JP2000311572A

JP2000311572A - 静電リレー

Info

Publication number: JP2000311572A
Application number: JP11975499A
Authority: JP
Inventors: Koji Sano; 浩二佐野
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】小型であっても応答性に優れ、低い駆動電圧
で動作する上、接点間の転移やバウンスの発生を抑制可
能な静電リレーを提供する。【解決手段】固定基板１にキャップ部材３を設けるこ
とにより内部空間を封止する。そして、内部空間の内圧
を、大気圧よりも小さく、かつ、電子の平均自由行程が
接点間距離よりも短くなる値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電引力により可
動電極を駆動して接点を開閉する静電リレーに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電リレーとして、例えば、図５
に示すものがある（特開平４―５８４２８号公報等参
照）。この静電リレーは、ベース２００、固定電極ブロ
ック２０１、可動電極ブロック２０２及びケース２０３
からなる。ベース２００の上面には凹所２０４が形成さ
れている。固定電極ブロック２０１は、この凹所２０４
に配設され、固定電極部２０５と固定接点２０６とを有
する。可動電極ブロック２０２は、可動電極部２０７
と、その両側に配設され、先端下面に可動接点を備えた
可動接点部２０８とを有する。ケース２０３は、前記ベ
ース２００に一体化され、内部空間に前記固定電極ブロ
ック２０１及び可動電極ブロック２０２を封止する。内
部空間は、真空引き（例えば、１０^‐ ³Ｔｏｒｒ）又は
高圧の不活性ガスを封入されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記構成の
静電リレーは小型化するに従って接点間距離も小さくな
る。例えば、一辺２ｍｍ程度まで小型化した場合、接点
間距離は約１０μｍとなる。このため、真空引きする
と、次式で示される電子の平均自由工程λｅが無視でき
なくなる。

【０００４】

【数１】

【０００５】すなわち、（数１）からも明らかなよう
に、真空度（Vacuum）と電子の平均自由工程λｅとの間
には、図６に示す関係が成立する。このため、真空引き
により、電子の平均自由工程λｅが長くなって接点間距
離を超えると、接点間で電子の転移が発生しやすくな
り、絶縁性が阻害される。また、真空状態であれば、可
動電極部がバウンスしやすくなる。

【０００６】一方、高圧の不活性ガスを封入すると、そ
の粘性の影響が無視できなくなる。一般に、リレーの動
作速度は、図７に示すように、駆動電圧に対する信号電
圧の遅延時間（ｔ_on又はｔ_off）で表されるが、図８に
示すように、内圧（Pressure）を高圧にすればする程、
不活性ガスの粘性が大きく影響し、応答性が悪化する。

【０００７】この場合、動作速度を上昇させるために、
可動電極部２０７の剛性を高めることも考えられる。し
かし、剛性を高めた可動電極部２０７を固定電極部２０
５に吸引するためには、大きな駆動電圧が必要となり好
ましくない。また、可動電極部２０７自身も厚肉に形成
する必要が生じ、大型化が避けられない。

【０００８】そこで、本発明は、小型であっても応答性
に優れ、低い駆動電圧で動作する上、接点間の転移やバ
ウンスの発生を抑制可能な静電リレーを提供することを
課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、固定電極を有する固定基板
に、可動電極を有する可動基板を対向配設し、両電極間
に電圧を印加して静電引力を発生させることにより可動
基板を駆動し、該可動基板に設けた可動接点を、前記固
定基板に設けた固定接点に閉成するようにした静電リレ
ーにおいて、前記固定基板にキャップ部材を設けること
により封止した内部空間の内圧を、大気圧よりも小さ
く、かつ、電子の平均自由行程が接点間距離よりも短く
なる値としたものである。

【００１０】この構成により、内部空間は、大気圧より
も小さいが、電子の平均自由行程が接点間距離に及ばな
いような減圧状態に維持される。したがって、接点間で
の電子の転移が抑制され、所望の絶縁性が確保される。
また、可動電極の駆動に適度な抵抗が与えられ、バウン
スが発生することもなく、スムーズに動作する。

