JP5052835B2 - Piezoelectric actuator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、圧電材料を使用した圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator using a piezoelectric material and a manufacturing method thereof.
従来、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する装置の例として、偏光用の平面ミラーを電磁アクチュエータで回転振動させるデバイスが用いられている。しかし、電磁アクチュエータでは、外部に永久磁石を配置する必要があるため、デバイスの構成が複雑になると共に小型化が困難である。また、電磁アクチュエータの駆動により磁場が発生するため、近傍の他のデバイスへ悪影響をもたらす可能性がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an example of an apparatus that deflects and scans a light beam such as a laser beam, a device that rotates and vibrates a plane mirror for polarization with an electromagnetic actuator has been used. However, in an electromagnetic actuator, since it is necessary to arrange a permanent magnet outside, the configuration of the device is complicated and it is difficult to reduce the size. In addition, since the magnetic field is generated by driving the electromagnetic actuator, there is a possibility of adversely affecting other nearby devices.
これに対し、薄膜化した圧電材料からなる薄膜圧電体をアクチュエータとして使用した圧電アクチュエータが提案されている(例えば特許文献1参照)。この圧電アクチュエータでは、薄膜圧電体の微小な発生力を効率良く機械運動に変換するため、薄膜圧電体をカンチレバー上に重ね合わせて使用している。この構造は、ユニモルフカンチレバー構造と呼ばれ、圧電体の圧電特性から生ずる面内方向の伸縮が、その下に接合された支持体に伝わり、その先端部を上下に振動させる。従って、圧電カンチレバーをアクチュエータとして使用するときには、その先端部に可動部品等を機械的に接続させることで、発生力又は変位を伝達させ、デバイスを駆動させる。このようなデバイスは、いわゆる半導体プレーナプロセスとMEMS(micro electro mechanical systems)プロセスによって一体的に加工して形成することができ、小型化が可能で作製も容易となる。
上記特許文献1の圧電アクチュエータでは、先端部に発生するトルク及び変位の大きさは、圧電体から生ずる発生力とカンチレバーのサイズで決定される。このため、大きなトルク又は変位を得るためには、カンチレバーのサイズ、特に長さを増やす必要がある。従って、大きなトルク又は変位を求めるデバイスでは、アクチュエータのサイズが増大し、デバイス全体として大型化するが、デバイスが大型化すると、例えば単位ウェハあたりから作製できるデバイスのチップ数が減少してしまう。また、カンチレバーのサイズの増大は、その構造の剛性を低下させるので、その動作が外乱の影響を受けやすくなり、或いは衝撃に対して弱くなる可能性がある。さらに、カンチレバーのサイズの増大に伴い、空気の粘性抵抗によるトルク又は変位の減衰(エアダンピング)の影響が増大してしまう。
In the piezoelectric actuator disclosed in
また、上記特許文献1では、単一のカンチレバーのみを有する圧電アクチュエータが、弾性的に接続されて配置されている。単一のカンチレバーは支持された端を支点としてその先端部が1方向に振動するものであるので、この圧電アクチュエータの変位は1方向のみである。このため、2以上の方向での変位等の複雑な動作を必要とするデバイスには搭載することが難しい。
Moreover, in the said
本発明は、上記事情に鑑み、小型で、且つ拡張されたトルク又は変位を得ることが可能な圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that is small in size and capable of obtaining an extended torque or displacement, and a manufacturing method thereof.
本発明の圧電アクチュエータは、支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う圧電カンチレバーを複数備えると共に、該複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動電圧を印加するための複数の電極を独立に備え、
該複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、該駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形され、
前記複数の圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成され、
前記複数の圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成され、
前記電極は、半導体基板と該半導体基板に成膜された単層の圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極と、上部電極層及び圧電膜を形状加工して前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンとを含むことを特徴とする。
The piezoelectric actuator of the present invention includes a support body and a plurality of piezoelectric cantilevers that have a piezoelectric body formed on the support body and bend and deform by piezoelectric driving, and drive voltages are respectively applied to the piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers. Independently equipped with multiple electrodes to apply,
The ends of the plurality of piezoelectric cantilevers are mechanically coupled so as to accumulate each bending deformation, and each piezoelectric cantilever is independently bent and deformed by application of the driving voltage ,
The plurality of piezoelectric cantilever supports are integrally formed by processing a semiconductor substrate,
The piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers are formed by processing a single-layer piezoelectric film directly formed on the semiconductor substrate,
The electrode includes a lower electrode formed by processing a lower electrode layer, which is a metal thin film directly formed between a semiconductor substrate and a single-layer piezoelectric film formed on the semiconductor substrate, and a piezoelectric film An upper electrode formed by processing the upper electrode layer, which is a metal thin film directly formed thereon, and the upper electrode layer and the piezoelectric film of the upper electrode layer and the piezoelectric film are partially processed to form the upper electrode layer and the piezoelectric body. And an electrode wiring pattern for applying a driving voltage to a piezoelectric body of a predetermined piezoelectric cantilever among the plurality of piezoelectric cantilevers formed separately .
本発明の圧電アクチュエータによれば、複数の圧電カンチレバーは、それぞれ、圧電駆動により屈曲変形を行い、各圧電カンチレバーの一方の端部(基端部)を支軸として他方の端部(先端部)を変位させるトルクを発生する。この圧電カンチレバーは、支持体と圧電体により構成され、構造が簡単で小型化が可能である。 According to the piezoelectric actuator of the present invention, each of the plurality of piezoelectric cantilevers is bent and deformed by piezoelectric driving, and the other end portion (distal end portion) with one end portion (base end portion) of each piezoelectric cantilever as a support shaft. Generates torque that displaces This piezoelectric cantilever is constituted by a support and a piezoelectric body, has a simple structure, and can be miniaturized.
また、本発明の圧電アクチュエータでは、複数の圧電カンチレバーは各々の端部が機械的に連結されているので、例えば、圧電アクチュエータ全体の基端部に位置する圧電カンチレバーでは、その基端部を支軸としてその先端部にトルク又は変位を出力する。この圧電カンチレバーの先端部に連結された次位の圧電カンチレバーでは、その連結部を支軸として、当該圧電カンチレバーの先端部にトルク又は変位を出力する。このように、本発明の圧電アクチュエータでは、各圧電カンチレバーの先端部を、それぞれ、トルク又は変位を出力するための出力部として用いることができる。そして、複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動電圧を印加して、各圧電カンチレバーの屈曲変形を独立に制御することにより、例えば、各圧電カンチレバーの駆動電圧の極性や大きさの組み合わせを制御して、各圧電カンチレバーの先端部で多様な出力を得ることができる。このとき、圧電体は電荷を蓄積・保持することができるため、電圧の印加を停止しても各圧電カンチレバーの先端部で発生する変位を保持することが可能である。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the end portions of the plurality of piezoelectric cantilevers are mechanically connected. For example, in the piezoelectric cantilever located at the base end portion of the entire piezoelectric actuator, the base end portions are supported. Torque or displacement is output to the tip of the shaft. In the next piezoelectric cantilever connected to the tip of the piezoelectric cantilever, torque or displacement is output to the tip of the piezoelectric cantilever with the connecting portion as a support shaft. Thus, in the piezoelectric actuator of the present invention, the tip of each piezoelectric cantilever can be used as an output unit for outputting torque or displacement. Then, by applying a drive voltage to each piezoelectric cantilever piezoelectric body and independently controlling the bending deformation of each piezoelectric cantilever, for example, the combination of the polarity and magnitude of the drive voltage of each piezoelectric cantilever is controlled. Thus, various outputs can be obtained at the tip of each piezoelectric cantilever. At this time, since the piezoelectric body can store and hold electric charges, it is possible to hold the displacement generated at the tip of each piezoelectric cantilever even when the application of voltage is stopped.
さらに、複数の圧電カンチレバーは屈曲変形を累積するように連結されているので、圧電アクチュエータの出力(例えば、圧電アクチュエータ全体の先端部で出力されるトルク又は変位)は、各圧電カンチレバーで発生する出力を重ね合わせたものとなる。このため、圧電カンチレバー自体を大きくすることなく、各圧電カンチレバーで発生する出力が加算された大きな出力を得ることができる。 Further, since the plurality of piezoelectric cantilevers are connected so as to accumulate bending deformation, the output of the piezoelectric actuator (for example, torque or displacement output at the tip of the entire piezoelectric actuator) is output generated by each piezoelectric cantilever. Will be superimposed. Therefore, it is possible to obtain a large output obtained by adding the outputs generated by each piezoelectric cantilever without increasing the piezoelectric cantilever itself.
また、例えば、各圧電カンチレバーの長さ方向が異なるように連結すると、圧電アクチュエータから、各圧電カンチレバーで発生する出力がベクトルとして合成された複数の方向成分を有する出力が得られる。よって、複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動電圧を印加して、各圧電カンチレバーの屈曲変形を独立に制御することにより、各方向成分を独立に制御して多様な方向の出力を得ることができる。 Further, for example, when the piezoelectric cantilevers are connected so that the length directions thereof are different, an output having a plurality of directional components obtained by combining the outputs generated by the piezoelectric cantilevers as vectors is obtained from the piezoelectric actuator. Therefore, by applying drive voltages to the piezoelectric bodies of a plurality of piezoelectric cantilevers and independently controlling the bending deformation of each piezoelectric cantilever, it is possible to independently control each direction component and obtain outputs in various directions. it can.
したがって、本発明によれば、小型の圧電アクチュエータで、拡張されたトルク又は変位を得ることができる。ここで、拡張されたトルク又は変位とは、トルク又は変位の範囲・規模等が広く大きくなることであり、例えば、大きな量のトルク又は変位、多くの方向成分を有する(自由度の高い)トルク又は変位、或いは複数の圧電カンチレバーの先端部で得られるトルク又は変位の出力をいう。
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、電極は、半導体基板と該半導体基板に成膜された単層の圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極とを含む。
この場合、上部電極と下部電極とは、圧電体を挟んで形成されているので、各圧電カンチレバーの上部電極と下部電極との間に駆動電圧を印加することで、圧電体に駆動電圧を印加して各圧電カンチレバーを屈曲変形させることができる。このとき、上部電極及び下部電極は、直接成膜された金属薄膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。しかも、支持体及び圧電体と一体的に形成することが可能であり、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて圧電アクチュエータ全体を作製することができるので、量産や歩留りの向上が可能となる。また、圧電アクチュエータをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となる。
さらに、本発明の圧電アクチュエータにおいて、電極は、上部電極層及び圧電膜を形状加工して圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体にのみ駆動電圧を印加するための電極配線パターンを更に含む。
この場合、電極配線パターンを介して駆動電圧を印加することにより、複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーを屈曲変形させることが可能である。このとき、電極配線パターンは、上部電極層と圧電膜との2層を形状加工することによって、所定の圧電カンチレバーの上部電極とのみ導通するよう、他の圧電カンチレバーの上部電極と分離して形成されると共に、電極配線パターンの下層の圧電膜により、下部電極との間で電気的に絶縁(上部電極層と下部電極層との層間絶縁)されるように形成することができる。よって、上部電極及び圧電体を形成するための上部電極層及び圧電膜を利用して、電極配線パターン用に別の材料を用いることなく、電極配線パターンを形成することができる。しかも、上部電極及び圧電体を形成する際に同時に形成することができるので、別の工程が必要なく簡易な処理で電極配線パターンを形成することができる。
Therefore, according to the present invention, an extended torque or displacement can be obtained with a small piezoelectric actuator. Here, the expanded torque or displacement means that the range or scale of the torque or displacement becomes wide and large, for example, a large amount of torque or displacement, torque having many directional components (high degree of freedom). Or displacement, or the output of torque or displacement obtained at the tip of a plurality of piezoelectric cantilevers.
In the piezoelectric actuator of the present invention, the electrode is formed by shaping a lower electrode layer, which is a metal thin film directly formed between a semiconductor substrate and a single-layer piezoelectric film formed on the semiconductor substrate. And an upper electrode formed by processing an upper electrode layer that is a metal thin film directly formed on the piezoelectric film.
In this case, since the upper electrode and the lower electrode are formed with the piezoelectric body interposed therebetween, the drive voltage is applied to the piezoelectric body by applying the drive voltage between the upper electrode and the lower electrode of each piezoelectric cantilever. Thus, each piezoelectric cantilever can be bent and deformed. At this time, since the upper electrode and the lower electrode are formed by processing a metal thin film directly formed, the structure is simple, and the upper electrode and the lower electrode can be easily formed using a semiconductor planar process. In addition, the piezoelectric actuator can be formed integrally with the support and the piezoelectric body, and the entire piezoelectric actuator can be manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process, so that mass production and yield can be improved. In addition, when the piezoelectric actuator is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, so that it can be easily incorporated into another device.
Furthermore, in the piezoelectric actuator according to the present invention, the electrode is formed by partially processing the upper electrode layer and the piezoelectric film so as to be partially separated from the upper electrode and the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever. It further includes an electrode wiring pattern for applying a driving voltage only to the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever.
In this case, a predetermined piezoelectric cantilever among a plurality of piezoelectric cantilevers can be bent and deformed by applying a driving voltage via the electrode wiring pattern. At this time, the electrode wiring pattern is formed separately from the upper electrodes of the other piezoelectric cantilevers so as to conduct only with the upper electrodes of the predetermined piezoelectric cantilevers by shaping the two layers of the upper electrode layer and the piezoelectric film. At the same time, the piezoelectric film under the electrode wiring pattern can be formed so as to be electrically insulated from the lower electrode (interlayer insulation between the upper electrode layer and the lower electrode layer). Therefore, the electrode wiring pattern can be formed without using another material for the electrode wiring pattern by using the upper electrode layer and the piezoelectric film for forming the upper electrode and the piezoelectric body. In addition, since the upper electrode and the piezoelectric body can be formed at the same time, an electrode wiring pattern can be formed by a simple process without requiring another process.
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結され、複数の電極は、前記隣り合う圧電カンチレバーの圧電体に互いに異なる駆動電圧を印加するための2つの独立した電極であり、該駆動電圧の印加により前記隣り合う圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形されることが好ましい。 Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the plurality of piezoelectric cantilevers are arranged side by side so that both ends of each piezoelectric cantilever are adjacent to each other, and are mechanically coupled so as to be folded back with respect to each adjacent piezoelectric cantilever. The electrodes are two independent electrodes for applying different driving voltages to the piezoelectric bodies of the adjacent piezoelectric cantilevers, and the adjacent piezoelectric cantilevers are bent and deformed in opposite directions by the application of the driving voltages. Is preferred.
この場合、各圧電カンチレバーは、両端部が隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う他の圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結されているので、例えば、隣り合う2つの圧電カンチレバー全体として発生する出力は、2つの圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形した場合に、各圧電カンチレバーで発生した出力の大きさを加算した大きさとなる。そして、隣り合う圧電カンチレバー間で互いに異なる電極から駆動電圧が印加されるので、例えば、圧電アクチュエータ全体の先端部側から奇数番目の圧電カンチレバーと偶数番目の圧電カンチレバーとを独立に駆動して、互いに逆方向に屈曲変形させることができる。 In this case, each piezoelectric cantilever is arranged side by side so that both end portions are adjacent to each other, and is mechanically connected so as to be folded back with respect to each other adjacent piezoelectric cantilever. When the two piezoelectric cantilevers are bent and deformed in directions opposite to each other, the magnitude of the output generated by each piezoelectric cantilever is added. Then, since driving voltages are applied from different electrodes between adjacent piezoelectric cantilevers, for example, the odd-numbered piezoelectric cantilevers and the even-numbered piezoelectric cantilevers are independently driven from the tip end side of the entire piezoelectric actuator, It can be bent and deformed in the opposite direction.
