压电致动器器件和其制造方法

压电致动器器件和其制造方法
【专利摘要】压电致动器器件具备：振动部、和构成为使振动部振动的驱动部。振动部具有：振动的下部振动层、和与下部振动层的上表面结合且与下部振动层一起振动的上部振动层。驱动部具有：设于下部振动层的下表面的上部电极层、设于上部电极层的下表面的压电体层、和设于压电体层的下表面的下部电极层。振动部的下部振动层的主成分为有机材料。振动部的上部振动层的主成分为无机材料。下部振动层的纵弹性系数小于上部振动层的纵弹性系数。该压电致动器器件能不使尺寸和消耗电力增大地使抗干扰振动性和振动部的挠曲量较大。
【专利说明】压电致动器器件和其制造方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及压电致动器器件和其制造方法。

【背景技术】
[0002] 现有的压电致动器器件将由下部电极层、形成在该下部电极层上的压电体层、和 形成在该压电体层上的上部电极层构成的驱动部形成在振动部上。
[0003] 该压电致动器器件提供在下部电极层与上部电极层间施加电场来使压电体层在 平面方向上伸缩，其结果，振动部在厚度方向上挠曲地进行动作。
[0004] 这样的压电致动器器件用作多种多样的用途，例如如机械式的开关元件或可变电 容元件、条形码读取器那样的光扫描型设备、用在角速度传感器中的音叉型器件之类。
[0005] 现有的致动器器件例如记载在专利文献1中。
[0006] 先行技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :特开2009-193804号公报


【发明内容】

[0009] 发明的概要
[0010] 压电致动器器件具备：振动部、和构成为使振动部振动的驱动部。振动部具有：振 动的下部振动层、和与下部振动层的上表面结合且与下部振动层一起振动的上部振动层。 驱动部具有：设于下部振动层的下表面的上部电极层、设于上部电极层的下表面的压电体 层、和设于压电体层的下表面的下部电极层。振动部的下部振动层的主成分为有机材料。振 动部的上部振动层的主成分为无机材料。下部振动层的纵弹性系数小于上部振动层的纵弹 性系数。
[0011] 该压电致动器器件能不使尺寸和消耗电力增大地使抗干扰振动性和振动部的挠 曲量较大。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1是实施方式1中的压电致动器器件的立体图。
[0013] 图2是表示实施方式1中的压电致动器器件的频率与振幅量的关系的图。
[0014] 图3A是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0015] 图3B是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0016] 图3C是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0017] 图3D是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0018] 图3E是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0019] 图3F是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0020] 图3G是说明实施方式1中压电致动器器件的制造方法的截面图。
[0021] 图4是实施方式1中的其它压电致动器器件的立体图。
[0022] 图5是实施方式2中的压电致动器器件的立体图。
[0023] 图6是图5所示的压电致动器器件的线6-6的截面图。
[0024] 图7A是表示实施方式2中的压电致动器器件的动作的侧视图。
[0025] 图7B是实施方式2中的其它压电致动器器件的截面图。
[0026] 图8A是实施方式3中的压电致动器器件的立体图。
[0027] 图8B是图8A所示的压电致动器器件的放大立体图。
[0028] 图9A是实施方式4中的压电致动器器件的立体图。
[0029] 图9B是图9A所示的压电致动器器件的放大立体图。
[0030] 图10是实施方式5中的压电致动器器件的立体图。
[0031] 图11是实施方式6中的压电致动器器件的立体图。
[0032] 图12是图11所示的压电致动器器件的线12-12的截面图。
[0033] 图13是具备实施方式6中的压电致动器器件的机械式开关的分解立体图。

【具体实施方式】
[0034] (实施方式1)
[0035] 图1是实施方式1中的压电致动器器件1的立体图。压电致动器器件1具备驱动 部2和振动部3。驱动部2由下部电极层4、设于下部电极层4的上表面4a的压电体层5、 和设于压电体层5的上表面5a的上部电极层26构成。振动部3具有与上部电极层26的上 表面26a相接而设的下部振动层7、和设于下部振动层7的上表面7a的上部振动层8。如 此，上部振动层8直接与下部振动层7的上表面7a结合。压电致动器器件1具有在与上述 的层的上表面、下表面平行的长边方向1001A上延伸的矩形形状，与长边方向1001A交叉的 端面9被不移动地保持在支承体10。下部电极层4、压电体层5、上部电极层26、下部振动 层7和上部振动层8,在与这些层的上表面和下表面成直角的厚度方向1001B上层叠。
