(57)【要約】【課題】低電圧であってもスイッチングを的確に行うことができるスイッチを提供する。【解決手段】相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、基板に支持される第１の振動板、及び、第２の振動板と、前記第１の振動板の一方面側に設けられ、前記スイッチング電極の一方とされる第１スイッチング電極１０と、前記第１スイッチング電極と所定の間隔をあけて相対向して配置された前記スイッチング電極の他方とされる第２スイッチング電極１１と、前記第２の振動板の一方面側に設けられる圧電素子２０と、前記第１の振動板の他方面及び前記第２の振動板の他方面に亘り封入され、前記圧電素子をたわみ変形させて前記第１の振動板を変位させることで、前記第２の振動板を変位させる液体と、を備え、前記第２の振動板を変位させることで前記第１スイッチング電極１０及び前記第２スイッチング電極１１を介してスイッチングを行う。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、
基板に支持される第１の振動板、及び、第２の振動板と、
前記第１の振動板の一方面側に設けられ、前記スイッチング電極の一方とされる第１スイッチング電極と、
前記第１スイッチング電極と所定の間隔をあけて相対向して配置された前記スイッチング電極の他方とされる第２スイッチング電極と、
前記第２の振動板の一方面側に設けられる圧電素子と、
前記第１の振動板の他方面及び前記第２の振動板の他方面に亘り封入され、前記圧電素子をたわみ変形させて前記第１の振動板を変位させることで、前記第２の振動板を変位させる液体と、を備え、
前記第２の振動板を変位させることで前記第１スイッチング電極及び前記第２スイッチング電極を介してスイッチングを行う
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載のスイッチにおいて、
前記液体は液体室に封入され、
前記第１の振動板、及び、前記第２の振動板は前記液体室の壁面の一部を構成している
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載のスイッチにおいて、
前記第１の振動板、及び、前記第２の振動板は共通の振動板であり、
前記第１スイッチング電極及び前記圧電素子は、前記共通の振動板の同一面に隣接して設けられている
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項４】
請求項３に記載のスイッチにおいて、
前記第１の振動板の他方面側の前記液体との接触面積に対し、前記第２の振動板の他方面側の前記液体との接触面積が大きくされている
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスイッチにおいて、
駆動パルスを前記圧電素子に印加するパルス印加手段を備え、前記圧電素子を共振モードで共振させる
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスイッチと、
前記スイッチングがオンの状態にある際に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が接続動作している時に、電力が蓄積されるコンデンサーと、
前記スイッチングがオンの状態にある際に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が接続状態にある時に電力が出力されると共に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が非接続状態にある時に前記コンデンサーに蓄積された電力が出力される回路部とを備えた
ことを特徴とするスイッチ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のスイッチ装置の駆動方法において、
前記圧電素子にパルス電圧を印加して前記圧電素子を所定の共振モードで共振させることにより前記第２の振動板を変位させ、前記第１の振動板を変位させて前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極のスイッチングを行う
ことを特徴とするスイッチ装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ及びスイッチ装置及びスイッチ装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、集積回路のオン期間及びオフ期間を切り替えるための微細機械部品として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチが知られている。ＭＥＭＳスイッチでは、電界効果トランジスタ等を用いた半導体スイッチと異なり、金属接点の機械的接触によってオン状態又はオフ状態にスイッチングされる。
【０００３】
