(57)【要約】【課題】  圧電膜や上下の電極の残留歪に起因する反りを抑制して、圧電駆動の変位量を再現性良く、広い範囲で制御可能な圧電アクチュエータの提供。  【解決手段】    本発明に係る圧電アクチュエータは、基板と、前記基板上に配置された固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極とキャパシタを形成する作用部と、前記作用部から延在して配置され、前記基板上に固定された固定部とを備え、前記作用部から前記固定部にかけて圧電膜及び該圧電膜を挟む上下の電極とで構成された梁と、前記上下の電極に各々接続された配線と、前記配線に接続され、前記上下の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記上下の電極と前記電圧印加手段との間に設けられた高インピーダンス素子と、を備える。【選択図】図１
2007259669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極とキャパシタを形成する作用部と、前記作用部から延在して配置され、前記基板上に固定された固定部とを備え、前記作用部から前記固定部にかけて圧電膜及び該圧電膜を挟む上下の電極とで構成された梁と、
前記上下の電極に各々接続された配線と、
前記配線に接続され、前記上下の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記上下の電極と前記電圧印加手段との間に設けられた高インピーダンス素子と、
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記高インピーダンス素子は、前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記高インピーダンス素子は、抵抗で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記抵抗は、４５Ωから６６０ＭΩの範囲の抵抗値を使用することを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記高インピーダンス素子は、抵抗及びインダクタで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記抵抗は１８６Ωから６６０ＭΩの範囲の抵抗値を使用することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記インダクタは、前記梁を通過する信号の各周波数をωとした場合、７２／ωＨから１００ｎＨの範囲で使用することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを用いたマイクロメカニカルデバイス。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを用いた可変容量キャパシタ。
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを用いたスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関し、特に、圧電アクチュエータ及びそれを用いたマイクロメカニカルデバイス、可変容量キャパシタ、スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術で作製されたアクチュエータを用いて、スイッチやバリキャップ（可変容量キャパシタ）等のマイクロメカニカルデバイスを作製する技術に関心が集まっている。これらのスイッチやバリキャップは、特に、携帯電話や自動車電話などをはじめとした高周波向けの用途として、従来用いられている半導体スイッチやバリキャップと比較して、スイッチについては低損失でオフ時の高い絶縁特性を備えており、バリキャップについてはＱ値が高いなどの多くの利点を備えている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術を適用したバリキャップは、例えば、基板上の空中で一端が支持されたアクチュエータの梁に設けられた可動電極と、可動電極に対向する基板上に設けられた固定電極とを備えており、アクチュエータにより可動電極と固定電極との間の距離を変化させて、可動電極と固定電極との間の静電容量を変化させる。
【０００４】
また、このバリキャップの構造をそのまま適用して、可動電極及び固定電極を直接接触させる（ＤＣ接触型）、或いはＧＨｚ以上の高周波領域では可動電極及び固定電極をごく薄い誘電膜を隔てて接触させる（キャパシティブ型）等によりスイッチとして機能させることも可能である。
【０００５】
このような可動電極と固定電極との間の距離を変化させるアクチュエータの駆動機構としては、梁を熱応力により駆動する熱駆動型（例えば、特許文献１）、電磁力により駆動する電磁駆動型（例えば、特許文献２）、静電力により駆動する静電駆動型（例えば、特許文献３）、圧電力により駆動する圧電駆動型（例えば、特許文献４）等が知られている。
【０００６】
しかしながら、熱駆動型ではそれを構成する抵抗体に電流を流す必要があり消費電力が大きくなるという問題がある。電磁駆動型においても、同様に、それを構成する電磁コイルに電流を流す必要があり消費電力が大きくなるという問題がある。また、静電駆動型では、消費電力は小さいものの、１０Ｖから１００Ｖ程度の高い電圧を印加する必要がある。更に、静電駆動型のアクチュエータを備えたバリキャップでは、可動電極及び固定電極の電極間距離が初期の電極間距離の１／３を越えると可動電極が固定電極にｐｕｌｌ−ｉｎするため、容量変化率が大きくとれないなどの問題がある。
【０００７】
一方、圧電駆動型は、消費電力が小さく、１０Ｖ以下の駆動電圧で動作可能であり、可動電極が固定電極にｐｕｌｌ−ｉｎしないため、アクチュエータを連続的に大きく変化させることができ、容量変化率を大きくすることが可能である。このように圧電駆動型は、他の駆動機構と比較して多くの利点を備えており、スイッチやバリキャップ等のマイクロメカニカルデバイスへの利用に注目されている。
【特許文献１】特開２００５−１９４９５３
【特許文献２】特開２００４−３１２８１８
【特許文献３】特開２００３−２５８５０２
【特許文献４】特開２００３−２０９９８１
【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、圧電駆動型のアクチュエータは、空中に支持され、圧電膜を上下の電極に挟んだ長く薄い梁構造を備えているため、圧電膜や上下の電極の材料の僅かな残留応力により、梁が上下に反るという問題が生じる。このような反りが発生すると、バリキャップの電圧印加前後の静電容量値を設計どおりに調整することや、スイッチの駆動電圧を一定値に設定することが困難となる。
【０００９】
本発明は、以上のような事情の下になされ、圧電膜や上下の電極の残留歪に起因する反りを抑制して、圧電駆動の変位量を再現性良く、広い範囲で制御可能な圧電アクチュエータ及びそれを用いたマイクロメカニカルデバイス、可変容量キャパシタ、スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の問題を解決するために、本発明に記載の圧電アクチュエータは、基板と、前記基板上に配置された固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極とキャパシタを形成する作用部と、前記作用部から延在して配置され、前記基板上に固定された固定部とを備え、前記作用部から前記固定部にかけて圧電膜及び該圧電膜を挟む上下の電極とで構成された梁と、前記上下の電極に各々接続された配線と、前記配線に接続され、前記上下の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記上下の電極と前記電圧印加手段との間に設けられた高インピーダンス素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電膜や上下の電極の残留歪に起因する反りを抑制して、圧電駆動の変位量を再現性良く、広い範囲で制御可能な圧電アクチュエータ及びそれを用いたマイクロメカニカルデバイス、可変容量キャパシタ、スイッチが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１３】
