、変位部が変形したり破損したりすることがなくなり、歩留りが極めて高くなる。
【００５２】
前述したように半導体プロセスを用いることで、マイクロアクチュエータ素子３を所望の配列パターンで多数個一括して製造することができる。そして微小であるがゆえに熱容量も小さく、熱的応答性が低下することも避けられる。また各素子の変位量が微小であるために動作分解能が高く、正確な位置決め制御も可能となる。さらに、後述する実施の形態で詳述するが、変位の方向が異なる素子３を複数組み合わせることで、様々な自由度を付与することができる。更にこのような熱変形を用いたバイマテリアル方式は一般に、他の静電や磁気を利用したものに比較して、変位量や出力が大きく取り出せることが特長であるため、その応用範囲は非常に幅広く期待できる。これらの点は、本実施の形態のみならず、後述する実施の形態についても同様である。
【００５３】
本実施の形態によるアクチュエータ１０１を、マイクロマシン用微小パーツなどの対象物２０１を搬送する対象物搬送式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図５に示す。図５は、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面に相当している。対象物搬送式であるので、対象物２０１が可動部で基板１が固定部とされる。図５に示す例では、対象物２０１は球体などのように転がり可能な形状を有している。
【００５４】
前述したように、本実施の形態では、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３がＸ軸方向に一列に配置しているが、対象物２０１の形状や大きさに応じて、Ｘ軸方向に並んだ素子３の列を１列だけでなく複数列Ｙ軸方向に並列させてもよい。また、マイクロアクチュエータ素子３の大きさや配列ピッチ間隔は、対象物の大きさや要求される位置決め分解能に応じて適宜設計することが望ましい。
【００５５】
図５（ａ）〜（ｄ）は、時系列的に本アクチュエータ１０１の動作状態を示したものである。今、図５中左側から３番目の素子３上に対象物２０１が位置しており、赤外線ｉが照射されていないものとする（図５（ａ））。この状態で、対象物２０１が位置している素子３に、対象物２０１とは反対側からに赤外線ｉが照射される。すると、赤外線ｉが当該素子３の赤外線吸収部としての膜４（図３参照）に吸収され、そのその熱エネルギーにより該当素子３の変位部（カンチレバー）に＋Ｚ方向へ反り変形が生じる（図５（ｂ）（ｃ））。図５（ｂ）はその変形の途中の状態を示し、図５（ｃ）はその変形後の状態を示している。この反り変形モードによる素子３の変位部の変位方向は＋Ｚ方向成分のみならず＋Ｘ方向成分も含むため、結果的に対象物２０１が＋Ｘ方向へ運搬され、やがて対象物２０１が図５中左から４番目の素子３上に対象物２０１が位置する（図５（ｄ））。
【００５６】
よって、照射する赤外線ｉを順次スキャン、もしくは予め用意された赤外線ｉの複数の光源を順次に切り替えていくことで、用意した素子面上で１軸方向（本実施の形態では、＋Ｘ方向）へ対象物を自由に運搬させることができる。
【００５７】
赤外線ｉの照射は、赤外線ｉの光点をスキャンさせても良いし、予めラインＣＣＤのようなアレイ状の光源を、各素子３に対応した位置にそれぞれ設置しておいても良い。これらの例を図６乃至図９に示す。
【００５８】
図６に示す例では、赤外線ｉを照射する照射部３０１は、赤外線ｉの光源２１と、光源２１を取り囲むように設けられた遮光筒２２とを有している。遮光筒２２には、開口２２ａが形成され、開口２２ａから赤外線ｉが射出される。筒２２を矢印Ｃの方向に回転させることにより、赤外線ｉの光点を＋Ｘ方向に順次スキャンすることができる。アクチュエータ１０１及び照射部３０１により、本実施の形態の一実施の形態によるアクチュエータ装置が構成されている。なお、図面には示していないが、照射部３０１に代えて、例えばガルバノミラーを用いた構成を採用しても、赤外線ｉの光点を＋Ｘ方向に順次スキャンさせることができる。
【００５９】
図７に示す例では、赤外線ｉを照射する照射部３０２は、赤外線ｉの光源２３と、光源２３からの赤外線ｉを平行光束にするコリメータレンズ２４と、透過型液晶パネル２５とを有している。透過型液晶パネル２５は、マイクロアクチュエータ素子３に対応して１次元状に配置された複数の画素を有し、当該各画素は液晶駆動器（図示せず）からの駆動信号により駆動されて透光状態又は遮光状態となる。液晶パネル２５の透光状態となる部位を順次変えていくことで、赤外線ｉの光点を＋Ｘ方向に順次スキャンすることができる。アクチュエータ１０１及び照射部３０２により、本実施の形態の他の実施の形態によるアクチュエータ装置が構成されている。
【００６０】
図８に示す例では、赤外線ｉを照射する照射部３０３は、マイクロアクチュエータ素子３に対応して赤外線発光素子２６ａが＋Ｘ方向に１次元状に配列された赤外線発光素子アレイ２６で構成されている。赤外線発光素子アレイ２６は、アクチュエータ１０１の基板１に近接して配置されている。発光させる赤外線発光素子２６を順次切り替えていくことで、赤外線ｉの光点を＋Ｘ方向に順次スキャンすることができる。なお、赤外線発光素子アレイ２６は、アクチュエータ１０１の基板１に接合して一体化しておいてもよい。
【００６１】
図９に示す例では、赤外線ｉを照射する照射部３０４は、図８に示したものと同じ赤外線発光素子アレイ２６と、各赤外線発光素子２６ａに対応するマイクロレンズ２７ａを有するマイクロレンズアレイ２７と、を有している。この照射部３０４では、赤外線発光素子アレイ２６がアクチュエータ１０１から離れた位置に設置されている。そこで、各赤外線発光素子２６からの赤外線ｉを平行光束にしてマイクロアクチュエータ素子３に照射するために、マイクロレンズアレイ２７が用いられている。発光させる赤外線発光素子２６を順次切り替えていくことで、赤外線ｉの光点を＋Ｘ方向に順次スキャンすることができる。
