JP2002100276A - 微小機械スイッチ - Google Patents
微小機械スイッチInfo
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- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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- H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
- H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
- H01H1/20—Bridging contacts
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
- H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
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- Micromachines (AREA)
- Thermally Actuated Switches (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、信頼性の高い接点を有する小型の
機械式スイッチやリレーを提供することを目的とする。 【解決手段】 梁の撓み形状と同等の形状を有する保持
電極を設け、静電力により梁の撓み形状を保持する。ま
た、接点の接触面同士を接触角を限りなく０に近づけて
接触させ、接触面積を広げるととともに、等分布荷重の
静電力により接点を保つため、接触抵抗が低く、またス
ティクション問題が低減できる高品質の接点を供給する
ことができる。
機械式スイッチやリレーを提供することを目的とする。 【解決手段】 梁の撓み形状と同等の形状を有する保持
電極を設け、静電力により梁の撓み形状を保持する。ま
た、接点の接触面同士を接触角を限りなく０に近づけて
接触させ、接触面積を広げるととともに、等分布荷重の
静電力により接点を保つため、接触抵抗が低く、またス
ティクション問題が低減できる高品質の接点を供給する
ことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械式のスイッチ
やリレーに関し、特に、高密度に集積化された回路内に
おいて、小型で信頼性の高い接点を実現する微小機械ス
イッチに関する。
やリレーに関し、特に、高密度に集積化された回路内に
おいて、小型で信頼性の高い接点を実現する微小機械ス
イッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の微小機械スイッチについて、図７
〜８を参照して説明する。図７はＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ
Ｄｉｇｅｓｔ １９９９、ｐｐ．１９２３−１９２６
に紹介されているマイクロ波スイッチである。シリコン
片持ち梁１の先端下部に絶縁層を介して金の接点部２が
設けられ、接点部２に相対する面には、接点部との接触
により閉回路を形成する回路端子部３と、接点部２に静
電力を与えてシリコン片持ち梁１を撓ませる駆動電極４
が設けられている。接点部２と回路端子部３の隙間は１
０μｍ以下に設定されおり、駆動電極４に５０Ｖ以上の
電圧を加えることで梁１が撓んで接点部２が回路端子部
３に接触し、接点が閉じられる。
〜８を参照して説明する。図７はＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ
Ｄｉｇｅｓｔ １９９９、ｐｐ．１９２３−１９２６
に紹介されているマイクロ波スイッチである。シリコン
片持ち梁１の先端下部に絶縁層を介して金の接点部２が
設けられ、接点部２に相対する面には、接点部との接触
により閉回路を形成する回路端子部３と、接点部２に静
電力を与えてシリコン片持ち梁１を撓ませる駆動電極４
が設けられている。接点部２と回路端子部３の隙間は１
０μｍ以下に設定されおり、駆動電極４に５０Ｖ以上の
電圧を加えることで梁１が撓んで接点部２が回路端子部
３に接触し、接点が閉じられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、接点を閉じる
ために必要な電圧が５０Ｖ以上と高いために、専用の昇
圧回路を搭載する必要があり、スイッチ素子の小型化を
