(57)【要約】【課題】  変位特性にヒステリシスが少なく、製造が簡単な熱駆動型アクチュエータ、その製造方法及び光ファイバ固定具を提供する。【解決手段】  熱膨張係数が異なる材料からなる複数の層１１，１２を有し、該複数の層１１，１２が熱膨張係数の大小が交互となるように設けられた熱膨張体１３を形成し、この熱膨張体１３を加熱する加熱手段を設けた。熱膨張で変位させるので、変位特性にヒステリシスが少ない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数が異なる材料からなる複数の層を有し、該複数の層が熱膨張係数の大小が交互となるように設けられた熱膨張体を形成し、この熱膨張体を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする熱駆動型アクチュエータ。
【請求項２】
上記加熱手段として電熱ヒータを上記熱膨張体の複数層に亘る断面に沿わせて設けたことを特徴とする請求項１記載の熱駆動型アクチュエータ。
【請求項３】
上記電熱ヒータの熱膨張係数を熱膨張係数が最も大きい層の熱膨張係数の１．５倍以内、好ましくはほぼ同一にしたことを特徴とする請求項２記載の熱駆動型アクチュエータ。
【請求項４】
上記熱膨張体をシリコンからなる層とポリイミドからなる層を交互に設けて形成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の熱駆動型アクチュエータ。
【請求項５】
上記シリコン層に電極を形成し、この電極から上記シリコン層に通電することで上記加熱手段を構成したことを特徴とする請求項４記載の熱駆動型アクチュエータ。
【請求項６】
熱膨張係数が異なる材料からなる複数の層を有する熱駆動型アクチュエータの熱膨張体を形成する際に、一の材料からなる基礎体に層厚間隔で複数のスリットを形成し、これらスリットに他の材料を充填して上記熱膨張体を形成することを特徴とする熱駆動型アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
光ファイバの一部を嵌め込むための溝を有する片側挟み具と、その片側挟み具に対向して光ファイバを上記溝に押さえ込むための相手側挟み具と、これら挟み具を常温で光ファイバの径以下の間隔を隔てて連結する熱膨張体と、この熱膨張体を加熱して挟み具間隔を光ファイバの径以上に広げる加熱手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ固定具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張により変位を生じる熱駆動型アクチュエータに係り、変位特性にヒステリシスが少なく、製造が簡単な熱駆動型アクチュエータ、その製造方法及び光ファイバ固定具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）分野において、様々なアクチュエータが必要とされており、多くのアイデアが出されて研究・開発されている。例えば、実際に製品化されているアクチュエータとして一つの圧電素子を薄く形成し、この圧電素子を積層することにより、電力を印加したとき比較的大きな変位を得られるようにしたアクチュエータが知られている。このアクチュエータには、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックス材料（ＰＺＴセラミックス）が用いられる。このアクチュエータは、図７に示されるように圧電材料７１と電極用金属７２とを交互に積層した積層体７３を有し、１層の厚さが１００μｍ程度である。電極用金属７２に対して電圧を印加するための電極７４が積層体７３に沿って形成されている。変位方向は、図中の矢印方向、即ち、積層方向である。
【０００３】
このアクチュエータの回路は、図８に示されるように、電極用金属７２の１層おきの電極７４に交互に正負極を接続したものである。これら電極７４に電圧を加えることで各層の圧電材料７１に同一方向同一量の変位量及び発生力を得る。変位量は圧電材料７１の厚さの総和に比例し、発生力は図７の積層体７３の面積（変位方向に垂直な面の面積）に比例する。
【０００４】
このアクチュエータの変位特性を図９に示す。変位量は実効長（圧電材料７１の非通電時の厚さの総和）の１／１０００程度である。図示のように、変位量が印加電圧にほぼ比例する変位特性９１が得られる。しかし、この変位特性にはヒステリシス９２が存在する。したがって、変位量を正確に制御するためには、印加電圧の制御のみの開ループ制御では十分でない。精密な変位量を制御するためには閉ループ制御（変位量をフィードバックする）を行う必要がある。
