(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動時には電磁気力を利用してスイッチングし、スイッチング後には静電気力でその状態を保たせることによって、２種の駆動方式における長所が生かせるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチを提供する。【解決手段】所定の空間に磁場を形成させる磁場発生手段と；磁場形成空間に位置してシーソー運動するカンチレバー２１０と；前記カンチレバーに設置される駆動導線２１１と；前記駆動導線と対向して設置される静電気力金属板２１６，２１７と；前記カンチレバーの両端にそれぞれ設置される接続用金属板２１３と；前記カンチレバーのシーソー運動によって前記接続用金属板と電気的に接続されることによって、一本の入力導線２０２の信号を、二本の出力導線２１４，２１５のうちいずれか一本の出力導線に通過させる入出力導線と；を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2005150110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場発生手段によって発生する磁場による電磁気力でスイッチを駆動するとともに、スイッチング状態は静電気力で維持し、また、入力ポートが、常に二つの出力ポートのうちいずれか一つに接続されることを特徴とするトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項２】
所定の空間に磁場を形成させるための磁場発生手段と；
磁場形成空間に位置してシーソー運動するカンチレバーと；
電流が流れるときに磁場との相互作用によって前記カンチレバーを駆動させる電磁気力が発生するように、前記カンチレバーに設置される駆動導線と；
電圧が印加されるときに前記駆動導線との間に静電気力が発生するように、前記駆動導線と対向して設置される静電気力金属板と；
前記カンチレバーの両端にそれぞれ設置される接続用金属板と；
前記カンチレバーのシーソー運動によって前記接続用金属板と電気的に接続されることによって、一本の入力導線の信号を、二本の出力導線のうちいずれか一本の出力導線に通過させる入出力導線と；
を備えることを特徴とするトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項３】
所定の空間に磁場を形成させるための磁場発生手段と；
磁場形成空間に位置するカンチレバーと；
電流が流れるときに磁場との相互作用によって前記カンチレバーを駆動させる電磁気力が発生するように、前記カンチレバーに設置される駆動導線と；
前記カンチレバーがシーソー運動するように、このカンチレバーの中央部分を支持するトーションバーと；
前記トーションバーを支持するポストと；
前記ポストと前記駆動導線とを連結する電流印加導線と；
電圧が加えられるときに前記駆動導線との間に静電気力を発生させるように、前記駆動導線の下部両側においてこの駆動導線と対向して設置される静電気力金属板と；
前記カンチレバーの両端下面にそれぞれ設置される接続用金属板と；
前記カンチレバーのシーソー運動によって前記接続用金属板と電気的に接続されることによって、一本の入力導線の信号を、二本の出力導線のうちいずれか一本の出力導線に通過させる入出力導線と；
を備えることを特徴とするトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項４】
前記カンチレバーは、絶縁体からなることを特徴とする請求項２または３に記載のトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項５】
前記絶縁体が、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなることを特徴とする請求項４に記載のトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項６】
前記磁場発生手段を除く全ての構成要素が、基板上に集積形成されることを特徴とする請求項２または３に記載のトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【請求項７】
前記基板が、シリコンまたはガラスからなることを特徴とする請求項６に記載のトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高周波用ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）スイッチに関し、特に、一つの入力と二つの出力ポートを持っており、入力が常に二つの出力ポートのいずれか一つに連結されるトグル方式のＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｌｅ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｔｈｒｏｗ；単極双投型）スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近来、超高周波帯域で使用される多くの電子システムは、超小型化・超軽量化・高性能化しつつある。このような電子システムに、電気的な信号を制御すべく、既存には電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）やピンダイオード（ｐｉｎ  ｄｉｏｄｅ）のような半導体スイッチが使用されてきた。しかしながら、これら半導体スイッチは、待機状態で電力損失が大きく、かつ、完全なオン／オフができないなどの諸問題を抱えていた。
