JP2009238546A - 微小電気機械スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】固定接点と可動接点とを均等な接圧で接触させることができる微小電気機械スイッチを提供することにある。
【解決手段】微小電気機械スイッチは、厚み方向の一面側に可動接点２が設けられた台部１０および可撓性を有し台部１０をベース基板５上に支持する３本のアーム部１１を有した可動接点支持台１と、台部１０の上記一面側において可動接点２に対向配置された一対の固定接点３と、３本のアーム部１１それぞれに設けられ台部１０の可動接点２が一対の固定接点３の両方に接触する形にアーム部１１を変形させる３つのアクチュエータ４とを備え、３本のアーム部１１は、いずれも同じ形状を有し、台部１０の厚み方向に直交する面内において可動接点２を中心とする円Ｃの径方向に沿う形に配置され、上記面内において隣接するアーム部１１間の角度θはいずれも等しく１２０度である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳスイッチやＮＥＭＳスイッチなどの微小電気機械スイッチに関するものである。

従来から、ＭＥＭＳスイッチや、ＮＥＭＳスイッチなどの微小電気機械スイッチが種々提案されている。この種の微小電気機械スイッチとしては、特許文献１に示すような高周波信号伝送用の静電マイクロリレーが挙げられる。

特許文献１に示すものは、図９に示すように、ガラス基板１１０の上面に固定電極１２０と２本の信号線１３０とをそれぞれ設けてなる固定基板１００と、当該固定基板１００に一体化された可動基板２００とで構成される。可動基板２００は、２つのアンカ２１０により第１弾性支持部２２０を介して２つの可動電極２３０を弾性支持し、その中央部に第２弾性支持部２４０を介して可動接点部２５０を弾性支持する構成である。可動接点部２５０における固定基板１００との対向面には絶縁膜２６０を介して可動接点２７０が形成される。

上記の静電マイクロリレーは、いわゆる常開型のリレーであって、通常時は可動接点２７０と２本の信号線１３０とが非接触であり、２本の信号線１３０間が遮断されている。このリレーを駆動するにあたっては、可動基板２００の可動電極２３０と固定基板１００に形成された固定電極１２０との間に所定の駆動電圧を印加する。これによって、可動電極２３０と固定電極１２０との間に静電引力（クーロン引力）が発生し、２つの可動電極２３０それぞれが固定基板１００側に移動し、また可動電極２３０の移動に伴って可動接点２７０も固定基板１００側に移動する。その結果、可動接点２７０が２本の信号線１３０の両方に接触して、２本の信号線１３０間が導通される。
特許第３８５２２２４号公報

上述したように特許文献１に示す静電マイクロリレーでは、可動接点２７０の両側それぞれに設けた可動電極２３０が固定基板１００側に移動することによって、可動接点２７０が固定基板１００側に移動する。そのため、一方の可動電極２３０に生じる静電引力が、他方の可動電極２３０に生じる静電引力よりも強いときには、可動接点２７０が傾いた状態で固定基板１００側に移動するおそれがある。移動時に可動接点２７０が傾いていると、可動接点２７０と信号線１３０との接圧が均等にならずに、偏りが生じる（例えば、可動接点２７０における信号線１３０との接触部分において、接圧が比較的高い部分と比較的低い部分とが生じる）ことがある。このような接圧の偏りは、高周波特性の悪化や、スティッキングなどの原因になるおそれがある。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、固定接点と可動接点とを均等な接圧で接触させることができる微小電気機械スイッチを提供することにある。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明では、厚み方向の一面側に可動接点が設けられた台部および当該台部に一端が連結されるとともに他端がベース基板に固定され台部を上記厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する複数本のアーム部を備えた可動接点支持台と、台部の上記一面側において可動接点に対向配置された一対の固定接点と、各アーム部に設けられ台部の可動接点が一対の固定接点の両方に接触する形に各アーム部を各別に変形させる複数のアクチュエータとを備え、各アーム部は、同じ形状を有し、台部の上記厚み方向に直交する面内において可動接点を中心とする円の径方向に沿う形に配置され、アーム部の数は、３の整数倍であり、上記面内において隣接するアーム部間の角度は、いずれも等しいことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、台部を支持するアーム部は同じ形状であり、台部の厚み方向に直交する面内において可動接点を中心とする円の径方向に沿う形に配置されるとともに当該面内において隣接するアーム部間の角度がいずれも等しく、しかもアーム部の数が３の整数倍であるので、アーム部の変形によって台部に作用するモーメントを、１本ではなく２本以上のアーム部で相殺することができるから、アーム部の数が２つや４つである場合に比べれば、台部の移動時に台部が傾き難くなって（可動接点が傾き難くなって）、固定接点と可動接点とを均等な接圧で接触させることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などを抑制することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記各固定接点とともに上記可動接点に接触されるダミー接点を備え、上記各固定接点およびダミー接点それぞれの上記可動接点との対向面は同一平面上に位置し、上記各固定接点およびダミー接点は、上記可動接点との接触部が、上記面内において上記可動接点を中心とする同一円周上に位置し、当該円周上における接触部間の距離はいずれも等しいことを特徴とする。

