JP2009021227A - 電気機械スイッチ、それを用いたフィルタ、および通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧駆動と高アイソレーションを両立する電気機械スイッチを提供する。
【解決手段】駆動部を構成する第１の梁１０６と、前記第１の梁１０６に対して結合部１０９を介して並置された接点部としての第２の梁１０７と、前記第１の梁１０６に対して第１のギャップを介して形成された、駆動電極としての第１の電極５と、前記第２の梁１０７に対して第２のギャップを介して形成された、接点電極としての第２の電極１０３とを具備し、前記第２のギャップが、前記第１のギャップよりも大きくなるように構成されている。この構成により、駆動部に発生した変位を、結合部を介して接点部に伝え、接点部を変位させることでスイッチングを行う。その結果、駆動部と接点部で異なるギャップを形成することができ、オフ時の電気的なアイソレーションと、駆動時のプルイン電圧を低電圧化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械スイッチに関し、特に、デジタルテレビ放送、携帯電話及び無線ＬＡＮ等の移動体通信端末の高周波回路において高周波信号の切り替えを行うために使用されるスイッチ、フィルタと通信機器に関するものである。

従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、メンブレン状や棒状の可動体を両持ちや片持ちにし、それらを電極へ接触させたり離したりすることにより、信号の伝搬経路を切り替える機械スイッチである。メンブレンや可動体の駆動力源は静電力のものが多いが、磁気力のものも発表されている。

従来、大きさが数１００μｍ程度の微細なスイッチとして、非特許文献１ に記載されているものが知られている。図２２に非特許文献１ に記載されている従来のスイッチの構成を示す。図２２（ａ）は、従来のスイッチの構成を示す断面図であり、図２２（ｂ）は、従来のスイッチの構成を示す平面図である。図２２（ａ）は、図２２（ｂ）のＡ−Ａ´線断面図である。このスイッチは、メンブレン上に、高周波信号が伝達される信号ライン１を形成し、当該信号ライン１の直下に制御電極３を設けている。

制御電極３に直流電位を印加すると、メンブレンが制御電極３側に静電引力により引き付けられ、撓み、基板２上に形成されている接地電極４と接触することにより、メンブレンに形成されている信号ライン１は短絡状態となり、信号ライン１を流れる信号は減衰され、遮断される。

これに対して、制御電極３に直流電位を印加しなければ、メンブレンは撓まず、当該メンブレン上の信号ライン１を流れる信号は、接地電極４から損失することなく、スイッチを通過する。

ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ８，Ａｕｇｕｓｔ ２００１ ｐ３３４

電気機械スイッチの特性としては、スイッチング動作に必要なプルイン電圧の低電圧化と、スイッチのオフ時でのアイソレーションの確保が必要である。
しかしながら、従来の電気機械スイッチでは、アイソレーション確保のため、ギャップを大きくして大変位となるような構成とした場合、スイッチング動作に必要なプルイン電圧が高電圧化するなどの課題を有していた。また、プルイン電圧を低電圧化するためにギャップを構成とした場合、オフ時のアイソレーションが低下するなどの課題を有し、低電力駆動とアイソレーション特性とはトレードオフの関係となっていた。

そこで本発明は、従来の問題点を解決し、低電圧駆動と高アイソレーションを両立する電気機械スイッチを提供することを目的とする。
また、本発明の電気機械スイッチを用いたフィルタ、及び通信機器により、小型、低損失、高アイソレーション特性を実現することを目的とする。

前述の目的を達成するため、本発明は、駆動部と接点部を分離した構造を有した電気機械スイッチと、それを用いたフィルタ、通信機器とする。
そこで本発明の電気機械スイッチは、駆動部を構成する第１の梁と、前記第１の梁に対して結合部を介して並置された接点部としての第２の梁と、前記第１の梁に対して第１のギャップを介して形成された、駆動電極としての第１の電極と、前記第1の梁と前記第1の電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、前記第２の梁に対して第２のギャップを介して形成された、接点電極としての第２の電極とを具備し、前記第1の梁と前記第1の電極との間に電圧を印加することで、前記第1の梁を変位させ、前記第1の梁と前記第1の電極とが電気的に非接触な状態で、前記第2の梁と前記前記第２の電極との間でスイッチングを行なうように構成され、前記第２のギャップが、前記第１のギャップよりも大きくなるように構成されている。

