(57)【要約】【課題】通算開閉回数が増加しても、接点同士が接着して接点が開離できなくなるのを防止できると共に、基板上に集積回路の一部として組み込みできるマイクロ接点開閉器を提供する。【解決手段】基板上１０に形成された固定接点１５と、基板１０側に接合された支持部分１２７と基板１０から離れた可動部分１２８を有する可動板６３と、可動板６３を駆動する駆動部５６と、可動板６３の可動部分１２８に基板１０上の固定接点１５と離れた位置で対向するように形成された可動接点１４を備える。前記駆動部５６により可動板６３を駆動することによって、可動接点１４を固定接点１５の接触面に対して略垂直方向に動かして可動接点１４を固定接点１５に接離させる。また、前記駆動部５６により可動板６３を駆動することによって、可動接点１４を固定接点１５に接触させた状態で固定接点１５の接触面に沿って滑らせる。【選択図】図５
2006173043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された固定接点と、
前記基板上に形成され、前記基板側に接合された支持部分と前記基板から離れた可動部分を有する可動板と、
前記可動板を駆動する駆動部と、
前記可動板の可動部分に前記基板上の前記固定接点と離れた位置で対向するように形成された可動接点を備え、
前記駆動部により前記可動板を駆動することによって、前記可動接点を前記固定接点の接触面に対して略垂直方向に動かして前記可動接点を前記固定接点に接離させる動作と、前記可動接点を前記固定接点に接触させた状態で前記固定接点の接触面に沿って滑らせる動作とを行うことを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記固定接点の接触面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記固定接点と前記可動接点の接触面は、前記基板に対してほぼ平行であることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記固定接点の表面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記固定接点と前記可動接点の接触面は、前記基板の表面に対して傾斜していることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部は、主たる駆動力が前記基板の表面に対して略垂直方向に働くようにしていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部に、圧電式アクチュエータが用いられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記可動板は、前記可動板の先端を前方に移動させるように変形することが可能な変形部を有することを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項７】
請求項６に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記変形部は、弾性変形する屈曲部であることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項８】
請求項７に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記弾性変形する屈曲部は、前記可動接点と前記固定接点の対向する方向で、前記可動接点に対して前記固定接点とは反対側に少なくとも前記可動板の位置をずらすように設けられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部のうちの少なくとも１つは、前記変形部の近傍に配置されることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記可動板は、前記駆動部により前記可動板の駆動を開始した後に前記基板側に接する中間支点を有することを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部に、静電式アクチュエータが用いられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１２】
請求項１１に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記固定接点の接触面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記静電式アクチュエータのうちの少なくとも１つは、プル・インさせられることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１３】
請求項６乃至１０のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部に、熱式アクチュエータが用いられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１４】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記可動板は、高融点金属元素と他のもう１つの元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１５】
請求項１４に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記高融点金属元素は、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンのいずれかであることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記可動板は、窒素、酸素および炭素のうちのいずれか１つの元素と高融点金属元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１７】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
前記駆動部は複数であり、
前記複数の駆動部によって、前記可動接点の前記固定接点を押し付ける力の大きさ、および、前記可動接点を前記固定接点の表面に沿って滑らせる方向を変えることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記複数の駆動部のうちの少なくとも２つは、電極間隔の異なる静電式アクチュエータであることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項１９】
請求項１８に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記電極間隔の異なる静電式アクチュエータのうちの電極間隔の狭い静電式アクチュエータを、前記可動接点を前記固定接点に接触させるときまたは前記可動接点を前記固定接点から開離させるときに用いることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項２０】
請求項１８に記載のマイクロ接点開閉器において、
前記電極間隔の異なる静電式アクチュエータのうちの電極間隔の広い静電式アクチュエータを、前記可動接点を前記固定接点の接触面に沿って滑らせるときに用いることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
半導体製造プロセスを用いて作成されていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、
送信部と、
受信部と、
前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するためのアンテナと
を備え、
前記アンテナと前記送信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続すると共に、前記アンテナと前記受信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続することを特徴とする無線通信機器。
【請求項２３】
請求項１乃至２１のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、
送信部と、
受信部と、
前記送信部からの送信信号を電波として送信するとともに前記受信部への受信信号を電波として受信するための複数のアンテナと
を備え、
