專利名稱：壓電致動器、可變電容器和光偏轉(zhuǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題涉及壓電致動器，具體地說涉及適合于執(zhí)行裝置的厚度方向上的平移運(yùn)動(Z方向運(yùn)動)的壓電致動器的結(jié)構(gòu)、可變電容器以及包括該結(jié)構(gòu)的光偏轉(zhuǎn)裝置。
背景技術(shù)：
可以在各種應(yīng)用中使用在裝置的厚度方向上執(zhí)行平移運(yùn)動(z方向運(yùn)動)的致動器。例如，可以在兩個平板電極之一中使用這種致動器，使得可以利用電極間間隙的變化將致動器用作可變電容器。此外，這種致動器可以與反光鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，使得可以獲得執(zhí)行進(jìn)入反射鏡部件的光的光路變化的裝置，并且該裝置具有多種應(yīng)用，使得該裝置可以用作拾取跟蹤致動器，用于讀取光盤或變焦掃描器。在將致動器應(yīng)用于上述裝置時，致動器可以執(zhí)行靜電カ驅(qū)動、壓電驅(qū)動等。在執(zhí)行靜電カ驅(qū)動時，需要接近100V的電壓。另ー方面，在執(zhí)行壓電驅(qū)動時，可以通過相對低的電壓獲得較大移位。在壓電驅(qū)動中，經(jīng)常使用可以獲得具有簡單結(jié)構(gòu)的較大移位的壓電單晶懸臂梁。壓電單晶懸臂梁構(gòu)造為使得下端電極、壓電體和上端電極層疊在振動板上，并且具有固定了杠桿部件的一個端部的橫梁(懸臂梁)結(jié)構(gòu)。通過向壓電體施加電場，使得壓電體變形從而杠桿部件如弓狀向上彎曲。此外，作為能夠獲得較大移位的致動器，還使用將兩個壓電體層層疊夾在電極與振動板之間而獲得的雙晶致動器。日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2004-127973,日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2008-005642，日本專利申請?zhí)卦S公開 No. 2010-251726，Park, J. Y.等人在 2001 IEEEMTT-S International, vol. 3,pp. 2111-2114(2001)的 Microwave Symposium Digest 上題為“Micromachined RF MEMS tunable capacitors using piezoelectric actuators，，的 文-早，以及 Kawakubo, T.等人在 journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15,No. 6，pp. 1759-1765(2006)的題為 “RF-MEMS Tunable Capacitor With 3V OperationUsing Folded Beam Piezoelectric Bimorph Actuator” 的文章披露了 使用懸臂梁型壓電致動器的可變電容器的構(gòu)造示例。Yee, Y.等人在Sensor and Actuator A89,pp. 166-173 (2001)上題為 “PZT actuated micromirror for fine-tracking mechanismofhigh-density optical data storage”的文章披露了光拾取的構(gòu)造示例。

發(fā)明內(nèi)容
所有這些裝置都需要在單純厚度方向上(z方向)驅(qū)動。然而，在壓電懸臂梁執(zhí)行驅(qū)動的情況下，以下因素總是使得裝置設(shè)計困難。[I]由于壓電薄膜的殘余壓力，存在初始z移位(即使在施加電壓為O的狀態(tài)下也發(fā)生z方向的偏移)。[2]在驅(qū)動懸臂梁時發(fā)生平面內(nèi)方向(X和y方向)的移動。在壓電體為直接形成在基板上的薄膜時以上因素[I]變得顯著。由于在壓電體與基板之間的熱擴(kuò)散系數(shù)不同，所以因素[I]由以下事實(shí)引起在壓電體膜在高溫下形成在基板上之后，致動器如弓形向上彎曲，并且溫度返回到正常溫度。在降低致動器剛性從而獲得較大移位時，這種因素[I]變得更加顯著。上述因素[2]是由懸梁臂型致動器本質(zhì)上包含旋轉(zhuǎn)移位的事實(shí)引起的。因此，在懸梁臂型致動器中，很難在抑制X和y方向上的平面內(nèi)移位的同時獲得單純的Z方向移位。在一般壓電懸梁臂型致動器中，有必要延長致動器的長度或者使得振動板的厚度變薄從而獲得較大移位。然而，這種調(diào)節(jié)將強(qiáng)化因素[I]和[2]。即，實(shí)現(xiàn)很大移位，并且因素[I]和[2]為折中關(guān)系。為此，很難在消除初始z移位的同時獲得足夠量的單純的z方向移位。以下描述特定裝置的示例。(關(guān)于可變電容器) 將參考日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2010-251726中的圖3來說明。在本說明書中沒有附上日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2010-251726中的圖3，并且表示其中元件的標(biāo)號位于括號中。日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2010-251726中的圖3圖示了使用壓電懸梁臂的可變電容器，所述壓電懸梁臂是具有壓電體和振動板的層疊結(jié)構(gòu)的一般致動器。在具有一端固定到支撐體(39)的雙晶或單晶致動器部件(38)的壓電致動器(31)中，ー個電容器電極(36)布置在致動器部件(38)的一面,而另ー電容器電極(33)布置成面對電容器電極(36)。在可變電容器(30)中，通過在箭頭方向(垂直延伸的弓形方向)使得壓電致動器(31)的致動器部件(38)變形，可以控制電容器電極(33)和(36)之間的距離，從而可以改變靜電電容。然而，在這種傳統(tǒng)可變電容器中，在弓形彎曲的狀態(tài)下使得壓電致動器(31)的致動器部分(38)變形。因此，電容器電極(33)和(36)在保持平行狀態(tài)時不能彼此靠近和彼此分離。并且，很難獲得設(shè)計的電容。而且，由于壓電體的殘余極化引起的翹曲，使得在沒有施加電壓時懸梁臂發(fā)生翹曲。因此，在施加驅(qū)動電壓之前，電容器電極(33)和(36)彼此接觸。在日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2008-005642或Kawakubo等人描述的技術(shù)中，通過向懸梁臂應(yīng)用折疊結(jié)構(gòu)減小了接觸部分的初始移位。然而，電極不能保持彼此平行(參見Kawakubo等人的“圖4”)。如Kawakubo等人的“圖12 (a) ”所不，Kawakubo提出了一種以夾層方式布置兩個致動器的方法。然而，該方法造成裝置更大并且需要支撐彈簧結(jié)構(gòu)用于釋放從兩端牽引的力，這造成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(關(guān)于微鏡)參考Yee等人的“圖2”，“圖3”和“圖4”加以說明。然而，“圖2”，“圖3”和“圖
