JP2745570B2

JP2745570B2 - 静電式リレー

Info

Publication number: JP2745570B2
Application number: JP63252780A
Authority: JP
Inventors: 正利大場; 正夫平野; 晶藤本; 佳敬砂川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: JPH02100224A

Description

【発明の詳細な説明】＜発明の分野＞この発明は静電力を駆動源とする静電式リレーに関す
るものである。

＜従来技術と課題＞従来、この種リレーとして、第17図に示すようにシリ
コン単結晶ウエハ（Si）からなる基体101上に酸化ケイ
素（SiO₂）の絶縁薄膜をマスク102として形成し、この
マスク102を介して上記基体101の主面に蒸着もしくはス
パツタリング手段等により導電性薄膜103を形成すると
ともに、この導電性薄膜103から駆動用電極層104と、可
動接片105の設置用の下地電極層106と、固定接点層107
とをそれぞれ形成して、上記駆動用電極層104に対向し
て上記基体101の主面にエツチングで凹部108を形成する
ことにより上記マスク102の一部を片持梁からなる可動
片109として、設定したものがある（たとえば、特開昭5
5−109341号公報および特開昭58−201218号公報参
照）。

すなわち、これは駆動用電極層104と上記基体101との
間に直流電圧Ｖを印加することにより、上記両者104,10
1間に静電吸引力が作用して可動片109が下方へ変位し、
可動接片105が固定接点層107に接触するようになつてお
り、上記シリコン基体101を半導体薄膜形成手段により
微細加工することができ、小形化に適している。

しかし、上記のものは、可動片109が１μｍ程度の酸
化ケイ素の薄膜で構成されているので、機械的強度が弱
く、たとえばエツチングの際に発生する気泡が激しかつ
たり、液槽への出し入れが乱雑に行われた場合、さらに
は使用時の振動等により折損するおそれがある。また、
上記エツチング処理後の洗浄が不十分であると、液の表
面張力が可動片109が凹部108の底面に吸着してしまうこ
ともある。

とくに、上記可動片109が極めて薄肉のため、駆動用
電極層104の形成時に、両者の線膨張率差により反りが
生じ、これのばらつきがあると、駆動力（接圧）が大き
く変化する要因となる。

また、駆動力に関係ある凹部108の深さ寸法を一定の
小さな値に保つためには、エツチングを途中で止める必
要があり、このため、シリコン基体101にP⁺を高濃度に
ドーピングさせる等の煩雑な技術も必要となり、作りに
くい。

従来、これを改善する静電式リレーとして、可動片ブ
ロックを電気絶縁性基板とは別体の半導体基板から形成
するとともに、枠部に可動片をヒンジで片持状に支持
し、上記枠部に突設した線状のばね部材で上記可動片の
先端部を保持して上記可動片ブロックを構成した電気的
スイッチ装置が知られている（特開昭57−197728号公報
参照）。

上記構成によれば、可動片ブロックを電気絶縁性基板
とは別体の半導体基板から形成するために、上記可動片
ブロックの微細加工が可能で、小形かつ実装密度の高い
静電式リレーを提供することができる。

しかしながら、上記可動片は付根部に形成された幅方
向へ延びるＶ字状溝からなる薄肉部を介して可動可能に
ヒンジ支持されているから、上記可動片のヒンジ部にお
ける機械的強度が弱く、その復帰ばね力を得るために、
線状のばね部材を上記枠部に突設しなければならず、構
造が複雑で、製造組立作業がきわめて困難である。

すなわち、上記構成において、可動片のヒンジ部およ
びばね部材をエッチング処理により形成する作業は、エ
ッチング処理肯定が複雑で、部品の製造歩留まりが悪
く、処理作業に長時間を要して非能率である。

また、可動片の静止位置が上記可動片の先端部をばね
部材で保持するとともに、蓋体などのストッパ部材によ
り規制して決定される構成であるために、上記可動片が
ストッパ部材に当接する際に発生する衝撃力で機械的強
度の弱いヒンジ部やばね部材が破損しやすく、短寿命で
ある。

