(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１接点が設けられた接点部と、
第２接点を有し、前記第２接点を移動させて前記第１接点と接触または離間させるアクチュエータと、
第１駆動電圧および第２駆動電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記アクチュエータは、前記第１駆動電圧に応じて伸縮する第１圧電膜と、前記第１圧電膜上に設けられる支持層と、前記支持層上に設けられる第２駆動電圧に応じて伸縮する第２圧電膜とを有し、
前記制御部は、
前記第１接点および前記第２接点を接触させる場合に、前記第１圧電膜に第１の抗電界未満の絶対値の電界を印加する電圧から、前記第１圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧まで変化させて前記第１圧電膜を縮ませ、
前記第１接点および前記第２接点を接触状態から離間させる場合に、前記第１圧電膜に第２の抗電界未満の絶対値の電界を印加する電圧を出力して前記第１圧電膜を伸ばして前記アクチュエータの戻りを付勢し、
前記アクチュエータの初期位置、累積使用時間、または累積使用回数に応じて、前記第２駆動電圧を出力して前記第２圧電膜により前記アクチュエータの戻りを付勢するか否かを切り替える
スイッチ装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２駆動電圧を制御して、前記第２圧電膜に第１の抗電界未満の絶対値の電界を印加する電圧から、前記第２圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧まで変化させて前記第２圧電膜を縮ませ、前記第２圧電膜に第２の抗電界未満の絶対値の電界を印加する電圧を出力して前記第２圧電膜を伸ばす、
請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１接点および前記第２接点を接触させる場合に、前記第１圧電膜を縮める前記第１駆動電圧を印加すると共に、前記第２圧電膜の前記第２の抗電界未満の絶対値の電界を与えて前記第２圧電膜を伸ばす第２駆動電圧を印加して前記アクチュエータの押込みを付勢する請求項２に記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は、前記アクチュエータの厚さ方向の中心面の両側に設けられる請求項１から３のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は、前記アクチュエータの厚さ方向の中心面からの距離および厚さが略同一である請求項４に記載のスイッチ装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、厚さ方向の中心面に対し略対称に積層された複数の膜を有する請求項５に記載のスイッチ装置。
【請求項７】
前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は、ＰＺＴ膜である請求項１から６のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項８】
前記支持層は、前記第１圧電膜または前記第２圧電膜が形成される場合に、前記第１圧電膜または前記第２圧電膜と共に焼成温度に加熱される請求項７に記載のスイッチ装置。
【請求項９】
第１接点が設けられた接点部と、
第２接点を有し、前記第２接点を移動させて前記第１接点と接触または離間させるアクチュエータと、
第１駆動電圧および第２駆動電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記アクチュエータは、前記第１駆動電圧に応じて伸縮する第１圧電膜と、前記第１圧電膜上に設けられる支持層と、前記支持層上に設けられる第２駆動電圧に応じて伸縮する第２圧電膜とを有し、
前記制御部は、
前記第１接点および前記第２接点を接触させる場合に、前記第１圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧から、前記第１圧電膜の変位が極大になる電界未満の絶対値の電界を印加する電圧まで変化させて前記第１圧電膜を縮ませ、
前記第１接点および前記第２接点を接触状態から離間させる場合に、前記第１圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧を出力して前記第１圧電膜を伸ばして前記アクチュエータの戻りを付勢し、
前記アクチュエータの初期位置、累積使用時間、または累積使用回数に応じて、前記第２駆動電圧を出力して前記第２圧電膜により前記アクチュエータの戻りを付勢するか否かを切り替える
スイッチ装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第２駆動電圧を制御して、前記第２圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧から、前記第２圧電膜の変位が極大になる電界未満の絶対値の電界を印加する電圧まで変化させて前記第２圧電膜を縮ませ、前記第２圧電膜に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧を出力して前記第２圧電膜を伸ばす、
請求項９に記載のスイッチ装置。
【請求項１１】
前記支持層は、絶縁膜である請求項１から１０のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項１２】
前記支持層は、ＳｉＯ２またはＳｉＮを含む請求項１１に記載のスイッチ装置。
【請求項１３】
被試験デバイスを試験する試験装置であって、
前記被試験デバイスとの間で電気信号を授受して前記被試験デバイスを試験する試験部と、
前記試験部および前記被試験デバイスの間に設けられ、前記試験部および前記被試験デバイスの間を電気的に接続または切断する請求項１から１２のいずれか１項に記載のスイッチ装置と、
を備える試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ装置および試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電膜を備えたアクチュエータを駆動する回路は、圧電膜に電圧を印加して当該圧電膜を伸縮させて、アクチュエータを湾曲させていた。このような駆動回路は、上面と下面に圧電膜を備えたアクチュエータに対して、それぞれの圧電膜に印加する印加電圧を制御して、一方の圧電膜を伸ばし、他方を縮ませるバイモルフ駆動をさせていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２０００−８０５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような圧電膜の伸縮は、全長の１％以下程度なので、アクチュエータの変位も本体の大きさに対して僅かなものになっていた。また、圧電膜の伸縮特性が、正負の印加電界に対して複雑な特性を持つ場合、圧電膜の伸縮特性の一部しか用いることができず、アクチュエータの変位量を大きくすることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、第１接点が設けられた接点部と、第２接点を有し、第２接点を移動させて第１接点と接触または離間させるアクチュエータと、第１駆動電圧を制御する制御部と、を備え、アクチュエータは、第１駆動電圧に応じて伸縮する第１圧電膜と、第１圧電膜上に設けられる支持層と、を有し、制御部は、第１圧電膜に第１の抗電界以下の電界を印加する電圧から、第１圧電膜に第１の抗電界以上の電界を印加する電圧まで変化させて第１圧電膜を縮ませ、第１圧電膜に第２の抗電界未満の電界を印加する電圧を出力して第１圧電膜を伸ばす、スイッチ装置を提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係るスイッチ装置１００の構成例を示す。
【図２】本実施形態に係るスイッチ装置１００の側面図を示す。
【図３】本実施形態に係る圧電膜の印加電界と分極量の特性の一例を示す。
【図４】本実施形態に係る圧電膜の印加電界と変位の特性の一例を示す。
【図５】本実施形態に係る試験装置４１０の構成例を被試験デバイス４００と共に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本実施形態に係るスイッチ装置１００の構成例を示す。図２は、本実施形態に係るスイッチ装置１００の側面図を示す。スイッチ装置１００は、圧電膜が縮む方向に電界を印加する場合は抗電界を超える範囲まで駆動電圧を印加する一方で、圧電膜が伸びる方向に電界を印加する場合は抗電界を超えない範囲で駆動電圧を印加して、アクチュエータ１３０の変位を大きくする。
【０００９】
スイッチ装置１００は、第１接点１２２と、第２接点１３４とを接触または離間させるスイッチ装置であって、パッケージ等に密封されて収容されてよい。スイッチ装置１００は、基板１１０と、第１接点部１２０と、アクチュエータ１３０と、台座部１４０と、第１電源部１８０と、第２電源部１９０と、制御部２００とを備える。
【００１０】
基板１１０は、第１接点部１２０が設けられる平坦な第１面を有する。基板１１０は、絶縁体でよい。基板１１０は、絶縁性のガラス基板でよく、これに代えてシリコン等の半導体基板等でよい。基板１１０は、ビア１１２と、配線部１１４とをさらに有してよい。また、基板１１０は、第１接点部１２０が設けられる第１面とは異なる第２面に配線部１１４を有してよい。
【００１１】
ビア１１２は、第１接点部１２０と配線部１１４とを電気的に接続する金属で形成される。ビア１１２は、導電性材料が充填されて、貫通孔が形成される基板１１０の上面と下面の密閉性を保つように形成されてよい。ビア１１２は、基板１１０に設けられる第１接点部１２０の数に応じて、基板１１０に複数備わってよい。
【００１２】
配線部１１４は、スイッチ装置１００を通過させる信号を伝送する。配線部１１４は、少なくとも１つのビア１１２に対して信号を送信または受信させるべく、基板１１０の第２面に設けられる配線パターンでよい。配線部１１４は、ランド、コネクタ、アンテナ等を含み、外部からスイッチ装置１００に通過させる信号を送受信してよい。
【００１３】
第１接点部１２０には、第１接点１２２が設けられる。第１接点１２２は、突部のない平面であってよい。第１接点部１２０は、アルミニウム、タングステン、パラジウム、ロジウム、金、白金、ルテニウム、インジウム、イリジウム、オスミウム、モリブデン、および／またはニッケルを含んでよい。ここで、第１接点１２２は、これらの材料を含む２以上の材料の合金であってよい。
【００１４】
本実施例において、スイッチ装置１００は、２つの第１接点部１２０が基板１１０に設けられ、２つの第１接点１２２と１つの第２接点１３４とが接触／離間する。これにより、スイッチ装置１００は、一方の第１接点１２２ａから第２接点１３４を介して他方の第１接点１２２ｂへの信号伝送をＯＮ／ＯＦＦする。この場合、配線部１１４は、外部からの信号を第１接点１２２ａへと伝送し、スイッチ装置１００がＯＮの場合に当該信号を第１接点１２２ｂから外部へと伝送する。
【００１５】
これに代えて、スイッチ装置１００は、１つの第１接点部１２０が基板１１０に設けられ、外部からの信号がアクチュエータ１３０を介して第２接点１３４へと伝送する配線部がアクチュエータ１３０に設けられ、１つの第１接点１２２と第２接点１３４とが接触／離間してもよい。これにより、スイッチ装置１００は、第２接点１３４から第１接点１２２への信号伝送をＯＮ／ＯＦＦする。配線部１１４は、スイッチ装置１００がＯＮの場合に外部から入力された信号を第１接点１２２から外部へと伝送する。
【００１６】
アクチュエータ１３０は、第２接点１３４を有し、第２接点１３４を移動させて第１接点１２２と接触または離間させる。アクチュエータ１３０は、半導体プロセスによって成膜されてよい。アクチュエータ１３０は、第２接点部１３２と、第１圧電膜１３６と、第２圧電膜１３８と、支持層１５０と、露出部１５２と、第１圧電膜１３６の電極層１６２および電極層１６４と、第２圧電膜１３８の電極層１６６および電極層１６８と、を有する。
【００１７】
第２接点部１３２には、第２接点１３４が設けられる。第２接点部１３２は、第１接点部１２０と同様の金属を含んでよい。第２接点１３４は、第１接点１２２に面で接触するように、突部のない平面であってもよい。これに代えて、第２接点１３４は、第１接点１２２の破壊または劣化を防ぐように、半球状の形状でよく、これに代えて先端を丸めた針状の形状であってもよい。一例として、第２接点１３４は、第１接点１２２と接触して伝送線路を形成する場合に、伝送する信号の周波数に応じた伝送線路幅等を形成するように、予め定められた形状で設けられてよい。
【００１８】
第１圧電膜１３６は、第１駆動電圧に応じて伸縮する。第１圧電膜１３６は、第１駆動電圧を印加された場合に、アクチュエータ１３０の長さ方向に伸縮して、第１接点１２２と第２接点１３４との距離が変化する方向にアクチュエータ１３０を湾曲させるように配される。
【００１９】
第１圧電膜１３６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のウルツ鉱型の結晶、またはチタン酸バリウム（ＢＴＯ）等のペロブスカイト系強誘電体等を用いてよい。第１圧電膜１３６は、例えば、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、厚さ方向Ｈに０．５μｍのＰＺＴの圧電膜である。
【００２０】
第２圧電膜１３８は、第１圧電膜１３６の積層方向に対して並行に設けられ、第２駆動電圧に応じて伸縮する。第２圧電膜１３８は、第１圧電膜１３６と同様に、ペロブスカイト系強誘電体等を用いてよい。第２圧電膜１３８は、第１圧電膜１３６と略同一の材料で、かつ、第１圧電膜１３６と略同一の形状で形成されることが望ましい。第２圧電膜１３８は、例えば、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、厚さ方向Ｈに０．５μｍのＰＺＴの圧電膜である。
【００２１】
アクチュエータ１３０は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の伸縮に伴い第２接点１３４を移動させて第１接点１２２と接触または離間させる。ここで、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８は、アクチュエータ１３０の厚さ方向の中心面の両側に設けられてよい。また、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８は、アクチュエータ１３０の厚さ方向の中心面からの距離および厚さが略同一であってよい。また、アクチュエータ１３０は、厚さ方向の中心面に対し略対称に積層された複数の膜を有してよい。ここで、図中の点線が、アクチュエータ１３０の厚さ方向の中心面を示す。
【００２２】
支持層１５０は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の間に設けられる。即ち、支持層１５０は、第１圧電膜１３６上に設けられ、第２圧電膜１３８は、支持層１５０上に設けられる。支持層１５０は、力の印加によって変形する弾性を有し、第１圧電膜１３６が伸縮して力を印加することによって、アクチュエータ１３０は湾曲する。また、支持層１５０は、アクチュエータ１３０が撓みすぎるのを抑制する剛性を有し、第１圧電膜１３６の電界の印加が停止すると、アクチュエータ１３０は初期位置に戻る。
【００２３】
支持層１５０は、アルミニウム、金、白金等の導電体、ガラス等の絶縁体、またはシリコン等の半導体を用いてよい。
【００２４】
支持層１５０は、第１圧電膜１３６または第２圧電膜１３８が形成される場合に、第１圧電膜１３６または第２圧電膜１３８と共に焼成温度に加熱される。そこで支持層１５０は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の焼成温度に加熱しても破壊されない材質で形成される。第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８をＰＺＴ等で形成する場合、焼成温度が略７００℃以上に達する場合もある。したがって、支持層１５０は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の焼成温度に加熱しても、割れ、掛け、またはヒビ等の物理的な破壊が生じない材質で形成することが望ましい。
【００２５】
また、第１支持層１５０は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の焼成温度に加熱しても圧電膜または電極層と化学反応を生じ難い材質で形成されることが望ましい。第１支持層１５０は、圧電膜の焼成温度の加熱によって、圧電膜または電極層と化合物を形成して、割れ、掛け、またはヒビ等の物理的な破壊が生じない材質で形成することが望ましい。また、この場合、第１支持層１５０は、圧電膜の焼成温度の加熱によって、第１圧電膜１３６または第２圧電膜１３８の圧電定数等の膜特性を劣化させない材質で形成することが望ましい。
【００２６】
また、支持層１５０は、絶縁層でよい。支持層１５０は、絶縁層で形成されることで、例えば７００℃程度の圧電膜の焼成温度に耐え、金属膜よりも安価なＣＶＤ等の製造方法により短時間で形成することができる。
【００２７】
支持層１５０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）を含んでよい。支持層１５０は、例えば、ＳｉＯ２でよい。これに代えて、支持層１５０は、ＳｉＮでよい。支持層１５０は、一例として、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、厚さ方向Ｈに４μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。
【００２８】
露出部１５２は、アクチュエータ１３０の可動端である先端部において、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８が設けられていない支持層１５０の部分である。第２接点１３４は、露出部１５２に設けられてよい。これに代えて、第２接点１３４は、電極層１６２の可動端側に設けられてもよい。この場合、支持層１５０は、支持層１５０の端部まで第１圧電膜１３６、第２圧電膜１３８、電極層１６２、電極層１６４、電極層１６６、および電極層１６８で覆われてよい。
【００２９】
電極層１６２および電極層１６４は、第１圧電膜１３６の上面と下面とにそれぞれ備わり、第１圧電膜１３６に第１駆動電圧を印加する。電極層１６２および電極層１６４は、アクチュエータ１３０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有してよい。電極層１６２および電極層１６４は、アルミニウム、金、白金、銅、インジウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、イリジウム等の低抵抗で加工が容易な金属でよく、ルテニウムオキサイド（ＲｕＯ２）、イリジウムオキサイド（ＩｒＯ２）等酸化物電極、セラミック電極または、シリコン等の半導体を用いてもよい。
【００３０】
電極材料としてシリコンを用いる場合には、不純物を高濃度にドープしたシリコンを用いることが好ましい。電極層１６２および電極層１６４は、一例として、厚さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金である。ここで、白金をスパッタ等の真空蒸着で成膜する場合、チタン、タンタル等を成膜してから白金を成膜してよい。
【００３１】
電極層１６６および電極層１６８は、第２圧電膜１３８の上面と下面とにそれぞれ備わり、第２圧電膜に第２駆動電圧を印加する。電極層１６６および電極層１６８は、アクチュエータ１３０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有してよい。電極層１６６および電極層１６８は、電極層１６２および電極層１６４と略同一の形状、および略同一の材質でよい。また、電極層１６６は、電極層１６４と略同一の形状および略同一の材質でよく、電極層１６８は、電極層１６２と略同一の形状および略同一の材質でよい。
【００３２】
台座部１４０は、基板１１０において、第１接点部１２０の近傍で第１接点部１２０と離間した位置に配される。台座部１４０は、ＳｉＯ２等の絶縁体を用いてもよい。これに代えて、台座部１４０は、シリコンまたはガラス等によって形成される基板１１０の一部であってよい。なお、台座部１４０の厚みは、アクチュエータ１３０の最大変位量と同等もしくはそれ以下であってよい。ここで、アクチュエータ１３０の最大変位量とは、第１圧電膜１３６に印加できる最大の駆動電圧を印加した場合における、アクチュエータ１３０の変位量を意味してよい。
【００３３】
アクチュエータ１３０は、一例として、台座部１４０を介して基板１１０上に固定される。アクチュエータ１３０は、長さ方向Ｌの一方の端部で台座部１４０に支持される。第１圧電膜１３６に電圧を印加すると、アクチュエータ１３０において台座部１４０に支持されていない第２接点部側の端部は、厚さ方向に屈曲する（図中、下向きに変位する）、若しくは、反り返る（図中、上向きに変位する）ことができる。
【００３４】
また、アクチュエータ１３０は、台座部１４０に支持され、台座部１４０は、アクチュエータ１３０の上方で固定されてよい。例えば、アクチュエータ１３０は、アクチュエータ１３０を密封するパッケージに収納され、台座部１４０は、アクチュエータ１３０の上方に設けられる当該パッケージの蓋部に固定される。
【００３５】
第１電源部１８０は、第１圧電膜１３６に第１駆動電圧を印加する。第１電源部１８０は、制御部２００から受け取る制御信号に応じて、第１駆動電圧を第１圧電膜１３６に供給してよい。第２電源部１９０は、第２圧電膜１３８に第２駆動電圧を印加する。第２電源部１９０は、制御部２００から受信する制御信号に応じて、第２駆動電圧を第２圧電膜１３８に供給してよい。
【００３６】
制御部２００は、第１駆動電圧を出力する第１電源部１８０および第２駆動電圧を出力する第２電源部１９０を制御する。制御部２００は、第１電源部１８０および第２電源部１９０に制御信号を送信して、第１電源部１８０および第２電源部１９０を制御してよい。
【００３７】
制御部２００は、第１接点１２２と第２接点１３４とを接触させてスイッチ装置１００をＯＮ状態にする場合に、第１圧電膜１３６に第１駆動電圧を印加する。また、制御部２００は、第１接点１２２と第２接点１３４とを離間させてスイッチ装置１００をＯＦＦ状態にする場合に、第１圧電膜１３６への第１駆動電圧の供給を停止する。
【００３８】
また、制御部２００は、第１接点１２２と第２接点１３４とを離間させてスイッチ装置１００をＯＦＦ状態にする場合に、第２圧電膜１３８に第２駆動電圧を印加してよい。また、制御部２００は、第１接点１２２と第２接点１３４とを接触させてスイッチ装置１００をＯＮ状態にする場合に、第２圧電膜１３８への第２駆動電圧の供給を停止してよい。
【００３９】
制御部２００は、第１駆動電圧および第２駆動電圧として、予め定められた値を、対応する第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８にそれぞれ供給してよい。制御部２００は、電子回路等のハードウェアであってよく、これに代えて、プログラム等により動作するソフトウェアであってもよい。
【００４０】
以上の本実施例のアクチュエータ１３０は、一例として、厚さ方向Ｈに、電極層１６２（白金、０．２５μｍ）／第１圧電膜１３６（ＰＺＴ、０．５μｍ）／電極層１６４（白金、０．２５μｍ）／支持層１５０（ＳｉＯ２、４μｍ）／電極層１６６（白金、０．２５μｍ）／第２圧電膜１３８（ＰＺＴ、０．５μｍ）／電極層１６８（白金、０．２５μｍ）が積層される。また、アクチュエータ１３０は、全体の厚さ６μｍに対し、第２接点部１３２以外の部分が対称に形成されていてよい。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る圧電膜の印加電界と分極量の特性の一例を示す。図中の横軸は、圧電膜への印加電界を示す。ここで、印加電界は、圧電膜を挟む２枚の電極によって当該圧電膜に印加されるので、電界が加わる方向として、圧電膜の膜厚方向と並行に一方の電極に向く例えばプラス（＋）方向と、他方の電極に向く例えばマイナス（−）方向の二つがある。また、印加電界の電界強度は、２枚の電極に印加する電圧の絶対値に応じて増減する。
【００４２】
そこで、図中の横軸において、印加電界が零から右方向は、圧電膜に＋方向の電界が印加され、印加電界の強度の増加に応じて右方向に移動することを表す。また、印加電界が零から左方向は、圧電膜に−方向の電界が印加され、印加電界の強度の増加に応じて左方向に移動することを表す。縦軸は、印加電界に応じた圧電膜の分極量を示す。図に示されたように、強誘電体材料の圧電膜は、印加電界と分極量の特性が、印加電界圧の履歴に応じて異なる曲線上で遷移する（例えば、図中の曲線Ｏ−Ｌ−Ｍと曲線Ｏ−Ｎ−Ｍ）。
【００４３】
例えば、圧電膜が曲線Ｏ−Ｌ−Ｍの特性を示す状態において、電界強度がＥ１で分極量が零のＬ点から、Ｍ点を超えるように電界を一旦増加させると、圧電膜の特性が曲線Ｏ−Ｎ−Ｍに変化する。この結果、電界強度をＥ２にしないと、元の分極量の零に戻らなくなる。
【００４４】
例えば、このような圧電膜に、電界強度Ｅ１を印加して分極特性の分極量が零のＬ点にあった状態から、Ｍ点を超えるように＋方向の印加電界強度を増加させると、分極量を零にするべく印加電界を減少させてもＬ点には戻らずに、Ｎ点の方向に移動する状態に移行する。ここで、Ｌ点にあった状態から、Ｍ点を超えない範囲で印加電界強度を増加させた場合は、分極量を零にするべく印加電界をＥ１へと減少させるとＬ点の状態に戻る。
【００４５】
また、電界強度Ｅ２を印加して分極特性の分極量が零のＮ点にあった状態から、Ｏ点を超えるように−方向の印加電界強度を増加させると、分極量を零にするべく印加電界を減少させてもＮ点には戻らずに、Ｌ点の方向に移動する状態に移行する。ここで、Ｎ点にあった状態から、Ｏ点を超えない範囲で印加電界強度を増加させた場合は、分極量を零にするべく印加電界をＥ２へと減少させるとＮ点の状態に戻る。
【００４６】
このように、圧電膜に一旦Ｍ点を超える電界を印加してから印加電界を減少させると、圧電膜の状態は、印加電界に応じてＭ−Ｎ−Ｏの曲線のように変化する。ここで、圧電膜の分極量の正負は、Ｎ点を境に反転するので、Ｎ点の状態となる電界Ｅ２を抗電界と呼ぶ。また、圧電膜に印加する電界を、一旦Ｏ点を超えるまで減少させてから増加させると、圧電膜の状態は、印加電界に応じてＯ−Ｌ−Ｍの曲線のように変化する。ここで、圧電膜の分極量の正負は、Ｌ点を境に反転するので、Ｌ点の状態となる電界Ｅ１を抗電界と呼ぶ。
【００４７】
ここで、圧電膜の状態がＭ−Ｎ−Ｏ曲線のように変化する場合において、印加電界を抗電界Ｅ１近辺で変化させても、分極反転は生じない。同様に、圧電膜の状態がＭ−Ｏ−Ｌ−Ｍ曲線のように変化する場合において、印加電界を抗電界Ｅ２近辺で変化させても、分極反転は生じない。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る圧電膜の印加電界と変位の特性の一例を示す。図中の横軸は、圧電膜への印加電界を示す。＋方向と−方向で表される横軸は、図３で説明した横軸と同様なので説明は省略する。縦軸は、印加電界に応じた圧電膜の変位を示す。この特性は、図３の印加電界と分極量が履歴曲線を示す特性に対応した、圧電膜の変位の一例であり、当該変位特性も履歴曲線を示す。
【００４９】
例えば、図３において、圧電膜が曲線Ｏ−Ｌ−Ｍ上を遷移する状態において、Ｏ→Ｌ→Ｍと変化させた場合、圧電膜の分極量は、最小値から最大値へと変化する。ここで圧電膜の歪みは、分極量の絶対値に応じて増加するので、図３のＯ→Ｌ→Ｍの変化に応じて、図４においては、Ｃ→Ｄ→Ａと変位の極大値から極小値を経て再び極大値へと移動する。
【００５０】
ここで、圧電膜に抗電界Ｅ１を印加することで、変位は極小値となる。極小値および極大値の変位量は、圧電膜の材質および膜質等に起因し、本例のＰＺＴを用いた圧電膜は、変位の極大値が縮む方向であり、極小値が伸びる方向である。
【００５１】
また、このような圧電膜に一旦Ａ点を超える電界を印加してから印加電界を減少させると、圧電膜の変位は、図３のＭ→Ｎ→Ｏの変化に対応して、図４においては、Ａ→Ｂ→Ｃと変位の極大値から極小値を経て再び極大値へと移動する。ここで、圧電膜に抗電界Ｅ２を印加することで、変位は極小値となる。
【００５２】
圧電膜の伸縮を制御する場合、印加電界と変位がほぼリニアな関係を示す領域を用いることが望ましい。したがって、従来、このような特性を持つ圧電膜は、例えば、Ｇ点からＨ点の範囲で用いられるように、駆動電界を抗電界Ｅ２およびＥ１より小さい範囲で設定されていた。
【００５３】
そして圧電膜を伸ばす場合にはＨ点の状態に、縮ませる場合にはＧ点の状態にして、伸縮の変位の絶対値を略同一とするように制御する。このように制御することによって、例えば、上面と下面に圧電膜を備えたアクチュエータに対して、一方の圧電膜をＨ点の状態にして伸ばし、他方をＧ点の状態にして縮ませるバイモルフ駆動をさせていた。
【００５４】