阻害していた。また、マイクロ波は接点における導通が
なくても容量性結合や誘導性結合が生じ易く、接点が開
いた状態でのアイソレーションを向上させるには、接点
部と回路端子部の隙間をさらに広げる必要があるが、静
電力は対向電極間の距離の２乗に反比例するために、回
路を閉じるためにはさらなる高電圧が必要になるという
課題があった。
ために必要な電圧が５０Ｖ以上と高いために、専用の昇
圧回路を搭載する必要があり、スイッチ素子の小型化を
阻害していた。また、マイクロ波は接点における導通が
なくても容量性結合や誘導性結合が生じ易く、接点が開
いた状態でのアイソレーションを向上させるには、接点
部と回路端子部の隙間をさらに広げる必要があるが、静
電力は対向電極間の距離の２乗に反比例するために、回
路を閉じるためにはさらなる高電圧が必要になるという
課題があった。
【０００４】また、図８（ａ）のように接点部の片あた
りが生じてしまうため、接触面積を広げて接点抵抗を下
げるためには、図８（ｂ）のようにさらなる高電圧をか
けて梁を逆方向に撓ませて接点の隙間をなくす必要があ
った。その際には片あたりしていた近辺のみ接触圧が過
大になり、スティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）と呼ば
れる付着現象が発生し、図８（ｃ）に示すように駆動電
圧を除いても梁の撓みが戻らず回路が閉じたままになり
制御不能に陥る可能性があった。
りが生じてしまうため、接触面積を広げて接点抵抗を下
げるためには、図８（ｂ）のようにさらなる高電圧をか
けて梁を逆方向に撓ませて接点の隙間をなくす必要があ
った。その際には片あたりしていた近辺のみ接触圧が過
大になり、スティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）と呼ば
れる付着現象が発生し、図８（ｃ）に示すように駆動電
圧を除いても梁の撓みが戻らず回路が閉じたままになり
制御不能に陥る可能性があった。
【０００５】本発明は、このような微小機械スイッチに
おいて、簡易な構成で高品質の接点を有する微小機械ス
イッチを提供することを目的とする。
おいて、簡易な構成で高品質の接点を有する微小機械ス
イッチを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、力が与えられて撓んだ梁の梁側保持電極の
形状に対して同等の形状を有する基板側保持電極を設け
て静電力を作用させることにより、低電圧で梁の撓み形
状を保持することを可能とした。また接点部と回路端子
部の形状も同一にして両者の接触角度を極力ゼロに近づ
けることで接触面積を広げるとともに、保持電極による
静電力により接点接触圧力を高めて接点抵抗を減少さ
せ、さらに接点圧力を一様に分布させることによりステ
ィクション問題を低減し、品質のよい接点を提供するこ
とを可能にした。また、梁に撓みを与える手段を静電力
とし、保持電極を駆動電極として併用することにより、
低電圧で小型の機械スイッチを提供することを可能にし
た。
に本発明は、力が与えられて撓んだ梁の梁側保持電極の
形状に対して同等の形状を有する基板側保持電極を設け
て静電力を作用させることにより、低電圧で梁の撓み形
状を保持することを可能とした。また接点部と回路端子
部の形状も同一にして両者の接触角度を極力ゼロに近づ
けることで接触面積を広げるとともに、保持電極による
静電力により接点接触圧力を高めて接点抵抗を減少さ
せ、さらに接点圧力を一様に分布させることによりステ
ィクション問題を低減し、品質のよい接点を提供するこ
とを可能にした。また、梁に撓みを与える手段を静電力
とし、保持電極を駆動電極として併用することにより、
低電圧で小型の機械スイッチを提供することを可能にし
た。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、梁を撓ませる力が作用する作用部と、静電力を作用
させて梁の撓み形状を保持する梁側保持電極部と、梁が
撓むことより接点として機能する接点部とを備えた梁
と、梁側保持電極部に静電力を作用させる基板側保持電
極と、梁が撓むことにより前記接点部と接触することに
よって回路を閉じる回路端子部とを備えた基板からなる
梁駆動構造において、回路が閉じた状態の梁側保持電極
部の形状と基板側保持電極の形状が同じ形状を有するこ
とで両者が密着することを特徴とした微小機械スイッチ
である。
は、梁を撓ませる力が作用する作用部と、静電力を作用
させて梁の撓み形状を保持する梁側保持電極部と、梁が
撓むことより接点として機能する接点部とを備えた梁
