圧電アクチュエータ、可変容量コンデンサ及び光偏向素子
【課題】圧電体の残留応力に起因する初期たわみによる初期変位の影響を無くすことができ、かつ、純粋な厚み方向変位（ｚ方向並進運動）を実現する。
【解決手段】長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータ（12）と、長手方向の両端部が第１アクチュエータ（12）の長手方向の両端部に連結される第２アクチュエータ（14）と備える。第１アクチュエータ（12）は、第１圧電駆動部（12A）の駆動によって撓んで変形し、両端部が厚み方向に変位する。第２アクチュエータ（14）は第２圧電駆動部（14A）の駆動によって第1アクチュエータと逆方向に撓んで変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する。また、同様の構成のアクチュエータ群（101、102）を複数組連結する構成により、さらにz方向変位を増大させることができる。
【解決手段】長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータ（12）と、長手方向の両端部が第１アクチュエータ（12）の長手方向の両端部に連結される第２アクチュエータ（14）と備える。第１アクチュエータ（12）は、第１圧電駆動部（12A）の駆動によって撓んで変形し、両端部が厚み方向に変位する。第２アクチュエータ（14）は第２圧電駆動部（14A）の駆動によって第1アクチュエータと逆方向に撓んで変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する。また、同様の構成のアクチュエータ群（101、102）を複数組連結する構成により、さらにz方向変位を増大させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエータに係り、特に、デバイスの厚み方向への並進運動（ｚ方向移動）を行う圧電アクチュエータの構造及びこれを利用した可変容量コンデンサ並びに光偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの厚み方向への並進運動（ｚ方向移動）を行うアクチュエータは、様々な用途に用いられる。例えば、このようなアクチュエータを２枚の平行平板電極の片方に用いれば、電極間ギャップを変えることによる可変容量キャパシタとして用いることができる。また、かかるアクチュエータを反射ミラー光学系と組み合わせれば、ミラー部に入射した光の光路変化を行うデバイスとなり、光ディスク読み出し用光ピックアップトラッキングアクチュエータや、可変焦点スキャナとして用いることができるなど、用途は多岐にわたる。
【０００３】
このような動きを実現するアクチュエータとして、静電力駆動や圧電駆動などが報告されているが、静電駆動では１００Ｖ近い電圧が必要であるという欠点がある。これに対して圧電駆動では、比較的低電圧で大きな変位が得られるのが特徴である。圧電駆動においては、簡単な構成で大変位が得られる圧電ユニモルフカンチレバーがよく用いられる。これは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極が積層された構成であり、レバー部の片方の端部が固定されている梁（片持ち梁）の構造である。圧電体に電界をかけることによって圧電体が変形し、レバー部全体が弓なりに反りあがる動きをする。また、より大変位が得られるアクチュエータとして、電極・振動板を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフアクチュエータも用いられる。
【０００４】
特許文献１〜３、非特許文献１，２には、カンチレバー型圧電アクチュエータを利用した可変容量キャパシタの構成例が開示されている。非特許文献３には、光ピックアップの構成例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２７９７３号公報
【特許文献２】特開２００８−００５６４２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５１７２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Jae Y. Park他、“ MICROMACINED RF MEMS TUNABLECAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS ”,‘Microwave Symposium Digest, 2001 IEEE MTT-S International, pp. 2111 -2114 vol.3. (2001)
【非特許文献２】Takashi Kawakubo他、“RF-MEMS TunableCapacitor With 3V Operation Using Folded BeamPiezoelectric Bimorph Actuator”，Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15(6), 1759 -1765. (2006)
【非特許文献３】Youngjoo Yee他、“PZTactuated micromirror for fine-tracking mechanism of high-density optical data storage”、Sensor and Actuator A 89 (2001) 166-173
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これら従来のデバイスはいずれも、純粋な厚み方向（z方向）への駆動を必要とするデバイスである。しかしながら、圧電カンチレバーによる駆動の場合、以下のような問題が常にデバイス設計を難しくしていた。
〔１〕圧電薄膜の残留応力に起因する初期z変位がある（印加電圧0の状態でもz方向に浮いている）。
〔２〕カンチレバー駆動時に面内方向（x,y方向）の動きが入ってしまう。
【０００８】
上記〔１〕の問題は特に圧電体が直接成膜された薄膜である際に顕著である。圧電体−基板間の熱膨張係数が異なるため、基板上に圧電体を高温で成膜した後、常温に戻した際にアクチュエータが弓なりに反り上がることが原因である。この問題は、大変位を得ようとしてアクチュエータの剛性を低くすると一層顕著となる。
【０００９】
上記〔２〕の問題は、カンチレバー型のアクチュエータが本質的に回転的な変位を含むことに起因する。従って、カンチレバー型アクチュエータの場合、x,y方向の面内変位を抑えた、純粋なz方向変位を得るのは難しい。
【００１０】
一般的な圧電カンチレバー型のアクチュエータの場合、大きな変位を得ようとするとアクチュエータの長さを長くする、若しくは振動板の厚みを薄くすることが必要となる。しかしながら、この対応はいずれの場合においても、〔１〕、〔２〕の問題を助長する結果となる。つまり、高い変位を得ることと、〔１〕、〔２〕の問題とは、トレードオフの関係にある。このような理由で、初期z変位をなくしつつ、十分な量でかつ純粋なz方向変位を得るのは非常に難しかった。
【００１１】
以下、具体的なデバイスの例で説明する。
【００１２】
（可変キャパシタについて）
特許文献３の図３を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略し、図中の部材を指す符号を括弧（ ）付きの符号で表す。特許文献３の図３には、圧電体と振動板の積層構造を持つ一般的なアクチュエータである圧電カンチレバーを用いた可変キャパシタが示されている。支持体(39)に一端を固定されたバイモルフまたはユニモルフ型のアクチュエータ部（38）を有する圧電アクチュエータ（31）において、アクチュエータ部（38）の一方の表面に、一つのキャパシタ電極（36）が配設され、そのキャパシタ電極（36）に対面するように、他のキャパシタ電極（33）が配設されている。可変キャパシタ（30）では、圧電アクチュエータ（31）のアクチュエータ部（38）を矢印方向（上下の円弧方向）に変形させることによって、キャパシタ電極（33），（36）間の距離を制御し、その間に生じる静電容量を変えることが可能である。しかしながら、このような従来の可変キャパシタでは、圧電アクチュエータ（31）のアクチュエータ部（38）が弓状に反った変形をするため、キャパシタ電極（33）、（36）が平行を維持しながら近接または隔離されることができず、設計したキャパシタンスを実現することが難しかった。さらに、圧電体の残留分極に起因する反りによって、電圧をかけていない状態においてもカンチレバーが反ってしまうため、場合によってはキャパシタ電極（33）、（36）が最初から接触してしまう問題もあった。
【００１３】
この点、特許文献２や非特許文献２では、カンチレバーを折りたたむ構造にすることによって、接点部分の初期変位を減少させている。しかしながら、駆動の際に電極間が平行を維持できないという問題は解決していない（非特許文献２の「Fig.4」参照）。また、非特許文献２の「Fig.12（a）」のように、２つのアクチュエータを両側から挟みこむようにして配置する方法も提案されているが、素子が大型化する上に、両側から引っ張られる力を緩和するための支持バネ構造を設けなければならないため、複雑な構造となるという問題がある。
【００１４】
（マイクロミラーについて）
非特許文献３の「Fig. 2」、「Fig. 3」、「Fig. 4」を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略する。非特許文献３のFig. 2〜4には、光ピックアップ用のマイクロミラーが開示されており、反射面をｚ方向（反射面の法線方向）に駆動するためのアクチュエータの構造が提案されている。このような用途では、光を損失なくミラーに反射させる必要があるため、駆動時の面内方向の運動は極力抑えなければならない。そのため同文献３に記載の構造では、４本のユニモルフカンチレバーが一つのミラーを囲むように配置されており、x,y面内方向への変位を抑えてz方向変位を得ている。
【００１５】
しかし、圧電体の残留応力による初期反りは低減できていない。実際に非特許文献３中では、約５μmまでのz変位を得られるアクチュエータにおいて、初期の反りによる初期z変位が５μmほどあることが記載されている。
【００１６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電体の残留応力に起因する初期たわみがあっても、変位点の初期変位の影響を無くすことができる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。また、従来のカンチレバー型と比較して、面内方向の変位を劇的に抑え、純粋な厚み方向変位（ｚ方向並進運動）が得られ、従来の圧電カンチレバーと同等若しくはそれ以上の変位量が得られる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。併せて、この圧電アクチュエータを利用した可変容量コンデンサ及び光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は前記目的を達成するために、第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって第１アクチュエータとは逆方向に撓んで変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。
【００１８】
他の発明態様については、明細書及び図面の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータと、この第１アクチュエータの長手方向の端部に連結されて両端部が支持される第２アクチュエータとを組み合わせた構造としたので、圧電体の残留応力に起因して各アクチュエータに反りがあっても、変位点としての長手方向中央部の初期変位量は０に保つことができる。或いは、無視できる程度に小さいものである。
【００２０】
また、本発明の圧電アクチュエータによれば、最終段のアクチュエータの長手方向中央部では、ほぼ純粋な厚み方向(ｚ方向)変位が得られる。さらに、第１アクチュエータによる変位と第２アクチュエータによる変位が累積され、より大きな変位量が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図２】圧電駆動部を有するアクチュエータの断面図
【図３】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの非駆動時の状態を示す斜視図
【図４】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動時の状態を示す斜視図
【図５】圧電薄膜の電圧−変位特性を示すグラフ
【図６】圧電体の残留応力による初期撓みが生じた時の状態を示す図
【図７】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図８】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの非駆動時の状態を示す斜視図
【図９】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動時の状態を示す斜視図
【図１０】実施例１、２の効果を比較例との対比によりまとめた図表
【図１１】第３実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図１２】長さＬの振動板の中央部分に圧電駆動部（長さＬａ）を配置した構成のアクチュエータの模式図
【図１３】図１２の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と変位量の関係を示したグラフ
【図１４】長さＬの振動板の両端部分に圧電駆動部（長さＬａ）を分けて配置した構成のアクチュエータの模式図
【図１５】図１４の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と変位量の関係を示したグラフ
【図１６】第４実施形態に係る可変容量コンデンサの可動電極とその駆動手段の構造を示した図
【図１７】可動電極の上部に固定電極を配置した構成を示す図
【図１８】第５実施形態に係る光偏向素子の要部構成を示す斜視図
【図１９】光ピックアップ用ミラーデバイスの構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。
【００２３】
〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図である。説明の便宜上、図１の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向、紙面に垂直な方向をｚ方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する。この圧電アクチュエータ１０は、ｙ方向に長い矩形帯状の複数の圧電ユニモルフ型アクチュエータ１２、１４、２２、２４が平行に配置され、これらが支持体１７、１９、２７を介して一体的に連結された構成からなる。
【００２４】
符号１２、２２はそれぞれ「第１アクチュエータ」に相当し、符号１４、２４は「第２アクチュエータ」に相当する。図１の最左に配置されるアクチュエータ１２とその右隣に並んで配置されるアクチュエータ１４の組み合わせによって１組のアクチュエータ群（符号１０１）が構成される。また、これと同様に、アクチュエータ２２とその右隣に並んで配置されるアクチュエータ２４の組み合わせによって１組のアクチュエータ群（符号１０２）が構成される。本例の圧電アクチュエータ１０は、これら２組のアクチュエータ群１０１、１０２を支持体１９によって機械的に連結した構成となっている。
【００２５】
以下の説明の中で、符号１２のアクチュエータを「第１アクチュエータ」或いは「１段目の第１アクチュエータ」と呼ぶ場合があり、符号１４のアクチュエータを「第２アクチュエータ」或いは「１段目の第２アクチュエータ」と呼ぶ場合がある。同様に、符号２２のアクチュエータを「第１アクチュエータ」或いは「２段目の第１アクチュエータ」と呼ぶ場合があり、符号２４のアクチュエータを「第２アクチュエータ」或いは「２段目の第２アクチュエータ」と呼ぶ場合がある。
【００２６】
ここでは、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）のｙ方向の長さＬは等しく、ｘ方向の幅Ｗ１、Ｗ３及びアクチュエータ間隔Ｗ２は等しいもの（Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）を例示したが、本発明の実施に際して、具体的な形態は様々な設計が可能である。各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の長さは異なっていても良く、また、幅Ｗ１、Ｗ３、アクチュエータ間隔Ｗ２も互いに異なって良い。
