JP2013229985A - アクチュエータ装置、試験装置、および試験方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】制御電圧の個別の調整を不要とするアクチュエータ装置。
【解決手段】一端に駆動電圧、多端に基準電位が印加されて駆動するアクチュエータと、アクチュエータの一端に接続され、アクチュエータの動作速度を設定する第１設定部と、アクチュエータの一端と基準電位との間に設けられ、アクチュエータの駆動電圧を設定する第２設定部とを備えるアクチュエータ装置を提供する。アクチュエータ装置は、外部から制御電圧が印加される入力端子を更に備え、第１設定部は、入力端子とアクチュエータの一端との間に接続される第１の抵抗素子を有してよい。
【選択図】図３
【解決手段】一端に駆動電圧、多端に基準電位が印加されて駆動するアクチュエータと、アクチュエータの一端に接続され、アクチュエータの動作速度を設定する第１設定部と、アクチュエータの一端と基準電位との間に設けられ、アクチュエータの駆動電圧を設定する第２設定部とを備えるアクチュエータ装置を提供する。アクチュエータ装置は、外部から制御電圧が印加される入力端子を更に備え、第１設定部は、入力端子とアクチュエータの一端との間に接続される第１の抵抗素子を有してよい。
【選択図】図３
Description
本発明は、アクチュエータ装置、試験装置、および試験方法に関する。
従来、圧電膜を有するアクチュエータ等の電圧駆動デバイスは、外部から印加される制御電圧に応じて動作していた（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許文献１ 特開２０１０−４１０４号公報
特許文献２ 特開２０１１−１８７６８０号公報
特許文献３ 特開２００２−４９２４号公報
特許文献１ 特開２０１０−４１０４号公報
特許文献２ 特開２０１１−１８７６８０号公報
特許文献３ 特開２００２−４９２４号公報
しかしながら、可動部を有するアクチュエータ等のデバイスは、可動部を予め定められた配置に再現性よく正確に製造することが困難であり、複数製造するとそれぞれ個別の初期変位量を有して形成されてしまう。したがって、このようなアクチュエータは、位置を制御する制御電圧を個別に調整しなければならなかった。
本発明の第１の態様においては、一端に駆動電圧、多端に基準電位が印加されて駆動するアクチュエータと、アクチュエータの一端に接続され、アクチュエータの動作速度を設定する第１設定部と、アクチュエータの一端と基準電位との間に設けられ、アクチュエータの駆動電圧を設定する第２設定部とを備えるアクチュエータ装置を提供する。
本発明の第２の態様においては、アクチュエータを試験する試験装置であって、アクチュエータに接続され、アクチュエータの駆動電圧と第１、第２接点間の電気的接続との対応関係を測定する測定部と、対応関係に応じて第２設定部の回路を決定する決定部とを備える試験装置および試験方法を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係るアクチュエータ装置１０の側面図を示す。アクチュエータ装置１０は、予め定められた制御電圧を用いて、アクチュエータ１００を安定に駆動する。ここで、本例のアクチュエータ装置１０は、制御電圧に応じて電気的な接続および切断を切り換えるスイッチ装置を構成する例を説明する。アクチュエータ装置１０は、アクチュエータ１００と、搭載基板２００と、制御部３００とを備える。
アクチュエータ１００は、基体下部に設けられた固定接点である第１接点１２２と、可動接点である第２接点１３４とを接触または離間させることにより、固定接点および可動接点間の電気的導通または非導通を切り換える。アクチュエータ１００は、パッケージ等に密封されて形成される装置であってよい。アクチュエータ１００は、基体下部１１０と、本体部１３０と、台座部１４０と、基体上部１７０とを備える。
基体下部１１０は、一方の面に第１接点部１２０が設けられ、一方の面とは反対側の他方の面に、外部と電気信号および電源等を授受する配線部１１４を有する。基体下部１１０は、ガラス基板等の絶縁体であってよく、これに代えてシリコン等の半導体基板等であってよい。また、基体下部１１０は、ビア１１２を有する。
ビア１１２は、基体下部１１０を貫通した貫通孔に金属が被覆されて形成され、一方の面に形成される電気配線と他方の面に形成される電気配線とを電気的に接続する。一例として、ビア１１２は、第１接点部１２０と他方の面に形成された配線部１１４とを電気的に接続する。また、ビア１１２は、一例として、導電性材料等が充填され、基体下部１１０の上面と下面の密閉性を保つように形成される。ビア１１２は、例えば、基体下部１１０に設けられる第１接点１２２の数および本体部１３０に供給する電気信号および電源等の数に応じて、基体下部１１０に複数設けられる。
配線部１１４は、アクチュエータ１００を通過させる信号、本体部１３０に供給する電気信号、または電源電圧等を伝送する。配線部１１４は、少なくとも１つのビア１１２に対して信号を送信または受信させるべく、基体下部１１０の一方の面または他方の面に設けられる導電性の配線パターンであってよい。これに代えて、配線部１１４は、基体上部１７０の一方の面または他方の面に設けられてもよい。配線部１１４は、ランド、コネクタ、および／またはアンテナ等を含み、外部からアクチュエータ１００に通過させる信号を送受信してよい。
第１接点部１２０は、第１接点１２２が設けられる。第１接点部１２０は、例えば、複数設けられる。第１接点１２２は、一例として、突部のない平面状のパッドである。第１接点部１２０は、例えば、アルミニウム、タングステン、パラジウム、ロジウム、金、白金、ルテニウム、インジウム、イリジウム、オスミウム、モリブデン、および／またはニッケルを含む。ここで、第１接点部１２０は、これらの材料を含む２以上の材料の合金であってよい。
本体部１３０は、第２接点１３４を有し、第２接点１３４を移動させて第１接点１２２と接触または離間させる。本体部１３０は、例えば、ゾルゲル法およびＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法等を用いる半導体製造装置等によって成膜される。本体部１３０は、第２接点部１３２と、圧電膜１３６と、支持層１５０と、保護膜１５２と、突出部１５６と、圧電膜１３６の電極層１６２および電極層１６４とを有する。
