(57)【要約】【課題】従来の圧電体素子は、変位量を保持するのに電圧を常に印加する必要があり、長期間安定して電圧制御しなければ位置を保持することができなかった。【解決手段】第１電極１、第２電極２および第１電極１と第２電極２との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極１と第２電極２とを介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜３からなる圧電体薄膜素子１０と、分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路４とを備え、圧電体薄膜３は分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトル方向に対応した異なった変位位置を保持する圧電体薄膜装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第１電極と前記第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる圧電体薄膜素子と、
前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記圧電体薄膜素子は前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持することを特徴とする圧電体薄膜装置。
【請求項２】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第１電極と前記第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の構造体と、
第３電極、第４電極および前記第３電極と前記第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第３電極と前記第４電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の構造体とを有し、
前記第１の構造体と前記第２の構造体とが貼り合わされた圧電体薄膜素子と、
前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記圧電体薄膜素子は前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持することを特徴とする圧電体薄膜装置。
【請求項３】
前記圧電体薄膜素子が、異なった前記変位位置のいずれかを中心に、分極ベクトルが反転しない範囲の電圧で駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項４】
前記圧電体薄膜素子の電極形成面の形状が、多角形状であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項５】
前記圧電体薄膜素子の多角形状の１つの端部もしくは端部近傍で前記圧電体薄膜素子が固定されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項６】
前記圧電体薄膜素子の多角形状の少なくとも２つの端部もしくは端部近傍で前記圧電体薄膜素子が支持または固定されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項７】
前記圧電体薄膜素子の電極形成面の形状が、略円形を有する形状であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項８】
前記略円形の圧電体薄膜素子の外周端部もしくは外周端部近傍で前記圧電体薄膜素子が支持または固定されていることを特徴とする請求項７に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項９】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第１電極と前記第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜の長手方向の端面部が対向するように設けられた形状の圧電体薄膜素子と、
前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記圧電体薄膜素子は前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの方向に対応して前記端面部において開閉の２つの動作を保持することを特徴とする圧電体薄膜装置。
【請求項１０】
前記端面部を備えた前記圧電体薄膜素子の電極形成面の形状が、円環状または中空状の多角形状であることを特徴とする請求項９に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１１】
前記端面部を備えた前記圧電体薄膜素子が、バイモルフ構成を有することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１２】
前記第１電極と前記第２電極が、互いに対向する複数組の電極に分離されていることを特徴とする請求項９から請求項１１までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１３】
前記端面部を備えた前記圧電体薄膜素子の少なくとも一部が支持または固定されていることを特徴とする請求項９から請求項１２までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１４】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第１電極と前記第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の圧電体薄膜素子と、
第３電極、第４電極および前記第３電極と前記第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第３電極と前記第４電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の圧電体薄膜素子とを有し、
前記第１の圧電体薄膜素子と前記第２の圧電体薄膜素子とのそれぞれの一端部は対向し、それぞれの他端部は支持体に支持固定され、前記支持体とを含めてトライアングル状に構成された圧電体開閉素子と、
前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記分極ベクトルの反転により前記一端部が開閉動作するとともに前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの反転による開閉位置を保持することを特徴とする圧電体薄膜装置。
【請求項１５】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第１電極と前記第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の素子部と、
第３電極、第４電極および前記第３電極と前記第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、前記第３電極と前記第４電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると前記分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の素子部とを有し、
前記第１の素子部と前記第２の素子部とが同一平面上で、かつ長手方向において異なる角度で一体に形成されてなる圧電体薄膜素子と、
前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記圧電体薄膜素子は前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの方向に対応して、前記第１の素子部および前記第２の素子部のそれぞれの変位位置を組み合わせて２次元的に複数の変位位置を保持することを特徴とする圧電体薄膜装置。
【請求項１６】
前記圧電体薄膜の主成分が、チタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１７】
前記電源回路は、前記分極ベクトルを反転する電圧に加えて、複数の前記変位位置のいずれかを中心に分極ベクトルが反転しない範囲の電圧を切り替えて印加可能な構成としたことを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれかに記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１８】
前記電源回路を制御する制御回路をさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の圧電体薄膜装置。
【請求項１９】
第１電極、第２電極および前記第１電極と前記第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持つ圧電体薄膜からなる圧電体薄膜素子と、
