JP2007019290A - Piezoelectric thin film vibrator, method for manufacturing the same, drive device using the same, and piezoelectric motor - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、薄膜形成技術を用いて形成された圧電素子を備えた圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータに関し、低コストで製造できる圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータを提供することを目的とする。
【解決手段】進行波を発生させるレゾネータ4と、薄膜形成技術により形成された、第1の電極3と、第1の電極3上に形成された圧電薄膜2と、圧電薄膜2上に形成された第2の電極13とを備え、レゾネータ4上に貼り合わされた複数の圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dと、複数の圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dのそれぞれをレゾネータ4に貼り合わせる接着層40とを有するように構成する。
【選択図】図2
The present invention relates to a piezoelectric thin film vibrator including a piezoelectric element formed by using a thin film forming technique, a manufacturing method thereof, and a driving device and a piezoelectric motor using the piezoelectric thin film vibrator, which can be manufactured at low cost. It is an object of the present invention to provide a child, a method for manufacturing the same, a driving device using the same, and a piezoelectric motor.
A resonator that generates traveling waves, a first electrode 3 formed by a thin film formation technique, a piezoelectric thin film 2 formed on the first electrode 3, and a piezoelectric thin film 2 formed on the piezoelectric thin film 2. The plurality of piezoelectric elements 1a to 1d and the piezoelectric elements 11a to 11d bonded to the resonator 4 and the plurality of piezoelectric elements 1a to 1d and the piezoelectric elements 11a to 11d are respectively connected to the resonator 4. And an adhesive layer 40 to be bonded.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、薄膜形成技術を用いて形成された圧電素子を備えた圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film vibrator including a piezoelectric element formed by using a thin film forming technique, a manufacturing method thereof, a driving device and a piezoelectric motor using the piezoelectric thin film vibrator.
圧電素子の圧電効果を利用した圧電薄膜振動子は、超音波モータ(圧電モータ)や圧電アクチュエータなどに用いられている。圧電素子は一般に、一対の電極と電極間に狭持された圧電薄膜とを有している。 Piezoelectric thin film vibrators using the piezoelectric effect of piezoelectric elements are used in ultrasonic motors (piezoelectric motors), piezoelectric actuators, and the like. A piezoelectric element generally has a pair of electrodes and a piezoelectric thin film sandwiched between the electrodes.
圧電素子は、蒸着装置やスパッタリング装置、あるいはCVD装置などを用いた薄膜形成技術によって形成されている。薄膜形成技術を用いると、圧電素子の素子厚を薄くできるので、印加電圧を小さくできると共に圧電素子全体の小型化を図ることができる。 The piezoelectric element is formed by a thin film forming technique using a vapor deposition apparatus, a sputtering apparatus, a CVD apparatus, or the like. When the thin film forming technique is used, the element thickness of the piezoelectric element can be reduced, so that the applied voltage can be reduced and the entire piezoelectric element can be miniaturized.
図16は従来の薄膜形成技術を用いた圧電薄膜振動子106の製造方法を示している。図16(a)および図16(b)に示すように、Si単結晶基板で形成されたレゾネータ114上に第1の金属薄膜(下部電極)103を成膜する。次に、図16(c)に示すように、第1の金属薄膜103上に圧電薄膜102を成膜する。次に、図16(d)に示すように、圧電薄膜102上に第2の金属薄膜133を成膜する。次に、図16(e)に示すように、第2の金属薄膜133を所定の形状にパターニングして複数の上部電極113を形成する。次に、レゾネータ114と第1の金属薄膜103、および圧電薄膜102とをレゾネータ114の板面に垂直な方向(図中上下方向)に切断して複数の圧電薄膜振動子106が製造される。
FIG. 16 shows a manufacturing method of the piezoelectric
円板形状の圧電薄膜振動子106を製造する場合、隣接する複数の圧電薄膜振動子106間に圧電薄膜振動子106として用いられないSi単結晶基板の領域が必ず形成される。その領域にも第1の電極薄膜103と圧電膜膜102と第2の金属薄膜133とを成膜する必要があるため、製造コストが高くなるという問題がある。
When the disk-shaped piezoelectric
また、圧電薄膜振動子106内の圧電素子を形成する必要がない領域にも第1の電極薄膜103と圧電膜膜102、および第2の金属薄膜133とを成膜する必要があるため、製造コストが高くなるという問題がある。
Further, since it is necessary to form the first electrode
本発明の目的は、低コストで製造できる圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film vibrator that can be manufactured at a low cost, a manufacturing method thereof, a driving device using the piezoelectric thin film vibrator, and a piezoelectric motor.
上記目的は、進行波を発生させるレゾネータと、薄膜形成技術により形成された、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第2の電極とを備え、前記レゾネータ上に貼り合わされた複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子のそれぞれを前記レゾネータに貼り合わせる接着層とを有することを特徴とする圧電薄膜振動子によって達成される。 The object is to generate a traveling wave, a first electrode formed by a thin film forming technique, a piezoelectric thin film formed on the first electrode, and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. And a plurality of piezoelectric elements bonded on the resonator, and an adhesive layer for bonding each of the plurality of piezoelectric elements to the resonator. .
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記圧電薄膜は、前記第1の電極上に形成されたエピタキシャル成長した膜であることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the piezoelectric thin film is an epitaxially grown film formed on the first electrode.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記複数の圧電素子は、異なる配置領域の2つの圧電素子部のいずれかに属し、前記圧電素子の貼り合わせ位置の間隔は、前記2つの圧電素子部で等しいことを特徴とする。 In the piezoelectric thin film vibrator of the present invention, the plurality of piezoelectric elements belong to one of two piezoelectric element portions in different arrangement regions, and an interval between the bonding positions of the piezoelectric elements is the two piezoelectric elements. It is characterized by being equal in parts.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記レゾネータは薄板形状を有し、前記複数の圧電素子は、前記レゾネータの表面及び裏面に貼り合わされていることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the resonator has a thin plate shape, and the plurality of piezoelectric elements are bonded to the front surface and the back surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記裏面に貼り合わされた前記圧電素子は、前記表面に貼り合わされた前記圧電素子の直下に貼り合わされていることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the piezoelectric element bonded to the back surface is bonded directly below the piezoelectric element bonded to the front surface.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、隣り合う2つの前記圧電素子は、一方は前記レゾネータの表面に貼り合わされ、他方は前記レゾネータの裏面に貼り合わされていることを特徴とする。 In the piezoelectric thin film vibrator according to the present invention, one of the two adjacent piezoelectric elements is bonded to the surface of the resonator, and the other is bonded to the back surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記圧電薄膜振動子は円形状の外周を有し、前記複数の圧電素子は放射状に配置されていることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the present invention is characterized in that the piezoelectric thin film vibrator has a circular outer periphery, and the plurality of piezoelectric elements are arranged radially.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て矩形であることを特徴とする。 In the piezoelectric thin film vibrator according to the invention, the shape of the piezoelectric element is rectangular when viewed in a direction perpendicular to the plate surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て扇形であることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the shape of the piezoelectric element is a sector when viewed in a direction perpendicular to the plate surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て台形であることを特徴とする。 In the piezoelectric thin film vibrator according to the invention, the shape of the piezoelectric element is a trapezoid when viewed in a direction perpendicular to the plate surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記レゾネータは金属で形成されていることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the resonator is made of metal.
上記本発明の圧電薄膜振動子であって、前記レゾネータは樹脂で形成されていることを特徴とする。 The piezoelectric thin film vibrator according to the invention is characterized in that the resonator is made of resin.
また、上記目的は、上記本発明の圧電薄膜振動子と、隣り合う前記複数の圧電素子に位相が半周期ずれた交流電圧を印加する交流電源とを有することを特徴とする駆動装置によって達成される。 Further, the above object is achieved by a driving device comprising the piezoelectric thin film vibrator of the present invention and an AC power supply that applies an AC voltage whose phase is shifted by a half period to the plurality of adjacent piezoelectric elements. The
また、上記目的は、上記本発明の駆動装置を備えたステータと、前記圧電薄膜振動子上に配置されたロータとを有することを特徴とする圧電モータによって達成される。 Further, the above object is achieved by a piezoelectric motor comprising a stator provided with the driving device of the present invention and a rotor disposed on the piezoelectric thin film vibrator.