これにより、圧電アクチュエータ全体としては、奇数番目の圧電カンチレバーで発生した出力の大きさと、偶数番目の圧電カンチレバーで発生した出力の大きさとを加算した大きさの出力が得られる。よって、圧電カンチレバーの長さ、ひいては圧電アクチュエータの長さを増大させることなく、また、エアダンピングの影響を増大させることなく、より大きな出力を得ることができる。 As a result, the output of the piezoelectric actuator as a whole is obtained by adding the magnitude of the output generated by the odd-numbered piezoelectric cantilever and the magnitude of the output generated by the even-numbered piezoelectric cantilever. Therefore, a larger output can be obtained without increasing the length of the piezoelectric cantilever, and hence the length of the piezoelectric actuator, and without increasing the influence of air damping.
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、圧電カンチレバーの圧電体に印加される駆動電圧は直流電圧であることが好ましい。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the drive voltage applied to the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever is preferably a direct current voltage.
この場合、圧電カンチレバーの圧電体には駆動電圧として直流電圧が印加され、各圧電カンチレバーで発生する出力の大きさは直流電圧の大きさに応じて線形的に変化する。従って、例えば交流電圧を印加して圧電カンチレバーを共振駆動させる場合と異なり、直流電圧の大きさを制御することで任意の出力を得ることができる。よって、圧電アクチュエータの出力部を任意の速度で任意の経路で変位させたり、任意の変位を保持することができる。 In this case, a DC voltage is applied as a driving voltage to the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever, and the magnitude of the output generated by each piezoelectric cantilever varies linearly according to the magnitude of the DC voltage. Therefore, for example, unlike the case where the piezoelectric cantilever is resonantly driven by applying an AC voltage, an arbitrary output can be obtained by controlling the magnitude of the DC voltage. Therefore, the output part of the piezoelectric actuator can be displaced along an arbitrary path at an arbitrary speed, or an arbitrary displacement can be maintained.
上記のように圧電体に対する駆動電圧として直流電圧を印加する場合、直流電圧の波形としては、正弦波、三角波、矩形波、鋸波等を、用途に応じて任意に選択することができる。 When a DC voltage is applied as a driving voltage for the piezoelectric body as described above, a sine wave, a triangular wave, a rectangular wave, a sawtooth wave, or the like can be arbitrarily selected as the waveform of the DC voltage depending on the application.
さらに、本発明の圧電アクチュエータにおいて、複数の圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成されるものであることが好ましい。 Furthermore, in the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the support bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers are integrally formed by processing a semiconductor substrate.
この場合、複数の圧電カンチレバーの支持体が形状加工により一体的に形成されるので、各圧電カンチレバーの支持体を別体で形成して接合や接着等の加工法を用いて連結する場合に比べて、接合部材や接着剤等が不要になると共に、各圧電カンチレバーのアライメント精度を向上することができる。また、支持体が一体的に形成されることによって各圧電カンチレバーが機械的に連結されるので、各圧電カンチレバーの支持体を別体で形成して連結する場合に比べて、連結部に応力が集中することがなく圧電アクチュエータの強度を向上することができる。しかも、支持体は半導体基板(例えば、単結晶シリコン基板やSOI基板等のシリコン基板)から形成されるので、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて半導体基板の一部を除去加工することで、支持体を容易に一体的に形成することができる。さらに、圧電アクチュエータをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となる。 In this case, since a plurality of piezoelectric cantilever supports are integrally formed by shape processing, the piezoelectric cantilever supports are formed as separate bodies and connected by using a processing method such as bonding or adhesion. Thus, a joining member, an adhesive, and the like are not necessary, and the alignment accuracy of each piezoelectric cantilever can be improved. In addition, since the piezoelectric cantilevers are mechanically connected by forming the support body integrally, stress is applied to the connecting portion as compared to the case where the support bodies of the piezoelectric cantilevers are formed separately and connected. The strength of the piezoelectric actuator can be improved without being concentrated. Moreover, since the support is formed from a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate such as a single crystal silicon substrate or an SOI substrate), the support is formed by removing a part of the semiconductor substrate using a semiconductor planar process and a MEMS process. The body can be easily formed integrally. Furthermore, when the piezoelectric actuator is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, and therefore, it is easy to incorporate into another device.
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、複数の圧電カンチレバーの圧電体は、半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されることが好ましい。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers are preferably formed by shaping a single-layer piezoelectric film directly formed on a semiconductor substrate.
この場合、複数の圧電カンチレバーの圧電体は、半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。しかも、支持体と圧電体とを一体的に形成可能であり、支持体と圧電体とを別体で形成して接着する場合に比べて、接着剤が不要であり、アライメント精度が向上し、接着部に応力が集中することがなく圧電アクチュエータの強度を向上することができる。さらに、圧電アクチュエータをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となる。 In this case, the piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers are formed by processing a single-layer piezoelectric film directly formed on a semiconductor substrate, so that the structure is simple and it is easy to use a semiconductor planar process. Can be formed. Moreover, the support body and the piezoelectric body can be formed integrally, and no adhesive is required compared to the case where the support body and the piezoelectric body are formed and bonded separately, and the alignment accuracy is improved. It is possible to improve the strength of the piezoelectric actuator without stress concentration on the bonded portion. Furthermore, when the piezoelectric actuator is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, and therefore, it is easy to incorporate into another device.
さらに、本発明の圧電アクチュエータにおいて、圧電膜は、アーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法によって成膜された膜であることが好ましい。 Furthermore, in the piezoelectric actuator of the present invention, the piezoelectric film is preferably a film formed by a reactive ion plating method using arc discharge plasma.
このアーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法は、プラズマガンで真空容器内に発生させた高密度酸素プラズマ中で原料金属を加熱蒸発させ、真空容器内或いは半導体基板上において各金属蒸気と酸素とが反応することにより、半導体基板上に圧電膜を形成するものである。この方法を用いることにより、比較的低い成膜温度においても高速に圧電膜を形成でき、バルクの圧電体と同等の圧電特性を有する厚みのある膜を成膜することができる。よって、複数の圧電カンチレバーの圧電体を形状加工により支持体と一体的に形成可能であると共に、各圧電カンチレバーで発生する出力をより大きくすることができる。 In this reactive ion plating method using arc discharge plasma, a source metal is heated and evaporated in a high-density oxygen plasma generated in a vacuum vessel by a plasma gun, and each metal vapor and in a vacuum vessel or on a semiconductor substrate are heated. By reacting with oxygen, a piezoelectric film is formed on the semiconductor substrate. By using this method, a piezoelectric film can be formed at high speed even at a relatively low film formation temperature, and a thick film having piezoelectric characteristics equivalent to those of a bulk piezoelectric body can be formed. Accordingly, the piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers can be formed integrally with the support body by shape processing, and the output generated by each piezoelectric cantilever can be further increased.
または、本発明の圧電アクチュエータにおいて、電極は、複数の圧電カンチレバーの上部電極と圧電体と下部電極とを覆い且つ各圧電カンチレバー上で部分的に開口した層間絶縁膜上に設けられ、該層間絶縁膜の開口した部分を介して所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンを更に含むことが好ましい。 Alternatively, in the piezoelectric actuator of the present invention, the electrode is provided on an interlayer insulating film that covers the upper electrode, the piezoelectric body, and the lower electrode of the plurality of piezoelectric cantilevers and is partially opened on each piezoelectric cantilever. It is preferable to further include an electrode wiring pattern for applying a driving voltage to the piezoelectric body of a predetermined piezoelectric cantilever through the opening portion of the film.
この場合、上述の場合と同様に、電極配線パターンを介して駆動電圧を印加して所定の圧電カンチレバーを屈曲変形させることが可能である。このとき、電極配線パターンは層間絶縁膜上に設けられているので、層間絶縁膜によって、他の圧電カンチレバーの上部電極と分離されると共に下部電極との間で電気的に絶縁(上部電極層と下部電極層との層間絶縁)されている。このように層間絶縁膜により絶縁されているので、電極配線パターンの下の圧電膜を分離して層間絶縁する必要がない。従って、支持体上の圧電膜全体を、電極配線パターンの下層の部分も含めて、圧電カンチレバーの屈曲変形を発生させる圧電体として用いることができる。すなわち、支持体上の圧電体の面積占有率をより高くすることができるため、より小型の圧電アクチュエータで大きな出力を得ることができる。 In this case, as in the case described above, a predetermined piezoelectric cantilever can be bent and deformed by applying a driving voltage via the electrode wiring pattern. At this time, since the electrode wiring pattern is provided on the interlayer insulating film, it is separated from the upper electrode of other piezoelectric cantilevers by the interlayer insulating film and electrically insulated from the lower electrode (with the upper electrode layer). Interlayer insulation with the lower electrode layer). Thus, since it is insulated by the interlayer insulation film, it is not necessary to isolate | separate the piezoelectric film under an electrode wiring pattern and to carry out interlayer insulation. Therefore, the entire piezoelectric film on the support, including the lower layer portion of the electrode wiring pattern, can be used as a piezoelectric body that generates bending deformation of the piezoelectric cantilever. That is, since the area occupation ratio of the piezoelectric body on the support can be increased, a large output can be obtained with a smaller piezoelectric actuator.
また、層間絶縁のために圧電膜を部分的に分離する必要がないため、当該部分が圧電カンチレバーの屈曲変形に影響を与え、圧電カンチレバーの屈曲変形を妨げることを排除して、圧電アクチュエータの駆動特性を向上することができる。さらに、圧電アクチュエータを層間絶縁膜で覆うことにより、湿度等の外部環境への耐性を向上することができる。 In addition, since it is not necessary to partially separate the piezoelectric film for interlayer insulation, driving the piezoelectric actuator without affecting the bending deformation of the piezoelectric cantilever and preventing the piezoelectric cantilever from bending. The characteristics can be improved. Furthermore, by covering the piezoelectric actuator with an interlayer insulating film, resistance to external environments such as humidity can be improved.
なお、層間絶縁膜の材料としては、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン等の無機絶縁体や、ポリイミド等の有機絶縁体が挙げられる。層間絶縁膜は、支持体上に形成された絶縁膜を形状加工することにより形成すればよい。また、電極配線パターンは、例えば、層間絶縁膜上に成膜された金属薄膜を形状加工することにより形成すればよい。これにより、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて圧電アクチュエータ全体を作製することができる。 Examples of the material for the interlayer insulating film include inorganic insulators such as silicon oxide and silicon nitride, and organic insulators such as polyimide. The interlayer insulating film may be formed by processing the shape of the insulating film formed on the support. The electrode wiring pattern may be formed by, for example, processing a metal thin film formed on the interlayer insulating film. Thereby, the whole piezoelectric actuator can be manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process.
次に、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う圧電カンチレバーを複数備えた圧電アクチュエータの製造方法に関する。半導体基板上に金属薄膜である下部電極層を形成する下部電極層形成ステップと、下部電極層上に単層の圧電膜を形成する圧電体層形成ステップと、圧電膜上に金属薄膜である上部電極層を形成する上部電極層形成ステップと、下部電極層と圧電膜と上部電極層との形状を加工して、複数の圧電カンチレバーの圧電体を形成し、該圧電体に駆動電圧を印加するための上部電極と下部電極とを形成すると共に、上部電極層及び圧電膜を形状加工することにより、圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して、複数ある圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンを形成する形状加工ステップと、圧電体と上部電極と下部電極とが形成された半導体基板を加工して、複数の圧電カンチレバーの支持体を一体的に形成する支持体形成ステップとを含むことを特徴とする。 Next, a method for manufacturing a piezoelectric actuator according to the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric actuator including a support and a plurality of piezoelectric cantilevers that have a piezoelectric body formed on the support and perform bending deformation by piezoelectric driving. A lower electrode layer forming step for forming a lower electrode layer that is a metal thin film on a semiconductor substrate, a piezoelectric layer forming step for forming a single-layer piezoelectric film on the lower electrode layer, and an upper portion that is a metal thin film on the piezoelectric film An upper electrode layer forming step for forming an electrode layer, a shape of the lower electrode layer, the piezoelectric film, and the upper electrode layer are processed to form a piezoelectric body of a plurality of piezoelectric cantilevers, and a driving voltage is applied to the piezoelectric body Forming an upper electrode and a lower electrode for forming the upper electrode layer and the piezoelectric film, and partially separating the upper electrode and the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever to form a predetermined one of the plurality of piezoelectric cantilevers. a shaping step of forming an electrode wiring pattern for applying a driving voltage to the piezoelectric piezoelectric cantilevers, by processing the semiconductor substrate and are formed piezoelectric member and the upper and lower electrodes, a plurality Characterized in that it comprises a support forming step of integrally forming the support of the piezoelectric cantilever.
本発明の製造方法によれば、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて本発明の圧電アクチュエータを容易に製造することができ、小型化、量産、歩留り向上が可能となる。さらに、圧電アクチュエータをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となる。 According to the manufacturing method of the present invention, the piezoelectric actuator of the present invention can be easily manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process, and miniaturization, mass production, and yield improvement are possible. Furthermore, when the piezoelectric actuator is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, and therefore, it is easy to incorporate into another device.
このとき、半導体基板上に下部電極層と圧電膜と上部電極層とを順次成膜してから形状加工するので、例えば各層を一層毎に成膜・形状加工してから次の層を成膜する場合に比べて、下層が平坦で成膜時の膜厚が均一となると共に形状加工の精度が向上する。さらに、3層を成膜してから形状加工するので、例えば上部電極層及び圧電膜を同じパターンで形状加工することにより、工程数を減らすことができ、より製造効率を向上させることができる。 At this time, since the lower electrode layer, the piezoelectric film, and the upper electrode layer are sequentially formed on the semiconductor substrate and then the shape processing is performed, for example, each layer is formed and processed for each layer, and then the next layer is formed. Compared to the case, the lower layer is flat, the film thickness at the time of film formation becomes uniform, and the accuracy of shape processing is improved. Furthermore, since the shape processing is performed after the three layers are formed, the number of steps can be reduced and the manufacturing efficiency can be further improved by processing the upper electrode layer and the piezoelectric film in the same pattern, for example.
また、本発明の製造方法において、圧電体層形成ステップで、圧電膜はアーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法によって成膜されることが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, in the piezoelectric layer forming step, the piezoelectric film is preferably formed by a reactive ion plating method using arc discharge plasma.
この場合、本発明の圧電アクチュエータについて説明したように、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法を用いることにより、バルクの圧電体と同等の圧電特性を有する厚みのある膜を成膜することができる。よって、圧電体を形状加工により支持体と一体的に形成可能であると共に、各圧電カンチレバーで発生する出力を大きくすることができる。これにより、大きな出力を得ることができる小型の圧電アクチュエータを容易に製造することができる。 In this case, as described for the piezoelectric actuator of the present invention, by using an ion plating method using reactive arc discharge, a thick film having piezoelectric characteristics equivalent to that of a bulk piezoelectric material is formed. Can do. Therefore, the piezoelectric body can be formed integrally with the support by shape processing, and the output generated by each piezoelectric cantilever can be increased. Thereby, a small piezoelectric actuator capable of obtaining a large output can be easily manufactured.
