JP2002036197A - マイクロマシン素子を制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い電圧レベルの使用が可能となるマイクロ
マシン素子を制御するための方法と装置を実際的なやり
方で実現する。 【解決手段】 少なくとも１つのマイクロマシン素子を
制御する方法では、第１の制御信号と第２の制御信号と
がマイクロマシン素子に供給され、第２の制御信号が、
マイクロマシン素子をアクティブ状態に設定し、第１の
制御信号がこの状態を維持するように構成される。少な
くとも１つのマイクロマシン素子(４０２)を制御するた
めの装置は、少なくとも第１の制御信号と第２の制御信
号とを生成する手段と、少なくとも第２の制御信号の電
圧レベルを上げるための手段と、第１の制御信号と、昇
圧された電圧レベルを持つ第２の制御信号とをマイクロ
マシン素子に供給する手段とを少なくとも含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロマシン素子
に関する。特に、本発明は、マイクロマシン容量性スイ
ッチや電気スイッチあるいはマイクロリレー、マイクロ
マシン光スイッチ、双安定同調型コンデンサあるいはコ
ンデンサ・バンクもしくはその他の任意の双安定または
マルチステート（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｔｅ）・マイクロ
マシン・アクチュエータのようなマイクロマシン素子の
制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】（マイクロマシン素子）超小型エレクト
ロニクスでより高レベルの集積化へ向かうトレンドが存
在する。同じことが超小型機械でも同様に生じつつあ
る。その結果、電気アプリケーション用としてますます
小型化する部品に対する要望のために、特に超小型エレ
クトロニクスとして指定されるマイクロマシン素子のさ
らなる高度の集積化が必要とされている。マイクロマシ
ン・スイッチやマイクロリレーのようなマイクロマシン
素子を用いることにより多くの利点の達成が可能とな
る。例えば、装置のサイズがより小型になり、製造コス
トが低減する。後程示すようなその他の利点も存在す
る。

【０００３】以下、マイクロマシン・スイッチをさらに
詳しく示すことにする。マイクロマシン・スイッチはマ
イクロマシン素子の分野に属し、将来多くのアプリケー
ションの中で広く使用されることになるものである。例
えば、高周波回路用などに使用して、マイクロマシン・
スイッチは興味ある機会を提供する。マイクロマシン構
造を使用する利点として、特に高周波回路に対して適用
する場合、低い挿入損(０.５ｄＢ以下)と高い絶縁効果
(３０ｄＢ以上)とがある。マイクロマシン・スイッチの
さらなる利点として、マイクロマシン・スイッチ構造を
集積回路の中に一体化する集積化が可能であるという点
がある。図１(ａ)〜(ｃ)は一般に使用されるマイクロマ
シン・スイッチの３つの異なる基本構造を図示する。図
１(ａ)に、いわゆるマイクロマシン型片持ちばりスイッ
チが示されている。図１(ｂ)には、伝送ラインのセクシ
ョンを接続するマイクロマシン型片持ちばりスイッチが
示されている。図１(ｃ)はマイクロマシン型ブリッジを
示す。

【０００４】マイクロマシン・スイッチの動作はスイッ
チの電極と接続された１つまたは複数の制御信号を用い
て制御される。この制御信号によって、マイクロマシン
・スイッチはその状態を変化させるように構成される。
静電気制御または電圧制御によって動作する現在利用可
能なマイクロマシン・スイッチの主な問題点として、必
要な制御電圧が１０〜３０Ｖの範囲であるという点が挙
げられる。この種の電圧は、スイッチ動作用として使用
される最新技術の(Ｂｉ)ＣＭＯＳデバイスで使用される
供給電圧に比べるとずっと高い。さらに、切換え遅延と
必要な制御電圧レベルは、切換え時間が高速であるほど
より高い機械的共振周波数を必要とし、したがってより
剛性のある(ｓｔｉｆｆ)機械的構造を必要とするという
点で基本的に相互に関連している。しかし、より剛性の
ある機械的構造にはより高い制御電圧レベルが必要とな
る。

【０００５】（マイクロマシン・スイッチにおけるスイ
ッチング力学理論）マイクロマシン素子、特にマイクロ
マシン・スイッチでは、スイッチング特性と挙動は多く
の意味で古典的機械式リレーに似ている。そのため、マ
イクロマシン・スイッチの動作は単純化されたピストン
・モデルを用いてモデル化される。

【０００６】平板コンデンサのコンデンサ電極板間の静
電力は次式で表される。

【数１】

【０００７】上式で、ＷはキャパシタンスＣの中に蓄積
されているエネルギー、Ｕは電圧差、Ｑは電荷、ｘは変
位、ｇ₀はコンデンサ電極板間のもともとの空隙であ
る。

【０００８】図２に、マイクロマシン・スイッチ用の、
単純化されたピストン型モデルが示されている。このモ
デルは、質量、バネ、ダンパー、平板コンデンサ構造お
よびオプションの絶縁モーション・リミッタ（ｍｏｔｉ
ｏｎ ｌｉｍｉｔｅｒ）２０３とから構成される。固定
電極２０２と、ピストン型構造の可動部分２０１との間
に静電力が印加されると、電極間に静電引力が生じ、機
械的バネの力と静電力との間に平衡力が生まれる。

【数２】 上式で、ｇ₀はコンデンサ電極板間のもともとの空隙、
ｘは静止位置からの変位、Ｕはコンデンサ電極板間の電
位差、κはバネ定数、Ａはコンデンサの面積、ε ₀ は誘
電率である。

【０００９】図２のモデルは電圧制御されたマイクロマ
シン型コンデンサ、スイッチ、リレーの良好な近似であ
る。機械力が電気力を維持しきれなくなった場合このシ
ステムは不安定になる。この状況は、力の和 (ΣＦ)
と、力の和の導関数（∂／∂ｘ(ΣＦ))の双方がゼロに
なったときに生じる。

【００１０】偏向が下式(３)で、電圧が下式(４)のと
き、構造の大きさにかかわらずピストン構造のプルイン
（ｐｕｌｌ−ｉｎ）すなわちコラプス（ｃｏｌｌａｐｓ
ｅ）が生じる。ｘ＝ｇ₀/３
(３)

【数３】

【００１１】図２からわかるように、絶縁バンプ(ｂｕ
ｍｐ)２０３を電極２０２の上に設けてプルイン時に電
極間の最小距離に限界を設定することができる。

【００１２】このコラプス後、固定電極の表面のこれら
の機械的リミッタの高さｈ_bumpによって決定された値ま
で空隙が減少する。スイッチを復旧するためには、機械
的力が再び電気的力を補償できるようになるある値まで
電極間の電圧を落とさなければならない。このようにし
て復旧電圧の値を知ることが可能となる。

【数４】

【００１３】この復旧電圧は明らかにプルイン電圧より
低い。例えば、１００ｎｍの高さのリミッタに対して、
復旧電圧はプルイン電圧のほぼ１０％である。したがっ
て、たとえプルインの発生に高い電圧が必要であるとし
ても、プルイン状態に電極を保つためにはずっと低い電
圧しか必要としない。

【００１４】図３はマイクロマシン・スイッチの典型的
電圧対偏向特性を示す。この可動構造はプルインが生じ
るまで固定電極の方へ偏向する。電圧が復旧電圧以下に
低下すると、この構造は元の機械的力と静電力との間の
平衡状態の位置へ戻る。一般に、マルチ・ステートを持
つ構造は同様の設計が可能である。図４は、第１のアク
ティブ(ａｃｔｉｖｅ）(閉)状態３０６と第２のアクテ
ィブ(閉)状態３０７の２つの異なる安定したプルイン状
態を持つシステムの一例を示す。