前記複数のアンテナと前記受信部を前記マイクロ接点開閉器を介して夫々接続し、前記マイクロ接点開閉器のいずれか１つを閉じて前記複数のアンテナのうちの１つと前記受信部を接続することを特徴とする無線通信機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ接点開閉器および無線通信機器に関し、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現したマイクロマシン技術分野に属し、詳しくは、基板上に集積回路の一部として組み込み可能で、電気的な接点を開閉するためのマイクロ接点開閉器およびそれを用いた無線通信機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ接点開閉器としては、半導体の微細加工技術を応用するマイクロマシン技術を利用することによって超小型化されたマイクロスイッチがある(例えば、特開平９−１７３００号公報(特許文献１)参照)。
【０００３】
前記従来のマイクロスイッチについて図１１を例に説明すると、単結晶シリコンあるいはＧaＡsなどからなる基板３００上に設けられた固定接点３０５と可動板３０３に設けられた可動接点３０４とを備え、可動板３０３の片端は支持部３０２で基板３００に固定されている。可動接点３０４および固定接点３０５は、所定の隙間を設けて対向しており、可動接点３０４が固定接点３０５に接離することにより、電気的な接点の開閉を行なうようになっている。
【０００４】
このようなスイッチの可動板３０３を駆動するために、例えば、図１１に示すように、静電式アクチュエータ３０６を用いることができる。互いに対向する電極３０７,３０８が、それぞれ可動板３０３側と基板３００側に設けられ、両電極間に電圧を印加しない場合には、静電引力が発生しないので、固定接点３０５と可動接点３０４は接触しない。一方、電極３０７,３０８間に電圧を印加する場合には、静電引力が発生して可動板３０３が撓み、固定接点３０５と可動接点３０４が接触する。さらに、この状態から電極３０７,３０８に印加している電圧をオフにすると、変形している可動板３０３の復元力によって可動接点３０４が固定接点３０５から開離する。このように、静電式アクチュエータ３０６の電極３０７,３０８間の電圧を制御することにより容易にマイクロスイッチを接離させることができる。このようなマイクロスイッチは小型であるのみならず、消費電力が小さいという利点がある。
【０００５】
図１１に示す従来のマイクロスイッチでは、静電式アクチュエータ３０６の発生する静電引力と可動板３０３の撓みによるバネの力とがつりあって、可動板３０３が変形する。そのため、実用的にチップ上で実現可能な電圧範囲で接点を開閉させるには、可動板３０３のバネの力(弾性定数)をあまり大きく設計できないという制約をうける。従って、可動接点３０４を開離するときの可動板３０３の復元力が小さくなるために、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着してしまい、接点を開離できなくなるという問題があった。
【特許文献１】特開平９−１７３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、通算開閉回数が増加しても、接点同士が接着して接点が開離できなくなるのを防止できると共に、基板上に集積回路の一部として組み込みできるマイクロ接点開閉器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明のマイクロ接点開閉器は、基板と、前記基板上に形成された固定接点と、前記基板上に形成され、前記基板側に接合された支持部分と前記基板から離れた可動部分を有する可動板と、前記可動板を駆動する駆動部と、前記可動板の可動部分に前記基板上の前記固定接点と離れた位置で対向するように形成された可動接点を備え、前記駆動部により前記可動板を駆動することによって、前記可動接点を前記固定接点の接触面に対して略垂直方向に動かして前記可動接点を前記固定接点に接離させる動作と、前記可動接点を前記固定接点に接触させた状態で前記固定接点の接触面に沿って滑らせる動作とを行うことを特徴とする。
【０００８】
前記構成のマイクロ接点開閉器によれば、可動接点が固定接点から開離するときに摺動効果を得ることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。なお、可動接点を固定接点に接離させる動作と、可動接点を固定接点に接触させた状態で固定接点の接触面に沿って滑らせる動作とを、別々の駆動部により夫々行ってもよいし、１つの駆動部により行ってもよい。
【０００９】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記固定接点の接触面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記固定接点と前記可動接点の接触面は、前記基板に対してほぼ平行であることを特徴とする。
【００１０】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、接触抵抗の安定した接点が得やすい。
【００１１】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記固定接点の表面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記固定接点と前記可動接点の接触面は、前記基板の表面に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１２】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、同一の駆動部でかつ同一の駆動操作であっても、接触面の傾斜角により接点の押し付ける力及び固定接点の表面に沿った移動距離の異なるものが得られる。
【００１３】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部が、主たる駆動力が前記基板の表面に対して略垂直方向に働くようにしていることを特徴とする。
【００１４】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、基板の表面に対して略垂直方向に働く駆動力を発生させる静電式アクチュエータの電極が基板上の平面上に構成されるため、電極面積の確保や狭い電極間隔の形成が容易で、強い駆動力を得やすい。
【００１５】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部に、圧電式アクチュエータが用いられていること特徴とする。
【００１６】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、変形部が不要になり、マイクロ接点開閉器全体としての占有面積が小さく小型化できる。
【００１７】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記可動板は、前記可動板の先端を前方に移動させるように変形することが可能な変形部を有することを特徴とする。
【００１８】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記可動板の変形部の変形によって、前記可動板の先端を前方に移動させて、固定接点に接触させた状態で固定接点の接触面に沿って滑らせる。したがって、圧電式アクチュエータを用いないので、プロセスを簡略化できる。
【００１９】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記変形部が、弾性変形する屈曲部であることを特徴とする。
【００２０】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記変形部に弾性変形する屈曲部を用いることによって、可動板が駆動した初期の段階では変形部をほとんど変形させずに可動板を基板側に接近させることができる。そして、可動接点が固定接点に接触した後に、変形部を大きく変形させることが可能となり、これにより接点開離のときに強い回復力が得られる。
【００２１】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記弾性変形する屈曲部が、前記可動接点と前記固定接点の対向する方向で、前記可動接点に対して前記固定接点とは反対側に少なくとも前記可動板の位置をずらすように設けられていることを特徴とする。
【００２２】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、可動接点を固定接点の接触面に沿って移動させる距離をより長く得ることができる。
【００２３】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部のうちの少なくとも１つが、前記変形部の近傍に配置されることを特徴とする。
【００２４】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、可動接点を固定接点の接触面に沿って滑らせるときに強い押し付けで摺動を行うことができる。
【００２５】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記可動板が、前記駆動部により前記可動板の駆動を開始した後に前記基板側に接する中間支点を有することを特徴とする。