本発明の製造方法においては、前記形状加工ステップで、上部電極層及び圧電膜を形状加工して、各圧電カンチレバーの上部電極と圧電体とを形成する際に、上部電極層及び圧電膜の一部を分離することにより、本発明の圧電アクチュエータについて説明した所定の圧電カンチレバーに駆動電圧を印加可能な電極配線パターンを形成することができる。これにより、電極配線パターン用に別の材料を用いたり工程数を増やすことなく電極配線パターンを形成することができ、製造効率を向上させることができる。
In the manufacturing method of the present invention, when the upper electrode layer and the piezoelectric film are formed in the shape processing step to form the upper electrode and the piezoelectric body of each piezoelectric cantilever, one of the upper electrode layer and the piezoelectric film is formed. By separating the portions, it is possible to form an electrode wiring pattern capable of applying a driving voltage to the predetermined piezoelectric cantilever described for the piezoelectric actuator of the present invention. Thereby, an electrode wiring pattern can be formed without using another material for an electrode wiring pattern, or increasing the number of processes, and manufacturing efficiency can be improved.
また、本発明の製造方法において、形状加工ステップで形成された圧電体と上部電極と下部電極とを覆うように絶縁膜を成膜し、該絶縁膜を形状加工することにより前記各圧電カンチレバー上が部分的に開口した層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成ステップと、該層間絶縁膜上に金属薄膜からなる電極配線層を成膜し、該電極配線層を形状加工することにより所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンを形成する電極配線形成ステップとを更に含むことが好ましい。 Further, in the manufacturing method of the present invention, an insulating film is formed so as to cover the piezoelectric body, the upper electrode, and the lower electrode formed in the shape processing step, and the insulating film is subjected to shape processing to thereby form each of the piezoelectric cantilevers. An interlayer insulating film forming step for forming an interlayer insulating film partially opened, and forming an electrode wiring layer made of a metal thin film on the interlayer insulating film and processing the shape of the electrode wiring layer to obtain a predetermined piezoelectric Preferably, the method further includes an electrode wiring forming step of forming an electrode wiring pattern for applying a driving voltage to the piezoelectric body of the cantilever.
この場合、層間絶縁膜形成ステップと電極配線形成ステップとで、本発明の圧電アクチュエータについて説明した、所定の圧電カンチレバーに駆動電圧を印加可能な電極配線パターンを層間絶縁膜上に形成することができる。このとき、層間絶縁膜と電極配線パターンとは、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて容易に形成することが可能である。これにより、圧電アクチュエータ全体を半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて製造することができ、小型化や量産が容易となる。 In this case, in the interlayer insulating film forming step and the electrode wiring forming step, the electrode wiring pattern capable of applying a driving voltage to the predetermined piezoelectric cantilever described for the piezoelectric actuator of the present invention can be formed on the interlayer insulating film. . At this time, the interlayer insulating film and the electrode wiring pattern can be easily formed using a semiconductor planar process and a MEMS process. Thereby, the whole piezoelectric actuator can be manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process, and miniaturization and mass production become easy.
[第1実施形態]
図1に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ1は、2つの圧電カンチレバー2A,2Bを備えている。圧電カンチレバー2A,2Bは、同一平面上に配置されており、一方の圧電カンチレバー2Aは、他方の圧電カンチレバー2Bの先端部b1の片側に、その長さ方向に対して直角に連結されている。この圧電アクチュエータ1は、一方の圧電カンチレバー2Aに駆動電圧を印加するための第1上部電極7Aと、他方の圧電カンチレバー2Bに駆動電圧を印加するための第2上部電極7Bと、第1,第2の上部電極7A,7Bの共通の下部電極として用いられる共通下部電極9とを備えている。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
圧電カンチレバー2A,2Bは、それぞれ、支持体3A,3Bと、下部電極4A,4Bと、圧電体5A,5Bと、上部電極6A,6Bとを備えている。前記第1上部電極7Aは、第1上部電極配線7Cを介して一方の圧電カンチレバー2Aの上部電極6Aに接続され、前記第2上部電極7Bは、他方の圧電カンチレバー2Bの上部電極6Bに接続されている。また、共通下部電極9は、各圧電カンチレバーの下部電極4A,4Bに接続されている。そして、第1上部電極7Aと共通下部電極9との間に電圧を印加することで、上部電極6Aと下部電極4Aとの間に電圧が印加され、圧電カンチレバー2Aが駆動される。同様に、第2上部電極7Bと共通下部電極9との間に電圧を印加することで、上部電極6Bと下部電極4Bとの間に電圧が印加され、圧電カンチレバー2Bが駆動される。
The
各圧電カンチレバー2A,2Bの支持体3A,3Bは板状の部材であり、例えば単結晶シリコン基板やSOI基板等のシリコン基板から形成されている。これらの支持体3A,3Bは、シリコン基板を形状加工することにより1枚の支持体3として一体的に形成されている。この支持体3はL字状に形成され、その基端部3Cが台座10に保持され、基端部3Cから延びた部分が、他方の圧電カンチレバー2Bの支持体3Bを構成し、この支持体3Bから直角に延びた部分が、一方の圧電カンチレバー2Aの支持体3Aを構成する。これにより、2つの圧電カンチレバー2A,2Bが機械的に連結されたものとなる。なお、台座10もシリコン基板から形成され、シリコン基板を形状加工することにより支持体3と一体的に形成されている。また、シリコン基板の形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスが用いられる。
The
共通下部電極9と下部電極4A,4Bとは、支持体3上に金属薄膜(本実施形態では2層の金属薄膜、以下、下部電極層ともいう)を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成される。この金属薄膜の材料としては、例えば、1層目(下層)にはチタン(Ti)を用い、2層目(上層)には白金(Pt)を用いる。
The common
共通下部電極9は、支持体3の基端部3C上にパッド状に形成され、他方の圧電カンチレバー2Bの下部電極4Bと導通している。この下部電極4Bは、支持体3B上のほぼ全面に形成され、一方の圧電カンチレバー2Aの下部電極4Aと導通している。この下部電極4Aは、支持体3A上のほぼ全面に形成されている。
The common
圧電体5A,5Bは、1層の圧電膜(以下、圧電体層ともいう)を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより、それぞれ、下部電極4A,4B上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が用いられる。圧電膜の厚みは、例えば1〜10μm程度とする。なお、圧電膜は、例えば、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法により成膜する。この手法を用いることにより、良好な圧電特性を有する厚みのある膜を成膜することができる。
The piezoelectric bodies 5A and 5B are formed separately on the
第1,第2上部電極7A,7Bと第2上部電極配線7Cと上部電極6A,6Bとは、圧電体層上の金属薄膜(本実施形態では1層の金属薄膜、以下、上部電極層という)を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金又は金(Au)が用いられる。
The first and second
第1上部電極7Aは、支持体3の基端部3C上にパッド状に形成され、第1上部電極配線7Cと導通している。この第1上部電極配線7Cは、支持体3B上に線状に形成され、一方の圧電カンチレバー2Aの上部電極6Aと導通している。この上部電極6Aは、圧電体5A上のほぼ全面に形成されている。同様に、第2上部電極7Bは、支持体3の基端部3C上にパッド状に形成され、他方の圧電カンチレバー2Bの上部電極6Bと導通している。この上部電極6Bは、圧電体5B上のほぼ全面に形成されている。
The first
なお、第1,第2上部電極7A,7Bは、支持体3の基端部3C上で、その下層の圧電体層及び下部電極層と共に形状加工されて、互いに分離して設けられていると共に、共通下部電極9と分離して設けられている。
The first and second
ここで、第1,第2上部電極7A,7Bの分離について説明する。図2は、図1の圧電アクチュエータ1のI−I線断面図である。図2に示すように、圧電カンチレバー2Bの支持体3B上で、第1上部電極配線7C及びその下層の圧電体5Cが、圧電カンチレバー2Bの上部電極6B及びその下層の圧電体5Bと分離して設けられている。これにより、第1上部電極配線7Cは、圧電カンチレバー2Bの上部電極6Bと平面的に分離されると共に、圧電体5Cにより圧電カンチレバー2Bの下部電極4Bとの間で電気的に絶縁されている。よって、第1上部電極7Aと第2上部電極7Bとは、平面的に分離されると共に、共通下部電極4との間で絶縁(上部電極層と下部電極層との層間絶縁)されている。従って、第1,第2上部電極7A,7Bにより、圧電カンチレバー2A,2Bに対して独立に駆動電圧を印加することができる。
Here, the separation of the first and second
次に、圧電アクチュエータ1の作動について説明する。
Next, the operation of the
まず、参考例として、図21に示す1つの圧電カンチレバー132Aを備える圧電アクチュエータ131を用いて、圧電カンチレバーの一般的な作動について説明する。この圧電アクチュエータ131において、圧電カンチレバー132Aは、支持体133Aと下部電極134Aと圧電体135Aと上部電極136Aとを備えている。支持体133Aは支持体133として一体的に形成されており、支持体133の端部133Bが台座137に保持され、端部133Bから延びた部分が支持体133Aを構成している。また、圧電アクチュエータ131には、圧電カンチレバー132Aに駆動電圧を印加するための上部電極136と下部電極134とが備えられている。上部電極136と下部電極134とは、支持体133の端部133B上にパッド状に形成され、それぞれ、上部電極136Aと下部電極134Aとに接続されている。なお、各構成の詳細は、圧電アクチュエータ1の圧電カンチレバー2Bと同じである。
First, as a reference example, a general operation of a piezoelectric cantilever will be described using a
図22は、図21に示す圧電アクチュエータ131の駆動状態を模式的に示した図である。圧電アクチュエータ131において、上部電極136と下部電極134との間に所定の直流電圧を印加して、圧電カンチレバー132Aを駆動させる。これにより、印加された電圧に応じて圧電体135Aが伸縮して、圧電カンチレバー132Aの先端部a1で接続部a0を支点として角度変位αが発生する。すなわち、圧電アクチュエータ131全体として、接続部a0を支点として、圧電アクチュエータ131の先端部(圧電カンチレバー132Aの先端部a1)で角度変位αが発生する。
FIG. 22 is a diagram schematically showing a driving state of the
これに対し、上記実施形態の圧電アクチュエータ1においては、まず、第1上部電極7Aと共通下部電極9との間に、所定の第1直流電圧(例えば、−10〜+30V)を印加して、圧電カンチレバー2Aを駆動する。これにより、圧電カンチレバー2Aと圧電カンチレバー2Bとの接続部a0を支点として、圧電カンチレバー2Aの先端部a1で、印加された第1直流電圧に応じた角度変位α(例えば、−1〜+3°)が発生する。これと共に、第2上部電極7Bと共通下部電極9との間に、所定の第2直流電圧(例えば、−10〜+30V)を印加して、圧電カンチレバー2Bを駆動する。これにより、圧電カンチレバー2Bと台座10との接続部b0を支点として、圧電カンチレバー2Bの先端部b1で、印加された第2直流電圧に応じた角度変位β(例えば、−1〜+3°)が発生する。
In contrast, in the
従って、圧電アクチュエータ1全体としては、圧電アクチュエータ1の基端部(圧電カンチレバー2Bの基端部b0)を支点として、圧電アクチュエータ1の先端部(圧電カンチレバー2Aの先端部a1)で、角度変位αと角度変位βとをベクトル的に加算した2つの角度成分を有する変位(α+β)が発生する。このとき、第1,第2直流電圧は独立に印加可能であり、圧電カンチレバー2A,2Bは独立に駆動されるので、角度変位αと角度変位βとを独立に制御することができる。よって、圧電アクチュエータ1は、その先端部を2軸で駆動することができる。
Accordingly, the
本実施形態によれば、2つの圧電カンチレバー2A,2Bを長さ方向が異なるように連結し、各圧電カンチレバーに独立に駆動電圧を印加できるので、圧電アクチュエータの先端部を2軸駆動することができる。
According to the present embodiment, the two
なお、本実施形態では、2つの圧電カンチレバー2A,2Bを直角に連結しているが、連結する圧電カンチレバーの数及び連結する角度は、任意に変更可能である。例えば、他の実施形態として、3つ以上の圧電カンチレバーを長さ方向が異なるように連結することで、圧電アクチュエータの先端部を3軸以上の多軸で駆動するものとしてもよい。
[第1実施形態の圧電アクチュエータの使用例]
図3は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1を使用した光偏向素子(2次元光偏向素子)を示す。以下の説明では、第1実施形態と同一の構成については、第1実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
In this embodiment, the two
[Usage example of the piezoelectric actuator of the first embodiment]
FIG. 3 shows an optical deflection element (two-dimensional optical deflection element) using the
この光偏向素子11では、圧電アクチュエータ1の先端部(圧電カンチレバー2Aの先端部a1)に、ミラー部12が連結されている。ミラー部12は、ミラー部支持体13と、ミラー部支持体13上に形成されたミラー面反射膜14とを備えている。ミラー部支持体13は、シリコン基板から構成され、圧電アクチュエータ1の支持体3と一体的に形成されている。これにより、ミラー部12は、圧電アクチュエータ1と機械的に連結され、圧電アクチュエータ1の駆動に応じて回動する。
In this light deflection element 11, a
ミラー面反射膜14は、ミラー部支持体13上に成膜された金属薄膜(本実施形態では1層の金属薄膜)から形成されている。金属薄膜の材料としては、例えば金、白金、アルミニウム(Al)等が用いられる。金属薄膜の厚みは、例えば100〜500nm程度とする。金属薄膜は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。ミラー面反射膜14は、成膜した金属薄膜を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工して形成されている。他の構成は、第1実施形態と同じである。
The mirror surface reflecting film 14 is formed from a metal thin film (one metal thin film in this embodiment) formed on the
次に、この光偏向素子11の作動を説明する。まず、第1上部電極7Aと共通下部電極9との間に、所定の第1直流電圧を印加すると共に、第2上部電極7Bと共通下部電極9との間に、所定の第2直流電圧を印加する。これにより、第1実施形態と同様に、圧電カンチレバー2A,2Bが駆動され、圧電アクチュエータ1の先端部に、2つの角度成分を有する変位(α+β)が発生する。この変位に応じてミラー部10が回転してレーザ光等の光ビームを偏向する。このとき、圧電カンチレバー2A,2Bは独立に駆動電極を有しているため、角度変位αと角度変位βとを独立に制御することができ、ミラー部12を2軸駆動することが可能となる。また、圧電体5A,5Bは電荷を蓄積・保持することができるので、圧電カンチレバー2A,2Bはそれぞれ、変位α,βを保持することができる。よって、電圧を印加して所定の偏向角を得た後、この電圧の印加を停止しても、ミラー部12の偏向角を保持することができる。
Next, the operation of the light deflection element 11 will be described. First, a predetermined first DC voltage is applied between the first
なお、上述の光偏向素子11では、第1実施形態である2つの圧電カンチレバーを直角に連結した圧電アクチュエータにミラー部を連結するものとしたが、例えば、他の実施形態である、3つ以上の圧電カンチレバーを長さ方向が異なるように連結した圧電アクチュエータにミラー部を連結することで、ミラー部を3軸以上の多軸駆動するものとしてもよい。
[第2実施形態]
図4は、3つの圧電カンチレバー23A〜23Cを連結した第2実施形態の圧電アクチュエータ22を使用した多接点スイッチ21を示す。なお、本実施形態の圧電アクチュエータ22の基本的な構成は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同じであるので、詳細な説明は第1実施形態を参照して省略する。
In the optical deflection element 11 described above, the mirror portion is connected to the piezoelectric actuator in which the two piezoelectric cantilevers according to the first embodiment are connected at right angles. However, for example, there are three or more in the other embodiments. The mirror portion may be driven in a multiaxial manner with three or more axes by connecting the mirror portion to a piezoelectric actuator in which the piezoelectric cantilevers are connected in different length directions.
