JP5033032B2

JP5033032B2 - 微小電気機械スイッチ

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Publication number: JP5033032B2
Application number: JP2008082103A
Authority: JP
Inventors: 孝明吉原; 嘉城早崎; 健雄白井; 朝明松嶋; 裕志河田; 洋右萩原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP2009238532A

Description

本発明は、ＭＥＭＳスイッチやＮＥＭＳスイッチなどの微小電気機械スイッチに関するものである。

従来から、ＭＥＭＳスイッチや、ＮＥＭＳスイッチなどの微小電気機械スイッチが種々提案されている。例えば、特許文献１には、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、マイクロマシニング技術を利用して形成されたＭＥＭＳスイッチとして、固定接点となる２つのコンタクト１００と、２つのコンタクト１００間を導通させる可動接点となる梁１１０と、梁１１０を２つのコンタクト１００に接触させる第１電熱アクチュエータ１２０Ａと、梁１１０を２つのコンタクト１００から離間させる第２電熱アクチュエータ１２０Ｂとを備えたものが記載されている。

梁１１０は、圧縮応力が加えられて座屈した状態となるように、両端それぞれがアンカー１３０で固定される。この梁１１０は、座屈した状態が反転することで（図８（ａ），（ｃ）参照）、２つのコンタクト１００と接離する。第１電熱アクチュエータ１２０Ａおよび第２電熱アクチュエータ１２０Ｂそれぞれは、低熱膨張導体１２１と高熱膨張誘電体１２２とを張り合わせた形のものであり、低熱膨張導体１２１に通電して低熱膨張導体１２１の温度を上昇させることにより、低熱膨張導体１２１側に突出する形に座屈する（図８（ｂ），（ｄ）参照）。第１電熱アクチュエータ１２０Ａおよび第２電熱アクチュエータ１２０Ｂそれぞれの低熱膨張導体１２１には座屈時に梁１１０を押圧するスタッド１２３が１つ設けられている。

このものでは、図８（ｂ）に示すように第１電熱アクチュエータ１２０Ａを座屈させると（第１電熱アクチュエータ１２０Ａを駆動すると）、第１電熱アクチュエータ１２０Ａの１つのスタッド１２３により梁１１０が２つのコンタクト１００に接近する側（図８（ｂ）における右側）に押圧される。その結果、梁１１０は、図８（ｃ）に示すように、２つのコンタクト１００に接触する形に変形し、２つのコンタクト１００間が導通する。一方、この状態から、図８（ｄ）に示すように第２電熱アクチュエータ１２０Ｂを座屈させると（第２電熱アクチュエータ１２０Ｂを駆動すると）、第２電熱アクチュエータ１２０Ｂの１つのスタッド１２３により梁１１０が２つのコンタクト１００から離間する側（図８（ｄ）における左側）に押圧される。その結果、梁１１０は、図８（ａ）に示すように、２つのコンタクト１００から離間する形に変形し、２つのコンタクト１００間が遮断される。
特表２００５−５３６０３１号公報（特に、明細書の段落〔００１３〕〜〔００２２〕、および図３Ａ〜図３Ｄ参照）

上述した特許文献１に示すものでは、第１電熱アクチュエータ１２０Ａおよび第２電熱アクチュエータ１２０Ｂそれぞれに設けた１つのスタッド１２３で梁１１０を押圧することによって、梁１１０を２つのコンタクト１００に接近する方向あるいは２つのコンタクト１００から離間する方向に移動させている。そのため、第１電熱アクチュエータ１２０Ａおよび第２電熱アクチュエータ１２０Ｂそれぞれの低熱膨張導体１２１と梁１１０との間隔を大きくすることができ、寄生容量を低減することができるから、アイソレーション特性を向上することができる。そのため、２つのコンタクト１００間に流れる電流にノイズが発生することを抑制することができる。

しかしながら、特許文献１に示すものは梁１１０を１つのスタッド１２３で押圧しているので、梁１１０とスタッド１２３との接触状態が不安定になり易い。そのため、梁１１０を所望の位置まで移動させることができないといった事態が生じるおそれがある。例えば、第１電熱アクチュエータ１２０Ａの駆動時においては、梁１１０と２つのコンタクト１００とが不安定な状態（例えば梁１１０とコンタクト１００との間の接圧が不足した状態）で接触してしまうことがある。このようなときには、梁１１０とコンタクト１００との接触抵抗が高くなって、高周波特性などが悪化するという問題が生じることがあった。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、ノイズの低減を図ることができ、しかも固定接点と可動接点とを安定して接触させることができる微小電気機械スイッチを提供することにある。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明では、厚み方向の一面側に可動接点が設けられた台部および当該台部に一端が固定されるとともに他端がベース基板に固定され台部を上記厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する支持アーム部を備えた可動接点支持台と、台部の上記一面側において可動接点に対向配置された一対の固定接点と、台部を一対の固定接点側に移動させる駆動部とを備え、駆動部は、台部の上記厚み方向の他面側において台部に対向する形でベース基板に固定された可撓性を有する押圧部と、給電されると押圧部を変形させて押圧部に台部の上記他面を押圧させるアクチュエータとを有し、押圧部において台部の上記他面と対向する部位には、台部押圧用の複数の突起が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、駆動部は、押圧部により台部を押圧することによって、台部の可動接点を一対の固定接点に接近する方向に移動させるので、アクチュエータと可動接点との間の間隔を大きくできて、寄生容量を低減することができるから、アイソレーション特性を向上することができ、ノイズの低減を図ることができる。しかも、押圧部は複数の突起により台部を押圧するので、台部と押圧部との接触状態が安定し、その結果、台部を安定して所望の位置まで移動させることができるから、可動接点と固定接点とを安定して接触させることができるようになって、高周波特性などの悪化を防止できる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記押圧部は、一端側が上記台部の上記他面側において上記台部に対向配置され、他端側が上記ベース基板に固定された３の整数倍の数の押圧アーム部を備え、各押圧アーム部は、同じ形状を有し、上記台部の上記厚み方向に直交する平面内において上記可動接点を中心とする円の径方向に沿う形に配置され、上記面内において隣接する押圧アーム部間の角度はいずれも等しく設定され、上記突起は、各押圧アーム部の上記一端側の同じ位置に形成され、上記アクチュエータは、上記突起により上記台部の上記他面を押圧させる形に各押圧アーム部を変形させることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、台部の移動時に台部（すなわち可動接点）が傾き難くなるから、固定接点と可動接点とを均等な接圧で接触させることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などを抑制することができる。