【００２６】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、可動接点が固定接点に押し付けられるときにバネの弱い支持部分付近の座屈をふせぎながら強い摺動力を与えることができる。
【００２７】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部に、静電式アクチュエータが用いられていることを特徴とする。
【００２８】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、他のアクチュエータ方式と比べ特殊な材料が不要なので、プロセスの整合性がよくコスト上昇を抑えることができる。
【００２９】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記固定接点の接触面に沿って前記可動接点を滑らせるときに、前記静電式アクチュエータのうちの少なくとも１つは、プル・インさせられることを特徴とする。
【００３０】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、安定したアクチュエータの動作で摺動させることができる。
【００３１】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部に、熱式アクチュエータが用いられていることを特徴とする。
【００３２】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、接点を開閉する静電式アクチュエータと別々に駆動させることができ、接点の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記可動板が、高融点金属元素と他のもう１つの元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とする。
【００３４】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、組成比によって内部応力を制御した可動板が得られる。
【００３５】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記高融点金属元素が、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンのいずれかであることを特徴とする。
【００３６】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、弾性定数の高い可動板が得られる。
【００３７】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記可動板が、窒素、酸素および炭素のうちのいずれか１つの元素と高融点金属元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とする。
【００３８】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、反応性スパッタ法により室温程度の低温で容易に内部応力を制御した可動板が得られる。
【００３９】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動部は複数であり、前記複数の駆動部によって、前記可動接点の前記固定接点を押し付ける力の大きさ、および、前記可動接点を前記固定接点の表面に沿って滑らせる方向を変えることを特徴とする。
【００４０】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、接点の接触抵抗の劣化を抑制し、また、接点の接着を防ぎ、接点の繰り返し使用可能回数を多くすることができる。
【００４１】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記複数の駆動部のうちの少なくとも２つが、電極間隔の異なる静電式アクチュエータであることを特徴とする。
【００４２】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、電極間隔の狭い静電式アクチュエータから駆動させることで、低電圧でマイクロ接点開閉器を始動させることができる。
【００４３】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記電極間隔の異なる静電式アクチュエータのうちの電極間隔の狭い静電式アクチュエータを、前記可動接点を前記固定接点に接触させるときまたは前記可動接点を前記固定接点から開離させるときに用いることを特徴とする。
【００４４】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、電極間隔が広い静電式アクチュエータで可動接点を駆動する場合にくらべて、低電圧あるいは高速で駆動することができる。
【００４５】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記電極間隔の異なる静電式アクチュエータのうちの電極間隔の広い静電式アクチュエータを、前記可動接点を前記固定接点の接触面に沿って滑らせるときに用いることを特徴とする。
【００４６】
前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、電極間隔が狭い静電式アクチュエータで駆動する場合に比べて、接点に強い押し付け力と長い移動距離が与えられる。
【００４７】
また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、半導体製造プロセスを用いて作成されていることが望ましい。
【００４８】
また、本発明の無線通信機器は、前記のいずれか１つのマイクロ接点開閉器と、送信部と、受信部と、前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するためのアンテナとを備え、前記アンテナと前記送信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続すると共に、前記アンテナと前記受信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続することを特徴とする。
【００４９】
前記構成の無線通信機器によれば、送受信を切り替えるときに、マイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない無線通信機器が得られる。
【００５０】
また、本発明の無線通信機器は、前記のいずれか１つのマイクロ接点開閉器と、送信部と、受信部と、前記送信部からの送信信号を電波として送信するとともに前記受信部への受信信号を電波として受信するための複数のアンテナとを備え、前記複数のアンテナと前記受信部を前記マイクロ接点開閉器を介して夫々接続し、前記マイクロ接点開閉器のいずれか１つを閉じて前記複数のアンテナのうちの１つと前記受信部を接続することを特徴とする。
【００５１】
前記構成の無線通信機器によれば、受信状態に応じてアンテナを切り替えるときに、マイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない無線通信機器が得られる。
【発明の効果】
【００５２】
以上より明らかなように、本発明のマイクロ接点開閉器によれば、通算開閉回数が増加しても、接点同士が接着して接点が開離できなくなるのを防止できると共に、基板上に集積回路の一部として組み込みが可能なマイクロ接点開閉器を実現することができる。
【００５３】
また、本発明の無線通信機器によれば、受信状態のよいアンテナを選択するためのアンテナの切り替えや、アンテナとの接続を受信部か送信部のいずれかに切り替えるために本発明のマイクロ接点開閉器を用いることで、アンテナ切り替えや送受信の切り替え時の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない信頼性の高い無線通信機器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下に本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して説明する。
【００５５】
(第１の実施形態)
図１は本発明の第１の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。図１(a)は非駆動時を示し、図１(b)の実線は駆動部１１６の駆動時を示し、点線は駆動部１１９の駆動時を示している。
【００５６】
この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図１(a)に示すように、基板１１０と、この基板１１０上に形成された固定接点１１５と、基板１１０上に形成され、基板１１０側に支持部(駆動部１１９)を介して接合した支持部分１２７と基板１１０から離れた可動部分１２８を有する可動板１１３と、可動板１１３を駆動する駆動部１１６および１１９と、基板１１０上に形成された固定接点１１５と離れた位置で対向するように、可動板１１３の可動部分１２８に形成された可動接点１１４を備えている。
