JP5098232B2 - アクチュエータ素子、及びアクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界の印加により変位する材料からなる薄膜を積層したアクチュエータ素子、及びその製造方法に関するものである。

近年は医療器械や産業用、及びパーソナルロボット、マイクロマシンなどの様々な分野で微小機械の開発が進められている。最近では半導体微細加工技術を応用し、数μｍという超小型の機械部品やモータなどをシリコン基板上に作製することも可能になってきた。

一方、エレクトロニクスの分野では、シリコンなどの無機材料の代わりに有機材料を用いて微小機械の基本動作部位となるアクチュエータ素子を作製しようと言う試みが盛んになってきている。有機のアクチュエータ素子は優れた成型性に加え、軽量で柔軟であるため、新しい様々な応用展開が期待されている。

従来より、微小機械としての動作を行うアクチュエータは、小型化するほど、従来機械のような慣性力より摩擦や粘性などが支配的となるため、エネルギーを運動に換える機構として、新たに静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式などの動作原理が提案されてきた。

なかでも圧電型は体積当たりの発生力が大きいため、小型でも実用的な駆動力を発生することができ、小型の撮像装置のアクチュエータなどに用いられている。現在の圧電型の主流はＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）と称される無機アクチュエータである。

しかしながらＰＺＴは変位量が極めて小さいため、大きな変位量や大きな速度を必要とする用途には適していなかった。さらにＰＺＴは鉛を含んでいるため将来的に使用が制限される懸念がある。

さらに無機のアクチュエータは焼成温度が１０００℃程度もあり、例えばＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）化した際の回路とのハイブリッド性に問題がある。また簡便な製造方法がないこともＭＥＭＳ化や微細化、集積化を妨げる課題である。

他の無機小型アクチュエータにおいても、それぞれ動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、また柔軟性が欠如しているなどの問題点があり、用途も制約がある。

これらの問題点に対して、軽量で柔軟な有機材料を用いたアクチュエータ素子が研究されてきている。一般に有機材料はヤング率が低い（柔らかい）ため、無機材料と比較して変位力は小さくなるが変位量は大きくなる。また作製に、インクジェット法や印刷法などのウェットプロセスが使用できるので、安価で、大面積の作製が可能であり、さらにはフレキシブル基板対応も可能となる。

これら有機アクチュエータ素子の作製と応用について、いくつかの技術が報告されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許文献１によれば、アクチュエータ素子の有機材料としてポリメチルメタクリレートを用いて、プレス成形により、平面基板上に微細な突起（円筒状のアクチュエータ素子）が密集して配置されている。動作としては、電気エネルギーが熱に変換され、微細な突起が膨張率の差で傾く。電気信号に位相差を掛けることで突起群の傾き発生にも位相差を生じ、例えば突起上の微小物の移送などが行える。

しかしながら、成形により製造が簡単となったが、変位量が小さく、また微細な突起を個々に独立して駆動することはできない。また駆動に熱を用いており、効率と制御の面で課題がある。

非特許文献１においては、パーフルオロポリマー電解質膜をシートタイプのソフトアクチュエータとして用い、ＴＦＴ素子を形成したシートと貼り付けることにより、点字ディスプレイとしている。シート上に形成され、配列されたアクチュエータ素子は、電圧駆動で屈曲するベンド型であり、それぞれのＴＦＴ素子を通じて電気信号により独立に駆動され、シートから突起し、点字を表示する。

しかしながら、従来と比較して製造は簡単とは言えるものの、変位量を稼ぐためベンド型のアクチュエータ素子を用いていることで小型化、高集積化には問題がある。大きな変位量を確保しながら、小型化、高集積化が可能で、なおかつ製造が簡便なアクチュエータ素子が求められる。
特開２００５−３１８７１２号公報 Kato,Iba,Sekitani,Noguchi,Hizu, "A Flexible,Lightweight Braille Sheet Display with Plastic Actuators Driven by An Organic Field-Effect Transistor Active Matrix", IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 5-7,2005, #5.1, pp.105-108.