【００１５】式(１)は、コンデンサの両端の電圧の代り
にコンデンサの電荷の制御が可能であれば、プルインの
不安定性の回避が可能であることを暗に意味している。
なぜなら、定電荷によって発生する力は偏向に依存しな
いからである。文献の中で知られている電荷制御を行う
ためのいくつかの装置が存在し、マイクロマシン構造の
電荷制御は実験的に証明されている。その利点としてず
っと広い同調範囲がある。

【００１６】定電圧または定電荷の代わりに、ＡＣ電圧
または電流を使って同様にマイクロマシン構造の偏向制
御が可能である。コンデンサの中を通って正弦波電流が
印加されると、コンデンサｑの電荷は以下の式のように
振舞う。

【数５】

【外１】

【数６】

【００１７】ＡＣ電圧信号を効率の良いＡＣ電流に変換
する１つの簡単な方法としてＬＣタンク回路の利用があ
る。典型的にはマイクロマシン素子のキャパシタンスは
１ｐＦから３０ｐＦの範囲内にある。ＡＣ電圧入力信号
はコンデンサを通じて交流に変換される。ＬＣタンク回
路の助けを借りてコンデンサに対する振動電流あるいは
電荷の非常に高い振幅の達成が可能となる。タンク回路
が共振しているとき、電流の振幅はＬＣタンク回路の品
質係数Ｑに依存する。望ましい実施例ではタンク回路の
Ｑ値は１０以上とするのがよい。

【００１８】ＬＣタンク回路がスイッチ制御に適用され
る場合、インダクタの中を通るＡＣ信号が制御するマイ
クロマシン素子の切換え遅延はいくつかの変数に依存す
る。

【数７】 上式で、ｆ₀は機械的共振周波数、Ｑ_m は機械的品質係
数、Ｕ_pull-inはプルイン電圧、ｆ_LCは、マイクロマシ
ン素子の偏向のない初期状態におけるＬＣタンク回路の
共振周波数であり、Ｑ_s はＬＣタンク回路の品質係数、
Ｕ_controlとｆ₁はそれぞれ制御電圧のレベルと周波数で
ある。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】切換え遅延を最適化す
るために、機械的品質係数を調整して十分高速動作が可
能となるように、しかも最初の接触後スイッチの接点の
はね返りの減衰が可能となるほど機械的品質係数が小さ
くなるように設定する必要がある。機械的品質係数の最
適値はほぼ０.０５〜０.５である。これはスイッチ構造
の適切な設計と環境ガスの圧力とによって調整が可能で
ある。

【００２０】切換え時間は機械的共振周波数に逆比例す
る。必要な切換え時間が短ければ短いほどその機械的構
造をより剛性のあるものにする必要がある。式(３)によ
れば、これは、マイクロマシン型双安定素子をトリガす
るのに必要なさらに高いプルイン電圧とさらに高い電圧
レベルとに結びつく。

【００２１】切換え遅延は制御信号の振幅と周波数にも
依存する。さらに、タンク回路共振周波数ｆ_LCと制御信
号周波数ｆ₁との間の整合は力と切換え遅延に影響を与
える。タンク回路共振周波数ｆ_LCはスイッチの動作中一
定ではないことに留意されたい。すなわち、マイクロマ
シン構造のコンデンサ電極板間の空隙が狭くなると、共
振周波数ｆ_LCは低くなり、信号周波数ｆ₁と一致しなく
なる。

【００２２】図５は、電気的(ｆ_LC)周波数または機械的
(ｆ_m)共振周波数と信号周波数ｆ₁の比に対する切換え遅
延の依存度を示す。切換え遅延は信号周波数ｆ₁を増や
すことによって短縮される。最適信号周波数は機械的共
振周波数より１００〜１０００倍高い。図６はタンク回
路共振周波数ｆ_LCと制御信号周波数ｆ₁との比に対する
切換え遅延の依存度を示す。最小切換え遅延は、初期の
タンク回路共振周波数ｆ_LCよりほぼ１〜３％低く制御信
号周波数ｆ₁を設定することより達成される。

【００２３】本発明の目的は実際的なやり方でマイクロ
マシン素子を制御する方法と装置を提示することであ
る。同時に、本発明の目的はマイクロマシン素子の動作
制御時に上述の問題を減らすことである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】少なくとも２つの制御信
号を用いることにより本発明の目的は達成される。この
制御信号の一方を用いてマイクロマシン素子はアクティ
ブ(閉)状態に設定され、他方を用いてマイクロマシン素
子はアクティブ(閉)状態に保持される。このアクティブ
状態は一般にプルイン状態である。

【００２５】上記とは別に、２つの制御信号を組み合わ
せて単一信号にすることにより本発明の目的を達成する
ことができる。この種の構成の利点として、マイクロマ
シン素子をプルイン状態に維持するために必要な電圧レ
ベルの低下が挙げられる。その結果電力消費量の最少化
を図ることが可能となり、より高い電圧レベルを生むた
めの複雑なＤＣ／ＤＣ変換回路が不要となる。付加的利
益として本発明の利点を受ける構成が単純で実現し易い
ものになるということが挙げられる。

【００２６】少なくとも１つのマイクロマシン素子を制
御する方法は、少なくとも第２の制御信号を用いてマイ
クロマシン素子がアクティブ状態に設定され、少なくと
も第１の制御信号を用いて前記マイクロマシン素子が前
記アクティブ状態に保持されることを特徴とする。

【００２７】少なくとも１つのマイクロマシン素子を制
御する装置は、少なくとも第１の制御信号と第２の制御
信号とを生成する手段と、少なくとも前記第２の制御信
号の電圧レベルを上げる手段と、前記第１の制御信号
と、前記昇圧した電圧レベルを持つ第２の制御信号とを
マイクロマシン素子に供給する手段とを少なくとも有す
ることを特徴とする。

【００２８】本発明によれば、マイクロマシン素子用制
御回路が配設される。この制御回路は、少なくとも２つ
の制御信号を受信し、少なくとも１つの出力信号を生成
する少なくとも１つの回路を具備する。第１の制御信号
は、マイクロマシン素子がアクティブな状態すなわち導
通状態にあるときマイクロマシン素子のその状態を保持
するために用いられる。第２の制御信号を用いてマイク
ロマシン素子はアクティブ状態に設定される。第２の制
御信号単独あるいは第１の制御信号と第２の制御信号と
の和を好適に設けて、マイクロマシン素子の状態の変化
が生じるように構成される。

【００２９】好適には、第１の制御信号は定電圧信号で
あり、第２の制御信号は正弦波信号やパルス信号やパル
ス列信号のような交番信号であることが望ましい。

【００３０】上記とは別に、双方の信号は異なる周波数
のＡＣ信号であってもよい。或いは、双方の信号は異な
るパルス幅または異なるパルス密度のパルス信号であっ
てもよい。或いは、これら２つの信号は、各々が上記の
信号特性のいずれかを持つ２つの信号の組み合わせであ
ってもよい。好適な制御信号の選択が図８(ａ)〜(ｈ)に
描かれている。

【００３１】好適には、これらの信号の中の少なくとも
１つが、マイクロマシン素子Ｃ_sの電気的または機械的
共振を引き起こす周波数を持つことが望ましい。

【００３２】本発明によれば、ＬＣタンク回路を用い
て、双安定マイクロマシン素子の状態変化を引き起こす
だけの長い持続時間を持つ過渡期間の間、容量性マイク
ロマシン素子に高振幅の振動電流(電荷)が生成される。

