JP2892525B2

JP2892525B2 - 静電リレー

Info

Publication number: JP2892525B2
Application number: JP3151920A
Authority: JP
Inventors: 淳阪井; 浩一相澤; 啓治柿手; 広海西村; 文宏笠野; 崇善粟井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JPH052974A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、静電力（クーロン
力）を利用して接点の接離を行う静電リレーに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８および図９は、それぞれ、従来の静
電リレーをあらわす。これら従来の静電リレーには、駆
動電圧印加時の静電力が十分でないという問題がある。
図８の静電リレー１５０は、固定側駆動電極を兼ねる固
定側基体１５１，１５１と可動側駆動電極でもある可動
板１５２とを備え、可動板１５２が固定側基体１５１に
対面した状態で接点が接離する変位が可能なように片端
で支持（片持支持）されている。そして、固定側基体１
５１の表面には固定接点１５３が設けられ、可動板１５
２には固定接点１５３に対面する位置に可動接点１５４
が設けられていて、固定側基体１５１と可動板１５２の
間への駆動電圧印加により生ずる静電力で可動接点１５
４と固定接点１５３が接離するようになっている。

【０００３】この静電リレー１５０では可動板１５２に
エレクトレットを用い静電力を確保しようとしているの
であるが、片持支持式可動板１５２に適切な変位を生起
させるだけの必要かつ十分な静電力がなかなか得られ
ず、実用性は今ひとつである。図９の静電リレー１６０
は、固定接点１７１および固定側駆動電極１７２を有す
る固定側絶縁基体１６１と、可動接点１７３および可動
側駆動電極機能を有する可動板１６２とを備え、この可
動板１６２が固定側絶縁基体１６１に対し対面した状態
でシーソー運動可能に枠部１６３に支持され、可動接点
１７３は固定接点１７１と対面するとともに、シーソー
運動の支点１６５の両側において固定側駆動電極１７２
と可動側駆動電極である可動板１６２とが対面してお
り、両駆動電極への電圧印加により可動板１６２のシー
ソー運動が生起し接点１７１，１７３の接離がなされる
ようになっている。

【０００４】しかしながら、適切な変位を生起させるだ
けの必要かつ十分な静電力がなかなか確保できない。駆
動電圧を上げれば静電力が強まるが、接点間の距離が余
り大きくとれないため駆動電圧を上げるには限度がある
し使い難もなり、実用性が失われる。接点間の距離を縮
めても静電力が強まるが、接点間の耐圧が低下するた
め、やはり実用性が失われる。

【０００５】また、リレーの場合、いわゆるシングルモ
ード（詳しくは後述）やダブルモード（詳しくは後述）
などの形態が取れると利用性が高まる。しかし、図８の
静電リレーではシングルモードが取り難く、図９の静電
リレーはシングルモードもダブルモードも取り難い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記事情
に鑑み、駆動電圧印加時の静電力が十分強くて多種のモ
ードが取り易い実用性の高い静電リレーを提供すること
を課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明にかかる静電リレーは、可動側駆動電極を
有する可動板と、前記可動板の両側に配置され固定側駆
動電極を有する固定側基体とを備え、前記可動板が前記
両側の固定側基体に対面した状態で接近離反方向の変位
が可能なように片端で支持され、少なくとも片側の固定
側基体に配置された固定接点が可動板の少なくとも片面
に配置された可動接点と対面するとともに固定側駆動電
極が可動側駆動電極と対面しており、かつ、前記可動板
の両側で対面する前記固定側駆動電極の表面には異なる
極性のエレクトレットがそれぞれ対向配置されていて、
前記駆動電極への電圧印加により前記可動板の変位が生
起するという構成をとっている。

【０００８】以下、この発明を具体的に説明する。固定
側駆動電極は、可動板の両側にそれぞれ配置されてお
り、この場合、各エレクトレットは各固定側駆動電極の
上にそれぞれ設けられている。可動側においては、可動
板が導電性材料で出来ていれば、可動板に可動側駆動電
極を兼ねさせることができるが、この場合は、可動板の
表面に絶縁膜を設けて、この絶縁膜の上に可動接点を形
成するようにする。勿論、可動側駆動電極は可動接点と
同様に絶縁膜の上に別に形成するようにしてもよい。こ
の場合は可動板は絶縁材料で出来ていてもよい。

