マイクロスイッチ用アクチュエータ及びマイクロスイッチ
【課題】機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生力と量を発現することが出来、小型、耐久性、信頼性の高いマイクロスイッチ用アクチュエータを提供すること。
【解決手段】マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂと、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備える。２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層１４のうち最外層の一の圧電層１４が、正極及び負極の電極層１８，１９で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層１４が、正極及び負極の電極層１８，１９で挟まれて活性部を構成している。正極及び負極の電極層１８，１９間に駆動電圧を印加すると、活性部を構成する圧電層１４が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層１４が変位を生じないことから）２本の脚部１５ａ，１５ｂが屈曲変位を生じる。
【解決手段】マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂと、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備える。２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層１４のうち最外層の一の圧電層１４が、正極及び負極の電極層１８，１９で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層１４が、正極及び負極の電極層１８，１９で挟まれて活性部を構成している。正極及び負極の電極層１８，１９間に駆動電圧を印加すると、活性部を構成する圧電層１４が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層１４が変位を生じないことから）２本の脚部１５ａ，１５ｂが屈曲変位を生じる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロスイッチ用のアクチュエータと、それを用いたマイクロスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号や光信号の接続、切断をするためにスイッチが使用される。スイッチとしては、リレーを使用した電気機械式やＰＩＮダイオード等を使用した電子式が一般的であるが、最近では、シリコンプロセスを主とする微細電子機械システム（Ｓｉ−ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ））技術の発達とともに、マイクロスイッチが使用され始めている。このマイクロスイッチは、他のスイッチに比して信号損失が少なく、比較的低コストで作製することが出来、低消費電力であるという利点を有するものである。このようなマイクロスイッチ（Ｓｉ−ＭＥＭＳ型スイッチ）は、その駆動源によって、静電気力を駆動力とする静電型、バイメタルからなる部材を加熱変形させる熱型、磁力を駆動力とする磁性型、及び圧電アクチュエータの駆動力を用いた圧電型等に分類することが出来る。これらのなかでも、圧電型のマイクロスイッチは、他に比して、電気信号や光信号の接続、切断を、高速且つ低消費電力で効率よく行うことが出来るものとして、注目されている。
【０００３】
圧電型のマイクロスイッチの駆動源である圧電アクチュエータとしては、積層型のものが知られている。図１１は、積層型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。図１１に示されるマイクロスイッチ１１１は、駆動源としての積層型圧電アクチュエータ１１０（アクチュエータ部）と作動部１１２で構成される。積層型圧電アクチュエータ１１０は、数十〜数百μｍオーダーの厚さの圧電層３１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの電極層３１８，３１９とが、交互に、複数、積層をされてなるとともに、その側面に、電極層３１８，３１９を一層おきに、即ち、極性の同じ電極層を接続する、一対の外部電極３２８，３２９を有するものである。積層型圧電アクチュエータ１１０では、圧電層３１４の分極方向Ｐが、信号電極（電極層３１８）から共通電極（電極層３１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち圧電層３１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧Ｖが印加されると、複数の圧電層３１４のそれぞれが、電界誘起歪みの縦効果に基づき、図１１中において矢印Ｓ１で示される方向（Ｓ１方向）に伸長する変位を生じ、積層型圧電アクチュエータ１１０全体としても伸長し、作動部１１２の可動接点３２１と固定接点３２２とを接続する。電圧Ｖが印加されず圧電層３１４に電界が形成されなくなると、複数の圧電層３１４のそれぞれは収縮し、積層型圧電アクチュエータ１１０としても収縮し、作動部１１２において可動接点３２１と固定接点３２２とが切断される。
【０００４】
又、圧電アクチュエータとして、バイモルフ型のものが知られている。図１２は、バイモルフ型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。図１２に示されるマイクロスイッチ１２１は、駆動源としてのバイモルフ型圧電アクチュエータ１２０（アクチュエータ部）と作動部１２２で構成される。バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０は、数〜十数μｍオーダーの厚さの電極層６８，６９で挟まれた数百μｍ〜数ｍｍオーダーの厚さの板状の２層の圧電層４１４で構成されるものである。バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０では、一方の圧電層４１４（図１２中において上側）においては、その分極方向Ｐが、信号電極（電極層６８）から共通電極（電極層６９）へ向けた方向になっており、他方の圧電層４１４（図１２中において下側）においては、その分極方向Ｐが、共通電極（電極層６９）から信号電極（電極層６８）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち圧電層４１４）に対し電圧Ｖが印加されると、電界誘起歪みの横効果に基づき、一方の圧電層４１４（図１２中において上側）が収縮し、他方の圧電層４１４（図１２中において下側）が伸長して、バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０全体として屈曲し、図１２中において矢印Ｓ２で示される方向（Ｓ２方向）に変位し、作動部１２２の可動接点４２１と固定接点４２２とを接続する。電圧Ｖが印加されず圧電層４１４に電界が形成されなくなると、２層の圧電層４１４のそれぞれは伸長し又は収縮し（元へ戻り）、バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０としても元へ戻り、作動部１２２において可動接点４２１と固定接点４２２が切断される。尚、マイクロスイッチの先行文献としては、特許文献１が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３２８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータ部が積層型圧電アクチュエータの場合には、圧電層の厚さを薄くすることにより低電圧化が図れるが、大きな変位量を得るためには圧電層を数百オーダーで積層する必要がある。そのため、マイクロスイッチの小型化が困難であるという問題を抱えている。一方、アクチュエータ部がバイモルフ型圧電アクチュエータの場合は、変位発生力が小さい上に、作動部とは反対側を支持部として固定する必要があるので、そこへ応力が集中し易い。そのため、マイクロスイッチが破損し易いという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生力と変位発生量を発現することが可能な、小型で、耐久性に優れ信頼性の高いマイクロスイッチ用アクチュエータを提供することにある。鋭意、検討がなされた結果、以下に示す手段によって、上記目的を達成することが可能であることが見出され、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、先ず、本発明によれば、２本の脚部と、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部と、を備え、２本の脚部のそれぞれが、その（脚部の）幅方向に積層された、複数の圧電層と、正極及び負極の電極層と、を有するとともに、２本の脚部の長さ方向における先端の側及び股部の側の両方の端面に、極性の同じ電極層を接続し得る外部電極を有し、２本の脚部の圧電層及び股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されており、２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層が変位を生じないことから）２本の脚部が屈曲変位を生じるマイクロスイッチ用アクチュエータが提供される。
【０００９】
全体として門型形状と表現したが、２本の脚部とそれらに挟まれて支持する股部とで構成されるので、人間の下半身のような形状ということも出来る。脚部の幅方向とは、脚部の長さ方向に垂直な方向であって、且つ、２本の脚部の並びの方向（２本の脚部を結ぶ方向）に等しい方向である。脚部の先端とは、脚部の、股部を挟んだ側の端部とは反対側の端である。積層された複数の圧電層のうち最外層は２つあり、何れでもよい。即ち、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部の間の側（内側、人間の下半身に例えれば股間側）及び外側（内側の反対側）に、脚部を構成する積層された複数の圧電層の、最外層が存在し、この最外層のうち何れかが正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成するものである。
【００１０】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータにおいては、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚又は閉脚することが好ましい。
【００１１】
又、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータにおいては、圧電層の厚さが１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１２】
次に、本発明によれば、上記した何れかのマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が他の接点部材と接合され、２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、一の接点部材に備わる一の接点が他の接点部材に備わる他の接点と、接触又は離隔をし、一の接点及び他の接点に通じた信号の接続又は切断をするマイクロスイッチが提供される。
【００１３】
本発明に係るマイクロスイッチにおいては、一の接点部材及び他の接点部材に、駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段が備わり、一の接点部材又は他の接点部材に接合された脚部の先端の側の端面に備わる外部電極を通じて、駆動電圧の供給を受けることが好ましい。即ち、この態様では、外部電極は端子電極を兼ねている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部とその２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部とを備え、２本の脚部が屈曲変位を生じるように構成されたものであり、好ましくは、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じ開脚又は閉脚するものであるので、マイクロスイッチのアクチュエータ部として用いたときに、固定端を必要とせず、自立して作動部の接点の開閉動作（接続・切断動作）を行うことが出来る。そのため、固定端を必要とするバイモルフ型圧電アクチュエータでは生じ易かった応力集中が起き難く、破損し難くなり、耐久性に優れ信頼性の高いマイクロスイッチを実現することが可能となる。