【００３３】本発明は、電気接触を有するマイクロマシ
ン・スイッチ、マイクロマシン型容量性スイッチ、双安
定マイクロマシン型コンデンサおよびコンデンサ・バン
ク、マイクロマシン型光スイッチ、または任意の容量制
御される双安定またはマルチステート・マイクロマシン
型アクチュエータに適用することができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１、２および３〜６については
本発明の背景に関する説明で既述した。図７（ａ）〜
（ｅ）には本発明の基本概念が示されており、これらの
概念が本発明の核心を成す部分である。これらの図で
は、コンデンサＣ_sはマイクロマシン・スイッチやマイ
クロリレーなどのようなマイクロマシン素子４０２を示
す。このマイクロマシン素子は単数または複数の制御信
号を用いて制御される。マイクロマシン素子を制御する
制御信号の典型的波形が図８(ａ)〜(ｈ)に示されてい
る。この制御は、マイクロマシン素子をアクティブ状態
に設定し、マイクロマシン素子をアクティブ状態に保持
し、マイクロマシン素子を非アクティブ状態に設定する
ものと理解することができる。

【００３５】図８(ａ)と８(ｂ)からわかるように、制御
信号はマイクロマシン素子の状態を変化させるパルス列
であってもよい。同様に、少なくとも２つの制御信号の
場合、これらの信号は、図８(ｃ)と８(ｄ)に描かれてい
る重ね合わせ信号や、図８(ｅ)に描かれている振幅変調
(ＡＭ)信号や、図８(ｆ)に描かれている周波数変調(Ｆ
Ｍ)信号や、図８(ｇ)に描かれているパルス幅変調(ＰＷ
Ｍ)信号あるいは図８(ｈ)に描かれているようなパルス
密度変調(ＰＤＭ)信号の中で合成された信号であっても
よい。

【００３６】当業者には明らかなように、上述の波形は
正弦波形かパルス波形かのいずれかまたはそれらの合成
波形とすることが可能である。例えば、図８(ｃ)の波形
のトリガ部分は好適にはパルス列の代わりに正弦波信号
であってもよい。同様に、本発明により周波数掃引波形
をマイクロマシン素子の制御に用いることも可能であ
る。

【００３７】本発明によれば、使用される制御信号周波
数は好適にはマイクロマシン素子の機械的共振周波数の
分数調波周波数である。またこの制御信号周波数は電気
的共振回路の分数調波周波数であってもよい。これにつ
いては後程さらに詳しく説明する。

【００３８】少なくとも２つの制御信号Ｕ_trigとＵ_hold
の場合、本発明の基本的着想は、少なくとも第２の制御
信号Ｕ_trigと第１の制御信号Ｕ_holdとによってマイクロ
マシン素子はその状態を変えるように構成され、次い
で、第２の制御信号Ｕ_holdによってマイクロマシン素子
がその新しい状態をそのまま保つように構成されるとい
うものである。制御信号がなくなると、マイクロマシン
素子は非アクティブ状態へ戻るように構成される。

【００３９】次に、図８(ａ)〜(ｈ)に図示の制御信号の
波形を念頭において図７(ａ)〜(ｅ)に図示の本発明の実
施例の動作について考察する。図７(ａ)に示す本発明の
第１の実施例によれば、加算手段４０１で第１と第２の
制御信号とを加算することによりこの動作は達成され
る。これらの制御信号の和はＣ_sのプルイン電圧のレベ
ルを超えるように構成され、その結果マイクロマシン素
子４０２の状態はプルイン状態に変えられる。このプル
イン状態にそのままとどまるために必要な電圧の方がプ
ルインの達成に要する電圧よりずっと低いため、第１の
制御信号Ｕ_holdだけを用いてプルイン状態の保持が可能
となる。この回路の利点として、全プルイン期間中マイ
クロマシン素子に対する高い電圧レベルの印加が不要と
なることが挙げられる。その結果、電子装置が単純化さ
れ電力消費量が低減される。好適な和信号が図８(ｄ)に
描かれているがこれらの信号は図１３(ａ)に描かれてい
る構成を用いて機械的に加算してもよい。これについて
は後程さらに詳しく解説する。

【００４０】図７(ａ)を用いて説明が可能な本発明の第
２の実施例によれば、第２の制御信号Ｕ_trig単独で十分
にプルイン効果を生じさせることができる。この場合制
御信号を加算する必要はない。しかし、Ｕ_holdのみを用
いてプルイン状態を保つために、少なくともＵ_trig信号
の終了前に第１の制御信号Ｕ_holdをマイクロマシン素子
へ与えると好適である。この場合も、図１３(ａ)に描か
れているように機械的に信号の加算を行ってもよい。

【００４１】図７(ｂ)に示した本発明の第３の実施例に
は、加算手段４０１と、インダクタンス手段４０３と、
コンデンサＣ_sとして再び示されているマイクロマシン
素子４０２とが含まれる。図７(ｂ)に示す構成を用い
て、マイクロマシン素子の両端に高振幅の電圧を発生さ
せることが可能である。加算手段４０１に対して、ＤＣ
電圧信号などの第１の制御信号Ｕ_holdと、小さな振幅の
高周波正弦波信号やパルス列などの第２の制御信号Ｕ
_trigとが与えられる。

【００４２】加算エレメント４０１の出力がＬＣ回路４
０３、４０２に対して印加される。このＬＣタンク回路
を用いて、ＬＣ回路による出力信号の共振増幅に起因し
て、コンデンサを介して高振幅振動電流あるいは電荷が
生成される。このＬＣ回路は少なくとも、インダクタン
スＬのインダクタ４０３とキャパシタンスＣとを具備す
る。このキャパシタンスＣは好適にはマイクロマシン素
子の固有キャパシタンスＣ_sである。このキャパシタン
スは、マイクロマシン素子の外部構成部品として設ける
こともできる。このことは、コンデンサがマイクロマシ
ン素子と同じ基板上ではあるがマイクロマシン素子の外
部に存在するか、もしくは、コンデンサがマイクロマシ
ン素子と異なる基板上でも存在し得ると理解することが
きる。

【００４３】好適には、加算エレメント４０１からの出
力信号の周波数は、出力信号の増幅を引き起こすＬＣ回
路の共振周波数とほとんど同じであることが望ましい。
最適には、図５に示すように、最適の切換え遅延を得る
ために、加算手段４０１からの出力信号の周波数はＬＣ
タンク回路の初期共振周波数より１〜６％低いことが望
ましい。

【００４４】当業者には明らかなことであるが、第１の
制御信号がＤＣ電圧信号である場合、出力信号の周波数
は第２の制御信号の周波数によって決定される。

【００４５】また、分数調波周波数信号も制御信号とし
て同様に使用可能であることは当業者には明らかであ
る。

【００４６】本発明によれば、増幅された出力信号によ
ってマイクロマシン素子に状態の変化が生じる。一般
に、ＬＣ回路によって、出力ＡＣ信号またはオーバーレ
イされたＡＣ信号の振幅を十分に大きくし、プルインを
生じさせる所要の電圧レベルに達するようにすることが
可能である。ＬＣ回路を利用してＡＣ電圧信号はスイッ
チ・キャパシタンスで交番電荷に変換される。この電荷
によって、マイクロマシン素子にその状態を変化させる
一定方向の力成分が生じる。図７(ａ)に示す構成では、
対応する加算制御信号は接地を終端電圧として用いてい
る。図７(ｂ)に示す回路では、終端電圧Ｖ_tを用いて終
端が実現されるようになっている。当業者には明らかな
ように、終端電圧Ｖ_tは接地または保持用ＤＣ電圧のよ
うな任意の適切な電圧であってもよい。さらに、このこ
とは、その他のすべての描かれている回路にも同様に適
用可能であることは明らかである。ただし説明を明瞭に
するためにこれらの回路は終端電圧として接地を用いて
示されている。

【００４７】図７(ｃ)に示す本発明の第４の実施例に
は、インダクタ４０３と、入力信号Ｕ _inから駆動される
コンデンサ４０２とが含まれる。さらに、この描かれて
いる回路はキャパシタンスＣ_pを持つ追加コンデンサ４
０４を具備し、これは意図的に追加されたコンデンサま
たは回路の任意の寄生容量のいずれかであってもよい。
回路が所望の周波数で共振するようになっている場合、
ＬとＣ_s＋Ｃ_p総キャパシタンスとによって形成されるＬ
Ｃ回路内でコンデンサ４０４の利用が可能となる。