また、上記目的は、基板上に第1の金属薄膜を成膜し、前記第1の金属薄膜上に圧電薄膜を成膜し、前記圧電薄膜上に第2の金属薄膜を成膜して圧電素子層を形成し、前記圧電素子層を所定の形状にパターニングし、前記圧電素子層を個片化して複数の圧電素子を形成し、前記複数の圧電素子を接着層を介してレゾネータ上に貼り合わせることを特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法によって達成される。 In addition, the object is to form a first metal thin film on a substrate, a piezoelectric thin film on the first metal thin film, and a second metal thin film on the piezoelectric thin film. An element layer is formed, the piezoelectric element layer is patterned into a predetermined shape, the piezoelectric element layer is divided into pieces to form a plurality of piezoelectric elements, and the plurality of piezoelectric elements are pasted on a resonator via an adhesive layer. This is achieved by a method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator characterized by matching.
上記本発明の圧電薄膜振動子の製造方法であって、前記圧電薄膜は、前記第1の金属薄膜上にエピタキシャル成長により成膜されることを特徴とする。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to the present invention is characterized in that the piezoelectric thin film is formed on the first metal thin film by epitaxial growth.
上記本発明の圧電薄膜振動子の製造方法であって、前記複数の圧電素子を、異なる2つの配置領域のいずれかに貼り合わせて2つの圧電素子部を形成し、前記圧電素子を、前記2つの圧電素子部で等間隔に貼り合わせることを特徴とする。 In the method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to the invention, the plurality of piezoelectric elements are bonded to one of two different arrangement regions to form two piezoelectric element portions, and the piezoelectric element is It is characterized in that two piezoelectric element portions are bonded at equal intervals.
上記本発明の圧電薄膜振動子の製造方法であって、前記複数の圧電素子を前記レゾネータの表面及び裏面に貼り合わせることを特徴とする。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to the present invention is characterized in that the plurality of piezoelectric elements are bonded to the front surface and the back surface of the resonator.
上記本発明の圧電薄膜振動子の製造方法であって、前記裏面に貼り合わせる前記圧電素子を前記表面に貼り合わせる前記圧電素子の直下に貼り合わせることを特徴とする。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to the present invention is characterized in that the piezoelectric element to be bonded to the back surface is bonded directly below the piezoelectric element to be bonded to the front surface.
上記本発明の圧電薄膜振動子の製造方法であって、隣り合う2つの前記圧電素子の一方を前記レゾネータの表面に貼り合わせ、他方を前記レゾネータの裏面に貼り合わせることを特徴とする。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to the present invention is characterized in that one of the two adjacent piezoelectric elements is bonded to the surface of the resonator and the other is bonded to the back surface of the resonator.
本発明によれば、低コストで製造できる圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータを実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric thin film vibrator which can be manufactured at low cost, its manufacturing method, a drive device and a piezoelectric motor using the same are realizable.
〔第1の実施の形態〕
本発明の第1の実施の形態による圧電薄膜振動子およびその製造方法、並びにそれを用いた駆動装置および圧電モータについて図1乃至図10を用いて説明する。図1は本実施の形態による圧電薄膜振動子の構成を示す斜視図である。図2は、本実施の形態による圧電薄膜振動子6の平面図である。また、図3は図2のA−A線で切断した断面図である。図1乃至図3に示すように本実施の形態による圧電薄膜振動子6は、進行波を発生させるレゾネータ4と、薄膜形成技術により形成された、第1の電極3と、第1の電極3上に形成された圧電薄膜2と、圧電薄膜2上に形成された第2の電極13とを備え、レゾネータ上4に貼り合わされた複数の圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dと、複数の圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dのそれぞれをレゾネータ4に貼り合わせる接着層40とを有している。
[First Embodiment]
A piezoelectric thin film vibrator and a method for manufacturing the same according to a first embodiment of the present invention, and a driving device and a piezoelectric motor using the same will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a piezoelectric thin film vibrator according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric
レゾネータ4は薄板状に形成されて、円形状の外周を有している。レゾネータ4は、例えば熱可塑性のポリカーボネイト(PC)、ポリエチレンテフタレート(PET)、あるいは熱硬化性のフェノール樹脂、エポキシ樹脂などの合成樹脂で形成され、板厚は数十μm〜1mm程度である。圧電薄膜振動子6の中央部には中心が圧電薄膜振動子6の外周円6aの中心にほぼ一致する円形状の貫通孔5が形成されている。
The
図2に示すように、レゾネータ4上には異なる配置領域に圧電素子部1および11が形成されている。圧電素子部1は、長辺の長さが例えば10mmであり、短辺の長さが例えば1mmであり、厚さが例えば3μm程度である直方体形状の圧電素子1a、1b、1c、1dを有している。すなわち、圧電素子1a〜1dの形状は、レゾネータ4の板面に垂直な方向に見て矩形である。圧電素子1a〜1dは、長辺を圧電薄膜振動子6の中心から半径方向に向けて貼り合わされている。同様に、圧電素子部11は圧電素子1a〜1dと同一形状の圧電素子11a、11b、11c、11dを有している。圧電素子11a〜11dは、長辺を圧電薄膜振動子6の中心から半径方向に向けて貼り合わされている。圧電素子1a、1b、1c、1dおよび圧電素子11a、11b、11c、11dはこの順に円周状に時計回りに配置されている。
As shown in FIG. 2, the
圧電素子1a〜1dの隣り合う圧電素子間には、圧電素子同士を電気的に絶縁するほぼ扇形の形状の空間部17が形成されている。圧電薄膜振動子6の中心(図2中、外周円6aの中心)から半径方向に延びて圧電素子1aを2等分する仮想直線と圧電素子1bを2等分する仮想直線とが成す角度θ1はほぼπ/5(rad)になっている。同様に圧電素子1bを2等分する仮想直線と圧電素子1cを2等分する仮想直線との成す角度θ2はほぼπ/5になっている。また、圧電素子1cを2等分する仮想直線と圧電素子1dを2等分する仮想直線との成す角度θ3もほぼπ/5になっている。
Between the piezoelectric elements adjacent to the
圧電素子11a〜11dの隣り合う圧電素子間には、圧電素子同士を絶縁するほぼ扇形の形状の空間部17が形成されている。圧電薄膜振動子6の中心(図2中、外周円6aの中心)から半径方向に延びて圧電素子11aを2等分する仮想直線と圧電素子11bを2等分する仮想直線とが成す角度θ5はほぼπ/5(rad)になっている。同様に圧電素子11bを2等分する仮想直線と圧電素子11cを2等分する仮想直線との成す角度θ6はほぼπ/5になっている。また、圧電素子11cを2等分する仮想直線と圧電素子11dを2等分する仮想直線との成す角度θ7もほぼπ/5になっている。すなわち、圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの貼り合わせ位置の間隔は、2つの圧電素子部1および11で等しい。
Between the piezoelectric elements adjacent to the
圧電素子1dを2等分する仮想直線と圧電素子11aを2等分する仮想直線との成す角度θ4はほぼπ/2(rad)になっている。すなわち角度θ4は角度θ1のほぼ2.5倍になっている。また圧電素子11dを2等分する仮想直線と圧電素子1aを2等分する仮想直線との成す角度θ8はほぼ3π/10(rad)になっている。すなわち角度θ8は角度θ1のほぼ1.5倍になっている。
