JP4534988B2 - 変位素子 - Google Patents

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Description

この発明は、変位素子に関するもので、特に、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を厚み方向に積層した構造を有する、両持ち状態の梁を備える、変位素子に関するものである。
この発明にとって興味ある変位素子として、たとえば特開平９−６３８９０号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許文献１には、可変容量素子を構成する変位素子が記載されている。特許文献１に記載される変位素子には、片持ち状態の梁を備える構造を有するものの他、たとえば、図１５に示すような両持ち状態の梁１を備える構造を有するものがある。
図１５を参照して、梁１は、ＳｉＯ2 からなる絶縁体層２と絶縁体層２の一方主面および他方主面上にそれぞれ形成された導電体層３および４とを厚み方向に積層した構造を有している。梁１は、その長手方向の第１および第２の端部５および６が、それぞれ、第１および第２の支持部７および８によって支持された、両持ち状態とされている。
梁１は、可変容量素子における可変側の電極を与えるものである。可変容量素子の固定側の電極は、図示しないが、支持部７および８を介して、梁１に対向する位置に設けられる。したがって、可変容量素子における静電容量値の正確かつ高精度な制御のため、あるいは容量値の温度特性の向上のためには、初期状態において、梁１の形状（撓み状態）が再現性良く安定していること、より特定的には、梁１が直線性に優れていることが重要である。
これに関して、梁１は、絶縁体層２に関して表裏対称な積層構造を有しているので、絶縁体層２の表裏面に発生する応力は相互に相殺され、したがって、初期状態において、梁１の反りが生じにくい構造となっている。
しかしながら、梁１における反りを、上述した表裏対称構造によって完全に防止するためには、導電体層３および４について、少なくとも膜厚、内部応力、弾性定数および熱膨張係数を完全に一致させる必要があり、また、絶縁体層２ならびに導電体層３および４の各層において、層の厚み方向に完全に均質にする必要があるが、実際には、これらの条件を満たすことは非常に困難である。
そのため、初期状態すなわち作製直後の梁１において、図１６または図１７に示すような反りが生じることが避けられないのが現状である。図１６では、梁１は、矢印９で示すように、上方へ湾曲した形状に反っており、梁１の中央部の初期状態での絶対位置は上方へ変位している。他方、図１７では、梁１は、矢印１０で示すように、下方へ湾曲した形状に反っており、梁１の中央部の初期状態での絶対位置は下方へ変位している。また、温度変化によっても、上述したような反りが梁１に生じることがある。
また、梁１に与えられる表裏対称構造は、以下のように、梁１の設計の自由度を低下させるという問題もある。
たとえば、図１５に示した梁１では、絶縁体層２の表裏にそれぞれ導電体層３および４を形成することによって、合計３層の表裏対称構造を実現しているが、これに１つの機能材料層を追加したい場合には、表裏それぞれに、この機能材料層を追加することによって、合計５層の表裏対称構造としなければならない。
しかしながら、上述のように追加される機能材料層のうち、表裏いずれかの側にあるものについては、単に表裏対称構造を実現するためだけに形成されるものである。したがって、この機能材料層の形成のための作製工程数が増え、コストの上昇を招くという問題に遭遇する。
また、絶縁体層２の表裏各々側において、前述したように、膜厚、内部応力、弾性定数および熱膨張係数を完全に一致させることは、合計３層の表裏対称構造の場合に比べて、合計５層の表裏対称構造の場合の方が格段に困難になる。
また、たとえば、図１５に示した構造について言えば、表裏対称構造を実現するためには、導電体層３の平面パターンと導電体層４の平面パターンとについても、対称形状としなければならない。しかしながら、梁１に求められる機能によっては、導電体層３と導電体層４とを対称形状にできない場合があり、そのため、梁１に反りが発生するという問題を単純には解決できないこともある。
特開平９−６３８９０号公報
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る変位素子を提供しようとすることである。
この発明は、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を厚み方向に積層した構造を有する梁と、梁を両持ち状態とするように、梁の長手方向の第１および第２の端部をそれぞれ支持する第１および第２の支持部と、梁に厚み方向への変位を生じさせるため、梁における、第１の支持部による第１の支点と第２の支持部による第２の支点との間の有効撓み部分を厚み方向に撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段とを備え、有効撓み部分の厚み方向への撓みによって生じる、第１および第２の支持部に対する梁の厚み方向への変位を利用する、変位素子に向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。
すなわち、有効撓み部分の長手方向の中央部には、当該中央部の厚みを他の部分より厚くするための厚み付与部材が配置される。また、有効撓み部分は、第１の支点と第２の支点との垂直二等分面に関して対称構造を有するとともに、有効撓み部分における、第１の支点と厚み付与部材の第１の支点側の端に位置する第１の内端との間の第１の片側撓み部分は、第１の支点と第１の内端との垂直二等分面に関して対称構造を有し、かつ、有効撓み部分における、第２の支点と厚み付与部材の第２の支点側の端に位置する第２の内端との間の第２の片側撓み部分は、第２の支点と第２の内端との垂直二等分面に関して対称構造を有している。
この発明において、有効撓み部分は、その幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との垂直二等分面に関して対称構造を有していることが好ましい。
また、厚み付与部材は、有効撓み部分の幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との間の全域にわたって延びるように配置されていることが好ましい。
