JP2017229194A - Ｍｅｍｓデバイス、圧電アクチュエーター、及び、超音波モーター - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧降下等が抑制された出力の高いＭＥＭＳデバイス、圧電アクチュエーター、及び、超音波モーターを提供する。
【解決手段】基板（２４）の第１の面（３９）側から順に第１の電極層（２８）、圧電体層（２９）、及び、第２の電極層（３０）が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、基板（２４）の第１の面（３９）とは反対側の第２の面（４０）に第１の配線層（２８）が積層され、第１の電極層（２８）と第１の配線層（３４）とは、基板（２４）を貫通する貫通配線（３７）を介して接続されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【選択図】図６
【解決手段】基板（２４）の第１の面（３９）側から順に第１の電極層（２８）、圧電体層（２９）、及び、第２の電極層（３０）が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、基板（２４）の第１の面（３９）とは反対側の第２の面（４０）に第１の配線層（２８）が積層され、第１の電極層（２８）と第１の配線層（３４）とは、基板（２４）を貫通する貫通配線（３７）を介して接続されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【選択図】図６
Description
本発明は、２つの電極に挟まれた圧電体層を有するＭＥＭＳデバイス、圧電アクチュエーター、及び、超音波モーターに関するものである。
圧電素子を備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種である圧電アクチュエーターは、ロボットや各種の装置の駆動部分に応用されている。圧電素子は、２つの電極と、この２つの電極に挟まれた圧電体層とからなり、両電極への電圧の印加により変形する。圧電アクチュエーターは、この圧電素子の変形を利用して、これに接するローター等の被駆動体を駆動する。例えば、圧電アクチュエーターが応用される超音波モーターは、複数の圧電素子が形成される基板と、ローターを回転させるための突起が形成された振動板とが積層されて成る（特許文献１参照）。このような超音波モーターにおいては、複数の圧電素子を選択的に変形させることで、振動板を変形させて突起を往復運動又は楕円運動させる。そして、この突起の運動をローターに伝達させることで、ローターを回転させている。
従来の圧電アクチュエーターの構造の一例を、図１６及び図１７を用いて詳しく説明する。なお、図１６は圧電アクチュエーター８９の平面図であり、図１７は図１６におけるＢ−Ｂ断面図である。また、図１６においては、最表面（最上面）の配線層９９をハッチングで表している。図１６に示すように、圧電アクチュエーター８９の基板９０上には、基板９０の幅方向（すなわち、短手方向）の中央において、基板９０の長手方向に長尺に形成された圧電素子９１と、この中央の圧電素子９１よりも小さい、基板９０の四隅の位置に形成された圧電素子９１と、が配置されている。これら５つの圧電素子９１は、図１７に示すように、基板９０の全面に積層された酸化膜９３上において、当該酸化膜９３側から順に第１の電極層９４、圧電体層９５、第２の電極層９６が積層されて成る。なお、第１の電極層９４及び第２の電極層９６は、例えばスパッタリング法等により形成された薄膜電極である。圧電体層９５及び第２の電極層９６は、個別の圧電素子９１毎に形成されている。すなわち、それぞれ各圧電素子９１に対応する位置に形成されている。一方、第１の電極層９４は、５つの圧電素子９１に共通の電極層として、基板９０のほぼ全面に亘って形成されている。また、例えばＣＶＤ法等により酸化シリコン等からなる絶縁層９７が第１の電極層９４、圧電体層９５及び第２の電極層９６を覆うように、基板９０のほぼ全面に亘って形成されている。さらに、各圧電素子９１上における第２の電極層９６に対応する位置、及び、圧電素子９１から外れた位置における第１の電極層９４に対応する位置には、絶縁層９７が除去されたコンタクトホール９８が形成されている。このコンタクトホール９８により、絶縁層９７上に積層される配線層９９と、これに対応する第２の電極層９６又は第１の電極層９４とが導通されている。
配線層９９は、例えば、図１６に示すように、３つの領域に形成されている。具体的には、基板９０の中央に位置する圧電素子９１及び基板９０の一の対角（図１６における左上及び右下）に位置する圧電素子９１の第２の電極層９６に導通する配線層９９ａと、基板９０の他の対角（図１６における左下及び右上）に位置する圧電素子９１の第２の電極層９６に導通する配線層９９ｂと、各圧電素子９１に共通な第１の電極層９４に導通する配線層９９ｃと、が形成されている。これにより、中央及び一の対角に位置する圧電素子９１に同じ電圧が印加され、これらが同じ位相で振動する。また、他の対角に位置する圧電素子９１に同じ電圧が印加され、これらが同じ位相で振動する。そして、中央及び一の対角に位置する圧電素子９１の振動の位相と、他の対角に位置する圧電素子９１の振動の位相を異ならせることで、この圧電アクチュエーター８９に取り付けられる突起１００を往復運動又は楕円運動させている。
