JP2006141082A - 小型圧電素子、及び、小型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動部材との接触で圧電機能を損なうことがなく低電圧で大きな変位を発生する、小型・低背の小型圧電素子、及びそれを用いた高信頼性動作が可能な小型駆動装置の提供。
【解決手段】空隙を有する基板１と、該基板１上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜３、圧電膜４及び上部電極膜５が順次形成された薄膜アクチュエータ部２と、該薄膜アクチュエータ部の少なくともひとつの面に配置される弾性膜６とを有する小型圧電素子であって、前記弾性膜６の膜厚が、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有することにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯機器や小型装置における超小型駆動装置などに使用され、小型かつ低背で高信頼性動作が要求される小型圧電素子、及び、小型駆動装置に関する。

従来、携帯機器や小型装置における用途では小型で低背の圧電素子が望まれ、その駆動電圧としては、近年の携帯電話やパソコン機器などではＩＣ駆動電圧と同等の３〜５Ｖの駆動電圧が要求される。

図１０は従来の小型駆動装置の例を示す図である。この小型駆動装置は積層タイプの圧電素子３０の最外周部（当接部）におもり２２及びカーボン軸２０を取り付け、カーボン軸２０に被駆動部材２３を摩擦結合させた構成である。被駆動部材２３にはＶ字型溝２４が設けられており、そのＶ字型溝２４内にカーボン軸２０を嵌め込み、押し付けバネ２６によってカーボン軸２０をＶ字型溝２４上部へ押し付けることによって、カーボン軸２０と被駆動部材２３とを摩擦結合させる。被駆動部材２３には、玉枠２１が取り付けられており、被駆動部材２３とともにカーボン軸２０に沿って移動することができる。圧電素子３０にパルス状の電圧を印加することにより、圧電素子３０が当接部の法線方向に変位し、カーボン軸２０が振動する。パルスの往復波形を変化させることで、被駆動部材２３がカーボン軸２０との間の摩擦に打ち勝って移動する。

圧電素子としては、電極を形成した圧電セラミックスグリーンシートを積層した、積層タイプの圧電素子が提供されている。低電圧駆動を可能にするためには、電気−機械変換能力が高いジルコン酸チタン酸鉛を主成分とするセラミックス（以下、ＰＺＴと称す）を用い、積層するＰＺＴグリーンシートの膜厚を薄くし積層数を多くする方法がとられている。この一例として、（特許文献１）に記載の、従来の圧電素子を図１１に示す。

（特許文献１）に記載の圧電素子は、ＰＺＴグリーンシート３１を円筒状に巻き上げた積層筒状態により構成される。図１１に示すように、従来の圧電素子は、ＰＺＴグリーンシート３１を略中央部で折り返し、その折り返し部３４を連続部として、連続部から巻き上げられて作成された積層筒状体により構成されている。最外周面には径方向（法線方向）の変位を駆動部材などに伝えるための当接部が設けられており、２つの電極３２、３３が外周面に上に露出している。それぞれの電極３２、３３にはリード線３５、３６が設けられている。当接部は、電極間に電圧を印加することにより、その法線方向に変位する。外周面上には２つの電極３２、３３のみが露出しているので、当接部の位置をそれぞれの電極のみの上にもってくることができる。

図１１に示す従来の圧電素子は、以下のようにして製造される。例えば、ＰＺＴ粉末にバインダー樹脂、可塑剤、分散剤などの有機成分を加え、混練してスラリーを作成する。このスラリーを均一な膜厚に形成し、乾燥除去などの手段により溶媒を除去することでＰＺＴグリーンシート３１が完成する。このときのＰＺＴグリーンシート３１の厚みは０．０１〜０．２ｍｍ程度とすることが望ましい。このようにして製造されたＰＺＴグリーンシート３１の両面に白金ペーストを塗布することによって電極３２、３３を配置する。このＰＺＴグリーンシート３１を２つに折り曲げ、折り返し部３４を巻き始めとして、筒状に巻き上げる。その後１２００℃で焼成する。焼成した筒状焼成体を０．５ｍｍの厚みで切断し、最外周の＋、−両電極にリード線３５、３６をはんだ付けする。

