JP2009171737A - アクチュエータ及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

アクチュエータ及びそれを用いた電子機器 Download PDF

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和彦 板谷
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Abstract

【課題】梁の反りの影響を低減することにより、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータ及びそれを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】第１の固定端から第１の接続端まで延在する第１の梁と、第１の固定端と、基板と、を連結し、第１の梁を基板の主面の上方に間隙を空けて支持する第１の固定部と、第２の接続端から第１の作用端まで延在し、第１の梁と並列して設けられ、第１の作用端から第２の接続端に向けて延在した第１のスリットによって分割された第１の分割部を有する第２の梁と、第１の接続端と、第２の接続端と、を連結し、第２の梁を基板の主面の上方に間隙を空けて保持する第１の接続部と、第１の分割部の第１の作用端側の一部に対向し、基板の主面に設けられた第１の固定電極と、を備えたことを特徴とするアクチュエータが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動方式のアクチュエータ及びそれを用いた電子機器に関する。
ＭＥＭＳ（Micro-electro-mechanical System）アクチュエータは、各種の光スイッチ、通信回路、電子機器に用いられる容量可変キャパシタやマイクロスイッチ等への応用が期待されている。
ＭＥＭＳアクチュエータの駆動機構としては、梁を静電力、熱応力、電磁力、圧電力等の駆動機構で屈曲変位させる方法がある。この中で、圧電駆動方式は、低消費電力、低駆動電圧という特長の他、駆動電圧によって可動電極が固定電極にｐｕｌｌ−ｉｎしないため、アクチュエータを連続的に大きく変化することができ、容量変化率が大きいという特長があり、特に注目されている。
しかし、圧電駆動型アクチュエータは、圧電膜を上下電極に挟んだ長く薄い梁構造を有するため、圧電膜や上下電極の材料の僅かな残留応力によって、梁が上下に反ってしまう。例えば、梁が固定電極側に反ると可動電極が固定電極に接触してしまい、ＭＥＭＳ可変キャパシタは高い容量値を示したままで静電容量が変化せず、また、ＭＥＭＳスイッチはＯＮ状態のままでＯＦＦ状態に変化しなくなる。一方、梁が固定電極側と反対側に反ると、可動電極が固定電極から離れてしまい、通常の駆動電圧の範囲において、ＭＥＭＳ可変キャパシタは低い容量値を示したままで静電容量は殆ど変化せず、また、ＭＥＭＳスイッチはＯＦＦ状態のままでＯＮ状態に変化しなくなる。
この梁の反りの問題に対して、折り返し構造を持つアクチュエータが提案されている（特許文献１）。しかしながら、アクチュエータの梁の反りは、球面状であるため、この折り返し構造のアクチュエータでは、反りの解消は不十分であった。このため、この構造のアクチュエータによって可変キャパシタを製作した場合、可動電極と固定電極の接触面積を大きくすることができず、静電容量の最大値（最大静電容量）が小さかった。また、印加電圧に対する静電容量の変化は、最大静電容量付近で急峻な変化を示し、静電容量の制御が困難であった。
特開２００６−８７２３１号公報
本発明は、上記の課題に基づいたものであり、その目的は、梁の反りの影響を低減することにより、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータ及びそれを用いた電子機器を提供することである。
本発明の一態様によれば、基板と、第１の下部電極と、第１の上部電極と、前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に設けられた第１の圧電膜と、を含み、第１の固定端から第１の接続端まで延在する第１の梁と、前記第１の固定端と、前記基板と、を連結し、前記第１の梁を前記基板の主面の上方に間隙を空けて支持する第１の固定部と、第２の下部電極と、第２の上部電極と、前記第２の下部電極と前記第２の上部電極との間に設けられた第２の圧電膜と、を含み、第２の接続端から第１の作用端まで延在し、前記第１の梁と並列して設けられ、前記第１の作用端から前記第２の接続端に向けて延在した第１のスリットによって分割された第１の分割部を有する第２の梁と、前記第１の接続端と、前記第２の接続端と、を連結し、前記第２の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて保持する第１の接続部と、前記第１の分割部の前記第１の作用端側の一部に対向し、前記基板の前記主面に設けられた第１の固定電極と、を備えたことを特徴とするアクチュエータが提供される。
本発明の別の一態様によれば、上記のアクチュエータを、容量可変キャパシタと高周波スイッチの少なくともいずれかとして有する電気回路を備えたことを特徴とする電子機器が提供される。
本発明によれば、梁の反りの影響を低減することにより、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータ及びそれを用いた電子機器が提供される。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。
図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。
図１〜３に表したように、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ１０は、基板１０１と、基板１０１の主面１０２の上方に設けられ、第１の固定端１１１から第１の接続端１１４まで延在した第１の梁１１０を備える。そして、第１の固定端１１１と、基板１０１の主面１０２と、を連結し、第１の梁１１０を基板１０１の主面１０２の上方に間隙１４１を空けて支持する第１の固定部１４０を更に備える。すなわち、第１の梁１１０は、第１の固定部１４０によって、基板１０１の上方に間隙１４１を空けて保持されている。
なお、本図及び以降の各図において、第１の梁１１０の延在方向、すなわちＡ−Ａ’線方向をＸ軸とし、基板１０１の主面１０２と平行でＸ軸に直交する方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸とに直交する（すなわち主面１０２に垂直の）方向をＺ軸とする。
更に、アクチュエータ１０は、第２の接続端２１４から第１の作用端２１１まで延在し、第１の梁１１０と並列して設けられた第２の梁２１０を更に備える。そして、第１の梁１１０の第１の接続端１１４と、第２の梁２１０の第２の接続端２１４と、を連結し、第２の梁２１０を基板１０１の主面１０２の上方に間隙１４２を空けて保持する第１の接続部１３１を更に備える。すなわち、第２の梁２１０は、第１の接続部１３１及び第１の梁１１０を介して、第１の固定部１４０によって、基板１０１の主面１０２の上方に間隙１４２を空けて保持されている。
そして、図１に表したように、第２の梁２１０は、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４に向けた方向に延在して設けられた第１のスリット２２２によって分割された第１の分割部２２１を有する。図１に示した例では、第１のスリット２２２は１本のスリットであり、第１の分割部２２１は、２つの分割部、すなわち、分割部２２１ａ及び分割部２２１ｂを有す。
そして、アクチュエータ１０は、第２の梁２１０の第１の分割部２２１の第１の作用端２１１側の一部に対向し、基板１０１の主面１０２に設けられた第１の固定電極２５０を更に備える。第２の梁２１０のうち、第１の固定電極２５０に対向する部分が、第１の作用部２４０となる。すなわち、第１の分割部２２１のうちの第１の固定電極２５０に対向する部分が、第１の作用部２４０となる。なお、第１の固定電極２５０の第２の梁２１０と対向する面には、第１の誘電膜２５３を設けることができる。
そして、図２に表したように、第１の梁１１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第１の下部電極１６４と、第１の上部電極１６２と、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２との間に設けられた第１の圧電膜１６３を有している。また、第１の上部電極１６２の上側には、支持膜１６１が設けられている。
また、図３に表したように、第２の梁２１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第２の下部電極２６４と、第２の上部電極２６２と、第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２との間に設けられた第２の圧電膜２６３を有している。また、第２の上部電極１６２の上側には、支持膜２６１が設けられている。
上記のように、アクチュエータ１０においては、第１の梁１１０と第２の梁２１０とは、モノモルフ構造を有している。そして、第１の上部電極１６２と第１の下部電極１６４によって第１の圧電膜１６３に電圧を印加すると、電歪効果によって、その印加電圧の極性に応じて、第１の梁１１０は、上方向または下方向に屈曲する。また、第２の上部電極２６２と第２の下部電極２６４によって第２の圧電膜２６３に電圧を印加すると、電歪効果によって、その印加電圧の大きさと極性に応じて、第２の梁２１０は、上方向または下方向に屈曲する。そして、印加電圧に応じて、第２の梁２１０の第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０との距離が変わり、アクチュエータ１０は、容量可変のキャパシタまたは高周波スイッチとして動作する。すなわち、第２の梁２１０の第１の固定電極２５０と対向する領域が作用部２４０となり、その作用部２４０において、第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０との距離が変わり、アクチュエータ１０は、容量可変のキャパシタまたは高周波スイッチとして動作する。
基板１０１には、絶縁性のガラス基板やシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板等を用いることができる。
また、第１の固定部１４０には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の材料を用いることができる。なお、後述するように、第１の固定部１４０は、第１の梁１１０自身によって形成される場合もある。すなわち、第１の梁１１０自身が、第１の固定端１１１の部分において、第１の梁１１０の厚み方向（Ｚ軸方向）に曲げられ、この部分が、第１の梁１１０と基板１０１とを連結し、第１の梁１１０を基板１０１の主面１０２の上方に間隙を空けて支持する場合もある。この場合は、第１の固定部１４０は、第１の梁１１０を構成する材料で構成される。
また、支持膜１６１、支持膜２６１、第１の誘電膜２５３には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ)等の絶縁膜を用いることができる。
また、第１の上部電極１６２、第１の下部電極１６４、第２の上部電極２６２、第２の下部電極２６４、第１の固定電極１４０には、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等からなる層を用いることができる。
また、第１の圧電膜１６３と第２の圧電膜２６３には、ＡｌＮやＺｎＯ等のウルツ鉱型の結晶、ＰＺＴやチタン酸バリウム（ＢＴＯ）等のペロブスカイト系強誘電体等の材料からなる層を使用することができる。更には、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＨｇＴｅ、ＨｇＳｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｐｂ、ＺｎＳｂ、ＺｎＡｓ２、Ｚｎ３Ａｓ２、ＣｄＳｂ、ＣｄＡｓ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ａｓ２Ｓｅ３、Ａｓ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、ＨｇＴｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＩｎＳｂ、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２を含む層を用いることができる。