ところで、上記のような構造においては、基板９０の一方の面に複数の配線層９９が形成されるため、配線層９９のレイアウト（すなわち、引き回し）が制限される。このため、配線層９９を通じて圧電素子９１に至るまでの配線抵抗（電気抵抗とも言う）が高くなり易い。具体的には、図１７に示すように、第１の電極層９４に導通する配線層９９ｃは、第２の電極層９６に導通する配線層９９ａを避けて、圧電素子９１から外れた位置に形成されるため、第１の電極層９４が圧電素子９１の外側まで延在されることになる。すなわち、膜厚が薄く抵抗が高くなり易い第１の電極層９４のみからなる配線が形成されることになる。この第１の電極層９４のみからなる部分で電圧降下が大きくなり、十分な電圧を圧電素子９１に供給できない虞がある。また、第２の電極層９６に導通する配線層９９のうち圧電素子９１間等の圧電素子９１から外れた位置における配線層９９は、薄い絶縁層９７を挟んで第１の電極層９４と対向するため、この部分に寄生容量が形成される。その結果、駆動信号の遅延やノイズ等の不具合が発生する虞がある。また、この部分における第２の電極層９６と第１の電極層９４との間の電界強度が高くなり、絶縁破壊等の不具合が発生する虞もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電圧降下等が抑制されたＭＥＭＳデバイス、圧電アクチュエーター、及び、超音波モーターを提供することにある。
本発明におけるＭＥＭＳデバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、基板の第１の面側から順に第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、
前記基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に第１の配線層が積層され、
前記第１の電極層と前記第１の配線層とは、前記基板を貫通する貫通配線を介して接続されたことを特徴とする。
前記基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に第１の配線層が積層され、
前記第１の電極層と前記第１の配線層とは、前記基板を貫通する貫通配線を介して接続されたことを特徴とする。
本発明によれば、圧電体層が形成された第１の面とは反対側の第２の面に第１の配線層が形成されるため、設計の自由度が増す。すなわち、第１の面に形成される第２の電極層やこの第２の電極層に導通される第２の配線層等の配線と干渉することなく、第１の配線層を形成することができる。これにより、第１の配線層が形成される領域等を可及的に大きくでき、第１の配線層の配線抵抗（電気抵抗）を抑えることができる。その結果、圧電体層と重なる第１の電極層における電圧降下が抑制される。
また、上記構成において、前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層の積層方向において、前記貫通配線は、前記圧電体層と重なることが望ましい。
この構成によれば、第１の電極層を圧電体層の外側まで引き回さなくてよいため、配線抵抗を抑えることができる。すなわち、膜厚を厚くすることが困難であり、配線抵抗が高くなり易い第１の電極層のみからなる領域（配線部分）を減らすことができる。その結果、圧電体層と重なる第１の電極層における電圧降下が一層抑制される。
また、上記各構成において、前記積層方向において、前記貫通配線は、前記第１の電極層と前記圧電体層と前記第２の電極層とが重なる領域と重なることが望ましい。
この構成によれば、第１の電極層を当該第１の電極層と圧電体層と第２の電極層とが重なる領域の外側まで引き回さなくてよいため、配線抵抗を抑えることができる。
さらに、上記各構成の何れかにおいて、前記第１の配線層の少なくとも一部が、前記基板内に埋設されたことが望ましい。
この構成によれば、ＭＥＭＳデバイスの板厚が厚くなることを抑制しつつ、第１の配線層の配線抵抗を抑えることができる。
そして、上記各構成の何れかにおいて、前記第１の電極層と前記第１の配線層とは、複数の前記貫通配線を介して接続されたことが望ましい。
この構成によれば、第１の電極層と第１の配線層とを１つの貫通配線で接続する場合と比べて、第１の配線層の密着性を向上できる。これにより、第１の配線層が、基板から剥離することを抑制できる。
また、本発明におけるＭＥＭＳデバイスは、基板の第１の面側から順に第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、
前記基板の第１の面に、前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層を覆う樹脂層と、少なくとも前記樹脂層の一部に積層された第２の配線層と、が形成され、
前記第２の電極層と前記第２の配線層とは、前記樹脂層に形成されたコンタクトホールを介して接続されたことを特徴とする。
前記基板の第１の面に、前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層を覆う樹脂層と、少なくとも前記樹脂層の一部に積層された第２の配線層と、が形成され、
前記第２の電極層と前記第２の配線層とは、前記樹脂層に形成されたコンタクトホールを介して接続されたことを特徴とする。
この構成によれば、第１の電極層と第２の配線層とを樹脂層により隔離することができる。このため、第１の電極層と第２の配線層との間に形成される寄生容量を抑えることができる。また、第１の電極層と第２の配線層との間の電界強度を抑えることができる。これにより、第１の電極層のパターンを避けることなく、第２の配線層を配置でき、設計の自由度が増す。その結果、第２の配線層が形成される領域等を可及的に大きくでき、第２の配線層の配線抵抗を抑えることができる。