この構成により、前記第1の梁と前記第1の電極との間に電圧を印加することで、前記第1の梁を変位させ、駆動部に発生した変位を、結合部を介して接点部に伝え、接点部を変位させることでスイッチングを行う。その結果、駆動部と接点部で異なるギャップを形成することができ、オフ時の電気的なアイソレーションと、駆動時のプルイン電圧を低電圧化することができる。
また、この構成では、駆動部と接点部とが同一面上にないことから、アイソレーションが容易である。また低電圧駆動が可能となる。静電方式あるいは圧電方式で駆動する場合には、駆動に必要な電界は、この第1の梁と第1の電極に集中するため、携帯電話などの小型の通信機器に使用する場合にも、周辺回路に電界による悪影響を与えることがない。また、静電方式あるいは圧電方式で駆動する場合には、電圧の印加のみで、電流の発生がないためアクチュエーションによる電力消費がない。
また、静電方式では、標準的なＣＭＯＳプロセスのみで製造することができる。そして駆動電極である第1の電極と接点電極である第2の電極は同一材料で形成されるため、製造が容易であるだけでなく、静電力は第1の電極だけでなく、接点電極である第2の電極に対しても作用し、より低電圧での駆動が可能となる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１および第２の電極は、基板上に形成され、前記第１の電極と第１の梁との間に電圧を印加することで前記第１および前記第２の電極間生起せしめられる引力によって前記第１の梁を変位させ、前記第１の梁の変位を、前記結合部を介して前記第２の梁に伝達することで、前記第２の梁を変位させ、第２の梁を前記第２の電極に接触し、電気信号のオン、オフのスイッチングを行うようにした電気機械スイッチを形成したものを含む。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記駆動部は静電力により変位するものを含む。
この構成では、駆動に必要な電界は、この第1の梁と第1の電極に集中するため、携帯電話などの小型の通信機器に使用する場合にも、周辺回路に電界による悪影響を与えることがない。また、電圧の印加のみで、電流の発生がないためアクチュエーションによる電力消費がない。また、静電方式では、標準的なＣＭＯＳプロセスのみで製造することができる。さらに、駆動電極である第1の電極と接点電極である第２の電極は同一材料で形成されるため、製造が容易であるだけでなく、静電力は第1の電極だけでなく、接点電極である第2の電極に対しても作用し、より低電圧での駆動が可能となる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１の電極の表面を被覆する絶縁膜を具備したものを含む。
この構成により、第１および第３の電極の表面の高さを変化させなくても、絶縁膜の厚み分ギャップの大きさを小さくすることができ、ＭＥＭＳプロセスでの形成が容易となる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１および第２の電極は、同一平面上に形成されたものを含む。
この構成により、ＭＥＭＳプロセスにおける製造工数の低減をはかることができ、製造が容易であり、第１および第３の電極の表面の高さを変化させなくても、絶縁膜の厚み分ギャップの大きさを小さくすることができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第２の電極は、前記第１の電極よりも表面の高さが低くなるように形成されたものを含む。
この構成により、より確実にオフ時のアイソレーションを維持することができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、両持ち梁と片持ち梁が結合部で結合された構造であり、前記第１の梁は両持ち梁であり、前記第２の梁は片持ち梁であるものを含む。
この構成により、両持ち梁は変位を発生させる駆動部であり、片持ち梁は電気信号をオン、オフする接点部となる。この電気機械スイッチでは、駆動部で発生した変位は結合部を介して接点部で変位を拡大して動作を行うことができるため、駆動部と接点部のギャップを異ならせた場合においてもスイッチングを行うことができる。また、駆動部で発生した小変位を接点部で拡大することで、より小さな歪で駆動を行うことができ、機械的な信頼性も向上することができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１および第２の梁は片持ち梁であり、２つの片持ち梁が結合部で結合された構造であるものを含む。
この構成により、第２の梁の長さを第１の梁の長さよりも大きくすることで、より小さな歪で駆動を行うことができ、機械的な信頼性も向上することができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１および第２の梁は両持ち梁であり、両持ち梁が結合部で結合された構造であるものを含む。
この構成により、より安定した駆動を実現することができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１または第２の梁は複数の梁で構成されたものを含む。
この構成により、複数の両持ち梁と複数の片持ち梁が複数の結合部で結合された構造が形成される。このとき、複数の両持ち梁は変位を発生させる駆動部であり、複数の片持ち梁は電気信号をオン、オフする接点部となる。このように構成された電気機械スイッチでは、駆動部で発生した変位は結合部を介して接点部で変位を拡大して動作を行うことができるため、駆動部と接点部のギャップを異ならせた場合においてもスイッチングを行うことができる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記第１の梁と第２の梁とは機械的共振周波数が異なるものを含む。
この構成により、第２の梁の方が小さな力で大きな変位を実現しうるようにすることができることから、駆動部で発生した変位を効率よく接点部に伝搬することができる。

また、本発明の他の電気機械スイッチでは、結合部は構造体の長さの最大１／２となるように構成されている。
この構成により、変位を拡大することが可能となる。

また、本発明の他の電気機械スイッチでは、結合部は構造体の長さの１／４となるように構成されている。
この構成により、駆動部で発生した変位を効率よく接点部に伝搬することができ、変位拡大の効果は最大となる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記駆動部は圧電効果により変位するものを含む。
この構成では、駆動に必要な電界は、この第1の梁と第1の電極との間に集中するため、携帯電話などの小型の通信機器に使用する場合にも、周辺回路に電界による悪影響を与えることがない。また、電圧の印加のみで、電流の発生がないためアクチュエーションによる電力消費がない。また、ＡｌＮやＰＺＴなどの圧電薄膜を除いては、標準的なＣＭＯＳプロセスのみで製造することができる。さらに、駆動電極である第1の電極と接点電極である第２の電極は同一材料で形成されるため、製造が容易である。また、圧電効果は第1の電極だけでなく、接点電極である第2の電極に対しても作用し、より低電圧での駆動が可能となる。

また本発明では、上記電気機械スイッチにおいて、前記駆動部は静電効果と圧電効果との両方により変位するものを含む。
静電方式は変位が大きい部分に駆動電極を配置することが効果的であり、圧電方式では歪の大きい部分に駆動電極を配置することが効果的であるため、ハイブリッド駆動ではそれぞれの特徴にあわせて駆動部を形成することができる。

また、本発明の他の電気機械スイッチでは、構造体は複数の片持ち梁が複数の前記結合部構造で構成されている。このように構成することで、接点部を両側から駆動することができるため、安定にスイッチングを行うことができる。

