JP5435798B2

JP5435798B2 - 乱流制御装置及び乱流制御用アクチュエータの製造方法

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Application number: JP2010053250A
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Inventors: 慶一菱沼
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Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2014-03-05
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Description

本発明は、物体の表面（壁面）近傍に発生する乱流の制御に好適な乱流制御装置及びこれに用いる乱流制御用アクチュエータの製造方法の技術に関する。

自然現象として生じる乱流を制御することによって、流体抵抗の低減、伝熱の増進や抑制、或いは複数種流体の混合及び拡散のコントロールなどが可能であり、環境負荷低減等の観点から、乱流制御技術の開発が期待されている（非特許文献１参照）。

従来、サメ肌に類似した構造を持つ壁面や界面活性剤の添加など、壁の表面形状や表面物性の工夫による乱流制御の試みが行われている。例えば、特許文献１では、壁表面に多数のＶ字型の突起を配列させ、そのＶ型要素の形状と配列パターンにより、乱流を減少又は増大させる方法が提案されている。

しかし、乱流の発生具合は時々刻々の流れの状態によって変化するため、理想的な乱流制御としては、リアルタイムで乱流の状態をセンシングし、それに応じてアクチュエータ群を動かし、流体に対してフィードバックをかけることにある。

近年、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が大いに発展し、ＭＥＭＳ技術により作製したセンサとアクチュエータを用いて乱流制御を行う研究が行われている（非特許文献１）。

このような乱流制御に用いられるアクチュエータに望まれるスペックは、制御しようとする流体のレイノルズ数によっても違うが、概ね、１００μｍ〜数ｍｍの寸法、高ストローク、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの動作周波数、使用環境においての高耐久性、低消費電力などである。かかる要求仕様に対して、従来の乱流制御用ＭＥＭＳアクチュエータの駆動機構としては、電磁式や誘電エラストマーなどがある（特許文献２、非特許文献１）。

鈴木雄二，笠木伸英，「MEMSデバイスを用いた壁乱流フィードバック制御」，ながれ，日本流体力学会誌， Vol. 25，平成18年4月，pp. 95-102 (2006).

特開平１０−１８３５５７号公報特許第２８６２８５５号公報

しかしながら、従来提案されている電磁式のアクチュエータは、高トルクを出力できるが、構造が複雑になるので作製が困難であり、クロストークや高消費電力などの問題を抱える。一方、誘電エラストマーは高変位を出せるが、ｋＶオーダーの電圧をかける必要があり、電気系の駆動回路への負荷や安全性などの観点で課題が残る。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、製造プロセスの簡素化が可能で、低電圧駆動による高ストローク出力が可能なアクチュエータを用いた乱流制御装置を提供することを目的とし、併せて、その乱流制御装置に適用されるアクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明に係る乱流制御装置は、流体との境界面を形成する壁に設置される乱流制御装置であって、振動板の面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極が積層されて成るダイアフラム型圧電アクチュエータ群を備え、前記境界面は前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の可動部の表面を含んで構成され、前記第１電極及び前記第２電極間への電圧印加により前記可動部を変位させて前記境界面を変形させるように構成されており、前記振動板の可動部の領域に対応したキャビティを有する構造体を備え、前記キャビティは平面視で円形の開口を有し、前記振動板は、前記キャビティの開口面を覆って前記構造体に接合され、前記第２電極として、リング型、又はＣ字型の電極を備え、前記リング型、又はＣ字型の電極は、平面視で前記キャビティの開口円に沿って形成されるとともに、当該リング型、又はＣ字型の電極の一部は、平面視で前記キャビティの開口円よりも外側に張り出していることを特徴とする。
また、前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。

（発明１）：発明１に係る乱流制御装置は、流体との境界面を形成する壁に設置される乱流制御装置であって、振動板の面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極が積層されて成るダイアフラム型圧電アクチュエータ群を備え、前記境界面は前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の可動部の表面を含んで構成され、前記第１電極及び前記第２電極間への電圧印加により前記可動部を変位させて前記境界面を変形させるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電体膜を用いたダイアフラム型圧電アクチュエータの採用により、従来の電磁式や誘電エラストマーを利用する構成と比較して低電圧での駆動が可能である。これにより、消費電力の低減が可能である。また、本発明の乱流制御装置は、薄膜技術（成膜技術）並びにＭＥＭＳ技術を適用して製造プロセスの簡素化を達成でき、歩留まり向上、コスト低減が可能である。