【００１１】具体的に、前記内部空間に不活性ガスを気
密封止すると共に、接点間距離が１０μｍ以下、内圧が
２７〜５００Ｔｏｒｒとすればよい。なお、不活性ガス
としては、電離電圧の高いＨｅ（ヘリウム）を使用する
のが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態を添
付図面に従つて説明する。

【００１３】図１及び図２は、本実施形態に係る静電リ
レーを示す。この静電リレーは，固定基板１、可動基板
２及びキャップ部材３から構成されるもので、一辺２ｍ
ｍの非常に小型の矩形状に形成されている。

【００１４】固定基板１は、図１（ｃ）に示すように、
ガラス基板４の上面に、スパッタリング、蒸着、メッ
キ、スクリーン印刷等により信号線５ａ，５ｂ、固定電
極６及びパッド７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを形成したもの
である。信号線５ａ，５ｂは所定間隔で並設され、その
一端部は固定接点８ａ，８ｂ、他端部はパッド７ａ，７
ｂとなっている。固定電極６は、前記両信号線５ａ，５
ｂを囲むように配設され、前記パッド７ｃに接続されて
いる。また、固定電極６の表面は絶縁膜９によって被覆
されている。なお、パッド７ｄは、後述する可動電極１
２に電気接続されている。また、各パッド７ａ，７ｂ，
７ｃ，７ｄには図示しない引出線が接続されている。

【００１５】可動基板２は、図１（ｂ）に示すように、
シリコン基板から形成され、アンカ１０、第一薄板梁部
１１及び可動電極１２を有する。アンカ１０は、前記固
定基板１の上面周囲部に立設される一部切欠枠形のもの
である。第一薄板梁部１１は、アンカ１０の上面内縁部
からアンカ１０に沿って４箇所から側方に延在する。可
動電極１２は、前記第一薄板梁部１１に弾性支持されて
いる。可動電極１２の中央には、スリット１３ａ，１３
ｂにより第二薄板梁部１４（図２（ａ））が形成され、
その下面中央には絶縁膜１５（図２（ｂ））を介して可
動接点１６が設けられている。可動接点１６は前記固定
接点８ａ，８ｂに接離可能に対向している。本実施形態
では、接点間距離を１０μｍに設定してある。

【００１６】キャップ部材３は、図１（ａ）に示すよう
に、その下面に矩形状の凹所１７を設け、前記固定基板
１に接合させることにより、可動基板２を収容する内部
空間を気密状態に封止する。

【００１７】次に、前記構成からなる静電マイクロリレ
ーの製造方法を説明する。

【００１８】まず、図３（ａ）に示すパイレックス等の
ガラス基板４に、図３（ｂ）に示すように固定電極６、
固定接点８ａ，８ｂを形成する。また同時に、信号線５
ａ，５ｂ、及び、接続パッド７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを
それぞれ形成する。そして、前記固定電極６に絶縁膜９
を形成することにより、図３（ｃ）に示す固定基板１を
完成する。

【００１９】なお、前記絶縁膜９として比誘電率３〜４
のシリコン酸化膜あるいは比誘電率７〜８のシリコン窒
化膜を用いれば、大きな静電引力が得られ、接触荷重を
増加させることができる。

【００２０】一方、図３（ｄ）に示すように、上面側か
らシリコン層１０１，酸化シリコン層１０２及びシリコ
ン層１０３からなるＳ０１ウエハ１００を準備する。そ
して、前記シリコンウェハ１００の下面に、接点間ギャ
ップを形成するため、例えば、シリコン酸化膜をマスク
とするＴＭＡＨによるウエットエッチングを行い、図３
（ｅ）に示すように、下方側に突出するアンカ１０を形
成する。そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁膜１５
を設けた後、可動接点１６を形成する。