4”沒有附在本說明書中。Yee等人的圖2到4披露了用于光學(xué)拾取的微鏡。Yee等人提出了一種致動器結(jié)構(gòu)，用于在z方向(反射面的正交方向)驅(qū)動反射面。在這種應(yīng)用中，有必要使得反射鏡在不引起光損失的情況下反射光，并且必須盡可能多地抑制驅(qū)動期間平面內(nèi)方向的移動。因此，在Yee等人所述的結(jié)構(gòu)中，布置四個單晶懸臂梁圍繞反射鏡，使得在抑制x-y平面內(nèi)方向內(nèi)的移位的同時獲得Z方向移位。然而，不能減小由于壓電體的殘余壓カ引起的初始翹曲。事實(shí)上，Yee等人描述了致動器中由于初始翹曲引起的初始z移位為大約5μπι，可以獲得至多5μπι的ζ移位。根據(jù)這些環(huán)境提出本發(fā)明的主題，本發(fā)明的主題的用途在于提供ー種壓電致動器，即使由于壓電體的殘余壓カ的原因存在初始翹曲，其也可能消除移位點(diǎn)處的初始移位的影響。而且，本發(fā)明的主題的另一用途在于提供ー種壓電致動器，能夠抑制平面內(nèi)方向內(nèi)的移位，從而動態(tài)地獲得單純的厚度方向的移位(Z方向的轉(zhuǎn)換移動)并且能夠獲得較大移位量。另外，本發(fā)明的主題的另一用途在于提供ー種可變電容器和包括壓電致動器的光偏轉(zhuǎn)裝置。本發(fā)明披露的壓電致動器可以包括第一致動器，包括第一壓電驅(qū)動部件；以及第二致動器，包括第二壓電驅(qū)動部件?？梢灾蔚谝恢聞悠骺v向方向的中心部分?？梢酝ㄟ^向第一壓電驅(qū)動部件施加第一驅(qū)動電壓來使得第一致動器彎曲和變形，從而可以在第一致動器的厚度方向上移位第一致動器在縱向方向上的兩個端部。第二致動器在縱向方向上的兩個端部可以耦接到第一致動器的兩個端部。可以通過向第二壓電驅(qū)動部件施加第二驅(qū)動電壓來使得第二致動器在相反方向上彎曲和變形，從而可以在第二致動器的厚度方向上移位第ニ致動器在縱向方向上的中心部分。從說明書和附圖來看，本發(fā)明的主題的其它方面變得更加明顯。根據(jù)本發(fā)明的主題，通過結(jié)合第一致動器以及第ニ致動器可以獲得該結(jié)構(gòu)，其中 第一致動器在縱向方向的中心部分被支撐，第二致動器的兩個端部耦接到支撐第一致動器在縱向方向的兩個端部。即使由于壓電體的殘余壓カ使得各個致動器中存在翹曲，在縱向方向上中心部分處(其可以是移位點(diǎn))的初始移位量可以保持為O?？蛇x地，初始移位可以趨于零。而且，根據(jù)本發(fā)明的主題的壓電致動器，可以在最終階段在致動器縱向方向上的中心部分獲得大體上單純的厚度方向(z方向)移位。而且，累積第一致動器的移位和第二致動器的移位從而可以獲得更大的移位。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的主題的第一實(shí)施例的壓電致動器的平面圖；圖2是具有壓電驅(qū)動部件的致動器的截面圖；圖3是圖示了根據(jù)第一實(shí)施例的壓電致動器的非驅(qū)動狀態(tài)的透視圖；圖4是圖示了根據(jù)第一實(shí)施例的壓電致動器的驅(qū)動狀態(tài)的透視圖；圖5是圖示了壓電薄膜的電壓移位特性的曲線圖；圖6是圖示了在由于壓電體的殘余壓カ造成初始翹曲時壓電致動器狀態(tài)的示圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的主題的第二實(shí)施例的壓電致動器的平面圖；圖8是圖示了根據(jù)第二實(shí)施例的壓電致動器的非驅(qū)動狀態(tài)的透視圖；圖9是圖示了根據(jù)第二實(shí)施例的壓電致動器的驅(qū)動狀態(tài)的透視圖；圖10是總體圖示了示例I和2相比對比示例的效果的圖表；圖11是根據(jù)本發(fā)明的主題的第三實(shí)施例的壓電致動器的平面圖；圖12是具有以下結(jié)構(gòu)的致動器的示意圖，其中壓電驅(qū)動部件(長度La)置于具有長度L的振動板的中心部分處；圖13是圖示了圖12所示的結(jié)構(gòu)中長度比(La/L)與移位量之間的關(guān)系曲線圖；圖14是具有以下結(jié)構(gòu)的致動器的示意圖，其中壓電驅(qū)動部件的分離部分(長度La)置于具有長度L的振動板的兩個端部；圖15是圖示了圖14所示的結(jié)構(gòu)中長度比(La/L)與移位量之間的關(guān)系曲線圖16是圖示了根據(jù)本發(fā)明的主題的第四實(shí)施例的可變電容器的可移動電極和用于可移動電極的驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)的示圖；圖17是圖示了固定電極置于可移動電極之上的結(jié)構(gòu)的示圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明的主題的第五實(shí)施例的光偏轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖；以及圖19是圖示了用于光拾取的反射鏡裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下文參考附圖具體描述本發(fā)明的主題的示例實(shí)施例。[第一實(shí)施例] 圖I是根據(jù)第一實(shí)施例的壓電致動器的平面圖。為了便于說明，在引入彼此垂直的X、y和z軸時加以說明,其中圖I中的橫向方向定義為X方向，垂直方向定義為y方向，垂直于圖示圖I的紙張的方向定義為z方向。壓電致動器10包括沿y方向延伸彼此平行布置的多個矩形帯狀壓電單晶致動器12、14、22和24。致動器12、14、22和24經(jīng)由支撐體
17、19和27彼此共同耦接。標(biāo)號12和22均對應(yīng)于“第一致動器”，而標(biāo)號14和24均對應(yīng)于“第二致動器”。致動器組(標(biāo)號101)包括布置在圖I的最左側(cè)位置的致動器12和布置為平行于致動器12并在致動器12的右側(cè)鄰近致動器12的致動器14的組合。類似地，致動器組(標(biāo)號102)包括致動器22和布置為平行于致動器22并在致動器22的右側(cè)鄰近致動器22的致動器24的組合。在該實(shí)施例中的壓電致動器10具有以下結(jié)構(gòu)，其中兩個致動器組101和102通過支撐體19彼此機(jī)械耦接。在以下說明中，標(biāo)號為12的致動器可以被稱為“第一致動器”或“第一級第一致動器”，而標(biāo)號為14的致動器可以被稱為“第二致動器”或“第一級第二致動器”。類似地，標(biāo)號為22的致動器可以被稱為“第一致動器”或“第二級第一致動器”，而標(biāo)號為24的致動器可以被稱為“第二致動器”或“第二級第二致動器”。這里，各個致動器(12、14、22和24)在y方向的長度彼此相等，各個致動器(12、14,22和24)在X方向的寬度Wl和W3以及致動器間距離W2彼此相等(W1 = W2 = W3)。然而，可以在該主題的實(shí)現(xiàn)中設(shè)計各種具體的方面。各個致動器(12、14、22和24)的長度可以彼此不同，寬度Wl和W3以及致動器間距離W2可以彼此不同。圖I中的陰影區(qū)(標(biāo)號12A、14A、22A和24A)指示各個致動器(12、14、22和24)的壓電驅(qū)動部件。各個壓電驅(qū)動部件12A、14A、22A和24A分別具有壓電單晶結(jié)構(gòu)，其中上端電極、壓電體、下端電極和振動板從頂層開始層疊(見圖2)。通過在夾層各個壓電驅(qū)動部件12A、14A、22A和24A的電極之間施加電壓(見圖3和圖4)，各個致動器12、14、22和24在厚度方向(z方向)上在凹進(jìn)狀態(tài)向上或者在凹進(jìn)狀態(tài)向下(在從上看去的凸出方式)彎曲和變形。圖2是圖示了具有壓電驅(qū)動部件12A的致動器12的截面結(jié)構(gòu)的示圖。這里，圖示了布置在圖I的最左側(cè)位置上的致動器12的截面圖。其他致動器14、22和24分別具有類似結(jié)構(gòu)。如圖2所示，各個致動器12、14、22和24具有以下結(jié)構(gòu)，其中下端電極32、壓電體34和上端電極36以層疊狀態(tài)依次形成在振動板30上。例如可以通過在硅(Si)基板上依次形成下端電極32、壓電體34和下端電極36的各層來形成這種層疊結(jié)構(gòu)。使得壓電體34夾在上端電極36和下端電極32之間的存在范圍對應(yīng)于圖I所示的壓電驅(qū)動部件(12A、14A、22A和24A)。在上述說明中，所有致動器都具有單晶致動器結(jié)構(gòu)。然而，該主題的致動器并不限于該結(jié)構(gòu)。例如，致動器可以分別具有使用雙層壓電體的雙晶結(jié)構(gòu)。圖3是壓電致動器在非驅(qū)動時的透視圖，而圖4是壓電致動器在驅(qū)動時的透視圖。為了便于圖示，以與圖I上的左右相反方式描繪圖3和圖4中的左右。布置在圖3和圖4中最右側(cè)位置上的第一致動器12為布置在圖I中最左側(cè)位置上的第一級第一致動器12。