JP2713801B2 - 静電リレーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は静電リレーおよびその製造方法に関し、詳
しくは、接点の開閉動作を行わせる駆動機構として、電
圧を印加したときに発生する静電力を利用する静電リレ
ーと、このような静電リレーを製造する方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

静電リレーは、従来のリレーのような電磁力を発生さ
せるための電磁コイルが不要であり、リレー全体の構造
を極めて小型化できるという特徴を有しており、素子サ
イズとして10mm□以下の小型リレーも製造可能になると
して、研究開発が進められている。

第７図〜第９図に、従来の静電リレーの構造を示して
いる。なお、第７図において、電極部分にはクロスハッ
チングを施して、他の部分との区別を行い易くしてい
る。静電リレーは、可動電極ブロックＡおよび固定電極
ブロックＢと、この両ブロックA,Bを間隔をあけて対向
させた状態で一体接合しているスペーサＣとから構成さ
れている。可動電極ブロックＡはシリコン基板からな
り、このシリコン基板を選択エッチング等の微細加工手
段で加工して、必要な構造部分を形成している。

可動電極ブロックＡは、外周を構成する枠部10の中央
に、細いＴ字状の連結部12を経て枠部10につながって薄
い板状の可動板20を備えている。連結部12が弾力変形す
ることによって、可動板20の他端側が固定電極ブロック
Ｂ側に向かって旋回移動する。可動板20の固定電極ブロ
ックＢと対向する面には、可動板20の長手辺に沿って突
出する突出片22から可動板20の外周辺に沿ってコ字形の
接点電極30が形成されている。枠部10の上面には、可動
板20に駆動電圧を印加するための駆動電極14が設けられ
ている。

固定電極ブロックＢは、平板状のガラス材料からな
り、その表面のうち、前記可動側接点電極30のコ字形の
両端と対向する位置には接点電極40,40が形成され、前
記可動板20と対向する位置には固定側の駆動電極50が形
成されている。

上記のような静電リレーの動作を説明すると、可動電
極ブロックＡの駆動電極14と固定電極ブロックＢの駆動
電極50の間に電力を印加すると、両者の間に静電引力が
発生し、可動板20が固定側駆動電極50に引きつけられ
る。その結果、可動板20の接点電極30の両端が固定側接
点電極40,40に接触して接点回路が閉成されることにな
る。すなわち、駆動電極14,50間に印加する電圧を入力
として、接点電極40,40につながる出力回路の開閉を制
御できるようになっている。

上記のような構造および動作から判るように、静電リ
レーは、写真製版技術や微細加工技術等の半導体素子の
製造技術を利用して製造することができるので、極めて
小型のものが製造できるとともに大量生産にも適したも
のとなり、作動時における発熱も小さい等の利点を有し
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記した従来構造の静電リレーでは、接点
圧が充分に確保できず、接点の開閉動作が不安定である
という問題があった。

これは、前記したように小型化に適した構造を備えた
静電リレーであるが、静電リレーでは可動側接点電極30
の駆動力を静電力により生じさせているので、従来の電
磁コイル等による電磁力に比べてもともと接点圧が小さ
くなるとともに、静電リレー全体が小型化するにつれ
て、前記接点電極30,40も小さくなるため、両電極30,40
の接触時における接点圧が余計に小さくなる結果、充分
な出力が得られなくなってしまうのである。

また、第９図に示すように、駆動電極14、50間の印加
電圧により発生する静電力で、可動板20の一部に設けら
れた突出片22が固定電極ブロックＢ側に移動して、可動
側接点電極30と固定側接点電極40が接触するのである
が、突出片22は傾斜状態で固定電極ブロックＢの表面に
当接するため、突出片22のシリコンからなる先端部分が
可動側接点電極30よりも先に固定側接点電極40に接触し
てしまって、可動側接点電極30と固定側接点電極40とが
充分に接触できなくなる。可動板20は、シリコンからな
る本体部分の表面に、二酸化シリコン等からなる絶縁層
16を介して可動側接点電極30を形成しており、接点電極
30と入力電圧が加わる可動板20の本体部分との絶縁を確
実にしているのであるが、突出片22の先端角部が固定側
接点電極40に接触すると、可動板20の本体部分が構成す
るシリコンが固定側接点電極40に接触したり、極めて近
接したりすることによって絶縁を保てなくなる可能性も
ある。可動板20と固定側駆動電極50の間には静電力を発
生させるための印加電圧として、かなり高い電圧（例え
ば100V）が加わるので、可動板20のシリコン部分と固定
側接点電極40とが近づき過ぎると、絶縁が保てなるなる
のである。

