(57)【要約】【課題】低消費電力動作が可能な安価で小型軽量の機械的動作を伴うスイッチを提供すること。【解決手段】信号入力ライン２と信号出力ライン３、４との接点切り替え部に、接点および信号用配線が形成されたフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９、１０を複数個使用し、接点の切り替えは、各アクチュエータモジュール９、１０の相対的な位置関係を変えることにより行う。【選択図】図１
2010140717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号入力ラインと複数の信号出力ラインとの接続を切り替える切換え部を備えた機械的動作を伴うスイッチであって、
前記切換え部は、フィルム状屈曲型有機アクチュエータと、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータ表面に設けられ、前記信号出力ラインの一つに接続される信号用配線および前記信号入力ラインへの接続用接点とを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを複数個含み、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの重なる順序で接続状態が切り替わることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータは、接続を切り替える前と接続を切り替えた後で形状が弾性変形領域内で同一であることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールへの電力供給は、接続を切り替える前の状態と接続を切り替えた後の状態のいずれの状態でも遮断されていることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記信号入力ライン、複数の信号出力ラインおよび切換え部は、基板上に設けられ、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、一端が前記基板に固定され、他端が可動な自由端となっており、前記信号入力ラインへの接続用接点は、前記自由端の先端領域に設けられ、電力供給が遮断された状態では平面形状であり、
前記接続用接点が設けられた前記自由端の先端領域は、前記信号入力ラインと前記基板上で重なるように配置され、最下層に配置された前記接続用接点が前記信号入力ラインと接続されることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項５】
請求項４記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記信号入力ラインと前記複数の信号出力ラインとの接続の切換えは、前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの全てに電力を供給して前記接続用接点が設けられた前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの先端領域が捲り上がる様に屈曲させ、その後、前記信号入力ラインと接続すべき前記信号出力ラインへ接続されている前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの電力供給を最初に停止して平面形状に戻し、その後、他の接続用接点が設けられた前記屈曲型有機アクチュエータモジュールへの電力を遮断して行われることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記信号入力ライン、複数の信号出力ラインおよび切換え部は、基板上に設けられ、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、一端が前記基板に固定され、他端が可動な自由端となっており、前記信号入力ラインへの接続用接点は、前記自由端の先端領域の上面に設けられ、
前記切換え部は、更に、フィルム状屈曲型有機アクチュエータと、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータ下面に設けられ、前記信号入力ラインに接続される信号用配線とを有する入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを含み、
前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール及び前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、電力が遮断された状態では全て平面形状を有し、
前記接続用接点が設けられた前記自由端の先端領域は、前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの下面に設けられた信号用配線と平面的に見て重なるように配置され、前記接続用接点が設けられた前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールが、前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの下に位置する場合に、前記信号入力ラインと接続されることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項７】
請求項６記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記信号入力ラインと前記複数の信号出力ラインとの接続の切換えは、前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール及び前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの全てに電力を供給して、前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール及び前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの先端領域が捲り上がる様に屈曲させた後、信号入力ラインと接続すべき前記接続用接点を有する前記屈曲型有機アクチュエータモジュールの電力供給を遮断し、引き続き、前記入力ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールへの電力を遮断して行われることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項８】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記複数の信号出力ラインのいずれかは、グラウンド線や開放端に接続されていることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項９】