[Second Embodiment]
FIG. 4 shows a
本実施形態の圧電アクチュエータ22において、圧電カンチレバー23A〜23Cは同一平面上に配置されており、第1,第3の圧電カンチレバー23A,23Cは、第2の(基端部側の)圧電カンチレバー23Bの先端部b1の両側に、それぞれ、その長さ方向に対して直角になるように連結されている。また、圧電アクチュエータ22は、第1の圧電カンチレバー23Aに駆動電圧を印加するための第1上部電極28Aと、第2の圧電カンチレバー23Bに駆動電圧を印加するための第2上部電極28Bと、第3の圧電カンチレバー23Cに駆動電圧を印加するための第3上部電極28Cと、第1〜第3上部電極28A〜28Cの共通の下部電極として用いられる共通下部電極30とを備えている。
In the
圧電カンチレバー23A〜23Cは、それぞれ、支持体24A〜24Cと、下部電極25A〜25Cと、圧電体26A〜26Cと、上部電極27A〜27Cとを備えている。前記第1上部電極28Aは、第1上部電極配線28Dを介して第1の圧電カンチレバー23Aの上部電極27Aに接続されている。また、第2上部電極28Bは、第2の圧電カンチレバー23Bの上部電極27Bに接続されている。また、第3上部電極28Cは、第3上部電極配線28Eを介して第3の圧電カンチレバー23Cの上部電極27Cと接続されている。また、共通下部電極30は、各圧電カンチレバー23A〜23Cの下部電極25A〜25Cと接続されている。
The
そして、第1上部電極28Aと共通下部電極30との間に電圧を印加することで、上部電極27Aと下部電極25Aとの間に電圧が印加され、圧電カンチレバー23Aが駆動される。同様に、第2上部電極28Bと共通下部電極30との間に電圧を印加することで、上部電極27Bと下部電極25Bとの間に電圧が印加され、圧電カンチレバー23Bが駆動される。同様に、第3上部電極28Cと共通下部電極30との間に電圧を印加することで、上部電極27Cと下部電極25Cとの間に電圧が印加され、圧電カンチレバー23Cが駆動される。
Then, by applying a voltage between the first
各圧電カンチレバー23A〜23Cの支持体24A〜24Cは板状の部材で、シリコン基板を形状加工することにより1枚の支持体24として一体的に形成されている。これらの支持体24はT字状に形成されており、その基端部24Dが台座31に保持されており、基端部24Dから延びた部分が基端部側の圧電カンチレバー23Aの支持体24Bを構成し、この支持体24Bから分岐した両側の部分が、それぞれ第1,第3の圧電カンチレバーの22A,23Cの支持体24A,24Cを構成する。これにより、3つの圧電カンチレバー23A〜23Cが機械的に連結されたものとなる。なお、支持体24,台座31の詳細は、第1実施形態の支持体3,台座10と同じである。
The
共通下部電極30と下部電極25A〜25Cとは、支持体24上に成膜された金属薄膜(下部電極層)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。下部電極層の詳細は第1実施形態と同じである。共通下部電極30は、支持体24の端部24D上にパッド状に形成され、下部電極25Bと導通している。下部電極25Bは、支持体24B上のほぼ全面に形成され、下部電極25A,25Cと導通している。また、下部電極25A,25Cは、それぞれ支持体24A,24C上のほぼ全面に形成されている。
The common
圧電体26A〜26Cは、下部電極層上に成膜された1層の圧電膜(圧電体層)から形成されている。圧電体層の詳細は第1実施形態と同じである。圧電体26A〜26Cは、圧電体層を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより、それぞれ、下部電極25A〜25C上に互いに分離して形成されている。
The
第1〜第3上部電極28A〜28Cと、第1,第3上部電極配線28D,28Eと、上部電極27A〜27Cとは、圧電体層上に成膜された金属薄膜(上部電極層)を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。上部電極層の詳細は第1実施形態と同じである。
The first to third
第1上部電極28Aは、支持体24の端部24D上にパッド状に形成され、第1上部電極配線28Dと導通している。この第1上部電極配線28Dは、支持体24B上の圧電カンチレバー23A寄りの部分に線状に形成され、第1の圧電カンチレバー23Aの上部電極27Aと導通している。この上部電極27Aは、圧電体26A上のほぼ全面に形成されている。
The first
同様に、第2上部電極28Bは、支持体24の端部24D上にパッド状に形成され、第2の圧電カンチレバー23Bの上部電極27Bと導通している。この上部電極27Bは、圧電体26B上のほぼ全面に形成されている。
Similarly, the second
同様に、第3上部電極28Cは、支持体24の端部24D上にパッド状に形成され、第3上部電極配線28Eと導通している。第3上部電極配線28Eは、支持体24B上の圧電カンチレバー23C寄りの部分に線状に形成され、第3の圧電カンチレバー23Cの上部電極27Cと導通している。上部電極27Cは、圧電体26C上のほぼ全面に形成されている。
Similarly, the third upper electrode 28C is formed in a pad shape on the end 24D of the
なお、第1〜第3上部電極28A〜28Cは、支持体24の端部24D上で、その下層の圧電体層及び下部電極層と共に形状加工されて、互いに分離して設けられると共に、共通下部電極30と分離して設けられている。
The first to third
このとき、第1実施形態について図2で説明したように、支持体24B上で、第1上部電極配線28D及びその下層の圧電体26Dが、上部電極27B及びその下層の圧電体26Bと分離して設けられている。これにより、第1上部電極配線28Dは、上部電極27Bと平面的に分離されると共に、圧電体26Dにより下部電極25Bとの間で絶縁されている。同様に、支持体24B上で、第3上部電極配線28E及びその下層の圧電体26Eが、上部電極27B及びその下層の圧電体26Bと分離して設けられている。これにより、第2上部電極配線28Eは、上部電極27Bと平面的に分離されると共に、圧電体26Eにより下部電極25Bとの間が絶縁されている。よって、第1〜第3上部電極28A〜28Cは、平面的に互いに分離されると共に、共通下部電極30との間で層間絶縁されている。従って、第1〜第3上部電極28A〜28Cにより、圧電カンチレバー23A〜23Cに独立に駆動電圧を印加することができる。
At this time, as described in the first embodiment with reference to FIG. 2, the first
多接点スイッチ21は、上述の圧電アクチュエータ22と、第1〜第3接点32A〜32Cとで構成される。第1接点32Aは、第1の圧電カンチレバー23Aの先端部a1の下部に対向して設けられている。第1接点32Aは、先端部a1が上下方向に可動して接点部33Aに接触・非接触となることでOn・Offされる。同様に、第2接点32Bは、第2の圧電カンチレバー23Bの先端部b1の下部に対向して設けられている。第2接点32Bは、先端部b1が上下方向に可動して接点部33Bに接触・非接触となることでOn・Offされる。同様に、第3接点32Cは、圧電カンチレバー23Cの先端部c1の下部に対向して設けられている。第3接点32Cは、先端部c1が可動して接点部33Cに接触・非接触となることでOn・Offされる。このとき、圧電体26A〜26Cは電荷を蓄積・保持することができるので、3つの圧電カンチレバー23A〜23Cの先端部a1,b1,c1で発生する変位を保持することができる。よって、電圧を印加して所定の接続状態を得た後、この電圧の印加を停止しても、この接続状態(On・Off状態)を保持することができる。
The
次に、本実施形態の圧電アクチュエータ22及び多接点スイッチ21の作動について説明する。まず、第1〜第3上部電極28A〜28Cと共通下部電極30との間に、所定の第1〜第3直流電圧を印加して、圧電カンチレバー23A〜23Cを駆動させる。これにより、圧電カンチレバー23Aで、接続部a0を支点として先端部a1で第1直流電圧に応じた角度変位が発生する。また、圧電カンチレバー23Bで、接続部b0を支点として先端部b1で第2直流電圧に応じた角度変位が発生する。また、圧電カンチレバー23Cで、接続部c0を支点として先端部c1で第3直流電圧に応じた角度変位が発生する。これにより、圧電アクチュエータ22全体として、第1〜第3接点32A〜32Cに対向して配置されたそれぞれの先端部a1,b1,c1が上下方向に可動し、接点32A〜32CがOn・Offされる。
Next, the operation of the
このとき、印加する第1〜第3直流電圧の組み合わせにより、3つの接点32A〜32Cの接続状態(On・Off状態)を8通り選択することが可能である。具体的には、例えば、下記の表1のようになる。表1において、接続状態が{1}とは第1接点32AのみがOn状態となっていることを示す。また、各圧電カンチレバー23A〜23Cの角度変位は、電圧が正(+)のときは、圧電カンチレバー23A〜23Cが配置された平面に対して上方向に発生し、電圧が負(−)のときは、下方向に発生するものとする。
At this time, it is possible to select eight connection states (On / Off states) of the three
本実施形態によれば、多接点スイッチを、例えば1軸駆動型のカンチレバーを接点の数だけ組み合わせた多接点スイッチに比べて小型にすることができる。これにより、例えば、非常に小型なマルチプレクサを提供することができる。そして、このような小型のマルチプレクサは、携帯電話用のRF信号(GHz帯域)の伝送経路の切替等に用いることができる。
[第3実施形態]
図5に示すように、第3実施形態の圧電アクチュエータ41は、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dを備えている。また、圧電アクチュエータ41は、圧電カンチレバー42A,42Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極47と、圧電カンチレバー42B,42Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極48と、第1,第2上部電極47,48の共通の下部電極として用いられる共通下部電極51とを備えている。なお、本実施形態の圧電アクチュエータ41の基本的な構成は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同じであるので、詳細な説明は第1実施形態を参照して省略する。
According to this embodiment, the multi-contact switch can be made smaller than a multi-contact switch in which, for example, a single-axis drive type cantilever is combined by the number of contacts. Thereby, for example, a very small multiplexer can be provided. Such a small multiplexer can be used for switching a transmission path of an RF signal (GHz band) for a cellular phone.
[Third Embodiment]
As shown in FIG. 5, the piezoelectric actuator 41 according to the third embodiment includes four
圧電カンチレバー42A〜42Dは、各圧電カンチレバー42A〜42Dの両端部a0〜d0,a1〜d1が隣り合うように並んで、同一平面上に平行に配置されている。そして、圧電カンチレバー42Aの端部a0と圧電カンチレバー42Bの端部b0との隣り合う部分が連結され、圧電カンチレバー42Bの端部b1と、圧電カンチレバー42Cの端部c1との隣り合う部分が連結され、圧電カンチレバー42Cの端部c0と、圧電カンチレバー42Dの端部d0との隣り合う部分が連結されている。これにより、圧電カンチレバー42A〜42Dは折り返すように連結される。
The
圧電カンチレバー42A〜42Dは、それぞれ、支持体43A〜43Dと、下部電極44A〜44Dと、圧電体45A〜45Dと、上部電極46A〜46Dとを備えている。前記第1上部電極47は、第1上部電極配線49Dを介して上部電極46Cに接続され、さらに第1上部電極配線49Bを介して上部電極46Aに接続されている。また、前記第2上部電極48は、上部電極46Dに接続され、さらに第2上部電極配線50Cを介して上部電極46Bと接続されている。また、前記共通下部電極51は、下部電極44A〜44Dと接続されている。
The
そして、第1上部電極47と共通下部電極51との間に電圧を印加することで、上部電極46A,46Cと下部電極44A,44Cとの間にそれぞれ電圧が印加され、圧電アクチュエータ41の先端部側から奇数番目の圧電カンチレバー42A,42Cが駆動される。同様に、第2上部電極48と共通下部電極51との間に電圧を印加することで、上部電極46B,46Dと下部電極44B,44Dとの間にそれぞれ電圧が印加され、圧電アクチュエータ41の先端部側から偶数番目の圧電カンチレバー42B,42Dが駆動される。
Then, by applying a voltage between the first
支持体43A〜43Dは板状の部材で、シリコン基板を形状加工することにより1枚の支持体43として一体的に形成されている。この支持体43は、その端部43Eが台座52に保持されており、端部43Eから延びた部分が支持体43Dを構成し、支持体43Dから折り返した部分が支持体43Cを構成し、支持体43Cから折り返した部分が支持体43Bを構成し、支持体43Bから折り返した部分が支持体43Aを構成する。これにより、圧電カンチレバー42A〜42Dが機械的に連結されたものとなる。なお、支持体43,台座52の詳細は、第1実施形態の支持体3,台座10と同じである。
The supports 43A to 43D are plate-like members, and are integrally formed as a
共通下部電極51と下部電極44A〜44Dとは、支持体43上に成膜された金属薄膜(下部電極層)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。下部電極層の詳細は第1実施形態と同じである。共通下部電極51は、支持体43の端部43E上にパッド状に形成され、下部電極44Dと導通している。この下部電極44Dは、支持体43D上のほぼ全面に形成され、下部電極44Cと導通している。この下部電極44Cは、支持体43C上のほぼ全面に形成され、下部電極44Bと導通している。この下部電極44Bは、支持体43B上のほぼ全面に形成され、下部電極44Aと導通している。この下部電極44Aは、支持体43A上のほぼ全面に形成されている。
The common
圧電体45A〜45Dは、下部電極層上に成膜された1層の圧電膜(圧電体層)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより、それぞれ、下部電極44A〜44D上に互いに分離して形成されている。圧電体層の詳細は第1実施形態と同じである。 The piezoelectric bodies 45A to 45D are separated from each other on the lower electrodes 44A to 44D by processing the shape of one piezoelectric film (piezoelectric layer) formed on the lower electrode layer using a semiconductor planar process, respectively. Is formed. The details of the piezoelectric layer are the same as in the first embodiment.