ここで、圧電膜をゾル−ゲル法等で膜質を均一に成膜すること等で、圧電膜の印加電界に対する変位の特性は、図４に示すように、ほぼリニアな関係を示す領域が拡大する。したがって、このような圧電膜は、縮ませる方向としてＡ点の状態まで変位させることができる。そこで、本実施形態においては、このような圧電膜に対して、圧電膜を縮ませる場合はＩ点まで縮め、圧電膜を伸ばす場合はＨ点まで伸ばすように、伸縮を制御する。これにより、圧電膜の伸縮特性のほぼリニアな領域を用いることができ、アクチュエータの変位量を大きくすることができる。
【００５５】
即ち、制御部２００は、第１圧電膜１３６に第１の抗電界未満の電界を印加する電圧から、第１圧電膜１３６に第１の抗電界を超える電界を印加する電圧まで変化させて第１圧電膜１３６を縮ませ、第１圧電膜１３６に第２の抗電界未満の電界を印加する電圧を出力して第１圧電膜を伸ばす。本例において、第１の抗電界は図中の抗電界Ｅ１であり、第２の抗電界は抗電界Ｅ２である。即ち、制御部２００は、図中のＨ点からＩ点までの状態を用いて第１圧電膜１３６の伸縮を制御する。
【００５６】
これに代えて、制御部２００は、第１圧電膜１３６に第２の抗電界Ｅ２未満の電界を印加する電圧から、第２の抗電界Ｅ２を超える電界を印加する電圧まで変化させて第１圧電膜１３６を縮ませ、第１圧電膜１３６に第１の抗電界Ｅ１未満の電界を印加する電圧を出力して第１圧電膜を伸ばしてよい。即ち、制御部２００は、図中のＬ点からＭ点までの状態を用いて第１圧電膜１３６の伸縮を制御する。
【００５７】
これに代えて、制御部２００は、第１圧電膜１３６に第１の抗電界Ｅ１を超える電界を印加する電圧を用いて第１圧電膜を伸縮させてもよい。即ち、制御部２００は、図中のＪ点からＫ点までの状態を用いて第１圧電膜１３６の伸縮を制御する。これに代えて、制御部２００は、第１圧電膜１３６に第２の抗電界Ｅ２を超える電界を印加する電圧を用いて第１圧電膜を伸縮させてもよい。即ち、制御部２００は、図中のＱ点からＲ点までの状態を用いて第１圧電膜１３６の伸縮を制御する。
【００５８】
同様に、制御部２００は、第２駆動電圧を制御して、第２圧電膜１３８に第１の抗電界Ｅ１未満の電界を印加する電圧から、第２圧電膜１３８に第１の抗電界Ｅ１を超える電界を印加する電圧まで変化させて第２圧電膜１３８を縮ませ、第２圧電膜１３８に第２の抗電界Ｅ２未満の電界を印加する電圧を出力して第２圧電膜１３８を伸ばす。即ち、制御部２００は、図中のＨ点からＩ点までの状態を用いて第２圧電膜１３８の伸縮を制御する。
【００５９】
これに代えて、制御部２００は、図中のＬ点からＭ点までの状態、Ｊ点からＫ点までの状態、またはＱ点からＲ点までの状態を用いて第２圧電膜１３８の伸縮を制御してよい。このように、制御部２００は、圧電膜の印加電界と変位の特性に応じて、圧電膜を伸ばす場合と縮ませる場合の駆動電圧を制御することで、圧電膜をより大きく変位させることができる。
【００６０】
本実施例においては、このような圧電膜を設けたアクチュエータ１３０をスイッチ装置１００として利用することを説明した。この場合、アクチュエータ１３０は、第１圧電膜１３６の力の印加が停止するとアクチュエータ１３０を初期位置に戻す剛性を有する支持層１５０を設けているので、少なくとも、第２接点１３４を第１接点１２２の一方向に動かせればよい。したがって、制御部２００は、第１圧電膜１３６を縮ませてアクチュエータ１３０を第１接点１２２方向に動かすことで、圧電膜を伸ばす方向に比べて、最大変位量を大きくすることができる。
【００６１】
これによって、スイッチ装置１００は、ＯＦＦの状態の第２接点１３４と第１接点１２２を十分離間させることができ、アクチュエータ１３０の製造段階の残留応力、温度依存、または経年劣化等の理由により、そりが生じた場合に接点同士が接触することを防ぐことができる。また、この場合、スイッチ装置１００は、圧電膜の分極を反転させることなく一方向に動かすことでＯＮ／ＯＦＦを切り換えることができるので、圧電膜の分極を反転させて動作させた場合に比べて圧電膜の寿命を長くすることができる。
【００６２】
また、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を接触させる場合に、第１圧電膜１３６を縮める第１駆動電圧を第１圧電膜１３６に印加してアクチュエータ１３０を第１圧電膜１３６側へ曲げ、第１接点１２２および第２接点１３４を接触状態から切断状態へと切り替える場合に、第１駆動電圧を遮断すると共に、第２圧電膜１３８を縮める第２駆動電圧を第２圧電膜１３８に印加してアクチュエータ１３０の戻りを付勢する。
【００６３】
これによって、制御部２００は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８をそれぞれ一方向に動かすことで、圧電膜の押し込み力をＯＮ／ＯＦＦ動作の両方に用いることができる。このようなスイッチ装置１００は、ＯＦＦ状態にする場合に第２接点１３４と第１接点１２２とを離間させる方向にも外力を加えることができるので、接点同士の凝着を防ぐことができる。
【００６４】
また、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を接触状態から離間させる場合に、第１圧電膜１３６に第２の抗電界未満の電界を印加して第１圧電膜１３６を伸ばしてアクチュエータの戻りを付勢する。これによって、スイッチ装置１００は、圧電膜に分極反転を生じさせずに、圧電膜にアクチュエータの戻りを付勢させることができる。
【００６５】
ここで、制御部２００は、アクチュエータ１３０の初期位置、累積使用時間、または累積使用回数に応じて、第２圧電膜１３８によりアクチュエータ１３０の戻りを付勢するか否かを切り替えてよい。アクチュエータ１３０は、剛性を有する状態であれば、第１圧電膜１３６の力の印加が停止すると、アクチュエータ１３０は初期位置に戻る。したがって、スイッチ装置１００をＯＦＦ状態にする場合に、制御部２００は、アクチュエータ１３０が剛性を有する状態であれば、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢しなくてもよい。
【００６６】
ここで、制御部２００は、アクチュエータ１３０の累積使用時間または累積使用回数を記憶する。制御部２００は、一例として、予め定められた累積使用時間または累積使用回数に応じて、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢するか否かを切り替える。
【００６７】
より詳しくは、制御部２００は、記憶したアクチュエータ１３０の累積使用時間または累積使用回数が予め定められた基準時間よりも大きくなった場合に、アクチュエータ１３０の戻りを付勢する。これによって、スイッチ装置１００は、累積使用時間または累積使用回数に応じてアクチュエータ１３０の剛性が低減しても、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢するので、接点同士の凝着を防ぎ、また、スイッチングのオフ時間を略一定に保つことができる。
【００６８】
また、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４が切断状態の初期位置を測定して記憶してもよい。例えば、アクチュエータ１３０は、疲労が蓄積すると剛性が低減するので、初期位置が第１接点１２２側に移動する。
【００６９】
より詳しくは、制御部２００は、測定したアクチュエータ１３０の初期位置が記憶した初期位置よりも予め定められた基準距離以上に第１接点１２２側に移動した場合に、アクチュエータ１３０の戻りを付勢する。このように、スイッチ装置１００は、アクチュエータ１３０の初期位置に応じて、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢することで、接点同士の凝着を防ぎ、また、スイッチングのオフ時間を略一定に保つことができる。
【００７０】
ここで、スイッチ装置１００は、アクチュエータ１３０の初期位置を測定するモニタ部を設けてよい。モニタ部は、第１圧電膜１３６または第２圧電膜１３８の印加電圧が遮断された状態における圧電膜の変位電圧を測定してよい。例えば、モニタ部は、電極層１６６および電極層１６８に接続され、電極層間の電位差を第２圧電膜１３８に生成される変位電圧として検出する。
【００７１】
また、制御部２００は、要求されるスイッチング速度に応じて第２圧電膜１３８によりアクチュエータ１３０の戻りを付勢するか否かを切り替えてよい。ここで、要求されるスイッチング速度は、予め定められた一定のスイッチング速度であってよく、これに代えて、スイッチ装置１００が動作中に定められて動的に変化するスイッチング速度であってもよい。
【００７２】
制御部２００は、スイッチ装置１００のＯＮからＯＦＦに切り替わる場合に要求されるスイッチング速度が、アクチュエータ１３０が有する剛性で初期位置に戻る時間よりも遅い場合、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢しなくてよい。
【００７３】
また、制御部２００は、スイッチ装置１００の要求されるスイッチング速度が、アクチュエータ１３０が有する剛性で初期位置に戻るまでの速度よりも速い場合、第２圧電膜１３８によるアクチュエータ１３０の戻りを付勢する。これによって、スイッチ装置１００は、要求されるスイッチング速度が遅い場合は、圧電膜への駆動電圧を印加しないので、圧電膜を長寿命化させることができる。
【００７４】
以上の実施例において、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を接触状態から切断状態へと切り替える場合に、第１駆動電圧を遮断すると共に、第２圧電膜１３８を縮める第２駆動電圧を第２圧電膜１３８に印加してアクチュエータ１３０の戻りを付勢することを説明した。これに代えて、またはこれに加えて、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を接触させる場合に、第１圧電膜１３６に第１の抗電界Ｅ１未満の電界を印加する電圧から、第１の抗電界Ｅ１を超える電界を印加する電圧まで変化させて、第１圧電膜１３６を縮める第１駆動電圧を印加すると共に、第２圧電膜１３８の第２の抗電界Ｅ２未満の電界を与えて第２圧電膜を伸ばす第２駆動電圧を印加して押込みを付勢してよい。
【００７５】
これによって、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を強く接触させ、例えば接点間に形成される酸化膜または付着物等を除去することができるので、接点間の接触抵抗が増大することを防止できる。また、制御部２００は、押込みを付勢することによって、スイッチをＯＮ状態に切り替える切り換え時間を高速にすることができる。
【００７６】
また、制御部２００は、第１接点１２２および第２接点１３４を接触させる場合に、第１圧電膜１３６に第２の抗電界Ｅ２未満の電界を印加する電圧から、第２の抗電界Ｅ２を超える電界を印加する電圧まで変化させて、第１圧電膜１３６を縮める第１駆動電圧を印加すると共に、第２圧電膜１３８の第１の抗電界Ｅ１未満の電界を与えて第２圧電膜を伸ばす第２駆動電圧を印加してもよい。
【００７７】
この場合、制御部２００は、第１圧電膜１３６を縮めて第２圧電膜１３８を伸ばす、いわゆるバイモルフ動作をさせる。そして制御部２００は、それぞれの圧電膜の圧電特性に応じて、伸びる方向と縮む方向がそれぞれ最適な変位となるように駆動電圧をそれぞれ与え、かつ、分極反転しないようにそれぞれの圧電膜が一方向に動作するように制御する。これによって、制御部２００は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８を効率的に動作させ、かつ、長寿命化させることができる。
【００７８】
