JP3967713B2

JP3967713B2 - リレー回路およびスイッチング素子

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Publication number: JP3967713B2
Application number: JP2003410692A
Authority: JP
Inventors: 沢吉昭相; 田正幸園
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: US7130177B2; US20050168793A1; JP2005175706A

Description

本発明は、リレー回路およびスイッチング素子に関する。

スイッチング素子として、従来、メカニカルリレーやフォトリレーなどが用いられてきた。このスイッチング素子として、近時、静電気で駆動されるメカニカルな接点を有する素子、特にMEMSを用いたスイッチ接点を有するMEMSリレーが注目されている（例えば、特開２００２−２３６２６５号公報）。このMEMSリレーで用いられるMEMSスイッチは、小型、軽量であるため、高いスイッチング周波数で動作が可能である。特に、静電気で駆動されるMEMSスイッチは、熱駆動のMEMSスイッチに比べ、変位速度が速く、消費電力も低い。このため、静電気で駆動されるMEMSスイッチを用いたMEMSリレーは、低消費電力が要求される携帯端末、低挿入損失が要求される無線アンテナ、高周波特性が要求される高速無線通信、等のキーデバイスとして注目されている。

もっとも、静電気で駆動されるMEMSスイッチは、接点を駆動させるに足る静電力を発生させるのに高い電圧が必要であった。このため、静電駆動では、信頼できるスイッチ性能を得るのに必要な電圧が高くなり、ドライブ回路（リレー回路）を小型化・低コスト化するのが困難であるとされていた。

そこで、本発明者は、MEMSスイッチの駆動に必要な高電圧の発生方法として、フォトダイオードアレイによる光起電力を用いる方法を検討していた。このフォトダイオードアレイによる光起電力を用いる方法では、小型のフォトダイオードを直列に接続し、直列に接続する個数を増やせば高電圧が得られるため、小型・低コストのドライブ回路が得られている。
特開２００２−２３６２６５号公報

上記のように、静電気で駆動されるメカニカルな接点を有する素子、特にMEMSを用いたスイッチ接点を有するMEMSリレーは、高周波特性等に優れたスイッチング素子として、注目されている。しかし、メカニカルなスイッチ接点は、MOSFET等の半導体素子を用いた接点と異なり、機械式有接点である。このため、長期信頼性や寿命が半導体デバイスに比べて劣っているという問題があった。特にMEMSスイッチの寿命を制限する大きな要因の１つが、可動部が基板に付着して動かなくなるとう問題であった。もっとも、この付着の問題については、その原因が十分に解明されていなかった。

このような寿命の問題は、本発明者が検討していた上述のスイッチング素子、つまり静電気で駆動されるMEMSスイッチとフォトダイオードアレイを用いたリレー回路とを組み合わせたスイッチング素子においても、同様に発生した。そこで、本発明者は、この寿命の問題を解決すべく、各種の検討を行った。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたもので、その目的は、小型・低コストで、高周波特性に優れ、かつ、寿命が長いスイッチング素子およびそのリレー回路を得ることである。

本発明の実施の形態のリレー回路は、静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点の一方側の駆動電極に接続される第１端子と、前記スイッチ接点の他方側の駆動電極に接続される第２端子と、前記第１端子と前記第２端子とに接続され、発光素子と光結合され、直列に接続された少なくとも２つ以上のフォトダイオードアレイを有する光起電力素子と、前記光起電力素子の内の少なくとも１つのフォトダイオードアレイに並列に接続された電子インダクター回路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の実施の形態のスイッチグ素子は、一対の入力端子に接続された発光素子と、前記発光素子からの光を受光して光起電力を生じるリレー回路と、一対の出力端子に接続され静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点と、を備え、前記リレー回路は、前記スイッチ接点の一方側の駆動電極に接続される第１端子と、前記スイッチ接点の他方側の駆動電極に接続される第２端子と、前記第１端子と前記第２端子とに接続され、発光素子と光結合され、直列に接続された少なくとも２つ以上のフォトダイオードアレイを有する光起電力素子と、前記光起電力素子の内の少なくとも１つのフォトダイオードアレイに並列に接続された電子インダクター回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点をリレー回路によりドライブするスイッチング素子において、上記リレー回路を、フォトダイオードアレイによる光起電力を用いて電圧を印加し、スイッチ接点が駆動を始める時点ではスイッチ接点に高電圧を印加し、その後電子インダクターの働きにより電圧を減少させ、スイッチ接点の保持時には低電圧を印加するようにしたので、小型・低コストで、高周波特性に優れ、かつ、寿命が長いスイッチング素子およびそのリレー回路を得ることができる。

