JP4815922B2 - 圧電薄膜振動子およびそれを用いた駆動装置および圧電モータ - Google Patents

Description

本発明は、薄膜形成技術を用いて形成された圧電素子を備えた圧電薄膜振動子およびそれを用いた駆動装置および圧電モータに関する。

圧電素子の圧電効果を利用した圧電薄膜振動子は、超音波モータ（圧電モータ）や圧電アクチュエータなどに用いられている。圧電薄膜振動子は、レゾネータとレゾネータ上に形成された圧電素子とを有している。圧電素子は一般に、一対の電極と電極間に狭持された圧電薄膜とを有している。圧電素子は、蒸着装置やスパッタリング装置、あるいはＣＶＤ装置などを用いた薄膜形成技術で形成することができる。

ところで、圧電薄膜振動子で生じさせる振動の振幅を大きくするには、圧電薄膜の膜厚を相対的に厚くしたり、レゾネータの厚さを相対的に薄くしたりする必要がある。しかしながら、薄膜形成技術では、室温に比してはるかに高温でレゾネータ上に圧電素子を成膜するため、室温（例えば２５℃）に戻すと、圧電薄膜振動子内にはレゾネータと圧電素子との線膨張係数の差に基づく内部応力が発生する。当該振動子の振動振幅を大きくさせようとして圧電薄膜の膜厚とレゾネータの板厚の差が大きくなると、当該内部応力により圧電薄膜振動子に反り等の変形が生じてしまう。圧電薄膜振動子に反りが生じてしまうと、当該振動子で発生させたたわみ進行波による回転力を十分に伝達できなくなってしまうという問題が生じる。

特開平９−２２３８２４号公報 特開２０００−３３２５６８号公報

本発明の目的は、反りのない圧電薄膜振動子およびそれを用いた駆動装置および圧電モータを提供することにある。

上記目的は、進行波を発生させる薄板状のレゾネータと、前記レゾネータ表面に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された複数の第２の電極とを備えた圧電素子と、前記圧電素子に生じる内部応力を補償する応力補償膜とを有することを特徴とする圧電薄膜振動子によって達成される。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は、前記レゾネータの反りをなくすことを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は、前記レゾネータ表面側に形成されていることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は、前記レゾネータ裏面側に形成されていることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は、圧縮応力を生じることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は、引張り応力を生じることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は窒化物で形成されていることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記応力補償膜は酸化物で形成されていることを特徴とする。

上記本発明の圧電薄膜振動子であって前記圧電薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする。

また、上記目的は、上記本発明の圧電薄膜振動子と、隣り合う前記複数の第２の電極に位相が半周期ずれた交流電圧を印加する交流電源とを有することを特徴とする駆動装置によって達成される。

また、上記目的は、上記本発明の駆動装置を備えたステータと、前記圧電薄膜振動子上に配置されたロータとを有することを特徴とする圧電モータによって達成される。

本発明によれば、反りのない圧電薄膜振動子およびそれを用いた駆動装置および圧電モータが実現できる。

〔第１の実施の形態〕
本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子およびそれを用いた駆動装置および圧電モータについて図１乃至図８を用いて説明する。図１は本実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態による圧電薄膜振動子６の平面図である。また、図３は図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図４は図２のＢ−Ｂ線で切断した断面を模式的に示した図である。図１乃至図３に示すように本実施の形態による圧電薄膜振動子６は、たわみ進行波を発生させる薄板状のレゾネータ４と、レゾネータ４表面に形成された下部電極（第１の電極）３と、下部電極３上に形成された圧電薄膜２と、圧電薄膜２上に形成された複数の上部電極（第２の電極）１ａ〜１ｄおよび１１ａ〜１１ｄとを備えた圧電素子９と、圧電素子９に生じる内部応力を補償する応力補償膜８とを有している。

圧電薄膜振動子６は薄板状に形成されて、円形状の外周を有している。圧電薄膜振動子６の中央部には中心が圧電薄膜振動子６の外周円６ａの中心にほぼ一致する円形状の貫通孔５が形成されている。レゾネータ４は、例えばシリコン単結晶で形成され、厚さは数十μｍ〜１ｍｍ程度である。レゾネータ４表面に形成された下部電極３はエピタキシャル膜である。下部電極３上にはチタン酸ジルコン酸鉛などから構成されるエピタキシャル膜である圧電薄膜２が形成されている。

圧電薄膜２上には上部電極部１および１１が形成されている。上部電極部１は同一形状の上部電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを有している。同様に、上部電極部１１は上部電極１ａ〜１ｄと同一形状の上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有している。上部電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄおよび上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは圧電薄膜振動子６の外周円６ａ側がそれぞれ円弧状に形成された扇形の形状を有している。上部電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄおよび上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはこの順に円周状に時計回りに配置されている。

