JPWO2005059933A1 - 変位素子 - Google Patents

Abstract

電気的に駆動されることによって変位する変位部材の、初期状態での位置を安定させ、変位部材に対する位置制御性を優れたものとする。その固定端部（１５）が固定部（１７）に固定される、片持ち梁（１２，１３）と、片持ち梁の自由端部（１８）に固定される、連結部材（１９）と、その基端部（２０）が連結部材に固定されかつ片持ち梁とは平行に折り返すように延びる、折り返し梁（１４）と、折り返し梁の先端部（２１）に固定される、変位部材（２２）とを備える。片持ち梁（１２，１３）と折り返し梁（１４）とは、互いに同じ積層構造かつ互いに同じ幾何学的形態を有し、さらに、長手方向寸法が互いに等しくされる。作製直後の初期状態において、片持ち梁（１２，１３）と折り返し梁（１４）とに反りが生じていたとしても、これらの反りは互いに同等であるので、変位部材（２２）の高さ位置は、一定に保つことができる。

Description

この発明は、変位素子に関するもので、特に、所定の部位を変位させるため、電気的駆動により撓むように構成された梁を備える、変位素子に関するものである。

この発明にとって興味ある従来の変位素子として、たとえば図１４に示すようなものがある（たとえば、特許文献１参照）。

図１４に示した変位素子１は、可変容量素子を構成するもので、基板２に対して、支持部３を介して一方の端部が固定された、片持ち梁４を備えている。片持ち梁４は、下から順に、可動電極５、絶縁体層６、第１圧電電極７、圧電体層８および第２圧電電極９を積層した構造を有している。他方、基板２には、片持ち梁４に備える可動電極５に対して、誘電体としての空気層を介して対向する固定電極１０が設けられている。

このような変位素子１において、第１圧電電極７と第２圧電電極９との間に電圧を印加すれば、圧電体層８が逆圧電効果に基づいて歪む。その結果、片持ち梁４が撓み、可動電極５と固定電極１０との距離が変更され、可動電極５と固定電極１０との間に形成される静電容量が変更される。

上述した変位素子１によって構成される可変容量素子において、静電容量値の正確かつ高精度な制御のためには、初期状態において、片持ち梁４に反りが生じていないことが重要である。

しかしながら、片持ち梁４における積層構造を与える複数の機能材料層５〜９の各々は、成膜方法または成膜条件等に起因して互いに異なる大きさの内部応力を持つため、作製直後において、片持ち梁４は反った状態となることがあり、また、反りの度合いについても、一定しないことが多い。さらに、片持ち梁４を構成する機能材料層５〜９は、各々、互いに異なる材料から構成されているため、温度変化が生じた場合、熱膨張係数の違いによる熱応力が発生し、その結果、片持ち梁４が反ってしまうこともある。

上述のような片持ち梁の反りの問題を解決し得るものとして、片持ち梁が有する積層構造を表裏対称とすることも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特許文献２では、図示しないが、静電引力を利用した可変容量素子が記載されている。片持ち梁は、表裏対称の積層構造を有しているため、片持ち梁の表裏面の各側に発生する応力は相互に相殺され、したがって、初期状態において、片持ち梁の反りが生じにくい構造となっている。

しかしながら、上記特許文献２において提案された表裏対称の構造を採用しても、片持ち梁において反りが生じないようにすることは、以下の理由により、容易ではない。

まず、片持ち梁の表裏対称な積層構造を与える複数の機能材料層をそれぞれ形成するにあたって、成膜条件を厳密に制御したとしても、機能材料層の膜厚が設計値からずれることがあり、結果として、厳密な意味での表裏対称な構造を実現できないことがある。

また、成膜工程では、通常、成膜されようとする機能材料層の膜質は、下地の影響を受けやすい。したがって、設計上は、同じ膜質の機能材料層を成膜しようとしても、下地の違いによって、異なる膜質となることがある。また、この下地の影響は、成膜が進むに従って弱くなるため、１つの機能材料層において、膜厚方向に膜質の分布が生じることがある。これらのことも、厳密な意味での表裏対称な構造を実現する上での障害となる。

さらに、上述のような表裏対称構造は、片持ち梁の設計の自由度を低下させるという問題をも引き起こす。

たとえば、１つの絶縁体層の表裏にそれぞれ導電体層を形成することによって、合計３層の表裏対称構造を実現している片持ち梁において、１つの機能材料層を追加したい場合には、表裏それぞれに、この機能材料層を追加することによって、合計５層の表裏対称構造としなければならない。

しかしながら、上述のように追加される機能材料層のうち、表裏いずれかの側にあるものについては、単に表裏対称構造を実現するためだけに形成されるものである。したがって、この機能材料層の形成のための作製工程数が増え、コストの上昇を招くという問題に遭遇する。

また、表裏対称構造を実現するためには、断面構造についてだけでなく、平面パターンについても、対称としなければならない。しかしながら、片持ち梁に求められる機能によっては、平面パターンを表裏対称とできない場合があり、そのため、片持ち梁の反りの問題は、表裏対称構造によっては単純に解決できないことがある。
特開平７−３３５４９１号公報 特開平９−６３８９０号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る変位素子を提供しようとすることである。

この発明に係る変位素子は、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。

この発明に係る変位素子は、一方の端部となる固定端部が固定部に固定される、片持ち梁と、片持ち梁の固定端部とは逆の自由端部に固定される、連結部材と、一方の端部となる基端部が連結部材に固定されかつ片持ち梁とは平行に折り返すように延びる、折り返し梁と、折り返し梁の基端部とは逆の先端部に固定される、変位部材とを備えている。