【００４８】図７(ｄ)は本発明の第５の実施例を示す。
信号Ｕ_inが取り除かれるまで、入力信号Ｕ_inによってマ
イクロマシン素子のプルインおよびプルイン状態の保持
の双方が行われる。しかしＣ_s に残存電荷が存在する場
合、マイクロマシン素子はしばらくの間プルイン状態を
そのまま保つ。マイクロマシン素子を示すコンデンサ４
０２の残存電荷を放電するために、スイッチ手段４０５
が図７(ｃ)に示す前の回路に追加されているためスイッ
チ・オフ時間がスピード・アップされる。スイッチ・オ
フ時間はコンデンサ４０２の電極板間に残っている電圧
によって影響を受ける。このことは図１５に次元の無い
（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ）偏向電圧の立下り区間
として示されている。これについては後程さらに詳しく
検討する。スイッチ４０５の助けを借りてコンデンサ４
０２の放電を行うことによりマイクロマシン素子４０２
のスイッチ・オフ遅延が著しく減少する。

【００４９】図７(ｅ)は本発明の第６の実施例を示し、
前の実施例のＵ_in信号がＤＣ定電圧Ｖ_t、好適には保持
電圧Ｖ_holdと入れ替わっている。電界効果トランジスタ
(ＦＥＴ)４０６は、インダクタ４０３を介してＶ_tが供
給する電流を引き出すようになっている。ＦＥＴ４０６
のゲートへのＵ_controlパルスの挿入によってＦＥＴス
イッチ４０６の動作制御が可能となる。トリガー期間中
ＦＥＴ４０６はＬＣ合成の共振周波数でまたはその周波
数近くでパルスを出力し、コンデンサ電極板の電圧を必
要なプルイン電圧まで到達させる。インダクタ４０３を
流れる保持用ＤＣ電圧Ｖ_tはトリガー後スイッチ４０２
をアクティブなプルイン状態を保つのに十分である。Ｖ
_tが除かれるとマイクロマシン素子４０２は復旧する。

【００５０】代りに、電圧Ｖ_t自体がマイクロマシン素
子４０２をプルイン(アクティブ)状態に保つのに十分な
電圧でない場合、より低い繰返し速度すなわち周波数で
ＦＥＴ４０６のゲートへ短時間Ｕ_controlパルスを挿入
し、電圧Ｖ_tを増加させることが可能である。この利点
として、この場合マイクロマシン素子４０２の復旧のた
めに電圧Ｖ_tが除かれる必要がないことが挙げられる。

【００５１】好適には、このより低い繰返し周波数は、
マイクロマシン素子で形成されるＬＣ回路の電気的共振
周波数の分数調波であるか、あるいはマイクロマシン素
子の機械的共振周波数の分数調波であることが望まし
い。

【００５２】マイクロマシン素子４０２をプルイン状態
から復旧したい場合には、ＦＥＴスイッチ４０６へ追加
の短いパルスを好適に送信してキャパシタンスＣ_sを放
電するようにし、それによってスイッチ・オフ遅延時間
が短縮される。

【００５３】図９(ａ)は、電圧すなわち波形６０２を供
給するコントローラ６０１と、インダクタンス４０３
と、マイクロマシン素子４０２とを具備する本発明の１
つの実施例を示す。コントローラによって、ＬＣ共振回
路を駆動するＵ_in信号６０２が供給される。マイクロマ
シン素子の動作は第４と第５の実施例に記載されている
ものと同じである。

【００５４】図９(ａ)に示す構成に関連する第１の実施
例では、コントローラ６０１は必要なＵ_in信号６０２を
マイクロマシン素子に供給する。この実施例は、インダ
クタを介してマイクロマシン素子Ｃ_sの残留電荷を放電
する必要があるので、スイッチ・オフ遅延時間が重要で
はないアプリケーションに適している。これは動作サイ
クル速度を低下させる。

【００５５】図９(ａ)に示す構成に関連する第２の実施
例では、コントローラ６０１は必要なＵ_in信号６０２を
マイクロマシン素子に供給するが、このコントローラ６
０１は、スイッチ・オフ遅延時間を短くするために、放
電用スイッチ４０５の放電制御信号６０３の制御も行っ
ている。

【００５６】図９(ｂ)は、電源スイッチ６１３を制御す
るコントローラ６１１と、さらに、高速動作スイッチ４
０６、好適にはＦＥＴスイッチを具備する本発明の実施
例を示す。この半導体スイッチは、インダクタ４０３と
コンデンサ４０２とによって形成される直列共振回路で
電気的共振を引き起こす周波数で通常に動作する。この
回路の動作原理については、図７(ｅ)を参照した本発明
の第６の実施例の導入時にすでに説明した。

【００５７】図９(ｂ)に示す構成に関連する第１の実施
例では、電源スイッチ６１３は欠落しているか、連続し
てスイッチ・オンになっていると考えることができる。
この場合コントローラ４０１はスイッチ４０６を動作さ
せ、供給Ｖ_tと、コンデンサ４０２とインダクタ４０３
とによって形成されるＬＣ回路の電気的共振とを好適に
利用することにより、供給信号からトリガ信号と保持信
号の双方を生成する。

【００５８】図９(ｂ)に示す構成に関連する第２の実施
例では、コントローラ６１１は電源スイッチ６１３を動
作させて供給電圧をオフにする。この供給電圧Ｕ_inはこ
の場合好適には図６(ｂ)に示すような保持電圧Ｖ_tであ
ってもよい。この場合コントローラは、マイクロマシン
素子４０２のトリガー用電圧を発生させるために、スイ
ッチ４０６を動作させて供給電圧Ｖ_tと、コンデンサ４
０２とインダクタ４０３とによって形成されるＬＣ回路
の電気的共振を好適に利用する必要がある。

【００５９】図９(ｂ)に示す構成に関連する第３の実施
例では、電源スイッチがオフになった後、動作スイッチ
４０６は瞬間的にオンになる。或いは代りに動作スイッ
チ４０６がまだ導通している間電源がオフにされる。そ
れによって動作スイッチは、前述したように放電スイッ
チとして追加的に動作してマイクロマシン素子Ｃ_sのス
イッチ・オフ遅延を最小にする。

【００６０】図９(ｃ)は、トリガー電圧を得るために前
述のタンク回路共振を使用しない本発明の実施例を示
す。図９(ｃ)による回路はＤＣ−ＤＣ変換器すなわち、
いわゆるステップアップ・ブースト・コンバータに似て
いる。この電圧昇圧回路は、インダクタ４０３を介して
電流を引き出すための半導体スイッチ６２６と、マイク
ロマシン素子４０２だけから構成される負荷を分離する
ダイオード６２４とを具備する。従来型のＤＣ−ＤＣ変
換器では、比較的大容量コンデンサを使用して電荷を集
めていた。しかし本実施例では、マイクロマシン素子４
０２のキャパシタンスＣ_sは負荷コンデンサと大容量コ
ンデンサの双方を具備する。本実施例によるＤＣ−ＤＣ
変換器は、単純で低電力の構成にすることが可能である
にもかかわらず、マイクロマシン・スイッチのキャパシ
タンスＣ_sが集める電荷の発生しか必要としないので非
常に高速な動作を行う。ダイオード６２４は変換器によ
る放電を防止する。第１のスイッチング素子６２６を用
いてトリガに必要なプルイン電圧まで昇圧が行われる。
第２のスイッチング素子６２５を用いてマイクロマシン
素子４０２の容量性電荷（ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ ｃｈ
ａｒｇｅ）の放電が行われる。この放電はダイオード６
２４が導通していないとき好適に行われる。この放電
は、コンデンサの電荷が接地に放電を行うように信号６
２３を用いてスイッチング素子６２５を制御することに
よって行われる。