請求項３の発明では、請求項１または２の発明において、上記アクチュエータは、上記押圧部における上記台部側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記押圧部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記押圧部を変形させることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータの消費電力を低く抑えながらも台部の変位量を大きくすることができるから、可動接点と固定接点との間隔を大きくできて寄生容量を低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる。

請求項４の発明では、請求項１または２の発明において、上記アクチュエータは、上記押圧部における上記台部側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記押圧部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記押圧部を変形させる主駆動手段と、上記押圧部における上記台部側に形成された可動電極および上記台部の厚み方向において当該可動電極と重なる形に配置された固定電極を備え、可動電極と固定電極との間に所定の駆動電圧を印加して可動電極と固定電極との間に静電引力を発生させることで上記押圧部を変形させる副駆動手段とを有していることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、アクチュエータが、圧電材料部の変形を利用して押圧アーム部を変形させる主駆動手段と、静電引力を利用して押圧アーム部を変形させる副駆動手段とで構成されているので、主駆動手段により台部を移動させることで、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータの消費電力を低く抑えながらも台部の変位量を大きくすることができるから、可動接点と固定接点との間隔を大きくできて寄生容量を低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる一方、副駆動手段により可動接点と固定接点との接圧を所望の値に設定することができる。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、上記固定電極は、上記可動接点支持台とは別体となる形で上記ベース基板に形成された固定電極支持台に設けられていることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、固定電極と可動接点との間の寄生容量を低減できるから、アイソレーション特性を向上することができ、ノイズの低減を図ることができる。

本発明は、ノイズの低減を図ることができ、しかも固定接点と可動接点とを安定して接触させることができるという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、例えば高周波信号の伝送に使用されるＭＥＭＳスイッチであり、図１および図２に示すように、ベース基板７の一表面側（図１における上面側）に形成された可動接点支持台１を備える。この可動接点支持台１は、厚み方向（図１における上下方向）の一面側（図１における上面側）に可動接点２が設けられた台部１０と、当該台部１０に一端が固定されるとともに他端がベース基板７に固定され台部１０をその厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する複数本（本実施形態では３本）の支持アーム部１１を備える。さらに、本実施形態の微小電気機械スイッチは、台部１０の上記一面側において可動接点２に対向配置された一対の固定接点３と、台部１０を一対の固定接点３側（図１における上側）に移動させる駆動部４とを備える。なお、ベース基板７は、例えば絶縁材料（例えばセラミックスやガラスなど）により形成され、上記一表面側に可動接点支持台１が形成される。またベース基板７の上記一表面は平坦な面としている。

可動接点支持台１は、弾性および絶縁性を有する材料（例えばノンドープのポリシリコン）により形成される。そのため、台部１０および支持アーム部１１それぞれは可撓性を有する。

台部１０は、図２（ｂ）に示すように、真円（正円）の円盤状に形成される。可動接点２は円形状のものであって、台部１０の中央部に形成される。また可動接点２の外周形状と台部１０の外周形状とは同心円としている。支持アーム部１１は、ベース基板７の上記一表面に立設された立設片１１ａと、立設片１１ａの先端部（図１における上端部）と台部１０の縁部とを一体に連結する腕片１１ｂとを一体に備える。本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、腕片１１ｂの長さ方向と立設片１１ａの長さ方向とは直交している。

ところで、腕片１１ｂの長さ方向（長手方向）は、図２（ｂ）に示すように、台部１０の厚み方向に直交する面内（以下、「直交面内」と略す）において、すなわち平面視において可動接点２（可動接点２の中心）を中心とする円Ｃ（図２（ａ）参照）の径方向（台部１０の径方向に等しい方向）に沿った方向と一致させている。また、上記直交面内において隣接する支持アーム部１１間の角度（隣接する腕片１１ｂ間の角度）は、いずれも等しく１２０度である。

このような可動接点支持台１は、例えばベース基板７の上記一表面側に、犠牲層（図示せず）を形成し、その後に可動接点支持台１の基礎となる絶縁層（図示せず）を上記犠牲層を覆う形に形成し、さらにその後にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して上記絶縁材料層を所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することによって形成することができる。なお、上述した可動接点支持台１の形成方法はあくまでも一例であり、周知のマイクロマシニング技術などにより形成してもよい。また、可動接点支持台１の材料は上述したノンドープのポリシリコンに限定されず、弾性を有する金属材料を用いてもよい。この場合、表面には絶縁層を形成する必要がある。

ところで、可動接点支持台１におけるベース基板７側とは反対側（図１における上側）には、上述の一対の固定接点３が形成された固定接点形成基板８が配置される。固定接点形成基板８は、例えば、絶縁性基板（一例としてはガラス基板）により形成される。