この発明に係る変位素子は、特に駆動手段に関して、いくつかの実施態様がある。
第１の実施態様では、変位素子は圧電駆動型変位素子を構成するもので、複数の機能材料層のうちの少なくとも１層は、圧電体からなる圧電体層であり、駆動手段は、圧電体層を圧電効果に基づいて歪ませる手段を備えている。
第２の実施態様では、変位素子は、電磁駆動型変位素子を構成するもので、複数の機能材料層のうちの少なくとも１層は、導電体からなる導電体層であり、駆動手段は、導電体層に電流を流すことによって磁力線を発生させる手段と、導電体層に電磁力を発生させて有効撓み部分を撓ませるように導電体層に外部より磁場を与える手段とを備えている。
第３の実施態様では、変位素子は、静電駆動型変位素子を構成するもので、複数の機能材料層のうちの少なくとも１層は、導電体からなる導電体層であり、駆動手段は、導電体層に対して空気層を隔てた位置に固定的に設けられた固定導電体と、導電体層と固定導電体との間に電圧を印加する手段とを備え、導電体層と固定導電体との間に電圧を印加することにより、導電体層と固定導電体との間に静電引力を発生させ、それによって、有効撓み部分を撓ませるように構成される。
この発明に係る変位素子は、たとえば可変容量素子を構成するために有利に用いられる。この場合、厚み付与部材を含む有効撓み部分上に設けられた第１の電極と、第１の電極に対して静電容量を形成するように空気層を隔てた位置に固定的に設けられた第２の電極とをさらに備え、有効撓み部分の撓みによって静電容量が変更されるように構成される。
この発明に係る変位素子によれば、梁に備える複数の機能材料層について、表裏対称構造となるように、膜厚、内部応力、弾性定数および熱膨張係数等を制御しなくても、梁の、有効撓み部分における、第１の支点と厚み付与部材の第１の支点側の端に位置する第１の内端との間の第１の片側撓み部分の長手方向での反りと、第２の支点と厚み付与部材の第２の支点側の端に位置する第２の内端との間の第２の片側撓み部分の長手方向での反りとを、中央部に関して対称に生じさせるようにすることができる。したがって、有効撓み部分の中央部の初期状態での絶対位置を安定して一定に制御することができる。
その結果、駆動手段によってもたらされる有効撓み部分の変位量を安定させることができるので、絶対位置制御性に優れた変位素子を得ることができ、この変位素子がたとえば可変容量素子に適用された場合には、正確かつ高精度な容量制御を行なうことができる。
また、この発明に係る変位素子では、表裏対称構造が要求されないので、設計の自由度を高めることができる。
この発明において、有効撓み部分が、その幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との垂直二等分面に関しても対称構造を有していると、有効撓み部分の幅方向での反りによる絶対位置の変動を防止することができるので、より高精度な絶対位置制御性を得ることができる。
この発明において、厚み付与部材が、有効撓み部分の幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との間の全域にわたって延びるように配置されていると、この厚み付与部材が与えるリブ効果によって、有効撓み部分の幅方向での反りを生じさせにくくすることができる。
図１は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第１の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子１１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。 図２は、図１に示す変位素子１１に備える梁１２の初期状態において生じる反りの傾向を示す、図１（ｂ）に対応する図である。 図３は、図２に相当する図であって、他の態様の反りの傾向を示す図である。 図４は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第２の実施形態を示す、図１（ｂ）に対応する図である。 図５は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第３の実施形態を示す、図１（ａ）に対応する図である。 図６は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第４の実施形態を示す、図１（ａ）に対応する図である。 図７は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第１の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子５１の平面図であり、（ｂ）は、 （ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。 図８は、図７に示す変位素子５１の動作を説明するための図７（ｂ）に対応する図である。 図９は、図７に示す変位素子５１の他の動作を説明するための図７（ｂ）に対応する図である。 図１０は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第２の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子８１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。 図１１は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第３の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子１１１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。 図１２は、この発明に係る変位素子の好ましい適用例としての容量可変素子を説明するためのもので、変位素子１４１の平面図である。 図１３は、図１２の切断面Ｘ−Ｘに沿う切断部端面図である。 図１４は、図１２の切断面Ｙ−Ｙに沿う切断部端面図である。 図１５は、この発明にとって興味ある両持ち状態の梁１を備える従来の変位素子を図解的に示す断面図である。 図１６は、図１５に示した梁１の初期状態において生じ得る反りを示す、図１５に対応する図である。 図１７は、図１５に示した梁１の初期状態において生じ得る他の態様の反りを示す、図１５に対応する図である。
符号の説明
