JP2007294452A

JP2007294452A - 第１の被作動部と第２の接触部とを備えたマイクロスイッチ

Info

Publication number: JP2007294452A
Application number: JP2007108972A
Authority: JP
Inventors: Carmona Flores Manuel; カルモナフローレスマニュエル; Cuxart Jofre Pallares; パジャレスクシャートジョフラ
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2007-11-08
Also published as: US7745747B2; US20080011593A1; EP1850360A1

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ技術を用いた静電作動方式によるマイクロスイッチの接触特性を向上さ
せ、自作動作用を軽減する。
【解決手段】第１の開放位置と第２の閉鎖位置とを有しており、前記閉鎖位置では少なく
とも１つの接触線（３０）を閉鎖する静電作動方式のマイクロスイッチの可動部（１０）
に、第１の被作動部（１１）と第２の接触部（１２）とを設け、少なくとも１つの接続要
素（１３）で上記２つの部分を機械的に接続して２つの部分の間に前記少なくとも１つの
接続要素を配置し、該マイクロスイッチの第１の被作動部と前記接触線との間の距離をｄ
１、第２の接触部と接触線との間の距離をｄ２とすると、マイクロスイッチの動作時には
、作動電極（２０）が前記第１の被作動部を作動させ、それに呼応して第２の接触部（１
２）が接続要素（１３）を介して前記接触線（３０）に接触し、前記第２の距離ｄ２をゼ
ロにするようマイクロスイッチを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小電気機械システムに関し、さらに、微小機械スイッチに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、高周波アプリケーションに低コスト低電力の部
品を実装するための、最も有望な技術の一つである。このようなデバイスは大きさがマイ
クロメーターの規模であるうえ一体化が可能なため、受動部品が大きな面積を占めるとい
う現在の高周波システムが抱える問題は、それら受動部品を全て単一のＭＥＭＳチップで
置き換えるか、又はシステムのプロセシング・チップに一体化させることにより回避する
ことができる。

すでに数多くのアクチュエータがこの技術を使って開発されているが、市販されている
ものはまだ一部に過ぎない。これらのデバイスの重要なポイントは、個別のデバイス全て
に関する作動方式の性能にある。ＭＥＭＳの作動には、電熱方式、静電方式、磁気方式、
圧電方式など、多くの作動原理が用いられている。現在、微小機械スイッチに最も多く用
いられている作動原理の一つは、静電作動方式である。静電作動方式では、二層性の導体
（電極）に電圧を印加して導体に電荷を誘導し、誘導電荷間に働く力を作動源として用い
る。静電作動方式は、小さいギャップに対して大きい力が得られること、直接電気で作動
することなど、一般的性質が良好である。それでもなお一般的な欠点として、大きい面積
を必要とするため速度の低下、信頼性の低下、面積当たりコストの上昇など、デバイスの
多くの性質に悪影響を及ぼすことの多い点が挙げられる。他にも、接触に関する諸問題又
は自作動作用及び総じて中程度に高い作動電圧などの欠点がある。

現在までのところ、静電作動を用いた微小デバイスの大部分は、デバイスの可動部分（
片持ち梁、両端部を固定された一本の梁から成るブリッジなど）に電極を、基板に固定電
極を設けたものである。

特許文献１の図４ａから４ｅには、現状のマイクロスイッチの代表的ケースが示されて
いる。その動作原理もまた現状の技術の代表的ケースであり、作動電極４０５及び４０６
が、接触線４０２及び４０３と可動部分４１４及び４１２との間に接触が行われるまで、
可動部分全体に静電気力を及ぼすというものである。位相的に言うと、作動電極４０５及
び４０６と接触線４０２及び４０３とは同じレベルの高さにあって、可動部分４１２の下
に位置する。

また一例を挙げると、特許文献２は、互いに近接して配置された２本の分散された定線
と、その上方に配設された可動要素と、可動要素を静電気力で移動させて分散された定線
と接触させるための駆動手段（４）とを備えたマイクロスイッチに関するものである。可
動要素は、分散された定線の少なくとも１本の上に位置する可動要素の重複部分に切込み
を入れて形成された２つの突起を有している。突起は、分散された定線のうち対応する方
の定線に対抗している。