また、上記構成において、前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層の積層方向において、前記コンタクトホールは、前記圧電体層と重なることが望ましい。
この構成によれば、第２の電極層を圧電体層の外側まで引き回さなくてよいため、配線抵抗を抑えることができる。すなわち、膜厚を厚くすることが困難であり、配線抵抗が高くなり易い第２の電極層のみからなる領域（配線部分）を減らすことができる。
さらに、上記各構成の何れかにおいて、前記第２の配線層の少なくとも一部が、前記樹脂層内に埋設されたことが望ましい。
この構成によれば、ＭＥＭＳデバイスの板厚が厚くなることを抑制しつつ、第２の配線層の配線抵抗を抑えることができる。
そして、上記各構成の何れかにおいて、前記第２の電極層と前記第２の配線層とは、複数の前記コンタクトホールを介して接続されたことが望ましい。
この構成によれば、第２の電極層と第２の配線層とを１つのコンタクトホールで接続する場合と比べて、第２の配線層の密着性を向上できる。これにより、第２の配線層が、樹脂層から剥離することを抑制できる。
さらに、本発明における圧電アクチュエーターは、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電界を形成することにより前記圧電体層を変形させ、前記圧電体層の変形により前記基板を変形させる圧電アクチュエーターであって、
上記各構成の何れかのＭＥＭＳデバイスの構造を有することを特徴とする。
上記各構成の何れかのＭＥＭＳデバイスの構造を有することを特徴とする。
この構成によれば、圧電アクチュエーターの出力を高めることができる。
また、本発明における超音波モーターは、前記基板の変形に伴って位置が変動する突起と、前記突起と当接し、前記突起の変動に伴って回転する回転体とを備えた超音波モーターであって、
上記構成の圧電アクチュエーターの構造を有することを特徴とする。
上記構成の圧電アクチュエーターの構造を有することを特徴とする。
この構成によれば、超音波モーターの出力を高めることができる。
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明のＭＥＭＳデバイスの一種である圧電アクチュエーター１７を備えた超音波モーター１を例に挙げて説明する。図１は、超音波モーター１の構成を説明する平面図である。また、図２は、超音波モーター１の構成を説明する正面図である。
超音波モーター１は、基台２、回転体の一種であるローター３、ローター３を回転させる駆動装置４、及び、駆動装置４を保持する保持機構５等から構成されている。ローター３は、円柱状を呈しており、基台２の一方の面（駆動装置４が配置される表面）に回転可能な状態で軸支されている。保持機構５は、駆動装置４が取り付けられるスライド部材７と、スライド部材７に一端が固定されたコイルばね等の付勢部材８と、基台２の一方の面に突設され、付勢部材８の他端が固定された支持ピン９と、を備えている。
スライド部材７は、基台２に対してスライド移動可能に支持されるベース部１１と、ベース部１１から基台２とは反対側に起立した一対の支持部１２と、を備えている。本実施形態におけるベース部１１は、スライド方向に長尺な図示しないスライド孔を２つ備えている。このスライド孔には、基台２に固定されたスライドピン１３が挿通されている。すなわち、このスライド孔に挿通されたスライドピン１３により、スライド部材７が長手方向にスライド移動可能な状態で保持されている。支持部１２は、スライド方向に直交する方向（短手方向）における基台２の両端に形成されている。この支持部１２の先端側（すなわち、基台２とは反対側）には、後述する駆動装置４のねじ挿通孔（具体的には、振動板側ねじ挿通孔２０及びアクチュエーター側ねじ挿通孔２２）に対応するねじ固定孔１４が形成されている。このねじ固定孔１４に駆動装置４のねじ挿通孔を挿通したねじ１５を螺合させることで、駆動装置４が支持部１２に固定される。付勢部材８は、支持部１２と支持ピン９との間において、スライド部材７のスライド方向に沿って配置されている。この付勢部材８は、一端が支持部１２に固定され、他端が支持ピン９に固定されて、スライド部材７をローター３に向けて付勢する。これにより、スライド部材７に取り付けられた駆動装置４の後述する突起２３がローター３に押圧された状態となる。
次に駆動装置４について説明する。図３は、駆動装置４の分解斜視図である。図４は、圧電アクチュエーター１７を圧電素子２７側から見た平面図である。図５は、圧電アクチュエーター１７を圧電素子２７とは反対側から見た平面図である。図６は、図４及び図５におけるＡ−Ａ断面の模式図である。なお、図４及び図５においては、最表面の配線層（具体的には、第１の配線層３４、又は、第２の配線層３５）をハッチングで表している。
本実施形態における駆動装置４は、図３に示すように、金属製の振動板１８とシリコン製の基板２４に圧電素子２７等が形成された圧電アクチュエーター１７とを備えている。本実施形態における振動板１８は、圧電アクチュエーター１７の圧電素子２７が形成された側の面（後述する第１の面３９）に接合される平面視で矩形状を呈した板材である。この振動板１８により圧電アクチュエーター１７を補強することができる。また、振動板１８のスライド方向に直交する方向における両端には、振動板接続部１９が形成されている。この振動板接続部１９に支持部１２のねじ固定孔１４に対応する振動板側ねじ挿通孔２０が開口されている。さらに、振動板１８のローター３側の辺におけるスライド方向に直交する方向の中央部には、ローター３に当接（接触）する突起２３が形成されている。この突起２３は、ローター３に当接して、当該ローター３に回転する力を加えるための部材である。なお、振動板１８は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄−ニッケル合金などの金属材料で形成することができる。また、突起２３は、振動板１８と一体的に形成することもできるし、より耐久性のある部材で形成することもできる。