第一致動器12包括固定部件40(對應(yīng)干“第一支撐體”)，用于在y方向(縱向方向)在第一致動器12的中心部分支撐第一致動器12，如圖I中的虛線所圍的那樣。固定部件40包括與第一致動器12的振動板30共同耦接的支撐體(用于壓電驅(qū)動部件12A的支撐體)。優(yōu)選地，固定部件40與振動板30整體形成。固定部件40耦接到固定和支撐部件(未示出)，并且基于固定部件40將第一致動器12置于第一致動器12的厚度方向。順、便地，支撐固定部件40的固定和支撐部件(未示出)也可以通過處理硅基板與固定部件40 (支撐體)整體形成。第一致動器12在y方向的中心部分由固定部件40支撐(固定)。在向第一致動器12施加電壓使得壓電驅(qū)動部件12A的壓電體34收縮時，振動板30圍繞固定部件彎曲(如弓形向上翹曲)，使得第一致動器12在y方向的兩個端部在z方向上向上移動(見圖4)。以這種方式在y方向上彎曲和布置的第一致動器12的兩個端部經(jīng)由支撐體17 (對應(yīng)干“第二支撐體”)與第二致動器14耦接。第二致動器14的兩個端部與具有經(jīng)由支撐體17支撐第一致動器12的中心部分的固定部件40的第一致動器12的兩個端部[第一致動器12的ー側(cè)端面部分(圖I中的右側(cè)端面部分)在第一致動器12的短邊方向(X方向)在致動器12的縱向方向上與ー側(cè)端面部分(圖I的左側(cè)端面部分)相對]耦接。借助這種連接狀況，第二致動器14構(gòu)成雙端梁支撐結(jié)構(gòu)，其中支撐體17支撐第二致動器14的兩端。而且，第二致動器14具有以下結(jié)構(gòu)，其中壓電驅(qū)動(活動)部件14A的長度La比振動板30在縱向方向(y方向)的長度L短(La < L)，并且壓電驅(qū)動部件14A置于振動板30在縱向方向的中心部分。在此情況下，期望的是，壓電驅(qū)動部件在縱向方向的長度La處于振動板在縱向方向上的長度L的30%到80%的范圍內(nèi)。在與第一致動器相反的方向驅(qū)動第二致動器時，第二致動器14布置成使得第二致動器14的中心部分彎曲并且相對于第二致動器兩端處的支撐體17在z方向升高。由此，致動器組101包括具有梁結(jié)構(gòu)的第一致動器12，其中在具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的第一致動器12和第二致動器14的中心部分支撐第一致動器12。通過在彼此相反的方向驅(qū)動各個致動器(12、14)，根據(jù)第一致動器12的彎曲移位在z方向的移位量與根據(jù)第ニ致動器14的彎曲移位在z方向的移位量彼此疊加(在z方向的移位增大)。因此，可以在第二致動器14的中心部分獲得z方向的移位。施加到各個致動器的電壓方向可以彼此相反。在此情況下，通過將第一致動器12變形成向上凸起形狀并且將第二致動器14變形成向下凸起形狀，可以在z方向的ー個方向上移位第二致動器14的中心部分(向下移動)。在下文，為了簡化，假定第一致動器12變形成向下凸起形狀以及第二致動器變形成向上凸起形狀的移動為正常情況來加以描述。
第二致動器14的中心部分經(jīng)由支撐體19耦接到第二級第一致動器22。第二級第一致動器22的兩個端部經(jīng)由支撐體27耦接到第二級第二致動器24。致動器組102包括具有梁結(jié)構(gòu)的致動器，其中支撐體19支撐第一致動器22的中心部分，以及具有梁結(jié)構(gòu)的致動器24，其中支撐體17支撐致動器24的兩個端部。在如致動器組101那樣彼此相反的方向驅(qū)動各個致動器(22、24)。以與第一級第一致動器12相同方向驅(qū)動中心部分被支撐的致動器22，并且以與第一級第 二致動器14相同方向驅(qū)動兩個端部被支撐的致動器24。由此，第二級第一致動器22相對于支撐體19以弓形彎曲，使得第二級第一致動器22的兩端向上翹曲。而且，第二級致動器24在兩個端部相對于支撐體27以弓形移位，使得第二級致動器24的中心部分在z方向升高(見圖4)。由此，根據(jù)致動器組101和102彼此平行連接的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動各個致動器(12、14、22和24)使得以向上凸起狀態(tài)(標(biāo)號12所示)、向下凸起狀態(tài)(標(biāo)號14所示)、向上凸起狀態(tài)(標(biāo)號22所示)和向下凸起狀態(tài)(標(biāo)號24所示)的鋸齒形方式交替移位方向。隨后，第二致動器組102在z方向上的移位量累積在第一致動器組101的移位量上，從而可以在第二級第二致動器24 (最終級致動器)的中心部分獲得z方向的較大移位。圖4中的黒色三角圖標(biāo)表示獲得最大移位的部分(最大移位點(diǎn))。圖I到圖4所示的實(shí)施例圖示了彼此耦接的兩個致動器組101和102。可以省略第二致動器組102 (僅由致動器組101構(gòu)成的構(gòu)造)。即使在包括彼此結(jié)合的第一致動器12和第二致動器14的僅有ー個致動器組101的構(gòu)造中，也可以獲得在z方向累積各個致動器(12、14)的移位的平移移位的效果。而且，多個致動器組可以重復(fù)地彼此結(jié)合，使得類似的致動器組以圖I到圖4所示的構(gòu)造結(jié)合到第二致動器組102。在第一實(shí)施例中，具有相同構(gòu)造(尺寸)的第一級致動器組101和第二級致動器組102彼此耦接。然而，構(gòu)造不同的致動器組可以彼此耦接。例如，可以組合長度不同的振動板的致動器組、或者具有不同寬度(致動器寬度)或者不同致動器間的距離的振動板的致動器組。〈關(guān)于供電部分的構(gòu)造〉在第一實(shí)施例中，彼此獨(dú)立地提供了第一驅(qū)動控制器(未不出)，其作為適于提供功率以驅(qū)動第一級和第二級第一致動器12和22的電源，以及第二驅(qū)動控制器(未示出)，其作為適于提供功率以驅(qū)動第一級和第二級第二致動器14和24的電源。第一驅(qū)動控制器包括適于提供驅(qū)動電壓以啟動第一致動器12和22的驅(qū)動電路以及用于驅(qū)動電路的輸出控制電路。第二驅(qū)動控制器包括適于提供驅(qū)動電壓以啟動第二致動器14和24的驅(qū)動電路以及用于驅(qū)動電路的輸出控制電路。在第一實(shí)施例中，第一級和第二級第一致動器12和22由相同驅(qū)動電壓驅(qū)動，而第ー級和第二級第二致動器14和24由相同驅(qū)動電壓驅(qū)動(不同于用于第一致動器的驅(qū)動電壓)。由此，使用兩種類型的供電部分(驅(qū)動控制器)。然而，例如，如果可以將不同驅(qū)動電壓施加到各個致動器12、14、22和24，則供電部分(驅(qū)動控制器)可以單獨(dú)地提供給各個致動器12、14、22和24。可以根據(jù)需要指定供電部分的數(shù)量。通過改變施加到第一致動器12和22以及第二致動器14和24的極性，可以使得致動器的彎曲方向不同。通過使得壓電體的極性特征彼此方向相反，可以使得致動器12、14,22和24的驅(qū)動方向不同。〈壓電體的示例〉作為該實(shí)施例中的壓電體，可以使用摻雜12%的Nb的PZT薄膜。作為努力研究的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過利用濺射法形成摻雜12%的Nb的PZT薄膜，可以穩(wěn)定地制造具有高壓電特征例如壓電常數(shù)d31 = 250pm/V的薄膜。圖5是圖示了摻雜12%的Nb的PZT薄膜(與本示例相關(guān)的壓電薄膜)的電壓移位特征的曲線圖。在圖5中，白色方框標(biāo)記所示的曲線點(diǎn)表示移位量而白色三角標(biāo)記所示的曲線點(diǎn)表示電介質(zhì)正切。如圖5所示，壓電薄膜圖示了未引起極化反轉(zhuǎn)并落入-40V到+IOV范圍內(nèi)的非常線性的移位響應(yīng)。因此，在將彼此相反極性的電壓施加到中心部分被支撐的第一致動器組12和22和兩個端部被支撐的第二致動器組14和24時，可以選擇能獲得±10V的線性響應(yīng)的驅(qū)動電壓。 在將彼此反向的電場施加到使用具有這種特性的壓電薄膜的第一致動器(12、22)和第二致動器(14、24)時，可以獲得圖4所示的變形。