上部電極１ａ〜１ｄの各隣接電極間には電極同士を絶縁するスリット１７が形成されている。圧電薄膜振動子６の中心（図２中、外周円６ａの中心）から半径方向に延びて上部電極１ａを２等分する仮想直線と、上部電極１ｂを２等分する仮想直線とが成す角度θ１は、ほぼπ／５（ｒａｄ）になっている。同様に上部電極１ｂを２等分する仮想直線と、上部電極１ｃを２等分する仮想直線との成す角度θ２は、ほぼπ／５になっている。また、上部電極１ｃを２等分する仮想直線と、上部電極１ｄを２等分する仮想直線との成す角度θ３もほぼπ／５になっている。

上部電極１１ａ〜１１ｄの各隣接電極間には、電極同士を絶縁するスリット１７が形成されている。圧電薄膜振動子６の中心（図２中、外周円６ａの中心）から半径方向に延びて上部電極１１ａを２等分する仮想直線と、上部電極１１ｂを２等分する仮想直線とが成す角度θ５は、ほぼπ/５（ｒａｄ）になっている。同様に上部電極１１ｂを２等分する仮想直線と、上部電極１１ｃを２等分する仮想直線との成す角度θ６は、ほぼπ／５になっている。また、上部電極１１ｃを２等分する仮想直線と、上部電極１１ｄを２等分する仮想直線との成す角度θ７もほぼπ／５になっている。

上部電極１ｄを２等分する仮想直線と、上部電極１１ａを２等分する仮想直線との成す角度θ４は、ほぼπ／２（ｒａｄ）になっている。すなわち、角度θ４は角度θ１のほぼ２．５倍になっている。また、上部電極１１ｄを２等分する仮想直線と、上部電極１ａを２等分する仮想直線との成す角度θ８は、ほぼ３π／１０（ｒａｄ）になっている。すなわち、角度θ８は角度θ１のほぼ１．５倍になっている。

ところで、圧電素子９は、薄膜形成技術を用いて室温（２５℃）よりはるかに高温でレゾネータ４表面に形成される。レゾネータ４と圧電素子９との線膨張係数は異なるため、高温状態で平面形状のレゾネータ４表面に圧電素子９を形成しても、室温に戻すと、圧電薄膜振動子６内にはレゾネータ４と圧電素子９との線膨張係数の差に基づく内部応力（曲げ応力）が発生する。一般に、圧電素子９の線膨張係数の方がレゾネータ４の線膨張係数よりも小さいため、圧電素子９には、全体として引張り応力が生じている。これにより、圧電薄膜振動子６には、レゾネータ４表面側が凸になり、レゾネータ４裏面側が凹になる反りが生じる。なお、線膨張係数差以外に内部応力が生じる原因としては、スパッタリング法による成膜時のガス打ち込みによる膜自身の応力（通常圧縮応力となる）や、格子定数の不一致により積層構造の界面および界面付近に生じる応力などがある。

上記の問題を解決するため、本実施の形態による圧電薄膜振動子６では、圧電素子９に生じる内部応力（引張り応力）を補償する応力補償膜８が、レゾネータ４の表面の、圧電薄膜２および上部電極１ａ〜１ｄおよび１１ａ〜１１ｄ上のほぼ全面に形成されている。応力補償膜８には、圧電素子９に生じる内部応力と符号が反対となる圧縮応力が生じている。

応力補償膜８の膜厚を所望の膜厚とすることで、圧電素子９の内部応力が補償され、反りのない平坦な圧電薄膜振動子６を形成することができる。すなわち、応力補償膜８の膜厚を所望の膜厚とすることで、圧電薄膜振動子６全体の応力がほぼゼロになる。応力補償膜８が薄すぎる場合、十分な応力補償の効果が得られず圧電薄膜振動子６の反りはなくならない。また、応力補償膜８が厚すぎる場合、圧電薄膜振動子６には、逆にレゾネータ４表面側が凹になり、レゾネータ４裏面側が凸になる反りが生じてしまう。

応力補償膜８は、例えばＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）で形成されている。応力補償膜８の材料は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）やＳｉＯ_２（二酸化珪素）などの酸化物、または金属酸化物であってもよい。その中でも特にＳｉ_３Ｎ_４やＡｌＮなどの窒化物を応力補償膜として用いると、膜厚が薄くても十分な応力が得られ、膜厚が薄い応力補償膜８が実現できる。

応力補償膜８の所望の膜厚は、レゾネータ４の厚さや圧電薄膜２等の膜厚、および応力補償膜８の材料や成膜方法等に依存する。レゾネータ４の厚さが５０μｍ、圧電薄膜２の膜厚が２．５μｍ、応力補償膜８の形成材料がＳｉ_３Ｎ_４である場合には、応力補償膜８の膜厚を例えば１５０ｎｍ程度にすると、反りのない圧電薄膜振動子６が実現できる。

圧電薄膜振動子６の反り量の許容範囲は、圧電薄膜振動子６の用途やレゾネータ４の外径によって変わるが、一般的に１００μｍより小さいことが好ましく、０〜５０μｍであることがより好ましい。また、レゾネータ４の外径に対して、１％以下の大きさの反り量であることが好ましく、０．５％以下であることがより好ましい。