図１８は、我々が作製した従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。
【００１４】
従来の圧電アクチュエータは、図１８に示すように、基板１上に、例えば、アンカー４を介して固定された固定部１０ａを備えた梁１０と、梁１０に設けられた可動電極１１とを備える。
【００１５】
梁１０は第１の電極５と第２の電極７とに挟まれた第１の圧電膜６と、第２の電極７と第３の電極９とに挟まれた第２の圧電膜８とで構成されている。
【００１６】
第１の電極５、第２の電極７、第３の電極９には、それぞれ、第１の配線１２ａ、第２の配線１２ｂ、第３の配線１２ｃが接続されている。第１の配線１２ａ、第２の配線１２ｂ、第３の配線１２ｃには、それぞれ、第１の端子１４ａ、第２の端子１４ｂ、第３の端子１４ｃが接続されている。第１の端子１４ａ、第２の端子１４ｂ、第３の端子１４ｃは、第１の電極５、第２の電極７、第３の電極９のそれぞれに電圧を印加して、第１の圧電膜６及び第２の圧電膜８を伸縮自在に駆動させる電圧印加手段の役割を備えている。
【００１７】
可動電極１１は、梁１０と同様な構成を備えており、第１の可動電極５ａと第２の可動電極７ａとに挟まれた第１の圧電膜６と、第２の可動電極７ａと第３の可動電極９ａとに挟まれた第２の圧電膜８とで構成されている。
【００１８】
梁１０と可動電極１１との間には電極スリット１５が設けられており、梁１０と可動電極１１はそれぞれ電気的に絶縁されている。詳しくは、梁１０と可動電極１１は、第１の圧電膜６及び第２の圧電膜８を同一層で兼用し、第１の電極５と第１の可動電極５ａとの間、第２の電極７と第２の可動電極７ａとの間、第３の電極９と第３の可動電極９ａとの間は、それぞれ、電極スリット１５により電気的に絶縁されている。
【００１９】
可動電極１１に対向して基板１上には誘電膜３に覆われた固定電極２ａ、２ｂが設けられており、可動電極１１と誘電膜３との間にギャップ（空間）が生じるように、誘電膜３と固定電極２ａ、２ｂとの合計の高さを、アンカー４の高さより低く設計している。
【００２０】
第１の端子１４ａから第１の電極５に、第２の端子１４ｂから第２の電極７に、それぞれ電圧を印加すると逆圧電効果により第１の圧電膜６が歪んで伸縮する。同様に、第２の端子１４ｂから第２の電極７に、第３の端子１４ｃから第２の電極９に、それぞれ電圧を印加すると、逆圧電効果により第２の圧電膜８が歪んで伸縮する。例えば、第２の端子１４ｂの電位を第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃより高くすることで、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は縮み、第２の圧電膜８は反対に伸びる。そのため、梁１０は基板１側に屈曲変位する。反対に、第２の端子１４ｂの電位を第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃより低くすることで、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は伸び、第２の圧電膜８は反対に縮む。そのため、梁１０は基板１側と反対方向に屈曲変位する。
【００２１】
梁１０に設けられた可動電極１１は、梁１０の変位に対応して上下に変位する。可動電極１１が上下に変位すると、可動電極１１と固定電極２ａ、２ｂとの間の距離が変化するため、可動電極１１と固定電極２ａ、２ｂとの間の静電容量がその距離に反比例する形で変化する。
【００２２】
図１９は、図１８の梁１０を圧電動作させていない時の、梁１０と可動電極１１の高さをコンフォーカルレーザ顕微鏡で観測した結果図である。図１９に示すように、梁１０は基板１に対してほぼ平行に形成されているが、可動電極１１は電極スリット１５からその先端部に近づくにつれて、基板１上の誘電膜３とのギャップが小さくなる傾向、すなわち、基板１側に反る傾向が確認された。この原因は下記のように考えられる。一般的に、圧電アクチュエータの反りの発生を抑制するためには、圧電アクチュエータを作製する際、電極と圧電膜との残留応力を制御して行う。しかしながら、上述した従来の圧電アクチュエータは、電極と圧電膜とが相互に積層された梁１０及び可動電極１１と、圧電膜が積層された電極スリット１５の２種類の構成を備えている。このため、電極−圧電膜間の残留応力を制御して圧電アクチュエータを作製したとしても、電極スリット１５は圧電膜のみが積層された構成であるため、圧電膜同士の構成の残留応力の制御はなされていないため、この部分から反りが発生してしまう場合があると考えられる。
【００２３】
例えば、図１９に示すような状態で、梁１０を圧電駆動させ基板１側に変位させていくと、可動電極１１の先端部が電極スリット１５側より先に誘電膜３と接触する。可動電極１１の先端部が誘電膜３と接触した状態になると、他の部分はそれ以上、基板１側に変位することはできなくなり、結果として静電容量を大きくすることができない。すなわち、可動電極１１の上下の変位量が小さくなり、静電容量の容量変化率が大きくならないという問題が生じる。同様に、図１９に示すような状態と反対に、すなわち、可動電極１１の先端部に近づくにつれて、基板１とは反対の方向に反りが発生していた場合でも、可動電極１１を基板１側に変位させると、可動電極１１の電極スリット１５側が先に圧電膜３と接触してしまい、同様に、容量変化率が大きくならないという問題が生じる。
【００２４】
本発明者らは、鋭意実験を行った結果、以上の問題を解決するための構成を見出した。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
最初に、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。
【００２７】
本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータは、２つの固定電極を持つシリーズ型スイッチ及びバリキャップ等のマイクロメカニカルデバイスに用いられるもので、図１に示すように、基板１上に設けられた梁１０を備える。梁１０は、基板１上に、例えば、アンカー４を介して固定された固定部１０ａと、固定部１０ａから延在した作用部１０ｂとを有し、第１の電極５と第２の電極７とに挟まれた第１の圧電膜６と、第２の電極７と第３の電極９とに挟まれた第２の圧電膜８とで構成されている。第１の電極５、第１の圧電膜６、第２の電極７、第２の圧電膜８、第３の電極９は、それぞれ、固定部１０ａから作用部１０ｂまで連続して積層された構成を備えている。
【００２８】
第１の電極５、第２の電極７、第３の電極９には、それぞれ、第１の配線１２ａ、第２の配線１２ｂ、第３の配線１２ｃが接続されている。第１の配線１２ａ、第２の配線１２ｂ、第３の配線１２ｃには、それぞれ、第１の端子１４ａ、第２の端子１４ｂ、第３の端子１４ｃが接続されている。第１の端子１４ａ、第２の端子１４ｂ、第３の端子１４ｃは、それぞれ、第１の電極５、第２の電極７、第３の電極９に電圧を印加して、第１の圧電膜６及び第２の圧電膜８を伸縮自在に駆動させる電圧印加手段の役割を備えている。
【００２９】
第１の電極５と第１の端子１４ａ、第２の電極７と第２の端子１４ｂ、第３の電極９と第２の端子１４ｃとの間には、それぞれ、第１の高インピーダンス素子１３ａ、第２の高インピーダンス素子１３ｂ、第３のインピーダンス素子１３ｃが設けられている。
【００３０】
梁１０の作用部１０ｂに対向して基板１上には誘電膜３に覆われた固定電極２ａ、２ｂが設けられており、作用部１０ｂと誘電膜３との間にギャップ（空間）が生じるように、誘電膜３と固定電極２ａ、２ｂとの合計の高さを、アンカー４の高さより低く設計している。
【００３１】
すなわち、本実施形態に係る圧電アクチュエータは、図１８に示すような従来の圧電アクチュエータと比較すると、電極スリット１５が無く、梁１０を構成する電極５、７、９と、可動電極を構成する可動電極５ａ、７ａ、９ａとがそれぞれ同一層で一体となった構成を備えており、更に、電極５、７、９と、端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃとの間に高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けている点が異なっている。
