JP2014229403A - スイッチ及びスイッチ装置及びスイッチ装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電圧でスイッチング可能なスイッチを提供する。
【解決手段】 相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、基板１６に支持される振動板１２と、振動板１２上に設けられた圧電素子２０と、振動板１２の圧電素子２０とは反対側に設けられたスイッチング電極の一方である第１のスイッチング電極１０と、第１のスイッチング電極１０と所定の間隔をあけて相対向して配置されたスイッチング電極の他方である第２のスイッチング電極１１とを具備し、圧電素子２０をたわみ変形させることにより、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１を介してスイッチングを行う。
【選択図】 図７

Description

本発明は、スイッチ及びスイッチ装置及びスイッチ装置の駆動方法に関する。

従来より、集積回路のオン期間及びオフ期間を切り替えるための微細機械部品として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチが知られている。ＭＥＭＳスイッチでは、電界効果トランジスタ等を用いた半導体スイッチと異なり、金属接点の機械的接触によってオン状態又はオフ状態にスイッチングされる。

このようなＭＥＭＳスイッチとして、静電アクチュエータ電極間での静電引力を駆動源としたものが知られている。例えば、固定基板に設けた固定電極と、固定基板に弾性支持される可動基板における可動電極との間の静電引力によって可動基板を変位させ、固定基板に設けた信号線と、可動基板に設けた可動接点との間のスイッチングを行うものが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、固定電極及び可動電極の間（静電アクチュエータ電極間）での放電を回避するため、十分な電極間距離を設けてこれらの電極を配置している。このため、信号線及び可動接点を接触させるために大きな静電引力が必要となっていた。大きな静電引力を得るため、高電圧化が避けられないという問題があり、信頼性が低下し、かつ、コストが増加することがあった。

特開２００６−２６１０６７号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧でスイッチングを行うことができるスイッチを提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧でスイッチングを行うことができるスイッチ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧でスイッチングを行うことができるスイッチ装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、基板に支持される振動板と、前記振動板上に設けられた圧電素子と、前記振動板の前記圧電素子とは反対側に設けられた前記スイッチング電極の一方である第１のスイッチング電極と、前記第１のスイッチング電極と所定の間隔をあけて相対向して配置された前記スイッチング電極の他方である第２のスイッチング電極とを具備し、前記圧電素子をたわみ変形させることにより、前記第１のスイッチング電極及び前記第２のスイッチング電極を介してスイッチングを行うことを特徴とするスイッチにある。
かかる態様では、圧電素子が駆動源とされるため、圧電素子をたわみ変形させる所定の電圧を印加して、第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極を介してスイッチングを行うことができる。よって、静電引力を駆動源としたものと比べ、低電圧でスイッチングを行うことが可能となる。

ここで、前記第２のスイッチング電極は、前記基板の前記振動板とは反対側に固定された固定板に設けられていることが好ましい。
これによれば、スイッチにおける第２のスイッチング電極の相対位置を固定させることができるため、圧電素子のたわみ変形によって振動板及び第１のスイッチング電極が所定量変位することで、スイッチオン状態又はスイッチオフ状態が的確に得られるようになる。従って、低電圧でスイッチングを的確に行うことが可能になる。

また、前記第２のスイッチング電極は、前記基板の前記振動板とは反対側に設けられた第２の振動板に設けられ、前記第２の振動板の前記第２のスイッチング電極とは反対側には第２の圧電素子が設けられ、前記圧電素子のたわみ変形と共に前記第２の圧電素子をたわみ変形させることにより、スイッチングを行うことが好ましい。
これによれば、圧電素子及び第２の圧電素子のたわみ変形によって、振動板及び第１のスイッチング電極の変位と共に第２の振動板及び第２のスイッチング電極も変位するようになる。このため、より低電圧でスイッチングを行うことが可能となる。

また、駆動パルスを前記圧電素子に印加するパルス印加手段を備え、前記圧電素子を共振モードで共振させることが好ましい。
これによれば、圧電素子を共振モードで共振させる所定の電圧を印加して、振動板及び第１のスイッチング電極を大きく変位させることができるようになる。よって、さらに低電圧でスイッチングを行うことが可能となる。