【０００３】
そこで、最近では、マイクロマシニング（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術を用いて機械的に動作する超小型超高周波スイッチが広く研究されてきている。この種のマイクロスイッチは、小さい挿入損失（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ）、高い絶縁性（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、及び動作特性の線形性により、既存の半導体スイッチが持つ短所を克服することができた。
【０００４】
かかるマイクロスイッチを駆動する方法には、大きく、静電気力を用いた方法と、電磁気力を用いた方法とがある。
【０００５】
静電気力を用いた駆動方法は、２枚の板の間に作用する静電気力でスイッチをオン／オフする方式である。この方式のスイッチは、構造及び製作工程が簡単であるという長所を持つが、動作電圧が高く、発生する力が小さいために信頼性ある駆動が得難いし、高い電力の信号を取り扱い難いという短所がある。この一例に、米国のＲｏｂｅｒｔ  Ｙ．Ｌｏｏ等に許与された米国特許第６４４０７６７号があり、ここでは、静電引力を利用したマイクロスイッチ構造及び製造方法が開示されている。
【０００６】
一方、電磁気力を利用した駆動方法には、米国のマイクロラボ（ｍｉｃｒｏｌａｂ）から提案された方法がある。これは、外部磁石を使って磁場を発生させると同時に、コイルに電流を流して生成される反対磁場の有無によって、磁性体からなるカンチレバーを引っ張る方式でスイッチをオン／オフする方法である。この駆動方法が適用されるマイクロスイッチは、コイルに電流を流して強い磁場を形成しなければならないので、静電気力を利用した駆動方式に比べて、電力消耗が多く、かつ、コイルのためにサイズが大きくなる、という短所があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、駆動時には電磁気力を利用してスイッチングし、スイッチング後には静電気力でその状態を保たせることによって、２種の駆動方式における長所が生かせるトグル方式のＳＰＤＴマイクロ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】
【０００８】
上記の目的を達成すべく、本発明によるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチは、  磁場発生手段によって発生する磁場による電磁気力でスイッチを駆動するとともに、スイッチング状態は静電気力で維持し、また、入力ポートが、常に二つの出力ポートのうちいずれか一つに接続されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一実施形態によるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチは、所定の空間に磁場を形成させるための磁場発生手段と；磁場形成空間に位置してシーソー運動するカンチレバーと；電流が流れるときに磁場との相互作用によって前記カンチレバーを駆動させる電磁気力が発生するように、前記カンチレバーに設置される駆動導線と；電圧が印加されるときに前記駆動導線との間に静電気力が発生するように、前記駆動導線と対向して設置される静電気力金属板と；前記カンチレバーの両端にそれぞれ設置される接続用金属板と；前記カンチレバーのシーソー運動によって前記接続用金属板と電気的に接続されることによって、一本の入力導線の信号を、二本の出力導線のうちいずれか一本の出力導線に通過させる入出力導線と；を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の実施形態によるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチは、所定の空間に磁場を形成させるための磁場発生手段と；磁場形成空間に位置するカンチレバーと；電流が流れるときに磁場との相互作用によって前記カンチレバーを駆動させる電磁気力が発生するように、前記カンチレバーに設置される駆動導線と；前記カンチレバーがシーソー運動するように、このカンチレバーの中央部分を支持するトーションバーと；前記トーションバーを支持するポストと；前記ポストと前記駆動導線とを連結する電流印加導線と；電圧が加えられるときに前記駆動導線との間に静電気力を発生させるように、前記駆動導線の下部両側においてこの駆動導線と対向して設置される静電気力金属板と；前記カンチレバーの両端下面にそれぞれ設置される接続用金属板と；前記カンチレバーのシーソー運動によって前記接続用金属板と電気的に接続されることによって、一本の入力導線の信号を、二本の出力導線のうちいずれか一本の出力導線に通過させる入出力導線と；を備えることを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記カンチレバーは、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などの絶縁体からなる。
