JP2012212578A - スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】信号の反射によるオン時の損失を低減することができるスイッチを提供する。
【解決手段】基板１０の上面１００には、入力端子１３−出力端子１４間を接続するストリップ導体からなる線路導体１１と、線路導体１１とは所定の間隔を空けて配置された接地パッド１２とが形成されている。可動子は、線路導体１１および接地パッド１２に対向する位置に可動接点３０を有しており、可動接点３０は、可動子の移動に伴って線路導体１１および接地パッド１２に対して接離する。可動接点３０が線路導体１１および接地パッド１２の両方から離れた状態では、線路導体１１は入力端子１３−出力端子１４間に信号を通過させるための信号伝送路を形成する。一方、可動接点３０が線路導体１１および接地パッド１２の両方に接触した状態では、線路導体１１と接地パッド１２とは可動接点３０を介して短絡し、入力端子１３−出力端子１４間において信号が遮断される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として高周波信号のオン・オフに用いられるスイッチに関する。

従来から、この種のスイッチとして、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて半導体製造プロセスにより作製される小型の機械式スイッチからなるＭＥＭＳスイッチが知られている。ＭＥＭＳスイッチは、携帯電話等の技術分野において、高周波の送受信信号の接続の切り換えなどに用いられている。

この種のスイッチとしては、基板と、基板に少なくとも一箇所が支持された駆動アームとを備えたスイッチが提案されている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１に記載のスイッチは、駆動アームを駆動することによって、駆動アームの先端に設けられている接続電極をもって、基板上の隣り合う端子電極間の電気的接続を制御する。

また、他の構成として、固定基板上に、その端部が固定接点である一対の信号線が端部を対向させるように配置されており、固定基板に支持された可動基板に可動接点が配置されたマイクロリレーが提案されている（たとえば特許文献２参照）。特許文献２に記載のマイクロリレーでは、可動接点は、各固定接点と対向し、両固定接点と接触することにより、一対の信号線を電気的に接続する。

特開２００５−３０２７１１号公報 特開２００８−２０４７６８号公報

しかし、上述の構成では、オン時に、可動接点（または接続電極）を配置した可動基板（または駆動アーム）が可動接点を介して信号線（または端子電極）に接触し、信号線の特性インピーダンスがずれ、信号線を通る信号の反射が起こる可能性がある。したがって、オン時の損失が大きくなることがある。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、信号の反射によるオン時の損失を低減することができるスイッチを提供することを目的とする。

本発明のスイッチは、入力端子および出力端子が設けられた基板と、前記基板に対して移動可能に支持されており前記基板の一表面に対向する位置に可動接点を有する可動子とを備え、前記基板の前記一表面には、前記入力端子と前記出力端子との間を電気的に接続するストリップ導体からなる線路導体と、前記線路導体とは所定の間隔を空けて配置された接地パッドとが形成されており、前記可動接点は、前記線路導体および前記接地パッドの両方に対して離間し、前記入力端子と前記出力端子との間において前記線路導体を通して信号を通過させるオン位置と、前記線路導体および前記接地パッドの両方に接触し、前記線路導体と前記接地パッドとの間を短絡して前記入力端子と前記出力端子との間において前記信号を遮断するオフ位置との間で、前記可動子の移動に伴って移動することを特徴とする。

このスイッチにおいて、前記基板の前記一表面とは反対側の面に接地層が形成されており、前記線路導体は、前記一表面のうち前記基板の厚み方向において前記接地層と重なる領域を通るように形成されており、前記接地パッドは、前記基板を厚み方向に貫通する貫通導体を介して前記接地層と電気的に接続されていることが望ましい。

このスイッチにおいて、前記基板の前記一表面には、前記線路導体の短手方向の両側に前記線路導体に沿って配置された一対の接地導体が形成されており、前記接地導体の少なくとも一部は前記接地パッドを構成することがより望ましい。

本発明は、可動接点が、線路導体および接地パッドの両方に対して離間することにより、入力端子と出力端子との間において線路導体を通して信号を通過させるので、信号の反射によるオン時の損失を低減することができるという利点がある。

