JP2005302711A

JP2005302711A - アクチュエータおよびその制御方法およびこれを用いたスイッチ

Info

Publication number: JP2005302711A
Application number: JP2005072543A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Takayama; 了一高山; Akihiro Korechika; 哲広是近; Koji Nomura; 幸治野村; Mitsuhiro Furukawa; 光弘古川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】本発明はアクチュエータおよびこれを用いたスイッチに関するものであり、駆動速度の高速化および低駆動電圧化を目的とするものである。
【解決手段】少なくとも表面が絶縁化された基板３と、この基板３に少なくとも１カ所が支持された駆動アーム４と、基板３および駆動アーム４にそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極８と、この静電用電極８に電圧を印加する第１の電圧印加手段とを備え、駆動アーム４に対してさらに圧電体層５の上下面に電極６を有する圧電駆動電極７を設け、この圧電駆動電極７に電圧を印加する第２の電圧印加手段を設けた構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に用いられるアクチュエータおよびそれを用いた高周波スイッチに関するものである。

従来の電気式微少機械装置（ＭＥＭＳ）としてのアクチュエータは、アクチュエータの駆動部となる駆動アームが基板上に支持され、基板と駆動アームに設けられた静電用電極の一方に正電圧を他方の静電用電極に負電圧を印加することで、これによって生じる静電気力を用い駆動アームを基板側に引き寄せる構成が知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１８８０５０号公報

そして、このようなＭＥＭＳ式アクチュエータの用途として携帯電話の送受信信号の接続を切り換えるスイッチなどが挙げられるようになり、その駆動速度の向上が重要視されるようになってきている。

しかしながら、静電式のアクチュエータは静電気により駆動アームを駆動するため、駆動アームがまっすぐに伸びた初期状態において最も静電用電極間の距離が大きくなることから、その高速化にあたっては初期駆動時に大きな静電気力を発生させなければならず、必然的に電圧が大きくなってしまうという問題を有していた。また、駆動アームを戻す際も、静電力を解除して駆動アームのバネ性により戻していたため、駆動の高速化が困難であった。

一方、圧電駆動によりアクチュエータを駆動する方法も提案されているが、これをスイッチに応用しようとすると、駆動アームを動かして、接触させた際に駆動アームがそのバネ性により振動し、ノイズを発生しやすいという課題があった。

そこで本発明はこのような問題を解決し、低電圧で高速駆動が可能なアクチュエータおよびこれを用いたスイッチを提供するものである。

この目的を達成するために本発明は、特に、静電駆動方式のアクチュエータを構成する駆動アームに対して、圧電体層の上下面に電極を形成した圧電駆動電極と、圧電駆動電極を形成する電極に電圧を印加する電圧印加手段とを設けた構成としたものである。

この構成により、駆動アームに対する静電力の弱い初期駆動時に圧電駆動電極の撓み作用を加えることで駆動速度を向上できるとともに、アクチュエータの低電圧駆動ができ、消費電力を小さくできる。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明について説明する。

図１は本発明に係るアクチュエータ１を用いたスイッチ２の斜視図であり、その基本構成は基板３と、一端が基板３に支持され基板３に平行に配置された板状の駆動アーム４と、この駆動アーム４の上面に設けられ、圧電体層５の上下面を電極６で挟み込んだ圧電駆動電極７と、基板３の上面および駆動アーム４の下面に設けられた静電用電極８とで構成されている。また、圧電駆動電極７を形成する電極６および静電用電極８には、それぞれ電圧印加用の電圧印加手段が接続されるものであるが、この電圧印加手段は一般的な電源回路を用いて適宜接続すれば良いものでこの図１においては特に図示していない。

なお、基板３や駆動アーム４の素材としてはシリコンを用いているが、基本的に表面が絶縁性を有するものであれば良く、金属板の表面に絶縁化処理を施したものでも代替え可能である。

