JP5083977B2 - 電気機械素子、その駆動方法およびそれを用いた電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械素子、その駆動方法およびそれを用いた電気機器に関する。

電気機械素子は、無線、光、加速度センサ、バイオなど、多くの応用分野がある。その中で、無線機用のスイッチ、フィルタなどの素子に適用することが可能である。
無線端末などの情報通信機器の普及が進む中、通信に使用される周波数は、携帯電話等の数百MHzから無線LAN等の数GHz帯へと広帯域化が加速している。現在は、各種通信方式に対応した端末を独立して使用している状況であるが、将来的には一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。端末の筐体内に内蔵されるスイッチなどの受動部品数の増加が予想される中、受動部品の小型化が望まれている。

その中で、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製されるRF-MEMSスイッチの研究開発が活発になっている。RF−MEMSスイッチとは、微小な可動電極を動かし機械的に信号の伝播経路を切り替えるスイッチである。その利点は、デバイスのサイズが小型であり、超低損失、高アイソレーションといった高周波特性も優れていることである。また、RF−ICと親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチをRF-ICに内蔵することも可能であり、無線部の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。
従来のRF−MEMSスイッチは、メンブレン（membrane）状や棒状の可動体を両持ちや片持ちにし、それらを電極へ接触させたり離したりすることにより、信号の伝搬経路を切り替える機械スイッチである。メンブレンや可動体の駆動力源としては、静電気力を用いたものが多く、他にも磁気力を用いたものも発表されている。

従来、大きさが数百μｍ程度の微細なスイッチとして、非特許文献１に記載されているものが知られている。このスイッチは、メンブレン上に、高周波信号が伝達される信号ラインを形成し、当該信号ラインの直下に制御電極を設けている。制御電極に直流電位を印加すると、メンブレンが制御電極側に静電引力により引き付けられ、撓み、基板上に形成されている接地電極と接触することにより、メンブレンに形成されている信号ラインは短絡状態となり、信号ラインを流れる信号は減衰され、遮断される。これに対して、制御電極に直流電位を印加しなければ、メンブレンは撓まず、当該メンブレン上の信号ラインを流れる信号は、接地電極から損失することなく、スイッチを通過する。

抵抗結合により信号を伝搬する場合、安定かつ低抵抗の良好な金属接点を形成する必要がある。非特許文献２に示すように、可動電極を湾曲させることにより接触する固定電極に押し込む力を発生させ、固定電極表面の酸化膜を突き破る効果（機械的洗浄効果）により良好な金属接点を形成する技術が報告されている。

J. B. Muldavin and G. M. Rebeiz, IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 11, pp. 334-336, Aug. 2001. Corwith, Advanced Packaging, Feb. 1995.

しかしながら、現在のところ、電気機械スイッチの良好な接点を形成した場合、接点が離れ難くなる引っ付き現象（スティクション）が発生し、信頼性が低下する課題がある。また、連続駆動や高電力信号の伝搬により接点が劣化し、抵抗値が増大する現象が課題となっている。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、電気機械素子の高速応答性および低電圧駆動を実現し、信頼性の向上を図ることを目的とする。

そこで本発明は、基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極および複数の第３の電極とを具備し、前記第１の電極と前記第３の電極の各々の間に引力を加えることにより、前記第１の電極が前記第２の電極と接触可能な電気機械素子であって、前記第１の電極は、前記第１の電極の先端で前記第２の電極に近接する屈曲部を有し、かつ、前記第１の電極の中間部にＶ字型の屈曲部を有し、前記複数の第３の電極は、前記第３の電極の間に空隙を有して前記基板上に配置され、前記Ｖ字型の屈曲部は、前記空隙に対向する位置に配置され、かつ前記空隙に向かって突き出しており、前記第２の電極は、前記第３の電極の間には位置していなく、前記第１の電極と前記第２の電極の接点が前記基板に対して水平方向に変位することを特徴とする。
すなわち、電気機械素子の可動電極としての第１の電極上に屈曲部すなわち、V型などの凹凸構造を形成し、凹凸構造に対向する駆動電極としての第３の電極により伸縮させるようにしたものである。駆動に際しては、接点を引き離す場合のみ屈曲部を伸ばし縮む力を増大させるすなわち、接点を引き離す場合のみ凹凸構造を縮ませる。このように第１の電極は、屈曲部すなわち第２または第３の電極に近接した近接部を具備している。これにより、接触工程においては、押し付けると押し付ける力が増し、押し付ける力を解除すると自ばね力で水平方向に引き戻す方向に変位し、容易に接点を引き離すことができる。
このようにして、第１の電極に屈曲部を設けることにより、屈曲部によるバネの伸縮により、接触する前はばね力で応答速度が決まり、ばね力が高いと高電圧が必要となるが屈曲部の存在により、容易に接触する。そして押し付けたあとは、その押し付け力によりばね力が高まり、接点を水平方向へスライドさせ引き離す。このようにして、接点を水平方向へスライドさせることにより、接点にせん断方向への引き離し力を加えることが可能であり、引き離しが容易となる。電気機械素子の電極間接点の良好な接触、容易な引き離しを可能とし、接点の引っ付き現象（スティクション）を回避することが可能となる。
この構成によって、従来実現困難であった高信頼性の電気機械素子およびそれを用いた電気機器を実現することができる。