一例を挙げると、レゾネータ４の外径寸法が約１インチ（２５．４ｍｍ）で、厚さが１００μｍの場合、応力補償膜８が形成されていない従来の圧電薄膜振動子６の反り量は約３００μｍとなる。反り量は、圧電薄膜振動子６の中心を水平盤に接触させ、水平盤から最も離れた圧電薄膜振動子６の点と水平盤との距離を計測して求めている。一方、本実施の形態による応力補償膜８が形成されている圧電薄膜振動子６の反り量は約３０μｍとなる。応力補償膜８が形成されている圧電薄膜振動子６では、反り量が大幅に減少される効果が得られる。

上部電極１ｄと上部電極１１ａとの間隙には、応力補償膜８上に電極端子５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄおよび電極端子５７が形成されている。下部電極３上の圧電薄膜２を開口してコンタクトホール２４が形成され、電極端子５７がコンタクトホール２４を介して下部電極３に電気的に接続されている。下部電極３は電極端子５７を介してグランドに接続されている。

上部電極１ａ、１ｃは貫通孔５周囲近傍に形成された引き出し電極５３ａに電気的に接続されている。引き出し電極５３ａは電極端子５５ａに電気的に接続されている。上部電極１ｂ、１ｄは外周側に形成された引き出し電極５３ｂに電気的に接続されている。引き出し電極５３ｂは電極端子５５ｂに電気的に接続されている。

上部電極１１ａ、１１ｃは外周側に形成された引き出し電極５３ｄに電気的に接続されている。引き出し電極５３ｄは電極端子５５ｄに電気的に接続されている。上部電極１１ｂ、１１ｄは貫通孔５周囲近傍に形成された引き出し電極５３ｃに電気的に接続されている。引き出し電極５３ｃは電極端子５５ｃに電気的に接続されている。

ところで、エピタキシャル成長により形成される薄膜の結晶方位は下地の結晶方位と特定の関係にある方位に揃う。下部電極３はレゾネータ４であるシリコン単結晶基板の表面の（１００）面上にエピタキシャル成長により形成されている。下部電極３は＜１００＞方向に配向している。そして、下部電極３上に圧電薄膜２がエピタキシャル成長により形成されている。圧電薄膜２は＜００１＞方向に優先的に配向している。従って、圧電薄膜２の分極方向は圧電薄膜振動子６の基板面法線方向に揃っている（図４中、分極方向を矢の先端が下を向いている複数の矢印で模式的に示す）。圧電薄膜２の分極方向が所定の方向に揃っているため、良好な圧電特性の圧電薄膜２が得られるとともに、分極処理が不要になるので圧電素子９の製造工程が簡素になり、低コストで高歩留まりで良好な圧電特性を備えた圧電薄膜振動子６が得られる。

図４に示すように、下部電極３をグランド電位に維持して、上部電極１ａ、１ｃに正極性電圧（図４中、「＋」で示す）を印加すると、上部電極１ａ、１ｃと下部電極３との間の圧電薄膜２ａ、２ｃには、図４であって矢の先端が向き合う２つの矢印で示すように圧縮力が生じる。これにより、レゾネータ４の圧電薄膜２ａ、２ｃ近傍は図４の下方に凸状に反る。一方、上部電極１ｂ、１ｄに負極性電圧（図４中、「−」で示す）を印加すると、上部電極１ｂ、１ｄと下部電極３との間の圧電薄膜２ｂ、２ｄには、図４であって矢の先端が互いに逆方向を向く２つの矢印で示すように伸張力が生じる。これにより、レゾネータ４の圧電薄膜２ｂ、２ｄ近傍は図４の上方に凸状に反る。

逆に、上部電極１ａ、１ｃに負極性電圧を印加すると、上部電極１ａ、１ｃと下部電極３との間に形成された圧電薄膜２ａ、２ｃに伸張力が生じる。これにより、レゾネータ４の圧電薄膜２ａ、２ｃ近傍は図４の上方に凸状に反る。また、上部電極１ｂ、１ｄに正極性電圧を印加すると、上部電極１ｂ、１ｄと下部電極３との間に形成された圧電薄膜２ｂ、２ｄには圧縮力が生じる。これにより、レゾネータ４の圧電薄膜２ｂ、２ｄ近傍は図４の下方に凸状に反る。

円弧状に並ぶ上部電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに上述のように上部電極１ａ、１ｃと、上部電極１ｂ、１ｄとに互いに逆極性の電圧を印加することにより、レゾネータ４の上部電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに対応する領域には凹凸状のたわみが発生する。

