(57)【要約】【課題】高信頼性のスイッチおよびそれを用いた電力変換器を提供する。【解決手段】スイッチは、基板１、信号線２、支持台３、固定部材４、駆動部５、及び接触電極６を備える。基板１上の所定領域には、信号線２と支持台３とが設けられる。そして、支持台３上には固定部材４の一端が設けられ、この固定部材４は基板１に平行な状態で信号線２の位置まで延在している。また、固定部材４の他端の下側（基板１側）には、信号線２に対向する位置に駆動部５とさらにその下側に接触電極６が設けられる。接触電極６は、信号線２と所定の隙間を介して対向している。ここで、駆動部５は積層型圧電素子からなり、電圧が印加されると、電圧が印加されない状態から伸長もしくは収縮する特性を有する。接触電極６は、この駆動部５の伸縮方向に連動して変位する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されると、電圧が印加されない状態から伸長もしくは収縮する駆動部と、
前記駆動部の伸縮方向に設けられ、この駆動部と連動して変位する接触電極と、
前記接触電極と対峙する位置に設けられた信号線と、
を備え、
前記駆動部は圧電素子からなり、この圧電素子を駆動させることにより前記接触電極と前記信号線との間の接続を制御するスイッチ。
【請求項２】
前記駆動部は、所定の周波数を有する交流電圧によって駆動されていることを特徴とした請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
前記交流電圧の周波数は、前記圧電素子の共振周波数であることを特徴とした請求項２に記載のスイッチ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチを含むことを特徴とした電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチおよびそれを用いた電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電気力を発生させるとともに、その発生された静電気力を用いて、信号線に対して接触電極を接触させる機械式電気スイッチが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、上記特許文献１に開示された従来の機械式電気スイッチの構造を示した断面図である。図５に示されるように、従来の機械式電気スイッチでは、基板１１２上の所定領域に、アンカー構造１１４と、下部電極１１６と、信号線１１８とが設けられている。そして、アンカー構造１１４の上には片持ちアーム１２０が設けられ、この片持ちアーム１２０は、下部電極１１６を越えて信号線１１８の位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して対向している。片持ちアーム１２０の上側には、上部電極１２４がアンカー構造１１４から下部電極１１６に対向する位置まで形成されている。また、片持ちアーム１２０の下側には、信号線１１８に対向する位置に接触電極１２２が設けられている。
【０００４】
このような構造をした機械式電気スイッチにおいて、接触電極１２２と信号線１１８との間には隙間が設けられている。このため、下部電極１１６に電圧が印加されない状態（オフ状態）では、信号線１１８に電流は流れない。ここで、上部電極１２４と下部電極１１６との間に電圧を印加すると、静電気力により上部電極１２４に基板方向（矢印１１１の下向き）に引力が働く。このため、片持ちアーム１２０が基板側に弾性変形し、接触電極１２２が信号線１１８と接触する。この結果、信号線１１８と接触電極１２２とが導通してスイッチがオン状態となる。さらに、オン状態から電圧の印加をなくすと、弾性変形している片持ちアーム１２０のばね復元力によって接触電極１２２が信号線１１８から開離する。この結果、信号線１１８と接触電極１２２とが非導通となりスイッチがオフ状態となる。
【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】
【０００５】
しかしながら、従来の構成において、スイッチのオン／オフ状態の切り替えが繰り返された場合には、片持ちアーム１２０の弾性変形（撓み）が繰り返されるので、片持ちアーム１２０が疲労劣化し破損するという不都合が生じる。その結果、機械式電気スイッチの信頼性が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、その目的は、高信頼性のスイッチおよびそれを用いた電力変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明に係るスイッチは、電圧が印加されると、電圧が印加されない状態から伸長もしくは収縮する駆動部と、駆動部の伸縮方向に設けられ、この駆動部と連動して変位する接触電極と、接触電極と対峙する位置に設けられた信号線と、を備え、駆動部は圧電素子からなり、この圧電素子を駆動させることにより接触電極と信号線との間の接続を制御することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、接触電極と信号線との接続を、駆動部の弾性変形（撓み）によって
行うのではなく、駆動部の伸縮によって行うことができる。この駆動部の伸縮を圧電素子の自発分極に基づく歪による変位により行うため、従来の駆動部におけるオン／オフ動作の繰り返しに伴う変形疲労劣化を抑制することができる。したがって、スイッチの信頼性を向上させることができる。
【０００９】