この構成により、第１の電極と第２の電極との接点を第２の電極上で可動とする効果を奏功する。

この構成により、第１の電極を伸縮可能とする効果を奏功する。

また、本発明は、上記電気機械素子において、前記屈曲部が第３の電極に近接する部分をもつものを含む。
この構成により、第１の電極の伸縮を第３の電極により制御可能とする効果を奏功する。

本発明の電気機械素子は、基板上に形成された電気機械素子であって、第１のポスト部上に形成された第１の電極を具備し、前記第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極と第３の電極を具備し、前記第１の電極と前記第３の電極の間に引力を加えることにより、前記第１の電極は前記第２の電極と接触可能であり、前記第１の電極上に凹凸構造を具備したことを特徴とする。

また、本発明の電気機械素子は、前記第１の電極上に湾曲構造が形成されたものを含む。V字構造のみならず、なだらかに湾曲した構造も同様にバネ性を有し、有効である。

この構成により、駆動力に加え湾曲構造、凹凸構造のバネ力で押し込む力を増大させることが可能となる。また、一旦接触したのち、接点を水平方向へスライドさせることが可能となり、固定電極表面の酸化膜を突き破る効果が得られる。連続駆動、疲労、経時変化による接点の劣化が発生した場合、良好な接点を安定して形成することが可能となる。また、接点を引き離す力を増大させることが可能となる。また、接点がスライドするため、せん断方向への引き離し力が加わり接点の引き離しを容易にすることが可能である。スティクションを回避し安定した駆動を実現できる。可動電極上に凹凸構造のバネを具備することにより、可動電極全体のバネ力を低減することが可能であり、高速応答・低駆動電圧化が可能である。

また、本発明の電気機械素子は、前記第１の電極の凹凸構造は前記基板に対して垂直方向に形成されるようにしてもよい。
この構成により、第２の電極との距離がより近くなり、応答性が向上する。

この構成により、製造上容易に凹凸構造と駆動電極との対向面積を増大させることが可能であり、凹凸構造のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。

また、本発明は、上記電気機械素子において、前記屈曲部は前記第３の電極側に形成された切り欠きであるものを含む。
この構成により、切り欠きを設けることにより、実質的に屈曲部を形成したのと同様のバネ力をもたせることができ、製造上容易である。また凹凸構造と駆動電極との対向面積を増大させることが可能であり、凹凸構造のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。

また、本発明は、上記電気機械素子において、前記第１の電極は複数の屈曲部を含む。
この構成により、凹凸構造のバネの数が増え、伸縮する距離を増大することができる。可動電極の信号電極に対する押し込み、引き離しの効果を増大させることが可能となる。また、可動電極上に複数の凹凸構造のバネを具備することにより、可動電極全体のバネ力を低減することが可能であり、高速応答・低駆動電圧化が可能である。

また、本発明の電気機械素子は、前記第３の電極が複数形成されたものを含む。
また、本発明の電気機械素子は、前記屈曲部と対向した位置を挟むように前記第３の電極が複数形成されたものを含む。
本構成により、凹凸構造を駆動電極の間に挿入することが可能である。製造上容易に凹凸構造と駆動電極との対向面積を増大させることが可能であり、凹凸構造のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。また、凹凸構造と駆動電極との接触を回避し、スティクションの発生を回避することが可能である。