このようなＭＥＭＳスイッチとして、静電アクチュエータ電極間での静電引力を駆動源としたものが知られている。例えば、固定基板に設けた固定電極と、固定基板に弾性支持される可動基板における可動電極との間の静電引力によって可動基板を変位させ、固定基板に設けた信号線と、可動基板に設けた可動接点との間のスイッチングを行うものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、固定電極及び可動電極の間（静電アクチュエータ電極間）での放電を回避するため、十分な電極間距離を設けてこれらの電極を配置している。このため、信号線及び可動接点を接触させるために大きな静電引力が必要となっていた。大きな静電引力を得るため、高電圧化が避けられないという問題があり、信頼性が低下し、かつ、コストが増加することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６１０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧であってもスイッチングを的確に行うことができるスイッチを提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧であってもスイッチングを的確に行うことができるスイッチを備えたスイッチ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧であってもスイッチングを的確に行うことができるスイッチ装置の駆動方法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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明のスイッチは、相対向して配置された一対のスイッチング電極を具備するスイッチであって、基板に支持される第１の振動板、及び、第２の振動板と、前記第１の振動板の一方面側に設けられ、前記スイッチング電極の一方とされる第１スイッチング電極と、前記第１スイッチング電極と所定の間隔をあけて相対向して配置された前記スイッチング電極の他方とされる第２スイッチング電極と、前記第２の振動板の一方面側に設けられる圧電素子と、前記第１の振動板の他方面及び前記第２の振動板の他方面に亘り封入され、前記圧電素子をたわみ変形させて前記第１の振動板を変位させることで、前記第２の振動板を変位させる液体と、を備え、前記第２の振動板を変位させることで前記第１スイッチング電極及び前記第２スイッチング電極を介してスイッチングを行うことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、圧電素子を駆動源として圧電素子をたわみ変形させ、変位を第２の振動板から液体を介して第１の振動板に伝達し、第１スイッチング電極及び第２スイッチング電極をスイッチングさせる。これにより、液体への変位の伝達を制御することで、圧電素子の変形による第２の振動板の変位を第１の振動板に増幅して伝達することができ、第１スイッチング電極及び第２スイッチング電極のスイッチングを的確に行うことができる。従って、圧電素子に印加する電圧が低電圧であってもスイッチングを的確に行うことが可能になる。
【００１１】
そして、前記液体は液体室に封入され、前記第１の振動板、及び、前記第２の振動板は前記液体室の壁面の一部を構成していることを特徴とする。
液体が封入される液体室の壁面の一部が第１の振動板、及び、第２の振動板で構成される。
【００１２】
また、前記第１の振動板、及び、前記第２の振動板は共通の振動板であり、前記第１スイッチング電極及び前記圧電素子は、前記共通の振動板の同一面に隣接して設けられていることを特徴とする。
共通の振動板の一方面側に第１スイッチング電極及び圧電素子を並設し、振動板の他方面側に液体を配することができる。
【００１３】
また、前記第１の振動板の他方面側の前記液体との接触面積に対し、前記第２の振動板の他方面側の前記液体との接触面積が大きくされていることを特徴とする。
第２の振動板の他方面側の液体との接触面積が大きいので、第２の振動板の変位が小さい場合でも、液体を介して十分な力が第１の振動板に伝わり、圧電素子のたわみ変形が小さくても第１スイッチング電極及び第２スイッチング電極のスイッチングが確実になる。
【００１４】
また、駆動パルスを前記圧電素子に印加するパルス印加手段を備え、前記圧電素子を共振モードで共振させることを特徴とする。
圧電素子を共振モードで共振させることで、第２の振動板の変位、液体の振動、第１の振動板の変位が共振により増幅され、圧電素子を共振させる期間のオン状態を維持することができる。
【００１５】
上記目的を達成するための本発明のスイッチ装置は、上記態様のスイッチと、前記スイッチングがオンの状態にある際に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が接続動作している時に、電力が蓄積されるコンデンサーと、前記スイッチングがオンの状態にある際に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が接続状態にある時に電力が出力されると共に、前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極が非接続状態にある時に前記コンデンサーに蓄積された電力が出力される回路部とを備えたことを特徴とする。
スイッチングがオンの状態にある際には、第１スイッチング電極と第２スイッチング電極の接触状態に拘わらず、接触による電力、コンデンサーからの電力が出力され、第１スイッチング電極と第２スイッチング電極を常時接触させるための高電圧を印加する必要がなく、第１スイッチング電極と第２スイッチング電極が非接触状態となることがある低い電圧の印加であっても、回路部から電力を出力することができる。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明のスイッチ装置の駆動方法は、前記圧電素子にパルス電圧を印加して前記圧電素子を所定の共振モードで共振させることにより前記第２の振動板を変位させ、前記第１の振動板を変位させて前記第１スイッチング電極と前記第２スイッチング電極のスイッチングを行うことを特徴とする。
