JP2008136345A - 電圧定格を満足させるようにその別のモジュールとで直列に積み重ね可能なマイクロ電子機械システムベースの切替モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】所望の電圧定格を達成するように直列回路の形で接続できるＭＥＭＳベースの切替モジュールのアレイを提供すること。
【解決手段】所望の電圧定格を実現するためにＭＥＭＳベースの別の切替モジュール（１４、１６）と直列回路の形で電気的に接続し得るようなＭＥＭＳベースの切替モジュール（例えば、１２、１００）を提供する。切替アレイ（１０）は、所望の電圧定格（例えば、電圧スケーラビリティ）を実現するように任意の数のモジュールを直列に接続できるように構成された回路（１００、１０６、１０８、１１０）を用いて複数のこうした切替モジュール（例えば、切替アレイの構造ブロックとして使用）から製作することができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は全般的には電流経路の電流を選択的に切り替えるための切替デバイスに関し、さらに詳細にはマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づいた切替デバイスに関し、さらに一層詳細には所望の電圧定格を達成するように直列回路の形で接続できるＭＥＭＳベースの切替モジュールのアレイに関する。

並列のスイッチの直列接続モジュールや直列スイッチの並列接続モジュールなどの切替アレイを形成するようなＭＥＭＳスイッチの接続が知られている。単一のＭＥＭＳスイッチでは所与の切替用途で必要となるような十分な電流の伝導及び／または十分な電圧のオフ保持が可能でないことがあるためアレイ状のスイッチが必要となることがある。

こうした切替アレイの重要な特徴は、そのアレイの全体的な電圧及び電流定格に対してスイッチの各々が寄与する仕方である。理想的には、アレイの電流定格は単一のスイッチの電流定格とスイッチの並列分枝数（任意の数の並列分枝がある場合）との積に等しくなる。こうしたアレイは電流スケーラビリティがよいとされる。実用的な切替アレイでは、電流スケーリングは達成されているが電圧スケーリングは達成されていない。

概念上はアレイの電圧定格は、単一のスイッチの電圧定格と直列としたスイッチ数との積に等しくなる。しかし、実用的な切替アレイにおいて電圧スケーリングを実現する際には問題が生じる。所与の切替モジュールの電圧定格向けの例えば周知の切替アレイでは、所望の任意の電圧定格を実現するように直列接続させ得る切替モジュール数の増加を継続することが不可能である。このことは、開放スイッチ間に発生する可能性がある電圧レベルが比較的大きいためにそれぞれの切替モジュール内の回路の電圧定格を事実上超えることになるのが原因である。したがって周知の切替アレイは、直列に相互接続できるスイッチ数に制限があり、このために電圧スケーラビリティを提供できる能力がない。

全体として本発明の態様は、例示的一実施形態では少なくとも１つの切替モジュールを備えたシステムを提供することによって上述の要求を満足させている。別のこうしたモジュールは、所望の電圧定格（例えば、電圧スケーラビリティ）を実現するように直列回路の形で任意の数のモジュールを接続できるように構成された切替アレイの構造ブロックとして使用されることがある。切替モジュールは、その付与されたゲート制御信号に応答してその入力ラインから出力ラインへの電流経路を選択的に確立するための少なくとも１つのマイクロ電子機械システムスイッチを備えた切替回路を含む。この切替モジュールはさらに、ゲート制御信号をマイクロ電子機械システムスイッチに供給するように切替回路に結合された制御回路と、該制御回路及び切替回路に結合された電力回路と、を含む。この電力回路は、互いから電気絶縁された入力端子対及び出力端子対を提供しており、入力端子対を通じて受け取ったモジュール電力入力信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされかつ出力端子対を通じて供給されたモジュール電力出力信号はスイッチの出力ラインに電気的に関連付けされており、これによってスイッチを開状態に設定したときに該モジュール出力電力信号はマイクロ電子機械システムスイッチの入力ラインと出力ラインの間に発生する電圧による影響を受けることがない。