【００５７】
前記基板１１０は、絶縁膜を形成したシリコン基板あるいはＧaＡs基板、または、アルミナなどのセラミック基板、あるいはガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなる基板のうちのいずれかから選択される基板であって、その上に導電性を有する材料からなる固定接点１１５などを形成している。
【００５８】
ここで、駆動部１１６には、基板１１０側に形成された下部固定電極１１８と、可動板１１３側に形成された上部可動電極１１７で構成された静電式アクチュエータを用いている。駆動部１１９には、下部電極層１２６と、すべり変形型の圧電部材からなる圧電体層１２５と、上部電極層１２４で構成された圧電式アクチュエータを用いている。前記駆動部１１９が支持部を兼ねている。
【００５９】
前記駆動部１１６の上部可動電極１１７と下部固定電極１１８との間、並びに、駆動部１１９の上部電極層１２４と下部電極層１２６との間に電位差が与えられていないとき、即ち非駆動時には、可動接点１１４と固定接点１１５、並びに、上部可動電極１１７と下部固定電極１１８がそれぞれ所定の距離で対向して開離した状態に保たれている。
【００６０】
この第１の実施形態におけるマイクロ接点開閉器の各部寸法の好適な一例を示すと、固定接点１１５及び下部固定電極１１８などの基板１１０上に形成された導電層の厚みは、１μｍである。また、支持部(駆動部１１９)の長さは２５０μｍであり、幅は２５０μｍであり、高さは１０μｍである。また、可動板１１３の長さは約５７０μｍであり、幅は約１００μｍであり、厚さは約２μｍである。上部可動電極１１７および可動接点１１４の厚みは、１μｍとなっている。
【００６１】
ここで、上部可動電極１１７と下部固定電極１１８との間に電位差が与えられる(以後この場合を駆動時と呼ぶことにする)。そうすると、両電極間に静電引力が発生し、図１(b)に示すように、上部可動電極１１７が下部固定電極１１８に引きつけられ、可動板１１３が撓むことによって固定接点１１５と可動接点１１４が接触する。このときに、駆動部１１９の上部電極層１２４と下部電極層１２６に電位差を与えて、駆動部１１９を駆動すると、点線で示したように、可動接点１１４を固定接点１１５の表面に沿って滑らせることができる。
【００６２】
これにより、通算スイッチング回数が増加したときに、可動接点１１４と固定接点１１５が接着して、接点を開離できなくなるという問題を解決することができる。
【００６３】
特開２００３−２４９１５７号公報には、可動接点と固定接点の表面金属の硬度が異なるように表面層の金属組成を変えることにより、接点表面の摺動によって生じる接着を抑制する方法が開示されている。接着の抑制は、硬度の異なる金属面どうしでは、摺動により表面に傷が生成され接触面積が減少することによる。カンチレバー方式では、接点の摺動はわずかであるが、この第１の実施形態によれば、表面に沿って力を働かせ表面を移動させることができるため、金属の接触面が変動し、表面の接着を抑制するだけでなく、接点特性も安定化する。
【００６４】
ここでは、固定接点１１５の表面に沿って可動接点１１４を移動させるときに、これらの接触面は、基板１１０に平行になっている。これにより固定電極１１５及び可動接点１１４の金属膜を基板１１０に対して平行な面に形成するため、スパッタ法やメッキ法によって電極を形成するときに、緻密で均質かつ平坦な膜を容易に得やすく、接触抵抗の安定した膜を得やすい。
【００６５】
さらに、図２は前記マイクロ接点開閉器の可動接点と固定接点の接触面が基板に対して傾斜する場合の構成を示している。図２(a)は可動部１１３の支持部側から外側に向かって徐々に低くなった傾斜面１１０aに固定接点１１５を設けた例であり、図２(b)は可動部１１３の支持部側から外側が低くなった段部１１０bの側面に固定接点１１５を設けた例であり、図２(c)は可動部１１３の支持部側から外側が徐々に高くなった傾斜面１１０cの側面に固定接点１１５を設けた例である。
【００６６】
図２(a)〜(c)に示すように、固定接点１１５の表面に沿って可動接点１１４を移動させるときに、これらの接触面が基板１１０に対して傾斜するように配置させることができる。この場合、基板１１０側に段差面を形成しなければならないが、これにより、平行な場合と比較して、固定接点１１５の表面に沿った可動接点１１４の移動距離を長くすることができる。傾斜する角度は、９０度を超えて傾斜面をオーバーハング形状にすることも可能であるが、緻密で均質かつ平坦な電極膜の形成が困難となるため好ましくは１１０度までに設定される(９０度を越えるとオーバーハング形状)。
【００６７】
さらに、例えば傾斜角を４５度から０度(基板に平行)の範囲に低めに設定すれば、可動接点を固定接点に沿って移動させる距離よりも可動接点を固定接点に押し付ける力を強くした設定にすることができ、また、一方で傾斜角を４５度から９０度の範囲に高めに設定することで、可動接点を固定接点に押し付ける力を弱くして可動接点を固定接点に沿って移動させる距離を長くする設定にすることもできる。
【００６８】
これにより、同じ基板上に同じ接点材料で複数の接点を製造し、同一の駆動部でかつ同一の駆動操作をする場合であっても、それぞれの接点の電気的負荷や使用回数に合わせてそれぞれの接点の傾斜角を変えて、全体として、それぞれの接点の繰り返し利用回数が多くなるように最適化して製造することが可能となる。
【００６９】
ただし、駆動部１１６の主たる駆動力は、基板１１０に対してほぼ垂直方向に働くように構成されている。これにより、駆動力を発生させる静電式アクチュエータの下部固定電極１１８および上部可動電極１１７が基板１１０の平面上に構成することができ、電極面積の確保や狭い電極間隔の形成が容易で、強い駆動力が得やすい。
【００７０】
この第１の実施形態では、駆動部１１６に静電式アクチュエータを用いたが、アクチュエータの方式は必ずしもこれに限るものではなく、垂直方向に可動板を駆動する力が得られるものであれば、可動板に圧電体材料を形成した圧電式であっても、可動板に熱膨張係数の異なる材料を組み合わせた熱式であっても、また、可動電極をコイルなどで発生した磁場で引き付ける磁場方式であっても同様の効果が得られることは明白である。
【００７１】
この第１の実施形態では、駆動部１１９に圧電式アクチュエータを用いたが、圧電体材料１２５と電極材料１２４および１２６を積層することにより駆動部１１９を形成できるため、基板１１０上への形成が容易であり、可動板１１３の支持部分１２７に形成できること、並びに、後述する第２の実施形態の図３〜図５に示すような変形部も不要なことから、マイクロ接点開閉器全体としての占有面積も小さく小型化できる。
【００７２】
(第２の実施形態)
図３(a)は、本発明の第２の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。この第２の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図３(a)に示すように、基板１０と、この基板１０上に形成された固定接点１５と、基板１０上に形成され、基板１０上に電極１７を介して接合した支持部分８と基板１０から離れた可動部分７を有する可動板１３と、可動板１３を駆動する駆動部６と、可動板１３の可動部分７に基板１０上に形成された固定接点１５と離れた位置で対向するように形成された可動接点１４を備えている。
【００７３】
前記基板１０は、絶縁膜を形成したシリコン基板あるいはＧaＡs基板、または、アルミナなどのセラミック基板、あるいはガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなる基板のうちから選択される基板であって、その上に導電性を有する材料からなる固定接点１５などが形成されている。
【００７４】
駆動部６に、基板１０側に形成された下部固定電極１６と、可動板１３側に形成された上部可動電極１９で構成された静電式アクチュエータを用いている。また、可動板１３は、支持部８近傍に変形部１８を有している。
【００７５】
駆動部６の上部可動電極１９と下部固定電極１６との間に電位差が与えられていないとき、即ち非駆動時には、可動接点１４と固定接点１５、並びに、上部可動電極１９と下部固定電極１６がそれぞれ所定の距離で対向して開離した状態に保たれている。
【００７６】
電極１７は可動板１３等の電位の制御に用いている。電極１７の構成はこれに限るものではなく、可動板１３の支持部分８の上部に配置し、基板１０側に引き出してもよい。
【００７７】
この第２の実施形態におけるマイクロ接点開閉器の各部寸法の好適な一例を示す。固定接点１５及び下部固定電極１６などの基板上に形成された導電層の厚みは、６μｍであり、支持部分８の長さは７０μｍであり、幅は１００μｍである。また、可動板１３の長さは約５７０μｍであり、幅は約２００μｍであり、厚さは約２μｍである。また、変形部１８の段差は約１４μｍである。上部可動電極１９および可動接点１４の厚みは、５μｍとなっている。