請求項２の発明によれば、可動接点が一対の固定接点だけではなくダミー接点とも接触するので、一対の固定接点のみと接触する場合に比べれば、可動接点と固定接点との接触状態が安定するから、固定接点と可動接点との接圧をより均等にすることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などをさらに抑制することができる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、上記各固定接点および上記ダミー接点は、上記台部の上記厚み方向において上記各アーム部のいずれとも対向しない形に配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、固定接点またはダミー接点とアーム部に設けたアクチュエータとの容量結合を防止することができる。

請求項４の発明では、請求項１〜３のうちいずれか１項の発明において、上記台部において上記可動接点が形成された部位の周辺部は、断面形状がコルゲート状に形成されていることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、台部が変形し易くなるから、台部を移動させる際にアクチュエータで消費される電力を低減することができる。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、上記周辺部には、上記台部の剛性低下用の空所が形成されていることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、台部の剛性を低減して、台部をより変形させ易くすることができるから、台部を移動させる際にアクチュエータで消費される電力をさらに低減することができる。

請求項６の発明では、請求項１〜３のうちいずれか１項の発明において、上記各アーム部の一端は弾性を有するバネ部を介して上記台部に一体に連結されていることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、台部を移動させる際にアクチュエータで消費される電力を低減することができる。

請求項７の発明では、請求項１〜６のうちいずれか１項の発明において、上記アクチュエータは、上記アーム部における上記固定接点側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記アーム部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記アーム部を変形させることを特徴とする。

請求項７の発明によれば、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータの消費電力を低く抑えながらも台部の変位量を大きくすることができるから、可動接点と固定接点との間隔を広げて信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる。

請求項８の発明では、請求項１〜６のうちいずれか１項の発明において、上記アクチュエータは、上記アーム部における上記固定接点側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極および当該下部電極における上記アーム部側とは反対側に形成された圧電材料部ならびに当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極を備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記アーム部を変形させる主駆動手段と、上記可動接点支持台における上記固定接点側に形成された可動電極および上記台部の厚み方向において当該可動電極と重なる形に配置された固定電極を備え、可動電極と固定電極との間に所定の駆動電圧を印加して可動電極と固定電極との間に静電引力を発生させることで上記台部を上記一対の固定接点側に移動させる副駆動手段とを有していることを特徴とする。

請求項８の発明によれば、アクチュエータが、圧電材料部の変形を利用してアーム部を変形させる主駆動手段と、静電引力を利用してアーム部を変形させる副駆動手段とで構成されているので、主駆動手段により台部を移動させることで、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータの消費電力を低く抑えながらも台部の変位量を大きくすることができるから、可動接点と固定接点との間隔を広げて信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる一方、副駆動手段により可動接点と固定接点との接圧を所望の値に設定することができる。

本発明は、固定接点と可動接点とを均等な接圧で接触させることができるという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、例えば、高周波信号の伝送に使用されるＭＥＭＳスイッチであり、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ベース基板５の一表面側（図１（ｂ）における上面側）に形成された可動接点支持台１を備える。この可動接点支持台１は、厚み方向の一面側（図１（ｂ）における上面側）に可動接点２が設けられた台部１０と、当該台部１０に一端が固定されるとともに他端がベース基板５に固定され台部１０をその厚み方向（図１（ｂ）における上下方向）に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する複数本（本実施形態では３本）のアーム部１１を備える。

さらに、本実施形態の微小電気機械スイッチは、台部１０の上記一面側において可動接点２に対向配置された一対の固定接点３と、３本のアーム部１１それぞれに設けられ台部１０の可動接点２が一対の固定接点３の両方に接触する形にアーム部１１を変形させる３つのアクチュエータ４とを備える。

ベース基板５は、例えば絶縁材料（例えばセラミックスやガラスなど）により形成され、上記一表面側に可動接点支持台１が形成される。なお、ベース基板５の上記一表面は平坦な面としている。また図１（ａ）においてはベース基板５の図示を省略している。

可動接点支持台１は、弾性および絶縁性を有する材料（例えばノンドープのポリシリコン）により形成される。そのため、台部１０およびアーム部１１それぞれは可撓性を有する。

台部１０は、真円（正円）の円盤状に形成される。可動接点２は円形状のものであって、台部１０の中央部に形成される。また可動接点２の外周形状と台部１０の外周形状とは同心円としている。アーム部１１は、ベース基板５の上記一表面に立設された立設片１１ａと、立設片１１ａの先端部（図１（ｂ）における上端部）と台部１０の縁部とを一体に連結する帯状（長尺の矩形板状）の腕片１１ｂとを一体に備えた断面Ｌ字状に形成される。本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、腕片１１ｂの長さ方向と立設片１１ａの長さ方向とは直交している。

ところで、アーム部１１の腕片１１ｂの長さ方向（長手方向）は、台部１０の厚み方向に直交する面内（以下、「直交面内」と略す）において、すなわち平面視において可動接点２（可動接点２の中心）を中心とする円Ｃの径方向（台部１０の径方向に等しい方向）に沿った方向と一致させている。また、図１（ａ）に示すように、上記直交面内において隣接するアーム部１１の中心線間の角度（隣接する腕片１１ｂの中心線間の角度）θは、いずれも等しくしている。そのため、上記直交面内において隣接するアーム部１１間の角度も全て等しい。なお、本実施形態の微小電気機械スイッチは３本のアーム部１１を有するため、角度θは１２０度である。