添付の図面に示した図を参照しながら本発明について以下の記載の中で説明することにする。

本発明の実施形態に従って本明細書では、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチに基づいて切替アレイの電圧スケーラビリティを提供するために（例えば、所望の電圧定格を満足させるために）使用し得るような構造上及び／または操作上の関係を記載している。ここでＭＥＭＳとは一般に、例えばマイクロ製作テクノロジーを通じて共通のサブストレート上に多数の機能上異なった素子（例えば、機械的素子、電気機械的素子、センサ、アクチュエータ及び電子回路）を統合することが可能なマイクロメートルスケールの構造のことを指している。しかし、目下のところＭＥＭＳデバイスで利用可能な多くの技法及び構造は、ナノテクノロジーベースのデバイス（例えば、その大きさが１００ナノメートル未満であるような構造）によってここ数年内に利用可能となるであろうことが企図される。したがって、この文書全体を通じて記載している例示的実施形態がＭＥＭＳベースの切替デバイスに言及することがあるが、本発明による発明の態様は幅広く解釈されるべきでありまたマイクロメートルサイズのデバイスに限定されるべきではないと判断されるべきである。

以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態に対する完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細を掲げている。しかし、本発明の実施形態はこうした具体的な詳細を用いずに実施し得ること、本発明は提示した実施形態に限定されるものでないこと、並びに本発明は多種多様な代替的実施形態により実施し得ることは当業者であれば理解されよう。またこれとは別に、よく知られた方法、手順、及び構成要素については詳細に記載していない。

さらに様々な動作については、本発明の実施形態の理解に役立つように複数の離散的な工程で実施されるように記述することがある。しかしこの記述順序は、これらの動作を提示した順序で実行する必要があることを意味すると解釈すべきではなく、またさらには順序に依存すると解釈すべきでもない。さらに、「一実施形態では」という表現を反復して使用していても必ずしもこれが同じ実施形態を指すものではない（ただし、同じものを指す場合もあり得る）。最後に、本出願において使用する場合「を備えた」、「を含んだ」、「を有する」、その他の表現は、特に指摘しない限り同義語とするように意図したものである。

図１は、本発明の態様に従った電圧スケーラビリティを実現するように直列回路の形で接続され得る切替モジュール１２、１４、１６などの複数のＭＥＭＳベースの切替モジュールを備えた切替アレイ１０のブロック図である。例示的一実施形態では切替アレイ１０は、任意の数のモジュールを直列に接続して所望の電圧定格（例えば、電圧スケーラビリティ）を得ることができるようにように構成された回路を伴う複数の同一のモジュール（例えば、切替アレイの構造ブロックとして使用）を備えている。

アレイ内の各モジュール１４、１６（第１のモジュール１２以外）は、直列回路内の先行する（例えば、直前の）モジュールのそれぞれの出力端子（ライン・アウト、パワー・アウト及びコントロール・アウト））と接続させたそれぞれの入力端子（ライン・イン、パワー・イン及びコントロール・イン）を有する。例えば、モジュール１２の端子ライン・アウト、パワー・アウト及びコントロール・アウトは、直列回路内の次のモジュール（例えば、モジュール１４）の端子ライン・イン、パワー・イン及びコントロール・インと接続されている。同様に、モジュール１４の端子ライン・アウト、パワー・アウト及びコントロール・アウトは、直列回路内の次のモジュール（例えば、モジュール１６）の端子ライン・イン、パワー・イン及びコントロール・インと接続されている。

アレイの各切替モジュールが閉切替状態に設定されているとき、例えば直列アレイの第１のモジュール（例えば、図１の切替モジュール１２）から、任意の中間モジュール（例えば、図１の切替モジュール１４）を通り、次いで直列相互接続されたライン端子のそれぞれを通じて直列アレイの最後のモジュール（例えば、図１の切替モジュール１６）まで電流（例えば、Ｉ_ｌｏａｄ）が流れる。「パワー」の名称を付けた端子は、アレイの一方の端部からもう一方の端部まで電力を伝播するために使用される（例えば、それぞれの各切替モジュール内の制御回路に電力供給するために使用されることがある）。「コントロール」の名称を付けた端子は、直列アレイの切替モジュールに関する所望のオン／オフ状態を伝播するために使用される。