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，５１，８１，１１１，１４１ 変位素子
１２，５２，８２，１１２，１４４，１４５ 梁
１３〜１６，４１〜４５ 機能材料層
１７，１８，５７，５８，８７，８８，１１６，１１７，１５０，１５１ 端部
１９，２０，５９，６０，８９，９０，１１８，１１９，１５２，１５３ 支持部
２３，２４，６３，６４，９３，９４，１２２，１２３，１５５，１５６ 支点
２５，６５，９５，１２４，１５７，１６０ 有効撓み部分
２６，６６，９６，１２５，１５８，１６１ 中央部
２７，６７，９７，１２６，１５９ 厚み付与部材
２８，３１，３４，３７，６８，７１，７４，７７，９８，１０１，１０４，１０７，１２７，１３０，１３３，１３６，１６２，１６５，１６８，１７１ 垂直二等分面
２９，３２，６９，７２，９９，１０２，１２８，１３１，１６３，１６６ 内端
３０，３３，７０，７３，１００，１０３，１２９，１３２，１６４，１６７ 片側撓み部分
３５，３６，７５，７６，１０５，１０６，１３４，１３５，１６９，１７０ 自由端
５３，１４６ バッファ層
５４，１４７ 下部電極層
５５，１４８ 圧電体層
５６，１４９ 上部電極層
８３，１１３ 絶縁体層
８４，１１４ 導電体層
１３８，１７７ 空気層
１７４，１７５，１７８ 電極
図１ないし図３は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第１の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１（ａ）は、変位素子１１の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。図２および図３は、図１に示す変位素子１１に備える梁１２において初期状態で生じる反りの傾向を示す、図１（ｂ）に対応する図である。
図１を参照して、変位素子１１は梁１２を備え、梁１２は、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層１３、１４、１５および１６を厚み方向に積層した構造を有している。ここで、梁１２は、特に表裏対称構造にされる必要はないことに注目すべきである。
また、変位素子１１は、梁１２を両持ち状態とするように、梁１２の長手方向の第１および第２の端部１７および１８をそれぞれ支持する第１および第２の支持部１９および２０を備えている。この実施形態では、図１（ａ）によく示されているように、第１および第２の支持部１９および２０の各々は、貫通孔２１が設けられた基板２２の一部によって与えられている。
また、具体的には図示しないが、変位素子１１は、梁１２に厚み方向への変位を生じさせるため、梁１２における、第１の支持部１９による第１の支点２３と第２の支持部２０による第２の支点２４との間の有効撓み部分２５を厚み方向に撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段とを備えている。この変位素子１１は、有効撓み部分２５の厚み方向への撓みによって生じる、第１および第２の支持部１９および２０に対する梁１２の厚み方向への変位を利用するものである。
さらに、変位素子１１は、次のような特徴的構成を備えている。
有効撓み部分２５の長手方向の中央部２６には、当該中央部２６の厚みを他の部分より厚くするための厚み付与部材２７が配置される。
また、有効撓み部分２５は、第１の支点２３と第２の支点２４との垂直二等分面２８に関して対称構造を有している。
また、有効撓み部分２５における、第１の支点２３と厚み付与部材２７の第１の支点２３側の端に位置する第１の内端２９との間の第１の片側撓み部分３０は、第１の支点２３と第１の内端２９との垂直二等分面３１に関して対称構造を有している。
他方、有効撓み部分２５における、第２の支点２４と厚み付与部材２７の第２の支点２４側の端に位置する第２の内端３２との間の第２の片側撓み部分３３についても、第２の支点２４と第２の内端３２との垂直二等分面３４に関して対称構造を有している。
また、図１（ａ）によく示されているように、有効撓み部分２５は、その幅方向の各端部である第１の自由端３５と第２の自由端３６との垂直二等分面３７（切断面Ｂ−Ｂに相当）に関しても対称構造を有している。
また、厚み付与部材２７は、有効撓み部分２５の幅方向の各端部である第１の自由端３５と第２の自由端３６との間の全域にわたって延びるように配置されている。
以上のような構成を有する変位素子１１において、梁１２の初期状態での反りまたは温度変化により発生する反りは、図２または図３に示すような傾向を持っている。
梁１２を構成する機能材料層１３〜１６の作製条件等に起因して機能材料層１３〜１６間で異なる内部応力が発生したり、温度変化のために機能材料層１３〜１６を構成する材料の熱膨張係数の差に起因して機能材料層１３〜１６間に熱応力が発生したりすると、図２または図３に示すように、梁１２における、第１および第２の片側撓み部分３０および３３（図１参照）にそれぞれ反りが発生する。なお、実際には、図２または図３に示すような梁１２の長手方向での反りだけでなく、梁１２の幅方向（図２および図３の紙面に垂直な方向）にも反りが発生する。
上述したように生じる反りの度合いは、梁１２を構成している機能材料層１３〜１６の厚み、内部応力の大きさ、弾性定数、および熱膨張係数等によって決まる。他方、この実施形態の場合、有効撓み部分２５の中央部２６に配置されている厚み付与部材２７が十分に厚いので、長手方向および幅方向のいずれについても、反りは第１の片側撓み部分３０と第２の片側撓み部分３３とで実質的に互いに独立して生じることになる。
上述のように、第１の片側撓み部分３０と第２の片側撓み部分３３との各々で反りが生じたとき、第１および第２の片側撓み部分３０および３３は、それぞれ、垂直二等分面３１および３４に関して対称構造を有しているので、長手方向での反りの方向および度合いについては、垂直二等分面３１および３４の各々の両側において対称となる。
また、有効撓み部分２５は、第１の支点２３と第２の支点２４との垂直二等分面２８に関しても対称構造を有しているので、長手方向での反りの方向および度合いについては、この垂直二等分面２８の両側においても対称となる。
そして、上述のように、第１および第２の片側撓み部分３０および３３の各々での長手方向での反りの方向および度合いが、垂直二等分面３１および３４の各々の両側において対称となるとともに、垂直二等分面２８の両側においても対称となるので、中央部２６の初期状態での絶対位置は、常に一定とすることができる。
