JP2011109822A - 静電駆動型アクチュエータ、及び可変容量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホットスイッチングに必要なＤＣ電圧を抑制することが容易で、従来より微細度を低減できる静電駆動型アクチュエータの提供を図る。
【解決手段】静電駆動型アクチュエータは、基板２と可動板６と下駆動電極５Ａ〜５Ｄとを備える。可動板６は支持部６Ｃで基板２に接続される。副可動部６Ｅおよび副梁状部６Ｄは片持ち梁構造であり、副梁状部６Ｄの一端で主可動部６Ｂに接続される。主可動部６Ｂおよび下駆動電極５Ｃ、５Ｄは、主可動部６Ｂの変位により下駆動電極５Ｃ、５Ｄ間の接続状態を変化させる。副可動部６Ｅおよび下駆動電極５Ａは、ＤＣ電圧が印加されて生じる静電容量に基づく静電力で可動板６を変形させる。
【選択図】 図４

Description

この発明は、静電力により駆動するＭＥＭＳを利用した静電駆動型アクチュエータと、静電駆動型アクチュエータによりキャパシタンスを可変する可変容量装置と、に関するものである。

従来、スイッチ装置や可変容量装置などに静電駆動型アクチュエータが利用されることがある（特許文献１〜３参照。）。

図１は、片持ち梁構造を採用した従来の静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。
静電駆動型アクチュエータ１０１は、基板１０２、支持部１０３、および可動板１０４を備える。可動板１０４は、一端が基板１０２に対して支持部１０３で固定され、片持ち梁構造を構成する。可動板１０４および基板１０２には、間隔を隔てて対向する第１の電極対１０５Ａ，１０５Ｂと第２の電極対１０６Ａ，１０６Ｂとが形成される。第１の電極対１０５Ａ，１０５Ｂは、静電駆動型アクチュエータ１０１の駆動用容量形成部として機能するものであり、ＤＣ電圧が印加されることで静電容量が発生し、静電力により可動板１０４を変形させる。第２の電極対１０６Ａ，１０６Ｂは、静電駆動型アクチュエータ１０１の信号可変部として機能するものである。電極１０６Ａは基板１０２上に設けられた電極ギャップを有する信号ラインであり、この電極ギャップに電極１０６Ｂは対向し、可動板１０４が変形することで電極１０６Ａの間を電極１０６Ｂが接続する。

図２は、両持ち梁構造を採用した従来の静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。
静電駆動型アクチュエータ２０１は、支持部２０３Ａ，２０３Ｂ、駆動用容量形成部２０４Ａ，２０４Ｂ、および信号可変部２０５を備える。駆動用容量形成部２０４Ａ，２０４Ｂは、支持部２０３Ａ，２０３Ｂと信号可変部２０５との間に配置される。

図３は、両持ち梁構造を組み合わせたマルチリンク構造を採用した、従来の静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。
静電駆動型アクチュエータ３０１は、第１の支持部３０３Ａ，３０３Ｂ、第２の支持部３０４Ａ，３０４Ｂ、駆動用容量形成部３０５Ａ，３０５Ｂ、および信号可変部３０６を備える。信号可変部３０６は、第１の支持部３０３Ａ，３０３Ｂに両端が支持される第１の両持ち梁構造の中央部分に配置される。駆動用容量形成部３０５Ａは、第１の両持ち梁構造の中央部分と第２の支持部３０４Ａとに両端が支持される第２の両持ち梁構造に配置される。駆動用容量形成部３０５Ｂは、第１の両持ち梁構造の中央部分と第２の支持部３０４Ｂとに両端が支持される第３の両持ち梁構造に配置される。

特開平０９−１７３００号公報 特許第３５３８１０９号公報 特開２００８−２７８６３４号公報

特許文献１および２に記載された静電駆動型アクチュエータは、信号ラインに高電圧のＲＦ信号が乗った状態でのスイッチング（ホットスイッチング）時に、高電圧のＲＦ信号によって信号可変部の電極間に静電力が生じる。すると、駆動用容量形成部のＤＣ電圧によって梁構造を適正に変形させることが不能になり、ホットスイッチングに支障を来すことがある。梁構造のバネ定数が高ければ、高電圧のＲＦ信号に基づく変形を抑制できるが、同時にＤＣ電圧に基づく梁構造の変形も抑制されてしまう。そのため、ホットスイッチングに必要なＤＣ電圧が高まり、昇圧回路などが必要になって回路構成が複雑化する新たな問題が発生する。