このように本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、３本のアーム部１１は、いずれも同じ形状を有し、上記円Ｃの径方向に沿う形に配置され、かつ上記直交面内において隣接するアーム部１１間の角度θはいずれも１２０度であって等しい。そのため、可動接点支持台１の形状は上記直交面内においては３回転対称である。

上述した可動接点支持台１は、例えばベース基板５の上記一表面側に犠牲層（図示せず）を形成し、その後に可動接点支持台１の基礎となる絶縁層（図示せず）を上記犠牲層を覆う形に形成し、さらにその後にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して上記絶縁材料層を所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することによって形成することができる。なお、上述した可動接点支持台１の形成方法はあくまでも一例であり、周知のマイクロマシニング技術などにより形成してもよい。また、可動接点支持台１の材料は上述したノンドープのポリシリコンに限定されず、弾性を有する金属材料を用いてもよい。この場合、表面には絶縁層を形成する必要がある。

固定接点３は、帯状（長尺の矩形板状）に形成されており、一方が入力用の信号線、他方が出力用の信号線として用いられる。一対の固定接点３はベース基板５の上記一表面との間に可動接点支持台１を収納するカバー６に形成される。なお、図１（ａ），（ｃ）ではカバー６の図示は省略している。

カバー６は、例えば絶縁性基板（一例としてはガラス基板）により形成される。カバー６におけるベース基板５との対向面（図１（ｂ）における下面）には凹所６ａが形成される。各固定接点３はカバー６の凹所６ａの内底面６ｂに形成される。また、各固定接点３はカバー６に形成された貫通孔配線６ｃにより、カバー６における内底面６ｂとは反対面（図１（ｂ）における上面）に形成された導体パターン７に接続される。このようなカバー６は、凹所６ａ内に可動接点支持台１を収納する形でベース基板５の上記一表面側に接合される。なお、カバー６とベース基板５との接合は共晶接合やフリット接合により行うことができる。また、カバー６とベース基板５との材料選択により、陽極接合や表面活性化接合なども利用可能である。

ところで、カバー６には上記一対の固定接点３に加えて１つのダミー接点８も形成される。ダミー接点８は一対の固定接点３とともに可動接点２に接触されるものであり、固定接点３と同様に凹所６ａの内底面６ｂに形成される。ダミー接点８は固定接点３と同じ帯状（長尺の矩形板状）に形成される。そのため、各固定接点３およびダミー接点８それぞれの可動接点２との対向面は同一平面上に位置する。

ここで、一対の固定接点３およびダミー接点８それぞれの長さ方向（長手方向）は、図１（ａ）に示すように、上記円Ｃの径方向に沿った方向と一致させている。また、図１（ａ）に示すように、上記直交面内において隣接する固定接点３間の角度、および固定接点３とダミー接点８との間の角度は、いずれも等しくしている（つまり１２０度である）。さらに、上記直交面内においては、一対の固定接点３およびダミー接点８における可動接点２の中心からの距離はいずれも等しくしている。その上、一対の固定接点３およびダミー接点８は、上記直交面内におけるアーム部１１との角度が６０度となるように配置され、これによって、台部１０の厚み方向において３本のアーム部１１のいずれとも対向しないようにしている。このように本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、一対の固定接点３およびダミー接点８は、可動接点２との接触部が上記直交面内において可動接点２を中心とする同一円周上に位置し、かつ当該円周上における接触部間の距離は、当該円周を３等分する距離であっていずれも等しい。

アクチュエータ４は、図１および図２に示すように、アーム部１１における固定接点側、すなわちアーム部１１の腕片１１ｂの厚み方向の一面側（図１（ｂ）における上面側）に形成された下部電極４０ａと、当該下部電極４０ａにおけるアーム部１１側とは反対側（図１（ｂ）における上側）に形成された圧電材料部４１と、圧電材料部４１における下部電極４０ａ側とは反対側（図１（ｂ）における上側）に形成された上部電極４２ａとを備える。

下部電極４０ａは、腕片１１ｂにおける台部１０側とは反対側の端部に形成される。ここでベース基板５において、各立設片１１ａが形成される部位の近傍には、第１の絶縁薄膜４３が形成されており、この第１の絶縁薄膜４３におけるベース基板５側とは反対側（図１（ｂ）における上面側）に、下部電極４０ａ用の導体パターン４０ｂと上部電極４２ａ用の導体パターン４２ｂとが形成される。下部電極４０ａおよび上部電極４２ａそれぞれは、アーム部１１の立設片１１ａに形成された接続部４０ｃ，４２ｃにより導体パターン４０ｂ，４２ｂにそれぞれ接続される。なお、導体パターン４２ｂおよび接続部４２ｃは、下部電極４０ａ等との絶縁性を確保するために第２の絶縁薄膜４４上に形成される。