上述のように無機材料のアクチュエータは、微細化、集積化が容易でなく、製造も困難であった。また、動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、柔軟性が欠如しているなどの問題点があった。主流であったＰＺＴはさらに鉛含有という環境負荷の問題も抱えている。

有機材料のアクチュエータも開発されてきたが、微細化、集積化の問題と変位量の確保は依然として十分とは言えない。また製造法についても、さらに簡便で、効率的な製造が求められている。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、実用的な駆動力を保ちながら大きな変位量が得られ、微細化や集積化が容易で、さらに環境負荷の小さなアクチュエータ素子を提供することである。また上記アクチュエータ素子を簡単に製造することができ、複数の素子の配列を同時に製造することもできるアクチュエータ素子の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１． 電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位層と、前記変位層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位層を挟持する複数の電極層と、を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、前記電極層は、前記変位層を挟持する電極層どうしで、それぞれ異なる位置に切り欠き部を有し、前記積層体は、前記切り欠き部の位置毎に、各層を貫通し、導電性部材を充填したコンタクトホールを有しており、前記変位層は、電界の印加により厚さ方向に変位する有機変位材料から形成されている、ことを特徴とするアクチュエータ素子。

２． 前記積層体は、前記電極層と前記電極層より厚みの大きい前記変位層とが交互に繰り返し積層されている、ことを特徴とする１に記載のアクチュエータ素子。

３． アクチュエータ素子の製造方法であって、有機変位材料の変位層と、切り欠き部を有する電極層とを基板上に積層し、形成する積層形成工程と、前記積層形成工程により形成された積層体において、前記切り欠き部に対応する位置にコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、前記コンタクトホール形成工程により形成されたコンタクトホールに導電性部材を充填し、電極層どうしを導通させる電極層導通工程と、を含んでおり、前記アクチュエータ素子は、電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位層と、前記変位層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位層を挟持する複数の電極層と、を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、前記電極層は、前記変位層を挟持する電極層どうしで、それぞれ異なる位置に切り欠き部を有し、前記積層体は、前記切り欠き部の位置毎に、各層を貫通し、導電性部材を充填したコンタクトホールを有する、ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

４． 前記コンタクトホール形成工程では、レーザー照射によりコンタクトホールが形成される、ことを特徴とする３に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

５． ３または４に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、前記積層形成工程では、同時に複数個のアクチュエータ素子が形成される、ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

アクチュエータ素子を、電界により変形する層と電極層とを含む積層構造とすることにより、環境負荷の小さい、実用的な駆動力を保ちながら変位量の大きい積層型のアクチュエータを提供することができる。また上記素子の積層構造に従い、所定の位置に切り欠きを有する各層を転写し、重ね合わせながら、必要な電極層の導通を形成することにより、簡便な製造方法を提供することができる。この製造方法により、微細化、集積化も容易で、複数の素子の配列を同時に製造することもできる。

本発明の実施形態を図を参照して説明する。

（アクチュエータ素子の構成）
図１を用いて、本実施形態に係るアクチュエータ素子１の構成を説明する。図１はアクチュエータ素子１の概略構成を示す断面図である。図には単独のアクチュエータ素子として示してあるが、後述するように多数のアクチュエータ素子を二次元的にアレイ配置し、二次元的な操作のために用いることも可能である。

図において、１はアクチュエータ素子であり、支持体としての基板２０に形成されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子３０と、さらにその上に形成されたアクチュエータ部である積層体１０とからなる。

積層体１０は、電界により変形可能な材料からなる薄膜、すなわち変位層１１と、そしてそれらの変位層１１に電界を印加するための電極層１５と電極層１６とが図のように積層されている。電界により変形可能な材料としては有機の変位材料が好ましく、本実施形態では有機変位材料を用いるものとする。

積層体１０は、アクチュエータ部として電界印加により変形する機能（ここでは膜厚が変化する機能）を有するものとする。積層体１０の積層構成は以下のようである。

変位層１１は１０層以上に渡って繰り返し積層されている。そして積層されている変位層１１どうしの界面には、電極層１５または電極層１６が、これも互い違いになるように挿入されている。すなわち、それぞれの変位層１１は電極層１５と電極層１６との間に一つずつ挟み込まれるようになっている。これにより上記の各変位層１１に効率的に電界を印加することができる。