【００３２】
基板１は、絶縁性のガラス基板やシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板が用いられる。アンカー４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜が用いられる。電極５、７、９及び固定電極２ａ、２ｂ等の電極材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の低抵抗で加工が容易な金属が用いられる。誘電膜３は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜が用いられる。圧電膜６、８は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）のウルツ鉱型の結晶、又は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）等のペロブスカイト系強誘電体等が用いられる。
【００３３】
本実施形態に係る圧電アクチュエータも同様に、第１の端子１４ａから第１の電極５に、第２の端子１４ｂから第２の電極７に、それぞれ電圧を印加すると逆圧電効果により第１の圧電膜６が歪んで伸縮する。同様に、第２の端子１４ｂから第２の電極７に、第３の端子１４ｃから第３の電極９に、それぞれ電圧を印加すると逆圧電効果により第２の圧電膜８が歪んで伸縮する。例えば、第２の端子１４ｂの電位を第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃより高くすることで、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は縮み、第２の圧電膜８は反対に伸びる。そのため、梁１０は基板１側に屈曲変位する。反対に、第２の端子１４ｂの電位を第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃより低くすることで、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は伸び、第２の圧電膜８は反対に縮む。そのため、梁１０は基板１側と反対方向に屈曲変位する。
【００３４】
以上のような構成とすると、固定電極２ａ、２ｂと第１の電極５との間には２つの平行平板キャパシタが形成され、片側のキャパシタの静電容量Ｃは（１）式で表される。
【数１】
2007259669.tif 000003
【００３５】
ここで、ε0は真空の誘電率（８．８５４×１０−１２  ［Ｆ／ｍ］）、εoxは誘電膜３の比誘電率、Sは固定電極２ａ、２ｂと作用部１０ｂとがオーバーラップする面積、doxは誘電膜３の厚さ、dairは誘電膜３の表面と作用部１０ｂとの表面とのギャップである。例えば、固定電極２ａに入力された信号がこれらのキャパシタのみを通過し、もう一方の固定電極２ｂに出力されると仮定すると、固定電極２ａ、２ｂ間の静電容量は、２つのキャパシタのオーバーラップ面積が同じであると仮定するとC/2となる。この静電容量は作用部１０ｂを上下に動作させることにより変化する。例えば、ギャップdairが小さくなると静電容量は増加し、反対に大きくなると減少する。そのため、キャパシティブ型のスイッチ、およびバリキャップとして動作させることが可能となる。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチ又はバリキャップの等価回路図である。図中、Ｃは固定電極２ａ、２ｂと作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量、Ｚは固定電極２ａ、２ｂと作用部１０ｂとの抵抗又はインダクタンス成分、Ｚａ、Ｚｂ、Ｚｃは、高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれの素子値、Ｖは、梁１０を圧電駆動するための電源である。なお、圧電膜６、８として用いられる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）などの材料は誘電率が１０以上と高いため、梁１０の電極間の静電容量は１ｐＦ〜１００ｐＦと非常に大きくなり、移動通信帯で使用される周波数では上下の電極間は低インピーダンスでほぼ同電位であると考えることができる。そのため、図２ではこのことを考慮して第１の圧電膜６および第２の圧電膜８の静電容量は無視して示している。なお、電源Ｖの接続の方法は図２に限定されない。
【００３７】
図２の電源Ｖは理想的には内部抵抗が０Ωと考えることができるため、固定電極２ａ、２ｂ間の通過特性を計算するには電源Ｖは短絡しているとすることができ、更に高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃを合成して表すことが可能となる。合成後の高インピーダンス素子の素子値をＺＬとすると図２は図３として表すことができる。
【００３８】
図３から、圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップのＱ値は（２）式で表すことができる。
【数２】
2007259669.tif 000004
【００３９】
また、従来の圧電駆動ＭＥＭＳスイッチ又はバリキャップのように電極スリットを形成し、リーク信号成分がない場合の、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチ又はバリキャップの等価回路図を図４に示す。この場合のバリキャップのＱ値は（３）式で表すことができる。
【数３】
2007259669.tif 000005
【００４０】
（２）式、（３）式を比較すると、ＺＬが非常に大きくなると、言い換えると高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃのインピーダンスが非常に大きくなると（２）式の分子、分母中にある分数部分が非常に小さくなり、（２）式と（３）式は同値になる。即ち、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップは従来の圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップと同様の電気特性となり、且つ、電極スリットが不要なため反りに対してロバストな構造をもち、Ｑ値の劣化を抑止しつつ容量変化率の大きなバリキャップを形成することが可能となる。
【００４１】
また、図３より、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過特性Ｓ２１は（４）式で表すことができる。
【数４】
2007259669.tif 000006
【００４２】
ここで、Ｚ０は固定電極２ａ、２ｂから見た信号入力側回路、および信号出力側回路のインピーダンスである。
【００４３】
また、図４に示した従来の圧電駆動ＭＥＭＳスイッチの通過特性Ｓ２１ｉは（５）式で表すことができる。
【数５】
2007259669.tif 000007
【００４４】
（４）式、（５）式を比較すると、ＺＬが非常に大きくなると、言い換えると高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃのインピーダンスが非常に大きくなると（４）式分母｜｜内の第３項が無視でき、（４）式、（５）式は同値となる。即ち、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチは従来の圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチと同様の電気特性となり、且つ、電極スリットが不要なため反りに対してロバストな構造をもち、損失の劣化を抑制したスイッチを形成することが可能となる。
【００４５】