そして、一方の静電用電極８に電圧印加手段により正電圧を印加し、もう一方の静電用電極８をグランド或いは負電圧に接続することで対向する静電用電極８間に静電気力が生じ、基板３に対して駆動アーム４を基板３に引き寄せるいわゆる静電駆動方式による駆動と、圧電駆動電極７を形成する電極６に電圧印加手段から電圧を印加することでその内層部に位置する圧電体層５が伸縮し、この伸縮により駆動アーム４を撓ませることにより、駆動アーム４を上下方向に駆動させ、その先端に設けられた接続電極９をもって隣り合う端子電極１０間の電気的接続を制御している。

そして、スイッチ２を形成するアクチュエータ１を図２に示すように、静電気力のみを用いたアクチュエータ１において駆動電圧が大きくなってしまう初期駆動部分を低電圧で機械的に駆動する圧電駆動方式Ａを主体的に活用し、撓み量が大きくなり駆動電圧が大きくなる静電用電極８が近接する部分においては、静電用電極８が近接することで有効に作用する静電駆動方式Ｂを主体的に活用するように制御することで、アクチュエータ１の高速駆動を実現できるとともにアクチュエータ１の駆動に伴う電圧が低減でき、特に携帯電話などの低電圧設計が望まれる分野において非常に有効となる。

このようにすることにより、圧電駆動のみで構成した場合に発生する振動が、静電用電極８が近接することによって強くなった静電力によって抑えられ、ノイズを低減することができる。

また、静電駆動のみの場合は、駆動アーム４が撓んだ状態から元の状態に戻す際には、静電力を解除し、駆動アーム４のバネ性のみで戻していたために、高速化には限界があった。これに対し本発明では、圧電駆動電極７を形成する電極６に、撓ませたときとは逆の電圧を印加することにより逆方向に撓ませ、高速での駆動が可能となる。

図３は、本発明の一実施形態における別のアクチュエータを用いたスイッチの正面図であり、圧電駆動電極７を圧電体層５の上下に設けた電極６ａ、電極６ｂにより構成し、一方駆動アーム４の圧電駆動電極７とは反対の面に静電用電極８ａを設け、電極６ａと静電用電極８ａとを、駆動アーム４内に設けたスルーホール１３により電気的に接続したものである。また基板３側の静電用電極８ｂをグランドに接続する。ここで例えば圧電体層５は、電極６ａから電極６ｂに向かって電界がかかったときに、面方向に広がるように分極を施しておく。このように構成し、電極６ａおよび静電用電極８ａに正電圧を印加し、電極６ｂをグランドに落とすと、圧電体層５が広がり、駆動アーム４は、基板３側に撓む。同時に静電用電極８ａと静電用電極８ｂが引き合い、駆動アーム４の先端に設けられた接続電極９が、隣り合う端子電極１０間を電気的に接続させる。逆に、この電気的接続を切るためには、電極６ａおよび静電用電極８ａをグランドに落とし、電極６ｂに正電圧を印加する。このとき静電用電極８ａと静電用電極８ｂが引き合う力が解除され、一方圧電体層５が収縮し、これと駆動アーム４のバネ性により、駆動アーム４の先端が持ち上げられ、隣り合う端子電極１０間の電気的接続が解除される。

即ち、一つの制御信号と、これを反転させた信号を印加することにより、接続するときには、圧電駆動と静電駆動を、接続を解除するときには、圧電駆動とバネ性を利用して駆動するため、低電圧で高速なスイッチングが可能となる。

また、この圧電駆動という点に着目すれば、駆動アーム４に対して圧電駆動電極７を複数形成することで駆動アーム４の駆動方法を自在に制御できるものである。その具体例として、図４に示されるように駆動アーム４の上面における延伸軸に対して略左右対称となるよう圧電駆動電極７を分割し圧電駆動電極７ａ，７ｂを形成し、それぞれの駆動電圧の印加を制御することで駆動アーム４を左右方向に駆動することが可能となる。よって、この圧電駆動電極７ａ，７ｂによる左右方向の駆動と圧電駆動電極７ｃによる先に述べた上下方向の駆動を併せることで、図５に示されるように３つの端子電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対して端子電極１０ａ，１０ｂ間の接続や電極１０ｂ，１０ｃ間の接続といったことを自在に制御することが可能となる。