と、梁側保持電極部に静電力を作用させる基板側保持電
極と、梁が撓むことにより前記接点部と接触することに
よって回路を閉じる回路端子部とを備えた基板からなる
梁駆動構造において、回路が閉じた状態の梁側保持電極
部の形状と基板側保持電極の形状が同じ形状を有するこ
とで両者が密着することを特徴とした微小機械スイッチ
である。
【０００８】請求項２に記載の発明は、回路が閉じた状
態において、前記接点部と、前記回路端子部が隙間なく
密着することを特徴とした請求項１記載の微小機械スイ
ッチである。
態において、前記接点部と、前記回路端子部が隙間なく
密着することを特徴とした請求項１記載の微小機械スイ
ッチである。
【０００９】請求項３に記載の発明は、接点部は梁上の
作用部及び梁側保持電極部以外の箇所に設けられ、かつ
作用部に作用する力による撓みを受けないことを特徴と
した請求項２記載の微小機械スイッチである。
作用部及び梁側保持電極部以外の箇所に設けられ、かつ
作用部に作用する力による撓みを受けないことを特徴と
した請求項２記載の微小機械スイッチである。
【００１０】請求項４に記載の発明は、梁側保持電極部
が作用部を兼ね、梁を撓ませる力は基板側保持電極部と
梁側保持電極部間の静電力であることを特徴とする請求
項１記載の微小機械スイッチである。
が作用部を兼ね、梁を撓ませる力は基板側保持電極部と
梁側保持電極部間の静電力であることを特徴とする請求
項１記載の微小機械スイッチである。
【００１１】請求項５に記載の発明は、基板側保持電極
の形状が、梁側保持電極部に等分布荷重を与えたときの
撓み形状と同じ曲面形状を有することで、基板側保持電
極と梁側保持電極部が隙間なく密着することを特徴とし
た請求項４記載の微小機械スイッチである。
の形状が、梁側保持電極部に等分布荷重を与えたときの
撓み形状と同じ曲面形状を有することで、基板側保持電
極と梁側保持電極部が隙間なく密着することを特徴とし
た請求項４記載の微小機械スイッチである。
【００１２】請求項６に記載の発明は、駆動部の駆動手
段が圧電体であることを特徴とした請求項１記載の微小
機械スイッチである。
段が圧電体であることを特徴とした請求項１記載の微小
機械スイッチである。
【００１３】請求項７に記載の発明は、駆動部の駆動手
段がバイメタルであることを特徴とした請求項１記載の
微小機械スイッチである。
段がバイメタルであることを特徴とした請求項１記載の
微小機械スイッチである。
【００１４】請求項８に記載の発明は、駆動部の駆動手
段が形状記憶合金であることを特徴とした請求項１記載
の微小機械スイッチである。
段が形状記憶合金であることを特徴とした請求項１記載
の微小機械スイッチである。
【００１５】請求項９に記載の発明は、駆動部の駆動手
段が磁歪素子であることを特徴とした請求項１記載の微
小機械スイッチである。
段が磁歪素子であることを特徴とした請求項１記載の微
小機械スイッチである。
【００１６】請求項１０に記載の発明は、駆動部の駆動
手段が光歪素子であることを特徴とした請求項１記載の
微小機械スイッチである。
手段が光歪素子であることを特徴とした請求項１記載の
微小機械スイッチである。
【００１７】請求項１１に記載の発明は、駆動部の駆動
手段が電歪ポリマであることを特徴とした請求項１記載
の微小機械スイッチである。
手段が電歪ポリマであることを特徴とした請求項１記載
の微小機械スイッチである。
【００１８】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図６を用いて説明する。
から図６を用いて説明する。
【００１９】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態における微小機械スイッチの概要を示す斜視図であ
る。梁１はコの字型の梁であり、端点が固定部８にて支
持されている。梁１の材料は絶縁材料であるか、または
導電体材料の下面に絶縁膜を形成したものである。
形態における微小機械スイッチの概要を示す斜視図であ
る。梁１はコの字型の梁であり、端点が固定部８にて支
持されている。梁１の材料は絶縁材料であるか、または
導電体材料の下面に絶縁膜を形成したものである。
【００２０】梁１の下面には、固定部８からの距離で０
〜Ｌ１までの間に静電力により梁の駆動と保持を行う梁
側電極９ａ、９ｂが設けられている。また距離Ｌ２〜Ｌ
３の間には静電力により梁の保持を行う梁側電極９ｃ、
９ｄが設けられている。また梁側電極９ｃ、９ｄに挟ま
れる位置に接点電極１０が設けられている。
〜Ｌ１までの間に静電力により梁の駆動と保持を行う梁