この発明に係る別のスイッチでは、駆動部は、所定の周波数を有する交流電圧によって駆動されていることを特徴とする。この場合、印加される交流電圧の周波数に対応して駆動部が繰り返し伸縮するので、所定の周波数での高速スイッチング（スイッチのオン／オフ動作）が行われる。このため、従来の駆動部におけるオン／オフ動作の繰り返しに伴う疲労劣化の抑制効果をより効果的に享受することができる。したがって、高速スイッチングが行われるスイッチの信頼性を向上させることができる。
【００１０】
上記構成において、交流電圧の周波数は、圧電素子の共振周波数であってもよい。この場合、共振周波数で駆動する圧電素子の伸縮量が最も大きくなる。このため、オフ状態における接触電極と信号線との隙間（間隔）をさらに開けて配置することができるので、高い耐電圧を有するスイッチを得ることが可能となる。
【００１１】
さらにこの発明に係る電力変換器は、上記記載のスイッチを含むことを特徴とする。従来の電力変換器では機械式電気スイッチより信頼性の高い半導体スイッチが使用されていたが、この発明によれば、信頼性の向上したスイッチ（機械式電気スイッチ）を用いて電力変換器を構成するので、高信頼性な電力変換器が提供される。また、上記スイッチは半導体スイッチよりも導通抵抗が低く、導通損による発熱が低減されるので、電力変換器に搭載される他の電子部品への熱の影響が抑制される。この結果、スイッチを含む電子部品の搭載間隔を狭めることが可能となり、従来に比べ電力変換器の小型化が実現される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高信頼性のスイッチおよびそれを用いた電力変換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る機械式電気スイッチの構成を示す概略上面図であり、図２は、図１の機械式電気スイッチのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００１５】
機械式電気スイッチは、基板１、信号線２、支持台３、固定部材４、駆動部５、及び接触電極６を備える。
【００１６】
基板１は、機械式電気スイッチの基板となる。基板１には、たとえば、単結晶シリコン基板やＧａＡｓ基板などが用いられ、その上面には該基板の酸化物もしくは絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００１７】
信号線２は、基板１の上の所定領域において、所定の配線パターンを有する。ここでは、図１に示すように、２つの信号線２が所定のギャップ（スペース間隔）で配置されている。信号線２の材料は、特に限定されないが、たとえば金や金コバルト合金などの貴金属系高融点金属が好適である。
【００１８】
支持台３は、信号線２の近傍の基板１の上に設けられ、後述する駆動部５および接触電極６を所定の高さに設置するための土台となる。支持台３の材料は、特に限定されないが、たとえば、ポリシリコン膜などが好適である。
【００１９】
固定部材４は、一端が支持台３の上に設けられ、基板１に平行な状態で信号線２の位置まで延在している。支持台３の材料は、特に限定されないが、たとえば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが好適である。
【００２０】
駆動部５は、固定部材４の他端の下側（基板側）に設けられ、信号線２のギャップ部分の上方に位置している。駆動部５は、積層型圧電素子からなり、電圧が印加されると、電圧が印加されない状態から矢印７の方向に伸長もしくは収縮する特性を有する。この伸縮（伸長もしくは収縮）は、圧電材料の自発分極に基づく歪による変位を利用している。一般に弾性変形（撓み）では、塑性変形が生じる降伏点よりも小さな応力であっても、材料に繰り返し荷重や交番負荷による負荷を長時間作用させると疲労が発生し、破壊することが知られている。これに対して圧電材料によって生じる変位（伸縮）は、自発分極に起因する材料固有の現象である。つまり、電気エネルギーを直接的に機械エネルギーに変換する電気機械変換効率が高いため、材料そのものに掛かる負荷は先に述べた弾性変形（撓み）における負荷よりも小さく、応力負荷に対する信頼性が高い。また、圧電素子は、電圧印加した際の自発分極の応答速度が速いため、駆動部として高速で動作する。圧電素子を構成する材料としては、たとえば水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデンなどが採用され、この中で特にチタン酸ジルコン酸鉛が好適である。ここでは、駆動部５として、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの厚みの積層型圧電素子（変位量０．１％程度）を用いた。なお、圧電素子の構成と材料を適宜選択することによって、数十μｍ以上の延伸もしくは収縮が可能である。
【００２１】
接触電極６は、駆動部５の下側（基板側）に凸形状を有するように設けられ、信号線２のギャップ部分の上方であって、且つ、信号線２と所定の隙間（間隔）をあけて対向している。ここでは、所定の隙間（間隔）を約１〜約１０μｍとなるように設定した。また、接触電極６は、駆動部５の伸縮方向に連動して変位するように設置されている。接触電極６の材料は、特に限定されないが、たとえば金や金コバルト合金などの貴金属系高融点金属が好適である。
【００２２】