第１の信号ラインと複数の第２の信号ラインとの接続を切り替える切換え部を備えた機械的動作を伴うスイッチであって、
前記切換え部は、フィルム状屈曲型有機アクチュエータと、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータ表面に設けられ、前記第２の信号ラインの一つに接続される信号用配線および前記第１の信号ラインへの接続用接点とを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを複数個含み、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの重なる順序で接続状態が切り替わることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項１０】
請求項９記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールへの電力供給は、接続を切り替える前の状態と接続を切り替えた後の状態のいずれの状態でも遮断されていることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記第１の信号入力ライン、複数の第２の信号ラインおよび切換え部は、基板上に設けられ、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、一端が前記基板に固定され、他端が可動な自由端となっており、前記第１の信号ラインへの接続用接点は、前記自由端の先端領域に設けられ、電力供給が遮断された状態では平面形状であり、
前記接続用接点が設けられた前記自由端の先端領域は、前記第１の信号ラインと前記基板上で重なるように配置され、最下層に配置された前記接続用接点が前記第１の信号ラインと接続されることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載の機械的動作を伴うスイッチにおいて、
前記第１の信号ライン、複数の第２の信号ラインおよび切換え部は、基板上に設けられ、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、一端が前記基板に固定され、他端が可動な自由端となっており、前記第１の信号ラインへの接続用接点は、前記自由端の先端領域の上面に設けられ、
前記切換え部は、更に、フィルム状屈曲型有機アクチュエータと、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータ下面に設けられ、前記第１の信号ラインに接続される信号用配線とを有する第１の信号ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを含み、
前記第１の信号ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール及び前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは、電力が遮断された状態では全て平面形状を有し、
前記接続用接点が設けられた前記自由端の先端領域は、前記第１の信号ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの下面に設けられた信号用配線と平面的に見て重なるように配置され、前記接続用接点が設けられた前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールが、前記第１の信号ライン用フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの下に位置する場合に、前記第１の信号ラインと接続されることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【請求項１３】
第１の信号ラインと複数の第２の信号ラインとの接続状態を切り替える切換え部を有する機械的動作を伴うスイッチであって、
前記切換え部は、前記第１の信号ラインへの接続用接点と前記第２の信号ラインの一つに接続される信号用配線とを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを複数個含み、
前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの重なる順序で接続状態が切り替わることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号を導通、遮断するための機械的動作を伴うスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチやリレーデバイスは、信号制御には必要不可欠な構成要素である。スイッチデバイスには、大きく分けて機械的（メカニカル）動作を伴うスイッチと伴わない半導体スイッチがある。どちらにも利点欠点があるが、機械的動作を伴うスイッチは、耐電圧が高く、絶縁性能が高いといった特長があり、電源回路などに使用されている。また、機械的動作を伴うスイッチは、ＰＩＮダイオードやＦＥＴなどの半導体スイッチと比べ、ＯＮ時の電気抵抗が低く、寄生容量が小さいことや、リニアリティー特性がよいことなどから高周波信号のスイッチングにも適している。そのため、携帯電話などのモバイル通信機器に使用されるバンド切替え用高周波スイッチ（ＲＦスイッチ）として期待されている。
【０００３】
携帯電話などのモバイル通信機器に使用される高周波スイッチには小型軽量であることが必要とされる。この要求は、これらの機器が多機能高機能化するにつれさらに厳しくなる。しかし、従来のコイルによる磁場を用いた機械式スイッチは半導体スイッチと比べ、小型軽量化に不向きであった。そのため、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）技術を用い、静電アクチュエータやピエゾアクチュエータを利用した小型軽量のマイクロマシンスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）が研究開発されている。
【０００４】