特許文献３に記載された静電駆動型アクチュエータでは、第１の両持ち梁構造のバネ定数を大きく、第２・第３の両持ち梁構造のバネ定数を第１の両持ち梁構造のバネ定数よりも小さくする。この構造では、第２・第３の両持ち梁構造は変形し易く、小さなＤＣ電圧で比較的大きな静電容量を発生させることが可能になる。すなわち、小さなＤＣ電圧で必要とする静電力を発生させられ、第１の両持ち梁構造のバネ定数を大きくしてもＤＣ電圧を抑制してスイッチングすることが可能になる。
ただし、第２・第３の両持ち梁構造のバネ定数を小さくするためには、第２・第３の両持ち梁構造における支持部から駆動用容量形成部までの距離を長くすることや梁幅を狭くする必要がある。このため、第２・第３の両持ち梁構造が微細化し、製造方法に起因する微細度の限界から性能やサイズに制約が発生することがある。

そこで本発明の目的は、ホットスイッチングに必要なＤＣ電圧を抑制することが容易で、従来より微細度を低減できる静電駆動型アクチュエータ、および、その静電駆動型アクチュエータを用いた可変容量装置を提供することにある。

この発明の静電駆動型アクチュエータは、基板と主梁部と副梁部と信号可変部と駆動用容量形成部とを備える。主梁部は接続端で基板に接続される。副梁部は片持ち梁構造であり、接続端で主梁部の可動部位に接続される。信号可変部は主梁部および基板に構成され、主梁部の可動部位の変位により制御対象信号を変化させる。駆動用容量形成部は副梁部および基板に構成され、ＤＣ電圧が印加されて生じる静電容量に基づく静電力で主梁部および副梁部を変形させる。
この構成では、副梁部が片持ち梁構造なので、副梁部を両持ち梁構造で構成する場合よりも副梁部のバネ定数および専有面積を低減できる。したがって、副梁部を両持ち梁構造で構成する従来のように構造微細度を高めずとも副梁部のバネ定数を小さくできる。これにより、主梁部のバネ定数を副梁部のバネ定数よりも大きくしてホットスイッチングに必要なＤＣ電圧を抑制することが容易になる。

この発明の副梁部は主軸方向に垂直な断面において基板に平行な方向の寸法が部分的に小さい部位が、主軸方向に複数配列された構成であると好適である。
副梁部の幅寸法を一定ではなく不連続にすれば、副梁部の面積を局所的に拡張して静電容量を確保し易くなるが、バネ定数が一様ではなくなり、ＤＣ電圧の制御による梁部の変形の程度が不規則になる。そのため、制御対象信号の制御が難しくなる。そこで、副梁部の幅寸法が幅広な部位と幅狭な部位を軸方向に交互に配列する構成を採用し、副梁部におけるバネ定数を等価的に一様にする。これにより、梁部の変形の程度の制御が容易になり、制御対象信号を安定して制御可能になる。

この発明の主梁部および副梁部は一体の導電性材料からなり、駆動用容量形成部に信号カット用の素子を接続してもよい。また、この発明の主梁部および副梁部は絶縁性材料からなり、駆動用容量形成部または信号可変部となる電極が表面に形成されていてもよい。
主梁部および副梁部を一体の導電性材料で構成すると、駆動用容量形成部や信号可変部となる電極を付設する必要がなくなる。すると、梁部を異素材貼り合わせ構造とする必要がなくなり、内部応力差に基づく反りや、線膨張差に基づく静電容量の変化を抑制でき、特性バラツキの小さい高精度な可変容量を得ることができる。主梁部および副梁部を絶縁性材料で構成すると、信号カット用の素子を駆動用容量形成部に接続する必要がなくなる。

この発明の駆動用容量形成部は、副梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、第１の基板側電極部および第２の基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、第１の基板側電極部と第２の基板側電極部との間にＤＣ電圧が印加される構成であってもよい。また、この発明の駆動用容量形成部は、副梁部に対向する基板側電極部と、基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、基板側電極部と梁側電極部との間にＤＣ電圧が印加される構成であってもよい。
梁側電極部と基板側電極部との間にＤＣ電圧が印加される構造（以下、ＭＩＭ構造と称する。）は、梁側電極部を介して結合する２つの基板側電極部の間にＤＣ電圧が印加される構造（以下、ＭＩＭＩＭ構造と称する。）に比べて、数式１および数式２に示すように静電容量および静電力が４倍になる。そのため、同一の静電力を得るためのＤＣ電圧を抑制できる。一方、ＭＩＭＩＭ構造は、梁側電極部にＤＣ電圧を印加するための電気的接点が不要であり、構成が簡単にでき小型化し易い。

この発明の主梁部は両持ち梁構造であってもよく、片持ち梁構造であってもよい。両持ち梁構造は片持ち梁構造よりもバネ定数を高められ、主梁部と基板とを信号可変部で平行にして静電容量の変化安定性を高められる。一方、片持ち梁構造は両持ち梁構造よりもサイズを抑制できる。

