(57)【要約】【課題】  小型化が可能で、且つマイクロ波帯で動作可能な関数発生器を提供する。【解決手段】  マイクロマシンスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮと減衰素子Ｒ１〜ＲＮを直列に接続し、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮのオンオフにより減衰素子Ｒ１〜ＲＮの導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイ１を備え、入力電圧値に応じてスイッチ素子Ｒ１〜ＲＮをオンオフ制御して、スイッチアレイ１の減衰素子Ｒ１〜ＲＮにより形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロマシンスイッチ素子と減衰素子を直列に接続し、上記マイクロマシンスイッチ素子のオンオフにより上記減衰素子の導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイを備え、
入力電圧値に応じて上記マイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、上記スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と上記入力電圧値とから求まる電流値を出力する関数発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロマシンスイッチ素子からなるスイッチアレイで目的の関数に従う出力を実現した関数発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、入力電圧から所望の関数に従った電流値を発生する関数発生器は、ダイオードの非線形性（順方向動作）やオペアンプを利用して実現されていた。例えば、ダイオードの非線形特性を利用すると、入力電圧の二乗値に相当する電流を出力する関数発生器である二乗回路を構成することができる。
【０００３】
ところで、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術の発展に伴い、無線通信分野でのマイクロマシンチップの利用が実現されつつある（非特許文献１、２、３参照）。この無線通信分野においても、無線信号の処理に上述した関数発生器が広く利用されている。
【０００４】
【非特許文献１】”マイクロ波帯のＭＥＭＳ応用技術の動向”、Design Wave Magazine, 2002 November, p.80-81
【非特許文献２】「技術調査レポート（技術動向編）第３号  ＭＥＭＳに関する技術の現状と課題」、経済産業省産業技術環境局技術調査室  製造産業局、産業機械課発行、平成１５年３月２８日、ｐ．７
【非特許文献３】ＥＤＮ  Ｊａｐａｎ  ニュースリリース、”ＲＦ  ＭＥＭＳ技術、第３世代携帯電話で飛躍”、［online］、２００２年５月号、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.ednjapan.com/ednj/2002/200205/feature-b0205.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の関数変換器では、ダイオードやオペアンプなどの半導体の特性上、数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯で動作させることが難しいという課題があった。また、ダイオードの非線形処理を利用する場合、関数変換器が能動回路として構成されるため、電気特性のばらつきや温度特性の補償方法に工夫が必要であるなどの課題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ダイオードのように使用電圧範囲が限定されないリニアな特性を有するマイクロマシンスイッチからなるスイッチアレイを用いることで、小型化が可能で、且つ数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯で動作可能な関数発生器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る関数発生器は、マイクロマシンスイッチ素子と減衰素子を直列に接続し、マイクロマシンスイッチ素子のオンオフにより減衰素子の導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイを備え、入力電圧値に応じてマイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、マイクロマシンスイッチ素子と減衰素子を直列に接続し、マイクロマシンスイッチ素子のオンオフにより減衰素子の導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイを備え、入力電圧値に応じてマイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するので、マイクロマシン技術により小型化を図ることができる上、数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯でも動作可能な関数発生器を提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明による関数発生器に用いるマイクロマシンスイッチアレイを示す図であり、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は（ａ）中の記号Ａを付した領域に示される部分の拡大図である。