本发明涉及压电致动器和光扫描装置。
背景技术：
在使镜面部旋转而使光扫描的光扫描装置中，作为驱动镜面部的驱动源，有时使用具有压电薄膜的压电致动器。压电致动器的驱动电压低是优选的，因此，例如正在进行通过在压电薄膜的材料中使用pzt系的材料来增大压电常数、降低压电致动器的驱动电压的研究。
具体地，例如提出了一种光扫描装置，其具有压电致动器的压电薄膜由含有pb作为钙钛矿铁电体的a位点、含有mn作为受主元素ba、含有nb作为施主元素bd的由pb(mn,nb)o3组成的pzt系材料构成。
该光扫描装置中，压电薄膜的膜厚为2μm～10μm左右，压电薄膜的粒径为1μm左右。此外，镜面部的驱动使用共振驱动，压电致动器的驱动电压为数10v左右(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－115355号公报
技术实现要素：
发明所要解决的课题
然而，以往，无法充分实现压电致动器的驱动电压的降低，希望进一步降低压电致动器的驱动电压。
本发明是鉴于上述情形而做出的，目的在于，降低压电致动器的驱动电压。
用于解决课题的方法
本压电致动器(300)具有基板(310)和形成于前述基板(310)上的驱动源(320)，前述驱动源(320)具有平均粒径1μm以下的压电薄膜(340、360)。
其中，上述括号内的参照符号是为了容易理解而标出的，不过是一个例子，并非对图示方式的限定。
发明效果
根据公开的技术，能够降低压电致动器的驱动电压。
附图说明
图1为例示第一实施方式涉及的压电致动器的截面图(其1)。
图2为例示第一实施方式涉及的压电致动器的截面图(其2)。
图3为例示第二实施方式涉及的光扫描装置的平面图。
图4为例示压电薄膜的平均粒径与驱动电压的关系的图。
图5为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其1)。
图6为例示压电薄膜的平均粒径与下层的平均粒径的关系的图。
图7为对驱动电压的降低进行说明图。
图8为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其2)。
图9为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其3)。
符号说明
1：光扫描装置，10：镜面反射面，20：应力缓和区域，30：狭缝，40：镜面部，50：扭力杆，50a：基端部，51：压电传感器，60、100：连接部，70：水平驱动部，71：水平驱动梁，72：驱动源，80：可动框架，90：垂直驱动梁，91：驱动源，92：压电传感器，110：垂直驱动部，120：固定框架，130：端子，140：配线，140a：基板接触部，300、300a：压电致动器，310：基板，320：驱动源，330：下部电极，331、351、371：第一层，332、352、372：第二层，333、353：第三层，340、360：压电薄膜，350：中间电极，370：上部电极。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施发明的方式进行说明。各附图中，对于同一构成部分标记同一符号，有时会省略重复说明。
〈第一实施方式〉
图1为例示第一实施方式涉及的压电致动器的截面图。参照图1，压电致动器300具有基板310和形成于基板310上的驱动源320。
驱动源320具有形成于基板310上的下部电极330、形成于下部电极330上的压电薄膜340、形成于压电薄膜340上的中间电极350、形成于中间电极350上的压电薄膜360和形成于压电薄膜360上的上部电极370。
在压电致动器300中，例如，中间电极350接地，对下部电极330和上部电极370供应驱动压电致动器300的驱动信号。如果对下部电极330和上部电极370供应驱动信号，则压电致动器300根据驱动信号的电压而发生位移。
基板310例如为硅基板。硅基板的上表面可以形成有硅氧化膜等。作为基板310，也可以使用具有支撑层、嵌入(box：buriedoxide，嵌入氧化物)层和活性层的soi(silicononinsulator，绝缘体硅片)基板。
下部电极330例如为由第一层331、第二层332和第三层333这3层形成的膜。