この実施形態での機械式電気スイッチにおいて、通常の状態では、接触電極６と信号線２との間には隙間（間隔）が設けられている。このため、駆動部５に電圧が印加されない状態（オフ状態）では、信号線２に電流は流れない。ここで、リード線（図示せず）などによって駆動部５を構成する圧電素子に電圧を印加すると、逆圧電効果（プラスイオンとマイナスイオンの中心が平衡位置から変位して、伸び縮みの変形などが発生する現象）によって駆動部５が基板方向（矢印７の下向き）に伸長する。このため、これに連動して接触電極６が信号線２と接触することになる。この結果、信号線２と接触電極６とが導通してスイッチがオン状態となる。さらに、オン状態から電圧の印加をなくすと、伸長している駆動部５が元の状態に戻り接触電極６が信号線２から開離する。この結果、信号線２と接触電極６とが非導通となりスイッチがオフ状態となる。
【００２３】
以上説明した第１実施形態の機械式電気スイッチによれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（１）接触電極６と信号線２との接続を、従来の駆動部の弾性変形（撓み）によって行うのではなく、駆動部５の伸縮によって行うことができる。駆動部５の伸縮を圧電素子の自発分極に基づく歪による変位により行うため、従来の駆動部におけるオン／オフ動作の繰り返しに伴う変形疲労劣化を抑制することができる。したがって、機械式電気スイッチの信頼性を向上させることができる。
（２）駆動部５の伸縮が圧電素子の自発分極に基づく歪による変位により行われるため、駆動部５の伸縮を精度よく、且つ、従来の静電気力による変形に比べ、高速で実現することできる。
（３）所定の周波数を有する交流電圧によって駆動部５を駆動する場合、印加される交流電圧の周波数に対応して駆動部５が繰り返し伸縮するので、所定の周波数での高速スイッチング（スイッチのオン／オフ動作）が行われる。このため、従来の駆動部におけるオン／オフ動作の繰り返しに伴う疲労劣化の抑制効果をより効果的に享受することができる。したがって、高速スイッチングが行われる機械式電気スイッチの信頼性を向上させることができる。
（４）交流電圧の周波数が圧電素子の共振周波数である場合、共振周波数で駆動する圧電素子（駆動部５）の伸縮量が最も大きくなる。このため、オフ状態における接触電極６と信号線２との隙間（間隔）をさらに開けて配置することができるので、高い耐電圧を有する機械式電気スイッチを得ることが可能となる。
（５）機械式電気スイッチのスイッチング動作を圧電素子の伸縮によって制御したので、従来の駆動部（駆動アーム）の弾性変形による制御に比べ、高速スイッチング動作が可能となる。
（６）従来の構成における静電気力を発生させるための上部および下部電極が不要となるため、従来に比べ、機械式電気スイッチの省面積化を実現することが可能となる。
（７）この機械式電気スイッチは、従来の半導体スイッチよりも導通抵抗が低いので、導通損による発熱を低減することができる。
（変形例）
図３は、本実施形態の変形例に係る機械式電気スイッチの構成を示す概略上面図であり、図４は、図３の機械式電気スイッチのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。先の実施形態と異なる箇所は、駆動部５および接触電極６を所定の高さに設置するための支持台３ａが信号線２を挟みこむように両側に設けられ、それぞれの上に固定部材４が設けられていることである。それ以外については、先の実施形態と同様である。
【００２４】
この変形例の機械式電気スイッチによれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（８）固定部材４の一端にかかる負荷を両側に分散させることができるので、固定部材４と支持台３（３ａ）との接着面積を小さくすることが可能となる。このため、従来に比べ、機械式電気スイッチの省面積化をさらに図ることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、機械式電気スイッチ単体での例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、スイッチング電源やインバータなどの電力変換器のスイッチ素子にも適用可能である。この場合、信頼性の向上したスイッチ素子を用いて電力変換器が構成されるので、高信頼性な電力変換器が提供される。また、従来の電力変換器で使用されている半導体スイッチよりも導通抵抗の小さなスイッチ素子を用いることが可能となり、導通損による発熱が低減され、従来に比べ小型の電力変換器を構成することができる。この電力変換器の小型化による効果の例としては、たとえば、ノート型パソコンや携帯電話などのＡＣアダプタを機器に内蔵できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る機械式電気スイッチの構成を示す概略上面図である。
【図２】図１の機械式電気スイッチのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態の変形例に係る機械式電気スイッチの構成を示す概略上面図である。
【図４】図３の機械式電気スイッチのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図５】従来の機械式電気スイッチの構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  基板
２  信号線
３  支持台
４  固定部材
５  駆動部（圧電素子）
６  接触電極
【図１】
2007294326.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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