固定接点形成基板８の厚み方向（図１における上下方向）における一面側（ベース基板７との対向面側）に、上述の一対の固定接点３が形成される。固定接点３は、図２（ｃ）に示すように、帯状（長尺の矩形板状）に形成されており、長さ方向（長手方向）の一端部が台部１０の厚み方向の一面側において可動接点２に対向配置される。また、各固定接点３の長さ方向は同方向であり、かつ上記円Ｃの径方向に沿った方向と一致している。本実施形態において、一対の固定接点３の一方は入力用の信号線、他方は出力用の信号線として用いられる。各固定接点３は、固定接点形成基板８に貫設された貫通孔８ａの内側に形成された貫通孔配線８ｂによって、固定接点形成基板８の厚み方向の他面側（図１における上面側）に形成した導体パターン８ｃに接続される。

なお、固定接点形成基板８には、固定接点形成基板８をベース基板７の上記一表面より所定距離だけ離間した位置に配置するための脚部（図示せず）が備えられており、当該脚部の先端面がベース基板７に接合される。上記脚部とベース基板７との接合は、共晶接合やフリット接合により行うことができる。この他、固定接点形成基板８とベース基板７との材料選択により、陽極接合や、表面活性化接合なども利用可能である。なお、固定接点形成基板８の代わりに、ベース基板７との間で可動接点支持台１および駆動部４を収納する収納凹所を有するカバー（図示せず）を採用してもよい。このようなカバーを用いれば、可動接点２と固定接点３との間に異物が挟まってしまうことなどを防止できる。このようなカバーを用いる場合、固定接点３は上記カバーの収納凹所の内底面（可動接点支持台１との対向面）に形成すればよい。また、固定接点形成基板８を採用した場合でも、微小電気機械スイッチをパッケージ（図示せず）内に封入すれば同様の効果を得ることが可能である。

駆動部４は、図１および図２に示すように、一端側が台部１０の厚み方向の他面側（図１における下面側）において台部１０に対向配置され、他端側がベース基板７の上記一表面側においてベース基板７に固定された可撓性を有する同形状の３本の押圧アーム部５０を有した押圧部５を備える。また、駆動部４は、給電されると３本の押圧アーム部５０を変形させて押圧アーム部５に台部１０の厚み方向の上記他面を押圧させるアクチュエータ６を備える。すなわちアクチュエータ６は、給電されると押圧部５を変形させて押圧部５に台部１０の上記他面を押圧させる。

押圧アーム部５０は、弾性および絶縁性を有する材料（例えばノンドープのポリシリコン）により、ベース基板７の上記一表面に立設された立設片５０ａと、立設片５０ａの先端部より台部１０の厚み方向に直交する方向に延出された帯状（長尺の矩形板状）の押圧片５０ｂとを一体に備えた断面Ｌ字状に形成される。本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、押圧片５０ｂの長さ方向と立設片５０ａの長さ方向とは直交している。

３本の押圧アーム部５０それぞれの上記一端側（押圧片５０ｂにおける立設片５０ａ側とは反対側）には、台部１０押圧用の柱状（ここでは円柱状）の突起５１が１つずつ形成されている（すなわち押圧部５において台部１０の上記他面と対向する部位には、３つの突起５１が形成される）。このような突起５１は絶縁性を有する材料により形成することが好ましく、例えばポリイミドやノンドープのポリシリコンなどを利用することができる。また、３つの突起５１は同形状であり、３本の各押圧アーム部５０の上記一端側の同じ位置に形成される。

ところで、押圧アーム部５０の押圧片５０ｂの長さ方向（長手方向）は、図２（ａ）に示すように、上記円Ｃの径方向に沿った方向と一致させている。また、上記直交面内において隣接する押圧アーム部５０の中心線間の角度（隣接する押圧片５０ｂの中心線間の角度）θは、いずれも等しくしている。そのため、上記直交面内において隣接する押圧アーム部５０間の角度も全て等しい。なお、本実施形態の微小電気機械スイッチは３本の押圧アーム部５０を有するため、角度θは１２０度である。つまり、押圧部５の形状は、上記直交面内においては３回転対称である。

このように本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、３本の押圧アーム部５０は、いずれも同じ形状を有し、上記円Ｃの径方向に沿う形に配置され、かつ上記直交面内において隣接する押圧アーム部５０間の角度θはいずれも１２０度であって等しい。また、３つの突起５１は、それぞれ３本の押圧アーム部５０の上記一端側の同じ位置に形成されているから、３つの突起５１は、上記直交面内において可動接点２を中心とする同一円周上に位置し、当該円周上における突起５１間の距離はいずれも等しい。

上述した押圧アーム部５０および突起５１は、例えば、ベース基板７の上記一表面側に、犠牲層（図示せず）を形成し、その後に押圧アーム部５０の基礎となる第１絶縁層（図示せず）を形成し、さらにその後に突起５１の基礎となる第２絶縁層（図示せず）を形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して上記第１および第２絶縁層それぞれを所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することによって形成することができる。なお、第１絶縁層と第２絶縁層とは同一の絶縁層としてもよい。また、押圧アーム部５０および突起５１の形成方法はあくまでも一例であり、周知のマイクロマシニング技術などにより形成してもよい。

アクチュエータ６は、図１および図３に示すように、押圧アーム部５０における固定接点３側、すなわち押圧アーム部５０の押圧片５０ｂの厚み方向一面側（図１における上面側）に形成された下部電極６０ａと、当該下部電極６０ａにおける押圧アーム部５０側とは反対側（図１における上側）に形成された圧電材料部６１と、圧電材料部６１における下部電極６０ａ側とは反対側（図１における上側）に形成された上部電極６２ａとを備える。本実施形態では、アクチュエータ６は、３本の押圧アーム部５０それぞれに設けられる。