言い換えると、梁１２を構成している機能材料層１３〜１６の厚み、内部応力の大きさ、弾性定数、および熱膨張係数等を制御しなくても、図２および図３において示した破線３８の位置との比較からわかるように、第１および第２の内端２９および３２の高さ位置を、第１および第２の支点２３および２４の高さ位置と常に同じになるように制御することができる。
上記のことに関して、この実施形態のように、有効撓み部分２５が、その幅方向の各端部である第１の自由端３５と第２の自由端３６との垂直二等分面３７に関しても対称構造を有していると、上述の長手方向での反りについての対称性をより良好なものとすることができる。
なお、厚み付与部材２７の寸法に関して、その厚み方向寸法はより厚い方が、その長手方向寸法（梁１２の長手方向での寸法）はより短い方が、また、その幅方向寸法（梁１２の幅方向での寸法）は梁１２の幅方向寸法以上であるほど、前述した位置制御性をより向上させることができる。
図４は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第２の実施形態を示す、図１（ｂ）に対応する図である。図４において、図１（ｂ）に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
図４に示した変位素子１１ａでは、梁１２が有する積層構造を与える複数の機能材料層として、図１（ｂ）に示した４つの機能材料層１３〜１６より多い５つの機能材料層４１〜４５を備えていることを特徴としている。この実施形態からわかるように、梁において積層構造を与える機能材料層の数は特に限定されるものではない。
図５は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第３の実施形態を示す、図１（ａ）に対応する図である。図５において、図１（ａ）に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
図５に示した変位素子１１ｂは、たとえば図１（ａ）に示した変位素子１１と比較して、梁１２、機能材料層１３〜１６（機能材料層１５および１６については、機能材料層１４の下方に隠れるので図示しない。）、貫通孔２１および厚み付与部材２７の各々の平面形状を任意に変更できることを明らかにすることに意義がある。
図６は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第４の実施形態を示す、図１（ａ）に対応する図である。図６において、図１（ａ）に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
図６に示した変位素子１１ｃは、十字状の梁１２を備えることを特徴としている。このように、梁１２が十字状とされることにより、梁１２の第１および第２の端部１７および１８、これらを支持する第１および第２の支持部１９および２０、第１および第２の片側撓み部分３０および３３、ならびに垂直二等分面２８、３１および３４の各々については、２箇所ずつ設けられることになる。
図７ないし図９は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第１の実施形態を説明するためのものである。ここで、図７（ａ）は、変位素子５１の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。図８および図９は、図７に示す変位素子５１の動作を説明するための図７（ｂ）に対応する図である。
変位素子５１は、圧電駆動型変位素子を構成するもので、図１に示した変位素子１１と共通する基本的構成を備えている。
変位素子５１は梁５２を備え、梁５２は、たとえばＡｌ2 Ｏ3 からなるバッファ層５３、たとえばＰｔからなる下部電極層５４、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電体層５５およびたとえばＡｌからなる上部電極層５６を厚み方向に積層した構造を有している。上部電極層５６は、第１、第２および第３の上部電極層５６ａ、５６ｂおよび５６ｃに分割されて形成されている。
なお、上述したバッファ層５３、電極層５４および５６ならびに圧電体層５５は、上で例示した材料以外の材料から構成されてもよい。たとえば、バッファ層５３の材料として、ＴｉＯ2
またはＺｒＯ2 を用いてもよく、電極層５４および／または５６の材料として、ＡｕまたはＡｇを用いてもよく、圧電体層５５の材料として、ＺｎＯ、ＬｉＴａＯ3
またはＬｉＮｂＯ3 を用いてもよい。
また、後述する圧電効果に基づく変位量を大きくするためには、バッファ層５３と下部電極層５４との合計厚みは、圧電体層５５の厚みと同程度にすることが望ましく、また、上部電極層５６については、弾性に富む材料を用いて薄く形成することが望ましい。
変位素子５１は、また、上述のような梁５２を両持ち状態とするように、梁５２の長手方向の第１および第２の端部５７および５８をそれぞれ支持する第１および第２の支持部５９および６０を備えている。この実施形態では、図７（ａ）によく示されているように、第１および第２の支持部５９および６０の各々は、貫通孔６１が設けられた、たとえばＳｉからなる基板６２の一部によって与えられている。
このような変位素子５１は、圧電体層５５を圧電効果に基づいて歪ませることにより、梁５２における、第１の支持部５９による第１の支点６３と第２の支持部６０による第２の支点６４との間の有効撓み部分６５を厚み方向に撓ませることが行なわれ、それによって、梁５２に厚み方向への変位が生じる。有効撓み部分６５の長手方向の中央部６６には、当該中央部６６の厚みを他の部分より厚くするための、たとえばＳｉからなる厚み付与部材６７が配置される。
有効撓み部分６５は、第１の支点６３と第２の支点６４との垂直二等分面６８に関して対称構造を有している。
また、有効撓み部分６５における、第１の支点６３と厚み付与部材６７の第１の支点６３側の端に位置する第１の内端６９との間の第１の片側撓み部分７０は、第１の支点６３と第１の内端６９との垂直二等分面７１に関して対称構造を有している。
他方、有効撓み部分６５における、第２の支点６４と厚み付与部材６７の第２の支点６４側の端に位置する第２の内端７２との間の第２の片側撓み部分７３についても、第２の支点６４と第２の内端７２との垂直二等分面７４に関して対称構造を有している。
また、図７（ａ）によく示されているように、有効撓み部分６５は、その幅方向の各端部である第１の自由端７５と第２の自由端７６との垂直二等分面７７（切断面Ｂ−Ｂに相当）に関しても対称構造を有している。