【００７８】
ここで、この第２の実施形態の接点開閉動作について説明する。上部可動電極１９と下部固定電極１６との間に電位差が与えられると、両電極間に静電引力が発生し、図３(b)に示すように、上部可動電極１９が下部固定電極１６に引きつけられ、可動板１３が撓むことによって固定接点１５と可動接点１４が接触する。このとき、少なくとも変形部１８付近はこの段階で大きな変形がないように構造(支持部付近の局所的な弾性定数を低く)を設計してあり、主に支持部分８に近いところで可動板１３が撓む。
【００７９】
さらに、上部可動電極１９と下部固定電極１６との間の電位差を高めると、図３(c)に示すように、可動板１３の変形部１８付近が大きく変形することによって、固定接点１５と可動接点１４が擦られる状態で、固定接点１５の表面に沿って可動接点１４を滑らせることができる。図３(a)〜図３(b)の状態までは、可動板１３の復元力が小さいために低電圧で上部可動電極１９と下部固定電極１６を接近させることができる。そして、図３(b)〜図３(c)の状態までは、可動板１３の復元力が大きくなるが、上部可動電極１９と下部固定電極１６が十分近づいているために、同じ復元力を有する別の可動板を図３(a)に示す上部可動電極と下部固定電極の非駆動時での位置から駆動する場合に比べ駆動電圧を低くすることができる。そして、固定接点１５と可動接点１４が開離するときには、可動板１３の変形部１８の変形による強い復元力により可動接点１４が固定接点１５に沿って滑らせてから開離させることができる。これにより、接点開離のときに可動板１３に強い復元力が得られるとともに、固定接点１５の表面に沿って移動させる力が働くために、通算スイッチング回数が増加したときに、固定接点１５と可動接点１４が接着して、接点を開離できなくなるという問題を解決することができる。
【００８０】
ここでは、固定接点１５の表面に沿って可動接点１４を滑らせるときに、これらの接触面は、基板１０に平行になっている。これにより固定電極１５及び可動接点１４の金属膜は基板１０に対して平行な面に形成されるため、スパッタ法やメッキ法によって電極を形成するときに、緻密で均質かつ平坦な膜を容易に得やすく、接触抵抗の安定した膜を得やすい。
【００８１】
ここで好ましくは、図３(b)に示すように、可動接点１４を備えた可動板１３の先端部は、固定接点１５に対してやや斜めに接触させらせる。これにより、図３(c)に示すように、さらに可動板１３の変形部１８付近を大きく変形させて可動接点１４を固定接点１５に押し付けながら滑らせる場合に、可動接点１４が固定接点１５から離れないように確実に接触させることができる。
【００８２】
さらに、第１の実施形態と同様に、図２(a)〜(c)に示すように、固定接点の表面に沿って可動接点を移動させるときに、これらの接触面が基板に対して傾斜するように配置させることができる。基板側に段差面を形成しなければならないが、これにより、平行な場合と比較して、固定接点の表面に沿った可動接点の移動距離を長くすることができる。また、傾斜する角度は９０度を超えて傾斜面をオーバーハング形状にすることも可能であるが、緻密で均質かつ平坦な電極膜の形成が困難となるため好ましくは１１０度までに設定される(９０度を越えるとオーバーハング形状)。
【００８３】
さらに、例えば傾斜角を４５度から０度(基板に平行)の範囲に低めに設定すれば、可動接点を固定接点に沿って移動させる距離よりも可動接点を固定接点に押し付ける力を強くした設定にすることができ、また、一方で傾斜角を４５度から９０度の範囲に高めに設定することで、可動接点を固定接点に押し付ける力を弱くして可動接点を固定接点に沿って移動させる距離を長くする設定にすることもできる。これにより、同じ基板上に同じ接点材料で複数の接点を製造する場合であっても、それぞれの接点の電気的負荷や使用回数に合わせてそれぞれの接点の傾斜角を変えて、全体として、それぞれの接点の繰り返し利用回数が多くなるように最適化して製造することが可能となる。
【００８４】
図３(a)に示すように、駆動部６は、下部固定電極１６および上部可動電極１９が基板１０に対してほぼ平行に形成されており、駆動部６の主たる駆動力は、基板に対してほぼ垂直な方向に働くよう構成されている。このマイクロ接点開閉器によれば、駆動力を発生させる電極が基板１０上に平行な平面上に構成されるため、電極面積の確保や狭い電極間隔の形成が容易となり、強い駆動力が得られる駆動部を作製しやすくなる。
【００８５】
この第２の実施形態では、図１に示す第１の実施形態のように、可動接点を固定接点に沿って滑らせるための駆動力を与える圧電式アクチュエータを使用していないが、可動板１３に変形部１８を形成することによって、垂直方向に駆動する静電式アクチュエータの駆動部６で垂直方向のみでなく、基板１０の接触面に対して水平方向の働く駆動力を発生させることができる。したがって、圧電式アクチュエータを用いないので、圧電体材料を用いなくてもよくプロセスを簡便化できる。
【００８６】
変形部１８には、図３(a)に示すように、直線的な折れ曲がり構造を用いているが、曲面的な折れ曲がり構造や、波型面あるいは凹凸面などから構成されてもよい。これらの弾性変形可能な屈曲部を用いても可動板１３の中で変形部１８の弾性定数をやや高めにすることができ、可動板１３が駆動した初期の段階では変形部１８をほとんど変形させずに可動板１３を基板１０側に接近させることができる。そして、可動接点１４が固定接点１５に接触した後に、変形部１８を大きく変形させることができる。これにより、接点開離のときに強い回復力が得られる。
【００８７】
また、図３(a)に示すように、可動板１３が、可動接点１４と固定接点１５の対向する方向で、可動接点１４に対して固定接点１５とは反対側の方向にずれる様に、あるいは可動板１３と基板１０との距離が広がる様に、あるいは上部駆動電極１９と下部固定電極１６が広がる様に形成されている。これにより、可動接点１４を固定接点１５の表面に沿って移動させる距離をより長く得ることができる。
【００８８】
駆動部６は、図３(a)に示すように、変形部１８の近傍に形成されることが望ましい。これにより、駆動力を効率よく変形部１８の変形に利用することができ、可動接点１４を固定接点１５に沿って滑らせるときに強い押し付けで摺動を行うことができる。
【００８９】
なお、駆動部の位置は、変形部近傍であればよく、変形部に対して可動接点１４側でなくてもかまわない。例えば、図４はこの第２の実施形態のマイクロ接点開閉器において変形部の配置の異なる場合の断面図を示し、図４(a)は非駆動時を示し、図４(b)は駆動途中を示し、図図４(c)は駆動時を示している。このマイクロ接点開閉器は、図４(a)に示すように、基板１０と、この基板１０上に形成された固定接点１５と、基板１０上に形成され、基板１０上に電極１７を介して接合した支持部分３８と基板１０から離れた変形部４８を有する可動板４３と、可動板４３を駆動する駆動部３６と、可動板４３の変形部４８に基板１０上に形成された固定接点１５と離れた位置で対向するように形成された可動接点１４を備えている。
【００９０】
図４(a)に示すように、駆動部３６が変形部４８に対して支持部分３８側であっても、その位置が変形部４８近傍であれば、図４(b)および図４(c)に示すように、駆動力を効率よく変形部４８の変形に利用することができ、可動接点１４を固定接点１５に沿って滑らせるときに強い押し付けで摺動を行うことができる。
【００９１】
しかし、図４(a)に示すように配置した場合、駆動部３６の駆動力を必要な大きさにするためには、上部可動電極４９および下部固定電極４６の面積を大きくする必要があり、変形部４８の屈曲部の角度をあまり大きくすることができず、図３に示すマイクロ接点開閉器に比べて可動接点１４の水平方向の移動距離が小さくなってしまう。したがって、好ましくは、図３に示すように変形部や駆動部を配置したほうがよい。
【００９２】
さらに好適な実施形態では、図５(a)に示すように、可動板６３は、中間支点５９を備えており、可動板６３を駆動部５６を用いて駆動させるときに途中で基板１０側に接するようになっている。接触するタイミングは、可動接点１４が固定接点１５に接触する前後がよいが、好ましくは、可動接点１４が固定接点１５に接触した少し後がよい。こうすることによって、図５(b)に示すように、中間支点５９が接触した段階での上部可動電極６９と下部固定電極６６との間隔は狭くなっており、中間支点５９が基板１０に接触した後の押し込みに必要な駆動電圧を低くすることができる。ただし、遅すぎるとバネの弱い支持部付近への負担が大きくなり、座屈発生の原因となるので、可動接点１４が固定接点１５に接触した直後が好ましい。これにより、図５(c)に示すように、可動接点１４が固定接点１５に押し付けられるときに、バネの弱い支持部付近の座屈を防ぎながら強い摺動力を与えることができる。
【００９３】
前記可動板６３の支持部分５８を、電極１７,支持部５２を介して基板１０に接合している。この支持部５２は、可動板６３と基板１０との距離を十分確保するためのスペーサーの役割をしているが、可動部６３の形状で距離が確保できれば支持部５２はなくてもよい。