圧電素子の変形を共振により第２の振動板に伝えるので、圧電素子の変形がわずかとなる低電圧の印加であっても、スイッチングを的確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】スイッチの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】スイッチの概略構成を示す平面図及び断面図である。
【図３】スイッチの製造例を示す断面図である。
【図４】スイッチの製造例を示す断面図である。
【図５】スイッチ装置の概略構成を示す回路図である。
【図６】共振状態における圧電素子の変形量を説明する図である。
【図７】スイッチ装置の電流密度の経時変化を説明する図である。
【図８】スイッチ装置の動作を説明する断面図である。
【図９】実施形態２に係るスイッチの概略構成を示す断面図である。
【図１０】実施形態３に係るスイッチの概略構成を示す断面図である。
【図１１】実施形態３に係るスイッチの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施例に係るスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）１の概略構成を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、スイッチ１の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）をＡ−Ａ′線で切断した長手方向の中央断面図である。
【００１９】
スイッチ１では、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１が、所定の間隔を介して相対向して設けられている。第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１は、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属元素や導電性ポリマー等を用いることができるが、導電性を有する材料であれば前記の材料に限定されない。
【００２０】
第１スイッチング電極１０は、振動板２の中央から端部寄り（第１の振動板）の上面（一方面側）に設けられている。本実施例では、振動板２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜１２と、弾性膜１２上に設けられた酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体層１３とからなる。尚、振動板２の構成はこれに限定されるものではなく、後述する圧電素子のたわみ変形を有効に第１スイッチング電極１０に伝えるものであればよい。
【００２１】
振動板２の中央を挟んで第１スイッチング電極１０と反対側（第２の振動板）の上面（一方面側）には、例えば、厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン（ＴｉＯ２）等からなる密着層１４を介して圧電素子２０が設けられている。圧電素子２０は、密着層１４側から順に積層された、第１電極２１と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層２２と、第２電極２３とからなり、本実施例においてスイッチングの駆動源となるものである。
【００２２】
第１の振動板と第２の振動板は共通の振動板２であり、第１スイッチング電極１０と圧電素子２０は、共通の振動板２の同一面に隣接して設けられている。
【００２３】
第１電極２１及び第２電極２３は、導電性を有する材料を用いて構成され、引き出し配線（図示省略）により後述する電源装置に電気的に接続されている。これにより、制御信号に基づいて、第１電極２１及び第２電極２３に対して所定の電圧（パルス電圧）が印加される。
【００２４】
圧電体層２２は、例えばビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物として構成することができる。これによれば、鉛を含まない圧電素子２０を構成できるようになり、環境への負荷を低減できる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、組成式（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ３で表される。
【００２５】
ただし、圧電体層２２は、圧電性を有する材料であれば前記の材料に限定されず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）及びこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体を用いることもできる。
【００２６】
振動板２は、シリコン基板などの基板１５上に設けられている。また、基板１５には中空部２５が形成され、基板１５の下側には中空部２５を封止するプレート１８が接着されている。プレート１８は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等を用いて構成することができる。