上記構成によれば、最外周面に設けられた当接部に駆動部材などを接続させ、２つの電
極間に電圧を供給すると、当接部の法線方向、すなわち、圧電素子の径方向に変位が生じ、駆動部材などが駆動する。径方向の変位を利用することで、圧電素子の巻き方向の太さに関係なく、圧電素子を軸方向に薄く切断することができる。従って、従来は困難であった厚み０．７ｍｍ以下の薄肉の圧電素子を製造することが可能となった。また、上記構成によれば、駆動軸などの金属部材に変位を伝える金属部材との当接部は、円筒の側面、即ち径方向の最外部に位置し、一方のみの電極上に駆動部材などを固定することができる。従って、電極同士を短絡させることがない。

しかし、上記従来の圧電素子は、電極の最外周面に当接部を設けているために駆動部材との接触で電極が破損する恐れがあった。当接部と駆動部材は互いに接着剤を用いて接続固定される。当接部と駆動部材の界面には大きな応力が作用するので、場合によっては圧電素子の駆動によって接合部が破損する恐れがある。更に圧電素子の作製において、電極を印刷したＰＺＴグリーンシートを巻き上げて１２００℃で焼成するが、このときの電極とＰＺＴグリーンシートの界面に気泡などが入って界面の接合強度が弱くなると、当接部に作用する応力によって電極とＰＺＴグリーンシートの界面において剥離が発生し、圧電素子の電気的破壊を引き起こす問題があった。従って、当接部は電極やＰＺＴグリーンシートと直接接触しないことが望ましい。また、ＰＺＴグリーンシートを巻き上げて成形する際に破損しないために、ＰＺＴグリーンシートの膜厚を０．０１〜０．２ｍｍとする必要があり、低電圧駆動するためにＰＺＴグリーンシートの膜厚を薄くするのには限界があった。ＰＺＴグリーンシートを薄くすれば大きな変位が得られるが、それとともに巻き上げの作業性が悪くなったり絶縁耐圧が小さくなったりするので、品質の低下を防ぐことが困難であった。

そこで、駆動部材との接触によって電極や圧電材料が電気的破壊することを防ぐ方法として、基板上に薄膜アクチュエータを形成し、基板の端面を当接部として駆動部材に力を加える圧電素子が考えられる。この例として、（特許文献２）に記載の圧電素子を図１２に示す。

（特許文献２）に記載の薄膜型圧電素子は、基板１上に絶縁層４１を介して下部電極膜３、圧電膜４、上部電極膜５が順次積層された構造をしており、さらに基板１の一部に空隙を有し薄膜アクチュエータ部の一部がダイヤフラム構造となっている。下部電極膜３と上部電極膜５に電圧を印加すると圧電膜４が伸縮し、ダイヤフラム部を凹凸変形させている。

その作製方法としては、まず、基板１として絶縁層４１（ＳｉＯ₂：１μｍ）付きのＳｉウェハを用い、下部電極膜３として、Ｔｉ、Ｐｔ層をスパッタリング等の真空成膜法により膜厚０．５μｍ程度堆積させる。次に、圧電膜４としてＰＺＴを２〜５μｍ程度堆積させる。次に上部電極膜５として、Ｐｔ、Ｔｉを同様の成膜方法で０．１μｍ程度堆積させる。基板のエッチングは、例えばアルカリ水溶液によって所定の領域のＳｉをエッチング除去する。このように、薄膜型圧電素子は、電極膜や圧電膜の成膜や加工に半導体プロセスを用いることができるので、従来のＰＺＴグリーンシートを用いた圧電素子に比べて膜厚が薄く、しかも絶縁品質の高い圧電膜を提供することができる。更に寸法精度が良いので特性のバラツキが少ないという特徴がある。
特開２００２−１８５０５５号公報 特開平６−１２０５７８号公報