【００９４】
さらに好ましくは、図３(c),図４(c),図５(c)に示すように、固定接点１５との接触後に可動接点１４を押し付けるときに、それぞれの駆動部６,３６,５６の静電式アクチュエータは、上部可動電極と下部固定電極が接触するまで駆動される。このように静電式アクチュエータの電極が近づいて接触することをプル・インという。プル・インさせられなくても可動接点１４に横方向に滑らせることができるが、プル・イン状態まで駆動することによって、上部可動電極の位置が安定するため、安定したアクチュエータ動作で摺動させることができる。
【００９５】
また、例えば、図５に示す変形部６８を可動板６３の長さ方向に複数備えることもできる。これにより、構造および操作はやや複雑になるが、駆動する駆動部の数を変えることによって摺動距離を長くしたり、摺動位置を変えたりすることも可能となり、接触抵抗の安定化あるいは接触抵抗の劣化抑制などに効果がある。
【００９６】
さらに、本発明の実施形態によれば、可動接点１４と固定接点１５が接着した場合においても、静電式アクチュエータの駆動力を強弱させることで、固定接点１５の表面に沿って可動接点１４が移動する方向、あるいは移動させる力の大きさを変えることが可能となり、一方向のみに力を加える場合に比べ、接着からの回復が容易となる。これにより、接点の開閉をより繰り返し行なえるようになる。
【００９７】
ここで、本発明における接点の摺動の効果について説明する。
【００９８】
図１１に示すような従来のマイクロ接点開閉器の可動板１０３においても、可動接点１０４が固定接点１０５に接触するときには、僅かに傾きを持って接触するため、さらに押しつけるときに、僅かに摺動が起こる可能性がある。しかし、実際には殆ど摺動は発生しない。仮に可動板１０３の長さを５７０μｍとし、可動接点１０４と固定接点１０５のギャップを１５μｍとした場合を例に説明すると、可動接点１０４が固定接点１０５に接触し、さらに押し込まれるときに摩擦がなく表面を滑らかに滑ると仮定しても、可動接点１０４の固定接点１０５の表面に沿った移動距離は５０nmに満たない。実際には、表面の摩擦があるため、移動は殆どないといってよい。
【００９９】
これに対して、図５に示す本発明の実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、可動接点１４を固定接点１５に押し込むときに、変形部６８が変形するため、一つの変形部６８で可動接点１４を固定接点１５に沿って５μｍから１０μｍ程度移動させることができる。しかも、前述のように強い摺動力が持たせることも可能なため、アーク放電などによる電極劣化に対しても摺動を繰り返すことによって劣化の程度を低減することも可能となる。また、開離操作のときにも表面に沿った方向に力を与えることも可能となるため、接着防止に効果がある。
【０１００】
特開平９−２４５５６４号公報には、導体部と絶縁部を平行に並べた摺動板を２枚接触させ、面と平行に動かして、導体部同士を接触させたり、導体部と絶縁部を接触させたりすることによって、アーク放電を防止しながら電流を流したり遮断したりするスイッチが開示されている。しかしながら、導体部と絶縁部の両方に耐磨耗性に優れた材料が必要なため、材料プロセスが複雑あるいは高コストになる上、潤滑剤を用いるなどの磨耗の少ない摺動を行なう必要があるため、強い摺動による接触抵抗の安定回復は行なえない。また、導体部と絶縁部を繰り返し往復しながら接点の開閉を行なうために、スイッチングが繰り返されたときに、摺動により僅かでも磨耗が発生すると隣接する導体部と絶縁部に互いに影響しあうため、オン時の抵抗増大やオフ時の耐圧の劣化という問題が発生しやすくなる。
【０１０１】
しかし、本発明の実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、接点部分のみの摺動のため、材料プロセスも複雑にならず、隣接する絶縁部の磨耗によるオン抵抗の劣化を防ぐことができる。また、開離時には、完全に固定接点と可動接点が十分なギャップを隔てて離れるため、高くて安定した耐圧が得られる。
【０１０２】
次に、この第２の実施形態の図５に示すマイクロ接点開閉器を半導体製造プロセスを用いて製造する方法について説明する。図６はそのマイクロ接点開閉器の工程断面図を示している。以下、この図面に基づいて説明する。
【０１０３】
まず、図６(a)に示すように、絶縁膜が形成されたシリコン基板２０の上に、固定接点２１及び下部固定電極２２などを含む第１の電極層を形成する領域以外の箇所にレジストを塗布し、めっき法またはスパッタ法を用いて固定接点２１,下部固定電極２２および電極２３などを金合金で形成する。次に、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長)あるいは塗布法によってシリコン酸化膜を堆積し、レジストをマスクにしたフッ素系ガスによるドライエッチングでシリコン酸化膜をパターニングして犠牲層２４を形成する。このとき、犠牲層２４のテーパー形状は、レジストマスク下に形成されるアンダーカットを利用することにより形成される。そして、シリコン酸化膜２５を堆積する。
【０１０４】
つぎに、図６(b)に示すように、レジストマスク２６を用いてシリコン酸化膜２５をエッチバックする(図中２７,２８の部分を除去)。
【０１０５】
さらに、図６(c)に示すように、レジストマスク２６を除去した後、除去した部分２７に導電材料からなる支持部３１を形成する。次に、可動接点３０及び上部可動電極２９などを含む第２の電極層を形成する領域以外の箇所にレジストを塗布し、めっき法またはスパッタ法を用いて金合金とＴiを堆積し、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を堆積し、可動接点３０及び上部可動電極２９などを形成する。そして、窒化タングステンを反応性スパッタ法により堆積して可動板３２を形成する。次に、犠牲層２４およびシリコン酸化膜２５を除去することにより、図５に示すマイクロ接点開閉器が形成される。犠牲層の除去には、フッ化水素ガスを用いたドライエッチング法が適用できる。
【０１０６】
前記可動板３２には、シリコン単結晶や、多結晶シリコン膜、アモルファスシリコン、ＳiＧe膜、ＳiＣ膜、さらにはＮi、タングステンなどの導電性材料、あるいは、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のような絶縁性材料を用いることもできる(ただし、導電性を有する材料を用いる場合には、可動接点１４と電気的に絶縁する必要がある)。ここでは、可動板１３の好適な実施形態として、窒化タングステンを用いている。
【０１０７】
次に、タングステンなどの高融点金属に窒素を含有させた材料を用いることの効果について説明する。窒化タングステン膜は、反応性スパッタ法で堆積可能で、例えば、スパッタ圧力２Ｐａ、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒ流量３３.６ｓｃｃｍ、Ｎ2流量８.４ｓｃｃｍ、基板温度室温の条件で堆積できる。
【０１０８】
米国特許第６２１０９８８号公報には、ＬＰＣＶＤ(低圧化学気相成長)法により製膜したＳiＧe膜を用いることで、ポリシリコン膜に比べて低温の５５０℃程度で残留応力を制御したマイクロ構造の形成が可能であることが開示されている。しかしながら、ここで用いた窒素を含有するタングステンの場合、スパッタ法を用いているので室温程度まで低温化することが可能となり、Ｓi基板上にＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)プロセスで作製したＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路)上のみならず、ガラス基板や樹脂基板など、Ｃu配線や低誘電率の有機絶縁膜などの耐熱性の低いプロセスを経た基板上にも、図５に示すようなマイクロ接点開閉器の作製が可能となる。また、他の金属材料と比較しても、例えばタングステン材料のみ場合、成長方向に膜質制御することが困難であるため、内部応力の制御が困難であり、また、外部から応力等の負荷がかかった場合には、クラッキングなどの欠陥が発生し、変形や破壊が起きやすくなってしまう。このように、接点開閉の繰り返し操作を行う可動板として必要な信頼性確保が困難であった。
【０１０９】
しかし、タングステンに窒素を含有させた場合、Ｎ2分圧やスパッタ圧力などによって容易に膜組成などを変えることができる。押し込み式の薄膜試験装置で計測したところ、窒素の含有率を０％から６０％程度まで変えることにより、ヤング率は３６０ＧＰａから２５０ＧＰａ程度まで変化するが、それでもポリシリコンやＳiＧe膜よりも高いヤング率が得られることを確認している。
【０１１０】
また、スパッタ圧力を変えることにより膜中の残留応力を引張応力から圧縮応力まで変化させることができた。このため、残留応力や組成の異なる層を、連続的、あるいは断続的に成長させることが可能になり、膜中の残留応力を殆どなくすことができた。また、成長方向に異なる組成や粒状態の膜を積層可能なため、外部からの応力等により欠陥が発生しても容易に膜を貫きにくくなり、クラッキングなどによる変形や破壊に対するマイクロ可動部の耐性を高めることができた。