そこで、この発明の課題は、上記のような静電リレー
において、可動側接点電極と固定側接点電極が確実に接
触できて、小型化しても充分な接点圧が得られ、可動板
と固定側接点電極との絶縁も充分に確保できる静電リレ
ーを提供することにある。また、上記のような静電リレ
ーを製造する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる静電リレー
は、可動電極ブロックと固定電極ブロックが間隔をあけ
て対向設置されており、可動電極ブロックには、一端が
移動可能に支持された可動板と可動板の固定電極ブロッ
ク側表面に設けられた接点電極と可動板に電圧を印加す
るための駆動電極とを備え、固定電極ブロックには、前
記可動板と対向する位置に設けられた駆動電極と、前記
可動側の接点電極と対向する位置に設けられた接点電極
とを備えてなる静電リレーにおいて、対向する接点電極
の一方に凸部を設けている。

可動電極ブロックおよび固定電極ブロックの材料や形
状その他の構造は、基本的には既知の静電リレー等と同
様のものでよい。可動電極ブロックおよび固定電極ブロ
ックは、シリコン基板等の半導体基板からなるものが。
従来の半導体素子製造技術を利用して製造加工を行え好
都合である。可動電極ブロックは、可動板等の構造を加
工し易いようにシリコン基板を用いるのが好ましいが、
固定電極ブロックは、凸部を設けない場合には、ガラス
板等の絶縁材料を用いれば、シリコン基板のように表面
に絶縁層を形成する必要がない。

可動板の形状や支持構造としては、例えば、矩形状の
可動板の一端に細い梁状の連結部を介して可動電極ブロ
ックの本体部分と一体形成しておくのが、選択エッチン
グ等による微細加工で作製することができ好ましいが、
可動板の一端が固定電極ブロック側に向かって移動可能
になるように、可動板の一部が可動電極ブロックの本体
部分に支持されていれば、可動板および連結部の具体的
な構造は自由に変更できる。

可動側および固定側の接点電極は、可動電極ブロック
および固定電極ブロックの対向面にそれぞれ形成され
る。両接点電極のうち、一方の接点電極は従来の静電リ
レーの場合と同様に平坦に形成しておくが、他方の接点
電極には凸部を設けておく。凸部の形状は、直方体状、
円柱状その他の任意の立体形状で実施できる。凸部の寸
法は、両接点電極の寸法を増大させない程度で、凸部の
出来るだけ広い範囲が相手側の接点電極と接触でき、ま
た、可動板の本体部分と固定側接点電極との絶縁距離を
充分に取れるように設定する。凸部は、可動側接点電極
および固定側接点電極の何れの側に形成しておいてもよ
い。

静電リレーの製造方法は、半導体素子その他の電子素
子の製造技術において利用されている、薄膜形成技術や
写真製版技術あるいは選択エッチング等の微細加工技術
を組み合わせればよいが、凸部の形成方法として、つぎ
のような方法が採用できる。

まず、凸部を設ける接点電極側の電極ブロックをシリ
コン基板で形成しておく。このシリコン基板の表面に、
エッチングレジストをパターン形成した後、シリコンの
みをエッチングできるエッチング液で処理して、凸部を
形成する個所以外のシリコン基板表面を掘り込んで、凸
部のみを残すようにする等、いわゆる選択エッチングに
より凸部を形成する。シリコン基板の表面に形成された
凸部の上に、二酸化シリコン等からなる絶縁層を形成し
た後、通常の電極形成手段で接点電極を形成するのであ
る。