第1,第2上部電極47,48と、第1,第2上部電極配線49B,49D,50Cと、上部電極46A〜46Dとは、圧電体層上に成膜された金属薄膜(上部電極層)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。上部電極層の詳細は第1実施形態と同じである。
The first and second
第1上部電極47は、支持体43の端部43E上にパッド状に形成され、第1上部電極配線49Dと導通している。この第1上部配線49Dは、支持体43D上に線状に形成され、上部電極46Cと導通している。この上部電極46Cは、支持体43C上のほぼ全面に形成され、第1上部電極配線49Bと導通している。この第1上部電極配線49Bは、支持体43B上に線状に形成され、上部電極46Aと導通している。この上部電極46Aは、支持体43A上のほぼ全面に形成されている。
The first
同様に、第2上部電極48は、支持体43の端部43E上にパッド状に形成され、上部電極46Dと導通している。この上部電極46Dは、支持体43D上のほぼ全面に形成され、第2上部電極配線50Cと導通している。この第2上部電極配線50Cは、支持体43C上に線状に形成され、上部電極46Bと導通している。この上部電極46Bは、支持体43B上のほぼ全面に形成されている。
Similarly, the second
なお、第1,第2上部電極47,48は、支持体43の端部43C上で、その下層の圧電体層及び下部電極層と共に形状加工されて、互いに分離して設けられていると共に、共通下部電極51と分離して設けられている。
The first and second
このとき、第1実施形態について図2で説明したように、支持体43D上で、第1上部電極配線49D及びその下層の圧電体が、上部電極46D及び圧電体45Dと分離して設けられている。これにより、第1上部電極配線49Dは、上部電極46Dと平面的に分離されると共に、その下層の圧電体により下部電極44Dとの間で絶縁されている。
At this time, as described with reference to FIG. 2 for the first embodiment, the first
同様に、支持体43C上で、第2上部電極配線50C及びその下層の圧電体が、上部電極46C及び圧電体45Cと分離して設けられている。これにより、第2上部電極配線50Cは、上部電極46Cと平面的に分離されると共に、その下層の圧電体により下部電極44Cとの間で絶縁されている。
Similarly, on the support body 43C, the second
同様に、支持体43B上で、第1上部電極配線49B及びその下層の圧電体が、上部電極46B及び圧電体45Bと分離して設けられている。これにより、第1上部電極配線49Bは、上部電極46Bと平面的に分離されると共に、その下層の圧電体により下部電極44Bとの間で絶縁されている。
Similarly, on the support body 43B, the first upper electrode wiring 49B and the piezoelectric body therebelow are provided separately from the
このように、第1,第2上部電極47,48は、平面的に互いに分離されると共に、共通下部電極51との間で層間絶縁されている。従って、第1,第2上部電極47,48により、奇数番目の圧電カンチレバー42A,42Cと、偶数番目の圧電カンチレバー42B,42Dとに独立に駆動電圧を印加することができる。
As described above, the first and second
次に、本実施形態の圧電アクチュエータ41の作動について説明する。まず、第1上部電極47と共通下部電極51との間に、所定の第1直流電圧を印加して、奇数番目の圧電カンチレバー42A,42Cを駆動させる。これと共に、第2上部電極48と共通下部電極51との間に、所定の第2直流電圧を印加して、偶数番目の圧電カンチレバー42B,42Dを駆動させる。
Next, the operation of the piezoelectric actuator 41 of this embodiment will be described. First, a predetermined first DC voltage is applied between the first
このとき、第1,第2直流電圧とは、奇数番目の圧電カンチレバー42A,42Cと偶数番目の圧電カンチレバー42B,42Dとの角度変位が逆方向に発生するように印加する。例えば、圧電アクチュエータ41の先端部を上方向に変位させる場合には、奇数番目の圧電カンチレバー42A,42Cを上方向に変位させ、偶数番目の圧電カンチレバー42B,42Dを下方向に変位させる。圧電アクチュエータ41の先端部を下方向に変位させるには、その逆にする。
At this time, the first and second DC voltages are applied so that the angular displacement between the odd-numbered
図6は、本実施形態の圧電アクチュエータ41の駆動状態を模式的に示した図である。この図では、圧電アクチュエータ41の先端部を上方向に変位させる場合が例示されている。圧電カンチレバー42Dは、台座52と連結した端部d1を支点として、その端部d0に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー42Cは、圧電カンチレバー42Dの端部d0と連結した端部c0を支点として、その端部c1に上方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー42Bは、圧電カンチレバー42Cの端部c1と連結した端部b1を支点として、その端部b0に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー42Aは、圧電カンチレバー42Bの端部b0と連結した端部a0を支点として、その端部a1に上方向の角度変位が発生している。このように4つの圧電カンチレバー42A〜42Dを変位させることで、その先端部a1では、例えば、図22に示した1つの圧電カンチレバー132Aを備えるアクチュエータ131に比べて、より大きな変位が得られる。よって、圧電アクチュエータ41によれば、大きな出力を得ることが可能となる。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a driving state of the piezoelectric actuator 41 of the present embodiment. In this figure, the case where the front-end | tip part of the piezoelectric actuator 41 is displaced upward is illustrated. The
本実施形態によれば、4つの圧電カンチレバーが、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて折り返すように連結されると共に、隣り合う圧電カンチレバーを互いに逆方向に屈曲変形するように駆動電圧を印加可能である。これにより、圧電カンチレバーの長さ、ひいては圧電アクチュエータの長さを増大させることなく、また、エアダンピングの影響を増大させることなく、小型の圧電アクチュエータで大きな出力を得ることができる。 According to this embodiment, the four piezoelectric cantilevers are arranged so that both ends of each piezoelectric cantilever are arranged side by side so as to be folded back, and the adjacent piezoelectric cantilevers are bent and deformed in directions opposite to each other. It is possible to apply a driving voltage. As a result, a large output can be obtained with a small piezoelectric actuator without increasing the length of the piezoelectric cantilever, and hence the length of the piezoelectric actuator, and without increasing the influence of air damping.
なお、本実施形態では、4つの圧電カンチレバーを連結するものとしたが、連結する圧電カンチレバーの数は任意に変更可能である。
[第4実施形態]
第4実施形態の圧電アクチュエータは、第3実施形態の圧電アクチュエータにおいて、圧電カンチレバーを駆動するために印加する電圧を交流電圧としたものである。本実施形態の圧電アクチュエータの構成は、第3実施形態と同一であるので、以下の説明では、第3実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
In the present embodiment, four piezoelectric cantilevers are connected, but the number of piezoelectric cantilevers to be connected can be arbitrarily changed.
[Fourth Embodiment]
The piezoelectric actuator of the fourth embodiment is an AC voltage applied to drive the piezoelectric cantilever in the piezoelectric actuator of the third embodiment. Since the configuration of the piezoelectric actuator of this embodiment is the same as that of the third embodiment, in the following description, the same reference numerals as those of the third embodiment are used and description thereof is omitted.
第4実施形態の圧電アクチュエータの作動では、第1上部電極47と共通下部電極51との間に、所定の第1交流電圧を印加して、圧電カンチレバー42A,42Cを駆動させる。また、第2上部電極48と共通下部電極51との間に、所定の第2交流電圧を印加して、圧電カンチレバー42B,42Dを駆動させる。なお、第1交流電圧と第2交流電圧とは、位相を反転したものである。
In the operation of the piezoelectric actuator of the fourth embodiment, a predetermined first AC voltage is applied between the first
本実施形態によれば、圧電カンチレバー42A〜42Dの第一次共振点付近の周波数の交流電圧を印加して、圧電アクチュエータ41を共振駆動させることで、印加電圧の大きさに対して、より大きな出力を得ることができる。また、圧電カンチレバー42A〜42Dの第一次共振点より小さい所定周波数以下(例えば、後述する図8に示す駆動特性試験においては約300Hz以下)の交流電圧を印加して、圧電アクチュエータ41を非共振駆動させることで、直流電圧を印加した場合と同様に、印加した電圧の大きさに応じた所定の出力を安定して得ることができる。この第一次共振点より小さい所定周波数以下の非共振駆動領域においては、任意の駆動周波数・駆動速度において、一定の出力を安定して得ることができる。
According to the present embodiment, an AC voltage having a frequency near the primary resonance point of the
次に、図7,図8を参照して本実施形態の圧電アクチュエータ41の駆動特性の試験について説明する。なお、圧電アクチュエータ41は、後述の第6実施形態の製造方法により製造した。 Next, a test of the drive characteristics of the piezoelectric actuator 41 of this embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, the piezoelectric actuator 41 was manufactured by the manufacturing method of 6th Embodiment mentioned later.
試験条件としては、第1上部電極47と共通下部電極51との間に、0〜+30[V]の交流電圧Aを印加すると共に、第2上部電極48と共通下部電極51との間に、+30〜0[V]の交流電圧Bを印加した。印加した交流電圧A,Bを図7のグラフに示す。図7のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は印加電圧である。図7に示すように、交流電圧Aと交流電圧Bとは位相を反転したものである。
As test conditions, an AC voltage A of 0 to +30 [V] is applied between the first
図8のグラフに、試験結果として、駆動時の圧電アクチュエータ41の先端部a1の変位量を示す。図8のグラフにおいて、横軸は、印加した交流電圧A,Bの周波数(駆動周波数)であり、縦軸は、非共振駆動時における先端部aの変位量を1としたときの相対値である。第一次共振点は、約700Hzに存在しており、その変位量は非共振駆動時の10倍以上となる。また、約500Hzまでは、駆動周波数によらずにほぼ一定の変位量が得られる。 The graph of FIG. 8 shows the amount of displacement of the tip end a1 of the piezoelectric actuator 41 during driving as a test result. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis is the frequency (drive frequency) of the applied AC voltages A and B, and the vertical axis is the relative value when the displacement amount of the tip a is 1 during non-resonant drive. is there. The primary resonance point exists at about 700 Hz, and the amount of displacement is 10 times or more that in non-resonance driving. Further, a substantially constant displacement amount can be obtained up to about 500 Hz regardless of the driving frequency.
なお、本実施形態では、第3実施形態の圧電アクチュエータの駆動電圧を交流電圧としたが、後述の第5,第7,第8実施形態の圧電アクチュエータの駆動電圧を交流電圧としても同様の駆動特性を得ることができる。
[第5実施形態]
図9に示す第5実施形態の圧電アクチュエータ61は、第3実施形態と同様に、4つの圧電カンチレバー62A〜62Dが連結されたものである。図9には、圧電アクチュエータ61の圧電カンチレバー62A〜62Dの部分が示されている。また、図10には、図9の領域IIの拡大図が示されている。圧電アクチュエータ61は、第3実施形態の圧電アクチュエータ41と基本的な構成は同じで、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dの支持体43A〜43Dに係る構成が若干異なるものである。以下の説明では、第3実施形態と同一の構成については第3実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
In the present embodiment, the drive voltage of the piezoelectric actuator of the third embodiment is an AC voltage. However, the same drive is possible even if the drive voltage of the piezoelectric actuator of the fifth, seventh, and eighth embodiments described later is an AC voltage. Characteristics can be obtained.
[Fifth Embodiment]
As in the third embodiment, the
本実施形態の圧電アクチュエータ61において、4つの圧電カンチレバー62A〜62Dの支持体43A〜43Dは、それぞれ、直線部64A〜64Dとその両端の連結部65A〜65D,66A〜66Dとから構成されている。隣り合う圧電カンチレバーの連結部66A,66Bと、連結部65B,65Cと、連結部66C,66Dとは、それぞれ、U字状に連結されている。また、圧電カンチレバー62Dの連結部65Dが、台座53上の支持体43の基端部43Eに連結されて保持されている。
In the
4つの圧電カンチレバー62A〜62Dの下部電極44A〜44Dは、それぞれ、圧電カンチレバー62A〜62Dの支持体(直線部と連結部とを合わせた全体)64A〜66A,64B〜66B,64C〜66C,64D〜66D上のほぼ全面に形成されている。また、圧電カンチレバー62A〜62Dの圧電体45A〜45Dと上部電極46A〜46Dとは、圧電カンチレバー62A〜62Dの支持体のうちの直線部64A〜64D上のほぼ全面に形成されている。また、圧電アクチュエータ61の第1上部電極配線67a,67bと、第2上部電極配線68a,68bとは、直線部64B〜64D上と連結部65B〜65D,66A〜66D上の側部に形成されている。
The lower electrodes 44A to 44D of the four
第1上部電極配線67b及びその下層の圧電体は、第1実施形態について図2で説明したように、圧電カンチレバー62Dの直線部64D上で、圧電カンチレバー62Dの上部電極46D及び圧電体45Dと分離して設けられている。これにより、第1上部電極配線67bは、上部電極46Dと平面的に分離されると共に、その下層の圧電体により下部電極44Dとの間で絶縁されている。
The first
同様に、第1,第2上部電極配線67a,68a及びその下層の圧電体は、圧電カンチレバー62B,62Cの直線部64B,64C上で、それぞれ、圧電カンチレバー62B,62Cの上部電極46B,46C及び圧電体45B,45Cと分離して設けられている。さらに、連結部65B〜65D,66A〜66D上では、第1上部電極配線67a,67b及びその下層の圧電体と、第2上部電極配線68a,68b及びその下層の圧電体とが、分離して設けられている。
Similarly, the first and second
このように、圧電アクチュエータ61の第1,第2上部電極47,48は、平面的に互いに分離されると共に、共通下部電極51との間で層間絶縁されている。従って、第1,第2上部電極47,48により、圧電カンチレバー62A〜62Dに独立に駆動電圧を印加することができる。他の構成及び作動は、第3実施形態と同じである。
As described above, the first and second
本実施形態によれば、第3実施形態の圧電アクチュエータ41と同様に、小型で且つ大きな出力を得ることができる。
[第6実施形態]
図11には、第6実施形態の圧電アクチュエータの製造方法を示す。この製造方法では、第3実施形態の圧電アクチュエータ41が製造される。なお、図11(a)〜(g)は、図5の圧電アクチュエータ41の断面を模式的に示している。
According to the present embodiment, similar to the piezoelectric actuator 41 of the third embodiment, a small and large output can be obtained.
[Sixth Embodiment]
In FIG. 11, the manufacturing method of the piezoelectric actuator of 6th Embodiment is shown. In this manufacturing method, the piezoelectric actuator 41 of the third embodiment is manufactured. 11A to 11G schematically show a cross section of the piezoelectric actuator 41 in FIG.
図11(a)に示すように、支持体43を形成する基板としては、SOI基板81を用いている。SOI基板81は、単結晶シリコン(活性層81a、又はSOI層ともいう)/酸化シリコン(中間酸化膜層81b)/単結晶シリコン(ハンドリング層81c)の張り合わせ基板である。SOI基板の各層の厚みは、例えば、活性層81aの厚みは5〜100μm、中間酸化膜層81bの厚みは0.5〜2μm、ハンドリング層81cの厚みは100〜600μmである。また、活性層81aの表面は光学研磨処理が施されている。
As shown in FIG. 11A, an
まず、図11(b)に示すように、SOI基板81の表面(活性層81a側)及び裏面(ハンドリング層81c側)に熱酸化炉(拡散炉)によって熱酸化シリコン膜82a,82bを形成する(熱酸化膜形成ステップ)。熱酸化シリコン膜82a,82bの厚みは、例えば0.1〜1μmとする。
First, as shown in FIG. 11B, thermally oxidized
次に、図11(c)に示すように、SOI基板81の表面に、下部電極層83、圧電体層84、上部電極層85を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, a
まず、下部電極層形成ステップで、SOI基板81の活性層81a側の熱酸化シリコン膜82a上に、2層の金属薄膜からなる下部電極層83を形成する。下部電極層83の材料としては、1層目(下層)の金属薄膜にはチタンを用い、2層目(上層)の金属薄膜には白金を用いる。各金属薄膜は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。各金属薄膜の厚みは、例えば1層目のチタンは30〜100nm、2層目の白金は100nm〜300nm程度とする。
First, in the lower electrode layer forming step, a
次に、圧電体層形成ステップで、下部電極層83上に、1層の圧電膜からなる圧電体層84を形成する。圧電体層84の材料としては、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる。また、圧電膜の厚みは、例えば1〜10μm程度とする。圧電膜は、例えば、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法により成膜する。反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法については、具体的には、本願出願人による特開2001−234331号公報、特開2002−177765号公報、特開2003−81694号公報に記載された手法を用いる。
Next, in the piezoelectric layer forming step, a piezoelectric layer 84 made of a single piezoelectric film is formed on the
このアーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法は、プラズマガンで真空容器内に発生させた高密度酸素プラズマ中で原料金属を加熱蒸発させ、真空容器内或いは半導体基板上において各金属蒸気と酸素とが反応することにより、半導体基板上に圧電膜を形成するものである。この方法を用いることにより、比較的低い成膜温度においても高速に圧電膜を形成できる。特に、アーク放電反応性イオンプレーティング法による圧電膜を形成する際に、その下地として、例えば化学溶液堆積法(CSD(Chemical Solution Deposition)法)によりシード層を形成することで、より優れた圧電特性を有する圧電膜を形成することができる。 In this reactive ion plating method using arc discharge plasma, a source metal is heated and evaporated in a high-density oxygen plasma generated in a vacuum vessel by a plasma gun, and each metal vapor and in a vacuum vessel or on a semiconductor substrate are heated. By reacting with oxygen, a piezoelectric film is formed on the semiconductor substrate. By using this method, a piezoelectric film can be formed at high speed even at a relatively low film formation temperature. In particular, when a piezoelectric film is formed by an arc discharge reactive ion plating method, a seed layer is formed as a foundation by, for example, a chemical solution deposition method (CSD (Chemical Solution Deposition) method). A piezoelectric film having characteristics can be formed.