実施形態１に係るスイッチの要部を示し、（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時の斜視図である。 実施形態１に係るスイッチの全体構成を示す斜視図である。 実施形態１に係るスイッチの動作を示し、（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時の説明図である。 実施形態１に係るスイッチの要部を示し、（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時の断面図である。 実施形態２に係るスイッチの要部を示し、（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時の斜視図である。

（実施形態１）
本実施形態のスイッチ１は、図２に示すように、矩形板状の基板１０と、基板１０に対して移動可能に支持された可動子２１を有する可動子ブロック２０とを備えている。このスイッチ１は、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical Systems）技術を用いて半導体製造プロセスにより作製される小型の機械式スイッチからなるＭＥＭＳスイッチであって、主として高周波信号のオン・オフに用いられる。ここでは、可動子ブロック２０が、単結晶シリコンのシリコン基板からなる半導体基板を加工することによって形成されている。

可動子ブロック２０は、外周形状が略同一である板状の基板１０とカバー４０との間に挟み込まれることにより、基板１０およびカバー４０と共に直方体状のケースを構成する。基板１０およびカバー４０は耐熱ガラスやセラミックのような絶縁材料を用いて形成されている。可動子ブロック２０、基板１０、カバー４０の外周形状は、いずれも一方向に長い長方形状である。基板１０およびカバー４０の各々は、可動子ブロック２０の一部を構成する後述のフレーム２２に対して接合される。

以下では、基板１０の長手方向を「Ｘ方向」、短手方向を「Ｙ方向」、厚み方向を「Ｚ方向」として説明するが、スイッチ１の使用時の向きを限定する趣旨ではない。

基板１０は、図１（ａ）に示すように、厚み方向における可動子ブロック２０側の一表面（以下、「上面」という）１００に、第１および第２の線路導体１１１，１１２、並びに第１および第２の接地パッド１２１，１２２が形成されている。基板１０の厚み方向における他面（以下、「下面」という）には、第１および第２の入力端子１３１，１３２、並びに第１および第２の出力端子１４１，１４２が形成されている。さらに、基板１０の下面には、第１および第２の接地層１５１，１５２が形成されている。各線路導体１１１，１１２、各接地パッド１２１，１２２、各入力端子１３１，１３２、各出力端子１４１，１４２、各接地層１５１，１５２はいずれも導電性材料からなる。なお、図１（ａ）では基板１０以外の図示を省略し、図１（ｂ）では基板１０および後述の可動接点３０１，３０２以外の図示を省略している。

ここで、本実施形態のスイッチ１は、Ｘ方向の中心を通るＹＺ平面に平行な面を対称面とする面対称に形成されている。そのため、対称面を挟んで互いに反対側に位置する線路導体１１１、接地パッド１２１、入力端子１３１、出力端子１４１、接地層１５１と、線路導体１１２、接地パッド１２２、入力端子１３２、出力端子１４２、接地層１５２とは構成および機能が共通する。そこで、以下、両者を特に区別しないときには、線路導体１１１，１１２を「線路導体１１」、接地パッド１２１，１２２を「接地パッド１２」、入力端子１３１，１３２を「入力端子１３」、出力端子１４１，１４２を「出力端子１４」、接地層１５１，１５２を「接地層１５」とし、対称面の片側について説明する。

第１の入力端子１３１および第１の出力端子１４１は、基板１０におけるＸ方向の一端縁（図１（ａ）の右端縁）寄りの位置に配置されている。第２の入力端子１３２および第２の出力端子１４２は、基板１０におけるＸ方向の他端縁（図１（ａ）の左端縁）寄りの位置に配置されている。入力端子１３と出力端子１４とはＹ方向に並ぶように、入力端子１３がＹ方向の一端部（図１（ａ）の上端部）、出力端子１４がＹ方向の他端部（図１（ａ）の下端部）に配置されている。

線路導体１１は、入力端子１３および出力端子１４に対応する位置において、Ｙ方向に延長された帯状に形成されている。線路導体１１は、入力端子１３−出力端子１４間を電気的に接続するように、基板１０を厚み方向に貫通する貫通導体１６を介して長手方向の両端部が入力端子１３、出力端子１４に接続されている。線路導体１１は、入力端子１３−出力端子１４間を電気的に接続するストリップ導体からなる。貫通導体１６は、内側に導電性材料が充填されたスルーホールからなる。