An angle θ4 formed by a virtual straight line that bisects the
レゾネータ4上には、円弧形状の接続電極53a、53b、53c、53dと円環形状の接続電極54と電極端子55a、55b、55c、55d、および電極端子57とが形成されている。電極端子55a、55b、55c、55dおよび電極端子57は、圧電素子1dと圧電素子11aとの間隙に形成されている。接続電極53aは、貫通孔5および圧電素子部1近傍に形成され、電極端子55aに電気的に接続されている。また、接続電極53aは、レゾネータ4板面に垂直な方向に見て圧電素子1aおよび1cと重なる突起部を有している。接続電極53bは、外周円6aおよび圧電素子部1近傍に形成され、電極端子55bに電気的に接続されている。また、接続電極53bは、レゾネータ4板面に垂直な方向に見て圧電素子1bおよび1dと重なる突起部を有している。
On the
接続電極53cは、貫通孔5および圧電素子部11近傍に形成され、電極端子55cに電気的に接続されている。また、接続電極53cは、レゾネータ4板面に垂直な方向に見て圧電素子11bおよび11dと重なる突起部を有している。接続電極53dは、外周円6aおよび圧電素子部11近傍に形成され、電極端子55dに電気的に接続されている。また、接続電極53dは、レゾネータ4板面に垂直な方向に見て圧電素子11aおよび11cと重なる突起部を有している。接続電極54は、レゾネータ4板面に垂直な方向に見て各圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの中央部と交差し、電極端子57に電気的に接続されている。電極端子57はグランドに接続されている。
The
図3に示すように、圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dは、エピタキシャル膜である第1の電極3と、第1の電極3上に形成された例えばチタン酸ジルコン酸鉛などから構成されたエピタキシャル膜である圧電薄膜2と、圧電薄膜2上に形成された第2の電極13とを備えている。圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dは、側壁と第2の電極13表面とがポリイミド膜72によって覆われ、第1の電極3表面3sが不図示の酸化物膜によって覆われている。
As shown in FIG. 3, the
圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの端部にはポリイミド膜72から第2の電極13表面にまで達する穴部25が開口され、中央部にはポリイミド膜72から第1の電極3表面にまで達する穴部35が開口されている。穴部35の内壁面は、ポリイミド膜72によって覆われている。穴部25および穴部35はそれぞれAuによって充填され、ビアホール77およびビアホール78が形成されている。穴部35の内壁面はポリイミド膜72によって覆われているため、第1の電極3と第2の電極13とは電気的に絶縁されている。ビアホール77およびビアホール78の先端には電極パッド63および電極パッド64が形成されている。
圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dは、第2の電極13側(電極パッド63および電極パッド64形成面)がレゾネータ4と対向しており、接着層40によってレゾネータ4に貼り合わされている。図3に示すように、電極パッド63と重なる接着層40の端部には穴部45が形成され、電極パッド64と重なる中央部には穴部65が形成されている。
The
圧電素子1a、1cの第2の電極13は、ビアホール77および電極パッド63を介して接続電極53aに電気的に接続されている(図3では、圧電素子1cのみを図示している)。同様に、圧電素子1b、1dの第2の電極13は、ビアホール77および電極パッド63を介して接続電極53bに電気的に接続されている。
The
また、圧電素子11a、11cの第2の電極13は、ビアホール77および電極パッド63を介して接続電極53dに電気的に接続されている。同様に、圧電素子11b、11dの第2の電極13は、ビアホール77および電極パッド63を介して接続電極53cに電気的に接続されている。各圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの第1の電極3は、ビアホール78および電極パッド64を介して接続電極54に電気的に接続されている。
The
次に、本実施の形態による圧電薄膜振動子6の動作について図4を用いて説明する。図4は図2のB−B線で切断した断面を模式的に示した図である。図4に示すように、レゾネータ4に貼り合わされた圧電素子1a〜1dの圧電薄膜2a〜2dの分極方向は同一であり、その方向は圧電薄膜振動子6の基板面法線方向である(図4中、分極方向を矢の先端が上を向く複数の矢印で模式的に示す)。また、図4では図示されていないが、圧電素子11a〜11dの圧電薄膜2の分極方向は、圧電薄膜2a〜2dの分極方向と同一の方向に揃っている。
Next, the operation of the piezoelectric
第1の電極3をグランド電位に維持して、圧電素子1a、1cの第2の電極13に正極性電圧(図4中、「+」で示す)を印加すると、第1の電極3と第2の電極13との間の圧電薄膜2a、2cには、図4において矢の先端が向き合う2つの矢印で示すように圧縮力が生じる。これにより、レゾネータ4の圧電薄膜2a、2c近傍は図4の下方に凸状に反る。一方、圧電素子1b、1dの第2の電極13に負極性電圧(図4中、「−」で示す)を印加すると、第1の電極3と第2の電極13との間の圧電薄膜2b、2dには、図4において矢の先端が互いに逆方向を向く2つの矢印で示すように伸張力が生じる。これにより、レゾネータ4の圧電薄膜2b、2d近傍は図4の上方に凸状に反る。
When the
逆に、圧電素子1a、1cの第2の電極13に負極性電圧を印加すると、第1の電極3と第2の電極13との間に形成された圧電薄膜2a、2cに伸張力が生じる。これにより、レゾネータ4の圧電薄膜2a、2c近傍は図4の上方に凸状に反る。また、圧電素子1b、1dの第2の電極13に正極性電圧を印加すると、第1の電極3と第2の電極13との間に形成された圧電薄膜2b、2dには圧縮力が生じる。これにより、レゾネータ4の圧電薄膜2b、2d近傍は図4の下方に凸状に反る。
Conversely, when a negative voltage is applied to the
放射状に並ぶ圧電素子1a〜1dに上述のように圧電素子1a、1cと、圧電素子1b、1dとに互いに逆極性の電圧を印加することにより、レゾネータ4の圧電素子1a、1b、1c、1dに対応する領域には凹凸状のたわみが発生する。
The
圧電素子1a、1cに実効値3.3Vの交流電圧V1=Asin(ωt)(V)(ここで、Aは最大振幅、ωは角振動数、tは時間)を印加し、圧電素子1b、1dに交流電圧V2=Asin(ωt+π)(V)を印加すると、圧電薄膜2a、2cには伸張力と圧縮力とが周波数f1=ω/2π(Hz)で繰り返されるたわみ振動が発生する。一方、圧電薄膜2b、2dには圧電薄膜2a、2cでのたわみ振動と同じ周波数f1で位相がπ(半周期)だけずれたたわみ振動が発生する。
AC voltage V1 = Asin (ωt) (V) (where A is the maximum amplitude, ω is the angular frequency, and t is time) having an effective value of 3.3 V is applied to the
これらのたわみ振動はレゾネータ4全体に伝播して、周波数f1=ω/2π(Hz)で圧電薄膜振動子6の基板面法線方向に振動する定在波となる。このとき、圧電薄膜振動子6の外周円6aにおける定在波の波長は、外周円6aの長さの1/5である。
These flexural vibrations propagate through the
一方、圧電素子11a、11cに実効値3.3Vの交流電圧V3=Asin{ωt−(π/2)}(V)を印加し、圧電素子11b、11dにV4=Asin{ωt+(π/2)}(V)を印加すると、圧電素子11a〜11dの圧電薄膜2には周波数f1=ω/2π(Hz)で繰り返されるたわみ振動と、当該たわみ振動と同じ周波数f1で位相がπだけずれたたわみ振動が発生する。
On the other hand, an AC voltage V3 = Asin {ωt− (π / 2)} (V) having an effective value of 3.3 V is applied to the
これらのたわみ振動はレゾネータ4全体に伝播して、周波数f1=ω/2π(Hz)で圧電薄膜振動子6の基板面法線方向に振動する定在波となる。このとき、圧電薄膜振動子6の外周円6aにおける定在波の波長は、外周円6aの長さの1/5である。
These flexural vibrations propagate through the
圧電素子部1に印加される交流電圧で発生する定在波の位相と圧電素子部11に印加される交流電圧で発生する定在波の位相とはπ/2異なっている。位相がπ/2異なる2つの定在波の干渉により圧電薄膜振動子6全体にたわみ進行波が発生する。たわみ進行波の進行方向は圧電振動子6の円周方向(図2中、外周円6aの半径方向と垂直な方向)である。
The phase of the standing wave generated by the AC voltage applied to the
次に、本実施の形態による圧電薄膜振動子6の製造方法について図5乃至図7を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the piezoelectric
圧電薄膜振動子6の作製には、以下に説明する蒸着法およびスパッタリング法を用いるのが好ましい。まず、不図示の蒸着装置のホルダに、Si単結晶基板14を(100)面が露出するようにセットする(図5(a)参照。)。ここで、基板表面14aは、鏡面仕上げのウエハを用い基板表面14aをエッチング洗浄しておくことが好ましい。具体的には、40%フッ化アンモニウム水溶液等によりエッチング洗浄する。また、清浄化されたSi単結晶基板14は極めて反応性が高いため、所定の表面処理を施して、汚染などから保護することが好ましい。
For the production of the piezoelectric
次に、Si単結晶基板14の基板表面14aに、厚さ0.01μmのZrO2膜及び厚さ0.04μmのY2O3膜を蒸着法により順次エピタキシャル成長して酸化物膜を形成する(図5では不図示)。ここで、ZrO2膜は、酸化ジルコニウム(ZrO2)で構成されたエピタキシャル膜であり、Y2O3膜は、酸化イットリウム(Y2O3)で構成されたエピタキシャル膜である。より具体的には、400℃以上に加熱されたSi単結晶基板14の表面14aに、ガス供給装置によって得られる酸素雰囲気下で、Zr蒸発部からZrを供給して厚さ0.01μmのZrO2膜をエピタキシャル成長させ、次いで、Y蒸発部からYを供給して、厚さ0.04μmのY2O3膜をエピタキシャル成長させる。このようにしてエピタキシャル成長されたZrO2膜の膜面は(001)面となり、Y2O3膜の膜面は(100)面となる。
Next, an oxide film is formed on the