ところで、圧電材料部４１は、圧電セラミックス（一例としてはＰＺＴ）などの圧電材料（圧電体）により形成された矩形状の薄膜である。この圧電材料部４１は、厚み方向に沿った方向が分極軸方向となるように分極処理される。アクチュエータ４は、圧電効果を利用したものであり、下部電極４０ａと上部電極４２ａとの間に駆動電圧を印加するにあたっては、圧電材料部４１の自発分極が増加するように駆動電圧を印加する。これによって、圧電材料部４１は厚み方向において伸び、厚み方向に直交する方向において縮むことになる。したがって、アクチュエータ４を駆動（すなわち、下部電極４０ａと上部電極４２ａとの間に所定の駆動電圧を印加）した際には、腕片１１ｂにおける台部１０側の端部が固定接点３側に移動するように、腕片１１ｂが変形（湾曲）することになる。なお、本実施形態では、アクチュエータ４として、いわゆるユニモルフ型の圧電アクチュエータを例示しているが、これに限定する趣旨ではない。例えばアクチュエータ４としては、バイモルフ型の圧電アクチュエータを採用することができ、この場合、ユニモルフ型よりも腕片１１ｂの変形量を大きくすることが可能である。また、上記の例では、圧電材料部４１の材料として鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを例示しているが、鉛系圧電材料であれば、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴに不純物を添加したものや、ＰＭＮ−ＰＺＴなどを採用してもよい、また、圧電材料部４１の材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、ＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）や、ＫＮ（カリウムナトリウム）、ＮＮ（ニオブナトリウム）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕなど）を添加したものなどの鉛フリーの圧電材料（無鉛圧電セラミックス）を採用することができる。ここで、上述の鉛系圧電材料や、ＫＮＮ、ＫＮ、ＮＮなどは、ＡｌＮやＺｎＯなどに比べて圧電定数が大きい。そのため、圧電材料部４１の材料として、上述の鉛系圧電材料や、ＫＮＮ、ＫＮ、ＮＮなどを用いれば、駆動電圧の値が同じであっても、ＡｌＮやＺｎＯなどを用いた場合に比べれば、腕片１１ｂの変形量を大きくすることができる。また、圧電材料部４１の材料としてＫＮＮなどの鉛フリーの圧電材料を用いれば、環境負荷を低減することができる。

このようなアクチュエータ４の製造方法について簡単に説明する。まず、ベース基板５に第１の絶縁薄膜４３および可動接点支持台１を形成した後に、ベース基板５の上記一表面側にスパッタ法や化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法などを用いて下部電極４０ａの基礎となる金属層を形成する。その後に、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることで、下部電極４０ａ、導体パターン４０ｂ、および接続部４０ｃを形成する。なお、下部電極４０ａの基礎となる金属層としては、例えば、Ｐｔ層や、Ａｕ層などを採用することができる。また、当該金属層としては、Ｐｔ／Ｔｉ層などの複層構造のものを採用することができる。

下部電極４０ａを形成した後には、ベース基板５の上記一表面側に、スパッタ法や、ＣＶＤ法などを利用して圧電材料部４１の基礎となる圧電体層を形成する。その後に当該圧電薄膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることによって圧電材料部４１を形成する。

圧電材料部４１を形成した後には、ベース基板５の上記一表面側に、第２の絶縁薄膜４４を形成し、この後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して第２の絶縁薄膜４４の不要部分を除去して、図１，２に示す構造の第２の絶縁薄膜４４を得る。なお、第１の絶縁薄膜４３は第２の絶縁薄膜４４と同様の方法により形成することができる。また、第１の絶縁薄膜４３や第２の絶縁薄膜４４の材料としては、ＳｉＯ_２などを採用することができる。

第２の絶縁薄膜４４を形成した後には、ベース基板５の上記一表面側にスパッタ法やＣＶＤ法などを用いて上部電極４２ａの基礎となる金属層（例えば下部電極４０ａの基礎となる金属層と同様の材料が用いられる）を形成する。その後に、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることで、上部電極４２ａ、導体パターン４２ｂ、および接続部４２ｃを形成し、これによって、図１，２に示すアクチュエータ４が得られる。

上述した本実施形態の微小電気機械スイッチは、アクチュエータ４を駆動していない常時は、可動接点２と各固定接点３とがそれぞれ離間しており、一対の固定接点３間は遮断される。そして、アクチュエータ４を駆動すると、上述したようにアーム部１１の腕片１１ｂが変形するため、台部１０はアーム部１１により固定接点３側に近付くように移動させられる。その結果、台部１０の可動接点２が一対の固定接点３およびダミー接点８に接触し、一対の固定接点３間が導通する。この後に、アクチュエータ４の駆動を停止すると、アーム部１１が変形前の形状に復帰し、台部１０がベース基板５側に移動し、その結果、可動接点２が一対の固定接点３より離間して、一対の固定接点３間が遮断される。

そして、本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、台部１０を支持する３本のアーム部１１は同じ形状であり、上記円Ｃの径方向に沿う形に配置されるとともに上記直交面内において隣接するアーム部１１間の角度がいずれも等しく、しかもアーム部１１の数が３本であるので、アーム部１１の変形によって台部１０に作用するモーメントを、１本ではなく２本のアーム部１１で相殺することができるから、アーム部１１の数が２つや４つである場合に比べれば、台部１０の移動時に台部１０が傾き難くなって（換言すれば可動接点２が傾き難くなって）、固定接点３と可動接点２とを均等な接圧で接触させることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などを抑制することができる。