本発明のフィルタは、本発明の電気機械スイッチを用いて構成される。このように形成することで、デバイスの小型化、及び低損失化が可能となり、その効果は大きい。

本発明の共用器は、本発明の電気機械スイッチを用いて構成される。このように形成することで、デバイスの小型化、及び低損失化が可能となり、その効果は大きい。

本発明の通信機器は、前述の特徴を持ったフィルタを用いる。その結果、低損失、小型化が容易に実現可能となる。

本発明によれば、電気機械スイッチは、駆動部と接点部を異なる梁に形成することで、駆動電極と第１の梁との間に形成される第１のギャップと、接点電極と第２の梁との間に形成される第２のギャップとを異なるように形成する（第１のギャップ＜第２のギャップ）ことができ、オフ時の高いアイソレーションと、駆動時の高静電力による低電圧駆動が可能となる。また、駆動部に発生した梁の変位を、結合部を通して接点部に伝え、接点部を片持ち梁構造となるように構成、動作させることで、第１のギャップ＜第２のギャップという構成においても、電気的、機械的信頼性の高い電気機械スイッチを実現することができる。

さらに、本発明の電気機械スイッチを用いたフィルタ、通信機器では低損失、小型化を容易に行うことができ、また、複数の通信システムにも少ないスイッチで構成することができるという効果がある。
本発明の構造は、以上の観点から利用上の効果は大きい。

以下、本発明に係る電気機械スイッチを図面に示した幾つかの好ましい実施の形態を参照して、更に詳細に説明する。
（実施の形態１）

実施の形態１について、図１、及び図２を参照して説明する。
図１は、実施の形態１にかかる電気機械スイッチとしてのマイクロマシンスイッチを示す図であり、図１（ａ）は、同電気機械スイッチの斜視図、図１（ｂ）は電気機械スイッチのＡ−Ａにおける断面図、図１（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図である。
図２は、実施の形態１にかかる電気機械スイッチのオン状態およびオフ状態の断面図を示している。図２（ａ）および図２（ｂ）は、スイッチがオフ状態にあるときの断面図であり、図１（ｂ）および図１（ｃ）に対応している。図２（ｃ）および図２（ｄ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図であり、それぞれ、図２（ａ）および図２（ｂ）における第１および第２の梁が変位したときの図である。

この電気機械スイッチは、シリコン基板を構成材料としＭＥＭＳプロセスによって形成されたもので、駆動部を構成する２本の両持ち梁からなる第１の梁１０６で、接点部１０７を構成する片持ち梁からなる第２の梁を挟むように、第１および第２の梁を並置するとともに、前記第１の梁１０６に対して第１のギャップを介して形成された、駆動電極１０５としての第１の電極と、前記第２の梁1０７に対して第２のギャップを介して形成された、配線電極（接点電極）１０３としての第２の電極とを備え、前記第２のギャップが、前記第１のギャップよりも大きくなるように構成されている。以下図１に示す１０３は配線電極とするが、第２の梁との当接する接点すなわち接点電極とその周辺配線とを含めて配線電極というものとする。

図１（ａ）を参照して、１０１はマイクロマシンデバイスの構成要素を組み込むための基板である。基板材料としてはシリコン、ガリウム砒素、ＳｉＣ等を使用することができる。基板１０１上に構造体１０８を所定のギャップを隔てて支持するスペーサとしての支持部１０２が設けられている。構造体１０８にはコの字型のスリットが設けられて、駆動部を構成する第１の梁１０６と接点部を構成する第２の梁１０７に分離された形状となり、駆動部を構成する第１の梁１０６は両持ち梁、接点部を構成する第２の梁１０７は片持ち梁構造となる。接点部を構成する第２の梁１０７は、駆動部を構成する第１の梁１０６の変位を、結合部１０９を介して伝達せしめられて変位し、基板１０１に形成された配線電極１０３と電気的に接続されることで、スイッチングを行う。このとき、駆動部を構成する第１の梁１０６と第１の電極との間のギャップが、接点部を構成する第２の梁１０７と第２の電極との間のギャップよりも小さく形成されているため、電気的に接続されるまでの変位量が駆動部を構成する第１の梁１０６の変位よりも大きい。

また、駆動部を構成する第１の梁１０６の下方であって、基板１０１上に駆動電極１０５が形成されており、駆動部を構成する第１の梁１０６と駆動電極１０５間に電圧を印加することで静電力を発生し梁が変位を行う。また、接点部を構成する第２の梁１０６が梁の幅方向に対して対称に変位を行うために、駆動部を構成する第１の梁１０６は、接点部を構成する第２の梁１０７の両側に構成されている。このとき、駆動部を構成する第１の梁１０６と駆動電極１０５が電気的に接続しないように駆動電極１０５は酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０４で覆われており、この絶縁膜１０４を容量絶縁膜として静電力を生起するようになっている。ここで駆動電極と配線電極１０３とは同一表面を構成している。そして絶縁膜１０４の膜厚は２００ｎｍ〜数μm程度であり、この絶縁膜１０４の厚さ分で第１および第２のギャップ差が形成されている。

以上のように構成された電気機械スイッチの動作を説明する。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように接点部１０７が配線電極１０３と離間した位置にあるとき、スイッチはオフ状態となる。駆動部を構成する第１の梁１０６と駆動電極１０５の間に電界を印加すると静電力により駆動部を構成する第１の梁１０６は変位する。このとき図２（ｃ）に示すように駆動部を構成する第１の梁１０６が変位することで、接点部を構成する第２の梁１０７を下方に変位させることができる。このように、接点部を構成する第２の梁１０７が変位し、配線電極１０３と接続されることによりスイッチはオン状態となる（図２（ｄ））。

以上のように構成することで、駆動部と接点部を分離した構造とすることができ、駆動部の変位（力）は結合部１０９を通して接点部に伝え、接点部を変位させることができる。このとき、駆動部は両持ち梁構造であり、接点部は片持ち梁構造であるため、駆動部で発生した小さな変位を拡大して接点部で変位を行うことが可能となり、効果は大きい。

