(57)【要約】      （修正有）【課題】ヘッドアップディスプレイの光走査等に用いられる長期信頼性を高める圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】支持部１と可動部３を接続する振動梁２の上に圧電機能膜４を設けた圧電アクチュエータにおいて、圧電機能膜４に印加する制御信号は、振動梁２の振動を制御する駆動信号と、振動梁２の振動中立位置１５を制御する直流バイアス電圧を有し、直流バイアス電圧は、圧電機能膜４に印加することで非駆動状態における振動梁２と支持部１のなす角を低減させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
一端を前記支持部に接続した振動梁と、
前記振動梁の他端に接続した可動部と、
前記振動梁に設けた圧電機能膜と、
前記圧電機能膜に印加する制御信号を形成する制御回路を備え、
前記制御信号は、前記振動梁の振動を制御する駆動信号と、前記振動梁の振動中立位置を制御する直流バイアス電圧を有し、
前記直流バイアス電圧は、前記圧電機能膜に印加することで非駆動状態における前記振動梁と前記支持部のなす角を低減させることを特徴とした圧電アクチュエータ。
【請求項２】
振動梁は、有機材料からなる有機層と無機材料からなる無機層を積層した積層構造体であ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】
前記制御信号の電圧は前記圧電機能膜の分極反転の閾値電圧を超えない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４】
支持部と、
一端を前記支持部に接続した振動梁と、
前記振動梁の他端に接続した可動部と、
前記振動梁に設けた圧電機能膜と、
前記圧電機能膜に駆動信号と直流バイアス電圧を印加する制御回路とを備えた圧電アクチュエータにおいて、
前記振動梁は、前記可動部の非駆動状態において前記支持部と非平行であり、
前記制御回路は、前記圧電機能膜に印加することで非駆動状態における前記振動梁と前記支持部のなす角を低減させるように前記直流バイアス電圧を設定し、前記駆動信号とともに前記圧電機能膜に印加することを特徴とした圧電アクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドアップディスプレイの光走査等に用いられる圧電アクチュエータおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の圧電アクチュエータは、支持部と、可動梁と、可動部を有し、可動梁の上に圧電機能膜が配置された構造となっている。なお、圧電機能膜は下部電極と上部電極との間に圧電体層を介在させたものであり、制御信号を印加することで逆圧電効果により振動梁を厚み方向に振動させるものである。
【０００３】
なお、このような圧電アクチュエータは、シリコン基板上に圧電機能膜の薄膜形成や外形加工をおこなう、いわゆるＭＥＭＳプロセスにより形成される。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２０９５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、圧電機能膜は上述したように、制御信号の印加により振動梁に機械的振動を励起させるのであるが、このとき圧電機能膜には、振動梁の機械的振動に伴い外的応力が加わり、この外的応力が圧電アクチュエータの駆動時間に応じて継続的に印加されるため圧電機能膜には応力疲労が蓄積される。なお、この応力疲労の蓄積は、圧電体層のマイクロクラック等の発生原因となり、上部電極と下部電極の短絡など課題要因となるため、圧電アクチュエータの長期信頼性に影響する。
【０００７】
また、上述したように、ＭＥＭＳプロセスで圧電アクチュエータを形成した場合、ウエハ上に圧電機能膜を成膜すると、ウエハと下部電極、圧電体層、上部電極の線熱膨張係数の差により、成膜後の冷却に伴い内部応力が発生し、この内部応力が圧電機能膜に残留する。
【０００８】
つまり、ＭＥＭＳプロセスにより成形された圧電アクチュエータの圧電機能膜には、駆動振動に伴う外的応力と、成膜プロセスにより内部応力が加わることになり、圧電アクチュエータの長期信頼性を得るためには、上述した応力の低減が重要となる。