上述したように、本実施形態に係る圧電アクチュエータは、電極スリットを設けず、梁を構成する電極と、可動電極として作用する電極とを同一層で兼用した構成を備えている。このような構成を備えることにより、従来発生していた電極スリットにおける残留応力に起因する反りを抑制することができる。しかしながら、梁１０に電極スリットを設けない場合、例えば、固定電極２ａに入力された信号がもう一方の固定電極２ｂに出力される信号経路に加え、作用部１０ｂから固定部１０ａの方向、すなわち、梁１０を構成する電極の方向に出力される信号経路が新たに加わる（この方向にながれる信号をリーク信号と呼ぶ）。更に、このリーク信号は、梁１０を圧電駆動させる電圧印加手段（端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）まで伝導してしまう。そのため、電極スリットを設けず、梁１０を構成する電極と、可動電極を構成する電極とを、単に、同一層で一体とした構成としただけでは、反りは低減し、容量変化率は大きくなるものの、バリキャップとして使用する場合はＱ値が大きく低下し、スイッチとして使用する場合は通過損失が大きく劣化してしまう。そのため、本実施形態に係る圧電アクチュエータは、電極５、７、９と、電圧印加手段（端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）との間に、高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃをそれぞれ設けている。
【００４６】
図１に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した。また、その比較例として、図１８に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した。作製したそれぞれのバリキャップの静電容量及びＱ値を評価して比較した。
【００４７】
その結果、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップの静電容量は０．１ｐＦから０．３ｐＦまでの変化しか確認されなかったが、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップの静電容量は０．１ｐＦから２．５ｐＦまで変化することが確認された。また、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップのＱ値は０．３ｐＦで２４であり、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップのＱ値は、高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれのインピーダンスを１５０ｋΩに設定したところ２３であった。すなわち、Ｑ値については、従来の圧電アクチュエータを用いたバリキャップと同程度のＱ値が得られることが確認された。
【００４８】
図１に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した。また、その比較例として、図１８に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した。作製したそれぞれのスイッチの通過損失を評価して比較した。
【００４９】
その結果、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したスイッチのＯＮ時の通過損失は−１０ｄＢであったが、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したスイッチのＯＮ時の通過損失は、高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃのインピーダンスをそれぞれ１５０ｋΩとしたところ−２．０ｄＢであり、通過損失を低減できることが確認された。
【００５０】
このように、本実施形態に係る圧電アクチュエータは、Ｑ値の劣化を抑制しつつ、従来発生していた電極スリット起因による反りを改善することができる。そのため、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いてスイッチ、バリキャップ等のマイクロメカニカルデバイスを作製した場合は、バリキャップにおいては静電容量の変化率の大きいバリキャップを実現することができ、スイッチにおいては、低損失のスイッチを実現することができる。
【００５１】
なお、図１に示した圧電アクチュエータはいわゆるバイモルフ構造であるが、本発明のアクチュエータの構造はこれに限定されるものではなく、例えば、第１の圧電膜又は第２の圧電膜のどちらか一方の圧電膜をシム層に置き換えたユニモルフ構造にも適用することができる。また、図１に示した圧電アクチュエータは、梁１０の一方をアンカー４により固定されたいわゆる片持ち梁構造で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、梁１０を２つ用意して、それぞれの梁１０の一方をアンカー４に固定し、もう一方を作用部１０ｂに接続した両持ち梁構造にも適用することができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。なお、前述した第１の実施形態に係る圧電アクチュエータと同様な形態を備えた部分については同様の符号を用いている。
【００５３】
本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータは、シャント型スイッチ及びバリキャップ等に係るマイクロメカニカルデバイスに用いられるもので、固定電極２ｃに入力された信号が、固定電極２ｃと梁１０の作用部１０ｂとの間の平行平板キャパシタ及び梁１０の電極５、７、９を介してＧＮＤに流れる構成を備えている。ただし、ＧＮＤに接続された端子１４ａと配線１２ａとの間、及び、端子１４ｃと配線１２ｃとの間には低インピーダンスで信号を通過させる必要があるため、第１の高インピーダンス素子１３ａ及び第３の高インピーダンス素子１３ｃは設けられていない。第１の端子１４ａ、第２の端子１４ｂ、第３の端子１４ｃには、それぞれ電源１６が接続されている。その他の部分については、第１の実施形態と同様なため、説明を省略する。
【００５４】
高インピーダンス素子１３ｂは、基板１上に設けられていることが好ましい。高インピーダンス素子１３ｂが、基板１外に形成されていた場合は、第２の配線１２ｂの長さが長くなり、長くなった第２の配線１２ｂからリーク信号が発生、放出されるため、スイッチの場合は通過損失が劣化し、バリキャップの場合はＱ値が低下してしまう。
【００５５】
第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃは、梁１０の近傍に形成されていることが好ましい。第１の端子１４ａ及び第３の端子１４ｃが、梁１０の近傍に形成されていない場合は、第１の配線１２ａ及び第３の配線１２ｃの長さが長くなり、長くなった配線１２ａ、１２ｃからリーク信号が発生、放出されるため、スイッチの場合は通過損失が劣化し、バリキャップの場合はＱ値が低下してしまう。
【００５６】
図５に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した。なお、バリキャップを作製する際には、第２の高インピーダンス素子１３ｂを基板１上に配置して、第２の配線１２ｂを短く設計したバリキャップと、第２の高インピーダンス素子１３ｂを基板１上には配置せず、図示しない基板１外に配置して、第２の配線１２ｂを長く設計したバリキャップとをそれぞれ作製した。この２種類のバリキャップの特性Ｓ１１の評価結果を図６に示す。
【００５７】
図６は、図５に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した場合の第２の配線１２ｂの長さの違いによる特性Ｓ１１の傾向を示す結果図である。
【００５８】
図６に示すように、第２の配線１２ｂの長さを短く設計した方が、第２の配線１２ｂの長さを長く設計した方よりも損失が低下する傾向が確認された。
【００５９】
以上より、第２の高インピーダンス素子１３ｂを基板１上に形成して、第２の配線１２ｂを短く設計することで、よりリーク信号の発生、放出を抑制することができ、Ｑ値の劣化を抑制したバリキャップを作製することができる。