各変位層１１は、有機ポリマーを用いて形成された薄膜であり、これらは電界駆動によりアクチュエータとして機能する。これらの薄膜の厚さが電界に応じて変化することによるアクチュエータ素子として動作する。

電極層１５、１６は、詳細は後述するが、上記変位層１１に電界を印加するために、上記のように変位層１１どうしの界面に、互いに異なる位置に切り欠き部を有するように配置され、互いに導通しないようにそれぞれのきり欠き部を貫通するそれぞれの導電性のコンタクトホール１５ｂ、１６ｂを通じて、複数の電極層１５どうし、また複数の電極層１６どうしが導通され、電極層１５、１６の一方がコモン電極３８に、他方が後述する駆動用のＴＦＴ素子３０のドレイン電極３５に結合するよう構成されている。

ＴＦＴ素子３０はアクチュエータ部、すなわち積層体１０に印加する信号電圧を供給し、アクチュエータとして駆動させる機能を有する。ＴＦＴ素子３０の構成は以下のようである。

基板２０の上には一部にゲート電極３３が設けられる。ゲート電極３３はゲート絶縁膜３１によって覆われ、そのゲート絶縁膜３１を挟んで、ゲート電極３３と対応する位置に半導体部３６が設けられる。ゲート絶縁膜３１の上には、さらにソース電極３４とドレイン電極３５が設けられ、前述の半導体部３６がその両者をつなぐ役目を担っている。すなわち、ゲート電極３３に信号電圧が印加されることにより、半導体部３６に導通が成立し、ソース電極３４にかかる電位が、ドレイン電極３５にかかることになる。

ソース電極３４、半導体部３６、ドレイン電極３５は、バッシべーション層３２によってカバーされる。但しパッシべーション層３２にはコンタクトホール３７が設けられ、ドレイン電極３５が上述した電極層１６と電気的に結合されている。またパッシべーション層３２上にはコモン電極３８が設けられ、やはり上述した電極層１５と電気的に結合している。すなわちゲート電極３３への信号電圧印加操作により、コモン電極３８とソース電極３４間にかかる電圧が、電極層１５と電極層１６との間にかかることにより、各々の変位層１１に電界が印加され、その膜厚変化、しいては積層体１０の膜厚変化をもたらすことになる。

積層体１０に印加する信号電圧の供給は必ずしも上記ＴＦＴ素子を用いる必要はない。ＴＦＴ素子は以下に述べるようにアクチュエータ素子を二次元的に配置し、独立駆動させる便利を考慮したものであり、変位層を変位させることができるのであれば、電界を印加するための手段はどのような形態であってもよい。

（アクチュエータ素子の駆動）
図２は、アクチュエータ素子の二次元的な配置とそれに応じたアクチュエータ素子の駆動回路を示す図である。図２を用いて、アクチュエータ素子配列の駆動について説明する。

図２において、１ａは、図１で示した単独のアクチュエータ素子に相当する。但し断面図ではなく、上面から見た図となっている。複数のアクチュエータ素子が図のように平面的に配列され、アクチュエータ素子アレイ５が構成されているものとする。但し、配列の方法、及びそれに応じた駆動の方法は種々あり、これに限定されるものではない。

これらの配列は、共通の基板２０の上に駆動回路、あるいは配線といった形で、統合的に形成されているものである。従って、逐一図示はしていないが、ＴＦＴ素子３０の形成に当たり、コモン電極３８など各アクチュエータ素子に共通化できるものは、一括配線となっている。ゲート電極３３やソース電極３４への信号などは配列に応じてマトリクス的に駆動するように構成される。また各アクチュエータ素子毎に独立して制御する積層体１０も独立して形成される。

図２において、５１はコモン電極であり、パッシべーション層３２上に図のように配線される。これにより、すべてのアクチュエータ素子の電極層１５に結合し、共通の電位を与えることができる。また、５３は信号バスラインであり、各アクチュエータ素子のソース電極３４を通じて、電極層１６に信号電位を与える。ソース電極３４が電極層１６に信号電位を与えるかどうかは、５２のゲートバスラインの信号と絡めたマトリクス駆動により決まってくる。