【０００９】固定側においては、固定側基体の表面には
絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に固定側駆動電極と固定
接点を形成するか、あるいは、固定側基体が導電性材料
で出来ていれば、基体の一部または全部を使って固定側
基体自体に固定側駆動電極を形成するとともに固定側基
体の表面には絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に固定接点
を形成するようにしてもよい。

【００１０】静電リレーの場合は、駆動電圧の印加によ
り駆動電極間に電荷が蓄積されるが、可動板を別の状態
に素早く移行させるには前記印加電圧を除いた時に電荷
を直ちに放電させる必要があり、この場合には放電回路
が必要になる。また、通常の電子回路では制御用の信号
電圧は数Ｖ〜十数Ｖであるのに対し、静電リレーの駆動
電圧は数十Ｖ程度であるため、数Ｖ〜十数Ｖの信号電圧
を使おうとすると数十Ｖ程度に昇圧する昇圧回路がリレ
ーの前段に必要となる。

【００１１】そのため、例えば、固定側基体に駆動用回
路部を設けておくことは非常に有用である。駆動用回路
部は放電回路と昇圧回路の両方を全て備えている必要は
なく、いずれか一方の回路の全部または一部を備えるだ
けであってもよい。また、駆動用回路部は固定側に限ら
ず可動側、あるいは、可動側と固定側の両方にまたがっ
て設けられていてもよい。

【００１２】また、静電リレーの場合、様々なモードが
ある。例えば、可動板の両側前方に固定接点があって、
駆動電圧を印加しない状態では両側の両接点とも接触し
ておらず駆動電圧印加時だけいずれかの固定接点に可動
接点が接触するという形態の他、請求項６のように、駆
動電圧非印加（安定状態）時は可動板が一方の側のエレ
クトレットに引きつけられていて、駆動電圧印加中だけ
可動板が他方のエレクトレットに引きつけられている形
態（単安定のシングルモード）や、さらには、定常状態
では一方の側の可動接点と固定接点が接触したラッチ状
態にあり、駆動電極への電圧印加により他方の側の可動
接点と固定接点が接触したラッチ状態に切り替わる形態
（双安定のダブルモード）などがある。

【００１３】この発明において用いられる異なる極性の
エレクトレットとしては、互いに逆方向に永久的に分極
しているもの、あるいは、互いに逆極性の電荷を実質的
に永久に有しているもの等が挙げられる。固定側基体や
可動板用基体には、シリコン単結晶基板等の半導体基板
を用いることができる。

【００１４】可動側については、シリコン単結晶基板の
表裏両面に所定のパターンのマスクを設け、異方性エッ
チングを施すことにより、可動側電極を兼ねた可動板を
有する可動側基体を作ることができる。固定側について
は、シリコン単結晶基板の表面に絶縁膜を形成し、その
上に固定接点や固定側駆動電極（さらにはエレクトレッ
ト）を設けたりするが、シリコン単結晶基板であれば駆
動用回路部を構成するトランジスタ、ダイオード等の半
導体素子や抵抗、コンデンサ等のインピーダス素子が容
易に作り込めるし、高濃度ドーピング層（普通は基板と
逆導電型の不純物高濃度領域）を形成し、これを固定側
駆動電極として利用することもできる。

【００１５】また、可動側基体や固定側基体の複数個分
の面積をもつシリコン単結晶ウエハ（半導体ウエハ）を
利用して、同時に複数個分の加工を行い、分断して複数
個の可動側基体や固定側基体を同時に得るようにするこ
ともできる。さらには、複数個分の可動側基体を形成し
たシリコン単結晶ウエハの上下に、複数個分の固定側基
体を形成したシリコン単結晶ウエハを接合してから、個
別に分断するようにすれば非常に効率よく製造できるこ
ととなる。

【００１６】上記のシリコン単結晶ウエハの加工には通
常の半導体装置製造で使われている微細加工技術やフォ
トリソグラフィ技術が応用できるため、非常に小型のも
のが大量かつ容易に作れるため、安価なものが量産でき
ることになる。