接地層１５は、線路導体１１に対応する位置に形成されている。具体的には、第１の接地層１５１は、基板１０の下面におけるＸ方向の一端縁から所定幅の領域のうち、第１の入力端子１３１および第１の出力端子１４１を除く略全域に形成されている。第２の接地層１５２は、基板１０の下面におけるＸ方向の他端縁から所定幅の領域のうち、入力端子１３２および出力端子１４２を除く略全域に形成されている。これにより、線路導体１１は、上面１００のうち基板１０の厚み方向において接地層１５と重なる領域を通ることになる。なお、接地層１５は、入力端子１３、出力端子１４とは電気的に絶縁されている。

ここにおいて、スイッチ１は、入力端子１３、出力端子１４、接地層１５が外部回路（図示せず）に対して電気的に接続された状態で使用される。具体的には、入力端子１３は外部回路の信号出力端に接続され、出力端子１４は外部回路の信号入力端に接続され、接地層１５は回路グランド（ＧＮＤ）に接続される。これにより、各線路導体１１１，１１２は、第１の入力端子１３１−第１の出力端子１４１間、および第２の入力端子１３２−第２の出力端子１４２間の各々に、マイクロストリップライン（ＭＳＬ：Micro Strip Line）構造の信号伝送路を形成する。

接地パッド１２は略正方形状に形成されており、基板１０におけるＹ方向の中央部に配置されている。第１の接地パッド１２１は、第１の線路導体１１１の短手方向の側方（図１（ａ）の右方）に、線路導体１１１とは所定の間隔を空けて隣接するように配置されている。第２の接地パッド１２２は、第２の線路導体１１２の短手方向の側方（図１（ａ）の左方）に、線路導体１１２とは所定の間隔を空けて隣接するように配置されている。接地パッド１２は、基板１０を厚み方向に貫通する貫通導体１６を介して接地層１５に接続される。

ところで、可動子２１のうち第１の線路導体１１１および第１の接地パッド１２１に対応する位置には第１の可動接点３０１が設けられ、第２の線路導体１１２および第２の接地パッド１２２に対応する位置には第２の可動接点３０２が設けられている。ここで、Ｘ方向の中心（対称面）を挟んで反対側に位置する第１の可動接点３０１と第２の可動接点３０２とは構成および機能が共通するので、以下、両者を特に区別しないときには、可動接点３０１，３０２を「可動接点３０」とし、対称面の片側について説明する。可動接点３０は導電性材料からなり、詳しくは後述するが、可動子２１の移動に伴って対応する線路導体１１および接地パッド１２に対して接離する。

ここにおいて、図１（ａ）に示すように、可動接点３０が線路導体１１および接地パッド１２の両方から離れた状態では、線路導体１１と接地パッド１２とは電気的に絶縁されている。この状態では、線路導体１１は、図３（ａ）に示すように回路グランドから切り離されているので、入力端子１３−出力端子１４間に信号を通過させるための信号伝送路を形成する。

一方、図１（ｂ）に示すように、可動接点３０が線路導体１１および接地パッド１２の両方に接触した状態では、線路導体１１と接地パッド１２とは可動接点３０を介して電気的に短絡する。この状態では、線路導体１１は図３（ｂ）に示すように回路グランドに短絡されているので、入力端子１３−出力端子１４間において線路導体１１を通る信号は遮断されることになる。

すなわち、可動接点３０が線路導体１１および接地パッド１２に対して接離することにより、入力端子１３−出力端子１４間のオン・オフ状態は切り替わる。以下では、入力端子１３−出力端子１４間に信号を通過させるときの可動接点３０の位置（図１（ａ）の位置）を「オン位置」、信号が遮断されるときの可動接点３０の位置（図１（ｂ）の位置）を「オフ位置」という。

可動子ブロック２０は、図２に示すように、矩形枠状のフレーム２２と、フレーム２２の内側に配置された板状の可動子２１とを有している。フレーム２２は、厚み方向の一面（以下、「下面」という）に基板１０が接合され、他面（以下、「上面」という）にカバー４０が接合されることにより、基板１０およびカバー４０と共にケースを構成する。