【０１１１】
ここでは、タングステンに窒素を含有させたが、この効果はこれに限るものではない。窒素のみでなく炭素や酸素を含有させたりすることは、反応性スパッタ法で容易に実施可能であり、同様の効果が期待できることは明らかである。また、タングステンのみでなくタンタルやモリブデン、チタン、ニッケル、アルミニウムなどの他の金属を適用しても同様の効果が期待できるが、高ヤング率が得られるタングステン、タンタル、モリブデン、チタンなどの高融点金属が片持ち梁(可動板１１３)の材料として好ましい。
【０１１２】
(第３の実施形態)
図７は本発明の第３の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。この第３の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図５(a)に示す第１の実施形態とほぼ同様の構成であるが、可動板６３の駆動部に熱式アクチュエータ３３が用いられている。図７において図５(a)と同一の構成部は同一参照番号を付している。
【０１１３】
ここでは変形部６８に可動板６３よりも熱膨張係数の大きな材料としてニッケル膜３４が形成されている。また、可動接点１４を固定接点１５に接触させる駆動部５６には静電式アクチュエータが用いられている。
【０１１４】
前記可動接点１４が固定接点１５に接触したときに、ニッケル膜３４に接続された例えば抵抗加熱型のマイクロヒーター(図示せず)でニッケル膜３４あるいは変形部６８付近を加熱し、熱式アクチュエータ３３を駆動させると、変形部６８が可動板６３の段差を緩和するように可動板６３の長さ方向に伸長する。これにより、可動接点１４を固定接点１５の表面に沿って移動させることができる。図５(a)の場合と比較して、駆動部５６の静電式アクチュエータと熱式アクチュエータ３３を別々に駆動させることができるので、摺動により接点の消耗が多い場合には、表面に沿った移動回数を減らして接点の開閉操作を繰り返すことが可能となり、接点の耐久性を向上させることができる。
【０１１５】
さらに、図７(b)に示すように、熱式アクチュエータ３３に、可動板６３よりも熱膨張係数の小さな材料、例えばシリコン窒化膜３５を備えることによっても変形部６８を伸長させることができる。図７(a)に示したような熱膨張係数の大きなニッケル膜３４と組み合わせることでより強い力で伸長させることも可能になる。
【０１１６】
図３から図５および図７に示すような実施形態において、それぞれの駆動機構６,３６,５６に使用している静電式アクチュエータを熱式アクチュエータに変えることも可能であるが、熱式アクチュエータでは接点開閉動作としては速度が遅いことから、ここでは静電式アクチュエータを採用している。
【０１１７】
(第４の実施形態)
図８は本発明の第４の実施形態のマイクロ接点開閉器の断面図を示しており、図８(a)は非駆動時を示し、図８(b)は駆動部９８の駆動時を示し、図８(c)は駆動部９９の駆動時を示している。この第４の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図８(a)に示すように、可動板９１の両端を支持部９２,電極９７を介して基板９０上に接合しており、可動板９１の中央に可動接点９４と、基板９０側に可動接点９４と対向するように固定接点９５が配置されている。そして、この接点部(９４,９５)の両側には、可動板９１の駆動部として静電式アクチュエータ９８及び９９が備えられており、これらの２つの静電式アクチュエータを操作することにより、可動接点９４を固定接点９５に接離できるよう構成されている。
【０１１８】
次に、この第４の実施形態での接点開閉操作について説明する。まず、静電式アクチュエータ９８,９９のどちらか一つ、例えば、図８(b)に示すように、静電式アクチュエータ９８を先に駆動して可動接点９４を固定接点９５に接触させた後、もう一方の静電式アクチュエータ９９を駆動する。これにより、図８(c)に示すように、可動接点９４を固定接点９５に接した状態で固定接点９５の表面に沿って移動させることができる。この第４の実施形態により、２つのアクチュエータを別々に駆動したり、交互に駆動させたりすることで、繰り返し向きを変えながら可動接点９４を固定接点９５の表面に沿って移動させることができ、接点の接触抵抗の劣化を抑制し、また、接点の接着を防ぎ接点の繰り返し使用可能回数を多くすることが可能となる。
【０１１９】
さらには、２つの静電式アクチュエータ９８,９９の組み合わせた操作、つまり、２つの静電式アクチュエータ９８,９９の駆動力を合わせて可動接点９４の固定接点９５を押し付ける強さを制御でき、また、２つの静電式アクチュエータ９８,９９の駆動力の優劣によって可動接点９４の移動の方向や距離を制御することが可能となる。これにより、接点にかかる電気的負荷や接点の劣化状況にあわせて接点の押し付ける力や摺動の程度を変えることができ、また、２つの静電式アクチュエータを同時に同じ駆動力で駆動させると、摺動を抑制した接点の開閉も可能となる。接点の状態や接点の負荷に応じてこれら接点開閉操作を切り替えることにより、接点の劣化を抑制し、また、接点の接着を抑制して接点の繰り返し使用可能回数を多くすることが可能となる。
【０１２０】
また、この第４の実施形態では、マイクロ可動部の駆動部に静電式アクチュエータを用いたが、駆動部はこれに限るものではなく、図１に示すような圧電式アクチュエータや図７に示すような熱式アクチュエータを接点の両側に配置しても同様の効果が得られることは明らかである。
【０１２１】
(第５の実施形態)
図９は本発明の第５の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図９(a)は非駆動時を示し、図９(b)は駆動部７７の駆動時を示している。この第５の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図９(a)に示すように、基板７０上に、可動板７８の中央にある支点部７３でねじれ等により回転可能な状態に支持部７２で支持されている。この可動板７８の両端に可動接点７１及び８１を形成し、それぞれの可動接点７８に対して基板７０側に対向する位置に固定接点７５及び７４を夫々形成している。可動板７８の駆動部は、支持部７２の両側に配置されており、ここでは駆動部に静電式アクチュエータ８０及び７７が用いられている。そして、図５に示す第２の実施形態のように、可動板７８には変形部８２及び８３を夫々形成している。
【０１２２】
これにより、静電式アクチュエータ８０または７７のいずれか一方、例えば図９(b)に示すように、静電式アクチュエータ７７を駆動すると、駆動した静電式アクチュエータ７７の側の可動接点８１が固定接点７４に接触し、さらに静電式アクチュエータ７７を駆動させて変形部８３を変形させることにより、固定接点７４の表面に沿って移動するように、接点を閉じることができる。一方で、駆動しない静電式アクチュエータ８０側の接点は開離状態となる。逆に静電式アクチュエータ８０を駆動し、静電式アクチュエータ７７を駆動しない状態にすると、可動接点７１と固定接点７５を接触させ、可動接点８１と固定接点７４は開離状態にすることができる。このように、この第５の実施形態によれば、２つの接点を切り替えて開閉することができる。
【０１２３】
また、この第５の実施形態のマイクロ接点開閉器では、可動板７８が弾性体であるため、静電式アクチュエータ７７及び８０を同時に駆動することによって、両端の接点を同時に接触させることも可能である。これにより、両接点開離、いずれかの接点のみが接触、両接点接触の４通りのパターンの接点操作が可能となる。
【０１２４】
さらに、この第５の実施形態のマイクロ接点開閉器では、図９に示すような２接点を交互に開閉するマイクロ接点開閉器において、支点部７３と変形部８２との間および支点部７３と変形部８３との間に静電式アクチュエータ７９及び７６を備えている。図９(a)に示すように、静電式アクチュエータ７９及び７６は、変形部８２と可動接点７１との間および変形部８３と可動接点８１との間に配置された静電式アクチュエータ８０及び７７に比べ、非駆動時の電極間隔が狭くなるように構成されている。これにより、例えば、可動接点８１を固定接点７４に接触させるときには、先に電極間隔の狭い静電式アクチュエータ７６を駆動させることで、電極間隔の広い静電式アクチュエータ７７を駆動させる場合に比べ低電圧で駆動させることができる。また、同じ電圧で駆動する場合においては、より高速の接触動作が可能となる。
【０１２５】
そして、可動接点８１が接触した状態で固定接点７４の表面に沿って移動させるときには、電極間隔の広い静電式アクチュエータ７７が駆動される。これにより、静電式アクチュエータ７７を非駆動時の状態から始動するよりも低電圧で始動でき、また、静電式アクチュエータ７６に比べ電極間隔が広いので接点に強い押し付け力と長い距離の摺動が与えられる。
【０１２６】