【００１５】
それでも、脚部の屈曲変位が生じた際には、その脚部と、変位を生じない股部との境界（脚の付け根にあたる部分）に応力が発生すると考えられるが、このような内部応力によってクラックが発生するという問題は生じ難い。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部の圧電層及び股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されているからである。即ち、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、アクチュエータ部として、信頼性が高いマイクロスイッチを構築し得るものである。
【００１６】
開示されてはいないが、バイモルフ型圧電アクチュエータ（図１２を参照）を２本の脚部として採用し、これらを不活性のシム材で挟んで接着し、外見的に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータを作製することは可能である。しかし、このようなアクチュエータは、長時間、駆動させた場合には、バイモルフ型圧電アクチュエータに変位を発生させた際の、バイモルフ型圧電アクチュエータとシム材との接着部分に集中する応力によって、シム材からバイモルフ型圧電アクチュエータが剥がれて、駆動不能になり易く、信頼性に問題がある。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータでは、全体が焼成一体化されているので、このような脚部が股部から剥がれるという問題は生じ難い。
【００１７】
又、上記バイモルフ型圧電アクチュエータを利用した外見的に本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータは、２つのバイモルフ型圧電アクチュエータを組み立てて作製することから、小型化が困難である。これに対し、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、１本の脚部を独立したアクチュエータとして取り扱うものではなく、２本の脚部及び股部が一体として作製され、全体として１つのアクチュエータを構成するものであるため、小型化が図り易い。
【００１８】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層が変位を生じないことから）２本の脚部に屈曲変位を生じ、マイクロスイッチのアクチュエータ部として用いたときに、その屈曲変位によって、作動部の接点に開閉動作（接続・切断動作）をさせるものである。そのため、変位効率が高く、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生量を得て、且つ、積層型圧電アクチュエータより小型化することが可能である。
【００１９】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、脚部が複数の圧電層と正極及び負極の電極層とを有し、圧電層のうち活性部を構成するものが直接には伸縮変位を生じ、不活性部の圧電層が変位を生じないことから、脚部として屈曲変位を発現するものであるので、活性部を構成する圧電層の層数を調節することによって、変位発生力を容易に変更することが可能である。活性部を構成する圧電層の層数を増加させると、変位発生力は大きくなる。そのため、マイクロスイッチにおいて、その作動部の態様に合わせて、容易に、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに必要な変位発生力を得るのに最適な無駄のないアクチュエータ部を構築することが可能である。
【００２０】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、好ましくは、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じ開脚又は閉脚するものであるので、ノーマルオープン（非作動時切断）、ノーマルクローズ（非作動時接続）の何れの態様のマイクロスイッチのアクチュエータ部として適用することが可能であり、マイクロスイッチへの適用にかかり応用性に優れる。
【００２１】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、その好ましい態様において、圧電層の厚さが１０〜１００μｍであるので、一般に圧電層の厚さが数μｍから３０μｍ程度の積層型圧電アクチュエータに比して、より高い電圧をかけ得るものとなっている。そのため、より大きな変位発生力を得ることが出来、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生力を発現することが可能であり、信頼性の高いマイクロスイッチの実現に寄与する。
【００２２】
本発明に係るマイクロスイッチは、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が他の接点部材と接合され、２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、一の接点が他の接点と接触又は離隔をし、一の接点及び他の接点に通じた信号の接続又は切断をするものであり、これは、アクチュエータ部として用いられる本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータが、固定端を形成せずに自立して作動部の接点の開閉動作（接続・切断動作）を行い得る態様のマイクロスイッチである。従って、既に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの効果で示したように、このような本発明に係るマイクロスイッチは、応力集中が起き難く、破損し難く、耐久性に優れ、信頼性が高い。加えて、本発明に係るマイクロスイッチは、アクチュエータ部と作動部が独立しているため、構造が単純であり、作製し易く、小型化が図り易い。
【００２３】
本発明に係るマイクロスイッチは、その好ましい態様において、一の接点部材及び他の接点部材に、駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段（配線又は回路）が備わり、一の接点部材又は他の接点部材に接合された脚部の先端の側の端面に備わる外部電極を通じて、駆動電圧の供給を受け得るものであるので、駆動電圧の供給系統（配線系統）を簡素化することが容易である。又、マイクロスイッチ用アクチュエータ側の駆動電圧供給回路は、２本の脚部にかかる回路を、予めマイクロスイッチ用アクチュエータ内部に作り込んでおくことが可能であり、そうすることによって製造過程における配線工程・作業は、極少なくなる。従って、本発明に係るマイクロスイッチの好ましい態様を生産するのに要する時間は短くなり、歩留まりが向上する。
【００２４】
上記したバイモルフ型圧電アクチュエータを利用した外見的に本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータを、アクチュエータ部として採用し、マイクロスイッチを構築することは可能であるが、それぞれのバイモルフ型圧電アクチュエータ毎に駆動電圧の供給を受ける端子が必要となり、駆動電圧の供給系統も２つ必要になるから、配線が複雑になり、製造過程における配線工程・作業が増加し、その結果、生産に要する時間が長くなり、歩留まりが低下し易い。本発明に係るマイクロスイッチの好ましい態様によれば、このような問題は生じ得ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００２６】
図１は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの一の実施形態を示す斜視図である。マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、図１に示されるように、全体として門型形状、あるいは人間の下半身の形状を呈するものである。
【００２７】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂと、その２本の脚部１５ａ，１５ｂの一方の端部の側（図１中において上側）で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備えるアクチュエータであり、２本の脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれは、その脚部１５ａ，１５ｂの幅方向（図１中において左右方向（横方向））に積層された、１０〜１００μｍの厚さの（例えば）３層の圧電層１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの正極の電極層１８及び負極の電極層１９と、を有している。又、２本の脚部１５ａ，１５ｂの長さ方向（図１中において上下方向（縦方向））における先端の側端面には、電極層１９に接続した（導通した）外部電極２９を有し、股部１７の側の端面には、電極層１８を接続した（導通した）外部電極２８を有している。外部電極２８，２９は、それぞれ電極層１８（信号電極）どうし及び電極層１９（共通電極）どうしを接続するものであり、外部の電源を用いて電極層１８，１９間へ電圧をかけるための、配線の役割を担うとともに、端子としての役割も果たす電極である。
【００２８】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂの圧電層１４と股部１７とがセラミック材料で形成され、焼成一体化されているものである。又、２本の脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれにおいて、積層された３層の圧電層１４のうち、門型のアクチュエータとして最も外側（図１中において脚部１５ａでは左側、脚部１５ｂでは右側）に位置する層の圧電層１４は、電極層１８と電極層１９とで挟まれておらず、駆動電圧を印加しても変位を生じない。即ち、不活性部を構成している。一方、それより股部１７の側（図１中において脚部１５ａでは中央及び右側の２層、脚部１５ｂでは中央及び左側の２層）のその他の圧電層１４は、電極層１８，１９で挟まれており、駆動電圧を印加すると変位を生じる。即ち、活性部を構成している。
【００２９】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０では、活性部における圧電層１４の分極方向Ｐは、信号電極（電極層１８）から共通電極（電極層１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち活性部の圧電層１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧が印加されると、脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれにおける２層の圧電層１４が、電界誘起歪みの横効果に基づき、脚部の長さ方向に収縮する変位を生じる。一方、不活性部を構成する圧電層では変位が生じない。そのため、２本の脚部１５ａ，１５ｂは、互いに反対方向（図１中において脚部１５ａは右方向、脚部１５ｂは左方向）に屈曲変位を生じ、閉脚する。即ち、人間の下半身に例えれば、脚を閉じる方向に変形する。駆動電圧が印加されず圧電層１４に電界が形成されなくなると、活性部の圧電層１４は元に戻るように伸長し、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０としても脚部１５ａ，１５ｂが元へ戻り平行な脚部となる。
【００３０】
図４及び図５は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図である。図４には、駆動電圧が印加されず、２本の脚部が屈曲変位を生じず平行な脚部の状態が示されており、図５では、活性部の圧電層に対し、分極方向と同じ方向に電圧が印加され、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、閉脚した状態が示されている。マイクロスイッチ用アクチュエータ４０は、図４及び図５に示されるように、その外部電極３８，３９が、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の外部電極２８，２９のように端面全体に形成されているものではなく、端面に露出したスルーホールとして形成されているところが異なる。その他の仕様は、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０と同じである（説明を省略する）。