可動子２１は、矩形板状の主板部２１０と、主板部２１０のＸ方向の両側に位置する一対の接点台２１１，２１２と、各接点台２１１，２１２を主板部２１０に連結する接圧ばね２１３，２１４とを有している。可動子２１は、主板部２１０のＹ方向の両端面におけるＸ方向の中心部が支持ばね２３１，２３２を介してフレーム２２に連結されることにより、フレーム２２に支持されている。支持ばね２３１，２３２はねじれ変形可能であって、可動子２１は、支持ばね２３１，２３２を支点として、支持ばね２３１，２３２をねじれ変形させながらＸ方向の中心線回りで回転する。なお、図２では、支持ばね２３１，２３２は支点となることが分かる程度に模式的に表されている。

ここで、一方の接点台２１１における基板１０と対向する下面には第１の可動接点３０１（図１（ｂ）参照）が設けられ、他方の接点台２１２における基板１０と対向する下面には第２の可動接点３０２（図１（ｂ）参照）が設けられている。第１の可動接点３０１は、基板１０の上面１００に設けられた第１の線路導体１１１の一部および第１の接地パッド１２１の一部の両方とＺ方向に重なる位置に配置されている。第２の可動接点３０２は、基板１０の上面１００に設けられた第２の線路導体１１２の一部および第２の接地パッド１２２の一部の両方とＺ方向に重なる位置に配置されている。

これにより、可動子２１は、第１の可動接点３０１を第１の線路導体１１１および第１の接地パッド１２１に接触させる第１の位置と、第２の可動接点３０２を第２の線路導体１１２および第２の接地パッド１２２に接触させる第２の位置との間でシーソー動作する。なお、可動子２１がシーソー動作して基板１０に平行な平衡位置から傾いた状態では、各支持ばね２３１，２３２は変形することにより平衡位置に復帰する復帰力を可動子２１に作用させる。なお、接点台２１１，２１２は、可動子２１が平衡位置にある状態で可動接点３０と、線路導体１１および接地パッド１２との間に所定のギャップが確保されるように、Ｚ方向の高さ寸法が設定される。

つまり、可動子２１が第２の位置にある状態では、第１の可動接点３０１は、図４（ａ）に示すように、第１の線路導体１１１と第１の接地パッド１２１との両方に対して非接触となるオン位置に位置する。このとき、第２の可動接点３０２は、第２の線路導体１１２と第２の接地パッド１２２との両方に跨って接触することにより、第２の線路導体１１２と第２の接地パッド１２２とを短絡するオフ位置に位置する。

一方、可動子２１が第１の位置にある状態では、第１の可動接点３０１は、図４（ｂ）に示すように、第１の線路導体１１１と第１の接地パッド１２１との両方に跨って接触し、第１の線路導体１１１と第１の接地パッド１２１とを短絡するオフ位置に位置する。このとき、第２の可動接点３０２は、第２の線路導体１１２と第２の接地パッド１２２との両方に対して非接触となるオン位置に位置する。

このように、可動接点３０は、可動子２１のシーソー動作に伴ってＺ方向に移動し、線路導体１１および接地パッド１２に対して接離する。ここで、可動接点３０がオフ位置に位置し線路導体１１および接地パッド１２に接触した状態では、接点台２１１，２１２と主板部２１０とを連結する接圧ばね２１３，２１４が撓むことによって、可動接点３０の接圧が確保される。

さらに、本実施形態のスイッチ１は、可動子２１を上述したようにシーソー動作させる駆動装置（図示せず）と共に、リレー装置を構成する。駆動装置は、主板部２１０に取り付けられる磁性体材料からなるアマチュア（図示せず）と、基板１０に設けられる電磁石装置（図示せず）とを有し、電磁石装置でアマチュアを吸引することによって可動子２１を傾ける。ただし、駆動装置は、電磁駆動型に限らず、たとえば対向する電極間に駆動電圧を印加したときに生じる静電引力により可動子２１を駆動する静電駆動型であってもよい。

