(57)【要約】【課題】  駆動時以外での電力消費を低減することができ、消費電力が問題となるバッテリー駆動の携帯電子機器等に適用可能なスイッチを提案する。【解決手段】  本発明のスイッチ１は、円筒状のステータ２と、このステータ２上に回転自由に設けられた円板状のロータ３と、を有している。ステータ３は、円板状の振動子４と、この振動子４上に形成された絶縁層６と、この絶縁層６上に形成された下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆと、を有している。また、ステータ３の側面には、下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆと外部の配線とを電気的に接続するための引出導体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆが形成されている。さらにステータ３の側面には、振動子４に駆動電圧を印加するための駆動端子５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈが形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状、円環状または円筒状のステータと、前記ステータ上に回転自由に設けられた円板状、円環状または円筒状のロータと、を有しており、
前記ステータは、円板状、円環状または円筒状の圧電体で形成された超音波モータの振動子と、前記振動子を駆動する駆動電圧を印加するための駆動電極と、前記駆動電極と外部の配線とを電気的に接続する駆動端子と、前記振動子上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に形成された複数の下部電極と、前記下部電極の各々と外部の配線とを電気的に接続する複数の引出導体と、を有しており、
前記ロータは、前記ステータと向き合う面に、複数の前記下部電極のうちの２つと接触して導通可能になるように設けられている上部電極を有している
ことを特徴とする超音波モータで駆動されるスイッチ。
【請求項２】
前記ロータの制動は、前記上部電極と接触させる２つの前記下部電極に通電することによって行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータで駆動されるスイッチ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を利用した超音波モータによって駆動するマイクロスイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波帯域で使用される多くの電子機器例えば携帯電話や無線機器等は、小型化、軽量化、高性能化されている。これに伴い、例えば既存の電子機器で信号を制御するために使用されるＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＰＩＮダイオードのような半導体スイッチの代わりとしてＭＥＭＳ（微小電気機械結合装置）技術を利用したマイクロスイッチなどが提案されている。このようなＭＥＭＳ素子は、電気回路にその電気回路単独では実現が困難な特徴を付加することができる。例えば電気回路のスイッチ素子として機械式のリレー、ＦＥＴ、ＰＩＮダイオードが使われているところをＭＥＭＳスイッチに置き換えることで、材料に依存していた特性の改善例えば１０ＧＨｚ以上の高周波領域におけるアイソレーションやインサーションロスの低減や使用周波数領域の広域化が期待できる。また、ＭＥＭＳ素子は半導体装置の製造プロセスとの整合性が良いので、薄膜キャパシタや薄膜インダクタなどと一体化させた複合デバイスも実現可能である。
【０００３】
近年、携帯電話や無線機器等は小型化、高機能化に伴いバッテリー駆動時間の問題が大きくなってきている。そのため低消費電力及び低電圧駆動の要求が高まってきている。ＭＥＭＳ技術では、静電、電磁、熱など、いくつかの駆動方式がある。この中で、熱駆動や電磁駆動では電流を流すことによる消費電力の増大がある。また、静電駆動では電流を流さないので電力消費は小さいが、一般に２０〜５０Ｖという高い電圧を必要とする。そこで、低消費電力と低電圧駆動の両立が可能な方式として圧電体が着目されており、これを用いたＭＥＭＳスイッチが例えば特開２００５−３０２７１１号公報等で提案されている。  
【０００４】
特開２００５−３０２７１１号公報等で提案されているＭＥＭＳスイッチは、駆動部に圧電体で形成された駆動アームを用いている。この駆動アームは、両面に電極が形成された板状の圧電体と、金属あるいは金属酸化物等のような板状の弾性体とを貼り合せた構造を有しており、基板等の支持体に片持ち梁状に支持されている。このような構造では、電極に電圧を印加することによって圧電体が変位して駆動アームが屈曲し、電極への通電を止めると弾性体の弾性により元に戻る。これを利用することにより、駆動アームの先端に電気接点を設けてマイクロスイッチを形成することができる。  