そして、このスイッチ２を用いた応用例としては、例えば欧州携帯電話通信システムにおけるＧＳＭとＤＣＳといった異なる２つの送受信システムに対応した、いわゆるデュアルバンド携帯電話に用いられるＳＰＤＴ（一極双投）型スイッチ回路で、図５に示す中央に位置する接続電極１０ｂをアンテナ端子とし、その両側に位置する端子電極１０ａ，１０ｃを送受信端子とすることで、１つのアンテナを用いて異なる送受信システムを切り換え接続することができる。

なお、このような高周波向けのスイッチ２においてはオフ時（端子電極間が非接続となる状態）におけるアイソレーション特性が必要となることから、端子電極間における寄生容量に対してインダクタを並列接続しその並列共振周波数をアイソレーションが必要となる周波数帯域に設定するなどの、この分野において通常なされている対策を実施することが望ましい。

また、これと同様に端子電極１０の配置やスイッチ２の配置を適宜選ぶことによりＳＰ３Ｔ（一極三投）やＤＰＤＴ（二極双投）といったさらなるマルチバンド化も可能である。

なお、この一実施形態においては駆動アーム４が基板に対して一端が支持されたいわゆる片持ち梁構造としているが、駆動アーム４の両端を支持するいわゆる両持ち梁構造としても同様の効果を奏することができる。

そして、このようなスイッチ２を形成するにあたっては、図６に示すごとく例えばシリコンからなる基板３上に静電用電極８や端子電極１０をスパッタ形成し、この基板３上に駆動アーム４の支持部分を除き二酸化珪素からなる犠牲層１１を設ける。そして、この犠牲層１１上にシリコンからなる駆動アーム４を形成し、この駆動アーム４上に圧電駆動電極７を形成する下側の電極６と、圧電体層５を形成するチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称す）からなる圧電薄膜と、上側の電極６を形成する。その後、犠牲層１１を除去することにより基板３上に一端が支持された駆動アーム４を有するスイッチ２を形成することができるのである。

また、圧電駆動電極７を駆動アーム４の下面に配置すれば、駆動アーム４の下面に圧電駆動電極７と静電用電極８および接続電極９が同一面内に形成できるので、電極形成において生産性を向上させることができる。

なお、このスイッチ２にＳＡＷフィルタなどの耐熱性の低いデバイスを複合化するような場合であれば、ＰＺＴの形成に６００℃程度の熱処理が必要なため、先に述べた方法においてはデバイスを破壊する恐れがあるので、図７に示すごとくＰＺＴの形成を要する駆動アーム４部分の形成と、基板３および耐熱性の低いデバイス１２の実装を別工程で行い、最後に一体化するといった工法を用いることで、圧電体層５を有するスイッチ２に耐熱性の低いデバイス１２を複合化することが可能となる。

本発明にかかるアクチュエータおよびスイッチは、駆動電圧を低くし、高速駆動を可能とすることができるという効果を有し、特に高周波用途において有用である。

本発明の一実施形態におけるアクチュエータを用いたスイッチの斜視図同駆動アームの動作を示す正面図本発明の一実施形態における別のアクチュエータを用いたスイッチの正面図他の実施形態における駆動アームの上面図同駆動アームの動作を示す正面図アクチュエータの製造方法を示す図アクチュエータの他の製造方法を示す図