また、本発明の電気機械素子は、前記第１の電極を前記第２の電極から離す場合に前記第１の電極自体を伸縮させるものを含む。
本構成により、湾曲構造、凹凸構造を具備しない構造と同様の簡易な制御信号にて、湾曲構造、凹凸構造による信頼性向上効果を発現することが可能である。また、湾曲構造や凹凸構造のバネを一度の伸ばした後、縮む力を増大させることができ、可動電極と信号電極の接点の引き離しを容易にすることが可能となる。

本発明は、基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極および複数の第３の電極とを具備し、前記第１の電極は、前記第１の電極の先端で前記第２の電極に近接する屈曲部を有し、かつ、前記第１の電極の中間部にＶ字型の屈曲部を有し、前記複数の第３の電極は、前記第３の電極の間に空隙を有して前記基板上に配置され、前記Ｖ字型の屈曲部は、前記空隙と反対の位置に配置され、かつ前記空隙に向かって突き出しており、前記第２の電極は、前記第３の電極の間には位置していない電気機械素子の駆動方法であって、前記第１の電極と前記第３の電極の間に引力を加えることにより、前記第１の電極を前記第２の電極に接触させる接触工程と、前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極との接触状態を解消し、非接触状態に移行する移行工程とを含む。
この構成により、低駆動電圧、高速応答性をもつ電気機械素子を提供することが可能となる。

また本発明は、上記電気機械素子の駆動方法において、前記接触工程は、前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極上の接触位置で前記第２の電極上を移動する工程を含む。
この構成により、接点を水平方向へスライドさせることが可能となり、第２の電極表面の酸化膜を突き破る効果が得られる。連続駆動、疲労、経時変化による接点の劣化が発生した場合、良好な接点を安定して形成することが可能となる。可動電極上に凹凸構造のバネを具備することにより、第１の電極全体のバネ力を低減することが可能であり、高速応答・低駆動電圧化が可能である。

また本発明は、上記電気機械素子の駆動方法において、前記移行工程は、前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極上の接触位置で前記第２の電極上を移動する工程を含む。
この構成により、第１の電極に負荷をかけ、押し付け力を加え復元力を高めることで、接点を引き離す力を増大させることが可能となる。また、接点がスライドするため、せん断方向への引き離し力が加わり接点の引き離しを容易にすることが可能である。スティクションを回避し安定した駆動を実現できる。

また本発明は、上記電気機械素子の駆動方法において、前記移行工程は、前記第１と前記第２の電極との接触状態を解消する際に、前記第１の電極と前記第３の電極の間に瞬時的に引力を加える工程を含む。
この構成により、前記第１と前記第２の電極との接触状態を解消する際に、瞬時的に一段大きな引力を加えることにより、接点がスライドするため、せん断方向への引き離し力が加わり接点の引き離しを容易にすることが可能である。スティクションを回避し安定した駆動を実現できる。

また本発明は、上記電気機械素子の駆動方法において、前記移行工程は、前記第１の電極の屈曲部の復元力により前記第２の電極との接触状態を解消するものを含む。
この構成により、接点を引き離す力を増大させることが可能となる。

また本発明は、上記電気機械素子を用いた電気機器を含む。

以上説明したように、本発明によれば、従来実現困難であった低電力駆動でかつ高速応答性をもつスイッチング素子の信頼性向上を実現する電気機械素子およびそれを用いた電気機器を実現する。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明実施の形態１における電気機械スイッチの構成を示す上面図、図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、電気機械スイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図、図２（ｂ）は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。

図１乃至図２に示す電気機械スイッチ１００では、第１の電極としての可動電極１０１の先端部に屈曲部１０８が形成されたことを特徴とする。ここでは、基板１０７上に層間絶縁膜となる絶縁層１０６と、中空に架橋された梁であり第２の電極としての信号電極１０２と接触が可能である位置に配置された第１の電極としての可動電極１０１と、この可動電極１０１にギャップを介して対向するように形成された信号の伝送線路となる信号電極１０２と、可動電極１０１と対向する位置に配置された第３の電極としての駆動電極１０３と、ポスト部となる絶縁層１０５とが設けられている。

次に、電気機械スイッチ１００におけるスイッチングの仕組みを説明する。
スイッチがＯＮの状態においては、可動電極１０１は変位していない初期位置にあり、信号電極１０２と接触していない状態にあり、可動電極１０１と信号電極１０２との間には信号の導通経路は形成されない。可動電極１０１と信号電極１０２との間にエアーギャップを介した静電容量の小さい状態となり、高周波信号が伝播する場合、交流的にインピーダンスの高い状態となるため、信号は信号電極１０２から可動電極１０１間へと伝播することができない。このため、信号電極１０２の一端から入力された信号は、逆側の一端に通過し出力される。

一方、スイッチがＯＦＦの状態においては、可動電極１０１と駆動電極１０３の間に電圧を印加し、静電力により両電極を引き合わせ、可動電極１０１と信号電極１０２を接触させる。このとき、可動電極の先端に屈曲部１０８が形成されているため、可動電極１０１を信号電極１０２に押し込む場合、バネとなる屈曲部１０８を押し込むこととなり、駆動力に加え屈曲部のバネ力で押し込む力を増大させることが可能となる。また、接点を水平方向へスライドさせることが可能となり、信号電極１０２表面の酸化膜を突き破る効果を得ることができる。したがって連続駆動、疲労、経時変化による接点の劣化が発生した場合、良好な接点を安定して形成することが可能となる。このようにして、可動電極１０１と信号電極１０２の間に金属接点が形成され信号の導通経路が形成される。信号は信号電極１０２から可動電極１０１へと伝播することができるようになる。このため、信号電極１０２の一端に入力された信号は、可動電極１０１を介して接地に伝搬し、信号電極１０２の逆側の一端には出力されない状態となる。

ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替える場合、可動電極１０１と駆動電極１０３を同電位とし静電力を切ると、可動電極１０１の持つバネ力により元の初期位置に戻ろうとする上方への力が発生する。すなわち、接点を形成している場合、屈曲部（湾曲構造）のバネが伸びた状態にあるため、接点を引き離す場合、屈曲部のバネが縮み、接点を引き離す力を増大させることが可能となる。また、接点がスライドするため、せん断方向への引き離し力が加わり接点の引き離しを容易にすることが可能である。スティクションを回避し安定した駆動を実現できる。以上のように、バネ力によりＯＮ状態に切り替えることが可能である。

比較のために、屈曲部１０８を設けない、従来の可動電極１０１の断面図を図１３（ａ）および図１３（ｂ）、図１４に示す。これらの比較から、本発明の実施の形態の電気機械素子によれば、屈曲部１０８の存在により、低電圧高速駆動が可能になることがわかる。

なお、本実施の形態においては、可動電極が信号電極の上面に接触する場合について説明したが、信号電極の側面に可動電極が接触する構成とすることも可能である。

なお、本実施の形態においては、電気機械スイッチの等価回路上で可変容量が伝送線路に対して並列に接続されその先は接地へと接続された構成のスイッチ（シャント型スイッチ）について説明したが、可変容量が伝送線路に対して直列に接続された構成のスイッチ（シリーズ型スイッチ）においても本発明は適用可能である。シリーズ型スイッチにおいては、シャント型スイッチとＯＮ、ＯＦＦ時における可動電極の位置が逆になる。ＯＦＦ時においては、可動電極間が接触していない状態にある。そのため、一方の信号電極に入力された信号は、他方の信号電極へ伝搬されず、信号は出力されない。逆にＯＮ時においては、可動電極と信号電極とが接触した状態にあり、信号は可動電極を伝搬し出力される。このようにして、シリーズ型スイッチでは、信号の伝播経路の開閉を行うわけであるが、本発明の電気機械スイッチは、シリーズ型電気機械スイッチにも適用可能である。

また、本実施の形態においては、可動電極と信号電極が直接接触する抵抗結合型スイッチを説明したが、少なくとも可動電極もしくは信号電極の表面に絶縁膜を形成し、絶縁膜を介した静電容量により交流信号が結合する容量結合型スイッチにも適用可能である。この場合、可動電極を駆動するための駆動電極は必要ではなく、可動電極と信号電極との間に静電力を印加し駆動させることが可能である。

また、本実施の形態においては、可動電極を片持ち梁型の場合について説明したが、両持ち梁型とすることが可能である。
このように、電気機械スイッチ１００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明実施の形態２における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、図３（ａ）は、電気機械スイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図、図３（ｂ）は、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。
図３に示す電気機械スイッチ２００では、上記実施の形態１の可動電極１０１における先端部の屈曲部１０８の構成に加え、可動電極１０１の中間部にも中間屈曲部１０９が設けられている。少なくとも可動電極１０１の駆動電極１０３に対向する表面、駆動電極１０３の可動電極１０１に対向する表面には、絶縁膜が形成されている。

この構成により、可動電極１０１を駆動電極１０３に引き込む場合、バネとなる凹凸構造１０９が押し込むまれ、凹凸構造が伸びることとなり、駆動力に加え構造のバネ力で押し込む力をさらに増大させることが可能となる。また、接点を水平方向へスライドさせることが可能となり、固定電極表面の酸化膜を突き破る効果が得られる。連続駆動、疲労、経時変化による接点の劣化が発生した場合、良好な接点を安定して形成することが可能となる。しかしながら、良好な接点を形成した場合、接点が離れ難くなる現象（スティクション）が課題となる。

この構成により、接点を形成している場合、屈曲部１０８、中間屈曲部１０９に起因する凹凸構造のバネが伸びた状態にあるため、接点を引き離す場合、屈曲部１０８、中間屈曲部１０９によって形成された２つのバネが縮み、接点を引き離す力を増大させることが可能となる。また、接点がスライドするため、せん断方向への引き離し力が加わり接点の引き離しを容易にすることが可能である。スティクションを回避し安定した駆動を実現することができる。

また、凹凸構造をV型とすることにより、製造上容易に駆動電極との対向面積を増大させることが可能であり、凹凸構造のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。
可動電極上に凹凸構造のバネを具備することにより、可動電極全体のバネ力を低減することが可能であり、高速応答・低駆動電圧化が可能である。

なお、本実施の形態においては、可動電極が駆動電極に接触する場合について説明したが、接触しない構成とすることが可能である。
また、本実施の形態においては、凹凸構造がV型の場合について説明したが、矩形型などの構造とすることが可能である。

また、本実施の形態においては、可動電極上に湾曲構造を有する図面を示したが、湾曲構造を有しない構造とすることが可能である。

このように、電気機械スイッチ２００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、本発明実施の形態３における電気機械スイッチの構成を示す上面図、図５（ａ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面を示しており、電気機械スイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図、図５（ｂ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面を示しており、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。

図５に示す電気機械スイッチ３００では、可動電極１０１上に形成した中間屈曲部１０９に対向する位置に２つの第３の電極として駆動電極１１０、１１１が設けられている。
本構成により、中間屈曲部１０９を駆動電極１１０と駆動電極１１１との間に挿入することが可能である。製造上容易に中間屈曲部１０９と駆動電極１１０、１１１との対向面積を増大させることが可能であり、中間屈曲部１０９および先端の屈曲部１０８のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。また、中間屈曲部１０９と駆動電極１１０、１１１との接触を回避し、スティクションの発生を回避することが可能である。

なお、本実施の形態においては、凹凸構造の中間屈曲部１０９の両側の駆動電極１１０、１１１で引っ張る方法について説明したが、図６に示すように、片側の駆動電極による静電力を増大させ、片側へ引っ張るようにすることができる。駆動電極１１０により信号電極１０２と逆方向へ引っ張る場合、可動電極１０１と信号電極１０２の接点をスライドさせ引き離しを容易にすることが可能である。この駆動方法については後述するが図１２に示すように、ＯＮの直前に駆動電極１１０の電位を高くして、可動電極１０１と駆動電極１１０との間により大きな駆動力を印加し、中間屈曲部１０９や屈曲部１０８のバネを一度の伸ばした後、縮む力を増大させる構成とする。これは駆動電極１１０の制御信号を瞬時に高くすることにより実現可能である。この駆動方法により、可動電極と信号電極の接点の引き離しを容易にすることが可能となる。
このように、電気機械スイッチ３００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態４）
図７は、本発明実施の形態４における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、図７（ａ）は、電気機械スイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図、図７（ｂ）は、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。

図７に示す電気機械スイッチ４００では、可動電極１０１上に形成した屈曲部１０８に加えて中間屈曲部１０９が複数設けられており、複数の中間屈曲部１０９のそれぞれに対向する位置に第３の電極として４つの駆動電極１１２、１１３、１１４、１１５が設けられている。

本構成により、中間屈曲部１０９のバネの数が増え、中間屈曲部１０９の伸縮する距離を増大することができる。可動電極１０１の信号電極１０２に対する押し込み、引き離しの効果を増大させることが可能となる。
可動電極上に複数の凹凸構造のバネを具備することにより、可動電極全体のバネ力を低減することが可能であり、高速応答・低駆動電圧化が可能である。
このように、電気機械スイッチ４００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態５）
図８は、本発明実施の形態５における電気機械スイッチの構成を示す断面図であり、図８（ａ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面に対応する断面を示しており、電気機械スイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図、図８（ｂ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面に対応する断面を示しており、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。本実施の形態の電気機械スイッチと実施の形態４における電気機械スイッチとの異なる点は先端に屈曲部をもたず、直線状の先端部１０８Ｓを構成している点である。

図５に示す電気機械スイッチ３００と同様、図８に示すこの電気機械スイッチ７００では、可動電極１０１上に形成した中間屈曲部１０９に対向する位置に２つの第３の電極として駆動電極１１０、１１１が設けられている。
本構成により、中間屈曲部１０９を駆動電極１１０と駆動電極１１１との間に挿入することが可能である。製造上容易に中間屈曲部１０９と駆動電極１１０、１１１との対向面積を増大させることが可能であり、中間屈曲部１０９のバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。また、中間屈曲部１０９と駆動電極１１０、１１１との接触を回避し、スティクションの発生を回避することが可能である。
このように、電気機械スイッチ７００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態６）
図９は、本発明実施の形態６における電気機械スイッチの構成を示す断面図であり、図９（ａ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面に対応する断面を示しており、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図、図９（ｂ）は、図４におけるＡ−Ａ’断面に対応する断面を示しており、電気機械スイッチのＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。本実施の形態の電気機械スイッチと実施の形態５における電気機械スイッチとの異なる点は中間屈曲部１０９ではなく、可動電極１０１を構成する梁の幅全体にわたって形成されたスリット部１０９Ｃが形成されており、このスリット部１０９Ｃの存在によりバネ力を持つように構成したものである。なお先端に屈曲部をもたず、直線状の先端部１０８Ｓを構成している点では実施の形態６の電気機械スイッチと同様である。図９（ａ）と図９（ｂ）とで異なるのはスリット部１０９Ｃの形状であり、図９（ａ）では、断面Ｖ字状のノッチであるのに対し、図９（ｂ）では断面Ｕ字状のノッチである。断面Ｖ字状のノッチの場合は、下地犠牲層の浅いエッチングによりノッチ形状が形成可能であり、簡易な製造工程で実現可能である。図９（ｂ）では断面Ｕ字状のノッチである。断面Ｕ字状のノッチの場合は、ノッチの角の数を複数設けることにより角に集中する応力を分散させることが可能であり、強度を増大させることが可能である。

図５および図８に示す電気機械スイッチ３００，７００と同様、図８に示すこの電気機械スイッチ８００では、可動電極１０１上に形成したスリット部１０９Ｃに対向する位置に２つの第３の電極として駆動電極１１０、１１１が設けられている。
本構成により、スリット部１０９Ｃを駆動電極１１０と駆動電極１１１との間に挿入することが可能である。実施の形態５の電気機械スイッチよりもさらに、製造上容易である、スリット部１０９Ｃの存在により可動電極１０１と駆動電極１１０、１１１との対向面積を増大させることが可能であり、スリット部１０９Ｃによって形成されるバネを伸ばすのに必要な静電力を与えることが可能である。また、スリット部１０９Ｃと駆動電極１１０、１１１との接触を回避し、スティクションの発生を回避することが可能である。

なお、本実施の形態においては、凹凸構造の中間屈曲部１０９の両側の駆動電極１１０、１１１で引っ張る方法について説明したが、本実施の形態の電気機械スイッチにおいても図６に示したのと同様に、片側の駆動電極による静電力を増大させ、片側へ引っ張るようにすることができる。駆動電極１１０により信号電極１０２と逆方向へ引っ張る場合、可動電極１０１と信号電極１０２の接点をスライドさせ引き離しを容易にすることが可能である。
このように、電気機械スイッチ８００によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。