また、この発明に係る変位素子は、片持ち梁および折り返し梁が並ぶ面に対して実質的に垂直な方向に変位素子を変位させるため、片持ち梁および折り返し梁の少なくとも一方を撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段を備えている。

上述した片持ち梁と折り返し梁とは、互いに同じ材料からなり、さらに、片持ち梁の、固定部と連結部材との間の長手方向寸法は、折り返し梁の、連結部材と変位部材との間の長手方向寸法と等しくされていることを特徴としている。

この発明において、通常、片持ち梁および折り返し梁は、ともに、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を積層した構造を有している。この場合には、片持ち梁と折り返し梁とは、互いに同じ積層構造を有していることが好ましい。

また、片持ち梁と折り返し梁とは、互いに同じ幾何学的形態を有していることが好ましい。

この発明において、片持ち梁として、互いの間に間隔を隔てて互いに平行に延びる第１および第２の片持ち梁を備えるとともに、折り返し梁は、これら第１および第２の片持ち梁の間に配置されることが好ましい。

この発明に係る変位素子は、特に駆動手段に関して、いくつかの実施態様がある。たとえば、第１の実施態様では、圧電体の逆圧電効果または電歪効果を利用する駆動手段を備え、第２の実施態様では、電磁力を利用する駆動手段を備え、第３の実施態様では、静電引力を利用する駆動手段を備えている。

この発明に係る変位素子は、一例として、可変容量素子を構成するために有利に用いられる。この場合、変位部材上に設けられる第１の容量電極と、第１の容量電極に対して静電容量を形成するように空気層を隔てた位置に固定的に設けられる第２の容量電極とをさらに備え、変位部材の変位によって静電容量が変更されるように構成される。

この発明に係る変位素子は、また、光スイッチを構成するために用いられることもある。この場合、変位部材上に設けられるミラーをさらに備え、変位部材の変位によって光路が変更されるように構成される。

この発明に係る変位素子では、片持ち梁と折り返し梁とが互いに同じ材料からなり、かつ、片持ち梁の、固定部と連結部材との間の長手方向寸法が、折り返し梁の、連結部材と変位部材との間の長手方向寸法と等しくされているので、仮に、変位素子の作製後の状態、すなわち初期状態において、片持ち梁に反りが生じているとすると、これと同じ材料からなる折り返し梁においても、同様の反りが生じ、また、反りの方向および度合いは、片持ち梁と折り返し梁とで互いに等しくすることができる。

その結果、この発明に係る変位素子によれば、初期状態における変位部材の位置を、片持ち梁および折り返し梁の各々の反りの状態に関わらず、一定にすることができ、また、温度変化が生じても、この変位部材の位置を維持することができる。

この発明において、片持ち梁および折り返し梁が、ともに、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を積層した構造を有している場合には、片持ち梁と折り返し梁とが互いに同じ積層構造を有するようにさえすれば、積層構造を変更しても、前述したように、変位部材を一定の位置に制御することができる。したがって、積層構造での設計の自由度を高めることができる。

この発明において、片持ち梁と折り返し梁とが、互いに同じ幾何学的形態を有していると、前述したような片持ち梁と折り返し梁との各々の反りの度合いを互いに等しくすることが容易であり、また、反りの度合いを互いに等しくすることについての信頼性をより高めることができる。

この発明において、片持ち梁として、互いの間に間隔を隔てて互いに平行に延びる第１および第２の片持ち梁を備えながら、折り返し梁が、第１および第２の片持ち梁の間に配置されると、折り返し梁および変位部材を、第１および第２の片持ち梁によって、より安定的に保持することができる。したがって、変位素子の機械的強度および動作安定性についての信頼性をより高めることができる。

この発明に係る変位素子が、可変容量素子を構成する場合には、静電容量値を高精度に制御できる可変容量素子を実現することができ、光スイッチを構成する場合には、ミラー位置を高精度に制御できる光スイッチを実現することができる。

図１は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第１の実施形態を説明するためのもので、変位素子１１の平面図である。 図２は、図１に示した変位素子１１の片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４において生じ得る反りを説明するためのもので、（ａ）は、図１の切断面Ａ−Ａに沿う切断部端面図であり、（ｂ）は、図１の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。 図３は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第２の実施形態を説明するためのもので、変位素子１１ａの平面図である。 図４は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第３の実施形態を説明するためのもので、変位素子１１ｂの平面図である。 図５は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第４の実施形態を説明するためのもので、変位素子１１ｃの平面図である。 図６は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第５の実施形態を説明するためのもので、変位素子１１ｄの平面図である。 図７は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第１の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子３１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う拡大断面図である。 図８は、図７に示した変位素子３１の動作を説明するためのもので、図７（ａ）の矢印Ａ方向から示した図である。 図９は、図７および図８に示した変位素子３１の変形例としての変位素子３１ａを説明するための図８に対応する図である。 図１０は、図７に示した変位素子３１の好ましい一適用例としての可変容量素子４１を説明するためのもので、（ａ）は、可変容量素子４１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部拡大端面図である。 図１１は、図７に示した変位素子３１の好ましい他の適用例としての光スイッチ６１を示す平面図である。 図１２は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第２の実施形態を説明するためのもので、変位素子７１の平面図である。 図１３は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第３の実施形態を説明するためのもので、（ａ）は、変位素子９１の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部拡大端面図である。 図１４は、この発明にとって興味ある従来の変位素子１を示す断面図である。

