以下、本発明を実施するための最良の形� ��に関するいくつかの例について、図面を参� ��しながら説明する。なお、図面において、� ��質的に同一の構成、動作、および効果を表� ��要素については、同一の符号を付す。また� ��以下において記述される数字は、すべて本� ��明を具体的に説明するために例示するもの� ��あり、本発明は例示された数字に制限され� ��い。

 (実施の形態1)
 図1Aは、実施の形態1における電気機械素子1 00の構成を示す平面図、図1Bは、図1Aの部分領 域120を拡大した模式図、図2Aは、図1Aにおけ� �A1-A2断面を示す断面図、図2Bは、図1Aにおけ� �B1-B2断面を示す断面図である。

 図1Aないし図2Bにおいて、電気機械素子100 は、基板110、絶縁層107、絶縁層109、信号電極 105、接点部104、可動電極101、駆動電極103、絶 縁層102、固定櫛歯電極111Aおよび111B、ならび� ��支持部112Aおよび112Bを含む。基板110は、代� �的には半導体で構成される半導体基板であ� �。絶縁層109は基板110上に形成され、層間絶� �膜を構成する。

 可動電極101は、可動電極折曲部101Bを中心 として折曲されており、一方の側に可動電極 固定部101A、他方の側に可動電極可動部101Cを� ��む。すなわち、可動電極固定部101Aと可動電 極可動部101Cは、可動電極折曲部101Bを中心に� ��曲されている。可動電極固定部101Aは、絶縁 層107、駆動電極103、および絶縁層109を介して 基板110に固定され、可動電極可動部101Cは中� �に架橋される。すなわち、可動電極101は、� �形可能であり、可動電極可動部101Cを自由体� ��する片持ち梁の構造を有する。可動電極可� ��部101Cは、可動電極駆動部101C1および可動電� ��開閉部101C2を含む。すなわち、可動電極101� �、互いに一体化された、可動電極固定部101A� ��可動電極折曲部101B、可動電極駆動部101C1、� ��よび可動電極開閉部101C2を含む。可動電極� �曲部101Bは、可動電極固定部101Aと可動電極駆 動部101C1との間に位置し、可動電極駆動部101C 1は、可動電極折曲部101Bと可動電極開閉部101C 2との間に位置する。

 信号電極105は、電極間ギャップ122および� ��点部104を介して、可動電極開閉部101C2と対� �する位置に信号電極開閉部105Aを含む。接点� ��104は信号電極開閉部105A上に形成され、信号 電極105は、絶縁層109上に形成される。接点部 104は、可動電極101と信号電極105との接触抵抗 を低減するため、設けられる。信号電極105お よび接点部104は、統合信号電極を構成する。 信号電極開閉部105Aおよび接点部104は、統合� �号電極開閉部を構成する。統合信号電極開� �部は、開閉部対向部分とも呼ばれる。

 駆動電極103は、絶縁層107を介して、可動� ��極固定部101Aと対向する位置に駆動電極固定 部103Aを含み、電極間ギャップ123および絶縁� �102を介して、可動電極駆動部101C1と対向する 位置に駆動電極駆動部103Bを含む。駆動電極� �定部103Aは固定部対向部分とも呼ばれ、駆動� ��極駆動部103Bは駆動部対向部分とも呼ばれる 。絶縁層102は駆動電極駆動部103B上に形成さ� �、駆動電極103は絶縁層109上に形成される。� �らに絶縁層107は駆動電極固定部103A上に形成� ��れ、可動電極固定部101Aは絶縁層107上に形成 される。絶縁層107は、絶縁膜もしくは空隙ギ ャップで構成することができる。絶縁膜、特 に固体絶縁膜の場合、構造的に安定した電気 機械素子100を、製造上容易に実現することが 可能である。空隙ギャップの場合、一部に絶 縁膜を用いて、もしくはその他の部材を用い て、可動電極固定部101Aを基板110に固定する� �要があるが、全体的には製造工程を減少さ� �低コスト化を実現するとこができる。この� �うに、可動電極固定部101Aと駆動電極固定部1 03Aは、絶縁層107を介在して、近接した位置に 互いの平面を対向させる。