【００６０】
以上の結果は、図５に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した場合にも同様な効果が得られることは言うまでもない。また、本実施形態で得られた結果は、前述した第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを用いたスイッチ及びバリキャップ等のマイクロメカニカルデバイスにも適用することができる。すなわち、第１の実施形態に係る第１の高インピーダンス素子１３ａ、第２の高インピーダンス素子１３ｂ、第３の高インピーダンス素子１３ｃをそれぞれ基板１上に形成して、第１の配線１２ａ、第２の配線１２ｂ、第３の配線１２ｃの長さを必要最低限の長さに設計することで、よりスイッチにおいては通過損失が低下し、バリキャップにおいてはＱ値の劣化が抑制されたスイッチ及びバリキャップ等のマイクロメカニカルデバイスを作製することができる。
【００６１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。なお、前述した第１の実施形態に係る圧電アクチュエータと同様な形態を備えた部分については同様の符号を用いている。
【００６２】
本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１の実施形態で説明した第１の高インピーダンス素子１３ａ、第２の高インピーダンス素子１３ｂ、第３の高インピーダンス素子１３ｃを、それぞれ、第１の抵抗１７ａ、第２の抵抗１７ｂ、第３の抵抗１７ｃに置き換えたものであり、その他は、第１の実施の形態と同様なため説明を省略する。
【００６３】
以上のような構成とすると、（２）式に示した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップのＱ値は（６）式で表すことができる。
【数６】
2007259669.tif 000008
【００６４】
ここで、Ｒは抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの並列合成抵抗であり、本実施形態に係る圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップの等価回路図は図８となる。（６）式から、バリキャップのＱ値を（３）式と同値とするには図８の抵抗Ｒを非常に大きくすればよい。
【００６５】
抵抗Ｒは、例えば、梁１０を形成する電極材料と同じ材料で、その厚さ、幅等によりを調整することができる。抵抗Ｒを形成する方法として、配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃの幅、若しくは長さにより抵抗値を決定することも可能である。ただし、第２の実施形態で説明したように配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃの長さが長くなるとリーク信号の発生、放出の影響が現れるため、配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃの幅を狭くして、配線の長さを短くすることが望ましく、更に望ましくは、梁１０の幅より配線の幅を狭くした方がよい。なお、抵抗Ｒを作製する方法としては、上記の方法に限定されるものではなく、従来の半導体プロセスにより、圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップと同一基板上に形成されるのであれば問題ではないことは明確である。
【００６６】
図７に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した。また、その比較例として、図１８に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した。作製したそれぞれのバリキャップの静電容量及びＱ値を評価して比較した。
【００６７】
その結果、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップの静電容量は０．１ｐＦから０．３ｐＦまでの変化しか確認されなかったが、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップの静電容量は０．１ｐＦから２．５ｐＦまで変化することが確認された。また、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップのＱ値は７８から２４への変化が確認され、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したバリキャップのＱ値は、抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの抵抗値をそれぞれ１ＭΩに設計したところ０．１ｐＦから０．３ｐＦでのＱ値は７６から２４への変化が確認された。すなわち、Ｑ値については、従来の圧電アクチュエータを用いたバリキャップと同程度のＱ値が得られることが確認された。
【００６８】
また、図７に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した場合にも第１の実施形態と同様な効果が得られた。
【００６９】
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１の実施の形態と同様に、Ｑ値の劣化を抑制しつつ、従来発生していた電極スリット起因による反りを改善することができる。そのため、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いてバリキャップ、スイッチ等のマイクロメカニカルデバイスを作製した場合は、バリキャップにおいては静電容量の変化率の大きいバリキャップを実現することができ、スイッチにおいては、低損失のスイッチを実現することができる。
【００７０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。本実施形態に係る圧電アクチュエータは、第３の実施形態で説明した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップの抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの具体的な素子値について説明したものである。
【００７１】
一般的な移動体通信に使用されるバリキャップは、バリキャップの静電容量と角周波数の積の逆数で決まるインピーダンスの変化量が８Ωから８００Ωの間、Ｑ値が５以上、静電容量が所望の値に変化するまでの時間（以下、変位時間という）が１ｍｓ以下であることが必要とされている。抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの抵抗の素子値はＱ値と変位時間より決定することができる。
【００７２】
図９は、図８における寄生インピーダンスＺ（図７における固定電極２と作用部１０ｂのインピーダンス成分）が０Ωと０．８Ωの場合、キャパシタＣ（図７における固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量）のインピーダンスが４Ωと４００Ωの場合の組み合わせについて、（６）式より算出した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップのＱ値と抵抗Ｒとの関係を示した関係図である。
【００７３】
図９に示した全てのグラフは下に凸となっており、極小部より小さな抵抗ＲにおいてＱ値が増加するのは、入力された信号が最初のキャパシタＣを通過したあと、もう一方のキャパシタＣを通過せずに抵抗Ｒを通じてＧＮＤに流れ、入力側から見た静電容量が本来の圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップの静電容量より大きく見えるようになるためである。そのため、各グラフの極小部より大きな抵抗Ｒを使用する必要がある。
【００７４】