（発明２）：発明２に係る乱流制御装置は、発明１において、前記圧電体膜は、圧電定数ｄ31の絶対値が２００ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする。

圧電定数ｄ31の絶対値が２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電体膜を用いることにより、薄膜でありながら、高ストローク出力が可能な圧電アクチュエータを実現できる。なお、圧電定数 d31は通常マイナスの符号を持つ。これは、膜厚方向に電圧を印加すると、面内方向で縮む、という意味である。

（発明３）：発明３に係る乱流制御装置は、発明１又は２において、前記振動板の可動部の領域に対応したキャビティを有する構造体を備え、前記振動板は、前記キャビティの開口面を覆って前記構造体に接合されていることを特徴とする。

かかる態様により、ダイアフラム構造体を形成することができる。

（発明４）：発明４に係る乱流制御装置は、発明３において、前記キャビティは平面視で円形の開口を有していることを特徴とする。

かかる態様によれば、応力集中による劣化や破壊を低減でき、信頼性の高いアクチュエータを提供できる。

（発明５）：発明５に係る乱流制御装置は、発明３又は４において、前記第２電極として、リング型、又はＣ字型の電極を備えることを特徴とする。

かかる態様によれば、壁面を凸に変形させることが可能である。

（発明６）：発明６に係る乱流制御装置は、発明５において、前記リング型、又はＣ字型の電極は、平面視で前記キャビティの開口円に沿って形成されるとともに、当該リング型、又はＣ字型の電極の一部は、平面視で前記キャビティの開口円よりも外側に張り出していることを特徴とする。

かかる態様により、電極下にある圧電体膜の一部が構造体に拘束され、振動板の非拘束部を大きく変位させることが可能である。

（発明７）：発明７に係る乱流制御装置は、発明４において、前記第２電極として、円型の電極を備え、当該円型電極の直径は、前記キャビティの開口径の５０〜７５％の範囲内であり、平面視で前記キャビティの開口円の内側に形成されていることを特徴とする。

かかる態様によれば、耐久性に優れたアクチュエータを実現でき、かつ、乱流制御に適した大きな変位量を得ることができる。

（発明８）：発明８に係る乱流制御装置は、発明１乃至７のいずれか１項において、前記圧電体膜は、ペロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする。

（発明９）：発明９に係る乱流制御装置は、発明１乃至８のいずれか１項において、前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の各アクチュエータを、そのダイアフラム構造の共振周波数で駆動する駆動信号を出力する駆動制御回路を備えたことを特徴とする。

ダイアフラムの共振を利用することにより、一層大きな変位を得ることができる。

（発明１０）：発明１０に係る乱流制御装置は、発明１乃至９のいずれか１項において、前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の配置位置よりも前記流体の流れの上流側に配置され、当該流体の流れの状態を検知するセンサ群と、前記センサ群から得られる情報に基づいて前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の駆動を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする。

かかる態様によれば、時々刻々変化する流体の流れの状況に対応して、適切な乱流制御が可能なシステムを提供できる。

（発明１１）：発明１１に係る乱流制御用アクチュエータの製造方法は、発明１乃至１０のいずれか１項に記載の乱流制御装置における前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群を構成する乱流制御用アクチュエータの製造方法であって、第１基板の片面にキャビティを形成する工程と、前記キャビティの開口面を覆うように第２基板を前記第１基板に接合する工程と、前記第１基板に接合された前記第２基板を薄層化し、その残部により振動板を形成する工程と、前記振動板上に第１電極、圧電体膜、第２電極をこの順で成膜する工程と、前記第２電極の一部を除去して所定の電極形状にパターニングする工程と、前記圧電体膜の一部を除去して所定の圧電体形状にパターニングする工程と、を有することを特徴とする。