 固定櫛歯電極111A、111Bは、可動電極駆動� �101C1と大略同一平面上に、かつ可動電極駆動 部101C1の周囲を囲む位置に配置され、支持部1 12A、112B上にそれぞれ形成される。各支持部11 2A、112Bは絶縁体で構成され、絶縁層109もしく は駆動電極駆動部103B上に形成される。図1Bに 示すように、各固定櫛歯電極111A、111Bおよび� ��動電極駆動部101C1の側面は凹凸状に形成さ� �、各固定櫛歯電極111A、111Bと可動電極駆動部 101C1とは、電極間ギャップ121を介在して、一� ��の凹部が他方の凸部にかみ合うように対向� ��る。

 次に、電気機械素子100におけるスイッチン� ��の電気的構成および動作を説明する。
 図3Aは、実施の形態1における電気機械素子1 00のOFF状態を示す等価回路図、図3Bは、ON状態 を示す等価回路図である。

 図1Aおよび図2Aにおいて、入力端子RFINは� �高周波信号が電気機械素子100に入力される� �子を表し、可動電極固定部101Aに接続される� ��出力端子RFOUTは、高周波信号が電気機械素� �100から出力される端子を表し、信号電極105� �接続される。

 駆動端子VdINは、可動電極101の直流電位を 基準とする駆動電圧Vdが駆動電極103に印加さ� ��る端子を表し、駆動電極駆動部103Bに接続さ れる。駆動端子VuINAおよびVuINBは、可動電極10 1の直流電位を基準とする駆動電圧Vuがそれぞ れ固定櫛歯電極111Aおよび111Bに印加される端� ��を表し、それぞれ固定櫛歯電極111Aおよび111 Bに接続される。入力端子RFINは、可動電極固� ��部101Aに接続される。駆動端子VdINは、駆動� �極駆動部103Bだけでなく、駆動電極103であれ� ��いずれの部分に接続されてもよい。可動電� ��101および信号電極105の直流電位は、代表的� ��例では大略接地電位に保持される。この場� ��、駆動電圧VdおよびVuは、接地電位を基準と する電位を表す。

 駆動電圧供給部130は、駆動端子VdINを介し て、駆動電圧Vdを駆動電極103に供給する。駆� ��電圧供給部131は、駆動端子VuINAおよびVuINBを 介して、駆動電圧Vuを固定櫛歯電極111Aおよび 111Bにそれぞれ供給する。駆動電圧供給部130� �よび131は、それぞれ駆動電圧VdおよびVuの供� ��を、所望の期間、継続したり、別の所望の� ��間、停止したりすることができる。駆動電� ��の供給の継続および停止のタイミングは、� ��表的な例では、駆動電圧供給部130および131� ��それぞれにおいて、互いに同期して実行さ� ��る。

 最初に、電気機械素子100がOFF状態の場合� ��説明する。この場合、可動電極101と駆動電� ��103の間に駆動電圧Vdは印加しない。可動電� �101は変位していない初期位置にあり、信号� �極105と接触していない状態にある。可動電� �101と信号電極105との間には信号の導通経路� �形成されない。可動電極101と信号電極105と� �間に電極間ギャップ122を介して形成された� �電容量Ccは小さい値となり、高周波信号が伝 播する場合、交流的にインピーダンスの高い 状態となる。このため、高周波信号の電力は 大きく減衰し、可動電極101から信号電極105へ 高周波信号が伝播できない状態となる。

 このように、駆動電極駆動部103Bと可動電 極駆動部101C1は、電極間ギャップ123の距離と� ��縁層102の厚みの和だけ、互いに離間される� ��これにより、可動電極開閉部101C2と統合信� �電極開閉部は、電極間ギャップ122の距離だ� �互いに離間され、可動電極101と信号電極105� �電気的に実質遮断される。