なお、ゲートバスライン５２に信号を与えるのは、５４のゲート用ドライバＩＣであり、信号バスライン５３に信号を与えるのは５５の信号用ドライバＩＣである。従ってこの両者の出力する信号の組み合わせで、マトリクス的に各アクチュエータ素子が駆動される。すなわち、各アクチュエータ素子毎の積層体に電界をかけたりかけなかったりする動作が決定される。

（製造を考慮したアクチュエータ素子の層構成）
本実施形態のアクチュエータ素子１においては、積層体１０が変位するアクチュエータ部であり、さらには積層体１０を構成する各々の変位層１１が電界により変位、すなわち膜厚の変化を生ずる。

従って本アクチュエータ素子１の積層体１０は、変位量を確保するため多数の変位層１１の積層構造をとっている。またこの積層体１０の多層薄膜の積層構造は、製造の簡便さも考慮したものである。少数の固定的なパターンの薄膜を順次繰り返し重ねていくことにより、アクチュエータ素子を形成することができる。

図３を用いて、アクチュエータ素子１における積層体１０の製造を考慮した積層構造と、その積層形成手順について説明する。図３（ａ）は積層体１０の平面図であり、（ｂ）はそのＡＡ’位置での断面図である。

図３（ｂ）において、積層体１０は３種類の層パターン、すなわち電極層１６と変位層１１と電極層１５をこの順序で繰り返し積層した構造になっている。但し、電極層１５と電極層１６は互いに異なった位置に切り欠き部を有する層パターンとなっている。図３（ａ）に示すように、電極層１５の切り欠き位置は、コンタクトホール１６ｂに対応する位置であり、逆に電極層１６の切り欠き位置は、コンタクトホール１５ｂに対応する位置である。

電極層１５、１６のそれぞれの切り欠き部においては、その電極層が上下に位置する変位層１１を隔てることはなく、上下の変位層１１どうしは接触して一体となっている。従って切り欠き部分では変位層１１に電界を印加することはできない。

切り欠き部を設けた理由は、コンタクトホール１５ｂ、１６ｂを貫通させた際に、従って導電性材料を各コンタクトホールに注入した際に、各電極層に切り欠き部があるかないかでそのコンタクトホールを通じて電極層どうしを導通させるかどうかを区別するためである。

例えば、各層を貫通するコンタクトホール１５ｂは、その位置に切り欠き部を有しない電極層１５どうしを導通させ、その位置に切り欠き部を有する電極層１６とは導通しない。また逆に各層を貫通するコンタクトホール１６ｂは、その位置に切り欠き部を有しない電極層１６どうしを導通させ、その位置に切り欠き部を有する電極層１５とは導通しない。

このように積層体１０においては、各層をつなぐ二つのコンタクトホールにより、互いに導通しない一対の電極部が形成され、一方は電極層１５からなり、他方は電極層１６からなる。

また各変位層１１は、それぞれその厚さ方向に、上記一対の電極部にそれぞれが含まれる、互いに導通しない電極層１５と１６に挟まれるように積層され、切り欠き部を除いては上記一対の電極部により電界を印加されることになる。

アクチュエータ素子１は、このような層構造の積層体１０をアクチュエータ部として有する。実際には基板２０上に積層体１０が形成される、あるいはその間に、信号電界でアクチュエータ部を駆動するためのＴＦＴ素子３０などが形成されてもよい。

このような層構造をとることにより、順次層パターンを重ねていくことで、またコンタクトホールを貫通させ各電極層を導通させることで、簡単に製造することができる。また、複数のアクチュエータ素子の配列を高集積化した層を重ねていくことで一度に複数のアクチュエータ素子アレイを形成することもできる。

以下に、アクチュエータ素子の構成材料とそれらを用いた製造方法について説明する。

（アクチュエータ素子の構成材料）
図１で示したようなアクチュエータ素子を構成する部材について説明する。積層体１０を構成する変位層、電極層、及び基板について代表的な材料を述べる。