[0036] 若在下部电极层4与上部电极层26间施加电场，则因逆压电效应而使得压电体层 5在与上表面5a和下表面5b平行的平面方向上伸缩。这时，因压电体层5的伸缩而产生的 力在压电致动器器件1的厚度方向1001B上作为力矩发挥作用，振动部3在厚度方向1001B 上挠曲。振动部3具有与上表面7a、下表面7b、8b平行、且即使挠曲长边方向的长度也不改 变的面，即中立面PN。
[0037] 在现有的压电致动器器件中，为了使挠曲量大，降低振动部的刚性是有效的。但 是，与此相伴，压电致动器的固有振动频率会降低，由此变得易于受到干扰振动的影响，有 时不作为致动器器件发挥功能。即，抗干扰振动性和挠曲量是此消彼长的关系，难以使两者 同时提升。为了同时提升抗干扰振动性和挠曲量，较厚地形成压电体来提高刚性是有效的。 但是，在这种情况下，需要使施加在下部电极层与上部电极层间的电压增大，消耗电力会变 大。另外，微细的加工困难，器件会大型化。
[0038] 在图1所示的实施方式1中的压电致动器器件1中，由于下部振动层7的纵弹性 系数小于上部振动层8的纵弹性系数，因此能使厚度方向1001B上的从中立面PN到压电体 层5的距离较大，能将由压电体层5产生的力有效率地变换成挠曲。如此，压电致动器器件 1能使振动部3较大地挠曲，且能提高振动部3的刚性，能同时提升抗干扰振动性和挠曲量。
[0039] 图2表示在实施方式1中的压电致动器器件1的电极层4、26间施加的电场的频 率与振幅量的关系。在图2中，横轴表示频率，纵轴表示振幅量。在将所施加的电场的频率 设定为与压电致动器器件1所具有的固有振动频率f〇相等的情况下，挠曲量显著增大，但 由于驱动波形成为正弦波，因此使用范围受到限定。即，不能以任意的波形和定时驱动振动 部3,压电致动器器件1的使用用途受到限制。如图2所示那样，通过将固有振动频率f0设 计得较高，施加具有固有振动频率f〇以下的最高频率的区域Wf的频率的电场，能以任意的 波形驱动振动部3。在压电致动器器件1中，能在将固有振动频率f0设计得较高的同时使 区域Wf中的挠曲量较大。因此，能以任意的波形和定时驱动振动部3,压电致动器器件1能 用在各种用途中。
[0040] 在实施方式1中，下部振动层7例如由纵弹性系数1?lOGPa的环氧树脂那样的 有机材料构成，上部振动层8由例如纵弹性系数100?150GPa的铜那样的无机材料构成。 由此，由于能使从挠曲的中立面PN到压电体层5的距离更大，因此能得到在维持抗干扰振 动性的情况下使挠曲量飞跃性提升的压电致动器器件1。
[0041] 也可以使下部振动层7进一步包含混合在上述的有机材料中的无机填料。无机 填料例如由纵弹性系数300?350GPa的氮化铝等的无机材料构成。在振动层7中有机材 料的体积比率为50%以上，振动层7的纵弹性系数为10?50GPa。这种情况下，能将下部 振动层7的纵弹性系数等的材料特性控制在所期望的值，能提高设计的自由度。另外，无机 填料也可以由在氮化铝加入氧化硅那样的无机材料的复合材料形成，在这种情况下，有机 材料的体积比率高于多种无机材料各自的体积比率，振动层7以有机材料为主成分。这种 情况也能期待与设为氮化铝单体和有机材料的复合材料的情况相同的效果。另外，在将无 机材料设为复合材料的情况下，能通过使有机材料的体积比率为1/3以上来期待相同的效 果。进而，在驱动时产生的热成为课题这样的用途中，通过无机材料能使压电致动器器件1 中散热性最低的下部振动层7的散热性得到提升。
[0042] 在实施方式1中，上部振动层8由无机材料、和例如以聚硅氧烷为原料分解有机基 而形成的复合材料构成。上部振动层8由无机材料的体积比率为50%以上的复合材料（纵 弹性系数50?lOOGPa)构成。这种情况下，下部振动层7和上部振动层8稳固地紧贴，能 提升压电致动器器件1的可靠性。另外，该复合材料也可以进一步包含环氧或聚酯这样的 其它有机材料。这种情况下，使无机材料的体积比率高于多种有机材料各自的体积比率，振 动层8以无机材料为主成分。这种情况下，也能期待与由聚硅氧烷单体形成复合材料时相 同的效果。另外，在振动层8由包含多种有机材料的复合材料构成的情况下，能通过使无机 材料的体积比率为1/3以上来期待相同的效果。
[0043] 如上述那样，下部振动层7由包含有机材料的一种以上的有机材料、和一种以上 的无机材料构成。在下部振动层7中，优选下部振动层7的一种以上的有机材料的体积比率 的合计为1/3以上，且大于下部振动层7的一种以上的无机材料各自的体积比率。另外，在 下部振动层7中，更优选下部振动层的一种以上的有机材料的体积比率的合计超过50%。
[0044] 进而，上部振动层8由一种以上的无机材料和一种以上的有机材料构成。在上部 振动层8中，优选上部振动层8的一种以上的无机材料的体积比率的合计为1/3以上，且上 大于部振动层8的一种以上的有机材料各自的体积比率。另外，在上部振动层8中，优选上 部振动层8的一种以上的无机材料的体积比率的合计超过50%。
[0045] 下面说明压电致动器器件1的制造方法。图3A到图3G是表示压电致动器器件1 的制造方法的截面图。
[0046] 首先，如图3A所示那样，在成为支承体10的基板11上的上表面11a形成由钼构 成的下部电极层4,在下部电极层4的上表面4a形成由锆钛酸铅构成的压电体层5,通过溅 射法等在压电体层5的上表面5a形成由金构成的上部电极层26。基板11由娃构成。
[0047] 接下来，使用有感光性的弹性树脂层作为蚀刻掩模，通过ICP干式蚀刻除去下部 电极层4、压电体层5和上部电极层26的一部分，形成图3B所不的驱动部2。
[0048] 接下来，如图3C所示那样，使用具有感光性、光交联反应进展那样的弹性树脂层， 在驱动部2的上部电极层26的上表面26a形成下部振动层7。