符号の説明

１１, １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，３１，３１ａ，７１，９１ 変位素子
１２ 第１の片持ち梁
１３ 第２の片持ち梁
１４，１４ａ，１４ｂ 折り返し梁
１５ 固定端部
１６ 基板
１７ 固定部
１８ 自由端部
１９，１９ａ，１９ｂ 連結部材
２０ 基端部
２１ 先端部
２２ 変位部材
３４ 下部電極層
３５ 圧電体層
３６ 上部電極層
３７，３８，４２，４３ 引出電極
４１ 可変容量素子
４４ 第１の容量電極
４７，１００ ブリッジ部材
４９，５０ 第２の容量電極
５３，１０２ 空気層
６１ 光スイッチ
６２ ミラー
６３〜６５ 光ファイバ
７２，９２，９８ 絶縁体層
７３，９３ 導電体層
７４, ７５, ９４，９５，９９，１０３ 電極パッド
７６ 通電体
７７，７８，９６，１０４ 接続ライン
７９，８０，９７ ダミーライン
８１ 磁石

図１および図２は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第１の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１は、変位素子１１の平面図であり、図２（ａ）は、図１の切断面Ａ−Ａに沿う切断部端面図であり、図２（ｂ）は、図１の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部端面図である。

変位素子１１は、互いの間に間隔を隔てて互いに平行に延びる第１および第２の片持ち梁１２および１３、ならびに第１および第２の片持ち梁１２および１３の間に配置される折り返し梁１４を備えている。

第１および第２の片持ち梁１２および１３は、各々の一方の端部となる固定端部１５が、基板１６の一部によって与えられる固定部１７に固定される。

第１および第２の片持ち梁１２および１３の各々の固定端部１５とは逆の自由端部１８には、共通の連結部材１９が固定される。

折り返し梁１４は、その一方の端部となる基端部２０が上述の連結部材１９に固定されかつ片持ち梁１２および１３とは平行に折り返すように延びる。

折り返し梁１４の基端部２０とは逆の先端部２０には、変位部材２２が固定される。

前述した固定部１７を与える基板１６には、貫通孔２３が設けられ、第１および第２の片持ち梁１２および１３、折り返し梁１４、連結部材１９ならびに変位部材２２は、貫通孔２３内に位置される。

また、具体的には図示しないが、変位素子１１は、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４が並ぶ面に対して実質的に垂直な方向に変位部材２２を変位させるため、片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４との少なくとも一方を撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段を備えている。駆動手段としては、後述する実施形態から明らかになるように、たとえば、圧電体の逆圧電効果または電歪効果を利用する駆動手段、電磁力を利用する駆動手段、または、静電引力を利用する駆動手段が用いられる。

さらに、変位素子１１は、次のような特徴的構成を備えている。

第１および第２の片持ち梁１２および１３の各々の、固定部１７と連結部材１９との間の長手方向寸法は、互いに同じであるとともに、これら片持ち梁１２および１３の各々の、固定部１７と連結部材１９との間の長手方向寸法は、折り返し梁１４の、連結部材１９と変位部材２２との間の長手方向寸法と等しくされている。

また、第１および第２の片持ち梁１２および１３が、互いに同じ材料から構成されるばかりでなく、これら片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４とについても、互いに同じ材料から構成される。図示しないが、通常、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４は、ともに、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を積層した構造を有している。この場合において、片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４とが互いに同じ材料からなるということは、片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４とが互いに同じ積層構造を有していることになる。

特に、この実施形態では、片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４とは、上述した積層構造としてとらえられる断面上での形態のみならず、平面的形態をも含めた幾何学的形態が互いに同じとされている。

なお、上述したような片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４についての材料および形態の同一は、片持ち梁１２および１３の各々では、固定部１７と連結部材１９との間に位置する部分についてのことであり、折り返し梁１４では、連結部材１９と変位部材２２との間に位置する部分についてのことである。したがって、片持ち梁１２および１３の各々の、固定部１７および連結部材１９の各々上に位置する部分や、折り返し梁１４の、連結部材１９および変位部材２２の各々上に位置する部分については、その材料および形態の同一は特に要求されるものではない。

また、上述のことに関連して、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４の各々の、連結部材１９上に位置する部分は、連結部材１９と一体化された状態となっていてもよい。また、片持ち梁１２および１３の各々の、固定部１７上に位置する部分は、固定部１７と一体化された状態となっていてもよい。さらに、折り返し梁１４の、変位部材２２上に位置する部分は、変位部材２２と一体化された状態となっていてもよい。

連結部材１９および変位部材２２は、ヤング率の比較的大きい材料からなることが好ましい。また、基板１６、連結部材１９および変位部材２２は、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４と比較して、その厚み方向寸法が大きくされることが好ましい。さらに、変位部材２２は、基板１６と同じ材質からなり、かつ同じ厚み方向寸法であることが好ましい。

図２（ａ）には、その作製直後の初期状態にある第１の片持ち梁１２が示され、図２（ｂ）には、その作製直後の初期状態にある折り返し梁１４が示されている。なお、図２には、第２の片持ち梁１３については図示されないが、第２の片持ち梁１３は、第１の片持ち梁１２と実質的に同様の挙動を示す。したがって、以下には、第１の片持ち梁１２についての説明を行なうが、第２の片持ち梁１３においても同様の挙動が生じているものと理解すべきである。