また、本発明の他の態様は、上記態様のスイッチと、前記スイッチの第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極のそれぞれに接続される配線に当該第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極と並列に設けられたコンデンサーと、を具備することを特徴とするスイッチ装置にある。
かかる態様によれば、コンデンサーの蓄電及び放電機能により、スイッチオン状態の期間はもちろん、スイッチオフ状態の期間にも電流の流れを確保できる。よって、スイッチオン状態及びスイッチオフ状態に関わらず、所定のオン期間を得ることができるスイッチ装置を実現できる。そして、かかるスイッチ装置につき、低電圧でスイッチングを行うことができるようになる。

また、前記スイッチの圧電素子を、共振モードで所定期間共振させる駆動パルスを所定期間印加し、当該所定期間の間オン状態となることが好ましい。
これによれば、駆動パルスを印加する印加期間、オン状態を継続して得ることができる。よって、スイッチオン状態及びスイッチオフ状態に関わらず、駆動パルスの印加期間に応じたオン期間を得ることができるスイッチ装置を構成できる。そして、かかるスイッチ装置につき、低電圧でスイッチングを行うことができるようになる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様のスイッチ装置の駆動方法であって、前記スイッチ装置における圧電素子に駆動パルスを印加して、前記圧電素子を所定の共振モードで共振させることにより、相対向して配置された第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極を介してスイッチングを行うことを特徴とするスイッチ装置の駆動方法にある。
かかる態様によれば、圧電素子の共振及び前記振動板の共振によって、圧電素子の変位を第１のスイッチング電極に伝えるので、低電圧でスイッチングを行うことができるようになる。

実施形態１に係るスイッチの概略構成を示す図である。 実施形態１に係るスイッチの概略構成を示す図である。 実施形態１に係るスイッチの製造例を示す図である。 実施形態１に係るスイッチの製造例を示す図である。 実施形態１に係るスイッチ装置の概略構成を示す図である。 駆動パルスの周波数と圧電素子の変位との関係を説明する図である。 実施形態１に係るスイッチ装置の機能を示すタイムチャート図である。 実施形態１に係るスイッチ装置の動作を示す図である。 実施形態２に係るスイッチの概略構成を示す図である。 実施形態３に係るスイッチの概略構成を示す図である。 実施形態４に係るスイッチの概略構成を示す図である。 実施形態５に係るスイッチの概略構成を示す図である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳスイッチ（以下、単に「スイッチ」と略記することがある。）１の概略構成を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、スイッチ１の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）をＡ−Ａ′線で切断した断面図である。

スイッチ１では、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１が、所定の間隔をあけて相対向して設けられている。これら第１及び第２のスイッチング電極１０、１１は、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属元素や導電性ポリマー等を用いることができるが、導電性を有する材料であれば前記の材料に限定されない。

このうち、第１のスイッチング電極１０は、振動板１２上に設けられている。本実施形態では、振動板１２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１３と、弾性膜１３上に設けられた酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなる絶縁体層１４とからなる。なお、振動板１２の構成はこれに限定されるものではなく、後述する圧電素子のたわみ変形を有効に第１のスイッチング電極１０に伝えるものであればよい。

振動板１２の絶縁体層１４上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン（ＴｉＯ_２）等からなる密着層１５を介して圧電素子２０が設けられている。圧電素子２０は、密着層１５側から順に積層された、第１電極２１と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層２２と、第２電極２３とからなり、本実施形態においてスイッチングの駆動源となるものである。

第１電極２１及び第２電極２３は導電性を有する材料を用いて構成され、引き出し配線（図示省略）により、後述する電源装置が電気的に接続されている。これにより、制御信号に基づいて、第１電極２１及び第２電極２３に対して所定の電圧が印加される。

圧電体層２２は、例えばビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物として構成することができる。これによれば、鉛を含まない圧電素子２０を構成できるようになり、環境への負荷を低減できる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、組成式（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３で表される。

ただし、圧電体層２２は、圧電性を有する材料であれば前記の材料に限定されず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）ＴｉＯ_３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ_３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）及びこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体を用いることもできる。