【００２７】
基板１５の中空部２５は、振動板２、基板１５、プレート１８により液体室とされ、振動板２により液体室の壁面の一部が構成されている。このような構成により、圧電素子２０のたわみ振動によって振動板２及び第１スイッチング電極１０が変位可能な空間が中空部２５に確保されている。尚、振動板２は、基板１５上に薄膜プロセスにより形成されたものでもよいし、別途形成した薄膜を基板１５に接合したものでもよい。
【００２８】
中空部２５（液体室）には液体３３が封入されている。振動板２の下面（他方面側）には仕切り部材２７が設けられ、仕切り部材２７により第１振動板と第２振動板の部位が振動板２の下面で区画されている。つまり、仕切り部材２７により、第１スイッチング電極１０が設けられる第１の振動板の部位と、圧電素子２０が設けられる第２の振動板の部位とが仕切られている。そして、仕切り部材２７が設けられることにより、第１の振動板の下面の中空部２５との接触面積（液体３３との接触面積）に対し、第２の振動板の下面の中空部２５との接触面積（液体３３との接触面積）が大きくされている。
【００２９】
中空部２５（液体室）に封止される液体３３は、スイッチ１の主たる使用環境で液相が維持され、圧電素子２０のたわみ変形による振動板２の変位を伝達可能な物性を維持するものであればよい。圧電素子２０のたわみ変形によって、第２の振動板の部位の振動板２が液体の体積を減少させる方向に変位し、液体を介して第１の振動板の部位の振動板２が上方に変位する。第１の振動板の部位の振動板２の液体との接触面積が小さいため、第２の振動板の部位の振動板２の変位が小さくても、第１の振動板の部位の振動板２を十分に変位させることができる。
【００３０】
一方、振動板２の上方には上部基板３０が配され、上部基板３０には第１スイッチング電極１０及び圧電素子２０が配される空間が形成されている。上部基板３０の上面は固定プレート１９が設けられ、固定プレート１９の下面に第２スイッチング電極１１が設けられている。振動板２上の第１スイッチング電極１０と、固定プレート１９の下面の第２スイッチング電極１１とが、所定の間隔を介して相対向するようになっている。尚、固定プレート１９は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等を用いて構成することができ、第２スイッチング電極１１は、絶縁体層を介して設けられる。
【００３１】
第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１の接触面は、多少の表面粗さを有するものであっても問題ない。ただし、所定値以上の表面粗さを有すると、接触面圧が高くなり、接触が繰り返されることで劣化しやすくなる。よって、かかる接触面は、平坦であるほど好ましい。
【００３２】
スイッチ１の基本的な動作は以下の通りである。即ち、後述する電源装置により第１電極２１及び第２電極２３に所定の電圧（パルス電圧）が印加されると、圧電素子２０がたわみ変形し、第２の振動板に相当する部位の振動板２が下方に変位する。第２の振動板の部位の振動板２が液体３３の体積を減少させる方向に変位し、液体３３を介して第１の振動板の部位の振動板２が上方に変位する。その結果、第１スイッチング電極１０が上方に移動して第２スイッチング電極１１に接触し、スイッチオン状態となる。
【００３３】
第１の振動板の部位（第１スイッチング電極１０に対応する部位）の振動板２の液体３３との接触面積が、第２の振動板の部位（圧電素子２０に対応する部位）の振動板２の液体３３との接触面積よりも小さいので、圧電素子２０の変形が小さくても、第１の振動板の部位の振動板２が十分に変位し、的確にスイッチオン状態となる。
【００３４】
その後、圧電素子２０への電圧の印加が停止して圧電素子２０がもとの状態に戻ると、振動板２の変位が元に戻り、第１スイッチング電極１０が第２スイッチング電極１１から離れ、スイッチオフ状態にされる。圧電素子２０への電圧印加のオン・オフに応じてスイッチングが繰り返される。このように、スイッチ１では、圧電素子２０がスイッチングの駆動源とされるため、圧電素子２０をたわみ変形させる所定の電圧を印加して、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１をスイッチングさせることができる。
【００３５】
次に、スイッチ１の製造方法の一例について、図３、図４を参照して説明する。図３、図４はスイッチ１の長手方向の断面図である。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１５を構成する基板形成材２４上に、弾性膜１２を熱酸化等で形成後、弾性膜１２上に、ジルコニウムを成膜した後、例えば５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体層１３を形成する。そして、絶縁体層１３上に、密着層１４をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。
【００３７】
その後、図３（ｂ）に示すように、密着層１４上に、第１電極２１をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、この密着層１４及び第１電極２１が所定の形状となるように同時にパターニングする。また、第１スイッチング電極１０（例えば、第１電極２１と同一材料）をスパッタリング法や蒸着法等により形成する。
【００３８】
次いで、図３（ｃ）に示すように、第１電極２１上に圧電体層２２を積層する。圧電体層２２は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。
【００３９】
具体的には、第１電極２１上に、例えばビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含有する金属錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＣＳＤ溶液（前駆体溶液）をスピンコート法等で塗布して前駆体膜を形成する（塗布工程）。次いで、この前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、乾燥した前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。その後、前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体層２２を形成する（焼成工程）。
【００４０】
その後、図３（ｄ）に示すように、圧電体層２２に、第２電極２３をスパッタリング法や熱酸化等により形成する。これにより、密着層１４上に、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３からなる圧電素子２０が形成される。
【００４１】
次に、図４（ａ）に示すように、基板形成材２４上の全周に、マスク膜５０を形成する。そして、図４（ｂ）に示すように、マスク膜５０を介して基板形成材２４をＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、基板形成材２４の一部を除去して空隙を形成する。さらに、空隙にマスク膜５０を形成する。
【００４２】
その後、図４（ｃ）に示すように、マスク膜５０を介して空隙の基板形成材２４をＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、基板形成材２４の一部を除去して仕切り部材２７を形成する。図４（ｄ）に示すように、プレート１８を接着して中空部２５を形成する。
【００４３】
そして、第１スイッチング電極１０及び圧電素子２０を上部基板３０で覆い、下面に第２スイッチング電極１１が設けられた固定プレート１９を上部基板３０に接合する。以上のように、スイッチ１を製造することができる。
【００４４】
次に、上述したスイッチ１を用いたスイッチ装置３５について、図５を参照して説明する。図５は、スイッチ装置３５の概略構成を示す回路図である。
【００４５】
スイッチ１のうち、第１電極２１及び第２電極２３はパルス印加手段としての電源装置３１に電気的に接続されており、制御信号に基づいて所定の駆動パルス信号が印加される。また、スイッチ１のうち、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１は、それぞれ配線３６、３７を介してスイッチ１のスイッチング信号の出力端子となる端子３８、３９が接続され、回路部としての出力回路４０を構成している。
【００４６】
第２スイッチング電極１１に接続された配線３７には、交流電源４１が設けられており、制御信号に基づいて、所定の交流電圧が印加される。また、配線３６及び配線３７に亘り抵抗４３が設けられ、抵抗４３と並列にコンデンサー４４が設けられている。
【００４７】
スイッチ１によるスイッチングがオンの状態にあり、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が接続動作している時に、コンデンサー４４に電力が蓄積される。そして、スイッチ１によるスイッチングがオンの状態にあり、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が接続状態にある時に端子３８、３９から電力が出力されると共に、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１の接触が非接続状態になった時には、コンデンサー４４に蓄積された電力が端子３８、３９から出力される。
【００４８】
つまり、上述した出力回路４０は、スイッチ１のスイッチングがオンの状態にある際（圧電素子２０にパルス電圧が印加されている期間）は、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が非接触状態になっても電力が端子３８、３９から出力される。このため、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が非接触状態になる程度の低電圧で圧電素子２０にパルス電圧が印加されても、スイッチ１によるスイッチングをオン状態に維持することができる。
【００４９】
上述したスイッチ装置３５は、圧電素子２０を、厚さ方向の変位が最大となる共振モード、特に、１次共振モードで共振させるように構成されている。図６は、駆動パルスの周波数と、圧電素子２０の厚さ方向の変位との関係を示す図である。図６に示すように、圧電素子２０に印加する駆動パルスの周波数が、例えば、圧電素子２０の共振周波数ｆになるとき、圧電素子２０は、例えば１次共振モードで共振し、厚さ方向の変位が最大となることが分かる。
【００５０】
同様に、振動板２の共振、液体３３の共振が制御されることで、圧電素子２０の変形が小さくても、第２の振動板に該当する部位の振動板２を変位させ、第２の振動板の部位の共振、液体３３の質量移動による共振、第１の振動板の部位の共振により、第１の振動板の部位の振動板２を変位させて第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１のスイッチングが行なわれる。
【００５１】
圧電素子２０の変形を共振により第１の振動板の部位の振動板２に伝えるので、圧電素子２０の変形がわずかとなる低電圧の印加であっても、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１の接触を促進し、スイッチングを的確に行うことができる。そして、コンデンサー４４に蓄積された電力が端子３８、３９から出力される出力回路４０の構成と相俟って、スイッチングの期間である圧電素子２０にパルス電圧を印加している期間は、端子３８、３９から電力を確実に出力させることができる。
【００５２】
所望の共振状態を得るには、振動する部材の質量、形状、構造及び材料等によって共振周波数が決まるため、圧電素子２０や振動板２の質量、形状、構造及び材料や、液体３３の物性等を考慮し、圧電素子２０共振周波数ｆを設定する。共振周波数ｆは、所定のインピーダンスアナライザを第１電極２１及び第２電極２３に電気的に接続する等して測定することができる。
【００５３】
スイッチ装置３５では、共振周波数ｆは１．０〜４．０ＭＨｚの範囲内の値とすることができる。共振周波数ｆとして上記範囲内の値が選択されることで、駆動パルスを印加して圧電素子２０を共振させる構成を容易に実現できるようになる。
【００５４】
また、スイッチ装置３５では、振動板２の厚さは０．５〜２．０μｍであることが好ましく、１．０〜１．５μｍであることがより好ましい。振動板２の厚さが上記範囲内の値とされることで、共振状態となる圧電素子２０に対しても機械的強度を保ちやすく、かつ、圧電素子２０の変位が振動板２により過度に抵抗を受けにくくなる。
【００５５】
また、スイッチ装置３５では、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１との電極間距離は、共振状態の圧電素子２０の変位（例えば０．３μｍ／Ｖ以上）によって接触可能な距離であることが好ましい。電極間距離が上記範囲内の値であることにより、圧電素子２０の共振状態を利用して、低電圧で第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１をスイッチングさせることが可能になる。
【００５６】
本実施形態のスイッチ装置３５において、電源装置３１から共振モードで駆動する駆動パルスは、電圧印加のオン状態及びオフ状態を所定周波数で繰り返すものであるため、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が非接触状態になり、スイッチ１からの出力は、本来、所定周波数でオン・オフされるものである。本実施例は、コンデンサー４４が設けられているので、駆動パルスが印加される印加期間の間、第１スイッチング電極１０と第２スイッチング電極１１が非接触状態になってもスイッチ１は電力を出力してオンの信号が出力される。この点は以下に詳述する。
【００５７】
スイッチ装置３５には、駆動パルスのオン状態では、スッチングオンの信号が出力されると同時にコンデンサー４４に蓄電される。また、駆動パルスのオフ状態でも、コンデンサー４４に蓄電された電流が放電され、スイッチングオンの信号が出力される。即ち、スイッチ装置３５においては、駆動パルスのオン状態又はオフ状態に関係なく、駆動パルスが印加される印加期間の間、継続してスイッチングオンの出力が得られるようになる。
【００５８】
このようなスイッチ装置３５の機能を、図７を参照しつつ説明する。図７は、駆動パルスのオン状態及びオフ状態と、出力回路における電流密度との関係を説明するタイムチャートである。ここで、電源装置３１から駆動パルスが印加される印加期間Ｔが、矢印範囲によって示されている。
【００５９】
時刻０では、駆動パルスは印加されておらずスイッチオフ状態にある。よって、スイッチ装置３５の出力回路では電流は流れない。時刻ｔ１において駆動パルスが印加され、駆動パルスの電圧印加状態となると、スイッチオン状態となる。その結果、出力回路において電流密度が所定値まで上昇する。時刻ｔ１以降、出力回路を流れる電流は、端子３８、３９から出力されると同時に、コンデンサー４４に蓄電される。
【００６０】
時刻ｔ２において駆動パルスがオフ状態になると、出力回路において開回路が形成されるが、時刻ｔ１〜時刻ｔ２においてコンデンサー４４に蓄電された電流が、時刻ｔ２以降に放電される。その結果、出力回路における電流密度は、所望の値が維持され、スイッチングオンの信号が出力されたままとなる。
【００６１】
時刻ｔ２以降、コンデンサー４４から放電される電流がなくなって電流密度が大きく低下する前に、時刻ｔ３において駆動パルスがオン状態になる。このため、出力回路において閉回路が形成され、電流密度が保たれて所望の値が維持される。そして、時刻ｔ３以降、出力回路を流れる電流がスイッチングオン信号として出力されると同時に、コンデンサー４４に蓄電される。
【００６２】
このように、駆動パルスのオン状態又はオフ状態の周期を通して、出力回路ではオフ状態のときに一時的に開回路が形成されるが、出力回路からはスイッチングオンの信号が出力され続ける。
【００６３】