また、駆動部を構成する第１の梁１０６と駆動電極１０５間のギャップは、接点部を構成する第２の梁１０７と配線電極１０３間のギャップに比べて小さく構成する。このように構成することで、スイッチのオン／オフでの電気的なアイソレーションを確保しつつ、スイッチングに必要な駆動電圧を低電圧化、或いはスイッチング速度を高速化できるなど、使用上の効果は大きい。
また、この構成では、駆動に必要な電界は、この第1の梁と第1の電極に集中するため、携帯電話などの小型の通信機器に使用する場合にも、周辺回路に電界による悪影響を与えることがない。さらにまた、この方式で駆動する場合には、電圧の印加のみで、電流の発生がないためアクチュエーションによる電力消費がない。
また、この方式では、標準的なＣＭＯＳプロセスのみで製造することができる。そして駆動電極である第1の電極と接点電極である第2の電極は同一材料で形成されるため、製造が容易であるだけでなく、静電力は第1の電極だけでなく、接点電極である第２の電極に対しても作用し、より低電圧での駆動が可能となる。

なお前記実施の形態１の電気機械スイッチについてさらに説明する。ここではスリットと駆動部および接点部の長さの関係について考察する。図３は本発明の実施の形態１の電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）は電気機械スイッチの斜視図、（ｂ）は、Ａ−Ａの断面図、（ｃ）はＢ−Ｂの断面図である。
ここで、コの字型のスリットＳは、構造体１１８の３／４の領域に形成することが望ましい。これは、支持部１０２に近い領域までスリットＳを形成した場合、支持部１０２の影響により駆動部を構成する第１の梁１１６で発生した変位（歪）を、接点部を構成する第２の梁１１７に十分に伝えることができず、大きな変位を得ることができない。なお図１および２と同一部位には同一符号を付した。

また、図４は本発明の実施の形態１の電気機械スイッチの構造体１２８の中心部付近までのスリットＳとした場合を説明する図である。（ａ）は電気機械スイッチの斜視図、（ｂ）は、Ａ−Ａの断面図、（ｃ）はＢ−Ｂの断面図である。中心部付近までのスリットＳとした場合、駆動部を構成する第１の梁１２６である両持ち梁のたわみ方向の変位が主となり、接点部を構成する第２の梁１２７である片持ち梁の変位は駆動部を構成する第１の梁１２６に律則され、大きな変位を得ることができない。さらには、駆動部と駆動電極間のギャップと接点部と配線電極間のギャップの差により、接点部を構成する第２の梁と配線電極が電気的に接続されないなどの原因となることが考えられる）。第１の梁と第２の梁とは結合部１２９を介して一体的に形成されている。なおここでも図１および２と同一部位には同一符号を付した。

図５に、本発明の実施の形態１の電気機械スイッチの構造体の結合部の長さと、接点部の最大変位量の関係を示す。図５（ａ）は、構造体の長さＬを説明する図であり、図５（ｂ）は、結合部の長さＬと接点部の最大変位の関係を示すグラフである。ここで、駆動部の変位方向と同じ変位方向を正方向としている。このように、結合部の長さが１／２Ｌ以下の範囲で駆動部と同じ方向に変位を行うことができる。また、結合部の長さを１／４Ｌとすることで駆動部の変位を効率よく接点部に伝達し、接点部の変位に変換することができ最大変位を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態では、駆動電極に絶縁層を形成することで、駆動部と駆動電極間のギャップと接点部と配線電極間のギャップを実質的に異なるようにした例を示したが、本実施の形態に限らず基板をエッチングするなどの方法で凹部を形成し、配線電極を形成する部分と駆動電極を形成する部分で段差を設けることでも同様の効果を得ることができることはいうまでも無い（図６、図７）。

図６は、実施の形態１にかかる電気機械スイッチとしての電気機械スイッチの変形例を示す図であり、図６（ａ）は、同電気機械スイッチの斜視図、図６（ｂ）は電気機械スイッチのＡ−Ａにおける断面図、図６（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図（オフ状態）である。

図７は、実施の形態１にかかる電気機械スイッチのオン状態の断面図を示している。図７（ａ）および図７（ｂ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図であり、それぞれ、図２（ｃ）および図２（ｄ）における第１および第２の梁が変位したときの図に相当する。

このように、接点部としての第２の梁１３７との当接部を構成する接点電極を含む配線電極１３３が基板１３１表面に形成された凹部１３９に形成されているため、駆動部と駆動電極間のギャップと接点部と配線電極間のギャップに差をもたせることができる。

また、本実施の形態では、駆動電極を１つ形成した例を示したが、図８に変形例を示すように、基板１４１上で駆動電極を複数に分割して構成しても同様の効果を得られることは言うまでも無い。図８（ａ）および図８（ｂ）は、スイッチがオン状態にあるときの駆動部を構成する第１の梁１４６および接点部を構成する第２の梁１４７の断面図であり、それぞれ、図２（ｃ）および図２（ｄ）における第１および第２の梁が変位したときの図に相当する。さらに、駆動電極１４４が分割された構造にすることにより、電界が複数の領域に均等に印加されるようにすることができる。その結果、駆動部の梁の変位を大きく取ることが可能となり、その効果は非常に大きい（図８）。なお駆動電極１４４表面は絶縁膜１４５で被覆されている。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図９、及び図１０を参照して説明を行う。