第２接点部１３２には、第２接点１３４が設けられる。第２接点部１３２は、一例として、第１接点部１２０と同様の金属を含む。第２接点１３４は、第１接点１２２に面で接触するように、突部のない平面であってよく、これに代えて、突部を有する形状であってもよい。
第２接点１３４は、第１接点１２２の破壊または劣化を防ぐように、半球状の形状であってよく、これに代えて先端を丸めた針状の形状であってもよい。一例として、第２接点１３４は、第１接点１２２と接触して伝送線路を形成する場合に、伝送する信号の周波数に応じた伝送線路幅等を形成するように、予め定められた形状で設けられてよい。
圧電膜１３６は、支持層１５０上に形成され、電極層１６２と電極層１６４の間に印加される駆動電圧に応じて伸縮する。第１圧電膜１３６は、駆動電圧を印加された場合に、本体部１３０の長さ方向に伸縮して、第１接点１２２と第２接点１３４との距離が変化する方向に本体部１３０を湾曲させるように配される。
圧電膜１３６は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のウルツ鉱型の結晶、またはチタン酸バリウム（ＢＴＯ）等のペロブスカイト系強誘電体等により形成される。圧電膜１３６の膜厚は、一例として、０．１μｍ〜５μｍの範囲で形成される。ここで、圧電膜１３６としてＰＺＴを成膜する場合、チタン酸鉛（ＰＴ）を成膜してからＰＺＴを成膜することが好ましい。これによって、ＰＺＴは、結晶性良く成膜することができる。
支持層１５０は、圧電膜１３６の一方の面側に設けられる。支持層１５０は、力の印加によって変形する弾性を有し、圧電膜１３６が伸縮して力を印加することによって、湾曲される。また、支持層１５０は、本体部１３０が撓みすぎるのを抑制する剛性を有し、圧電膜１３６の電界の印加が停止すると、本体部１３０は初期位置に戻る。
支持層１５０は、圧電膜１３６が形成される場合に、当該圧電膜と共に焼成温度に加熱される。即ち、圧電膜１３６は、圧電膜１３６の焼成温度に加熱されて、支持層１５０の一方の面に形成され、支持層１５０は、圧電膜１３６と共に焼成温度に加熱される。そこで支持層１５０は、圧電膜１３６の焼成温度に加熱しても破壊されない材質で形成される。圧電膜１３６をＰＺＴ等で形成する場合、焼成温度は、略７００℃以上に達する場合もある。したがって、支持層１５０は、圧電膜１３６の焼成温度に加熱しても、割れ、欠け、またはヒビ等の物理的な破壊が生じない材質で形成することが望ましい。
また、支持層１５０は、圧電膜１３６の焼成温度に加熱しても圧電膜または電極層と化学反応を生じ難い材質で形成されることが望ましい。支持層１５０は、圧電膜の焼成温度の加熱によって、圧電膜または電極層と化合物を形成して、割れ、欠け、またはヒビ等の物理的な破壊が生じない材質で形成することが望ましい。また、この場合、支持層１５０は、圧電膜の焼成温度の加熱によって、圧電膜１３６の圧電定数等の膜特性を劣化させない材質で形成することが望ましい。
支持層１５０は、例えば、絶縁材料で形成される。支持層１５０は、絶縁層で形成されることで、例えば７００℃程度の圧電膜の焼成温度に耐え、金属膜よりも安価なＣＶＤ等の製造方法により短時間で形成することができる。
支持層１５０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）を含む。これに代えて、支持層１５０は、アルミニウム、金、白金等の導電体、ガラス等の絶縁体、またはシリコン等の半導体を用いてもよい。ここで、支持層１５０の膜厚は、一例として、０．１μｍ〜５０μｍの範囲で形成される。
保護膜１５２は、絶縁材料で形成され、圧電膜１３６における支持層１５０とは反対側から圧電膜１３６の少なくとも一部を覆い、かつ、圧電膜１３６の端部の少なくとも一部において支持層１５０と接する。保護膜１５２および支持層１５０は、例えば、圧電膜１３６、電極層１６２および電極層１６４が露出しないように各層を覆うように形成される。また、保護膜１５２および支持層１５０は、電極層１６２および電極層１６４がそれぞれ配線部１１４と接続される接続部を露出させて形成されてもよい。
保護膜１５２および支持層１５０は、圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４の一部を覆って形成されてもよい。例えば、保護膜１５２および支持層１５０は、各層の側部を覆う。即ち、保護膜１５２および支持層１５０は、本体部１３０の側部を覆う。
保護膜１５２は、酸化シリコンまたは窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成されてよい。保護膜１５２は、支持層１５０と同種の絶縁材料で形成されてよく、望ましくは、支持層１５０と略同一の絶縁材料で形成される。即ち、保護膜１５２は、支持層１５０と同様に、弾性および剛性を有し、支持層１５０と密着性よく、強く結合して形成される。なお、本実施例において、保護膜１５２は、支持層１５０と同一の絶縁材料で形成される例を示し、図中においてはこれらの境界を示していない。
略同一の弾性および剛性を有する保護膜１５２および支持層１５０は、圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４を包み込むので、本体部１３０を製造する過程または本体部１３０を湾曲させる場合において、各層の割れ、欠け、またはヒビ等の物理的な破壊を防ぐことができる。また、保護膜１５２は、剛性を有するので、本体部１３０の剛性を高めることができる。
また、保護膜１５２は、支持層１５０と略同一の材料で形成されるので、支持層１５０と略同一の剛性および弾性を持つことができる。したがって、保護膜１５２は、本体部１３０が変位した場合に、本体部１３０内部の剛性および弾性の不一致に起因する応力の発生を抑えることができる。
これによって、本体部１３０は、接点同士の凝着を防ぐことができる。また、保護膜１５２および支持層１５０は、圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４を外部へ露出させないので、これらの層を酸化等から防ぐこともできる。