本発明による圧電膜を利用したアクチュエータ群は、従来の電磁式や誘電エラストマーを利用する構成と比較して低電圧の駆動が可能であり、消費電力の低減が可能である。また、本発明の乱流制御装置は、薄膜の成膜技術、ＭＥＭＳ技術を利用して製造プロセスの簡素化を達成でき、歩留まり向上、コスト低減につながる。

本発明の第１実施形態に係る境界層制御装置の平面図図１に示したアクチュエータの拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図本実施形態に係る乱流制御装置のシステム構成を示したブロック図アクチュエータアレイの製造プロセスの例を示す工程図本発明の第２実施形態を示すアクチュエータの拡大図本発明の第３実施形態を示すアクチュエータの拡大図

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る境界層制御装置の平面図である。本例の乱流制御装置１０は、流体と接触する壁面１２に複数個の圧電薄膜ダイアフラム型ＭＥＭＳアクチュエータ２０を配列させてなるアクチュエータ群２１を備える。以下、符号２０を単に「アクチュエータ」と表記し、アクチュエータ群の全体を符号２１で示す。ここでは、説明を簡単にするために、壁面１２は略平坦な平面とするが、本発明の実施に際して、壁面１２は曲率を持つ壁面（曲面）であってもよい。

流体は、気体、液体のいずれであってもよい。アクチュエータ群２１を備えた壁面１２上を図１の左から右に向かって流体が流れるものとする。説明の便宜上、この流体の流れ方向をｘ方向、ｘ方向と直交し壁面１２と平行な方向（図１の縦方向）をｚ方向、壁面１２の法線方向（壁面から離れる方向、図１の紙面垂直手前に向かう方向））をｙ方向として座標系を定義する。

本例のアクチュエータ群２１は、アクチュエータ２０がｚ方向に沿って一定の間隔Ｌｚで並べられているアクチュエータ列が、ｘ方向に対して一定の間隔Ｌｘで複数列（ここでは３列を例示）設けられている。

ここでは、各アクチュエータ２０がマトリクス状に二次元配列されている例を示したが、アクチュエータ２０の配列形態はこの例に限定されない。例えば、アクチュエータ列内におけるｚ方向のアクチュエータ間隔をＬｚ（一定）とし、ｘ方向の位置が異なるアクチュエータ列間でｚ方向に位置をずらして配置してもよい。例えば、隣り合うアクチュエータ列間でＬｚ/２だけｚ方向に位置をずらして千鳥状の配列としてもよい。

図２は、１つのアクチュエータ２０を拡大した図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はその断面図（図２(ａ)中の２ｂ−２ｂ線に沿う断面図）である。これらの図面に示したように、アクチュエータ２０は、キャビティ２２を構成する凹部２３が形成された基板２６（「構造体」に相当）の上に当該凹部２３の開口面（図３において上面）を覆うように振動板３０が接合されたダイアフラム構造を有し、当該振動板３０上に、下部電極４０、圧電体膜４４、及び上部電極４６がパターン成膜された構造となっている。

図２において、符号４７は、各アクチュエータ２０の上部電極４６に繋がる配線引き出し用の電極である。配線引き出し用の電極４７は配線ライン４８のパターンと接続されている（図１参照）。図１に示したとおり、本例のアクチュエータアレイは、ｚ方向に沿ったアクチュエータ列２４毎に、各アクチュエータ２０の配線ライン４８がｚ方向に引き出される。図には示されていないが、配線ライン４８は駆動回路に接続される。配線ライン４８を通じて各アクチュエータ２０に駆動電圧が印加されることにより、アクチュエータ２０が作動する。各アクチュエータ２０は、個別に駆動制御することも可能であるし、列単位で駆動制御することも可能である。

図２(ａ)に示したように、キャビティ２２は、平面視で円形となっている。このキャビティ２２の上面を封止する振動板３０は、キャビティ２２の開口円（図２(ａ)中の破線円）の内側領域が基板２６に拘束されておらず、当該非拘束の領域が実質的に変位可能な可動部（図２（ｂ）の符号３２）となる。一方、キャビティ２２の外側は基板２６の上面に振動板３０が接合（拘束）されており（図２（ｂ）参照）、当該拘束部分は振動板３０を支持する構成となっている。このようなダイアフラム構造のアクチュエータ２０は、キャビティ２２の縁を境界とする非拘束領域（可動部３２）が変位する。したがって、ストレス集中による劣化や破壊などを避ける観点から、キャビティ２２の開口形状は、矩形などよりも円形が望ましい。