[0049] 接下来，如图3D所示那样，在下部振动层7的上表面7a形成由铜构成的镀用电极 层212,之后，在未形成镀用电极层212的部分形成镀用被覆层13。之后，如图3E所示那样， 通过镀敷法在下部振动层7的上表面7a形成由铜构成的上部振动层8。之后，如图3F所示 那样除去镀用被覆层13。由于镀用电极层212非常薄，因此上部振动层8实质接合在下部 振动层7。
[0050] 最后，如图3G所示那样，以具有感光性的弹性树脂层为蚀刻掩模，通过ICP干式蚀 刻从基板11的下表面lib进行除去，除了基板11的成为支承体10的部分以外的部分，由 此完成压电致动器器件1。
[0051] 如此，由于用具有感光性、光交联反应进展那样的弹性树脂形成下部振动层7,通 过使用了镀用被覆层的电场镀敷法来形成上部振动层8，微细化变得容易，因此能实现压电 致动器器件1的小型化。
[0052] 图4是实施方式1中的其它压电致动器器件21的立体图。在图4中，对与图1所 示的压电致动器器件1相同的部分赋予相同的参考编号。压电致动器器件21具备驱动部 2和振动部23。驱动部2由下部电极层4、设于下部电极层4的上表面4a的压电体层5、和 设于压电体层5的上表面5a的上部电极层26构成。另外，振动部23由与上部电极层26 的上表面26a相接而设的下部振动层7、设于下部振动层7的上表面7a的中间电极层328、 和设于中间电极层328的上表面328a的上部振动层8构成。如此，上部振动层8介由中间 电极层328与下部振动层7的上表面7a结合。中间电极层328接合在下部振动层7的上 表面7a和上部振动层8的下表面8b。压电致动器器件21具有在与上述层的上表面和下 表面成直角的长边方向1001A上延伸的矩形形状，与长边方向1001A交叉的端面30不移动 地保持在支承体10。下部电极层4、压电体层5、上部电极层26、下部振动层7、中间电极层 328和上部振动层8,在与这些层的上表面和下表面成直角的厚度方向1001B上层叠。
[0053] 若在下部电极层4与上部电极层26间施加电场，则因逆压电效应，压电体层5在 与上表面5a和下表面5b平行的平面方向上伸缩。这时，因压电体层5的伸缩而产生的力 在压电致动器器件21的厚度方向1001B上作为力矩发挥作用，振动部23在厚度方向1001B 上挠曲。通过使下部振动层7的纵弹性系数小于上部振动层8的纵弹性系数，能使从挠曲 的中立面PN到压电体层5的距离较大，能有效率地将由压电体层5产生的力变换成挠曲。 另外，通过设为这样的构成，在能得到大的挠曲的同时，能提高振动部23的刚性，能同时提 升抗干扰振动性和挠曲量。
[0054] 在图4所示的压电致动器器件21中，下部振动层7由压电性高分子材料形成。在 对上部电极层26与中间电极层328间施加电场的情况下，下部振动层7在平面方向上伸 缩。若此时对下部振动层7施加电场来使下部振动层7与压电体层5同方向地伸缩，则下 部振动层7与对压电体层5施加电场时相同地在平面方向上伸缩。具体地，在上部电极层 26与中间电极层328间施加电压。因下部振动层7的伸缩而产生的力在压电致动器器件21 的厚度方向1001B上作为力矩发挥作用，振动部23在厚度方向1001B上挠曲。如此，由于 下部振动层7在具有振动部23的功能的同时具有与驱动部相同的功能，因此，通过使下部 振动层7为压电性高分子，能不使振动部23的刚性降低地的得到进一步大的挠曲。由于中 间电极层328与下部振动层7和上部振动层8相比更薄，因此中间电极层328带给振动部 23的振动的影响较小。通过使中间电极层328的纵向弹性模量与下部振动层7或上部振动 层8的纵向弹性模量相同，能使中间电极层328带给振动部23的振动的影响实质消失。另 夕卜，在图3A到图3G中能将镀用电极层212用作中间电极层328。
[0055] 另外，在图1所示的压电致动器器件1中，通过用导电性材料形成上部振动层8,能 使其作为图4所示的中间电极层328发挥功能。即，在压电致动器器件1中，也可以在由导 电性材料构成的上部振动层8与上部电极层26间施加电压。由于若此时对下部振动层7 施加电场来使下部振动层7与压电体层5同方向地伸缩，则与具有中间电极层328的压电 致动器器件21相同，下部振动层7在具有振动部3的功能的同时具有作为驱动部的功能， 因此能不使振动部3的刚性降低地得到大的挠曲，并且与形成中间电极层328的情况相比 简化工序。
[0056] 在压电致动器器件1中，具体地，例如用纵弹性系数1?20GPa的聚偏氟乙烯那样 的压电高分子材料形成下部振动层7,例如用纵弹性系数100?150GPa的铜那样的无机材 料形成上部振动层8。由此，不仅使从挠曲的中立面PN到压电体层的距离更大，下部振动 层7还与驱动部2 -起作为驱动部发挥功能，因此能维持抗干扰振动性不变地使挠曲量飞 跃性提升。
[0057] 另外，构成为：压电体层5和由压电性高分子构成的下部振动层7在厚度方向 1001B上相对于电场被极化为相互相反的方向，形成为：由导电性材料构成的上部振动层8 和下部电极层4成为同电位。由于下部振动层7和压电体层5的极化方向相反，因此若在 下部电极层4与上部电极层26间以及上部振动层8与上部电极层26间施加电场，则由于 压电体层5和下部振动层7的极化方向相反，压电体层5和下部振动层7向相同的方向挠 曲。在此，能通过使下部电极层4和上部振动层8短路来使下部电极层4和上部振动层8 为同电位，另外，由于只要将下部电极层4和上部振动层8与相同的电源连接即可，因此与 将下部电极层4和上部振动层8与不同的电源连接的情况相比，能实现小型化以及工序的 简化。
[0058] (实施方式2)
