JP2005302711A - Actuator, its control method and switch using this - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器に用いられるアクチュエータおよびそれを用いた高周波スイッチに関するものである。 The present invention relates to an actuator used in an electronic device and a high frequency switch using the actuator.
従来の電気式微少機械装置(MEMS)としてのアクチュエータは、アクチュエータの駆動部となる駆動アームが基板上に支持され、基板と駆動アームに設けられた静電用電極の一方に正電圧を他方の静電用電極に負電圧を印加することで、これによって生じる静電気力を用い駆動アームを基板側に引き寄せる構成が知られている。 In a conventional actuator as an electric micromechanical device (MEMS), a drive arm serving as an actuator drive unit is supported on a substrate, and a positive voltage is applied to one of the substrate and the electrostatic electrode provided on the drive arm. There has been known a configuration in which a negative arm is applied to an electrostatic electrode to draw a drive arm toward the substrate using an electrostatic force generated thereby.
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
そして、このようなMEMS式アクチュエータの用途として携帯電話の送受信信号の接続を切り換えるスイッチなどが挙げられるようになり、その駆動速度の向上が重要視されるようになってきている。 And as a use of such a MEMS actuator, a switch for switching connection of transmission / reception signals of a mobile phone has been mentioned, and improvement of the driving speed has been regarded as important.
しかしながら、静電式のアクチュエータは静電気により駆動アームを駆動するため、駆動アームがまっすぐに伸びた初期状態において最も静電用電極間の距離が大きくなることから、その高速化にあたっては初期駆動時に大きな静電気力を発生させなければならず、必然的に電圧が大きくなってしまうという問題を有していた。また、駆動アームを戻す際も、静電力を解除して駆動アームのバネ性により戻していたため、駆動の高速化が困難であった。 However, since the electrostatic actuator drives the drive arm by static electricity, the distance between the electrodes for electrostatic use is the largest in the initial state where the drive arm is extended straight. An electrostatic force has to be generated, and the voltage inevitably increases. Also, when the drive arm is returned, since the electrostatic force is released and the drive arm is returned by the spring property, it is difficult to increase the drive speed.
一方、圧電駆動によりアクチュエータを駆動する方法も提案されているが、これをスイッチに応用しようとすると、駆動アームを動かして、接触させた際に駆動アームがそのバネ性により振動し、ノイズを発生しやすいという課題があった。 On the other hand, a method of driving an actuator by piezoelectric drive has also been proposed, but if this is applied to a switch, when the drive arm is moved and brought into contact, the drive arm vibrates due to its springiness, generating noise. There was a problem that it was easy to do.
そこで本発明はこのような問題を解決し、低電圧で高速駆動が可能なアクチュエータおよびこれを用いたスイッチを提供するものである。 Therefore, the present invention solves such a problem and provides an actuator capable of high-speed driving at a low voltage and a switch using the same.
この目的を達成するために本発明は、特に、静電駆動方式のアクチュエータを構成する駆動アームに対して、圧電体層の上下面に電極を形成した圧電駆動電極と、圧電駆動電極を形成する電極に電圧を印加する電圧印加手段とを設けた構成としたものである。 In order to achieve this object, the present invention forms, in particular, a piezoelectric drive electrode having electrodes formed on the upper and lower surfaces of a piezoelectric layer and a piezoelectric drive electrode for a drive arm constituting an actuator of an electrostatic drive system. A voltage applying means for applying a voltage to the electrodes is provided.
この構成により、駆動アームに対する静電力の弱い初期駆動時に圧電駆動電極の撓み作用を加えることで駆動速度を向上できるとともに、アクチュエータの低電圧駆動ができ、消費電力を小さくできる。 With this configuration, it is possible to improve the driving speed by applying a bending action of the piezoelectric driving electrode during initial driving with a weak electrostatic force with respect to the driving arm, and it is possible to drive the actuator at a low voltage and reduce power consumption.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the present invention will be described using the first embodiment.