また、図９より、キャパシタＣのインピーダンスが大きい場合、言い換えると、静電容量が小さい場合は、キャパシタＣのインピーダンスが小さい場合、言い換えると静電容量が大きい場合と比較してＱ値が５以上となる抵抗Ｒの値は大きくなる。また、静電容量が大きい場合、寄生インピーダンスＺの値が大きくなるとＱ値が５以上となる抵抗Ｒの値は大きくなる。
【００７５】
以上の事を考慮すると、抵抗Ｒに必要な最小の素子値は１５Ωとなる。なお、前述の通り抵抗Ｒは図７に示した抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの並列合成抵抗値であるため、抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃ１つ当たりの抵抗値は最小で４５Ωとなる。また、図９は最も極端な場合の計算例であるため、実際には（６）式を使用して必要な抵抗Ｒの素子値を算出するのが望ましい。
【００７６】
一方、変位時間は梁１０の変位量、即ち、梁１０に印加される電圧に依存する。梁１０は第１の圧電膜６を第１の電極５と第２の電極７とで挟んだキャパシタ、および第２の圧電膜８を第２の電極７と第２の電極９とで挟んだキャパシタにより構成されているため、それぞれのキャパシタの上下の電極に印加される電圧は、キャパシタの静電容量と抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの抵抗値との時定数、即ち、梁１０を駆動させるために印加した電圧に対して、上下電極間の電圧が０．６３２倍になる時間により決定される。
【００７７】
上下の電極に挟まれた圧電膜により構成される２つのキャパシタの静電容量の和をＣｐｚ、抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの抵抗値が同値で、且つ並列合成抵抗が前述の抵抗値Ｒであるとすると抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃ１つ当たりの抵抗値は３Ｒ、梁１０を駆動するための電源から見た抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの合成抵抗値は９／２Ｒであるため、変位時間、言い換えると、時定数τは（７）式で表される。
【数７】
2007259669.tif 000009
【００７８】
図１０は、（７）式を用いて変位時間が１ｍｓとなるのに必要な抵抗Ｒの素子値の傾向を示したプロット図である。なお、キャパシタＣｐｚは通常１ｐＦから１００ｐＦの間の静電容量であるため、図１０はこれらの静電容量値についてプロットしている。
【００７９】
図１０より、キャパシタＣｐｚの静電容量値が小さくなるにつれて必要となる抵抗Ｒの素子値は大きくなり、最も小さい抵抗Ｒの素子値は２２０ＭΩとなる。そのため、抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃ１つ当たりの抵抗値の最大値は６６０ＭΩとなる。
【００８０】
以上のＱ値と変位時間の条件を満足する圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップの抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃに必要とされる抵抗値は４５Ωから６６０ＭΩの間となる。
【００８１】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。なお、前述した第１の実施形態に係る圧電アクチュエータと同様な形態を備えた部分については同様の符号を用いている。
【００８２】
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、インダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び、抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃを備えた高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。その他は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００８３】
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとして、インダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び、抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃの両方を備えている。このため、これらのインピーダンスが高くなるに従い、（４）式に示した圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過損失の｜｜内第３項は非常に小さくなり、結果として（５）式に示される従来の圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチとほぼ同値の通過損失となる。
【００８４】
高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、第２の実施形態で説明したのと同様に、基板１上に設けられていることが好ましい。高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃが、基板１外に形成されていた場合は、配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃの長さが長くなり、長くなった配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃからリーク信号が発生、放出されるため、スイッチの場合は通過損失が劣化してしまう。
【００８５】
図１１に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した。また、その比較例として、図１８に示す圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した。作製したそれぞれのスイッチの通過損失を評価して比較した。
【００８６】
その結果、従来の圧電アクチュエータを用いて作製したスイッチのＯＮ時の通過損失は−１０ｄＢであったが、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて作製したスイッチのＯＮ時の通過損失は、高インピーダンス素子としてインダクタを用いた場合、各インダクタのインダクタンスを９ｎＨとすることで、通過損失は−１．５ｄＢまで低減した。また、高インピーダンス素子として抵抗を用いた場合、各抵抗の抵抗値を１５０ｋΩとすることで、通過損失は、−２．０ｄＢまで低減した。
【００８７】
本実施形態で説明した圧電アクチュエータは、高インピーダンス素子としてインダクタを用いた場合は、マイクロメカニカルデバイスとして、主に、スイッチに適用されるのが好ましい。なお、本実施形態で説明した圧電アクチュエータを、バリキャップで使用した場合は、バリキャップの静電容量がインダクタのインダクタンスによって打ち消される方向に働き、バリキャップの静電容量が減少するように見えてしまう。さらにバリキャップとインダクタが共振してしまい、本来のキャパシタとしての性質を示さなくなる等の不具合があるため好ましくない。
【００８８】
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１の実施の形態と同様に、Ｑ値の劣化を抑制しつつ、従来発生していた電極スリット起因による反りを改善することができる。そのため、本実施形態に係る圧電アクチュエータを用いてスイッチを作製した場合は、低損失のスイッチを実現することができる。
【００８９】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る圧電アクチュエータについて図面を用いて説明する。本実施形態に係る圧電アクチュエータは、第５の実施形態で説明した圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの具体的な素子値について説明したものである。
