JP2012210092A - 圧電アクチュエータ、可変容量コンデンサ及び光偏向素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】長手方向の中央部が支持される第1アクチュエータ(12)と、長手方向の両端部が第1アクチュエータ(12)の長手方向の両端部に連結される第2アクチュエータ(14)と備える。第1アクチュエータ(12)は、第1圧電駆動部(12A)の駆動によって撓んで変形し、両端部が厚み方向に変位する。第2アクチュエータ(14)は第2圧電駆動部(14A)の駆動によって第1アクチュエータと逆方向に撓んで変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する。また、同様の構成のアクチュエータ群(101、102)を複数組連結する構成により、さらにz方向変位を増大させることができる。
【選択図】図4
Description
〔1〕圧電薄膜の残留応力に起因する初期z変位がある(印加電圧0の状態でもz方向に浮いている)。
〔2〕カンチレバー駆動時に面内方向(x,y方向)の動きが入ってしまう。
特許文献3の図3を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略し、図中の部材を指す符号を括弧( )付きの符号で表す。特許文献3の図3には、圧電体と振動板の積層構造を持つ一般的なアクチュエータである圧電カンチレバーを用いた可変キャパシタが示されている。支持体(39)に一端を固定されたバイモルフまたはユニモルフ型のアクチュエータ部(38)を有する圧電アクチュエータ(31)において、アクチュエータ部(38)の一方の表面に、一つのキャパシタ電極(36)が配設され、そのキャパシタ電極(36)に対面するように、他のキャパシタ電極(33)が配設されている。可変キャパシタ(30)では、圧電アクチュエータ(31)のアクチュエータ部(38)を矢印方向(上下の円弧方向)に変形させることによって、キャパシタ電極(33),(36)間の距離を制御し、その間に生じる静電容量を変えることが可能である。しかしながら、このような従来の可変キャパシタでは、圧電アクチュエータ(31)のアクチュエータ部(38)が弓状に反った変形をするため、キャパシタ電極(33)、(36)が平行を維持しながら近接または隔離されることができず、設計したキャパシタンスを実現することが難しかった。さらに、圧電体の残留分極に起因する反りによって、電圧をかけていない状態においてもカンチレバーが反ってしまうため、場合によってはキャパシタ電極(33)、(36)が最初から接触してしまう問題もあった。
非特許文献3の「Fig. 2」、「Fig. 3」、「Fig. 4」を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略する。非特許文献3のFig. 2〜4には、光ピックアップ用のマイクロミラーが開示されており、反射面をz方向(反射面の法線方向)に駆動するためのアクチュエータの構造が提案されている。このような用途では、光を損失なくミラーに反射させる必要があるため、駆動時の面内方向の運動は極力抑えなければならない。そのため同文献3に記載の構造では、4本のユニモルフカンチレバーが一つのミラーを囲むように配置されており、x,y面内方向への変位を抑えてz方向変位を得ている。
図1は第1実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図である。説明の便宜上、図1の横方向をx方向、縦方向をy方向、紙面に垂直な方向をz方向とする直交xyz軸を導入して説明する。この圧電アクチュエータ10は、y方向に長い矩形帯状の複数の圧電ユニモルフ型アクチュエータ12、14、22、24が平行に配置され、これらが支持体17、19、27を介して一体的に連結された構成からなる。
第1実施形態では、1段目及び2段目の第1アクチュエータ12、22に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第1駆動制御装置(不図示)と、1段目及び2段目の第2アクチュエータ14、24に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第2駆動制御装置(不図示)とが別々に設けられている。第1駆動制御装置は、第1アクチュエータ12、22を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。第2駆動制御装置は、第2アクチュエータ14、24を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。
本実施形態の圧電体としては、例えば、Nbを12%ドープしたPZT薄膜を用いることができる。本発明者らは、鋭意検討の結果、スパッタリング法によってNbを12%ドープしたPZTを成膜することにより、圧電定数d31=250pm/Vという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できることを見出している。
本実施形態に適用できる圧電体としては、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)を含むものが挙げられる。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V、Nb、Ta、及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
上述の一般式(P)及び(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数(d31定数)を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。
本実施形態の圧電アクチュエータ10に圧電体の残留応力による初期たわみが生じたときの変形を示したのが図6である。図6中の破線で囲われた部分(符号Aで示す部分)は、この圧電アクチュエータ10の駆動時において最大の変位が得られる最大変位点である。このポイントにおいては初期たわみによらず、初期z変位はないことが分かる。
本例の圧電アクチュエータ10における各アクチュエータ(12、14、22、24)、及びこれらをつなぐ支持体17、19、27、固定部31並びに固定部31を支持する固定支持部材(不図示)は、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、これらが一体的に構成された構造物として作成することができる。
この圧電アクチュエータ10は、以下のように作成した。
本明細書では、図1の固定部40や支持体19を例示して、アクチュエータの長手方向の中央部を支持する旨を説明している。本明細書でいう「中央部」とは、厳密な中心点を限定的に意味するものではなく、概ね中央部分と把握される範囲の部位を含む。例えば、長手方向の中央位置(設計上の真の中央点)を含む一箇所に固定部や支持部を設けて、これを支持する態様の他、概ね中央部分と把握される範囲内で複数箇所に固定部や支持部を設ける態様があり得る。また、概ね中央部分と把握される範囲内で中央位置を挟んで両側対称的に2箇所以上の固定部や支持部を設ける態様も可能である。この場合、真の中央位置が固定、支持されていない場合もあり得る。
図7は第2実施形態に係る圧電アクチュエータ110の平面図である。図7に示す第2実施形態において、図1から図4で説明した第1実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
2段目のアクチュエータ群112を省略する構成も可能であるし、さらに多数組のアクチュエータ群を連結する構成も可能である。
図10は、実施例1、2の効果を比較例と対比してまとめた表である。
図11は第3実施形態に係る圧電アクチュエータ120の平面図である。図11に示す第3実施形態において、図7から図9で説明した第2実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図12は、長さLの振動板の中央部分に圧電駆動部(長さLa)を配置した構成のアクチュエータの模式図である。このアクチュエータの長手方向の両端を支持することによって両持ち梁構造のアクチュエータとなる。
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた可変容量コンデンサ(可変キャパシタ)の例を説明する。図16は第4実施形態に係る可変容量コンデンサ150の可動電極152及びその駆動手段の構造を示した図である。
第4実施形態に係る可変容量コンデンサの一具体例として、圧電アクチュエータ110のディメンジョンは、W1=W2=W3=25μm、L=500μm、可動電極152のサイズは一辺が300μmの正方形(300μm角)となっている。この実施例による可変容量コンデンサは、以下の手順で製造される。