電極層１６２は、圧電膜１３６の一方の面に設けられ、電極層１６４は、圧電膜１３６の他方の面に設けられる。電極層１６２および電極層１６４は、一例として、略同一の形状および略同一の材質で形成され、圧電膜１３６に駆動電圧を印加する。駆動電圧は、一例として、正または負の予め定められた電圧である。
電極層１６２および電極層１６４は、一例として、本体部１３０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有する。電極層１６２および電極層１６４は、アルミニウム、金、白金、銅、インジウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、イリジウム等の低抵抗で加工が容易な金属であってよく、これに代えて、ルテニウムオキサイド（ＲｕＯ２）、イリジウムオキサイド（ＩｒＯ２）等の酸化物電極、セラミック電極、または、シリコン等の半導体であってもよい。
電極層１６２および電極層１６４は、例えば、厚さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金である。このように、電極材料として白金を成膜する場合、チタン、タンタル、クロム等を成膜してから白金を成膜することが望ましい。また、電極材料としてシリコンを用いる場合には、不純物を高濃度にドープしたシリコンを用いることが好ましい。
突出部１５６は、本体部１３０の可動端である先端部において、圧電膜１３６が設けられていない支持層１５０の一部分である。第２接点部１３２は、一例として、突出部１５６の第１接点部１２０側の面上に設けられる。これによって、第２接点１３４は、電極層１６２、および電極層１６４と離間された位置に形成することができ、それぞれの電極層に供給される電気信号の影響を低減させることができる。
台座部１４０は、基体下部１１０上に設けられ、一部が本体部１３０の一端を固定して本体部１３０の固定端となる。台座部１４０と基体下部１１０とが接合されることにより、第１接点１２２と第２接点１３４との間の距離は、本体部１３０の最大変位量と同等もしくはそれ以下となる。ここで、基体下部１１０は、一例として、本体部１３０を収容する凹部が形成され、当該凹部の深さは、第１接点１２２と第２接点１３４との間の距離を調節する。
ここで、本体部１３０の最大変位量とは、例えば、圧電膜１３６に印加できる最大の駆動電圧を印加した場合における、本体部１３０の変位量を意味する。台座部１４０は、一例として、半導体材料をエッチングすることで形成される。例えば、台座部１４０は、シリコン基板から形成される。この場合、台座部１４０は、基体下部１１０と陽極接合によって接合されてよい。
このように、本体部１３０は、長さ方向Ｌの一方の端部で台座部１４０に支持される。圧電膜１３６に電圧を印加すると、本体部１３０において台座部１４０に支持されていない第２接点部１３２側の端部は、厚さ方向に屈曲する（図中、下向きに変位する）、若しくは、反り返る（図中、上向きに変位する）ことができる。
基体上部１７０は、台座部１４０上に設けられ、基体下部１１０および台座部１４０で形成されるアクチュエータ１００のパッケージの蓋部となる。ここで、当該パッケージは、一例として、本体部１３０を収容する密封パッケージとして形成される。基体上部１７０は、例えば、ガラス等で形成される基板である。この場合、基体上部１７０は、台座部１４０と陽極接合によって接合される。これに代えて、基体上部１７０は、半導体材料等で形成されてもよい。
本実施例において、台座部１４０は、本体部１３０を基体上部１７０に固定することを説明した。これに代えて、台座部１４０は、基体下部１１０と本体部１３０の間に形成されて、本体部１３０を基体下部１１０に固定してもよい。この場合、台座部１４０の厚みは、本体部１３０の最大変位量と同等もしくはそれ以下に形成される。
搭載基板２００は、アクチュエータ１００が搭載される。また、搭載基板２００は、アクチュエータ１００を通過させる信号、本体部１３０に供給する電気信号、または電源電圧等を伝送する電気配線が形成される。搭載基板２００は、このような電気配線がアクチュエータ１００を搭載する一方の面または他方の面に形成されてよく、これに代えて、両方の面に形成されてもよい。また、搭載基板２００は、多層構造を有し、電気配線が基板内部に形成されてもよい。
搭載基板２００は、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ材料、テフロン（登録商標）材料、またはセラミック材料等の絶縁材料で形成される。搭載基板２００は、一例として、接続部２１０を介してアクチュエータ１００と電気的に接続される。図中において、接続部２１０は、リフロー等によって形成される半田である。
この場合、アクチュエータ１００の搭載基板２００側の面には、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）またはＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）等の電極が形成される。これに代えて、搭載基板２００は、ワイヤ・ボンディング、リード線、またはコネクタ等を介してアクチュエータ１００と電気的に接続されてもよい。
また、搭載基板２００は、制御部３００を搭載する。制御部３００は、搭載基板２００に形成された電気配線に接続されて、アクチュエータ１００に制御電圧を供給して制御する。制御部３００は、一例として、第１接点１２２と第２接点１３４とを接触させてアクチュエータ１００をＯＮ状態にする場合に、圧電膜１３６に駆動電圧を供給して圧電膜を縮める。また、制御部３００は、第１接点１２２と第２接点１３４とを離間させてアクチュエータ１００をＯＦＦ状態にする場合に、圧電膜１３６への駆動電圧の供給を停止する。制御部３００については後に詳細を説明する。
図２は、本実施形態に係るアクチュエータ１００の内部構成例を示す。本図において、図１に示された本実施形態に係るアクチュエータ１００の動作と同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。アクチュエータ１００は、２つの第１接点部１２０が基体下部１１０に設けられ、２つの第１接点１２２と１つの第２接点１３４とを接触／離間する。これにより、アクチュエータ１００は、第２接点１３４を介して第１接点１２２ａと第１接点１２２ｂとの間の電気的導通／非導通を切り換える。