本例の下部電極４０は、振動板３０の上面を一様に覆っており、複数のアクチュエータ２０について共通の電極となっているが、アクチュエータ２０の形状に合わせて（例えば、圧電体膜４４のパターンに合わせて）、パターニングされていてもよい。

圧電体膜４４は、キャビティ２２の外周に沿って、平面視でリング状にパターン成膜されている。このリング型の圧電体膜４４の外径はキャビティ２２の直径よりも大きく、キャビティ２２の開口円より外に出ている。また、リング型の圧電体膜４４の内径は、キャビティ２２の直径よりも小さく、圧電体膜４４の内周縁はキャビティ２２の開口円の内側に入っている。

上部電極４６は、リング型の圧電体膜４４の上に、当該圧電体膜４４と同心のリング状にパターン成膜されている。このリング型の上部電極４６の外径は圧電体膜４４の外径よりも小さいが、キャビティ２２の直径よりも大きく、キャビティ２２の開口円より外に出ている。また、上部電極４６の内径は、圧電体膜４４の内径よりも大きいが、キャビティ２２の直径よりも小さく、上部電極４６の内周縁はキャビティ２２の開口円の内側に入っている。

すなわち、キャビティ２２の開口円の半径をｒ_０、リング型圧電体膜４４の外周半径をｒ_１、内周半径をｒ_２、上部電極４６の外周半径をｒ_３、内周半径をｒ_４とすると、これらは中心が共通（同心円状）で、ｒ_２＜ｒ_４＜ｒ_０＜ｒ_３＜ｒ_１の関係を満たしている。

なお、下部電極４０上には、リング型の圧電体膜４４のみならず、配線電極（４７、４８）を支持するための支持層５２、５３として機能する圧電体膜が形成されている。

このようなリング型の圧電体膜４４及び上部電極４６を有する圧電薄膜素子に対して、駆動電圧を印加すると、電極間に挟まれている圧電体膜４４がｄ31方向に縮み、キャビティ２２上の振動板３０部分（可動部３２）は、図２（ｂ）の上方向に変位する。

図２（ｂ）では、各層を視覚的に強調するために、実際の膜厚比率とは異なる比率で描いてある。実施寸法の一例として、圧電体膜４４の膜厚は２〜３μｍ、上部電極４６の膜厚は０．２μｍである。下部電極４０の表面に対して、圧電体膜４４及び上部電極４６の積層構造による表面凹凸は極めて小さく（無視できる程度に小さく）、非駆動状態では、実質的には平らな壁面１２となっている。そして、圧電駆動による可動部３２のｙ方向の変位量は１０μｍ〜１００μｍのオーダーである。

このように、アクチュエータ２０の可動部３２の表面を含んで流体との境界面が構成され、アクチュエータ２０の駆動によって境界面を直接的に変形させることにより、境界層の流れを制御する。

図３は、本実施形態に係る乱流制御装置１０のシステム構成を示したブロック図である。壁面１２上に複数のアクチュエータ２０が配置され、当該壁面１２にはこれらアクチュエータ群２１の配置位置よりも流体の流れの上流側に、センサ７０が配置される。図３では、１つのセンサ７０のみを示したが、壁面１２上においてセンサ７０は、図１のアクチュエータ列２４と同様に、ｚ方向に沿って複数個配列されたセンサ群（センサアレイ）として設けられている。

センサ７０に関して、詳細な構成は図示しないが、例えば、壁面圧力を検知する手段、壁面せん断応力を検知する手段、壁面温度を検知する手段など、様々な形態を採用し得る（非特許文献１参照）。本実施形態では、壁面１２にヒータを埋め込み、流体中に奪われる熱量とせん断応力の相関を利用して壁面上での流れ情報を得る熱膜せん断応力センサが用いられる。