図２（ａ）および（ｂ）の各々に破線で示すように、作製直後の初期状態において、片持ち梁１２および折り返し梁１４に反りが生じることがある。この反りは、片持ち梁１２および折り返し梁１４を構成する材料が有する内部応力、より特定的には、積層構造を与える機能材料層の各々の材料が有する内部応力によって発生する。そして、各機能材料層の材料が有する内部応力の大きさおよび方向ならびに弾性定数によって、反りの方向と度合いが変わる。

また、温度変化によっても、反りが生じる。この温度変化による反りは、片持ち梁１２および折り返し梁１４を構成する機能材料層の各々の熱膨張係数の違いによって生じる熱応力に起因するもので、各機能材料層の材料の熱膨張係数および弾性定数によって、反りの方向および度合いが変わる。

しかしながら、片持ち梁１２と折り返し梁１４とは、互いに同じ材料からなり、かつ互いに同じ長手方向寸法を有しているので、特に、この実施形態では、互いに同じ積層構造を有し、かつ互いに同じ幾何学的形態を有しているので、図２（ａ）および（ｂ）の各々において破線で示すように、片持ち梁１２と折り返し梁１４とは、互いに同じ反りの方向および度合いを示すことになる。

その結果、図２（ａ）に示すように、片持ち梁１２の反りによって、連結部材１９の位置に変動が生じたとしても、図２（ｂ）に示すように、折り返し梁１４が片持ち梁１２と同等の反りを示すので、変位部材２２については、その位置を一定に保つことができる。この実施形態では、変位部材２２の上面は、基板１６の上面と同じ高さに保つことができる。

このようなことから、変位素子１１の、変位部材２２に対する位置制御性を向上させることができる。

図３ないし図６は、この発明に係る変位素子の、駆動手段を除く構成についての第２ないし第５の実施形態を示す、図１に対応する図である。図３ないし図６において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示した変位素子１１ａでは、第２の片持ち梁１３が省略され、片持ち梁としては、第１の片持ち梁１２のみを備えていることを特徴としている。図３に示した変位素子１１ａは、この発明に係る変位素子の最も基本的な構成のみを備えていると言える。

図４に示した変位素子１１ｂは、図３に示した変位素子１１ａの場合と同様、第２の片持ち梁１３が省略されているが、片持ち梁１２および折り返し梁１４の各々の平面形状が、長方形ではなく、楕円または長円形とされていることを特徴としている。図４に示した変位素子１１ｂは、片持ち梁１２および折り返し梁１４の各々の平面形状については、これを任意に変更できることを明らかにすることに意義がある。

図５に示した変位素子１１ｃは、図３に示した変位素子１１ａの場合と同様、第２の片持ち梁１３が省略されているが、折り返し梁１４の幅方向寸法が、片持ち梁１２の幅方向寸法より小さくされていることを特徴としている。この実施形態は、片持ち梁１２と折り返し梁１４とが互いに同じ幾何学的形態を有していなくてもよいことを明らかにすることに意義がある。すなわち、片持ち梁１２と折り返し梁１４とは、各々の反りの度合いが互いに同じになるようにさえ設定されていれば、互いに同じ幾何学的形態を有していなくてもよい。

図６に示した変位素子１１ｄは、折り返し梁として、第１および第２の折り返し梁１４ａおよび１４ｂを備え、また、連結部材として、第１および第２の連結部材１９ａおよび１９ｂを備えることを特徴としている。

より詳細には、第１の片持ち梁１２の自由端部１８には、第１の連結部材１９ａが固定され、第２の片持ち梁１３の自由端部１８には、第２の連結部材１９ｂが固定される。また、第１の連結部材１９ａには、第１の折り返し梁１４ａの基端部２０が固定され、第２の連結部材１９ｂには、第２の折り返し梁１４ｂの基端部２０が固定される。そして、第１および第２の折り返し梁１４ａおよび１４ｂの各々の先端部２１には、共通の変位部材２２が固定される。

なお、図６に示した変位素子１１ｄでは、互いに分離した第１および第２の連結部材１９ａおよび１９ｂを備えていたが、これら第１および第２の連結部材１９ａおよび１９ｂに代えて、一体的な１つの連結部材が用いられてもよい。

図７および図８は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第１の実施形態を説明するためのものである。ここで、図７（ａ）は、変位素子３１の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う拡大断面図である。図８は、変位素子３１の動作を説明するためのもので、図７（ａ）の矢印Ａ方向から示した図である。

変位素子３１は、図１に示した変位素子１１が有する基本的構成を備えている。したがって、図７および図８において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

変位素子３１では、駆動手段として、圧電体の逆圧電効果または電歪効果を利用する駆動手段が用いられることを特徴としている。

変位素子３１において、基板１６、連結部材１９および変位部材２２は、すべて、たとえば厚み２００μｍとされ、かつＳｉから構成される。

また、第１の片持ち梁１２は、図７（ｂ）に示すように、下から、たとえばＡｌ_２Ｏ_３からなりかつ厚み０．５μｍの反応防止層３２、たとえばＴｉからなりかつ厚み０．０５μｍの密着層３３、たとえばＰｔからなりかつ厚み０．５μｍの下部電極層３４、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなりかつ厚み１μｍの圧電体層３５、および、たとえばＡｌからなりかつ厚み０．２μｍの上部電極層３６を厚み方向に積層した構造を有している。