ここで、配線部１１４は、例えば、第１接点部１２０が設けられた基体下部１１０の一方の面とは反対側の他方の面に形成され、ビア１１２によって２つの第１接点部１２０とそれぞれ接続される。これに代えて、配線部１１４は、基体下部１１０の一方および他方の面に形成され、一方の面に形成された配線部１１４は、２つの第１接点部１２０とそれぞれ接続され、ビア１１２によって他方の面に形成された配線部１１４とそれぞれ接続されてもよい。
また、配線部１１４は、対応するグランド配線を有し、コプレーナ線路を構成してもよい。また、配線部１１４は、対応するグランド配線を有し、マイクロストリップ線路を構成してもよい。配線部１１４は、一例として、外部からの電気信号を第１接点１２２ａへと伝送し、アクチュエータ１００がＯＮの場合に当該電気信号を第１接点１２２ｂから外部へと伝送してよい。
これに代えて、アクチュエータ１００は、基体下部１１０に１つの第１接点部１２０を有し、本体部１３０に外部からの電気信号を第２接点１３４へと伝送する配線を有してもよい。この場合、当該配線は、第１接点部１２０とは異なる位置に設けられた基体下部１１０の一方の面に形成された配線部１１４に接続され、外部と電気信号を授受する。当該配線は、一例として、アクチュエータ１００がＯＮの場合に、外部からの電気信号を第１接点１２２に受け渡し、第１接点部１２０に接続された配線部１１４を介して外部へと伝送する。
本実施例において、本体部１３０は、圧電膜を１つ有するユニモルフ構造について説明したが、これに代えて、本体部１３０は、圧電膜を２つ有するバイモルフ構造であってもよい。この場合、例えば、本体部１３０は、当該２つの圧電膜が支持層１５０の一方および他方の面にそれぞれ設けられ、それぞれの圧電膜に電界を印加する電極がそれぞれ設けられる。これに代えて、本体部１３０は、支持層１５０を備えずに、１つの共通電極の一方および他方の面に当該２つの圧電膜が設けられ、それぞれの圧電膜に電界を印加する電極がそれぞれ設けられてもよい。
また、本実施例において、第２接点部１３２は、突出部１５６に設けられることを説明したが、これに代えて、第２接点部１３２は、基体下部１１０に対抗する保護膜１５２上の可動端側に設けられてもよい。この場合、本体部１３０は、突出部１５６は無くてもよい。
また、本実施例において、アクチュエータ１００は、圧電膜の伸縮によって第２接点を移動させて第１接点と接触または離間させるスイッチであることを説明したが、これに代えて、駆動部を有するアクチュエータであってよい。また、アクチュエータは、圧電駆動型アクチュエータに代えて、平行平板電極に電界を印加して静電引力に応じて駆動させる静電駆動型アクチュエータであってもよい。
ここで、本体部１３０は、製造の過程において発生する内部応力等によって、そりが生じる場合がある。内部応力は、本体部１３０の製造方法、本体部１３０の層構造、および材質等によって本体部１３０の内部において様々な力の大きさを持って様々な方向に向く。即ち、本体部１３０のそりの方向は、様々な内部応力が発生した結果として生じるので、第２接点部１３２側の端部が、本体部１３０の厚さ方向Ｈにおいて、いずれの方向にどのくらいの量発生するのかは製造する毎に異なる場合があった。
このように、本体部１３０は、初期変位量を一定に製造することが困難であるので、一定の駆動電圧で本体部１３０を駆動させると、初期変位量に応じた距離を移動することになる。即ち、アクチュエータ１００は、第１接点１２２および第２接点１３４を電気的に接続できない場合、または、第１接点１２２および第２接点１３４を強く押しつけることにより電極に損傷等のダメージを与えてしまう場合を生じさせてしまう。
そこで、アクチュエータ１００は、初期変位量に応じて駆動電圧を変えて制御する複雑な制御方法が必要であった。また、このような制御方法においては、一例として、接点間の距離が離れる方向に初期変位量が発生した場合、駆動電圧をより大きくして本体部１３０の可動範囲を大きくするが、駆動電圧を大きくすることによって加速度も増加してしまうので、接点同士を物理的に接触させる衝撃を増加させて損傷等のダメージを与えてしまう。そこで、本実施例のアクチュエータ装置１０は、アクチュエータ１００の動作速度および駆動電圧を設定する設定部を備えて、当該アクチュエータ１００を制御する。
図３は、本実施形態に係る制御部３００の構成例をアクチュエータ１００と共に示す。アクチュエータ１００は、一端に駆動電圧、多端に基準電位が印加されて駆動する。図中には、基準電位を０Ｖとした例を示す。ここで、アクチュエータ１００は、駆動電圧が印加される電極部分は等価回路として容量成分と見なされるので、図中において当該部分を容量素子として示す。制御部３００は、第１設定部３１０と、第２設定部３２０と、電源部３３０とを有する。
第１設定部３１０は、アクチュエータ１００の一端に接続され、アクチュエータの動作速度を設定する。本実施例において、第１設定部３１０の他端は電源部３３０に接続される。ここで、制御電圧を印加する電源部３３０から見ると、入力端子３０５は外部から制御電圧が印加され、第１設定部３１０は、当該入力端子３０５とアクチュエータ１００の一端との間に接続される。
また、第１設定部３１０は、一例として、入力端子３０５とアクチュエータ１００の一端との間に接続される第１の抵抗素子を有する。第１の抵抗素子は、アクチュエータ１００の容量成分と微分回路を形成して、入力端子３０５から入力される制御電圧の時間的な立ち上がりを緩和させる。即ち、第１の抵抗素子は、抵抗値を調節することで、当該抵抗値に応じて時間的な立ち上がりを緩和させた駆動電圧をアクチュエータ１００に供給し、当該アクチュエータ１００の動作速度を設定することができる。
ここで、第１の抵抗素子は、例えば、アクチュエータ１００の動作速度に応じて抵抗値が定められる。これに代えて、第１の抵抗素子は、アクチュエータ１００の初期変位量に応じた抵抗値が定められてもよい。例えば、アクチュエータ１００の初期変位量に応じて印加すべき駆動電圧は定められるので、第１の抵抗素子は、当該駆動電圧に応じた緩和時間を与える微分回路を形成する抵抗値が定められる。