以降、駆動パルスのオン状態又はオフ状態が、時刻ｔ１〜時刻ｔ３と同じ要領で、時刻ｔ３〜時刻ｔ５、時刻ｔ５〜時刻ｔ７、時刻ｔ７〜時刻ｔ９で繰り返され、例えば、時刻ｔ１１において駆動パルスのオン状態又はオフ状態の周期が停止され、印加期間が終了する。これにより、スイッチ装置３５では、駆動パルスが印加される印加期間Ｔ（時点ｔ１〜時点ｔ１１）に、駆動パルスのオン状態及びオフ状態に関わらず、出力回路からはスイッチングオンの信号が出力される。
【００６４】
このようなスイッチ装置３５におけるスイッチ１の動作について、図８を参照しつつ具体的に説明する。図８は、圧電素子２０が変形した際のスイッチ１の断面図である。
【００６５】
圧電素子２０に駆動パルスが印加されると、図８に示すように、圧電素子２０が変形して第２振動板の部位の振動板２が下側に変位する。その結果、液体３３が押されて第１の振動板の部位の振動板２が上方に変位する。第１の振動板の部位（第１スイッチング電極１０に対応する部位）の振動板２の液体３３との接触面積が、第２の振動板の部位（圧電素子２０に対応する部位）の振動板２の液体３３との接触面積よりも小さいので、圧電素子２０の変形が小さくても、第１の振動板の部位の振動板２が十分に変位し、的確にスイッチオン状態となる。
【００６６】
スイッチ装置３５のスイッチ１では、電源装置３１からの駆動パルスの印加停止のほか、駆動パルスの周波数が共振周波数ｆから所定量ずれた場合にもオフ状態にされる。これは、駆動パルスの周波数が共振周波数ｆから所定量ずれると、圧電素子２０の共振状態が得られなくなり、第１スイッチング電極１０が第２スイッチング電極１１のスイッチングが困難となるためである。即ち、スイッチ装置３５でのスイッチ１は、電源装置３１から、共振周波数ｆを有する駆動パルスが印加された場合のみオン状態にされる、フィルター作用を奏するとも言える。
【００６７】
以上説明したスイッチ装置３５によれば、圧電素子２０を駆動源として圧電素子２０をたわみ変形させ、変位を第２の振動板の部位の振動板２から液体３３を介して第１の振動板の部位の振動板２に伝達し、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１をスイッチングさせる。これにより、液体３３への変位の伝達を制御することで、圧電素子２０の変形による第２の振動板の部位の振動板２の変位を第１の振動板の部位の振動板２に増幅して伝達することができ、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１のスイッチングを的確に行うことができる。従って、圧電素子２０に印加する電圧が低電圧であってもスイッチングを的確に行うことが可能になる。
【００６８】
そして、コンデンサー４４の蓄電及び放電機能により、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１が接触している期間はもちろん、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１が非接触状態にある期間にも、電流の流れを確保でき、所定のオン期間を得ることができる。更に、スイッチ装置３５のスイッチ１では、共振状態を利用して、振動板２及び第１スイッチング電極１０が大きく変位するようになり、スイッチ装置３５において、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１が常時接触させる高い電圧を印加しなくても、低電圧でスイッチングさせることが可能となる。
【００６９】
（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２に係るスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）１Ｂの概略構成を示す断面図である。
【００７０】
図に示すように、本実施形態のスイッチ１Ｂでは、圧電素子２０を覆う保護膜５１が形成されている。これによれば、薄膜プロセス等によって圧電体層が薄膜状（例えば３μｍ以下）に形成される場合、すなわち、第１電極２１及び第２電極２３が非常に近い距離で配置される場合であっても、水分（湿気）等に起因して、第１電極２１及び第２電極２３の間で電流がリークすることを防止することができる。よって、低電圧でスイッチングを行うことができ、信頼性の高いスイッチを提供することができる。
【００７１】
保護膜５１は、主に圧電素子２０の側面を覆うように形成することができる。これによれば、第１電極２１及び第２電極２３の間で電流がリークすることを防止することができる上、圧電素子２０の全面を保護膜で覆う場合と比較して、圧電素子の変形が阻害されにくくなる。
【００７２】
また、保護膜５１は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の無機絶縁材料或いはポリイミドなどの有機絶縁材料を用いて構成することができ、一層に限られず、複数層形成してもよい。このように、保護膜５１は、圧電素子２０のたわみ変形を過度に阻害しない限りにおいて、その材料、厚さ、形状等は制限されない。
【００７３】
（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３に係るスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）１Ｃの概略構成を示す断面図である。
【００７４】
図に示すように、本実施形態のスイッチ１Ｃでは、圧電体層２２ｂが、第１電極２１及び密着層１４を覆うように設けられている。これによれば、圧電体層２２ｂが上記の保護膜としての機能を兼ねるため、実施形態２のスイッチ１Ｂと同様に信頼性を向上させることができる。さらに、実施形態２のスイッチ１Ｂと比較して保護膜を省略でき、製造コストを低下させることができる。