そして、本実施形態に係るアクチュエータ１０においては、第１の下部電極１６４と第２の下部電極２６４は、同層で、同材料を含むことができる。また、第１の上部電極１６２と第２の上部電極２６２は、同層で、同材料を含むことができる。また、第１の圧電膜１６３と第２の圧電膜２６３は、同層で、同材料を含むことができる。但し、本発明は、これには制限されない。
更に、第１の接続部１３１は、第１の下部電極１６４を構成する第１の下部電極層と、第１の圧電膜１６３を構成する第１の圧電膜層と、第１の上部電極１６２を構成する第１の上部電極層と、それぞれ実質的に同一の層を含むことができる。但し、本発明は、これには制限されない。
なお、このような構成のアクチュエータ１０は、例えば、基板１０１の主面１０２の上に、第１の固定電極２５０とその上の第１の誘電膜２５３を所定形状で形成した後、所定パターンの犠牲層を形成し、その後、第１の固定部１４０を形成し、その後、下部電極となる層、圧電膜となる層、上部電極となる層、支持膜となる層を順次積層して形成し、その積層された層を所定形状にパターニングし、第１の梁１１０、第２の梁２１０及び第１の接続部１３１を形成した後、犠牲層を除去することによって得ることができる。
なお、アクチュエータ１０においては、図２、図３に例示したように、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２の間への印加電圧の極性、及び、第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２への印加電圧の極性が逆向きとなっている。これにより、電歪効果によって、第１の圧電膜１６３と第２の圧電膜２６３に屈曲が生じ、第１の作用部２４０が第１の固定電極２５０に近づく方向に変位する。また、印加電圧の極性を反転することにより、第１の作用部２４０は第１の固定電極２５０から遠ざかる方向に変位する。
そして、本実施形態に係るアクチュエータ１０は、第１の梁１１０と第２の梁２１０とが接続部１３１によって接続された折り返し構造を有している。このため、これらの梁を構成する積層膜（第１の下部電極１６４、第１の圧電膜１６３、第１の上部電極１６２、第１の支持膜１６１、第２の下部電極２６４、第２の圧電膜２６３、第２の上部電極２６２、第２の支持膜２６１）に応力歪みが存在しても、第１の梁１１０と第２の梁２１０の延在方向（Ｘ軸方向）で相殺されるため、第１の作用部２４０において、Ｘ軸方向の梁の反りの影響を解消することができる。これにより、Ｘ軸方向の梁の反りに起因して発生する、第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０との間の距離の異常を防止できる。
更に、本実施形態に係るアクチュエータ１０では、第２の梁２１０に、第２の梁２１０の延在方向に平行な第１のスリット２２２が設けられ、その第１のスリット２２２は、第１の作用端２１１において開口している。そして、第１の作用端２１１側の第２の梁２１０は、第１のスリット２２２によって、複数の第１の分割部２２１（図１の例では、分割部２２１ａと分割部２２１ｂ）に分割されている。このため、複数の第１の分割部２２１において、分割部２２１ａと分割部２２１ｂとは、個々に曲げ変形を生じることができ、すなわち、互いに自由に可動できる。このため、第１の作用部２４０において、Ｙ軸方向の応力による梁の反りの影響を低減でき、Ｙ軸方向の梁の反りに起因して発生する第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０との間の距離の異常を防止できる。
この時、第１のスリット２２２の長さは、第２の梁２１０と第１の固定電極２５０とが対向して形成する第１の作用部２４０のＸ軸方向（第２の梁２１０の延在方向）の長さより、長く設定されている。このように、第１の作用部２４０の領域より長い第１のスリット２２２、すなわち、第１の分割部２２１を設けることによって、第１の分割部２２１の動きの自由度はより高まり、結果として、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータが得られる。
図４は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。
図４は、図１のＣ−Ｃ’線断面を模式的に表した断面図であり、横軸はＹ軸方向の位置、縦軸はＺ軸方向の位置を表す。そして、第１圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧がＯＦＦの時と、ＯＮの時の、第２の梁２１０の状態を表している。すなわち、ＯＦＦ時とＯＮ時の分割部２２１ａと分割部２２１ｂの、第１の固定電極２５０からの高さ（距離）を模式的に表している。すなわち、図４は、第２の梁２１０のＹ軸方向の反りを模式的に表している。なお、分割部２２１ａと分割部２２１ｂは積層構造を有しているが、それは省略され、また、第１の誘電膜２５３も省略して描かれている。
図４に表したように、アクチュエータ１０では、第２の梁２１０の分割部２２１ａと分割部２２１ｂに若干のＹ軸方向の反りが残っているが、ＯＮ時には、分割部２２１ａの広い領域と分割部２２１ｂの一部の領域とが、第１の固定電極２５０に（第１の誘電膜２５３を介して）接している。これにより、第２の梁２１０の第１の作用部２４０において、第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０とが近接する面積が大きくできる。これにより、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０とで形成される最大静電容量を大きくできる。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。
図５の横軸は、第１の圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧を示し、縦軸は、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０との間に形成される静電容量を示す。
図５に表したように、本実施形態に係るアクチュエータ１０においては、印加電圧−静電容量特性が段階的に変化している。これは、第１の分割部２２１の２つの分割部２２１ａ、２２１ｂの印加電圧による動きに対応するものである。このように、本実施形態に係るアクチュエータ１０では、第１の分割部２１１を設けることによって、静電容量は段階的に変化し、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化が緩和される。
（第１、第２の比較例）
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１、第２の比較例のアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図６（ａ）に表したように、第１の比較例のアクチュエータ９１は、第１の梁１１０と第２の梁２１０とが第１の接続部１３１によって接続された折り返し構造を有しているが、第２の梁２１０に、スリットが設けられていない。すなわち、分割部が無い。
また、図６（ｂ）に表したように、第２の比較例のアクチュエータ９２は、同じく、第１の梁１１０と第２の梁２１０とが第１の接続部１３１によって接続された折り返し構造を有している。そして、第２の梁２１０の第１の固定電極２５０に対向する部分、すなわち、第１の作用部２４０の部分にのみ、第１のスリット２４２が設けられている。そして、第１のスリット２４２によって設けられた第１の分割部２４１（分割部２４１ａ、２４１ｂ）のＸ軸方向の長さは、第１の作用部２４０のＸ軸方向の長さと同じである。すなわち、第２の比較例のアクチュエータ９２では、第２の梁２１０の第１の分割部２４１の全てに対向して、第１の固定電極２５０が設けられている。そして、第１の分割部２４１のＸ軸方向の長さは、第２の梁２１０と第１の固定電極２５０とが対向して形成する第１の作用部２４０のＸ軸方向（第２の梁２１０の延在方向）の長さと同じであり、図１に例示した本実施形態に係るアクチュエータ１０の第１の分割部２２１のＸ軸方向の長さに比べて短い。
なお、第１の比較例のアクチュエータ９１と第２の比較例のアクチュエータ９２は、上記の第２の梁２１０の平面形状以外は、図１に例示した第１の実施形態に係るアクチュエータ１０と同じ構造を有す。
以下、これら、比較例のアクチュエータの梁の反りについて説明する。
図７は、アクチュエータに発生する反りを説明するための模式図である。
図７に表したように、第１の梁１１０、第１の接続部１３１、第２の梁２１０を有するアクチュエータにおいて、アクチュエータを構成する積層構造の膜に残留歪が発生し、積層膜全体には球面状の反りが発生する。図７に示した例では、上に凹状の反りが発生している。
この時、図６（ａ）、（ｂ）に表した第１、第２の比較例のアクチュエータ９１、９２は、折り返し構造を有しているので、第１の接続端１１４、第２の接続端２１４の部分で大きな反りが発生していたとしても、第１の作用部２４０の部分では、第１の梁１１０と第２の梁２１０とで反りが相殺され、Ｘ軸方向の反りは軽減される。
しかしながら、Ｙ軸方向の反りは、第１の比較例のアクチュエータ９１では軽減されない。一方、第２の比較例のアクチュエータ９２では、第２の梁２１０に第１のスリット２４２を設けているので、Ｙ軸方向の反りを軽減できる可能性がある。
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１、第２の比較例のアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。
すなわち、図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図６（ａ）、（ｂ）のＣ−Ｃ’線断面を模式的に表した断面図であり、横軸はＹ軸方向の位置、縦軸はＺ軸方向の位置を表す。そして、第１圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧がＯＦＦの時と、ＯＮの時の、第２の梁２１０の状態を表している。なお、第２の梁２１０は積層構造を有しているがそれは省略され、また、第１の誘電膜２５３も省略して描かれている。
図８（ａ）に表したように、第１の比較例のアクチュエータ９１では、第２の梁２１０は、上に凹状に反っている。これは、第２の梁２１０を構成する下部電極、圧電膜、上部電極、支持膜の積層構造によって発生する膜中の残留歪に起因したものである。このため、第２の梁２１０は曲面形状となり、第２の梁２１０は、第１の固定電極２５０に対して（第１の誘電膜２５３を介して）曲面の一部でのみ接し、第２の梁２１０と第１の固定電極２５０とが近接している部分の面積は小さい。このため、最大静電容量は小さい。
一方、図８（ｂ）に表したように、第２の比較例のアクチュエータ９２では、第２の梁２１０の第１の作用端２１１側に第１のスリット２４２が設けられているため、第２の梁２１０の第１の作用部２４０の曲面形状が、アクチュエータ９１に比べて緩和されている。このため、第２の梁２１０と第１の固定電極２５０とが近接している部分の面積は、第１の比較例に比べて大きくなり、最大静電容量も第１の比較例に比べて大きくできる。しかし、分割部２４１ｂは（第１の誘電膜２５３を介して）第１の固定電極２５０に接することができず、その改善の程度は、本実施形態のアクチュエータ１０に比較して小さい。
図９は、第１、第２の比較例のアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。
図９の横軸は、第１の圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧を示し、縦軸は、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０とで形成される静電容量を示す。そして、破線は、第１の比較例を示し、実線は第２の比較例を示す。
図９に表したように、第１、第２の比較例のアクチュエータ９１、９２では、印加電圧に対する静電容量の変化は最大静電容量付近で急峻に変化している。以下、この現象について説明する。
図１０は、第１の比較例のアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。
図１０の横軸は、第１の圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧を示し、縦軸は、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０とで形成される静電容量を示す。そして、実線は、実際の特性を表し、破線は、第１の固定電極２５０から第１の作用部２４０に対して静電引力が作用しないと仮定した時の特性のシミュレーション結果を例示している。