変形可能な変位層１１を形成する材料としては、さまざまな有機物の材料が知られている。それらは、いわゆる高分子アクチュエータとして知られているものであり、電界、あるいは他の力学的ではない刺激で、膨潤・収縮、屈曲などの変形を起こす材料である。低エネルギーで今までにない生物的な柔らかい動きを実現でき、さまざまな分野から関心を持たれている。

上記アクチュエータ素子においては、電界による伸縮を利用するものであるが、公知のさまざまな高分子アクチュエータを利用することができる。中でも好ましい材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフッ化ビニリデン、シリコーンゴムなどを挙げることができる。

必要ならば適切な位置に絶縁部を設けるような構成を取ってもよい。その場合は、さまざまな絶縁性材料が知られており、実質的に電流が流れないものであれば特に制限はない。ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂等の高分子、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バナジウムなどの無機酸化物や窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン等の無機チタン酸塩類が挙げられる。

電極層１５、１６用の材料や、コンタクトホール１５ｂ、１６ｂに充填する材料としては、さまざまな導電性材料が知られており、実用可能なレベルでの導電性があれば特に限定することなく用いることができる。具体的には、白金、金、ペースト状のものを含む銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、グラファイトやグラッシーカーボン及びカーボンペーストを含む炭素、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物等を用いることができる。

また導電性材料としては、導電性ポリマーを好適に用いることもできる。導電性ポリマーとしては、例えばポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、及びこれらの誘導体、類縁対、これらを構成するモノマーもしくはオリゴマーを構成成分として有するポリマーに、必要に応じ適切な添加剤を加えたもので、実用可能なレベルの導電性を有していれば問題なく使用することができる。具体的には、例えばポリアニリンとポリスチレンスルホン酸やカルボン酸の錯体、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸やカルボン酸の錯体なども好適に用いられる。

さらに導電性材料として金属微粒子を含有する分散物を用いることもできる。金属微粒子を含有する分散物としては、例えば公知の導電性ペーストなどを用いてもよいが、粒子径が１ｎｍから５０ｎｍ、好ましくは１ｎｍから１０ｎｍの金属微粒子を含有する分散物が好ましい。微粒子として含有される金属の種類は、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、亜鉛、等を挙げることができる。これらの金属微粒子を、主に有機材料からなる分散安定剤を用いて、水や任意の有機溶剤である分散媒中に分散した分散物を用いて電極を形成するのが好ましい。なお、このような金属微粒子分散物の作製方法としては、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成方法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法が挙げられる。

支持体としての基板２０は、ガラス基板でもよいし、樹脂基板でもよい。ガラス基板の場合は、特に材料が制限されるものではないが、一般に液晶ディスプレイ等に用いられているものが使用できる。樹脂基板の場合、例えばプラスチックフィルムシートを用いることができる。プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）等からなるフィルムが挙げられる。このようにプラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めるとともに衝撃に対する耐性を向上できる。

（アクチュエータ素子の製造方法）
アクチュエータ素子は、上述した電極材料、絶縁材料、そして高分子アクチュエータである有機変位材料を、これも既述したように適切な層パターンに配置して、順次積層することによって形成することができる。

パターニングを行う方法には格別の制限はないが、アクチュエータ素子を構成する材料を変質させたり、アクチュエータ素子がその機能を発揮する際に障害となるような成分を用いたりしない方法が望ましく、例えば、マスク蒸着法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法、及びＬＢ法などが挙げられ、材料に応じて使用できる。

これらのうち特に好ましいのは、マイクロコンタクトプリント法やインクジェット印刷法である。インクジェット印刷法の場合、ピエゾ方式など公知のインクジェット印刷法を用いてもよいが、静電吸引方式も精細なパターンを形成できて好ましい。またマイクロコンタクトプリント法の場合、特表２００５−５０９２２９号公報や特表２００５−５２１２３８号公報に記載された方法に、使用する材料に応じた変更を加えて用いることもできる。

本実施形態のアクチュエータ素子１の全製造プロセスは、約２００℃より低い温度で実施されることが好ましい。約１５０℃より低い温度は、さらに好ましい。温度の選択は、概して加工パラメータに依存する。上記有機物の各材料を層パターン化して積層するというアクチュエータ素子１の製造方法は、従来の無機アクチュエータの加工温度よりかなり低い上記の加工温度を可能にし、可撓性ポリマー基板などの比較的安価な基板の使用も可能とする。

