WO2007145294A1

WO2007145294A1 - 電気機械素子およびそれを用いた電気機器

Info

Publication number: WO2007145294A1
Application number: PCT/JP2007/062042
Authority: WO
Inventors: Yasuyuki Naito; Yoshito Nakanishi
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-12-21
Also published as: US20090321232A1; US7978034B2

Abstract

　可動電極のバネ定数を調整する機構を具備した高速応答・低電圧駆動の電気機械素子を提供する。　基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対して所定の間隔を隔て、前記間隔を変化可能に形成された第２の電極と、前記第２の電極を支持する支持部と、前記第２の電極の支持部を、変位可能としたことを特徴とする。

Description

明細書

電気機械素子およびそれを用いた電気機器

技術分野

[0001] 本発明は、電気機械素子にかかり、特に可動電極のパネ定数を調整する機構を具備した高速応答'低電圧駆動電気機械スィッチに関する。

背景技術

[0002] 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、無線機用のスィッチ、フィルタなどの素子に適用することが可能である。

[0003] 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帯へと広帯域ィ匕が加速して、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ィ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。

[0004] その中で、 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術により作成される高周波用電気機械（RF- MEMS : Radio Frequency MEMS)スィッチの研究開発が活発になつている。電気機械スィッチとは、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ィッチである。その利点は、超低損失、高アイソレーションといった高周波特性が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、スィッチを 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!、る。

[0005] 従来の電気機械スィッチとしては、特許文献 1に記載されて、るものが知られて!/、る。メンブレン (membrane)状や棒状の可動電極を両持ち梁構造や片持ち梁構造にし、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ィッチである。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い。

現時点では、電気機械スィッチの無線通信への利用に関して、以下の課題が存在する。

[0006] 高速応答特性を得るには、高い駆動電圧が必要となる点である。有限の質量を持つた可動電極について、静電力を駆動力として動かすため、強い静電力、つまり高い駆動電圧が必要となる。

[0007] つまり、応答速度を向上させようとすると、可動電極を駆動するための制御電圧を、極端に高い電位とする必要があり、低電源電圧化がすすむ LSIでは、その要求を満足させるのが困難である。

[0008] 例えば、従来の半導体素子を用いたスィッチでは、ナノ秒 (ns)のオーダーで高速応答が可能であるが、電気機械スィッチでは、数 10 s程度の応答しかできず、応答速度が極めて遅い。

[0009] 外力で可動電極を駆動した後、可動電極自体が持つパネ力のみで元の位置に戻す (リリースする)微小電気機械スィッチが多く、高速応答 ·低電圧駆動を実現するためパネ力を低減した場合、リリース速度が遅くなるという課題がある。

[0010] この課題を解決するためには、特許文献 1にみられるように可動電極上に凸構造を設け、可動電極のパネ定数を増大させる方法が考えられる。

[0011] 図 12は、従来例の電気機械スィッチを示す図であり、 (a)は、 OFFの状態を示す断面図、（b)は、 ONの状態を示す斜視図である。この電気機械スィッチでは、可動電極 101と下部電極 102が接触した場合に高周波信号が出力側へ伝搬し、可動電極 10 1と下部電極 102との接触が切断された場合に高周波信号が遮断されるシリーズ型（直列型）のスィッチの構成をとる。図 12 (a)に示す電気機械スィッチとしての構成をみると、絶縁膜を表面に形成した基板 105上に表面に絶縁層 103が形成された下部電極 102と、ポスト 104上に架橋された両持ち梁の可動電極 102を備えている。電気機械スィッチ 100を ONにする場合には、図 12 (b)に示すように可動電極 101と下部電極 102との間に電圧 V を印加し、静電力により可動電極 101を下部電極 102側へ

ON

駆動させる。この場合、可動電極 101と下部電極 102が接触し、絶縁膜 103を介した容量結合により高周波信号の伝搬経路を形成する。一方 OFFにする場合には、図 1 2 (a)に示すように電圧 V を切り、可動電極 101と下部電極 102を同電位とする。こ

ON

の場合、可動電極 101は可動電極 101自体が持つパネ力により上方へ駆動し元の位置へ戻る形で可動電極 101と下部電極 102の信号伝搬経路を切り離す。

[0012] すなわち、この構造では、第 1段階として凸構造が下地と接触するまで駆動させる。

この間はポスト間に架橋された可動電極のパネ定数となる。次いで第 2段階として凸構造間に架橋された可動電極の部分を下方へ駆動させ、下部電極に接触させる。この間は凸構造間に架橋された可動電極の部分がパネ定数となる。それぞれの段階によって中空に架橋された部分の長さを変化させることができるため、パネ定数を変ィ匕、増大することが可能である。この場合パネ力の増大によるリリース速度の高速ィ匕が期待される。