下部電極６０ａは、押圧片５０ｂにおける立設片５０ａ側の端部に形成される。ここでベース基板７において、各立設片５０ａが形成される部位の近傍には、第１の絶縁薄膜６３が形成されており、この第１の絶縁薄膜６３におけるベース基板７側とは反対側（図１における上面側）に、下部電極６０ａに電位を与えるための導体パターン６０ｂと上部電極６２ａに電位を与えるための導体パターン６２ｂとが形成される。下部電極６０ａおよび上部電極６２ａそれぞれは、立設片５０ａに形成された接続部６０ｃ，６２ｃにより導体パターン６０ｂ，６２ｂにそれぞれ接続される。なお、導体パターン６２ｂおよび接続部６２ｃは、下部電極６０ａ等との絶縁性を確保するために第２の絶縁薄膜６４上に形成される。

ところで、圧電材料部６１は、圧電セラミックス（一例としてはＰＺＴ）などの圧電材料（圧電体）により形成された矩形状の薄膜である。この圧電材料部６１は、厚み方向に沿った方向が分極軸方向となるように分極処理される。アクチュエータ６は、主として圧電体の横効果を利用したものであり、下部電極６０ａと上部電極６２ａとの間に駆動電圧を印加するにあたっては、圧電材料部６１の自発分極が増加するように、駆動電圧を印加する。これによって、圧電材料部６１は、厚み方向において伸び、厚み方向に直交する方向において縮むことになる。したがって、アクチュエータ６を駆動（すなわち、下部電極６０ａと上部電極６２ａとの間に所定の駆動電圧を印加）した際には、押圧アーム部５０の上記一端側が固定接点３側に移動するように、押圧片５０ｂが変形（湾曲）することになる。なお、本実施形態では、アクチュエータ６として、いわゆるユニモルフ型の圧電アクチュエータを例示しているが、これに限定する趣旨ではない。例えばアクチュエータ６としては、バイモルフ型の圧電アクチュエータを採用することができ、この場合、ユニモルフ型よりも押圧片５０ｂの変形量を大きくすることが可能である。また、上記の例では、圧電材料部６１の材料として鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを例示しているが、鉛系圧電材料であれば、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴに不純物を添加したものや、ＰＭＮ−ＰＺＴなどを採用してもよい、また、圧電材料部６１の材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、ＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）や、ＫＮ（カリウムナトリウム）、ＮＮ（ニオブナトリウム）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕなど）を添加したものなどの鉛フリーの圧電材料（無鉛圧電セラミックス）を採用することができる。ここで、上述の鉛系圧電材料や、ＫＮＮ、ＫＮ、ＮＮなどは、ＡｌＮやＺｎＯなどに比べて圧電定数が大きい。そのため、圧電材料部６１の材料として、上述の鉛系圧電材料や、ＫＮＮ、ＫＮ、ＮＮなどを用いれば、駆動電圧の値が同じであっても、ＡｌＮやＺｎＯなどを用いた場合に比べれば、押圧片５０ｂの変形量を大きくすることができる。また、圧電材料部６１の材料としてＫＮＮなどの鉛フリーの圧電材料を用いれば、環境負荷を低減することができる。

このようなアクチュエータ６の製造方法について簡単に説明する。まず、ベース基板７に第１の絶縁薄膜６３および可動接点支持台１を形成した後に、ベース基板７の上記一表面側にスパッタ法や化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法などを用いて下部電極６０ａの基礎となる金属層を形成する。その後に、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることで、下部電極６０ａ、導体パターン６０ｂ、および接続部６０ｃを形成する。なお、下部電極６０ａの基礎となる金属層としては、例えば、Ｐｔ層や、Ａｕ層などを採用することができる。また、当該金属層としては、Ｐｔ／Ｔｉ層などの複層構造のものを採用することができる。

下部電極６０ａを形成した後には、ベース基板７の上記一表面側に、スパッタ法や、ＣＶＤ法などを利用して圧電材料部６１の基礎となる圧電体層を形成する。その後に当該圧電薄膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることによって圧電材料部６１を形成する。

圧電材料部６１を形成した後には、ベース基板７の上記一表面側に、第２の絶縁薄膜６４を形成し、この後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して第２の絶縁薄膜６４の不要部分を除去して、図１，２に示す構造の第２の絶縁薄膜６４を得る。なお、第１の絶縁薄膜６３は第２の絶縁薄膜６４と同様の方法により形成することができる。また、第１の絶縁薄膜６３や第２の絶縁薄膜６４の材料としては、ＳｉＯ_２などを採用することができる。

第２の絶縁薄膜６４を形成した後には、ベース基板７の上記一表面側にスパッタ法やＣＶＤ法などを用いて上部電極６２ａの基礎となる金属層（例えば下部電極６０ａの基礎となる金属層と同様の材料が用いられる）を形成する。その後に、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることで、上部電極６２ａ、導体パターン６２ｂ、および接続部６２ｃを形成し、これによって、図１，２に示すアクチュエータ６が得られる。