【００１７】

【作用】この発明の静電リレーは、可動側駆動電極の両
側にエレクトレットが配されているため、駆動電圧印加
時、必要かつ十分な静電力を確保することができる。極
性の異なるエレクトレットが協同して可動板を移動させ
る静電力を生じるからである。つまり、極性の異なるエ
レクトレットの一方が反発力を与え、他方が吸引力を与
え、同じ方向に可動板を変位させるように働くのであ
る。

【００１８】エレクトレットの場合、小さくて十分に強
力なものがあるため、駆動電圧を高くしたり、あるい
は、接点間のギャップを小さくせずとも、極性の異なる
ものを使うだけで強力な静電力を発生させられるため
に、現実的であって非常に実用性が高くなる。また、こ
の発明の静電リレーは可動板が片端で支持（片持支持）
された構造であり、図９の従来例の如き可動板が中央支
持でシーソ運動する構造に比べて、構成が簡潔で小型化
が図り易いとい利点もある。

【００１９】続いて、様々なモードが容易にとれる点に
ついて説明する。図６は、可動側駆動電極の両側に配さ
れた固定側駆動電極の上の極性の異なるエレクトレット
の一方（＋エレクトレット）は可動側駆動電極に面して
いる表面がプラス、他方（−エレクトレット）は可動側
駆動電極に面している表面がマイナスに永久分極してい
て両者のみかけ上の電荷量が同じであるとして、両駆動
電極間の距離（トラベル）と静電力（可動側駆動電極に
かかるトルク）およびバネ負荷の関係をあらわしたもの
である。但し、静電力とバネ負荷によるトルクは逆向き
に作用するが、図６では便宜上同じ向きで図示してあ
る。

【００２０】両駆動電極の電位が等しければ、両駆動電
極が互いに平行の場合、両エレクトレットによる静電力
は０であって可動板は移動せず中立位置を保持してい
る。もし、可動側駆動電極が＋エレクトレットの側（上
側）に傾けば、＋エレクトレットの静電力が−エレクト
レットの静電力に勝つので可動電極には＋エレクトレッ
ト側に傾こうとするトルクが働く。逆に、可動電極が−
エレクトレットの側（下側）に傾けば、−エレクトレッ
トの静電力が＋エレクトレットの静電力に勝つので可動
電極には−エレクトレットの側に傾こうとするトルクが
働く。

【００２１】可動側駆動電極にプラス電圧がかかれば、
＋エレクトレットと可動側駆動電極の間には反発力が、
−エレクトレットと可動側駆動電極の間には吸引力が生
じ、可動板を−エレクトレットの側に傾ける反発力と吸
引力を合わせた強いトルクが可動板にかかることにな
る。可動側駆動電極にマイナス電圧がかかれば、−エレ
クトレットと可動側駆動電極の間には反発力が、＋エレ
クトレットと可動側駆動電極の間には吸引力が生じ、可
動板を＋エレクトレットの側に傾ける反発力と吸引力を
合わせた強いトルクが可動板にかかることになる。

【００２２】一方、可動板を支えているバネ力は平行状
態の中立位置では０、いずれかの側が傾いている場合
は、中立位置へ戻ろうとするトルクが働く。即ち、静電
力とバネ力は互いに逆向きにかかることになる。図６か
らすると、両駆動電極の電位が等しい状態で可動板がい
ずれかのエレクトレットの側に傾いている時、静電力の
方がバネ力より大きくなるように設定しておけば、可動
板はその位置を保持し中立位置へは戻らないことにな
る。例えば、最初、＋エレクトレットの（上）側に傾い
た状態から可動側駆動電極にプラス電圧を印加すると＋
エレクトレットの側から−エレクトレットの（下）側へ
傾く変位が起こり、プラス電圧を除去しても、この状態
が維持される。可動側駆動電極にマイナス電圧を印加す
ると逆の動作をする。つまり、ダブルモードが可能とな
るのである。