前記第１電極と第２電極を介して前記圧電体薄膜素子に前記分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、
前記圧電体薄膜は、前記分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、前記圧電体薄膜素子は前記電圧が印加されなくなった状態でも前記分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持する圧電体薄膜装置において、
前記分極ベクトルの反転時のみ電圧を印加し、前記分極ベクトルの反転後、電圧を供給せずに２つの変位位置を保持するようにしたことを特徴とする圧電体薄膜装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜の分極ベクトルの反転を用いた、例えば位置決め装置等に利用される圧電体薄膜装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、位置決め装置の駆動素子として、電気・機械エネルギーの変換効率が高く、低消費電力で駆動でき、また発熱量が少なく磁気干渉もないため圧電体素子が用いられ、各種アクチュエータに応用されている。
【０００３】
しかし、圧電体素子には、印加電圧と変位量との関係にヒステリシスが存在するために、圧電体素子の変位量は印加電圧に対して一義的に定まらない等の問題がある。
【０００４】
そこで、圧電体素子のヒステリシスを最小限に抑える駆動方法が提案されている（例えば、特許文献１）。図１９は、従来の圧電体素子の変位量と印加電圧の関係を示す特性図である。
【０００５】
図１９において、圧電体素子に印加する最小電圧をＶｍｉｎ．、最大電圧をＶｍａｘ．とする。ここで、印加電圧をＶｍｉｎ．→Ｖ１→Ｖｍａｘ．→Ｖ１→Ｖｍｉｎ．と変化させた場合、変位は、Ａ→Ｃ→Ｂ→Ｄ→Ａのようにヒステリシスを描くため、変位が一義的には決まらない。しかし、Ｖｍｉｎ．→Ｖ１→Ｖｍａｘ．または、Ｖｍａｘ．→Ｖ１→Ｖｍｉｎ．のように印加電圧をＶｍｉｎ．から単調に増加、またはＶｍａｘ．から単調に減少させる場合には、印加電圧・変位特性曲線はそれぞれ、Ａ→Ｃ→Ｂ、Ｂ→Ｄ→Ａとなり、圧電体素子の変位は印加電圧と１対１に対応する。したがって、圧電体素子に印加電圧Ｖ１を印加する前に、予め印加する電圧（以下、予備電圧と記す）を、Ｖｍｉｎ．とすれば変位はＸCとなり、Ｖｍａｘ．とすれば変位はＸDとなる。逆に、変位をＸCとするには、予備電圧がＶｍｉｎ．の場合、印加電圧はＶ１となり、予備電圧がＶｍａｘ．の場合、印加電圧はＶ４となる。すなわち予備電圧を常にＶｍｉｎ．とするか、または常にＶｍａｘ．とすれば、印加電圧の値のみによって、変位が一義的に定まる。
【０００６】
上記により、圧電体素子にヒステリシスが存在しても、印加電圧のみで圧電体素子の位置決めが一義的にできる。
【０００７】
また、金（Ａｕ）電極／チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜／白金（Ｐｔ）電極／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板で構成されたユニモルフ型カンチレバーにおいて、その先端部での膜厚方向の変位と印加電圧の関係が開示されている（例えば、非特許文献１）。この非特許文献で作製されたＰＺＴ膜は完全なｃ軸配向膜であると推測されている。さらに、印加電圧と変位が高い線形性を有することが開示されている。また、ユニモルフ型カンチレバーに±３５Ｖ、１０Ｈｚの交流電圧を印加した場合、その先端部の変位挙動はバタフライ形状のループを描くとともに、そのループは電圧の極性に対して非対称である。
【特許文献１】特開平３−２５６３７５号公報
【非特許文献１】Ｉｓａｋｕ  Ｋａｎｎｏ、外３名、“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＰＺＴ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”、“ＳＥＮＳＯＲＳ  ＡＮＤ  ＡＣＵＴＵＡＴＯＲＳ  Ａ：ＰＨＹＳＩＣＡＬ”、ｖｏｌ．１０７  Ｉｓｓｕｅ  １、１  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００３、ｐ６８−７４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来のヒステリシスを最小限に抑える駆動方法においては、所望の変位を発生させる前に、必ずＶｍｉｎ．、またはＶｍａｘ．の予備電圧を印加しなければならない。そのため、予備電圧に対応する変位が発生するため、所望の変位を連続して得ることができなかった。また、例えば、所望の変位と予備電圧で決まる変位の２つの変位位置を制御する場合においても、少なくとも一方の変位を維持するためには、その変位に相当する電圧を連続的に印加しなければならない。
【０００９】
さらに、これらの従来の駆動方法においては、圧電体素子の分極方向を反転させて駆動することについてはまったく記載されていない。また、従来の圧電体素子を用いたアクチュエータは、分極方向が同一方向の状態で駆動されるものである。一方、分極方向を意識的に反転させて使用する素子としては、強誘電体メモリー等がある。しかし、それらは、圧電性ではなく強誘電性を利用したものに限られている。
【００１０】
また、上記従来のユニモルフ型カンチレバーでは、単純な正弦波の交流電圧が継続的に印加された場合、印加電圧の極性に対して非対称な変位を発生することについては示されているが、交流電圧の印加を停止した場合のカンチレバーの変位状態については記載されていない。また、電圧印加に関して、単純な交流電圧を継続的に印加しているのみであり、複雑な位置制御を行うのに適した電圧の印加方法については記載されていない。さらに、薄膜、およびその薄膜の成膜時に用いた基板を有するユニモルフ型カンチレバーの構成について開示されているのみであり、成膜時の基板が除去された構成や、ユニモルフ型以外の原理により変形させる構成に関しては開示されていない。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決して、分極方向を反転させる電圧の切り替えにより、圧電体薄膜素子は固有な２つの変位位置をとり、その位置を電圧の印加を停止した後も保持するとともに、分極方向が反転しない電圧範囲内で、変位位置を連続的に変えられる圧電体薄膜装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜装置は、第１電極、第２電極および第１電極と第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極と第２電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる圧電体薄膜素子と、分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備えた構成を有し、圧電体薄膜は分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、圧電体薄膜素子は電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持する構成からなる。
【００１３】
また、第１電極、第２電極および第１電極と第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極と第２電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の構造体と、第３電極、第４電極および第３電極と第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第３電極と第４電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の構造体とを貼り合わせた圧電体薄膜素子と、分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備えた構成を有し、圧電体薄膜は分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、圧電体薄膜素子は電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持する構成としてもよい。これにより、伸縮変形の場合は素子の長手方向において、撓み変形の場合は素子の膜厚方向において、変位位置を保持する圧電体薄膜装置を実現できる。
【００１４】
また、分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持する圧電体薄膜素子が、いずれかの変位位置を中心に、分極ベクトルが反転しない範囲の電圧で駆動されることを特徴とし、変位位置を微調整できる構成としてもよい。
【００１５】