[0013] 特許文献 1 :国際公開第 02Z96796号パンフレット

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0014] しかし、従来の電気機械スィッチの構造では、可動電極と凸構造とが非接触の場合と、接触の場合との 2段階、すなわちプルインにより引き込む力引き込まないかの 2段階となる。

し力しながら、外気の温度変化に伴い、可動電極の熱膨張による連続的なバネ定数の変化は無視し得な、ものとなることがある。例えばアルミニウムなどの材料を用いた電気機械スィッチは、軽量であることから近年注目されているが、熱膨張係数が高く熱による温度変化が大きい。この場合、可動電極の熱膨張による連続的なバネ定数の変化を補償する必要があるが、前述したような 2段階の調整では、外気の温度変化に伴うパネ定数の変化を補償するのは困難である。

また、湿度の変化により電極の接触界面に引力が生じ離れ難くなる現象 (スティクシヨン)の影響が変化する。湿度が高くなると雰囲気中の水分が接触界面に毛管現象により凝集し引力が増大するものと考えられる（キヤピラリーフォース)。このため、湿度により駆動特性に変化が生じ故障する課題がある。湿度の変化に対応して可動電極のパネ定数を変化し駆動を補償する機能が必要である。

このように従来の電気機械スィッチでは、可動電極のパネ力を非連続的にしか変化させることができず、接触状態から非接触状態に戻る復元時間にばらつきが生じ、このばらつきに起因する応答特性のばらつきが問題となる。このように従来の電気機械スィッチでは温度変化、湿度変化に伴う微調整は不可能であるという課題がある。

[0015] 本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、可動電極のパネ定数を調整する機構を具備し、温度変化などの環境変化に対しても高精度の応答特性をもつ電気機械スィッチなどの電気機械素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0016] そこで本発明の電気機械素子では、可動電極としての第 1の電極を支持するポストあるいは、可動電極を支持する部分を可動とすることで、可動電極に引き離し力、引つ張り力、圧縮力を印加することにより、可動電極のパネ定数を調整し、復元のための時間すなわち応答特性を調整するものである。

発明の効果

[0017] 以上説明したように、本発明によれば、可動電極のパネ定数を調整する機構を具備し、高精度の応答特性をもつ電気機械素子を実現可能となる。また、高精度でかつ高速応答 '低電圧駆動が可能となり、無線端末に搭載可能な電気機械素子が実現可能となる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の実施の形態 1における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、

(a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である

[図 2]本発明の実施の形態 1における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。

[図 3]本発明の実施の形態 2における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、 (a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である

[図 4]本発明の実施の形態 2における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。

[図 5]本発明の実施の形態 3における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、 (a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である [図 6]本発明の実施の形態 3における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。

[図 7]本発明の実施の形態 4における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、 (a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である

[図 8]本発明の実施の形態 4における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。

[図 9]本発明の実施の形態 5における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、 (a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である

[図 10]本発明の実施の形態 5における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。

[図 11]本発明の実施の形態 6における電気機械スィッチの構成を示す上面図である

[図 12]従来例の電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、 OFFの状態を示す断面図、 (b)は、 ONの状態を示す斜視図である。

符号の説明

100、 200、 300、 400、 500、 600、 700 電気機械スィッチ

101 可動電極

1011 可動電極

102 下部電極

103 絶縁膜

104 ポスト（支持体）

105 基板

106 駆動電極

201 圧電体

202 密着層 Z電極

203 垂直歪 204 せん断歪

211 弾性体

301 引き離し力

302 引っ張り力

303 曲げ力

304 引っ張り力

305 斜め上方への力

401 駆動電極

402 柱状ポスト

403 ポスト

404 駆動電極

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明の実施の形態について説明する。

説明に先立ち、本発明の概要を説明する。

すなわち、本発明の電気機械素子は、基板上に形成された第 1の電極と、前記第 1 の電極に対して所定の間隔を隔てて形成され、前記間隔を変化可能に形成された第 2の電極と、前記第 2の電極を支持する支持部と、前記第 2の電極の支持部を、変位可能としたことを特徴とする。

この構成によれば、第 2の電極のパネ定数を調整する機構を電気機械素子に具備することが可能となり、高速応答'低電圧駆動電気機械スィッチを実現することができる。また、電気機械スィッチの高速応答 ·低電圧駆動化により無線端末に適用可能となり、無線端末の高性能化を実現することができる。