また、厚み付与部材６７は、有効撓み部分６５の幅方向の各端部である第１の自由端７５と第２の自由端７６との間の全域にわたって延びるように配置されている。
また、梁５２に備える下部電極層５４には、引出電極７８が電気的に接続され、この引出電極７８の端部は、図７（ａ）に示すように、基板６２上において外部に露出するように形成される。
また、上部電極層５６のうち、両端に位置する第１および第２の上部電極層５６ａおよび５６ｂには、引出電極７９が電気的に接続される。また、中央に位置する第３の上部電極層５６ｃには、引出電極８０が電気的に接続される。これら引出電極７９および８０の各々が有するパターンは、前述した垂直二等分面６８、７１、７４および７７の各々に関する対称性が、いずれも阻害されず、すべて確保されるように配慮されている。
次に、変位素子５１の作製方法の一例について説明する。
まず、Ｓｉからなる基板６２が用意される。この段階では、基板６２には貫通孔６１が形成されていない。
次に、基板６２上に、バッファ層５３となるＡｌ2 Ｏ3 膜をスパッタリングまたは蒸着等の方法によって全面に形成する。次に、下部電極層５４および引出電極７８となるＰｔ膜をスパッタリングまたは蒸着等の方法によって全面に形成する。このとき、Ｐｔ膜のＡｌ2
Ｏ3 膜に対する密着性を向上させるため、Ｐｔ膜を形成する前にＴｉ等からなる膜を形成してもよい。
次に、圧電体層５５となるＰＺＴ膜をＭＯＣＶＤまたはスパッタリング等の方法によって全面に形成する。ここで、ＰＺＴは、基板面と垂直な方向にｃ軸配向していることが望ましい。
次に、上部電極層５６ならびに引出電極７９および８０となるＡｌ膜をリフトオフ等の方法によって形成する。
次に、レジストマスクを介して、前述したＰＺＴ膜、Ｐｔ膜およびＡｌ2 Ｏ3 膜に対して、イオンミリング等の方法を適用して、圧電体層５５、下部電極層５４およびバッファ層５３が得られるように加工する。次に、レジストマスクを介して、圧電体層５５を、イオンミリング等の方法を用いて加工することによって、引出電極７８の一部を露出させる。
次に、基板６２に対して、その裏面側から、レジストマスクを介してＲＩＥ等の方法を適用して、貫通孔６１を形成する。このとき、厚み付与部材６７が、基板６２の一部によって与えられるようにする。
以上のようにして、変位素子５１を得ることができる。
次に、変位素子５１の動作について説明する。
変位素子５１に備える梁５２の有効撓み部分６５は、前述したような対称構造を有しているため、変位素子１１に関して図２および図３を参照して説明したのと同様の理由により、作製直後の初期状態においては、図２または図３に示すような反りが生じても、第１および第２の内端６９および７２の高さ位置を、第１および第２の支点６３および６４の高さ位置と常に同じになるように制御することができる。
上述の状態において、下部電極層５４に接続される引出電極７８と上部電極層５６における第１および第２の上部電極層５６ａおよび５６ｂに接続される引出電極７９との間に電圧を印加すると、圧電体層５５における下部電極層５４と第１および第２の上部電極５６ａおよび５６ｂとの間に位置している部分に、逆圧電効果により歪みが発生する。
その結果、この発生した圧電応力が引っ張り方向に働くとすると、有効撓み部分６５は、初期において図２に示すような状態にあった場合には、図８に示すように湾曲し、他方、初期において図３に示すような状態にあった場合には、図９に示すように湾曲する。このようにして、図８および図９に示すように、梁５２の有効撓み部分６５の中央部６６は上方へ変位する。ここで、変位量は、引出電極７８および７９間に印加される電圧の高さによって制御することができる。
他方、下部電極層５４に接続される引出電極７８と上部電極層５６における中央の第３の上部電極層５６ｃに接続される引出電極８０との間に電圧を印加すると、圧電体層５５における下部電極層５４と第３の上部電極層５６ｃとの間に位置している部分に、逆圧電効果により歪みが発生する。その結果、梁５２の有効撓み部分６５の中央部６６は、図８または図９に示した状態とは逆に下方へ変位する。
以上のように、変位素子５１によれば、梁５２の有効撓み部分６５の中央部６６の初期状態での絶対位置を一定に制御できるので、圧電体層５５に電圧を印加して歪みを生じさせることによって、有効撓み部分６５の中央部６６を所定の量だけ変位させることができ、絶対位置制御性の良好な圧電駆動型変位素子を実現することができる。
図１０は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第２の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１０（ａ）は、変位素子８１の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。
変位素子８１は、電磁駆動型変位素子を構成するもので、図１に示した変位素子１１と共通する基本的構成を備えている。
変位素子８１は、梁８２を備え、梁８２は、たとえばＳｉＯ2 からなる絶縁体層８３およびたとえばＡｌからなる導電体層８４を厚み方向に積層した構造を有している。導電体層８４の各端部には、引出電極８５および８６が接続されている。
変位素子８１は、また、上述のような梁８２を両持ち状態とするように、梁８２の長手方向の第１および第２の端部８７および８８をそれぞれ支持する第１および第２の支持部８９および９０を備えている。この実施形態では、図１０（ａ）によく示されているように、第１および第２の支持部８９および９０の各々は、貫通孔９１が設けられた、たとえばＳｉからなる基板９２の一部によって与えられている。
このような変位素子８１は、後述する電磁駆動により、梁８２における、第１の支持部８９による第１の支点９３と第２の支持部９０による第２の支点９４との間の有効撓み部分９５を厚み方向に撓ませることが行なわれ、それによって、梁８２に厚み方向への変位が生じる。有効撓み部分９５の長手方向の中央部９６には、当該中央部９６の厚みを他の部分より厚くするための、たとえばＳｉからなる厚み付与部材９７が配置される。
有効撓み部分９５は、第１の支点９３と第２の支点９４との垂直二等分面９８に関して対称構造を有している。特に、導電体層８４について言えば、導電体層８４は、有効撓み部分９５の中央部９６上に形成され、引出電極８５および８６は、垂直二等分面９８に関して対称形状をもって長手方向に延びている。