なお、圧電膜は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法等により成膜してもよい。ただし、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法を用いることにより、バルクの圧電体と同等の圧電特性を有する厚みのある膜を成膜することができる。 The piezoelectric film may be formed by, for example, a sputtering method or a sol-gel method. However, by using an ion plating method using reactive arc discharge, a thick film having piezoelectric characteristics equivalent to that of a bulk piezoelectric body can be formed.
次に、上部電極層形成ステップで、圧電体層84上に、1層の金属薄膜からなる上部電極層85を形成する。上部電極層85の材料としては、白金又は金を用いる。金属薄膜は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。金属薄膜の厚みは、例えば10nm〜200nm程度とする。 Next, in the upper electrode layer forming step, an upper electrode layer 85 made of a single metal thin film is formed on the piezoelectric layer 84. As a material of the upper electrode layer 85, platinum or gold is used. The metal thin film is formed by, for example, a sputtering method or an electron beam evaporation method. The thickness of the metal thin film is, for example, about 10 nm to 200 nm.
次に、図11(d)に示すように、形状加工ステップで、上部電極層85、圧電体層84、下部電極層83の形状を加工して、圧電カンチレバー42A〜42Dの上部電極45A〜45D、圧電体44A〜44D、下部電極43A〜43Dを形成する。具体的には、まず、上部電極層85上にフォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、上部電極層85及び圧電体層84に対して、RIE(Reactive Ion Etching)装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、第1,第2上部電極47,48と、上部電極46A〜46Dと圧電体45A〜45Dとが形成される。また、このとき、第1,第2上部電極配線49B,49d,50Cも形成される。
Next, as shown in FIG. 11D, in the shape processing step, the shapes of the upper electrode layer 85, the piezoelectric layer 84, and the
同様に、下部電極層83上にフォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、下部電極層83に対して、RIE装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、共通下部電極51と下部電極44A〜44Dとが形成される。なお、電圧を印加するための共通下部電極51の電極パッドは、図11(d)に示した下部電極層83が露出した端部e1のように形成され、電圧を印加するための第1,第2上部電極47,48の電極パッドは、上部電極層85が露出した部分の端部e2のように形成される。
Similarly, a resist material is patterned on the
次に、図11(e)〜(g)に示すように、支持体形成ステップで、支持体43及び台座52が形成される。まず、図11(e)に示すように、活性層81a側の熱酸化シリコン膜82aと活性層81a(単結晶シリコン)の形状を加工する。まず、フォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングし、このパターニングしたレジスト材料をマスクとして、活性層81a側の熱酸化シリコン膜82aについて、RIE装置を用いてドライエッチングを行う。次に、同じマスクで、Deep−RIE装置を用いて、活性層81aのシリコンを加工する。Deep−RIE装置は、マイクロマシニング技術で使用されるドライエッチング装置であり、シリコンを垂直に深く掘ることが可能な装置である。
Next, as shown in FIGS. 11E to 11G, the
次に、図11(f)に示すように、ハンドリング層81cの形状を加工する。まず、SOI基板81の裏面にフォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングし、このパターニングしたレジスト材料をマスクとして、ハンドリング層81c側の熱酸化シリコン膜82bについて、RIE装置を用いてドライエッチングを行う。次に、同じマスクを用いて、Deep−RIE装置を用いて、ハンドリング層81cのシリコンを加工する。これにより、圧電アクチュエータ41の可動部の裏側を深く掘り下げ中空状態にすることで、圧電アクチュエータ41の可動部(圧電カンチレバー42A〜42Dの部分)の上下方向の駆動を可能にする。
Next, as shown in FIG. 11F, the shape of the
次に、図11(g)に示すように、SOI基板81の中間酸化膜層81bを除去する。具体的には、図11(e)と同じマスクを用いて、SOI基板の裏側から中間酸化膜層81bをRIE装置を用いてドライエッチングする。これにより、圧電アクチュエータ61の可動部を周囲のSOI基板81から切り離すことで、圧電カンチレバー42A〜42Dを駆動可能にする。
Next, as shown in FIG. 11G, the intermediate
以上の工程により、圧電アクチュエータ41が製造される。 Through the above steps, the piezoelectric actuator 41 is manufactured.
この製造方法によれば、圧電アクチュエータ41を半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することができるので、製造が容易であり、歩留まりの向上や量産が可能となる。さらに、圧電アクチュエータ41をデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、圧電アクチュエータ41を他のデバイスに組み込むことが容易となる。 According to this manufacturing method, since the piezoelectric actuator 41 can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, manufacturing is easy, and yield improvement and mass production are possible. Further, when the piezoelectric actuator 41 is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, so that the piezoelectric actuator 41 can be easily incorporated into another device. .
なお、本実施形態の製造方法では、第3実施形態の圧電アクチュエータ41を製造するものとしたが、第1,第2,第4,第5実施形態の圧電アクチュエータを製造する際にも用いることができる。
[第7実施形態]
図12に示す第7実施形態の圧電アクチュエータ71は、第5実施形態の圧電アクチュエータ61において、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図12には、圧電アクチュエータ71の圧電カンチレバー72A〜72Dの上面図が示されている。また、図13には、図12の圧電アクチュエータ71の斜視図が示されている。この図では、説明のために層間絶縁膜73及び第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bを分離して図示しているが、実際には、支持体43上に順次重ねられている。なお、以下の説明では、第5実施形態と同一の構成については、第5実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
In the manufacturing method of the present embodiment, the piezoelectric actuator 41 of the third embodiment is manufactured. However, the piezoelectric actuator 41 of the first, second, fourth, and fifth embodiments is also used for manufacturing. Can do.
[Seventh Embodiment]
The
本実施形態の圧電アクチュエータ71では、第1,第2上部電極47,48と上部電極46A〜46Dのみが、上部電極層を形状加工して形成されている。上部電極層上には、層間絶縁膜73が形成されている。層間絶縁膜73は、上部電極層上に成膜された絶縁膜を半導体プレーナプロセスにより形状加工することにより形成されている。層間絶縁膜73の材料としては、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜を用いる。なお、層間絶縁膜73の材料としては、他の無機絶縁材料、或いはポリイミド等の有機絶縁材料を用いてもよい。
In the
層間絶縁膜73は、支持体43上の全面に、下部電極44A〜44D、圧電体45A〜45D、上部電極46A〜46Dを覆うように形成されている。また、層間絶縁膜73には、第1上部電極配線用の第1開口部74a〜74cと、第2上部電極配線用の第2開口部75a〜75cとが形成されている。なお、図示は省略するが、層間絶縁膜73は、支持体43A〜43Dの端部43E上で、第1,第2上部電極47,48と共通下部電極51のパッド上に開口部が形成されている。
The
さらに、層間絶縁膜73上に、第1上部電極配線76a,76b、第2上部電極配線77a,77bが形成されている。第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bは、絶縁膜上に成膜された金属薄膜からなる電極配線層を半導体プレーナプロセスにより形状加工することにより形成されている。電極配線層の材料としては、配線用の電極パターンの材料としては、金、白金、アルミ等を用いる。
Further, first upper electrode wirings 76 a and 76 b and second upper electrode wirings 77 a and 77 b are formed on the
第1上部電極配線76aは、その一端が支持体43A上の第1開口部74aを覆うように形成されて上部電極46Aと導通し、支持体43B上を通り支持体43C上まで配線されている。そして、第1上部電極配線76aは、その他端が支持体43C上の第1開口部74bを覆うように形成されて、上部電極46Cと導通している。
One end of the first upper electrode wiring 76a is formed so as to cover the
また、第1上部電極配線76bは、その一端が第1開口部74cを覆うように形成されて上部電極46Cと導通している。そして、第1上部電極配線76bは、支持体43D上を通り、図示は省略するが、支持体43E上まで配線されて、その他端が第1上部電極47上に設けられて導通している。
The first
また、第2上部電極配線77aは、その一端が支持体43B上の第2開口部75aを覆うように形成されて上部電極46Cと導通し、支持体63C上を通り支持体43D上まで配線されている。そして、第2上部電極配線77aは、その他端が支持体43D上の第2開口部75bを覆うように形成されて、上部電極46Dと導通している。
The second
また、第2上部電極配線77bは、その一端が支持体43D上の第2開口部75cを覆うように形成されて上部電極46Dと導通している。そして、第3上部電極配線77bは、図示は省略するが、支持体43E上まで配線されて、その他端が第2上部電極48上に設けられ導通している。
The second
図14は、図12の圧電アクチュエータ71のIII−III線断面図である。図14に示すように、支持体43D上の下部電極44D、圧電体45D、上部電極46Dを覆うように層間絶縁膜73が形成されている。第2上部電極配線77bは、第2開口部75cを覆うように形成されて、第2上部電極配線77bと上部電極46Dとが導通している。一方、第1上部電極配線76bは、層間絶縁膜73の上に形成されるので、上部電極46Dと分離されると共に、下部電極44Dとの間で絶縁されている。このように層間絶縁膜73を設けることで、第1実施形態について図2で示したように第1上部電極配線76bをその下層の圧電体と共に形状加工して分離する必要がなくなる。よって、本実施形態では、支持体63D上のほぼ全面に形成された圧電体45Dが、第1上部電極配線76bの下層の部分も含めて、圧電カンチレバー62Dの屈曲変形を発生させるために用いられる。
14 is a cross-sectional view of the
本実施形態によれば、第5実施形態と同様に、4つの圧電カンチレバーが、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて折り返すように連結されると共に、隣り合う圧電カンチレバーを互いに逆方向に屈曲変形するように駆動電圧を印加可能である。これにより、圧電カンチレバーの長さ、ひいては圧電アクチュエータの長さを増大させることなく、また、エアダンピングの影響を増大させることなく、小型の圧電アクチュエータで大きな出力を得ることができる。 According to this embodiment, as in the fifth embodiment, the four piezoelectric cantilevers are arranged so that both end portions of each piezoelectric cantilever are arranged side by side and folded so that the adjacent piezoelectric cantilevers are folded. A driving voltage can be applied so as to bend and deform in opposite directions. As a result, a large output can be obtained with a small piezoelectric actuator without increasing the length of the piezoelectric cantilever, and hence the length of the piezoelectric actuator, and without increasing the influence of air damping.
さらに、本実施形態では、上部電極配線が層間絶縁膜上に設けられているので、上部電極配線の下の圧電体層を分離して層間絶縁する必要がない。従って、支持体上の圧電膜全体を圧電カンチレバーの屈曲変形を発生させる圧電体として用いることができる。すなわち、支持体上の圧電体の面積占有率をより高くすることができるため、より小型の圧電アクチュエータで大きな出力を得ることができる。 Furthermore, in the present embodiment, since the upper electrode wiring is provided on the interlayer insulating film, it is not necessary to isolate the piezoelectric layer under the upper electrode wiring and perform interlayer insulation. Therefore, the entire piezoelectric film on the support can be used as a piezoelectric body that generates bending deformation of the piezoelectric cantilever. That is, since the area occupation ratio of the piezoelectric body on the support can be increased, a large output can be obtained with a smaller piezoelectric actuator.
また前記第5実施形態においては、層間絶縁するために分離された圧電体層の部分が、圧電カンチレバーの屈曲変形に影響を与え、場合によっては圧電カンチレバーの屈曲変形を妨げる可能性があるが、本実施形態においては、当該部分を形成する必要がないため、圧電アクチュエータの駆動特性を向上することができる。さらに、圧電アクチュエータを層間絶縁膜で覆うことにより、湿度等の外部環境への耐性を向上することができる。
[第8実施形態]
図15に示す第8実施形態の圧電アクチュエータ70は、第3実施形態の圧電アクチュエータ41において、第7実施形態の圧電アクチュエータ71と同様に、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図15には、圧電アクチュエータ70の上面図が示されている。なお、以下の説明では、第3,第7実施形態と同一の構成については、第3,第7実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
In the fifth embodiment, the portion of the piezoelectric layer separated to insulate the layers may affect the bending deformation of the piezoelectric cantilever, and may prevent the bending deformation of the piezoelectric cantilever. In this embodiment, since it is not necessary to form the said part, the drive characteristic of a piezoelectric actuator can be improved. Furthermore, by covering the piezoelectric actuator with an interlayer insulating film, resistance to external environments such as humidity can be improved.
[Eighth Embodiment]
The
本実施形態の圧電アクチュエータ70では、第7実施形態と同様に、第1,第2上部電極47,48と上部電極46A〜46Dのみが、上部電極層を形状加工して形成されている。上部電極層上には、層間絶縁膜73が形成されている。層間絶縁膜73は、支持体43上の全面に、下部電極44A〜44D、圧電体45A〜45D、上部電極46A〜46Dを覆うように形成されている。さらに、層間絶縁膜73上に、第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bが形成されている。なお、層間絶縁膜73と、第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bとの詳細は第7実施形態と同様である。
In the
第1上部電極配線76aは、その一端が支持体43A上の第1開口部74aを覆うように形成されて上部電極46Aと導通し、支持体43B上を通り支持体43C上まで配線されている。そして、第1上部電極配線76aは、その他端が支持体43C上の第1開口部74bを覆うように形成されて、上部電極46Cと導通している。
One end of the first upper electrode wiring 76a is formed so as to cover the
また、第1上部電極配線76bは、その一端が第1開口部74cを覆うように形成されて上部電極46Cと導通している。そして、第1上部電極配線76bは、支持体43D上を通り、支持体43E上まで配線されて、その他端が第1上部電極47上に設けられて導通している。
The first
また、第2上部電極配線77aは、その一端が支持体43B上の第2開口部75aを覆うように形成されて上部電極46Cと導通し、支持体43C上を通り支持体43D上まで配線されている。そして、第2上部電極配線77aは、その他端が支持体43D上の第2開口部75bを覆うように形成されて、上部電極46Dと導通している。
The second
また、第2上部電極配線77bは、その一端が支持体43D上の第2開口部75cを覆うように形成されて上部電極46Dと導通している。そして、第3上部電極配線77bは、支持体43E上まで配線されて、その他端が第2上部電極48上に設けられ導通している。他の構成及び作動は、第3実施形態と同様である。
The second
本実施形態によれば、第3実施形態の圧電アクチュエータと同様に、小型で且つ大きな出力を得ることができる。 According to the present embodiment, similar to the piezoelectric actuator of the third embodiment, a small and large output can be obtained.
さらに、本実施形態では、第7実施形態と同様に、上部電極配線が層間絶縁膜上に設けられているので、上部電極配線の下の圧電体層を分離して層間絶縁する必要がない。従って、支持体上の圧電体の面積占有率をより高くすることができると共に、圧電アクチュエータの駆動特性を向上することができ、より小型の圧電アクチュエータで大きな出力を得ることができる。さらに、圧電アクチュエータを層間絶縁膜で覆うことにより、湿度等の外部環境への耐性を向上することができる。 Furthermore, in the present embodiment, as in the seventh embodiment, since the upper electrode wiring is provided on the interlayer insulating film, it is not necessary to isolate the piezoelectric layer under the upper electrode wiring and perform interlayer insulation. Accordingly, the area occupation ratio of the piezoelectric body on the support can be further increased, the driving characteristics of the piezoelectric actuator can be improved, and a large output can be obtained with a smaller piezoelectric actuator. Furthermore, by covering the piezoelectric actuator with an interlayer insulating film, resistance to external environments such as humidity can be improved.