【００３１】
図２及び図３は、本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図である。図２及び図３に示されるマイクロスイッチは、上記した図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０をアクチュエータ部として利用したものであり、機械的に電気信号の接続、切断を行い得る、ノーマルオープンのスイッチである。図２には、マイクロスイッチのＯＦＦ（切断）状態が示されており、図３では、マイクロスイッチのＯＮ（接続）状態が示されている。図２及び図３に示されるマイクロスイッチ１１は、上記したマイクロスイッチ用アクチュエータ１０と作動部１２とを具備し、その作動部１２は、信号線４８につながる接点４１が備わる接点部材４３と、同じく信号線４８につながる接点４２が備わる接点部材４４とを有している。そして、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａの先端が接点部材４３と接合され、脚部１５ｂの先端が接点部材４４と接合されている。
【００３２】
マイクロスイッチ１１では、接点部材４３，４４に駆動電圧の負極側の供給配線４９が備わっており、この供給配線４９から、接点部材４３，４４に接合されたマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ，１５ｂの先端の側の端面に備わる外部電極２９（端子電極）を通じて、電極層１９へ駆動電圧が供給される。一方、駆動電圧の正極側は、他のルートで、外部電極２８（端子電極）を通じて電極層１８へ接続される。マイクロスイッチ１１では、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが屈曲変位を生じていないときが、スイッチとしてＯＦＦの状態であり（図２を参照）、このときには、作動部１２において接点４１，４２は離隔しており、信号線４８は切断されている。一方、信号電極〜共通電極間（電極層１８，１９間、即ち活性部の圧電層１４）へ駆動電圧がかかってマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが屈曲変位を生じたときが、スイッチとしてＯＮの状態である（図３を参照）。このときには、作動部１２において、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａに接合された接点部材４３と、脚部１５ｂに接合された接点部材４４とが、脚部１５ａ、１５ｂの屈曲変位によって、図３中において矢印Ｓ４で示される方向（Ｓ４方向）に移動して、接点４１，４２が接触し、信号線４８が接続される。このＯＮの状態から、駆動電圧の供給を停止すると、屈曲したマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが元へ戻り平行な脚部となり、接点部材４３と接点部材４４とが、脚部１５ａ、１５ｂが元に戻ることによって、図２中において矢印Ｓ３で示される方向（Ｓ３方向）に移動して、接点４１，４２が離隔し、信号線４８が切断される。
【００３３】
図６は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。図６に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０，４０と同様に、全体として門型形状、あるいは人間の下半身の形状を呈するものである。
【００３４】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、２本の脚部２５ａ，２５ｂと、その２本の脚部２５ａ，２５ｂの一方の端部の側（図６中において上側）で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備えるアクチュエータであり、２本の脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれは、その脚部２５ａ，２５ｂの幅方向（図６中において左右方向（横方向））に積層された、１０〜１００μｍの厚さの（例えば）３層の圧電層１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの正極の電極層１８及び負極の電極層１９と、を有している。又、２本の脚部２５ａ，２５ｂの長さ方向（図６中において上下方向（縦方向））における先端の側端面には、電極層１９に接続した（導通した）外部電極２９を有し、股部１７の側の端面には、電極層１８を接続した（導通した）外部電極２８を有している。外部電極２８，２９は、それぞれ電極層１８（信号電極）どうし及び電極層１９（共通電極）どうしを接続するものであり、外部の電源を用いて電極層１８，１９間へ電圧をかけるための、配線の役割を担う。外部電極２９は端子としての役割も果たす電極であり、一方、正極側には、外部電極２８とは別に、それに通じた端子電極５８が形成されている。
【００３５】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、２本の脚部２５ａ，２５ｂの圧電層１４と股部１７とがセラミック材料で形成され、焼成一体化されているものである。又、２本の脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれにおいて、積層された３層の圧電層１４のうち、門型のアクチュエータとして最も股部１７の側（図６中において脚部２５ａでは右側、脚部２５ｂでは左側）に位置する層の圧電層１４は、電極層１８と電極層１９とで挟まれておらず、駆動電圧を印加しても変位を生じない。即ち、不活性部を構成している。一方、それより外側（図６中において脚部２５ａでは中央及び左側の２層、脚部２５ｂでは中央及び右側の２層）のその他の圧電層１４は、電極層１８，１９で挟まれており、駆動電圧を印加すると変位を生じる。即ち、活性部を構成している。
【００３６】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０では、活性部における圧電層１４の分極方向Ｐは、信号電極（電極層１８）から共通電極（電極層１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち活性部の圧電層１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧が印加されると、脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれにおける２層の圧電層１４が、電界誘起歪みの横効果に基づき、脚部の長さ方向に収縮する変位を生じる。一方、不活性部を構成する圧電層では変位が生じない。そのため、２本の脚部２５ａ，２５ｂは、互いに反対方向（図６中において脚部２５ａは左方向、脚部２５ｂは右方向）に屈曲変位を生じ、開脚する。即ち、人間の下半身に例えれば、脚を開く方向に変形する。駆動電圧が印加されず圧電層１４に電界が形成されなくなると、活性部の圧電層１４は元に戻るように伸長し、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０としても脚部２５ａ，２５ｂが元へ戻り平行な脚部となる。
【００３７】
図９及び図１０は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。図９には、駆動電圧が印加されず、２本の脚部が屈曲変位を生じず平行な脚部の状態が示されており、図１０では、活性部の圧電層に対し、分極方向と同じ方向に電圧が印加され、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚した状態が示されている。図９及び図１０に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ９０は、マイクロスイッチ用アクチュエータ４０と同様に、その外部電極３８，３９が、端面に露出したスルーホールとして形成されている。端面全体に形成されている外部電極２８，２９を有するマイクロスイッチ用アクチュエータ６０とは、この点において相違するが、その他の仕様は、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０と同じである（説明を省略する）。
【００３８】
図７及び図８は、本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図である。図７及び図８に示されるマイクロスイッチは、上記した図６に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ６０をアクチュエータ部として利用したものであり、機械的に電気信号の接続、切断を行い得る、ノーマルクローズのスイッチである。図７には、マイクロスイッチのＯＮ（接続）状態が示されており、図８では、マイクロスイッチのＯＦＦ（切断）状態が示されている。図７及び図８に示されるマイクロスイッチ６１は、上記したマイクロスイッチ用アクチュエータ６０と作動部６２とを具備し、その作動部６２は、信号線４８につながる接点４１が備わる接点部材４３と、同じく信号線４８につながる接点４２が備わる接点部材４４とを有している。そして、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａの先端が接点部材４３と接合され、脚部２５ｂの先端が接点部材４４と接合されている。
【００３９】
マイクロスイッチ６１では、接点部材４３，４４に駆動電圧の負極側の供給配線４９が備わっており、この供給配線４９から、接点部材４３，４４に接合されたマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ，２５ｂの先端の側の端面に備わる外部電極２９（端子電極）を通じて、電極層１９へ駆動電圧が供給される。一方、駆動電圧の正極側は、他のルートで、端子電極５８を介して外部電極２８を通じて電極層１８へ接続される。マイクロスイッチ６１では、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが屈曲変位を生じていないときが、スイッチとしてＯＮの状態であり（図７を参照）、このときには、作動部６２において接点４１，４２は接触しており、信号線４８は接続されている。一方、信号電極〜共通電極間（電極層１８，１９間、即ち活性部の圧電層１４）へ駆動電圧がかかってマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが屈曲変位を生じたときが、スイッチとしてＯＦＦの状態である（図８を参照）。このときには、作動部６２において、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａに接合された接点部材４３と、脚部２５ｂに接合された接点部材４４とが、脚部２５ａ、２５ｂの屈曲変位によって、図８中において矢印Ｓ６で示される方向（Ｓ６方向）に移動して、接点４１，４２が離隔し、信号線４８が切断される。このＯＦＦの状態から、駆動電圧の供給を停止すると、屈曲したマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが元へ戻り平行な脚部となり、接点部材４３と接点部材４４とが、脚部２５ａ、２５ｂが元に戻ることによって、図７中において矢印Ｓ５で示される方向（Ｓ５方向）に移動して、接点４１，４２が接触し、信号線４８が接続される。
【００４０】
次に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータ及び本発明に係るマイクロスイッチを製造する方法と、併せて使用する材料について、説明する。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータを製造するにあたっては、グリーンシート積層法を利用することが好ましい。図１３の（ａ）〜（ｅ）は、このグリーンシート積層法を利用し、作製対象を既に説明した図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０として、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの製造工程の一例を表した説明図である。
【００４１】