特許文献３には、固定部と可動部分とが対抗して設けられた一体型の静電アクチュエー
タを備えた微小デバイスについて述べられている。相対的な移動量は、両者間に作用する
静電気力を制御することにより制御される。可動部分は、一体化された静電アクチュエー
タと、機械的に操作できる可動部分に接続された部分によって移動される。走査型プロー
ブ顕微鏡のプローブが、上記アクチュエータの可動部分に設けられる。上記トランスデュ
ーサは、このようなアクチュエータが数多く、２次元または１次元に配設された構造とな
っている。

特許文献４には、静電アクチュエータの一例が開示されている。主電極と作動体との間
に重層化された補助電極をさらに配設し、正電荷又は負電荷を主電極、それぞれの補助電
極及び作動体に印加して、主電極に隣接する補助電極間と、隣接する補助電極間と、作動
体に隣接する補助電極間に静電気引力を発生させている。

米国特許第５６１９０６１号明細書米国特許第６７８４７６９−Ｂ号明細書米国特許第５８０１４７２−Ａ号明細書米国特許公開第２００３／０１５９３６−Ａ１号明細書

しかしながら、現在のマイクロスイッチは一般に接触面の接触が不十分なため、スイッ
チのオン抵抗の増大、接触効率の大幅な低下などの結果を惹き起こすことが多い。その理
由の一つは、接触が起きた時に可動部分の表面が反ることである。この問題は実際に必要
とされるより高い電圧を印加すれば一部解消されることが多いが、それによってスイッチ
の性能に悪影響が及ぼされる。また、スイッチの可動部分の分厚い又は広い中央領域を使
用することにより解消する場合もある。

よく起こるもう一つの問題は、切り替えの行われる回線に存在する信号がスイッチに惹
き起こす自作動作用である。信号が十分に大きければスイッチの好ましからざる閉鎖が起
き、不具合に至ることがある。

そこで本発明は、接触特性が向上し、自作動作用の軽減されたマイクロスイッチを提供
することを目的とする。

本発明のマイクロスイッチは、接触特性を改善し、自作動を軽減するために、第１また
は第２の部分又は面を備えたことを特徴とする。従来のスイッチと異なり、本発明のマイ
クロスイッチは、接触線ないし伝送線が可動部分の第１の被作動部と第２の接触部との間
に位置した構成を提案する。本発明によれば、マイクロスイッチは静電作動方式で作動さ
れ、第１の休止又は開放位置と第２の被作動又は閉鎖位置とを有し、閉鎖位置では少なく
とも１本の接触線が閉鎖される。マイクロスイッチには可動部分が備わっており、この可
動部分には少なくとも第１の被作動部と第２の接触部とが少なくとも１つの接続要素で機
械的に接続され、前記少なくとも１本の接触線が前記第１及び第２の部分の間に配置され
ている。マイクロスイッチの休止位置では、第１の被作動部は接触線から第１の距離ｄ１
だけ離れた位置にあり、第２の接触部は接触線から第２の距離ｄ２だけ離れた位置にある
。このマイクロスイッチの動作は次のように行われる。（１）第１の被作動部が少なくと
も１つの作動電極で作動され、（２）この作動電極により接続要素を介して行われる作動
に呼応して、第２の接触部が前記接触線に接触し、第２距離ｄ２がゼロになる。

従って本発明によれば、改善されたマイクロスイッチが上記の問題を克服する。このマ
イクロスイッチには被作動部と接触部とが区別して設けられているため、接触動作のごく
最初からほぼ平坦な接触を保持して接触特性を改善する性質がある。また、回線の信号に
より惹き起こされる作動力の自己補償作用が存在し、自作動現象を軽減又は排除する。

現状のスイッチと比べて、本発明のマイクロスイッチは、オン抵抗が低い、接触効率の
低下が少ない、自作動作用が低下するなど、特性に改善が見られる。

前記少なくとも１つの作動電極は、マイクロスイッチの可動部分の一体部分であること
が好ましく、また欧州特許出願書類第０６０７５５７８．２号に記載された種類のもので
あってもよい。それゆえ、マイクロスイッチに一体型の作動電極と非一体型の作動電極を
設けることも可能である。

距離ｄ１とｄ２とは実質上同じであってもよく、またｄ１がｄ２より大きくてもよい。
距離ｄ１及びｄ２は、関連する各部分の間の最低距離を表わす。すなわち、ｄ１の場合は
第１の被作動部と接触線との間の最低距離であり、ｄ２の場合は第２の接触部と接触線と
の間の距離である。このことは必ずしも、関連する各要素（第１と第２の部分及び接触線
）が互いに対して完全に平面又は完全に平行であることを意味しない。