電力及び制御は、第１のモジュール１２に適当な電力及び制御を提供するように構成された電力／制御回路２０から直列アレイの第１のモジュール１２に付与される。回路２０により提供される電力及び制御信号はそれぞれ、モジュール１２のそれぞれの端子ライン・インと電気的に関連付けされている。すなわち回路２０は、ライン・インの名称を付けた入力端子に電気的に関連付けされた適当な電圧レベルにあるパワー・インの名称を付けた入力端子によって直列アレイの第１のモジュール１２に電力を供給する。３フェーズシステムなどの多フェーズシステムの場合ではその電力源は、電源からこれら３フェーズシステムの別のフェーズのそれぞれの１つに接続された、あるいは単一のフェーズシステムではニュートラルに接続されたそれぞれの抵抗器を介して提供することも可能である。回路２０はさらに、各切替モジュールのどれを開状態に設定しまたどれを閉状態に設定すべきかに関する制御を選択的に提供するように構成されていると共に、コントロール・インの名称を付けた端子を介して第１の切替モジュール１２に情報を伝達している。

アレイの各切替モジュールがそれぞれの開切替状態に設定されているとき、その内部にあるそれぞれのＭＥＭＳベースの切替回路１０６（図２）の接点１０２と１０４の間（すなわち、それぞれの各切替モジュールのライン・インとライン・アウトの名称を付けた端子間）にある開放電圧が発生する可能性がある。

本発明者らは、開切替状態で端子ライン・インとライン・アウトの間に発生する電圧による影響を受けない各端子対パワー・アウトとライン・アウトに対して各端子対パワー・インとライン・インに供給された電力を転送する（例えば、伝播する）ように構成された新規性が認められる回路を有している。

図２は、本発明の態様に従った電圧スケーラビリティを実現するように直列回路の形で接続できる切替アレイの製作に使用できるようなＭＥＭＳベースの切替モジュール１００の例示的一実施形態のブロック図である。この例示的実施形態は、ＭＥＭＳベースの切替回路１０６、電力回路１０８、及び制御回路１１０という３つの基本回路アセンブリを備える。

図２では切替回路１０６を単一のＭＥＭＳスイッチから構成されているように図示しているが、切替回路１０６は、所望の電流定格（すなわち、電流スケーラビリティ）を達成するのに十分な数の並列接続スイッチを備えるように複数の並列接続ＭＥＭＳスイッチを備えることがあることが理解されよう。図２に示した例示的実施形態では、３端子スイッチを図示している。しかし当業者であれば４端子スイッチを用いてモジュールを構築することも容易に実現可能であることが理解されよう。切替回路１０６のゲート制御端子に付与され得るようなＧａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌの名称を付けた信号（より詳細には、端子ライン・インを基準としてゲート制御端子に付与される電圧レベル）は、切替回路１０６の各スイッチが開状態に設定されるか閉状態に設定されるかを決定している。

それぞれの各切替モジュールに関する電力要件は、入力端子ライン・インに関連付けされた入力端子パワー・インを通じて付与される電力によって満たされる。例えば、入力端子パワー・インを通じて電力回路１０８（及び、制御回路１１０）に対して電力が直接供給されることがある。電力回路１０８は出力端子パワー・アウトを通じて出力電力を提供するように構成されており、またこの出力電力は、ＭＥＭＳ切替回路１０６間に発生する開放電圧の値に基づいて適当に調整される（例えば、電圧レベルがシフトされる）。

制御回路１１０、２つの基本的な機能を実行するように構成されることがある。その機能の第１は、端子コントロール・インと、所望の切替状態（例えば、開切替状態か閉切替状態）に設定するようにＭＥＭＳ切替回路１０６に付与されるゲート・コントロール信号との間で必要な任意の電圧レベルシフトを実施することである。そのゲート制御端子が端子ライン・インと関連付けされているスイッチでは、この第１の機能はゲート・コントロール信号をそれぞれのゲート制御端子に伝えるための単なるライン接続（例えば、ワイヤを介した接続）によって実施することができる。第２の機能は、端子コントロール・アウトを介して次の切替制御モジュールに伝えられるモジュール制御信号の適当な電圧レベルシフトを提供することである。

