JP3139413B2 - 静電マイクロリレー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属接点の機械的
開閉を行う微小なメカニカルリレーに関し、特に電極間
の静電引力によって駆動される静電マイクロリレーに関
する。

【０００２】

【従来の技術】静電引力は電極間距離の二乗に反比例す
るため、メカニカルリレーでは、その構造が微小になる
ほど、静電駆動原理に基づくものが有利となる。この種
のリレーは例えば特開平８−５０６６９０号公報及び特
開平８−２５５５４６号公報に開示されている。

【０００３】特開平８−５０６６９０号公報（公知例
１）には、休止状態において舌片状可動子の平面可動電
極に対して、対向する面状固定電極が固定子基板上の固
定接点近傍の斜め面取り部に設けられた静電マイクロリ
レーが開示されている。その基本的な構造は図７に示す
ように、シリコンからなる可動子基板１をエッチングし
て舌片状の可動子２を可動子基板１に一体に形成し、可
動子２の下面に可動電極５，可動接点７，及び圧電層
３，圧電層電極５’，１１’を設ける。可動子２の一端
は可動子基板１に弾性的に結合されている。固定子基板
１０の上面に一部斜め面取り部１６を形成し、一部斜め
面取り部１６に固定電極１１と固定接点１３を設ける。
可動子基板１と固定子基板１０は、周辺部で接合され、
休止状態では、固定電極１１は可動子２の先端に向かっ
て次第に可動電極５の平面から離れるため、両電極５，
１１間には、ほぼ楔状の空隙１４が形成される。

【０００４】可動電極５と固定電極１１の間に電圧を印
加すると、これらと並列に接続された圧電層電極５’と
１１’の間にも電圧が印加され、可動電極５は固定電極
１１に向かって静電引力により吸引されるとともに、可
動子２は圧電層３によって固定電極１１に向かって撓
み、接点７，１３が閉じる。

【０００５】また特開平８−２５５５４６号公報（公知
例２）には、休止状態において平面固定電極に対して、
対向する舌片状可動子の可動電極が平面固定電極から次
第に離れるように連続的に湾曲する形状を有する静電マ
イクロリレーが開示されている。その基本的な構造は図
８に示すように、シリコンからなる可動基板１を選択的
にエッチングして可動子２を形成し、可動子２の下面に
可動子シリコン層に応力を生じさせる応力付与層４を付
着して可動子２を上方に湾曲させている。さらに、可動
子２に可動電極５と可動接点７を形成している。

【０００６】一方、固定子基板１０上面の可動電極５及
び可動接点７に対向する位置に、固定電極１１及び固定
接点１３を形成している。可動子基板１と固定子基板１
０は周辺部で接着され、休止状態では可動子２は自由端
に向かって次第に平面固定子電極から離れるように連続
的に湾曲し、両者の間には楔状の空隙１４が形成され
る。

【０００７】図９は可動子基板の底面図である。可動子
２の自由端は、二つのスリット８によって、１つの可動
接点ばね部９と、可動接点ばね部９の両側に位置する２
つの可動電極部５とに分離されており、可動電極５が固
定電極１１に吸引されたとき、可動接点ばね部９は弾性
的に撓んで接点に接触力を生ずる。可動電極５と固定電
極１１との間に電圧源１５から電圧が印加されると、可
動子２は固定端に近い部分程大きな静電引力を受け、根
元から先端に向かって順次固定電極１１に吸引される。
湾曲した可動子２は固定電極１１上に展延され、可動接
点７は固定接点１３に接触する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示した公知例１では、可動子に圧電駆動部を付加しなけ
ればならず、構造が複雑となり、製造性が劣るという課
題があった。

【０００９】その理由は、公知例１では完全な楔状空隙
が形成されず、可動子２の根元部に空隙が残存するた
め、可動子２の運動開始時に可動電極と固定電極との間
に生じる静電吸引力が小さくなってしまう。従って、こ
の不足分を補うため、圧電駆動部が必要となるためであ
る。

【００１０】また、図８に示した公知例２では、可動電
極と固定電極の間の空隙あるいは可動接点と固定接点の
間の空隙が大きくなってしまい、動作電圧が高くなる、
あるいは接点接触力が低くなるという課題があった。

【００１１】その理由は、公知例２では、可動子が応力
付与層によって本来必要な長さ方向の湾曲だけでなく、
幅方向にも湾曲が生じてしまう。このため、可動子の可
動接点ばね部の両側に可動電極が配置される場合には、
可動電極と固定電極の間の距離が大きくなり、動作電圧
が高くなる。また、可動電極の両側に可動接点ばね部が
配置される場合には、可動接点と固定接点の間の距離が
大きくなり、接点の接触力が低下するためである。