【０００５】
また、このアクチュエータは、クリープ特性を持つため、印加電圧を一定に保っても、時間と共に変位量が変化する。
【０００６】
この種のアクチュエータが特許文献１，２に記載されており、その応用用途として、特許文献１には燃料噴射装置、特許文献２にはマイクロスイッチが示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２０３９９７号公報
【特許文献２】特開２００２−２６４０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、圧電材料を積層したアクチュエータは、変位特性に大きなヒステリシスが存在すること、それに伴い精密な変位量を得るにはフィードバック制御が必要であることなどが問題である。
【０００９】
また、このアクチュエータには、圧電材料を積層するための製造コストが高いという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２には、バイメタルを用いたマイクロデバイス、即ち熱膨張係数が異なる複数の層を有したバイメタルを構成し、このバイメタルを加熱して変形させ、このバイメタルに支持された導体を変位させることが開示されている。しかし、バイメタルは長手方向の熱膨張量の相違を利用して厚み方向の反りを生じさせているため、得られる変位量に比してアクチュエータの長手方向が長大なものになる。複数のアクチュエータを複合させて設ける場合に、長手方向が長大なアクチュエータを用いると、配置が難しくなり、所要スペースが大きくなるという問題がある。
【００１１】
この種のアクチュエータが未だ応用されていない用途として、光ファイバ固定具がある。光ファイバを所望の場所に固定する際に、従来は、ネジやバネを利用した固定具が使用されている。
【００１２】
しかし、これらのネジやバネを利用した固定具は、光ファイバの径に比してサイズが大きいため、光ファイバを固定する場所に固定具のためのスペースが必要となる。このため、複数本の光ファイバを集約配置して固定したり、他の部材が密集している場所に光ファイバを固定することが難しいという問題がある。
【００１３】
また、ネジを利用した従来の固定具では、ネジを人が操作するので、トルクの手加減が難しく、光ファイバを不用意に圧迫して光特性を損なってしまう虞がある。
【００１４】
前述したアクチュエータを光ファイバ固定具に応用しようとする場合、非固定時に光ファイバを着脱する作業を容易にするためには、アクチュエータのサイズに比して大きな変位を得られることが重要となる。しかし、圧電材料を積層したアクチュエータは、実効長の１／１０００程度しか変位量がなく、バイメタルによるアクチュエータも長手方向のサイズに比して反りの変位量が小さいため、アクチュエータへの光ファイバ着脱が容易でない。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、変位特性にヒステリシスが少なく、製造が簡単な熱駆動型アクチュエータ、その製造方法及び光ファイバ固定具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明の熱駆動型アクチュエータは、熱膨張係数が異なる材料からなる複数の層を有し、該複数の層が熱膨張係数の大小が交互となるように設けられた熱膨張体を形成し、この熱膨張体を加熱する加熱手段を設けたものである。
【００１７】
上記加熱手段として電熱ヒータを上記熱膨張体の複数層に亘る断面に沿わせて設けてもよい。
【００１８】
上記電熱ヒータの熱膨張係数を熱膨張係数が最も大きい層の熱膨張係数の１．５倍以内、好ましくはほぼ同一にしてもよい。
【００１９】
上記熱膨張体をシリコンからなる層とポリイミドからなる層を交互に設けて形成してもよい。
【００２０】
上記シリコン層に電極を形成し、この電極から上記シリコン層に通電することで上記加熱手段を構成してもよい。
【００２１】
また、本発明の熱駆動型アクチュエータの製造方法は、熱膨張係数が異なる材料からなる複数の層を有する熱駆動型アクチュエータの熱膨張体を形成する際に、一の材料からなる基礎体に層厚間隔で複数のスリットを形成し、これらスリットに他の材料を充填して上記熱膨張体を形成するものである。
【００２２】
また、本発明の光ファイバ固定具は、光ファイバの一部を嵌め込むための溝を有する片側挟み具と、その片側挟み具に対向して光ファイバを上記溝に押さえ込むための相手側挟み具と、これら挟み具を常温で光ファイバの径以下の間隔を隔てて連結する熱膨張体と、この熱膨張体を加熱して挟み具間隔を光ファイバの径以上に広げる加熱手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２４】