〔作用〕

可動側接点電極または固定側接点電極の一方に凸部を
設けておくと、この凸部と他方の接点電極の平坦面とが
確実に接触することになる。すなわち、可動板の移動に
伴って、両方の接点電極が傾斜状態で接近したときに、
可動板のうち接点電極が形成されていない先端部分が相
手側の接点電極に接触するよりも先に、凸部が相手側の
平坦な接点電極に接触することになるので、接点電極同
士が確実に接触できることになる。凸部が相手側の平坦
な接点電極に接触した状態では、両方の接点電極の表面
同士はまだ充分な距離を保っているので、可動板の半導
体部分等が相手側の接点電極に接触して絶縁が維持でき
なくなるようなことが防げ、静電リレーにおける入力側
と出力側の絶縁隔離を良好にすることができる。

凸部の形成方法として、シリコン基板からなる電極ブ
ロックに選択エッチングで凸部を形成した後、絶縁層や
接点電極を形成すれば、既知の半導体素子製造技術を利
用して、容易かつ正確に凸部を形成することができる。

〔実 施 例〕

ついで、この発明の実施例を図面を参照しながら以下
に詳しく説明する。なお、前記した従来例と共通する部
分には同じ符号を付けている。

第１図および第２図は静電リレーの全体構造を表して
おり、可動電極ブロックＡと固定電極ブロックＢが間に
スペーサＣを挟んで一体接合されており、基本的な構造
は従来の静電リレーと同様である。なお、第１図におい
て、電極部分にはクロスハッチングを施して、他の部分
と区別し易くしている。

可動電極ブロックＡの材料には、（100）シリコン基
板１を用いる。このシリコン基板１の両面に、熱酸化法
あるいはCDV法、スパッタ法等の手段を用いて、5000Å
程度の膜厚を有する二酸化シリコンからなる絶縁層16を
形成した後、フォトリソ工程およびエッチング工程等か
らなる微細加工技術を用いて、所定の形状部分が作製さ
れている。

可動電極ブロックＡには、矩形状の外周を構成する分
厚い枠部10と、枠部10の内側に配置された薄い矩形状の
可動板20とを備えている。可動板20は、シリコン基板１
を可動電極ブロックＡの上面側から掘り込んで、薄い板
状に形成しており、可動板20の下面側には前記絶縁層16
が形成されたままになっている。矩形状をなす可動板20
の一方の短辺が、Ｔ字状をなす連結部12を介して枠部10
につながっている。可動板20の両長辺に沿って、連結部
12と反対側に突出する細片状の突出片22が設けられてい
る。

上記のような可動板20の作製方法を説明すると、シリ
コン基板１の上面側の絶縁層16のうち、枠部10の内側部
分を、フォトリソ工程およびエッチング工程で除去して
シリコン基板１を露出させた後、選択性のあるエッチン
グ液、すなわち二酸化シリコンからなる絶縁層16はエッ
チングされず、シリコン基板１のみが良好にエッチング
されるようなエッチング液として、例えばKOH水溶液を
用いて、シリコン基板１が60μｍ程度の厚みになるまで
エッチングして掘り込む。ついで、シリコン基板１の反
対面側から、フォトリソ工程およびエッチング工程を行
って、突出片22や連結部12等からなる可動板20形成個所
のみに絶縁層16が残るようにシリコン基板１の表面を露
出させた後、前記同様の選択エッチングにより、シリコ
ン基板１を貫通するまで掘り込む。このとき、シリコン
基板１は、パターン形成された絶縁層16側とその反対面
側の両方からエッチングされるので、前記工程で60μｍ
に形成されたシリコン基板１を片側30μｍづつ掘り込む
ようにすれば、可動板20および連結部12以外の部分は貫
通して、約30μｍ程度の厚みを有する可動板20および連
結部12が残ることになる。

可動電極ブロックＡの外周で枠部10の短辺中央には駆
動電極14が設けられている。駆動電極14の形成個所で
は、絶縁層16の一部を除去してあり、駆動電極14に加え
られた電極が直接シリコン基板１に印加されるようにな
っている。駆動電極14の作製は、シリコン基板１の表面
全体に、スパッタ法や蒸着法でクロム膜および金膜を順
次形成した後、フォトリソ工程につづくウエットエッチ
ングあるいはドライエッチング工程によりパターン形成
している。