符号の説明

１アクチュエータ
２スイッチ
３基板
４駆動アーム
５圧電体層
６電極
７圧電駆動電極
８静電用電極
９接続電極
１０端子電極

Claims

少なくとも表面が絶縁化された基板と、この基板に少なくとも１カ所が支持された駆動アームと、前記基板および前記駆動アームにそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極と、この静電用電極に電圧を印加する第１の電圧印加手段とを備え、前記駆動アームに対してさらに圧電体層の上下面に電極を有する圧電駆動電極を設け、この圧電駆動電極に電圧を印加する第２の電圧印加手段を設けたアクチュエータ。
駆動電極を複数個設けた請求項１に記載のアクチュエータ。
圧電駆動電極を駆動アームの上面における延伸軸に対して略左右対称となるように設けた請求項２に記載のアクチュエータ。
圧電駆動電極を駆動アームの上面における延伸軸方向に複数個設けるとともに、前記複数個設けられた圧電駆動電極の少なくとも一つを延伸軸に対して略左右対称となるように分割した請求項２に記載のアクチュエータ。
圧電体層の上下面に設けた電極の一方と、駆動アームに設けた静電用電極と、を電気的に接続した請求項１に記載のアクチュエータ。
圧電体層の上下面に設けた電極のうち駆動アーム側の電極と、駆動アームに設けた静電用電極とを、前記駆動アームに設けたスルーホールを通して電気的に接続した請求項５に記載のアクチュエータ。
少なくとも表面が絶縁化された基板と、この基板に少なくとも１カ所が支持された駆動アームと、前記基板および前記駆動アームにそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極と、この静電用電極に電圧を印加する第１の電圧印加手段と、前記駆動アームに設けられた圧電体層の上下面に電極を有する圧電駆動電極と、この圧電駆動電極に電圧を印加する第２の電圧印加手段とを備え、前記駆動アームを撓ませ始める初期駆動にあたって、前記圧電駆動電極に前記第２の電圧印加手段から電圧を印加することによって生じる圧電駆動力を主として用いるアクチュエータの制御方法。
一対の静電用電極間が近接した状態において、駆動アームをさらに撓ませ始める初期駆動にあたっては、前記静電用電極に第１の電圧印加手段から電圧を印加することによって生じる静電駆動力を主として用いる請求項７に記載のアクチュエータの制御方法。
駆動アームが撓んだ状態を維持するにあたって、静電用電極に第１の電圧印加手段から電圧を印加することによって生じる静電気力を主として用いる請求項８に記載のアクチュエータの制御方法。
駆動アームを撓んだ状態から伸びた状態に戻すにあたって、圧電駆動電極に対して、第２の電圧印加手段から前記圧電駆動電極が逆向きに撓むよう電圧を印加する請求項７に記載のアクチュエータの制御方法。
圧電体層の上下面に設けた電極の一方の電極と、駆動アームに設けた静電用電極と、を同電位にする請求項７に記載のアクチュエータの制御方法。
圧電体層の上下面に設けた電極の一方の電極に電圧が印加されているときには、他方の電極には電圧が印加されていないようにする請求項７に記載のアクチュエータの制御方法。
少なくとも表面が絶縁化された基板と、この基板に少なくとも１カ所が支持された駆動アームと、前記基板および前記駆動アームにそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極と、この静電用電極に電圧を印加する第１の電圧印加手段と、前記駆動アームに設けられた圧電体層の上下面に電極を有する圧電駆動電極と、この圧電駆動電極に電圧を印加する第２の電圧印加手段とを備えたアクチュエータと、このアクチュエータに設けられた前記駆動アームに接続電極を設け、前記駆動アームを駆動させることにより前記接続電極を用いて異なる端子電極間の接続を制御するスイッチ。
駆動電極を複数個設けた請求項１３に記載のスイッチ。
圧電駆動電極を駆動アームの上面における延伸軸方向に複数個設けるとともに、前記複数個設けられた圧電駆動電極の少なくとも一つを延伸軸に対して略左右対称となるように分割した請求項１４に記載のスイッチ。
圧電駆動電極、静電用電極および接続電極を駆動アームにおける同一主面上に形成した請求項１３に記載のスイッチ。