図１０の破線で表したように、第１の固定電極２５０から第１の作用部２４０に対して静電引力が作用しない場合には、静電容量は、印加電圧の増大につれ徐々に大きくなる。しかし、実際には、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０の距離が所定の距離より小さくなると、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０の間に作用する静電引力が大きくなり、印加電圧による第２の梁２１０の電歪に加えて、この静電引力が作用し、その結果、静電容量が急峻に変化してしまう（図１０の実線）。
このため、図９の破線で表したように、作用部２４０にスリットが設けられていない第１の比較例のアクチュエータ９１では、最大静電容量付近で静電容量が急峻に変化する。これは、アクチュエータ９１では、分割部が設けられていないため、静電引力が第１の作用部２４０に作用した時、第１作用部２４０が段階的に動くことができないためである。
一方、第１の作用部２４０にスリットを設けた第２の比較例のアクチュエータ９２では、第１の作用部２４０に分割部２４１ａ、２４１ｂが設けられているので、図９の実線で表したように、最大静電容量は第１の比較例（図９の破線）より若干ではあるが大きくなっているが、印加電圧−静電容量特性の急峻な変化の改善は比較的小さい。これは、第２の比較例では、第１のスリット２４２は、第１の固定電極２５０に対向する第１の作用部２４０のみに設けられており、第１のスリット２４２の長さが短いことが原因であると考えられる。すなわち、分割部２４１ａ、２４１ｂのＸ軸方向の長さが短く、分割部２４１ａ、２４１ｂの動きの自由度が小さい。このため、静電引力が作用すると、分割部２４１ａ、２４１ｂは、連動して一度に動き、段階的に動くことができない。このために、第２の比較例のアクチュエータ９２では、印加電圧−静電容量特性の急峻性の改善の程度が小さいと推測される。
一方、既に説明したように、本実施形態に係るアクチュエータ１０においては、第２の梁２１０の第１のスリット２２２の長さ、すなわち、第１の分割部２２１のＸ軸方向の長さは、第１の作用部２４０のＸ軸方向の長さより長く、第２の比較例の場合より長い。これにより、本実施形態に係るアクチュエータ１０においては、第１の分割部２２１（分割部２２１a、２２１ｂ）の動きの自由度はより高まり、静電引力が作用したとしても、２つの分割部２２１ａ、２２１ｂが独立して、段階的に変形できるため、結果として、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和できる。
なお、上記では、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２との間、及び第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２との間の両方に、互いに極性の異なる電圧を印加した例を示したが、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２の間のみ、或いは、第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２の間のみ、に電圧を印加し、駆動しても良い。
また、本実施形態において、第１のスリット２２２は１つでも良いし、複数でも良い。
図１１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図１１に表したように、第１の実施形態に係る別の例のアクチュエータ１１では、第２の梁２１０は、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４に向けた方向に延在して、６本の第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｆ）が設けられ、これによって分割された７つの第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）を有する。そして、第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｆ）、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）は、第１の作用端２１１から第１の接続部１３１までの長さで設けられている。そして、第２の梁２１０の第１の分割部２２１の第１の作用端２１１側の一部に対向して、第１の固定電極２５０が設けられている。すなわち、第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｆ）、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）のＸ軸方向の長さは、第１の固定電極２５０に対向する第１の作用部２４０のＸ軸方向の長さより長い。
なお、図１１に例示したアクチュエータ１１における各要素のサイズを例示すると以下である。
第１の梁１１０の第１の固定端１１１から第１の接続端１１４までの長さは４００μｍ、
第１の梁１１０の幅（Ｙ軸方向の長さ）は４０μｍ、
第１の接続部１３１の長さ（Ｙ軸方向の長さ）は２５μｍ、
第１の接続部１３１の幅（Ｘ軸方向の長さ）は４０μｍ、
第２の梁２１０の第１の作用端２１１から第２の接続端２１４までの長さは４５０μｍ、
第１のスリット２２２の長さは４１０μｍ、
第１のスリット２２２（スリット２２２ａ〜２２２ｇ）の幅は５μｍ、
第１の分割部２２１（分割部２２１ａ〜２２１ｇ）の幅は１０μｍ、
第２の梁２１０（第１の作用部２４０）と第１の固定電極２５０との間隔は約１μｍである。
但し、本発明は、これには制限されない。
図１２は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の特性を例示する模式断面図である。
図１２は、図１１のＣ−Ｃ’線断面を模式的に表した断面図であり、横軸はＹ軸方向の位置、縦軸はＺ軸方向の位置を表す。
そして、第１の圧電膜１６３及び第２の圧電膜２６３への印加電圧がＯＦＦの時と、ＯＮの時の、第２の梁２１０の状態を表している。なお、第２の梁２１０は、積層構造を有しているが、それは省略され、また、第１の誘電膜２５３も省略して描かれている。
図１２に表したように、アクチュエータ１１では、７本の第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）が独立して可動なので、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）の動きの自由度は高く、ＯＮ時には、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｇのそれぞれが第１の固定電極２５０に（第１の誘電膜２５３を介して）接することができる。このため、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）と第１の固定電極２５０とが近接している部分の面積は、図１に例示したアクチュエータ１０に比べて更に大きくなり、最大静電容量も更に大きくできる。また、７本の第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）が独立して可動なので、印加電圧−静電容量特性も７本の第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）の動きに対応して、更になだらかに変化することができる。このように、アクチュエータ１１は、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和することができる。
本実施形態において、第１のスリット２２２、すなわち、第１の分割部２２１のＸ軸方向の長さは、第１の作用部２４０のＸ軸方向の長さより長く設定することができる。その際、第１のスリット２２２（第１の分割部２２１）は、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４までの略全部の領域（長さ）に設けても良いし、その途中まで設けても良い。また、第１のスリット２２２が複数の時、複数の第１のスリット２２２（第１の分割部２２１）のそれぞれで、第１のスリット２２２（第１の分割部２２１）の長さを変えても良い。
図１３は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図１３に表したように、第１の実施形態に係る別の例のアクチュエータ１２では、第２の梁２１０には、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４に向けた方向に延在した４本の第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）が設けられ、これによって分割された５つの第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）が設けられている。そして、第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）、すなわち、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）は、第１の作用端２１１から接続部１３１の中間までの長さとされている。そして、第２の梁２１０の第１の分割部２２１の第１の作用端２１１側の一部に対向して、第１の固定電極２５０が設けられている。すなわち、第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）のＸ軸方向の長さは、第１の固定電極２５０に対向する第１の作用部２４０のＸ軸方向の長さより長い。
この構成のアクチュエータ１２も、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和することができる。
なお、第２の梁２１０に設けられる第１のスリット２２２及び第１の分割部２２１のＸ軸方向の本数や長さは、第２の梁２１０を構成する積層膜の残留歪や機械的強度、及び、第１のスリット２２２の幅（Ｙ軸方向の長さ）、第１の分割部２２１の幅（Ｙ軸方向の長さ）、製造工程の加工精度、最大静電容量の要求仕様、印加電圧−静電容量特性の急峻性の要求仕様等によって適切に設定できる。
図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図１４（ａ）、（ｂ）に表したように、第１の実施形態に係る別の例のアクチュエータ１３、１４では、第２の梁２１０には、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４に向けた方向に延在した４本の第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）が設けられ、これによって分割された５つの第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）が設けられている。そして、第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）、すなわち、第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）の長さは、それぞれ異なっている。
図１４（ａ）に例示したアクチュエータ１３では、第１の梁１１０側の第１のスリット２２２ａ（分割部２２１ａ）が長く、第１の梁１１０から離れるに従って、第１のスリット２２２（第１の分割部２２１）の長さが短くなっている。すなわち、第１の梁１１０側の第１の分割部２２１の方が動きの自由度が高く、第１の梁１１０から離れるに従って動きの自由度が低くなっている。
逆に、図１４（ｂ）に例示したアクチュエータ１４では、第１の梁１１０側の第１のスリット２２２ａ（分割部２２１ａ）が短く、第１の梁１１０から離れるに従って、第１のスリット２２２（第１の分割部２２１）の長さが長くなっている。すなわち、第１の梁１１０側の第１の分割部２２１の方が動きの自由度が低く、第１の梁１１０から離れるに従って動きの自由度が高くなっている。
このように、複数の分割部２２１のそれぞれの動きの自由度を変えることで、印加電圧−静電容量特性を急峻、または、緩慢にすることができる。
更には、複数の第１のスリット２２２（複数の第１の分割部２２１）の長さを適切に変えることで、印加電圧−静電容量特性を任意の形状にすることも可能である。
なお、本実施形態においては、第１の固定電極２５０は第１の分割部２２１の第１の作用端２１１側の一部に対向して設けられ、上記のように複数の第１のスリットによって３つ以上の第１の分割部２２１が設けられ、それぞれの長さが異なっている場合、第１の分割部２２１のうちのいずれかが、第１の作用部２４０の長さより大きければ良い。
更に、第１のスリット２２２で分割された第１の分割部２２１の幅（Ｙ軸方向の長さ）も任意に設定できる。
図１５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図１５（ａ）、（ｂ）に表したように、第１の実施形態に係る別の例のアクチュエータ１５、１６では、第２の梁２１０には、第１の作用端２１１から第２の接続端２１４に向けた方向に延在した４本の第１のスリット２２２（２２２ａ〜２２２ｄ）が設けられ、これによって分割された５つの第１の分割部２２１（２２１ａ〜２２１ｅ）が設けられている。そして、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｅの幅（Ｙ軸方向の長さ）は、異なっている。