さらに、上記可動片はばね部材とともに枠部から突出
してストッパ部材に当接する構成であるため、上記枠部
に可動片およびばね部材を一体形成した可動片ブロック
を製造する際に、部品のストック工程や組立工程におい
て上記可動片ブロックを破損させないように整然と貯溜
および搬送させるための取り扱いがきわめて困難かつ面
倒であるなどの課題がある。

＜発明の目的＞この発明は上記課題を解決するためになされたもの
で、構造を簡単にして製造組立作業が容易かつ生産性に
優れ、機械的強度の強い長寿命な静電式リレーを提供す
ることを目的としている。

＜発明の構成と効果＞この発明による静電式リレーは、駆動用固定電極層お
よび固定接点層が主面に形成された電気絶縁性基板と、
この基板の主面に対向配設された可動片ブロックとを具
備し、この可動片ブロックは、半導体基板から形成され
た枠部と、この枠部内に形成された可動片と、上記枠体
および可動片と一体に形成されかつ上記可動片の固定端
側の両側方に突出した１対の枢支部からなるヒンジ部
と、上記可動片に絶縁薄膜を介して形成された可動接点
層とを備え、上記ヒンジ部は上記可動片を上記枢支部の
軸線まわりに回動変位可能に上記枠体にヒンジ支持させ
るとともに、上記可動片の回動変位にもとづく上記枢支
部のねじれ反力で復帰ばねを兼備するように構成したこ
とを特徴とする。

この発明の基本構成によれば、枠部内に形成された可
動片が固定端側の両側方に突出した１対の枢支部からな
るヒンジ部で支持され、上記可動片の付根部にＶ字状溝
のような薄肉部を形成することなく、上記可動片を回動
可能にヒンジ支持することができるから、上記可動片の
ヒンジ部における機械的強度を高め、長寿命な静電式リ
レーを提供することができる。

また、上記ヒンジ部は可動片の回動変位にもとづく枢
支部のねじれ反力で復帰ばね力を得るための復帰ばねを
兼備するために、線状のばね部材を枠部に突設すること
を必要とせず、構造を簡単にして製造組立作業が容易か
つ生産性に優れている。

＜実施例の説明＞以下、この発明の実施例を図面にしたがつて説明す
る。

第１図はこの発明に係る静電式リレーの一例を示す分
解斜視図、第２図は第１図のII−II線断面図である。

同図において、１は電気絶縁性の基板、たとえば長方
形のガラス基板であり、その主面には、前後方向（長手
方向）の中央部に位置して前後１対の駆動用電極層2,3
が並設されている。4,5は上記前側の駆動用電極層２の
前方に位置して上記基板１の主面に形成された前部側の
１対の固定接点層、6,7は上記後側の駆動用電極層３の
後方に位置して上記基板１の主面に形成された後部側の
１対の固定接点層である。上記電極層2,3や固定接点層
４〜７は蒸着等の周知手段で形成される。

８は半導体単結晶基材、たとえば長方形の板形シリコ
ン単結晶のウエハから形成された可動片ブロックであ
り、スペーサ手段としてのガラスロツド9,9と接着剤10
との混合物を介して上記基板１の主面側に押圧して固定
されている。ガラスロツド9,9の代りにアルミナ（Al
₂O₃）の粒子などを用いてもよい。

上記可動片ブロック８には、ロ字形枠部8Aで取り囲ま
れた長方形の可動片11が形成されており、この可動片11
は前後方向中央と上記枠部8Aとの間に連成されたヒンジ
部、つまり枢支部12を中心にして前片部11Aと後片部11B
とが揺動可能に設定されている。この可動片11は、上記
可動片ブロック８の上面にマスクとして、たとえば酸化
ケイ素の絶縁薄膜13（第１図では図示を省略）を所定の
パターンに形成した後、上記可動片ブロック８をエツチ
ング処理することにより、所望形状に形成される。上記
可動片11における両片部11A,11Bはそれぞれ上記電極層
2,3とで駆動用の対向電極を構成している。

14,15は上記可動片11における前片部11Aおよび後片部
11Bの各先端側下面に酸化ケイ素の絶縁薄膜16（第１図
では図示を省略）を介して固定された可動接点層であ
り、可動接点層14は前部側固定接点層4,5間の開閉用と
して、また可動接点層15は後部側固定接点層6,7の開閉
用として設定されている。

上記可動片11や可動接点層14,15を形成した後に上記
可動片ブロック８が上記基体１の主面側に前記ガラスロ
ツド９を介して接合されるが、その場合、両者1,8の位
置合せの精度を期するために上記基体１の裏面に、第３
図に示す位置決めマーク17を設けておくのがよい。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

可動片11と前側の駆動電極層２との間に直流電圧を印
加すると、可動片11の前片部11Aと上記電極層２との間
に静電吸引力が生起し、前片部11Aは枢支部12を支点と
して電極層２側へ撓んで変位するため、可動接点層14が
固定接点層4,5に接触し、両固定接点層4,5間が閉成され
る。上記直流電圧の印加を断つと、可動片11Aは枢支部1
2のねじれ復帰力で元状に復帰し、両固定接点層4,5間が
開放される。

可動片11と後側の駆動電極層３との間に直流電圧を印
加することにより、可動片11の後片部11Bも上記と同様
の動作を行なう。

上記構成によれば、枠部8A内に形成された可動片11が
固定端側の両側方に突出した１対の枢支部12からなるヒ
ンジ部で支持され、上記可動片11の付根部に従来のＶ字
状溝のような薄肉部を形成することなく、上記可動片11
を回動可能にヒンジ支持することができるから、上記可
動片11のヒンジ部における機械的強度を高めて長寿命で
ある。

また、上記ヒンジ部は可動片11の回動変位にもとづく
枢支部12のねじれ反力で復帰ばね力を得るための復帰ば
ねを兼備するために、従来の線状のばね部材を枠部に突
設することを必要とせず、構造を簡単にして製造組立作
業が容易かつ生産性に優れている。

ところで、上記可動片11は可動片ブロック８をエツチ
ング処理で微細加工して得られたものであるが、さらに
精密な微細加工を行うために、異方性エツチングが採用
される。

上記可動片11を異方性エツチングで形成する場合、つ
ぎのことに留意すればよい。

すなわち、可動片ブロック８の上面が（110）面の場
合で、オリエンテーシヨン・フアゼツト（以下、OFと称
する）が（001）面であるとき、可動片11を矩形状に製
作すると、第4a図に示すようにOFに対して平行な辺11a
は精密な直線が得られるものの、OFに対して垂直な辺11
bはギザ状となる。OFに対して斜めに型取りすると、複
雑な形状となる。したがつて、上記（100）面を用いる
と、精緻な形状の可動片11は得られにくい。

これに対し、可動片ブロック８の上面が（100）面の
場合、OFに対して斜めに型取りすると、第4b図の破線で
示す形状となり、マスクパターンと一致しなくなるが、
OFと平行および垂直な辺11a,11bに精密な直線が得ら
れ、マスクパターンに高精度に合致する。したがって、
上記の面方位を考慮すれば、寸法精度が高く、３次元的
にも形状の再現性の高い可動片11を容易に得ることがで
き、このことは、マスク上にばりが形成されたり、シリ
コンが残渣として残つたりすることに起因する動作不良
のおそれも確実に解消される。

上記（100）面の他、（010），（001），（00），
（００），（00）の各面が等価であり、前記の長所
は、面群｛100｝の共通性質であるといえる。また、OF
についても、可動片11を、面群｛011｝に平行に形成さ
れたOFに対して相対的に垂直もしくは平行に配設するの
が好適といえる。なお、面群｛011｝は（011），（１
０），（01），（０）の各面を包含している。

ところで、上記可動片11は可及的薄肉に形成すれば、
変位しやすく、動作性が向上する。これは、第5a図およ
び第5b図で示す前記可動片ブロック８の上下両面から２
段にエツチングすることにより、容易に実現することが
できる。第5a図に示すものは、矢印a,bの両方向から異
方性エツチングで形成したものであり、第5b図に示すも
のは、矢印ａ方向から等方性エツチングで形成し、矢印
ｂ方向からは異方性エツチングで形成したものであり、
枠部8Aに対して極めて薄肉の可動片11が形成される。

通常は、矢印ａ方向から厚さ制御用の深さd1だけのエ
ツチングを行つた後に矢印ｂ方向から深さd2のエツチン
グを行う。片方のエツチング時に、他方の面は、ステン
レス板等をワツクス等を介して貼着して一方からの影響
を防止しておく。上記エツチングを矢印ｂ方向から先に
行うと、凹部8B（第5a図，第5b図）が負圧になり、可動
片11が変形したり、破壊されるおそれがあるので留意す
る必要がある。

第６図および第７図は、第5a図および第5b図に示す２
段のエツチング法による可動片11を適用した静電式リレ
ーを示すものである。

この場合、可動片11が枠部8Aよりも薄肉に形成される
ことにより、該可動片11の変位がしやすくなるうえ、可
動片11が枠部8Aで保護される利点もある。

また、上記可動片11の変位をしやすくするため、たと
えば第８図に示すように枢支部12に等方性エツチングに
よる薄肉部18を形成してもよく、さらに、第９図に示す
ように枢支部12に沿つて可動片11に切り込み部19を形成
すれば、可動片11の変位のストローク量を大きく設定す
ることができ、十分な接圧が得られやすくなる。さらに
また、可動片11が第10図のように片持ち支持されている
場合は、同図のように該可動片11の基端部に凹所20等を
形成すれば、該可動片11の変位がしやすくなる。

ところで、上記可動片11の動作時に、その先端側の左
右両角部等が基体１側に当り、これの繰り返しにより、
その部分が破損したりするおそれがあれば、第11図のよ
うに面取り部21を形成しておけばよい。

また、上記角部に対応してマスクである酸化ケイ素の
絶縁薄膜16にばり等が形成されると、それに積層される
可動接点層14（15）の角部が剥離して短絡事故を招くお
それがある。この点については、マスクとして、熱酸化
で得た酸化ケイ素の薄膜を用いれば、エツチング直後に
ばりが発生せず、都合がよい。勿論、上記可動接点層14
（15）における上記両角部に対応する部分22を第11図の
ように予め切欠いた形状に設定することにより、上記剥
離のおそれもなくなり、短絡事故の発生を防止すること
ができる。

第12図は可動片11を形成する際、上下両面から交互に
異方性エツチングを行つて、先端側に酸化ケイ素の絶縁
薄膜13,16のパターンにしたがつて先端側上下面に面取
り部23を形成したものであり、前記可動片11の破損防止
策として有効である。

第13図および第14図はこの発明の他の実施例を示し、
可動片11における前片および後片部11A,11Bの各側部
に、該前片および後片部11A,11Aの各先端より先方へ突
出する可動接点固着用の腕片24A,24Aおよび24B,24Bを連
成したものである。このものは、上記腕片24A,24Bによ
り、可動接点層14,15がそれぞれ前片および後片部11A,1
1Bよりも確実に先に固定接点層4,5に接触するため、短
絡のおそれがないうえ、腕片24A,24Bのスパーンによ
り、十分な接圧が得られやすくなる。

また、上記の例では、基板１上に、周辺部1aとは段差
のある凹入部1bを形成し、この凹入部1bの底面を基板１
の主面としてあるので、上記周辺部1aがスペーサ手段と
して構成され、したがつてスペーサ部材を省略でき、部
品点数を減らすことができる。なお、上記腕片24A,24B
の形状は任意に変更可能である。

また、この発明の別の例として、たとえば第15a図に
示すように、可動片11の枢支部12の部位を基板１に接着
した後、切断線ｌに沿つて枢支部12を切断して枠部8Aを
除去し、第15b図のように可動片11のみを基板１に残す
ようにしてもよい。