図３は、図のような名称を付けたピンを有する市販の光学分離器などの光学分離器デバイス２００を用いた制御回路１１０に関する可能な回路実現形態の１つ、あるいはそれぞれの切替モジュールに付与されるモジュール制御信号に対して電気絶縁（例えば、モジュール制御信号を伝播する入力端子と出力端子の間の電気絶縁）を提供する回路に関する例示的一実施形態である。図３から分かるように、端子ライン・インは光学分離器２００の入力側において接地基準値を提供するように接続されており、端子ライン・アウトは光学分離器２００の出力側において接地基準値を提供するように接続されている。別々の電力供給源（例えば、端子パワー・イン及びパワー・アウトを介して接続される）が光学分離器２００の各側に別々の電力を与えている。端子パワー・インと接続されると共に光学分離器２００の入力側にある接地基準値と接続させた接地基準値を有する駆動回路２０２は、切替モジュールのローカルゲート駆動を提供する。すなわち駆動回路２０２は、ＭＥＭＳ切替回路１０６のゲート制御端子（図２）に対してゲート・コントロール信号（端子ライン・インに関連付けされる）を供給する。

図４は、電力回路１０８に関する可能な回路実現形態の１つの例示的一実施形態である。それぞれの切替モジュールのそれぞれの入力側から切替モジュールのそれぞれの出力側までの電圧分離は、４端子圧電分離器などのＡＣ対ＡＣ分離器３００、あるいはＡＣ変圧器によって提供することができる。重要な点は、入力側と出力側の間の絶縁ギャップ間でその電力が電気絶縁される（例えば、転送される）ことである。切替制御を実施するためには一般にＤＣ電力が必要であるため、端子パワー・イン及びパワー・アウトを通じて供給される電圧信号は共にそれぞれのＤＣ信号を備える。したがって、入力側に接続したＤＣ対ＡＣ変換器３０２や出力側に接続したＡＣ対ＤＣ変換器３０４などの適当な信号条件付け器（conditioner）を含むことがある。電力回路１０８によって、端子対パワー・インとライン・インの位置に供給された電力を、端子対ライン・インとライン・アウトの間に発生する可能性がある開放電圧の影響を受けない端子対パワー・アウトとライン・アウトに転送する（例えば、伝播する）ことが可能となる。

動作時において各切替モジュールは、次の例示的機能を実行するように構成されることがある。

○ ライン・インとコントロール・インの間のモジュール制御信号を監視し、ＭＥＭＳベースの切替回路（例えば、複数の並列接続スイッチ）を開状態に設定すべきか閉状態に設定すべきかを制御する機能。

○ それぞれの切替モジュール内の回路のうちの少なくとも幾つかをライン・インと電気的に関連付けする機能。

○ ライン・インにその内部で関連付けされたそれぞれのＭＥＭＳベースの切替回路にゲート・コントロール信号を付与する機能。

○ ライン・インに関連付けされパワー・インからそのローカル電力要件を取得する機能。

○ ＭＥＭＳベースの切替回路のライン・インとライン・アウトの間に発生し得るような開放スイッチ電圧を用いて、適当な調整（例えば、電圧レベルシフト）をそれぞれの電力及び制御信号に提供する（例えば、直列内の次の切替モジュールに供給されるように信号を入力から出力まで伝播させる）機能であって、例えば開放スイッチ電圧がそれぞれの切替モジュール内の回路の電圧定格に近い場合には最大（例えば、最悪のケース）電圧レベルシフトが必要となるような信号提供機能。