如上所述，各個致動器(12、14、22和24)變形從而累積致動器(12、14、22和24)在z方向的移位，使得可以在最終級致動器的中心部分(最大移位點(diǎn))處獲得z方向上的較大移位。(關(guān)于其他優(yōu)選壓電材料)作為適用于第一實(shí)施例的壓電體，存在包含一個或多種下式表示的壓電氧化物(P)的材料。通用公式ABO3. ·· (P)(在式中，A :包含在A晶格點(diǎn)(site)中并且包含Pb的至少ー個元素，B :包含在 B 晶格點(diǎn)中并且為 Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn,Ga, Zn, Cd, Fe和Ni中的至少ー個元素，以及O:氧元素。A晶格點(diǎn)元素、B晶格點(diǎn)元素和氧元素的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比為I : I : 3。該摩爾比可以在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。)作為以上通式表示的鈣鈦礦型氧化物，存在含鉛化合物，例如鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鉛、鈦鑭酸鉛、鈦酸鎬鑭酸鉛、鈦鎬酸鈮鎂酸鉛、鈦鎬酸鈮鎳酸鉛、或鈦鎬酸鈮鋅酸鉛、及其混合晶體；以及非含鉛化合物，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鈦酸鉍鈉、鈦酸鉍鉀、鈮酸鈉、鈮酸鉀、鈮酸鋰、或鐵酸鉍、及其混合晶體。而且，優(yōu)選地，第一實(shí)施例的壓電體薄膜包含下式表示的ー個或多種壓電氧化物(PX)。Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y) b0c. · · (PX)(在式中，A :包含在A晶格點(diǎn)中并且包含Pb的至少ー個元素，M為V，Nb，Ta和Sb中的至少ー個元素。0<x<b,0<y<b,以及 O く b_x_y。a b c = I I 3為標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。該摩爾比可以在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。)
由于上述通式⑵和(PX)表示的壓電氧化物制成的壓電體薄膜具有高壓電壓力常數(shù)(d31常數(shù))，所以具有這種壓電體薄膜的壓電致動器移位特性優(yōu)良。具有由上述通式⑵和(PX)表示的壓電氧化物所制成的壓電體薄膜的壓電致動器在驅(qū)動電壓范圍內(nèi)具有線性優(yōu)良的電壓移位特性。這些壓電材料在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的主題時具有優(yōu)良壓電特性。大量壓電體可以結(jié)合到基板。優(yōu)選地，壓電薄膜可以通過汽相生長法、溶膠-凝膠法等直接形成在基板上。特別地，優(yōu)選地的是，第一實(shí)施例中的壓電體為厚度I到ΙΟμπι的薄膜。在示例中，通過濺射法形成的厚度為4μπι的PZT薄膜可以用作壓電體。然而，壓電體不限于此薄膜。<關(guān)于初始移位的影響>圖6圖示了在第一實(shí)施例的壓電致動器10中出現(xiàn)的壓電體的殘余壓カ引起的初 始翹曲時的變形。在驅(qū)動壓電致動器10期間可以獲得最大移位時，虛線所圍部分(符號A所示的部分)為最大移位點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，取決于初始翹曲，在該點(diǎn)不存在初始ζ移位。<關(guān)于制造エ藝>壓電致動器10中的各個致動器(12、14、22和24)，以及連接這些致動器的支撐體17,19和27，固定部件31和固定部件支撐部件(未示出)可以制成以下結(jié)構(gòu)，通過利用半導(dǎo)體制造エ藝從硅基板加以處理以整體形成具有致動器、支撐體、固定部件和固定部件支撐部件。S卩，振動板30、固定部件40和各個致動器(12、14、22和24)中的支撐體17、19、27
可以構(gòu)造成通過對硅基板進(jìn)行處理獲得的整體。<具體制造方法的一個示例示例>采用下面方式制造壓電致動器10。(步驟I)首先，在SOI(絕緣體上硅)基板上依次形成厚度為30nm的Ti粘合層和厚度為150nm的Ir電極層。Ti粘合層和Ir電極層對應(yīng)于下端電極。電極的薄膜形成溫度為大約350°C。(步驟2)使用RF(射頻)磁電管濺射設(shè)備在上面獲得的基板上形成厚度為4μ m的PZT層。所使用的磁電管濺射設(shè)備為ULVAC Inc制造的鐵電薄膜形成濺射設(shè)備MPS型。薄膜形成氣體為97. 5% Ar和2. 5% O2的混合物。目標(biāo)材料為具有Pbh3 ((Zra52Tia48)a88Nbai2)O3的化合物的材料。薄膜形成壓カ為2. 2m Torr而薄膜形成溫度為450°C。作為上端電極的Pt/Ti通過吊起(lift-off)エ藝在如上獲得的基板上形成圖案。(步驟3)基于硅加工エ藝(干蝕刻等)通過處理上述獲得的基板得到圖I到圖3所述的壓電致動器10。本發(fā)明的主題不限于以上示例。根據(jù)主題的用途可以適當(dāng)?shù)剡x擇基板材料、電材料、壓電材料、薄膜厚度、薄膜形成條件等。<關(guān)于對在致動器的縱向方向上支撐致動器中心部分的這種描述的說明>說明書描述了在示范固定部件40和支撐體19的同時在致動器的縱向方向上支撐致動器中心部分。說明書中的“中心部分”并不是指概念上的嚴(yán)格中心點(diǎn)，而是包括落入認(rèn)為近似中心部分的范圍內(nèi)的區(qū)域。例如，可以在包括致動器在縱向方向的中心部分的至少ー個位置(設(shè)計上的真實(shí)中心點(diǎn))提供固定部件或支撐部件，在至少ー個位置支撐致動器，可以在認(rèn)為近似致動器在縱向方向的中心部分的范圍內(nèi)提供多個固定部件或支撐部件。而且，可以在認(rèn)為近似中心部分的區(qū)域內(nèi)關(guān)于致動器的縱向方向的中心位置對稱地提供至少兩個固定部件或支撐部件。在這種情況下，不能固定或支撐致動器的縱向方向的真實(shí)中心位置。[第二實(shí)施例]圖7是根據(jù)第二實(shí)施例的壓電致動器110的平面圖。在圖7所示的第二實(shí)施例中，與圖I到圖4所述的第一實(shí)施例中的構(gòu)造相同或類似的元件配以相同標(biāo)號，并且將省略對該元件的說明。圖7所示的壓電致動器110的曲折型結(jié)構(gòu)被用于在這些元件在y方向上的兩個端部處連接第一致動器12和第二致動器14的各個位置(標(biāo)號47和57所示)。S卩，不同于圖I所示的支撐體17和27的構(gòu)造，如圖7所示，采用具有折回(折疊) 結(jié)構(gòu)的板狀耦接部件(下文稱為“曲折耦接部件”)47和57。曲折耦接部件47和57在板上形成為比各個致動器(12、14、22和24)的尺寸更小更窄。曲折耦接部件47和57在板上形成為比各個致動器(12、14、22和24)更細(xì)長。由于第二致動器的變形使得這種曲折耦接部件47和57吸收作用在第一致動器上的反作用力，所以可以獲得増加整個致動器的移位量的效果。同樣根據(jù)硅處理例如圖I所示的支撐體17和27，以整體方式形成曲折耦接部件47和57。順便提及，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)計各個曲折耦接部件47和57的折回次數(shù)、細(xì)長度和板厚度。(第一級)致動器組111包括通過曲折耦接部件47在第一致動器12和第二致動器14在縱向方向的兩端彼此耦接的第一致動器12和第二致動器14。類似地，(第二級)致動器組112包括通過曲折耦接部件57在第一致動器22和第二致動器24在縱向方向的兩端彼此耦接的第一致動器12和第二致動器14。圖8是圖示了壓電致動器110在非驅(qū)動時的狀況的透視圖，而圖9是圖示了壓電致動器110在驅(qū)動時的狀況的透視圖。各個致動器12、14、22和24的驅(qū)動方法類似于圖I到圖4所示的第一實(shí)施例的情況。如圖7到圖9所示，通過向彼此耦接的致動器的部分應(yīng)用曲折狀結(jié)構(gòu)(標(biāo)號47和57)從而采用具有相對低的弾性常數(shù)的致密結(jié)構(gòu)，可以在不増加致動器尺寸的情況下獲得更高的移位(見圖9)。在圖7中，圖示了重復(fù)耦接兩個致動器組111和112的示例，但是可以采用沒有提供第二級致動器組112的這種構(gòu)造或者可以采用耦接更多致動器組的構(gòu)造。<對應(yīng)于各個實(shí)施例的示例I和2的效果>圖10是總體圖示了示例I和2相比對比示例的效果的圖表。在圖表中,“示例I”圖示了在圖I中參數(shù)配置為Wl = W2 = W3 = 50 μ m,ff = 310 μ m和L = I的壓電致動器中施加到第一致動器和第二致動器的電壓分別設(shè)置為-IOV和+IOV的情況。此時，在圖表中圖示了移位量(最大移位)等?！笆纠?”圖示了在圖7所示的構(gòu)造中在類似于圖I參數(shù)配置為Wl = W2 = W3 =50 μ m，W = 310 μ m和L = I的壓電致動器中施加到第一致動器和第二致動器的電壓分別設(shè)置為-IOV和IOV的情況。此時，在圖表中圖示了移位量(最大移位)等。作為對比示例，圖示了具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)的各種尺寸的壓電懸臂梁的移位。即，作為對比示例，使用了具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的壓電單晶致動器(長度L =Imm,寬度310 μ m)、具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電單晶致動器(長度310 μ m)和具有懸梁臂結(jié)構(gòu)的壓電單晶致動器(長度500 μ m)。在圖表中圖示了在向各個構(gòu)造施加IOV時獲得的移位量(最大移位)等。 順便提及，以與各個對比示例、示例I和示例2相同的條件相互比較壓電體的壓電性能。如圖10所示，發(fā)現(xiàn)示例I和2的構(gòu)造獲得比傳統(tǒng)致動器(對比示例)的移位更高的移位。[第三實(shí)施例]圖11是根據(jù)第三實(shí)施例的壓電致動器120的平面圖。在圖11所示的第三實(shí)施例中，與圖7到圖9所示的第二實(shí)施例的構(gòu)造相同或類似的元件配以相同標(biāo)號，并且將省略對該元件的說明。在圖11所示的壓電致動器120中，第二致動器14和24中的壓電驅(qū)動部件14B、14C、24B和24C以分離狀態(tài)置于第二致動器14和24的振動板的兩個末端，從而避開振動板在其縱向方向上的中心部分。在此情況下，優(yōu)選地是，壓電驅(qū)動部件14B、14C、24B和24C的長度La設(shè)置為整個振動板在縱向方向上的長度L的15%到45%的范圍內(nèi)。在這種構(gòu)造中，施加到各個壓電驅(qū)動部件12A、14B、14C、22A、24B和24C的電場方向設(shè)置為相同。即，通過施加具有相同極性的電壓可以驅(qū)動所有致動器12、14、22和24，從而在彼此相反的方向彎曲第一致動器12和22以及第二致動器14和24。作為最簡單的結(jié)構(gòu)，可以通過從ー個供電部件(驅(qū)動控制器)饋送的共同驅(qū)動電壓來驅(qū)動第一致動器12和22以及第二致動器14和24。根據(jù)第三實(shí)施例，可以在不需要復(fù)雜電極布置的情況下獲得類似于圖7-9所示的第二實(shí)施例的效果。而且，在使用具有如圖5所述的電壓移位特征的壓電薄膜時，可以利用圖示了較寬范圍內(nèi)的線性移位響應(yīng)的最小電壓區(qū)域，從而可以通過施加較大電壓獲得較大移位，并且移位量的控制變得容易?！搓P(guān)于壓電驅(qū)動部件與振動板以及振動板與壓電驅(qū)動部件的長度L和La的布置比之間的關(guān)系>圖12是圖示了在具有長度L的振動板的中心部分布置壓電驅(qū)動部件(長度La)的構(gòu)造的致動器的示圖。通過在致動器的縱向方向上支撐致動器的兩端，可以獲得具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的致動器。圖13是圖示了在致動器的厚度方向驅(qū)動期間圖12所示的構(gòu)造的長度比(La/L)與致動器中心部分的移位量之間的關(guān)系曲線。在圖13中，縱軸圖示了移位量的最大值歸ー化的值。在圖13中，在設(shè)置了移位量達(dá)到最大值的70%或更多的范圍理想的這種條件吋，優(yōu)選地滿足O. 3 ( La/L^ O. 8。即，在具有振動板的中心部分布置壓電驅(qū)動部件的雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的致動器中，理想地是，壓電驅(qū)動部件的長度La為振動板在縱向板上的長度的30%到80%的范圍內(nèi)。順便提及，在圖13中，作為更優(yōu)選的條件，移位量超過最大值的70%，可以從圖13所示的曲線中讀出對應(yīng)于各個范圍的La/L的優(yōu)選條件，例如移位量達(dá)到最大值的80%或更多的范圍或者移位量達(dá)到最大值的90%或更多的范圍。
圖14是具有以下結(jié)構(gòu)的致動器的示圖，其中壓電驅(qū)動部件(長度La)以分開狀態(tài)布置在長度為L的振動板的兩個端部，從而避開振動板的中心部分。通過在致動器的縱向方向支撐致動器的兩端，可以獲得具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的致動器。圖15是圖示了在致動器的厚度方向驅(qū)動期間圖14所示的構(gòu)造的長度比(La/L)與致動器中心部分的移位量之間的關(guān)系曲線。在圖15中，縱軸圖示了移位量的最大值歸ー化的值。在圖15中，在設(shè)置了移位量達(dá)到最大值的70%或更多的范圍理想的這種條件吋，優(yōu)選地滿足O. 15 ( La/L < O. 45。即，在具有雙端梁支撐結(jié)構(gòu)的致動器中，其中在振動板的兩個端部處以分離狀態(tài)布置壓電驅(qū)動部件，從而避開振動板的中心部分，理想地是，壓電驅(qū)動部件在縱向方向的長度La為振動板在縱向板上的長度的15%到45%的范圍內(nèi)。順便提及，在圖15中，作為更優(yōu)選的條件，移位量超過最大值的70%，可以從圖15所示的曲線中讀出對應(yīng)于各個范圍的La/L的優(yōu)選條件，例如移位量達(dá)到最大值的80%或 更多的范圍或者移位量達(dá)到最大值的90%或更多的范圍。[第四實(shí)施例]接下來，將描述具有根據(jù)本發(fā)明的主題的實(shí)施例的壓電致動器的可變電容器的示例。圖16是圖示了根據(jù)本發(fā)明主題的第四實(shí)施例的可變電容器150的可移動電極152和用于可移動電極152的驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)的示圖。在該實(shí)施例中，作為可移動電極152的驅(qū)動裝置，采用圖7到圖9所述的壓電致動器。在圖16中，與圖7到圖9所述的構(gòu)造相同或類似的元件配以相同標(biāo)號，并且將省略對該元件的說明。順便提及，不同于壓電致動器110，可以采用根據(jù)第一實(shí)施例的壓電致動器10(圖I到圖4)和根據(jù)第三實(shí)施例的壓電致動器120 (圖11)等?？梢苿踊?52是通過在硅基板材料的表面上形成金屬薄膜(電極層)獲得的基板。壓電致動器Iio對稱布置在可移動電極152的兩側(cè)從而夾住可移動電極152,各個壓電致動器110的最大移位部分經(jīng)由耦接部件154連接到可移動電極152。各個壓電致動器110的固定部件40耦接到對應(yīng)于固定和支撐部件的固定框156?？?57形成在可移動電極152和各個壓電致動器110的背面，在孔157之外以懸浮方式布置的耦接部件154支撐可移動電極152。圖17是圖示了固定電極158置于圖16所述的可移動電極152之上的結(jié)構(gòu)的示圖。如圖17所示，固定和布置固定電極158以從上方覆蓋可移動電極152。如圖7-9所述，在驅(qū)動壓電致動器110時，在厚度方向(在ζ方向)轉(zhuǎn)換可移動電極152使得固定電極158和可移動電極152之間的距離變化。由此，電容器(靜電電容)變化?！锤嗑唧w示例〉作為根據(jù)第四實(shí)施例的可變電容器的具體示例，壓電致動器110的尺寸為Wl= W2=W3 = 25 μ m以及L = 500 μ m，可移動電極152的尺寸為邊長300 μ m的方形(300 μ m方形)。根據(jù)以下過程制造該示例的可變電容器。(制造エ藝的示例)(步驟I):通過濺射法等在SOI基板上形成下端電極薄膜，以及通過濺射法等在由此獲得的基板上形成壓電體薄膜。順便提及，可以采用在基板上層疊整塊壓電體并且執(zhí)行拋光的步驟。