以上述べたように本実施形態の微小電気機械スイッチは、厚み方向の一面側に可動接点２が設けられた台部１０および当該台部１０に一端が固定されるとともに他端がベース基板７に固定され台部１０を厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する支持アーム部１１を備えた可動接点支持台１と、台部１０の上記一面側において可動接点２に対向配置された一対の固定接点３と、台部１０を一対の固定接点３側に移動させる駆動部４とを備える。そして、駆動部４は、台部１０の厚み方向の他面側において台部１０に対向する形でベース基板７に固定された可撓性を有する押圧部５と、給電されると押圧部５を変形させて押圧部５に台部１０の上記他面を押圧させるアクチュエータ６とを有しており、押圧部５において台部１０の上記他面と対向する部位には、台部押圧用の複数の突起５１が形成されている。

上述した本実施形態の微小電気機械スイッチは、アクチュエータ６を駆動していない常時は、可動接点２と各固定接点３とがそれぞれ離間しており、一対の固定接点３間は遮断される。そして、アクチュエータ６を駆動すると、上述したように押圧アーム部５０の押圧片５０ｂが変形して、突起５１が台部１０の上記他面を押圧する（アクチュエータ６は、突起５１により台部１０の上記他面を押圧させる形に各押圧アーム部５０を変形させる）。これによって、台部１０は一対の固定接点３側に近付くように移動させられて、台部１０の可動接点２が一対の固定接点３に接触して一対の固定接点３間が導通する。この後に、アクチュエータ６の駆動を停止すると、押圧アーム部５０が変形前の形状に復帰する。この場合、台部１０の上記他面は突起５１により押圧されなくなるので、台部１０はベース基板７側に移動する。その結果、可動接点２が一対の固定接点３より離間して、一対の固定接点３間が遮断される。

このように本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、駆動部４は、押圧部５により台部１０を押圧することによって、台部１０の可動接点２を一対の固定接点３に接近する方向に移動させるので、アクチュエータ６と可動接点２との間の寄生容量を低減できるから、アイソレーション特性を向上することができ、ノイズの低減が図れる。しかも、押圧部５は複数の突起５１により台部１０を押圧するので、台部１０と押圧部５１との接触状態が安定し、その結果、台部１０を安定して所望の位置まで移動させることができるから、可動接点２と固定接点３とを安定して接触させることができるようになって、高周波特性などの悪化を防止できる。

また、台部１０を押圧する押圧アーム部５０は同じ形状であり、上記円Ｃの径方向に沿う形に配置されるとともに上記直交面内において隣接する押圧アーム部５０間の角度がいずれも等しく、しかも押圧アーム部５０の数が３本であるので、押圧アーム部５０の押圧によって台部１０に作用するモーメントを、１本ではなく２本の押圧アーム部５０で相殺することができるから、押圧アーム部５０の数が２本や４本である場合に比べれば、台部１０の移動時に台部１０が傾き難くなって（換言すれば可動接点２が傾き難くなって）、固定接点３と可動接点２とを均等な接圧で接触させることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などを抑制することができる。

さらに、本実施形態におけるアクチュエータ６は圧電効果を利用したものであり、駆動時に圧電材料部６１には電流が流れないから、上記特許文献１に示すような電熱アクチュエータを使用する場合に比べれば、微小電気機械スイッチの駆動に必要な電力を低減することができる。

ところで、この種の微小電気機械スイッチとしては、静電引力を利用して接点の開閉を行うものが普及している。このような微小電気機械スイッチは高周波信号の伝送に比較的良く使用されるが、高周波信号の伝送に用いる場合には接点開放時の信号線間の信号の漏れが問題となる。このような信号の漏れを抑制して、アイソレーション特性を向上する方法としては、接点開放時における可動接点部（可動接点に相当）と信号線（固定接点に相当）との距離を遠く（可動接点と固定接点との間隔を大きく）することが提案されている。しかしながら、良好なアイソレーション特性が得られる程度に可動接点と固定接点との間隔を大きくした場合、上述したような静電引力を利用する微小電気機械スイッチでは、駆動時に、可動電極と固定電極との間に比較的大きな電圧（一例としては３０Ｖ）を印加しなければならない。そのため、上述したような静電引力を利用する微小電気機械スイッチでは、アイソレーション特性の向上を図れば消費電力が増大し、低消費化を図ろうとすればアイソレーション特性の十分な向上が図れない。つまり、アイソレーション特性の向上と消費電力の低減とを両立することが難しかった。

これに対して、本実施形態の微小電気機械スイッチでは、アクチュエータ６として、静電引力を利用するものではなく、圧電効果を利用するものを採用している。圧電効果を利用するアクチュエータ６は、静電引力を利用するものに比べて、消費電力を低く抑えながらも台部１０の変位量を大きくすることができる。例えば、静電引力を利用するものでは３０Ｖ程度の電圧が必要である場合でも、圧電効果を利用するものでは、５〜１０Ｖ程度の電圧で接点を閉じることが可能になる。

したがって、本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、従来例のように静電引力を利用して接点の開閉動作を行うものに比べれば、消費電力を低く抑えながらも、可動接点２と固定接点３との間隔を大きくして信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れ、ノイズの低減を図ることができる。

ところで、図１および図２に示す押圧部５は、３本の押圧アーム部５０が別体となったものであるが、図４（ａ）に示すように、３本の押圧アーム部５０が一体に形成されていてもよい。図４（ａ）に示す押圧部５は、３本の押圧アーム部５０と、３本の押圧アーム部５０を一体に連結する可撓性を有する連結部５２とを備える。連結部５２は、長さ方向の一端が押圧アーム部５０の立設片５０ａ側とは反対側の端部に連結された複数本の連結腕片５２ａを備える。複数本の連結腕片５２ａの長さ方向の他端同士は上記円Ｃの中心位置で一対に連結される。また連結腕片５２ａの長さ方向は、自身が連結された押圧アーム部５０の長さ方向に一致している。このような連結部５２は、上述したように押圧アーム部５０を形成する際に、押圧アーム部５０と同時に形成することができる。