【００６１】図９(ｃ)に示す構成による第１の実施例で
は、コントローラ６２１が制御する電源スイッチ６１３
が設けられている場合、保持電圧がインダクタ４０３と
ダイオード７０１とを介して好適に伝えられる。

【００６２】図９(ｃ)に示す構成による第２の実施例で
は、電源スイッチ６１３は存在しないか、あるいは、コ
ントローラ６２１によって制御されずに連続してオンの
状態である。この場合コントローラ６２１は、マイクロ
マシン素子４０２のトリガ電圧と保持電圧の双方を発生
させるために、可変繰返し速度または可変パルス幅でス
イッチ６２６を動作させる必要がある。

【００６３】図９(ｄ)は、アクティブ・コントローラを
使用する代わりに、自己共振を誘導する帰還回路網を利
用する本発明の実施例を示す。自己共振を引き起こす増
幅帰還移相回路網６３２はＵ_trig制御信号によって動作
させられる信号６３１を用いてゲートのオン／オフを行
うことができる。本実施例の利点として、駆動信号周波
数とＬＣ回路共振周波数との間の周波数の不整合が生じ
得ないという点が挙げられる。

【００６４】図９(ｄ)に示す構成による第１の実施例で
は、単一制御信号を用いてマイクロマシン素子のトリガ
ーによるプルインが行われる。本実施例では保持電圧は
供給されない。この方法は、回路の効率を考慮する必要
がない場合に利用することができる。その利点として、
プルインの単純な単線制御を利用できることが挙げられ
る。問題点として、別個の保持電圧が供給されないた
め、アクティブ状態でプルイン電圧をずっと動作させる
必要があることが挙げられる。

【００６５】図９(ｄ)に示す構成に従う第２の実施例で
は、保持電圧の供給のために別個の制御信号が使用さ
れ、自己発振用正帰還を切断するために別個の制御ライ
ンが使用される。この正帰還はこの場合プルインだけの
ために必要とされる。

【００６６】図１０(ａ)は、ＬＣ回路４０２と４０３と
を駆動するための増幅段７０３と、入力としてＵ_holdと
Ｕ_trig、および供給電圧Ｖ_ccを有するコントローラ７０
１とを具備する本発明の実施例を示す。コントローラ７
０１は単一ライン７０２を用いて増幅段７０３を制御す
る。好適には、保持電圧Ｖ_tは増幅段７０３用の供給電
圧でもあることが望ましい。

【００６７】図１０(ａ)に示す構成による第１の実施例
によれば、増幅器７０３は例えば図８(ｂ)に描かれてい
る制御信号を用いて制御ライン７０２で制御される。し
たがって、電圧レベルＶ_tに制御ライン７０２を保持し
てマイクロマシン素子４０２をアクティブ状態のままに
するか、あるいは、制御ライン７０２を接地レベルでア
イドル状態にしてマイクロマシン素子４０２を復旧させ
るか、あるいは、ＬＣ回路４０２、４０３の共振周波数
で制御ライン７０２が発振するか、または、制御ライン
７０２をその共振周波数近辺で保持してマイクロマシン
素子４０２のプルインを引き起こすようにするか、のい
ずれかが可能である。

【００６８】図１０(ａ)に示す構成に関連する第２の実
施例によれば、電圧Ｖ_tは、もう一方の供給電圧Ｖ_ccよ
り低い電圧、好適には接地電圧であり、増幅器への入力
信号はこの場合図８(ａ)に描かれている制御信号であ
る。

【００６９】図１０(ａ)に示す構成に関連する第３の実
施例によれば、マイクロマシン素子をプルイン状態に維
持できるほど十分ではない電圧Ｖ_tを用いて、コントロ
ーラ７０１は、図８(ｅ)または８(ｆ)に描かれているよ
うな振幅変調波形またはパルス幅変調波形のいずれかを
用いることにより、制御ライン７０２上でトリガー電圧
と保持電圧の双方の制御を行う。これらの波形の周波数
またはそれらの分数調波波形の任意の倍数の周波数がＬ
Ｃ回路４０２、４０３の共振周波数またはその近くに存
在する。

【００７０】図１０(ｂ)は、ＬＣ回路４０２、４０３を
駆動する自己発振増幅段７０３、および、入力Ｕ_holdと
Ｕ_trigおよび供給電圧Ｖ_ccを備えたコントローラ７０１
を有する本発明の実施例を示す。インダクタ４０３から
帰還コンデンサ７０５の助けを借りて１つの帰還パスが
設けられる。コントローラ７０１は単一ライン７０２を
用いて増幅段７０３を制御する。好適には、保持電圧Ｖ
_tは増幅器７０３用の供給電圧でもあることが望まし
い。磁気結合されたコイルあるいは好適にはインダクタ
４０３からのタップ７０６が設けられ、位相偏移された
帰還信号が出力されて帰還コンデンサ７０５によって増
幅段へ送られるように構成される。図１０(ｂ)で、イン
ダクタ４０３の巻線の一端は供給電圧Ｖ_tと接続され、
他端は帰還コンデンサＣ_fbと接続され、さらにタップは
マイクロマシン素子の１つの電極と接続される。しかし
当業者には明らかなように、このタップは供給電圧Ｖ_t
との接続も同様に可能であり、さらにインダクタ４０３
の両端は、帰還コンデンサＣ _fbとタンク回路キャパシタ
ンスＣ_sとそれぞれ接続することが可能である。図１０
(ｂ)による回路あるいはこの回路の上述の変形例によっ
て周知のハートレー発振器が有効に形成され、この増幅
器によって共振周波数で利得が得られた場合、適切に選
択された構成部品で回路の発振が生じる。

【００７１】図１０(ｂ)に示す構成による第１の実施例
では、別個の保持電圧を発生させる必要がなければコン
トローラ７０１は不要となる。帰還信号の接地または帰
還信号の停止により帰還信号の増幅器７０３に対する影
響を単に阻止するだけで、自己発振の阻止が可能とな
る。この利点は単純な単線制御であるが、たとえ低い保
持電圧で充分であっても、マイクロマシン素子が不必要
に常時プルインされるため効率の低下が生じる。

【００７２】図１０(ｂ)に示す構成に従う第２の実施例
では、コントローラ７０１が設けられて同様に保持電圧
が供給される。トリガ電圧を発生させる自己発振はマイ
クロマシン素子４０２のプルイン期間中にしかアクティ
ブにならない。出力増幅器の制御を行うことによりコン
トローラ７０１は適切なＤＣレベルに合わせて保持電圧
を供給し、一方で自己発振の維持に必要な帰還信号の終
了を同時に行う。高インピーダンス制御手段７０４を用
いてこれを行う単純な方法が図１０(ｂ)に示されてい
る。この高インピーダンス制御手段７０４によって、コ
ントローラ７０１の出力が高いインピーダンス状態にあ
る場合帰還信号が増幅器７０３に達することが可能にな
る。コントローラ出力が高いか低いかのいずれかの場
合、帰還信号は増幅器７０３への到達を妨げられる。出
力レベルのうちの一方が増幅器の出力を制御してマイク
ロマシン素子４０２用のＤＣ保持電圧を供給し、他方の
レベルすなわちアイドル中のレベルによってマイクロマ
シン素子の復旧が行われる。本実施例の利点として、た
った１本の信号ラインのＤＣ信号レベルだけを用いてマ
イクロマシン素子の完全な制御を行うことが可能となる
ことが挙げられる。