(步驟2):接下來，通過光刻エ藝圖案化上端電極，隨后使用等離子的蝕刻處理或者使用氫氟酸和氫氯酸的混合溶液的濕法蝕刻處理來圖案化PZT。(步驟3):其后，通過使用等離子的干法蝕刻處理圖案蝕刻下端電極和裝置層Si。(步驟4):接下來，在應(yīng)當(dāng)形成固定電極(圖17中的標(biāo)號158)的部分上圖案化由抗蝕劑表示的犧牲層。(步驟5):其后，通過電鍍エ藝以電鍍方式在犧牲層上生長用作固定電極的金屬結(jié)構(gòu)。
(步驟6):由此，通過以O(shè)2清洗等去除犧牲層，獲得在致動器上方橋接固定電極的結(jié)構(gòu)。(步驟7):最后，通過向背面上的操縱層和Box-SiO2層施加深度RIE(深度離子反應(yīng)蝕刻)，可以獲得在孔157上方形成的如圖17所示的可移動電極152和固定電極158的結(jié)構(gòu)。上述エ藝制造的可變電容器裝置(圖16和17所示的可變電容器150)的尺寸例如500 μ mX640 μ m，壓電單晶致動器的振動板的厚度為5 μ m。在該結(jié)構(gòu)中，通過施加5V電壓獲得3. 4μ m的ζ方向移位。而且，即使由于壓電體的殘余壓カ引起的初始翹曲存在，也使得可移動電極的初始ζ位置為O (見圖6)，并且可以獲得與電容器設(shè)計完全一致的電容。例如，在假定固定電極158和可移動電極152之間的初始間隙為500nm時，根據(jù)5V驅(qū)動，電容在O. 71pF到O. 089pF的范圍內(nèi)變化。在驅(qū)動范圍的情況下，電容的改變比(最大值Cmax與最小值Cmin的比值)Cmax/Cmin為8。順便提及,在由于最小電壓施加引起的驅(qū)動量增加時，進(jìn)ー步擴(kuò)大電容的改變比。[第五實(shí)施例]接下來，將描述具有根據(jù)本發(fā)明的主題的實(shí)施例的壓電致動器的光偏轉(zhuǎn)裝置的示例。在類似于圖16所述的結(jié)構(gòu)中，在使用反射光的反射鏡來替代可移動電極152時，可以獲得改變光的反射點(diǎn)從而移動焦點(diǎn)或照射位置的裝置。圖18是圖示了在反射鏡厚度方向轉(zhuǎn)換反射鏡162時獲得的移動的示圖。在圖18中，與圖7到圖9、圖16到圖17所述的構(gòu)造相同或類似的元件配以相同標(biāo)號，并且將省略對該元件的說明。順便提及，在圖18中，省略圖16和圖17中所示的固定框156的描述。根據(jù)圖18所示的微鏡致動器的構(gòu)造，通過壓電致動器110和110的驅(qū)動可以轉(zhuǎn)換反射鏡162。使用圖18所示的構(gòu)造，可以制造用于在例如圖19所示的光拾取中進(jìn)行跟蹤的反射鏡致動器。在圖19中，簡化了圖示，其中僅圖示了反射鏡162并且省略了致動器的描述。如圖19所示，反射鏡162布置成以下姿態(tài)，反射鏡162的反射面162A與激光束的入射軸以45°夾角傾斜。在驅(qū)動致動器將反射鏡162布置在反射鏡162的厚度方向上吋，移動反射面162A的位置并且改變?nèi)肷涔獾椒瓷涿?62A的到達(dá)點(diǎn)從而變換反射光的光軸。在反射鏡162厚度方向的移位量表不為h并且反射光的光軸的變換量表不為d時,基于關(guān)系式d= (2)1/2Xh可以控制反射光。順便提及，反射鏡162的傾角不限于45°并且反射鏡162可以采取任何布置情形，并且可以根據(jù)入射光與反射面的入射角、反射面的位置、或入射光碰撞到反射面上的位置的這些條件來控制光路。該エ藝不限于圖18和19所示的示例，并且可以用于作為反射例如激光束的光從而改變光的前進(jìn)方向、光路長度、光通路等光學(xué)裝置的各種應(yīng)用中。<根據(jù)本發(fā)明的主題的實(shí)施例的壓電致動器與傳統(tǒng)致動器的對比>考慮Yee等人描述的致動器作為對比，通過將Yee等人的單晶致動器的振動板的厚度降低到2 μ m，施加5V電壓獲得3·5μπι的移位。然而，在Yee等人的文章中，由于制造期間的殘余壓カ，保留5 μ m的初始翹曲。另ー方面，在類似于第四實(shí)施例和第五實(shí)施例的致動器中，在振動板的厚度為5 μ m時，通過施加5V電壓可以獲得等效于以上傳統(tǒng)致動器的3. 4 μ m的移位。對本發(fā)明主題的實(shí)施例的構(gòu)造與Yee等人所述的構(gòu)造進(jìn)行比較，由于實(shí)施例中振動板的厚度比Yee等人所述的振動板的厚度厚，所以硬度很高足以明顯提高產(chǎn)量。而且，在本發(fā)明主題的實(shí)施例的構(gòu)造中殘余壓カ所引起的翅曲造成的初始移位為O。
而且，在本發(fā)明主題的實(shí)施例中，在振動板的厚度以與Yee等人相同方式設(shè)置為2 μ m吋，獲得16. 7 μ m的移位。順便提及，在此情況下，壓電薄膜的厚度設(shè)置為2 μ m。<本發(fā)明主題的實(shí)施例所獲得的有益效果>(I)即使各個致動器包括壓電體的殘余壓カ引起的翹曲，在致動器在其縱向方向的作為壓電驅(qū)動時的移位點(diǎn)的中心位置處的初始移位量保持為O。(2)在致動器的縱向方向的中心部分可以獲得大體單純的厚度方向(ζ方向)移位。(3)相比較例如單晶懸臂梁的傳統(tǒng)普通壓電致動器，移位量等于或大于傳統(tǒng)壓電致動器所獲得的移位量。〈其他變型實(shí)施例1>在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中，描述了彼此單獨(dú)提供的驅(qū)動第一致動器12和22的驅(qū)動電壓控制器和驅(qū)動第二致動器14和24的驅(qū)動電壓控制器的構(gòu)造，但是可以采用輸出多個驅(qū)動電壓的驅(qū)動電壓控制器的這種構(gòu)造。而且，不必要完全必須配置驅(qū)動電壓電源和用于驅(qū)動電壓電源的控制裝置。例如，可以通過利用輸出第一致動器的驅(qū)動電壓的驅(qū)動電壓電源、輸出第二致動器的驅(qū)動電壓的驅(qū)動電壓電源和控制這些驅(qū)動電壓電源的控制器來配置類似系統(tǒng)?！雌渌冃蛯?shí)施例2>在上述實(shí)施例中，圖示了致動器組包括組合的多個壓電單晶致動器的示例，但是可以采用使用雙晶致動器的情況。順便提及，本發(fā)明的主題不限于上述實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在該主題的技術(shù)思想下不同地改變本發(fā)明的主題。<附加描述本發(fā)明主題的狀況> 如從以上詳細(xì)描述的本發(fā)明主題的實(shí)施例的說明所得到的，在該說明書中包括含有至少以下描述的狀況的各種技術(shù)細(xì)想的公開。(第一方面)第一方面的壓電致動器可以包括第一致動器，包括第一壓電驅(qū)動部件，第一致動器在第一致動器的縱向方向上的中心部分被支撐，第一致動器構(gòu)造為通過向第一壓電驅(qū)動部件施加第一驅(qū)動電壓來彎曲和變形，從而在第一致動器的厚度方向上移位第一致動器在縱向方向上的兩個末端；以及第二致動器，包括第二壓電驅(qū)動部件，第二致動器在第二致動器的縱向方向上的兩個末端耦接到第一致動器的兩個末端，第二致動器構(gòu)造為通過向第二壓電驅(qū)動部件施加第二驅(qū)動電壓來在相反方向上彎曲和變形，從而在第二致動器的厚度方向上移位第ニ致動器在第ニ致動器的縱向方向上的中心部件。根據(jù)第一方面，構(gòu)造為通過機(jī)械耦接第一致動器和第二致動器獲得致動器組，第一致動器在其縱向方向上的中心部分被支撐，第二致動器的兩個端部被支撐。通過關(guān)于第一致動器和第二致動器的厚度方向在彼此相反的方向上變形(彎曲移位)第一致動器和第ニ致動器，在厚度方向上累積第一致動器和第二致動器的各個移位，從而獲得較大移位。另夕卜，該構(gòu)造不包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并且可以通過厚度方向上的變換移位來實(shí)現(xiàn)。而且，即使殘余壓カ引起初始翹曲，但是致動器中心部分的初始移位為O或者趨于O的變小?？梢圆捎冒ńM合的第一致動器和第二致動器的多個致動器組彼此耦接的狀況。
