マイクロアクチュエータの遠隔駆動のための光・運動変換機構

本研究では、エネルギーの源とその伝達、およびマシン内での動力への変換をマイクロサイズのデバイスで行なうという問題を克服し、単独で自由に動き回る「トラベリングロボット」を実現し得る駆動機構として光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構を提案している。光電変換部のa-Si太陽電池の直接接続構造の作製において、従来レーザアブレーションによる加工を行なっていたが、多数のセルの直列接続を作製するには時間がかかり過ぎ(加工時間はセルの数にほぼ比例する)るため、RIEによるドライエッチングによる加工を行なった。加工条件として、反応ガスとしてCF_4とO_2の混合ガスを20sccm:1.0sccmの比率で用い、50mTorrの圧力下でRF電力50Wでのエッチングという最適値を得た。このときのa-Siのエッチングレートは130〜160nm/min、フォトレジストが120〜160nm/minとなり、両層の膜厚を考慮に入れると充分な選択比である。また、この条件においては透明・不透明電極のITO,Al,Pt/Tiともエッチングレートは測定誤差以下であった。また、圧電層としてsol-gel PZT薄膜を用いた。製膜プロセスの最適化によりスピンコート3,000rpm→乾燥320゜C×10min→結晶化アニール600゜C×10min(酸素雰囲気中)の条件を得、膜厚750nmの薄膜において電界130kV/m印加によるポーリングによって圧電h_<31>定数で900MV/mというバルクセラミックスに匹敵する圧電膜を得た。更にマイクロ構造を作製する際に必要となるPZTのパターニング条件を最適化した。従来PZTのエッチングに用いられてきた弗酸と塩酸の混合液によるエッチングに代えて、バッファード弗酸と10%塩酸で交互にエッチングすることにより、サイドエッチ量2.5μm以下で再現性良くエッチングすることができた。最後に作製した直列接続太陽電池とカンチレバー型ミニチュアサイズ圧電アクチュエータを接続してチョッピング光照射によりアクチュエータを駆動し、特性を測定した。太陽電池の発生電圧の遮断周波数は無負荷時120Hzであるのに対し、アクチュエータ接続時は60Hzに低下した。しかしながら、アクチュエータの共振周波数である30Hzおよび60Hzにおいて、アクチュエータ駆動時にも発生電圧の低下が見られないことから、アクチュエータ駆動用電源として充分な特性が得られていると言える。

本研究では、エネルギーの源とその伝達、およびマシン内での動力への変換をマイクロサイズのデバイスで行なうという問題を克服し、単独で自由に動き回る「トラベリングロボット」を実現し得る駆動機構として光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構を提案している。光電変換部のa-Si太陽電池の直接接続構造の作製において、従来レーザアブレーションによる加工を行なっていたが、多数のセルの直列接続を作製するには時間がかかり過ぎ(加工時間はセルの数にほぼ比例する)るため、RIEによるドライエッチングによる加工を行なった。加工条件として、反応ガスとしてCF_4とO_2の混合ガスを20sccm:1.0sccmの比率で用い、50mTorrの圧力下でRF電力50Wでのエッチングという最適値を得た。このときのa-Siのエッチングレートは130〜160nm/min、フォトレジストが120〜160nm/minとなり、両層の膜厚を考慮に入れると充分な選択比である。また、この条件においては透明・不透明電極のITO,Al,Pt/Tiともエッチングレートは測定誤差以下であった。また、圧電層としてsol-gel PZT薄膜を用いた。製膜プロセスの最適化によりスピンコート3,000rpm→乾燥320゜C×10min→結晶化アニール600゜C×10min(酸素雰囲気中)の条件を得、膜厚750nmの薄膜において電界130kV/m印加によるポーリングによって圧電h_<31>定数で900MV/mというバルクセラミックスに匹敵する圧電膜を得た。更にマイクロ構造を作製する際に必要となるPZTのパターニング条件を最適化した。従来PZTのエッチングに用いられてきた弗酸と塩酸の混合液によるエッチングに代えて、バッファード弗酸と10%塩酸で交互にエッチングすることにより、サイドエッチ量2.5μm以下で再現性良くエッチングすることができた。最後に作製した直列接続太陽電池とカンチレバー型ミニチュアサイズ圧電アクチュエータを接続してチョッピング光照射によりアクチュエータを駆動し、特性を測定した。太陽電池の発生電圧の遮断周波数は無負荷時120Hzであるのに対し、アクチュエータ接続時は60Hzに低下した。しかしながら、アクチュエータの共振周波数である30Hzおよび60Hzにおいて、アクチュエータ駆動時にも発生電圧の低下が見られないことから、アクチュエータ駆動用電源として充分な特性が得られていると言える。