制御部８０は、センサ７０からの情報を得てアクチュエータ２０の動作を制御する制御手段である。制御部８０は、センサ７０の駆動回路、センサ７０からの信号を処理する信号処理回路、アクチュエータ２０の制御量を演算する演算回路、演算結果に基づいて制御信号を生成する制御回路、アクチュエータ２０を駆動するための駆動回路（例えば、パワーアンプ）などを含んでいる。制御部８０は、センサ７０から得られる情報に基づいて、アクチュエータ２０の制御量を演算し、その演算結果に従ってアクチュエータ２０の制御信号を生成する。この制御信号に基づきアクチュエータ２０の駆動信号が出力される。すなわち、本例の制御部８０は、「駆動回路」、「制御回路」、「駆動制御回路」としての役割を果たす。

図１乃至図３で説明した構成によれば、壁面１２上のセンサ７０群により、流体の上流にて乱流状態がセンシングされ、その情報を基に下流の各アクチュエータ２０の駆動電圧が決定される。この決定された駆動電圧の信号（駆動信号）が各アクチュエータ２０に供給される。アクチュエータ２０に電圧が印加されると、キャビティ２２上のダイアフラムは、流体の境界層に進出する方向（図３の上方向）凸に反る。このアクチュエータ２０の変位によって、境界層に影響を及ぼし、流体を制御する。制御の態様としては、乱流を抑制する制御に限らず、乱流を増大させる制御も可能である。

本実施形態によれば、流体の流れの状態（壁乱流の状況）に応じて、必要な位置のアクチュエータ２０を必要な量だけ変位させることができる。これにより、流体との境界面を能動的に変形させることが可能となり、境界層の流れを適応的に制御することができる。

＜アクチュエータアレイの作製方法＞
次に、圧電薄膜ダイアフラム型ＭＥＭＳアクチュエータアレイの作製方法の例について説明する。図４は図１乃至図３で説明したアクチュエータアレイの作製に好適な製造プロセスの工程図である。

（工程１）：図４（ａ）に示すように、まず、シリコン（Ｓｉ）ウェハ基板１００（「第１基板」に相当）を用意する。

（工程２）：次に、シリコンウエハ基板１００に対し、ボッシュ法によるドライエッチにより５０μｍ深さ程度のキャビティ１０２を形成する（図４（ｂ））。このキャビティ１０２は、図１〜３で説明したキャビティ２２に相当するものである。ここでは、キャビティ１０２の直径φＤ０はφ３ｍｍとした。

（工程３）：次に、別途用意したＳＯＩ（silicon on insulator）基板１１０（「第２基板」に相当）のデバイス層１１４側と、シリコンウエハ基板１００のキャビティ面を接合する（図４（ｃ））。この接合工程は、高温でアニールし、拡散接合によって接合を強度なものにする。なお、ＳＯＩ基板１１０のデバイス層１１４は、３〜５μｍ厚程度であることが望ましい。

（工程４）：次に、ＳＯＩ基板１１０のハンドル層１１８を研磨とドライエッチングにより除去する（図４（ｄ））。このとき、ＳｉＯ_２層１１６はエッチングストッパー層として機能する。ハンドル層１１８及びＳｉＯ_２層１１６が除去され、薄層化された後の残部、すなわちデバイス層１１４によって、振動板３０（図２参照）が形成される。

なお、本例では、ＳｉＯ_２層１１６を除去したが、ＳｉＯ_２層１１６を残して、ＳｉＯ_２層１１６とデバイス層１１４の積層体によって「振動板」を形成してもよい。

（工程５）：次に、図４（ｅ）に示したように、デバイス層１１４の上に、下部電極(Ｔｉ(10nm)／Ｐｔ(200nm))１２０、圧電体膜(2um)１３２、上部電極（Ｔｉ(10nm)／Ａｕ(200nm)１４６をスパッタ法により、この順番で成膜する。このとき成膜された圧電体膜１３２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：一般式Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_1−ｘ）Ｏ_３（０＜ｘ＜１））系の圧電体膜（ＰＺＴ膜）であり、その圧電定数はｄ31＝−２５０ｐｍ／Ｖであった。

圧電体膜１３２は、スパッタ法、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾル・ゲル法などにより直接構造体に成膜することが量産性、歩留まり向上、完成デバイスの性能バラつきの観点から好ましい。特に、熱応力低減のための低温成膜可能で、かつ駆動トルクが大きい数μm厚以上の厚膜形成可能なスパッタ法が望ましい。