なお、可動子２１のシーソー動作が妨げられないように、可動子２１は、フレーム２２よりも薄く、且つ基板１０との間に十分なギャップを確保できる厚み寸法に設定されている。また、カバー４０は、可動子２１との対向面に可動子２１との干渉を回避するための逃し凹所（図示せず）が形成されている。

以上説明した構成のスイッチ１によれば、入力端子１３−出力端子１４間は、線路導体１１および接地パッド１２に対して可動接点３０が接離することによりオン・オフ状態が切り替わる。つまり、線路導体１１は分断されておらず、可動接点３０は、線路導体１１および接地パッド１２と離間することによって、入力端子１３−出力端子１４間において線路導体１１を通して信号を通過させる。そのため、このスイッチ１では、オン時に、可動接点３０が線路導体１１に接触することはなく、したがって、可動子２１が可動接点３０を介して線路導体１１に接触することによる線路導体１１の特定インピーダンスのずれを防止できる。その結果、本実施形態のスイッチ１は、オン時に線路導体１１を通る信号の反射が抑制され、信号の反射によるオン時の損失を低減することができるという利点がある。

また、本実施形態では、線路導体１１は、上面１００のうち基板１０の厚み方向において基板１０下面に形成された接地層１５と重なる領域を通ることにより、マイクロストリップライン構造の信号伝送路を形成する。したがって、スイッチ１は、高周波特性に優れた信号伝送路を実現することができ、携帯電話等の高周波機器に特に適した構成となる。

ところで、本実施形態では、可動接点３０が、オフ位置において、線路導体１１を１箇所の接地パッド１２でのみ回路グランドに短絡させる構成を例示したが、この構成に限らず、複数箇所で線路導体１１を回路グランドに短絡させてもよい。たとえば、線路導体１１の長手方向の両端部に隣接するように接地パッド１２が２箇所設けられ、可動接点３０が、オフ位置において、線路導体１１をこれら２箇所の接地パッド１２で回路グランドに短絡させる構成でもよい。このように、線路導体１１が複数箇所で回路グランドに短絡される構成では、信号が遮断されるオフ時の入力端子１３−出力端子１４間のアイソレーション（絶縁性能）が向上するという利点がある。

（実施形態２）
本実施形態のスイッチ１は、入力端子１３−出力端子１４間に信号伝送路を形成する線路導体１１が、コプレナー線路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）構造である点が実施形態１のスイッチ１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については共通の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態では、図５に示すように基板の上面１００において、線路導体１１の短手方向の両側に配置され、線路導体１１に沿って延長された帯状の接地導体１７１〜１７４（以下、各々を特に区別しないときには単に「接地導体１７」という）が形成されている。各接地導体１７、線路導体１１とは所定の間隔を空けて隣接するように配置されている。なお、図５（ａ）では基板１０以外の図示を省略し、図５（ｂ）では基板１０および可動接点３０１，３０２以外の図示を省略している。

接地導体１７は、基板１０を厚み方向に貫通する貫通導体１６を介して接地層１５と電気的に接続されている。ここで、貫通導体１６は、個々の接地導体１７に対して複数箇所（図５の例では７箇所）設けられており、各接地導体１７と接地層１５とを複数箇所で接続している。なお、接地導体１７は、線路導体１１に比べて長手方向（Ｙ方向）に長く形成されている。

これにより、同一平面（上面１００）上で、第１の線路導体１１１の両側には回路グランドに接続された一対の接地導体１７１，１７２が形成され、第２の線路導体１１２の両側には回路グランドに接続された一対の線路導体１７３，１７４が形成されることになる。したがって、各線路導体１１１，１１２は、第１の入力端子１３１−第１の出力端子１４１間、および第２の入力端子１３２−第２の出力端子１４２間の各々に、コプレナー線路構造の信号伝送路を形成する。

ところで、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、接地導体１７の少なくとも一部が、可動接点３０と接離する接地パッドを構成している。図５の例では、基板１０の上面１００のＸ方向における両端縁に沿って配置された各接地導体１７１，１７４の長手方向の中央部が、接地パッドを構成する。