図１５（ａ）に例示したアクチュエータ１５では、第１の梁１１０側の分割部２２１ａ、２２１ｂの幅が太く、第１の梁１１０から遠い側の分割部２２１ｃ〜２２１ｅの幅が細くなっている。すなわち、第１の梁１１０側の分割部の方が動きの自由度が低く、第１の梁１１０から遠い方の分割部の動きの自由度が高くなっている。
逆に、図１５（ｂ）に例示したアクチュエータ１６では、第１の梁１１０側の分割部２２１ａ〜２２１ｃの幅が細く、第１の梁１１０から遠い側の分割部２２１ｄ、２２１ｅの幅が太くなっている。すなわち、第１の梁１１０側の分割部の方が動きの自由度が高く、第１の梁１１０から遠い方の分割部の動きの自由度が低くなっている。
このように、複数の分割部２２１のそれぞれの動きの自由度を変えることで、印加電圧−静電容量特性を急峻、または、緩慢にすることができる。
更には、複数の第１の分割部２２１の幅（太さ）を適切に変えることで、印加電圧−静電容量特性を任意の形状にすることも可能である。
更には、複数の第１の分割部２２１の長さと幅（太さ）を同時に変えても良い。
また、複数の第１のスリット２２２の幅を変えても良い。
なお、第１の固定部１４０は、第１の梁１１０を構成する材料で形成することができる。
図１６は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１のＡ−Ａ’線断面図である。
図１６に例示した本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ１７は、第１の梁１１０の断面構造以外は、図１に例示したアクチュエータ１０と同様の構造を有するので、第１の梁１１０の断面構造についてのみ説明する。
図１６に表したように、アクチュエータ１７においては、第１の梁１１０が、第１の固定端１１１の部分において、第１の梁１１０の厚み方向（Ｚ軸方向）に曲げられている。そして、この部分が、第１の梁１１０と基板１０１とを連結し、第１の梁１１０を、基板１０１の主面１０２の上方に間隙１４１を空けて支持している。すなわち、第１の梁１１０のうち、第１の固定端１１１の近傍で曲げられた部分が、第１の固定端１４０となっている。このような構成のアクチュエータ１７も、アクチュエータ１０と同様に、梁の反りの影響を低減することによって、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急激な変化を緩和したアクチュエータを提供できる。
なお、図１６に例示したアクチュエータ１７は、例えば、基板１０１の主面１０２の上に、第１の固定電極２５０とその上の第１の誘電膜２５３を所定形状で形成した後、所定パターンの犠牲層を形成し、その後、下部電極となる層、圧電膜となる層、上部電極となる層、支持膜となる層を順次積層して形成し、その積層された層を所定形状にパターニングし、第１の梁１１０、第２の梁２１０及び第１の接続部１３１を形成した後、犠牲層を除去することによって得ることができる。
なお、図１に例示したアクチュエータ１０や図１６に例示したアクチュエータ１７においては、第１の梁１１０と第２の梁２１０は、図２、図３、図１６に例示した断面構造、すなわち、モノモルフ構造を有していたが、これに限らない。すなわち、第１の梁１１０と第２の梁２１０は、２枚の電極に挟まれた圧電膜を含めば良く、モノモルフ構造の他、バイモルフ構造、非対称バイモルフ構造等各種の構造を有することができる。
図１７は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別構成を例示する、図１のＡ−Ａ’線断面図である。
図１８は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別構成を例示する、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。
すなわち、本発明の第１の実施形態に係る別のアクチュエータ１８は、図１に例示したアクチュエータ１０において、第１の梁１１０と第２の梁２１０をバイモルフ構造としたものであり、その他平面形状等は図１と同一である。
図１７に表したように、本発明の第１の実施形態に係る別のアクチュエータ１８においては、第１の梁１１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第１の下部電極１８５と、第１の下部電極１８５に対向する第１の上部電極１８１と、第１の下部電極１８５と第１の上部電極１８１との間に挟まれた第１の圧電膜１８４を有している。そして、第１の圧電膜１８４と第１の上部電極１８１との間に設けられた第１の中間電極１８３と、第１の中間電極１８３と第１の上部電極１８１との間に設けられた第１の上側圧電膜１８２を更に有している。すなわち、第１の下部電極１８５、第１の圧電膜１８４、第１の中間電極１８３、第１の上側圧電膜１８２、第１の上部電極１８１が積層された構造を有している。
一方、図１８に表したように、第２の梁２１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第２の下部電極２８５と、第２の下部電極２８５に対向する第２の上部電極２８１と、第２の下部電極２８５と第２の上部電極２８１との間に設けられた第２の圧電膜２８４を有している。そして、第２の圧電膜２８４と第２の上部電極２８１との間に設けられた第２の中間電極２８３と、第２の中間電極２８３と第２の上部電極２８１との間に設けられた第２の上側圧電膜２８２を更に有している。すなわち、第２の下部電極２８５、第２の圧電膜２８４、第２の中間電極２８３、第２の上側圧電膜２８２、第２の上部電極２８１が積層された構造を有している。
なお、第１の下部電極１８５と第２の下部電極２８５は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１の圧電膜１８４と第２の圧電膜２８４は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１の中間電極１８３と第２の中間電極２８３は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１の上側圧電膜１８２と第２の上側圧電膜２８２は、同層で、同じ材料を含むことができる。そして、第１の上部電極１８１と第２の上部電極２８１は、同層で、同じ材料を含むことができる。但し、本発明は、これに制限されない。
更に、第１の接続部１３１は、第１の下部電極１８５を構成する第１の下部電極層と、第１の圧電膜１８４を構成する第１の圧電膜層と、第１の中間電極１８３を構成する第１の中間電極層と、第１の上側圧電膜１８２を構成する第１の上側圧電膜層と、第１の上部電極１８１を構成する第１の上部電極層と、それぞれ実質的に同一の層を含むことができる。但し、本発明は、これに制限されない。
そして、図１７、図１８に例示されたアクチュエータ１８では、第１の下部電極１８５と第１の中間電極１８３の間、及び、第１の中間電極１８３と第１の上部電極１８１の間、に電圧が印加される。また、第２の下部電極２８５と第２の中間電極２８３の間、及び、第２の中間電極２８３と第２の上部電極２８１の間に電圧が印加される。そして、第１の梁１１０の各膜の間に印加される電圧の極性と、第２の梁２１０の各膜の間に印加される電圧の極性とは、互いに逆向きとなっている。
これにより、第１の圧電膜１８４が収縮（伸張）する時に第１の上側圧電膜１８２が伸長（収縮）し、第１の梁１１０に屈曲が生じると共に、第２の圧電膜２８４が伸張（収縮）する時に第２の上側圧電膜２８２が収縮（伸張）する。これにより、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０との距離を変化させることができる。
アクチュエータ１８は、第２の梁２１０に長い分割部２２１を設けることで、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和する効果を持ち、更に、バイモルフ構造を有しているので、モノモルフ構造のアクチュエータ１０に比べて駆動電圧を低減できる。
なお、図１１、図１３〜図１６に例示したアクチュエータ１１〜１７も、図１７、図１８に例示したバイモルフ構造を有することができ、その場合も、駆動電圧を低減できる。
（第２の実施の形態）
図１９は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図２０は、図１９のＤ−Ｄ’線断面図である。
図２１は、図１９のＥ−Ｅ’線断面図である。
図１９に表したように、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ２０は、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１を備える。また、同図には示さないが、第１の固定電極２５０、第１の固定部１４０をさらに備える。これら、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１、第１の固定電極２５０、第１の固定部１４０に関しては、図２、図３、図１１で説明したものと同様とすることができるので説明を省略する。
そして、図１９〜図２１に表したように、アクチュエータ２０は、更に、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１、第１の固定電極２５０、第１の固定部１４０と類似の構造の、第３の梁３１０、第４の梁４１０、第２の接続部３３１、第２の固定電極４５０、第２の固定部３４０、及び、第２の梁２１０の第１の分割部２２１と第４の梁４１０の第２の分割部４２１を連結する第３の接続部５２０を更に備える。以下、アクチュエータ１０から更に設けられたこれらの要素について説明する。
第３の梁３１０は、第２の固定端３１１から第３の接続端３１４まで延在し、第１の梁１１０と並列して、基板１０１の主面１０２の上方に設けられている。そして、第２の固定端３１１と、基板１０１の主面１０２と、を連結し、第３の梁３１０を基板１０１の主面１０２の上方に間隙３４１を空けて支持する第２の固定部３４０が設けられている。すなわち、第３の梁３１０は、第３の固定部３４０によって、基板１０１上方に間隙３４１を空けて保持されている。
また、第４の梁４１０は、第４の接続端４１４から第２の作用端４１１まで延在し、第３の梁３１０と並列して、第３の梁３１０と第２の梁２１０の間に設けられている。
そして、第３の梁３１０の第３の接続端３１４と、第４の梁４１０の第４の接続端４１４と、を連結し、第４の梁４１０を基板１０１の主面１０２の上方に間隙３４２を空けて保持する第２の接続部３３１が設けられている。すなわち、第４の梁４１０は、第２の接続部３３１及び第３の梁３１０を介して、第２の固定部３４０によって、基板１０１の主面１０２の上方に間隙３４２を空けて保持されている。
そして、第４の梁４１０は、第２の作用端４１１から第４の接続端４１４に向けた方向に延在して設けられた第２のスリット４２２によって分割された第２の分割部４２１を有する。図１９に示した例では、第２のスリット４２２は６本のスリット４２２ａ〜４２２ｆを有し、第１の分割部４２１は、７つの分割部である分割部４２１ａ〜４２１ｇを有する。
そして、第４の梁４１０の第２の分割部４２１の第２の作用端４１１側の一部に対向し、基板１０１の主面１０２に、第２の固定電極４５０が設けられている。すなわち、第２のスリット４２２、第２の分割部４２１の長さは、第４の梁４１０と第２の固定電極４５０とが対向して形成する第２の作用部４４０のＸ軸方向（第４の梁４１０の延在方向）の長さより長く設定されている。第４の梁４１０のうち、第２の固定電極４５０に対向する部分が、第２の作用部４４０となる。すなわち、第２の分割部４２１のうちの第２の固定電極４５０に対向する部分が、第２の作用部４４０となる。なお、第２の固定電極４５０の第４の梁４１０と対向する面には、第２の誘電膜４５３を設けることができる。
そして、図２０に表したように、第３の梁３１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第３の下部電極３６４と、第３の下部電極３６４に対向する第３の上部電極３６２と、第３の下部電極３６４と第３の上部電極３６２との間に設けられた第３の圧電膜３６３を有している。また、第３の上部電極３６２の上側には、支持膜３６１が設けられている。
また、図２１に表したように、第４の梁４１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第４の下部電極４６４と、第４の下部電極４６４に対向する第４の上部電極４６２と、第４の下部電極４６４と第４の上部電極４６２との間に設けられた第４の圧電膜４６３を有している。また、第４の上部電極４６２の上側には、支持膜４６１が設けられている。