本実施形態における圧電アクチュエーター１７は、平面視において、突起２３以外の形状が振動板１８と略同じ形状に形成された矩形状の板材である。振動板１８と同じように、振動板１８のスライド方向に直交する方向における両端には、アクチュエーター接続部２１が形成されている。そして、このアクチュエーター接続部２１に振動板側ねじ挿通孔２０に対応するアクチュエーター側ねじ挿通孔２２が開口されている。すなわち、振動板１８と圧電アクチュエーター１７とを重ねあわせた状態で、振動板側ねじ挿通孔２０とアクチュエーター側ねじ挿通孔２２とが連通する。この振動板側ねじ挿通孔２０及びアクチュエーター側ねじ挿通孔２２を通じて、ねじ１５を支持部１２のねじ固定孔１４に固定することで、駆動装置４がスライド部材７に固定される。
圧電アクチュエーター１７を構成する基板２４の振動板１８に対向する側の面（以下、第１の面３９という）には、圧電素子２７が形成されている。本実施形態においては、５つの圧電素子２７ａ〜２７ｅが形成されている。具体的には、圧電アクチュエーター１７の短手方向（すなわち、スライド方向に直交する方向）の中央において、圧電アクチュエーター１７の長手方向（すなわち、スライド方向）に長尺に形成された圧電素子２７ｅと、電アクチュエーターの四隅において、長手方向における寸法が中央の圧電素子２７ｅよりも小さく形成された圧電素子２７ａ〜２７ｄと、が配置されている。
各圧電素子２７ａ〜２７ｅは、図６に示すように、基板２４の第１の面３９側（より詳しくは、基板２４の第１の面３９に形成された酸化膜２５側）から順に、第１の電極層２８、圧電体層２９及び第２の電極層３０が順次積層されてなる。第１の電極層２８は、各圧電素子２７ａ〜２７ｅに共通な電極であり、図４に示すように、基板２４のほぼ全面に形成されている。一方、圧電体層２９及び第２の電極層３０は、各圧電素子２７ａ〜２７ｅに個別の電極であり、圧電素子２７の配置される領域に形成されている。すなわち、圧電体層２９及び第２の電極層３０は、各圧電素子２７ａ〜２７ｅの形状を規定する。なお、駆動回路や配線の都合によって、第１の電極層２８を個別電極、第２の電極層３０を共通電極にすることもできる。このように構成された圧電素子２７は、第１の電極層２８と第２の電極層３０との間に両電極の電位差に応じた電界が付与されると、圧電横効果により長手方向に伸縮振動（換言すると、伸縮運動）する。
また、図６に示すように、圧電素子２７を含む第１の電極層２８、圧電体層２９、及び、第２の電極層３０の全体を覆うように無機保護膜３１、及び、この無機保護膜３１を覆う第１の樹脂層３２（本発明における樹脂層に相当）がこの順に積層されている。そして、この第１の樹脂層３２の内部に第２の電極層３０と導通する第２の配線層３５が埋め込まれている。本実施形態における第１の樹脂層３２は、第２の配線層３５の上面及び下面に形成されている。換言すると、第２の配線層３５は、第１の樹脂層３２の間に積層されている。このため、第１の電極層２８、圧電体層２９、及び、第２の電極層３０と第２の配線層３５との間には、無機保護膜３１、及び、第１の樹脂層３２が配置される。また、圧電素子２７に対応する位置（具体的には、第１の電極層２８、圧電体層２９、及び、第２の電極層３０の積層方向において、圧電体層２９と重なる領域）には、第２の電極層３０と第２の配線層３５との間の無機保護膜３１、及び、第１の樹脂層３２が除去されて、当該第２の電極層３０と第２の配線層３５とを接続するコンタクトホール３６が複数形成されている。本実施形態におけるコンタクトホール３６の径は、圧電素子２７の長手方向及び短手方向における寸法よりも十分に小さく形成されている。このコンタクトホール３６は、図４に示すように、第２の電極層３０が形成されている領域、すなわち、圧電体層２９が形成されている領域の全体に満遍なく（換言すると、一様に）配置されている。
本実施形態における第２の配線層３５は、２系統に分けられており、両者に異なる電圧が印加されるように構成されている。一方の第２の配線層３５ａは、基板２４の一の対角（図４における左上及び右下）の位置に配置される圧電素子２７ａ、２７ｄに亘って形成されている。具体的には、一方の第２の配線層３５ａは、図４に示すように、左上の隅に配置される圧電素子２７ａの第２の電極層３０と、中央に配置される圧電素子２７ｅの第２の電極層３０と、右下の隅に配置される圧電素子２７ｄの第２の電極層３０と、を接続するように配置されている。他方の第２の配線層３５ｂは、基板２４の他の対角（図４における左下及び右上）の位置に配置される圧電素子２７ｃ、２７ｂに亘って形成されている。具体的には、他方の第２の配線層３５ｂは、左下の隅に配置される圧電素子２７ｃの第２の電極層３０と、右上の隅に配置される圧電素子２７ｂの第２の電極層３０と、を一方の第２の配線層３５ａを避けて接続するように配置されている。すなわち、他方の第２の配線層３５ｂは、左下の隅に配置される圧電素子２７ｃに対応する位置から、右下の隅に配置される圧電素子２７ｄ上の一方の第２の配線層３５ａの外側を引き回されて、右上の隅に配置される圧電素子２７ｂに対応する位置まで延在されている。なお、第２の配線層３５は、例えばアクチュエーター接続部２１等の基板２４の端部で、図示しない外部配線と接続されている。