また、圧電体薄膜素子の電極形成面の形状が多角形状からなり、多角形状の１つの端部もしくは端部近傍で圧電体薄膜素子が固定される構成としてもよい。あるいは、少なくとも２つの端部もしくは端部近傍部分で支持または固定される構成としてもよい。この構成とすることにより、多様な構造を有する圧電体薄膜装置を実現できる。
【００１６】
また、第１電極、第２電極および第１電極と第２電極との間に挟まれ膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極と第２電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜の長手方向の端面部が対向するように設けられた形状の圧電体薄膜素子と、分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備えた構成を有し、圧電体薄膜は、分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、圧電体薄膜素子は電圧が印加されなくなった状態でも、分極ベクトルの方向に対応して端面部において開閉の２つの動作を保持する構成としてもよい。この構成により、端面部間で開閉動作し、例えば微小物体を把持することもできる。
【００１７】
また、端面部を備えた圧電体薄膜素子の電極形成面の形状を、円環状または中空状の多角形状とする構成としてもよい。この構成により、単純な形状で、開閉部分の開閉量を比較的大きくすることができる。
【００１８】
また、端面部を備えた圧電体薄膜素子をバイモルフ構成としてもよく、これにより、把持力を大きくできる。また、平面内の開閉動作のほかに、膜厚方向の変位を付加した動作を実現できる。
【００１９】
さらに、端面部を備えた圧電体薄膜素子の第１電極と第２電極を互いに対向する複数組の電極に分離する構成としてもよい。これにより、電極の組毎に独立した変位位置を保持するようにすることもできる。
【００２０】
また、第１電極、第２電極および第１電極と第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極と第２電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の圧電体薄膜素子と、第３電極、第４電極および第３電極と第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第３電極と第４電極とを介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の圧電体薄膜素子とを有し、第１の圧電体薄膜素子と第２の圧電体薄膜素子のそれぞれの一端部は対向し、それぞれの他端部は支持体に支持固定され、この支持体を含めてトライアングル状に構成された圧電体開閉素子と、分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備えた構成を有し、圧電体薄膜は、分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、分極ベクトルの反転により一端部が開閉動作するとともに電圧が印加されなくなった状態でもその分極ベクトルの反転による開閉位置が保持される構成としてもよい。これにより、分極ベクトルの反転による開閉位置を保持する圧電体薄膜装置を実現できる。
【００２１】
また、第１電極、第２電極および第１電極と第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第１電極と第２電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第１の素子部と、第３電極、第４電極および第３電極と第４電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持ち、第３電極と第４電極を介して所定値以上の電圧が加えられると分極ベクトルが反転させられる圧電体薄膜からなる第２の素子部とを有し、第１の素子部と第２の素子部とが同一平面上でかつ長手方向において異なる角度で一体に形成された圧電体薄膜素子と、分極ベクトルを反転させる電極を供給する電源回路とを備えた構成を有し、圧電体薄膜は分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、圧電体薄膜素子は電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトルの方向に対応して、第１の素子部および第２の素子部のそれぞれの変位位置を組み合わせて２次元的な変位位置を保持する構成としてもよい。
【００２２】
また、本発明の圧電体薄膜装置の駆動方法は、第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との間に挟まれ、膜厚方向に分極ベクトルを持つ圧電体薄膜からなる圧電体薄膜素子と、第１電極と第２電極を介して圧電体薄膜素子に分極ベクトルを反転させる電圧を供給する電源回路とを備え、圧電体薄膜は分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有し、圧電体薄膜素子は電圧が印加されなくなった状態でも分極ベクトルの方向に対応した異なった変位位置を保持する圧電体薄膜装置において、分極ベクトルの反転時のみ電圧を印加し、分極ベクトルの反転後、電圧を供給せずに２つの変位位置を保持する方法からなる。これにより、電圧を印加しなくても、異なった２つの変位位置を保持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の圧電体薄膜装置およびその駆動方法は、圧電体薄膜が分極ベクトルの方向により異なる格子定数を有するという新たな知見に基づいてなされたものである。
【００２４】
つまり、分極ベクトル方向を反転させるような電圧を印加した後、その分極ベクトル方向の格子定数で決まる変位量は、電圧が印加されなくなった状態でも長期間にわたって保持され、また分極ベクトル方向を反転させれば、その反転方向の格子定数により決まる変位量をとることができ、異なる変位位置を分極ベクトルの方向反転のみで選択できるという効果を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電体薄膜装置の基本構成を示す斜視図である。
【００２６】
はじめに、本発明の実施の形態に係る圧電体薄膜装置を構成する圧電体薄膜素子の基本的な作製方法およびその特性について、ＰＺＴ薄膜を例に図１を用いて説明する。なお、作製方法等で異なる部分がある場合には、各実施の形態で説明する。
【００２７】
（１００）面のＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、（１００）方向に結晶配向したＰｔからなる第１電極１を形成する。次に、基板温度６００℃に保たれたＭｇＯ単結晶基板（以下、ＭｇＯ基板と記す）上に、ＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３を３μｍ程度の厚さにスパッタリング法等により成膜する。
【００２８】
この時、成膜は、例えば、スパッタリングガスがＡｒ（アルゴン）：Ｏ2（酸素）＝９０：１０、スパッタリングガス圧が０．５Ｐａの条件で、スパッタリングターゲットがＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47Ｏ3＋２０ｍｏｌ％ＰｂＯの複合酸化物焼結体のスパッタリングによって行われる。
【００２９】
次に、Ｐｔからなる第２電極２をＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３の上に室温中で形成する。
【００３０】
次に、通常のエッチングやダイシング等の薄膜加工法を用い、例えば、長手方向ＹＹが２ｍｍ、幅が０．５ｍｍの長方形状に加工する。
【００３１】
そして、リン酸等を用いたウエットエッチング、ドライエッチングやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）法等によりＭｇＯ基板を除去し、圧電体薄膜素子１０を有する圧電体薄膜装置が作製される。この場合、圧電体薄膜素子１０を支持固定するために、支持固定部（図示せず）としてＭｇＯ基板を残して圧電体薄膜装置を作製してもよい。
【００３２】
以下に、作製された圧電体薄膜３の特性について説明する。
【００３３】
上記方法により作製されたＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による分析結果から、ペロブスカイト型の正方晶系の結晶構造を有し、結晶配向度９９％程度のｃ軸配向をしていることがわかった。ここで、正方晶系のＰＺＴ薄膜のｃ軸方向は、分極ベクトル方向であるから、ＰＺＴ薄膜は膜厚方向に分極軸を有することになる。
【００３４】
また、上記で述べた結晶配向度は、Ｘ線回折のピーク比強度（００１）／Σ（ｈｋｌ）により求めたものである。ここで、Σ（ｈｋｌ）は、Ｃｕ−Ｋα線源を用いたθ−２θ測定において、２θの上限値と下限値を（００１）反射から（１１１）反射が測定できる最小限の範囲に設定した時に測定されるＰＺＴ薄膜に起因する反射ピーク強度の和である。
【００３５】