ここで、第１設定部３１０は、例えば、複数の抵抗素子を有し、アクチュエータ１００の動作速度に応じて選択された抵抗素子を、第１の抵抗素子とする。これによって、第１設定部３１０は、一例として、予め定められた複数の抵抗素子と、回路配線とを有し、アクチュエータ１００の動作速度に応じて選択される抵抗素子の接続を残し、他の回路配線の接続を切断することで、第１の抵抗素子を定めることができる。
これに代えて、第１設定部３１０は、予め定められた形状の抵抗素子を有し、トリミングにより当該抵抗素子の抵抗値が調整されてもよい。例えば、抵抗素子は、レーザ光を照射して加工するレーザトリミングによって抵抗値が調整される。これに代えて、抵抗素子は、電解液中で陽極酸化されて酸化膜の膜圧を調整する陽極化成トリミングによって抵抗値が調整されてもよい。また、第１設定部３１０は、予め複数の抵抗素子を有し、アクチュエータ１００の動作速度に応じて選択された抵抗素子がトリミングによって更に調整されてもよい。
第２設定部３２０は、アクチュエータ１００の一端と基準電位との間に設けられ、アクチュエータ１００の駆動電圧を設定する。本実施例において、第２設定部３２０は、第１設定部３１０の一端と接続される。また、本例の第２設定部３２０は、アクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続される第２の抵抗素子を有する。これによって、第１および第２の抵抗素子は、入力端子３０５に印加される制御電圧を分圧し、第２の抵抗素子に分圧される電圧を駆動電圧としてアクチュエータ１００に供給する。
即ち、第２の抵抗素子は、抵抗値を調節することで、当該抵抗値に応じた駆動電圧をアクチュエータ１００に供給することができる。これによって、第２設定部３２０は、電源部３３０からの制御電圧が一定電圧であっても、アクチュエータ１００の初期変位量に応じた駆動電圧を設定して当該アクチュエータ１００に供給することができる。
ここで、第２設定部３２０は、例えば、複数の抵抗素子を有し、アクチュエータ１００の初期変位量に応じて選択された抵抗をアクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続される第２の抵抗素子とする。これによって、第２設定部３２０は、一例として、予め定められた複数の抵抗と、回路配線とを有し、アクチュエータ１００の初期変位量に応じて選択される抵抗素子の接続を残し、他の回路配線の接続を切断することで、第２の抵抗素子を定めることができる。
これに代えて、第２設定部３２０は、予め定められた形状の抵抗素子を有し、トリミングにより当該抵抗素子の抵抗値が調整されてもよい。また、第２設定部３２０は、予め複数の抵抗素子を有し、アクチュエータ１００の初期変位量に応じて選択された抵抗素子がトリミングによって更に調整されてもよい。以上の本実施例における第１設定部３１０および／または第２設定部３２０が有する抵抗素子は、予め定められた抵抗値を有する固定抵抗素子であってよく、これに代えて、抵抗値が可変の可変抵抗であってもよい。
電源部３３０は、アクチュエータ１００の駆動電圧以上の電圧を制御電圧として供給する。以上の本実施形態の第１設定部３１０は、アクチュエータ１００の動作速度に応じて立ち上がり時間を緩和させた駆動電圧を設定することができ、第２設定部３２０は、アクチュエータ１００の初期変位量に応じた駆動電圧を設定することができるので、アクチュエータ１００が製造段階でばらつきのある初期変位量を有していても、電源部３３０は、予め定められた一定電圧を供給することができる。
本実施例において、制御部３００は、電源部３３０を備えることを説明したが、これに代えて、制御部３００は、電源部３３０を備えずに、外部から制御電圧が入力端子３０５に入力される回路であってもよい。この場合、制御部３００は、アクチュエータ１００のＯＮ／ＯＦＦを切り換える制御電圧を予め定められた電圧にすることができる。
図４は、本実施形態に係る制御部３００の変形例をアクチュエータ１００と共に示す。本変形例の制御部３００において、図３に示された本実施形態に係る制御部３００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。
本例の第１設定部３１０は、アクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続される。また、第１設定部３１０は、入力端子３０５と基準電位との間に接続される。また、第１設定部３１０は、一例として、アクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続される容量素子を有する。
本変形例の制御部３００は、容量素子がアクチュエータ１００に並列に接続されるので、当該容量素子が充電されるまで、入力端子３０５から供給される制御電圧の時間的な立ち上がりが緩和される。即ち、容量素子は、容量値を調節することで、当該容量値に応じて時間的な立ち上がり緩和させた駆動電圧をアクチュエータ１００に供給し、当該アクチュエータ１００の動作速度を設定することができる。
ここで、容量素子は、第１の抵抗素子と同様に、例えば、アクチュエータ１００の動作速度に応じて容量値が定められる。これに代えて、容量素子は、アクチュエータ１００の初期変位量に応じた容量値が定められてもよい。
ここで、第１設定部３１０は、例えば、複数の容量素子を有し、アクチュエータ１００の動作速度に応じて選択された容量素子をアクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続する。これによって、第１設定部３１０は、一例として、予め定められた複数の容量素子と、回路配線とを有し、アクチュエータ１００の動作速度に応じて選択される容量素子の接続を残し、他の回路配線の接続を切断することで、選択した容量素子をアクチュエータ１００の一端と基準電位との間に接続することができる。
本変形例の制御部３００は、第２設定部３２０に抵抗素子を有する。ここで、第２設定部３２０は、アクチュエータ１００の駆動電圧を設定する場合は、一例として、入力端子３０５と抵抗素子との間に更に抵抗素子を有する。この場合、第１設定部３１０は、２つ抵抗素子の間に接続される。これによって、第２設定部３２０は、入力端子３０５から入力される制御電圧を２つの抵抗素子で分圧して、アクチュエータ１００の初期変位量に応じた駆動電圧を設定してアクチュエータ１００に供給することができる。