【００６２】
次に、本実施の形態によるアクチュエータ１０１を、マイクロマシン用微小パーツなどの対象物２０２を搬送する対象物搬送式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図１０に示す。図１０は、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面に相当している。前述した図５に示す例では、対象物２０１は、マイクロアクチュエータ素子３と同程度の大きさを有するとともに転がり可能な形状を有していたが、図１０に示す例では、対象物２０２は、素子３よりも大きく、ほぼ平面状の下面を有している。
【００６３】
今、図１０（ａ）に示すように赤外線ｉを照射していない状態から、各マイクロアクチュエータ素子３に赤外線ｉを照射すると、素子３の変位部（カンチレバー）に反り変形を生じ、これにより、対象物２０２が＋Ｚ方向へ上昇しつつ＋Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する（図１０（ｂ））。次に、図１０（ｂ）に示す状態で、赤外線ｉの各素子３への照射を遮断すると、熱応答性が高いことから素子３が急激に復帰する。その結果、「対象物２０２の慣性力」＞「対象物２０２へ接触した素子３の変位部の自由端の摩擦力」の関係により、対象物２０２が＋Ｘ方向の位置を維持したまま素子３のみが初期位置に戻る。この一連のサイクルを繰り返すことで、対象物２０２を＋Ｘ方向へ順次移動できる。
【００６４】
図１０に示す動作を実現するために用いる赤外線ｉの照射部としては、例えば、図７乃至図９にそれぞれ示す照射部３０２〜３０４の他、各素子３にして一括した赤外線ｉを照射及びその停止を繰り返せばよいことから、図７に示す照射部３０２において、液晶パネル２５を取り除いたものを用いることができる。
【００６５】
［第２の実施の形態］
【００６６】
図１１は、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータ１０２を模式的に示す概略平面図である。図１１において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６７】
本実施の形態によるアクチュエータ１０２が前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１と異なる所は、前記第１の実施の形態では、マイクロアクチュエータ素子３がＸ軸方向に一列に配置されているのに対し、本実施の形態では、図１１に示すように、マイクロアクチュエータ素子３が２次元に配置されている点のみである。本実施の形態においても、全てのマイクロアクチュエータ素子３の向きは、＋Ｘ方向となっている。なお、本実施の形態によるアクチュエータ１０２も、アクチュエータ１０１と同様の製造方法により製造することができる。
【００６８】
本実施の形態によるアクチュエータ１０２を、図５中の対象物２０１と同様の対象物２０３を＋Ｘ方向へ大量に搬送する対象物搬送式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図１２及び図１３に示す。図１２は、赤外線ｉの照射部３０５と、アクチュエータ１０２の各マイクロアクチュエータ素子３の自由端がなす包絡面Ｈとの関係を模式的に示す概略斜視図である。図１３は、図１１中のＤ−Ｄ’線に沿った概略断面図である。
【００６９】
照射部３０５は、赤外線ｉの光源３１と、光源３１を取り囲むように設けられた遮光筒３２とを有している。遮光筒３２には、所定角度ピッチで複数のスリット３２ａが形成されている。図１３に示すように、１つのスリット３２ａから発した赤外線ｉの光束のＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向に並んだ複数のマイクロアクチュエータ素子３を同時に照射する程度の幅である。遮光筒３２を図１２中の矢印Ｅで示す方向に一定速度で回転させることで、スリット３２ａから発したＸ軸方向に幅Ｗを持ちＹ軸方向に線状に延びた赤外線ｉの光束が、図１３中の矢印Ｆで示すように、走査される。その結果、図１２及び図１３に示すように、Ｙ軸方向に延びた頂線を持つ包絡面Ｈが現れ、しかもその頂線が連続的に＋Ｘ方向へ移動していく。したがって、図１２に示すように、多数の対象物２０３を＋Ｘ方向へ大量搬送することができる。
【００７０】
［第３の実施の形態］
【００７１】
図１４は、本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータ１０３を模式的に示す概略平面図である。図１４において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００７２】
本実施の形態によるアクチュエータ１０３が前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１と異なる所は、前記第１の実施の形態では、マイクロアクチュエータ素子３がＸ軸方向に一列に配置されているのに対し、本実施の形態では、図１４に示すように、Ｘ軸方向に並んだマイクロアクチュエータ素子３の列が２列Ｙ軸方向に並列され、しかも、Ｘ軸方向に並んだマイクロアクチュエータ素子３の向きが１つずつ交互に−Ｘ方向と＋Ｘ方向にされ、Ｙ軸方向に互いに隣り合うマイクロアクチュエータ素子３が同じ向きにされている点のみである。なお、後述する対象物２０４のＹ軸方向の幅に応じて、Ｘ軸方向に並んだ素子３の列の数を１列以上の任意の列数に変更してもよいことは、言うまでもない。また、本実施の形態によるアクチュエータ１０３も、アクチュエータ１０１と同様の製造方法により製造することができる。