【００２７】
図１中の斜線部（符号１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａ）は、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の圧電駆動部である。各圧電駆動部１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａは、いずれも上層側から上部電極、圧電体、下部電極、及び振動板が積層された圧電ユニモルフ構造となっている（図２参照）。各圧電駆動部１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａの圧電体を挟む電極間に電圧を印加することによって、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４が厚み方向（ｚ方向）の上に向かって凸、または下に向かって凸（上からみて凹）に、弓なりに撓むように変形する（図３，図４参照）。
【００２８】
図２は、圧電駆動部１２Ａを有するアクチュエータ１２の断面構造を示す図である。ここでは、図１の最左に配置されたアクチュエータ１２の断面図を示すが、他のアクチュエータ１４、２２、２４も同様の構造を有する。
【００２９】
図２に示すように、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４は、振動板３０上に、下部電極３２、圧電体３４、上部電極３６がこの順で積層形成された構造を有する。このような積層構造体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に、下部電極３２、圧電体３４、上部電極３６の各層を順次に成膜することによって得ることができる。上部電極３６と下部電極３２の間に挟まれて圧電体３４が存在する範囲が図１の圧電駆動部（１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａ）に相当する。なお、上述の説明ではすべてのアクチュエータがユニモルフアクチュエータ構造を有しているが、本特許におけるアクチュエータはこの構造に限定されるものではなく、例えば２層の圧電体を用いたバイモルフ構造を有していても良い。
【００３０】
図３は圧電アクチュエータ１０の非駆動時の斜視図、図４は駆動時の斜視図である。図示の便宜上、図１の左右と、図３、図４の左右は逆に描かれている。図３及び図４において最右に配置される第１アクチュエータ１２は、図１において最左に配置される１段目の第１アクチュエータ１２である。
【００３１】
この第１アクチュエータ１２は、図１中図中破線で囲んだように、ｙ方向（長手方向）の中央部に、当該第１アクチュエータ１２を支持するための固定部４０（「第１支持体」に相当）が設けられている。この固定部４０は第１アクチュエータ１２の振動板３０（圧電駆動部１２Ａの支持体）と一体的に連結されている支持体によって構成される。好ましくは、振動板３０と一体に形成される。固定部４０は、図示せぬ固定支持部材に連結され、この固定部４０を基準に第１アクチュエータ１２は厚み方向に変位する。なお、固定部４０を支持する固定支持部材（不図示）も、シリコン基板を加工することによって、固定部４０（支持体）と一体的に形成することができる。
【００３２】
第１アクチュエータ１２は、固定部４０を介してｙ方向の中央部分が支持（固定）されているため、圧電駆動部１２Ａの圧電体３４が縮むように電圧を印加すると、固定部４０を中心に振動板３０が撓み（弓なりに反り上がり）、ｙ方向の両端部がｚ方向に上昇する動きをする（図４参照）。
【００３３】
このように屈曲変位する第１アクチュエータ１２のｙ方向の両端部は支持体１７（「第２支持体」に相当）を介して、第２アクチュエータ１４に連結されている。すなわち、第１アクチュエータ１２の中央部を支持するための固定部４０が設けられている第１アクチュエータ１２の短手方向（ｘ方向）の片側端面部分（図１において左側端面部分）と反対側（図１において右側端面）の長手方向両端部に、支持体１７を介して第２アクチュエータ１４の両端部が連結されている。
【００３４】
かかる接続形態により、第２アクチュエータ１４は支持体１７によって両端が支持された両持ち梁の構造となる。また、第２アクチュエータ１４は、その振動板３０の長手方向（ｙ方向）の長さＬに対して、圧電駆動（活性）部１４Ａの長さＬａが短く（Ｌａ＜Ｌ）、振動板３０の長手方向の中央部分に圧電駆動部１４Ａが配置される。この場合、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの３０〜８０％であることが望ましい。
【００３５】
第２アクチュエータ１４を第１アクチュエータ１２と逆方向に駆動すると、第２アクチュエータ１４は、両端の支持体１７を基準に、中心部がｚ方向に盛り上がるように弓なりに変位する（図４参照）。
【００３６】
このように、中央支持の梁構造による第１アクチュエータ１２と、両持ち梁構造の第２アクチュエータ１４とを連結して成る１組のアクチュエータ群１０１を構成し、各アクチュエータ（１２，１４）を逆方向に駆動することで、第１アクチュエータ１２の屈曲変位によるｚ方向の変位量と第２アクチュエータ１４の屈曲変位によるｚ方向の変位量とが重ね合わされ（ｚ方向の変位が増幅され）、第２アクチュエータ１４の中央部にｚ方向の大きな変位が得られる。もちろん、各アクチュエータに印加する電圧方向を上述の説明とは逆にしても良く、その場合は第１アクチュエータ１２は上に凸に変形し、かつ第２アクチュエータ１４は下に凸に変形することにより、第２アクチュエータ１４の中央部はz方向の−方向に変位（下がる動き）をする。以下では簡単のため、第１アクチュエータ１２を下に凸に変形、かつ第２アクチュエータ１４を上に凸に変形させる動きを通常として説明を行う。
【００３７】
この第２アクチュエータ１４の中央部は支持体１９を介して、２段目の第１アクチュエータ２２に連結され、当該２段目の第１アクチュエータ２２の両端部は、さらに支持体２７を介して２段目の第２アクチュエータ２４と連結される。支持体１９によって中央部が支持された梁構造のアクチュエータ２２と、支持体２７によって両端部が支持された梁持ち梁構造のアクチュエータ２４とを連結して成る１組のアクチュエータ群１０２は、先に説明したアクチュエータ群１０１と同様に、各アクチュエータ（２２，２４）が逆方向に駆動される。中央支持のアクチュエータ２２は、１段目の第１アクチュエータ１２と同方向に駆動され、両端支持のアクチュエータ２４は、１段目の第２アクチュエータ１４と同じ方向に駆動される。
【００３８】
これにより、２段目の第１アクチュエータ２２は支持体１９を基準に弓なりに撓み、両端がｚ方向に反り上がる。さらに、２段目のアクチュエータ２４は、両端部の支持体２７を基準に中央部がｚ方向に盛り上がるように弓なりに変位する（図４参照）。
【００３９】
こうして、アクチュエータ群１０１、１０２を並べて繋ぎ合わせた構造により、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）は、固定部４０側から順に、下に凸（符号１２）、上に凸（符号１４）、下に凸（符号２２）、上に凸（符号２４）、と交互に変位方向が入れ替わるように、駆動される。そして、１段目のアクチュエータ群１０１によるｚ方向変位量に、２段目のアクチュエータ群１０２によるｚ方向変位量が累積され、２段目の第２アクチュエータ２４（最終段のアクチュエータ）の中央部に大きなｚ方向の変位が得られる。最大の変位が得られる部分（最大変位点）を図４中の▲印で示した。
【００４０】
図１〜４の例では、２組のアクチュエータ群１０１、１０２を連結した構成例を示したが、２段目のアクチュエータ群１０２を省略する構成（１組のアクチュエータ群１０１のみの構成）も可能である。すなわち、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４とを組み合わせた１組のアクチュエータ群１０１のみの構成でも、各アクチュエータ（１２，１４）のｚ方向変位を蓄積した並進変位の効果がある。
【００４１】
また、図１〜図４で示した構成における２段目のアクチュエータ群１０２に対して、さらに同様のアクチュエータ群を連結するなど、複数組のアクチュエータ群を繰り返し連結する構成も可能である。
【００４２】
なお、第１実施形態においては、１段目のアクチュエータ群１０１と２段目のアクチュエータ群１０２は、同等の構成（サイズ）のものが連結されているが、構成が異なるアクチュエータ群を連結する態様も可能である。例えば、振動板の長さが異なるアクチュエータ群、振動板の幅（アクチュエータ幅）やアクチュエータ間隔が異なる構成のアクチュエータ群を組み合わせる態様もあり得る。
【００４３】
＜電圧供給部の構成について＞
第１実施形態では、１段目及び２段目の第１アクチュエータ１２、２２に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第１駆動制御装置（不図示）と、１段目及び２段目の第２アクチュエータ１４、２４に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第２駆動制御装置（不図示）とが別々に設けられている。第１駆動制御装置は、第１アクチュエータ１２、２２を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。第２駆動制御装置は、第２アクチュエータ１４、２４を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。
【００４４】
本例の場合、１段目及び２段目の第１アクチュエータ１２、２２を同じ駆動電圧で駆動し、１段目及び２段目の第２アクチュエータ１４、２４を同じ駆動電圧（第１アクチュエータ用の駆動電圧とは異なるもの）で駆動する構成であるため、２種類の電圧供給部（駆動制御装置）を用いているが、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４について、それぞれ個別に電圧供給部（駆動制御装置）を設ける態様も可能である。アクチュエータ１２、１４、２２、２４ごとに異なる駆動電圧を印加する形態など、必要に応じて電圧供給部の数が設計される。
【００４５】
なお、第１アクチュエータ１２、２２と、第２アクチュエータ１４、２４に印加する電圧の極性を異ならせることで、アクチュエータのたわみ方向を異ならせる態様の他、圧電体を逆方向にポーリングすることで、駆動方向を異ならせることも可能である。
【００４６】
＜圧電体の例＞
本実施形態の圧電体としては、例えば、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜を用いることができる。本発明者らは、鋭意検討の結果、スパッタリング法によってＮbを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できることを見出している。
【００４７】
図５は、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜（実施例に係る圧電薄膜）の電圧−変位特性を示すグラフである。図５中の□で示したプロット点は変位量を表し、△で示したプロット点は誘電正接を表す。図５に示すように、この圧電薄膜は、印加電圧として−４０Ｖから＋１０Ｖの範囲内では、分極反転がなく、非常にリニアな変位応答を示している。したがって、長手方向の中央部を支持した第１アクチュエータ１２、２２のグループと、長手方向の両端部を支持した第２アクチュエータ１４、２４のグループとに対して、互いに逆極性の電圧を印加する構成を採用する場合には、±１０Ｖの範囲内でリニアな変位応答が得られる駆動電圧を選択することができる。
【００４８】
このような特性を持つ圧電薄膜を用いた第１アクチュエータ（１２、２２）、および第２アクチュエータ（１４，２４）に、互いに逆方向の電界が印加されると、図４に示されるような変形を示す。既述のとおり、各々のアクチュエータ（１２、１４、２２、２４）が互いのｚ方向変位を蓄積していくように変形していき、最終段のアクチュエータ中央部（最大変位点）でｚ方向に大きな変位を得ることができる。
【００４９】
（他の好適な圧電材料について）
本実施形態に適用できる圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
【００５０】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式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、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
【００５１】
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）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は、変位特性の優れたものとなる。
【００５２】
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
【００５３】
バルクの圧電体を基板に接合してもよいが、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体としては、１〜１０μｍの厚さの薄膜であることが好ましい。実施例では、圧電体として、スパッタリング法によって成膜された４μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
【００５４】
＜初期変位の影響について＞
本実施形態の圧電アクチュエータ１０に圧電体の残留応力による初期たわみが生じたときの変形を示したのが図６である。図６中の破線で囲われた部分（符号Ａで示す部分）は、この圧電アクチュエータ１０の駆動時において最大の変位が得られる最大変位点である。このポイントにおいては初期たわみによらず、初期z変位はないことが分かる。
【００５５】
＜製造プロセスについて＞
本例の圧電アクチュエータ１０における各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）、及びこれらをつなぐ支持体１７、１９、２７、固定部３１並びに固定部３１を支持する固定支持部材（不図示）は、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、これらが一体的に構成された構造物として作成することができる。
【００５６】
つまり、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の振動板３０、固定部４０、支持体１７、１９、２７は、シリコン基板を加工して得られた一体物として構成されている。
【００５７】
＜実施例；具体的な製造方法の一例＞
この圧電アクチュエータ１０は、以下のように作成した。
【００５８】
（工程１）まず、ＳＯＩ（Silicon OnInsulator）基板上に、スパッタ法で３０ｎｍのＴｉ密着層と、１５０ｎｍのＩｒ電極層を順次形成した。これらＴｉ密着層及びＩｒ電極層が下部電極に相当する。このときの成膜温度は３５０℃とした。
【００５９】
（工程２）上記得られた基板上に、高周波（ＲＦ；radio frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いて４μｍのＰＺＴ層を成膜した。使用したＲＦマグネトロンスパッタ装置は、アルバック社製強誘電体成膜スパッタ装置ＭＰＳ型である。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr、成膜温度は４５０℃とした。上記で得られた基板上に、リフトオフプロセスによって上部電極であるPt/Tiをパターニングした。
【００６０】
（工程３）上記得られた基板をシリコン加工プロセス（ドライエッチング等）に基づいて加工することで、図１から図３で説明した圧電アクチュエータ１０を得た。
【００６１】
本発明の実施に際しては、上記の実施例に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択、設計される。
【００６２】
＜アクチュエータの長手方向の中央部を支持するという記載の解釈について＞
本明細書では、図１の固定部４０や支持体１９を例示して、アクチュエータの長手方向の中央部を支持する旨を説明している。本明細書でいう「中央部」とは、厳密な中心点を限定的に意味するものではなく、概ね中央部分と把握される範囲の部位を含む。例えば、長手方向の中央位置（設計上の真の中央点）を含む一箇所に固定部や支持部を設けて、これを支持する態様の他、概ね中央部分と把握される範囲内で複数箇所に固定部や支持部を設ける態様があり得る。また、概ね中央部分と把握される範囲内で中央位置を挟んで両側対称的に２箇所以上の固定部や支持部を設ける態様も可能である。この場合、真の中央位置が固定、支持されていない場合もあり得る。