以上の本実施形態に係るアクチュエータ装置１０は、第１設定部３１０および第２設定部３２０を有する制御部３００を、搭載基板２００に搭載することを説明した。これに代えて、第１設定部３１０および／または第２設定部３２０は、アクチュエータ１００に設けられてもよい。第１設定部３１０および第２設定部３２０は、抵抗素子または容量素子等の部品で構成できるので、アクチュエータ１００のパッケージ内に収容することができる。
これに代えて、第１設定部３１０および／または第２設定部３２０は、アクチュエータ１００のパッケージの外側に実装されてもよい。また、第１設定部３１０および第２設定部３２０のいずれか一方がアクチュエータ１００のパッケージに実装される場合、第１設定部３１０および第２設定部３２０の他方は、搭載基板２００に設けられる。
以上の本実施形態に係るアクチュエータ装置１０は、アクチュエータ１００のばらついた初期変位量に応じた駆動電圧を、当該アクチュエータ１００に供給することを説明した。これに代えて、アクチュエータ装置１０は、予め定められた方向に初期変位量を有するアクチュエータ１００を搭載し、初期変位量に応じた駆動電圧を当該アクチュエータ１００に供給してもよい。
ここで、アクチュエータ１００は、圧電膜の内部応力を予め定められた方向を向いて形成されると、当該内部応力によってアクチュエータ１００が予め定められた方向に初期変位する。例えば、アクチュエータ１００を、第１接点１２２と第２接点１３４とが近づく方向に初期変位させて形成することができる。
この場合、電源部３３０は、アクチュエータの初期変位量がゼロで形成された場合に、第１接点と第２接点とを電気的に接続させる駆動電圧程度の電圧を制御電圧として供給することができる。即ち、電源部３３０は、第１接点１２２と第２接点１３４とが離れる方向に初期変位する場合を考慮しなくてもよいので、アクチュエータ１００をＯＮにする制御電圧を下げることができる。
図５は、本実施形態に係るアクチュエータ１００を製造する製造フローの一例を示す。また、図６から図１６は、本実施形態に係るアクチュエータ１００が形成される過程におけるアクチュエータ１００の断面図または上面図を示す。
まず、台座部１４０となる基板上に、絶縁材料で保護膜１５２を形成する（Ｓ３００）。本実施例において、基板はシリコン基板であり、保護膜１５２は酸化シリコンである。保護膜１５２は、例えば、ＣＶＤ法等で形成される。一例として、酸化シリコンの保護膜１５２は、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として、酸素またはオゾンと反応することで形成される。図６は、本実施形態に係る台座部１４０となる基板上に保護膜１５２を形成した段階の断面を示す。
次に、保護膜１５２上に支持層１５０を形成する（Ｓ３１０）。本実施例において、支持層１５０は、酸化シリコンで形成される。支持層１５０は、一例として、保護膜１５２と同様にＣＶＤ法で形成される。支持層１５０および保護膜１５２は、同一の材料で形成されるので、図中においてこれらの境界は示していない。また、支持層１５０および保護膜１５２は、同一の材料および同一の方法で形成する場合、保護膜１５２を形成するステップＳ３００は省略してもよい。
次に、支持層１５０上に、電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４を形成する（Ｓ３２０）。電極層１６２は、保護膜１５２上に導電性材料で成膜される。圧電膜１３６は、電極層１６２上にゾルゲル材料を塗布してアニールするゾルゲル法によって、電極層１６２上に成膜される。ここで、ゾルゲル材料は、一例として、ＰＺＴゾルゲル液を含む。
本実施例において、圧電膜１３６は、ＰＺＴゾルゲル液を塗布して形成されるＰＺＴ膜である。電極層１６４は、圧電膜１３６上に導電性材料で成膜される。電極層１６２および電極層１６４を形成する導電性材料は、一例として、白金（Ｐｔ）を含む。第１電極層１６２および第２電極層１６４は、例えば、蒸着またはスパッタによって形成される。図７は、本実施形態に係る保護膜１５２上に支持層１５０、電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４を形成した段階の断面を示す。ここで、電極層１６４は、フォトリソグラフィによって、圧電膜１３６上に予め定められた形状で形成された例を示す。
次に、電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４を加工する（Ｓ３３０）。電極層１６２、第１圧電膜１３６、および電極層１６４は、表面形状をエッチング等によって加工される。ここで、支持層１５０は、一例として、エッチングストップ層として用いられる。ここで、電極層１６４が予め定められた形状で形成されている場合は、電極層１６２および圧電膜１３６を加工して、電極層１６４と略同一の形状に加工する。
図８は、本実施形態に係る電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４を加工した段階の断面を示す。ここで、圧電膜１３６および電極層１６４は、一例として、電極層１６２が有する後に配線部１１４と接続される接続部を、基板とは反対側の上面方向に露出するように形成される。
次に、電極層１６４上に絶縁材料で保護膜１５２を形成する（Ｓ３４０）。本実施例において、保護膜１５２は、酸化シリコンであり、支持層１５０と共に、電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４を覆って形成される。保護膜１５２は、一例として、支持層１５０と同様に、ＣＶＤ法で形成される。保護膜１５２および支持層１５０は、同一の材料で形成されるので、両者で形成される酸化シリコン層の内部に、電極層１６２、圧電膜１３６、および電極層１６４が配置されるように形成される。図９は、本実施形態に係る電極層１６４上に保護膜１５２を形成した段階の断面を示す。
次に、支持層１５０および保護膜１５２を加工する。ここで、支持層１５０および保護膜１５２は、圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４を覆ったまま、本体部１３０の形状に加工される。