なお、基板面積が10cm2以上、たとえば直径2インチの大きな単結晶基板面に成膜する場合には、複数の吹き出し口を有するガス供給装置を用いて酸素ガスを基板付近に供給しながら、Si単結晶基板14をモータで回転させることにより、高酸素分圧を基板全面に供給することができ、大面積での均一な膜作製が可能となる。このとき、基板の回転数は、10rpm以上であることが望ましい。回転数が遅いと基板面内で膜厚の分布が生じるためである。この基板の回転数の上限は特にないが、通常は真空装置の機構上120rpm程度である。
In the case of forming a film on a large single crystal substrate surface having a substrate area of 10 cm 2 or more, for example, 2 inches in diameter, Si gas is supplied to the vicinity of the substrate using a gas supply device having a plurality of outlets. By rotating the
次に、Y2O3膜上に厚さ0.1から0.3μmの金属薄膜をエピタキシャル成長させ、第1の金属薄膜23を形成する(図5(b)参照)。より具体的には、酸素プラズマ環境下で、上記Y2O3エピタキシャル膜が形成されたSi単結晶基板14の上面に、Pt蒸発部からPtを供給して、Ptで構成される厚さ0.01から0.1μmの金属薄膜を蒸着法を用いてエピタキシャル成長させ、その上にさらにスパッタリング法を用いてPtで構成される厚さ0.1から0.2μmの金属薄膜をエピタキシャル成長させ、第1の金属薄膜23を成膜する。このようにしてエピタキシャル成長されたPt金属薄膜23は<100>方向に配向している。
Next, a metal thin film having a thickness of 0.1 to 0.3 μm is epitaxially grown on the Y 2 O 3 film to form a first metal thin film 23 (see FIG. 5B). More specifically, Pt is supplied from the Pt evaporation section to the upper surface of the Si
次に、第1の金属薄膜23上に、厚さ0.02μmのPLT膜及び厚さ2.5μmのPZT膜をスパッタリング法を用いて順次エピタキシャル成長して圧電薄膜22を成膜する(図5(c)参照)。ここで、PLT膜は、Laをドープしたチタン酸鉛(PLT)で構成されたエピタキシャル膜であり、PZT膜は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で構成されたエピタキシャル膜である。これらのPLT膜及びPZT膜はいずれもペロブスカイト型結晶構造を有しており、その成長方向(厚さ方向)が<001>方向のc面単一配向エピタキシャル膜であるか、または<001>方向のドメインと<100>方向のドメインが混在するドメイン構造のエピタキシャル膜で<001>方向のドメインが優勢な膜である。
Next, a PLT film having a thickness of 0.02 μm and a PZT film having a thickness of 2.5 μm are sequentially epitaxially grown on the first metal
次に、圧電薄膜22上に厚さ0.2μmの第2の金属薄膜33をスパッタリング法を用いて形成する(図5(d)参照)。以上の工程によって、第1の金属薄膜23と圧電薄膜22および第2の金属薄膜33がこの順に積層された圧電素子層101が形成される。こうして形成されたPZT/PLT/Pt/Y2O3/ZrO2/Si構造のエピタキシャル膜の方位関係は、一例としてPZTとPLTが共にc面単一配向の場合は、膜面に垂直な方向においてPZT<001>/PLT<001>/Pt<100>/Y2O3<100>/ZrO2<001>/Si<100>を有し、面内方向においてPZT<100>//PLT<100>//Pt<100>//Y2O3<100>//ZrO2<100>//Si<100>を有する。PZTやPLTがドメイン構造を有する場合には、PZTとPLTの<100>の一部が<001>に置き換わり、<001>の一部が<100>に置き換わった方位関係となる。
Next, a second metal thin film 33 having a thickness of 0.2 μm is formed on the piezoelectric
次に、フォトリソグラフィ法を用いて圧電素子層101を長辺が10mm、短辺が1mmの矩形状にパターニングして複数の積層体111を形成する(図5(e)参照)。より具体的には、第2の金属薄膜33上の全面にポジ型フォトレジストを塗布して不図示のレジスト層を形成する。次いで、当該レジスト層をパターニングしてレジストパターンを形成し、レジストパターンをエッチングマスクとして第2の金属薄膜33と圧電薄膜22、および第1の金属薄膜23をエッチングし、第2の電極13と圧電素子2、および第1の電極3を有する複数の積層体111を複数形成する。このパターニングにより、後述する圧電素子の外縁が確定される。また、このパターニングに併せて、パターニングによって分離された個々の積層体111の中央部に、第1の電極3の表面を露出する穴部35を形成する。
Next, the
次に、Si単結晶基板14の全面に亘ってポリイミドを塗布して、個々の積層体111の上面及び側壁をポリイミド膜(保護膜)72で一体的に覆うと共に、個々の積層体111の穴部35にポリイミドを充填する(図6(a)参照)。そして、ポリイミド膜72のパターニングを行ない、個々の積層体111に対応するポリイミド膜72の外縁を確定する。このとき、積層体111の端部上のポリイミド膜72をパターニングすることによって第2の電極13表面を露出する穴部25を得、穴部35内のポリイミド膜72を穴部35よりわずかに小さい寸法でエッチング除去することにより、内壁面がポリイミド膜72で覆われた穴部35を得る(図6(b)参照)。
Next, polyimide is applied over the entire surface of the Si
続いて、個々の積層体111において、内壁面が露出した穴部25および内壁面がポリイミド膜72で覆われた穴部35それぞれに、Auを充填し、2つのビアホール77,78を形成する(図6(c)参照)。すなわち、ビアホール77は第2の電極13まで延びており、ビアホール78は第1の電極3まで延びている。ビアホール78の内壁面はポリイミド膜72によって覆われているため、第1の電極3と第2の電極13とは電気的に絶縁される。また、同一の工程によりビアホール77の先端に電極パッド63を形成し、ビアホール78の先端に電極パッド64を形成する。
Subsequently, in each
次に、水酸化カリウム等のアルカリ溶液、フッ酸、フッ硝酸等のエッチング液で、Si単結晶基板14を除去する(図6(d)参照)。それにより、複数の積層体111がSi単結晶基板14から分離され、第2の電極13表面および側壁がポリイミド膜72で覆われ、第1の電極3表面3sが不図示の酸化物膜で覆われた複数の圧電素子が得られる(図6(d)では圧電素子1cのみ図示している)。
Next, the Si
次に、圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの電極パッド63および電極パッド64形成面を、熱可塑性フィルムタイプ接着剤(例えばSTAYSTIK(テクノアルファ製)など)140を挟んで、例えばポリエチレンテフタレートなどの合成樹脂で形成されたレゾネータ4に接触させる。(図7(a)参照。図7(a)では図3の右半分のみ図示している。)。
Next, the
電極パッド63および電極パッド64と重なる接着剤140の部位には穴部45および穴部65が形成されている。レゾネータ4上には予め接続電極53a〜53dおよび接続電極54が例えばフォトリソグラフィ法によって形成されており、電極パッド63および電極パッド64がそれぞれ穴部45および穴部65を介して接続電極53a〜53dおよび接続電極54に接触する。電極パッド63および電極パッド64と接続電極53a〜53dおよび接続電極54とを電気的に確実に接続させるために、接着剤140の穴部45および穴部65の近傍に銀ペーストなどを塗っておくとよい。この状態で接着剤140をホットプレートで130℃、5分間加熱すると、接着剤140が硬化して塑性接着層40となり、圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dが接着層40を介してレゾネータ4に貼り合わされる(図7(b)参照)。
A
次に、レゾネータ4の中心部をサンドブラスト法またはフォトリソグラフィ法により研削して貫通孔5を形成する。以上のようにして、レゾネータ4上に、複数の圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dが接着層40を介して貼り合わされた圧電薄膜振動子6の製造が完了する。
Next, the center portion of the
本実施の形態による圧電薄膜振動子6では、レゾネータ4とは異なる基板であるSi単結晶基板14上に複数の矩形状の圧電素子が形成される。Si単結晶基板14上に複数の圧電素子を密集して形成することができるので、1つのSi単結晶基板14からの圧電素子の取り数が多くなり、低コストで圧電素子を製造することができる。
In the piezoelectric
また、圧電薄膜振動子6として機能するために必要な数だけ必要な部位にのみ圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dがレゾネータ4に貼り合わされている。不要な部位に金属薄膜や圧電薄膜などを成膜しなくてもよいので、低コストで圧電薄膜振動子6を製造することができる。また、レゾネータ4として安価なポリエチレンテフタレートなどの合成樹脂が用いられるため、さらに低コストで圧電薄膜振動子6を製造することができる。さらに、Si単結晶基板14とレゾネータ4とが異なる基板なので、レゾネ−タ4の材質を種々の材料から選択できるため、圧電薄膜振動子6のたわみ量やたわみ振動数の設計の自由度が広がり、回転動作の場合、高速化が可能となる。
In addition, the
また、エピタキシャル成長により形成される薄膜の結晶方位は下地の結晶方位と特定の関係にある方位に揃う。第1の電極3はSi単結晶基板14の表面の(100)面上にエピタキシャル成長により形成されている。第1の電極3は<100>方向に配向している。そして、第1の電極3上に圧電薄膜2がエピタキシャル成長により形成されている。圧電薄膜2は<001>方向に優先的に配向している。従って、Si単結晶基板14上に形成された複数の圧電素子の圧電薄膜2の分極方向が所定の方向に揃っているため、良好な圧電特性の圧電薄膜2が得られるとともに、分極処理が不要になるので圧電素子の製造工程が簡素になり、低コストで良好な圧電特性を備えた圧電素子が得られる。
Further, the crystal orientation of the thin film formed by epitaxial growth is aligned with the orientation having a specific relationship with the crystal orientation of the base. The