小型軽量のアクチュエータにはマイクロマシン技術によるアクチュエータのほかに、高分子材料を用いたアクチュエータがある。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００６−３２５３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の高分子材料を用いた有機アクチュエータは、印刷プロセスで作製できるため、どのような基板・下地にも小型軽量のアクチュエータを安価に作りあげることができる。そのため、有機アクチュエータの小型軽量の機械的動作を伴うスイッチへの適用が期待される。しかし、特許文献１に記載の有機アクチュエータはジュール熱に伴う熱膨張により動作するため、変化した形状を維持するにも電力を必要とする。すなわち、接点を切り替える機械的動作を伴うスイッチに利用すると、接点を切り替える時だけでなく、切り替えた後もその状態を維持するためには電力が必要となり、消費電力が大きい。マイクロマシン技術による静電アクチュエータやピエゾアクチュエータも変化した形状を維持するには電圧を印加し続ける必要があるが、ほとんど電流は流れないため消費電力は少ない。
【０００６】
本発明の目的は、フィルム状屈曲型有機アクチュエータを用い、低消費電力動作が可能な小型軽量の機械的動作を伴うスイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための一形態として、信号入力ラインと複数の信号出力ラインとの接続を切り替える切換え部を備えた機械的動作を伴うスイッチであって、前記切換え部は、フィルム状屈曲型有機アクチュエータと、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータ表面に設けられ、前記信号出力ラインの一つに接続される信号用配線および前記信号入力ライン接続部への接続用接点とを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを複数個含み、前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの重なる順序で接続状態が切り替わることを特徴とする機械的動作を伴うスイッチとする。
【発明の効果】
【０００８】
フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの重なる順序で接続状態が切り替わるため、接点を切り替える時だけに電力を消費し、切り替え後、その状態を維持するためには電力を必要としない。これにより、低消費電力動作が可能な小型軽量の機械的動作を伴うスイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、実施例により説明する。
【実施例１】
【００１０】
第１の実施例について図を用いて構造、制御方法、製造方法について説明する。
【００１１】
はじめに、２接点の切り替えスイッチを例にとり、本実施例の機械的動作を伴うスイッチの構造および動作方法について説明する。図１は本実施例の機械的動作を伴うスイッチの構造を表す模式図である。基板１上に配線された信号入力ライン２、切り替え先信号ライン３、４、アクチュエータ駆動ライン５、６、７、８、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９、１０から構成される。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９、１０はそれぞれ、切り替え先信号ライン３、アクチュエータ駆動ライン５、６と、切り替え先信号ライン４、アクチュエータ駆動ライン７、８と電気的に接続されている。
【００１２】
図２（ａ）から（ｃ）に前記フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの構造をあらわす模式図を示す。図２（ａ）は断面、（ｂ）は上面、（ｃ）は下面からみた模式図である。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは面発熱体層１１と絶縁体層１２を積層したユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータで、上面にアクチュエータ駆動ライン１３、１４が、下面に信号ライン１５および接点１６がある。アクチュエータの自由端の接点１６の上面は面発熱体層１１がなく、絶縁体層１２が露出している。アクチュエータ駆動ライン１３、１４は図１の基板上１のアクチュエータ駆動ライン５、６に、信号ライン１５は信号ライン３に電気的に接続されている。
【００１３】
このアクチュエータモジュールは、熱膨張係数が小さな面発熱体層１１と熱膨張係数が大きな絶縁体層１２が積層されたユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータモジュールである。アクチュエータ駆動ライン１３、１４に駆動用電気信号を与えると面発熱体層１１がジュール熱により発熱し、屈曲型アクチュエータモジュール全体が加熱される。その際、面発熱体層１１と絶縁体層１２の熱膨張率の違いで、上側に捲れあがる様に屈曲する。本実施例では面発熱体層１１、絶縁体層１２に有機材料を用いている。そのため、熱膨張率が大きく異なるものを選択することができ、大きく形状を変形させることができる。デバイス形状と熱膨張率による、屈曲の大きさの定量的な関係については後述する。また、有機材料はフレキシブル性が高く（弾性領域が広く）、アクチュエータ駆動ライン１３、１４に駆動用電気信号を与えて加熱することにより大きく変形しても、駆動用電気信号を停止して室温に戻すと可逆的に元の形状に戻すことができる。
【００１４】
図３（ａ）から図３（ｅ）は本実施例の機械的動作を伴うスイッチの接点切り替えの方法を表した模式図である。図３（ａ）はフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９がフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１０の下にあり、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９の接点が信号入力ライン２と接触し、信号入力ライン２と切り替え先信号ライン３が接続されている状態である。このとき、アクチュエータ駆動ライン５、６、７、８には電気信号は与えていない。また、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１０の接点はフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９の絶縁体層が露出した部分と接触しているため電気的に開放状態である。次に、アクチュエータ駆動ライン７、８間に駆動信号を与え、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１０を上側に捲れあがる様に屈曲させる（図３（ｂ））。
【００１５】
その後、アクチュエータ駆動ライン５、６間で駆動信号を与え、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９を屈曲させる（図３（ｃ））。この状態では、信号入力ライン２は開放状態でどちらの接点とも接続されていない。次に、アクチュエータ駆動ライン７、８間の駆動信号を切り、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１０の形状を平面状に戻す。（図３（ｄ））。この時点で信号入力ライン２と切り替え先信号ライン４が接続される。最後に、アクチュエータ駆動ライン５、６間の駆動信号を切り、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９の形状を平面状に戻す（図３（ｄ））。
【００１６】
このことにより、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９により押されることでフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１０の接点の信号入力ライン２に対する押し付け圧が高くなり、振動に対しても安定した接続となる。この状態では、いずれのフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールにも電力は供給していない。すなわち、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力を供給するのは、切り替え時（図３（ｂ）から（ｄ））のみで、信号入力ライン２と切り替え先信号ライン３の接続された状態と、信号入力ライン２と切り替え先信号ライン４の接続された状態の２つの状態は、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力無供給で保持することができる。
【００１７】
ここで使用したフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールは熱により動作するため動作中は高温になり、マイクロマシンスイッチで問題となる表面に付着した水によるスッティッキング現象が生じにくい。
【００１８】
ここでフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの形状は、電力を供給していないときはほぼ平面状と記述したが、電力供給時に屈曲する方向と逆の方向にわずかに屈曲するように作製すると、バネ性により接点が信号入力に押し付けられる力が強くなり、さらに好ましい。
【００１９】
次に本実施例の機械的動作を伴うスイッチの作製方法について図４（ａ）から図４（ｊ）を用いて説明する。図４（ａ）から図４（ｉ）は、本実施例の機械的動作を伴うスイッチの作製手順を示す工程図である。ここでは図４（ａ）のように信号入力ライン２０、切り替え先信号ライン２１、２２、アクチュエータ駆動ライン２３、２４、２５、２６が作製された基板２７上に機械的動作を伴うスイッチを作製する方法を説明する。最初に、基板２７上に犠牲層２８を印刷、乾燥により形成する（図４（ｂ））。犠牲層２８には接点を作製するための小さな穴状パターン２９を含んでいる。犠牲層２８は最後の工程で除去するため水溶性材料が好ましい。ここではポリビニルアルコールを使用したが、他の水溶性ポリマーも使用することは可能である。印刷手法は膜厚、サイズにより使い分ける必要があるが、ここではスクリーン印刷法を使用した。
【００２０】
次に、信号ライン３０および接点３１を印刷、乾燥により形成する（図４（ｃ））。信号ライン３０および接点３１は導電性が必要なため銀インクを用い、インクジェット印刷法で作製した。銀インクにはバインダーポリマーが含まれているタイプと含まれないタイプのものがあるが、ここではフレキシブル性が要求されるため、バインダーポリマーを含んだタイプの銀インクが望ましい。銀インクのほかに、導電性高分子分散液などのインク化できる導電性材料も使用することができる。なお、接点３１は複数設けることもできる。複数設けることにより、接点にかかる圧力を分散することができる。
【００２１】
次に、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの絶縁体層３２を印刷、乾燥する（図４（ｄ））。絶縁体層３２は絶縁性が高く、熱膨張率が大きい材料である必要がある。ここでは、ポリカーボネイト樹脂を使用し、スクリーン印刷法で作製した。有機材料は一般に金属等の無機材料と比べると熱膨張率が大きい。そのため、ポリカーボネイト樹脂以外にも、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂等さまざまな材料を使用することができる。ポリカーボネイト樹脂は線熱膨張係数が７０ｐｐｍ／℃と有機材料の中でも大きいため、本実施例の機械的動作を伴うスイッチの絶縁層に使用した場合、低消費電力で動作させることができる。また、シリコン系樹脂よりもヤング率が高く剛性があり、デバイスが振動しても接触保持能力が高い。加工し易い。アクリル系樹脂は、線熱膨張係数、ヤング率ともにポリカーボネイト樹脂に匹敵し、ポリカーボネイト樹脂より有機溶剤耐性がある。エポキシ系樹脂は、ヤング率はポリカーボネイト樹脂に匹敵し、有機溶剤耐性が強い材料も作製できる。シリコン系樹脂は線熱膨張係数が２００ｐｐｍ／℃以上のものを作ることができ、ポリカーボネイト樹脂より低消費電力で動作させることができる。
【００２２】
次に、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの面発熱体層３３を印刷、乾燥する（図４（ｅ））。面発熱体層３３はジュール熱により発熱し、絶縁体層３２よりも熱膨張係数が低い材料である必要がある。ここでは熱膨張係数が小さい面発熱体膜と熱膨張係数が大きい絶縁体膜との組み合わせによるアクチュエータモジュールを使用した。熱膨張係数が小さい面発熱体材料を得るには、フィラー濃度が高く、熱膨張率の小さなバインダーポリマーからなる材料を使用すればよい。ここではカーボン微粒子をフィラーとし、ポリイミドをバインダーとしたコンポジット材料を使用し、スクリーン印刷法で作製した（図４（ｆ））。
【００２３】
導電性微粒子としてはカーボン微粒子以外にも白金微粒子、金微粒子、銀微粒子、カーボンナノチューブも使用することができる。カーボン微粒子は繰返し耐久性が高い。白金微粒子、金微粒子、カーボンナノチューブはカーボン微粒子に比べ、電気伝導度が高い。また、銀微粒子に比べマイグレーション耐性、酸化耐性が高い。銀微粒子は白金微粒子、金微粒子、カーボンナノチューブと比べると電気伝導度が高い。バインダーとしては熱膨張率が小さいポリイミド樹脂やポリエチレンテレフタレート樹脂、アラミド樹脂などが使用できる。ポリイミド樹脂は線熱膨張係数が低く、加工しやすい。ポリエチレンテレフタレート樹脂はポリイミド樹脂程ではないが有機材料の中では線熱膨張係数を小さくすることができる材料である。アラミド樹脂はポリイミド樹脂より線熱膨張係数が低い。面発熱体材料の電気伝導度は、デバイスに使用する駆動電圧によりアクチュエータモジュールの抵抗値を決定した後、その抵抗値と使用するデバイスのサイズにより決める。
【００２４】
次に、絶縁体層３２の露出部分に犠牲層３４を印刷、乾燥する。犠牲層３４は犠牲層２８と同様に小さな穴状パターン３５を含む。ここではポリビニルアルコールを使用しスクリーン印刷法作製した。次に、図４（ｄ）、図４（ｅ）のプロセスと同様に信号ライン３６および接点３７、絶縁体層３８、面発熱体３９を印刷する（図４（ｆ）、図４（ｇ））。接点３７は接点３１と同様に複数形成してもよい。
【００２５】
次に、アクチュエータ駆動ライン４０、４１、４２、４３を印刷、乾燥する（図４（ｈ））。アクチュエータ駆動ライン４０、４１、４２、４３は信号ラインと同じ銀インクを用い、インクジェット印刷法で作製した。最後に水につけることにより犠牲層２８、３４を溶解除去することにより、機械的動作を伴うスイッチは完成する（図４（ｉ））。図４（ｉ）のＸ−Ｘラインでの断面図を図４（ｊ）に記す。各フィルム状屈曲型アクチュエータモジュールの自由端に設けられた各接点は平面的に見てほぼ同じ位置に配置される。
【００２６】
このように、本実施例の機械的動作を伴うスイッチはどのような回路基板の上にも作りこむことができる。ここでは、印刷で一括して作製する方法について説明したが、サイズが大きい場合、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを別に印刷で作製し、後からそれを必要な場所に固定することもできる。また、ここでは印刷性が良好で低価格で作製でき、安定に動作するため、ジュール熱による熱膨張を利用した有機アクチュエータを使用したが、他の高分子アクチュエータも使用することは可能である。
【００２７】
ここでは２接点の切り替えスイッチについて述べたが、多接点スイッチも図５のように基板１７上に信号入力ライン１８とフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇを放射線状対角に配置することにより、２接点の切り替えスイッチと同様にして実現することができる。信号入力ライン１８との接続用接点が設けられた自由端の先端領域は、信号入力ライン１８と基板１７上で重なるように配置され、最下層に配置された接続用接点が信号入力ライン１８と接続される。このとき、待機時の誤動作を防ぐため必要に応じて１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇのいずれかをグランド線に接続しもよい。また、スイッチの絶縁性が必要な場合、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇのいずれかを電気的に開放してもよい。これにより、信号入力ライン１８を必要に応じ、グラウンド線や開放端に接続することができる。
本実施例では、１入力ライン、多出力ラインの構成例について説明したが、多入力ライン、１出力ラインの構成も可能である。
【００２８】
本実施例の機械的動作を伴うスイッチは必要に応じて任意のサイズのデバイスを作製することができるが、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールに線熱膨張係数の異なる材料を積層したユニモルフ構造を使用しているため、絶縁体層と面発熱体層の膜厚とサイズ、ヤング率の間にはチモチェンコ式で表される関係がある。デバイスの設計は次式の関係を考慮して行う必要がある。
【００２９】
【数１】
2010140717.tif 000003
すなわち、全長３ｍｍ、幅１ｍｍのフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの場合、面発熱体層に膜厚１５マイクロメートル、電気伝導度１．６Ｓ／ｃｍのカーボン微粒子とポリイミドのコンポジット膜を用い、絶縁体層に膜厚１５マイクロメートルのポリカーボネイト樹脂を使用した場合、駆動電圧５Ｖで回転角約１７０度の屈曲変形が生じ、スイッチのオンオフが可能となる。
【００３０】
本実施例では、接点切り替え用のアクチュエータに複数個のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを使用する。それぞれのアクチュエータモジュール上には信号用配線および接点、あるいは信号用配線のみが配置されている。接点の切り替えは、各アクチュエータモジュールの形状を変化させるタイミングを制御し、各接点および信号用配線の相対的な位置関係を変えることにより行う。このとき、接点の切り替え途中のみアクチュエータモジュールの形状を変化させるための電力を供給する。切り替え終了後は、すべてのアクチュエータモジュールの電力の供給は停止され、アクチュエータモジュールは弾性変形領域でのばね性による若干の形状変化はあるものの、本質的には切り替え前の形状にもどる。すなわち、切り替え終了後にはアクチュエータモジュールの形状を維持するための電力を必要としない。
【００３１】
更に、本実施例のスイッチは、基板に固定された信号入力ラインと、一端が基板に固定され、自由端に接点が配置された複数のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールから構成される。屈曲型有機アクチュエータモジュール上には信号ラインが配線され、自由端にある接点は基板上の信号ラインと接続されている。この接点が配置されたフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの形状は電力の供給をしなければほぼ平面形状である。また、無電力供給時は各アクチュエータモジュールの自由端にある接点部分は、基板に固定された信号入力ラインのある一点で重なる。そのため、各アクチュエータモジュールは信号入力ライン上で重なり合い、一番下に位置するアクチュエータモジュールの接点が信号入力ラインと接続される。
【００３２】