なお、本例の下部電極１２０は、デバイス層１１４側から10nm厚のチタン（Ｔｉ）膜と、その上に200nm厚のプラチナ（Ｐｔ）膜とが積層された層構造で構成されているが、図４（ｅ）では、この積層電極をまとめて「下部電極１２０」として図示した。同様に、上部電極１４６は、チタンＴｉ膜（10nm厚）と金Ａｕ膜（200nm厚）の積層構造で構成されるが（圧電体膜１３２側がＴｉ膜）、図４（ｅ）では、この積層電極を「上部電極１４６」としてまとめて図示した。

（工程６）：次に、上部電極１４６をリソグラフィとエッチング（ウェットエッチング又はドライエッチング）によりパターン形成する（図４（ｆ））。この上部電極パターニング工程により、図１〜図２に示したリング型の上部電極４６及び配線用の電極（４７，４８）のパターンが形成される。

（工程７）：次に、圧電体膜１３２をリソグラフィ後、ドライエッチングによりエッチングし、パターン化する（図４（ｇ）。この圧電膜パターニング工程により、図１〜図２で説明したリング型の圧電体膜４４及び配線電極（４７，４８）の支持層５２，５３のパターンが形成される。

上述の工程１〜７により、図１〜３で説明したアクチュエータ２０が得られる。

＜変位実験＞
図４で説明した製造プロセスによって得られたアクチュエータ２０に５０Ｖの電圧を印加したところ、１２μｍの凸の変位が得られた。さらに、同アクチュエータ２０を、当該アクチュエータ２０の共振周波数（ダイアフラムの共振周波数）で駆動することにより、１５０μｍの変位が得られた。

この変位量は、自動車、小型航空機などの境界層制御用アクチュエータとしては充分な変位量である。図３で説明した制御部８０における駆動信号の生成手段として、アクチュエータ２０の共振周波数と同等の周波数でアクチュエータ２０を駆動する波形の信号を出力する駆動制御回路を備えることが好ましい。

なお、このような高変位の圧電膜アクチュエータを実現できた背景の一つとして、高圧電定数(ｄ31の絶対値が２００ｐｍ／Ｖ以上)の圧電膜を成膜できるようになった成膜技術の向上がある。また、図１〜図４で説明した本実施形態では、さらに変位量を最大にするために、周囲の圧電膜をパターンエッチングにより除去して拘束を減らし、上部電極４６のチャンバ（キャビティ２２）に対するサイズを最適化してある。こうして、境界層の制御に好適な変位量が得られる圧電膜アクチュエータが達成されている。

＜圧電薄膜を用いる利点について＞
圧電膜は低消費電力、高トルク、低電圧駆動などの利点を有しており、乱流制御用ＭＥＭＳアクチュエータ用として好ましい駆動方式である。従来の薄膜の圧電体は、焼成されたバルク体の圧電体と比較し、圧電定数が劣るという弱点があったが、近年は高圧電定数の薄膜圧電体が開発され、薄膜でありながら、高ストローク出力が可能なアクチュエータ作製が可能である。圧電薄膜により形成されたアクチュエータは、最表面での構造凹凸が少ないため、流体において抵抗が少ないという利点がある。さらに圧電薄膜は、スパッタリングなどの成膜方法を用いることにより、任意の流線形状表面に形成できるという利点がある。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態ではリング型の上部電極４６を有するアクチュエータ２０を説明したが、これに代えて、図５に示すような円形の上部電極２４６を有するアクチュエータ２２０を用いることも可能である。図５中、図２で説明した構成と同一又は類似の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図（図５(ａ)の５ｂ−５ｂ線に沿う断面図）である。図５において、符号２４４は圧電体膜、２４６は上部電極、２４７は配線電極である。このアクチュエータ２２０は、キャビティ２２の開口円（半径ｒ_０）よりも大きな円形の圧電体膜２４４（半径ｒ_１＞ｒ_０）の上に、円形の上部電極２４６（半径ｒ_３＜ｒ_０）が積層形成されている。