また、製造された複数の圧電素子は、同一面がレゾネータ4に貼り合わされる。従って、レゾネータ4に貼り合わされた圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの圧電薄膜2の分極方向は、圧電薄膜振動子6の基板面法線方向に揃っている(図4中、分極方向を矢の先端が上を向複数の矢印で模式的に示す)。
In addition, the same surface of the plurality of manufactured piezoelectric elements is bonded to the
上述の本実施の形態による圧電薄膜振動子6では単層の圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dを用いたが、単層の圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの代わりに図8(a)および図8(b)に示すように、単層の圧電素子10を接着剤80を介して貼り合わせて2層にした圧電素子20、30を用いてもよい。2層の圧電素子20、30が用いられることによって、後述するたわみ進行波によって発生する回転運動のトルクがほぼ倍になり、たわみ進行波の振幅も増幅する効果が得られる。
In the above-described piezoelectric
図8(a)に示すように、2層の圧電素子20では、2つの単層の圧電素子10の圧電薄膜2の分極方向が逆方向(図8(a)中、先端が対向する2つの矢印で模式的に示す)になるように、それぞれの第2の電極13表面が接着剤80を介して貼り合わされている。2層の圧電素子20を圧電薄膜振動子6に用いる場合、外側に形成された2つの第1の電極3は図8(a)中「−」で模式的に示すようにグランド電位に維持され、内側に形成された2つの第2の電極13には図8(a)中「+」で模式的に示すように交流電源部51から所定の交流電圧が印加される。
As shown in FIG. 8 (a), in the two-
2つの圧電素子10分極方向が逆方向になるように貼り合わせた場合、一方の圧電素子10の膜面に垂直な方向に働く応力と、他方の圧電素子10の膜面に垂直な方向に働く応力とが打ち消されるため、圧電素子20の反りがなくなる効果が得られる。そのため、圧電素子20をレゾネータ4に貼り合わせることが容易になる。
When the two
2つの圧電薄膜2の分極方向が逆方向である圧電素子20の製造方法は、上述の単層の圧電素子の製造方法と、圧電素子層101の形成工程(図5(d))までは同一の工程である。2つのSi単結晶基板14上にそれぞれ上述のように圧電素子層101を形成した後、2つのSi単結晶基板14の第2の金属薄膜33表面を接着剤80を介して貼り合わせて圧電素子層101を積層し、2つのSi単結晶基板14の一方を研削して除去し、積層された圧電素子層101を所定の形状にパターニングし、2つのSi単結晶基板14の他方を研削して除去して複数の2層の圧電素子20が形成される。
The manufacturing method of the
図8(b)に示すように、2層の圧電素子30では、2つの単層の圧電素子10の圧電薄膜2の分極方向が同一方向(図8(b)中、先端が同一方向を向く2つの矢印で模式的に示す)になるように、一方の圧電素子10の第1の電極3表面および他方の圧電素子10の第2の電極13表面が接着剤80を介して貼り合わされている。2層の圧電素子30を圧電薄膜振動子6に用いる場合、2つの第1の電極3は図8(b)中「−」で模式的に示すようにグランド電位に維持され、2つの第2の電極13には図8(b)中「+」で模式的に示すように交流電源部51から所定の交流電圧が印加される。
As shown in FIG. 8B, in the two-
次に、本実施の形態による駆動装置について図9を用いて説明する。図9は本実施の形態による駆動装置の構成を示している。図9に示すように本実施の形態による駆動装置は圧電薄膜振動子6と交流電源部51とを有している。交流電源部51は交流電源51a、51b、51c、51dを有している。
Next, the driving apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows the configuration of the driving apparatus according to this embodiment. As shown in FIG. 9, the drive device according to the present embodiment includes a piezoelectric
交流電源51aは電極端子55aを介して圧電素子1a、1cの第2の電極13に電気的に接続されている。交流電源51bは電極端子55bを介して圧電素子1b、1dの第2の電極13に電気的に接続されている。交流電源51dは電極端子55dを介して圧電素子11a、11cの第2の電極13に電気的に接続されている。交流電源51cは電極端子55cを介して圧電素子11b、11dの第2の電極13に電気的に接続されている。
The
本実施の形態による駆動装置は後述する圧電モータに用いられるだけでなく、圧電薄膜振動子6上に液体または気体(たとえば空気)の流体を介して着脱式の回転式記録メディアを取り付け、流体の介在によって非接触で当該メディアを回転させる駆動力を付与することもできる。流体はたわみ進行波の進行方向と逆方向に移動し、当該メディアは流体の回転移動方向に倣って回転する。
The drive device according to the present embodiment is not only used in a piezoelectric motor described later, but also a detachable rotary recording medium is attached to the piezoelectric
次に、本実施の形態による圧電モータについて図10を用いて説明する。図10は本実施の形態による圧電モータの構成を示す斜視図である。図10に示すように本実施の形態による圧電モータは本実施の形態による駆動装置(図10では圧電薄膜振動子6のみを図示してある)を備えたステータと、圧電薄膜振動子6上に配置されたロータ7とを有している。
Next, the piezoelectric motor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the piezoelectric motor according to the present embodiment. As shown in FIG. 10, the piezoelectric motor according to the present embodiment includes a stator provided with the driving device according to the present embodiment (only the piezoelectric
ロータ7は薄板状に形成されて円形状の外周を有している。ロータ7の中央部にはロータ7の外周円7aと中心がほぼ一致する円形状の貫通孔15が形成されている。貫通孔5および貫通孔15を不図示の円柱形状の軸(シャフト)が貫通し、ロータ7の回転軸は圧電薄膜振動子6の中心軸にほぼ一致している(図中、一点鎖線で示している)。本実施の形態による圧電モータでは圧電薄膜振動子6の圧電素子部1形成面がロータ7と対向しているが、レゾネータ4形成面がロータ7と対向してもよい。
The rotor 7 is formed in a thin plate shape and has a circular outer periphery. A circular through
上述のように、位相がπ/2(rad)異なる2つの定在波が干渉しあうことにより圧電薄膜振動子6全体にたわみ進行波が発生する。たわみ進行波の進行方向は圧電振動子6の円周方向(図10中、基板面内で外周円6aの半径方向に直交する方向)である。圧電薄膜振動子6とロータ7とを圧接すると、ロータ7は摩擦により圧電薄膜振動子6に発生するたわみ進行波の進行方向と反対の方向に回転する。
As described above, when two standing waves having different phases by π / 2 (rad) interfere with each other, a bending traveling wave is generated in the entire piezoelectric
〔第2の実施の形態〕
本発明の第2の実施の形態による圧電薄膜振動子について図11を用いて説明する。図11は本実施の形態による圧電薄膜振動子16の構成を示す断面図である。なおこれ以降の圧電薄膜振動子等の説明において、第1の実施の形態と同一の機能、作用を奏する構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
A piezoelectric thin film vibrator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric
本実施の形態による圧電薄膜振動子16では、圧電素子がレゾネータ4の表面および裏面に貼り合わされている。レゾネータ4の表面には、第1の実施の形態と同様に圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dが接着層40を介して貼り合わされ、接続電極53a〜53d、54および電極端子55a〜55d、57が形成されている。表面に貼り合わされた各圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの直下には、圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dがそれぞれ接着層40を介してレゾネータ4の裏面に貼り合わされている(図11では圧電素子21cおよび圧電素子31bのみを図示している)。
In the piezoelectric
裏面に貼り合わされた圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dは、第2の電極13側(電極パッド63および電極パッド64形成面)がレゾネータ4と対向している。従って、表面に形成された圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dの圧電薄膜2の分極方向と、裏面に形成された圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dの圧電薄膜2の分極方向とは逆方向になっている。
In the piezoelectric elements 21 a to 21 d and the piezoelectric elements 31 a to 31 d bonded to the back surface, the
レゾネータ4の裏面には接続電極53a〜53dおよび接続電極54とほぼ同一形状の接続電極73a〜73dおよび接続電極74が形成されている。圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dの第2の電極13は、電極パッド63を介して接続電極73a〜73dに電気的に接続され、第1の電極3は電極パッド64を介して接続電極74に電気的に接続される。