【００１２】
また、前記磁場発生手段を除く全ての構成要素が、基板上に集積形成され、この基板が、シリコンまたはガラスからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、スイッチングの瞬間には電磁気力を使用し、スイッチングの後には静電気力を使用する。したがって、本発明によれば、静電気力に比べて大きい電磁気力を用いてスイッチング動作を遂行するので、高信頼性の動作が可能となり、機械的にも強い構造を持つことが可能になり、かつ、高い電力の信号を取り扱うことも可能になる。また、本発明によれば、初期変位を大きくすることができるので、オフ時に大きい絶縁（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）値を得ることが可能になる。
【００１４】
また、本発明は、駆動力は大きいが、電流を継続して印加しなければならないために電力消耗が大きいという電磁気力駆動における短所を克服すべく、スイッチングの後には電磁気力を使用せずに、２つの電極間が近づいた状態での静電気力を用いてオン状態を維持するので、相対的に低い電圧で駆動が可能になり、かつ、スイッチングの瞬間にのみ電磁気力発生のための電流を印加するので、電力消費が少ない。
【００１５】
本発明によれば、トグル方式で一つのスイッチを用いてＳＰＤＴを実現し、かつ、この種のスイッチがＭＥＭＳ技法で一枚の基板上に集積形成されるので、素子のコンパクト化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。後述する実施形態は、本発明の理解を助けるために例示されたものに過ぎず、当分野で通常の知識を持つ者なら、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形が可能である。したがって、本発明の権利範囲が、下記の実施形態によって限定されるものと解釈されていけないことに留意されたい。
【００１７】
図１ないし図４は、本発明によるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチを説明するための図であって、図１は基本概念図、図２は具体例の斜視図、図３は図２の平面図である。特に図２では、明瞭な図示のために、磁場形成のための永久磁石１０１，１０２の図示を省略した。
【００１８】
図１ないし図３を参照すると、ＳＰＤＴマイクロスイッチは、磁場が形成された空間で動作する。磁場を形成させるための磁場発生手段として、ＳＰＤＴマイクロスイッチの両側には異なる極性を持つ永久磁石１０１，１０２が設置される。図１に示した矢印は磁場の方向を表す。
【００１９】
スイッチの構造体として機能するカンチレバー２１０は、基板２００から浮き上がった状態に磁場形成空間に配設され、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のような絶縁体からなる。カンチレバー２１０の中央部分には、カンチレバー２１０が電磁気力によりシーソー運動（ｓｅｅｓａｗ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）するようにトーションバー２０６，２０７が取り付けられる。
【００２０】
カンチレバー２１０の上面には、駆動導線２１１が集積形成され、この駆動導線２１１に電流が流れると、永久磁石１０１，１０２により発生する磁場との相互作用により、カンチレバー２１０をシーソー運動させる電磁気力が発生することになる。
【００２１】
トーションバー２０６，２０７は、ポスト２０４，２０５に支持される。ポスト２０４，２０５は、電流印加導線２０８，２０９を介して駆動導線２１１と電気的に連結される。ここで、駆動電流は、ポスト２０４，２０５を介して外部から加えられる。
【００２２】
駆動導線２１１を数回巻く形状にするときには、この導線２１１の内側末端と電流印加導線２０８，２０９を互いに連結させるためのブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）導線２１２が必要とされる。ブリッジ導線２１２は、カンチレバー２１０から一定の間隔だけ浮き上がって設置される。
【００２３】
また、基板２００上には、カンチレバー２１０の下部両側において静電気力金属板２１６，２１７が配置される。静電気力金属板２１６，２１７に電圧が印加されると、これらと対向する駆動導線２１１との間には静電気力が発生する。
【００２４】
カンチレバー２１０の両端下面には、接続用金属板２１３がそれぞれ設置され、基板２００上には、高周波信号などが入力される一本の入力導線２０２と二本の出力導線２１４，２１５が集積形成される。ここで、二本の出力導線２１４，２１５はそれぞれ、接続用金属板２１３と対応する部分で切れている。したがって、カンチレバー２１０がシーソー運動するときに、入力導線２０２は、接続用金属板２１３を介して二つの出力導線２１４，２１５のいずれかと連結される。
【００２５】
このように永久磁石１０１，１０２を除く全ての構成要素が、ＭＥＭＳ技法で基板２００上に集積形成されることから、素子のコンパクト化が図られるが、このために、基板２００は、シリコンまたはガラスなどの絶縁体からなる必要がある。参照番号２０３は、信号損失を低減させる役割を担うグラウンド導線である。