【００７５】
第１電極２１等を覆う圧電体層２２ｂは、第２電極２３側（図１０の上側）に向かうにつれ、圧電体層２２ｂの幅が狭くなるようにその側面を傾斜状に構成することができる。ただし、その側面は、垂直状や階段状に構成してもよい。このように、第１電極２１等を覆う圧電体層２２ｂの形状は、圧電素子のたわみ変形を過度に阻害しない限りにおいて制限されない。
【００７６】
（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４に係るスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）の概略構成を示す断面図である。
【００７７】
図示するように、本実施形態では、実施形態１で説明したスイッチ１ａ、１ｂ、１ｃが複数（図１１では３つ）アレイ状に電気的に並列配置され、スイッチアレイ５２が構成されている。このようなスイッチアレイ５２によれば、該スイッチアレイを構成する一部のスイッチに生じる故障等の影響を回避できるため、信頼性を向上させることができる。
【００７８】
スイッチアレイを構成する場合、第１電極２１及び第２電極２３は、それぞれ共通電極及び個別電極の何れの電極としても機能させることができる。圧電素子２０のたわみ変形を過度に阻害しないのであれば、複数の圧電素子に亘って、実施形態２に記載の保護膜を連続的に設けることも可能である。
【００７９】
ただし、実施形態３に記載の構成を採用する場合には、圧電体層によって覆われた第１電極２１同士を電気的に導通しないようにすることで、圧電素子の個別電極として機能させることができる。一方、圧電体層によって覆われていない第２電極２３同士を電気的に導通させることにより、共通電極として機能させることができる。
【００８０】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、基板１５としてシリコン（Ｓｉ）単結晶基板を例示したが、これに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いてもよい。また、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３を順次積層した圧電素子２０を例示したが、これに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。
【００８１】
また、上述した実施形態では、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１を一対一で相対向させた構成を例示したが、例えば、振動板２に形成する第１スイッチング電極１０を分割して設けることも可能である。分割することで、振動板２及び第１スイッチング電極１０の接触面積を小さくでき、振動板２及び第１スイッチング電極１０が変位しやすくなる。また、第１スイッチング電極１０を分割することで、接続配線を多様に構成でき、設計自由度を向上させることができる。また、第２スイッチング電極１１を分割することも可能である。
【００８２】
また、圧電素子２０を複数備えることも可能であり、第２スイッチング電極１１に対して圧電素子を設け、液体を介して圧電素子の変形が伝わる構成にすることが可能である。第２スイッチング電極１１に対して圧電素子を設けることで、第１スイッチング電極１０及び第２スイッチング電極１１の両方が変位するようになり、個々の変形量を極わずかにしても、即ち、更に低電圧の印加でもスイッチングさせることが可能になる。また、圧電素子２０の設置方向は任意であり、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ｂ，１Ｃ，１ａ，１ｂ，１ｃ  スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）、  ２  振動板、  １０  第１スイッチング電極、  １１  第２スイッチング電極、  １２  弾性膜、  １３  絶縁体層、  １４  密着層、  １５  基板、  １８  プレート、  １９  固定プレート、  ２０  圧電素子、  ２１  第１電極、  ２２，２２ｂ  圧電体層、  ２３  第２電極、  ２４  基板形成材、  ２５  中空部、  ２７  仕切り部材、  ３０  上部基板、  ３１  電源装置、  ３３  液体、  ３５  スイッチ装置、  ３６，３７  配線、  ３８，３９  端子、  ４０  出力回路、  ４１  交流電源、  ４３  抵抗、  ４４  コンデンサー、  ５０  マスク層、  ５１  保護膜、  ５２  スイッチアレイ
【図１】
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【図２】
2014229404.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014229404.tif 000009
【図８】
2014229404.tif 000010
【図９】
2014229404.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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