この発明の駆動用容量形成部は、信号可変部よりも電極部対向面積が大きいと好適である。
平行平板キャパシタに働く静電力は電極部対向面積に比例する。そのため駆動用容量形成部での電極部対向面積を、信号可変部よりも大きい構成とすることにより、ホットスイッチング時に信号可変部で発生する静電力を弱めて、適正な動作を実現させることが容易になる。

この発明の信号可変部は、主梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、第１の基板側電極部と第２の基板側電極部とのギャップに対向する梁側電極部とを備え、梁側電極部を介して導通する第１の基板側電極部と第２の基板側電極部との間を電気信号が伝搬する構成であってもよい。

この発明の信号可変部は、主梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、第１の基板側電極部および第２の基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、梁側電極部を介して結合する第１の基板側電極部と第２の基板側電極部との間をＲＦ信号が伝搬する構成であってもよい。

この発明の可変容量装置は、上記の静電駆動型アクチュエータを複数備え、各々の第１の基板側電極部を接続するとともに、各々の第２の基板側電極部を接続した構成であると好適である。

この発明に寄れば、副梁部が片持ち梁構造なので、副梁部を両持ち梁構造で構成する場合よりも副梁部のバネ定数および専有面積が低減される。したがって、副梁部を両持ち梁構造で構成する従来のように構造微細度を高めずとも副梁部のバネ定数を小さくできる。これにより、主梁部のバネ定数を副梁部のバネ定数よりも大きくしてホットスイッチングに必要なＤＣ電圧を抑制することが容易になる。

従来の静電駆動型アクチュエータの第１の構成例を説明する図である。 従来の静電駆動型アクチュエータの第２の構成例を説明する図である。 従来の静電駆動型アクチュエータの第３の構成例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 静電駆動型アクチュエータの製造方法の一例を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第６の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第６の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例を説明する図である。 本発明の第７の実施形態に係る可変容量装置の構成例を説明する図である。

本発明の第１の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図４（Ａ）は静電駆動型アクチュエータ１の上部カバーを除いた状態での平面図である。図４（Ｂ）はスイッチＯＦＦ時の静電駆動型アクチュエータ１の側面断面図である。図４（Ｃ）はスイッチＯＮ時の静電駆動型アクチュエータ１の側面断面図である。

静電駆動型アクチュエータ１は、基板２と上面カバー３と側面カバー４と下駆動電極５Ａ〜５Ｄと可動板６と誘電体膜７とを備える。基板２と上面カバー３と側面カバー４とは外装材となる。基板２および上面カバー３はガラス基板からなり、側面カバー４および可動板６は抵抗率０．００２６Ωｃｍの低抵抗Ｓｉ基板からなる。

基板２にはスルーホール８、バンプ電極９Ａ、およびハンダバンプ９Ｂが形成される。バンプ電極９Ａは基板２の底面に形成される。ハンダバンプ９Ｂはバンプ電極９Ａに接合される。スルーホール８は基板２を貫通して形成され、下駆動電極５Ａ〜５Ｄとバンプ電極９Ａとを接続する。

可動板６は開口が設けられた厚みが一様な平板状の導電性材料からなり、２本の主梁状部６Ａと主可動部６Ｂと支持部６Ｃと２本の副梁状部６Ｄと副可動部６Ｅを備える。支持部６Ｃは可動板６の図中左側端部に凸形状に形成され、基板２に接合される。主可動部６Ｂは可動板６の図中右側端部に矩形状に形成される。２本の主梁状部６Ａは支持部６Ｃと主可動部６Ｂとの間をつなぐ線路状領域である。主梁状部６Ａと主可動部６Ｂと支持部６Ｃとは本発明の主梁部を構成し、主梁状部６Ａと主可動部６Ｂとが基板２から離間した状態で支持部６Ｃにより支持され、片持ち梁構造を構成する。

副可動部６Ｅは可動板６の開口内に矩形状で設けられる。２本の副梁状部６Ｄは副可動部６Ｅと主可動部６Ｂとの間をつなぐ線路状領域である。副可動部６Ｅと副梁状部６Ｄとは本発明の副梁部を構成し、基板２から離間した状態で主可動部６Ｂに支持され、片持ち梁構造を構成する。なお、副可動部６Ｅにおける底面には、副可動部６Ｅが下駆動電極５Ａと接触することを防ぐために底面から部分的に突出するフランジ部を設けている。このように副梁状部６Ｄおよび副可動部６Ｅを片持ち梁構造とすることにより、両持ち梁構造の場合よりもバネ定数および専有面積を低減できる。また、副可動部６Ｅを副梁状部６Ｄとは別に設けているので、副梁部の面積を局所的に拡張して静電容量を確保することが容易になる。