また、以後の説明のために、圧電体薄膜３の分極ベクトルを以下のように定義する。一般的に、第１電極１と第２電極２の間に電源回路４から電圧を印加することにより、圧電体薄膜３の強誘電ドメインの回転や反転を誘起することが可能である。そこで、十分に大きな正の電圧を第１電極１に印加することにより、強誘電ドメインの回転や反転がほぼ飽和状態となり、分極ベクトルの膜厚方向成分が第１電極１から第２電極２に向かう方向をＰｕｐとする。逆に、十分に大きな負の電圧を第１電極１に印加することにより、強誘電ドメインの回転や反転がほぼ飽和状態となり、分極ベクトルの膜厚方向成分が第２電極２から第１電極１に向かう方向をＰｄｏｗｎとする。なお、分極ベクトルは、膜厚方向に直交する必要はなく、膜厚方向に対して斜めでもよく、膜厚方向に分極ベクトルの成分を有するものであればよい。
【００３６】
図２は、図１の構成を用いて測定された上記圧電体薄膜素子１０の分極と印加電圧の関係を示す特性図である。図２に示すように、圧電体薄膜素子１０は、非対称のヒステリシス特性を有しており、分極ベクトルの反転を生じる抗電圧（抗電界）は、Ｅｃ２＝−３０Ｖ（−１００ｋＶ／ｃｍ）、Ｅｃ１＝１５Ｖ（５０ｋＶ／ｃｍ）である。
【００３７】
次に、圧電体薄膜３に用いたＰＺＴ薄膜の格子定数の測定結果について説明する。
【００３８】
まず、第２電極（Ｐｔ）３０ｎｍ／ＰＺＴ薄膜３μｍ／第１電極（Ｐｔ）２００ｎｍ／ＭｇＯ基板（１００）３００μｍの構成を有する圧電体薄膜装置を用い、以下の処理条件で処理した後、ＰＺＴ薄膜の格子定数の測定を行った。
【００３９】
処理条件１：分極ベクトルが第１電極から第２電極に向いた試料
処理条件２：分極ベクトルが第２電極から第１電極に向いた試料
なお、成膜条件によっては分極処理をしなくてもほぼ完全に第１電極から第２電極に分極ベクトルが整列した処理条件１の試料が得られる。しかし、第１電極から第２電極に分極ベクトルが整列していない場合には、第１電極に、例えば４５Ｖ（１５０ｋＶ／ｃｍ）を５秒間印加することによって、処理条件１の試料を作製できる。また、処理条件２の試料は、第１電極に、例えば−９０Ｖ（３００ｋＶ／ｃｍ）を５秒間印加することによって作製できる。
【００４０】
図３は、圧電体薄膜装置の圧電体薄膜素子１０を、上記の処理条件１（実線）と処理条件２（破線）で処理した後、電圧を印加しない状態で測定した高分解能Ｘ線回折パターンを模式的に示した図である。Ｘ線源としてはＣｕ−Ｋα線を用い、２θとしては約４２度から約４４度の角度範囲で測定を行った。図３に示すピークＸＡは、ＭｇＯ基板の（２００）反射に起因するＸ線回折ピークである。ピークＸＡが２本検出されるのは、測定に用いたＸ線源がＣｕ−Ｋα１線とＣｕ−Ｋα２線の２つの波長を含むことによるものである。もし、測定の分解能が低ければ、ピークＸＡは、１本のピークとして検出される。一方、図３に示すピークＸＢは、ＰＺＴ薄膜の（００２）反射に起因するＸ線回折ピークである。ピークＸＢに２つのピークが検出される理由も、前述と同様である。処理条件１と処理条件２を比較すると、ＭｇＯ基板に起因するピークＸＡの位置が変化していないのに対して、ＰＺＴ薄膜の（００２）反射に起因するピークＸＢの位置がシフトしていることがわかる。これは、ＰＺＴ薄膜の膜厚方向である［００１］方向の格子定数が、処理条件１と処理条件２で異なることを示している。
【００４１】
しかし、上記の高分解能Ｘ線回折パターンの結果では、ＰＺＴ薄膜の膜厚方向に対応する格子定数は求められるが、これはＭｇＯ基板上にＰＺＴ薄膜がある場合の値である。また、ＰＺＴ薄膜の膜面内方向に対応する［１００］方向の格子定数が求まらない。
【００４２】
そこで、上記２つの異なる処理をした圧電体薄膜素子を有する圧電体薄膜装置から、リン酸等を用いたウエットエッチング法等によりＭｇＯ基板を除去して圧電体薄膜を作製し、さらに測定の便宜上、粉末にした。そして、粉末にした圧電体薄膜のシンクロトロン放射光（以下、ＳＯＲ光と記す）回折パターンを測定した。その測定結果を用いて、Ｒｉｅｔｖｅｌｄ解析法により、ＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜の格子定数を求めた。
【００４３】
表１に、ＳＯＲ光回折パターンから、Ｒｉｅｔｖｅｌｄ解析法により求めた、圧電体薄膜の格子定数を示す。ここで、圧電体薄膜の膜面内方向に対応する［１００］方向をａ軸とし、その格子定数をａ、一方、膜厚方向に対応する［００１］方向をｃ軸とし、その格子定数をｃで表している。
【００４４】
【表１】
2005203750.tif 000003
【００４５】
この表１は、処理条件１の試料の長さを１とすれば、分極ベクトルの方向の反転により、ａ軸の格子定数ａが、１．００１２に変化することを示している。したがって、上記結晶配向を有する圧電体薄膜を用いた圧電体薄膜素子は、分極ベクトルの方向をＰｕｐとＰｄｏｗｎの切り替えにより、膜面内方向で伸縮する。例えば、図１に示す長手方向ＹＹの長さが２ｍｍの圧電体薄膜素子１０の場合、その伸縮量は、２．４μｍである。なお、長手方向ＹＹの長さを変えれば、伸縮量は任意に設定可能である。同様に、ｃ軸の格子定数ｃも、０．９９７６に変化し、分極ベクトルの方向をＰｕｐとＰｄｏｗｎの切り替えにより、膜厚方向で伸縮する。
【００４６】
また、圧電体薄膜素子の伸縮状態は、抗電圧以上の電圧の印加により分極ベクトルを反転させた後、電圧を印加しない状態で１０日間放置しても、その変位量は変わらず安定であった。
【００４７】
上述したように、本発明は、圧電体薄膜の格子定数が分極ベクトルの上下（１８０°反転）により異なるという新たな知見に基づいてなされたものである。そして、圧電体薄膜の分極ベクトルの１８０°反転が、印加電圧の極性を切り替えることにより、容易に制御できる点で実用上優れたものである。
【００４８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら、以下に説明する。
【００４９】
（実施の形態１）
図４（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る、分極ベクトルＰｕｐを持つ片持ち梁構成からなる圧電体薄膜装置の断面図である。図４（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位量δ伸びた状態を示す断面図である。なお、図面においては、理解を助けるために厚さ方向を拡大して図示している。以下、各実施の形態においても同様である。
【００５０】
図４（ａ）において、圧電体薄膜素子１０は、第１電極１と分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜３と第２電極２とから構成される。また、第１電極１と第２電極２には圧電体薄膜３の分極ベクトルの方向を反転できる電圧を印加する電源回路４とその制御回路６が接続される。さらに、圧電体薄膜素子１０の長手方向ＹＹの一端が接着剤等で固定部材７に固定される。そして、電源回路４から圧電体薄膜３に所定値以上の電圧を印加することにより分極ベクトルＰｕｐを図４（ｂ）に示すように分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させ、長手方向ＹＹに変位する片持ち梁構造の圧電体薄膜装置が構成される。その結果、分極ベクトルの反転により、２つの変位位置を安定して位置決めできる圧電体薄膜装置が実現される。
【００５１】
ここで、所定値の電圧とは、分極ベクトルを反転させる電界を生じる電圧を意味する。つまり、上記圧電体薄膜構成においては、図２に示すＥｃ１、Ｅｃ２に相当する電圧（以下、抗電圧と記す）のことである。
【００５２】
なお、上記実施の形態１では、固定部材７を別の部材とする構成で示したが、これに限定されない。例えばＭｇＯ基板除去時に、圧電体薄膜素子１０部の固定部以外のＭｇＯ基板を除去し、固定部（図示せず）を形成してもよい。
【００５３】
以下に、圧電体薄膜装置の具体的な位置決め動作について説明する。
【００５４】
図５は、分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜装置において、電圧を印加しない時の図４（ａ）に示す圧電体薄膜装置の先端の変位Ｂの位置を基準として、印加電圧と変位量の関係を説明する図である。
【００５５】
変位Ａは、例えば図２の特性を持つ圧電体薄膜素子において、−３０Ｖ以上のＥｃ２電圧を印加し、分極ベクトルＰｕｐを分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させた後、電圧を零（電圧を印加しない状態）にした時の変位量を示している。また、変位Ｂは、変位Ａの状態から、＋１５Ｖ以上のＥｃ１電圧の印加により、圧電体薄膜の分極ベクトルＰｄｏｗｎを分極ベクトルＰｕｐ方向に反転した後、電圧を零にした時の変位量を示している。
【００５６】
つまり、図５は、分極ベクトルの方向により、電圧が印加されなくなった状態でも、変位Ａまたは変位Ｂの２つの位置を安定して保持できることを示している。
【００５７】
さらに、図５の実線で示すように、変位Ａまたは変位Ｂの位置を中心に、分極ベクトルの反転を生じない範囲内で電圧を印加することにより、高い線形性を持って、圧電体薄膜素子の変位量を制御できることがわかる。例えば、実施の形態１に係る圧電体薄膜装置では、抗電圧以下の電圧範囲内において、０．０５μｍ／Ｖで変位量の制御が可能である。