しかし、（特許文献２）に記載の薄膜型圧電素子は薄膜アクチュエータ部の凹凸変形そのものを機能部として利用するものである。よって、基板が担う機能は薄膜アクチュエー
タ部を拘束するための支持体であり、基板そのものは変形しないことが望まれている。

そこで本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、駆動部材との接触で圧電機能を損なうことがなく低電圧で大きな変位を発生する、小型・低背の小型圧電素子、及びそれを用いた高信頼性動作が可能な小型駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、前記薄膜アクチュエータ部を、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有する膜厚とすることにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

本発明によれば、薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータが基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項１の発明である小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、薄膜アクチュエータ部を、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有する膜厚とすることにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

上記の構成によって薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータが基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項２の発明である小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部と、該薄膜アクチュエータ部の少なくともひとつの面に配置される弾性膜とを有し、弾性膜の膜厚を、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有する膜厚とすることにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

上記の構成によって薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータ部が基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項３の発明である小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、薄膜アクチュエータ部の電極を複数の領域に分割することにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

上記の構成によって薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータ部が基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項４の発明である小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、基板に溝を形成することにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

上記の構成によって薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータ部が基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項５の発明である小型圧電素子は、空隙を有する基板と、該基板上に空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、基板の厚さ分布を変化させることにより、基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする。

上記の構成によって薄膜アクチュエータ部に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するので、薄膜アクチュエータ部が基板に拘束される拘束部に対して基板の面内方向により大きい力が作用し、基板を面内方向に大きく変位させることができる。

本願の請求項６の発明は、請求項１乃至５記載の小型圧電素子であって、薄膜アクチュエータ部の電極には、薄膜アクチュエータの共振周波数の電圧を印可するものであることを特徴とする。本発明によって薄膜アクチュエータ部は共振振動が起こり基板への大きな変形応力を発生するので、より低電圧での動作が可能となる。

本願の請求項７の発明は、請求項１乃至６記載の小型圧電素子であって、薄膜アクチュエータ部を基板内に複数形成していることを特徴とする。本発明によって複数の変形モードを出力し、発生駆動力の方向性や周期性を制御することができる。

本願の請求項８の発明である小型圧電素子は、請求項１乃至７記載の小型圧電素子を複数積層していることを特徴とする。本発明によって小型圧電素子の発生駆動力を大きくすることができる。

本願の請求項９の発明である小型駆動装置は、請求項１乃至８記載の小型圧電素子と、該小型圧電素子の他端に固定された振動部材と、該振動部材に対して所定の摩擦力をもって係合する移動体とを備え、往復時において速度が異なる振動を小型電圧素子に与えて振動部材と移動体とを相対移動させることを特徴とする。

上記の構成によって、小型圧電素子の薄膜アクチュエータ部に振動部材が直接接合されないため、薄膜アクチュエータ部の電極破壊や膜の剥離が発生するのを防ぐことができ、信頼性の高い小型駆動装置を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。同一の構成要素には、複数の図面にわたって同一の符号を付している。

図１は本発明の実施の形態１の小型圧電素子の断面図である。小型圧電素子は、基板１上に下部電極膜３、圧電膜４、上部電極膜５が順次積層された構造となっている。下部電極膜３、圧電膜４、上部電極膜５により薄膜アクチュエータ部２を形成している。基板１の一部に空隙８（図６および図７参照）を有し、この空隙の少なくとも一部を被覆するように薄膜アクチュエータ部２が形成され、その一部がダイヤフラム構造となっている。ここで、ダイヤフラム構造とは、基板１の空隙８を薄膜アクチュエータ部２で蓋をすること
により形成されるものである。これらの中には、片持ち梁や両持ち梁の構造も含まれる。そして、下部電極膜３と上部電極膜５に電圧が印加されると圧電膜４が伸縮し、ダイヤフラム部が凹凸変形する。上部電極膜５の上には膜厚が均一でない弾性膜６が積層されている。弾性膜６の膜厚は基板１との接着部付近が厚く、中心部になるほど薄くなっている。薄膜アクチュエータ部２がこのような膜厚分布を有すると、薄膜アクチュエータ部２全体の膜厚方向の曲げモーメントが大きくなるために、薄膜アクチュエータ部２が基板１に拘束される拘束部に対して基板１の面内方向により大きい力が作用し、基板１が面内方向に大きく変位する。本実施の形態では弾性膜６が膜厚分布を有する例を示したが、圧電膜４、電極膜３、５が膜厚分布を有しても良い。また、電極膜３、５の膜厚が大きい場合は、電極膜３、５そのものが弾性膜６の機能を有するので弾性膜６は必要ではない。弾性膜６の圧電膜４に対する膜厚比は概ね０．１〜１０の範囲がよい。膜厚比が０．１より小さい場合、もしくは１０より大きい場合は曲げモーメントが小さくなり、大きな基板変位が得られないためである。