【００７３】
赤外線ｉが入射した場合、向きが＋Ｘ方向の素子３の変位部の自由端の変位方向は、＋Ｚ方向の成分のみならず＋Ｘ方向の成分も有している。一方、向きが−Ｘ方向の素子３の変位部の自由端の変位方向は、＋Ｚ方向の成分のみならず−Ｘ方向の成分も有している。よって、向きが＋Ｘ方向の素子３と向きが−Ｘ方向の素子とで、当該素子の前記変位部の変位方向が互いに逆方向の成分を持っている。
【００７４】
本実施の形態によるアクチュエータ１０３を、図１０中の対象物２０２と同様の対象物２０４を＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の両方向に搬送し得る対象物搬送式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図１５に示す。図１５は、図１４中のＧ−Ｇ’線に沿った断面に相当している。
【００７５】
今、図１５（ａ）に示すように赤外線ｉを照射していない状態から、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３のみに選択的に赤外線ｉを照射すると、当該素子３の変位部（カンチレバー）に反り変形を生じ、これにより、対象物２０４が＋Ｚ方向へ上昇しつつ＋Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する（図１５（ｂ））。次に、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３に赤外線ｉを照射したまま、向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３にも赤外線ｉを照射すると、対象物２０４は、移動せずに、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３及び向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３の両群によって、対象物２０４が支持された状態となる（図１５（ｃ））。その後、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３への赤外線ｉの照射を絶ち（図１５（ｄ））、続いて向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３への赤外線ｉの照射を比較的緩慢に光量が消失するように絶つことで（図１５（ｅ））、図１５（ａ）から図１５（ｂ）への動作とは逆の動作により、対象物２０４は更に＋Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する。よって結果的に、対象物２０４は、図１５（ａ）から図１５（ｅ）への１サイクル分で、＋Ｘ方向へ距離２ΔＬ移動する。
【００７６】
また、向きが＋Ｘ方向の素子３への赤外線照射と向きが−Ｘ方向の素子３への赤外線照射との間の位相を、前述した動作の場合と逆転させれば、対象物２０４を−Ｘ方向へ距離２ΔＬ移動させることも同様に可能である。このことは、前述した動作の場合とは逆に、図１５（ｅ）→図１５（ｄ）→図１５（ｃ）→図１５（ｂ）→図１５（ａ）の順に見ることにより、容易に理解できる。
【００７７】
前述した動作を実現するために用いる赤外線ｉの照射部としては、例えば、図７乃至図９にそれぞれ示す照射部３０１〜３０３を用いることができる。
【００７８】
本実施の形態によるアクチュエータ１０３は、前述した動作においてほとんど摩擦磨耗を伴わないために耐久性に優れ、しかもバイマテリアル変形という変位量や出力を大きく取り出せる原理に基づいているため、極めて活用範囲の広いアクチュエータとなる。
【００７９】
ところで、本実施の形態では、前述したように、Ｘ軸方向に並んだマイクロアクチュエータ素子３の向きが１つずつ交互に−Ｘ方向と＋Ｘ方向にされている。しかしながら、対象物２０４のＸ軸方向の長さとの関係を考慮した上で、Ｘ軸方向に並んだマイクロアクチュエータ素子３の向きを複数個ずつ交互に−Ｘ方向と＋Ｘ方向にしてもよい。その一例を図１６に示す。図１６は、本実施の形態によるアクチュエータ１０３の変形例を示す概略断面図であり、図１５（ａ）に対応している。図１６に示す例では、Ｘ軸方向に並んだマイクロアクチュエータ素子３の向きを４個ずつ交互に−Ｘ方向と＋Ｘ方向にしている。このような場合も、向きが＋Ｘ方向の素子３及び向きが−Ｙ方向の素子３の赤外線照射タイミングを前述した場合と同じにすることにより、対象物２０４を＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に移動させることができる。
【００８０】
［第４の実施の形態］
【００８１】
図１７は、本発明の第４の実施の形態によるアクチュエータ１０４の要部を模式的に示す概略拡大断面図である。図１７において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００８２】