接点を切り替えるときには、すべての屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力を供給して捲り上がる様に屈曲させ接点を持ち上げ、その後、切り替えたい接点を有するアクチュエータモジュールの電力供給を最初に停止し、信号入力ラインと接続した後、他の接点のアクチュエータモジュールの電力を停止する。このようにして接点を切り替えることができる。
【００３３】
以上述べたように、本実施例によれば、積層されたアクチュエータの重なり順序を制御してスイッチの切換えを行う構成としたことにより、接点を切り替える時だけに電力を消費し、切り替え後、その状態を維持するためには電力を必要としない。これにより、低消費電力動作が可能な小型軽量の機械的動作を伴うスイッチを提供することができる。熱により動作するアクチュエータを使用することにより、マイクロマシンスイッチで問題となる水によるスティっキング現象が生じにくく、信頼性の高いスイッチが得られる。また、各アクチュエータモジュールの接点を各アクチュエータの交点部に配置することにより、本スイッチの占有面積を小さくすることができる。
【実施例２】
【００３４】
機械的動作を伴うスイッチの第二の実施例について、以下、その構造、動作方法について説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１と同様である。
【００３５】
はじめに、２接点の切り替えスイッチを例にとり、本実施例の機械的動作を伴うスイッチの構造および動作方法について説明する。図６は本実施例の機械的動作を伴うスイッチの構造を表す模式図である。基板５０上に配線された信号入力ライン５１、切り替え先信号ライン５２、５３、アクチュエータ駆動ライン５４、５５、５６、５７、５８、５９、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０、６１、６２から構成される。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０は信号入力ライン５１、アクチュエータ駆動ライン５４、５５と電気的に接続され、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１は切り替え先信号ライン５２、アクチュエータ駆動ライン５６、５７に、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２は切り替え先信号ライン５３とアクチュエータ駆動ライン５８、５９に電気的に接続されている。
【００３６】
図７（ａ）から図７（ｃ）にフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の構造をあらわす模式図を示す。図７（ａ）は断面、（ｂ）は上面、（ｃ）は下面からみた模式図である。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０は面発熱体層６３と絶縁体層６４を積層したユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータで、上面の面発熱体層６３表面にアクチュエータ駆動ライン６５、６６が、下面の絶縁体層６４表面に信号入力ライン６７がある。実施例１のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール９と同様に面発熱体層６３の熱膨張係数は絶縁体層６４の熱膨張係数より小さな材料を使用し、アクチュエータ駆動ライン６５、６６に駆動用電気信号を与えると面発熱体層６３の発熱により上側に捲れあがる様に屈曲する。アクチュエータ駆動ライン６５、６６は図６の基板５０上のアクチュエータ駆動ライン５４、５５に、信号入力ライン６７は信号入力ライン５１に電気的に接続されている。
【００３７】
図８（ａ）から図８（ｃ）にフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１の構造をあらわす模式図を示す。図８（ａ）は断面、（ｂ）は上面、（ｃ）は下面からみた模式図である。
【００３８】
フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１は面発熱体層６８と絶縁体層６９を積層したユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータで、下面の面発熱体層６８表面にアクチュエータ駆動ライン７０、７１が、上面の絶縁体層６９表面に信号ライン７２および接点７３がある。接点７３の下面は面発熱体層６８がなく、絶縁体層６９が露出している。実施例１とは反対に面発熱体層６８には熱膨張係数が大きな材料を使用し、絶縁体層６９には熱膨張係数が小さな材料が使用される。したがって、面発熱体層６８にはカーボン微粒子や白金微粒子、金微粒子、銀微粒子、カーボンナノチューブなどの導電性微粒子をフィラーとし、バインダーポリマーに熱膨張率の大きなポリカーボネイト樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂などを使用したコンポジット材料が使用できる。絶縁体層にはポリイミド樹脂やポリエチレンテレフタレート樹脂、アラミド樹脂などが使用できる。本実施例では、面発熱体層６８の材料には銀微粒子をフィラーとし、バインダーポリマーにアクリル樹脂を使用した材料を使用し、絶縁体層６９には熱膨張率の小さいポリイミドを使用した。
【００３９】
アクチュエータ駆動ライン７０、７１に駆動用電気信号を与えると面発熱体層６８の発熱による熱膨張で上側に捲れあがる様に屈曲する。アクチュエータ駆動ライン７０、７１は図６の基板上５０のアクチュエータ駆動ライン５６、５７に、信号ライン７２は切り替え先信号ライン５２に電気的に接続されている。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２も基本的には図８で示された構造と同様である。
【００４０】
図９（ａ）から図９（ｅ）は本実施例の機械的動作を伴うスイッチの接点切り替え方法を表した模式図である。図９（ａ）はフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１がフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の下にあり、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２がフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の上にある状態である。すなわち、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１の接点がフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の信号入力ライン６７と接触し、信号入力ライン５１と替え先信号ライン５２が接続されている。アクチュエータ駆動ライン５４、５５、５６、５７、５８、５９には電気信号は与えていない。フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２は絶縁体層６９が露出した部分でフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０と接触するため、信号ライン、アクチュエータ駆動ラインとも開放状態である。
【００４１】
次に、アクチュエータ駆動ライン５８、５９間で駆動信号を与え、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２を上側に捲れあがる様に屈曲させる（図９（ｂ））。その後、アクチュエータ駆動ライン５４、５５間に駆動信号を与え、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０を屈曲させる（図９（ｃ））。このとき、信号入力ライン５１は開放状態でどちらの接点とも接続されていない。さらに、アクチュエータ駆動ライン５６、５７間に駆動信号を与え、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１を屈曲させる（図９（ｄ））。次に、アクチュエータ駆動ライン５８、５９間の駆動信号を切り、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１の形状を平面状に戻す。（図９（ｅ））。次に、アクチュエータ駆動ライン５４、５５間の駆動信号を切り、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の形状を平面状に戻す（図９（ｆ））。この時点で信号入力ライン５１と切り替え先信号ライン５３が接続される。最後に、アクチュエータ駆動ライン５６、５７間の駆動信号を切り、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１の形状を平面状に戻す（図９（ｇ））。
【００４２】
このことにより、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６１により押されることでフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６２の接点とフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール６０の信号入力ライン６７強く押し付けられ、外部からの振動に対しても安定した接続となる。この状態では、すべてのフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールにも電力は供給していない。すなわち、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力を供給するのは、切り替え時（図９（ｂ）から（ｆ））のみで、フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力無供給で、信号入力ライン５１と切り替え先信号ライン５２の接続された状態と、信号入力ライン５１と切り替え先信号ライン５３の接続された状態の２つの状態を保持することができる。
【００４３】
ここでは２接点の切り替えスイッチについて述べたが、切り替え先信号ラインを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールを複数並行に並べることにより、実施例１と同様に多接点スイッチを実現することができる。多入力ライン、１出力ラインの構成も可能である。また、本実施例の機械的動作を伴うスイッチも実施例１の機械的動作を伴うスイッチと同じ印刷を用いた方法で作製することができる。
【００４４】
実施例２の図６を用いて説明したスイッチは、入力信号ラインにもフィルム状屈曲型有機アクチュエータが接続されているため、実施例１の図１を用いて説明したスイッチと比べて、同じ接点数でも動作させなければならないアクチュエータの数はひとつ多く、その分制御が煩雑になる。しかし、実施例１の図１を用いて説明したスイッチでは出力ラインに接続されたフィルム状屈曲型有機アクチュエータが垂直方向に重なるため、電気容量が付きやすく、高周波を取り扱うスイッチには慎重にデバイス設計を行う必要がある。これに対し実施例２の図６のスイッチは出力ラインに接続されたフィルム状屈曲型有機アクチュエータが垂直方向に重なることはないため、デバイス設計が容易である。
【００４５】
本実施例のスイッチは、一端が基板に固定され、上面に接点と信号用配線を有する複数のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールおよび、一端が基板に固定され、下面に信号入力ラインを有するフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールから構成される。実施例１と同じく、アクチュエータモジュール上の信号用配線は、自由端の接点と基板上の信号配線とを接続している。また、すべてのアクチュエータモジュールは電力無供給時の形状は、ほぼ平面形状である。アクチュエータモジュールに電力を供給していないときは、接点を有する複数のアクチュエータモジュールのうちの一つのみが、信号入力ラインを有するアクチュエータモジュールの下に位置し、他のアクチュエータモジュールは信号入力ラインを有するアクチュエータモジュールの上に位置する。すなわち、信号入力ラインを有するアクチュエータモジュールの下に位置する接点のみ、信号入力ラインと接触し、接続されている。
【００４６】
接点を切り替えるときには、すべての屈曲型有機アクチュエータモジュールに電力を供給して捲り上がる様に屈曲させ接点および信号入力ラインを持ち上げ、その後、切り替えたい接点を有するアクチュエータモジュールの電力供給を最初に停止し、次に信号入力ラインを有すアクチュエータモジュールの電力供給を停止して接続した後、他の接点を有するアクチュエータモジュールの電力を停止する。このようにして本実施例のスイッチは接点を切り替えることができる。
【００４７】
いずれの形態でも、接点切り替え途中では各アクチュエータモジュールは相対位置を変える必要があるため、大きな形状変化が必要となる。本実施例で使用する屈曲型有機アクチュエータモジュールは有機材料でできているため、金属などの無機材料によるバイメタル構造の屈曲型スイッチと比べ、フレキシブルで大きな形状変化を可逆的に起こすことができる。