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０２７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなマイクロスイッチは、駆動アームの屈曲によりスイッチのＯＮまたはＯＦＦを行うが、屈曲させるときに電極への通電を行っているので、スイッチのＯＮまたはＯＦＦ何れかの状態を保持する場合には、図１９に示すように、電極への通電を行い続ける必要がある。すなわち、従来のマイクロスイッチは、駆動アームを屈曲させた状態に保持している間、電力を消費することになる。このことは、マイクロスイッチの低消費電力化の障害となっている。そのため、スイッチのＯＮ及びＯＦＦの両方の状態でも電力消費を低減できるマイクロスイッチが要望されている。  
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決して、消費電力を低減できるマイクロスイッチを得ることができるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、円板状、円環状または円筒状のステータと、前記ステータ上に回転自由に設けられた円板状、円環状または円筒状のロータと、を有しており、前記ステータは、円板状、円環状または円筒状の圧電体で形成された超音波モータの振動子と、前記振動子を駆動する駆動電圧を印加するための駆動電極と、前記駆動電極と外部の配線とを電気的に接続する駆動端子と、前記振動子上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に形成された複数の下部電極と、前記下部電極の各々と外部の配線とを電気的に接続する複数の引出導体と、を有しており、前記ロータは、前記ステータと向き合う面に、複数の前記下部電極のうちの２つと接触して導通可能になるように設けられている上部電極を有している超音波モータで駆動されるスイッチを提案する。
【０００９】
上記のスイッチは、電力を消費するのはロータが回転している間だけである。スイッチがＯＮまたはＯＦＦの状態ではロータが停止している状態なので、電力を消費しない。そのため、スイッチの消費電力を低減することができる。
【００１０】
また、このスイッチは、下部電極に通電すると、静電引力が発生して、上部電極が通電された下部電極に引き寄せられるようになる。静電引力がロータのトルクよりも大きい場合、接続したい下部電極に通電するだけでロータを所望の位置に停止させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、駆動時以外での電力消費を低減することができるので、消費電力を低減できるスイッチを得ることができる。このようなスイッチは、消費電力が問題となるバッテリー駆動の携帯電子機器等に適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のスイッチにかかる実施の形態を、図面に基づいて説明する。本発明のスイッチの一例を図１及び図２に示す。
【００１３】
本発明のスイッチ１は、円筒状のステータ２と、このステータ２上に回転自由に設けられた円板状のロータ３と、を有している。なお、ここではステータ２を円筒状、ロータ３を円板状としたが、ステータ２の厚みを薄くして円板状にしても良いし、ロータ３の厚みを厚くして円筒状としても良い。また、図１、図２、及び図３には図示してないが、ロータ３が外れないようにするために、ステータ２の周囲に絶縁体等で形成された外壁１０を設けても良い。
【００１４】
ステータ３は、円板状の振動子４と、この振動子４上に形成された絶縁層６と、この絶縁層６上に形成された下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆと、を有している。また、ステータ３の側面には、下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆと外部の配線とを電気的に接続するための引出導体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆが形成されている。さらにステータ３の側面には、振動子４に駆動電圧を印加するための駆動端子５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈが形成されている。
【００１５】
振動子４は、超音波モータの駆動源となるものである。この振動子４は、ＰｂＺｒＴｉＯ３等の圧電材料で構成され、スパッタ等の薄膜プロセスによる形成の他、圧電体セラミックスの焼成によって形成することができる。この振動子４は進行波型の超音波モータに用いられるものである。このような進行波型の超音波モータの振動子は、λ／２（λは波長を示す）ずつに区画されかつ分極方向が交互に反対方向に向いている分極領域の列が２組、λ／４の間隔を空けて形成されている。２組の分極領域の列は、同数の分極領域を有している。また、λ／４の間隔が形成されている側の反対側は、（３／４）λの間隔が形成されている。２組の分割領域の列のうち、一方の列に、振動子４を駆動する駆動電圧を印加するための駆動電極５ａ及び駆動電極５ｂが形成されており、他方の列に駆動電極５ｃ及び駆動電極５ｄが形成されている。駆動電極５ａは駆動端子５ｅを通じ、駆動電極５ｂは駆動端子５ｆを通じてそれぞれ交流電源Ｅ１と接続される。駆動電極５ｃは駆動端子５ｇを通じ、駆動電極５ｄは駆動端子５ｈを通じてそれぞれ交流電源Ｅ２と接続される。駆動電極及び駆動端子を構成する材料としては、導電性が良好な銀、銅または銅合金等が用いられる。