図1は本発明に係るアクチュエータ1を用いたスイッチ2の斜視図であり、その基本構成は基板3と、一端が基板3に支持され基板3に平行に配置された板状の駆動アーム4と、この駆動アーム4の上面に設けられ、圧電体層5の上下面を電極6で挟み込んだ圧電駆動電極7と、基板3の上面および駆動アーム4の下面に設けられた静電用電極8とで構成されている。また、圧電駆動電極7を形成する電極6および静電用電極8には、それぞれ電圧印加用の電圧印加手段が接続されるものであるが、この電圧印加手段は一般的な電源回路を用いて適宜接続すれば良いものでこの図1においては特に図示していない。
FIG. 1 is a perspective view of a
なお、基板3や駆動アーム4の素材としてはシリコンを用いているが、基本的に表面が絶縁性を有するものであれば良く、金属板の表面に絶縁化処理を施したものでも代替え可能である。
Silicon is used as the material for the
そして、一方の静電用電極8に電圧印加手段により正電圧を印加し、もう一方の静電用電極8をグランド或いは負電圧に接続することで対向する静電用電極8間に静電気力が生じ、基板3に対して駆動アーム4を基板3に引き寄せるいわゆる静電駆動方式による駆動と、圧電駆動電極7を形成する電極6に電圧印加手段から電圧を印加することでその内層部に位置する圧電体層5が伸縮し、この伸縮により駆動アーム4を撓ませることにより、駆動アーム4を上下方向に駆動させ、その先端に設けられた接続電極9をもって隣り合う端子電極10間の電気的接続を制御している。
Then, a positive voltage is applied to one
そして、スイッチ2を形成するアクチュエータ1を図2に示すように、静電気力のみを用いたアクチュエータ1において駆動電圧が大きくなってしまう初期駆動部分を低電圧で機械的に駆動する圧電駆動方式Aを主体的に活用し、撓み量が大きくなり駆動電圧が大きくなる静電用電極8が近接する部分においては、静電用電極8が近接することで有効に作用する静電駆動方式Bを主体的に活用するように制御することで、アクチュエータ1の高速駆動を実現できるとともにアクチュエータ1の駆動に伴う電圧が低減でき、特に携帯電話などの低電圧設計が望まれる分野において非常に有効となる。
Then, as shown in FIG. 2, the actuator 1 that forms the
このようにすることにより、圧電駆動のみで構成した場合に発生する振動が、静電用電極8が近接することによって強くなった静電力によって抑えられ、ノイズを低減することができる。
By doing in this way, the vibration which generate | occur | produces only when comprised by a piezoelectric drive is suppressed by the electrostatic force which became strong when the
また、静電駆動のみの場合は、駆動アーム4が撓んだ状態から元の状態に戻す際には、静電力を解除し、駆動アーム4のバネ性のみで戻していたために、高速化には限界があった。これに対し本発明では、圧電駆動電極7を形成する電極6に、撓ませたときとは逆の電圧を印加することにより逆方向に撓ませ、高速での駆動が可能となる。
Further, in the case of only electrostatic driving, when the
図3は、本発明の一実施形態における別のアクチュエータを用いたスイッチの正面図であり、圧電駆動電極7を圧電体層5の上下に設けた電極6a、電極6bにより構成し、一方駆動アーム4の圧電駆動電極7とは反対の面に静電用電極8aを設け、電極6aと静電用電極8aとを、駆動アーム4内に設けたスルーホール13により電気的に接続したものである。また基板3側の静電用電極8bをグランドに接続する。ここで例えば圧電体層5は、電極6aから電極6bに向かって電界がかかったときに、面方向に広がるように分極を施しておく。このように構成し、電極6aおよび静電用電極8aに正電圧を印加し、電極6bをグランドに落とすと、圧電体層5が広がり、駆動アーム4は、基板3側に撓む。同時に静電用電極8aと静電用電極8bが引き合い、駆動アーム4の先端に設けられた接続電極9が、隣り合う端子電極10間を電気的に接続させる。逆に、この電気的接続を切るためには、電極6aおよび静電用電極8aをグランドに落とし、電極6bに正電圧を印加する。このとき静電用電極8aと静電用電極8bが引き合う力が解除され、一方圧電体層5が収縮し、これと駆動アーム4のバネ性により、駆動アーム4の先端が持ち上げられ、隣り合う端子電極10間の電気的接続が解除される。
FIG. 3 is a front view of a switch using another actuator according to an embodiment of the present invention, in which the piezoelectric drive electrode 7 is composed of electrodes 6a and 6b provided above and below the
即ち、一つの制御信号と、これを反転させた信号を印加することにより、接続するときには、圧電駆動と静電駆動を、接続を解除するときには、圧電駆動とバネ性を利用して駆動するため、低電圧で高速なスイッチングが可能となる。 That is, by applying one control signal and a signal obtained by inverting it, the piezoelectric drive and electrostatic drive are used when connecting, and the piezoelectric drive and spring characteristics are used when releasing the connection. Fast switching at low voltage is possible.