本実施の形態によるアクチュエータ１０４が前記第３の実施の形態によるアクチュエータ１０３と異なる所は、前記第１の実施の形態では、向きが＋Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３の赤外線吸収部としての膜４に対向する基板１上の領域に第１のフィルタ４１が形成され、向きが−Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３の赤外線吸収部としての膜４に対向する基板１上の領域に、第１のフィルタ４１とは異なる波長透過特性を有する第２のフィルタ４２が形成されている点のみである。本実施の形態では、第１のフィルタ４１は、第１の波長帯域の赤外線を選択的に透過させる赤外線バンドパスフィルタである。第２のフィルタ４２は、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の赤外線を選択的に透過させる赤外線バンドパスフィルタである。本実施の形態では、フィルタ４１，４２を設けることで、向きが＋Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３と向きが−Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３とで、当該素子の赤外線吸収部としての膜４が互いに異なる波長領域の赤外線を選択的に吸収することになる。
【００８３】
なお、フィルタ４１，４２は、例えば、複数の薄膜を積層することで形成することができる。例えば、予めフィルタ４１，４２を形成した基板１を用意し、これに対して前述した図４に示す各工程を行うことにより、本実施の形態によるアクチュエータ１０４を製造することができる。
【００８４】
フィルタ４１，４２は、赤外線吸収部としての膜４に対する赤外線入射側の位置であればいずれの箇所に設けてもよく、例えば、基板１の図１７中の下面に形成してもよい。また、例えば、基板１とは別の基板上にフィルタ４１，４２を形成しておき、この基板を基板１の図１７中の下面に接合することにより、フィルタ４１，４２を設けることもできる。さらに、フィルタ４１，４２は、赤外線吸収部としての膜４の基板１側の面に形成しておいてもよい。
【００８５】
本実施の形態によるアクチュエータ１０４は、例えば、図１８に示す赤外線の照射部３０６と共に用いればよい。照射部３０６は、前記第１の波長帯域の赤外線を発光する第１の光源と、前記第２の波長帯域の赤外線を発光する第２の光源と、光源４３，４４からの赤外線を略平行光束にするコリメータレンズ４５とを有している。コリメータレンズ４５は、必ずしも必要ではない。
【００８６】
したがって、光源４３のみを点灯すれば、向きが＋Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３の赤外線吸収部のみに選択的に赤外線を照射することができ、また、光源４４のみを点灯すれば、向きが−Ｘ方向の各マイクロアクチュエータ素子３の赤外線吸収部のみに選択的に赤外線を照射することができる。このため、光源４３のみを点灯することで図１５（ｂ）に示すような状態にすることができ、光源４３，４４を両方点灯することで図１５（ｃ）に示すような状態にすることができ、光源４４のみを点灯することで図１５（ｄ）に示すような状態にすることができる。よって、図７乃至図９にそれぞれ示すような照射部３０２〜３０４を用いる場合に比べて、駆動制御が極めて簡単となる。
【００８７】
［第５の実施の形態］
【００８８】
図１９は、本発明の第５の実施の形態によるアクチュエータ１０５を模式的に示す概略平面図である。図１９において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００８９】
本実施の形態によるアクチュエータ１０５が前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１と異なる所は、前記第１の実施の形態では、マイクロアクチュエータ素子３がＸ軸方向に一列に配置されているのに対し、本実施の形態では、図１９に示すように、マイクロアクチュエータ素子３が２次元に配置されている点のみである。そして、本実施の形態では、１つのセクションＳ内に、向きがそれぞれ＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の４つのマイクロアクチュエータ素子３を田の字状に配置し、この４つの素子３の組を２次元状に配列することで、４つの向きの素子３を互いに入り交じるように２次元状に分布させている。なお、図示の例と異なる配置パターンによって、４つの向きの素子３を互いに入り交じるように２次元状に分布させてもよい。なお、本実施の形態によるアクチュエータ１０５も、アクチュエータ１０１と同様の製造方法により製造することができる。
【００９０】
前記第３及び第４の実施の形態によるアクチュエータ１０３，１０４では、マイクロアクチュエータ素子３の向きが＋Ｘ方向及び−Ｘ方向のいずれかのみであったので、１次元方向の自由度しか持たないのに対し、本実施の形態によるアクチュエータ１０５では、４つの向きの素子３が互いに入り交じるように２次元状に分布しているので、２次元方向へ自由度を持っている。
【００９１】
本実施の形態では、例えば、向きが＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の素子３に対して赤外線ｉを照射しない状態で、向きが＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の素子３に対して前記第３の実施の形態によるアクチュエータ１０３と同様の赤外線照射を行うことにより、対象物を＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に移動させることができる。また、向きが＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の素子３に対して赤外線ｉを照射しない状態で、向きが＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の素子３に対して前記第３の実施の形態によるアクチュエータ１０３と同様の赤外線照射を行うことにより、対象物を＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に移動させることができる。したがって、本実施の形態によれば、対象物を素子面上で２次元的に任意の位置へ移動させることができる。