なお、本実施形態では、第3実施形態の圧電アクチュエータにおいて、層間絶縁膜を備えるものとしたが、他の実施形態として、第1,第2,第4実施形態の圧電アクチュエータにおいて、層間絶縁膜を備えるものとしてもよい。この場合に、例えば、第1実施形態の圧電アクチュエータを使用した光偏向素子では、ミラー面反射膜と上部電極配線との材料を共通にして、電極配線パターン及びミラー面反射膜を同じ金属薄膜から形状加工して形成することができる。
[第9実施形態]
図16,図17に、第9実施形態における製造方法を示す。本実施形態の製造方法により、第8実施形態の圧電アクチュエータ70が製造される。本実施形態の製造方法は、第6実施形態の製造方法において、層間絶縁膜73を形成するステップと、第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bを形成するステップとを備えたものである。以下の説明では、第6実施形態と同じ処理については、第6実施形態を参照して説明を省略する。なお、図16(a)〜(g)、図17(h)〜(j)は、図15の圧電アクチュエータ70の断面を模式的に示している。
In the present embodiment, the piezoelectric actuator of the third embodiment is provided with an interlayer insulating film. However, as another embodiment, the piezoelectric actuator of the first, second, and fourth embodiments includes an interlayer insulating film. May be provided. In this case, for example, in the optical deflection element using the piezoelectric actuator of the first embodiment, the mirror surface reflection film and the upper electrode wiring are made of the same material, and the electrode wiring pattern and the mirror surface reflection film are made of the same metal thin film. It can be formed by shape processing.
[Ninth Embodiment]
16 and 17 show a manufacturing method according to the ninth embodiment. The
図16(a)に示すように、支持体43を形成する基板としては、第6実施形態と同様のSOI基板81を用いる。まず、図16(b)に示すように、SOI基板81の表面(活性層81a側)及び裏面(ハンドリング層81c側)に熱酸化炉によって熱酸化シリコン膜82a,82bを形成する(熱酸化膜形成ステップ)。次に、図16(c)に示すように、SOI基板81の表面に、下部電極層83、圧電体層84、上部電極層85を順次形成する(下部電極層形成ステップ、圧電体層形成ステップ、上部電極層形成ステップ)。なお、熱酸化膜形成ステップ、下部電極層形成ステップ、圧電体層形成ステップ、上部電極層形成ステップは、第6実施形態の各ステップと同様である。
As shown in FIG. 16A, an
次に、図16(d)に示すように、上部電極層83、圧電体層84、下部電極層85の形状を加工して、上部電極、圧電体、下部電極を形成する(形状加工ステップ)。形状加工ステップの詳細は、第7実施形態と同様である。これにより、第1,第2上部電極47,48と、上部電極46A〜46Dと圧電体45A〜45Dとが形成される。ただし、このとき、第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bは形成されない。なお、電圧を印加するための共通下部電極51の電極パッドは、図16(d)に示した下部電極層83が露出した端部e1のように形成され、電圧を印加するための第1,第2上部電極47,48の電極パッドは、上部電極層85が露出した端部e2のように形成される。
Next, as shown in FIG. 16D, the shapes of the
次に、図16(e),(f)に示すように、層間絶縁膜形成ステップで、層間絶縁膜73が形成される。まず、図16(e)に示すように、SOI基板81の活性層81a側の全面に、絶縁体の薄膜である絶縁膜86を形成する。絶縁膜86の材料としては、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜を用いる。絶縁膜86は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて成膜する。絶縁膜86の厚みは、例えば100〜500nm程度とする。
Next, as shown in FIGS. 16E and 16F, an
なお、絶縁膜86の材料としては、ポリイミド等の有機絶縁材料を用いてもよい。この場合には、例えばスピンコーティング法を用いて成膜する。このとき、絶縁膜86の厚みは、例えば0.5〜5μm程度とする。
Note that an organic insulating material such as polyimide may be used as the material of the insulating
次に、図16(f)に示すように、全面に成膜した絶縁膜86の形状を加工する。具体的には、まず、絶縁膜86上にフォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、絶縁膜86に対して、RIE装置を用いてドライエッチングを行う。これにより、各圧電カンチレバーの上部電極上で部分的に開口した層間絶縁膜73が形成される。なお、図16(f)に示した層間絶縁膜73の開口部f1のように、電圧を印加するための共通下部電極51の電極パッド上が開口され、層間絶縁膜73の開口部f2のように、電圧を印加するための第1,第2上部電極47,48の電極パッド上が開口される。また、第1開口部74a,74b,74cと第2開口部75a,75b,75cも開口部f2のように形成される。
Next, as shown in FIG. 16F, the shape of the insulating
次に、電極配線形成ステップで、図16(g)に示すように、上部電極用の電極配線パターンを形成する。まず、SOI基板71の熱酸化膜82a側の全面に、1層の金属薄膜からなる電極配線層87を形成する。電極配線層87の材料としては、例えば金、白金、アルミ等を用いる。また、電極配線層87は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。電極配線層87の厚みは、例えば100〜500nm程度とする。
Next, in the electrode wiring formation step, an electrode wiring pattern for the upper electrode is formed as shown in FIG. First, the
次に、電極配線層87の形状を加工する。具体的には、まず、電極配線層87上にフォトリソグラフ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、電極配線層87に対して、RIE装置を用いてドライエッチングを行う。これにより、図15に示したような、開口部44a,44b,45a,45bで上部電極46A〜46Dと導通すると共に、支持体63E上で第1,第2上部電極47,48と導通する電極配線パターン(上部電極配線)76a,76b,77a,77bが形成される。
Next, the shape of the
次に、図17(h)〜(j)に示すように、SOI基板81を加工して圧電アクチュエータ71の支持体63及び台座52を形成する(支持体形成ステップ)。なお、支持体形成ステップは、第7実施形態のステップと同様である。
Next, as shown in FIGS. 17H to 17J, the
以上の工程により、圧電アクチュエータ70が製造される。
The
本実施形態の製造方法によれば、第6実施形態と同様に、圧電アクチュエータ70を半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することができるので、製造が容易であり、歩留まりの向上や量産が可能となる。さらに、圧電アクチュエータ70をデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、圧電アクチュエータ71を他のデバイスに組み込むことが容易となる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, since the
なお、本実施形態では、第8実施形態の圧電アクチュエータ(第3実施形態の圧電アクチュエータに層間絶縁膜を備えた圧電アクチュエータ)を製造するものとしたが、本実施形態の製造方法は、第1,第2,第4実施形態の圧電アクチュエータに層間絶縁膜を備えた圧電アクチュエータ、及び第7実施形態の圧電アクチュエータ(第5実施形態の圧電アクチュエータに層間絶縁膜を備えた圧電アクチュエータ)を製造する際にも用いることができる。
[第10実施形態]
図18には、第10実施形態の圧電アクチュエータ91を使用した可変キャパシタを示す。本実施形態の圧電アクチュエータ91は、4つの圧電アクチュエータ92〜95を組み合わせたものである。そして、可変キャパシタは、圧電アクチュエータ91の4つの圧電アクチュエータ92〜95の先端部にキャパシタ部96が連結されたものである。なお、各圧電アクチュエータ92〜95の基本的な構成は、第5又は第7実施形態と同じであるので、以下では説明を省略する。
In the present embodiment, the piezoelectric actuator of the eighth embodiment (the piezoelectric actuator having the interlayer actuator on the piezoelectric actuator of the third embodiment) is manufactured. However, the manufacturing method of the present embodiment is the first method. The piezoelectric actuator of the second and fourth embodiments having an interlayer insulating film, and the piezoelectric actuator of the seventh embodiment (the piezoelectric actuator of the fifth embodiment having an interlayer insulating film) are manufactured. Can also be used.
[Tenth embodiment]
FIG. 18 shows a variable capacitor using the
本実施形態の圧電アクチュエータ91において、4つの圧電アクチュエータ92〜95は、同一平面上に配置され、矩形形状の導体支持部97の4隅にその先端部92a1〜95a1がそれぞれ連結されている。
In the
一方の1対の圧電アクチュエータ92,93は、導体支持部97の一方の側で対向して設けられている。また、他方の1対の圧電アクチュエータ94,95は、導体支持部97の他方の側で対向して設けられている。さらに、これらの一方の1対の圧電アクチュエータ92,93と他方の1対の圧電アクチュエータ94,94とは、導体支持部97を挟んで対向して設けられている。
One pair of
また、一方の1対の圧電アクチュエータ92,93は、その基端部92d1,93d2が、導体支持部97の一方の側に設けられた台座105A上に保持された支持体基端部104Aの隣り合う2隅に連結されて支持されている。また、他方の1対の圧電アクチュエータ94,95は、その基端部94d1,95d1が、導体支持部97の他方の側に設けられた台座105B上に保持された支持体基端部104Bの隣り合う2隅に連結されて支持されている。
The pair of
4つの圧電アクチュエータ92〜95は、それぞれ4つの圧電カンチレバー92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95Dを備えている。また、圧電アクチュエータ92〜95は、それぞれ、圧電カンチレバー92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95Dの支持体として一体的に形成された支持体100〜103を備えている。
The four
なお、導体保持部97、支持体100〜103,104A,104Bは、シリコン基板を形状加工することにより1枚の支持体として一体的に形成されている。これにより、導体保持部97は、4つの圧電アクチュエータ92〜95と機械的に連結され、圧電アクチュエータ92〜95の駆動に応じて変位するものとなる。さらに、台座105A,105Bも、シリコン基板を形状加工することにより、前記1枚の支持体と一体的に形成されている。
The
また、一方の台座105A上には、圧電アクチュエータ92,93に駆動電圧を印加するための電極セット109Aが設けられている。この電極セット109Aは、圧電カンチレバー92A,92C,93A,93Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極106Aと、圧電カンチレバー92B,92D,93B,93Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極107Aと、第1,第2上部電極106A,107Aの共通の下部電極として用いられる共通下部電極108Aとを備えている。
On one
同様に、他方の台座105B上には、他方の1対の圧電アクチュエータ94,95に駆動電圧を印加するための電極セット109Bが設けられている。この電極セット109Bは、圧電カンチレバー94A,94C,95A,95Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極106Bと、圧電カンチレバー94B,94D,95B,95Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極107Bと、第1,第2上部電極106B,107Bの共通の下部電極として用いられる共通下部電極108Bとを備えている。
Similarly, an electrode set 109B for applying a driving voltage to the other pair of
なお、図示は省略するが、第1,第2上部電極106A,106B,107A,107Bは、第5又は第7実施形態と同様に、第1、第2上部電極配線を介して、圧電カンチレバー92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95Dの所定の上部電極と接続されている。
Although not shown, the first and second
キャパシタ部96は、導体保持部97の下面に保持された板状の上側導体98と、上側導体98と所定の間隔を隔てて対向して設けられた板状の下側導体99とで構成される。上側導体98と下側導体99と間の間隔を変化させることにより、可変キャパシタの容量が可変となる。
The
次に、本実施形態の圧電アクチュエータ91を使用した可変キャパシタの作動について説明する。図19は、可変キャパシタの駆動状態を模式的に示した図である。この図では、可変キャパシタの上側導体98を上下方向に駆動する場合が例示されている。まず、第1上部電極106A,106Bと共通下部電極108A,108Bとの間に、所定の第1直流電圧を印加すると共に、第2上部電極107A,107Bと共通下部電極108A,108Bとの間に、第1直流電圧と逆極性の所定の第2直流電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ92〜95が駆動され、印加電圧に応じて、先端部92a1〜95a1で所定の同じ方向(例えば上方向)に変位が発生する。同様に、第1,第2直流電圧と逆極性の電圧をそれぞれ印加することで、圧電アクチュエータ92〜95が駆動され、印加電圧に応じて、先端部92a1〜95a1で所定の同じ方向(例えば下方向)に変位が発生する。
Next, the operation of the variable capacitor using the
この変位によって、導体保持部97及び上側導体98が上下方向に平行移動する。よって、図19で点線で示したように、上側導体98を上下方向に平行移動させて上側導体98と下側導体99との間隔を変更し、可変キャパシタの容量を制御する。このとき、圧電カンチレバー92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95Dの圧電体は電荷を蓄積・保持することができるので、4つの圧電アクチュエータ92〜95の先端部92a1〜95a1で発生する変位を保持することができる。よって、電圧を印加して所定の容量を得た後、この電圧の印加を停止しても、この容量を保持することができる。
Due to this displacement, the
本実施形態によれば、圧電アクチュエータ92〜95で大きな出力が得られるので、上側導体98と下側導体99との間隔の可変な範囲が大きく、広い範囲で容量を制御することができる。
According to the present embodiment, since a large output can be obtained by the
なお、上述の可変キャパシタでは、上側導体98を圧電アクチュエータ91に接続して駆動するものとしたが、下側導体99を圧電アクチュエータ91に接続して駆動するものとしてもよい。さらに、他の実施形態として、上側導体98と下側導体99とをそれぞれ異なる圧電アクチュエータに接続して、両方を駆動するものとしてもよい。
In the above-described variable capacitor, the
また、本実施形態では、第5又は第7実施形態と同様の圧電アクチュエータを4つ組み合わせて使用するものとしたが、第3又は第8実施形態の圧電アクチュエータを4つ組み合わせて使用するものとしてもよい。
[第11実施形態]
図20には、第11実施形態の圧電アクチュエータ111を使用した光偏向素子123を示す。本実施形態の圧電アクチュエータ111は、2つの圧電アクチュエータ112,113を組み合わせた2軸駆動型の圧電アクチュエータである。そして、光偏向素子123は、この2軸駆動型の圧電アクチュエータ111の先端部にミラー部115が連結された2次元光偏向素子である。なお、各圧電アクチュエータ112,113の基本的な構成は、第5又は第7実施形態と同じであるので、以下では説明を省略する。
In this embodiment, four piezoelectric actuators similar to those in the fifth or seventh embodiment are used in combination. However, four piezoelectric actuators in the third or eighth embodiment are used in combination. Also good.