On the back surface of the
圧電素子21a、21cには圧電素子1b、1dに印加される電圧と同一の交流電圧V2=Asin(ωt+π)(V)が印加され、圧電素子21b、21dには圧電素子1a、1cに印加される電圧と同一の交流電圧V1=Asin(ωt)(V)が印加される。また、圧電素子31a、31cには圧電素子11b、11dに印加される電圧と同一の交流電圧V4=Asin{ωt+(π/2)}(V)が印加され、圧電素子31b、31dには圧電素子11a、11cに印加される電圧と同一の交流電圧V3=Asin{ωt−(π/2)}(V)が印加される。すなわち、表面に形成された圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dと、裏面に形成された圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dとには、位相が半周期ずれた交流電圧が印加される。
The same AC voltage V2 = Asin (ωt + π) (V) as that applied to the
その結果、表面に形成された圧電素子1a〜1dおよび11a〜11dに圧縮力が生じた場合、その直下に形成された圧電素子21a〜21dおよび圧電素子31a〜31dには伸張力が生じる。本実施の形態による圧電薄膜振動子16では、第1の実施の形態による圧電薄膜振動子6と比較して、たわみ進行波によって発生する回転運動のトルクが倍になり、たわみ進行波の振幅もほぼ倍になる効果が得られる。
As a result, when compressive force is generated in the
〔第3の実施の形態〕
本発明の第3の実施の形態による圧電薄膜振動子26について図12および図13を用いて説明する。図12は本実施の形態による圧電薄膜振動子26の構成を示す平面図である。また、図13は図12のA−A線で切断した断面図である。
[Third Embodiment]
A piezoelectric
図12に示すように、レゾネータ4上には圧電素子部41および61が形成されている。圧電素子部41は図2の圧電素子部1と同一の機能を奏し、圧電素子部61は図2の圧電素子部11と同一の機能を奏する。圧電素子部41は、圧電素子1a〜1dと同一形状の圧電素子41a、41b、41c、41dを有している。同様に、圧電素子部61は圧電素子41a〜41dと同一形状の圧電素子61a、61b、61c、61dを有している。圧電素子41a、41b、41c、41dおよび圧電素子61a、61b、61c、61dはこの順に円周状に時計回りに配置されている。
As shown in FIG. 12,
図13に示すように、圧電素子41aはレゾネータ4の表面に接着層40を介して貼り合わされ、圧電素子41aと隣り合う圧電素子41bはレゾネータ4の裏面に接着層40を介して貼り合わされている。また、圧電素子41bと隣り合う圧電素子41cはレゾネータ4の表面に接着層40を介して貼り合わされ、圧電素子41cと隣り合う圧電素子41dはレゾネータ4の裏面に接着層40を介して貼り合わされている。
As shown in FIG. 13, the
同様に、圧電素子61aはレゾネータ4の裏面に接着層40を介して貼り合わされ、圧電素子61aと隣り合う圧電素子61bはレゾネータ4の表面に接着層40を介して貼り合わされている。また、圧電素子61bと隣り合う圧電素子61cはレゾネータ4の裏面に接着層40を介して貼り合わされ、圧電素子61cと隣り合う圧電素子61dはレゾネータ4の表面に接着層40を介して貼り合わされている。
Similarly, the
図13に示すように、圧電素子41a〜41dおよび圧電素子61a〜61dは、全て第2の電極13形成面がレゾネータ4に対向して貼り合わされている(圧電素子61a〜61dは図13では不図示)。従って、レゾネータ4の表面に貼り合わされた圧電素子41a、41cおよび圧電素子61b、61dの圧電薄膜2の分極方向は、裏面に貼り合わされた圧電素子41b、41dおよび圧電素子61a、61cの圧電薄膜2の分極方向の逆方向である(図中上下方向を向く矢印で模式的に示す)。
As shown in FIG. 13, the
レゾネータ4の表面には第1の実施の形態と同様に接続電極53a、53cと接続電極54、および電極端子55a、55c、57が形成されている。レゾネータ4の裏面には接続電極53a、53cとほぼ同一形状の接続電極83b、83dが形成され、接続電極54とほぼ同一形状の接続電極84が形成されている。接続電極83bは接続電極53aに電気的に接続され、接続電極83dは接続電極53cに電気的に接続されている。また、接続電極84はグランドに接続されている。
Similar to the first embodiment,
裏面に形成された圧電素子41b、41dの第2の電極13は、接続電極83bに電気的に接続されている。また、裏面に形成された圧電素子61a、61cの第2の電極13は、接続電極83dに電気的に接続されている。圧電素子41b、41dおよび圧電素子61a、61cの第1の電極3は接続電極84に電気的に接続されている。
The
第1の電極3をグランド電位に維持して、圧電素子41a〜41dの第2の電極13に正極性電圧(図13中、「+」で示す)を印加すると、圧電素子41a〜41dの圧電薄膜2には、図13において矢の先端が向き合う2つの矢印で示すように圧縮力が生じる。これにより、圧電素子41a、41c近傍のレゾネータ4は図13の下方に凸状に反り、圧電素子41b、41d近傍のレゾネータ4は図13の上方に凸状に反る。一方、圧電素子41a〜41dの第2の電極13に負極性電圧を印加すると、圧電素子41a〜41dの圧電薄膜2には伸張力が生じる。これにより、圧電素子41a、41c近傍のレゾネータ4は図13の上方に凸状に反り、圧電素子41b、41d近傍のレゾネータ4は図13の下方に凸状に反る。
When the
同様に、第1の電極3をグランド電位に維持して、圧電素子61a〜61dの第2の電極13に正極性電圧を印加すると、圧電素子61a〜61dの圧電薄膜2には、圧縮力が生じる。これにより、圧電素子61a、61c近傍のレゾネータ4は図13の上方に凸状に反り、圧電素子61b、61d近傍のレゾネータ4は図13の下方に凸状に反る。一方、圧電素子61a〜61dの第2の電極13に負極性電圧を印加すると、圧電素子61a〜61dの圧電薄膜2には伸張力が生じる。これにより、圧電素子61a、61c近傍のレゾネータ4は図13の下方に凸状に反り、圧電素子61b、61d近傍のレゾネータ4は図13の上方に凸状に反る。
Similarly, when a positive voltage is applied to the
圧電素子41a〜41dには、交流電源部51から同一の交流電圧V1=Asin(ωt)(V)が印加される。同様に、圧電素子61a〜61dには、交流電源部51から同一の交流電圧V3=Asin{ωt−(π/2)}(V)が印加される。本実施の形態による圧電薄膜振動子26によっても第1の実施の形態による圧電薄膜振動子6と同一の機能および効果が得られる。
The same AC voltage V1 = Asin (ωt) (V) is applied to the
〔第4の実施の形態〕
本発明の第4の実施の形態による圧電薄膜振動子36について図14を用いて説明する。図14は本実施の形態による圧電薄膜振動子36の構成を示す平面図である。
[Fourth Embodiment]
A piezoelectric
図14に示すように、本実施の形態による圧電薄膜振動子36では、合成樹脂で形成されたレゾネータ4に代えて、例えばNiなどの金属で形成されたレゾネータ24が用いられている。レゾネータ24は薄板形状を有している。レゾネータ24上の内周部には円環状の絶縁膜70aが形成され、外周部には円環状の絶縁膜70bが形成されている。絶縁膜70aと絶縁膜70bとの間隙にはレゾネータ24が円環状に露出している。レゾネータ24はグランドに接続されている。
As shown in FIG. 14, in the piezoelectric
絶縁膜70a上には接続電極53a、53cおよび電極端子55a、55cが形成されている。絶縁膜70b上には接続電極53b、53dおよび電極端子55b、55dが形成されている。レゾネータ24および絶縁膜70a、70b上には、圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dが接着層40(図14では不図示)を介して貼り合わされている。圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dの第1の電極3(図14では不図示)は、電極パッド64を介してレゾネータ24に電気的に接続されている。圧電素子1a、1cの第2の電極13(図14では不図示)は電極パッド63を介して接続電極53aに電気的に接続され、圧電素子1b、1dの第2の電極13は電極パッド63を介して接続電極53bに電気的に接続されている。また、圧電素子11a、11cの第2の電極13は電極パッド63を介して接続電極53dに電気的に接続され、圧電素子11b、11dの第2の電極13は電極パッド63を介して接続電極53cに電気的に接続されている。
絶縁膜70aおよび絶縁膜70bによって、同一の圧電素子1a〜1dおよび圧電素子11a〜11dの第1の電極3と第2の電極13間が電気的に絶縁され、隣り合う圧電素子(例えば圧電素子1a、1b)の第2の電極13間が電気的に絶縁される。本実施の形態による圧電薄膜振動子36によっても第1の実施の形態による圧電薄膜振動子6と同一の機能および効果が得られる。
The insulating
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、レゾネータの板面に垂直な方向に見て矩形状の圧電素子10(図15(a)参照)を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、レゾネータの板面に垂直な方向に見て扇形状の圧電素子120(図15(b)参照)およびレゾネータの板面に垂直な方向に見て台形状の圧電素子130(図15(c)参照)を用いた場合にももちろん適用できる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, the rectangular piezoelectric element 10 (see FIG. 15A) viewed in the direction perpendicular to the plate surface of the resonator is taken as an example. However, the present invention is not limited to this, and the resonator A fan-shaped piezoelectric element 120 (see FIG. 15B) as viewed in the direction perpendicular to the plate surface and a trapezoidal piezoelectric element 130 (see FIG. 15C) as viewed in the direction perpendicular to the plate surface of the resonator. Of course, it can also be applied when used.