このように本実施形態のアクチュエータ素子１は簡単な製造方法で、安価に、製造することができる。また複数の素子配列を効率的に製造することもできる。具体的な製造方法の実施例を以下に説明する。

図４から図６を用いて、アクチュエータ素子１の製造方法、特に積層体１０の製造方法を説明する。図４から図６は製造工程を説明するための図である。

主要な工程は三つある。有機変位材料の変位層と、互いに異なる位置に切り欠き部を有する少なくとも二通りの電極層とを基板上に積層し、形成する積層形成工程と、その積層形成工程により形成された積層体において、電極層の少なくとも二通りの異なる切り欠き部に対応する位置にコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、そのコンタクトホール形成工程により形成されたコンタクトホールに導電性部材を充填し、コンタクトホールを通じて電極層どうしを導通させる電極層導通工程とである。

従って、この変位層と電極層とが、順次基板上に積層された後、コンタクトホールの形成と、それによる電極層の導通で、積層体１０が形成されることになる。

＜製造例１＞
まず各工程の実施例として製造例１を図４を参照して説明する。図４は製造例１を説明するための図であり、（ａ）から（ｄ）は積層形成工程を、（ｅ）はコンタクトホール形成工程を示す。電極層導通工程は図３を参照のこと。

積層体部分（アクチュエータ部分）の作製条件について述べる。

まず基板上にアルミニウムをマスク蒸着し、電極層１６を設けた。適切な位置に切り欠き部を有する。図４（ａ）参照。

次に変位層１１を形成した。図４（ｂ）参照。以下の手順で作製した。

有機変位材料として、ポリフッ化ビニリデンを溶媒で溶かした溶液を準備した。粘度がおよそ１Ｐａ・ｓになるよう調整した。

次いで、１５ｍｍ×１５ｍｍの凸部（画素に対応）を、１０×１０で計１００個有する印刷用のスタンプを用意した。スタンプの材料はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）とした。なお本実施例では用いていないが、微細な画素を作成するにはマイクロコンタクトプリンティング法などを用いればよい。

上記溶液を基板上に印刷し、積層した。なお、印刷後に溶媒を蒸発させるため、印刷は１２０℃のホットプレート上で行い、且つ印刷は３０秒程度の間隔をおいて行った。また、各薄膜を形成後にその都度、厚み方向に適切な電界を印加し、薄膜の帯電量、分極量を適切な状態に揃えた。

以上の条件で、ポリフッ化ビニリデンは約２００ｎｍの厚みになった。

次に電極層１５を積層して形成した。電極層１６と同様に、アルミニウムをマスク蒸着した。ただし、切り欠き位置は異なる。図４（ｃ）参照。

以上の工程を繰り返し、変位層が２０層積層されるまで続けた。図４（ｄ）参照。

以上が積層形成工程である。積層体全体の厚みは約４μｍとなった。

次はコンタクトホール形成工程である。積層体を貫通するように、レーザー光を照射し、コンタクトホール１５ａ及び１６ａを形成した。コンタクトホールの位置は、電極層１６及び１５の各切り欠き部位置に対応している。図４（ｅ）参照。

レーザー光の照射条件は、波長５３２ｎｍ、出力エネルギー２ｍＪ、パルス幅６ｎｍ、１ショットの面積１５０μｍ×μｍとした。

最後に電極層導通工程として、コンタクトホール１５ａ、１６ａに導電性材料としてのＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）・ＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）を滴下し、電極層を導通させた。図３の１５ｂ、１６ｂが最終的に導電性材料を充填して電極層を導通させたコンタクトホールである。最終的に図３の状態になって、電界によって駆動させられるアクチュエータの機能が得られる。

上記のようにして製造した素子に対して、電極間に１８０ｖ印加すると、厚みは電圧印加前に比べて約１０％減少し、アクチュエータとして動作していることが確認できた。

＜製造例２＞
さらに、積層形成しながらコンタクトホール形成していく、すなわち積層形成工程とコンタクトホール形成工程及び電極層導通工程を交互に繰り返す製造工程の実施例として、製造例２を図５を参照して説明する。図５（ａ）から（ｆ）は製造例２のプロセスを表す断面図である。