【００２３】図７は、異なる極性のエレクトレットにお
いて帯電量の絶対値が異なる（＋エレクトレットが大）
場合の両駆動電極間の距離（トラベル）と静電力（可動
側駆動電極にかかるトルク）およびバネ負荷の関係をあ
らわしたものである。但し、静電力とバネ負荷によるト
ルクは逆向きに作用するが、図７でも便宜上同じ向きで
図示してある。

【００２４】両駆動電極の電位が等しければ、＋エレク
トレットによる静電力が大きくなるため、可動側駆動電
極が＋エレクトレット側に傾むいた状態で安定してい
る。＋エレクトレットの側（上側）に傾いた状態で可動
側駆動電極にプラス電圧を印加すると＋エレクトレット
の側から−エレクトレットの側（下側）へ傾く変位が起
こる。そして、印加電圧を除くと、図７に示すようにバ
ネの復元力が大きいため、中立位置を経て再び＋エレク
トレット側に傾むいた状態に戻る。つまり、シングルモ
ードが可能となるのである。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の静電リレーの実施例を説明
する。この発明は、下記の実施例に限らない。図１は実
施例の静電リレーの要部構成をあらわす。図２は、実施
例の静電リレーの下固定側基体をあらわし、図３は、実
施例の静電リレーの可動側基体をあらわす。

【００２６】静電リレー１は、下固定側基体２ａおよび
上固定側基体２ｂと可動側基体３を備える。上下の固定
側基体２ａ，２ｂで可動側基体３を挟むように組付けら
れている。各基体は、いずれもシリコン単結晶基板を用
いている。固定側基体と可動側基体が同一材料である場
合には熱膨張係数が同一であるため、バイメタルのよう
なことはなく温度変化に対し安定である。固定側基体２
と可動側基体３は、金ないし金合金の金属層２５、２６
で接合され機械的・電気的に結合されている。金属層２
５、２６が合わさるように重ね適当な圧力をかけながら
加熱すると金なしい金合金が共晶化して接合されるので
ある。

【００２７】下固定側基体２ａは固定接点２１および固
定側駆動電極１１を有している。固定接点２１と固定側
駆動電極１１は固定側基体２ａの表面の絶縁膜１０の上
に形成されている。上固定側基体２ｂは固定側駆動電極
１１を有するだけで固定接点は有していない。固定側駆
動電極１１も上固定側基体２ｂの表面の絶縁膜１０の上
に形成されている。

【００２８】一方、可動側基体３は可動側駆動電極を兼
ねる可動板１３と支持部（枠部）１２とを有し、可動板
１３は片端で上下に変位可能となるように支持部１２に
支持されている。可動側基体３は、シリコン単結晶基板
に対し周辺部より異方性エッチング等を施し、溝１６を
形成したり、可動板１３の固定側基体２に臨む領域を接
点ギャップを確保するために窪ませたりすることで作ら
れている。

【００２９】この可動板１３の下側端部には可動接点２
２が絶縁膜１４を介して固定接点２１と対面する位置に
形成されている。つまり、この静電リレー１では固定接
点２１と可動接点２２が１組あるだけである。勿論、可
動板１３の上側端部に可動接点が、上固定側基体２ｂに
は固定接点が設けられていて、固定接点と可動接点が２
組あるようであってもよい。

【００３０】可動板１３自体が兼ねている可動側駆動電
極と固定側駆動電極１１も丁度対面するように設けられ
ていて、下の固定側駆動電極１１上には−エレクトレッ
ト８が設けられ、上の固定側駆動電極１１上には左側に
＋エレクトレット９が設けられている。必要な外部との
電気的接続は、可動側基体３が固定側基体２ｂの一部が
部分的に切り欠かれていて、例えば固定側駆動電極用の
端子１１ａや可動側駆動電極用の端子２９とつながるの
端子２８が端にはみ出しているので、ここにワイヤボン
ディグするなどして実現するようにする。上に重ねる基
体の周辺の寸法を小さくして端子を露出させる方法もあ
るが、各基体を先に切り出してから１個づつ接合するこ
とになる。これに対し、実施例の場合、固定側基体が多
数個形成されたウエハと可動側基体が多数個形成された
ウエハを接合分断する形態が取れるため、製造効率が良
い。