また、支持層１５０および保護膜１５２は、本体部１３０の可動端である先端部において、圧電膜１３６が設けられていない突出部１５６を残して形成される。支持層１５０および保護膜１５２は、エッチングによって形成されてよい。
図１０は、本実施形態に係る支持層１５０および保護膜１５２を加工した段階の上面図を示す。本図において、複数の電極層および圧電膜で形成された１つの本体部１３０が、基板上に形成されている例を示す。本段階において、支持層１５０および保護膜１５２は、本体部１３０の表面形状に加工されているので、基板上の一部は、台座部１４０となる基板が露出している。また、電極層１６２および電極層１６４の接続部は、上方から露出する。ここで、製造に用いる基板の直径は、２インチ以上の基板を用いてよく、この場合、複数の本体部１３０が当該基板上に形成される。
次に、突出部１５６上に、第２接点部１３２を形成する（Ｓ３５０）。図１１は、本実施形態に係る第２接点部１３２を突出部１５６上に形成した段階の断面を示す。
次に、基板を加工して、台座部１４０を形成する（Ｓ３６０）。ここで、台座部１４０は、基板の本体部１３０が形成される面と反対の他方の面から、基板の一部がエッチングによって除去されて形成される。ここで、台座部１４０は、一例として、保護膜１５２または保護膜１５２を形成しない場合は支持層１５０を、エッチングストップ層としてエッチングされる。
本段階において、本体部１３０の一端は基板と分離されて可動端となり、台座部１４０に固定された他端を固定端として自立する。図１２は、本実施形態に係る基板を加工して、台座部１４０を形成した段階の断面を示す。ここで、本体部１３０は、内部応力によって変位する。図中において、本体部１３０の可動端が、矢印に示す方向に発生する内部応力によって台座部１４０とは離れる方向に変位する例を示した。
ここで、以上の本実施例に係るアクチュエータ１００を形成する過程において、支持層１５０、保護膜１５２、圧電膜１３６、電極層１６２、および／または電極層１６４は、内部応力が予め定められた方向を向いて形成され、当該内部応力によって本体部１３０を予め定められた方向に初期変位させてもよい。即ち、本体部１３０は、内部応力が図中の矢印の方向に発生するように形成され、当該内部応力によって台座部１４０とは離れる方向に変位させる。これによって、制御部３００は、アクチュエータ１００をＯＮにする制御電圧を低くすることができる。
図１３は、本実施形態に係る基板を加工して、台座部１４０を形成した段階の下面図を示す。即ち、本図は、台座部１４０側から見た本体部１３０を示す。本体部１３０の台座部１４０側は、保護膜１５２が露出する。ここで、台座部１４０は、一例として、開口部１４２が設けられる。開口部１４２は、本体部１３０と電気信号をやりとりする電気配線の接続作業に用いられる。
次に、台座部１４０は、基体下部１１０および基体上部１７０と、それぞれ接続される（Ｓ３７０）。本実施例の基体下部１１０および基体上部１７０は、一例として、それぞれガラス基板で形成され、台座部１４０とは、電圧を印加しつつ加熱して接合する陽極接合によってそれぞれ接合される。
図１４は、本実施形態に係る台座部１４０と、基体下部１１０とを接続した段階の断面を示す。電極層１６２および電極層１６４の接続部は、一例として、基体下部１１０に設けられた配線部１１４とそれぞれ接続される。例えば、接続部と配線部１１４とは、圧着によって接続される。また、当該接続の作業は、一例として、台座部１４０の開口部１４２から実行される。
図１５は、本実施形態に係る台座部１４０と、基体上部１７０とを接続した段階の断面を示す。このようにして形成したアクチュエータ１００は、基体の外部に設けられた制御部３００からの制御信号に応じて、本体部１３０が駆動され、第１接点１２２と第２接点１３４が接触または離間する。
以上のように、本実施形態によるアクチュエータ１００は、圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４を、支持層１５０と略同一の弾性および剛性を有する保護膜１５２で包み込んで形成される。これに代えて、アクチュエータ１００は、支持層１５０上に圧電膜１３６、電極層１６２、および電極層１６４が形成され、保護膜１５２は形成されなくてもよい。また、以上の本実施形態のアクチュエータ１００は、１つの圧電膜１３６を有する本体部１３０を備えることを説明したが、これに代えて、２以上の圧電膜を積層させた本体部１３０を備えてもよい。この場合、本体部１３０は、圧電膜と電極を多層に積層させる。
図１６は、本実施形態に係る試験装置４００の構成例をアクチュエータ１００と共に示す。試験装置４００は、アクチュエータ１００の動作を試験する。試験装置４００は、アクチュエータ１００に駆動電圧を供給し、当該アクチュエータ１００のスイッチング特性を試験する。また、試験装置４００は、アクチュエータ１００に接続される第１設定部３１０および第２設定部３２０の回路素子および／または回路接続を決定する。試験装置４００は、制御部４１０と、電源供給部４２０と、測定部４３０と、決定部４４０とを備える。
制御部４１０は、試験プログラムの実行および／またはユーザの入力に応じて、アクチュエータ１００の試験を実行する。制御部４１０は、実行すべき試験に応じて、電源供給部４２０に駆動電圧を出力させ、測定部４３０にアクチュエータ１００の接点間の電気的接続を測定させる。
電源供給部４２０は、制御部４１０に接続され、制御部４１０の指示に応じてアクチュエータ１００に駆動電圧を供給する。例えば、電源供給部４２０は、０Ｖから徐々に増加する駆動電圧を供給する。これに代えて、電源供給部４２０は、予め定められたパルス状の駆動電圧を供給してもよい。
測定部４３０は、制御部４１０に接続され、制御部４１０の指示に応じてアクチュエータ１００の駆動電圧と第１、第２接点間の電気的接続との対応関係を測定する。即ち例えば、測定部４３０は、アクチュエータ１００の導通／非導通を測定する。また、測定部４３０は、例えば、アクチュエータ１００の動作速度を測定する。