（ａ）に示すように、本発明による関数発生器は、複数のマイクロマシンスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮを平面上に配置したマイクロマシンスイッチアレイ１を有する。
【００１０】
スイッチアレイ１を構成する各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮに接続する信号線は、ｐｏｒｔ１，２の各信号端子２，３に電気的に接続している。これら信号線が（ｂ）に示す信号線５，６である。また、各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮには、減衰素子Ｒ１〜ＲＮが設けられている。減衰素子Ｒ１〜ＲＮによって、ｐｏｒｔ１−ｐｏｒｔ２間の信号線を流れる電流を制限する。
【００１１】
なお、減衰素子Ｒ１〜ＲＮの値の配置は、例えば以下のようにして決定される。
本実施の形態による関数発生器で実現したい所望の関数とその使用電流電圧範囲などを決定しておき、この使用範囲における入力電圧値と出力電流値をパラメータとした上記関数の理想的な曲線から、入力電圧値に上記関数の演算を施して得られる出力電流値を導く抵抗値を入力電圧値に応じて予め求めておく。
【００１２】
この入力電圧値に応じた抵抗値がマイクロマシンスイッチアレイ１内のスイッチ素子のオンオフにより実現されるように減衰素子Ｒ１〜ＲＮを配置する。つまり、一つ若しくは複数のスイッチ素子をオンする組み合わせによりスイッチアレイ１内で規定される抵抗値が、上述のようにして求めた入力電圧値に応じた抵抗値の関係を満たすように減衰素子Ｒ１〜ＲＮを配置する。
【００１３】
また、（ｂ）にスイッチ素子ＳＷ１を例に挙げて示すように、各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮは、信号線５，６にそれぞれ電気的に接続する信号接点４ａ，４ｂ、制御接点７、制御端子８及びカンチレバー９からなる。図示の例では、信号接点４ａ，４ｂの下層に信号線５，６が形成され、バイアホールなどによる導体間電気接続により信号接点４ａ，４ｂと信号線５，６が接続される。
【００１４】
信号接点４ｂについては、前述のようして信号線６に接続する部分と信号接点４ｂとの間に同一平面上で一体に形成された減衰素子Ｒ１が挿入されている。制御端子８は、制御接点７と同一平面上で一体に形成される。制御端子８に入力された制御信号は制御接点７に伝えられ、静電気力などによりカンチレバー９が駆動する。
【００１５】
図２は、図１に示したアレイを構成するマイクロマシンスイッチ素子を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線での断面図であって、スイッチ素子がオフ状態を示しており、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線での断面図であって、スイッチ素子がオン状態を示している。（ａ）に示すように、電気的に分離して配置された信号接点４ａ，４ｂは、カンチレバー９がオン状態になることにより導通することになる。
【００１６】
つまり、制御接点７に制御信号が伝えられる前ではカンチレバー９が駆動せず、（ｂ）の状態にある。制御接点７に制御信号が伝えられると、（ｃ）の状態のようにカンチレバー９が駆動し、その先端の導体接点が信号接点４ａ，４ｂに接触する。これにより、信号接点４ａ，４ｂが導通し、ひいては信号端子２，３が導通する。
【００１７】
なお、本実施の形態では、カンチレバー９を使用する静電駆動型のスイッチ素子を例に挙げたが、スイッチ素子自体の構造はカンチレバーの代わりにメンブレンなどを使用するものであっても良い。
【００１８】
図３は、上述したマイクロマシンスイッチアレイ１の回路図である。図に示すように、本実施の形態１によるスイッチアレイは、各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮと各減衰素子（抵抗）Ｒ１〜ＲＮとが直列に接続してなる各構成ユニットがさらに並列接続した構成を有している。このように、制御信号に応じてスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮをオンオフすることで、マイクロマシンスイッチアレイ１において適当な減衰値（抵抗値）を決定することができる。
【００１９】