また、上記実施の形態では円板状のレゾネータで回転するたわみ進行波を発生させているが、本発明はこれに限られない、たとえば、薄板長方形状のレゾネータの一表面に直線状に離散的に並ぶように圧電素子を貼り合わせてもよい。こうすることにより、直線状に進行するたわみ進行波を発生させたリニア駆動を実現できる。 Further, in the above-described embodiment, the bending traveling wave that is rotated by the disk-shaped resonator is generated. However, the present invention is not limited to this. For example, the surface of the thin-plate rectangular resonator is discretely distributed linearly. Piezoelectric elements may be bonded together so as to line up. By doing so, it is possible to realize linear driving in which a bending traveling wave that travels linearly is generated.
さらに、上記実施の形態ではレゾネータ4がポリエチレンテフタレートなどの合成樹脂で形成された圧電薄膜振動子6を例に説明したが、本発明はこれに限らず、減衰比の小さな合成樹脂、またはSiやGaAsなどの半導体単結晶基板、あるいはガラスやセラミックスで形成されたレゾネータを備えた圧電薄膜振動子6にももちろん適用できる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the piezoelectric
さらに、上記実施の形態では第1の電極3および第2の電極13の材料としてPtが用いられた圧電薄膜振動子6を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、例えばAu、Ir、Pd、Rh、CuおよびAgからなる金属材料群のうち少なくとも1種類を含むものであってもいい。
Furthermore, in the above embodiment, the piezoelectric
さらに、上記実施の形態では圧電薄膜2としてLaをドープしたチタン酸鉛(PLT)で構成されたエピタキシャル膜上にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で構成されたエピタキシャル膜が形成された薄膜を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、PMN−PTなどに代表されるリラクサー系材料、LiNbO3やKTaO3、チタン酸バリウムストロンチウムや、チタン酸鉛、ZnOやAlNを主成分とするウルツァイト型圧電体材料で構成されたエピタキシャル膜であってもいい。
Further, in the above embodiment, the piezoelectric
本実施の形態では電極(第1の電極3および第2の電極13)および圧電体薄膜2の成膜方法として蒸着法およびスパッタリング法を例に挙げたが、成膜方法はこれらに限定されず、物理的気相成長法(蒸着法、スパッタリング法、MBE法など)、化学気相成長法(MO−CVD、プラズマCVDなど)、液相・固相成長法(ゾルゲル法など)などでも圧電薄膜振動子が作製可能であるため、これらの中から各層ごとに適宜選択して用いることができる。
In the present embodiment, the vapor deposition method and the sputtering method are exemplified as the film formation methods of the electrodes (the
圧電薄膜振動子を作製するための基板としては、本実施の形態で述べたSi単結晶基板14のほかに、GaAsなどの半導体単結晶基板、MgO、SrTiO3、サファイアなどの単結晶基板、石英やガラスなどが利用可能である。単結晶基板を用いると基板上にエピタキシャル成長した電極膜が形成可能となるため、その上に極めて電気特性の良い高結晶性の圧電体薄膜が形成できる。また、石英やガラスなどの基板上では通常多結晶の電極膜が形成され、その上にエピタキシャル成長した良好な電気特性の多結晶の圧電体膜が作製可能となる。
As a substrate for manufacturing the piezoelectric thin film vibrator, in addition to the Si
本明細書において「エピタキシャル成長する」とは、対象となる膜の結晶が、直接接触している下地の膜の結晶に対して、面内および面に垂直な方向において共に特定の方位関係を持って成長していることを表す。また、「エピタキシャル膜」および「エピタキシャル成長した膜」とは、その膜が直接接触する下地の膜に対してエピタキシャル成長した膜であることを表す。 In this specification, “epitaxial growth” means that the crystal of the target film has a specific orientation relationship both in the plane and in the direction perpendicular to the plane with respect to the crystal of the underlying film in direct contact. Represents growing. In addition, “epitaxial film” and “epitaxially grown film” indicate that the film is epitaxially grown with respect to the underlying film in direct contact with the film.
圧電体薄膜がPZTなどのように正方晶のペロブスカイト構造である場合には、(001)と(100)に配向したドメイン構造のPZT膜がしばしば得られるが、この場合でも(001)ドメインと(100)ドメインがそれぞれ下地の結晶(Ptなど)と面内および面垂直方向とも特定の方位関係を持っていればエピタキシャル膜であるといえる。これは、PZTをキュリー温度より高温の600℃で成膜する場合、成膜温度では立方晶としてエピタキシャル成長しても、成膜後の基板温度降下中にPZT膜は立方晶から正方晶へと相転移し、基板からの応力によって(001)配向ドメインと(100)配向ドメインが発生するためである。 When the piezoelectric thin film has a tetragonal perovskite structure such as PZT, a PZT film having a domain structure oriented in (001) and (100) is often obtained, but even in this case, the (001) domain and ( 100) An epitaxial film can be said to be an epitaxial film if each domain has a specific orientation relationship with the underlying crystal (such as Pt) in the in-plane and in-plane directions. This is because when PZT is formed at 600 ° C., which is higher than the Curie temperature, the PZT film changes from cubic to tetragonal during the substrate temperature drop after film formation, even if it grows epitaxially as cubic at the film formation temperature. This is because the (001) orientation domain and the (100) orientation domain are generated by the stress from the substrate.
なお、膜がエピタキシャル膜かどうかということは、その膜およびその下地膜が単結晶であるか多結晶であるかということには依存しない。また、結晶粒の大きさや、ドメインの大きさによって限定されるものではない。例えば、表面が熱酸化SiO2膜で覆われたSi(100)基板上に(100)配向の多結晶のPt膜を作製し、この上にPZT多結晶膜を形成した場合、Pt膜中の結晶粒の面内方向とその上に形成されているPZT膜の結晶粒の結晶方位が、面内方向および面に垂直な方向に共に特定の方位関係を持っていれば、それぞれの結晶粒の大きさによらず、このPZT膜はエピタキシャル成長した膜であるといえる。さらに、PZT膜が(001)配向と(100)配向のドメイン構造からなっていても、各ドメインに対して下地結晶と特定の方位関係が成り立てば、エピタキシャル成長した膜であるといえる。 Note that whether the film is an epitaxial film does not depend on whether the film and the base film are single crystal or polycrystalline. Moreover, it is not limited by the size of crystal grains or the size of domains. For example, when a (100) -oriented polycrystalline Pt film is produced on a Si (100) substrate whose surface is covered with a thermally oxidized SiO 2 film, and a PZT polycrystalline film is formed thereon, If the in-plane direction of the crystal grains and the crystal orientation of the crystal grains of the PZT film formed thereon have a specific orientation relationship in both the in-plane direction and the direction perpendicular to the plane, Regardless of the size, it can be said that this PZT film is an epitaxially grown film. Further, even if the PZT film has a domain structure of (001) orientation and (100) orientation, it can be said that it is an epitaxially grown film if a specific orientation relationship with the base crystal is established for each domain.