本実施形態における押圧部５は、例えば、ベース基板７の上記一表面側に、犠牲層（図示せず）を形成し、その後に押圧アーム部５０および連結部５２の基礎となる第１絶縁材料層（図示せず）を形成し、さらにその後に突起５１の基礎となる第２絶縁材料層（図示せず）を形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して上記第１および第２絶縁材料層それぞれを所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することによって形成することができる。

図４（ａ）に示す押圧部５では、３本の押圧アーム部５０が連結部５２により一体に連結されているから、アクチュエータ６の駆動力の違いや押圧片５０ｂの寸法誤差などによって、押圧片５０ｂの変形量の差が大きい場合でも、連結部５２の伸長により変形量の差を吸収することができる。そのため、台部１０が傾いた状態で移動してしまうことを抑制することができる。ただし、連結部５２を伸長させる必要が生じるため、アクチュエータ６で発生させる必要がある駆動力が増加する（アクチュエータ６で消費される電力が増加する）。

かかる点を考慮すれば、図４（ｂ）に示すように、連結部５２の各連結腕片５２ａの幅を狭めて連結部５２全体の剛性を低くし、これによって連結部５２を伸長し易くするようにしてもよい。このような図４（ｂ）に示す押圧部５によれば、図４（ａ）に示すものに比べて、連結部５２を変形させ易くすることができるから、駆動時にアクチュエータ６で消費される電力を低減することができる。

また、固定接点形成基板８には、一対の固定接点３とともに可動接点２に接触されるダミー接点（図示せず）を形成するようにしてもよい。

このようなダミー接点を形成すれば、可動接点２が一対の固定接点３だけではなくダミー接点とも接触するので、一対の固定接点３のみと接触する場合に比べれば、可動接点２と固定接点３との接触状態が安定するから、固定接点２と可動接点３との接圧をより均等にすることができる。その結果、高周波特性の悪化や、スティッキングの発生などをさらに抑制することができる。

特に、ダミー接点を形成するにあたっては、ダミー接点を固定接点３と同形状とし、その長さ方向を、上記円Ｃの径方向に沿った方向と一致させることが好ましい。また、上記直交面内において隣接する固定接点３間の角度、および固定接点３と上記ダミー接点との間の角度を、いずれも等しくする（つまり１２０度にする）ことが好ましく、さらに、上記直交面内においては、一対の固定接点３および上記ダミー接点における可動接点２の中心からの距離をいずれも等しくすることが好ましい。このようにすれば、さらに可動接点２と固定接点３との接触状態を安定にすることができる。

また、一対の固定接点３およびダミー接点は、上記直交面内における押圧アーム部５０との角度が６０度となるように配置し、台部１０の厚み方向において３本の押圧アーム部５０のいずれとも対向しないようにすることが好ましい。このようにすれば、固定接点３またはダミー接点と押圧アーム部５０との容量結合を防止することができる。

なお、上述した構成の微小電気機械スイッチは、あくまでも本発明の一実施形態に過ぎないものであって、本発明の技術的範囲を上記構成のものに限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変更は当然に行える。例えば、押圧アーム部５０の数は３本に限定されず、３の整数倍（３ｎ；ただしｎは１以上の整数）の数であればよい。このようにした場合においても、本実施形態と同様の作用効果が得られる。また、本実施形態においては、アクチュエータ６の下部電極６０ａは、押圧アーム部５０における固定接点３側（押圧片５０ｂの厚み方向の一面側）に形成してあるが、押圧アーム部５０における固定接点３側とは反対側（押圧片５０ｂの厚み方向の他面側）に形成してもよい。また、押圧アーム部５０における固定接点３側とその反対側との両方に下部電極６０ａを形成する（押圧片５０ｂの厚み方向の両側にアクチュエータ６を形成する）ようにしてもよい。

また、固定接点３は必ずしも固定接点形成基板８に形成する必要はない。例えば、固定接点３は、ベース基板７の上記一表面側に形成した固定接点支持台（図示せず）上に形成するようにしてもよい。なお、固定接点支持台は、可動接点支持台１の形成と同時に形成することが可能である。また、固定接点３をベース基板７の上記一表面に直接的に形成することもできる。このような固定接点３は、例えばベース基板７の上記一表面側に犠牲層（図示せず）を形成し、その後に固定接点３の基礎となる金属層（図示せず）を上記犠牲層を覆う形に形成し、さらにその後にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して当該金属層を所望の形状にパターニングし、最後に上記犠牲層を除去することなどにより形成することができる。

また、本実施形態では、台部１０におけるベース基板７側とは反対の面側（図１における上面側）を、可動接点２を形成する台部１０の厚み方向の一面側としたが、台部１０においてベース基板７と対向する面側（図１における下面側）を台部１０の厚み方向の一面側としてもよい（すなわち、可動接点２は、図１における台部１０の下面に形成してもよい）。このように可動接点２を図１における台部１０の下面に形成した場合、一対の固定接点３は、台部１０におけるベース基板７の対向面側において可動接点２に対向配置される。また、駆動部４の押圧部５は、台部１０の厚み方向の他面側（台部１０におけるベース基板７側とは反対側であり、図１における上面側）において台部１０に対向する形でベース基板７に固定され、アクチュエータ６は、押圧部５の突起５１が台部１０の上記他面を押圧するように構成される（すなわち、押圧片５０ｂの先部がベース基板７に接近するように押圧片５０ｂを変形させる）。このように構成を変更した場合であっても、上記と同様の効果を得ることができる。以上述べた点は後述する実施形態２，３においても同様である。