先ず、圧電／電歪材料を主成分とする６枚のセラミックグリーンシート１１６及び、２枚のセラミックグリーンシート１１７（以下、グリーンシート又はシートともいう）を用意する。シート１１６は、のちに脚部の圧電層を構成するものであり、シート１１６より長さが短いシート１１７は（図１３の（ａ）を参照）、のちに股部を構成するものである。シート１１６，１１７は、従来知られたセラミックグリーンシート製造方法により作製出来る。例えば、圧電／電歪材料の粉末を用意し、これに有機樹脂（バインダ）、溶剤、分散剤、可塑剤、造孔剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のテープ成形法によって成形し、適宜、それを切断して、シート１１６，１１７を作製することが可能である。尚、シート１１７は、圧電／電歪材料ではないセラミック材料を用いて作製したシートであってもよい。
【００４２】
圧電／電歪材料は、電界誘起歪みを起こすセラミック材料であれば、他に条件を問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体セラミック材料や強誘電体セラミック材料、あるいは反強誘電体セラミック材料を用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。
【００４３】
具体的には、好ましい材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ）、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。中でも、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料が、大きな電界誘起歪が利用出来ることから、好ましい。この場合、ニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有するものが特に好ましい。又、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマニウム酸鉛等を添加した材料は、その圧電層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現することが出来るので好ましく、特に、上記したジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料であって、そのニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有し、且つゲルマン酸鉛を０．３〜４質量％添加した材料が望ましい。
【００４４】
６枚のシート１１６及び２枚のシート１１７を作製したら、次に、４枚のシート１１６の表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜１１８を形成し、４枚のシート１２６を得る。同様にして、残りの２枚のシート１１６の表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜１１９を形成し、２枚のシート１２７を得る（図１３の（ｂ）を参照）。この導体膜１１８，１１９は、のちに電極層１８，１９（信号電極及び共通電極、図１を参照）になる膜である。
【００４５】
導体膜１１８，１１９の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料は、圧電層と同時に焼成されるか否かに依存して選定される。電極層の場合には、圧電層と同時に焼成されるため、圧電層の焼成温度においても変化しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要がある。一方、後述する、のちに外部電極又は端子電極となる導体膜の場合には、低温で焼成出来るので、アルミニウム、金、銀、銀−パラジウム合金等を使用することが可能である。加えて、用途によっては、非常に大きな変位を発生させなければならないケースもあり、又、弱い界面にクラックが発生しても、外部電極の断線が生じないように、形成した電極上に、別途、延展性に富む導電材料の箔、板等を載置し、併せて用いてもよい。
【００４６】
次に、のちに電極層１８になる導体膜１１８が形成された２枚のシート１２６によって、のちに電極層１９になる導体膜１１９が形成された１枚のシート１２７を挟んで積層し圧着して、のちに１つの脚部となるグリーン積層体１３１を得る（図１３の（ｃ）参照）。シート１２６は４枚、シート１２７は２枚作製したから、グリーン積層体１３１は２つ得られる。そして、一方の端面で揃えるようにして、２つのグリーン積層体１３１によって２枚のシート１１７を挟んで積層し圧着し、新たなグリーン積層体を得る（図１３の（ｄ）参照）。次いで、得られたグリーン積層体に対して、それを構成するグリーン積層体１３１の長さ方向における先端の側の端面（シート１１７の端面が揃っていない側の端面）に、のちに外部電極２９となる導体膜１２９を形成するとともに、グリーン積層体１３１の長さ方向におけるシート１１７の端面を揃えた側の端面に、のちに外部電極２８となる導体膜１２８を形成し、概ねマイクロスイッチ用アクチュエータの形態を呈するグリーン積層体１３０を得る（図１３の（ｅ）参照）。そして、そのグリーン積層体１３０を焼成し一体化する。
【００４７】
以上の工程によって、図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０が得られる。ここで、更に、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の耐湿性、絶縁性を増す目的で、樹脂コートを施すことも好ましい。樹脂コートに使用する樹脂材料としては、ポリフルオルエチレン系、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等が挙げられるが、燃料噴射装置等の高環境負荷下では、ポリフルオルエチレン系、ポリイミド系、更には、それらの複合系、例えばＰＴＦＥ（ポリフルオルエチレン系）とポリアミドイミドの複合系の材料を用いることが好ましい。
【００４８】
尚、上記した本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータを製造する方法では、理解容易に説明するため、１個を単独で作製する場合を示したが、実際には、グリーンシートに多数個分の導体膜を形成し（印刷し）、積層、焼成の後で、個割に加工する工程を経ることによって、容易に多数個取りが出来ることはいうまでもない。
【００４９】
図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０が得られたら、その脚部１５ａ，１５ｂの先端に別途用意した接点部材４３，４４を接合すれば、図２及び図３に示されるマイクロスイッチ１１が得られる。接点部材４３（４４）は、ガラス、若しくはポリフルオルエチレン系、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系の絶縁性材料からなる２枚のシートを用い、１枚のシートの上に導電材料を用いて信号線４８となる所定のパターン（配線パターン）の導体膜を形成し、別の１枚のシートの上に導電材料を用いて供給配線４９となる所定のパターン（配線パターン）の導体膜を形成するとともに、信号線４８となる導体膜を形成したシートの上に、供給配線４９となる導体膜を形成したシートを重ねて被覆し、更に、重ねた２枚のシートの端面に、導電材料を用い、信号線４８となる導体膜に接続させて、接点４１（４２）となる導体膜を形成することによって、得られる。信号線４８、供給配線４９、及び接点４１，４２を形成する導電材料は、接触抵抗が小さなものであることが望ましく、金、銀、銅、アルミ、又は白金等を、好適に採用することが出来る。
【００５０】
尚、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、機械的に光信号の接続、切断を行うマイクロスイッチのアクチュエータ部としても、好適に利用することが出来る。この場合のマイクロスイッチを構成する作動部は、例えば、光ファイバや光導波路の断面が露出した端面であることが望ましく、接続損失を小さくするための反射防止膜等をコーティングした面であることが、更に望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うスイッチのアクチュエータ部として、好適に利用することが出来る。そして、本発明に係るマイクロスイッチは、当該スイッチとして、好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの一の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図であり、ＯＦＦ（切断）状態を示す図である。
【図３】本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図であり、ＯＮ（接続）状態を示す図である。
【図４】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が屈曲変位を生じていない状態を示す図である。
【図５】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じた状態を示す図である。
【図６】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図であり、ＯＮ（接続）状態を示す図である。
【図８】本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図であり、ＯＦＦ（切断）状態を示す図である。
【図９】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が屈曲変位を生じていない状態を示す図である。
【図１０】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じた状態を示す図である。
【図１１】積層型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。
【図１２】バイモルフ型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの製造工程の一例を表した説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，４０，６０，９０ マイクロスイッチ用アクチュエータ
１１，６１ マイクロスイッチ
１２，６２ 作動部
１４ 圧電層
１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ 脚部
１７ 股部
１８，１９ 電極層
２８，２９，３８，３９ 外部電極
４１，４２ 接点
４３，４４ 接点部材
４８ 信号線
４９ （駆動電圧の）供給配線
１１６，１１７ セラミックグリーンシート
１１８，１１９ （電極層となる）導体膜
１２６，１２７ （導体膜を形成した）セラミックグリーンシート
１２８，１２９ （外部電極となる）導体膜
１３０，１３１ グリーン積層体
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロスイッチ用のアクチュエータと、それを用いたマイクロスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号や光信号の接続、切断をするためにスイッチが使用される。スイッチとしては、リレーを使用した電気機械式やＰＩＮダイオード等を使用した電子式が一般的であるが、最近では、シリコンプロセスを主とする微細電子機械システム（Ｓｉ−ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ））技術の発達とともに、マイクロスイッチが使用され始めている。このマイクロスイッチは、他のスイッチに比して信号損失が少なく、比較的低コストで作製することが出来、低消費電力であるという利点を有するものである。このようなマイクロスイッチ（Ｓｉ−ＭＥＭＳ型スイッチ）は、その駆動源によって、静電気力を駆動力とする静電型、バイメタルからなる部材を加熱変形させる熱型、磁力を駆動力とする磁性型、及び圧電アクチュエータの駆動力を用いた圧電型等に分類することが出来る。これらのなかでも、圧電型のマイクロスイッチは、他に比して、電気信号や光信号の接続、切断を、高速且つ低消費電力で効率よく行うことが出来るものとして、注目されている。
【０００３】