【０００９】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、圧電アクチュエータの長期信頼性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明は、支持部と可動部を接続する振動梁の上に圧電機能膜を設けた圧電アクチュエータにおいて、圧電機能膜に印加する制御信号は、振動梁の振動を制御する駆動信号と、振動梁の振動中立位置を制御する直流バイアス電圧を有し、直流バイアス電圧を圧電機能膜４に印加することで非駆動状態における振動梁２と支持部１のなす角を低減させたのである。
【発明の効果】
【００１１】
この構成により、圧電アクチュエータの長期信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態における圧電アクチュエータの模式図
【図２】同圧電アクチュエータの断面図
【図３】同圧電アクチュエータの制御信号を示す図
【図４】同圧電アクチュエータの駆動状態を示す模式図
【図５】同圧電機能膜のＰ−Ｅ特性図
【図６】他の実施の形態の圧電アクチュエータの断面図
【図７】同圧電アクチュエータの製造方法を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施の形態における圧電アクチュエータについて図を用いて説明する。図１は圧電アクチュエータを示す模式図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。この圧電アクチュエータは、外部接続用の支持部１と、一端が支持部１に接続された直線板状の振動梁２と、振動梁２の先端に接続された矩形板状の可動部３を有する。振動梁２の上には圧電機能膜４が配置されている。圧電機能膜４は、振動梁２の上に設けられた下部電極５と、下部電極５の上に設けられた圧電体層６と、圧電体層６の上に設けた上部電極７により構成されている。
【００１４】
また、圧電機能膜４に後述する制御信号８を印加する制御回路９は、支持部１を接続するパッケージ（特に図示せず）の内部に配置されており、内部配線１０を介して上部電極７に接続されている。なお、下部電極５は設置されている。
【００１５】
なお、支持部１、振動梁２および可動部３は、シリコン基板を用いて一体に構成している。下部電極５はＰｔで形成され、圧電体層６はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜で形成され、上部電極７はＡｕで形成されている。そして、シリコン基板の上に、下部電極５、圧電体層６、上部電極７を順にスパッタリングで成形し、フォトリソグラフィでパターンニングを行う。そして、ドライエッチングにより形状加工した後に個片分割することで圧電アクチュエータが形成される。
【００１６】
次に、各材料の線熱膨張係数を示す。支持部１、振動梁２および可動部３を形成するシリコン基板の線熱膨張係数は４×１０−６／Ｋである。下部電極５を形成するＰｔの線熱膨張係数は９×１０−６／Ｋである。圧電体層６を形成するＰＺＴ薄膜の線熱膨張係数は８×１０−６／Ｋである。上部電極７を形成するＡｕの線熱膨張係数は１４×１０−６／Ｋである。したがって、このように線熱膨張係数が異なる材料を積層することで、この圧電アクチュエータにおいては、圧電体層６に図２の矢印で示すような内部応力１１が発生する。なお、この内部応力１１により振動梁２には、制御回路９からの制御信号８が印加されていない非駆動状態において上方向に撓む。すなわち、この非駆動状態における振動梁２の撓みは、圧電機能膜４に生じる内部応力１１を示すものであり、圧電アクチュエータの長期信頼性の劣化の原因となる。
【００１７】
そこで、この圧電アクチュエータにおける制御回路９で形成する制御信号８を、図３の実線で示すように、−１０Ｖを中心とした振幅２０Ｖの正弦波とした。なお、この制御信号８は、破線で示す０Ｖを中心とした振幅２０Ｖの正弦波を形成する駆動信号１２と、破線で示す−１０Ｖの直流バイアス電圧１３の合成したものである。これにより圧電アクチュエータの長期信頼性を高めることができる。
【００１８】
すなわち、直流バイアス電圧１３は定電圧信号であり、圧電機能膜４に定常的な逆圧電効果を発生させるので、図４の矢印１４で示すように振動梁２の振動中立位置１５が制御できる。したがって、上述した圧電機能膜４の形成によって生じる振動梁２の非駆動状態における撓み量を低減させる、つまり、支持部１の表面に対する振動中立位置１５のなす角を小さくするように直流バイアス電圧１３の値を設定することで、振動中立位置１５における圧電機能膜４に生じる内部応力が緩和される。なお、支持部１の表面に対する振動中立位置１５のなす角は０．２度以内とすることが好ましい。そして、振動中立位置１５が調節された振動梁２は、制御信号８における駆動信号１２の正弦波成分により電圧変化に応じた逆圧電効果を発生させ、矢印１６で示すように振動梁２の振動を励起させる。この結果、振動梁２の振動中立位置１５における圧電機能膜４の内部応力が低減され、圧電アクチュエータの長期信頼性を高めることができる。