(工程1):SOI基板上にスパッタ法などによって下部電極を成膜し、得られた基板にスパッタ法などで圧電体膜を成膜する。なお、基板上にバルク圧電体を貼り付け、研磨しても良い。
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた光偏向素子の例を説明する。図16で説明した構成と、同様の構成において、可動電極152に代えて、光を反射させるためのミラーとすれば、光の反射点を変化させて焦点や照射位置を動かすデバイスとして利用できる。
比較として非特許文献3に報告されているアクチュエータをみると、同文献では、ユニモルフアクチュエータの振動板厚みを2μmまで下げることにより、5Vの電圧印加において変位3.5μmが得られている。しかしながら、同文献では、製造時の残留応力により初期の反りが5μm生じてしまっている。
(1)圧電体の残留応力に起因して各アクチュエータに反りがある場合であっても、圧電駆動時の変位点である長手方向中央部の初期変位量は0に保たれる。
第1実施形態及び第2実施形態では、第1アクチュエータ12、22を駆動するための駆動電圧制御装置と、第2アクチュエータ14、24を駆動するための駆動制御装置とを別々に設ける構成を説明したが、1台の駆動制御装置から複数種類の駆動電圧を出力する構成も可能である。また、駆動電圧供給源とその制御手段とは必ずしも一体である必要はない。例えば、第1アクチュエータ用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、第2アクチュエータ駆動用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、これら駆動電圧供給源を制御する1台の制御装置と、によって同様のシステムを構成することが可能である。
上述の実施形態では、圧電ユニモルフアクチュエータを複数本組み合わせてアクチュエータ群を構成する例を示したが、バイモルフアクチュエータを用いる態様も可能である。
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
Claims (16)
- 第1圧電駆動部を有する第1アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第1圧電駆動部への第1駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第1アクチュエータと、
第2圧電駆動部を有する第2アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第1アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第2圧電駆動部への第2駆動電圧の印加によって前記第1アクチュエータとは逆方向に撓み変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第2アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータは、互いの長手方向が平行となるように並んで配置されることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1アクチュエータの長手方向の中央部における当該第1アクチュエータの短手方向の片側端面部分が第1支持体を介して支持され、
当該第1支持体で支持される前記片側端面部分と反対側の長手方向両端部に第2支持体を介して前記第2アクチュエータが連結されることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータとが互いに連結されて構成された1組のアクチュエータ群を複数組備え、隣り合って配置される一方のアクチュエータ群を構成する第2アクチュエータの長手方向の中央部と他方のアクチュエータ群を構成する第1アクチュエータの長手方向の中央部とが連結されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1アクチュエータ及び前記第2アクチュエータは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有するユニモルフアクチュエータであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第2アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第2アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第2圧電駆動部となり、該第2圧電駆動部は当該第2アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を含む領域に配置され、その長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの30〜80%の範囲であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第2アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第2アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第2圧電駆動部となり、該第2圧電駆動部は当該第2アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を避けて長手方向の両側の端部に分かれて配置され、その各端部における長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの15〜45%の範囲であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1駆動電圧と前記第2駆動電圧は、前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータを互いに逆方向に撓ませ、前記第1アクチュエータの長手方向端部の厚み方向の変位と前記第2アクチュエータの長手方向中央部の厚み方向変位が累積されるように、前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータに対して同時に印加されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータの長手方向の両端部同士を連結する部分がミアンダ構造を有していることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1圧電駆動部及び前記第2圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体が1〜10μmの範囲の厚さを有する薄膜であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1圧電駆動部及び前記第2圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 前記第1圧電駆動部及び前記第2圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式(PX)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 前記圧電体は、振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体は、スパッタリング法によって成膜された薄膜であることを特徴とする請求項10から13のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられた第1平板電極と、
前記第1平板電極に対向して固定配置される第2平板電極と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記第1平板電極を前記厚み方向に変位させ、両平板電極間の距離を変化させることで静電容量が変化するように構成されていることを特徴とする可変容量コンデンサ。 - 請求項1から14のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられたミラー部材と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記ミラー部材を前記厚み方向に変位させ、反射面の位置を前記厚み方向に変化させることで、前記ミラー部材に入射する光の光路を変更するように構成されていることを特徴とする光偏向素子。
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