【００１２】本発明の目的は、小形化、高感度化、低消
費電力化するとともに、一括組立による生産性を向上さ
せる静電マイクロリレーを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る静電マイクロリレーは、可動子基板
と、固定子基板とを有する静電マイクロリレーであっ
て、前記可動子基板は可動電極と可動接点とを備え、前
記固定子基板は固定電極と固定接点とを備え、可動電極
と固定電極との間に発生する静電引力によって可動接点
を固定接点に接触させるものであり、前記可動子基板の
可動電極は、平面形状に成形されたものであり、前記固
定子基板の固定電極は、前記平面形状の可動電極の先端
に向かって次第に該可動電極から離れるような凸状の曲
面形状に成形されたものであり、 前記固定子基板は、リ
ードフレームを有機樹脂でインサートモールドすること
によって形成されたものであり、 該リードフレームは、
パターン加工され、前記固定電極に相当する部分が前記
可動電極に対して凸状の曲面をなすように曲げ加工され
たものである。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【作用】本発明では、固定電極１１を曲面形状に成形す
ることによって、可動電極５と固定電極１１の間に完全
な楔状空隙を確保し、可動子２の運動開始時に可動電極
５と固定電極１１の間に大きな静電吸引力を得る。この
ため、圧電駆動を併用する必要がなくなる。

【００２０】次に、可動子２に応力を生じさせるための
膜を形成しないため、可動子２は平面形状に保型され、
望ましくない幅方向の湾曲は生ぜず、電極間隔や接点間
隔は、所定の値となる。従って、望ましくない動作電圧
の上昇や接点接触力の低下を避けることが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。

【００２２】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る静電マイクロリレーを示す断面図である。

【００２３】図１において、可動子基板１は、例えばシ
リコンからなり、選択的なエッチングによって可動子２
をエッチング加工により一体に形成している。可動子２
は、一端が可動子基板１に固定され、先端が自由な片持
ち梁ばねであり、可動子２の下面には、例えば金属の蒸
着によって可動電極５と可動接点７が互いに絶縁されて
形成されている。

【００２４】また、固定子基板１０は、例えばシリコン
からなり、可動電極５に対向する位置に、例えば電気化
学エッチングによって上方（即ち、可動子基板１側）に
凸状の曲面部１０ａを形成し、凸状の曲面部１０ａに金
属膜を蒸着することによって固定電極１１を形成してい
る。固定電極１１は、絶縁層１２で被われている。

【００２５】また、固定子基板１０の可動接点７に対向
する位置には、固定接点１３が固定電極１１と絶縁して
形成されている。可動子基板１と固定子基板１０は、周
辺部で接着されるが、可動電極５と固定電極１１は、絶
縁膜１２によって絶縁される。また、可動子基板１上の
可動電極５と可動接点７は、接続パッドを経由して固定
子基板１０上の引出し配線に接続されている。可動子基
板１上にシリコン基板の蓋（図４の符号２０を参照）を
接着すれば、固定子基板１０の配線引出しパッドを除い
て、可動子２の周囲の空間は密閉される。これら接着さ
れた三層の基板をリードフレーム上に接着固定し、固定
子基板１０上の配線パッドとリードフレームとの間をワ
イヤボンド接続したのち、パッケージモールドを行う。

【００２６】図２は、可動子基板１の底面図である。可
動子２には、先端の自由端近くでスリット８によって、
可動電極部５と可動接点ばね部９に分離して形成してい
る。本発明の実施形態１では、可動子２の中央部に１つ
の可動電極５を形成し、可動電極５の両側に可動接点ば
ね部９をスリット８で分離して形成している。可動接点
ばね部９には、可動接点７と、可動接点７を可動子基板
１の端部の接続パッドに接続する接点配線６とが配置さ
れている。可動電極５は、可動子２に金属膜を成膜して
形成されており、可動電極５は、電極配線により可動子
基板１の端部の接続パッドに接続されている。

【００２７】図３は、固定子基板１０の固定電極１１を
凸状の曲面に形成する方法の一例を示す図である。

【００２８】まずｐ型基板２１の底面の一部にｎ型不純
物を付着させて拡散を行う。この拡散に伴って、ｐ型基
板２１とｎ型領域２２と間のｐｎ接合面１７は、上方に
凸状の曲面として形成される。またｎ型領域２２のエッ
チング処理をしない領域はマスク１８で被覆して置く。
次に図３に示すように、ｎ型領域２２に電極を取り付
け、ｐ型基板２１を電解エッチング液１９中に浸漬さ
せ、電解エッチング液１９中でｎ型領域２２のみ陽極酸
化される電位を与えて電気化学エッチングを行う。この
エッチング処理が進行して、エッチングがｎ型面に達し
たとき、その表面には酸化膜が形成され、ｎ型層はエッ
チングから保護され、ｐｎ接合面１７に沿って凸状の曲
面が得られる。これを、凸状の曲面を有する固定子基板
１０の固定電極１１として使用する。

【００２９】次に本発明の実施形態１に係る静電マイク
ロリレーの動作について説明する。平面状の可動電極５
と曲面状の固定電極１１の間には、絶縁膜１２を介して
楔状の空隙１４が形成されている。両電極５，１１間に
電圧源１５から電圧が印加されると、電極５，１１間に
距離の二乗に反比例する静電引力が作用するため、可動
子２は、固定端に近い部分ほど固定子基板１０側に強く
引き付けられる。