（実施形態２）
本実施形態の微小電気機械スイッチは、押圧部５およびアクチュエータ６の構成（すなわち駆動部４の構成）が実施形態１と異なっており、その他の構成は実施形態１と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における押圧部５では、図５（ａ）に示すように、３本の押圧アーム部５０それぞれの押圧片５０ｂが、立設片５０ａ側の端部に向かうにつれて幅広となる扇状（図示例では中心角が１２０度の扇状）に形成されている。また、本実施形態における押圧部５は、上記円Ｃの周方向に沿った方向で、隣接する押圧アーム部５０同士を一体に連結する連結片５３を備える。この連結片５３は、押圧片５０ｂにおける立設片５０ａ側の端部において押圧アーム部５０同士を一体に連結する。

本実施形態におけるアクチュエータ６の下部電極６０ａ（図５（ａ）参照）は、押圧片５０ｂだけではなく、連結片５３における固定接点３（図１（ａ）参照）側にも形成され、押圧片５０ｂ上に形成された下部電極６０ａと連結片５３上に形成された下部電極６０ａとは上記円Ｃの周方向に沿った方向において一体に連結される。すなわち、下部電極６０ａは上記円Ｃの周方向に沿って押圧部５を一周する形の円環状に形成される。下部電極６０ａに積層された圧電材料部６１（図５（ａ）参照）、および圧電材料部６１に積層された上部電極６２ａ（図５（ａ）参照）も、下部電極６０ａと同様に円環状に形成される。そのため、本実施形態におけるアクチュエータ６では、各押圧アーム部５０に形成された導体パターン６０ｂ同士は電気的に接続され、導体パターン６２ｂ同士も電気的に接続される。

このような本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、実施形態１と同様の効果を奏する上に、実施形態１のように押圧アーム部５０毎にアクチュエータ６が形成されている場合に比べれば、圧電材料部６１の総面積を増えて、アクチュエータ６の駆動力が大きくなるから、押圧アーム部５０の変形量（押圧片５０ｂの変形量）を増すことができる。なお、本実施形態における押圧部５にも図５（ｂ）に示すように連結部５２を設けてもよい。連結部５２については実施形態１で述べたとおりであるから説明を省略する。

（実施形態３）
図６および図７に示す本実施形態の微小電気機械スイッチは、主として駆動部４のアクチュエータ６の構成が実施形態１と異なっており、その他の構成は実施形態１と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるアクチュエータ６は、実施形態１とは異なり、圧電効果を利用した主駆動手段６Ａと、静電引力を利用した副駆動手段６Ｂとを有するハイブリッド型のものである。なお、主駆動手段６Ａは、図６に示すように、下部電極６０ａと、圧電材料部６１と、上部電極６２ａとを備えるものであり、これは実施形態１で述べたアクチュエータ６に相当するから説明を省略する。

副駆動手段６Ｂは、押圧アーム部５０における固定接点３側、すなわち押圧アーム部５０の押圧片５０ｂの厚み方向一面側（図６における上面側）に形成された可動電極６０ｄと、台部１０の厚み方向（図６における上下方向）において可動電極６０ｄと重なる形に配置された固定電極６５とを備える。

可動電極６０ｄは、押圧片５０ｂの中腹部に形成される。また、可動電極６０ｄは、下部電極６０ａに電気的に接続される。そのため、本実施形態におけるアクチュエータ６では、可動電極６０ｄと下部電極６０ａとで導体パターン６０ｂを共用している。この場合、可動電極６０ｄは、実施形態１で述べたようにして下部電極６０ａを形成する際に、下部電極６０ａ、導体パターン６０ｂ、接続部６０ｃと同時に形成することができる。また、可動電極６０ｄにおける押圧アーム部５０側とは反対側の面（図６における上面）は、第３の絶縁薄膜６６により被覆される。これによって、可動電極６０ｄと固定電極６５との接触が防止される。

固定電極６５は、可動接点支持台１とは別体となる形でベース基板７に形成された固定電極支持台９に設けられている。固定電極支持台９は、ベース基板７の上記一表面側において可動電極６０ｄと台部１０の厚み方向において重なる形に配置された矩形状の支持板９０と、支持板９０の長手方向両側より延出され支持板９０をベース基板７の上記一表面と所定距離を隔てた位置に支持する脚部９１とを一体に備える。このような固定電極支持台９は弾性および絶縁性を有する材料（例えばノンドープのポリシリコン）により形成される。固定電極６５は、支持板９０におけるベース基板７側の面（図６における下面）に形成される。一方、支持板９０におけるベース基板７側とは反対側の面（図６における上面）には、固定電極６５に電位を与えるための導体パターン９２が形成される。この導体パターン９２は、支持板９０に貫設した貫通孔９０ａの内側に形成された貫通孔配線９３により固定電極６５に電気的に接続される。

上述した第２の駆動手段６Ｂを駆動するにあたっては、導体パターン６０ｂと導体パターン９２との間に所定の駆動電圧を印加すればよく、これによって可動電極６０ｄと固定電極６５との間に静電引力が発生して、可動電極６０ｄが固定電極６５に引き寄せられる。その結果、押圧アーム部５０の押圧片５０ｂは、突起５１が台部１０に接近するように変形させられる。