側電極９ａ、９ｂが設けられている。また距離Ｌ２〜Ｌ
３の間には静電力により梁の保持を行う梁側電極９ｃ、
９ｄが設けられている。また梁側電極９ｃ、９ｄに挟ま
れる位置に接点電極１０が設けられている。
【００２１】梁１の下に配し、固定部８を介して梁１を
支える絶縁体からなる基板１１について、図１における
Ａ−Ａ’断面図である図２、およびＢ−Ｂ’断面図であ
る図３を用いて説明する。
支える絶縁体からなる基板１１について、図１における
Ａ−Ａ’断面図である図２、およびＢ−Ｂ’断面図であ
る図３を用いて説明する。
【００２２】図２において基板１１上には梁の固定部８
からの距離で０〜Ｌ１までは、梁側電極９ａ、９ｂに静
電力を作用させて梁の駆動と保持を行う基板側電極１２
ａ、１２ｂが設けられ、その表面は絶縁膜１３により覆
われている。距離Ｌ２〜Ｌ３の間は、梁側電極９ｃ、９
ｄに静電力を作用させて梁の保持を行う基板側電極１２
ｃ、１２ｄが設けられ、その表面は絶縁膜１３により覆
われている。
からの距離で０〜Ｌ１までは、梁側電極９ａ、９ｂに静
電力を作用させて梁の駆動と保持を行う基板側電極１２
ａ、１２ｂが設けられ、その表面は絶縁膜１３により覆
われている。距離Ｌ２〜Ｌ３の間は、梁側電極９ｃ、９
ｄに静電力を作用させて梁の保持を行う基板側電極１２
ｃ、１２ｄが設けられ、その表面は絶縁膜１３により覆
われている。
【００２３】図３において、基板１１の上には信号線１
４が設けられ、梁の固定部８からの距離Ｌ２〜Ｌ３に対
応する箇所により回路端子部１５を形成しており、梁１
の接点電極１０とともに接点を構成する。基板１１の形
状はＬ２〜Ｌ３の区間では、図２における基板側電極１
２ｃ、１２ｄを有する面と同一面であり、信号線１４の
厚みは、図２の絶縁膜１３の厚みと等しいか若干厚めに
作られている。
４が設けられ、梁の固定部８からの距離Ｌ２〜Ｌ３に対
応する箇所により回路端子部１５を形成しており、梁１
の接点電極１０とともに接点を構成する。基板１１の形
状はＬ２〜Ｌ３の区間では、図２における基板側電極１
２ｃ、１２ｄを有する面と同一面であり、信号線１４の
厚みは、図２の絶縁膜１３の厚みと等しいか若干厚めに
作られている。
【００２４】以上の構成によると、梁１を撓ませる静電
力は梁１そのものにかかるため、従来例の図７のように
梁の先端に静電力を作用させる部位を設ける必要がない
ので小型化が図れる。
力は梁１そのものにかかるため、従来例の図７のように
梁の先端に静電力を作用させる部位を設ける必要がない
ので小型化が図れる。
【００２５】また基板側電極１２ａ、１２ｂの面は０〜
Ｌ１までは曲面になっている。通常、梁に静電力を加え
て撓ませる場合は、図４のように電圧を加えていくとプ
ルイン電圧Ｖｐｉまでは梁のばね力と静電力がつりあっ
た状態で梁の先端は徐々に変位していくが、Ｖｐｉで梁
は急激に静電力に引っ張られ最大変位近くまでに変位
し、梁は対向電極に接触する。例えば図１、図２におい
て、梁をシリコンとして梁のヤング率を１５０ＧＰａ、
梁の幅ｈを４０μｍ、梁の厚みｔを２．５μｍ、Ｌ１を
４００μｍ、絶縁膜１３の厚みｄを０．３μｍ、比誘電
率を１、Ｌ１における隙間δｍａｘを６μｍ、とする。
Ｌ１までは曲面になっている。通常、梁に静電力を加え
て撓ませる場合は、図４のように電圧を加えていくとプ
ルイン電圧Ｖｐｉまでは梁のばね力と静電力がつりあっ
た状態で梁の先端は徐々に変位していくが、Ｖｐｉで梁
は急激に静電力に引っ張られ最大変位近くまでに変位
し、梁は対向電極に接触する。例えば図１、図２におい
て、梁をシリコンとして梁のヤング率を１５０ＧＰａ、
梁の幅ｈを４０μｍ、梁の厚みｔを２．５μｍ、Ｌ１を
４００μｍ、絶縁膜１３の厚みｄを０．３μｍ、比誘電
率を１、Ｌ１における隙間δｍａｘを６μｍ、とする。
【００２６】
【数１】
【００２７】０〜Ｌ１の区間の絶縁膜１３表面の形状を
図２のようなｘ−ｙ座標で（数１）で表したとき、ｎ＝
０、すなわち、絶縁膜１３表面は平らで梁と平行に構
え、基板側電極１２ａ、１２ｂと梁側電極９ａ、９ｂと
の間に電圧を加えていったときのＶｐｉは１１０Ｖであ
るのに対して、ｎ＝２、すなわち絶縁膜１３表面を曲面
形状にするとＶｐｉは３０Ｖとなり、さらにｎ＝４近く
まで次数をあげるとＶｐｉは１０Ｖ以下となり低電圧で
梁を撓ませることが可能となる。
図２のようなｘ−ｙ座標で（数１）で表したとき、ｎ＝
０、すなわち、絶縁膜１３表面は平らで梁と平行に構
え、基板側電極１２ａ、１２ｂと梁側電極９ａ、９ｂと
の間に電圧を加えていったときのＶｐｉは１１０Ｖであ
るのに対して、ｎ＝２、すなわち絶縁膜１３表面を曲面