発明を解決するための最良の形態

以下、本発明の実施例について詳細な説明を行う前に、図４を参照にして、本発明の前提となるスイッチング素子について説明する。

図４は、本発明者が開発を進めていたスイッチング素子を示す図である。このスイッチング素子は、一対の入力端子１４１、１４２に接続されたＬＥＤ(Light Emitting Diode)１１１と、ドライブ回路（リレー回路）１１２と、一対の出力端子１４３、１４４に接続され静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点１１３と、を有している。この素子では、ＬＥＤ１１１からの光を受光可能な位置に、リレー回路１１２が配置される。このリレー回路１１２は、ＬＥＤ１１１からの光を受光してフォトダイオードアレイ１２１により光起電力を生じ、メカニカルなスイッチ接点１１３を駆動する。また、このリレー回路１１２は、所定の放電回路１２９を有している。このリレー回路１１２により駆動されるスイッチ接点１１３は、MEMSを用いたスイッチ接点である。このMEMSを用いたスイッチ接点１１３は、駆動に高電圧が必要である。この高電圧として、図４の素子では、フォトダイオードアレイ１２１による光起電力を用いている。

図４のスイッチング素子では、一対の入力端子１４１、１４２に入力電流が流れると、ＬＥＤ１１３が発光する。フォトダイオードアレイ１２１は、このＬＥＤ１１１からの光を受光して、光起電力を発生する。この光起電力がメカニカルスイッチ接点１１３に印加されると、メカニカルなスイッチ接点１１３がONになり、一対の出力端子１４３、１４４がＯＮになる。また、ＬＥＤ１１１が消灯されると、フォトダイオードアレイ１２１からの光起電力の発生がなくなり、メカニカルなスイッチ接点１１３がＯＦＦなって、一対の出力端子１４３、１４４がOＦＦになる。ＯＦＦになる際には、放電回路１２９を設けたことにより、スイッチ接点１３の復帰時間が短縮される。このようにして、図４の素子では、ONとＯＦＦのスイッチングが行われる。

この図４のスイッチング素子の特徴の１つは、静電気で駆動されるメカニカルな接点１１３を、フォトダイオードアレイ１２１の光起電力で駆動する点である。このようにフォトダイオードアレイ１２１を用いると、小型のフォトダイオードを直列に接続する個数を増すことにより、簡単に高電圧が得られる。このため、図４の素子では、リレー回路１１２を１ｍｍ×１ｍｍ程度の小型のサイズにすることができる。また、リレー回路１１２のコストを低くすることもできる。また、メカニカルスイッチ接点１１３として、静電気で駆動されるMEMSを用いたので、高周波特性に優れた素子を得ることができる。
しかし、図４のスイッチング素子には、一般的なMEMSを用いたスイッチ接点と同様、寿命が短いという問題があった。特に、接点１１３の接触する部分が接着して動かなくなってしまう現象（ステイッキング）が大きな問題とされていた。このように寿命が短くなる原因について、本発明者は、さまざまな実験を行って調査した。その結果、寿命が短くなる原因は、次のように解析されることが分かった。

すなわち、図４のような静電気で駆動されるMEMSを用いたスイッチ接点１１３は、駆動に高電圧が必要である。もっとも、高電圧が必要なのは、主に、動作初期においてスイッチが入るときである。ところが、図４のスイッチング素子では、スイッチ接点１１３に印加される電圧は、高電圧で一定である。このため、いったんスイッチが入り、その状態を保持するだけのときも動作初期時と同じ高電圧が印加され続けてしまう。このような状態が続くと、メカニカルなスイッチ接点１１３は、高電圧による強い力で接点が押し付けられ続ける。これにより、接点１１３の接触する部分が原子間力で接着してしまう。このように、スイッチの保持時にも高電圧が印加され続けることが、ステイッキングの発生の主な原因となる。この結果、寿命が短くなっていると解析される。