図５（ａ）までは、製造例１の図４（ｂ）までと同様である。基板上にアルミニウムをマスク蒸着し、適切な位置に切り欠き部を有する電極層１６を形成し、さらにポリフッ化ビニリデンを印刷し、変位層１１を積層する。（積層形成工程）
さらに図５（ｂ）では、電極層１５を形成する前に、コンタクトホール１５ａを形成している。レーザー光照射条件は出力エネルギーを０．２ｍＪに落とした以外は製造例１と同様である。（コンタクトホール形成工程）
そして図５（ｃ）では、コンタクトホール１５ａに導電性材料としてＰＥＤＯＴ・ＰＳＳを滴下して充填し（コンタクトホール１５ｂ）、その上に電極層１５を積層した。（電極層導通工程＋積層形成工程）
図５（ｄ）では、さらに変位層１１を積層した後、先とは異なる位置にコンタクトホール１６ａを形成している。（積層形成工程＋コンタクトホール形成工程）
図５（ｅ）では、コンタクトホール１６ａに導電性材料を滴下して充填し（コンタクトホール１６ｂ）、その上に電極層１６を積層した。（電極層導通工程＋積層形成工程）
そして図５（ｆ）では、さらに変位層１１を積層した後、また異なる位置にコンタクトホール１５ａを形成している。（積層形成工程＋コンタクトホール形成工程）
以下同様にして各工程を繰り返し、最終的に変位層１１を２０層積層した。積層体全体の厚みは、製造例１と同様に約４μｍであった。やはり最終的に図３の状態となり、電界によって駆動させられるアクチュエータの機能が得られた。電極間に１８０ｖ印加すると、製造例１と同様に１０％程度の厚みの減少が確認できた。

図４、図５（製造例１、２）ともに、電極層のコーナー部に設けた切り欠き部中央にコンタクトホールを形成しているが、電界が印加される面積を少しでも拡げ、変位層の変位をより有効にするため、コンタクトホールを最端部に設け、その分切り欠き部を小さくすることもできる。

切り欠き部及びコンタクトホールの位置は任意であり、用途などに応じて設定すればよい。以下に別の例を挙げて説明する。

＜製造例３＞
コンタクトホールと切り欠き部の位置を積層体１０の両端部ではなく、片方の端部に、しかも一対よりも多く設置して製造した実施例として、製造例３を図６を参照して説明する。図６（ａ）は製造例３を説明するアクチュエータ素子の平面図であり、（ｂ）と（ｃ）はそれぞれ、製造した素子に電界を印加していない時と印加した時の、アクチュエータ部の簡略化した断面図である。

製造例３はコンタクトホールと切り欠き部の位置を変更しただけで、製造手順は製造例１と同様であり、製造条件の説明は省略する。

図６（ａ）に示すように、積層体１０は電極層１６、変位層１１，電極層１５の繰り返された積層からなるが、導電性材料を充填したコンタクトホールは１５ｂ、１６ｂがそれぞれ２個ずつ設置されている。従って各電極層の切り欠き部も２カ所ずつである。但し、電極層１５と１６ではその２カ所の切り欠き部位置が互いに異なっている。

このことにより、積層体１０に含まれる複数の電極層１５は、互いに２個のコンタクトホールを介して２カ所で導通していることになる。また複数の電極層１６についても同様である。コンタクトホールの断線による動作不良の発生する確率を下げることができる。

また図６（ａ）に示すように、コンタクトホールと切り欠き部の位置は積層体１０の一方の端部に配置されており、他方の端部にはコンタクトホールも切り欠き部も存在しない。これは電界の印加されない部分（切り欠き部）、すなわち電界の印加により変位を生じさせられない部分が一方の端部にのみ配置されているということであり、電界の印加による変位は、非対称的に生ずるということになる。

図６（ｂ）は電界を印加していない時の、そして図６（ｃ）は電界を印加した時の、断面図を示す。（ｂ）においてはアクチュエータ部の膜厚は一定である。しかし電界を印加した時の（ｃ）においては、コンタクトホール（切り欠き部）のある側と比べて反対側の変位量（膜厚減少）が大きくなり、アクチュエータの膜厚に傾斜ができている。