优选第一层331和第三层333分别为包含钙钛矿结构和(110)取向的导电性氧化膜。作为包含钙钛矿结构和(110)取向的导电性氧化膜，可列举例如lno(lanio3：镍酸镧)薄膜、sro(sr2ruo4：钌酸锶)薄膜、bro(baruo3：钌酸钡)薄膜等。第一层331和第三层333各自的膜厚例如为30nm。
第二层332例如为pt薄膜。第二层332可以为pt以外的铂族薄膜，例如也可以使用ir薄膜、os薄膜等。第二层332的膜厚例如为150nm。
中间电极350例如为由第一层351、第二层352和第三层353这3层形成的膜。
优选第一层351和第三层353分别为包含钙钛矿结构和(110)取向的导电性氧化膜。具体的材料与第一层331和第三层333中例示的材料是同样的。第一层351和第三层353各自的膜厚例如为80nm。
第二层352例如为pt薄膜。第二层352可以为pt以外的铂族薄膜，例如也可以使用ir薄膜、os薄膜等。第二层352的膜厚例如为150nm。
上部电极370例如为由第一层371和第二层372这2层形成的膜。
优选第一层371为包含钙钛矿结构和(110)取向的导电性氧化膜。具体的材料与第一层331和第三层333中例示的材料是同样的。第一层371的膜厚例如为80nm。
第二层372例如为pt薄膜。第二层372可以为pt以外的铂族薄膜，例如也可以使用ir薄膜、os薄膜等。第二层372的膜厚例如为100nm。
中间电极350的第一层351和上部电极370的第一层371抑制处于各自下层的压电薄膜340和360的劣化。
优选下部电极330的第一层331和第三层333的膜厚、中间电极350的第一层351和第三层353的膜厚以及上部电极370的第一层371的膜厚分别设为30nm以上。通过将它们的膜厚设为30nm以上，能够使lno薄膜均匀成膜。
下部电极330的第三层333的平均粒径和中间电极350的第三层353的平均粒径优选为35nm以下，更优选为25nm以下。
下部电极330的第三层333的平均粒径如果在上述范围内，则能够减小作为上层的压电薄膜340的平均粒径。此外，中间电极350的第三层353的平均粒径如果在上述范围内，则能够减小作为上层的压电薄膜360的平均粒径。例如在将压电致动器300用于具有镜面部的光扫描装置时，压电薄膜340和360各自的平均粒径越小，则越能够降低压电致动器300中用于使驱动的镜面部为同一偏转角的驱动电压(以下简单地称为压电致动器300的驱动电压)。
这里，平均粒径是作为对象的膜的面内水平方向的晶体粒径的平均值。平均粒径可以通过用电子射线衍射装置进行分析来算出。此外，面内水平方向是与形成有作为对象的膜的下层的上表面水平的方向。
优选构成压电薄膜340和360的压电材料为钙钛矿结构。压电薄膜340和360例如是作为钙钛矿结构的pzt(锆钛酸铅)。压电薄膜340例如可以使用溶胶凝胶法在下部电极330上形成，压电薄膜360例如可以使用溶胶凝胶法在中间电极350上形成。
构成压电薄膜340和360的压电材料只要是钙钛矿结构即可，也可以是除了pzt以外的物质，例如可列举pnzt(钛锆铌酸铅)、plzt(钛锆酸镧铅)、plt(钛酸镧铅)、pmn(镁铌酸铅)、pmnn(锰铌酸铅)、batio3(钛酸钡)等。通过在压电薄膜340和360中使用这些压电材料，能够提高每单位电压的驱动力。
优选压电薄膜340的平均粒径和压电薄膜360的平均粒径分别设为1μm以下，更优选设为600nm以下，进一步优选设为450nm以下。如上述那样，压电薄膜340和360各自的平均粒径越小则越能够降低压电致动器300的驱动电压。
下部电极330和中间电极350例如为了使形成于各自的上层的压电薄膜340和360结晶化，因此可以以使基板310的温度为500度以上、使第三层333和353的面内垂直方向的晶体取向在(110)优先取向的方式，通过溅射成膜。通过在这种条件下形成下部电极330和中间电极350，能够使pzt薄膜结晶化，获得良好的压电特性。由此能够降低压电致动器300的驱动电压。
需说明的是，压电致动器300的结构不限定于图1的例子。例如，压电致动器300中，压电薄膜最低可以为1层，这种情况下，形成在压电薄膜的上下形成有下部电极和上部电极的3层结构，不再需要中间电极。此外，也可以设置3层以上的压电薄膜，这种情况下，在下部电极上，压电薄膜和中间电极按刚好需要的数量交替层叠，最后，在最上层的中间电极上依次层叠压电薄膜和上部电极。