そこで、本発明者は、上記の解析に基づいて、ステイッキングの発生を押さえ、メカニカルスイッチ接点１１３の寿命を延ばすべく、リレー回路１１２の改良を行うことにした。以上を前提にして、以下、本発明の実施例について説明する。以下では、３つの実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１のスッチング素子を示す図である。このスイッチング素子は、一対の入力端子４１、４２に接続された発光素子１１と、リレー回路１２と、一対の出力端子４３、４４に接続され静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点１３と、を備えている。上記の発光素子１１は、ＬＥＤである。この発光素子１１からの光を受光可能な位置に、リレー回路１２が配置される。このリレー回路１２は、発光素子１１からの光を受光して光起電力を生じる光起電力素子２１を有している。この光起電力素子２１は、第１のフォトダイオードアレイ２１Ａと、第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂと、を有し、これらの２つのフォトダイオードアレイ２１Ａ、２１Ｂは直列に接続されている。このうち、第１のフォトダイオードアレイ２１Ａには、４０個のフォトダイオードが直列に配置されている。また、第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂには１２０個のフォトダイオードが直列に接続されている。この第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂには、並列に、電子インダクター回路２３が接続されている。これらの２つのフォトダイオードアレイ２１Ａ、２１Ｂを有する光起電力素子２１は、第１端子１２Ｈと、第２端子１２Ｌと、に接続される。このうち、第１端子１２Ｈは、スイッチ接点１３の一方側の駆動電極１３Hに接続される。また、第２端子１２Ｌは、スイッチ接点１３の他方側の駆動電極１３Lに接続される。言い換えれば、スイッチ接点１３の一方側の駆動電極１３Hは光起電力素子２１のアノード側（図中上側）に接続され、スイッチ接点１３の他方側の駆動電極１３Lは光起電力素子２１のカソード側（図中下側）に接続される。そして、このスイッチ接点１３は、リレー回路１２により駆動される。このスイッチ接点１３は、ＭＥＭＳを用いたスイッチ接点である。このスイッチ接点１３は、一対の出力端子４３、４４に接続される。

図１のスイッチング素子では、一対の入力端子４１、４２に入力電流が流れると、発光素子１１が発光する。光起電力素子２１は、この発光素子１１からの光を受光して、１個のフォトダイオードあたり０．５Ｖ、合計で８０Ｖの光起電力（電位差）を生じる。ここで、電位は、第２端子１２Ｌよりも第１端子１２Ｈの方が高くなる。この光起電力により、８０Ｖの電圧がメカニカルスイッチ接点１３に印加される。この電圧の印加により、メカニカルスイッチ接点１３がONになり、一対の出力端子４３、４４がONになる。また、ＬＥＤ１３が消灯されると、光起電力素子２１からの光起電力の発生がなくなり、スイッチ接点１３がＯＦＦなって、一対の出力端子４３、４４がOＦＦになる。このようにして、図４の素子では、ONとＯＦＦのスイッチングが行われる。

図１のスイッチング素子のリレー回路１２の特徴の１つは、直列に接続された２つのフォトダイオードアレイ２１Ａ、２１Ｂを有する光起電力素子２１を用い、片方のフォトダイオードアレイ２１Ａに電子インダクター２３を並列に接続した点である。この構成によれば、光起電力素子２１に発光素子１１の光が照射された直後、スイッチ接点１３が駆動を始めるときは、２つのフォトダイオードアレイ２１Ａ、２１Ｂからのトータルの電圧が印加されるため、スイッチ接点１３は８０Ｖの高電圧（第１の電圧）によりスムーズに駆動をスタートすることができる。その後、光起電力素子２１の電圧が立ち上がり、定常状態になると、電子インダクター２３により、これと並列に接続された第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂがシャント（短絡）される。これにより、スイッチ接点１３には、残った第１のフォトダイオードアレイ２１Ａからの約２０Ｖの低電圧（第２の電圧）が印加される。そして、スイッチ接点１３には、動作スタート時より低電圧の２０Ｖが印加され続けることになる。

以上説明した図１のスイッチング素子およびリレー回路１２では、スイッチ接点１３が８０Ｖの高電圧により駆動を始めた後、第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂが電子インダクター２３の働きによりシャントされる。これにより、スイッチ接点１３の駆動初期には印加する電圧が駆動をスムーズに行うのに必要な高電圧８０Ｖになるようにし、スイッチ接点１３のスイッチの保持時には印加される電圧が低電圧２０Ｖになるようにすることができる。このため、スイッチの保持時にまで駆動に必要な高電圧を印加し続ける場合と比較して、ステイッキングの発生を抑えることができる。この結果、スイッチング素子およびリレー回路１２の寿命を長くすることができる。

また、図１のスイッチ接点１３では、電圧が２０Ｖあれば、スイッチを保持するのには十分である。このため、保持時の電圧を低電圧２０Ｖにしても、スイッチ接点１３のスイッチを保持することが困難になって信頼性が低下するようなことはない。