マイクロスイッチに少なくとも２つの接続要素を設け、その接続要素を誘電体にするこ
ともできる。

さらに多くの電極を配置し、可動部分全体を作動させてスイッチを開放することも可能
である。スイッチ開放のための前記さらに多くの電極も、スイッチの可動部分の一体部分
とすることができる。

これにより、電力増幅器出力整合ネットワーク、スイッチ・フェイズアレイなど、スイ
ッチを必要とする広範なアプリケーションに呼応することが可能となる。

上記により、本発明のマイクロスイッチは、従来のスイッチに比べてオン抵抗が低く、
接触特性が向上し、自作動作用が低下し、かつ広範なアプリケーションへの対応が可能な
ものとなっている。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１から図５に示すとおり、本発明のスイッチは静電作動スイッチであり、第１及び第
２の２つの異なる部分又は面１１、１２を有する可動部分１０を備えている。第１の部分
又は面１１は、作動電極２０により作動されてマイクロスイッチを閉鎖する。この第１の
部分又は面１１は、通常、作動されると非平面的に屈曲する。マイクロスイッチにはさら
に第２の部分又は面１２が備わってマイクロスイッチの接点をなしており、この面はマイ
クロスイッチの可動部分１０が動いている間ほぼ平坦に保たれる。第１の面と第２の面１
１、１２は、接続要素１３を介して機械的に連結されている。接触線３０はこの第１の面
と第２の面１１、１２との間に配置されている。

図６は、複数の作動電極２０を備えた本マイクロスイッチの別の実施形態を示している
。これらの作動電極２０は、マイクロスイッチ可動部分１０の一体部分を形成している。
これらの作動電極２０は、欧州特許出願書類ｅｐ０６００７５５７８．２に記述された
種類のものであってもよい。

図１から図６に示される実施形態の全てにおいて、第２の面１２が接触線３０と接触す
る前に被作動面１１を作動電極２０と接触させてはならない。

各面の形状は、接触線３０中の信号により発生する力が両方の面１１、１２に対してほ
ぼ同じになるような形状を選択すればよい。こうすれば、この信号が惹き起こすあらゆる
自作動が軽減又はほぼ排除される。

図１はマイクロスイッチの第１の実施形態の断面を示し、またその動作も図示している
。休止位置において、マイクロスイッチは開放されている。マイクロスイッチの可動部分
１０を介した回線３０間の電気的接触はない。作動電極２０に十分な電圧Ｖ_act（プラス
又はマイナス）が印加されると、第１の被作動面１１には作動電極２０の方に向かう力が
働き、歪みが生じる。第２の接触面１２は、接触線３０との間で平面（又はほぼ平面の）
接触が行われる。

作動電極２０と第１の被作動面１１との間のギャップは、回線３０と第２の接触面１２
とが接触するまでは（前記作動電極２０と第１の被作動面１１とを）接触しない程度に大
きくなければならない。このことは、図１から図５に示す各実施形態において、作動電極
２０と第１の被作動面１１との間のギャップを接触線３０と第２の面１２との間のギャッ
プより大きくすることにより達成してもよい。また図６に示す実施形態において、マイク
ロスイッチの可動部分１０全体に適切な数の作動電極２０を設け、可動部分１０が十分に
曲がるようにして第２の接触面１２と接触線３０とを接触させることにより達成してもよ
い。

図２は、本発明でマイクロスイッチの自作動を軽減する方法を図示している。休止時に
おいて、回線３０内のあらゆる電圧Ｖ_lineによって起こる力は、マイクロスイッチ可動部
分１０のどちらの部分又は面１１、１２にとっても同じか又は実質的に等価である。この
スイッチを単一面スイッチの場合と比較すると、自作動でスイッチが誤って閉鎖されるた
めには回線３０にはるかに大きい電圧が必要となる。

第１と第２の両面１１、１２を接続する各接続要素１３を別の方法で設計し、動作電圧
の接触特性など、マイクロスイッチの特性を最適化するようにしてもよい。例えば、接触
線３０の表面に接触圧力がかかるような位置にこれらの接続要素１３を置くこともできる
。また、これらの接続要素１３の素材を、例えば誘導体層など、マイクロスイッチの可動
部分１０とは別の素材にすることもできる。