また、可動接点２が一対の固定接点３だけではなくダミー接点８とも接触するので、一対の固定接点３のみと接触する場合に比べれば、可動接点２と固定接点３との片当たりを防止でき、可動接点２と固定接点３との接触状態が安定するから、固定接点２と可動接点３との接圧をより均等にすることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などをさらに抑制することができる。加えて、一対の固定接点３およびダミー接点８は、台部１０の厚み方向において３本のアーム部１１のいずれとも対向しない形に配置されているので、固定接点３またはダミー接点８とアーム部１１に設けたアクチュエータ４との容量結合を防止することができる。

ところで、上記特許文献１に示す静電マイクロリレーのように高周波信号の伝送に使用されるものでは、接点開放時の信号線間の信号の漏れが問題となる。このような信号の漏れを抑制して、アイソレーション特性を向上する方法としては、接点開放時における可動接点部（可動接点に相当）と信号線（固定接点に相当）との距離を遠く（可動接点と固定接点との間隔を広く）することが提案されている。しかしながら、良好なアイソレーション特性が得られる程度に可動接点と固定接点との間隔を広げた場合、上記特許文献１に示すもののように、静電引力を利用して接点の開閉を行うものでは、駆動時に、可動電極と固定電極との間に比較的大きな電圧（一例としては３０Ｖ）を印加しなければならない。そのため、上記特許文献１に示すものでは、アイソレーション特性の向上を図れば消費電力が増大し、低消費化を図ろうとすればアイソレーション特性の十分な向上が図れない。つまり、アイソレーション特性の向上と消費電力の低減とを両立することが難しかった。

そこで、本実施形態の微小電気機械スイッチでは、アクチュエータ４として、静電引力を利用するものではなく、圧電効果を利用するものを採用している。ここで、圧電効果を利用するアクチュエータ４は、静電引力を利用するものに比べて、消費電力を低く抑えながらも台部１０の変位量を大きくすることができる。例えば、静電引力を利用するものでは３０Ｖ程度の電圧が必要である場合でも、圧電効果を利用するものでは、５〜１０Ｖ程度の電圧で接点を閉じることが可能になる。

したがって、本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、従来例のように静電引力を利用して接点の開閉動作を行うものに比べれば、消費電力を低く抑えながらも、可動接点２と固定接点３との間隔を広げて信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる。

なお、本実施形態の微小電気機械スイッチは、あくまでも本発明の一実施形態に過ぎないものであって、本発明の技術的範囲を本実施形態のものに限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変更は当然に行える。例えば、アーム部１１の数は３本に限定されず、３の整数倍（３ｎ；ただしｎは２以上の整数）の本数であってもよい。この場合、可動接点支持台１の形状は、上記直交面内においては、３ｎ回転対称とする。このようにした場合においても、本実施形態と同様の作用効果が得られる。また、台部１０の外周形状も円盤状のものに限定されず、多角形状であってもよい。また、本実施形態においては、アクチュエータ４の下部電極４０ａは、アーム部１１における固定接点３側に形成してあるが、アーム部１１における固定接点３側とは反対側（腕片１１ｂの厚み方向他面側）に形成してもよい。また、アーム部１１における固定接点３側とその反対側との両方に下部電極４０ａを形成するようにしてもよい。ところで、本実施形態では、台部１０におけるベース基板５側とは反対の面側（図１（ｂ）における上面側）を、可動接点２を形成する台部１０の厚み方向の一面側としたが、台部１０においてベース基板５と対向する面側（図１（ｂ）における下面側）を台部１０の厚み方向の一面側としてもよい（すなわち、可動接点２は、図１（ｂ）における台部１０の下面に形成してもよい）。この場合、一対の固定接点３は、台部１０におけるベース基板５の対向面側において可動接点２に対向配置され、アクチュエータ４は、台部１０がベース基板５に接近するようにアーム部１１を変形させる形に構成される。このように変形した場合であっても、上記と同様の効果を得ることができる。以上述べた点は後述する実施形態２〜４においても同様である。

（実施形態２）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、台部１０の形状が実施形態１と異なっており、その他の構成は実施形態１と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図３（ａ）ではベース基板５およびカバー６の図示を省略し、図３（ｃ）ではカバー６の図示を省略している。

本実施形態における台部１０は、真円（正円）の円盤状に形成され、可動接点２が形成された円盤状の支持部１０ａと、内側に支持部１０ａが配置された円環状の枠状部１０ｂと、支持部１０ａと枠状部１０ｂとを連結する変形部１０ｃとを一体に備える。なお、支持部１０ａの外周形状と枠状部１０ｂの外周形状とは同心円としている。変形部１０ｃは、台部１０の厚み方向と、台部１０の径方向とを通る平面における断面形状が、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、コルゲート状（波形状）に形成された蛇腹状のものである。すなわち、本実施形態における台部１０は、台部１０において可動接点２が形成された部位（支持部１０ａ）の周辺部（変形部１０ｃ）は、断面形状がコルゲート状に形成されている。そのため、本実施形態における台部１０は、変形部１０ｃを有することにより、台部１０が径方向に伸長し易くなっている。