【００６３】
〔第２実施形態〕
図７は第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０の平面図である。図７に示す第２実施形態において、図１から図４で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６４】
図７に示す圧電アクチュエータ１１０は、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４とをｙ方向の両端部で接続する部分（符号４７、５７）にミアンダ（蛇行）状の構造が採用されている。
【００６５】
すなわち、図１に示した支持体１７、２７の構成に代えて、図７のように、折り返し（折り畳み）構造を持つ板状の連結部（以下、「ミアンダ連結部」という。）４７、５７が採用されている。ミアンダ連結部４７、５７は、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の大きさと比べて小さく、板の幅も細いものとなっている。かかるミアンダ連結部４７、５７は、第２アクチュエータの変形によって第１アクチュエータに作用する反力を吸収するため、アクチュエータ全体の変位量を増大させる効果がある。このミアンダ連結部４７、５７も図１の支持体１７、２７と同様に、シリコンの加工により一体的に形成される。なお、ミアンダ連結部４７、５７の折り畳み数、細さ、板厚などは適宜設計することができる。
【００６６】
ミアンダ連結部４７によって長手方向の両端部同士が連結された第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４によって１組の（１段目の）アクチュエータ群１１１が構成される。同様に、ミアンダ連結部５７によって長手方向の両端部同士が連結された第１アクチュエータ２２と第２アクチュエータ２４によって１組の（２段目の）アクチュエータ群１１２が構成される。
【００６７】
図８は、この圧電アクチュエータ１１０の非駆動時の様子を示す斜視図、図９は駆動時の様子を示す斜視図である。各アクチュエータ１２、１４、２２、２４の駆動方法は、図１〜４で説明した第１実施形態と同様である。
【００６８】
図７〜図９に示したように、アクチュエータ同士を接続する部分にミアンダ状の構造（符号４７、５７）を取り入れ、コンパクトかつ比較的バネ定数が低い構造とすることによって、アクチュエータのサイズを増加させることなく、さらに高い変位を得ることができる（図９参照）。
【００６９】
図７では、２組のアクチュエータ群１１１、１１２を繰り返し連結した例を示したが、
２段目のアクチュエータ群１１２を省略する構成も可能であるし、さらに多数組のアクチュエータ群を連結する構成も可能である。
【００７０】
＜各実施形態に対応した実施例１、２の効果＞
図１０は、実施例１、２の効果を比較例と対比してまとめた表である。
【００７１】
同表の「実施例１」は、図１中のパラメータＷ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝５０μｍ、Ｗ＝３１０μｍ、Ｌ＝１ｍｍとした構成の圧電アクチュエータに対し、第１アクチュエータ、第２アクチュエータに印加される電圧をそれぞれ−１０Ｖ、＋１０Ｖとしたものであり、このときの変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７２】
「実施例２」は、図７の構成において、図１と同様のパラメータＷ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝５０μｍ、Ｗ＝３１０μｍ、Ｌ＝１ｍｍとした構成の圧電アクチュエータに対し、第１アクチュエータ、第２アクチュエータに印加される電圧をそれぞれ−１０Ｖ、＋１０Ｖとしたものであり、このときの変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７３】
比較例として、さまざまなサイズを持つ両端支持梁、片持ち支持梁構造を持つ圧電カンチレバーの変位も示した。すなわち、比較例として、両端支持梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さＬ＝１ｍｍ、幅３１０μｍ）、片持ち梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さ３１０μｍ）、片持ち梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さ５００μｍ）を用いた。そして、これら各構成に対して、１０Ｖを印加して駆動した場合の変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７４】
なお、圧電体の圧電性能は、各比較例、実施例１、２とも同等にして比較している。
【００７５】
図１０に示すとおり、実施例１、２の構成は、同等サイズの従来アクチュエータ（比較例）に比べて高い変位を得ていることがわかる。
【００７６】
〔第３実施形態〕
図１１は第３実施形態に係る圧電アクチュエータ１２０の平面図である。図１１に示す第３実施形態において、図７から図９で説明した第２実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
図１１の圧電アクチュエータ１２０は、第２アクチュエータ１４、２４における圧電駆動部１４Ｂ、１４Ｃ、２４Ｂ、２４Ｃが振動板の長手方向の中央部分を避けて、長手方向の両端部分に分かれて配置されている。この場合、圧電駆動部１４Ｂ、１４Ｃ、２４Ｂ、２４Ｃの長手方向長さＬａは、振動板全体の長手方向長さＬの１５〜４５％の範囲とすることが好ましい。
【００７８】
このような構成の場合、各圧電駆動部１２Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、２２Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに印加する電界の方向を同じにすることができる。すなわち、すべてのアクチュエータ１２、１４、２２、２４を同一極性の電圧印加によって駆動することができ、これにより、第１アクチュエータ１２、２２と第２アクチュエータ１４、２４を互いに逆方向に撓ませることができる。最も簡単な構成としては、１つの電圧供給部（駆動制御装置）から供給する共通の駆動電圧によって、第１アクチュエータ１２、２２及び第２アクチュエータ１４、２４を駆動することが可能である。
【００７９】
第３実施形態によれば、複雑な電極配置を行う必要がなく、図７〜９で説明した第２実施形態と同様の効果が得られる。さらに、図５で説明したような、電圧−変位特性を持つ圧電薄膜を使用する場合、広い範囲でリニアな変位応答を示すマイナス電圧の領域を利用することができるため、より大きな電圧を印加することにより大きな変位を得ることができ、変位量の制御も簡単である。
【００８０】
＜振動板に対する圧電駆動部の配置形態と両者の長さＬ、Ｌａの関係について＞
図１２は、長さＬの振動板の中央部分に圧電駆動部（長さＬａ）を配置した構成のアクチュエータの模式図である。このアクチュエータの長手方向の両端を支持することによって両持ち梁構造のアクチュエータとなる。
【００８１】
図１３は、図１２の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と、駆動時のアクチュエータ中央部分における厚み方向の変位量の関係を示したグラフである。図１３の縦軸は、変位量の最大値で規格化した値である。図１３において、変位量が最大値の７０％以上となる範囲を好ましい条件として設定すると、０．３≦Ｌａ／Ｌ≦０．８であることが好ましい。すなわち、振動板の中央部分に圧電駆動部を配置する形態の両持ち梁構造のアクチュエータにおいては、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの３０〜８０％であることが望ましい。
【００８２】
なお、図１３において、変位量が最大値の７０％を超えることがさらに好ましい条件であり、図１３のグラフから、変位量が最大値の８０％以上となる範囲、９０％以上となる範囲など、それぞれの範囲に対応する好ましいＬａ／Ｌの条件を読み取ることができる。
【００８３】
図１４は、長さＬの振動板の中央部分を避けて、両端部分に圧電駆動部（長さＬａ）を分けて配置した構成のアクチュエータの模式図である。このアクチュエータの長手方向の両端を支持することによって両持ち梁構造のアクチュエータとなる。
【００８４】
図１５は、図１４の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と、圧電駆動時の厚み方向の変位量の関係を示したグラフである。図１５の縦軸は、変位量の最大値で規格化した値である。図１５において、変位量が最大値の７０％以上となる範囲を好ましい条件として設定すると、０．１５≦Ｌａ／Ｌ≦０．４５であることが好ましい。すなわち、振動板の中央部分を避けて長手方向の両端部分に圧電駆動部を分離配置する形態の両持ち梁構造のアクチュエータにおいては、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの１５〜４５％であることが望ましい。
【００８５】
なお、図１５において、変位量が最大値の７０％を超えることがさらに好ましい条件であり、図１５のグラフから、変位量が最大値の８０％以上となる範囲、９０％以上となる範囲など、それぞれの範囲に対応する好ましいＬａ／Ｌの条件を読み取ることができる。
【００８６】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた可変容量コンデンサ（可変キャパシタ）の例を説明する。図１６は第４実施形態に係る可変容量コンデンサ１５０の可動電極１５２及びその駆動手段の構造を示した図である。
【００８７】
この例では、可動電極１５２の駆動手段として、図７〜図９で説明した圧電アクチュエータ１１０が採用されている。図１６において、図７〜図９で説明した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、圧電アクチュエータ１１０に代えて、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０（図１〜図４）、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ１２０（図１１）等を採用してもよい。
【００８８】
可動電極１５２はシリコンの基材表面に金属の薄膜（電極層）が形成されたものである。この可動電極１５２を挟んで両側に圧電アクチュエータ１１０が対称的に配置され、各圧電アクチュエータ１１０の最大変位部分が連結部１５４を介して可動電極１５２と接続されている。各圧電アクチュエータ１１０の固定部４０は、固定支持部材に相当する固定フレーム１５６に連結されている。可動電極１５２及び各圧電アクチュエータ１１０の裏面側は、空洞部（キャビティ）１５７となっており、可動電極１５２は、連結部１５４に支持されてキャビティ１５７の上に浮かぶような形で配置されている。
【００８９】
図１７は、図１６で説明した可動電極１５２の上部に固定電極１５８を配置した構成を示す図である。図１７のように、固定電極１５８は、可動電極１５２の上部を覆うように固定配置される。
【００９０】
図７〜９で説明したように、圧電アクチュエータ１１０を駆動すると、可動電極１５２が厚み方向（ｚ方向）に平行移動し、固定電極１５８と可動電極１５２間の距離が変化する。これにより、キャパシタンス（静電容量）が変化する。
【００９１】
＜より具体的な実施例＞
第４実施形態に係る可変容量コンデンサの一具体例として、圧電アクチュエータ１１０のディメンジョンは、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝25μｍ、Ｌ＝500μｍ、可動電極１５２のサイズは一辺が300μｍの正方形（300μｍ角）となっている。この実施例による可変容量コンデンサは、以下の手順で製造される。
【００９２】
（製造プロセスの例）
（工程１）：ＳＯＩ基板上にスパッタ法などによって下部電極を成膜し、得られた基板にスパッタ法などで圧電体膜を成膜する。なお、基板上にバルク圧電体を貼り付け、研磨しても良い。
【００９３】
（工程２）：次にフォトリソグラフィ技術によって上部電極をパターニングし、その後、プラズマを用いたドライエッチングや、フッ酸・塩酸混合液によるウェトエッチングによってＰＺＴをパターニングする。
【００９４】
（工程３）：その後、プラズマを用いたドライエッチングによって下部電極とデバイス層Ｓｉをパターンエッチする。
【００９５】
（工程４）：次に、固定電極（図１７の符号１５８）を上部に形成したい部分にレジストを代表とする犠牲層をパターニングする。
【００９６】
（工程５）：その後、メッキ技術によって犠牲層上にメッキによって固定電極となる金属構造体を成長させる。
【００９７】
（工程６）：この後、犠牲層をＯ２クリーニングなどで取り除くことによって、アクチュエータ上部に固定電極がブリッジした構造を得る。
【００９８】
（工程７）：最後に裏面のハンドル層、Ｂｏｘ-ＳｉＯ２層をDeep RIE(深堀り反応性イオンエッチング）することにより、図１７のような可動電極１５２、固定電極１５８がキャビティ１５７上に形成された構造を得ることができる。
【００９９】
上記のプロセスで製造される可変キャパシタデバイス（図１６，図１７の可変容量コンデンサ１５０）のサイズは、一例として500μｍ×640μｍであり、圧電ユニモルフアクチュエータの振動板厚みは５μｍとした。この構成では、５Ｖの電圧でz方向変位3.4μｍが得られる。また、圧電体の残留応力による初期反りがあっても、可動電極の初期z位置は0であり（図６参照）、設計と完全に一致するキャパシタンスが得られる。
【０１００】
例えば、固定電極１５８と可動電極１５２との間の初期ギャップを500ｎｍとすると、５Ｖ駆動でキャパシタンスは0.71ｐＦ→0.089ｐＦへと変化する。この駆動範囲の場合、キャパシタンスの変化率（最大値Ｃmaxと最小値Ｃminの比）Ｃmax／Ｃminは８である。なお、マイナス電圧印加による駆動分も加えると、キャパシタンスの変化率はさらに拡大する。
【０１０１】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた光偏向素子の例を説明する。図１６で説明した構成と、同様の構成において、可動電極１５２に代えて、光を反射させるためのミラーとすれば、光の反射点を変化させて焦点や照射位置を動かすデバイスとして利用できる。
【０１０２】
図１８は、ミラー１６２を厚み方向に並進移動させた動きを示す図である。図１８において、図７〜図９、図１６及び図１７で説明した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、図１８においては、図１６及び図１７に示した固定フレーム１５６の図示を省略した。図１８に示したマイクロミラーアクチュエータの構成によれば、圧電アクチュエータ１１０、１１０の駆動により、ミラー１６２をｚ方向に並進移動させることができる。
【０１０３】
図１８の構成を用いて、図１９に示すような光ピックアップにおけるトラッキング用ミラーアクチュエータを作製することができる。図１９では図示を簡略化し、ミラー１６２のみを示し、アクチュエータ部の記載を省略した。
【０１０４】
図１９のように、ミラー１６２は、その反射面１６２Ａがレーザ光の入射光軸に対して４５度傾斜するような姿勢で配置される。アクチュエータを駆動してミラー１６２を厚み方向に変位させると、反射面１６２Ａの位置が移動し、反射面１６２Ａに対する入射光の到達点が変わり、反射光の光軸がシフトする。ミラー１６２の厚み方向の変位量をｈ、反射光の光軸のシフト量をｄとすると、ｄ＝（√２）×ｈの関係で反射光を制御できる。
【０１０５】
なお、ミラー１６２の傾斜角度は４５度に限らず、様々な配置形態が可能であり、反射面に対する入射光の入射角度と、反射面の位置、入射光が反射面に当たる位置、などの条件に応じて光路を制御できる。
【０１０６】
図１８及び図１９で説明した例に限らず、本技術は、レーザ光等の光を反射して光の進行方向、光路長、光経路等を変える光学装置として様々な用途に利用できる。
【０１０７】
＜本発明の実施形態による圧電アクチュエータと従来のアクチュエータとの比較＞
比較として非特許文献３に報告されているアクチュエータをみると、同文献では、ユニモルフアクチュエータの振動板厚みを2μｍまで下げることにより、５Vの電圧印加において変位3.5μｍが得られている。しかしながら、同文献では、製造時の残留応力により初期の反りが5μｍ生じてしまっている。