本マイクロスイッチの別の実施形態を図３、４及び５に示した。図３は、両方の面１１
、１２を接続するために使用する接続要素１３の配置として、別の配置の可能性を示した
ものに過ぎない。この配置は、力が最適な方法で接触線３０全体に分配されるよう設計す
ることができる。図４及び５は、マイクロスイッチの接続要素１３を被作動面１１とは別
の層から使用する方法として、２つの異なる方法を示したものである。

さらに、別の電極を設けて可動部分１０全体を作動させ、スイッチを開放することもで
きる。図７は、考え得る一つの実施方法として、さらに別の電極４０を使って第１の部分
１１全体を作動させる方法を示したものである。この実施方法に関する限り、これらの電
極４０は接触線３０と同じ水準に位置している。

これらのデバイスは通常のＭＥＭＳの組立工程で作ることができるが、標準のＣＭＯＳ
製法で製作することも可能である。構造としては、図１から図５に示したスイッチの場合
、４層の導体層を「垂直型」のスイッチ構造にするだけでよい。２つの面１１、１２の接
続に使う接続要素１３は、金属ビアを使用して、又は適切なリソグラフィ設計で実施する
ことができる。「面内」デバイスについては、単にフォトリソグラフィマスクの設計によ
って説明された形状を得ることができる。

高周波アプリケーションに、低コスト低電力のうえ接触特性と自作動作用の問題点を克
服してより高性能となったマイクロスイッチを実装し、スイッチを必要とする広範なアプ
リケーションの性能をより向上させることができる。

図１は、本発明によるマイクロスイッチの第１の実施形態の断面図であり、静電作動原理を示す図。図２は、図１に示したマイクロスイッチにおける自作動用の排除又は低減を示す図。図３は、本発明によるマイクロスイッチの第２の実施形態の断面図。図４は、本発明によるマイクロスイッチの第３の実施形態の断面図。図５は、本発明によるマイクロスイッチの第４の実施形態の断面図。図６は、本発明によるマイクロスイッチの別の実施形態であって、作動電極がマイクロスイッチの可動部分の一体部分となっている実施形態を示す図。図７は、本発明によるマイクロスイッチのさらに別の実施形態であって、スイッチを開放するために追加電極を配置した実施形態を示す図である。マイクロスイッチの直角に切り取られた２つの断面図が示されている。

符号の説明

１０…可動部分、１１…第１の部分又は面、１２…第２の部分又は面、１３…接続要素
、２０…作動電極、３０…接触線、４０…追加電極、ｄ１…第１の距離、ｄ２…第２の距
離。

Claims

静電作動方式で作動され、第１の休止又は開放位置と第２の被作動又は閉鎖位置とを有
し、前記閉鎖位置では少なくとも１つの接触線（３０）を閉鎖するマイクロスイッチであ
って、少なくとも１つの接続要素（１３）を用いて機械的に接続された少なくとも第１の
被作動部（１１）と第２の接触部（１２）とを有する可動部（１０）を備え、前記接触線
（３０）が前記第１及び第２の部分の間に配置され、前記休止位置において接触線から第
１の被作動部までの距離が第１の距離ｄ１であり、接触線から第２の接触部までの距離が
第２の距離ｄ２であるマイクロスイッチにおいて、第１の被作動部が少なくとも１つの作
動電極（２０）により作動されると、第２の接触部（１２）が前記作動電極（２０）によ
る作動に呼応して、接続要素（１３）を介して前記接触線（３０）に接触し、前記第２の
距離ｄ２がゼロになるよう構成されたことを特徴とするマイクロスイッチ。
前記少なくとも１つの作動電極がマイクロスイッチの可動部の一体部分となっているこ
とを特徴とする請求項１に記載のマイクロスイッチ。
前記作動電極が、欧州特許申請書類第０６０７５５７８．２号に記載された種類の作動
電極であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロスイッチ。
前記ｄ１及びｄ２が実質上等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一
項に記載のマイクロスイッチ。
前記ｄ１がｄ２より大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記
載のマイクロスイッチ。
前記接続要素が少なくとも２つ存在することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいず
れか一項に記載のマイクロスイッチ。
前記接続要素が誘導体でできていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか
一項に記載のマイクロスイッチ。
さらに多くの電極（４０）を配置し、可動部全体を作動させてスイッチを開放するよう
にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のマイクロスイッチ
。
スイッチを開放するための前記さらに多くの電極がスイッチの可動部の一体部分となっ
ていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロスイッチ。