JP5774779B2 - 静電アクチュエーターおよび可変容量デバイス - Google Patents

Description

本発明は、固定電極とこれに対面する可動電極とを有し、静電気力を利用して、固定電極に対し可動電極を離接させる静電アクチュエーターおよび可変容量デバイスに関するものである。

従来、可変容量コンデンサー（可変容量デバイス）として、シグナル線とこれに対向する電極とからなる可変容量部と、可変容量部の両側に連なるブリッジ構造の一対のアクチュエーター部と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。各アクチュエーター部は、可動側の上部電極と、これに対向する固定側の下部電極と、上部電極に接続されたばね構造部と、を有している。そして、上部電極および下部電極間に電圧を印加することで、上部電極と下部電極との間に電位差を与える。その結果、上部電極および下部電極との間に静電気力が生じ、上部電極および下部電極を近接させる。

特開２００８−２７８６３４号公報

ところで、この種の可変容量コンデンサーでは、ホットスイッチング（可変容量部に電圧を印加した状態でアクチュエーター部を駆動する駆動方法）等により、下部電極から上部電極を引き離すときに、高い引離し力を必要とする場合がある。上記従来の構成では、ばね構造部の復元力により、可動電極を引き離す構成であるため、ばね構造部のバネ定数を高くすることが考えられるが、これでは、可動電極を近接させるのに高い静電気力を必要とするため、近接時に高い電圧を印加するか、両電極の対面面積を広くしなければならないという問題があった。
これに対し、単に、上部電極の上方に第３の電極を追加し、上部電極と当該第３の電極との間に静電気力を生じさせて可動電極を引き離す構成を考えた。しかしながら、この構成では、上部電極の支持部材（梁やアンカー）とは別に、第３の電極の支持部材が必要である上、離間動作の開始時に、効果的に静電気力が発生しないという問題が想定される。すなわち、静電気力が、上部電極および第３電極の離間距離の２乗に反比例するのに対し、離間動作の開始時には、上部電極が下部電極に近接した状態であり、上部電極が第３の電極から最大限離れた状態になっている。そのため、離間動作の開始時に強い静電気力が生じない。これによって、初動が遅く離間動作全体の動作速度が遅くなるので、静電アクチュエーターの動作を安定的に行うことができないという問題が生じる。

本発明は、引離し時の静電気力を効果的に発生させることができ、簡単な構成で高い引離し力を得ることができる静電アクチュエーターおよび可変容量デバイスを提供することを課題としている。

本発明の静電アクチュエーターは、基板に対し固定的に設けられた固定電極と、固定電極に表裏一方の面で対面し、固定電極との間の静電気力により、固定電極に近接する可動電極と、可動電極の表裏他方の面に対面し、可動電極との間の静電気力により、可動電極を固定電極から引き離す引離し電極と、を備え、引離し電極は、可動電極を部分的に固定し、可動電極および引離し電極は、相互の固定部分を中心に拡開するように、可動電極および／または引離し電極が変形して、可動電極の固定電極に対する離接可動を受容することを特徴とする。

この構成によれば、第１に、引離し電極が、可動電極を部分的に固定しているので、引離し電極を支持する支持部材を設ければ、可動電極に特段の支持部材を設ける必要がない。第２に、固定部分を中心に拡開するように変形して、可動電極の離接可動を受容するため、固定部分近傍において、常に可動電極および引離し電極が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。その結果、離間動作の開始時にも引離し時の静電気力を効果的に発生させることができ、簡単な構成で高い引離し力を得ることができる。ゆえに、初動が速く離間動作全体の動作速度が速くなるので、静電アクチュエーターの動作を安定的に行うことができる。なお、当該構成において、可動電極と引離し電極とは非導通になるように構成されている。

この場合、可動電極および／または引離し電極は、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力を、可動電極の引離し力として作用させることが好ましい。

この構成によれば、弾性変形の復元力と、引離し電極による静電気力とで、可動電極を引き離すため、より高い引離し力を得ることができる。

また、固定電極は、近接時の静電気力を生じさせるための所定のプルイン動作電圧を印加する第１の印加電源に接続され、可動電極は、基準電位点に接続され、引離し電極は、引離し時の静電気力を生じさせるための所定のプルアウト動作電圧を印加する第２の印加電源に接続されることが好ましい。

近接時に、可動電極と引離し電極との間に電位差が生じていると、その静電気力が近接動作の妨げになる。また、引離し時に、固定電極と可動電極との間に電位差が生じていると、その静電気力が離間動作（引離し）の妨げになる。よって、近接時には、可動電極および引離し電極が同一の電位を有している必要があり、離間時には、固定電極および可動電極が同一の電位を有している必要がある。そのため、例えば、可動電極にプルアウト動作電圧を印加して可動電極の離間動作を行うと、それに合わせて、固定電極および引離し電極にプルアウト動作電圧とＧＮＤ電圧（基準電圧）を印加する必要があり、電位制御が煩雑になってしまう。
これに対し、上記構成によれば、固定電極にプルイン動作電圧を印加し、引離し電極にプルアウト動作電圧を印加して、可動電極を離接することで、可動電極にプルイン動作電圧やプルアウト動作電圧を印加する必要がなく、電位制御を簡単な構成で行うことができる。なお、「所定のプルイン動作電圧」は、静電気力により可動電極の近接移動（プルイン）が生じる電圧（いわゆるプルイン電圧）以上の電圧である。また、「所定のプルアウト動作電圧」は、静電気力により可動電極の離間移動（プルアウト）が生じる電圧（いわゆるプルアウト電圧）以上の電圧である。

さらに、引離し電極から、可動電極の引離し方向に連結したｎ（ｎ≧１）個の追加引離し電極を、更に備え、連結した引離し電極およびｎ個の追加引離し電極は、連結した前後の電極が相互に対面し、相互間の静電気力を、引離し電極を介した可動電極の引離し力として作用させると共に、可動電極と合わせて蛇腹状に変形して、可動電極の固定電極に対する離接可動を受容することが好ましい。

この構成によれば、ｎ個の追加引離し電極を設けることで、より高い引き離し力を得ることができる。また、ｎ個の追加引離し電極が、引離し電極に連結されているため、最端の追加引離し電極を支持する支持部材を設ければ、（ｎ−１）個の追加引離し電極、引離し電極および可動電極に特段の支持部材を設ける必要がない。さらに、連結した引離し電極およびｎ個の追加引離し電極が、蛇腹状（ベローズ状）に変形するため、連結部分を中心に拡開するように変形する構成となる。そのため、可動電極および引離し電極間と同様、連結部分近傍において、常に前後の電極が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。

この場合、連結した引離し電極およびｎ個の追加引離し電極は、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力を、可動電極の引離し力として作用させることを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。

この構成によれば、連結した引離し電極およびｎ個の追加引離し電極の弾性変形による復元力を引離し力として作用させるため、より高い引離し力を得ることができる。

本発明の可変容量デバイスは、上記の静電アクチュエーターと、静電アクチュエーターを駆動源として駆動する静電容量を可変する可変容量素子と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、動作を安定的に行うことができる静電アクチュエーターを用いることで、安定性の高い可変容量デバイスを提供することができる。なお、ここにいう「可変容量デバイス」は、可変容量コンデンサーおよび可変容量型のスイッチ等を含んでいる。

この場合、静電アクチュエーターは、可変容量素子に電圧を印加した状態で、可動電極の離接動作を行うことが好ましい。

可変容量素子に電圧を印加した状態で可動電極の離接動作を行う、いわゆるホットスイッチングを行うと、可変容量素子を構成する一対の電極間で静電気力が生じ、可動電極の引離しを妨げる。
これに対し、上記構成によれば、高い引離し力を得ることができる静電アクチュエーターを用いることで、ホットスイッチングを安定的に行うことができる。

また、可変容量素子は、直列に接続され、静電容量が可変の２個の可変容量部と、２個の可変容量部の上下流側のそれぞれに直列に接続され、静電容量が固定の２個の固定容量部と、を備え、各可変容量部は、基板に固定的に設けられた固定容量電極と、固定容量電極に対面し、可動電極と一体に変位して固定容量電極に対し離接する可動容量電極と、を有することが好ましい。

この構成によれば、２個の可変容量部と２個の固定容量部とを直列に接続することで、ＲＦ電圧（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｖｏｌｔａｇｅ）のホットスイッチングを行った場合に、ＲＦ電圧が分圧される。これによって、可動電極の引離しを妨げる静電気力、すなわち固定容量電極と可動容量電極との間の静電気力を全体として小さくすることができる。また、固定容量電極および可動容量電極を、フローティング状態にすることができる。

本発明の静電アクチュエーターの駆動方法は、基板に対し固定的に設けられた固定電極と、固定電極に表裏一方の面で対面し、固定電極との間の静電気力により、固定電極に近接する可動電極と、可動電極の表裏他方の面に対面し、可動電極との間の静電気力により、可動電極を固定電極から引き離す引離し電極と、を備え、引離し電極は、可動電極を部分的に固定し、可動電極および引離し電極は、相互の固定部分を中心に拡開するように、可動電極および／または引離し電極が変形して、可動電極の固定電極に対する離接可動を受容する静電アクチュエーターの駆動方法であって、固定電極に、近接時の静電気力を生じさせるための所定のプルイン動作電圧を印加し、可動電極に、基準電位点を接続し、引離し電極に、引離し時の静電気力を生じさせるための所定のプルアウト動作電圧を印加することを特徴とする。

この構成によれば、第１に、引離し電極が、可動電極を部分的に固定しているので、引離し電極を支持する支持部材を設ければ、可動電極に特段の支持部材を設ける必要がない。第２に、固定部分を中心に拡開するように変形して、可動電極の離接可動を受容するため、固定部分近傍において、常に可動電極および引離し電極が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。その結果、離間動作の開始時にも引離し時の静電気力を効果的に発生させることができ、簡単な構成で高い引離し力を得ることができる。ゆえに、初動が速く離間動作全体の動作速度が速くなるので、静電アクチュエーターの動作を安定的に行うことができる。さらに、固定電極にプルイン動作電圧を印加し、引離し電極にプルアウト動作電圧を印加して、可動電極を離接することで、可動電極にプルイン動作電圧やプルアウト動作電圧を印加する必要がなく、電位制御を簡単な構成で行うことができる。

本発明の静電アクチュエーターは、基板に対し固定的に設けられた平面状の固定電極と、固定電極に表裏一方の面で対面する平面状の可動電極と、可動電極の表裏他方の面に対面する平面状の対面電極と、基板に立設されると共に、対面電極を支持する電極支持部と、を備え、対面電極は、可動電極を部分的に固定し、可動電極および対面電極は、相互の固定部分を中心として拡開変形自在に構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１に、引離し電極が、可動電極を部分的に固定しているので、可動電極に特段の支持部材を設ける必要がない。第２に、固定部分を中心に拡開するように変形して、可動電極の離接可動を受容するため、固定部分近傍において、常に可動電極および引離し電極が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。その結果、離間動作の開始時にも引離し時の静電気力を効果的に発生させることができ、簡単な構成で高い引離し力を得ることができる。ゆえに、初動が速く離間動作全体の動作速度が速くなるので、静電アクチュエーターの動作を安定的に行うことができる。

実施形態に係る可変容量コンデンサーの断面図である。 可変容量コンデンサーの平面図である。 可変容量コンデンサーの分解図である。 静電アクチュエーターの断面図である。 静電アクチュエーターにおける両駆動電極の近接動作および離間動作を示した説明図である。 静電アクチュエーターの第１変形例を示した断面図である。 可変容量素子の変形例を示した可変容量コンデンサーの断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、静電アクチュエーターの第２変形例を示した平面図であり、（ｃ）は、静電アクチュエーターのＡ‐Ａ´線断面図である。

以下、添付の図面を参照し、本発明の一実施形態に係る静電アクチュエーターおよび可変容量デバイスについて説明する。本実施形態では、静電アクチュエーターを用いた可変容量コンデンサー（可変容量デバイス）を例示する。この可変容量コンデンサーは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスであり、半導体集積回路作製技術を用いて、シリコン基板（半導体基板）上に、電子回路および機械構造を作りこむことで構成されている。なお、本可変容量コンデンサーは、静電気力により可動駆動電極を固定駆動電極から引き離す引離し電極と、可動駆動電極の可動構造とにより、高い引離し力を得る構成を有している。

図１および図２に示すように、可変容量コンデンサー１は、シリコン基板（基板）２と、シリコン基板２上に配設された可変容量素子３と、シリコン基板２上に配設され、可変容量素子３の両側に連なる一対の静電アクチュエーター４と、を備えている。すなわち、可変容量コンデンサー１は、一対の静電アクチュエーター４を駆動源として可変容量素子３の静電容量を可変する。また、シリコン基板２の表面には、絶縁層５が形成されており、この絶縁層５上に、可変容量素子３および一対の静電アクチュエーター４が配設されている。なお、本実施形態では、一対の静電アクチュエーター４が可変容量素子３に連なる方向を、Ｘ軸方向とし、それに直交する方向を、Ｙ軸方向とする。また、シリコン基板２の厚さ方向を上下方向とする。

可変容量素子３は、シリコン基板２上に敷設した固定側の固定容量電極１１と、固定容量電極１１に上方から対面する可動側の可動容量電極１２と、を備えている。また、両容量電極１１、１２には、可変容量素子３の電気接点（入力端子）をそれぞれ配しており、電圧印加により両容量電極１１、１２上に電荷が蓄積される。なお、符号１４は、可動容量電極１２の取出し部である。そして、静電アクチュエーター４によって、固定容量電極１１に対し、可動容量電極１２を近接・離間させることで、可変容量素子３の静電容量を２段階で可変する。また、固定容量電極１１は、絶縁膜１３で覆われており、両容量電極１１、１２の近接状態においては、当該絶縁膜１３を介して、固定容量電極１１と可動容量電極１２とが接触する。なお、本実施形態では、両容量電極１１、１２の近接状態において、絶縁膜１３を介して、固定容量電極１１と可動容量電極１２とが接触するものを示したが、近接状態において、エアギャップを介して、固定容量電極１１と可動容量電極１２とが対面する構成であっても良い。

図２ないし図４に示すように、各静電アクチュエーター４は、シリコン基板２上に敷設した固定側の固定駆動電極（固定電極）２１と、固定駆動電極２１に上方から対面する可動側の可動駆動電極（可動電極）２２と、可動駆動電極２２に上方から対面しつつ、絶縁体の連結部２３を介して可動駆動電極２２と連結する引離し電極（対面電極）２４と、シリコン基板２上に立設され、連結した可動駆動電極２２および引離し電極２４を支持する電極支持部２５と、を備えている。各静電アクチュエーター４は、連結した可動駆動電極２２および引離し電極２４が拡開様に変形することで、可動駆動電極２２が固定駆動電極２１に離接する。

固定駆動電極２１は、平面状に電極であり、シリコン基板２上に敷設されると共に、可動駆動電極２２（後述の扁平部３１）に対面している。固定駆動電極２１は、所定のプルイン動作電圧（所定の駆動電圧）を印加する第１の印加電源Ｗ１に接続されており、当該所定のプルイン動作電圧の印加により、可動駆動電極２２との間に静電気力（静電吸引力）を生じさせる。固定駆動電極２１は、この静電気力により可動駆動電極２２を近接させる。また、固定駆動電極２１は、絶縁膜２６で覆われており、両駆動電極２１、２２の近接状態においては、当該絶縁膜２６を介して、固定駆動電極２１と可動駆動電極２２とが接触する。なお、当該所定のプルイン動作電圧は、静電気力により可動駆動電極２２の近接移動（プルイン）が生じる電圧（いわゆるプルイン電圧）以上の電圧である。

可動駆動電極２２は、平面状の電極であり、表裏一方の面（下面）で固定駆動電極２１に対面し、表裏他方の面（上面）で引離し電極２４に対面している。また、可動駆動電極２２は、連結部２３を介してＸ軸方向一端部（可変容量素子３側に対する逆側）が引離し電極２４に固定されており、一方、Ｘ軸方向他端部（可変容量素子３側）で、絶縁体の接合部２７を介して可動容量電極１２を接合している（図１参照）。すなわち、可動容量電極１２は、一対の静電アクチュエーター４の一対の可動駆動電極２２にＸ軸方向両側で接合されている。これにより、可動容量電極１２が、一対の可動駆動電極２２と一体に変位して離接する。なお、可動駆動電極２２は、グラウンド（基準電位点）Ｇに接続されており、常に基準電位（ゼロ電位）を有している。符号３４は、可動駆動電極２２の取出し部である。

また、可動駆動電極２２は、固定駆動電極２１に対面する扁平部３１と、基端部が引離し電極２４に固定されると共に扁平部３１を所定の弾性を持って支持するビーム部３２（変形部）とを有し、一体の電極を成している。すなわち、ビーム部３２は、引離し電極２４に固定された部分を中心に回動するように弾性変形して、扁平部３１を上下動する。なお、図示省略するが、厳密には、扁平部３１自体も弾性により一部変形する。

引離し電極２４は、平面状の電極であり、Ｘ軸方向一端部（可変容量素子３側に対する逆側）で可動駆動電極２２を部分的に固定し、Ｘ軸方向他端部（可変容量素子３側）で電極支持部２５に支持されている。厳密には、引離し電極２４は、Ｘ軸方向他端部に形成された左右一対の被支持部２４ａを有し、当該一対の被支持部２４ａが電極支持部２５に支持されている。また、引離し電極２４は、所定の弾性を持って形成されており、電極支持部２５に支持された端部を中心に回動するように弾性変形する。その結果、連結した可動駆動電極２２および引離し電極２４は、相互の固定部分を中心に拡開するように（横「Ｖ」字状に）、変形する。これによって、可動駆動電極２２および引離し電極２４は、扁平部３１の上下動を受容して、固定駆動電極２１に対する可動駆動電極２２の離接可動を受容している。

また、引離し電極２４は、ビーム部３２を含む可動駆動電極２２全域に対面している。そして、引離し電極２４は、所定のプルアウト動作電圧（所定の駆動電圧：直流電圧）を印加する第２の印加電源Ｗ２に接続されており、当該所定のプルアウト動作電圧の印加により、可動駆動電極２２との間に静電気力（静電吸引力）を生じさせる。引離し電極２４は、上記両電極２２、２４の弾性変形における復元力に加え、この両電極２２、２４の静電気力により、可動駆動電極２２を固定駆動電極２１から引き離し、可動駆動電極２２を固定駆動電極２１から離間させる。なお、当該所定のプルアウト動作電圧は、静電気力により可動駆動電極２２の離間移動（プルアウト）が生じる電圧（いわゆるプルアウト電圧）以上の電圧である。

なお、図１ないし図３の例では、一対の静電アクチュエーター４の一対の引離し電極２４が、相互の左右一方の被支持部２４ａで連なり、導通可能に一体形成されている。そのため、一対の引離し電極２４は、個々に第２の印加電源Ｗ２に接続されている必要はなく、一方の引離し電極２４が、第２の印加電源Ｗ２に接続されていれば、これに導通した他方の引離し電極２４も、第２の印加電圧Ｗに接続された状態となる。

電極支持部２５は、引離し電極２４の一対の被支持部２４ａを支持する左右一対の第１アンカー部４６および第２アンカー部４７を有している。また、一対の静電アクチュエーター４の２個の第１アンカー部４６は、一体に形成されており、一対の静電アクチュエーター４の２個の第２アンカー部４７は、可動容量電極１２の取出し部１４を避けるように離間して別体で形成されている。

ここで図５を参照して静電アクチュエーター４における両駆動電極２１、２２の近接動作および離間動作について説明する。なお、本近接動作および離間動作は、可変容量素子３にＲＦ電圧が印加された状態で行うものとする（いわゆるホットスイッチング）。また、近接動作は、両駆動電極２１、２２が離間した定常状態から開始し、離間動作は、両駆動電極２１、２２が近接したプルイン状態から開始するものとする。図５（ａ）に示すように、定常状態（両駆動電極２１、２２の離間状態）では、プルイン動作電圧およびプルアウト動作電圧を印加しておらず、固定駆動電極２１、可動駆動電極２２および引離し電極２４は、同一の電位（基準電位）を有している。

図５（ｂ）に示すように、近接動作では、静電アクチュエーター４は、第１の印加電源Ｗ１を制御して固定駆動電極２１に所定のプルイン動作電圧を印加する。プルイン動作電圧を印加すると、固定駆動電極２１および可動駆動電極２２に正負相違の電荷が蓄積し、その電圧差で両駆動電極２１、２２の間に静電気力が生じる。ここで生じた静電気力により、可動駆動電極２２および引離し電極２４が、自身の復元力に逆らって開くように変形していく。すなわち、可動駆動電極２２および引離し電極２４が、電極支持部２５に支持された部分を固定として、両電極２２、２４間の固定部分（連結部２３周り）を中心に拡開するように変形する。当該変形によって、可動駆動電極２２の扁平部３１が下降し、当該扁平部３１が固定駆動電極２１に対する離間位置から近接位置に移動する。すなわち、可動駆動電極２２が、固定駆動電極２１に近接する。これにより、静電アクチュエーター４が、定常状態からプルイン状態に移行する。

図５（ｃ）に示すように、プルイン状態（両駆動電極２１、２２の近接状態）では、可動駆動電極２２の扁平部３１が絶縁膜２６を介して、固定駆動電極２１に接触する。このとき、可動駆動電極２２および引離し電極２４は、同一の電位（基準電位）を有し、固定駆動電極２１は、所定のプルイン動作電圧が印加され続けているため、プルイン動作電圧に伴う所定の電位を有している。なお、プルイン状態を維持するのに必要なプルイン維持電圧は、扁平部３１を近接移動させるのに必要なプルイン電圧よりも低い。そのため、プルイン状態では、プルイン動作電圧よりも低い所定の電圧（ただしプルイン維持電圧以上の電圧）を印加する構成であっても良い。

図５（ｄ）に示すように、離間動作では、静電アクチュエーター４は、第１の印加電源Ｗ１を制御してプルイン動作電圧の印加を停止すると共に、第２の印加電源Ｗ２を制御して引離し電極２４にプルアウト動作電圧を印加する。プルイン動作電圧の印加を停止すると、両駆動電極２１、２２が同一の電位となり、両駆動電極２１、２２間の静電気力が解除される。一方、プルアウト動作電圧を印加すると、可動駆動電極２２および引離し電極２４に正負相違の電荷が蓄積し、その電圧差で両電極２２、２４の間に静電気力が生じる。特に、相互の固定部分付近は、離間動作の開始時でも近接した状態にあるので強い静電気力が生じる。その結果、可動駆動電極２２（ビーム部３２）および引離し電極２４の復元力と、両電極２２、２４間の静電気力とにより、可動駆動電極２２および引離し電極２４が閉じるように変形していく。この変形によって、可動駆動電極２２の扁平部３１が上昇し、当該扁平部３１が固定駆動電極２１から引き離される。そして、扁平部３１が近接位置から離間位置に移動する。すなわち、可動駆動電極２２が、固定駆動電極２１から離間する。その後、プルアウト動作電圧の印加を停止する。これにより、静電アクチュエーター４が、プルイン状態から定常状態に移行する。

次に図６を参照して、静電アクチュエーター４の変形例について説明する。図６に示すように、変形例の静電アクチュエーター４は、図１に記載の各電極に加え、引離し電極２４に上方から対面しつつ、引離し電極２４から上方に連結した追加引離し電極５１を備えている。追加引離し電極５１は、Ｘ軸方向一端部（可変容量素子３側）の被支持部５１ａで電極支持部２５に支持され、Ｘ軸方向他端部（可変容量素子３側に対する逆側）で絶縁体の連結部５２を介して引離し電極２４に連結されている。また、追加引離し電極５１は、引離し電極２４と同様、所定の弾性を持って形成されている。そして、連結された引離し電極２４および追加引離し電極５１は、可動駆動電極２２と合わせて、蛇腹状（ベローズ状）に弾性変形して、可動駆動電極２２の離接可動を受容している。さらに、追加引離し電極５１は、グラウンドＧに接続されている。

両駆動電極２１、２２の離間動作時には、引離し電極２４にプルアウト動作電圧を印加すると、引離し電極２４および追加引離し電極５１の間にも、正負相違の電荷が蓄積し、その電位差で静電気力が生じる。この静電気力と、追加引離し電極５１における弾性変形の復元力とが可動駆動電極２２の引離し力として作用し、可動駆動電極２２の引離しに寄与する。

本変形例によれば、追加引離し電極５１を設けることで、より高い引き離し力を得ることができる。また、追加引離し電極５１が、引離し電極２４に連結されているため、追加引離し電極５１を支持する支持部材（電極支持部２５）を設ければ、可動駆動電極２２および引離し電極２４に特段の支持部材を設ける必要がない。さらに、連結した引離し電極２４および追加引離し電極５１が、蛇腹状（ベローズ状）に変形するため、連結部分を中心に拡開するように変形する構成となる。そのため、可動駆動電極２２および引離し電極２４間と同様、連結部分近傍において、常に前後の電極が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。またさらに、追加引離し電極５１の弾性変形による復元力を引離し力として作用させることで、より高い引離し力を得ることができる。

なお、本変形例では、引離し電極２４から上方に１個の追加引離し電極５１を連結する構成であったが、ｎ（ｎ≧１）個の追加引離し電極５１を連結する構成であれば、複数の追加引離し電極５１を連結する構成であっても良い。すなわち、第１の追加引離し電極５１は、引離し電極２４に上方から対面しつつ、引離し電極２４を端部で固定し、それ以降の追加引離し電極５１は、連結した一つ前の追加引離し電極５１に対面しつつ、当該追加引離し電極５１を端部で固定する。すなわち、連結した引離し電極２４およびｎ個の追加引離し電極５１は、連結した前後の電極が相互に対面した構成となる。そして、前後の電極間に静電気力を生じさせ、その静電気力を引離し電極２４を介した可動駆動電極２２の引離し力として作用させる。なお、この場合、前後の電極で電位差が生じるように、連結した順序で、奇数番目の追加引離し電極５１は、グラウンドＧに接続され、偶数番目の追加引離し電極５１は、プルアウト動作電圧を印加する第２の印加電源Ｗ２に接続され、離間動作時にプルアウト動作電圧が印加される。また、本構成において、連結部分が、Ｘ軸方向一端部と他端部とで交互位置することが好ましい。

次に図７を参照して、可変容量素子３の変形例について説明する。なお、本変形例では、シリコン基板２に代えて絶縁性基板６を用いる。図７に示すように、変形例の可変容量素子３は、絶縁性基板６に敷設された一対の固定容量電極１１と、一対の固定容量電極１１に上方から対面する可動容量電極１２と、絶縁性基板６内に埋め込まれ、一対の固定容量電極１１の下面に絶縁層５を介して対面する一対の埋込容量電極６０と、を備えている。そして、一対の固定容量電極１１および可動容量電極１２は、静電容量が可変の２個の可変容量部６１を構成し、一対の固定容量電極１１および一対の埋込容量電極６０は、静電容量が固定の２個の固定容量部６２を構成している（図７（ｃ）参照）。そして、一対の埋込容量電極６０には、可変容量素子３の電気接点（入力端子）をそれぞれ配しており、一対の固定容量電極１１、可動容量電極１２および一対の埋込容量電極６０は、上流側から、一方の固定容量部６２、２個の可変容量部６１、他方の固定容量部６２の順で直列した電気回路を構成している。なお、一対の固定容量電極１１および一対の可動容量電極１２は、フローティング状態になっている。

本変形例によれば、２個の可変容量部６１と２個の固定容量部６２とを直列接続することにより、ホットスイッチング時のＲＦ電圧が分圧されるので、可動駆動電極２２の引離しを妨げる静電気力、すなわち固定容量電極１１と可動容量電極１２との間の静電気力を全体として小さくすることができる。また、一対の固定容量電極１１および可動容量電極１２を、フローティング状態にすることができる。なお、本変形例では、隣接する一対の埋込容量電極６０間が非導通となるように絶縁性基板６を用いたが、絶縁性基板６に代えてシリコン基板２を用いても良い。ただし、隣接する埋込容量電極６０間の絶縁性を確保するにはシリコン基板２のＰＮ接合では十分とは言えないので、絶縁性基板６を用いるほうが好ましい。

なお、本変形例では、２個の可変容量部６１の可動容量電極１２を、一体に形成する構成であったが、２個の可変容量部６１の可動容量電極１２を、別体で形成する構成であっても良い。

以上の実施形態によれば、第１に、引離し電極２４が、可動駆動電極２２を部分的に固定しているので、引離し電極２４を支持する支持部材（電極支持部２５）を設ければ、可動駆動電極２２に特段の支持部材を設ける必要がない。第２に、固定部分を中心に拡開するように変形して、可動駆動電極２２の離接可動を受容するため、固定部分近傍において、常に可動駆動電極２２および引離し電極２４が近接した状態となっており、高い静電気力が生じさせることができる。その結果、離間動作の開始時にも引離し時の静電気力を効果的に発生させることができ、簡単な構成で高い引離し力を得ることができる。ゆえに、初動が速く離間動作全体の動作速度が速くなるので、静電アクチュエーター４の動作を安定的に行うことができる。

例えば、離間動作の開始時に、プルアウト動作電圧Ｖを印加する場合の両電極２２、２４間の静電気力Ｆ１を計算すると、以下のようになる。すなわち、可動駆動電極２２の幅をＷ、可動駆動電極２２の固定部分から先端部分までの距離をＬ、固定部分での引離し電極２４との離間距離をＧ０、先端部分での引離し電極２４との離間距離をＧ１とする。そして、固定部分から先端部分まで引離し電極２４との離間距離ｆ（ｘ）を、一次線形近似で計算すると、
ｆ（ｘ）＝（Ｇ１−Ｇ０）×ｘ／Ｌ＋Ｇ０
となる。ここで、ｘは、固定部分をゼロとした位置座標とする。
これを利用して上記静電気力Ｆ１を計算すると、
Ｆ１＝（１／２）×ε０×Ｗ×Ｌ×Ｖ^２／（Ｇ０×Ｇ１）
となる。一方、引離し電極２４を、可動駆動電極２２の上方に且つ平行に対面して配設させた構成では、引離し電極２４との離間距離が全域でＧ１となり、プルアウト動作電圧Ｖを印加した場合の両電極２２、２４間の静電気力Ｆ０を計算すると、
Ｆ０＝（１／２）×ε０×Ｗ×Ｌ×Ｖ^２／（Ｇ１）^２
となる。Ｇ１がＧ０より格段に高い数値であることを考慮すれば、前者の静電気力Ｆ１が、後者の静電気力Ｆ０より格段に高い数値であることがわかる。

また、可動駆動電極２２および引離し電極２４が、弾性を持って変形することで、弾性変形の復元力と、引離し電極２４による静電気力とで、可動駆動電極２２を引き離すため、より高い引離し力を得ることができる。なお、これを考慮しないのであれば、可動駆動電極２２および／または引離し電極２４が、弾性（バネ性）を持たずに変形する構成であっても良い。すなわち、静電気力のみで可動駆動電極２２を引き離す構成であっても良い。

さらに、固定駆動電極２１にプルイン動作電圧を、引離し電極２４にプルアウト動作電圧を印加して、可動駆動電極２２を離接することで、可動駆動電極２２にプルイン動作電圧やプルアウト動作電圧を印加する必要がなく、電位制御を簡単な構成で行うことができる。

なお、本実施形態においては、可動駆動電極２２および引離し電極２４が共に変形して、可動駆動電極２２の離接可動を受容する構成であったが、可動駆動電極２２および引離し電極２４のいずれか一方のみが変形して、可動駆動電極２２の離接可動を受容する構成であっても良い。

また、本実施形態においては、固定駆動電極２１、可動駆動電極２２および引離し電極２４を、シリコン基板２に対し平行に配設する構成であったが、固定駆動電極２１、可動駆動電極２２および引離し電極２４を、シリコン基板２に対し垂直に配設する構成であっても良い（図８（ａ）、（ｂ）の平面図および図８（ｃ）のＡ‐Ａ´線断面図参照）。かかる場合、電極支持部２５は、固定駆動電極２１、可動駆動電極２２および引離し電極２４を囲う角筒型（上下面がない箱型）に形成されている。そして、電極支持部２５は、シリコン基板２に絶縁部７１を介して立設され、引離し電極２４のＸ軸方向一端部および固定駆動電極２１を、絶縁部７１を介して支持する。

また、本実施形態においては、可変容量デバイスとして、可変容量コンデンサー１に本発明を適用したが、可変容量素子３を用いた可変容量型のスイッチに本発明を適用しても良い。

なお、本実施形態においては、ホットスイッチング対策として、すなわち、ホットスイッチングを安定させる構成として本発明を適用する構成であったが、高い引離し力を必要とするものであれば、ホットスイッチングを行う場合に限るものではない。例えば、両駆動電極２１、２２の固着（スティクション）対策として、本発明を適用する構成であっても良いし、近接時の静電気力を低減する方法として、ばね構造部（ビーム部３２等）のばね定数を低くしつつ（もしくはゼロにしつつ）、本発明を適用する構成であっても良い。

１：可変容量コンデンサー、 ２：シリコン基板、 ３：可変容量素子、 ４：静電アクチュエーター、 １１：固定容量電極、 １２：可動容量電極、 ２１：固定駆動電極、 ２２：可動駆動電極、 ２４：引離し電極、 ２５：電極支持部、 ５１：追加引離し電極、 ６１：可変容量部、 ６２：固定容量部、 Ｇ：グラウンド、 Ｗ１：第１の印加電源、 Ｗ２：第２の印加電源

Claims (10)

1. 基板に対し固定的に設けられた固定電極と、
   前記固定電極に表裏一方の面で対面し、前記固定電極との間の静電気力により、前記固定電極に近接する可動電極と、
   前記可動電極の表裏他方の面に対面し、前記可動電極との間の静電気力により、前記可動電極を前記固定電極から引き離す引離し電極と、を備え、
   前記引離し電極は、前記可動電極を部分的に固定し、
   前記可動電極および前記引離し電極は、相互の固定部分を中心に拡開するように、前記可動電極および／または前記引離し電極が変形して、前記可動電極の前記固定電極に対する離接可動を受容することを特徴とする静電アクチュエーター。
2. 前記可動電極および／または前記引離し電極は、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力を、前記可動電極の引離し力として作用させることを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。
3. 前記固定電極は、近接時の静電気力を生じさせるための所定のプルイン動作電圧を印加する第１の印加電源に接続され、
   前記可動電極は、基準電位点に接続され、
   前記引離し電極は、引離し時の静電気力を生じさせるための所定のプルアウト動作電圧を印加する第２の印加電源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。
4. 前記引離し電極から、前記可動電極の引離し方向に連結したｎ（ｎ≧１）個の追加引離し電極を、更に備え、
   連結した前記引離し電極および前記ｎ個の追加引離し電極は、連結した前後の電極が相互に対面し、相互間の静電気力を、前記引離し電極を介した前記可動電極の引離し力として作用させると共に、前記可動電極と合わせて蛇腹状に変形して、前記可動電極の前記固定電極に対する離接可動を受容することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。
5. 連結した前記引離し電極および前記ｎ個の追加引離し電極は、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力を、前記可動電極の引離し力として作用させることを特徴とする請求項４に記載の静電アクチュエーター。
6. 請求項１に記載の静電アクチュエーターと、
   前記静電アクチュエーターを駆動源として駆動する静電容量を可変する可変容量素子と、を備えたことを特徴とする可変容量デバイス。
7. 前記静電アクチュエーターは、前記可変容量素子に電圧を印加した状態で、前記可動電極の離接動作を行うことを特徴とする請求項６に記載の可変容量デバイス。
8. 前記可変容量素子は、
   直列に接続され、静電容量が可変の２個の可変容量部と、
   前記２個の可変容量部の上下流側のそれぞれに直列に接続され、静電容量が固定の２個の固定容量部と、を備え、
   前記各可変容量部は、
   前記基板に固定的に設けられた固定容量電極と、
   前記固定容量電極に対面し、前記可動電極と一体に変位して前記固定容量電極に対し離接する可動容量電極と、を有することを特徴とする請求項６に記載の可変容量デバイス。
9. 基板に対し固定的に設けられた固定電極と、
   前記固定電極に表裏一方の面で対面し、前記固定電極との間の静電気力により、前記固定電極に近接する可動電極と、
   前記可動電極の表裏他方の面に対面し、前記可動電極との間の静電気力により、前記可動電極を前記固定電極から引き離す引離し電極と、を備え、
   前記引離し電極は、前記可動電極を部分的に固定し、
   前記可動電極および前記引離し電極は、相互の固定部分を中心に拡開するように、前記可動電極および／または前記引離し電極が変形して、前記可動電極の前記固定電極に対する離接可動を受容する静電アクチュエーターの駆動方法であって、
   前記固定電極に、近接時の静電気力を生じさせるための所定のプルイン動作電圧を印加し、
   前記可動電極に、基準電位点を接続し、
   前記引離し電極に、引離し時の静電気力を生じさせるための所定のプルアウト動作電圧を印加することを特徴とする静電アクチュエーターの駆動方法。
10. 基板に対し固定的に設けられた平面状の固定電極と、
    前記固定電極に表裏一方の面で対面する平面状の可動電極と、
    前記可動電極の表裏他方の面に対面する平面状の対面電極と、
    前記基板に立設されると共に、前記対面電極を支持する電極支持部と、を備え、
    前記対面電極は、前記可動電極を部分的に固定し、
    前記可動電極および前記対面電極は、相互の固定部分を中心として拡開変形自在に構成されていることを特徴とする静電アクチュエーター。

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