このことにより、アクチュエータの非対称的な変位をもたらすという機能も併せ持つことができる。

製造例１と同様に、最終的に変位層１１を２０層積層した状態で、電極間に１８０ｖ印加すると、やはり切り欠き部を設けた端部ではほぼ変化がなかったが、反対側の端部近辺では１０％程度の厚みの減少が確認できた。

上記のように、本実施形態によれば、アクチュエータ素子を、電界により変形する層と電極層とを含む積層構造とすることにより、環境負荷の小さい、実用的な駆動力を保ちながら変位量の大きい積層型のアクチュエータを提供することができる。また上記素子の積層構造に従い、所定の位置に切り欠きを有する各層を転写し、重ね合わせながら、必要な電極層の導通を形成することにより、簡便な製造方法を提供することができる。この製造方法により、微細化、集積化も容易で、複数の素子の配列を同時に製造することもできる。

なお本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、それらの変更された形態もその範囲に含むものである。

アクチュエータ素子１の概略構成を示す断面図である。 アクチュエータ素子の二次元的な配置とそれに応じた素子の駆動回路を示す図である。 アクチュエータ素子１のアクチュエータ部、すなわち積層体１０の（ａ）平面図、及び（ｂ）断面図である。 アクチュエータ素子１の製造例１の工程を説明するための平面図及び断面図である。 アクチュエータ素子１の製造例２の工程を説明するための断面図である。 アクチュエータ素子１の製造例３を説明するための平面図及び断面図である。

符号の説明

１ アクチュエータ素子１
１ａ アクチュエータ素子
５ アクチュエータ素子アレイ
１０ 積層体
１１ 変位層
１５ （第１の）電極層
１５ａ コンタクトホール
１５ｂ コンタクトホール（導電性材料を充填した）
１６ （第２の）電極層
１６ａ コンタクトホール
１６ｂ コンタクトホール（導電性材料を充填した）
２０ 基板
３０ ＴＦＴ素子
３１ ゲート絶縁膜
３２ パッシベーション層
３３ ゲート電極
３４ ソース電極
３５ ドレイン電極
３６ 半導体部
３７ コンタクトホール
３８ コモン電極
５１ コモン電極
５２ ゲートバスライン
５３ 信号バスライン
５４ ゲート用ドライバＩＣ
５５ 信号用ドライバＩＣ

Claims (5)

1. 電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位層と、
   前記変位層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位層を挟持する複数の電極層と、
   を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、
   前記電極層は、
   前記変位層を挟持する電極層どうしで、それぞれ異なる位置に切り欠き部を有し、
   前記積層体は、
   前記切り欠き部の位置毎に、各層を貫通し、導電性部材を充填したコンタクトホールを有しており、
   前記変位層は、電界の印加により厚さ方向に変位する有機変位材料から形成されている、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子。
2. 前記積層体は、前記電極層と前記電極層より厚みの大きい前記変位層とが交互に繰り返し積層されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
3. アクチュエータ素子の製造方法であって、
   有機変位材料の変位層と、切り欠き部を有する電極層とを基板上に積層し、形成する積層形成工程と、
   前記積層形成工程により形成された積層体において、前記切り欠き部に対応する位置にコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、
   前記コンタクトホール形成工程により形成されたコンタクトホールに導電性部材を充填し、電極層どうしを導通させる電極層導通工程と、を含んでおり、
   前記アクチュエータ素子は、
   電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位層と、
   前記変位層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位層を挟持する複数の電極層と、
   を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、
   前記電極層は、
   前記変位層を挟持する電極層どうしで、それぞれ異なる位置に切り欠き部を有し、
   前記積層体は、
   前記切り欠き部の位置毎に、各層を貫通し、導電性部材を充填したコンタクトホールを有する、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。
4. 前記コンタクトホール形成工程では、
   レーザー照射によりコンタクトホールが形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
5. 請求項３または請求項４に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、
   前記積層形成工程では、
   同時に複数個のアクチュエータ素子が形成される、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

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