【００３０】従って、可動子２は、基部の固定端に近い
部分から先端の自由端に向かって順次撓み、可動子２の
可動電極５が固定子基板１０の固定電極１１に静電吸引
力によって吸引される。可動子２の可動電極５が固定電
極１１に吸引されると、可動接点ばね部９も、これに連
動し、可動接点７が固定接点１３に接触する。可動電極
５が固定電極１１に完全に吸引されると、可動接点ばね
部９が撓んで接点７，１３に接触力を与える。電極５，
１１間の電圧を除くと、静電吸引力は消滅し、可動子２
は、その弾性復元力により復旧する。

【００３１】（実施例２）次に、本発明の実施形態２に
ついて図面を参照して説明する。

【００３２】図４は、本発明の実施形態２を示す断面図
であり、図５は、可動子基板の底面図、図６は、固定子
基板の平面図である。

【００３３】実施形態２において、図４及び図５に示す
ように可動子基板１の構成は、実施形態１のものと同じ
構成になっている。

【００３４】実施形態２の固定子基板１０は、リードフ
レーム１１ａを有機樹脂でインサートモールドすること
によって形成されており、リードフレーム１１ａは、パ
ターン加工され、固定電極１１に相当する部分が可動電
極５に対して凸状の曲面をなすように曲げ加工されてい
る。またリードフレーム１１ａは、絶縁膜１２によって
被覆されている。

【００３５】また固定子基板１０は固定接点１３に対応
する部分が開口され、開口１０ｂ内にリードフレーム１
１ａが露出し、露出したリードフレーム１１ａに固定接
点１３をなす接点金属がメッキされている。また、リー
ドフレーム１１ａは、可動電極５に接続する引出し接続
部１１ｃ、可動接点７に接続する引出し接続部１１ｄ，
１１ｅの箇所も絶縁膜１２を除去された後、半田メッキ
される。可動子基板１は上面に蓋２０が接着された後、
固定子基板１０に接着される。接着された三層の基板は
パッケージモールドされる。

【００３６】本発明の実施形態２に係る静電マイクロリ
レーは、実施形態１と同様に動作する。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、可動電極
を平面形状に保型し、固定電極を可動電極に対し凸状な
曲面形状に保型することにより、可動電極と固定電極間
に完全な楔状空隙が形成され、この空隙先端部に大きな
静電吸引力を発生させることができ、可動子の運動開始
時に可動電極と固定電極間に大きな静電引力を得ること
ができ、圧電駆動を併用する必要がなくなる。

【００３８】また本発明では、可動子に応力付与層を設
けることがなく、可動電極の幅方向に湾曲を生じること
を防止でき、このため、可動電極と固定電極の間の距離
を拡大することがなく、したがって動作電圧を高くする
必要がなく、リレーの動作電圧の上昇や接点接触力の低
下を回避することができる。

【００３９】また前記可動子基板にはエッチングにより
可動子を一体的に形成する、或いは固定子基板は、リー
ドフレームを有機樹脂でインサートモールドすることに
よって形成し、リードフレームをパターン加工し、固定
電極に相当する部分を可動電極に対して凸状の曲面をな
すように曲げ加工するものであり、汎用の製造方法を利
用して生産性を向上させることができる。

【００４０】また固定子基板は、エッチングにより固定
電極を設置する面を凸状の曲面に形成するため、汎用の
製造方法を利用して生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す断面図である。

【図２】本発明の実施形態１における可動子基板の底面
図である。

【図３】本発明の実施形態１における固定電極のための
曲面を形成する方法の一例を示す図である。

【図４】本発明の実施形態２を示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態２における固定子の底面図で
ある。

【図６】本発明の実施形態２における固定子基板の平面
図である。

【図７】従来の公知例１に係るリレーの断面図である。

【図８】従来の公知例２に係るリレーの断面図である。

【図９】従来の公知例２のリレーの可動子基板を示す底
面図である。

【符号の説明】

１ 可動子基板 ２ 可動子 ５ 可動電極 ７ 可動接点 ８ スリット ９ 可動接点ばね部 １０ 固定子基板 １１ａ リードフレーム １１ 固定電極 １３ 固定接点 １７ ｐｎ接合面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動子基板と、固定子基板とを有する静
   電マイクロリレーであって、 前記可動子基板は可動電極と可動接点とを備え、前記固
   定子基板は固定電極と固定接点とを備え、可動電極と固
   定電極との間に発生する静電引力によって可動接点を固
   定接点に接触させるものであり、 前記可動子基板の可動電極は、平面形状に成形されたも
   のであり、 前記固定子基板の固定電極は、前記平面形状の可動電極
   の先端に向かって次第に該可動電極から離れるような凸
   状の曲面形状に成形されたものであり、 前記固定子基板は、リードフレームを有機樹脂でインサ
   ートモールドすることによって形成されたものであり、 該リードフレームは、パターン加工され、前記固定電極
   に相当する部分が前記可動電極に対して凸状の曲面をな
   すように曲げ加工されたものである ことを特徴とする静
   電マイクロリレー。