【００９０】
一般的な移動体通信に使用されるスイッチは、通過損失が−３ｄＢより低損失で、通過損失が所望の値に変化するまでの時間（以下、スイッチング時間という）が１ｍｓ以下であることが必要とされている。高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとしてのインダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃと抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃの素子値は通過損失とスイッチング時間より決定することができる。
【００９１】
図１２は、図１１において、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとして抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃを用いた場合、これらの抵抗値の並列合成抵抗値をＺＬとして、キャパシタＣ（図１１における固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量）のインピーダンスが４Ω（第４の実施形態で示した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップにおいて、図７に示した固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量のインピーダンスが最も低くなる値）のいわゆるＯＮ時で、寄生インピーダンスＺ（図１１における固定電極２と作用部１０ｂのインピーダンス成分）が０Ωと２０Ωの場合について、（４）式を用いて算出した圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過損失と、抵抗値ＺＬの関係について示した関係図である。
【００９２】
図１２に示すように、抵抗値ＺＬの値が大きくなるほど通過損失は低下し、寄生インピーダンスＺが小さいほど通過損失は低下することが分かる。以上の事を考慮すると、寄生インピーダンスＺが０Ωの時に通過損失が−３ｄＢより小さくなる抵抗ＺＬの抵抗値が最小の抵抗ＺＬの抵抗値となり、この値は６２Ωである。合成抵抗値ＺＬは、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの抵抗値が同じであるとするとこの抵抗値の１／３となるため、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各抵抗値は１８６Ωとなる。
【００９３】
同様に、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとしてインダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを用いた場合、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過損失と、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチを通過する信号の角周波数とインダクタのインダクタンスの積で表されるインピーダンスの並列合成抵抗値をＺＬの関係をプロットした関係図を図１３に示す。
【００９４】
図１３より、インピーダンスＺＬの値が大きくなるほど通過損失は低下し、寄生インピーダンスＺが小さいほど通過損失は低下することが分かる。以上の事を考慮すると、寄生インピーダンスＺが０Ωの時に通過損失が−３ｄＢより小さくなるインピーダンスＺＬの値が最小のインピーダンスＺＬの値となり、この値は２４Ωである。合成インピーダンス値ＺＬは、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃのインダクタンスが同じであるとするとこのインダクタのインピーダンスの１／３となるため、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各インピーダンス値は７２Ωとなる。また、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチを通過する信号の角周波数をωとすると、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃのインダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃのインダクタンスは７２／ωＨとなる。
【００９５】
なお、図１２、および図１３は最も極端な場合の計算例であるため、実際には（４）式を使用して必要な高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの素子値を算出するのが望ましい。
【００９６】
一方、スイッチング時間は、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃが抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃのみの場合、第４の実施形態の場合と同じ計算結果となり、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ一つ当たりの抵抗値は最大で６６０ＭΩとなる。
【００９７】
高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃがインダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの場合、実際のインダクタは必ず抵抗成分が含まれるので、図５のインピーダンスＺＬは簡易的にインダクタと抵抗の直列接続で表すことができる。インピーダンスＺＬのうち抵抗成分に起因する抵抗値をＲｄ、インダクタに起因するインダクタンスをＬｄ、上下電極に挟まれた圧電膜により構成される２つのキャパシタの静電容量の和をＣｐｚ、梁１０を駆動するために接続した圧電駆動電源の電圧をＶ０とすると、Ｃｐｚの両端に印加される電圧ｖ（ｔ）、言い換えると図１１の梁１０の変位は、抵抗Ｒｄ、インダクタＬｄ、キャパシタＣｐｚの各素子値に応じて（８）式で表される。
【数８】
2007259669.tif 000010
【００９８】
である。キャパシタＣｐｚの両端の電圧を圧電駆動電源Ｖ０で規格化した規格化電圧Ｖ／Ｖ０について（８）式に示した３種類の場合について計算した結果図を図１４に示す。
【数９】
2007259669.tif 000011
【００９９】
および
【数１０】
2007259669.tif 000012
【０１００】
の場合は電圧ｖ（ｔ）は振動しないが、
【数１１】
2007259669.tif 000013
【０１０１】
の場合は電圧ｖ（ｔ）が振動することが分かる。ｖ(ｔ)が振動する場合のグラフの包絡線も図１４に同時に示したが、この包絡線は（１２）式で表すことができる。
【数１２】
2007259669.tif 000014
【０１０２】
第４の実施形態の場合と同様に電源電圧Ｖの０．６３２倍（１−ｅ−１倍）となる時間をスイッチング時間とすると、ｖ（ｔ）が振動しない場合は規格化電圧Ｖ／Ｖ０が０．６３２となる時間をスイッチング時間、また、ｖ（ｔ）が振動する場合は（１２）式で示した包絡線の規格化電圧Ｖ／Ｖ０が０．６３２となる時間をスイッチング時間とすると、（８）式、および（１２）式において、前述のキャパシタＣｐｚの取りうる範囲（１ｐＦ〜１００ｐＦ）と前述の方法で算出可能な抵抗Ｒｄ（第４の実施形態および本実施形態に記載）より、スイッチング時間を満足するインダクタＬｄの素子値を求めることができる。
【０１０３】
図１５、図１６、図１７はそれぞれ、Ｌｄが１００ｎＨ、Ｃｐｚが１ｐＦと１００ｐＦで、（８）式の条件を満足し、且つ、図１０、或いは第４の実施形態に記述したＣｐｚとＲｄの関係を満足するようなＲｄの最小値と最大値について、（８）式、（１２）式より算出した
【数１３】
2007259669.tif 000015
【０１０４】
、
【数１４】
2007259669.tif 000016
【０１０５】
、
【数１５】
2007259669.tif 000017