[0021] また、本発明は、上記電気機械素子において、前記第 2の電極の支持部が印加電圧の大きさに対応して変位するものを含む。

この構成によれば、印加電圧の調整により、容易に、高速応答'低電圧駆動の電気機械素子を提供することが可能となる。

[0022] また、本発明は、上記電気機械素子 2おいて、前記第 1および第 2の電極を入出力端子としてオン Zオフの切り替えが実現されるように構成される。この構成によれば、可動電極のパネ定数を調整する機構を電気機械素子に具備することが可能となり、高速応答'低電圧駆動電気機械素子を実現することができる。また、電気機械スィッチの高速応答 ·低電圧駆動化により無線端末に適用可能となり、無線端末の高性能化を実現することができる。なおこの調整機構への印加電圧は、支持部に直接印加されるようにしてもよいし、間接的に印加されるようにしてもよい。

[0023] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持部は、前記第 2の電極の少なくとも一端近傍に、前記第 2の電極を支持する支持体を具備したものを含む。この構成によれば、可動電極に静電力を印加することが可能であり、この支持体を支持する部分を可動とすることが可能である。この支持体は、第 2の電極を支持するように基板上に配設されるものであってもよい。なおここで、第 2の電極を可動状態に支持する第 1のポストと、前記第 1のポストの近傍に配設され、前記第 2の電極を静電力で変位可能に構成された第 2のポストとを備え、前記調整機構は、前記静電力を調整可能に構成されるようにしてもょヽ。

[0024] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持体は、第 2の電極を基板に対して異なる高さで支持するように構成されたものを含む。

この構成によれば、支持体が第 2の電極を支持する位置を調整することができるため、高速応答、低電圧駆動が可能となる。

[0025] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持体は、第 2の電極を基板面と平行方向に異なる位置で支持するように変位可能であるものを含む。

[0026] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持体は、前記第 2の電極を前記第 1の電極に対してほぼ 45度の角度をなして伸長するように変位可能であるものを含む。この構成により、斜め上方に変位させることにより、より効率よく第 2の電極 (可動電極)を変位させることが出来、復元が容易となる。

[0027] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持体は、圧電体を含むものを含む。

[0028] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記圧電体は、側面を弾性体で拘束されたものを含む。

この構成により、側壁に設けられた弾性体の復元力により、圧電体の変位を拡大することが可能であり、第 2の電極により大きな力を印加することが可能である。

[0029] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持体は、前記第 2の電極を静電力で変位可能に構成したものを含む。

この構成により、支持体に生起せしめられる静電力により、第 2の電極の変位を調整することができる。

[0030] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持部は、前記第 2の電極の少なくとも一端近傍に、前記第 2の電極を支持する (ように前記基板上に配設された）第 1の支持体と、前記第 1の支持体の近傍に配設され、前記第 2の電極を静電力で変位可能に構成された第 2の支持体とを備えたものを含む。

この構成により、第 2の電極と第 1の支持体との間に生起せしめられる静電力により

、第 2の電極の変位を調整することができる。

[0031] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2の支持体は、前記第 2の電極と所定の間隔を隔てて構成され、前記第 2の電極との間の電位差が調整可能な駆動電極を具備したものを含む。

この構成により、第 2の電極と第 2の支持体との間に生起せしめられる静電力により

、第 2の電極の変位を調整することができる。

[0032] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 1の支持体は、前記第 2の電極と電気的に絶縁されたものを含む。

この構成により、第 2の電極への入力または出力信号が、調整機構に印加される電圧によって影響を受けるのを防ぐことが出来る。

[0033] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2の支持体は、前記第 1の電極と対向する位置の外側に配置されたものを含む。

この構成により、オンオフ信号と、調整機構の動作を独立して印加することができ

、第 2の電極への入力または出力信号が、調整機構に印加される電圧によって影響を受けるのを防ぐことが出来る。駆動電極となる第 1の電極付近は可動電極である第

2の電極が支持部上に形成されていないため、第 2の電極が中空に形成された可動な状態にあり、第 1の電極により印加された静電力により大きな変位量を可動電極に与えることが可能となる。

[0034] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 1の支持体が柱状構造体であるものを含む。

[0035] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持部は、前記第 1の電極に対向する領域をもつように前記第 2電極を、懸架する懸架支持部と、前記第 2の電極の少なくとも 1端と所定の間隔を隔てて構成され、前記第 2の電極との間の電位差が調整可能なように前記基板上に配設された支持体を具備したものを含む。

[0036] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2のポストは前記第 2の電極と所定の間隔を隔てて構成され、前記第 2の電極との間の電位差を調整可能に構成されたものを含む。

この構成により、第 2のポストと第 2の電極との間に生起せしめられる静電力により、第 2の電極の変位を調整することができる。ここで両者に生起せしめられる静電力がプルイン電圧を超えな、ように十分に小さ!/、範囲で用いるのが望ま、。

[0037] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2のポストは、前記第 1のポストと所定の間隔を隔てて構成され、前記第 1のポストとの間の電位差を調整可能に構成されたものを含む。

この構成により、第 2のポストと第 1のポストとの間に生起せしめられる静電力により、第 2の電極の変位を調整することができる。

[0038] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 1のポストは、前記第 2の電極と電気的に絶縁されたものを含む。

[0039] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2のポストは、前記第 1の電極と対向する位置の外側に配置されたものを含む。

この構成により、オンオフ信号と、調整機構の動作を独立して印加することができ、第 2の電極への入力または出力信号が、調整機構に印加される電圧によって影響を受けるのを防ぐことが出来る。駆動電極となる第 1の電極付近は可動電極である第 2 の電極がポスト上に形成されていないため、第 2の電極が中空に形成された可動な状態にあり、第 1の電極により印加された静電力により大きな変位量を可動電極に与えることが可能となる。

[0040] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 1のポストが柱状構造体であるものを含む。

この構成により、形状変化を生じやすぐ調整が容易である。

[0041] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記支持部が、圧電体を具備したポストで構成され、前記調整機構は、前記圧電体への印加電圧の大きさを調整可能に構成されたものを含む。

この構成により、圧電体の垂直歪、せん断歪みによりポストを変位させることが可能であり、可動電極に引き離し力、引っ張り力、圧縮力を印加することにより可動電極のパネ力を連続的に変化させることができる。

[0042] また、本発明は、前記電気機械素子で構成される電気機械スィッチにお!/ヽて、前記ポストは、前記圧電体の側壁に弾性体を具備したものを含む。

この構成により、側壁に設けられた弾性体の復元力により、圧電体の変位を拡大することが可能であり、可動電極により大きな力を印加することが可能である。

[0043] また、本発明は、前記電気機械スィッチにおいて、前記支持部は、前記可動電極の両端を支持するように形成された 2つの圧電体で構成されたものを含む。

この構成により、両もち梁構造の可動電極が制御性よく得られる。

[0044] また、本発明は、前記電気機械スィッチにおいて、前記圧電体は、前記固定電極に対してほぼ 45度の角度をなして伸長するように配設された圧電体であるものを含む。

この構成により、斜め上方に変位させることにより、より効率よく可動電極を変位させることが出来、復元が容易となる。

[0045] また、本発明は、前記電気機械素子において、前記第 2の電極が H型の構造であるものを含む。

この構成により、可動電極である第 2の電極のパネ力を二段階に分けることが可能であり、駆動特性の高速応答'低電圧駆動化を実現することが可能となる。また、駆動電極と可動電極のオーバーラップする面積を増大することが可能であり、静電容量の増大に伴う静電力の増大を実現することが可能である。

[0046] また、本発明は、前記電気機械素子において、使用環境に対応して、前記変位量が調整可能となるように構成された調整機構を具備したものを含む。

この構成により、アルミニウムなどの熱膨張係数の大きい材料を電極材料として用 V、た場合にも、容易に変位量を調整することが可能となる。

[0047] また、本発明は、前記電気機械素子において、使用環境検出手段を具備し、前記調整機構が前記使用環境検出手段の検出結果に基づいて前記変位量を調整可能に構成されたものを含む。

また、本発明は、前記電気機械素子において、前記使用環境検出手段が、温度センサを含む。

また、本発明は、前記電気機械素子において、前記使用環境検出手段が、湿度センサを含む。

この構成により、温度又は湿度などの補償を自動化することが可能となる。

[0048] 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)

本実施の形態 1の電気機械スィッチは、図 1に示すように、電気機械スィッチの支持体としてのポストに圧電体を配し、圧電体の垂直歪により、第 2の電極としての可動電極を基板に対して垂直方向へ変位させ、可動電極のパネ力を増大させ、第 1の電極としての固定電極力も引き離す力（リリース力）を調整可能にしたことを特徴とする。

[0049] 図 1は、本発明実施の形態 1における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 200では、図 12に示した従来の電気機械スィッチ 100のポストとして、圧電体 201を用いたもので、密着層（図示せず）を介して形成された電極 (密着層,電極:以下電極） 202で挟むことにより圧電体 201に電圧を印加することができる構成になっている。なお、可動電極 101の駆動と ON/OFFの関係がシリーズ型と逆となるシャント型（並列型)スィッチにおいても本発明は適用可能である。 [0050] 図 2は、本発明実施の形態 1における電気機械スィッチの調整機構としてのポスト分を示す拡大断面図である。圧電体 201が電界方向と平行方向に大きな圧電定数を持つように構成した場合、電圧 V を電極 202間に印加した場合、圧電体 201は

OFF

基板に対して垂直方向へ歪む垂直歪 203により上方へ変位する。この場合、可動電極 101を下部電極 102から引き離す方向へ加わる引き離し力 301を可動電極 101 へ印加することが可能となる。

[0051] 図 1 (a)に示す電気機械スィッチにおいて、 ONの状態から OFFの状態へスィッチングする場合、電圧 V を圧電体 201へ印加することによりポストが基板に対して上方

OFF

へ変位し、可動電極 101の垂直方向の変位量の増大によりパネ力を大きくすることが可能となる。パネ力の増大は可動電極 101のリリースする力を増大し、 OFFの高速ィ匕が可能となる。リリースが完了すると図 1 (b)に示す OFFの状態となる。

[0052] 本構造は ON時の高速化にも効果がある。圧電体 201に印加する電圧 V の方向

OFF

を逆方向とした場合、圧電体 201の垂直歪 203の方向が逆となり、可動電極 101を下部電極 102側へ近づける方向へ変位する。この場合、可動電極 101と下部電極 1 02間のギャップを小さくすることが可能であり、下部電極 102への引き込みの力の増大と可動電極 101の移動距離の減少により、 ON時の駆動力の増大と高速応答化が可能となる。

[0053] なお、圧電体 201への電圧印加の方法として、電極 202に印加する方法や、可動電極 101 ·基板 105に印加する方法がある。基板 105に印加する場合は、基板 105 と圧電体 201との電気的導通がとれている必要がある。

[0054] また、圧電体 201に交流電圧を印加した場合、圧電体 201の振動により可動電極 1 01を振動させ、可動電極 101を下部電極 102から離れ易くすることができる。可動電極 101と下部電極 102の接触界面に引力が生じ離れ難くなる現象 (スティクシヨン)の回避に効果がある。

[0055] また、 ON時、 OFF時の駆動が完了されるまでポストに駆動信号を入力した場合、駆動の高速ィ匕が可能となる。駆動開始時のみポストに駆動信号を入力することも可能であり、 OFF時のスティクシヨン回避や ON時の駆動力を増大する効果がある。

[0056] また、本発明の電気機械スィッチにおいて、図示しない温度検出手段や湿度検出手段を具備することで、調整機構が検出手段力出力される使用環境としての検出結果に基づヽて変位量を調整可能に構成されたものを含むことで、温度補償および湿度補償を自動化することが可能となる。

このように、本発明の可動電極のパネ定数を調整する機構によれば、高速応答'低電圧駆動電気機械スィッチを実現することが可能である。

[0057] (実施の形態 2)

本実施の形態は、電気機械スィッチのポストに圧電体を形成し、圧電体のせん断歪により可動電極を基板に対して水平方向へ変位させ、可動電極のパネ力を増大させることを特徴とする。

[0058] 図 3は、本発明実施の形態 2における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 300では、図 2に示した電気機械スィッチ 200と同様の構成であるが圧電体 201が大きなせん断歪を発生する点が異なる。

[0059] 図 4は、本発明実施の形態 1における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。圧電体 201が電界方向に対して斜め方向に大きな圧電定数を持つ場合、電圧 V を電極 202間に印加した場合、圧電体 201は基板に対して斜め方向へ歪む

OFF

せん断歪 204により水平方向へ変位する。この場合、可動電極 101を両側から引つ張る方向へカ卩わる引っ張り力 302を可動電極 101へ印加することが可能となる。

[0060] 図 3 (a)に示す ONの状態から OFFの状態へスイッチングする場合、電圧 VOFFを圧電体 201に印加することによりポストが基板に対して水平方向へ変位し、可動電極 1 01の引っ張り力によりパネ力を大きくすることが可能となる。パネ力の増大は可動電極 101のリリースする力を増大し、 OFFの高速ィ匕が可能となる。リリースが完了すると図 3 (b)に示す OFFの状態となる。

[0061] 本構造は ON時の高速化にも効果がある。圧電体 201へ印加する電圧 V の方向

OFF

を逆方向とした場合、圧電体 201のせん断歪 204の方向および引っ張り力 302の方向が逆となり、可動電極 101を圧縮する力が加わる。この場合、可動電極 101を垂直方向に曲げる力が加わるため、下部電極 102への弓 Iき込みの力と組み合わせれば、 ON時の駆動力の増大と高速応答化が可能となる。 [0062] (実施の形態 3)

本実施の形態は、電気機械スィッチのポストに圧電体と弾性体を形成し、圧電体のせん断歪により可動電極を基板に対して垂直 ·水平方向へ変位させ、可動電極のバネカを増大させることを特徴とする。

[0063] 図 5は、本発明実施の形態 3における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 400では、図 3に示した電気機械スィッチ 300の構成に加え圧電体 201の側面に弾性体 211を具備する点が異なる。

[0064] 図 6は、本発明実施の形態 3における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。圧電体 201が電界方向に対して斜め方向に大きな圧電定数を持つ場合、電圧 V を電極 202間に印加した場合、圧電体 201は基板に対して斜め方向へ歪む

OFF

せん断歪 204を発生する。圧電体 201の側面が弾性体 211により拘束されているため、圧電体 201と弾性体 211の弾性定数の差に起因する曲げ変位となる。弾性体 2 11は圧電体 201の変位拡大機構となっている。この場合、曲げ力 303が可動電極 1 01に加わり、可動電極 101を下部電極 102から引き離す方向へ加わる引き離し力と、可動電極 101を両側から引っ張る方向へ加わる引っ張り力を可動電極 101に印加することが可能となる。

[0065] 図 5 (a)に示す ONの状態力 OFFの状態へスイッチングする場合、電圧 V を圧電

OFF

体 201に印加することによりポストが曲げ変位し、可動電極 101の曲げ力によりパネ力を大きくすることが可能となる。パネ力の増大は可動電極 101のリリースする力を増大し、 OFFの高速ィ匕が可能となる。リリースが完了すると図 1 (b)に示す OFFの状態となる。

[0066] 本実施の形態の構造は ON時の高速化にも効果がある。圧電体 201へ印加する電圧 V の方向を逆にした場合、圧電体 201のせん断歪 204の方向および曲げ力 30

OFF

3の方向が逆となり、可動電極 101を圧縮しかつ下方へ曲げる力が加わる。下部電極 102への引き込みの力と組み合わせれば、 ON時の駆動力の増大と高速応答化が可能となる。

[0067] (実施の形態 4) 本実施の形態は、電気機械スィッチのポスト付近に駆動電極を形成し、静電力により可動電極を基板に対して水平方向へ変位させ、可動電極のパネ力を増大させることに特徴がある。

[0068] 図 7は、本発明実施の形態 4における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 500では、図 12に示した従来の電気機械スィッチ 100の構成のポスト 104の付近にポスト 403上に形成された駆動電極 401を具備する点が異なる。

[0069] 図 8は、本発明実施の形態 4における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。可動電極 101と駆動電極 401との間に電圧 V を印加した場合、静電力に

OFF

より可動電極 101を駆動電極 401側へ引き付ける力が発生する。この場合、引っ張り力 304が可動電極 101に加わり、可動電極 101を両側から引っ張る方向へ加わる引つ張り力 304を可動電極 101へ印加することが可能となる。

[0070] 図 7 (a)に示す ONの状態力 OFFの状態へスイッチングする場合、電圧 V を可動

OFF

電極 101と駆動電極 401との間に印加することによりポストが基板に対して水平方向へ変位し、可動電極 101の引っ張り力によりパネ力を大きくすることが可能となる。バネ力の増大は可動電極 101のリリースする力を増大し、 OFFの高速ィ匕が可能となる。リリースが完了すると図 7 (b)に示す OFFの状態となる。

なお、可動電極 101を支持するポスト 402が変位し易いように柔軟な構造で形成することが可能である。図 7に示すように、ポストを基板に対して垂直方向へ細長い柱状ポスト 402とすることができる。

[0071] (実施の形態 5)

本実施の形態は、電気機械スィッチの可動電極付近に駆動電極を形成し、静電力により可動電極を基板に対して垂直 ·水平方向へ変位させ、可動電極のパネ力を増大させることを特徴とする。

図 9は、本発明実施の形態 5における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、 ONから OFFの状態を示す断面図、（b)は、 OFFの状態を示す断面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 600では、図 7に示した電気機械スィッチ 500の構成のポスト 403を具備しない点が異なる。可動電極 101の駆動電極 401付近の部分は中空に解放された可動な状態である。

[0072] 図 10は、本発明実施の形態 5における電気機械スィッチのポストを拡大した断面図である。可動電極 101と駆動電極 401との間に電圧 VOFFを印加した場合、静電力により可動電極 101を駆動電極 401側へ引き付ける斜め上方への力 305が発生する。この場合、可動電極 101を下部電極 102から引き離す方向へ加わる引き離し力と、可動電極 101を両側から引っ張る方向へ加わる引っ張り力を可動電極 101へ印加することが可能となる。また、可動電極 101の引き離し力、引っ張り力による変位量を増大させることができる。

[0073] 図 9 (a)に示す ONの状態力 OFFの状態へスイッチングする場合、電圧 V を可動

OFF

電極 101と駆動電極 401との間に印加することにより可動電極 101が斜め上方へ変位し、可動電極 101への斜め上方への力によりパネ力を大きくすることが可能となる。パネ力の増大は可動電極 101のリリースする力を増大し、 OFFの高速ィ匕が可能となる。リリースが完了すると図 10 (b)に示す OFFの状態となる。

[0074] (実施の形態 6)

図 11は、本発明実施の形態 6における電気機械スィッチの構成を示す上面図である。本実施の形態に示す電気機械スィッチ 700は、図 9に示した電気機械スィッチ 60 0の電極配置の例である。

可動電極 101は、両側をポスト上に拘束された両持ち梁型の可動電極 1011部を有し、駆動電極 401付近は中空に形成された可動な状態にある。図 11では可動電極 101が H型の構造となっている。可動電極 101、可動電極 1011の周囲に形成された駆動電極 401、 404、 106〖こより、可動電極 101、可動電極 1011へ斜め上方の力を印加することが可能である。駆動電極 106は、可動電極 101を高速に OFFさせるため、上方への静電力を可動電極 101に与えるために設けられている。駆動電極 401 と可動電極 1011間に静電力を印加した場合、可動電極 101を両側から引っ張ることが可能であり、引っ張り力と上方への引き上げ力によるパネ力の増大と高速なリリースを実現することができる。

[0075] 本構造は ON時の高速化にも効果がある。駆動電極 404と可動電極 1011間に静電力を印加した場合、可動電極 101を圧縮する力が加わる。この場合、可動電極 10 1を垂直方向へ曲げる力が加わるため、下部電極 102への弓 Iき込みの力と組み合わせれば、 ON時の駆動力の増大と高速応答化が可能となる。

[0076] 可動電極 101は、可動電極 101の部分と可動電極 1011の部分の二つパネから構成されており、可動電極 101と可動電極 1011からなるパネを駆動させることができる。可動電極 1011の部分のパネ定数を可動電極 101の部分より小さく設定した場合、より低電圧で高速に ONさせることが可能となる。

[0077] 駆動電極と可動電極の間に形成する電極の構造を、図 11に示すような櫛歯型の構造とすることにより、静電容量の増大による静電力の増大を実現することができる。また、駆動電極の部分を増やすことにより駆動電極と可動電極のオーバーラップする面積を増大することが可能であり、静電容量の増大に伴う静電力の増大を実現することが可能である。なお、 ON時に駆動電極 401、駆動電極 404によって生じる静電力により可動電極 1011を固定し、可動電極 101のみのパネを駆動させ、 OFF時に駆動電極 401の引っ張り力を印加することができる。

[0078] また、 ON時に駆動電極 401、駆動電極 404によって生じる静電力により可動電極 1 011を固定し、可動電極 101のみのパネを駆動させ下部電極 102上に固定した場合、可動電極 1011の固定を外すと可動電極 1011は下部電極 102の方向へ変位する。この場合、可動電極 1011の垂直方向への曲がり具合が急になるため、パネ力を増大することができる。それに加えて OFF時に駆動電極 401の引つ張り力を印加することにより、低電圧で高速に応答させることが可能となる。可動電極 1011のパネ定数が可動電極 101より大きい場合は、パネ定数の大きなパネを曲げることにより、より大きなパネ力を発生させることが可能である。

[0079] この駆動方法による効果を増大させるために、可動電極 1011の下方に駆動電極を別途設けることが可能である。駆動電極により印加した静電力により可動電極 101 1をより下方へ変位させ、可動電極 1011のポストの付近まで変位させることにより垂直方向への曲がり具合をより急にすることができ、パネ力を増大させることができる。この場合、駆動電極を少なくとも可動電極 1011を下方へ変位させたい範囲にォーノーラップさせることが重要である。 [0080] また、 OFF時に駆動電極 401と駆動電極 404に同時に静電力を印加することができ、上方へのより大きな静電力を可動電極 1011に与えることができる。

[0081] なお、前記実施の形態では、両持ち梁構造の可動電極を用いた例について説明したが、片持ち梁構造の可動電極の場合にも適用可能であることはいうまでもない。両持ち梁構造は構造が安定する利点がある。片持ち梁構造とした場合、応力を開放することができ、温度変化に対する応力変化を回避できる。また、パネ力の低下による高速応答 ·低駆動電圧化が可能である。可動電極 1011を片持ち梁構造とした場合、可動電極 101を含むコの字型構造とすることが可能である。

[0082] (実施の形態 7)

本発明の電気機械スィッチはポストの駆動を熱により行うことが可能である。図 1から図 6に示す電気機械スィッチの圧電体 201を最適な熱膨張係数を持つ材料とし、熱膨張を利用することにより圧電体の場合と同様の効果が得られる。

[0083] 可動電極 101のパネ定数を駆動特性に悪影響のない範囲に設定するため、温度変化に伴いポストの変位量を調整することも可能である。例えば、温度が上昇し可動電極 101のパネ定数が減少するような環境で使用する場合、ポストの圧電体 201に代えてこの部分が熱膨張し、可動電極 101を両側力も引っ張るようにすることが可能である。減少したパネ定数をポストの熱膨張で補い、駆動特性を補償することが可能である。

[0084] なお、本実施の形態の電気機械スィッチは、圧電体 201に磁歪材料、電歪材料などの外部作用により結晶歪を誘発可能な材料を用いることが可能である。磁歪材料の場合、外部磁場を印加し圧電体 201に部分を変位させポストを可動とすることができる。