また、図６に示すように、圧電アクチュエーター１７を構成する基板２４の圧電素子２７が形成されている面（第１の面３９）とは反対側の面（以下、第２の面４０という）には、第１の電極層２８と接続される第１の配線層３４が積層されている。本実施形態における第１の配線層３４は、図５に示すように、基板２４の第２の面４０のほぼ全面に形成されている。さらに、第１の配線層３４は、図６に示すように、基板２４を貫通する貫通配線３７を介して第１の電極層２８と接続されている。貫通配線３７は、基板２４を板厚方向に貫通した貫通孔４２の内部に第１の配線層３４と同様の導体を形成してなる。本実施形態における貫通孔４２の内径、すなわち貫通配線３７の径は、圧電素子２７の長手方向及び短手方向における寸法よりも十分に小さく形成されている。また、貫通配線３７は、圧電素子２７に対応する領域に複数形成されている。具体的には、図５に示すように、本実施形態における貫通配線３７は、第１の電極層２８、圧電体層２９、及び、第２の電極層３０の積層方向において圧電素子２７（すなわち圧電体層２９）と重なる領域の全体に満遍なく（換言すると、一様に）配置されている。なお、第１の配線層３４は、例えばアクチュエーター接続部２１等の基板２４の端部で、図示しない外部配線と接続されている。
さらに、図６に示すように、基板２４の第２の面４０には、第１の配線層３４を覆う第２の樹脂層３３が形成されている。この第２の樹脂層３３は、第２の配線層３５を覆う第１の樹脂層３２と一体的に形成されている。すなわち、圧電アクチュエーター１７の全体が、第１の樹脂層３２及び第２の樹脂層３３により覆われている。これにより、基板２４の表面及び裏面に形成された配線や圧電素子２７等を保護することができる。
なお、酸化膜２５としては、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、及び、これらが積層されたもの等を用いることができる。また、第１の電極層２８及び第２の電極層３０としては、イリジウム、白金、チタン、タングステン、ニッケル、クロム、パラジウム、金等の各種金属、及び、これらの合金、並びに、これらが積層されたもの等が用いられる。さらに、圧電体層２９としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その他、チタン酸バリウムなどの非鉛材料も用いることができる。また、無機保護膜３１としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び、これらが積層されたもの等を用いることができる。さらに、樹脂層としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、スチレン樹脂等を主成分に含む感光性樹脂等を用いることができる。そして、第１の配線層３４及び第２の配線層３５としては、銅、チタン、タングステン、及び、これらの合金、並びに、これらが積層されたもの等が用いられる。
図７は、上記のように構成された超音波モーター１の動作を説明する模式図である。なお、図７は、圧電アクチュエーター１７の圧電素子２７が形成された面とは反対側の面（すなわち、第２の面４０）側から見た平面図である。基板２４の一の対角（図７における左下及び右上）の位置に配置される圧電素子２７ａ、２７ｄ及び中央に配置される圧電素子２７ｅは、第２の配線層３５ａを介して同じ駆動電圧が供給されるため、これらの圧電体層２９には同じ電界がかかる。一方、基板２４の他の対角（図７における左上及び右下）の位置に配置される圧電素子２７ｂ、２７ｃは、第２の配線層３５ｂを介して同じ駆動電圧が供給されるため、これらの圧電体層２９には同じ電界がかかる。すなわち、一方の圧電素子群２７ａ、２７ｄ、２７ｅが同じ位相で伸縮振動し（図７における矢印参照）、他方の圧電素子群２７ｂ、２７ｃが同じ位相で伸縮振動する（図７における破線矢印参照）。そして、一方の圧電素子群２７ａ、２７ｄ、２７ｅと、他方の圧電素子群２７ｂ、２７ｃの振動の位相を異ならせることで、圧電アクチュエーター１７及びこれに接合された振動板１８が歪み変形し（図７における破線参照）、振動板１８に設けられた突起２３が往復運動又は楕円運動する。その結果、ローター３は、その軸を中心に所定の方向（図７における矢印参照）に回転する。なお、他方の圧電素子群２７ｂ、２７ｃを駆動し、一方の圧電素子群２７ａ、２７ｄ、２７ｅを駆動しないか、或いは、他方の圧電素子群２７ｂ、２７ｃよりも弱く駆動することで、ローター３の回転方向を図示した方向とは逆にすることができる。