【００１６】
絶縁層６は、振動子４上の駆動電極と下部電極とを絶縁する役目と、振動子４で発生した振動をロータ３に伝える役目を有する。材質としては、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の酸化物や、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂が挙げられる。
【００１７】
絶縁層６の上には、スイッチの接点となる複数の下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆが形成されている。そしてそれぞれ引出導体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆを通して他の回路と接続される。下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆの表面は、ロータ３と擦れあうので、摩擦により伸びてしまう金属の場合、下部電極同士が金属の伸びによって導通してしまうことがある。よって、下部電極にはイリジウム、ロジウム、タングステン等の、摩擦に強い、すなわち延びにくい金属が用いられる。なお、導電性を良好にするために、下部電極の下地金属として銅を用い、その上に摩擦に強い金属を形成しても良い。また引出導体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆは、導電性を良好にするため、銅または銅合金で形成される。
【００１８】
ロータ３は、絶縁体で構成された円板である。材質としては、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の酸化物が用いられる。ロータ３には下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆのうちの２つと接触して導通させる上部電極９が形成されている。上部電極９の表面は、下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ及び絶縁層６と擦れあうので、イリジウム、ロジウム、タングステン等の、摩擦に強い金属が用いられる。なお、上部電極９は、導電性を良好にするために、下地金属として銅を用い、その上に摩擦に強い金属を形成しても良い。
【００１９】
なお、ステータ２またはロータ３は、図３に示すように、円環状すなわちドーナツ型でも良い。この場合、図３のように両方とも円環状にしても良いし、いずれか一方を円環状にしても良い。この場合、例えばロータ３を円環状にして、図示しない回転軸によってロータ３が外れないようにすることもできる。また、上部電極９は、２つの下部電極と接触するように形成されているが、３つ以上の下部電極と接触するようにしても良い。  
【００２０】
次に、本発明のスイッチの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、薄膜プロセスによる製造方法を例にとって説明するが、この方法に限定されるものではない。
【００２１】
まず、図４に示すように、基板ＳＢを用意する。この基板ＳＢ上にスパッタ法によって駆動電極５ｂ、駆動電極５ｂ、駆動電極５ｂに接続する駆動端子５ｆ、及び駆動電極５ｄに接続する駆動端子５ｈを形成する。駆動電極５ｂと駆動電極５ｄは、図４（ａ）に示すように、λ／４の間隔を空けて形成される。駆動電極５ｂ、駆動電極５ｂ、駆動端子５ｆ、及び駆動端子５ｈは、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてその形状が形作られる。
【００２２】
続いて図５に示すように、駆動電極５ｂと駆動電極５ｄを覆うようにして、振動子４となる円形の圧電体層を形成する。この圧電体層は、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成される。圧電体層は、駆動電極５ｂと駆動電極５ｄが圧電体層の縁部付近に位置するように形成される。
【００２３】
続いて図６に示すように、振動子４となる圧電体層の上に、駆動電極５ｂと対向するようにして駆動電極５ａが形成され、駆動電極５ｄと対向するようにして駆動電極５ｃが形成される。駆動電極５ａ及び駆動電極５ｃは、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成される。駆動電極５ａ及び駆動電極５ｃは、図６（ａ）に示すように、この時点ではλ／２ずつに等分に分割された状態で形成される。また、図６（ａ）に示すように、駆動電極５ａと駆動電極５ｃは、λ／４の間隔を空けて形成される。
【００２４】