【００３１】なお、図４は、下固定側基体２ａに可動側
基体３を接合した状態を可動側基体３側からみた状態を
あらわし、図５は、さらに、上固定側基体２ｂを可動側
基体３に接合した状態を上固定側基体２ｂ側からみた状
態をあらわす。また、下固定側基体や上固定側基体がシ
リコン単結晶基板であるから、放電回路と昇圧回路の両
方、あるいは、いずれか一方の回路の全部または一部を
固定側基体に形成することも容易である。例えば、昇圧
回路を内蔵していれば、低い信号電圧で駆動させられ
る。

【００３２】また、駆動用回路部を作り込む場合、不純
物ドーピング工程があるので、ついでに固定側駆動極用
のドーピング領域３６を基体用のシリコン単結晶基板の
表面部分に作り込んでおけば、固定側駆動電極を後で形
成する手間が省ける。

【００３３】

【発明の効果】以上に述べたように、この発明の静電リ
レーは、極性の異なるエレクトレットが配されていて、
駆動電圧印加時、両エレクトレットによる静電力が合わ
さって可動板を移動させるとともに、エレクトレットの
場合は小さくて十分に強力なものがあって、駆動電圧を
高くしたり、あるいは、接点間のギャップを小さくせず
とも、必要かつ十分な静電力を確保することが容易にで
き、さらに、様々なモードを容易にとることができる
し、可動板が中央支持でシーソ運動する構造に比べて、
構成が簡潔で小型化が図り易くもあるから、現実的であ
って非常に実用性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の静電リレーの要部構成をあらわす断面
図である。

【図２】実施例の静電リレーの下固定側基体を接点形成
面をあらわす平面図である。

【図３】実施例の静電リレーの可動側基体を接点形成面
をあらわす平面図である。

【図４】実施例の静電リレーの下固定側基体に可動側基
体を接合した状態を可動側基体側からみた状態をあらわ
す平面図である。

【図５】実施例の静電リレーの下固定側基体、可動側基
体および上固定側基体を接合した状態を上固定側基体側
からみた状態をあらわす平面図である。

【図６】可動・固定の両駆動電極間の距離と静電力およ
びバネ負荷の関係をあらわすグラフである。

【図７】シングルモード構成における可動・固定の両駆
動電極間の距離と静電力およびバネ負荷の関係をあらわ
すグラフである。

【図８】従来の静電リレーの要部構成をあらわす一部破
断斜視図である。

【図９】従来の他の静電リレーの要部構成をあらわす分
解斜視図である。

【符号の説明】

１静電リレー２ａ下固定側基体２ｂ上固定側基体３可動側基体８エレクトレット９エレクトレット１１固定側駆動電極１３可動板２１固定接点２２可動接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村広海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)発明者粟井崇善大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (56)参考文献特開平２−100244（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−85451（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−165839（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−165838（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−155743（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01H 59/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可動側駆動電極を有する可動板と、前記
可動板の両側に配置され固定側駆動電極を有する固定側
基体とを備え、前記可動板が前記両側の固定側基体に対
面した状態で接近離反方向の変位が可能なように片端で
支持され、少なくとも片側の固定側基体に配置された固
定接点が可動板の少なくとも片面に配置された可動接点
と対面するとともに固定側駆動電極が可動側駆動電極と
対面しており、かつ、前記可動板の両側で対面する前記
固定側駆動電極の表面には異なる極性のエレクトレット
がそれぞれ対向配置されていて、前記駆動電極への電圧
印加により前記可動板の変位が生起するようになってい
る静電リレー。
【請求項２】可動板自体が可動側駆動電極を兼ねてお
り、可動板の表面には絶縁膜が設けられていて、この絶
縁膜の上に可動接点が形成されている請求項１に記載の
静電リレー。
【請求項３】固定側基体の表面には絶縁膜が設けられ
ていて、この絶縁膜の上に固定側駆動電極と固定接点が
形成されている請求項１または２に記載の静電リレー。
【請求項４】駆動電圧非印加時は可動板が一方の側の
エレクトレットに引きつけられていて、駆動電圧印加中
だけ前記可動板が他方のエレクトレットに引きつけられ
る請求項１から３までのいずれかに記載の静電リレー。