形状にするとＶｐｉは３０Ｖとなり、さらにｎ＝４近く
まで次数をあげるとＶｐｉは１０Ｖ以下となり低電圧で
梁を撓ませることが可能となる。
【００２８】
【数２】
【００２９】梁１の固定部８からの距離０〜Ｌ１の範囲
に等分布荷重Ｆが加わったときの梁の撓み量ｗは、梁の
ヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩとし、同じｘ−
ｙ座標を用いると（数２）であらわされる。なお、ｘ＞
Ｌ１では梁の撓みは発生しない。０〜Ｌ１までの間は梁
の撓み形状ｗ（ｘ）とほぼ同等の形状を梁側電極１２
ａ、１２ｂ上の絶縁膜１３表面が有するようにすれば、
両者を密着させることができる。例えば絶縁膜１３の表
面形状ｓ（ｘ）がｘ＝０〜Ｌ１の間において、Ｖｐｉを
１０Ｖ以下まで低減できるｎ＝４における（数１）の形
状であれば、ほぼ梁のｗ（ｘ）の形状を近似的に表現で
きることが可能であるため絶縁膜１３と梁１とを密着さ
せることができる。このときの等分布荷重は単位面積あ
たりの静電力Ｆであり、Ｆはεｒを絶縁膜１３の比誘電
率として（数３）で与えられる。
に等分布荷重Ｆが加わったときの梁の撓み量ｗは、梁の
ヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩとし、同じｘ−
ｙ座標を用いると（数２）であらわされる。なお、ｘ＞
Ｌ１では梁の撓みは発生しない。０〜Ｌ１までの間は梁
の撓み形状ｗ（ｘ）とほぼ同等の形状を梁側電極１２
ａ、１２ｂ上の絶縁膜１３表面が有するようにすれば、
両者を密着させることができる。例えば絶縁膜１３の表
面形状ｓ（ｘ）がｘ＝０〜Ｌ１の間において、Ｖｐｉを
１０Ｖ以下まで低減できるｎ＝４における（数１）の形
状であれば、ほぼ梁のｗ（ｘ）の形状を近似的に表現で
きることが可能であるため絶縁膜１３と梁１とを密着さ
せることができる。このときの等分布荷重は単位面積あ
たりの静電力Ｆであり、Ｆはεｒを絶縁膜１３の比誘電
率として（数３）で与えられる。
【００３０】
【数３】
【００３１】密着以後は電圧をあげても梁の変位はない
が上式に従って接触圧は一様に上昇することになる。従
って、０〜Ｌ１間の梁と基板の接触圧には大きな偏りが
ないため、スティクションの問題も低減できる。
が上式に従って接触圧は一様に上昇することになる。従
って、０〜Ｌ１間の梁と基板の接触圧には大きな偏りが
ないため、スティクションの問題も低減できる。
【００３２】Ｌ１より先の基板形状を平面とし、かつＬ
１にて０〜Ｌ１の曲面と連続とすれば、基板側電極１２
ａ、１２ｂと梁側電極９ａ、９ｂとの間に電圧を加えて
０〜Ｌ１を密着させたとき、Ｌ１〜Ｌ３においても梁と
基板表面はゆるやかに接触している。接点電極１０と回
路端子部１５の接触を安定させるために、さらに基板側
電極１２ｃ、１２ｄと梁側電極９ｃ、９ｄとの間に電圧
を印加して静電力を作用させることで、接点電極１０の
回路端子部１５との接触面は均一な接触圧で接触し、接
触抵抗は低減され、かつスティクション問題も低減され
る。このときの図１のＡ−Ａ’断面図を図５に示す。
１にて０〜Ｌ１の曲面と連続とすれば、基板側電極１２
ａ、１２ｂと梁側電極９ａ、９ｂとの間に電圧を加えて
０〜Ｌ１を密着させたとき、Ｌ１〜Ｌ３においても梁と
基板表面はゆるやかに接触している。接点電極１０と回
路端子部１５の接触を安定させるために、さらに基板側
電極１２ｃ、１２ｄと梁側電極９ｃ、９ｄとの間に電圧
を印加して静電力を作用させることで、接点電極１０の
回路端子部１５との接触面は均一な接触圧で接触し、接
触抵抗は低減され、かつスティクション問題も低減され
る。このときの図１のＡ−Ａ’断面図を図５に示す。
【００３３】なお、基板１１の曲面形状は、例えば基板
材料としてポリイミドなどの有機材料を用いる場合は、
ハーフトーンマスクを用いたエキシマレーザ加工により
形成が可能である。または基板平面の位置によってエキ
シマレーザの照射時間を調節することで同様な曲面形状
の生成が可能である。
材料としてポリイミドなどの有機材料を用いる場合は、
ハーフトーンマスクを用いたエキシマレーザ加工により
形成が可能である。または基板平面の位置によってエキ
シマレーザの照射時間を調節することで同様な曲面形状
の生成が可能である。
【００３４】基板材料として感光性有機材料を用いる場
合は、基板平面の位置によって露光時間を制御すること
で曲面形状の生成が可能である。
合は、基板平面の位置によって露光時間を制御すること
で曲面形状の生成が可能である。
【００３５】また酸化シリコン膜などの絶縁体をスパッ
タリングにより堆積する場合は、基板平面の位置によっ