（実施の形態７）
以下の実施の形態では、本発明の電気機械スイッチの駆動方法について説明する。
図１０は、本発明実施の形態における電気機械スイッチの制御信号を示す図、図１０（ａ）は、電気機械スイッチの制御信号を示す表、図１０（ｂ）は、電気機械スイッチの制御信号を示すグラフである。本実施の形態の電気機械スイッチの駆動方法は、前述した実施の形態１乃至６の電気機械スイッチに適用可能であり、特に実施の形態１および２の電気機械スイッチに、より有効である。
図１０（ａ）および（ｂ）は、電気機械スイッチのＯＮ、ＯＦＦ時における可動電極１０１、駆動電極１０３に印加する制御信号を示しており、ＯＦＦ時は可動電極と駆動電極の間に電位を加え、ＯＮ時は可動電極と駆動電極の間に電位差を加えない構成となる。なお、複数の駆動電極を具備する場合においても、同様の制御信号で駆動可能である。

本構成により、湾曲構造、凹凸構造を具備しない構造と同様の簡易な制御信号にて、湾曲構造、凹凸構造による信頼性向上の効果を発現することが可能である。
なお、図１０（ｂ）に破線で示すように、ＯＮの直前に駆動電極１０１の電位を高くして、可動電極１０１と駆動電極１０３の間に大きな駆動力を印加し、中間屈曲部１０９や屈曲部１０８のバネを一度の伸ばした後、縮む力を増大させる構成としても良い。これは駆動電極１０３の制御信号を瞬時に高くすることにより実現可能である。可動電極と信号電極の接点の引き離しを容易にすることが可能となる。

（実施の形態８）
図１１は、本発明実施の形態における電気機械スイッチの制御信号を示す図、図１１（ａ）は、電気機械スイッチの制御信号を示す表、図１１（ｂ）は、電気機械スイッチの制御信号を示すグラフである。前記実施の形態７の電気機械スイッチの駆動方法では、１つの駆動電極を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、２つの駆動電極を具備する場合について説明する。本実施の形態の電気機械スイッチの駆動方法は、前述した実施の形態１乃至６の電気機械スイッチに適用可能であり、特に実施の形態３，５および６の電気機械スイッチに、より有効である。
図１１（ａ）および（ｂ）は、電気機械スイッチのＯＮ、ＯＦＦ時における可動電極１０１、駆動電極１１０、駆動電極１１１に印加する制御信号を示しており、ＯＦＦ時は可動電極１０１と駆動電極１１０，１１１の間に電位を加え、ＯＮ時は可動電極１０１と駆動電極１１０，１１１の間に電位を加えない構成とする。

本構成により、湾曲構造、凹凸構造を具備しない構造と同様の簡易な制御信号にて、湾曲構造、凹凸構造による信頼性向上の効果を発現することが可能である。
なお、図１１（ｂ）に破線で示すように、ＯＮの直前に駆動電極１１０，１１１の電位を高くして、可動電極１０１と駆動電極１１０、１１１間に大きな駆動力を印加し、中間屈曲部１０９や屈曲部１０８のバネを一度の伸ばした後、縮む力を増大させる構成としても良い。これは駆動電極１１０，１１１の制御信号を瞬時に高くすることにより実現可能である。可動電極と信号電極の接点の引き離しを容易にすることが可能となる。

なお、本実施の形態においては、凹凸構造の中間屈曲部１０９の両側の駆動電極１１０、１１１で引っ張る方法について説明したが、片側の駆動電極による静電力を増大させ、片側へ引っ張るようにすることができる。駆動電極１１０により信号電極１０２と逆方向へ引っ張る場合、可動電極１０１と信号電極１０２の接点をスライドさせ引き離しを容易にすることが可能である。この駆動方法については図１２に変形例を示すように、ＯＮの直前に駆動電極１１０の電位を高くして、可動電極１０１と駆動電極１１０間により大きな駆動力を印加し、中間屈曲部１０９や屈曲部１０８のバネを一旦伸ばした後、縮む力を増大させる構成とする。これは駆動電極１１０の制御信号を瞬時に高くすることにより実現可能である。この駆動方法により、可動電極と信号電極の接点の引き離しを容易にすることが可能となる。

このように、本電気機械スイッチの制御信号によれば、従来実現困難であった高信頼性を実現する電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。
また、本発明電気機械スイッチは、無線通信用電気回路のみならず、様々な用途の電気回路に適用可能である。
また、本発明電気機械スイッチは、無線通信端末のみならず、様々な用途の電気機器に適用可能である。