[0059] 图5是实施方式2中的压电致动器器件32的立体图。在图5中，对与图1到图4 所示的实施方式1中的压电致动器器件1、21相同的部分赋予相同的参考编号。压电致动 器器件32是具有沿振动轴32a迂回形地延伸的迂回形状的迂回形振动器。压电致动器器 件32具备在与振动轴32a成直角的长边方向1001A上细长地延伸的压电致动器34、35。多 个压电致动器34和多个压电致动器35沿振动轴32a交替排列并在折返部32b连接。压电 致动器器件32与支承体33连接。
[0060] 图6是图5所示的压电致动器器件32的线6-6的截面图。压电致动器34具备： 由分别与图1所示的实施方式1中的压电致动器器件1的下部电极层4、压电体层5、上部 电极层26、下部振动层7和上部振动层8相同的材料构成、且同样在厚度方向1001B上层 叠的下部电极层24、压电体层25、上部电极层126、下部振动层27和上部振动层28。另外， 压电致动器35具备：分别由与图1所示的实施方式1中的压电致动器器件1的下部电极 层4、压电体层5、上部电极层26、下部振动层7和上部振动层8相同的材料构成、且同样地 配置的下部电极层24、压电体层25、上部电极层226、下部振动层27和上部振动层28。在 以不同的驱动波形驱动压电致动器34、35的情况下，优选构成为压电致动器34、35的上部 振动层28与下部电极层24成为同电位。因此，在实施方式2中的压电致动器器件32中， 压电致动器34、35的下部电极层24彼此相连，上部振动层28彼此相连。压电致动器34、 35的上部电极层126、226不相互连接。用布线126w来连接多个压电致动器34的上部电极 层126。布线126w被多个压电致动器35的压电体层25的上表面25a和下部振动层27的 下表面27b所夹，并沿压电致动器35和折返部32b延伸。同样地，用布线226w来连接多个 压电致动器35的上部电极层226。布线226w被多个压电致动器34的压电体层25的上表 面25a和下部振动层27的下表面27b所夹，并沿压电致动器34和折返部32b延伸。交流 电源126s介由压电致动器34的布线126w对下部电极层24和上部振动层28各自与上部 电极层126间施加交流电压。交流电源226s介由压电致动器35的布线226w对下部电极 层24和上部振动层28各自与上部电极层226间施加交流电压。交流电源126s对上部电 极层126施加的交流电压的相位与交流电源226s对上部电极层226施加的交流电压的相 位为反相。在压电致动器34中，由于压电体层25和下部振动层27相对于电场极化为相反 的方向，因此若如上述那样对下部电极层24和上部振动层28各自与上部电极层126间施 加交流电压，贝 1J压电体层25和下部振动层27在厚度方向1001B上向相同的方向挠曲。同 样地，在压电致动器35中，由于压电体层25和下部振动层27相对于电场极化到相反的方 向，因此若上述那样对下部电极层24和上部振动层28各自与上部电极层226间施加交流 电压，贝 1J压电体层25和下部振动层27在厚度方向1001B上向相同的方向挠曲。
[0061] 图7A是表示压电致动器器件32的动作的侧视图。在从交流电源126s、226s施加 交流电压时，如图7A所示那样，压电致动器34、35的厚度方向1001B的挠曲叠加，能以用比 单一的压电致动器进行驱动更大的位移来驱动压电致动器器件32。通过使压电致动器34、 35的上部振动层28为同电位，能简化电极构成。如此，即使是具备多个压电致动器、并实现 用反相来驱动该多个压电致动器中的2个压电致动器的复杂的动作的压电致动器器件32， 也能不使电极构成复杂化地使挠曲较大。
[0062] 另外，由于通过用导电性材料形成压电致动器34、35的上部振动层28，如图6所示 那样连接压电致动器34、35的上部振动层28和下部电极层24,能减少电源的数量，因此能 进一步简化电极构成。
[0063] 实施方式2中的压电致动器器件32的多个压电致动器34、35具有迂回形状，但若 具有以相互反相的交流电源驱动的至少2个压电致动器34、35,则也可以具有迂回形状以 外的形状，能得到相同的效果。
[0064] 图7B是实施方式2中的其它压电致动器器件132的截面图。在图7B中，对与图 6所示的压电致动器器件32相同的部分赋予相同的参考编号。在图7B所示的压电致动器 器件132中，与图4所示的压电致动器器件21相同，压电致动器34、35还具备设于下部振 动层27的上表面27a与上部振动层28的下表面28b间的中间电极层428。在压电致动器 器件132中，取代图6所示的压电致动器器件32的上部振动层28而让中间电极层428与 下部电极层24连接，并与交流电源126s、226s连接而被施加电压，由此压电致动器器件132 具有与图6所示的压电致动器器件32相同的效果。
[0065](实施方式3)
[0066] 图8A是实施方式3中的压电致动器器件41的立体图。压电致动器器件41是光 学反射元件。压电致动器器件41具备：框体41f、被框体41f支承的一对振动部43、和被一 对振动部43支承的反射镜部41m。一对振动部43的外端分别与框体41f的对置的二边的 内侧连接。反射镜部41m与一对振动部43的内端连接。振动部43具有迂回形状。如此， 框体41f支承一对振动部43的一端。反射镜部41m被一对振动部43的另一端支承。另 夕卜，框体41f也可以支承1个振动部43的一端。这种情况下，反射镜部41m被1个振动部 43的另一端支承。
[0067] 振动部43沿穿过反射镜部41m的大致中心的振动轴41a而迂回形地延伸。一对 振动部43相对于穿过反射镜部41m的中心的振动轴41a的法线相互线对称。