このように、本実施形態においては、圧電体層２９が形成された第１の面３９とは反対側の第２の面４０に第１の配線層３４が形成されたので、設計の自由度が増す。すなわち、第１の面３９に形成された第２の電極層３０や第２の配線層３５等の配線と干渉することなく、第１の配線層３４を形成することができる。これにより、第１の配線層３４が形成される領域等を可及的に大きくでき、第１の配線層３４の配線抵抗（電気抵抗）を抑えることができる。その結果、圧電体層２９と重なる第１の電極層２８における電圧降下が抑制され、圧電アクチュエーター１７、ひいては超音波モーター１の出力を高めることができる。また、貫通配線３７が圧電体層２９（本実施形態では、第１の電極層２８と圧電体層２９と第２の電極層３０とが重なる領域、すなわち圧電素子２７）と重なるように形成されたので、第１の電極層２８を圧電体層２９の外側まで引き回すことなく、第１の電極層２８と第１の配線層３４とを接続することができる。これにより、膜厚を厚くすることが困難であり、配線抵抗が高くなり易い第１の電極層２８のみからなる領域（配線部分）を減らすことができる。その結果、圧電体層２９と重なる第１の電極層２８に至るまでの配線抵抗を抑えることができ、圧電体層２９と重なる第１の電極層２８における電圧降下が一層抑制される。さらに、複数の貫通配線３７を備えたので、第１の電極層２８と第１の配線層３４とを１つの貫通配線３７で接続する場合と比べて、第１の配線層３４の密着性を向上できる。これにより、第１の配線層３４が、基板２４から剥離することを抑制できる。
また、第１の電極層２８と第２の配線層３５とを第１の樹脂層３２で隔離したので、第１の電極層２８と第２の配線層３５との間に形成される寄生容量を抑えることができる。さらに、第１の電極層２８と第２の配線層３５との間の電界強度を抑えることができる。これにより、第１の電極層２８のパターンを避けることなく、第２の配線層３５を配置でき、設計の自由度が増す。その結果、第２の配線層３５が形成される領域等を可及的に大きくでき、第２の配線層３５の配線抵抗を抑えることができる。また、コンタクトホール３６が圧電体層２９と重なるように形成されたので、第２の電極層３０を圧電体層２９の外側まで引き回すことなく、第２の電極層３０と第２の配線層３５とを接続することができる。これにより、膜厚を厚くすることが困難であり、配線抵抗が高くなり易い第２の電極層３０のみからなる領域（配線部分）を減らすことができる。その結果、圧電体層２９と重なる第２の電極層３０に至るまでの配線抵抗を抑えることができる。さらに、第２の配線層３５の少なくとも一部が第１の樹脂層３２内に埋設されたので、圧電アクチュエーター１７の板厚が厚くなることを抑制しつつ、第２の配線層３５の配線抵抗を抑えることができる。また、複数のコンタクトホール３６を備えたので、第１の電極層２８と第１の配線層３４とを１つのコンタクトホール３６で接続する場合と比べて、第２の配線層３５の密着性を向上できる。これにより、第２の配線層３５が、第１の樹脂層３２から剥離することを抑制できる。
次に圧電アクチュエーター１７の製造方法について説明する。図８〜図１１は、圧電アクチュエーター１７の製造方法を説明する工程図である。まず基板２４の第１の面３９に酸化膜２５を形成する。次に、半導体プロセス（すなわち、成膜工程、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程など）により、第１の電極層２８、圧電体層２９、第２の電極層３０等を順次パターニングし、圧電素子２７等を形成する。また、半導体プロセスにより、コンタクトホール３６に対応する部分以外の圧電素子２７等を覆うように無機保護膜３１を形成する。さらに、感光性及び熱硬化性を有する液体状の感光性接着剤を、スピンコーター等を用いて無機保護膜３１が形成された第１の面３９に塗布し、加熱後に露光及び現像することでコンタクトホール３６に対応する部分が除去された第１の樹脂層３２の一部（下層部分）を形成する。これにより、図８に示すように、圧電素子２７が無機保護膜３１及び第１の樹脂層３２により覆われ、且つ圧電素子２７に対応する部分にコンタクトホール３６が形成される。
次に、図９に示すように、半導体プロセス又は電界めっき法により、第１の樹脂層３２上に第２の配線層３５を形成する。ここで、コンタクトホール３６を介して第２の配線層３５と第２の電極層３０とが導通される。次に、第２の面４０側から貫通配線３７を形成する。まず、図１０に示すように、基板２４および酸化膜２５を貫通する貫通孔４２を形成する。この貫通孔４２は、例えばドライエッチングやレーザー等により開設することができる。貫通孔４２を形成したならば、図１１に示すように、電界めっき法により、この貫通孔４２内に導電体を形成し、貫通配線３７を形成する。そして、第２の面４０に、半導体プロセス又は電界めっき法により、第１の配線層３４を形成する。これにより、貫通配線３７を介して第１の配線層３４と第１の電極層２８とが導通される。なお、第１の配線層３４を電界めっき法で形成する場合、貫通配線３７及び第１の配線層３４を一度の電界めっき法で形成することもできる。加えて、第２の配線層３５も電界めっき法で形成する場合、貫通配線３７、第１の配線層３４及び第２の配線層３５を一度の電界めっき法で形成することもできる。この場合、第１の樹脂層３２を形成した後に、貫通孔４２を形成し、電界めっき法により貫通配線３７、第１の配線層３４及び第２の配線層３５をまとめて形成する。
最後に、基板２４の第１の面３９及び第２の面４０を含む全体に樹脂を形成する。すなわち、第２の配線層３５を覆う第１の樹脂層３２及び第１の配線層３４を覆う第２の樹脂層３３を形成する。これにより、図６に示すような圧電アクチュエーター１７が作成される。
ところで、圧電アクチュエーター１７としては、上記した第１の実施形態に限られない。図１２〜図１４に示す第２の実施形態における圧電アクチュエーター１７′では、第１の配線層３４′が基板２４内に埋設されている。以下において、第２の実施形態の構成について詳しく説明する。なお、図１２は、第２の実施形態における圧電アクチュエーター１７′の断面の模式図、詳しくは、第１の実施形態におけるＡ−Ａ断面に相当する図である。また、図１３及び図１４は、第２の実施形態における圧電アクチュエーター１７′の製造方法を説明する工程図である。