続いて図７に示すように、分極処理を行う。まず、図７（ａ）に示すように、駆動電極５ａと駆動電極５ｂ側は、直流電源の一方の極を駆動端子５ｆに接続し、他方の極を分割された駆動電極５ａの半分に接続する。このとき、一つおきに通電されるようにする。駆動電極５ｃと駆動電極５ｄ側も同様に、直流電源の一方の極を駆動端子５ｈに接続し、他方の極を分割された駆動電極５ａの半分に接続する。接続後に直流の電界を印加して分極処理を行う。半分の分極が終わったら、図７（ｂ）に示すように、直流電源の極を反対につなぎ変えて、分割された駆動電極のもう一方の半分に接続する。その後同様に直流の電界を印加して分極処理を行う。このように分極処理を行うことで、圧電体層にλ／２ずつに区画されかつ分極方向が交互に反対方向に向いている分極領域の列が２組形成される。分極処理により振動子４が形成される。
【００２５】
続いて図８に示すように、分割されている駆動電極５ａ及び駆動電極５ｃを一体化し、さらに駆動電極５ａに駆動端子５ｅを形成し、駆動電極５ｃに駆動端子５ｇを形成する。
駆動電極５ａ及び駆動電極５ｃの一体化、駆動端子５ｅ及び駆動端子５ｇの形成は、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって行われる。
【００２６】
続いて図９に示すように、振動子４上に絶縁層６を形成する。この絶縁層６は、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いたスパッタ法でＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の酸化物の膜を形成する方法か、またはスピンコート法によって絶縁性樹脂を塗布する方法によって形成される。図９においては、振動子４が側面に露出するようにしているが、振動子４が絶縁層６によって被覆されるようにしても良い。
【００２７】
続いて図１０に示すように、絶縁層６上に下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆを形成する。またさらに、この下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆの各々に接続される引出端子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆが形成される。これらの下部電極及び引出端子はメタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成される。なお、下部電極は摩擦に強い金属を用いるのが好ましく、引出端子には導電性の良好な金属を用いるのが好ましいので、それぞれ異なる金属で形成する場合がある。そこで、まず導電性の良好な金属で引出端子及び下部電極の下地を形成し、次いで摩擦に強い金属を下部電極の下地の上に形成する。このようにして、摩擦に強い下部電極と、導電性の良好な引出端子を得ることができる。こうしてステータ２が形成される。
【００２８】
続いて図１１に示すように、ステータ２の周囲に絶縁体で構成された外壁１０を形成する。この外壁１０は、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成される。外壁１０はロータ３が外に飛び出さないようにする役目を有しているので、その高さはステータ２の高さとロータ３の厚さを合わせた高さよりも高くするのが好ましい。
【００２９】
続いて図１２に示すように、ロータ３を形成する。ロータ３を形成する方法としては、絶縁体セラミックシートを円板状または円環状に形成して焼成する方法、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成する方法などがある。さらに、このロータ３に上部電極９を形成する。上部電極９は、メタルマスクまたはレジストによるパターニングを用いてスパッタ法によって形成される。ここで、上部電極９の表面は摩擦に強い金属を用いるのが好ましいが、２つの下部電極を導通した場合に、導電性が良好であることが好ましい。そのため、導電性の良好な金属で上部電極の下地を形成し、次いで摩擦に強い金属をその下地の上に形成する。このようにして、摩擦に強く、導電性の良好な上部電極を得ることができる。
【００３０】
続いて図１３に示すように、ロータ３をステータ２に組み合わせる。ここでロータ３の上部電極９がステータ３の下部電極と対面するようにする。このようにしてスイッチ１が得られる。
【００３１】
このようにして得られたスイッチ１は、次のように動作する。図１に示すように、交流電源Ｅ１から駆動端子５ｅ及び駆動端子５ｆ（図示せず）を通じて駆動電極５ａ及び駆動電極５ｂに交流電圧が印加される。一方、交流電源Ｅ２から駆動端子５ｇ及び駆動端子５ｈ（図示せず）を通じて駆動電極５ｃ及び駆動電極５ｄに交流電圧が印加される。すると、振動子４に形成された２組の分極領域の列は、交互に分極方向が反対になっている分極領域が並んでいるので、振動子４に２組の定在波が発生する。２組の分極領域の列はλ／４の間隔を空けて形成されており、交流電源Ｅ１と交流電源Ｅ２は９０°の位相差がある。そのため、２組の定在波は、λ／４の間隔による位置的なズレと、交流電源Ｅ１と交流電源との位相差のため、進行波を形成する。これは進行波型の超音波モータの駆動原理と同じである。
【００３２】