振動板１２は、シリコン（Ｓｉ）基板などの基板１６上に設けられている。また、基板１６の中央の圧電素子２０に対向する領域には、空隙１７が形成されている。このような構成により、圧電素子２０のたわみ変形によって振動板１２及び第１のスイッチング電極１０が変位可能な空間を確保することができる。なお、振動板１２は、基板１６上に薄膜プロセスにより形成されたものでもよいし、別途形成した薄膜を基板１６に接合したものでもよい。

一方、基板１６の振動板１２とは反対側に固定板１８が設けられ、固定板１８に第２のスイッチング電極１１が設けられ、振動板１２上の第１のスイッチング電極１０と、固定板１８上の第２のスイッチング電極１１とが、所定の間隔をあけて相対向するようになっている。なお、固定板１８は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等を用いて構成することができ、第２のスイッチング電極１１は、絶縁体層を介して設けられる。

第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１の接触面は、多少の表面粗さを有するものであっても問題ない。ただし、所定値以上の表面粗さを有すると、接触面圧が高くなり、接触が繰り返されることで劣化しやすくなる。よって、かかる接触面は、平坦であるほど好ましい。

以上、スイッチ１の構成を説明したが、例えば第１のスイッチング電極１０、第２のスイッチング電極１１、振動板１２、基板１６及び圧電素子２０の配置や構造等は、圧電素子２０のたわみ変形によりスイッチング可能となるものであれば制限されない。例えば、スイッチは、振動板１２の全周が基板１６に固定された構造に限られず、振動板１２の両端部のみが基板に固定された構造によって構成してもよい。

スイッチ１の基本的な動作は以下の通りである。すなわち、後述する電源装置により第１電極２１及び第２電極２３に所定の電圧が印加されると、圧電素子２０がたわみ変形し、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０が下方（図２（ｂ）の下方向）に変位する。その結果、第１のスイッチング電極１０が第２のスイッチング電極１１に接触し、スイッチオン状態となる。

その後、圧電素子２０への電圧の印加が停止して圧電素子２０がもとの状態に戻ると、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０の変位がもとに戻り、第１のスイッチング電極１０が第２のスイッチング電極１１から離れ、スイッチオフ状態になる。

このように、スイッチ１では、圧電素子２０がスイッチングの駆動源とされるため、圧電素子２０をたわみ変形させる所定の電圧を印加して、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１を介してスイッチングを行うことができる。

次に、スイッチ１の製造方法の一例について、図３〜図４を参照して説明する。図３〜図４は、スイッチ１の中央断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、基板１６を構成する基板形成材２４上に、弾性膜１３を熱酸化等で形成後、弾性膜１３上に、ジルコニウムを成膜した後、例えば５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体層１４を形成する。そして、絶縁体層１４上に、密着層１５をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。その後、図３（ｂ）に示すように、密着層１５上に、第１電極２１をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、この密着層１５及び第１電極２１が所定の形状となるように同時にパターニングする。

次いで、図３（ｃ）に示すように、第１電極２１上に圧電体層２２を積層する。圧電体層２２は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。

具体的には、第１電極２１上に、例えばビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含有する金属錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＣＳＤ溶液（前駆体溶液）をスピンコート法等を用いて、塗布して前駆体膜を形成する（塗布工程）。次いで、この前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、乾燥した前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。その後、前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体層２２を形成する（焼成工程）。

その後、図３（ｄ）に示すように、圧電体層２２に、第２電極２３をスパッタリング法や熱酸化等により形成する。これにより、密着層１５上に、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３からなる圧電素子２０が形成される。

次に、図４（ａ）に示すように、基板形成材２４上の全周に、マスク膜２５を新たに形成する。そして、図４（ｂ）に示すように、基板形成材２４をマスク膜２５を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、基板形成材２４の一部を除去して空隙１７を形成する。その後、図４（ｃ）に示すように、振動板１２の圧電素子２０とは反対側にスパッタリング法や蒸着法等により第１のスイッチング電極１０を形成する。

一方、上記の手順とは別の手順で、第２のスイッチング電極１１を、予め固定板１８上にスパッタリング法や蒸着法等により形成しておく。そして、図４（ｄ）に示すように、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１が、所定の間隔を介して相対向するように、基板１６及び固定板１８を接着剤等により接合する。以上のように、スイッチ１を製造することができる。