【００４８】
以上述べたように、本実施例によれば、積層されたアクチュエータの重なり順序を制御してスイッチの切換えを行う構成としたことにより、実施例１と同様、低消費電力動作が可能な小型軽量の機械的動作を伴うスイッチを提供することができる。また、信頼性の高いスイッチが得られる。また、フィルム状屈曲型有機アクチュエータが垂直方向に重なる実施例１に比べ、電気容量が付きにくく、高周波デバイスに対してもデバイス設計が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１の機械的動作を伴うスイッチの構造を表す模式図である。
【図２】フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュールの構造を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上から見た平面図、（ｃ）は下から見た平面図である。
【図３】実施例１の機械的動作を伴うスイッチの接点切り替えの方法を表した模式図であり、（ａ）切り替える前の状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は右側のアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｃ）は左右のアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｄ）は左側のアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｅ）は切り替え後の状態を模式的に示す斜視図である。
【図４】実施例１の機械的動作を伴うスイッチの作製手順を示す工程図で、（ａ）は使用する配線つき基板の概略図、（ｂ）は犠牲層を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｃ）は左側のアクチュエータの信号ラインおよび接点を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｄ）は左側のアクチュエータの絶縁体層を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｅ）は左側のアクチュエータの面発熱体層を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｆ）は左側のアクチュエータの絶縁体層の上に犠牲層を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｇ）は右側のアクチュエータの配線、接点、絶縁体膜、面発熱体膜を印刷した状態の概略を示す平面図、（ｈ）は左右のアクチュエータのアクチュエータ駆動ラインを印刷した状態の概略を示す平面図、（ｉ）は犠牲層を除去した状態の概略を示す平面図、（ｊ）は（ｉ）のＸ−Ｘラインでの断面を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例１の機械的動作を伴う多接点スイッチの構造を模式的に示す平面図である。
【図６】実施例２の機械的動作を伴うスイッチの構造を表す模式図である。
【図７】実施例２のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール（接点無）の構造を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上から見た平面図、（ｃ）は下から見た平面図である。
【図８】実施例２のフィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール（接点有）の構造を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上から見た平面図、（ｃ）は下から見た平面図である。
【図９】実施例２の機械的動作を伴うスイッチの接点切り替えの方法を表した模式図で、（ａ）は切り替える前の状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は右側の切り替え先信号ラインに接続されたアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｃ）は右側の切り替え先信号ラインに接続されたアクチュエータモジュールと信号入力ラインに接続されたアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｄ）は左右の切り替え先信号ラインに接続されたアクチュエータモジュールと信号入力ラインに接続されたアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｅ）は左側の切り替え先信号ラインに接続されたアクチュエータモジュールと信号入力ラインに接続されたアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｆ）は左側の切り替え先信号ラインに接続されたアクチュエータモジュールを屈曲させた状態を模式的に示す斜視図、（ｇ）は切り替えた後の状態を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１、１７、２７、５０…基板、
２、１８、２０、５１、６７…信号入力ライン、
３、４、２１、２２、５２、５３…切り替え先信号ライン、
５、６、７、８、１３、１４、２３、２４、２５、２６、４０、４１、４２、４３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６５、６６、７０、７１…アクチュエータ駆動ライン、
９、１０、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ、６０、６１、６２…フィルム状屈曲型有機アクチュエータモジュール、
１１、３３、３９、６３、６８…面発熱体層、
１２、３２、３８、６４、６９…絶縁体層、
１５、３０、３６、７２…信号ライン、
１６、３１、３７、７３…接点、
２８、３４…犠牲層、
２９、３５…穴状パターン。
【図１】
2010140717.tif 000004
【図２】
2010140717.tif 000005
【図３】
2010140717.tif 000006
【図４】
2010140717.tif 000007
【図５】
2010140717.tif 000008
【図６】
2010140717.tif 000009
【図７】
2010140717.tif 000010
【図８】
2010140717.tif 000011
【図９】
2010140717.tif 000012