可動板20の下面側には、第４図に詳しく示すように、
突出片22の表面から可動板20の長辺および連結部12側の
短辺につづくコ字形の接点電極30が形成されている。接
点電極30の形成方法は、前記駆動電極14と同様に行わ
れ、クロム膜の上に金膜が形成されている。接点電極30
は絶縁層16の表面に形成されてあって、シリコン基板１
とは絶縁されている。

固定電極ブロックＢは、（100）シリコン基板４から
なり、このシリコン基板４の表面に対し、第５図に詳し
く示すように、所定の個所に凸部46を形成した後、その
上に、前記同様の手段で、二酸化シリコンからなる5000
Å程度の絶縁層42を形成している。凸部46は、可動電極
ブロックＡの突出片22裏面に設けられた接点電極30の先
端よりも少し内側の部分が接触する位置に設けられる。
凸部46の作製方法を説明すると、シリコン基板４の表面
のうち、凸部46の形成個所を除いて、全面に二酸化シリ
コン膜からなるエッチングマスクを形成した後、前記同
様の選択エッチングで、シリコン基板４を深さ５〜10μ
ｍ程度掘り込むと、凸部46部分のみが突出して残ること
になる。この選択エッチングによる凸部46の形成方法で
は、凸部46を正確な形状で、かつ、角部を鋭角に加工す
ることができ、後述する接点電極の凸部と平坦な接点電
極との接触を良好にすることができる。

エッチングマスクとして用いた二酸化シリコン膜を除
去した後、再び二酸化シリコン膜を形成すれば、シリコ
ン基板４および凸部46の表面が絶縁層42で覆われる。

固定電極ブロックＢの表面に形成された絶縁層42の上
には、第３図に詳しく示すように、一対の接点電極40,4
0と駆動電極50が、前記可動電極ブロックＡの接点電極3
0と同様の構造および作製手段で形成されている。接点
電極40,40は、シリコン基板４の凸部46形成個所から固
定電極ブロックＢの端辺につづく略Ｌ字形に形成されて
おり、接点電極40,40の上面に前記凸部46に対応する凸
部60が形成される。駆動電極50は、可動板20に対向する
位置で可動板20の外形よりも少し小さな矩形部分とこの
矩形部分の一端から固定電極ブロックＢの端辺につづく
細幅の延長部分とで構成されている。駆動電極50のう
ち、細幅の延長部分の端部を除く全面を、CVD法やスパ
ッタ法等で形成された二酸化シリコン膜からなる膜厚50
00Å程度の絶縁層52で覆っている（第１図では、絶縁層
52をハッチングを表している）。この絶縁層52は駆動電
極50と可動板20等との絶縁を図るために有効である。

このような構造を備えた可動電極ブロックＡと固定電
極ブロックＢが、厚さ10μｍ程度のスペーサＣを介して
接合されている。スペーサＣは、絶縁基板材料で構成さ
れており、接着等の手段で可動電極ブロックＡと固定電
極ブロックＢを接合一体化させる。スペーサＣの厚みに
よって、両電極ブロックA,Bの間隔が設定される。

可動電極ブロックＡと固定電極ブロックＢおよびスペ
ーサＣを組み立てた状態では、第１図に示すように、可
動電極ブロックＡの可動板20と固定電極ブロックＢの駆
動電極50とが、間隔をあけて対向しており、可動板20に
つながる可動側駆動電極14と固定側駆動電極50の間に電
圧を印加することによって、可動板20と固定側駆動電極
50の間に静電引力が作用し、連結部12を支点にして可動
板20の他端側が下方に旋回移動する。