【０１０８】
これに対し、本発明による第４実施形態及び第５実施形態と同様のアクチュエータでは、振動板厚みが5μｍで、5Ｖ印加により同等の変位3.4μｍが得られる。本発明の実施形態の構成は、非特許文献３の構成に比べて、振動板が厚いので剛性が高く、歩留まりは劇的に向上する。また、残留応力に起因する反りによる初期変位は0である。
【０１０９】
さらに、本発明の実施形態において、振動板を非特許文献３と同様に、2μｍとした場合、16.7μｍの変位が得られる。なお、この場合は圧電膜の厚みは2μｍとした。
【０１１０】
＜本発明の実施形態による効果＞
（１）圧電体の残留応力に起因して各アクチュエータに反りがある場合であっても、圧電駆動時の変位点である長手方向中央部の初期変位量は０に保たれる。
【０１１１】
（２）アクチュエータの長手方向中央部では、ほぼ純粋な厚み方向(z方向)変位が得られる。
【０１１２】
（３）ユニモルフカンチレバーなどの従来の一般的な圧電アクチュエータに比べ、同等もしくはそれ以上の変位量が得られる。
【０１１３】
＜他の変形例１＞
第１実施形態及び第２実施形態では、第１アクチュエータ１２、２２を駆動するための駆動電圧制御装置と、第２アクチュエータ１４、２４を駆動するための駆動制御装置とを別々に設ける構成を説明したが、１台の駆動制御装置から複数種類の駆動電圧を出力する構成も可能である。また、駆動電圧供給源とその制御手段とは必ずしも一体である必要はない。例えば、第１アクチュエータ用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、第２アクチュエータ駆動用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、これら駆動電圧供給源を制御する1台の制御装置と、によって同様のシステムを構成することが可能である。
【０１１４】
＜他の変形例２＞
上述の実施形態では、圧電ユニモルフアクチュエータを複数本組み合わせてアクチュエータ群を構成する例を示したが、バイモルフアクチュエータを用いる態様も可能である。
【０１１５】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
【０１１６】
＜付記；開示する発明の態様について＞
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
【０１１７】
（発明１）：第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって前記第１アクチュエータとは逆方向に撓み変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【０１１８】
この発明によれば、長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータと、両端部が支持される第２アクチュエータとの両端部同士を機械的に連結してなる１組のアクチュエータ群が構成される。第１アクチュエータと第２アクチェータを厚み方向に対して逆方向に撓み変形（屈曲変位）させることで、それぞれの変位が厚み方向に累積され、大きな変位が得られる。しかも、この構成は、回転的な動きがなく、厚み方向の並進変位を実現できる。
【０１１９】
また、残留応力によって初期撓みが生じたとしても、アクチュエータの中央の初期変位はゼロか、無視できる程度に小さい。
【０１２０】
第１アクチュエータと第２アクチュエータの組み合わせから成るアクチュエータ群を複数組連結する態様も可能である。
【０１２１】
（発明２）：発明１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータは、互いの長手方向が平行となるように並んで配置されることを特徴とする。
【０１２２】
かかる態様によれば、各アクチュエータは、長手方向を揃えて互いに平行に配置され、長手方向の両端部同士が機械的に連結される。
【０１２３】
（発明３）：発明１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータの長手方向の中央部における当該第１アクチュエータの短手方向の片側端面部分が第１支持体を介して支持され、当該第１支持体で支持される前記片側端面部分と反対側の長手方向両端部に第２支持体を介して前記第２アクチュエータが連結されることを特徴とする。
【０１２４】
かかる態様によれば、第１アクチュエータの中央部を支持する第１支持体とは反対側の第１アクチュエータ側面に第２アクチュエータが接続される。すなわち、第１アクチュエータの中央部を支持する支持部の反対側に、第２アクチュエータの両端部との連結部が設けられる。
【０１２５】
（発明４）：発明１から３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに連結されて構成された１組のアクチュエータ群を複数組備え、隣り合って配置される一方のアクチュエータ群を構成する第２アクチュエータの長手方向の中央部と他方のアクチュエータ群を構成する第１アクチュエータの長手方向の中央部とが連結されていることを特徴とする。
【０１２６】
第１アクチュエータと第２アクチュエータとを組み合わせてなるアクチュエータ群を複数組連結することにより、一層大きな厚み方向変位を得ることができる。
【０１２７】
複数組のアクチュエータ群は、同じ構成単位を用いても良いし、異なる構成のアクチュエータ群をつなぎ合わせても良い。
【０１２８】
（発明５）：発明１から４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有するユニモルフアクチュエータであることを特徴とする。
【０１２９】
アクチュエータ要素として、バイモルフアクチュエータを採用する態様も可能であるが、ユニモルフアクチュエータは構造が簡単であり、作製が容易である。また、ユニモルフアクチュエータは、残留応力による初期反りが発生しやすいため、その影響を回避できる本発明の適用がより効果的である。
【０１３０】
（発明６）：発明１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を含む領域に配置され、その長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの３０〜８０％の範囲であることを特徴とする。
【０１３１】
かかる態様は、両持ち梁の構造（両端支持の構造）の第２アクチュエータにおいて、良好な変位が得られる点で好ましい。
【０１３２】
（発明７）：発明１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を避けて長手方向の両側の端部に分かれて配置され、その各端部における長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの１５〜４５％の範囲であることを特徴とする。
【０１３３】
かかる態様は、両持ち梁の構造（両端支持の構造）の第２アクチュエータにおいて、良好な変位が得られる点で好ましい。
【０１３４】
（発明８）：発明１から７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを互いに逆方向に撓ませ、前記第１アクチュエータの長手方向端部の厚み方向の変位と前記第２アクチュエータの長手方向中央部の厚み方向変位が累積されるように、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータに対して同時に印加されることを特徴とする。
【０１３５】
第１駆動電圧と第２駆動電圧は、同じ電圧でもよいし、異なる電圧でもよい。各アクチュエータの圧電体の分極方向や、圧電駆動部の配置形態（発明６，７）に応じて、各アクチュエータに印加する電圧が設計される。
【０１３６】
（発明９）：発明１から８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの長手方向の両端部同士を連結する部分がミアンダ構造を有していることを特徴とする。
【０１３７】
かかる態様によれば、連結部が変位しやすくなり、より大きなｚ方向（厚み方向）変位を得ることができる。
【０１３８】
（発明１０）：発明１から９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体が１〜１０μｍの範囲の厚さを有する薄膜であることを特徴とする。
【０１３９】
圧電体薄膜を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。
【０１４０】
（発明１１）：発明１から１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。
【０１４１】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
【０１４２】
（発明１２）：発明１から１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。
【０１４３】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
【０１４４】
（発明１３）：発明１０から１２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする。
【０１４５】
スパッタ法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。
【０１４６】
また、直接成膜法は、残留応力に起因する初期反りが発生し得るため、その影響を回避できる本発明の適用が効果的である。
【０１４７】
（発明１４）：発明１０から１３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、スパッタリング法によって成膜された薄膜であることを特徴とする。
【０１４８】
（発明１５）：発明１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられた第１平板電極と、前記第１平板電極に対向して固定配置される第２平板電極と、を備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって前記第１平板電極を前記厚み方向に変位させ、両平板電極間の距離を変化させることで静電容量が変化するように構成されていることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【０１４９】
かかる態様によれば、圧電アクチュエータを駆動することによって第１平板電極（可動電極）が厚み方向に変位する。これにより、第２平板電極（固定電極）と、第１平板電極との電極間距離（ギャップ）が変化し、容量が変化する。
【０１５０】
本発明による圧電アクチュエータは、回転運動がなく、厚み方向への並進変位が可能であるため、制御性のよい可変キャパシタを実現できる。
【０１５１】
（発明１６）：発明１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられたミラー部材と、を備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって前記ミラー部材を前記厚み方向に変位させ、反射面の位置を前記厚み方向に変化させることで、前記ミラー部材に入射する光の光路を変更するように構成されていることを特徴とする光偏向素子。
【０１５２】
かかる態様によれば、圧電アクチュエータを駆動することによってミラー部が厚み方向に並進変位し、反射面の位置が移動する。これにより、反射点、反射光の光軸、光路長などを変えることができる。
【０１５３】
本発明による圧電アクチュエータは、回転運動がなく、厚み方向への並進変位が可能であるため、制御性のよいミラーデバイスを実現できる。
【符号の説明】
【０１５４】
１０…圧電アクチュエータ、１２…アクチュエータ（第１アクチュエータ）、１２Ａ…圧電駆動部、１４…アクチュエータ（第２アクチュエータ）、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…圧電駆動部、１７…支持体、１９…支持体、２２…アクチュエータ（第１アクチュエータ）、２２Ａ…圧電駆動部、２４…アクチュエータ（第２アクチュエータ）、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…圧電駆動部、２７…支持体、３０…振動板、３２…下部電極、３４…圧電体、３６…上部電極、４０…固定部、４７，５７…ミアンダ連結部、１０１…アクチュエータ群、１０２…アクチュエータ群、１１０…圧電アクチュエータ、１１１…アクチュエータ群、１１２…アクチュエータ群、１２０…圧電アクチュエータ、１２１…アクチュエータ群、１２２…アクチュエータ群、１５０…可変容量コンデンサ、１５２…可動電極、１５６…固定フレーム、１５８…固定電極、１６２…ミラー、１６２Ａ…反射面
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエータに係り、特に、デバイスの厚み方向への並進運動（ｚ方向移動）を行う圧電アクチュエータの構造及びこれを利用した可変容量コンデンサ並びに光偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの厚み方向への並進運動（ｚ方向移動）を行うアクチュエータは、様々な用途に用いられる。例えば、このようなアクチュエータを２枚の平行平板電極の片方に用いれば、電極間ギャップを変えることによる可変容量キャパシタとして用いることができる。また、かかるアクチュエータを反射ミラー光学系と組み合わせれば、ミラー部に入射した光の光路変化を行うデバイスとなり、光ディスク読み出し用光ピックアップトラッキングアクチュエータや、可変焦点スキャナとして用いることができるなど、用途は多岐にわたる。
【０００３】
このような動きを実現するアクチュエータとして、静電力駆動や圧電駆動などが報告されているが、静電駆動では１００Ｖ近い電圧が必要であるという欠点がある。これに対して圧電駆動では、比較的低電圧で大きな変位が得られるのが特徴である。圧電駆動においては、簡単な構成で大変位が得られる圧電ユニモルフカンチレバーがよく用いられる。これは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極が積層された構成であり、レバー部の片方の端部が固定されている梁（片持ち梁）の構造である。圧電体に電界をかけることによって圧電体が変形し、レバー部全体が弓なりに反りあがる動きをする。また、より大変位が得られるアクチュエータとして、電極・振動板を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフアクチュエータも用いられる。
【０００４】
特許文献１〜３、非特許文献１，２には、カンチレバー型圧電アクチュエータを利用した可変容量キャパシタの構成例が開示されている。非特許文献３には、光ピックアップの構成例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２７９７３号公報
【特許文献２】特開２００８−００５６４２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５１７２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Jae Y. Park他、“ MICROMACINED RF MEMS TUNABLECAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS ”,‘Microwave Symposium Digest, 2001 IEEE MTT-S International, pp. 2111 -2114 vol.3. (2001)
【非特許文献２】Takashi Kawakubo他、“RF-MEMS TunableCapacitor With 3V Operation Using Folded BeamPiezoelectric Bimorph Actuator”，Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15(6), 1759 -1765. (2006)
【非特許文献３】Youngjoo Yee他、“PZTactuated micromirror for fine-tracking mechanism of high-density optical data storage”、Sensor and Actuator A 89 (2001) 166-173
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これら従来のデバイスはいずれも、純粋な厚み方向（z方向）への駆動を必要とするデバイスである。しかしながら、圧電カンチレバーによる駆動の場合、以下のような問題が常にデバイス設計を難しくしていた。
〔１〕圧電薄膜の残留応力に起因する初期z変位がある（印加電圧0の状態でもz方向に浮いている）。
〔２〕カンチレバー駆動時に面内方向（x,y方向）の動きが入ってしまう。
【０００８】
上記〔１〕の問題は特に圧電体が直接成膜された薄膜である際に顕著である。圧電体−基板間の熱膨張係数が異なるため、基板上に圧電体を高温で成膜した後、常温に戻した際にアクチュエータが弓なりに反り上がることが原因である。この問題は、大変位を得ようとしてアクチュエータの剛性を低くすると一層顕著となる。
【０００９】
上記〔２〕の問題は、カンチレバー型のアクチュエータが本質的に回転的な変位を含むことに起因する。従って、カンチレバー型アクチュエータの場合、x,y方向の面内変位を抑えた、純粋なz方向変位を得るのは難しい。
【００１０】
一般的な圧電カンチレバー型のアクチュエータの場合、大きな変位を得ようとするとアクチュエータの長さを長くする、若しくは振動板の厚みを薄くすることが必要となる。しかしながら、この対応はいずれの場合においても、〔１〕、〔２〕の問題を助長する結果となる。つまり、高い変位を得ることと、〔１〕、〔２〕の問題とは、トレードオフの関係にある。このような理由で、初期z変位をなくしつつ、十分な量でかつ純粋なz方向変位を得るのは非常に難しかった。
【００１１】
以下、具体的なデバイスの例で説明する。
【００１２】
（可変キャパシタについて）
特許文献３の図３を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略し、図中の部材を指す符号を括弧（ ）付きの符号で表す。特許文献３の図３には、圧電体と振動板の積層構造を持つ一般的なアクチュエータである圧電カンチレバーを用いた可変キャパシタが示されている。支持体(39)に一端を固定されたバイモルフまたはユニモルフ型のアクチュエータ部（38）を有する圧電アクチュエータ（31）において、アクチュエータ部（38）の一方の表面に、一つのキャパシタ電極（36）が配設され、そのキャパシタ電極（36）に対面するように、他のキャパシタ電極（33）が配設されている。可変キャパシタ（30）では、圧電アクチュエータ（31）のアクチュエータ部（38）を矢印方向（上下の円弧方向）に変形させることによって、キャパシタ電極（33），（36）間の距離を制御し、その間に生じる静電容量を変えることが可能である。しかしながら、このような従来の可変キャパシタでは、圧電アクチュエータ（31）のアクチュエータ部（38）が弓状に反った変形をするため、キャパシタ電極（33）、（36）が平行を維持しながら近接または隔離されることができず、設計したキャパシタンスを実現することが難しかった。さらに、圧電体の残留分極に起因する反りによって、電圧をかけていない状態においてもカンチレバーが反ってしまうため、場合によってはキャパシタ電極（33）、（36）が最初から接触してしまう問題もあった。
【００１３】
この点、特許文献２や非特許文献２では、カンチレバーを折りたたむ構造にすることによって、接点部分の初期変位を減少させている。しかしながら、駆動の際に電極間が平行を維持できないという問題は解決していない（非特許文献２の「Fig.4」参照）。また、非特許文献２の「Fig.12（a）」のように、２つのアクチュエータを両側から挟みこむようにして配置する方法も提案されているが、素子が大型化する上に、両側から引っ張られる力を緩和するための支持バネ構造を設けなければならないため、複雑な構造となるという問題がある。
【００１４】
（マイクロミラーについて）
非特許文献３の「Fig. 2」、「Fig. 3」、「Fig. 4」を援用して説明する。ただし、本明細書では図面の添付を省略する。非特許文献３のFig. 2〜4には、光ピックアップ用のマイクロミラーが開示されており、反射面をｚ方向（反射面の法線方向）に駆動するためのアクチュエータの構造が提案されている。このような用途では、光を損失なくミラーに反射させる必要があるため、駆動時の面内方向の運動は極力抑えなければならない。そのため同文献３に記載の構造では、４本のユニモルフカンチレバーが一つのミラーを囲むように配置されており、x,y面内方向への変位を抑えてz方向変位を得ている。
【００１５】
しかし、圧電体の残留応力による初期反りは低減できていない。実際に非特許文献３中では、約５μmまでのz変位を得られるアクチュエータにおいて、初期の反りによる初期z変位が５μmほどあることが記載されている。
【００１６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電体の残留応力に起因する初期たわみがあっても、変位点の初期変位の影響を無くすことができる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。また、従来のカンチレバー型と比較して、面内方向の変位を劇的に抑え、純粋な厚み方向変位（ｚ方向並進運動）が得られ、従来の圧電カンチレバーと同等若しくはそれ以上の変位量が得られる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。併せて、この圧電アクチュエータを利用した可変容量コンデンサ及び光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は前記目的を達成するために、第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって第１アクチュエータとは逆方向に撓んで変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。
【００１８】
他の発明態様については、明細書及び図面の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータと、この第１アクチュエータの長手方向の端部に連結されて両端部が支持される第２アクチュエータとを組み合わせた構造としたので、圧電体の残留応力に起因して各アクチュエータに反りがあっても、変位点としての長手方向中央部の初期変位量は０に保つことができる。或いは、無視できる程度に小さいものである。
【００２０】
また、本発明の圧電アクチュエータによれば、最終段のアクチュエータの長手方向中央部では、ほぼ純粋な厚み方向(ｚ方向)変位が得られる。さらに、第１アクチュエータによる変位と第２アクチュエータによる変位が累積され、より大きな変位量が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図２】圧電駆動部を有するアクチュエータの断面図
【図３】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの非駆動時の状態を示す斜視図
【図４】第１実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動時の状態を示す斜視図
【図５】圧電薄膜の電圧−変位特性を示すグラフ
【図６】圧電体の残留応力による初期撓みが生じた時の状態を示す図
【図７】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図８】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの非駆動時の状態を示す斜視図
【図９】第２実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動時の状態を示す斜視図
【図１０】実施例１、２の効果を比較例との対比によりまとめた図表
【図１１】第３実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図
【図１２】長さＬの振動板の中央部分に圧電駆動部（長さＬａ）を配置した構成のアクチュエータの模式図
【図１３】図１２の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と変位量の関係を示したグラフ
【図１４】長さＬの振動板の両端部分に圧電駆動部（長さＬａ）を分けて配置した構成のアクチュエータの模式図
【図１５】図１４の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と変位量の関係を示したグラフ
【図１６】第４実施形態に係る可変容量コンデンサの可動電極とその駆動手段の構造を示した図
【図１７】可動電極の上部に固定電極を配置した構成を示す図
【図１８】第５実施形態に係る光偏向素子の要部構成を示す斜視図
【図１９】光ピックアップ用ミラーデバイスの構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。
【００２３】
〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図である。説明の便宜上、図１の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向、紙面に垂直な方向をｚ方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する。この圧電アクチュエータ１０は、ｙ方向に長い矩形帯状の複数の圧電ユニモルフ型アクチュエータ１２、１４、２２、２４が平行に配置され、これらが支持体１７、１９、２７を介して一体的に連結された構成からなる。
【００２４】
符号１２、２２はそれぞれ「第１アクチュエータ」に相当し、符号１４、２４は「第２アクチュエータ」に相当する。図１の最左に配置されるアクチュエータ１２とその右隣に並んで配置されるアクチュエータ１４の組み合わせによって１組のアクチュエータ群（符号１０１）が構成される。また、これと同様に、アクチュエータ２２とその右隣に並んで配置されるアクチュエータ２４の組み合わせによって１組のアクチュエータ群（符号１０２）が構成される。本例の圧電アクチュエータ１０は、これら２組のアクチュエータ群１０１、１０２を支持体１９によって機械的に連結した構成となっている。
【００２５】
以下の説明の中で、符号１２のアクチュエータを「第１アクチュエータ」或いは「１段目の第１アクチュエータ」と呼ぶ場合があり、符号１４のアクチュエータを「第２アクチュエータ」或いは「１段目の第２アクチュエータ」と呼ぶ場合がある。同様に、符号２２のアクチュエータを「第１アクチュエータ」或いは「２段目の第１アクチュエータ」と呼ぶ場合があり、符号２４のアクチュエータを「第２アクチュエータ」或いは「２段目の第２アクチュエータ」と呼ぶ場合がある。
【００２６】
ここでは、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）のｙ方向の長さＬは等しく、ｘ方向の幅Ｗ１、Ｗ３及びアクチュエータ間隔Ｗ２は等しいもの（Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）を例示したが、本発明の実施に際して、具体的な形態は様々な設計が可能である。各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の長さは異なっていても良く、また、幅Ｗ１、Ｗ３、アクチュエータ間隔Ｗ２も互いに異なって良い。
【００２７】
図１中の斜線部（符号１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａ）は、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の圧電駆動部である。各圧電駆動部１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａは、いずれも上層側から上部電極、圧電体、下部電極、及び振動板が積層された圧電ユニモルフ構造となっている（図２参照）。各圧電駆動部１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａの圧電体を挟む電極間に電圧を印加することによって、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４が厚み方向（ｚ方向）の上に向かって凸、または下に向かって凸（上からみて凹）に、弓なりに撓むように変形する（図３，図４参照）。
【００２８】
図２は、圧電駆動部１２Ａを有するアクチュエータ１２の断面構造を示す図である。ここでは、図１の最左に配置されたアクチュエータ１２の断面図を示すが、他のアクチュエータ１４、２２、２４も同様の構造を有する。
【００２９】
図２に示すように、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４は、振動板３０上に、下部電極３２、圧電体３４、上部電極３６がこの順で積層形成された構造を有する。このような積層構造体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に、下部電極３２、圧電体３４、上部電極３６の各層を順次に成膜することによって得ることができる。上部電極３６と下部電極３２の間に挟まれて圧電体３４が存在する範囲が図１の圧電駆動部（１２Ａ、１４Ａ、２２Ａ、２４Ａ）に相当する。なお、上述の説明ではすべてのアクチュエータがユニモルフアクチュエータ構造を有しているが、本特許におけるアクチュエータはこの構造に限定されるものではなく、例えば２層の圧電体を用いたバイモルフ構造を有していても良い。
【００３０】
図３は圧電アクチュエータ１０の非駆動時の斜視図、図４は駆動時の斜視図である。図示の便宜上、図１の左右と、図３、図４の左右は逆に描かれている。図３及び図４において最右に配置される第１アクチュエータ１２は、図１において最左に配置される１段目の第１アクチュエータ１２である。
【００３１】
この第１アクチュエータ１２は、図１中図中破線で囲んだように、ｙ方向（長手方向）の中央部に、当該第１アクチュエータ１２を支持するための固定部４０（「第１支持体」に相当）が設けられている。この固定部４０は第１アクチュエータ１２の振動板３０（圧電駆動部１２Ａの支持体）と一体的に連結されている支持体によって構成される。好ましくは、振動板３０と一体に形成される。固定部４０は、図示せぬ固定支持部材に連結され、この固定部４０を基準に第１アクチュエータ１２は厚み方向に変位する。なお、固定部４０を支持する固定支持部材（不図示）も、シリコン基板を加工することによって、固定部４０（支持体）と一体的に形成することができる。
【００３２】
第１アクチュエータ１２は、固定部４０を介してｙ方向の中央部分が支持（固定）されているため、圧電駆動部１２Ａの圧電体３４が縮むように電圧を印加すると、固定部４０を中心に振動板３０が撓み（弓なりに反り上がり）、ｙ方向の両端部がｚ方向に上昇する動きをする（図４参照）。
【００３３】
このように屈曲変位する第１アクチュエータ１２のｙ方向の両端部は支持体１７（「第２支持体」に相当）を介して、第２アクチュエータ１４に連結されている。すなわち、第１アクチュエータ１２の中央部を支持するための固定部４０が設けられている第１アクチュエータ１２の短手方向（ｘ方向）の片側端面部分（図１において左側端面部分）と反対側（図１において右側端面）の長手方向両端部に、支持体１７を介して第２アクチュエータ１４の両端部が連結されている。
【００３４】
かかる接続形態により、第２アクチュエータ１４は支持体１７によって両端が支持された両持ち梁の構造となる。また、第２アクチュエータ１４は、その振動板３０の長手方向（ｙ方向）の長さＬに対して、圧電駆動（活性）部１４Ａの長さＬａが短く（Ｌａ＜Ｌ）、振動板３０の長手方向の中央部分に圧電駆動部１４Ａが配置される。この場合、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの３０〜８０％であることが望ましい。
【００３５】
第２アクチュエータ１４を第１アクチュエータ１２と逆方向に駆動すると、第２アクチュエータ１４は、両端の支持体１７を基準に、中心部がｚ方向に盛り上がるように弓なりに変位する（図４参照）。
【００３６】
このように、中央支持の梁構造による第１アクチュエータ１２と、両持ち梁構造の第２アクチュエータ１４とを連結して成る１組のアクチュエータ群１０１を構成し、各アクチュエータ（１２，１４）を逆方向に駆動することで、第１アクチュエータ１２の屈曲変位によるｚ方向の変位量と第２アクチュエータ１４の屈曲変位によるｚ方向の変位量とが重ね合わされ（ｚ方向の変位が増幅され）、第２アクチュエータ１４の中央部にｚ方向の大きな変位が得られる。もちろん、各アクチュエータに印加する電圧方向を上述の説明とは逆にしても良く、その場合は第１アクチュエータ１２は上に凸に変形し、かつ第２アクチュエータ１４は下に凸に変形することにより、第２アクチュエータ１４の中央部はz方向の−方向に変位（下がる動き）をする。以下では簡単のため、第１アクチュエータ１２を下に凸に変形、かつ第２アクチュエータ１４を上に凸に変形させる動きを通常として説明を行う。
【００３７】
この第２アクチュエータ１４の中央部は支持体１９を介して、２段目の第１アクチュエータ２２に連結され、当該２段目の第１アクチュエータ２２の両端部は、さらに支持体２７を介して２段目の第２アクチュエータ２４と連結される。支持体１９によって中央部が支持された梁構造のアクチュエータ２２と、支持体２７によって両端部が支持された梁持ち梁構造のアクチュエータ２４とを連結して成る１組のアクチュエータ群１０２は、先に説明したアクチュエータ群１０１と同様に、各アクチュエータ（２２，２４）が逆方向に駆動される。中央支持のアクチュエータ２２は、１段目の第１アクチュエータ１２と同方向に駆動され、両端支持のアクチュエータ２４は、１段目の第２アクチュエータ１４と同じ方向に駆動される。
【００３８】
これにより、２段目の第１アクチュエータ２２は支持体１９を基準に弓なりに撓み、両端がｚ方向に反り上がる。さらに、２段目のアクチュエータ２４は、両端部の支持体２７を基準に中央部がｚ方向に盛り上がるように弓なりに変位する（図４参照）。
【００３９】
こうして、アクチュエータ群１０１、１０２を並べて繋ぎ合わせた構造により、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）は、固定部４０側から順に、下に凸（符号１２）、上に凸（符号１４）、下に凸（符号２２）、上に凸（符号２４）、と交互に変位方向が入れ替わるように、駆動される。そして、１段目のアクチュエータ群１０１によるｚ方向変位量に、２段目のアクチュエータ群１０２によるｚ方向変位量が累積され、２段目の第２アクチュエータ２４（最終段のアクチュエータ）の中央部に大きなｚ方向の変位が得られる。最大の変位が得られる部分（最大変位点）を図４中の▲印で示した。
【００４０】
図１〜４の例では、２組のアクチュエータ群１０１、１０２を連結した構成例を示したが、２段目のアクチュエータ群１０２を省略する構成（１組のアクチュエータ群１０１のみの構成）も可能である。すなわち、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４とを組み合わせた１組のアクチュエータ群１０１のみの構成でも、各アクチュエータ（１２，１４）のｚ方向変位を蓄積した並進変位の効果がある。
【００４１】
また、図１〜図４で示した構成における２段目のアクチュエータ群１０２に対して、さらに同様のアクチュエータ群を連結するなど、複数組のアクチュエータ群を繰り返し連結する構成も可能である。
【００４２】
なお、第１実施形態においては、１段目のアクチュエータ群１０１と２段目のアクチュエータ群１０２は、同等の構成（サイズ）のものが連結されているが、構成が異なるアクチュエータ群を連結する態様も可能である。例えば、振動板の長さが異なるアクチュエータ群、振動板の幅（アクチュエータ幅）やアクチュエータ間隔が異なる構成のアクチュエータ群を組み合わせる態様もあり得る。
【００４３】
＜電圧供給部の構成について＞
第１実施形態では、１段目及び２段目の第１アクチュエータ１２、２２に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第１駆動制御装置（不図示）と、１段目及び２段目の第２アクチュエータ１４、２４に駆動用の電力を供給する電力供給源としての第２駆動制御装置（不図示）とが別々に設けられている。第１駆動制御装置は、第１アクチュエータ１２、２２を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。第２駆動制御装置は、第２アクチュエータ１４、２４を動作させる駆動電圧を供給する駆動回路とその出力制御回路を含む。
【００４４】
本例の場合、１段目及び２段目の第１アクチュエータ１２、２２を同じ駆動電圧で駆動し、１段目及び２段目の第２アクチュエータ１４、２４を同じ駆動電圧（第１アクチュエータ用の駆動電圧とは異なるもの）で駆動する構成であるため、２種類の電圧供給部（駆動制御装置）を用いているが、各アクチュエータ１２、１４、２２、２４について、それぞれ個別に電圧供給部（駆動制御装置）を設ける態様も可能である。アクチュエータ１２、１４、２２、２４ごとに異なる駆動電圧を印加する形態など、必要に応じて電圧供給部の数が設計される。
【００４５】
なお、第１アクチュエータ１２、２２と、第２アクチュエータ１４、２４に印加する電圧の極性を異ならせることで、アクチュエータのたわみ方向を異ならせる態様の他、圧電体を逆方向にポーリングすることで、駆動方向を異ならせることも可能である。
【００４６】
＜圧電体の例＞
本実施形態の圧電体としては、例えば、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜を用いることができる。本発明者らは、鋭意検討の結果、スパッタリング法によってＮbを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できることを見出している。
【００４７】
図５は、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜（実施例に係る圧電薄膜）の電圧−変位特性を示すグラフである。図５中の□で示したプロット点は変位量を表し、△で示したプロット点は誘電正接を表す。図５に示すように、この圧電薄膜は、印加電圧として−４０Ｖから＋１０Ｖの範囲内では、分極反転がなく、非常にリニアな変位応答を示している。したがって、長手方向の中央部を支持した第１アクチュエータ１２、２２のグループと、長手方向の両端部を支持した第２アクチュエータ１４、２４のグループとに対して、互いに逆極性の電圧を印加する構成を採用する場合には、±１０Ｖの範囲内でリニアな変位応答が得られる駆動電圧を選択することができる。
【００４８】
このような特性を持つ圧電薄膜を用いた第１アクチュエータ（１２、２２）、および第２アクチュエータ（１４，２４）に、互いに逆方向の電界が印加されると、図４に示されるような変形を示す。既述のとおり、各々のアクチュエータ（１２、１４、２２、２４）が互いのｚ方向変位を蓄積していくように変形していき、最終段のアクチュエータ中央部（最大変位点）でｚ方向に大きな変位を得ることができる。
【００４９】
（他の好適な圧電材料について）
本実施形態に適用できる圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
【００５０】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式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、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
【００５１】
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）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は、変位特性の優れたものとなる。
【００５２】
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
【００５３】
バルクの圧電体を基板に接合してもよいが、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体としては、１〜１０μｍの厚さの薄膜であることが好ましい。実施例では、圧電体として、スパッタリング法によって成膜された４μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
【００５４】
＜初期変位の影響について＞
本実施形態の圧電アクチュエータ１０に圧電体の残留応力による初期たわみが生じたときの変形を示したのが図６である。図６中の破線で囲われた部分（符号Ａで示す部分）は、この圧電アクチュエータ１０の駆動時において最大の変位が得られる最大変位点である。このポイントにおいては初期たわみによらず、初期z変位はないことが分かる。
【００５５】
＜製造プロセスについて＞
本例の圧電アクチュエータ１０における各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）、及びこれらをつなぐ支持体１７、１９、２７、固定部３１並びに固定部３１を支持する固定支持部材（不図示）は、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、これらが一体的に構成された構造物として作成することができる。
【００５６】
つまり、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の振動板３０、固定部４０、支持体１７、１９、２７は、シリコン基板を加工して得られた一体物として構成されている。
【００５７】
＜実施例；具体的な製造方法の一例＞
この圧電アクチュエータ１０は、以下のように作成した。
【００５８】
（工程１）まず、ＳＯＩ（Silicon OnInsulator）基板上に、スパッタ法で３０ｎｍのＴｉ密着層と、１５０ｎｍのＩｒ電極層を順次形成した。これらＴｉ密着層及びＩｒ電極層が下部電極に相当する。このときの成膜温度は３５０℃とした。
【００５９】
（工程２）上記得られた基板上に、高周波（ＲＦ；radio frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いて４μｍのＰＺＴ層を成膜した。使用したＲＦマグネトロンスパッタ装置は、アルバック社製強誘電体成膜スパッタ装置ＭＰＳ型である。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr、成膜温度は４５０℃とした。上記で得られた基板上に、リフトオフプロセスによって上部電極であるPt/Tiをパターニングした。
【００６０】
（工程３）上記得られた基板をシリコン加工プロセス（ドライエッチング等）に基づいて加工することで、図１から図３で説明した圧電アクチュエータ１０を得た。
【００６１】
本発明の実施に際しては、上記の実施例に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択、設計される。
【００６２】
＜アクチュエータの長手方向の中央部を支持するという記載の解釈について＞
本明細書では、図１の固定部４０や支持体１９を例示して、アクチュエータの長手方向の中央部を支持する旨を説明している。本明細書でいう「中央部」とは、厳密な中心点を限定的に意味するものではなく、概ね中央部分と把握される範囲の部位を含む。例えば、長手方向の中央位置（設計上の真の中央点）を含む一箇所に固定部や支持部を設けて、これを支持する態様の他、概ね中央部分と把握される範囲内で複数箇所に固定部や支持部を設ける態様があり得る。また、概ね中央部分と把握される範囲内で中央位置を挟んで両側対称的に２箇所以上の固定部や支持部を設ける態様も可能である。この場合、真の中央位置が固定、支持されていない場合もあり得る。
【００６３】
〔第２実施形態〕
図７は第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０の平面図である。図７に示す第２実施形態において、図１から図４で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６４】
図７に示す圧電アクチュエータ１１０は、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４とをｙ方向の両端部で接続する部分（符号４７、５７）にミアンダ（蛇行）状の構造が採用されている。
【００６５】
すなわち、図１に示した支持体１７、２７の構成に代えて、図７のように、折り返し（折り畳み）構造を持つ板状の連結部（以下、「ミアンダ連結部」という。）４７、５７が採用されている。ミアンダ連結部４７、５７は、各アクチュエータ（１２、１４、２２、２４）の大きさと比べて小さく、板の幅も細いものとなっている。かかるミアンダ連結部４７、５７は、第２アクチュエータの変形によって第１アクチュエータに作用する反力を吸収するため、アクチュエータ全体の変位量を増大させる効果がある。このミアンダ連結部４７、５７も図１の支持体１７、２７と同様に、シリコンの加工により一体的に形成される。なお、ミアンダ連結部４７、５７の折り畳み数、細さ、板厚などは適宜設計することができる。
【００６６】
ミアンダ連結部４７によって長手方向の両端部同士が連結された第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４によって１組の（１段目の）アクチュエータ群１１１が構成される。同様に、ミアンダ連結部５７によって長手方向の両端部同士が連結された第１アクチュエータ２２と第２アクチュエータ２４によって１組の（２段目の）アクチュエータ群１１２が構成される。
【００６７】
図８は、この圧電アクチュエータ１１０の非駆動時の様子を示す斜視図、図９は駆動時の様子を示す斜視図である。各アクチュエータ１２、１４、２２、２４の駆動方法は、図１〜４で説明した第１実施形態と同様である。
【００６８】
図７〜図９に示したように、アクチュエータ同士を接続する部分にミアンダ状の構造（符号４７、５７）を取り入れ、コンパクトかつ比較的バネ定数が低い構造とすることによって、アクチュエータのサイズを増加させることなく、さらに高い変位を得ることができる（図９参照）。
【００６９】
図７では、２組のアクチュエータ群１１１、１１２を繰り返し連結した例を示したが、
２段目のアクチュエータ群１１２を省略する構成も可能であるし、さらに多数組のアクチュエータ群を連結する構成も可能である。
【００７０】
＜各実施形態に対応した実施例１、２の効果＞
図１０は、実施例１、２の効果を比較例と対比してまとめた表である。
【００７１】
同表の「実施例１」は、図１中のパラメータＷ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝５０μｍ、Ｗ＝３１０μｍ、Ｌ＝１ｍｍとした構成の圧電アクチュエータに対し、第１アクチュエータ、第２アクチュエータに印加される電圧をそれぞれ−１０Ｖ、＋１０Ｖとしたものであり、このときの変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７２】
「実施例２」は、図７の構成において、図１と同様のパラメータＷ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝５０μｍ、Ｗ＝３１０μｍ、Ｌ＝１ｍｍとした構成の圧電アクチュエータに対し、第１アクチュエータ、第２アクチュエータに印加される電圧をそれぞれ−１０Ｖ、＋１０Ｖとしたものであり、このときの変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７３】
比較例として、さまざまなサイズを持つ両端支持梁、片持ち支持梁構造を持つ圧電カンチレバーの変位も示した。すなわち、比較例として、両端支持梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さＬ＝１ｍｍ、幅３１０μｍ）、片持ち梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さ３１０μｍ）、片持ち梁構造の圧電ユニモルフアクチュエータ（長さ５００μｍ）を用いた。そして、これら各構成に対して、１０Ｖを印加して駆動した場合の変位量（最大変位）などを表中に示した。
【００７４】
なお、圧電体の圧電性能は、各比較例、実施例１、２とも同等にして比較している。
【００７５】
図１０に示すとおり、実施例１、２の構成は、同等サイズの従来アクチュエータ（比較例）に比べて高い変位を得ていることがわかる。
【００７６】
〔第３実施形態〕
図１１は第３実施形態に係る圧電アクチュエータ１２０の平面図である。図１１に示す第３実施形態において、図７から図９で説明した第２実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
図１１の圧電アクチュエータ１２０は、第２アクチュエータ１４、２４における圧電駆動部１４Ｂ、１４Ｃ、２４Ｂ、２４Ｃが振動板の長手方向の中央部分を避けて、長手方向の両端部分に分かれて配置されている。この場合、圧電駆動部１４Ｂ、１４Ｃ、２４Ｂ、２４Ｃの長手方向長さＬａは、振動板全体の長手方向長さＬの１５〜４５％の範囲とすることが好ましい。
【００７８】
このような構成の場合、各圧電駆動部１２Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、２２Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに印加する電界の方向を同じにすることができる。すなわち、すべてのアクチュエータ１２、１４、２２、２４を同一極性の電圧印加によって駆動することができ、これにより、第１アクチュエータ１２、２２と第２アクチュエータ１４、２４を互いに逆方向に撓ませることができる。最も簡単な構成としては、１つの電圧供給部（駆動制御装置）から供給する共通の駆動電圧によって、第１アクチュエータ１２、２２及び第２アクチュエータ１４、２４を駆動することが可能である。
【００７９】
第３実施形態によれば、複雑な電極配置を行う必要がなく、図７〜９で説明した第２実施形態と同様の効果が得られる。さらに、図５で説明したような、電圧−変位特性を持つ圧電薄膜を使用する場合、広い範囲でリニアな変位応答を示すマイナス電圧の領域を利用することができるため、より大きな電圧を印加することにより大きな変位を得ることができ、変位量の制御も簡単である。
【００８０】
＜振動板に対する圧電駆動部の配置形態と両者の長さＬ、Ｌａの関係について＞
図１２は、長さＬの振動板の中央部分に圧電駆動部（長さＬａ）を配置した構成のアクチュエータの模式図である。このアクチュエータの長手方向の両端を支持することによって両持ち梁構造のアクチュエータとなる。
【００８１】
図１３は、図１２の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と、駆動時のアクチュエータ中央部分における厚み方向の変位量の関係を示したグラフである。図１３の縦軸は、変位量の最大値で規格化した値である。図１３において、変位量が最大値の７０％以上となる範囲を好ましい条件として設定すると、０．３≦Ｌａ／Ｌ≦０．８であることが好ましい。すなわち、振動板の中央部分に圧電駆動部を配置する形態の両持ち梁構造のアクチュエータにおいては、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの３０〜８０％であることが望ましい。
【００８２】
なお、図１３において、変位量が最大値の７０％を超えることがさらに好ましい条件であり、図１３のグラフから、変位量が最大値の８０％以上となる範囲、９０％以上となる範囲など、それぞれの範囲に対応する好ましいＬａ／Ｌの条件を読み取ることができる。
【００８３】
図１４は、長さＬの振動板の中央部分を避けて、両端部分に圧電駆動部（長さＬａ）を分けて配置した構成のアクチュエータの模式図である。このアクチュエータの長手方向の両端を支持することによって両持ち梁構造のアクチュエータとなる。
【００８４】
図１５は、図１４の構成における長さの比率（Ｌａ／Ｌ）と、圧電駆動時の厚み方向の変位量の関係を示したグラフである。図１５の縦軸は、変位量の最大値で規格化した値である。図１５において、変位量が最大値の７０％以上となる範囲を好ましい条件として設定すると、０．１５≦Ｌａ／Ｌ≦０．４５であることが好ましい。すなわち、振動板の中央部分を避けて長手方向の両端部分に圧電駆動部を分離配置する形態の両持ち梁構造のアクチュエータにおいては、圧電駆動部の長手方向長さＬａが、振動板の長手方向長さＬの１５〜４５％であることが望ましい。
【００８５】
なお、図１５において、変位量が最大値の７０％を超えることがさらに好ましい条件であり、図１５のグラフから、変位量が最大値の８０％以上となる範囲、９０％以上となる範囲など、それぞれの範囲に対応する好ましいＬａ／Ｌの条件を読み取ることができる。
【００８６】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた可変容量コンデンサ（可変キャパシタ）の例を説明する。図１６は第４実施形態に係る可変容量コンデンサ１５０の可動電極１５２及びその駆動手段の構造を示した図である。
【００８７】
この例では、可動電極１５２の駆動手段として、図７〜図９で説明した圧電アクチュエータ１１０が採用されている。図１６において、図７〜図９で説明した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、圧電アクチュエータ１１０に代えて、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０（図１〜図４）、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ１２０（図１１）等を採用してもよい。
【００８８】
可動電極１５２はシリコンの基材表面に金属の薄膜（電極層）が形成されたものである。この可動電極１５２を挟んで両側に圧電アクチュエータ１１０が対称的に配置され、各圧電アクチュエータ１１０の最大変位部分が連結部１５４を介して可動電極１５２と接続されている。各圧電アクチュエータ１１０の固定部４０は、固定支持部材に相当する固定フレーム１５６に連結されている。可動電極１５２及び各圧電アクチュエータ１１０の裏面側は、空洞部（キャビティ）１５７となっており、可動電極１５２は、連結部１５４に支持されてキャビティ１５７の上に浮かぶような形で配置されている。
【００８９】
図１７は、図１６で説明した可動電極１５２の上部に固定電極１５８を配置した構成を示す図である。図１７のように、固定電極１５８は、可動電極１５２の上部を覆うように固定配置される。
【００９０】
図７〜９で説明したように、圧電アクチュエータ１１０を駆動すると、可動電極１５２が厚み方向（ｚ方向）に平行移動し、固定電極１５８と可動電極１５２間の距離が変化する。これにより、キャパシタンス（静電容量）が変化する。
【００９１】
＜より具体的な実施例＞
第４実施形態に係る可変容量コンデンサの一具体例として、圧電アクチュエータ１１０のディメンジョンは、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝25μｍ、Ｌ＝500μｍ、可動電極１５２のサイズは一辺が300μｍの正方形（300μｍ角）となっている。この実施例による可変容量コンデンサは、以下の手順で製造される。
【００９２】
（製造プロセスの例）
（工程１）：ＳＯＩ基板上にスパッタ法などによって下部電極を成膜し、得られた基板にスパッタ法などで圧電体膜を成膜する。なお、基板上にバルク圧電体を貼り付け、研磨しても良い。
【００９３】
（工程２）：次にフォトリソグラフィ技術によって上部電極をパターニングし、その後、プラズマを用いたドライエッチングや、フッ酸・塩酸混合液によるウェトエッチングによってＰＺＴをパターニングする。
【００９４】
（工程３）：その後、プラズマを用いたドライエッチングによって下部電極とデバイス層Ｓｉをパターンエッチする。
【００９５】
（工程４）：次に、固定電極（図１７の符号１５８）を上部に形成したい部分にレジストを代表とする犠牲層をパターニングする。
【００９６】
（工程５）：その後、メッキ技術によって犠牲層上にメッキによって固定電極となる金属構造体を成長させる。
【００９７】
（工程６）：この後、犠牲層をＯ２クリーニングなどで取り除くことによって、アクチュエータ上部に固定電極がブリッジした構造を得る。
【００９８】
（工程７）：最後に裏面のハンドル層、Ｂｏｘ-ＳｉＯ２層をDeep RIE(深堀り反応性イオンエッチング）することにより、図１７のような可動電極１５２、固定電極１５８がキャビティ１５７上に形成された構造を得ることができる。
【００９９】
上記のプロセスで製造される可変キャパシタデバイス（図１６，図１７の可変容量コンデンサ１５０）のサイズは、一例として500μｍ×640μｍであり、圧電ユニモルフアクチュエータの振動板厚みは５μｍとした。この構成では、５Ｖの電圧でz方向変位3.4μｍが得られる。また、圧電体の残留応力による初期反りがあっても、可動電極の初期z位置は0であり（図６参照）、設計と完全に一致するキャパシタンスが得られる。
【０１００】
例えば、固定電極１５８と可動電極１５２との間の初期ギャップを500ｎｍとすると、５Ｖ駆動でキャパシタンスは0.71ｐＦ→0.089ｐＦへと変化する。この駆動範囲の場合、キャパシタンスの変化率（最大値Ｃmaxと最小値Ｃminの比）Ｃmax／Ｃminは８である。なお、マイナス電圧印加による駆動分も加えると、キャパシタンスの変化率はさらに拡大する。
【０１０１】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の実施形態による圧電アクチュエータを備えた光偏向素子の例を説明する。図１６で説明した構成と、同様の構成において、可動電極１５２に代えて、光を反射させるためのミラーとすれば、光の反射点を変化させて焦点や照射位置を動かすデバイスとして利用できる。
【０１０２】
図１８は、ミラー１６２を厚み方向に並進移動させた動きを示す図である。図１８において、図７〜図９、図１６及び図１７で説明した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、図１８においては、図１６及び図１７に示した固定フレーム１５６の図示を省略した。図１８に示したマイクロミラーアクチュエータの構成によれば、圧電アクチュエータ１１０、１１０の駆動により、ミラー１６２をｚ方向に並進移動させることができる。
【０１０３】
図１８の構成を用いて、図１９に示すような光ピックアップにおけるトラッキング用ミラーアクチュエータを作製することができる。図１９では図示を簡略化し、ミラー１６２のみを示し、アクチュエータ部の記載を省略した。
【０１０４】
図１９のように、ミラー１６２は、その反射面１６２Ａがレーザ光の入射光軸に対して４５度傾斜するような姿勢で配置される。アクチュエータを駆動してミラー１６２を厚み方向に変位させると、反射面１６２Ａの位置が移動し、反射面１６２Ａに対する入射光の到達点が変わり、反射光の光軸がシフトする。ミラー１６２の厚み方向の変位量をｈ、反射光の光軸のシフト量をｄとすると、ｄ＝（√２）×ｈの関係で反射光を制御できる。
【０１０５】
なお、ミラー１６２の傾斜角度は４５度に限らず、様々な配置形態が可能であり、反射面に対する入射光の入射角度と、反射面の位置、入射光が反射面に当たる位置、などの条件に応じて光路を制御できる。
【０１０６】
図１８及び図１９で説明した例に限らず、本技術は、レーザ光等の光を反射して光の進行方向、光路長、光経路等を変える光学装置として様々な用途に利用できる。
【０１０７】
＜本発明の実施形態による圧電アクチュエータと従来のアクチュエータとの比較＞
比較として非特許文献３に報告されているアクチュエータをみると、同文献では、ユニモルフアクチュエータの振動板厚みを2μｍまで下げることにより、５Vの電圧印加において変位3.5μｍが得られている。しかしながら、同文献では、製造時の残留応力により初期の反りが5μｍ生じてしまっている。
【０１０８】
これに対し、本発明による第４実施形態及び第５実施形態と同様のアクチュエータでは、振動板厚みが5μｍで、5Ｖ印加により同等の変位3.4μｍが得られる。本発明の実施形態の構成は、非特許文献３の構成に比べて、振動板が厚いので剛性が高く、歩留まりは劇的に向上する。また、残留応力に起因する反りによる初期変位は0である。
【０１０９】
さらに、本発明の実施形態において、振動板を非特許文献３と同様に、2μｍとした場合、16.7μｍの変位が得られる。なお、この場合は圧電膜の厚みは2μｍとした。
【０１１０】
＜本発明の実施形態による効果＞
（１）圧電体の残留応力に起因して各アクチュエータに反りがある場合であっても、圧電駆動時の変位点である長手方向中央部の初期変位量は０に保たれる。
【０１１１】
（２）アクチュエータの長手方向中央部では、ほぼ純粋な厚み方向(z方向)変位が得られる。
【０１１２】
（３）ユニモルフカンチレバーなどの従来の一般的な圧電アクチュエータに比べ、同等もしくはそれ以上の変位量が得られる。
【０１１３】
＜他の変形例１＞
第１実施形態及び第２実施形態では、第１アクチュエータ１２、２２を駆動するための駆動電圧制御装置と、第２アクチュエータ１４、２４を駆動するための駆動制御装置とを別々に設ける構成を説明したが、１台の駆動制御装置から複数種類の駆動電圧を出力する構成も可能である。また、駆動電圧供給源とその制御手段とは必ずしも一体である必要はない。例えば、第１アクチュエータ用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、第２アクチュエータ駆動用の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、これら駆動電圧供給源を制御する1台の制御装置と、によって同様のシステムを構成することが可能である。
【０１１４】
＜他の変形例２＞
上述の実施形態では、圧電ユニモルフアクチュエータを複数本組み合わせてアクチュエータ群を構成する例を示したが、バイモルフアクチュエータを用いる態様も可能である。
【０１１５】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
【０１１６】
＜付記；開示する発明の態様について＞
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
【０１１７】
（発明１）：第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって前記第１アクチュエータとは逆方向に撓み変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【０１１８】
この発明によれば、長手方向の中央部が支持される第１アクチュエータと、両端部が支持される第２アクチュエータとの両端部同士を機械的に連結してなる１組のアクチュエータ群が構成される。第１アクチュエータと第２アクチェータを厚み方向に対して逆方向に撓み変形（屈曲変位）させることで、それぞれの変位が厚み方向に累積され、大きな変位が得られる。しかも、この構成は、回転的な動きがなく、厚み方向の並進変位を実現できる。
【０１１９】
また、残留応力によって初期撓みが生じたとしても、アクチュエータの中央の初期変位はゼロか、無視できる程度に小さい。
【０１２０】
第１アクチュエータと第２アクチュエータの組み合わせから成るアクチュエータ群を複数組連結する態様も可能である。
【０１２１】
（発明２）：発明１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータは、互いの長手方向が平行となるように並んで配置されることを特徴とする。
【０１２２】
かかる態様によれば、各アクチュエータは、長手方向を揃えて互いに平行に配置され、長手方向の両端部同士が機械的に連結される。
【０１２３】
（発明３）：発明１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータの長手方向の中央部における当該第１アクチュエータの短手方向の片側端面部分が第１支持体を介して支持され、当該第１支持体で支持される前記片側端面部分と反対側の長手方向両端部に第２支持体を介して前記第２アクチュエータが連結されることを特徴とする。
【０１２４】
かかる態様によれば、第１アクチュエータの中央部を支持する第１支持体とは反対側の第１アクチュエータ側面に第２アクチュエータが接続される。すなわち、第１アクチュエータの中央部を支持する支持部の反対側に、第２アクチュエータの両端部との連結部が設けられる。
【０１２５】
（発明４）：発明１から３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに連結されて構成された１組のアクチュエータ群を複数組備え、隣り合って配置される一方のアクチュエータ群を構成する第２アクチュエータの長手方向の中央部と他方のアクチュエータ群を構成する第１アクチュエータの長手方向の中央部とが連結されていることを特徴とする。
【０１２６】
第１アクチュエータと第２アクチュエータとを組み合わせてなるアクチュエータ群を複数組連結することにより、一層大きな厚み方向変位を得ることができる。
【０１２７】
複数組のアクチュエータ群は、同じ構成単位を用いても良いし、異なる構成のアクチュエータ群をつなぎ合わせても良い。
【０１２８】
（発明５）：発明１から４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有するユニモルフアクチュエータであることを特徴とする。
【０１２９】
アクチュエータ要素として、バイモルフアクチュエータを採用する態様も可能であるが、ユニモルフアクチュエータは構造が簡単であり、作製が容易である。また、ユニモルフアクチュエータは、残留応力による初期反りが発生しやすいため、その影響を回避できる本発明の適用がより効果的である。
【０１３０】
（発明６）：発明１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を含む領域に配置され、その長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの３０〜８０％の範囲であることを特徴とする。
【０１３１】
かかる態様は、両持ち梁の構造（両端支持の構造）の第２アクチュエータにおいて、良好な変位が得られる点で好ましい。
【０１３２】
（発明７）：発明１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を避けて長手方向の両側の端部に分かれて配置され、その各端部における長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの１５〜４５％の範囲であることを特徴とする。
【０１３３】
かかる態様は、両持ち梁の構造（両端支持の構造）の第２アクチュエータにおいて、良好な変位が得られる点で好ましい。
【０１３４】
（発明８）：発明１から７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを互いに逆方向に撓ませ、前記第１アクチュエータの長手方向端部の厚み方向の変位と前記第２アクチュエータの長手方向中央部の厚み方向変位が累積されるように、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータに対して同時に印加されることを特徴とする。
【０１３５】
第１駆動電圧と第２駆動電圧は、同じ電圧でもよいし、異なる電圧でもよい。各アクチュエータの圧電体の分極方向や、圧電駆動部の配置形態（発明６，７）に応じて、各アクチュエータに印加する電圧が設計される。
【０１３６】
（発明９）：発明１から８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの長手方向の両端部同士を連結する部分がミアンダ構造を有していることを特徴とする。
【０１３７】
かかる態様によれば、連結部が変位しやすくなり、より大きなｚ方向（厚み方向）変位を得ることができる。
【０１３８】
（発明１０）：発明１から９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体が１〜１０μｍの範囲の厚さを有する薄膜であることを特徴とする。
【０１３９】
圧電体薄膜を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。
【０１４０】
（発明１１）：発明１から１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。
【０１４１】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
【０１４２】
（発明１２）：発明１から１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。
【０１４３】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
【０１４４】
（発明１３）：発明１０から１２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする。
【０１４５】
スパッタ法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。
【０１４６】
また、直接成膜法は、残留応力に起因する初期反りが発生し得るため、その影響を回避できる本発明の適用が効果的である。
【０１４７】
（発明１４）：発明１０から１３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、スパッタリング法によって成膜された薄膜であることを特徴とする。
【０１４８】
（発明１５）：発明１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられた第１平板電極と、前記第１平板電極に対向して固定配置される第２平板電極と、を備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって前記第１平板電極を前記厚み方向に変位させ、両平板電極間の距離を変化させることで静電容量が変化するように構成されていることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【０１４９】
かかる態様によれば、圧電アクチュエータを駆動することによって第１平板電極（可動電極）が厚み方向に変位する。これにより、第２平板電極（固定電極）と、第１平板電極との電極間距離（ギャップ）が変化し、容量が変化する。
【０１５０】
本発明による圧電アクチュエータは、回転運動がなく、厚み方向への並進変位が可能であるため、制御性のよい可変キャパシタを実現できる。
【０１５１】
（発明１６）：発明１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられたミラー部材と、を備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって前記ミラー部材を前記厚み方向に変位させ、反射面の位置を前記厚み方向に変化させることで、前記ミラー部材に入射する光の光路を変更するように構成されていることを特徴とする光偏向素子。
【０１５２】
かかる態様によれば、圧電アクチュエータを駆動することによってミラー部が厚み方向に並進変位し、反射面の位置が移動する。これにより、反射点、反射光の光軸、光路長などを変えることができる。
【０１５３】
本発明による圧電アクチュエータは、回転運動がなく、厚み方向への並進変位が可能であるため、制御性のよいミラーデバイスを実現できる。
【符号の説明】
【０１５４】
１０…圧電アクチュエータ、１２…アクチュエータ（第１アクチュエータ）、１２Ａ…圧電駆動部、１４…アクチュエータ（第２アクチュエータ）、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…圧電駆動部、１７…支持体、１９…支持体、２２…アクチュエータ（第１アクチュエータ）、２２Ａ…圧電駆動部、２４…アクチュエータ（第２アクチュエータ）、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…圧電駆動部、２７…支持体、３０…振動板、３２…下部電極、３４…圧電体、３６…上部電極、４０…固定部、４７，５７…ミアンダ連結部、１０１…アクチュエータ群、１０２…アクチュエータ群、１１０…圧電アクチュエータ、１１１…アクチュエータ群、１１２…アクチュエータ群、１２０…圧電アクチュエータ、１２１…アクチュエータ群、１２２…アクチュエータ群、１５０…可変容量コンデンサ、１５２…可動電極、１５６…固定フレーム、１５８…固定電極、１６２…ミラー、１６２Ａ…反射面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、
第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって前記第１アクチュエータとは逆方向に撓み変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータは、互いの長手方向が平行となるように並んで配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１アクチュエータの長手方向の中央部における当該第１アクチュエータの短手方向の片側端面部分が第１支持体を介して支持され、
当該第１支持体で支持される前記片側端面部分と反対側の長手方向両端部に第２支持体を介して前記第２アクチュエータが連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに連結されて構成された１組のアクチュエータ群を複数組備え、隣り合って配置される一方のアクチュエータ群を構成する第２アクチュエータの長手方向の中央部と他方のアクチュエータ群を構成する第１アクチュエータの長手方向の中央部とが連結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有するユニモルフアクチュエータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を含む領域に配置され、その長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの３０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を避けて長手方向の両側の端部に分かれて配置され、その各端部における長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの１５〜４５％の範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１駆動電圧と前記第２駆動電圧は、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを互いに逆方向に撓ませ、前記第１アクチュエータの長手方向端部の厚み方向の変位と前記第２アクチュエータの長手方向中央部の厚み方向変位が累積されるように、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータに対して同時に印加されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの長手方向の両端部同士を連結する部分がミアンダ構造を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体が１〜１０μｍの範囲の厚さを有する薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１２】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１３】
前記圧電体は、振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記圧電体は、スパッタリング法によって成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられた第１平板電極と、
前記第１平板電極に対向して固定配置される第２平板電極と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記第１平板電極を前記厚み方向に変位させ、両平板電極間の距離を変化させることで静電容量が変化するように構成されていることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【請求項１６】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられたミラー部材と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記ミラー部材を前記厚み方向に変位させ、反射面の位置を前記厚み方向に変化させることで、前記ミラー部材に入射する光の光路を変更するように構成されていることを特徴とする光偏向素子。
【請求項１】
第１圧電駆動部を有する第１アクチュエータであって、その長手方向の中央部が支持され、前記第１圧電駆動部への第１駆動電圧の印加によって撓んで変形し、長手方向の両端部が厚み方向に変位する第１アクチュエータと、
第２圧電駆動部を有する第２アクチュエータであって、その長手方向の両端部が前記第１アクチュエータの長手方向の両端部に連結され、前記第２圧電駆動部への第２駆動電圧の印加によって前記第１アクチュエータとは逆方向に撓み変形し、長手方向の中央部が厚み方向に変位する第２アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータは、互いの長手方向が平行となるように並んで配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１アクチュエータの長手方向の中央部における当該第１アクチュエータの短手方向の片側端面部分が第１支持体を介して支持され、
当該第１支持体で支持される前記片側端面部分と反対側の長手方向両端部に第２支持体を介して前記第２アクチュエータが連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに連結されて構成された１組のアクチュエータ群を複数組備え、隣り合って配置される一方のアクチュエータ群を構成する第２アクチュエータの長手方向の中央部と他方のアクチュエータ群を構成する第１アクチュエータの長手方向の中央部とが連結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有するユニモルフアクチュエータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を含む領域に配置され、その長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの３０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記第２アクチュエータは振動板に下部電極、圧電体、上部電極がこの順で厚み方向に積層された構造を有し、当該第２アクチュエータにおける前記下部電極と前記上部電極に挟まれた前記圧電体の領域が前記第２圧電駆動部となり、該第２圧電駆動部は当該第２アクチュエータにおける振動板の長手方向の中央部分を避けて長手方向の両側の端部に分かれて配置され、その各端部における長手方向の長さは、当該振動板の長手方向の長さの１５〜４５％の範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１駆動電圧と前記第２駆動電圧は、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを互いに逆方向に撓ませ、前記第１アクチュエータの長手方向端部の厚み方向の変位と前記第２アクチュエータの長手方向中央部の厚み方向変位が累積されるように、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータに対して同時に印加されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの長手方向の両端部同士を連結する部分がミアンダ構造を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体が１〜１０μｍの範囲の厚さを有する薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，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：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１２】
前記第１圧電駆動部及び前記第２圧電駆動部のそれぞれを構成する圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１３】
前記圧電体は、振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記圧電体は、スパッタリング法によって成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられた第１平板電極と、
前記第１平板電極に対向して固定配置される第２平板電極と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記第１平板電極を前記厚み方向に変位させ、両平板電極間の距離を変化させることで静電容量が変化するように構成されていることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【請求項１６】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける厚み方向の最大変位が得られる部分に取り付けられたミラー部材と、を備え、
前記圧電アクチュエータの駆動によって前記ミラー部材を前記厚み方向に変位させ、反射面の位置を前記厚み方向に変化させることで、前記ミラー部材に入射する光の光路を変更するように構成されていることを特徴とする光偏向素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−２１００９２（Ｐ２０１２−２１００９２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４４３０（Ｐ２０１１−７４４３０）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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