【００２１】次いで、図３（ｇ）に示すように、前記固
定基板１に前記ＳＯＩウエハ↓００を陽極接合で接合一
体化する。そして、図３（ｈ）に示すように、ＳＯＩウ
エハ１００の上面をＴＭＡＨ，ＫＯＨ等のアルカリエツ
チング液で酸化膜である酸化シリコン層１０２までシン
ニングする。さらに、フツ素系エッチング液で前記酸化
シリコン層１０２を除去して、図３（ｉ）に示すように
シリコン層１０３すなわち可動電極１２を露出させる。
そして、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）等を用い
たドライエッチングで型抜きエッチングを行い、切欠部
及びスリット１３ａ，１３ｂ（図２参照）を形成して第
一，第二薄板梁部１１，１４（図２参照）を切り出し、
可動基板２を完成する。

【００２２】なお、固定基板１はガラス基板４に限ら
ず、少なくとも上面を絶縁膜９で被覆した単結晶シリコ
ン基板で形成してもよい。

【００２３】その後、固定基板１にキャップ部材３を陽
極接合して一体化することにより、可動基板２を封止す
る。なお、信号線５ａ，５ｂ等の導電部との間では陽極
接合できないため、ガラスフリット等の低融点ガラスを
介在させる。

【００２４】ところで、前記静電リレーは、非常に小型
であり、接点間距離が１０μｍに過ぎない。したがっ
て、内部空間を減圧しなければ、可動電極１２の動作が
気体の粘性により妨げられ、応答性が悪くなる。この場
合、内部空間を真空状態とすれば、接点間で電子の転移
が起こりやすくなり、又、可動電極１２のバウンスも発
生する。電子の転移は、前記（数１）で示される電子の
平均自由行程λｅが接点間距離を超える場合に発生す
る。また、可動電極１２のバウンスは、内圧が約０．７
５Ｔｏｒｒ（１ＨＰａ）以下で発生する。

【００２５】そこで、前記キャップ部材３の接合作業
は、不活性ガスの雰囲気中で、かつ、減圧状態で行う。
不活性ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを使用し、
その圧力を２７〜５００Ｔｏｒｒに維持する。Ｈｅを使
用したのは、電離電圧が高いため、電子の転移防止に有
効だからである。但し、アルゴン（Ａｒ）ガス等の他の
不活性ガスの使用も可能である。また、維持する圧力を
２７〜５００Ｔｏｒｒとしたのは、前記（数１）で示す
ように、電子の平均自由行程λｅが１０μｍの接点間距
離を超えないようにすると共に、可動電極１２のバウン
スの発生を防止するためである。

【００２６】なお、前記実施形態では、可動基板１全体
をシリコンウェハ単体で形成すると共に、左右点対称，
断面線対称となるように形成されているため、可動電極
１２に反りや握りが生じにくい。したがって、動作不
能，動作特性のバラツキを効果的に防止できると共に、
円滑な動作特性を確保可能となる。

【００２７】次に、前記構成からなる静電マイクロリレ
ーの動作を図４に示す模式図を参照して説明する。

【００２８】まず、固定電極６及び可動電極１２間に電
圧を印加していない場合、図２（ｂ）及び図４（ａ）に
示すように、固定電極６と可動電極１２とは平行状態を
維持し、可動接点１６が固定接点８ａ，８ｂから開離し
ている。この場合、接点間距離は１０μｍに過ぎない
が、不活性ガスの存在、及び、電子の平均自由行程が接
点間距離を越えないように設定した内圧により、接点間
で電子が転移することはない。したがって、接点開放時
に所望の絶縁性を確保して安定した状態に維持すること
が可能となる。

【００２９】次に、固定電極６及び可動電極１２間に電
圧が印加されると、図４（ｂ）に示すように、電極６，
１２間に生じた静電引力によって可動電極１２が固定電
極６に吸引される。このため、第一薄板梁部１１が撓
み、可動電極１２が固定電極６に接近する。この結果、
間隙が狭まるので、可動電極１２が固定電極６により一
層強い静電引力で吸引され、可動接点１６が固定接点８
ａ，８ｂに当接する。このとき、内圧は減圧されている
ので、可動電極１２がスムーズに動作する。