すなわち、第１の可動接点３０１は、基板１０の上面１００に設けられた第１の線路導体１１１の一部および接地導体１７１の一部の両方とＺ方向に重なる位置に配置されている。第２の可動接点３０２は、基板１０の上面１００に設けられた第２の線路導体１１２の一部および接地導体１７４の一部の両方とＺ方向に重なる位置に配置されている。

これにより、可動接点３０が線路導体１１および接地導体１７に対して接離することにより、入力端子１３−出力端子１４間のオン・オフ状態は切り替わる。要するに、図５（ａ）のように可動接点３０が線路導体１１および接地導体１７の両方から離れた状態では、線路導体１１は回路グランドから切り離されているので、入力端子１３−出力端子１４間に信号を通過させるための信号伝送路を形成する。一方、図５（ｂ）のように可動接点３０が線路導体１１および接地導体１７の両方に接触した状態では、線路導体１１と接地導体１７とは可動接点３０を介して短絡するので、入力端子１３−出力端子１４間において線路導体１１を通る信号は遮断される。

以上説明した本実施形態のスイッチ１によれば、線路導体１１は、同一平面（上面１００）上で、一対の接地導体１７に挟まれた領域を通ることにより、コプレナー線路構造の信号伝送路を形成する。したがって、スイッチ１は、高周波特性に優れた信号伝送路を実現することができ、携帯電話等の高周波機器に特に適した構成となる。

また、線路導体１１は、上面１００のうち基板１０の厚み方向において基板１０下面に形成された接地層１５と重なる領域を通るので、高周波特性により優れた信号伝送路を実現することができる。さらに、接地導体１７は接地層１５に対して複数箇所で接続されているので、線路導体１１および接地導体１７の両方に可動接点３０が接触したオフ時の入力端子１３−出力端子１４間のアイソレーション（絶縁性能）が向上するという利点がある。

なお、本実施形態のスイッチ１は、実施形態１のスイッチ１に比べて可動接点３０がＹ方向に拡幅されており、可動接点３０と線路導体１１および接地導体１７との接触面積を比較的大きく確保できる。これにより、信号が遮断されたオフ時の入力端子１３−出力端子１４間のアイソレーション（絶縁性能）が向上する。

また、本実施形態のスイッチ１においても、可動子２１をシーソー動作させる駆動装置（図示せず）と共に、リレー装置を構成する。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

１ スイッチ
１０ 基板
１１，１１１，１１２ 線路導体
１２，１２１，１２２ 接地パッド
１３，１３１，１３３ 入力端子
１４，１４１，１４２ 出力端子
１５，１５１，１５２ 接地層
１６ 貫通導体
１７，１７１〜１７４ 接地導体
２１ 可動子
３０，３０１，３０２ 可動接点
１００ 上面（一表面）

Claims (3)

1. 入力端子および出力端子が設けられた基板と、前記基板に対して移動可能に支持されており前記基板の一表面に対向する位置に可動接点を有する可動子とを備え、
   前記基板の前記一表面には、前記入力端子と前記出力端子との間を電気的に接続するストリップ導体からなる線路導体と、前記線路導体とは所定の間隔を空けて配置された接地パッドとが形成されており、
   前記可動接点は、前記線路導体および前記接地パッドの両方に対して離間し、前記入力端子と前記出力端子との間において前記線路導体を通して信号を通過させるオン位置と、前記線路導体および前記接地パッドの両方に接触し、前記線路導体と前記接地パッドとの間を短絡して前記入力端子と前記出力端子との間において前記信号を遮断するオフ位置との間で、前記可動子の移動に伴って移動することを特徴とするスイッチ。
2. 前記基板の前記一表面とは反対側の面に接地層が形成されており、前記線路導体は、前記一表面のうち前記基板の厚み方向において前記接地層と重なる領域を通るように形成されており、
   前記接地パッドは、前記基板を厚み方向に貫通する貫通導体を介して前記接地層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
3. 前記基板の前記一表面には、前記線路導体の短手方向の両側に前記線路導体に沿って配置された一対の接地導体が形成されており、
   前記接地導体の少なくとも一部は前記接地パッドを構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチ。
   

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