[0068] 图8B是压电致动器器件41的振动部43的放大立体图。振动部43具有与图5和 图6所示的实施方式2中的压电致动器器件32相同的构造，具有由与压电致动器器件32 的下部振动层27和上部振动层28相同的材料构成、且同样地层叠的下部振动层47和上部 振动层48。下部振动层47和上部振动层48具有迂回形状。振动部43还具有由与压电致 动器器件32的下部电极层24、压电体层25和上部电极层126 (226)相同的材料构成、且同 样地层叠来构成驱动部42的下部电极层44、压电体层45和上部电极层46。与图6所示的 实施方式2中的压电致动器器件32的下部电极层24、上部电极层126(226)和上部振动层 28同样地对振动部43的下部电极层44、上部电极层46和上部振动层48施加电压。由此， 与实施方式2中的压电致动器器件32相同，振动部43以振动轴41a为中心来回转动地进 行振动，反射镜部41m以振动轴41a为中心来回转动地振动。
[0069] 压电致动器器件41具有与实施方式2中的压电致动器器件32相同的效果，能在 能得到振动部43的大的挠曲的同时提高振动部43的刚性。因此，能实现同时提升了抗干 扰振动性和旋转动作的振幅量的压电致动器器件41。
[0070] 另外，在实施方式3中的压电致动器器件41中，与图7B所示的实施方式2中的压 电致动器器件132相同，振动部43也可以具有与下部振动层47的上表面和上部振动层48 的下表面接合的中间电极层，具有与压电致动器器件132相同的效果。
[0071] (实施方式4)
[0072] 图9A是实施方式4中的压电致动器器件61的立体图。在图9A中，对与图8A所 示的实施方式3中的压电致动器器件41相同的部分赋予相同的参考编号。压电致动器器 件61是光学反射元件。压电致动器器件61具备：框体41f、被框体41f支承的一对振动部 43、被一对振动部43支承的框体61f、被框体61f支承的一对振动部73、被振动部73各自 的内端支承的反射镜部61m。振动部43、73具有沿振动轴41a、61a迂回形地分别延伸的迂 回形状。振动轴41a与振动轴61a正交。一对振动部43的一端分别与框体41f的对置的 二边的内侧连接，并被支承。框体61f被一对振动部43的各自的另一端支承。振动部73 的一端在振动轴61a上与框体61f的对置的二边的内侧连接，并被支承。
[0073] 振动轴41a、61a在反射镜部61m的大致中心相互正交。一对振动部43相对于振 动轴61a为相互线对称形，一对振动部73相对于振动轴41a为相互线对称形。
[0074] 图9B是压电致动器器件61的振动部73的放大立体图。振动部73具有与图5和 图6所示的实施方式2中的压电致动器器件32即图8B所示的振动部43相同的构造，具有 由与压电致动器器件32的下部振动层27和上部振动层28相同的材料构成、且同样地层叠 的下部振动层77和上部振动层78。下部振动层77和上部振动层78具有迂回形状。振动 部73还具有由与压电致动器器件32的下部电极层24、压电体层25和上部电极层126 (226) 相同的材料构成、且同样地层叠来构成驱动部72的下部电极层74、压电体层75和上部电 极层76。与图6所示的实施方式2中的压电致动器器件32的下部电极层24、上部电极层 126(226)和上部振动层28同样地对振动部73的下部电极层74、上部电极层76和上部振 动层78施加电压。由此，与实施方式2中的压电致动器器件32相同，振动部73以振动轴 61a为中心来回转动地振动，反射镜部61m以振动轴61a为中心来回转动地振动。另外，通 过振动部43以振动轴41a为中心来回转动地振动，框体61f以振动轴41a为中心来回转动 地振动。因此，反射镜部61m以相互正交的振动轴41a、61a为中心旋转地振动。
[0075] 压电致动器器件61具有与实施方式3中的压电致动器器件41相同的效果，能在 得到振动部43、73的大的挠曲的同时提高振动部43、73的刚性。因此，能实现同时提升了 抗干扰振动性和旋转动作的振幅量的压电致动器器件61。
[0076] 通过用与振动部43相比纵弹性系数更大的材料构成振动部73,不会使振动部43 大面积化，就能使得以振动轴41a为中心进行来回转动的振动的固有振动频率与以振动轴 61a为中心进行来回转动的振动的固有振动频率相比非常低，能得到适于显示器用途的压 电致动器器件61。进一步地，能在将以振动轴41a为中心进彳丁来回转动的振动的固有振动 频率设计得较高的同时使该固有振动频率以下的区域的来回转动的振幅量较大，能用三角 波和锯齿波等的正弦波以外的任意的驱动波形稳定地驱动框体61f和反射镜部61m，使之 来回转动。因此，能得到能显示基于理想的光栅扫描的图像的压电致动器器件61。
[0077] 将振动部43、73和驱动部42、72的层公共化。用分别与另外的振动部73的另外的 下部振动层77和另外的上部振动层78相同的层来形成振动部43的下部振动层47和上部 振动层48。另外，用与另外的驱动部72的另外的下部电极层74和另外的压电体层75分别 相同的层来形成驱动部42的下部电极层44和压电体层45。驱动部42的上部电极层46与 图6所示的实施方式2中的压电致动器器件32的上部电极层126、226同样地形成，另外的 驱动部72的另外的上部电极层76也与图6所示的压电致动器器件32的上部电极层126、 226同样地形成。由此能简化压电致动器器件61的构造。