ここで、薄膜アクチュエータ部２の曲げモーメントが大きくなる理由を説明する。図１に示すように薄膜アクチュエータ部２とその上に形成された弾性膜６からなる積層膜のダイヤフラム構造で電圧を印加すると、薄膜アクチュエータ部２が膜厚方向に伸びるとともに面内方向に縮み、薄膜アクチュエータ部２と弾性膜６の積層構造により積層膜は薄膜アクチュエータ部２側へ撓もうとする曲げモーメントが発生する。しかし、弾性膜６の膜厚が一定の場合は、この曲げモーメントがダイヤフラム部の変形に有効に作用しない。なぜなら、上記の曲げモーメントは、基板１に拘束される周辺部ではダイヤフラム部を下向きに変位させて凹型形状にしようと作用するのに対し、中心部ではダイヤフラム部を上向きに変位させて凸型形状にする変形抵抗力として作用するためである。弾性膜６の膜厚が一定の場合はダイヤフラム部の周辺部と中心部の曲げモーメントが等しいため、ダイヤフラム全体が大きく撓み変形することはできない。しかし、図１のように弾性膜６の中心付近の膜厚を薄くすると、上記の中心部の変形抵抗力が小さくなるのでダイヤフラム全体が大きく凹型に変形することができる。なお、図１とは逆に弾性膜６の膜厚を周辺部で薄く、中心部で厚い分布としても良い。この場合はダイヤフラム部の中心部の曲げモーメントが周辺部の曲げモーメントよりも大きくなり凸型変形となる。即ち本発明が意図するところは、ダイヤフラム部に作用する曲げモーメントの大きさに略軸対象の傾斜分布を持たせることである。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の圧電素子を示す図である。

本発明の実施の形態２における小型圧電素子は、基板１上に下部電極膜３、圧電膜４、上部電極膜５が順次積層された構造となっている。ダイヤフラム部の上部電極膜５は、内側電極膜５ａと外側電極膜５ｂとに分割されて配置されており、内側電極膜５ａと外側電極膜５ｂに供給する電圧を制御することができる。これによって薄膜アクチュエータ部２に膜厚方向の強い曲げモーメントが発生するために、薄膜アクチュエータ部２が基板１に拘束される拘束部に対して基板１の面内方向により大きい力が作用し、基板１が面内方向に大きく変位する。例えば圧電膜４に抗電界が１０Ｖ以上のＰＺＴ膜を用いた場合、内側電極膜５ａに＋５Ｖ、外側電極膜５ｂに−５Ｖを印加すると薄膜アクチュエータ部２の内側電極部と外側電極部には逆向きの曲げモーメントが発生するので、電極の境界付近に変曲点を有する凹凸形状となり、基板１はより大きく変形する。また、内側電極膜５ａに＋５Ｖかつ外側電極膜５ｂに０Ｖ、あるいは内側電極膜５ａに０Ｖ、外側電極膜５ｂに＋５Ｖ印加した場合にも、上部電極膜５が単一で＋５Ｖ印加した場合よりも基板１はより大きく変形する。なお、電圧を印加しない場合は、その領域の電極膜を形成しなくてもよい。