通过将压电薄膜设为n层，能够使压电致动器300的驱动电压是1层时的1/n。
此外，也可以设为如图2所示压电致动器300a那样的下部电极330的端部和中间电极350的端部从上层露出的结构。此外，图2中，也可以设为使压电薄膜340的端部从中间电极350侧向下部电极330侧扩展倾斜的斜面。同样地，也可以设为使压电薄膜360的端部从上部电极370侧向中间电极350侧扩展倾斜的斜面。需说明的是，图2的下部电极330、中间电极350和上部电极370中，省略了层叠结构的图示，但其与图1是同样的。
〈第二实施方式〉
第二实施方式中给出了使用第一实施方式涉及的压电致动器的光扫描装置的例子。需说明的是，第二实施方式中，有时省略了对于与已经有说明的实施方式相同的构成部的说明。
图3为例示第二实施方式涉及的光扫描装置的平面图，是从镜面反射面10侧观察光扫描装置的图。图3中，将2根扭力杆50的长度方向设为垂直方向，将与2根扭力杆50的长度方向正交的方向设为水平方向。
参照图3，光扫描装置1是具有镜面部40、扭力杆50、连接部60、水平驱动部70、可动框架80、垂直驱动部110、固定框架120、端子130和配线140的mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)。
镜面部40具有镜面反射面10和应力缓和区域20。水平驱动部70具有水平驱动梁71和驱动源72。垂直驱动部110具有垂直驱动梁90、驱动源91和连接部100。
镜面部40被在垂直方向上延伸的2根扭力杆50从垂直方向的两外侧夹持。镜面部40中心具有镜面反射面10，镜面反射面10与扭力杆50之间具有应力缓和区域20。各应力缓和区域20中形成有2条狭缝30。此外，扭力杆50的基端部50a经由连接部60连接在水平驱动梁71内侧的角上。水平驱动梁71表面具有驱动源72，外侧的边连接于可动框架80。镜面部40由压电致动器驱动。
光扫描装置1中，使用第一实施方式中说明的压电致动器300作为水平驱动梁71和驱动源72。即，水平驱动梁71例如为硅基板。而且，驱动源72具有压电薄膜340和360、下部电极330、中间电极350和上部电极370。其中，压电致动器300中，压电薄膜最低可以为1层，也可以为3层以上。
此外，在扭力杆50的基端部50a设有压电传感器51。压电传感器51是用于检测镜面部40水平方向摇动的状态下镜面反射面10水平方向的摆角的摆角传感器。压电传感器51中使用压电元件等，例如使用piezo元件。
可动框架80经由水平驱动梁71支撑连接部60、扭力杆50和镜面部40，同时，围绕在它们周围。可动框架80连接于垂直驱动梁90的可动框架80。
垂直驱动梁90配置为在可动框架80的水平方向的两侧夹着可动框架80。垂直驱动梁90与扭力杆50平行地设置有多个。在可动框架80的各个单侧，以在水平方向相邻的方式配置有2条垂直驱动梁90。相邻的2条垂直驱动梁90通过连接部100连接。
内侧的垂直驱动梁90的一端连接于可动框架80，另一端连接于外侧的垂直驱动梁90。此外，外侧的垂直驱动梁90的一端连接于固定框架120，另一端连接于内侧的垂直驱动梁90。此外，垂直驱动梁90中设有驱动源91。
光扫描装置1中，使用第一实施方式中说明的压电致动器300作为垂直驱动梁90和驱动源91。即，垂直驱动梁90例如为硅基板。而且，驱动源91具有压电薄膜340和360、下部电极330、中间电极350和上部电极370。其中，压电致动器300中，压电薄膜最低可以为1层，也可以为3层以上。
此外，在外侧的垂直驱动梁90的一端设有压电传感器92。压电传感器92是用于检测镜面部40垂直方向摇动的状态下镜面反射面10垂直方向的摆角的摆角传感器。压电传感器92中，与压电传感器51同样地使用压电元件等，例如使用压电piezo元件。
固定框架120经由外侧的垂直驱动梁90支撑垂直驱动部110。即，固定框架120经由驱动部(垂直驱动部110和水平驱动部70)支撑镜面部40。包围垂直驱动部110和可动框架80，外形为矩形。本实施方式中，固定框架120的外形大体为正方形。
在固定框架120表面设有多个端子130。各端子130上连接有配线140。配线140连接于驱动源72、91和压电传感器51、92。此外，配线140中形成有用于使配线140与作为被赋予了接地电位的基板的硅活性层303接触的基板接触部140a。