【００９２】
本実施の形態によるアクチュエータ１０５に赤外線を照射する照射部としては、例えば、図７乃至図９にそれぞれ示す照射部３０２〜３０４をそれぞれ２次元用に拡張したものを用いることができる。例えば、図７に示す照射部３０２では、液晶パネル２５として画素が２次元に配置されたものを用いることにより、図８に示す照射部３０３では、赤外線発光素子アレイ２６として２次元赤外線発光素子アレイを用いることにより、図９に示す照射部３０４では、赤外線発光素子アレイ２６として２次元赤外線発光素子アレイを用いるとともにマイクロレンズアレイ２７として２次元マイクロレンズアレイを用いることにより、それぞれ２次元用に拡張することができる。
【００９３】
また、本実施の形態によるアクチュエータ１０５において、前記第４の実施の形態によるアクチュエータ１０４と同様に、４つの向きの素子３に対してそれぞれ互いに異なる波長領域の赤外線を透過する赤外線バンドパスフィルタを設けておいてもよい。この場合、照射部として、これらの４つの波長帯域の赤外線をそれぞれ発光する４つの光源を持つものを用ることにより、当該４つの光源の点灯・消灯を制御するだけで、対象物を２次元に移動させることができる。
【００９４】
図２０に、本実施の形態によるアクチュエータ１０５を用いて、複数の対象物２０５〜２０７を同時に操作する例を示す。図２０は、本実施の形態によるアクチュエータ１０５を用いたアクチュエータ装置を模式的に示す概略斜視図である。アクチュエータ１０５に赤外線を照射する照射部３０７としては、図７に示す照射部３０２を２次元用に拡張したもの又は図９に示す照射部３０４をそれぞれ２次元用に拡張したものを用いることができる。また、その代わりに図８に示す照射部３０３を２次元用に拡張したものを用いてもよい。
【００９５】
従来の振動場や磁場を用いた微小物搬送アクチュエータでは、その原理上、面全体を同一場にしてしまうため、個々の対象物を独立して制御することが事実上不可能であった。これに対して、本実施の形態によるアクチュエータ１０５と照射部３０７とから構成されるアクチュエータ装置を用いれば、個々の対象物２０５〜２０７の付近に対する赤外線ｉの照射をそれぞれ独立して制御することにより、個々の対象物２０５〜２０７をそれぞれ独立して、例えば図２０中の経路Ｋ１〜Ｋ３に沿って同時に移動させることができる。このような機能は、マイクロファクトリーなどで、多種の微小部品を個々に扱い、それぞれ異なる目的の場所へ搬送する場合などにおいて、極めて重要な機能となる。
【００９６】
図２１は、図２０に示すアクチュエータ装置の使用例を示す概略斜視図である。図２１に示す例は、顕微鏡５１の試料台５２上に搭載された容器５３内の培養液等の液体５４中の生体試料などの対象物２０８，２０９を、顕微鏡５１で観察しながら、アクチュエータ１０５で操作（本例では移動）する例である。アクチュエータ１０５は、容器５３内の液体５４中に配置され、対象物２０８，２０９を搭載している。照射部３０７は試料台５２の下方に設置され、照射部３０７からの赤外線は、試料台５２に設けた開口５２ａを介してアクチュエータ１０５に照射される。なお、図２１において、５５は対物レンズである。
【００９７】
アクチュエータ３０７は複雑な機構部を持たず、また高電圧、高磁場なエネルギーを用いないため、図２１に示すように、培養液中などの液体中に置かれた生体のマニピュレーションなどにも応用が可能であり、システムも非常にシンプルな構成で済む。
【００９８】
［第６の実施の形態］
【００９９】
図２２は、本発明の第６の実施の形態によるアクチュエータ１０６を模式的に示す概略平面図である。図２２において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１００】
本実施の形態によるアクチュエータ１０６は、基本的に前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１と同様に構成されているが、基板１の大きさやマイクロアクチュエータ素子３の数は、自走に適するように設定されている。なお、基板１の大きさやマイクロアクチュエータ素子３の数は適宜変更してもよいし、Ｘ軸方向に並んだ素子３の列を１列だけでなく複数列Ｙ軸方向に並列させてもよい。
【０１０１】
本実施の形態によるアクチュエータ１０６を自走式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図２３に示す。図２３は、対象物としての固定部６０上の平面である固定面６０上を、アクチュエータ１０６が自走する例を示している。マイクロアクチュエータ素子３の変位部は、自走型においては、多足の脚として作用する。この点は、後述する第７の実施の形態についても同様である。
【０１０２】
図２３に示す動作原理は、基本的に図１０に示す動作原理の逆利用である。今、図２３（ａ）に示すように赤外線ｉを照射していない状態から、各マイクロアクチュエータ素子３に赤外線ｉを照射すると、素子３の変位部（カンチレバー）に反り変形を生じ、これにより、基板１が−Ｚ方向へ上昇しつつ−Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する（図２３（ｂ））。次に、図２３（ｂ）に示す状態で、赤外線ｉの各素子３への照射を遮断すると、熱応答性が高いことから素子３が急激に復帰する。その結果、「基板１の慣性力」＞「固定面６０ａに接地した素子３の変位部の自由端の摩擦力」の関係により、基板１が−Ｘ方向の位置を維持したまま素子３のみが初期位置に戻る。この一連のサイクルを繰り返すことで、アクチュエータ１０６は−Ｘ方向へ際限なく移動できる。
【０１０３】