[0078] 另外，在实施方式4中的压电致动器器件81中，与图7B所示的实施方式2中的压 电致动器器件132相同，振动部43也可以具有与下部振动层47的上表面和上部振动层48 的下表面接合的中间电极层，另外的振动部73也可以具有与另外的下部振动层77的上表 面和另外的上部振动层78的下表面接合的另外的中间电极层，具有与压电致动器器件132 相同的效果。
[0079] (实施方式5)
[0080] 图10是实施方式5中的压电致动器器件81的立体图。压电致动器器件81是检 测角速度的传感器。
[0081] 压电致动器器件81具备：振动部83、和支承振动部83的支承部81s。振动部83 具有由与图1所示的压电致动器器件1的下部振动层7和上部振动层8分别相同的材料构 成、且同样地层叠的下部振动层87和上部振动层88。振动部83具备：臂部83a、83b、和支 承臂部83a、83b的振动过渡部83c。臂部83a、83b从振动过渡部83c起相互平行地延伸，振 动部83具有音叉形状。在检测角速度时，使臂部83a、83b在X轴方向上振动，将在X轴方 向上振动的臂部83a、83b在旋转时受到的Z轴方向的科里奥利力检测为角速度。
[0082] 在臂部83a、83b的各自的1个面设置驱动部82a、82b、和配置在驱动部82a、82b间 的检测部81p。驱动部82a、82b以及检测部81p各自具有由与图1所示的实施方式1中的 压电致动器器件1的驱动部2的下部电极层4、压电体层5、上部电极层26相同的材料构成 且、同样地层叠在振动部83的下部振动层87的下部电极层、压电体层和上部电极层。下部 电极层和上部电极层介由布线81w与设于振动过渡部83c或支承部81s的外部电极89连 接。通过对外部电极89施加交流电压，驱动部82a、82b的压电体层和下部振动层87周期 性地产生形变，由此驱动臂部83a、83b来使之振动。
[0083] 在臂部83a的上述的面的相互相反侧的周缘部分别设置驱动部82a、82b。通过从 外部电极89对驱动部82a、82b施加相互反相位的电压，驱动部82a中的压电体层向Y轴的 正方向伸长，驱动部82b中的压电体层向Y轴的负方向收缩。其结果，臂部83a在X轴方向 上挠曲。在臂部83b的上述的面的相互相反侧的周缘部分别设置驱动部82a、82b。通过从 外部电极89向驱动部82a、82b施加相互反相位的电压，驱动部82a中的压电体层向Y轴的 正方向伸长，驱动部82b中的压电体层向Y轴的负方向收缩。其结果，臂部83b在X轴方向 上挠曲。通过周期性地反复这些动作，控制施加给驱动部82a、82b的电压的相位，来使臂部 83a、83b反方向地挠曲，由此臂部83a、83b在包含X轴和Y轴的XY面内反复振动。
[0084] 在臂部83a、83b在XY面内反复振动的状态下，若绕Y轴作用角速度，则因角速度 所引起的科里奥利力而臂部83a、83b相互向Z轴的彼此相反的方向挠曲。检测部81p将该 科里奥利力所引起的臂部83a、83b的Z轴方向的挠曲检测为角速度。即，介由上部电极层 和下部电极层从外部电极89取出因臂部83a、83b的挠曲而在检测部81p的压电体层产生 的电荷来作为角速度进行检测。
[0085] 由于下部振动层87的纵弹性系数小于上部振动层88的纵弹性系数，因此能使从 挠曲的中立面到驱动部82a、82b的压电体层的距离增大，能有效率地将在压电体层产生的 力变换成挠曲。通过这样的构成，能在保持振动部83的刚性的同时使臂部83a、83b有效率 地反复振动，其结果，能降低施加给驱动部82a、82b的驱动电压。另外，由于从检测部81p 产生的电荷也增加，因此还能提高压电致动器器件81的作为传感器的灵敏度。
[0086] 另外，压电致动器器件81不仅能用作检测角速度的传感器，还能用作通过检测振 动的振动部83的形变来高灵敏度地检测物理量的传感器。
[0087] (实施方式6)
[0088] 图11是实施方式6中的压电致动器器件91的立体图。压电致动器器件91是机 械式的开关元件。
[0089] 压电致动器器件91具备：设置贯通孔93的基板92、配置在贯通孔93的上方的传 输电极部95、和支承传输电极部95的支承体98。在传输电极部95的上表面设置有成为机 械式开关的短路片的导电体部94。支承体98具有：弹性体部96、和与弹性体部96连接的 压电致动器97。弹性体部96的一端与传输电极部95连接来悬架传输电极部95。压电致 动器97的一端与基板92的贯通孔93的周缘部93c连接而被支承。由此，支承体98支承 传输电极部95使其位于贯通孔93的上方。
[0090] 在实施方式6中，传输电极部95的外形为矩形形状。2个支承体98配置为从贯 通孔93的周缘部93c起相互平行地延伸。通过让2个支承体98的弹性体部96分别支承 传输电极部95的相互相反侧的两端部，以双支撑构造将传输电极部95悬架在贯通孔93之 上。
[0091] 导电体部94位于传输电极部95基本中央。在传输电极部95包围导电体部94地 设置贯通部99。通过贯通部99,传输电极部95具有设置了给定的空隙的栈桥形状。未形 成贯通部99的部分的栈桥的宽度窄于压电致动器97的宽度。
[0092] 图12是图11所示的压电致动器器件91的线12-12的截面图。传输电极部95和 支承其的弹性体部96具有：下部电极层304、和设于下部电极层304的上表面的压电体层 305。在实施方式6中，下部电极层304由钼构成，压电体层305由PZT构成。设于传输电 极部95的导电体部94由上部电极层306构成，该上部电极层306设于压电体层305的上 表面，由金构成。