このように本実施形態の微小電気機械スイッチでは、台部１０が変形し易くなっているので、台部１０を移動させる際にアクチュエータ４で消費される電力を低減することができる。つまり、本実施形態のような微小電気機械スイッチでは、アーム部１１により台部１０を固定接点３側に移動させるにあたって、台部１０はアーム部１１により径方向外側に引っ張られるので、可動接点２を固定接点３に接触させるためには、アクチュエータ４により、アーム部１１だけではなく、台部１０も変形させる必要があるが、上述したように台部１０が変形し易くなっていることによって、アクチュエータ４で発生させる必要がある駆動力を低減できる。

ところで、変形部１０ｃには、図４に示すように、台部１０の剛性低下用の空所１０ｄを形成してもよい。なお、図４では固定接点３、ダミー接点８、ベース基板５、およびカバー６の図示を省略している。

図４に示す例では、空所１０ｄは、台部１０の厚み方向において周辺部１０を貫通する貫通孔よりなり、変形部１０ｃに６つ形成される。また空所１０ｄは、台部１０の径方向に沿う形（長手方向を台部１０の径方向に沿わせた形）に形成され、上記直交面内において隣接する空所１０ｄ間の角度はいずれも６０度であり等しい。

このような空所１０ｄを形成すれば、台部１０の剛性を低減して、図３に示すものに比べて、台部１０をより変形させ易くすることができるから、台部１０を移動させる際にアクチュエータ４で消費される電力をさらに低減することができる。

上述した空所１０ｄは、台部１０の径方向において、アーム部１１と支持部１０ａとの間に位置するように形成することが好ましく、このようにすれば、台部１０をより変形させ易くすることができる。また、空所１０ｄは、台部１０の厚み方向において固定接点３およびダミー接点８のいずれとも対向しないように形成することが好ましく、このようにすれば、固定接点３またはダミー接点８との容量結合を防止できる。

なお、空所１０ｄは必ずしも変形部１０ｃを貫通する貫通孔である必要はなく、溝や切れ込み（切り込み）であってもよく、要は台部１０の剛性を低減することができればよい。

（実施形態３）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、可動接点支持台１の形状が実施形態１と異なっており、その他の構成は実施形態１と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図５（ａ）ではベース基板５およびカバー６の図示を省略し、図５（ｃ）ではカバー６の図示を省略している。

本実施形態における可動接点支持台１は、実施形態１と同様に、台部１０とアーム部１１とを有するが、各アーム部１１の一端が弾性を有するバネ部１２を介して台部１０の縁部に一体に連結されている点で実施形態１と異なる。なお、台部１０は実施形態１のものに比べて直径が短い円盤状となっている点を除けば実施形態１と同様であり、アーム部１１は実施形態１のものと同様であるから説明を省略する。

バネ部１２は、主として台部１０の径方向に伸縮する形に形成される。本実施形態の場合、バネ部１２は、台部１０の縁部よりその径方向に延出された直状部１２ａと、直状部１２ａの先部と腕片１１ｂにおける立設片１１ａ側とは反対側の端部とを連結する弧状部１２ｂとを一体に備えた形である。図５（ａ）に示すように、本実施形態における可動接点支持台１には３本のバネ部１２が設けられており、上記直交面内において隣接する直状部１２ａ間の角度はいずれも等しくしている（本実施形態では１２０度）。また、上記直交面内において隣接する直状部１２ａとアーム部１１の腕片１１ｂとの間の角度はいずれも等しくしている（本実施形態では６０度）。そのため、各バネ部１２の弧状部１２ｂは、中心が台部１０と一致し、かつ中心角が６０度の弧状である。

このように本実施形態の微小電気機械スイッチでは、台部１０とアーム部１１とがバネ部１２により連結されているので、台部１０を移動させる際にアクチュエータ４で消費される電力を低減することができる。つまり、本実施形態の微小電気機械スイッチでは、アーム部１１により台部１０を固定接点３側に移動させるにあたって、台部１０はアーム部１１により径方向外側に引っ張られるので、可動接点２を固定接点３に接触させるためには、アクチュエータ４により、アーム部１１だけではなく、台部１０も変形させる必要があるが、本実施形態のものでは、台部１０の代わりにバネ部１２が伸長するので、アクチュエータ４で発生させる必要がある駆動力を低減できる。なお、バネ部１２の形状は図５に示すものに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

ところで、上記のものでは、固定接点３をカバー６に設けているが、固定接点３は、必ずしもカバー６に設ける必要はない。例えば、図６（ａ）に示すように、固定接点３は、ベース基板５の上記一表面側に形成した固定接点支持台１３上に形成するようにしてもよい。なお、固定接点支持台１３は、可動接点支持台１の形成と同時に形成することが可能である。また、図６（ｂ）に示すように、固定接点３をベース基板５の上記一表面に直接的に形成することもできる。なお、図６（ａ），（ｂ）ではカバー６の図示を省略している。

上述した図６（ａ），（ｂ）に示す形の固定接点３は、例えば、ベース基板５の上記一表面側に犠牲層（図示せず）を形成し、その後に固定接点３の基礎となる金属層（図示せず）を上記犠牲層を覆う形に形成し、さらにその後にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して当該金属層を所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することなどにより形成することができる。