て堆積時間が調節できるようにマスクの開口部を制御す
ることで曲面形状の生成が可能である。
タリングにより堆積する場合は、基板平面の位置によっ
て堆積時間が調節できるようにマスクの開口部を制御す
ることで曲面形状の生成が可能である。
【００３６】また絶縁膜１３として、例えばチタン酸ス
トロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）のように比誘電率が高い
材料を用いれば、より低電圧で梁の駆動と保持が可能で
あることは言うまでもない。
トロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）のように比誘電率が高い
材料を用いれば、より低電圧で梁の駆動と保持が可能で
あることは言うまでもない。
【００３７】（実施の形態２）図６は本発明の実施の形
態２における微小機械スイッチの概要を示す断面図であ
り、実施の形態１の説明図である図２において、梁１の
固定部８からの距離０〜Ｌ１の間に撓みを与える手段を
圧電薄膜１６としたときの微小機械スイッチの断面を表
した図である。
態２における微小機械スイッチの概要を示す断面図であ
り、実施の形態１の説明図である図２において、梁１の
固定部８からの距離０〜Ｌ１の間に撓みを与える手段を
圧電薄膜１６としたときの微小機械スイッチの断面を表
した図である。
【００３８】圧電薄膜１６の材料としてはＺｎＯやＰＺ
Ｔなどが利用でき、とくにＩ.Ｋａｎｎｏ, ｅｔ ａ
ｌ., ”Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔ
ｉｅｓ ｏｆ ｃ−ａｘｉｓ ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ”， Ａｐ
ｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７０（１１），ｐ
ｐ．１３７８−１３８０， １９９７．に示されるＰＺ
Ｔ薄膜はｄ定数がバルク材料なみに高く、本微小機械ス
イッチには最適である。
Ｔなどが利用でき、とくにＩ.Ｋａｎｎｏ, ｅｔ ａ
ｌ., ”Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔ
ｉｅｓ ｏｆ ｃ−ａｘｉｓ ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ”， Ａｐ
ｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７０（１１），ｐ
ｐ．１３７８−１３８０， １９９７．に示されるＰＺ
Ｔ薄膜はｄ定数がバルク材料なみに高く、本微小機械ス
イッチには最適である。
【００３９】また、バルク材料に対するメリットとして
圧電薄膜１６は厚みが薄いことにより電界強度を高める
ことができ、印加電圧を下げられることがあげられる。
圧電薄膜１６は厚みが薄いことにより電界強度を高める
ことができ、印加電圧を下げられることがあげられる。
【００４０】さて、圧電薄膜１６に電圧を印加すること
により、圧電薄膜１６が梁の長手方向に伸張し、梁１は
そのひずみを吸収するように絶縁膜１３側に変形する。
この結果、梁側電極９ｃ、９ｄと基板側電極１２ｃ、１
２ｄは接近あるいは絶縁膜１３を介して部分的に接触状
態となる。さらに梁側電極９ｃ、９ｄと基板側電極１２
ｃ、１２ｄの間に静電吸着力が働くような電圧を付加す
ることにより、両者の密着をさらに高めることができ
る。
により、圧電薄膜１６が梁の長手方向に伸張し、梁１は
そのひずみを吸収するように絶縁膜１３側に変形する。
この結果、梁側電極９ｃ、９ｄと基板側電極１２ｃ、１
２ｄは接近あるいは絶縁膜１３を介して部分的に接触状
態となる。さらに梁側電極９ｃ、９ｄと基板側電極１２
ｃ、１２ｄの間に静電吸着力が働くような電圧を付加す
ることにより、両者の密着をさらに高めることができ
る。
【００４１】ここで注目すべきことは、圧電薄膜１６の
働きにより梁１が変形する前の状態で、梁側電極９ｃ、
９ｄと基板側電極１２ｃ、１２ｄを静電力で密着させる
のに必要な電圧に比較して、圧電薄膜１６の変形を併用
したときの電圧ははるかに小さくできることである。こ
のことは、圧電薄膜１６の駆動電圧が低いこととあいま
って、本微小機械スイッチの駆動電圧を低くする効果が
あり、本微小機械スイッチのモバイル機器への適用に好
都合となる。
働きにより梁１が変形する前の状態で、梁側電極９ｃ、
９ｄと基板側電極１２ｃ、１２ｄを静電力で密着させる
のに必要な電圧に比較して、圧電薄膜１６の変形を併用