図示しないが、第２の片持ち梁１３および折り返し梁１４についても、上述した第１の片持ち梁１２と同じ積層構造を有している。

第１および第２の片持ち梁１２および１３のそれぞれにおいて形成された前述の下部電極層３４は、引出電極３７を介して互いに電気的に接続される。この引出電極３７の一部は、図７（ａ）に示すように、基板１６上において外部に露出するように形成される。

また、第１および第２の片持ち梁１２および１３のそれぞれにおいて形成された前述の上部電極層３６は、引出電極３８を介して互いに電気的に接続される。

次に、変位素子３１の作製方法の一例について説明する。

まず、Ｓｉからなる基板１６が用意される。この段階では、基板１６には貫通孔２３が形成されていない。

次に、基板１６上に、反応防止層３２となるＡｌ_２ Ｏ_３ 膜をスパッタリングまたは電子ビーム蒸着等の方法によって全面にわたって形成する。

次に、密着層３３となるＴｉ膜および下部電極層３４となるＰｔ膜を、順次、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着等の方法によって全面に形成する。このＰｔ膜は、引出電極３７ともなるべきものである。

次に、圧電体層３５となるＰＺＴ膜をスパッタリングまたはゾルゲル等の方法によって全面に形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオンミリング等の方法を用いて、上述のようにして形成されたＰＺＴ膜、Ｐｔ膜、Ｔｉ膜およびＡｌ_２ Ｏ_３ 膜をパターニングする。

次に、上部電極層３６および引出電極３８となるＡｌ膜をリフトオフ等の方法によって形成する。

次に、フォトレジスト等からなるマスクパターンを、基板１６の裏面上に形成した状態で、基板１６の裏面側からＲＩＥ等の方法を適用して、基板１６の不要部分を除去する。このとき、基板１６に貫通孔２３が形成され、連結部材１９および変位部材２２が、基板１６の各一部によってそれぞれ与えられ、また、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４となるべき部分において、基板１６が除去される。

以上のようにして、変位素子３１を得ることができる。

次に、変位素子３１の動作について、図７とともに、図８を参照して説明する。

図８では、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４は、作製直後の初期状態での反りが生じていないものとして図示されている。なお、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４が作製直後の初期状態において反りが生じていたとしても、前述したように、変位部材２２は基板１６と同じ高さ位置に保たれるので、反りが生じていない場合と同様の動作が実現される。また、図８においては、片持ち梁１３および折り返し梁１４が備える積層構造の図示が省略されている。

引出電極３７および３８の間に電圧を印加すると、片持ち梁１２および１３における圧電体層３５に歪みが生じ、片持ち梁１２および１３が撓む。この実施形態では、圧電体層３５が、片持ち梁１２および１３の厚み方向における比較的上層側にあり、電圧印加時にはＰＺＴが縮む方向に歪むため、片持ち梁１２および１３は、電圧無印加時に比べて、図８に示すように、下に向かって凸になる方向に撓む。なお、図８では、第２の片持ち梁１３に隠れて第１の片持ち梁１２が図示されないが、第１の片持ち梁１２と第２の片持ち梁１３とは互いに同じ挙動を示す。

他方、折り返し梁１４にあっては、そこに形成された圧電体層３５には電圧が印加されないので、電圧無印加時の状態を維持する。

以上のような片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４の各状態の結果として、連結部材１９は、基板１６より上方へ変位するとともに、その変位部材２２側の端部を下方へ傾斜させる。そして、変位部材２２は、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４が並ぶ面に対して実質的に垂直な方向に変位し、基板１６の下方側に位置する。

以上のように、変位素子３１によれば、初期状態での変位部材２２の位置が安定しているので、変位部材２２に対する位置制御性を良好なものとすることができる。

図９は、図７および図８を参照して説明した実施形態の変形例を説明するための図８に対応する図である。図９において、図８に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図７および図８を参照して説明した変位素子３１では、電圧の印加によって、片持ち梁１２および１３が撓むように構成されたが、図９に示した変位素子３１ａでは、電圧の印加によって、折り返し梁１４が撓むように構成されている。そのため、図示を省略するが、折り返し梁１４における下部電極層３４および上部電極層３６の間に電圧が印加されるように構成される。

図９に示した変位素子３１ａでは、電圧印加時において、折り返し梁１４が、たとえば下方に向かって凸になる方向に撓み、変位部材２２が基板１６より上方へ変位する。

なお、さらなる変形例として、図示しないが、片持ち梁１２および１３と折り返し梁１４との双方が撓むように構成されてもよい。

図１０は、図７に示した変位素子３１の好ましい一適用例としての可変容量素子４１を説明するためのものである。ここで、図１０（ａ）は、可変容量素子４１の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部拡大端面図である。図１０において、図７に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

可変容量素子４１は、図７に示した要素に加えて、次のような要素を備えている。

まず、基板１６上には、引出電極４２および４３が形成される。これら引出電極４２および４３は、たとえば、厚み０．０５μｍのＴｉ膜を下地として形成された厚み０．９５μｍのＡｕ膜によって与えられる。

また、変位部材２２上には、第１の容量電極４４が形成される。第１の容量電極４４は、図１０（ｂ）によく示されているように、たとえば、厚み０．０５μｍのＴｉ膜４５を下地として、その上に形成された厚み１．９５μｍのＡｕ膜４６によって与えられる。