【００５８】
以下に、圧電体薄膜装置の駆動方法について説明する。
【００５９】
図６は、圧電体薄膜装置の駆動方法の一例を示す図であり、駆動時の圧電体薄膜の相対変位量と印加電圧の関係を示す図である。図６において、期間ＡＡは、変位が零の初期状態を示している。期間ＢＢで圧電体薄膜の分極ベクトルを反転させる−３０Ｖの抗電圧を印加すると、分極ベクトルＰｕｐは分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転し、圧電体薄膜の格子定数が０．１２％伸びる。そして、印加電圧を零にした期間ＣＣでは圧電体薄膜の格子定数が０．１２％伸びた状態を保持している。
【００６０】
さらに、期間ＤＤで、圧電体薄膜の分極ベクトルＰｄｏｗｎを分極ベクトルＰｕｐ方向に反転させる＋１５Ｖの抗電圧を印加すると分極ベクトルの反転により初期状態に戻り、圧電体薄膜の格子定数が０．１２％縮む。そして、印加電圧を零にした期間ＥＥでは圧電体薄膜の格子定数が０．１２％縮んだ初期状態を保持する。以後、期間ＦＦからＩＩにおいて、同様の動作を行うことができる。
【００６１】
なお、図６では、２つの変位位置を繰り返す動作について説明したが、例えば、期間ＣＣや期間ＥＥの変位位置において、電源回路４から−３０Ｖ以上、＋１５Ｖ以下の電圧範囲内で、制御回路６で変位量を制御しながら駆動することにより、期間ＣＣでは変位０．１２％伸びた変位位置を中心に、期間ＥＥでは変位が零の初期の位置を中心に、従来の圧電体薄膜と同様、印加電圧に応じて変位量を制御することができる。
【００６２】
以上、述べたように本発明は、分極ベクトルの反転により、圧電体薄膜の格子定数を変化させ、分極ベクトルの方向により、長手方向ＹＹにおいて、格子定数の差に基づく２つの変位位置を、電圧を印加しなくなった状態でも保持することができる圧電体薄膜装置を実現したものである。
【００６３】
また、その駆動方法は、分極ベクトルを反転させる時のみ電圧を印加し、反転後は電圧を印加しない状態でも変位位置を保持できるため、少ない消費電力で駆動できる圧電体薄膜装置が実現される。さらに、圧電体薄膜装置は、分極反転が発生しない範囲の電圧を印加することにより、変位を微調整することができる。
【００６４】
なお、上記では、長方形状の圧電体薄膜素子を用いた圧電体薄膜装置を例に説明したが、圧電体薄膜素子は、板状でかつ電極形成面の形状が多角形状であればよく、特に限定されず、同様の効果が得られる。
【００６５】
（実施の形態２）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る、分極ベクトルＰｕｐを持つ片持ち梁構成からなるバイモルフ型の圧電体薄膜装置の断面図である。図７（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させた時の変位量δ伸びた状態を示す断面図である。図７（ｃ）は、片方の圧電体薄膜素子の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図である。
【００６６】
図７（ａ）、図７（ｂ）において、第１の構造体２０は、第１電極２１と分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜２３と第２電極２２から構成されている。第２の構造体３０は、第３電極３１と分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜３３と第４電極３２から構成されている。そして、第１の構造体２０の第２電極２２と第２の構造体３０の第４電極３２とが貼り合わされ、バイモルフ型の圧電体薄膜素子４０が作製される。
【００６７】
また、第１電極２１と第２電極２２および第３電極３１と第４電極３２に、各圧電体薄膜２３、３３の分極ベクトルの方向を反転させる電圧を印加する電源回路４１、４２とその制御回路４６が接続されている。
【００６８】
そして、バイモルフ型の圧電体薄膜素子４０の長手方向ＹＹの一端を固定部材７で固定し、電源回路４１、４２から圧電体薄膜２３、３３に抗電圧以上の電圧を印加することにより、分極ベクトルの方向を反転させ、図７（ａ）と図７（ｂ）に示すように長手方向ＹＹに変位する片持ち梁構成の圧電体薄膜装置が作製される。
【００６９】
以下に、バイモルフ型の圧電体薄膜素子４０の作製方法について説明する。
【００７０】
まず、実施の形態１の方法で作製された圧電体薄膜素子からなる第１の構造体２０と第２の構造体３０とをＭｇＯ基板が外側になるようにして第２電極２２と第４電極３２側で貼り合わせる。
【００７１】
次に、リン酸等を用いたウエットエッチングやＣＭＰ法等によりＭｇＯ基板を除去し、バイモルフ型の圧電体薄膜素子４０が作製される。この場合、第１の構造体２０と第２の構造体３０の分極ベクトルＰｕｐ方向は互いに反対方向である。
【００７２】
そして、通常の薄膜加工法を用いて、圧電体薄膜素子４０を、例えば、長手方向ＹＹが２ｍｍ、幅が０．５ｍｍの長方形状に加工し、長手方向ＹＹの一端を固定することにより、バイモルフ型の圧電体薄膜装置が作製される。
【００７３】
以下に、上記方法により作製されたバイモルフ型の圧電体薄膜装置の動作を説明する。
【００７４】
図７（ａ）の位置から第１の構造体２０の第１電極２１と第２の構造体３０の第３電極３１に、電源回路４１と電源回路４２により−３０Ｖ以上の抗電圧を印加すると、第１の構造体２０と第２の構造体３０の分極ベクトルＰｕｐは分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転し、圧電体薄膜素子４０は長手方向ＹＹに変位量δだけ伸びる。
【００７５】
また、第１の構造体２０と第２の構造体３０の第１電極２１と第３電極３１に、電源回路４１と電源回路４２により＋１５Ｖ以上の抗電圧を印加すると第１の構造体２０と第２の構造体３０の分極ベクトルＰｄｏｗｎは分極ベクトルＰｕｐ方向に反転し、圧電体薄膜素子４０は初期位置に戻る。
【００７６】
なお、上記の場合、第１の構造体２０と第２の構造体３０を並列駆動構成とすれば、１つの電源で駆動できることはいうまでもない。
【００７７】
一方、図７（ｃ）に示すように、例えば、第２の構造体３０にのみ、電源回路４２から−３０Ｖ以上の抗電圧を印加すれば、第２の構造体３０の分極ベクトルＰｕｐは分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転し、長手方向ＹＹに伸びる。一方、第１の構造体２０は変位しないため、結果的に圧電体薄膜素子４０は、下方に撓み変形δを生じることになる。
【００７８】
逆に、第１の構造体２０にのみ、電源回路４１から−３０Ｖ以上の抗電圧を印加すれば、上方に撓み変形を生じ、電圧を印加しなくなった状態でもその位置を保持する。つまり、この場合には、上方撓み位置、初期位置、下方撓み位置の３つの変位位置を位置決めできる圧電体薄膜装置が実現される。例えば、図７（ｃ）に示すように、入射光Ｅは圧電体薄膜素子４０の下方の撓み変形により、反射光Ｆの方向に偏向される。また、圧電体薄膜素子４０が上方に撓み変形する場合には、入射光Ｅを対称軸とする反射光Ｆの反対方向に入射光を偏向させることができる。つまり、圧電体薄膜素子４０の撓み変形により、光スイッチ的な機能を有する圧電体薄膜装置を実現できる。さらに、分極ベクトルの反転しない電圧範囲内で変位量を制御することにより、任意の位置に入射光を反射させることもできる。
【００７９】
また、上記の圧電体薄膜装置をマトリックス状に配置し、入射光の反射方向を制御することにより、画像や文字等の情報表示装置としての利用が可能である。
【００８０】
なお、本実施の形態２では、第１の構造体２０の第２電極２２と第２の構造体３０の第４電極３２とを貼り合わせる構成について述べた。この理由は、ＭｇＯ基板上に圧電体薄膜素子が形成された場合を想定したものであり、ＭｇＯ基板がなければ貼り合わせ方向は、特に限定されない。
【００８１】
さらに、分極ベクトルの方向についても、第１の構造体と第２の構造体のそれぞれを分極反転させた後に貼り合わせることにより、分極ベクトルの方向も任意に選択可能である。
【００８２】
（実施の形態３）
図８（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る、分極ベクトルＰｕｐを持つ両端固定構成からなる圧電体薄膜装置の断面図である。図８（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルＰｄｏｗｎに方向を反転させた時の撓み変形した状態を示す断面図である。
【００８３】
ここで、圧電体薄膜素子１０の構成および作製方法は、圧電体薄膜素子１０の両端を固定する固定部材８以外は実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８４】
実施の形態１と同様な方法で作製された圧電体薄膜素子１０を、通常の薄膜加工法を用いて、例えば、長手方向ＹＹが２ｍｍ、幅が０．５ｍｍの長方形状に加工し、長手方向ＹＹの両端を固定部材８で固定することにより、両端固定の圧電体薄膜装置が作製される。