以上のように、圧電膜は、履歴曲線を有する複雑な特性を有するので、制御部２００は、予め第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の印加電圧と変位の特性を測定して測定結果を記憶してよい。また、圧電膜の履歴曲線は、印加電界の周波数に依存する場合があるので、制御部２００は、予め第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８の印加電圧と変位の周波数特性を測定して測定結果を記憶してもよい。制御部２００は、測定結果に基づいて第１駆動電圧および第２駆動電圧を設定してよい。
【００７９】
また、このような圧電膜は、同じ電界を印加しても、例えば、Ｈ点からＩ点までを遷移する状態にあるとは限らないので、制御部２００は、第１圧電膜１３６および第２圧電膜１３８に、スイッチ装置１００を動作させる初期段階において、予め定められた電界を印加してよい。例えば、制御部２００は、Ｈ点からＩ点までの状態を用いて第１圧電膜１３６の伸縮を制御する場合、初期段階において、第１圧電膜１３６にＡ点の超える電界を印加する。
【００８０】
図５は、本実施形態に係る試験装置４１０の構成例を被試験デバイス４００と共に示す。試験装置４１０は、アナログ回路、デジタル回路、アナログ／デジタル混載回路、メモリ、およびシステム・オン・チップ（ＳＯＣ）等の少なくとも１つの被試験デバイス４００を試験する。試験装置４１０は、被試験デバイス４００を試験するための試験パターンに基づく試験信号を被試験デバイス４００に入力して、試験信号に応じて被試験デバイス４００が出力する出力信号に基づいて被試験デバイス４００の良否を判定する。
【００８１】
試験装置４１０は、試験部４２０と、信号入出力部４３０と、制御装置４４０とを備える。試験部４２０は、被試験デバイス４００との間で電気信号を授受して被試験デバイス４００を試験する。試験部４２０は、試験信号発生部４２３と、期待値比較部４２６とを有する。
【００８２】
試験信号発生部４２３は、信号入出力部４３０を介して１または複数の被試験デバイス４００に接続されて、被試験デバイス４００へ供給する複数の試験信号を発生する。試験信号発生部４２３は、試験信号に応じて被試験デバイス４００が出力する応答信号の期待値を生成してよい。
【００８３】
期待値比較部４２６は、信号入出力部４３０から受信した被試験デバイス４００の応答信号に含まれるデータ値と試験信号発生部４２３が生成する期待値とを比較する。期待値比較部４２６は、比較結果に基づき、被試験デバイス４００の良否を判定する。
【００８４】
信号入出力部４３０は、試験すべき被試験デバイス４００と試験部４２０との間を電気的に接続して、試験信号発生部４２３が発生した試験信号を当該被試験デバイス４００に送信する。また、信号入出力部４３０は、試験信号に応じて当該被試験デバイス４００が出力する応答信号を受信する。信号入出力部４３０は、受信した被試験デバイス４００の応答信号を期待値比較部４２６へと送信する。信号入出力部４３０は、複数の被試験デバイス４００を搭載するパフォーマンスボードであってよい。信号入出力部４３０は、スイッチ装置１００を有する。
【００８５】
スイッチ装置１００は、試験部４２０および被試験デバイス４００の間に設けられ、試験部４２０および被試験デバイス４００の間を電気的に接続または切断する。試験装置４１０は、本実施形態に係るスイッチ装置１００によって電気的な接続または切断を実行してよい。
【００８６】
本例において、信号入出力部４３０は１つの被試験デバイス４００に接続され、スイッチ装置１００は、１つの被試験デバイス４００の入力信号ラインおよび出力信号ラインにそれぞれ１つ設けられる例を説明した。これに代えて信号入出力部４３０は、複数の被試験デバイス４００に接続され、スイッチ装置１００は、複数の被試験デバイス４００の入力信号ラインおよび出力信号ラインのそれぞれに１つ設けられてよい。また、信号入出力部４３０から１つの被試験デバイス４００へ接続される信号入出力ラインが１つの場合、１つの入出力ラインに１つのスイッチ装置１００が設けられてよい。
【００８７】
制御装置４４０は、試験装置４１０の試験を実行すべく、試験部４２０および信号入出力部４３０に制御信号を送信する。制御装置４４０は、試験プログラムに応じて、試験部４２０に、試験信号の発生または応答信号と期待値との比較等を実行させる制御信号を送信する。また、制御装置４４０は、試験プログラムに応じて、接続すべき信号入出力ラインに設けられたスイッチ装置１００の接続の指示、および切断すべき信号入出力ラインに設けられたスイッチ装置１００の切断の指示等を、信号入出力部４３０に送信する。
【００８８】
以上の本実施形態に係る試験装置４１０は、圧電膜の圧電特性に応じた変位量でアクチュエータ１３０を動作させ、最大変位量を大きくしたスイッチ装置１００を用いて試験を実行することができる。また、試験装置４１０は、電圧制御による低消費電力のスイッチング制御で、かつ、長寿命化させたスイッチ装置１００を用いて試験を実行することができる。また、試験装置４１０は、接点間の凝着を低減させたスイッチ装置１００を用いて試験を実行することができる。
【００８９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９１】
１００  スイッチ装置、１１０  基板、１１２  ビア、１１４  配線部、１２０  第１接点部、１２２  第１接点、１３０  アクチュエータ、１３２  第２接点部、１３４  第２接点、１３６  第１圧電膜、１３８  第２圧電膜、１４０  台座部、１５０  支持層、１５２  露出部、１６２  電極層、１６４  電極層、１６６  電極層、１６８  電極層、１８０  第１電源部、１９０  第２電源部、２００  制御部、４００  被試験デバイス、４１０  試験装置、４２０  試験部、４２３  試験信号発生部、４２６  期待値比較部、４３０  信号入出力部、４４０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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