図４は、この発明の実施の形態１による関数発生器の構成を示す図である。本実施の形態による関数発生器は、マイクロマシンスイッチアレイ１、制御端子１０に入力が接続するバッファアンプ１１、直流電源１２及び出力部１３から構成される。バッファアンプ１１は、制御端子１０を介して入力した入力信号を増幅し、制御信号としてスイッチアレイ１内のマイクロマシンスイッチ素子の制御端子８に出力する。
【００２０】
バッファアンプ１１はスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮごとに設けられ、不図示の入力信号制御部によってバッファアンプ１１を介して制御信号を出力すべきスイッチ素子が制御される。つまり、上記入力信号制御部によって、直流電源１２からの入力電圧値Ｖに応じて制御信号を出力してオン状態にするスイッチ素子を制御し、スイッチアレイ１での減衰値を制御する。
【００２１】
このようにして、本実施の形態による関数発生器では、制御信号に応じてスイッチアレイ１で決定される減衰値（抵抗値）の逆数と直流電源１２からの入力電圧値Ｖとの積として得られる電流値が、入力電圧値Ｖに所望の関数による演算を施した電流値Ｉとなるように制御される。
【００２２】
出力部１３には、スイッチアレイ１の減衰値（抵抗値）の逆数と直流電源１２からの入力電圧値の積により決定された電流値が出力される。例えば、電流計や上記電流値を出力すべき何らかの負荷が考えられる。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
次に動作について説明する。
先ず、入力電圧Ｖの０．５乗に相当する電流値Ｉを発生する関数発生器を構成した場合を例に挙げて説明する。不図示の入力信号制御部が、直流電源１２からの入力電圧値Ｖに応じてスイッチアレイ１内でオンさせるスイッチ素子を決定し、決定したスイッチ素子に接続する制御端子１０に入力信号を入力する。制御端子１０に入力された入力信号は、バッファアンプ１１により増幅されて上記スイッチ素子の制御端子８に出力される。
【００２４】
制御端子８を介して入力された制御信号は制御接点７に伝えられ、静電気力などによりカンチレバー９が駆動し、信号接点４ａ，４ｂを導通させる。これにより、スイッチ素子はオン状態になり、スイッチアレイ１における減衰値（抵抗値）が決定される。
【００２５】
入力電圧値Ｖの０．５乗の電流値Ｉを発生する関数発生器であれば、Ｉ＝Ｖ０．５を満足する関数に基づいて、直流電源１２からの入力電圧値Ｖが大きくなるに従って順番に各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮがオフ状態になるように、入力信号を入力する制御端子１０が決定される。これにより、スイッチアレイ１では、直流電源１２からの入力電圧値Ｖが大きくなるにつれて、ｐｏｒｔ１−ｐｏｒｔ２間の減衰値（抵抗値）が最小値Ｒ１／／Ｒ２／／・・・／／ＲＮから最大値Ｒ１（若しくは無限大）までステップ状に大きくなる。なお、／／は並列抵抗を意味する。
【００２６】
上述のようにして、スイッチアレイ１にて減衰値（抵抗値）が決定されると、この減衰値の逆数と直流電源１２からの入力電圧値Ｖとの積により、所望の関数Ｉ＝Ｖ０．５を満足する電流値Ｉを得ることができる。
【００２７】
図５は、上述したように直流電源１２からの入力電圧値Ｖに応じてスイッチアレイ１で減衰値を決定した場合の入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフであり、（ａ）は入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の入力電圧値と出力電流値を対数目盛に変換したグラフである。上述のようにして直流電源１２からの入力電圧値Ｖに応じた減衰値（抵抗値）を決定することにより、（ａ）に示すような入力電圧値と出力電流値の関係を得ることができる。
【００２８】
これは、（ｂ）のグラフに示すように、入力電圧値Ｖの変化量４０ｄＢ（２桁）に対して出力電流値Ｉが２０ｄＢ（１桁）となる。つまり、傾きが１：２（ｄＢ／ｄＢ）であり、上記制御によって開平回路を実現できていることがわかる。
【００２９】
本発明による関数発生器は、スイッチアレイ１をマイクロマシン技術で製造するので、１チップで構成することができ、近年のマイクロマシン技術の向上によりチップサイズも小型化を図ることができる。例えば、スイッチ素子を近年のマイクロマシン技術で実現可能な０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍのサイズで構成すれば、１ｍｍ平方のチップ内におよそ４００個のスイッチ素子を配置することができる。
【００３０】
また、このようなマイクロマシンスイッチ素子を数万個まで配列してなるスイッチアレイ１を構成すれば、１６ｂｉｔ程度での変換精度も実現可能である。つまり、スイッチ素子数を増やせば増やす程より正確な関数発生器を実現することができる。
【００３１】
さらに、マイクロマシンスイッチ素子は、従来のダイオードを使用する関数発生器のように使用可能な電圧範囲が限られず、個々のスイッチ素子がリニアな特性を有する。このため、数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯で動作させることも可能である。