図１に戻ると切替アレイ１０は、切替モジュールのそれぞれの間で概ね等しい電圧分布が保証されるような電圧グレーディングネットワーク３０を含むことが好ましい。電圧グレーディングネットワーク３０が望ましい理由は次による。すなわち、幾つかの電流漏れ経路が存在し得るため（そうでないと、切替モジュールのそれぞれの間の電圧分布が不均衡となる可能性がある）；漏れ電流の発生源はＭＥＭＳスイッチ内部の抵抗性漏れ電流、浮遊容量漏れ電流、並びにアレイを通過する電力／制御電流の流れを含むことがあるため；さらには、開状態に遷移する場合、直列接続の各切替モジュールが正確に同じ時点開放されないためである。電圧グレーディングネットワーク３０は、漏れ電流のための経路を提供すること、及び／またはそれぞれのスイッチが開状態に設定されたときに回復電圧の発生を遅延させることによって、実質的に等しい電圧分布を提供している。

各モジュールに関してグレーディング型コンデンサ４０２、グレーディング型抵抗器４０４、及び任意選択の非線形抵抗器４０６が並列回路の形で接続され得るようなグレーディングネットワーク３０の例示的一実施形態を図５に示している。抵抗器４０４は、スイッチが開状態に設定されたときに抵抗性漏れ電流並びに電力／制御回路回路に関する帰還電流を保証するだけの十分な電流が提供されるようにサイズを十分に小さくさせることがある。典型的な値は、概ね１メガオーム〜１０００メガオームとすることができる。コンデンサ４０２は、スイッチの開放に関するタイミング・スキャターにわたるように回復電圧の発生が遅延されるような十分大きいサイズ（例えば、概ね１００ナノファラッド）とすることがある。非線形抵抗器４０６（例えば、酸化亜鉛電圧クランプ）は、近傍への落雷などによりシステム内に誘導される電圧などの発生源からの過渡電圧サージによっても各モジュールの電圧定格を超えることがないように保証するために設けられることがある。

本明細書において本発明の様々な実施形態について図示し説明してきたが、こうした実施形態が単に一例として提供されていることに留意されたい。本明細書で示した発明を逸脱することなく多くの変形形態、変更形態及び置換形態を生じさせることができる。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲の精神及び趣旨によってのみ限定させるように意図している。

本発明の態様に従った電圧スケーラビリティを実現するように直列回路の形で接続され得るような複数のＭＥＭＳベースの切替モジュールのブロック図である。 本発明の態様を具現化した切替モジュールの例示的一実施形態に関する回路の詳細を表したブロック図である。 本発明の態様を具現化した切替モジュールで使用できるような制御回路の例示的一実施形態に関するブロック図である。 本発明の態様を具現化した切替モジュールで使用できるような電力回路の例示的一実施形態に関するブロック図である。 図１の切替モジュールに対して並列回路の形で接続され得るような電圧グレーディングネットワークのブロック図である。

符号の説明

１０ 切替アレイ
１２ 切替モジュール
１４ 切替モジュール
１６ 切替モジュール
３０ 電圧グレーディングネットワーク
１００ ＭＥＭＳベースの切替モジュール
１０２ 電力／制御回路接点
１０４ 電力／制御回路接点
１０６ ＭＥＭＳベースの切替回路
１０８ 電力回路
１１０ 制御回路
２００ 光学分離器デバイス
２０２ 駆動回路
３００ ＡＣ対ＡＣ分離器
３０２ ＤＣ対ＡＣ変換器
３０４ ＡＣ対ＤＣ変換器
４０２ グレーディング型コンデンサ
４０４ グレーディング型抵抗器
４０６ 非線形抵抗器

Claims (10)