ステータ３に進行波が発生すると、ロータ３は進行波の方向と逆方向に回転する。上部電極９が所望の２つの下部電極と接触したときに交流電源Ｅ１、Ｅ２の通電を止めると、振動子４の振動が止まり、ロータ３の回転が停止する。ロータ３が停止しているときにスイッチがＯＮの状態になる。このことから、このスイッチ１は、切り替えのときに電力を消費するが、それ以外の時には電力を消費しないため、消費電力の低減が可能になる。
【００３３】
なお、ロータ３を所望の位置で停止させるために、交流電源の通電を止めること以外の方法として、静電引力を用いて停止させる方法がある。これは通電された下部電極が上部電極を静電引力によって引き寄せる現象を利用したものである。その作用を以下で説明する。
【００３４】
まず、図１４に示すように、ロータ３を回転させる。このとき、接続する下部電極は下部電極７ａと下部電極７ｆとする。下部電極７ａにはマイナスの電圧が印加され、下部電極７ｆにはプラスの電圧が印加されている。次に図１５に示すように、上部電極９が下部電極７ｆと接触する。このとき上部電極９はプラスに帯電する。下部電極７ａはマイナスに帯電しているので、プラスに帯電した上部電極９を引き寄せようとする。次いで図１６に示すように、上部電極９が下部電極７ａのところに来たときに、ロータ３が停止する。ロータ３が停止すると、上部電極９が下部電極７ａと下部電極７ｆとを導通させて、スイッチがＯＮの状態になる。
【００３５】
なお、この静電引力によるロータ３の制動は、ロータ３のトルクよりも静電引力のほうが大きい場合に特に有効である。
【００３６】
また、上記の実施形態では、隣接する２つの下部電極を接続するようなスイッチで説明してきたが、例えば図１７に示すように、隣接する下部電極のさらに隣の下部電極と接続するようなスイッチにしても良いし、例えば図１８に示すように、対角線の位置にある下部電極同士を接続するようなスイッチにしても良い。また、３つ以上の下部電極と接続するようにして、分岐スイッチとして動作するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
携帯電話や小型の無線機器などのバッテリー駆動の携帯機器のように、消費電力の低減が必要な電子機器の切り替え用スイッチに利用されることが見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のスイッチの模式断面図である。
【図２】本発明のスイッチを模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明のスイッチの別例を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図５】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図６】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図７】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図である。
【図８】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図９】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図１０】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図１１】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図１２】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図である。
【図１３】本発明のスイッチの製造プロセスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は模式断面図である。
【図１４】静電引力によるロータ３の制動方法を示す図である。
【図１５】静電引力によるロータ３の制動方法を示す図である。
【図１６】静電引力によるロータ３の制動方法を示す図である。
【図１７】本発明のスイッチの変形例を示す図である。
【図１８】本発明のスイッチの変形例を示す図である。
【図１９】従来のマイクロスイッチを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  スイッチ
２  ステータ
３  ロータ
４  振動子  
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ  駆動電極
５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ  駆動端子  
６  絶縁層
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ  下部電極
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ  引出端子
９  上部電極
１０  外壁
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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