下駆動電極５Ｂは基板上面の中央左側付近に形成された凸形状部分で可動板６の支持部６Ｃに接合し、スルーホール８を介してグランドに接続される。下駆動電極５Ａは基板上面の中央付近に形成された矩形状部分で可動板６の副可動部６Ｅに対向し、スルーホール８を介して基準ＤＣ電圧に接続される。下駆動電極５Ａと副可動部６Ｅとは基準ＤＣ電圧とグランドとによる静電容量を形成し、静電力により可動板６全体の変形を促す本発明の駆動用容量形成部を構成する。この駆動用容量形成部の構造はいわゆる下駆動電極５Ａ、副可動部６Ｅおよび下駆動電極５Ａと副可動部６Ｅとがなす空隙からなるＭＩＭ構造である。下駆動電極５Ａが本発明の基板側電極部に相当し、下駆動電極５Ａに対向する副可動部６Ｅが本発明の梁側電極部に相当し、電圧が印加される下駆動電極５Ａと副可動部６Ｅとがそれぞれ対向する。このＭＩＭ構造は、後述するＭＩＭＩＭ構造に比べて面積当たりの静電力が大きく、電極面積の低減に有利である。

下駆動電極５Ｃは基板上面の中央右側付近に形成された線路部分で可動板６の主可動部６Ｂに対向し、スルーホール８を介して高周波信号入力端子に接続される。下駆動電極５Ｄは下駆動電極５Ｃの線路部分に平行する線路部分で可動板６の主可動部６Ｂに対向し、スルーホール８を介して高周波信号出力端子に接続される。誘電体膜７は、下駆動電極５Ｃと下駆動電極５Ｄとの線路部分を覆い、可動板６の主可動部６Ｂに対向する。高周波信号が本発明の制御対象信号であり、下駆動電極５Ｃ，５Ｄ、誘電体膜７、および主可動部６Ｂは、主可動部６Ｂと誘電体膜７との接触状態によって下駆動電極５Ｃと下駆動電極５Ｄとの間の結合状態を変化させる本発明の信号可変部を構成する。この信号可変部の構造はいわゆる下駆動電極５Ｃ、誘電体膜７、主可動部６Ｂ、誘電体膜７、下駆動電極５ＤからなるＭＩＭＩＭ構造である。下駆動電極５Ｃ，５Ｄが本発明の第１・第２の基板側電極部に相当し、下駆動電極５Ａに対向する主可動部６Ｂが本発明の梁側電極部に相当し、信号が印加される下駆動電極５Ｃ，５Ｄが可動板６に対向し、可動板６を介して結合する。ＭＩＭＩＭ構造は、ＭＩＭ構造に比べて面積当たりの静電力が小さく、ホットスイッチング時の変形を抑制するのに有利である。

図４（Ｂ）に示すスイッチＯＦＦ時には、下駆動電極５Ａに基準ＤＣ電圧が印加されず、下駆動電極５Ａと副可動部６Ｅとの間に静電容量が形成されない。このため、可動板６には静電力が作用せず変形も生じず、可動板６の主可動部６Ｂは誘電体膜７から離間した状態となる。これにより、下駆動電極５Ｃと下駆動電極５Ｄとの間の電気的な接続は遮断される。

図４（Ｃ）に示すスイッチＯＮ時には、下駆動電極５Ａに基準ＤＣ電圧が印加され、下駆動電極５Ａと副可動部６Ｅとの間に静電容量が形成される。このため、可動板６には静電力が作用して変形が生じ、可動板６の主可動部６Ｂは誘電体膜７に接触した状態となる。これにより、下駆動電極５Ｃおよび下駆動電極５Ｄは、可動板６の主可動部６Ｂとの間に発生する静電容量を介して結合する。

ホットスイッチング時には、下駆動電極５Ａに基準ＤＣ電圧が印加されない場合でも下駆動電極５Ｃと主可動部６Ｂとの間、および下駆動電極５Ｄと主可動部６Ｂとの間にある程度の大きさの静電容量が発生し、それによる静電力で可動板６が変形して誘電体膜７に接触する恐れがある。そのため、ここでは主梁状部６Ａのバネ定数を、副梁状部６Ｄのバネ定数よりも大きくしている。これにより、ホットスイッチング時に信号可変部に生じる静電力による可動板６の撓みを抑制して、誘電体膜７に主可動部６Ｂが接触することを防いでいる。

ここで、可動板６に作用する静電力について説明する。可動板６と下駆動電極５Ａ，５Ｃ，５Ｄとは平行平板キャパシタとして機能する。平行平板キャパシタに働く静電力Ｆは数式１で表され、平行平板キャパシタの対向面積Ａや印加電圧Ｖの二乗に比例し、対向距離ｚの二乗に反比例する。