また、可動電極 101の支持部に圧電駆動などのァクチユエータを接続し、引っ張り、圧縮の力を可動電極 101に印加することが可能である。

産業上の利用可能性

[0085] 本発明に係る電気機械素子では、可動電極を支持する支持体を可動とし、可動電極に引き離し力、引っ張り力、圧縮力を印加することにより、可動電極のパネ定数を調整する機構を電気機械素子に具備することが可能となり、高速応答'低電圧駆動電気機械素子を実現することができる。

また、電気機械スィッチの高速応答 ·低電圧駆動化により無線端末に適用可能となり、特に温度又は湿度変化を伴う状況で使用される無線端末の高性能化を実現することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に形成された第 1の電極と、

前記第 1の電極に対して所定の間隔を隔て、前記間隔を変化可能に形成された第 2の電極と、

前記第 2の電極を支持する支持部と、

前記第 2の電極の支持部を、変位可能とした電気機械素子。

[2] 請求項 1に記載の電気機械素子であって、

前記第 2の電極の支持部は、印加電圧の大きさに対応して変位するものである電気機械素子。

[3] 請求項 2に記載の電気機械素子であって、

前記第 1および第 2の電極を入出力端子としてオン Zオフの切り替えが実現されるように構成した電気機械素子。

[4] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記支持部は、前記第 2の電極の少なくとも一端近傍に、前記第 2の電極を支持する (ように前記基板上に配設された)支持体を具備した電気機械素子。

[5] 請求項 4に記載の電気機械素子であって、

前記支持体は、前記第 2の電極を前記基板面に対して異なる高さで支持するように変位可能である電気機械素子。

[6] 請求項 4または 5に記載の電気機械素子であって、

前記支持体は、前記第 2の電極を前記基板面と平行な方向に異なる位置で支持するように変位可能である電気機械素子。

[7] 請求項 4に記載の電気機械素子であって、

前記支持体は、前記第 2の電極を前記第 1の電極に対してほぼ 45度の角度をなして伸長するように変位可能である電気機械素子。

[8] 請求項 4乃至 7の、ずれかに記載の電気機械素子であって、

前記支持体は、圧電体を含む電気機械素子。

[9] 請求項 8に記載の電気機械素子であって、

前記圧電体は、側面を弾性体で拘束された電気機械素子。

[10] 請求項 4乃至 7の、ずれかに記載の電気機械素子であって、

前記支持体は、前記第 2の電極を静電力で変位可能に構成した電気機械素子。

[11] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記支持部は、前記第 2の電極の少なくとも一端近傍に、前記第 2の電極を支持する (ように前記基板上に配設された)第 1の支持体と、前記第 1の支持体の近傍に配設され、前記第 2の電極を静電力で変位可能に構成された第 2の支持体とを備えた電気機械素子。

[12] 請求項 11記載の電気機械素子であって、

前記第 2の支持体は、前記第 2の電極と所定の間隔を隔てて構成され、前記第 2の電極との間の電位差が調整可能な駆動電極を具備した電気機械素子。

[13] 請求項 11または 12に記載の電気機械素子であって、

前記第 1の支持体は、前記第 2の電極と電気的に絶縁された電気機械素子。

[14] 請求項 11乃至 13のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記第 2の支持体は、前記第 1の電極と対向する位置の外側に配置された電気機械素子。

[15] 請求項 11乃至 14のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記第 1の支持体が柱状構造体である電気機械素子。

[16] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記支持部は、前記第 1の電極に対向する領域をもつように前記第 2電極を、懸架する懸架支持部と、前記第 2の電極の少なくとも 1端と所定の間隔を隔てて構成され、前記第 2の電極との間の電位差が調整可能なように前記基板上に配設された支持体を具備した電気機械素子。

[17] 請求項 1乃至 16のいずれか記載の電気機械素子であって、

前記支持部は、前記第 2の電極の両端を支持するように形成された電気機械素子

[18] 請求項 1乃至 17のいずれかに記載の電気機械素子であって、

前記第 2の電極が H型の構造である電気機械素子。

[19] 請求項 1乃至 18のいずれかに記載の電気機械素子であって、使用環境に対応して、前記変位量を調整可能となるように構成された前記調整機構を具備した電気機械素子。

[20] 請求項 1乃至 19のいずれかに記載の電気機械素子であって、

使用環境検出手段を具備し、

前記調整機構は前記使用環境検出手段の検出結果に基づいて前記変位量を調整可能である電気機械素子。

[21] 請求項 20に記載の電気機械素子であって、

前記使用環境検出手段は、温度センサを含む電気機械素子。

[22] 請求項 20または 21に記載の電気機械素子であって、

前記使用環境検出手段は、湿度センサを含む電気機械素子。