【０１０６】
のそれぞれの条件における時間に対する規格化電圧Ｖ／Ｖ０の関係をプロットした関係図である。図１５、図１６、図１７より、Ｌｄが一定の場合は、Ｃｐｚが大きい、又はＲｄが大きい方がスイッチング時間が長くなる事が分かる。また、
【数１６】
2007259669.tif 000018
【０１０７】
の条件において最もスイッチング時間が長くなる条件があることが分かる。図示しないがこれらの条件でＬｄを変化させてもスイッチング時間はほとんど変化しない。これはＣｐｚ、或いはＲｄが非常に大きくなるため、スイッチング時間はこれらの素子値に支配されるためである。そのため、（８）式、（１２）式から全てのＬｄの値が１ｍｓのスイッチング時間を満足した。ただし、第２の実施形態に記述したように、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチと同一の基板上にインダクタを形成する場合はサイズの制約上最大で１００ｎＨである。
【０１０８】
以上の通過損失とスイッチング時間の条件を満足する圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、１８６Ωから６６０ＭΩの範囲の抵抗、或いはスイッチングする信号の各周波数をωとした場合、７２／ωＨから１００ｎＨの範囲のインダクタ、或いはこれらの抵抗とインダクタの両方を用いたもので良い事になる。
【０１０９】
このような、素子値を持つ高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃを配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃと端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃとの間に形成することにより、低損失なスイッチを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチ又はバリキャップの等価回路図。
【図３】図２に示す高インピーダンス素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃを合成して表した等価回路図。
【図４】従来の圧電アクチュエータを備えた圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチ又はバリキャップの等価回路。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図。
【図６】図５に示す圧電アクチュエータを用いてバリキャップを作製した場合の第２の配線１２ｂの長さの違いによる特性Ｓ１１の傾向を示す結果図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップの等価回路図。
【図９】図８における寄生インピーダンスＺ（図７における固定電極２と作用部１０ｂのインピーダンス成分）が０Ωと０．８Ωの場合、キャパシタＣ（図７における固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量）のインピーダンスが４Ωと４００Ωの場合の組み合わせについて、（６）式より算出した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップのＱ値と抵抗Ｒとの関係を示した関係図
【図１０】（７）式を用いて変位時間が１ｍｓとなるのに必要な抵抗Ｒの素子値の傾向を示したプロット図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図。
【図１２】図１１において、高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとして抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃを用いた場合、これらの抵抗値の並列合成抵抗値をＺＬとして、キャパシタＣ（図１１における固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量）のインピーダンスが４Ω（第４の実施形態で示した圧電駆動型ＭＥＭＳバリキャップにおいて、図７に示した固定電極２と作用部１０ｂとの間の１つの平行平板キャパシタの静電容量のインピーダンスが最も低くなる値）のいわゆるＯＮ時で、寄生インピーダンスＺ（図１１における固定電極２と作用部１０ｂのインピーダンス成分）が０Ωと２０Ωの場合について、（４）式を用いて算出した圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過損失と、抵抗値ＺＬの関係について示した関係図。
【図１３】高インピーダンス素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃとしてインダクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを用いた場合、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの通過損失と、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチを通過する信号の角周波数とインダクタのインダクタンスの積で表されるインピーダンスの並列合成抵抗値をＺＬの関係をプロットした関係図。
【図１４】キャパシタＣｐｚの両端の電圧を圧電駆動電源Ｖ０で規格化した規格化電圧Ｖ／Ｖ０について（８）式に示した３種類の場合について計算した結果図。
【図１５】Ｌｄが１００ｎＨ、Ｃｐｚが１ｐＦと１００ｐＦで、（８）式の条件を満足し、且つ、図１、或いは第４の実施形態に記述したＣｐｚとＲｄの関係を満足するようなＲｄの最小値と最大値について、（８）式、（９）式より算出した条件における時間に対する規格化電圧Ｖ／Ｖ０の関係をプロットした関係図。
【図１６】Ｌｄが１００ｎＨ、Ｃｐｚが１ｐＦと１００ｐＦで、（８）式の条件を満足し、且つ、図１、或いは第４の実施形態に記述したＣｐｚとＲｄの関係を満足するようなＲｄの最小値と最大値について、（８）式、（９）式より算出した条件における時間に対する規格化電圧Ｖ／Ｖ０の関係をプロットした関係図。
【図１７】Ｌｄが１００ｎＨ、Ｃｐｚが１ｐＦと１００ｐＦで、（８）式の条件を満足し、且つ、図１、或いは第４の実施形態に記述したＣｐｚとＲｄの関係を満足するようなＲｄの最小値と最大値について、（８）式、（９）式より算出した条件における時間に対する規格化電圧Ｖ／Ｖ０の関係をプロットした関係図。
【図１８】従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図。
【図１９】図１８の梁１０を圧電動作させていない時の、梁１０と可動電極１１の高さをコンフォーカルレーザ顕微鏡で観測した結果図。
【符号の説明】
【０１１１】
１  基板
２ａ  固定電極
２ｂ  固定電極
２ｃ  固定電極
３  誘電膜
４  アンカー
５  第１の電極
５ａ  第１の可動電極
６  第１の圧電膜
７  第２の電極
７ａ  第２の可動電極
８  第２の圧電膜
９  第３の電極
９ａ  第３の可動電極
１０  梁
１０ａ  固定部
１０ｂ  作用部
１１  可動電極
１２ａ  第１の配線
１２ｂ  第２の配線
１２ｃ  第３の配線
１３ａ  第１の高インピーダンス素子
１３ｂ  第２の高インピーダンス素子
１３ｃ  第３の高インピーダンス素子
１４ａ  第１の端子
１４ｂ  第２の端子
１４ｃ  第３の端子
１５  電極スリット
１６  電源
１７ａ  第１の抵抗
１７ｂ  第２の抵抗
１７ｃ  第３の抵抗
１８ａ  第１のインダクタ
１８ｂ  第２のインダクタ
１８ｃ  第３のインダクタ
１９ａ  第１の抵抗
１９ｂ  第２の抵抗
１９ｃ  第３の抵抗
２０ａ  第１の高インピーダンス素子
２０ｂ  第２の高インピーダンス素子
２０ｃ  第３の高インピーダンス素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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