【００１９】
なお、圧電機能膜４の内部応力を最も低減させるには、振動梁２の非駆動状態における撓みを解消することであり、振動梁２が振動中立位置１５において、支持部１と平行になるような直流バイアス電圧１３を設定すればよい。
【００２０】
なお、直流バイアス電圧１３の設定は、図５に示すように、制御信号８のピーク電圧が圧電機能膜４の分極反転の閾値電圧Ｖｔｈを超えてしまうと分極状態が反転してしまう。このため、制御信号８のピーク電圧が圧電機能膜４の分極反転の閾値電圧Ｖｔｈを超えないように設定することが好ましい。この実施の形態における制御信号８は図５に示す下側の分極特性を利用している。そして、制御信号８が上述したように−１０Ｖを中心とした振幅２０Ｖの信号であり、分極反転の閾値電圧Ｖｔｈを超えない範囲に設定している。
【００２１】
次に、他の実施の形態の圧電アクチュエータについて説明する。上述した圧電アクチュエータとの違いは振動梁１７の構造である。なお、図６は図１における圧電アクチュエータのＡ−Ａ断面図であり、上述した一実施の形態と同様の構成については同じ符号を付して説明する。
【００２２】
この振動梁１７は、エポキシ系樹脂（線熱膨張係数は１００×１０−６／Ｋ）からなる有機層１８と、ニッケル（線熱膨張係数は１５×１０−６／Ｋ）からなる無機層１９からなり、有機層１８の表面に圧電機能膜４が配置されている。振動梁１７を表面に配置した圧電機能膜４の一方の端部は支持部１端部領域に達しおり、他方の端部は可動部３の端部領域に達しており、支持部１と振動梁１７と可動部３を接続した構造としている。
【００２３】
振動梁１７は、図７に示すように、支持部１や可動部３を形成するシリコン基板２０の上に、上述したように下部電極５、圧電体層６、上部電極７を順次形成し、その後、上部電極７の上にスピンコートにより有機層１８を形成し、この有機層１８の上にメッキにより無機層１９を形成する。そして、エッチングにより振動梁１７となる部分のシリコン基板２０を部分的に除去することで作成される。
【００２４】
そして、この振動梁１７においても、有機層１８、無機層１９、圧電機能膜４の線熱膨張係数の差により内部応力が生じる。よって、上述した一実施の形態と同様に、非駆動状態において振動梁１７の撓みが生じ、この撓みを低減するように直流バイアス電圧１３を適切な値に設定することで、圧電機能膜４の内部応力が低減され、圧電アクチュエータの長期信頼性を高めることができる。特に有機層１８の線熱膨張係数と無機層１９の線熱膨張係数の差が大きいことから、上述した一実施の形態の圧電アクチュエータより大きな効果を得ることができる。
【００２５】
なお、上述した一実施の形態におけるシリコン基板を用いた振動梁２、および他の実施の形態として説明した無機層１９と有機層１８からなる振動梁１７は、何れにおいても振動梁２，１７の撓み量は周囲の環境温度によっても変化する。そのため、周囲の環境温度に応じて直流バイアス電圧１３を変えて振動梁２，１７の振動中立位置１５を制御するとより長期信頼性を高めることができる。したがって、圧電アクチュエータの周辺温度を測定する温度測定部２１を設け、制御回路９に周辺環境温度情報をフィードバックさせることが好ましい。
【００２６】
なお、上述した実施形態における圧電アクチュエータは、振動梁の形状が直線板状であるカンチレバー型の振動梁を例に挙げて説明したが、本発明はこの振動梁の形状に限定されるものでなく、ミアンダ型やトーション型といった圧電アクチュエータの分野において知られている各種形状において同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、圧電アクチュエータの長期信頼性を高めるという効果を有し、特にヘッドアップディスプレイ等の車載用途において有効となる。
【符号の説明】
【００２８】
１    支持部
２，１７    振動梁
３    可動部
４    圧電機能膜
８    制御信号
９    制御回路
１２    駆動信号
１３    直流バイアス電圧
１５    振動中立位置
１８    有機層
１９    無機層
Ｖｔｈ    分極反転の閾値電圧
【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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