図９は、実施の形態２にかかる電気機械スイッチを示す図であり、図９（ａ）は、スイッチの斜視図、図９（ｂ）はスイッチのＡ−Ａにおける断面図、図９（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図である。このとき、実施の形態１と同様スイッチはオフ状態にある。また、図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図を示している。

図９（ａ）に示すように、本実施の形態では駆動部を構成する第１の梁２０６も接点部を構成する第２の梁２０７も片持ち梁で構成したことを特徴とするものである。２０１はこの電気機械スイッチの構成要素を組み込むための基板である。ここでも基板材料としてはシリコン、ガリウム砒素、ＳｉＣ等を使用することができる。基板２０１上に構造体２０８を支持する支持部２０２が設けられている。構造体２０８には、１つの一番長い梁（２０７）の両側に短い梁（２０６）が２つ形成されており、３つの梁を連結した構造となっている。２つの短い梁が駆動部を構成する第１の梁２０６、１つの長い梁が接点部を構成する第２の梁２０７を構成しており、それぞれ結合部２０９により結合される。接点部を構成する第２の梁２０７は、基板２０１に形成された配線電極２０３と電気的に接続されることで、スイッチングを行う。また、駆動部を構成する第１の梁２０６の下方であって、基板２０１上に駆動電極２０５が形成されており、駆動部を構成する第１の梁２０６と駆動電極２０５間に電圧を印加することで静電力を発生し梁が変位を行う。駆動部を構成する第１の梁２０６は、接点部を構成する第２の梁２０７の両側に構成することで、駆動部を構成する第１の梁２０６からの変位（歪）を、接点部を構成する第２の梁２０７に対称に伝えている。このとき、駆動部を構成する第１の梁２０６と駆動電極２０５が電気的に接続しないように駆動電極２０５は絶縁膜２０４で覆われており、この絶縁膜２０４を容量絶縁膜として静電力を生起するようになっている。

本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、駆動部を構成する第１の梁２０６が両持ち梁構造ではなく、片持ち梁構造として形成されている点である。
以上のように構成された電気機械スイッチの動作を説明する。
まず、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように接点部を構成する第２の梁２０７が配線電極２０３と離間した位置にあるとき、スイッチはオフ状態となる。駆動部を構成する第１の梁２０６と駆動電極２０５の間に電界を印加すると静電力により駆動部を構成する第１の梁２０６は変位を生じる。このとき図１０（ａ）に示すように変位させることで接点部を構成する第２の梁２０７を下方に変位させることができる。接点部を構成する第２の梁２０７が変位し、配線電極２０３と接触することによりスイッチはオン状態となる（図１０（ｂ））。

以上のように構成することで、駆動部と接点部を分離した構造とすることができ、駆動部の変位（歪）は結合部を通して接点部に伝え、接点部を変位させることができる。このとき、駆動部と接点部の梁の長さが異なるため、駆動部で発生した小さな変位を拡大して接点部で変位を行うことが可能となる。つまり、駆動部と駆動電極間のギャップ１と接点部と配線電極間のギャップ２を異ならせた場合、例えばギャップ１＜ギャップ２、においても、駆動部で発生した変位を拡大して接点部で変位を行うことができ、その効果は大きい。
（実施の形態３）

実施の形態３について、図１１を参照しつつ説明する。
図１１は、実施の形態３にかかる電気機械スイッチを示す斜視図である。図１１は、実施の形態１にかかる電気機械スイッチの切替可能な構造を示している。

本実施の形態において、実施の形態１、実施の形態２と異なる点は、駆動部３０６が３箇所、接点部３０７が２箇所で形成されている点であり、その他、動作原理については同様である。
このように形成することにより、２つの信号を切り替えて使用することが可能となる。また、複数信号の切替を行う場合は、切替の数だけ接点部を形成（駆動部もそれに応じて複数形成が必要）することで可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４について、図１２を参照しつつ説明する。
図１２は、実施の形態４にかかる電気機械スイッチを示す斜視図である。図１２は、実施の形態２にかかる電気機械スイッチの切替可能な構造を示している。

本実施の形態においても、実施の形態２と異なる点は、駆動部３１６が３箇所、接点部３１７が２箇所で形成されている点であり、その他、動作原理については同様である。
このように形成することにより、２つの信号を切り替えて使用することが可能となる。また、複数信号の切替を行う場合は、切替の数だけ接点部を形成（駆動部もそれに応じて複数形成が必要）することで可能となる。

（実施の形態５）
実施の形態５について、図１３を参照しつつ説明する。
図１３は、実施の形態５にかかる電気機械スイッチを示す図であり、図１３（ａ）は、スイッチの斜視図、図１３（ｂ）はスイッチのＡ−Ａにおける断面図、図１３（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図である。このとき、実施の形態１と同様スイッチはオフ状態にある。また、図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図を示している。

なお、前記実施の形態１では、接点部を構成する第２の梁は片持ち梁であったのに対し、本実施の形態では接点部を構成する第２の梁１５７を両持ち梁で構成した点で異なるものである。また本実施の形態では、接点部を構成する第２の梁１５７に対向する第２の電極は、基板表面に形成された凹部１５９に形成され、第２の梁と第２の電極との間に形成される第２のギャップが、第１の電極と駆動部とで形成される第１のギャップよりも大きくなっている。

すなわち、この電気機械スイッチは、前記実施の形態１乃至４と同様、シリコン基板１５１を構成材料としＭＥＭＳプロセスによって形成されたもので、駆動部を構成する２本の両持ち梁からなる第１の梁１５６で、接点部を構成する両持ち梁からなる第２の梁１５７を挟むように、第１および第２の梁を並置するとともに、前記第１の梁１５６に対して第１のギャップを介して形成された、駆動電極としての第１の電極１５５と、前記第２の梁１５７に対して第２のギャップを介して形成された、配線電極としての第２の電極１５３とを備え、前記第２のギャップが、前記第１のギャップよりも大きくなるように構成されている。