[0093] 压电致动器97具有：振动部303、和设于振动部303的下表面的驱动部302。驱动 部302具有：下部电极层304、设于下部电极层304的上表面的压电体层305、和设于压电体 层305的上表面的上部电极层306。如上述那样，下部电极层304由钼构成，压电体层305 由PZT构成，上部电极层306由金构成。振动部303具有：设于上部电极层306的上表面的 下部振动层307、和设于下部振动层307的上表面的上部振动层308。下部电极层304具有 从压电体层305露出的取出电极105。上部电极层306具有从振动部303露出的取出电极 106。取出电极105、106设置在支承支承体98的贯通孔93的周缘部93c。通过取出电极 105U06来对下部电极层304以及上部电极层306施加给定的一定电压来使压电体层305 扭曲，由此使悬架的传输电极部95上下驱动。如此，导电体部94作为通过振动部303而位 移的开关接点发挥功能。
[0094] 弹性体部96由形成压电致动器97的下部电极层304和压电体层305构成，从上 表面观察具有迂回形状。通过弹性体部96作为弹簧发挥作用而伸缩，能缓和使压电致动器 97扭曲时产生的给传输电极部95的应力，能不发生损坏地使传输电极部95反复上下移动。 设计弹性体部96的形状，以使得弹性体部96的共振频率高于开关的动作频率、即传输电极 部95的上下移动的频率。由此，能不使传输电极部95共振地以所期望的速度使传输电极 部95上下移动，能使压电致动器器件91动作。将弹性体部96的宽度和折返的间隔设定为 空隙大于宽度。
[0095] 在实施方式6中，传输电极部95的4个部分介由弹性体部96被压电致动器97支 承。由此缓和了因制造工序引起的压电致动器97的扭曲量（位移量）的偏差，能使传输电 极部95不倾斜地相对于传输线路基本水平地上下移动。
[0096] 由于下部振动层307的纵弹性系数小于上部振动层308的纵弹性系数，因此能使 从挠曲的中立面到压电体层305的距离较大，能将在压电体层305产生的力有效率地变换 成挠曲。通过该构成，能在保持振动部303的刚性的同时增大压电致动器97的挠曲量，其 结果能降低驱动电压。另外，能将固有振动频率设计得较高，并使该振动频率以下的区域的 挠曲量较大，能以任意的驱动波形稳定地驱动压电致动器97。由此，能在各种用途中将压电 致动器器件91用作机械式开关元件。
[0097] 图13是组装了机械式的开关元件即压电致动器器件91的、应对高频的机械式开 关591的分解立体图。
[0098] 在机械式开关591中，压电致动器器件91组装在陶瓷封装107中，被密封。从下 方来看，在陶瓷封装107的组装面即底面107a设置传输线路108以及用于对压电致动器器 件91施加电压的驱动用电极109。介由分隔器等将压电致动器器件91组装、固定在底面 l〇7a，使得传输线路108和传输电极部95(导电体部94)以给定的间隔对置，驱动用电极 109和取出电极105、106以给定的间隔对置。此时，通过介由贯通孔93测定传输电极部95 的下表面的位置，能正确地检测传输线路108与传输电极部95的间隙，能将压电致动器器 件91正确地定位并固定。
[0099] 设于底面107a的传输线路108以及驱动用电极109通过通孔和内部布线等与陶 瓷封装107的外侧面的外部电极110连接。在将致动器组装在陶瓷封装107内后，用由Fe 或Ni、Co等构成的盖111覆盖陶瓷封装107来将其密封，通过在陶瓷封装107的内部填充 惰性气体或干空气，或者以真空状态密封，来构成机械式开关591。在将机械式开关591组 装在电路基板上后，介由陶瓷封装107的外部电极110来使内部的压电致动器器件91驱 动，在所期望的定时切换传输线路108。
[0100] 在实施方式6中，以蚀刻在基板92形成贯通孔93,但在传输电极部95的位移量中 有裕量的情况下，贯通孔93也可以是有底的凹部。
[0101] 通过使用压电致动器器件91，能实现即使是数V的低电压也能确实地动作并以所 期望的响应速度切换传输线路的机械式开关591。
[0102] 在上述的实施方式中，"上表面"、"下表面"、"上部振动层"、"下部振动层"、"上部电 极层"、"下部电极层"等表示方向的用语，表示仅依赖于驱动部、振动部等的压电致动器器 件的构成部件的相对的位置关系的相对的方向，并不表示铅直方向等的绝对的方向。
[0103] 产业上的利用可能性
[0104] 本发明中的压电致动器器件的耐振动性能以及驱动效率卓越，在移动用途的致动 器器件中有用。这当中，在作为光学反射元件使用的情况下，该压电致动器器件在移动投影 仪、头盔显示器等小型图像投影装置中有用。
[0105] 标号的说明
[0106] 2、42 驱动部
[0107] 3、23、43、83、303 振动部
[0108] 4、304下部电极层
[0109] 5、305压电体层
[0110] 7、307下部振动层
[0111] 8、308上部振动层
[0112] 11 基板
[0113] 26、306上部电极层
[0114] 41f 框体
[0115] 41m、61m 反射镜部
[0116] 61f框体（另外的框体）
[0117] 72驱动部（另外的驱动部）
[0118] 73振动部（另外的振动部）
[0119] 74下部电极层（另外的下部电极层）
[0120] 75压电体层（另外的压电体层）
[0121] 76上部电极层（另外的上部电极层）
[0122] 77下部振动层（另外的下部振动层）
[0123] 78上部振动层（另外的上部振动层）
[0124] 81p检测部
[0125] 94导电体部
[0126] 328中间电极层
【权利要求】