また、この圧電駆動という点に着目すれば、駆動アーム4に対して圧電駆動電極7を複数形成することで駆動アーム4の駆動方法を自在に制御できるものである。その具体例として、図4に示されるように駆動アーム4の上面における延伸軸に対して略左右対称となるよう圧電駆動電極7を分割し圧電駆動電極7a,7bを形成し、それぞれの駆動電圧の印加を制御することで駆動アーム4を左右方向に駆動することが可能となる。よって、この圧電駆動電極7a,7bによる左右方向の駆動と圧電駆動電極7cによる先に述べた上下方向の駆動を併せることで、図5に示されるように3つの端子電極10a,10b,10cに対して端子電極10a,10b間の接続や電極10b,10c間の接続といったことを自在に制御することが可能となる。
If attention is focused on this piezoelectric drive, the drive method of the
そして、このスイッチ2を用いた応用例としては、例えば欧州携帯電話通信システムにおけるGSMとDCSといった異なる2つの送受信システムに対応した、いわゆるデュアルバンド携帯電話に用いられるSPDT(一極双投)型スイッチ回路で、図5に示す中央に位置する接続電極10bをアンテナ端子とし、その両側に位置する端子電極10a,10cを送受信端子とすることで、1つのアンテナを用いて異なる送受信システムを切り換え接続することができる。
As an application example using this
なお、このような高周波向けのスイッチ2においてはオフ時(端子電極間が非接続となる状態)におけるアイソレーション特性が必要となることから、端子電極間における寄生容量に対してインダクタを並列接続しその並列共振周波数をアイソレーションが必要となる周波数帯域に設定するなどの、この分野において通常なされている対策を実施することが望ましい。
Since such a
また、これと同様に端子電極10の配置やスイッチ2の配置を適宜選ぶことによりSP3T(一極三投)やDPDT(二極双投)といったさらなるマルチバンド化も可能である。
Further, similarly to this, by further selecting the arrangement of the
なお、この一実施形態においては駆動アーム4が基板に対して一端が支持されたいわゆる片持ち梁構造としているが、駆動アーム4の両端を支持するいわゆる両持ち梁構造としても同様の効果を奏することができる。
In this embodiment, the
そして、このようなスイッチ2を形成するにあたっては、図6に示すごとく例えばシリコンからなる基板3上に静電用電極8や端子電極10をスパッタ形成し、この基板3上に駆動アーム4の支持部分を除き二酸化珪素からなる犠牲層11を設ける。そして、この犠牲層11上にシリコンからなる駆動アーム4を形成し、この駆動アーム4上に圧電駆動電極7を形成する下側の電極6と、圧電体層5を形成するチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTと称す)からなる圧電薄膜と、上側の電極6を形成する。その後、犠牲層11を除去することにより基板3上に一端が支持された駆動アーム4を有するスイッチ2を形成することができるのである。
In forming such a
また、圧電駆動電極7を駆動アーム4の下面に配置すれば、駆動アーム4の下面に圧電駆動電極7と静電用電極8および接続電極9が同一面内に形成できるので、電極形成において生産性を向上させることができる。
Further, if the piezoelectric drive electrode 7 is arranged on the lower surface of the
なお、このスイッチ2にSAWフィルタなどの耐熱性の低いデバイスを複合化するような場合であれば、PZTの形成に600℃程度の熱処理が必要なため、先に述べた方法においてはデバイスを破壊する恐れがあるので、図7に示すごとくPZTの形成を要する駆動アーム4部分の形成と、基板3および耐熱性の低いデバイス12の実装を別工程で行い、最後に一体化するといった工法を用いることで、圧電体層5を有するスイッチ2に耐熱性の低いデバイス12を複合化することが可能となる。
If the
本発明にかかるアクチュエータおよびスイッチは、駆動電圧を低くし、高速駆動を可能とすることができるという効果を有し、特に高周波用途において有用である。 The actuator and the switch according to the present invention have an effect that the driving voltage can be lowered and high-speed driving can be performed, and are particularly useful in high frequency applications.
1 アクチュエータ
2 スイッチ
3 基板
4 駆動アーム
5 圧電体層
6 電極
7 圧電駆動電極
8 静電用電極
9 接続電極
10 端子電極
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