本実施形態における圧電アクチュエーター１７′は、図１２に示すように、基板２４の第２の面４０に板厚方向に凹んだ凹部４４が形成されている。そして、この凹部４４内に第１の配線層３４′が形成されている。なお、本実施形態における凹部４４は、第２の面４０における基板２４の外周縁を除くほぼ全面に形成されている。このため、第１の配線層３４′は、第１の実施形態と同様に、第２の面４０のほぼ全面に形成される。また、貫通配線３７′は、凹部４４に対応する領域の基板２４を貫通して、第１の配線層３４′と第１の電極層２８とを接続するため、第１の実施形態の貫通配線３７′と比較して、距離が短くなっている。このため、第１の実施形態よりも配線抵抗が低くなっている。なお、第１の配線層３４′は、その全体が凹部４４内に埋設されるように形成することもできるし、一部が凹部４４から第２の面４０の外側（圧電素子２７とは反対側）にはみ出すように形成することもできる。そして、このように第１の配線層３４′の少なくとも一部が基板２４内に埋設されたので、圧電アクチュエーター１７′の板厚が厚くなることを抑制しつつ、第１の配線層３４′の配線抵抗を抑えることができる。なお、その他の構成は上記した第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
次に本実施形態における圧電アクチュエーター１７′の製造方法について説明する。なお、第１の面３９側の圧電素子２７等の形成については、上記した第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。第１の面３９に、圧電素子２７、無機保護膜３１、第１の樹脂層３２の一部、及び、第２の配線等が形成されたならば、図１３に示すように、第２の面４０に凹部４４及び貫通孔４２′を形成する。具体的には、異方性エッチング等により凹部４４を形成し、その後、ドライエッチングやレーザー等により貫通孔４２′を形成する。なお、先にドライエッチングやレーザー等により貫通孔４２′を形成し、その後、異方性エッチング等により凹部４４を形成することもできる。貫通孔４２′及び凹部４４を形成したならば、図１４に示すように、電界めっき法により、貫通孔４２′内及び凹部４４内に導電体を形成し、貫通配線３７′及び第１の配線層３４′を形成する。なお、第１の配線層３４′を貫通配線３７′とは別に、半導体プロセス又は電界めっき法により作成することもできる。最後に、基板２４の第１の面３９及び第２の面４０を含む全体に樹脂を形成する。すなわち、第２の配線層３５を覆う第１の樹脂層３２及び第１の配線層３４′を覆う第２の樹脂層３３を形成する。これにより、図１２に示すような圧電アクチュエーター１７′が作成される。
なお、上記した各実施形態では、第２の面４０に第１の電極層２８と導通される第１の配線層のみを配置したが、これには限られない。図１５に示す第３の実施形態における圧電アクチュエーター１７″では、第２の面４０に第１の配線層３４′のほか第２の配線層３５と導通される第３の配線層４５が形成されている。
具体的には、本実施形態においては、圧電素子２７から外れた領域であって、第１の配線層３４′が形成されていない領域Ａが第２の面４０の一部に形成されている。この領域Ａに第３の配線層４５が形成されている。本実施形態における第３の配線層４５は、第１の配線層３４′と同様に、基板２４が板厚方向に凹んだ凹部４７内に形成されている。すなわち、第１の配線層３４′が埋め込まれた凹部４４とは異なる位置に形成された凹部４７内に第３の配線層４５が埋め込まれている。また、第１の面３９側において、第２の配線層３５′は、この第３の配線層４５と対向する領域、すなわち領域Ａに対応する位置まで延在されている。そして、第２の配線層３５′と第３の配線層４５とは、基板２４及び当該基板２４と第２の配線層３５′との間の第１の樹脂層３２を貫通する貫通配線４６により接続されている。すなわち、第３の配線層４５は、貫通配線４６及び第２の配線層３５′を介して第２の電極層３０と接続されている。この貫通配線４６の径は、第１の配線層３４′と第１の電極層２８とを接続する貫通配線３７′と同様に、圧電素子２７の長手方向及び短手方向における寸法よりも十分に小さく形成されている。また、貫通配線４６は、領域Ａにおいて複数形成されている。このように、第２の電極層３０に接続される配線を第２の面４０側に形成することで、当該配線の配線抵抗を抑えることができる。例えば、レイアウトの都合上、第２の配線層３５′の一部の配線幅が狭くなったり膜厚が薄くなったりすることで当該第２の配線層３５′の配線抵抗が高くなる場合には、本実施形態のように、第３の配線層４５に接続して、第２の面４０内を引き回すことが望ましい。なお、その他の構成は上記した第２の実施形態と同じであるため、説明を省略する。また、本実施形態における圧電アクチュエーター１７″の製造方法については、貫通配線３７′の貫通孔４２′を形成する際に、貫通配線４６の貫通孔を形成し、第１の配線層３４′の凹部４４を形成する際に、第３の配線層４５の凹部４７を形成し、貫通配線３７′及び第１の配線層３４′を形成する際に、貫通配線４６及び第３の配線層４５を形成すること以外は、上記した第２の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
ところで、上記した各実施形態では、第１の配線層３４と第１の電極層２８とを接続する貫通配線３７や、第２の電極層３０と第２の配線層３５とを接続するコンタクトホール３６は、圧電素子２７（すなわち圧電体層２９）と重なる領域において、一様に配置されたが、これには限られない。例えば、圧電素子と重なる領域の中心部にこれらの貫通配線やコンタクトホールを集めて配置しても良い。また、貫通配線やコンタクトホールの一部を、圧電素子から外れた領域に形成することもできる。