以上のように、上部電極膜５を分割することは、圧電膜４の縮み変形を曲げ変形に変換
して拡大し、基板１の弾性変形量を大きくするために有効である。更に、ダイヤフラム構造の薄膜アクチュエータ部２は基板１からの拘束部分を除いて自由に振動できるため、電圧の周波数を制御して薄膜アクチュエータ部２の共振周波数の電圧を印可することによって薄膜アクチュエータ部２を共振させると最大の効率で基板１を変形させることができる。即ち、電圧の大きさだけではなく、電圧周波数によっても変形量を変えることができ、変形量の制御性に優れる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における基板の断面形状を示す図である。本発明の実施の形態３の小型圧電素子は、基板１上に下部電極膜３、圧電膜４、上部電極膜５が順次積層された構造となっている。本実施の形態３の特徴としては、基板１を効率よく屈曲変形させるために、基板１に溝を形成したり、あるいは基板１の厚さ分布を変化させて形成したりすることが有効である。図３に示すように、基板１の断面は種々の形状を取ることができる。

（実施の形態４）
図４および図５に本発明の実施の形態４における小型圧電素子の図を示す。小型圧電素子の変形量を大きくするために、図４に示すように基板１に薄膜アクチュエータ部２を複数形成しても良い。また、小型圧電素子の当接部である基板の端面を通して駆動部材に作用する応力を大きくするために、図５に示すように薄膜アクチュエータ部２を有する基板１を複数積層して用いても良い。

以上説明した各実施の形態における小型圧電素子の全体構成および作製方法について説明する。図６は本発明の小型圧電素子の構成を示す図である。図７は、本発明の小型圧電素子における基板の空隙の形状を示す図である。

小型圧電素子１０は空隙８を有する基板１と薄膜アクチュエータ部２とから構成され、お互いに密着して配置される。更に薄膜アクチュエータ部２は下部電極膜３と、その上に配置される圧電膜４と、その上に配置される上部電極膜５とから構成される。下部電極パッド部７、及び、上部電極パッド部９にはリード線１１、１２がそれぞれ接続されており、リード線１１、１２から電圧が供給される。図には示していないが、本発明の実施の形態１のように薄膜アクチュエータ部２に弾性膜６が密着されて配置されていても良い。

本発明の小型圧電素子１０は、例えば次のようにして作製することができる。基板１の材料としては、圧電膜４の圧電特性が良好になりやすいのでＳｉやＭｇＯ等の単結晶材料が好適に使用されるが、特に制限されるものではない。しかし、小型圧電素子１０を作製する工程で高温処理をする工程が必要な場合には、耐熱性の良好な基板材料が選択される場合がある。また、ダイヤフラム部形成のため、基板のエッチング除去を行うので、比較的薄い基板が好適に使用される。本実施の形態においては、基板１の厚みが３００μｍの単結晶Ｓｉ基板を使用する。単結晶Ｓｉ基板の表面にＳｉＯ₂が形成された基板１を用いても良い。なお、基板１には空隙８が形成されるが、空隙８の形状は限定されるものではなく、図７に示す略円形、略楕円形、略多角形などのような、いろいろな形状を用いることができる。また、空隙８は必ずしも基板１を貫通して形成する必要はなく、薄膜アクチュエータ部２直下の基板１の一部が除去された構造でも良い。

まず初めに下部電極膜３を形成する。下部電極膜３との材料としては導電性の高い金属が好適に使用される。小型圧電素子１０を作製する工程で高温処理をする工程を用いる場合には、ＰｔやＩｒもしくはその合金など高温に強い材料が望ましい。本発明の小型圧電素子１０においては、下部電極膜３の材料にはＩｒ−Ｔｉ合金を使用し、膜厚は０．１μｍとした。

次に、圧電膜４を形成する。圧電膜４の材料としては、ＰＺＴやＰＺＴと同系のＰｂを含むペロブスカイト酸化物などの圧電定数が高く変形の大きい材料が好適に使用される。圧電膜４の材料にはＰＺＴを使用し、膜厚は３μｍとした。Ｉｒ−Ｔｉ合金とＰＺＴの形成は共にスパッタ法で行い、Ｉｒ−Ｔｉ形成時の基板温度は４００℃、ＰＺＴ形成時の基板温度は６００℃とした。