また、図１のスイッチング素子は、MEMSを用いたスイッチ接点１３を、フォトダイオードアレイ２１を用いたリレー回路１０２で駆動しているので、リレー回路１０２を小型のサイズにし、素子を小型化することができる。また、リレー回路１０２のコストを低くし、素子を低コスト化することができる。

また、図１のスイッチング素子は、スイッチ接点１３として静電駆動のMEMSを用い、このスイッチ接点１３の駆動初期に高電圧８０Ｖを印加するようにしたので、高周波特性や高速動作性に優れた素子を得ることができる。

このように、本実施例によれば、小型・低コストで、高周波特性に優れ、かつ、寿命が長いスイッチング素子およびそのリレー回路を得ることができる。

次に、上記の高電圧と低電圧の範囲について検討する。すなわち、上記の素子では、第１のフォトダイオードアレイ２１Ａに４０個、第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂに１２０個のフォトダイオードのフォトダイオードを用い、スイッチ接点１３の駆動初期の高電圧を８０Ｖ、スイッチ接点１３の保持時の低電圧を２０Ｖにした。しかし、例えばフォトダイオードの個数を変えることにより、高電圧および低電圧の値を変えることも可能である。そこで、その範囲について検討する。

本発明者の実験では、スイッチ接点１３の駆動初期の電圧が低すぎると、スイッチ接点１３の動作をスムーズに行うことが困難となった。一方、スイッチ接点１３の駆動初期の電圧が高すぎると、寿命が短くなった。また、スイッチ接点１３の保持時の電圧が低すぎると、スイッチを保持することが困難となり、スイッチの信頼性が低下した。一方、スイッチ接点１３の保持時の電圧が高すぎると、ステイッキングの発生により、寿命が短くなった。これらから、本発明者の実験では、低電圧を高電圧の１／４以上２／３以下、好ましくは１／４以上１／２以下とすると、良好な特性の素子が得られた。

以上説明した図１のスイッチング素子およびリレー回路１２では、電子インダクター２３として、所定の時定数を用いた回路を適宜用いることができる。この電子インダクター２３は、抵抗、キャパシタ、トランジスタ等の小型の部品を用いて構成することで、小型のものとすることができる。

また、図１のリレー回路１２では、光起電力素子２１を、２つのフォトダイオードアレイ２１Ａ、２１Ｂが直列に接続されたものとして構成したが、これを３つ以上のフォトダイオードアレイが直列に接続されたものとして構成することもできる。また、図１のリレー回路１２では、光起電力素子２１の１つのフォトダイオードアレイ２１Ａに並列に電子インダクター回路２３を接続したが、３つ以上のフォトダイオードアレイを直列に接続して光起電力素子を構成する場合は、２つ以上のフォトダイオードアレイに並列に電子インダクター回路を接続することもできる。

実施例２のスイッチング素子の特徴の１つは、図２に示すように、電子インダクター２３を、トランジスタ２４と、２つの抵抗２５、２６と、キャパシタ２７と、で構成した点である。他の部分の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成部分は同じ番号で示した。以下では、電子インダクター２３の構成を中心に説明する。

図２は、本発明の実施例２のスッチング素子を示す図である。このスイッチング素子は、実施例１と同様に、MEMSを用いたスイッチ接点１３を、フォトダイオードアレイ２１を用いたリレー回路１２で駆動している。そして、リレー回路１０２の第２のフォトダイオードアレイ２１Ｂに並列に、電子インダクター回路２３が接続されている。この電子インダクター回路２３では、２つの端子２３Ｈ、２３Lの間に、第１の抵抗２４とキャパシタ２６が直列に接続されている。また、このキャパシタ２６と並列に、第２の抵抗２５が接続されている。さらに、この電子インダクター回路は、ＮＰＮ型のバイポーラのトランジスタ２７を有している。このトランジスタ２７のコレクタとベースは第１の抵抗２４と並列に接続され、コレクタとエミッタは第２の抵抗２５と並列に接続されている。

この図２のスイッチング素子では、スイッチ接点１３に８０Ｖの高電圧を印加した後、所定の時定数で、印加する電圧を約２０Ｖにすることができる。この時定数は、第１の抵抗２４の抵抗値Ｒ１、第２の抵抗２５の抵抗値Ｒ２、キャパシタ２６の容量Ｃの値を調整することにより容易に制御できる。このため、図２の素子では、メカニカルなスイッチ接点１３の動作時間にあわせて、高電圧を印加する時間を容易に調整することができる。