圧電型のマイクロスイッチの駆動源である圧電アクチュエータとしては、積層型のものが知られている。図１１は、積層型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。図１１に示されるマイクロスイッチ１１１は、駆動源としての積層型圧電アクチュエータ１１０（アクチュエータ部）と作動部１１２で構成される。積層型圧電アクチュエータ１１０は、数十〜数百μｍオーダーの厚さの圧電層３１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの電極層３１８，３１９とが、交互に、複数、積層をされてなるとともに、その側面に、電極層３１８，３１９を一層おきに、即ち、極性の同じ電極層を接続する、一対の外部電極３２８，３２９を有するものである。積層型圧電アクチュエータ１１０では、圧電層３１４の分極方向Ｐが、信号電極（電極層３１８）から共通電極（電極層３１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち圧電層３１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧Ｖが印加されると、複数の圧電層３１４のそれぞれが、電界誘起歪みの縦効果に基づき、図１１中において矢印Ｓ１で示される方向（Ｓ１方向）に伸長する変位を生じ、積層型圧電アクチュエータ１１０全体としても伸長し、作動部１１２の可動接点３２１と固定接点３２２とを接続する。電圧Ｖが印加されず圧電層３１４に電界が形成されなくなると、複数の圧電層３１４のそれぞれは収縮し、積層型圧電アクチュエータ１１０としても収縮し、作動部１１２において可動接点３２１と固定接点３２２とが切断される。
【０００４】
又、圧電アクチュエータとして、バイモルフ型のものが知られている。図１２は、バイモルフ型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。図１２に示されるマイクロスイッチ１２１は、駆動源としてのバイモルフ型圧電アクチュエータ１２０（アクチュエータ部）と作動部１２２で構成される。バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０は、数〜十数μｍオーダーの厚さの電極層６８，６９で挟まれた数百μｍ〜数ｍｍオーダーの厚さの板状の２層の圧電層４１４で構成されるものである。バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０では、一方の圧電層４１４（図１２中において上側）においては、その分極方向Ｐが、信号電極（電極層６８）から共通電極（電極層６９）へ向けた方向になっており、他方の圧電層４１４（図１２中において下側）においては、その分極方向Ｐが、共通電極（電極層６９）から信号電極（電極層６８）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち圧電層４１４）に対し電圧Ｖが印加されると、電界誘起歪みの横効果に基づき、一方の圧電層４１４（図１２中において上側）が収縮し、他方の圧電層４１４（図１２中において下側）が伸長して、バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０全体として屈曲し、図１２中において矢印Ｓ２で示される方向（Ｓ２方向）に変位し、作動部１２２の可動接点４２１と固定接点４２２とを接続する。電圧Ｖが印加されず圧電層４１４に電界が形成されなくなると、２層の圧電層４１４のそれぞれは伸長し又は収縮し（元へ戻り）、バイモルフ型圧電アクチュエータ１２０としても元へ戻り、作動部１２２において可動接点４２１と固定接点４２２が切断される。尚、マイクロスイッチの先行文献としては、特許文献１が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３２８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータ部が積層型圧電アクチュエータの場合には、圧電層の厚さを薄くすることにより低電圧化が図れるが、大きな変位量を得るためには圧電層を数百オーダーで積層する必要がある。そのため、マイクロスイッチの小型化が困難であるという問題を抱えている。一方、アクチュエータ部がバイモルフ型圧電アクチュエータの場合は、変位発生力が小さい上に、作動部とは反対側を支持部として固定する必要があるので、そこへ応力が集中し易い。そのため、マイクロスイッチが破損し易いという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生力と変位発生量を発現することが可能な、小型で、耐久性に優れ信頼性の高いマイクロスイッチ用アクチュエータを提供することにある。鋭意、検討がなされた結果、以下に示す手段によって、上記目的を達成することが可能であることが見出され、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、先ず、本発明によれば、２本の脚部と、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部と、を備え、２本の脚部のそれぞれが、その（脚部の）幅方向に積層された、複数の圧電層と、正極及び負極の電極層と、を有するとともに、２本の脚部の長さ方向における先端の側及び股部の側の両方の端面に、極性の同じ電極層を接続し得る外部電極を有し、２本の脚部の圧電層及び股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されており、２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層が変位を生じないことから）２本の脚部が屈曲変位を生じるマイクロスイッチ用アクチュエータが提供される。
【０００９】
全体として門型形状と表現したが、２本の脚部とそれらに挟まれて支持する股部とで構成されるので、人間の下半身のような形状ということも出来る。脚部の幅方向とは、脚部の長さ方向に垂直な方向であって、且つ、２本の脚部の並びの方向（２本の脚部を結ぶ方向）に等しい方向である。脚部の先端とは、脚部の、股部を挟んだ側の端部とは反対側の端である。積層された複数の圧電層のうち最外層は２つあり、何れでもよい。即ち、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部の間の側（内側、人間の下半身に例えれば股間側）及び外側（内側の反対側）に、脚部を構成する積層された複数の圧電層の、最外層が存在し、この最外層のうち何れかが正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成するものである。
【００１０】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータにおいては、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚又は閉脚することが好ましい。
【００１１】
又、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータにおいては、圧電層の厚さが１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１２】
次に、本発明によれば、上記した何れかのマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が他の接点部材と接合され、２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、一の接点部材に備わる一の接点が他の接点部材に備わる他の接点と、接触又は離隔をし、一の接点及び他の接点に通じた信号の接続又は切断をするマイクロスイッチが提供される。
【００１３】
本発明に係るマイクロスイッチにおいては、一の接点部材及び他の接点部材に、駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段が備わり、一の接点部材又は他の接点部材に接合された脚部の先端の側の端面に備わる外部電極を通じて、駆動電圧の供給を受けることが好ましい。即ち、この態様では、外部電極は端子電極を兼ねている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部とその２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部とを備え、２本の脚部が屈曲変位を生じるように構成されたものであり、好ましくは、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じ開脚又は閉脚するものであるので、マイクロスイッチのアクチュエータ部として用いたときに、固定端を必要とせず、自立して作動部の接点の開閉動作（接続・切断動作）を行うことが出来る。そのため、固定端を必要とするバイモルフ型圧電アクチュエータでは生じ易かった応力集中が起き難く、破損し難くなり、耐久性に優れ信頼性の高いマイクロスイッチを実現することが可能となる。
【００１５】
それでも、脚部の屈曲変位が生じた際には、その脚部と、変位を生じない股部との境界（脚の付け根にあたる部分）に応力が発生すると考えられるが、このような内部応力によってクラックが発生するという問題は生じ難い。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部の圧電層及び股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されているからである。即ち、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、アクチュエータ部として、信頼性が高いマイクロスイッチを構築し得るものである。
【００１６】
開示されてはいないが、バイモルフ型圧電アクチュエータ（図１２を参照）を２本の脚部として採用し、これらを不活性のシム材で挟んで接着し、外見的に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータを作製することは可能である。しかし、このようなアクチュエータは、長時間、駆動させた場合には、バイモルフ型圧電アクチュエータに変位を発生させた際の、バイモルフ型圧電アクチュエータとシム材との接着部分に集中する応力によって、シム材からバイモルフ型圧電アクチュエータが剥がれて、駆動不能になり易く、信頼性に問題がある。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータでは、全体が焼成一体化されているので、このような脚部が股部から剥がれるという問題は生じ難い。
【００１７】
又、上記バイモルフ型圧電アクチュエータを利用した外見的に本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータは、２つのバイモルフ型圧電アクチュエータを組み立てて作製することから、小型化が困難である。これに対し、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、１本の脚部を独立したアクチュエータとして取り扱うものではなく、２本の脚部及び股部が一体として作製され、全体として１つのアクチュエータを構成するものであるため、小型化が図り易い。
【００１８】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、２本の脚部のそれぞれにおいて、積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、（不活性部を構成する圧電層が変位を生じないことから）２本の脚部に屈曲変位を生じ、マイクロスイッチのアクチュエータ部として用いたときに、その屈曲変位によって、作動部の接点に開閉動作（接続・切断動作）をさせるものである。そのため、変位効率が高く、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生量を得て、且つ、積層型圧電アクチュエータより小型化することが可能である。
【００１９】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、脚部が複数の圧電層と正極及び負極の電極層とを有し、圧電層のうち活性部を構成するものが直接には伸縮変位を生じ、不活性部の圧電層が変位を生じないことから、脚部として屈曲変位を発現するものであるので、活性部を構成する圧電層の層数を調節することによって、変位発生力を容易に変更することが可能である。活性部を構成する圧電層の層数を増加させると、変位発生力は大きくなる。そのため、マイクロスイッチにおいて、その作動部の態様に合わせて、容易に、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに必要な変位発生力を得るのに最適な無駄のないアクチュエータ部を構築することが可能である。