そして、第３の接続部５２０は、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１とを接続する。図１９に例示したアクチュエータ２０では、第３の接続部５２０には、第１のスリット２２２と第２のスリット４２２と実質的に同じ太さの第３のスリット５２２が、第１のスリット２２２と第２のスリット４２２と同数設けられている。すなわち、第３の接続部５２０は、第３のスリット５２２によって分割された複数の第３の分割部５２１を有す。
なお、図２１に表した例では、第３の接続部５２０は、第５の下部電極５７４、第５の圧電膜５７３、第５の上部電極５７２、第５の支持膜５７１が順に積層された構造を有し、第５の下部電極５７４、第５の圧電膜５７３、第５の上部電極５７２及び第５の支持膜５７１は、それぞれ、第４の下部電極４６４、第４の圧電膜４６３、第４の上部電極４６２及び第４の支持膜４６１と、それぞれ、同層となっている。但し、本発明は、これには限定されない。
なお、上記の第３の梁３１０、第４の梁４１０、第２の接続部３３１、第３の接続部５２０には、既に説明した第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１に用いる層と同じ層を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。また、第２の固定電極４５０、第２の固定部３４０には、既に説明した第１の固定電極２５０、第１の固定部１４０に用いる層と同じ層を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。また、上記の第３の梁３１０、第４の梁４１０、第２の接続部３３１の各サイズには、図１１の説明で例示した、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１の各サイズを用いることができる。但し、本発明は、これには制限されない。なお、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間隔は、例えば１０μｍとすることができるが、本発明は、これには制限されない。
なお、図１９に表したように、第１の作用端２１１と第２の作用端４１１は、それぞれ、第２の梁２１０と第４の梁４１０が第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０に対向する領域、すなわち、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０の、第２の接続端２１４と第４の接続端４１４から遠い側の端である。そして、第２の接続端２１４から第１の作用端２１１より遠い部分（図１９の紙面に向かって第１の作用端２１１より右側）、及び、第４の接続端４１４から第２の作用端４１１より遠い部分（図１９の紙面に向かって第２の作用端４１１より右側）が、第３の接続部５２０である。すなわち、第２の梁２１０の第１の分割部２１１と、第４の梁４１０の第２の分割部４２１は、それぞれ、第１の作用端２１１及び第２の作用端４１１までであり、それより同図の右側は第３の接続部５２０である。
図２２は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの電気回路を例示する回路図である。
図２２において、端子７６が第１の固定電極２５０に、端子８０が第２の固定電極４５０に、可変キャパシタ７７が第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０との間の静電容量に、可変キャパシタ７９が第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０との間の静電容量に、線路７８が第３の接続部５２０に対応する。
図２２に表したように、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ２０は、可変キャパシタ７７、７９が直列接続された可変キャパシタを構成することができ、その静電容量は、各圧電膜に印加する電圧で制御することができる。
図２３は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。
図２３は、図１９のＦ−Ｆ’線断面を模式的に表した断面図であり、横軸はＹ軸方向の位置、縦軸はＺ軸方向の位置を表す。そして、第１の圧電膜１６３、第２の圧電膜２６３、第３の圧電膜３６３及び第４の圧電膜４６３への印加電圧がＯＦＦの時と、ＯＮの時の、第２の梁２１０（第１の分割部２２１）の第１の作用部２４０、及び、第４の梁４１０（第２の分割部４２１）の第２の作用部４４０の状態を表している。
図２３に表したように、アクチュエータ２０では、ＯＦＦ時には、各作用部の反り（固定電極からの位置）は、各分割部２２１ａ〜２２１ｇ、４２１ａ〜４２１ｇによって離散的に変化している。そして、ＯＮ時には、第１の分割部２２１の各分割部２２１ａ〜２２１ｇと、第２の分割部４２１の各分割部４２１ａ〜４２１ｇが、それぞれ、第１の固定電極２５０と（第１の誘電膜２５３を介して）、第２の固定電極４５０と（第２の誘電膜４５３を介して）接している。このため、第２の梁２１０の第１の作用部２４０において、第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０とが近接する面積が大きく、また、第４の梁４１０の第２の作用部４４０において、第４の下部電極４６４と第２の固定電極４５０とが近接する面積が大きい。これにより、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０、第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０で形成される最大静電容量を大きくできる。具体的には、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０の間の静電容量、すなわち、図２２に例示した、端子７６と端子８０との間の最大静電容量は、０．９ｐＦであった。
図２４は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。
図２４の横軸は、第１〜第４の圧電膜１６３、２６３、３６３、４６３への印加電圧を示し、縦軸は、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０との間の静電容量と、第４の梁４１０の第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０との間の静電容量を直列接続した静電容量を示す。
図２４に表したように、本実施形態に係るアクチュエータ２０においては、第１の分割部２２１、第２の分割部４２１によって形成される、複数に分割された、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０の動きに従って、印加電圧−静電容量特性が段階的、離散的に変化している。すなわち、図２３に例示したように、ＯＦＦ時には、各作用部の反り（固定電極からの位置）は、各分割部によって段階的、離散的に変化しており、このため、圧電膜への印加電圧の増加に対して、各分割部２２１ａ〜２２１ｇ、４２１ａ〜４２１ｇが、順番に固定電極側に接触するようになり、印加電圧に対して静電容量が段階的、離散的に変化したものと考えられる。このように、本実施形態により、従来制御することの難しかった最大静電容量付近の静電容量が制御可能となり、駆動電圧による静電容量の制御性を飛躍的に向上することが可能となる。
（第３、第４の比較例）
図２５、図２６は、それぞれ、第３、第４の比較例のアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図２５に表したように、第３の比較例のアクチュエータ９３は、図１９に例示したアクチュエータ２０に対して、第２の梁２１０、第４の梁４１０に、スリットが設けられていない。従って、第１の分割部２２１、第２の分割部４２１を連結する第３の接続部５２０も設けられていない。そして、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０とは連結され、作用部２４９となる。
また、図２６に表したように、第４の比較例のアクチュエータ９４は、アクチュエータ２０に対して、第２の梁２１０と第４の梁４１０に設けられたスリットの長さが短い。すなわち、第２の梁２１０の第１の固定電極２５０に対向する第１の作用部２４０のみに、第１のスリット２４２が設けられ、第１のスリット２４２によって分割された第１の分割部２４１が設けられている。そして、第４の梁４１０の第１の固定電極４５０に対向する第２の作用部４４０のみに、第２のスリット４４２が設けられ、第２のスリット４４２によって分割された第２の分割部４４１が設けられている。すなわち、第４の比較例のアクチュエータ９４では、第２の梁２１０の第１の分割部２４１の全てに対向して第１の固定電極２５０が設けられ、また、第４の梁４１０の第２の分割部４４１の全てに対向して第２の固定電極４５０が設けられている。
なお、図２６に表したように、第２の接続端２１４から第１の作用端２１１より遠い部分、及び、第４の接続端４１４から第２の作用端４１１より遠い部分に、第３の接続部５２０が設けられ、第３の接続部５２０は、第３のスリット５２２によって分割された第３の分割部５２１を有している。ここで、第１の分割部２４１は、第１の作用部２４０の第２の接続端２１４から遠い側の端まであり、また、第２の分割部４４１は、第２の作用部４４０の第４の接続端４１４より遠い側の端まである。従って、第１、第２の分割部２４１、４４１の、それぞれの全てに対向して、第１、第２の固定電極２５０、４５０が設けられている。なお、第１の作用端２１１及び第２の作用端４１１より、それぞれ第２の接続端２１４及び第４の接続端４１４から遠い側にある分割部は、第３の接続部５２０の第３の分割部５２１であり、第１、第２の分割部２４１、４４１ではない。
そして、第３の比較例のアクチュエータ９３と第４の比較例のアクチュエータ９４は、上記の第２の梁２１０の平面形状と第４の梁４１０の平面形状以外は、図１９に例示した第２の実施形態に係るアクチュエータ２０と同じ構造を有す。
図２７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３、第４の比較例のアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。
すなわち、図２７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図２５、図２６のＦ−Ｆ’線断面を模式的に表した断面図であり、横軸はＹ軸方向の位置、縦軸はＺ軸方向の位置を表す。そして、各圧電膜への印加電圧がＯＦＦの時と、ＯＮの時の、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第４の梁４１０の第２の作用部４４０の状態を表している。
図２７（ａ）に表したように、第３の比較例のアクチュエータ９３では、第２の梁２１０の第１の作用部２４０と第４の梁４１０の第２の作用部４４０とが連結されて作用部２４９となっており、作用部２４９は上に凹の双曲線状に反っている。そして、ＯＮ時には、作用部２４９は、第１の固定電極２５０、第２の固定電極４５０に対して曲面の一部のみが（第１、第２の誘電膜２５３、４５３を介して）接し、作用部２４９と第１の固定電極２５０、第２の固定電極４５０とが近接している部分の面積は小さい。このため、最大静電容量は小さい。具体的には、アクチュエータ９３の最大静電容量は０．１８ｐＦであった。
一方、また、図２７（ｂ）に表したように、第４の比較例のアクチュエータ９４では、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０に、それぞれ第１のスリット２４２と第２のスリット４４２が設けられ、これにより、第１の分割部２４１と第２の分割部４４１が設けられている。このため、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０とが近接している部分の面積、及び、第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０とが近接している部分の面積は、第３の比較例に比べて大きくなり、最大静電容量も第３の比較例に比べて大きくできる。しかし、具体的には、アクチュエータ９４の最大静電容量は０．２ｐＦであり、その改善の程度は、本実施形態に比べると小さかった。これは、第４の比較例のアクチュエータ９４では、第１のスリット２４１と第２のスリット４２１の長さが短いため、図２７（ｂ）に表したように、第１の作用部２４０及び第２の作用部４４０に、双曲線状の梁の反りが残っており、分割部の動きの自由度が低いことが原因であると考えられる。
これら、第３、第４の比較例の図２７（ａ）、（ｂ）の特性と、本実施形態の図２３とを比較すると、本実施形態に係るアクチュエータ２０では、ＯＮ時に、第１の分割部２２１と第１の固定電極２５０とが大きい面積で近接でき、また、第２の分割部４２１と第２の固定電極４５０とが大きい面積で近接できることが分かる。これにより、既に述べたように、アクチュエータ２０の最大静電容量は０．９ｐＦとなり、第４の比較例の４．５倍に大きくできる。これは、本実施形態においては、第１のスリット２２２及び第１の分割部２２１、第２のスリット４２２及び第２の分割部４２１のそれぞれの長さが、第４の比較例より長く、このため、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１の動きの自由度がより高まっているためである。そして、それぞれの分割部が印加電圧によって段階的、離散的に、順番に動くため、印加電圧−静電容量特性の曲線が緩やかにできる。
このように、本実施形態によれば、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータが得られる。
なお、上記は、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２との間、第３の下部電極３６４と第３の上部電極３６２との間に同じ極性の電圧を印加し、第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２との間、第４の下部電極４６４と第４の上部電極４６２との間に同じ極性の電圧を印加し、前者の組と後者の組とで互いに極性の異なる電圧を印加した例であるが、本発明は、これには制限されない。すなわち、第１の下部電極１６４と第１の上部電極１６２の間と、第３の下部電極３６４と第３の上部電極３６２との間のみに電圧を印加する、或いは、第２の下部電極２６４と第２の上部電極２６２の間と、第４の下部電極４６４と第４の上部電極４６２との間のみに電圧を印加し、駆動しても良い。
また、図２４に例示した印加電圧−静電容量特性においては、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０の間の静電容量、すなわち、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０とで形成されるキャパシタと、第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０とで形成されるキャパシタと、を直列接続した静電容量を表したが、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０を接続して使用することもできる。
図２８は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の電気回路を例示する回路図である。
図２８に表したように、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ２０の別の使用方法では、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０を接続して１つの固定電極とし、この固定電極と、第１の作用部２４０及び第２の作用部４４０と、で形成されるキャパシタの静電容量を利用する。この時、端子８１が、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０とを接続した固定電極であり、端子８３が、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０であり、可変キャパシタ８２が、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０とを接続した固定電極と、第１の作用部２４０と第２の作用部４４０と、の間の静電容量である。
上記のアクチュエータ２０においては、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第３の梁３１０、第４の梁４１０は、モノモルフ構造を有していたが、これに限らない。すなわち、これら梁は、２枚の電極に挟まれた圧電膜を含めば良く、モノモルフ構造の他、バイモルフ構造、非対称バイモルフ構造等各種の構造を有することができる。
図２９は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別構成を例示する、図１９のＤ−Ｄ’線断面図である。
図３０は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別構成を例示する、図１９のＥ−Ｅ’線断面図である。
すなわち、第２の実施形態に係る別のアクチュエータ２１は、図１９に例示したアクチュエータ２０において、各梁をバイモルフ構造としたものであり、その他平面形状等は図１９と同一である。
図２９に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別のアクチュエータ２１においては、第３の梁３１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第３の下部電極３８５と、第３の下部電極３８５に対向する第３の上部電極３８１と、第３の下部電極３８５と第３の上部電極３８１との間に設けられた第３の圧電膜３８４を有している。そして、第３の圧電膜３８４と第３の上部電極３８１との間に設けられた第３の中間電極３８３と、第３の中間電極３８３と第３の上部電極３８１との間に設けられた第３の上側圧電膜３８２を更に有している。すなわち、第３の下部電極３８５、第３の圧電膜３８４、第３の中間電極３８３、第３の上側圧電膜３８２、第３の上部電極３８１が積層された構造を有している。
なお、第１の梁１１０の断面構造、すなわち、Ａ−Ａ’線断面は、図２９と同様とすることができる。
一方、図３０に表したように、アクチュエータ２１においては、第４の梁４１０は、基板１０１の主面１０２に対向する第４の下部電極４８５と、第４の下部電極４８５に対向する第４の上部電極４８１と、第４の下部電極４８５と第４の上部電極４８１との間に設けられた第４の圧電膜４８４を有している。そして、第４の圧電膜４８４と第４の上部電極４８１との間に設けられた第４の中間電極４８３と、第４の中間電極４８３と第４の上部電極４８１との間に設けられた第４の上側圧電膜４８２を有している。すなわち、第４の下部電極４８５、第４の圧電膜４８４、第４の中間電極４８３、第４の上側圧電膜４８２、第４の上部電極４８１が積層された構造を有している。
また、第３の接続部５２０は、第５の下部電極５８５、第５の圧電膜５８４、第５の中間電極５８３、第５の上側圧電膜５８２及び第５の上部電極５８１が積層された構造を有し、第５の下部電極５８５、第５の圧電膜５８４、第５の中間電極５８３、第５の上側圧電膜５８２及び第５の上部電極５８１は、それぞれ、第４の下部電極４８５、第４の圧電膜４８４、第４の中間電極４８３、第４の上側圧電膜４８２及び第４の上部電極４８１と、同一の層となっている。但し、本発明は、これには限定されない。
なお、第２の梁２１０の断面構造、すなわち、Ｂ−Ｂ’線断面は、図３０と同様とすることができる。
なお、第１〜第５の下部電極１８５、２８５、３８５、４８５、５８５は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１〜第５の圧電膜１８４、２８４、３８４、４８４、５８４は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１〜第５の中間電極１８３、２８３、３８３、４８３、５８３は、同層で、同じ材料を含むことができる。また、第１〜第５の上側圧電膜１８２、２８２、３８２、４８２、５８２は、同層で、同じ材料を含むことができる。そして、第１〜第５の上部電極１８１、２８１、３８１、４８１、５８１は、同層で、同じ材料を含むことができる。但し、本発明は、これには制限されない。
更に、第１の接続部１３１と第２の接続部３３１は、上記の各梁を構成する積層構造と同様の積層構造を有することができる。但し、本発明は、これには制限されない。
アクチュエータ２１は、梁の反りの影響を実質的に解消でき、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和する効果を持ち、更に、バイモルフ構造を有しているので、モノモルフ構造のアクチュエータ２０に比べて駆動電圧を低減できる。
なお、上記のアクチュエータ２０、２１においても、第１の固定部１４０、第２の固定部３４０は、図１６に例示したアクチュエータ１７のように、それぞれ、第１の梁１１０、第３の梁３１０で構成することができる。
また、本実施形態において、第１のスリット２２２及び第２のスリット４２２、すなわち、それらによって形成される第１の分割部２２１及び第２の分割部４２１の数、長さ（Ｘ軸方向の長さ）、幅（Ｙ軸方向の長さ）は、任意である。以下に例を説明する。
図３１は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図３１に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の例のアクチュエータ２２では、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｅの太さが異なっている。すなわち、第１の分割部２２１の第１の梁１１０側の分割部（２２１ａ〜２２１ｃ）が細く、第１の分割部２２１の第１の梁１１０から遠い側の分割部（２２１ｄ、２２１ｅ）が太い。また、第２の分割部４２１の第３の梁３１０側の分割部（４２１ａ〜４２１ｃ）が細く、第２の分割部４２１の第３の梁３１０から遠い側の分割部（４２１ｄ、４２１ｅ）が太い。このように、各分割部の太さを変えることにより、印加電圧−静電容量特性を任意の形状に制御することが可能である。
図３２は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図３２に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の例のアクチュエータ２３では、第２の分割部４２１の分割部４２１ａ〜４２１ｇのそれぞれの太さは同じであるが、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｅの太さが異なっている。そして、第１の分割部２２１の数と第２の分割部４２１の数とが異なっている。そして、第３の接続部５２０は、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１とを接続する際、第２の分割部４２１の２本の分割部（４２１ｆ、４２１ｇ）と第１の分割部２２１の１本の分割部（２２１ｅ）とを接続している。また、第２の分割部４２１の２本の分割部（４２１ｄ、４２１ｅ）と第１の分割部２２１の１本の分割部（２２１ｄ）とを接続している。このように、第３の接続部５２０は、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１を接続する際、それぞれの分割部の接続本数、構成は任意である。
図３３は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図３３に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の例のアクチュエータ２４では、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｅの太さが異なっている。すなわち、第１の分割部２２１の第１の梁１１０側の分割部（２２１ａ〜２２１ｃ）が細く、第１の分割部２２１の第１の梁１１０から遠い側の分割部（２２１ｄ、２２１ｅ）が太い。また、第２の分割部４２１の第３の梁３１０側の分割部（４２１ａ、４２１ｂ）が太く、第２の分割部２２１の第３の梁３１０から遠い側の分割部（４２１ｃ〜４２１ｅ）が細い。このように、各分割部の太さを変えることにより、印加電圧−静電容量特性を任意の形状にすることが可能である。
なお、本実施形態に係る各種の例において、図１９と図３１に例示したアクチュエータ２０、２２は、第１〜第４の梁の構造が、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称である。この場合、Ｙ軸方向の梁の反りが相殺され、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１の各分割部が、中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称となる。これにより、安定した動作を得ることができる。
一方、図３２、図３３に例示したアクチュエータ２３、２４においては、第１の梁１１０と第３の梁３１０とは、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称であるが、第２の梁２１０と第４の梁４１０の構造は、中心線Ｇ−Ｇ’に対して非対称である。このように、第２の梁２１０と第４の梁４１０とが、中心線Ｇ−Ｇ’に対して非対称である場合、第２の梁２１０と第４の梁４１０の動きは非対称となる。そして、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１のそれぞれの動きも非対称とすることができ、これにより、印加電圧−静電容量特性の曲線の形を任意に変えることができる。
なお、第１の梁１１０と第３の梁３１０とを、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して非対称にすることもできる。
また、第１の接続部１３１と第２の接続部３３１も、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称にすることもできる。また、非対称にすることもできる。
そして、第３の接続部５２０も、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称にすることもできる。また、非対称にすることもできる。
また、本実施形態において、第３の接続部５２０は、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１とを接続するが、その際、分割された全ての分割部同士を接続することもできるし、その一部を接続することもできる。
図３４は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。
図３４に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の例のアクチュエータ２５では、第１の分割部２２１の分割部２２１ｇと、第２の分割部４２１の分割部４２１ｇのみが、第３の接続部５２９によって接続されている。このように、分割部の一部のみを接続しても良い。
図３５は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの動作を例示する模式図である。
図３５（ａ）は、図１９に例示したアクチュエータ２０の第２の作用部４４０のＯＦＦ時の状態のシミュレーション結果を例示しており、図３５（ｂ）は、図３４に例示したアクチュエータ２５の第２の作用部４４０のＯＦＦ時の状態のシミュレーション結果を例示している。なお、第２の作用部４４０と接続される第１の作用部２４０の状態は、それぞれの第２の作用部４４０の状態と対称であるため、これらの図においては、第２の作用部４４０のみが描かれている。
図３５（ａ）に表したように、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｇと第２の分割部４２１の分割部４２１ａ〜４２１ｇとがそれぞれ接続されたアクチュエータ２０においては、各分割部は、分割部４２１ａから分割部４２１ｇに行くに従って、連続的に次第に下方向（第２の固定電極４５０に近づく方向）に位置している。そして、第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０との距離は、どの分割部４２１ａ〜４２１ｇでも比較的近く、また、第２の固定電極４５０との距離は、連続的に変化している。
これに対し、図３５（ｂ）に表したように、分割部２２１ｇと分割部４２１ｇのみが接続されているアクチュエータ２５の場合には、分割部４２１ｇのみが、第２の固定電極４５０との距離が近く、それ以外の分割部４２１ａ〜４２１ｆは第２の固定電極４５０との距離が大きくなっている。そして、その距離は、分割部４２１ｆで一番大きく、分割部４２１ａが一番小さい。
従って、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｇと第２の分割部４２１の分割部４２１ａ〜ｇとがそれぞれ接続されたアクチュエータ２０では、各分割部が順番に固定電極の方向に動く特性を持ち、また、ＯＦＦ時における作用部と固定電極との距離が小さくできるので駆動電圧を低くすることができる。一方、第１の分割部２２１の分割部２２１ａ〜２２１ｇと、第２の分割部４２１の分割部４２１ａ〜４２１ｇの一部とを接続したアクチュエータ２５の場合には、接続された分割部と接続されていない分割部とで、固定電極からの距離が大きく異なるため、各分割部の動きの動作電圧を大きく異ならせることができる。このため、印加電圧−静電容量特性の曲線を緩やかにすることが可能となり、これを利用して、印加電圧−静電容量特性を任意に変えることができる。
なお、図３４においては、第１の分割部２２１の分割部２２１ｇと、第２の分割部４２１の分割部４２１ｇの１組が接続されているが、接続する組の数は任意である。そして、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１とを接続する本数によって、分割部の位置（固定電極からの高さ）を変えることができる。また、分割部を接続する位置も任意である。さらには、接続する本数や位置だけでなくこれらを接続する第３の接続部５２０のサイズや膜構造等によっても分割部の位置（固定電極からの高さ）を変えることができる。
なお、上記のアクチュエータ２２〜２５の各梁は、図２９、図３０に断面構造を例示したバイモルフ構造とすることもできる。
（第３の実施の形態）
図３６は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図３６に表したように、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータ３０は、第１の梁１１０、第２の梁２１０、第１の接続部１３１、第３の梁３１０、第４の梁４１０及び第２の接続部３３１を備える。また図示しないが、第１の固定電極２５０、第１の固定部１４０、第２の固定電極４５０、及び第２の固定部３４０を備える。これらに関しては、第１、第２の実施形態で説明したものと同様とすることができるので、説明を省略する。
そして、アクチュエータ３０は、第２の梁２１０の第２の接続端２１４と、第４の梁４１０の第４の接続端４１４と、を接続する第４の接続部５３１を更に備える。
すなわち、アクチュエータ３０は、アクチュエータ２０における作用端同士を接続する第３の接続部５２０の代わりに、第２、第４の接続端２１４、４１４を接続する第４の接続部５３１を設けたものである。すなわち、図１１に例示したアクチュエータ１１を２つの組で設け、それらをそれぞれの接続端で接続したものである。
図３７は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。
図３７は、図３６のＦ−Ｆ’線断面を模式的に表した断面図であり、図の定義は、図２３の定義と同様である。
図３７に表したように、アクチュエータ３０では、ＯＦＦ時には、各作用部２４０、４４０の反りは実質的に解消され、第１の分割部２２１ａ〜２２１ｇ及び第２の分割部４２１ａ〜４２１ｇの、それぞれ第１の固定電極２５０及び第２の固定電極４５０からの位置は、ほぼ同一となっている。これは、図１１に例示したアクチュエータ１１を２つの組で設け、それらを接続端で接続することにより、Ｙ軸方向の梁の反りが相殺されたためだと考えられる。また、ＯＮ時には、第１の分割部２２１の各分割部２２１ａ〜２２１ｇと、第２の分割部４２１の各分割部４２１ａ〜４２１ｇが、それぞれ、第１の固定電極２５０と（第１の誘電膜２５３を介して）、第２の固定電極４５０と（第２の誘電膜４５３を介して）、に接している。このため、第２の梁２１０の第１の作用部２４０において、第２の下部電極２６４と第１の固定電極２５０とが近接する面積が大きく、また、第４の梁４１０の第２の作用部４４０において、第４の下部電極４６４と第２の固定電極４５０とが近接する面積が大きい。これにより、第１の作用部２４０と第１の固定電極２５０、第２の作用部４４０と第２の固定電極４５０で形成される最大静電容量を大きくできる。具体的には、最大静電容量を０．６ｐＦにすることができる。
なお、図３６に例示した構造において、第２の梁２１０と第４の梁４１０とにスリットを設けないことを変えた第５の比較例の場合、その静電容量は０．１ｐＦであった。このように、第３の実施形態に係るアクチュエータ３０は、スリットを設けない第５の比較例の６倍の最大静電容量を得ることができる。
また、本実施形態に係るアクチュエータ３０においては、第１、第２の作用部２４０、４４０は、それぞれ第１の分割部２２１（分割部２２１ａ〜２２１ｇ）、第２の分割部４２１（分割部４２１ａ〜４２１ｇ）に分割されているので、分割部２２１ａ〜２２１ｇ、分割部４２１ａ〜４２１ｇが段階的、離散的に動くので、緩やかに変化する印加電圧−静電容量特性が得られる。
このように、本実施形態により、梁の反りの影響を低減することにより、最大静電容量が大きく、また、最大静電容量付近での静電容量の急峻な変化を緩和したアクチュエータを提供することができる。
なお、本実施形態において、第１のスリット２２２及び第２のスリット４２２、すなわち、それらによって形成される第１の分割部２２１及び第２の分割部４２１の数、長さ（Ｘ軸方向の長さ）、幅（Ｙ軸方向の長さ）は、任意である。
また、第１〜第４の梁１１０、２１０、３１０、４１０及び第１、第２、第４の接続部１３１、３３１、５３１は、第２の梁２１０と第４の梁４１０との間の中心線Ｇ−Ｇ’に対して対称にすることができる。これにより、安定した動作を得ることができる。また、非対称にすることもできる。これにより、印加電圧−静電容量特性の曲線を任意に変えることができる。また、第１〜第４の梁１１０、２１０、３１０、４１０は、モノモルフ構造、バイモルフ構造、非対称モノモルフ構造等、各種の構造を有することができる。
更に、第２の実施形態の構造と第３の実施形態の構造とを組み合わせても良い。すなわち、第１の分割部２２１と第２の分割部４２１とを接続する第３の接続部５２０を設け、更に、第２の梁２１０の第２の接続端２１４と第４の梁４１０の第４の接続端４１４とを接続する第４の接続部５３１を設けても良い。
（第４の実施の形態）
図３８は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図３８に表したように、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータ４０では、図１９に例示したアクチュエータ２０に対して、第１の固定電極２５０及び第２の固定電極４５０の平面形状を変えたものである。
すなわち、第２の梁２１０と第４の梁４１０の中心線Ｇ−Ｇ’から離れるに従って、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０のＸ軸方向の長さが長くなっている。これにより、分割部２２１ａ〜２２１ｇ、分割部４２１ａ〜４２１ｇが、それぞれ第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０と対向して形成される分割された作用部の面積が変わり、印加電圧−静電容量特性の制御性が向上する。
なお、第１の固定電極２５０及び第２の固定電極４５０のＸ軸方向の長さを、中心線Ｇ−Ｇ’からの距離（位置）によって変える場合において、それぞれの位置において、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０は、それぞれ、第１の分割部２２１の第１の作用端２１１側の一部、第２の分割部４２１の第２の作用端４１１側の一部と対向する。すなわち、第１の分割部４２１の複数の分割部のいずれかのＸ軸方向の長さ、及び、第２の分割部４２１の複数の分割部のいずれかのＸ軸方向の長さ、が、中心線Ｇ−Ｇ’からのその位置における、第１の固定電極２５０、第２の固定電極４５０のＸ軸方向の長さより長ければ良い。
また、図３８では、中心線Ｇ−Ｇ’から離れるに従って、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０のＸ軸方向の長さを長くしたが、逆でも良い。更には、第１の固定電極２５０と第２の固定電極４５０のＸ軸方向の長さは、単調に増加または単調に減少するだけでなく、各種の曲線を有する函数によって変化させることができる。
（第５の実施の形態）
図３９は、本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。
図３９に表したように、本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータ５０では、図１９に例示したアクチュエータ２０に対して、第１の固定電極２５０及び第２の固定電極４５０の平面形状を変えたものである。
すなわち、第１の固定電極２５０は、２つに分割され、分割部２５１、２５２を有している。また、第２の固定電極４５０は、２つに分割されて、分割部４５１、４５２を有している。すなわち、アクチュエータ５０は、分割部２５１、２５２、４５１、４５２の４つの固定電極による４つの可変キャパシタを有することができ、それぞれの接続の仕方により、各種の印加電圧−静電容量特性を有するアクチュエータが得られる。
更に、図３９においては、第１の固定電極２５０の分割部２５１、２５２のＸ軸方向の長さと、第２の固定電極４５０の分割部４５１、４５２のＸ軸方向の長さを変えている。これにより、各電極間で形成されるキャパシタの静電容量を変えることができ、印加電圧−静電容量の制御性が更に向上する。
なお、以上例示したアクチュエータ１０〜１８は、第１の梁１１０と第２の梁２１０が設けられた１つの折り返し構造を有し、アクチュエータ２０〜２５、３０、４０、５０は、それに加え、第３の梁３１０と第４の梁４１０とが更に設けられた２つの折り返し構造を有していたが、本実施形態はこれに限らず、３つ以上の折り返し構造を有していても良い。
なお、以上説明した本発明の実施形態に係るアクチュエータは、圧電駆動型容量可変キャパシタやキャパシティブ型スイッチとして使用することができる。
また、上に説明した本発明の実施形態に係るアクチュエータにより形成した容量可変キャパシタや高周波スイッチ（キャパシティブ型スイッチ）を用いて各種の電子回路を作製することができる。
図４０は、本発明の実施形態のアクチュエータを利用した電子回路と電子機器を例示する模式図である。
図４０に表したように、本発明の実施形態に係るアクチュエータにより作製された容量可変キャパシタを組み込んで、周波数が可変のフィルタを内蔵する電子回路９１０を作製できる。また、この電子回路９１０は、例えば、携帯電話等の各種電子機器９００に用いることができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、アクチュエータを構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したアクチュエータを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのアクチュエータも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１、第２の比較例のアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 アクチュエータに発生する反りを説明するための模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１、第２の比較例のアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。 第１、第２の比較例のアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。 第１の比較例のアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の特性を例示する模式断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 図１９のＤ−Ｄ’線断面図である。 図１９のＥ−Ｅ’線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの電気回路を例示する回路図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示するグラフ図である。 第３の比較例のアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 第４の比較例のアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３、第４の比較例のアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の電気回路を例示する回路図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１９のＤ−Ｄ’線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する、図１９のＥ−Ｅ’線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの別の構成を例示する模式平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの動作を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する模式断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する模式平面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータを利用した電子回路と電子機器を例示する模式図である。
符号の説明
１０、１１、１２、１３、１４、１６、１７、１８、２０、２１、２２、２３、２４、２５、３０、４０、５０、９１、９２、９３、９４ アクチュエータ
７６、８０、８１、８３ 端子
７７、７９、８２ 可変キャパシタ
７８ 線路
１０１ 基板
１０２ 主面
１１０ 第１の梁
１１１ 第１の固定端
１１４ 第１の接続端
１３１ 第１の接続部
１４０ 第１の固定部
１４１、１４２、３４１、３４２ 間隙
１６１、２６１、３６１、４６１、５７１ 支持膜
１６２、１８１、２６２、２８１、３６２、３８１、４６２、４８１、５７２、５８１ 上部電極
１６３、１８４、２６３、２８４、３６３、３８４、４６３、４８４、５７３、５８４ 圧電膜
１６４、１８５，２６４、２８５、３６４、３８５、４６４、４８５、５７４、５８５ 下部電極
１８２、２８２、３８２、４８２、５８２ 上側圧電膜
１８３、２８３、３８３、４８３、５８３ 中間電極
２１０ 第２の梁
２１１ 第１の作用端
２１４ 第２の接続端
２２１、２２１ａ〜２２１ｇ、２４１、２４１ａ、２４１ｂ 第１の分割部
２２２、２２２ａ〜２２２ｆ、２４２ 第１のスリット
２４０ 第１の作用部
２４９ 作用部
２５０ 第１の固定電極
２５１、２５２ 第１の固定電極の分割部
２５３ 第１の誘電膜
３１０ 第３の梁
３１１ 第２の固定端
３１４ 第３の接続端
３３１ 第２の接続部
３４０ 第２の固定部
４１０ 第４の梁
４１１ 第２の作用端
４１４ 第４の接続端
４２１、４２１ａ〜４２１ｇ、４４１ 第２の分割部
４２２、４２２ａ〜４２２ｆ、４４２ 第２のスリット
４４０ 第２の作用部
４５０ 第２の固定電極
４５１、４５２ 第２の固定電極の分割部
４５３ 第２の誘電膜
５２０、５２９ 第３の接続部
５２１ 第３の分割部
５２２ 第３のスリット
５３１ 第４の接続部
９００ 電子機器
９１０ 電子回路

Claims (10)

  1. 基板と、
    第１の下部電極と、第１の上部電極と、前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に設けられた第１の圧電膜と、を含み、第１の固定端から第１の接続端まで延在する第１の梁と、
    前記第１の固定端と、前記基板と、を連結し、前記第１の梁を前記基板の主面の上方に間隙を空けて支持する第１の固定部と、
    第２の下部電極と、第２の上部電極と、前記第２の下部電極と前記第２の上部電極との間に設けられた第２の圧電膜と、を含み、第２の接続端から第１の作用端まで延在し、前記第１の梁と並列して設けられ、前記第１の作用端から前記第２の接続端に向けて延在した第１のスリットによって分割された第１の分割部を有する第２の梁と、
    前記第１の接続端と、前記第２の接続端と、を連結し、前記第２の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて保持する第１の接続部と、
    前記第１の分割部の前記第１の作用端側の一部に対向し、前記基板の前記主面に設けられた第１の固定電極と、
    を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
  2. 前記第２の下部電極は、前記第１の下部電極と実質的に同一の材料からなり、
    前記第２の圧電膜は、前記第１の圧電膜と実質的に同一の材料からなり、
    前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と実質的に同一の材料からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
  3. 前記第１の接続部は、前記第１の下部電極を構成する材料からなる層と、前記第１の圧電膜を構成する材料からなる層と、前記第１の上部電極を構成する材料からなる層と、それぞれ実質的に同一の層を含むことを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
  4. 前記第１の梁は、前記第１の圧電膜と前記第１の上部電極との間に設けられた第１の中間電極と、前記第１の中間電極と前記第１の上部電極との間に設けられた第１の上側圧電膜と、をさらに含み、
    前記第２の梁は、前記第２の圧電膜と前記第２の上部電極との間に設けられた第２の中間電極と、前記第２の中間電極と前記第２の上部電極との間に設けられた第２の上側圧電膜と、をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
  5. 第３の下部電極と、第３の上部電極と、前記第３の下部電極と前記第３の上部電極との間に設けられた第３の圧電膜と、を含み、第２の固定端から第３の接続端まで延在し、前記第１の梁と並列して設けられた第３の梁と、
    前記第２の固定端と、前記基板と、を連結し、前記第３の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて支持する第２の固定部と、
    第４の下部電極と、第４の上部電極と、前記第４の下部電極と前記第４の上部電極との間に設けられた第４の圧電膜と、を含み、第４の接続端から第２の作用端まで延在し、前記第３の梁と並列して前記第３の梁と前記第２の梁の間に設けられ、前記第２の作用端から前記第４の接続端に向けて延在した第２のスリットによって分割された第２の分割部を有する第４の梁と、
    前記第３の接続端と、前記第４の接続端と、を連結し、前記第４の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて保持する第２の接続部と、
    前記第２の分割部の前記第２の作用端側の一部に対向し、前記基板の前記主面に設けられた第２の固定電極と、
    前記第１の分割部と前記第２の分割部とを接続する第３の接続部と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
  6. 第３の下部電極と、第３の上部電極と、前記第３の下部電極と前記第３の上部電極との間に設けられた第３の圧電膜と、を含み、第２の固定端から第３の接続端まで延在し、前記第１の梁と並列して設けられた第３の梁と、
    前記第２の固定端と、前記基板と、を連結し、前記第３の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて支持する第２の固定部と、
    第４の下部電極と、第４の上部電極と、前記第４の下部電極と前記第４の上部電極との間に設けられた第４の圧電膜と、を含み、第４の接続端から第２の作用端まで延在し、前記第３の梁と並列して前記第３の梁と前記第２の梁の間に設けられ、前記第２の作用端から前記第４の接続端に向けて延在した第２のスリットによって分割された第２の分割部を有する第４の梁と、
    前記第３の接続端と、前記第４の接続端と、を連結し、前記第４の梁を前記基板の前記主面の上方に間隙を空けて保持する第２の接続部と、
    前記第２の分割部の前記第２の作用端側の一部に対向し、前記基板の前記主面に設けられた第２の固定電極と、
    前記第２の接続端と前記第４の接続端を接続する第４の接続部と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
  7. 前記基板の前記主面に対して垂直な方向からみたとき、前記第２の梁の形状と前記第４の梁の形状とは、前記第２の梁と前記第４の梁との間の中心線に対して実質的に対称であることを特徴とする請求項５または６記載のアクチュエータ。
  8. 前記基板の前記主面に対して垂直な方向からみたとき、前記第１の梁の形状と前記第３の梁の形状とは、前記第２の梁と前記第４の梁との間の中心線に対して実質的に対称であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
  9. 前記第２の固定電極は、前記第１の固定電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
  10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の前記アクチュエータを、容量可変キャパシタと高周波スイッチの少なくともいずれかとして有する電気回路を備えたことを特徴とする電子機器。
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