また、図２のスイッチング素子では、トランジスタ２４を設けたので、電流の流れを安定させ、上記の時定数を安定させることができる。

また、図２のスイッチング素子のリレー回路１２の電子インダクター２３を構成する抵抗２４、２５、キャパシタ２６、トランジスタ２７はいずれも安価である。このため、図２の素子では、コストを低く抑えることができる。

実施例３のスイッチング素子の特徴の１つは、図３に示すように、リレー回路１２に、スイッチ接点１３の一方側の駆動電極１３Ｈと他方側の駆動電極１３Ｌとの間に蓄積する電荷を放電する放電回路２９をさらに備えた点である。他の部分の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成部分は同じ番号で示した。

この実施例３のように、メカニカルなスイッチ接点１３の駆動電極１３Ｈ、１３Ｌ間に蓄積した電荷の放電回路２９を設けることで、スイッチ接点１３の復帰時間を短縮することができる。

本発明の実施例１のスイッチング素子を示す図。本発明の実施例２のスイッチング素子を示す図。本発明の実施例３のスイッチング素子を示す図。本発明者の他のスイッチング素子を示す図。

符号の説明

１１発光素子
１２リレー回路
１２Ｈリレー回路の第１端子
１２Ｌリレー回路の第２端子
１３静電気で駆動されるMEMSを用いたスイッチ接点
１３H スイッチ接点の一方側の駆動電極
１３Ｌスイッチ接点の他方側の駆動電極
２１光起電力素子
２１Ａ第１のフォトダイオードアレイ
２１Ｂ第２のフォトダイオードアレイ
２３電子インダクター回路
２３Ｈ電子インダクター回路の一方側の端子
２３Ｌ電子インダクター回路の他方側の端子
２４第１の抵抗
２５第２の抵抗
２６キャパシタ
２７トランジスタ
２９放電回路
４１入力端子
４２入力端子
４３出力端子
４４出力端子

Claims

静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点の一方側の駆動電極に接続される第１端子と、
前記スイッチ接点の他方側の駆動電極に接続される第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子とに接続され、発光素子と光結合され、直列に接続された少なくとも２つ以上のフォトダイオードアレイを有する光起電力素子と、
前記光起電力素子の内の少なくとも１つのフォトダイオードアレイに並列に接続された電子インダクター回路と、
を備えることを特徴とするリレー回路。
前記光起電力素子は前記発光素子からの光を受光することにより光起電力を発生して前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加し、前記発光素子が発光すると、発光の直後は前記電圧が第１の電圧であり、その後前記電圧は前記電子インダクター回路の働きにより減少し、前記発光素子の発光後所定の時間が経過すると定常状態となって前記電圧が第２の電圧となり、前記第２の電圧が前記第１の電圧の１／４以上２／３以下であることを特徴とする請求項１記載のリレー回路。
前記電子インダクター回路は、抵抗と、キャパシタと、トランジスタと、で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のリレー回路。
前記スイッチ接点の前記一方側の駆動電極と前記他方側の駆動電極との間に蓄積する電荷を放電する放電回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のリレー回路。
一対の入力端子に接続された発光素子と、
前記発光素子からの光を受光して光起電力を生じるリレー回路と、
一対の出力端子に接続され静電気で駆動されるメカニカルなスイッチ接点と、
を備え、
前記リレー回路は、
前記スイッチ接点の一方側の駆動電極に接続される第１端子と、
前記スイッチ接点の他方側の駆動電極に接続される第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子とに接続され、発光素子と光結合され、直列に接続された少なくとも２つ以上のフォトダイオードアレイを有する光起電力素子と、
前記光起電力素子の内の少なくとも１つのフォトダイオードアレイに並列に接続された電子インダクター回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング素子。
前記光起電力素子は前記発光素子からの光を受光することにより光起電力を発生して前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加し、前記発光素子が発光すると、発光の直後は前記電圧が第１の電圧であり、その後前記電圧は前記電子インダクター回路の働きにより減少し、前記発光素子の発光後所定の時間が経過すると定常状態となって前記電圧が第２の電圧となり、前記第２の電圧が前記第１の電圧の１／４以上２／３以下であることを特徴とする請求項５記載のスイッチング素子。
前記スイッチ接点がMEMSを用いたスイッチ接点であることを特徴とする請求項５または請求項６記載のスイッチング素子。