【００７３】図１１(ａ)〜(ｂ)は、いくつかのマイクロ
マシン素子４０２の制御を必要とする状況で利用可能な
本発明の実施例を示す。図１１(ａ)〜(ｂ)に、マイクロ
マシン素子がコンデンサ４０２として示されている。こ
れらのマイクロマシン素子は加算エレメント４０１によ
って制御され、スイッチ８０３と８０４との助けを借り
て第１の制御信号Ｕ_holdと第２の制御信号Ｕ_trigはこの
エレメントに転送されることができる。保持スイッチ８
０３を好適に設けて、復旧遅延のスピード・アップのた
めの放電機能を提供することが可能となる。

【００７４】図１１(ａ)に示す構成に関連する第１の実
施例では、第２の制御信号Ｕ_trigが電圧変換手段８０１
を用いて第１の制御信号Ｕ_holdから形成される。１つの
可能性として、第１の制御信号Ｕ_holdがＤＣ電圧であ
り、やはりＤＣ電圧である第２の制御信号Ｕ_trigを発生
するために電圧変換手段によってこの第１の制御信号の
ＤＣ−ＤＣ変換を行うことである。したがって第２の制
御信号Ｕ_trigのＤＣ電圧レベルは第１の制御信号Ｕ_hold
の電圧レベルより高いレベルに変換される。第２の制御
信号Ｕ_trigは、電圧変換手段８０１の出力と接地との間
に設けられる大容量コンデンサ８０２に集められる。加
算エレメント４０１への制御信号の選択は本推奨実施例
ではＦＥＴスイッチであるスイッチ手段８０３、８０４
を用いて制御される。第１の制御信号Ｕ_holdの選択制御
はスイッチ手段８０３を用いて実現される。同様に、第
２の制御信号Ｕ_trigはスイッチ手段８０４によって選択
される。好適には、スイッチ手段８０４を制御する信号
はＡＣ電圧信号であり、この信号によってスイッチ手段
８０４は導電状態と非導電状態との間を交番する。第１
の制御信号Ｕ_holdと第２の制御信号Ｕ_trigとの和あるい
は第２の制御信号Ｕ_{tr ig}単独のいずれかによってマイク
ロマシン素子のプルインが行われる。

【００７５】図１１(ｂ)に示す構成による第２の実施例
では、別個のＵ_trig供給電圧８０５が用いられる。当業
者にとって明らかなように、電圧変換手段８０５はＤＣ
の電源装置またはなんらかの他の変換器であってもよ
い。例えば、なんらかの好適なＤＣまたはＡＣ信号を加
算エレメント４０１に出力することが可能である。

【００７６】図１１(ａ)〜(ｂ)には２つのマイクロマシ
ン素子と制御回路しか図示されていないが、当業者には
明らかなように、任意の他の数の素子と制御回路を設け
てもよい。またこれらのマイクロマシン素子は相互に異
なるものであってもよい。このことはプルイン効果を引
き起こす所要電圧レベルは異なっていてもよいことを意
味し、したがって、それぞれのスイッチ８０３と８０４
のための異種変換器または異なるスイッチ・タイミング
の利用のいずれかが必要となることを意味する。

【００７７】上記実施例はマイクロマシン素子の制御を
開示したものである。これらの制御回路のすべての実施
例は電気的信号を利用するものである。特に、実施例の
ほとんどは、制御信号の効果を増幅するためにＬＣ共振
を好適に利用する装置を開示するものである。第２の制
御信号Ｕ_trigを強めるための共振の利用に加えて別の可
能性としてマイクロマシン素子自身の機械的共振の好適
な利用が考えられる。第２の制御信号の高調波周波数と
マイクロマシンの素子構造の機械的共振とのマッチング
を行うことによりこれを行うことができる。しかしこれ
を行うには機械的構造に高いＱ値を必要とする。実際問
題として、このことは、マイクロマシン構造を真空中で
動作させて外乱を最少にする必要があることを意味す
る。

【００７８】一般に、マイクロマシン素子を制御する装
置には、少なくとも第１の制御信号と第２の制御信号と
を発生させる手段が含まれると言うことができる。これ
らの手段は例えば電圧変換手段などであってもよい。こ
の電圧変換のためにはバッテリでも好適である。本発明
による装置は少なくとも第２の制御信号の電圧レベルを
上げる手段を有する。特にある一定の電圧レベルをより
高い電圧レベルまで上げる場合、この手段は一般的な電
圧変換回路であってもよい。その他の可能性として、少
なくとも第２の制御信号の電圧レベルを上げる手段をＬ
Ｃ回路を形成するインダクタとコンデンサとから構成す
るということが考えられる。この場合、マイクロマシン
素子の固有コンデンサの利用が可能である。インダクタ
とコンデンサは個別部品であってもよい。本発明による
装置は、第１の制御信号と、昇圧された電圧レベル持つ
第２の制御信号とをマイクロマシン素子に印加する手段
をさらに有する。これらの手段として例えば加算回路な
どがある。加算回路は第１の制御信号と第２の制御信号
とを一緒に加算して、これらの信号の和をマイクロマシ
ン素子へ出力するために使用される。当業者には明らか
なように、マイクロマシン素子へ信号を出力する手段の
前あるいは後で、少なくとも第２の制御信号の電圧レベ
ルの昇圧が可能である。この昇圧は制御回路の構成に依
存する。

【００７９】図１２は本発明による方法を単純化した流
れ図の助けを借りて示す。第１のステップ８５０で、第
１の制御信号Ｕ_holdと第２の制御信号Ｕ_trigとが生成さ
れる。第１の制御信号Ｕ_holdを例えば供給電圧から直接
生成してもよい。第２の制御信号Ｕ_trigは例えば第１の
制御信号Ｕ_holdから生成してもよい。ステップ８５１で
マイクロマシン素子の状態を変化させるために第１の制
御信号Ｕ_holdと第２の制御信号Ｕ_trigとがマイクロマシ
ン素子に印加される。この新しい状態は、マイクロマシ
ン素子のトリガー状態、即ちプルイン状態である。本発
明の第１の実施例によれば、プルイン状態は第２の制御
信号Ｕ_trigだけを用いて達成される。本発明の別の実施
例によれば、マイクロマシン素子にプルイン効果を発生
させるためには、第１の制御信号Ｕ_holdと第２の制御信
号Ｕ_trigとの和が必要となる。次のステップ８５２で、
第２の制御信号Ｕ_trigの出力は中断され、マイクロマシ
ン素子の新しい状態が第１の制御信号Ｕ_holdを用いて維
持される。当業者には明らかなことであるが、プルイン
状態の維持ができるように第１の制御信号Ｕ_holdは復旧
電圧より高くなければならない。第１の制御信号Ｕ_hold
をアクティブでない状態にすると、マイクロマシン素子
はその元の状態に復旧することができる。マイクロマシ
ン素子に印加する前に、第１の制御信号Ｕ_holdと第２の
制御信号Ｕ_{tr ig}の増幅を行ってもよい。増幅を行う１つ
の可能な方法としてＬＣ共振回路の使用がある。別の可
能性としてマイクロマシン素子の機械的共振の利用が考
えられる。制御信号の増幅または自己発振のいずれかを
行うためにバッファや増幅器を同様に使用することも可
能である。

【００８０】図１３(ａ)と１３(ｂ)に、基板上に実現さ
れた制御装置の実際の構成が示されている。図１３(ａ)
と１３(ｂ)とからわかるように、本発明のこれらの実施
例では、２つの制御信号をマイクロマシン素子９００に
印加するために使用される電極９０１、９０２は互いに
隔てられている。

【００８１】図１３(ａ)では、電極９０１へ制御信号が
出力されると、マイクロマシン素子９００、ここではマ
イクロマシン・スイッチがその状態を変えるように構成
される。本発明によれば、第１の制御信号Ｕ_holdは第１
の電極９０１に設けられ、第２の制御信号Ｕ_trigは第２
の電極９０２に設けられる。第２の制御信号Ｕ_trigは好
適には短時間高電圧パルスであることが望ましく、この
パルスは第１の制御信号Ｕ_holdを用いてプルイン効果を
引き起こすことができるほど高い。プルイン効果が生じ
ると、第２の制御信号Ｕ_trigをアクティブでない状態に
することができ、その後第１の制御信号Ｕ_holdだけを用
いてプルイン状態が維持される。同じ電極を用いて、第
１の制御信号Ｕ_holdと第２の制御信号Ｕ_trigとをマイク
ロマシン素子に供給してもよい。