【００８５】
上記方法により作製された両端固定の圧電体薄膜装置の動作は、実施の形態１と同様であり、圧電体薄膜素子１０の第１電極１と第２電極２間に分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させる抗電圧以上の電圧を印加すると圧電体薄膜素子１０は長手方向ＹＹに伸びる。しかし、圧電体薄膜素子１０の両端が固定されているため、図８（ｂ）のような撓み変形を生じることになる。
【００８６】
この撓み変形により、例えば、図８（ａ）の初期位置にある圧電体薄膜素子１０に入射する入射光Ｅを、図８（ｂ）のように反射角度を変えた反射光Ｆに変換できる光スイッチ等の光路を偏向する圧電体薄膜装置を実現できる。
【００８７】
また、図８（ｂ）の凹面部を利用すれば、入射光Ｇの反射光Ｈを線状に集光または結像することも可能である。
【００８８】
なお、実施の形態３では、圧電体薄膜素子を両端で固定する構成で説明したが、図９のように、両端を支持部材９で支持する圧電体薄膜装置の構成としてもよい。その場合、両端固定時の撓み量よりも、大きな変形量が得られ、例えば、光の反射角度をより広範囲に可変とすることができる。
【００８９】
さらに、図１０に示すように、実施の形態３の両端固定構成に実施の形態２のバイモルフ型の圧電体薄膜素子を適用することや両端支持構成の圧電体薄膜装置とすることもできる。この構成により、上記各実施の形態と同様の効果を得るとともに、機械的強度を高め、振動や落下衝撃等の外部負荷に強い圧電体薄膜装置を実現できる。
【００９０】
なお、実施の形態３では、長方形状の対向する２つの端部近傍を固定した圧電体薄膜素子を例に述べたが、これに限定されない。例えば、圧電体薄膜素子は、板状でかつ電極形成面の形状が多角形状からなり、少なくとも２つの端部もしくは端部近傍を支持または固定する構成でも同様の動作や効果を得ることができる。
【００９１】
さらには、圧電体薄膜素子が略円形状の場合、略円形の外周端部もしくは外周端部近傍を支持または固定することにより、入射光を一点に集光する圧電体薄膜装置を実現することも可能である。
【００９２】
（実施の形態４）
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態４に係る、分極ベクトルＰｕｐを持つ円環形状構成からなる圧電体薄膜装置の斜視図である。図１１（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させた時の変位状態を示す斜視図である。
【００９３】
図１１において、板状の圧電体薄膜素子６０の長手方向ＹＹの端面部が対向するように円環形状に形成した圧電体薄膜素子６０は、第１電極６１と膜厚方向に分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜６３と第２電極６２から構成されている。
【００９４】
また、圧電体薄膜素子６０には、第１電極６１と第２電極６２に圧電体薄膜６３の分極ベクトルの方向を反転させる電圧を印加する電源回路６４とその制御回路６６が接続されている。
【００９５】
圧電体薄膜素子６０の端面部間の長さ６５は、少なくとも圧電体薄膜素子６０が伸びた時に、端面部が接触しない長さに設定される。例えば、圧電体薄膜素子６０の全体長を１０ｍｍとし、分極ベクトル反転時の伸縮比を１．００１２とすれば、端面部間の長さ６５は、少なくとも１２μｍ以上とすることが好ましい。
【００９６】
上記のように構成した圧電体薄膜装置は、図１１のように、分極ベクトルＰｕｐから分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向への反転により、例えば１０μｍ程度の微小物体６７を把持し、再度の分極ベクトルの反転により開放するマイクログリッパーとして用いることができる。
【００９７】
この時、圧電体薄膜装置は、分極ベクトルを反転させる抗電圧を印加する時以外は、電力の消費を必要とせずに微小物体６７を把持し続けることが可能となる。
【００９８】
さらに、実施の形態４の変形例として、図１２（ａ）から図１２（ｄ）に示すような圧電体薄膜装置を構成することもできる。図１２（ａ）は、トライアングル形状に形成したマイクログリッパー機能を有する圧電体薄膜装置の平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）は、図１２（ａ）、図１２（ｂ）の状態から分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示したものである。
【００９９】
実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置は、実施の形態１と同様な方法で成膜されたＰＺＴ薄膜／Ｐｔ電極膜／ＭｇＯ基板からなる圧電体薄膜素子を、トライアングル形状に加工し第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３上に第２電極７１と第４電極７４を図１２（ａ）のように形成する。そして、第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３のＭｇＯ基板は、エッチング等により除去する。
【０１００】
また、支持体７９は、図１２（ｂ）のように、残したＭｇＯ基板７２とその上に形成されたＰｔ電極膜とＰＺＴ薄膜で構成される。そして、第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３の自由端７５近傍に設けた切り落とし端面７６では対向し、固定端７７では支持体７９に支持固定され、分極ベクトルの反転動作により開閉する圧電体開閉素子を備えた圧電体薄膜装置が作製される。
【０１０１】
上記のように構成した圧電体薄膜装置は、図１２（ｂ）、図１２（ｄ）のように、分極ベクトルＰｕｐから分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向への反転により、第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３が長手方向ＹＹに伸びて、対向する切り落とし端面７６の間隔が狭くなり図１２（ｃ）の状態となる。逆に、分極ベクトルＰｄｏｗｎから分極ベクトルＰｕｐ方向へ反転させることにより切り落とし端面７６の間隔が広がり図１２（ａ）の状態となる。
【０１０２】
以上の開閉動作により物体を把持する圧電体薄膜装置を実現できる。
【０１０３】
なお、上記実施の形態４の変形例では、ＭｇＯ基板を支持体７９とし、第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３を一体加工で形成した構成について述べたが、これに限定されない。例えば、第１の圧電体薄膜素子７０と第２の圧電体薄膜素子７３を別々の分離した状態で形成し、図１２（ａ）に示す配置で、別の支持体で狭持し支持固定する構成としてもよい。
【０１０４】
さらに、上記実施の形態４の変形例として、図１３および図１４の斜視図に示すような、例えば、三角形状や四角形状等で複数組の電極（対向する面の電極は図示していない。）を有する圧電体薄膜装置を構成することもできる。
【０１０５】
なお、支持方法は図示していないが、図１２（ｂ）のように圧電体薄膜素子の少なくとも一部のＭｇＯ基板を残した構成や、別の支持体で一部を支持固定する構成とすればよい。その場合、分極ベクトルの反転時の伸縮による影響を少なくするために、支持体で支持固定される部分の電極は形成しないほうが好ましい。
【０１０６】
また、図１３および図１４では、多角形状の各辺を形成する面をいずれかの電極で覆うように図示しているが、多角形状の各辺の交差する部分は分極ベクトルの反転時、伸縮への寄与が少ないので、電極を形成しない構成でもよい。
【０１０７】
以下に、実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置の具体的な動作について説明する。
【０１０８】
図１３に示す圧電体薄膜装置は、開閉動作により物体を把持する保持部８０を三角形状の圧電体薄膜素子の一部に設けたものである。その動作は、図１３（ａ）の初期状態から、電極８６と電極８８に抗電圧以上の電圧印加により、分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向から分極ベクトルＰｕｐ方向に反転させることで、図１３（ｂ）のように、保持部８０の間隔を広くし開いた状態にする。逆に、分極ベクトルＰｕｐ方向から分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させることで、図１３（ａ）のように、保持部８０の間隔を狭くし閉じた状態にするものである。この時、電極８２と電極８４の圧電体薄膜素子には電圧を印加しなくてもよい。
【０１０９】
また、同様の動作は、図１３（ａ）の初期状態から、電極８２と電極８４に抗電圧以上の電圧印加により、分極ベクトルＰｕｐ方向から分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させることで、図１３（ｃ）のように、電極８６と電極８８に電圧を印加することなく、保持部８０の間隔を変えて開閉動作を実現することも可能である。つまり、電極８２と電極８４を備えた圧電体薄膜素子の伸縮によっても、保持部８０の間隔を変えることができる。