【００２０】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、好ましくは、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じ開脚又は閉脚するものであるので、ノーマルオープン（非作動時切断）、ノーマルクローズ（非作動時接続）の何れの態様のマイクロスイッチのアクチュエータ部として適用することが可能であり、マイクロスイッチへの適用にかかり応用性に優れる。
【００２１】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、その好ましい態様において、圧電層の厚さが１０〜１００μｍであるので、一般に圧電層の厚さが数μｍから３０μｍ程度の積層型圧電アクチュエータに比して、より高い電圧をかけ得るものとなっている。そのため、より大きな変位発生力を得ることが出来、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うに十分な変位発生力を発現することが可能であり、信頼性の高いマイクロスイッチの実現に寄与する。
【００２２】
本発明に係るマイクロスイッチは、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が他の接点部材と接合され、２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、一の接点が他の接点と接触又は離隔をし、一の接点及び他の接点に通じた信号の接続又は切断をするものであり、これは、アクチュエータ部として用いられる本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータが、固定端を形成せずに自立して作動部の接点の開閉動作（接続・切断動作）を行い得る態様のマイクロスイッチである。従って、既に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの効果で示したように、このような本発明に係るマイクロスイッチは、応力集中が起き難く、破損し難く、耐久性に優れ、信頼性が高い。加えて、本発明に係るマイクロスイッチは、アクチュエータ部と作動部が独立しているため、構造が単純であり、作製し易く、小型化が図り易い。
【００２３】
本発明に係るマイクロスイッチは、その好ましい態様において、一の接点部材及び他の接点部材に、駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段（配線又は回路）が備わり、一の接点部材又は他の接点部材に接合された脚部の先端の側の端面に備わる外部電極を通じて、駆動電圧の供給を受け得るものであるので、駆動電圧の供給系統（配線系統）を簡素化することが容易である。又、マイクロスイッチ用アクチュエータ側の駆動電圧供給回路は、２本の脚部にかかる回路を、予めマイクロスイッチ用アクチュエータ内部に作り込んでおくことが可能であり、そうすることによって製造過程における配線工程・作業は、極少なくなる。従って、本発明に係るマイクロスイッチの好ましい態様を生産するのに要する時間は短くなり、歩留まりが向上する。
【００２４】
上記したバイモルフ型圧電アクチュエータを利用した外見的に本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータに似せたアクチュエータを、アクチュエータ部として採用し、マイクロスイッチを構築することは可能であるが、それぞれのバイモルフ型圧電アクチュエータ毎に駆動電圧の供給を受ける端子が必要となり、駆動電圧の供給系統も２つ必要になるから、配線が複雑になり、製造過程における配線工程・作業が増加し、その結果、生産に要する時間が長くなり、歩留まりが低下し易い。本発明に係るマイクロスイッチの好ましい態様によれば、このような問題は生じ得ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００２６】
図１は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの一の実施形態を示す斜視図である。マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、図１に示されるように、全体として門型形状、あるいは人間の下半身の形状を呈するものである。
【００２７】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂと、その２本の脚部１５ａ，１５ｂの一方の端部の側（図１中において上側）で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備えるアクチュエータであり、２本の脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれは、その脚部１５ａ，１５ｂの幅方向（図１中において左右方向（横方向））に積層された、１０〜１００μｍの厚さの（例えば）３層の圧電層１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの正極の電極層１８及び負極の電極層１９と、を有している。又、２本の脚部１５ａ，１５ｂの長さ方向（図１中において上下方向（縦方向））における先端の側端面には、電極層１９に接続した（導通した）外部電極２９を有し、股部１７の側の端面には、電極層１８を接続した（導通した）外部電極２８を有している。外部電極２８，２９は、それぞれ電極層１８（信号電極）どうし及び電極層１９（共通電極）どうしを接続するものであり、外部の電源を用いて電極層１８，１９間へ電圧をかけるための、配線の役割を担うとともに、端子としての役割も果たす電極である。
【００２８】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０は、２本の脚部１５ａ，１５ｂの圧電層１４と股部１７とがセラミック材料で形成され、焼成一体化されているものである。又、２本の脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれにおいて、積層された３層の圧電層１４のうち、門型のアクチュエータとして最も外側（図１中において脚部１５ａでは左側、脚部１５ｂでは右側）に位置する層の圧電層１４は、電極層１８と電極層１９とで挟まれておらず、駆動電圧を印加しても変位を生じない。即ち、不活性部を構成している。一方、それより股部１７の側（図１中において脚部１５ａでは中央及び右側の２層、脚部１５ｂでは中央及び左側の２層）のその他の圧電層１４は、電極層１８，１９で挟まれており、駆動電圧を印加すると変位を生じる。即ち、活性部を構成している。
【００２９】
マイクロスイッチ用アクチュエータ１０では、活性部における圧電層１４の分極方向Ｐは、信号電極（電極層１８）から共通電極（電極層１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち活性部の圧電層１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧が印加されると、脚部１５ａ，１５ｂのそれぞれにおける２層の圧電層１４が、電界誘起歪みの横効果に基づき、脚部の長さ方向に収縮する変位を生じる。一方、不活性部を構成する圧電層では変位が生じない。そのため、２本の脚部１５ａ，１５ｂは、互いに反対方向（図１中において脚部１５ａは右方向、脚部１５ｂは左方向）に屈曲変位を生じ、閉脚する。即ち、人間の下半身に例えれば、脚を閉じる方向に変形する。駆動電圧が印加されず圧電層１４に電界が形成されなくなると、活性部の圧電層１４は元に戻るように伸長し、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０としても脚部１５ａ，１５ｂが元へ戻り平行な脚部となる。
【００３０】
図４及び図５は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図である。図４には、駆動電圧が印加されず、２本の脚部が屈曲変位を生じず平行な脚部の状態が示されており、図５では、活性部の圧電層に対し、分極方向と同じ方向に電圧が印加され、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、閉脚した状態が示されている。マイクロスイッチ用アクチュエータ４０は、図４及び図５に示されるように、その外部電極３８，３９が、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の外部電極２８，２９のように端面全体に形成されているものではなく、端面に露出したスルーホールとして形成されているところが異なる。その他の仕様は、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０と同じである（説明を省略する）。
【００３１】
図２及び図３は、本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図である。図２及び図３に示されるマイクロスイッチは、上記した図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０をアクチュエータ部として利用したものであり、機械的に電気信号の接続、切断を行い得る、ノーマルオープンのスイッチである。図２には、マイクロスイッチのＯＦＦ（切断）状態が示されており、図３では、マイクロスイッチのＯＮ（接続）状態が示されている。図２及び図３に示されるマイクロスイッチ１１は、上記したマイクロスイッチ用アクチュエータ１０と作動部１２とを具備し、その作動部１２は、信号線４８につながる接点４１が備わる接点部材４３と、同じく信号線４８につながる接点４２が備わる接点部材４４とを有している。そして、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａの先端が接点部材４３と接合され、脚部１５ｂの先端が接点部材４４と接合されている。
【００３２】
マイクロスイッチ１１では、接点部材４３，４４に駆動電圧の負極側の供給配線４９が備わっており、この供給配線４９から、接点部材４３，４４に接合されたマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ，１５ｂの先端の側の端面に備わる外部電極２９（端子電極）を通じて、電極層１９へ駆動電圧が供給される。一方、駆動電圧の正極側は、他のルートで、外部電極２８（端子電極）を通じて電極層１８へ接続される。マイクロスイッチ１１では、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが屈曲変位を生じていないときが、スイッチとしてＯＦＦの状態であり（図２を参照）、このときには、作動部１２において接点４１，４２は離隔しており、信号線４８は切断されている。一方、信号電極〜共通電極間（電極層１８，１９間、即ち活性部の圧電層１４）へ駆動電圧がかかってマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが屈曲変位を生じたときが、スイッチとしてＯＮの状態である（図３を参照）。このときには、作動部１２において、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａに接合された接点部材４３と、脚部１５ｂに接合された接点部材４４とが、脚部１５ａ、１５ｂの屈曲変位によって、図３中において矢印Ｓ４で示される方向（Ｓ４方向）に移動して、接点４１，４２が接触し、信号線４８が接続される。このＯＮの状態から、駆動電圧の供給を停止すると、屈曲したマイクロスイッチ用アクチュエータ１０の脚部１５ａ、１５ｂが元へ戻り平行な脚部となり、接点部材４３と接点部材４４とが、脚部１５ａ、１５ｂが元に戻ることによって、図２中において矢印Ｓ３で示される方向（Ｓ３方向）に移動して、接点４１，４２が離隔し、信号線４８が切断される。
【００３３】
図６は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。図６に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０，４０と同様に、全体として門型形状、あるいは人間の下半身の形状を呈するものである。