以上のように構成された電気機械スイッチの動作を説明する。
図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すように接点部を構成する第２の梁１５７が配線電極１５３と離間した位置にあるとき、スイッチはオフ状態となる。駆動部を構成する第１の梁１５６と駆動電極１５５の間に電界を印加すると静電力により図１４（ａ）に示すように駆動部を構成する第１の梁１５６は変位する。この要に駆動部を構成する第１の梁１５６が変位することで接点部を構成する第２の梁１５７を下方に変位させることができる。接点部を構成する第２の梁１５７が変位し、配線電極１５３と接続されることによりスイッチはオン状態となる（図１４（ｂ））。

以上のように構成することで、駆動部と接点部を分離した構造とすることができ、駆動部の変位（歪）は結合部１５９を通して接点部に伝え、接点部を変位させることができる。このとき、駆動部および接点部は両持ち梁構造であるため、より安定な動作が確保される。また、両側の２本の梁で構成された駆動部で発生した小さな変位を拡大して、接点部に伝達し接点部で大きな変位を生じさせることが可能となる。

また、駆動部を構成する第１の梁１５６と駆動電極１５５間のギャップは、接点部１５７と配線電極１５３間のギャップに比べて小さく構成する。このように構成することで、スイッチのオン／オフでの電気的なアイソレーションを確保しつつ、スイッチングに必要な駆動電圧を低電圧化、或いはスイッチング速度を高速化できるなど、使用上の効果は大きい。

（実施の形態６）
実施の形態６について、図１５を参照しつつ説明する。
図１５は、実施の形態６にかかる電気機械スイッチを示す図であり、図１５（ａ）は、スイッチの斜視図、図１５（ｂ）はスイッチのＡ−Ａにおける断面図、図１５（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図である。このとき、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図を示している。
ここでは、電極への給電方法を示すもので本実施の形態では、構造体の形成後、最後に、駆動部を構成する第１の梁１０６と接点部１０７との上層にアルミニウム配線パターンなどで配線電極１１３を形成したものである。
この構成により、容易に通電が可能である。

（実施の形態７）
実施の形態７について、図１６を参照しつつ説明する。
図１６は、実施の形態７にかかる電気機械スイッチを示す図であり、図１６（ａ）は、スイッチの斜視図、図１６（ｂ）はスイッチのＡ−Ａにおける断面図、図１６（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂにおける断面図である。このとき、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）は、スイッチがオン状態にあるときの断面図を示している。
ここでは、電極への給電方法を示すもので本実施の形態では、配線電極１０３の形成と同時に形成するとともに支持体１０２をドープトポリシリコンなどの導電性材料で構成したものである。
この構成によれば、通電部の形成工程が配線電極の形成工程と同時に形成され、製造工数の簡略化を図ることができる。

（実施の形態８）
次に本発明の実施の形態８について、図１7および図１８を参照して説明する。
図１７は、実施の形態８にかかる電気機械スイッチとしてのマイクロマシンスイッチを示す図であり、図１７（ａ）は、同電気機械スイッチの斜視図、図１７（ｂ）は電気機械スイッチのＡ−Ａ断面におけるオフ状態を示す断面図、図１７（ｃ）はスイッチのＢ−Ｂ断面におけるオフ状態を示す断面図である。また、図１８（ａ）は電気機械スイッチのＡ−Ａ断面におけるオン状態を示す断面図、図１８（ｂ）はスイッチのＢ−Ｂ断面におけるオン状態を示す断面図である。

本実施の形態の電気機械スイッチにおいて、実施の形態１と異なる点は、第1および第2の梁１０６，１０７をそれぞれ、電極１０６ｅ，１０７ｅで圧電薄膜１０６Ｐ，１０７Ｐを挟み、静電力による駆動だけでなく、圧電効果による駆動を行っている点である。
図１７（ａ）を参照して、１０１はマイクロマシンデバイスの構成要素を組み込むための基板である。基板材料としてはシリコン、ガリウム砒素、ＳｉＣ等を使用することができる。基板１０１上に構造体１０８を所定のギャップを隔てて支持するスペーサとしての支持部１０２が設けられている。構造体１０８については、圧電薄膜の上下面に電極となる金属薄膜を配置して構成される。また、構造体１０８にはコの字型のスリットが設けられて、駆動部を構成する第１の梁１０６と接点部を構成する第２の梁１０７に分離された形状となり、駆動部を構成する第１の梁１０６は両持ち梁、接点部を構成する第２の梁１０７は片持ち梁構造となる。接点部を構成する第２の梁１０７は、駆動部を構成する第１の梁１０６の変位を、結合部１０９を介して伝達せしめられて変位し、基板１０１に形成された配線電極１０３と電気的に接続されることで、スイッチングを行う。このとき、駆動部を構成する第１の梁１０６と第１の電極との間のギャップが、接点部を構成する第２の梁１０７と第２の電極との間のギャップよりも小さく形成されて入るため、電気的に接続されるまでの変位量が駆動部を構成する第１の梁１０６の変位よりも大きい。

また、駆動部を構成する第１の梁１０６の下方であって、基板１０１上に駆動電極１０５が形成されており、駆動部を構成する第１の梁１０６と駆動電極１０５間に電圧を印加することで静電力を発生する。さらに本実施の形態では、圧電薄膜の上下面に配置された電極間に電圧を印加することで圧電効果による歪を発生する。静電力と圧電効果による歪により梁が変位を行う。
電気機械スイッチのオン・オフ動作については、実施の形態１と同様である。
以上のように電気機械スイッチを構成、配置することで実施の形態１で示した効果に加え、静電力のみで駆動を行うよりも低電圧、高速に動作することが可能となる。