上述した本実施形態の微小電気機械スイッチは、アクチュエータ６を駆動していない常時は、可動接点２と各固定接点３とがそれぞれ離間しており、一対の固定接点３間は遮断される。そして、接点を閉じる際には、まずアクチュエータ６の主駆動手段６Ａを駆動して、台部１０を一対の固定接点３側に移動させて、可動接点２を一対の固定接点３に接触させる。その後に、副駆動手段６Ｂを駆動し、可動接点２と一対の固定接点３との接圧を高める。このように本実施形態の微小電気機械スイッチにおいては、静電引力を利用する副駆動手段６Ｂは、可動接点２と固定接点３との間の接圧を調整するために使用され、可動接点２の固定接点３側への移動には、圧電効果を利用する主駆動手段６Ａが使用される。なお、接点を開く際には、アクチュエータ６の主駆動手段６Ａおよび副駆動手段６Ｂの両方の駆動を停止すればよい。

以上述べた本実施形態の微小電気機械スイッチによれば、実施形態１と同様の効果を奏する上に、アクチュエータ６が、圧電材料部６１の変形を利用してアーム部１１を変形させる主駆動手段６Ａと、静電引力を利用してアーム部１１を変形させる副駆動手段６Ｂとを有しているので、主駆動装置６Ａにより台部１０を移動させることで、静電引力を利用する場合に比べてアクチュエータ６の消費電力を低く抑えながらも台部１０の変位量を大きくすることができるから、可動接点２と固定接点３との間隔を大きくできて信号の漏れを低減することができ、アイソレーション特性の向上が図れる一方、副駆動装置６Ｂにより可動接点２と固定接点３との接圧を所望の値に設定することができる。

また、固定電極６５は、可動接点支持台１とは別体となる形でベース基板７に形成された固定電極支持台９に設けられているので、副駆動手段６Ｂの可動電極６０ｄと固定電極６５との間に駆動電圧を印加する際に流れる電流が可動接点２に漏れることを抑制できるから、ノイズの発生を抑制することができる。固定電極６５は、可動接点支持台１とは別体の固定電極支持台９に設けることが好ましいが、アイソレーション特性が問題ない場合には、台部１０に固定電極６５を形成するようにしてもよく、この場合は、固定電極支持台９を形成しなくて済むから、微小電気機械スイッチの小型化および低コスト化を図ることができる。

実施形態１の微小電気機械スイッチの概略断面図である。（ａ）は駆動部の平面図、（ｂ）は可動接点支持台の平面図、（ｃ）は固定接点の平面図である。図２（ａ）においてＰで示す部位の拡大図である。同上の他例における駆動部の平面図である。実施形態２の駆動部の平面図である。実施形態３の微小電気機械スイッチの概略断面図である。（ａ）は同上における駆動部の平面図、（ｂ）は同上における可動接点支持台および固定電極支持台の平面図、（ｃ）は同上における固定接点の平面図である。従来例の微小電気機械スイッチの動作説明図である。

符号の説明

１可動接点支持台
２可動接点
３固定接点
４駆動部
５押圧部
６アクチュエータ
６Ａ主駆動手段
６Ｂ副駆動手段
７ベース基板
９固定電極支持台
１０台部
１１支持アーム部
５０押圧アーム部
５１突起
６０ａ下部電極
６１圧電材料部
６２ａ上部電極
６０ｄ可動電極
６５固定電極

Claims

厚み方向の一面側に可動接点が設けられた台部および当該台部に一端が固定されるとともに他端がベース基板に固定され台部を上記厚み方向に沿った方向に移動自在に支持する可撓性を有する支持アーム部を備えた可動接点支持台と、台部の上記一面側において可動接点に対向配置された一対の固定接点と、台部を一対の固定接点側に移動させる駆動部とを備え、
駆動部は、台部の上記厚み方向の他面側において台部に対向する形でベース基板に固定された可撓性を有する押圧部と、給電されると押圧部を変形させて押圧部に台部の上記他面を押圧させるアクチュエータとを有し、
押圧部において台部の上記他面と対向する部位には、台部押圧用の複数の突起が形成されていることを特徴とする微小電気機械スイッチ。
上記押圧部は、一端側が上記台部の上記他面側において上記台部に対向配置され、他端側が上記ベース基板に固定された３の整数倍の数の押圧アーム部により構成され、
各押圧アーム部は、同じ形状を有し、上記台部の上記厚み方向に直交する平面内において上記可動接点を中心とする円の径方向に沿う形に配置され、
上記面内において隣接する押圧アーム部間の角度はいずれも等しく設定され、
上記突起は、各押圧アーム部の上記一端側の同じ位置に形成され、
上記アクチュエータは、上記突起により上記台部の上記他面を押圧させる形に各押圧アーム部を変形させることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械スイッチ。
上記アクチュエータは、上記押圧部における上記台部側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記押圧部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記押圧部を変形させることを特徴とする請求項１または２記載の微小電気機械スイッチ。
上記アクチュエータは、上記押圧部における上記台部側とその反対側との少なくとも一方に形成された下部電極と、当該下部電極における上記押圧部側とは反対側に形成された圧電材料部と、当該圧電材料部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、下部電極と上部電極との間に所定の駆動電圧を印加して圧電材料部を変形させることで上記押圧部を変形させる主駆動手段と、
上記押圧部における上記台部側に形成された可動電極および上記台部の厚み方向において当該可動電極と重なる形に配置された固定電極を備え、可動電極と固定電極との間に所定の駆動電圧を印加して可動電極と固定電極との間に静電引力を発生させることで上記押圧部を変形させる副駆動手段とを有していることを特徴とする請求項１または２記載の微小電気機械スイッチ。
上記固定電極は、上記可動接点支持台とは別体となる形で上記ベース基板に形成された固定電極支持台に設けられていることを特徴とする請求項４記載の微小電気機械スイッチ。