本実施の形態ではレゾネ−タに圧電素子を接着する方法として熱可塑性フィルムタイプを例に挙げたが、接着方法はこれらに限定されず、例えば、レゾネータにあまり熱をかけたくない場合は、低融点タイプのホットメルト接着剤(水系ポリエステル樹脂接着剤:アロンメルト等)、アクリル系接着剤(アクリル樹脂用接着剤:アクリサンデー等)、また、紫外線硬化性樹脂(UV接着剤):ケミシール(PET用接着剤)等も適用可能である。 In the present embodiment, a thermoplastic film type is exemplified as a method for bonding a piezoelectric element to a resonator, but the bonding method is not limited to these. For example, when it is not desired to apply much heat to the resonator, the method is low. Melting point hot melt adhesive (water-based polyester resin adhesive: Aron Melt, etc.), acrylic adhesive (acrylic resin adhesive: Acrysanday, etc.), UV curable resin (UV adhesive): Chemiseal (adhesive for PET) Agent) and the like are also applicable.
1、11 圧電素子部
1a、1b、1c、1d、10、11a、11b、11c、11d 圧電素子
2、2a、2b、2c、2d 圧電薄膜
3 第1の電極
3s 第1の電極表面
4、24 レゾネータ
5、15 貫通孔
6、16、26、36 圧電薄膜振動子
6a、26a、36a 圧電薄膜振動子の外周円
7 ロータ
7a ロータの外周円
13 第2の電極
14 Si単結晶基板
14a Si単結晶基板表面
17 空間部
20、30 2層の圧電素子
22 第1の金属薄膜
23 第2の金属薄膜
25、35、45、65 穴部
40 接着層
51 交流電源部
51a、51b、51c、51d 交流電源
53a、53b、53c、53d、54 接続電極
55a、55b、55c、55d、57 電極端子
63、64 電極パッド
72 ポリイミド膜
77、78 ビアホール
101 圧電素子層
111 積層体
DESCRIPTION OF
Claims (20)
薄膜形成技術により形成された、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第2の電極とを備え、前記レゾネータ上に貼り合わされた複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子のそれぞれを前記レゾネータに貼り合わせる接着層と
を有することを特徴とする圧電薄膜振動子。 A resonator that generates traveling waves,
A first electrode formed by a thin film forming technique, a piezoelectric thin film formed on the first electrode, and a second electrode formed on the piezoelectric thin film are bonded to the resonator. A plurality of piezoelectric elements,
An adhesive layer for bonding each of the plurality of piezoelectric elements to the resonator.
前記圧電薄膜は、前記第1の電極上に形成されたエピタキシャル成長した膜であること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1,
The piezoelectric thin film vibrator is characterized in that the piezoelectric thin film is an epitaxially grown film formed on the first electrode.
前記複数の圧電素子は、異なる配置領域の2つの圧電素子部のいずれかに属し、
前記圧電素子の貼り合わせ位置の間隔は、前記2つの圧電素子部で等しいこと
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1 or 2,
The plurality of piezoelectric elements belong to one of two piezoelectric element portions in different arrangement regions,
The piezoelectric thin film vibrator is characterized in that an interval between bonding positions of the piezoelectric elements is equal in the two piezoelectric element portions.
前記レゾネータは薄板形状を有し、
前記複数の圧電素子は、前記レゾネータの表面及び裏面に貼り合わされていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 3,
The resonator has a thin plate shape,
The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1, wherein the plurality of piezoelectric elements are bonded to a front surface and a back surface of the resonator.
前記裏面に貼り合わされた前記圧電素子は、前記表面に貼り合わされた前記圧電素子の直下に貼り合わされていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to claim 4,
The piezoelectric thin film vibrator, wherein the piezoelectric element bonded to the back surface is bonded directly below the piezoelectric element bonded to the front surface.
隣り合う2つの前記圧電素子は、一方は前記レゾネータの表面に貼り合わされ、
他方は前記レゾネータの裏面に貼り合わされていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to claim 4,
One of the two adjacent piezoelectric elements is bonded to the surface of the resonator,
The other is bonded to the back surface of the resonator.
前記圧電薄膜振動子は円形状の外周を有し、
前記複数の圧電素子は放射状に配置されていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 6,
The piezoelectric thin film vibrator has a circular outer periphery,
The piezoelectric thin film vibrator, wherein the plurality of piezoelectric elements are arranged radially.
前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て矩形であること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 7,
The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1, wherein the piezoelectric element has a rectangular shape when viewed in a direction perpendicular to a plate surface of the resonator.
前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て扇形であること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 7,
The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1, wherein the piezoelectric element has a fan shape when viewed in a direction perpendicular to the plate surface of the resonator.
前記圧電素子の形状は、前記レゾネータの板面に垂直な方向に見て台形であること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 7,
The piezoelectric thin film vibrator according to claim 1, wherein the piezoelectric element has a trapezoidal shape when viewed in a direction perpendicular to the plate surface of the resonator.
前記レゾネータは金属で形成されていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 10,
The piezoelectric thin-film vibrator is characterized in that the resonator is made of metal.
前記レゾネータは樹脂で形成されていること
を特徴とする圧電薄膜振動子。 The piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 10,
The piezoelectric thin film vibrator is characterized in that the resonator is made of resin.
隣り合う前記複数の圧電素子に位相が半周期ずれた交流電圧を印加する交流電源と
を有することを特徴とする駆動装置。 A piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 1 to 12 (excluding claim 6),
An AC power supply that applies an AC voltage whose phase is shifted by a half cycle to the plurality of adjacent piezoelectric elements.
前記圧電薄膜振動子上に配置されたロータと
を有することを特徴とする圧電モータ。 A stator comprising the drive device according to claim 13;
A piezoelectric motor comprising: a rotor disposed on the piezoelectric thin film vibrator.
前記第1の金属薄膜上に圧電薄膜を成膜し、
前記圧電薄膜上に第2の金属薄膜を成膜して圧電素子層を形成し、
前記圧電素子層を所定の形状にパターニングし、
前記圧電素子層を個片化して複数の圧電素子を形成し、
前記複数の圧電素子を接着層を介してレゾネータ上に貼り合わせること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 Forming a first metal thin film on the substrate;
Forming a piezoelectric thin film on the first metal thin film;
Forming a piezoelectric element layer by forming a second metal thin film on the piezoelectric thin film;
Patterning the piezoelectric element layer into a predetermined shape;
A plurality of piezoelectric elements are formed by dividing the piezoelectric element layer into pieces,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator, wherein the plurality of piezoelectric elements are bonded to a resonator via an adhesive layer.
前記圧電薄膜は、前記第1の金属薄膜上にエピタキシャル成長により成膜されること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to claim 15,
The method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator, wherein the piezoelectric thin film is formed by epitaxial growth on the first metal thin film.
前記複数の圧電素子を、異なる2つの配置領域のいずれかに貼り合わせて2つの圧電素子部を形成し、
前記圧電素子を、前記2つの圧電素子部で等間隔に貼り合わせること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to claim 15 or 16,
The plurality of piezoelectric elements are bonded to one of two different arrangement regions to form two piezoelectric element portions,
A method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator, comprising: bonding the piezoelectric elements at equal intervals between the two piezoelectric element portions.
前記複数の圧電素子を前記レゾネータの表面及び裏面に貼り合わせること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to any one of claims 15 to 17,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator, comprising bonding the plurality of piezoelectric elements to a front surface and a back surface of the resonator.
前記裏面に貼り合わせる前記圧電素子を前記表面に貼り合わせる前記圧電素子の直下に貼り合わせること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to claim 18,
A method for manufacturing a piezoelectric thin film vibrator, comprising: bonding the piezoelectric element to be bonded to the back surface directly below the piezoelectric element to be bonded to the front surface.
隣り合う2つの前記圧電素子の一方を前記レゾネータの表面に貼り合わせ、
他方を前記レゾネータの裏面に貼り合わせること
を特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric thin film vibrator according to claim 18,
Adhering one of the two adjacent piezoelectric elements to the surface of the resonator,
The other is bonded to the back surface of the resonator.
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