有効撓み部分９５における、第１の支点９３と厚み付与部材９７の第１の支点９３側の端に位置する第１の内端９９との間の第１の片側撓み部分１００は、第１の支点９３と第１の内端９９との垂直二等分面１０１に関して対称構造を有している。
他方、有効撓み部分９５における、第２の支点９４と厚み付与部材９７の第２の支点９４側の端に位置する第２の内端１０２との間の第２の片側撓み部分１０３についても、第２の支点９４と第２の内端１０２との垂直二等分面１０４に関して対称構造を有している。
また、図１０（ａ）によく示されているように、有効撓み部分９５は、その幅方向の各端部である第１の自由端１０５と第２の自由端１０６との垂直二等分面１０７（切断面Ｂ−Ｂに相当）に関しても対称構造を有している。
また、厚み付与部材９７は、有効撓み部分９５の幅方向の各端部である第１の自由端１０５と第２の自由端１０６との間の全域にわたって延びるように配置されている。
次に、変位素子８１の作製方法の一例について説明する。
まず、Ｓｉからなる基板９２が用意される。この段階では、基板９２には貫通孔９１が形成されていない。
次に、基板９２上に、絶縁体層８３となるＳｉＯ2 膜を熱酸化またはスパッタリング等の方法によって全面に形成した後、ウェットエッチングにより、絶縁体層８３を形成する。次に、導電体層８４となるＡｌパターンをリフトオフ等の方法によって形成する。
次に、基板９２に対して、その裏面側から、レジストマスクを介してＲＩＥ等の方法を適用して、貫通孔９１を形成する。このとき、厚み付与部材９７が、基板９２の一部によって与えられるようにする。
以上のようにして、変位素子８１を得ることができる。
次に、変位素子８１の動作について説明する。
まず、変位素子８１にあっても、梁８２の有効撓み部分についての対称構造、ならびに第１および第２の片側撓み部分１００および１０３の各々についての対称構造が確保されているので、有効撓み部分９５の中央部９６の初期状態での絶対位置を常に一定とすることができる。
このような状態において、まず、梁８２の有効撓み部分９５の長手方向に磁場が加わるように、梁８２の側方に永久磁石または電磁石を配置する。ここで、引出電極８５および８６を通して導電体層８４に電流を流すと、磁力線が発生し、有効撓み部分９５の中央部９６上の導電体層８４は、電磁力を受けて、有効撓み部分９５を撓ませ、それによって、中央部９６の絶対位置は上方または下方へ変位する。ここで、変位量は、導電体層８４に流す電流の大きさによって制御することができる。
以上のように、変位素子８１によれば、梁８２の有効撓み部分９５の中央部９６の初期状態での絶対位置を一定に制御できるので、電磁力によって、導電体層８４、さらには有効撓み部分９５の中央部９６を所定の量だけ変位させることができ、絶対位置制御性の良好な電磁駆動型変位素子を実現することができる。
図１１は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第３の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１１（ａ）は、変位素子１１１の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。
変位素子１１１は、静電駆動型変位素子を構成するもので、図１に示した変位素子１１と共通する基本的構成を備えている。変位素子１１１は梁１１２を備え、梁１１２は、たとえばＳｉＯ2からなる絶縁体層１１３およびたとえばＡｌからなる導電体層１１４を厚み方向に積層した構造を有している。導電体層１１４には、引出電極１１５が接続されている。
変位素子１１１は、また、上述のような梁１１２を両持ち状態とするように、梁１１２の長手方向の第１および第２の端部１１６および１１７をそれぞれ支持する第１および第２の支持部１１８および１１９を備えている。この実施形態では、図１１（ａ）によく示されているように、第１および第２の支持部１１８および１１９の各々は、貫通孔１２０が設けられた、たとえばＳｉからなる基板１２１の一部によって与えられている。
このような変位素子１１１は、静電駆動によって、梁１１２における、第１の支持部１１８による第１の支点１２２と第２の支持部１１９による第２の支点１２３との間の有効撓み部分１２４を厚み方向に撓ませることが行なわれ、それによって、梁１１２に厚み方向への変位が生じる。有効撓み部分１２４の長手方向の中央部１２５には、当該中央部１２５の厚みを他の部分より厚くするための、たとえばＳｉからなる厚み付与部材１２６が配置される。
有効撓み部分１２４は、第１の支点１２２と第２の支点１２３との垂直二等分面１２７に関して対称構造を有している。
また、有効撓み部分１２４における、第１の支点１２２と厚み付与部材１２６の第１の支点１２２側の端に位置する第１の内端１２８との間の第１の片側撓み部分１２９は、第１の支点１２２と第１の内端１２８との垂直二等分面１３０に関して対称構造を有している。
他方、有効撓み部分１２４における、第２の支点１２３と厚み付与部材１２６の第２の支点１２３側の端に位置する第２の内端１３１との間の第２の片側撓み部分１３２についても、第２の支点１２３と第２の内端１３１との垂直二等分面１３３に関して対称構造を有している。
また、図１１（ａ）によく示されているように、有効撓み部分１２４は、その幅方向の各端部である第１の自由端１３４と第２の自由端１３５との垂直二等分面１３６（切断面Ｂ−Ｂに相当）に関しても対称構造を有している。
また、図示されないが、厚み付与部材１２６は、有効撓み部分１２４の幅方向の各端部である第１の自由端１３４と第２の自由端１３５との間の全域にわたって延びるように配置されている。
梁１１２の有効撓み部分１２４の中央部１２５の上方には、たとえばガラスからなる固定部材１３７が固定的に配置されている。固定部材１３７には、前述した導電体層１１４に対して空気層１３８を隔てて位置するように、固定導電体１３９がたとえばＡｌをもって形成されている。固定導電体１３９は、基板１２１上に形成された引出電極１４０と電気的に接続される。
次に、変位素子１１１の作製方法の一例について説明する。
まず、Ｓｉからなる基板１２１が用意される。この段階では、基板１２１には貫通孔１２０が形成されていない。
次に、基板１２１上に、絶縁体層１１３となるＳｉＯ2 膜を熱酸化またはスパッタリング等の方法によって全面に形成し、その後、ウェットエッチングにより絶縁体層１１３を形成する。次に、導電体層１１４および引出電極１１５となるＡｌ膜をリフトオフ等の方法によって形成する。また、引出電極１４０となるＣｕ膜をリフトオフ等の方法で形成する。ここで、引出電極１４０の厚みは、引出電極１１５の厚みより厚くする。