（実施形態４）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、図７（ａ），（ｂ）に示すように、主として可動接点支持台１およびアクチュエータ４の構成が実施形態３と異なっており、その他の構成は実施形態３と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図７（ａ）ではベース基板５およびカバー６の図示を省略している。

本実施形態における可動接点支持台１は、３本のアーム部１１は、いずれも腕片１１ｂの中腹部１１ｃが両端部より幅広に形成されている点で実施形態３と異なる。なお、可動接点支持台１のその他の構成は実施形態３と同様である。

本実施形態におけるアクチュエータ４は、実施形態１とは異なり、圧電効果を利用した主駆動手段４Ａと、静電引力を利用した副駆動手段４Ｂとを有するハイブリッド型のものである。なお、主駆動手段４Ａは、図７（ａ），（ｂ）に示すように、下部電極４０ａと、圧電材料部４１と、上部電極４２ａとを備えるものであり、これは実施形態１で述べたアクチュエータ４に相当するから説明を省略する。

副駆動手段４Ｂは、アーム部１１における固定接点３側、すなわちアーム部１１の腕片１１ｂの厚み方向の一面側（図７（ｂ）における上面側）に形成された可動電極４０ｄと、台部１０の厚み方向において可動電極４０ｄと重なる形に配置された固定電極４５とを備える。可動電極４０ｄは、腕片１１ｂの中腹部１１ｃに形成され、腕片１１ｂにおける立設片１１ａ側に形成された下部電極４０ａと電気的に接続される。そのため、本実施形態におけるアクチュエータ４では、可動電極４０ｄと下部電極４０ａとで導体パターン４０ｂを共用している。この場合、可動電極４０ｄは、実施形態１で述べたようにして下部電極４０ａを形成する際に、下部電極４０ａ、導体パターン４０ｂ、接続部４０ｃと同時に形成することができる。また、可動電極４０ｄにおけるアーム部１１側とは反対側の面（図７（ｂ）における上面）は、第３の絶縁薄膜４６により被覆される。これによって、可動電極４０ｄと固定電極４５との接触が防止される。

一方、固定電極４５は、アーム部１１ではなく、カバー６の内底面６ｂに形成される。これに伴い、カバー６には、固定電極４５を内底面６ｂとは反対面（図７（ｂ）における上面）に臨ませる貫通孔６ｄが形成される。貫通孔６ｄの内側には、貫通孔配線９が形成される。上述した副駆動手段４Ｂは、可動電極４０ｄと固定電極４５との間に所定の駆動電圧を印加して可動電極４０ｄと固定電極４５との間に静電引力を発生させることでアーム部１１を変形させる。

上述した本実施形態の微小電気機械スイッチは、アクチュエータ４を駆動していない常時は、可動接点２と各固定接点３とがそれぞれ離間しており、一対の固定接点３間は遮断される。そして、接点を閉じる際には、まずアクチュエータ４の主駆動手段４Ａを駆動して、台部１０を固定接点３側に移動させて、可動接点２を一対の固定接点３およびダミー接点８に接触させる。その後に、副駆動手段４Ｂを駆動し、可動接点２と一対の固定接点３およびダミー接点８とを接圧を高める。このように本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、静電引力を利用する副駆動手段４Ｂは、可動接点２と固定接点３との間の接圧を調整するために使用され、可動接点２の固定接点３側への移動には、圧電効果を利用する主駆動手段４Ａが使用される。なお、接点を開く際には、アクチュエータ４の主駆動手段４Ａおよび副駆動手段４Ｂの両方の駆動を停止すればよい。

以上述べた本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、実施形態３と同様の効果を奏する上に、アクチュエータ４が、圧電材料部４１の変形を利用してアーム部１１を変形させる主駆動手段４Ａと、静電引力を利用してアーム部１１を変形させる副駆動手段４Ｂとを有しているので、主駆動装置４Ａにより台部１０を移動させることで、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータ４の消費電力を低く抑えながらも台部１０の変位量を大きくすることができるから、可動接点２と固定接点３との間隔を広げて信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる一方、副駆動装置４Ｂにより可動接点２と固定接点３との接圧を所望の値に設定することができる。

ところで、図７（ａ）に示す微小電気機械スイッチでは、副駆動手段４Ｂの可動電極４０ｄをアーム部１１の腕片１１ｂに設けているが、可動電極４０ｄを設ける位置はアーム部１１に限定されない。例えば、図８に示すように、バネ部１２の弧状部１２ｂに設けてもよい。図８に示す微小電気機械スイッチでは、弧状部１２ｂの一部を幅広に形成してなる幅広部１２ｃを設けてあり、この幅広部１２ｃにおける固定接点３側に、可動電極４０ｄと、可動電極４０ｄを覆う第３の絶縁薄膜４６とが形成されている。なお、図８では図示を省略しているが、可動電極４０ｄは、弧状部１２ｂと腕片１１ｂに亘る形に形成された導体パターンにより下部電極４０ａに電気的に接続される。したがって、図８に示す微小電気機械スイッチにおいても、可動電極４０ｄと下部電極４０ａとで導体パターン４０ｂを共用している。なお、図８では図示を省略しているが、固定電極４５は、台部１０の厚み方向で可動電極４０ｄと重なる形でカバー６の内底面６ｂに形成される。