また、基板１６の上面に対向するように、たとえばガラスからなるブリッジ部材４７が固定的に配置される。ブリッジ部材４７は、基板１６に対して、ギャップ調整部材４８を介して接合される。ギャップ調整部材４８は、たとえばポリイミドからなり、４．３μｍの厚みを有している。

ブリッジ部材４７の下面には、前述した第１の容量電極４４に対向する第２の容量電極４９および５０が並んで形成される。第２の容量電極４９および５０は、たとえば、厚み０．０５μｍのＴｉ膜５１を下地としながら、その上に形成された厚み０．４５μｍのＡｕ膜５２によって与えられる。第２の容量電極４９および５０は、第１の容量電極４４に対して静電容量を形成するように空気層５３を隔てた位置にある。

図１０（ａ）において破線で示されているように、一方の第２の容量電極４９は、引出電極４２に電気的に接続され、他方の第２の容量電極５０は、引出電極４３に電気的に接続されている。これら第２の容量電極４９および５０と引出電極４２および４３との電気的接続には、たとえば導電性ペーストのような導電性接合材が用いられる。

次に、可変容量素子４１の作製方法の一例について簡単に説明する。

可変容量素子４１を作製するにあたっては、前述の図７に示した変位素子３１を作製するための工程であって、最後の工程である、基板１６の不要部分を除去する工程の前に、以下のような工程が追加される。

リフトオフ等の方法によって、基板１６上に、引出電極４２および４３を形成するとともに、変位部材２２上に第１の容量電極４４を形成する。

次に、基板１６上に、感光性ポリイミドを用いて、ギャップ調整部材４８を形成する。

次に、引出電極４２および４３の各々の端部上に、たとえば銀を導電成分として含む導電性ペーストを塗布する。

次に、別に用意した、第２の容量電極４９および５０が既に形成されたブリッジ部材４７を、基板１６上のギャップ調整部材４８上に置き、熱圧着により、これを固定する。

次に、可変容量素子４１の動作について説明する。

この可変容量素子４１においては、第１の容量電極４４と一方の第２の容量電極４９とによって形成される静電容量と第１の容量電極４４と他方の第２の容量電極５０とによって形成される静電容量とを合成した静電容量が得られ、この静電容量は、引出電極４２および４３から取り出すことができる。

引出電極３７および３８の間に電圧を印加していない状態では、変位部材２２は、基板１６と同じ高さ位置に保たれる。

引出電極３７および３８の間に電圧が印加されると、図８を参照して説明したように、変位部材２２が下方へ変位し、第１の容量電極４４と第２の容量電極４９および５０の各々との間隔が広くなり、引出電極４２および４３から取り出される静電容量が小さくなる。

この静電容量の変更度合いは、引出電極３７および３８間に印加される電圧の高さによって制御することができる。

このように、可変容量素子４１によれば、引出電極３７および３８間に電圧を印加しない段階での変位部材２２の位置を一定に保つことができるので、電圧を印加した際にもたらされる変位部材２２の変位を高精度に制御することができ、その結果、静電容量を高精度に制御することができる。

図１１は、図７に示した変位素子３１の好ましい他の適用例としての光スイッチ６１を示す平面図である。図１１において、図７に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

光スイッチ６１は、図７に示した要素に加えて、次のような要素を備えている。

まず、変位部材２２上に、ミラー６２が設けられる。このようなミラー６２を備える光スイッチ６１を作製するにあたっては、前述の図７に示した変位素子３１を作製するための工程であって、最後の工程である、基板１６の不要部分を除去する工程の前に、別に用意したミラー６２を、変位部材２２となるべき部分に取り付ける工程が実施されることが好ましい。

また、光スイッチ６１は、ミラー６２に関連して設けられる第１、第２および第３の光ファイバ６３、６４および６５を備えている。これら第１ないし第３の光ファイバ６３〜６５の各々の位置および各々の間の位置関係は、第１の光ファイバ６３から出力された光信号が、ミラー６２で反射されたとき、第２の光ファイバ６４へと至り、第１の光ファイバ６３から出力された光信号の光路上にミラー６２が存在しないときには、この出力光信号が第３の光ファイバ６５に至るように設定されている。

次に、光スイッチ６１の動作について説明する。

まず、引出電極３７および３８の間に電圧を印加していないときには、変位部材２２は、基板１６と同じ高さ位置に保たれる。この状態では、第１の光ファイバ６３から出力された光信号は、ミラー６２で反射され、第２の光ファイバ６４へと伝送される。

他方、引出電極３７および３８間に電圧を印加すると、図８を参照して説明したように、変位部材２２が下方へ変位し、ミラー６２が、第１の光ファイバ６３から出力される光信号の光路から外れるため、第１の光ファイバ６３から出力された光信号は、第３の光ファイバ６５へと伝送される。

このように、この発明に係る変位素子が光スイッチ６１に適用されたとき、ミラー６２の位置制御性を良好なものとすることができる。

図１２は、この発明に係る変位素子の駆動手段についての第２の実施形態を説明するためのもので、変位素子７１を示す平面図である。

変位素子７１は、図１に示した変位素子１１が有する基本的構成を備えている。したがって、図１２において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

変位素子７１では、駆動手段として、電磁力を利用する駆動手段が用いられることを特徴としている。

変位手段７１において、基板１６、連結部材１９および変位部材２２は、すべて、たとえば厚み２００μｍとされ、かつＳｉから構成される。

また、第１および第２の片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４は、下から、たとえばポリイミドからなりかつ厚みが３μｍの絶縁体層７２、およびたとえば厚み０．０５μｍのＴｉ膜を下地として、その上に形成された厚み０．５μｍのＣｕ膜をもって構成された導電体層７３を厚み方向に積層した構造を有している。