上部電極１ａ、１ｃと下部電極３との間に実効値３．３Ｖの交流電圧Ｖ１＝Ａｓｉｎ（ωｔ）（Ｖ）（ここで、Ａは最大振幅、ωは角振動数、ｔは時間）を印加し、上部電極１ｂ、１ｄと下部電極３との間に交流電圧Ｖ２＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋π）（Ｖ）を印加すると、圧電薄膜２ａ、２ｃには伸張力と圧縮力とが周波数ｆ１＝ω／２π（Ｈｚ）で繰り返されるたわみ振動が発生する。一方、圧電薄膜２ｂ、２ｄには圧電薄膜２ａ、２ｃでのたわみ振動と同じ周波数ｆ１で位相がπ（半周期）だけずれたたわみ振動が発生する。

これらのたわみ振動はレゾネータ４全体に伝播して、周波数ｆ１＝ω／２π（Ｈｚ）で圧電薄膜振動子６の基板面法線方向に振動する定在波となる。このとき、圧電薄膜振動子６の外周円６ａにおける定在波の波長は、外周円６ａの長さの１／５である。

一方、上部電極１１ａ、１１ｃと下部電極３との間に実効値３．３Ｖの交流電圧Ｖ３＝Ａｓｉｎ{ωｔ−（π／２）}（Ｖ）を印加し、上部電極１１ｂ、１１ｄと下部電極３との間にＶ４＝Ａｓｉｎ{ωｔ＋（π／２）}（Ｖ）を印加すると、上部電極１１ａ〜１１ｄと下部電極３との間の圧電薄膜２には周波数ｆ１＝ω／２π（Ｈｚ）で繰り返されるたわみ振動と、当該たわみ振動と同じ周波数ｆ１で位相がπだけずれたたわみ振動が発生する。

これらのたわみ振動はレゾネータ４全体に伝播して、周波数ｆ１＝ω／２π（Ｈｚ）で圧電薄膜振動子６の基板面法線方向に振動する定在波となる。このとき、圧電薄膜振動子６の外周円６ａにおける定在波の波長は、外周円６ａの長さの１／５である。

上部電極部１に印加される交流電圧で発生する定在波の位相と上部電極部１１に印加される交流電圧で発生する定在波の位相とはπ／２異なっている。位相がπ／２異なる２つの定在波の干渉により圧電薄膜振動子６全体にたわみ進行波が発生する。たわみ進行波の進行方向は圧電振動子６の円周方向（図２中、外周円６ａの半径方向と垂直な方向）である。本実施の形態によれば、圧電薄膜振動子６は応力補償膜８を有しているので、電圧無印加時には反りがなく平坦であり、電圧印加時に発生するたわみ進行波も平坦な面に形成される。

次に、本実施の形態による圧電薄膜振動子の製造方法について図５および図６を参照して説明する。なお、図５および図６では図３に示した圧電薄膜振動子６の断面の右半分を示している。

圧電薄膜振動子６の作製には、以下に説明する蒸着法およびスパッタリング法を用いるのが好ましい。まず、不図示の蒸着装置のホルダに、Ｓｉ単結晶基板１４を（１００）面が露出するようにセットする（図５(ａ)を参照。）。ここで、基板表面１４ａは、鏡面仕上げのウエハを用い基板表面１４ａをエッチング洗浄しておくことが好ましい。具体的には、４０％フッ化アンモニウム水溶液等によりエッチング洗浄する。また、清浄化されたＳｉ単結晶基板１４は極めて反応性が高いため、所定の表面処理を施して、汚染などから保護することが好ましい。

次に、Ｓｉ単結晶基板１４の基板表面１４ａに、厚さ０．０１μｍのＺｒＯ_２膜及び厚さ０．０４μｍのＹ_２Ｏ_３膜を蒸着法により順次エピタキシャル成長して酸化物膜（バッファ層）を形成する（図５では不図示）。ここで、ＺｒＯ_２膜は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）で構成されたエピタキシャル膜であり、Ｙ_２Ｏ_３膜は、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）で構成されたエピタキシャル膜である。より具体的には、４００℃以上に加熱されたＳｉ単結晶基板１４の表面１４ａに、ガス供給装置によって得られる酸素雰囲気下で、Ｚｒ蒸発部からＺｒを供給して厚さ０．０１μｍのＺｒＯ_２膜をエピタキシャル成長させ、次いで、Ｙ蒸発部からＹを供給して、厚さ０．０４μｍのＹ_２Ｏ_３膜をエピタキシャル成長させる。このようにしてエピタキシャル成長されたＺｒＯ_２膜の膜面は（００１）面となり、Ｙ_２Ｏ_３膜の膜面は（１００）面となる。

なお、基板面積が１０ｃｍ^２以上、たとえば直径２インチの大きな単結晶基板面積に成膜する場合には、複数の吹き出し口を有するガス供給装置を用いて酸素ガスを基板付近に供給しながら、Ｓｉ単結晶基板１４をモータで回転させることにより、高酸素分圧を基板全面に供給することができ、大面積での均一な膜作製が可能となる。このとき、基板の回転数は、１０ｒｐｍ以上であることが望ましい。回転数が遅いと基板面内で膜厚の分布が生じるためである。この基板の回転数の上限は特にないが、通常は真空装置の機構上１２０ｒｐｍ程度である。