本発明に係る電気機械素子は、高信頼性を実現する電気機械素子およびそれを用いた電気機器として有用である。

本発明の実施の形態１における電気機械スイッチの構成を示す上面図、 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 本発明実施の形態２における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 本発明実施の形態３における電気機械スイッチの構成を示す上面図 図４におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 図５の変形例を示す横断面図 本発明実施の形態４における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 本発明実施の形態５における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 本発明実施の形態６における電気機械スイッチの構成を示す横断面図、（ａ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す変形例の横断面 図 本発明実施の形態７における電気機械スイッチの制御信号を示す図、（ａ）制御信号を示す表、（ｂ）制御信号を示すグラフ 本発明実施の形態８における電気機械スイッチの制御信号を示す図、（ａ）制御信号を示す表、（ｂ）制御信号を示すグラフ 本発明実施の形態８の変形例における電気機械スイッチの制御信号を示す図、（ａ）制御信号を示す表、（ｂ）制御信号を示すグラフ 従来例の電気機械スイッチの構成を示す横断面図、（ａ）ＯＮ状態の構成を示す横断面図、（ｂ）ＯＦＦ状態の構成を示す横断面図 従来例の電気機械スイッチの構成を示す図

符号の説明

１００、２００、３００、４００，７００，８００ 電気機械スイッチ
１０１ 可動電極
１０３ 信号電極
１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５ 駆動電極
１０５、１０６ 絶縁層
１０７ 基板
１０８ 屈曲部
１０８Ｓ 直線状先端部
１０９ 中間屈曲部
１０９Ｃ スリット部

Claims (8)

1. 基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極および複数の第３の電極とを具備し、前記第１の電極と前記第３の電極の各々の間に引力を加えることにより、前記第１の電極が前記第２の電極と接触可能な電気機械素子であって、
   前記第１の電極は、前記第１の電極の先端で前記第２の電極に近接する屈曲部を有し、かつ、前記第１の電極の中間部にＶ字型の屈曲部を有し、
   前記複数の第３の電極は、前記第３の電極の間に空隙を有して前記基板上に配置され、
   前記Ｖ字型の屈曲部は、前記空隙に対向する位置に配置され、かつ、前記空隙に向かって突き出しており、
   前記第２の電極は、前記第３の電極の間には位置していなく、
   前記第１の電極と前記第２の電極の接点が前記基板に対して水平方向に変位する電気機械素子。
2. 前記第１の電極は複数のＶ字型の屈曲部を含む請求項１に記載の電気機械素子。
3. 前記第１の電極は前記第２の電極から離間する際に、前記第１の電極自体が伸縮せしめられる請求項１に記載の電気機械素子。
4. 基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極および複数の第３の電極とを具備し、前記第１の電極は、前記第１の電極の先端で前記第２の電極に近接する屈曲部を有し、かつ、前記第１の電極の中間部にＶ字型の屈曲部を有し、前記複数の第３の電極は、前記第３の電極の間に空隙を有して前記基板上に配置され、前記Ｖ字型の屈曲部は、前記空隙と反対の位置に配置され、かつ前記空隙に向かって突き出しており、前記第２の電極は、前記第３の電極の間には位置していない電気機械素子の駆動方法であって、
   前記第１の電極と前記第３の電極の間に引力を加えることにより、前記第１の電極を前記第２の電極に接触させる接触工程と、
   前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極との接触状態を解消し、非接触状態に移行する移行工程とを含み、
   前記接触工程は、前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極上の接触位置で前記第２の電極上を移動する工程を含む電気機械素子の駆動方法。
5. 前記移行工程は、前記第１の電極の前記屈曲部の伸縮力によって、前記第１の電極が前記第２の電極上の接触位置で前記第２の電極上を移動する工程を含む請求項４に記載の電気機械素子の駆動方法。
6. 前記移行工程は、前記第１と前記第２の電極との接触状態を解消する際に、前記第１の電極と前記第３の電極の間に瞬時的に引力を加える工程を含む請求項５に記載の電気機械素子の駆動方法。
7. 前記移行工程は、前記第１の電極の屈曲部の復元力により前記第２の電極との接触状態を解消するものである請求項５に記載の電気機械素子の駆動方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械素子を用いた電気機器。

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