また、上記した各実施形態では、超音波モーター１に用いられる圧電アクチュエーター１７を例示したが、これには限られない。第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層からなる圧電素子を有し、この圧電素子を変形させるその他の圧電アクチュエーターにも本発明を適用することができる。さらに、圧電アクチュエーターに限られず、第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層が積層されたＭＥＭＳデバイスであれば、本発明を適用することができる。例えば、第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層からなる圧電素子を圧力変化、振動、あるいは変位等を検出するためのセンサーに応用したものにも本発明を適用することができる。
１…超音波モーター，２…基台，３…ローター，４…駆動装置，５…保持機構，７…スライド部材，８…付勢部材，９…支持ピン，１１…ベース部，１２…支持部，１３…スライドピン，１４…ねじ固定孔，１５…ねじ，１７…圧電アクチュエーター，１８…振動板，１９…振動板接続部，２０…振動板側ねじ挿通孔，２１…アクチュエーター接続部，２２…アクチュエーター側ねじ挿通孔，２３…突起，２４…基板，２５…酸化膜，２７…圧電素子，２８…第１の電極層，２９…圧電体層，３０…第２の電極層，３１…無機保護膜，３２…第１の樹脂層，３３…第２の樹脂層，３４…第１の配線層，３５…第２の配線層，３６…コンタクトホール，３７…貫通配線，３９…第１の面，４０…第２の面，４２…貫通孔，４４…凹部，４５…第３の配線層，４６…貫通配線，４７…凹部，８９…圧電アクチュエーター，９０…基板，９１…圧電素子，９３…酸化膜，９４…第１の電極層，９５…圧電体層，９６…第２の電極層，９７…絶縁層，９８…コンタクトホール，９９…配線層，１００…突起
Claims (11)
- 基板の第１の面側から順に第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、
前記基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に第１の配線層が積層され、
前記第１の電極層と前記第１の配線層とは、前記基板を貫通する貫通配線を介して接続されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 - 前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層の積層方向において、前記貫通配線は、前記圧電体層と重なることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記積層方向において、前記貫通配線は、前記第１の電極層と前記圧電体層と前記第２の電極層とが重なる領域と重なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記第１の配線層の少なくとも一部が、前記基板内に埋設されたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記第１の電極層と前記第１の配線層とは、複数の前記貫通配線を介して接続されたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 基板の第１の面側から順に第１の電極層、圧電体層、及び、第２の電極層が積層されたＭＥＭＳデバイスであって、
前記基板の第１の面に、前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層を覆う樹脂層と、少なくとも前記樹脂層の一部に積層された第２の配線層と、が形成され、
前記第２の電極層と前記第２の配線層とは、前記樹脂層に形成されたコンタクトホールを介して接続されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 - 前記第１の電極層、前記圧電体層、及び、前記第２の電極層の積層方向において、前記コンタクトホールは、前記圧電体層と重なることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記第２の配線層の少なくとも一部が、前記樹脂層内に埋設されたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記第２の電極層と前記第２の配線層とは、複数の前記コンタクトホールを介して接続されたことを特徴とする請求項６から請求項８の何れか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電界を形成することにより前記圧電体層を変形させ、前記圧電体層の変形により前記基板を変形させる圧電アクチュエーターであって、
請求項１から請求項９の何れか一項に記載のＭＥＭＳデバイスの構造を有することを特徴とする圧電アクチュエーター。 - 前記基板の変形に伴って位置が変動する突起と、前記突起と当接し、前記突起の変動に伴って回転する回転体とを備えた超音波モーターであって、
請求項１０に記載の圧電アクチュエーターの構造を有することを特徴とする超音波モーター。
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