（１）変位特性にヒステリシスが少ない
（２）製造が簡単である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１に示されるように、本発明に係る熱駆動型アクチュエータは、熱膨張係数が小さい材料であるシリコン（Ｓｉ）と熱膨張係数が大きいポリイミドを用い、シリコンからなる層（以下、シリコン層）１１とポリイミドからなる層（以下、ポリイミド層）１２を交互に、つまり熱膨張係数の大小が交互となるように有する熱膨張体１３を形成し、この熱膨張体１３を加熱する加熱手段（図示せず）を設けたものである。ここで、シリコンの熱膨張係数は２．６×１０−６であり、ポリイミドの熱膨張係数は２０×１０−６である。
【００２７】
図示した熱膨張体１３は、高さａ、幅ｂ、長さｃの直方体であり、層の重なり方向（以下、多層方向という）は長さ方向である。シリコン層１１は熱膨張体１３の基礎となる層であり、ポリイミド層１２は熱膨張体１３の熱膨張に大きく関与する層である。この熱膨張体３を加熱すると、主としてポリイミド層１２の熱膨張により矢印で示した変位方向、即ち多層方向に変位が生じる。この変位を平行変位と呼ぶ。バイメタルが長手方向（本発明に即すると幅ｂ方向）の熱膨張から反りの変化を得ているのに対し、本発明は平行変位を利用しているので、熱膨張で生じる変位量と同量の変位量が得られる。
【００２８】
図２に示した熱駆動型アクチュエータは、図１と同様の熱膨張体３の表面に加熱手段としてのマイクロヒータ２１を形成したものである。マイクロヒータ２１は、Ｃｕめっき配線２２からなり、このＣｕめっき配線２２は線幅１０μｍ、めっき厚さ５μｍである。マイクロヒータ２１は、このＣｕめっき配線２２に電流を流すことで発熱する電熱ヒータである。マイクロヒータ２１は、熱膨張体１３の複数層に亘る断面（以下、多層断面という）に沿って多層方向に延ばすことで、各層１１，１２に熱を伝えることができるようになっている。マイクロヒータ２１の熱膨張係数は、熱膨張差による応力をなるべく低減するために、熱膨張係数が大きい層、つまりポリイミド層１２の熱膨張係数の１．５倍以内であるのが望ましく、より好ましくはポリイミド層１２の熱膨張係数とほぼ同一であることが望ましい。
【００２９】
図３に示した熱駆動型アクチュエータは、図１と同様の熱膨張体３のシリコン層１１を加熱手段として用いるために、各シリコン層１１に２つずつ電極３１を形成したものである。電極３１は、シリコン層１１の幅方向両端に形成される。シリコン層１１は、低抵抗率のハイドープのシリコンからなる。このシリコン層１１に図示しない電源から通電することでシリコン層１に熱を発生させるようになっている。なお、シリコン層１１の表面（多層断面）には熱酸化膜が形成され電気的絶縁がなされているが、電極３１は熱酸化膜より内部のシリコンの部分に直接Ａｕ／Ｃｒの電極パッドを設けて形成される。この電極３１に外部からの配線３２を接続する。
【００３０】
図２或いは図３の熱駆動型アクチュエータは加熱手段としてのマイクロヒータ２１或いは加熱手段としてのシリコン層１１に通電すると、この加熱手段の発熱により各層１１，１２が熱膨張するが、熱膨張係数が大きいポリイミド層１２の熱膨張が顕著となる。ポリイミド層１２の層厚方向の熱膨張に起因して、熱膨張体１３には多層方向に変位が生じる。
【００３１】
図２の熱駆動型アクチュエータの動作試験を行った。熱膨張体３の高さａは２００μｍ、幅ｂは数百μｍとした。各シリコン層１１の間隔（ポリイミド層１２の層厚）ｄは互いに等しくした。シリコン層１１の間隔ｄが数十ｍのものから数百μｍのものを作成した。マイクロヒータ２１に１５０ｍＡの通電をすると、各ポリイミド層２毎に数μｍ程度の熱膨張が層厚方向に起こり、ポリイミド層１２を１０層設けた熱駆動型アクチュエータでは熱膨張体３が多層方向に数十μｍの平行変位が得られた。この熱駆動型アクチュエータには変位特性に若干のヒステリシスが存在するが、圧電材料を積層したアクチュエータに比べて小さいことが分かった。
【００３２】
このように、本発明によれば、熱膨張係数が小さいシリコン層１１と熱膨張係数が大きいポリイミド層１２を交互に設けて熱膨張体３を形成し、この熱膨張体１３を加熱する加熱手段を設けたので、加熱により多層方向に変位を得ることができる。その変位特性はヒステリシスが小さいので、温度のみを制御すれば、変位のフィードバックをせずとも、所望した変位量を正確に得ることができる。また、シリコン層１１とポリイミド層１２の多層化は圧電材料と電極用金属の積層よりも簡単であるため、製造コストも安くなる。
【００３３】