1. 少なくとも１つの切替モジュールを備えたシステムであって、
   少なくとも１つのマイクロ電子機械システムスイッチを備え、該スイッチが付与されたゲート制御信号に応答して該スイッチの入力ラインから出力ラインへの電流経路を選択的に確立する切替回路（１０６）と、
   前記ゲート制御信号を前記マイクロ電子機械システムスイッチに供給するように前記切替回路に結合された制御回路（１１０）と、
   前記制御回路及び切替回路に結合された電力回路（１０８）であって、該電力回路は互いから電気絶縁された入力端子対及び出力端子対を備えており、入力端子対を通じて受け取ったモジュール電力入力信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされかつ出力端子対を通じて供給されたモジュール電力出力信号はスイッチの出力ラインに電気的に関連付けされており、これによって前記スイッチを開状態に設定したときに該モジュール出力電力信号はマイクロ電子機械システムスイッチの入力ラインと出力ラインの間に発生する電圧による影響を受けないような電力回路（１０８）と、
   を備えるシステム。
2. 前記制御回路は互いから電気絶縁された入力端子対及び出力端子対を備えており、入力端子対を通じて受け取ったモジュール制御入力信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされかつ出力端子対を通じて供給されたモジュール制御出力信号はスイッチの出力ラインに電気的に関連付けされており、これによって前記スイッチを開状態に設定したときに該モジュール制御出力信号はマイクロ電子機械システムスイッチの入力ラインと出力ラインの間に発生する電圧による影響を受けない、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御回路は、スイッチの入力ラインに電気的に関連付けされたモジュール制御入力信号を受信し、スイッチに付与されるゲート制御信号を生成するように接続させた駆動回路を備えており、該ゲート制御信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされている、請求項１に記載のシステム。
4. 直列回路の形で互いに結合させた複数の切替モジュールを備えており、それぞれの切替モジュールからのモジュール電力出力信号は該直列回路内の次の切替モジュールへのモジュール電力入力信号を成している、請求項２に記載のシステム。
5. 前記それぞれの切替モジュールからのモジュール制御出力信号は直列回路内の次の切替モジュールへのモジュール制御入力信号を成している、請求項４に記載のシステム。
6. 内部の抵抗性漏れ電流への経路を提供するために並列回路の形で前記切替回路と結合させたグレーディング抵抗器（４０４）をさらに備える請求項１に記載のシステム。
7. 過渡回復電圧の発生を遅延させるために並列回路の形で前記切替回路と結合させたグレーディングコンデンサ（４０２）をさらに備える請求項６に記載のシステム。
8. 過渡電圧サージを消費させるために並列回路の形で前記切替回路と結合させた非線形グレーディング抵抗器（４０６）をさらに備える請求項７に記載のシステム。
9. 前記切替回路は並列回路の形で互いに結合させた複数のマイクロ電子機械スイッチを備える、請求項１に記載のシステム。
10. 直列回路の形で互いに結合させた複数の切替モジュールを備えるシステムであって、該切替モジュールの各々は、
    付与されたゲート制御信号に応答してその入力ラインから出力ラインへの電流経路を選択的に確立するための少なくとも１つのマイクロ電子機械システムスイッチを備える切替回路（１０６）と、
    前記ゲート制御信号を前記マイクロ電子機械システムスイッチに供給するように前記切替回路に結合された制御回路（１１０）であって、該制御回路は互いから電気絶縁された入力端子対及び出力端子対を備えており、入力端子対を通じて受け取ったモジュール制御入力信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされかつ出力端子対を通じて供給されたモジュール制御出力信号はスイッチの出力ラインに電気的に関連付けされており、これによって前記スイッチを開状態に設定したときに該モジュール制御出力信号はマイクロ電子機械システムスイッチの入力ラインと出力ラインの間に発生する電圧による影響を受けることがなく、それぞれの切替モジュールからのモジュール制御出力信号は前記直列回路内の次の切替モジュールへのモジュール制御入力信号を成している、制御回路（１１０）と、
    前記制御回路及び切替回路に結合された電力回路（１０８）であって、該電力回路は互いから電気絶縁された入力端子対及び出力端子対を備えており、入力端子対を通じて受け取ったモジュール電力入力信号はスイッチの入力ラインに電気的に関連付けされかつ出力端子対を通じて供給されたモジュール電力出力信号はスイッチの出力ラインに電気的に関連付けされており、これによって前記スイッチを開状態に設定したときに該モジュール出力電力信号はマイクロ電子機械システムスイッチの入力ラインと出力ラインの間に発生する電圧による影響を受けることがなく、それぞれの切替モジュールからのモジュール電力出力信号は前記直列回路内の次の切替モジュールへのモジュール電力入力信号を成している、電力回路（１０８）と、
    複数の切替モジュールの各々にわたって実質的に等しい電圧分布を提供するために並列回路の形で複数の切替モジュールと結合させた電圧グレーディングネットワーク（３０）と、
    を備えている、システム。

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