(第二方面)在根據(jù)第一方面的壓電致動器中，可以并排布置第一致動器和第二致動器使得第一致動器的縱向方向與第二致動器的縱向方向相互平行。根據(jù)第二方面，各個致動器彼此平行布置，使得致動器的縱向方向彼此一致，從而可以在縱向方向上彼此機(jī)械耦接第一致動器和第二致動器的兩個端部。(第三方面) 在根據(jù)第一方面或第二方面的壓電致動器中，第一支撐體可以在第一致動器的中心部分支撐第一致動器在短側(cè)方向的ー側(cè)端面部分，以及第一致動器可以經(jīng)由第二支撐體耦接到位于第一支撐體所支撐的ー側(cè)端面部分相對側(cè)上的第一致動器的兩個端部。根據(jù)第三方面，第二致動器連接到支撐第一致動器的中心部分的第一支撐體的相反側(cè)上的第一致動器的側(cè)面。即，與第二致動器的兩個端部的耦接部分提供在支撐第一致動器的中心部分的支撐體的相對側(cè)上。(第四方面)根據(jù)第一到第三方面中任一所述的壓電致動器，還可以包括多個致動器組，包括相互耦接的第一致動器和第二致動器，其中包括在一個致動器組中的第二致動器的中心部分與鄰近所述ー個致動器組布置的另一致動器組中所包括的第一致動器的中心部分相互耦接。通過耦接包括彼此組合的第一致動器和第二致動器的多個致動器組，可以獲得更大厚度方向移位。多個致動器組可以具有相同的構(gòu)造單元，在該構(gòu)造中不同的致動器組可以彼此連接。(第五方面)在根據(jù)第一到第四方面中任一的壓電致動器中，第一致動器和第二致動器的每ー個均可以為單晶致動器，包括在第一致動器和第二致動器的每ー個的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極。作為致動器元件，采用雙晶致動器的方面是可行的，但是單晶致動器結(jié)構(gòu)簡單并且可以容易制造。而且，由于單晶致動器中容易存在殘余壓カ造成的初始翹曲，所以可以避免初始翹曲影響的本發(fā)明主題的應(yīng)用更有效。
(第六方面)在根據(jù)第一到第五方面任一所述的壓電致動器中，第二致動器可以包括第二致動器包括在第二致動器的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極，第二壓電驅(qū)動部分可以包括夾在第二致動器的下端電極和上端電極之間的壓電體，第二壓電驅(qū)動部分可以置于在振動板的縱向方向上包括振動板的中心部分的區(qū)域中，以及在所述區(qū)域的縱向方向上的區(qū)域長度可以處于振動板的長度的30到80%內(nèi)。第六方面可以在具有優(yōu)選的雙端梁支撐結(jié)構(gòu)(兩個端支撐結(jié)構(gòu))的第二致動器中獲得優(yōu)質(zhì)移位。(第七方面)在根據(jù)第一到第五方面任一所述的壓電致動器中，第二致動器可以包括第二致動器包括在第二致動器的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極， 第二壓電驅(qū)動部分可以包括夾在第二致動器的下端電極和上端電極之間的壓電體，第二壓 電驅(qū)動部分可以置于在第二致動器中的振動板的縱向方向上振動板兩側(cè)上的端部，并且沒有置于在其縱向方向上振動板的中心部分，以及在振動板的各個端部處第二壓電驅(qū)動部分在縱向方向上的長度可以為振動板長度的15到45%。第七方面可以在具有優(yōu)選的雙端梁支撐結(jié)構(gòu)(兩個端支撐結(jié)構(gòu))的第二致動器中獲得優(yōu)質(zhì)移位。(第八方面)在根據(jù)第一到第七任一所述的壓電致動器中，第一致動器和第二致動器可以同時分別施加有第一驅(qū)動電壓和第二驅(qū)動電壓，使得第一致動器和第二致動器在彼此相対的方向上彎曲，并且第一致動器的端部的厚度方向移位和第二致動器的中心部分的厚度方向移位增加。第一驅(qū)動電壓和第二驅(qū)動電壓可以彼此相同，但是彼此不同。響應(yīng)于各個致動器的壓電體的極化方向或壓電驅(qū)動部件的布置狀況(第六和第七方面)，設(shè)計施加到各個致動器的電壓。(第九方面)在根據(jù)第一到第八方面任一所述的壓カ致動器，第一致動器和第二致動器的兩個端部耦接處的各個部分可以具有曲折結(jié)構(gòu)。根據(jù)第九方面，耦接部分容易變形，從而可以獲得更大的ζ方向(厚度方向)移位。(第十方面):在根據(jù)第一到第九方面任一所述的壓電致動器中，第一壓電驅(qū)動部分和第二壓電驅(qū)動部分的每ー個中所包括的壓電體可以為厚度為I到ΙΟμπι范圍內(nèi)的薄膜。優(yōu)選地，使用壓電薄膜構(gòu)成壓電致動器。(第^^一方面):在根據(jù)第一到第十方面任一所述的壓電致動器中，第一壓電驅(qū)動部分和第二壓電驅(qū)動部分的每ー個中所包括的壓電體可以為下式(P)表示的ー個或多種鈣鈦礦氧化物通用公式ABO3... (P)，在式中，
A :包含在A晶格點(diǎn)中并且包含Pb的至少ー個元素，B :包含在 B 晶格點(diǎn)中并且為 Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn,Ga, Zn, Cd, Fe和Ni中的至少ー個元素，以及O:氧元素。A晶格點(diǎn)元素、B晶格點(diǎn)元素和氧元素的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比為I : I : 3。然而，該摩爾比可以在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。這種壓電體具有良好壓電特征，壓電體理想地作為本發(fā)明主題的壓電致動器。(第十二方面)在根據(jù)第一到第十一方面任一所述的壓電致動器中，第一壓電驅(qū)動部分和第二壓、電驅(qū)動部分的每ー個中所包括的壓電體可以為下式(PX)表示的一個或多種鈣鈦礦氧化物Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y)bOc. · · (PX)，在式中，A :包含在A晶格點(diǎn)中并且包含Pb的至少ー個元素，M為V，Nb，Ta和Sb中的至少ー個元素，以及0<x<b,0<y<b,以及 O く b_x_y。a b c = I I 3為標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。然而，該摩爾比可以在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離標(biāo)準(zhǔn)摩爾比。這種壓電體具有良好壓電特征，壓電體理想地作為本發(fā)明主題的壓電致動器。(第十三方面)在根據(jù)第十到第十二方面任一所述的壓電致動器中，壓電體可以是直接形成在振動板的基板上的薄膜。通過使用濺射法表示的直接薄膜形成法例如汽相生長法或溶膠-凝膠法，可以獲得具有理想壓電特性的壓電體薄膜。而且，由于直接薄膜形成法會容易存在殘余壓カ造成的初始翹曲，所以可以避免初始翹曲影響的本發(fā)明主題的應(yīng)用是有用的。(第十四方面)在根據(jù)第十到第十三方面任一所述的壓電致動器中，壓電體可以是通過濺射法形成的薄膜。(第十五方面)第十五方面的可變電容器可以包括根據(jù)第一到第十四任一所述的壓電致動器；第一平板電極，附接到壓電致動器上能夠獲得壓電致動器的厚度方向上的最大移位的區(qū)域；以及第二平板電極，固定并布置成面對第一平板電極，其中通過驅(qū)動壓電致動器以在厚度方向上移位第一平板電極從而改變第一平板和第二平板之間的距離，來改變靜電電容。根據(jù)第十五方面，通過驅(qū)動壓電致動器，在厚度方向移位第一平板電極(可移動電極)。由此，改變第二平板電極(固定電極)和第一平板電極之間的電極間距離(間隙)從而改變電容量。根據(jù)本發(fā)明主題的壓電致動器不引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并且可以在厚度方向變換，從而可以實(shí)現(xiàn)可良好控制的可變電容器。