したがって、副可動部６Ｅと下駆動電極５Ａとからなる駆動用容量形成部における対向距離ｚは、より小さい方が静電力Ｆの確保に有利である。換言すれば、同一の静電力Ｆを得る場合に対向距離ｚが小さい方が対向面積Ａや印加電圧Ｖを低減できる。即ち、主梁状部６Ａのバネ定数が大きくても、副梁状部６Ｄのバネ定数が小さい場合には、副梁状部６Ｄの撓み量が大きくなり易く、副可動部６Ｅと下駆動電極５Ａとの対向距離ｚが小さくなり、低い基準ＤＣ電圧であっても必要とする静電力Ｆが駆動用容量形成部で得られる。

また、副可動部６Ｅと下駆動電極５Ａとからなる駆動用容量形成部における対向面積は、主可動部６Ｂと下駆動電極５Ｃ，５Ｄとからなる信号可変部における対向面積よりも大きい構成とすると好適である。これにより、ホットスイッチング時に信号可変部で発生する静電力を駆動用容量形成部で発生する静電力よりも弱めて、より適正な動作を実現させることが容易になる。

次に静電駆動型アクチュエータ１の製造方法について、図５を参照して説明する。なお、通常は広大な母基板から複数の素子を形成するが、ここでは説明の簡易化のために、母基板から一つの素子を形成するものとして説明する。

まず、基板２となるガラス基板を用意する（Ｓ１）。

次に、基板２のスルーホール８を形成する位置にサンドブラスト等により非貫通開口を形成し、その開口内を含む基板２の上面全面を充填メッキ法等により銅被覆する（Ｓ２）。

次に、研削と研磨により基板２の上面から銅被覆を除去する。これにより、基板２の開口内に残る銅がスルーホール８を形成する（Ｓ３）。

次に基板２の上面にＡｕ／Ｐｔ／ＮｉＣｒ，Ｃｒ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｃｒ等の金属膜を０．２μｍ厚で成膜し、リフトオフ法等により所定パターンの下駆動電極５Ａ〜５Ｄを形成する（Ｓ４）。なお、下駆動電極５Ｃ，５Ｄの低抵抗化のために、下駆動電極の引き回し配線部をＣｒ／Ａｕ／Ｐｔ・Ｃｒで０．６μｍ厚程度にしてもよい。

次にＴａ_２Ｏ_５（ε＝２２〜２８）等からなる誘電体膜を０．２μｍ厚でスパッタ成膜し、ＲＩＥ法等により所定パターンの誘電体膜７を形成する（Ｓ５）。

次にＲＩＥ法等で所定形状の凹部を設けた低抵抗Ｓｉ基板４Ａを用意し、基板２に４００℃で陽極接合する（Ｓ６）。

次に、低抵抗Ｓｉ基板をＴＭＡＨ／研削／ポリッシュ法等により３０μｍ厚に簿化し、ＲＩＥ法等により所定パターンを形成して側面カバー４および可動板６を設ける（Ｓ７）。

次に、サンドブラスト等により所定形状の凹部を設けたガラス基板を用意し、上面カバー３として側面カバー４の上面に４００℃で熱接合する。この際、上面カバー３、側面カバー４、基板２により囲まれる内部空間を減圧封止する（Ｓ８）。なお、上面カバー３における凹部深さは、各基板の厚みや接合方法等の都合の兼ね合いで決定し、例えば１００μｍ程度にするとよい。

次に、基板２の底面をグラインド／ポリッシュ等により基板厚０．１ｍｍまで研削し、スルーホール８を底面から露出させる（Ｓ９）。

次に、ポリイミド等によるハンダレジストを形成し、電界メッキなどでスルーホールを被覆するバンプ電極９Ａを形成する。そして、印刷等によりバンプ電極９Ａにハンダバンプ９Ｂを接合する（Ｓ１０）。

以上の工程により本発明の静電駆動型アクチュエータ１を製造する。なお、複数の静電駆動型アクチュエータ１を広大な母基板に形成してから個片化する場合には、母基板をダイシングによりハーフカットしてテープ材に貼り付けた後、再びダイシングして各素子を個片化するとよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

本実施形態の静電駆動型アクチュエータ１１は前述の静電駆動型アクチュエータ１とは下駆動電極の形状や可動部の形状が相違し、特には可動部の構成する主梁部が両持ち梁構造であり、副梁部を２つ設ける点で相違する。図６（Ａ）は静電駆動型アクチュエータ１１の上部カバーを除いた状態での平面図である。図６（Ｂ）はスイッチＯＦＦ時の静電駆動型アクチュエータ１１の側面断面図である。図６（Ｃ）はスイッチＯＮ時の静電駆動型アクチュエータ１１の側面断面図である。