【００８２】図１３(ｂ)は、図１３(ａ)に図示のものと
同じ種類の装置を例示する。この場合、第２の制御信号
Ｕ_trig回路に設けられる共振回路を用いて短時間高電圧
が得られる。インダクタＬを用いて、および、マイクロ
マシン素子の固有キャパシタンスを用いて共振回路が形
成される。好適には、第２の制御信号Ｕ_trigの周波数は
共振回路の共振周波数よりわずかに(１〜６％)高いこと
が望ましい。この共振回路を用いて、プルイン効果を引
き起こすことができるほど高くなるまで第２の制御信号
Ｕ_trigの電圧レベルを上げることができる。

【００８３】本発明によれば、制御電極は誘電体層によ
って少なくとも部分的に覆われ、前記制御電極とマイク
ロマシン素子との間の電気接触が妨げられる。

【００８４】図１４はマイクロマシン素子の実際のレイ
アウトを示す。この場合、共振タンク回路のインダクタ
ンスを供給する環状インダクタンスを備えたスイッチが
描かれている。この場合漂遊容量を含む制御電極のキャ
パシタンスＣ_sは、ＬＣ回路の総キャパシタンスを形成
する。この環状インダクタンスは、そのサイズを小さく
し、かつ、漏洩インダクタンスを低減できるように好適
に磁心を備えるように構成される。

【００８５】図１４は、環状インダクタンスとマイクロ
マシン素子とが同じ基板９５１上に集積化されるような
実施例を示す。図１４に図示の装置にはマイクロマシン
素子４０２、信号パッド９５３および制御電極９５２が
含まれる。この推奨実施例では、マイクロマシン素子４
０２の動作を制御するための制御電極９５２が１つしか
設けられていない。本発明によれば、制御目的用として
複数の電極を用いることも可能である。これらの制御信
号は制御信号パッド９５４を介して基板に印加される。
これらの信号は環状インダクタンス９５５を介してマイ
クロマシン素子４０２に印加される。環状インダクタン
ス９５５は磁心９５６の周りに好適に設けられる。イン
ダクタ９５５とマイクロマシン素子４０２の固有キャパ
シタンスとによって、前述したようにプルイン効果を引
き起こすために必要な電圧レベルまで制御信号の電圧レ
ベルを上げることが可能となる。基板９５１は、マイク
ロマシン素子４０２とインダクタ９５５とをその上に集
積化するシリコン・ウェーハであってもよい。１つの可
能性としてホウケイ酸ガラスを基板として使用すること
が考えられる。この基板はポリマーから作られていても
よい。使用インダクタは、好適には磁心の周りに配設さ
れた３次元ソレノイドまたはトロイドである。好適には
磁心９５６は高い誘電率を持つことが望ましい。インダ
クタ９５５とマイクロマシン素子４０２とを同一基板上
に集積化しないことも可能である。この実施例によれば
インダクタはマイクロマシン素子の外部にあるバルク部
品である。

【００８６】同一基板上に集積化されたインダクタを持
つマイクロマシン・スイッチに本発明を適用するとき、
インダクタの実際のインダクタンス値は１００ｎＨ〜１
００００ｎＨのオーダーであり、１〜２００ＭＨｚの周
波数帯域でＱ係数は１０より大きい必要がある。機械的
共振のＱ係数は所望の切換え時間に依存するが、０.０
１〜０.５のオーダーである。

【００８７】図１５はマイクロマシン素子構造、この場
合スイッチの偏向の過渡現象のシミュレーションを示
す。ｘ軸は次元の無い時間スケールであり、ｙ軸は構造
の偏向および対応するプルイン電圧を図示する。第１の
グラフ９９８は第１と第２の制御信号の和を記述するグ
ラフである。第２のグラフ９９９はマイクロマシン・ス
イッチの偏向を示すグラフである。電圧はまず第１の制
御信号の電圧、すなわち保持電圧レベルまで増加する。
時点５０で、第２の制御信号が電極に供給され、その結
果マイクロマシン素子のプルイン効果が生じる。第２の
制御信号が約１０単位時間でアクティブにされる。この
プルイン状態は時点１５０まで第１の制御信号を用いて
保持される。図からわかるように、本発明による装置を
用いて、プルイン電圧のわずか１／１０の低い電圧レベ
ルを用いてプルイン状態の維持が可能となる。

【００８８】上記説明の中で、スイッチのようなマイク
ロマシン素子の動作制御が可能となる様々な種類の装置
を示してきた。ここまでは、使用される部品と素子の実
際的な値に対しては注意を払わなかった。本装置の技術
的特徴を明らかにするために、例えば、マイクロマシン
・スイッチは、その機械的共振周波数ｆ₀が１０〜２０
０ｋＨｚであるように設定することができる。機械的品
質係数Ｑ_mは０.０５と０.５の間にある。プルイン電圧
Ｕ_pull-inは１０〜３０Ｖ、マイクロマシン・スイッチ
の固有キャパシタンスは１〜３０ｐＦである。使用する
インダクタのインダクタンスは好適には１００ｎＨ〜１
０μＨとすることができる。ＬＣタンク回路の品質係数
Ｑは好適には１０より大きいことが望ましく、タンク回
路の共振周波数ｆ_LCは１〜２００ＭＨｚである。第２の
制御信号ＵＬ_trigの生成に使用するＡＣ電圧源はプルイ
ン電圧Ｕ_pull-inの約０.１〜０.２倍の振幅を有する。
典型的にはこのＡＣ電圧源は１〜３Ｖのような電圧にな
る。ＡＣ信号の周波数は１〜２００ＭＨｚである。第１
の制御信号を生成するためのＤＣ電圧源が電圧を生成
し、この電圧の振幅はプルイン電圧Ｕ_pull-inの０.１〜
０.２倍であり、一般に１〜３Ｖである。当業者には明
らかなことであるが、上記の値は１例にすぎず、本発明
を決して限定するものではない。

【００８９】複雑さを減らし、それによって価格を低減
するためにマイクロマシン素子の制御は低い電圧を用い
て好適に実行される。マイクロマシン素子の制御のため
の新しい独創的で実際的な解決方法を本明細書に提示し
た。これらのマイクロマシン素子は、スイッチ、リレー
または電気的スイッチングおよび光スイッチングを目的
とする他の任意の種類のマイクロマシン素子であっても
よい。

【００９０】マイクロマシン素子は今日電気通信分野で
多くの目的ために利用されている。例えば、移動局、特
にデュアル・バンドあるいはデュアル・モードの移動局
で多くの目的のためにスイッチングが必要とされる場合
にマイクロマシン素子が使用される。

【００９１】以上説明した構成の中で、本質的に同じ作
用をする他の素子でこれらの構成要素や手段を置き換え
ることが可能である。

【００９２】以上本発明を前述の実施例と関連して説明
した。しかし、本発明がこれらの実施例だけに限定され
るものではなく、その発明思想と以下の特許請求項の精
神と範囲内に含まれるすべての考え得る実施例を含むこ
とは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)〜(ｃ)は様々なマイクロマシン・スイッチ
構造を示す図である。