図２３に示す動作を実現するために用いる赤外線ｉの照射部としては、例えば、図７乃至図９にそれぞれ示す照射部３０２〜３０４を用いることができる。ただし、自走式であるので、図７に示す照射部３０２において、液晶パネル２５を取り除いたものを用いることが好ましい。
【０１０４】
本実施の形態によるアクチュエータ１０６は、電気配線という負荷や拘束力を持たないため、小型化してもその悪影響を心配する必要が全く無い。また、バイメタル変形という変位量や出力を大きく取り出せる現象に基づいているため、極めて活用範囲の広いアクチュエータを得ることができる。さらに、何らの支障を来すことなく、液中で自走させることもできる。
【０１０５】
［第７の実施の形態］
【０１０６】
図２４は、本発明の第７の実施の形態によるアクチュエータ１０７を模式的に示す概略平面図である。図２４において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１０７】
本実施の形態によるアクチュエータ１０７は、基本的に前記第３の実施の形態によるアクチュエータ１０３と同様に構成されているが、基板１の大きさやマイクロアクチュエータ素子３の数は、自走に適するように設定されている。なお、基板１の大きさやマイクロアクチュエータ素子３の数は適宜変更してもよいし、Ｘ軸方向に並んだ素子３の列を１列だけでなく複数列Ｙ軸方向に並列させてもよい。また、本実施の形態では、基板１の両側に支持脚７０が設けられている。後述する図２５からわかるように、この支持脚７０の基板１からの高さは、マイクロアクチュエータ素子３に赤外線ｉが入射していないときの当該素子３の変位部の自由端の基板１からの高さと、素子３に赤外線ｉが入射しているときの当該素子３の変位部の自由端の基板１からの高さとの間の、中間の高さに設定されている。支持脚７０は、重心バランスが保たれる場合には、必ずしも設ける必要はない。
【０１０８】
本実施の形態によるアクチュエータ１０７を自走式アクチュエータとして用いる場合の動作例を、図２５に示す。図２５は、対象物としての固定部６０上の平面である固定面６０上を、アクチュエータ１０７が自走する例を示している。
【０１０９】
図２５に示す動作原理は、基本的に図１５に示す動作原理の逆利用である。今、図２５（ａ）に示すように赤外線ｉを照射していない状態から、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３のみに選択的に赤外線ｉを照射すると、当該素子３の変位部（カンチレバー）に反り変形を生じ、当該素子３の変位部の自由端が脚部７０から＋Ｚ方向にΔＺ突出し、これにより、基板１が−Ｚ方向へ上昇しつつ−Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する（図２５（ｂ））。次に、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３に赤外線ｉを照射したまま、向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３にも赤外線ｉを照射すると、対象物２０４は、移動せずに、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３及び向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３の両群によって、基板１が支持された状態となる（図２５（ｃ））。その後、向きが＋Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３への赤外線ｉの照射を絶ち（図２５（ｄ））、続いて向きが−Ｘ方向のマイクロアクチュエータ素子３への赤外線ｉの照射を比較的緩慢に光量が消失するように絶つことで（図２５（ｅ））、図２５（ａ）から図２５（ｂ）への動作とは逆の動作により、基板１は更に−Ｘ方向へ距離ΔＬ移動する。よって結果的に、アクチュエータ１０７は、図２５（ａ）から図２５（ｅ）への１サイクル分で、−Ｘ方向へ距離２ΔＬ移動する。
【０１１０】
また、向きが＋Ｘ方向の素子３への赤外線照射と向きが−Ｘ方向の素子３への赤外線照射との間の位相を、前述した動作の場合と逆転させれば、アクチュエータ１０７を＋Ｘ方向へ距離２ΔＬ移動させることも同様に可能である。
【０１１１】
図２５に示す動作を実現するために用いる赤外線ｉの照射部としては、例えば、図７乃至図９にそれぞれ示す照射部３０２〜３０４を用いることができる。ただし、自走式であるので、向きが＋Ｘ方向の素子３や向きや−Ｘ方向の素子に選択的に赤外線ｉを照射するためには、例えばＣＣＤカメラ等でアクチュエータ１０７の位置をモニタする必要がある。そこで、本実施の形態によるアクチュエータ１０７において、前記第４の実施の形態によるアクチュエータ１０４と同様にフィルタ４１，４２を設けておけば、図１８中の照射部３０６を用いることができ、アクチュエータ１０７の位置のモニタが必ずしも必要ではなくなる。
【０１１２】
本実施の形態によるアクチュエータ１０７は、電気配線という負荷や拘束力を持たないため、小型化してもその悪影響を心配する必要が全く無い。また、前述した動作においてほとんど摩擦磨耗を伴わないために耐久性に優れ、しかもバイメタル変形という変位量や出力を大きく取り出せる現象に基づいているため、極めて活用範囲の広いアクチュエータを得ることができる。さらに、何らの支障を来すことなく、液中で自走させることもできる。
【０１１３】
なお、本実施の形態によるアクチュエータ１０７が基本的に前記第３のアクチュエータ１０７と同様の構成を持つ自走式のアクチュエータであるのと同様に、図１６に示すアクチュエータと基本的に同様の構成を持つ自走式アクチュエータや、前記第１９に示すアクチュエータ１０５と基本的に同様の構成を持つ自走式アクチュエータを得ることもできる。後者の場合、２次元方向への自走が可能となる。