(第十六方面):第十六方面的光偏轉(zhuǎn)裝置可以包括根據(jù)第一到第十四方面任一所述的壓電致動器；以及反射鏡組件，附接到壓電致動器上能夠獲得壓電致動器的厚度方向上的最大移位的區(qū)域，其中通過驅(qū)動壓電致動器以在厚度方向上移位反射鏡組件從而改變反射鏡組件的反射面在厚度方向上的位置，來改變進(jìn)入反射鏡組件的光的光路。根據(jù)第十六方面，通過驅(qū)動壓電致動器以變換方式在厚度方向移位反射鏡元件，改變反射鏡元件的反射面的位置。由此，可以改變反射點(diǎn)、反射光的光軸、光路徑長度等。根據(jù)本發(fā)明主題的壓電致動器不引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并且可以在厚度方向以變換方式移位，從而可以實(shí)現(xiàn)可良好控制的反射鏡裝置。
權(quán)利要求
1.一種壓電致動器，包括 第一致動器，包括第一壓電驅(qū)動部件，第一致動器在第一致動器的縱向方向上的中心部分被支撐，第一致動器構(gòu)造為通過向第一壓電驅(qū)動部件施加第一驅(qū)動電壓來彎曲和變形，從而在第一致動器的厚度方向上移位第一致動器在縱向方向上的兩個末端；以及 第二致動器，包括第二壓電驅(qū)動部件，第二致動器在第二致動器的縱向方向上的兩個末端耦接到第一致動器的兩個末端，第二致動器構(gòu)造為通過向第二壓電驅(qū)動部件施加第二驅(qū)動電壓來在與第一致動器相反的方向上彎曲和變形，從而在第二致動器的厚度方向上移位第二致動器在第二致動器的縱向方向上的中心部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動器，其中， 并排布置第一致動器和第二致動器使得第一致動器的縱向方向與第二致動器的縱向方向相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第一支撐體在第一致動器的中心部分支撐第一致動器在短側(cè)方向上的一側(cè)端面部分，以及 第二致動器經(jīng)由第二支撐體耦接到位于第一支撐體所支撐的一側(cè)端面部分相對側(cè)上的第一致動器的兩個端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，進(jìn)一步包括 多個致動器組，包括相互耦接的第一致動器和第二致動器，其中 包括在一個致動器組中的第二致動器的中心部分與鄰近所述一個致動器組布置的另一致動器組中所包括的第一致動器的中心部分相互耦接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第一致動器和第二致動器的每一個均為單晶致動器，包括在第一致動器和第二致動器的每一個的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第二致動器包括在第二致動器的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極， 第二壓電驅(qū)動部分包括夾在第二致動器的下端電極和上端電極之間的壓電體， 第二壓電驅(qū)動部分置于在振動板的縱向方向上包括振動板的中心部分的區(qū)域中，以及 在所述區(qū)域的縱向方向上的區(qū)域長度處于振動板的長度的30%到80%內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第二致動器包括在第二致動器的厚度方向上依次層疊在振動板上的下端電極、壓電體和上端電極， 第二壓電驅(qū)動部分包括夾在第二致動器的下端電極和上端電極之間的壓電體， 第二壓電驅(qū)動部分置于第二致動器中振動板的縱向方向上的振動板兩側(cè)的端部，并且沒有置于振動板在縱向方向上的中心部分，以及 在振動板的各個端部處，第二壓電驅(qū)動部分在縱向方向上的長度為振動板長度的15 %到 45%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第一致動器和第二致動器同時分別施加有第一驅(qū)動電壓和第二驅(qū)動電壓，使得第一致動器和第二致動器在彼此相對的方向上彎曲，并且第一致動器的端部的厚度方向移位和第二致動器的中心部分的厚度方向移位得到累積。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電致動器，其中， 第一致動器和第二致動器的兩個端部耦接處的每個部分具有曲折結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動器，其中， 第一壓電驅(qū)動部分和第二壓電驅(qū)動部分的每一個中所包括的壓電體為厚度為I到IOiim范圍內(nèi)的薄膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動器，其中， 第一壓電驅(qū)動部分和第二壓電驅(qū)動部分的每一個中所包括的壓電體為由下式(P)表 示的一種或多種鈣鈦礦氧化物通用公式ABO3. (P)， 在式中， A :包含在A晶格點(diǎn)中并且包含Pb的至少一個元素，B :包含在 B 晶格點(diǎn)中并且為 Ti，Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga,Zn, Cd, Fe和Ni中的至少一個元素，以及0 :氧元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動器，其中， 第一壓電驅(qū)動部分和第二壓電驅(qū)動部分的每一個中所包括的壓電體為由下式(PX)表示的一種或多種鈣鈦礦氧化物 Aa (Zrx, Tiy, Mb_x_y)bOc. . . (PX), 在式中， A :包含在A晶格點(diǎn)中并且包含Pb的至少一個元素， M為V，Nb，Ta和Sb中的至少一個元素，以及 0<x<b,0<y<b,以及 0 < b_x_y。
13.根據(jù)權(quán)利要求10到12中任一項所述的壓電致動器，其中，壓電體為直接形成在振動板的基板上的薄膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到12中任一項所述的壓電致動器，其中，壓電體為通過濺射法形成的薄膜。
15.—種可變電容器,包括 根據(jù)權(quán)利要求1，2和10到12中任一項所述的壓電致動器， 第一平板電極，附接到壓電致動器上的能夠獲得壓電致動器的厚度方向上的最大移位的區(qū)域；以及 第二平板電極，固定并布置成面對第一平板電極，其中 通過驅(qū)動壓電致動器以在厚度方向上移位第一平板電極從而改變第一平板和第二平板之間的距離，來改變靜電電容。
16.—種光偏轉(zhuǎn)裝置,包括 根據(jù)權(quán)利要求1，2和10到12中任一項所述的壓電致動器；以及反射鏡組件，附接到壓電致動器上的能夠獲得壓電致動器的厚度方向上的最大移位的區(qū)域，其中通過驅(qū)動壓電致動器以在厚度方向上移位反射鏡組件從而改變反射鏡組件的反射面在厚度方向上的位置，來改變進(jìn)入反射鏡組件的光的光路。全文摘要
本發(fā)明披露的壓電致動器可以包括第一致動器，包括第一壓電驅(qū)動部件；以及第二致動器，包括第二壓電驅(qū)動部件。可以支撐第一致動器的中心部分?？梢酝ㄟ^向第一壓電驅(qū)動部件施加第一驅(qū)動電壓來使得第一致動器彎曲和變形，從而可以在第一致動器的厚度方向上移位第一致動器的兩個端部。第二致動器的兩個端部可以耦接到第一致動器的兩個端部?？梢酝ㄟ^向第二壓電驅(qū)動部件施加第二驅(qū)動電壓來使得第二致動器在與第一致動器相反的方向上彎曲和變形，從而可以在第二致動器的厚度方向上移位第二致動器的中心部分。
文檔編號H02N2/02GK102739104SQ20121009133
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者直野崇幸 申請人:富士膠片株式會社