本発明はシリコン層とポリイミド層をそれぞれ複数層設けている。本発明は熱膨張を利用しており、複数層分に相当する厚いポリイミド層を１層だけ作っても熱膨張係数と層厚に応じた変位が得られる。しかし、ポリイミド層をあまりに厚く形成しようとすると、キュア（乾燥）時に高さａ方向或いは幅ｂ方向に縮みが生じることにより、ポリイミド層が均一になりにくい。そこで、シリコン層とポリイミド層を交互に複数設けることで、個々のポリイミド層が均一になるようにしている。
【００３４】
本発明によれば、熱膨張体３は実効長の１／２００程度の変位量が得られる。よって、背景技術の圧電材料を積層したアクチュエータが実効長の１／１０００程度しか変位量がないのに比べ、大変位量が得られたことになる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、熱膨張係数が小さい材料としてシリコンを用い、熱膨張係数が大きい材料としてポリイミドを用いたが、本発明はこれに限定されない。熱膨張係数が小さい材料としては石英があるが、シリコンはエッチング等の加工技術が既に確立されているという理由で好ましい。また、熱膨張係数が大きい材料としてはポリマーがあるが、その中でもポリイミドは耐薬品性に優れており好ましい。
【００３６】
なお、シリコンは、ＭＥＭＳの分野では通常Ｓｉと表記するが、本明細書ではシリコンとした。また、本明細書で言うシリコンは、Ｓｉ単体に限定されず、他の材料ドープして所望の電気特性を与えたシリコン系半導体も含むものである。
【００３７】
また、本実施の形態では、熱膨張係数が異なる材料をシリコンとポリイミドの２種類としたが、３種類以上の材料を使用してもよいことは勿論である。
【００３８】
次に、熱膨張体１３の製造方法を説明する。
【００３９】
ここでは、シリコン層とポリイミド層を交互に設ける場合を説明する。まず、図４の工程１に示されるように、シリコンからなる基礎体４１に所望したポリイミド層の層厚ｄに等しい間隙を有するスリット４２を所望したシリコン層の層厚ｅの間隔を隔てて形成する。より具体的には、シリコンウエハの表面に熱酸化膜のマスク（スリット４２にならない部分を覆うマスク）を形成し、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ技術を用いてシリコンウエハを貫通するスリット４２を形成する。その際、熱膨張体１３の周辺に熱膨張体１３の応用用途に適した周辺構造物を一緒に形成してもよい。スリット４２の形成個数は製造予定のポリイミド層の層数である。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ技術とは、半導体プロセスに用いられるＲＩＥ技術、即ち薄膜に溝を形成する技術を応用し、数十μｍから数百μｍの溝や貫通溝（スリット）を形成する技術のことである。
【００４０】
次に、図４の工程２に示されるように、これらのスリット４２に液体状のポリイミド４３を流し込んで充填する。このポリイミド４３を加熱により乾燥固化（キュア）させる。より具体的には、段階的に昇温していき最終的には３６０℃まで加熱するフルキュアを行う。以上の工程により、図１に示したような熱膨張体１３が形成される。この製造方法により、異種材料からなる多層構造体を比較的簡易に形成できる。
【００４１】
このようにして形成した熱膨張体１３はポリイミドの揮発成分が十分に抜けているので、耐薬品性や機械的強度も十分となる。
【００４２】
その後、室温に戻すと、熱膨張体は、全体が収縮して初期状態（室温での状態）となる。なお、このときシリコン層１１の表面（多層断面）には前記ＲＩＥ技術を用いた際の熱酸化膜が形成されており、図２のようにＣｕめっき配線２２からなるマイクロヒータ２１を布設する際に電気的絶縁を図ることができる。
【００４３】
以上の製造方法では、複数の層を同時に形成できる。圧電材料と電極用金属を積層する場合、１層ずつ順番に積層していくことになるので、時間が掛かり、製造コストに影響するが、本発明では同時に複数の層を形成するので、時間が掛からず、製造コストを安くすることができる。
【００４４】
次に、光ファイバ固定具について説明する。
【００４５】
図５（ａ）に示されるように、本発明に係る光ファイバ固定具６１は、光ファイバの一部を嵌め込むための溝６２を有する片側挟み具６３と、その片側挟み具６３に対向して光ファイバを上記溝６２に押さえ込むための相手側挟み具６４と、これら挟み具６３，６４を常温で光ファイバの径以下の間隔を隔てて連結する熱膨張体６５と、この熱膨張体６５を加熱して挟み具間隔を光ファイバの径以上に広げる加熱手段（図示せず）とを備えたものである。
【００４６】