【０１１０】
さらに、上記で説明した電極８２と電極８４の電圧印加による圧電体薄膜素子の動作と、電極８６と電極８８の電圧印加による圧電体薄膜素子の伸縮動作を同時に行うこともできる。それにより、圧電体薄膜装置の開閉量や保持力を向上することができる。
【０１１１】
また、図１４に示す圧電体薄膜装置は、開閉動作により物体を把持する保持部９９を四角形状の圧電体薄膜素子の一部に設けたものである。その動作は、図１４（ａ）の初期状態から、電極９６と電極９８に抗電圧以上の電圧印加により、分極ベクトルＰｕｐ方向から分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させ、図１４（ｂ）のように、保持部９９の間隔を狭くし閉じた状態にする。逆に、図１４（ｂ）に示す分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向から分極ベクトルＰｕｐ方向に反転させることで、図１４（ａ）のように、保持部９９の間隔を元の開いた初期状態にするものである。この時、電極９０、電極９２と電極９４の圧電体薄膜素子には電圧を印加しなくてもよい。
【０１１２】
また、同様の動作は、図１４（ｂ）の変位状態から、電極９０に抗電圧以上の電圧印加により、分極ベクトルＰｕｐ方向から分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させることで、図１４（ｃ）のように、電極９６と電極９８に電圧を印加することなく、保持部９９の間隔を変えて開閉動作を実現することも可能である。つまり、電極９０の圧電体薄膜素子の伸縮によっても、保持部９９の間隔を変えることができるものである。
【０１１３】
さらに、電極９０、９６、９８で構成された圧電体薄膜素子の伸縮動作を同時に行うこともできる。それにより、圧電体薄膜装置の開閉量や保持力を向上することができる。
【０１１４】
なお、電極９２と電極９４を備えた圧電体薄膜素子の伸縮動作は、保持部９９の位置を変える場合に有効であるが、必要がなければ電極を形成しなくてもよい。
【０１１５】
また、上記圧電体薄膜素子の構成を実施の形態２に示したバイモルフ構成とすることもできる。その場合、マイクログリッパー機能に、膜厚（分極ベクトル）方向に変位する機能を付加した圧電体薄膜装置を実現できる。
【０１１６】
さらに、上記実施の形態４の変形例として、図１５（ａ）に示すように、２組の実施の形態２で示したバイモルフ型の圧電体薄膜装置を、膜厚（分極ベクトル）方向において所定の間隔で対向して配置した圧電体薄膜装置を実現することもできる。この場合には、図１５（ｂ）のように、２組のバイモルフ型の圧電体薄膜素子を撓み変形させることにより、先端を開閉動作させることができる。
【０１１７】
なお、圧電体薄膜装置の開閉量をさらに拡大する場合には、てこの原理を用いた各種ヒンジ機構を適用してもよい。それにより、圧電体薄膜素子の長さと分極ベクトル方向の格子定数の差によって一義的に決まるマイクログリッパーの開閉量を拡大することができるため、より大きな物体を把持することができる。
【０１１８】
（実施の形態５）
図１６（ａ）から図１６（ｄ）は、本発明の実施の形態５に係る、２次元の位置決めができる圧電体薄膜装置の各動作を示す斜視図である。
【０１１９】
図１６（ｅ）は、図１６（ａ）から図１６（ｄ）の圧電体薄膜装置の一連の変位挙動を模式的に示した図である。
【０１２０】
図１６において、Ｌ字形状の圧電体薄膜装置は、膜厚方向に分極ベクトルＰｕｐを有し、上下面に第１電極１０１と第２電極１０２を有する圧電体薄膜１０３からなる第１の素子部１００と、膜厚方向に分極ベクトルＰｕｐを有し、上下面に第３電極２０１と第４電極２０２を有する圧電体薄膜２０３からなる第２の素子部２００を有する圧電体薄膜素子で構成されている。
【０１２１】
圧電体薄膜素子の作製方法と圧電体薄膜の成膜方法は、上記各実施の形態と同様であり説明は省略する。
【０１２２】
以下に、実施の形態５の圧電体薄膜装置の動作について詳細に説明する。
【０１２３】
図１６（ａ）を初期変位状態とすれば、図１６（ｂ）は、第１の素子部１００に、例えば−３０Ｖ以上の抗電圧を印加し、分極ベクトルＰｕｐを分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させ、第１の素子部１００が変位した状態を示している。それにより、第１の素子部１００は長手方向に＋δＢ伸びることになる。
【０１２４】
次に、図１６（ｃ）のように、第２の素子部２００に、例えば−３０Ｖ以上の抗電圧を印加し、分極ベクトルＰｕｐを分極ベクトルＰｄｏｗｎ方向に反転させる。それにより、第２の素子部２００は長手方向に＋δＣ伸びる。この時、図１６（ｅ）に示すように、第１の素子部１００の長手方向をＸ軸とし、第２の素子部２００の長手方向をＹ軸とすれば、上記動作により、Ｘ軸方向に＋δＢ、Ｙ軸方向に＋δＣ変位することになる。
【０１２５】
さらに、図１６（ｄ）のように、第１の素子部１００に、例えば＋１５Ｖ以上の抗電圧を印加し、分極ベクトルＰｄｏｗｎを分極ベクトルＰｕｐ方向に反転させる。それにより、第１の素子部１００は長手方向に−δＤ縮むことになる。
【０１２６】
そして、図１６（ａ）のように、第２の素子部２００に、例えば＋１５Ｖ以上の抗電圧を印加し、分極ベクトルＰｄｏｗｎを分極ベクトルＰｕｐ方向に反転させる。それにより、第２の素子部２００は長手方向に−δＡ縮む。
【０１２７】
ここで、＋δＢと−δＤまたは＋δＣと−δＡは、圧電体薄膜の分極ベクトルの反転による格子定数の変化であるから同じ値である。
【０１２８】
したがって、図１６（ａ）から図１６（ｄ）に示す一連の動作により、図１６（ｅ）のように初期変位状態、つまり初期位置に戻ることになる。
【０１２９】
以上説明したように、本実施の形態５に係る圧電体薄膜装置によれば、２次元動作が可能な位置決め動作を実現でき、その位置は、電圧を印加しなくなった状態でも保持される。例えば、この圧電体薄膜装置は、４つの位置を選択できる判別素子としての利用も可能である。
【０１３０】
なお、実施の形態５では、Ｌ字形状の圧電体薄膜素子を例に説明したが、これに限定されない。例えば、第１の素子部と第２の素子部の長手方向の角度が異なる形状であればよく、それによって同様な動作を実現できる。さらに、コの字形状や複数個のＬ字形状の圧電体薄膜素子を連結した構造の圧電体薄膜装置としてもよい。
【０１３１】
これらの構成により、複数の位置を任意に位置決めできる圧電体薄膜装置を実現できる。
【０１３２】
（実施の形態６）
図１７（ａ）は、本発明の実施の形態６に係る、分極ベクトルＰｕｐを持つ圧電体薄膜装置の断面図である。図１７（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルを反転させた時の変位量δ縮んだ状態を示す断面図である。なお、図面は、理解を助けるために部分的に拡大して示している。
【０１３３】
図１７（ａ）において、圧電体薄膜装置は、第１電極１と分極ベクトルＰｕｐを有する圧電体薄膜３と第２電極２を有する圧電体薄膜素子１０とＭｇＯ基板３００とから構成される。また、第１電極１と第２電極２には圧電体薄膜３の分極ベクトルの方向を反転する電圧を印加する電源回路４とその制御回路６が接続される。
【０１３４】
そして、図１７（ａ）に示すＭｇＯ基板３００の上に形成した圧電体薄膜素子１０の分極ベクトルの方向を反転させた場合、図１７（ｂ）に示すように圧電体薄膜素子１０が厚み方向に変位量δだけ変位するものである。また、分極ベクトルをＰｄｏｗｎからＰｕｐ方向に反転させることにより、図１７（ａ）の状態に戻すことができる。
【０１３５】
以下に、実施の形態６の圧電体薄膜装置が、その厚み方向に変位する理由を説明する。
【０１３６】
上述したように、圧電体薄膜素子１０の厚み（約３μｍ）は、ＭｇＯ基板３００の厚み（約３００μｍ）に比べて相対的に薄い（１／１００程度）ため、膜面内方向（ａ軸方向）の伸縮がＭｇＯ基板３００により抑制される。そのため、図１７の右図のように膜厚方向（ｃ軸方向）において、分極ベクトルの反転により表１に示す比率（０．９９７６）で伸縮するものである。
【０１３７】
この構成により、圧電体薄膜素子の厚み方向で位置決めできる圧電体薄膜装置を実現できる。
【０１３８】
また、上記圧電体薄膜装置を積層構成とすることにより、変位量の拡大および積層数分の位置決めをすることもできる。つまり、積層された圧電体薄膜装置に同時に電圧を印加すれば、積層数倍に変位を拡大できる。一方、積層された圧電体薄膜装置を個別に制御して電圧を印加すれば、積層数に相当する位置決めが可能である。
【０１３９】
（実施の形態７）
図１８（ａ）は、本発明の実施の形態７に係るユニモルフ型の圧電体薄膜装置の断面図である。図１８（ｂ）は、同圧電体薄膜装置において、分極ベクトルＰｄｏｗｎに方向を反転させた時の撓み変形した状態を示す断面図である。
【０１４０】