次に、Ｙ_２Ｏ_３膜上に厚さ０．１から０．３μｍの金属薄膜をエピタキシャル成長させ、下部電極（第１の電極）３を形成する（図５（ｂ）参照）。より具体的には、酸素プラズマ環境下で、上記Ｙ_２Ｏ_３エピタキシャル膜が形成されたＳｉ単結晶基板１４の上面に、Ｐｔ蒸発部からＰｔを供給して、Ｐｔで構成される厚さ０．０１から０．１μｍの金属薄膜を蒸着法を用いてエピタキシャル成長させ、その上にさらにスパッタリング法を用いてＰｔで構成される厚さ０．１から０．２μｍの金属薄膜をエピタキシャル成長させ、金属薄膜を成膜する。このようにしてエピタキシャル成長されたＰｔ金属薄膜は＜１００＞方向に配向している。

次に、下部電極３上に、厚さ０．０２μｍのＰＬＴ膜及び厚さ２．５μｍのＰＺＴ膜をスパッタリング法を用いて順次エピタキシャル成長して圧電薄膜２を成膜する（図５（ｃ）参照）。ここで、ＰＬＴ膜は、Ｌａをドープしたチタン酸鉛（ＰＬＴ）で構成されたエピタキシャル膜であり、ＰＺＴ膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されたエピタキシャル膜である。これらのＰＬＴ膜及びＰＺＴ膜はいずれもペロブスカイト型結晶構造を有しており、その成長方向（厚さ方向）が＜００１＞方向の、ｃ面単一配向エピタキシャル膜であるか、または＜００１＞方向のドメインと＜１００＞方向のドメインが混在するドメイン構造のエピタキシャル膜で＜００１＞方向のドメインが優勢な膜である。こうして形成されたＰＺＴ／ＰＬＴ／Ｐｔ／Ｙ_２Ｏ_３／ＺｒＯ_２／Ｓｉ構造のエピタキシャル膜の方位関係は、一例としてＰＺＴとＰＬＴが共にｃ面単一配向の場合は、膜面に垂直な方向においてＰＺＴ＜００１＞／ＰＬＴ＜００１＞／Ｐｔ＜１００＞／Ｙ２Ｏ３＜１００＞／ＺｒＯ２＜００１＞／Ｓｉ＜１００＞を有し、面内方向においてＰＺＴ＜１００＞／／ＰＬＴ＜１００＞／／Ｐｔ＜１００＞／／Ｙ２Ｏ３＜１００＞／／ＺｒＯ２＜１００＞／／Ｓｉ＜１００＞を有する。ＰＺＴやＰＬＴがドメイン構造を有する場合には、ＰＺＴとＰＬＴの＜１００＞の一部が＜００１＞に置き換わり、＜００１＞の一部が＜１００＞に置き換わった方位関係となる（／／は方位の平行関係を示す）。

次に、圧電薄膜２上に厚さ０．２μｍの金属薄膜４１をスパッタリング法を用いて形成する（図５（ｄ）参照）。

次に、フォトリソグラフィ法を用いて金属薄膜４１を所定の形状にパターニングして上部電極部１および上部電極部１１を形成する（図５（ｅ）参照。図５(ｅ)では上部電極１ｃのみ図示してある。）。より具体的には、金属薄膜４１上の全面にポジ型フォトレジストを塗布する。次いで、レジストをパターニングしてレジストパターンを形成し、レジストパターンをエッチングマスクとして金属薄膜４１をエッチングし、上部電極部１および上部電極部１１を形成する。上部電極部１および上部電極部１１は円周状に配置される。

次に、圧電薄膜２および上部電極１および１１上に厚さ１５０ｎｍのＳｉ_３Ｎ_４膜を成膜して応力補償膜８を形成する（図６（ａ）参照）。応力補償膜８の形成には、スパッタリング法、またはＣＶＤ法を用いるのが好ましい。蒸着法は、応力の制御が難しいため、応力補償膜８の形成には適さない。次に、中心部をサンドブラスト法またはフォトリソグラフィ法により研削して貫通孔５を形成する。さらに、応力補償膜８形成面を表面が平坦なガラスやＳｉなどの基板に貼り付け、シリコン単結晶基板１４の裏面をサンドブラスト法または研磨法、もしくはエッチング法により研削してシリコン単結晶基板１４の厚さを５０μｍ〜１００μｍ、好適には５０μｍまで薄くしてレゾネータ４を形成する（図６（ｂ）参照）。以上のようにして、レゾネータ４上に、下部電極３、圧電薄膜２、上部電極部１と上部電極部１１、および応力補償膜８がこの順に順次積層された圧電薄膜振動子６の製造が完了する。

次に、本実施の形態による駆動装置について図７を用いて説明する。図７は本実施の形態による駆動装置の構成を示している。図７に示すように本実施の形態による駆動装置は圧電薄膜振動子６と交流電源部５１とを有している。交流電源部５１は交流電源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを有している。