駆動電圧を印加した際のアクチュエータ２２０の変位方向は、キャビティ２２の内側に凹む方向（壁面１２を凹ませる方向）である。すなわち、上部電極２４６の下にある圧電体がｄ31方向に縮み、ダイアフラムはキャビティ２２内に凹む。したがって、第１実施形態で説明したリング型のアクチュエータ２０の凸方向に動く場合と比較して、境界層への影響度合いは低くなるが、変位量はリング型よりも１０％〜３０％大きい。また、図５のアクチュエータ２２０は、圧電体膜２４４のうち、基板２６に拘束（支持）されている拘束部分の圧電体膜（ｒ_０＜ｒ＜ｒ_１の領域）に電圧がかからないため、耐久性の観点では、第１実施形態に係るリング型のアクチュエータ２０よりも望ましい形態である。

なお、図５の形態において、凹み方向の変位量を最大にするためには、円形の上部電極２４６の直径（２×ｒ_３）をキャビティ２２の直径（２×ｒ_０）の５０％〜７５％程度にするのがよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

さらなる変位量の増大を達成するために、第１実施形態で説明したリング型の電極（符号４６）と、第２実施形態で説明した円形の電極（符号２４６）とを組み合わせた電極形態を有するアクチュエータを作製する態様も可能である。図６にその例を示す。図６中、図２及び図５で説明した構成と同一又は類似の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図（図６(ａ)の６ｂ−６ｂ線に沿う断面図）である。図６において、符号３４６は、図１で説明したリング型電極（４６）に代えて、設けたＣ型の上部電極である。図６における符号４７はＣ型の上部電極３４６と接続された配線電極であり、符号２４７は円形の上部電極２４６と接続された配線電極である。

Ｃ型の上部電極３４６における切欠部分に配線電極２４７が形成されており、円形の上部電極２４６と、その周囲のＣ型の上部電極３４６に対して、それぞれ独立した電圧を印加することが可能となっている。このような構造を有するアクチュエータ３２０によれば、変位量（ストローク）を一層増大させることが可能である。

図６に示したアクチュエータ３２０の製造方法としては、第１実施形態で説明したプロセス（図４）と同様の方法を適用できる。

なお、図１及び図２で説明したリング型の上部電極４６に代えて、Ｃ型の上部電極３４６を採用したアクチュエータを用いることも可能である。

＜圧電体膜の組成について＞
本発明の実施に用いることができる圧電体膜として、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜（不可避不純物を含んでいてもよい。）が挙げられる。かかる圧電体膜は、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜することができる。

一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_３・・・（Ｐ）
式中、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素、ＢはＢサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏは酸素であるａ≧１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。

上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。

また、本発明の実施に際しては、特に、下記一般式（Ｐ−１）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい。）圧電体膜がより好ましい。

Ｐｂ_ａ（Ｚｒ_ｂ１Ｔｉ_ｂ２Ｘ_ｂ３）Ｏ_３・・・（Ｐ−１）
式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ≧１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。

上記一般式（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物は、ｂ３＝０のときチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ｂ３＞０のとき、ＰＺＴのＢサイトの一部をＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素であるＸで置換した酸化物である。

Ｘは、ＶＡ族、ＶＢ族、ＶＩＡ族、及びＶＩＢ族のいずれの金属元素でもよく、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。

上記一般式（Ｐ）及び（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータ（アクチュエータ素子）は、変位特性の優れたものとなる。特に、一般式（Ｐ）及び（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物において、Ｐｂの組成ａが１．０２＜ａ≦１．３の範囲内である場合に、良好な特性が得られる。

＜変形例１＞
本発明の実施に際しては、上述した実施例における、圧電体の材料、電極の材料、成膜条件、膜厚寸法、駆動電圧等の条件に限定されず、様々な条件で実施することが可能である。また、シリコンウエハ基板１００に代えて、ＳＯＩ基板を用いることも可能である。

＜変形例２＞
図１では、同じ大きさ、同じ形状のアクチュエータ２０を多数配列させたアクチュエータ群２１を説明したが、サイズや変位量が異なる複数種類のアクチュエータを組み合わせて配置してもよい。例えば、大きい乱流に対しては大きいアクチュエータ（変位量が大きいもの）を作動させ、小さい乱流に対しては小さいアクチュエータを作動させるという制御形態を採用してもよい。ただし、同じアクチュエータを配列させる形態の方がシステムをシンプルに構成することができる。