次に、基板１２１に対して、その裏面側から、レジストマスクを介してＲＩＥ等の方法を適用して、貫通孔１２０を形成する。このとき、厚み付与部材１２６が、基板１２１の一部によって与えられるようにする。
他方、固定部材１３７上に、Ａｌからなる固定導電体１３９を形成する。そして、この固定導電体１３９と前述の基板１２０上の引出電極１４０とが接合されるように熱圧着する。
以上のようにして、変位素子１１１を得ることができる。
次に、変位素子１１１の動作について説明する。
まず、変位素子１１１においても、梁１１２の有効撓み部分１２４ならびに第１および第２の片側撓み部分１２９および１３２の各々について対称構造を有しているので、中央部１２５の初期状態での絶対位置を常に一定に制御することができる。
この状態において、引出電極１１５および１４０の間に電圧を印加すると、導電体層１１４と固定導電体１３９との間に静電引力が働き、有効撓み部分１２４の中央部１２５は上方へ変位する。そして、この変位量は、引出電極１１５および１４０間に印加される電圧の高さによって制御することができる。
以上のように、変位素子１１１によれば、梁１１２の有効撓み部分１２４の中央部１２５の初期状態での絶対位置を制御できるので、導電体層１１４と固定導電体１３９との間に電圧を印加することにより、これら導電体層１１４と固定導電体１３９との間に静電引力を発生させ、それによって、有効撓み部分１２４を所定の量だけ撓ませることができ、絶対位置制御性の良好な静電駆動型変位素子を実現することができる。
図１２ないし図１４は、この発明に係る変位素子の好ましい適用例としての可変容量素子を説明するためのものである。ここで、図１２は、変位素子１４１の平面図であり、図１３は、図１２の切断面Ｘ−Ｘに沿う切断部端面図であり、図１４は、図１２の切断面Ｙ−Ｙに沿う切断部端面図である。
可変容量素子を構成する変位素子１４１は、たとえばＳｉからなる第１の基板１４２とたとえばガラスからなる第２の基板１４３とを備えている。また、変位素子１４１は、第１の基板１４２側において、第１および第２の梁１４４および１４５を備えている。第１および第２の梁１４４および１４５は、実質的に互いに同じ構成を有しているので、以下には、第１の梁１４４について主として説明する。
梁１４４は、たとえばＡｌ2 Ｏ3 からなるバッファ層１４６、たとえばＰｔからなる下部電極層１４７、たとえばＰＺＴからなる圧電体層１４８およびたとえばＡｌからなる上部電極層１４９を厚み方向に積層した構造を有している。上部電極層１４９は、第１、第２および第３の上部電極層１４９ａ、１４９ｂおよび１４９ｃに分割されて形成されている。
また、梁１４４を両持ち状態とするように、梁１４４の長手方向の第１および第２の端部１５０および１５１は、それぞれ、第１および第２の支持部１５２および１５３によって支持されている。図１２によく示されているように、第１および第２の支持部１５２および１５３の各々は、第１の基板１４２に貫通孔１５４が設けられることによって分けられた各部分によって与えられている。
梁１４４に備える圧電体層１４８を圧電効果に基づいて歪ませることにより、梁１４４における、第１の支持部１５２による第１の支点１５５と第２の支持部１５３による第２の支点１５６との間の有効撓み部分１５７を厚み方向に撓ませることが行なわれ、それによって、梁１４４に厚み方向への変位が生じる。有効撓み部分１５７の長手方向の中央部１５８には、当該中央部１５８の厚みを他の部分より厚くするための、たとえばＳｉからなる厚み付与部材１５９が配置される。
この実施形態では、厚み付与部材１５９は、第２の梁１４５における有効撓み部分１６０の中央部１６１にまで延びるように配置され、第１および第２の梁１４４および１４５の双方に固定されている。
有効撓み部分１５７は、第１の支点１５５と第２の支点１５６との垂直二等分面１６２（切断面Ｙ−Ｙに相当）に関して対称構造を有している。
また、有効撓み部分１５７における、第１の支点１５５と厚み付与部材１５９の第１の支点１５５側の端に位置する第１の内端１６３との間の第１の片側撓み部分１６４は、第１の支点１５５と第１の内端１６３との垂直二等分面１６５に関して対称構造を有している。
他方、有効撓み部分１５７における、第２の支点１５６と厚み付与部材１５９の第２の支点１５６側の端に位置する第２の内端１６６との間の第２の片側撓み部分１６７についても、第２の支点１５６と第２の内端１６６との垂直二等分面１６８に関して対称構造を有している。
また、図１２によく示されているように、有効撓み部分１５７は、その幅方向の各端部である第１の自由端１６９と第２の自由端１７０との垂直二等分面１７１（切断面Ｘ−Ｘに相当）に関しても対称構造を有している。
また、梁１４４に備える下部電極層１４７および他方の梁１４５に備える図示しない下部電極層には、引出電極１７２が電気的に接続され、この引出電極１７２の端部は、図１２に示すように、第１の基板１４２上において外部に露出するように形成される。
また、梁１４４に備える上部電極層１４９のうち、両端に位置する第１および第２の上部電極層１４９ａおよび１４９ｂ、ならびに他方の梁１４５に備える対応の上部電極層には、引出電極１７３が電気的に接続される。
他方、第２の基板１４３上には、たとえばＡｌからなる電極１７４および１７５が互いに並んだ状態で形成される。また、第１の基板１４２と第２の基板１４３とは、ギャップ調整部材１７６を介して互いに接合される。そして、この接合状態において、電極１７４および１７５に対して静電容量を形成するように空気層１７７を隔てた位置、すなわち厚み付与部材１５９の下面上に、たとえばＡｌからなる電極１７８が形成される。
次に、変位素子１４１の作製方法の一例について説明する。
まず、Ｓｉからなる第１の基板１４２が用意される。この段階では、第１の基板１４２には貫通孔１５４が形成されていない。
次に、第１の基板１４２上に、バッファ層１４６となるＡｌ2 Ｏ3 膜をスパッタリングまたは蒸着等の方法によって全面に形成する。次に、下部電極層１４７となるＰｔ膜をスパッタリングまたは蒸着等の方法によって全面に形成する。
次に、圧電体層１４８となるＰＺＴ膜をＭＯＣＶＤまたはスパッタリング等の方法によって全面に形成する。
次に、上部電極層１４９および引出電極１７３となるＡｌ膜をリフトオフ等の方法によって形成する。