交流電源５１ａは電極端子５５ａを介して上部電極１ａ、１ｃに電気的に接続されている。交流電源５１ｂは電極端子５５ｂを介して上部電極１ｂ、１ｄに電気的に接続されている。交流電源５１ｄは電極端子５５ｄを介して上部電極１１ａ、１１ｃに電気的に接続されている。交流電源５１ｃは電極端子５５ｃを介して上部電極１１ｂ、１１ｄに電気的に接続されている。

本実施の形態による駆動装置は後述する圧電モータに用いられるだけでなく、圧電薄膜振動子６上に液体または気体（たとえば空気）の流体を介して着脱式の回転式記録メディアを取り付け、流体の介在によって非接触で当該メディアを回転させる駆動力を付与することもできる。流体はたわみ進行波の進行方向と逆方向に移動し、当該メディアは流体の回転移動方向に倣って回転する。本実施の形態によれば、圧電薄膜振動子６は応力補償膜８を有しているので、反りがなく平坦である。従って、圧電薄膜振動子６と当該メディアとの距離を所望の値に保持することができる。

次に、本実施の形態による圧電モータについて図８を用いて説明する。図８は本実施の形態による圧電モータの構成を示す斜視図である。図８に示すように本実施の形態による圧電モータは本実施の形態による駆動装置（図８では圧電薄膜振動子６のみを図示してある）を備えたステータと、圧電薄膜振動子６上に配置されたロータ７とを有している。

ロータ７は薄板状に形成されて円形状の外周を有している。ロータ７の中央部にはロータ７の外周円７ａと中心がほぼ一致する円形状の貫通孔１５が形成されている。貫通孔５および貫通孔１５を不図示の円柱形状の軸（シャフト）が貫通し、ロータ７の回転軸は圧電薄膜振動子６の中心軸にほぼ一致している（図中、一点鎖線で示している）。本実施の形態による圧電モータでは圧電薄膜振動子６の上部電極部１形成面がロータ７と対向しているが、レゾネータ４形成面がロータ７と対向してもよい。

上述のように、位相がπ／２（ｒａｄ）異なる２つの定在波が干渉しあうことにより圧電薄膜振動子６全体にたわみ進行波が発生する。たわみ進行波の進行方向は圧電振動子６の円周方向（図８中、基板面内で外周円６ａの半径方向に直交する方向）である。圧電薄膜振動子６とロータ７とを圧接すると、ロータ７は摩擦により圧電薄膜振動子６に発生するたわみ進行波の進行方向と反対の方向に回転する。本実施の形態によれば、圧電薄膜振動子６は応力補償膜８を有しているので、反りがなく平坦である。従って、圧電薄膜振動子６で発生させたたわみ進行波による回転力（トルク）を十分にロータ７に伝達することができる。

〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態による圧電薄膜振動子１６について図９および図１０を用いて説明する。図９は本実施の形態による圧電薄膜振動子１６の構成を示す平面図であり、図１０は図９のＡ−Ａ線で切断した断面図である。なお、本実施の形態による圧電薄膜振動子１６等の説明において、第１の実施の形態と同一の機能、作用を奏する構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

圧電薄膜振動子１６は、たわみ進行波を発生させる薄板状のレゾネータ４と、レゾネータ４表面に形成された下部電極（第１の電極）３と、下部電極３上に形成された圧電薄膜２と、圧電薄膜２上に形成された複数の上部電極（第２の電極）１ａ〜１ｄおよび１１ａ〜１１ｄとを備えた圧電素子９と、圧電素子９に生じる内部応力を補償する応力補償膜１８と有している。

第１の実施の形態による圧電薄膜振動子６では応力補償膜８がレゾネータ４表面側に形成されているが、本実施の形態による圧電薄膜振動子１６では、図９および図１０に示すように、レゾネータ４裏面側に応力補償膜１８が形成されている。応力補償膜１８は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成されている。応力補償膜１８には、圧電素子９に生じる内部応力と符号が同じとなる引張り応力が生じている。

本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に、応力補償膜１８の膜厚を所望の膜厚とすることで、圧電素子９の内部応力が補償され、反りのない平坦な圧電薄膜振動子１６を形成することができる。すなわち、応力補償膜１８の膜厚を所望の膜厚とすることで、圧電薄膜振動子１６全体の応力がほぼゼロになる。応力補償膜１８が薄すぎる場合、十分な応力補償の効果が得られず圧電薄膜振動子１６の反りはなくならない。また、応力補償膜１８が厚すぎる場合、圧電薄膜振動子１６には、逆にレゾネータ４表面側が凹になり、レゾネータ４裏面側が凸になる反りが生じてしまう。

