WO2005059933A1

WO2005059933A1 - 変位素子

Info

Publication number: WO2005059933A1
Application number: PCT/JP2004/012281
Authority: WO
Inventors: Masanobu Nomura
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2005-06-30
Also published as: JP4360371B2; JPWO2005059933A1

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

明細書

変位素子

技術分野

[0001] 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、電気的駆動により橈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。

背景技術

[0002] 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)。

[0003] 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。

[0004] 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が橈み、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。

[0005] 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ぉレ、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。

[0006] し力、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 一 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。 [0007] 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)。

[0008] 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。

[0009] し力、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

[0010] 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レ、ことがある。

[0011] 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ょうとしても、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力 S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。

[0012] 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。

[0013] 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レ、。

[0014] し力、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レ、う問題に遭遇する。

[0015] 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ぐ平面パターンについても、対称としなければならない。し力ながら、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。

特許文献 1 :特開平 7 - 335491号公報

特許文献 2：特開平 9 - 63890号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 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ょうとすることである。

課題を解決するための手段

[0017] 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レ、る。

[0018] 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。

[0019] 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橈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。

[0020] 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。

[0021] 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、互いに異なる材料力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。 [0022] 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。

[0023] 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。

[0024] この発明に係る変位素子は、特に駆動手段に関して、レ、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。

[0025] 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。

[0026] この発明に係る変位素子は、また、光スィ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。

発明の効果

[0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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レ、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力 Sできる。

[0031] 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。

[0032] 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、光スィ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ィッチを実現することができる。

図面の簡単な説明

[0033] [図 1]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]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 1 4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]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]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 l ibの平面図である。

[図 5]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]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 l idの平面図である。

[図 7]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]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]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]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]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ィッチ 6 1を示す平面図である。

[図 12]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]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 一 Bに沿う切断部拡大端面図である。

[図 14]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, l ib, 11c, l id, 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 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 光スィッチ

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 電極ノッド

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

発明を実施するための最良の形態

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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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 1

9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。

[0045] 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力、りでなぐこれら片持ち梁 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 1 4は、ともに、互いに異なる材料力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。

[0046] 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。

[0047] 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。

[0048] 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レ、。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。

[0049] 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レ、。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。

[0050] 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。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] し力ながら、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。

[0054] 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

[0055] 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力 Sできる。

[0056] 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。

[0057] 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 1 la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。

[0058] 図 4に示した変位素子 l ib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、長方形ではなぐ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 l ib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。

[0059] 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

[0060] 図 6に示した変位素子 l id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レ、る。

[0061] 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。

[0062] なお、図 6に示した変位素子 l id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を備えていた力これら第 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。 [0063] 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。

[0064] 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。

[0065] 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レ、られることを特徴としてレ、る。

[0066] 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 200 z mとされ、かつ Siから構成される。

[0067] 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 Oからなり

2 3 かつ厚み 0· 5 μ ΐηの反応防止層 32、たとえば Tiからなりかつ厚み 0· 05 /i mの密着層 33、たとえば Ptからなりかつ厚み 0. 5 μ ΐη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 1 _{μ Ιη}の圧電体層 35、および、たとえば A1からなりかつ厚み 0. 2 μ ΐη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。

[0068] 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。

[0069] 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。

[0070] 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。

[0071] 次に、変位素子 31の作製方法の一例について説明する。

[0072] 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。

[0073] 次に、基板 16上に、反応防止層 32となる A1 〇膜をスパッタリングまたは電子ビ

2 3 ーム蒸着等の方法によって全面にわたって形成する。

[0074] 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。

[0075] 次に、圧電体層 35となる PZT膜をスパッタリングまたはゾノレゲル等の方法によって全面に形成する。

[0076] 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 O 膜をパターユングする。

2 3

[0077] 次に、上部電極層 36および引出電極 38となる A1膜をリフトオフ等の方法によって形成する。

[0078] 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。

[0079] 以上のようにして、変位素子 31を得ることができる。

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 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が橈む。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、電圧無印加時に比ベて、図 8に示すように、下に向かって凸になる方向に橈む。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。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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。

[0086] 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。

[0087] 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が橈むように構成された力図 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が橈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。

[0088] 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橈み、変位部材 22が基板 16より上方へ変位する。

[0089] 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 との双方が橈むように構成されてもよい。

[0090] 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。 [0091] 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。

[0092] 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· 05 μ mの Ti膜を下地として形成された厚み 0· 95 μ mの

Au膜によって与えられる。

[0093] 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. の Ti膜 45を下地として、その上に形成された厚み 1. 95 x mの Au膜 46によって与えられる。

[0094] 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. の厚みを有している。

[0095] 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. 05 /i mの Ti膜 51を下地としながら、その上に形成された厚み 0· 45 /i mc Au!l 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。

[0096] 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。

[0097] 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。

[0098] 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。

[0099] 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。

[0100] 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。

[0101] 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。

[0102] 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 4

7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。

[0103] 次に、可変容量素子 41の動作について説明する。

[0104] 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。

[0105] 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。

[0106] 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

[0107] 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。

[0108] 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。

[0109] 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ィッチ 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。

[0110] 光スィッチ 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。

[0111] 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を備える光スィツチ 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。

[0112] また、光スィッチ 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の光ファィバ 63、 64および 65を備えてレ、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力ミラー 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。

[0113] 次に、光スィッチ 61の動作について説明する。

[0114] 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。

[0115] 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の光フアイバ 65へと伝送される。

[0116] このように、この発明に係る変位素子が光スィッチ 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。

[0117] 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。

[0118] 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。

[0119] 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。

[0120] 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 200 z mとされ、かつ Siから構成される。

[0121] 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 3 x mの絶縁体層 72、およびたとえば厚み 0. 05 /i mの Ti膜を下地として、その上に形成された厚み 0. 5 /i m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。

[0122] 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ぐ基板 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。

[0123] 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の各々力 S、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を備えてレ、る。

[0124] 次に、変位素子 71の作製方法の一例について説明する。

[0125] 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。

[0126] 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。

[0127] 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。

[0128] 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の各一部によつ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。

[0129] 以上のようにして、変位素子 71を得ることができる。

[0130] 次に、変位素子 71の動作について説明する。 [0131] 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。

[0132] 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を橈ませ、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。

[0133] 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。

[0134] 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。

[0135] 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。

[0136] 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。

[0137] 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 200 z mとされ、かつ Siから構成される。

[0138] 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 3 z mとされる。また、導電体層 93 は、厚み 0. 05 z mの Ti膜を下地とし、その上に 0. 45 x mの厚みをもって形成された Au膜によって与えられる。

[0139] 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。

[0140] 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。

[0141] 基板 16上には、また、絶縁体層 92と同じ材料力、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。

[0142] 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、 7 の厚みを有している。

[0143] 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· 05 /i mの Ti膜を下地としながら、その上に形成された厚み 0· 45 μ mc AuII によって与えられる。

[0144] 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。

[0145] 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。

[0146] 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。

[0147] 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。

[0148] 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

[0149] 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。

[0150] 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。

[0151] 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ツジ部材 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。

[0152] 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。

[0153] 以上のようにして、変位素子 91を得ることができる。

[0154] 次に、変位素子 91の動作について説明する。

[0155] 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。

[0156] 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。これによつて、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が橈み、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。

[0157] 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。

[0158] 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力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。 [0159] 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ィッチは、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。

[0160] また、変位素子は、可変容量素子または光スィッチ以外の用途に向けることもできる。

産業上の利用可能性

[0161] 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ィッチとして適用することができる。

Claims

請求の範囲

[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ィ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