また、可動接点８１を開離させるときには、電極間隔の狭い静電式アクチュエータ７９を駆動させることで、可動板７８の復元力のみで開離する場合に比べ駆動力が大きく高速の開離動作が可能となる。また、電極間隔の広い静電式アクチュエータ８０を駆動させる場合に比べても低電圧で駆動させることができる。
【０１２７】
ここでは、両端の接点を切り替えるマイクロ接点開閉器を例に示したが、本発明のマイクロ接点開閉器はこれに限るものではなく、例えば図５に示すような片持ち梁を用いたマイクロ接点開閉器においても、支持部５２と変形部６８との間に静電式アクチュエータ１９に比べ電極間隔の狭い静電式アクチュエータを設けることで、可動接点１４の接触動作や固定接点１５の表面に沿った移動の操作に同様の効果が得られることは明らかである。
【０１２８】
(第６の実施形態)
図１０は本発明の第６の実施形態のマイクロ接点開閉器を用いた無線通信機器の構成図を示している。この第６の実施形態の無線通信機器は、送信部２２３と、受信部２２４と、送信部２２３からの送信信号を電波として送信するとともに受信部２２４への受信信号を電波として受信するための２つのアンテナ２３０,２３０と、２つのアンテナ２３０,２３０に一端が夫々接続され、他端同士が接続された２つのマイクロ接点開閉器２２０,２２０と、その２つのマイクロ接点開閉器２２０,２２０の他端に一端が夫々接続された２つのマイクロ接点開閉器２２２,２２２とを備えている。前記マイクロ接点開閉器２２０,２２０および２２２,２２２に本発明のマイクロ接点開閉器を用いている。
【０１２９】
上記送信部２２３の出力をミキサ２２５の一端に接続し、ミキサ２２５の他端をアンプ２２８の入力に接続している。前記アンプ２２８の出力を帯域通過フィルタ２２６の入力に接続し、帯域通過フィルタ２２６の出力をパワーアンプ２２７の入力に接続している。前記パワーアンプ２２７の出力を一方のマイクロ接点開閉器２２２の他端に接続している。また、他方のマイクロ接点開閉器２２２の他端をローノイズアンプ２３１の入力に接続し、ローノイズアンプ２３１の出力を帯域通過フィルタ２３２の入力に接続している。前記帯域通過フィルタ２３２の出力をミキサ２３３の一端に接続し、ミキサ２３３の他端をアンプ２３５の入力に接続し、アンプ２３５の出力を受信部２２４の入力に接続している。上記ミキサ２２５,２３３にＰＬＬ(Phase-Locked Loop:位相同期ループ)発振回路２３４からの局部発振信号を供給する。
【０１３０】
上記構成の無線通信機器において、送信時には、ＰＬＬ発振回路２３４からの高周波の局部発振信号に基づいて、送信部２２３からの送信信号を変調し、ミキサ２２５でミキシングして特定の周波数に変換し、帯域通過フィルタ２２６でそれ以外の不要な周波数信号を除去し、パワーアンプ２２７で増幅後、送信側のマイクロ接点開閉器２２２とアンテナ側のマイクロ接点開閉器２２０を経由してアンテナ２３０から送信信号が送信される。
【０１３１】
一方、受信時には、マイクロ接点開閉器２２０で接続された側のアンテナ２３０から入った信号が受信側のマイクロ接点開閉器２２２を経由して、ローノイズアンプ２３１で増幅され、帯域通過フィルタ２３２に不要周波数信号を除去後、ＰＬＬ発振回路２３４からの高周波の局部発振信号とその信号をミキサ２３３でミキシングし、受信周波数に変換された受信信号が受信部２２４に供給される。
【０１３２】
このように、受信状態のよいアンテナ２３０を選択するためのアンテナ切り替えのために本発明のマイクロ接点開閉器２２０,２２０を用い、アンテナ２３０と受信部２２４を接続するかまたはアンテナ２３０と送信部２２３を接続するかを切り替えるために本発明のマイクロ接点開閉器２２２,２２２を用いることで、従来のマイクロ接点開閉器を使用する場合に比べ、アンテナ切り替えあるいは送受信の切り替えのときにマイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない信頼性の高い無線通信機器が得られる。
【０１３３】
ここでは、図１０に示すようにＲＦ(無線周波数)送受信方式を用いているが、送受信方式はこれに限るものでなく、本発明のマイクロ接点開閉器は、アンテナ切り替えや、アンテナと送信部の接続またはアンテナと受信部の接続を切り替える場合に効果が得られるもので、送受信の方式に依存するものではなく、他の送受信の方式であっても同様の効果が得られることは明らかである。
【０１３４】
また、アンテナがひとつの場合は、アンテナを切り替えるためのマイクロ接点開閉器２２０は不要であるし、マイクロ接点開閉器２２０がなくても、送受信を切り替えるマイクロ接点開閉器２２２の効果に変わりがないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図１(a)は非駆動時を示す図であり、図１(b)の実線は駆動部１１６の駆動時を示し、点線は駆動部１１９の駆動時を示す図である。
【図２】図２は前記マイクロ接点開閉器の可動接点と固定接点の接触面が基板に対して傾斜する場合の構成を示す断面図である。
【図３】図３は本発明の第２の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図３(a)は非駆動時を示す図であり、図３(b)は駆動途中を示す図であり、図３(c)は駆動時を示す図である。
【図４】図４は前記マイクロ接点開閉器において変形部の配置の異なる場合の構成を示す断面図であり、図４(a)は非駆動時を示す図であり、図４(b)は駆動途中を示す図であり、図４(c)は駆動時を示す図である。
【図５】図５は前記マイクロ接点開閉器において中間支点を有する場合の構成を示す断面図であり、図５(a)は非駆動時を示す図であり、図５(b)は駆動途中を示す図であり、図５(c)は駆動時を示す図である。
【図６】図６は図５に示すマイクロ接点開閉器の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】図７は本発明の第３の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。
【図８】図８は本発明の第４の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図８(a)は非駆動時を示す図であり、図８(b)は駆動部の駆動時を示す図であり、図８(c)は駆動部の駆動時を示す図である。
【図９】図９は本発明の第５の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図９(a)は非駆動時を示す図であり、図９(b)は駆動部の駆動時を示す図である。
【図１０】図１０は本発明の第６の実施形態の無線通信機器の構成図である。
【図１１】図１１は従来のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３６】
６…駆動部
７…可動部分
８…支持部分
１０…基板
１３…可動板
１４…可動接点
１５…固定接点
１６…下部固定電極
１７…電極
１８…変形部
１９…上部可動電極
２０…シリコン基板
２１…固定接点
２２…下部固定電極
２３…電極
２４…犠牲層
２５…シリコン酸化膜
２６…レジストマスク
２９…上部可動電極
３０…可動接点
３１…支持部
３２…可動板
３３…熱式アクチュエータ
３４…ニッケル膜
３５…シリコン窒化膜
３６…駆動部
３８…支持部分
４３…可動板
４８…変形部
４９…上部可動電極
４６…下部固定電極
５２…支持部
５６…駆動部
５８…支持部分
５９…中間支点
６３…可動板
６６…下部固定電極
６８…変形部
６９…上部可動電極
７０…基板
７１,８１…可動接点
７２…支持部
７３…支点部
７４,７５…固定接点
７６,７７,７９,８０…静電式アクチュエータ
７８…可動板
８２,８３…変形部
９０…基板
９１…可動板
９２…支持部
９４…可動接点
９５…固定接点
９７…電極
９８,９９…静電式アクチュエータ
１１０…基板
１１３…可動板
１１４…可動接点
１１５…固定接点
１１６,１１９…駆動部
１１７…上部可動電極
１１８…下部固定電極
１２４…上部電極層
１２５…圧電体層
１２６…下部電極層
１２７…支持部分
１２８…可動部分
２２０…マイクロ接点開閉器
２２２…マイクロ接点開閉器
２２３…送信部
２２４…受信部
２２５…ミキサ
２２６…帯域通過フィルタ
２２７…パワーアンプ
２２８…アンプ
２３０…アンテナ
２３１…ローノイズアンプ
２３２…帯域通過フィルタ
２３３…ミキサ
２３４…ＰＬＬ発振回路
２３５…アンプ
【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】
2006173043.tif 000007
【図６】
2006173043.tif 000008
【図７】
2006173043.tif 000009
【図８】
2006173043.tif 000010
【図９】
2006173043.tif 000011
【図１０】
2006173043.tif 000012
【図１１】
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