次に、本発明の実施形態１に係るスイッチ１を用いたスイッチ装置３０について、図５を参照しつつ説明する。図５は、スイッチ装置３０の概略構成を示す図である。
スイッチ１のうち、第１電極２１及び第２電極２３はパルス印加手段としての電源装置３１に電気的に接続されており、制御信号に基づいて所定の駆動パルス信号が印加される。また、スイッチ１のうち、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１は、それぞれ配線３２、３３を介してスイッチ１のスイッチング信号の出力端子となる端子３４、３５が接続され、出力回路３６を構成している。

第２のスイッチング電極１１に接続された配線３３には、交流電源３７が設けられており、制御信号に基づいて、所定の交流電圧が印加されるようになっている。また、配線３２及び配線３３にわたり抵抗３８が設けられ、抵抗３８と並列にコンデンサー３９が設けられている。

スイッチ１がスイッチオン状態にあり、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１とが接続動作している時に、コンデンサー３９に電力が蓄積される。そして、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１とが非接続状態になった時には、コンデンサー３９に蓄積された電力が端子３４、３５から出力される。

つまり、上述した出力回路３６では、スイッチ１がスイッチオン状態にある際（圧電素子２０に駆動パルスが印加されている期間）は、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１とが非接触状態になっても電力が端子３４、３５から出力される。このため、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１が非接触状態になる程度の低電圧で圧電素子２０にパルス電圧が印加されても、スイッチ装置３０では所定のオン期間を得ることができる。

そして、本実施形態のスイッチ装置３０は、圧電素子２０を、厚さ方向の変位が最大となる共振モード、特に、１次共振モードで共振させるように構成されている。図６は、駆動パルスの周波数と、圧電素子２０の厚さ方向の変位との関係を示す図である。図６に示すように、圧電素子２０に印加する駆動パルスの周波数が、圧電素子２０の共振周波数ｆになるとき、圧電素子２０は、例えば１次共振モードで共振し、厚さ方向の変位が最大となることが分かる。

従って、圧電素子２０を１次共振モードで共振させることにより、圧電素子２０を１次共振モードで共振させない場合と比べ、同一の印加電圧で、例えば１００倍程度の変位を得ることができるようになる。

所望の共振状態を得るには、振動する部材の質量、形状、構造及び材料等によって共振周波数が決まるため、圧電素子２０や振動板１２の質量、形状、構造及び材料等を考慮し、圧電素子２０共振周波数ｆを設定する。共振周波数ｆは、所定のインピーダンスアナライザを第１電極２１及び第２電極２３に電気的に接続する等して測定することができる。

ここで、共振周波数ｆは、厚さ方向の変位が最大となる周波数及びこの近傍の周波数である。共振周波数ｆに対し、駆動パルスの周波数は完全に同一とならずとも、実質的に同一となることで、圧電素子２０を例えば１次共振モード共振させることができる。

スイッチ装置３０では、共振周波数ｆは１．０〜４．０ＭＨｚの範囲内の値とすることができる。共振周波数ｆとして上記範囲内の値が選択されることで、駆動パルスを印加して圧電素子２０を共振させる構成を容易に実現できるようになる。

また、スイッチ装置３０では、振動板１２の厚さは０．５〜２．０μｍであることが好ましく、１．０〜１．５μｍであることがより好ましい。振動板１２の厚さが上記範囲内の値とされることで、共振状態となる圧電素子２０に対しても機械的強度を保ちやすく、かつ、圧電素子２０の変位が振動板１２によって過度に抵抗を受けにくくなる。

また、スイッチ装置３０では、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１との電極間距離は、共振状態の圧電素子２０の変位（例えば０．３μｍ／Ｖ以上）によって接触可能な距離であることが好ましい。電極間距離が上記範囲の値であることにより、圧電素子２０の共振状態を利用して、低電圧で第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１をスイッチングさせることが可能になる。