静電駆動型アクチュエータ１１は、基板１２と上面カバー１３と側面カバー１４と下駆動電極１５Ａ〜１５Ｄと可動板１６と誘電体膜１７とを備える。

可動板１６は２つの開口が設けられた矩形平板状の導電性材料からなり、２本×２組の主梁状部１６Ａと主可動部１６Ｂと２つの支持部１６Ｃと２本×２組の副梁状部１６Ｄと２つの副可動部１６Ｅを備える。２つの支持部１６Ｃは可動板１６の両端部に矩形状で形成され、基板１２に接合される。主可動部１６Ｂは可動板１６の図中中央部分に矩形状に形成される。各組の２本の主梁状部１６Ａは支持部１６Ｃと主可動部１６Ｂとの間をつなぐ線路状領域である。主梁状部１６Ａと主可動部１６Ｂと支持部１６Ｃとは本発明の主梁部を構成し、主梁状部１６Ａと主可動部１６Ｂとが基板１２から離間した状態で支持部１６Ｃにより支持され、両持ち梁構造を構成する。

２つの副可動部１６Ｅは可動板１６の２つの開口内に矩形状で設けられる。各組の２本の副梁状部１６Ｄは副可動部１６Ｅと主可動部１６Ｂとの間をつなぐ線路状領域である。副可動部１６Ｅと副梁状部１６Ｄとは本発明の副梁部を構成し、基板１２から離間した状態で主可動部１６Ｂに支持され、片持ち梁構造を構成する。

下駆動電極１５Ｂは可動板１６の図中右側端部に設けられた支持部１６Ｃに接合し、グランドに接続される。下駆動電極１５Ａは２つの矩形状部分で可動板１６の２つの副可動部１６Ｅに対向し、基準ＤＣ電圧に接続される。下駆動電極１５Ａと副可動部１６Ｅとは本発明の駆動用容量形成部を構成する。下駆動電極１５Ｃは線路部分で可動板１６の主可動部１６Ｂに対向し、高周波信号入力端子に接続される。下駆動電極１５Ｄは線路部分で可動板１６の主可動部１６Ｂに対向し、高周波信号出力端子に接続される。誘電体膜１７は、下駆動電極１５Ｃと下駆動電極１５Ｄとの線路部分を覆い、可動板１６の主可動部１６Ｂに対向する。これらの下駆動電極１５Ｃ，１５Ｄ、誘電体膜１７、および主可動部１６Ｂとは、本発明の信号可変部を構成する。

この静電駆動型アクチュエータ１１では、主可動部１６Ｂが両持ち梁構造で支持されて基板１２と並行する。したがって、信号可変部における静電容量のバラツキが抑制される。

次に、本発明の第３の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図７（Ａ）は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータ２１の上部カバー及び側面カバーを除いた状態での平面図である。この静電駆動型アクチュエータ２１は、前述の静電駆動型アクチュエータ１とは形状が相違する可動板２６を備える構成である。

可動板２６は基板２２に垂直な方向Ｚの厚み寸法が一様であり、主梁状部２６Ａ、主可動部２６Ｂ、支持部２６Ｃ、副梁部２６Ｄを備える。副梁部２６Ｄは、梁の主軸方向Ｘに配列された複数のスリット２６Ｅを備える。

この静電駆動型アクチュエータ２１では、方向Ｘ，Ｚに対して垂直な方向Ｙに沿った副梁部２６Ｄの寸法（幅寸法）は、スリット２６Ｅの設けられた部位で小さくなる。したがって、複数のスリット２６Ｅを主軸方向Ｘに配列することで、前述の静電駆動型アクチュエータ１よりも副梁部がなだらかに変形し、スイッチＯＮ時に副梁部の基板と平行な部分が次第に拡大していくようになり、静電容量の変化を安定させやすくなる。

図７（Ｂ）は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成で主梁部を両持ち梁構造とした構成例を示す平面図である。この静電駆動型アクチュエータ３１では、前述の静電駆動型アクチュエータ１１よりも副梁部がなだらかに変形し、スイッチＯＮ時に副梁部の基板と平行な部分が次第に拡大していくようになり、静電容量の変化を安定させやすくなる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図８は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータ４１の上部カバー及び側面カバーを除いた状態での平面図である。この静電駆動型アクチュエータ４１は、前述の静電駆動型アクチュエータ２１とは形状が相違する下駆動電極４５Ａ，４５Ｂを備える構成である。