片側挟み具６３及び相手側挟み具６４は、シリコンからなる角棒状の部材である。片側挟み具６３には広く開口して底が閉じた断面Ｖ字状の溝６２を形成してある。相手側挟み具６４にも同様の溝を溝６２と向かい合わせに設けてもよい。溝６２の断面は光ファイバが安定できる窪みが有ればよいので、Ｖ字状に限らない。
【００４７】
熱膨張体６５には、これまで説明したシリコン層とポリイミド層を積層したものを用いるとよい。多層方向（＝変位方向）は両挟み具６３，６４が向き合う方向である。加熱手段もこれまでに説明した加熱手段を用いるとよい。即ち、光ファイバ固定具６１は、両挟み具６３，６４を図２又は図３の熱駆動型アクチュエータで連結したものである。
【００４８】
熱膨張体６５は、両挟み具６３，６４間に１箇所だけ設けても複数箇所設けてもよく、ここでは溝６２を挟んで溝６２の両側に設けるものとする。
【００４９】
図示例では溝６２の両側にそれぞれ熱膨張体６５を配置しているが、片側だけ熱膨張体６５を配置してもよい。この場合、熱膨張体６５が無い側は両挟み具６３，６４間が開放されるため、光ファイバ６６をこの開放部から横入れすることができ、図示例のように両挟み具６３，６４と２つの熱膨張体６５で囲まれた穴に光ファイバ６６を通し入れるよりは簡単である。しかし、光ファイバ６６を安定確実に保持する信頼性は図示例のほうが優る。
【００５０】
図５（ａ）は常温における状態を表している。このとき、両挟み具６３，６４間は光ファイバの径以下の間隔である。図５（ｂ）は加熱された状態を表している。このとき、熱膨張体６５が熱膨張しているので、両挟み具６３，６４間は光ファイバの径以上の間隔である。
【００５１】
この光ファイバ固定具の使用方法を説明する。
【００５２】
まず、図６（ａ）に示されるように、光ファイバ固定具６１が加熱された状態で、両挟み具６３，６４間に光ファイバ６６を通し、その光ファイバ６６を溝６２に嵌め込む。両挟み具６３，６４間は光ファイバの径以上の間隔に十分に開いているので、この作業は容易である。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示されるように、光ファイバ固定具６１を常温に戻すと、熱膨張体６５が熱収縮して、両挟み具６３，６４間は光ファイバの径以下の間隔に戻る。このため、光ファイバ６６は相手側挟み具６４によって片側挟み具６３の溝６２に押しつけられる。よって、光ファイバ６６は、この光ファイバ固定具６１に固定される。
【００５４】
この光ファイバ固定具６１は、従来のネジやバネを利用した固定具に比して小さいサイズで作ることができる。よって、複数本の光ファイバを集約配置して固定したり、他の部材が密集している場所に光ファイバを固定することが容易になる。
【００５５】
図には示さなかったが、光ファイバ固定具６１は各種光応用機器に設けることができる。例えば、光ファイバから得られる光を測定機器で測定する際に、その測定機器に光ファイバ固定具６１を設けておけば、対象の光ファイバを一時的に測定場所に固定するのが容易となる。また、光ファイバ同士を付き合わせて光結合する突き合わせ型光スイッチに光ファイバ固定具６１を設け、光ファイバを光ファイバ固定具６１に固定した状態で光ファイバ固定具６１の位置をずらせて光軸合わせができ、光軸合わせが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱膨張体の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す熱駆動型アクチュエータの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す熱駆動型アクチュエータの斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す熱膨張体の製造工程図である。
【図５】本発明の一実施形態を示す光ファイバ固定具の斜視図であり、（ａ）は常温状態、（ｂ）は加熱状態を示す。
【図６】図５の光ファイバ固定具の使用方法を示す斜視図であり、（ａ）は光ファイバ挿通時、（ｂ）は光ファイバ固定時を示す。
【図７】背景技術のアクチュエータの斜視図である。
【図８】背景技術のアクチュエータの回路図である。
【図９】背景技術のアクチュエータの変位特性図である。
【符号の説明】
【００５７】
１１  シリコン層
１２  ポリイミド層
１３  熱膨張体
６１  光ファイバ固定具
６２  溝
６３  片側挟み具
６４  相手側挟み具
６５  熱膨張体
６６  光ファイバ
【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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