本実施形態のスイッチ装置３０において、電源装置３１から共振モードで駆動する駆動パルスは、電圧印加のオン状態及びオフ状態を所定周波数で繰り返すものであるため、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１とが非接触状態になり、スイッチ１からの出力は、本来、所定周波数でオン・オフされるものである。本実施形態では、コンデンサー３９が設けられているので、駆動パルスが印加される印加期間の間、第１のスイッチング電極１０と第２のスイッチング電極１１が非接触状態になってもスイッチオンの信号が出力されるものとなっている。この点は以下に詳述する。

スイッチ装置３０では、駆動パルスのオン状態では、スッチングオンの信号が出力されると同時にコンデンサー３９に蓄電される。また、駆動パルスのオフ状態でも、コンデンサー３９に蓄電された電流が放電され、スイッチオンの信号が出力される。すなわち、スイッチ装置３０においては、駆動パルスのオン状態又はオフ状態に関係なく、駆動パルスが印加される印加期間の間、継続してスイッチオンの出力が得られるようになる。

このようなスイッチ装置３０の機能を、図７を参照しつつ説明する。図７は、駆動パルスのオン状態及びオフ状態と、出力回路３６における電流密度との関係を説明するタイムチャート図である。ここで、電源装置３１から駆動パルスが印加される印加期間Ｔが、矢印範囲によって示されている。

時刻０では、駆動パルスは印加されておらず、スイッチオフ状態にある。よって、スイッチ装置３０の出力回路３６では流れない。時刻ｔ１において駆動パルスが印加され、駆動パルスの電圧印加状態となると、スイッチオン状態となる。その結果、出力回路３６において電流密度が所定値まで上昇する。時刻ｔ１以降、出力回路３６を流れる電流は、端子３４、３５から出力されると同時に、コンデンサー３９に蓄電される。

時刻ｔ２において駆動パルスがオフ状態になると、出力回路３６において開回路が形成されるが、時刻ｔ１〜時刻ｔ２においてコンデンサー３９に蓄電された電流が、時刻ｔ２以降に放電される。その結果、出力回路３６における電流密度は、所望の値が維持され、スイッチングオンの信号が出力されたままとなる。

時刻ｔ２以降、コンデンサー３９から放電される電流がなくなって電流密度が大きく低下する前に、時刻ｔ３において駆動パルスがオン状態になる。このため、出力回路３６において閉回路が形成され、電流密度が保たれて所望の値が維持される。そして、時刻ｔ３以降、出力回路３６を流れる電流がスイッチングオン信号として出力されると同時に、コンデンサー３９に蓄電される。

このように、駆動パルスのオン状態又はオフ状態の周期を通して、出力回路３６ではオフ状態のときに一時的に開回路が形成されるが、出力回路３６からはスイッチングオンの信号が出力され続ける。

以降、駆動パルスのオン状態又はオフ状態が、時刻ｔ１〜時刻ｔ３と同じ要領で、時刻ｔ３〜時刻ｔ５、時刻ｔ５〜時刻ｔ７、時刻ｔ７〜時刻ｔ９、時刻ｔ９〜時刻ｔ１１で繰り返され、例えば時刻ｔ１１において駆動パルスのオン状態又はオフ状態の周期が停止され、印加期間Ｔが終了する。これにより、スイッチ装置３０では、駆動パルスが印加される印加期間Ｔ（時刻ｔ１〜時刻ｔ１１）に、駆動パルスのオン状態及びオフ状態に関わらず、出力回路３６からはスイッチオンの信号が出力される。

このようなスイッチ装置３０におけるスイッチ１の動作について、図８（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ具体的に説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、圧電素子２０がたわみ変形した際のスイッチ１を第２方向から見た中央断面図である。
圧電素子２０に駆動パルスが印加されない状態では、図８（ａ）に示すように、圧電素子２０は初期状態にあり、スイッチオフ状態にある。

一方、電源装置３１から共振周波数ｆを有する駆動パルスが印加され、印加電圧がオン状態になると、圧電素子２０が、例えば１次共振モードで共振する。そして、圧電素子２０の共振、及び圧電素子２０に設けられた振動板１２の共振により、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０が下方（図８（ａ）に示す矢印方向）に大きく変位して、振動板１２の腹に位置する第１のスイッチング電極１０が、第２のスイッチング電極１１に最短距離で接触する。これにより、図８（ｂ）に示すように、スイッチオン状態となる。