【００３０】可動接点１６が固定接点８ａ，８ｂに当接
した後、図４（ｃ）に示すように第一薄板梁部１１に加
えて第二薄板梁部１４が撓み、可動電極１２が固定電極
６に吸着される。可動接点１６は、その周囲の可動電極
１２が固定電極６に吸着されることにより、第二薄板梁
部１４を介して固定接点８ａ，８ｂに押し付けられる。
このため、片当たりが発生せず、良好な接触信頼性が得
られる。

【００３１】ところで、第一、第二薄板梁部１１，１４
が可動電極１２を上方に引張る力をＦｓ１，Ｆｓ２、絶
縁膜９を介した可動電極１２と固定電極６との間の静電
引力をＦｅ、絶縁膜９の表面からの抗力をＦｎとすると
次の関係がある。

【００３２】

【数２】Ｆｅ＝Ｆｓ１＋Ｆｓ２＋Ｆｎ

【００３３】そして、第一、第二薄板梁部１１，１４の
バネ係数、可動電極１２と固定電極６との初期ギャッ
プ、接点の厚み等を調整することによりＦｎ、Ｆｓ１を
小さくし、Ｆｓ２、すなわち接触荷重の（理想モデルか
らの）低下を抑えることが可能である。

【００３４】したがって、前述の電圧の印加を停止する
と、第二薄板梁部１４及び第一薄板梁部１１の弾性力に
より、可動電極１２が固定電極６から離れる。次いで、
第一薄板梁部１１の弾性力だけで可動接点１６が固定接
点８ａ，８ｂから開離し、可動電極１２が元の状態に復
帰する。

【００３５】

【実施例】実際に、各部の寸法、内圧を次のように設定
した静電リレーについて試作を行った。

【００３６】この構成の静電リレーの特性は、１０Ｖ−
１０ｍＡ（２４Ｖ，１００Ｈｚ駆動）で、接点の開閉回
数は１０６回を超えるものとなった。また、このときの
遅延時間は、０．５ｍｓｅｃ以下であった。なお、内圧
を大気圧とした場合の遅延時間は２〜３ｍｓｅｃであっ
た。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る静電リレーによれば、内部空間の内圧を、大気圧
よりも小さく、かつ、電子の平均自由行程が接点間距離
よりも短くなる値としたので、接点間での電子の転移が
なく、可動電極がスムーズに動作し、応答性のより良好
な状態を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る静電リレーの分解斜視図であ
る。

【図２】図１に示す静電リレーのキャップを除いた状態
を示す平面図（ａ）及びその断面図（ｂ）である。

【図３】図１に示す静電リレーの加工プロセスを示す断
面図である。

【図４】図１の静電マイクロリレーの動作を示す模式図
である。

【図５】従来例に係る静電リレーの分解斜視図である。

【図６】真空度と電子の平均自由工程との関係を示すグ
ラフ図である。

【図７】駆動電圧と信号電圧の遅延時間を示すグラフ図
である。

【図８】真空度と遅延時間の関係を示すグラフ図であ
る。

【符号の説明】

１…固定基板２…可動基板３…キャップ部材５ａ，５ｂ…信号線６…固定電極８ａ，８ｂ…固定接点１１…第一薄板梁部１２…可動電極１４…第二薄板梁部１６…可動接点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極を有する固定基板に、可動電極
を有する可動基板を対向配設し、両電極間に電圧を印加
して静電引力を発生させることにより可動基板を駆動
し、該可動基板に設けた可動接点を、前記固定基板に設
けた固定接点に閉成するようにした静電リレーにおい
て、前記固定基板にキャップ部材を設けることにより封止し
た内部空間の内圧を大気庄よりも小さく、かつ、電子の
平均自由行程が接点間距離よりも短くなる値としたこと
を特徴とする静電リレー。
【請求項２】前記内部空間に不活性ガスを気密封止す
ると共に、接点間距離が１０μｍ以下、内圧が２７〜５
００Ｔｏｒｒとしたことを特徴とする請求項１に記載の
静電リレー。