下駆動電極４５Ｂは基板上面の中央右側付近に形成された矩形状部分で可動板の副梁部に対向し、グランドに接続される。下駆動電極４５Ａは基板上面の中央左側付近に形成された矩形状部分で可動板の副梁部に対向し、基準ＤＣ電圧に接続される。下駆動電極４５Ａと下駆動電極４５Ｂとは本発明の駆動用容量形成部を構成する。この駆動用容量形成部の構造はいわゆるＭＩＭＩＭ構造である。下駆動電極４５Ａ，２５Ｂが本発明の第１・第２の基板側電極部に相当し、下駆動電極４５Ａ，４５Ｂに対向する副可動部６Ｅが本発明の梁側電極部に相当し、電圧が印加される下駆動電極４５Ａ，４５Ｂが可動板に対向し、可動板を介して結合する。この構成は、ＭＩＭ構造に比べて面積当たりの静電力が小さくなるが、可動板に電圧を印加する必要が無く、可動板の小型化に有利である。

次に、本発明の第５の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図９（Ａ）は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータ５１の上部カバー及び側面カバーを除いた状態での平面図である。この静電駆動型アクチュエータ５１は、前述の静電駆動型アクチュエータ４１とは形状が相違する下駆動電極５５Ａを備える構成である。

下駆動電極５５Ａは基板上面の中央左側付近に形成された矩形状部分で可動板の副梁部に対向するとともに、基板上面の右側付近に形成された線路状部分５５Ａ１で可動板の主梁部に対向し、基準ＤＣ電圧に接続される。この構成では、比較的大きな静電力が得られ、基準ＤＣ電圧をさらに抑制することが可能になる。なお、下駆動電極５５Ａは一部を下駆動電極５５Ｃと交差させる必要が生じるので、基板５２の一部を絶縁性のブリッジ層５３で被覆して下駆動電極５５Ａと下駆動電極５５Ｃとの間の絶縁を確保する。

図９（Ｂ）は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成で駆動用容量形成部をＭＩＭ構造とした構成例を示す平面図である。この静電駆動型アクチュエータ６１でも、前述の静電駆動型アクチュエータ５１と同様に、基板上面の右側付近に形成された線路状部分６５Ａ１を有するため、比較的大きな静電力が得られ、基準ＤＣ電圧をさらに抑制することが可能になる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図１０は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータ７１の側面断面図である。この静電駆動型アクチュエータ７１は、可動板７６とは別に上駆動電極７６Ａ，７６Ｂを備える点で、前述の静電駆動型アクチュエータ１と相違する。

可動板７６が静電駆動型アクチュエータ１と同様に低抵抗Ｓｉ基板であれば、上駆動電極７６Ａ，７６Ｂを設ける事により、信号可変部で形成する可変容量の抵抗分が小さくなり、Ｑ値を改善することができる。また、可動板７６を高抵抗Ｓｉ基板などの絶縁性基板とすれば、信号可変部からＲＦ信号などが漏れることが無くなり、後述する信号遮断用の抵抗素子などを設ける必要がなくなる。この場合、Ｓｉ基板側に電極を用いる必要があり、材料としては陽極接合時の熱負荷で表面荒れしないＷ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）が良い。

次に、本発明の第７の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータの構成例について説明する。

図１１は、本実施形態に係る静電駆動型アクチュエータ８１の側面断面図である。この静電駆動型アクチュエータ８１は、信号可変部に誘電体層を設けずに構成し、上駆動電極８６Ｂと下駆動電極８５Ｃ、および上駆動電極８６Ｂと下駆動電極８５Ｄとの接触により、スイッチングを行う点で、前述の静電駆動型アクチュエータ７１と相違する。このような構成であっても本発明は好適に実施できる。なお、下駆動電極８５Ｃ，８５Ｄが本発明の第１・第２の基板側電極部に相当し、上駆動電極８６Ｂが第１・第２の基板側電極部間のギャップに対向する本発明の梁側電極部に相当し、上駆動電極８６Ｂを介して導通する下駆動電極８５Ｃ，８５Ｄ間を制御対象信号である電気信号が伝搬する。

次に、本発明の第８の実施形態に係る静電駆動型アクチュエータを用いた可変容量装置の構成例について説明する。

図１２（Ａ）は、本実施形態に係る可変容量装置９１を説明する図である。この可変容量装置９１は、単一の基板に複数の静電駆動型アクチュエータ１を備え、それぞれの信号可変部を並列に接続して、各静電駆動型アクチュエータ１へ印加する基準ＤＣ電圧のＯＮ／ＯＦＦの組み替えにより静電容量を可変する構成である。なお、ここでは各静電駆動型アクチュエータ１固有の静電容量を異ならせて、可変容量装置９１で可変し得る静電容量値の範囲を広げている。また、各静電駆動型アクチュエータ１の基準ＤＣ電圧ライン上にはＲＦ信号が漏れることを防ぐために信号遮断用の抵抗素子を挿入している。