より詳細には、上述の絶縁体層７２は、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４を構成するように延びるだけでなく、基板１６の固定部１７上、連結部材１９上および変位部材２２上においても延びている。また、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４の各々を構成する絶縁体層７２は、連結部材１９上で延びる部分によって一体化されている。

導電体層７３は、基板１６上において２つの電極パッド７４および７５を与えるとともに、変位部材２２上において、通電体７６を与えている。導電体層７３は、また、電極パッド７４および通電体７６間を接続する接続ライン７７ならびに電極パッド７５および通電体７６間を接続する接続ライン７８を備えている。さらに、導電体層７３は、第１および第２の片持ち梁１２および１３の各々が、折り返し梁１４と同じ積層構造かつ幾何学的形態を与えるようにするため、第１および第２の片持ち梁１２および１３上にそれぞれ形成されるダミーライン７９および８０を備えている。

次に、変位素子７１の作製方法の一例について説明する。

まず、Ｓｉからなる基板１６が用意される。この段階では、基板１６には貫通孔２３が形成されていない。

次に、基板１６上に、たとえば感光性ポリイミドからなる絶縁体層７２をパターニングされた状態で形成する。

次に、電極パッド７４および７５、通電体７６、接続ライン７７および７８ならびにダミーライン７９および８０を含む導電体層７３を、リフトオフ等の方法によって形成する。

次に、基板１６に対して、その裏面側から、フォトレジスト等からなるマスクパターンを介してＲＩＥ等の方法を適用して、基板１６の不要部分を除去する。このとき、基板１６に貫通孔２３が形成され、連結部材１９および変位部材２２が、基板１６の各一部によってそれぞれ与えられ、また、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４となるべき部分において、基板１６が除去される。

以上のようにして、変位素子７１を得ることができる。

次に、変位素子７１の動作について説明する。

まず、変位素子７１に磁界が印加されず、かつ電極パッド７４および７５を通して通電体７６に電流が流されない状態では、変位部材２２は、基板１６と同じ高さ位置に保たれる。

他方、図１２に示すように、永久磁石または電磁石によって与えられる磁石８１を用いて、この変位素子７１に外部から基板１６の面内方向に磁界を印加するとともに、電極パッド７４および７５を用いて通電体７６に電流を流すと、通電体７６の部分に電磁力が発生し、折り返し梁１４、あるいは折り返し梁１４ならびに片持ち梁１２および１３を撓ませ、その結果、変位部材２２が上方または下方へ変位する。ここで、変位量および変位方向は、通電体７６に流す電流の大きさおよび方向によって制御することができる。

このような変位素子７１によれば、初期状態での変位部材２２の位置が安定しているので、変位部材２２に対する位置制御性を良好なものとすることができる。

図１３は、この発明に係る変位素子の、駆動手段についての第３の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１３（ａ）は、変位素子９１の平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿う切断部拡大端面図である。

変位素子９１は、図１に示した変位素子１１が有する基本的構成を備えている。したがって、図１３において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

変位素子９１では、駆動手段として、静電引力を利用する駆動手段が用いられることを特徴としている。

変位素子９１において、基板１６、連結部材１９および変位部材２２は、すべて、たとえば厚み２００μｍとされ、かつＳｉから構成される。

また、第１および第２の片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４は、ともに、下から、絶縁体層９２および導電体層９３を厚み方向に積層した構造を有している。絶縁体層９２は、たとえばポリイミドからなりかつ厚み３μｍとされる。また、導電体層９３は、厚み０．０５μｍのＴｉ膜を下地とし、その上に０．４５μｍの厚みをもって形成されたＡｕ膜によって与えられる。

より詳細には、絶縁体層９２は、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４を構成する部分のみならず、基板１６の固定部１７上、連結部材１９上および変位部材２２上で延びる部分を備えている。また、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４の各々を構成する絶縁体層９２は、連結部材１９上で延びる部分によって一体化されている。

導電体層９３は、基板１６上であって、第２の片持ち梁１３が延びる線上に位置する電極パッド９４、変位部材２２上に位置する電極パッド９５、ならびに電極パッド９４および９５間を接続する接続ライン９６を備えている。さらに、導電体層９３は、第１の片持ち梁１２を、第２の片持ち梁１３および折り返し梁１４の各々と同じ積層構造かつ幾何学的形態のものとするため、第１の片持ち梁１２上に形成されるダミーライン９７を備えている。

基板１６上には、また、絶縁体層９２と同じ材料からなりかつ同じ厚みの絶縁体層９８が第１の片持ち梁１２が位置する側に設けられる。また、絶縁体層９８上には、導電体層９３と同じ材料かつ同じ厚みの電極パッド９９が形成される。

また、基板１６の上面に対向するように、たとえばガラスからなるブリッジ部材１００が固定的に配置される。ブリッジ部材１００は、基板１６に対して、ギャップ調整部材１０１を介して接合される。ギャップ調整部材１０１は、たとえばポリイミドからなり、７μｍの厚みを有している。