したときの電圧ははるかに小さくできることである。こ
のことは、圧電薄膜１６の駆動電圧が低いこととあいま
って、本微小機械スイッチの駆動電圧を低くする効果が
あり、本微小機械スイッチのモバイル機器への適用に好
都合となる。
【００４２】また、梁側電極９ｃ、９ｄと基板側電極１
２ｃ、１２ｄが密着することにより、接点電極１０（図
示せず）の回路端子部１５（図示せず）との接触面が均
一な接触圧で接触し、接触抵抗が低減され、かつスティ
クション問題も低減される。
２ｃ、１２ｄが密着することにより、接点電極１０（図
示せず）の回路端子部１５（図示せず）との接触面が均
一な接触圧で接触し、接触抵抗が低減され、かつスティ
クション問題も低減される。
【００４３】なお、本発明の実施の形態１及び実施の形
態２において、梁を撓ませる手段は静電力や圧電薄膜と
したが、梁にひずみを与えて撓みを起こし接点の開閉を
行うことができれば静電力や圧電薄膜に限定されること
なく、例えば、バイメタル、形状記憶合金、磁歪素子、
光歪素子、電歪ポリマなどを用いてもよい。
態２において、梁を撓ませる手段は静電力や圧電薄膜と
したが、梁にひずみを与えて撓みを起こし接点の開閉を
行うことができれば静電力や圧電薄膜に限定されること
なく、例えば、バイメタル、形状記憶合金、磁歪素子、
光歪素子、電歪ポリマなどを用いてもよい。
【００４４】なお、本発明の実施の形態１及び実施の形
態２において、接点は導電体同士の接触による開閉であ
ったが、電磁波のスイッチングを行うには、コンデンサ
やコイルを梁の撓みにより近接させることで容量性の結
合や誘導性の結合を行う構造としてもよい。
態２において、接点は導電体同士の接触による開閉であ
ったが、電磁波のスイッチングを行うには、コンデンサ
やコイルを梁の撓みにより近接させることで容量性の結
合や誘導性の結合を行う構造としてもよい。
【００４５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、力が与え
られて撓んだ梁の曲面形状に対して同等の形状を有する
保持電極を設けることで、低電圧で梁の撓み形状を保持
することができるという有利な効果が得られる。
られて撓んだ梁の曲面形状に対して同等の形状を有する
保持電極を設けることで、低電圧で梁の撓み形状を保持
することができるという有利な効果が得られる。
【００４６】また、本発明によれば、接点部と回路端子
部の形状も同一にして両者の接触角度を極力ゼロに近づ
けることで、接触面積を広げるとともに、保持電極によ
る静電力により接点接触圧力を高めて接点抵抗を減少さ
せ、さらに接点圧力は一様に分布することにより、ステ
ィクション問題が低減され、品質のよい接点を提供する
ことができるという有利な効果が得られる。
部の形状も同一にして両者の接触角度を極力ゼロに近づ
けることで、接触面積を広げるとともに、保持電極によ
る静電力により接点接触圧力を高めて接点抵抗を減少さ
せ、さらに接点圧力は一様に分布することにより、ステ
ィクション問題が低減され、品質のよい接点を提供する
ことができるという有利な効果が得られる。
【００４７】また、本発明によれば、梁に撓みを与える
手段を静電力とし、梁の撓みの曲面形状と同一の形状を
有する保持電極を駆動電極として併用することにより、
低電圧で小型の機械スイッチを提供することができると
いう有利な効果が得られる。
手段を静電力とし、梁の撓みの曲面形状と同一の形状を
有する保持電極を駆動電極として併用することにより、
低電圧で小型の機械スイッチを提供することができると
いう有利な効果が得られる。
【図１】本発明の一実施の形態による微小機械スイッチ
の概要を示す斜視図
の概要を示す斜視図
【図２】図１におけるＡ−Ａ’部の断面図
【図３】図１におけるＢ−Ｂ’部の断面図
【図４】本発明の一実施の形態による梁の静電力駆動の
動作を示す特性図
動作を示す特性図
【図５】図１の微小機械スイッチが閉じた状態における
Ａ−Ａ’部の断面図
Ａ−Ａ’部の断面図
【図６】本発明の一実施の形態による微小機械スイッチ
の概要を示す断面図
の概要を示す断面図
【図７】従来の微小機械スイッチの概要を示す上面図及
び断面図
び断面図
【図８】従来の微小機械スイッチにおける接点接触を示
す断面図
す断面図
１ 梁 ２ 接点部 ３ 回路端子部 ４ 駆動電極 ５ 基板 ６ 信号線 ７ 絶縁膜 ８ 固定部 ９ 梁側電極 １０ 接点電極 １１ 基板 １２ 基板側電極 １３ 絶縁膜 １４ 信号線 １５ 回路端子部 １６ 圧電薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｈ 55/00 Ｈ０１Ｈ 55/00 57/00 57/00 Ｄ Ａ Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/12 41/12 41/08 Ｕ