上述した図８に示す微小電気機械スイッチにおいても、図７（ａ），（ｂ）に示す微小電気機械スイッチと同様の効果を得ることができる。特に、図８に示す微小電気機械スイッチによれば、バネ部１２に可動電極４０ｄ形成用の幅広部１２ｃを形成しているので、図７に示すもののように腕片１１ｂに可動電極４０ｄを形成する場合に比べれば、可動電極４０ｄの面積を大きくすることができるから、可動電極４０ｄと固定電極４５との間に印加する駆動電圧が同じ値であれば、図７に示すものに比べて、可動電極４０ｄと固定電極４５との間に発生する静電引力を大きくすることができる。

なお、図７では、副駆動手段４Ｂの可動電極４０ｄをアーム部１１に形成した例を示し、図８では可動電極４０ｄをバネ部１２に形成した例を示しているが、可動電極４０ｄを形成する場所は、図７，８に示す例に限定されず、可動接点支持台１における固定接点３側に形成されていればよい。

実施形態１の微小電気機械スイッチを示し、（ａ）は一部を省略した平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ１−Ａ２線矢視断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＡ１−Ａ３線矢視断面図である。 図１（ａ）においてＰで示す部位の拡大図である。 実施形態２の微小電気機械スイッチを示し、（ａ）は一部を省略した平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ１−Ｂ２線矢視断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ１−Ｂ３線矢視断面図である。 同上の他例の微小電気機械スイッチの一部を省略した平面図である。 実施形態３の微小電気機械スイッチを示し、（ａ）は一部を省略した平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ１−Ｃ２線矢視断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＣ１−Ｃ３線矢視断面図である。 同上の他例の微小電気機械スイッチの一部を省略した断面図である。 実施形態４の微小電気機械スイッチを示し、（ａ）は一部を省略した平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＤ１−Ｄ２線矢視断面図である。 同上の他例の微小電気機械スイッチの一部を省略した平面図である。 従来例の微小電気機械スイッチの分解斜視図である。

符号の説明

１ 可動接点支持台
２ 可動接点
３ 固定接点
４ アクチュエータ
４Ａ 主駆動手段
４Ｂ 副駆動手段
５ ベース基板
８ ダミー接点
１０ 台部
１０ａ 支持部
１０ｃ 変形部（周辺部）
１０ｄ 空所
１１ アーム部
１２ バネ部
４０ａ 下部電極
４０ｄ 可動電極
４１ 圧電材料部
４２ａ 上部電極
４５ 固定電極

Claims (8)

1. 厚み方向の一面側に可動接点が設けられた台部および当該台部に一端が連結されるとともに他端がベース基板に固定され台部を上記厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する複数本のアーム部を備えた可動接点支持台と、台部の上記一面側において可動接点に対向配置された一対の固定接点と、各アーム部に設けられ台部の可動接点が一対の固定接点の両方に接触する形に各アーム部を各別に変形させる複数のアクチュエータとを備え、
   各アーム部は、同じ形状を有し、台部の上記厚み方向に直交する面内において可動接点を中心とする円の径方向に沿う形に配置され、
   アーム部の数は、３の整数倍であり、
   上記面内において隣接するアーム部間の角度は、いずれも等しいことを特徴とする微小電気機械スイッチ。
2. 上記各固定接点とともに上記可動接点に接触されるダミー接点を備え、
   上記各固定接点およびダミー接点それぞれの上記可動接点との対向面は同一平面上に位置し、
   上記各固定接点およびダミー接点は、上記可動接点との接触部が、上記面内において上記可動接点を中心とする同一円周上に位置し、当該円周上における接触部間の距離はいずれも等しいことを特徴とする請求項１記載の微小電気機械スイッチ。
3. 上記各固定接点および上記ダミー接点は、上記台部の上記厚み方向において上記各アーム部のいずれとも対向しない形に配置されていることを特徴とする請求項２記載の微小電気機械スイッチ。
4. 上記台部において上記可動接点が形成された部位の周辺部は、断面形状がコルゲート状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の微小電気機械スイッチ。
5. 上記周辺部には、上記台部の剛性低下用の空所が形成されていることを特徴とする請求項４記載の微小電気機械スイッチ。
6. 上記各アーム部の一端は弾性を有するバネ部を介して上記台部に一体に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の微小電気機械スイッチ。
7. 上記アクチュエータは、上記アーム部における上記固定接点側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記アーム部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記アーム部を変形させることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の微小電気機械スイッチ。
8. 上記アクチュエータは、上記アーム部における上記固定接点側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極および当該下部電極における上記アーム部側とは反対側に形成された圧電材料部ならびに当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極を備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記アーム部を変形させる主駆動手段と、
   上記可動接点支持台における上記固定接点側に形成された可動電極および上記台部の厚み方向において当該可動電極と重なる形に配置された固定電極を備え、可動電極と固定電極との間に所定の駆動電圧を印加して可動電極と固定電極との間に静電引力を発生させることで上記台部を上記一対の固定接点側に移動させる副駆動手段とを有していることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の微小電気機械スイッチ。

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