(実施の形態９)
図１９は、実施の形態９にかかるフィルタの構成を示す図である。図１９では、電気機械スイッチと圧電薄膜共振器フィルタとで構成された周波数切り替えフィルタの例を示す。

圧電薄膜共振器４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃが端子４０７ａと端子４０１ａの間に直列に接続される。圧電薄膜共振器４０２ａと４０２ｂの接続点と接地電位、および圧電薄膜共振器４０２ｂと４０２ｃの接続点と接地電位の間に圧電薄膜共振器４０３ａ、および４０３ｂが接続される。同様に、圧電薄膜共振器４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃが端子４０７ｂと端子４０１ｂの間に直列に接続される。圧電薄膜共振器４０５ａと４０５ｂの接続点と接地電位、および圧電薄膜共振器４０５ｂと４０５ｃの接続点と接地電位の間に圧電薄膜共振器４０６ａ、および４０６ｂが接続される。

端子４０７ａ、４０７ｂはそれぞれ、電気機械スイッチ４０４の異なる端子に接続される。また、電気機械スイッチ４０４の他の端子が端子４０８に接続される。

次に、動作について説明を行う。
電気機械スイッチ４０４は実施の形態３で示した電気機械スイッチと同一の動作を行い、配線電極が２つ配置されてなる。スイッチングにより端子４０７ａ、あるいは４０７ｂと端子４０８を接続する。端子４０８と端子４０７ａが接続された場合、信号は端子４０８と端子４０１ａを通過することとなる。逆に、端子４０８と端子４０７ｂが接続された場合、信号は端子４０８と端子４０１ｂを通過することとなる。

このとき、例えば圧電薄膜共振器４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０３ａ、４０３ｂで構成されるフィルタと圧電薄膜共振器４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０６ａ、４０６ｂで構成されるフィルタの周波数特性を異ならせることで、複数の周波数帯に対応した周波数可変フィルタを実現することが可能となる。
また、本実施の形態では圧電薄膜共振器で構成されたフィルタの例を示したが、４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０３ａ、４０３ｂを、弾性表面波フィルタで構成しても同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。

（実施の形態１０）
図２０は、実施の形態１０にかかる共用器の構成を示す図である。複数のフィルタ（２組の送信フィルタ５０１ａ、５０１ｂ、受信フィルタ５０２ａ、５０２ｂ）と、移相回路５０５、５０６で構成することで、周波数可変の共用器を実現することも可能である。５０３ａ、５０３ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、５０８ａ、５０８ｂ、５０９ａ、５０９ｂは各ノードを示す。
このように構成することで、スイッチを複数並べる必要が無いため小型化可能であるだけでなく、個別にスイッチを実装するよりも低損失な共用器を実現することができる。これは、以下のような理由による。

無線通信機器等で扱う信号は周波数が数百ＭＨｚから数ＧＨｚに及ぶ、そのため、浮遊容量および、配線の引き回し等により損失が増大する。しかしならが、本実施の形態に示すように、駆動部と接点部を分離したスイッチ構成とすることで、オフ時のアイソレーションを確保することができ、低損失化が可能となる。さらに、駆動部のギャップ１を狭ギャップとすることで駆動時の電圧を低電圧化することができ、高速応答も可能となる。

なお、本実施の形態では電気機械スイッチと、送信フィルタ、受信フィルタを構成した例を示したが、電気機械スイッチと複数の送信フィルタのみの構成、あるいは電気機械スイッチと複数の受信フィルタのみの構成でも同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。

また、本実施の形態では周波数帯の異なるフィルタを組み合わせて周波数可変の共用器の例を示したが、インピーダンスの異なるフィルタを組み合わせることで、インピーダンス可変共用器を実現することができることは言うまでも無い。

（実施の形態１１）
図２１は、実施の形態１０にかかる通信機器の構成を示す図である。
図２１を参照して、６０４は実施の形態９で示した共用器である。この装置は、アンテナ６０５ａ、６０５ｂと、２つの周波数信号を切り替えるための電気機械スイッチと、圧電薄膜共振器フィルタとで構成される共用器６０４と他の回路部品により構成される。このような構成によって、小型、低損失な通信機器を実現することができる。

なお、前記実施の形態では、第１および第２の梁に対して電極を設けていないが、これら第１および第２の梁に対してアルミニウムなどの金属電極を形成することでより抵抗損失を低減することができる。また第１および第２のギャップの差を、これら梁に形成する電極の厚さの差、あるいは電極の有無によって形成してもよい。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る電気機械スイッチは、駆動部と接点部を分離して並置した構成であり、駆動部で発生した変位を、結合部を介して接点部に伝えることによりスイッチングを行う。さらに、駆動部と接点部のギャップを異ならせることが可能であり、アイソレーションを確保しつつ、高速駆動が可能である。そのため、信号伝達時の伝達効率並びに切断時の絶縁性、または信号の接続切断の高速な動作が要求される高周波回路等のスイッチとして有用である。

また、本発明に係る電気機械スイッチを利用したフィルタ、通信機器は、高速応答、および低損失な特性を得られるだけでなく、複数のフィルタ、及び通信システムの切り替えるスイッチとして有用である。

以上説明してきたように、本発明の電気機械スイッチとそれを用いたフィルタ、および通信機器は、デジタルテレビ放送、携帯電話及び無線ＬＡＮ等の移動体通信端末の高周波回路において大変有用である。