応力補償膜１８の材料は、ＡｌＮの他にＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）などの窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）やＳｉＯ_２（２酸化珪素）などの酸化物、またはその他の金属酸化物、あるいは圧電薄膜２と同一の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛であってもよい。その中でも、ＡｌＮで形成された応力補償膜１８は、膜厚が薄くても十分な応力が得られ、膜厚が薄い応力補償膜１８が実現できる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、スパッタリング法、またはＣＶＤ法を用いて応力補償膜８を形成したが、本発明はこれに限らず、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング装置を用いて応力補償膜８を形成することももちろん可能である。

また、上記実施の形態では、圧電素子９に引張り応力が生じ、これによりレゾネータ４表面側が凸になり、レゾネータ４裏面側が凹になる反りが生じる圧電薄膜振動子６を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、圧電素子９に圧縮応力が生じ、これによりレゾネータ４表面側が凹になり、レゾネータ４裏面側が凸になる反りが生じる圧電薄膜振動子６にももちろん適応できる。この場合にも、引張り応力を生じる応力補償膜８を用いて、応力補償膜８の膜厚を所望の膜厚とすることで、圧電素子９の内部応力が補償され、反りのない圧電薄膜振動子６を形成することができる。

また、上記実施の形態では、図１１（ａ）に示す扇形の形状の上部電極１ａ〜１ｄおよび上部電極１１ａ〜１１ｄを例に挙げたが、本発明はこれに限らず、図１１（ｂ）に示す台形状の上部電極２１および図１１（ｃ）に示す矩形状の上部電極３１を用いた場合にももちろん適用できる。

上部電極に矩形状の上部電極３１を用いる場合、上部電極３１に印加される電圧によって発生する定在波の腹が矩形状の上部電極３１の内部に形成されることが好ましい。より好適には、定在波の腹が矩形状の上部電極３１の中心と一致することが好ましい。

さらに上記実施の形態では、上部電極部１および上部電極部１１が分離して形成された圧電薄膜振動子６を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、さらに圧電薄膜２が分離して形成された圧電薄膜振動子６にももちろん適用できる。

また、上記実施の形態では円板状のレゾネータで回転するたわみ進行波を発生させているが、本発明はこれに限られない、たとえば、薄板長方形状のレゾネータの一表面にエピタキシャル成長させた下部電極および圧電薄膜を形成し、その上に直線状に離散的に並ぶ上部電極を設けてもよい。こうすることにより、直線状に進行するたわみ進行波を発生させたリニア駆動を実現できる。

さらに、上記実施の形態ではレゾネータ４がシリコン単結晶基板で形成された圧電薄膜振動子を例に説明したが、本発明はこれに限らず、Ｓｉとは異なる材料からなる単結晶基板で形成されたレゾネータ４を備えた圧電薄膜振動子にももちろん適用できる。

さらに、上記実施の形態では上部電極部１、１１および下部電極３の材料としてＰｔが用いられた圧電薄膜振動子６を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、例えばＡｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、ＣｕおよびＡｇからなる金属材料群のうち少なくとも１種類を含むものであってもいい。

さらに、上記実施の形態では圧電薄膜２としてＬａをドープしたチタン酸鉛（ＰＬＴ）で構成されたエピタキシャル膜上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されたエピタキシャル膜が形成された薄膜を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、ＰＭＮ−ＰＴなどに代表されるリラクサー系材料、ＬｉＮｂＯ_３やＫＴａＯ_３、チタン酸バリウムストロンチウムや、チタン酸鉛、ＺｎＯやＡｌＮを主成分とするウルツァイト型圧電体材料で構成されたエピタキシャル膜であってもいい。

さらに、上記実施の形態では、上部電極１ａ、１ｃは引き出し電極５３ａに電気的に接続され、上部電極１ｂ、１ｄは引き出し電極５３ｂに電気的に接続され、上部電極１１ａ、１１ｃは引き出し電極５３ｄに電気的に接続され、上部電極１１ｂ、１１ｄは引き出し電極５３ｃに電気的に接続されているが、本発明はこれに限らない。例えば、応力補償膜８上の全面に絶縁膜を形成し、上部電極部１および１１のそれぞれの電極上の絶縁膜を開口してコンタクトホールを形成し、絶縁膜上に第１乃至第４の引き出し電極を形成し、上部電極１ａと１ｃとが第１の引き出し電極に、上部電極１ｂと１ｄとが第２の引き出し電極に、上部電極１１ａと１１ｃとが第３の引き出し電極に、上部電極１１ｂと１１ｄとが第４の引き出し電極にそれぞれコンタクトホールを介して電気的に接続されてもよい。

また、上部電極部１および１１と同層に形成された引き出し電極と、絶縁膜上に形成された引き出し電極とを併用してもよい。例えば、上部電極１ａ、１ｃおよび上部電極１１ｂ、１１ｄは上記実施の形態と同様に同層に形成された引き出し電極５５ａ、５５ｃに電気的に接続され、上部電極１ｂ、１ｄは絶縁膜上の貫通孔５近傍に形成された第１の引き出し電極に電気的に接続され、上部電極１１ａ、１１ｃは絶縁膜上の貫通孔５近傍に形成された第２の引き出し電極にコンタクトホールを介して電気的に接続されてもよい。