可動板20の一端が下方に旋回移動すると、第６図に示
すように、可動板20の突出片22下面に設けられた接点電
極30が固定側接点電極40の凸部60に接触する。このと
き、平坦な可動側接点電極30が固定側接点電極40に設け
られた凸部60に当接することによって、可動側接点電極
30と固定側接点電極40との接触が確実に行われる。可動
側接点電極30と凸部60が当接した状態では、可動板20の
絶縁層16およびシリコン基板１と固定側接点電極40の表
面との間には充分な間隔があいており、互いに接触する
ことはない。一対の固定側接点電極40,40が可動側接点
電極30で電気的に接続されると、固定側接点電極40,40
間が閉成されることになる。可動側駆動電極14と固定側
駆動電極50間の印加電圧を無くせば、可動板20は元の状
態に戻り、固定側接点電極40,40は開成されることにな
る。

このようにして、駆動電極14,50間の印加電圧を入力
として、固定側接点電極40,40間の出力を開閉制御する
ことができ、いわゆるリレー動作を果たすことになる。

上記実施例では、固定側接点電極40に凸部60を設けて
いたが、可動側接点電極30側に凸部60を設けておいて
も、同様の機能を果たすことができる。凸部60を形成す
る側の電極ブロックは、凸部60の加工を容易にするた
め、シリコン基板4,1等の微細加工技術が適用できる基
板材料を用いるのが好ましい。可動側接点電極30に凸部
60を形成して、固定側接点電極40には凸部60を形成しな
い場合には、固定電極ブロックＢの材料にガラス板等を
用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる静電リレーによれ
ば、互いに接離して接点の開閉動作を行う接点電極のう
ち、何れか一方に凸部を形成しているので、接点電極に
設けられた凸部と他方の平坦な接点電極とが当接して、
接点電極同士の接触を確実に果たし、充分な接点圧を得
ることができる。また、可動板の接点電極以外の部分と
固定側接点電極とが接近し過ぎたり接触したりすること
がないので、入力電圧が印加される可動板の本体部分と
出力回路部分との絶縁が確実に保てる。以上の結果、リ
レー動作が確実かつ安定して行われる信頼性の高い静電
リレーを提供することが可能になる。

上記のような静電リレーを製造する方法として、前記
凸部を形成する側のブロックにシリコン基板を用い、選
択エッチングにより凸部を形成すれば、微細な凸部形状
を迅速かつ正確に形成することが可能になり、前記した
ような凸部による作用効果を良好に発揮できるようにな
ると同時に、静電リレーの小型化、製造の能率向上を図
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例にかかる静電リレーの平面
図、第２図は断面図、第３図は固定電極ブロックの平面
図、第４図は可動電極ブロックの底面図、第５図は接点
電極部分の開成時における拡大断面図、第６図は接点電
極部分の閉成時における拡大断面図、第７図は従来例の
平面図、第８図は断面図、第９図は接点電極部分の拡大
断面図である。 Ａ……可動電極ブロック、Ｂ……固定電極ブロック、Ｃ
……スペーサ、20……可動板、12……連結部、14……可
動側駆動電極、22……突出片、30……可動側接点電極、
40……固定側接点電極、50……固定側駆動電極、60……
凸部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠野 文宏 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電 工株式会社内 (72)発明者 入江 達彦 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電 工株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−197728（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−201218（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−100224（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−165838（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可動電極ブロックと固定電極ブロックが間
   隔をあけて対向設置されており、可動電極ブロックに
   は、一端が移動可能に支持された可動板と可動板の固定
   電極ブロック側表面に設けられた接点電極と可動板に電
   圧を印加するための駆動電極とを備え、固定電極ブロッ
   クには、前記可動板と対向する位置に設けられた駆動電
   極と、前記可動側の接点電極と対向する位置に設けられ
   た接点電極とを備えてなる静電リレーにおいて、対向す
   る接点電極の一方に凸部を設けていることを特徴とする
   静電リレー。
2. 【請求項２】請求項１記載の静電リレーを製造する方法
   であって、凸部を設ける接点電極側の電極ブロックがシ
   リコン基板からなり、シリコン基板の表面に選択エッチ
   ングにより凸部を形成した後、凸部の上に絶縁層を介し
   て接点電極を形成することを特徴とする静電リレーの製
   造方法。