Claims (11)
- 【請求項１】 梁を撓ませる力が作用する作用部と、静
電力を作用させて梁の撓み形状を保持する梁側保持電極
部と、梁が撓むことより接点として機能する接点部とを
備えた梁と、梁側保持電極部に静電力を作用させる基板
側保持電極と、梁が撓むことにより前記接点部と接触す
ることによって回路を閉じる回路端子部とを備えた基板
からなる梁駆動構造において、回路が閉じた状態の梁側
保持電極部の形状と基板側保持電極の形状が同じ形状を
有することで両者が密着することを特徴とした微小機械
スイッチ。 - 【請求項２】 回路が閉じた状態において、前記接点部
と、前記回路端子部が隙間なく密着することを特徴とし
た請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項３】 接点部は梁上の作用部及び梁側保持電極
部以外の箇所に設けられ、かつ作用部に作用する力によ
る撓みを受けないことを特徴とした請求項２記載の微小
機械スイッチ。 - 【請求項４】 梁側保持電極部が作用部を兼ね、梁を撓
ませる力は基板側保持電極部と梁側保持電極部間の静電
力であることを特徴とする請求項１記載の微小機械スイ
ッチ。 - 【請求項５】 基板側保持電極の形状が、梁側保持電極
部に等分布荷重を与えたときの撓み形状と同じ曲面形状
を有することで、基板側保持電極と梁側保持電極部が隙
間なく密着することを特徴とした請求項４記載の微小機
械スイッチ。 - 【請求項６】 駆動部の駆動手段が圧電体であることを
特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項７】 駆動部の駆動手段がバイメタルであるこ
とを特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項８】 駆動部の駆動手段が形状記憶合金である
ことを特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項９】 駆動部の駆動手段が磁歪素子であること
を特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項１０】 駆動部の駆動手段が光歪素子であるこ
とを特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。 - 【請求項１１】 駆動部の駆動手段が電歪ポリマである
ことを特徴とした請求項１記載の微小機械スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000284721A JP2002100276A (ja) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | 微小機械スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000284721A JP2002100276A (ja) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | 微小機械スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002100276A true JP2002100276A (ja) | 2002-04-05 |
Family
ID=18768897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000284721A Pending JP2002100276A (ja) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | 微小機械スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002100276A (ja) |
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-
2000
- 2000-09-20 JP JP2000284721A patent/JP2002100276A/ja active Pending
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