 可動電極固定部101Aと駆動電極固定部103A� �の間には、絶縁層107を介して固定部容量Cfが 形成される。可動電極固定部101Aと駆動電極� �定部103Aは、絶縁層107を介して近接した位置� ��互いの平面を対向しているため、固定部容� ��Cfの容量値は大きく、インピーダンスは十� �に低い。可動電極駆動部101C1と駆動電極駆動 部103Bとの間には、駆動部容量Cdが形成される 。電気機械素子100がOFF状態の場合、可動電極 駆動部101C1と駆動電極駆動部103Bとの間に、電 極間ギャップ123および絶縁層102が介在するた め、電極間は離れた状態となり、駆動部容量 Cdは小さくインピーダンスは高い状態となる� ��可動電極開閉部101C2と統合信号電極開閉部� �の間には、開閉部容量Ccが形成される。電気 機械素子100がOFF状態の場合、可動電極開閉部 101C2と統合信号電極開閉部との間に、電極間� ��ャップ122が介在するため、電極間は離れた� ��態となり、開閉部容量Ccは小さくインピー� �ンスは高い状態となる。可動電極固定部101A� ��可動電極駆動部101C1との間には、可動電極� �抗Rmが形成される。

 代表的な例では、電極間ギャップ123の距� ��と電極間ギャップ122の距離は、大略等しい� ��したがって、可動電極駆動部101C1と駆動電� �駆動部103Bとの距離は、可動電極開閉部101C2� �統合信号電極開閉部との距離に比べて、絶� �層102の厚みだけ若干長くなる。一方、可動� �極開閉部101C2と統合信号電極開閉部とが対向 する部分の面積は、可動電極駆動部101C1と駆� ��電極駆動部103Bとが対向する部分の面積に比 べて、代表的な例では、スイッチングの駆動 力を増すためにかなり広く設定する。これに より、駆動部容量Cdは開閉部容量Ccよりも大� �くなる。

 さらに、可動電極固定部101Aはスイッチン グにより動作しないので、固定部容量Cfは、� ��動電極101がスイッチングにより動作する空� ��を表す電極間ギャップ123および122を必要と� ��ない。このため、可動電極固定部101Aと駆動 電極固定部103Aとの距離は、可動電極駆動部10 1C1と駆動電極駆動部103Bとの距離および可動� �極開閉部101C2と統合信号電極開閉部との距離 に比べて、かなり短くなる。さらに、可動電 極固定部101Aと駆動電極固定部103Aとが対向す� ��部分の面積は、可動電極開閉部101C2と統合� �号電極開閉部とが対向する部分の面積に比� �て、かなり広く、可動電極駆動部101C1と駆動 電極駆動部103Bとが対向する部分の面積に比� �て、大略同等以上である。それゆえに、固� �部容量Cfは、駆動部容量Cdおよび開閉部容量C cに比べて、かなり大きくなる。

 入力端子RFINに入力された入力高周波信号 S10は、可動電極固定部101Aにおいて、本流高� �波信号S11と支流高周波信号S12とに分岐され� �。本流高周波信号S11は、可動電極固定部101A� ��ら、可動電極抵抗Rmを介して可動電極駆動� �101C1へと伝播する。支流高周波信号S12は、可 動電極固定部101Aから、固定部容量Cf、駆動電 極固定部103Aを介して、駆動電極駆動部103Bへ� ��伝播する。固定部容量Cfのインピーダンス� �十分に低く、駆動部容量Cdのインピーダンス は高い状態となる。駆動電極103へ分岐された 支流高周波信号S12は、可動電極駆動部101C1へ� ��衰して伝播する。

 この場合、駆動電極103における支流高周� ��信号S12は、可動電極101における本流高周波� ��号S11に比べて、周波数および位相について� ��大略等しく、振幅についてはいくらか小さ� ��だけである。このため、本流高周波信号S11� ��より可動電極101に生じる電位変化は、支流� ��周波信号S12により駆動電極103に生じる電位� ��化と連動し、結果的に両電極間に発生する� ��力による電位差は、十分に低減することが� ��きる。固定部容量Cfでの電力の減衰量が小� �い程、電位差は減少する。これにより、電� �機械素子100に高い電力の高周波信号を入力� �た場合でも、可動電極101と駆動電極103間に� �周波信号による電位差が発生せず、静電気� �により可動電極101が自動的に駆動する現象(� ��ルフアクチュエーション)を回避することが できる。また、駆動部容量Cdをある程度大き� ��してもセルフアクチュエーションを回避で� ��るため、駆動電圧当たりの静電気力を増大� ��ることができる。このように、低電圧駆動� ��高速応答の電気機械素子100を実現すること� ��できる。

