JP2713801C - - 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につながった薄い板状の可動板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の間に電圧を印加すると、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
の本体部分を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、絶縁が保てなくなるのである。 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配置されており、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の凸部を設けている。 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成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ＣＶＤ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１
０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２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に加えられた電圧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ェットエッチ
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の表面に対して、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5000Å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５〜１０μｍ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４０，４０と駆動電極５０が、前記可動電極ブロッ
クＡの接点電極３０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４
０，４０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
5000Å程度の絶縁層５２で覆っている(第１図では、絶縁層５２をハッチングで
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１
０μｍ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４
０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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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配置されており
   、可動電極ブロックには、一端が移動可動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、該凸部を設
   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、該シリコン基板に絶縁
   層を介して前記接点電極が設けられていることを特徴とする静電リレー。 ２ 請求項１記載の静電リレーを製造する方法であって、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。