[Eleventh embodiment]
FIG. 20 shows an
本実施形態の圧電アクチュエータ111において、2つの圧電アクチュエータ112,113は、同一平面上に配置されており、一方の圧電アクチュエータ112は、その基端部112d1が、他方の圧電アクチュエータ113の先端部113a1に、出力方向が互いに直交するように連結されている。また、2軸駆動型の圧電アクチュエータ114は、これらの圧電アクチュエータ112,113にそれぞれ駆動電圧を印加するための電極セット116,117を備えている。
In the piezoelectric actuator 111 of the present embodiment, the two
圧電アクチュエータ112,113は、それぞれ、圧電カンチレバー112A〜112D,113A〜113Dを備えている。また、圧電アクチュエータ112,113は、それぞれ、圧電カンチレバー112A〜112D,113A〜113Dの支持体として一体的に形成された支持体118,119を備えている。これらの支持体118,119は、シリコン基板を形状加工することにより、1枚の支持体120として一体的に形成されている。支持体120は、その基端部121が台座122上に保持され、基端部121から伸びた部分が、他方の圧電アクチュエータ113の支持体119を構成し、この支持体119から延びた部分が、一方の圧電アクチュエータ112の支持体118を構成する。これにより、2つの圧電アクチュエータ112,113が機械的に連結されたものとなる。なお、台座122もシリコン基板から形成され、支持体120と一体的に形成されている。
The
一方の圧電アクチュエータ112の電極セット116は、先端部側から奇数番目の圧電カンチレバー112A,112Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極116aと、先端部側から偶数番目の圧電カンチレバー112B,112Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極116bと、第1,第2上部電極116a,116bの共通の下部電極として用いられる共通下部電極116cとを備えている。同様に、他方の圧電アクチュエータ113の電極セット117は、先端部側から奇数番目の圧電カンチレバー113A,113Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極117aと、先端部側から偶数番目の圧電カンチレバー113B,113Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極117bと、第1,第2上部電極117a,117bの共通の下部電極として用いられる共通下部電極117cとを備えている。
The electrode set 116 of one
電極セット116,117の各電極116a、116b、116c,117a,117b,117cは、それぞれ、支持体120の端部121上にパッド状に形成されている。なお、図示は省略するが、第1,第2上部電極116a,116b,117a,117b,は、第6実施形態と同様に、第1、第2上部電極配線を介して圧電カンチレバー112A〜112D,113A〜113Dの所定の上部電極と接続されている。
Each electrode 116 a, 116 b, 116 c, 117 a, 117 b, 117 c of the electrode set 116, 117 is formed in a pad shape on the
光偏向素子123において、ミラー部124は矩形形状で、その一辺が圧電アクチュエータ111の先端部(一方の圧電アクチュエータ112の先端部112a1)に連結されている。ミラー部124は、ミラー部支持体125と、ミラー部支持体125上に形成されたミラー面反射膜126とを備えている。なお、ミラー面反射膜126の詳細は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1を使用した光偏向素子11のミラー面反射膜14と同じである。また、ミラー部支持体125は、前記光偏向素子11のミラー部支持体13と同様に、シリコン基板から形成され、圧電アクチュエータ111の支持体120と一体的に形成されている。これにより、ミラー部124は、圧電アクチュエータ111と機械的に連結され、圧電アクチュエータ111の駆動に応じて回動する。
In the
次に、本実施形態の圧電アクチュエータ111及び光偏向素子123の作動を説明する。まず、第1上部電極116aと共通下部電極116cとの間に、所定の第1直流電圧を印加すると共に、第2上部電極116bと共通下部電極116cとの間に、第1直流電圧と逆極性の所定の第2直流電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ112の基端部112d1を支点として、圧電アクチュエータ112の先端部112a1で角度変位αが発生する。
Next, the operation of the piezoelectric actuator 111 and the
これと共に、第1上部電極117aと共通下部電極117cとの間に、所定の第3直流電圧を印加すると共に、第2上部電極117bと共通下部電極117cとの間に、第3直流電圧と逆極性の所定の第4直流電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ113の基端部113d1を支点として、圧電アクチュエータ113の先端部113a1で角度変位βが発生する。
At the same time, a predetermined third DC voltage is applied between the first upper electrode 117a and the common lower electrode 117c, and the third DC voltage is reversed between the second upper electrode 117b and the common lower electrode 117c. A predetermined fourth DC voltage having a polarity is applied. As a result, an angular displacement β is generated at the distal end portion 113a1 of the
これにより、圧電アクチュエータ111全体として、その先端部に、2つの角度成分を有する変位(α+β)が発生する。この変位に応じてミラー部124が回転してレーザ光等の光ビームを偏向する。このとき、圧電アクチュエータ112,113は独立に駆動電極を有しているため、角度変位αと角度変位βとを独立に制御することができ、ミラー部124を2軸駆動することが可能となる。また、圧電カンチレバー112A〜112D,113A〜113Dの圧電体は電荷を蓄積・保持することができるので、圧電アクチュエータ111,112はそれぞれ、変位α,βを保持することができる。よって、電圧を印加して所定の偏向角を得た後、この電圧の印加を停止しても、ミラー部124の偏向角を保持することができる。
As a result, displacement (α + β) having two angle components is generated at the tip of the piezoelectric actuator 111 as a whole. In response to this displacement, the
本実施形態によれば、小型で大きな出力を得ることができる2つの圧電アクチュエータが、出力方向が直交するように連結されていると共に、各圧電アクチュエータに独立に駆動電圧が印加可能である。よって、小型で大きな出力を得ることができる2軸駆動型の圧電アクチュエータとなっている。そして、上述の光偏向素子123では、本実施形態の圧電アクチュエータの先端部にミラー部を連結することで、小型で大きな偏向角を得ることができる。
According to this embodiment, two piezoelectric actuators that are small and can obtain a large output are connected so that the output directions are orthogonal to each other, and a driving voltage can be applied to each piezoelectric actuator independently. Therefore, the piezoelectric actuator is a two-axis drive type that can obtain a large output with a small size. And in the above-mentioned optical deflection |
なお、本実施形態では、2つの圧電アクチュエータを出力方向が直交するように連結するものとしたが、連結する角度は任意に変更可能であり、2つの圧電アクチュエータが異なる出力方向となればよい。 In the present embodiment, the two piezoelectric actuators are connected so that the output directions are orthogonal to each other. However, the connecting angle can be arbitrarily changed, and the two piezoelectric actuators only need to have different output directions.
また、本実施形態では、2つの圧電アクチュエータを出力方向が直交するように連結し、その先端部にミラー部を連結して2次元光偏向素子としたが、他の実施形態として、3つ以上の圧電アクチュエータを出力方向が異なるように連結するものとしてもよい。そして、この圧電アクチュエータの先端部にミラー部を連結することで、3軸以上の多軸駆動が可能な、小型で大きな偏向角を得ることができる光偏向素子とすることができる。 In this embodiment, two piezoelectric actuators are connected so that the output directions are orthogonal to each other, and a mirror portion is connected to the tip of the two piezoelectric actuators to form a two-dimensional optical deflection element. However, as another embodiment, three or more The piezoelectric actuators may be coupled so that the output directions are different. Then, by connecting a mirror portion to the tip portion of the piezoelectric actuator, it is possible to obtain a light deflection element that can be driven in a multi-axis direction of three or more axes and can obtain a small and large deflection angle.
また、本実施形態では、第5又は第7実施形態と同様の圧電アクチュエータを2つ組み合わせて使用するものとしたが、第3又は第8実施形態の圧電アクチュエータを2つ組み合わせて使用するものとしてもよい。 In this embodiment, two piezoelectric actuators similar to those in the fifth or seventh embodiment are used in combination. However, two piezoelectric actuators in the third or eighth embodiment are used in combination. Also good.
1…圧電アクチュエータ、2A,2B…圧電カンチレバー、3,3A,3B…支持体、4A,4B…下部電極、5A,5B…圧電体、6A,6B…上部電極、7A…第1上部電極、7B…第2上部電極、7C…第2上部電極配線、9…共通下部電極、10…台座、
11…光偏向素子、12…ミラー部、13…ミラー面反射膜、14…ミラー部支持体、
21…多接点スイッチ、22…圧電アクチュエータ、23A〜23C…圧電カンチレバー、24,24A〜24C…支持体、25A〜25C…下部電極、26A〜26C…圧電体、27A〜27C…上部電極、28A〜28C…第1〜第3上部電極、28D,28E…第1,第3上部電極配線、30…共通下部電極、31…台座、32A〜32C…第1〜第3接点、
41…圧電アクチュエータ、42A〜42D…圧電カンチレバー、43,43A〜43D…支持体、44A〜44D…下部電極、45A〜45D…圧電体、46A〜46D…上部電極、47…第1上部電極,48…第2上部電極、49B,49D…第1上部電極配線、50C…第2上部電極配線、51…共通下部電極、52…台座、
61…圧電アクチュエータ、62A〜62D…圧電カンチレバー、64A〜64D…直線部、65A〜65D,66A〜66D…連結部、67a,67b…第1上部電極配線、68a,68b…第2上部電極配線、
70…圧電アクチュエータ、71…圧電アクチュエータ、72A〜72D…圧電カンチレバー、73…層間絶縁膜、74a〜74c…第1開口部、75a〜75c…第2開口部、76a,76b…第1上部電極配線、77a,77b…第2上部電極配線、
81…SOI基板、81a…活性層、81b…中間酸化膜層、81c…ハンドリング層、82a,82b…熱酸化シリコン膜、83…下部電極層、84…圧電体層、85…上部電極層、86…絶縁膜、87…電極配線層、
91…圧電アクチュエータ、92〜95…圧電アクチュエータ、92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95D…圧電カンチレバー、96…キャパシタ部、97…導体保持部、98…上側導体、99…下側導体、100〜103,104A,104B…支持体、105A,105B…台座、106A,106B…第1上部電極、107A,107B…第2上部電極、108A,108B…共通下部電極、109A,109B…電極セット、
111…圧電アクチュエータ、112,113…圧電アクチュエータ、112A〜112D,113A〜113D…圧電カンチレバー、116,117…電極セット、116a,117a…第1上部電極、116b,117b…第2上部電極、116c,117c…共通下部電極、118〜121…支持体、122…台座、
123…光偏向素子、124…ミラー部、125…ミラー部支持体、126…ミラー面反射膜、
131…圧電アクチュエータ、132A…圧電カンチレバー、133,133A…支持体、134,134A…下部電極、135A…圧電体、136,136A…上部電極、137…台座。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Light deflection element, 12 ... Mirror part, 13 ... Mirror surface reflection film, 14 ... Mirror part support body,
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 41 ... Piezoelectric actuator, 42A-42D ... Piezoelectric cantilever, 43, 43A-43D ... Support body, 44A-44D ... Lower electrode, 45A-45D ... Piezoelectric body, 46A-46D ... Upper electrode, 47 ... First upper electrode, 48 ... second upper electrode, 49B, 49D ... first upper electrode wiring, 50C ... second upper electrode wiring, 51 ... common lower electrode, 52 ... pedestal,
61 ... Piezoelectric actuator, 62A to 62D ... Piezoelectric cantilever, 64A to 64D ... Linear portion, 65A to 65D, 66A to 66D ... Connection portion, 67a, 67b ... First upper electrode wiring, 68a, 68b ... Second upper electrode wiring,
70 ... Piezoelectric actuator, 71 ... Piezoelectric actuator, 72A to 72D ... Piezoelectric cantilever, 73 ... Interlayer insulating film, 74a-74c ... First opening, 75a-75c ... Second opening, 76a, 76b ... First upper electrode wiring , 77a, 77b ... second upper electrode wiring,
81 ... SOI substrate, 81a ... active layer, 81b ... intermediate oxide film layer, 81c ... handling layer, 82a, 82b ... thermally oxidized silicon film, 83 ... lower electrode layer, 84 ... piezoelectric layer, 85 ... upper electrode layer, 86 ... Insulating film, 87 ... Electrode wiring layer,
91 ... Piezoelectric actuator, 92-95 ... Piezoelectric actuator, 92A-92D, 93A-93D, 94A-94D, 95A-95D ... Piezoelectric cantilever, 96 ... Capacitor part, 97 ... Conductor holding part, 98 ... Upper conductor, 99 ... Bottom Side conductors, 100 to 103, 104A, 104B ... support, 105A, 105B ... pedestal, 106A, 106B ... first upper electrode, 107A, 107B ... second upper electrode, 108A, 108B ... common lower electrode, 109A, 109B ... Electrode set,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... Piezoelectric actuator, 112, 113 ... Piezoelectric actuator, 112A-112D, 113A-113D ... Piezoelectric cantilever, 116, 117 ... Electrode set, 116a, 117a ... First upper electrode, 116b, 117b ... Second upper electrode, 116c, 117c ... Common lower electrode, 118-121 ... Support, 122 ... Pedestal,
123: Light deflection element, 124: Mirror part, 125 ... Mirror part support, 126 ... Mirror surface reflection film,
131 ... Piezoelectric actuator, 132A ... Piezoelectric cantilever, 133, 133A ... Support, 134, 134A ... Lower electrode, 135A ... Piezoelectric, 136, 136A ... Upper electrode, 137 ... Pedestal.
Claims (3)
前記複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、前記駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形され、
前記複数の圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成され、
前記複数の圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成され、
前記電極は、前記半導体基板上に前記圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、前記圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極と、前記上部電極層及び前記圧電膜を形状加工して前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンとを含むことを特徴とする圧電アクチュエータ。 A plurality of piezoelectric cantilevers having a support and a piezoelectric body formed on the support and performing bending deformation by piezoelectric driving, and a plurality of electrodes for applying a driving voltage to the piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers Independently
The plurality of piezoelectric cantilevers are mechanically coupled at their ends so as to accumulate each bending deformation, and each piezoelectric cantilever is independently bent and deformed by application of the driving voltage ,
The plurality of piezoelectric cantilever supports are integrally formed by processing a semiconductor substrate,
The piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers are formed by processing a single-layer piezoelectric film directly formed on the semiconductor substrate,
The electrode is formed directly on the piezoelectric film and a lower electrode formed by processing a lower electrode layer, which is a metal thin film formed directly on the semiconductor substrate, between the piezoelectric film and the piezoelectric film. An upper electrode formed by processing a shape of the upper electrode layer, which is a metal thin film, and a shape processing of the upper electrode layer and the piezoelectric film so as to be partially separated from the upper electrode and the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever. An electrode wiring pattern for applying a driving voltage to a piezoelectric body of a predetermined piezoelectric cantilever among the plurality of piezoelectric cantilevers .
前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結され、
前記複数の電極は、前記隣り合う圧電カンチレバーの圧電体に互いに異なる駆動電圧を印加するための2つの独立した電極であり、
前記駆動電圧の印加により前記隣り合う圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形されることを特徴とする圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein
The plurality of piezoelectric cantilevers are arranged side by side so that both ends of each piezoelectric cantilever are adjacent to each other, and are mechanically coupled so as to be folded back with respect to each adjacent piezoelectric cantilever,
The plurality of electrodes are two independent electrodes for applying different driving voltages to the piezoelectric bodies of the adjacent piezoelectric cantilevers,
The piezoelectric actuator, wherein the adjacent piezoelectric cantilevers are bent and deformed in opposite directions by the application of the driving voltage.
半導体基板上に金属薄膜である下部電極層を形成する下部電極層形成ステップと、
前記下部電極層上に単層の圧電膜を形成する圧電体層形成ステップと、
前記圧電膜上に金属薄膜である上部電極層を形成する上部電極層形成ステップと、
前記下部電極層、前記圧電膜及び前記上部電極層の形状を加工して、前記複数の圧電カンチレバーの圧電体を形成すると共に、該圧電体に駆動電圧を印加するための上部電極と下部電極とを形成し、更に、前記上部電極層及び前記圧電膜を形状加工することにより、前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンを形成する形状加工ステップと、
前記圧電体と前記上部電極と前記下部電極とが形成された前記半導体基板を加工して、複数の前記圧電カンチレバーの支持体を一体的に形成する支持体形成ステップとを含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 In a method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a support and a plurality of piezoelectric cantilevers that have a piezoelectric body formed on the support and perform bending deformation by piezoelectric driving,
A lower electrode layer forming step of forming a lower electrode layer which is a metal thin film on a semiconductor substrate;
A piezoelectric layer forming step of forming a single-layer piezoelectric film on the lower electrode layer;
An upper electrode layer forming step of forming an upper electrode layer which is a metal thin film on the piezoelectric film;
Processing the shapes of the lower electrode layer, the piezoelectric film, and the upper electrode layer to form piezoelectric bodies of the plurality of piezoelectric cantilevers, and an upper electrode and a lower electrode for applying a driving voltage to the piezoelectric bodies And forming the upper electrode layer and the piezoelectric film into a shape so as to be partially separated from the upper electrode and the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever. A shape processing step for forming an electrode wiring pattern for applying a driving voltage to the piezoelectric body;
And a support body forming step of integrally forming a plurality of support bodies of the piezoelectric cantilevers by processing the semiconductor substrate on which the piezoelectric body, the upper electrode, and the lower electrode are formed. A method for manufacturing a piezoelectric actuator.
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