 次に、電気機械素子100がON状態の場合を� �明する。この場合、駆動電圧供給部103は、� �動電極101と駆動電極103の間に駆動電圧Vdを印 加する。静電気力Fsにより可動電極101と駆動� ��極103を引き合わせ、可動電極101と、駆動電� ��103および信号電極105とを接触させる。すな� ��ち、可動電極駆動部101C1は、可動電極駆動� �101D1のように絶縁層102に当接され、可動電極 駆動部101D1と駆動電極駆動部103Bとの距離は絶 縁層102の厚みに大略一致する。その結果、可 動電極開閉部101C2は、可動電極開閉部101D2の� �うに接点部104に当接される(図2A、図2Bを参照 )。別の観点によれば、可動電極駆動部101C1は 可撓性を有し、駆動電圧Vdが印加されている� ��合、可動電極駆動部101C1が撓むことにより� �可動電極開閉部101C2は初期位置から変位して 接点部104に当接される。

 可動電極101と信号電極105の間が金属接触� ��よる抵抗結合型の場合、可動電極開閉部101D 2と接点部104との間に形成される開閉部抵抗Rc は、接点部104の効果により低い値となる。こ のように、高周波信号の導通経路が形成され 、高周波信号は可動電極101から信号電極105へ と伝播する。このため、可動電極101に入力さ れた高周波信号は、大略、信号電極105を介し て出力端子RFOUTに伝搬する。

 電気機械素子100がON状態の場合、固定部� �量Cfおよび可動電極抵抗Rmの各値は、OFF状態� ��場合に大略等しい。駆動部容量Cdは、絶縁� �102を介して可動電極駆動部101D1と駆動電極駆 動部103Bとの間に形成されるため、OFF状態の� �合よりも電極間距離が短くなる。結果的に� �動部容量Cdの容量値は大きくなり、インピー ダンスは低い状態となる。開閉部容量Ccは、� ��動電極開閉部101D2が接点部104に当接するた� �、低い値の開閉部抵抗Rcに置き換えられる。

 入力端子RFINに入力された入力高周波信号 S10は、可動電極固定部101Aにおいて、本流高� �波信号S11と支流高周波信号S12とに分岐され� �。本流高周波信号S11は、可動電極固定部101A� ��ら、可動電極抵抗Rmを介して可動電極駆動� �101D1へと伝播する。支流高周波信号S12は、可 動電極固定部101Aから、固定部容量Cf、駆動電 極固定部103Aを介して、駆動電極駆動部103Bへ� ��伝播する。駆動部容量Cdのインピーダンス� �低い状態となるため、駆動電極103へ分岐さ� �た支流高周波信号S12は比較的減衰せず、可� �電極駆動部101D1へ伝播する。可動電極駆動部 101D1において、本流高周波信号S11と支流高周� ��信号S12が合流し、開閉部抵抗Rcを介して出� �端子RFOUTへと伝播する。

 ON状態からOFF状態に切り替える場合、可� �電極101と駆動電極103の直流電位を同電位と� �、静電気力Fsを排除する。その結果、可動電 極駆動部101C1の可撓性が有するバネ力により� ��可動電極開閉部101C2は元の初期位置に復帰� �る。

 このバネ力に加え、図2Bに示すように、� �動電極101と固定櫛歯電極111A、111Bの間に、駆 動電圧供給部131を介して駆動電圧Vuを印加し� ��斜め上方に静電気力FsA、FsBをそれぞれ印加� ��る構成としてもよい。本構成により、可動� ��極101に上方への電極間を引き離す力が発生� ��る。図1Bに示すように、可動電極101と固定� �歯電極111の間は、櫛歯型電極となっており� �オーバーラップ面積を広くすることにより� �電容量を増加させ、より大きな静電気力が� �生する構造となっている。以上のように、� �ネ力と静電気力により確実にON状態からOFF状 態に切り替えることが可能であり、低電圧駆 動・高速応答、可動電極101と駆動電極103間の 引っ付き現象(スティクション)回避の効果を� ��ることができる。このようにして信号の伝� ��経路の開閉を行う。

 図4Aおよび図4Bは、実施の形態1における� �気機械素子100のOFF状態を示す図であり、そ� �うち図4Aは、電気機械素子100の等価回路図、 図4Bは、電気機械素子100のSパラメータの周波 数特性を示すグラフである。

 OFF状態における等価回路上の各素子定数� ��一例として、Cc=4fF(フェムト・ファラッド)� �Cd=0.1pF、Cf=10pF、可動電極抵抗Rm=5ωとしてい� �。周波数f=400MHz~2GHzにおいて、挿入損失Sパラ メータS21の絶対値は40dB以上の高いアイソレ� �ションを示しており、入力された高周波信� �の電力を大きく減衰させたOFF状態を実現で� �る。

 図5Aおよび図5Bは、実施の形態1における� �気機械素子100のON状態を示す図であり、その うち図5Aは、電気機械素子100の等価回路図、� ��5Bは、電気機械素子100のSパラメータの周波� ��特性を示すグラフである。

 ON状態における等価回路上の各素子定数� �一例として、Rc=1ω、Cd=3pF、Cf=10μF、可動電極 抵抗Rm=5ωとしている。周波数f=400MHz~2GHzにお� �て、挿入損失SパラメータS21の絶対値は0.5dB� �低い挿入損失を示しており、入力された高� �波信号の電力を低損失で伝播するON状態を実 現できる。可動電極抵抗Rmを更に低い値に設� ��した場合、挿入損失をより低減することが� ��能である。

 なお、本実施の形態は、電気機械スイッ� ��の等価回路上で高周波信号が結合する可動� ��極101と信号電極105の接触部を伝送線路に対� ��て並列に接続し、その先を接地へと接続し� ��構成のスイッチ(シャント型スイッチ)にお� �ても適用可能である。シャント型スイッチ� �おいては、シリーズ型スイッチとON状態、OFF 状態における可動電極101の位置が逆となる。 OFF時においては、可動電極101と信号電極105が 接触した状態となる。高周波信号は接地に伝 播し出力ポートへは伝搬しない。ON時におい� ��は、可動電極101と信号電極とが接触してい� ��い状態にあり、高周波信号は入力ポートか� ��出力ポートへ信号電極105上を伝搬する。

 また、本実施の形態は、少なくとも可動� ��極101もしくは信号電極105の表面に絶縁膜を� ��成し、絶縁膜を介した静電容量により交流� ��号の伝播経路が結合する容量結合型スイッ� ��にも適用可能である。

 また、本実施の形態は、可動電極を両持� ��梁型とすることが可能である。

 (まとめ)
 以上、本発明の電気機械素子およびそれを� ��いた電気機器によれば、固定部容量Cfによ� �、可動電極101と駆動電極103間に発生する電� �による電位差を低減することができる。こ� �により、電気機械素子100に高い電力の高周� �信号を入力した場合でも、可動電極101と駆� �電極103間に高周波信号による電位差が発生� �ず、静電気力により可動電極101が自動的に� �動する現象(セルフアクチュエーション)を回 避することが可能となる。このように、いか なる高周波信号に対しても、ON状態とOFF状態� ��確実に切り替えることができ、高信頼性を� ��現する電気機械素子およびそれを用いた電� ��機器を提供することが可能となる。

 本発明に係る電気機械素子は、高信頼性� ��実現する電気機械素子およびそれを用いた� ��気機器として有用である。

 以上、実施の形態におけるこれまでの説� ��は、すべて本発明を具体化した一例であっ� ��、本発明はこれらの例に限定されず、本発� ��の技術を用いて当業者が容易に構成可能な� ��々の例に展開可能である。