ブリッジ部材１００の下面には、前述した電極パッド９５に対して空気層１０２を隔てて対向する電極パッド１０３およびこれに接続される接続ライン１０４が形成されている。これら電極パッド１０３および接続ライン１０４は、詳細には図示しないが、たとえば、厚み０．０５μｍのＴｉ膜を下地としながら、その上に形成された厚み０．４５μｍのＡｕ膜によって与えられる。

また、上述の接続ライン１０４は、前述した電極パッド９９に、たとえば導電性ペーストのような導電性接合材を介して電気的に接続される。

次に、変位素子９１の作製方法の一例について簡単に説明する。

まず、Ｓｉからなる基板１６が用意される。この段階では、基板１６には貫通孔２３が形成されていない。

次に、基板１６上に、感光性ポリイミドを用いて絶縁体層９２および９８を、それぞれ、パターニングされた状態で形成する。

次に、リフトオフ等の方法を用いて、電極パッド９４および９５、接続ライン９６ならびにダミーライン９７を備える導電体層９３を形成するとともに、電極パッド９９を形成する。

次に、感光性ポリイミドを用いて、ギャップ調整部材１０１を基板１６上に形成する。

次に、電極パッド９９の端部上に、たとえば銀を導電成分として含む導電性ペーストを塗布する。

次に、別に用意した、電極パッド１０３および接続ライン１０４が既に形成されたブリッジ部材１００を、基板１６上のギャップ調整部材１０１上に置き、熱圧着により、これを固定する。

最後に、フォトレジスト等からなるマスクパターンを、基板１６の裏面上に形成した状態で、基板１６の裏面側からＲＩＥ等の方法を適用して、基板１６の不要部分を除去する。このとき、基板１６に貫通孔２３が形成され、連結部材１９および変位部材２２が、基板１６の各一部によってそれぞれ与えられ、また、片持ち梁１２および１３ならびに折り返し梁１４となるべき部分において、基板１６が除去される。

以上のようにして、変位素子９１を得ることができる。

次に、変位素子９１の動作について説明する。

まず、電極パッド９４および９９の間に電圧が印加されない状態では、変位部材２２は、基板１６と同じ高さ位置に保たれている。

他方、電極パッド９４および９９の間に電圧を印加すると、空気層１０２を介して互いに対向している電極パッド９５および１０３間に静電引力が発生する。これによって、折り返し梁１４、あるいは折り返し梁１４ならびに片持ち梁１２および１３が撓み、変位部材２２を上方へ変位させることができる。この変位量は、電極パッド９４および９９間に印加される電圧の高さによって制御することができる。

このように、変位素子９１によれば、初期状態での変位部材２２の位置が安定しているので、変位部材２２に対する位置制御性を良好なものとすることができる。

以上、この発明を、図示したいくつかの実施形態に関連して説明したが、この発明の範囲内において、その他、種々の変形例が可能である。

たとえば、変位素子の適用例としての可変容量素子や光スイッチは、上述した実施形態では、圧電体の逆圧電効果または電歪効果を利用する駆動手段を備える変位素子によって与えられたが、電磁力を利用する駆動手段または静電引力を利用する駆動手段を備える変位素子によって与えられてもよい。

また、変位素子は、可変容量素子または光スイッチ以外の用途に向けることもできる。

この発明に係る変位素子は、静電容量値を高精度に制御できる可変容量素子、またはミラー位置を高精度に制御できる光スイッチとして適用することができる。

Claims (9)

1. 一方の端部となる固定端部が固定部に固定される、片持ち梁と、
   前記片持ち梁の前記固定端部とは逆の自由端部に固定される、連結部材と、
   一方の端部となる基端部が前記連結部材に固定されかつ前記片持ち梁とは平行に折り返すように延びる、折り返し梁と、
   前記折り返し梁の前記基端部とは逆の先端部に固定される、変位部材と、
   前記片持ち梁および前記折り返し梁が並ぶ面に対して実質的に垂直な方向に前記変位部材を変位させるため、前記片持ち梁および前記折り返し梁の少なくとも一方を撓ませるように電気的に駆動するための駆動手段と
   を備え、
   前記片持ち梁と前記折り返し梁とは、互いに同じ材料からなり、さらに、
   前記片持ち梁の、前記固定部と前記連結部材との間の長手方向寸法は、前記折り返し梁の、前記連結部材と前記変位部材との間の長手方向寸法と等しくされていることを特徴とする、
   変位素子。
2. 前記片持ち梁および前記折り返し梁は、ともに、互いに異なる材料からそれぞれなる複数の機能材料層を積層した構造を有し、かつ、前記片持ち梁と前記折り返し梁とは、互いに同じ積層構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
3. 前記片持ち梁と前記折り返し梁とは、互いに同じ幾何学的形態を有することを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
4. 前記片持ち梁は、互いの間に間隔を隔てて互いに平行に延びる第１および第２の片持ち梁を備え、前記折り返し梁は、前記第１および第２の片持ち梁の間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
5. 前記駆動手段は、圧電体の逆圧電効果または電歪効果を利用する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
6. 前記駆動手段は、電磁力を利用する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
7. 前記駆動手段は、静電引力を利用する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
8. 前記変位部材上に設けられる第１の容量電極と、前記第１の容量電極に対して静電容量を形成するように空気層を隔てた位置に固定的に設けられる第２の容量電極とをさらに備え、前記変位部材の変位によって前記静電容量が変更される可変容量素子を構成することを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。
9. 前記変位部材上に設けられるミラーをさらに備え、前記変位部材の変位によって光路が変更される光スイッチを構成することを特徴とする、請求項１に記載の変位素子。

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