本発明の実施の形態１に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 図１に記載の電気機械スイッチの動作を示す図である。（ａ）（ｂ）オフ状態の断面図である。（ｃ）（ｄ）オン状態の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）構造体の長さを説明する図である、（ｂ）結合部の長さと接点部の変位を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る他の電気機械スイッチを示す図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）オフ状態でのＡ−Ａの断面図である、（ｃ）オフ状態でのＢ−Ｂの断面図である。 図５に示す電気機械スイッチを示す図である。（ａ）オン状態でのＡ−Ａの断面図である。（ｂ）オン状態でのＢ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る他の電気機械スイッチを示す図である。（ａ）オン状態でのＡ−Ａの断面図である、（ｂ）オン状態でのＢ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）オフ状態でのＡ−Ａの断面図である、（ｃ）オフ状態でのＢ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）オン状態でのＡ−Ａの断面図である、（ｂ）オン状態でのＢ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電気機械スイッチを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る電気機械スイッチを示す図である。 本発明の実施の形態５に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である。（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 図１３に記載の電気機械スイッチの動作を示す図である。（ａ）オフ状態の断面図である、（ｂ）オン状態の断面図である。 本発明の実施の形態６に係る電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態７に係る電気機械スイッチのスリットの位置を説明する図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面図である、（ｃ）Ｂ−Ｂの断面図である。 本発明の実施の形態８に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）電気機械スイッチの斜視図である、（ｂ）Ａ−Ａの断面におけるオフ状態の断面図である。（ｃ）Ｂ−Ｂの断面におけるオフ状態の断面図である。 本発明の実施の形態８に係る電気機械スイッチを示す図である。（ａ）Ａ−Ａの断面におけるオン状態の断面図である、（ｂ）Ｂ−Ｂの断面におけるオン状態の断面図である。 本発明の実施の形態９に係るフィルタのブロック図である。 本発明の実施の形態１０に係る共用器のブロック図である。 本発明の実施の形態１１に係る通信機器のブロック図である。 従来の電気機械スイッチを説明する図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 支持体
１０３ 配線電極（接点電極・第２の電極）
１０４ 絶縁膜
１０５ 駆動電極（第１の電極）
１０６ 駆動部(第１の梁)
１０７ 接点部(第２の梁)
１０８ 構造体

Claims (18)

1. 駆動部を構成する第１の梁と、
   前記第１の梁に対して結合部を介して並置され、接点部を構成する第２の梁と、
   前記第１の梁に対して第１のギャップを介して形成された、駆動電極としての第１の電極と、
   前記第1の梁と前記第1の電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
   前記第２の梁に対して第２のギャップを介して形成された、接点電極としての第２の電極とを具備し、
   前記第1の梁と前記第1の電極との間に電圧を印加することで、前記第1の梁を変位させ、前記第1の梁と前記第1の電極とが電気的に非接触な状態で、前記第2の梁と前記前記第２の電極との間でスイッチングを行なうように構成され、
   前記第２のギャップが、前記第１のギャップよりも大きい電気機械スイッチ。
2. 請求項１に記載の電気機械スイッチであって、
   前記第１および第２の電極は、基板上に形成され、
   前記電圧印加部によって前記第１の電極と第１の梁との間に電圧を印加することで前記第１の電極と前記第１の梁との間に生起せしめられる引力によって前記第１の梁を変位させ、駆動部としての前記第１の梁の変位を、前記結合部を介して前記第２の梁に伝達することで、
   接点部としての前記第２の梁を変位させ、第２の梁を前記第２の電極に接触し、
   電気信号のオン、オフのスイッチングを行うようにした電気機械スイッチ。
3. 請求項1または２に記載の電気機械スイッチであって、
   前記駆動部は静電力により変位する電気機械スイッチ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   前記第１の電極の表面を被覆する絶縁膜を具備した電気機械スイッチ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   前記第１および第２の電極は、同一平面上に形成された電気機械スイッチ。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   前記第２の電極は、前記第１の電極よりも表面の高さが低くなるように形成された電気機械スイッチ。
7. 請求項1乃至６のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   両持ち梁と片持ち梁が結合部で結合された構造であり、
   前記第１の梁は両持ち梁であり、
   前記第２の梁は片持ち梁である電気機械スイッチ。
8. 請求項1乃至６のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   前記第１および第２の梁は片持ち梁であり、
   ２つの片持ち梁が結合部で結合された構造である電気機械スイッチ。
9. 請求項1乃至６のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
   前記第１および第２の梁は両持ち梁であり、
   両持ち梁が結合部で結合された構造である電気機械スイッチ。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
    前記第１または第２の梁は複数の梁で構成された電気機械スイッチ。
11. 請求項1乃至１０のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
    前記第１の梁と第２の梁とは機械的共振周波数が異なる電気機械スイッチ。
12. 請求項１に記載の電気機械スイッチであって、
    前記結合部の長さは、前記構造体の最大１／２となる電気機械スイッチ。
13. 請求項１に記載の電気機械スイッチであって、
    前記結合部の長さは、前記構造体の１／４となる電気機械スイッチ。
14. 請求項1、２、４乃至１３のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
    前記駆動部は圧電効果により変位する電気機械スイッチ。
15. 請求項1、２、４乃至１３のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
    前記駆動部は静電効果と圧電効果との両方により変位する電気機械スイッチ。
16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載の電気機械スイッチを用いて構成されたことを特徴とするフィルタ。
17. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載の電気機械スイッチを用いて構成された共用器。
18. 請求項１７に記載の共用器を用いて構成された通信機器。

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