図１８（ａ）に示すように、実施の形態６に示した圧電体薄膜装置の片端を固定部材７で支持固定してユニモルフ型の圧電体薄膜装置構成としたものであり、他の構成は同様である。なお、この場合、ＭｇＯ基板３００の厚みを、例えばエッチング法やＣＭＰ法等を用いて圧電体薄膜素子１０程度にすることが、撓み変位量を拡大できる点等で好ましい。
【０１４１】
この構成により、図７（ｃ）に示したバイモルフ型の圧電体薄膜装置と同様に、図１８（ｂ）に示すように、分極ベクトルの方向を反転させることにより、撓み変位するユニモルフ型の圧電体薄膜装置が得られる。さらに、ＭｇＯ基板３００上に形成した圧電体薄膜素子１０からなる圧電体薄膜装置は、接着層が介在しないため機械的な強度に優れるとともに、熱等に対する信頼性を向上できる。
【０１４２】
また、本発明の圧電体薄膜装置は、分極ベクトルの反転時に電圧を印加するだけで、変位するとともに、変位後の位置を安定して保つことができる。その結果、電力消費が少なく、変位前後の位置の保持特性に優れた圧電体薄膜装置を実現できる。
【０１４３】
上記各実施の形態では、圧電体薄膜をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）として説明したが、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛等でもよいことはいうまでもない。
【０１４４】
また、圧電体薄膜の分極ベクトルの反転による格子定数の変化量は、材料の組成や成膜の条件等により異なることはいうまでもない。
【０１４５】
さらに、本発明の実施の形態では、圧電体薄膜素子が２層までの構造について述べてきたが、これに限定されない。例えば、多層構造の圧電体薄膜装置としてもよい。その場合においても、各圧電体薄膜素子を並列駆動等により抗電圧を上げずに動作させることができるとともに、圧電体薄膜素子の機械的強度や振動や落下衝撃等の耐外部負荷特性のさらに向上した圧電体薄膜装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明に係る圧電体薄膜装置は、分極ベクトルの方向により、異なる位置状態を電圧が印加されなくなった状態でも保持できる位置決め装置、光スイッチ等の光学装置や静止画表示装置等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電体薄膜装置の基本構成を示す斜視図
【図２】同圧電体薄膜装置の圧電体薄膜素子の分極と印加電圧の関係を示す特性図
【図３】同圧電体薄膜装置の圧電体薄膜の分極ベクトルの方向による格子定数の変化を示すＸ線回折パターンの模式図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体薄膜装置で、片持ち梁構成を示す断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図５】同実施の形態に係る圧電体薄膜装置の圧電体薄膜の変位量と印加電圧の関係を説明する図
【図６】同実施の形態の圧電体薄膜の相対変位量と印加電圧の駆動時の関係を示す図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２に係るバイモルフ型の圧電体薄膜装置の断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図（ｃ）同圧電体薄膜装置で、片方の圧電体薄膜素子の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態３に係る圧電体薄膜装置で、両端固定構成を示す断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態３に係る圧電体薄膜装置で、両端支持構成を示す断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３に係る圧電体薄膜装置で、バイモルフ型の両端固定構成を示す断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態４に係る圧電体薄膜装置で、円環形状構成を示す斜視図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図
【図１２】（ａ）本発明の実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置で、トライアングル形状構成を示す平面図（ｂ）図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｃ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す平面図（ｄ）図１２（ｃ）のＡ−Ａ線断面図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置で、三角形状構成を示す斜視図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図（ｃ）同圧電体薄膜装置で、別の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図
【図１４】（ａ）本発明の実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置で、四角形状構成を示す斜視図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図（ｃ）同圧電体薄膜装置で、別の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図
【図１５】（ａ）本発明の実施の形態４の変形例に係る圧電体薄膜装置で、バイモルフ型のマイクログリッパー構成を示す断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図１６】（ａ）本発明の実施の形態５に係る圧電体薄膜装置で、Ｌ字形状構成を示す斜視図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、第１の素子部の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図（ｃ）同圧電体薄膜装置で、第２の素子部の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図（ｄ）同圧電体薄膜装置で、第１の素子部の分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す斜視図（ｅ）同図（ａ）〜（ｄ）の変位動作と変位状態を示す模式図
【図１７】（ａ）本発明の実施の形態６に係る圧電体薄膜装置の断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図１８】（ａ）本発明の実施の形態７に係るユニモルフ型の圧電体薄膜装置の断面図（ｂ）同圧電体薄膜装置で、分極ベクトルの方向を反転させた時の変位状態を示す断面図
【図１９】従来の圧電体素子の変位量と駆動電圧の関係を示す特性図
【符号の説明】
【０１４８】
１，２１，６１，１０１    第１電極
２，２２，６２，７１，１０２    第２電極
３，２３，３３，６３，１０３，２０３    圧電体薄膜
４，４１，４２，６４    電源回路
６，４６，６６    制御回路
７，８    固定部材
９    支持部材
１０，４０，６０    圧電体薄膜素子
２０    第１の構造体
３０    第２の構造体
３１，２０１    第３電極
３２，７４，２０２    第４電極
６５    端面部間の長さ
６７    微小物体
７０    第１の圧電体薄膜素子
７２    残したＭｇＯ基板
７３    第２の圧電体薄膜素子
７５    自由端
７６    切り落とし端面
７７    固定端
７９    支持体
８０，９９    保持部
８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４，９６，９８    電極
１００    第１の素子部
２００    第２の素子部
３００    ＭｇＯ基板
【図１】
2005203750.tif 000004
【図２】
2005203750.tif 000005
【図３】
2005203750.tif 000006
【図４】
2005203750.tif 000007
【図５】
2005203750.tif 000008
【図６】
2005203750.tif 000009
【図７】
2005203750.tif 000010
【図８】
2005203750.tif 000011
【図９】
2005203750.tif 000012
【図１０】
2005203750.tif 000013
【図１１】
2005203750.tif 000014
【図１２】
2005203750.tif 000015
【図１３】
2005203750.tif 000016
【図１４】
2005203750.tif 000017
【図１５】
2005203750.tif 000018
【図１６】
2005203750.tif 000019
【図１７】
2005203750.tif 000020
【図１８】
2005203750.tif 000021
【図１９】
2005203750.tif 000022