決定部４４０は、測定部４３０が測定した対応関係に応じて、第２設定部３２０の回路を決定する。一例として、決定部４４０は、電源供給部４２０が供給する０Ｖから徐々に増加させた駆動電圧に対して、測定部４３０が測定したアクチュエータ１００の導通／非導通の測定結果より、アクチュエータ１００をＯＮにさせる駆動電圧を判断する。次に、決定部４４０は、アクチュエータ１００をＯＮにさせる駆動電圧に基づき、第２設定部３２０の回路を決定する。より具体的には、決定部４４０は、第２設定部３２０によって制御電圧の分圧値が当該駆動電圧となるように、第２設定部３２０が有する抵抗素子の抵抗値を決定する。
これに代えて、または、これに加えて、決定部４４０は、アクチュエータの動作速度に応じて第１設定部３１０の回路を決定する。一例として、決定部４４０は、電源供給部４２０が供給するパルス状の駆動電圧に対して、測定部４３０が測定したアクチュエータ１００の導通／非導通の測定結果より、アクチュエータ１００の動作速度を判断する。次に、決定部４４０は、アクチュエータ１００の動作速度に基づき、第１設定部３１０の回路を決定する。より具体的には、決定部４４０は、第１設定部３１０による緩和時間が当該動作速度に応じて予め定められた値となるように、第１設定部３１０が有する抵抗素子または容量素子の値を決定する。
このように、以上の本実施形態に係る試験装置４００は、アクチュエータ１００の動作を試験しつつ、当該アクチュエータ１００を駆動させる制御部３００の回路を決定することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ アクチュエータ装置、１００ アクチュエータ、１１０ 基体下部、１１２ ビア、１１４ 配線部、１２０ 第１接点部、１２２ 第１接点、１３０ 本体部、１３２ 第２接点部、１３４ 第２接点、１３６ 圧電膜、１４０ 台座部、１４２ 開口部、１５０ 支持層、１５２ 保護膜、１５６ 突出部、１６２ 電極層、１６４ 電極層、１７０ 基体上部、２００ 搭載基板、２１０ 接続部、３００ 制御部、３０５ 入力端子、３１０ 第１設定部、３２０ 第２設定部、３３０ 電源部、４００ 試験装置、４１０ 制御部、４２０ 電源供給部、４３０ 測定部、４４０ 決定部
Claims (15)
- 一端に駆動電圧、多端に基準電位が印加されて駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータの前記一端に接続され、前記アクチュエータの動作速度を設定する第１設定部と、
前記アクチュエータの前記一端と前記基準電位との間に設けられ、前記アクチュエータの前記駆動電圧を設定する第２設定部と
を備えるアクチュエータ装置。 - 外部から制御電圧が印加される入力端子を更に備え、
前記第１設定部は、前記入力端子と前記アクチュエータの前記一端との間に接続される第１の抵抗素子を有する
請求項１に記載のアクチュエータ装置。 - 前記第２設定部は、前記アクチュエータの前記一端と前記基準電位との間に接続される第２の抵抗素子を有する請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第１設定部は、複数の抵抗素子を有し、前記アクチュエータの動作速度に応じて選択された抵抗素子を、前記第１の抵抗素子とする請求項２に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第２設定部は、複数の抵抗素子を有し、前記アクチュエータの初期変位量に応じて選択された抵抗を前記アクチュエータの前記一端と前記基準電位との間に接続される第２の抵抗素子とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第１設定部および前記第２設定部の少なくとも一方は、トリミングにより抵抗値が調整された抵抗素子を有する請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第１設定部は、前記アクチュエータの前記一端と前記基準電位との間に接続される容量素子を有する請求項１に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第１設定部は、複数の容量素子を有し、前記アクチュエータの動作速度に応じて選択された容量素子を前記アクチュエータの前記一端と前記基準電位との間に接続する請求項７に記載のアクチュエータ装置。
- 前記アクチュエータが搭載される搭載基板を更に備え、
前記第１設定部および前記第２設定部の少なくとも一方は、前記搭載基板上に設けられる請求項１から８のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。 - 前記アクチュエータは、
第１接点と、
前記第１接点に対向する第２接点と、
前記駆動電圧に応じて伸縮する圧電膜と
を有し、
前記圧電膜の伸縮によって前記第２接点を移動させて前記第１接点と接触または離間させるスイッチである請求項１から９のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。 - 前記圧電膜は、内部応力が予め定められた方向を向いて形成され、当該内部応力によって前記アクチュエータが予め定められた方向に初期変位する請求項１０に記載のアクチュエータ装置。
- 前記アクチュエータの初期変位量がゼロで形成された場合に、前記第１接点と前記第２接点とを電気的に接続させる前記駆動電圧以上の電圧を制御電圧として供給する電源部を更に備える請求項１０または１１に記載のアクチュエータ装置。
- 請求項１から１２のいずれか一項に記載のアクチュエータを試験する試験装置であって、
前記アクチュエータに接続され、前記アクチュエータの前記駆動電圧と前記第１、第２接点間の電気的接続との対応関係を測定する測定部と、
前記対応関係に応じて前記第２設定部の回路を決定する決定部と
を備える試験装置。 - 前記測定部は、前記アクチュエータの動作速度を測定し、
前記決定部は、前記アクチュエータの動作速度に応じて前記第１設定部の回路を決定する請求項１３に記載の試験装置。 - 請求項１から１２のいずれか一項に記載のアクチュエータを試験する試験方法であって、
前記アクチュエータの前記駆動電圧と前記第１、第２接点間の電気的接続との対応関係を測定する段階と、
前記対応関係に応じて、前記第２設定部の回路を決定する段階と、
を備える試験方法。
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