次に、上部電極膜５を形成する。上部電極膜５の材料や形成方法は下部電極膜３と同様である。本実施の形態４においては、材料はＴｉを使用し、膜厚は０．１μｍとした。Ｔｉの形成はスパッタ法で行い、Ｔｉ形成時の基板温度は常温とした。

電極膜３、５や圧電膜４の形成方法は、例えば、上記のようにスパッタ法、ＣＶＤ、またはゾルゲル法と多くあるが、膜を形成できる技術であれば特に制限されることはない。

次に、本発明の実施の形態１のように小型圧電素子１０が弾性膜６を有する場合には、以下のように弾性膜６を形成する。材料にはＳｉＯ₂を使用し、膜厚を１μｍとした。弾性膜６の形成方法も、圧電膜４の形成方法と同様、例えば、スピンコート法、スパッタ法または蒸着法と多くあるが、膜を形成できる技術であれば特に制限されることはない。また、弾性膜６の材料としては、樹脂、金属、セラミック等の材料も使用できる。弾性膜６に膜厚分布を形成するためには、グレースケールマスクを用いたドライエッチング技術を適用できる。即ち光量制御によって所定の膜厚分布を有するレジストを弾性膜６上に形成し、例えばイオンリングによってレジストと弾性膜６を連続的にエッチングすると、弾性膜６はレジストの膜厚形状を反映した膜厚分布を得ることができる。

次に、薄膜アクチュエータ部２をダイヤフラム構造とするために、基板１のエッチング除去を行う。基板１のエッチング除去方法はウェットエッチング法、ドライエッチング法や機械加工等多くあるが、ダイヤフラム部を形成できる技術であれば特に制限されることはない。本実施の形態においては、基板１の裏面からリアクティブイオンエッチング技術を利用して行った。最後に、リード線１１、１２を電極パッド部７、９にボンディング接合する。

図８は本発明の小型圧電素子の断面図である。また、図８は簡略化して、基板１と薄膜アクチュエータ部２のみを表示している。図８においては基板１と薄膜アクチュエータ部２の間に弾性膜６が配置されている。薄膜アクチュエータ部２に電圧を供給すると、圧電薄膜が縮むと同時に積層構造によって膜厚方向に強い曲げモーメントが発生して凸型あるいは凹型に屈曲変形し、その変形応力が薄膜アクチュエータ部２を拘束する基板１の部分に作用する。その結果、基板１は薄膜アクチュエータ部２から内側に向かって引っ張られて変形する（図８（ｂ））。従って圧電素子の長さ寸法はＬからＬ’へΔＬ＝Ｌ−Ｌ’変位し、これをアクチュエータとして利用する。

図７および図８に示すように、一例として、本発明の小型圧電素子１０の外形はＬ＝２ｍｍ、Ｗ１＝２ｍｍ、厚みは基板厚にほぼ等しく０．３ｍｍである。空隙８を形成した後の基板１のフレーム幅は０．５ｍｍ、薄膜アクチュエータ部２の幅はＷ２＝０．８ｍｍである。上記構造の小型圧電素子１０によれば５Ｖの電圧印加でΔＬ＝１００〜１３０ｎｍの変位が得られる。

次に、本発明の小型圧電素子１０を用いた小型駆動装置について説明する。図９は本発明の小型圧電素子を用いた小型駆動装置の構成例を示す図である。この小型駆動装置は小型圧電素子１０の基板１の端面（当接部）におもり２２及び振動部材となるカーボン軸２０を取り付け、カーボン軸２０に移動体となる被駆動部材２３を摩擦結合させた構成であ
る。被駆動部材２３にはＶ字型溝２４が設けられており、そのＶ字型溝２４内にカーボン軸２０を嵌め込み、押し付けバネ２５によってカーボン軸２０をＶ字型溝上部へ押し付けることによって、カーボン軸２０と被駆動部材２３とを摩擦結合させる。被駆動部材２３には、玉枠２１が取り付けられており、被駆動部材２３とともにカーボン軸２０に沿って移動することができる。小型圧電素子１０にパルス状の駆動電圧を印加することにより、小型圧電素子１０が当接部の法線方向に変位し、カーボン軸２０が振動する。パルスの往復波形を変化させることで、被駆動部材２３がカーボン軸２０との間の摩擦に打ち勝って移動する。