【図２】単純化された超小型電気機械システムのピスト
ン構造を示す図である。

【図３】マイクロマシン容量性素子の典型的電圧対偏向
を示す図である。

【図４】３状態容量構造の電圧対キャパシタンス特性を
示す図である。

【図５】電気的または機械的共振周波数と信号周波数の
比への切換え遅延の依存度を示す図である。

【図６】タンク回路共振周波数と制御信号共振周波数の
比への切換え遅延の依存度を示す図である。

【図７】(ａ)〜(ｅ)は本発明の基本概念を示す図であ
る。

【図８】(ａ)〜(ｈ)はマイクロマシン素子の制御に用い
る波形を示す図である。

【図９】(ａ)〜(ｄ)はマイクロマシン素子を制御する本
発明の実施例を示す図である。

【図１０】(ａ)〜(ｂ)はマイクロマシン素子を制御する
本発明の実施例を示す図である。

【図１１】(ａ)〜(ｂ)は複数のマイクロマシン・スイッ
チを制御する本発明の実施例を示す図である。

【図１２】本発明による方法の単純化した流れ図を示す
図である。

【図１３】(ａ)〜(ｂ)は基板上の制御電極の構成を示す
図である。

【図１４】基板上のＬＣ回路の構成を示す図である。

【図１５】マイクロマシン素子の動作の過渡現象シミュ
レーションを示す図である。

【符号の説明】

４０１…加算手段 ４０２…マイクロマシン素子（コンデンサ） ４０３…インダクタ ４０４…追加コンデンサ ４０５…スイッチ（スイッチ手段） ４０６…電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)スイッチ Ｕ_hold…第１の制御信号 Ｕ_trigger…第２の制御信号 Ｕ_in…入力信号 Ｖ_t …終端電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウラディミール エルモロブ フィンランド国，エフイーエン−00300 ヘルシンキ，コルポーンティエ ３ ベー ７ Ｆターム(参考） 5G057 AA19 KK01 RR10 RS10

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つのマイクロマシン素子を
   制御する方法において、前記マイクロマシン素子が、少
   なくとも第２の制御信号を用いてアクティブ状態に設定
   され、前記マイクロマシン素子が少なくとも第１の制御
   信号を用いて前記アクティブ状態に維持されることを特
   徴とするマイクロマシン素子を制御するための方法。
2. 【請求項２】 前記アクティブ状態がプルイン状態であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記第２の制御信号が短時間電圧パルス
   であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記第２の制御信号が短時間正弦波信号
   であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記第２の制御信号が短時間パルス列で
   あることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記第２の制御信号が周波数掃引波形で
   あることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記第１の制御信号が定電圧信号である
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記マイクロマシン素子が前記第１の制
   御信号と第２の制御信号の和を用いてアクティブ状態に
   設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記和が異なる振幅を持つ信号から成る
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記和が異なる周波数を持つ信号から
    成ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記和が異なるデューティ・サイクル
    を持つ信号から成ることを特徴とする請求項８に記載の
    方法。
12. 【請求項１２】 前記和が異なるパルス密度を持つ信号
    から成ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記第２の制御信号の振幅が前記第１
    の制御信号の振幅より大きいことを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
14. 【請求項１４】 共振回路を用いて前記第２の制御信号
    の振幅が上げられることを特徴とする請求項１３に記載
    の方法。
15. 【請求項１５】 前記第２の制御信号の周波数が前記共
    振回路の電気的共振周波数より０〜６％低いことを特徴
    とする請求項１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記第２の制御信号の高調波周波数が
    前記マイクロマシン素子の機械的共振周波数と本質的に
    同じであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記第２の制御信号の高調波周波数が
    前記マイクロマシン素子の電気的共振と本質的に同じで
    あることを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 【請求項１８】 少なくとも１つのマイクロマシン素子
    (４０２)を制御するための装置において、少なくとも第
    １の制御信号と第２の制御信号を生成する手段と、少な
    くとも前記第２の制御信号の電圧レベルを上げる手段
    と、前記第１の制御信号と、昇圧された電圧レベルを持
    つ前記第２の制御信号とをマイクロマシン素子へ供給す
    る手段とを少なくとも含むことを特徴とするマイクロマ
    シン素子を制御するための装置。
19. 【請求項１９】 少なくとも前記第１の制御信号と前記
    第２の制御信号とを生成する手段が少なくとも電圧変換
    器回路を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装
    置。
20. 【請求項２０】 前記電圧変換器回路が、ＤＣ電圧源と
    接続されたインダクタと、固有キャパシタンスを持つマ
    イクロマシン素子と、前記マイクロマシン素子の前記コ
    ンデンサの放電を防止するためのダイオードと、前記イ
    ンダクタと前記ダイオードとの間の電圧を制御するため
    の第１のスイッチング素子と、前記マイクロマシン素子
    の前記キャパシタンス(４０２)の前記電荷をリセットす
    るための第２のスイッチング素子(８０３)とを少なくと
    も含むことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 【請求項２１】 少なくとも前記第２の制御信号の電圧
    レベルを上げるための手段が、少なくとも共振回路を含
    むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
22. 【請求項２２】 前記共振回路が１つのインダクタと、
    前記マイクロマシン素子のキャパシタンスとから構成さ
    れることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 【請求項２３】 前記キャパシタンスが前記マイクロマ
    シン素子に固有のものであることを特徴とする請求項２
    ２に記載の装置。
24. 【請求項２４】 前記キャパシタンスが前記マイクロマ
    シン素子の外部にあることを特徴とする請求項２２に記
    載の装置。
25. 【請求項２５】 前記インダクタと前記マイクロマシン
    素子とが同一基板上に集積化されることを特徴とする請
    求項２２に記載の装置。
26. 【請求項２６】 前記基板がシリコン・ウェーハである
    ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 【請求項２７】 前記基板がホウケイ酸ガラスであるこ
    とを特徴とする請求項２５に記載の装置。
28. 【請求項２８】 前記基板が石英からつくられることを
    特徴とする請求項２５に記載の装置。
29. 【請求項２９】 前記基板がポリマーからつくられるこ
    とを特徴とする請求項２５に記載の装置。
30. 【請求項３０】 前記インダクタが３次元ソレノイドで
    あることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
31. 【請求項３１】 前記インダクタが３次元トロイドであ
    ることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
32. 【請求項３２】 前記インダクタが高い誘電率の磁心を
    有することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
33. 【請求項３３】 前記インダクタが前記マイクロマシン
    素子の外部にあるバルク部品であることを特徴とする請
    求項２２に記載の装置。
34. 【請求項３４】 前記共振回路が、ＤＣ電圧源と接続さ
    れたインダクタと、固有キャパシタンスを持つマイクロ
    マシン素子と、前記マイクロマシン素子の前記固有キャ
    パシタンスの放電を制御するためのスイッチング素子と
    を少なくとも含むことを特徴とする請求項２１に記載の
    装置。
35. 【請求項３５】 前記共振回路が増幅段によって駆動さ
    れることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
36. 【請求項３６】 前記増幅段が前記共振回路からの帰還
    信号を用いて制御されることを特徴とする請求項３５に
    記載の装置。
37. 【請求項３７】 前記第１の制御信号と、昇圧された電
    圧レベルを持つ前記第２の制御信号とを前記マイクロマ
    シン素子に供給する手段が、前記第１の制御信号と前記
    第２の制御信号とを加算するための加算素子を含むこと
    を特徴とする請求項１８に記載の装置。
38. 【請求項３８】 前記第１の制御信号と前記第２の制御
    信号とを前記マイクロマシン素子に供給する手段が、少
    なくとも１つの制御電極を含むことを特徴とする請求項
    １８に記載の装置。
39. 【請求項３９】 前記第１の制御信号と前記第２の制御
    信号とを前記マイクロマシン素子に供給するための手段
    が、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号用と
    して少なくとも２つの別個の制御電極を含むことを特徴
    とする請求項１８に記載の装置。
40. 【請求項４０】 前記制御電極が、前記制御電極と前記
    マイクロマシン素子との間の電気接触を妨げるために誘
    電体層によって少なくとも部分的に覆われることを特徴
    とする請求項３８または３９に記載の装置。