上記のような可動片11の製造手段は、基板１を共通と
して多数の可動片11のブロツクを設けておくことによ
り、多数個取りに応用できる。

また、第16図に示すように１枚のシリコン単結晶ウエ
ハ80に多数個の可動片11のパターンをマトリクス状に形
成し、これを基板１に接合して各パターン毎に切り離す
ように構成して多数個取りできるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る静電式リレーの一例を示す分解
斜視図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は基
板とシリコン単結晶ウエハとの位置合せ手段の説明図、
第4a図，第4b図および第4c図はシリコン単結晶の面方向
の説明図、第5a図および第5b図はそれぞれ異なる２段エ
ツチングで薄肉に形成された可動片を示す断面図、第６
図は第5a図および第5b図による可動片を適用した静電式
リレーを示す分解斜視図、第７図は第６図のVII−VII線
断面図、第８図，第９図および第10図はそれぞれ可動片
の変位を助けるための方策例を示す斜視図、第11図およ
び第12図は可動片の折損防止や短絡防止のための加工例
の説明図、第13図はこの発明の他の例を示す分解斜視
図、第14図は第13図のもののXIV−XIV線断面図、第15a
図および第15b図は可動片の枠部を取り除いて可動片の
みを基板に残存さす構成の説明図、第16図はシリコン単
結晶ウエハに多数の可動片を形成して多数個取りする場
合の説明図、第17図は従来の静電式リレーの構成を示す
断面図である。１……基板、1a,9……スペーサ手段、1b……凹入部、2,
3……固定側電極層、4,5,6,7……固定接点層、８……可
動片ブロック、80……半導体単結晶基材、8A……枠部、
11……可動片、12……枢支部（ヒンジ部）、13,16……
絶縁薄膜、14,15……可動接点層、18……薄肉部、19…
…切り込み部、20……凹部、21,23……面取り部、22…
…切欠部、24A,24B……腕片。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者砂川佳敬京都府京都市右京区花園土堂町10番地立石電機株式会社内 (56)参考文献特開昭57−197728（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動用固定電極層および固定接点層が主面
に形成された電気絶縁性基板と、この基板の主面に対向
配設された可動片ブロックとを具備し、この可動片ブロ
ックは、半導体基板から形成された枠部と、この枠部内
に形成された可動片と、上記枠体および可動片と一体に
形成されかつ上記可動片の固定端側の両側方に突出した
１対の枢支部からなるヒンジ部と、上記可動片に絶縁薄
膜を介して形成された可動接点層とを備え、上記ヒンジ
部は上記可動片を上記枢支部の軸線まわりに回動変位可
能に上記枠部にヒンジ支持させるとともに、上記可動片
の回動変位にもとづく上記枢支部のねじれ反力で復帰ば
ねを兼備するように構成したことを特徴とする静電式リ
レー。
【請求項２】上記半導体基板は面群〔100〕の表面をも
つシリコン単結晶ウエハからなり、上記可動片は上記ウ
エハの上下両面に形成されたマスクパターンにもとづく
異方性エッチングで形成され、上記可動片を面群〔01
1〕に平行に形成されたオリエンテーション・ファゼッ
トに対して相対的に垂直もしくは平行に配設したことを
特徴とする請求項１に記載の静電式リレー。
【請求項３】上記シリコン単結晶ウエハの上面に可動片
の形状規定用のマスクパターンを形成し、下面に可動片
の厚さ規定用のマスクパターンを形成して、上記上下面
に対する交互のエッチングにより上記ウエハに対して薄
肉の可動片を形成したことを特徴とする請求項２に記載
の静電式リレー。
【請求項４】上記可動片のヒンジ部に薄肉部もしくは凹
部を形成したことを特徴とする請求項２または３に記載
の静電式リレー。
【請求項５】上記可動片の先端側の両角部に対応して可
動接点層に切欠部を形成したことを特徴とする請求項１
ないし４のいずれかに記載の静電式リレー。
【請求項６】上記可動片の先端部に上下両方向からの面
取り部を形成したことを特徴とする請求項１ないし５の
いずれかに記載の静電式リレー。
【請求項７】上記可動接点層を形成した腕片を上記可動
片の側面に一体形成したことを特徴とする請求項１ない
し４のいずれかに記載の静電式リレー。
【請求項８】上記電気絶縁性基板に凹入部を形成し、こ
の凹入部の底面を主面とし、上記周辺部をスペーサ手段
としたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに
記載の静電式リレー。
【請求項９】上記可動片は、上記枠部から切り離されか
つヒンジ部を介して上記電気絶縁性基板にヒンジ支持さ
れていることを特徴とする請求項２に記載の静電式リレ
ー。
【請求項１０】多数の可動片はシリコン単結晶ウエハか
ら分割されて構成したことを特徴とする請求項９に記載
の静電式リレー。