本発明の小型駆動装置は、上述のように、おもり２２及びカーボン軸２０が基板１の端面の当接部に設けられている。従って、おもり２２及びカーボン軸２０を小型圧電素子１０に接合したとしても小型圧電素子１０の電極との接触破壊による圧電機能の劣化や破壊を起こすことがない。また、絶縁処理を必要としない。

本発明によれば、小型で低背の圧電素子が製造可能で、微小移動を高精度で行うことができる小型駆動装置に利用することができる。例えばミラーやレンズ、プリズムなどの光学部品を精密移動して光学収差を補正したり、光学焦点距離を制御調整したりするなど、ＣＤ／ＤＶＤドライブレコーダ、デコーダ、ＣＤ／ＤＶＤドライブなどに用いられる光学ピックアップやデジタルカメラなどの光学装置に利用可能である。また、携帯電話や無線ＬＡＮなどの高周波送受信回路においてアンテナと送受信回路との接続を機械的に切り替えるスイッチなどに利用することもできる。

本発明の実施の形態１の小型圧電素子の断面図 本発明の実施の形態２の小型圧電素子を示す図 本発明の実施の形態３における基板の断面形状を示す図 本発明の実施の形態４における小型圧電素子の図 本発明の実施の形態４における小型圧電素子の図 本発明の小型圧電素子の構成を示す図 本発明の小型圧電素子における基板の空隙の形状を示す図 本発明の小型圧電素子の断面図 本発明の小型圧電素子を用いた小型駆動装置の構成図 従来の小型駆動装置の例を示す図 従来の圧電素子を示す図 従来の薄膜型圧電素子を示す図

符号の説明

１ 基板
２ 薄膜アクチュエータ部
３ 下部電極膜
４ 圧電膜
５ 上部電極膜
５ａ 内側電極膜
５ｂ 外側電極膜
６ 弾性膜
７ 下部電極パッド部
８ 空隙
９ 上部電極パッド部
１０ 小型圧電素子
１１，１２ リード線
２０ カーボン軸
２１ 玉枠
２２ おもり
２３ 被駆動部材
２４ Ｖ字型溝
２５ 押し付けバネ

Claims (9)

1. 空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、前記薄膜アクチュエータ部を、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有する膜厚とすることにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする小型圧電素子。
2. 空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部と、該薄膜アクチュエータ部の少なくともひとつの面に配置される弾性膜とを有し、前記弾性膜を、中央部分から周辺部分へ向けて変化する略軸対象の傾斜分布を有する膜厚とすることにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする小型圧電素子。
3. 空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、前記薄膜アクチュエータ部の電極を複数の領域に分割することにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする小型圧電素子。
4. 空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、前記基板に溝を形成することにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする小型圧電素子。
5. 空隙を有する基板と、該基板上に前記空隙の少なくとも一部を被覆するように少なくとも下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜を順次形成した薄膜アクチュエータ部とを有し、前記基板の厚さ分布を変化させることにより、前記基板全体を屈曲変形しやすくしたことを特徴とする小型圧電素子。
6. 前記薄膜アクチュエータ部の電極には、前記薄膜アクチュエータ部の共振周波数の電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１乃至５記載の小型圧電素子。
7. 前記薄膜アクチュエータ部を前記基板内に複数形成していることを特徴とする請求項１乃至６記載の小型圧電素子。
8. 請求項１乃至７記載の小型圧電素子を複数積層していることを特徴とする小型圧電素子。
9. 請求項１乃至８記載の小型圧電素子と、該小型圧電素子の他端に固定された振動部材と、該振動部材に対して所定の摩擦力をもって係合する移動体とを備え、往復時において速度が異なる振動を前記小型電圧素子に与えて前記振動部材と前記移動体とを相対移動させることを特徴とする小型駆動装置。

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