【０１１４】
［第８の実施の形態］
【０１１５】
図２６は、本発明の第８の態様による液体制御装置９０を模式的に示す概略断面図である。図２７は、図２６に示す装置において用いられているアクチュエータ１０８の一部を模式的に示す拡大断面図である。図２６及び図２７において、図１乃至図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１１６】
本実施の形態による液体の流れの状態を制御する液体制御装置９０は、流量調整弁装置として構成され、流路８０の途中に配置されるアクチュエータ１０８と、アクチュエータ１０８に赤外線ｉを照射する照射部９１と、を有している。
【０１１７】
アクチュエータ１０８が前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、基板１が流路８０の断面形状に合わせて円形状に構成され、マイクロアクチュエータ素子３が多数２次元状に分布されている。本実施の形態では、各素子３の向きは、基板１の中心から当該素子３の位置へ向かう向きに略々一致するように、設定されている。もっとも、各素子３の向きは、特に限定されるものではなく、例えば全て同一としてもよい。また、基板１におけるマイクロアクチュエータ素子３の変位部に対向する領域には、液体を通過させるための孔１ａが形成されている。図２６及び図２７から理解することができるように、個々のマイクロアクチュエータ素子３は、マイクロ流量調整弁として作用し、当該素子への赤外線ｉの光量に応じて対応する開口を通過する液体の流量を増減させる。また、本実施の形態では、膜４の代わりに膜５が赤外線吸収部とされ、基板１とは反対側から赤外線ｉを照射するように構成されている。
【０１１８】
照射部９１は、個々のマイクロアクチュエータ素子３に選択的に赤外線ｉを照射するのではなく、一括して赤外線ｉを照射するように構成される。本実施の形態では、効率良く赤外線ｉを照射し得るように、照射部９１は複数設けられている。照射部９１としては、例えば、図７に示す照射部３０２において液晶パネル２５を取り除いたものを用いることができる。ただし、照射部９１は、赤外線ｉの照射光量が調整し得るように構成されている。
【０１１９】
アクチュエータ１０８も、基本的に、アクチュエータ１０１と同様の製造方法により製造することができるが、孔１ａを形成するための工程を追加する。すなわち、例えば、図４（ｂ）に示す工程の後に、シリコン基板１１の下面にレジストを形成して当該レジストに孔１ａに対応する箇所に開口を形成し、当該レジストをマスクとして水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などのシリコン用のエッチング液に浸漬し、シリコン基板１１に孔１ａを形成する。その後、図４（ｃ）に示す工程で、犠牲層としてのポリイミド膜１２を除去するのと同時に、前記レジストも除去する。
【０１２０】
本実施の形態による液体制御装置９０では、図示しない流量センサの検出信号に基づいて、図示しない光量制御部により、流路８０を流れる液体の流量が所望の流量となるように、照射部９１による赤外線ｉの照射光量が調整される。多数のマイクロアクチュエータ素子３が前述したようにそれぞれマイクロ流量弁として作用し、それらが総合して全体の流量が調整される。このため、いずれかのマイクロアクチュエータ素子３に作動不良が生じても、全体としての流量を精度良く調整することができ、非常にロバスト（ｒｏｂｕｓｔ）である。また、従来実現できなかったような微小領域での流量制御も可能となる。
【０１２１】
［第９の実施の形態］
【０１２２】
図２８は、本発明の第９の態様による液体制御装置を模式的に示す概略断面図である。図２８において、図２６及び図２７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１２３】
本実施の形態による液体９４の流れの状態を制御する液体制御装置は、液体９４の流れを静定するための流れ抑制装置として構成され、アクチュエータ１０９と、アクチュエータ１０９に赤外線ｉを照射する照射部９５とを有している。
【０１２４】
アクチュエータ１０９は、基本的に、前記第８の実施の形態による液体制御装置９０で用いられているアクチュエータ１０８と同様に構成されている。ただし、基板１の形状は矩形形状等とされ、全てのマイクロアクチュエータ素子３の向きは同一方向とされ、前記第１の実施の形態によるアクチュエータ１０１と同様に膜４（図２８では図示せず）が赤外線吸収部とされて基板１の側から赤外線ｉを照射するように構成されている。照射部９５は、図２６中の照射部と同様に構成され、赤外線ｉの照射光量が調整し得るように構成されている。
【０１２５】
容器９６内には、培養液等の液体９４が収容され、液体９４内に試料台９７が設置されている。生体等の対象物２１０〜２１２が液体９４内において試料台９７上に置かれている。複数のアクチュエータ１０９は、マイクロアクチュエータ素子３の側が対象物２１０〜２１２の側となって対象物２１０〜２１２を取り囲むように、試料台９７に取り付けられている。
【０１２６】
マイクログリッパ等のマニピュレータ９８でいずれかの対象物をマニピュレートすると、液体９４に流れが生じるため、これが他の対象物を攪拌したり、正確な位置決め作業などを阻害する。
【０１２７】
本実施の形態による液体制御装置では、液体中の所定の１箇所以上に設置された流速センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、図示しない制御部により、ある光量で赤外線ｉをアクチュエータ１０９に照射して、対象物２１０〜２１２が設置されている観察環境空間の内外の間の液体の流量をある量に調整したり、赤外線ｉの照射と停止とを繰り返すことでマイクロアクチュエータ素子３に流れと逆位相の運動を行わせることで、不要な乱流を短時間で静定させることができる。