そして、駆動パルスがオフ状態になると、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０が上方（図８（ｂ）に示す矢印方向）に移動して変位がもとに戻り、第１及び第２のスイッチング電極１０、１１では一時的にスイッチオフ状態になるが、再び駆動パルスがオン状態になるとスイッチオン状態になる。

その後、駆動パルスの印加停止等によって、図８（ｃ）に示すように、圧電素子２０がもとの形状に戻る。その結果、第１のスイッチング電極１０が第２のスイッチング電極１１から離れ、スイッチオフ状態になる。

スイッチ装置３０のスイッチ１では、電源装置３１からの駆動パルスの印加停止のほか、駆動パルスの周波数が共振周波数ｆから所定量ずれた場合にもオフ状態になる。これは、駆動パルスの周波数が共振周波数ｆから所定量ずれると、圧電素子２０の共振状態が得られなくなり、第１のスイッチング電極１０が第２のスイッチング電極１１のスイッチングが困難となるためである。すなわち、スイッチ装置３０でのスイッチ１は、電源装置３１から、共振周波数ｆを有する駆動パルスが印加された場合のみオン状態になる、フィルタ作用を奏するとも言える。

以上説明したスイッチ装置３０によれば、スイッチオン状態にされる期間はもちろん、コンデンサー３９の蓄電及び放電機能により、スイッチオフ状態にされる期間にも電流の流れを確保できる。よって、スイッチオン状態及びスイッチオフ状態に関わらず、駆動パルスの印加期間に応じたオン期間を得ることができる。

そして、スイッチ装置３０のスイッチ１では、圧電素子２０の共振状態を利用して、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０が大きく変位するようになる。よって、スイッチ装置３０を低電圧でスイッチングさせることが可能となる。

（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２に係るＭＥＭＳスイッチ（以下、単に「スイッチ」と略記することがある。）１Ｂの概略構成を示す図である。
図に示すように、本実施形態のスイッチ１Ｂでは、圧電素子２０を覆う保護膜４０が形成されている。これによれば、薄膜プロセス等によって圧電体層が薄膜状（例えば３μｍ以下）に形成される場合、すなわち、第１電極２１及び第２電極２３が非常に近い距離で配置される場合であっても、水分（湿気）等に起因して、第１電極２１及び第２電極２３の間で電流がリークすることを防止することができる。よって、低電圧でスイッチングを行うことができ、信頼性の高いスイッチを提供することができる。

保護膜４０は、主に圧電素子２０の側面を覆うように形成することができる。これによれば、第１電極２１及び第２電極２３の間で電流がリークすることを防止することができる上、圧電素子２０の全面を保護膜４０で覆う場合と比較して、圧電素子２０の変形が阻害されにくくなる。

また、保護膜４０は、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の無機絶縁材料或いはポリイミドなどの有機絶縁材料を用いて構成することができ、一層に限られず、複数層形成してもよい。このように、保護膜４０は、圧電素子２０のたわみ変形を過度に阻害しない限りにおいて、その材料、厚さ、形状等は制限されない。

（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３に係るＭＥＭＳスイッチ（以下、単に「スイッチ」と略記することがある。）１Ｃの概略構成を示す図である。
図に示すように、本実施形態のスイッチ１Ｃでは、圧電体層２２ｂが、第１電極２１及び密着層１５を覆うように設けられている。これによれば、圧電体層２２ｂが上記の保護膜としての機能を兼ねるため、実施形態２のスイッチ１Ｃと同様に信頼性を向上させることができる。さらに、実施形態２のスイッチ１Ｃと比較して保護膜を省略でき、製造コストを低下させることができる。

第１電極２１等を覆う圧電体層２２ｂは、第２電極２３側（図１０の上側）に向かうにつれ、圧電体層２２ｂの幅が狭くなるようにその側面を傾斜状に構成することができる。ただし、その側面は、垂直状や階段状に構成してもよい。このように、第１電極２１等を覆う圧電体層２２ｂの形状は、圧電素子のたわみ変形を過度に阻害しない限りにおいて制限されない。