本実施の形態では電極（下部電極３と上部電極部１および１１）、および圧電体薄膜２の成膜方法として蒸着法およびスパッタリング法を例に挙げたが、成膜方法はこれらに限定されず、物理的気相成長法（蒸着法、スパッタリング法、ＭＢＥ法など）、化学気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ、プラズマＣＶＤなど）、液相・固相成長法（ゾルゲル法など）などでも圧電薄膜振動子が作製可能であるため、これらの中から各層ごとに適宜選択して用いることができる。

本明細書において「エピタキシャル成長する」とは、対象となる膜の結晶が、直接接触している下地の膜の結晶に対して、面内および面に垂直な方向において共に特定の方位関係を持って成長していることを表す。また、「エピタキシャル膜」および「エピタキシャル成長した膜」とは、その膜が直接接触する下地の膜に対してエピタキシャル成長した膜であることを表す。

圧電体薄膜がＰＺＴなどのように正方晶のペロブスカイト構造である場合には、（００１）と（１００）に配向したドメイン構造のＰＺＴ膜がしばしば得られるが、この場合でも（００１）ドメインと（１００）ドメインがそれぞれ下地の結晶（Ｐｔなど）と面内および面垂直方向とも特定の方位関係を持っていればエピタキシャル膜であるといえる。これは、ＰＺＴをキュリー温度より高温の６００℃で成膜する場合、成膜温度では立方晶としてエピタキシャル成長しても、成膜後の基板温度降下中にＰＺＴ膜は立方晶から正方晶へと相転移し、基板からの応力によって（００１）配向ドメインと（１００）配向ドメインが発生するためである。

なお、膜がエピタキシャル膜かどうかということは、その膜およびその下地膜が単結晶であるか多結晶であるかということには依存しない。また、結晶粒の大きさや、ドメインの大きさによって限定されるものではない。例えば、表面が熱酸化ＳｉＯ_２膜で覆われたＳｉ（１００）基板上に（１００）配向の多結晶のＰｔ膜を作製し、この上にＰＺＴ多結晶膜を形成した場合、Ｐｔ膜中の結晶粒の面内方向とその上に形成されているＰＺＴ膜の結晶粒の結晶方位が、面内方向および面に垂直な方向に共に特定の方位関係を持っていれば、それぞれの結晶粒の大きさによらず、このＰＺＴ膜はエピタキシャル成長した膜であるといえる。さらに、ＰＺＴ膜が（００１）配向と（１００）配向のドメイン構造からなっていても、各ドメインに対して下地結晶と特定の方位関係が成り立てば、エピタキシャル成長した膜であるといえる。

本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の製造方法を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電薄膜振動子の製造方法を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による駆動装置の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態による圧電モータの構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す断面図である。 圧電薄膜振動子の上部電極の形状を示す図である。

符号の説明

１、１１ 上部電極部
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 上部電極
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ 圧電薄膜
３ 下部電極
４ レゾネータ
５ 貫通孔
６、１６ 圧電薄膜振動子
６ａ、１６ａ 圧電薄膜振動子の外周円
７ ロータ
７ａ ロータの外周円
８，１８ 応力補償膜
９ 圧電素子
１４ シリコン単結晶基板
１４ａ シリコン単結晶基板表面
１７ スリット
２１ 台形状の上部電極
３１ 矩形状の上部電極
４１ 金属薄膜
５１ 交流電源部
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ 交流電源
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ 引き出し電極
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５７ 電極端子

Claims (9)

1. 進行波を発生させる薄板状のレゾネータと、
   前記レゾネータ表面に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された複数の第２の電極とを備えた圧電素子と、
   前記複数の第２電極上又は前記レゾネータ裏面のいずれか一方に形成され、前記圧電素子に生じる内部応力を補償する応力補償膜と
   を有することを特徴とする圧電薄膜振動子。
2. 請求項１記載の圧電薄膜振動子であって、
   前記応力補償膜は、前記レゾネータの反りをなくすこと
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
3. 請求項１又は２に記載の圧電薄膜振動子であって、
   前記応力補償膜は、圧縮応力を生じること
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
4. 請求項１又は２に記載の圧電薄膜振動子であって、
   前記応力補償膜は、引張り応力を生じること
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電薄膜振動子であって、
   前記応力補償膜は窒化物で形成されていること
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電薄膜振動子であって、
   前記応力補償膜は酸化物で形成されていること
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電薄膜振動子であって
   前記圧電薄膜はエピタキシャル膜であること
   を特徴とする圧電薄膜振動子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電薄膜振動子と、
   隣り合う前記複数の第２の電極に位相が半周期ずれた交流電圧を印加する交流電源と
   を有することを特徴とする駆動装置。
9. 請求項８記載の駆動装置を備えたステータと、
   前記圧電薄膜振動子上に配置されたロータと
   を有することを特徴とする圧電モータ。

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