【００３４】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、２本の脚部２５ａ，２５ｂと、その２本の脚部２５ａ，２５ｂの一方の端部の側（図６中において上側）で挟まれてそれらを支持する股部１７と、を備えるアクチュエータであり、２本の脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれは、その脚部２５ａ，２５ｂの幅方向（図６中において左右方向（横方向））に積層された、１０〜１００μｍの厚さの（例えば）３層の圧電層１４と、数〜十数μｍオーダーの厚さの正極の電極層１８及び負極の電極層１９と、を有している。又、２本の脚部２５ａ，２５ｂの長さ方向（図６中において上下方向（縦方向））における先端の側端面には、電極層１９に接続した（導通した）外部電極２９を有し、股部１７の側の端面には、電極層１８を接続した（導通した）外部電極２８を有している。外部電極２８，２９は、それぞれ電極層１８（信号電極）どうし及び電極層１９（共通電極）どうしを接続するものであり、外部の電源を用いて電極層１８，１９間へ電圧をかけるための、配線の役割を担う。外部電極２９は端子としての役割も果たす電極であり、一方、正極側には、外部電極２８とは別に、それに通じた端子電極５８が形成されている。
【００３５】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０は、２本の脚部２５ａ，２５ｂの圧電層１４と股部１７とがセラミック材料で形成され、焼成一体化されているものである。又、２本の脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれにおいて、積層された３層の圧電層１４のうち、門型のアクチュエータとして最も股部１７の側（図６中において脚部２５ａでは右側、脚部２５ｂでは左側）に位置する層の圧電層１４は、電極層１８と電極層１９とで挟まれておらず、駆動電圧を印加しても変位を生じない。即ち、不活性部を構成している。一方、それより外側（図６中において脚部２５ａでは中央及び左側の２層、脚部２５ｂでは中央及び右側の２層）のその他の圧電層１４は、電極層１８，１９で挟まれており、駆動電圧を印加すると変位を生じる。即ち、活性部を構成している。
【００３６】
マイクロスイッチ用アクチュエータ６０では、活性部における圧電層１４の分極方向Ｐは、信号電極（電極層１８）から共通電極（電極層１９）へ向けた方向になっている。そして、信号電極〜共通電極間（即ち活性部の圧電層１４）に対し、分極方向Ｐと同じ方向Ｅに電圧が印加されると、脚部２５ａ，２５ｂのそれぞれにおける２層の圧電層１４が、電界誘起歪みの横効果に基づき、脚部の長さ方向に収縮する変位を生じる。一方、不活性部を構成する圧電層では変位が生じない。そのため、２本の脚部２５ａ，２５ｂは、互いに反対方向（図６中において脚部２５ａは左方向、脚部２５ｂは右方向）に屈曲変位を生じ、開脚する。即ち、人間の下半身に例えれば、脚を開く方向に変形する。駆動電圧が印加されず圧電層１４に電界が形成されなくなると、活性部の圧電層１４は元に戻るように伸長し、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０としても脚部２５ａ，２５ｂが元へ戻り平行な脚部となる。
【００３７】
図９及び図１０は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。図９には、駆動電圧が印加されず、２本の脚部が屈曲変位を生じず平行な脚部の状態が示されており、図１０では、活性部の圧電層に対し、分極方向と同じ方向に電圧が印加され、２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚した状態が示されている。図９及び図１０に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ９０は、マイクロスイッチ用アクチュエータ４０と同様に、その外部電極３８，３９が、端面に露出したスルーホールとして形成されている。端面全体に形成されている外部電極２８，２９を有するマイクロスイッチ用アクチュエータ６０とは、この点において相違するが、その他の仕様は、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０と同じである（説明を省略する）。
【００３８】
図７及び図８は、本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図である。図７及び図８に示されるマイクロスイッチは、上記した図６に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ６０をアクチュエータ部として利用したものであり、機械的に電気信号の接続、切断を行い得る、ノーマルクローズのスイッチである。図７には、マイクロスイッチのＯＮ（接続）状態が示されており、図８では、マイクロスイッチのＯＦＦ（切断）状態が示されている。図７及び図８に示されるマイクロスイッチ６１は、上記したマイクロスイッチ用アクチュエータ６０と作動部６２とを具備し、その作動部６２は、信号線４８につながる接点４１が備わる接点部材４３と、同じく信号線４８につながる接点４２が備わる接点部材４４とを有している。そして、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａの先端が接点部材４３と接合され、脚部２５ｂの先端が接点部材４４と接合されている。
【００３９】
マイクロスイッチ６１では、接点部材４３，４４に駆動電圧の負極側の供給配線４９が備わっており、この供給配線４９から、接点部材４３，４４に接合されたマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ，２５ｂの先端の側の端面に備わる外部電極２９（端子電極）を通じて、電極層１９へ駆動電圧が供給される。一方、駆動電圧の正極側は、他のルートで、端子電極５８を介して外部電極２８を通じて電極層１８へ接続される。マイクロスイッチ６１では、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが屈曲変位を生じていないときが、スイッチとしてＯＮの状態であり（図７を参照）、このときには、作動部６２において接点４１，４２は接触しており、信号線４８は接続されている。一方、信号電極〜共通電極間（電極層１８，１９間、即ち活性部の圧電層１４）へ駆動電圧がかかってマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが屈曲変位を生じたときが、スイッチとしてＯＦＦの状態である（図８を参照）。このときには、作動部６２において、マイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａに接合された接点部材４３と、脚部２５ｂに接合された接点部材４４とが、脚部２５ａ、２５ｂの屈曲変位によって、図８中において矢印Ｓ６で示される方向（Ｓ６方向）に移動して、接点４１，４２が離隔し、信号線４８が切断される。このＯＦＦの状態から、駆動電圧の供給を停止すると、屈曲したマイクロスイッチ用アクチュエータ６０の脚部２５ａ、２５ｂが元へ戻り平行な脚部となり、接点部材４３と接点部材４４とが、脚部２５ａ、２５ｂが元に戻ることによって、図７中において矢印Ｓ５で示される方向（Ｓ５方向）に移動して、接点４１，４２が接触し、信号線４８が接続される。
【００４０】
次に、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータ及び本発明に係るマイクロスイッチを製造する方法と、併せて使用する材料について、説明する。本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータを製造するにあたっては、グリーンシート積層法を利用することが好ましい。図１３の（ａ）〜（ｅ）は、このグリーンシート積層法を利用し、作製対象を既に説明した図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０として、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの製造工程の一例を表した説明図である。
【００４１】
先ず、圧電／電歪材料を主成分とする６枚のセラミックグリーンシート１１６及び、２枚のセラミックグリーンシート１１７（以下、グリーンシート又はシートともいう）を用意する。シート１１６は、のちに脚部の圧電層を構成するものであり、シート１１６より長さが短いシート１１７は（図１３の（ａ）を参照）、のちに股部を構成するものである。シート１１６，１１７は、従来知られたセラミックグリーンシート製造方法により作製出来る。例えば、圧電／電歪材料の粉末を用意し、これに有機樹脂（バインダ）、溶剤、分散剤、可塑剤、造孔剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のテープ成形法によって成形し、適宜、それを切断して、シート１１６，１１７を作製することが可能である。尚、シート１１７は、圧電／電歪材料ではないセラミック材料を用いて作製したシートであってもよい。
【００４２】
圧電／電歪材料は、電界誘起歪みを起こすセラミック材料であれば、他に条件を問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体セラミック材料や強誘電体セラミック材料、あるいは反強誘電体セラミック材料を用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。
【００４３】
具体的には、好ましい材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ）、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。中でも、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料が、大きな電界誘起歪が利用出来ることから、好ましい。この場合、ニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有するものが特に好ましい。又、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマニウム酸鉛等を添加した材料は、その圧電層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現することが出来るので好ましく、特に、上記したジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料であって、そのニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有し、且つゲルマン酸鉛を０．３〜４質量％添加した材料が望ましい。
【００４４】
６枚のシート１１６及び２枚のシート１１７を作製したら、次に、４枚のシート１１６の表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜１１８を形成し、４枚のシート１２６を得る。同様にして、残りの２枚のシート１１６の表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜１１９を形成し、２枚のシート１２７を得る（図１３の（ｂ）を参照）。この導体膜１１８，１１９は、のちに電極層１８，１９（信号電極及び共通電極、図１を参照）になる膜である。
【００４５】
導体膜１１８，１１９の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料は、圧電層と同時に焼成されるか否かに依存して選定される。電極層の場合には、圧電層と同時に焼成されるため、圧電層の焼成温度においても変化しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要がある。一方、後述する、のちに外部電極又は端子電極となる導体膜の場合には、低温で焼成出来るので、アルミニウム、金、銀、銀−パラジウム合金等を使用することが可能である。加えて、用途によっては、非常に大きな変位を発生させなければならないケースもあり、又、弱い界面にクラックが発生しても、外部電極の断線が生じないように、形成した電極上に、別途、延展性に富む導電材料の箔、板等を載置し、併せて用いてもよい。
【００４６】