（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４に係るＭＥＭＳスイッチ（以下、単に「スイッチ」と略記することがある。）１Ｄの概略構成を示す断面図である。
図示するように、本実施形態のスイッチ１Ｄでは、基板１６上に振動板１２が設けられ、振動板１２上に、密着層１５を介して圧電素子２０が設けられている。この点は実施形態１のスイッチ１と同様である。

ここで、本実施形態のスイッチ１Ｄでは、実施形態１のスイッチ１と異なり、基板１６の振動板１２とは反対側にも振動板が設けられている。すなわち、実施形態１のスイッチ１における固定板に代えて、第２の弾性膜１３Ｂ及び第２の絶縁体層１４Ｂからなる第２の振動板１２Ｂが設けられている。そして、この第２の振動板１２Ｂの空隙１７とは反対側に、第２の密着層１５Ｂを介して第２の圧電素子２０Ｂが設けられている。第２の圧電素子２０Ｂは、実施形態１で説明した第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３からなる圧電素子２０と同様の構成とすることができ、異なる構成としてもよい。

このような構成により、圧電素子２０と第２の圧電素子２０Ｂとを同時にたわみ変形させることができる。これにより、振動板１２及び第１のスイッチング電極１０と、第２の振動板１２Ｂ及び第２のスイッチング電極１１とが、それぞれ空隙１７側に同時に変位するようになる。

なお、図１１では、一対の振動板上にそれぞれ圧電素子を１つずつ備えた構成を例示しているが、振動板上の圧電素子は１つに限られず、１つの振動板上に２以上の圧電素子を備えてもよい。

２以上の圧電素子を備える態様では、かかる２以上の圧電素子が共通の共振周波数を有するように、圧電素子や振動板の質量、形状、構造及び材料等を調節することができる。これによれば、共通の共振周波数を有する駆動パルスを印加し、２以上の圧電素子の共振状態を利用して、スイッチングを行うことができるようになる。

（実施形態５）
図１２は、本発明の実施形態５に係るＭＥＭＳスイッチ（以下、単に「スイッチ」と略記することがある。）の概略構成を示す図である。
図示するように、本実施形態では、実施形態１で説明したスイッチ１ａ、１ｂ、１ｃが複数（図１２では３つ）アレイ状に電気的に並列配置され、スイッチアレイ４１が構成されている。このようなスイッチアレイ４１によれば、該スイッチアレイ４１を構成する一部のスイッチに生じる故障等の影響を回避できるため、信頼性を向上させることができる。

基板１６と、固定板１８と、弾性膜１３及び絶縁体層１４からなる振動板１２とは、複数のスイッチ１ａ、１ｂ、１ｃで共通の部材として構成することができる。これによれば、薄膜プロセスによって同時に製造することができるため、スイッチアレイの製造が容易となる。また、複数のスイッチ１ａ、１ｂ、１ｃにそれぞれ設けられた圧電素子も、薄膜プロセスによって同時に製造することができる。

スイッチアレイを構成する場合、第１電極２１及び第２電極２３は、それぞれ共通電極及び個別電極の何れの電極としても機能させることができる。圧電素子２０のたわみ変形を過度に阻害しないのであれば、複数の圧電素子２０に亘って、実施形態２に記載の保護膜を連続的に設けることも可能である。

ただし、実施形態３に記載の構成を採用する場合には、圧電体層２２によって覆われた第１電極２１同士を電気的に導通しないようにすることで、圧電素子２０の個別電極として機能させることができる。一方、圧電体層２２によって覆われていない第２電極２３同士を電気的に導通させることにより、共通電極として機能させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、基板１６としてシリコン（Ｓｉ）単結晶基板を例示したが、これに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いてもよい。

さらに、上述した実施形態では、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３を順次積層した圧電素子２０を例示したが、これに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、第１のスイッチング電極１０及び第２のスイッチング電極１１を一対一で相対向させた構成を例示したが、これに限定されず、例えば、振動板１２に形成する第１のスイッチング電極を分割体として構成してもよい。