以下进行各部更详细的说明。
镜面部40在中心具有大体圆形的镜面反射面10。镜面反射面10由银、铜、铝等反射率高的金属膜形成。
应力缓和区域20是为了缓和扭力杆50的扭转应力、减小施加于镜面反射面10的应力而在与镜面反射面10之间设置的间隔。应力缓和区域20能够使由于扭力杆50的扭转运动而产生的应力分散，缓和施加于镜面反射面10的应力。
狭缝30是用于使施加于应力缓和区域20的应力分散的孔，设于应力缓和区域20内。
扭力杆50是用于从两侧支撑镜面部40、同时使镜面部40在水平方向摇动的构件。这里，水平方向是被镜面反射面10反射的光高速扫描移动的方向，意思是投影面的横向。即，镜面反射面10是横向摇动的方向，是以扭力杆50为轴的方向。通过扭力杆50左右交替扭转，使镜面部40在水平方向上摇动。
连接部60是用于使水平驱动梁71中产生的水平方向的驱动力向扭力杆50传递的传递构件。
水平驱动梁71是用于使镜面部40在水平方向上摇动、使被镜面反射面10反射的光在投影面的水平方向上扫描的驱动构件。通过对2条驱动源72交替施加不同相位的电压，能够使2条水平驱动梁71交替向相反方向倾斜。由此能够对扭力杆50施加扭转力，使镜面部40绕着与扭力杆50平行的水平旋转轴摇动。
此外，利用水平驱动梁71进行的驱动例如使用共振驱动。将本实施方式涉及的光扫描装置1应用于投影机等时，例如利用30khz的共振驱动来驱动镜面部40。
此外，通过对相邻垂直驱动梁90施加不同相位的电压，能够使可动框架80在垂直方向上摇动。需说明的是，镜面部40被可动框架80支撑，因而随着可动框架80的摇动而在垂直方向上摇动。
需说明的是，垂直驱动部110例如通过非共振驱动使可动框架80摇动。垂直驱动与水平驱动相比不要求高速驱动，驱动频率例如为60hz左右。
以上构成的光扫描装置1例如使用soi晶圆来制造。
这里，对光扫描装置1的压电致动器中压电薄膜的晶体粒径控制进行说明。以往，压电致动器中并不实施压电薄膜的晶体粒径的控制。而发明人等发现，通过控制压电薄膜的晶体粒径而减小压电薄膜的平均粒径，能够降低压电致动器的驱动电压。
图4为例示压电薄膜的平均粒径与驱动电压的关系的图。图4中，横轴的“压电薄膜的平均粒径”是用电子射线衍射装置分析压电薄膜340和360的截面照片而求出的、压电薄膜340和360的面内水平方向的晶体粒径的平均值。
图5为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其1)，箭头所示部分是压电薄膜340的面内水平方向的晶体粒径的一例。使箭头的位置在上下方向和左右方向上移动并测定各位置的面内水平方向的晶体粒径，平均化而得的值即面内水平方向的晶体粒径的平均值(即平均粒径)。电子射线衍射装置中，对压电薄膜340和360的截面照片进行分析，求出压电薄膜340和360的平均粒径。
作为电子射线衍射装置，可以使用基于tem(transmissionelectronmicroscope，透射电子显微镜)的晶体取向分析系统aster(nanomegas公司制，注册商标)。通过使用aster，能够实现2～5nm左右的高空间分辨率。
图4中，纵轴的“驱动电压”是使构成驱动源72的中间电极350接地、在上部电极370与下部电极330之间供应驱动电压的构成中镜面部40的偏转角为3.2deg时的电压。驱动电压的值越低则偏转角灵敏度越高。
如由图4可见，压电薄膜340和360的平均粒径越小则越能够降低用于镜面部40以一定角度接触所需的驱动电压。换句话说，压电薄膜340和360的平均粒径越小则越能够提高偏转角灵敏度。
例如通过将压电薄膜340和360的平均粒径设为600nm至450nm，能够使用于镜面部40以一定角度接触所需的驱动电压减少约8％。
能够提高偏转角灵敏度的理由是因为，通过减小压电薄膜340和360的平均粒径，能够减小晶粒间的间隙，施加于压电薄膜340和360的电力损失减少。即，晶粒间的间隙越大则沿面流动的电流越大，随着晶粒间的间隙的减小，沿面流动的电流变小，更多的电流流经压电薄膜340和360的内部，因此能够提高偏转角灵敏度。需说明的是，沿面流动的电流对压电致动器的变形没有贡献。
此外，施加相同电力的情况下，晶体粒径小则压电致动器运作良好，因此能够提高表观压电常数。此外，沿面流动的电流变小，因此能够提高压电致动器的绝缘耐压。