【０１２８】
以上、本発明の各実施の形態や使用例等について説明したが、本発明は、これらの実施の形態や使用例に限定されるものではない。
【０１２９】
例えば、前述した実施の形態等では、主に大気および液中での用途を示したが、本発明によるアクチュエータは、「潤滑油など揮発性物質の発生を嫌うクリーン環境」、「真空環境」、「磁場や電磁波の発生を嫌う環境」、「磁場や電磁波に満ちている中で誤動作が許されない環境」、「爆発性ガスや引火性オイル中など電気配線が危険視される環境」など、従来のアクチュエータでは採用が困難であった様々な特殊環境中でも、利用が可能である。駆動源となる放射も、要求出力や許される周囲環境に応じてＸ線、紫外線、赤外線、可視光などの中から適宜選択することができる。
【０１３０】
また、前述した実施の形態では、マイクロアクチュエータ素子３を支持する基体の面が平面である場合について説明したが、基体材料に柔軟で光透過性を備えた有機系材料等を用いることにより、曲面的な構成を持たせることも可能である。
【０１３１】
さらに、前述した説明では、バイマテリアル素子のカンチレバー方式に基づいて様々な実施の形態を述べた。しかし、半導体プロセス等を活用することで、微小バイマテリアル素子を１次元、２次元、もしくは３次元上に複数個配列し、各素子に対して選択的に光エネルギーを照射・供給することにより、自走式アクチュエータもしくは対象物搬送式アクチュエータを実現するものであれば、これに限定されるものではなくそれらはすべて本発明に含まれる。
【０１３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動エネルギー源との理想的なインターフェースを備え、しかも、小型化・高精度化・高機能化・多自由度化・低コスト化を実現し得るアクチュエータ、並びに、これを用いたアクチュエータ装置及び液体制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図２】図１に示す示すアクチュエータの１つのマイクロアクチュエータ素子を模式的に示す概略拡大平面図である。
【図３】図２中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。
【図４】図１に示すアクチュエータの製造方法の一例を示す図である。
【図５】図１に示すアクチュエータの動作例を示す図である。
【図６】図１に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の一例を示す図である。
【図７】図１に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の他の例を示す図である。
【図８】図１に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の更に他の例を示す図である。
【図９】図１に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の更に他の例を示す図である。
【図１０】図１に示すアクチュエータの他の動作例を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図１２】図１１に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の一例を模式的に示す概略斜視図である。
【図１３】所定の動作状態における図１１中のＤ−Ｄ’線に沿った概略断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図１５】図１４に示すアクチュエータの動作例を示す図である。
【図１６】図１４に示すアクチュエータの変形例によるアクチュエータを示す概略断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態によるアクチュエータの要部を模式的に示す概略拡大断面図である。
【図１８】図１７に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の一例を示す図である。
【図１９】本発明の第５の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図２０】図１９に示すアクチュエータを用いたアクチュエータ装置の一例を示す図である。
【図２１】図２０に示すアクチュエータ装置の使用例を示す概略斜視図である。
【図２２】本発明の第６の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図２３】図２２に示すアクチュエータの動作例を示す図である。
【図２４】本発明の第７の実施の形態によるアクチュエータを模式的に示す概略平面図である。
【図２５】図２４に示すアクチュエータの動作例を示す図である。
【図２６】本発明の第８の態様による液体制御装置を模式的に示す概略断面図である。
【図２７】図２６に示す装置において用いられているアクチュエータの一部を模式的に示す拡大断面図である。
【図２８】本発明の第９の態様による液体制御装置を模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　脚部
３　マイクロアクチュエータ素子
４　変位部の一部及び赤外線吸収部を兼ねる膜
５　変位部の一部をなす膜
１０１〜１０９　アクチュエータ
６０，２０１〜２１２　対象物
９１，９５，３０１〜３０７　照射部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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