1. 一种压电致动器器件，具备振动部和驱动部， 所述振动部具有： 振动的下部振动层； 与所述下部振动层的上表面结合且与所述下部振动层一起振动的上部振动层， 所述驱动部具有： 设于所述下部振动层的下表面的上部电极层； 设于所述上部电极层的下表面的压电体层；和 设于所述压电体层的下表面的下部电极层， 所述驱动部构成为使所述振动部振动， 所述振动部的所述下部振动层的主成分为有机材料， 所述振动部的所述上部振动层的主成分为无机材料， 所述下部振动层的纵弹性系数小于所述上部振动层的纵弹性系数。
2. 根据权利要求1所述的压电致动器器件，其中， 所述振动部还具有与所述下部振动层的所述上表面和所述上部振动层的下表面接合 的中间电极层， 所述下部振动层由压电性高分子材料构成。
3. 根据权利要求2所述的压电致动器器件，其中， 所述压电体层和所述下部振动层构成为相对于电场极化成彼此相反的方向， 所述压电致动器器件构成为：所述下部电极层和所述中间电极层成为同电位。
4. 根据权利要求1所述的压电致动器器件，其中， 所述下部振动层由压电性高分子材料构成， 所述上部振动层由导电性材料构成。
5. 根据权利要求4所述的压电致动器器件，其中， 所述压电体层和所述下部振动层构成为相对于电场极化成彼此相反的方向， 所述压电致动器器件构成为：所述下部电极层和所述上部振动层成为同电位。
6. 根据权利要求1?5中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述下部振动层由包含所述有机材料的一种以上的有机材料、和一种以上的无机材料 构成， 在所述下部振动层中，所述下部振动层的所述一种以上的有机材料的体积比率的合计 为1/3以上，且大于所述下部振动层的所述一种以上的无机材料各自的体积比率。
7. 根据权利要求6所述的压电致动器器件，其中， 在所述下部振动层中，所述下部振动层的所述一种以上的有机材料的体积比率的所述 合计超过50%。
8. 根据权利要求1?7中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述上部振动层由包含所述无机材料的一种以上的无机材料、和一种以上的有机材料 构成， 在所述上部振动层中，所述上部振动层的所述一种以上的无机材料的体积比率的合计 为1/3以上，且大于所述上部振动层的所述一种以上的有机材料各自的体积比率。
9. 根据权利要求8所述的压电致动器器件，其中， 在所述上部振动层中，所述上部振动层的所述一种以上的无机材料的体积比率的所述 合计超过50%。
10. 根据权利要求1?9中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述压电致动器器件还具备： 支承所述振动部的一端的框体；和 被所述振动部的另一端支承的反射镜部， 所述振动部具有迂回形状。
11. 根据权利要求1?9中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述压电致动器器件具备： 支承所述振动部的一端的第1框体； 被所述振动部的另一端支承的第2框体； 具有被所述第2框体支承的一端的另外的振动部；和 被所述另外的振动部的另一端支承的反射镜部， 所述振动部和所述另外的振动部具有迂回形状。
12. 根据权利要求11所述的压电致动器器件，其中， 所述压电致动器器件还具备： 构成为使所述另外的振动部振动的另外的驱动部， 所述另外的振动部具有： 振动的另外的下部振动层；和 与所述另外的下部振动层的上表面结合且与所述另外的下部振动层一起振动的另外 的上部振动层， 所述另外的驱动部具有： 设于所述另外的下部振动层的下表面的另外的上部电极层； 设于所述上部电极层的下表面的另外的压电体层；和 设于所述另外的压电体层的下表面的另外的下部电极层， 所述另外的振动部的所述另外的下部振动层的主成分为有机材料， 所述另外的振动部的所述另外的上部振动层的主成分为无机材料， 所述另外的上部振动层的纵弹性系数小于所述另外的下部振动层的纵弹性系数。
13. 根据权利要求1?9中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述压电致动器器件还具备： 检测所述振动部的形变的检测部。
14. 根据权利要求1?9中任一项所述的压电致动器器件，其中， 所述压电致动器器件还具备： 作为通过所述振动部而位移的开关接点发挥功能的导电体部。
15. -种压电致动器器件的制造方法，包括： 形成具有设于基板的上表面的下部电极层、设于所述下部电极层的上表面的压电体 层、和设于所述压电体层的上表面的上部电极层的驱动部的步骤； 使用具有感光性的弹性树脂并通过光交联反应在所述驱动部的所述上部电极层的上 表面形成以有机材料为主成分的下部振动层的步骤；和 通过镀敷法在所述下部振动层的上表面形成以无机材料为主成分的上部振动层的步 骤。
16. 根据权利要求15所述的压电致动器器件的制造方法，还包括： 通过蚀刻处理除去所述驱动部的一部分的步骤。
17. 根据权利要求15所述的压电致动器器件的制造方法，还包括： 从所述基板的下表面通过蚀刻除去所述基板的与所述驱动部相接的部分的步骤。
【文档编号】G01C19/5621GK104094429SQ201380007536
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年1月29日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】平冈聪一郎, 小牧一树, 中园晋辅, 黑塚章, 堀江寿彰 申请人:松下电器产业株式会社