＜変形例３＞
図１では、アクチュエータ２０を二次元配列させたアクチュエータ群２１を説明したが、一次元配列（例えば、ｚ方向にそってアクチュエータ２０を１列に並べたもの）であっても、ある程度の乱流制御効果は得られる。ただし、より効果的な乱流制御を実現するためには、ｘ方向及びｚ方向にそれぞれ位置を異ならせて複数のアクチュエータを配置する形態（二次元的に配列する形態）が好ましい。

＜変形例４＞
図５で説明した第２実施形態では、図５において振動板３０の上面に下部電極４０、圧電体膜２４４、上部電極２４６を積層した構造を説明したが、これに代えて、振動板３０の下面（キャビティ２２側）に下部電極、圧電体膜、上部電極を積層する形態も可能である。この場合、製造プロセスはやや複雑になるが、壁面１２に対して凸方向の変位が可能となる。

１０…乱流制御装置、１２…壁面、２０…アクチュエータ、２１…アクチュエータ群、２２…キャビティ、２６…基板、３０…振動板、３２…可動部、４０…下部電極、４４…圧電体膜、４６…上部電極、７０…センサ、８０…制御部、１００…シリコンウエハ基板、１１０…ＳＯＩ基板、１０２…キャビティ、１２０…下部電極、１３２…圧電体膜、１４６…上部電極、２２０，３２０…アクチュエータ、２４４…圧電体膜、２４６，３４６…上部電極

Claims

流体との境界面を形成する壁に設置される乱流制御装置であって、
振動板の面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極が積層されて成るダイアフラム型圧電アクチュエータ群を備え、
前記境界面は前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の可動部の表面を含んで構成され、
前記第１電極及び前記第２電極間への電圧印加により前記可動部を変位させて前記境界面を変形させるように構成されており、
前記振動板の可動部の領域に対応したキャビティを有する構造体を備え、
前記キャビティは平面視で円形の開口を有し、
前記振動板は、前記キャビティの開口面を覆って前記構造体に接合され、
前記第２電極として、リング型、又はＣ字型の電極を備え、
前記リング型、又はＣ字型の電極は、平面視で前記キャビティの開口円に沿って形成されるとともに、当該リング型、又はＣ字型の電極の一部は、平面視で前記キャビティの開口円よりも外側に張り出していることを特徴とする乱流制御装置。
請求項１において、
前記圧電体膜は、圧電定数ｄ31の絶対値が２００ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする乱流制御装置。
請求項１又は２において、
前記第２電極として、円型の電極を備え、当該円型電極の直径は、前記キャビティの開口径の５０〜７５％の範囲内であり、平面視で前記キャビティの開口円の内側に形成されていることを特徴とする乱流制御装置。
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記圧電体膜は、ペロブスカイト型強誘電体であることを特徴とする乱流制御装置。
請求項１乃至４のいずれか１項において、
前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の各アクチュエータを、そのダイアフラム構造の共振周波数で駆動する駆動信号を出力する駆動制御回路を備えたことを特徴とする乱流制御装置。
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の配置位置よりも前記流体の流れの上流側に配置され、当該流体の流れの状態を検知するセンサ群と、
前記センサ群から得られる情報に基づいて前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群の駆動を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする乱流制御装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の乱流制御装置における前記ダイアフラム型圧電アクチュエータ群を構成する乱流制御用アクチュエータの製造方法であって、
第１基板の片面にキャビティを形成する工程と、
前記キャビティの開口面を覆うように第２基板を前記第１基板に接合する工程と、
前記第１基板に接合された前記第２基板を薄層化し、その残部により振動板を形成する工程と、
前記振動板上に第１電極、圧電体膜、第２電極をこの順で成膜する工程と、
前記第２電極の一部を除去して所定の電極形状にパターニングする工程と、
前記圧電体膜の一部を除去して所定の圧電体形状にパターニングする工程と、
を有することを特徴とする乱流制御用アクチュエータの製造方法。