このような可変容量装置９１は、ＶＭＤ（Variable Matching Device）装置に組み込まれる。図１２（Ｂ）はＶＭＤ装置９５の構成例を説明する図である。ＶＭＤ装置９５は第１の外部負荷９６Ａと第２の外部負荷９６Ｂとの間の信号ラインでのインピーダンスマッチングに用いられる。ＶＭＤ装置９５は信号ラインにシリーズに接続したインダクタ９７、およびインダクタ９７の両端とグランドとの間に接続した可変容量装置９１からなる。このように可変容量装置９１を利用することにより、ＶＭＤ装置９５の小型化が可能になる。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１…静電駆動型アクチュエータ
２，１２，２２，５２…基板
３，１３…上面カバー
４，１４…側面カバー
４Ａ…低抵抗Si基板
５Ａ〜５Ｄ，１５Ａ〜１５Ｄ，４５Ａ，４５Ｂ，５５Ａ，５５Ｃ，６５Ａ，８５Ｃ，８５Ｄ…下駆動電極
６，１６，２６，５６，６６…可動板
６Ａ，１６Ａ，２６Ａ…主梁状部
６Ｂ，１６Ｂ，２６Ｂ…主可動部
６Ｃ，１６Ｃ，２６Ｃ…支持部
６Ｄ，１６Ｄ…副梁状部
６Ｅ，１６Ｅ…副可動部
７，１７…誘電体膜
８…スルーホール
９Ａ…バンプ電極
９Ｂ…ハンダバンプ
２６Ｄ…副梁部
２６Ｅ…スリット
５３…ブリッジ層
７６…可動板
７６Ａ，７６Ｂ…上駆動電極
８６Ｂ…上駆動電極
９１…可変容量装置
９５…ＶＭＤ装置
９６Ａ，９６Ｂ…外部負荷

Claims (12)

1. 基板と、
   接続端で前記基板に接続される主梁部と、
   接続端で前記主梁部の可動部位に接続される片持ち梁構造の副梁部と、
   前記主梁部および前記基板に構成した、前記主梁部の可動部位の変位により制御対象信号を変化させる信号可変部と、
   前記副梁部および前記基板に構成した、ＤＣ電圧が印加されて生じる静電容量に基づく静電力で前記副梁部および前記主梁部を変形させる駆動用容量形成部と、
   を備える静電駆動型アクチュエータ。
2. 前記副梁部は主軸方向に垂直な断面において前記基板に垂直な方向の厚み寸法が軸方向に一定で、前記基板に平行な方向の幅寸法が部分的に小さい部位が、主軸方向に複数配列された構成である、請求項１に記載の静電駆動型アクチュエータ。
3. 前記主梁部および前記副梁部は一体の導電性材料からなり、前記駆動用容量形成部に信号カット用の素子が接続される、請求項１または２に記載の静電駆動型アクチュエータ。
4. 前記主梁部および前記副梁部は絶縁性材料からなり、前記駆動用容量形成部または前記信号可変部となる電極が表面に形成される、請求項１または２に記載の静電駆動型アクチュエータ。
5. 前記駆動用容量形成部は、前記副梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、前記第１の基板側電極部および前記第２の基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、前記第１の基板側電極部と前記第２の基板側電極部との間にＤＣ電圧が印加される構成である請求項１〜４のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
6. 前記駆動用容量形成部は、前記副梁部に対向する基板側電極部と、前記基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、前記基板側電極部と前記梁側電極部との間にＤＣ電圧が印加される構成である請求項１〜４のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
7. 前記主梁部は両持ち梁構造である、請求項１〜６のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
8. 前記主梁部は片持ち梁構造である、請求項１〜６のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
9. 前記駆動用容量形成部は、前記信号可変部よりも電極部対向面積が大きい、請求項１〜８のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
10. 前記信号可変部は、前記主梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、前記第１の基板側電極部と前記第２の基板側電極部とのギャップに対向する梁側電極部とを備え、前記梁側電極部を介して導通する前記第１の基板側電極部と前記第２の基板側電極部との間を電気信号が伝搬する構成である、請求項１〜９のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
11. 前記信号可変部は、前記主梁部に対向する第１の基板側電極部および第２の基板側電極部と、前記第１の基板側電極部および前記第２の基板側電極部に対向する梁側電極部とを備え、前記梁側電極部を介して結合する前記第１の基板側電極部と前記第２の基板側電極部との間をＲＦ信号が伝搬する構成である、請求項１〜９のいずれかに記載の静電駆動型アクチュエータ。
12. 請求項１１に記載の静電駆動型アクチュエータを複数備え、
    各静電駆動型アクチュエータの第１の基板側電極部を接続するとともに、各静電駆動型アクチュエータの第２の基板側電極部を接続した構成である、可変容量装置。

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