【００２６】
次に、本発明によるＳＰＤＴマイクロスイッチの駆動方法について説明する。
【００２７】
駆動導線２１１に電流が流れない初期状態では、入力導線２０２も出力導線２１４，２１５もオフ（ｏｆｆ）状態にある。その後、ポスト２０４，２０５及び電流印加導線２０８，２０９を介して外部から駆動導線２１１に電流が印加され、図１に示した方向に磁場が印加されると、駆動導線２１１のうち、磁場の方向と垂直に置かれている部分に、電磁気力が与えられる。
【００２８】
この電磁気力によって、カンチレバー２１０が、トーションバー２０６，２０７を軸として回転し、その一端が下降すると、入力導線２０２は、接続用金属板２１３を介して第１出力導線２１４及び第２出力導線２１５のいずれか一つに連結される。一方、駆動導線２１１に流れる電流の方向が反対になると、カンチレバー２１０の回転方向も反対になり、その他端が下降するようになる。
【００２９】
図４は、カンチレバー２１０が反時計回り方向に回転することによって、入力導線２０２が第１出力導線２１４と連結され、第１スイッチがオン（ｏｎ）になる場合を示している。このようにカンチレバー２１０が反時計回り方向に回転することによって、入力導線２０２が第１出力導線２１４と連結された後には、第１出力導線２１４に近接して設置された静電気力金属板２１６に電圧を印加し、駆動導線２１１をグラウンドに連結する。こうすると、駆動導線２１１に電流が流れなくても、静電気力金属板２１６と駆動導線２１１との間に発生する静電気力により、カンチレバー２１０は下方に継続して引っ張られ、よって、第１スイッチはオン（ｏｎ）状態を維持する。
【００３０】
まず、駆動導線２１１に与えられた電磁気力により、カンチレバー２１０が回転し、これにより、静電気力金属板２１６と駆動導線２１１との距離が狭まると、これらの間に作用する静電気力が大きくなるため、駆動導線２１１に電流が流れなくても、第１スイッチはオン（ｏｎ）状態を維持するようになる。したがって、スイッチをオン（ｏｎ）状態に維持する上で必要な動作電圧が小さく、かつ、電力は消費されない。
【００３１】
一方、入力導線２０２を第２出力導線２１５に連結して第２スイッチをオン（ｏｎ）にしたい場合には、静電気力金属板２１６に印加された電圧を除去し、駆動導線２１１に流れる電流の方向を反対にするといい。こうすると、カンチレバー２１０は時計回り方向に回転し、入力導線２０２が第２出力導線２１５に連結されるようになる。
【００３２】
カンチレバー２１０が反時計回り方向から時計回り方向へ回転方向を変える際には電磁気力が関与するので、回転の力が大きく、したがって、高い電力の信号を取り扱うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、スイッチングの瞬間には電磁気力を使用し、スイッチングの後には静電気力を使用する。したがって、本発明によれば、静電気力に比べて大きい電磁気力を用いてスイッチング動作を遂行するので、高信頼性の動作が可能となり、機械的にも強い構造を持つことが可能になり、かつ、高い電力の信号を取り扱うことも可能になる。また、本発明によれば、初期変位を大きくすることができるので、オフ時に大きい絶縁（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）値を得ることが可能になる。
【００３４】
また、本発明は、駆動力は大きいが、電流を継続して印加しなければならないために電力消耗が大きいという電磁気力駆動における短所を克服すべく、スイッチングの後には電磁気力を使用せずに、２つの電極間が近づいた状態での静電気力を用いてオン状態を維持するので、相対的に低い電圧で駆動が可能になり、かつ、スイッチングの瞬間にのみ電磁気力発生のための電流を印加するので、電力消費が少ない。
【００３５】
本発明によれば、トグル方式で一つのスイッチを用いてＳＰＤＴを実現し、かつ、この種のスイッチがＭＥＭＳ技法で一枚の基板上に集積形成されるので、素子のコンパクト化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるトグル方式のＳＰＤＴマイクロスイッチを説明するための基本概念図である。
【図２】図１の具体例を示す斜視図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】図２において、カンチレバーが反時計回り方向に回転することによって、入力導線が第１出力導線と連結され、第１スイッチがオン（ｏｎ）になる場合を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１，１０２  永久磁石
２００  基板
２０２  入力導線
２０３  グラウンド導線
２０４，２０５  ポスト
２０６，２０７  トーションバー
２０８、２０９  電流印加導線
２１０  カンチレバー
２１１  駆動導線
２１２  ブリッジ導線
２１３  接続用金属板
２１４  第１出力導線
２１５  第２出力導線
２１６，２１７  静電気力金属板
【図１】
2005150110.tif 000003
【図２】
2005150110.tif 000004
【図３】
2005150110.tif 000005
【図４】
2005150110.tif 000006