图6为例示压电薄膜的平均粒径与下层的平均粒径的关系的图。图6中，纵轴的“下层的平均粒径”是用电子射线衍射装置分析第三层333和353的截面照片而求出的、第三层333和353的面内水平方向的晶体粒径的平均值。作为电子射线衍射装置，与压电薄膜的情况同样，可以使用aster。关于横轴的“压电薄膜的平均粒径”，与图3的情况是同样的。
如由图6可见，第三层333和353的平均粒径越小则越能够减小压电薄膜340和360的平均粒径。为了减小第三层333和353的平均粒径，可以减小通过溅射使第三层333和353成膜时使用的溅射靶的平均粒径。
即，如图7所示，通过减小第三层333的溅射靶的平均粒径，第三层333的平均粒径减小，由此形成于第三层333上的压电薄膜340的平均粒径也减小。同样地，通过减小第三层353的溅射靶的平均粒径，第三层353的平均粒径减小，由此形成于第三层353上的压电薄膜360的平均粒径也减小。而且，压电薄膜340和360的平均粒径减小的结果是，能够降低驱动电压(能够提高偏转角灵敏度)。
图8为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其2)，图8(b)为图8(a)的下部电极330附近的放大图。
图8为构成下部电极330的第三层333的平均粒径约为30nm、压电薄膜340的平均粒径约为579nm的例子。该例子中，镜面部40的偏转角为3.2deg时的驱动电压为1.85～1.95v左右(与图4相比)。
图9为下部电极330上的压电薄膜340的截面照片(其3)，图9(b)为图9(a)的下部电极330附近的放大图。
图9为构成下部电极330的第三层333的平均粒径约为20nm、压电薄膜340的平均粒径约为449nm的例子。该例子中，镜面部40的偏转角为3.2deg时的驱动电压为1.7～1.8v左右(与图4相比)。
以这种方式，通过减小压电薄膜的平均粒径，能够降低压电致动器的驱动电压。考虑到实际使用状态下的驱动电压，压电薄膜的平均粒径优选设为1μm以下，更优选设为600nm以下，进一步优选设为450nm以下。通过将压电薄膜的平均粒径设为600nm以下，能够使压电致动器的驱动电压为2v以下。
上述实施方式涉及的光扫描装置1例如能够应用于护目镜(アイウェア)、投影机等二维扫描型光扫描装置。
此外，上述实施方式中，作为光扫描装置，列举使用扭力杆的光扫描装置为例进行了说明，但本发明对于不使用扭力杆的光扫描装置也是能够适用的。此外，上述实施方式中，列举二维扫描型光扫描装置为例进行了说明，但不限于二维扫描型，也可以是使镜面部单方向摇动的一维扫描型光扫描装置。
此外，上述实施方式涉及的压电致动器300也可以用于除了光扫描装置以外的装置，例如可以用于喷墨头。
以上对优选实施方式进行了说明，但不受上述实施方式的限制，可以不脱离权利要求记载的范围，对上述实施方式实施各种变形和替换。
1.一种压电致动器，
具有基板和形成于所述基板上的驱动源，
所述驱动源具有平均粒径1μm以下的压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，所述驱动源具有平均粒径600nm以下的压电薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的压电致动器，其中，所述驱动源具有平均粒径450nm以下的压电薄膜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电致动器，其中，所述压电薄膜为钙钛矿结构。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压电致动器，其中，构成所述压电薄膜的压电材料为锆钛酸铅、钛锆铌酸铅、钛锆酸镧铅、钛酸镧铅、镁铌酸铅或锰铌酸铅。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的压电致动器，其中，所述压电薄膜形成于钙钛矿结构的导电性氧化膜上。
7.根据权利要求6所述的压电致动器，其中，所述导电性氧化膜为镍酸镧薄膜、钌酸锶薄膜或钌酸钡薄膜。
8.根据权利要求6或7所述的压电致动器，其中，所述导电性氧化膜的平均粒径为35nm以下。
9.一种光扫描装置，具有由权利要求1至8中任一项所述的压电致动器驱动的镜面部。
技术总结