【００３２】
なお、上述した説明では、入力電圧値Ｖの０．５乗の出力電流値Ｉを実現する関数発生器を例に挙げたが、スイッチアレイ１内のスイッチ素子のオンオフ制御によって決定される抵抗値を変えたり、スイッチ素子のオンオフ制御の組み合わせを変更することで、０．３乗、０．４乗、・・・、３乗、４乗、・・・、対数などの任意の関数を実現することができる。本発明では、基本的に変曲点が１つの関数であるならば任意の関数を実現することができる。
【００３３】
例えば、Ｉ＝Ｖ２を満足する関数を実現する場合、直流電源１２からの入力電圧値Ｖが大きくなるに従って各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮが順番にオン状態になるように制御端子１０への電圧入力を制御する。これにより、スイッチアレイ１では、ｐｏｒｔ１−ｐｏｒｔ２間の減衰値（抵抗値）が、最大値無限大から最小値Ｒ１／／Ｒ２／／・・・／／ＲＮまでステップ状に小さくなる。
【００３４】
図６は、このように入力電圧値Ｖに応じてスイッチアレイ１で減衰値を決定した場合の入力電圧と出力電流の理論的な関係を示すグラフであり、（ａ）は入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の入力電圧値と出力電流値を対数目盛に変換したグラフである。入力電圧値Ｖに応じた減衰値（抵抗値）を決定することにより、（ａ）に示すような入力電圧値と出力電流値の関係を得ることができる。
【００３５】
これは、（ｂ）のグラフで示すように、入力電圧値Ｖの変化量２０ｄＢ（１桁）に対して出力電流値Ｉが４０ｄＢ（２桁）である。つまり、傾きが２：１（ｄＢ／ｄＢ）であり、上記制御によってダイオードの順方向特性と同じ２乗特性を実現できていることがわかる。
【００３６】
以上のように、この実施の形態１によれば、マイクロマシンスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮと減衰素子Ｒ１〜ＲＮを直列に接続し、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮのオンオフにより減衰素子Ｒ１〜ＲＮの導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイ１を備え、入力電圧値に応じてスイッチ素子Ｒ１〜ＲＮをオンオフ制御して、スイッチアレイ１の減衰素子Ｒ１〜ＲＮにより形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するので、ダイオードのように使用電圧範囲が限定されないリニアな特性を有するマイクロマシンスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷＮを用いることから、マイクロマシン技術により小型化を期待できる上、数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯でも動作可能な関数発生器を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明に係る関数発生器は、マイクロマシン技術により小型化を図ることができ、数ＧＨｚ以上のマイクロ波帯で動作可能であることから、無線通信分野における携帯通信端末で扱われる高周波信号の信号変換処理を実行する関数発生器として適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明による関数発生器に用いるマイクロマシンスイッチアレイを示す図である。
【図２】図１に示したアレイを構成するマイクロマシンスイッチ素子を示す図である。
【図３】図１に示したマイクロマシンスイッチアレイの回路図である。
【図４】この発明の実施の形態１による関数発生器の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１による関数発生器の入力電圧と出力電流の関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１による関数発生器の他の例における入力電圧と出力電流の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  マイクロマシンスイッチアレイ（スイッチアレイ）、２，３  信号端子、４ａ，４ｂ  信号接点、５，６  信号線、７  制御接点、８  制御端子、９  カンチレバー、１０  制御端子、１１  バッファアンプ、１２  直流電源、１３  出力部。
【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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【図６】
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