かかる態様によれば、上述した実施形態と比べて、振動板１２及び第１のスイッチング電極の接触面積を小さくできるため、振動板１２及び第１のスイッチング電極が変位しやすくなる。また、第１のスイッチング電極が分割体であることによって接続配線を多様に構成でき、設計自由度を向上させることもできる。
尚、スイッチング電極の分割体の態様は前記に制限されず、第２のスイッチング電極も分割体として構成してもよい。

また、スイッチにおいて圧電素子を配置する面は制限されず、可能であるならば、スイッチの厚さ方向に沿った側面に圧電素子を配置してもよい。この場合も、基板を介して一対の振動板を設け、複数の圧電素子を備える構成とすることができる。尚、スイッチを構成する各部材は、その縮尺を調節することができ、適宜構成が可能である。

本発明は、スイッチ及びスイッチ装置及びスイッチ装置の駆動方法の産業分野で利用することができる。また、本発明は、半導体テスタやオシロスコープ等の小型かつ高絶縁のスイッチングが要求される精密機器に対し、好適に適用することができる。

さらに、本発明によれば、静電引力を駆動源としたものと比べ小型化も容易となり、帯電のおそれもなくなって連続駆動も可能になる。また、鉛を含有しない圧電材料を用いれば、環境への負荷を低減することができる。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１ａ，１ｂ，１ｃ スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）、 １０ 第１のスイッチング電極、 １１ 第２のスイッチング電極 １２ 振動板、 １２Ｂ 第２の振動板、 １３ 弾性膜、 １３Ｂ 第２の弾性膜、 １４ 絶縁体層、 １４Ｂ 第２の絶縁体層、 １５ 密着層、 １５Ｂ 第２の密着層、 １６ 基板、 １７ 空隙、 １８ 固定板、 ２０ 圧電素子、 ２０Ｂ 第２の圧電素子、 ２１ 第１電極、 ２２，２２ｂ 圧電体層、 ２３ 第２電極、 ２４ 基板形成材、 ２５ マスク膜、 ３０ スイッチ装置、 ３１ 電源装置、 ３２，３３ 配線、 ３４，３５ 端子、 ３６ 出力回路、 ３７ 交流電源、 ３８ 抵抗、 ３９ コンデンサー、 ４０ 保護膜、 ４１ スイッチアレイ

Claims (7)

1. 相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、
   基板に支持される振動板と、
   前記振動板上に設けられた圧電素子と、
   前記振動板の前記圧電素子とは反対側に設けられた前記スイッチング電極の一方である第１のスイッチング電極と、
   前記第１のスイッチング電極と所定の間隔をあけて相対向して配置された前記スイッチング電極の他方である第２のスイッチング電極とを具備し、
   前記圧電素子をたわみ変形させることにより、前記第１のスイッチング電極及び前記第２のスイッチング電極を介してスイッチングを行うことを特徴とするスイッチ。
2. 前記第２のスイッチング電極は、前記基板の前記振動板とは反対側に固定された固定板に設けら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. 前記第２のスイッチング電極は、前記基板の前記振動板とは反対側に設けられた第２の振動板に設けられ、前記第２の振動板の前記第２のスイッチング電極とは反対側には第２の圧電素子が設けられ、前記圧電素子のたわみ変形と共に前記第２の圧電素子をたわみ変形させることにより、スイッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
4. 駆動パルスを前記圧電素子に印加するパルス印加手段を備え、前記圧電素子を共振モードで共振させることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のスイッチ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のスイッチと、
   前記スイッチの第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極のそれぞれに接続される配線に当該第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極と並列に設けられたコンデンサーと、を具備することを特徴とするスイッチ装置。
6. 前記スイッチの圧電素子を、共振モードで所定期間共振させる駆動パルスを所定期間印加し、当該所定期間の間オン状態となることを特徴とする請求項５に記載のスイッチ装置。
7. 請求項５又は６に記載のスイッチ装置の駆動方法であって、
   前記スイッチ装置における圧電素子に駆動パルスを印加して、前記圧電素子を所定の共振モードで共振させることにより、相対向して配置された第１のスイッチング電極及び第２のスイッチング電極を介してスイッチングを行うことを特徴とするスイッチ装置の駆動方法。

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