次に、のちに電極層１８になる導体膜１１８が形成された２枚のシート１２６によって、のちに電極層１９になる導体膜１１９が形成された１枚のシート１２７を挟んで積層し圧着して、のちに１つの脚部となるグリーン積層体１３１を得る（図１３の（ｃ）参照）。シート１２６は４枚、シート１２７は２枚作製したから、グリーン積層体１３１は２つ得られる。そして、一方の端面で揃えるようにして、２つのグリーン積層体１３１によって２枚のシート１１７を挟んで積層し圧着し、新たなグリーン積層体を得る（図１３の（ｄ）参照）。次いで、得られたグリーン積層体に対して、それを構成するグリーン積層体１３１の長さ方向における先端の側の端面（シート１１７の端面が揃っていない側の端面）に、のちに外部電極２９となる導体膜１２９を形成するとともに、グリーン積層体１３１の長さ方向におけるシート１１７の端面を揃えた側の端面に、のちに外部電極２８となる導体膜１２８を形成し、概ねマイクロスイッチ用アクチュエータの形態を呈するグリーン積層体１３０を得る（図１３の（ｅ）参照）。そして、そのグリーン積層体１３０を焼成し一体化する。
【００４７】
以上の工程によって、図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０が得られる。ここで、更に、マイクロスイッチ用アクチュエータ１０の耐湿性、絶縁性を増す目的で、樹脂コートを施すことも好ましい。樹脂コートに使用する樹脂材料としては、ポリフルオルエチレン系、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等が挙げられるが、燃料噴射装置等の高環境負荷下では、ポリフルオルエチレン系、ポリイミド系、更には、それらの複合系、例えばＰＴＦＥ（ポリフルオルエチレン系）とポリアミドイミドの複合系の材料を用いることが好ましい。
【００４８】
尚、上記した本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータを製造する方法では、理解容易に説明するため、１個を単独で作製する場合を示したが、実際には、グリーンシートに多数個分の導体膜を形成し（印刷し）、積層、焼成の後で、個割に加工する工程を経ることによって、容易に多数個取りが出来ることはいうまでもない。
【００４９】
図１に示されるマイクロスイッチ用アクチュエータ１０が得られたら、その脚部１５ａ，１５ｂの先端に別途用意した接点部材４３，４４を接合すれば、図２及び図３に示されるマイクロスイッチ１１が得られる。接点部材４３（４４）は、ガラス、若しくはポリフルオルエチレン系、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系の絶縁性材料からなる２枚のシートを用い、１枚のシートの上に導電材料を用いて信号線４８となる所定のパターン（配線パターン）の導体膜を形成し、別の１枚のシートの上に導電材料を用いて供給配線４９となる所定のパターン（配線パターン）の導体膜を形成するとともに、信号線４８となる導体膜を形成したシートの上に、供給配線４９となる導体膜を形成したシートを重ねて被覆し、更に、重ねた２枚のシートの端面に、導電材料を用い、信号線４８となる導体膜に接続させて、接点４１（４２）となる導体膜を形成することによって、得られる。信号線４８、供給配線４９、及び接点４１，４２を形成する導電材料は、接触抵抗が小さなものであることが望ましく、金、銀、銅、アルミ、又は白金等を、好適に採用することが出来る。
【００５０】
尚、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、機械的に光信号の接続、切断を行うマイクロスイッチのアクチュエータ部としても、好適に利用することが出来る。この場合のマイクロスイッチを構成する作動部は、例えば、光ファイバや光導波路の断面が露出した端面であることが望ましく、接続損失を小さくするための反射防止膜等をコーティングした面であることが、更に望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータは、機械的に電気信号や光信号の接続、切断を行うスイッチのアクチュエータ部として、好適に利用することが出来る。そして、本発明に係るマイクロスイッチは、当該スイッチとして、好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの一の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図であり、ＯＦＦ（切断）状態を示す図である。
【図３】本発明に係るマイクロスイッチの一の実施形態を示す側面図であり、ＯＮ（接続）状態を示す図である。
【図４】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が屈曲変位を生じていない状態を示す図である。
【図５】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じた状態を示す図である。
【図６】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図であり、ＯＮ（接続）状態を示す図である。
【図８】本発明に係るマイクロスイッチの他の実施形態を示す側面図であり、ＯＦＦ（切断）状態を示す図である。
【図９】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が屈曲変位を生じていない状態を示す図である。
【図１０】本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図であり、２本の脚部が互いに反対方向に屈曲変位を生じた状態を示す図である。
【図１１】積層型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。
【図１２】バイモルフ型圧電アクチュエータを用いたマイクロスイッチの一例を示す断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係るマイクロスイッチ用アクチュエータの製造工程の一例を表した説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，４０，６０，９０ マイクロスイッチ用アクチュエータ
１１，６１ マイクロスイッチ
１２，６２ 作動部
１４ 圧電層
１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ 脚部
１７ 股部
１８，１９ 電極層
２８，２９，３８，３９ 外部電極
４１，４２ 接点
４３，４４ 接点部材
４８ 信号線
４９ （駆動電圧の）供給配線
１１６，１１７ セラミックグリーンシート
１１８，１１９ （電極層となる）導体膜
１２６，１２７ （導体膜を形成した）セラミックグリーンシート
１２８，１２９ （外部電極となる）導体膜
１３０，１３１ グリーン積層体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の脚部と、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部と、を備え、前記２本の脚部のそれぞれが、その幅方向に積層された、複数の圧電層と、正極及び負極の電極層と、を有するとともに、前記２本の脚部の長さ方向における先端の側及び前記股部の側の両方の端面に、極性の同じ前記電極層を接続し得る外部電極を有し、
前記２本の脚部の圧電層及び前記股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されており、
前記２本の脚部のそれぞれにおいて、前記積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、前記正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、前記正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、
前記正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、前記活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、前記２本の脚部が屈曲変位を生じるマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項２】
前記２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚又は閉脚する請求項１に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電層の厚さが１０〜１００μｍである請求項１又は２に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３に何れか一項に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、
前記マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が前記一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が前記他の接点部材と接合され、
前記２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、前記一の接点部材に備わる一の接点が前記他の接点部材に備わる他の接点と、接触又は離隔をし、前記一の接点及び前記他の接点に通じた信号の接続又は切断をするマイクロスイッチ。
【請求項５】
前記一の接点部材及び他の接点部材に、前記駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段が備わり、前記一の接点部材又は他の接点部材に接合された前記脚部の先端の側の端面に備わる前記外部電極を通じて、前記駆動電圧の供給を受ける請求項４に記載のマイクロスイッチ。
【請求項１】
２本の脚部と、その２本の脚部の一方の端部の側で挟まれてそれらを支持する股部と、を備え、前記２本の脚部のそれぞれが、その幅方向に積層された、複数の圧電層と、正極及び負極の電極層と、を有するとともに、前記２本の脚部の長さ方向における先端の側及び前記股部の側の両方の端面に、極性の同じ前記電極層を接続し得る外部電極を有し、
前記２本の脚部の圧電層及び前記股部がセラミック材料で形成され、門型形状を呈する全体として焼成一体化されており、
前記２本の脚部のそれぞれにおいて、前記積層された複数の圧電層のうち最外層の一の圧電層が、前記正極及び負極の電極層で挟まれず不活性部を構成し、他の圧電層が、前記正極及び負極の電極層で挟まれて活性部を構成し、
前記正極及び負極の電極層間に駆動電圧を印加することにより、前記活性部を構成する圧電層が圧電横効果に基づく変位によって伸縮し、前記２本の脚部が屈曲変位を生じるマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項２】
前記２本の脚部が、互いに反対方向に屈曲変位を生じ、開脚又は閉脚する請求項１に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電層の厚さが１０〜１００μｍである請求項１又は２に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３に何れか一項に記載のマイクロスイッチ用アクチュエータと、一の接点が備わる一の接点部材及び他の接点が備わる他の接点部材を有する作動部と、を具備し、
前記マイクロスイッチ用アクチュエータの２本の脚部のうち、一の脚部の先端が前記一の接点部材と接合され、他の脚部の先端が前記他の接点部材と接合され、
前記２本の脚部が屈曲変位を生じることによって、前記一の接点部材に備わる一の接点が前記他の接点部材に備わる他の接点と、接触又は離隔をし、前記一の接点及び前記他の接点に通じた信号の接続又は切断をするマイクロスイッチ。
【請求項５】
前記一の接点部材及び他の接点部材に、前記駆動電圧の正極又は負極何れかの供給手段が備わり、前記一の接点部材又は他の接点部材に接合された前記脚部の先端の側の端面に備わる前記外部電極を通じて、前記駆動電圧の供給を受ける請求項４に記載のマイクロスイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２００７４２（Ｐ２００７−２００７４２Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８６３３（Ｐ２００６−１８６３３）
【出願日】平成１８年１月２７日（２００６．１．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２７日（２００６．１．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]