次に、レジストマスクを介して、前述したＰＺＴ膜、Ｐｔ膜およびＡｌ2 Ｏ3 膜に対して、イオンミリング等の方法を適用して、第１の梁１４４における圧電体層１４８、下部電極層１４７およびバッファ層１４６ならびに第２の梁１４５における対応の要素が得られるように加工する。次に、レジストマスクを介して、第１の梁１４４における圧電体層１４８および第２の梁１４５における対応の要素を、イオンミリング等の方法を用いて加工することによって、引出電極１７２の一部を露出させる。
次に、第１の基板１４２に対して、その裏面側から、レジストマスクを介してＲＩＥ等の方法を適用して、貫通孔１５４を形成する。このとき、厚み付与部材１５９が、第１の基板１４２の一部によって与えられるようにする。
他方、第２の基板１４３上に、電極１７４および１７５をリフトオフ等の方法によって形成する。そして、第２の基板１４３上に、ギャップ調整部材１７６をたとえば感光性ポリイミド等を用いて形成し、次いで、第１の基板１４２をこれに熱圧着する。
以上のようにして、変位素子１４１を得ることができる。
次に、変位素子１４１の動作について説明する。
まず、前述したように、第１および第２の梁１４４および１４５のそれぞれについて、対称構造を有しているため、各々の有効撓み部分１５７および１６０の中央部１５８および１６１の初期状態での絶対位置は、常に一定に制御することができる。
この初期状態において、電極１７４および１７５と電極１７８とによって形成される静電容量は、電極１７４および１７５を通して取り出すことができる。
次に、引出電極１７２と引出電極１７３との間に電圧を印加すると、圧電体層１４８が歪み、有効撓み部分１５７および１６０の中央部１５８および１６１が上方または下方へ変位し、それによって、電極１７４および１７５と電極１７８との間隔が変更され、静電容量が変更される。この静電容量の変更度合いは、引出電極１７２および１７３間に印加される電圧の高さによって制御することができる。
以上のように、可変容量素子を構成する変位素子１４１によれば、梁１４４および１４５の有効撓み部分１５７および１６０の中央部１５８および１６１の初期状態での絶対位置を一定に制御できるので、電圧を印加した際に生じる変位量を高精度に制御することができ、その結果、静電容量を高精度に制御することができる。
この発明に係る変位素子は、静電容量値を高精度に制御できる可変容量素子として適用することができる。

Claims (7)

  1. 互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を厚み方向に積層した構造を有する梁と、
    前記梁を両持ち状態とするように、前記梁の長手方向の第１および第２の端部をそれぞれ支持する第１および第２の支持部と、
    前記梁に前記厚み方向への変位を生じさせるため、前記梁における、前記第１の支持部による第１の支点と前記第２の支持部による第２の支点との間の有効撓み部分を前記厚み方向に撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段と
    を備え、
    前記有効撓み部分の前記厚み方向への撓みによって生じる、前記第１および第２の支持部に対する前記梁の前記厚み方向への変位を利用する、変位素子であって、
    前記有効撓み部分の長手方向の中央部には、当該中央部の厚みを他の部分より厚くするための厚み付与部材が配置され、
    前記有効撓み部分は、前記第１の支点と前記第２の支点との垂直二等分面に関して対称構造を有するとともに、
    前記有効撓み部分における、前記第１の支点と前記厚み付与部材の前記第１の支点側の端に位置する第１の内端との間の第１の片側撓み部分は、前記第１の支点と前記第１の内端との垂直二等分面に関して対称構造を有し、かつ、
    前記有効撓み部分における、前記第２の支点と前記厚み付与部材の前記第２の支点側の端に位置する第２の内端との間の第２の片側撓み部分は、前記第２の支点と前記第２の内端との垂直二等分面に関して対称構造を有していることを特徴とする、変位素子。
  2. 前記有効撓み部分は、その幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との垂直二等分面に関して対称構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
  3. 前記厚み付与部材は、前記有効撓み部分の幅方向の各端部である第１の自由端と第２の自由端との間の全域にわたって延びるように配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の変位素子。
  4. 複数の前記機能材料層のうちの少なくとも１層は、圧電体からなる圧電体層であり、前記駆動手段は、前記圧電体層を圧電効果に基づいて歪ませる手段を備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の変位素子。
  5. 複数の前記機能材料層のうちの少なくとも１層は、導電体からなる導電体層であり、前記駆動手段は、前記導電体層に電流を流すことによって磁力線を発生させる手段と、前記導電体層に電磁力を発生させて前記有効撓み部分を撓ませるように前記導電体層に外部より磁場を与える手段とを備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の変位素子。
  6. 複数の前記機能材料層のうちの少なくとも１層は、導電体からなる導電体層であり、前記駆動手段は、前記導電体層に対して空気層を隔てた位置に固定的に設けられた固定導電体と、前記導電体層と前記固定導電体との間に電圧を印加する手段とを備え、前記導電体層と前記固定導電体との間に電圧を印加することにより、前記導電体層と前記固定導電体との間に静電引力を発生させ、それによって、前記有効撓み部分を撓ませることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の変位素子。
  7. 前記厚み付与部材を含む前記有効撓み部分上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対して静電容量を形成するように空気層を隔てた位置に固定的に設けられた第２の電極とをさらに備え、前記有効撓み部分の撓みによって前記静電容量が変更される可変容量素子を構成することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の変位素子。
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